KR100227186B1 - 유기성 폐액의 혐기적 처리방법 그에 사용되는 발효조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분뇨등 유기성 폐액의 처리에 사용되는 혐기적 처리방법 및 그에 사용되는 발효조에 관한 것이다. 본 발명의 혐기적 처리방법은 제1발효조에서 유기성 폐액을 유기산 생성 발효시기는 단계 및, 상기 유기산 생성 발효단계를 거친유기성 폐액을 제2발효조에 이송하여 메탄생성 발효시기는 단계를 포함하는 것으로 이루어지는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법에 있어서, 제1발효조에서 제2발효조로의 유기성 폐액의 이송은 제1발효조의 하부에 형성되는 슬러지층에서 제2발효조의 하부에 형성되는 슬러지층을 통해 이루어지며, 상기 유기성 폐액의 제1발효조 및 제2발효조에서의 수리학적 체류시간의 비는 약 4:11인 것을 특징으로 한다. 그리고, 본 발명에 따른 유기성 폐액을 발효시키기 위한 혐기적 발효조는 유기산 생성발효부와 메탄 생성 발효부의 용적이 약 4:11의 비율이 되도록 분리된 발효조와; 상기 발효조를 유기산 생성 발효부와 메탄 생성 발효부로 분리하도록 발효조내부에 설치되어 있으며, 그 하부에 슬러지를 유통시키기 위한 슬러지 유통구를 가지는 격막과; 상기 발효조의 메탄 생성 발효부의 저면에 슬러지를 수집하기 위한 슬러지 수집부와; 그리고, 상기 슬러지 수집부의 슬러지를 외부로 배출시키기 위한 슬러지 배출구를 구비함을 특징으로 한다.

Description

유기성 폐액의 혐기적 처리방법 그에 사용되는 발효조

본 발명은 가축의 분뇨 등 유기성 페액을 처리하기 위하여 사용되는 혐기적처리방법 및 그에 사용되는 발효조에 관한 것으로, 더욱 상세히는 산생성 발효와 메탄생성 발효가 분리되어 수행되는 혐기적 처리방법 및 그에 사용되는 발효조에 관한 것이다.

일반적으로 혐기발효는 가축의 분뇨, 도시하수, 농수산물, 식품가공 부산물및 그 페수등 유기성 폐액을 혐기적 조건하에서 미생물에 의해 분해하여 처리하는 폐수처리 방법으로 공기와의 접촉이 차단된 밀봉된 상태의 발효조에서 유기물을 발효시켜 발효가스를 생성시키며 유기물을 분해하는 폐수처리 방법이다.

이러한 일반적인 혐기발효 공정은 기본적으로 유기산생성 발효단계와 메탄생성 발효단계의 2단계로 나눌 수 있는데, 각 단계에서 작용하는 미생물의 생리적특징 및 영양요구성이 다르므로 위의 양 발효단계를 분리하지 않고 동일 발효조에서 수행하는 1단계 혐기발효법은 각 단계를 최적상태로 조절하기가 불가능하여 비록 그에 사용되는 발효조의 구조는 간단할지라도 처리효율이 떨어지며 배출수의 농도(BOD, COD, 총고형분, 질소등)가 높아 그후의 처리가 어렵다. 또한 이러한 단점을 개선하여 유기산생성 발효단계와 메탄생성 발효단계를 분리하여 수행하는 혐기적 처리방법 및 그에 사용되는 발효조가 개발되어 있으나 운영이 어렵고 유입폐수의 부하량 및 생성에 민감하게 반응하므로써 안정성이 떨어질 뿐만 아니라 효율이 낮아 실용적으로 사용되지 못하고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 그 실행이 간단하면서 유입폐수의 변화에도 불구하고 안정된 발효를 유지하는 폐수처리 효율이 뛰어난 유기성 폐액의 혐기적 처리방법 및 그에 사용되는 발효조를 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기타 목적, 이점 및 신규한 점은 하기 기재내용으로부터 용이하게 알 수 있을 것이다.

도1은 본 발명에 따른 혐기적 발효조의 종단면도이며,

도2는 본 발명에 따른 혐기적 발효조의 횡단면도이며,

도3은 본 발명에 따른 혐기적 발효조의 산생성조에서의 돼지분뇨의 혼합후 슬러지층 높이의 변화를 나타내는 그래프이며,

도4는 돼지측사에서 나온 분뇨에 본 발명에 따른 혐기적 처리방법을 포함한 공정을 적용하여 최종적으로 재처리수로 이용하거나 방류 또는 퇴비화 하기까지의 과정을 보여주는 개략적 공정도이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 제1발효조에서 유기성 폐액을 유기산 생성 발효시키는 단계 및, 상기 유기산 생성 발효단계를 거친유기성 폐액을 제2발효조에 이송하여 메탄생성 발효시기는 단계를 포함하는 유기성폐액의 혐기적 처리방법이 제공된다. 이때 제1발효조에서 제2발효조로의 유기성 폐액의 이송은 제1발효조의 하부에 형성되는 슬러지층에서 제2발효조의 하부에 형성되는 슬러지층을 통해 이루어지며, 상기 유기성 폐액의 제1발효조 및 제2발효조에서의 수리학적 체류시간의 비는 약 4:11 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 유기성 폐액의 혐기적 처리방법은 상기한 바와 같이 혐기미생물의 특성을 최대한 이용하기 위해 유기산생성 발효단계와 메탄생성 발효단계를 분리하여 수행하는 방식이다. 즉, 유기산생성 발효가 일어나는 제1발효조에는 주로 산생성균이 서식하도록 발효조의 pH를 산생성균의 최적 pH6.3-6.8에 근접하게 맞추어 준다. 이러한 pH 조절은 산생성조인 제1발효조의 부하율을 높이면 산생성균이 분해할 수 있는 유기물이 많아짐으로써 유기산의 생성이 활발하게 되어 pH를 낮게 유지시킬 수 있다. 한편 메탄생성 발효가 일어나는 제2발효조에는 주로 메탄생성균이 서식하도록 발효조의 pH를 메탄생성균의 최적 pH7.3-7.5에 근접하게 맞추어준다. 이러한 pH 조절은 메탄생성조인 제2발효조의 부하율을 낮게 함으로써 가능하다. 또한 이러한 pH 조절은 동시에 유기성 페액의 각 발효조에서의 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time)을 조절함으로써 이루어진다.

산생성과 메탄생성조에서 유기성 페액이 수리학적 체류시간의 비는 대략 4:11인 것이 바람직하다.

그렇지만, 상기 비율은 투입되는 폐액중의 유기물이 농도등 여러요인에 따라 변경가능하다. 예를들면, 처리하고자 하는 폐액중의 유기물 농도가 높으면 산생성조에서의 수리학적 체류시간을 더 늘리고, 탄소가 많이 포함되어 있는 물질은 산생성조에서 수리학적 체류시간을 줄이며, 적게 포함되어 있는 물질은 늘린다. 또한 질소에 비하여 상대적으로 탄소량이 적은 경우에는 산생성조에서의 수리학적 체류시간을 늘린다. 산생성조와 메탄생성조에서 수리학적 체류시간의 합은 대략 15일이면 되나, 폐액중 유기물의 농도가 높으면, 이보다 길게 하고 낮으면 짧게 하면 된다.

상기한 바와 같은 수리학적 체류시간의 조절은 본 발명에 기술된 바를 토대로 하여 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있다.

본 발명의 유기성 폐액의 혐기적 처리방법에서는 폐액의 교반이 중요하다. 산생성조에 서식하는 산생성균은 유기물을 분해하여 휘발성 지방산과 같은 물질을 생성하는데, 유기물이 풍부할 경우 산생성이 촉진되어 pH가 최적 pH 이하로 쉽게 저하되며, 이로 인해 산생성균의 활력이 저하된다. 이러한 때 교반을 해주면 산생성균 주위에 생성된 산의 확산(희석)이 일어나 균주위의 pH를 증가시키는 효과가 있으며, 또한 균주위의 영양원(유기물)이 소모되어 영양원이 부족할 경우에는 미생물 주위에 영양원을 공급하는 효과도 있다. 또 슬러지가 굳는 것을 방지하는 효과도 있다. 따라서, 산생성조에서는 폐액을 교반해줄 필요가 있으며, 상청액 뿐만아니라 슬러지층까지 교반해도 상관없다. 그렇지만, 산생성조에서의 교반은 상기한 바와 같은 목적하에 간헐적으로 짧게 시행하는 것으로 충분하다. 이렇게 하는 것이 에너지 절약에도 도움이 된다. 한편, 메탄생성조중의 페액은 상청액과 버드(슬러지층)으로 나뉘는데, 메탄생성균은 거의 이 슬러지층에 서식하고 있으며 이 슬러지층에서 가장 활발하게 메탄이 생성된다. 따라서 이 슬러지층이 파괴되면 메탄생성균의 생활거점이 없어지는 것과 마찬가지이므로 메탄생성 효율이 크게 저하된다. 즉, 슬러지층이 파괴되면 유기물의 분해율이 떨어진다. 또한 메탄생성균은 세대시간이 3일 내지 1주일 정도로 매우 길어 교반을 자주 해주는 것은 미생물의 유출을 조장하는 결과를 가져온다. 따라서 메탄생성조에서는 슬러지층이 파괴되지 않도록 가급적이면 교반을 피하는 것이 바람직하다.

그러나, 약간의 교반은 분해효율을 높일 수 있다. 즉, 교반에 의해 메탄생성균의 저해요소인 메탄을 부상시켜 제거함으로써 미생물의 활력을 높일 수 있으며, 또한 교반에 의하여 미생물 위주로 영양원을 공급할 수 있다. 또한, 상기한 혐기적 처리방법에서 제1발효조 및 제2발효조는 연속식으로 운전될 수 있다.

본 발명의 혐기적 처리방법에 따르면, 제1발효조에서 유기산생성 발효단계를 거친 폐액은 제1발효조의 하부에 형성되는 슬러지층을 거쳐 제2발효조의 하부에 형성되는 슬러지층으로 이송된다. 제1발효조에서 유기산생성 발효단계를 거친 폐액을 제2발효조의 하부에 형성되는 슬러지층으로 공급하는 이유는 이 슬러지층에 제2발효조의 메탄생성균의 거의 전부가 서식하고 있으므로 이 슬러지층을 거치게하여 충분한 발효를 시켜 유기산을 가능한 한 높은 비율로 분해시기기 위함이다. 또한 산생성조는 상청액 뿐만 아니라 슬러지층까지 교반하고 이렇게 하여 충분히 혼합된 폐액을 메탄생성조의 하부에 형성되는 슬러지층에 공급할 수도 있으나, 상술한 바와 같이, 산생성조에서의 교반은 간헐적으로 2-3분간 걸쳐 시행하는 것으로 충분하여 이렇게 하는 것이 오히려 에너지 절약에도 도움이 되는바, 산생성조에서도 교반은 필요한 범위에서 최소한에 그치고 슬러지층이 형성되도록 하여 유기산생성 발효단계를 거친 폐액이 이 슬러지층을 거쳐 메탄생성조의 슬러지층으로 이송되도록 하는 것이 바람직하다. 메탄생성조에서는 상청액이 발효조밖으로 배출된다. 상기한 혐기적 처리방법은 유입폐수의 부하량 및 성상에 관계없이 높은 혐기발효의 안정성이 유지되는 것이 큰 장점이며, 기타 처리효율(BOD, 질소)을 증대시키고, 처리기간을 단축시기는 이점 등이 있다.

또한 제2발효조의 하부에 쌓이는 슬러지는 필요에 따라 밖으로 배출된다.

상기 유기성 폐액에는 가축의 분뇨, 인분, 도시하수, 농수산물, 식품가공부산물 및 그 폐수 등이 포함된다. 상기 유기성 페액은 바람직하게는 가축분뇨이다.

본 발명에 따른 혐기적 처리과정을 거친 페액은 침전조에서 침전시켜 상청액과 슬러지로 나눈 후 이 슬러지를 제1발효조에 반송할 수도 있다. 종래 혐기발효 공정을 거치고 나오는 혐기발효 폐액은 BOD가 약 6000ppm 정도에 이른 고농도의 폐액이다. 이것은 정화처리의 후속공정인 호기발효의 경제적 상한선인 BOD 3000ppm을 훨씬 상회하는 농도이다. 이러한 이유 때문에 혐기발효후 폐액은 희석을 필요로 한다. 그러나, 본 발명은 희석수가 필요없는 공정이다. 즉, 본 발명에 따른 상기 혐기적 처리공정중 메탄생성 발효단계를 거친 폐액은 종래 1단계 혐기발효를 거친 폐액에 비해서는 BOD가 훨씬 낮지만, 그래도 여전히 페액중에는 BOD를 높이는 고형물이 상당량 포함되어져 있다. 따라서 이러한 고형물을 침전에 의하여 분리한후 이 고형물 슬러지를 유기산 발효조인 제1발효조에 첨가함으로써 혐기발효 폐액의 BOD를 줄이며 호기발효의 부하량을 감소시켜 물을 첨가하여 희석시키는 공정이 불필요하게 되며, 부수적으로는 혐기 슬러지 감소의 효과가 있다.

또한 유기산 발효조의 성상에 있어서도 낮은 산도를 유지하는 유기산 발효조의 산도를 적정산도로 높여 산생성 미생물의 활성을 증가시켜 높은 분해효율을얻을 수 있다. 또한 이러한 공정은 폐수중의 부하량이 낮은 액상물질은 수리학적체류시간을 짧게 가지게 하며, 이에 반하여 고형물은 체류시간을 길게 만들어 폐수의 처리효율이 증진된다.

상기 2단계 혐기적 처리공정은 공정의 전후에 다른 공정을 더 포함하여 유기성 폐액의 처리에 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 2단계 혐기발효 공정을 거친 유기성 폐액은 또 다른 발효조에서 호기발효될 수 있다. 이때 유기산 발효조의 상청액의 일부를 호기발효조에 공급하여 호기발효에 있어서 탄소와 질소의 비를 개선할 수 있다. 일반적으로 혐기발효를 거쳐 나오는 배출수는 BOD가 높으며 또한 혐기발효 분해과정중 탄소원의 분해는 효율이 높으나 질소의 분해는 거의 이루어지지 않는 단점을 가지고 있으며 이는 본 발명의 2단계 혐기발효에서도 동일하다.

이러한 폐액은 후속공정인 호기발효의 효율을 저해하는 요인이 된다. 즉, 질소의 농도는 높으나 상대적으로 미생물이 이용하여 처리할 수 있는 탄소원이 부족하다. 그러나, 2단계 혐기발효시 산생성 발효의 상청액은 쉽게 분해되어지는 탄소원이 많이 포함되어 있어 혐기발효 페액과 혼합시 질소에 비하여 탄소원의 부족을 줄일수 있으며, 이로 인해 후속공정인 호기발효의 성적을 극대화시킬 수 있다. 또한 산생성 발효조의 상청액의 일부를 호기발효조에 이송함으로써 혐기발효조 및 호기발효조의 시설규모 감소, 혐기발효의 발효시간 단축, 호기발효의 공정단순화 및 호기발효의 부하율 감소를 이룰 수 있다. 또한 산생성 발효는 pH가 6.3-6.5 정도이고 메탄생성 발효단계를 거친 배출수의 농도는 pH가 7.3-7.5 정도이므로 이들을 혼합하면 호기발효의 최적 pH 7에 가깝게 맞출 수 있다.

이에 반해 종래의 방식인 원 폐액의 일부를 혐기발효 폐액에 첨가하여 호기발효 효율의 향상을 꾀하는 방식은 원 폐액에 있는 이분해성 탄수화물과 고형물도 함께 첨가되므로 후속공정인 호기발효에 있어서 탄소와 질소의 비를 개선하기는 하나 부하를 대폭 증가시켜 호기발효의 효율을 감소시기는 원인이 되었다.

상기와 같은 본 발명의 구체예에서 호기발효조에 이송되는 유기산 생성발효조의 상청액은 호기발효조에 유입되는 메탄생성 발효단계를 거친 유기성 폐액에 대해 부피비로 1:4 -1:8의 관계에 있는 것이 탄소와 질소간의 균형을 맞춤에 있어서 바람직하다.

본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 본 발명은 유기성 폐액을 발효시기기 위한 혐기적 발효조에 있어서, 유기산생성 발효부와 메탄생성 발효부의 용적이 약 4:11의 비율이 되도록 분리된 발효조와; 상기 발효조를 유기산생성 발효부와 메탄생성 발효부로 분리하도록 발효조 내부에 설치되어 있으며, 그 하부에 슬러지를 유통시키기 위한 슬러지 유통구를 가지는 격막과; 상기 발효조의 메탄생성 발효부의 저면에 슬러지를 수집하기 위한 슬러지 수집부와; 그리고, 상기 슬러지 수집부의 슬러지를 외부로 배출시기기 위한 슬러지 배출구를 구비함을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 발효조에 관한 것이다.

이하 본 발명에 따른 유기성 폐액의 혐기적 발효조를 예시목적으로 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1의 본 발명의 혐기적 발효조의 종단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 혐기적 발효조는 분뇨를 발효시기기 위한 발효조(1)와; 유기산생성발효부(3)와 메탄생성 발효부(5)를 분리하여 형성하도록 상기 발효조내에 설치되고 하부에 슬러지를 유통하기 위한 슬러지 유통구(7)를 가지는 격막(9)과; 상기 발효조의 메탄생성 발효부의 저면에 슬러지를 수집하기 위한 슬러지 수집부(11)와; 상기 슬러지 수집부의 슬러지를 외부로 배출시키기 위한 슬러지 배출구(13)를 구비하는 혐기적 발효조로 구성된다.

본 발명의 혐기적 발효조는 콘크리트, 철물, FRP 등 다양한 소재로 만들 수 있으며, 규모도 처리대상물의 종류 및 처리용량에 맞게 다양하게 제작할 수 있다. 또한 형태에 있어서도 육체면, 원통형 등 다양한 형태로 만들 수 있다.

격막은 유기산 생성발효부와 메탄생성 발효부를 구분짓는 역할을 함과 동시에 유기산 생성발효부와 메탄생성 발효부의 수리학적 체류시간의 비를 결정하는 역할도 한다. 이 수리학적 체류시간에 따라 유기산 생성발효부와 메탄생성 발효부의 폐액의 pH가 크게 영향을 받으며 이에 의해 2단계 혐기발효의 성패가 좌우된다.

발효조(1)의 저면은 메탄생성 발효부(5)의 저면에 설치되는 슬러지수집부(11)로 슬러지가 원활하게 미끄러져 이송되도록 경사져 있다.

상기 격막에는 하부에 형성되는 슬러지 유통구(7)외에 상부에 유기산 생성발효부(3)와 메탄생성 발효부(5) 사이의 가스유통을 위한 가스유통부(15)가 설치되어 있을 수 있다.

또한 발효조 내부의 온도유지를 위하여 외부에 혐기발효시 생성되는 메탄가스를 이용하는 보일러가 설치되어 있으며, 발효조 내부에는 온수순환식 가열장치로서 히팅 파이프 또는 히팅패널이 설치되어 있을 수 있다.

또한 내용물을 혼합하기 위하여 발효조 하부의 슬러지층이 형성되는 곳에 산기관을 설치하고 블로어(Blower)에 의해 발효조 상부의 발효가스를 순환시켜 하부이 산기관으로 불어 넣어 내용물을 혼합할 수 있다.

또한 유기산생성 발효부측에 처리하고자 하는 폐액을 투입하기 위한 폐액유입구(17)가 그리고 메탄생성 발효부측에 메탄생성 발효부의 상청액을 배출시키기 위한 상청액 배출구(19)가 설치되어 있을 수 있으며, 발효조의 상부에는 혐기발효시에 생성되는 가스를 배출하기 위한 가스배출구(21)가 설치되어 있을 수 있다. 이 가스배출구로부터 발효가스가 메탄보일러와 블로어로 공급된다.

본 발명의 혐기적 발효조는 유입폐액의 종류에 따라 간헐식 유입방식과 연속된 연속식 유입방식 등으로 운영할 수 있으며, 혐기발효후 폐액의 유출도 폐액유입과 동시에 이루어질 수 있다.

위에서 알수 있는 바와 같이, 본 발명의 혐기적 발효조는 그 구조가 극히 간단하여 일반적인 상자형, 원통형 등의 밀폐된 구조물을 성상에 따라 칸을 나누고 그 칸막이 하부에 터널을 만들어 그 부분으로 내용물의 이동이 이루어지도록 한 구조로서 유기산생성 발효단계와 메탄생성 발효단계를 간단하게 분리운영함으로써 처리효율의 극대화를 꾀할 수 있다.

이하 실시예를 기재하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다. 그렇지만, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1-a

본 실시예는 2단계 혐기발효와 종래의 1단계 혐기발효를 비교하기 위하여 수행하였다. 도 1 및 도 2에 나타낸 것과 같은 구조의 용량 1톤 규모의 폴리에틸렌 용기(실발효용량)로 된 혐기적 발효조를 사용하여 돼지분뇨를 처리하였다. 사용한 돼지분뇨의 특성은 표 1에 나와 있다. 산생성조와 메탄생성조의 용적비율은 4 : 11로 하였다. 운영조건은 액상물질 체류시간은 15일로 하고 산생성조에서의 수리학적 체류시간은 4일, 메탄생성조에서의 수리학적 체류시간은 11일로 하였다.

돼지분뇨를 하루에 총 53.3L를 8회로 나누어 산생성조에 투입하였다. 그리고, 메탄생성조에서 상청액을 돼지분뇨 투입량의 85% 정도인 1일 45L를 배출하였다. 나머지는 수증기, 메탄가스, 슬러지 등으로 배출되었다. 발효조의 온도는 중온대 발효의 39℃로 유지하였다.

산생성조와 메탄생성조에서의 돼지분뇨의 혼합(교반)은 발효조 내부에 설치된 산기관을 이용하여 혐기발효시 생성된 메탄가스를 순환시켜 행하였으며, 산생성조와 메탄생성조 모두 간헐적으로 슬러지가 굳지 않을 정도로만 2-3분간의 짧은 시간에 걸쳐 하였다. 교반후 상청액과 슬러지층의 분리, 즉 고형물이 가라앉는데는 20-30분이 걸렸다. 슬러지는 메탄생성조로부터 밖으로 배출시켰다.

종래의 1단계 혐기발효 실험은 위의 2단계 혐기발효와 같은 규모와 구조의 발효조를 사용하였으나, 단기 격막만을 설치하지 않았다. 체류시간은 15일로 하였다. 그외 조건은 상기 2단계 혐기발효와 같았다. 그 결과를 표 2에 나타내었다. 표 2의 결과는 발효조 운전 후 약 30일후 얻은 결과이다.

[표 1]

[표 2]

실시예 1-6

본 실시예는 2단계 혐기발효시 산생성조와 메탄생성조에서의 최적 체류시간을 결정하기 위해 행하였다. 2단계 혐기발효는 용량 8L 규모의 아크릴제 용기(실발효용량 6L) 2기를 상하로 연결하여 사용하였으며 상부의 것을 산생성 발효조로 하부의 것은 메탄생성 발효조로 사용하였다, 운영조건은 액상물질 총체류시간 15일로 하였고 산생성 발효조와 메탄발효조에서의 체류시간의 비는 표 3과 같이 하였다. 따라서, 각 발효조에서의 투입량과 유출량을 산생성발효조에서의 체류시간이 4일이고 메탄생성 발효조에서의 체류시간이 11일인 경우를 예로들어 설명하면 다음과 같다.

산생성조 : 투입량 1.5L/일(6L/4일), 유출량 : 약 1.5L/일, 메탄생성조 : 투입량 0.552/일(6L/11일), 유출량 약 0.522(일) 산생성조에서의 유출량이 메탄생성조에서의 투입량 보다 많은바, 나머지는 버렸다. 산생성조의 유출액은 메탄생성조의 슬러지층에 투입되고 메탄생성조에서는 상청액이 처리수로서 배출되었다. 발효조의 온도는 외부수조 기본식으로 중온대 발효의 39℃로 유지시켰다. 부대장치로는 발효조로부터 나오는 메탄가스를 가스 포집조에 저장하여 가스발생량을 측정하였고 혐기적 발효조 내부에는 산기관을 설치하여 메탄가스를 순환시켜 내부를 교반하였다. 교반은 산생성조와 메탄생성조 모두 간헐적으로 2-3분간의 짧은 시간에 걸쳐 하였다. 사용한 실시예 1-a에서 사용한 것과 같았다.

종래의 1단계 혐기발효는 용량 8L 규모의 아크릴제 용기(실발효 용량 6L)11를 사용하여 행하였다. 체류시간은 15일로 하였다. 기타조건은 상기 2단계 혐기발효와 같았다. 그 결과를 표 3에 나타내었다. 표 3의 결과는 발효조 운전후 약 30일후 얻은 결과이다.

[표 3]

[실시예 2]

본 실시예는 혐기적 발효조의 산생성조의 상청액을 이용한 호기발효에 관한것 이다.

도1 및 도2에 나타낸 것과 같은 구조의 용량 1톤 규모의 폴리에틸렌용기(실발효용량)로 된 2단계 혐기적 발효조를 사용하여 돼지분뇨를 처리하였다. 사용한 돼지분뇨의 특성은 표 4에 나와 있다. 산생성조와 메탄생성조의 용적비율은 4 : 11로 하였다. 운영조건은 액상물질 체류시간은 15일로 하고 산생성조에서의 수리학적 체류시간은 4일, 메탄생성조에서의 수리학적 체류시간은 11일로 하였다.

돼지분뇨를 하루에 총 55.3L를 8회로 나누어 산생성조에 투입하고, 메탄생성조에서 상청액을 1일 약 45L 배출하였다. 배출된 상청액중 일부를 산생성조에서 뽑아낸 상청액과 함께 호기발효조에 투입하였으며 투입량은 1일 40L였고 이것을 8회에 나누어 투입하였다. 산생성조에서는 상청액을 1일 총 13.3L를 8회에 나누어 호기발효조에 이송하였다. 도 3에는 산생성조의 내용물을 혼합한 슬러지 높이의 변화가 나와 있다. 혐기적발효조의 온도는 39℃로 유지시켰다. 산생성조와 메탄생성조에서의 돼지분뇨는 혼합(교반)은 발효조 내부에 설치된 산기관을 이용하여 혐기발효시 생성된 메탄가스를 순환시켜 행하였으며, 산생성조와 메탄생성조 모두 간헐적으로 슬러지가 굳지 않을 정도로만 하였다. 교반후 상청액과 슬러지층의 분리, 즉 고형물이 가라앉는데 20-30분이 걸렸다. 2-3분간의 짧은 시간에 걸쳐 슬러지는 메탄생성조로부터 밖으로 배출시켰다.

종래의 1단계 혐기발효 실험은 위의 2단계 혐기발효와 같은 규모와 구조의 발효조를 사용하였으나 단지 격막만을 설치하지 않았다. 체류시간은 15일로 하였다. 그외 조건은 상기 2단계 혐기발효와 같았다.

호기발효조는 80L의 아크릴제 용기를 사용하여 하부폭기 방식으로 운용하였다. 폭기는 연속적으로 하였으며 20℃의 공기를 발효조 공적 1L당 1분당 1L의 양으로 폭기하였다. 이때의 운영조건은 액상물질 체류시간(HRT)은 1일로 하였으며 실온(20°C)에서 운영하였다. 상기와 같은 조건으로 혐기 및 호기의 발효조건으로 본 발명과 종래의 방식으로 3개월간 운영하였다. 그 결과를 표 6에 나타내었다.

[표 4]

[표 5]

[표 6]

[실시예 3]

본 실시예는 2단계 혐기발효후의 배출수를 침전시켜 얻은 슬러지를 산생성조에 반송시켜 재이용하는 것에 관한 것이다.

도 1 및 도 2에 나타낸 것과 같은 구조의 용량 1톤 규모의 폴리에틸렌용기(실발효용량)로 된 2단계 혐기적 발효조를 사용하여 돼지분뇨를 처리하였다. 사용한 돼지분뇨의 특성은 표 1에 나와 있다. 산생성조와 메탄생성조의 용적비율은 4:11로 하였다. 운영조건은 액상물질 체류시간은 15일로 하고 산생성조에서의 수리학적 체류시간은 4일, 메탄생성조에서의 수리학적 체류시간은 11일로 하였다. 돼지분뇨를 하루에 총 53.3L를 8회로 나누어 산생성조에 투입하였다. 그리고, 메탄생성조에서 상청액을 돼지분뇨 투입량의 85% 정도인 1일 45L를 배출하였다. 나머지는 수증기, 메탄가스, 슬러지 등으로 배출되었다. 발효조의 온도는 중온대 발효의 39℃로 유지하였다.

산생성조와 메탄생성조에서의 돼지분뇨의 혼합(교반)은 발효조 내부에 설치된 산기관을 이용하여 혐기발효시 생성된 메탄가스를 순환시켜 행하였으며, 산생성조와 메탄생성조 모두 간헐적으로 슬러지가 굳지 않을 정도로만 2-3분간의 짧은 시간 걸쳐 하였다. 교반 후 상청액과 슬러지층의 분리, 즉 고형물이 가라앉는데는 20-30일 걸렸다. 2-3분간의 짧은 시간에 걸쳐 슬러지는 메탄생성조로부터 밖으로 배출시켰다.

메탄생성조로부터 배출된 상청액은 침전조에서 침전시켜 슬러지를 얻어 하루에 산생성조에 투입되는 돼지분뇨의 약 10%에 해당하는 5.3L를 1회 산생성조에 반송하였다. 위와 같은 방법으로 3개월간 발효조를 운영하여 돼지분뇨를 처리한 결과를 표 7에 나타내었다.

[표 7]

[실시예 4]

본 실시예는 축사에서 배출된 돼지분뇨가 본 발명의 2단계 혐기발효 공정을 거쳐 최종적으로 재처리수로서 재이용되거나 방류 또는 퇴비로 사용되기까지의 전공정을 보여 주는 실시예이다. 도 4에는 공정의 흐름도가 나와 있다. 상기 공정의 구성을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

(1) 채별기

조대한 입자를 선별하는 장치

(2) 혐기 2단계 발효조(산생성 발효조, 메탄생성조) 1기 : 도 1, 도 2에 나와 있는 구조

-산생성 발효조 : 체류시간(HRT) 4일

-메탄생성 발효조 : 부하율(HRT) 11일

-가온장치 : 온수순환 시스템(생성된 메탄가스를 연소시켜 온수 획득하여 발효조 내부가스, 온수순환방식)

-내용물 혼합장치 : 가스순환 시스템(생성된 메탄가스를 펌프로 발효조 하부에 설치된 산기관으로 불어 넣어 내용물을 혼합)

-메탄가스 저장장치

-탈황장치 : 메탄에 포함되어 있는 황화수소를 제거하는 장치

(3) 혐기적 발효조 폐액 침전조 - 2기

-1차 침전조 : 부하율(HRT) - 0.15일

-2차 침전조 : 부하율(HRT) - 0.5일

(4) 호기발효조 2기

-1차 호기발효 : 부하율(HRT) 1일

-2차 호기발효 : 부하율(HRT) 2일

(5) 호기발효 폐액 침전조

-부하율(HRT) 1일

(6) 여과조

-부하율(HRT) 1일

(7) 기타장치 : 투입장치, 반송장치, 배출장치

본 실시예의 처리공정 시스템은 파일러트 규모로 제작하여 자동화하여 실험에 사용하였다. 본 시스템의 구성장치는 위의 기술과 같으며 혐기적 발효조(Acidogenic fermenter + Methanogenic fermenter, Acidogenic stage : Methanogenic stage의 용적비율 = 4 : 11)의 크기로 800L로 하였으며 이에 준하여 침전조, 호기발효조, 응집조등 그외의 장치를 규모에 맞게 제작하여 사용하였다. 이 실험에 사용한 돈사 슬러지의 성분은 표 8에 나타내었으며, 실험의 처리공정의 조건은 표 9에 나타내었다. 실험기간은 6개월간 실시하였다. 표 10에는 본 공정의 처리효율이 나와 있다.

[표8]

[표 9]

[표 10]

이상으로부터 알 수 있듯이 본 발명의 혐기적 발효조는 그 구조가 극히 간단하여 운영이 용이하며 또한 이러한 발효조를 이용하는 본 발명에 따른 유기성 폐액의 혐기적 처리방법 또한 그 실행이 용이할 뿐만 아니라 유입폐수의 부하량 및 성상에 관계없이 높은 발효안정성을 유지하고 처리효율이 우수하다.

Claims (18)

1. (정정) 제1발효조에서 유기성 폐액을 유기산 생성 발효시키는 단계 및, 상기 유기산 생성 발효단계를 거친 유기성 폐액을 제2발효조에 이송하여 메탄 생성발효시키는 단계를 포함하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법에 있어서, 제1발효조에서 제2발효조로의 유기성 폐액의 이송은 제1발효조의 하부에 형성되는 슬러지층에서 제2발효조의 하부에 형성되는 슬러지층을 통해 이루어지며, 상기 유기성 폐액의 제1 발효조 및 제2발효조에서의 수리학적 체류시간의 비는 약 4:11인 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
2. (정정) 제 1항에 있어서, 상기 제1발효조 및 제2발효조는 연속적으로 운전되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
3. (정정) 제 1항에 있어서, 제2발효조에서 저부에 쌓인 슬러지가 밖으로 배출되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
4. (정정) 제 1항에 있어서, 상기 메탄생성 발효단계를 거친 유기성 폐액을 침전시켜 얻은 슬러지를 제1발효조에 반송하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
5. (정정) 제1항 내지 제3항 및 제4항중 어느 한 항에 었어서, 상기 유기성폐액은 분뇨인 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
6. (정정) 제 5항에 있어서, 상기 분뇨는 사람의 것인 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
7. (정정) 제 5항에 있어서, 상기 분뇨는 가축의 것인 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
8. (정정) 제 7항에 있어서, 상기 가축분뇨는 돼지의 것인 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
9. (정정) 제1항 내지 제3항 및 제4항중 어느 한 항에 있어서, 유기성 폐액의 혐기적 처리방법이 상기 메탄생성 발효단계를 거친 유기성 폐액을 제3발효조에서 호기 발효시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
10. (정정) 제 9항에 있어서, 제1발효조의 상청액의 일부를 제3발효조에 공급하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
11. (정정) 제9항에 있어서, 제3발효조에 이송되는 제3발효조의 상청액은 제3되는 상기 메탄생성 발효단계를 거친 유기성 폐액에 대해 부피비로 1 : 4 -1 : 8의 관계에 있는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
12. (정정) 제9항에 있어서, 유기성 페액의 제1발효조 및 제2발효조에서의 수리학적 체류시간의 합은 대략 15일임을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 처리방법.
13. (정정) 유기성 폐액을 발효시키기 위한 혐기적 발효조에 있어서,

    유기산생성 발효부와 메탄생성 발효부의 용적이 약 4:11의 비율이 되도록 분리된 발효조와; 상기 발효조를 유기산생성 발효부와 메탄생성 발효부로 분리하도록 발효조내부에 설치되어 있으며, 그 하부에 슬러지를 유통시키기 위한 슬러지 유통구를 가지는 격막과; 상기 발효조의 메탄생성 발효부의 저면에 슬러지를 수집하기 위한 슬러지 수집부와; 그리고 상기 슬러지 수집부의 슬러지를 외부로 배출시키기 위한 슬러지 배출구를 구비함을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 발효조.
14. (정정) 제13항에 있어서, 발효조의 저면이 슬러지 수집부로 슬러지가 미끄러져 이송되도록 경사진 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 발효조.
15. (정정) 제 13항에 있어서, 격막은 상부에 유기산생성 발효부와 메탄생성 발효부 사이의 가스 유통을 위한 가스 유통구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 발효조.
16. (정정) 제13항에 있어서, 발효조의 내부에 내용물을 가온하기 위한 가온장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 발효조.
17. (정정) 제16항에 있어서, 상기 가온장치는 온수순환식 파이프 또는 패널인것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 발효조.
18. (정정) 제13항에 있어서, 발효조내의 하부에는 내용물을 혼합하기 위한 산기관이 설치되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐액의 혐기적 발효조.