KR20020095487A - 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법에 관한 것이다.

본 발명은 혐기성 소화 공정을 이용하여 고농도 유기성 축산폐수를 안정화시킨 후 퇴비화 과정을 통해서 유기질 비료의 생산성을 향상시키기 위한 시스템으로서, 저장조(1)로부터 적절한 휘발성고형물부하율로 축산폐수를 이송하여 혐기성 소화조(3)에 투입하는 단계와;

일정한 체류시간이 지난 후 혐기성 소화조(3)로부터 배출된 슬러지를 톱밥 등의 수분조절재(11)와 적절한 비율로 혼합하여 수분함량이 약 60% 정도 유지되도록 한 후 퇴비화 시스템(12) 내부에 투입하는 단계와;

이동식 교반기(15)와 송풍기(19)를 가동하여 공기를 주입하여 주기적으로 내부를 혼합해줌으로써 고온발효 과정을 유도함으로써 수분을 증발시키며, 연속적으로 유기질 비료를 생산하는 단계와;

혐기성 소화조(3)에서 발생된 바이오 가스로부터 부식성 가스인 황화수소 및 수분을 제거한 후 메탄을 가스저장조(27)로 유입시키는 단계와;

메탄을 가스저장조(27)로부터 이송하여 열원 또는 전력 등의 에너지원으로 재이용하여 전체 운전비용을 절감하거나 공정을 더욱 효율적으로 운영하는 단계로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법{Recycling system and operation methods of using anaerobic digester and aerobic composting system all at once on organic concentrated swine slurry}

본 발명은 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고농도의 유기성 축산폐수를 혐기성 소화공정에서 처리한 후, 수분조절재와 혼합하여 최적의 퇴비화 과정을 거쳐 유기질 비료를 생산하는 시스템으로 혐기성 소화조에서 발생된 메탄은 에너지원으로 재이용함으로써 유기질 비료 생산과정에 투입하여 운전비용을 절감하는 등 축산폐수를 자원화하며 악취발생으로 인한 민원발생 방지를 위하여 악취를 제거하는 탈취설비를 설치함으로써 친환경 농업기반을 구축할 수 있는 방법에관한 것이다.

통상적으로, '91년부터 축산폐수 공공처리시설 설치사업이 시작된 이후 '98년말 현재 총 12개소의 축산폐수 공공처리 시설이 운전중이거나 시험가동 중으로 일부처리 시설은 정상운전이 되지 못하여 축산폐수 처리에 많은 문제점이 야기되고 있으며, 예산을 낭비했다는 비난을 받고 있는 실정이다. 정상운전이 안되고 있는 이유는 외국기술의 도입과정에서 국내 실정에 적합한 지에 대한 검증이 이루어지지 못하였으며, 시공과정에서도 기술도입업체에 대한 외국업체의 충분한 기술지원 및 기자재 공급이 이루어지지 못하였기 때문이다. 또한 처리시설의 설계단계에서 유기물 농도에 대한 설계 기준치를 설정할 때 규제미만 축산농가의 축산폐수 저류조 상등액을 수거하도록 하였으나, 수거과정에서 저류조 하부의 침전물을 수거함으로써 수거된 축산폐수의 유기물 및 고형물 농도가 설계 기준치 보다 적게는 2∼6배까지(BOD 5,000 mg/L → 30,000 mg/L) 높게 유지되고 있다. 이로 인해 일부 처리장에서는 수거된 고농도의 고형물을 함유한 축산폐수의 유기물 및 고형물을 제거하기 위하여 스크류 프레스나 스크류 데칸터와 같은 전처리 시설을 추가로 설치하고 있는 실정이다. 이는 많은 유지관리비를 필요로 하고 실제 처리장의 처리용량을 크게 상회하기 때문에 이미 완료된 처리시설의 경우 정상적인 운전을 위해서 수거방법을 재검토해야 하며, 현실성을 가미한 시설로 개조할 필요가 있다.

또한 최근에 설치된 공공처리 시설의 경우 처리는 고액분리시설, 저류조, 혐기성 소화조, 호기성 처리, 방류 등의 공정으로 구성되어 있으며, 인분뇨의 경우화학적 처리 방법으로 고액분리하여 액은 축산폐수 처리시설의 저류조로 이송하여 혐기성 처리 시설로 유입시켜 축산폐수와 같은 방법으로 처리하고 있다. 기존 시설의 경우 축산폐수는 주로 수처리의 개념으로 처리 후 방류하는 시스템으로 구성되어 있다.

