KR20070021335A

KR20070021335A - 남은음식물 및 축산폐수를 혼합처리하기 위한 혐기-호기복합고도처리공법.

Info

Publication number: KR20070021335A
Application number: KR1020050075461A
Authority: KR
Inventors: 최영철
Original assignee: 최영철
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2007-02-23

Abstract

본 발명은 발명특허 0326677을 더욱 발전시킨 후속발명인바, 축산폐수 및 남은음식물을 혼합하여 동시에 처리할 수 있고, 하수, 오수, 산업폐수 및 분뇨도 혼합하여 동시에 고도처리할 수 있는 공법으로서, 남은음식물 등의 고농도 유기물은 파쇄하여, 우선 산분해조에 투입하여 가수분해시키고, 처리된 산분해수에 축산폐수 및 하수 등을 적정비율로 혼합하여 메탄발효조에 투입하여, 고온 메탄발효시켜 바이오개스를 고효율로 생성시키며, 메탄발효처리수를 제트소화조로 투입하여 호기성 자기발열 고온소화처리하여 유기탄소 및 총질소함량을 낮추고, 생물막조로 투입하여 고농도 생물막으로 난분해성 함유물을 제거하며, 고도처리조에 투입하여 동시탈질 고도처리하여 유기탄소 및 총질소를 10피피엠(PPM)으로 낮추어, 최종 막분리기를 투과시켜 부유물과 병원체, 미생물을 완전 제거한 최종처리수를 재활용수로 사용하는 공법에 관한 것이다.

남은음식물, 축산폐수, 혐기성, 산분해, 메탄발효, ATAD, 생물막, SND, 막분리

Description

남은음식물 및 축산폐수를 혼합처리하기 위한 혐기-호기 복합고도처리공법.{Hybrid Anaerobic-Aerobic Advanced Wastewater Treatment Process for the Combined Treatment of Food-waste and Pig-manure.}

[도 1]은 남은음식물 및 축산폐수를 혼합처리하기 위한 고농도 및 저농도 폐수의 혐기-호기 복합고도처리공법의 공정도이다.

(1) 남은음식물호파 (9) 침전조

(2) 선별콘베이어 (10) 한외여과 막분리기

(3) 파쇄기 (11) 바이오개스 저장조

(4) 혐기성 산분해조 (12) 바이오개스 정화기

(5) 혐기성 메탄발효조 (13) 바이오개스 열병합발전기

(6) 호기성 자기발열 제트소화조 (14) 축산폐수 저류조

(7) 호기성 생물막조 (15) 협잡물 고액분리기

(8) 동시탈질 고도처리 포기조 (16) 자동교반식 퇴비장

본 발명이 속하는 기술분야는 고농도 및 저농도폐수의 유기탄소성분 및 총질소성분을 처리하는 고부하 혐기성, 호기성 소화 및 고효율 고도처리기술이다. 축산폐수는 상수원인 하천호소의 부영양화 및 녹조발생의 주요인으로 꼽히고 있다. 우리나라 축산폐수의 발생량은 총 오폐수의 1%수준이나, 유기탄소성분(BOD)기준 오염부하량은 15%로써, 고농도의 유기탄소, 인 및 질소를 함유한 오염원이다. 축산폐수의 문제는 주로 일천만두에 달하는 양돈농장에서 발생되는 돈분뇨이며, 그중에서도 대규모 고밀도 양돈농장에서 주로 채용되는 스러리돈사에서 배출되는 고농도 배출수는 악성 유기폐수로써, 현재 국내처리기술로는 아직 검증된 적절한 처리공법이 개발되지 않은 실정이다. 돈분뇨 및 축사 세척수등이 섞이어 배출되는 이폐수는 1차 고액분리를 거쳐 고형분은 퇴비화하고 분리액만을 폐수처리하게 되는데, 이때의 오염도는 유기탄소(CODcr): 50,000피피엠(PPM), 총질소(T-N): 6,000피피엠(PPM) 수준으로서, 일반생활하수의 약일백배에 달한다.

