KR20020062213A

KR20020062213A - 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치

Info

Publication number: KR20020062213A
Application number: KR1020020002987A
Authority: KR
Inventors: 이문희; 볼프-디터 분데르리히; 요르크 보르크바르트
Original assignee: 이문희; 볼프-디터 분데르리히; 요르크 보르크바르트
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2002-07-25

Abstract

본 발명은 액비(액체비료)와 맑은 물을 얻기 위하여 각종 액상 배설물인 폐수 성분들을 부분적으로 여과함으로써 액상의 각종 폐수를 처리하는데 적합한 처리장치로서, 매우 효율적이며 자본투자비용이 기존의 정화시스템들보다 낮을 뿐만 아니라 액상의 각종 폐수를 UF/MF시스템과 RO/NF시스템 및 각종 장치를 이용하여 맑은 물로 처리시켜 준다.

Description

액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치{LIQUID MANURE AND BIOGAS WASTE WATER TREATMENT PLANT}

본 발명은 각종폐수 등을 여과하여 액체비료와 순수한 물을 만들어내기 위한 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치에 관련된 것이다.

종래의 액상배설물 및 바이오가스 폐수를 처리하는 여러 방법에는, 예를 들면,

화학물질을 사용하여 PO₄ ^-3, NH4⁺와 같은 개별 성분들을 침전시키는 방법,

분리장치, 체(sieve) 등의 수단에 의한 분리방법, 및

증발, 건조와 같은 열처리 방법들 등이 있다.

그러나, 이러한 액상의 각종 폐수 물질들로부터 다양한 성분을 가진 액체비료와 순수한 물을 만들어내는데 적합한 어떠한 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치는 아직까지는 존재하지 않는다.

본 발명의 목적은 액체비료와 순수한 물을 얻기 위해 액상배설물의 성분들을 부분적으로 여과함으로써 액상의 각종 폐수를 처리하는데 적합한 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치를 제공하는 것으로서, 여기서 개별 처리 스테이지의 배치, 구조 및 크기는 본 장치의 높은 생산성, 안정성 및 효율성을 보장하며, 또한 본 장치를 설치하는데 비교적 좁은 면적이 필요하도록 보장해준다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시예의 UF/MF시스템의 흐름도이고,

도 2는 본 발명에 따른 일실시예의 RO/NF시스템의 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 공급펌프2: 제1순환펌프

3: 제1모듈블럭4: 제1온도조정장치

5: 제2순환펌프6: 제2모듈블럭

7: 제2온도조정장치8: 제3순환펌프

9: 제3모듈블럭10: 제3온도조정장치

11: 여과액방출장치12: 농축액제어장치

13: 통풍시스템14: 부피측정장치

15: 배설물탱크16: 산투여스테이션

17: RO물탱크18: 통풍시스템

19: 농축액방출장치20: 공급펌프

21: 예비여과장치22: 압력증강펌프

23: 순환펌프24: RO모듈블럭

25: 온도조정장치26: 압력제어시스템

27: 세척시스템28: 투과액통풍시스템

29: 농축액통풍시스템30: RO공급펌프

31: 순환펌프/압력증강펌프32: RO모듈블럭

33: 온도조정장치34: 압력제어시스템

35: pH제어장치/산투여장치36: pH제어장치/중성화장치

37: 원수저장탱크38: UF여과액저장탱크

39: 통풍시스템40: UF농축액탱크

41: RO농축액저장탱크42: 청수탱크

본 발명의 목적은 독립항에 개시한 특성을 나타내는 특징들에 의해 해결된다. 본 발명의 부가적인 유리한 실시예들은 종속항에 나타나 있다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참고하여 자세히 설명되어질 것이다.

관련된 그림에서

도 1은 UF시스템의 흐름도이고,

도 2는 RO시스템의 흐름도이다.

