KR20170143203A - 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법 - Google Patents

가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170143203A
KR20170143203A KR1020160077091A KR20160077091A KR20170143203A KR 20170143203 A KR20170143203 A KR 20170143203A KR 1020160077091 A KR1020160077091 A KR 1020160077091A KR 20160077091 A KR20160077091 A KR 20160077091A KR 20170143203 A KR20170143203 A KR 20170143203A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tank
digestion
biogas
dry
wet
Prior art date
Application number
KR1020160077091A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101906356B1 (ko
Inventor
장순웅
정성엽
Original Assignee
경기대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경기대학교 산학협력단 filed Critical 경기대학교 산학협력단
Priority to KR1020160077091A priority Critical patent/KR101906356B1/ko
Publication of KR20170143203A publication Critical patent/KR20170143203A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101906356B1 publication Critical patent/KR101906356B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8603—Removing sulfur compounds
    • B01D53/8612—Hydrogen sulfide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8621—Removing nitrogen compounds
    • B01D53/8634—Ammonia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/008—Control or steering systems not provided for elsewhere in subclass C02F
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/20—Treatment of water, waste water, or sewage by degassing, i.e. liberation of dissolved gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/12—Treatment of sludge; Devices therefor by de-watering, drying or thickening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/12—Treatment of sludge; Devices therefor by de-watering, drying or thickening
    • C02F11/121—Treatment of sludge; Devices therefor by de-watering, drying or thickening by mechanical de-watering
    • C02F11/125—Treatment of sludge; Devices therefor by de-watering, drying or thickening by mechanical de-watering using screw filters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/006—Regulation methods for biological treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/2866—Particular arrangements for anaerobic reactors
    • C02F3/2873—Particular arrangements for anaerobic reactors with internal draft tube circulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/2866—Particular arrangements for anaerobic reactors
    • C02F3/2893—Particular arrangements for anaerobic reactors with biogas recycling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/05—Biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/02—Odour removal or prevention of malodour
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/10—Energy recovery
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/20—Sludge processing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Treatment Of Sludge (AREA)

Abstract

본 발명은, 습식과 건식의 소화장치를 함께 구성하면서 유기성 폐기물의 혐기소화시 바이오가스의 생산효율을 극대화할 수 있도록 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치에 관한 것으로서, 병렬적으로 구성되어 유기성 폐기물의 소화공정을 수행하는 건식소화조 및 습식소화조와, 건식소화조 및 습식소화조에서 발생한 바이오가스를 수용하는 제1가스저장조와, 제1가스저장조로부터의 바이오가스의 일부로부터 Fe-제올라이트(Zeolite) 반응을 통하여 암모니아 및 황화수소를 저감하고 건식소화조 및 습식소화조로 환원하는 제어조를 포함하는 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 제공한다.

Description

가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법{ANAEROBIC DIGESTION APPARATUS AND METHOD FOR TREATING ORGANIC WASTE BY GAS RECIRCULATION}
본 발명은 혐기성 소화에 관련된 것으로서, 더욱 구체적으로는 습식과 건식의 소화장치를 함께 구성하면서 유기성 폐기물의 혐기소화시 바이오가스의 생산효율을 극대화할 수 있도록 하는 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법에 관한 것이다.
혐기성 소화란 유기성 폐기물을 혐기성 조건에서 다양한 미생물에 의해 메탄가스로 전환시키는 과정을 말하며, 혐기성 소화 방법을 통하여 다양한 유기성 폐기물에 적용이 가능하고 폐기물처리와 동시에 메탄과 같은 에너지를 생산할 수 있는 장점이 있다.
혐기성 소화를 위한 반응조는 배치 형태에 따라 단일로 배치되는 경우와 복수로 배치되는 경우로 구분되기도 한다. 단일 반응조의 경우 혐기성 소화의 과정인 가수분해기, 산생성기 그리고 메탄생성기를 하나의 반응조에서 진행되도록 한 것이며, 두 개 이상의 반응조를 구비한다는 의미는 각각의 단계에 대응하여 반응조를 둔 것을 말한다.
