KR20110139074A - 건식 유기성 폐기물 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기성 폐기물을 산 발효 공정과 메탄 발효 공정으로 분리 발효시키며, 발효된 유기물의 재순환 구조를 적용함으로써 빠르고 효율적인 발효 처리가 이루어질 수 있도록 하는 것으로, 건식 유기성 폐기물을 혐기성 상태에서 1차 발효시키는 1차 발효조; 및 상기 1차 발효조로부터 발효되어 투입되는 유기물을 혐기성 상태에서 2차 발효시키는 2차 발효조; 를 포함하며, 상기 1차 발효조에서 배출되는 유기물은 교반 및 순환용 펌프에 의해 가압되어 2차 발효조 내에 해당 유기물이 토출되게 설치된 메탄발효 투입라인을 통해 2차 발효조로 투입되는 것을 특징으로 한다.

Description

건식 유기성 폐기물 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DRY TREATING ORGANIC WASTE}

본 발명은 건식 유기성 폐기물 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 유기성 폐기물을 산 발효 공정과 메탄 발효 공정으로 분리 발효시키며, 발효된 유기물의 재순환 구조를 적용함으로써 빠르고 효율적인 발효 처리가 이루어질 수 있도록 하는 건식 유기성 폐기물 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유기성 폐기물이라 함은 생물에 유래된 소재로 되어 있으면서 미생물에 의하여 생분해가 가능한 폐기물을 말하며, 가정에서 발생하는 생활쓰레기 중에 음식물 쓰레기, 종이류, 목재류, 정원성폐기물(전지목) 등이 해당하며, 하수처리장 및 폐수처리장에서 발생하는 슬러지류, 축산농가 등에서 발생하는 가축분뇨로 분류되는 것으로서 이러한 유기성 폐기물을 처리하여 재활용하는 공법으로는 호기성 미생물을 이용한 호기성 소화처리와 혐기성 미생물을 이용한 혐기성 소화처리가 있다. 퇴비로서 이용하는 경우에는 호기성 소화처리 공법이 이용되고 있으며, 유기물을 분해시켜 감량화하는 동시에 메탄가스를 회수하기 위해서는 혐기성 소화처리 공법이 사용되고 있다.

혐기성 소화처리는 예전부터 기술이 확립되어 발전되어 오고 있는 전통적인 기술로서, 비교적 기온이 온난한 지역에서 액상 및 반고상 폐기물의 처리에 이용되어왔다. 대부분의 공정에서 고형물의 함량이 10% 이내인 것에 적용되고 있으며, 최근의 기술 발전에 의하여 고형물이 25% 전후인 고형상 폐기물에도 적용이 되고 있다.

혐기성 소화처리는 일명 "메탄발효"라고도 하며, 주된 목적은 폐수 혹은 폐기물 처리와 동시에 메탄이라는 에너지를 회수하기 위하여 적용되고 있다. 혐기성 소화라는 용어 내에 포함된 것과 같이 산소가 없는 무산소 상태에서 분해가능한 유기물을 분해시켜 메탄으로 전환시키는 것이다. 생물학적 처리 범주 내에 포함되며, 초기에는 통성혐기성균이 작용하여 가수분해와 산발효를 시키고, 산소가 고갈되는 지점에서 편성혐기성균인 메탄균이 메탄을 생성하게 된다.

청정 에너지인 메탄 가스를 얻을 수 있어 경제적 효용성이 증대된 혐기성 소화처리 공법은 유기물을 혐기성 미생물의 증식을 통하여 유기물을 분해 안정화시킴과 동시에 가스 상태의 연료인 메탄을 얻을 수 있도록 혐기발효를 시키는 것으로, 소화조의 형태에 따라 단상 소화와 2상 소화로 구분이 가능하고, 또한 소화조 내 폐기물의 고형물 함량에 따라 건식 소화와 습식 소화로 구분할 수 있다.

