KR100471963B1 - Method for Manufacturing Anaerobic Fermentation Broth from Organic Wastes for Using in Nutrient Removal - Google Patents

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KR100471963B1 KR10-2001-0052629A KR20010052629A KR100471963B1 KR 100471963 B1 KR100471963 B1 KR 100471963B1 KR 20010052629 A KR20010052629 A KR 20010052629A KR 100471963 B1 KR100471963 B1 KR 100471963B1
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Abstract

본 발명은 폐하수로부터 질소와 인의 제거시에 외부탄소원으로 사용할 수 있는 혐기성 발효액을 얻기 위한 유기성 폐기물의 혐기성 발효 방법에 관한 것이다. 본 발명의 준 연속식 배양을 통한 혐기성 발효 방법에 따르면, 용존성 COD중 유기산이 차지하는 비율이 85% 이상이며 전체 유기산 중에서 아세트산이 약 50%, 부티르산이 약 21%로 질소, 인 제거 효율이 높은 두 종류의 유기산의 비율이 상당히 높고, 음식물쓰레기 중 발효 가능한 부분에 대한 총 유기산의 양으로 나타낸 수율이 0.35 이상인 발효액을 얻을 수 있다. 이러한 결과는 종래의 방법들과 비교해 볼때, 수율 뿐만 아니라 용존성 COD 중 유기산이 차지하는 비율이 상당히 높으며, 또한 생물학적 탈질, 탈인에 효율이 높은 것으로 알려져 있는 아세트산과 부티르산의 비율이 높기 때문에 유기성 폐기물을 생물학적 탈질, 탈인에 효율적으로 재활용할 수 있는 혐기성 발효법을 제시함과 동시에 유기성 폐기물 처리 기술의 확보를 통해 사회적 문제인 유기성 폐기물에 대한 확실한 방안을 마련할 수 있으며 또한 이를 재활용한다는 의미에서 경제적인 효과도 기대할 수 있다. The present invention relates to an anaerobic fermentation method of organic waste for obtaining an anaerobic fermentation broth that can be used as an external carbon source when nitrogen and phosphorus are removed from wastewater. According to the anaerobic fermentation method through the semi-continuous cultivation of the present invention, the ratio of organic acid to dissolved COD is more than 85%, acetic acid is about 50% of the total organic acid, butyric acid is about 21% with high nitrogen and phosphorus removal efficiency It is possible to obtain a fermentation broth with a high ratio of two organic acids and a yield of 0.35 or more, which is expressed as the total amount of organic acids in the fermentable portion of the food waste. These results show that organic wastes are not only bioavailable because of the high yield of acetic acid and butyric acid, which are known to be highly efficient in biological denitrification and dephosphorization, as well as the yield and the ratio of organic acid in dissolved COD. By providing an anaerobic fermentation method that can be efficiently recycled to denitrification and dephosphorization, it is possible to establish a clear plan for organic waste, which is a social problem, by securing organic waste treatment technology and economic effects in terms of recycling it. have.

Description

영양염류 제거를 위한 유기성 폐기물로부터 혐기성 발효액의 제조방법 {Method for Manufacturing Anaerobic Fermentation Broth from Organic Wastes for Using in Nutrient Removal} Method for Manufacturing Anaerobic Fermentation Broth from Organic Wastes for Using in Nutrient Removal

본 발명은 유기성 폐기물로부터 폐수, 하수 및 오수(이하, '폐하수'라 함) 중의 질소와 인을 효과적으로 제거하기 위한 외부 탄소원을 제조하는 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 생물학적 질소, 인 제거에 효과적으로 사용될 수 있는 저비용의 탄소원을 얻기 위한 유기성 폐기물의 혐기성 발효 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing an external carbon source for effectively removing nitrogen and phosphorus from wastewater, sewage and sewage (hereinafter referred to as 'wastewater') from organic waste. More specifically, the present invention relates to a process for anaerobic fermentation of organic waste to obtain a low cost carbon source that can be effectively used for biological nitrogen, phosphorus removal.

산업이 고도화되고 인구 집중현상이 심화됨에 따라, 수역으로 유입되는 질소와 인의 양은 더욱 증가하고 있다. 이러한 영양성분의 유입은 하천의 자정작용에 악영향을 끼쳐서 부영양화를 일으키는 주된 원인으로 인식되고 있다. 현재, 우리 나라의 방류수 수질기준을 살펴보면, 하수종말처리장이 총질소 60 ppm, 총인 8 ppm 이하이며, 분뇨종말처리장과 폐수종말처리장의 경우는 총질소 120 ppm, 총인 16 ppm 이하로 질소와 인이 각각 0.2 내지 0.3 ppm, 0.01 내지 0.02 ppm의 농도에서도 부영양화를 일으킬 수 있다는 사실에 비하면 지나치게 높은 것이 사실이다. 그러나, 대부분의 종말처리장들이 유기물의 제거에 초점을 맞추어 설계되었기 때문에 질소와 인의 제거를 위한 시설의 확충이 요구되고 있다. As industries become more advanced and population concentration grows, the amount of nitrogen and phosphorus entering the waters is increasing. The influx of nutrients is recognized as a major cause of eutrophication by adversely affecting the river's self-cleaning action. At present, the discharged water quality standards of our country shows that the sewage treatment plant has 60 ppm of total nitrogen and 8 ppm of total nitrogen. In the manure and wastewater treatment plants, the total nitrogen is 120 ppm and the total phosphorus is 16 ppm or less, which is too high compared to the fact that nitrogen and phosphorus may cause eutrophication even at concentrations of 0.2 to 0.3 ppm and 0.01 to 0.02 ppm, respectively. It is true. However, since most terminal plants are designed with a focus on the removal of organics, expansion of facilities for the removal of nitrogen and phosphorus is required.

