KR100277565B1 - 음식물쓰레기처리및악취제거용다공성세라믹스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기 처리 또는 악취 제거에 유용한 다공성 세라믹스에 관한 것으로서, a) SiO₂40 내지 60 중량%, b) CaO 20 내지 45 중량%, c) Al₂O₃5 내지 15 중량%, d) MgO, Fe₂O₃, Ti₂O, P₂O₅및 Na₂O 중에서 선택된 1종 이상 5 내지 20 중량%, 및 e) Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 및 이들의 산화물 중에서 선택된 1종 이상 0.01 내지 3 중량%로 이루어진, 본 발명의 다공성 세라믹스는 미생물을 부착시켜 음식물 쓰레기 처리기 및 퇴비, 사료화 시설에 투입하거나 하수 및 분뇨 처리장, 정유공장, 및 저유소 등의 탈취탑에 장착함으로써 미생물이 계속적으로 살 수 있는 환경을 제공하여 음식물 쓰레기의 수분과 pH를 조절하면서 안정적이고 장기적으로 음식물 쓰레기를 처리하고, 발생하는 악취 및 휘발성 유기물질을 효율적으로 제거할 수 있게 한다.

Description

음식물 쓰레기 처리 및 악취 제거용 다공성 세라믹스{POROUS CERAMICS FOR TREATING FOOD WASTE AND ELIMINATING A BAD SMELL}

본 발명은 음식물 쓰레기 처리 및 악취 제거용 다공성 세라믹스에 관한 것으로, 구체적으로는 미생물 담지시 음식물 쓰레기 처리기 및 퇴비, 사료화 시설에 투입되거나 하수 및 분뇨 처리장, 정유공장, 및 저유소 등의 탈취탑에 장착되어 미생물이 계속적으로 살 수 있는 환경을 제공함으로써 음식물 쓰레기의 수분과 pH를 조절하면서 안정적이고 장기적으로 음식물 쓰레기를 처리하고, 발생하는 악취 및 휘발성 유기물질을 효율적으로 제거하는 다공성 세라믹스에 관한 것이다.

기존에는, 소멸기, 고속발효기 및 건조기 등과 같은 음식물 쓰레기 처리기에서 발생하는 수분을 흡수 조절하기 위하여 음식물의 20 내지 50 중량%의 톱밥을 첨가해 왔다. 그러나, 이 톱밥은 단순히 수분만을 조절할 뿐, pH를 조절하는 기능이 없어 한국고유의 음식인 김치, 깍두기, 마늘 및 파 등에서 발생하는 산성분을 중화시키지 못해 음식물 쓰레기 처리기 내부의 미생물의 활동을 저하시킨다. 또한, 이 톱밥은 미생물 크기의 수배 내지 수십배에 해당하는 미세기공을 제공하지 못하여 미생물이 부착되어 살아가는 담체로서의 역할을 할 수 없으며, 거대기공이 존재하지 않아 수분을 흡수하면 통기성이 나빠져서 미생물이 혐기성화되어 분해가 어려운 리그닌산과 같은 침출수가 용출되기 쉽고, 이렇게 용출된 침출수 성분은 악취를 유발할 뿐만 아니라 음식물 쓰레기 내부를 산성화하여 미생물의 활동을 저하시켜 음식물 쓰레기의 처리효율을 감소시키는 등 많은 단점을 갖는다.

또한, 일본 특허공개 제 92-362074 호는 미생물의 흡착을 증가시키기 위해 영양원이 제공되고 표면이 산처리된 다공성 경화체를 개시하고 있으나, 이는 탈취용 미생물의 담체 부착량을 증가시키기 위해 pH가 높은 경화체의 표면을 산으로 처리하고 영양원을 주입한다는 개념으로서 음식물 쓰레기 처리를 위한 것이라 할 수 없다. 따라서, 상기 특허의 다공성 경화체는 단지 담체로서의 역할을 수행할 뿐 수분과 pH 조절기능은 하지 못하며, 그 단계 또한 완성된 담체를 인산수용액에 담지하고(산성화) 건조시킨후 다시 인산수용액에서 교반작업하는(영양원 주입) 등 2단계의 공정을 필요로 한다. 또한, 교반후에도 담체 내부에는 영양원이 공급되지 못하여 사용기간이 증가할수록 담체 표면으로부터의 영양원의 용출이 희박해져 미생물의 처리효율이 급격히 저하되는 단점이 있다.