우선, 소화조의 형태에 따른 구분을 살펴보면, 국내에 설치된 소화조는 산 발효 및 메탄 발효를 1개의 소화조에서 수행하는 단상 소화와 산 발효 및 메탄 발효를 별도의 소화조에서 수행하는 2상 소화로 구분된다.

이러한 단상 소화 방식과 2상 소화 방식을 비교하면 다음의 표 1과 같다.

항목	단상	2상
소화조 형태	단상	2상(산발효조, 메탄발효조)
부지면적	소	대
장점	- 높은 고형물 함량으로 인한 소화조 체적 최소화 - 순환으로 인한 소화조 내 물질의 균질화로 상분리 및 스컴발생 최소 - 소요부지면적이 적음	- 초기 충격부하에 대한 안정성 양호 - pH 조절이 가능 - 운전이 간단
단점	- 운전에 숙련도 요구 - 교반이 충분해야 함	- 소화 후 탈수 슬러지의 높은 함수율로 후단 부숙설비의 용량 및 부하 증가

또한, 소화조 내 유기물의 고형물 농도(TS : Total Solid 총고형물량)에 따라 구분되는 건식 소화 방식과 습식 소화 방식을 비교하면 다음의 표 2와 같다.

구분	건식	습식
고형물 함량(TS)	18~22%	4~8%
가수여부	불필요	필요
폐수 발생량	폐수발생량 적음	폐수발생량 많음
장점	- 별도의 가수없이 소화 가능 - 높은 고형물 함량으로 소화조체적 최소화 - 소화조의 고형물 함량이 높아서 스컴과 비중에 의한 상분리가 일어나지 않음	- pH 조절 가능 - 가수에 다른 이동(유동)성 유지 - 운전이 간단
단점	- 이송설비 선정시 적절한 대책 필요 - 발생폐수량은 적으나, 농도가 높음 - 퇴비생산시 퇴비의 염분농도 증대에 대한 대책 필요	- 가수로 인해 폐수발생량 증가 - 소화 후 높은 함수율로 인한 탈수설비용량 증가 - 음식물에 포함된 유분 등 지방성분이 상부로 부상하여 스컴층을 이룸 - 비중이 높은 물질은 소화조 하부에 침전물의 형태로 존재함

이전까지는 유기성 폐기물 (하수슬러지 등) 혐기성 소화공법인 경우 대상 폐기물의 고형물 함량이 높지 않아 기존의 습식 소화공법에 의해서도 충분히 처리가 가능했지만, 최근 고형물 함량이 높은 음식물 폐기물 처리를 위해 혐기성 소화공법이 적용되면서 습식 소화공법에 비해 장점이 많은 건식 소화공법이 적용되기 시작하고 있다.

외국의 경우, 우리나라의 음식물 특성과는 많은 차이점(저염분, 적정 pH 등)으로 인해 단상 건식 소화 공법에 의해서도 원활히 유기성 폐기물을 처리할 수 있었지만, 국내의 경우 외국의 공법(단상 건식 소화공법)을 도입하여 적용하는 과정 중 국내 음식물 폐기물의 특성에 따라 기존 단상 건식 소화 공법의 여러 문제점이 노출되고 있다.

즉, 단상의 건식 혐기성 처리 방식은 산 발효와 메탄 발효가 하나의 반응조에서 순차적 또는 동시에 일어나므로 산 발효의 속도를 제어하기 어려울 뿐더러 각 단계를 최적 상태로 조절하기가 용이하지 않다. 특히, 국내 음식물 폐기물인 경우 계절별 부하변동이 크기 때문에 단상의 건식 혐기성 소화조에서 산발효의 변동에 따른 VFA(Volatile Fatty Acid : 휘발성 지방산) 축적은 메탄 발효조에서의 효율을 떨어뜨린다.

또한 일반적으로 산 발효조에 유입되는 음식물류 유기물의 수소이온농도(pH)가 3.5 ~ 4.5 정도로 낮아 산 발효 속도가 늦어지기 때문에 실제로 처리하게 되는 유기물의 발효처리 속도가 늦고 처리량에 한계가 있으며 유지관리가 매우 어렵다는 문제점도 있다.

