KR20000053273A - 유기 폐기물의 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기 폐기물을 분리하는 방법을 제공한다. 이를 달성하기 위한 에너지 절약 분리 방법이 영양 염류와 비료 제품을 형성하는데 유용하다. 먼저, 유기 폐기물, 즉 분뇨로부터 거대 입자를 분리한다. 그런 다음에 분뇨를 증해하여 가스를 형성한다. 증해된 폐기물은 탈기장치로 보내어 이산화탄소와 암모늄 형태의 휘발 물질을 제거함과 동시에 영양 염류를 분리해낸다. 그런 후에 액체 부분을 삼투 여과시킨다. 삼투 여과에 의한 잔류 부분은 에너지 절약을 위해 다시 증발 및 농축 공정으로 보낸다. 농축을 수행하여 영양 염류를 분리하고 암모니아 부분은 제거한다. 증해 공정에서 형성된 가스는 동력/가열 장치에 이용하며, 증발 및 농축 단계를 위한 에너지를 만들게 된다. 농축 단계로부터의 잔류 에너지는 탈기 공정에 사용된다.

Description

유기 폐기물의 분리 방법{Method for separation organic waste}
유기 폐기물을 분리하기 위한 여러 가지 방법이 알려져 왔다. 이들 방법은 보통 사용하는데 비용이 많이 들며, 대부분 알려진 방법은 에너지가 지나치게 많이 요구됨과 동시에 사용할 수 없이 남는 제품이 생겨난다는 공통적인 특징을 가지고 있다.
본 발명은 유기 폐기물, 특히 분뇨를 분리하는 방법에 관한 것으로, 폐기물을 분리하여 거대 입자를 제거하고, 상기 폐기물을 증해하여 메탄 가스를 생성시키며, 상기 증해된 폐기물은 탈기시키고, 액체 부분은 RO 여과기로 보내어 탈기된 액체 부분을 삼투 여과에 의해서 여과시켜서 순수 부분을 분리한 후 용기로 보내어서 되는 영양 염류로 변형될 수 있는 수성 용액을 함유하는 성분으로 이루어진 유기 폐기물, 분뇨의 분리방법에 관한 것이다.
본 발명의 유기 폐기물의 분리 방법은 재 순환 및/또는 용기에 직접 담을 수 있는 순수로 액체 부분을 변형시키기 위한 것이다. 이러한 정제 과정 시 영양 염류의 형태나 비료 제품에 유용한 성분을 생성하는 것이 가능하므로 침전되어 남아 있는 제품이 나타나지 않게 된다.
본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 사용하기 위한 장치의 배열을 나타낸 설계도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 사용하기 위한 장치의 다른 구현예의 설계도이다.
본 발명은 가축 분뇨의 처리와 관련해서 안출된 것이다. 특히, 본 발명은 가공되지 않은 분뇨 형태인 유기 폐기물과 관련해서 설명할 수 있다. 그러나, 본 발명은 음식물, 어패류, 도살장에서 나오는 폐수 등과 같이 다른 종류의 유기 폐기물과 관련해서도 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 서두에서와 같이 잘 알려진 종류의 방법을 지적하기 위한 것으로, 에너지의 사용이 가능한 한 최소로 되게 분리 과정을 수행하는 것이 가능하며, 동시에 순수(純水)와 유용한 영양 염류 또는 비료 제품을 만들기 위한 가능성을 야기하는데 있다.
이러한 목적은 본 발명의 방법에 의해서 달성되게 된다. 즉, 본 발명의 방법은 영양 염류가 분리될 때 CO2와 암모니아를 제거 또는 감소시키는 공정 중에서 탈기를 수행하고, 잔류 부분은 RO 여과기에서 증발 및 농축 공정으로 보내어 여기서 잔류 암모니아 부분을 제거하는 것과 함께 영양 염류의 농축과 분리를 수행하며, 증해 과정에서 생성된 가스는 동력/가열 장치로 보내서 열을 생성시켜 증발 및 농축 단계에 에너지를 제공하는데 사용하며, 상기 농축 단계로부터의 열 에너지는 탈기 단계에 에너지를 제공하는데 사용하는 것을 특징으로 한다.
