KR20150066055A - 고농도 유기성폐기물의 혐기성 소화 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 음식물폐기물 또는 축산 폐기물 등과 같은 고농도의 유기성폐기물을 혐기방식으로 분해하여 효율적으로 제거함과 동시에 재활용 가능한 가스를 생산하는 혐기성 소화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (A) 고농도 유기성 폐기물과 하기 침전순환조에서 반송되는 슬러지 또는 슬러지 여액이 혼합 유입되어 처리되고, 처리수가 하기 침전순환조로 유출되며, 하부에서 침전된 슬러지가 배출되는 밀폐형 상향류 혐기소화조; (B) 상기 혐기소화조에서 처리된 처리수가 유입되어 처리수 중의 유동성 슬러지가 침전됨과 동시에 잔류 유기물이 분해되고, 처리수가 후단으로 방류되며, 하부에 침전된 슬러지 또는 슬러지 여액이 상기 상향류 혐기소화조로 반송되는 밀폐형 침전순환조; 및 (C) 상기 혐기소화조 및 침전순환조에서 발생되는 가스를 임시로 저장하는 가스저장조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 음식물폐기물 또는 축산 폐기물 등과 같은 고농도의 유기성폐기물을 혐기방식으로 분해하여 효율적으로 제거함과 동시에 재활용 가능한 가스를 생산하는 혐기성 소화 시스템에 관한 것이다.
음식물, 축산 폐기물, 하수슬러지, 분뇨 및 고농도 유기성 산업폐수 등 고농도 유기성 폐기물의 처리는 통상, 유기 폐기물 전체를 대상으로 하는 혐기성 소화법과, 유기 폐기물 중 고형물을 사료나 퇴비로 재활용하고 나머지를 처리하는 자원화법으로 구분된다. 자원화법에 의하면 1차로 고형물을 분리하여 사료 또는 퇴비로 후처리하고 분리된 액상물을 하수처리장치 등으로 이송하여 처리하는 방식이다. 이에 의하면 생산되는 사료 또는 퇴비의 품질이 조악하고 별도의 후처리시설이 필요할 뿐만 아니라 액상물을 처리하기 위해 하수처리장에 연계되거나 별도의 수처리시설을 두어야 하는 단점이 있다. 따라서 현재까지는 혐기성 소화법이 널리 이용되고 있다.
혐기성 소화법(Anaerobic digestion)은 혐기성 조건하에서 통성혐기성균 및 절대혐기성균의 작용으로 고분자 유기물을 가수분해하여 최종적으로 메탄, 이산화탄소, 암모니아 및 황화수소로 가스화하는 처리법을 말한다. 혐기성 소화법에 의하면, 처리시설로 반입된 폐기물은 파쇄설비 및 선별설비를 거치면서 불순물이 제거된 페이스트(paste)로 처리되고, 이후 혐기성 소화조에서 소화가스, 처리수 및 소화슬러지로 분해된다. 그러나 혐기성 소화법은 고농도 유기 폐기물을 모두를 소멸처리하는 것이므로 상대적으로 대규모의 처리장치와 오랜 처리(반응)시간을 요하는 단점이 있다.
이러한 혐기성 소화법은 폐수 처리 과정에서 메탄가스를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에, 최종 유출수의 BOD가 500~2,000㎎/ℓ이고, TN농도는 1,000~3,500㎎/ℓ정도이므로 질소제거공정에 적용하기에는 C/N비(탄소/질소비)가 너무 낮아 추가적인 유기물과 후속 처리과정이 요구된다. 즉, 혐기성 소화 후 배출되는 유출수는 유기물에 비해 질소성분이 많이 포함되어 있어 질소를 생물학적으로 처리하기에 유기물질이 많이 부족하여 탈질을 위해서 유기물을 다시 공급해야하므로 처리 비용과 시간이 많이 소요되는 문제가 있었다
한편, 혐기성 소화법에 적용되는 혐기성 소화조로는 일반적으로 완전혼합형이 활용되고 있다. 그러나 완전혼합형 소화조는 용량이 증가함에 따라 내부를 완전혼합하는 것, 소화조 내부의 미생물 농도를 고농도로 유지하는 것, 내부를 완전한 혐기 상태를 유지하는 것 등이 어려워 소화조 설계에 많은 제약이 따르고, 운전방법이 복잡한 문제가 있다. 또한 모래 등과 같은 불용성 중량 고형물이 축적되면서 시간이 지남에 따라 소화조의 바닥에 사류영역이 생기는 단점이 있다.
