KR20000019058A - 유기성 쓰레기의 혐기성 분해에 의한 처리방법및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혐기성 발효에 의해 유기성 쓰레기를 처리하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 방법에서는 유기성 쓰레기를 물의 첨가나 물의 제거없이 발효조에 투입하여 교반하지 않고 체류시키므로써 발효조내에 고형물 농도구배와 pH 구배를 형성하고, 발효조로부터 배출되는 발효물 또는 발효물 탈수시 생성되는 폐수 등을 새 유기성 쓰레기와 혼합하여 발효조로 재투입하므로써 발효물의 고형물 농도를 20∼40%로 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치는 발효조, 발효조에 쓰레기를 투입하기 위한 투입회선, 발효물 반송을 위한 반송회선, 발효물의 배출장치, 발효물의 탈수장치, 유기성 쓰레기와 발효물을 혼합하기 위한 혼합장치 등으로 이루어진다.

Description

유기성 쓰레기의 혐기성 분해에 의한 처리방법 및 그 장치

본 발명은 유기성 쓰레기를 고온 또는 중온에서 혐기성 발효에 의해 생화학적으로 분해하면서 생성되는 바이오가스는 포집하여 활용하는, 공간적, 시간적으로 고효율의 유기성 쓰레기 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 명세서에서 "유기성 쓰레기"라 함은 생화학적으로 분해되지 않는 물질이 거의 없는 부엌 배출 음식물 찌꺼기 또는 소위 바이오쓰레기(Biowaste)라 불리는 분리 수거한 생할 쓰레기, 생화학적으로 쉽게 분해되는 슬러지, 공공단체와 공단지역에서 배출되는 현탁액, 식료품을 다루는 공장이나 영업소에서 배출되는 예를 들면 맥주 공장, 소주 공장, 통조림 공장, 전분공장, 설탕 공장, 또는 도매시장, 간이식당, 음식점, 패스트후드 식당들, 도살장, 항생제 생산 및 원예와 관련한 다른 모든 경제적 분야에서 배출되는 생물 쓰레기를 말한다.

유기성 쓰레기의 생화학적인 처리방법으로는 호기성 퇴비화 방법이 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 혐기성 발효법이 개발되어 점차 선호되고 있는 추세이다. 이와같이 호기성 퇴비화 방법보다 혐기성 발효법을 선호하는 경향이 증대하고 있는 이유는 호기성 퇴비화시설에서는 얻을 수 없는 바이오가스를 생산하여 에너지원으로서 사용하므로써 화석에너지의 사용을 줄일 수 있다는 잇점과 혐기성 발효법은 공기의 이동이 적고 밀폐된 공간속에서 발효가 이루어지므로 위생적인 처리 및 악취발생을 억제하는 장점이 있기 때문이다.

그외에 유기성 쓰레기를 혐기성 발효법으로 처리하는 중요한 목적은 쓰레기 용적의 감량, 유기성 쓰레기의 안정, 비료 또는 토양 개선을 위한 유기물질의 환원, 쉽게 분해되는 물질에서 얻은 에너지의 공업적 사용 등을 들 수 있다.

유기성 쓰레기의 혐기성 분해시 유기성 탄화수소 화합물은 산소가 결핍된 폐쇄 상태에서 생화학적으로 보유에너지가 적은 탄산가스(CO₂)와 보유에너지가 많은 메탄가스(CH₄)의 혼합물인 바이오가스로 변환된다. 약간의 예외적인 경우를 제외하면 대부분의 유기성 물질은 혐기적인 조건하에서 분해된다.

유기성 쓰레기의 혐기적 분해과정은 한 단계로 이루어지는 것이 아니라, 서로 다른 그러나 서로 관계가 있는 미생물 군의 존재하에, 가수분해 과정, 산 생성 과정(acidogene phase), 초산 생성 과정(acetogene phase), 메탄 생성 과정(methanogene phase)의 4단계의 과정을 거쳐 이루어진다.

상기한 각 단계들은 pH, 온도 등의 최적조건들이 다르며, 관여하는 미생물군도 단계별로 다르다.

통상 쓰레기의 발효 과정에서 높은 공간-시간 효율을 얻고자 하는 것이 반응 기술의 핵심적인 과제이다. 그러나 유기성 쓰레기의 특수한 경우에서 보는 바와 같이 화학적인 분해가 복합적으로 일어나는 혼합물일수록 이 조건을 만족하기가 더욱 어려워진다.

따라서 여러 중간 단계들을 거쳐 일어나는 유기성 쓰레기의 혐기성 분해처리시에는 관여하는 미생물들의 다양성과 그들의 서로 다른 생성 시간, 그리고 산 생성과 메탄 생성 사이의 복잡한 상호작용 등 여러요건을 고려해야 한다.

