KR100588166B1

KR100588166B1 - 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법

Info

Publication number: KR100588166B1
Application number: KR20020081513A
Authority: KR
Inventors: 송영채; 우정희; 권상조
Original assignee: 송영채
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2006-06-09
Also published as: KR20040054962A

Abstract

본 발명은 혐기성미생물에 의해서 진행되는 생화학반응에 필요한 생리활성물질 또는 반응의 중간생성물질을 고온혐기성미생물과 중온혐기성미생물이 상호 공유하도록 하고 고온혐기성미생물과 중온혐기성미생물을 45-75℃의 고온조건 및 20-45℃의 중온조건에 교번하여 노출시킴으로서 활성을 촉진시켜 유기성폐수 또는 유기성폐기물의 혐기성 안정화 정도 및 부산물인 메탄가스의 생성율을 극대화하기 위한 고효율 혐기성소화방법과 관련된다. 이를 달성하기 위한 본 발명은 유기성폐수 또는 유기성폐기물이 중온 혐기성소화조에 유입되어 중온 혐기성반응소화 반응이 진행되고 이중 일부가 내부순환관 및 순환펌프를 경유하여 고온 혐기성소화조에 유입되어 고온 혐기성소화 반응을 진행시킨 후 유출관을 통하여 중온 혐기성소화조로 재순환시켜 전체적인 혐기성소화효율을 극대화하는 혐기성소화방법으로 구성된다.

하폐수슬러지, 음식물쓰레기, 축산폐수, 유기성폐수, 유기성폐기물, 고온혐기성소화, 중온혐기성소화, 온도 공상 혐기성소화

Description

중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법{Mesophilic-Thermophilic co-phase anaerobic digestion of organic wastewater and wastes with inner connection of the mesophilic and thermophilic digester}

도 1은 본 발명인 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법 및 이를 이용한 유기성폐수 및 유기성폐기물 처리공정도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1-1: 유입폐수 또는 폐기물 저장조, 1-2: 유기성 폐수 또는 폐기물 유입펌프, 2-1: 중온 혐기성소화조, 2-2: 중온 혐기성소화조 유출관, 2-3: 중온 혐기성소화조 바이오가스 배출관, 3-1: 내부순환관, 3-2: 순환펌프, 4-1: 고온 혐기성소화조, 4-2: 고온 혐기성소화조 유출수 배출관, 4-3: 고온 혐기성소화조 바이오가스 배출관

본 발명은 하폐수의 처리과정에서 발생하는 슬러지, 음식물쓰레기, 농축산폐기물, 유기성산업폐수 등 고농도 유기물을 함유한 폐수 또는 유기성폐기물의 고효율 혐기성안정화를 가능하게 하는 새로운 개념의 혐기성방법과 관련된다.

하폐수슬러지 등의 유기성 폐수 또는 유기성폐기물의 경우 안정화시키기 위해 보편적으로 사용하고 있는 단상의 재래식 중온 혐기성소화는 20일 이상의 긴 체류시간이 요구되는데 비해 유기물 감량이 평균 50% 미만에 불과하여 효율적이지 못하며, 병원균 사멸율이 낮아 최종처분시 여러 가지 공중보건상의 문제를 유발하고 있다. 따라서, 그 동안 여러 연구자들에 의해 생화학 반응속도가 상대적으로 빠른 고온혐기성소화에 대한 연구가 수행되어 왔다. 그러나, 고온혐기성소화는 일반적으로 유기물 감량율과 병원균 사멸율이 중온혐기성소화에 비해 상대적으로 큰 반면 소화조의 유출수의 수질이 나쁘고, 가온에 필요한 추가적인 비용이 필요하며, 소화상태가 유입슬러지의 성상이나 온도, 유기물부하율 등과 같은 운전인자에 민감하다는 단점을 가진 것으로 알려지고 있다. 최근에는 고온소화공정과 중온소화공정을 직렬로 연결하여 두 공정의 장점을 모두 취하기 위한 TPAD(Temperature phased anaerobic Digestion) 공정이 관심의 대상이 되고 있다. TPAD 공정은 재래식 중온 혐기성소화 및 재래식 고온 혐기성소화에 비해 상대적으로 초기운전 기간이 짧고, 높은 유기물 부하에서 운전이 가능할 뿐만 아니라 병원균 사멸율이 높아 향후 슬러지의 혐기성안정화를 위한 대안공정 중의 한가지로 평가된다. 그러나, TPAD 공정은 여전히 유기물 감량율에서 재래식 중온혐기성소화공정에 비해 큰 차이가 없다는 점이 한계로 남아 있다.