이러한 완전혼합형 소화조의 단점 때문에 상향류식 혐기성 소화조가 제안되고 있다. 공개특허 10-2009-0026843는 혼합장치가 없고 연속으로 운전하는 상향류식 혐기성 소화조에 대해 언급하고 있으나 구체적인 구조가 개시되어 있지 않다. 등록특허 10-0836149에는, 소화장치 내부의 입상관에 다공판을 설치하여 폐기물의 소화장치내 유동과정에서의 혼합효율을 향상시키고, 교반기의 교반익을 수직 및 수평면상 복합 회전이 가능하도록 구성함으로써 교반효율을 배가한 상향류식 혐기성 소화조가 개시되어 있다(도 1). 그러나 이에 의하면 소화조 저면에서 폐기물이 수직 및 수평면상에서 고르게 혼합되는 효과를 얻을 수 있으나 통상 당업계에서 적용하지 않는 복잡한 구조[....소화조(100)의 중심에 설치되고 구동모터(290)에 의하여 구동되는 교반축(210)의 하단에는 교반축(210)과 직교하는 횡축(201)을 설치하고, 이 횡축(201)에는 선단과 외주면에 각각 주행륜(204)과 다수의 교반익(203)이 형성된 중공축(202)을 회전가능하도록 결합하며, 소화조(100)의 하부에는 교반축(210)과 동심의 주행환(205)을 소화조(100)의 내주면을 따라 설치....]로 되어 있어 제작에 많은 비용이 소요된다. 특히 상기 구조에 의하면 운전시간 경과에 따라 모래 등과 같은 불용성 중량 고형물이 주행환(205) 위에 쌓이게 되어 결국 횡축(201)의 회전이 불가능하게 되므로 수시로 내부를 청소해야 하는 단점이 있다. 또한 상기 등록특허에는 특별한 언급이 없지만, 소화조를 통과한 반응수 중의 잔류 유기물을 추가로 처리하고 부유성 고형물을 제거하기 위하여 소정의 폭기조와 침전조 시설이 추가되어야 하므로 시스템이 복잡하고 시설비 및 관리운영비가 과도하고 소요되는 문제가 있다.
본 발명은 고농도 유기성 폐기물로부터 바이오가스를 생산함과 동시에 폐기물을 빠르고 효율적으로 처리하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 고농도 유기성폐기물의 혐기성 소화시스템에 적합한 상향류 혐기소화조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 고농도 유기성폐기물의 혐기성 소화시스템에 적합한 침전순환조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (A) 고농도 유기성 폐기물과 하기 침전순환조에서 반송되는 슬러지 또는 슬러지 여액이 혼합 유입되어 처리되고, 처리수가 하기 침전순환조로 유출되며, 하부에서 침전된 슬러지가 배출되는 밀폐형 상향류 혐기소화조; (B) 상기 혐기소화조에서 처리된 처리수가 유입되어 처리수 중의 유동성 슬러지가 침전됨과 동시에 잔류 유기물이 분해되고, 처리수가 후단으로 방류되며, 하부에 침전된 슬러지 또는 슬러지 여액이 상기 상향류 혐기소화조로 반송되는 밀폐형 침전순환조; 및 (C) 상기 혐기소화조 및 침전순환조에서 발생되는 가스를 임시로 저장하는 가스저장조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 의하면 종래의 혐기성 소화시스템과 비교하여 1) 단순한 구조에 의해 다층상의 상향류 흐름이 유지되며, 2) 혐기조건이 이상적으로 이루어지고, 3) 미생물을 고농도로 유지시킬수 있으며, 4) 반응조 체류시간을 짧게 유지할 수 있어 효율적일 뿐만 아니라, 5) 다양한 농도를 가진 고농도 유기성 폐기물을 처리할 수 있고, 6) 슬러지 반송을 폭넓게(0.5 - 30 Q) 조절하여 유입의 부하변동에 탄력적 운영이 가능하며, 7) 고농도 유기성 폐기물로부터 효과적으로 유용가스를 생산할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 의한 상향류식 혐기성 소화조의 개념도.
도 2은 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 일예를 도시한 개념도.
도 3a, 3b는 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 또 다른 예를 도시한 개념도.
도 4는 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 또 다른 예를 도시한 개념도.
도 5는 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템에 적용될 수 있는 상향류 혐기소화조의 예를 보여주는 개념도.
도 6은 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템에 적용될 수 있는 침전순환조의 예를 보여주는 개념도.
도 7은 파일럿으로 제작된 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 운전상태를 보여주는 사진.
도 8은 파일럿으로 제작된 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 운전효율을 보여주는 그래프.
도 2은 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 일예를 도시한 개념도.