지금까지 개발된 유기성 쓰레기의 혐기성 분해법으로는 습식법과 건식법이 있는데, 종래에는 처리의 용이성 등을 고려하여 주로 습식법이 이용되어 왔다. 습식법이란 발효단계전의 사전처리단계에서 유기성 쓰레기의 고형물 함량이 중량 기준으로 10∼15% 정도가 되도록 별도로 물을 가한 다음, 죽 상태의 유기성 쓰레기를 발효조내에서 혐기성 분해시키는 것을 말한다. 이러한 습식법에는 1단계 습식법과 2단계 습식법이 있다.

1단계 습식법이란 물을 가한 유기성 쓰레기를 하나의 발효조내에서 교반하여 뒤섞으면서 발효시키는 방법으로서, 이 방법은 공정이 단순한 장점은 있으나 반응최적조건들이 서로 다른 가수분해, 산의 생성, 초산의 생성 및 메탄가스의 생성이 하나의 발효조내에서 교반에 의해 조성된 동일조건하에서 이루어지기 때문에 혐기성 분해가 최상의 효율상태에서 진행되지 못하여 분해효율이 떨어지고 처리시간이 10∼25일정도로 길어지는 문제점이 있다.

이러한 1단계 습식법의 문제점을 해소하기 위하여 혐기성 분해의 각 반응 단계마다 반응 최적 조건을 제공할 수 있도록 2개의 발효조를 이용하는 2단계 습식법이 개발되었다. 2단계 습식법에서는 가수분해와 산생성반응이 일어나는 발효조와 메탄생성 반응이 일어나는 발효조가 서로 분리되어 있다. 2단계 습식법은 분해효율이 우수하여 발효조에서의 체류기간이 수일정도로 짧은 장점이 있으나, 많은 양의 물이 필요하고 그에 따라 폐수의 양도 증가하며, 어떤 경우에는 가성소다와 같은 화학약품이 추가로 필요하게 되고 내식성 재료의 비싼 장치와 복잡한 제어 설비들도 필요하게 되는 단점이 있다.

이상과 같은 습식법과 달리 건식법은 유기성 쓰레기에서 물을 제거한 후에 처리하는 방법인데, 이 건식법의 경우에는 투입되는 쓰레기의 고형물의 함량이 높아서 혼합공정이 곤란하여 이를 위한 설비가 요구되는 등 설비상의 문제가 있고, 발효단계에서는 결국 별도의 공정수의 투입이 요구된다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해소할 수 있도록 분해효율이 우수하면서도 간단한 설비에 의하여 이루어질 수 있는 공간-시간적 고효율의 유기성 쓰레기 혐기성 분해방법 및 그를 위한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 발효조, 2 투입회선,

5 배출장치, 6 혼합장치,

8 이송배관, 11 스크류컨베이어,

13 중간저장탱크, 15, 16 이송스크류,

19 탈수장치, 32 반송회선.

본 발명자는 상기한 목적을 달성하기 위하여 예의 연구한 결과, 유기성 쓰레기에 별도의 물을 첨가하거나 물을 제거하는 사전처리를 하지 않은 상태에서 접종물질과 함께 발효조내에 투입한 후 교반하지 않고 그대로 체류시킬 경우 발효가 진행됨에 따라 발효조 하부에서는 혐기성 분해가 많이 진행되어 물이 많이 생성된 상태가 되고 발효조 상부쪽으로 갈수록 혐기성 분해의 진행정도가 낮아서 고형물의 함량이 높은 상태가 되어, 발효조내부에서 자연스럽게 고형물의 농도구배가 형성된다는 사실과, 발효의 진행과 더불어 발효된 반응물 보다 비중이 가벼운 고형 유기성분은 농축되어 발효조의 상부에 모이게 되어 발효조의 상부는 혐기성 분해의 첫단계인 가수분해 반응에 유리한 약 pH 7의 조건이 되고, 발효조의 하부는 혐기성 분해의 최종단계인 메탄생성에 유리한 약 pH 8∼8.3의 조건이 되어 하나의 발효조내에서 그 위치에 따라 혐기성 분해의 각 단계별 최적조건이 형성되며, 이러한 최적의 반응조건은 발효조로부터의 발효물의 고형물 농도(건조상태의 물질농도)가 중량기준으로 20∼40%가 되도록 조절할 경우 달성된다는 사실을 밝혀내어, 간단하고 규모가 작은 설비와 단순한 공정에 의해 효율적으로 유기성 쓰레기를 처리할 수 있는 본 발명을 완성하게 되었다.

