KR20190029476A - 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 물리화학적 가축 분뇨 처리 방법 - Google Patents

물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 물리화학적 가축 분뇨 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물리 및 화학적 처리를 통해 가축 분뇨를 순수(pure water)에 가깝게 처리할 수 있는 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 가축 분뇨가 저장되는 분뇨 저장조; 상기 분뇨 저장조로부터의 분뇨를 공급받아 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리하도록 구성되는 고액 분리 장치; 상기 고액 분리 장치에서 분리된 고상 분뇨를 제공받아 혐기 처리하도록 구성되는 고상분뇨 처리모듈; 상기 고액 분리 장치에서 분리된 액상 분뇨를 제공받아 마이크로 물질 및 용존성 물질을 처리하기 위한 액상분뇨 처리모듈; 상기 액상분뇨 처리모듈에 의해 처리되어 배출되는 폐수를 저장하는 처리 수조; 및 상기 고액 분리 장치의 동작을 제어하고, 상기 각 구성요소들 간을 연결하는 라인에 마련되어 분뇨 이동량을 조절하는 분뇨이동 조절밸브의 동작을 제어하는 제어반;을 포함하는 것을 특징으로 하는 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템이 제공된다.

Description

물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 물리화학적 가축 분뇨 처리 방법{PHYSICO-CHEMICAL LIVESTOCK MANURE TREATMENT SYSTEM AND ITS METHOD}
본 발명은 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물리 및 화학적 처리를 통해 가축 분뇨를 순수(pure water)에 가깝게 처리할 수 있는 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 물리화학적 가축 분뇨 처리 방법에 관한 것이다.
급속한 경제 성장은 폐기물량의 증가와 폐기물 성상의 다양화를 야기하여 환경의 질적 악화를 초래할 뿐 아니라 악취 문제와 같이 쉽게 해결하기 어려운 문제를 불러일으킨다.
불쾌한 냄새 즉, 악취는 질소나 황, 유기물을 포함하는 낮은 농도의 자극성 혼합 기체가 그 원인 물질로 가축 사육을 위한 축사 특히 양돈 농가 등에서 발생하여 농촌 지역 대기환경 오염의 대표적인 사례가 되었다. 하지만, 적절한 악취 방지 대책이 미흡하여 인근 주민의 주된 민원발생의 원인이 되어왔다.
또한, 가축 분뇨의 자원화 공정 중 발생되는 악취는 특수한 탈취 장치 및 탈취 라인이 없으면 적정 농도 이하로 관리하기가 어렵고, 특수 탈취 장치가 있어도 탈취 장치에 소요되는 시설 및 유지 관리비가 과다하게 소요되어 적절히 운전하기 어렵다.
이와 함께, 양돈 농가에서 발생되는 폐액은 정화처리를 할 경우 농도가 높아 큰 비용이 소요되어 개별 농가에서 처리하기에 어려움을 겪어 왔으며, 최근 환경법규가 강화되면서 앞으로 더욱 어려움이 커질 것으로 예상되고 있다.
대한민국 등록특허공보 10-0609572(2006.08.08. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-0841551(2008.06.26. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-1095576(2011.12.19. 공고) 대한민국 공개특허공보 10-2017-0039017(2017,04,10. 공개)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 종래와 같이 가축 분뇨 처리에 있어 어려움을 겪고 있는 양돈 농가가 배출하는 가축분뇨를 물리화학적 방법만으로 방류기준을 맞출 수 있는 새로운 기술을 제시하고자 한다.
본 발명은 가축분뇨를 정화 처리하는 과정에서 가축 분뇨에 포함된 유기성 또는 무기성 입자를 제거하기 위해 물리적 방법을 적용함과 아울러 합성 유기화학 물질의 첨가 없이 무기물 기반의 화학 산화를 이용하여 가축 분뇨를 깨끗이 처리하는 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 물리화학적 가축 분뇨 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 물리적 정화 기술과 화학적 정화 기술을 적용하여 악취를 최소화함으로써 가축 분뇨를 안정적으로 정화 처리할 수 있는 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 물리화학적 가축 분뇨 처리 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 가축 분뇨가 저장되는 분뇨 저장조; 상기 분뇨 저장조로부터의 분뇨를 공급받아 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리하도록 구성되는 고액 분리 장치; 상기 고액 분리 장치에서 분리된 고상 분뇨를 제공받아 혐기 처리하도록 구성되는 고상분뇨 처리모듈; 상기 고액 분리 장치에서 분리된 액상 분뇨를 제공받아 마이크로 물질 및 용존성 물질을 처리하기 위한 액상분뇨 처리모듈; 상기 액상분뇨 처리모듈에 의해 처리되어 배출되는 폐수를 저장하는 처리 수조; 및 상기 고액 분리 장치의 동작을 제어하고, 상기 