축산폐수에 의한 수자원의 오염을 방지하기 위하여 건설된 축산폐수 공공처리장은 대부분 호기성공법을 채택하고 있다. 그러나 호기성공법을 채용시는 필수적인 전처리로서 고농도의 미세부유물을 응집침전 시켜 유기물 농도를 저하시키기 위하여 과량의 화학약품을 투여하며, 호기성처리를 위한 충분한 산소전달을 위하여는 많은 동력이 소요되어, 운전비의 과도한 상승은 물론 과도한 화학폐기물 발생으로 인한 2차오염의 우려마져 초래한다.

남은음식물의 처리는 그동안 건조, 사료화, 퇴비화의 세가지 주방향으로 처리되어 왔다. 그러나 건조는 연료비가 과다하고, 사료화는 효용성이 현저하게 낮 음이 증명되었고, 퇴비는 고염도 등의 결함으로 비료로서의 수요가 저조하여, 세 방법 공히 경제성이 없어 실패한 상태이다.

돈분뇨의 마리당 배출량은 10리터/일로서 인간의 약10배에 달하며 고농도의 질소 및 인을 함유한다. 이들은 농사에 필요한 영양소로써, 돈분뇨를 약6개월간 저장하여 안정화시키면 양질의 액비가 됨으로, 옛부터 농사에 유용하게 사용되어 왔다. 그러나 전세계적으로 양돈방식이 고밀도 기업화함으로써, 양돈농장에서 배출되는 축산폐수는 주변하천을 부영양화시킬 뿐만 아니라, 돈분뇨의 장기간 저장시에 발생되는 악취와 메탄개스에 의한 온실효과 또한 심각한 문제로 전문가들에 의하여 부각되었다. 따라서 돈분뇨는 우리나라 뿐만이 아니라, 유럽, 미국, 등 세계 여러지역에서, 날로 확산되는 환경문제로 대두되어, 환경당국과 단체들의 관심을 고조시킴으로써 여러나라에서 양돈농장의 규모나 건설, 축분뇨의 유통에 대한 규제를 불러일으키고 있는 실정이다.

유럽의 경우 양돈두수가 1억1천만두에 달하여 인구대비 두수가 0.6에 이르고, 화란의 경우는 1천만두로써 0.9에 육박하여, 남한의 0.25에 비하여 월등 과밀하다. 따라서 유럽에서는 환경오염을 최소화하기 위한 돈분뇨 처리법으로 혐기성 소화공법이 권장되어 많은 농장에서 채용되고 있다. 혐기성 소화공법이란 축산폐수와 남은음식물과 같은 유기성 폐수를 혐기성 소화조에 투입하여, 10여일간 공기를 차단한 상태에서 혐기성 소화를 시켜, 유기성분의 80~90%를 분해하여 메탄개스를 주성분으로한 바이오개스(Biogas)를 발생시켜 동력으로 사용하고, 퇴비화된 잔류물은 배출하여 비료로 바로 사용하는 공법이다. 바이오개스의 생산량 은 자체처리시설의 동력뿐만 아니라, 전체 농장수요도 충당하여, 생산원가의 절감을 가져오고, 또한 바이오개스는 유기성 폐수를 바이오매스(Biomass)로한, 이산화탄소를 증가시키지 않는 청정에너지에 속하여, 청정대체에너지 생산이라는 환경친화효과가 있다. 잔류물은 퇴비화된 양질의 유기질 비료로써, 고형물은 탈수하여 퇴비로 사용하고, 여액은 액비로 사용할수 있어 전량 농토로 환원되는 자원순환형 공법이다. 미국 등 기타지역에서도 악취방지, 메탄개스의 대기 확산방지, 하천수의 부영양화 방지 및 원가절감과 대체에너지 생산이라는 장점을 이유로 혐기성 소화공법의 채용이 적극 추진되어 세계적인 증가 추세에 있는 것이다.