본 발명에서는 이루고자 하는 기술적 과제는 혐기성소화조에서 일어나는 혐기성 생화학반응에 필요한 생리활성물질 또는 반응의 중간생성물질을 고온혐기성미생물과 중온혐기성미생물이 상호 공유하도록 하여 상호간의 단점을 보완하도록 함과 동시에 고온혐기성미생물과 중온혐기성미생물을 45-75℃의 고온조건 및 20-45℃의 중온조건에 교번하여 노출시킴으로서 활성을 촉진시켜 유기성폐수 또는 유기성폐기물의 유기물감량율과 병원균사멸율로 표현되는 안정화 정도 및 부산물인 메탄가스의 생성율을 극대화하기 위한 새로운 개념의 중온-고온 공상 혐기성소화방법과 관련된다.

본 발명은 유기성폐수 또는 유기성폐기물을 20℃에서 45℃범위의 온도와 체류시간 2일에서 30일 사이로 운전되는 중온혐기성소화조(2-1)로 유입하여 1차 혐기성소화시키고, 그 내용물의 일부를 45℃에서 75℃범위의 온도에서 체류시간 0.5일에서 10일사이로 운전되는 고온혐기성소화조(4-1)에 유입하여 2차 혐기성소화 반응을 진행시킨 뒤 20℃에서 45℃범위의 온도와 체류시간 2일에서 30일 사이로 운전되는 중온혐기성소화조(2-1)에 재순환시킴으로서 중온 혐기성소화반응과 고온 혐기성소화반응의 단점을 상호 보완하고 각각의 장점이 상승작용을 가지도록 하기 위하여 중온혐기성소화조(2-1)에 고온혐기성소화조(4-1)를 내부순환관(3-1) 및 순환펌프(3-2)와 고온소화조 유출관(4-2)을 이용하여 내부적으로 연결한 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법으로 구성된다.

본 발명의 작용을 도1을 이용하여 상술하면 다음과 같다. 유기성폐수 또는 유기성폐기물이 저장조(1-1)로부터 유입펌프(1-2)에 의해 20℃에서 45℃범위의 온도와 체류시간 2일에서 30일 사이로 운전되는 중온혐기성소화조(2-1)에 유입되면 중온 혐기성미생물 또는 이들이 분비한 효소의 생화학작용에 의해 유입폐수에 함유된 유기물의 가수분해 및 산발효반응이 진행된다. 또한, 산발효반응의 최종 생성물인 저급휘발성지방산, 수소 등은 메탄 등의 바이오가스로 전환된다. 중온혐기성소화조(2-1)에서 생성된 바이오가스는 배출관(2-3)을 통하여 배출된다. 유기성폐수 또는 폐기물 저장조(1-1)로부터 유기성 폐수 또는 폐기물 유입펌프(1-2)에 의한 중온 혐기성반응조(2-1)의 유입유량의 5-300%에 해당하는 중온혐기성소화조(2-1) 내용물을 내부순환관(3-1) 및 순환펌프(3-2)을 경유하여 고온혐기성소화조(4-1)로 유입된다. 45℃에서 75℃범위의 온도에서 체류시간 0.5일에서 10일사이로 운전되는 고온혐기성소화조(4-1)에서는 중온혐기성소화조(2-1)에서 미처리 상태로 유입된 유기물의 추가적인 가수분해 반응이 진행되고 가수분해 산물의 일부는 휘발성 지방산으로 전환되는 산발효반응이 급속히 진행된다. 이 과정에서 가수분해효소 등의 고온 혐기성미생물의 대사산물이 빠르게 생성된다. 고온혐기성소화조(4-1)에서 생성된 휘발성지방산의 일부는 최종적으로 메탄과 이산화탄소로 전환되어 바이오가스 배출관(4-3)을 통하여 배출된다. 고온 혐기성소화조(4-1)로 유입된 중온혐기성소화조(2-1) 내용물에는 중온 혐기성미생물과 중온 혐기성소화반응에서 생성된 혐기성소화반응의 생리활성물질을 다량 함유하고 있으며, 이들은 고온혐기성소화조(4-1)에서의 혐기성반응을 촉진하여 고온혐기성소화반응 효율을 극대화시킨다. 또한, 유입 유기성폐수 또는 유기성폐기물에 함유된 병원균은 고온혐기성소화조(4-1)에 체류하는 동안 대부분 사멸된다. 고온혐기성소화조(4-1) 유출수는 중온혐기성소화조(2-1)와 고온혐기성소화조(4-1) 사이에 설치된 유출관(4-2)에 의해 중온혐기성소화조(2-1)로 재 유입된다. 중온혐기성소화조(2-1)에 유입되는 고온혐기성소화조(4-1) 유출수에는 고온 혐기성미생물과 고온혐기성소화조(4-1)에서 고온 혐기성미생물에 의해 생성된 혐기성소화반응의 중간생성물 및 가수분해효소 등의 생리활성물질을 다량 함유하고 있으며, 이들은 중온 혐기성미생물에 의한 생화학반응의 촉진제 역할을 하게되어 중온혐기성소화조(2-1)에서 가수분해 및 산발효, 메탄발효로 대표되는 혐기성소화반응의 효율을 극대화시킨다.

