KR100714641B1

KR100714641B1 - 유기성 폐기물의 처리방법

Info

Publication number: KR100714641B1
Application number: KR20010026723A
Authority: KR
Inventors: 서희동; 서영준
Original assignee: 서희동
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2007-05-09
Also published as: KR20010069877A

Abstract

본 발명은 음식물쓰레기, 축산분뇨, 농·수산물폐기물, 하·폐수슬러지, 도축장폐기물, 식품가공 공장폐기물 등과 같은 유기성 폐기물에 이탄, 톱밥, 왕겨 등의 팽윤제를 주입하여 혼화기(6)에서 혼화기 교반기(7)에 의해 교반하면서 알칼리토금속 분말이나 이를 소성(燒成)한 분말을 공급한 다음 황산을 공급하여 중성으로 중화하면서 발생하는 열에 의해 병원성 미생물 부패 및 변패성 미생물과 잡초의 씨앗을 사멸시킨다. 또한, 악취 발생물질을 알칼리토금속 분말이나 이를 소성한 분말에 흡착 제거함으로써 위생적으로 처리하는 공정이다.

특이한 사항은 팽윤제의 소모량이 재래적인 공정에 비해서 1／4∼1／5 정도로 감소하기 때문에 처리비용이 퇴비판매비용의 절반 이하로 되기 때문에 경제성이 우수하면서 유기미네랄이 풍부한 양질의 퇴비를 생산할 수 있는 공정이다.

음식물쓰레기, 축산분뇨, 농·수산물폐기물, 하·폐수슬러지, 도축장폐기물, 식품가공 공장폐기물, 유기성 폐기물, 알칼리토금속, 팽윤제, 퇴비화.

Description

유기성 폐기물의 처리방법{Method for treating organic waste material}

도 1은 음식물쓰레기, 축산분뇨, 농·수산물폐기물, 하·폐수슬러지, 도축장폐기물, 식품가공 공장폐기물 등과 같은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 처리공정도이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1: 저장조 2: 저장조 교반기

3: 이송펌프 4: 탈염장치

5: 정류기 6: 혼화기

7: 혼화기 교반기 8: 이송벨트 컨베이어

9: 흡입 송풍기 10: 배기 송풍기

11: 부숙조 12: 로터리믹서

본 발명은 음식물쓰레기, 축산분뇨, 농·수산물폐기물, 하·폐수슬러지, 도축장폐기물, 식품가공 공장폐기물 등과 같은 유기성 폐기물을 알칼리토금속 (alkaline earth metal) 광물분말, 황산(黃酸), 팽윤제(bulking agent) 등을 이용하여 경제적이면서 위생적인 양질의 퇴비를 생산하는 처리방법에 관한 것이다.

상기에서 언급된 유기성 폐기물은 대부분 함수율이 높아서, 특히 하절기에 부패 및 변패가 쉽고 심한 악취를 발생한다. 또한, 파리 등의 해충과 쥐 등이 서식하므로 위생적인 문제가 있다.

이와 같은 유기성 폐기물을 과거에는 극소수 일부만 퇴비화 및 사료화를 하였고 대부분 폐기물 매립장에 매립처분하였는데, 고농도 침출수의 배출 및 악취발생, 파리, 쥐 등의 서식과 같은 여타 문제점이 야기되어 유기성 폐기물의 매립지 반입금지 방침이 결정되었다.

따라서, 유기성 폐기물의 별도 처리문제가 야기되었다. 이의 처리방법으로는 퇴비화, 사료화, 혐기성 소화에 의한 메탄가스(methane gas) 발생에 의한 에너지화, 소각처리, 하수병합처리 등이 거론되었다.

그러나 상기 혐기성 소화에 의한 메탄가스 발생에 의한 에너지화, 소각처리, 하수병합처리 등은 전혀 자원화가 되지 않으며 처리비용도 높아 거의 현실화 되지 못하는 문제점이 있다. 특히, 음식물 쓰레기의 경우에는 식용유와 같은 액상의 불포화지방산의 농도가 높아 혐기성 소화에 의한 메탄가스 발생에 의한 에너지화, 하·폐수병합처리의 경우 시간이 경과하면서 미생물 균체인 오니(汚泥)가 응집하여 덩어리를 형성함으로써 처리를 불가능하게 한다. 사료화의 경우는 사료비 절감효과가 있어 소, 돼지, 오리, 닭 등의 가축에 급여하였으나, 소의 경우에는 광우병과 구제역 등의 질병을 야기할 수 있어 법적으로 급여사육을 금지하고 있으며, 돼지 역시 구제역 등 질병을 야기할 수 있기 때문에 사육이 금지될 것으로 전망된다. 그리고 오리, 닭의 경우도 바이러스성 병원균에 의한 폐사율이 높아 여러 축산 농가에서 기피하고 있는 실정에 있다.