즉, 혐기성 소화공법의 적용에 있어 산생성 단계와 메탄생성 단계를 2 개의 반응조로 구분하는 통상의 2단계 발효공정에서는 각 반응조의 수소이온농도를 적정 수준으로 맞추기가 어렵고 각각의 운전조건을 조절하기가 어렵다는 등 그 구조가 효율적이지 못해 실제 적용에 많은 어려움이 있는 것이 사실이다.

또한 종래기술에 따른 단상 건식 혐기성 소화공법은 유기성 폐기물 중 많은 비중을 차지하는 음식물 쓰레기 등을 처리함에 있어서 염분 제거가 어렵다는 문제점이 있다. 특히 이러한 유기성 폐기물 내의 염분은 소화 과정 중 미생물 생장을 저해시키는 중요 요인이 되어 발효 속도를 저해시키는 큰 원인이 되고 있다.

또한 단상 건식 혐기성 소화공법은 메탄 발효 공정에서 암모니아(NH₃)나 황화수소(H₂S)와 같은 자극성 물질이 발생되어 메탄균의 증식을 저해하고, 부식성 가스이기 때문에 설비에 영향을 주고 기계의 마모도를 증가시키며, 자극성이 높아 시설을 기피하게 하는 주원인이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 유기물에서 염분을 제거해 발효 속도를 향상시킬 수 있도록 건식 혐기성 소화공법을 적용함에 있어서 메탄 발효된 슬러지 중 일부를 탈수시켜 재순환시는 건식 유기성 폐기물 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 암모니아(NH₃)나 황화수소(H₂S)와 같은 자극성 물질을 제거하여 스트리핑 효과를 기대할 수 있고, 이에 따라 메탄발효조 미생물의 독성 제거에 의한 메탄 발효 촉진 및 메탄 발효 후 부산물(탈수케익, 탈수 여액 등)의 악취제거 효과를 기대할 수 있으며, 시설의 부식성을 낮출 수 있도록 메탄 발효조로 투입되는 유기물의 토출 지점에 충격판을 설치하여 유기물의 투입시 충격판과의 충돌이 일어나도록 하는 건식 유기성 폐기물 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 빠르고 효율적인 발효 처리가 이루어질 수 있도록 유기성 폐기물을 산 발효조와 메탄 발효조로 분리 발효시키면서 메탄 발효조에서 발효된 높은 수소이온농도(pH)의 일부 배출물을 다시 산 발효조로 투입시켜 산 발효조의 수소이온농도를 적정 수준으로 유지시게 되는 건식 유기성 폐기물 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 효율적인 발효 처리가 이루어질 수 있도록 혐기성 소화공법의 적용에 있어 산생성 단계와 메탄생성 단계를 2 개의 반응조로 구분시키면서 순환식 구조를 도입하는 건식 유기성 폐기물 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위한 수단으로, 건식 유기성 폐기물을 혐기성 상태에서 1차 발효시키는 1차 발효조; 및 상기 1차 발효조로부터 발효되어 투입되는 유기물을 혐기성 상태에서 2차 발효시키는 2차 발효조; 를 포함하며, 상기 1차 발효조에서 배출되는 유기물은 교반 및 순환용 펌프에 의해 가압되어 2차 발효조 내에 해당 유기물이 토출되게 설치된 메탄발효 투입라인을 통해 2차 발효조로 투입되는 것을 특징으로 하는 건식 유기성 폐기물 처리 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 건식 유기성 폐기물의 고형물 농도(TS)는 18% 내지 22% 인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 2차 발효조에서 배출되는 슬러지 중, 상기 1차 발효조로 투입되는 유기성 폐기물량 대비 10 내지 100 중량% 양의 슬러지가 상기 1차 발효조로 다시 유입되어 1차 발효조의 수소이온농도를 적정시키는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 메탄발효 투입라인의 2차 발효조 내 토출 부위에는 토출되는 유기물이 충돌될 수 있는 충격판이 설치되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 충격판은 역V형으로 형성되며, 중심부에는 지지부가 원형 또는 다각형으로 형성되며 메탄발효 투입라인을 향하여 첨단부가 인접하게 되는 뿔형 충돌부가 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 2차 발효조에서 배출되는 