KR100500188B1 - 음식물 쓰레기 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 음식물 쓰레기 처리 장치에 관한 것으로, 메탄 발효조에 유입되는 부유 고형물의 양을 줄여 메탄 발효조 및 혐기성 반응조를 원활하게 가동되도록 하면서 양질의 퇴비를 생산할 수 있는 음식물 쓰레기 처리 장치를 제공하는 것이 목적이다.
음식물 쓰레기를 파쇄하는 파쇄기와; 파쇄된 음식물 쓰레기를 고상와 액상으로 분리하는 음식물 쓰레기 고액 분리기와; 음식물 쓰레기 고액 분리기에서 분리된 고상의 음식물 쓰레기를 산 발효시키는 (2기 이상이 직렬 또는 병렬로 연결되어 운전되는) 회분식 산 발효조와; 음식물 쓰레기 고액 분리기에서 분리된 액상의 음식물 쓰레기와, 산 발효조에서 생성되는 산 발효액을 저장하는 산 발효액 저장조와; 산 발효액 저장조의 산 발효액을 혐기성 상태에서 발효시켜 메탄 가스를 생성시키는 메탄 발효조와; 메탄 발효조의 유출수를 혐기성 처리하는 혐기성 반응조와; 혐기성 반응조의 유출수부터 질소를 분리하기 위한 질소 분리장치와; 산 발효조에서 배출되는 고상의 음식물 쓰레기를 저장하는 고형물 저장조와; 고형물 저장조의 고형물에 팽화제를 섞어 퇴비화하는 퇴비화 장치로 이루어지고,
음식물 쓰레기는 파쇄기로 유입되어 조대 파쇄되고, 음식물 쓰레기 고액분리기에서 고상과 액상으로 분리된 후, 액상의 음식물 쓰레기는 산 발효액 저장조로 이송되고, 고상의 음식물 쓰레기는 산 발효조로 이송되어 산 발효된 후, 다시 고상과 액상으로 분리되어 고상은 고형물 저장조로 이송되고, 액상은 산 발효액 저장조로 이송되어, 산 발효액 저장조에서 합류한 음식물 쓰레기 고액분리기에서 이송된 액상의 음식물 쓰레기와, 산 발효조에서 이송된 산 발효액은 메탄 발효조와 혐기성 반응조를 거쳐 방출되고, 산 발효조에서 고형물 저장조로 이송된 고형물은 팽화제와 혼합되어 퇴비화 설비에서 퇴비화된다.
Description
본 발명은 음식물 쓰레기 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 음식물 쓰레기로부터 발생되는 액체는 폐수처리하고 고형물은 퇴비화하는 음식물 쓰레기 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 음식물 쓰레기를 다른 종류의 폐기물 이를테면, 축산폐수, 분뇨, 침출수, 슬러지, 일부 산업폐수 등(이하, 줄여서 “축산폐수”라 함)과 병합하여 처리하는 음식물 쓰레기 처리 장치에 관한 것이다.
유기물들이 거의 분해가 되지 않은 상태로 유입되는 음식물 쓰레기는 파쇄 과정에서 다량의 부유 고형물이 발생하기 때문에 산 발효조와 메탄 발효조의 효율적으로 가동되기 어려워 현재까지 성공적으로 가동되는 음식물 쓰레기 처리 장치는 거의 없는 실정이다.
음식물 쓰레기 처리 공정으로 대한민국 공개특허 1998-0001878에는 미세하게 파쇄한 음식물 쓰레기를 1 단의 산 발효 반응조에 주입하여 산 발효시키는 공정이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 2001-0025926에는 음식물 쓰레기를 2 단의 산 발효조에 연속적으로 투입하여 산 발효시키는 공정이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 1998-0001878과 2001-0025926에는 산 발효조의 유출수를 메탄 발효조에 투입하여 메탄가스를 회수하는 방법이 개시되어 있다.
그러나 상기 공정들은 부유 고형물이 많은 음식물 쓰레기 액을 산 발효조에 연속적으로 주입하여 산 발효시키고, 그 유출수를 메탄 발효조에 연속적으로 투입하여 처리하는 공정으로 다음의 두 가지 이유에서 메탄 발효조가 정상적으로 가동되기 어렵다.
