WO2018070721A1 - 혐기형 및 호기형 바이오리액터 - Google Patents

혐기형 및 호기형 바이오리액터 Download PDF

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WO2018070721A1
WO2018070721A1 PCT/KR2017/010928 KR2017010928W WO2018070721A1 WO 2018070721 A1 WO2018070721 A1 WO 2018070721A1 KR 2017010928 W KR2017010928 W KR 2017010928W WO 2018070721 A1 WO2018070721 A1 WO 2018070721A1
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landfill
landfill gas
air
inner tube
water
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PCT/KR2017/010928
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김윤희
원종철
심낙종
손원백
김력
이문형
이재구
장근
최근희
이경한
최종식
송강기
김정헌
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주식회사 한국종합기술
수도권매립지관리공사
주식회사 선진엔지니어링 종합건축사 사무소
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B1/00—Dumping solid waste
    • 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
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/30—Aerobic and anaerobic processes
    • 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
    • C02F3/30—Aerobic and anaerobic processes
    • C02F3/302—Nitrification and denitrification treatment
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    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/34—Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/40—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pressure

Definitions

  • the present invention relates to anaerobic and aerobic bioreactors, and more particularly, according to the state of the waste landfill, it is possible to efficiently switch between the process of anaerobic decomposition and aerobic decomposition of organic matter in the waste landfill.
  • the present invention relates to anaerobic and aerobic bioreactors which are easy to maintain and repair, and a method of operating the same.
  • waste such as waste is laminated to a predetermined height, the stacked waste is covered with a shield (cover layer) such as soil, and then stabilized for several years to several decades, thereby making the waste natural.
  • a shield such as soil
  • It is a method of decomposition.
  • landfill gas such as methane and carbon dioxide
  • the landfill gas is collected and used as fuel or incinerated.
  • thorough hygiene management such as daily cover, compaction, etc.
  • the interior of the landfill is dried, the amount of landfill gas is reduced, the landfill stabilization period is prolonged, there is a problem that the aftercare cost increases.
  • the waste landfill is recognized as a huge bioreactor, that is, a bioreactor, and the decomposition conditions of organic waste in the landfill are controlled to control the rate of landfill gas generation or when the landfill gas is not economical.
  • the bioreactor landfill layer includes a waste landfill layer 12 embedded in each stage inside the bank 10, a cover layer 14 disposed on the waste landfill layer 12, and the waste landfill layer.
  • the leachate drainage layer 16 formed in the lower part of the waste landfill layer 12 is included in order to exclude the leachate which arises in (12).
  • the leachate drainage layer 16 is provided with a discharge pipe 20 and a discharge pump 22 for discharging the leachate to the outside.
  • the leachate discharged by the pipe 20 and the pump 22 is mixed with organic waste such as sewage sludge and food wastewater in the mixing tank 24 as needed, and then through the wastewater injection pipe 26. It is fed to the waste landfill layer 12 (leakage recirculation), which increases the water content of the waste landfill layer 12 and promotes decomposition of the waste.
  • FIG. 2 A method of installing a gas collecting tube in the form of a horizontal double tube has been developed and used (see Patent Publication No. 10-2010-0022947), which is schematically shown in FIG. 2.
  • the wastewater injection and landfill gas collection system shown in FIG. 2 has a form surrounding the nozzle installation inner tube 103 and the nozzle installation inner tube 103 for supplying wastewater such as the leachate 160 to the waste layer 12.
  • the water injection to inject the perforated outer tube 102 to collect the landfill gas generated in the waste layer 12, the leachate 160 generated from the waste layer 12 to the nozzle installation inner tube 103 A buried gas discharge part 300 for discharging the landfill gas collected from the portion 200 and the perforated outer tube 102 to the outside of the landfill.
  • An object of the present invention is to detect the generation state of the landfill gas, the supply state of water, the moisture content, etc. in real time in each region of the waste landfill, so that anaerobic decomposition of organic matter in the waste landfill layer is anaerobic and aerobic. It is to provide an anaerobic and aerobic bioreactor capable of efficiently converting the decomposition process.
  • Another object of the present invention is to provide an anaerobic and aerobic bioreactor, which not only facilitates the supply of water and discharges landfill gas, but also requires less installation of flanges, rollers, and the like, and is easy to maintain and repair.
  • the present invention horizontally installed in the waste landfill, (a) the inner tube 32 for dispersing and supplying water or air to the waste layer and the form surrounding the inner tube 32 It is installed in, and consists of a perforated outer tube 34 to collect the landfill gas generated from the landfill, (b) both ends are exposed to the outside of the landfill, through one end, the water or air to the inner tube (32) Is supplied, and the landfill gas collected in the outer tube 34 is discharged through the other end, and (c) the pressure of the water or air supplied to the inner tube 32 at both ends of the inner tube 32.
  • Water injection and landfill gas collecting pipe 30 is installed; A water injection unit 60 supplying water to the inner tube 32; An air injection unit 70 for injecting air into the inner tube 32; A landfill gas discharge unit 80 configured to collect and discharge landfill gas from the outer tube 34; And the bioreactor operating information obtained from the pressure sensor 42, the temperature sensor 44, and the component and moisture meter 46 installed in the water injection and landfill gas collection pipe 30, the water injection unit 60, It provides an anaerobic and aerobic bioreactor comprising an operation control unit 90 for controlling the air injection unit 70 and the landfill gas discharge unit 80.
  • the present invention in the operating method of the bioreactor, the operation information obtained from the pressure sensor 42, the temperature sensor 44 and the component and the moisture measuring device 46 provided in the water injection and landfill gas collection pipe 30
  • the bioreactor is operated under anaerobic or aerobic conditions, and when operating under the anaerobic conditions, the leachate generated in the waste landfill is recycled to the landfill through the water injection unit 60 and the inner tube 32.
  • the landfill gas is collected and energized by the outer tube 34 and operated under the aerobic condition, the recirculation of the leachate is stopped, and air is supplied through the air inlet 70 and the inner tube 32. And injected into the landfill, and the landfill gas is collected from the outer tube 34 to be deodorized and then released to the atmosphere, or recycled to the landfill through the air injection unit 70, anaerobic and It provides a method of operating a bioreactor anomalies.
  • the anaerobic and aerobic bioreactors according to the present invention not only can efficiently switch between anaerobic decomposition and aerobic decomposition of organic matter in a waste landfill, but also require the installation of flanges and rollers. It is small and easy to maintain and repair.
  • FIG. 1 is a view showing the structure of a conventional bioreactor landfill.
  • Figure 2 shows the structure of a conventional horizontal wastewater injection and landfill gas collection system.
  • FIG. 3 is a view showing the configuration of anaerobic and aerobic bioreactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a detailed structure of the water injection and landfill gas collection pipe that can be used in the bioreactor of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a maintenance process of the water injection and landfill gas collection pipe that can be used in the bioreactor of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a process of cross-operating the water injection and landfill gas collection pipe when the bioreactor according to the present invention is combined operation by aerobic and anaerobic decomposition process.