단일 반응조의 경우 혐기성 소화의 3단계가 순차적으로 이루어져야 하며, 유기물부하에 직접적인 영향을 받는데 이는 가수분해기에서 과도한 산생성에 따라 pH값이 급감하여 메탄생성균의 활동을 받기 때문이다. 이에 유기물 부하를 높이기 위해 추가적인 반응조가 필요하며 실제 EU에 설치된 단일 습식소화중 10%가 추가적인 반응조를 가지고 있다.
복수의 반응조를 가진 경우 대부분 가수분해기와 산생성기를 첫 단계에 두고 두 번째 단계에 메탄생성기를 배치하여 최적화시킨다. 메탄생성 미생물은 pH 7~8.5 사이의 범위에 적절하고 산생성 미생물은 좀 더 낮은 pH에 적절하여, 유기산의 농도를 희석시켜 두 번째 반응조로 유입시킨다. 또한, 가수분해되지 않은 유기물질을 반응에 용이한 형태로 바꿔주기 위해 내부 재순환을 통해 접촉시간을 늘린 경우도 빈번히 있는 편이다. 두 개 이상의 반응조를 가진 경우에는 공정의 유연성은 좋으나 이에 따라 비용적인 측면과 공정의 복잡성은 증가하는 단점이 있다.
한편, 혐기성 소화는 그 방식에 따라 처리대상 유기물의 수분 함량을 기준으로 건식 혹은 습식소화로 분류된다. 습식소화의 경우 고형물 함량(TS)이 일반적으로 15% 이하인 경우이고 완전혼합 반응조(CSTR)를 주로 사용한다. 건식소화의 경우 고형물 함량이 20~40%의 경우이며 완전혼합 반응조(CSTR), 관형 반응조(PFR), 회분식 반응조를 사용한다. 건식 혐기성 소화의 경우 습식의 경우보다 물의 사용이 적고 메탄발생 수율이 좋으며 소화잔재물(digestate)의 최종산출물의 상품성이 좋은 장점이 있다. 건식 혐기성 소화의 경우 가수분해 단계에서 자체 수분함량이 적어 추가적인 수분 공급을 통한 가수분해 촉진 및 반응조 유입 TS함량을 맞춰주어야 하며, 혼합이 잘 안되어 있을 경우 국부적으로 반응이 잘되지 않는 부분이 존재할 수 있어 반응조 유입 전 혼합을 해줘야 하는 단점이 있다.
또한, 습식 및 건식 소화방식에 상관없이 혐기성 소화가 잘 수행되기 위해서는 메탄생성기 이전 단계에서 발생되는 산, 수소 등의 저해물질에 대한 확실한 제어 및 모니터링이 되어야 메탄생성단계에서 적절한 조치를 취할 수 있고 효율적인 메탄생성을 기대할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0003915호는 혐기성 소화조 및 이를 이용하는 바이오가스 생산장치를 개시하고 있다.
최근 음식물류 폐기물, 하수슬러지, 축산폐기물 등 다양한 원료의 병합소화의 필요성이 증대하고 있으며, 이러한 병합소화시 가장 큰 문제점은 원료의 불균질성으로 인한 혐기소화 운전시 고농도의 NH3 및 H2S의 발생에 있다.
바이오가스에 대표적으로 함유되어있는 고농도의 황화수소(H2S) 가스는 독성이 있고 강한 악취물질로 알려져 있다. 황화수소는 대부분이 금속과의 반응성이 크며 응축된 수분에 용해되면 부식성이 있어 장치에 손상을 줄 수 있다. 이러한 황화수소는 윤활유의 오염을 야기하고 이는 오일교환 주기를 지나치게 앞당기는 문제로 이어진다.
또한, 악취 유발물질로 암모니아(NH3)는 소화조 내 암모니아성 이온(NH4 +-N) 에 의해 형성되는데, 두 물질은 온도 및 pH에 영향을 받으며 소화조 내에서 평형 형태로 존재하게 된다. 소화조 내에 암모니아성 이온이 고농도로 유지될 때 혐기성소화의 독성영향인자로 작용하여 혐기성소화조 운영의 실패를 야기할 수 있어 이에 대한 제어가 필요하다.
