KR101771107B1

KR101771107B1 - 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비

Info

Publication number: KR101771107B1
Application number: KR1020170020615A
Authority: KR
Inventors: 조용일; 정현범
Original assignee: 우광산업(주)
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2037-02-15

Abstract

본 발명은 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비에 관한 것으로서, 혐기성 미생물을 배양 시켜 배양 혼합액을 발생하는 균등조가 구비되는 집수시설, 균등조로부터 유입된 배양 혼합액을 받아 혐기소화를 진행하며 바이오가스를 발생시키는 혐기소화조, 혐기소화조내의 소화액의 일부를 균등조로 반송하는 반송수단, 혐기소화조 내부의 온도를 강하시키는 냉각장치 및 혐기소화조의 소화액으로부터 바이오가스를 추가 발생시키는 안정화조와, 안정화조로부터 소화액을 받아 호기발효 시켜 액비를 얻는 액비화조를 갖는 것을 특징으로 하며, 혐기소화조의 상류측에 균등조를 설치하여 혐기성 미생물이 혐기소화조와 균등조를 순환하도록 구성함으로써, 미생물의 재활용률이 높고, 미생물이 항상 충분한 개체수를 유지하므로 그만큼 반응속도가 신속하며, 혐기소화조의 하류측에 안정화조를 배치하여 바이오가스를 추가로 뽑아낼 수 있도록 구성되어 바이오가스의 생산성이 매우 뛰어나고, 혐기소화조 및 균등조 내부의 온도가 비정상적으로 올라갈 때 작동하여 온도를 신속히 내릴 수 있는 냉각장치를 구비함으로써 고온으로 인한 혐기성 미생물의 사멸을 방지할 수 있으며, 혐기소화조의 상부에 배치되어 있는 가스저장부의 구조가 간단하여 유지 보수에 유리하다.

Description

혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비{BIOGAS AND LIQUID FERTILIZER INTEGRATED PRODUCTION FACILITY THAT TAKE ANAEROBIC MICROORGANISM RECYCLING SYSTEM}

본 발명은 분뇨나 음폐수를 연속 처리하여 바이오가스 및 액비를 생산하는 설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 혐기소화조에서 작용하는 혐기성 미생물을 상류로 반송시켜 재활용함으로써 혐기성 미생물의 손실을 최소화하고 배양속도를 증대시켜 생산성을 향상시킬 수 있도록 구성된 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비에 관한 것이다.

고농도의 유기물이 포함된 축산분뇨나 음폐수 등의 효율적 처리를 위한 다양한 방법이 활용되고 있으며, 그 중에는 여러 단계의 소화조에서 혐기성 처리 후 발생된 유기물을 2차 처리하는 액상부식법이나, 폭기를 통한 호기성 발효방식으로 처리하는 방법이 있다.

그런데, 통상, 축산분뇨는 혐기조에서 소화되는 과정 중, 부산물로서 바이오가스를 생성하고 악취의 확산까지 억제할 수 있기 때문에 혐기성 소화 방식으로 처리되는 것이 유리하다. 즉, 에너지자원으로 활용할 수 있는 바이오가스를 얻을 수 있고, 발효 후 남는 슬러지는 비료로 활용 가능하며, 전 공정이 어차피 밀폐 처리되어 악취의 발생이 적으므로, 혐기성 처리를 통한 축산분뇨의 처리방법이 많이 활용되고 있는 추세이다.

또한, 축산분뇨의 혐기성 처리과정에서 생산된 바이오가스를 정제 처리 및 압축하여 보일러 또는 열병합 발전기의 연료로 사용하기 위한 기술 개발도 더불어 계속되고 있다.

가령, 국내등록특허공보 제10-0743373호(축산분뇨의 혐기발효를 이용한 바이오가스 제조장치)에는 혐기조의 배치를 용이하게 변경하여 운전 효율을 높여 바이오가스의 생산량을 증대시킴과 동시에, 혐기조로 투입되는 축산분뇨의 부하변동에 쉽게 대처할 수 있는 기술이 개시되어 있다.

또한, 국내등록특허공보 제10-0959375호(유기폐기물을 이용한 바이오가스 생산장치)에는, 교반장치를 상하좌우로 유동시켜 가스 활성화를 촉진함으로써 가스 생산량을 늘리고 수분 정제를 용이하게 하는 것과 함께 저류조에서 발생하는 냄새를 효과적으로 탈취하는 내용이 소개되어 있다.

그러나 바이오가스를 생산하기 위한 종전의 장치들은, 미생물의 손실이 심하여 혐기성 반응에 시간이 길게 소요되므로 전체적인 생산성이 떨어진다는 단점을 갖는다. 혐기성 반응 후 소화액이 배출될 때 혐기성 미생물이 유실되어, 유실된 만큼의 미생물을 다시 배양해야 하기 때문이다.

또한, 바이오가스 수거율이 높지 않다는 단점도 있다. 처리대상물이 소정의 경로를 따라 계속적으로 유동하여야 하는 이상, 소화액이 혐기소화조 내에서, 바이오가스를 모두 내놓을 때 까지, 언제까지고 담겨 있을 수 는 없으므로, 배출되는 소화액에 바이오가스가 잔류할 수밖에 없는 것이다. 소화액 내의 잔류량 만큼의 바이오가스가 미회수 된 것이다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 미생물의 재활용률이 높고, 미생물이 항상 충분한 개체수를 유지하므로 반응속도가 신속하여 바이오가스의 생산성이 높은 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 혐기소화조의 하류측에 안정화조를 배치하여 안정화조 내에서 바이오가스를 추가로 뽑아낼 수 있도록 구성된 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비를 제공함에 목적이 있다.