막여과장치는 한외여과(ultrafiltration, 이하 "UF"라 칭한다) 또는 정밀여과(microfiltration, 이하 "MF"라 칭한다)시스템과 역삼투여과(reverse osmosis, 이하 "RO"라 칭한다) 또는 나노여과(nanofiltration, 이하 "NF"라 칭한다)시스템으로 구성된다.

UF/MF시스템은 단일-스테이지 또는 다중-스테이지의 시스템으로 설계된다.

스테이지의 수는 1 에서 12까지 다양하며, 처리될 액상배설물이나 바이오가스 폐수의 양과 도달될 최종 농도에 따라 스테이지의 수를 결정하여 설비를 구동하게 된다.

본 발명에 따른 UF/MF시스템은 하나 또는 수개의 프레임 상에 또는 컨테이너 내에 배치되며, 각 프레임은 1 내지 3개의 UF스테이지를 수용한다.

본 발명의 UF/MF시스템은 3개의 스테이지 시스템을 참고로 하여 일실시예가 설명될 것이다.

상기 3개의 스테이지 시스템이 입구측에는 압력 웜 분리장치 등의 종래수단에 의한 고형물의 사전분리 후에 공급되는 각종 배설물(폐수)를 저장하는 배설물탱크(15), UF여과액저장탱크(38), 산투여스테이션(16), RO물탱크(17) 등으로부터 정화를 위한 물질을 각각의 스테이지 모두에 공급해주는 공급펌프(1)가 구비되어 있다.

상기 제1스테이지는 제1순환펌프(2)(압력 1<P<6bar, 용량 0.5<Q<10㎥/h), 모듈 2-14는 직렬로 그리고 모듈 2-4는 병렬로 배치된 제1모듈블럭(3), 제1온도조정장치(4)(20-50℃), 압력계, 온도계, 유량계 등의 필요 측정 및 제어장치, 막의 시간제어 및/또는 유량제어된 역세를 제공하는 정밀여과(MF)를 위한 역세 시스템, 통풍시스템(18) 및 연결파이프를 포함한다.

상기 제1스테이지로부터 생성된 농축액은 이송시스템인 제2순환펌프(5)에 의하여 다음 스테이지인 제2스테이지로 이송되어 처리되며, 상기 처리된 농축액은 깨끗한 물로 정수될때 까지 계속적으로 다음 스테이지로 이송시스템을 통하여 공급된다.

상기 다음 스테이지인 제2스테이지는 제2순환펌프(5)(압력 1<P<6bar, 용량 15<Q<120㎥/h), 모듈 5-14는 직렬로 그리고 모듈 5-7은 병렬로 배치된 제2모듈블럭(6), 제2온도조정장치(7)(20-50℃), 압력계, 온도계, 유량계 등의 필요 측정 및 제어장치, MF역세시스템, 통풍시스템(18) 및 연결파이프를 포함한다.

제3스테이지는 제3순환펌프(8)(압력 1<P<8bar, 용량 10<Q<120㎥/h), 모듈 8-14는 직렬로 그리고 모듈 8-10은 병렬로 배치된 제3모듈블럭(9), 제3온도조정장치(10)(30-50℃), 압력계, 온도계, 유량계 등의 필요 측정 및 제어장치, MF역세시스템, 통풍시스템(18)및 연결파이프를 포함한다. 또한, 제3스테이지에는 원하는 고형분의 농도를 설정하기 위한 농축액제어장치(12)가 있다. 농축액은 또 다른 외부 처리를 위해 농축액방출장치(19)를 통하여 UF농축액탱크(40)로 방출된다. 여과액방출장치(11)는 통풍시스템(13)과 부피측정장치(14)를 거친 후에 UF여과액저장탱크(38) 쪽으로 통한다.