이러한 NH3 및 H2S의 발생을 제어하기 위해, 소화조내 슬러지 내부순환을 통한 NH4 +의 지속적인 제어, 액상내의 철염주입을 통한 H2S 제어 등을 시도하고 있다. 또한, 바이오가스 순환 시 고농도의 H2SO4 및 철염용액을 활용한 바이오가스 내 NH3 및 H2S 제어를 통해 안정적인 소화조 운전방식을 시도하기도 하나, 현재까지 제어시설이 규모가 커지고 추가적인 비용증가의 어려움을 안고 있다.
바이오가스의 활용 공정에서 이러한 불순물들은 장비의 손상이나 고장을 유발하고 이에 따라 발전효율이 저하되고 이는 경제적인 경쟁력이 약화되는 것을 의미한다. 이러한 이유로 바이오가스 자원화 사업에 대한 타당성에 문제가 제기되는 실정이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 혐기성소화조에서 생산된 바이오가스에서 황화수소와 암모니아성 이온을 재순환하는 공정을 통하여 불순물의 제거효율을 극대화할 수 있는 가스순환을 통한 유기성폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은, 유기성 폐기물을 공급받아 혐기성 소화하는 건식소화조(200)와, 상기 건식소화조에 대해 저농도의 유기성 폐기물을 공급받아 혐기성 소화하되 건식소화조와 병렬로 구성되는 습식소화조(300)와, 상기 건식소화조와 습식소화조로부터 생산된 바이오가스를 저장하는 제1가스저장조(410)와, 상기 제1가스저장조의 바이오가스로부터 Fe-제올라이트(Fe-Zeolite) 촉매에 의하여 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)를 제거하는 제어조(420)와, 상기 제어조로부터의 바이오가스를 저장하고 건식소화조와 습식소화조로 재순환시키는 제2가스저장조(430)를 포함하는 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 제공한다.
상기 제1가스저장조부터 배출되는 바이오가스의 일부는 정제및발전부(500)에서 사용되고, 나머지 일부는 제어조에서 처리되어 재순환될 수 있다.
또한, 상기 Fe-제올라이트는, 제올라이트에 철을 담지시키기 위하여 직접수열합성(Direct Hydrothermal Synthesis) 방식이 적용될 수 있다.
한편, 본 발명은, 유기성 폐기물을 탈수하여 고형물 농도에 따라 분리하는 폐기물 분리단계와, 상기 폐기물 분리단계로부터 고농도의 유기성 폐기물을 공급받아 건식소화조에서 혐기성 소화하는 건식소화단계와, 상기 폐기물 분리단계로부터 저농도의 유기성 폐기물을 공급받아 습식소화조에서 혐기성 소화하는 습식소화단계와, 상기 건식소화조와 습식소화조로부터 생산된 바이오가스를 제1가스저장조에 저장하는 가스저장단계와, 상기 가스저장단계의 바이오가스의 일부를 환원하여 Fe-제올라이트(Fe-Zeolite) 촉매에 의하여 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)를 제어조에서 제거하는 가스제어단계와, 상기 제어조로부터 제어된 바이오가스를 제2가스저장조에 저장하고 건식소화조와 습식소화조로 재순환시키는 재순환단계를 포함하는 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법을 제공한다.
본 발명에 따라, 건식 소화조와 습식 소화조를 함께 구비하며 소화 과정에서 발생되는 바이오가스에서 암모니아와 황화수소를 처리하여 재순환할 수 있도록 함으로써 소화조의 안정적이 운전이 가능해지는 효과가 있다. 이는 바이오가스의 생산 능력이 안정적으로 이루어질 수 있어 경제성이 향상됨을 의미한다.
또한, 장비의 내구성이 증가되며 바이오가스 내 황화수소와 암모니아의 제거를 위하여 반응조내 Fe-제올라이트 촉매를 적용하므로 반응조의 용량과 비용이 절감될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법에 대한 회분식 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법에 대한 연속식 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치의 구성도이다.
