KR101565503B1

KR101565503B1 - 가축분뇨 액비화 방법

Info

Publication number: KR101565503B1
Application number: KR1020140097250A
Authority: KR
Inventors: 권영순; 이광준; 김경환; 유성종
Original assignee: 새한환경기술(주)
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2015-11-05

Abstract

본 발명은 가축분뇨 액비화 방법에 관한 것으로, 가축분뇨 액비화 방법에 있어서, 전처리를 위한 협잡물제거기(10)와 고액분리기(20)를 이용하여 고형물인 슬러지와 액상물로 분리하는 전처리단계;와, 상기 전처리단계에서 분리된 상기 액상물을 1차 호기성액비화조(100)로 이송한 후, 미생물 배양조(700)로부터 공급된 호기성 미생물과 접촉하도록 하며 산기장치(110)와 산소전달 수중믹서(120)를 통해 산소를 공급받아 발효시키는 과폭기 발효단계;와, 상기 과폭기 발효단계를 거친 상기 액상물을 제 2 호기성 액화비조(200)로 이송하여, 산기장치(110) 또는 산소전달 수중믹서(120) 중 어느 하나 이상을 사용하여 용존 산소 농도(DO)를 소정 수치 범위로 유지하며 발효시키는 저폭기 발효단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 액비화 방법에 관한 것이다.

Description

가축분뇨 액비화 방법{Method for Liquid Fertilizer of livestock excretions using the Selective aeration}

본 발명은 가축분뇨 액비화 방법에 관한 것으로, 가축분뇨 액비화 방법에 있어서, 전처리를 위한 협잡물제거기(10)와 고액분리기(20)를 이용하여 고형물인 슬러지와 액상물로 분리하는 전처리단계;와, 상기 전처리단계에서 분리된 상기 액상물을 1차 호기성액비화조(100)로 이송한 후, 미생물 배양조(700)로부터 공급된 호기성 미생물과 접촉하도록 하며 산기장치(110)와 산소전달 수중믹서(120)를 통해 산소를 공급받아 발효시키는 과폭기 발효단계;와, 상기 과폭기 발효단계를 거친 상기 액상물을 2차 호기성 액화비조(200)로 이송하여, 산기장치(110) 또는 산소전달 수중믹서(120) 중 어느 하나 이상을 사용하여 용존 산소 농도(DO)를 소정 수치 범위로 유지하며 발효시키는 저폭기 발효단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 액비화 방법에 관한 것이다.

우리나라는 급속한 경제성장과 더불어 모든 산업이 집약적 산업화 구도로 진보하고 있는 실정이며, 축산업 또한 이와 함께 발전되었다. 국민의 소득수준 향상으로 축산물 소비량이 지속적으로 증가하고, 이러한 축산업의 고도성장으로 인한 대규모화에 따라 국내 연간 가축분뇨 발생량은 2010년 4,269만톤에서 2012년 4,649만톤으로 2년 사이에 380만톤이 증가하였다. 여기서 가축분뇨라 함은 가축분뇨 원수와 혐기성소화시설의 소화액을 포함한다. 종래 가축분뇨의 처리는 주로 고액분리에 의존 부재료(왕겨, 톱밥)를 투입하여 퇴비화하여 유기성비료로 활용하였고 탈수여액은 해양투기 또는 정화처리 후 하천으로 방류되었다. 가축분뇨의 특성상 오염부하량이 높기 때문에 방류수 수질기준이 강화된 시점에서 방류기준을 맞추기에는 처리비용이 천문학 적으로 증가하게 된다. 이에 가축분뇨 자원화 방안 또는 가축분뇨 에너지화 등이 대안으로 모색 실현되었다.

일반적으로 가축분뇨를 처리하는 방법으로는 연소처리, 압축건조처리, 혐기성소화처리, 미생물을 이용한 호기성퇴비화 등의 방법이 있으며, 이중 퇴비 또는 액비와 같은 부산물을 얻을 수 있다. 2012년 1월부터 해양 배출이 금지됨에 따라 자원화 비율이 증가하였는데 2010년 자원화비율은 86.6%에서 2012년 말에는 88.7%(퇴비 81.0%, 액비 7.7%))로 나타났다.