본 발명의 주요효과는 재래식 중온 및 고온 혐기성소화공정과 비교하여 유기성폐수 및 유기성폐기물의 유기물감량율 및 병원균 사멸율로 대표되는 안정화 정도가 월등하고 소화조 단위부피당 메탄가스 생산량이 많으며, 유출수 수질이 상대적으로 우수하다는 점이다.

하수슬러지를 이용하여 본 발명에 의한 고온·중온 공상 혐기성소화방법의 효과를 나타내기 위한 실시 예를 재래식 중온 및 고온 혐기성소화에 비교한 결과는 아래 표와 같다. 본 발명의 혐기성소화방법에 의한 하수슬러지의 유기물 감량율(VS reduction(%))은 재래식 중온 혐기성소화에 비해서 약 15% 향상되었으며, 그 동안 혐기성소화에 의한 유기물 감량율의 한계 값으로 여겨지던 고온 혐기성소화의 결과보다도 약 12% 높았다. 본 발명에 의한 소화공정의 유출수에 함유된 용해성 화학적산소요구량(SCOD)은 재래식 중온 혐기성소화공정 유출수의 약 85%였으며, 재래식 고온 혐기성소화조 유출수의 약 42%로서 본 발명의 소화방법에 의한 소화조 유출수 수질이 상대적 우수하였다. 본 발명에 의한 소화공정의 비메탄생성량(specific methane yield, mL CH₄/g VSremoved)은 재래식 고온 혐기성소화와 중온 혐기성소화에 비해 우수하였으며, 소화슬러지의 병원균 사멸율은 99.6%에 달하여 재래식 중온혐기성소화공정의 경우 66.7%에 비해 월등하였다.

<재래식 중온 및 고온 혐기성소화에 비교한 본 발명의

중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된

온도 공상공정에 의한 하수슬러지 혐기성 소화성능>

항목	본 발명에 의한 실시 예	재래식 중온 혐기성소화	재래식 고온 혐기성소화
pH	7.53	7.67	8.08
휘발성지방산(mg HAc/L)	795	579	1,587
용해성 화학적산소요구량(mg/L)	2,133	2,555	5,240
유기물감량율(%)	58.4	43.5	46.8
비메탄생성량 (mL CH4/g VSremoved)	472	447	347
대장균사멸율(%)	99.6	66.7	99.7
수리학적체류시간 (days)	21	20	10
비고: VS: 휘발성고형물 농도(mg/L)

Claims

유기성폐수 또는 유기성폐기물이 중온혐기성소화조(2-1)에 유입되어 1차 혐기성소화 반응이 진행되고 그 유출수는 중온혐기성소화조(2-1)로부터 내부순환관(3-1)과 순환펌프(3-2)에 의해 고온 혐기성소화조(4-1)에 유입되어 2차 혐기성소화 반응이 진행된 후 고온혐기성소화조 유출관(4-2)을 통하여 중온혐기성소화조(2-1)에 재순환되는 것을 특징으로 하는 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법
1항에 있어서 고온혐기성소화조(4-1) 내용물의 온도가 45℃에서 75℃ 사이로 유지되는 것을 특징으로 하는 고온혐기성소화조(4-1)를 포함하는 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법
1항에 있어서 고온혐기성소화조(4-1)의 수리학적 체류시간이 0.5일에서 10일의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 고온혐기성소화조(4-1)를 포함하는 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법
1항에 있어서 중온혐기성소화조(2-1) 내용물의 온도가 20℃에서 45℃ 사이로 유지되는 것을 특징으로 하는 중온혐기성소화조(2-1)를 포함하는 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법
1항에 있어서 중온혐기성소화조(2-1)의 수리학적 체류시간이 2일에서 30일의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 중온 혐기성소화조(2-1)를 포함하는 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법
1항에 있어서 고온혐기성소화조(4-1)와 중온혐기성소화조(2-1)사이에 설치된 내부순환관(3-1) 및 순환펌프(3-2)에 의하여 유기성폐수 또는 유기성폐기물의 중온혐기성소화조(2-1) 유입유량의 5%-300%를 중온 혐기성소화조(2-1)에서 고온 혐기성소화조(4-1)로 내부순환하는 것을 특징으로 하는 중온혐기성소화조에 고온혐기성소화조가 내부적으로 연결된 온도 공상공정에 의한 유기성폐수 및 폐기물의 혐기성소화방법