첫째, 음식물 쓰레기는 계절적으로 성상에 차이가 있고, 처리장에 도착시의 산 발효 정도가 다른데 상기 방법들은 이에 상관없이 동일한 체류시간으로 산 발효를 시키기 때문에 충분히 산 발효되지 않은 고형물이 메탄 발효조로 유입되어 산 발효되므로 국지적으로 pH가 낮아지고 따라서 메탄 생성균들이 활성이 저하되거나 사멸되어 정상적으로 작동되지 않는다.
둘째, 상기 종래기술은 모두 1 기 또는 2 기의 연속흐름식 반응조를 사용하여 미세하게 분쇄된 음식물 쓰레기를 산 발효시키는 것으로, 연속흐름식 반응조는 그 속성상 충분히 산 발효되지 않은 고형물이 유출되는 문제점이 있다.
따라서, 연속적으로 산 발효시키는 기존 공정들은 도시 지역의 음식물 쓰레기를 처리하는 공정으로 채택되지 못하고 있다.
그리고, 유기성 고형물을 퇴비화하는 경우, 발효가 진행되면 수분 함량이 60%에서 40%로 급격히 하락하고 온도가 올라가 박테리아의 활성이 떨어지는데도 불구하고 기존 공정들은 수분 함량을 적정한 수준으로 유지하거나 온도를 60℃ 이하로 유지하려는 노력을 하지 않는다.
설사 물을 살포한다 하더라도, 대부분의 퇴비화 공정에서는 톱밥을 팽화제로 사용하는데 이 경우, 물을 뿌리면 물방울들이 퇴비 위를 굴러다니고 퇴비에 흡수가 되지 않아 수분 함량을 높이기도 어렵다.
본 발명의 목적은 메탄 발효조에 유입되는 부유 고형물의 양을 줄여 메탄 발효조 및 혐기성 반응조를 원활하게 가동되도록 하면서 양질의 퇴비를 생산할 수 있는 음식물 쓰레기 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단독 처리가 어려운 축산폐수를 경제적이고 효율적으로 처리할 수 있는 음식물 쓰레기와 축산폐수의 병합처리 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 음식물 쓰레기 처리 장치는,
음식물 쓰레기를 파쇄하는 파쇄기와;
파쇄된 음식물 쓰레기를 고상와 액상으로 분리하는 음식물 쓰레기 고액 분리기와;
음식물 쓰레기 고액 분리기에서 분리된 고상의 음식물 쓰레기를 산 발효시키는 (2기 이상이 직렬 또는 병렬로 연결되어 운전되는) 회분식 산 발효조와;
음식물 쓰레기 고액 분리기에서 분리된 액상의 음식물 쓰레기와, 산 발효조에서 생성되는 산 발효액을 저장하는 산 발효액 저장조와;
산 발효액 저장조의 산 발효액을 혐기성 상태에서 발효시켜 메탄 가스를 생성시키는 메탄 발효조와;
메탄 발효조의 유출수를 혐기성 처리하는 혐기성 반응조와;
혐기성 반응조의 유출수부터 질소를 분리하기 위한 질소 분리장치와;
산 발효조에서 배출되는 고상의 음식물 쓰레기를 저장하는 고형물 저장조와;
고형물 저장조의 고형물에 팽화제를 섞어 퇴비화하는 퇴비화 장치로 이루어지고,
음식물 쓰레기는 파쇄기로 유입되어 조대 파쇄되고, 음식물 쓰레기 고액분리기에서 고상과 액상으로 분리된 후, 액상의 음식물 쓰레기는 산 발효액 저장조로 이송되고, 고상의 음식물 쓰레기는 산 발효조로 이송되어 산 발효된 후, 다시 고상과 액상으로 분리되어 고상은 고형물 저장조로 이송되고, 액상은 산 발효액 저장조로 이송되어,
산 발효액 저장조에서 합류한 음식물 쓰레기 고액분리기에서 이송된 액상의 음식물 쓰레기와, 산 발효조에서 이송된 산 발효액은 메탄 발효조와 혐기성 반응조를 거쳐 방출되고,
산 발효조에서 고형물 저장조로 이송된 고형물은 팽화제와 혼합되어 퇴비화 설비에서 퇴비화되는 것을 특징으로 한다.