가축분뇨 자원화방법 중 퇴비화는 고형물을 처리하는데 가장 효과적인 방법이다. 가축분뇨로 제조된 퇴비는 품질이 우수하며 장거리 이송이 가능하여 농경지로 보급이 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 퇴비의 품질에 영향을 미치는 질소가 퇴비화 공정 중 호기성 반응에 의하여 손실되는 단점을 가지고 있으며, 퇴비화 시설의 기계설치 비용 및 부재료의 사용으로 인한 운영비가 과다하게 소요된다는 단점을 가지고 있다. 현재 수분량이 94.4%이상인 액상의 분뇨를 퇴비화 하기 위해서는 수분조절재로 사용되는 부재료(왕겨, 톱밥)의 과다 투입이 이루어지며 운영비용의 상승을 가져온다. 또한 탄소와 질소의 비율(C/N비)이 높아 퇴비로 잘 부숙되지 않아 HRT가 상승하게 되며 이에 따른 처리시설의 부지면적이 증가하게 된다.

가축분뇨를 고액분리하여 발생하는 가축분뇨여액은 미생물에 의하여 분해가 이루어지며 액비화 방법에는 폭기의 유무에 따라 혐기성소화 방식과 호기성 액비화 방식으로 구분된다.

혐기성 소화처리는 일명"메탄발효"라고도 하며, 주된 목적은 폐수 혹은 폐기물처리와 동시에 메탄이라는 에너지를 회수하기 위하여 적용되고 있다. 산소가 없는 무산소상태에서 분해가능한 유기물을 분해시켜 메탄으로 전환시키는 것이다. 생물학적 범주내에 포함되며, 초기 통성혐기성균이 작용하여 가수분해와 산발효를 시키고, 산소가 고갈되는 지점에서 편성혐기성 메탄균이 메탄을 형성하게 된다. 혐기성소화방식은 가축분뇨 여액을 혐기성미생물인 발효균, 메탄생성균과 접촉시켜 바이오가스를 생산하여 부가적인 경제적 가치가 인정된다. 이러한 혐기성 소화방식을 이용한 액비 제조방식에 관해서는 하기 특허문헌 1의 "고효율 액체비료의 생산 방법"(대한민국 등록특허 제10-0725968호)를 포함한 다수의 발명이 존재한다. 이러한 혐기성미생물의 활동 조건으로 온도(중온소화 35 고온소화 55), pH, Alk. 등이다. 혐기성소화시설은 가온시설 및 발전시설, 바이오가스 정제 및 저장시설을 갖추어야 한다. 혐기성소화시설로 가축분뇨를 처리하여 액비를 생산하고 공급할 수 있으나, 액비기준에 부합하기 어렵다는 단점을 가지고 있다.

또한, 혐기성소화시설에서 발생한 폐액은 하수처리시설로 연계하여 방류 처리하거나 액비화시설로 연계하여 액비를 생산할 수 있다. 하수처리시설로 연계하여 처리하는 경우 하수처리장의 높은 유입부하에 대한 위험성을 감수하여야 하며 후단 고도처리시설의 약품이 과다 사용되는 문제점이 발생한다. 반면 액비화시설로 연계하여 처리하는 경우 혐기성소화의 처리수의 운전 조건에 의한 유출수의 온도가 33~35℃로 액비화시설로 유입되어 초기 온도에 대한 활성오니의 적응성을 확보할 수 있으며 액비로서 활용이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

한편, 이에 대비되는 호기성 액비화란 가축분뇨여액을 호기성 미생물인 질화미생물 균주, 산생성균류와 접촉시키고 교반과 폭기를 병행하면 퇴비화와 같이 호기성 미생물에 의한 분해가 진행되는데 이를 호기성 액비화라 한다. 호기성 액비화에서 폭기방식은 연속폭기와 간헐식 폭기 방식이 이용되는데 이는 호기성미생물과 가축분뇨여액의 초기 접촉시 공기 공급량은 1ton당 0.05(과폭기 DO 1.0ppm이상)가 필요하며 유기물 분해가 진행되어 10일 이상 유지된 상태에서의 공기 공급량은 1ton당 0.02(DO 0.2~0.5ppm)가 요구된다.

가축분뇨여액를 호기성으로 부숙시키기 위해서는 호기성 미생물의 성장조건을 만족시켜야 하며 필요한 조건으로는 영양물질, 용존상소(DO), 온도, pH 등이며 영양물질은 가축분뇨에 포함되어있는 유기물 및 총 질소(T-N), 총 인(T-P)이다. 특히 총 질소(T-N)의 경우 호기성 미생물의 영양물질임과 동시에 액비의 품질 조건으로 중요한 인자 중 하나이다. 일반적으로 액상 부식법에서는 무산소조, 폭기조 혐기조를 순차적으로 진행하여 니트로박터(Nitrobacter)와 니트로소모나스(Nitrosomonas)에 의하여 질소를 아질산성질소와 질산성질소로 산화하고 질소가스로 탈질하는 과정으로 총 질소(T-N)를 제거한다. 하지만 부숙유기질 비료기준에 따라 질소전량에 대한 0.3%이상 함량을 보증해야 하므로 호기성액비화의 경우는 호기조만을 이용하고 탈질과정을 거치지 않도록 한다.