생물학적 질소제거는 암모니아성 질소의 산화와 산화된 질소를 질소가스로 환원시킴으로해서 이루어지는데 산화질소를 질소 가스로 환원시키는 탈질반응에 전자공여체로 유기 탄소원이 필요하기 때문에 이것을 충당하기 위해 유입수에 들어있는 유기물질을 이용하기 위하여 반응조를 복잡하게 조합하거나 순환을 시킴으로 해서 공정이 복잡해지는 경우가 많고 이런 방법을 사용하여도 처리율이 낮은 경우에는 외부에서 유기 탄소원을 공급해주어야 하는 경우가 대부분이다. 이와같은 유기 탄소원으로 메탄올, 포도당, 아세트산 등을 이용한 탈질반응에 대한 연구가 많이 진행되었는데, 이중 아세트산에 의한 탈질률이 가장 높은 것으로 알려져 있다(참조: Tam N.F.Y,, Wong Y.S. and Leung G., Wat. Res., 26(9):1229-1236(1992)). 현재로서는 상품화된 유기물을 전자공여체로 사용할 경우 메탄올이 가장 경제적이기 때문에 널리 이용되고 있으나, 폐하수 처리장의 운전비용을 절감하기 위해서는 메탄올의 대체품을 찾는 것이 매우 시급하다. Biological nitrogen removal is achieved by oxidation of ammonia nitrogen and reduction of oxidized nitrogen with nitrogen gas. Organic denitration, which reduces nitrogen oxides to nitrogen gas, requires an organic carbon source as an electron donor. In order to use organic materials, the process is complicated by complicated combination or circulation of the reaction tank, and even in this case, when the treatment rate is low, in most cases, an organic carbon source must be supplied from the outside. Many studies have been conducted on denitrification using methanol, glucose, and acetic acid as organic carbon sources. Among these, denitrification by acetic acid is known to be the highest (Tam NFY, Wong YS and Leung G., Wat). Res., 26 (9): 1229-1236 (1992). Currently, when commercialized organic material is used as an electron donor, methanol is widely used because it is the most economical, but it is very urgent to find a substitute for methanol to reduce the operating cost of the wastewater treatment plant.

한편, 인의 경우에는 혐기성 상태에서 균체중의 유기물 저장과 동시에 인의 방출이 시작되고 호기성 상태에서 다중인산염의 형태로 인을 과잉섭취하여 저장함으로 해서 제거가 이루어진다(참조: Levin G,V and Shapiro J., J. WPCF., 37:800(1965)). 이처럼 혐기와 호기 조건을 반복해서 조성해줌으로써, 미생물이 인을 방출하는 것보다도 많은 양의 인을 섭취하여 인이 제거되는데, 인 제거에 관련된 균체들이 탄소원으로 아세트산과 같은 짧은 지방산(short chain fatty acid)를 필요로 하기 때문에, 유입 원수내에 존재하는 유기물의 조성이 상당히 중요한 인자로 인식되고 있다(참조: Fuhs G.W. and Chen M., Microbiol. Ecol., 2:119-138(1975)). On the other hand, in the case of phosphorus, the release of phosphorus starts simultaneously with the storage of organic matter in the anaerobic state, and is removed by overingesting and storing phosphorus in the form of polyphosphate in aerobic state (Levin G, V and Shapiro J. , J. WPCF., 37: 800 (1965). By repeatedly forming anaerobic and aerobic conditions, phosphorus is removed by consuming more phosphorus than microorganisms release phosphorus. The cells involved in phosphorus removal are short-chain fatty acids such as acetic acid as carbon sources. The composition of organics present in the influent source has been recognized as a very important factor because it requires (Fuhs GW and Chen M., Microbiol. Ecol., 2: 119-138 (1975)).

음식물 쓰레기는 전체 생활폐기물 중에서 28-31% 정도를 차지하며 생활폐기물 중에서 가장 배출량이 많은 쓰레기이다. 또한 재활용되고 있는 캔이나 종이류를 제외하면 생활폐기물 중에서 차지하는 비율이 50-60%에 달한다. 우리 나라는 해마다 약 8조원에 달하는 음식물을 쓰레기로 낭비하고 있으며, 이는 심각한 환경오염문제를 유발시키고 있다. 음식물쓰레기는 거의 유기물질로서 이를 매립할 경우 악취 및 침출수 문제를 야기시키고, 소각시에는 대기오염물질을 발생시킨다. 따라서 음식물쓰레기에 대하여 효과적인 기술적 관리방안을 마련하는 것이 시급하다. 이와 같은 음식물쓰레기를 재활용하기 위한 방안으로 마련된 종래의 기술로 혐기성 발효에 의해 유기산이 포함된 발효액을 얻은 후, 이를 질소와 인의 제거를 위한 외부 탄소원으로 첨가해주는 등의 시도가 있었으나 혐기성 발효 조건이 최적화되지 않아 질소와 인의 제거에 효율이 높은 아세트산과 부티르산 이외에도 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있는 발러르산, 카프론산 등도 생성될 뿐만 아니라 전체 용존성 COD 중 유기산이 차지하는 비율이 낮아서 탈질, 탈인 효율이 떨어질 뿐만 아니라 수율이 낮다는 측면에서는 음식물쓰레기의 재활용에 대한 효율 역시 떨어질 수밖에 없 다. Food waste accounts for 28-31% of all household wastes, and it is the most abundant of household wastes. Excluding cans and papers being recycled, the share of household waste is 50-60%. Our country wastes about 8 trillion won of food every year as garbage, which causes serious environmental pollution. Food waste is almost organic, and when it is landfilled, it causes odor and leachate problems, and incineration generates air pollutants. Therefore, it is urgent to provide effective technical management measures for food waste. As a conventional technique prepared for recycling such food waste, there have been attempts to obtain a fermentation broth containing organic acid by anaerobic fermentation, and then add it as an external carbon source for the removal of nitrogen and phosphorus, but the anaerobic fermentation conditions are optimized. In addition to acetic acid and butyric acid, which are highly efficient in the removal of nitrogen and phosphorus, valerian and caproic acid, which are known to be inefficient, are also produced. In this low aspect, the efficiency of recycling food waste is inevitably deteriorated. All.