아울러, 본 발명은, 혐기소화조 및 균등조를 냉각 할 수 있는 냉각장치를 구비함으로써 고온으로 인한 혐기성 미생물의 사멸을 방지할 수 있는 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비는, 축산분뇨나 음폐수를 포함하는 처리대상물을 교반하여 균등한 성상분포를 가지도록 유도하는 집수조와, 상기 집수조와 연통하고 외부로부터 유입된 처리대상물을 교반하며 혐기성 미생물을 배양하여 배양 혼합액을 발생하는 균등조가 구비되는 집수시설; 상기 균등조로부터 유입된 배양 혼합액을 받아 혐기소화를 진행하며 바이오가스를 발생시키는 혐기소화조와, 상기 혐기소화조내의 혐기 소화액의 일부를 상기 균등조로 반송하여 균등조 내의 미생물 배양을 촉진하는 반송수단과, 상기 혐기소화조 내부 온도의 비정상적 상승 시 작동하여 온도를 강하시키는 냉각장치와, 상기 혐기소화조 내에서 발생한 바이오가스를 혐기소화조 내부 공간에 유지시키는 가스저장부를 포함하는 혐기소화시설; 및 상기 혐기소화조로부터 유입된 소화액을 교반하여 소화액 내부의 잔류 바이오가스를 추가 발생시키는 안정화조와, 상기 안정화조로부터 소화액을 받아 호기성 미생물을 통한 호기발효를 진행하여 액비를 얻는 액비화조와, 상기 액비화조로부터 유입된 액비를 저장하는 액비저장조를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 균등조의 내부에는, 상기 혐기소화조로부터 반송된 소화액과 집수조로부터 유입한 처리대상물을 교반하여 혐기성 미생물이 배양되도록 하는 교반수단; 및 균등조 내부의 온도를 설정온도 범위 내에 유지시키는 중온유지부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혐기소화조는, 상부로 개방된 소화공간부를 제공하며, 상기 혐기소화조의 상단부에는 지지력을 제공하며 상하로 개방된 처짐방지체가 설치되고, 상기 가스저장부는, 상기 처짐방지체의 상부에 설치되고 그 테두리부가 혐기소화조의 상단부에 고정되어 소화공간부를 밀폐하는 것으로서, 혐기소화조의 내부에서 방출하는 바이오가스의 압력에 의해 상부로 팽창하는 가요성 내포와, 상기 내포의 상부에 위치하는 가요성 외포와, 상기 외포와 내포의 사이에 공기를 공급하여 외포의 형태를 유지하는 형상유지부와, 상기 내포의 하부에 공기를 주입하여 바이오가스 내의 황(H₂S) 성분의 농도를 저감시키는 공기공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 처짐방지체는, 길이방향으로 인장된 상태로 그 단부가 혐기소화조의 상단부에 고정되는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 혐기소화조의 내부에는, 혐기소화조의 내부온도를 설정온도로 유지시키는 것으로서, 외부로부터 공급된 작동유체를 통과시키는 가온배관이 구비되고, 상기 냉각장치는, 전환밸브를 통해 상기 가온배관에 접속되는 도입관을 구비하고, 전환밸브의 작동시 가온배관을 경유하여 그 내부로 유입한 작동유체를 냉각하여 가온배관으로 환수시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혐기소화시설의 하류측에는, 생산된 바이오가스를 이용해 전력과 폐열을 생산하는 열병합발전기; 및 비상시 상기 바이오가스의 에너지를 열에너지로 전환하는 가스보일러가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비는, 혐기소화조의 상류측에 균등조를 설치하여 혐기성 미생물이 혐기소화조와 균등조를 순환하도록 구성함으로써, 혐기성 미생물의 재활용률이 높고, 혐기성 미생물이 항상 충분한 개체수를 유지하므로 그만큼 반응속도가 신속하며, 더 나아가 혐기소화조의 하류측에 안정화조를 배치하여 안정화조 내에서 바이오가스를 추가로 뽑아낼 수 있도록 구성되어 바이오가스의 생산성이 매우 뛰어나다.

아울러, 본 발명은, 혐기소화조 및 균등조 내부의 온도가 비정상적으로 올라갈 때 작동하여 온도를 신속히 내릴 수 있는 냉각장치를 구비함으로써 이상 고온으로 인한 혐기성 미생물의 사멸을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은, 혐기소화조의 상부에 배치되어 있는 가스저장부의 구조가 간단하여 유지 보수에 유리하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시한 집수시설의 구성 및 작동방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 상기 도 1에 도시한 혐기소화시설의 구성 및 작동방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 상기 도 1의 액비생산시설의 구성 및 작동방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 상기 도 1에 도시한 가스발전시설을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 바이오가스 및 액비 통합 생산설비는, 집수시설(100)과 혐기소화시설(200)과 액비생산시설(300)과 가스발전시설(400)로 구성된다. 상기 집수시설(100)과 혐기소화시설(200)과 액비생산시설(300)과 가스발전시설(400)은 상호 연결되며 유기적으로 작용한다.

