KR20110095816A - 생물 반응조의 가온 시스템 - Google Patents

생물 반응조의 가온 시스템 Download PDF

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히로노부 아베
고지 하야시
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

실시형태에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 생물 반응조(3)와 히트 펌프 사이클을 구비한다. 생물 반응조(3)는, 투입된 배수나 유기 오니를 소화 균에 의해 혐기성 처리한다. 히트 펌프 사이클은, 제 1 열교환기(15)와 제 2 열교환기(19)를 구비한다. 제 1 열교환기(15)는, 생물 반응조(3)로부터 배출되는 소화 오니 중에서 열을 회수한다. 제 2 열교환기(19)는, 제 1 열교환기(15)에서 회수된 열에 의해, 생물 반응조(3) 내의 오니를 소정 온도로 가온한다.

Description

생물 반응조의 가온 시스템{BIOREACTOR HEATING SYSTEM}
본 발명의 실시형태는, 생물 처리를 행하는 폐수 처리나 오니 처리에 있어서, 생물 반응을 활성화시키기 위해 생물 반응조를 가온하는 가온 시스템에 관한 것이다.
하수 오니나 배수의 혐기성 처리를 행할 때에, 혐기성 균은 통상 35℃ ~ 36℃ 정도에서 가장 활성이 높아지는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 오니나 배수를 처리하는 혐기성 처리조(소화조(消化槽))가 35℃ ~ 36℃ 정도를 유지하도록 가온되게 하고 있다. 가온 방법으로서, 히터선을 소화조 내 또는 소화조의 주위에 배설(配設)해서 전기 가열하는 방법이 있다.
또한, 혐기성 처리에서는, 혐기성 균인 메탄 균에 의한 혐기성 발효에 의해 오니나 배수 중에 포함되는 유기물이 분해되어 소화 가스를 발생시킨다. 소화 가스는 메탄 가스를 주성분으로 하고 있고, 발생된 메탄 가스를 회수, 연소시켜 혐기성 처리조의 가온에 사용하는 기술도 있다(특허문헌 1, 2).
일본국 특개소57-42400호 공보 일본국 특개소60-216899호 공보
그러나, 메탄 가스의 발생량은 피처리물의 유기물 농도와 메탄균에 의한 유기물의 분해율로 결정되므로, 회수되는 메탄 가스의 양은 불안정해진다. 이 때문에, 일반적인 하수 오니의 소화조에서의 메탄 발효에서는, 발생한 소화 가스의 7할 정도가 소화조의 가온에 사용되고 있는 것에 불과하다. 그 결과, 소화조에 의한 메탄 발효에서는, 에너지 소비가 적고 메탄 가스 에너지가 얻어진다고 하는 장점이 있음에도 불구하고, 종래, 얻어진 메탄 가스를 다른 에너지원으로서 유효 활용하는 것은 곤란했다.
본 발명은, 상기와 같은 실정에 비추어 보아, 소화조 내에서 발생하는 소화 가스 전량을 발전 등에 유효 활용할 수 있고, 에너지 절약을 추진 가능하게 구성된 생물 반응조의 가온 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기의 과제를 해결하기 위해서, 실시형태에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 생물 반응조와 히트 펌프 사이클을 구비한다. 생물 반응조는, 투입된 배수나 유기 오니를 소화 균에 의해 혐기성 처리한다. 히트 펌프 사이클은, 제 1 열교환기와 제 2 열교환기를 구비한다. 제 1 열교환기는, 생물 반응조로부터 배출되는 소화 오니 중에서 열을 회수한다. 제 2 열교환기는, 제 1 열교환기에서 회수된 열에 의해, 생물 반응조 내의 오니를 소정 온도로 가온한다.
본 발명에 있어서의 생물 반응조의 가온 시스템에 의하면, 생물 반응조의 가열은 소화 오니로부터 히트 펌프 사이클에 의해 회수된 열을 사용할 수 있다. 이 때문에, 생물 반응조(메탄 발효조)에서 발생하는 소화 가스(메탄 가스)를 발전용 엔진이나 후단(後段) 프로세스의 오니 건조나 오니 소각 등의 에너지로서 유효 활용하는 것이 가능해진다.
도 1은 실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템의 구성도.
도 2는 종래의 소화조 가온 방법에 의한 실시예의 에너지 수지를 나타낸 도면.
도 3은 실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템의 에너지 수지를 나타낸 도면.
도 4는 실시예 2에 따른 생물 반응조의 가온 시스템의 구성도.
도 5는 실시예 3에 따른 생물 반응조의 가온 시스템의 구성도.