상기 UF/MF시스템은 액상의 배설물(각종 폐수) 또는 바이오가스 폐수로부터 8 내지 20% 농도의 건조물질을 갖는 현탁되거나 또는 용해된 고분자 물질을 포함하는 UF농축액과 0.5 내지 1.5% 농도의 건조물질을 갖는 산, 소금 등과 같은 저분자 물질을 포함하는 UF투과액을 생산하여 방출시킨다.

UF모듈시스템 또는 MF모듈시스템은 1/4 내지 1"(inch) 중합체막 또는 세라믹 막을 가진 튜브형 모듈 또는 중합체 막을 갖는 판모듈 시스템이 제공된다.

UF시스템은 산투여스테이션(acid dosing station)(16)으로부터 제공된 산과 RO물탱크(17)로부터 제공되는 RO물(water)에 의하여 pH값 1 내지 4에서 세척된다.

다음은 전공정의 UF여과액저장탱크(38)로부터 공급되는 UF여과액을 처리하기 위한 RO/NF시스템에 대한 일실시예를 설명한다. 상기 RO/NF시스템은 단일-스테이지 또는 다중-스테이지 시스템으로 설계되고, 상기 각 스테이지는 수개의 서브-스테이지로 이루어질 수도 있으며, 이러한 상기 서브-스테이지는 각 스테이지와 같이 설계된다. 상기 RO시스템은 적어도 2개 이상의 스테이지로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 RO/MF시스템은 2개의 스테이지 시스템을 참조하여 설명될 것이다.

제1스테이지는 공급펌프(20)(압력 0.5<P<6bar, 용량 0.5<Q<10㎥/h), 예비여과(5-100㎛)장치(21), 1 또는 2개의 압력증강펌프(22)(압력 5<P<60bar, 용량 0.5<Q<20㎥/h), 순환펌프(23)(압력 3<P<60bar, 용량 4<Q<50㎥/h), 병렬 및/또는 직렬 방식으로 거슬러 흐르는 RO모듈블럭(24), 온도조정장치(25)(15-40℃) 및 소정의 압력(15-65bar)으로 높이기 위한 압력제어시스템(26)을 포함한다.

또한, 상기 제1스테이지는 2개의 탱크, 세척펌프 및 농축액과 투과액을 위한 투과액통풍시스템(28)으로 이루어진 세척시스템(27)도 포함된다.

제1스테이지는 압력계, 온도계 및 유량계 등의 필요 측정 및 제어 장치 또는 제어기, 레벨제어장치(lever control unit) 및 연결파이프도 포함된다.

RO모듈블럭(24)은 0.4 내지 2㎜의 공급스페이서(feed spacer), 직경 4 내지8"(inch)를 갖는 나선형모듈들을 포함한다.

사용된 막(membrane)은 높은 NH₄ ⁺보유력(94%이상)과 Nacl^-보유력(96%이상)을 제공하는 중합체막이다.

압력증강펌프(22)와 순환펌프(23)의 조합은 시스템 압력을 20 내지 70 bar, 바람직하게는 40 내지 60 bar에 이르도록 보장한다.

농축액은 압력제어시스템(26)과 농축액통풍시스템(29)을 지나서 RO농축액저장탱크(41)로 방출된다.

본 발명에 의한 제1스테이지에서는 농축액통풍시스템(29)과 투과액통풍시스템(28)이 공기 및 방출된 CO₂의 제거를 확실하게 해준다.

만약 장치 효율이 감소하면, 침전된 결정은 용해시키는 산성 세척물질을 기초로 하여 작용하는 통합된 세척시스템(27)이 사용된다.

상기 제1스테이지에서 생성되고 유기물질과 NH₄ ⁺질소의 비교적 높은 함유량을 갖는 투과액은 원수저장탱크(37)에 저장되고, 순수를 생산하기 위하여 제2스테이지에서 다른 처리절차를 거친다.

