KR20120038734A - 태양열을 이용한 자가발열 고온 호기성 소화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고농도 유기성 폐수 및 하수처리시설로부터 발생하는 슬러지를 효과적으로 처리하거나 감량화하는 장치에 관한 것으로서, 특히 자가발열 고온 호기성 소화 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 자가발열 고온 호기성 소화용 반응기를 구비하는 처리부와, 태양열을 이용하여 생성된 열에너지를 상기 반응기에 제공하는 열에너지 제공부와, 상기 반응기로의 열에너지 제공을 제어하는 제어부를 포함하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치 및 이를 포함하는 활성슬러지 시스템이 제공된다.

Description

태양열을 이용한 자가발열 고온 호기성 소화 장치 {AUTOTHERMAL THERMOPHILIC AEROBIC DIGESTION APPARATUS USING SOLAR HEAT}

본 발명은 고농도 유기성 폐수 및 하수처리시설로부터 발생하는 슬러지를 효과적으로 처리하거나 감량화하는 장치에 관한 것으로서, 특히 자가발열 고온 호기성 소화 장치에 관한 것이다.

일반적으로 고농도 유기성 폐수 및 유기성 슬러지를 처리하거나 감량화시키는 종래의 기술로는 활성슬러지법, 퇴비화, 혐기 및 호기성 소화 등의 미생물을 활용하는 기술과, 오존산화법, 고온열처리법, 자외선 또는 감마선 등 기타 에너지 준위가 높은 광선을 이용하는 감량화 방법 등의 물리화학적 방법을 사용하는 기술이 있다.

활성슬러지법의 경우, 유기성 폐수의 부분적 처리가 가능하지만 처리효율이 높지 않아서 잉여슬러지에 대한 처리, 처분이 필요하게 되고, 이로 인해 설비비용, 유지관리비용이 높다는 단점이 있다.

퇴비화의 경우, 폐기물의 처리처분과 자원화라는 측면에서 유효한 수단이지만, 퇴비화를 지속하기 위해서는 다량의 부자재 확보나 퇴비를 환원할 농지의 확보 등 여러가지 제약이 따르게 된다.

혐기성 소화의 경우, 소화부산물로서 메탄가스를 회수할 수 있고, 산소 공급에 필요한 에너지를 절감할 수 있다는 장점이 있지만, 호기성 소화에 비해 처리 및 감량화에 소요되는 시간이 길고 유기물 부하 및 독성 물질에 민감하며 소화가 불량할 경우 심한 악취을 발생시킨다는 문제가 있다.

호기성 소화의 경우, 혐기성 소화에 비해 처리효율이 높고 악취가 거의 발생하지 않으며 운전이 쉽다는 장점이 있으나, 산소를 공급하기 위한 높은 동력비, 기계적 탈수능이 낮은 소화 슬러지 생산, 온도, 위치, 반응조의 형태, 유입슬러지의 농도, 교반과 포기 장치의 형태, 반응조 재료의 형태에 따라 소화 효율이 크게 영향을 받는다는 단점이 있다.

물리화학적 방법의 경우, 비용이 많이 든다는 문제로 인해 실용화 가능성이 낮다는 단점이 있다.

위에서 언급된 소화 공정 운영에 있어서, 소화방법에 따라 여러 인자들이 관여하게 되는데, 이 중 온도가 소화 효율을 결정하는 경우가 종종 발생한다. 따라서 외부에너지를 이용하여 소화조를 가온함으로써 효율의 향상을 꾀하고 있으나, 에너지 사용은 경제적 측면에서 개선되어야 할 사항으로 인식되고 있다. 이러한 에너지 사용에 따른 경제적 문제를 해결하기 위해 최근에는 자가발열 고온 호기성 소화(Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion ; ATAD)에 의한 슬러지 처리 방법이 개발되어 사용되고 있다.

