KR20110135042A

KR20110135042A - 고농도 유기성폐기물의 ｕａｓｂ 공법 적용을 위한 전처리방법

Info

Publication number: KR20110135042A
Application number: KR1020100054753A
Authority: KR
Inventors: 한성국; 김재용
Original assignee: 한성국
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-16
Also published as: KR101219494B1

Abstract

본 발명은 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 UASB 공법을 적용하기 위하여, 유기성폐기물을 바이오 가스화시키는 메탄반응조로 유입시키기 전에 전처리 과정으로서, 혐기성소화반응 과정에서 발생한 소화액을 하수처리하는 단계와, 집수조에 유기성 폐기물을 유입시킨 후, 상기 하수처리과정을 거친 소화액처리수를 유기성 폐기물에 대해 일정 비율로 가수하는 유기물 분해, 유기물 부하 감축단계와, 상기 유기물 분해, 유기물 부하 감축단계를 거친 유기성 폐기물을 침전조로 유입시킨 후, 상기 침전조에 설치된 분리막에 의한 침전조 내의 난류발생을 억제하여 침전효율을 높인 상태에서 일정시간 동안 방치하여 침전과정을 거치는 SS감축, 유분 제거단계와, 상기 침전조의 상부 및 하부를 제거한 나머지 처리수를 산반응조를 거친 후 메탄반응조로 투입하는 단계를 거쳐 이루어지는 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법에 관한 것이다.

Description

고농도 유기성폐기물의 ＵＡＳＢ 공법 적용을 위한 전처리방법{PRETREATMENT METHOD OF HIGH CONCENTRATED OGRANIC SLUDGES TO APPLYING FOR UASB}

본 발명은 유기성폐기물로부터 바이오가스를 생산하는 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 공법이 갖고 있는 문제점인 유기성폐기물의 고형물 분리 및 제거 문제를 해결하여 중·소규모의 플랜트에서 낮은 투자비용과 적은 플랜트 면적으로도 UASB 공법 적용이 가능하도록 하는 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법에 관한 것이다.

유기성 폐자원 중 음식물류 폐기물 및 식품가공 부산물은 유기성 폐자원의 전체 발생량을 고려하여 보았을 때 그 발생량은 상대적으로 적지만, 유기물의 농도가 높아 바이오가스 생성에 유리한 점이 많다.

그러나 우리나라에서는 혐기성소화에 대한 기술 미흡으로 음식물류 폐기물 및 식품가공 부산물의 처리는 대부분 퇴비화 및 사료화에 의존하여 왔으며, 이러한 처리방법 마져도 기술개발 및 투자의 부진으로 인해 많은 유기성 폐자원이 해양배출 등에 의해 처리 되고 있는 실정이다.

음식물류 폐기물 및 식품가공 부산물에 포함되어 있는 영양염류를 생물학적으로 제거하기 위한 유기물의 분류, 질소의 거동, 질산화 및 탈질화 특성 그리고 인의 거동 등 대한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 생물학적 질소제거를 위한 탈질화 반응에 있어서, 내부, 외부 탄소원에 따른 탈질화 속도 등에 관한 연구되고 있는 실정이다.

또한, 운전의 편의성을 도모하기 위하여 SBR(Sequencing Batch Reactor) 공정을 이용한 각 단계별 최적조건을 도출하는 연구와 anaerobic, anoxic oxic공정을 연계한 각종 부유성장 및 부착성장 공법을 이용한 처리 방안이 연구되고 있다. 고농도의 유기물을 제거하기 위해서는 CH4을 회수할 수 있는 장점이 있는 혐기성소화가 가장 일반적으로 사용되고 있으나, 초기 반응에 걸리는 시간이 길다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 최근에는 UAF(Upflow Anaerobic Filter), AAFEB(Anaerobic Attached Film Expanded Bed), UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)등의 고율 혐기성 공정이 개발되어 많은 시설에 적용되고 있다. 특히, UASB 공정은 반응존내 다량의 미생물을 확보할 수 있는 장점과 처리효율의 우수성으로 인하여 다양한 산업페수와 도시하수 처리 분야에서 적용되고 있는 실정이다.