슬러지는 탈수기에 의해 염분 탈수된 후 상기 교반 및 순환용 펌프로 유입되어 2차 발효조로 투입되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 2차 발효조에서 배출되는 슬러지는 탈수기에 의해 염분 탈수된 후 상기 교반 및 순환용 펌프로 유입되고 상기 1차 발효조에서 배출되는 유기물과 교반되어 2차 발효조로 투입되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 2차 발효조의 슬러지는 스크류 이송부에 의해 배출되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 1차 발효조에서 건식 유기성 폐기물을 혐기성 상태로 1차 발효시키는 단계; (b) 상기 1차 발효된 유기물을 2차 발효조로 투입시켜 혐기성 상태에서 2차 발효시키는 단계; 및 (c) 상기 2차 발효조에서 배출되는 발효된 슬러지 중, 상기 1차 발효조로 투입되는 유기성 폐기물량 대비 10 내지 100 중량% 양의 슬러지를 상기 1차 발효조로 다시 유입시켜 1차 발효조의 수소이온농도를 적정시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 건식 유기성 폐기물의 고형물 농도(TS)는 18% 내지 22% 인 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (a) 1차 발효조에서 건식 유기성 폐기물을 혐기성 상태로 1차 발효시키는 단계; (b) 상기 산 발효된 유기물을 2차 발효조로 투입시켜 혐기성 상태에서 2차 발효시키는 단계; 및 (c) 상기 2차 발효조의 발효된 슬러지를 스크류 탈수기에 의해 염분 탈수시킨 후 교반 및 순환용 펌프를 통해 2차 발효조로 투입시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 건식 유기성 폐기물의 고형물 농도(TS)는 18% 내지 22% 인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 (c) 단계에서, 상기 교반 및 순환용 펌프에는 1차 발효조의 발효된 유기물이 함께 유입되어 2차 발효조로 투입되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 교반 및 순환용 펌프에서 배출되는 내용물은 교반 및 순환용 펌프에 의해 가압되어 2차 발효조 내에 해당 내용물이 토출되게 설치된 메탄발효 투입라인을 통해 2차 발효조로 투입되며, 해당 메탄발효 투입라인의 토출 부위에는 토출되는 내용물이 충돌될 수 있는 충격판이 설치되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 충격판은 역V형으로 형성되며, 중심부에는 지지부가 원형 또는 다각형으로 형성되며 메탄발효 투입라인을 향하여 첨단부가 인접하게 되는 뿔형 충돌부가 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 유기성 폐기물을 산 발효조와 메탄 발효조로 분리 발효시키면서 메탄 발효조에서 발효된 높은 수소이온농도(pH)의 일부 배출물을 다시 산 발효조로 투입시켜 산 발효조의 수소이온농도를 적정 수준으로 유지시킴으로써 빠르고 효율적인 발효 처리가 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다. 또한, 2상으로 분리하는 경우 부하량 변동에 따른 산 발효시 수소이온농도가 낮아지면 메탄 발효조로의 유입을 조절하여 메탄 발효조의 효율을 유지시킬 수 있다.

또한, 인발된 메탄발효 슬러지 중 일부를 스크류 탈수기를 통해 유입받아 산발효된 유기물과 혼합하여 메탄 발효조에 투입함으로써 유기물에 포함된 염분을 제거해 발효 속도를 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 메탄 발효조로 투입되는 유기물의 토출 지점에 충격판을 설치하여 유기물의 투입시 충격판과의 충돌이 일어나도록 함으로써 암모니아(NH₃)나 황화수소(H₂S)와 같은 자극성 물질을 제거하여 스트리핑 효과를 기대할 수 있고 이에 따라 메탄발효조 미생물의 독성 제거에 의한 메탄 발효 촉진 및 메탄 발효 후 부산물(탈수케익, 탈수 여액 등)의 악취제거 효과를 기대할 수 있으며 시설의 부식성을 낮출 수 있게 되는 효과도 있다.