도 3a, 3b는 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 또 다른 예를 도시한 개념도.
도 4는 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 또 다른 예를 도시한 개념도.
도 5는 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템에 적용될 수 있는 상향류 혐기소화조의 예를 보여주는 개념도.
도 6은 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템에 적용될 수 있는 침전순환조의 예를 보여주는 개념도.
도 7은 파일럿으로 제작된 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 운전상태를 보여주는 사진.
도 8은 파일럿으로 제작된 본 발명에 의한 고농도 유기폐수의 혐기성 소화 시스템의 운전효율을 보여주는 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연한 것이다.
<제1발명>
본 발명은 상향류 혐기소화조(1), 침전순환조(2), 가스저장조(3)를 포함하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템이다(도 2 참조). 본 발명에 의한 시스템에서 고농도 유기성 폐기물은 상향류 혐기소화조(1)와 침전순환조(2)를 거처 후단으로 배출되며, 상향류 혐기소화조(1)와 침전순환조(2)에서 발생한 바이오가스는 가스저장조(3)로 수집되어 발전기 또는 보일러 가동을 위한 연료원으로 사용된다. 이때 침전순환조(2)의 일부 슬러지 또는 슬러지 여액이 상향류 혐기소화조(1)로 반송되며, 일부 슬러지는 배출되어 제거 될 수 있으며, 상향류 혐기소화조(1)에서도 일부 슬러지가 배출/제거될 수 있다.
본 발명에서 고농도 유기성 폐기물이란, 사전에 선별-파쇄된 슬러리 상태의 유기물을 포함하는 개념이다.
본 발명에서 상기 상향류 혐기소화조(1)는, ① 고농도 유기성 폐기물(유입액)과 ② 침전순환조(2)에서 반송되는 슬러지 또는 슬러지 여액이 혼합 유입되어 상향류로 흐르면서 소정의 처리과정(산발효와 메탄발효 등)을 거쳐 침전순환조(2)로 유입되고, 유입된 혼합액은 침전되며, 슬러지를 포함한 처리액이 상단에서 배출되는 반응조이다. 이때 침전된 잉여슬러지는 하부로 침전/배출되도록 할 수도 있다.
본 발명에서 유입액과 반송 슬러지의 혼합액은 상향류식 혐기소화조의 하부로 도입되어 소정의 혼합장치(예를 들면, 3~20 rpm)에 의해 단회로 현상이 발생하지 않고 혼합되면서 플럭플로우(plug flow) 방식으로 상향류 흐름을 이루게 된다. 따라서 소화조 아래부터 위로 산(acid) 생산반응 → 메탄 발효반응이 단계적으로 일어나게 된다.
상기 상향류 혐기소화조(1)에서 배출된 잉여슬러지는 슬러지 소화조나 탈수장치 등의 슬러지 감량장치를 통해 외부로 배출된다. 슬러지탈수기가 적용되는 경우, 탈수여액은 후단으로 방류 또는 상향류 혐기소화조(1)로 반송되고, 슬러지 케이크는 별도로 배출된다.
발생된 슬러지는 매립, 소각 등의 방법으로 최종 처리하거나 재생과정을 거쳐 퇴비 또는 건설자재 등으로 사용할 수 있다. 이하 동일하다.
상기 상향류 혐기소화조(1)를 거친 처리액은 일부 유동성 슬러지를 포함한 상태로 침전순환조(2)로 유입된다. 침전순환조(2)로 유입된 처리액은 계속 혐기상태가 유지된다. 따라서 유입된 처리액 중의 유동성 슬러지가 침전됨과 동시에 잔류 유기물을 원료로 추가로 메탄 발효가 일어난다. 이후 처리액은 후단으로 배출되며, 하부에 침전된 슬러지 또는 슬러지 여액이 상기 상향류 혐기소화조(1)로 반송된다.
본 발명에 의한 상향류 혐기소화조(1) 및 침전순환조(2)에서는 처리과정에서 다량의 메탄가스 등이 발생된다. 이들을 포집하기 위해, 상기 혐기소화조(1) 및 침전순환조(2)의 상부에는 처리과정에서 발생되는 가스가 외부 공기중으로 자유 확산되지 않도록 수단(예를 들면, 기밀덮개부와, 내부의 발생가스를 포집하여 배출시키는 가스배출수단 등, 이상 도시생량 또는 도면부호 표시 생략) 및 가스저장조(3)가 추가된다. 생산된 바이오가스는 예를 들면 전기 발전기나 열병합 발전시설의 열원으로 사용된다
본 발명에 의한 상향류 혐기소화조(1) 및 침전순환조(2)의 온도 유지를 위해 반응조외부에 열선으로 가열 및 보온을 하거나 외부에 열교환기를 사용하여 침전순환조(2)에서 순환되는 슬러지에 열을 가해 유지할 수 있다.