이 방법에 의하면, 유기 폐기물로부터 2가지 주성분, 즉, 인(P)과 질소(N) 생성물 형태의 영양 염류와 탄소 부분을 동반하는 가성 칼륨 생성물의 채취가 가능하며, 공정 자체적으로 에너지의 생성으로 분리 과정시 소모되는 전체 에너지가 최소가 된다.
유기 폐기물은 먼저 분리 과정으로 보내진다. 분리 과정은 여러 단계로 나눌 수 있다. 이에 따라 스크루우 프레스(screw press)에서 조(粗) 분리를 수행할 수 있다. 여기서 폐기물이 압착되어 두 부분을 나타낸다. 한 부분은 건조체 함량이 35 내지 40중량％인 섬유질 부분이다. 이 건조체 부분은 폐기물 전체 중량의 5 내지 15중량％를 차지하며, 토양을 직접적으로 개선시키는데 사용될 수 있다. 다른 부분은 물이다. 이것은 폐기물 전체에 대해 95 내지 85중량％를 차지한다. 이 액체 부분은 거의 모든 영양 염류를 함유할 수 있다. 액체 부분은 연속되는 여과 단계에서 여과되며, 여기서 여과는 미량 여과로 구성될 수 있으며, 0.5 mm 보다 큰 입자는 추려진다. 추려진 입자 부분은 다시 스크루우 프레스로 보내져서 재차 처리된다.
미량 여과기를 통과하는 물은 추가로 증해 단계로 보내지며, 이 증해 공정은 메탄 가스가 형성되는 과정에서 진행된다. 이것은 바이오가스 반응기 내에서 일어난다. 여기서, 탄소 성분의 주 부분은 메탄 가스의 형성으로 감소하게 된다.
메탄 가스는 장치를 가동하는 에너지원으로 사용되며, 따라서, 이 메탄 가스는 열을 생성하는 동력/가열 장치로 보내지며, 이 열은 후술하겠지만, 계속되는 증발 및 농축 단계에 에너지로 공급되게 된다. 동력/가열 장치에서는 또한 전기 에너지를 생산한다. 이 전기 에너지는 외부에 사용하거나 본 방법을 수행하는데 사용되는 장치를 구동시키는데 사용할 수 있다.
바이오가스 반응기로부터의 액체 부분은 탈기/칼럼 단계로 보내진다. 액체 부분은 탈기 단계 직전에 한외 여과를 거치게 된다. 이 방법에서, 바이오가스 반응기에 박테리아를 유지시킬 수 있으며, 이에 따라 폐기물을 최적으로 증해시킬 수 있게 된다.
탈기/칼럼 단계에서, 암모니아와 CO2의 양은 감소한다. 탈기/칼럼은 “액체로부터 휘발성 성분을 분리하기 위한 방법 및 장치”의 명칭으로 덴마크에 동시에 특허 출원된 명세서에 기재되어 있다. 상기 특허출원에 기재되어 있는 바와 같이, 이산화탄소 99％가 제거될 수 있고, 암모니아 중 최소한 75％가 제거되게 된다. 이산화탄소는 액체를 가열할 때, 액체로부터 유리되게 될 것이다. 염기 반응이 암모니아를 더 휘발시키게 하며 마찬가지로 액체로부터 유리시키게 된다. 공정 진행시 다음의 평형이 일어나게 된다.
HCO3 -< > OH-+ CO2
NH4 ++ OH-< > NH3+ H2O
상기 공정에 의해 암모니아가 이산화탄소와 반응을 하며, 보통 저장될 수 있는 탄산수소암모늄 NH4HCO3가 발생되며, 질소(N) 비료성분으로의 이용을 위해서 탱크를 밀폐한다. 이 부분은 초기 폐기물의 약 5중량％ 정도를 구성한다.