각 구성요소들 간을 연결하는 라인에 마련되어 분뇨 이동량을 조절하는 분뇨이동 조절밸브의 동작을 제어하는 제어반;을 포함하는 것을 특징으로 하는 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상부 일측에 분뇨 투입구가 형성되고, 하부 일측과 타측에 각각 분리된 액상 분뇨와 고상 분뇨가 배출되는 액상분뇨 배출구와 고상분뇨 배출구가 형성되는 장치 하우징; 상기 장치 하우징을 관통하여 설치되고, 양단부가 상기 장치 하우징에 회전가능하게 결합되는 회전 샤프트; 상기 회전 샤프트의 회전과 일체로 회전가능하게 결합되고, 상기 분뇨 투입구로부터 투입되는 분뇨가 유입되는 메쉬 원통 부재; 상기 회전 샤프트를 회전 구동시키기 위한 구동 모터; 및 상기 메쉬 원통 부재로 고압의 에어를 분사시키기 위한 에어 분사 유닛;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 회전 샤프트에 형성되는 하나 이상의 교반 날개; 상기 메쉬 원통 부재의 상부 내측에 구비되어 투입되는 분뇨가 투입 반대 방향으로 역류되는 것을 방지하도록 구성되는 역류방지 부재; 상기 메쉬 원통 부재의 하부 내측에 구비되어 고상 분뇨의 배출을 지향시키도록 구성되는 일방향 배출 부재; 상기 일방향 배출 부재의 하부 측의 메쉬 원통 부재 내에 구비되어 배출되는 고상 분뇨를 저류시키면서 배출시키도록 복수의 배출구멍이 형성된 저류 플레이트;를 더 포함하며, 상기 메쉬 원통 부재는 상단으로부터 소정 길이 메쉬로 형성되는 메쉬부, 및 상기 메쉬부로부터 하단까지 메쉬가 없는 통 형태의 통 형상부로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 에어 분사 유닛은 고압공기를 발생시키는 압축기와, 상기 장치 하우징 내부 일측에 구성되되, 상기 메쉬 원통 부재의 메쉬부에 상응하는 길이를 가지며, 압축기로부터의 고압공기를 상기 메쉬 원통 부재의 메쉬부로 분사시키기 위한 에어노즐을 포함하며, 상기 역류 방지 부재 및 일방향 배출 부재는 각각 중심이 상기 회전 샤프트에 고정되고, 소정 각도로 트위스트되어 구성되는 복수의 프로펠러를 갖는 블레이드(blade)형 부재로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 고상 분뇨 처리 모듈은 분리된 고상 분뇨를 저장하기 위한 고상 분뇨 저장조, 및 상기 고상 분뇨 저장조에서 제공받은 고상 분뇨를 혐기 처리하기 위한 혐기성 산화 처리조를 포함하고, 상기 액상 분뇨 처리 모듈은 분리된 액상 분뇨를 제공받아 일시 저장하기 위한 액상 분뇨 저장조와, 상기 액상 분뇨 저장조로부터 액상 분뇨를 공급받아 그 액상 분뇨에 포함된 나노상 물질을 제거하기 위한 나노 여과 장치와, 상기 나노 여과 장치를 거쳐 고형물이 제거된 액상 분뇨를 용존성 물질로 처리하기 위한 화학 산화 여과유닛, 및 상기 산화 여과유닛을 거쳐 배출되는 처리된 폐수를 저장하는 정화처리수 저장조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 화학 산화 여과유닛은 오존(O3)이 주입되어 고형물이 제거된 액상 분뇨에 포함된 용존성 물질을 처리하는 화학 산화 여과기; 및 상기 화학 산화 여과기를 거친 액상 분뇨를 활성탄 필터로 처리하기 위한 활성탄 여과기, 및 상기 화학 산화 여과기를 거친 액상 분뇨에 잔류하는 용존성 물질을 역삼투압 여과막을 이용하여 여과하는 역삼투압 여과기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 가축 분뇨를 공급받아 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리시키는 가축분뇨 분리 단계; 상기 가축분뇨 분리 단계에서 분리된 고상 분뇨를 제공받아 혐기 처리하도록 이루어지는 고상분뇨 처리단계; 상기 가축분뇨 분리 단계에서 액상 분뇨를 제공받아 액상 분뇨의 마이크로 물질 및 용존성 물질을 처리하기 위한 액상분뇨 처리 단계; 및 상기 액상분뇨 처리단계에 의해 처리되어 배출되는 폐수를 저장하는 처리수 저장 단계;를 포함하며, 상기 각 단계에서 이동되는 각 분뇨의 유동량을 조절하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 물리화학적 가축 분뇨 정화 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 가축분뇨 분리 단계는 액상 분뇨와 고상 분뇨로 분리하기 위하여 메쉬 원통 부재, 및 메쉬 원통 부재의 메쉬에 고상 분뇨에 의해 폐색되는 것을 방지하기 위하여 메쉬 원통 부재를 향해 고압의 에어를 분사시키는 에어 분사 유닛을 포함하는 고액 분리 장치에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 물리화학적 가축 분뇨 처리 방법에 의하면, 응집제 등과 같은 화학물질의 첨가 없이 물리적 방법을 이용하여 가축 분뇨에 포함된 유기성 또는 무기성 입자를 제거할 수 있고, 화학 산화 방법과 역삼투압 여과 방법을 이용하여 악취와 색도를 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템에 포함되는 고액 분리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 정화 방법을 나타내는 플로차트이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 그 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템을 도시한 모식도이다.
