KR100670081B1 - 음식품 쓰레기 처리 장치 및 방법 - Google Patents

음식품 쓰레기 처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기의 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해 및 호기성 분해시키고 침전 슬러지와 상징액으로 분리시킨 다음 상징액은 화학적 처리를 수행하는, 이 때 호기성 분해 전과 후 공정에서 질산성 질소(NOx-N)의 탈질 반응이 일어나도록 하는 음식물 쓰레기 처리 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 방법 및 장치에 따르면 음식물 쓰레기는 감량화된 슬러지와 방류에 적합한 수질을 만족시키는 유출수로 전환되고 에너지로 사용 가능한 메탄 가스를 얻을 수 있으며 질산성 질소의 탈질 효율을 극대화시킬 수 있다.
음식물 쓰레기, 혐기성 분해, 호기성 분해, 질산성 질소, 탈질, 메탄 가스

Description

음식품 쓰레기 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TREATMENT OF FOOD WASTE}
도 1은 본 발명에 따른 바이오가스 생산과 오수 정화를 위한 음식물 쓰레기 처리 장치의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
1: 바이오가스 생산과 오수 정화를 위한 음식물 쓰레기 처리장치
2: 혐기성 소화조 13: 무산소조 혼합기
3. 농축조 14: 폭기조 혼합기
4: 무산소조 15: 탈질조 혼합기
5: 미생물 활성조 16: 탈질조 반송 라인
6: 폭기조 17: 침전조 반송 라인
7: 탈질조 18: 미생물 활성조 반송 라인
8: 침전조 19: 폐슬러지 라인
9: 화학적 처리조 20: 농축조 폐슬러지 케이크
10: 가스포집기 21: 탈질조 유입 라인
11: 온도조절기 22: 활성미생물 폭기조 유입 라인
12: 혐기성 혼합기
본 발명은 음식물 쓰레기의 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해 및 호기성 분해시키고 침전 슬러지와 상징액으로 분리시킨 다음 상징액은 화학적 처리를 수행하고, 이 때 호기성 분해 전과 후 공정에서 질산성 질소(NOx-N)의 탈질 반응이 일어나도록 하는 음식물 쓰레기 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 인구가 급증하면서 생활 폐기물, 그 중에서도 음식물 쓰레기 발생량은 2003년도 기준으로 1일 11,398톤으로 전체 생활 폐기물 발생량인 50,737 톤/일의 약 22.5%를 차지하고 있다.
우리나라에서 산업화 시작 전인 1960년대 이전에는 음식물 쓰레기는 개, 돼지, 닭 등 가축의 사료로 이용되는 방법 등으로 재순환되었다. 그러나, 산업화에 따른 인구 집중과 생산성 향상의 결과로 쓰레기 배출량이 기하급수적으로 증가함에 따라 이런 재순환 고리가 끊어지면서 음식물 쓰레기 처리는 새로운 사회 문제로 대두되었다.
그 동안 음식물 쓰레기는 주로 매립 또는 소각 방법으로 처리되었다. 그러나, 음식물 쓰레기는 수분 함량이 75 내지 85%로 매우 높아 소각 처리시에는 불완전 연소가 유발되고 발열량이 낮아 보조연료를 사용해야 한다는 문제점이 있다. 또한, 매립 처리시에는 침출수 발생에 따른 지하수 오염과 악취 등의 환경 오염이 유발되는 문제가 있어서, 우리나라에서는 2005년 부터 쓰레기 직매립이 법적으로 금지된 실정이다.
