KR100352811B1 - 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법 - Google Patents

3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기의 고속소화 및 그로부터 메탄을 생산하는 방법에 관한 것으로, 작은 입자로 분쇄된 음식물 쓰레기가 스크류를 통해 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조로 운반되며 공기주입 펌프로 공기가 주입되고 셀룰로모나스 셀룰란스, 플라보박테리움 브리브, 바실러스 아밀로리큐파시언스, 바실러스 리체니포미스, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 알칼로필러스가 조합된 호기성 세균 제제에 의해 가수분해되며 동시에 혐기성 세균에 의해 산 발효되는 1차 가수분해 및 산 발효공정과, 상기 1차 발효된 고액성분이 펌프에 의해 상류 혐기성 슬러지 블랭킷(UASB) 형태의 2차 산 발효조 하단부를 통해 이송되고 클로스트리디움 부티리컴이 주입되어 산 발효되는 2차 산 발효공정과, 상기 2차 발효된 고액성분 중 액체성분만 발효조의 상단에서 중간까지 내려온 관을 통하여 3차 메탄 발효조로 정량펌프에 의해 수송하여 접종된 메탄 생성균에 의해 메탄이 생산되는 3차 메탄 발효공정으로 이루어진다.
본원의 발명에 의한 3단계 메탄 발효시스템을 이용하여 음식물 쓰레기를 고속 소화시키며 그로부터 메탄을 생산할 때, 음식물 쓰레기의 가수분해와 아세트산의 생산량을 높임으로써 발효시간을 효과적으로 단축할 수 있으며 보다 많은 양의 메탄을 생산할 수 있어, 각종 유기성 쓰레기의 폐기처리는 물론 생산된 메탄을 비닐 온실의 난방 등을 위한 청정에너지로 재활용할 수 있는 일석이조의 효과를 얻을 수 있다.

Description

3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법{Methods for rapid digestion of food wastes and for methane production using three-stage methane fermentaion system}
본 발명은 음식물 쓰레기를 빠르게 소화시키며 그로부터 메탄을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세히 말하면 음식물 쓰레기를 신속하게 처리함과 동시에 대체 에너지로 활용하기 위하여 음식물 쓰레기로부터 다량의 메탄을 생산하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법에 관한 것이다.
우리나라에서 발생하는 음식물쓰레기는 1994년도에 하루 도시폐기물의 31％를 차지하였으나 정부의 음식물쓰레기 감량화 정책으로 인하여 1997년에는 27.3％를 나타내고 있으며 이와 같은 음식물쓰레기를 돈으로 환산하면 8조원에 이른다는 보고가 있다.
음식물쓰레기의 97년도 재활용 현황을 보면, 재활용량의 59.2％는 가축사료로 이용되었고 40.8％는 퇴비로 재활용되었다. 그러나 사료화는 분리수거의 난점이 있고 부패성/병원성 미생물의 발생과 사료 내 이물질로 인해 가축에 피해가 우려되며 음식물쓰레기 내 영양분의 불균형으로 인해 가축 영양상태의 불균형을 초래할 수 있다. 또한 퇴비화는 음식물 자체 내의 과다수분 및 염분 때문에 농작물에 피해를 줄 수 있고 퇴비화된 음식물쓰레기를 토지화 하는 과정에서 악취를 발생시킨다.
따라서, 최근에는 음식물쓰레기를 메탄가스로 자원화하여 재활용하는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그 결과, 현재 산 발효상과 메탄 발효상으로 각각 나누어 소화시키는 2단계 소화법이 실용화 단계에 있다. 그러나 2단계 소화법은 아직도 처리 속도가 늦기 때문에 발효조의 크기가 커지게 되고 그에 따라 설치비용이 많이 드는 단점이 있다. 또한 메탄 발효조 내에서 발효가 일어나기 위한 최적 pH는 7.0이 가장 좋은데 산 발효조에서 생성된 산이 직접 메탄 발효조로 들어가 산 충격이 발생함으로써 공정 자체의 운전이 정지되는 단점도 가지고 있다.