자가발열 고온 호기성 소화는 호기성 및 친열성 미생물을 이용한 소화방법으로서, 1) 외부에서 열을 별도로 공급함이 없이 소화 시 발생하는 자체발열(일반적으로 45 내지 65℃ 정도의 열이 발생하는 것으로 알려져 있음)을 이용하기 때문에 외부로부터 별도의 화석에너지를 사용함이 없이 유기물 분해 속도를 극대화시킬 수 있으며; 2) 소화 시 병원성 미생물을 효과적으로 제거할 수 있고; 3) 소화된 슬러지의 탈수성이 양호한 점 등 많은 장점을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 자가발열 고온 호기성 소화 시스템은 운영 과정에 있어서 다음과 같은 몇가지 문제점이 있다.

1) 하수슬러지와 같이 수분함량이 높고 유기물 농도가 낮은 경우 시스템의 내부온도가 충분히 올라가지 않아 생슬러지의 세포벽 파괴에 어려움이 있다.

2) 호기성 상태에서 빠르게 성장하는 친열성 미생물의 특성 및 고온에서 용존산소의 용해도가 감소하는 특성을 고려하여, 공기 공급 속도를 일반적인 호기성 소화 방법에 비해 높게 유지해야 하는데, 이는 자가발열 고온 호기성 소화 시스템의 내부 온도를 떨어뜨리게 하여 결과적으로 소화 효율의 감소를 초래하게 된다.

3) 시스템의 초기 운전 기간(start-up period) 동안 미생물의 효과적인 증식을 위해 또는 운전 기간 동안 시스템 효율이 저하되었을 경우 외부에서 열을 가해주어야 하는 경우가 빈번하게 발생한다.

4) 소규모 처리시설에서는 단열이 제대로 되지 않을 경우 반응기 내의 온도가 일정하게 유지되지 않아서 소화 효율이 일정하게 유지되지 않는다.

5) 자가발열 고온 호기성 소화 시스템에서는 미생물에 의한 유기물의 산화 활동으로 열이 발생하게 되고 그 열에 의해 수분이 증발한다. 만일, 함수율이 높을 경우 수분을 증발시키기 위한 자체 발열량이 부족하게 되므로 외부에서 부족한 열량을 보충해 줄 유기물의 첨가 등의 조치가 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 자가발열 고온 호기성 소화 장치의 문제점을 개선하고 슬러지 감량화를 극대화하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 반응기 내부 온도의 불균일로 인한 소화 효율 저하 문제의 개선 및 함수율이 높은 유기성 생슬러지의 세포벽을 효과적으로 파괴하여 슬러지 감량화를 용이하게 하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치 및 이를 포함하여 유기성 슬러지의 감량화를 극대화할 수 있는 활성슬러지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 경제성이 높은 자가발열 고온 호기성 소화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면,

자가발열 고온 호기성 소화용 반응기를 구비하는 처리부와, 태양열을 이용하여 생성된 열에너지를 상기 반응기에 제공하는 열에너지 제공부를 포함하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치가 제공된다.

상기 열에너지 제공부는 태양열 집열기와, 상기 태양열 집열기의 열에너지에 의해 가온되며 상기 반응기를 거치도록 순환하는 열유체가 저장되는 축열 탱크를 구비할 수 있다.

상기 자가발열 고온 호기성 소화 장치는 상기 반응기로의 열에너지 제공을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 상기 반응기로 제공되는 열에너지의 흐름을 개폐하는 제어 밸브와, 상기 반응기의 내부 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 신호에 따라 상기 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어기를 구비할 수 있다.

상기 처리부는 다수의 반응기를 구비할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면,

유입된 유입수를 처리하는 활성슬러지 반응기와, 상기 활성슬러지 반응기에서 처리된 유출수를 저장하고 방류하는 침전지와, 상기 침전지에서 배출되는 잉여슬러지를 처리하여 상기 활성슬러지 반응기로 제공하는 상기한 자가발열 고온 호기성 소화 장치를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 구체적으로는 필요에 따라 태양열에 의한 열에너지를 자가발열 고온 호기성 소화 장치의 반응기에 제공할 수 있으므로, 수분함량이 많고 유기물 함량이 낮은 생슬러지의 효과적인 세포벽 파괴가 가능하며, 소화된 슬러지를 활성슬러지 시스템에서 재처리함으로써 슬러지 부피 감량화를 극대화할 수 있다.