본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 가축 분뇨가 모이거나 저장되는 분뇨 저장조(100); 상기 분뇨 저장조(100)로부터 분뇨를 공급받아 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리하도록 구성되는 고액 분리 장치(200); 상기 고액 분리 장치(200)에서 분리된 고상 분뇨를 제공받아 혐기 처리하도록 구성되는 고상분뇨 처리모듈; 고액 분리 장치(200)에서 분리된 액상 분뇨를 제공받아 마이크로 물질 및 용존성 물질을 처리하기 위한 액상분뇨 처리모듈; 상기 액상분뇨 처리모듈에 의해 처리되어 배출되는 폐수를 저장하는 처리 수조(440); 및 고액 분리 장치(200)의 동작을 제어하고, 각 구성요소들 간을 연결하는 라인에 마련되어 분뇨 이동량을 조절하는 분뇨이동 조절밸브(미도시)의 동작을 제어하는 제어반(500);을 포함한다.
분뇨 저장조(100)는 가축 분뇨를 바로 제공받아 저장하도록 이루어지는데, 그 분뇨 저장조(100)의 가축 분뇨를 고액 분리 장치(200)로 공급하기 전, 분리 효율을 높이도록 가축 분뇨를 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리시키기 위하여 적어도 24시간 이상 장시간 저장시킨 후 고액 분리 장치(200)로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 분뇨 저장조(100)에서 고액 분리 장치(200)로의 가축 분뇨의 공급은 자중에 의해 투입되도록 하거나, 펌프와 같은 펌핑 장치를 통해 공급되도록 이루어질 수 있다.
다음으로, 고액 분리 장치(200)에 대하여 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템에 포함되는 고액 분리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
고액 분리 장치(200)는 상부 일측에 가축분뇨 투입구(211)가 형성되고, 하부 일측에 분리된 액상 분뇨가 배출되는 액상분뇨 배출구(212)가 형성되며, 하부 타측에 분리된 고상 분뇨가 배출되는 고상분뇨 배출구(213)가 형성되는 장치 하우징(210)과, 장치 하우징(210)을 관통하여 설치되고, 양단부가 장치 하우징(210)에 회전가능하게 결합되는 회전 샤프트(220)와, 회전 샤프트(220)의 회전과 일체로 회전가능하게 결합되고, 가축분뇨 투입구(211)로부터 투입되는 가축분뇨가 유입되는 메쉬 원통 부재(230)와, 회전 샤프트(220)를 회전 구동시키기 위한 구동 모터(240), 및 메쉬 원통 부재(230)로 고압의 에어를 분사시키기 위한 에어 분사 유닛을 포함한다.
여기에서, 회전 샤프트(220)에는 투입되는 가축 분뇨를 적절히 섞어주기 위한 하나 이상의 교반 날개(221)가 형성될 수 있으며, 교반 날개(221)는 회전 샤프트(220)의 둘레 방향 및/또는 길이방향으로 소정 간격을 갖거나 랜덤한 간격을 갖고 복수 개로 구성될 수 있다.
메쉬 원통 부재(230)는 상단으로부터 소정 길이 메쉬로 형성되는 메쉬부(231), 및 메쉬부로부터 하단까지 메쉬가 없는 통 형태의 통 형상부(232)로 이루어진다.
에어 분사 유닛은 고압공기를 발생시키는 압축기(250)와, 장치 하우징(100) 내부 일측에 구성되되, 메쉬 원통 부재(230)의 메쉬부(231)에 상응하는 길이를 가지며, 압축기(250)로부터의 고압공기를 제공받아 메쉬 원통 부재(230)의 메쉬부(231)로 분사시키기 위한 에어노즐(260)을 포함한다.
이러한 에어 분사 유닛은 고액 분리 장치(200)에서 메쉬 원통 부재(230)의 회전에 의해 원심력에 의해 액상 분뇨가 메쉬 원통 부재(230)를 통해 분리될 때, 그 액상 분뇨에 포함되는 고형 분뇨가 원통 메쉬 부재(230)의 메쉬를 폐색(구체적으로는 원통 메쉬 부재(230)의 메쉬부(231)의 내측을 폐색)하는 것을 고압의 공기를 분사시킴으로써 방지할 수 있게 된다. 이에 따라 액상 분뇨의 원활한 배출이 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 고액 분리 장치(200)의 메쉬 원통 부재(230)의 상부 내측에는 투입되는 가축 분뇨가 투입 반대 방향으로 역류되는 것을 방지하도록 구비되는 위한 역류방지 부재(233), 및/또는 고액 분리 장치(200)의 메쉬 원통 부재(230)의 하부 내측에는 고상 분뇨의 원활한 배출을 지향시키도록 구성되는 일방향 배출 부재(234), 및/또는 일방향 배출 부재(234)의 하부 측의 메쉬 원통 부재(230) 내에 구비되어 배출되는 고상 분뇨의 배출을 더디게 하여 일시 저류시키면서 배출시키기 위한 복수의 배출구멍이 형성된 저류 플레이트(235)가 더 구성될 수 있다.