따라서, 당 업계에서는 상기 종래기술이 가지고 있는 각 문제점들을 해결하기 위하여 효율적인 유기성 폐기물의 혐기성 발효 방법에 대한 필요성이 급격히 대두되고 있다. Therefore, there is a rapid need for an anaerobic fermentation method of organic wastes in order to solve the problems of the prior art.

이에, 본 발명자들은 종래의 연구결과에 비하여 폐하수 중의 질소와 인의 제거에 효율이 높은 유기성 폐기물의 혐기성 발효액을 얻기 위한 방법을 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 음식물 쓰레기, 풀, 톱밥 및 볏짚 등 유기성 폐기물의 혐기성 발효시 여러 가지 조건을 확립하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. Therefore, the present inventors have made diligent research to develop a method for obtaining anaerobic fermentation broth of organic waste, which is highly efficient in removing nitrogen and phosphorus from wastewater, compared to the conventional research results. As a result, organic matters such as food waste, grass, sawdust and rice straw, etc. In the anaerobic fermentation of waste, various conditions have been established to complete the present invention.

결국, 본 발명의 주된 목적은 폐하수중 질소와 인을 제거하는데 사용되는 외부 탄소원을 얻기 위한 유기성 폐기물의 혐기성 발효 방법을 제공하는 것이다. After all, the main object of the present invention is to provide an anaerobic fermentation method of organic waste to obtain an external carbon source used to remove nitrogen and phosphorus in the wastewater.

본 발명의 유기성 폐기물의 혐기성 발효 방법은 혐기성 슬러지를 균체로 이용하여 음식물 쓰레기, 풀, 톱밥, 볏짚 및 폐지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유기성 폐기물을 준 연속식 반응기에서 혐기 발효시키는데 있어서 온도, pH, 수력학적 체류 시간, 유기물 투입 속도 등의 조건을 최적화하여 질소와 인 제거에 효율이 높은 유기산인 아세트산과 부티르산의 비율이 높고 용존성 COD중에서 유기산이 차지하는 비율이 높은 발효액을 얻을 수 있는 방법이다. The anaerobic fermentation method of the organic waste of the present invention uses anaerobic sludge as a cell for the anaerobic fermentation in anaerobic fermentation in a semi-continuous reactor in which one or more organic waste selected from the group consisting of food waste, grass, sawdust, rice straw and waste paper is used. , Fermentation broth with high proportion of acetic acid and butyric acid, which are highly efficient for removing nitrogen and phosphorus, and high proportion of organic acid in dissolved COD.

이 때, 본 발명에 이용되는 준 연속식 반응기는 공기가 들어가지 않는 혐기성 반응기로서 온도조절 장치, pH 조절장치 및 교반장치를 포함한다. 이와 같은 준 연속식 반응기에 하수처리장의 혐기성 소화조에서 수득한 혐기성 슬러지를 미생물 접종원으로 첨가한 후, 음식물 쓰레기, 풀, 톱밥, 볏짚 및 폐지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유기성 폐기물을 하루에 한번씩 일정량을 공급하게 된다. 반응기내의 일정한 부피를 유지하기 위하여 발효액의 일부를 정해진 수력학적 체류 시간에 맞추어 유기성 폐기물을 공급하기 직전에 배출하게 되는데 이렇게 배출된 발효액이 원하는 산물이 되는 것이다. 이와 같은 혐기성 발효과정에서 pH는 메탄화균의 성장을 억제하기 위하여 5.3 내지 6.5의 범위에서 유지하고, 온도는 30 내지 45℃, 수력학적 체류 시간은 6 내지 12일, 유기물 투입 속도는 건조중량 기준으로 7 내지 13 g/ ℓ·d의 범위로 조절하여 발효액의 유기산 농도가 20 내지 35 g/ ℓ, 용존성 COD가 30,000 내지 50,000 ppm, 용존성 COD중 유기산이 차지하는 비율이 70 내지 95%, 유기산중에서 아세트산의 비율이 20 내지 55%, 부티르산의 비율이 10 내지 25%인 발효액을 수득하게 된다. 이와 같은 발효액은 용존성 COD중 유기산이 차지하는 비율이 높고 질소와 인의 생물학적 제거에 효율이 좋은 아세트산과 부티르산의 비율이 높은 반면, 암모니아와 인산의 농도가 상당히 낮기 때문에 폐하수중 질소와 인의 생물학적 제거를 위한 경제적이고 효율적인 외부탄소원으로 이용될 수 있다. At this time, the semi-continuous reactor used in the present invention is an anaerobic reactor containing no air, and includes a temperature control device, a pH control device, and a stirring device. Quasi After adding the anaerobic sludge obtained from the anaerobic digester of the sewage treatment plant to the continuous reactor as a microbial inoculum, one or more organic wastes selected from the group consisting of food waste, grass, sawdust, rice straw and waste paper are supplied once a day. do. In order to maintain a constant volume in the reactor, a portion of the fermentation broth is discharged just before feeding the organic waste at a predetermined hydraulic residence time. The discharged fermentation broth becomes the desired product. In this anaerobic fermentation process, the pH is maintained in the range of 5.3 to 6.5 in order to suppress the growth of methane bacteria, the temperature is 30 to 45 ℃, the hydraulic retention time is 6 to 12 days, the organic input rate based on dry weight In the range of 7 to 13 g / L · d, the organic acid concentration of the fermentation broth is 20 to 35 g / L, 30,000 to 50,000 ppm of dissolved COD, 70 to 95% of organic acid in dissolved COD, A fermentation broth is obtained in which the ratio of acetic acid is 20 to 55% and the ratio of butyric acid is 10 to 25%. Such fermentation broth has a high ratio of acetic acid and butyric acid in organic COD and high efficiency in nitrogen and phosphorus removal of dissolved COD, while the concentration of ammonia and phosphoric acid is very low. It can be used as an economical and efficient external carbon source.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1 : 수력학적 체류 시간 변화에 대한 혐기성 발효 결과 Example 1 Anaerobic Fermentation Results for Hydrodynamic Retention Time Variation

