KR20150092943A

KR20150092943A - 메탄균 활성화제 및 그 제조방법, 상기 메탄균 활성화제를 이용하는 산업폐수 처리장치

Info

Publication number: KR20150092943A
Application number: KR1020140013597A
Authority: KR
Inventors: 박상민; 박금주; 송형운
Original assignee: 에스엠아이 주식회사
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-17

Abstract

메탄균 활성화제 및 그 제조방법, 상기 메탄균 활성화제를 이용하는 산업폐수 처리장치가 개시된다.
본 발명에 의한 메탄균 활성화제는, 폐알코올로부터 정제된 것으로서 10 내지 80wt%의 농도를 갖는 정제 알코올 100 중량부에 대하여, 물 100 중량부를 기준으로 질소 1 내지 10 중량부, 인 1 내지 5 중량부, 황 0.1 내지 1 중량부 및 금속물질 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 메탄균 성장물질 5 내지 50 중량부를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의할 경우, 폐알코올과 음식물 폐수를 이용하여 제조한 메탄균 활성화제를 폐수에 투입함으로써, 산업폐수 처리과정에서 저비용으로 메탄 발효 효율을 높이고 바이오가스의 생산량을 증가시킬 수 있다.

Description

메탄균 활성화제 및 그 제조방법, 상기 메탄균 활성화제를 이용하는 산업폐수 처리장치{Activator for methane bacteria and method for manufacturing the same, apparatus for treating waste water using the activator}

본 발명은 혐기성 소화 과정에서 메탄가스 생성에 이용되는 메탄균 활성화제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각종 산업시설 등에서 발생하는 폐기물을 이용하여 저비용으로 제조할 수 있는 메탄균 활성화제 및 그 제조방법과 상기 메탄균 활성화제를 이용하는 산업폐수 처리장치에 관한 것이다.

혐기성 소화(anaerobic digestion)는 산소가 존재하지 않는 조건하에서 혐기성 미생물에 의해 생물학적으로 분해가 가능한 유기물(biodegradable waste)이 단계적 화학반응을 거쳐 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)로 최종 분해되는 과정이라 정의할 수 있다.

혐기성 소화 처리는 1900년경부터 하수처리 슬러지 감량화 기술로 환경분야에 접근되었으며, 1950년대 후반에는 효모제조 폐수 등의 공장폐수처리에 응용되기도 하였다. 이후 활성오니법의 개발로 적극적으로 활용되지는 않았지만 1970년대 중반 에너지 위기로 화석에너지의 대체수단과 호기성 처리법에 비해 에너지 생산이 가능한 이점 때문에 유기성 폐기물로부터 에너지 회수 목적으로 활발한 연구가 진행되었다.

혐기성 소화는 산소공급이 없어도 유입기질의 90% 이상이 바이오가스로 전환되며, 고농도의 기질을 처리할 수 있고, 슬러지 발생량도 4% 정도로 매우 적은 장점이 있다. 반면에 혐기성 소화는 호기성 반응에 비해 매우 복잡하고, 미생물이 환경 인자에 민감하고 혐기성 미생물의 낮은 증식속도로 인하여 유입기질을 대사하기 위해서는 긴 체류시간이 요구된다. 또한 최종처리수의 농도가 높아 후속 처리가 요구되고, 슬러지의 침전성이 낮고 악취가 발생하는 단점이 있다.

혐기성 소화의 유기물 분해는 각 혐기성 미생물에 의해 여러 단계로 구분이 된다. 혐기성 소화 처리는 크게 고분자량을 가진 물질이 에너지와 세포 탄소원으로 사용되기 쉬운 물질로 전환되는 가수분해(hydrolysis) 단계, 가수분해 단계에서 생성된 화합물을 저분자량의 중간화합물로 변화시키는 유기산 생성(fermentation) 단계, 그리고 유기산 생성 단계에서 발생된 중간화합물을 메탄 및 탄산가스로 변환시키는 메탄생성(methanogenesis) 단계로 구분될 수 있다. 유기산발효 단계는 산발효 단계와 아세트산발효 단계로 나눠질 수 있다.