즉, 본 발명은 생물학적으로 분해가능한 유기성 쓰레기를 물의 제거나 물의 첨가없이 반건식법으로 처리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 방법에 의하면 새로이 처리될 유기성 쓰레기는 물의 첨가나 제거없이 그 상태대로 혼합기에서 접종물질과 섞어서 발효조 상부로 투입되며, 발효조내에서는 교반조작없이 혐기성 분해가 진행되어 pH 구배형성과 동시에 발효조내부에서 고형물 농도구배가 형성되어 발효조 상부에서는 고형물의 농도가 높고 발효조 하부로 갈수록 고형물 농도가 감소하게 되며, 발효조로부터 반출되는 발효물의 고형물 함량이 20∼40%가 되도록 조절된다.

본 발명의 방법에 있어서 발효조의 초기 운전시에는 가능한 한 빨리 미생물 박테리아의 오반응없이 정상 상태의 운전에 도달할 수 있도록 다른 곳으로부터 접종물질이 조달되어야 한다. 접종물질이 없으면 정상 상태의 운전에 도달하기 위하여 경우에 따라서는 몇 달도 걸릴 수 있다. 알맞은 접종물질이 있으면 4주 후면 벌써 정상적인 발효 상태에 도달할 수 있다. 그와 같은 접종물질은 유기성 쓰레기가 고온성 조건에서 약간 건조하게 운전중인 다른 발효조에서 취하는 것이 가장 바람직하다. 그외 하부 처리장의 부패 탱크나 유기성 쓰레기가 잘 발효되고 있는 습식 발효조에서 나오는 탈수한 반응물이나 유기성 폐수 슬러지 또는 오수와 그외 생화학적으로 분해되는 유기성 물질을 사용할 수 있다. 발효초기에 투입되는 접종물질의 고형물 함량은 다루기가 편리하도록 20∼35%가 바람직하다. 하지만 고형물농도가 15%까지 낮은 것도 사용할 수는 있다.

이와같이 다른 곳에서 발효된 접종물질을 투입하는 것은 발효 개시시에만 필요하며, 발효가 진행되면 발효조에서 배출되는 발효물을 접종물질로 재사용할 수 있으므로 별도의 접종물질의 투입은 필요하지 않다. 즉, 본 발명의 방법에서는 발효조로부터 배출되는 발효물의 일부를 새로운 쓰레기와 혼합하여 발효조로 재투입하게 된다.

본 발명에서 중요한 특징은 발효물의 고형물 농도를 20∼40%로 조절한다는 것이며, 이는 발효물의 고형물 농도가 20% 미만일 때에는 발효조로 재투입되어 접종물질로서의 기능을 하게 되는 발효물의 고형입자에 붙어 있는 메탄 박테리아의 밀도가 급격하게 감소하므로 이로인해 쓰레기의 혐기성 분해에 장애를 일으킬 수 있고, 고형물 농도가 40% 이상이면 이동성이 나빠지고 오히려 분해효율을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다. 고형물 농도를 상기 범위로 조절하기 위한 방법으로서, 본 발명에서는 발효물의 고형물 농도가 매우 낮은 경우에는 발효조 아래 부분의 적당한 위치 특히 발효조 체적의 25% 내지 70%에 해당하는 높이의 위치로 탈수된 발효물을 재투입한다. 이와는 반대로 발효물중의 고형물 농도가 너무 높은 경우에는 발효물의 탈수과정에서 생긴 폐수나, 묽은 슬러지 또는 축산폐수 등을 반응의 최적조건을 유지하기 위하여 발효조 내로 투입한다. 이러한 방법에 의하여 다른 특별한 조치 없이도 본 발명에서 요구되는 발효물의 고형물 농도를 20∼40%로 조절할 수 있고, 이러한 발효물의 상당부분은 새로 투입되는 쓰레기와 섞여 박테리아의 접종물질로 이용되도록 발효조의 상부로 투입관을 통하여 재투입된다. 이로써 유기성 쓰레기의 투입량과 관련하여 최적의 반응 상태와 분해 조건을 계속적으로 조절할 수 있고, 이로인해 연속 운전시 잘 알려진 다른 방법과 비교할 때 본 발명의 방법은 발효조의 단위 체적 및 단위 시간당 수익률이 더 높아질 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 유기성 쓰레기의 혐기성 분해를 수행하기 위한 본 발명의 장치는 핵심 부분인 발효조와, 발효조 상부에서 쓰레기를 투입하는 수단, 발효물의 재투입을 위한 수단, 발효물의 탈수수단, 탈수한 물질 또는 폐수와 발효물을 발효조 바닥에서 꺼내어 이송하기 위한 수단, 발효조에서 배출한 발효물과 발효시키기 위해 새로 투입될 유기성 쓰레기를 서로 섞는 혼합장치를 포함한다.