음식물쓰레기, 축산분뇨 등과 같이 함수율이 높은 유기성 폐기물은 팽윤제(수분조절제)로 톱밥, 왕겨 등을 사용하였으나 구입 가격이 높아 전혀 경제성이 없으며, 처리공정에서 심한 악취가 발생하여 주변 주민들의 민원이 심하였다.

또한, 음식물쓰레기의 경우에는 염분(NaCl) 농도가 높아 농작물의 염해 현상과 토양의 입단구조를 단립화하여 사토화하기 때문에 퇴비로 사용하는 것이 불가능하였다.

상기와 같은 팽윤제의 비용절감 및 악취발생을 저감하기 위해 대한민국 특허공개번호 제1997-010709호, 제1998-048486호, 제1999-046522호, 제1999-069483호, 제2000-030257호, 제2000-033746호 등에서는 생석회, 소석회, 돌로마이트(dolomite) 등을 음식물쓰레기, 축산분뇨 등 함수율이 높은 유기성 폐기물에 주입시켜 물과 가수분해시 발생하는 반응열에 의해 60∼100℃의 고온으로 가열되면서 유기성 폐기물 중 대부분의 미생물이 사멸되게 한다. 또한, 생석회, 소석회, 돌로마이트 등의 분말은 악취유발물질의 흡착성이 우수하여 악취발생이 거의 없게 된다. 그래서, 짧은 시간에 양질의 퇴비가 생산되는 것으로 판단되었으나 다음과 같은 문제점이 있어 상용화하지 못하고 있는 실정에 있다.

첫째, 함수율 82∼85wt％, 25℃인 음식물쓰레기의 경우 생석회를 주입하여 가수분해 반응열에 의해서 100℃까지 온도를 올리는 데는 음식물쓰레기 100부에 생석회 50부 이상 주입해야 하므로 유기물 함량이 퇴비 기준법의 기준치 25％ 이하가 되기 때문에 다른 유기질 부재료를 혼합해야 한다.

둘째, 생석회(生石灰)나 돌로마이트는 물과 가수분해 반응을 하면 소석회(消石灰)로 되면서 pH가 12 이상 완충영역(Buffer zone)의 강알칼리 물질로 되기 때문에 어떠한 미생물도 생육할 수 없다. 따라서, 부숙공정에서 부숙(腐熟)이 전혀 일어나지 않은 생 유기물 상태로 존재하므로 작물에 시비하였을 때 호기성 미생물 생육이 활발하여 토양의 산소농도를 저감시켜 작물의 뿌리가 고갈되어 작물이 죽기 때문에 퇴비가 될 수 없다.

셋째, pH가 9∼10 이상의 강알칼리 상태에서는 어떠한 식물도 자랄 수 없다. 전술한 바와 같이 유기성 폐기물을 생석회나 돌로마이트로 처리하였을 때는 pH가 12 이상 완충영역의 물질로 되기 때문에 토양에 다량으로 시비할 수 없다.