상기 집수시설(100)은, 수집차량으로 운반된 처리대상물을 받아 안정화시킨 후, 후술할 재순환펌프(200)에 의해 반송된 혐기 소화액과 혐기성 미생물을 혼합하여 미생물의 혼합 및 배양을 촉진하는 것으로서, 전처리설비(110)와 집수조(120)와 유입펌프(130)와 균등조(140)와 소화조유입펌프(150)를 구비한다.

또한 혐기소화시설(200)은, 혐기소화조(210)와 냉각장치(230)와 가스저장부(240)를 포함하며, 상기 집수시설(100)로부터 전달받은 배양 혼합액을 중온 환경 하에서 습식방식으로 혐기소화하며 바이오가스를 생산하고 이를 저장 및 공기 탈황하는 역할을 한다.

액비생산시설(300)은, 혐기소화시설(200)로부터 배출되는 혐기 소화액으로부터 바이오가스를 추가로 취출함과 아울러 혐기 소화액을 액비화 하여 저장하는 역할을 하는 것으로서, 안정화조(310)와 액비화조유입펌프(320)와 액비화조(330)와 액비저장조(340)와 액비반송펌프(350)를 구비한다.

아울러, 상기 가스발전시설(400)은 바이오가스를 이용해 전기와 폐열을 생산하는 것이며, 제습설비(410)와 탈황설비(420)와 잉여가스연소기(470)와 열병합발전기(440)를 갖는다. 상기 열병합발전기(440)는 생산된 열을 혐기소화조(210)와 균등조(140)로 보내어 혐기소화조(210)와 균등조(140)의 내부 온도를 최적의 상태로 유지한다. 최적의 상태라 함은 혐기성 미생물의 활성도가 가장 활발한 온도로서, 35±2℃ 이다.

도 2 내지 도 5를 통해 상기한 각각의 시설에 대한 설명을 상세히 하기로 한다.

도 2는 상기 도 1에 도시한 집수시설(100)의 구성 및 작동방식을 설명하기 위한 절제 분해 사시도이다.

도시한 바와 같이, 집수시설(100)은 집수조(120)와 균등조(140)를 갖는다. 상기 집수조(120)와 균등조(140)는 콘크리트로 성형 제작된 구조물로서 격벽(140b)으로 구획되며 방수처리 된다. 특히 균등조(140)는 혐기소화조(210)와 동일한 환경을 조성 및 유지키 위해 외기에 대해 밀폐된 구조를 가진다.

상기 집수조(120)의 상부에는 축산분뇨나 음폐수 등을 포함하는 처리대상물을 통과시켜 집수공간(120a)으로 유도하는 스트레이너(120c)가 설치된다. 처리대상물에 혼재되어 있는 불순물이 스트레이너(120c)에 의해 걸러짐은 물론이다.

아울러 상기 스트레이너(120c)의 하류측에는 자력선별기(미도시)가 설치될 수 있다. 자력선별기는 처리대상물로부터 금속성분을 분리하는 역할을 한다. 이러한 스트레이너와 자력선별기는 불순물로 인한 처리 효율 저하를 방지한다.

상기 집수조(120)가 제공하는 집수공간(120a)의 내부에는 수중교반기(120b)가 설치된다. 상기 수중교반기(120b)는 집수조(120)로 투입된 처리대상물을 교반하여, 침적방지 및 성상 균일화를 도모한다.

또한 상기 집수조(120)의 내부에는 유입펌프(130)가 설치된다. 상기 유입펌프(130)는 이송파이프(130a)를 통해, 집수조(120) 내부의 처리대상물을 균등조(140)에 공급하는 역할을 한다. 상기 이송파이프(130a)는 부식에 강한 스테인리스로 제작함이 좋다. 아울러 상기 유입펌프(130)를 집수조(120)의 외부에 설치할 수도 있음은 물론이다.

상기 균등조(140)의 처리공간(140a) 내에는, 다수의 균등조교반기(140e)와 소화조유입펌프(150)와, 중온유지부(140f)가 설치된다.

상기 균등조교반기(140e)는, 집수조(120)로부터 넘어온 처리대상물과, 재순환펌프(220)에 의해 혐기소화조(210)로부터 반송된 혐기 소화액을 혼합 교반하는 역할을 한다. 혐기소화조(210)로부터 반송된 혐기 소화액은 혐기처리가 진행 중 이거나 완료된 상태로서, 당연히 혐기성 미생물이 포함되어 있다.

따라서, 집수조(120)로부터 유입된 처리대상물은, 혐기소화조(210)로 이동하기 전에, 균등조(140) 내에서 소화액과 혼합된 상태로 교반된다. 교반이 진행됨에 따라 혐기성 미생물이 배양됨은 물론이다. 이와 같이 재순환펌프(220)를 통해 유입된 혐기성 미생물을 균등조(140) 내에서 미리 배양시킴으로써, 혐기소화조(210)의 부하가 경감되고 처리 속도가 빨라진다.

아울러, 혐기소화조(210)로부터 반송되는 혐기 소화액과 신규 유입되는 처리대상물의 적정혼합을 통해, 혐기성 미생물의 손실을 최소화함은 물론 안정적인 안착을 유도함으로써 CSTR(Continuous stirred-tank reactor)형태의 습식 소화 방식의 단점을 극복할 수 있다.

