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KR20140004989A - 남은음식물 및 축산폐수를 병합처리하기 위한 복합고온혐기성소화공법 - Google Patents

남은음식물 및 축산폐수를 병합처리하기 위한 복합고온혐기성소화공법 Download PDF

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KR20140004989A KR20120072628A KR20120072628A KR20140004989A KR 20140004989 A KR20140004989 A KR 20140004989A KR 20120072628 A KR20120072628 A KR 20120072628A KR 20120072628 A KR20120072628 A KR 20120072628A KR 20140004989 A KR20140004989 A KR 20140004989A
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Abstract

본 발명은 남은음식물 및 축산폐수를 병합하여 고온메탄발효처리하는, 복합고온혐기성소화공법으로서, 남은음식물은 분쇄하여 전처리단계로 산분해조에 투입하여 가수분해하고, 처리된 산분해수와 축산폐수를 혼합하여 적정 수소이온농도로 조절하여 혐기성 고온소화조에 투입하고, 메탄발효하여 생성된 바이오가스를 열병합발전기(CHP)로 발전하여 한전송전망에 공급하고, 고온소화수는 중온소화조에서 안정화하여, 액비로 재활용하는 공법으로서;
1) 종래의 공법은 반응단계가 하나로 이루어지나, 혐기성 소화반응은 산발효와 메탄발효의 2단계의 반응으로 이루어지므로, 이를 1단 산분해조 및 2단 혐기성 고온소화조로 나누어서, 각기 다른 최적 반응조건으로 조정하여 운전하고,
2) 메탄발효 반응 온도는 종래에는 주로 중온법(37도C)으로 운전되었으나, 본 공법에서는 고효율인 고온법(57도C)을 채용함으로서, 유기물의 메탄전환율도 2배로 늘어나므로 유기성분의 잔존량이 없어지고 잔류물내의 병원균의 소독 및 잡초씨의 제거도 완전하게 이루어져서,
3) 중온소화조에서 메탄발효를 종결시켜 안정화된 중온소화수를 여과하여 고형물을 퇴비화하고, 여액은 안전하게 유기농법에 액비로 재활용하는 공법.