본 발명은 기본적으로, 병렬적으로 구성되어 유기성 폐기물의 소화공정을 수행하는 건식소화조(200) 및 습식소화조(300)와, 건식소화조 및 습식소화조에서 발생한 바이오가스를 수용하는 제1가스저장조(410)와, 제1가스저장조로부터의 바이오가스의 일부로부터 Fe-제올라이트(Zeolite) 반응을 통하여 암모니아 및 황화수소를 저감하고 건식소화조 및 습식소화조로 환원하는 제어조(420)를 포함하는 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치를 제공한다.
본 발명에서는 건식소화조(200)와 습식소화조(300)가 병렬적으로 구성되어 각각 건식소화와 습식소화를 수행하는데, 특히 하수슬러지 및 음식물의 병합처리시 복합유기물의 농도는 비교적 고농도로 존재하게 되고 이러한 건식-습식 병렬소화조는 이에 대해 효과적으로 작용할 수 있다.
여기서, 혐기성 소화란 유기물이 여러 미생물의 분해작용으로 인해 메탄으로 전환되는 과정을 말하며, 혐기성 소화과정의 최종 산물인 바이오가스는 70%의 아세트산과 30%의 수소를 기질로 하는 메탄생성균의 활동으로 생성된다. 유기물에 부착되어진 아세트산과 수소 기질들이 내부교반 작용에 의해 해리되는 현상이 촉진되어 메탄가스가 생성되는 것이다.
습식소화조(300)는 산 발효 및 메탄 발효 과정, 즉 혐기성 습식 소화를 수행하게 되며 습식소화에 의하여 수집되는 바이오가스(메탄가스)는 제1가스저장조(410)에서 포집될 수 있다.
또한, 건식소화조(200)에서 건식 소화를 수행하는 과정에서 발생된 바이오가스는 마찬가지로 제1가스저장조(410)에 포집될 수 있다.
본 발명에서는 상기 습식소화조(300)와 건식소화조(200)의 작용에 의하여 바이오가스의 재순환공정을 중심으로 설명되는바, 추가적인 탈수기, 밸브, 펌프, 온도유지장치, 침전조, 혼합조 또는 퇴비조 등의 구성은 공지의 다양한 장치들이 적용될 수 있을 것이다.
여기서 제1가스저장조(410)에 저장된 고온의 바이오가스는 정제및발전부(500)로 유입되어 필요한 자원으로 활용될 수 있다.
추가적으로, 상기 정제및발전부(500)에서 고온의 바이오가스를 통하여 열병합발전을 수행하고 폐열을 이용한 온수가 건식소화조(200) 및/또는 습식소화조(300)의 내부 온도를 고온으로 유지시켜 건식-습식 병렬 소화의 효율을 더욱 향상할 수 있을 것이다.
본 발명에서는 이러한 건식-습식 병렬 소화 운전시 고농도의 유기물 농도로 인하여 발생되는 황화수소 및 암모니아의 누적에 의한 소화효율 저하를 방지하기 위하여 제어조(420) 및 제2가스저장조(430)를 구비하게 되는바 이를 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
상기와 같은 병렬 소화공정의 적용에서 발생되는 황화수소와 암모니아의 제어를 위하여, 제어조(420)가 제1가스저장조(410)로부터의 바이오가스 일부를 유입시키고 이를 제어조(420)에 구비되는 Fe-제올라이트와의 반응을 통하여 저감하게 된다.
상기 제어조(420)에서어 황화수소 및 암모니아 제거를 위한 반응은 일반적인 제올라이트의 흡착 및 이온교환을 통하여 달성될 수도 있으나, 철이 담지된 Fe-제올라이트를 이용하는 경우 황화수소 및 암모니아의 제거의 효율이 극대화될 수 있게 된다. 이와 관련한 구체적인 실험예에 대해서는 후술하도록 한다.
상기 Fe-제올라이트의 형성을 위하여 제올라이트를 직접수열합성방법(direct hydrothermal synthesis)을 통하여 담지하는 것이 바람직하고, 상기 공정을 위하여 사용되는 제올라이트는 천연제올라이트 및 합성제올라이트가 선택적으로 적용될 수 있을 것이다.