상기 중온유지부는 그 내부로 온수가 통과하는 열교환 파이프형 가열수단으로서, 처리공간(140a)의 내부 온도를 35±2℃ 로 유지한다. 상기 온도는 혐기성 미생물이 가장 활발하게 활동할 수 있는 온도이다. 이하의 설명에서 상기 범위를 갖는 온도를 중온라 칭하기로 한다. 상기 중온유지부를 통과하는 온수는 상기 열병합발전기(440)에서 생산된 열에너지를 제공받는다.

상기 소화조유입펌프(150)는 처리공간(140a) 내부에서 혐기 소화된 소화액을 펌핑하여 혐기소화조(210)로 보내거나, 필요시 간헐적으로 소화액의 일부를 원수측정조(140g)로 전달한다.

상기 원수측정조(140g)는, 소화액의 pH와 ORP(Oxidation-Reduction Potential)과 온도 등을 측정하는 역할을 한다. 상기 원수측정조(140g)의 측정값을 기초로, 집수조(120) 내에서 만나는, 원수와 혐기소화조(210)로부터 반송된 혐기 소화액의 반송량을 제어하여 혐기소화와 관련된 여러 조건을 변경할 수 있다.

아울러 상기 집수조(120) 및 균등조(140)의 상부에는 탈취부(135)가 설치된다. 상기 탈취부(135)는 집수조(120) 및 균등조(140)로부터 발생하는 악취를 제거하기 위한 것으로서, 탈취팬(135a)과 탈취기(135b)를 갖는다. 상기 탈취팬(135a)은 하부의 악취를 당겨 올려 탈취기(135b)로 이동시키는 역할을 한다.

도 3은 상기 도 1에 도시한 혐기소화시설(200)의 구성 및 작동방식을 설명하기 위한 도면이다.

상기한 바와 같이, 혐기소화시설(200)은, 혐기소화조(210), 재순환펌프(220), 냉각장치(230), 가스저장부(240)를 갖는다.

상기 혐기소화조(210)는, 상부로 개방된 원통의 형태를 취하는 구조체로서, 콘크리트나 철제 재질로 제작되며, 단열, 보온, 방수 조치가 취해진다. 상기 혐기소화조(210)는 다수개가 적용될 수 있다.

아울러, 혐기소화조(210)의 중앙부에는 수직으로 연장된 받침기둥(210b)이 위치한다. 상기 받침기둥(210b)은 처짐방지체(210c)를 지지하는 역할을 한다.

상기 처짐방지체(210c)는 다수의 와이어(210p)를 포함한다. 상기 와이어(210p)는 인장된 상태로, 일단부가 받침기둥(210b)에, 타단부가 혐기소화조(210) 외벽의 상단부에 고정된 부재이다. 상기 와이어(210p)는 받침기둥(210b)을 중심으로 반지름 방향으로 하향 연장된 구조를 갖는다.

또한, 상기 혐기소화조(210)의 소화공간부(210a) 내에는 가온배관(210d)이 설치된다. 상기 가온배관(210d)은 혐기소화조(210)의 내부 온도를 중온으로 유지시키기 위한 것이다.

상기 가온배관(210d)은 온수를 통과시키는 열교환형 파이프 일 수 있으며, 온수는 온수순환펌프(210e)의 펌핑 작용에 의해 가온배관(210d)을 순환 운동한다. 아울러, 상기 온수는 열병합발전기(440)의 열에너지를 공급받아 가열된다.

또한, 상기 냉각장치(230)는, 혐기소화조(210)의 내부 온도가 비정상적인 이유로, 급격히 증가하거나 중온 온도의 범위를 넘어설 경우, 이를 감지하여 온수 순환을 긴급 차단하고 순환수의 온도를 강하시키는 역할을 한다. 참고로, 종전에는 온수의 공급을 차단하고 자연 냉각되길 기다렸으나 이러한 방식은 많은 시간이 소요되어 실질적인 냉각의 의미가 없었다.

본 실시예에서는 상기 가온배관(210d)의 양단부에 전환밸브(210g)를 설치하고, 전환밸브(210g)와 냉각장치(230)를 도입관(210f)로 연결하였다. 상기 도입관(210f)의 냉각장치(230) 내부로 삽입된 부분은 냉각장치의 냉기를 받아 냉각되는 부분이다.

따라서, 이를테면, 일측 도입관(21f)을 통해 냉각장치(230) 내부로 유입한 작동유체는, 냉각장치(230)를 통과하면서 냉각된 상태로 타측 도입관(21f)을 통해 배출되게 된다.

상기 전환밸브는 3way 밸브로서, 혐기소화조(210) 내부의 온도가 중온으로 유지될 때에는, 온수가 가온배관(210d)의 내부 경로만을 순환하도록 하고, 온도의 상승시에는 온수를 도입관(210f)으로 유도한다. 이와 같은 전환밸브(210g)와 냉각장치(230)의 작용에 의해, 가온배관(210d) 내부의 온수가 급속 냉각되며, 혐기소화조(210) 내부의 소화액이 짧은 시간에 신속하게 냉각된다.

본 실시예에서는 냉각을 위해 전환밸브(210g)와 도입관(210f)을 적용하였지만, 혐기소화조(210) 내부의 온도를 강하시키기 위한 냉각수단은 다양하게 변경될 수 있다.