이에, 음식물 쓰레기 감량과 재활용을 위한 여러가지 정책적 대안을 마련하고 다양한 음식물 처리 기술을 개발하였으나 아직까지 만족할 만한 결과를 얻지 못하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 음식물 쓰레기를 감량화된 슬러지와 방류에 적합한 수질 을 만족시키는 유출수로 전환시키면서 이 과정에서 에너지로 사용 가능한 메탄 가스를 얻을 수 있고 질산성 질소(NOx-N)의 탈질 효율을 극대화시킬 수 있는 음식물 쓰레기 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 (ⅰ) 음식물 쓰레기를 분쇄시키고 수분을 첨가하여 전처리하는 단계, (ⅱ) 상기 전처리된 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해시키고 발생되는 메탄 가스를 포집하는 단계, (ⅲ) 상기 단계 (ⅱ)를 거친 피처리물을 농축 및 탈수시키는 단계, (ⅳ) 상기 단계 (ⅲ)을 거친 피처리물중의 유기물질을 탄소원으로 이용하여 단계 (ⅵ) 및 단계 (ⅶ)에서 반송 라인으로 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 단계, (ⅴ) 상기 단계 (ⅳ)를 거친 피처리물중의 유기물질을 유입되는 호기성 미생물과 산소를 이용하여 호기성 분해시키는 단계, (ⅵ) 유입 라인으로 제공되는 단쇄 유기산을 탄소원으로 이용하여 상기 단계 (ⅴ)를 거친 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 단계, (ⅶ) 상기 단계 (ⅵ)을 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리시키는 단계, 및 상기 단계 (ⅶ)에서 분리된 침전 슬러지를 반송 라인으로 이송시키고 상징액을 화학적 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 단계를 포함하는 음식물 쓰레기 처리 방법을 제공한다.
또한, 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해시키고 메탄 가스를 발생시키는 혐기성 소화조 및 음식물 쓰레기중의 유기물질을 호기성 분해시키는 폭기조를 포함하고, 반송 라인을 통하여 유입된 슬러지에 포함된 질산성 질소(NOx-N)를 탈질시키는 무산소조 및 폭기조를 통과한 피처리물에 포함된 NOx-N를 탈질시키는 탈질조를 각각 폭기조 앞과 뒤에 포함하고, 상기 탈질조는 단쇄 유기산을 유입하는 유입 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 음식물 쓰레기 처리 장치의 한 예를 도 1에 나타내었다. 도 1에 따르면, 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해시키고 메탄 가스를 발생시키는 혐기성 소화조(2), 피처리물을 농축 및 탈수시키는 농축조(3), 반송 라인을 통하여 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 무산소조(4), 피처리물중의 유기물질을 호기성 분해시키는 폭기조(6), 피처리물에 포함된 NOx-N를 탈질시키는 탈질조(7), 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리시키는 침전조(8), 상징액으로 화학적 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 화학적 처리 조(9), 호기성 미생물을 활성화시키는 미생물 활성조(5), 혐기성 소화조에서 발생된 메탄 가스를 포집하는 가스 포집기(10), 질산성 질소를 반송시키는 반송 라인(16 및 17), 미생물 활성조 반송 라인(18), 단쇄 유기산을 탈질조로 유입하는 유입 라인(21), 및 슬러지를 배출하는 폐슬러지 라인(19)을 포함한다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
음식물 쓰레기 방법을 단계별로 살펴보면 다음과 같다.
단계 (ⅰ)은 음식물 쓰레기를 분쇄시키고 수분을 첨가하여 전처리하는 공정이다.
음식물 쓰레기의 주요 성분은 탄수화물, 지방, 단백질 등의 유기물질로, 그 구성 성분이 크고 복잡하여 가수분해 기간이 길게 소요되므로 기계적 방법으로 구성성분을 잘게 분쇄하고 수분을 적절하게 첨가하여 후속 공정으로 이송이 원활하게 되는 형태로 준비하도록 한다.
단계 (ⅱ)는 상기 전처리 단계를 거친 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해시키고 발생된 메탄 가스를 포집하는 공정이다.
혐기성 분해란 혐기성 미생물이 음식물 쓰레기중의 유기물질을 영양원으로 대사하여 메탄을 생산하는 공정으로, 탄수화물, 단백질, 지방이 알코올 또는 단쇄 유기산으로 분해되는 산 발효단계와 분해된 유기산으로부터 메탄형성미생물(methane forming microbes)의 작용으로 메탄(CH4)이 생성되는 메탄 발효단계가 연계되어 일어난다. 상기 공정은 본 발명의 음식물 쓰레기 처리 장치의 혐기성 소 화조(2)에서 일어나며 혐기성 소화조는 발생된 메탄 가스를 포집하는 가스포집기(10), 소화조 내의 온도를 조절하는 온도조절기(11) 및 교반을 위한 혼합기(12)를 포함한다.