탈기 후에, 액체 부분은 배합기 형태의 완충 저장조를 경유해서 RO 시스템에서 역삼투를 위한 단계로 보내진다. 완충 저장조는 다음에 설명하겠지만, 액체 부분과 증발 및 농축 단계로부터 온 액체와의 배합을 수행한다. 이에 의하여 온도를 일치시킬 수 있고 고온에 견딜 수 없는 RO 시스템에서 이것을 조정할 수 있게 된다. 이 방법에서, 완충 저장조는 배합 단계와 용량 조절을 동시에 수행한다. 완충 저장조로부터 액체는 RO 시스템으로 보내지며, 여기서, 염, 지방산, 알코올, 암모늄 등의 불순물은 여과되어진다. 이로 인하여 계속해서 재 순환될 수 있는 순수가 나오게 되어 하수구나 개방 용기로 보내지거나 농업 분야에 관개 용수로 이용이 가능하게 된다. RO 시스템에서의 농축물은 공급된 액체의 약 30％를 차지한다.
농축물 또는 건조체 부분은 상기에 언급한 증발 및 농축 단계로 운반되어 여기서 추가로 농축이 이루어진다. 이로 인하여, 물이 분리되고, 인(P)/칼륨(K) 비료 제품으로서 잔류 생성물이 생성된다. 이 비료 부분은 초기 폐기물의 2 내지 5중량％를 구성한다. 증발 및 농축 단계는 유럽 특허 제 544,768호에 기재된 원리에 따라 작용할 것이다.
농축 단계는 메탄 가스의 연소에 의해서 생성된 에너지를 기본으로 한 동력/가열 장치로부터의 열 에너지를 수용할 것이다. 농축 단계에서 나오는 잔류 열은 탈기 단계에서 나중에 사용될 것이다. 이로 인하여, 외부 에너지의 공급 필요성이 상당히 감소하게 된다. 탈기 단계 이후에 나오는 열 형태의 잔류 에너지는 약 80℃의 온도를 갖는 온수로 나오게 된다. 이것은 상기 공정을 위한 열이나 공간 가열하는데 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해서, 유기 폐기물의 분리할 경우 다음 출력물이 생성할 수 있을 것이다.
- 질소(N) 비료 제품,
- 인(P)-칼륨(K) 비료 제품,
- 순수,
- 상기 방법의 동력이 될 수 있고 약 50 내지 75％의 과잉 전기를 만들어낼 수 있는 전기 에너지,
- 열 에너지.
분뇨의 분리에 의해, 5％의 섬유질 부분 또는 부식토 부분이 나오게 될 것이다. 나머지 95％ 중에서, 약 85％는 순수이고, 약 5％는 인(P) 비료 물질과 칼륨(K) 비료 물질로 구성된 농축된 비료 제품일 것이다. 특히 마지막 5％는 무기질 질소(N) 비료 물질의 형태인 액체 비료 제품으로 나오게 될 것이다.
첨부 도면에서 동일 또는 유사한 부품에 대해서는 동일 부호를 사용하기로 한다. 도면에서 장치의 개개의 부품에 대한 특별한 설명은 생략하기로 한다.
부호 1은 가공하지 않은 분뇨의 공급을 나타낸 것이고, 부호 2는 스크루우 프레스이며, 부호 3은 미량 여과기이고, 부호 4는 폐기물을 증해시키는 바이오가스 반응기이며, 부호 5는 동력/가열 장치이고, 부호 6은 농축기/증발기이며, 부호 7은 탈기장치/칼럼이고, 부호 8은 배합기이고, 부호 9는 RO 여과기이다. 생성물로는 열(10), 질소(N) 비료 제품(11), 순수(12), 인(P)-칼륨(K) 비료 제품(13) 및 전력(14)이 있다. 동력/가열 장치(5)와 연결되어 있는 바이오가스 반응기(4)에서는 바이오가스(15)가 생성된다. 동력/가열 장치(5)에서는 열(16)이 생성되며, 농축기(6)로 보내진다. 잔류 열(17)은 농축기(6)로부터 탈기장치(7)로 보내진다.
농축기/증발기(6)는 농축기(18)와 증발기(19)로 이루어져 있으며, 도 1에 예시한 바와 같이, 증발기(19)는 바이오가스 반응기(4) 뒤에 위치하고 있다. 도 2에서와 같이 바이오가스 반응기(4) 앞에다 증발기(19)를 설치할 수도 있다. 증발기(19)를 바이오가스 반응기(4) 앞에 놓으면, 증발기(19)를 바이오가스 반응기(4) 뒤에 배치할 때에 필요한 용량 보다 3배의 용량이 필요하다. 규모가 큰 장치에서는 도 1의 구현예가 바람직하다. 규모가 작은 장치에서는 예를 들어, 떨어져 있는 농장에서 이용할 경우에는 바이오가스 반응기(4) 앞에 증발기(19)를 배치하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 별도로 배치된 바이오가스 반응기로 이동시키고자 하는 부분은 상당히 감소하게 될 것이다. 탈기장치/칼럼(7)은 탈기장치(20)와 칼럼(21)으로 이루어져 있다.
