KR20120080393A

KR20120080393A - 다단계 혐기성 소화조를 이용한 메탄가스 생산시스템

Info

Publication number: KR20120080393A
Application number: KR20110001821A
Authority: KR
Inventors: 박용우; 이경희; 김일도; 심우섭; 이정민; 임종호; 방종복
Original assignee: 주식회사 미랜 바이오에너지
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-07-17
Also published as: KR101278514B1

Abstract

본 발명은 바이오가스를 생산하는 소화조를 12개의 챔버로 분리하되 각 챔버를 3개가 한조를 이루도록 4단계로 구분하고 각 단계에서 유체가 재순환되도록 하되 유기물부하율의 차이와 박테리아의 성질에 따라 순환량을 차등조절하고 또한 각 챔버의 바이오블록 밀도를 달리 함으로써, 소화율을 높이고 바이오가스의 생산성이 향상되도록 한 다단계 혐기성 소화조를 이용한 메탄가스 생산시스템을 제공함에 있다.
이를 위하여 본 발명은 박테리아가 서식하는 바이오블록이 각각 내장된 챔버1에서 챔버12의 소화조 내부로 유체를 순차적으로 공급하여 메탄가스를 생산하되, 상기 챔버1에서 챔버3은 유기물부하율이 가장 높은 1단계 소화조로 구성하고, 상기 챔버4에서 챔버6 및 챔버7에서 챔버9는 유기물부하율이 중간 정도인 2단계 및 3단계 소화조가 되도록 구성하며, 상기 챔버10에서 챔버12는 유기물부하율이 가장 낮은 4단계 소화조가 되도록 구성하고, 각 단계별 소화조의 하부에는 유체를 역으로 재순환시키는 수단을 구성하되, 상기 1단계 소화조에는 챔버3에서 챔버1로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하고, 상기 2단계 소화조에는 챔버6에서 챔버4로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하며, 상기 3단계 소화조에는 챔버9에서 챔버7로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하고, 상기 4단계 소화조에는 챔버12에서 챔버10으로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비한 특징이 있다.

Description

다단계 혐기성 소화조를 이용한 메탄가스 생산시스템{Methane gas production system using multi-stage anaerobic digester}

본 발명은 가축분뇨, 하수슬러지 및 음폐수(음식물쓰레기 탈리액) 등의 고농도 유기성 폐기물에서 혐기성소화방식에 의해 바이오가스를 생산하는 소화조를 12개의 챔버로 분리하되 각 챔버를 3개가 한조를 이루도록 4단계로 구분하여 각 단계별로 유체를 재순환되도록 하되 각 단계별로 순환량을 차등하여 조절하고 또한 각 챔버의 바이오블록 밀도를 달리 함으로써, 소화율과 메탄가스의 순도를 높이고 가스량 생산성이 향상되도록 한 다단계 혐기성 소화조를 이용한 메탄가스 생산시스템에 관한 것이다.

일반적으로 매년 증가하는 음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지, 주정폐수 및 도축장폐수 등은 고농도 유기물을 다량 포함하고 있어 오염 부하량이 높아 이에 대한 효율적인 처리가 절실히 요구되고 있다. 특히 음식물쓰레기의 경우 대부분 협잡물 선별, 파쇄, 탈수과정을 거쳐서 탈수케익은 습식사료, 건식사료 및 퇴비로 자원화 하고 있으나, 이때 처리과정에서 필연적으로 발생되는 탈리액은 폐수로써 대부분 해양배출 등으로 폐기처분하여 2차적인 해양오염을 유발하고 있다.

축산폐수의 경우에도 대부분 혐기성 또는 호기성 소화법을 통해 액비화 및 퇴비화하여 자원화하고 있으나, 퇴비화방법은 처리시 혼합되는 톱밥비용과 판매망의 부족, 액비화방법 등은 국내 경작형태로는 효율적이지 않으며 뿌리는 시기가 한정되어있고 냄새로 인한 민원의 발생 등으로 자원화 하는데 여러 가지 문제점을 안고 있다. 그리고 이러한 고농도 유기성폐기물은 하수종말처리장에서 농축(부상식), 소화(호기성, 혐기성), 개량(약품처리), 탈수 및 건조 등의 단계를 거치면서 최종처분하는 시설이 운영되고 있으나, 이는 약품처리로 인해 자원화로 이용되기에는 적지 않은 환경적 문제점을 갖고 있으며, 공정상 필요한 넓은 부지와 이에 따른 운영비용이 크다는 문제점이 있다. 또한 직매립 방식은 이미 1995년부터 금지되어있고 2012년부터는 해양배출이 금지되는 상황으로 기술적, 경제적 및 친환경적인 처리방법이 시급한 실정이다.