구체적으로 유기물질의 혐기성 분해 과정을 살펴보면 탄수화물은 포도당으로 분해되어 CH4와 CO2로 분해된다.
C6H12O6 → 3CO2 + CH4
단백질과 지방은 혐기성 분해 과정에서 알칼리화를 유도하여 혐기성 소화조내의 pH 저하를 억제하는 역할을 하며 단백질과 지방의 분해 반응은 각각 다음과 같다.
HOOCCH2CH2CHNH2COONa + 3H2O → CO2 +2CH4 + NH4HCO3 + NaHCO3
CH3CH2CH2COONa + 2H2O → CO2 +2CH4 + NaHCO3
혐기성 분해 단계에서 발생되는 메탄 가스는 포집되어 연료 등으로 사용 가능하다.
본 발명에서 혐기성 소화조로 투입되는 음식물 쓰레기의 양은, 혐기성 소화소의 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time: HRT)을 80으로 조절할 때 하루에 약 625 kg/L 정도가 바람직하다.
또한, 본 발명의 혐기성 소화조는 상온 소화, 저온 소화, 중온 소화 및 고온 소화가 모두 가능하며 온도조절기(11)가 연결된 가온 코일(heating coil)을 사용하여 가온한다. 혐기성 소화조 내의 온도는 중온 소화가 일어나는 30 내지 40 ℃ 또 는 고온 소화가 일어나는 50 내지 60 ℃가 바람직하고, 약 35 ℃의 중온 소화 또는 약 55 ℃에서의 고온 소화가 가장 바람직하다. 또한, 혐기성 소화조내로 유입되는 음식물 쓰레기와 혐기성 미생물이 잘 혼합되도록 혼합기(12)를 이용하여 잘 섞어주도록 한다.
단계 (ⅲ)은 상기 혐기성 분해 단계를 거친 피처리물을 농축 및 탈수시키는 공정이다,
농축 및 탈수 공정은 피처리물의 높은 부유물질 농도를 줄이기 위한 공정으로 본 발명의 음식물 쓰레기 처리 장치의 농축조(3)에서 일어난다. 음식물 쓰레기 원수(原水)에는 부유물질이 많이 함유되어 있으며 혐기성 소화조를 거친 유출수에도 부유물질의 농도가 매우 높다. 부유물질의 농도가 높은 피처리물이 폭기조(6)로 유입시 폭기조의 혼합액 부유 고형물(Mixed Liquor Suspened Solid: MLSS) 농도를 유지하기가 곤란하다. 따라서, 피처리물을 농축 및 탈수시켜 슬러지 케이크로 제거함으로써 부유물질의 폭기조 부하율을 줄이고 MLSS 농도를 유지하도록 한다.
농축 방법으로는 증력농축, 원심농축, 부상분리농축법 등을 예로 들 수 있다. 탈수 방법은 자연건조, 기계탈수 등을 예로 들 수 있고 기계탈수에는 진공탈수, 가압탈수, 원심탈수, 벨트 프레스(belt press), 스크류프레스 등이 있다. 구체적으로, 본 발명에서는 중력에 의한 방법으로 농축하였으며 벨트 프레스 방식으로 탈수하였다.
단계 (ⅳ)는 상기 농축 및 탈수 단계를 거친 피처리물중의 유기물질을 탄소 원으로 이용하여 반송 라인으로 유입되는 슬러지에 포함된 NOx-N을 탈질시키는 공정이다.
탈질조(7)에서 반송 라인 16과 침전조(8)에 반송 라인 17을 통하여 반송되는 슬러지에 포함된 NOx-N을 무산소 조건에서 탈질시키는 단계로 농축 및 탈수 단계를 거쳐 유입되는 피처리물에 포함된 유기물을 탄소원으로 이용하며 이 과정에서 인(phosphorus)은 용출된다, 용존 산소가 거의 없는 경우에는 NO3, NO2와 같은 형태의 결합산소를 전자 수용체로 이용하여 에너지를 얻게 되므로, 탈질 미생물(denitrifier)에 의해 NOx-N은 하기와 같이 질소 가스(N2)로 환원되어 대기 중으로 제거된다.