따라서, 본원은 상기와 같은 2단계 소화시스템의 단점을 보완하고자 지속적인 연구 실험을 거듭한 바, 3단계 메탄 발효시스템을 이용하여 폐유기물질을 빠르게 발효시켜 발효조 내의 체류시간을 더욱 감소시키고 이로 인하여 발효조의 크기를 경제성이 있도록 소형화함은 물론 음식물 쓰레기로부터 효과적으로 다량의 메탄을 생산하여 대체 에너지로 이용할 수 있는 음식물 쓰레기의 고속소화 및 그로부터 메탄을 얻는 방법을 안출하게 되었다.
도1은 본 발명에 의한 3단계(three-stage) 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법을 보이는 공정 흐름도,
도2는 본 발명에 따른 1차 가수분해 및 산 발효공정과 2차 산 발효공정 동안 휘발성 지방산(volatile fatty acid; VFA)의 생성 그래프,
도3은 본 발명에 따른 메탄 발효공정 동안의 pH 변화도,
도4는 본 발명에 따른 메탄 발효공정 동안의 SCOD, TCOD, BOD 변화도,
도5는 본 발명에 따른 메탄 발효공정 동안 암모니아성 질소와 총 질소량의 변화도.
***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***
A : 파쇄기 B : 1차 가수분해 및 산 발효조
C : 2차 산 발효조 D : 3차 메탄 발효조
E : 침전조 F : 생물학적 여재 용기
G : 수산화나트륨 공급 용기 H : 메탄 저장 탱크
P : 펌프 AP: 공기주입 펌프
즉, 본 발명은 음식물 쓰레기의 고속소화 및 그로부터 메탄을 생산하는 방법에 있어서, 파쇄기에서 작은 입자로 분쇄된 음식물 쓰레기를 물과 1:1 비율로 혼합하고 스크류를 통해 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조로 운반하며 공기주입 펌프로 공기를 주입시켜 셀룰로모나스 셀룰란스, 플라보박테리움 브리브, 바실러스 아밀로리큐파시언스, 바실러스 리체니포미스, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 알칼로필러스가 조합된 호기성 세균 제제에 의해 고속으로 가수분해 시킴과 동시에 혐기성 세균에 의해 산 발효시키는 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효공정과;상기 1차 발효한 고액성분을 펌프에 의해 상류 혐기성 슬러지 블랭킷(upflow anaerobic sludge blanket: UASB)형태의 2차 산 발효조 하단부를 통해 주입하고 클로스트리디움 부티리컴을 접종하여 산 발효시키는 2차 혐기성 산 발효공정과; 상기 2차 발효한 고액성분 중 액체성분만 발효조의 상단에서 중간까지 내려온 관을 통하여 3차 메탄 발효조로 정량펌프에 의해 수송하고 메탄 생성균을 접송시켜 메탄을 생산하는 3차 메탄 발효공정으로 이루어진 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법이다.
본 발명은 상기 1차 가수분해 및 산 발효공정에 있어서, 반혐기성 가수분해 및 산 발효조 내부의 운전 온도와 pH가 각각 28～32℃와 5.0～5.5인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 상기 2차 혐기성 산 발효공정에 있어서, 산 발효조 내부의 운전 온도가 33～37℃이고 pH가 5.0～5.5인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 상기 3차 혐기성 메탄 발효공정에 있어서, 메탄 발효조 내부의 온도가 39～43℃이고 pH가 7.6～7.9이며 상단 부위의 발효액과 상단으로부터 하단 55～70Cm되는 부위의 발효액이 순환할 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
상기 1차, 2차, 3차 발효조 내에서 음식물 쓰레기를 소화하기 위해 사용된 미생물은 표1에 나타난 바와 같다.
