KR20140003915A - 혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기 등의 유기성 혼합물로부터 바이오가스를 생산하기 위한 혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명 혐기성 소화조의 구성은,상기 소화조내 혼합물을 수용하는 공간부를 가진 수용조; 상기 수용조의 수용된 소화조내 혼합물을 교반하는 교반기; 상기 유기성 혼합물을 상기 수용조 내부로 주입하는 주입구; 상기 수용조 내부에서 혐기성 소화가 수행된 소화후 혼합물을 배출하며 여과유닛을 가진 정규배출구; 상기 수용조에 수용된 소화조내 혼합물을 수용조의 하부에서 상부로 순환시킬 수 있도록, 상기 수용조의 측벽에 각각 다른 높이를 가지도록 형성된 적어도 2 개의 유입구와 적어도 하나의 유출구를 가진 반송로; 상기 반송로의 유출구와 연결되어 상기 반송로를 통하여 이송된 소화조내 혼합물을 분사하는 분사노즐을 다수개 형성한 분사관; 상기 소화조내 혼합물의 혐기성 소화에 의하여 발생된 바이오가스를 수용조 외부로 배출하는 가스배출구; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치{Anaerobic container and apparatus for producing biogas using it}

본 발명은 음식물 폐기물 등의 유기성 혼합물로부터 바이오가스를 생산하기 위한 혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치에 관한 것이다.

근래 음식물 폐기물, 농축산물 혼합물(폐수 포함), 폐수 슬러지(sludge) 등과 같은 유기성 혼합물의 지속적인 증가와 이에 대한 처리 방법이 환경적, 사회적 이슈가 되고 있는 실정이다.

이러한 유기성 혼합물을 처리하기 위한 방법은 혐기성 소화방법과 호기성 소화방법으로 대분할 수 있는데, 상기의 혐기성 소화방법은 호기성 소화방법에 비하여 에너지 소모가 적고, 처리 공정 중 메탄가스를 함유하는 바이오가스(biogas)의 생산에 따른 에너지 회수율을 기대할 수 있으므로 호기성 소화방법보다 선호되는 추세이다.

상기의 혐기성 소화방법을 실현하기 위한 장치로서, 주로 혐기성 소화조가 사용된다. 혐기성 소화조는 유기성 혼합물을 혐기성 미생물에 의하여 혐기성 소화시켜 바이오가스를 생성하는 장치이다.

상기 혐기성 소화조에 의하여 혐기성 소화가 수행되면 정제되지 않은 바이오가스와 비활성유기혼합물(digestate)이 생성되는데, 상기 정제되지 않은 바이오가스는 업그레이딩(upgrading)을 통해 바이오메탄(CH₄ 함유율 97%)으로 전환되고, 상기 비활성유기혼합물은 원심분리와 탈수를 통해 고체혼합물과 폐수로 분류된 후, 상기 고체혼합물은 비료로 사용되거나 매립되고 폐수는 방류기준에 맞춰 정화후 방류된다.

이때, 혐기성 소화조의 소화 효율은 바로 유기성 혼합물과 혐기성 미생물이 접촉하는 정도(접촉률)에 의존하게 되는데, 이 접촉률을 향상시키기 위하여 혐기성 소화조 내부에 수용되는 유기성 혼합물을 교반시키는 교반기가 설치된다.

상기 교반기는 유기성 혼합물과 혐기성 미생물의 접촉률을 향상시키는 것은 물론, 혐기성 소화조 내부의 물리화학적 및 생물학적 반응을 균일하게 하여주며, 대사생성물이나 유입저해물질과 같은 저해물질도 희석시키는 기능을 수행한다.

나아가, 교반기의 교반 작용을 통하여 혐기성 소화조 내부의 온도를 일정하게 유지시키고, 유기성 혼합물의 표면에 스컴(scum, 부유찌거기물)이나 거품 생성을 방지하는 효과가 발현된다.

그러나, 종래 혐기성 소화조는 내부에 설치된 교반기만으로는 소화조 내부에서 공간별 교반 강도의 차이가 필연적으로 발생되므로, 상기 교반 효과가 충분히 발생하지 않는다는 문제점이 있었다.

또한, 소화조 내에서 불충분한 교반이 진행되면 될수록 유기성 혼합물의 표면에 스컴과 거품이 형성되며, 유기성 혼합물의 하층부 퇴적 및 혐기성 미생물의 불균형, 활동성 저해로 인하여 혐기성 소화의 안정적인 운전이 방해됨으로써 바이오가스의 생산량이 감소된다.

그러므로, 상술한 바와 같은 교반기의 종래 문제점을 해소하기 위하여 혐기성 소화조에 상향류식 혐기성 반응조를 연결하고, 소화조에서 배출되는 슬러지(sludge)를 상기 혐기성 반응조에 유입하여 유기성 혼합물의 비중에 따라 고비중, 중비중, 저비중 슬러지로 분류하여 고비중 및 저비중 슬러지는 폐기하고, 중비중 슬러지를 다시 소화조에 반송하여 재소화시키는 기술이 공지되어 있다.