이러한 혐기성 소화를 이용하여 바이오가스를 생산하는 기술은 대한민국 등록특허공보 제0411414호(2003. 06. 02 공개), 대한민국 등록특허공보 제0750502호(2007. 08. 11 등록), 대한민국 등록특허공보 제1204993호(2012. 11. 20 등록), 대한민국 등록특허공보 제1202273호(2012. 11. 12 등록) 등에 개시되어 있고, 특히 이들 공보는 바이오가스의 생산량을 높이기 위한 여러가지 장치와 방법을 제시하고 있다.

현재, 상술한 것과 같은 장치나 방법 이외에도 메탄 발효에 관여하는 다양한 인자를 개선하여 메탄 발효 효율을 높이려는 다양한 시도가 이루어지고 있다. 다양한 메탄 발효 인자 중에서 메탄균의 활성은 메탄 발효의 효율 향상에 중요한 인자이며, 이를 위해서는 빠르게 분해될 수 있는 메탄균 활성화제가 필요하다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 각종 산업시설 등에서 발생하는 폐기물을 이용하여 저비용으로 제조되어 메탄 발효 공정 중에 공급됨으로써, 메탄 발효 효율과 바이오가스 생산량을 높일 수 있는 메탄균 활성화제 및 그 제조방법과 상기 메탄균 활성화제를 이용하는 산업폐수 처리장치를 제공하는 것에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 메탄균 활성화제를 제공하는데, 본 발명의 일례에 의한 메탄균 활성화제는, 폐알코올로부터 정제된 것으로서 10 내지 80wt%의 농도를 갖는 정제 알코올 100 중량부에 대하여, 물 100 중량부를 기준으로 질소 1 내지 10 중량부, 인 1 내지 5 중량부, 황 0.1 내지 1 중량부 및 금속물질 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 메탄균 성장물질 5 내지 50 중량부를 포함하여 이루어진다.

상기 금속물질은 철, 코발트, 니켈, 아연, 망간, 몰리브덴, 셀레늄, 텅스텐, 보론, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

또한 본 발명은 메탄균 활성화제의 제조방법을 제공하는데, 본 발명의 일례에 의한 메탄균 활성화제의 제조방법은, 폐알코올을 수거하여 이물질을 제거하는 단계와, 이물질이 제거된 상기 폐알코올을 60 내지 90℃의 온도에서 증류하여 정제 알코올을 제조하는 단계와, 상기 정제 알코올을 10 내지 80wt%의 농도를 갖도록 농축하는 단계를 포함하는 정제 알코올 제조단계; 음식물 폐수를 수거하고 이를 40 내지 150℃의 온도에서 5 내지 30일간 발효시키는 단계와, 상기 발효된 음식물 폐수를 정제하는 단계와, 상기 정제된 음식물 폐수에 금속물질을 투입하는 단계를 포함하는 메탄균 성장물질 제조단계; 및 상기 정제 알코올 100 중량부를 기준으로 메탄균 성장물질 5 내지 50 중량부가 함유되도록 정제 알코올과 메탄균 성장물질을 혼합하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 메탄균 성장물질 제조단계를 통하여 최종적으로 제조되는 메탄균 성장물질은 물 100 중량부를 기준으로 질소 1 내지 10 중량부, 인 1 내지 5 중량부, 황 0.1 내지 1 중량부 및 금속물질 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 상술한 메탄균 활성화제를 이용한 산업폐수 처리장치를 제공하는데, 본 발명의 일례에 의한 산업폐수 처리장치는, 메탄균 활성화제를 제조하기 위한 메탄균 활성화제 제조장치; 산업폐수와 상기 메탄균 활성화제가 투입되는 유량 저장조; 상기 유량 저장조를 통과한 산업폐수와 상기 메탄균 활성화제가 투입되는 혐기성 소화조; 상기 유량 저장조 및 상기 혐기성 소화조에서 발생하는 바이오가스를 포집하기 위한 바이오가스 포집장치; 및 상기 혐기성 소화조를 통과한 산업폐수가 유입되어 호기성 처리되는 호기성 처리조;를 포함하고, 상기 메탄균 활성화제 제조장치는, 상기 메탄균 활성화제를 구성하는 정제 알코올을 생산하기 위한 폐알코올 증류장치 및 농축장치와, 상기 메탄균 활성화제를 구성하는 메탄균 성장 물질을 생산하기 위한 음식물 폐수 발효조, 정제장치 및 금속물질을 혼합하는 혼합조를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 의한 메탄균 활성화제는 산업현장에서 발생하는 폐알코올과 음식물 폐수를 활용함으로써, 저비용으로 생산이 가능하다. 또한 폐알코올과 음식물 폐수의 재활용으로 인하여 폐기물 처리 비용과 환경 오염 문제를 크게 줄일 수 있다.