제2스테이지는 RO공급펌프(30)(압력 0.5<P<6bar, 용량 0.5<Q<10㎥/h), 압력증강펌프(압력 2<P<20bar, 용량 0.5<Q<10㎥/h) 및/또는 순환펌프(31)(압력 3<P<30bar, 용량 4<Q<50㎥/h), 모듈 31-34는 직렬로 그리고 모듈31-33은 병렬로 배치된 RO모듈블럭(32), 온도조정장치(33)(15-40℃), 압력제어시스템(34)(10-40bar),산과 알칼리액을 사용하는 pH제어장치(35,36), 통풍시스템(39)을 포함한다.

또한, 상기 제2스테이지는 압력계, 온도계, 유량계 등과 같은 모든 필요 측정 및 제어장치 또는 제어기, 레벨제어장치 및 연결파이프를 포함한다.

RO모듈블럭(32)은 0.5 내지 2.0㎜의 슬롯폭을 갖는 판모듈 또는 0.4 내지 1.6㎜의 공급 스페이서와 직경 4 내지 8"(inch)를 갖는 나선형 모듈로 이루어진다.

펌프의 조합은 시스템 압력을 10 내지 40 bar, 바람직하게는 15 내지 20 bar에 이르도록 보장한다.

상기 RO/NF시스템은 제2스테이지의 UF투과액으로부터 2 내지 6% 농도를 갖는 산, 소금 등과 같은 농축된 저분자 물질을 포함하는 RO농축액과 약 200㎎/ℓ의 COD, 약 20㎎/ℓ의 NH₄ ⁺를 포함하는 맑고, 무색, 무취이며 공급수로 사용가능한 순수한 물을 생산한다. 상기 RO농축액은 압력제어세스템(34)을 거쳐 UF여과액저장탱크(38)로 방출된다. 상기 순수한 물(clean water)은 청수탱크(42)로 방출된다.

제2스테이지에서 실제 NH₄ ⁺감소를 보장하기 위하여, 산투여장치(35)에의해 공급된 산에 의하여 및 pH제어장치(36)에서의 중화 또는 CaCO₃, CO₂등의 중화제에 의하여 pH값이 3 내지 7, 바람직하게는 4 내지 5로 감소된다.

제2스테이지에 있어서 통풍시스템(39)은 산성화 과정 등에서 형성될 수 있는공기 및 방출된 CO₂를 제거시켜 준다.

제2스테이지에서 생기는 투과액(원수,raw water)은 다음의 성분들을 포함한다.

- NH₄ ⁺5 - 50㎎/ℓ, 바람직하게는 20 ㎎/ℓ 미만,

- PO₄ ^-30 - 10 ㎎/ℓ, 바람직하게는 5 ㎎/ℓ 미만,

- K⁺5 - 50 ㎎/ℓ, 바람직하게는 10 ㎎/ℓ 미만.

본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는, 필요하다면 다음과 같은 조건에 따라 제한된 기술상의 설비로 작동될 수도 있다.

- 모듈의 타입,

- 펌프들,

- 입력 물질,

- 프로세스 변수들,

- 액상배설물 농축액 및 물 등의 최종생산물에 관련된 필요조건들.

이것은 본 장치가 다음 요소들의 배열을 사용하거나 부분적으로 사용될 수도 있다는 것을 의미한다.

- UF/MF 및 RO/NF를 위한 농축액 및 투과액 통풍시스템,

- UF/MF 및 RO/NF를 위한 세척시스템,

- RO/NF 및 pH 제어의 투과액 산성화 및 중성화장치,

- 측정 및 제어장치,

- 탱크 설비,

- 냉각 또는 온도조정장치,

- 산투여장치,

- MF의 역세장치.

액상배설물 또는 바이오가스 폐수를 처리하는 동안 다음과 같은 산물이 생성된다.

- UF농축액,

- RO농축액, 및

- 물.

본 발명에 따른 장치는 다음과 같은 타입의 액상배설물 및 바이오가스 폐수를 처리하도록 설계된 것이다.

