KR100885929B1 - 임산 부산물을 이용한 유기성 폐기물 처리용 미생물 담체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기성 폐기물 발효용 미생물 담체에 관한 것으로서, 좀더 자세히는 염분농도와 함수율이 높은 우리나라 음식물 쓰레기의 특성에 맞게 설계된 발효 소멸화 시설에 사용되는 새로운 미생물 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

미생물 담체, 퇴비화 장치, 잣 외피, 호두 외피, 은행 외피, 미생물, 소멸화

Description

임산 부산물을 이용한 유기성 폐기물 처리용 미생물 담체 및 그 제조방법{Bio-media for microorganism using forest by-products and manufacturing method of the same}

본 발명은 유기성 폐기물 발효용 미생물 담체에 관한 것으로서, 좀더 자세히는 염분농도와 함수율이 높은 우리나라 음식물 쓰레기의 특성에 맞게 설계된 발효 소멸화 시설에 사용되는 새로운 미생물 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

우리나라의 음식물 쓰레기는 하루에 12,977톤이 발생하고 있으나, 이중 극히 일부만 가축사료나 퇴비 등으로 이용되고 나머지 대부분은 재활용되지 못하고 있다. 매립 처리되는 음식물 쓰레기는 침출수 등으로 인하여 환경오염을 유발하고 혐기성 분해되는 과정에서 발생하는 악취로 인간의 건강 및 위생에 직간접적으로 악영향을 끼치고 있다. 2005년 1월 이후 음식물 쓰레기 등의 직매립이 금지되었다. 음식물 쓰레기를 소각하면 높은 염분농도로 인하여 다이옥신이 발생할 가능성이 크기 때문에 인체에 치명적인 영향을 줄 수 있고 환경에 심각한 피해를 줄 수 있다. 따라서, 음식물 쓰레기의 재활용 및 감량화 필요성이 강조되고 있는 상황이다.

각 지자체별로 재활용 및 감량화를 목적으로 대규모의 음식물 쓰레기 처리시 설을 설치운영하고 있으나 수거 및 운반과정에서 발생하는 악취 문제와 퇴비 생산과정에서 발생하는 악취 등으로 인하여 민원이 끊임없이 발생하고 있다. 생산된 퇴비의 판로 부족 또한 문제가 되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 가정용 소형 퇴비화장치가 개발되고 있다. 가정용 퇴비화 장치는 건조, 건조-발효, 발효 등의 방법을 이용하여 가정 내에서 음식물 쓰레기를 감량화 또는 소멸시키는 시설로 가정용 퇴비화 장치 개발 업체들의 대부분이 건조 방법을 이용한 부피감소 방식의 장치를 가장 많이 제조하고 있다. 그러나 건조방식의 가정용 퇴비화 장치들은 80℃ 이상의 고온에서 건조가 이루어짐에 따라 과다한 전기 에너지가 소요되며 가정주부가 조작하는 과정에서 안전문제가 발생할 수도 있다. 또한 단순히 건조된 상태이기 때문에 매립 또는 기타 방식으로 재처리하는 과정에서 부패되면서 악취가 발생할 가능성이 매우 높다.

발효방식은 미생물을 이용하여 음식물 쓰레기를 생물학적으로 분해시켜 무기물화하는 방법으로 완전소멸을 지향한다는 측면에서 보통 "소멸화"라고 표현하기도 한다. 그러나 기존 발효방식이라고 표현되는 가정용 퇴비화 장치들은 완전 소멸화를 유도하지 못하고 건조가 주된 처리과정인 건조와 발효 혼합 방식을 따르고 있다. 그 이유는 발효(소멸화)에 주 역할을 수행하는 미생물의 활성도를 높이지 못하기 때문이다. 따라서 발효방식을 이용하는 가정용 퇴비화 장치의 경우 음식물 쓰레기의 소멸화를 유도하기 위해서는 미생물의 활성도를 극대화할 필요가 있다.

미생물의 활성도를 높이기 위한 방법으로 왕겨나 나무 조각 등에 미생물을 부착시킨 미생물 담체가 사용되고 있으나 쉽게 부서져 교체주기가 짧아지는 단점이 있다. 또한, 기존 미생물 담체들은 다공성이 부족하여 미생물이 충분히 부착되지 못한다. 또한 미생물 담체에 특허를 취득한 바실러스 계통의 단일 세균 또는 소수의 세균을 혼합하여 부착시킨 것은 소멸화 과정에서 공기 등을 통하여 유입된 자연계의 수많은 미생물 종과의 경쟁에서 도태되어 결국에는 우점종이 자연계의 미생물 혼합종과 동일한 상태로 바뀐다. 따라서, 다공성이 풍부하고 일정한 강도를 나타내며 처음부터 자연계의 미생물 혼합종과 유사한 다양한 종으로 구성된 복합 미생물을 이용하여 미생물 담체를 만드는 것이 더욱 효과적이다.