스크루우 프레스(2)의 목적은 폐기물 전체에서 섬유질과 다른 거대 입자를 분리하기 위한 것이다. 1.5 mm 보다 큰 입자가 비교적 분리되게 된다. 여기서, 40톤/일의 용량을 갖는 분리기의 경우에는 약 1.5 kW의 전력 수요가 필요하게 될 것이다.
미량 여과기(3)는 거대 입자의 통과를 방지하여 장치의 연속성을 보장하는 기능을 담당하게 된다. 따라서, 미량 여과기(3)는 약 0.5 mm 보다 큰 입자를 함유하는 액체 부분은 전진시키지 않게 된다. 상기 여과기(3)는 2.4 kW의 전력과 186톤/일의 용량이 요구된다. 상기 여과기로부터의 출력물로는 여과된 분뇨 37.2톤과 환류되는 148.8톤이 있다.
바이오가스 반응기(4)는 분뇨를 증해하고자 하는 것이 목적으로서, 탄소 함량이 최소가 되게 감소시킴과 동시에 장치를 가동시키기 위한 에너지원으로 이용하게 되는 가스를 생성한다. 바이오가스 반응기(4)를 떠나는 액체는 박테리아와 입자들로부터 자유롭게 되도록 일련의 한외 여과를 한다(도면에 도시하지 않음). 이에 따라, 박테리아 배양물은 바이오가스 반응기(4)에 계속 최대로 남아 있게 된다. 바이오가스 반응기(4)는 미량 여과기(3)로부터의 출력물을 수용할 수 있도록 용량이 37.2 톤/일이다. 바이오가스 반응기(4)로부터의 출력물은 2/3가 메탄 CH4인 탄소가 감소된 분뇨 37.2톤과 1000 Nm3/일이다.
동력/가열 장치(4)는 생성된 가스에 의해서 전기 및 열 에너지를 생성한다. 이 장치는 전기 용량이 85 kW이며, 바이오가스 반응기로부터 들어오는 입력물로부터 약 160 kW의 열과 약 85 kW의 전력의 출력물이 생긴다.
탈기장치(20)는 분뇨에서 CO2를 제거하고, 암모니아 함량을 낮추기 위한 것을 목적으로 한다. 탈기 장치(20)는 용량이 37.2 톤/일이고, 160 kW 열의 전력 수요를 갖는다. 탈기 장치는 입력물이 하루당 탄소가 감소된 비료 약 37.2톤과 칼럼(21)으로부터 환류되는 약 4.2톤이 있을 수 있다. 탈기 장치에서 나오는 출력물로는 약 35.3톤의 탈기된 분뇨, NH3를 갖는 스팀 6.1톤 및 100℃의 열 160 kW가 있다.
칼럼(21)은 암모니아를 농축할 목적으로 있다. 이 칼럼은 용량이 하루에 NH3를 함유한 스팀 6.1톤이며, 전력 수요는 160 kW이다. 이러한 입력물에서, 암모니아수 약 1.9톤과 정제 농축된 스팀 4.2톤의 출력물이 70℃의 열(10) 150 kW가 함께 나온다.
배합기(8)는 탈기장치(20)와 증발기(19)로부터 흐르는 액체를 배합할 목적으로 있으며, 동시에 RO 장치에 대한 완충 저장조로 작용한다. 이 배합기(8)는 용량이 46.1톤/일이며, 전력 수요는 1 kW이다. 이 배합기는 입력물이 35.3 톤의 탈기된 분뇨와 10.8톤의 유분일 수 있다. 이로부터의 출력물은 배합된 분뇨가 하루에 46.1톤이 나올 수 있다.