상기 음식물 쓰레기 처리 장치에 축산폐수 고액 분리기를 추가하면 축산폐수와 병합하여 처리할 수 있는데 이 경우, 액상은 산 발효액 저장조로 이송되어 음식물 쓰레기 고액분리기에서 이송된 액상의 음식물 쓰레기 및 산 발효조에서 이송된 산 발효액과 함께 처리되고, 고상은 고형물 저장조로 이송되어 산 발효조에서 이송된 고형물과 함께 처리된다.
본 발명의 구성을 축산폐수와 병합하여 처리하는 경우에 대하여 도 1을 사용하여 음식물 쓰레기와 축산폐수의 흐름을 따라가며 보다 상세히 설명한다.
음식물 쓰레기는 파쇄기(1)에서 7∼25mm의 크기로 크게 파쇄하는데 (조대 파쇄) 본 발명의 장치는 고형물을 퇴비화하는 설비를 포함하고 있어 음식물 쓰레기 전체를 액상으로 처리할 이유가 없고, 미세하게 파쇄하면 고형물 분리가 어려워 고형물이 메탄 발효조와 혐기성 반응조로 유입되어 산 발효되기 때문이다.
파쇄된 음식물 쓰레기는, 바람직하게는, 협잡물 선별기(미도시)에서 쓰레기 봉투의 파편, 이쑤시개 등의 협잡물을 선별해낸 후, 음식물 쓰레기 고액분리기(2)로 이송한다.
파쇄기(1)에서 파쇄되고 협잡물 선별기에서 협잡물이 제거된 음식물 쓰레기는 음식물 쓰레기 고액분리기(2)에서 고상과 액상으로 분리되는데, 고상의 음식물 쓰레기는 산 발효조(4)로 이송되어 산 발효되고, 액상의 음식물 쓰레기는 산 발효액 저장조(3)로 이송되어 산 발효조(3)에서 이송되는 산 발효액 및 축산폐수 고액분리기(5)에서 이송되는 액상의 축산폐수와 함께 저장된다.
음식물 쓰레기 고액 분리기(2)는 중력을 이용하는 데칸터(decanter), 원심력을 이용하는 데칸터, 또는 스크린 등을 사용하는데 원활한 분리를 위하여 공정수를 투입할 수도 있다.
축산폐수에 고농도로 존재하는 암모니아성 질소가 음식물 쓰레기 고액분리기(2)에서 분리된 액상의 음식물 쓰레기 및 산 발효조(3)에서 이송되는 산 발효액에 의해 희석되어 농도가 낮아지므로 독성 발현 가능성이 낮아지며 이는 본 발명에서 하나의 특징부를 구성한다.
산 발효조(3)는 회분식으로 운전되는데 산 발효에 적당한 수소이온농도(pH)를 맞추기 위해서 경우에 따라서는 알칼리제를 투입할 수도 있고, 경우에 따라서는 후술하는 고형물 분리조(10)에서 침전법 및/또는 부상법에 의하여 분리된 고형물을 반송하여 투입할 수도 있고, 메탄 발효조 또는 혐기성 반응조의 유출수를 반송하여 투입할 수도 있다.
산 발효조(3)가 회분식으로 운전되는 것은 본 발명의 또 하나의 특징부로, 회분식으로 운전하면 충분히 산 발효되지 않은 고형물의 유출량이 적으므로 이어지는 메탄 발효조(8) 및 혐기성 반응조(9)가 안정적으로 가동될 수 있다.