NO3 → NO2 → NO → N2O → N2
상기 탈질 공정은 본 발명의 음식물 쓰레기 처리 장치의 무산소조(4)에서 일어나며 탈질화균, 탄소원 및 NOx-N이 원활하게 혼합되도록 무산소조 혼합기(13)를 사용한다.
탈질 반응(denitrification)에서 전자공여체(electron donor)로 사용되는 유기산이 혐기성 소화조(2)를 거친 피처리물에 다량 함유되어 있으므로 외부 탄소원의 공급 없이도 효율적인 탈질 반응이 일어날 수 있다.
단계 (ⅴ)는 상기 단계를 거친 피처리물중의 유기물질을, 유입되는 호기성 미생물과 산소를 이용하여 호기성 분해시키는 공정이다,
호기성 분해란 음식물 쓰레기중의 유기물질을 호기성 미생물이 섭취하여 생존에 필요한 영양원으로 사용하고 최종적으로 탄산가스, 암모니아 및 물 등으로 분해되는 공정을 의미하고, 암모니아는 산소와 결합해 아질산성 질소(NO2 -)를 거쳐 질산성(NO3 -) 질소로 산화된다. 이런 호기성 분해는 본 발명의 음식물 쓰레기 처리 장치의 폭기조(6)에서 일어나며 폭기조내의 MLSS 농도는 9,000 내지 12,000 mg/L 로 유지하는 것이 바람직하다.
폭기조는 복수개의 분리막에 의해 복수개의 격실로 나누어져 있고 격실에 따라 용존산소(Dissolved Oxygen: DO)의 양을 단계별로 차이나게 유지하도록 한다. 구체적으로, 폭기조는 3단으로 구분되었으며 폭기조 1단은 외부 공기를 유입하여 DO 농도를 높게 유지하여 폐수내의 유기물이 효과적으로 분해되도록 하고 질산화 미생물의 작용에 의하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소(NO2 -)를 거쳐 질산성(NO3 -)로 산화되도록 한다. 폭기조 3단에서는 산소 공급을 중단하여 DO 농도를 낮게 유지하고 폭기조 상부에 설치된 폭기조 혼합기(14)를 이용하여 교반하여 후속공정인 탈질반응을 준비하도록 한다. 폭기조 1단은 DO를 0.5 내지 1.0 mg/L로, 폭기조 2단은 DO를 0.3 내지 0.5 mg/L로, 폭기조 3단은 DO를 0.1 mg/L 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
호기성 분해에 관여하는 미생물은 미생물 활성조(5)의 호기성 분위기 하에서 활성화되어 활성미생물 폭기조 유입 라인(22)을 통해서 폭기조로 이송된다. 외부 공기를 미생물 활성조(40)의 내부로 유입시킴으로써 미생물 활성조(40) 내부를 호기성 분위기로 유지시켜 호기성 미생물만을 선택적으로 활성화시킨다. 구체적으로, 토양미생물을 선택적으로 분리 배양하여 접종한 미생물 군체를 이용한다. 또한, 미생물 활성조는 반송 라인 18을 통하여 계속적으로 슬러지가 공급되어 미생물 군체로부터 용출되는 미생물과 반송되는 슬러지에 포함된 미생물의 활성화가 연속적으로 수행되도록 한다.
단계 (ⅵ)는 유입 라인으로 제공되는 단쇄 유기산을 탄소원으로 이용하여 상기 호기성 분해 단계를 거친 피처리물에 포함된 NOx-N을 탈질시키는 공정이다.
무산소 상태에서 NOx-N은 탈질 미생물의 산소원으로 이용되므로 NOx-N는 N2 가스로 환원되는 탈질 반응이 일어나고, 상기 공정은 본 발명의 음식물 쓰레기 처리 장치의 탈질조(7)에서 일어난다. 이 때, 단쇄 유기산을 탈질조 유입 라인(21)을 통하여 유입시켜 NOx-N의 N2 가스로 환원 반응시, 탄소 공급원으로 사용되도록 함으로써 탈질 효율이 극대화된다.
단계 (ⅶ)는 상기 탈질 단계를 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리시키는 공정이다.