액비화 초기 유입조에서 충격부하 및 미생물과의 혼합이 이루어지도록 액비화조 후단에서 호기성 미생물이 포함된 슬러지를 주기적으로 이송하여 적절한 유기물과 활성오니의 비(F/M비, 유기영양물 : F, 활성오니 미생물량 : M)를 유지시켜 주어야 한다. 적절한 F/M를 유지하지 못하게 되면 액비화조에서의 원활한 부숙이 이루어지지 않아 공정의 후단까지 영향을 미치게 된다.

용존산소를 높이기 위해 폭기 설비가 포함되는데 과폭기 발효단계에서 거품이 발생하여 운전상에 문제를 유발시켜 액비품질에 영향을 미친다. 초기 액비화에서 많은 양의 용존산소가 필요하지만 부숙이 완료된 액비에서는 적은 양의 용존산소를 필요로 하기 때문에 0.02ppm의 용존산소를 유지하여야 한다.

호기성 미생물의 안정적인 활성을 위하여 공급하는 공기는 상향류로 여액과 접촉하며 산소를 전달하고 수면위로 부상하게 되는데 이때 악취가 발생하게 되며 악취 포집을 위한 별도의 시설이 필요하다.

거품의 형성은 액상 분뇨에 공기를 주입하는 과정에서 발생한다. 거품층의 형성은 공정의 안정적 운전을 판단할 수 있는 중요한 인자이며, 호기성 공정에서 거품의 제어는 공정의 안정적 운전을 위해 매우 중요하다. 일반적으로 거품은 산소 소모량이 증가하여 미생물 대사가 활발해질 경우 발생이 증가한다고 보고되고 있으나 Rozich와 Colvin는 거품발생을 시스템의 안정성 문제로 지적하며 과도한 거품의 발생은 공정의 불안정성에 기인한다고 판단하고 있다. 또한 유기물의 부하가 클 때 과도한 거품이 발생한다는 지적도 제기되고 있다. 고온 호기성 소화 공정에서는 많은 거품이 발생하기 때문에 설계시 0.5~1.0m 깊이의 여우고를 두고, 기계식 커터기 등 기계적인 거품 제거기를 적용하여야 한다.

특허문헌 1: "고효율 액체비료의 생산 방법"(대한민국 등록특허 제10-0725968호)

본 발명은 상술한 것과 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 가축분뇨여액을 액비화하는 시설에서 안정적인 부숙효과를 위한 선택적 공기 공급방법을 통하여 폭기하는 방법으로서 과폭기 구간에서는 산기장치와 산소공급수중믹서를 이용하여 산소를 공급하고 폭기구간에서는 산기장치 또는 산소전달 수중믹서 중 하나를 선택 하여 공급하는 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.

또한, 본 발명은 폭기시 발생하는 악취와 거품을 효과적으로 제거할 수 있도록 각각 연속되는 호기성액비화조에 거품 및 악취 포집시설을 설치하여 동시에 두가지 기능을 수행하는 기액분리기를 통하여 분리 후 거품은 오존산화조로 이송하고 악취는 악취처리시설로 보내 안정적인 악취관리와 액비화가 가능한 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.

한편, 본 발명은 다수의 호기성 액비화조를 연속하여 설치하되 각 액비화조에 공급하는 공기량을 선택적으로 공급함으로서 고온에서 발생하는 유기물 분해에 이어 저온에서는 니트로박터(Nitrobacter)와 니트로소모나스(Nitrosomonas)에 의하여 질화과정을 유발 액비로서의 안정성과 액비기준을 만족할 수 있도록 호기성 액비화방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.

또한, 호기성 액비화조 후단에서 미생물을 포함한 슬러지를 호기성액비화조 1구간으로 이송하여 충격부하를 낮추고 유기물 분해에 필요한 F/M비를 유지해 안정성을 포함한 액비화시설을 제공하는 것을 그 과제로 한다.