또한, 혐기성 소화공법의 적용에 있어 산생성 단계와 메탄생성 단계를 2 개의 반응조로 구분시키면서 순환식 구조를 도입함으로써 효율적인 발효 처리가 이루어질 수 있게 되는 효과도 있다.

또한, 혐기성 소화공법의 적용에 있어 산 생성 단계와 메탄 생성 단계를 2 개의 반응조로 구분시키면서 순환식 구조를 도입함으로써 효율적인 발효 처리가 이루어질 수 있게 되는데, 이에 따라 2상 건식 소화조에서 메탄 발효조에서의 메탄 함량이 단상 건식에 비해 상대적으로 높아 후단 정제과정을 통한 연료화 과정이 유리해진다.

도 1은 본 발명에 따른 건식 유기성 폐기물 처리 장치를 나타내는 개요도.
도 2는 본 발명에 따른 2차 발효조 내 충격판의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 메탄발효 투입라인이 삽입된 상태의 2차 발효조의 구조를 설명하기 위한 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 건식 유기성 폐기물 처리 장치를 나타내는 개요도이다.

도 1을 통해 본 발명에 따른 건식 유기성 폐기물 처리 장치를 유기성 폐기물의 처리 흐름을 따라가며 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용되는 용어 중 "유기성 폐기물"은 생물에 유래된 소재로 되어 있으면서 미생물에 의하여 생분해가 가능한 폐기물을 말하며, 가정에서 발생하는 생활쓰레기 중에서는 음식물 쓰레기, 종이류, 목재류, 정원성폐기물(전지목) 등이 해당하며, 하수처리장 및 폐수처리장에서 발생하는 슬러지류, 축산농가 등에서 발생하는 가축분뇨 등이 이에 해당될 수 있다.

먼저 유기성 폐기물은 산 발효 투입라인(11)을 통해 1차 발효조(10)로 이송되어 해당 1차 발효조(10)에서 산 발효되게 되며, 선택적으로 가수분해도 함께 이루어질 수 있다.

이때, 이러한 유기성 폐기물은 1차 발효조(10)로 투입되기 이전에 전처리 시설을 통해 파쇄 및 선별되어 처리 공정에 방해를 주는 이물질은 제거되고 선별된 유기물만이 미세입자로 파쇄된 후 반입될 수 있다. 또한 이러한 전처리 공정에서는 탈수액 및 신수를 공급 및 혼합하여 함수율 적정 수준으로 맞추어 현탁액을 만들어주는 작업이 병행될 수 있으며, 이를 통해 후속 공정인 산 발효 및 메탄 발효에서 가수분해나 메탄 발효 반응이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.

이와 같이 1차 발효조(10)에 유입되는 유기성 폐기물의 수소이온농도(pH)는 3.5 ~ 4.5의 상태로 유입이 진행된다.

또한, 1차 발효조(10)에 유입되어 처리되는 유기성 폐기물의 함수율은 80% 내외인 것으로, 보다 정확하게는 유기물의 고형물 농도(TS : Total Solid 총고형물량)에 따라 건식 공정(바람직하게는 TS : 18 ~ 22%, 보통 건식 공정이라 함은 TS 10% 이상일 수 있다.)으로 전체 공정이 진행되게 된다. 이는 해당 1차 발효조(10) 내에서 고형물 함량을 높여서 해당 소화조를 건식으로 운전하게 되는 것으로, 통상의 습식 소화조와는 큰 차이가 있다.

상기 1차 발효조(10)에서는 유기물의 가수분해와 산 발효가 이루어지게 되는데, 주로 고분자 유기물을 미생물이 분해하기 좋은 저분자로 분해하고 유기물에 섞인 셀롤루우스 성분이 전처리를 통한 유기성 폐기물의 균질화를 이루고 후술하는 2차 발효조(20)의 메탄 발효 공정에 투입시 저해요인을 최소화시키는 것이 필요하다.