또한 본 발명에 의한 산업폐수 처리장치는 폐알코올과 음식물 폐수를 이용하여 제조한 메탄균 활성화제를 폐수에 투입함으로써, 산업폐수 처리과정에서 저비용으로 메탄 발효 효율을 높이고 바이오가스의 생산량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 메탄균 활성화제를 제조하는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 산업폐수 처리장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 메탄균 활성화제 투입에 따른 바이오가스 생산량 변화를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 메탄균 활성화제 및 그 제조방법과 상기 메탄균 활성화제를 이용하는 산업폐수 처리장치에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명은 폐기물의 혐기성 소화를 위한 메탄 발효 공정 중에 메탄균의 활성을 위해 공급됨으로써, 메탄 발효 효율을 높일 수 있는 메탄균 활성화제 및 그 제조방법과 상기 메탄균 활성화제를 이용하는 산업폐수 처리장치에 관한 것이다.

메탄 발효에서는 박테리아와 고세균(Archaea)의 조합이 유기물을 메탄으로 변환하는데 필요하다. 때때로 불완전 발효가 일어나면 아세트산염, 프로피온산염, 부티르산염과 같은 산물이 존재하게 된다. 메탄균은 매우 다양한 생태학적 특징이 있으나 그 생화학적 및 생리학적 특징이 서로 유사하여 하나의 균으로 분류되고 있다. 메탄균은 그 형태에 따라 간균 형태의 Merhanobacteriales, 구균 형태의 Methanococcales, 그리고 무정형의 Methanomicrobiales 3목과 미확정균으로 등록되어 있다.

폐기물의 혐기성 소화 과정 중의 메탄 발효에 있어서, 투입 유기물의 C/N비(탄소/질소 비) 및 C/P비(탄소/인 비)는 중요한 요소이다. 탄소는 미생물의 에너지공급원으로서, 질소와 인은 미생물의 아미노산, 단백질, 핵산 등의 형성요소로서 가장 중요한 영양원으로 작용한다. 혐기성 미생물은 C/N 비 와 C/P 비의 영향을 크게 받는다. 따라서, 유입 탄소원이 부족한 경우 외부 탄소원을 공급할 필요가 있다. 외부 탄소원으로는 알코올이 권장되고 있으나, 고가의 알코올을 대량으로 투입하는 것은 고도처리 공정의 운영비에 엄청난 부담을 주므로, 오수·하수·폐수(이하 '폐수'라 한다)의 고도처리를 더욱 어렵게 하는 요인이 되고 있다.

본 발명은 석유화학공장, 의약품제조공장, 이온수지 제조공장, 반도체나 LCD 제조공장, 식품가공공장 등에서 발생하는 폐알코올과 음식물 폐수를 활용하여 메탄균 활성화제를 제조하여 이를 메탄 발효 공정 중에 제공함으로써, 메탄 발효 효율을 높이고, 바이오가스 생산량을 증가시키는 등, 비용 대비 고효율의 폐수 처리를 도모할 수 있다. 특히 현재 산업시설에서 발생하는 폐알코올은 대부분이 폐기물로 처리되고 있으며, 음식물 폐수 역시 이를 처리하기 위한 별도의 시설이 요구되고 있는 실정이므로, 본 발명에 의할 경우, 폐수 처리 효율의 제고와 더불어 환경문제에 크게 기여할 수 있다.