그러나, 혐기성소화공정 중의 하나인 UASB 공법이 적용되고 있는 종래기술(대한민국등록특허 10-0750502(등록일자 2007년08월11일) '혐기성 소화를 통한 고농도 유기성 가축분뇨의 처리 장치 및 상기 처리 장치를 통한 고농도 유기성 가축분뇨의 처리방법', 대한민국등록특허 10-0569704(등록일자 2006년04월04일) '바이오가스 리프팅을 이용한 외부 순환형 혐기성 소화장치', 대한등록특허 10-0853287(등록일자 2008년08월13일) '축산폐수처리 소화시스템 및 이를 이용한 처리소화방법', 대한민국공개특허 10-2010-0028413(공개일자 2010년03월12일) '고농도 유기성 폐수의 처리방법')들은 유입수중 고형물의 농도를 낮추어야 하는 문제가 있으며, 이에 전처리 기술로 기존의 고액분리기를 통한 음식물류폐기물을 탈리 후 미세고액분리기기 및 여과의 공정을 통하여 SS를 낮추고는 있으나, 이와 같은 방법의 경우, 공정 운영상의 막힘, 교체 및 세척 과정이 번거로워 고형물의 농도를 낮게 유출시키는데 한계가 있으며, 또한 기존의 전처리장치 사용은 장비의 설치비 뿐만 아니라, 운영시 많은 동력비가 소비되어 경제적 부분에서 실제 플랜트 적용시 문제가 될 수 있다.

대한민국등록특허 10-0750502(등록일자 2007년08월11일) 대한민국등록특허 10-0569704(등록일자 2006년04월04일) 대한등록특허 10-0853287(등록일자 2008년08월13일) 대한민국공개특허 10-2010-0028413(공개일자 2010년03월12일)

상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위하여, 유기성폐기물을 UASB 공법 적용 전에 침전을 통한 전처리를 함으로고가의 장비나 운영이 필요하지 않고, 낮은 투자비용과 작은 플랜트 면적으로도 UASB 공법이 적용 가능하도록 하는 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 UASB 공법을 적용하기 위하여, 유기성폐기물을 바이오 가스화시키는 메탄반응조로 유입시키기 전의 전처리 방법으로서,

혐기성소화반응 과정에서 발생한 소화액을 하수처리하는 단계와,

집수조에 유기성 폐기물을 유입시킨 후, 상기 하수처리과정을 거친 소화액처리수를 유기성 폐기물에 대해 10 ~ 20배 중량 비율로 가수하는 유기물 분해, 유기물 부하 감축단계와,

상기 유기물 분해, 유기물 부하 감축단계를 거친 유기성 폐기물을 침전조로 유입시킨 후, 상기 침전조에 설치된 분리막에 의한 침전조 내의 난류발생을 억제하여 침전효율을 높인 상태에서 3 ~ 5시간 동안 방치하여 침전과정을 거치는 SS감축, 유분 제거단계와,

상기 침전조의 상부 및 하부를 제거한 나머지 처리수를 산반응조를 거친 후 메탄반응조로 투입하는 단계를 거쳐 이루어지는 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법을 주요 기술적 구성으로 한다.

그리고, 상기 침전조에서의 침전과정은 유기성폐기물로부터의 고형물 분리 및 제거 효과를 높이기 위해 응집제의 첨가에 의해 이루어지는 것으로,

상기 응집제는 clay를 30배 중량의 0.1 N NH₄Cl 용액에 넣은 후 실온에서 150 ~ 300rpm으로 교반하여 암모늄 흡착과정을 거친 후, 흡착과정을 거친 슬러리(slurry) 상태의 clay를 100 ~ 110℃에서 24시간 동안 건조시킨 후 방냉하여 200mesh의 체 분리과정을 거쳐 제조된 것을 유기성 폐기물의 양(L)에 대해 5 ~ 15mg으로 주입하는 것임을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법은 고농도 유기성폐기물을 전처리함으로써 UASB 공법을 적용하기 위하여 미세고액분리기를 사용하지 않아도 되고, 또한 해양투기되는 소화액처리수를 가수용으로 활용함으로써, 유기성폐기물 내의 고형물의 농도를 현저히 낮추고, 또한 고형물의 농도를 낮추기 위한 가수량을 줄일 수 있으며, 그에 따른 플랜트의 용적을 줄일 수 있어, UASB 공법을 적용하기 위한 중·소규모의 플랜트의 경우 현저한 투자비용의 절감 효과를 가져온다는 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명이 적용되는 UASB 공법의 장치 구성을 보인 정면도.

