KR20190053400A - 축산폐수 처리시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 축산폐수 처리시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨가 유입부를 통해 유입되어, 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시키고, 상등액을 배출하는 결정화 반응조, 상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액이 유입되고, 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산하고, 유출수를 배출하는 미생물연료전지, 상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수가 유입되고, 상기 유출수에 잔존하는 유기물 및 영양염류를 이용해 미세조류를 배양하여, 방류수를 배출제어부로 전달하는 미세조류 광반응기 및 상기 미세조류 광반응기로부터 전달받은 방류수를 외부로 배출하는 배출제어부를 포함한다.
이와 같이, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 가축분뇨에 포함된 유기물 및 영양염류를 여러 단계에 걸쳐 연속적으로 제거 및 회수함에 따라 배출허용기준에 적합한 방류수를 배출하여, 환경오염을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 가축분뇨에 포함된 유기물 및 영양염류를 여러 단계에 걸쳐 연속적으로 제거 및 회수함에 따라 배출허용기준에 적합한 방류수를 배출하여, 환경오염을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 축산폐수 처리시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축산농가 등에서 발생되는 가축분뇨에는 각종 유기물 또는 영양염류 물질 등이 포함되어 있어, 그대로 방류될 경우에 환경오염을 야기하므로, 가축분뇨 내 존재하는 유기물을 처리함과 동시에 상기 가축분뇨로부터 친환경 바이오 에너지를 획득할 수 있는 축산폐수 처리시스템 및 방법에 관한 것이다.
소, 돼지, 닭 등의 가축을 키우는 축산농가 또는 관련 업체에서는 가축분뇨를 포함해 다양한 형태의 가축분뇨가 발생된다. 하지만, 이와 같이 발생한 가축분뇨에는 각종 유기물이 포함되어 있어, 이러한 유기물에 대한 별도의 처리를 수행하지 않고 그대로 방류하면, 가축분뇨에 포함된 유기물에 의해 지하수 등이 쉽게 오염되어, 축산농가 또는 관련업체 주변의 환경을 오염시키는 것은 물론이고, 주변에 살고 있는 주민들에게도 많은 피해를 줄 수 있다.
따라서, 이러한 축산농가 또는 관련 업체에서는 발생되는 가축분뇨가 외부로 방류하기 위한 배출허용기준에 적합한 정도가 되도록 해당 축산 폐수를 처리하는 기술에 대한 연구가 논의되고 있다.
이러한 축산 폐수 처리 기술 중에서도 가축분뇨의 경우에는 공공처리 시설의 배출허용기준을 충족하기 위하여, 일반적으로 퇴비화 또는 액비화로 대부분 자원화되고 있다. 특히, 최근에는 가축분뇨를 에너지화하는 기술에 대한 많은 관심이 집중되면서 가축분뇨에 대하여 혐기성 소화를 통해 메탄가스를 생산하고 있으나, 일반적으로 가축분뇨에서 발생되는 바이오가스에는 메탄가스 뿐만 아니라, 다양한 종류의 가스가 혼재되어 있어, 이를 에너지화하기 위해서는 바이오가스 정제공정이 추가적으로 필요하므로, 부가 비용 및 시간이 소요된다는 문제점이 발생했다.
뿐만 아니라, 가축분뇨를 액비화하기 위해서, 가축분뇨의 내부에 공기를 주입하여 가축분뇨에 포함된 유기물을 제거하는데, 이러한 과정에서 많은 전력이 소모됨에 따라 막대한 처리비용이 발생한다는 문제점이 발생했다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 가축분뇨를 포함하는 가축분뇨 내 유기물을 제거하면서, 가축분뇨에 포함된 영양염류를 이용해 바이오 에너지를 용이하게 획득할 수 있는 축산폐수 처리시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 축산폐수 처리시스템은 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨가 유입부를 통해 유입되어, 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시키고, 상등액을 배출하는 결정화 반응조, 상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액이 유입되고, 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산하고, 유출수를 배출하는 미생물연료전지, 상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수가 유입되고, 상기 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류를 이용해 미세조류를 배양하여, 유기물 또는 영양염류의 농도를 줄인 방류수를 배출제어부로 전달하는 미세조류 광반응기 및 상기 미세조류 광반응기로부터 전달받은 방류수를 외부로 배출하는 배출제어부를 포함한다.
상기 결정화 반응조는 상기 가축분뇨에 포함된 유기물 중 암모늄 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 반응시켜 결정화할 수 있다.
상기 결정화 반응조는 암모늄 이온, 인산염 이온 및 마그네슘 이온의 몰(mole) 비율이 1: 1: 1로 결정화할 수 있다.
상기 결정화 반응조는 상기 가축분뇨에 포함된 인과 질소를 스트루바이트(struvite) 형태로 결정화하고, 결정화된 스트루바이트를 외부로 배출할 수 있다.