또한, 동절기 및 공기 공급에 따른 시스템 내부 온도 저하를 억제하여 온도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 높은 소화 효율을 일정하게 유지할 수 있고, 초기부터 높은 온도를 유지할 수 있기 때문에, 고온 호기성 세균의 발현에 유리한 조건을 조성하여 시스템의 조기 안정화가 가능하다.

아울러, 화석연료가 아닌 태양열을 이용하므로 경제적인 측면에서 유리하다.

그리고, 반응기의 내부 온도를 높게 유지할 수 있으므로 고형물 함량이 낮고 함수율이 낮은 폐슬러지의 부피 감량화에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가발열 고온 호기성 소화 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고온 호기성 소화 장치를 포함하는 활성슬러지 시스템의 일실시예를 개략적으로 도시한 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자가발열 고온 호기성 소화 장치의 일 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 자가발열 고온 호기성 소화 장치에 대한 일 실시예의 구성을 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)는 처리부(110)와, 열에너지 제공부(120)와, 제어부(130)를 구비한다. 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)는 태양열을 이용하여 처리부(110)의 반응 시 온도를 적절하게 조절한다.

처리부(110)는 자가발열 고온 호기성 소화용 반응기(111)를 구비한다. 반응기(111)는 자가발열 고온 호기성 소화법에서 사용되는 통상의 반응기 구조로 이루어진다. 반응기(111) 내부에는 자가발열 고온 호기성 소화에서 통상적으로 사용되는 호기성 및 친열성 미생물이 성장한다. 반응기(111)의 내부로 유입된 처리 대상인 유기성 폐수 및/또는 슬러지(S1)는 반응기(111) 내에서 성장하는 호기성 및 친열성 미생물에 의해 소화되어서 처리수 및/또는 소화슬러지(S2)로서 배출된다. 반응기(111)의 내부로는 공기 공급관(112)을 통해 반응을 위한 공기가 공급되며, 남는 공기는 공기 배출관(113)을 통해 배출된다. 배출 공기 중 일부는 공기 공급관(112)으로 제공되어 재순환한다.

열에너지 제공부(120)는 태양열 집열기(121)와, 열교환기(122)와, 축열 탱크(123)를 구비한다. 열에너지 제공부(120)는 태양열을 이용하여 열에너지를 생성하여 저장하고, 저장된 열에너지를 반응기(111)에 필요에 따라 제공한다.

태양열 집열기(121)는 태양열에 의한 열에너지를 모은다. 태양열 집열기(121)로는 통상적으로 사용되는 모든 형태의 태양열 집열기가 사용될 수 있는데, 본 실시예에서는 태양열 집열기(121)로 진공관 내에 집열판과 히트파이프가 설치된 진공관형 태양열 집열기(ETSC)가 사용되는 것으로 설명한다. 태양열 집열기(121)에 모아진 열에너지는 열교환기(122)를 통해 축열 탱크(123)로 전달된다. 태양열 집열기(121)에는 열전달 매체(예를 들면, 물)를 순환시키기 위한 제1 순환관(124)이 연결되며, 제1 순환관(124)은 열교환기(122)를 지난다.

열교환기(122)는 태양열 집열기(121)에 모아진 열에너지를 축열 탱크(123)로 전달한다. 열교환기(122)에 의한 열교환은 태양열 집열기(121)에 연결된 제1 순환관(124)과 축열 탱크(123)에 연결된 후술하는 제2 순환관(125) 사이에서 일어난다. 열교환기(122)로는 통상적으로 사용되는 모든 형태의 열교환기가 사용될 수 있다.