표 1. 음식물 쓰레기를 소화하기 위해 사용된 미생물
본 발명에 의한 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법의 전체적인 공정을 첨부된 도1을 참조로 하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 파쇄기(A)에서 분쇄된 음식물 쓰레기는 물과 1:1비율로 혼합되어 펌프(P)에 의해 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조(B)로 운반된다. 상기 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조(B)는 음식물 쓰레기로부터 빠른 가수분해와 산 생성을 가능하도록 설계된다. 즉, 1차 발효조에서는 공급된 음식물 쓰레기가 교반되고, 효과적인 가수분해를 위해 공기주입펌프(AP)를 통하여 다량의 공기가 유입됨으로써 주입된 호기성 세균 제제, 즉 셀룰로모나스 셀룰란스, 플라보박테리움 브리브, 바실러스 아밀로리큐파시언스, 바실러스 리체니포미스, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 알칼로필러스가 조합된 호기성 세균 제제로 하여금 단시간에 고분자 유기물질을 저분자 물질로 가수분해 시키도록 하며 혐기성 세균의 경우 저분자 물질을 산으로 전환하게 한다. 이 공정에서 분해되지 않는 깡통, 고무, 조개 껍데기 등의 물질은 발효조 하단에 설치된 밸브구멍을 통하여 제거한다.
상기 1차 발효조(B)로부터 발효된 고액성분은 펌프(P)에 의해 2차 산 발효조(C)의 하단부로 유입된다. 이때, 이송되는 고액성분은 가수분해 및 산 발효로 pH가 4.5이하로 낮아진 상태이므로 다음 공정에서의 산 발효가 활발히 일어날 수 있도록 수산화나트륨공급용기(G)로부터 수산화나트륨(NaOH)을 공급시켜 2차 산 발효조(C) 내로 유입되는 고액성분의 pH를 5.0～5.5로 적정시킨다.혐기성 발효를 하는 상기 2차 혐기성 산 발효조(C)에는 아세트산의 생성을 높이기 위해, 염분에 내성이 있고 특히 33～37℃에서 아세트산을 대량생산하는 특성이 있는 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum)을 접종한다. 2차 혐기성 산 발효공정에서는 산의 생성과 더불어 이산화탄소가 발생하는데, 발생된 이산화탄소의 압력에 의해 산 발효액에 잔존하는 산소가 제거된다.상기 2차 혐기성 산 발효조(C)에서 생성된 발효액은 정량펌프(P)에 의해 3차 메탄 발효조(D)로 이송되는데, 3차 메탄 발효조(D) 내에서 메탄발효가 신속하게 일어날 수 있도록 2차 산 발효조(C) 내부의 상단에서 중간까지 내려온 긴 관을 통해 상기 2차 산 발효조(C)에서 발효된 고액물질 중 산을 포함하는 액상의 산 발효액만을 취하여 3차 메탄 발효조(D)로 이송시킨다.이때, 이송되는 산 발효액은 pH가 4.5이하로 낮아진 상태이므로 다음 공정에서의 메탄발효가 활발히 일어날 수 있도록 수산화나트륨공급용기(G)로부터 수산화나트륨을 공급시켜 3차 메탄발효조(D) 내로 유입되는 발효액의 pH를 7.6～7.9로 적정시키며, 메탄 생성을 위해 3차 메탄 발효조(D)에 메탄 생성균을 접종시킨다.
상기 메탄 발효조(D)에는 열 변환기, 가스 계량기, 연소 배관장치, 가스 배기구멍을 장치한다. 메탄 발효공정에서 생산된 메탄은 메탄저장탱크(H)로 이송되며, 메탄발효공정에서 배출되는 유출물 내의 잔여 유기물과 질소, 인 화합물을 제거하기 위하여, 여러 가지 추가적인 공정이 채택된다. 상기 유출물은 펌프(P)에 의해 침전 조(E)로 이송되고 그 중 고형물들은 침전된다. 상층액은 고정된 질화 세균(immobilized nitrifying bacteria)이 붙어있는 호기성 생물막 여재(oxic biological filter)가 들어있는 45리터의 생물학적 여재 용기(F)로 이송된다. 3일 후, 상기 폐액은 탈질 세균(denitrifying bacteria)에 의해 질소가 제거되도록 90리터의 무산소성 생물막 여재(anoxic biological filter)로 이송된다. 본 연구에서 사용되는 생물학적 여재는 넓은 외부 표면을 갖는 PVC스틱으로 만들어지며 폐폴리염화비닐(waste polyvinyl chloride)로부터 재생된다. 상기 필터는 폐수 속으로 침수되고 세균은 그것들 위에 고정되어진다.