종래의 경우 축산폐수를 처리하는 방법은 주로 크게 분류해 보면 이들은 주로 고액분리과정을 거쳐서 혐기성 소화를 거쳐 수처리하는 방식으로 적용되어 왔으나, 그 방법은 반입되는 축산폐수의 농도가 설계기준치를 크게 상회하기 때문에 처리시설의 운영은 효과적이지 못한 결점이 있다.

따라서 본 발명은 이러한 단점을 보완하고자 혐기성 소화조와 퇴비화 시스템을 설치하여 고농도 유기성 축산폐수를 자원화하여 재사용할 수 있게 하는 공정에 관한 것으로 상기와 같은 종래 기술의 문제점 해결을 위하여 축산폐수 등과 같은 유기성 폐기물의 자원화를 위한 공정을 제시하고자 한다.

혐기성 공정의 운영은 소화조 내에 배양되는 혐기성 미생물의 농도와 활성도에 따라 그 효율이 결정되는데, 초기 소화조 내에 식종된 혐기성 미생물을 최적의 환경조건으로 유지시키면 고농도 유기성 축산폐수는 안정화된다. 또한 혐기성 소화조 후단에 침전조를 설치하여 미생물을 반송할 수 있도록 하여 안정된 혐기성 반응조의 운영이 가능하도록 하였다. 퇴비화 시스템은 기존의 공법과 비교하여 수분조절재 투입량을 최소화시켜 최적의 퇴비화 공정이 유지될 수 있도록 조건을 유지하였고, 혐기성 소화조로부터 발생된 메탄을 이용하여 열원을 공급하는 공정을 두었다. 퇴비화 시스템은 수분조절재를 혼합하여 60%로 수분함량을 조절한 뒤 발효 과정을 거쳐 양질의 유기질 비료를 생산하여 재활용하기 위한 방법이다.

공정의 초기단계에서 고농도 유기성 축산폐수는 저장조를 거쳐 혐기성 소화공정에서 안정화되며, 산소분자가 없는 조건하에서 혐기성 미생물에 의해 유기물을 안정화시키는 공법으로서 가수분해, 산발효, 메탄발효 등의 세 단계를 거치면서 유기물을 분해시켜 최종산물로 이산화탄소와 메탄 등이 함유된 바이오 가스(메탄)를 생성하는데, 여기서 메탄은 보일러의 연료를 대체하여 퇴비화 시스템의 열원으로 사용된다. 또한 혐기성 소화조에서 처리된 액상 슬러지는 저장조에서 수분조절재와 혼합하여 유기질 비료생산을 위한 퇴비화 과정으로 유입된다. 수분조절재와 혼합된 액상 슬러지는 초기단계에서 고온성 미생물에 의해 분해 가능한 화합물로 변화되고, 이때 발생된 열에 의해 고온단계로 바뀌는데 50∼60℃ 또는 그 이상을 유지하게 된다. 고온에서 유지되는 발효온도를 이용하여 각종 병원균, 기생충란, 잡초의 종자 등을 사멸시켜 위생학적 측면과 작물의 생육을 저해하는 물질을 분해시켜 토양과 작물의 성장 측면에서 안전하게 하는 것을 의미하며, 축산폐수에 함유된 단백질, 지방, 탄수화물의 분해를 가속시킨다. 다음 진행단계로 퇴비의 온도는 점차 감소하여 중온의 단계로 접어들어 안정화되고 유기물이 숙성하는 단계로 전환되어 최적의 수분함량과 C/N비로 양질의 유기질 비료를 생산하게 하는 공정으로 구성된 것을 특징으로 한다. 유기질 비료의 생산을 위한 퇴비화 시스템 설치의 목적은 처리측면에서 볼 때 축산폐수가 함유하고 있는 수분을 증발시키고, 양질의 유기질 비료, 즉 퇴비를 생산하기 위한 조건은 호기성 미생물이 증식할 수 있는 최적의 상태를 유지하는 것으로서 영양물질, 온도, 수분함량, 산소, C/N비등을 들 수 있다. 따라서 본 발명은 축산폐수를 자원으로 재활용하기 위한 공정으로써 수처리 방식보다는 자원화방식으로 경제적이고 실질적인 친환경 농업기반을 구축할 수 있는 시스템 및 운전방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 혐·호기 복합 발효 시스템으로 비교적 간단한 공정으로 구성되며, 고농도 유기성 폐기물을 자원화하기 위한 공정으로 구성되어진 방법을 제공함에 의해 달성된다.