한편, 음식물 쓰레기 처리기, 즉 소멸기 및 건조발효기를 이용하여 음식물 쓰레기를 처리할 때 다량으로 악취가스가 발생하는데, 이러한 악취를 제거하기 위하여 촉매를 이용한 산화방식이 주로 사용되고 있다. 촉매 재질로는 Ni, Cr, Mo, V 등이 함침된 희유금속 촉매 및 Pt, Pd 등이 함침된 귀금속 촉매로 나눌 수 있으며, 백금촉매를 사용하는 산화방식이 악취원에 관계없이 적용가능하고 비교적 탈취효율이 우수하여 가장 널리 사용되고 있다. 그러나, 상기 방법은 백금촉매 가격이 고가이고 교체주기가 짧으며, 촉매 활성을 위한 열원, 즉 가열기 및 부대시설 등에 소요되는 전기에너지가 많아 경제적인 문제점을 갖는다.

또한, 음식물 쓰레기를 재활용하여 퇴비 및 사료화하는 경우, 및 하수 및 분뇨 처리장에서도 앞서 언급한 음식물 쓰레기 처리시와 마찬가지로 처리 과정중에 필연적으로 악취가 발생하여 많은 어려움을 겪고 있다. 기존의 하수 및 분뇨 처리장에서는 발생하는 악취 가스를 포집한 후 이 가스를 배관을 통해 대면적의 토양하부에서 상부로 통과시켜 토양내에 존재하는 미생물에 의해 악취를 제거하는 토양탈취방식을 주로 사용하였다. 그러나, 이 토양탈취방식은 대면적의 토지가 필요하고 계절에 따라 미생물의 생육조건을 관리하기 힘들 뿐 아니라, 겨울 또는 강우량이 많은 계절에는 수분이 토양 공극을 메꾸기 때문에 악취 가스를 통과시키기 위해 송풍하는 경우 상당한 배압(back pressure)이 걸리는 단점이 있어 장치의 소형화 또한 근본적으로 불가능하다.

따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위해서는 미생물을 이용한 탈취탑 방식의 악취 제거방법이 효율적인 것으로 알려져 있다. 이 탈취탑 방식은 담체에 미생물을 부착시켜 이를 탈취용 탑에 장착한 후 탑 내부로 악취를 흐르게 하여 처리하는 방식으로서, 토지를 적게 차지하고, 악취가 탑을 통과할 때 압력손실이 작아 많은 유량의 악취를 효과적으로 처리할 수 있고, 미생물들이 악취원을 영양원으로 섭취하므로 경제적이고, 분해된 물질의 대부분이 이산화탄소 또는 수분이기 때문에 2차 오염물질을 배출하지 않아 안전하다는 장점을 갖는다.

최근, 미국, 일본, 독일, 네덜란드 등 선진국에서는 악취 제거용 바이오필터를 미생물 탈취탑에 내장하여 미생물 담체로서의 역할을 수행하게 하는 신기술을 깊이 연구하고 있다. 그러나, 이 바이오필터는 피트모쓰(이끼류), 톱밥, 점토, 폴리스티렌 또는 고분자 막 등으로 구성되어 교체가 불편하고 수분의 함량이 증가함에 따라 압밀화가 일어나기 쉬우며, 산성 가스 및 미생물에 독성이 강한 휘발성 유기물질에 대한 완충제로서의 기능발휘가 부족하여 미생물 활동이 제한을 받는다고 하는 단점이 있다. 또한, 국내에서 이 바이오필터를 하수 또는 분뇨 처리장에 사용하기에는 가격이 고가이고 음식물 성상이 외국과 달라 처리효율이 낮다고 하는 문제점도 있다.

