KR20190121101A - 혐기성 소화공정의 실시간 모니터링 시스템 - Google Patents

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KR20190121101A
KR20190121101A KR1020180044630A KR20180044630A KR20190121101A KR 20190121101 A KR20190121101 A KR 20190121101A KR 1020180044630 A KR1020180044630 A KR 1020180044630A KR 20180044630 A KR20180044630 A KR 20180044630A KR 20190121101 A KR20190121101 A KR 20190121101A
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Abstract

본 발명은 혐기성 공정의 모니터링 시스템(1)에 관한 것이다. 유기성 폐기물이 저장되는 여액 저장조(3)와, 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조(5)와, 산발효조(5)에서 처리된 처리수를 혐기성 발효하는 혐기성 소화조(7)를 포함하는 혐기성 공정의 모니터링 시스템(1)으로서, 모니터링 시스템(1)은 산발효조(5)에 장착되어 VFA, pH를 측정하는 제 1센싱부(25)와; 혐기성 소화조(7)에 장착되어 VFA, ALK, HCO3-, 암모니아성질소, pH를 측정하는 제 2센싱부(27)와; 그리고 제 1 및 제 2센싱부(25,27)로부터 데이터를 수신하여 각 인자들의 적절 여부 및 F/T비를 산출하여 산발효조(5) 및 혐기성 소화조(7)의 현 상태를 판단하는 분석기(28)를 포함한다.

Description

혐기성 소화공정의 실시간 모니터링 시스템{System for real-time monitering anaerobic digestion process}
본 발명은 혐기성 소화공정의 실시간 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혐기성 소화공정에서 발생되는 인자들을 실시간으로 모니터링함으로써 공정의 전체적인 제어가 가능한 기술에 관한 것이다.
우리나라에서 발생하는 음식물쓰레기의 처리 현황을 살펴보면, 과거에 비하여 1997년도에는 음식물류 폐기물의 직·매립금지조항이 폐기물관리법에 명시되고 수도권매립지에서 젖은 쓰레기 반입금지를 시행하고 지자체에서는 공동주택을 중심으로 분리수거를 실시하여 자원화율이 서서히 증가하고 매립하는 양이 감소하는 추세를 보였다.
즉, 1996년까지 매립방식이 92.8% 이상으로 높은 비율을 차지하고 있었으나, 이후 계속적으로 감소하여 2003년에는 24.88%를 보인 것이다.
이와 더불어 음식물쓰레기의 재활용율을 살펴보면, 1995년 2.1%에서 조금씩 증가를 보이다가 2003년도에는 발생되는 전체 음식물쓰레기에 대하여 재활용비율이 67.71%로 증가되었고, 현재는 음식 쓰레기 직·매립금지 조치에 따라 각 지자체에서 분리수거를 단독주택에까지 확대하고 있기 때문에 자원화율은 더욱 높아질 것이다.
상기와 같이 음식물쓰레기를 자원화하는 과정의 일환으로 최근에는 음식물쓰레기를 메탄가스로 자원화하여 재활 용하는 연구 즉, 혐기소화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 혐기소화라 함은 여러 가지 복잡한 공생미생물 군집이 무산소 상태에서 유기물질을 메탄과 이산화탄소로 분해하는 과정이다.
이론적으로 폐기물 중 생물분해가 가능한 유기물의 약 90%가 메탄으로 전환될 수 있고 더욱이 유기성 폐기물을 안정화시켜 혐기소화 과정 후에 생성되는 슬러지는 토양과 물에는 아무런 환경상의 위해를 가하지 않으면서 토양개량제와 비료로서 이용될 수 있기 때문에 또 다른 에너지 절감을 가능하게 한다.
특히 바이오가스의 주요성분인 메탄은 윤통성이 많은 형태의 재생에너지로서 열과 전기로 전환될 수 있으며, 차량 연료도로 사용될 수 있다.
결국 혐기소화는 다음와 같은 두 가지 방법으로 지구 기후변화에 대한 잠재적인 위험성을 감소시킨다.