본 발명의 특징들을 좀 더 잘 설명하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 본발명을 한정함이 없이 실례를 들어 본 발명의 방법 및 그를 위한 장치를 설명하고자 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 발효조(1), 발효조에 쓰레기를 장입하기 위한 투입회선(2), 발효물의 반송을 위한 반송회선(32), 발효물의 배출장치(5), 발효물의 탈수장치(19), 새로 투입되는 유기성 쓰레기(24)를 발효물(10)과 혼합하여 박테리아를 접종하기 위한 혼합장치(6)를 포함한다.

본 발명의 장치에서 고형물의 농도구배 형성이 보다 잘 이루어지도록 하기 위한 발효조(1)의 높이 H와 지름 D의 가장 좋은 비율의 범위는 H:D=1.3∼4:1 이며, 바람직하게는 H:D=1.66∼2.5:1 이다. 발효조의 바닥은 발효물을 스크류 컨베이어로 사공간 없이 꺼내어 이송하기 위하여 스크류컨베이어를 향하여 경사져 있어서 스크류컨베이어의 수에 따라 여러갈래로 나누어진 모양으로 형성된다. 발효조 측면에는 발효조 아래부터 계산하여 전체 높이의 25%에서 70% 사이, 바람직하게는 30%와 50% 사이에 배관 플랜지들을 부착하여 상기한 바와 같은 발효 공정상 최적의 고형물 농도범위가 되도록 조절하기 위하여 발효물을 재공급하도록 되어 있다.

발효조의 투입회선(2)은 피스톤 펌프(7), 열교환기(9)가 부착된 이송배관(8) 및 자동 개폐장치(4)와 함께 한 개 내지 여러 개의 관(3)으로 이루어진 장입시스템으로 구성되어 있다.

반송회선(32)은 발효물을 선택적으로 탈수하여 발효조(1)로 반송하는 컨베이어(33), 수송관(8)으로부터 발효조(1)로 연결되는 인입관(34), 자동 개폐 장치(35),(36) 및 (37)로 구성되어 있다.

발효물의 배출장치(5)는 발효조의 바닥에 조립된 스크류 컨베이어(11), 인입 및 배출관 입구에 각각 자동 개폐 장치(12)와 (14)가 있는 중간 저장 탱크(13)으로 구성되어 있다. 중간 저장 탱크(13)은 한쪽으로는 이송 스크류(15)와 자동 개폐 장치(27)을 지나 혼합장치(6)과 연결되어 있고, 또 다른쪽으로는 이송 스크류(16)과 개폐 장치(20)이 있는 짧은 관을 지나 응집제(21) 투입을 위한 혼합장치(18) 및 탈수장치(19)와 서로 연결되어 있다.

탈수장치(19)에는 혼합탱크(18)과 개폐장치(22)가 설치된 짧은 관을 지나 발효물이 공급되는 데, 핵심 장치로는 나선형 압축기(screw press)와 선택적으로 피스톤식 압축기나 경사기(윗물을 가만히 기울여서 따르는 탈수장치) 등이 포함될 수 있다. 탈수한 폐수는 배수관(29)를 통해 저장 탱크(도시안함)로 보내지는데 이 저장 탱크는 필요한 경우 폐수의 후속 처리를 위한 중간 단계로서 또는 발효물의 고형물 농도를 조절하기 위해 폐수를 혼합장치(6)으로 되돌려 보내기 위한 예비 탱크로 사용된다. 탈수 후 남은 고형물은 배출구(30)을 통해 반출되어 컨베이어(31)에 의해 주로 퇴비를 만드는 사후 공정으로 이송되며, 필요에 따라서는 발효물의 고형물 농도를 조절하기 위해 혼합장치(6)으로 반송된다.

혼합장치(6)는 피스톤 펌프(7)과 새 유기성 쓰레기 및 탈수된 발효물을 혼합기 안으로 공급하는 컨베이어(24)와 연결되어 있고, 자동 개폐 장치(26)이 달린 운송관(25), 그리고 추가로 필요한 경우 묽은 슬러지와 반응 혼합물의 가열을 위하여 증기의 유입을 위하 배관 접속부(23)과 (39)와 연결된다.

발효조(1)의 상부에서는 생성된 바이오가스가 배기관(28)을 통해 배출되어 바이오가스 탱크(도시안함)로 포집된다. 생성된 바이오가스는 전기 생산을 위한 바이오가스엔진에 사용되며, 엔진의 순환 냉각 장치에서 나오는 85∼90℃의 냉각수는 발효조내의 반응물을 가열하기 위한 열교환기(9)에서 사용된다.