셀롤루우스의 경우 주로 섬유소, 반섬유소 성분 등의 복합 고분자의 형태로 유입되며 이러한 고분자 물질이 세포에 의하여 최종적으로 대사되려면 먼저 물에 용해되어 저분자로 분해되어야 한다. 따라서 그러한 기질에 대한 혐기성 반응의 선행 단계는 가수분해이며, 그러한 가수분해는 여러 세균으로부터 각각 특이하게 분비되는 세포 외 효소에 의하여 연쇄적으로 수행된다.

또한, 산 발효 과정에서는 산 생성과 아세트산 생성으로 진행되는데, 산 생성은 기질이 가수분해된 후부터 이산화탄소, 수소, 여러 가지 카르복시산으로 생성될 때 까지의 과정이다.

여기에서 실제로 해당 1차 발효조(10)에서 산 발효가 활발히 일어날 수 있는 적정 수소이온농도는 5.5 ~ 6 이므로 통상의 1차 발효조(10)에서는 해당 1차 발효조(10)에서 산 발효가 활발히 일어날 수 있도록 별도의 약품(수산화나트륨 공급용기 등을 통해 공급되는 수산화나트륨(NaOH) 등)을 공급시켜 1차 발효조의 수소이온농도를 5.0 ~ 5.5로 적정시키게 되지만, 본 발명에서는 높은 수소이온농도를 가진 후술하는 2차 발효조(20)의 메탄 발효 슬러지를 일부 1차 발효조(10)로 이송혼합시킴으로써 이와 같은 1차 발효조(10)의 최적 수소이온농도를 적정시킬 수 있게 된다.

이러한 1차 발효조(10)는 고형물 함량이 높은 유기성 폐기물을 처리하기 위하여 건식으로 운전되기 때문에, 습식에서와 같이 스컴과 비중에 의한 상분리가 일어나지 않아 상부 부유물 등을 제거하기 위한 스키머 등이 필요 없어져 설비의 구성이 보다 간단히 이루어질 수 있다.

한편, 상기 1차 발효조(10)에서 산 발효된 유기물은 제 1 배출라인(12)을 따라 배출되어 교반 및 순환용 펌프(30)를 통해 가압되어 메탄발효 투입라인(21)을 따라 2차 발효조(20)로 이송된다.

상기 2차 발효조(20)는 고온 조건 하에서 메탄 생성균에 의해 유기물을 메탄 및 이산화탄소로 분해하여 유기물량을 감소시키게 된다. 2차 발효조(20)에서의 메탄 생성은 메탄 생성균에 의해 이루어지는데, 이러한 메탄 생성균은 약하고 증식 속도가 느리므로 온도, 수소이온농도, 혼합정도 등의 조건을 적합하게 안정시키는 것이 중요하다. 엄격한 혐기성 상태에서 진행되는 이러한 메탄 발효에서는 암모니아(NH₃)나 황화수소(H₂S)와 같은 자극성 가스가 발행되어 악취를 발생시킬 수 있고 메탄(CH₄) 가스가 발행되어 에너지원으로 이용될 수 있다.

상술한 산 발효 단계에서는 엄격한 혐기 조건이 요구되지는 않지만, 메탄 생성 단계에서는 절대 혐기성균이 메탄을 생성하는 역할을 하게 되므로 산소가 2차 발효조(20)에 공급되지 않도록 해야 한다. 따라서 메탄 발생을 최대화하는 조건을 유지하기 위해서는 발효조 내에 기밀성이 유지되도록 해야 한다.

그리고 이러한 2차 발효조(20)에서 생산되는 메탄 가스는 별도의 탱크에 저장되고, 스크류 탈수기(50)을 통해 유기물에 대한 고액 분리가 이루어지며 고형물은 차후 퇴비화 설비 등을 통해 퇴비화된다.

