KR20130070145A - 2상 혐기소화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고농도의 유기성 폐자원을 이용하여 바이오가스를 생산하는 혐기소화설비에 관한 것으로서, 특히 산 생성조와 메탄 생성조가 일정 비율로 구분되어 운전되는 2상 혐기소장장치에 관련된다. 상기 혐기소화장치는, 유기성 폐기물을 저장하는 저장조; 상기 저장조에 연결되며, 가수분해 및 산 생성이 일어나는 제1 반응조; 및 상기 제1 반응조에 연결되며, 메탄 생성이 일어나는 제2 반응조;를 포함하고, 상기 제1 반응조와 상기 제2 반응조는 운전조건이 서로 다르게 제어되고, 상기 제2 반응조는 상기 제1 반응조보다 유효체적이 큰 것을 특징으로 한다.

Description

2상 혐기소화 장치{TWO-PHASE ANAEROBIC DIGESTION APPARATUS}

본 발명은 유기성 폐기물을 이용하여 바이오가스를 생산하는 혐기성 소화 설비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혐기성 소화 과정의 주요 단계인 가수분해 및 산 생성 단계와 메탄 생성 단계를 분리하여 운전할 수 있게 구성하여 각 단계별 효율을 향상시킬 수 있는 2상 혐기소화장치 및 그 운전 방법에 관련된다.

버려지는 폐기물 중에 유기성 물질, 즉, 음식물 쓰레기, 식품 부산물, 축산분뇨, 농축 슬러지 등을 통상 유기성 폐기물이라 한다. 유기성 폐기물은 폐기 처분되어야 할 대상에서 최근에는 재활용 가능한 물질로 인식되고 있어 유기성 폐자원으로 지칭되기도 한다.

유기성 폐기물은 보통 매립, 소각, 해양투기 등의 방법으로 처리되거나 퇴비화, 사료화 등의 방법으로 재활용 처리되고 있다. 매립, 소각 등의 처리 방법은 침출수 발생, 악취 유발 등의 환경적, 사회적 문제를 야기한다. 따라서 유기성 폐기물의 처리 방법 중 퇴비화 및 사료화를 통해 자원화 비중을 높여왔다. 하지만, 자원화 과정에서 또한 공정폐수가 발생하고, 공정폐수 등은 상당량이 해양 투기되고 있는 실정이다. 이러한 해양 투기에 의한 유기성 폐기물의 처리는 2013년 이후에는 전면적으로 금지되므로, 적정한 육상 처리 방법이 요구되고 있다.

유기성 폐기물의 육상 처리 방법으로서 혐기성 소화 공법이 대두되고 있다. 그 이유는 혐기성 소화 공법 즉, 산소가 없는 상태에서 혐기성 미생물에 의해 이루어지는 생물 공정을 통해 고농도 유기물의 처리와 동시에 메탄 같은 바이오가스를 생산할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문이다. 따라서 유기성 폐기물은 연료가스를 생산한다는 관점에서 유기성 폐자원으로 칭해질 수 있다.

혐기성 소화 공법의 이러한 장점에도 불구하고 국내에 널리 보급되지 못하고 있는 실정이다. 혐기성 소화 공법에서 각 단계별 미생물의 생장 조건이 상이하여 제어에 어려움이 있었고, 단위 유기물당 발생 바이오가스가 충분하지 못하여 경제성이 부족했기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 혐기성 소화 공법에 있어서, 각 단계별 미생물의 생장 조건을 달리할 수 있으며 각 단계별 조건을 자동적으로 조절할 수 있고, 그 결과 전체적인 공정 효율을 향상시킬 수 있는 2상 혐기소화장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 또한 소화 공정이 단순하고 전처리나 완충조를 요하지 않으며 바이오가스 생산율이 높은 2상 혐기소화장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 유기성 폐기물을 처리하기 위한 2상 혐기소화장치를 제공한다. 상기 2상 혐기소화장치는, 유기성 폐기물을 저장하는 저장조; 상기 저장조에 연결되며, 가수분해 및 산 생성이 일어나는 제1 반응조; 및 상기 제1 반응조에 연결되며, 메탄 생성이 일어나는 제2 반응조;를 포함하고, 상기 제1 반응조와 상기 제2 반응조는 운전조건이 서로 다르게 제어되고, 상기 제2 반응조는 상기 제1 반응조보다 유효체적이 큰 것을 특징으로 한다.