본 발명에서 제어조(420)의 내부에서는 제1가스저장조(410)로부터의 바이오가스에서 Fe-제올라이트 반응을 통하여 황화수소 및 암모니아를 제거하고 이를 건식소화조(200) 및 습식소화조(300)로 재순환시킴으로써 소화조 내의 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 스트리핑 반응을 통해 제거할 수 있게 된다.
제어조(420)에서 후처리된 바이오가스는 2차적으로 제2가스저장조(430)에 저장된 후에 건식소화조(200)와 습식소화조(300)로 투입되어 안정적인 소화조 운영이 가능하도록 하는데, 이때 정상상태(steady-state) 운전시 소화조들에서 제1가스저장조(410)로 유동되는 바이오가스 역시 낮은 농도의 황화수소 및 암모니아를 함유하므로 후처리 공정이 더욱 용이해지는 이점을 가짐에 유의하여야 한다. 이는 혐기소화 이후 소화조 내 슬러지의 암모니아 농도의 감소를 의미할 수 있고, 폐수의 농도 감소로 인한 반류수 처리 비용의 저감이라는 경제적 이점으로도 이어진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법의 구성도이다.
본 발명에서 슬러지의 건식소화조(200)와 습식소화조(300)로 투입이 이루어질 수 있는데, 그 전단계에 스크류탈수기(110)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 건식소화조(200), 습식소화조(300), 제1가스저장조(410), 제어조(420) 및 제2가스저장조(430)와 관련하여 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
스크류탈수기(110)에서는 스크류탈수 과정을 수행하여 고형물의 농도(TS)를 저감하는 기능을 수행하게 된다. 이렇게 탈수가 수행되면 건식소화조(200)와 습식소화조(300)로 구분되어 투입이 이루어질 수 있으며, 이를 위하여 스크류탈수기와 일체 또는 추가적인 구성으로서 분리부(미도시)를 포함할 수 있다. 고형물 농도(TS)가 고농도인 유기물은 건식 소화를 위하여 건식소화조(200)로 투입되고, 고형물 농도(TS)가 저농도인유기물은 습식 소화를 위하여 습식소화조(300)로 투입될 수 있다. 다만, 상기의 고형물 농도는 선택적이다. 이를 위하여, 건식소화조(200)와 습식소화조(300)의 전단계에 탈수된 유기물의 중간저장을 위한 저장조를 추가적으로 구비할 수도 있을 것이다.
실제 상기 습식소화조(300) 및 건식소화조(200)에서는 소화 과정에서 황화수소(H2S)가 발생되는데, 이러한 황화수소는 소화로의 메탄균주에 경쟁관계로 소화효율에 악영향을 미치고 장비에 문제를 발생할 수 있음은 상술한 바와 같다.
정상상태에서 제1가스저장조(410)로부터 공급되는 바이오가스는 발전부(510)및/또는 정제부(520)에서 각각 재활용자원으로서 활용될 수 있도록 추가적인 공정을 수행할 수 있다. 이때, 발전된 전기는 자체적인 시설의 운영 및 판매를 위하여 사용될 수 있다.
여기서, 제어조(420)로 환원되는 바이오가스의 비율은 설정에 따라 선택될 수 있을 것이나, 제1가스저장조(410)에서 정제및발전부(500)로 유동되는 바이오가스의 비율을 50%로 설정하고 제어조(420) 및 제2가스저장조(430)로 환원되는 50%의 바이오가스가 건식소화조(200) 및 습식소화조(300)로 재투입되도록 할 수 있을 것이다.
상기와 같이, 제어조(420)에서는 Fe-제올라이트의 흡착 및 이온교환 반응을 통하여 바이오가스 내 황화수소 및 암모니아를 제거하고, 제2가스저장조(430)를 거쳐 소화조로 환원되는 재순환 바이오가스의 경우 소화액의 암모늄(NH4+) 이온을 암모니아(NH3)로 전환하게 된다. 따라서, 연속적인 반응시 소화액 내의 암모늄이온(NH4+)이 점차적으로 감소하고 혐기성 미생물의 독성영향이 제거됨으로써 소화효율 및 바이오가스의 생산량이 극대화될 수 있는 것이다.