산생성 미생물 슬러지의 확보를 위해 대전하수처리장의 혐기성 소화조 슬러지를 취득하여 산생성 미생물의 농화를 위해 적응시켰다. 사용한 음식물 쓰레기의 평균조성은 수분 함량이 80%, 전체고형물중 휘발성 고형물이 95%였다. 원소분석결과 탄소 47%, 산소 39%, 수소 7%, 그리고 질소는 3% 정도로 탄소에 비해서 질소의 비율이 상당히 낮은 것을 확인할 수 있었다. 혐기성 발효를 위한 반응기는 투명 아크릴로 제작하였으며 전체 부피는 2L이고 pH 조절을 위한 pH 조절장치를 부착하였으며 모터와 임펠러를 장착하여 혼합이 가능하도록 하였다. 온도는 항온조를 이용하여 35℃로 조절하였고 pH는 5.5로 하였다. 음식물의 투입량은 건조중량 기준으로 5 g/ ℓ·d로 하였고 수력학적 체류 시간은 4일, 8일, 12일로 하였으며 배출과 유입은 하루에 한 번씩 하는 준 연속식으로 발효를 수행하였다. 발효 시작 후 수력학적 체류 시간의 4-5배의 시간이 경과한 후부터는 정상 상태에 도달하는 것을 관찰할 수가 있었고, 모든 결과는 정상 상태에서의 결과이다. 유기성 폐기물 발효액의 조성은 굴절률 검출기(RI detector)가 장착된 HPLC(L-6000, Hitachi, Japan)와 Aminex HPX-87H(Richmond, BioRad Co., U.S.A) 컬럼(column)을 이용하여 분석하였으며, COD는 중크롬산칼륨(potassium dichromate) 방법을 이용하여 측정하고, 질소와 인의 농도는 표준방법(Standard method: 7th edition, APHA-AWWA-WDCF)의 방법을 따라서 측정하였다. 수력학적 체류 시간 변화에 따른 혐기성 발효의 결과를 하기 표 1에 나타내었다. In order to secure acid-producing microorganism sludge, anaerobic digester sludge of Daejeon Sewage Treatment Plant was acquired and adapted for concentration of acid-producing microorganism. The average composition of the used food waste was 80% water content and 95% volatile solids. Elemental analysis showed that the proportion of nitrogen was significantly lower than that of carbon at 47% of carbon, 39% of oxygen, 7% of hydrogen, and 3% of nitrogen. The reactor for anaerobic fermentation was made of transparent acrylic, the total volume was 2L, a pH control device was attached for pH control, and a motor and an impeller were mounted to allow mixing. The temperature was adjusted to 35 ° C. using a thermostat and the pH was adjusted to 5.5. The feeding amount was 5 g / L · d on the basis of dry weight, and the hydraulic residence time was 4, 8, and 12 days, and the fermentation was performed semi-continuously with discharge and inflow once daily. After 4-5 times the hydraulic residence time after the start of fermentation, it was possible to observe the steady state, and all the results are the steady state. The composition of the organic waste fermentation broth was analyzed using HPLC (L-6000, Hitachi, Japan) equipped with a refractive index detector and Aminex HPX-87H (Richmond, BioRad Co., USA) column, COD Was measured using the potassium dichromate method, and the concentrations of nitrogen and phosphorus were measured according to the standard method (7th edition, APHA-AWWA-WDCF). The results of the anaerobic fermentation according to the hydraulic residence time change are shown in Table 1 below.

발효 시작 후 수력학적 체류 시간의 4-5배의 시간이 경과한 후부터는 정상상 태에 도달하는 것을 관찰할 수가 있었는데 수력학적 체류 시간이 길수록 전체 생성된 유기산의 양이 증가하는 것을 확인할 수가 있었다. 12일의 수력학적 체류 시간에서 생성된 유기산의 농도는 22 g/ℓ 정도였다. 그러나, 암모니아와 인의 농도는 계속 희석이 되서 정상상태에 도달한 후에는 각각 0, 10-18 ppm 정도로 유지가 되는 것을 관찰할 수가 있었다. 수율 역시 수력학적 체류 시간이 증가함에 따라서 높아지는 것을 확인할 수가 있었다. 그러나 8일과 12일 사이에 차이가 거의 없기 때문에 5g/ ℓ·d의 음식물 투입량에서는 유기산 발효를 위한 수력학적 체류 시간은 8일 정도면 충분할 것으로 판단되었다. Normal after 4-5 times the hydraulic residence time after the start of fermentation Attainment of the fetus was observed, and the longer the hydraulic residence time, the higher the total amount of organic acid produced. The concentration of organic acid produced at the hydraulic retention time of 12 days was around 22 g / l. However, it was observed that the concentrations of ammonia and phosphorus were continuously diluted and maintained at about 0 and 10-18 ppm after reaching the steady state, respectively. Yield was also increased as the hydraulic residence time increases. However, since there is little difference between 8 and 12 days, the hydraulic residence time for organic acid fermentation at 5 g / L 8 days was enough.