<제2발명>
또 다른 본 발명은, 상기 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템에 방류수 수질 개선을 위해 무산소조(4)-폭기조(5) 또는 무산소조(4)-폭기조(5)-최종침전조(6)를 추가로 둔 시스템이다. 도 3a 및 3b에 무산소조(4)-폭기조(5)-최종침전조(6)를 추가로 둔 시스템의 예를, 도 4에 제1무산소조(4)-제1폭기조(5)-제2무산소조(4)-제2폭기조(5)-최종침전조(6)를 추가로 둔 시스템의 예를 각각 도시하였다.
본 발명에서 무산소조(4)는 상기 침전순환조(2)에서 배출되는 슬러지가 일부 포함된 처리액에 잔류하는 질소(유기성 질소, 암모니아성 질소 등)과, 후단 폭기조(5)에서 질산화를 거쳐 반송되는 NOx-N을 탈질 미생물(denitrifier)에 의해 탈질(denitrification)시키는 반응조이다. 무산소조(4)에서는, ① 상기 침전순환조(2)에서 방류되는 처리액, ② 하기 폭기조(5)에서 반송되는 질산성 질소 반송액 및 ③ 하기 최종침전조(6)에서 반송되는 슬러지가 혼합 유입되어 탈질처리되고, 처리액이 하기 폭기조(5)로 유출된다. 하부에서는 침전된 슬러지가 배출되어 전술한 바와 같은 소정의 감량화 과정을 거친다. 상기 상향류 혐기소화조(1)와 무산소조(4)에서 배출되는 슬러지가 탈수되는 경우 탈수여액도 무산소조(4)로 유입시키는 것이 좋다.
탈질반응에서 전자공여체로 사용되는 유기물은 유입되는 처리액에 함유되어 있으므로 외부 탄소원의 공급 없이도 효율적인 탈질 반응이 일어날 수 있다. 상기 탈질공정에서 탈질 미생물, 탄소원 및 NOx-N이 잘 혼합되도록 소정의 혼합장치를 적용할 수 있다.
상기 폭기조(5)에서는 상기 무산소조(4)에서 유출된 슬러지를 일부 포함하는 처리액에 아직 잔류하는 여러 유기물들을 H2O나 CO2 등의 무기물로 산화 분해하고 암모니아성 질소와 유기질소를 질산성 질소로 전환시키고, 인을 과잉 섭취하게 하는 반응이 일어난다. 폭기조(5)에서는, 상기 무산소조(4)에서 처리된 처리액이 유입되어 처리되고, 처리액이 하기 최종침전조(6)로 방류되며, 처리액의 일부가 상기 무산소조(4)로 반송된다.
폭기조(5)에서는 슬러지 중의 질산화균등 호기성균, 또는 통기성균이 충분한 활성을 나타낼 수 있도록 산소를 공급해 주기 위해 하부에 산소(공기) 공급하는 산기관 등 소정의 산소(공기) 공급장치를 둔다.
최종침전조(6)는 전기 폭기조(5)에서 미생물에 의해 효율적으로 분해된 혼합액에서 슬러지를 제거하기 위해 사용되는 것으로서, 중력에 의해 슬러지를 천천히 침전제거하여 폐수를 정화하고 처리수를 얻을 수 있는 중력식의 침전조가 바람직하나 그에 제한되는 것은 아니다, 전기 폭기조(5)에서 정화된 처리수 중에서 슬러지는 중력에 의해 침전/배출하고 최종 처리수는 외부로 방류한다. 배출된 슬러지는 무산소조(4)로 반송될 수도 있고, 슬러지 소화조나 탈수장치 등의 슬러지 감량장치를 통해 외부로 배출될 수도 있다.
무산소조(4)와 폭기조(5)에서 처리된 처리액중에 질소의 농도가 기준보다 높으면 제2무산소조(4)에 유기물(주로 메탄올)을 추가하여 탈질로 질소를 제거하고 남은 유기물과 암모니아성 질소는 제2폭기조(5)에서 처리되고 최종침전조(6)로 배출되어 정화된다. 침전된 슬러지는 전단의 무산소조(4)로 순환되어 제1무산소조(4)에서 침전순환조(2)와 제1폭기조(5)에서 순환된 질산성질소를 이용하여 탈질미생물에 의해 탈질된다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 하나의 상향류 혐기소화조(1)에서 혐기 분위기를 형성함으로써 음식물 쓰레기와 같은 고농도 유기성 폐기물을 효과적으로 처리하여 방류수 수질에 적합한 조건을 만족시킬 수 있을 뿐 아니라 동시에 에너지로 사용 가능한 메탄 가스를 다량 얻을 수 있게 된다.