  • FIG. 7 is a view showing the anaerobic and aerobic conversion operation scheme in the bioreactor according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing an example of a method of detecting the water content of the entire landfill area in the anaerobic and aerobic bioreactor according to the present invention.
  • the bioreactor according to the present invention includes a water injection and landfill gas collecting pipe 30, a water injection unit 60, an air injection unit 70, a landfill gas discharge unit 80, and an operation control unit. (90).
  • the water injection and landfill gas collection pipe 30 is installed horizontally on the landfill, similar to the conventional wastewater injection and landfill gas collection pipe shown in FIG. 2, and has a double pipe structure consisting of an inner pipe and an outer pipe.
  • Bay see Patent Publication No. 10-2010-0022947, as shown in Figure 3, both ends of the water injection and the landfill gas collecting tube 30 is exposed to the outside of the waste layer.
  • 4 is a view showing a detailed structure of the water injection and landfill gas collecting pipe 30 that can be used in the present invention.
  • the water injection and landfill gas collection pipe 30 used in the present invention is installed horizontally in the landfill, the inner tube for dispersing and supplying water or air, such as leachate, wastewater, to the waste layer ( 32) and the inner tube 32 is formed in a form surrounding the inner tube 32, and has a structure of a double tube made of a perforated outer tube 34 to collect the landfill gas generated in the landfill.
  • a plurality of nozzles are provided on the side surface of the inner tube 32 at regular intervals or evenly, and evenly transport and disperse the water or air, and the water or air discharged from the inner tube 32 side is a pore-type outside.
  • the tube 34 is uniformly supplied to the landfill.
  • the outer tube 34 serves to collect the landfill gas and to uniformly pass moisture or air discharged from the inner tube 32 side to the buried layer.
  • the remaining portions except for both ends of the water injection and landfill gas collection pipe 30 are embedded horizontally in the landfill, supply water or air to the landfill, and collect the landfill gas generated from the landfill. Both ends of the water injection and landfill gas collection pipe 30 are exposed to the outside of the landfill, for example, exposed to the top of the landfill (left end of Figure 4), or to the management manhole 19 formed by excavating the landfill It is installed to be exposed (right end of Fig. 4).
  • An openable manhole cover 19a may be installed at an upper portion of the management manhole 19.
  • one end (left end) of the water injection and landfill gas collection tube 30 is supplied with water from the water injection unit 60, or air from the air injection unit 70.
  • both ends of the water injection and landfill gas collection pipe 30 are exposed to the outside, and the end where the water or air is injected and the end where the landfill gas is discharged are reversed, thereby injecting water or air and the landfill gas. Can be discharged more smoothly, and it is possible to suppress the discharge of moisture and air together with the landfill gas. If, as shown in Figure 2, the water or the air injection portion and the landfill gas outlet is located at the same end, there is a disadvantage that the discharged landfill gas and the supplied water and air is mixed, or difficult to maintain.
  • Both ends of the inner pipe 32 of the water injection and landfill gas collection pipe 30 are provided with a pressure sensor 42 for measuring the pressure of water or air supplied to the inner pipe 32, respectively, the inner pipe 32 By monitoring the pressure difference between the inlet and the distal end of the c), it is possible to obtain the state and maintenance information of the inner tube 32 such as clogging of the inner tube 32.
  • a temperature sensor 44 for measuring the temperature of the landfill gas discharged, a component of the landfill gas and a component for measuring the water content at the end of the landfill gas discharged from the water injection and landfill gas collecting pipe 30
  • a moisture meter 46 a flow meter for measuring the amount of landfill gas collected.
  • FIG. 5 is a view showing a maintenance process of the water injection and landfill gas collecting pipe 30 used in the present invention.
  • a cable 36 is connected to the end of the inner tube 32, and the inner tube 32 is drawn from the outer tube 34 by pulling the other end of the inner tube 32.
  • the cable 36 connected to the end of the inner tube 32 is pulled in the opposite direction, and the inner tube 32 is inserted into the outer tube 34 again.
  • the inner tube 32 in order to check or maintain the inner tube 32, when the inner tube 32 is drawn from the outer tube 34, the water injection and landfill gas collection pipe exposed to the management manhole 19 ( After disassembling the end of the outer tube 34 of the 30, the cable 36 is connected to the end of the inner tube 32, and on the other side, the other end of the inner tube 32 using a motor M or the like. After pulling out, the inner tube 32 can be inspected or repaired. Then, when inserting the inner pipe
  • a flange and a roller 104 for moving the inner tube 32 in the outer tube 34 are provided. It is not necessary, or the number of installations can be reduced, and the inner tube 32 can be drawn out and inserted more easily.
  • the cable 36 may be used as a camera guide line for observing inside the outer tube 34. As such, the water injection and landfill gas collection pipes 30 have both ends exposed to the outside, so there is an advantage of easy maintenance.
  • the water injecting unit 60 serves to supply water such as leachate, wastewater, etc. to the inner tube 32 of the horizontal type water injecting and landfill gas collecting pipe 30.
  • water such as leachate, wastewater, etc.
  • each of the water injection points that is, each of the horizontal type of water injection and the amount of water supplied to the landfill gas collecting pipe 30 can be individually adjusted.
  • anaerobic decomposition (digestion) of landfill organics is promoted, so that landfills are stabilized and landfill gas generation increases. As shown in FIG.
  • a leachate drainage layer 16 may be installed below the waste landfill, and a leachate drainage pipe 18 may be installed in the leachate drainage layer 16 to discharge the leachate to the outside of the landfill.
  • the leachate discharged by the leachate drain pipe 18 is stored in the storage tank 62, denitrified and nitrified in the biological treatment tank 64, and then recycled to a waste landfill via a water injection unit 60, or chemically treated.
  • the tank 66 it can be reused as cooling water, landscaping water, scattering dust suppression spray, and other reused water in a landfill gas power plant.
  • organic nitrogen is converted into ammonia nitrogen in the landfill, and the ammonia nitrogen concentration tends to increase.
  • the present invention by recycling the treated water from which nitrogen is partially removed through the biological treatment process of denitrification and nitrification to landfill, ammonia nitrogen accumulates in the landfill to prevent the degradation of anaerobic decomposition (digestion). Can be.
  • ammonia nitrogen accumulates in the landfill to prevent the degradation of anaerobic decomposition (digestion). Can be.
  • the leachate generated in the landfill can be recycled by biological and chemical treatment, or the wastewater which is difficult to reuse or the residual water remaining after reuse can be recycled into the landfill.
  • the air injection unit 70 injects air, that is, oxygen, into the inner tube 32 of the water injection and landfill gas collection pipe 30 to induce aerobic decomposition (digestion) of the waste landfill, According to the condition of the moisture distribution characteristics, the amount of landfill gas, etc., each air injection point, that is, the injection amount of the air supplied to each of the water injection and the landfill gas collecting pipe 30 can be individually adjusted.