역류 방지 부재(233) 및 일방향 배출 부재(234)는 각각 중심이 회전 샤프트(220)에 고정되고, 소정 각도로 트위스트되어 구성되는 복수의 프로펠러를 갖는 블레이드(blade)형 부재로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은 고액 분리 장치(200)의 메쉬 원통 부재(230)의 내면 및 외면 중 적어도 하나에 교체가능하게 구비되어, 그 메쉬 원통 부재(230)의 메쉬부(231)를 통해 액상 분뇨에 포함된 다량의 마이크로 크기 이상의 입자들을 분리하기 위한 마이크로 여과 멤브레인(membrane)을 더 포함할 수 있다.
이러한 마이크로 여과 멤브레인은 액상분뇨에 포함되는 1 내지 100 마이크로미터 크기의 입자들을 제거함으로써 가축 분뇨에 포함된 콜로이드 입자, 현탁질, 조류, 박테리아 등을 제거할 수 있다.
상기 여과 멤브레인의 재질로는 셀룰로오스, 염화비닐, 폴리카보네이트, 불소수지 등을 사용할 수 있다. 여기에서, 셀룰로오스(C6H10O5)n는 식물 세포막의 주성분인 다당류를 말하고, 셀룰로오스 분자는 D-그르코피라노스가 β-1.4 결합으로 연결된 구조로, 측쇄는 없다. 염화비닐(H2C=CHCl)은 무색의 기체로서, 아세틸렌과 염화수소로 합성한다. 폴리카보네이트(폴리탄산에스텔)는 주쇄 중에 탄산에스텔 결합-O-R-CO-를 갖는 선 모양 고분자를 말하고, 치수 안정성, 투명성이 좋고, 특히 내공격성이 우수하다.
다음으로, 상기 고상 분뇨 처리 모듈은 고액 분리 장치(200)에서 분리되어 배출되는 고상 분뇨를 저장하기 위한 고상 분뇨 저장조(310), 및 고상 분뇨 저장조(310)로부터 제공받은 고산 분뇨를 혐기 처리하기 위한 혐기성 산화 처리조(320)를 포함한다. 여기에서, 상기 고상 분뇨 저장조(310)는 혐기성 산화 처리조(320)와 일체로 구성될 수 있다.
계속해서, 상기 액상 분뇨 처리 모듈은 고액 분리 장치(200)에서 분리된 액상 분뇨를 제공받아 일시 저장하기 위한 액상 분뇨 저장조(410); 상기 액상 분뇨 저장조(410)로부터 배출되는 액상 분뇨를 공급받아 그 액상 분뇨에 포함된 나노상 물질을 제거하기 위한 나노 여과 장치(420)와, 상기 나노 여과 장치(420)를 거쳐 고형물이 제거된 액상 분뇨를 용존성 물질로 처리하기 위한 화학 산화 여과유닛, 및 상기 산화 여과유닛을 거쳐 배출되는 처리된 폐수를 저장하는 정화처리수 저장조(440)를 포함한다.
나노 여과 장치(420)는 액상 분뇨에 포함된 5 내지 1000nm의 입자(나노상 물질), 즉, 분자량 5000 내지 30만 정도의 세균, 콜로이드, 단백질, 고분자 유기물 등을 제거하도록 나노 여과막(저압 역삼투막)을 사용하여 유기성 및 무기성 입자를 화학물질의 첨가 없이 물리적으로 제거하게 이루어질 수 있다.
나노 여과막(저압 역삼투압)의 재질은 유기 고분자의 방향족폴리아미드, 폴리비닐알코올, 피페라딘 등의 하전막이다. 제거되는 나노 입자들은 고상분뇨 저장조(310)를 거쳐 혐기성 산화 처리조(320)에 집적된다.
이러한 나노 여과 장치(420)를 통해 처리된 액상 분뇨에 대한 처리수의 제거율은 난분해성 COD 제거율 79%, 난분해성 BOD 제거율 68%, 부유물질(SS) 제거율 82%, 질소 제거율 17%, 인 제거율 34%로 확인되었다.
다음으로, 상기 화학 산화 여과유닛은 오존 발생기(431)로부터 유입되는 미세 버블 크기의 오존(O3)이 주입되어 고형물이 제거된 액상 분뇨에 포함된 용존성 물질을 처리하는 화학 산화 여과기(432), 및 화학 산화 여과기(432)에서 배출되는 액상 분뇨를 활성탄 필터로 여과하기 위한 활성탄 여과기(433)을 포함한다.
상기 화학 산화 여과유닛은 악취의 원인이 되는 탄소, 황, 질소화합물을 산화시켜 일부는 분해시키고, 일부는 안정화시킨다. 또한, 유기화합물을 산화시킬 수 있어 살균제로 사용되는 차아염소산(hypochlorous acid, HCLO) 또는 강한 산화력을 가져 산화제 또는 소독제로 사용되는 과산화수소(hydrogen peroxide, H2O2)를 사용할 수 있다.