그러나, 이러한 혐기성 소화조와 반응조를 연결하여 사용하는 기술은 소화조 이외의 추가 소화조 설치에 따른 과다한 부지 사용의 문제가 있을 뿐만 아니라, 유기성 혼합물 및 혐기성 미생물의 반송에 에너지가 많이 소요되어 효율적이지 못하다는 문제점을 내포하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 혐기성 소화조 내부의 유기성 혼합물 및 혐기성 미생물이 고농도로 존재하는 지점으로부터 유기성 혼합물을 반송하도록 하여 교반 효과를 증대시킴과 동시에 유기성 혼합물 표면의 스컴과 거품을 억제함으로써 혐기성 소화의 효율을 향상시킬 수 있는 혐기성 소화조의 구성을 제공하는 것에 본 발명의 기술적 과제가 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명 혐기성 소화조의 구성은,상기 소화조내 혼합물을 수용하는 공간부를 가진 수용조; 상기 수용조의 수용된 소화조내 혼합물을 교반하는 교반기; 상기 유기성 혼합물을 상기 수용조 내부로 주입하는 주입구; 상기 수용조 내부에서 혐기성 소화가 수행된 소화후 혼합물을 배출하며 여과유닛을 가진 정규배출구; 상기 수용조에 수용된 소화조내 혼합물을 수용조의 하부에서 상부로 순환시킬 수 있도록, 상기 수용조의 측벽에 각각 다른 높이를 가지도록 형성된 적어도 2 개의 유입구와 적어도 하나의 유출구를 가진 반송로; 상기 반송로의 유출구와 연결되어 상기 반송로를 통하여 이송된 소화조내 혼합물을 분사하는 분사노즐을 다수개 형성한 분사관; 상기 소화조내 혼합물의 혐기성 소화에 의하여 발생된 바이오가스를 수용조 외부로 배출하는 가스배출구; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명 혐기성 소화조는 수용조 하부에 수용된 유기성 혼합물의 특정 높이 부분에 존재하는 유기성 혼합물을 수용조 상부로 반송시켜 유기성 혼합물의 교반 작용을 보다 활성화함으로써 혐기성 소화조의 혐기성 소화 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명 혐기성 소화조의 구성도,
도 2 는 본 발명 혐기성 소화조를 이용하는 바이오가스 생산장치의 구성도,
도 3 은 본 발명 혐기성 소화조 내에 수용된 유기성 혼합물의 기질 특성을 분석하기 위한 실험결과의 그래프로서, 도 3a 는 유기성 혼합물의 휘발성고형물질(VS)의 농도를 나타내는 그래프, 도 3b 는 유기성 혼합물의 혼합액부유고형물(MLSS)의 농도를 나타내는 그래프, 도 3c 는 유기성 혼합물의 휘발성유기산(VFA)의 농도를 나타내는 그래프, 도 3d 는 유기성 혼합물의 수소이온농도(pH)를 나타내는 그래프, 도 3e 는 유기성 혼합물의 온도를 나타내는 그래프,
도 4 는 본 발명 혐기성 소화조의 바이오가스 발생량 및 그 조성비를 나타내는 그래프,
도 5 는 본 발명 혐기성 소화조의 휘발성고형물질(VS), 화학적산소요구량(COD) 및 총 고형물(TS)의 비율을 나타내는 그래프,
도 6 은 본 발명 혐기성 소화조의 메탄 및 바이오가스 수율을 나타내는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치의 구성을 상세하게 설명한다.

단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.

또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 본 발명에서 사용되는 용어에 대한 정의는 하기와 같다.

"혐기성 소화"는 유기성 혼합물 내의 유기성 기질인 탄수화물, 지방, 단백질을 각각 단당류, 지방산, 아미노산의 저분자 물질들로 가수 분해한 후, 혐기성 미생물들을 이용하여 이 물질들을 바이오 가스로 전환시키는 작용을 의미한다.

"유기성 혼합물"은 유기물을 포함하는 음식물 폐기물, 폐유, 분뇨, 폐수 등 사람의 생활이나 산업 활동에 필요하지 않게 된 물질을 의미한다.

"혐기성 미생물"은 무산소 상태에서 유기물을 분해하는 미생물로, 혐기성 소화에 이용되는 혐기성 미생물로는 혐기성 가수분해 세균, 산 생성 세균, 아세트산 생성 세균, 메탄 생성 세균 등이 있다.

"유기성 기질"은 상기 유기성 혼합물 내에서, 상기 혐기성 미생물에 의해 분해되는 유기물을 의미한다.

"소화조내 혼합물"은 소화조의 내부로 투입된 혐기성 미생물을 포함하는 유기성 혼합물을 의미한다.

"소화후 혼합물"은 상기 소화조내 혼합물에서 혐기성 미생물에 의하여 혐기성 소화가 완료되어 소화조 외부로 배출될 필요가 있는 혼합물을 의미한다.

이하, 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 혐기성 소화조의 구성 및 그 작동을상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명 혐기성 소화조(1)의 구성도이다.

본 발명 혐기성 소화조(1)는 유기성 혼합물의 혐기성 소화에 있어서 혐기성 소화조에 수용된 소화조내 혼합물을 소화조의 하부에서 상부로 순환시켜 소화조 내부의 상층 및 하층부 유기성 기질의 교반 효과를 향상시켜 바이오가스의 생산량을 증가시킬 수 있도록 구성된 혐기성 소화조(1)이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 혐기성 소화조(1)는 유기성 혼합물을 수용하기 위하여 바닥면(11), 측벽(12), 천정면(13)에 의하여 이루어지는 공간부를 가진 수용조(10)를 포함한다.

상기 수용조(10)는 내부에 소화조내 혼합물을 교반하는 교반기(20)가 설치되고, 상기 교반기(20)의 임펠러가 교반기의 축(21)의 회전에 의하여 회전되면서 소화조내 혼합물을 교반한다.

상기 수용조(10)의 일측 측벽(12)에는 전처리기(400)로부터 유입되는 유기성 혼합물을 상기 수용조(10) 내부로 주입하는 주입구(30)가 형성된다.

또한, 상기 수용조(10)의 주입구(30)가 형성된 측벽(12)과 대향하는 타측 측벽(12)에는 혐기성 미생물에 의하여 혐기성 소화가 수행된 소화후 혼합물을 수용조(10)의 외부로 배출하는 배출구가 형성된다.