넷째, 식물은 물론이고 미생물의 미네랄 섭취는 구연산, 주석산, 부식산(腐植酸), 풀브산(fulvic acid) 등과 같은 킬레이트(chelate)성 유기산과 착염(錯鹽)을 형성한 상태에서 쉽게 흡수할 수 있다. 퇴비화 공정의 부숙공정에서 부식산, 풀브산 등과 같은 부식물질(Humic substance) 생성에 의해 킬레이트성 유기미네랄(organic minerals)이 형성되는데, 전술한 기존 특허에서는 pH가 높아 미생물이 생육되지 않아 부숙화가 일어나지 않고 순수한 광물질로 존재하기 때문에 칼슘, 칼륨, 아연, 마그네슘 등과 같은 필수 미네랄의 흡수효율이 떨어진다.
그리고 대한민국 특허 등록번호 1995-0008969호에서 유기질액비의 제조방법은 토탄 및 유기물질과 굴 껍질 및 연탄재를 분쇄하여 적정비율로 혼합하고, 이들에 탄산수소나트륨, 산화칼슘, 염화칼슘을 혼합한 혼합물에 축산폐수를 통과시켜 추출된 유기질 액비에 묽은 염산을 첨가하여 중화 후 폭기하는 방법이 제시되어 있으나, 축산 폐수는 사료 중에 염분(NaCℓ)을 0.3∼1.0％ 정도 혼합하기 때문에 이를 퇴비화한 것을 작물에 과량 시비한 경우에는 염해를 야기할 수 있는데, 여기에 탄산수소나트륨, 산화칼슘, 염화칼슘을 첨가한 다음에 염산으로 중화하였을 때는 다음과 같은 반응에 의해서 수용성 염이 생성되므로 작물에 시비를 하였을 때 염해를 야기할 수 있기 때문에 퇴비로 사용할 수 없는 문제점이 있다.
NaHCO₃ + HCℓ → NaCℓ+ H₂ O + CO₂
CaO + H₂O → Ca(OH)₂
Ca(OH)₂ + 2HCℓ → CaCℓ ₂ + 2H₂ O
특히 NaCℓ은 작물에 염해를 야기할 뿐만 아니라 토양에 SAR(Sodium Adsorption Ratio) 값을 상승시키면서 Na⁺이온이 토양의 Ca, Mg 등과 이온치환반응을 일으키면서 Ca, Mg 등을 용탈하면서 토양의 입단구조를 단립화(團粒化)하여 공극률(孔隙率)이 저하되면서 통기성 및 투수성을 떨어뜨려 작물이 생육하기 어려운 사토(死土)로 되는 문제점이 있다.

여기서 Ca, Mg, Na의 단위는 me/ℓ 이다.
특히 음식물쓰레기의 경우에는 염분(NaCℓ)의 함량이 평균 2.3wt％정도로 높기 때문에 염분을 제거하지 않고는 퇴비화를 할 수 없는데, 여기에 수용성 염인 NaCℓ, CaCℓ ₂와 같은 염을 더욱더 첨가하여 퇴비화를 한다는 것은 모순된 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하면서 경제적이고 안전한 양질의 퇴비를 생산하기 위해서 유기성 폐기물에 탄산칼슘(CaCO₃), 탄산마그네슘(MgCO₃) 등의 알칼리토금속광물의 분말이나 이를 소성한 분말인 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 등을 혼합교반한 후, 황산(H₂SO₄)을 공급하여 pH를 7 전후로 조정하여 중화 반응열에 의해 100℃ 이상에서 상당량의 수분을 증발시키면서 병원성 미생물, 부패 및 변패성 미생물 등 유해성 미생물은 물론 잡초의 씨앗을 사멸처리한 후, 이탄, 톱밥, 왕겨 등의 팽윤제를 적당량 혼합한 후 부숙조로 이송하여 고온 발효공정을 생략하고 중온성 부식화 미생물에 의해 짧은 시간에 양질의 비료를 생산하는데 목적이 있다.

유기성 폐기물은 특히 하절기에는 쉽게 부패 및 변패되어 심한 악취발생과 파리, 쥐 등이 서식하므로 위생적인 문제가 있다. 또한, 음식물쓰레기, 축산분뇨 등은 함수율이 높기 때문에 팽윤제(膨潤劑)의 소모량이 많아 퇴비 판매비용의 2∼3배 정도의 처리비용이 소요됨으로써 경제성이 없다.

본 발명은 음식물쓰레기, 축산분뇨와 같은 함수율이 높은 유기성 폐기물의 경우 퇴비판매가의 절반 이하의 비용으로 처리하여 우선 경제성을 향상시키면서 처리공정에서 악취발생, 파리 등 해충의 서식을 최대로 억제하여 위생적이며, 킬레이트 유기성 미네랄 성분이 풍부하면서 양이온교환가(CEC; Cation Exchange Capacity) 및 부식화도(Humification grade)가 높은 양질의 퇴비를 생산하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 도면을 중심으로 설명하면 다음과 같다.

이하 사용되는 조제의 양을 나타내는 부는 중량부를 말한다.

유기성 폐기물은 퇴비화처리장에 반입되면 우선 비닐(vinyl)봉투, 대형 이물질 등을 분리·제거한 다음, 파쇄기에 의해 파쇄처리된 후 유기성 폐기물 저장조(1)에 저장되고, 저장조 교반기(2)에 의해 일정 성분으로 균질화 된다.