상기 미생물연료전지는 상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액이 유입되는 산화조의 내부에 위치하고, 전극 표면에 부착된 미생물이 상기 상등액 내 유기물을 생분해하여 발생된 수소 이온 및 전자를 전달받는 산화전극, 상기 산화전극과 환원전극이 서로 분리되도록 상기 산화전극과 환원전극 사이에 위치하고, 상기 산화전극으로부터 이동하는 상기 수소 이온을 통과시켜 환원전극으로 전달하는 분리막, 상기 산화전극과 환원전극 사이를 도선을 이용해 연결하여, 상기 전자가 상기 산화전극으로부터 상기 도선을 따라 상기 환원전극으로 이동하며 전기를 생산하는 외부회로 및 외부로부터 산소가 유입되는 환원조의 내부에 위치하고, 상기 분리막을 통과하여 전달된 수소 이온과 상기 외부 회로를 통해 이동한 전자 및 외부로부터 유입된 상기 산소를 결합시켜 물을 발생하는 환원전극을 포함한다.
상기 미세조류 광반응기는 외부로부터 빛과 무기탄소(CO2)가 내부로 공급될 수 있다.
상기 배출제어부는 상기 미세조류 광반응기로부터 방류수를 전달받아, 상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목에 대한 값을 측정하고, 측정값이 기설정된 배출허용기준값 보다 같거나 작은지 판단하여, 배출허용기준값 보다 같거나 작은 경우에 상기 방류수를 외부로 배출할 수 있다.
상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목은 암모니아성 질소(NH3-N), 용해성 화학적 산소요구량(SCOD: Soluble Chemical Oxygen Demand), 총 인(T-P), 총 질소(T-N) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 농도는 상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액에 잔존하는 유기물 농도보다 낮고, 상기 미세조류 광반응기로부터 배출된 방류수에 잔존하는 유기물 농도는 상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 농도보다 낮을 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 축산폐수 처리방법은 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨가 유입부를 통해 결정화 반응조의 내부로 유입되는 단계, 상기 결정화 반응조가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 침전시키는 단계, 상기 가축분뇨의 상등액이 상기 결정화 반응조로부터 배출되어, 미생물연료전지로 유입되는 단계, 상기 미생물연료전지가 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산하는 단계, 상기 미생물연료전지로부터 유출수가 배출되어, 미세조류 광반응기로 유입되는 단계, 상기 미세조류 광반응기가 상기 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류를 이용해 미세조류를 배양하는 단계, 상기 미세조류 광반응기로부터 유기물 또는 영양염류의 농도를 줄인 방류수가 배출되어, 배출제어부로 유입되는 단계 및 상기 배출제어부가 상기 방류수를 외부로 배출하는 단계를 포함한다.
상기 결정화 반응조가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 침전시키는 단계는 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류 중 암모늄 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 반응시켜 결정화할 수 있다.
상기 결정화 반응조가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 침전시키는 단계는 암모늄 이온, 인산염 이온 및 마그네슘 이온의 몰(mole) 비율이 1: 1: 1로 결정화할 수 있다.
상기 결정화 반응조가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 침전시키는 단계는 상기 가축분뇨에 포함된 인과 질소를 스트루바이트(struvite) 형태로 결정화하고, 결정화된 스트루바이트를 외부로 배출할 수 있다.
상기 미생물연료전지가 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산하는 단계는 상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액이 산화조의 내부로 유입되는 단계, 산화전극의 표면에 부착된 미생물이 상기 상등액 내 유기물을 생분해하여 수소 이온 및 전자가 발생하고, 발생된 수소 이온 및 전자가 상기 산화전극으로 이동하는 단계, 상기 수소 이온이 상기 산화전극 및 환원전극 사이에 위치한 분리막을 통과하여 환원전극으로 이동하는 단계, 상기 전자가 상기 산화전극과 환원전극 사이에 형성된 외부 회로를 통해 상기 산화전극으로부터 환원전극으로 이동하여 전기 에너지를 생산하는 단계, 환원조의 내부로 산소가 유입되는 단계; 및 상기 환원전극이 상기 수소 이온, 전자 및 산소를 결합시켜 물을 발생하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 미세조류 광반응기가 상기 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류를 이용해 미세조류를 배양하는 단계는 외부로부터 빛과 무기탄소(CO2)가 상기 미세조류 광반응기의 내부로 공급될 수 있다.
상기 배출제어부가 상기 방류수를 외부로 배출하는 단계는 상기 미세조류 광반응기로부터 방류수를 전달받는 단계, 상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목에 대한 값을 측정하는 단계, 측정값이 기설정된 배출허용기준값 보다 같거나 작은지 판단하는 단계 및 상기 측정값이 상기 배출허용기준값 보다 같거나 작으면, 상기 방류수를 외부로 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목은 암모니아성 질소(NH3-N), 용해성 화학적 산소요구량(SCOD: Soluble Chemical Oxygen Demand), 총 인(T-P), 총 질소(T-N) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도는 상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도보다 낮고, 상기 미세조류 광반응기로부터 배출된 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도는 상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도보다 낮을 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 가축분뇨에 포함된 유기물 및 영양염류를 여러 단계에 걸쳐 연속적으로 제거 및 회수함에 따라 배출허용기준에 적합한 방류수를 배출하여, 환경오염을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨에 대하여 배출허용기준에 적합하도록 내부에 포함된 유기물을 제거함과 동시에 전기를 생산할 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시킨 후 회수함으로써, 상기 가축분뇨로부터 질소 또는 인과 같은 자원을 회수할 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 가축분뇨에 잔존하는 유기물 또는 영양염류를 이용해 미세조류를 배양함으로써, 상기 가축분뇨로부터 바이오매스 형태의 바이오에너지원을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 축산폐수 처리시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 축산폐수 처리시스템의 개략도이다.