본 발명 혐기성 소화조(1)는 상기의 배출구가 수용조(10)의 측벽(12)에 3 개소에 형성되는데, 후속 처리 단계의 다른 소화조와 연결되며 소화후 혼합물에 포함된 입자를 여과시키는 여과유닛(41)을 가진 2 개의 정규배출구(40)와, 수용조(10) 내부에 잔류하는 침전물질을 제거하거나 응급상황시 수용조(10) 내부의 소화조내 혼합물을 배출시킬 경우에 사용되는 응급배출구(50)이다. 상기 응급배출구(50)는 수용조(10)의 바닥면(11)에 설치된다.

상기 정규배출구(40)의 여과유닛(41)은 바람직하게는 소화후 혼합물에 포함된 입자가 통과될 수 있는 길이의 간극을 가지는 여과막의 형태로 이루어지는 것이 좋으며, 여과유닛(41)에 의하여 혐기성 소화가 덜 된 유기물질과 미생물의 유실을 억제하여 소화 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

이때, 상기 여과유닛(41)에 이용되는 여과막은 그 막의 크기를 조절할 수 있도록 함으로써, 수용조(10) 내의 소화조내 혼합물의 기질 균형 상태에 따라서 소화조내 혼합물이 원활하게 배출될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 앞서 설치된 상기 혐기성 소화조(1)로부터 후단에 설치된 다른 혐기성 소화조(1)로 혼합물을 배출 및 이송하는데 있어서 상기 여과유닛(41)을 통과함으로써, 소화조내 혼합물의 입자를 여과시킬 수 있으며, 여과 과정에서 발생할 수 있는 파울링(fouling, 막힘 및 오염현상)을 최소화함으로써 본 발명 혐기성 소화조(1)의 안정적인 관리가 가능하게 된다.

여기서, 도 1 의 여과유닛(41)의 확대도를 참조하면, 상기 여과유닛(41)은 막의 기저를 이루며 직경이 작은 소직경의 입자(P1)가 통과될 수 있는 간극(d)을 가진 베이스면(41a) 상에 상측으로 볼록하게 돌출되어 아치(arch)형을 이루되 폐쇄된 상태의 아치면(41b)이 형성된다.

그러므로, 소화조내 혼합물에 포함된 입자중 소직경의 입자(P1)는 베이스면(41a)을 통과하여 상기 정규배출구(40)를 통하여 후속 소화조로 유입되는 한편, 직경이 큰 대직경의 입자(P2)는 아치면(41b)과 충돌한 후 아치면(41b)의 곡면을 따라서 운동함으로써 대직경 입자(P2)가 여과막(41) 주위에 적체되지 않도록 함으로써, 베이스면(41a)의 직경에 따라 미리 설정된 적절한 크기의 입자만을 배출하고 소화 작용이 완성되지 않은 대직경의 입자는 다시 소화조 내부에서 소화 과정을 재차 거치도록 할 수 있으므로 여과막(41)의 여과 효율을 높일 수 있음은 물론 소화조 내부에서의 분해 효율을 월등히 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 여과유닛(41)의 상기 베이스면(41a)의 간극(d)은 100㎛ 미만의 크기를 갖는 생분해성 유기물질(biodegradable organic matter)과 0.1~30㎛의 크기를 가지는 혐기성 미생물을 선택적으로 통과시키는 100㎛ 의 간극이 바람직하다.

상기 여과유닛(41)의 투과율은 300~500 ℓ/㎡·h 이 바람직하며, 상기 반송로(60)를 통하여 이송되는 소화조내 혼합물의 용량은 일일 기준 소화조내 혼합물의 전체용량의 5~25% 가 이송되는 것이 바람직하다.

본 발명 소화조(1)의 수용조(10)는 소화조내 혼합물의 최대 수용량이 수용되었을 경우의 수용조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대 수용량인 소화조내 혼합물의 표면(S)까지의 높이를 최대높이(H)로 가정한다.

이때, 본 발명 소화조(1)는 상기 정규배출구(40)가 소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)의 9/10 지점인 제 4 높이(h4) 지점 및 소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)의 1/10 지점인 제 1 높이(h1) 지점에 각각 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명 혐기성 소화조(1)는 수용조(10)에 수용된 소화조내 혼합물을 수용조(10)의 하부에서 상부로 순환시켜 소화조 내부의 상층 및 하층부의 각 유기성 기질의 교반 효과를 향상시킬 수 있도록 반송로(60)가 설치된다.

상기 반송로(60)는 상기 수용조(10)의 타측 측벽(12)에 각각 다른 높이를 가지도록 형성된 적어도 2 개의 유입구 및 적어도 하나의 유출구가 생성된다.

바람직하게는, 상기 반송로(60)의 상기 유입구는 소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)의 5/10 지점인 제 3 높이(h3) 지점에 형성된 상부유입구(61)와, 소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)의 3/10 지점인 제 2 높이(h2) 지점에 형성된 하부유입구(62)로 이루어져 있다.

또한, 소화조내 혼합물의 상태(성상)에 따라서 상기 반송로(60)의 상부유입구(61)과 하부유입구(62)로 유입되는 소화조내 혼합물의 비율이 조절될 수 있는 것이 바람직한데, 예를 들어 상기 상부유입구(61)와 하부유입구(62)로 유입되는 소화조내 혼합물의 비율을 1:9, 3:7, 5:5 등으로 조절이 가능하게 설계될 수 있다.

바람직하게는, 상기 반송로(60)의 상기 유출구는 소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)를 초과한 높이 지점의 측벽(12)에 형성된 유출구(63)이다.

따라서, 상기 수용조(10)에 수용된 소화조내 혼합물은 상기 상부유입구(61)과 상기 하부유입구(62)를 통하여 반송로(60)로 유입되어 수용조(10)의 상측 방향으로 이송되어 유출구(63)를 통하여 다시 수용조(10) 내부로 혼입되면서 상기 교반기(20)와 더불어 소화조내 혼합물을 수용조(10)의 하부에서 상부로 순환시켜 소화조 내부의 상층 및 하층부의 각 유기성 기질의 교반 효과를 향상시킬 수 있게 된다.