상술한 바와 같이 상기 2차 발효조(20)는 혐기성 상태에서 이송된 유기물을 발효시켜 메탄 가스를 생성시키게 되는데, 이러한 2차 발효조(20)에서 배출되는 슬러지는 제 2 배출라인(22)을 따라 스크류 이송부(40)를 통해 이송되어 스크류 탈수기(50)로 이송되며 해당 스크류 탈수기(50)를 통해 탈수된 후 역시 탈수된 유기물은 교반 투입라인(31)을 따라 배출되어 교반 및 순환용 펌프(30)를 통해 메탄발효 투입라인(21)을 따라 2차 발효조(20)로 이송된다.

즉, 상기 교반 및 순환용 펌프(30)에서는 상기 제 2 배출라인(22)을 통해 인발된 메탄발효 슬러지 중 일부를 스크류 탈수기(50)를 통해 유입받고 또한 상기 제 1 배출라인(12)을 통해 배출되는 산발효된 유기물을 혼합하여 메탄발효 투입라인(21)을 통해 2차 발효조(20)에 투입하게 된다. 여기에서 상기 스크류 탈수기(50)는 유기성 폐기물에 섞인 염분을 제거하기 위한 것으로, 탈수 과정을 통해 나트륨 농도를 저하시켜 미생물 생장을 촉진할 수 있게 된다.

이때, 상기 교반 및 순환용 펌프(30)로 들어오는 메탄발효 슬러지는 상기 2차 발효조(20)의 전체 내용물 대비 20 내지 100 중량% 일 수 있으며, 상기 교반 및 순환용 펌프(30)로 들어오는 메탄 발효 슬러지를 탈수한 케익의 양은 상기 1차 발효조(10)로부터 들어오는 산 발효 유기물량의 20% 내지 50% 인 것이 바람직하다.

이렇게 교반 및 순환용 펌프(30)에서 혼합된 유기물은 상기 2차 발효조(20)의 하부에서 상부로 내용물이 토출되게 배치된 제 2 배출라인(22)을 통해 2차 발효조(20)에 투입되는데, 이러한 제 2 배출라인(22)의 말단 상부에는 해당 제 2 배출라인(22)에서 토출되어 배출되는 유기물이 충돌될 수 있는 충격판(23)이 설치된다. 교반 및 순환용 펌프(30)에서 메탄발효 투입라인(21)을 통해 토출되어 나오는 유기물은 해당 충격판(23)에 충돌시킴으로써 황화수소(H₂S) 및 암모니아 가스(NH₃)의 스트리핑(Stripping) 효과를 일으킬 수 있게 된다. 따라서 황화수소 및 암모니아 가스 등은 외부로 배출되어 제거되게 된다.

실제로 해당 2차 발효조(20)로 투입된 유기물은 메탄 산화를 통해 황화수소 및 암모니아가 다량 포함되어 있어서 메탄 발효의 저해작용을 유발하게 되는데, 2차 발효조(20)로 투입되는 유기물의 토출 지점에 충격판(23)을 설치하여 유기물의 투입시 충격판(23)과의 충돌이 일어나도록 함으로써 암모니아(NH₃)나 황화수소(H₂S)와 같은 자극성 물질을 제거하여 스트리핑 효과를 기대할 수 있고 시설의 부식성을 낮출 수 있게 되는 효과도 있다.

이러한 충격판(23)의 일예가 도 2에 상세히 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 메탄발효 투입라인(21)의 상부에 설치되는 충격판(23)은 전체적으로 역V형으로 형성되며, 하부 중심부는 투입라인(21)을 향하여 돌출된 첨단부가 인접하게 되는 뿔형 충돌부(23a)가 돌출되어 형성되게 된다. 해당 도 2에서 점선으로 확대한 뿔형 충돌부(23a)는 메탄발효 투입라인(21) 측에서 바라본 형상으로, 날카로운 뿔형 첨단부가 중심부에 돌출되어 있게 된다. 이러한 뿔형 충돌부(23a)의 배치는 메탄발효 투입라인(21)을 통해 솟구쳐 토출되는 유기물을 파쇄하는 기능도 하기 때문에 해당 2차 발효조(20)의 내용물이 고형물 함량이 높아서 혼합이 잘 되지 않게 되는 문제점을 개선하여 2차 발효조(20) 내 내용물의 혼합을 촉진할 수 있게 된다. 이때, 이러한 뿔형 충돌부(23a)의 첨단부는 뾰족한 형상을 가지며, 지지부는 원형 또는 다각형으로 형성되어 첨단부로 갈수록 단면이 좁아지는 형상을 가지게 되며, 이러한 형상에 의해 첨단부에 충돌되는 유기물이 측면을 따라 이동하여 충격판(23)의 역V형 면을 따라 흘러가면서 하부로 낙하되도록 구성된다.