도 1 은 본 발명의 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템을 구성하는 개략적인 전체공정도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 축산폐수 저장조 (2) : 축산폐수 이송펌프

(3) : 혐기성소화조 (4) : 수중교반기

(5) : 혐기성 미생물 (6) : 바이오가스 산기관

(7) : 슬러지 유출라인 (8) : 침전조

(9) : 반송펌프 (10) : 축산폐수 소화슬러지 배출라인

(11) : 수분조절재 (12) : 퇴비화 시스템

(13) : 유압유니트 (14) : 교반모터

(15) : 교반기 (16) : 회전분쇄기

(17) : 주행모터 (18) : 레일

(19) : 송풍기 (20) : 공기유입배관

(21) : 산기관 (22) : 퇴비부산물 저장조

(23) : 스크린 (24) : 포장시설

(25) : 유기질비료제품 (26) : 수분조절용 유기질비료 반송라인

(27) : 가스저장조 (27'): 탈황기

(28) : 가스보일러 또는 가스소각기 (29) : 열풍시설

(30) : 탈취설비 (31) : 미생물 담체층

(32) : 수분공급장치 (33) : 악취가스 분배관

(34) : 교반장치 (35) : 점검구

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명을 포함하는 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템에 의한 자원화 공정을 도시한 것이다.

본 발명은 혐기성 소화 공정을 이용하여 고농도 유기성 축산폐수를 부분적으로 안정화시킨 후 퇴비화 과정을 통해서 유기질 비료의 생산성을 향상시키기 위한 시스템으로서, 축산폐수 저장조(1)로부터 적절한 휘발성고형물부하율로 축산폐수를 이송하여 혐기성 소화조(3)에 투입하는 단계와;

일정한 체류시간이 지난 후 혐기성 소화조(3)로부터 배출된 슬러지를 톱밥등의 수분조절재(11)와 적절한 비율로 혼합하여 수분함량이 약 60% 정도 유지되도록 한 후 퇴비화 시스템(12) 내부에 투입하는 단계와;

이동식 교반기(15)와 송풍기(19)를 가동하여 공기를 주입하여 주기적으로 내부를 혼합해줌으로써 고온발효 과정을 유도함으로써 수분을 증발시키며, 연속적으로 유기질 비료를 생산하는 단계와;

혐기성 소화조(3)에서 발생된 바이오 가스로부터 부식성 가스인 황화수소 및 수분을 제거한 후 메탄을 가스저장조(27)로 유입시키는 단계와;

메탄을 가스저장조(27)로부터 이송하여 열원 또는 전력 등의 에너지원으로 재이용하여 전체 운전비용을 절감하거나 공정을 더욱 효율적으로 운영하는 단계와,

상기의 퇴비화 시스템(12) 내부에서 발생된 악취를 제거하게 되는 탈취설비(30)로 구성되어진 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 수거된 축산폐수를 축산폐수 저장조(1)로부터 이송펌프(2)를 통해 혐기성 소화조(3)에 투입되는 유기물 부하율에 적합한 축산폐수의 양을 이송하는 기능을 갖는다. 혐기성 소화조(3) 내에 유입된 축산폐수는 수중교반기(4)에 의해 혐기성 미생물(5)과 충분한 접촉과 발생된 메탄에 의한 혼합기능이 유지될 수 있도록 하는 바이오가스 산기관(6)을 설치하여 가스저장조(27)로부터 재순환시킬 수 있도록 하였다. 유입된 축산폐수는 혐기성 소화공정에 의해 메탄을 생산한 후, 처리액은 슬러지 유출라인(7)을 통해서 침전조(8)로 유입되도록 하였다. 혐기성 소화조(3)의 안정된 운영을 위하여 침전조(8) 하부에 농축된 슬러지는 다시 혐기성 소화조(3)로 반송할 수 있는 반송펌프(9)를 설치하였다.