아울러 본 발명의 또 다른 목적은 호기성액비화조에서 포집된 거품을 오존산화조에서 오존을 이용하여 산화하고 산화된 반송액은 원수저장조로 유입하여 고액분리기를 통해 난분해성 물질을 슬러지형태로 처리하고 분해가 가능한 유기물을 액비화시설로 공급함에 있다.

상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 가축분뇨 액비화 방법은, 가축분뇨 액비화 방법에 있어서, 전처리를 위한 협잡물제거기(10)와 고액분리기(20)를 이용하여 고형물인 슬러지와 액상물로 분리하는 전처리단계;와, 상기 전처리단계에서 분리된 상기 1차 협잡물제거기에서 분리된 상기 액상물을 1차 호기성액비화조(100)로 이송한 후, 미생물 배양조(700)로부터 공급된 호기성 미생물과 접촉하도록 하며 산기장치(110)와 산소전달 수중믹서(120)를 통해 산소를 공급받아 발효시키는 과폭기 발효단계;와, 상기 과폭기 발효단계를 거친 상기 액상물을 2차 호기성 액화비조(200)로 이송하여, 산기장치(110) 또는 산소전달 수중믹서(120) 중 어느 하나 이상을 사용하여 용존 산소 농도(DO)를 소정 수치 범위로 유지하며 발효시키는 저폭기 발효단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과폭기 발효단계에서는 용존산소(DO)를 1.0ppm 이상으로 유지하고, 상기 저폭기 발효단계에서는 용존산소(DO)를 0.2~0.5ppm으로 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 저폭기 발효단계를 거친 상기 액상물을 슬러지 침전조(300)를 통과시키며 슬러지를 침전시키고, 침전된 상기 슬러지는 오존 산화조(600)로 보내는 슬러지 분리 단계;와, 슬러지가 분리된 상기 액상물을 액비 저장조(400)에서 완숙시키는 완숙 단계; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과폭기 발효 단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품, 스컴 및 악취를 소취 및 거품제거장치(140)를 이용하여 상기 액비 저장조(400) 내의 완숙 액비를 살포하여 방지하는 소취 및 거품제거 단계;와, 상기 과폭기 발효 단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품, 스컴 및 악취를 악취 및 거품 포집장치(510)를 통하여 수집한 후, 기액분리기(500)로 이송하여 악취가 포함된 기체와 스컴 및 거품을 분리하는 악취기체 분리단계; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 악취기체 분리단계에서 분리된 스컴 및 거품을 오존발생기(610)에서 발생시킨 오존을 이용하여 오존산화조(600)에서 산화시킨 후 고액분리기(20)로 이송하는 오존 처리 단계;와, 상기 악취기체 분리단계에서 상기 기액 분리기(500)에서 배출된 악취를 포함하는 기체와, 상기 액비 저장조(400)에서 포집된 악취를 포함한 기체를 악취처리 장치(800)로 이송하여 처리하는 악취처리단계; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하는 경우, 처리량에 따라 과폭기와 저폭기 상태로 나뉘는 1차, 2차 또는 그 이상의 호기성 액비화조에 미생물반응시 필요한 용존산소를 선택적 폭기방법에 의하여 효율적이고 체계적으로 공급이 가능하여, 효율적인 발효환경을 제공하는 것이 가능하다는 장점이 있다. .

또한, 호기성 액비화조에서 공급되는 공기량은 악취와 비례하는 특성을 고려하여, 적절한 공기의 공급을 통하여 악취발생을 최소화하고 운전관리비를 절감할 수 있으며, 요구 산소량에 따른 선택적 폭기방법을 통하여 액비화조의 구간별 적정한 산소 공급 및 악취 발생의 최소화가 가능하다는 장점이 있다.

또한, 호기성 액비화조를 폭기시 발생된 거품과 악취는 동시제거가 가능한 기액분리기에 의해 처리되며 난분해성물질이 포함되어있는 거품은 오존을 이용하여 산화처리되며 악취는 기액분리기에서 분리 후 악취처리시설로 이송 처리하여 안정적인 운전 및 관리가 가능하다는 장점이 있다.

도 1: 본 발명의 일 실시예에 의한 가축분뇨 액비화 방법이 수행되는 가축분뇨처리장치 전체공정도.
도 2: 본 발명의 일 실시예에 의한 가축분뇨 액비화 방법이 수행되는 제 1호기성 액비화조 또는 제 2 호기성 액비화조의 구성 모식도.
도 3: 본 발명의 일 실시예에 의한 가축분뇨 액비화 방법에 사용되는 산소전달 수중믹서의 구성도.
도 4: 본 발명의 일 실시예에 의한 가축분뇨 액비화 방법에 사용되는 기액 분리기의 구성 모식도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가축분뇨 액비화 방법을 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 가축분뇨 액비화 방법은 크게 전처리단계, 과폭기 발효단계 및 저폭기 발효단계를 포함하여 구성된다.