산 발효는 pH가 4.0∼6.0 정도가 될 때까지 진행하는데 산 발효가 종결되면 액상의 산 발효액은 산 발효액 저장조(4)로 이송되어 음식물 쓰레기 고액분리기(2)에서 이송되는 액상의 음식물 쓰레기 및 축산폐수 고액분리기(5)에서 이송되는 액상의 축산폐수와 함께 저장되고, 산 발효 고형물은 고형물 저장조(6)로 이송되어 축산폐수 고액분리기(5)에서 이송되는 축산폐수 고형물과 함께 저장된다.
산 발효액 저장조(4)에서 합류한 액상의 음식물 쓰레기와 산 발효액과 액상의 축산폐수는 메탄 발효조(8)와 혐기성 반응조(9)를 거쳐 방류된다.
경우에 따라서는, 방류하기 전에 고형물 분리조(10)에서 고형물을 분리하여 산 발효조(3)로 반송하는 라인과 질소분리 장치(11)를 둘 수도 있다.
이하, 산 발효액이 처리되는 공정을 보다 상세하게 설명한다.
메탄 발효조(8)는 유기물이 분해되어 메탄 가스가 생성되는데 혐기성 접촉공정(anaerobic contact process), 일반적인 고속 혐기성 반응조인 AF(anaerobic filter), UASB(upflow anaerobic sludge blanket)，또는 UASB와 AF의 혼합형 반응조(hybrid reactor)들을 사용한다.
혐기성 반응조(9)는 상기 고속 고효율 반응조나 이들 반응조를 2기 이상 직렬로 연결한 이단 역전 순환형 혐기성 반응조 시스템(US4975196)이나 3기의 반응조를 직렬로 연결하여(대한민국 특허출원 2001-0018188) 사용하는데 여기서는 유기물이 추가로 제거되면서 메탄 가스가 생성된다.
혐기성 반응조(9)의 유출수 일부를 산 발효조(3)로 반송하여 공정수로 투입할 수 있고, 고형물 분리조(10)에서 침전법 및/또는 부상법에 의하여 고형물을 분리하여 산 발효조(3)로 반송하여 공정수로 투입할 수도 있다.
이는 본 발명의 특징부를 구성하는 것으로, 혐기성 반응조(9)의 유출수에 존재하는 미생물을 회분식으로 운전되는 산 발효조(3)에 공급함으로써 원활하고 신속한 산 발효를 위하여 미생물을 접종(seeding)하는 효과가 있다.
질소분리 장치(11)는 고형물이 제거되거나 (되지 않은) 혐기성 반응조(9)의 유출수를 이온 교환법, 막 분리법, 또는 증발 농축법 등의 방법에 의하여 고농도 질소액과 저농도 질소액으로 분리하는 공정인데 저농도 질소액은 방류하고, 고농도 질소액은 퇴비화 설비에 공급한다.
이는 본 발명의 또 하나의 특징부를 구성하는 것으로, 고농도 질소액을 반송하여 퇴비화 공정에 투입하여 살포함으로써 방류수를 고도처리하는 비용을 줄이고, 퇴비화 과정에서 최소 20일 동안은 퇴비의 수분 함량을 50∼60%로 유지하고 온도가 60℃ 이하로 유지하여 미생물의 활성을 높게 유지함으로써 유기물 분해가 촉진된다.
한편, 고형물 저장조에 모아진 축산폐수 고액분리기(5)에서 이송된 축산폐수 고형물과 산 발효조(3)에서 이송된 산 발효 고형물은 팽화제와 혼합하여 퇴비화 설비(7)에서 퇴비화된다.
퇴비화 설비(7)는 반응조 시스템(reactor system)이나 비반응조 시스템(non reactor system) 모두 채용할 수 있으며 팽화제로는 종이 파편, 왕겨, 톱밥 또는 폐가구 파편 등을 사용하며, 팽화제는 부피비로 고형물의 10∼200% 투입한다.
퇴비화 공정에 공정수를 살포하여 수분 함량을 높이는 경우, 팽화제로는 종이박스 파편을 사용하는 것이 가장 좋다. 종이박스 파편은 물 흡수성이 우수하여 함수율 조절이 용이하고 퇴비의 통기성을 유지하는 기능이 뛰어나면서 재사용이 가능하여 야적해야 하는 퇴비량이 줄고, 팽화제의 구입비가 거의 없기 때문이다.