상기 공정에서 음식물 쓰레기 피처리물은 중력에 의해 침전 슬리지와 상징액으로 고액분리된다. 상기 공정은 본 발명의 음식물 쓰레기 처리 장치의 침전조(8)에서 일어나며 분리된 상징액은 화학적 처리를 위해 다음 공정으로 이송되고 침전 슬러지는 반송 라인 17을 통하여 무산소조로 이송되어 침전 슬러지내에 포함된 NOx-N을 탈질시키고 일부는 슬러지 라인 19를 통하여 폐기 처분되며 일부는 반송 라인 18을 통하여 미생물 활성조로 이송시켜 미생물을 활성화시킨다.
단계 (ⅷ)는 상기 단계에서 분리된 침전 슬러지를 반송 라인으로 이송시키고 상징액을 화학적 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 공정이다.
화학적 처리는 응집제를 첨가하여 생물학적 분해가 어려운 난분해성 물질, 예를 들면 인, 부유성물질, 색도유발물질 등을 제거하는 공정이다. 이는 음식물 쓰레기 처리 장치의 화학적 처리조(9)에서 일어나며 Al 계통의 응집제, Fe 계통의 응집제 등을 사용할 수 있으나, 이로 제한되지 않는다.
상기 Al 계통 응집제로는 Alum(Al2SO4)·18H2O, PAC(Poly Aluminum Chloride) 등을 예로 들 수 있고, Fe 계통 응집제로는 FeSO4·7H2O, FeCl3, Fe2(SO4)3 등을 예로 들 수 있다. 응집제 종류, 응집제 주입량, pH, 탁도 등이 미치는 영향을 고려하여 화학적 처리를 수행하도록 한다. 또한, 응집보조제(coagulant aid)로 수산화칼슘(Ca(OH)2), 생석회(CaO), 가성소다(NaOH), 소다회(Na2CO3) 등과 같은 pH 조정제와 벤토나이트, 플라이 애쉬, 활성규산, 시멘트더스트 등과 같은 탁도 증가제를 사용할 수 있다.
이처럼 본 발명은 호기성 분해 및 혐기성 분해 공정을 연계시켜 음식물 쓰레기를 처리하고 상기한 모든 공정이 순서에 따라 단계별로 진행되도록 하여 음식물 쓰레기의 처리 효율을 증대시켰다. 본 발명의 방법에 따르면 음식물 쓰레기는 혐 기성 및 호기성 복합 분해되면서 슬러지와 방류수 수질에 적합한 유출수로 전환되며 그 과정에서 에너지로 사용 가능한 메탄 가스가 발생된다. 발생된 슬러지는 매립, 소각 등의 방법으로 최종 처리하거나 재생과정을 거쳐 퇴비 또는 건설자재 등으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 음식물 쓰레기 처리 방법은 하천과 호수 등을 부영양화시키는 오염원으로 작용하는 질소를 고효율로 제거할 수 있다.
본 발명에서 질소는 생물학적 분해에 의해 암모니아 형태로 전환되고 전환된 암모니아는 질산화 공정에 의해 NOx-N로 전환되고 NOx-N는 탈질 공정에 의해 질소가스로 환원되는 일련의 공정을 통하여 제거된다.
이 때, 본 발명은 호기성 분해 공정의 전과 후 공정에서 두 번에 걸쳐 탈질 반응이 일어나도록 하여 탈질 효율을 극대화시킨 것을 특징으로 한다. 구체적으로 살펴보면, 호기성 분해 전 탈질 단계에서는 반송 라인을 통하여 제공되는 슬러지에 포함된 NOx-N를 질소 가스로 환원시켜 제거하도록 하였으며, 호기성 분해 후 탈질 단계에서는 NOx-N의 탈질 반응시 탄소원으로 이용되는 유기산을 유입 라인으로 제공하여 탈질 효율을 극대화하였다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
음식물 쓰레기 처리 장치에 사용된 반응조는 내부 관찰이 용이하도록 아크릴 로 제작하였으며, 혐기성 반응조의 가온은 오차 변위 1 oC의 정확도를 가진 온도조절기가 연결된 가온 코일(heating coil)을 사용하였다.
음식물 쓰레기 처리 장치내 반응기의 재원 및 규격을 하기 표 1에 나타내었다. 음식물 쓰레기 처리장치에서 반송 라인은 이송펌프를 구비하고 있으며, 폭기조와 미생물 활성조가 송풍기를 구비하고 있다.