본 발명에 의한 메탄균 활성화제는 메탄균의 에너지공급원으로 이용될 수 있는 유기 탄소원으로서 폐알코올로부터 정제된 정제 알코올과, 메탄균의 증식 및 활동에 필요한 메탄균 성장 물질을 포함하여 이루어진다. 여기에서, 메탄균 성장 물질은 질소, 인, 황 및 금속 물질이 함유된 물질이다. 특히 상기 메탄균 성장 물질은 음식물 폐수를 발효시킨 다음, 금속물질을 혼합하여 제조되며, 상기 금속물질은 철, 코발트, 니켈, 아연, 망간, 몰리브덴, 셀레늄, 텅스텐, 보론, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

일반 하수에는 미생물의 성장에 필요한 영양물질이 충분히 존재하지만 산업폐수, 특히 화학 산업폐수는 일부 영양물질이 부족한 경우가 대부분이라 할 수 있다. 따라서, 화학 산업폐수의 혐기성 소화에 있어서, 혐기 미생물의 성장에 필요한 질소, 인, 황 및 금속 물질의 투입이 반드시 필요하다 할 수 있으며, 상기 질소, 인, 황은 미생물의 성장에 필요한 물질이고, 상기 금속 물질은 메탄균의 주요 효소를 활성화시키는 역할을 수행한다.

미생물은 적당한 효소를 적절히 사용하여 반응경로를 조절할 수 있으며, 미생물은 단당류 분자를 단계적으로 산화시켜 물과 이산화탄소로 만든다. 효소로 조절되는 각 산화단계에서, 전자와 에너지를 작은 묶음형태로 획득한다. 이 묶음들은 질소, 인 그리고 다른 원소와 같은 원료와 다른 당 분자들을 미생물이 성장하고 재생하는데 필요한 단백질, 지방, 탄화수소, 핵산으로 바꾸는데 쓰인다. 효소는 반응에서 방출되는 에너지의 양을 증가시키지는 않지만 비생산적인 경로로의 자원유출을 최소화한다. 즉, 효소 촉매작용의 조절을 통하여 세포는 사용 가능한 자원을 최대한 활용하는 것이다. 일부 효소들은 활성을 단백질 구조에만 의존한다. 다른 것들은 활성을 위해 비단백질 요소도 필요로 한다. 비단백질 요소가 금속이온일 때 그것은 공동인자(Cofact)라고 한다.

보다 구체적으로, 본 발명에 의한 메탄균 활성화제는 폐알코올로부터 정제된 것으로서 10 내지 80wt%의 농도를 갖는 정제 알코올 100 중량부에 대하여, 물 100 중량부를 기준으로 질소 1 내지 10 중량부, 인 1 내지 5 중량부, 황 0.1 내지 1 중량부 및 금속물질 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 메탄균 성장물질 5 내지 50 중량부를 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 조성을 갖는 메탄균 활성화제는 6.5 내지 7.5의 pH 값을 가지게 된다. 메탄균은 pH 값이 6 이하로 떨어지면 그 활성이 극히 약화되며, 따라서 상기와 같은 조성을 갖는 것이 pH 조건의 면에서 메탄균 활성에 바람직하다.

또한 메탄균 성장물질의 함유량이 상기 하한치 미만일 경우에는 메탄균의 활성화가 충분하지 못할 우려가 있어 바람직하지 않고, 메탄균 성장물질이 함유량이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 메탄균의 활성화 측면에서 상한치와 별반 다르지 않고, 방류되는 처리수 중에 포함되어 부영양화 등의 부차적인 오염을 초래할 우려가 있어 바람직하지 않다.

전술한 바와 같이 폐알코올로부터 정제된 정제 알코올은 유기 탄소원으로 작용하며, 질소, 인 및 황은 미생물의 아미노산, 단백질 및 핵산 등의 형성요소로서 작용한다. 질소, 인 및 황의 함유량이 상기 하한치 미만일 경우에는 아미노산, 단백질 및 핵산 등의 형성요소로 작용하는 필수 원소의 함유량이 부족하여 메탄균의 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 질소, 인 및 황의 함유량이 상기 상한치를 초과할 경우에는 메탄균의 활성 측면에서 상한치의 경우와 별반 다르지 않고, 방류되는 처리수 중에 포함되어 부영양화 등의 부차적인 오염을 초래할 우려가 있어 바람직하지 않다.

