KR100911835B1 - 다단계 혐기성 소화조 및 이를 이용한 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가축분뇨, 하수슬러지 및 음식물쓰레기 탈리액(음폐수)등의 유기성폐기물에서 혐기성소화에 의해 바이오가스(메탄가스)를 생산하는 설비에 관한 것이다. 본 발명은 기존의 혐기성소화방식을 개량하여 발전시킨 설비로 혐기성소화조를 규격화하였을 뿐 아니라 소화조를 4단계로 구분하여 각 단계별로 각각의 다른 혐기성미생물의 증식과 소화과정을 채택하여 유기물의 분해, 산발효 및 메탄발효를 통해 바이오가스 생산기간을 단축시켰으며 이에 따른 설비를 축소화 하였다.

이를 위하여 본 발명은 유기성폐기물을 순차적으로 흘러가도록 하는 4단계의 독립된 소화조, 각 단계별 소화조의 상부에는 순환펌프가 구비되어 유기성폐기물의 자연 흐름방향에 역으로 흐름을 유도하여 자체순환에 의한 독립적인 소화가 진행된 뒤 다음 단계로 넘어가도록 하고, 각 단계별 소화조의 하부에는 스크류컨베이어가 구비되어 소화과정에서 발생되는 침전물을 수시로 배출하도록 한 특징이 있다.

혐기성소화조, 바이오블럭, 고착성미생물, 부유성미생물, 고효율, 규격화

Description

다단계 혐기성 소화조 및 이를 이용한 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법{The bacteria digestion tank and it`s use biogas production method}

본 발명은 가축분뇨, 하수슬러지 및 음식물쓰레기 탈리액 등의 고농도 유기성 폐기물에서 혐기성소화방식에 의해 바이오가스를 생산하되, 소화조를 다단계로 분리하여 유기물분해 박테리아, 산생성 박테리아 및 매탄생성 박테리아가 독립적으로 서식하도록 하고 이들 박테리아들이 바이오블록에서 고밀도로 서식하면서 유기물을 빠르게 소화시킴으로써, 바이오가스 생산기간을 기존 20 ∼ 30일 걸리던 것을 5일이내로 단축하였고 또한 소화설비를 소형화 시킨 다단계 혐기성 소화조 및 이를 이용한 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법에 관한 것이다.

해를 거듭할수록 매년 증가하는 음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지, 주정폐수 및 도축장폐수 등은 고농도 유기물을 다량 포함하고 있어 오염 부하량이 높아 이에 대한 효율적인 처리가 절실히 요구되고 있다.

특히 음식물쓰레기의 경우 대부분 협잡물 선별, 파쇄, 탈수과정을 거쳐서 탈수케익은 습식사료, 건식사료 및 퇴비로 자원화 하고 있으나, 이때 처리과정에서 필연적으로 발생되는 탈리액은 폐수로써 대부분 해양배출 등으로 폐기처분하여 2차 적인 해양오염을 유발하고 있다.

축산폐수의 경우에도 대부분 혐기성 또는 호기성 소화법을 통해 액비화 및 퇴비화하여 자원화하고 있으나, 퇴비화방법은 처리시 혼합되는 톱밥비용과 판매망의 부족, 액비화방법 등은 국내 경작형태로는 효율적이지 않으며 뿌리는 시기가 한정되어있고 냄새로 인한 민원의 발생 등으로 자원화 하는데 여러 가지 문제점을 안고 있다. 그리고 이러한 고농도 유기성폐기물은 하수종말처리장에서 농축(부상식), 소화(호기성, 혐기성), 개량(약품처리), 탈수 및 건조 등의 단계를 거치면서 최종처분하는 시설이 운영되고 있으나, 이는 약품처리로 인해 자원화로 이용되기에는 적지 않은 환경적 문제점을 갖고 있으며, 공정상 필요한 넓은 부지와 이에 따른 운영비용이 크다는 문제점이 있다. 또한 직매립 방식은 이미 1995년부터 금지되어있고 2012년부터는 해양배출이 금지되는 상황으로 기술적, 경제적 및 친환경적인 처리방법이 시급한 실정이다.

이를 감안하여 종래에는 유기성폐기물을 이용하여 바이오가스를 생산하는 방법이 제안된 바 있다. 기존의 유기성폐기물 혐기성 소화조는 수직원통형의 소화조를 많이 사용하고 있으며, 소화조에 유입되는 폐수의 고형물농도가 5%이상 높은 상태에서는 소화조의 구조상 유기물분해, 산발효 및 메탄발효등의 박테리아가 부유성 미생물로 이들이 혼합된 상태이다.