퇴비화 시스템(12)은 유압유니트(13), 교반모터(14), 교반기(15), 회전분쇄기(16), 주행모터(17), 레일(18), 공기유입배관(20), 산기관(21) 등으로 구성되는데, 혐기성 소화조(3)로부터 배출라인(10)을 통해 배출된 축산폐수 소화슬러지를 농축하여 수분조절재(11)와 혼합하고 적절한 수분함량이 유지될 수 있도록 조절한다. 혼합된 축산폐수 소화슬러지와 수분조절재(11)를 퇴비화 시스템(12)에 투입하여 높이가 1.8∼2.0 m를 유지하면 유압유니트(13)에 의해 교반모터(14)를 가동하여 교반기(15)에 의해 1일 1∼2회 퇴비화 시스템(12) 내부의 충진물들이 혼합될 수 있도록 하였다. 이때 수분함량이 수분조절재(11)(수분함량 약 30%)와 혼합하여 수분함량이 약 60% 정도 유지되도록 하였다. 교반기(15)는 주행모터(17)에 의해 레일(18)을 따라 움직이고, 하부에서 상부로 올려진 충진물들은 저속 회전분쇄기(16)에 의해 입자들을 작게 분쇄할 수 있도록 하였으며, 특히 기존의 방법과 비교하여 수분조절재(11) 투입량을 최소화시켜 최적의 퇴비화 공정이 유지될 수 있도록 송풍기(19)를 가동해 하부의 공기유입배관(20) 및 산기관(21)을 통해 퇴비화 시스템(12) 전체에 산소가 전달될 수 있도록 하는 최적의 조건을 유지하였다. 즉, 퇴비화 과정을 통해 양질의 퇴비를 생산하기 위한 조건은 영양물질, 온도, 수분함량, 산소, C/N비 등을 들 수 있는데, 호기성 미생물이 증식할 수 있는 최적의 상태를 유지하는 것으로 퇴비화 과정을 거친 후 수분함량은 45∼50% 정도이다. 최종산물인 유기질 비료가 생산되는 경우 수분함량은 40% 정도가 유지되도록 하여 양질의 유기질 비료를 생산하는 시스템이 될 수 있도록 하였다.

발효과정이 끝난 부산물은 퇴비저장조(22)에 보관하며, 스크린(23)을 이용하여 유기질비료품질에 적합한 입자를 분류하여 포장(24)하여 제품(25)을 생산한다. 톱밥의 사용량을 최소한으로 감소시키기 위하여 포장하기전 퇴비부산물을 수분조절용 유기질비료 반송라인(26)으로 반송시킨다. 또한 퇴비화 과정을 가속화시키기 위하여 혐기성 소화조(3)에서 발생된 메탄은 탈황기(27')를 거쳐 가스저장조(27)에 포집하여 가스보일러 또는 가스소각기(28)를 이용하여 열풍(29)으로 변환시켜 한 겨울에도 퇴비화 시스템(12) 내부의 온도가 정상적으로 유지될 수 있도록 하는 기능을 부여하였다. 또한 퇴비화 시스템(12) 내부에서 발생되는 악취가스는 퇴비화 시스템(12) 외부에 커버를 설치하여 악취의 확산을 방지와 겨울철 온도저하를 방지할 수 있도록 하였고, 여기서 발생된 가스를 흡입 이송하여 탈취설비(30)를 이용하여 악취를 제거할 수 있는 기능을 부여하였고, 탈취설비(30)의 미생물 담체층(31)에서 효율적인 악취제거를 위해 수분공급장치(32)에서 수분공급을 할 수 있도록 하였고, 미생물 담체층(31) 내부에서 악취가스가 분산될 수 있도록 악취가스 분배관(33)을 설치하고 사영역이 발생되지 않도록 교반장치(34)를 설치하였고 처리된 가스를 점검 및 채취할 수 있도록 점검구(35)를 설치하였다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템으로서 혐기성 소화조에서 대체에너지원인 메탄을 회수하고 퇴비화 시스템에서 호기성 발효과정을 거쳐 유기질 비료를 생산하는 공정으로서 이러한 고농도 유기성 폐기물들을 고비용으로 처리하여 방류하기보다는 재사용 할 수 있는 형태로 변환시켜 화학비료의 사용보다는 유기질 비료를 사용하는 친환경 농업기반 구축사업을 실현하고, 궁극적으로는 자연에 환원하는 공정으로 환경보호에 지대한 영향을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (5)

