KR20010054083A - 바이오가스 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분뇨 및 음식물 쓰레기 등과 같은 각종 유기물 쓰레기를 발효 처리하여 바이오가스를 생성하는 바이오가스 제조방법 및 장치에 관한 것으로서, 분뇨를 수집하는 제1 수집탱크 및 음식물 쓰레기 등의 고형 유기물을 소정의 입자로 분쇄한 후 수집하는 제2 수집탱크와, 상기 제2 수집탱크와 이송관으로 연결되고 히터가 내설된 저온 살균탱크와, 상기 제1 수집탱크와 저온 살균탱크에 각각의 이송관이 연결되고 내측에 히터와 물레형 교반기가 각각 내설되어 가열하여 발효 처리를 수행하도록 순차적으로 배치되는 제1 및 제2 발효기와, 상기 제2 발효기와 이송관으로 연결되어 발효 완료된 잔여물을 내부에 저장하고 소정기간 저장하는 잔여물 저장소, 및 상기 제1 및 제2 발효기와 잔여물 저장소 상측으로 바이오가스 배관의 일단이 연결되고, 상기 바이오가스 배관의 타단에는 바이오가스를 포집하는 고무재 또는 합성수지재 가스저장소가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 바이오가스 생성장치를 통하여 얻어진 바이오가스를 가정의 난방 및 전기 에너지는 물론 산업용 압축 바이오가스의 에너지로 사용되어 에너지 수입 대체효과를 얻을 수 있음은 물론 상기 발효가 완료된 잔여물은 박테리아나 바이러스 등과 같은 병원균이 제거된 자양분이 풍부한 퇴비로서 재활용이 가능하여 매우 경제적인 효과를 얻는 것이다.

Description

바이오가스 제조방법 및 장치{A PRODUCING METHOD OF BIO-GAS AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 분뇨 및 음식물 쓰레기 등과 같은 각종 유기물 쓰레기를 발효 처리하여 가정 및 산업용 연료로 이용될 수 있는 바이오가스를 생성하며, 상기 발효 처리후 발생된 잔여물은 자양분이 풍부하고 병원균이 없는 퇴비로 사용할 수 있도록 한 바이오가스 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 사람 및 동물의 분뇨 그리고 생활 폐기물 등과 같은 유기물 쓰레기와 도살장 폐기물, 지방성폐기물 등은 병균이나 미생물로부터 자유로울 수 없으므로 전염병의 확산을 방지하기 위하여 이를 수거하여 땅에 매립하게 된다.

그러나, 상기와 같은 매립의 방법에 있어서는 매립된 각종 폐기물로부터 발생되는 박테리아 균류 및 기생충, 바이러스 등에 의하여 토양이 오염되며, 매립된 상태가 완벽한 밀폐 효과를 제공할 수 없으므로 대기로 방출되는 전염성 병원균에 의해 생명체에 치명적인 질병을 유발시키는 문제점이 있는 것이다.

한편, 상기와 같은 유기물 쓰레기 등을 단순히 매립함으로써 발생되는 문제점을 해소하기 위하여 발효 처리과정을 통하여 혐기성 바이오가스를 생성하는 방법 및 제어장치가 한국 특허공보 공고번호 제96-2269호에 알려져있다. 이는 혐기성 메탄 발효조의 유기물 부하량을 적절하게 조절하기 위하여, 바이오가스 가스배출관에 가스 측정장치를 설치하고, 상기 가스 측정장치로부터 측정된 가스의 양을 정해진 가스 설정치와 비교하여 그 결과를 신호로 보내는 설정치 연산장치와, 상기 설정치 연산장치로부터 설정된 기준치와 원폐수의 유기물 부하량과 비교하여 원폐수의 유입량을 조절함으로써, 메탄 발효가 발효조 내에서 항상 일정하게 유지될 수 있도록 하는 것이다.