따라서 축산폐수 및 남은음식물을 미세부유물의 제거 없이 처리하여, 생성개스로 열과 전기를 생산하는 고효율 혐기성공법의 개발은 환경보전 및 대체에너지 개발을 동시에 실현하기 위하여 시급히 요청되는 현안이라 할 것이다.

1) 축산폐수와 남은음식물 단독으로는 메탄발효를 활성화 시킬 수 없으며, 그 원인은; (1) 축산폐수는 암모니아함량이 많아 독성으로 인하여 메탄균의 활성이 저하되며, (2) 남은음식물은 산패로 인한 낮은 수소이온농도(PH) 때문에, 직접 메탄소화조에 투입하면 높은 수소이온농도(PH)가 필요한 메탄발효의 활성을 저해한다. 따라서 축산폐수와 남은음식물을 적정비율로 사전에 혼합 중화하여 적합한 성상으로 메탄발효조에 투입하여 메탄발효를 활성화시켜 고효율의 바이오개스 생성을 이룬다.

2) 남은음식물은 파쇄하여 메탄발효조에 투입하기전에 산분해조에 투입하여 산분해조에 적합한 낮은 수소이온농도(PH)를 유지함으로서 고효율로 가수분해시킨다.

3) 메탄발효 온도는 종래의 중온법(섭씨37도)이 아닌 고효율인 고온법(섭씨57도)을 채용하여, 반응온도가 10도 상승시 반응속도는 2배로 늘어나므로, 중온법의 4배로 반응속도를 증가시키고, 유기탄소의 메탄전환율도 2배로 증가시키며, 메탄발효수 내의 병원균의 소독 및 잡초씨의 제거도 완전하게 이루어 고액분리한 액비와 퇴비를 유기농법 비료로 안전하게 사용케 한다.

4) 메탄발효수는 유기탄소 및 질소함량이 고농도이고, 함유한 유기탄소대 질소의 비율이 높아서 생물학적처리 효율의 현저한 저하를 야기하므로, 제트소화조에서 제트산기관을 통하여 미세공기입자를 분사시켜, 호기성 자기발열 고온소화(Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion: ATAD)반응을 일으켜, 고효율로 유기탄소와 질소를 감소시킨다.

5) 생물막조는 고정상 미생물반응기로서, 담체로 충전된 반응실의 하부로는 산기관을 통하여 공기가 공급되어, 미생물 증식 및 활동의 최적조건이 유지되어 기질의 산화 및 소화가 왕성하게 이루어지며, 생물막이 담체에 고정되어 기존 활성오니법보다 수십배의 농도로 유지되므로 유기물제거 효율이 높아 유입수에 함유된 난분해성 유기성분을 분해시킨다.

6) 고도처리조는 질소함량을 실시간 측정하여, 전산감시제어체계(Supervisory Control And Data Acquisition: SCADA)로 제어되는 제트포기기에 의하여, 포기량과 용존산소(DO)를 정밀제어하여, 종래의 생물학적 탈질이론(Biological Nitrogen Removal: BNR)상의 물질수지를 벗어난 동시탈질(Simultaneous Nitrification Denitrification: SND)이론에 의하여, 질산화와 탈질이 동시에 진행되어, 암모니아성 질소가, 외부 탄소원의 공급없이 고효율로 고도처리되어 10피피엠에 도달케 한다.

7) 막분리기는 스파이랄형 한외여과(Ultrafiltration: UF) 직류분리기(CROSSFLOW FILTRATION)로서 분획 분자량(Molecular Weight Cut Off, MWCO)100~100,000의 분리막을 통하여 고도처리수를 투과시켜 부유물과 병원체를 포함한 미생물이 완전제거 정화된 투과수를 재활용수로 사용케 한다.