이러한 화학 산화 여과유닛을 통해 처리된 액상 분뇨에 대한 처리수의 제거율은 난분해성 COD 제거율 70.2%, 난분해성 BOD 제거율 67.8%, 부유물질(SS: Suspended Solid) 제거율 68.4%, 질소 제거율 51.8% 및 인 제거율 80.9%로 확인되었다. 이는 상기 나노 여과장치(420)에 의하여 대부분의 미세 부유물질과, 유기물에 포함된 질소 및 인이 제거되고, 상기 화학 산화 여과유닛에 의하여 대부분의 유기물이 산화되고, 색도유발물질이 제거되어 방류수 수질기준 이하로 처리수를 생성할 수 있게 된다.
여기에서, 본 발명은 활성탄 여과기(433) 대신에 또는 활성탄 여과기(433)의 전후에 구성되어 화학 산화 여과기(432)로부터 배출되는 액상 분뇨에 일부 잔류하는 용존성 물질을 역삼투압 여과막을 이용하여 여과하는 역삼투압 여과기를 더 포함할 수 있다.
역삼투압 여과기는 화학 산화 여과기(432)로부터 배출되는 액상 분뇨에 일부 잔류하는 용존성 물질을 역삼투압 여과막을 이용하여 여과함으로써 악취를 제거하고 색도를 줄일 수 있어 악취가 제거된 액체비료를 생성할 수 있게 된다.
역삼투압 여과기는 1 내지 5 나노미터 입자를 제거하기 위한 것으로, 이를 통해 펄빅산과 휴믹산 그리고 작은 콜로이드 입자들을 거의 대부분 제거하여 순수(pure water)에 가까운 물을 생성하게 된다. 이를 통해 화학 산화 여과기(432)에 의해 잘게 부서지지 않은 입자들을 완전히 제거함으로써 냄새와, 색도를 제거할 수 있고, 요구되는 COD를 달성할 수 있게 된다.
다음으로, 제어반(500)은 전체 장치의 온/오프를 제어하는 온-오프 전원 스위치와, 고액 분리 장치(200)의 구동 모터(240)의 회전 속도를 제어하는 회전속도 제어 스위치와, 에어 분사 유닛의 압축기(250)의 동작을 제어하는 압축기 제어 스위치, 및 각 분뇨이동 조절밸브(미도시)의 동작을 제어하는 복수의 밸브 조절 스위치를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 정화 방법에 대하여 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 정화 방법을 나타내는 플로차트이다. 아래 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 정화 방법에 대한 설명에서 앞서 설명한 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 정화 시스템에서 설명되어 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 한다.
본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 정화 방법은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 가축 분뇨를 공급받아 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리시키는 가축분뇨 분리 단계(S100); 상기 가축분뇨 분리 단계(S100)에서 분리된 고상 분뇨를 제공받아 혐기 처리하도록 이루어지는 고상분뇨 처리단계(S200); 상기 가축분뇨 분리 단계(S100)에서 액상 분뇨를 제공받아 액상 분뇨의 마이크로 물질 및 용존성 물질을 처리하기 위한 액상분뇨 처리 단계(S300); 및 상기 액상분뇨 처리단계(S300)에 의해 처리되어 배출되는 폐수를 저장하는 처리수 저장 단계(S400);를 포함하며, 상기 각 단계에서 이동되는 각 분뇨의 유동량을 조절하도록 제어하는 것을 포함하여 이루어진다.
본 발명은 가축분뇨 분리 단계(S100) 이전에 분리 효율을 높이도록 고상 분뇨의 침전을 통해 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리시키기 위하여 적어도 24시간 이상 장시간 저장시킨 후 가축분뇨 분리 단계(S100)로 공급시켜 분리되도록 하는 것이 바람직하다. 가축분뇨 분리 단계(S100)로의 가축분뇨의 공급은 자중에 의해 투입되도록 하거나, 펌프와 같은 펌핑 장치를 통해 공급되도록 이루어질 수 있다.
다음으로, 가축분뇨 분리 단계(S100)는 액상 분뇨와 고상 분뇨로 분리하기 위하여 메쉬 원통 부재, 및 메쉬 원통 부재의 메쉬에 고상 분뇨(구체적으로는 고상 분뇨의 입자)에 의해 폐색되는 것을 방지하기 위하여 메쉬 원통 부재를 향해 고압의 에어를 분사시키는 에어 분사 유닛을 포함하는 고액 분리 장치에 의해 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 고액 분리 장치는 도 2에 나타낸 바와 같이 상부 일측에 가축분뇨 투입구(211)가 형성되고, 하부 일측에 분리된 액상 분뇨가 배출되는 액상분뇨 배출구(212)가 형성되며, 하부 타측에 분리된 고상 분뇨가 배출되는 고상분뇨 배출구(213)가 형성되는 장치 하우징(210)과, 장치 하우징(210)을 관통하여 설치되고, 양단부가 장치 하우징(210)에 회전가능하게 결합되는 회전 샤프트(220)와, 회전 샤프트(220)의 회전과 일체로 회전가능하게 결합되고, 가축분뇨 투입구(211)로부터 투입되는 가축분뇨가 유입되는 메쉬 원통 부재(230)와, 회전 샤프트(220)를 회전 구동시키기 위한 구동 모터(240), 및 메쉬 원통 부재(230)로 고압의 에어를 분사시키기 위한 에어 분사 유닛을 포함한다. 여기에서, 회전 샤프트(220)에는 투입되는 가축 분뇨를 적절히 섞어주기 위한 하나 이상의 교반 날개(221)가 형성될 수 있으며, 교반 날개(221)는 회전 샤프트(220)의 둘레 방향 및/또는 길이방향으로 소정 간격을 갖거나 랜덤한 간격을 갖고 복수 개로 구성될 수 있다.