그러나, 상기와 같은 혐기성 메탄 발효의 제어방법 및 제어장치는 고형분과 수용성 유기물로 구성되는 폐수에 한정하여, 이를 메탄 발효조에서 발효 처리만 단순히 수행함으로써 바이오가스를 생성시키는 것이므로 그 사용범위가 극히 제한적일 뿐만 아니라, 그 장치의 구성에 있어서 고형인 상태의 유기물 쓰레기 및 음식물 쓰레기 등과 같은 각종 바이오 쓰레기를 이용하여 바이오가스를 처리하는 것으로서는 부적합한 것이다.

또한, 음식 폐기물을 재활용할 수 있도록 하기 위해서는 유기물들이 생물학적인 처리방법을 통해 분해되어야 한다. 상기 생물학적인 처리방법 중 하나인 호기성 분해방법은 엄청난 에너지 비용을 들여 산소를 공급해 주어야 하는 매우 비경제적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 유기물 쓰레기와 음식물 쓰레기등과 같은 각종 쓰레기들을 용이하게 발효 처리하여 생성되는 바이오가스를 압축 저장하거나 직접 가정 및 산업용 에너지로 사용될 수 있도록 하고, 상기 바이오가스를 생성시킨 후 발생된 잔여물은 박테리아나 바이러스 등과 같은 병원균이 제거된 자양분이 풍부한 퇴비로서 재활용이 가능하도록 한 바이오가스 제조방법 및 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 바이오가스 제조방법을 설명하기 위한 바이오가스 처리장치의 개략 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 바이오가스 처리장치를 일부 절결한 개략 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 바이오가스 제조공정을 설명하기 위한 블록도,

도 4는 본 발명에 따른 바이오가스 제조과정에서의 발생되는 반응을 설명하기 위한 블록도 이다.

*도면의 주요부위에 대한 부호의 설명*

1 : 제1 수집탱크 2 : 분쇄기

3 : 제2 수집탱크 4: 저온 살균탱크

5 : 제1 발효기 6 : 제2 발효기

7 : 잔여물 저장소 8 : 가스저장소

9 : 바이오가스 배관

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 구성은, 분뇨를 수집하는 제1 수집탱크 및 음식물 쓰레기 등의 고형 유기물을 소정의 입자로 분쇄한 후 수집하는제2 수집탱크와, 상기 제2 수집탱크와 이송관으로 연결되고 히터가 내설된 저온 살균탱크와, 상기 제1 수집탱크와 저온 살균탱크에 각각의 이송관이 연결되고 내측에 히터와 물레형 교반기가 각각 내설되어 가열하여 발효 처리를 수행하도록 순차적으로 배치되는 제1 및 제2 발효기와, 상기 제2 발효기와 이송관으로 연결되어 발효 완료된 잔여물을 내부에 저장하고 소정기간 저장하는 잔여물 저장소, 및 상기 제1 및 제2 발효기와 잔여물 저장소 상측으로 바이오가스 배관의 일단이 연결되고, 상기 바이오가스 배관의 타단에는 바이오가스를 포집하는 고무재 또는 합성수지재 가스저장소가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 분뇨와 고형화된 음식물 등의 유기물을 분쇄한 후 수집하는 분쇄 및수집 단계와, 상기 분쇄된 고형 유기물질을 저온 살균탱크로 이송하여 교반하면서 8~12도의 온도로 저온 살균하는 저온 살균단계와, 상기 수집된 분뇨와 저온 살균된 고형 유기물질을 제1 발효기 및 제 2 발효기로 순차적으로 이송하여 교반하면서 30~70도의 온도로 가열하고 15일~90일간 잔류시키면서 유해물질을 분해하고 멸균시키면서 발효시켜 바이오가스를 생성하는 발효단계와, 상기 발효된 잔유물을 소정기간 잔여물 저장소에 저장한 후 퇴비로서 배출하고, 상기 제1 및 제2 발효기 그리고 잔여물 저장소로부터 생성되는 바이오가스를 배관을 통해 가스저장소로 이송하여 가정 및 산업용 에너지로 사용하는 바아오가스 포집단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 바이오가스 제조방법을 설명하기 위한 바이오가스 처리장치의 개략 구성도 및 일부를 절결한 개략 사시도로서, 분뇨를 수집하여 저장하는 제1 수집탱크(1)가 설치되고, 수집된 음식물 쓰레기 등의 고형 유기물을 2단계를 통하여 소정의 크기로 분쇄하기 위하여 분쇄기(2,2')를 일측에 설치하게 되며, 상기 분쇄기(2,2')를 통해 공급되는 고형 유기물을 저장하는 제2 수집탱크(3)가 설치되고, 상기 제2 수집탱크(3)에 일측이 연결된 이송관(31)의 타단이 연결되고 히터(41)가 내설되어 1차 분쇄된 고형물을 교반하면서 저온 살균하는 저온 살균탱크(4)가 설치된다.