상기된 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치에 따른 유기성 폐기물의 소화방법을 정리하면 아래와 같다.
유기성 폐기물을 스크류탈수기(110)에서 탈수하여 고형물 농도에 따라 분리하는 폐기물 분리단계를 거친 이후에, 각각 고농도와 저농도의 탈수 유기성 폐기물로 분류될 수 있다.
이에, 고농도의 유기성 폐기물을 공급받아 건식소화조(200)에서 건식의 혐기성 소화를 수행하고, 폐기물 분리단계로부터 저농도의 유기성 폐기물을 공급받아 습식소화조(300)에서 습식의 혐기성 소화가 이루어질 수 있다.
이렇게 병렬적으로 처리된 폐기물로부터 발생된 바이오가스는 제1가스저장조(410)에 저장되어, 정제및발전부(500)와 제1가스저장조(410)로 분리될 수 있고, 이러한 분리의 비율은 50:50으로 설정될 수 있음은 상술한 바와 같다.
상기 제1가스저장조(410)에서의 가스저장단계의 바이오가스의 일부를 환원하여 Fe-제올라이트(Fe-Zeolite) 촉매에 의하여 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)를 제어조(420)에서 제거하는 가스제어단계가 수행되면, 제어조(420)로부터 제어된 바이오가스를 제2가스저장조(430)에 저장하고 건식소화조(200)와 습식소화조(300)로 재순환되어 바이오가스의 처리 효율이 향상될 수 있는 것이다.
아래에서는 상기된 본 발명의 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치에 의한 소화방법을 통하여 시간에 따른 바이오가스의 성분, 특히 황화수소와 암모니아를 중심으로 한 실험결과를 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법에 대한 회분식 실험 결과를 나타내는 그래프이며, 도 4는 연속식 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
본 실험예들에서는 건식-습식 병렬 소화조를 구성하되 각각 20L 용적의 소화조를 이용하였다. 유기성 폐기물과 음식물류 폐기물은 각각 80%와 20%의 비율로 사용되었다. 이때, 스크류탈수기(110)를 거친 후 TS의 분석 결과 건식소화조 유입원료의 TS는 약 18%, 습식소화조 유입원료의 TS는 8%였다.
[실험예 1]
도 3을 참고하면, 실험예 1에서는 Fe-제올라이트를 구성하는 제어조(420)에서 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)의 농도변화를 회분식 운전을 통하여 결과를 살펴보았다. 회분식 실험에서 대조군을 위하여 총 4기의 소화조가 각각 건식-습식 병렬 소화조를 구성하였으며, 본 실험에서는 12일간의 실험기간이 설정되었으며, 원료의 투입은 1회 실시하였다.
재순환을 거치지 않은(Controll) 결과(도 3의 a)에서는 황화수소의 농도가 최종 420ppm에 도달하는 것으로 나타났다. 본 발명의 개념에 따라 Fe-제올라이트 제어조(420)를 거쳐 재순환한 회분식(Batch) 결과(도 3의 c)의 경우 황화수소의 농도는 110ppm으로 현저히 저감된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 암모니아 농도에 대한 실험결과로서, 재순환을 거치지 않은 결과(도 3의 b)에서는 암모니아의 농도가 최종 2,700ppm에 도달하는 것으로 나타났다. 본 발명의 개념에 따라 Fe-제올라이트 제어조(420)를 거쳐 재순환한 회분식(Batch) 결과(도 3의 d)의 경우 황화수소의 농도는 400ppm으로 현저히 저감된 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라 Fe-제올라이트 촉매에 의한 바이오가스의 소화조내 재순환시 암모니아와 황화수소 제거의 효과가 검증되었다.
[실험예 2]
실험예 2에서는 실험예 1과 동일한 소화조 운전조건에서 10주간 운영하였으며, 연속식의 실험결과를 도출하였다.