  • the landfill gas discharge unit 80 collects the landfill gas from the water injection and the outer tube 34 of the landfill gas collection pipe 30 to be used as fuel, naturally discharged, or recycled to the landfill. Specifically, when the bioreactor is operated under anaerobic conditions, the collected landfill gas is used as an energy source because it contains a large amount of methane, and when the bioreactor is operated under an aerobic condition, the collected landfill gas is an oxygen component. Since the deodorization, the atmosphere is released or mixed with the air supplied from the air injection unit 70, it can be supplied back to the landfill.
  • the operation control unit 90 is obtained from the pressure sensor 42, the temperature sensor 44 and the component and moisture measuring device 46 installed in the water injection and landfill gas collection pipe 30
  • the bioreactor operating conditions are determined according to the bioreactor operating information such as the water and air supply state of the landfill, the landfill gas temperature, the landfill gas component and the moisture content, and the water injector 60 and the air injector 70.
  • the landfill gas discharge unit 80 may determine whether to maintain the water injection and the landfill gas collecting tube 30 according to the water and air supply state.
  • FIG. 6 is a view showing a process of cross-operating the water injection and landfill gas collection pipe 30 when the bioreactor according to the present invention is combined operation by aerobic and anaerobic decomposition process.
  • the aerobic and anaerobic combined operation as shown in FIG. 6A, the odd-numbered water injection and the landfill gas collecting pipe 30a are supplied with water, the landfill gas is collected, and the even-numbered water injection and Air is supplied to the landfill gas collection pipe 30b, and landfill gas is not collected.
  • FIG. 6B shows that the even-numbered water injection and landfill gas collecting pipe 30b is supplied with water, the landfill gas is collected, and the odd-numbered water injection and landfill are performed.
  • Air is supplied to the gas collection pipe 30a, and landfill gas is not collected.
  • the operation control unit 90 cross-feeds water or air to the inner tube 32 of the water injection and landfill gas collection pipe 30 to anaerobicly decompose organic matter in the landfill and aerobic decomposition.
  • the process can be combined or converted.
  • FIG. 7 is a view showing the anaerobic and aerobic cross-operation scheme in the bioreactor according to the present invention.
  • FIG. 7A in order to construct a waste landfill, during the landfilling of waste, through the water injection unit 60 and the inner pipe 32 of the water injection and landfill gas collection pipe 30.
  • an anaerobic bioreactor operating an anaerobic bioreactor as a leachate-free system, collecting the landfill gas into the outer tube 34 of the water injection and landfill gas collection pipe 30, the landfill gas
  • the landfill gas collected through the discharge unit 80 is discharged to a separate energy conversion facility, and the like, so that the landfill gas is diverted to the outside of the landfill.
  • the temperature of the waste landfill is low and the anaerobic decomposition is not performed well in a cold area or the like, air is injected into the waste landfill and the waste landfill is heated to an appropriate temperature at which anaerobic decomposition is well performed by utilizing heat generated by the aerobic decomposition. You can also preheat.
  • the leachate is recycled to the landfill layer and operated as an anaerobic bioreactor to increase the amount of landfill gas generated to prevent drying of the landfill layer.
  • the combined operation (anaerobic and aerobic conversion type) is performed so that both anaerobic decomposition and aerobic decomposition are performed.
  • Driving Specifically, a portion of the water injection and landfill gas collecting pipe 30, for example, odd-numbered water injection and landfill gas collecting pipe 30a is supplied with air through an air injection unit 70, and landfill gas Do not collect, the water injection and the remaining of the landfill gas collecting pipe (30a), for example, even-numbered water injection and landfill gas collecting pipe (30b) to supply water through the water injection unit 60, By collecting landfill gas, both anaerobic and aerobic digestion are achieved.
  • the landfill gas collected during this process is released to the atmosphere after deodorization.
  • the landfill gas can be collected, and the collected landfill gas is discharged to the atmosphere after deodorization, or landfilled through the air injection unit 70. Recycled. Through this process, when the landfill is stabilized, the landfill waste can be excavated and removed, and thus used as a new landfill site.
  • the anaerobic and aerobic bioreactor according to the present invention depending on the water content of the landfill and the state of the landfill gas and leachate generated in the landfill, the operation of the water injection and landfill gas collecting pipe 30 Condition can be adjusted.
  • 8 is a view showing an example of a method for detecting the water content of the entire area of the landfill in the anaerobic and aerobic bioreactor according to the present invention. As shown in FIG.
  • a fixed buried type electrical resistivity monitoring wire 52 is installed in a lattice shape at a predetermined interval on the landfill to measure electrical resistivity data in a horizontal direction of the landfill, and the electrical resistivity monitoring wire ( 52 and 2 or more moisture content and the temperature sensor 54 in the vertical direction on the installation line, to measure the moisture content and temperature of the corresponding position.
  • the relationship between the electrical resistivity value and the moisture content is obtained from the moisture content and temperature measured by the moisture content and the temperature sensor 54 and the electrical resistivity value of the corresponding position, and then the obtained relation and the electrical resistivity monitoring wire 52 are obtained. From the electrical resistivity data in the horizontal direction, a measurement of the moisture content of the entire landfill region can be obtained.
  • the moisture content measurement value of the entire landfill area thus obtained is the water content of the landfill obtained from the pressure sensor 42, the temperature sensor 44, and the component and moisture meter 46 installed in the water injection and landfill gas collecting pipe 30.
  • the air supply state, the landfill gas temperature, the landfill gas component and the water content data, are transmitted to the operation control unit 90, the operation control unit 90 is the water injection amount of each of the water injection and the landfill gas collecting pipe 30 , Aerobic and / or anaerobic operations are controlled by adjusting the amount of air injection and landfill gas emissions. For example, at the time of anaerobic operation, the amount of water injection and landfill gas collection amount supplied to the landfill are adjusted.
  • one of the two or more water injection and landfill gas collecting pipe 30 installed per block injects water into one of the landfill gas collecting pipe 30 and collects the landfill gas
  • the other One water injection and landfill gas collection pipe 30 is operated by injecting only air without collecting landfill gas, and after a predetermined time, by alternately operating, by injecting water and air, the air injection amount, landfill gas
  • the amount of capture, leachate recirculation and outside air intake can be controlled.
  • the conversion rate to the exhalation type operation can be controlled by recycling most of the collected landfill gas into the landfill, controlling the inflow of air, and adjusting the oxygen concentration of the air supplied to the landfill. .
  • the anaerobic and aerobic bioreactor according to the present invention can control a plurality of water injection and landfill gas collecting pipe 30, respectively, for each water injection and landfill gas collecting pipe 30, 1 water Sequential placement of injection periods, pause periods, and injection periods in the form of injection, 2 rest, 3 water injection, 4 inspection, during the long-term operation of the bioreactor, due to excessive recycle of leachate, Abnormalities can be prevented.
  • the operation control unit 90 is a temperature, moisture content, moisture according to each position of the landfill through the pressure sensor 42, the temperature sensor 44, the moisture sensor 46, 52, 54, the flow meter installed in the landfill The amount of water supplied, the level and properties of the leachate, the properties of the landfill gas, etc. are measured, and the anaerobic and aerobic operating conditions of the landfill are determined according to the elapsed time of the landfill.