또한, 상기 제1 수집탱크(1)에 저장된 분뇨와 저온 살균탱크(4)에서 저온 살균된 분쇄된 고형물질이 이송되도록 각각의 이송관(11),(42) 일단이 연결되고, 상기 각각의 이송관(11),(42)의 타측이 연결되며, 내측에 히터(51)와 물레형 교반기(52)가 각각 내설되는 제1 발효기(5)가 설치된다.

제 2발효기(6)는 상기 제1 발효기(5)와 동일하게 내측에 히터(61)와 물레형 교반기(62)가 각각 내설되며, 제1 발효기에 일단이 연결된 이송관(53)의 타단이 연결된다.

상기 제1 및 제2 발효기(5,6)는 공급된 분뇨 및 분쇄된 고형물을 소정의 온도로 교반하면서 가열하여 발효 처리를 수행하도록 순차적으로 배치된다.

또한, 상기 제2 발효기(6)에 일단이 연결된 이송관(63)의 타단이 연결되어 발효 완료된 잔여물을 내부에 저장하되 소정기간 저장하는 잔여물 저장소(7)가 설치되며, 상기 잔여물을 출하하여 퇴비로 활용하기 위한 배출관(71)이 잔여물 저장소(7)의 일측 하부에 연결되도록 구성된다.

또한, 상기 제1 및 제2 발효기(5,6)와 잔여물 저장소(7) 상측에는 바이오가스를 이송하는 바이오가스 배관(9)의 일단이 분기되어 연결되고, 상기 바이오가스 배관(9)의 타단은 하나로 집결되며, 집결된 바이오가스 배관(9)의 타단에는 바이오가스를 포집하는 고무재 또는 합성수지재 가스저장소(8)가 설치된다. 그리고, 상기 가스저장소(8)의 일측에 연결된 배출관(81)으로 상기 바이오가스를 가정 및 산업용 에너지로 사용하도록 공급하는 구성으로 이루어진다.

한편 상기 각각의 이송관(11,31,42,53,63) 및 배출관(7)에는 통상의 이송용 펌프가 설치되며, 상기 제1 및 제2 수집탱크(1,2) 그리고 저온 살균탱크(4)에는 통상의 프로펠러 교반기가 설치되고, 제1 및 제2 발효기(5,6)에 설치되는 물레형 교반기(52,62)도 통상의 고출력 감속모터에 의하여 회전된다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 바이오가스 제조장치를 통하여 바이오가스 제조방법의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명의 바이오가스 제조방법의 기본과정은 도 3에서와 같이 각종의 분뇨와 음식물 등의 고형 유기물질을 수집하되 고형화된 음식물 등의 유기물을 분 쇄 및 혼합하여 각각 수집하는 단계와, 이들을 대략 50%~70%:30%~50%의 비율로 발효물질을 혼합하여 저장한 후 발효 처리하는 단계와, 발효에 의하여 발생된 바이오가스의 저장 및 활용단계, 및 발효 잔여물을 퇴비로 사용하도록 출하하는 단계로 이루어진다.