이때, 시간 축에 대한 분기점인 5주까지는 재순환을 거치지 않은 소화조로서 운영하였으며, 5주 이후부터 제1가스저장조(410)의 바이오가스의 50%를 제어조(420)로 거쳐 반응시키고 소화조로 재순환할 수 있도록 하였다.
5주까지는 암모니아(도 4의 a)와 황화수소(도 4의 b)의 농도가 지속적으로 존재하였음을 확인하였다. 또한, 소화조 액상에 암모늄(NH4 +) 및 휘발성유기산(VFA)이 지속적으로 축적되고 있어 소화조의 안정적인 운전이 이루어지지 않고 있음을 알 수 있다. 소화조 내의 고농도의 암모늄 이온 농도(도 4의 c)는 가스상의 암모니아 농도와 관련이 있음을 예측할 수 있다. 또한, VFA(도 4의 e)의 경우 유기물 분해가 안정적이지 못함을 알 수 있는 지표로 고농도의 암모니아와 황화수소의 발생을 뒷받침할 수 있는 결과로 이해된다.
이렇게, 5주의 운영 이후 제1가스저장조(410)의 바이오가스 50%를 Fe-제올라이트 제어조를 거쳐 소화조 내에 가스 재순환을 5주간 수행하였다. 이에, 바이오가스 내 암모니아(도 4의 a), 황화수소(도 4의 b), 액상 내의 암모늄(도 4의 c), 휘발성유기산(도 4의 e)가 지속적으로 감소되는 결과를 확인할 수 있으며, 바이오가스의 발생량(도 4의 d)이 지속적으로 증가함은 이를 뒷받침하고 있다.
상기와 같은 Fe-제올라이트 촉매 적용을 통하여 반응조의 용량이 절감되고, 처리된 바이오가스의 재순환 방식을 통하여 고농도의 병합 소화의 처리 능력은 현저하게 상승되는 이점을 가진다.
이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
110...스크류탈수기 200...건식소화조
300...습식소화조 410...제1가스저장조
420...제어조 430...제2가스저장조
500...정제및발전부 510...발전부
520...정제부

Claims (4)

  1. 유기성 폐기물을 공급받아 혐기성 소화하는 건식소화조(200);
    상기 건식소화조에 대해 저농도의 유기성 폐기물을 공급받아 혐기성 소화하되 건식소화조와 병렬로 구성되는 습식소화조(300);
    상기 건식소화조와 습식소화조로부터 생산된 바이오가스를 저장하는 제1가스저장조(410);
    상기 제1가스저장조의 바이오가스로부터 Fe-제올라이트(Fe-Zeolite) 촉매에 의하여 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)를 제거하는 제어조(420); 및
    상기 제어조로부터의 바이오가스를 저장하고 건식소화조와 습식소화조로 재순환시키는 제2가스저장조(430);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1가스저장조부터 배출되는 바이오가스의 일부는 정제및발전부(500)에서 사용되고, 나머지 일부는 제어조에서 처리되어 재순환되는 것을 특징으로 하는 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Fe-제올라이트는,
    제올라이트에 철을 담지시키기 위하여 직접수열합성(Direct Hydrothermal Synthesis) 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    유기성 폐기물을 탈수하여 고형물 농도에 따라 분리하는 폐기물 분리단계;
    상기 폐기물 분리단계로부터 고농도의 유기성 폐기물을 공급받아 건식소화조에서 혐기성 소화하는 건식소화단계;
    상기 폐기물 분리단계로부터 저농도의 유기성 폐기물을 공급받아 습식소화조에서 혐기성 소화하는 습식소화단계;
    상기 건식소화조와 습식소화조로부터 생산된 바이오가스를 제1가스저장조에 저장하는 가스저장단계;
    상기 가스저장단계의 바이오가스의 일부를 환원하여 Fe-제올라이트(Fe-Zeolite) 촉매에 의하여 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)를 제어조에서 제거하는 가스제어단계;
    상기 제어조로부터 제어된 바이오가스를 제2가스저장조에 저장하고 건식소화조와 습식소화조로 재순환시키는 재순환단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화방법.