만약 발효조(1)의 상부에 생성된 바이오가스가 마찰 없이 배기되는데 장애가 될 만한 조밀한 부유물의 층이 생기면, 이 막을 부수기 위하여 압축된 바이오가스를 배관(38)을 통하여 투입할 수 있다.

본 발명의 장치는 상기한 예에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 변경이 가능하다. 예를들면 발효조 바닥에 설치된 스크류 컨베이의 수는 도 1에서는 2개이지만 그 수를 필요에 따라 조정할 수 있으며, 탈수장치도 1개 이상 설치할 수 있다.

상기한 본 발명의 장치는 다음과 같은 방법으로 사용되며 운전된다.

전체 발효 설비의 운전 개시를 위하여 발효조(1)은 우선 투입회선(2)를 통하여 전술한 바와 같이 다른 곳으로부터 얻은 발효물 등의 접종물질로 채워져야 한다. 보통 초기에는 발효조 체적의 1/3을 접종물질로 채운다. 접종물질은 열교환기(9)를 이용하거나 또는 직접 증기공급기(39)로 증기를 공급하여 50∼60℃, 가능하면 55℃의 고온성으로 운전할 수 있도록 가열한다. 중온성 운전방법도 가능하지만 분해 속도가 낮아서 단위 공간 및 단위 시간당 수익률이 낮아질 수 있다. 모든 접종물질의 온도를 일단 올리고 나면 배출장치(5)와 이송 스크류(15)를 이용하여 접종물질은 컨베이어(24)를 통해 반입된 입자 크기가 최고 50㎜ 정도인 새로운 유기성 쓰레기와 혼합장치(6)에서 뒤섞여진다. 접종물질과 새 쓰레기의 혼합비는 3:1 이상이어야 하나 최고 8:1이 넘지 말아야 한다. 그런다음 피스톤 펌프(7), 이송배관(8), 열교환기(9), 분배관(3)이 달린 투입회선(2)로 이루어진 발효 순환 계통을 거쳐 새 쓰레기와 접종물질의 혼합물이 발효조로 공급되며, 이런 과정은 정상 운전 상태가 될 때까지 계속 반복된다. 이러한 반복과정 및 그 이후의 발효처리에서는 별도의 접종물질의 투입은 필요치 않고, 발효조로부터 배출되는 발효물의 일부를 접종물질로 재사용하게 된다.

발효물속에 있는 많은 양의 활성화된 박테리아 군(집단)을 통하여 발효조 안에는 pH값과 고형물농도의 구배가 생기는데, 이것은 주로 유기성 쓰레기의 고형물 함량과 공급 상태에 의해서 결정된다.

보통의 경우 유기성 쓰레기들은 특히 외기 온도가 따뜻할 때 수집 탱크내에서 필요한 체류시간을 통하여 유기성분의 초기 분해과정으로 넘어간다. 긴 시간 동안 측정한 결과 이때 pH의 평균값은 4 내지 5에 이른다. 새로 공급되는 유기성 쓰레기의 pH 값이 4 내지 5에 이르지 않는다면 pH 값이 이 값에 이르도록 중간 저장을 할 수 있다. 이 과정은 저장 조건을 조절할 수 있는 경우 15℃ 이상의 온도 하에서 일반적으로 2∼3일 가량 걸린다. 산성화된 유기성 쓰레기는 스레기의 질에 따라 대소간의 기계적인 전 처리를 하여 최고 50㎜의 입자크기로 파쇄되어 컨베이어(24)를 이용하여 혼합장치(6)으로 이송되고 그 곳에서 이송 스크류(15)를 통해 운반된 발효물과 섞여진다. 이 혼합물은 유기성 쓰레기의 화학적 성분에 따라서 pH 값의 범위가 약 8 내지 8.3인 상태이다. 새로 유입된 산성 쓰레기가 알칼리성의 발효물과 혼합되면 접종효과로 인해 화학반응이 나타나서 pH 값이 감소되고 메탄화를 위한 전 단계가 조성된다. 발효물과 새로 투입된 쓰레기의 혼합비는 1:3 내지 1:8이 선호된다. 더 높은 혼합비율도 반응 기술적으로 가능하나 그 경우 발효조의 효율이 감소된다. 이렇게 조성된 매우 활성화된 반응 조건들을 통하여 대부분의 유기성 물질들은 짧은 시간 안에 격렬한 바이오가스 생성과 수분함량의 증가하에 혐기성 분해가 이루어진다.