8) 메탄발효반응이 활성화되면 유기탄소의 바이오개스 전환율이 향상하고, 바이오개스 생산량이 증가하며, 메탄개스 함량이 향상되어, 생성되는 바이오개스를 열병합발전기 (Combined Heat Power-generator: CHP)에 의하여 전기 또는 열로 전환하고, 열은 메탄발효조의 가열수요를 충족시키고, 전기는 자가폐수처리공정의 동력수요량을 충당하고, 잉여분을 한전전력망에 연계 판매케 한다.

별첨[도 1]에 의하여 상세히 설명하면;

(1)남은음식물 호파 내에 저장된 남은음식물을 (2)선별콘베이어로 배출하여 금속 수저 및 비닐 등 협잡물을 선별해 내고, (3)파쇄기로 투입하여 파쇄 또는 분쇄를 하여 (4)산분해조로 투입하여, 섭씨30도~40도에서 24시간 체류시켜 교반하여 산성 조건하에서 가수분해한다. 산분해조 유출수는 (14)축산폐수 저류조에서 배출되어 (15)고액분리기에서 협잡물을 제거한 분리액과 적정비율로 혼합하여 (5)메탄발효조로 투입한다. 메탄발효조에서는 유입수를 수소이온농도 6~8, 섭씨30~80도에서 10~30일간 체류시켜 교반하여 메탄발효시켜 함유된 유기탄소를 메탄을 주성분으로한 바이오개스로 전환한다. 생성된 바이오개스는 (11)바이오개스조에 저장되었다가 (12)개스정화기에서 정화하여 (13)열병합발전기(CHP)에 연료로 공급하여, 발전된 전기는 페수처리공정 자체수요를 충당하고 잉여전기는 한전전력망에 쌍방향 전력적산계를 통하여 연계 공급되며, 회수열은 메탄발효조의 가열에 사용된다. 메탄발효조 유출수는 정치하여, 침전된 오니는 발효조로 반송하고 상등수는 (6)제트소화조로 이송되어 제트산기관을 통하여 분사되는 미세 공기입자에 의한 호기성 자기발열 고온소화(ATAD)가 일어나 조내 온도가 섭씨60~90도로 상승하여 유기성분과 질소함량이 고효율로 제거된다. 제트소화조 유출수는 (7)생물막조로 유입되어 담체에 부착된 고농도 생물막과의 접촉으로 함유된 난분해성 물질이 제거된다. 생물막 유출수는 (8)고도처리조에 유입되어 질소함량의 실시간 측정과, 전산자동제어체계(SCADA)에 의하여 실시간제어 되는 제트포기기에 의하여, 포기량과 용존산소(DO)를 정밀제어하여, 종래의 생물학적 탈질이론(BNR)상의 물질수지를 벗어난 동시탈질(SND)이론에 의하여, 질산화와 탈질이 동시에 진행되어, 외부 탄소원의 공급없이, 유기성분과 질소함량이 10피피엠이하로 낮추어 고효율로 고도처리된다. 고도처리조 유출수는 (10)침전조에서 오니는 침전 분리하여 반송하고, 상등수는 (10)막분리기로 이송하여 한외여과막을 투과시켜 부유물과 병원체 등 미생물 을 완전 제거한 투과수는 재활용된다.

[도 2]의 제트소화조(URT)는 순환펌프로 구동되어, 대기또는 압송된 공기를 흡입하여 공기와 폐수를 혼합 미세화하여 분사하는 제트산기관이 부착된 고부하 소화조로서 메탄소화수를 투입하여, 자기발열 고온소화(ATAD)에 의하여 섭씨30~100도로 상승시켜, 고효율로 유기탄소와 총질소를 고부하 제거시킨다.