도 3은 미생물연료전지의 내부 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 축산폐수 처리방법의 순서도이다.
도 5는 미생물연료전지의 전기 생산과정을 나타낸 순서도이다.
도 6은 배출제어부가 방류수를 외부로 배출하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 7은 미생물연료전지가 일반 가축분뇨를 사용하여 전기를 생산한 경우와, 결정화 과정을 거친 가축분뇨를 사용하여 전기를 생산했을 때의 전압 및 출력밀도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 축산폐수 처리시스템의 개략도이다.
도 3은 미생물연료전지의 내부 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 축산폐수 처리방법의 순서도이다.
도 5는 미생물연료전지의 전기 생산과정을 나타낸 순서도이다.
도 6은 배출제어부가 방류수를 외부로 배출하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 7은 미생물연료전지가 일반 가축분뇨를 사용하여 전기를 생산한 경우와, 결정화 과정을 거친 가축분뇨를 사용하여 전기를 생산했을 때의 전압 및 출력밀도를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 가축을 키우는 축산농가 또는 관련업체로부터 발생되는 가축분뇨 등의 가축분뇨에 대하여 내부에 포함된 유기물을 배출허용기준에 적합하도록 제거하면서, 전기도 생산하고, 이와 동시에 가축분뇨의 내부에 포함된 영양염류로부터 질소, 인 등의 자원을 회수할 수 있는 축산폐수 처리시스템 및 방법에 관한 것이다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 축산폐수 처리시스템에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 축산폐수 처리시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 축산폐수 처리시스템의 개략도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 축산폐수 처리시스템(100)은 결정화 반응조(130), 미생물연료전지(150), 미세조류 광반응기(170) 및 배출제어부(190)를 포함한다.
결정화 반응조(130)는 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨가 유입부(110)를 통해 내부로 유입되면, 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시키고, 상등액을 배출한다. 이러한 결정화 반응조(130)는 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류 중 암모늄 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 추가 반응시켜 결정화할 수 있는데, 이때, 상기 암모늄 이온, 인산염 이온 및 마그네슘 이온의 몰(mole) 비율이 1: 1: 1로 알칼리 pH 조건에서 결정화할 수 있다. 이에 따라, 상기 가축분뇨에 포함된 인과 질소를 스트루바이트(struvite) 형태로 결정화하고, 결정화된 스트루바이트를 외부로 배출할 수 있다. 특히, 인광석 자원의 고갈에 따라 인의 생산이 점차 어려워지는데, 이와 같이 획득한 스트루바이트를 통해 고농도의 인을 회수할 수 있다.
미생물연료전지(150)는 상기 결정화 반응조(130)로부터 배출된 상등액이 배관을 통해 내부로 유입되고, 상기 상등액 내 포함된 유기물을 산화시켜 전기를 생산하고, 유출수를 배출한다.
미세조류 광반응기(170)는 상기 미생물연료전지(150)로부터 배출된 유출수가 유입되고, 상기 미생물연료전지(150) 내 유기물 산화 과정을 거쳤음에도 불구하고, 상기 유출수에 잔존하는 유기물을 이용해 미세조류를 배양하여, 유기물의 농도를 현저히 줄인 방류수를 배출제어부(190)로 전달한다. 이러한 미세조류 광반응기(170)는 외부로부터 빛과 무기탄소(CO2)가 내부로 공급되어, 미세조류 배양에 사용된다. 이와 같이 배양되는 미세조류는 크기가 매우 작고, 물속에서 떠다니면서 빛에너지와 무기탄소(CO2)를 탄소원으로 하여 광합성을 통해 미세조류 바이오매스를 생성하는 독립영양생물 혹은 유기물에 내포된 에너지와 유기물의 탄소를 탄소원으로 하는 종속영양생물을 말한다. 이러한 미세조류는 폐수 내 유기물, 질소, 인 등을 신속하게 흡수하며 성장하기 때문에 환경오염물질에 대한 제거 능력이 탁월하며 다량의 미세조류 바이오매스를 회수 가능하다. 또한, 형성된 바이오매스 내 지방과 탄수화물은 추출정제과정을 거쳐 바이오디젤 또는 바이오에탄올 형태의 바이오 에너지로 변환될 수 있다.
배출제어부(190)는 상기 미세조류 광반응기(170)로부터 전달받은 방류수를 외부로 배출한다. 이때, 상기 배출제어부(190)는 상기 미세조류 광반응기(170)로부터 방류수를 전달받아, 상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목에 대한 값을 측정한다. 이때, 측정하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 항목은 암모니아성 질소(NH3-N), 용해성 화학적 산소요구량(SCOD: Soluble Chemical Oxygen Demand), 총 인(T-P), 총 질소(T-N) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
암모니아성 질소(NH3-N)는 질소의 각종 화합물 중에서 암모니아 또는 암모니아염으로 존재하는 질소를 말한다. 또한, 용해성 화학적 산소요구량(SCOD)은 폐수 내 유기물을 화학적으로 산화시킬 때 얼마만큼의 산소가 화학적으로 소모되는지를 나타내는 것으로, 폐수 내 존재하는 유기물의 양을 간접적으로 측정할 수 있다. 더불어, 상기 총 인(T-P)은 폐수 내 존재하는 인의 총 함유량을 나타내고, 상기 총 질소(T-N)는 폐수 내 존재하는 질소의 총 함유량을 나타낸다.