축열 탱크(123)는 태양열 집열기(121)에 모아진 열에너지를 열교환기(122)를 통해 전달 받아 집적한다. 축열 탱크(123)로는 통상적으로 사용되는 모든 형태의 축열 탱크가 사용될 수 있다. 축열 탱크(123)에 집적된 열에너지는 필요에 따라 반응기(11)로 전달될 수 있다. 축열 탱크(123)에는 그 내부에 저장된 물과 같은 열유체가 각각 순환되는 제2 순환관(125)과 열전달관(126)이 연결된다. 제2 순환관(125)을 통해서는 축열 탱크(123)에 저장된 물이 열교환기(122)를 지나 순환하면서 태양열 집열기(121)의 열에너지가 축열 탱크(123)로 전달되어 집적된다. 열전달관(126)을 통해서는 축열 탱크(123)에 저장된 가온된 열유체가 반응기(111)를 지나 순환하면서 반응기(111) 내부를 가온한다.

제어부(130)는 온도 센서(131)와, 제어 밸브(132)와, 제어기(133)를 구비한다. 제어부(130)는 열에너지 제공부(120)에서 반응기(111)로 제공되는 열에너지의 흐름을 제어한다.

온도 센서(131)는 반응기(111) 내부의 온도를 검출하여 그 전기적 신호를 제어기(132)로 제공한다. 온도 센서(131)로는 열전대와 같이 통상적으로 사용되는 모든 형태의 온도 센서가 사용될 수 있다.

제어 밸브(132)는 열전달관(126)에 마련되어서, 열전달관(126)을 개폐시킨다. 제어 밸브(132)는 제어기(133)에 의해 그 작동이 제어된다.

제어기(133)는 온도 센서(131)로부터 받은 반응기(111) 내부의 온도에 대응하는 전기적 신호를 이용하여 제어 밸브(132)의 작동을 제어한다. 제어기(133)는 반응기(111) 내부 온도가 최적의 처리 효율을 제공하는 온도에 대응하는 설정 값의 아래로 내려가는 경우에, 제어 밸브(132)를 개방하여 축열 탱크(123)에 저장된 가온된 물을 반응기(111)로 순환시켜서, 반응기(111) 내부의 온도가 설정 값에 다시 도달하도록 한다. 반응기(111) 내부의 온도가 다시 설정 값에 도달하면, 제어기(133)는 제어 밸브(132)를 닫아서 축열 탱크(123)에 저장된 가온된 물이 반응기(111)로 제공되는 것을 중단시킨다.

본 실시예에서 처리부(110)가 하나의 반응기(111)로 이루어진 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 처리부(110)는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 반응기를 구비할 수 있고, 이때, 각 반응기의 내부 온도는 축열 탱크(123)에 의해 독립적으로 제어될 수 있도록 구성될 수 있다.

이제, 도 1을 참조하여, 상기 자가발열 고온 호기성 소화 장치에 대한 실시예의 작용을 상세히 설명한다.

처리 대상인 유기성 폐수 및/또는 슬러지(S1)는 반응기(111) 내에서 성장하는 호기성 및 친열성 미생물에 의해 소화되어서 처리수 및/또는 소화슬러지(S2)로서 배출된다. 반응기(111)의 내부로는 공기 공급관(112)을 통해 반응을 위한 공기가 공급되며, 남는 공기는 공기 배출관(113)을 통해 배출된다. 이때, 반응기(110) 내부의 온도는 온도 센서(131)에 의해 검출된다.

태양열 집열기(121)에 모아진 태양열에 의한 열에너지는 열교환기(122)를 통해 축열 탱크(123)로 전달된다. 열교환기(122)에서의 열전달은 태양열 집열기(121)로부터 순환하는 물과 같은 열전달 매체와 축열 탱크(123)로부터 순환하는 물과 같은 열유체에 의해 이루어진다. 축열 탱크(123)에는 열교환기(122)를 순환하며 가온된 물과 같은 열유체가 저장된다. 축열 탱크(123)에 저장된 열유체는 제어 밸브(132)가 개방되었을 때, 반응기(111) 내를 순환하게 되며 그에 따라 반응기(111)로 열이 전달되어 반응기(111) 내의 온도를 상승시킨다.