  • the operation control unit 90 controls the water injection unit 60 and the air injection unit 70 to control the amount of water and air injection for each area of the landfill.
  • the water injection unit 60 adjusts the amount of leachate that is recycled (injected) to the landfill after biological treatment and the amount of leachate that is reused after chemical treatment, thereby controlling the moisture in the landfill.
  • the content is controlled, and the landfill gas discharge unit 80 controls the landfill gas collection amount.
  • the water injection unit 60 and the air injection unit 70 may include some water injection and landfill gas collection pipes 30 among two or more water injection and landfill gas collection pipes 30 installed for each block. Water is injected into the landfill gas, and the other water injection and landfill gas collecting pipe 30 injects only air without collecting landfill gas, controls the air injection amount and the landfill gas collection amount, and alternates after a certain time.
  • the operation control unit 90 controls the landfill gas discharge unit 80 to transfer the collected landfill gas to a reuse facility such as a landfill gas power generation facility under anaerobic conditions. Part of the collected landfill gas is recycled to the landfill, and at this time, by controlling the oxygen concentration of the air supplied to the landfill, the conversion rate from the anaerobic type to the aerobic type can be adjusted.
  • the landfill gas can be utilized to the maximum, and the aerobic and anaerobic bioreactors can be operated in a hybrid form to efficiently form a circulating landfill, as well as a water injection and landfill gas collection pipe ( 30) has the advantage of easy maintenance.

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Abstract

폐기물 매립지 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 효율적으로 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유지 및 보수가 용이한 혐기형 및 호기형 바이오리액터 및 그 운전 방법이 개시된다. 상기 바이오리액터는, 폐기물 매립지에 수평으로 설치되며, (a) 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지며, (b) 양 말단은 매립지 외부로 노출되고, 한쪽 말단을 통하여, 상기 내측관(32)으로 수분 또는 공기가 공급되고, 다른 한쪽의 말단을 통하여, 상기 외측관(34)에 포집된 매립가스가 배출되며, (c) 상기 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되고, 상기 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46)가 설치되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30); 수분 주입부(60); 공기 주입부(70); 매립가스 배출부(80); 및 운전 제어부(90)를 포함한다.

Description

혐기형 및 호기형 바이오리액터
본 발명은 혐기형 및 호기형 바이오리액터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 폐기물 매립지의 상태에 따라, 폐기물 매립지 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 효율적으로 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유지 및 보수가 용이한 혐기형 및 호기형 바이오리액터 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
매립을 이용한 폐기물의 처리 방법은, 쓰레기 등의 폐기물을 소정 높이로 적층하고, 적층된 폐기물을 흙 등의 차폐물(복토층)로 덮는 과정을 반복한 다음, 수년 내지 수십년 동안 안정화시켜, 폐기물을 자연 분해시키는 방법이다. 매립된 폐기물 중의 유기성 폐기물이 외부와 차단된 상태에서 자연 분해되면(혐기적 소화), 메탄, 이산화탄소 등의 매립가스가 발생하고, 발생된 매립 가스는 포집되어 연료로 사용되거나 소각된다. 최근에는, 폐기물 매립 후, 일일 복토, 다짐 등 철저한 위생관리를 수행하므로, 매립지 내부가 건조되면서, 매립가스 발생량이 감소하고, 매립지 안정화 기간이 길어져 사후 관리 비용이 증가하는 문제가 발생하고 있다. 따라서, 폐기물 매립지를 거대한 생물 반응기, 즉, 바이오리액터(bioreactor)로 인식하여, 매립지 내부 유기성 폐기물의 분해조건을 조절함으로써, 매립가스의 발생속도를 조절하거나, 매립가스 회수의 경제성이 없는 경우, 매립지에 산소나 공기를 공급하여, 유기성 폐기물을 호기적으로 분해시켜(호기적 소화), 매립지를 조기에 안정화시키는 방법이 사용되고 있다.
도 1은 통상적인 바이오리액터 매립지의 구조를 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 바이오리액터 매립지는, 제방(10) 안쪽에 각 단별로 매립된 폐기물 매립층(12), 상기 폐기물 매립층(12) 상부에 각각 포설되는 복토층(14), 및 상기 폐기물 매립층(12)에서 발생하는 침출수를 배제하기 위하여 폐기물 매립층(12) 최하부에 형성되는 침출수 배수층(16)을 포함한다. 상기 침출수 배수층(16)에는 침출수를 외부로 배출하기 위한 배출 배관(20) 및 배출 펌프(22)가 설치된다. 상기 배관(20) 및 펌프(22)에 의하여 배출된 침출수는, 필요에 따라, 혼합조(24)에서 하수슬러지, 음식물 폐수 등의 유기성 폐기물과 혼합된 후, 폐수 주입 배관(26)을 통하여, 폐기물 매립층(12)으로 공급되어(침출수 재순환), 폐기물 매립층(12)의 수분 함량을 증가시키고 폐기물의 분해를 촉진시킨다.
한편, 폐기물 매립층(12)에서 발생하는 매립가스를 배출시키기 위하여, 폐기물 매립층(12)에 별도의 수직 매립가스 포집정을 설치하는 방법이 일반적으로 사용되었으나, 최근 본 출원인 등은 폐수 주입 배관과 매립가스 포집관을 수평형 이중관의 형태로 설치하는 방법을 개발하여 사용하고 있으며(특허공개 10-2010-0022947호 참조), 이를 도 2에 개략적으로 나타내었다. 도 2에 도시된 폐수 주입 및 매립가스 포집 시스템은, 침출수(160) 등의 폐수를 폐기물층(12)으로 공급하는 노즐 설치 내측관(103), 상기 노즐 설치 내측관(103)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 폐기물층(12)에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(102), 폐기물층(12)으로부터 발생하는 침출수(160)를 상기 노즐 설치 내측관(103)으로 주입하는 수분 주입부(200) 및 상기 유공형 외측관(102)에서 포집된 매립가스를 매립장 외부로 배출하는 매립가스 배출부(300)를 포함한다.