먼저, 전처리 단계에 관하여 설명한다. 상기 저폭기 발효단계는 전처리를 위한 협잡물제거기(10)와 고액분리기(20)를 이용하여 고형물인 슬러지와 액상물로 분리하는 단계로, 도 1에 나타낸 것과 같이 축사로부터 유출되는 가축분뇨를 입수하여 상기 협잡물 처리기(10)를 통해 조대 물질을 제거하고 상기 고액분리기(20)를 통하여 고체상과 액체상으로 분리되어 고체상은 별도의 퇴비화 시설로 이송되도록 하는 단계이다. 이 경우, 작동 유량 조절 및 일시 저장 등을 위하여 상기 협잡물제거기(10)와 고액분리기(20) 사이에는 1차 저장조(11)가 설치되고, 상기 고액분리기(20)와 후술할 1차 호기성액비화조(100) 사이에는 2차 저장조(21)가 더 설치되도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 액체상은 상기 2차 저장조(21)로 이송한 후 일정한 유량으로 제1 호기성액비화조(100)으로 이송된다.

다음으로, 과폭기 발효단계에 관하여 설명한다. 상기 과폭기 발효단계는 협잡물제거기에서 분리된 상기 액상물을 1차 호기성액비화조(100)로 이송한 후, 미생물 배양조(700)로부터 공급된 호기성 미생물과 접촉하도록 하며 산기장치(110)와 산소전달 수중믹서(120)를 통해 산소를 공급받아 발효시키는 단계이다.

상기 미생물배양조(700)에서는 니트로박터(Nitrobacter)와 니트로소모나스(Nitrosomonas)와 같은 질화 미생물 또는 산생성 바실러스균(Bacillus sp.)과 같은 산생성균을 배양하여 상기 액상물(가축분뇨 여액)이 공급되는 상기 1차 호기성액비화조(100)의 1구간에 공급된다.

상기 제1 호기성액비화조(100)는 각 구간에서 요구 산소량에 따라 선택적 폭기 시스템에 의해 제어된다. 초기 유입시 유기물농도가 높아 과폭기하게 되면 거품발생량이 최대가 되어 운전상의 문제점이 발생한다. 따라서, 상기 제1 호기성액비화조(100)에서 구간을 유입량에 따라 1차, 2차, 3차 또는 그 이상으로 구분하여 폭기량을 조절하여 위와 같은 문제점을 해결할 수 있다. 용존산소의 농도는 상기 과폭기 발효단계에서 1ton당 0.05(DO 1.0ppm이상)가 필요하며 상기 저폭기 발효단계에서는 1ton당 0.02(저폭기 DO 0.2~0.5ppm)가 요구된다. 따라서 상기 산기장치(110)와 상기 산소전달 수중믹서(120)를 사용하여 유입농도 및 유기물량의 변동에 따라 적절하게 운전하여 거품 및 악취발생을 최소화 할 수 있도록 하고, 미생물과 유기물의 교반이 최대로 이루어져 침전율이 감소되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 산기장치(110)는 공기를 미세기포로 발생시켜 처리대상과의 접촉 면적을 최대화하여 짧은 시간에 폭기가 가능하다. 단 공급량을 최대로 운전시 거품 발생량이 증가하며 거품을 제어하기 위해 공기 공급량을 감소시키면 교반율이 떨어져 유기물 분해율이 낮아 질수 있다. 이러한 문제점을 보안하기 위해 도 2에 나타낸 것과 같은 상기 산소전달수중믹서(120)을 동시에 함께 사용하여 교반율을 증가시키게 된다.

상기 산소전달 수중믹서(120)는 도 2 및 도 3에 나타낸 것과 같이 공기버퍼(130)로 공급된 공기를 공기이송파이프(123)을 통해 상기 산소전달 수중믹서(120)의 임펠러(121) 뒤쪽으로 공급되어 공기혼합버퍼(122)에서 공기와 분뇨를 혼합하여 방출하게 된다. 이때 임펠러(121)에 의하여 공기가 분쇄되어 분뇨와 혼합되어 산소 전달율을 증가시킨다.