상기 운전조건은 각 반응조 내의 pH, 온도, 피처리물의 체류시간 등을 포함한다. 운전조건 중 특히 pH가 중요한데 각 반응조에 적합한 혐기성 미생물이 pH에 매우 민감하게 반응하고, 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물의 최적 pH 범위가 다르기 때문이다.

전체적인 혐기소화공정의 소요 시간을 고려할 때, 피처리물은 제1 반응조에 머무르는 시간보다 메탄 생성조인 제2 반응조에 머무르는 시간이 더 긴 것이 바람직한 것으로 알려져 있다. 본 발명에 따라서, 제1 반응조와 제2 반응조의 유효체적을 전술한 바와 같이 설정함으로써 각 반응조에서 피처리물의 체류시간을 다르게 즉, 제2 반응조의 체류시간을 상대적으로 더 길게 할 수 있다. 제2 반응조는 제1 반응조보다 유효체적이 3배 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 체적 비는 유기성 폐기물의 기질에 따라서 다르게 설정될 수 있다. 예컨대, 유기성 폐기물이 축산폐수인 경우 제1 반응조 대 제2 반응조의 유효체적 비는 약 1:9인 것이 가장 바람직하고, 유기성 폐기물이 음식물 탈리액인 경우 제1 반응조 대 제2 반응조의 유효체적 비는 약 1:5인 것이 가장 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 반응조 및 선택적으로 상기 제1 반응조는 각 반응조 내의 미생물에 적합한 내부 pH를 감지하기 위해 센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 저장조는 이송펌프를 포함하고, 상기 이송펌프는 상기 pH 감지 센서와 연동하여 동작하도록 제어된다. 바람직하게는 본 발명의 장치는 전체적으로 하나의 이송펌프만을 포함한다. 하나의 이송펌프에 의한 장치 내 피처리물의 이송을 위해, 상기 제1 반응조와 제2 반응조는 동일 수위가 유지되도록 설계되고, 피처리물의 제1 반응조로의/로부터의 유입/유출 및 제2 반응조로의/로부터의 유입/유출은 상기 이송펌프의 작동에 의해 동시에 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 제1 반응조로의 피처리물의 투입은 제1 반응조의 상부를 통해 수행되고, 상기 제2 반응조로의 투입은 제2 반응조의 하부를 통해 수행되는 것이 바람직하다. 상기 제1 반응조로부터 상기 제2 반응조로 피처리물의 이송은 제1 반응조의 수위보다 낮은 곳에서 유출되어 분배관을 통해 상향으로 제2 반응조에 유입된다.

상기 제1 반응조와 제2 반응조는 각각 교반 수단을 포함하고, 이들 교반 수단은 연속적으로 동작하거나, 간헐적으로 동작하도록 제어될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 산 생성조와 메탄 생성조가 분리되어 각각의 운전조건이 독립적으로 제어되고, 상기 산 생성조와 상기 메탄 생성조는 그 수위가 서로 동일하게 유지되고, 하나의 이송펌프에 의해 상기 산 생성조와 상기 메탄 생성조의 피처리물 유출입이 제어되는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치가 제공된다.

상기 메탄 생성조는 그 내부에 pH 센서를 포함하고, 상기 메탄 생성조 내의 pH가 소정의 범위 내로 유지되도록, 상기 이송펌프는 상기 pH 센서의 값을 통해 그 동작 여부가 결정될 수 있다. 상기 산 생성조와 메탄 생성조 내 피처리물의 체류시간은 각 생성조의 체적 비와 상기 이송펌프의 동작에 종속한다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 원수 저장조와 산 생성조와 메탄 생성조를 포함하는 2상 혐기소화장치에 있어서, 상기 산 생성조와 메탄 생성조는 분리되어 각각의 운전조건이 독립적으로 제어되고, 상기 산 생성조와 메탄 생성조는 각각 교반장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 원수 저장조는 이송펌프를 포함하고, 상기 교반장치들은 상기 이송펌프가 동작할 때만 동작하도록 제어될 수 있다. 본 발명의 혐기소화장치는 이송펌프와 교반장치들의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함한다.

본 발명의 2상 혐기소화장치는 각 소화조의 조건을 달리 조절할 수 있어 단계별 우점 혐기 미생물의 분리 성장이 가능하며, 이로 인해 안정적인 공정 운전이 가능하다.