도 6은 실시예 4에 따른 생물 반응조의 가온 시스템의 구성도.
도 7은 실시예 5에 따른 생물 반응조의 가온 시스템의 구성도.
도 8은 실시예 6에 따른 생물 반응조의 가온 시스템의 구성도.
도 9는 실시예 7에 따른 생물 반응조의 가온 시스템의 구성도.
이하, 실시형태의 생물 반응조의 가온 시스템을 도면을 참조해서 설명한다.
[실시예 1]
실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 도 1에 나타낸 바와 같이 생물 반응조로서의 소화조(3)와, 오니 저장조(5)와, 탈수기(7)와, 건조기(9)와, 소화 가스 보일러(11)를 구비한다. 소화조(3)는, 하수 등의 배수 중의 잉여 오니를 받아들여 혐기성 미생물 처리를 실행해서 소화한다. 오니 저장조(5)는, 소화조(3)에서 생성된 소화 오니를 저장한다. 탈수기(7)는, 오니 저장조(5)에 일단 저장된 소화 오니 중에서 수분을 제거한다. 건조기(9)는 탈수된 탈수 오니를 건조한다. 소화 가스 보일러(11)는, 소화조(3)에서 발생한 소화 가스를 연소시켜서, 건조기(9)에서 탈수 오니를 건조시키기 위한 증기를 발생시킨다.
실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 또한, 히트 펌프 사이클을 구성하는 열순환 시스템으로서, 팽창 밸브(13)와, 제 1 열교환기(15)와, 압축기(17)와, 제 2 열교환기(19)와, 오니 순환 펌프(21)와, 온수 펌프(23)를 구비한다. 팽창 밸브(13)는 순환하는 냉매를 팽창시킨다. 제 1 열교환기(15)는, 오니 저장조(5)의 소화 오니를 순환시키는 코일(15b)을 구비하고, 소화 오니 중에서 열을 회수한다. 압축기(17)는, 제 1 열교환기(15)에서 회수된 열에 의해 가온된 냉매를 압축한다. 제 2 열교환기(19)는, 소화조(3)와의 사이에서 온수를 순환시키는 코일(19a, 19b)을 구비하고, 압축된 냉매에 의해 온수를 가온한다. 오니 순환 펌프(21)는, 오니 저장조(5)와 제 1 열교환기(15) 사이에서 오니를 순환시킨다. 온수 펌프(23)는, 소화조(3)와 제 2 열교환기(19) 사이에서 온수를 순환시킨다.
다음으로, 실시예 1의 작용을 설명한다.
소화조(3)에서는, 투입된 잉여 오니가 혐기성 세균인 메탄 발효균의 기능에 의해 생물 처리된다. 이렇게, 잉여 오니가 소화조(3) 내에서 혐기성 소화 처리됨으로써, 잉여 오니 중의 유기물이 분해되어, 소화 가스와 소화 오니로 분리된다. 여기에서, 소화 가스는 메탄 가스를 주성분으로 하는 것이다. 또한, 소화 오니는 투입된 잉여 오니의 고형물이 체적비로 절반 정도까지 감량된 것이다.
혐기성 소화 처리 후의 오니는, 소화 오니로서 오니 저장조(5)에 일단 저장된다. 저장된 소화 오니는, 오니 순환 펌프(21)에 의해, 제 1 열교환기(15) 내에 배설된 코일(15b)과 오니 저장조(5) 사이를 순환시켜진다. 열교환기(15) 내에서는, 팽창 밸브(13)을 여는 것으로 순환하는 냉매가 증발하여, 순환하고 있는 소화 오니로부터 열을 빼앗아, 소화 오니의 온도가 저하된다. 이렇게 해서, 제 1 열교환기(15) 내에서 소화 오니 중의 열이 회수된다.
증발된 냉매는 압축기(17)에서 압축되어 액화되고, 그 때에 열을 방출한다. 방출된 열에 의해 제 2 열교환기(19)와 소화조(3)를 순환하는 온수가 가온된다. 그리고, 가온된 온수에 의해, 소화조(3) 내의 잉여 오니가 가열된다. 이 결과, 소화조(3) 내의 잉여 오니는 혐기성 소화 처리를 행하기 위해 필요한 35℃ ~ 36℃ 정도의 온도로 유지된다. 예를 들면, 제 2 열교환기(19)에서는, 온수가 75℃ 정도까지 가온된다. 75℃의 온수는 온수 펌프(23)에 의해 코일(19a) 쪽으로 순환시켜진다. 그리고, 75℃의 온수가 코일(19a)을 통해 소화조(3) 내의 잉여 오니를 가열해서 소화를 촉진시킨다. 가열에 제공된 온수는 55℃ 정도까지 온도가 저하되지만, 제 2 열교환기(19)에 되돌려져, 코일(19b)을 통해 다시 75℃ 정도로 가온된다. 이러한 온도 순환을 반복하여, 소화조(3) 내의 잉여 오니가 거의 36℃ 정도의 온도로 유지된다. 한편, 액화된 냉매는 다시 팽창 밸브(13)에서 팽창 증발하여 소화 오니로부터 열을 빼앗고, 이하 동일한 동작을 반복한다.