저장조(1)의 유기성 폐기물은 이송펌프(3)에 의해 혼화기(6)로 일정량 이송할 때 음식물 쓰레기와 같이 염분 함량이 높은 유기성 폐기물은 이미 개발된 대한민국 특허 공개 제2000-0470080호의 탈염장치(4)에 의해 탈염처리된 후, 혼화기(6)에 일정량 주입되고, 염분 함량이 낮은 유기성 폐기물은 바로 혼화기(6)에 일정량 주입된다.

다음, 유기성 폐기물 100부에 톱밥, 왕겨, 이탄, 부엽토 등의 팽윤제(膨潤劑)를 5∼10부 정도 주입하면서 혼화기 교반기(7)로 교반한다. 그 다음, 알칼리토금속 광물 분말이나 이를 소성(燒成)한 분말을 10∼30부 정도 주입한다.

이때 소성된 알칼리토금속 중 산화칼슘(CaO) 성분이 다량 함유된 경우에는 물과 가수분해 반응에 의해 온도가 상승한다.

CaO(s)＋H₂O(l) → Ca(OH)₂(s) ΔH _25℃＝15.583Kcal/g.mol

다음, 황산을 주입하여 pH가 중성인 7 전후가 되도록 조정한다. 이때는 알칼리토금속과 반응하여 100℃ 이상으로 온도가 상승하면서 상당량의 수분이 증발한다. 알칼리토금속과 황산이 반응시 표준 반응열은 다음과 같다.

Ca(OH)₂(s)＋ H₂SO₄(s) → CaSO₄(s)＋ 2H₂O(l) ΔH_25℃＝49.3Kcal/g.mol

CaCO₃(s)＋H₂SO₄(s) → CaSO₄(s)＋C0₂(g)＋H₂O(l) ΔH_25℃＝22.4Kcal/g.mol

MgCO₃(s)＋H₂SO₄(s) → MgSO₄(s)＋C0₂(g)＋H₂O(l) ΔH_25℃＝8.0Kcal/g.mol

이상과 같은 반응열에 의해서 90∼100℃에서 2시간 정도 반응을 하여 유해병원성 미생물과 잡초씨앗 등이 사멸처리된다.
또한, 전술한 반응에서 생성된 CaSO₄와 MgSO₄는 물에 용해도가 낮기 때문에 작물에 염해의 우려가 없으며, 토양의 SAR(Sodium Adsorption Ratio)값을 저감하므로 토양의 입단구조(粒團構造)를 단립화(單粒化)할 우려가 없는 것이 본 발명의 특징이다.

이상에서와 같이 혼화기(6)에서 고온 중화처리된 것은 이송 벨트 컨베이어(8)로 배출하여 부숙조(11)로 이송된다. 부숙조(11)에서는 로터리믹서(12)로 뒤집기를 반복하여 공기 중 산소를 공급하면서 토양부식화미생물에 의해 10∼15일 정도 단기간에 부숙(腐熟)시킨 다음, 퇴비 저장창고 등으로 이송되었다가 포장된 후 판매된다.

[실시예1]

음식물쓰레기 200부에 생석회(CaO) 60부를 혼합교반 하였을 때, 온도는 21℃에서 15분 후 60℃까지 상승하였으며 여기에 98％ 황산 29부를 주입 pH를 7∼8로 조정 후 95∼100℃에서 2시간 정도 지난 후 배출량은 255부로 수분 증발은 34부가 되었다. 이를 5일 정도 교반 부숙한 결과 퇴비성분 시험성적표는 표1의 내용과 같다.

[실시예2]

음식물쓰레기 200부에 생석회 20부를 혼합교반을 하였을 때, 온도는 21℃에서 15분 후 40℃가 되었으며, 황산 28부를 주입하였을 때 온도는 93℃까지 상승하였고 이때 pH는 7.5이었으며 2시간 정도 지난 후 이를 배출하여 일정기간 교반부숙한 결과 퇴비성분 시험성적표는 표1의 내용과 같다.