상기 제1발명 및 제2발명에서, 상기 밀폐형 상향류 혐기소화조(1) 또는 상기 밀폐형 상향류 혐기소화조(1) 및 상기 무산소조(4)는, 본원출원인이 출원하여 등록받은 등록특허 10-1240541(고농도 폐수 처리시스템)에 개시된 것을 적용할 수 있다(도 5 참조).
즉, 상기 밀폐형 상향류 혐기소화조(1) 또는 상기 밀폐형 상향류 혐기소화조(1) 및 상기 무산소조(4)는, (a) 반응조(11)의 중앙에 수직으로 형성되며, 구동수단(12a)에 의해 회전하는 주축(12b); (b) 상기 주축(12b)과 함께 회전되도록 상기 주축의 상부 또는 하부 둘레에 고정되며, 유입관(11a)을 통해 유입되는 고농도 유기폐수와 하기 침전순환조(2)에서 반송되는 슬러지를 통과시키는 체류부(12); (c) 상기 주축과 함께 회전되도록 주축에 고정되며, 일측말단이 상기 체류부와 직결되고 타측말단이 혐기소화조(1) 하부에 위치하여 체류부를 통과한 유입수가 하부에서 상향류 혐기소화조(1) 내부로 방출되도록 하는 1개 또는 복수개의 분배관(13); (d) 상기 주축을 중심으로 방사상으로 두 개 이상의 믹싱날개(15a)를 가진 혼합장치(15); (e) 상향류 혐기소화조(1) 상부에 위치하며, 슬러지와 분리된 처리수가 월류(overflow)되도록 침전순환조(2)로 이송되도록 하는 상면이 개방된 위어(141) 구조를 가지는 배출장치(14); 및 (f) 상향류 혐기소화조(1) 하부에 위치하며, 중력에 의해 침전된 슬러지를 제거하기 위한 슬러지집적장치(26);를 포함하는 것이 바람직하다.
도면에는 상기 체류부(12)가 주축(12b)의 상부에 설치된 것만 도시하였으나 유입수가 상향류 혐기소화조(1) 하부 내면에서 상향류 혐기소화조(1) 내부로 배출되도록 하기 위하여 체류부가 주축(12b)의 하부에 설치되도록 할 수도 있음은 명백하다.
이러한 상향류 혐기소화조(1)는 다음과 같이 작동한다.
유입관(11a)을 통해 유입된 유입원수는 체류부(12)의 내부에 잠시 체류/혼합되고, 체류부(12)의 저면에 연결된 분배관(13)을 통해 혐기소화조(1)의 하부로 공급된다. 상기 분배관(13)은 도시한 바와 같이, 그 상단이 상기 체류부(12)의 바닥에 연결되고, 하단은 수평으로 연장되고 수평으로 연장된 부분에 다수의 배수구멍이 형성되어 있어 유입수가 배수구멍을 통해 혐기소화조(1) 하부에 고르게 공급될 수 있게 하였다.
도시되지는 않았지만, 체류부(12)를 주축의 하부에 설치하고, 유입관(11a)이 체류부(12)와 연통되며, 분배관(13)의 하단이 상기 체류부(12)와 연결되고 상단이 수평으로 연장되고 수평으로 연장된 부분에 다수의 배수구멍이 형성되어 있어 유입수가 배수구멍을 통해 혐기소화조(1) 하부에 고르게 공급될 수 있게 할 수도 있다.
상기 체류부(12)와 분배관(13)은 모터의 구동에 의해 회전하는 주축(12b)과 함께 회전할 수 있도록 추축(12b)에 고정 설치되는 것이 바람직하다.
도면에서는 상기 분배관(13)을 2개 설치한 것을 일예로 도시하였으나 그 이상 설치될 수 있다.
상기 분배관(13)을 통해 상향류 혐기소화조(1)의 내부로 유입되는 유입수와 처리수가 보다 고르게 혼합되게 하기 위한 수단으로 혼합장치(15)가 더 설치될 수 있다. 상기 혼합장치(15)는 상향류 혐기소화조(1)에 유입되는 유입원수 또는 유입원수와 내부반송 처리수를 교반하여 혼합시키는 수단으로 상기 주축(12b)을 중심으로 방사상으로 두 개 이상의 믹싱날개(15a)를 설치하여 구성된다. 상기 혼합장치(15)는 구동수단(12a)의 구동에 의해 회전하여 상향류 혐기소화조(1)의 내부에 유입된 유입수 또는 유입수와 처리수를 교반하여 혼합하게 된다.