1. 혐기성 소화 공정을 이용하여 고농도 유기성 축산폐수를 안정화시킨 후 퇴비화 과정을 통해서 유기질 비료의 생산성을 향상시키기 위한 시스템으로서, 저장조(1)로부터 축산폐수를 이송하여 적절한 휘발성고형물부하율로 혐기성 소화조(3)에 투입하는 단계와;

   일정한 체류시간이 지난 후 혐기성 소화조(3)로부터 배출된 슬러지를 톱밥 등의 수분조절재(11)와 적절한 비율로 혼합하여 수분함량이 약 60% 정도 유지되도록 한 후 퇴비화 시스템(12) 내부에 투입하는 단계와;

   이동식 교반기(15)와 송풍기(19)를 가동하여 공기를 주입하여 주기적으로 내부를 혼합해줌으로써 고온발효 과정을 유도함으로써 수분을 증발시키며, 연속적으로 유기질 비료를 생산하는 단계와;

   혐기성 소화조(3)에서 발생된 바이오 가스로부터 부식성 가스인 황화수소 및 수분을 제거한 후 메탄을 가스저장조(27)로 유입시키는 단계와;

   메탄을 가스저장조(27)로부터 이송하여 열원 또는 전력 등의 에너지원으로 재이용하여 전체 운전비용을 절감하거나 공정을 더욱 효율적으로 운영하는 단계와,

   상기의 퇴비화 시스템(12) 내부에서 발생된 악취를 제거하게 되는 탈취설비(30)로 구성되어진 것을 특징으로 하는 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기, 혐기성 소화조(3)는 유입된 축산폐수를 내부에 설치된 수중교반기(4)에 의해 혐기성 미생물(5)과 충분한 접촉과 발생된 메탄에 의한 혼합기능이 유지되게 되고 내부 하단에 설치된 바이오가스 산기관(6)에 의해 메탄을 재순환되게 한 것을 특징으로 하는 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기, 퇴비화 시스템(12)은 혼합된 축산폐수 소화슬러지와 수분조절재(11)를 투입하여 높이가 1.8∼2.0m를 유지하면 유압유니트(13)에서 교반모터(14)를 가동하여 교반기(15)에 의해 1일 1∼2회 충진물들이 혼합되게 되고 상기 교반기(15)는 주행모터(17)의 작동으로 레일(18)을 따라 움직이게 되며 하부에서 상부로 올려진 충진물들은 저속 회전분쇄기(16)에서 입자들을 작게 분쇄시키고 외측에 형성된 송풍기(19)를 가동해 하부의 공기유입배관(20) 및 산기관(21)을 통해 산소가 전달되게 하였고, 온도비례제어식에 의한 방법으로 교반기(15)를 가동하게 한 것을 특징으로 하는 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   퇴비화 과정을 가속화시키기 위하여 혐기성 소화조(3)에서 발생된 메탄은 탈황기(27')를 거쳐 가스저장조(27)에 포집하여 가스보일러 또는 가스소각기(28)를 이용하여 열풍으로 변환시켜 한 겨울에도 퇴비화 시스템(12) 내부의 온도가 정상적으로 유지되게 한 것을 특징으로 하는 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기, 탈취설비(30)는 수분공급장치(32)로부터 수분공급을 하여 미생물 담체층(31)에서 효율적인 악취제거가 이루어지며 미생물 담체층(31) 내부에서 악취가스가 분산되어 처리될 수 있도록 악취가스 분배관(33)이 설치되고 사영역이 발생되지 않게 교반장치(34)가 설치되며 처리된 가스를 점검 및 채취할 수 있게 점검구(35)가 설치되어진 것을 특징으로 하는 혐기성소화 및 연속식 퇴비화 공정을 이용한 고농도 유기성 축산폐수의 자원화 시스템 및 운전방법.