이를 도 1을 통하여 상세하게 설명하면, 인분 및 축분 등의 분뇨를 수집하여제1 수집탱크(1)에 저장하게 되고, 음식물 쓰레기, 도살장 폐기물, 지방성 폐기물, 과일 및 채소 찌꺼기, 동물 사체, 어류 폐기물 등의 각종 고형 유기물은 순차적으로 분쇄기(2,2')에 통과시키면서 소정의 크기로 분쇄하여 제2 수집탱크(3)로 저장하게 되며, 상기 분쇄된 고형 유기물질은 저온 살균탱크(4)로 이송된다.

상기 저온 살균탱크(4)에 공급되어진 분쇄된 고형 유기물질은 교반되면서 히터(41)의 가열에 의하여 8~12도의 온도로 유지하도록 하여, 각종 박테리아, 바이러스 및 저온 기생충 등의 발생을 억제시키게 된다. 이때 상기 저온 살균탱크(4) 내의 온도가 12도를 초과하는 상온일 경우에는 상기와 같은 각종 바이러스의 활동에 의해 오히려 저온조를 오염시킬 수 있으므로 바람직하기는 약 10도를 유지시키는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 저온 살균탱크(4)에서 저온 살균되어진 분쇄된 고형 유기물질과 제1 수집탱크(1)에 수집되어 있던 각종 분뇨를 이송관(31, 11)을 통해 제1 발효기(5) 및 제2 발효기(6)에 순차로 이송되어 혼합되면서 발효작용을 거치게 된다. 이때 제1 발효기(5) 및 제2 발효기(6)의 내부에는 감속모터에 의하여 회전되는 물레형 교반기(52,62)에 의해 교반되면서 히터(51,61)를 통해 약 30~70도의 온도로 가열되어 발효작용을 거치게 된다.

상기 제1 발효기(5) 및 제2 발효기(6)의 물레형 교반기(52,62)는 약 30분 간격으로 약 5분 동안 1.5~3rpm의 속도로 회전 구동하여 발효물질이 부유 또는 침전되지 않도록 교반하게 되고, 이때 발효되어 발생되는 바이오가스 기포들이 용이하게 상승하게 된다.

또한, 이때 상기 제1 발효기(5) 및 제2 발효기(6)의 내부 온도를 70도 이상의 높은 온도로 상승시킬 경우에는 박테리아 및 바이러스의 번식이 촉진되므로 발효에 의하여 발생되는 바이오가스가 오염이 되고, 반대로 온도가 30도 이하에서는 낮은 온도에 의하여 바이오가스의 생성이 억제되는 것으로 본 실시예의 결과 약 38~48도의 범위를 유지시키는 것이 가장 바람직하다.

상기 제1 발효기(5) 및 제2 발효기(6) 내에서 발효물질의 분량에 따라 약 15~90일간 잔류시키면서 유해물질을 분해하고 발효시키면 바이오가스가 생성되고, 남은 잔유물은 이송관(63)을 통해 잔유물 저장소(7)로 이송되어 양진의 퇴비로 이용될 수 있도록 저장하게 되며, 상기 제1 발효기(5) 및 제2 발효기(6) 그리고 잔유물 저장소(7)의 상측으로 바이오가스 배관(9)이 연결되어 발효처리시 발생되는 바이오가스가 배관(9)을 따라 고무재 또는 합성수지재 가스저장소(8)에 포집된다.

상기 가스저장소(8)에 포집된 바이오가스는 가정의 난방용 보일러의 가열장치로 공급되어 에너지로 사용되거나, 통상의 압축기(미도시)를 이용하여 고압가스로 압축시킨 후 산업용 에너지로 사용하게 되는 것이다.