오니 저장조(5) 내에서 열교환된 후의 소화 오니는, 탈수기(7)에 보내져 탈수 처리된다. 탈수 후의 탈수 오니는 건조기(9)에 보내져, 건조된 후, 건조 오니로서 배출된다.
혐기성 소화 처리에 의해 발생한 메탄 가스를 주성분으로 하는 소화 가스는, 소화 보일러(11)의 연료로서 사용된다. 또한, 소화 가스 보일러(11)는, 보조 연료로서 중유도 사용하고 있다.
이렇게, 실시예 1에서는, 소화조(3)로부터 뽑아낸 소화 오니를 일단 오니 저장조(5)에서 수용하고, 오니 저장조(5)와 제 1 열교환기(15) 사이에서 소화 오니를 순환시킨다. 제 1 열교환기(15)에서는 오니로부터 오니가 보유하는 열을 흡수하고, 히트 펌프 사이클에 의해 온도를 높여, 제 2 열교환기(19)에서 소화조(3) 내의 오니를 가온한다.
히트 펌프의 일 계수(COP)는, 최근의 기술 진보에 따라, 대략 3 ~ 6 정도이다. 그리고, 실시예 1에서는, 회수 열원 즉 소화 오니의 온도는 35℃ 전후와 고온의 열원을 이용할 수 있기 때문에, COP는 6에 가까워진다.
COP가 6이라 함은, 1kW의 전력을 히트 펌프에 부여함으로써 6kW의 열 에너지가 얻어지게 되어, 대단히 효율이 좋은 가온이 실현될 수 있다.
덧붙이면, 중유를 연소시켜 가온하는 종래의 경우의 연료 비용과 실시예 1의 히트 펌프에 의해 가온할 경우의 전력 비용을 비교하면, 실시예 1의 히트 펌프에 의해 가온할 경우의 전력 비용은 종래의 중유를 이용한 가온의 경우의 1/2 ~ 1/3로 저감시키는 것이 가능해진다.
도 2는 종래의 소화조 가온 방법에 의한 에너지 수지를 나타낸다. 또한, 도 3은 실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템에 의한 에너지 수지를 나타낸다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 소화조 가온 방법에서는, 소화 가스는 소화조(3)를 가온하는 소화조 가온 보일러의 연료로서만 사용되고 있었다. 소화조 가온 보일러는 피드백 제어에 의해 운전되고 있으므로, 발생하는 소화 가스의 양의 변동에 의해 불안정한 운전으로 된다. 이 때문에, 사용되는 소화 가스의 양에 여유를 갖게 한 운전을 해야만 하여, 잉여의 소화 가스가 많이 발생한다. 이 잉여의 소화 가스는 모두 폐기되고 있었다. 또한, 소화 오니를 건조시키기 위한 건조기용 보일러는, 중유를 연료로 해서 운전되고 있었다.
한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템에서는, 소화 가스는 모두 건조기용 보일러의 연료로서 사용되고 있다. 한편, 소화조(3)의 가온은 히트 펌프 사이클의 이용에 의해 공급되고 있다. 따라서, 소비 에너지로서는, 히트 펌프 사이클을 가동시키는 것만의 전력과, 건조기용 보일러의 운전에 보조적으로 사용되는 중유만으로 좋다. 도 2와 도 3을 비교하면, 종래예와 실시예 1에서는, 소비 에너지가 절반 이하로 감소되어 있음을 알 수 있다. 또한, 소화 가스를 전량 이용하고, 소화 가스 발생량의 변동은 중유를 보조로 해서 공급하기 때문에, 소화 가스의 잉여분(分)을 폐기하는 낭비를 줄일 수도 있다.
[실시예 2]
실시예 2에 따른 생물 반응조의 가온 시스템을 도 4에 나타낸다. 또한, 도 1과 동일 부재에는 동일 번호를 부여하고 있다.
실시예 2에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 오니 저장조(5) 내에 배설된 코일(15a) 내에 냉매를 통과시켜, 코일(15a)을 통해 직접 소화 오니 중의 열을 회수하는 점에서, 도 1에 나타낸 실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템과 서로 다르다.