반응기(111)로의 열에너지 전달은, 제어기(133)가 온도 센서(131)로부터 반응기(111) 내부의 온도에 대응하는 전기적 신호를 전달받아 이를 설정 값과 비교하여 설정 값 아래로 떨어졌을 때 제어 밸브(132)를 개방함으로써 이루어진다. 제어 밸브(132)가 개방되면 축열 탱크(123)에 저장된 가온된 물이 반응기(111)로 제공됨으로써, 반응기(111)의 내부 온도가 상승한다. 또한, 제어 밸브(132)가 개방된 상태에서 반응기(111) 내부의 온도가 설정 값보다 높게 되면 제어기(133)는 제어 밸브(132)를 닫아서 열에너지의 제공을 중단한다.

도 2는 도 1에 도시된 고온 호기성 소화 장치를 포함하는 활성슬러지 시스템의 일실시예를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 2를 참조하면, 활성슬러지 시스템(200)은 활성슬러지 반응기(142)와, 침전지(143)와, 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)를 구비한다. 활성슬러지 반응기(142)와 침전지(143)의 구성 및 작용은 통상적인 활성슬러지 시스템에서 사용되는 것과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)의 구성 및 작용은 위에서 이미 설명한 바와 같다. 태양열을 이용하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)는 활성슬러지 시스템(200)과 연계되어 슬러지 감량화를 극대화시킨다. 활성슬러지 시스템(200)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

침전지(143)로부터 배출되는 잉여슬러지는 폐슬러지 이송관(145)을 통해 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)로 이송되며, 이중 일부는 반송슬러지 관(146)을 통해 활성슬러지 반응기(142)로 반송된다. 폐슬러지 이송관(145)을 통해 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)로 보내진 생슬러지는 태양열을 이용하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)에서 효과적으로 박테리아의 세포벽이 파괴되고 소화된 슬러지는 소화슬러지 이송관(140)을 통해 유입수 이송관(141)을 통해 유입되는 유입수와 함께 활성슬러지 반응기(142)로 이송된다. 활성슬러지 반응기(142)로 이송된 소화슬러지는 자가발열 고온 호기성 소화 장치(100)에서 박테리아의 세포벽이 이미 파괴된 상태이므로 호기상태의 활성슬러지 반응기(142)에서 효과적인 유기물 제거가 가능하며, 처리된 유출수는 침전지(143)를 거쳐 유출수 이송관(144)을 통해 방류된다.

이상 본 발명을 상기 실시예들을 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다

100 : 자가발열 고온 호기성 소화 장치
110 : 처리부 111 : 반응기
120 : 열에너지 제공부 121 : 태양열 집열기
122 : 열교환기 123 : 축열 탱크
130 : 제어부 131 : 온도 센서
132 : 제어 밸브 133 : 제어기
142 : 활성슬러지 반응기 143 : 침전지
200 : 활성슬러지 시스템

Claims (6)

1. 자가발열 고온 호기성 소화용 반응기를 구비하는 처리부와,
   태양열을 이용하여 생성된 열에너지를 상기 반응기에 제공하는 열에너지 제공부를 포함하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열에너지 제공부는 태양열 집열기와, 상기 태양열 집열기의 열에너지에 의해 가온되며 상기 반응기를 거치도록 순환하는 열유체가 저장되는 축열 탱크를 구비하는 것을 특징으로 하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 반응기로의 열에너지 제공을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제어부는 상기 반응기로 제공되는 열에너지의 흐름을 개폐하는 제어 밸브와, 상기 반응기의 내부 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 신호에 따라 상기 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 처리부는 다수의 반응기를 구비하는 것을 특징으로 하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치.
6. 유입된 유입수를 처리하는 활성슬러지 반응기와,
   상기 활성슬러지 반응기에서 처리된 유출수를 저장하고 방류하는 침전지와,
   상기 침전지에서 배출되는 잉여슬러지를 처리하여 상기 활성슬러지 반응기로 제공하는 자가발열 고온 호기성 소화 장치를 포함하며,
   상기 자가발열 고온 호기성 소화 장치는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 기재된 자가발열 고온 호기성 소화 장치인 것을 특징으로 하는 활성슬러지 시스템.
   

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