이를 감안하여 종래에는 유기성폐기물을 이용하여 바이오가스를 생산하는 방법이 제안된 바 있다. 기존의 혐기성소화조는 완전혼합형(CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor)의 소화조를 많이 사용하고 있으며, 소화조에 유입되는 폐수의 고형물농도가 5%이상 높은 상태에서는 소화조의 구조상 유기물분해, 산발효 및 메탄발효 등의 박테리아가 서로 혼합된 상태로서 이들 박테리아들의 균형과 생육조건 등의 이상적인 소화상태를 이루기가 힘들어 유기물의 완전소화에 따른 수리학적체류시간(HRT: Hydraulic Retention Time)이 20 ? 30일의 장기간으로 소화조의 용량이 커지고 이에 따른 시설물의 대형화와 넓은 부지를 필요로 하는 등의 문제점을 가지고 있다.

본 발명자는 종래의 문제점을 감안하여 특허 제911835호를 등록한 바 있다. 이는 고농도의 유기성폐기물을 혐기소화하여 바이오가스를 생산함에 있어 소화조의 소화능력을 좌우하는 기질과 미생물의 접촉을 극대화 시켰으며 고착성 미생물인 메탄생성 박테리아를 각각 독립된 소화조에서 바이오블록에 고착시킴으로써 고밀도로 군집해서 살 수 있도록 하였으며, 폐수의 유속을 일정하게 유지시켜 소화기간을 최단으로 단축시킴으로써 설비의 용량 및 체적을 축소시킬 수 있고, 소화조 내의 일정한 환경을 유지시키고 외부환경에 대한 쇼크를 최소화하기 위해 투입되는 유기성폐수의 온도와 pH 및 총고형물량을 최적상태로 조절하는 장치를 두고, 소화조로 투입되는 유기성폐기물의 양을 일일 100 ? 1000회에 걸쳐 소량씩 정량으로 연속적인 공급을 위한 장치를 갖는 다단계 혐기성 소화조 및 이를 이용한 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법이다.

본 발명은 본 발명자의 특허를 개선한 것으로서, 본 발명의 목적은 바이오가스를 생산하는 소화조를 12개의 독립된 챔버로 분리하되 챔버 3개가 한조를 이루도록 4단계로 구분하여 유체가 1단계에서 4단계로 Up-down으로 Plug Flowing 하면서 진행해 나감에 따라서 유기물부하율(OLR: Organic Loading Rate)도 그만큼 줄어드는 관계로 1단계에서는 유체의 재순환량을 많이 하고 단계별로 줄여서 부유성인 유기물분해 및 산생성 박테리아와 고착성인 메탄생성 박테리아의 서식환경을 최적화 시키고 각 챔버의 바이오블록 밀도를 달리 함으로써, 소화율을 높이고 메탄가스의 생산성이 향상되도록 한 다단계 혐기성 소화조를 이용한 메탄가스 생산시스템을 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명은 박테리아가 서식하는 바이오블록이 각각 내장된 챔버1에서 챔버12의 소화조 내부로 유체를 순차적으로 진행하게 하여 메탄가스를 생산하고, 각 단계별 소화조의 하부에는 유체를 역으로 재순환시키는 수단을 구성하되, 상기 1단계 소화조에는 챔버3에서 챔버1로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하고, 상기 2단계 소화조에는 챔버6에서 챔버4로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하며, 상기 3단계 소화조에는 챔버9에서 챔버7로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하고, 상기 4단계 소화조에는 챔버12에서 챔버10으로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비한 특징이 있다.

본 발명에 따르면 고농도 유기성폐기물을 혐기성소화로 바이오가스를 생산하기 위해 12개의 독립된 챔버를 구성한 것이며, 이들 각 챔버는 3개가 한조를 이루도록 4단계의 소화조로 구분하여 각 단계별로 유체를 재순환시킨 것이다.

재순환방법은 각 단계별로 차등하여 조절한다. 부유성이면서 거칠고 번식력이 우수한 유기물분해 박테리아와 산생성 박테리아는 활동성이 왕성한 반면에, 고착성이고 온순하며 번식력이 약한 메탄생성 박테리아는 활동성이 상대적으로 떨어지는 점과 유기물부하율이 점차 감소하는 것에 착안하여 각 단계별 소화조의 재순환량을 4 : 3 : 2 : 1로 조정하면 박테리아들의 성능에 따라 번식력 및 소화력이 안정화되므로 혐기소화를 보다 효율적으로 진행시킬 수 있다.

