KR101009713B1 - 혐기소화조를 이용한 음식물 탈리액 정화방법 - Google Patents

혐기소화조를 이용한 음식물 탈리액 정화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혐기소화조를 이용한 음식물 탈리액 정화방법에 관한 것으로, 상세하게는 음식물 탈리액을 혐기소화조로 투입하고, 상기 혐기소화조로부터 소화액을 수거하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 수거된 소화액을 킬레이트 반응시키는 단계(단계 2); 상기 단계 2의 킬레이트 반응이 수행된 소화액을 1차 여과하는 단계(단계 3); 상기 단계 3의 여과액에서 암모니아 가스를 제거하는 단계(단계 4); 상기 단계 4에서 암모니아 가스가 제거된 여과액을 2차 여과하는 단계(단계 5); 상기 단계 5의 여과액에 황산을 첨가하여 침전물을 생성시키는 단계(단계 6); 및 상기 단계 6에서 침전물이 생성된 여과액을 3차 여과하는 단계(단계 7)를 포함하는 음식물 탈리액 정화방법을 제공한다. 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법은 혐기소화조를 이용하여 음식물 쓰레기로부터 바이오 가스를 생산할 수 있는 효과가 있으며, 높은 BOD를 나타내는 혐기소화조 소화액을 정화하여 방류함으로써 수질오염문제를 해결하는 효과가 있다.