첫째, 혐기소화를 통하여 바이오가스를 포착함으로서 자연 상태에서의 메탄 방출량을 줄일 수 있다. 이산화탄소에 비해약 21배에 해당하는 지구온난화 기여 가능성을 갖는 메탄은 우리나라에서 온실가스 방출량의 약 15%를 차지하고 있다.
둘째, 혐기소화에서 생산된 바이오가스를 화석연료로 대체할 수 있다면 화학연료로부터 생성되는 이산화 탄소를 회피할 수 있어 결과적으로 지구온난화 원인 물질을 감소시킬 수 있다.
그러나 혐기 소화 공정은 미생물의 낮은 성장률, 처리된 유출수의 악취 문제, pH조절을 위한 많은 양의 버퍼의 필요성 등이 문제점 내지 한계점으로 대두되고 있다. 기존의 기술력으로는 이러한 문제점들을 극복하기 어려워 호기성 처리 공정에 비해 크게 주목받지 못하고 있는 실정이다.
이는 다양한 종의 혐기성 세균이 공생관계를 형성하며 다양한 유기 물질을 메탄으로 전환하기 위해선 매우 복잡 하고 여러 단계의 경로를 거쳐야 하기 때문에 성공적인 혐기성 공정 운영을 위한 모니터링 및 제어가 상대적으로 어려웠기 때문이다.
또한, 하수슬러지 처리에 적용되고 있는 단상 소화시스템은 산발효 단계와 메탄발효 단계가 하나의 반응기에서 이루어진다. 산 발효 미생물이나, 메탄 발효 미생물은 공생관계이긴 하나 최적 생장조건이 서로 상이하기 때문에 성상이 균일하고 비교적 유기물 함량이 낮은 하수슬러지에 대해서는 단상의 소화조 적용이 큰 문제가 되지 않는다.
그러나 유기물 함량이 고농도이고 균질화 되지 않은 음식물쓰레기나 축산분뇨에 대해서 단상 소화조를 적용하면 과도한 VFA(휘발성지방산) 생성을 유도하여 pH저하 등의 문제가 야기된다.
이러한 문제점을 보완하고 시스템의 안정적인 운전을 꾀하기 위하여 최근 산발효조와 메탄 발효조를 별도로 하는 2상 혐기성 소화 시설에 대한 적용이 시도되고 있다.
그러나 각 반응조의 우점 미생물이 크게 다르고 이에 따른 운전 조건이 상이하여 현재까지도 최적 조건의 설정및 유지를 위한 운전 전략 수립이 미흡한 상황이다.
특히, 메탄 발효조내에서 발효가 일어나기 위한 최적 pH는 7.0이 가장 좋은데 산 발효조에서 생성된 산이 직접 발효조로 들어가 산 충격이 발생함으로써 공정 자체의 운전이 정지되는 경우도 발생된다.
상기한 바와 같이, 종래의 혐기성 시스템은 산발효조 혹은 혐기성 소화조 등에서 발생되는 VFA, ALK, HCO3-, 암모니아성질소, pH 등의 인자를 실시간으로 파악할 수 없어서, 공정의 효율이 낮고 오작동 발생시 효과적으로 대응할 수 없는 문제점이 있다.
1) 특허 공개 제1995-0017748호(명칭:막을 이용한 이상 소화에 의한 고농도 유기폐수의 처리 방법) 2) 특허 등록 제352811호(명칭: 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법)
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 혐기성 소화공정에서 발생되는 인자들을 실시간으로 모니터링함으로써 공정의 전체적인 제어가 가능한 기술을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는,
유기성 폐기물이 저장되는 여액 저장조(3)와, 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조(5)와, 산발효조(5)에서 처리된 처리수를 혐기성 발효하는 혐기성 소화조(7)를 포함하는 혐기성 공정의 모니터링 시스템(1)으로서,
모니터링 시스템(1)은 산발효조(5)에 장착되어 VFA, pH를 측정하는 제 1센싱부(25)와;
혐기성 소화조(7)에 장착되어 VFA, ALK, HCO3-, 암모니아성질소, pH를 측정하는 제 2센싱부(27)와; 그리고
제 1 및 제 2센싱부(25,27)로부터 데이터를 수신하여 각 인자들의 적절 여부 및 F/T비를 산출하여 산발효조(5) 및 혐기성 소화조(7)의 현 상태를 판단하는 분석기(28)를 포함하는 혐기성 공정의 모니터링 시스템(1)을 제공한다.