따라서 이들 박테리아들의 균형과 생육조건 등의 이상적인 소화상태를 이루기가 힘들어 유기물의 완전소화에 따른 체류시간이 20 ∼ 30일의 장기간으로 소화조의 용량이 커지고 이에 따른 시설물의 대형화와 넓은 부지를 필요로 하는 등의 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 고농도의 유기성폐기물을 혐기소화하여 바이오가스를 생산함에 있어 소화조의 소화능력을 좌우하는 기질과 미생물의 접촉을 극대화 시켰으며, 1단계 유기물분해 박테리아, 2,3단계 산생성 박테리아 및 4단계 메탄생성 박테리아를 독립된 소화조에서 바이오블록에 고착시킴으로써 고밀도로 군집해서 살 수 있도록 하였으며, 폐수의 유속을 일정하게 유지시켜 소화기간을 최단으로 단축시킴으로써 설비의 용량 및 체적을 축소시킬 수 있고, 소화조 내의 일정한 환경을 유지시키고 외부환경에 대한 쇼크를 최소화하기 위해 투입되는 유기성폐수의 온도와 pH 및 총고형물량을 최적상태로 조절하는 장치를 두고, 소화조로 투입되는 유기성폐기물의 양을 일일 100 ∼ 1000회에 걸쳐 소량씩 정량으로 연속적인 공급을 위한 장치를 갖는 다단계 혐기성소화조 및 이를 이용한 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법을 제공함에 있다.

또한 소화조의 형태는 규격화 되어 있어, 처리용량 증가에 따른 증설을 용이하게 하고, 4단계의 소화조 공간에서 각기 다른 미생물이 배양될 수 있는 환경을 제공함으로써 소화효율을 높일 수 있는 단계별 공정으로 규격화된 고효율의 혐기성소화조 및 이를 이용한 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

유기성폐기물을 순차적으로 흘러가도록 하는 4단계의 독립된 소화조, 각 단계별 소화조의 상부에는 순환펌프가 구비되어 유기성폐기물의 자연 흐름방향에 역으로 흐름을 유도하여 자체순환에 의한 독립적인 소화가 진행된 뒤 다음 단계로 넘어가도록 하고, 각 단계별 소화조의 하부에는 스크류컨베이어가 구비되어 소화과정에서 발생되는 침전물을 수시로 배출하도록 한 특징이 있다.

본 발명에 따르면 고농도 유기성폐기물을 혐기성소화에 의해 바이오가스를 생산하는 과정에서 4개의 독립된 단계별 소화조와 각 단계별 소화조 내에 6개 이상의 분할된 소화 셀에 장착된 바이오블록에 단계별 혐기성소화 박테리아의 독립적 군락형성으로 전체 혐기성 소화조의 효율을 향상시켰으며, 유기성폐기물의 온도와 pH를 최적상태로 조절하는 장치와, 소화조로 투입하는 유기성 폐기물의 양을 일일 100 ∼ 1,000회에 걸쳐 소량씩 정량을 연속적으로 공급하는 장치를 두어 소화조내의 쇼크를 최소화 하여 최적의 소화환경을 유지시켰으며, 기존 혐기성소화조의 형태에서 나타나는 설비의 대형화, 설치부지의 문제 등을 소형화된 소화조로써 해결하는 동시에 용량 및 크기가 규격화 되어 있어 설치 및 증설에 따른 용이성의 효과를 볼 수 있다.

또한 유기성폐수를 혐기성소화조에 투입하기 전에 혼합탱크에서 적정한 pH(5.0 ∼ 7.0)의 조절과 적정한 온도(30 ∼ 35℃)의 조절, 적정한 고형물량(TS: 5 ∼ 10%)을 조절하고 소량씩 일정량을 연속적으로 소화조에 투입시킴으로써 소화조내의 안정된 박테리아 서식환경과 활동을 유지시킬 수 있으며, 혐기성소화조 내의 독립된 단계별소화조에서는 자연적으로 각각의 박테리아 서식환경과 활동이 달라 이에 따른 효과도 다르게 나타나게 되며, 전체적인 혐기소화능력이 극대화 되어 다량의 바이오가스와 고순도의 메탄가스(CH₄: 65 ∼ 75%)를 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 바이오가스 생산장치의 개략도 이고, 도 2는 본 발명 한 실시예의 혼합탱크의 개략도 이며, 도 3은 본 발명 한 실시예의 소화조의 사시도 이다.