그러나, 도 2에 도시된 수분 주입 및 매립가스 포집 시스템은 내측관(103) 및 외측관(102)의 한 쪽 말단(도 2의 우측 말단) 만이 폐기물층(12) 외부에 노출되고, 다른 말단(도 2의 좌측 말단)은 폐기물층(12)에 매립되어 외부와 단절되므로, 외측관(102)으로부터 내측관(103)을 꺼내어 보수한 후 다시 삽입하는 과정이 번거롭고, 이를 위하여, 외측관(102)과 내측관(103)의 사이에 다수의 플랜지 및 롤러(104, flange and roller)가 설치되어야 한다. 또한, 내측관(103) 및 외측관(102)의 노출된 한쪽 말단에 수분 주입부(200)와 매립가스 배출부(300)가 모두 설치되며, 노출된 말단 부분에서만, 침출수의 주입 상태와 매립가스의 배출 상태를 확인할 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 시스템에 있어서는, 폐기물층(12)에서 최종 배출되는 매립가스의 상태는 확인할 수 있으나, 폐기물층(150)의 내부 영역에 있어서, 매립가스의 발생 상태, 수분 공급 상태, 수분 함량 등을 검출할 수 없으며, 따라서, 폐기물층(150)의 각 영역 별로, 폐수 주입 및 매립가스 포집을 관리할 수 없는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 폐기물 매립지의 각 영역에 있어서, 매립가스의 발생 상태, 수분의 공급 상태, 수분 함량 등을 실시간으로 검출할 수 있으므로, 폐기물 매립층 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 효율적으로 전환시킬 수 있는 혐기형 및 호기형 바이오리액터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 수분의 공급 및 매립가스 배출이 용이할 뿐 만 아니라, 플랜지, 롤러 등의 설치 필요성이 적고, 유지 및 보수가 용이한 혐기형 및 호기형 바이오리액터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 폐기물 매립지에 수평으로 설치되며, (a) 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지며, (b) 양 말단은 매립지 외부로 노출되고, 한쪽 말단을 통하여, 상기 내측관(32)으로 수분 또는 공기가 공급되고, 다른 한쪽의 말단을 통하여, 상기 외측관(34)에 포집된 매립가스가 배출되며, (c) 상기 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되고, 상기 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46)가 설치되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30); 상기 내측관(32)으로 수분을 공급하는 수분 주입부(60); 상기 내측관(32)으로 공기를 주입하는 공기 주입부(70); 상기 외측관(34)으로부터 매립가스를 포집하여 배출하는 매립가스 배출부(80); 및 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 바이오리액터 운전 정보에 따라, 상기 수분 주입부(60), 공기 주입부(70) 및 매립가스 배출부(80)를 제어하는 운전 제어부(90)를 포함하는 혐기형 및 호기형 바이오리액터를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 바이오리액터의 운전 방법에 있어서, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 운전 정보에 따라, 바이오리액터를 혐기성 또는 호기성 조건으로 운전하며, 상기 혐기성 조건으로 운전하는 경우에는, 상기 수분 주입부(60) 및 내측관(32)을 통하여, 폐기물 매립지에서 발생하는 침출수를 매립지로 재순환시키고, 상기 외측관(34)에서 매립가스를 포집하며 에너지화하며, 상기 호기성 조건으로 운전하는 경우에는, 상기 침출수의 재순환을 중지하고, 상기 공기 주입부(70) 및 내측관(32)을 통하여 공기를 매립지로 주입하고, 상기 외측관(34)에서 매립가스를 포집하여 탈취 후 대기 방출하거나, 상기 공기 주입부(70)를 통하여 매립지로 재순환시키는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 운전 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터는, 폐기물 매립지 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 효율적으로 전환시킬 수 있을 뿐 만 아니라, 플랜지, 롤러 등의 설치 필요성이 적고, 유지 및 보수가 용이하다.
도 1은 통상적인 바이오리액터 매립지의 구조를 보여주는 도면.
도 2는 통상적인 수평형 폐수 주입 및 매립가스 포집 시스템의 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 바이오리액터에 사용될 수 있는 수분 주입 및 매립가스 포집관의 상세 구조를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 바이오리액터에 사용될 수 있는 수분 주입 및 매립가스 포집관의 유지 보수 과정을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 바이오리액터를 호기적 및 혐기적 분해 과정으로 복합 운전하는 경우, 수분 주입 및 매립가스 포집관을 교차 운전시키는 과정을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 바이오리액터에 있어서, 혐기형 및 호기형 전환 운전 방식을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터에 있어서, 매립지 전 영역의 수분 함량을 검출하는 방식의 일예를 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 구성을 보여주는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오리액터는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30), 수분 주입부(60), 공기 주입부(70), 매립가스 배출부(80) 및 운전 제어부(90)를 포함한다.
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)은, 도 2에 도시된 종래의 폐수 주입 및 매립가스 포집관과 유사하게, 매립지에 수평하게 설치되며, 내측관과 외측관으로 이루어지는 이중관의 구조를 가지지만(특허공개 10-2010-0022947호 참조), 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 양쪽 말단 모두가 폐기물층 외부로 노출된다. 도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 상세 구조를 보여주는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)은 매립지에 수평으로 설치되며, 침출수, 폐수 등의 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지는 이중관의 구조를 가진다. 상기 내측관(32)의 측면에는 다수의 노즐이 일정 간격 또는 균일하게 설치되어, 수분 또는 공기를 고르게 이송 및 분산하여 배출하며, 상기 내측관(32) 측면에서 배출된 수분 또는 공기는 유공형 외측관(34)을 통해 매립지로 균일하게 공급된다. 상기 외측관(34)은 매립가스를 포집하는 기능과, 내측관(32) 측면에서 배출된 수분 또는 공기를 매립층으로 균일하게 통과시키는 역할을 한다.
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 양 말단을 제외한 나머지 부분은 매립지에 수평으로 매설되어, 수분이나 공기를 매립지로 공급하며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집한다. 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 양 말단은 매립지 외부로 노출되며, 예를 들면, 매립지 상부로 노출되거나(도 4의 좌측 말단), 매립지를 굴착하여 형성된 관리용 맨홀(19)로 노출되도록 설치된다(도 4의 우측 말단). 상기 관리용 맨홀(19)의 상부에는 개폐식 맨홀 뚜껑(19a)이 설치될 수 있다. 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 한쪽 말단(좌측 말단)으로는 수분 주입부(60)로부터 수분이 공급되거나, 공기 주입부(70)로부터 공기가 주입되며, 다른 한쪽 말단(우측 말단)으로는 매립가스 배출부(80)를 통해 매립가스가 배출된다. 이와 같이, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 양 말단을 외부로 노출시키고, 수분 또는 공기가 주입되는 말단과 매립가스가 배출되는 말단을 반대로 위치시킴으로써, 수분 또는 공기의 주입과 매립가스의 배출이 보다 원활히 이루어지고, 또한 수분 및 공기가 매립가스와 함께 배출되는 것을 억제할 수 있다. 만일, 도 2에 도시된 바와 같이, 수분 또는 공기 주입부와 매립가스 배출부가 동일한 말단에 위치하면, 배출되는 매립가스와 공급되는 수분 및 공기가 혼합되거나, 유지 관리가 어려운 단점이 있다.
상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되어, 내측관(32)의 도입부와 말단부의 압력 차이를 모니터링함으로써, 내측관(32)의 막힘 등, 내측관(32)의 상태 및 유지 보수 정보를 얻을 수 있다. 또한, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46), 매립가스 포집량을 측정하는 유량계 등이 설치된다.