상술한 메탄발효 투입라인(21)은 도 1에 도시된 바와 같이, 하나만으로 구성되지 않고 원활한 공급을 위해 다수 개가 구성될 수 있다. 도 3에는 이와 같이 두수의 메탄발효 투입라인(21)이 삽입된 상태에서의 2차 발효조(20)의 단면도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 해당 2차 발효조(20)에는 4 개의 메탄발효 투입라인(21)이 하부에서 상부로 내용물을 배출할 수 있게 서로 이격되어 설치되며, 각각의 메탄발효 투입라인(21)의 상부에는 각각 충격판(23)이 설치되어 메탄발효 투입라인(21)을 따라 솟구쳐 유입되는 유기물과 충돌할 수 있게 구성된다.

여기에서 본 발명의 메탄발효 투입라인(21) 및 충격판(23)의 구성 및 배치는 도 1 및 도 3에 한정되는 것은 아니며, 설치 환경 및 작업 조건에 따라 다양한 구성 및 배치가 가능함은 물론이다.

한편, 상기 2차 발효조(20)의 내용물은 제 2 배출라인(22)을 통해 배출되며, 해당 슬러지 상태의 내용물은 스크류 이송이 가능한 스크류 이송부(40)를 따라 배출되어 이송용 펌프(60)를 통해 순환라인(62)을 따라 다시 상기 1차 발효조(10)로 투입되게 된다.

이는 이미 상술한 바와 같이, 실제로 1차 발효조(10)에 유입되는 유기성 폐기물의 수소이온농도(pH)가 3.5 ~ 4.5의 상태이기 때문에 산 발효가 활발히 일어나지 않는다는 점에서 착안된 본 발명의 특징부 중 하나로서, 본 발명에서는 높은 수소이온농도를 가진 상기 2차 발효조(20)의 메탄 발효 슬러지를 일부 1차 발효조(10)로 이송혼합함으로써 이와 같은 1차 발효조(10)의 최적 수소이온농도를 5.5 ~ 6 으로 적정시킬 수 있게 된다.

이때, 수소이온농도 7.5 ~ 8 인 2차 발효조(20)의 슬러지는 산발효 투입라인(11)을 통해 투입되는 유기성 폐기물의 양과 대비하여 10 내지 100 중량%의 양으로 투입되어 혼합되게 된다.

상술한 실시예에서 설명되지 않은 참조부호 72는 메탄 발효공정에서 생산된 메탄을 배출하거나 상기 1차 발효조(10) 또는 2차 발효조(20)에서 발생되는 가스를 배출하기 위한 가스 배출라인이다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 1차 발효조 11 : 산발효 투입라인
12 : 제 1 배출라인 20 : 2차 발효조
21 : 메탄발효 투입라인 22 : 제 2 배출라인
23 : 충격판 23a : 뿔형 충돌부
30 : 교반 및 순환용 펌프 31 : 교반 투입라인
40 : 스크류 이송부 50 : 스크류 탈수기
51 : 탈수 투입라인 60 : 이송용 펌프
62 : 순환 라인 72 : 가스 배출라인

Claims (1)

1. 건식 유기성 폐기물을 혐기성 상태에서 1차 발효시키는 1차 발효조; 및
   상기 1차 발효조로부터 발효되어 투입되는 유기물을 혐기성 상태에서 2차 발효시키는 2차 발효조; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 유기성 폐기물 처리 장치.

Images