그리고 각 단계별 소화조에서 챔버들을 하단에는 유체를 재순환시키는 파이프가 구비되는데, 이들 파이프는 3개가 한조를 이루도록 하고 각 파이프에는 독립된 순환펌프를 설치하여 순환량을 분산시킴으로써, 하나의 펌프로 순환시킬 때 보다 펌프용량을 줄일 수 있으며, 또한 펌프에 무리가 가지 않고 어느 특정 펌프가 고장나면 수리하는 동안 나머지 펌프를 계속 운전시킬 수 있으므로 재순환을 지속할 수 있어 소화효율을 저하시키지 않는 이점이 있다.

또한 각 단계별 소화조에 내장된 바이오블럭을 메탄박테리아의 증식과 활동성을 고려하여 1,2단계 소화조를 3,4단계 소화조에 비하여 1 : 1.5의 체적비율로 구성하여 다량의 메탄가스를 생산하는 이점이 있다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 단계별 소화조를 분리한 사시도
도 2는 본 발명 한 실시예의 단계별 소화조를 조립한 사시도
도 3은 본 발명 한 실시예의 단계별 소화조의 재순환 파이프의 결선도
도 4는 본 발명에 사용한 바이오블럭 구조물

본 발명은 유기성폐기물에 함유되어 있는 큰 입자들을 1cm미만으로 잘게 분쇄하는 분쇄장치, 분쇄된 유기성폐기물의 온도와 pH를 조절하고 혼합하는 산도조절장치, 유기성폐기물을 소량씩 100 ? 1000회에 걸쳐 연속적으로 정량이송 시켜주는 정량이송장치를 거쳐 소화조로 공급된다.

본 발명의 소화조는 챔버1에서 챔버12로 분리되어 유기물이 각 챔버를 순차적으로 거쳐 배출되는데, 3개의 챔버를 한조로 하여 4단계로 구획된다. 1단계 소화조는 챔버1에서 챔버3(C1,C2,C3)으로 구성되어 있고, 2단계 및 3단계 소화조는 챔버4에서 챔버9(C4,C5,C6,C7,C8,C9)로 구성되어 있고, 4단계 소화조는 챔버10에서 챔버12(C10,C11,C12)로써 구성되어 있다.

본 발명은 유기물의 소화효율과 메탄가스의 생산성을 높이기 위해 유기물을 재순환시키는 수단이 구비되는데, 1단계 소화조는 챔버3(C3)과 챔버1(C1)의 하단을 다수개의 재순환 파이프(L1,L2,L3)로 연결하고 각 재순환 파이프(L1,L2,L3)에는 독립된 순환펌프(P1,P2,P3)가 구비된다. 2단계 및 3단계 소화조는 챔버6(C6)과 챔버4(C4) 및 챔버9(C9)와 챔버7(C7)의 하단을 다수개의 재순환 파이프(L4,L5,L6)(L7,L8,L9)로 연결하고 각 재순환 파이프(L4,L5,L6)(L7,L8,L9)에는 독립된 순환펌프(P4,P5,P6)(P7,P8,P9)가 구비된다. 4단계 소화조는 챔버12(C12)과 챔버10(C10)의 하단을 다수개의 재순환 파이프(L10,L11,L12)로 연결하고 각 재순환 파이프(L10,L11,L12)에는 독립된 순환펌프(P10,P11,P12)가 구비된다.

그리고 각 챔버에는 박테리아가 서식하는 다공성 바이오블럭(B)이 내장되는데, 활동성이 좋은 1,2단계 소화조의 챔버(C1,C2,C3,C4,C5,C6)는 활동성이 떨어지는 3,4단계 소화조의 챔버(C7,C8,C9,C10,C11,C12)들에 비하여 0.5배 정도 바이오블럭의 표면적을 적게하여 박테이라의 성질에 따른 유동성이 조절되도록 한다.

전처리 단계를 거친 고농도 유기성폐기물(축산분뇨나 하수슬러지 등은 pH나 총 고형분 함량을 맞출 필요가 없으나, 고형물함량이 15% 정도로 높고 pH가 3.5 ~ 4.5로 강산성인 음폐수 등은 전처리 단계로 고형물의 함량과 pH를 조정하여 가수분해 및 산발효를 거치는 것이 바람직 함)은 정량이송장치에 의해 혐기성 소화조의 챔버1에서 챔버12로 순차적으로 공급된다. 공급 방법은 일일 투입량을 100 ? 1000회로 나눠 일정시간 간격을 두며 정량을 연속적으로 공급한다.