상기 금속물질은 메탄균의 주요 효소를 활성화시키는 역할을 수행하며, 처리하고자 하는 폐수의 종류 및 사용하는 메탄균 등에 따라 적절히 선택될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 금속물질은 철, 코발트, 니켈, 아연, 망간, 몰리브덴, 셀레늄, 텅스텐, 보론, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 금속물질의 함유량이 상기 하한치 미만일 경우에는 메탄균의 효소 활성화가 충분하지 못할 우려가 있어 바람직하지 않고, 금속물질의 함유량이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 상한치의 경우와 효소의 활성면에서 별반 차이가 없고, 방출되는 처리수에 포함되어 부차적인 오염을 초래할 우려가 있어 바람직하지 않다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 상술한 본 발명의 일실시예에 의한 메탄균 활성화제를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

메탄균 활성화제를 제조하는 과정은 도 1에 도시된 것과 같이, 폐알코올로부터 정제 알코올을 제조하는 단계들(S10~S14)과, 음식물 폐수로부터 메탄균 성장 물질을 제조하는 단계들(S20~S23) 및 정제 알코올과 메탄균 성장물질을 혼합하는 단계(S30)로 구분할 수 있다. 정제 알코올은 석유화학공장, 의약품제조공장, 이온수지 제조공장, 반도체나 LCD 제조공장, 식품가공공장 등 각종 산업시설에서 발생하는 폐알코올을 수거하고(S10), 수거된 폐알코올로부터 이물질을 제거하는 단계(S11)와, 이물질이 제거된 폐알코올을 60 내지 90℃의 온도에서 1차 증류하는 단계(S12)와, 1차 증류된 폐알코올을 60 내지 90℃의 온도에서 2차 증류하는 단계(S13)와, 증류된 정제 알코올을 10 내지 80wt%의 농도로 농축하는 단계(S14)를 포함한다.

이물질 제거 공정(S11)은 거름망 등의 필터를 이용하여 수거된 폐알코올로부터 이물질을 걸러내는 공정이다. 1차 증류 공정(S12)은 이물질이 제거된 폐알코올을 60 내지 90℃로 가열하여 증발시키고 증발된 증기를 응축시키는 공정이고, 2차 증류 공정(S13)은 1차 증류된 폐알코올을 60 내지 90℃로 가열하여 증발시키고 증발된 증기를 응축시키는 공정이다. 농축 공정(S14)은 증류된 정제 알코올을 10 내지 80wt%의 농도로 농축시키는 공정이다. 상기 증류 공정은 수거된 폐알코올의 성상에 따라 적절한 횟수로 수행될 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 증류공정을 2회 실시하는 것으로 하였으나, 이는 다양하게 변경될 수 있다. 또한 증류온도를 60 내지 90℃의 온도로 선택한 것은 알코올의 비등점을 고려하여 선택된 것으로서, 상기 온도범위 내에서 증류를 할 때, 알코올의 수득율을 높일 수 있다. 농축 공정은 수득한 정제 알코올의 농도가 높을 경우에는 생략될 수 있다. 그러나 수득한 정제 알코올의 농도가 낮을 때에는 10 내지 80wt%의 농도로 농축하는 것이 바람직하다. 정제 알코올의 농도가 10wt% 미만인 것을 이용하여 메탄균 활성화제를 제조하게 되면 탄소의 함류량에 비하여 전체 부피가 커지게 되며, 이를 이용하여 산업폐수를 처리하게 되면 산업폐수 처리과정에서 반응조 운전 등에 소요되는 에너지가 과도하게 투입되어 바람직하지 않다. 정제 알코올의 농도가 80wt%를 초과할 경우에는 알코올의 농축과정에서 소모되는 에너지가 효율에 비하여 과도할 우려가 있어 바람직하지 않다.

다음으로, 메탄균 활성화제를 구성하는 구성 성분 중에서 메탄균 성장 물질을 제조하는 방법은 도 1에 나타낸 것과 같이, 음식물쓰레기 처리장 등에서 발생되는 음식물 폐수를 수거하고(S20), 이를 40~150℃의 온도에서 5~30일간 발효시키는 단계(S21)와, 발효된 음식물 폐수를 정제하는 단계(S22)와, 정제된 음식물 폐수에 금속 물질을 투입하는 단계(S23)를 포함한다.