이하, 상기의 기술 구성에 대한 보다 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보고자 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 UASB 공법의 장치 구성을 보인 정면도를 보인 것으로,

상기 UASB 공법 적용을 위한 장치 구성은 집수조(10)와, 침전조(20)와, 산반응조(30)와, 메탄반응조(40)와, 유출수저장조(50)와, 가스저장조(60)로 이루어지며, 본 발명에서는 상기 산반응조(30) 전단에 구성되는 집수조(10)와 침전조(20)를 통해 이루어지는 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법에 관한 것이다.

상기 집수조(10)와 침전조(20)를 제외한 나머지 반응조에 대해 간단히 살펴보면, 상기 산반응조(30)는 메탄반응조(40)의 전단에 설치되어, 메탄생성균의 기질(먹이)로 사용되는 휘발성유기산(VFA)를 생성하는 기능을 갖는 것으로, 메탄생성균의 pH 최적환경 및 부하를 조절하기 위하여 NaOH를 통한 pH를 6.5이상으로 유지시킨다.

상기 메탄생성균의 최적환경조건은 pH 6.8 ~ 7.2 정도로 중성에서 최적조건을 갖으며, 메탄생성균의 메탄으로 전환기작은 Acetic Acid, Propionic Acid, Lactic Acid, Butyric Acid, H₂, CO₂ 등에 의하여 CH₄ 및 CO₂ 로 전화되며, 유기물은 제거된다.

상기 메탄반응조(40)는 샹향류식 혐기성 슬러지 블랜키드 반응조로서, 아래에서 위로의 flow가 일어나며, 고농도 혐기성슬러지(Granular Sludge)로 채워져 있으며, 그 충진양은 전체 메탄반응조 부피의 약 30% 정도이다. 유입수는 상기 고농도 혐기성슬러지 층을 통과하게 되며, 이때 유기물과 유기산이 메탄으로 전환되며 발생되는 가스는 포집되어 가스저장조(60)에 저장된다.

또한, 상기 메탄반응조(40)의 후단에 설치되는 유출수저장조(50)는 상기 메탄반응조(40)를 거친 유기성폐기물의 유출수를 저장하는 기능을 갖는다.

이하, 본 발명의 주요 기술구성인 전처리방법에 대해 살펴보면,

상기 UASB 공법을 적용하기 위하여, 유기성폐기물을 바이오 가스화시키는 메탄반응조(40)로 유입시키기 전에 전처리하는 방법으로서,

집수조(10)에 유기성 폐기물을 유입시킨 후, 상기 하수처리과정을 거친 소화액처리수를 유기성 폐기물에 대해 10 ~ 20배중량 비율로 가수하는 유기물 분해, 유기물 부하 감축단계와,

상기 유기물 분해, 유기물 부하 감축단계를 거친 유기성 폐기물을 침전조(20)로 유입시킨 후, 상기 침전조(20)에 설치된 분리막(201)를 통한 협잡물을 제거한 후 3 ~ 5시간 동안 방치하는 SS감축, 유분 제거단계와,

상기 침전조(20)의 상부 및 하부를 제거한 나머지 처리수를 산반응조(30)를 거친 후 메탄반응조(40)로 투입하는 단계를 거쳐 이루어지게 된다.

상기 소화액 하수처리 단계는 혐기성소화반응에서 발생하는 소화액을 유기성 폐기물의 가수용으로 사용하기 위해 하수처리를 하는 과정으로서, 혐기성소화반응에서 생성된 소화액은 1차탈질처리, 1차질산화처리, 제2탈질처리, 제2질산화처리, 후탈질 및 재폭기과정을 거쳐 처리되는 것을 사용하는 것으로, 일반적으로 하수처리과정에서 행해지는 처리과정을 거침으로써 고농도 유기성폐기물의 전처리 가수용으로 사용된다.