또한, 유입되는 유기성 폐기물의 응집, 침전 등의 전처리를 요하지 않아 상향류식(UASB) 소화 공정에 비해 단순하고 유지 관리가 용이하다. 즉, 전처리가 없는 공정으로 인해 단위 폐자원당 바이오가스로 전환될 수 있는 유기물 함량이 높은 물질이 투입됨으로써 상대적으로 유입 단위 유기성 폐자원당 높은 바이오가스를 생산할 수 있고, 유지 관리를 위한 화학약품 및 전처리 설비가 필요하지 않아 경제성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2상 혐기소화장치 및 이와 연계된 설비의 전체 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 2상 혐기소화장치를 간략하게 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점, 특징 그리고 그것들을 구현하는 것은 상세하게 후술되고 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 하기 실시예는 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 통상의 기술자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 혐기소화장치와 이에 연관된 혐기소화설비의 전체적인 공정도를 간략하게 도시한다. 원수 저장조(100)에는 처리될 원수 즉, 유기성 폐기물이 저장되어 바람직하게는 혼합되는 곳이다. 처리될 원수는 원수 저장조(100)로부터 산 생성조(200)로 일정 수위까지 공급되고, 가수분해 및 산 생성이 일어나는 산 생성조(200)에서 폐기물은 우선 모노머나 올리고머로 분해되고, 이들은 더 분해되어 메탄 생성을 위한 전구물질들인 아세트산, 수소, 이산화탄소 등이 생성된다. 산 생성조(200)를 거친 폐기물은 메탄 생성조(300)로 공급되고, 여기에서 혐기성 분해 반응의 최종 산물이 메탄이 생성된다. 산 생성조와 메탄 생성조에 사용되는 미생물의 종류 및 최적 조건은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

생성된 메탄은 정제 후 가스 저장조로 이송되고, 이것은 열병합 발전소 등으로 이송되어 에너지원으로 활용된다. 산 생성조(200)와 메탄 생성조(300)는 열 교환기와의 열 교환을 통해 각 생성조의 운전에 적합한 온도 조건을 유지하도록 설계될 수 있다. 혐기소화과정 중 제1 및 제2 단계인 가수분해와 산 생성이 수행되는 산 생성조(200)와 제3단계인 메탄 생성이 수행되는 메탄 생성조(300)는 물리적으로 서로 분리됨은 물론, 온도, pH, 체류시간 같은 운전조건이 독립적으로 제어된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2상 혐기소화장치를 도식적으로 나타낸 도면이다. 상기 장치는 기본적으로 원수 저장조(100)와 산 생성조(200)와 메탄 생성조(300)로 구성되고, 이들 간의 유체 이송 또는 이들로부터의 유체 유출을 위한 라인들(L10, L20, L30)을 포함한다.

원수 저장조(100)에는 처리될 유기성 폐자원이 저장되어 있으며, 내부에는 유기성 폐자원을 혼합하기 위한 교반기(도시되지 않음)와 유기성 폐자원을 산 생성조(200)로 이송하기 위한 이송펌프(110)가 구비되어 있다. 원수 저장조(100)의 이송펌프(110)가 동작하면, 원수 저장조(100) 내의 유기성 폐자원은 제1 배관(L10)을 통해 산 생성조(200)로 이송된다.

산 생성조(200)에서 유기성 폐자원은 교반기(210)의 교반날개(211)에 의해 교반된다. 따라서 산 생성조(200) 내의 유기성 폐자원은 교반에 의해 균일한 상태가 되고, 산 생성조(200) 내에 이미 존재할 수 있는 유기성 폐자원 및 미생물과 혼합된다.

산 생성조(200) 내에서 유기성 폐자원은 가수분해 및 산 생성 과정을 거치게 된다. 산 생성 단계에서 산 발효를 위한 적정 pH는 6.0 전후인 것으로 알려져 있다. 산 생성조(200)는 내부의 pH를 체크하기 위해 pH 센서(220)를 포함하고, 이것의 측정 결과는 제어부(도시되지 않음)로 전송되어 원수 이송펌프(110)의 동작을 제어하는데 활용될 수 있다.