또한, 메쉬 원통 부재(230)는 상단으로부터 소정 길이 메쉬로 형성되는 메쉬부(231), 및 메쉬부로부터 하단까지 메쉬가 없는 통 형태의 통 형상부(232)로 이루어질 수 있다.
또한, 에어 분사 유닛은 고압공기를 발생시키는 압축기(250)와, 장치 하우징(100) 내부 일측에 구성되되, 메쉬 원통 부재(230)의 메쉬부(231)에 상응하는 길이를 가지며, 압축기(250)로부터의 고압공기를 제공받아 메쉬 원통 부재(230)의 메쉬부(231)로 분사시키기 위한 에어노즐(260)을 포함한다.
이러한 에어 분사 유닛은 고액 분리 장치(200)에서 메쉬 원통 부재(230)의 회전에 의해 원심력에 의해 액상 분뇨가 메쉬 원통 부재(230)를 통해 분리될 때, 그 액상 분뇨에 포함되는 고형 분뇨가 원통 메쉬 부재(230)의 메쉬를 폐색(구체적으로는 원통 메쉬 부재(230)의 메쉬부(231)의 내측을 폐색)하는 것을 고압의 공기를 분사시킴으로써 방지할 수 있게 된다. 이에 따라 액상 분뇨의 원활한 배출이 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 고액 분리 장치(200)의 메쉬 원통 부재(230)의 상부 내측에는 투입되는 가축 분뇨가 투입 반대 방향으로 역류되는 것을 방지하도록 구비되는 위한 역류방지 부재(233), 및/또는 고액 분리 장치(200)의 메쉬 원통 부재(230)의 하부 내측에는 고상 분뇨의 원활한 배출을 지향시키도록 구성되는 일방향 배출 부재(234), 및/또는 일방향 배출 부재(234)의 하부 측의 메쉬 원통 부재(230) 내에 구비되어 배출되는 고상 분뇨의 배출을 더디게 하여 일시 저류시키면서 배출시키기 위한 복수의 배출구멍이 형성된 저류 플레이트(235)가 더 구성될 수 있다. 여기에서, 역류 방지 부재(233) 및 일방향 배출 부재(234)는 각각 중심이 회전 샤프트(220)에 고정되고, 소정 각도로 트위스트되어 구성되는 복수의 프로펠러를 갖는 블레이드(blade)형 부재로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 가축분뇨 분리 단계(S100)는 고액 분리 장치(200)의 메쉬 원통 부재(230)의 내면 및 외면 중 적어도 하나에 교체가능하게 구비되어, 그 메쉬 원통 부재(230)의 메쉬부(231)를 통해 액상 분뇨에 포함된 다량의 마이크로 크기 이상의 입자들을 분리하기 위한 마이크로 여과 멤브레인(membrane)을 통해 여과되도록 하는 것을 더 포함할 수 있다. 이러한 마이크로 여과 멤브레인은 액상분뇨에 포함되는 1 내지 100 마이크로미터 크기의 입자들을 제거함으로써 가축 분뇨에 포함된 콜로이드 입자, 현탁질, 조류, 박테리아 등을 제거할 수 있다.
다음으로, 고상분뇨 처리단계(S200)는 가축분뇨 분리 단계(S100)에서 분리되어 배출되는 고상 분뇨를 저장하고, 혐기 처리하는 것으로 이루어질 수 있다.
계속해서, 액상분뇨 처리 단계(S300)는 가축분뇨 분리 단계(S100)에서 분리된 액상 분뇨를 제공받아 액상 분뇨 저장조에 일시 저장하고, 상기 액상 분뇨 저장조로부터 배출되는 액상 분뇨를 공급받아 그 액상 분뇨에 포함된 나노상 물질을 나노 여과 장치를 통해 제거하고, 상기 나노 여과 장치를 거쳐 고형물이 제거된 액상 분뇨를 화학 산화 여과유닛을 통해 용존성 물질로 처리한 다음, 처리된 폐수를 정화처리수 저장조에 저장하는 것을 포함한다.
나노상 물질의 제거를 위한 나노 여과 장치는 액상 분뇨에 포함된 5 내지 1000nm의 입자(나노상 물질), 즉, 분자량 5000 내지 30만 정도의 세균, 콜로이드, 단백질, 고분자 유기물 등을 제거하도록 나노 여과막(저압 역삼투막)을 사용하여 유기성 및 무기성 입자를 화학물질의 첨가 없이 물리적으로 제거하게 이루어질 수 있다. 나노 여과막(저압 역삼투압)의 재질은 유기 고분자의 방향족폴리아미드, 폴리비닐알코올, 피페라딘 등의 하전막이며, 제거되는 나노 입자들은 고상분뇨 처리단계(S200)의 혐기성 산화 처리조에 집적되어 혐기 처리되도록 이루어진다.