도 5는 본 발명에 사용되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 유지 보수 과정을 보여주는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 내측관(32)의 말단에는 케이블(36)이 연결되고, 상기 내측관(32)의 다른 말단을 당겨 외측관(34)으로부터 내측관(32)을 인발한 후, 내측관(32)을 보수한 후, 상기 내측관(32)의 말단에 연결된 케이블(36)을 반대 방향으로 당겨, 내측관(32)을 외측관(34)에 다시 삽입하도록 되어 있다. 구체적으로, 상기 내측관(32)의 점검 또는 유지 보수를 위하여, 외측관(34)으로부터 내측관(32)을 인발하는 경우, 관리용 맨홀(19)로 노출된 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 외측관(34) 말단을 분해한 후, 내측관(32)의 말단에 케이블(36)을 연결하고, 반대쪽에서, 모터(M) 등을 이용하여, 내측관(32)의 다른 말단을 당겨 인발한 후, 내측관(32)을 점검 또는 보수할 수 있다. 그 후, 다시 내측관(32)을 외측관(34)에 삽입할 경우에는, 반대쪽의 모터(M) 등을 이용하여, 내측관(32)의 말단에 연결된 케이블(36)을 반대 방향으로 당겨, 내측관(32)을 외측관(34)에 삽입할 수 있다. 따라서, 본 발명의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 있어서는, 외측관(34) 내에서 내측관(32)을 이동시키기 위한 플랜지 및 롤러(104, flange and roller, 도 2 참조)를 설치가 필요가 없거나, 설치 개수를 감소시킬 수 있고, 보다 용이하게 내측관(32)을 인발 및 삽입할 수 있다. 또한, 상기 케이블(36)을 외측관(34) 내부 관찰용 카메라 유도선으로 사용할 수도 있다. 이와 같이 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)은 양 말단이 모두 외부로 노출되어 있으므로, 유지 보수가 용이한 장점이 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 상기 수분 주입부(60)는 수평형 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32)으로 침출수, 폐수 등의 수분을 공급하는 역할을 하며, 매립지의 수분 분포 특성, 매립가스 발생량 등의 상태에 따라, 각각의 수분 주입 지점, 즉, 각각의 수평형 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)으로 공급되는 수분의 주입량을 개별적으로 조절할 수 있다. 폐기물 매립지로 수분이 공급되면, 매립지 유기물의 혐기적 분해(소화)가 촉진되어, 매립지가 안정화되며, 동시에 매립가스 발생량이 증가된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 폐기물 매립지 하부에는 침출수 배수층(16)이 설치되며, 상기 침출수 배수층(16)에는 침출수를 매립지 외부로 배출하기 위한 유공 침출수 배수관(18)이 설치될 수 있다. 상기 침출수 배수관(18)에 의해 배출된 침출수는 저류조(62)에 저장되고, 생물학적 처리조(64)에서 탈질 및 질산화 처리된 후, 수분 주입부(60)를 거쳐 폐기물 매립지로 재순환되거나, 화학적 처리조(66)를 거쳐 매립가스 발전시설 등의 냉각용수, 조경 용수, 비산먼지 억제용 살수, 기타 재이용수 등으로 재이용될 수 있다. 매립 후 시간이 경과하면, 매립지에서 유기질소가 암모니아성 질소로 전환되어, 암모니아성 질소 농도가 높아지는 경향이 있다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 탈질 및 질산화의 생물학적 처리 공정을 통하여 질소가 일정 부분 제거된 처리수를 매립지로 재순환시킴으로써, 매립지에 암모니아성 질소가 축적되어, 혐기성 분해(소화)가 저해되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이 과정에서, 용존 산소가 매립지로 유입되어, 혐기성 분해가 저해되는 것을 방지하기 위하여, 생물학적 처리 후, 별도로 용존 산소를 제거하는 탈기 과정을 수행하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 매립지에서 발생되는 침출수를 생물학적 및 화학적 처리하여 재이용하거나, 재이용이 곤란한 폐수 또는 재이용 후 남은 잔류수를 매립지 내로 재순환시킬 수 있다.
상기 공기 주입부(70)는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32)으로 공기, 즉 산소를 주입하여, 폐기물 매립지의 호기성 분해(소화)를 유도하는 역할을 하며, 매립지의 수분 분포 특성, 매립가스 발생량 등의 상태에 따라, 각각의 공기 주입 지점, 즉, 각각의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)으로 공급되는 공기의 주입량을 개별적으로 조절할 수 있다. 즉, 폐기물 매립지의 매립가스 발생량이 감소되어, 혐기성 분해의 필요성이 적은 경우, 상기 공기 주입부(70)를 통해 매립지로 공기를 공급하여, 매립지의 유기물을 호기적으로 분해(소화)시켜, 매립지 분해를 더욱 촉진시킴으로써, 매립지의 사후 관리를 조기에 종료하거나, 매립된 폐기물을 재굴착하여 순환 사용할 수 있다.
상기 매립가스 배출부(80)는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 외측관(34)으로부터 매립가스를 포집하여, 연료로 사용하거나, 자연 방출하거나, 매립지로 재순환시킨다. 구체적으로, 바이오리액터가 혐기형 조건으로 운전될 경우, 포집된 매립가스는 다량의 메탄 성분을 포함하므로 에너지원으로 사용되고, 바이오리액터가 호기형 조건으로 운전될 경우에는, 포집된 매립가스는 산소 성분을 포함하므로, 탈취 후 대기 방출되거나, 상기 공기 주입부(70)에서 공급되는 공기와 혼합되어, 매립지로 재공급될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오리액터에 있어서, 상기 운전 제어부(90)는 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 매립지의 수분 및 공기 공급 상태, 매립가스 온도, 매립가스의 성분 및 수분 함량 등의 바이오리액터 운전 정보에 따라, 바이오리액터 운전 조건을 결정하고, 상기 수분 주입부(60), 공기 주입부(70) 및 매립가스 배출부(80)를 제어한다. 또한, 상기 운전 제어부(90)는 수분 및 공기 공급 상태에 따라 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 유지 보수 여부를 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 바이오리액터를 호기적 및 혐기적 분해 과정으로 복합 운전하는 경우, 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)을 교차 운전시키는 과정을 보여주는 도면이다. 호기적 및 혐기적 복합 운전에는, 도 6의 A에 도시된 바와 같이, 홀수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30a)에는 수분을 공급하고, 매립가스를 포집하며, 짝수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30b)에는 공기를 공급하고, 매립가스를 포집하지 않는다. 그 후, 소정 시간 경과 후, 도 6의 B에 도시된 바와 같이, 짝수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30b)에는 수분을 공급하고, 매립가스를 포집하며, 홀수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30a)에는 공기를 공급하고, 매립가스를 포집하지 않는다. 이와 같이, 상기 운전 제어부(90)는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32)으로 수분 또는 공기를 교차 공급시켜, 매립지 내의 유기물을 혐기적으로 분해시키는 과정과 호기적으로 분해시키는 과정을 복합 또는 전환할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 바이오리액터에 있어서, 혐기형 및 호기형 교차 운전 방식을 보여주는 도면이다. 먼저, 도 7의 A에 도시된 바와 같이, 폐기물 매립지를 건설하기 위하여, 폐기물을 매립하는 동안에는, 수분 주입부(60) 및 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 내측관(32)을 통하여, 폐기물 매립지에서 발생하는 침출수를 매립지로 재순환시켜, 침출수 무방류 시스템으로 혐기성 바이오리액터를 운영하되, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 외측관(34)으로 매립가스를 포집하고, 매립가스 배출부(80)를 통해 포집된 매립가스를 별도의 에너지화 시설 등으로 배출하여, 매립가스가 매립지 외부로 발산하는 것을 최소화한다. 만일, 추운 지역 등에서, 폐기물 매립지의 온도가 낮아, 혐기성 분해가 잘 이루어지지 않는 경우에는, 폐기물 매립지에 공기를 주입하여, 호기성 분해로 인한 발생열을 이용하여, 혐기성 분해가 잘 이루어지는 적정 온도까지 폐기물 매립지를 예열할 수도 있다. 또한, 매립이 종료되어 최종 복토가 시행된 후에도, 매립층의 건조화를 방지하기 위하여, 침출수를 매립층으로 재순환시키고, 매립가스 발생량을 증가시키는 혐기성 바이오리액터로 운영하여, 매립지의 조기 안정화를 도모한다.