음식물 폐수는 음식물 쓰레기 처리장에서 발생하는 상등액 등을 수거하여 수득할 수 있으며, 수거된 음식물 폐수는 40~150℃의 온도에서 5~30일간 발효시키게 된다. 상기와 같이 음식물 폐수를 발효시키는 것은 음식물 폐수내에 질소와 인과 같은 영양성분이 충분히 함유되도록 하기 위함이다. 발효온도와 발효시간이 상기 하한치 미만일 경우에는 충분한 발효가 이루어지지 않아 영양성분이 충분히 함유되지 못할 우려가 있어 바람직하지 않고, 발효온도와 발효시간이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 질소 및 인 등의 영양성분이 미생물의 호흡에 의하여 과도하게 소모되어 원하는 만큼의 영양성분이 포함되지 않을 우려가 있어 바람직하지 않다. 상기 금속물질은 발효 및 정제된 음식물 폐수에 투입되며 성분 및 함유량은 처리하고자 하는 폐수의 성상 및 사용하고자 하는 메탄균의 종류에 따라 적절히 선택된다. 상기 금속물질은 음식물 폐수와의 혼합 및 정량을 위하여 수화물(hydrate) 형태로 투입될 수 있다.

마지막으로, 상술한 것과 같은 방법으로 만들어진 정제 알코올과 메탄균 성장물질을 혼합(S30)함으로써 본 발명의 일실시예에 의한 메탄균 활성화제를 제조할 수 있다. 여기서 정제 알코올과 메탄균 성장물질의 혼합비는 상술한 바와 같다.

이러한 본 발명의 일실시예에 의하여 제조되는 메탄균 활성화제는 각종 산업현장에서 발생하는 폐알코올과, 음식물 폐수를 활용함으로써, 저비용으로 생산이 가능하다. 또한 폐기물의 재활용으로 폐기물 처리 비용을 줄이고, 폐기물의 방류 등으로 인한 환경 오염 문제를 크게 줄일 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 의한 산업폐수 처리장치 및 처리방법에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 산업폐수 처리장치를 나타낸 것인데, 도시된 것과 같이 본 발명의 일실시예에 의한 산업폐수 처리장치(10)는 메탄균 활성화제를 제조하기 위한 메탄균 활성화제 제조장치(20)와, 유량 저장조(30)와, 바이오가스 포집장치(35)와, 혐기성 소화조(40)와, 호기성 처리조(45)를 포함한다. 메탄균 활성화제 제조장치(20)는 메탄균 활성화제를 구성하는 정제 알코올을 생산하기 위한 폐알코올 1차 증류장치(21), 폐알코올 2차 증류장치(22) 및 알코올 농축장치(23)와, 메탄균 성장 물질을 생산하기 위한 음식물 폐수 발효조(24), 정제장치(25) 및 혼합조(26)와, 정제 알코올과 메탄균 성장 물질을 혼합하는 메탄균 활성화제 저장조(27)를 포함한다. 이러한 본 발명에 의한 산업폐수 처리장치(10)에 의한 산업폐수 처리방법은 다음과 같다.

먼저, 산업폐수의 메탄 발효 시 메탄균의 활성을 위한 메탄균 활성화제를 제조한다. 상술한 것과 같이, 메탄균 활성화제는 정제 알코올과 메탄균 성장 물질로 구성되며, 메탄균 활성화제는 메탄균 활성화제 제조장치(20)에 의해 제조된다. 메탄균 활성화제 제조장치(20)는 정제 알코올과 메탄균 성장 물질을 만들어 이들을 혼합함으로써 메탄균 활성화제를 제조한다. 정제 알코올과 메탄균 성장 물질을 제조하는 방법은 상술한 바와 같으며, 이를 다시 설명하면 다음과 같다.