상기 폐수는 6일 동안 처리된 후 배출된다.한편, 상기 1차 반혐기성 발효조(B)는 발생되는 배출가스의 악취가 현전히 제거되도록 생물학적 여재 용기(F)로 연결된다.
메탄은 무색무독하고 완전 연소 후 이산화탄소와 물만이 생성되는 청정에너지이다. 또한, 메탄은 연소 시 12,000㎉/㎏라는 다량의 에너지를 방출하며 일원자 탄소화합물이기 때문에 연소효율이 높아 불완전 연소가 거의 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이러한 특징은 메탄 발효공정이 청정 바이오가스를 생산하여 대체에너지원 생산 공정이 될 수 있고 미처리 폐기물과 매연이 적으므로 청정 폐기물 처리 공정이 될 수 있다는 것을 의미하며 이러한 장점 때문에 입지 선정이 용이하다는 특징도 가지고 있다. 메탄발효 후 생산된 가스 중에는 메탄이 약 70％, 이산화탄소가 약 30％ 정도 포함되어 있어 에너지로서 충분한 효용가치가 있으며, 황화수소와 암모니아 가스는 각각 1％미만이기 때문에 악취도 크게 문제가 되지 않는다.
이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다.
<실시예1>
1. 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효공정;
수집된 음식물 쓰레기를 파쇄기에서 3mm 이하의 작은 입자로 분쇄하여 물과 1:1 비율로 희석하고, 그 중 10ℓ를 셀룰로모나스 셀룰란스, 플라보박테리움 브리브, 바실러스 아밀로리큐파시언스, 바실러스 리체니포미스, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 알칼로필러스가 조합된 호기성 세균 및 혐기성 세균이 미리 주입되어진 1차 가수분해 및 산 발효조에 넣었다. 발효조에는 공기주입펌프로 다량의 공기를 주입하고 발효조 내부에 넣어진 음식물 쓰레기를 100rpm의 속도로 교반하였으며 30℃ 온도에서 2일 동안 체류시켜 호기성 세균 및 혐기성 세균에 의해 가수분해되고 산 발효 되도록 하였다.
1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효공정은 호기성 세균과 혐기성 세균이 공존하며 동시에 활동할 수 있는 발효로서, 쉽게 분해 될 수 있는 중합체들은 호기성 세균에 의해 소중합체 또는 단량체로 빠르게 가수분해 되었으며 동시에 음식물 쓰레기에 존재하는 혐기성 세균에 의해 상기 가수분해된 저분자 물질은 산으로 전환되었다.
즉, 호기성 세균을 주입하여 가수분해를 빠르게 함으로써 혐기성 세균에 의한 산 발효도 빨라져 1차 발효조에서 음식물 쓰레기를 소화하는데 걸리는 수리학적 체류시간이 2일로 단축되었다. 또한, 1차 발효조 내에서의 발효 속도가 빨라짐에 따라 1차 발효조의 크기가 작아질 수 있게 되었다.
가수분해 및 산 발효공정에 사용되는 세균들은 음식물에 많이 존재하는 탄수화물, 단백질, 지방 등 복잡한 유기물을 분해할 수 있는 셀룰로모나스 셀룰란스, 플라보박테리움 브리브, 바실러스 아밀로리큐파시언스, 바실러스 리체니포미스, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 알칼로필러스와 같은 호기성 세균들(표1)로 선정하여, 잘 성장할 수 있는 기질에서 각각 배양한 후, 음식물 쓰레기의 추출물을 함유한 기질에 주입하였다. 연속 배양에 의한 적응 후에 그 균들을 혼합하여 반혐기성 가수분해 및 산 발효조에 주입하였다.
발효공정 동안, 적은 양의 글루코오스, 셀로바이오스, 람노오스와 여러 가지 미확인 당들이 검출되었고(데이타 없음), 동시에 다량의 아세트산, 발레르산, 부티르산이 연속적으로 관찰되어졌으며 그 결과는 도2에 나타낸다.