공개특허 제1998-40339호는 "식물 껍질 산분해물의 폐수 처리제로서의 용도 및 이를 이용한 폐수 처리 방법"에 관한 것으로서, 완두콩깍지, 볏짚, 보릿대, 사과 껍질, 잣껍질 등을 황산, 질산, 인산 또는 염산으로 45일간 처리하여 얻어지는 산분해물을 폐수에 투입하면 크롬, 아연, 구리, 납과 같은 유해 중금속 및 톨루엔, 벤젠, 페놀 등의 유해 유기 화합물을 제거하는 효과가 있다는 것이 개시되어 있다.

특허 제407077호는 "목질칩을 이용한 유기성 폐기물의 처리방법"에 관한 것으로서, 소나무, 잣나무 또는 삼나무로부터 나무 껍질을 박피하여 얻어진 목질칩을 음식 찌꺼기나 돈분뇨, 우분뇨와 같은 유기성 폐기물과 혼합, 교반하여 고온 호기 발효시키는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 상기 공개특허는 잣껍질의 산 분해물을 폐수 처리에 이용한 것이고, 상기 특허는 잣나무 목질칩을 이용한 것으로서, 잣 외피 자체를 미생물 담체로 이용한 사례는 없었다.

앞에서 살펴본 것처럼 본 발명은 음식물 쓰레기 처리를 위한 퇴비화 장치, 특히 가정용 퇴비화 장치와 관련한 기존의 문제점들을 해소하려는 것을 목적으로 한다. 건조방식을 채택한 종래 가정용 퇴비화 장치의 경우 건조에 필요한 고온을 유지하는 과정에서 에너지가 많이 요구되고 장치를 조작하는 과정에서 가정용 퇴비화 장치에서 유출되는 고온의 유출공기 등으로 인하여 인체손상 위험성이 존재한다. 일부 발효방식을 채택한 가정용 퇴비화 장치의 경우 미생물 담체로 사용되는 왕겨나 나무 조각을 자주 교체해 주어야 하므로 유지관리에 많은 손이 가고 효율이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 함수율과 염분농도가 높고 매운 우리나라의 음식물 쓰레기 특성에 맞추어 경제적이며 효율적인 미생물 담체를 제공하려는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 적절한 강도를 유지하면서도 경제적이며, 미생물을 잘 부착할 수 있는 담체를 얻기 위하여 다양한 재료를 이용하여 실험한 결과, 임산 부산물인 잣 외피, 호두 외피 또는 은행 외피 등을 분쇄하여 열처리한 미생물 담체를 발명하기에 이르렀다.

본 발명에서 사용되는 미생물 담체는 잣 외피, 호두 외피, 은행 외피 등의 임산 부산물을 열처리하여 생산된 것을 기반으로 하는 복합 담체로서, 왕겨나 나무 조각에 비하여 다공성이 크기 때문에 많은 미생물을 부착할 수 있고, 일정 정도 이상의 강도를 나타내어 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물의 처리효율을 높일 수 있다.

본 발명의 임산 부산물을 이용하여 제조한 미생물 담체는 퇴비화 장치로 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물을 고온발효할 때 임산 부산물에 존재하는 천연수지 성분이 용출되어 폐기물의 악취를 현저히 희석시키거나 저감하여 준다.

또한, 본 발명의 미생물 담체는 다공성이 풍부한 구조로서, 좀더 많은 미생물을 포착할 수 있어 발효 및 소멸화 효과가 뛰어나고, 악취물질을 포집할 수 있다.

또한, 본 발명의 미생물 담체는 임산 부산물인 잣 외피, 호두 외피 또는 은행 외피의 높은 경도로 인하여 장시간 사용 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 미생물 담체는 용도가 없이 폐기되던 임산 부산물을 이용함으로써 폐기물을 줄이고, 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물을 효과적이고 경제적으로 저감 및 소멸화할 수 있다.

미생물 담체는 일반적으로 환경 분야에서 매우 활발하게 사용되고 있다. 예를 들면, 대기오염 방지 분야에서는 특정 미생물을 바이오필터에 부착시킨 후 휘발성 유기 화합물(VOC's)을 제거한다. 또한 수질 분야에서는 질소나 인을 효과적으로 처리하기 위하여 활성탄소나 세라믹 담체에 미생물을 부착하여 하수 및 폐수에 넣 어서 오염물질을 제거한다. 이와 같은 미생물 담체로 사용되는 물질은 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 첫째, 무기물로 이루어진 담체 즉, 세라믹, 제올라이트, 규조토, 점토 등이 있다. 둘째, 유기물로는 우드칩 등의 목재나 다양한 종류의 고분자를 활용한 물질들이 담체로 사용된다. 셋째, 다양한 크기의 기공과 높은 비표면적을 갖는 활성탄소도 미생물 담체로 사용된다.