이러한 나노 여과 장치를 통해 처리된 액상 분뇨에 대한 처리수의 제거율은 난분해성 COD 제거율 79%, 난분해성 BOD 제거율 68%, 부유물질(SS) 제거율 82%, 질소 제거율 17%, 인 제거율 34%로 확인되었다.
다음으로, 용존성 물질의 처리를 위한 화학 산화 여과유닛은 오존 발생기로부터 유입되는 미세 버블 크기의 오존(O3)을 주입하여 고형물이 제거된 액상 분뇨에 포함된 용존성 물질을 화학 산화 여과기를 통해 1차 처리한 다음, 상기 화학 산화 여과기로부터 배출되는 액상 분뇨에 활성탄 필터를 이용하여 여과하거나, 및/또는 화학 산화 여과기로부터 배출되는 액상 분뇨에 일부 잔류하는 용존성 물질을 역삼투압 여과막을 갖는 역삼투압 여과기를 이용하여 역삼투압 여과 처리하는 것을 포함한다.
상기 화학 산화 여과유닛은 악취의 원인이 되는 탄소, 황, 질소화합물을 산화시켜 일부는 분해시키고, 일부는 안정화시킨다. 또한, 유기화합물을 산화시킬 수 있어 살균제로 사용되는 차아염소산(hypochlorous acid, HCLO) 또는 강한 산화력을 가져 산화제 또는 소독제로 사용되는 과산화수소(hydrogen peroxide, H2O2)를 사용할 수 있다. 이러한 화학 산화 여과유닛을 통해 처리된 액상 분뇨에 대한 처리수의 제거율은 난분해성 COD 제거율 70.2%, 난분해성 BOD 제거율 67.8%, 부유물질(SS: Suspended Solid) 제거율 68.4%, 질소 제거율 51.8% 및 인 제거율 80.9%로 확인되었다. 이는 상기 나노 여과장치에 의하여 대부분의 미세 부유물질과, 유기물에 포함된 질소 및 인이 제거되고, 상기 화학 산화 여과유닛에 의하여 대부분의 유기물이 산화되고, 색도유발물질이 제거되어 방류수 수질기준 이하로 처리수를 생성할 수 있게 된다.
상기 역삼투압 여과기는 화학 산화 여과기로부터 배출되는 액상 분뇨에 일부 잔류하는 용존성 물질을 역삼투압 여과막을 이용하여 여과함으로서 악취를 제거하고 색도를 줄일 수 있어 악취가 제거된 액체비료를 생성할 수 있게 된다.
또한, 상기 역삼투압 여과기는 1 내지 5 나노미터 입자를 제거하기 위한 것으로, 이를 통해 펄빅산과 휴믹산 그리고 작은 콜로이드 입자들을 거의 대부분 제거하여 순수(pure water)에 가까운 물을 생성하게 된다. 이를 통해 화학 산화 여과기에 의해 잘게 부서지지 않은 입자들을 완전히 제거함으로써 냄새와, 색도를 제거할 수 있고, 요구되는 COD를 달성할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템 및 물리화학적 가축 분뇨 처리 방법에 의하면, 응집제 등과 같은 화학물질의 첨가 없이 물리적 방법을 이용하여 가축 분뇨에 포함된 유기성 또는 무기성 입자를 제거할 수 있고, 화학 산화 방법과 역삼투압 여과 방법을 이용하여 악취와 색도를 줄일 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 분뇨 저장조
200: 고액 분리 장치
210: 장치 하우징
211: 가축분뇨 투입구
212: 액상분뇨 배출구
213: 고상분뇨 배출구
220: 회전 샤프트
221: 교반 날개
230: 메쉬 원통 부재
231: 메쉬부
232: 통 형상부
233: 역류 방지 부재
234: 일방향 배출 부재
235: 저류 플레이트
240: 구동 모터
250: 압축기
260: 에어노즐
310: 고상 분뇨 저장조
320: 혐기성 산화 처리조
410: 액상 분뇨 저장조
420: 나노 여과 장치
431: 오존 발생기
432: 화학 산화 여과기
433: 활성탄 여과기
440: 정화처리수 저장조
500: 제어반
S100: 가축분뇨 분리 단계
S200: 고상분뇨 처리단계
S300: 액상분뇨 처리 단계
S400: 처리수 저장 단계

Claims (8)

  1. 가축 분뇨가 저장되는 분뇨 저장조;
    상기 분뇨 저장조로부터의 분뇨를 공급받아 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리하도록 구성되는 고액 분리 장치;
    상기 고액 분리 장치에서 분리된 고상 분뇨를 제공받아 혐기 처리하도록 구성되는 고상분뇨 처리모듈;
    상기 고액 분리 장치에서 분리된 액상 분뇨를 제공받아 마이크로 물질 및 용존성 물질을 처리하기 위한 액상분뇨 처리모듈;
    상기 액상분뇨 처리모듈에 의해 처리되어 배출되는 폐수를 저장하는 처리 수조; 및
    상기 고액 분리 장치의 동작을 제어하고, 상기 각 구성요소들 간을 연결하는 라인에 마련되어 분뇨 이동량을 조절하는 분뇨이동 조절밸브의 동작을 제어하는 제어반;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상부 일측에 분뇨 투입구가 형성되고, 하부 일측과 타측에 각각 분리된 액상 분뇨와 고상 분뇨가 배출되는 액상분뇨 배출구와 고상분뇨 배출구가 형성되는 장치 하우징;