상기 1차 가수분해 및 산 발효조 내부의 초기 pH는 6.0으로 조정되었으나, 산이 생성됨에 따라서 4.0으로 저하되었으며(도3) 시간이 지남에 따라 1차 가수분해 및 산 발효조 내부의 반응이 느려졌다. 이것은 산 생성으로 인하여 낮아진 pH와 변화된 산성 환경에 의한 산 생성의 최종 생산물 억제(end-product inhibition)에서 기인한 것이라고 사료되었다. 즉, 아세트산이 생성되는 활성은 이러한 산성 소화조건 하에서는 매우 억제되었다. 따라서 1차 산 발효공정 동안 산성으로 저하된 pH를 조절하여 중화시키기 위해 3차 메탄 발효공정의 메탄 발효조로부터의 알칼리유출물(pH7.6～8.0)과 혼합하는 것이 필요했다. 이때, 1차 반혐기성 가수분해 및 산발효조 내로 메탄 생성균이 이송될 수 있는데, 1차 반혐기성 가수분해 및 산발효조에는 강력하게 공기가 주입되기 때문에 산소에 민감한 메탄 생성균들은 모두 치사하였다. 그 결과 메탄 발효조로부터의 알칼리 유출물은 단순한 pH 조절용액으로 이용될 수 있었으며 1차 반혐기성 가수분해 및 산발효조에서는 더 많은 아세트산이 계속적으로 생산될 수 있었다.
도4에 도시된 바와 같이, 가수분해 된 저분자 물질의 총 화학적 산소요구량(TCOD)과 용해성 화학적 산소요구량(SCOD)은 각각 45,000㎎/ℓ와 32,000㎎/ℓ였다. 그러나 생물학적 산소요구량(BOD)의 농도는 51,000㎎/ℓ으로 총 화학적 산소요구량의 농도 보다 높았다. 그 이유는 혼합물이 여전히 다량의 미립자를 함유하고 있어서 총 화학적 산소요구량과 생물학적 산소요구량의 정밀한 값을 얻기 어렵기 때문이다.
음식물 쓰레기가 소화됨에 따라, 분해되지 않는 무거운 물질들은 바닥으로 침전하였고 발효조의 하단 중앙부에 설치된 밸브구멍을 통하여 제거되었다.
2. 2차 혐기성 산 발효공정;
1차 반혐기성 발효조로부터 가수분해 및 산 발효된 물질은 기어펌프에 의해 2차 혐기성 산 발효조로 이송하여 클로스트리디움 부티리컴을 접종시켰다.이때, 이송되는 고액성분의 pH는 4.5이하였으므로 2차 공정에서 산 발효가 정지되지 않고 활발히 일어날 수 있도록 수산화나트륨공급용기(G)로부터 수산화나트륨을 공급시켜 2차 산 발효조(C) 내로 유입되는 고액성분의 pH를 5.0～5.5로 적정시켰다.또, 2차 혐기성 산 발효조 내부의 온도는 클로스트리디움 부티리컴이 고속으로 산 발효를 일으킬 수 있는 최적 온도인 35℃로 유지시켰다. 상기 클로스트리디움 부티리컴은 상술된 바와 같이 연속적 배양을 하고 음식물 쓰레기의 추출물을 함유한 기질에 주입하여 연속 배양에 의한 적응을 시킨 후, 상류 혐기성 슬러지 블랭킷 형태의 2차 산 발효조의 하단부위를 통해 주입하였고 2일간 체류시켰더니 충분한 산 발효가 일어났다.
생성물은 여전히 높은 양의 총 화학적 산소요구량과 용해성 화학적 산소요구량을 나타내었지만, 생물학적 산소요구량은 60％로 감소했다. 이것은, 음식물 쓰레기로부터 생분해되는 대부분의 물질들이 효과적으로 소화되었고 휘발성 지방산과 이산화탄소로 전환되었다는 것을 보여준다. 표2에 나타난 대로, 산을 생성하는 발효조로부터 생산되는 가스의 주요 성분은 이산화탄소였다.
2차 산 발효조 내의 산 발효액에 잔존하는 산소는 상기 발생된 이산화탄소의 압력에 의해 제거되었다. 따라서, 3차 메탄 발효조로 이송되는 산 발효액에는 산소가 포함되지 않아 극미량의 산소농도에서도 치사하는 메탄 생산균에 영향을 주지 않았다.