본 발명은 유기성폐기물에 함유되어 있는 큰 입자들을 1cm미만으로 잘게 분쇄하는 분쇄장치(15), 분쇄된 유기성폐기물의 온도와 pH를 조절하고 혼합하는 산도조절장치(3), 유기성폐기물을 소량씩 100 ∼ 1000회에 걸쳐 연속적으로 정량이송 시켜주는 정량이송장치(5) 및 1,2,3,4단계의 소화조(1)(1a)(1b)(1c)로 구성되고, 각 소화조의 하부에는 침전물을 배출하는 스크류컨베이어(7) 장치, 배출된 퇴적물을 탈수하는 탈수기(10) 및 탈수과정에서 발생되는 탈리액을 재순환장치로 투입하는 탈리액 이송탱크(11) 그리고 각 소화조에서 소화된 소화액을 배출하는 소화액 배출장치(9)로 크게 구분된다.

상기 소화조는 유기성폐기물의 온도를 중온소화인 35 ∼ 39℃ 및 고온소화인 52 ∼ 58℃로 가온하여 발효시키는 직육면체의 형태로써, 이는 4개의 단계별 소화조(1)(1a)(1b)(1c)로 분리 구성되며, 각 단계별 소화조에는 상부에 순환펌프(6) 1 기와 하부에 스크류컨베이어(7) 2기씩이 장착되어져 있으며, 이 단계별 소화조(1)(1a)(1b)(1c)는 각기 여러개의 셀로 다시 나눠진다.

나눠진 셀의 내부에는 여러개의 다공성 바이오블록(8)이 수직으로 배열 설치되어져 있다. 전처리단계(그라인딩 , 혼합(4), 가온(2), pH조절(3))를 거친 고농도 유기성폐기물은 온도조절장치(2)에 의해 35 ∼ 39℃ 혹은 52 ∼ 58℃로 가온되고, 산도조절장치(3)에 의해 pH5.0 ∼ 7.0으로 조절되며, 정량이송장치(5)에 의해 혐기성 소화조(1)(1a)(1b)(1c)에 유입된다. 유입 방법은 일일 투입량을 100 ∼ 1000회로 나눠 일정시간 간격을 두며 정량을 연속적으로 공급한다.

상기 1단계 소화조(1)의 각 셀에 내장된 바이오블록(8)에는 유기물을 분해하는 유기물분해 박테리아가 서식하며, 상기 2,3단계 소화조(1a)(1b)의 각 셀에 내장된 바이오블록(8)에는 단분자 유기물질을 지방산, 당, 수소, 이산화탄소 및 아미노산으로 분해하는 산생성 박테리아가 서식하고, 상기 4단계 소화조(1c)의 각 셀에 내장된 바이오블록(8)에는 이산화탄소, 수소 및 활성지방산을 분해하여 최종적으로 매탄을 생성하는 매탄생성 박테이아가 서식한다. 이러한 서식 조건을 갖추기 위해선 각 소화조의 초기 가동으로 부터 약 2 ∼ 3개월의 안정화 기간을 거쳐 본격적인 바이오가스 생산이 가능하다.

본 발명의 각 단계별 처리과정은 다음과 같다.

최초 유입된 유기성폐기물은 1단계 소화조(1)에 설치된 순환펌프(6)에 의해 유기성폐기물 진행방향의 역방향으로 각 셀 내부로 순환되면서 1단계 소화조(1)의 각 셀에 설치되어진 바이오블럭(8)을 통과하게 되고 이때 유기물분해 박테리아에 의해 유기성폐기물은 다분에서 단분자 구조로 분해된다.

1단계 소화조(1)에서 1차 소화를 마친 유기성폐기물은 순환 유입구를 통해 2단계 소화조(1a)로 유입되어 1단계 소화조와 같은 형태로 순환되며 2단계 혐기성소화를 진행한다. 2단계 소화조(1a)에서 2차 소화를 마친 폐기물은 순환 유입구를 통해 3단계 소화조(1b)로 유입되어 2단계 소화조와 같은 형태로 순환되며 3단계 혐기성소화를 진행한다. 2,3단계 소화조(1a)(1b)에는 산생성 박테리아가 서식하는 바이오블록(8)이 각 셀에 내장된 것이므로 1단계 소화에서 생성된 유기성폐기물의 지방 및 단백질을 지방산 및 아미노산으로 분해한다.

2,3단계 소화조(1a)(1b)에서 2,3차 소화를 마친 유기성폐기물은 순환 유입구를 통해 4단계 소화조(1c)로 유입되어 3단계 소화조와 같은 형태로 순환되며 각 바이오블록(8)에 서식하는 매탄생성 박테리아에 의해 지방산 및 아미노산이 탄산 및 암모니아로 분해되어 4단계 혐기성소화를 진행한다.