상기 산기장치(110)와 상기 산소전달 수중믹서(120)는 서로의 목적을 달리한다. 상기 산기장치(110)의 경우 산소공급과 교반의 목적중 산소공급을 주로하고, 상기 산소전달 수중믹서(120)는 교반을 주로한다. 따라서 동시가동 또는 선택적 단일가동에 의하여 초기 호기성액비화조에서 발생하는 안정상의 문제와 공정의 안정화를 빠르게 유도하는 방법을 제공하는 것이 가능해 진다.

상기 과폭기 발효 단계에서는 산소공급을 최대로 유지하여 (DO 1.0ppm이상) Bacillus sp.의 발아와 증식이 일어난다. Bacillus sp.는 Saccharides, Organic acid, Alcohols를 이용하며 질소원으로 Ammonium을 사용하여 증식하며, 분해가 어려운 난분해성 물질 cellulose 등과 같은 물질도 포함된다. 액비화 과정에서 발생하는 Ammonia, H₂S 등과 같은 악취성분도 직접 섭취 또는 분해하여 제거가 가능하다.

상기 과폭기 발효단계에서는 유기물 농도가 높고 공급되는 공기량이 많아 거품 발생량이 최대가 된다. 이때 발생한 거품을 제어하는 방법은 공기 공급량을 줄여 거품발생량을 억제하거나 기계적으로 거품을 제거하는 방법이 있다. 공기 공급량을 낮추기 위해 상기 산기장치(110)의 공기량을 줄이면 거품발생량은 줄게 되지만 액비화조 내 교반율이 낮아져 슬러지가 침전하게 된다. 이때 교반과 산소전달을 동시 수행하는 산소전달 수중믹서(120)를 이용하여 산소공급과 교반율을 최대로 하여 운전이 가능하다.

이러한 과폭기 발효단계에서와 같은 폭기과정에서 유기물분해는 미생물의 세포합성 및 이에 필요한 에너지를 얻기 위한 생물반응이며 미생물의 분자식은 일반적으로 C₆H₇O₂N 으로 표현되는데, 인까지 포함시킬 경우에는 C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P 가 된다. 미생물의 세포합성을 위해서는 여러 가지의 영양소가 필요하고, 질소와 인도 필수영양소 중에 하나이기 때문에 유기물의 제거과정에서 적은 양이지만 질소와 인이 함께 제거된다. 미생물이 분자상태의 산소(O₂)를 전자수용체로 사용하는 반응을 호기성(Aerobic)이라 하며 다음 화학반응식으로 설명할 수 있다.

위의 식에서 보여지는 바와 같이 분뇨내의 유기물은 미생물의 새로운 세포, CO₂ 등으로 전환되어 제거된다. 이때 1 kg의 C₅H₇O₂N을 합성하기 위해서는 0.12 kg의 질소와 0.025kg의 인이 소비된다.

다음으로, 저폭기 발효단계에 관하여 설명한다. 상기 저폭기 발효단계는 상기 과폭기 발효단계를 거친 상기 액상물을 제 2 호기성 액화비조(200)로 이송하여, 산기장치(110) 또는 산소전달 수중믹서(120) 중 어느 하나 이상을 사용하여 용존 산소 농도(DO)를 소정 수치 범위로 유지하며 발효시키는 단계이다. 이 경우, 상기 저폭기 발효단계에서는 산소전달 수중믹서(120)만을 사용하여 적절한 산소공급량을 유지하면서 교반율을 최대로 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 저폭기 액비화단계에서는, 상기 산소전달수중믹서(120)을 이용하여 용존산소농도(DO)를 0.2~4.5ppm의 범위, 바람직하게는 0.2~0.5ppm을 유지함과 동시에 교반을 수반하여 Bacillus sp의 Sporulation를 유도하며 반응에서 발생하는 에너지를 이용하여 상기 제 2 액비화조(200) 내 온도를 25~50℃로 유지하여 액비숙성을 유도한다. 이 경우, 상기 제 2 액비화조(200) 후단에서 발생하는 슬러지는 호기성미생물이 포함되어 있기 때문에 상기 제1 액비화조(100)의 유입단으로 이송하여 액비화조 내 활성오니 미생물(MLSS)을 적정하게 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상기 저폭기 발효단계를 거친 상기 액상물을 슬러지 침전조(300)를 통과시키며 슬러지를 침전시키고, 침전된 상기 슬러지는 오존 산화조(600)로 보내는 슬러지 분리 단계와, 슬러지가 분리된 상기 액상물을 액비 저장조(400)에서 완숙시키는 완숙 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과폭기 발효 단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품, 스컴 및 악취를 소취 및 거품제거장치(140)를 이용하여 액비 저장조(400) 내의 완숙 액비를 살포하여 방지하는 소취 및 거품제거 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 과폭기 발효 단계 및 저폭기 발효단계를 포함하는 폭기공정에서 발생하는 거품과 악취는 1차적으로 소취 및 거품제거장치(140)에 의하여 제어되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 액비저장조(400) 후단에서 완숙액비를 이송하여 상기 제 1 액비화조(100) 또는 제 2 액비화조(200) 상부에서 분사하면, 흡수반응과 미생물반응에 의하여 악취가 제어되며 상부에서 분사되는 완숙 액비에 의해 물리적인 반응에 의해 거품이 제거된다. 악취의 대표적인 물질의 제거반응 기작은 다음과 같다.