도면부호 210m은 릴리프밸브이다. 상기 릴리프밸브(210m)는 소화공간부(210a) 내부의 압력이 기준치를 넘을 때 개방되어 내부 압력을 낮추는 역할을 한다. 가령, 바이오가스 발생량이 정상치를 넘어 혐기소화조(210) 내부의 압력이 기준값 보다 높아질 경우 개방되어, 가스저장부(240)의 손상을 방지하는 것이다.

또한, 상기 혐기소화조(210)의 측부에는 관측창(210k)이 위치한다. 상기 관측창(210k)은 혐기소화조(210) 내 교반상태의 점검 및 혐기소화 현황을 시각으로 판단할 수 있게 하는 투명 창으로서 그 설치위치는 다양하게 변경될 수 있다.

아울러, 혐기소화조(210)에는 경사형교반기(210h)와 잠수형교반기(210j)가 적용된다. 상기 경사형교반기(210h)는 혐기소화조(5)내 소화액이 상하부 방향의 흐름을 가지도록 교반한다. 또한 잠수형교반기(210j)는 난류를 형성함과 동시에 수평 방향의 교반흐름을 가지도록 작용한다. 상기 경사형교반기(210h)와 잠수형교반기(210j)에 의해, 소화액은 혐기성 미생물과 매우 효율적으로 교반되며 소화 작용이 촉진된다.

상기 혐기성 소화가 완료된 후 소화액은 자연유하 방식 또는 펌프 압송 방식으로 안정화조(310)로 이동하고, 소화 작용 중 발생하는 바이오가스는 가스저장부(240)에 포집된다.

상기 가스저장부(240)는 소화공간부(210a)를 가득 채운 바이오가스를 혐기소화조(210) 내부에 임시로 저장하는 역할을 한다.

상기 가스저장부(240)는 그 테두리부가 혐기소화조(210)의 상단부에 고정되어 소화공간부(210a)를 밀폐하는 것으로서, 혐기소화조(210)의 내부에서 방출하는 바이오가스의 압력에 의해 상부로 팽창하는 가요성 내포(240b)와, 상기 내포(240b)의 상부에 위치하여 일정 압력으로 형태를 유지하는 가요성 외포(240a)와, 상기 외포(240a)와 내포(240b)의 사이에 일정 압력의 공기를 공급하여 외포의 형태를 유지하는 형상유지부(214)와, 상기 내포(240b)의 하부에 필요량 만큼의 공기를 주입하여 바이오가스의 황(H₂S) 성분의 농도를 저감시키는 공기공급부(212)를 포함한다.

상기 외포(240a) 및 내포(240b)는 가스가 투과하지 못하는 맴브레인형 부재로서 그 테두리부가 겹쳐진 상태로 혐기소화조(210)의 상단부에 고정된다. 외포(240a) 및 내포(240b)는 바이오가스의 생성 전에는 자중에 의해 하부로 쳐져 처짐방지체(210c)에 걸쳐지므로 소화액과 접할 염려는 없다.

상기 형상유지부(214)는, 공기송풍기(214a)와 공기공급관(214b)을 포함한다. 상기 공기송풍기(214a)는 필요한 압력의 공기를 펌핑하여 공기공급관(214b)을 통해 외포(240a)와 내포(240b) 사이로 공급한다. 이와 같은 작용에 의해 외포(240a)는 상부로 팽팽하게 펼쳐진 돔(dome)의 형태를 취한다.

또한 공기공급부(212)는 내포(240a) 하부의 소화공간부(210a) 내에 탈황을 위한 공기를 공급하는 것으로서, 블로워(212a) 및 공기주입관(212b)을 갖는다. 블로워(212a)는 외부의 공기를 공기주입관(212b)을 통해 소화공간부(210a) 내부로 공급한다. 상기 블로워(212a)를 통한 공기 공급량은 바이오가스 내부의 황성분의 농도에 따라 달라질 수 있다.

공기를 공급하는 이유는, 후술할 탈황설비(420)의 부하 저감을 위한 것이다. 또한 공기의 공급량은 바이오가스 발생량의 2% 내지 5% 범위이다.

상기한 바와 같이, 혐기소화조(210) 내부의 소화액은 안정화조(310)와 균등조(140)로 나뉘어 이송된다. 즉 소화액의 일부는 자연유하 방식 또는, 펌핑 방식으로 안정화조(310)로 이동하여 후속 공정을 따르고, 나머지는 재순환펌프(220)에 의해 균등조(140)로 이동하여 균등조(140) 내에서 신규 처리대상물과 혼합되어 혐기성 소화 과정을 반복한다.

더 나아가, 재순환펌프(220)는, 비상시, 혐기소화조(210) 내부의 교반효과를 더욱 상승시키기 위하여, 소화액을 균등조(140)로 보내지 않고 순환파이프(220a)를 통해 혐기소화조(210) 내부로 반송할 수도 있다. 평상시 재순환펌프(220)는, 일정량의 소화액을 주기적으로 균등조(140)로 공급한다.

특히, 운영하는 혐기소화조(210)의 수가 많을 때에는, 혐기소화조(210)를 상호 연결하는 파이프라인을 구성하여, 임의 혐기소화조(210)의 운영 불량 시 해당 혐기소화조(210)에 소화액을 공급하여 안정화를 이룰 수 있게 하거나, 시설 점검 시 반출차량 및 액비처리시설 연계배관에 연계하 여 임의로 혐기소화조의 조 비움을 할 수 있도록 한다.