그리고, 소화조내 혼합물의 원활한 이송을 위하여 상기 반송로(60) 상에는 소화조내 혼합물을 펌핑하는 펌프(미도시)가 설치될 수 있다.

또한, 상기 반송로(60)의 유출구(63)와 연결되어 상기 반송로(60)를 통하여 이송된 소화조내 혼합물을 다시 소화조내 혼합물의 표면(S)을 향하여 분사하는 분사노즐(80)을 다수개 형성한 분사관(70)이 설치된다.

이때, 상기 분사노즐(80)의 분사각도(Θ)가 조절가능한데, 이 분사각도의 조절에 따라서 소화조내 혼합물의 표면(S)에 발생되는 스컴이나 거품을 효과적으로 제거할 수도 있다.

여기서, 소화조내 혼합물의 표면(S)의 표면각을 센서수단(미도시)에 의하여 자동으로 측정 및 계산하여 표면(S)의 표면각에 수직으로 분사되게 하면 스컴이나 거품의 생성 억제와 이들의 제거가 보다 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.

아울러, 유기성 혼합물의 혐기성 소화에 의하여 발생된 바이오가스를 수용조(10) 외부에 설비된 가스수집조(200)로 배출하는 가스배출구(90)가 형성되며, 이 가스배출구(90)는 수용조(10)의 천정면(13)에 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 반송로(60) 상에는 혐기성 미생물을 반송로(60)를 통하여 공급하는 미생물공급기(100)와 반송로(60)를 통하여 이송되는 소화조내 혼합물의 혼합액 부유고형물(MLSS, mixed liquor suspended solids)의 농도를 측정하는 MLSS 측정장치(110)가 부설된다.

바람직하게는, 상기 MLSS 측정장치(110)는 반송로(60)를 통하여 이송되는 소화조내 혼합물의 유기성 기질의 MLSS 의 농도를 자동으로 측정하다가, MLSS 농도에 따라서 필요시 미생물공급기(100)를 통하여 수용조(10) 내부로 미생물을 공급할 수 있도록 하는 것이 좋다.

한편, 본 발명 혐기성 소화조(1)는 산 발효조(미도시)와 메탄 발효조(미도시) 및 용해성 가스(dissolved gas) 포획 및 잔존 휘발성유기산(residual VFA)의 추가 발효를 위한 버퍼탱크(미도시)와 함께 설비되는 것이 바람직하며, 11 kg COD/m³·day의 유기물 부하율(OLR, Organic Loading Rate) 및 수소이온농도(pH) 4.0 이상에서 안정적인 혐기성 소화 운전이 가능하도록 운용되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 산 발효조, 메탄 발효조 및 버퍼탱크에도 각 입출구에 여과막이 설치될 수 있는데, 이 여과막의 간극의 크기는 산 발효조는 100㎛, 메탄 발효조는 50㎛, 상기 버퍼탱크(buffer tank,미도시)는 30㎛의 격자 크기를 가지는 것이 좋다.

도 2 는 본 발명 혐기성 소화조를 이용하는 바이오가스 생산장치의 구성도이다.

도 2 를 참조하면, 본 발명의 혐기성 소화조(1)를 직렬로 연결한다면 보다 제고된 효율을 가진 바이오가스 생산장치를 구성할 수 있다.

즉, 전처리기(400)를 통과한 유기성 혼합물을 혐기성 소화시키게 되면, 각 혐기성 소화조(1)에서 정제되지 않은 바이오가스가 생성되고, 생성된 정제되지 않은 바이오가스는 가스 배출부(90)를 통해 가스수집조(200)로 운반되며, 상기 정제되지 않은 바이오가스는 업그레이딩(upgrading)을 통해 바이오메탄(CH₄ 함유율 97%)으로 전환된다.

한편, 상기 비활성 유기혼합물은 슬러지수집조(300)로 운반되며, 상기 비활성 유기혼합물은 원심분리와 정제를 통해 퇴비로 전환된다.

따라서, 본 발명 혐기성 소화조(1)를 직렬 연결한 바이오가스 생산장치를 통하여 개선된 혐기성 소화의 효율로써 바이오가스 및 퇴비 등의 에너지원을 수득할 수 있게 된다.

본 발명 혐기성 소화조(1)의 특징은 바로 반송로(60)로 의한 수용조(10) 내 부의 소화조내 혼합물의 하층으로부터의 상층으로의 순환 작용에 의한 교반효율의 향상이라 할 수 있는데, 이를 위하여 상기 반송로(60)의 상부유입구(61)가 제 3 높이(h3) 지점에 형성되고, 하부유입구(62)가 제 2 높이(h2) 지점에 형성된 이유를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

혐기성 소화의 단계는 크게 가수분해단계(hydrolysis), 산생성단계(acidogenesis) 및 메탄생성단계(methanogenesis)로 구분되고 가수분해균, 산생성균 그리고 메탄생성균 등의 서로 다른 미생물에 의한 생화학작용에 의하여 이루어지며, 이들의 활동은 서로 유기적이고 상호의존적으로 연결되어 있다.

따라서, 소화조 내부의 적절한 운전인자들의 균형을 유지하는 것이 혐기성소화에서 무엇보다 중요하다. 혐기성소화의 생화학작용은 분해(disintegration)와 해중합(depolymerization) 반응과 같은 세포외 효소(extracellular enzyme)에 의한 단계와 혐기성 미생물에 의한 용해성 기질의 혐기소화와 같은 세포 내 반응(intracellular enzyme) 단계로 구분된다.