실시예 2 : 유기물 투입 속도 변화에 대한 혐기성 발효 결과 Example 2 Anaerobic Fermentation Results for Changes in Organic Feed Rate

산생성 미생물 슬러지의 확보를 위해 대전하수처리장의 혐기성 소화조 슬러지를 취득하여 산생성 미생물의 농화를 위해 적응시켰다. 사용한 음식물 쓰레기의 평균조성은 수분 함량이 80%, 전체고형물중 휘발성 고형물이 95%였다. 원소분석결과 탄소 47%, 산소 39%, 수소 7%, 그리고 질소는 3% 정도로 탄소에 비해서 질소의 비율이 상당히 낮은 것을 확인할 수 있었다. 혐기성 발효를 위한 반응기는 투명 아크릴로 제작하였으며 전체 부피는 2L이고 pH 조절을 위한 pH 조절장치를 부착하였으며 모터와 임펠러를 장착하여 혼합이 가능하도록 하였다. 온도는 항온조를 이용하여 35℃로 조절하였고 pH는 5.5로 하였다. 수력학적 체류 시간은 8일로 하였고 음식물의 배출과 유입은 하루에 한 번씩 하는 준 연속식으로 혐기성 발효를 진행하였다. 유기물 투입 속도는 건조중량 기준으로 5 g/ℓ·d, 9 g/ℓ·d, 13 g/ℓ·d로 바꾸어가며 결과를 관찰하였다. 발효 시작 후 수력학적 체류 시간의 4-5배의 시간이 경과한 후부터는 정상 상태에 도달하는 것을 관찰할 수가 있었고, 모든 결과는 정상 상태에서의 결과이다. 유기성 폐기물 발효액의 조성은 굴절률 검출기(RI detector)가 장착된 HPLC(L-6000, Hitachi, Japan)와 Aminex HPX-87H(Richmond, BioRad Co., U.S.A) 컬럼(column)을 이용하여 분석하였으며, COD는 중크롬산칼륨 (potassium dichromate) 방법을 이용하여 측정하고, 질소와 인의 농도는 표준방법(Standard method: 7th edition, APHA-AWWA-WDCF)의 방법을 따라서 측정하였다. 유기물 투입 속도의 변화에 따른 혐기성 발효의 결과를 하기 표 2에 나타내었다. In order to secure acid-producing microorganism sludge, anaerobic digester sludge of Daejeon Sewage Treatment Plant was acquired and adapted for concentration of acid-producing microorganism. The average composition of the used food waste was 80% water content and 95% volatile solids. Elemental analysis showed that 47% of carbon, 39% of oxygen, 7% of hydrogen, and 3% of nitrogen were compared to that of carbon. It was confirmed that the ratio is quite low. The reactor for anaerobic fermentation was made of transparent acrylic, the total volume was 2L, a pH control device was attached for pH control, and a motor and an impeller were mounted to allow mixing. The temperature was adjusted to 35 ° C. using a thermostat and the pH was adjusted to 5.5. The hydraulic residence time was 8 days, and the anaerobic fermentation was carried out in a semi-continuous manner with the discharge and inflow of food once a day. The organic loading rate was 5 g / l · d, 9 g / l · d, 13 g / l · d on the basis of dry weight was observed the results. After 4-5 times the hydraulic residence time after the start of fermentation, it was possible to observe the steady state, and all the results are the steady state. The composition of the organic waste fermentation broth was analyzed using HPLC (L-6000, Hitachi, Japan) equipped with a refractive index detector and Aminex HPX-87H (Richmond, BioRad Co., USA) column, COD Was measured using the potassium dichromate method and the concentrations of nitrogen and phosphorus were measured according to the standard method (7th edition, APHA-AWWA-WDCF). The results of the anaerobic fermentation according to the change of the organic input rate are shown in Table 2 below.

표 2에 나타나 있는 것과 같이 유기물 투입 속도를 증가시킴에 따라서 용존성 COD가 증가하는 것을 확인할 수가 있었다. 그러나, 수율을 비교해보면 유기물 투입 속도가 증가함에 따라서 감소하는 경향을 나타내었는데 이것은 미생물의 발효속도 이상의 과량으로 음식물 쓰레기가 투입되었기 때문인 것으로 생각된다. 이처럼 수율이 감소한다는 것은 발효되지 않은 음식물 쓰레기가 축적되는 것을 의미하 기 때문에 질소, 인 제거를 위한 유기산의 생산 측면과 음식물 쓰레기의 처리측면을 모두 고려하여 최적점을 찾는 것이 중요할 것으로 생각된다. 수력학적 체류 시간을 8일로 운전하는 경우에는 9g/ℓ·d 정도가 적당할 것으로 판단되었다. 유기산의 조성은 유기물 투입속도가 커질수록 아세트산의 비율이 높아지는 것을 확인할 수가 있었다. 한편, 유기물 투입 속도가 커짐에 따라서 탄소의 수가 많은 카프론산이 생성되었으며, 그밖에 9g/ℓ·d일 경우에는 숙신산이 13g/ℓ·d일 경우에는 숙신산과 젖산이 생성되는 것을 관찰할 수가 있었다. 또한 유기물 투입 속도가 증가함에 따라서 발효산물에 암모니아와 인의 농도도 높아지는 것이 관찰되었으나 용존성 COD에 비해서 상당히 낮은 농도이기 때문에 질소, 인 제거를 위한 외부탄소원으 로 이용하는데는 문제가 없을 것으로 생각된다. As shown in Table 2, it was confirmed that the dissolved COD increased with increasing organic input rate. However, the comparison of yields showed a tendency to decrease as the rate of organic matter input increased, which may be due to the input of food waste at an excess of the fermentation rate of microorganisms. This reduced yield means the accumulation of unfermented food waste. Therefore, it is important to find the optimal point considering both the production side of organic acid for nitrogen and phosphorus removal and the side of disposal of food waste. In the case of operating the hydraulic residence time of 8 days, it was determined that about 9 g / L · d would be appropriate. The composition of the organic acid was confirmed that the ratio of acetic acid increases as the organic input rate increases. On the other hand, caproic acid having a large number of carbons was produced as the organic input rate increased, and when succinic acid was 13g / l · d at 9g / l · d, succinic acid and lactic acid were observed. It was also observed that the concentrations of ammonia and phosphorus in fermentation products increased as the rate of organic matter input increased, but it was significantly lower than the dissolved COD. It seems to be no problem to use it.