반응기 및 기기 규격 비고
혐기성소화조 50 L(φ=35cm, H=65cm) 원통형, 혐기성슬러지식종
농축조 3 L(φ=14 cm, H=30cm) 원뿔형
무산소조 5 L(φ=16 cm, H=35cm) 원통형
폭기조 10 L(L=33 cm, B=17cm, H=27cm) 구형, 하수슬러지사용
탈질조 3 L(φ= 14cm, H= 30cm) 원통형
침전조 4.0(φ= 23cm, H= 35cm) 원뿔형, 호퍼경사 60o 유지
미생물활성조 0.2(φ= 0.7cm, H= 18cm) 원통형
pH, 온도측정기 Orione 250A pH, 온도측정
이송펌프 Master-flex 펌프 2헤드
혼합기 panasonic M6GA30M 60 rpm
송풍기 코리아다까스끼 SPP-200GJ-H 40 L/Min 용량
실험에 사용되는 음식물 쓰레기는 한국과학기술연구원 구내식당에서 배출되는 음식물 쓰레기를 수거하여 사용하였으며 믹서로 음식물 쓰레기를 잘게 분쇄한 후 냉장 보관하여 사용하였다.
각 반응조의 HRT는, 혐기성 소화조는 80일, 농축조는 1일, 무산소조는 1일, 미생물 활성조는 2일, 폭기조는 20일, 탈질조는 15시간, 침전조는 8시간으로 조절하였다.
폭기조의 MLSS 농도는 10,000 mg/L로 유지하였으며, 폭기조의 MLSS 유지하기 위하여 침전조에서 일정량의 잉여 슬러지를 폐기하였으며, 피처리물은 중력에 의한 자연 유하 방식으로 이동하도록 고안하였고, 시료 투입과 반송은 정확한 양을 확보하기 위하여 타이머를 부착한 정량펌프를 이용하여 자동으로 조절하였다.
화학적 처리시, 응집제로 철염(FeCl3)을 100 mgFe/L의 농도로 처리하였다.
본 발명의 음식물 쓰레기 처리 장치를 이용하여 음식물 쓰레기를 처리하고 각 단계에서 얻은 유출수의 화학적 산소 요구량(COD: chemical oxygen demand), 생물학적 산소 요구량(BOD: Biological oxygen demand), 총부유물질량(TSS: Total suspended solids), TKN(Total Kjeldahl Nitrogen), 총인량(T-P)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었으며, 실험 결과는 운전기간 동안의 평균값이다.
구 분 CODcr (mg/L) BOD (mg/L) TSS (mg/L) VSS (mg/L) TKN/ NH3 (mg/L) NOx-N (mg/L) T-P (mg/L)
원 수 110,000 57,000 89,800 84,000 4,000/53 0 480
혐기성소화조 유출수 21,000 7,800 13,000 11,000 3,800/2,500 0 330
생물학적처리 유출수 342 57 68 56 74/61 1.0 73
화학적처리 유출수 52 18 17 13 45/38 1.0 5
상기 표 2에 의하면, 분쇄된 음식물 쓰레기 원수의 평균 성상은 TSS/VSS 농도가 89,800/84,000 mg/L, COD 농도가 110,000 mg/L, BOD 농도가 57,000 mg/L이고 T-P 농도는 480 mg/L이다. 또한, TKN 농도는 4,000 mg/L이고 NH4 농도는 53 mg/L로 TKN중에서 NH4는 1.3% 정도 차지한다.
혐기성 소화조에서 얻은 유출수에서 암모니아 농도는 원수에 비해 상당히 높은데, 이는 유기성 질소가 혐기성 소화조에서 암모니아화(ammonification)되었기 때문이다. 원수 내 높은 유기성 질소는 혐기성 소화조를 거치면서 유기성 질소로 전환되는 것을 확인할 수 있다.