특히, 혐기성소화의 초기 단계이며 율속단계(rate limiting step)인 가수분해단계는 세포 외 효소에 의한 단계로 carbohydrate, protein 및 lipids와 같은 고분자 기질(macromolecular substrate)을 glucose, amino acids 및 long chain fatty acids(LCFA)와 같은 수용성 저분자로 가용화(solubilization)하는 것을 의미하며 그 입자의 성상 및 크기에 영향을 받는 느린 반응단계이다.

기질의 입자 크기 및 조성은 혐기성소화의 초기 단계인 가수분해와 산생성단계의 속도에 영향을 주며 그 크기에 따라 0.001㎛ 미만의 용존고형물(DS, dissolved and soluble solids), 0.001~1㎛의 콜로이드(colloidal solids), 1~100㎛의 supra-colloidal solids, 그리고 100㎛ 이상의 침전성 고형물(settleable solids)와 같이 네 단계로 구분할 수 있으며 대부분의 생분해성(biodegradable) 유기물질의 입자는 100㎛ 미만의 크기를 갖는다.

그러므로, 혐기성 소화의 안정적인 운전을 위해서는 소화조 내 층별 기질특성을 분석하고 최적의 운전조건을 찾는 것이 필요하다.

따라서, 본 발명 발명자는 소화조내 혼합물의 유기성 기질의 특성 차이가 발생하는 것에 착안하여, 가장 효과적인 반송로(60)의 유입구의 위치를 찾기 위하여 반송로(60)의 구성이 없는 교반기(20)만 사용하였을 경우 소화조내 혼합물의 유기성 기질의 특성이 차이가 나는 것을 확인하였으며, 그 결과 반송로(60)의 유입구의 위치가 수용조(10)의 바닥면(11)으로부터 소화조내 혼합물의 수용가능 최대높이(H)의 3/10 내지 5/10 사이의 구간에 위치하는 것이 바람직함을 확인하였으며, 이하 그 확인 과정을 상세하게 설명한다.

[실험례]

1. 평가 방법 및 항목

1-1. 소화조 내 기질특성 분석

1회 특성분석을 위해 사용된 음식물폐기물의 양은 100ℓ이고 소화조의 크기는 0.125㎥(직경 0.38m, 높이 1.10m)이며 소화조 내 기질을 층당 8.8㎝로 10등분(상층부 1/10 ~ 하층부 10/10)하였다. 유기물질의 부하를 최소화하고 정확한 결과값을 얻기 위해 미생물의 안정화기간을 고려하여 최초 시료는 소화조 내에 전량 100ℓ를 채운 후 적정온도를 유지하였다. HRT 3일 이후 사전실험을 위한 시료를 투입하였으며 23.15㎖/min 투입속도를 유지하였고 고전적인 수평교반장치만 사용했을 때의 기질특성을 확인하기 위하여 시료 투입 후 3일째 실험분석을 위한 시료를 각 층의 하층부의 외부배출관을 통해 채취하였다.

각 층의 기질은 다음 5가지 평가항목 1. 휘발성고형물(VS), 2. 혼합액 부유고형물(MLSS), 3. 휘발성유기산(VFA), 4. pH 및 5. 온도로 평가하였으며 실험의 재현성 확인을 위해 두 개의 서로 다른 기질을 이용하여 측정하였다.

1-2. 반송로 최적화 지점 분석

반송로의 최적화 지점은 고전적인 교반기만 사용했을 때의 소화조 내 기질특성의 분석을 통해 결정한다. 평가항목 중 용해성 유기물질인 휘발성고형물(VS)와 휘발성유기산(VFA)이 고농도로 존재하는 지점을 확인하여 그 층에 반송로를 적용한다. 반송로 적용 후 소화조 내 기질특성 분석에서 평가한 5가지 평가항목으로 동일하게 측정한다.

2. 사전실험 결과

2-1. 반송로 적용

소화조 내 기질특성 분석결과 휘발성고형물(VS), 혼합액 부유고형물(MLSS) 및 휘발성유기산(VFA)이 고농도로 존재하는 층은 소화조 바닥면으로부터의 3/10 내지 5/10 사이의 구간이었다. 따라서, 소화조 바닥면으로부터 3/10 지점과 5/10 지점에 반송로를 적용하였다. 반송로 여과장치의 투과율을 300~500 ℓ/㎡·h으로 유지하고, 소화조내 혼합물의 전체 용량의 5~25% 가 순환되도록 적용하였다.

2-2. 휘발성고형물질(VS)

휘발성고형물질은 혐기성소화에서 기질의 생분해성(biodegradability)을 평가할 수 있는 대표적인 평가항목이며 교반기만 사용할 때 소화조 하층부에서 상층부로 갈수록 휘발성고형물질(VS) 값이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 최상층부 표면으로부터 1/10 지점에서 최저값 127,650㎎/ℓ를 보였고 소화조 바닥면으로부터 3/10 지점에서 최고값 161,200㎎/ℓ을 나타내어 소화조 내 최대 33,550㎎/ℓ의 차이를 확인하였다.

이때, 반송로를 사용하여 하층부 기질을 상층부 기질표면으로 분사한 결과, 도 3a 의 그래프와 같이 최상층부 표면으로부터 2/10 지점에서 최저값 142,400㎎/ℓ를 보였고 소화조 바닥면으로부터 2/10 지점에서 최고값 153,200㎎/ℓ을 나타내어 소화조 내 최대 10,800㎎/ℓ의 차이를 확인하였다.

2-3. 혼합액 부유고형물(MLSS)

혼합액 부유고형물은 소화조 내의 혐기성 미생물의 지표로 사용되는 평가항목이며 교반기만 사용할 때 소화조 하층부에서 상층부로 갈수록 혼합액 부유고형물(MLSS) 값이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 최상층부 표면으로부터 1/10 지점에서 최저값 130,750㎎/ℓ를 보였고 소화조 바닥면으로부터 3/10 지점에서 최고값 170,200㎎/ℓ을 나타내어 소화조 내 최대 39,450㎎/ℓ의 차이를 확인하였다.