산 생성조(200)에서 산 생성 과정을 거친 유기성 폐자원은 특별한 전처리 과정을 거치지 않고 제2 배관(L20)을 통해 메탄 생성조(300)로 이송된다. 이때 메탄 생성조(300)로의 유입은 적어도 2개의 분기구가 있는 분배관(L21)을 통해 메탄 생성조의 하부로부터 분산되게 이루어진다. 이로 인해, 피처리물이 메탄 생성조 내에 체류하는 시간을 가능한 한 길게 할 수 있고, 피처리물이 메탄 생성조 내로 고르게 흩어지게 함으로써 미생물과의 원활한 접촉을 도모할 수 있다. 또한 상기 분배관(L21)을 통해 유입시킬 경우, 하나의 배관을 통한 유입 시 나타날 수 있는 단락류 즉, 유체가 한쪽으로만 가게 되는 현상을 최소화할 수 있다.

메탄 생성조(300)로 유입된 피처리물은 메탄 생성조의 교반기(310)가 동작하면 교반날개(311)에 의해 골고루 혼합된다. 메탄 생성조(300) 내 혐기소화공정의 안정적인 운전을 위해 필요한 적정 pH는 중성 내지는 약알칼리성인 약 6.8-8.0인 것으로 알려져 있다. 메탄 생성조(300)는 내부의 pH를 측정하기 위한 pH 센서(320)를 포함하고, 이것의 pH 측정 결과는 제어부(도시되지 않음)로 전송되어 원수 이송펌프(110)의 동작을 제어하는데 사용된다.

메탄 생성조(300)에서 메탄 미생물에 의해 생성된 메탄은 가스 포집기(330)에 의해 포집된 후 정제수단(도시되지 않음)에 의해 정제되어 저장되고, 메탄 생성 공정을 거친 폐자원은 유출배관인 제3 배관(L30)을 통해 메탄 생성조로부터 빠져나간다.

본 발명의 실시예에 있어서, 전술한 바와 같이, 산 생성조(200)와 메탄 생성조(300)는 각각 교반기(210, 310)을 구비한다. 상기 교반기(210, 310)의 동작에 의해 각 생성조 내의 피처리물이 혼합되기 때문에 고형물이 가라앉아 배관이 막히는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명은 상향류 방식의 혐기소화공법의 운전과 달리 유기성 폐자원의 부유고형물의 농도를 줄이기 위한 응집/침전, 가압 부상 등의 전처리를 요하지 않으므로 전체적인 설비를 단순화시킬 수 있다. 더욱이, 고액 분리 등의 고형물 분리 과정을 거치지 않고 오히려 교반기에 의해 혼합되므로, 분리되는 유기물이 없어 단위 유기성 폐자원당 높은 바이오가스를 생산할 수 있다. 교반기(210, 310)는 장치의 가동 중에 계속 동작할 수 있으나, 에너지 소모를 줄이기 위해서, 원수 저장조(100)의 이송펌프(110)가 동작하여 원수가 이송될 때에만 간헐적으로 동작하도록 설정될 수 있고, 이들의 동작은 제어부에 의해 제어된다.

본 발명에 있어서, 산 생성조(200)와 메탄 생성조(300)의 수위는 동일하게 유지될 수 있도록, 예컨대 도 2에 도시된 방식으로, 산 생성조(200)의 유출배관(L20)이 산 생성조(200)의 수위보다 낮게 위치하고 메탄 생성조(300)의 유출배관(L30)이 산 생성조(200)의 수위와 동일한 수준에 위치하도록, 설계되는 것이 바람직하다. 산 생성조(200)의 수위와 메탄 생성조(300)의 수위를 동일하게 할 경우, 원수 저장조(100)에서 원수 이송펌프(110)가 동작하면, 제1 배관(L10)을 통해 산 생성조(200)로 유기성 폐자원이 유입되고, 산 생성조(200)로의 유입량과 동일한 양이 제2 배관(L20)을 통해 메탄 생성조(300)로 이송되며, 순차적으로 최종 유출배관(L30)을 통해 동일량이 유출됨으로써, 자연 유하 방식에 의해 하나의 원수 이송펌프(110)만으로 전체 유체의 흐름을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 처리용량에 따라 원수 이송펌프(110)은 자동적으로 작동되게 설정될 수 있다. 혐기소화공정의 안정적 운전을 위해서 필수적인 메탄 생성조의 pH 범위가 적정하게 유지될 수 있도록 이송펌프(110)는 메탄 생성조(300)의 pH 센서(320)의 값을 통해 작동 여부가 결정되도록 연동된다. 산 생성조(200)의 유출수는 pH가 낮은 상태이므로, 이것을 메탄 생성조(300)에 투입하기 위해서는 별도의 완충조에서 pH를 높이기 위한 약품 투입 과정 등이 필요한 것으로 인식된다. 본 발명에 따를 경우, pH 센서(320)와 이송펌프(110)을 연동시켜 pH 설정 값에 따라서 이송펌프의 on/off를 제어할 수 있으므로, 적정 pH를 위한 완충조의 필요성이 제거될 수 있다.