상기한 혐기성 공정의 실시간 모니터링 시스템은 혐기성 소화공정에서 발생되는 인자들을 실시간으로 모니터링함으로써 공정의 전체적인 제어가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혐기성 소화조의 모니터링 시스템을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 혐기성 소화공정의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 모니터링 시스템의 각 구성을 보여주는 블럭도이다.
도 4는 도 1에 도시된 모니터링 시스템의 제 1 및 제 2센싱부와, 분석기의 구조를 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 5는 도 1에 도시된 분석기의 구조를 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 소화공정의 실시간 모니터링 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 모니터링 시스템(1)은 혐기성 소화공정을 구성하는 산발효조(5)와, 혐기성 소화조(7)에서 발생하는 인자들을 실시간으로 모니터링하여 전체적으로 제어할 수 있다.
혐기성 소화공정은 음식물 쓰레기장, 축산폐수에서 고형분을 제거한 유기성 폐기물이 저장되는 여액 저장조(3)와; 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조(5)와; 산발효조(5)에서 처리된 처리수를 혐기성 발효하는 혐기성 소화조(7)를 포함한다.
그리고, 여액 저장조(3)와, 산발효조(5)와, 혐기성 소화조(7)는 모니터링 시스템(1)에 의하여 제어됨으로써 VFA(휘발성 지방산;Volatility Fat Acid), ALK(알칼리도;Alkalinity), HCO3-(중탄산염;bicarbonate), 암모니아성질소, pH를 각각 측정하고 적절여부를 판단하게 된다.
염기성 소화공정을 보다 상세하게 설명하면,
여액 저장조(3)는 전처리 공정을 거쳐서 유입되는 여액이 저장된다. 예를 들면, 악취처리 공정, 음식물, 축산 폐수공정 등의 전처리 공정을 거친 여액이 공급되어 저장된다.
이러한 여액 저장조(3)는 내부에 교반기(11)가 장착됨으로써 처리효율을 높일 수 있다.
그리고, 여액 저장조(3)에서 처리된 여액은 이송관을 통하여 산발효조(5)로 공급된다. 이때, 여액 저장조(3)의 출측에는 산발효조 이송펌프가 연결됨으로써 여액을 산발효조(5)로 이송시킬 수 있다.
산발효조(5)는 공급된 유기성 폐기물 등의 여액을 가수분해 반응 혹은 산생성 반응에 의하여 산발효시키게 된다.
이러한 산발효조(5)에서는 포름산, 초산, 프로피온산, 부틸산 등에 의하여 유기성 폐기물이 처리될 수 있다.
산발효조(5)는 여액이 저장되어 산발효가 진행되는 저장조(10)와; 저장조(10)의 내부에 상하로 배치되어 교반하는 교반기(11)와; 저장조(10)의 출측에 배치되어 처리수를 혐기성조로 이송시키는 혐기소화조 이송펌프(13)를 포함한다.
상기 저장조(10)의 내부에는 회전축이 상하방향으로 배치되고, 회전축의 상부에는 모터가 연결된다. 그리고, 회전축에는 반경 외측방향으로 적어도 하나의 임펠러가 배치된다.
따라서, 모터가 구동하는 경우 회전축에 의하여 임펠러가 회전함으로써 저장조(10) 내부에 저장된 여액이 교반되어 산발효가 보다 효과적으로 진행될 수 있다.
이와 같이, 산발효 처리된 처리수는 혐기 소화조 이송펌프(13)에 의하여 혐기성 소화조(7)로 공급되어 혐기처리 된다.