실시예 3 : 온도 변화에 대한 혐기성 발효 결과 Example 3 Anaerobic Fermentation Results for Temperature Changes

산생성 미생물 슬러지의 확보를 위해 대전하수처리장의 혐기성 소화조 슬러 지를 취득하여 산생성 미생물의 농화를 위해 적응시켰다. 사용한 음식물 쓰레기의 평균조성은 수분 함량이 80%, 전체고형물중 휘발성 고형물이 95%였다. 원소분석결과 탄소 47%, 산소 39%, 수소 7%, 그리고 질소는 3% 정도로 탄소에 비해서 질소의 비율이 상당히 낮은 것을 확인할 수 있었다. 혐기성 발효를 위한 반응기는 투명 아크릴로 제작하였으며 전체 부피는 2L이고 pH 조절을 위한 pH 조절장치를 부착하였으며 모터와 임펠러를 장착하여 혼합이 가능하도록 하였다. pH는 5.5로 하였고 음식물의 투입량은 건조중량 기준으로 9 g/ℓ·d로 하였고 수력학적 체류 시간은 8일로 하였으며 배출과 유입은 하루에 한 번씩 하는 준 연속식으로 혐기성 발효를 진행하였다. 온도는 항온조를 이용하여 25℃, 35℃, 45℃로 변화시켜가며 결과를 관찰하였다. 발효 시작 후 수력학적 체류 시간의 4-5배의 시간이 경과한 후부터는 정상 상태에 도달하는 것을 관찰할 수가 있었고, 모든 결과는 정상 상태에서의 결과이다. 유기성 폐기물 발효액의 조성은 굴절률 검출기(RI detector)가 장착된 HPLC(L-6000, Hitachi, Japan)와 Aminex HPX-87H(Richmond, BioRad Co., U.S.A) 컬럼(column)을 이용하여 분석하였으며, COD는 중크롬산칼륨(potassium dichromate) 방법을 이용하여 측정하고, 질소와 인의 농도는 표준방법(Standard method: 7th edition, APHA-AWWA-WDCF)의 방법을 따라서 측정하였다. 온도변화에 따른 혐기성 발효의 결과를 하기 표 3에 나타내었다. Anaerobic Digester Sludge at Daejeon Sewage Treatment Plant to Secure Acid-producing Microorganism Sludge Paper was obtained and adapted for the enrichment of acid producing microorganisms. The average composition of the used food waste was 80% water content and 95% volatile solids. Elemental analysis showed that the proportion of nitrogen was significantly lower than that of carbon at 47% of carbon, 39% of oxygen, 7% of hydrogen, and 3% of nitrogen. The reactor for anaerobic fermentation was made of transparent acrylic, the total volume was 2L, a pH control device was attached for pH control, and a motor and an impeller were mounted to allow mixing. The pH was 5.5, the food input was 9 g / ℓ · d on the basis of dry weight, the hydraulic residence time was 8 days, and the anaerobic fermentation was carried out in a semi-continuous manner with discharge and inflow once a day. The temperature was changed to 25 ° C., 35 ° C. and 45 ° C. using a thermostat, and the results were observed. After 4-5 times the hydraulic residence time after the start of fermentation, it was possible to observe the steady state, and all the results are the steady state. The composition of the organic waste fermentation broth was analyzed using HPLC (L-6000, Hitachi, Japan) equipped with a refractive index detector and Aminex HPX-87H (Richmond, BioRad Co., USA) column, COD Was measured using the potassium dichromate method, and the concentrations of nitrogen and phosphorus were measured according to the standard method (7th edition, APHA-AWWA-WDCF). The results of anaerobic fermentation with temperature change are shown in Table 3 below.

표 3에 나타나 있는 것과 같이 35℃에서 유기산의 농도와 수율이 가장 높았으며, 25℃에서는 낮은 농도로 인한 가수분해의 저해 현상이 관찰되었다. 45℃에서 아세트산의 비율이 가장 높았으나 카프론산의 농도 또한 높아서 탈질, 탈인을 위한 탄소원으로는 35℃의 것이 유리할 것으로 생각되었다. As shown in Table 3, the concentration and yield of organic acids were the highest at 35 ° C, and the inhibition of hydrolysis due to the low concentration was observed at 25 ° C. Acetic acid was the highest at 45 ℃, but the concentration of capronic acid was also high. As a carbon source, 35 degreeC was considered to be advantageous.

실시예 4 : pH 변화에 대한 혐기성 발효 결과 Example 4 Anaerobic Fermentation Results for pH Change