상기 배출장치(14)는 상향류 혐기소화조(1) 내부에서 정화된 처리수가 상향류 혐기소화조(1)의 외부로 배출되는 유로 역할을 하는 것으로 도시한 바와 같이, 상면이 개방된 위어(141)로 구성되고, 상기 위어(141)의 상부면에는 유로(141a)가 형성되어 있다.
이렇게 구성된 배출장치(14)는 상향류 혐기소화조(1) 내부의 처리수가 위어(141)의 측벽을 월류(overflow)하여 유로(141a)의 내부로 유입되고, 이렇게 위어(141)의 내부로 유입된 처리수는 배출관(11b)를 통해 침전순환조(2)로 이송된다. 생성되는 가스는 가스배출관(161)을 통해 소정의 가스배출수단(도시생략)에 의해 가스저장조(3)로 이송된다.
상기 제1발명 및 제2발명에서, 상기 침전순환조(2) 또는 상기 침전순환조(2)와 최종침전조(6)는, 본원출원인이 출원하여 등록받은 등록특허 10-0382810(개선된 구조의 침전조(6))에 개시된 것을 적용할 수 있다(도 6 참조).
즉, 상기 침전순환조(2) 또는 상기 침전순환조(2)와 최종침전조(6)는, (a) 상기 상향류 혐기소화조(1)에서 처리된 처리수를 하기 중앙체류부(28)로 이송시키는 이송관(27); (b) 상부에서 유입된 처리수를 침전순환조(2)의 하부로 이송하는 관으로서, 바닥으로부터 하단까지의 수직높이가 침전순환조(2) 유효높이의 1/2 이하인 중앙체류부(28); (c) 침전순환조(2) 상부에 위치하며, 슬러지와 분리된 처리수가 월류하여 외부로 방출되도록 하는 상면이 개방된 위어 구조를 가지는 방출장치(22); 및 (d) 침전순환조(2) 하부에 위치하며, 중력에 의해 침전된 슬러지를 제거하기 위한 슬러지집적장치(26);를 포함하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 침전순환조(2) 또는 최종침전조(6)는 궁극적으로, 최종침전조(6)의 중앙체류부(28)를 기존 중앙체류부(28)보다 길게 하여 중앙체류부(28)에서의 처리수(물과 슬러지의 혼합액)의 체류시간이 길어지도록 한 것이다. 중앙체류부(28)에서의 처리수 체류시간을 증가시키기 위하여 상기 중앙체류부(28)의 유효용적을 최종침전조(6) 유효용적의 5.0∼25.0%로 하는 것이 바람직하다. 즉, 중앙체류부(28)와 최종침전조(6)의 유효용적의 비율이 체류시간의 비율이므로, 중앙체류부(28)에서의 체류시간을 최종침전조(6)에서의 체류시간의 5.0∼25.0%가 되도록 최종침전조(6)를 설계하는 것이 바람직하다. 중앙체류부(28)에서의 처리수 체류시간이 늘어남에 따라 ① 슬러지간 응집(flocculation)이 충분히 일어나고, ② 처리수의 유동이 균일하게 되는 효과가 있다. 이러한 효과를 통해 전체 침전조 내의 반응수 유동이 교란되는 것이 방지될 뿐 아니라 고농도의 슬러지층이 안정적으로 형성되는 효과를 기대할 수 있다. 또한 슬러지층의 상면이 상기 중앙체류부(28)의 하단부 보다 높게 유지되도록 운전하게 되면, 슬러지 응집이 충분하게 일어나고 균일하게 유동하는 처리수가 슬러지층의 내부로 균일하게 방출되므로 슬러지층이 일종의 "필터" 역할을 하게 된다. 즉, 안정화된 슬러지층의 내부에서 방출된 처리수 중의 슬러지는 기존의 슬러지층에 의해 필터링되어 상부로의 유동이 방지되고, 정수만이 슬러지층의 슬러지 간극(間隙)을 통해 상부로 유동되는 것이다. 이에 의해 처리수의 정수효과를 더욱 높일 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 침전순환조(2) 또는 최종침전조(6)의 운전효율을 극대화하기 위하여 중앙체류부(28) 내에서의 유입수 유동을 일정하게 할 필요가 있다. 이를 위하여 침전조(6)의 중앙체류부(28) 내부에, 하나 또는 수 개의 정류수단을 설치하는 것이 바람직하다. 이때 정류수단은 액체의 흐름을 정류화시킬 수 있는 어떠한 구조의 것이라도 가능하다.