이에 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 본 발명의 다공성 세라믹스 담체에 미생물을 흡착시켜 음식물 쓰레기 처리기에 직접 투입하거나 탈취탑에 장착함으로써 안정적이고 장기적으로 음식물 쓰레기를 처리하고 악취 및 휘발성 유기물질을 효율적으로 제거할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 미생물이 계속적으로 살 수 있는 환경을 제공함으로써 음식물 쓰레기의 수분과 pH를 조절하면서 안정적이고 장기적으로 음식물 쓰레기를 처리하고, 발생하는 악취 및 휘발성 유기물질을 효율적으로 제거할 수 있는 다공성 세라믹스를 제공하는 것이다.

도 1은 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, ×8,000)을 사용하여 미생물이 부착된 본 발명의 다공성 세라믹스를 관찰한 도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 a) SiO₂40 내지 60 중량%, b) CaO 20 내지 45 중량%, c) Al₂O₃5 내지 15 중량%, d) MgO, Fe₂O₃, Ti₂O, P₂O₅및 Na₂O 중에서 선택된 1종 이상 5 내지 20 중량%, 및 e) Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 및 이들의 산화물 중에서 선택된 1종 이상 0.01 내지 3 중량%로 이루어진, 음식물 쓰레기 처리 및 악취 제거용 다공성 세라믹스를 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따르는 다공성 세라믹스는, 규산질 원료 30 내지 55 중량%, 시멘트(포틀랜트) 15 내지 25 중량%, 생석회 10 내지 35 중량% 및 석고 5 내지 10 중량%를 혼합한 후, Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 및 이들의 산화물 중에서 선택된 1종 이상이 50,000 내지 200,000ppm으로 용해된 수용액 8 내지 15 중량%에 상기 혼합물 85 내지 92 중량%를 넣어 교반하고, 여기에 0.01 중량%의 Al을 첨가하여 수소가스를 발생시켜 기공을 만들고, 생성된 그린체(Green Body)를 10 내지 12 기압의 수증기압하에서 양생한 후 분쇄함으로써 제조할 수 있다. 이때, 음식물 쓰레기 처리용은 0.1 내지 20mm의 크기로, 악취 제거용은 4 내지 50mm의 크기로 각각 분쇄하는 것이 바람직하다.

상기 악취 및 휘발성 유기물질 제거용 세라믹스가 4mm보다 작으면 악취가스 처리시 압력손실이 많고, 50mm보다 크면 압력손실은 적으나 미생물이 부착되는 표면적을 충분히 제공하지 못한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 규산질 원료, 시멘트, 생석회 및 석고의 혼합물을 Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 및 이들의 산화물 중에서 선택된 1종 이상이 용해된 수용액에서 교반하기 때문에, 제조공정중에 세라믹스의 내부 및 표면에 미네랄 및 미생물의 영양분을 균일하게 분포시켜 미생물 부착 분위기 조성을 위한 별도의 담지과정을 필요로 하지 않으며, 사용중 다량의 미네랄 및 영양분(예: Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 또는 이들의 산화물)이 지속적으로 용출되게 한다.

상기 미네랄 및 영양분이 분포된 본 발명의 다공성 세라믹스에, 알칼리 분위기에서 활발한 활성을 갖는 알칼리지누스 유트로푸스(alkaligenus eutrophus)와 같은 미생물을 부착시켜 사용하게 되는데, 본 발명의 다공성 세라믹스에서 용출되는 미네랄 및 영양분이 지속적으로 미생물의 활동을 보장하고 음식물 쓰레기에서 발생하는(예: 발효식품의 부패시 발생) 산성성분, 또는 산성 가스 및 휘발성 유기물질을 장시간동안 중화시켜 내부산성화를 방지함으로써 미생물의 음식물 쓰레기 처리 및 악취 제거 활성을 유지시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 다공성 세라믹스를 수중에 담가 24시간이 지나면, 용출되는 Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 및 이들의 산화물 중에서 선택된 1종 이상의 총성분이 500 내지 5,000ppm이 되고 그 용액의 pH가 9 내지 11로 된다. 또한, 본 발명의 다공성 세라믹스에 부착되는 미생물의 양은 부착전 세라믹스의 광도를 100이라고 할 때 부착후의 광도가 99.9로 되는 정도가 바람직하다. 상기 미생물이 부착된 다공성 세라믹스를 음식물 쓰레기의 5 내지 30 중량%로 사용하여 음식물 쓰레기를 처리할 수 있다.