산생성 미생물 슬러지의 확보를 위해 대전하수처리장의 혐기성 소화조 슬러지를 취득하여 산생성 미생물의 농화를 위해 적응시켰다. 사용한 음식물 쓰레기의 평균조성은 수분 함량이 80%, 전체고형물중 휘발성 고형물이 95%였다. 원소분석결과 탄소 47%, 산소 39%, 수소 7%, 그리고 질소는 3% 정도로 탄소에 비해서 질소의 비율이 상당히 낮은 것을 확인할 수 있었다. 혐기성 발효를 위한 반응기는 투명 아크릴로 제작하였으며 전체 부피는 2L이고 pH 조절을 위한 pH 조절장치를 부착하였으며 모터와 임펠러를 장착하여 혼합이 가능하도록 하였다. 음식물의 투입량은 건조중량 기준으로 9 g/ℓ·d로 하였고 수력학적 체류 시간은 8일로 하였으며 배출과 유입은 하루에 한 번씩 하는 준 연속식으로 혐기성 발효를 진행하였다. 온도는 항온조를 이용하여 35℃로 조절하였고 pH는 5.0, 5.5, 6.0으로 변화시켜가며 결과를 관찰하였다. 발효 시작 후 수력학적 체류 시간의 4-5배의 시간이 경과한 후부터는 정상 상태에 도달하는 것을 관찰할 수가 있었고, 모든 결과는 정상 상태에서의 결과이다. 유기성 폐기물 발효액의 조성은 굴절률 검출기(RI detector)가 장착된 HPLC(L-6000, Hitachi, Japan)와 Aminex HPX-87H(Richmond, BioRad Co., U.S.A) 컬럼(column)을 이용하여 분석하였으며, COD는 중크롬산칼륨(potassium dichromate) 방법을 이용하여 측정하고, 질소와 인의 농도는 표준방법(Standard method: 7th edition, APHA-AWWA-WDCF)의 방법을 따라서 측정하였다. pH변화에 따른 혐기성 발효의 결과를 하기 표 4에 나타내었다. In order to secure acid-producing microorganism sludge, anaerobic digester sludge of Daejeon Sewage Treatment Plant was acquired and adapted for concentration of acid-producing microorganism. The average composition of the used food waste was 80% water content and 95% volatile solids. Elemental analysis showed that the proportion of nitrogen was significantly lower than that of carbon at 47% of carbon, 39% of oxygen, 7% of hydrogen, and 3% of nitrogen. The reactor for anaerobic fermentation was made of transparent acrylic, the total volume was 2L, a pH control device was attached for pH control, and a motor and an impeller were mounted to allow mixing. The feeding amount was 9 g / l · d on the basis of dry weight, the hydraulic residence time was 8 days, and the anaerobic fermentation was carried out in a semi-continuous manner with discharge and inflow once a day. The temperature was adjusted to 35 ° C. using a thermostat and the pH was changed to 5.0, 5.5, and 6.0, and the results were observed. After 4-5 times the hydraulic residence time after the start of fermentation, it was possible to observe the steady state, and all the results are the steady state. The composition of the organic waste fermentation broth was analyzed using HPLC (L-6000, Hitachi, Japan) equipped with a refractive index detector and Aminex HPX-87H (Richmond, BioRad Co., USA) column, COD Was measured using the potassium dichromate method, and the concentrations of nitrogen and phosphorus were measured according to the standard method (7th edition, APHA-AWWA-WDCF). The results of the anaerobic fermentation according to the pH change are shown in Table 4 below.