반송로를 사용하여 하층부 기질을 상층부 기질표면으로 분사한 결과, 도 3b 의 그래프와 같이 최상층부 표면으로부터 2/10 지점에서 최저값 149,000㎎/ℓ를 보였고 소화조 바닥면으로부터 3/10 지점에서 최고값 165,300㎎/ℓ을 나타내어 소화조 내 최대 16,300㎎/ℓ의 차이를 확인하였다.

2-4. 휘발성유기산(VFA)

혐기성소화의 산생성단계에서는 Clostridium spp., Peptococcus anaerobius 등과 같은 산생성균이 가수분해 단계에서 생성된 용해성 유기물질을 에너지와 탄소원으로 이용하면서 Valeric, Butyric, Propionic 및 Acetic acid 등 휘발성유기산(VFA)을 생성한다. 즉, 초기 가수분해균이 입자성 유기물질을 빠르게 수화 및 용출하여 SCOD로 전환하며, 산생성균에 의하여 SCOD가 VFA로 전환된다.

교반기만 사용할 때 휘발성유기산의 경우 소화조 하층부에서 상층부로 갈수록 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다. 최상층부 표면으로부터 1/10 지점에서 최저값 4,150㎎/ℓ를 보였고 소화조 바닥면으로부터 4/10 지점에서 최고값 6,640㎎/ℓ을 나타내어 소화조 내 최대 2,490㎎/ℓ의 차이를 확인하였다.

반송로를 사용하여 하층부 기질을 상부 기질표면으로 분사한 결과, 도 3c 의 그래프와 같이, 최상층부 표면으로부터 1/10 지점에서 최저값 4,870㎎/ℓ를 보였고, 소화조 바닥면으로부터 3/10 지점에서 최고값 6,120㎎/ℓ을 나타내어 소화조 내 최대 1,250㎎/ℓ의 차이를 확인하였다.

2-5. pH 및 온도

혐기성소화는 다양한 미생물의 작용에 의하여 이루어지고 안정적인 운전을 위하여 pH 및 온도는 중요한 운전인자로 작용하며 가수분해, 산생성 및 메탄생성과 관여된 미생물활성에 영향을 준다.

교반기만 사용할 때 pH의 경우 소화조 하층부에서 상층부로 갈수록 상승하는 경향을 확인할 수 있었다. 소화조의 바닥면 지점에서 최저값 pH 4.57를 보였고 최상층부 표면으로부터 1/10 지점에서 최고값 pH 5.56을 나타내어 소화조 내 최대 pH 0.99의 차이를 확인하였다.

온도의 경우 소화조의 하층부, 상층부 그리고 중간층 순으로 온도가 상승하는 경향을 확인할 수 있었다. 소화조의 바닥면 지점에서 최저값 49.37℃을 보였고 소화조의 바닥면으로부터 5/10 지점에서 최고값 50.13℃을 나타내어 소화조 내 최대 0.76℃의 차이를 확인하였다.

도 3d 및 도 3e 의 그래프를 참조하면, 반송로를 사용하여 하층부 기질을 상부 기질표면으로 분사후 pH는 최하층 소화조 바닥면에서 최저값 pH 4.64를 보였고 최상층부 1/10 지점에서 최고값 pH 5.51을 나타내어 소화조 내 최대 pH 0.87의 차이를 확인하였다.

그리고, 온도의 최하층 소화조 바닥면에서 최저값 49.50℃을 보였고 소화조의 바닥면으로부터 5/10 지점에서 최고값 50.12℃을 나타내어 소화조 내 최대 0.62℃의 차이를 확인하였다.

3. 결론

교반기만 사용했을 때 나타나는 소화조 내 상하층부 기질의 특성 차이를 상술한 바와 같이 5가지 평가항목으로 확인하였다.

용해성 유기물질 및 혐기성 미생물의 특성을 휘발성고형물(VS), 혼합액 부유고형물(MLSS) 및 휘발성유기산(VFA)의 항목으로 평가하였고 소화조의 안정적인 운전조건의 평가는 pH 및 온도 항목을 사용하였다.

그 결과 하층부에 상대적으로 고농도의 유기물질 및 혐기성 미생물이 있음을 확인하였고, 소화조 바닥면으로부터 5/10 ~ 3/10 지점의 기질이 가장 고농도로 존재하였고, 소화조 바닥면으로부터 3/10 지점에 반송로를 사용하여 적용하였을 때 적절한 교반효과로 소화조 내 기질의 특성차이가 감소되는 것을 확인하였다.

따라서, 소화조 바닥면으로부터 5/10 ~ 3/10 지점의 기질을 상층부 표면으로 분사하는 것이 가장 적합한 것으로 판단된다.

이하, 상기와 같이 소화조 바닥면으로부터 5/10 ~ 3/10 지점의 기질을 상층부 표면으로 분사하는 반송로(60)의 구성을 적용한 본 발명 혐기성 소화조(1)의 효과 측정의 실시예를 설명한다.

[실시예] 순환장치를 적용한 혐기성소화 결과

1. 목적

상기 시험례에서의 사전실험을 통해 소화조 바닥면으로부터 5/10 ~ 3/10 지점이 반송로 유입구의 가장 효과적인 위치로 판단하였다. 본 실험의 목적은 사전실험의 결과를 실제 혐기성소화 방식에 적용하여 그 효과를 입증하는데 있다.