이와 같이 하수처리과정을 거친 소화액, 즉 소화액처리수는 집수조(10)로 유입시키게 되며, 이때 상기 집수조(10)에 채워져 있는 유기성 폐기물 양에 대해 중량비율로 10 ~ 20배로 가수하게 된다.

상기 가수의 양이 20배를 초과할 경우에는 플랜트의 각 조의 크기가 커져야 함으로 제작 및 건축비용에 의한 경제성이 사라지게 되고, 10배 미만으로 가수하게 되는 경우에는 메탄반응조(40)로 유입되는 유입수의 성상 및 고형물의 농도를 맞추기가 어렵기 때문에, 상기 소화액처리수의 가수량은 유기성 폐기물 양에 대해에 중량비로서 10 ~ 20배로 하는 것이 바람직하다.

즉, 가수의 양이 낮은 경우에는 고형물의 농도에 따른 운영조건을 맞추기가 어렵고, 너무 높은 경우에는 플랜트의 규모가 커져야 하기 때문에, 가수의 양을 상기 범위로 유지하는 것이다.

상기 유기성폐기물은 구체적으로 음식물 폐기물 또는 식품가공 부산물이며, 이와 같은 유기성폐기물은 집수조(10)에서 가수과정을 거침으로써 유기물 분해와 유기물 부하 감축이 일어난다.

상기 집수조(10)를 거친 유기성폐기물은 침전조(20)로 유입되어, 상기 침전조(20) 내에 설치되어 있는 분리막(201)를 통해 협잡물 제거과정을 거친 후, 3 ~ 5시간 동안 방치하여 SS 감축 및 유분 제거과정을 거치게 된다.

상기 침전조 내 방치시간이 3시간 미만인 경우에는 고형물의 침전효율이 유입되는 고형물의 농도보다 높을 가능성이 있고, 5시간을 초과하게 되는 경우에는 침전에 대한 큰 영향은 없으나 침전시간이 길어지면 전체 플랜트의 크기 및 HRT(수리학적체류시간)에 영향을 미쳐 상기 침전조 내 방치시간은 3 ~ 5시간 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 침전조에서 발생된 침전 고형물은 상기 침전조의 하부에 연결 설치되어 있는 펌프에 의해 외부로 배출 처리된다.

상기 침전조(20)에서의 침전과정은 응집제와 분리막에 의해 이루어지는 것으로, 상기 응집제는 clay를 30배 중량의 0.1 N NH₄Cl 용액에 넣은 후 실온에서 150 ~ 300rpm으로 교반하여 암모늄 흡착과정을 거친 후, 흡착과정을 거친 슬러리(slurry) 상태의 clay를 100 ~ 110℃에서 24시간 동안 건조시킨 후 방냉하여 200mesh의 체 분리과정을 거쳐 제조된 것을 유기성 폐기물의 양(L)에 대해 5 ~ 15mg으로 주입하는 것이다.

상기 응집제와 병행된 막분리처리효과는 pH7의 조건에서 가장 안정적인 투과회복율과 막오염(fouling) 유발물질인 SS, 탁도, humic acid 및 DOC의 제거효율을 갖는다.

상기 막분리를 위한 분리막으로는 막 공극의 크기가 0.02 ~ 10㎛인 정밀여과(microfiltration, MF)막, 0.001 ~ 0.02㎛인 한외여과(ultrafiltration, UF)막, 0.0001 ~ 0.001㎛인 역삼투(reverse osmosis, RO)막 중 선택되는 어느 1종을 선택한다.

입경이 작을수록 동일 압력하에서는 투수성능이 저하되고, 또 투수성능을 유지하기 위해 압력을 높일 필요가 있다. 따라서, 정밀여과, 한외여과 역삼투의 순으로 조작압력이 높아지게 된다.

이와 같이 침전조(20)에서 SS감축, 유분 제거과정을 거친 유기성폐기물은 침전조의 후단에 설치되어 있는 산반응조(30)를 거쳐 SS 500ppm, COD 5,000ppm 처리수가 메탄반응조(40)로 유입되어 바이오가스화과정을 거치게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 유기성폐기물의 전처리방법이 적용될 경우, 유기물부하를 2~8 kg COD/㎥×d(COD: 3000~9000 ppm)로 HRT변화가 아닌 유입수의 농도를 변환하여 운전한 결과 8 kg COD/㎥×d까지 큰 부하 없이 가스발생량은 증가하였으며, 유기물의 제거에도 90% 이상의 효율을 얻었다.