미생물 담체로 사용되기 위해서는 화학적/생물학적으로 안정된 물질일 것, 유해 물질을 포함하고 있지 않을 것, 강도 및 내마모성이 우수할 것, 수거한 후 처리가 용이하거나 재활용 가능할 것, 단위 부피당 표면적이 우수할 것, 가격이 저렴할 것 등의 조건들을 갖추어야 한다.

본 발명자들은 음식물 쓰레기 처리기에 사용될 수 있는 미생물 담체를 개발하기 위하여 다양한 종류의 물질을 사용하여 연구를 수행하였고, 그리하여 임산 부산물로 배출되는 잣 외피, 은행 외피나 호두 외피를 미생물 담체로 사용하는 것이 매우 효과적임을 발견하였다.

잣 외피, 호두 외피 또는 은행 외피를 이용한 미생물 담체의 특징은 첫째, 다른 용도 없이 버려지는 임산 부산물을 활용할 수 있기 때문에 가격이 저렴하고, 둘째, 파괴 강도가 매우 우수하다는 점이다. 잣 외피, 은행 외피 또는 호두 외피의 피괴 강도는 일반적인 활성탄소보다 우수하고, 세라믹 담체와 거의 비슷한 특성을 갖는다. 셋째, 잣 외피, 은행 외피 또는 호두 외피는 미생물이 부착되어 생활할 수 있는 유기물이라는 것도 매우 중요한 장점 중의 하나이다.

본 발명자들은 잣 외피, 은행 외피, 호두 외피를 다양한 온도에서 열처리함 으로써 담체의 피괴 강도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 이는 음식물 쓰레기 처리기에서 2-3개월 동안 음식물 쓰레기와 함께 건조되는 과정에서 부스러지거나 파괴되는 것을 방지한다. 열처리는 120~500℃ 범위에서 실시한다. 120℃보다 낮은 경우에는 원료 자체의 수분 함량 증발에 시간이 지나치게 많이 소요되며, 500℃를 넘으면 탄화되기 때문에 미생물 담체로서의 구조를 유지할 수 없고, 강도 또한 저하되어 바람직하지 않다. 120~380℃ 범위의 열처리가 바람직하며, 150~200℃에서 3~6시간 동안 열처리하는 것이 가장 바람직하다. 온도를 상기 상한선보다 더 높이는 것은 외피에 포함된 셀룰로오스가 파괴되어 강도 감소를 초래하였다. 온도가 지나치게 낮으면 미생물 담체 자체에 포함된 수분이 남아 있어서 담체의 진비중을 증가시킴으로써 음식물 쓰레기 처리장치에 부하가 더욱 많이 걸리는 단점이 있다.

또한, 본 발명의 미생물 담체의 원료가 되는 잣 외피, 은행 외피나 호두 외피는 상기와 같이 열처리한 후 미세하게 분쇄함으로써 표면적을 넓혀 미생물 담체로서의 효율을 높일 수 있다. 통상 1~5㎜ 입경으로 분쇄하는 것이 강도 면에서, 또한 미생물 담체로서의 기능 면에서 바람직하다.

음식물 쓰레기 처리기에 투입한 다음 2-3개월 후에 회수되는 미생물 담체는 모두 유기물이기 때문에 고형 연료화함으로써 미활용 에너지원으로 사용할 수 있다.

본 발명에서는 유기성 폐기물 중 특별히 음식물 쓰레기 처리 용도로 본 발명의 미생물 담체를 이용하는 것에 대하여 기재하였으나, 본 발명의 미생물 담체는 음식물 쓰레기 외에도 축분 등의 축산 폐기물을 비롯한 다양한 유기성 폐기물의 발 효 또는 소멸화 처리에 이용 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 좀더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 실시예의 기재에만 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

[실험예 1]

다공성 물질의 비표면적 측정은 BET 방법에 의한 비표면적과 Langmuir 방법에 의한 비표면적이 있는데, 일반적인 방법은 BET 비표면적 측정 방법이다. 시료를 100℃에서 2시간 동안 건조(전처리)한 후에 액체질소 온도인 77K에서 질소를 흡착/탈착시키면서 기공의 표면적을 측정한다. 측정 압력 구간은 일반적인 경우, 상대압력 0.05~0.3 범위이다. 이 조건에서 측정된 값을 보통 BET 비표면적이라고 한다.