특정한 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라 오직 특허청구범위에 의해 제한된다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위 및 사상을 이탈함이 없이 전술한 실시예들을 변경하거나 수정할 수 있다고 인식되어야 한다.

100: 원수 저장조 200: 산 생성조 300: 메탄 생성조 110: 이송펌프 210, 310: 교반기 211, 311: 교반날개 220, 320: pH 센서 330: 가스 포집기 L10, L20, L30: 배관 L21: 분배관

Claims (15)

1. 유기성 폐기물을 처리하기 위한 2상 혐기소화장치로서,
   유기성 폐기물을 저장하는 저장조;
   상기 저장조에 연결되며, 가수분해 및 산 생성이 일어나는 제1 반응조; 및
   상기 제1 반응조에 연결되며, 메탄 생성이 일어나는 제2 반응조;
   를 포함하고, 상기 제1 반응조와 상기 제2 반응조는 운전조건이 서로 다르게 제어되고, 상기 제2 반응조는 상기 제1 반응조보다 유효체적이 큰 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 반응조는 상기 제1 반응조보다 유효체적이 3배 이상인 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
3. 제2항에 있어서, 유기성 폐기물이 축산폐수인 경우 상기 제1 반응조 대 상기 제2 반응조의 유효체적 비가 1:9이고, 유기성 폐기물이 음식물 탈리액인 경우 상기 제1 반응조 대 상기 제2 반응조의 유효체적 비가 1:5이도록 설계된 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응조는 내부의 pH를 감지하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 저장조는 이송펌프를 포함하고, 상기 이송펌프는 상기 pH 감지 센서와 연동하는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반응조는 각각의 수위가 동일하게 유지되도록 설계되고, 피처리물의 상기 제1 반응조로의/로부터의 유입/유출 및 상기 제2 반응조의/로부터의 유입/유출은 상기 저장조의 상기 이송펌프의 작동에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반응조로의 투입은 상기 제1 반응조의 상부를 통해 수행되고 상기 제2 반응조로의 투입은 상기 제2 반응조의 하부를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반응조로부터 상기 제2 반응조로 피처리물의 이송은 상기 제1 반응조의 수위보다 낮은 곳에서 유출되어 분배관을 통해 상향으로 상기 제2 반응조에 유입되는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반응조 및 제2 반응조는 각각 교반 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 교반 수단들은 간헐적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
11. 산 생성조와 메탄 생성조가 분리되어 각각의 운전조건이 독립적으로 제어되고, 상기 산 생성조와 메탄 생성조는 그 수위가 서로 동일하게 유지되고, 하나의 이송펌프에 의해 상기 산 생성조와 상기 메탄 생성조의 피처리물 유출입이 제어되는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 메탄 생성조는 내부에 pH 센서를 포함하고, 상기 메탄 생성조 내의 pH가 소정의 범위 내로 유지되도록, 상기 이송펌프는 상기 pH 센서의 측정값을 통해 그 동작 여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 산 생성조와 메탄 생성조 내의 피처리물의 체류시간이 각 생성조의 체적 비와 상기 이송펌프의 동작에 종속하는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
14. 원수 저장조와 산 생성조와 메탄 생성조를 포함하는 2상 혐기소화장치로서,
    상기 산 생성조와 메탄 생성조는 분리되어 각각의 운전조건이 독립적으로 제어되고, 상기 산 생성조와 메탄 생성조는 각각 교반장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 원수 저장조는 이송펌프를 포함하고, 상기 교반장치들은 상기 이송펌프가 동작할 때만 동작하는 것을 특징으로 하는 2상 혐기소화장치.

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