RO 여과기(9)는 들어오는 액체 이온을 정제할 목적으로 있으며, 액체 부분(12)은 완전히 순수로 나오게 된다. RO 여과기(9)는 용량이 하루에 46.1톤이며, 배합기(8)로부터 나오는 배합 분뇨의 입력물로부터 순수 34.1톤과 RO 농축물 12톤이 출력물로 나오게 된다.
증발기(19)는 인(P)-칼륨(K) 성분을 농축하는 기능을 하며, 들어오는 액체에 남아 있는 암모니아를 제거하게 된다. 이 증발기(19)는 용량이 하루에 12톤이며, 전력 수요는 20 kW이다. 이 증발기(19)의 입력물은 하루에 12톤의 RO 농축물과 농축기(18)를 위한 6.1톤의 환류가 있다. 이로 인해 나오는 출력물은 10.8톤의 유분과 7.3톤의 “중간” 농축물이 있다.
농축기(18)는 인(P)-칼륨(K) 성분을 농축하기 위한 기능을 하며, 용량은 하루에 7.3톤이고 전력 수요는 160 kW이다. 7.3톤의 “중간”농축물의 입력물이 증발기(19)로 나올 것이다. 농축기(18)로부터의 출력물은 6.1톤의 농축물과 인(P)-칼륨(K) 비료 제품이 함유된 1.2톤의 최종 농축물이 될 것이다.
상기 설명은 단지 예시하기 위한 것으로 장치의 치수를 다른 것을 충분히 할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 폐기물을 분리하여 거대 입자를 제거하고, 상기 폐기물을 증해하여 메탄 가스를 생성시키며, 상기 증해된 폐기물은 탈기시키고, 액체 부분을 RO 여과기로 보내어 탈기된 액체 부분을 삼투 여과에 의해서 여과시켜서 순수 부분을 분리한 후 용기로 보내어서 되는 영양 염류로 변형될 수 있는 수성 용액을 함유하는 성분으로 이루어진 유기 폐기물, 퇴비의 분리방법에 있어서,
    영양 염류를 이용하기 위해서 분리할 때 CO2와 암모니아를 제거 또는 감소시키는 공정 중에서 탈기를 수행하고, 잔류 부분은 RO 여과기에서 증발 및 농축 공정으로 보내서 여기서 잔류 암모니아 부분을 제거하는 것과 함께 영양 염류의 농축과 분리를 수행하며, 증해 과정에서 생성된 가스는 동력/가열 장치로 보내서 열을 생성시켜 증발 및 농축 단계에 에너지를 제공하는데 사용하며, 상기 농축 단계로부터의 열 에너지는 탈기 단계에 에너지를 제공하는데 사용하는 것을 특징으로 하는 유기 폐기물의 분리 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 입자의 제거는 둘 또는 그 이상의 단계에서 발생되는 것을 특징으로 하는 유기 폐기물의 분리 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 제 1단계는 스크루우 프레스에서 조분리를 하여 건조 함량이 35 내지 40 중량％이고, 순수 부분이 95 내지 85℃인 섬유질 부분을 생성하고, 계속해서 약 0.5 mm 보다 큰 거대 입자를 제거하기 위해서 미량 여과를 수행하여서 되는 것을 특징으로 하는 유기 폐기물의 분리 방법.
  4. 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 증해 단계에 연속해서 순수 부분의 한외 여과를 수행하여 박테리아를 유지시켜 최적의 증해를 보장하도록 하는 것을 특징으로 하는 유기 폐기물의 분리 방법.
  5. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 탈기는 칼럼에서 증발과 함께 수행하여 암모니아와 CO2의 형태로 있는 휘발성 가스 성분을 더욱 추출시켜서 되는 것을 특징으로 하는 유기 폐기물의 분리 방법.
  6. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 완충 저장소는 증발 및 농축 단계로부터의 액체 부분과 배합되는 탈기된 액체 부분을 배합하는데 사용하여 온도 수준을 RO 단계로 조정하여서 되는 것을 특징으로 하는 유기 폐기물의 분리 방법.
  7. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 탈기된 액체 부분은 완충 저장소를 통해서 RO 여과기로 보내는 것을 특징으로 하는 유기 폐기물의 분리 방법.
KR10-1999-7004252A 1996-11-15 1997-11-14 유기 폐기물의 분리 방법 KR100477050B1 (ko)

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