발효물(10)의 고형물 함량이 20%에서 40%(수분 함량 60∼80%) 사이일 때 최상의 상태가 된다. 만약 고형물 함량이 20% 보다 상당히 감소하게 되면, 혼합장치(6)과 반송회선(32)를 통하여 압착된 발효물을 발효조 안으로 보내어 고형물 함량을 높이고, 또한 메탄화 반응시 물질교환 능률을 촉진시킨다.

발효조(1)에는 하루에 최대 8시간 동안 새 유기성 쓰레기가 투입된다. 같은 시간에 배출장치(5)와 탈수장치(19)를 통해 발효물들이 고형물 함량 50%의 상태로 탈수되어 반출되며 필요한 경우 응집제가 사용된다. 탈수 후 폐수는 다음 처리를 위하여 폐수 탱크에 보내지고 압착 고형물은 퇴비화 처리를 한다.

일상적으로 매일 투입주기가 끝나면 접종주기가 시작된다. 이를 위하여 투입주기 동안에 닫혀졌던 개폐기(36)과 (37)이 열리며, 개폐기(35)가 닫혀진다. 발효물(10)은 이송 스크류(15), 혼합장치(6), 피스톤 펌프(7), 열교환기(9)와 발효조로의 인입관(34)를 통과한다. 발효물(10)의 고형물 함량을 강화해야 하는 경우 탈수장치(19)에서 나오는 압착 고형물은 컨베이어(33)에 의해 혼합장치(6)로 이송되어 그곳에서 새 쓰레기 및 발효물과 뒤섞여진 상태로 발효조(1)로 이송된다. 그 후 보통 10∼12시간 동안 밤새 방치되며, 이 시간 동안에 고형물의 농도 구배가 형성된다. 매 처리 과정마다 생성되는 바이오가스는 배기관(28)을 지나 압축기로 흡입되어 가스 저장소 등에 보내진다. 발효조 내에 형성되는 부유층을 파괴해야 하는 부득이한 경우 배관(38)을 통하여 압축 바이오가스를 불어 넣는다. 이때 거품이 많이 생기는 것을 피해야 한다. 방치시간(10∼12시간)이 끝나면 다시 투입시간이 시작된다. 투입시간 동안에 새 쓰레기와 발효물의 혼합물의 투입량은 발효물의 배출량과 배출되는 바이오가스량과 일치한다. 새로이 투입되는 반응물(새 쓰레기＋발효물)의 양은 발효조내의 총 반응물량의 1/2을 넘지 말아야하며, 바람직하게는 1/3∼1/4의 범위로 투입되는 것이 좋다.

발효조 바닥에 설치되어 중간 저장탱크(13)으로 발효물을 이송하는 스크류컨베이어(11)은 분배 및 완충 역할 외에 갑문의 역할도 할 수 있다. 만약 발효물의 고형물 함량이 20% 이하로 떨어지면 질량흐름의 운반효율을 안정시키기 위하여 개폐기(12)와 (4)를 이용하여 조정하게 된다.

분해되어야 하는 새 유기성 쓰레기에 질소의 함량이 매우 높거나 또는 발효물이 매우 많이 분해된 경우 탄소성분이 많은 첨가제, 예를 들면 폐지, 폐목, 나무 껍질, 폐수 처리(종이 생산)에서 배출되는 찌꺼기 또는 호기성 처리를 통하여 질소화 혹은 탈질소화된 압착물을 발효조(1)안으로 넣어 주어 암모니움 질소의 함량이 발효물 1㎏당 4g이 넘지 않도록 하는 것이 좋다.

본 발명에 따르는 방법과 장치를 사용하면 이미 잘 알려진 종래의 다른 방법보다 더 높은 단위 체적과 단위 시간당의 수익을 얻을 수 있다. 본 발명의 방법은 1일에 발효조 체적 1㎥당 건조중량기준으로 7∼11㎏의 유기성 쓰레기를 처리하여 발효조 체적 1㎥당 5∼7㎥의 바이오가스를 생성할 수 있으며, 다른 방법과 비교하여 발효조 체적을 그만큼 작게 할 수 있다. 투입회선과 반송회선 사이의 물량 흐름의 비율은 2에서 4 사이가 적합하지만 1에서 10까지도 가능하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

실시예 1

D:H=1:2이며 체적이 22㎥인 발효조에 매주 7000㎏씩 분리 수거된 고형물 함량 30%의 유기성 쓰레기를 공급하였다. TOC(Total Organic Carbon : 총유기탄소) 함량은 고형물중 38% 이었고, 이중 90%가 생화학적 분해가 가능한 물질이었다. 새로운 투입물량 대 발효물의 비율은 1:5이었고, 반송 회선에는 새로 공급되는 물량의 2배 이상의 물량이 순환되었다. 판형 열교환기를 통하여 반응 온도가 55℃로 가열되었다. 18일간의 체류기간 후에 매주 1250㎏의 바이오가스가 생산되었다. 매주 6500㎏의 발효물이 배출되어 고형물 함량 50%로 탈수되었고, 이중 15%가 탈수된 상태에서 운반용 혼합기를 통하여 발효조에 반송되었다. 이와 같이 하여 발효물의 고형물 함량을 보다 높게 26∼28%로 유지할 수 있었다.