정제 알코올은 폐알코올을 수거하여 이물질을 제거하고, 이를 폐알코올 1차 증류장치(21)에서 60 내지 90℃로 증류한 후, 1차 증류된 폐알코올을 폐알코올 2차 증류장치(22)에서 60 내지 90℃로 증류한 다음, 알코올 농축장치(23)에서 10 내지 80wt%의 농도를 갖도록 농축하여 제조한다. 메탄균 성장 물질은 음식물 폐수를 수거하여 이를 음식물 폐수 발효조(24)에서 40~150℃의 온도에서 5~30일간 발효시킨 후, 이를 혼합조(26)로 옮긴 후, 혼합조(26)에서 발효된 음식물 폐수에 상술한 바 있는 금속물질을 혼합하여 제조한다. 그리고 이렇게 제조된 정제 알코올과 메탄균 성장 물질은 메탄균 활성화제 저장조(27)에서 혼합되어 메탄균 활성화제로 만들어진다.

다음으로, 산업폐수를 유량 저장조(30)에 저장하고, 상술한 것과 같이 제조된 메탄균 활성화제를 메탄균 활성화제 저장조(27)로부터 일정량 유량 저장조(30)에 투입한다. 이렇게 산업폐수가 저장된 유량 저장조(30)에 메탄균 활성화제를 투입하여 산업폐수를 1차 메탄 발효시키고 유량 저장조(30)에서 발생하는 바이오가스(메탄가스)를 바이오가스 포집장치(35)를 이용하여 포집한다. 이렇게 바이오가스 포집장치(35)에 의해 포집되는 바이오가스는 정제 시설로 보내져 정제되거나, 연소장치를 갖는 다양한 설비에 공급되어 연료로 활용될 수 있다.

다음으로, 유량 저장조(30)에서 1차 메탄 발효시킨 산업폐수를 혐기성 소화조(40)로 이송시키고, 메탄균 활성화제 저장조(27)에 저장된 메탄균 활성화제를 혐기성 소화조(40)에 공급하여 혐기성 처리한다. 혐기성 소화조(40) 내에서는 메탄균 활성화제의 투입으로 메탄균이 활성화되어 메탄 발효 효율이 향상되고 산업폐수가 2차 메탄 발효된다. 2차 메탄 발효에 의해 혐기성 소화조(40) 내에서 발생하는 바이오가스는 바이오가스 포집장치(35)를 이용하여 포집한다.

다음으로, 혐기성 소화조(40)에서 2차 메탄 발효된 산업폐수를 호기성 처리조(45)로 공급하여 호기성 처리하고, 호기성 처리된 처리수는 방류시킨다.

상기와 같은 산업폐수 처리장치에 의할 경우, 폐알코올과 음식물 폐수를 이용하여 제조한 메탄균 활성화제를 투입함으로써, 저렴한 비용으로 산업폐수의 메탄 발효 효율을 높이고 바이오 가스의 생산량을 증가시킬 수 있다.

이하 구체적인 실시예 및 시험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예 : 메탄균 활성화제의 제조

여수 산업단지에서 폐메틸알코올을 수거하고 이물질을 제거한 다음, 75℃에서 1차 증류 및 65℃에서 2차 증류를 하고, 이를 농축하였다. 농축된 정제 메틸알코올의 농도는 54wt% 이었다.

다음으로 여수 산업단지 인근의 음식물 쓰레기 처리장에서 음식물 폐수를 수거한 다음, 80℃에서 10일간 발효시키고, 상등액을 취하여 정제하였다. 정제된 음식물 폐수를 분석한 결과는 하기의 표와 같다.

성 분	물	질소	인	황	기타
함량(wt%)	81.3	5.2	2.1	0.5	10.9

상기와 같은 함량을 갖는 음식물 폐수 500g에 칼슘과 마그네슘을 각각 5g씩 투입하고 혼합하여 메탄균 활성화제를 제조하였다.

최종적으로 정제 메틸알코올 1000g에 제조된 메탄균 활성화제 150g을 혼합하에 메탄균 활성화제를 제조하였다.

시험예 : 메탄 발효 효율 시험

상기 실시예에 의하여 제조된 메탄균 활성화제의 메탄 발효 효율을 확인하기 위한 시험을 진행하였다.

먼저 여수 산업단지의 TPA(Telephthalic acid)를 생산하는 공정에서 나오는 폐수를 처리하기 위한 처리조에서 폐수를 채취하였다. 다음으로 가스 포집구를 제외하고는 밀폐 가능한 용기에 상기 폐수 200ml를 계량하여 넣고, 상기 실시예에 의하여 제조된 메탄균 활성화제를 하기의 표와 같은 양으로 첨가한 다음 바이오가스의 누적 발생량을 측정하여 이를 도 3에 나타내었다.