표 4에 따르면, pH가 높아질수록 유기산의 농도 및 수율이 증가하여 6.0에서 가장 좋은 결과를 나타내었으며 pH 5.0 의 경우에는 낮은 pH에 따른 미생물 활성의 저하로 산발효의 효율이 떨어지는 것으로 관찰되었다. pH 6.0에서 아세트산의 농도가 12 g/ℓ정도로 지금까지 조사해 본 조건 중에서 가장 높은 농도였으며 카프론산, 숙신산 등이 전혀 관찰되지 않아서 탈질, 탈인을 위한 외부 탄소원으로 가장 적절한 것으로 생각되었다. 따라서, 고찰해본 발효조건 중에서 수력학적 체류 시간 8일, 유기물 투입 속도 9 g/ℓ·d, 온도 35℃, pH 6.0 일 때가 질소, 인 제거를 위한 음식물 쓰레기의 혐기성 발효에 가장 효율적인 것으로 판명되었다. 이와 같은 조건에서 혐기성 발효액의 용존성 COD는 40,000 ppm 정도였으며, 이중 유기산이 차지하는 비율이 88-90% 정도였다. 또한, 전체 유기산의 농도 24.4-25.5 g/ℓ중에서 아세트산이 약 50%, 부티르산이 약 21%로 질소, 인 제거 효율이 높은 두 종류의 유기산의 비율이 상당히 높았으며 상대적으로 효율이 낮은 발러르산은 약 6%였고 카프론산은 검출되지 않았다. 암모니아의 농도는 35-50 ppm, 총인의 농도는 65-80 ppm 정도로 39,000-40,000 ppm의 용존성 COD에 비해서 500배 이상 낮기 때문에 발효액의 첨가에 따른 질소와 인의 부하량은 무시 할만한 정도였다. 음식물쓰레기 중 발효 가능한 부분에 대한 총 유기산의 양으로 나타낸 수율은 0.36-0.37로 종래의 방법들에 비해서 상당히 높은 값을 나타내었다. According to Table 4, as the pH was increased, the concentration and yield of the organic acid increased, showing the best results at 6.0, and in the case of pH 5.0, it was observed that the efficiency of acid fermentation was decreased due to the decrease of microbial activity according to the low pH. At pH 6.0, the concentration of acetic acid was about 12 g / l, which was the highest concentration of the conditions examined so far, and no capric acid or succinic acid was observed. Therefore, it was proved that the fermentation conditions considered were the most effective for anaerobic fermentation of food waste for nitrogen and phosphorus removal at 8 days of hydraulic residence time, 9 g / L · d of organic matter, temperature of 35 ° C., and pH 6.0. Under these conditions, the dissolved COD of the anaerobic fermentation broth was about 40,000 ppm, of which the organic acid accounted for 88-90%. In addition, in the concentration of 24.4-25.5 g / l of total organic acid, acetic acid was about 50% and butyric acid was about 21%, and the ratio of two kinds of organic acids having high efficiency of nitrogen and phosphorus removal was very high. About 6% and no capronic acid was detected. Since the ammonia concentration was 35-50 ppm and the total phosphorus concentration was 65-80 ppm, which is more than 500 times lower than the 39,000-40,000 ppm dissolved COD, the nitrogen and phosphorus loadings of the fermentation broth were negligible. The yield of the total organic acid in the fermentable portion of the food waste was 0.36-0.37, which was considerably higher than the conventional methods.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. As described above in detail specific parts of the present invention, it is apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the claims and their equivalents.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 폐하수로부터 질소와 인의 제거시에 외부탄소원으로 사용할 수 있는 혐기성 발효액을 얻기 위한 유기성 폐기물의 혐기성 발효 방법을 제공한다. 본 발명의 준 연속식 배양을 이용한 혐기성 발효 방법에 따르면, 수력학적 체류 시간 8일 , 유기물 투입 속도 9 g/ℓ·d, 35℃, pH 6.0의 조건하에서, 용존성 COD는 39,000 ppm 이상이며, 이중 유기산이 차지하는 비율이 88% 이상인 발효액을 얻을 수 있다. 또한, 전체 유기산의 농도 24.4-25.5 g/ℓ중에서 아세트산이 약 50%, 부티르산이 약 21%로 질소, 인 제거 효율이 높은 두 종류의 유기산의 비율이 상당히 높고, 음식물쓰레기 중 발효 가능한 부분에 대한 총 유기산의 양으로 나타낸 수율이 0.36 이상인 발효액을 얻을 수 있다. 이러한 결과는 종래의 방법들과 비교해 볼 때, 수율 뿐만 아니라 용존성 COD 중 유기산이 차지하는 비율이 상당히 높고, 또한 생물학적 탈질, 탈인에 효율이 높은 것으로 알려져 있는 아세트산과 부티르산의 비율이 높기 때문에 유기성 폐기물을 생물학적 탈질, 탈인에 효율적으로 재활용할 수 있는 혐기성 발효법을 제시함과 동시에 유기성 폐기물 처리 기술의 확보를 통해 사회적 문제인 유기성 폐기물에 대한 확실한 방안을 마련할 수 있으며 또한 이를 재활용한다는 의미에서 경제적인 효과도 기대할 수 있다. 이와 같이 유기성 폐기물의 산발효에서 얻은 유기산 용액을 외부 탄소원으로 첨가해줌으로 해서 연속 회분식 반응기와 같은 단일 반응조를 이용하는 시스템에서도 질소와 인을 효과적으로 제거할 수 있기 때문에 기존에 여러 개의 반응조를 이용하고 반송을 해야 하는 공정에 비해서 상당히 단순화된 질소, 인 제거 공정의 운전이 가능할 것으로 생각된다. 또한 폐기물로부터 얻을 수 있는 외부 탄소원의 확보로 경제성이 허용하는 범위 내에서 유출수의 수질을 더욱 개선시킬 수 있는 다양한 공정의 개발이 가능할 것으로 기대된다. As described and demonstrated in detail above, the present invention provides an anaerobic fermentation method of organic waste to obtain an anaerobic fermentation broth that can be used as an external carbon source when nitrogen and phosphorus are removed from wastewater. According to the anaerobic fermentation method using the semi-continuous cultivation of the present invention, the dissolved COD is 39,000 ppm or more under the conditions of a hydraulic retention time of 8 days, an organic feed rate of 9 g / L · d, 35 ° C., pH 6.0, Among these, fermentation broth with an organic acid ratio of 88% or more can be obtained. In addition, in the concentration of 24.4-25.5 g / l of total organic acid, acetic acid is about 50% and butyric acid is about 21%. A fermentation broth with a yield of 0.36 or greater, expressed in terms of total organic acid, can be obtained. These results indicate that organic wastes are not only high in yield, but also high in organic COD in dissolved COD and high in acetic acid and butyric acid, which are known to be highly efficient in biological denitrification and dephosphorization. By suggesting anaerobic fermentation methods that can be efficiently recycled for biological denitrification and dephosphorization, we can establish a clear plan for organic waste, which is a social problem, and secure economical effects in terms of recycling it by securing organic waste treatment technology. Can be. By adding the organic acid solution obtained from acid fermentation of organic waste as an external carbon source, nitrogen and phosphorus can be effectively removed even in a system using a single reactor such as a continuous batch reactor. Significantly simplified nitrogen, phosphorus compared to process It is contemplated that operation of the removal process will be possible. In addition, securing external carbon sources from waste is expected to enable the development of various processes that can further improve the quality of effluents within the limits of economic feasibility.

도 1은 유기성 폐기물의 준 연속식 발효를 위한 발효기의 구성을 모식적으로 나타낸 그림이다. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a fermenter for semi-continuous fermentation of organic waste.

Claims (4)

온도조절 장치, 교반장치 및 pH 조절장치를 포함하는 반응기에서 혐기성 슬러지를 균체로 이용한 준 연속식 혐기성 발효에 의하여 유기성 폐기물로부터 탄소수가 2 내지 6인 유기산을 제조하는 방법에 있어서, 상기 발효는 pH 5.3~6.5, 온도 30~45℃, 수력학적 체류 시간 6~12일 및 유기물 투입속도 7~13 g/ℓ·d의 조건에서 수행되고, 상기 발효에 의해 수득되는 유기산의 용존성 COD가 30,000~50,000 ppm이고, 상기 용존성 COD중 유기산의 비율이 70~95%이며, 상기 유기산중 아세트산 및 부티르산의 비율이 각각 20~55% 및 10~25%인 것을 특징으로 하는 유기산의 제조방법. The method for producing an organic acid having 2 to 6 carbon atoms from organic wastes by semi-continuous anaerobic fermentation using anaerobic sludge as a cell in a reactor including a thermostat, a stirrer and a pH regulator, wherein the fermentation is pH 5.3 ˜6.5, temperature 30-45 ° C., hydraulic residence time 6-12 days and organic feed rate 7-13 g / l · d, and the dissolved COD of the organic acid obtained by the fermentation is 30,000-50,000 ppm, wherein the proportion of organic acid in the dissolved COD is 70-95%, and the proportion of acetic acid and butyric acid in the organic acid is 20-55% and 10-25%, respectively. 삭제 delete 삭제 delete 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기, 풀, 톱밥 및 볏짚으로 이루어진 군에서 선 택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 혐기성 발효 방법. Organic wastes are found in groups consisting of food waste, grass, sawdust and rice straw. Anaerobic fermentation method of organic waste, characterized in that at least one selected.
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