한편, 상기 바이오가스인 메탄가스 이산화탄소의 생성은 도 4에서와 같이 1단계로 분뇨 및 유기적 고체물질을 대략 50%~70%:30%~50%의 비율로 혼합하여 약 단백질 21%, 탄수화물 40% 및 지방 39%를 유지시킨 다음 2단계로는 가수분해 및 산화과정을 통해 아미노산/당 66% 및 글리세린 /지방산 34%로 반응되고, 이어서 3단계는 중간 생성물인 프로피온산/프로피온염, 알콜, 황화수소 등의 생성을 통하여 초산이 형성되어 초산아세타트 70% 및 수소 이산화탄소 30%가 생성된 후 최종 양질의 바이오가스를 생성하는 것으로 상기 반응의 비율은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바이오가스 제조방법 및 장치에 의하면, 유기물 쓰레기와 분뇨 등과 같은 각종 쓰레기를 손쉽고 용이하게 분쇄 및 발효처리 공정을 통해 양질의 바이오가스를 생성하여 가정의 난방 및 전기 에너지는 물론 산업용 압축 바이오가스의 에너지로 사용되어 에너지 수입 대체효과를 얻을 수 있음은 물론 상기 발효가 완료된 잔여물은 박테리아나 바이러스 등과 같은 병원균이 제거된 자양분이 풍부한 퇴비로서 재활용이 가능하여 매우 경제적인 효과를 얻는 것이다.

Claims (2)

1. 분뇨를 수집하여 저장하는 제1 수집탱크와,

   수집된 음식물 쓰레기 등의 각종 고형 유기물을 분쇄기를 통해 소정의 입자로 분쇄한 후 저장하는 제2 수집탱크와,

   상기 제2 수집탱크와 관으로 연결되고 히터가 내설되어 1차 분쇄된 고형물을 교반하면서 저온 살균하는 저온 살균탱크와,

   상기 제1 수집탱크에 저장된 분뇨와 저온 살균탱크에서 살균된 분쇄된 고형물질이 이송되는 각각의 이송관이 연결되고, 내측에 히터와 물레형 교반기가 각각 내설되어 분뇨 및 분쇄된 고형물을 소정의 온도로 교반하면서 가열하여 발효 처리를 수행하도록 순차적으로 배치되는 제1 및 제2 발효기와,

   상기 제2 발효기와 관으로 연결되어 발효 완료된 잔여물을 내부에 저장하고 소정기간 저장하는 잔여물 저장소, 및

   상기 제1 및 제2 발효기와 잔여물 저장소 상측으로 바이오가스를 이송하는 바이오가스 배관의 일단이 연결되고, 상기 바이오가스 배관의 타단에는 이송되는 바이오가스를 포집하는 고무재 또는 합성수지재 가스저장소가 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오가스 제조장치.
2. 분뇨의 수집과 고형화된 음식물 등의 유기물을 분쇄한 후 수집하는 분쇄 및 수집단계와,

   상기 분쇄된 고형 유기물질을 저온 살균탱크로 이송하여 교반하면서 가열에 의하여 8~12도의 온도로 저온 살균하는 저온 살균단계와,

   상기 수집된 분뇨와 저온 살균된 고형 유기물질을 이송관을 통해 제1 발효기 및 제 2 발효기로 순차적으로 이송하여 교반하면서 30~70도의 온도로 가열하고, 15일~90일간 잔류시키면서 유해물질을 분해하고 멸균시키면서 발효시켜 바이오가스를 생성하는 발효단계와,

   상기 발효된 잔유물울 소정기간 잔여물 저장소에 저장한 후 퇴비로서 배출하는 단계를 포함하면서 상기 제1 및 제2 발효기 그리고 잔여물 저장소로부터 생성되는 바이오가스를 배관을 통해 가스저장소로 이송하여 가정 및 산업용 에너지로 사용하는 바아오가스 포집단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오가스 제조방법.