    상기 장치 하우징을 관통하여 설치되고, 양단부가 상기 장치 하우징에 회전가능하게 결합되는 회전 샤프트;
    상기 회전 샤프트의 회전과 일체로 회전가능하게 결합되고, 상기 분뇨 투입구로부터 투입되는 분뇨가 유입되는 메쉬 원통 부재;
    상기 회전 샤프트를 회전 구동시키기 위한 구동 모터; 및
    상기 메쉬 원통 부재로 고압의 에어를 분사시키기 위한 에어 분사 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전 샤프트에 형성되는 하나 이상의 교반 날개;
    상기 메쉬 원통 부재의 상부 내측에 구비되어 투입되는 분뇨가 투입 반대 방향으로 역류되는 것을 방지하도록 구성되는 역류방지 부재;
    상기 메쉬 원통 부재의 하부 내측에 구비되어 고상 분뇨의 배출을 지향시키도록 구성되는 일방향 배출 부재;
    상기 일방향 배출 부재의 하부 측의 메쉬 원통 부재 내에 구비되어 배출되는 고상 분뇨를 저류시키면서 배출시키도록 복수의 배출구멍이 형성된 저류 플레이트;를 더 포함하며,
    상기 메쉬 원통 부재는 상단으로부터 소정 길이 메쉬로 형성되는 메쉬부, 및 상기 메쉬부로부터 하단까지 메쉬가 없는 통 형태의 통 형상부로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어 분사 유닛은 고압공기를 발생시키는 압축기와, 상기 장치 하우징 내부 일측에 구성되되, 상기 메쉬 원통 부재의 메쉬부에 상응하는 길이를 가지며, 압축기로부터의 고압공기를 상기 메쉬 원통 부재의 메쉬부로 분사시키기 위한 에어노즐을 포함하며,
    상기 역류 방지 부재 및 일방향 배출 부재는 각각 중심이 상기 회전 샤프트에 고정되고, 소정 각도로 트위스트되어 구성되는 복수의 프로펠러를 갖는 블레이드(blade)형 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는
    물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고상 분뇨 처리 모듈은 분리된 고상 분뇨를 저장하기 위한 고상 분뇨 저장조, 및 상기 고상 분뇨 저장조에서 제공받은 고상 분뇨를 혐기 처리하기 위한 혐기성 산화 처리조를 포함하고,
    상기 액상 분뇨 처리 모듈은 분리된 액상 분뇨를 제공받아 일시 저장하기 위한 액상 분뇨 저장조와, 상기 액상 분뇨 저장조로부터 액상 분뇨를 공급받아 그 액상 분뇨에 포함된 나노상 물질을 제거하기 위한 나노 여과 장치와, 상기 나노 여과 장치를 거쳐 고형물이 제거된 액상 분뇨를 용존성 물질로 처리하기 위한 화학 산화 여과유닛, 및 상기 산화 여과유닛을 거쳐 배출되는 처리된 폐수를 저장하는 정화처리수 저장조를 포함하는 것을 특징으로 하는
    물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학 산화 여과유닛은
    오존(O3)이 주입되어 고형물이 제거된 액상 분뇨에 포함된 용존성 물질을 처리하는 화학 산화 여과기; 및
    상기 화학 산화 여과기를 거친 액상 분뇨를 활성탄 필터로 처리하기 위한 활성탄 여과기, 및 상기 화학 산화 여과기를 거친 액상 분뇨에 잔류하는 용존성 물질을 역삼투압 여과막을 이용하여 여과하는 역삼투압 여과기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    물리화학적 가축 분뇨 처리 시스템.
  7. 가축 분뇨를 공급받아 고상 분뇨와 액상 분뇨로 분리시키는 가축분뇨 분리 단계;
    상기 가축분뇨 분리 단계에서 분리된 고상 분뇨를 제공받아 혐기 처리하도록 이루어지는 고상분뇨 처리단계;
    상기 가축분뇨 분리 단계에서 액상 분뇨를 제공받아 액상 분뇨의 마이크로 물질 및 용존성 물질을 처리하기 위한 액상분뇨 처리 단계; 및
    상기 액상분뇨 처리단계에 의해 처리되어 배출되는 폐수를 저장하는 처리수 저장 단계;를 포함하며, 상기 각 단계에서 이동되는 각 분뇨의 유동량을 조절하도록 제어하는 것을 특징으로 하는
    물리화학적 가축 분뇨 정화 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가축분뇨 분리 단계는
    액상 분뇨와 고상 분뇨로 분리하기 위하여 메쉬 원통 부재, 및 메쉬 원통 부재의 메쉬에 고상 분뇨에 의해 폐색되는 것을 방지하기 위하여 메쉬 원통 부재를 향해 고압의 에어를 분사시키는 에어 분사 유닛을 포함하는 고액 분리 장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는
    물리화학적 가축 분뇨 정화 방법.
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