1. 갓 나온 돼지 및 소의 액상배설물, 돼지, 소, 가금류 사육으로부터 나오는 혼합된 액상배설물 및/또는 다른 동물들과 다양한 배설물로부터의 액상배설물,

2. 예를 들면, 돼지, 소, 가금류의 액상배설물 처리를 위한 바이오가스 장치, 정화장치에서와 같은 호기성 및 혐기성 발효처리를 한 후의 액상배설물 또는 장치 부가물(풀, 짚, 장치 찌꺼기 또는 지방, 단백질 및/또는 탄수화물을 포함하는 찌꺼기), 도살장 폐기물 등의 공통 발효물과도 조합된 돼지, 소, 가금류의 혼합액상 배설물,

3. 음식물 찌꺼기와 남긴 음식의 호기성 또는 혐기성 발효(바이오가스장치,정화장치)의 액상 찌꺼기 및 본 발명의 명세서에서 바이오가스 폐수라고 지칭된 갓 만들어진 액상 또는 바이오가스 배설물 또는 축분과 조합된 액상찌꺼기,

4. 하수처리장치의 폐수,

5. 여과수 처리로부터의 폐수.

본 발명의 이점은 다음과 같다.

본 장치는 각종 액상 배설물인 폐수 및 바이오가스 폐수를 UF/MF시스템과 RO/NF시스템을 이용하여 맑은 물로 처리하는데 적합하다.

본 장치는 매우 효율적이다.

본 장치의 성능은 농축하는 동안과 계속 작업하는 동안에도 안정적으로 유지된다.

자본투자비용이 기존의 정화 시스템보다 낮다.

다른 처리를 위해 축산농가가 있는 지역에 설치된 스태킹 컨테이너로부터 액상배설물과 바이오가스 폐기물이 제거될 수 있다.

본 장치는 광범위한 청소를 필요로 하지 않는다.

Claims

압력 웜 분리장치 등의 종래 수단에 의한 고형물의 사전분리 후에 돼지, 소 등으로부터의 액상배설물, 상이한 각종 배설물의 혼합물, 발효 후의 바이오가스 폐수 및 여과액과 각종 산업 및 쓰레기장 폐수까지도 처리하여 액비(액체비료) 및 순수한 물을 만들어내는 막여과장치에 있어서,

상기 막여과장치는 UF(한외여과) 또는 MF(정밀여과) 및 RO(역삼투) 또는 NF(나노여과) 시스템으로 이루어지고;

상기 UF/MF시스템은 1 내지 12 스테이지, 바람직하게는 1 내지 3 스테이지로 설계되며;

상기 UF/MF시스템의 각 스테이지는 순환펌프(2,5,8), 모듈블럭(3,6,9), 온도조정장치(4,7,10), 농축액과 투과액의 압력, 온도, 유량을 결정하거나 제어하는 측정 및 제어장치, 통풍시스템(18), 연결파이프 및 역세시스템을 포함하며;

상기 농축액은 이송시스템에 의하여 제1스테이지로부터 다음 스테이지로 이송되고, 상기 다음 스테이지는 순환펌프(2,5,8), 모듈블럭(3,6,9), 온도조정장치(4,7,10), 농축액과 투과액의 압력, 온도, 유량을 결정하거나 제어하는 측정 및 제어장치, 통풍시스템(18), 연결파이프 및 역세시스템을 포함하며;

정밀여과를 위한 상기 역세시스템은 막의 시간제어 및/또는 유량제어 역세를 제공하고, UF여과액을 저장하는 UF여과액저장탱크(38)을 포함하며;

상기 UF/MF시스템의 UF여과액저장탱크(38)로부터 공급되는 UF여과액을 처리하기 위한 상기 RO/NF시스템은 적어도 2개의 스테이지로 설계되며;