다음 표 1과 같은 파일롯 규격으로 본 발명에 의한 고농도 폐수처리시스템을 제작하고 실험을 수행하였다. 파일롯 플렌트의 사진을 도 7에 첨부하였다.
체류시간은 상향류 혐기소화조(1) 12-20일, 침전순환조(2) 1.7-2.8일, 유량은 5.5 L/일, 반송율은 10 Q, 온도는 35 ℃로 하여 운전하였다.
한편, 본 발명에 의한 혐기성 소화 시스템은 반드시는 아니지만 연속운전을 예정하고 있다. 그러나 제작된 파일롯 플랜트는 혐기소화조의 크기가 작아서 연속으로 유입수를 유입하는 경우 막힘현상이 종종 발생하였다. 따라서 본 실시예에서는 하루 24회, 회당 10분에 걸쳐 유량(5.5 L)을 투입하는 간헐식으로 운전하였다
그 결과 안정화된 상태에서 처리수 상태 및 가스 발생은 각각 표 2 및 표 3과 같았다.
상기 표2 및 3에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 고농도 폐수처리시스템에 의하면 고농도 폐수(유입수)가 매우 효과적으로 정화처리되며, 그 과정에서 다량의 메탄가스를 수득할 수 있음을 확인하였다.
실시예1과 동일한 고농도 폐수처리시스템에서 유입수(폐수)의 부하(OLR)을 증가시키면서 즉, 충격부하를 주면서 처리효율을 분석하고 그 결과를 도 8에 도시하였다.
첨부된 그래프에서 초기에는 일일 8회, 회당 15분에 걸쳐 유입수를 투입하는 방식으로 유입수중의 COD 부하(OLR)를 단계적으로 증가시켰다. OLR이 2.5~3에 이르자 충격부하에 의해 처리효율이 급격히 감소되어 OLR을 2로 낮추자 처리효율이 정상화되었다. 이어서 유입수 투입을 더욱 분산하여 하루 24회, 회당 10분에 걸쳐 투입하였다(첨부된 그래프에서 100일 부근의 적색 수직선). 이후 ORL을 4이상 증가시키더라도 안정적인 처리가 가능하였다.
위에서 확인된 바와 같이 본 발명에 의한 상향류 혐기소화조(1)를 이용하여 유기성 폐기물을 처리하는 과정에서 충격부하를 가한 경우 침전순환조(2)에서 순환된 량을 조절함으로서 극복할 수 있었다. 부하율이 0.5 kg COD/L 일 경우 하루에 유입시간을 2시간정도 투입하면서 충격부하를 주었는데 메탄가스발생량이 300 m3/kg COD/일에서 100 m3/kg COD/일이하로 감소하였으나 유입시간을 4시간으로 길게 하면서 해소되었다.
이렇듯, 본 발명에 의한 고농도 폐수처리시스템에서는 실시예2에서처럼 유입수의 투입을 분산하여(가능하면 연속식으로) 고부하의 유입수에 대해서도 안정적인 운전이 가능하였다. 이는 본 발명에 의한 고농도 폐수처리시스템을 연속식으로 운전하게 된다면 월등히 우수한 처리효율을 보일 것임을 예측하게 한다.
도시하지는 않았지만, 발명에 의한 고농도 폐수처리시스템에서 과도한 고부하가 유입될 시 침전순환조(2)에서 슬러지순환량을 증가시켜 희석효과를 이용하여 충격부하를 감소시키는 방식으로 고부하의 유입수에 대해서도 안정적인 운전이 가능하였다.