바이오가스는 발효조의 단위 체적(㎥)당 매일 6.5N㎥(tr)이 생산되었다. 바이오가스의 수익률은 투입 쓰레기 1톤당 144N㎥ 이었다.

실시예 2

실시예 1의 발효조에서 고형물 함량=32%와 TOC=37%인 유기성 폐기물을 매주 5000㎏ 발효하였다. 새로운 투입물량 대 발효물의 비율은 1:4이었으며, 새로운 투입물량 대 반송물량의 비는 1:2.5이었다. 25일간의 체류기간 후 매주 1130㎏의 바이오가스가 생산되었다. 매주 4600㎏의 발효물이 배출되어 고형물 함량 50%로 탈수되었다. 이중 약 20%가 탈수된 상태에서 발효조에 반송되었다. 발효물의 고형물함량은 27∼29%로 조정되었다. 바이오가스는 발효조의 단위 체적(㎥)당 매일 6.0N㎥(tr)이 생산되었다. 투입 쓰레기 1톤당 바이오가스의 수익률은 186N㎥ 이었다.

실시예 3

D:H=1:1.4이며 체적이 2000㎥인 커다란 발효조에 가정에서 분리수거된 유기성 쓰레기를 매주 380톤씩 공급하였다. 유기성 쓰레기는 고형물 함량이 31%이며 TOC가 37% 이었다. 매주 배출되는 발효물과 바이오가스의 물량은 똑같은 양의 새로운 유기성 쓰레기로 대체되어 발효물과 1:5의 비율로 발효조로 공급되었다. 이 투입물량에 대한 반송물량의 비율은 1:3에 달했다. 발효 혼합물은 혼합기에서 약 30톤의 증기에 의해 55℃로 가열되었다. 30일의 체류기간 후에 매주 85톤의 바이오가스가 생산되었다. 이 동안 390톤의 발효물이 배출되어 고형물 함량 50%로 탈수되었고, 이중 약 20%가 탈수된 상태에서 발효조로 반송되었다. 발효물의 고형물 함량은 26∼28%로 조정되었다. 바이오가스는 발효조의 단위 체적(㎥)당 매일 5.0N㎥(tr)이 생산되었다. 바이오가스의 수익률은 투입 쓰레기 1톤당 183N㎥ 이었다.

본 발명의 방법 및 장치는 모든 분해 가능한 유기성 쓰레기의 발효에 사용될 수 있다. 본 발명의 방법에서는 쓰레기를 한번 파쇄하고 스크리닝하는 기계적 전 처리 외에는 용해, 탈수, 가수분해 등의 다른 아무 처리가 필요 없고, 쓰레기에 물을 첨가하거나 제거할 필요도 없이 직접 발효조로 투입할 수 있다.

또한, 본 발명은 종래에 주로 사용되었던 2단계 습식법과 비교해 볼 때, 2단계 습식법에서는 가수분해와 메탄 생성이 별개의 분리된 장치에서 이루어지는 반면 본 발명의 방법은 하나의 발효조 안에서 발효물의 고형물 농도구배와 pH 값의 구배를 통하여 유리한 조건하에서 가수분해와 메탄생성이 이루어지며, 분해효율 및 바이오가스생성률이 매우 높은 장점을 갖는다. 또 습식법에서는 물질용해(이물질 분리를 위해)를 위한 장치와 가수분해조에서 원할한 순환과 고형물의 탈수를 위하여 교반장치 및 많은 양의 공정수가 사용되고 그에 따라 폐수발생량도 많지만, 본 발명에서는 그러한 문제점을 해소할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 방법은 질소 함량이 높은 분해 가능한 유기성 쓰레기의 발효에도 아주 적합하다. 이는 수용성의 암모니아 화합물이 반송회선을 지날때에 액체상에 축적되어 탈수 후 폐수에 의해 반출될 수 있기 때문이다. 이와 같이 하여 탈수된 발효물 분량에 의하여 발효조 안의 암모니아 화합물의 농도가 분해반응에 아무런 장애를 주지 않는 수준의 농도로 조정될 수 있다.