혐기소화조는 전처리 혼합단계에서 가수분해, 산발효되어 발생한 수소, 이산화탄소, 황화수고, 각종 유기산 및 아세트산이 메탄박테리아의 먹이로 들어오게 되는데 메탄박테리아의 수가 충분치 않아 수소와 이산화탄소 및 아세트산들이 잉여되어 누적되면 혐기소화조의 pH가 떨어지게 되고 이로 인해 메탄가스량이 줄어들어 결국 소화기능이 마비되게 되는에, 이러한 메탄박테리아의 서식 조건을 갖추기 위해선 소화조의 초기 가동으로 부터 약 2 ? 3개월의 안정화 기간을 거쳐 박테리아 발란스가 맞게되면 본격적인 바이오가스 생산이 가능한데, 바이오가스는 상부에 마련된 가스층 공간에 모아지며 이 가스는 수분응축과 탈황과정을 거쳐 고순도 바이오가스로 저장되어 사용하게 된다.

본 발명은 혐기성 소화효율을 높이기 위해 유체를 재순환시키는데, 각 단계별 소화조마다 구비된다. 1단계 소화조는 챔버3(C3)에서 챔버1(C1)로 연결되는 재순한 파이프(L1,L2,L3)가 다수개 구비되고 각 재순환 파이프(L1,L2,L3)에는 순환펌프(P1,P2,P3)가 독립적으로 구비된다. 따라서 하나의 펌프로 재순환시킬 때 보다 펌프에 무리가 가지 않으며 어느 한 펌프가 고장나면 나머지 펌프로 재순환을 계속 시키면서 수리하면 되므로 운전정지를 최소화할 수 있다. 그리고 2,3,4단계 소화조 역시 1단계 소화조와 동일한 재순환 구조를 갖는다.

여기서 본 발명은 박테리아의 성질과 유기물부하량 및 부하율을 고려하여 재순환량을 차등조절하는 특징이 있다. 활동성이 좋고 부유성이면서 번식력이 좋고 거친 성질을 갖는 유기물분해 박테리아와 산생성 박테리아는 고착성이면서 온순하고 번식력이 약한 메탄생성 박테리아보다 재순환량을 증가시킨다. 즉 1단계에서 4단계까지의 소화조를 4 : 3 : 2 : 1의 비율로 유기물을 재순환시키면 박테리아의 성능에 따른 최적의 소화분위기를 조성할 수 있으므로 고순도의 메탄가스 생성에 도움이 된다.

그리고 본 발명은 각 단계별 소화조에 내장된 바이오블럭(B)이 1,2단계 소화조 : 3,4단계 소화조를 1 : 1.5의 표면적비가 되도록 조정한 특징에 의해 박테리아의 활동성에 따른 유기물의 순환이 정체되지 않고 원활히 이뤄질 수 있는 이점이 있다.

C1 ? C12 : 챔버 B : 바이오블록
L1 ? L12 : 재순환 파이프 P1 ? P12 : 순환펌프

Claims

박테리아가 서식하는 바이오블록이 각각 내장된 챔버1에서 챔버12의 소화조 내부로 유기성폐기물을 순차적으로 공급하여 메탄가스를 생산하되, 상기 챔버1에서 챔버3은 유기물부하율이 가장 높은 1단계 소화조로 구성하고, 상기 챔버4에서 챔버6 및 챔버7에서 챔버9는 중간정도의 부하율로 2단계 및 3단계 소화조로 구성하며, 상기 챔버10에서 챔버12는 부하율이 가장 낮은 4단계 소화조가 되도록 구성하고,
각 단계별 소화조의 하부에는 유체를 역으로 재순환시키는 수단을 구성하되, 상기 1단계 소화조에는 챔버3에서 챔버1로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하고, 상기 2단계 소화조에는 챔버6에서 챔버4로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하며, 상기 3단계 소화조에는 챔버9에서 챔버7로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비하고, 상기 4단계 소화조에는 챔버12에서 챔버10으로 연결하는 다수개의 재순환 파이프와 이들 각 재순환 파이프마다 구비된 독립된 순환펌프를 구비한 것을 특징으로 하는 다단계 혐기성 소화조를 이용한 메탄가스 생산시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 각 단계별 소화조는 유기물부하율을 고려하여 1,2,3 및 4단계 소화조를 4 : 3 : 2 : 1의 비율로 유체를 재순환되도록 한 것을 특징으로 하는 다단계 혐기성 소화조를 이용한 메탄가스 생산시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 각 단계별 소화조는 고착하여 서식하는 메탄박테리아의 성질을 고려하여 이들에 내장된 바이오블록을 1단계 및 2단계 소화조 : 3단계 및 4단계 소화조를 1 : 1.5의 표면적비가 되도록 한 것을 특징으로 하는 다단계 혐기성 소화조를 이용한 메탄가스 생산시스템.