그리고, 질소분리 장치를 두지 않고, 혐기성 반응조 또는 메탄 발효조의 유출수를 퇴비화 장치에 전량 살포하여 유출수가 전혀 없도록 할 수도 있는데 여기에는 퇴비화 공정의 체류시간을 길게 하여 증발량을 많게 하는 방법과, 퇴비화 장치를 큰 규모로 설치하여 외부의 유기물을 함께 퇴비화하는 방법이 있다.
<실시예>
1) 메탄 발효조 유입수의 제조
고상의 음식물 쓰레기를 산 발효조에서 산 발효시켜 pH가 4.3으로 떨어지면 산 발효액을 빼내고, 물을 다시 투입하여 산 발효시키는 방법으로 4회에 걸쳐 산 발효액을 제조하였다. (5번째 산 발효 공정에서는 pH가 더 이상 저하되지 않았다.)
상기 방법으로 제조된 음식물 쓰레기 산 발효액과 액상의 축산폐수를 3: 2로 혼합하여 메탄 발효조에 유입시켰으며 메탄 발효조로 유입된 혼합액은 CODcr가 100,800mg/L, BOD가 80,000mg/L, SS가15,000mg/L, T-N이 5,500mg/L, T-P는 2,580mg/L이었다.
2. 메탄 발효공정 및 혐기성 발효공정
용량 500L의 메탄 발효조에서 유량 10L/d(이 때, 유기물 부하는 3kgCODcr/m3/d임) 및 내부 반송유량 90L/d로 운전한 결과, CODcr의 제거효율은 82%이었다. 이 때, 반응조의 pH는 7.3으로 유지되었고, 알칼리제 (NaOH)는 투입하지 않았다.
혐기성 반응조는 혼합형 반응조 2 기 직렬로 연결하여 사용하였고, 유입수의 평균 CODcr이 18,200mg/L이었다. 혐기성 반응조 전체 용량은 25L이고, 유기물 부하는 7.2kgCODcr/m3/d로 운전한 결과, CODcr의 98.5%가 제거되었다. 이 때, 반응조의 pH는 7.1로 유지되었다.
메탄 발효조와 혐기성 반응조를 거친 유출수의 COD는 400mg/L이었다.
메탄 발효조와 혐기성 반응조에서 바이오 가스는 0.54m3/kgCODcr removed가 회수되었고 메탄 함유율은 약 65%이었다.
3. 질소분리 공정
상기 혐기성 반응조를 거친 유출수를 부유고형물 분리설비에서 부유고형물 99.99%가 분리되었고, 증발농축 공정을 통하여 총질소의 99.5%가 고농도 질소액으로 분리되었다.
최종 유출수의 평균 성상은 CODcr이 270mg/L이고, BOD가 5mg/L이고, SS가 1.5mg/L이고, T-N이 27.5mg/L이었다.
4. 퇴비화 공정
고상의 축산폐수와 산 발효 후 남는 음식물 쓰레기 고형물을 혼합하여 호기성 조건에서 퇴비화하였다.
팽화제로 종이박스 파편을 용량 기준으로 고형물의 100부피% 사용하였고, 처음에는 단순히 공기만 공급하다가 수분 함량이 50% 이하로 떨어진 5일 경과 후부터 질소분리 공정에서 분리된 고농도 질소액을 살포하여 24일 동안 수분 함량을 50∼60%로 유지하였다.
생산된 퇴비는 시금치와 상추를 대상으로 발아실험을 한 결과, 문제가 없었으며 악취도 나지 않았다.
본 발명에 의하면, 메탄 발효조에 유입되는 부유 고형물의 양이 줄어 메탄 발효조 및 혐기성 반응조가 원활하게 가동되고 양질의 퇴비를 생산할 수 있다.
또한, 음식물 쓰레기와 축산페수 등을 병합하여 처리하는 경우, 단독 처리가 어려운 축산폐수를 경제적이고 효율적으로 처리할 수 있다.