다음으로, 혐기성 분해가 어느 정도 진행되어, 매립가스의 생산 경제성이 낮아지면, 도 7의 B 및 도 6에 도시된 바와 같이, 혐기성 분해와 호기성 분해가 모두 이루어지도록 복합 운전(혐기 및 호기 전환형 운전)을 수행한다. 구체적으로, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 일부, 예를 들면, 홀수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30a)에는 공기 주입부(70)를 통하여 공기를 공급하고, 매립가스를 포집하지 않으며, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30a)의 나머지, 예를 들면, 짝수 번째의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30b)에는 수분 주입부(60)를 통하여 수분을 공급하고, 매립가스를 포집함으로서, 혐기성 분해와 호기성 분해가 모두 이루어지도록 한다. 이 과정에서 포집된 매립가스는 탈취 후 대기 방출된다.
끝으로, 혐기성 분해의 필요성이 없어지면, 도 7의 C에 도시된 바와 같이, 침출수 등의 수분의 재순환을 중지하고, 상기 공기 주입부(70) 및 내측관(32)을 통하여 공기를 매립지로 주입하여, 호기성 조건으로 바이오리액터로 운영함으로써, 매립지의 조기 안정화를 더욱 촉진시키고, 매립지의 악취유발원인 유기물질을 산화시켜, 굴착 중 악취 영향을 최소화한다. 이때, 공기가 주입되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)으로부터 포집된 매립가스는 탈취 후 대기 방출되거나, 상기 공기 주입부(70)를 통하여 매립지로 재순환된다. 한편, 공기가 주입되지 않는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에서도, 매립가스를 포집할 수 있으며, 이와 같이 포집된 매립가스는 탈취 후 대기 방출되거나, 상기 공기 주입부(70)를 통하여 매립지로 재순환된다. 이러한 과정을 통해, 매립지가 안정화되면, 매립된 폐기물을 굴착하여 제거함으로써, 새로운 매립장 부지로 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터는, 폐기물 매립지의 수분 함량 및 매립지에서 발생하는 매립가스 및 침출수의 상태에 따라, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 운전 조건을 조절할 수 있다. 도 8은 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터에 있어서, 매립지 전 영역의 수분 함량을 검출하는 방식의 일예를 보여주는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 매립지 상부에 일정 간격의 격자 형태로 고정형 매립식 전기비저항 모니터링 와이어(52, wire)를 설치하여, 매립지 수평 방향의 전기비저항 데이터를 측정하고, 상기 전기비저항 모니터링 와이어(52)의 설치 선상에 수직 방향으로 2개 이상의 수분 함량 및 온도 센서(54)를 설치하여, 해당 위치의 수분 함량과 온도를 측정한다. 상기 수분 함량 및 온도 센서(54)에서 측정된 수분 함량 및 온도와 해당 위치의 전기비저항 값으로부터, 전기비저항 값과 수분 함량의 관계를 얻은 다음, 얻어진 관계와 상기 전기비저항 모니터링 와이어(52)로 얻은 수평 방향의 전기비저항 데이터로부터, 매립지 전체 영역의 수분 함량 측정값을 얻을 수 있다.
이와 같이 얻은 매립지 전체 영역의 수분 함량 측정값은, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 매립지의 수분 및 공기 공급 상태, 매립가스 온도, 매립가스의 성분 및 수분 함량 데이터와 함께, 운전 제어부(90)로 전송되고, 운전 제어부(90)는 각각의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 수분 주입량, 공기 주입량, 매립가스 배출량을 조절하여, 호기형 및/또는 혐기형 운전을 수행한다. 예를 들어, 혐기형 운전 시에는, 매립지로 공급되는 수분 주입량 및 매립가스 포집량을 조절한다. 한편, 호기형 운전 시에는, 블록별 2개 이상 설치된 수분 주입 및 매립가스 포집관(30) 중, 하나의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에는 수분을 주입하고 매립가스를 포집하며, 다른 하나의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에는 매립가스의 포집 없이 공기 만을 주입하며 운전하고, 일정 시간 경과 후, 교번하여 운전함으로써, 수분과 공기를 교차 주입하는 방식으로, 공기 주입량, 매립가스 포집량, 침출수 재순환량 및 외부 공기 유입량 등을 조절할 수 있다. 또한, 호기형 운전 시에는, 포집된 매립가스의 대부분을 매립지 내로 재순환하고, 공기의 유입량을 제어하여, 매립지에 공급되는 공기의 산소 농도를 조절함으로써, 호기형 운전으로의 전환 속도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터는 다수의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)을 각각 제어할 수 있으므로, 각각의 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 대하여, ① 수분 주입, ② 휴지, ③ 수분 주입, ④ 점검의 형태로, 주입 기간, 휴지 기간, 점검 기간을 순차적으로 배치함으로써, 바이오리액터의 장기 운영 시, 침출수의 재순환량 과다로 인해, 사면부위 슬라이딩이나 급작스런 시설 이상 등을 예방할 수 있다.
다음으로, 도 3 내지 8을 참조하여, 본 발명에 따른 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 운전 방법을 설명한다. 먼저, 운전 제어부(90)는 매립지 내부에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44), 수분 센서(46, 52, 54), 유량계 등을 통해 매립지의 각 위치에 따른 온도 및 수분 함량, 수분의 공급량, 침출수의 수위 및 성상, 매립가스의 성상 등을 측정하고, 매립 경과기간에 따라, 매립지의 혐기형 및 호기형 운전 조건을 결정한다. 다음으로, 운전 제어부(90)는 수분 주입부(60) 및 공기 주입부(70)를 제어하여, 폐기물 매립지의 영역별로 수분 및 공기 주입량을 제어한다. 구체적으로, 혐기형 운전의 경우, 수분 주입부(60)는 생물학적 처리 후, 매립지로 재순환되는(주입되는) 침출수의 수량과 화학적 처리 후, 재이용되는 침출수의 재이용량을 조절하여, 매립지 내부의 수분 함량을 제어하고, 매립가스 배출부(80)는 매립가스 포집량을 제어한다. 호기형 운전의 경우, 수분 주입부(60) 및 공기 주입부(70)는, 블록별로 2개 이상 설치된 수분 주입 및 매립가스 포집관(30) 중, 일부 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)으로 수분을 주입하고 매립가스를 포집하며, 다른 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에서는 매립가스의 포집없이 공기 만을 주입하며, 공기 주입량 및 매립가스 포집량을 제어하며, 일정시간 경과 후 교번하여 운전함으로써, 수분 주입과 공기 주입의 교차운전을 수행한다. 또한 운전 제어부(90)는 매립가스 배출부(80)를 제어하여, 혐기형 조건에서는 포집된 매립가스를 매립가스 발전시설 등 재이용시설로 이송하며, 호기형 조건에서는, 공기 주입부(70)를 이용하여 포집된 매립가스의 일부를 매립지로 재순환시키며, 이때 매립지로 공급되는 공기의 산소 농도를 제어하여, 혐기형으로부터 호기형으로의 전환속도를 조절할 수 있다.