3. 3차 혐기성 메탄 발효공정;
상기 2차 산 발효조의 상단으로부터 90㎝ 수직으로 내려와 있는 관을 통해 상기 2차 혐기성 산 발효된 고액성분 중 상층의 액상 성분만 취하여 펌프로 상류 혐기성 슬러지 블랭킷 형태의 3차 혐기성 메탄 발효조 하단으로 운반하였다.
이때, 산 유출물이 메탄 발효조로 직접 주입되면 발효조 내부의 pH는 산성이 되고 이런 산성 조건하에서는 메탄 발효가 사실상 정지하기 때문에 메탄 생성균에 대한 산 충격을 감소시키도록 수산화나트륨 공급용기로부터 5N의 수산화나트륨을 공급하여 3차 메탄 발효조로 유입되는 발효액의 pH를 7.6～7.9로 조정하였다.
상기 메탄 발효조 내부의 운전 온도는 41℃를 유지시켰고(도3) 발효액의 상단 부위가 굳는 것을 방지하기 위하여 상단 부위의 발효액과 상단으로부터 하단 60㎝되는 부위의 발효액이 펌프(P)에 의해 순환될 수 있도록 하였다.
상기 메탄 발효액은 메탄 발효조에서 12일간 체류되었다. 이 조건하에서 유출물의 총 화학적 산소요구량, 용해성 화학적 산소요구량, 생물학적 산소요구량이 각각 95％, 96％, 97％감소하였다.
이것은 본 연구에 의해 개발된 3단계 소화시스템이 매우 효과적이고, 높은 총 고형물 함유 음식물 쓰레기의 처리 시간을 절약할 수 있음을 보여준다. 동시에 본 공정을 통해서 총 질소는 4287㎎/ℓ에서 2624㎎/ℓ로 감소되었으나, 암모니아성 질소는 혐기성 산 발효공정에서 서서히 증가되었고 메탄 발효공정에서 1,200㎎/ℓ까지 축적되었다(도5). 이러한 질소 농도는 폐수로 배출하기에 너무 높기 때문에, 다른 추가적인 처리가 필요했다. 이 문제를 해결하기 위해, 호기성 또는 무산소성 생물학적 여과 시스템이 채택되었다. 상기 생물학적 여과기에는 폐수에 함유된 잔류 쓰레기를 감소시키기 위해 질화 및 탈질(denitrifying) 세균뿐만 아니라 종속영양세균(heterotrophic)도 고정하였다. 결과적으로, 총 질소와 암모니아성 질소의 농도는 각각 166㎎/ℓ와 66㎎/ℓ로 감소되었고, 생물학적 산소요구량 또한 287㎎/ℓ로 감소되었다. 즉, 총 질소와 생물학적 산소요구량은 96％와 99.9％ 감소되었다.
총 인 중 10㎎/ℓ이하가 최종 유출물에서 검출되었고, 최종 유출물은 배출되도록 적절하게 처리되었다.
3차 반혐기성 메탄 발효공정에서는 휘발성 지방산으로부터 72％의 메탄과 28％의 이산화탄소가 발생하였으며 12일간의 수리학적 체류시간 동안 0.45～0.50m3/㎏VS의 수율로 메탄을 생성하였다.
총 3단계 메탄 공정에서는 95％의 높은 총 화학적 산소요구량 감소율을 나타내었다. 또한 총 질소도 96％가 감소하였고 총 인은 10㎎/ℓ이하가 감지되었다.
도2에 나타낸 바와 같이, 총 휘발성 지방산 중 4,100㎎/ℓ가 1차 소화공정에서 생산되는데 이중 아세트산이 77％로 가장 많았다. 흥미롭게도 젖산의 농도는 이 조건에서 아세트산의 농도보다 9배 많았으나, 젖산은 아세트산으로 다시 전환되었다(데이타 없음). 2차 산 발효 공정에서 생산된 총 휘발성 지방산의 농도는 6,100㎎/ℓ이었으며 여러 형태의 휘발성 지방산이 생산되었다.
2차 산 발효 공정을 여러 번 실시하여 데이터를 얻은 결과, 생산된 총 휘발성 지방산의 농도는 6,100㎎/ℓ에서 최대 9,100㎎/ℓ의 범위까지 증가될 수 있음도 관찰되었다.