건조하지 않은 잣 외피 및 180℃로 5시간 동안 열처리한 잣 외피에 대하여 각각 상기 설명한 BET 비표면적 측정 방법으로 상대압력 0.05~0.3으로 비표면적을 측정하였다. 그 결과 열처리하지 않은 잣 외피는 1.2㎡/g, 열처리한 잣 외피의 경우 57.0㎡/g의 비표면적을 나타내었다.

[실시예 1]

잣 열매가 제거된 잣 외피를 건조기에 투입하여 180℃로 5시간 동안 열처리하였다. 열처리된 잣 외피는 입경 4㎜로 분쇄하였다.

[실시예 2]

소멸형 가정용 퇴비화 장치에 음식물 쓰레기 700g을 투입하고 잣 외피를 열처리하여 제조된 실시예 1의 미생물 담체를 500g 첨가한 후 하루에 8시간 70~80℃ 고온에서 발효과정을 진행하였다. 교반은 10~30rpm의 속도로 약 3분간 정회전, 그리고 30초간 정지, 30초간 역회전, 30초간 정지 순으로 진행되었으며, 투입 미생물은 시판 미생물을 사용하였으며 처음 음식물 쓰레기 투입시 20g을 투여하였다. 8시간 가동 후 고온에서의 운전과정은 멈추었으며, 다음날 음식물 쓰레기 700g을 소멸형 가정용 퇴비화 장치에 재투입한 후 고온에서의 발효과정을 다시 8시간 진행하였다. 이러한 고온에서의 발효과정을 모두 4일 이상 진행하였다.

[실시예 3]

잣 외피를 이용하여 생산된 미생물 담체의 입자크기 및 음식물 쓰레기 투입량을 제외한 모든 조건은 상기 실시예 1과 동일하게 하였다. 열처리된 잣 외피를 입경 2㎜로 분쇄하여 미생물 담체를 얻은 후 실시예 2와 동일하게 실시하였다.

[비교예 1]

상기 실시예 1 또는 실시예 3의 미생물 담체 대신 일반 열풍건조형 가정용 퇴비화 장치에서 수분조절제로 사용되는 가로×세로 각 4×4㎟인 참나무 우드칩을 사용하였고, 음식물 쓰레기 투입량을 제외한 다른 조건은 모두 상기 실시예 2와 동일하게 실시하였다.

[비교예 2]

미생물 담체를 가하지 않고, 가정용 퇴비화 장치에 음식물 쓰레기만 가한 후 열풍건조 운전하였으며 음식물 쓰레기 투입량을 제외한 다른 조건은 모두 상기 실시예 2와 동일하게 실시하였다.

아래 표 1, 2, 3, 4는 각각 무담체(비교예 2), 우드칩(비교예 1), 본 발명의 미생물 담체(실시예 2), 본 발명의 미생물 담체(실시예 3)를 이용하여 실시한 음식물 쓰레기 발효 및 소멸 결과를 나타내는 것이다. 각 표에서 처리조 항목은 새로운 음식물 쓰레기 투여 이전에 처리조에서 처리 중인 음식물 쓰레기의 양을 의미한다. 처리효율(%)은 (투입량-잔존량)/투입량×100에 의하여 얻어진 값이다.

	투입량(㎏)	처리조(㎏)	잔존량(㎏)	처리효율(%)
1회	0.634	0.149	0.149	76.5
2회	1.000	0.330	0.181	81.9
3회	1.001	0.523	0.193	80.7
4회	1.000	0.724	0.201	79.9
소계	3.635		0.724	79.8

	투입량(㎏)	처리조(㎏)	잔존량(㎏)	처리효율(%)
1회	0.700	0.655	0.100	85.7
2회	0.700	0.783	0.128	81.7
3회	0.700	0.954	0.171	75.6
4회	0.700	1.074	0.120	82.9
소계	2.800		0.519	81.5

	투입량(㎏)	처리조(㎏)	잔존량(㎏)	처리효율(%)
1회	0.330	0.686	0.066	80.0
2회	0.256	0.753	0.067	73.8
3회	0.250	0.821	0.068	72.8
4회	0.270	0.872	0.051	81.1
소계	1.106		0.252	76.9

	투입량(㎏)	처리조(㎏)	잔존량(㎏)	처리효율(%)
1회	0.700	1.616	0.116	83.4
2회	0.700	1.719	0.103	85.3
3회	0.700	1.779	0.060	91.4
4회	0.700	1.892	0.113	83.9
소계	2.800		0.392	86.0