이러한 혐기성 소화조(7)는 다양한 종류의 소화조(7)가 적용될 수 있으며, 예를 들면, 특허출원 제10-2010-77291호에 제시된 혐기성 소화조(7)가 적용될 수 있다.
즉, 혐기성 소화조(7)는 원수가 유입되어 혐기반응에 의하여 처리된 후 배출되는 반응조(15)와; 이 반응조(15)의 내부에 다단으로 배치되어 가스와 원수가 상승하는 과정에서 고액분리와 교반이 이루어지는 혐기반응 활성수단(17)과; 반응조(15)의 하부에 배치되어 원수가 유입되는 유입관(19)과; 반응조(15)의 상부에 배치되어 가스가 배출되는 가스 배출관(21)과; 반응조(15)의 상부에 배치되어 처리수가 배출되는 유출관(23)을 포함한다.
이러한 혐기성 소화조(7)에 있어서, 먼저 반응조(15)의 내부로 원수가 유입되며, 유입된 원수에서 혐기반응이 진행됨으로써 가스가 발생된다.
그리고, 가스가 상승하여 제 1활성부의 저면에 포집되어 수위를 형성함으로써 그 상부에 제 1체류공간이 형성된다. 그리고, 제 1체류공간에 포집된 가스가 제 1활성부의 제 1유체 이동관을 통하여 상승하게 되고, 고형물간의 농도차 이에 의한 고액분리 및 미세기포의 혼합으로 인한 기포 형성으로 인하여 교반이 1차적으로 진행된다.
이와 같이 제 1활성부를 통과하여 상승하게 되고, 제 2 및 제 3활성부에서도 동일한 과정으로 통과하게 된다.
그리고, 반응조(15)의 최상단에 도달한 가스 및 원수가 외부로 배출된다.
이와 같이, 혐기성 소화조(7)에서 배출된 처리수는 후공정의 저류조 등으로 이송되고, 가스는 바이오 가스 저장조(10) 등으로 이송되어 저장된다.
한편, 상기한 모니터링 시스템(9)은 산발효조(5)에 장착되어 VFA, pH, 수위, 온도, 압력을 측정하는 제 1센싱부(25)와; 혐기성 소화조(7)에 장착되어 VFA, ALK, HCO3-, 암모니아성질소, pH, 수위, 온도, 압력을 측정하는 제 2센싱부(27)와; 제 1 및 제 2센싱부(25,27)로부터 데이터를 수신하여 각 인자들의 적절 여부 및 F/T비를 산출하여 산발효조(5) 및 혐기성 소화조(7)의 현 상태를 판단하는 분석기(28)를 포함한다.
제 1센싱부(25)는 산발효조(5)의 VFA값을 측정하는 센서(29)와, pH를 측정하는 pH 센서(31)와, 수위센서, 온도센서, 압력센서를 포함한다. 그리고 VFA는 다음 수식에 의하여 연산될 수 있다.
VFA=(b×101)-(a+100)/99.23×(100/20)--------------수식 1
(a:염산투입량, b:가성소다투입량)
즉, 산발효조(5)에서 채취된 처리수를 여과한 후 증류수와 혼합하고, 염산을 주입하여 pH를 조절한 후 가열하고, 가성소다를 투입하여 pH를 6.5까지 높히는 방식이다. 이때, 표준측정범위는 10-500 mg/L 이상이다.
pH는 다양한 방식으로 측정될 수 있는 바, 유리전극, 수소전극과, 킨하이드론 전극, 안티몬 전극, 액체막형 전극, pH용 FET 센서 등의 측정센서가 적용가능하다. 이때, 표준측정범위는 0-14이다.
그리고, 수위센서는 산발효조(5)의 내부 수위를 측정하여 분석기로 전송하며, 온도 및 압력센서는 각각 온도 및 압력을 측정하여 분석기로 전송한다.
이때, 수위센서는 전체 용적의 80% 혹은 설정 수위에 도달시 각 투입펌프 를 연동하여 운전한다. 온도센서는 30~38도 온도와 연동되어 열교환기의 내부순환펌프를 가변 운전시킨다. 압력센서는 250~300mmaq에　연동되어 각 투입펌프를 연동 운전시킨다.