같은 방법으로 염분 농도가 높은 투입 쓰레기도 탈수 후 반송하는 발효물량을 증가시킴으로서 NaCl의 양을 감소시킬 수 있다. 이에 의해 현저하게 염분이 적은 퇴비를 생산할 수 있기 때문에 이것이 본 발명의 또 하나의 독특한 장점이다. 물이나 염분이 적은 폐수를 첨가함으로써 고형물의 농도를 기술적으로 최적의 분해 수준으로 유지할 수 있으며 결국 탈염 효과가 촉진될 수 있다.

기본적으로 물에 아주 잘 녹는 다른 모든 유해 물질의 처리시에도 본 발명의 방법이 응용될 수 있다.

본 발명은 상기한 설명이나 실행 방법으로만 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양하게 실행 방법을 변경할 수 있으며 반응방법도 다양할 수 있다.

Claims (14)

1. 유기성 쓰레기를 혐기성 분해에 의해 처리하는 방법에 있어서,

   하나의 발효조에 유기성 쓰레기와 발효물의 혼합물을 상부로부터 공급하는 단계와,

   상기 혼합물을 교반함이 없이 체류시키므로써 발효조내에 고형물 농도 구배와 pH 구배를 형성시키는 단계, 및

   발효조로부터 배출되는 발효물의 일부를 새로이 투입되는 유기성 쓰레기와 혼합하여 발효조로 재투입하는 단계를 포함하며,

   처리과정동안 발효물의 고형물 함량을 20∼40%로 조절하며, 생성되는 바이오가스를 수집하는 것을 특징으로 하는 유기성 쓰레기의 고효율 처리방법.
2. 제 1 항에 있어서, 유기성 쓰레기는 물의 첨가나 제거없이 발효물과 혼합되어 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 유기성 쓰레기와 발효물은 1:3∼1:8의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 발효조에 재투입되는 유기성 쓰레기와 발효물의 혼합물량은 발효조내의 총발효물량의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 재투입되는 발효물은 발효조 체적의 25∼70%되는 높이의 위치로 재투입되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 발효물의 고형물 함량의 조절은 유기성 쓰레기와 발효물의 혼합시 탈수처리한 발효물을 추가로 첨가하거나 또는 발효물 탈수시 생성된 폐수, 묽은 슬러지나 축산폐수를 첨가하므로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 발효조로부터 배출되는 발효물의 일부를 탈수처리하여 퇴비화하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 발효조(1), 발효조에 유기성 쓰레기와 발효물의 혼합물을 투입하기 위한 투입회선(2), 발효물을 발효조에 재투입하기 위한 반송회선(32), 발효물의 배출장치(5), 유기성 쓰레기와 발효물을 혼합하기 위한 혼합장치(6) 및 발효물의 탈수장치(19)를 포함하며, 상기 투입회선(2)은 혼합장치(6)로부터 발효조(1)의 상부로 연결되며, 상기 반송회선(32)은 상기 투입회선(2)으로부터 발효조 체적의 25∼70%가 되는 높이에서 발효조(1)로 연장되어 있으며, 상기 배출장치(5)는 발효조(1)의 바닥에 조립된 스크류컨베이어(11)와 발효조 배출구와 연결된 발효조 밑에 위치한 중간저장 탱크(13)로 이루어지며, 상기 혼합장치(6)는 상기 중간 저장탱크(13)의 배출구 및 상기 투입회선(2)와 연결되는 이송배관(8)과 연결되어 있으며, 상기 탈수장치(19)는 상기 중간저장탱크(13)의 배출구와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 혐기성 분해에 의한 유기성 쓰레기의 처리장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 발효조(1)는 높이 대 지름의 비가 1.3∼4:1인 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 발효조(1)의 바닥에는 발효물의 배출을 위한 1개 이상의 스크류 컨베이어(11)가 설치되고, 발효조의 바닥은 스크류컨베이어(11)를 향하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 발효조(1)의 바닥에는 2개의 스크류 컨베이어(11)가 설치되며, 발효조(1)의 바닥은 바지모양으로 두갈래로 나뉘어진 것을 특징으로하는 장치.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 발효조(1)의 상부에는 유기성 쓰레기의 분해처리중 생성되는 바이오가스를 수집하기 위한 배기관(28)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제 8 항에 있어서, 상기 중간저장탱크(13)는 스크류컨베이어(15, 16)을 통해 각각 탈수장치(19)와 혼합장치(6)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 8 항에 있어서, 투입회선(2) 및 반송회선(32)을 통과하는 물질을 가열하기 위한 열교환기(9)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.