위의 표를 보면 소멸형 가정용 퇴비화 장치에 필요한 경제적이고 효율적인 미생물 담체를 개발하기 위한 실험 결과 잣 외피를 열처리하여 생산된 것을 기반으로 하는 본 발명의 미생물 담체의 효과가 가장 높은 것으로 나타났다. 소멸형 가정용 퇴비화 장치를 평균 8시간/일 가동 후 투입된 음식물 쓰레기의 처리효율을 비교한 결과, 미생물 담체를 사용하지 않고 단순 열풍 건조만 실시한 경우(이하 "무담체")에는 음식물 쓰레기의 처리효율이 평균 79.8%였으며, 기존의 수분조절제로 사용되는 우드칩을 사용한 경우(이하 "우드칩")에는 음식물 쓰레기의 처리효율이 81.5%로 무담체를 사용한 경우에 비하여 효율이 조금 좋은 것으로 나타났다. 본 발명에서 개발한 잣 외피를 열처리하여 생산된 것에 미생물을 첨가하여 생산된 미생물 담체의 경우 86%의 처리효율을 나타내어 기존에 판매되고 있는 무담체로 운영하는 단순 열풍건조방식보다는 7.2%, 우드칩을 첨가하여 수분조절을 할 수 있도록 만들어진 경우보다는 5.2% 이상 처리효율이 향상되었다. 처리 후 배출되는 잔존물의 색의 경우에도 지자체에서 재활용 및 감량화를 목적으로 운영하고 있는 대규모의 음식물 쓰레기 처리시설에서 생산되는 퇴비의 색과 동일한 흑갈색을 띠는 것으로 나타났다. 일반적으로 대형 퇴비화시설에서 최종 생산된 퇴비가 생물학적으로 분해되어 안정화되면 생산되는 퇴비의 색이 흑갈색을 띠는 것으로 문헌에 보고되고 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 다공성이 풍부한 잣 외피나 호두 외피를 열처리하여 생산된 것을 기반으로 하여 생산한 담체에 많은 수의 미생물을 부착시킴으로 해서 음식물 쓰레기의 완전 소멸화를 이룰 수 있는 미생물 담체이다. 이상에서 가정용 퇴비화 장치에 사용되는 미생물 복합 담체에 대하여 설명하였으나 담체에 부착되는 미생물의 종류나 수 그리고 복합 담체를 만들기 위한 잣 외피를 열처리하여 생산된 것의 혼합비, 입자크기 등은 발명자에 의해 다양한 변형 또는 변경이 가능하므로 이러한 변형 또는 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 각각 무담체, 우드칩 담체, 본 발명의 미생물 담체(입경 4㎜, "ECO-A"), 본 발명의 미생물 담체(입경 2㎜, "ECO-B")를 이용하여 음식물 쓰레기 처리기를 작동한 후 얻어진 최종 산물의 사진이다.

도 2는 상기 도 1의 결과를 그래프로 정리한 것이다. "건조"는 담체를 넣지 않고 처리한 것, "ECO-A"는 평균 입경 4㎜인 본 발명의 미생물 담체, "ECO-B"는 평균 입경 2㎜인 본 발명의 미생물 담체를 나타낸다.

Claims (5)

1. 잣 외피, 호두 외피 및 은행 외피로 이루어진 그룹 중 선택되는 1종 이상의 임산 부산물을 120~500℃로 열처리하여 1~5㎜ 입경으로 파쇄하여 얻어지는 유기성 폐기물 발효용 미생물 담체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열처리는 120~200℃로 처리하는 것을 특징으로 하는, 유기성 폐기물 발효용 미생물 담체.
3. 제1항에 있어서,

   상기 미생물 담체는 입경 2~3㎜인 것을 특징으로 하는, 유기성 폐기물 발효용 미생물 담체.
4. 잣 외피, 호두 외피 및 은행 외피로 이루어진 그룹 중 1종 이상을 선택하는 단계;

   상기 선택된 임산 부산물을 120~500℃로 열처리하는 단계;

   상기 열처리한 임산 부산물을 1~5㎜ 입경으로 파쇄하는 단계;를 포함하는 유기성 폐기물 발효용 미생물 담체 제조방법.
5. 잣 외피, 호두 외피 및 은행 외피로 이루어진 그룹 중 선택되는 1종 이상의 임산 부산물을 120~500℃로 열처리하여 1~5㎜ 입경으로 파쇄하여 얻어지는 유기성 폐기물 발효용 미생물 담체를 유기성 폐기물과 함께 가열, 교반하여 유기성 폐기물을 처리하는 방법.

Images