이에 따라, 상기 배출제어부(190)가 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목에 대한 측정값이 기설정된 배출허용기준값 보다 같거나 작은지 판단하여, 배출허용기준값 보다 같거나 작은 경우에 상기 미세조류 광반응기(170)로부터 전달받은 상기 방류수를 외부로 배출한다.
따라서, 미생물연료전지(150)로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도는 결정화 반응조(130)로부터 배출된 상등액에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도보다 낮고, 미세조류 광반응기(170)로부터 배출된 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도는 상기 미생물연료전지(150)로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도보다 낮을 수 있다.
결과적으로, 축산농가 또는 관련업체로부터 발생된 가축분뇨가 결정화 반응조(130), 미생물연료전지(150), 미세조류 광반응기(170)를 차례로 거치면서, 가축분뇨의 내부에 포함된 유기물을 제거하고, 영양염류를 결정화하여 회수함으로써, 최종적으로 배출허용기준에 적합한 방류수가 외부로 배출될 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 상술한 미생물연료전지에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 3은 미생물연료전지의 내부 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 미생물연료전지(150)는 산화전극(152), 분리막(155), 외부회로(156) 및 환원전극(154)을 포함한다.
산화전극(152)은 결정화 반응조(130)로부터 배출된 상등액이 유입되는 산화조(151)의 내부에 위치하고, 전극 표면에 부착되어 생물막(biofilm)을 이루는 미생물이 상기 상등액 내 유기물을 생분해하여 발생된 수소 이온(H+) 및 전자(e-)를 전달받는다. 이러한 산화전극(152)은 전기 전도도가 높고, 저항이 낮아야 하며, 부식되지 않아야 하는 특성으로 인해, 구리선, 탄소종이, 흑연, 흑연섬유, 흑연브러시, 탄소천, 전도성 고분자 박막 중 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
분리막(155)은 산화전극(152)과 환원전극(154)이 서로 분리되도록 상기 산화전극(152)과 환원전극(154) 사이에 위치하고, 상기 산화전극(152)으로부터 이동하는 상기 수소 이온(H+)을 통과시켜 환원전극(154)으로 전달한다. 따라서, 고도로 선택적인 투과성을 갖는 수소이온교환막(PEM, Proton Exchange Membrane), 양이온교환막, 음이온교환막, 양극성막, 미세여과막, 한외여과막, 부직포 중 하나가 상기 분리막(155)으로 사용될 수 있다.
외부회로(156)는 상기 산화전극(152)과 환원전극(154) 사이를 도선을 통해 연결하여, 상기 산화전극(152)으로 전달된 전자(e-)가 상기 도선을 따라 상기 산화전극(152)로부터 상기 환원전극(154)으로 이동하면서 전기 에너지를 생산한다.
환원전극(154)은 외부로부터 산소가 유입되는 환원조(153)의 내부에 위치하고, 상기 분리막(155)을 통과하여 전달된 수소 이온(H+)과 상기 외부 회로(156)를 통해 이동한 전자(e-) 및 최종전자수용체로서 외부로부터 유입된 산소를 결합반응시켜 물을 생성한다. 이러한 환원전극(154)은 양성자를 쉽게 포획할 수 있도록 높은 산화환원전위를 가져야 하므로, 산화전극의 재질과 동일한 재질이 사용될 수 있다. 이때, 상기 환원전극(154)은 환원반응 시 전위 손실을 최소화하기 위해, 백금과 같은 촉매를 전극 표면에 코팅하거나, 생촉매를 활용하여 환원반응의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 축산폐수 처리방법에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 축산폐수 처리방법의 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 축산폐수 처리방법은 먼저, 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨가 유입부(110)를 통해 결정화 반응조(130)의 내부로 유입된다(S210).
상기 결정화 반응조(130)가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시킨다(S220). 이때, 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류 중 암모늄 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 추가반응시켜 결정화할 수 있다. 특히, 암모늄 이온, 인산염 이온 및 마그네슘 이온의 몰(mole) 비율이 1: 1: 1로 알칼리 pH 조건에서 결정화할 수 있다. 또한, 상기 가축분뇨에 포함된 인과 질소를 스트루바이트(struvite) 형태로 결정화하고, 결정화된 스트루바이트를 외부로 배출할 수 있다. 이를 통해, 인광석의 고갈에 따라 인의 생산이 점차 어려워지는 상황에서 고농도의 인을 회수할 수 있다.
이어서, 상기 가축분뇨의 상등액이 상기 결정화 반응조(130)로부터 배출되어, 배관을 따라 미생물연료전지(150)로 유입된다(S230).
이에 따라, 상기 미생물연료전지(150)가 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산한다(S240).
이하에서는 도 5를 참조하여, 상술한 축산폐수 처리방법 중 미생물연료전지(150)가 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산하는 과정에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 5는 미생물연료전지의 전기 생산과정을 나타낸 순서도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 미생물연료전지(150)가 결정화 반응조(130)로부터 배출된 상등액이 배관을 따라 산화조(151)의 내부로 유입되면(S241), 산화전극(152)의 표면에 부착되어 생물막을 이루는 미생물이 상기 상등액 내 유기물을 생분해하는데, 이때, 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 발생한 수소 이온 및 전자가 상기 산화전극(152)으로 이동한다(S242).