[실시예 3]
실시예 3에 따른 생물 반응조의 가온 시스템을 도 5에 나타낸다. 또한, 도 1과 동일 부재에는 동일 번호를 부여하고 있다.
실시예 3에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 오니 저장조(5) 내에 배설된 코일(15a) 내에 냉매를 통과시켜, 코일(15a)을 통해 직접 소화 오니 중의 열을 회수하는 점, 및 소화조(3) 내에 배설된 코일(19a) 내에 냉매를 통과시켜, 코일(19a)을 통해 직접 소화조(3) 내의 소화 오니를 가온하는 점에서 도 1에 나타낸 실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템과 서로 다르다.
[실시예 4]
실시예 4에 따른 생물 반응조의 가온 시스템을 도 6에 나타낸다. 또한, 도 1과 동일 부재에는 동일 번호를 부여하고 있다.
실시예 4에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 소화조(3)의 입구측 배관에 열교환기(25)를 배설하고, 잉여 오니가 소화조(3)에 투입되기 전 단계에서 가온하도록 한 것이다. 이 경우, 열교환기(25)로서는, 중심 부분을 냉매가 통과하고, 주변 부분을 잉여 오니가 통과하는 이중 배관(25a)으로 구성할 수 있다. 압축기(17)에서 압축되어 액화된 냉매는 열교환기(25)에서 열을 방출하고, 방출된 열에 의해 이중 배관을 통과하는 잉여 오니는 36℃ 정도까지 가온된 후, 소화조(3) 내에 투입된다. 또한, 오니 저장조(5) 내에 배설된 코일(15a) 내에 냉매를 통과시켜, 코일(15a)을 통해 직접 소화 오니 중의 열을 회수하는 점은 실시예 2와 마찬가지이다.
상술한 실시예 2 ~ 4에 따른 생물 반응조의 가온 시스템에 있어서도 실시예 1에 따른 생물 반응조의 가온 시스템과 마찬가지로, 소화조(3)에서 발생되는 소화 가스를 후단 프로세스의 오니 건조의 에너지로서 유효 활용하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 혐기성 발효의 에너지 절약성을 살리면서, 또한 소화 가스 에너지를 오니 건조나 오니 소각의 에너지로서 유효 활용함으로써 중유 등의 화석 연료의 소비를 억제하고, 바이오매스(biomass) 유래의 에너지를 활용함으로써 환경 부하를 삭감할 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.
[실시예 5]
실시예 5에 따른 생물 반응조의 가온 시스템을 도 7에 나타낸다. 또한, 도 1과 동일 부재에는 동일 번호를 부여하고 있다.
실시예 5에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 소화조(3)의 출구측 배관에 오니 저장조(5)를 배치하지 않고, 직접 열교환기(27)를 배설하고, 이 열교환기(27)에 의해 소화조(3)로부터 배출되는 소화 오니로부터 열을 흡수해서 회수하게 하고 있다. 이 경우, 열교환기(27)로서는, 중심 부분을 냉매가 통과하고, 주변 부분을 소화 오니가 통과하는 이중 배관(27a)으로 구성할 수 있다. 이에 의해, 간단한 설비에 의해 소화 오니 중에서 열을 회수하는 것이 가능하게 된다. 또한, 그 밖의 구성은 도 1이나 도 4에 나타낸 실시예 1, 2와 동일하기 때문에, 그 설명을 생략한다.
[실시예 6]
실시예 6에 따른 생물 반응조의 가온 시스템을 도 8에 나타낸다. 또한, 도 1과 동일 부재에는 동일 번호를 부여하고 있다.
상술한 각 실시예에서는, 열 회수는 소화 오니만을 대상으로 삼았지만, 실시예 6에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 소화 오니와 함께 소화조(3)로부터 배출되는 탈리액(脫離液)으로부터도 열을 회수하도록 구성한 것이다.
즉, 탈리액 배출 배관에 열교환기(29)를 배설하고, 이 열교환기(29)의 코일(29a)을 오니 저장조(5) 내에 배치된 코일(15a)에 접속해서 구성한다. 이 경우, 코일(29a)로서는, 코일(15a)과 마찬가지로, 중심 부분을 냉매가 통과하고, 주변 부분을 탈리액이 통과하는 이중 배관으로 구성할 수 있다.