생산된 총 휘발성 지방산 6,100㎎/ℓ중 주요 휘발성 지방산들은 아세트산 3,000㎎/ℓ, 발레르산 1,540㎎/ℓ, 프로피온산 1,000㎎/ℓ이었다. 적은 양의 휘발성 지방산(310㎎/ℓ)이 메탄 발효조로부터의 폐액에 남겨지기는 하지만 대부분의 유기 탄소는 메탄과 이산화탄소로 전환되었다(표2).
소화 시스템의 일반적인 운전을 위한 가장 중요한 매개변수는 pH, 유기물 부하율(organic loading rate), 산과 메탄 발효조 사이의 부피율이었다.
총 가스 발생량은 0.65～0.70m3/㎏VS였다. 주요 가스 조성물은 메탄, 이산화탄소, 암모니아, 황화수소였다. 발생된 총 가스 부피 중 72％가 메탄이었고 메탄 발생량은 0.45～0.50m3/㎏VS였다(표2). 메탄 전환율과 발생량은 다른 종래 연구와 비교하여 유사한 값을 나타내었다. 메탄 발효조로부터 발생된 1,200㎎/ℓ의 높은 암모니아성 질소 농도는 메탄 생성을 방해하지 않았다. 전체 공정으로부터 얻어진 데이터는 표2에 요약되어있다.
종래의 2단계 시스템을 이용한 방법들과 비교하여 본 바, 본 연구에 의해 개발된 3단계 시스템은 효과적인 메탄-생산 시스템이었다(표3).
표2. 3단계 시스템의 운전조건 및 수행결과
표3. 중온(mesophilic)에서 종래 2단계 혐기성 소화 시스템과
본 발명의 3단계 시스템의 성능 비교
이상에서 살펴본 바와 같이 본원의 발명은 고농도의 유기물질을 함유하는 음식물 쓰레기의 가수분해와 아세트산의 생산량(율)을 높임으로써 발효조 내의 수리학적 체류시간(HRT)을 효과적으로 감소시켜 음식물 쓰레기를 신속하게 처리할 수 있고, 이에 따라 발효조의 크기도 작게 할 수 있어 처리비용을 절약할 수 있으며 무엇보다도 종래의 다른 어떤 시스템보다 많은 양의 메탄을 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 음식물 쓰레기의 소화 및 메탄을 생산하는 방법에 있어서,
    파쇄기에서 작은 입자로 분쇄된 음식물 쓰레기를 물과 1:1 비율로 혼합되어 스크류를 통해 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조로 운반하며, 공기주입 펌프로 공기를 주입되고, 셀룰로모나스 셀룰란스, 플라보박테리움 브리브, 바실러스 아밀로리큐파시언스, 바실러스 리체니포미스, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 알칼로필러스가 조합된 호기성 세균 제제에 의해 고속으로 가수분해 됨과 동시에 혐기성 세균에 의해 산 발효되는 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효공정과,
    상기 1차 발효된 고액성분이 펌프에 의해 상류 혐기성 슬러지 블랭킷 형태의 2차 산 발효조 하단부를 통해 이송되고 클로스트리디움 부티리컴이 주입되어 산 발효되는 2차 혐기성 산 발효공정과,
    상기 2차 발효된 고액성분 중 액체성분만 발효조의 상단에서 중간까지 내려온 관을 통하여 3차 메탄 발효조로 정량펌프에 의해 수송되며 접종된 메탄 생성균에 의해 메탄이 생산되는 3차 메탄 발효공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효공정의 가수분해 및 산 발효조 내부의 온도가 28～32℃이고 pH가 5.0～5.5인 것을 특징으로 하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 2차 혐기성 산 발효공정의 산 발효조 내부의 운전 온도가 33～37℃이고 pH가 5.0～5.5인 것을 특징으로 하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 3차 메탄 발효공정의 메탄 발효조 내부의 온도가 39～43℃이고 pH가 7.6～7.9이며 상단 부위의 발효액과 상단으로부터 하단 55～70Cm되는 부위의 발효액이 순환할 수 있도록 설계된 것을 특징으로 하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법.
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