구 분	메탄균 활성화제 투입량(ml)
시험예 1	2
시험예 2	4
비 교 예	0

도 3에의 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 의한 메탄균 활성화제를 투입한 시험예 1과 시험예 2 모두 본 발명의 실시예에 의한 메탄균 활성화제를 투입하지 않은 비교예에 비하여 바이오가스 생산량이 월등히 많음을 확인할 수 있었다.

즉, 본 발명의 실시예에 의한 메탄균 활성화제는 메탄 발효 효율을 높이고 바이오가스의 생산량을 월등히 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기지된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

10 : 산업폐수 처리장치 20 : 메탄균 활성화제 제조장치
21 : 폐알코올 1차 증류장치 22 : 폐알코올 2차 증류장치
23 : 폐알코올 농축장치 24 : 폐수 발효조
25 : 정제장치 25 : 혼합조
27 : 메탄균 활성화제 저장조 30 : 유량 저장조
35 : 바이오가스 포집장치 40 : 혐기성 소화조
45 : 호기성 처리조

Claims

폐알코올로부터 정제된 것으로서 10 내지 80wt%의 농도를 갖는 정제 알코올 100 중량부에 대하여,
물 100 중량부를 기준으로 질소 1 내지 10 중량부, 인 1 내지 5 중량부, 황 0.1 내지 1 중량부 및 금속물질 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 메탄균 성장물질 5 내지 50 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄균 활성화제.
제1항에 있어서,
상기 금속물질은 철, 코발트, 니켈, 아연, 망간, 몰리브덴, 셀레늄, 텅스텐, 보론, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 메탄균 활성화제.
폐알코올을 수거하여 이물질을 제거하는 단계와, 이물질이 제거된 상기 폐알코올을 60 내지 90℃의 온도에서 증류하여 정제 알코올을 제조하는 단계와, 상기 정제 알코올을 10 내지 80wt%의 농도를 갖도록 농축하는 단계를 포함하는 정제 알코올 제조단계;
음식물 폐수를 수거하고 이를 40 내지 150℃의 온도에서 5 내지 30일간 발효시키는 단계와, 상기 발효된 음식물 폐수를 정제하는 단계와, 상기 정제된 음식물 폐수에 금속물질을 투입하는 단계를 포함하는 메탄균 성장물질 제조단계; 및
상기 정제 알코올 100 중량부를 기준으로 상기 메탄균 성장물질 5 내지 50 중량부가 함유되도록 정제 알코올과 메탄균 성장물질을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄균 활성화제의 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 메탄균 성장물질 제조단계를 통하여 최종적으로 제조되는 메탄균 성장물질은 물 100 중량부를 기준으로 질소 1 내지 10 중량부, 인 1 내지 5 중량부, 황 0.1 내지 1 중량부 및 금속물질 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄균 활성화제의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 금속물질은 철, 코발트, 니켈, 아연, 망간, 몰리브덴, 셀레늄, 텅스텐, 보론, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 메탄균 활성화제의 제조방법.
메탄균 활성화제를 제조하기 위한 메탄균 활성화제 제조장치;
산업폐수와 상기 메탄균 활성화제가 투입되는 유량 저장조;
상기 유량 저장조를 통과한 산업폐수와 상기 메탄균 활성화제가 투입되는 혐기성 소화조;
상기 유량 저장조 및 상기 혐기성 소화조에서 발생하는 바이오가스를 포집하기 위한 바이오가스 포집장치; 및
상기 혐기성 소화조를 통과한 산업폐수가 유입되어 호기성 처리되는 호기성 처리조;를 포함하고,
상기 메탄균 활성화제 제조장치는, 상기 메탄균 활성화제를 구성하는 정제 알코올을 생산하기 위한 폐알코올 증류장치 및 농축장치와, 상기 메탄균 활성화제를 구성하는 메탄균 성장 물질을 생산하기 위한 음식물 폐수 발효조, 정제장치 및 금속물질을 혼합하는 혼합조를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업폐수 처리장치.