1. 상향류 혐기소화조
2. 침전순환조
3. 가스저장조 4. 무산소조
5. 폭기조 6. 최종침전조
11 : 반응조 11a : 유입관 11b : 배출관
12 : 체류부 12a : 구동수단 12b : 주축
13 : 분배관
14 : 배출장치
141 : 위어 141a : 유로
15 : 혼합장치 15a : 믹싱날개
161 : 가스배출관
22: 방출장치
26: 슬러지집적장치
27: 이송관
28: 중앙체류부
3. 가스저장조 4. 무산소조
5. 폭기조 6. 최종침전조
11 : 반응조 11a : 유입관 11b : 배출관
12 : 체류부 12a : 구동수단 12b : 주축
13 : 분배관
14 : 배출장치
141 : 위어 141a : 유로
15 : 혼합장치 15a : 믹싱날개
161 : 가스배출관
22: 방출장치
26: 슬러지집적장치
27: 이송관
28: 중앙체류부
Claims (6)
- (A) 고농도 유기성 폐기물과 하기 침전순환조(2)에서 반송되는 슬러지 또는 슬러지 여액이 혼합 유입되어 처리되고, 처리수가 하기 침전순환조(2)로 유출되며, 하부에서 침전된 슬러지가 배출되는 밀폐형 상향류 혐기소화조(1);
(B) 상기 혐기소화조(1)에서 처리된 처리수가 유입되어 처리수 중의 유동성 슬러지가 침전됨과 동시에 잔류 유기물이 분해되고, 처리수가 후단으로 방류되며, 하부에 침전된 슬러지 또는 슬러지 여액이 상기 상향류 혐기소화조(1)로 반송되는 밀폐형 침전순환조(2); 및
(C) 상기 혐기소화조(1) 및 침전순환조(2)에서 발생되는 가스를 임시로 저장하는 가스저장조(3);를
포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
(D) 상기 침전순환조(2)에서 방류되는 처리수, 하기 폭기조(5)에서 반송되는 처리수 및 하기 최종침전조(6)에서 반송되는 슬러지가 혼합 유입되어 처리되고, 처리수가 하기 폭기조(5)로 유출되며, 하부에서 침전된 슬러지가 배출되는 무산소조(4);
(E) 상기 무산소조(4)에서 처리된 처리수가 유입되어 처리되고, 처리수가 하기 최종침전조(6)로 방류되며, 처리수의 일부가 상기 무산소조(4)로 반송되는 폭기조(5); 및
(F) 상기 폭기조(5)에서 처리된 처리수가 유입되어 처리되고, 최종 처리수가 방류되며, 하부에 침전된 슬러지가 배출되는 최종침전조(6);를
추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 밀폐형 상향류 혐기소화조(1) 또는 상기 밀폐형 상향류 혐기소화조(1) 및 상기 무산소조(4)는,
(a) 혐기소화조(1)의 중앙에 수직으로 형성되며, 구동수단(12a)에 의해 회전하는 주축(12b);
(b) 상기 주축(12b)과 함께 회전되도록 상기 주축의 상부 또는 하부 둘레에 고정되며, 유입관(11a)을 통해 유입되는 고농도 유기성 폐기물과 하기 침전순환조(2)에서 반송되는 슬러지를 통과시키는 체류부(12);
(c) 상기 주축과 함께 회전되도록 주축에 고정되며, 일측말단이 상기 체류부와 직결되고 타측말단이 혐기소화조(1) 하부에 위치하여 체류부를 통과한 유입수가 하부에서 혐기소화조(1) 내부로 방출되도록 하는 1개 또는 복수개의 분배관(13);
(d) 상기 주축을 중심으로 방사상으로 두 개 이상의 믹싱날개(15a)를 가진 혼합장치(15);
(e) 혐기소화조(1) 상부에 위치하며, 슬러지와 분리된 처리수가 월류(overflow)되도록 침전순환조(2)로 이송되도록 하는 상면이 개방된 위어(141) 구조를 가지는 배출장치(14); 및
(f) 혐기소화조(1) 하부에 위치하며, 중력에 의해 침전된 슬러지를 제거하기 위한 슬러지집적장치(26);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 침전순환조(2) 또는 상기 침전순환조(2)와 상기 최종침전조(6)는,
(a) 상기 상향류 혐기소화조(1)에서 처리된 처리수를 하기 중앙체류부(28)로 이송시키는 이송관(27);
(b) 상부에서 유입된 처리수를 침전순환조(2)의 하부로 이송하는 관으로서, 바닥으로부터 하단까지의 수직높이가 침전순환조(2) 유효높이의 1/2 이하인 중앙체류부(28);
(c) 침전순환조(2) 상부에 위치하며, 슬러지와 분리된 처리수가 월류하여 외부로 방출되도록 하는 방출장치(22); 및
(d) 침전순환조(2) 하부에 위치하며, 중력에 의해 침전된 슬러지를 제거하기 위한 슬러지집적장치(26);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템.
- 제 4 항에 있어서,
상기 중앙체류부(28)의 유효용적은 침전순환조(2) 유효용적의 5.0∼25.0%인 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템.
- 제 4 항에 있어서,
상기 중앙체류부(28)의 내부에, 소정 개수의 정류수단이 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 소화 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130151110A KR101819203B1 (ko) | 2013-12-06 | 2013-12-06 | 고농도 유기성폐기물의 혐기성 소화 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130151110A KR101819203B1 (ko) | 2013-12-06 | 2013-12-06 | 고농도 유기성폐기물의 혐기성 소화 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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