음폐수의 SS는 운전 내내 500 ppm이하로 유입시켰으나, 유기물부하 상승에 따라 유출되는 SS는 증가하였고, PH는 각 반응조별로 안정되게 나타났으며, 초기에 1N-NaOH가 다량 소모 되었으나, 안정된 후에는 유출수 반송으로 인하여 NaOH의 소모가 거의 없었다.

유기물 제거는 운전 기간 동안 95% 이상을 유지하였고, 유기물 부하를 8 kg COD/㎥×d까지 올렸을 때는 90% 정도의 효율을 나타냈다. 반응조별로는 산생성조 60% 정도의 제거율을 보이며, 메탄생성조에서는 80%의 제거율을 보여 Granular Sludge에 의한 제거가 더 높고 TCOD보다 SCOD의 제거가 더 용이한 것으로 나타났다.

VFA(Volatile Fatty Acid)의 경우 Acetic Acid 50%, Propionic Acid 35%, Lactic Acid 25%, Butyric Acid는 1% 이하로 나타났다.

본 발명에 따른 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법은 중, 소규모에 적용할 경우 운영비용의 절감과 플랜트 면적 감소 효과를 갖게 되어 경제성이 뛰어나 산업상 이용가능성이 높다.

10: 집수조
20: 침전조
30: 산반응조
40: 메탄반응조
50: 유출수저장조
60: 가스저장조

Claims

UASB 공법을 적용하기 위하여, 유기성폐기물을 바이오 가스화시키는 메탄반응조로 유입시키기 전의 전처리 방법으로서,
혐기성소화반응 과정에서 발생한 소화액을 하수처리하는 단계와,
집수조(10)에 유기성 폐기물을 유입시킨 후, 상기 하수처리과정을 거친 소화액처리수를 유기성 폐기물에 대해 10 ~ 20배중량 비율로 가수하는 유기물 분해, 유기물 부하 감축단계와,
상기 유기물 분해, 유기물 부하 감축단계를 거친 유기성 폐기물을 침전조(20)로 유입시킨 후, 상기 침전조(20)에 설치된 분리막(201)에 의한 침전조(20) 내의 난류발생을 억제하여 침전효율을 높인 상태에서 3 ~ 5시간 동안 방치하여 침전과정을 거치는 SS감축, 유분 제거단계와,
상기 침전조(20)의 상부 및 하부를 제거한 나머지 처리수를 산반응조(30)를 거친 후 메탄반응조(40)로 투입하는 단계를 거쳐 이루어지는 것임을 특징으로 하는 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법.
청구항 1에 있어서,
침전조(20)에서의 침전과정은 응집제의 첨가에 의해 이루어지는 것으로,
상기 응집제는 clay를 30배 중량의 0.1 N NH₄Cl 용액에 넣은 후 실온에서 150 ~ 300rpm으로 교반하여 암모늄 흡착과정을 거친 후, 흡착과정을 거친 슬러리(slurry) 상태의 clay를 100 ~ 110℃에서 24시간 동안 건조시킨 후 방냉하여 200mesh의 체 분리과정을 거쳐 제조된 것을 유기성 폐기물의 양(L)에 대해 5 ~ 15mg으로 주입하는 것임을 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법.
청구항 1에 있어서,
분리막(201)은 막 공극의 크기가 0.02 ~ 10㎛인 정밀여과(microfiltration, MF)막, 0.001 ~ 0.02㎛인 한외여과(ultrafiltration, UF)막, 0.0001 ~ 0.001㎛인 역삼투(reverse osmosis, RO)막 중 선택되는 어느 1종인 것임을 특징으로 하는 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법.
청구항 1에 있어서,
메탄반응조(40)로 투입되는 처리수는 SS 500ppm, COD 5,000ppm인 것임을 특징으로 하는 고농도 유기성폐기물의 UASB 공법 적용을 위한 전처리방법.