도 4는 상기 도 1의 액비생산시설(300)의 전체적인 구성 및 작동방식을 설명하기 위한 도면이다.

도시한 바와 같이, 액비생산시설(300)은, 안정화조(310), 액비화조(330), 액비저장조(340)로 구성된다. 상기 안정화조(310)와 액비화조(330)와 액비저장조(340)는 콘크리트 구조물로서 당연히 방수 마감 처리되며, 안정화조(310)는 밀폐구조를 이루어져야 한다.

상기 안정화조(310)는 혐기소화조(210)로부터 이동한 소화액을 교반하여 잔류 바이오가스를 추출하고, 바이오가스가 추출된 후의 소화액을 액비화조(330)로 보낸다. 액비화조(330)는 소화액을 호기성 미생물 처리하여 액비로 만든 후 액비저장조(340)로 공급한다. 액비저장조(340)는 액비를 저장하며 호기성 미생물 처리를 계속 진행하는 공간이다.

먼저, 상기 안정화조(310)의 내부에는 수중교반기(310a)가 설치된다. 상기 수중교반기(310a)는 혐기소화조(210)로부터 이송된 소화액을 교반하여, 수처리 장치에서의 무산소조와 같은 역할을 수행한다. 혐기 소화액의 무산소화가 진행됨에 따라 소화액에 잔류하는 잔류 바이오가스가 취출되고 탈질(脫窒)이 이루어진다.

안정화조(310)의 외부에는 잔류 바이오가스를 외부로 이송하기 위한 잔류가스취출부(314)가 구비된다. 상기 잔류가스취출부(314)는, 안정화조(310)의 내부 공간을 외부로 연통시키는 잔류가스배기관(314a)과, 상기 잔류가스배기관(314a)에 구비되며 잔류가스를 외부로 뽑아내는 취출펌프(314d)와, 상기 취출펌프(314d)를 통과한 바이오가스의 농도를 측정하는 가스농도검출부(314e)와, 전환밸브(314f)를 구비한다.

또한 상기 전환밸브(314f)에는 회수관(314b)과 이송관(314c)이 연결된다. 상기 전환밸브(314f)는 3way 밸브로서, 잔류가스배기관(314a)을 통해 올라오는 잔류가스를 회수관(314b)으로 보낼지, 이송관(314c)로 보낼지 결정한다. 결정기준은 가스농도검출부(314e)의 측정값이다.

즉, 안정화조(310)로부터 추가로 취출된 바이오가스의 농도가 재사용할 수 있을 정도일 경우에는 회수관(314b)로 유도하고, 재사용의 의미가 없을 때에는 이송관(314c)을 통해 탈취부(355)로 보내는 것이다.

상기 탈취부(355)는, 안정화조(310), 액비화조(330), 액비저장조(340)에서 발생하는 악취를 뽑아내어 제거하는 것으로서, 탈취팬(355a)과 탈취기(355b)를 갖는다.

상기 안정화조(310)의 내부에는 가온배관(310b)이 설치된다. 상기 가온배관(310b)은 열병합발전기(440)로부터 얻은 열에너지를 소화액에 전달하여, 소화액이 혐기소화조(210)와 비슷한 조건하에서 중온의 범위를 유지하게 한다.

상기 안정화조(310) 내부에서 교반 과정을 마친 혐기 소화액은 액비화조유입펌프(320)에 의해 액비화조(330)로 일정량씩 공급된다.

상기 액비화조(330)는, 안정화조(310)로부터 이송된 혐기 소화액에, 호기성 미생물을 배양하기 위하여 공기를 주입하여 호기발효를 진행하는 공간이다. 이를 위하여 액비화조(330)의 내부 바닥부에는 산기관(330b)이 설치된다. 상기 산기관(330)은 외부의 송풍기(330c)로부터 공급된 공기를 배출하여 소화액 내부에 공기를 주입한다. 소화액에 공급된 호기성 미생물은 공기와 접하며 작용하여 소화액을 액비로 전환한다. 공기의 주입량은 액비의 성상에 따라 달라진다.

또한 수용공간(330a)의 상측부에는 분사노즐부(330d)가 설치된다. 상기 분사노즐부(330d)는 액비저장조(340)에 저장되어 있는 액비를 공급받아 하향 분사함으로써, 소화액의 수면 위에 발생하는 스컴(scum)을 분쇄한다. 상기 스컴은 산기관으로부터 발생한 공기에 의해 수면위에 형성되는 거품이다.

상기 액비화조(330) 내부에서 호기성 미생물 처리가 완료된 액비는 측벽(340b)에 형성된 연통로(340c)를 통해 액비저장조(340)의 저장공간(340a)을 채운다. 상기 저장공간(340a)은 호기발효가 완료된 액비를 저장할 수 있는 충분한 공간을 제공한다.

또한 액비저장조(340)의 바닥부에는 다공식산기관(340d)이 설치된다. 상기 다공식산기관(340d)은 교반송풍기(340e)로부터 공급된 공기를 상향 분출하여, 액비내의 잔류 고형물의 침적을 방지하고, 악취성분이 제거되도록 한다.

아울러 저장공간(340a)의 상측부에는 분사노즐부(340k)가 설치된다. 상기 분사노즐부(340k)는 액비의 수면에 형성되는 스컴을 제거하기 위한 것이다.