이후, 상기 수소 이온(H+)이 상기 산화전극(152)에서 환원전극(154)으로 상기 산화전극(152) 및 환원전극(154) 사이에 위치한 분리막(155)을 통과하여 이동한다(S243).
또한, 상기 전자(e-)는 상기 산화전극(152)과 환원전극(154) 사이를 연결하는 외부 회로(156)를 통해 상기 산화전극(152)으로부터 환원전극(154)으로 이동하면서 전기 에너지를 생산한다(S244).
이때, 외부로부터 환원조(153)의 내부로 산소가 유입된다(S245).
따라서, 상기 환원전극(154)이 분리막(155)을 통과하여 이동한 상기 수소 이온(H+), 외부회로(156)를 통해 이동한 전자(e-) 및 외부로부터 유입된 산소를 결합반응시켜 물을 생성한다(S246).
다시 도 4로 돌아가서, 미생물연료전지(150)로부터 유출수가 배출되어, 미세조류 광반응기(170)로 유입된다(S250).
상기 미세조류 광반응기(170)가 앞서 미생물연료전지(150)에서 생분해 되었음에도 불구하고, 상기 유출수에 잔존하는 유기물을 이용해 미세조류를 배양한다(260). 이때, 외부로부터 빛과 무기탄소(CO2)가 상기 미세조류 광반응기(170)의 내부로 공급되어, 미세조류를 배양시킬 수 있다. 이처럼, 상기 미세조류 광반응기(170) 내에서 유기물을 이용한 미세조류의 배양이 이루어짐에 따라, 내부로 유입된 유출수의 내부에 미세한 양이지만 잔존하는 유기물을 최대한 제거할 수 있다.
상기 미세조류 광반응기(170)로부터 잔존하는 유기물의 농도를 줄인 방류수가 배출되어, 배출제어부(190)로 유입된다(S270).
따라서, 상기 배출제어부(190)가 유입된 상기 방류수를 외부로 배출한다(S280). 이러한 방류수 배출과정에 대하여 도 6을 참조하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 6은 배출제어부가 방류수를 외부로 배출하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 배출제어부(190)가 먼저, 미세조류 광반응기(170)로부터 방류수를 전달받는다(S281).
이후, 상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목에 대한 값을 측정한다(S282). 이때, 측정하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 항목은 암모니아성 질소량(NH3-N), 용해성 화학적 산소요구량(SCOD: Soluble Chemical Oxygen Demand), 총 인(T-P), 총 질소(T-N) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 암모니아성 질소(NH3-N)는 질소의 각종 화합물 중에서 암모니아 또는 암모니아염으로 존재하는 질소를 말한다. 또한, 용해성 화학적 산소요구량(SCOD)은 폐수 내 유기물을 화학적으로 산화시킬 때 얼마만큼의 산소가 화학적으로 소모되는지를 나타내는 것으로, 폐수 내 존재하는 유기물의 양을 간접적으로 측정할 수 있다. 더불어, 상기 총 인(T-P)은 폐수 내 존재하는 인의 총 함유량을 나타내고, 상기 총 질소(T-N)는 폐수 내 존재하는 질소의 총 함유량을 나타낸다.
상술한 바와 같이 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 항목의 측정값이 기설정된 배출허용기준값 보다 같거나 작은지 판단한다(S283).
상기 측정값이 상기 배출허용기준값 보다 같거나 작다고 판단하면(S284), 상기 방류수가 배출허용기준에 적합하므로, 미세조류 광반응기(170)로부터 전달받은 방류수를 외부로 배출한다(S285).
하지만 이와 달리, 상기 측정값이 상기 배출허용기준값 보다 크다고 판단하면(S284), 상기 방류수가 배출허용기준에 적합하지 않으므로 미세조류 광반응기(170)로부터 전달받은 방류수를 외부로 배출하지 않은 상태에서 ‘방류수 배출 불가’의 내용을 텍스트, 이미지, 그래프, LED 점등, 알람소리 중 적어도 하나의 형태로 외부로 출력한다(S286).
이에 따라, 상기 미생물연료전지(150)로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 농도는 상기 결정화 반응조(130)로부터 배출된 상등액에 잔존하는 유기물 농도보다 낮고, 상기 미세조류 광반응기(170)로부터 배출된 방류수에 잔존하는 유기물 농도는 상기 미생물연료전지(150)로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 농도보다 낮아, 결과적으로 상기 미세조류 광반응기(170)로부터 배출된 방류수에 유기물이 제거되거나, 가장 적게 잔존하는 것을 알 수 있다.
이하에서는 가축분뇨 내 유기물을 효율적으로 제거하면서, 전기 에너지 및 바이오 에너지를 용이하게 획득할 수 있는 본 발명의 축산폐수 처리시스템 및 방법에 대한 성능을 다양한 실험을 통해 살펴보도록 한다.
실험 예 1
먼저, 가축분뇨가 스트루바이트 결정화 반응을 거친 후 배출되는 상등액과, 일반 가축분뇨 각각에 대해 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 성분을 살펴보도록 한다.