Description

남은음식물 및 축산폐수를 병합처리하기 위한 복합고온혐기성소화공법 {Hybrid Thermophilic Anaerobic Digestion Process for the Combined Treatment of Food-waste and Pig-manure.}
본 발명이 속하는 기술분야는 남은음식물 및 축산폐수와 같은 고농도 유기탄소성분 및 총질소성분을 처리하고 재활용하는 고부하 고온혐기성소화, 바이오가스 생산 및 열병합발전기술이다.
축산폐수는 상수원인 하천호소의 부영양화 및 녹조발생의 주요인으로 꼽히고 있다. 우리나라 축산폐수의 발생량은 총 오폐수의 1%수준이나, 유기탄소성분(BOD)기준 오염부하량은 15%로써, 고농도의 유기탄소, 인 및 질소를 함유한 오염원이다. 축산폐수의 문제는 주로 일천만두에 달하는 양돈농장에서 발생되는 돈분뇨이며, 그중에서도 대규모 고밀도 양돈농장에서 주로 채용되는 스러리돈사에서 배출되는 고농도 배출수는 악성 유기폐수로써, 현재 국내처리기술로는 아직 검증된 적절한 처리공법이 개발되지 않은 실정이다. 돈분뇨 및 축사 세척수등이 섞이어 배출되는 이폐수는 1차 고액분리를 거쳐 고형분은 퇴비화하고 분리액만을 폐수처리하게 되는데, 이때의 오염도는 유기탄소(CODcr): 50,000피피엠(PPM), 총질소(T-N): 6,000피피엠(PPM) 수준으로서, 일반생활하수의 약일백배에 달한다.
축산폐수에 의한 수자원의 오염을 방지하기 위하여 건설된 축산폐수 공공처리장은 대부분 호기성공법을 채택하고 있다. 그러나 호기성공법을 채용시는 필수적인 전처리로서 고농도의 미세부유물을 응집침전 시켜 유기물 농도를 저하시키기 위하여 과량의 화학약품을 투여하며, 호기성처리를 위한 충분한 산소전달을 위하여는 많은 동력이 소요되어, 운전비의 과도한 상승은 물론 과도한 화학폐기물 발생으로 인한 2차오염의 우려마져 초래한다.
남은음식물의 처리는 그동안 건조, 사료화, 퇴비화의 세가지 주방향으로 처리되어 왔다. 그러나 건조는 연료비가 과다하고, 사료화는 효용성이 현저하게 낮음이 증명되었고, 퇴비는 우리나라의 식습관에 기인한 높은 염분함량 등의 결함으로 비료로서의 수요가 저조하여, 세 방법 공히 경제성이 없어 실패한 상태이다.
돈분뇨의 마리당 배출량은 10리터/일로서 인간의 약10배에 달하며 고농도의 질소 및 인을 함유한다. 이들은 농사에 필요한 영양소로써, 돈분뇨를 약6개월간 저장하여 안정화시키면 양질의 액비가 됨으로, 옛부터 농사에 유용하게 사용되어 왔다. 그러나 전세계적으로 양돈방식이 고밀도 기업화함으로써, 양돈농장에서 배출되는 축산폐수는 주변하천을 부영양화시킬 뿐만 아니라, 돈분뇨의 장기간 저장시에 발생되는 악취와 메탄가스에 의한 온실효과 또한 심각한 문제로 전문가들에 의하여 부각되었다. 따라서 돈분뇨는 우리나라 뿐만이 아니라, 유럽, 미국, 등 세계 여러지역에서, 날로 확산되는 환경문제로 대두되어, 환경당국과 단체들의 관심을 고조시킴으로써 여러나라에서 양돈농장의 규모나 건설, 축분뇨의 유통에 대한 규제를 불러일으키고 있는 실정이다.
따라서 남은음식물 및 축산폐수를 미세부유물의 제거 없이 처리하여, 생성가스로 열과 전기를 생산하는 고효율 혐기성공법의 개발은 환경보전 및 대체에너지 개발을 동시에 실현하기 위하여 시급히 요청되는 현안이라 할 것이다.
1) 남은음식물과 축산폐수 단독으로는 메탄발효를 활성화 시킬 수 없으며, 그 원인은;
(가) 축산폐수는 암모니아함량이 많아 독성으로 인하여 메탄균의 활성이 저하되며, (나) 남은음식물은 산패로 인한 낮은 수소이온농도(PH) 때문에, 직접 메탄소화조에 투입하면 높은 수소이온농도(PH)가 필요한 메탄발효의 활성을 저해한다.
남은음식물과 축산폐수를 적정비율로 사전에 혼합 중화하여 적합한 성상으로 고온소화조에 투입하여 메탄발효를 활성화시키면 고효율로 바이오가스를 생산할 수가 있는 것이다.
1) 남은음식물은 파쇄하여 메탄발효조에 투입하기전에 산분해조에 투입하여 산분해조에 적합한 낮은 수소이온농도(PH)를 유지함으로서 고효율로 가수분해시킨다.
2) 메탄발효 온도는 종래의 중온법(섭씨37도)이 아닌 고효율인 고온법(섭씨57도)을 채용하여, 반응온도가 10도 상승시 반응속도는 2배로 늘어나므로, 중온법의 4배로 반응속도를 증가시키고, 유기탄소의 메탄전환율도 2배로 증가시키며, 메탄발효수 내의 병원균의 소독 및 잡초씨의 제거도 완전하게 이루어져서, 중온소화조에서 메탄발효를 종결시키고 안정화되어 고액분리한 액비와 퇴비를 유기농법 비료로 안전하게 사용케 한다.
3) 메탄발효반응이 활성화되면 유기탄소의 바이오가스 전환율이 향상하고, 바이오가스 생산량이 증가하며, 메탄가스 함량이 향상되어, 생성되는 바이오가스를 열병합발전기 (Combined Heat Power-generator: CHP)에 의하여 전기 또는 열로 전환하고, 열은 고온소화조의 가열수요를 충족시키고, 전기는 자체 폐수처리공정의 동력수요량을 충당하고, 잉여분은 한전송전망에 연계 판매 한다.
1) 남은음식물과 축산폐수가 메탄발효의 활성화로 효율적으로 병합처리된다.
2) 고온소화조에서 소독되고, 중온소화조에서 안정화된 메탄발효소화수를 여과하여 고형물은 퇴비화하고, 여액은 안전한 유기농 액비로 재활용한다..
3) 메탄발효의 활성화로 대체에너지인 바이오가스 생성이 증대된다.
[도 1]은 남은음식물 및 축산폐수를 병합처리하기 위한 복합고온혐기성소화공법의 공정도이다.
별첨[도 1]에 의하여 상세히 설명하면;
(1)남은음식물 호파 내에 저장된 남은음식물을 (2)선별 콘베이어로 배출하여 금속 수저 및 비닐 등 협잡물을 선별해 내고, (3)파쇄기로 투입하여 파쇄 또는 분쇄를 하여 교반식 밀폐 (4)산분해조로 투입하여, 섭씨30도~40도에서 24시간 체류시켜 교반하여 산성조건하에서 가수분해한다. 산분해조에서 생성된 탄산가스는 배출하고, 산분해수는, (9)축산폐수 저류조에서 배출되어 (10)고액분리기에서 협잡물을 제거한 축산폐수 분리액과 적정비율로 혼합하여 (5)고온소화조로 투입한다. (5)고온소화조에서는 유입수를 수소이온농도 6~8, 섭씨30~80도에서 10~30일간 체류시켜 교반하여 메탄발효시켜 함유된 유기탄소를 메탄을 주성분으로한 바이오가스로 전환한다. 생성된 바이오가스는 (11)바이오가스조에 저장되었다가 (12)가스정화기에서 정화하여 (13)열병합발전기(CHP)에 연료로 공급하여, 발전된 전기는 폐수처리공정 자체수요를 충당하고 잉여전기는 한전송전망에 쌍방향 전력적산계를 통하여 연계 공급되며, 회수열은 (5)고온소화조의 가열에 사용된다. 고온소화수는 (6)중온소화조로 유입되어 섭씨20~40도로 1~10일간 유지한후, 병원균과 잡초씨가 제거되고 가스발생이 안정화된 중온소화수는 (7)여과기로 유입되어 여과하여, 여과된 고형물은 퇴비화시키고, 여액은 (8)액비저장조로 이송되어 안전한 유기농 비료로 재활용된다.
(1) 남은음식물 호파 (8) 액비 저장조
(2) 선별 콘베이어 (9) 축산폐수 저류조
(3) 파쇄기 (10) 협잡물 고액분리기
(4) 혐기성 산분해조 (11) 바이오가스 저장조
(5) 혐기성 고온소화조 (12) 바이오가스 정화기
(6) 혐기성 중온소화조 (13) 바이오가스 열병합발전기
(7) 여과기 (14) 자동교반식 퇴비장