2. 평가방법 및 항목

본 실험의 평가방법은 본 발명의 혐기성 소화조(이하, 본 발명 소화조)와 반송로가 설치되지 않은 소화조(이하, 종래 소화조)의 결과를 비교·분석하는 방법을 사용하였다. 본 실험에서 사용된 평가항목은 1. 바이오가스 발생량 및 조성분석, 2. 휘발성고형물(VS), 화학적산소요구량(COD, chemical oxygen demand) 및 총고형물(TS) 제거율 분석, 그리고 3. 메탄 및 바이오가스 수율이며 그 결과는 표 1및 표 2 와 같다.

The variation of Parameters' concentration in each condition

구분	반송로 적용전			반송로 적용후
	Influent	Effluent	Removal Rate(%)	Influent	Effluent	Removal Rate(%)
BOD (㎎/ℓ)	161,180	27,780	82.8	161,320	21,880	86.4
COD (㎎/ℓ)	259,780	50,460	80.6	262,440	43,970	83.2
TS (㎎/ℓ)	172,050	34,500	79.9	174,800	28,790	83.5
VS (㎎/ℓ)	154,840	25,960	83.2	159,780	19,730	87.7
VS/TS(㎎/ℓ)	90	75.2		91.4	68.5

The result of anaerobic digestion in each condition

구분		반송로 적용전	반송로 적용후
바이오가스 (Biogas)	전체 생성량 (㎥/ton FW)	113.9	132.4
	CH4 생성량 (㎥/ton FW)	72.8	85.0
	CO2 생성량 (㎥/ton FW)	41.1	47.4
구성비 (Composition)	CH4 함량(%)	63.9	64.2
	CO2 함량(%)	36.1	35.8
제거율 (Removal rate)	VS 제거율(%)	83.2	87.7
	COD 제거율(%)	80.6	83.2
메탄 수율 (Methane yield)	㎥ CH4/㎏ VS added	0.565	0.607
	㎥ CO2/㎏ COD added	0.348	0.389
바이오가스 수율 (Biogas yield)	㎥ Biogas/㎏ VS added	0.884	0.945
	㎥ Biogas/㎏ COD added	0.544	0.606

3. 실험결과

3-1. 바이오가스 발생량 및 조성 분석

종래 소화조와 본 발명 소화조의 바이오가스 발생량 및 그 조성비에 대한 결과는 도 4 의 그래프와 같다.

종래 소화조의 바이오가스 발생량은 음식물폐기물 1톤당 113.9㎥이고 그 조성은 메탄 63.9%(72.8㎥) 및 이산화탄소 36.1%(41.1㎥)이다.

반면, 본 발명 소화조의 바이오가스 발생량은 음식물폐기물 1톤당 132.4㎥이고 그 조성은 메탄 64.2%(85.0㎥) 및 이산화탄소 35.8%(47.4㎥)로 바이오가스 발생량은 음식물폐기물 1톤당 18.5㎥ 증가하였다.

3-2. VS, COD 및 TS 제거율 분석

종래 소화조와 본 발명 소화조의 VS, COD 및 TS의 제거율과 VS/TS 비율의 변화에 대한 결과는 도 5 의 그래프와 같다.

종래 소화조에 유입된 기질의 VS/TS 비율은 90%이며 혐기성소화 이후 유출된 기질의 VS/TS 비율은 75.2%로 14.8%의 감소를 보였다.

반면, 본 발명 소화조에 유입된 기질의 VS/TS 비율은 91.4%이고 유츌된 기질의 그 비율은 68.5%로 22.9%의 감소를 보였다.

종래 소화조와 본 발명 소화조를 대비하면, 본 발명 소화조의 VS 제거율은 종래 소화조에 비하여 83.2%에서 87.7%로 4.5% 증가하였고, 본 발명 소화조의 COD 제거율은 종래 소화조에 비하여 80.6%에서 83.2%로 2.6% 증가하였으며, 본 발명 소화조의 TS 제거율은 종래 소화조에 비하여 79.9%에서 83.5%로 3.6% 증가하였다.

3-3. 메탄 및 바이오가스 수율 분석

종래 소화조와 본 발명 소화조의 메탄 및 바이오가스 수율(methane and biogas yield) 변화를 확인하기 위하여 VS 및 COD 제거당 메탄 및 바이오가스 생성량을 분석하였으며 그 결과는 도 6 의 그래프와 같다.

종래 소화조의 VS 제거당 메탄 생성량은 0.565㎥ CH₄/㎏ VS added 이나 본 발명 소화조는 0.607㎥ CH₄/㎏ VS added으로 6.92% 증가하였고, COD 제거당 메탄 생성량의 변화량은 종래 소화조가 0.348㎥ CH₄/㎏ COD added이나 본 발명 소화조는 0.389㎥ CH₄/㎏ COD added으로 10.54% 증가하였다.

또한, 바이오가스 수율을 확인한 결과 본 발명 소화조의 VS 수율은 종래 소화조의 0.884에서 0.945로 6.46% 증가하였고, 본 발명 소화조의 COD 수율은 종래 소화조의 0.544에서 0.606으로 10.23% 증가하였다.

4. 결론

음식물폐기물을 이용한 혐기성소화 방식에서 종래 소화조와 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

사전실험을 통해 교반기만 사용할 때 나타나는 소화조 층별 기질의 특성차이를 분석하여 교반시스템 고안의 필요성을 인지하였고 층별 특성의 분석 결과 소화조의 하층부 5/10 ~ 7/10지점의 기질이 다량의 수용성 기질과 고농도의 혐기성 미생물이 존재함을 확인하여 그 기질을 상층부의 기질 표면에 분사할 경우 소화조 내 상하의 균질한 교반을 기대할 수 있었다.