상기 RO/NF시스템의 제1스테이지는 공급펌프(20), 예비여과장치(21), 1개 이상의 압력증강펌프(22), 순환펌프(23), RO모듈블럭(24), 냉각 또는 온도조정장치(25), 압력, 온도, 유량 측정 또는 제어장치 등의 필요 측정 및 제어장치 및 레벨제어수단과 연결파이프를 포함하고;

상기 RO/NF시스템의 제2스테이지는 RO공급펌프(30), 압력증강펌프 및/또는 순환펌프(31), 모듈블럭(32), 냉각 또는 온도조정장치(33), 압력제어시스템(34)과 pH제어기(35,36), 통풍시스템(39), 압력, 온도, 유량 측정 또는 제어장치 등의 필요 측정 및 제어장치 및 연결파이프와 레벨제어수단을 포함하며;

상기 산투여장치(35)는 산을 사용하여 pH 값을 3 내지 7, 바람직하게는 pH 값을 4 내지 5로 감소시키고, pH제어장치(36) 또는 CaCO₃, CO₂등의 중화제에 의하여 중성화를 야기시키는 제2스테이지에 배치되어 액체비료 및 순수한 물을 만드는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 막여과장치는 통풍시스템, 측정 및 제어장치, 온도조정장치, pH제어장치, 산투여장치 및 역세장치를 사용하지 않거나 부분적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 UF/MF모듈블럭(3,6,9)에는 중합체, 세라믹 또는 다른 막 재료로 이루어진 파이프 막이 제공되는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 UF/MF모듈블럭(3,6,9)의 모듈2-14가 직렬로 그리고 모듈2-4가 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 UF/MF모듈블럭(3,6,9)은 중합체 막을 갖는 1/4 내지 1"(inch)의 슬롯 폭을 구비한 판모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 UF/MF모듈블럭(3,6,9)은 20 내지 50℃로 온도조정되는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 RO/NF모듈블럭(32)은 높은 NH₄ ⁺보유력(94%이상)과 NaCl^-보유력(96%이상)을 제공하는 중합체막을 사용하는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 RO/NF모듈블럭(32)의 모듈 31-34는 직렬로 그리고 모듈31-33은 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 RO/NF시스템의 제1스테이지 및 제2스테이지 모두는 단일-스테이지 또는 다중-스테이지로 설계되고, 상기 각 스테이지는 수개의 서브-스테이지로 이루질 수도 있으며, 상기 서브-스테이지들은 상기 각 스테이지와 같이 설계되는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 RO/NF모듈블럭(32)은 0.5 내지 2.0㎜의 슬롯폭을 갖는 판모듈 또는 0.4 및 2.0㎜의 공급 스페이서와 직경 4 내지 8"(inch)를 갖는 나선형 모듈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항에 있어서,

상기 막여과장치의 산투여스테이션(16) 또는 다른 저장고로부터 공급된 1 내지 4의 pH값을 갖는 산이 UF/MF시스템을 세척하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 UF/MF모듈로 이루어진 UF/MF시스템은 액상의 배설물(각종 폐수) 또는 바이오가스 폐수로부터

8 내지 20% 농도의 건조물질을 갖는 현탁되거나 용해된 고분자 물질을 포함하는 UF농축액,

0.5 내지 1.5% 농도의 건조물질을 갖는 산, 소금과 같은 저분자 물질을 포함하는 UF투과액을 생산하는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.
제1항, 제7항, 제8항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 RO/NF모듈로 이루어진 RO/NF시스템은 제2단계RO에 의한 UF투과액으로부터

2 내지 6% 농도를 갖는 산, 소금과 같은 농축된 저분자 물질을 포함하는 RO농축액,

약 200㎎/ℓ COD, 약 20㎎/ℓ NH₄ ⁺를 포함하는 공급수로서 사용될 수 있는 맑고, 무색이며, 오염되지 않고, 무취인 맑은 물을 생산하는 것을 특징으로 하는 액상배설물 및 바이오가스 폐수 처리장치.