하기의 표 1은 스트루바이트 결정화 반응을 거치지 않은 일반 가축분뇨와, 일반 가축분뇨가 스트루바이트 결정화 반응을 거친 상등액에 대한 각각의 암모니아성 질소(NH3-N) 와 용해성 화학적 산소요구량(sCOD) 농도를 나타낸 표이다.
| 가축분뇨 (mg/L) | 상등액 (mg/L) | 제거율(%) | ||
| 스트루바이트 침전 |
암모니아성 질소 (NH3-N) |
2740.83 ± 66.58 | 240.24 ± 25.08 | 91.23 ± 0.91 |
| 용해성 화학적 산소요구량 (SCOD) |
18849 ± 1199.88 | 11861.51 ± 490.98 | 37.07 ± 2.60 | |
| 탄질비 (C/N비) |
6.8 | 49.4 | - | |
| pH | 8.93 ± 0.03 | 8.57 ± 0.07 | - | |
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 가축분뇨에서 암모니아성 질소(NH3-N)가 2740.83 ± 66.58 mg/L 측정되고, 상등액에서 암모니아성 질소(NH3-N)가 240.24 ± 25.08 mg/L 측정된 것을 알 수 있다. 따라서, 스트루바이트 결정화 반응을 거친 상등액이 그렇지 않은 일반 가축폐수에 비하여 91.23 ± 0.91% 의 암모니아성 질소 제거효율을 가지는 것을 알 수 있으며, 이를 통해, 스트루바이트 결정화 반응이 유출수 내 암모니아성 질소 제거에 결정적인 역할을 했다고 유추할 수 있다.
실험 예 2
이하에서는 일반 가축분뇨(RSW)와, 가축분뇨가 스트루바이트 결정화 반응을 거쳐 결정화 반응조(130)로부터 배출된 상등액(SPE)을 각각 미생물연료전지에 유입시켜, 일반 가축분뇨(RSW)와, 상등액(SPE)이 미생물연료전지(150)의 전류발생에 미치는 영향에 대하여 살펴보도록 한다.
먼저, 미생물연료전지(150)로 유입되는 가축분뇨(RSW)와 상등액(SPE)에 대한 암모니아성 질소(NH3-N) 와 용해성 화학적 산소요구량(sCOD) 및 pH 상태는 하기에 기재된 표 2와 같다.
| 용해성 화학적 산소요구량(SCOD) (mg/L) | 암모니아성 질소(NH3-N) (mg/L) | pH | |
| MFC (가축분뇨, RSW) |
10,771.5 | 2,478.0 | 8.543 |
| MFC (상등액, SPE) |
8,087 | 346.5 | 8.612 |
이러한 상태를 갖는 가축분뇨(RSW)와 상등액(SPE)이 미생물연료전지(150)에 각각 적용되었을 때, 미생물연료전지의 V-I 곡선 및 P-I 곡선은 도 7에 도시된 그래프와 같다.
도 7에 도시된 바와 같이, 채워진 원으로 도시된 그래프는 가축분뇨(RSW)가 미생물연료전지(150)에 유입되었을 때 발생되는 전류상태를 나타낸 그래프이고, 채워진 사각형으로 도시된 그래프는 상등액(SPE)이 미생물연료전지(150)에 유입되었을 때 발생되는 전류상태를 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 일반 가축분뇨(RSW)가 유입되어 운전한 미생물연료전지(MFC (RSW))에서는 최대전력밀도 66.65 mW/m2 와, 최대전류밀도 520.91 mA/m2 를 생산하였고, 스트루바이트 결정화 반응을 거친 상등액(SPE)이 유입되어 운전한 미생물연료전지 (MFC (SPE))에서는 최대전력밀도 117.27 mW/m2 와, 최대전류밀도 648.56 mA/m2를 생산한 것을 알 수 있다.
즉, 스트루바이트 결정화 반응을 거친 상등액(SPE)이 유입되어 운전한 미생물연료전지 (MFC (SPE))가 가축분뇨(RSW)가 유입되어 운전한 미생물연료전지(MFC (RSW))보다 약 176% 향상된 최대전력밀도와 약 125% 향상된 최대전류밀도를 생산한 것을 알 수 있다.
따라서, 미생물연료전지(150)로 유입되는 상등액((MFC (SPE)))의 유기물 농도가 미생물연료전지(150)로 유입되는 일반 가축분뇨((MFC (RSW)))의 유기물 농도 보다 더 낮음에도 불구하고, 상등액(SPE)을 기반으로 하는 미생물연료전지(150)의 성능이 더 높게 형성된 이유는 스트루바이트 결정화 반응을 통해 가축분뇨에 함유되어 있는 고농도의 암모니아성 질소가 90% 이상 제거되었기 때문인 것으로 유추할 수 있다.
실험 예 3
이하에서는 미생물연료전지(150)로부터 배출된 유출수를 이용해 미세조류 광반응기(170)의 유기물 제거율을 살펴보도록 한다.