거품의 형성은 공정의 안정적 운전을 판단하기 위한 인자이며, 일반적으로 산소소비량의 증가, 미생물 대사가 활발하게 이루어지는 단계에서 발생하고 유기물 부하가 증가할수록 발생량도 증가한다. 따라서 액비화조의 설치시 여유고를 고려하여 상부로부터 0.5~1m의 여유고를 가져야 하며 기계식 제거장기가 필요하다.

또한, 본 발명은 상기 과폭기 발효 단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품, 스컴 및 악취를 악취 및 거품 포집장치(510)를 통하여 수집한 후, 도 4에 나타낸 것과 같은 기액분리기(500)로 이송하여 악취가 포함된 기체와 스컴 및 거품을 분리하는 악취기체 분리단계를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 기액분리기(500)는 기체인 악취와 거품을 분리하기 위해 분리경사판(510)을 설치 적은 용적으로 최대 효율로 분리가 가능하도록 하며, 비상시 분무용 소포노즐(530)으로 거품의 제어가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

이 경우, 액비화시 발생하는 상기 거품은 수분 91% , 고형물 8%로 이루어져 있으며 이중 고형물은 무형물 76%와 유기조성물 24%로 분해되기 어려운 난분해성 물질을 포함하고 있어 처리 또는 제거에 문제점이 발생한다. 따라서, 본 발명은 상기 악취기체 분리단계에서 분리된 스컴 및 거품을 오존발생기(610)에서 발생시킨 오존을 이용하여 오존산화조(600)에서 산화시킨 후 고액분리기(20)로 이송하는 오존 처리 단계를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 기액분리기(500)에서 분리된 거품은 1차적으로 상기 오존산화조(600)에서 오존에 의한 산화반응을 통하여 분해되고 분해된 난분해성 물질은 상기 고액분리시설(10)에서 재 분리되어 처리된다.

상기 오존산화조(600)는 무성방전법에 의해 오존을 발생시켜 공급하는 것이 바람직하다. 상기 오존발생기(610)의 무성방전법은 에너지효율, 성능의 안정성, 조작 제어의 편리성을 가지고 있으며 전극 사이에 유리나 세라믹 같은 유전체를 끼우고 그 사이로 공기나 산소를 불어 넣으면서 전극에 고압을 가하면 전극과 유전체 사이에서 오존이 발생한다.

무성방전법의 경우 오존생성 효율은 오존 농도에 따라 다르지만 공기를 원료로 한 경우 10~35g/, 산소를 원료로 할 경우에는 50~150g/의 오존 농도를 얻을 수 있고 소비전력은 수냉식 냉각수 온도 25℃의 경우 산소가 원료일 때 10~13kwh/kg-O₃이며 공기가 원료인 경우 15~20kwh/kg-O₃ 이다. 난분해성 물질을 오존으로 산화시 오존 주입량은 40~60mg/L이다.

한편, 본 발명은 상기 악취기체 분리단계에서 상기 기액 분리기(500)에서 배출된 악취를 포함하는 기체와, 상기 액비 저장조(400)에서 포집된 악취를 포함한 기체를 악취처리 장치(800)로 이송하여 처리하는 악취처리단계를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 제 1 및 제 2 호기성액비화조(100, 200)에서 부숙이 완료된 액비는 침전조(300)으로 이송되어 슬러지를 분리하고 분리된 슬러지는 상기 오존산화조(600)으로 이송된다. 슬러지가 분리된 액비는 액비저장조(400)에서 산소전달 수중믹서(120)에 의하여 산소를 간헐적으로 공급받아 혐기성 조건을 거치지 않도록 하여 액비 품질을 상승시키며 60~90일의 저장 기간을 거친 후 액비로 출하된다.