상기 분사노즐부(330d,340k)에 분사용 액비를 공급하기 위해, 액비반송펌프(350)와 수직관(350a)과 반송관(350b)과 소포배관(350c)이 적용된다.

또한, 상기 수직관(350a)의 상단부에는 전환밸브(350d)가 설치된다. 상기 전환밸브(350d)는 펌핑된 액비를 반송관(350b)으로 보낼지 소포배관(350c)으로 보낼지 결정하는 역할을 한다.

상기 액비반송펌프(350)에 의해 펌핑되어 수직관(350a)을 상향 통과한 액비는 전환밸브(350d)를 통과해 원하는 지점으로 이동하여 하향 분사된다.

상기 액비저장조(340)에 저장된 액비는 반출펌프(340f)에 의해 반출배관(340g)를 통해 외부로 공급된다. 도면부호 340h는 비상반출배관이다. 상기 비상반출배관(340h)는 반출펌프(340f)의 고장시 액비를 반출하기 위한 통로이다.

도 5는 상기 도 1에 도시한 가스발전시설(400)을 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예에서의 가스발전시설(400)은, 제습설비(410), 탈황설비(420), 잉여가스연소기(470), 열병합발전기(440)를 포함한다.

상기한 가스저장조(240) 및 안정화조(310)에서 포집된 바이오가스는 가스이송용 배관에서 합류된 후 제습설비(410)를 통과하며 제습된다.

상기 제습설비(410)는 가스이송용 배관을 따라 이송되는 중에 발생한 수분을 제거하기 위한 것으로서, 가스이송펌프(410a)와, 냉각장치(410b)와, 제습필터(410c)와, 냉각기(410d)와, 제습피트(410e)를 갖는다.

상기 제습피트(410e)는 가스이송용 배관으로부터 배출되는 응축수분을 받아 처리 한다. 상기 제습피트(410e)에 의해 1차 제습된 바이오가스는 가스이송펌프(410a)에 의해 핀튜브 타입의 냉각장치(410b)를 통과하며 2차 제습된다. 상기 냉각장치(410b)는 냉각기(410d)의 냉각수 순환으로 인해 냉각능력을 유지한다.

상기 2차제습을 마친 바이오가스는 제습필터(410c)를 통과하며 완전 제습된 후, 2단계의 탈황설비(420)를 거쳐 정제된다. 상기 탈황설비(420)에 의해 정제 처리된 바이오가스는, 가스압력유지탱크(430)에 일정압력을 유지토록 수용된다.

상기 가스압력유지탱크(430)에 저장되어 있는 바이오가스는, 하류로 이동하며 가스계측기(432)를 통과한다. 상기 가스계측기(432)는 바이오가스내부의 메탄, 이산화탄소, 황 등의 농도를 실시간으로 계측한다.

상기 가스계측기(432)에 의해 계측이 완료된 바이오가스는, 발전기용 가스펌프(434)와 가스필터(436)를 차례로 통과한 후 열병합발전기(440)로 공급된다.

상기 열병합발전기(440)는 바이오가스를 연소시켜 열과 전력을 생산하는 파트로서, 폐액열교환기(440a)를 통해 균등조(140)와 혐기소화조(210)와 안정화조(310)에 열에너지를 제공한다. 열병합발전기(440)에 의해 균등조(140), 혐기소화조(210), 안정화조(310)의 온도가 중온으로 유지되는 것이다.

상기 균등조(140)와 혐기소화조(210)와 안정화조(310)을 통과한 순환수는 순환수펌프(464)를 통해 폐액열교환기(440a)로 이동하여 재 가열된다.

상기 바이오가스보일러(450)는, 열병합발전기(440)의 고장과 같은 비상 상황 시 작동하여 상기 순환수를 가열하는 역할을 대신한다. 이와 같이, 바이오가스보일러(450)를 적용한 것은, 순환수의 운영상의 안전을 고려한 것이다.

상기 잉여가스연소기(470)는 바이오가스의 생산량이, 필요량보다 많을 때, 잉여분의 바이오가스를 긴급 연소하여 안정적 운영을 가능토록 한다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100:집수시설 110:전처리설비 120:집수조
120a:집수공간 120b:수중교반기 120c:스트레이너
130:유입펌프 130a:이송파이프 135:탈취부
135a:탈취팬 135b:탈취기 140:균등조
140a:처리공간 140b:격벽 140e:균등조교반기
140f:중온유지부 140g:원수측정조 150:소화조유입펌프
200:혐기소화시설 210:혐기소화조 210a:소화공간부
210b:받침기둥 210c:처짐방지체 210d:가온배관
210e:온수순환펌프 210f:도입관 210g:전환밸브
210h:경사형교반기 210j:잠수형교반기 210k:관측창
210m:릴리프밸브 210p:와이어 212:공기공급부
212a:블로워 212b:공기주입관 214:형상유지부
214a:공기송풍기 214b:공기공급관 220:재순환펌프
220a:순환파이프 230:냉각장치 240:가스저장부
240a:외포 240b:내포 300:액비생산시설
310:안정화조 310a:수중교반기 310b:가온배관
314:잔류가스배출부 314a:잔류가스배기관 314b:회수관
314c:이송관 314d:취출펌프 314e:가스농도검출부
314f:전환밸브 320:액비화조유입펌프 330:액비화조
330a:수용공간 330b:산기관 330c:송풍기
330d:분사노즐부 340:액비저장조 340a:저장공간
340b:측벽 340c:연통로 340d:다공식산기관
340e:교반송풍기 340f:반출펌프 340g:반출배관
340h:비상반출배관 340k:분사노즐부 350:액비반송펌프
350a:수직관 350b:반송관 350c:소포배관
350d:전환밸브 355:탈취부 355a:탈취팬
355b:탈취기 400:가스발전시설 410:제습설비
410a:가스이송펌프 410b:냉각장치 410c:제습필터
410d:냉각기 410e:제습피트 420:탈황설비
430:가스압력유지탱크 432:가스계측기 434:발전기용가스펌프
436:가스필터 440:열병합발전기 440a:폐액열교환기
450:바이오가스보일러 464:순환수펌프 470:잉여가스연소기