하기의 표 3은 미생물연료전지(150)로부터 배출되어 미세조류 광반응기(170)로 유입되는 유출수의 제거율을 나타낸 표로서, 수리학적 체류시간(HRT)별로 유출수 내 총 인(T-P), 암모니아성 질소(NH4 +-N), 화학적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand)을 각각 측정하였다.
| HRT (day) |
유출수(effluent) | |||||
| T-P (mg/L) |
제거율(%) | NH4 +-N (mg/L) |
제거율(%) | COD (mg/L) |
제거율(%) | |
| 0 | 0.76 | - | 30.2 | - | 312 | - |
| 2 | 0.12 | 83.9 | 0.54 | 98.2 | 182.41 | 41.5 |
| 3 | 0.13 | 83.4 | 0.44 | 98.5 | 79.03 | 76.6 |
| 4 | 0.10 | 87.2 | 0.35 | 98.8 | 72.43 | 76.8 |
| 5 | 0.18 | 76.3 | 0.27 | 99.1 | 19.37 | 93.8 |
상기 표 3에 기재된 바와 같이, 미생물연료전지(150)로부터 배출된 유출수가 미세조류 광반응기(170)로 유입된 첫 날(HRT 0)에 유입된 유출수의 유기물 관련 항목을 측정해 살펴보면, 총 인(T-P)이 0.76 mg/L, 암모니아성 질소(NH4 +-N)는 30.2 mg/L, 화학적 산소요구량(COD)은 312 mg/L 인 것을 알 수 있다.
하지만 시간이 지날수록 총 인(T-P)은 4일 째 87.2%의 가장 높은 제거율을 보이는 것을 알 수 있고, 암모니아성 질소(NH4 +-N)는 2일째부터 98% 이상의 높은 제거율을 나타내는 것을 알 수 있으며, 또한 화학적 산소요구량(COD) 역시 2일째 41.5%의 제거율을 보이다 5일째부터는 93.8%의 제거율을 갖는 것을 알 수 있다.
따라서, 가축분뇨를 기설정된 배출허용기준값에 적합하도록 처리하기 위해서는, 1차적으로 가축분뇨를 스트루바이트 결정화 반응시키고, 미생물연료전지에 적용하여 유기물을 생분해하며, 잔존하는 유기물을 이용해 미세조류를 배양하는 과정을 연속적으로 처리함으로써, 유기물 제거 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 가축분뇨에 포함된 유기물 및 영양염류를 여러 단계에 걸쳐 연속적으로 제거 및 회수함에 따라 배출허용기준에 적합한 방류수를 배출하여, 환경오염을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨에 대하여 배출허용기준에 적합하도록 내부에 포함된 유기물을 제거함과 동시에 전기를 생산할 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시킨 후 회수함으로써, 상기 가축분뇨로부터 질소 또는 인과 같은 자원을 회수할 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에 의한 축산폐수 처리시스템 및 방법은 가축분뇨에 잔존하는 유기물을 이용해 미세조류를 배양함으로써, 상기 가축분뇨로부터 바이오매스 형태의 바이오 에너지를 획득할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
110: 유입부
130: 결정화 반응조
150: 미생물연료전지 151: 산화조
152: 산화전극 153: 환원조
154: 환원전극 155: 분리막
156: 외부회로 170: 미세조류 광반응기
190: 배출제어부
150: 미생물연료전지 151: 산화조
152: 산화전극 153: 환원조
154: 환원전극 155: 분리막
156: 외부회로 170: 미세조류 광반응기
190: 배출제어부
Claims (18)
- 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨가 유입부를 통해 유입되어, 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시키고, 상등액을 배출하는 결정화 반응조;
상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액이 유입되고, 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산하고, 유출수를 배출하는 미생물연료전지;
상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수가 유입되고, 상기 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류를 이용해 미세조류를 배양하여, 방류수를 배출제어부로 전달하는 미세조류 광반응기; 및
상기 미세조류 광반응기로부터 전달받은 방류수를 외부로 배출하는 배출제어부;
를 포함하는 축산폐수 처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 결정화 반응조는
상기 가축분뇨에 포함된 영양염류 중 암모늄 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 반응시켜 결정화하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 결정화 반응조는
암모늄 이온, 인산염 이온 및 마그네슘 이온의 몰(mole) 비율이 1: 1: 1로 결정화하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 결정화 반응조는
상기 가축분뇨에 포함된 인과 질소를 스트루바이트(struvite) 형태로 결정화하고, 결정화된 스트루바이트를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 미생물연료전지는
상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액이 유입되는 산화조의 내부에 위치하고, 전극 표면에 부착된 미생물이 상기 상등액 내 유기물을 생분해하여 발생된 수소 이온 및 전자를 전달받는 산화전극;
상기 산화전극과 환원전극이 서로 분리되도록 상기 산화전극과 환원전극 사이에 위치하고, 상기 산화전극으로부터 이동하는 상기 수소 이온을 통과시켜 환원전극으로 전달하는 분리막;
상기 산화전극과 환원전극 사이를 도선을 이용해 연결하여, 상기 전자가 상기 산화전극으로부터 상기 도선을 따라 상기 환원전극으로 이동하며 전기를 생산하는 외부회로; 및
외부로부터 산소가 유입되는 환원조의 내부에 위치하고, 상기 분리막을 통과하여 전달된 수소 이온과 상기 외부 회로를 통해 이동한 전자 및 외부로부터 유입된 상기 산소를 결합시켜 물을 발생하는 환원전극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 미세조류 광반응기는
외부로부터 빛과 무기탄소(CO2)가 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 배출제어부는
상기 미세조류 광반응기로부터 방류수를 전달받아, 상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목에 대한 값을 측정하고, 측정값이 기설정된 배출허용기준값 보다 같거나 작은지 판단하여, 배출허용기준값보다 같거나 작은 경우에 상기 방류수를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목은
암모니아성 질소(NH3-N), 용해성 화학적 산소요구량(SCOD: Soluble Chemical Oxygen Demand), 총 인(T-P), 총 질소(T-N) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도는 상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도보다 낮고,
상기 미세조류 광반응기로부터 배출된 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도는 상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리시스템.