이상에서는 도면과 명세서에서 최적 실시 예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 협잡물제거기 11: 1차 저장조
20: 고액분리기 21: 2차 저장조
30: 송풍기
100: 제 1호기성액비화조
110: 산기장치 120: 산소전달 수중믹서
121: 임펠러 122: 공기혼합버퍼
123: 공기흡입파이프
130: 에어버퍼 140: 소취 및 거품제거장치
200: 제2 호기성액비화조
300: 슬러지침전조
400: 액비저장조
500: 기액분리기 510: 악취 및 거품 포집장치
520: 분리경사판 530: 소포노즐
600: 오존산화조 610: 오존발생기
700: 미생물배양조 800: 악취처리시설

Claims

가축분뇨 액비화 방법에 있어서,
전처리를 위한 협잡물제거기(10)와 고액분리기(20)를 이용하여 고형물인 슬러지와 액상물로 분리하는 전처리단계;
상기 전처리단계에서 분리된 상기 액상물을 1차 호기성액비화조(100)로 이송한 후, 미생물 배양조(700)로부터 공급된 호기성 미생물과 접촉하도록 하며 산기장치(110)와 산소전달 수중믹서(120)를 통해 산소를 공급받아 발효시키는 과폭기 발효단계;
상기 과폭기 발효단계를 거친 상기 액상물을 제 2 호기성 액비화조(200)로 이송하여, 산기장치(110) 또는 산소전달 수중믹서(120) 중 어느 하나 이상을 사용하여 용존 산소 농도(DO)를 소정 수치 범위로 유지하며 발효시키는 저폭기 발효단계;
상기 과폭기 발효단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품과 악취를 기액분리기(500)에 의하여 분리하고 상기 거품은 오존산화조(600)를 이용하여 처리하고 상기 악취는 악취처리장치(800)을 이용하여 처리하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 액비화 방법.
청구항 제 1항에 있어서,
상기 과폭기 발효단계에서는 용존산소(DO)를 1.0ppm 이상으로 유지하고, 상기 저폭기 발효단계에서는 용존산소(DO)를 0.2~0.5ppm으로 유지하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 액비화 방법.
청구항 제 2항에 있어서,
상기 저폭기 발효단계를 거친 상기 액상물을 슬러지 침전조(300)를 통과시키며 슬러지를 침전시키고, 침전된 상기 슬러지는 오존 산화조(600)로 보내는 슬러지 분리 단계;와, 슬러지가 분리된 상기 액상물을 액비 저장조(400)에서 완숙시키는 완숙 단계; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 액비화 방법.
청구항 제3항에 있어서,
상기 과폭기 발효단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품과 악취를 기액분리기(500)에 의하여 분리하고 상기 거품은 오존산화조(600)를 이용하여 처리하고 상기 악취는 악취처리장치(800)을 이용하여 처리하는 단계는,
상기 과폭기 발효 단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품, 스컴 및 악취를 소취 및 거품제거장치(140)를 이용하여 상기 액비 저장조(400) 내의 완숙 액비를 살포하여 방지하는 소취 및 거품제거 단계;
상기 과폭기 발효 단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품, 스컴 및 악취를 악취 및 거품 포집장치(510)를 통하여 수집한 후, 기액분리기(500)로 이송하여 악취가 포함된 기체와 스컴 및 거품을 분리하는 악취기체 분리단계; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 액비화 방법.
청구항 제 4항에 있어서,
상기 과폭기 발효단계 및 상기 저폭기 발효단계에서 발생하는 거품과 악취를 기액분리기(500)에 의하여 분리하고 상기 거품은 오존산화조(600)를 이용하여 처리하고 상기 악취는 악취처리장치(800)을 이용하여 처리하는 단계는,
상기 악취기체 분리단계에서 분리된 스컴 및 거품을 오존발생기(610)에서 발생시킨 오존을 이용하여 오존산화조(600)에서 산화시킨 후 고액분리기(20)로 이송하는 오존 처리 단계;
상기 악취기체 분리단계에서 상기 기액 분리기(500)에서 배출된 악취를 포함하는 기체와, 상기 액비 저장조(400)에서 포집된 악취를 포함한 기체를 악취처리 장치(800)로 이송하여 처리하는 악취처리단계; 를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가축분뇨 액비화 방법.