본 발명 소화조의 효과를 가장 대표적인 혐기성소화 평가항목으로 확인한 결과, 바이오가스 발생량은 음식물폐기물 1톤 기준으로 113.9m³에서 18.5m³ 증가한 132.4m³으로 확인되었고, 유기물질 제거효율은 VS기준으로 83.2%에서 87.7%로 4.5% 증가하였고 COD기준으로 80.6%에서 83.2%로 2.6% 증가하였다.

또한, 메탄 수율은 VS기준으로 6.92%, COD기준으로 10.54% 증가하였고 동일한 방법으로 평가한 바이오가스 수율은 VS기준으로 6.46%, COD기준으로 10.23% 증가하였다.

또한, 순환장치와 함께 스컴·거품제거장치의 적용으로 안정적인 혐기성 소화가 가능하여 11 kg COD/m³·day의 고농도의 유기물 부하율(OLR)에서도 혐기성소화 운전에 문제가 발생하지 않았다.

즉, 혐기성소화 방식에서 본 발명 소화조의 적용은 안정적인 운전뿐만 아니라 바이오가스의 발생량을 증가시키는 효과를 발현하게 된 것이다.

이상의 설명에서 본 발명의 혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1; 본 발명 혐기성 소화조
10; 수용조
20; 교반기
30; 주입구
40; 정규배출구
50; 응급배출구
60; 반송로
70; 분사관
80; 분사노즐
90; 가스배출구
100; 미생물공급기
110; MLSS 측정장치
200; 가스수집조
300; 슬러지수집조
400; 전처리기

Claims (14)

1. 유기성 혼합물과 혐기성 미생물을 포함하는 소화조내 혼합물을 혐기성 소화시키는 혐기성 소화조에 있어서,
   상기 소화조내 혼합물을 수용하는 공간부를 가진 수용조(10);
   상기 수용조(10)의 수용된 소화조내 혼합물을 교반하는 교반기(20);
   상기 유기성 혼합물을 상기 수용조(10) 내부로 주입하는 주입구(30);
   상기 수용조(10) 내부에서 혐기성 소화가 수행된 소화후 혼합물을 배출하며,여과유닛(41)을 가진 정규배출구(40);
   상기 수용조(10)에 수용된 소화조내 혼합물을 수용조(10)의 하부에서 상부로 순환시킬 수 있도록, 상기 수용조(10)의 측벽(12)에 각각 다른 높이를 가지도록 형성된 적어도 2 개의 유입구와 적어도 하나의 유출구를 가진 반송로(60);
   상기 반송로(60)의 유출구와 연결되어 상기 반송로(60)를 통하여 이송된 소화조내 혼합물을 분사하는 분사노즐(80)을 다수개 형성한 분사관(70);
   상기 소화조내 혼합물의 혐기성 소화에 의하여 발생된 바이오가스를 수용조(10) 외부로 배출하는 가스배출구(90);
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반송로(60)의 상기 유입구는,
   소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)의 5/10 지점인 제 3 높이(h3) 지점에 형성된 상부유입구(61)와,
   소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)의 3/10 지점인 제 2 높이(h2) 지점에 형성된 하부유입구(62)로 이루어진 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 반송로(60)의 유출구는,
   상기 소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)를 초과한 높이 지점에 형성된 유출구(63)인 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 반송로(60) 상에 설치되어 혐기성 미생물을 반송로(60)를 통하여 공급하는 미생물공급기(100); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 반송로(60) 상에 설치되어 소화조내 혼합물의 혼합액 부유고형물(MLSS, mixed liquor suspended solids)의 농도를 측정하는 MLSS 측정장치(110); 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 MLSS 측정장치(110)가 반송로(60)를 통하여 이송되는 소화조내 혼합물의 유기성 기질의 MLSS 의 농도를 자동으로 측정하고,
   측정된 MLSS 농도에 따라서 미생물공급기(100)를 통하여 수용조(10) 내부로 미생물을 공급하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   산 발효조와 메탄 발효조와 용해성 가스(dissolved gas) 포획 및 잔존 휘발성유기산(residual VFA)의 추가 발효를 위한 버퍼탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 수용조(10)에 형성되며 수용조(10) 내부에 잔류하는 침전물질을 제거하거나 응급상황시 수용조(10) 내부의 소화조내 혼합물을 배출시킬 경우에 사용되는 응급배출구(50)가 형성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 정규배출구(40)는 소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)의 9/10 지점인 제 4 높이(h4) 지점 및 소화조(10)의 바닥면(11)으로부터 최대높이(H)의 1/10 지점인 제 1 높이(h1) 지점에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
   
10. 제 1 항에 있어서, 상기 여과유닛(41)의 간극은 100㎛ 인 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
    
11. 제 1 항에 있어서, 상기 여과유닛(41)은,
    유기성 기질의 입자가 통과될 수 있는 간극(d)을 가진 베이스면(41a) 상에 상측으로 볼록하게 아치형을 이루는 폐쇄된 상태의 아치면(41b)이 형성된 구조이고,
    상기 간극(d)은 100㎛ 인 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
    
12. 제 1 항에 있어서, 상기 분사노즐(80)의 분사각도(Θ)가 조절가능한 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
    
13. 제 12 항에 있어서, 상기 분사노즐(80)은 소화조내 혼합물의 표면(S)의 표면각을 자동으로 측정하여,
    측정된 표면(S)의 표면각에 수직 방향으로 소화조내 혼합물을 분사하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조.
    
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 상기 혐기성 소화조(1)를 적어도 2 대 이상 상호 직렬 연결하고,
    각각의 혐기성 소화조(1)에서 생성된 정제되지 않은 바이오가스는 상기 가스 배출부(90)를 통해 가스수집조(200)로 운반하여 바이오메탄으로 전환하고,
    각각의 혐기성 소화조(1)에서 생성된 비활성 유기혼합물은 슬러지수집조(300)로 운반하여 퇴비로 전환하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산장치.
    

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