KR1020160077091A 2016-06-21 2016-06-21 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법 KR101906356B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160077091A KR101906356B1 (ko) 2016-06-21 2016-06-21 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160077091A KR101906356B1 (ko) 2016-06-21 2016-06-21 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170143203A true KR20170143203A (ko) 2017-12-29
KR101906356B1 KR101906356B1 (ko) 2018-10-10

Family

ID=60939098

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160077091A KR101906356B1 (ko) 2016-06-21 2016-06-21 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101906356B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220003493A (ko) * 2020-01-07 2022-01-10 한국산업기술시험원 바이오 가스 활용 방법 및 장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2631211B2 (ja) * 1987-01-28 1997-07-16 大阪府 メタン醗酵処理方法
JP2006297293A (ja) 2005-04-21 2006-11-02 Chubu Plant Service Co Ltd メタン発酵における臭気低減方法、及び該方法のための装置。
KR101073682B1 (ko) * 2008-07-31 2011-10-14 한국지질자원연구원 Ｆｅ-제올라이트를 사용한 암모니아 가스흡착제 제조방법
KR101123854B1 (ko) * 2011-11-25 2012-03-16 장순웅 유기성 폐기물의 고온 습식-건식 병렬 혐기성 소화장치 및 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220003493A (ko) * 2020-01-07 2022-01-10 한국산업기술시험원 바이오 가스 활용 방법 및 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR101906356B1 (ko) 2018-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7641796B2 (en) Anaerobic digestion process for low-solid waste
JP6683843B2 (ja) リン酸塩の回収方法
WO2011143667A2 (en) High rate anaerobic digester system and method
CA2468114A1 (en) Enhanced biogas production from nitrogen bearing feed stocks
Azizi et al. Improving single-and two-stage anaerobic digestion of source separated organics by hydrothermal pretreatment
BR102013021902A2 (pt) Método de produção de etanol e biogás, e, instalação de etanol para a produção de etanol e biogás
Hafuka et al. In-situ biogas upgrading with H2 addition in an anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) digesting waste activated sludge
KR101234286B1 (ko) 축산분뇨와 같은 유기성 폐기물의 자원순환시스템과 에너지화 방법
Tápparo et al. Swine manure biogas production improvement using pre-treatment strategies: Lab-scale studies and full-scale application
JP5726576B2 (ja) 有機性廃棄物の処理方法および処理装置
CN102154373A (zh) 一种衣康酸废渣的处理方法
Li et al. Enhanced digestion of sludge via co-digestion with food waste in a high-solid anaerobic membrane bioreactor: Performance evaluation and microbial response
KR101906356B1 (ko) 가스순환을 통한 유기성 폐기물의 혐기성 소화장치 및 방법
JP4257961B2 (ja) 有機廃棄物の嫌気消化法
Di Maria The recovery of energy and materials from food waste by codigestion with sludge: Internal environment of digester and methanogenic pathway
Malakahmad et al. Production of energy from palm oil mill effluent during start-up of carrier anaerobic baffled reactor (CABR) equipped with polymeric media
KR101628322B1 (ko) 유기성 폐수의 자원화 시스템
CN115948226A (zh) 一种厌氧发酵系统和方法
WO2021117980A1 (ko) 소화가스를 활용한 소화액 폐수의 탈질처리 및 소화슬러지의 차(char) 제조를 통한 고효율 유기성폐기물의 바이오가스화 공정
JP2004000837A (ja) 有機性廃棄物の嫌気性処理方法及び処理システム
KR100911835B1 (ko) 다단계 혐기성 소화조 및 이를 이용한 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법
KR100596303B1 (ko) 이상 고효율 상향류식 혐기성 폐수 처리 장치 및 이를이용한 폐수 처리 방법
JP2004024929A (ja) メタン発酵方法及びそのシステム
KR100592492B1 (ko) 연속회분식 고온/중온 이단 혐기소화 공정을 이용한유기성 폐기물의 처리방법
WO2008111857A1 (en) Treatment of organic material by digestion

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant