KR101188310B1

KR101188310B1 - 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치

Info

Publication number: KR101188310B1
Application number: KR20100061170A
Authority: KR
Inventors: 강인국
Original assignee: 주식회사 립코
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-10-09
Also published as: KR20120000741A

Abstract

본 발명은 협잡물이 함유된 고농도 유기 폐수의 처리 장치에 관한 것으로, 특히 내부로 유입되는 고농도의 유기 폐수를 유기산 발효 미생물에 의해 저분자 유기산으로 분해하는 유기산 발효조(104); 및 상기 유기산 발효조(104)를 내부에 설치하고, 상기 유기산 발효조의 하부에 구비된 적어도 하나 이상의 유입관(117, 118)을 통해 유입되는 상기 저분자 유기산을 혐기성 미생물에 의해 분해하여 메탄 가스를 생성하는 메탄 발효조(102);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치{Organic waste water treatment device}

본 발명은 유기 폐수 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 협잡물이 다량 함유된 음식물 침출수, 가축 분뇨 등과 같이 유기물 농도뿐만 아니라 고형물 농도가 고농도인 난분해성 폐수를 약품 탈수와 같은 별도의 전처리 과정 없이 처리할 수 있는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치에 관한 것이다.

현대 사회의 급속한 발달과 더불어 도시화?공업화에 따른 하?폐수의 발생량이 기하급수적으로 늘어나고 있음에 반해, 적절한 처리 없이 무단 방류되는 경우가 많아 하천의 수질을 크게 오염시키고 있는 실정이다. 한편, 최근에는 국내의 수자원 부족 및 환경 보존 차원에서 하천 및 호수 수질에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이에 따라 하?폐수 처리 공정들이 다수 개발되고 있다.

국내에서 음식물 쓰레기를 재활용하는 사업은 정부 또는 지방자치단체를 통해 활발히 수행되고 있는데, 이러한 음식물 쓰레기를 재활용하여 사료나 퇴비 등으로 재활용하기 위해 처리하는 과정에서 탈수 여액이나 침출수가 발생된다.

국내에서 발생되는 음식물 쓰레기 침출수는 일반 오ㆍ폐수와는 달리 오염물질의 농도가 매우 높고 침출수 성상 또한 식용유, 일반 유기물 등을 포함하고 있어 분석이 불가능할 정도의 고농도로서 분해가 잘되지 않아 심각한 환경오염의 원인이 되고 있다.

그러나 현재 음식물 쓰레기의 침출수를 처리하는 방법이 실용화되어 있지 않아 전량 해양투기에 의존하거나 인근 하수처리장과 연계 처리하는데, 해양 투기는 또 다른 환경오염을 유발하여 항상 국제적인 환경 분쟁의 문제점을 내포하고 있어 국제 협약에 의해 2012년까지는 전면 금지될 예정이고 처리 비용 또한 많이 드는 문제점이 있으며, 한편 인근 하수처리장과의 연계처리의 경우에는 고농도의 침출수로 인해 하수처리장에 과부하를 야기하여 하수처리장 증설을 요하는 문제점이 있음에 따라, 현재에는 음식물 쓰레기를 재활용하는데 큰 장애가 있다.

특히 음식물 침출수와 같이 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수의 경우 별도의 전처리 과정 없이 혐기성으로 처리할 경우 혐기성 소화조 내부에 협잡물이 축적되어 소화조 체류시간이 단축될 뿐만 아니라 이러한 현상이 장기간 지속될 경우 정상적인 혐기성 처리가 이루어지기 어렵게 되는 문제점이 있다.

따라서, 음식물 침출수, 가축 분뇨 등과 같이 유기물 농도뿐만 아니라 고형물 농도가 고농도인 난분해성 폐수를 약품 탈수와 같은 별도의 전처리 과정 없이 처리할 수 있는 고농도 유기 폐수의 효과적인 처리 방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 고농도 유기 폐수를 별도의 전처리 과정 없이 혐기성 소화조를 이용하여 유기물을 고효율로 제거할 수 있는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 메탄 발효조 내부에 유기산 발효조를 설치하여 폐수 처리 공정 및 유지 관리를 용이하게 할 수 있는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 메탄 발효조 상부에 미생물 부착용 메디아를 설치함으로써 혐기성 미생물을 확보하고, 외부 유출을 방지하여 고효율의 유기물 제거가 가능한 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 혐기성 소화조 내부에 침전 및 부유되는 경비중 물질 및 중비중 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고농도 유기 폐수 처리 장치는, 내부로 유입되는 고농도의 유기 폐수를 유기산 발효 미생물에 의해 저분자 유기산으로 분해하는 유기산 발효조; 및 상기 유기산 발효조를 내부에 설치하고, 상기 유기산 발효조의 하부에 구비된 적어도 하나 이상의 유입관을 통해 유입되는 상기 저분자 유기산을 혐기성 미생물에 의해 분해하여 메탄 가스를 생성하는 메탄 발효조;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 유기산 발효조는, 상기 유기산 발효조 하부의 폐수를 상기 유기산 발효조의 상부로 반송시키는 유기산 발효조 반송관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유기산 발효조 반송관은, 상기 유기산 발효조로 유입되는 유기 폐수 유입 수량의 5 내지 10배의 수량을 하부에서 상부로 반송시키는 것을 특징으로 한다.

상기 유기산 발효조는, 상기 유기산 발효조 하부의 폐수를 상기 유기산 발효조의 최하부에 축적된 중비중물로 반송시키는 유기산 발효조 최하부 반송관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유기산 발효조는, 상기 유기산 발효조 반송관 및 상기 유기산 발효조 최하부 반송관을 일체로 형성하고, 밸브의 제어에 의해 상기 유기산 발효조 하부의 폐수를 상기 유기산 발효조의 상부 또는 최하부로 선택적으로 반송시키는 것을 특징으로 한다.

상기 유기산 발효조는, 상기 유기산 발효조의 최상부에 설치되고, 상기 유기산 발효조의 상부에 축적된 경비중물을 제거하는 경비중물 제거부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유기산 발효조는, 상기 유기산 발효조의 하부에 설치되고, 상기 유기산 발효조의 하부에 축적된 중비중물을 제거하는 유기산 발효조 중비중물 제거관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유기산 발효조는, 상기 유기산 발효조의 내부에 포함된 상기 유기 폐수의 각 높이별 샘플 채취를 위한 적어도 하나 이상의 유기산 발효조 샘플링 포트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메탄 발효조는, 상기 메탄 발효조의 중상부에 설치되고, 복수의 메디아를 적층시켜 표면에 미생물이 부착되도록 하는 메디아층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메디아층은, 상기 각 메디아를 상호 어긋나게 접촉시켜 메디아 간에 공극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 메디아층은, 공극률이 90% 이상이고, 비표면적이 150㎡/㎡ 이상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 메탄 발효조는, 상기 메탄 발효조 상부의 폐수를 상기 메탄 발효조의 하부로 반송시키는 적어도 하나 이상의 메탄 발효조 반송관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메탄 발효조 반송관은, 상기 메탄 발효조로 유입되는 폐수 유입 수량의 10 내지 20배의 수량을 상부에서 하부로 반송시키는 것을 특징으로 한다.

상기 메탄 발효조 반송관은, 상기 메탄 발효조 반송관의 하부측 일단이 상기 메탄 발효조 내에서의 폐수 진행 방향으로 굴절되도록 설치되어 메탄 발효조 내의 폐수가 순환되는 것을 특징으로 한다.

상기 유기 폐수 처리 장치는, 상기 유기산 발효조의 하부에 외접하여 적어도 하나 이상의 베플이 설치되고, 상기 메탄 발효조의 하부에 내접하여 적어도 하나 이상의 베플이 설치되며, 상기 유기산 발효조에 외접한 베플과 상기 메탄 발효조에 내접한 베플이 상호 어긋나게 설치됨으로써 메탄 발효조 내에서 순환되는 폐수에 와류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 메탄 발효조는, 상기 메탄 발효조의 하부에 설치되고, 상기 메탄 발효조의 하부에 축적된 중비중물을 제거하는 메탄 발효조 중비중물 제거관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메탄 발효조는, 상기 메탄 발효조의 내부에 포함된 상기 폐수의 각 높이별 샘플 채취를 위한 적어도 하나 이상의 메탄 발효조 샘플링 포트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메탄 발효조는, 상기 메탄 발효조의 최상부에 설치되고, 상기 메탄 발효조에서 처리된 처리수를 배출시키는 처리수 배출관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메탄 발효조는, 상기 메탄 발효조의 최상부에서 상부가 개구된 형태로 설치되고, 상기 메탄 발효조에서 처리된 처리수를 해당 공간에 임시 저장한 후, 상기 처리수 배출관을 통해 배출시키는 처리수 공간부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유기 폐수 처리 장치는, 상기 메탄 발효조에서 분해되어 생성된 메탄 가스를 배출하는 바이오가스 배출관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 메탄 발효조 내부에 유기산 발효조를 설치함으로써 하나의 장치로 두 단계의 처리 공정을 동시에 수행할 수 있기 때문에 처리 공정 및 유지 관리를 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 유기산 발효 처리 과정과 메탄 발효 처리 과정을 통해 유기 폐수를 처리함으로써 음식물 침출수와 같이 협잡물이 다량 함유된 고농도의 유기 폐수의 경우에도 약품 처리와 같은 별도의 전처리 과정 없이 처리할 수 있게 되어 대체 에너지인 메탄가스 발생량을 최대화시킬 수가 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 메탄 발효조 상부에 미생물 부착용 메디아를 설치함으로써 다량의 혐기성 미생물을 확보하고, 외부 유출을 방지하여 고효율의 유기물 제거가 가능할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 혐기성 소화조 내부에 침전 및 부유되는 경비중 물질 및 중비중 물질을 효과적으로 제거함으로써 협잡물의 축적에 의해 소화조 체류시간이 단축되는 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 유기산 발효조 및 메탄 발효조 내부에서의 내부 반송 및 주기적인 교반에 의해 미생물과 유기물의 접촉을 원활하게 유지시킴으로써 효과적인 폐수 처리가 가능할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고농도 유기 폐수 처리 장치의 내부 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고농도 유기 폐수 처리 장치의 메탄 발효조 내에서의 내부 순환을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 메디아층의 확대 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 메디아층의 평면도.

본 발명은 고농도의 유기 폐수를 처리함에 있어 메탄 발효조 내부에 유기산 발효조를 설치하여 공정을 간편화할 뿐만 아니라 유지관리도 용이하게 하며, 특히 메탄 발효조 상부에 미생물 부착용 메디아를 설치하여 메디아 표면에 다량의 혐기성 미생물을 확보하고 메탄 발효조 하부의 미생물 및 메디아층에 부유하는 혐기성 미생물의 외부유출을 방지함으로써 고효율의 유기물 제거가 가능할 수 있는 고농도 유기 폐수 처리 장치를 제안한다.

또한, 본 발명에 따른 유기 폐수 처리 장치에서 유기산 발효조로 유입된 고농도 폐수 내에 함유된 협잡물 중 경비중 물질 및 중비중 물질은 유기산 발효조의 상하부에서 주기적으로 제거되며, 유기산 발효가 완료된 고농도 폐수는 유기산 발효조 하부를 통하여 메탄 발효조로 유입된다. 이때, 메탄 발효조로 유입된 고농도 폐수는 메탄 발효조 하부의 고농도 혐기성 미생물에 의해 1차로 분해되며, 메탄 발효조 상부의 메디아 표면에 부착된 혐기성 미생물 및 부유성 미생물에 의해 잔류된 유기물이 2차 분해된 후 장치 외부로 배출된다.

즉, 본 발명은 음식물 침출수 및 축산 폐수와 같이 BOD 농도가 50,000~100,000mg/ℓ, 총 고형물 농도가 60,000~120,000mg/ℓ의 고농도 유기 폐수를 대상으로 하여 별도의 전처리 과정 없이 혐기성 소화조를 이용하여 유기물을 고효율로 제거하며, 유기산 발효조를 메탄 발효조 내부에 설치하고, 메탄 발효조 상부에 다량의 혐기성 미생물 확보를 위한 미생물 부착용 메디아를 충진함으로써 효과적이면서도 경제적인 처리가 가능하도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따라 상기 고농도 유기 폐수는 2단계 처리 과정을 거쳐 처리되며, 1단계 처리과정인 유기산 발효조에서는 유입된 고농도의 유기물이 분해되어 초산, 부틸산 등과 같은 저분자 유기산으로 분해된다. 또한, 2단계 처리 과정인 메탄 발효조에서는 상기 유기산 발효조로부터 유입된 유기산이 메탄 발효조 하부의 미생물 및 상부의 메디아층에 확보된 부유성 및 부착성 혐기성 미생물에 의해 분해되어 메탄가스로 전환된다.

특히, 음식물 침출수와 같이 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수의 경우 별도의 전처리 과정 없이 혐기성으로 처리할 경우 혐기성 소화조 내부에 협잡물이 축적되어 소화조 체류시간이 단축될 뿐만 아니라 이러한 현상이 장기간 지속될 경우 정상적인 혐기성 처리가 이루어지기 어렵게 된다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 유기산 발효조의 상부에는 부유성의 경비중 물질인 비닐류 등을 효과적으로 제거하기 위한 경비중물 제거 수단을 설치하고 하부에는 뼈, 조개 껍데기 등과 같은 중비중 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 중비중물 제거 수단을 설치한다. 또한, 메탄 발효조의 경우에는 상기 유기산 발효조에서 제거되지 못한 중비중 물질 및 메탄 발효 과정에서 분해되지 않은 난분해성 무기물질을 주기적으로 제거할 수 있는 고형물 제거 수단을 설치하게 된다.

특히, 유기산 발효조 및 메탄 발효조의 경우 미생물과 유기물과의 접촉을 원활하게 유지시키기 위해서는 주기적인 교반이 필요하며, 유기물 농도가 고농도여서 미생물에 순간적인 악영향을 미칠 수 있으므로 배출되는 처리수를 이용하여 고농도 폐수를 미생물이 분해하기 쉬운 저농도로 희석을 해주어야 한다. 본 발명에서는 이러한 점을 고려하여 유기산 발효조 및 메탄 발효조를 효과적으로 교반할 수 있도록 내부반송 및 교반 수단을 추가로 구성하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상세한 설명을 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 하기에는 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고농도 유기 폐수 처리 장치의 내부 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고농도 유기 폐수 처리 장치(100)는 메탄 발효조(102) 내부에 유기산 발효조(104)를 설치하게 된다. 이렇게 함으로써 상술한 바와 같이 상기 유기산 발효조(104)를 메탄 발효조(102)와 별개로 설치하였을 경우에 대비해 공정이 간편할 뿐만 아니라 유지 관리도 용이하게 된다.

이때, 상기 메탄 발효조(102) 또는 유기산 발효조(104)는 다양한 형태로 제작이 가능하며, 상기 두 발효조(102, 104)가 유사한 형태로 구현될 수도 있으며, 상이한 형태로 구현될 수도 있다. 즉, 유기산 발효조(104)가 메탄 발효조(102) 내부에 포함될 수 있는 구조이면 어떠한 구조로도 변형 가능하다. 바람직하게는 원통형의 구조로 제작되며, 이하 설명에서는 상기 메탄 발효조(102) 및 유기산 발효조(104)가 원통형으로 제작된 것으로 설명하기로 한다.

유기산 발효조(104)는 유기산 발효조 유입관(101), 경비중물 제거부(105), 유기산 발효조 반송관(106), 유기산 발효조 중비중물 제거관(110), 유기산 발효조 샘플링 포트(112) 등으로 구성될 수 있으며, 메탄 발효조(102)는 메디아층(103), 메탄 발효조 반송관(107, 108), 메탄 발효조 샘플링 포트(113), 베플(Baffle)(114, 115), 메탄 발효조 중비중물 제거관(109, 111), 처리수 공간부(119), 처리수 배출관(120) 등으로 구성될 수 있다. 또한, 유기산 발효조(102)의 하부에는 처리된 폐수가 메탄 발효조(104)로 유입될 수 있도록 메탄 발효조 유입관(117, 118)이 추가로 구비된다.

먼저, 고농도의 유기 폐수가 유기산 발효조 유입관(101)을 통해 본 발명에 따른 유기 폐수 처리 장치(100)의 유기산 발효조(104)로 유입되면, 유기산 발효 미생물에 의해 유입된 유기 폐수가 저분자 유기산으로 분해되며, 상기 분해된 유기 폐수는 메탄 발효조 유입관(117, 118)을 통해 메탄 발효조(102)로 유입된다.

메탄 발효조(102)로 유입된 유기 폐수는 메탄 발효조(102) 내에서 혐기성 미생물에 의해 분해되어 메탄 가스가 생성되고, 생성된 메탄 가스는 유기 폐수 처리 장치(100)의 상부에 형성된 바이오가스 배출관(116)을 통해 배출되며, 처리된 처리수는 처리수 공간부(119)의 처리수 배출관(120)을 통해 배출된다.

이때, 상기 유기산 발효조(104) 및 메탄 발효조(102)에서는 상기 분해 과정에서 미생물과 유기물의 접촉을 원활하게 유지시키기 위하여 각각 유기산 발효조 반송관(106) 및 메탄 발효조 반송관(107, 108)을 통해 주기적인 교반을 수행하게 된다.

또한, 유기산 발효조(104)의 상부에는 경비중물을 효과적으로 제거하기 위한 경비중물 제거부(105)를 설치하고, 유기산 발효조(104) 및 메탄 발효조(102) 하부에는 중비중 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 중비중물 제거관(109, 110, 111)을 각각 설치하게 된다.

한편, 메탄 발효조(102)의 상부에서 하부로 폐수를 반송시키는 상기 메탄 발효조 반송관(107, 108)의 하부측 일단은 상기 메탄 발효조(102) 내에서의 폐수 진행 방향으로 굴절되도록 설치되어 메탄 발효조(102) 내의 폐수가 상기 유기산 발효조(104)를 중심으로 회전하여 순환함으로써 혐기성 미생물과 고농도 유기 폐수의 혼합을 원활하게 한다. 이때, 상기 메탄 발효조(102)의 내접면과 유기산 발효조(104)의 외접면에 복수의 베플(114, 115)을 설치함으로써, 상기 폐수가 회전할 때 와류를 발생시켜 유기 폐수가 보다 잘 혼합되도록 한다.

또한, 메탄 발효조(102)의 하층부 및 중층부를 통해 분해된 폐수는 상층부의 메디아층(103)에 부착된 혐기성 미생물에 의해 추가로 분해된다.

아울러, 유기산 발효조(104)와 메탄 발효조(102)에는 상기 유기 폐수의 각 높이별 샘플 채취를 위해 각 해당 높이마다 샘플링 포트(112, 113)들을 설치한다. 상기 샘플링 포트(112, 113)들을 통해 해당 높이의 폐수에 대한 분석을 함으로써 폐수의 혼합 상태를 파악하여, 폐수 유입량 또는 내부 반송 및 교반 정도 및 미생물 유입량 등을 조절할 수가 있게 된다.

이하, 상술한 본 발명에 따른 유기 폐수 처리 장치(100)의 처리 과정을 보다 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수는 유기산 발효조 유입관(101)을 통해 유기산 발효조(104)의 상부로 유입되며, 시간이 경과함에 따라(즉, 고농도 유기 폐수의 유입 및 배출 정도에 따라) 점진적으로 유기산 발효조(104)의 하부로 이송된다. 유기산 발효조(104)의 pH는 유기산 발효의 최적 범위인 5.0~5.5 정도로 유지되며, 필요시 처리수에서 제거된 고농도의 혐기성 미생물이 20~30% 정도 공급될 수 있다(미도시).

이때, 유기산 발효조(104) 내에서의 원활한 미생물 접촉 및 유기산 생성을 위하여 유기산 미생물 반송관(106)을 이용하여 유기산 발효조(104) 하부의 미생물을 상부로 지속적으로 반송하며, 바람직하게는 유입되는 유기 폐수 수량의 5~10배를 반송하게 된다. 또한, 추가적으로는 장시간 운전에 따라 유기산 발효조(104)의 최하부에서 침전된 고형물의 고형화가 발생할 수 있으므로, 상기 유기산 미생물 최하부 반송관(미도시)을 통해 유기산 발효조(104)의 하부에서 유입되는 유기 폐수를 유기산 발효조의 최하부로 내부 반송을 실시할 수도 있다. 한편, 상기 유기산 발효조 반송관(106) 및 상기 유기산 발효조 최하부 반송관(미도시)은 일체로 형성하는 것이 가능하며, 밸브의 제어에 의해 상기 유기산 발효조 하부에서 유입되는 폐수를 상기 유기산 발효조의 상부 또는 최하부로 선택적으로 반송시킬 수가 있게 된다.

유기산 발효조(104)로 유입되는 폐수의 경우 시간이 경과함에 따라 부유성 유기 고형물이 점차적으로 용존성 유기 고형물 및 유기산으로 전환되며, 유입 폐수 중 경비중물인 비닐류 등은 유기산 발효조(104)의 상부에 축적된다. 시간이 경과됨에 따라 경비중물의 축적량은 점차 늘어나게 되며, 내부 순환에 의해 생성되는 유기산 발효조(104) 상부의 스컴과 결합되어 두꺼운 층을 형성함으로써 많은 문제를 야기시킬 수가 있게 된다. 따라서, 본 발명에서는 유기산 발효조(104) 상부에 축적된 경비중물을 경비중물 제거부(105)를 이용하여 주기적으로 제거하게 된다. 상기 경비중물 제거부(105)는 일측단이 깔때기 모양을 하는 관 형태로 제작되며, 유기 폐수의 수면보다 하부, 예컨대 유기산 발효조(104)의 상부로부터 전체 높이의 5% 하부에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 유입수 중에는 경비중물뿐만 아니라 뼈, 조개 껍데기 등과 같은 중비중물도 다량 함유되어 있어 경비중물과 마찬가지로 중비중물도 유기산 발효조(104) 하부에 축적된다. 특히, 일부 중비중물은 장시간 하부에 축적될 경우 고형화가 진행되어 제거가 어려울 수 있으며, 이로 인하여 유기 폐수의 체류 시간이 감소하고 원활한 미생물 반응이 일어나기 어려우므로 주기적으로 유기산 발효조(104) 하부에 축적된 중비중물을 제거하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 유기산 발효조(104)의 하부에 축적된 중비중물을 완전히 제거하기 위하여 유기산 발효조 중비중물 제거관(110)을 유기산 발효조(104)의 최하단에 설치하게 된다. 이와 같이 유기산 발효조(104)에서 유기산 생성이 완료된 고농도 유기 폐수는 하나 이상의 메탄 발효조 유입관(117, 118)을 통해 메탄 발효조(102)로 연속적으로 공급된다.

메탄 발효조(102)의 내부는 미생물의 농도, 미생물 부착 메디아의 충진 위치 등에 따라 크게 4개의 영역으로 구분될 수 있다. 제1 영역은 유기산 발효조(104)로부터 고농도 유기 폐수가 유입되는 메탄 발효조(102) 하층 부분으로서, 하부로부터 메탄 발효조(102) 전체 높이의 0 내지 30% 범위에 위치하며, 미생물 농도가 5~8% 정도의 고농도로 유지된다. 제2 영역은 하부로부터 메탄 발효조(102) 전체 높이의 30~60% 범위에 위치하며, 미생물 농도는 2~5% 정도로 유지된다. 또한, 제3 영역은 하부로부터 메탄 발효조(102) 전체 높이의 60~90% 범위에 위치하며, 다량의 미생물 확보 및 미생물 유실을 방지하기 위한 미생물 부착용 메디아층(103)이 구비되어 진다. 제4 영역으로서 최상부인 90% 범위 이상의 위치에서는 메디아층(103)을 통과한 미생물 및 잔류 고형물이 바이오 가스와 분리되며, 분리된 바이오 가스는 바이오가스 배출관(116)으로 배출된다.

유기산 발효조(104)에서 유기산 발효가 완료된 고농도 유기 폐수는 메탄 발효조(102)로 연속적으로 공급된다. 이때, 메탄 발효조(102)로 공급된 유기산 발효액은 고분자 유기물이 저분자 유기물인 유기산으로 전환되어 BOD 농도는 큰 변화가 없으나 유기산 발효 과정에서 부유성 유기 고형물이 유기산 발효 미생물에 의해 용존성 유기 고형물로 전환됨으로써 총 고형물 농도가 30~40% 정도 낮아진 40,000~80,000mg/ℓ로 유지된다.

한편, 메탄 발효조(102)로 유입되는 유기산 발효액은 24시간 연속 공급되므로 메탄 발효조(102) 하부의 혐기성 미생물의 충격 부하는 어느 정도 완화될 수 있으나 BOD 농도가 50,000mg/ℓ 이상, 총 고형물 농도는 40,000mg/ℓ 이상이 되어 완전 혼합이 되지 않을 경우 혐기성 미생물에 일시적인 충격 부하로 작용되어 혐기성 미생물의 활성이 급격히 저하될 수 있다. 이러한 이유로 메탄 발효조(102) 하부에서의 완전 혼합과 유기물 농도의 희석 효과를 위해 유기물 분해가 완료된 메탄 발효조(102) 상등수를 메탄 발효조 반송관(107, 108)을 통해 유입수의 10~20배 정도로 메탄 발효조(102) 하부로 연속적으로 내부 순환시킨다.

바람직하게는, 메탄 발효조(102) 하부에서의 완전 혼합을 위하여 적어도 두 개의 메탄 발효조 반송관(107, 108)이 상반되는 위치에서 내부 순환시키며, 상기 메탄 발효조(102) 하부의 폐수가 상기 유기산 발효조(104)를 중심으로 원둘레 방향으로 순환하도록 상기 메탄 발효조 반송관(107, 108)의 배출 방향을 설정하게 된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 메탄 발효조 반송관(107, 108)의 하부측 일단이 상기 메탄 발효조(102) 내에서의 폐수 진행 방향으로 굴절되도록 설치하여 메탄 발효조 내의 폐수가 순환되도록 하게 된다. 이렇게 함으로써 유입된 폐수가 유입된 위치에 정체되지 않고 유기산 발효조(104)의 외부 둘레를 따라 순환됨으로써 완전히 혼합될 수가 있게 된다.

또한, 이와 같이 메탄 발효조(102) 하부의 유기 폐수가 유기산 발효조(104)의 외부 둘레를 따라 순환되는 과정에서의 내부 교란에 의해 완전 혼합될 수 있도록, 유기산 발효조(104)의 외접하는 면과 메탄 발효조(102)의 내접하는 면에 각각 복수의 베플(114, 115)을 설치할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 유기산 발효조(104)의 외접하는 면에 4개의 베플(115)을 설치하고, 메탄 발효조(102)의 내접하는 면에 4개의 베플(114)을 설치하였으며, 상기 유기산 발효조(104)에 외접한 베플들(115)과 상기 메탄 발효조(102)에 내접한 베플들(114)이 상호 어긋나게 설치됨으로써 메탄 발효조(102) 내에서 순환되는 폐수에 와류를 발생시켜, 폐수의 혼합이 보다 잘 이루어지게 된다.

한편, 상술한 바와 같이 유입되는 폐수 수량의 10~20배의 메탄 발효조 상등수의 내부 순환에 의해 메탄 발효조(102) 하부에서의 BOD 농도는 3,000~5,000mg/ℓ로 유지되어 혐기성 미생물에 대한 충격 부하는 전혀 없게 되며, 메탄 발효조(102)로 유입된 유기산은 혐기성 미생물에 의해 연속적으로 분해되어 바이오 가스로 전환된다. 이 과정에서 pH가 점차 상승하여 혐기성 미생물의 적정 pH 범위인 7.0~7.2 정도로 유지된다. 메탄 발효조(102)의 30%에 위치하는 하층부(즉, 제1 영역)에서의 혐기성 미생물농도는 5~8% 정도로 유지되며, 이러한 고농도의 혐기성 미생물에 의해 유입된 유기물의 분해가 원활히 진행되어 BOD 제거율은 50% 이상이 유지된다.

상기 메탄 발효조(102) 하부로 유입된 고농도 폐수의 총 고형물 농도는 40,000~80,000mg/ℓ 정도이며, 이 중 무기 고형물 농도는 총 고형물 농도의 10% 정도인 4,000~8,000mg/ℓ 정도가 된다. 이때, 메탄 발효조(102) 하부에서 분해되지 않은 무기 고형물 중의 부유성 고형물은 메탄 발효조(102)의 중층(즉, 제2 영역) 및 충진 메디아층(즉, 제3 영역)을 거쳐 처리수 배출관(120)을 통해 메탄 발효조(102) 외부로 배출된다. 상기 과정에서 부유성 고형물 중 일부는 시간이 경과함에 따라 메탄 발효조(102)의 하층부에 축적될 수 있으므로 메탄 발효조 중비중물 제거관(109, 111)을 통하여 10~20일에 1회씩 주기적으로 제거해야만 한다.

이와 같이, 메탄 발효조(102)의 하층부(제1 영역)에서 50% 정도의 유기물(BOD)이 제거된 폐수는 메탄 발효조(102)의 중층부(제2 영역)로 이동되며, 메탄 발효조(102) 중층부에서는 유입된 유기물 중 20~30% 정도의 BOD가 분해된다. 메탄 발효조 중층부는 상술한 바와 같이 메탄 발효조 하층부로부터 30~60% 부분에 위치하며, 미생물농도는 2~5% 정도로 유지된다. 상기 중층부에서의 미생물 농도는 하층부보다는 낮게 유지되나 pH, 유기물 부하 등이 안정화될 뿐만 아니라 하층부 및 중층부에서 발생하는 바이오가스에 의한 교반 작용으로 미생물이 응결되어 그레뉼화되므로 고밀도의 혐기성 미생물 확보가 가능하다. 상기 중층부의 그레뉼화된 혐기성 미생물의 경우 유기물 분해율이 우수할 뿐만 아니라 유기물 충격부하에도 강해 안정적인 유지관리가 가능하다.

그런 다음, 메탄 발효조(102)의 하층부 및 중층부를 통하여 유입 BOD의 70~80%가 분해된 폐수는 상층부(즉, 제3 영역)의 메디아층(103)으로 이동된다. 메탄 발효조(102)의 상층부인 메디아층(103)은 상술한 바와 같이 메탄 발효조(102) 하부로부터 60~90% 부분에 위치한다. 상기 메디아층(103)에서는 메디아 표면에 부착된 부착성 혐기성 미생물과 메디아층(103) 사이의 부유성 혐기성 미생물에 의해 유입 유기물 중 20% 정도의 BOD가 제거되며, 하층부 및 중층부의 BOD 분해율이 저조할 경우 메디아층(103)에서의 BOD 분해율은 30~40% 정도로 증가하게 된다.

한편, 상기 메디아층(103)의 주요한 역할은 메탄 발효조(102)의 하층부 및 중층부에서 분해되지 않은 잔류 유기물의 분해뿐만 아니라 하층부 및 중층부의 유기물 분해과정에서 발생되는 바이오가스 상승시 동반 상승되는 혐기성 미생물의 외부 유실을 방지하는 기능을 하게 된다.

도 3을 참조하면, 상기 메디아층(103)은 복수의 메디아(301)를 상호 접촉시키고, 이를, 다시 3~5층으로 적층하여 구성한다. 각 메디아(301)는 굴곡부(300)를 파형과 같이 형성하되 경사각(θ)이 55~65도가 되도록 구성한다. 따라서, 각 메디아를 상호 접촉되게 설치할 때 그 경사도가 상호 어긋나도록 도 3에 도시된 바와 같이 교호로 반복 설치하여 도 4에서와 같이 공극(302)이 형성되게 하고, 각 층으로 적층할 때, 상기 공극(302)이 지그재그로 연결되게 설치하여 공극률 90% 이상, 비표면적이 150㎡/㎥ 이상 되도록 형성한다.

또한, 상기 3~5층으로 적층된 메디아층(103)에서 최하단층의 각 메디아(100)의 하단부의 표면은 미립자로 형성된 미생물 플록이 잘 부착되어 탈리되지 않도록 미세한 작은 요철을 형성하여 비표면적을 높이도록 한다. 본 발명에서는 일반적인 메디아 공법과 달리 고농도의 고형물이 함유된 고농도 유기 폐수를 대상으로 혐기성 처리를 하기 때문에 충진된 메디아(301) 사이의 공극(302)이 충분히 확보되지 않을 경우 시간이 경과함에 따라 메디아(301) 사이의 부유성 미생물 및 고형물들이 메디아(301) 사이를 폐쇄시켜 정상적인 처리가 불가능해 질 수가 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 상기 공극(302)이 지그재그로 연결되게 설치하여 공극률 90% 이상 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

아울러, 메디아(301) 표면에는 2~3㎜의 혐기성 미생물이 부착되며, 메디아 (301) 사이의 부유성 혐기성 미생물농도는 1~2% 정도로 유지된다. 메디아층(103)의 상부에서 유기물이 완전히 분해된 폐수는 메탄 발효조(102) 최상부의 미생물 분리층(제4 영역)으로 이동되며, 이곳에서 분리된 혐기성 미생물은 하부로 침전되고 바이오 가스는 바이오가스 배출관(116)을 통하여 외부로 배출된다. 바이오가스 및 혐기성 미생물이 분리된 최종 처리수는 처리수 공간부(119)에 고이게 되며, 처리수 배출관(120)을 통하여 외부로 배출된다.

이와 같이 본 발명은 음식물 침출수 등과 같은 고농도 유기 폐수이면서도 협잡물을 다량 함유하고 있는 난분해성 폐수를 약품 처리와 같은 전처리 없이 직접 혐기성 처리를 함으로써 전처리 비용을 대폭 줄일 수 있으며, 대체 에너지인 메탄가스 발생량을 최대화시킬 수가 있게 된다.

또한, 상술한 바와 같이 유기산 발효조(104)를 메탄 발효조(102) 내부에 설치함으로써 공정을 간편화시킬 뿐만 아니라 유지관리도 용이하게 할 수가 있게 된다.

일반적으로 협잡물을 다량 함유한 음식물 침출수의 혐기성 처리 공정에서는 유기산 발효조 및 메탄 발효조 내부에 비닐류, 동물뼈 등과 같은 협잡물 및 난분해성 무기 고형물이 축적되어 장시간 운전시 많은 문제점이 발생되어 정상적인 운전이 어려우나 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 유기 폐수 처리 장치(100)를 통해서는 유기산 발효조(104) 및 메탄 발효조(102) 내부에 경비중 물질 및 중비중 물질 제거 수단을 설치함으로써 장시간 운전시에도 안정적인 처리가 가능하게 된다.

또한, 메탄 발효조(102) 상부에 미생물 부착용 메디아(301)를 설치함으로써 장치 내부의 혐기성 미생물의 외부 유실을 방지할 뿐만 아니라 메디아 표면 및 메디아 공극 사이에 양질의 혐기성 미생물을 확보함으로써 고효율의 유기물 제거가 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 유기 폐수 처리 장치 101 : 유기산 발효조 유입관
102 : 메탄 발효조 103 : 메디아층
104 : 유기산 발효조 105 : 경비중물 제거부
106 : 유기산 발효조 반송관 107, 108 : 메탄 발효조 반송관
109, 111 : 메탄 발효조 중비중물 제거관
110 : 유기산 발효조 중비중물 제거관
112 : 유기산 발효조 샘플링 포트 113 : 메탄 발효조 샘플링 포트
114, 115 : 베플 116 : 바이오가스 배출관
117, 118 : 메탄 발효조 유입관 119 : 처리수 공간부
120 : 처리수 배출관 300 : 굴곡부
301 : 메디아 302 : 공극

Claims

내부로 유입되는 고농도의 유기 폐수를 유기산 발효 미생물에 의해 저분자 유기산으로 분해하는 유기산 발효조; 및
상기 유기산 발효조를 내부에 설치하고, 상기 유기산 발효조의 하부에 구비된 적어도 하나 이상의 유입관을 통해 유입되는 상기 저분자 유기산을 혐기성 미생물에 의해 분해하여 메탄 가스를 생성하는 메탄 발효조;로 구성되며,
상기 유기산 발효조는,
상기 유기산 발효조 하부의 폐수를 상기 유기산 발효조의 상부로 반송시키는 유기산 발효조 반송관;
상기 유기산 발효조의 최상부에 설치되고, 상기 유기산 발효조의 상부에 축적된 경비중물을 제거하는 경비중물 제거부; 및
상기 유기산 발효조의 하부에 설치되고, 상기 유기산 발효조의 하부에 축적된 중비중물을 제거하는 유기산 발효조 중비중물 제거관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 유기산 발효조 반송관은,
상기 유기산 발효조로 유입되는 유기 폐수 유입 수량의 5 내지 10배의 수량을 하부에서 상부로 반송시키는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 유기산 발효조는,
상기 유기산 발효조 하부의 폐수를 상기 유기산 발효조의 최하부에 축적된 중비중물로 반송시키는 유기산 발효조 최하부 반송관;을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제4항에 있어서, 상기 유기산 발효조는,
상기 유기산 발효조 반송관 및 상기 유기산 발효조 최하부 반송관을 일체로 형성하고, 밸브의 제어에 의해 상기 유기산 발효조 하부의 폐수를 상기 유기산 발효조의 상부 또는 최하부로 선택적으로 반송시키는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 유기산 발효조는,
상기 유기산 발효조의 내부에 포함된 상기 유기 폐수의 각 높이별 샘플 채취를 위한 적어도 하나 이상의 유기산 발효조 샘플링 포트;를 포함하고,
상기 메탄 발효조는,
상기 메탄 발효조의 내부에 포함된 상기 폐수의 각 높이별 샘플 채취를 위한 적어도 하나 이상의 메탄 발효조 샘플링 포트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 메탄 발효조는,
상기 메탄 발효조의 중상부에 설치되고, 복수의 메디아를 적층시켜 표면에 미생물이 부착되도록 하는 메디아층;
상기 메탄 발효조 상부의 폐수를 상기 메탄 발효조의 하부로 반송시키는 적어도 하나 이상의 메탄 발효조 반송관;
상기 메탄 발효조의 하부에 설치되고, 상기 메탄 발효조의 하부에 축적된 중비중물을 제거하는 메탄 발효조 중비중물 제거관;
상기 메탄 발효조의 최상부에 설치되고, 상기 메탄 발효조에서 처리된 처리수를 배출시키는 처리수 배출관; 및
상기 메탄 발효조의 최상부에서 상부가 개구된 형태로 설치되고, 상기 메탄 발효조에서 처리된 처리수를 해당 공간에 임시 저장한 후, 상기 처리수 배출관을 통해 배출시키는 처리수 공간부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제7항에 있어서, 상기 메디아층은,
상기 각 메디아를 상호 어긋나게 접촉시켜 메디아 간에 공극이 형성되며,
공극률이 90% 이상이고, 비표면적이 150㎡/㎡ 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제7항에 있어서, 상기 메탄 발효조 반송관은,
상기 메탄 발효조로 유입되는 폐수 유입 수량의 10 내지 20배의 수량을 상부에서 하부로 반송시키는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제7항에 있어서, 상기 메탄 발효조 반송관은,
상기 메탄 발효조 반송관의 하부측 일단이 상기 메탄 발효조 내에서의 폐수 진행 방향으로 굴절되도록 설치되어 메탄 발효조 내의 폐수가 순환되는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 유기 폐수 처리 장치는,
상기 유기산 발효조의 하부에 외접하여 적어도 하나 이상의 베플이 설치되고, 상기 메탄 발효조의 하부에 내접하여 적어도 하나 이상의 베플이 설치되며, 상기 유기산 발효조에 외접한 베플과 상기 메탄 발효조에 내접한 베플이 상호 어긋나게 설치됨으로써 메탄 발효조 내에서 순환되는 폐수에 와류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 유기 폐수 처리 장치는,
상기 메탄 발효조에서 분해되어 생성된 메탄 가스를 배출하는 바이오가스 배출관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협잡물이 다량 함유된 고농도 유기 폐수 처리 장치.