- 유기물 및 영양염류가 포함된 가축분뇨가 유입부를 통해 결정화 반응조의 내부로 유입되는 단계;
상기 결정화 반응조가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시키는 단계;
상기 가축분뇨의 상등액이 상기 결정화 반응조로부터 배출되어, 미생물연료전지로 유입되는 단계;
상기 미생물연료전지가 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산하는 단계;
상기 미생물연료전지로부터 유출수가 배출되어, 미세조류 광반응기로 유입되는 단계;
상기 미세조류 광반응기가 상기 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류를 이용해 미세조류를 배양하는 단계;
상기 미세조류 광반응기로부터 방류수가 배출되어, 배출제어부로 유입되는 단계; 및
상기 배출제어부가 상기 방류수를 외부로 배출하는 단계;
를 포함하는 축산폐수 처리방법.
- 제10항에 있어서,
상기 결정화 반응조가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시키는 단계는
상기 가축분뇨에 포함된 유기물 중 암모늄 이온과 인산염 이온에 마그네슘 이온을 반응시켜 결정화하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
- 제11항에 있어서,
상기 결정화 반응조가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시키는 단계는
암모늄 이온, 인산염 이온 및 마그네슘 이온의 몰(mole) 비율이 1: 1: 1로 결정화하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
- 제12항에 있어서,
상기 결정화 반응조가 상기 가축분뇨에 포함된 영양염류를 결정화하여 침전시키는 단계는
상기 가축분뇨에 포함된 인과 질소를 스트루바이트(struvite) 형태로 결정화하고, 결정화된 스트루바이트를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
- 제10항에 있어서,
상기 미생물연료전지가 상기 상등액 내 유기물을 산화시켜 전기를 생산하는 단계는
상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액이 산화조의 내부로 유입되는 단계;
산화전극의 표면에 부착된 미생물이 상기 상등액 내 유기물을 생분해하여 수소 이온 및 전자가 발생하고, 발생된 수소 이온 및 전자가 상기 산화전극으로 이동하는 단계;
상기 수소 이온이 상기 산화전극 및 환원전극 사이에 위치한 분리막을 통과하여 환원전극으로 이동하는 단계;
상기 전자가 상기 산화전극과 환원전극 사이에 형성된 외부 회로를 통해 상기 산화전극으로부터 환원전극으로 이동하며 전기 에너지를 생산하는 단계;
환원조의 내부로 산소가 유입되는 단계; 및
상기 환원전극이 상기 수소 이온, 전자 및 산소를 결합시켜 물을 발생하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
- 제10항에 있어서,
상기 미세조류 광반응기가 상기 유출수에 잔존하는 유기물 및 영양염류를 이용해 미세조류를 배양하는 단계는
외부로부터 빛과 무기탄소(CO2)가 상기 미세조류 광반응기의 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
- 제10항에 있어서,
상기 배출제어부가 상기 방류수를 외부로 배출하는 단계는
상기 미세조류 광반응기로부터 방류수를 전달받는 단계;
상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목에 대한 값을 측정하는 단계;
측정값이 기설정된 배출허용기준값 보다 같거나 작은지 판단하는 단계; 및
상기 측정값이 상기 배출허용기준값 보다 같거나 작으면, 상기 방류수를 외부로 배출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
- 제16항에 있어서,
상기 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류와 관련된 적어도 하나의 항목은
암모니아성 질소(NH3-N), 용해성 화학적 산소요구량(SCOD: Soluble Chemical Oxygen Demand), 총 인(T-P), 총 질소(T-N) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
- 제10항에 있어서,
상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도는 상기 결정화 반응조로부터 배출된 상등액에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도보다 낮고,
상기 미세조류 광반응기로부터 배출된 방류수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도는 상기 미생물연료전지로부터 배출된 유출수에 잔존하는 유기물 또는 영양염류의 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 축산폐수 처리방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170149221A KR20190053400A (ko) | 2017-11-10 | 2017-11-10 | 축산폐수 처리시스템 및 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020170149221A KR20190053400A (ko) | 2017-11-10 | 2017-11-10 | 축산폐수 처리시스템 및 방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190053400A true KR20190053400A (ko) | 2019-05-20 |
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| KR1020170149221A KR20190053400A (ko) | 2017-11-10 | 2017-11-10 | 축산폐수 처리시스템 및 방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR20190053400A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112777723A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-05-11 | 大连理工大学 | 基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100446984B1 (ko) | 2001-10-22 | 2004-09-04 | 충북대학교 산학협력단 | 연속식 스트루바이트 결정화 장치 |
| KR100453484B1 (ko) | 2002-09-30 | 2004-10-15 | (주)이엔바이오21 | 폐수처리방법 |
-
2017
- 2017-11-10 KR KR1020170149221A patent/KR20190053400A/ko active Search and Examination
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| KR100446984B1 (ko) | 2001-10-22 | 2004-09-04 | 충북대학교 산학협력단 | 연속식 스트루바이트 결정화 장치 |
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| CN112777723A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-05-11 | 大连理工大学 | 基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法 |
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