Claims

축산분뇨나 음폐수를 포함하는 처리대상물을 교반하여 균등한 성상분포를 가지도록 유도하는 집수조와, 상기 집수조와 연통하고 외부로부터 유입된 처리대상물을 교반하며 혐기성 미생물을 배양하여 배양 혼합액을 발생하는 균등조가 구비되는 집수시설;
상기 균등조로부터 유입된 배양 혼합액을 받아 혐기소화를 진행하며 바이오가스를 발생시키는 혐기소화조와, 상기 혐기소화조내의 혐기 소화액의 일부를 상기 균등조로 반송하여 균등조 내의 미생물 배양을 촉진하는 반송수단과, 상기 혐기소화조 내부 온도의 비정상적 상승 시 작동하여 온도를 강하시키는 냉각장치와, 상기 혐기소화조 내에서 발생한 바이오가스를 혐기소화조 내부 공간에 유지시키는 가스저장부를 포함하는 혐기소화시설;
상기 혐기소화조로부터 유입된 소화액을 교반하여 소화액 내부의 잔류 바이오가스를 추가 발생시키는 안정화조와, 상기 안정화조로부터 소화액을 받아 호기성 미생물을 통한 호기발효를 진행하여 액비를 얻는 액비화조와, 상기 액비화조로부터 유입된 액비를 저장하는 액비저장조를 포함하는 액비생산시설; 및
상기 혐기소화조 내에서 발생된 바이오가스를 이용하여 전력과 폐열을 생산하는 열병합발전기를 포함하는 가스발전시설;을 포함하고,
상기 균등조에는 상기 열병합발전기에서 생산된 폐열을 이용하여 내부 온도를 설정온도 범위 내로 유지시켜 미생물 배양을 촉진하도록 하는 중온유지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비통합 생산설비.
제1항에 있어서,
상기 균등조의 내부에는, 상기 혐기소화조로부터 반송된 소화액과 집수조로부터 유입한 처리대상물을 교반하여 혐기성 미생물이 배양되도록 하는 교반수단;을 포함하며,
상기 안정화조에는 상기 열병합발전기에서 생산된 폐열을 이용하여 내부 온도를 설정온도 범위 내로 유지시켜 미생물을 배양시켜 바이오가스의 추가 생산성을 높일 수 있도록 가온배관 및 추가 생산된 바이오가스의 재사용 여부를 판단할 수 있도록 농도를 측정하는 가스농도검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비통합 생산설비.
제2항에 있어서,
상기 혐기소화조는, 상부로 개방된 소화공간부를 제공하며,
상기 혐기소화조의 상단부에는 지지력을 제공하며 상하로 개방된 처짐방지체가 설치되고,
상기 가스저장부는, 상기 처짐방지체의 상부에 설치되고 그 테두리부가 혐기소화조의 상단부에 고정되어 소화공간부를 밀폐하는 것으로서,
혐기소화조의 내부에서 방출하는 바이오가스의 압력에 의해 상부로 팽창하는 가요성 내포와, 상기 내포의 상부에 위치하는 가요성 외포와, 상기 외포와 내포의 사이에 공기를 공급하여 외포의 형태를 유지하는 형상유지부와, 상기 내포의 하부에 공기를 주입하여 바이오가스 내의 황(H₂S) 성분의 농도를 저감시키는 공기공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비.
제3항에 있어서,
상기 처짐방지체는, 길이방향으로 인장된 상태로 그 단부가 혐기소화조의 상단부에 고정되는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비.
제2항에 있어서,
상기 혐기소화조의 내부에는, 혐기소화조의 내부온도를 설정온도로 유지시키는 것으로서, 상기 열병합발전기에서 생산된 폐열을 이용하여 내부 온도를 설정온도 범위 내로 유지시킬 수 있도록 가온배관이 구비되고,
상기 냉각장치는, 전환밸브를 통해 상기 가온배관에 접속되는 도입관을 구비하고, 전환밸브의 작동시 가온배관을 경유하여 그 내부로 유입한 작동유체를 냉각하여 가온배관으로 환수시키는 것을 특징으로 하는 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비.
제2항에 있어서,
상기 혐기소화시설의 하류측에는,
생산된 바이오가스를 이용해 전력과 폐열을 생산하는 열병합발전기; 및
비상시 상기 바이오가스의 에너지를 열에너지로 전환하는 가스보일러가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 혐기성 미생물 재활용 방식을 취하는 바이오가스 및 액비 통합 생산설비.