[실시예3]

탈염한 음식물쓰레기 200부에 부엽토 141.7부를 혼합한 후 생석회 20부를 혼합하여 15분간 교반 하였을 때, 온도는 21℃에서 38℃까지 상승하였으며, 여기에 pH 7로 조정하기 위해 황산 28부를 주입하였을 때 온도는 100℃까지 상승하였고 이때 배출량은 261부로 수분 증발은 1.7부 정도였다. 이를 일정기간 교반부숙한 결과 퇴비성분 시험성적표는 표1의 내용과 같다.

[실시예4]

탈염한 음식물쓰레기 100부, 돈분 100부에 이탄 15부를 혼합한 후, 생석회 20부를 혼합하여 15분간 교반하였을 때, 온도는 20℃에서 38℃까지 상승하였으며 여기에 pH 7로 조정하기 위해 황산 28부를 가했을 때 온도는 93℃까지 상승하였고 2시간 정도 교반한 후 배출하여 일정기간 교반부숙한 결과 퇴비성분 시험성적표는 표1의 내용과 같다.

[실시예5]

탈염한 음식물쓰레기 100부, 돈분 100부에 이탄 10부, 톱밥 10부를 혼합한 후 생석회 20부를 혼합하여 15분간 교반하였을 때, 온도는 20℃에서 38℃까지 상승하였으며 이를 pH 7로 조정하기 위해 황산 28부를 주입하였을 때 온도는 93℃까지 상승하였고 2시간 정도 교반 후 배출하여 일정기간 교반부숙한 결과 퇴비성분 시험성적표는 표1의 내용과 같다.

[실시예6]

탈염한 음식물쓰레기 100부, 돈분 100부에 이탄 10부, 톱밥 10부를 혼합한 후 탄산칼슘(CaCO₃) 10부, 마그네사이트 5부, 인광석 5부를 주입하였을 때 온도변화는 거의 없었으며 여기에 황산을 40부 주입한 결과 30분 교반 후 온도는 80℃였으며, pH는 6.2이었다. 이를 배출하여 일정기간 교반부숙한 결과 퇴비성분 시험성적표는 표1의 내용과 같다.

표1. 생산퇴비의 분석표

[실시예7]

상기 실시예 1∼6에서 생산된 퇴비를 상추, 딸기, 배추에 시비테스트한 결과, 실시예 3∼6은 아주 양호한 성장을 하였으며, 실시예 2도 그런대로 양호하였으나 실시예 1은 성장속도가 약간 떨어지는 편이었다.

대부분 유기성 폐기물은 함수율이 높아 수분조절 및 팽윤제로 톱밥, 왕겨 등을 사용하였는데 톱밥, 왕겨의 비용이 고가이기 때문에 퇴비 판매비용의 2∼3배 정도 소요되어 전혀 경제성이 없었다. 또한, 음식물 쓰레기는 염분 농도가 높아 작물에 염해 현상을 야기시켜 성장을 둔화시키거나 심하면 고사한다.

또한, 토양의 SAR(Sodium Adsorption Ratio) 값이 높아 토양의 Ca⁺⁺, Mg⁺⁺와 치환되면서 토양의 입단구조를 단립화시켜 배수가 불량하면서 토양에 산소공급이 어려운 불량 토양이 되어 경작이 어려워지게 된다.

본 발명에서는 처리비용을 퇴비판매비 이하로 하여 경제성이 있으면서 Ca, Mg 등을 공급하여 SAR 값을 저하시켜 토양 개량효과를 가져오면서 양질의 퇴비를 생산함으로써 과거 퇴비생산 방법에 비해 일거삼득의 효과를 기대할 수 있다.

Claims

음식물쓰레기, 축산분뇨, 농·수산물폐기물, 하·폐수 슬러지, 도축장폐기물, 식품가공공장폐기물 등과 같은 유기성 폐기물을 이물질의 제거, 수용성 염분의 제거와 같은 전처리를 한 다음에 알칼리토금속이 함유된 광물의 분말이나 이를 소성한 분말과 팽윤제(膨潤劑)로서 이탄, 톱밥, 왕겨 등의 건조된 유기물을 주입하여 혼화기(6)에서 혼화기교반기(7)에 의해서 교반하면서 황산(H₂SO₄)을 공급하여 pH를 7 전후로 중화시켜 부숙조(11)에서 발효부숙(醱酵腐熟)되어 생산된 퇴비가 작물 및 토양에 염해(鹽害) 현상이 적으면서 SAR(Sodium Adsorption Ratio)값이 적은 퇴비를 생산하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법