생물학적 처리공정인 침전조에서 얻은 유출수의 수질은 CODcr 농도가 342 mg/L, BOD 농도가 57 mg/L, TKN 농도가 74 mg/L 및 T-P 농도가 73 mg/L이고, 화학적 처리 후의 유출수 수질은 CODcr 농도가 52mg/L, BOD 농도가 18 mg/L, TSS 농도가 17 mg/L, TKN 농도가 45 mg/L 및 TP 농도가 5 mg/L로, 음식물 쓰레기 처리 단계가 진행됨에 따라 유출수는 방류 가능한 수준의 수질로 개선되는 것을 확인할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 장치 및 방법에 따라 음식물 쓰레기를 처리하면 감량화된 슬러지와 방류에 적합한 수질을 만족시키는 유출수로 전환시키면서 메탄 가스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 질산성 질소(NOx-N)의 탈질 효율을 극대화시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해시키고 메탄 가스를 발생시키는 혐기성 소화조;
    반송 라인을 통하여 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소(NOx-N)를 상기 혐기성 소화조를 통과한 피처리물에 포함된 유기물을 탄소원으로 이용하여 탈질시키는 무산소조;
    상기 무산소조를 통과한 피처리물중의 유기물질을 호기성 분해시키는 폭기조; 및
    상기 폭기조를 통과한 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 탈질조를 포함하고,
    상기 무산소조와 탈질조가 각각 폭기조의 앞과 뒤에 포함되고, 상기 탈질조는 단쇄 유기산을 유입하는 유입 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해시키고 메탄 가스를 발생하는 혐기성 소화조(2);
    상기 혐기성 소화조(2)를 거친 피처리물을 농축 및 탈수시키는 농축조(3);
    상기 농축조(3)를 거친 피처리물중의 유기물을 탄소원으로 이용하여 반송 라인을 통하여 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 무산소조(4);
    상기 무산소조(4)를 거친 피처리물중의 유기물질을 호기성 분해시키는 폭기조(6);
    상기 폭기조(6)를 거친 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 탈질조(7);
    상기 탈질조(7)를 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리시키는 침전조(8);
    상기 침전조(8)에서 분리된 침전물을 반송 라인으로 이송시키고 상징액을 화학적 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 화학적 처리조(9);
    호기성 미생물을 활성화시키고 유입 라인을 통해 활성화된 미생물을 폭기조(6)로 이송시키는 미생물 활성조(5);
    상기 혐기성 소화조(2)에 연결되어 혐기성 소화조(2)에서 생성된 메탄 가스를 포집하는 가스 포집기(10);
    상기 탈질조(7)에서 생성된 질산성 질소를 반송시키는 반송 라인(16) 및 상기 침전조(8)에서 생성된 질산성 질소를 반송시키는 반송 라인(17);
    상기 미생물활성조(5)에 계속적으로 슬러지를 공급하는 반송 라인(18);
    단쇄 유기산을 상기 탈질조(7)로 유입하는 유입 라인(21) 및
    상기 침전조(8)로부터 슬러지를 배출하는 폐슬러지 라인(19)을 포함하는 음식물 쓰레기 처리 장치.
  3. (ⅰ) 음식물 쓰레기를 분쇄시키고 수분을 첨가하여 전처리하는 단계,
    (ⅱ) 상기 전처리된 음식물 쓰레기중의 유기물질을 혐기성 분해시키고 발생되는 메탄 가스를 포집하는 단계,
    (ⅲ) 상기 단계 (ⅱ)를 거친 피처리물을 농축 및 탈수시키는 단계,
    (ⅳ) 상기 단계 (ⅲ)을 거친 피처리물중의 유기물질을 탄소원으로 이용하여 단계 (ⅵ) 및 단계 (ⅶ)에서 반송 라인으로 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 단계,
    (ⅴ) 상기 단계 (ⅳ)를 거친 피처리물중의 유기물질을 유입되는 호기성 미생물과 산소를 이용하여 호기성 분해시키는 단계,
    (ⅵ) 유입 라인으로 제공되는 단쇄 유기산을 탄소원으로 이용하여 상기 단계 (ⅴ)를 거친 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 단계,
    (ⅶ) 상기 단계 (ⅵ)을 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리시키는 단계, 및
    (ⅷ) 상기 단계 (ⅶ)에서 분리된 침전 슬러지를 반송 라인으로 이송시키고 상징액을 화학적 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 단계
    를 포함하는 음식물 쓰레기 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서, 단계 (ⅷ)에서 알루미늄(Al) 계 또는 철(Fe) 계의 응집제를 첨가하여 화학적 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 제1항의 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기 처리 방법.
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