제 2센싱부(27)는 혐기성 소화조(7)에서 VFA값을 측정하는 VFA 센서(32)와, ALK값을 측정하는 ALK 센서(33)와, HCo3-를 측정하는 HCO3 센서(35)와, 암모니아성 질소를 측정하는 센서(37)와, pH 센서(39), 수위센서, 압력센서, 온도센서를 포함한다.
VFA 센서(32)는 제 1센싱부(25)와 동일한 센서에 의하여 측정하는 바, 혐기성 소화조(7)에서 처리된 처리수의 VFA를 측정하게 된다. 이때, 표준측정범위는 10-500 mg/L 이상이다.
ALK 센서(33)는 안티 포밍 모듈(Anti-foaming module)에 의하여 측정한다. 즉 ALK는 아래 수식에 의하여 연산된다.
{(a*b*1000)/c}*50---------------------수식 2
(a:H2SO4 실제농도(N) b:소모된 황산용액의 부피(mL) c:시료부피(mL)
50:결과표시 변환계수)
이때, 표준측정범위는 0-20,000 mg/L 이상이다.
HCO3 센서(35)는 셀프 클리닝 필터 시스템(self cleaning filtration system)에 의하여 측정할 수 있으며, 그 측정값은 다음의 수식에 의하여 연산된다.
{(a*b*1000)/c}*61---------------------수식 3
(a:H2SO4 실제농도(N) b:소모된 황산용액의 부피(mL) c:시료부피(mL)
61:결과표시 변환계수)
암모니아성 질소 센서(37)는 다양한 방식의 센서에 의하여 측정될 수 있으며, 예를 들면 전위차형 암모늄 전극방식에 의한 센서에 의하여 측정된다.
이때, 표준측정범위는 2-3g/L NH3 이상이다.
pH는 제 1센싱부(25)와 동일한 센서에 의하여 측정하는 바, 혐기성 소화조(7)에서 처리된 처리수의 pH를 측정하게 된다.
그리고, 수위센서는 혐기성 소화조(7)의 내부 수위를 측정하여 분석기로 전송하며, 온도 및 압력센서는 각각 온도 및 압력을 측정하여 분석기로 전송한다.
이때, 수위센서는 전체 용적의 80% 혹은 설정 수위에 도달시 각 투입펌프 를 연동하여 운전한다. 온도센서는 30~38도 온도와 연동되어 열교환기의 내부순환펌프를 가변 운전시킨다. 압력센서는 250~300mmaq에　연동되어 각 투입펌프를 연동 운전시킨다.
한편, 제 1 및 제 2센싱부(25,27)에서 측정된 VFA, ALK, HCO3-, 암모니아성질소, pH값, 수위값, 온도값, 압력값은 중앙 제어실의 분석기(28)로 전송되어 적정여부 및 F/T비가 실시간으로 판단된다.
이러한 분석기(28)는 신호가 입력된는 입력부(43)와; 입력된 데이터를 분석하여 F/T비 및 적정여부를 판단하는 연산부(45)와; 각 인자에 대한 데이터가 저장되는 DB(49)와; 연산된 결과를 출력하는 출력부(47)와; 연동펌프, 마이크로 펌프, 디스펜서, pH 전극을 포함한다.
연산부(45)는 논리연산기, 레지스터, 프로그램 카운터, 명령디코더, 제어회로 등의 연산장치와 제어장치로 구성되어 명령을 해석하고 실행하는 마이크로 프로세서(Micro processor)를 포함한다.
이러한 연산부(45)는 제 1 및 제 2센싱부(25,27)에서 전송된 각각의 인자, 즉 VFA, ALK, HCO3-, 암모니아성질소, pH값, 수위, 온도, 압력을 수신하여 해당 값이 적정 범위 이내인지 여부와, F/T비를 연산하게 된다.
F/T비는 FOS(Volatile Organic Acid)/TAC(Total Inorganic Carbonate) 간의 비율을 의미하는 것이다.