도 1은 전자주사현미경(×8,000)을 사용하여 미생물이 부착된 본 발명의 다공성 세라믹스를 관찰한 도이다.

또한, 본 발명의 다공성 세라믹스는 수소가스에 의해 생성되고 고르게 분포된 미세기공과 거대기공 및 표면에 규산질 재료에 의한 OH기를 가져 우수한 수분흡수력을 갖는다. 즉, 본 발명의 다공성 세라믹스는 크기 0.01㎛ 내지 5mm의 미세기공과 거대기공이 고르게 분포되어 있으며, 특히 크기 5 내지 100㎛의 기공이 전체의 50% 이상이고 기공율 30 내지 85% 및 건조비중 0.45 내지 0.7g/cm²로서, 넓은 비표면적과 표면의 OH기에 의해 친수성을 나타내어 초기의 수분흡수성이 우수하고, 미세한 기공에 의한 모세관 현상에 의해 다량의 수분을 함유할 수 있다.

또한, 본 발명의 세라믹스는 높은 기공율 및 넓은 비표면적에 의해 많은 양의 미생물이 부착하여 살 수 있으며, 이와 같이 많은 양의 미생물이 흡착되면 단위 음식물 쓰레기 부피, 및 악취 및 휘발성 유기물질 부피당 미생물의 함량이 높아 짧은 시간내에 효과적으로 음식물 쓰레기를 분해하고 악취 및 휘발성 유기물질을 제거할 수 있다. 또한, 미생물의 분해과정에서 발생하는 열에 의해 음식물 쓰레기의 수분이 쉽게 증발되어 음식물 쓰레기 처리기내의 수분 함량이 낮아짐과 동시에 본 발명의 세라믹스의 거대기공에 의해 통기성을 확보할 수 있어, 미생물의 혐기성화를 방지하여 악취 및 유해폐수의 방출을 억제하고, 음식물 쓰레기의 소멸화 및 건조발효기간을 단축할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.

실시예 1 : 음식물 쓰레기 처리

규석 50 중량%, 포틀랜트 1종 시멘트 20 중량%, 생석회 15 중량% 및 이수석고 5 중량%를 혼합한 후, Ca, K, Ti, P, Na, N, CaO, Ti₂O 및 K₂O가 10,000ppm 농도로 용해된 수용액 10 중량%에 상기 혼합물 90 중량%를 넣고 교반하였다. 여기에 Al을 0.01 중량% 첨가하고 수소가스에 의해 1.5mm 이하의 기공을 함유하는 그린체를 제조한 후, 11기압의 수증기압하에서 양생한 후 10mm의 크기로 분쇄하였다. 제조된 다공성 세라믹스의 성분분석 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

상기 제조된 다공성 세라믹스에 대해서 알칼리지누스 유트로푸스 현탁액 100ml의 흡착을 80분간 수행하여 84.55%의 흡착효율을 얻었으며, 이 흡착정도는 세라믹스의 광도를 흡착전 100에서 흡착후 99.9로 만들었다. 상기 흡착을 위한 세라믹스의 충전조건은 하기 표 3에 나타내었다. 이 미생물 흡착된 다공성 세라믹스 15kg을 음식물 쓰레기 처리기(소멸식, 용량: 100kg/일)에 투입하고, 50 내지 100kg/일의 음식물 쓰레기를 6개월에 걸쳐 투입하였다. 측정된 처리기 내부의 pH 및 수분함량, 및 음식물 소멸감량화율을 하기 표 2에 나타내었다.

성분	SiO2	CaO	Al2O3	MgO	Fe2O3	Ti2O3	P2O5	Na2O	기타
중량%	53	27	13	-	5	-	1	1	-

측정일	pH	수분함량	음식물 쓰레기 처리율
1개월	6.5	5	97%
2개월	6.9	8	99%
3개월	7.7	14	95%
4개월	7.9	29	95%
5개월	8.3	35	98%
6개월	8.5	40	100%
*음식물 쓰레기 처리율(%) = (잔존량/투입량)×100 (상기 잔존량 및 투입량은 누진되는 값임)

항목	충전량	충전높이	충전부피	충전밀도
값	23.8g	16.5cm	87.6cm3	0.27g/m3

실시예 2 : 암모니아 가스 분해

30mm의 크기로 분쇄하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹스를 제조하고 이 세라믹스에 알칼리지누스 유트로푸스를 흡착시킨 후 시간 경과에 따른 세라믹스 통과전(입구)과 통과후(출구)의 암모니아 가스의 양을 측정하여 암모니아 가스의 분해 효율을 하기 표 4에 나타내었다.