이와 같이, 혐기형 및 호기형 조건에서, 매립지로 재순환되는 침출수의 수량과 침출수의 재이용량을 조절하여, 침출수의 외부 유출이 발생하지 않는 침출수 무방류 시스템을 구현할 수 있고, 또한, 매립지로 공급되는 산소 농도를 제어하여, 호기성 전환 속도를 제어하고, 매립지의 안정화 기간을 단축할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 매립가스를 최대한 활용할 수 있고, 호기형 및 혐기형 바이오리액터를 하이브리드 형태로 운영하여, 순환형 매립지를 효율적으로 조성할 수 있을 뿐만 아니라, 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 유지 보수가 용이한 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 폐기물 매립지에 수평으로 설치되며, (a) 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지며, (b) 양 말단은 매립지 외부로 노출되고, 한쪽 말단을 통하여, 상기 내측관(32)으로 수분 또는 공기가 공급되고, 다른 한쪽의 말단을 통하여, 상기 외측관(34)에 포집된 매립가스가 배출되며, (c) 상기 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되고, 상기 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46)가 설치되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30);
    상기 내측관(32)으로 수분을 공급하는 수분 주입부(60);
    상기 내측관(32)으로 공기를 주입하는 공기 주입부(70);
    상기 외측관(34)으로부터 매립가스를 포집하여 배출하는 매립가스 배출부(80); 및
    상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 바이오리액터 운전 정보에 따라, 상기 수분 주입부(60), 공기 주입부(70) 및 매립가스 배출부(80)를 제어하는 운전 제어부(90)를 포함하는 혐기형 및 호기형 바이오리액터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내측관(32)의 말단에는 케이블(36)이 연결되고, 상기 내측관(32)의 다른 말단을 당겨 외측관(34)으로부터 내측관(32)을 인발한 후, 내측관(32)을 보수한 후, 상기 내측관(32)의 말단에 연결된 케이블(36)을 반대 방향으로 당겨, 내측관(32)을 외측관(34)에 다시 삽입하도록 되어 있는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폐기물 매립지 하부에는 침출수 배수층(16)이 설치되며, 상기 침출수 배수층(16)에서 배출된 침출수는 생물학적 처리조(64)에서 탈질 및 질산화 처리된 후, 용존 산소를 제거하는 탈기 과정을 거쳐, 상기 수분 주입부(60)를 통해 폐기물 매립지로 재순환되는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폐기물 매립지 상부에 일정 간격의 격자 형태로 설치되어, 매립지 수평 방향의 전기비저항 데이터를 측정하는 고정형 매립식 전기비저항 모니터링 와이어(52); 및
    상기 전기비저항 모니터링 와이어(52)의 설치 선상에 수직 방향으로 2개 이상의 설치되어, 수분 함량과 온도를 측정하는 수분 함량 및 온도 센서(54)를 더욱 포함하며,
    상기 수분 함량 및 온도 센서(54)에서 측정된 수분 함량 및 온도와 해당 위치의 전기비저항 값으로부터, 전기비저항 값과 수분 함량의 관계를 얻고, 얻어진 관계와 상기 전기비저항 모니터링 와이어(52)로 얻은 수평 방향의 전기비저항 데이터로부터, 매립지 전체 영역의 수분 함량 측정값이 얻어지며, 얻어진 매립지 전체 영역의 수분 함량 측정값에 따라, 상기 운전 제어부(90)가 호기형 또는 혐기형 운전을 수행하는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터.
  5. 폐기물 매립지에 수평으로 설치되며, (a) 수분 또는 공기를 폐기물층으로 분산시켜 공급하는 내측관(32)과, 상기 내측관(32)을 둘러싸는 형태로 설치되며, 매립지에서 발생한 매립가스를 포집하는 유공형 외측관(34)으로 이루어지며, (b) 양 말단은 매립지 외부로 노출되고, 한쪽 말단을 통하여, 상기 내측관(32)으로 수분 또는 공기가 공급되고, 다른 한쪽의 말단을 통하여, 상기 외측관(34)에 포집된 매립가스가 배출되며, (c) 상기 내측관(32) 양단에는 내측관(32)으로 공급되는 수분 또는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(42)가 각각 설치되고, 상기 매립가스가 배출되는 말단에는, 배출되는 매립가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(44), 매립가스의 성분 및 수분 함량을 측정하기 위한 성분 및 수분 측정기(46)가 설치되는 수분 주입 및 매립가스 포집관(30); 상기 내측관(32)으로 수분을 공급하는 수분 주입부(60); 상기 내측관(32)으로 공기를 주입하는 공기 주입부(70); 및 상기 외측관(34)으로부터 매립가스를 포집하여 배출하는 매립가스 배출부(80)를 포함하는 바이오리액터의 운전 방법에 있어서,
    상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)에 설치된 압력 센서(42), 온도 센서(44) 및 성분 및 수분 측정기(46)로부터 얻은 운전 정보에 따라, 바이오리액터를 혐기성 또는 호기성 조건으로 운전하며,
    상기 혐기성 조건으로 운전하는 경우에는, 상기 수분 주입부(60) 및 내측관(32)을 통하여, 폐기물 매립지에서 발생하는 침출수를 매립지로 재순환시키고, 상기 외측관(34)에서 매립가스를 포집하며 에너지화하며,
    상기 호기성 조건으로 운전하는 경우에는, 상기 침출수의 재순환을 중지하고, 상기 공기 주입부(70) 및 내측관(32)을 통하여 공기를 매립지로 주입하고, 상기 외측관(34)에서 매립가스를 포집하여 탈취 후 대기 방출하거나, 상기 공기 주입부(70)를 통하여 매립지로 재순환시키는 것인, 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 운전 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 일부에는 공기 주입부(70)를 통하여 공기를 공급하고, 매립가스를 포집하지 않으며, 상기 수분 주입 및 매립가스 포집관(30)의 나머지에는 상기 수분 주입부(60)를 통하여 수분을 공급하고, 매립가스를 포집함으로서, 혐기성 분해와 호기성 분해가 모두 이루어지도록 하는, 혐기형 및 호기형 바이오리액터의 운전 방법.
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