Claims (1)

  1. 남은음식물과 축산폐수를 병합처리하여 고온메탄발효공정으로 바이오가스를 생산하고, 소화수를 액비로 재활용하는 공법으로서;
    가) 남은음식물은 분쇄하여 교반식 밀폐 산분해조에서, 섭씨10~50도로 유지하고, 1~10일간 혐기성 가수분해 처리하여 산분해수는 고온소화조로 유입되고,
    나) 산분해수 중량 1에 대하여 축산폐수는 1~10을 혼합하고, 이때 수소이온농도(PH)는 6~8을 유지하며, 고온소화조에서, 섭씨50~80도로 유지하여, 5~20일간 고온혐기성 메탄발효한후, 소독된 고온소화수는 중온소화조로 유입되어,
    다) 중온소화조로 유입된 소화수는 섭씨20~40도로 1~10일간 유지되어 안정화된후, 혐기성소화수는 여과기로 여과하여 고형물은 퇴비화하고, 여액은 저장하여 안전한 액비로 재활용하며,
    라) 생성된 바이오가스는 열병합발전기(CHP)의 연료로 사용하고, 열병합발전기에서 생성되는 전기는 자체수요 및 한전송전망에 공급하고, 회수열은 고온소화조 가열에 사용하는,
    혐기성 산분해, 고온혐기성 메탄발효, 중온혐기성 메탄발효 및 열병합발전의 일련의 복합다단공정을 특징으로 하는 남은음식물과 축산폐수의 병합처리공법.
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