	0시간	120시간	240시간	266시간	480시간
암모니아 가스의 입구농도(ppm)	260	250	160	50	50
암모니아 가스의 출구농도(ppm)	25	0	20	14	3
처리효율(%)	90.3	100	87.5	72	94

본 발명에 따라 제조된 다공성 세라믹스는, 음식물 쓰레기 처리기 및 퇴비, 사료화 시설에 투입되거나 하수 및 분뇨 처리장, 정유공장, 및 저유소 등에서의 탈취탑에 장착되어 미생물이 계속적으로 살 수 있는 환경을 제공함으로써 음식물 쓰레기의 수분과 pH를 조절하면서 안정적이고 장기적으로 음식물 쓰레기를 처리하고, 발생하는 악취 및 휘발성 유기물질을 효율적으로 제거할 수 있다.

Claims (8)

1. Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 및 이들의 산화물 중에서 선택된 1종 이상의 수용액 8 내지 15 중량%에 규산질 원료, 시멘트, 생석회 및 석고의 혼합물 85 내지 92 중량%를 넣어 교반하고, 여기에 0.01 중량%의 Al을 첨가하여 수소가스를 발생시켜 기공을 만들고, 생성된 그린체(Green Body)를 10 내지 12 기압의 수증기압에서 양생한 후 분쇄하여 제조되고,

   a) SiO₂40 내지 60 중량%, b) CaO 20 내지 45 중량%, c) Al₂O₃5 내지 15 중량%, d) MgO, Fe₂O₃, Ti₂O, P₂O₅및 Na₂O 중에서 선택된 1종 이상 5 내지 20 중량%, 및 e) Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 및 이들의 산화물 중에서 선택된 1종 이상 0.01 내지 3 중량%로 이루어진 다공성 세라믹스.
2. 제 1 항에 있어서,

   크기가 0.1 내지 20mm 범위이고 음식물 쓰레기의 건조, 발효 또는 소멸용으로 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹스.
3. 제 1 항에 있어서,

   크기가 4 내지 50mm 범위이고 악취 및 휘발성 유기물질 제거용으로 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹스.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   크기 0.01㎛ 내지 5mm의 기공을 가지며, 기공율이 30 내지 85%이고 건조비중이 0.45 내지 0.7g/cm²인 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹스.
5. 제 4 항에 있어서,

   크기 5 내지 100㎛의 기공이 전체의 50% 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹스.
6. 제 1 항에 있어서,

   수중에 담가 24시간 경과시 상기 (e) 성분이 500 내지 5,000ppm 수준으로 용출되고 용액의 pH가 9 내지 11인 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹스.
7. 규산질 원료 30 내지 55 중량%, 시멘트 15 내지 25 중량%, 생석회 10 내지 35 중량% 및 석고 5 내지 10 중량%를 혼합한 후, Ca, K, Mg, Fe, Ti, P, Na, N 및 이들의 산화물 중에서 선택된 1종 이상이 50,000 내지 200,000ppm 농도로 용해된 수용액 8 내지 15 중량%에 상기 혼합물 85 내지 92 중량%를 넣어 교반하고, 여기에 0.01 중량%의 Al을 첨가하여 수소가스를 발생시켜 기공을 만들고, 생성된 그린체(Green Body)를 10 내지 12 기압의 수증기압에서 양생한 후 분쇄하는 것을 포함하는, 제 1 항에 따른 다공성 세라믹스의 제조방법.
8. 제 1 항에 따른 다공성 세라믹스에 미생물을 부착시켜 음식물 쓰레기의 5 내지 30 중량%로 사용하여 음식물 쓰레기를 처리하는 방법.