도 1은 축산폐수와 병합 처리하는 경우에 있어서의 본 발명 음식물 쓰레기 처리 장치의 개요도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
1 : 음식물 쓰레기 파쇄기 2 : 음식물 쓰레기 고액분리기
3 : 산 발효조 4 : 산 발효액 저장조
5 : 축산폐수 고액분리기 6 : 고형물 저장조
7 : 퇴비화 장치 8 : 메탄 발효조
9 : 혐기성 반응조 10: 고형물 분리조
11: 질소분리 장치
Claims (7)
- 음식물 쓰레기를 파쇄하는 파쇄기와;파쇄된 음식물 쓰레기를 고상와 액상으로 분리하는 음식물 쓰레기 고액 분리기와;음식물 쓰레기 고액 분리기에서 분리된 고상의 음식물 쓰레기를 산 발효시키는 (2기 이상이 직렬 또는 병렬로 연결되어 운전되는) 회분식 산 발효조와;음식물 쓰레기 고액 분리기에서 분리된 액상의 음식물 쓰레기와, 산 발효조에서 생성되는 산 발효액을 저장하는 산 발효액 저장조와;산 발효액 저장조의 산 발효액을 혐기성 상태에서 발효시켜 메탄 가스를 생성시키는 메탄 발효조와;메탄 발효조의 유출수를 혐기성 처리하는 혐기성 반응조와;혐기성 반응조의 유출수부터 질소를 분리하기 위한 질소 분리장치와;산 발효조에서 배출되는 고상의 음식물 쓰레기를 저장하는 고형물 저장조와;고형물 저장조의 고형물에 팽화제를 섞어 퇴비화하는 퇴비화 장치로 이루어지고,음식물 쓰레기는 파쇄기로 유입되어 조대 파쇄되고, 음식물 쓰레기 고액분리기에서 고상과 액상으로 분리된 후, 액상의 음식물 쓰레기는 산 발효액 저장조로 이송되고, 고상의 음식물 쓰레기는 산 발효조로 이송되어 산 발효된 후, 다시 고상과 액상으로 분리되어 고상은 고형물 저장조로 이송되고, 액상은 산 발효액 저장조로 이송되어,산 발효액 저장조에서 합류한 음식물 쓰레기 고액분리기에서 이송된 액상의 음식물 쓰레기와, 산 발효조에서 이송된 산 발효액은 메탄 발효조와 혐기성 반응조를 거쳐 방출되고,산 발효조에서 고형물 저장조로 이송된 고형물은 팽화제와 혼합되어 퇴비화 설비에서 퇴비화되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 축산폐수를 고상와 액상으로 분리하는 축산폐수 고액 분리기가 추가되어,액상은 산 발효액 저장조로 이송되어 음식물 쓰레기 고액분리기에서 이송된 액상의 음식물 쓰레기 및 산 발효조에서 이송된 산 발효액과 함께 처리되고,고상은 고형물 저장조로 이송되어 산 발효조에서 이송된 고형물과 함께 처리되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기와 축산폐수의 병합 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 혐기성 반응조 뒤에 질소분리 공정을 두어 저농도 질소액은 방류하고, 고농도 질소액은 퇴비화 설비에 공급하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 장치, 또는 음식물 쓰레기와 축산폐수의 병합 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 혐기성 반응조와 질소분리 장치 사이에 고형물 분리조를 두어 분리된 고형물을 산 발효조로 반송하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 시스템, 또는 음식물 쓰레기와 축산폐수의 병합 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 퇴비화 장치에서 팽화제로 종이 파편, 톱밥 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 장치, 또는 음식물 쓰레기와 축산폐수의 병합 처리 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 질소분리 장치를 두지 않고, 혐기성 반응조 또는 메탄 발효조의 유출수를 퇴비화 장치에 전량 살포하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 장치, 또는 음식물 쓰레기와 축산폐수의 병합 처리 장치.
- 제4항에 있어서, 고형물 분리조가 부상조와 침전조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 장치, 또는 음식물 쓰레기와 축산폐수의 병합 처리 장치.
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