제트 산기관(BAS)은 1개이상이 제트소화조의 중앙 또는 벽측에 유도관과 같이 설치될 수 있으며, 순환펌프(A)로는 조내의 폐수 또는 침전조의 반송스러지를 구동하여 제트 산기관을 통하여 조내로 분사한다. 겸용 처리조는 2개이상이 직열로 연결되어 호기성처리와 무산소처리가 각조에서 교차처리되고, 동일조내에서도 주기적으로 절환처리됨으로서 고도의 처리효율이 달성된다

제트 산기관은 분사구, 도입부 및 확산부로 구성되어있고, 도입부에는 지관이 있어, 수동또는 자동제어되는 공기변과 폐수변이 부착되어 있으며, 분사구로 폐수를 분사했을 때에 흡입공기량이 분사량의 1~5배가 되도록 분사구경 및 확산부의 목구경이 실험적으로 결정된다.

분사구에서의 분사압은 1~3기압으로 유속은 초당10~20미터(m/sec)로 분사시 공기를 흡입함과 동시에 분사폐수속의 스러지를 파쇄하여 미립화함으로서 호기성 산화 및 질산화 효율을 향상시킨다. 도입부로 분사된 폐수와 흡입된 공기가 확산부로 유입되어, 격렬한 와류를 이루어 공기가 미세화 되고 고효과의 혼합이 이루어진후 조내로 배출된다.

[도 3]은 생물막조로 고정상 미생물반응기(FIXED FILM BIOREACTOR)로서, 특수담체로 충전된 둘이상의 밀폐된 반응실이 있어, 하부로는 산기관을 통하여 적절히 공기 또는 산소가 공급되고, 반응실 뒤에는 침전실이 있어, 그곳에서 침전된 오니는 반송펌프로 반송되면서, 열교환기에 의하여 자동온도조절로 적당히 가열되어 반응실로 유입되므로, 미생물 증식 및 활동의 최적조건이 유지되어 기질의 산화 및 소화가 왕성하게 이루어진다. 원수기질(C:N:P)의 비율을 맞추거나 기타원소를 공급시에는 균합실에서 충분히 혼합하여 반응실로 투입한다. 생물막은 담체에 고정되어 미생물농도가 활성슬러지법보다 수십배의 농도로 유지되므로 유기물제거 효율이 좋고 처리수온이나 부하변동에 강하며, 담체에 고정된 생물막의 겉과 내부에서는 각기 호기성 및 혐기성 소화가 동시에 일어나기 때문에 슬러지 발생량이 매우 적으며, 반응실과 침전실이 있는 다단계 처리공정으로 충격부하에 강하고 순양이 빠르다. 반응실에서 배양되는 미생물은 슈도모나스(PSEUDOMONAS)를 우점종으로한 토양미생물로서 고농도, 유기성, 난분해성 기질의 고부하처리 및 고도처리에 적합한 고부하 소화조이다.

[도 4]의 고도처리조는 하수 등의 유입수를 하나 이상의 일련의 고도처리 포기조에 투입하여, 하나 이상의 측정위치에서 암모니아성 또는 질산성 질소함량 등을 실시간 측정인자로 하여, 분산 또는 원격 실시간 자동제어하는 전산감시제어체계(SCADA) 등에 의하여 제어 되는 제트포기기 또는 고효율 포기기에 의하여, 포기 량과 용존산소(DO)를 정밀제어하여, 종래의 생물학적 탈질이론(BNR)상의 물질수지를 벗어난 동시탈질(SND)이론에 의하여, 질산화와 탈질이 동시에 진행되어, 외부 탄소원 공급없이, 암모니아성 질소가 제거되어 고효율로 고도처리된다.

1) 축산폐수와 남은음식물이 메탄발효의 활성화로 효율적으로 완전 정화된다.

2) 축산폐수와 남은음식물을 고효율로 처리함은 물론, 하수와 폐수 등의 전량을 고도처리함으로서 환경보존에 기여한다.

3) 하수, 오수, 폐수 등을 혼합하여 동시에 고도처리함으로서 전반적인 하수처리장 확장비용을 절감시킨다.

4) 막분리기 최종처리 투과수는 재활용되어 수자원 절약이 된다.

5) 메탄발효의 활성화로 대체에너지인 바이오개스 생성이 증대된다.