F/T비는 0 내지 0.6 범위 이내이고, 이 범위를 단계별로 구분함으로써 각 단계에 적절한 제어를 하게 된다.
예를 들면, 0∼0.2인 경우는 유기물이 과도하게 부족한 것으로 판단하여 유기물의 주입량을 빠르게 증가시킨다.
0.2∼0.3인 경우는 유기물이 부족한 것으로 판단하여 유기물의 주입량을 서서히 증가시킨다.
0.3∼0.4인 경우는 바이오 가스가 최대로 발생하는 것으로 판단하여 유기물의 주입량을 지속적으로 유지한다.
0.4∼0.5는 부하가 다소 걸리는 것으로 판단하여 혐기 소화조(7)의 상태를 밀착적으로 관찰하게 된다.
0.5∼0.6는 유기물이 과잉 주입되는 것으로 판단하여 유기물의 주입량을 감소시킨다.
0.6 이상인 경우는 유기물이 과도하게 주입되는 것으로 판단하여 유기물의 주입을 중단시킨다.
이와 같이, F/T비를 산출하고, 그 결과에 따라 혐기성 소화조(7) 및 산발효조(5)를 실시간으로 제어할 수 있다.

Claims (4)

  1. 유기성 폐기물이 저장되는 여액 저장조(3)와, 유기성 폐기물을 산발효하는 산발효조(5)와, 산발효조(5)에서 처리된 처리수를 혐기성 발효하는 혐기성 소화조(7)를 포함하는 혐기성 공정의 모니터링 시스템(9)으로서,
    모니터링 시스템(9)은 산발효조(5)에 장착되어 VFA, pH를 측정하는 제 1센싱부(25)와;
    혐기성 소화조(7)에 장착되어 VFA, ALK, HCO3-, 암모니아성질소, pH를 측정하는 제 2센싱부(27)와; 그리고
    제 1 및 제 2센싱부(25,27)로부터 데이터를 수신하여 각 인자들의 적절 여부 및 F/T비를 산출하여 산발효조(5) 및 혐기성 소화조(7)의 현 상태를 판단하는 분석기(28)를 포함하는 혐기성 공정의 모니터링 시스템(1).
  2. 제 1항에 있어서,
    제 1센싱부(25)는 산발효조(5)에 장착되는 VFA 센서(32) 및 pH 센서(39)를 포함하며,
    VFA는 다음 수식에 의하여 연산될 수 있는 혐기성 공정의 모니터링 시스템(1).
    VFA=(b×101)-(a+100)/99.23×(100/20)--------------수식 1
    (a:염산투입량, b:가성소다투입량)
  3. 제 1항에 있어서,
    제 2센싱부(27)는 혐기성 소화조(7)에 장착된 VFA 센서(32)와, ALK 센서(33)와, HCo3 센서(35)와, 암모니아성 질소 센서(37)와, pH 센서(39)를 포함하며,
    ALK 및 HCO3는 아래 수식에 의하여 연산되는 것을 특징으로 하는 혐기성 공정의 모니터링 시스템(1).
    ALK={(a*b*1000)/c}*50---------------------수식 2
    (a:H2SO4 실제농도(N) b:소모된 황산용액의 부피(mL) c:시료부피(mL)
    50:결과표시 변환계수)
    HCO3={(a*b*1000)/c}*61---------------------수식 3
    (a:H2SO4 실제농도(N) b:소모된 황산용액의 부피(mL) c:시료부피(mL)
    61:결과표시 변환계수)
  4. 제 1항에 있어서,
    분석기(28)는 제 1 및 제 2센싱부(25,27)로부터 신호가 입력된는 입력부(43)와; 입력된 데이터를 분석하여 F/T비 및 적정여부를 판단하는 연산부(45)와; 각 인자에 대한 데이터가 저장되는 DB(49)와; 연산된 결과를 출력하는 출력부(47)와; 연동펌프, 마이크로 펌프, 디스펜서, pH 전극을 포함하는 혐기성 공정의 모니터링 시스템(1).
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