총 4단계 소화조(1)(1a)(1b)(1c)를 거치면서 최초 유입된 고농도 유기성폐기물은 기질의 물성과 고형물함량에 따라 2 ∼ 5일의 소화기간을 통해 고분자화합물→구성단위화합물→중간대사물→초산,수소,이산화탄소→메탄,이산화탄소 등으로의 과정이 진행되며 소화된 소화액은 소화액 배출장치(9)에 의해 배출된다.

이 진행과정은 연속적인 선입선출형태로 진행되어지며, 진행과정동안 침전 퇴적되어지는 퇴적물은 각 단계 소화조 하단에 장착되어져 있는 2기의 스크류컨베이어(7)에 의해 소화조의 운전과 상관없이 언제든지 배출된다. 배출되어진 퇴적물은 탈수기(10)로 이송되며, 탈수된 고형물은 양질의 퇴비로 사용하고 발생된 탈리 액은 탈리액이송탱크(11)에 모아져 전처리단계인 혼합탱크(4)로 재순환시켜 탈리액에 존재하는 박테리아를 재활용한다. 각 단계의 소화조에서 발생되는 바이오가스는 상부에 마련된 가스층 공간에 모아지며 이 가스는 수분응축과 탈황과정을 거쳐 고순도 바이오가스로 저장되어 사용하게 된다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 바이오가스 생산장치의 개략도

도 2는 본 발명 한 실시예의 혼합탱크의 개략도

도 3은 본 발명 한 실시예의 소화조의 사시도

도 4는 본 발명 한 실시예의 소화조의 흐름을 나타낸 평면도

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

1 : 1단계 소화조 1a : 2단계 소화조

1b : 3단계 소화조 1c : 4단계 소화조

2 : 온도조절장치 3 : 산도조절장치

4 : 혼합탱크 5 : 정량이송장치

6 : 순환펌프 7 : 스크류컨베이어

8 : 바이오블록 9 : 소화액 배출장치

10 : 탈수기 11 : 탈리액 이송탱크

12 : 탈수케익 호퍼 13 : 교반기

14 : 순환펌프 15 : 분쇄장치

Claims (5)

1. 유기성폐기물을 순차적으로 흘러가도록 하는 4단계의 독립된 소화조,

   각 단계별 소화조의 상부에는 순환펌프가 구비되어 유기성폐기물의 자연 흐름방향에 역으로 흐름을 유도하여 자체순환에 의한 독립적인 소화가 진행된 뒤 다음 단계로 넘어가도록 하고,

   각 단계별 소화조의 하부에는 스크류컨베이어가 구비되어 소화과정에서 발생되는 침전물을 수시로 배출하도록 한 것을 특징으로 하는 다단계 혐기성 소화조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 단계별 소화조들은 각각의 내부가 다수의 셀로 세분화 되어 있으며,

   각 셀들에는 다공성 바이오블록이 설치되어 혐기성 소화박테리아들이 고밀도로 군집을 형성하여 소화성능이 향상되도록 한 것을 특징으로 하는 다단계 혐기성 소화조.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 1단계 소화조의 바이오블록들에는 유기물을 지방 및 단백질로 분해하는 유기물분해 박테리아가 서식하고,

   상기 2,3단계 소화조의 바이오블록들에는 지방 및 단백질을 지방산 및 아미노산으로 분해하는 산생성 박테리아가 서식하며,

   상기 제4단계 소화조의 바이오블록들에는 지방산 및 아미노산을 탄산 및 암모니아로 분해하는 매탄생성 박테리아가 서식하도록 한 것을 특징으로 하는 다단계 혐기성 소화조.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항을 이용하여 바이오가스를 생산하되,

   각 단계별 소화조의 바이오블록들마다 혐기성 소화 박테리아들이 서식하도록 각 단계별 소화조를 안정화 시키는 단계;

   안정화 단계가 끝나면 상기 유기성폐기물의 온도와 pH를 조절하여 1단계 소화조로 투입하는 단계;

   상기 유기성폐기물이 1단계 소화조의 유기물분해 박테리아, 2,3단계 소화조의 산생성 박테리아 및 4단계 소화조의 매탄생성 박테리아에 의해 순차적으로 분해 처리되어 매탄가스가 생성되도록 하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   정량이송장치를 이용하여 일일 투입량을 100 ∼ 1000회로 나눠 일정시간 간격을 두며 정량 연속적으로 공급하여, 2 ∼ 5일의 소화기간을 거처 유기성폐기물에서 매탄가스를 얻는 것을 특징으로하는 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법.

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