탈리액은 소화 오니와 마찬가지로, 대략 35℃ 정도의 열을 지니고, 종래는 그대로, 수(水) 처리 설비에 배출되고 있었다. 실시예 6에 따른 생물 반응조의 가온 시스템에 의하면, 탈리액으로부터도 열을 흡수할 수 있으므로, 가일층의 에너지 절약을 달성할 수 있다.
[실시예 7]
실시예 7에 따른 생물 반응조의 가온 시스템을 도 9에 나타낸다. 또한, 도 1과 동일 부재에는 동일 번호를 부여하고 있다.
실시예 7에 따른 생물 반응조의 가온 시스템은, 소화조(3)의 출구측 배관에 오니 저장조(5)를 배치하지 않고, 직접 열교환기(31)를 배설해서 소화 오니로부터 열을 흡수해서 회수하는 동시에, 이 열교환기(31)는, 도 8에 나타낸 실시예 6과 마찬가지로, 탈리액의 배출 배관으로부터도 열을 회수하게 하고 있다. 즉, 열교환기(31)로서는, 중심 부분을 냉매가 통과하고, 주변 부분을 소화 오니가 통과하는 이중 배관으로 구성된 코일(31a)과, 이 코일(31a)과 접속되고, 중심 부분을 냉매가 통과하고, 주변 부분을 탈리액이 통과하는 이중 배관으로 구성된 코일(31b)로 구성할 수 있다. 이에 의해, 간단한 설비에 의해 소화 오니뿐만 아니라 탈리액 중에서도 열을 회수하는 것이 가능하게 되어, 한층 더한 에너지 절약 효과를 달성하는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명의 몇 가지의 실시예를 설명했지만, 이들 실시예는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하고 있지 않다. 이들 실시예는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다.
예를 들면, 도시는 생략하지만, 실시예 1 ~ 4에 있어서, 오니 저장조(5)는 반드시 필수적인 구성은 아니고, 소화 오니 중에서 열교환기에 의해 열을 회수할 수 있는 구성이면 된다. 또한, 실시예 1 ~ 4의 구성에 대하여, 소화조(3)로부터 배출되는 탈리액으로부터 열을 회수하게 구성하는 것도 가능하다. 또한, 상술한 각 실시예는, 일반적인 하수 오니의 소화조에 본 발명을 적용한 예를 나타냈지만, 반드시 하수 오니의 소화조뿐만 아니라, 예를 들면 UASB(상향류 혐기성 오니상;Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 시스템이나 다이제스터 등의 메탄 발효조여도 된다.
이들 실시예나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 동시에, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.
3 : 소화조 5 : 오니 저장조
7 : 탈수기 9 : 건조기
11 : 소화 가스 보일러 13 : 팽창 밸브
15 : 제 1 열교환기 19 : 제 2 열교환기
21 : 오니 순환 펌프 23 : 온수 펌프
25 : 열교환기 27 : 열교환기
29 : 열교환기 31 : 열교환기

Claims (4)

  1. 생물 반응조의 가온 시스템으로서,
    투입된 배수나 유기 오니를 소화(消化) 균에 의해 혐기성(嫌氣性) 처리를 행하는 생물 반응조와,
    히트 펌프 사이클이며, 상기 생물 반응조로부터 배출되는 소화 오니 중에서 열을 회수하는 제 1 열교환기와, 상기 제 1 열교환기에서 회수된 열에 의해, 상기 생물 반응조 내의 오니를 소정 온도로 가온하는 제 2 열교환기를 구비한 히트 펌프 사이클을 구비한 생물 반응조의 가온 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 생물 반응조로부터 배출된 소화 오니를 일차 저장하는 오니 저장조를 더 구비하고,
    상기 제 1 열교환기는, 상기 오니 저장조와의 사이에서 열교환하여, 상기 소화 오니 중에서 열을 회수하는 것을 특징으로 하는 생물 반응조의 가온 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 히트 펌프 사이클은, 상기 생물 반응조로부터 배출되는 탈리액으로부터 열을 회수하는 제 3 열교환기를 더 구비하고,
    상기 제 2 열교환기는, 상기 제 1 열교환기와 상기 제 3 열교환기의 적어도 한쪽에서 회수된 열에 의해, 상기 생물 반응조 내의 오니를 소정 온도로 가온하는 것을 특징으로 하는 생물 반응조의 가온 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기에 의해 열이 회수된 후의 소화 오니를 탈수하는 탈수기와,
    상기 생물 반응조에서 발생된 소화 가스를 연소하여, 증기를 발생시키는 소화 가스 보일러와,
    상기 소화 가스 보일러가 발생시킨 증기에 의해, 상기 탈수기로부터 배출된 탈수 오니를 건조하는 건조기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 생물 반응조의 가온 시스템.
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