Claims

남은음식물, 축산페수, 하수, 오수, 폐수, 분뇨 등을 동시에 처리하여 음용수 수질로 정화하는, 다음의 혐기성 산분해, 혐기성 메탄발효, 호기성 제트소화, 생물막소화, 동시탈질 고도처리 및 막분리의 일련의 공정으로 구성된 폐수처리공법;

가) 남은음식물은 협잡물을 선별 제거하여 파쇄 또는 분쇄하고 교반식 밀폐 산분해조에서, 섭씨10~80도로 유지하여, 0.5~30일간 혐기성 가수분해 처리하여 생성된 탄산개스를 배기하고, 가수분해된 산분해수를 메탄발효조로 이송한다.

나) 산분해수를 축산폐수 및 하수, 오수 등의 폐수와 혼합하여 밀폐된 메탄발효조에서, 섭씨10~80도로 유지하여, 3~60일간 혐기성 메탄발효하여, 유기성 기질을 바이오개스화하여 열병합발전기(CHP)의 연료로 사용하고, 처리된 메탄발효수는 제트소화조로 이송한다. 산소화수 중량 1에대하여 축산폐수는 0.1~10을 혼합하고, 이때 수소이온농도(PH)는 6~8을 유지한다. 열병합발전기에서 생산되는 전기는 자가수요 및 외부 공급하고, 회수열은 발효조 가열에 사용한다.

다) 제트소화조에 투입된 메탄발효수는 제트산기관을 통하여 흡입된 공기에 의하여 호기성 자기발열 고온소화가 일어나 섭씨30~100도로 상승되고, 1~72시간이 체류되며, 유기성분과 질소성분이 제거되고, 오니가 고효율로 감량되어 처리된 제트소화수는 생물막조로 이송된다.

라) 호기성 생물막조는 1실 이상의 담체반응실이 있어, 유입수는 1~72시간을 체류하며, 하부에서 포기되는 공기와 담체에 부착된 고농도의 생물막에 의하여 난 분해성 유기물이 분해되어 제거되며, 처리수는 고도처리조로 이송된다.

마) 고도처리조에 유입된 처리수는, 1~5일을 체류하며, 실시간 측정된 질소함량을 제어인자로하여 자동제어되는 포기기와 정밀조절된 용존산소에 의하여 일어나는 동시탈질기법에 의하여 유기성분과 질소성분이 외부 탄소원의 공급없이 제거되며, 침전조에서 침전된 오니는 반송되고, 상등처리수는 막분리기로 이송된다.

마) 막분리기에서 처리수는 한외여과 분리막을 통하여 투과되어 투과수는 부유물과 병원체를 포함한 미생물이 완전제거 정화되어 재활용된다.
고농도 오니가 포함된 유기성폐수 등을, 순환펌프로 구동되어, 대기 또는 압송된 공기를 흡입하여 공기와 폐수를 혼합하여 미세화하여 분사하는 제트산기관이 부착된 호기성 제트소화조를 이용하여, 호기성 자기발열 고온소화(ATAD)반응에 의하여 섭씨30~100도로 상승시켜, 1~72시간 체류시켜, 고효율로 오니를 감량하고, 유기성분과 총질소를 고부하처리 제거하는 제트소화공법.
하수 등이 유입된 하나 이상의 일련의 고도처리 포기조에서, 하나 이상의 측정위치에서 암모니아성 또는 질산성 질소함량 등을 실시간 측정인자로 하여, 분산 또는 원격 실시간 자동제어하는 전산감시제어체계(SCADA) 등에 의하여 제어 되는 제트포기기 또는 고효율 포기기에 의하여, 포기량과 용존산소(DO)를 정밀 제어하여, 종래의 생물학적 탈질이론(BNR)상의 물질수지를 벗어난 동시탈질(SND)이론에 의하여, 질산화와 탈질이 동시에 진행되어, 외부 탄소원의 공급없이, 암모니아성 질소가 고효율로 제거되는 동시탈질 고도처리공법.