Description

혐기소화조를 이용한 음식물 탈리액 정화방법{Treatment method of food waste leachate by anaerobic digestion device}
본 발명은 혐기소화조를 이용하여 음식물 탈리액을 정화하는 방법에 관한 것이다.
한 해에 우리나라에서 발생되는 음식물쓰레기의 양은 2004년도 기준으로 약 410만 톤이며, 하루에 발생되는 음식물쓰레기의 양은 약 11,000톤으로 8톤 트럭 1400여대 분에 해당한다. 이와 같은 엄청난 양의 음식물 쓰레기는 사회적 문제로 주목받고 있으며, 음식물 쓰레기를 처리하는 방안이 요구되고 있는 실정이다. 하지만 80% 정도의 수분과 20% 정도의 유기성 물질로 구성된 음식물 쓰레기는 처리과정시 발생되는 다량의 음식물 탈리액이 발생하며, 상기 음식물 탈리액은 생물학적산소요구량(BOD)이 6만 ppm 내지 10만 ppm 정도로 매우 높아 수질오염의 중요한 원인이 되고 있다.
음식물쓰레기의 처리방법은 사료화, 퇴비화, 고체연료화, 소각 등으로 구분할 수 있다.
사료화하는 방법은 수분을 함유한 음식물쓰레기를 건조 처리하여 기존의 배합사료의 일부를 대체하는 방법이다. 하지만 음식물 쓰레기 내의 고염분과 다량의 향신료 때문에 가축의 위장장애, 설사 등을 유발할 수 있어 사료로서의 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.
퇴비화하는 방법은 음식물 쓰레기를 퇴비로 재활용하는 방식이다. 하지만 매일 또는 수일 간격으로 배출되는 음식물 쓰레기를 매번 발효시키기 번거로운 문제점이 있으며, 실수요자가 근처에 있지 않고 교통이 복잡한 도심지에서는 그 처분이 어려운 문제점이 있다.
음식물 쓰레기를 고체화(Refuse Derived Fuel, RDF)하는 방법은 음식물 쓰레기 내의 열에너지를 이용하여 고체연료로 재활용하는 방식이다. 하지만 음식물 쓰레기 내에 다량 함유된 수분의 제거비용 및 압축성형비용 등이 높은 문제점이 있으며, 에너지 효율 또한 낮아 실용화되기 어려운 문제점이 있다.
음식물 쓰레기를 소각하는 경우에는 약 80%의 수분을 함유하는 음식물 쓰레기를 소각시 비용이 많이 소비되는 문제점이 있으며, 다이옥신 등의 오염물질이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
많은 수분을 함유한 음식물 쓰레기를 효과적으로 처리하기 위하여 음식물 쓰레기 내의 수분, 즉 탈리액과 고형분을 제거한 후 처리되는 방법이 사용되고 있으나, 분리해낸 탈리액의 높은 BOD 수치와 잔류 유기물로 인하여 탈리액의 처리가 곤란한 문제가 있다. 현재 음식물 탈리액을 처리하는 방법으로는, 선박을 이용하여 해상에 직접 해양 투기하는 방법과 통상의 폐수처리설비를 이용하여 수 처리하는 방법이 있다.
하지만 음식물 탈리액을 해양투기하는 경우 탈리액에 함유된 다량의 유기성 물질에 의해 해상에서 각종 환경오염을 유발시킬 수 있으며, 바다의 생태계를 파괴하는 심각한 문제점이 있다. 또한 2012년 1월부터는 해양 투기가 전면 금지되므로 이에 대한 안정적 처리 기술의 개발이 시급히 요구된다.
또한, 폐수 처리 시설을 통해 처리하는 방법은 오폐수 처리장과 연계하여 위탁 처리하거나, 미생물을 이용하여 호기 또는 혐기의 방법으로 처리하는 방법이 있지만 고가의 처리비용 및 처리장치로 인하여 보급화가 어려운 문제점이 있다.
최근에는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 각종 장치 및 방법이 개발되고 있으며, 이에 따라 각 가정이나 음식업소에 별도로 설치될 수 있는 소형장치 및 각 지역별로 수거된 음식물 쓰레기를 처리할 수 있는 대용량장치가 다양한 형태로 개발되어 보급되고 있다. 하지만 현재의 처리장치는 초기 설치비용이 고가인 문제점이 있어 보급이 원활히 이루어지지 않고 있는 실정이다.
음식물 탈리액에 잔류한 유기물을 제거하기 위하여 많은 시도들이 수행되어졌으며, 특히 압력펌프를 이용하여 필터에 고압을 가해 고액을 분리하는 필터 프레스장치는 탈수된 고형물의 함수율이 월등히 낮고, 탈리액이 깨끗하며, 고형물질 포획능력이 뛰어나며 운전이 편리하다는 장점이 있지만, 음식물 쓰레기 슬러지의 특성상 응집을 제대로 하지 않은 상태로 여과할 경우 고형물의 탈수 불량, 필터의 막힘 및 잦은 필터 세척의 문제로 원활한 고액분리가 어려운 문제점이 있고, 고가인 필터 교체주기가 매우 빨라 현실적으로 채택하기에는 경제적 부담과 관리의 어려움이 크고 법적 방류기준을 맞추는데 어려움이 많은 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-0762118호에는 음식물쓰레기, 축산분뇨 등의 폐기물을 응집제를 통하여 유기물을 응집하고, 응집물을 특수필터를 통하여 고액분리하는 슬러지 처리방법이 개시되어 있다. 하지만, 특수필터 상부에 잔류하는 응집물 제거 시 필터 청소가 곤란한 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0949149호에는 음식물 탈리액의 유분을 부상분리조를 통하여 제거하고 응집제를 통하여 유기물을 응집하며, 상기 음집물을 부상분리조에서 고액분리함으로써 처리수의 수질을 개선하는 음식물 탈리액 처리방법이 개시되어 있다. 하지만 부상분리조를 통하여 부유하는 유기물을 제거하는 것만으로는 탈리액 내 유기물을 완전히 분리해내기 어려운 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 막을 이용하여 음식물 탈리액를 여과하되 필터의 막힘현상이 발생하지 않으며 고농도 유기물, 질소성분 및 부유물질을 대부분 정화할 수 있어 음식물 탈리액을 배출수 기준을 만족하는 깨끗한 수질로 정화할 수 있는 음식물 탈리액 정화방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 혐기소화조를 이용한 음식물 탈리액 정화방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 음식물 탈리액을 혐기소화조로 투입하고, 상기 혐기소화조로부터 소화액을 수거하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 수거된 소화액을 킬레이트 반응시키는 단계(단계 2); 상기 단계 2의 킬레이트 반응이 수행된 소화액을 1차 여과하는 단계(단계 3); 상기 단계 3의 여과액에서 암모니아 가스를 제거하는 단계(단계 4); 상기 단계 4에서 암모니아 가스가 제거된 여과액을 2차 여과하는 단계(단계 5); 상기 단계 5의 여과액에 황산을 첨가하여 침전물을 생성시키는 단계(단계 6); 및 상기 단계 6에서 침전물이 생성된 여과액을 3차 여과하는 단계(단계 7)를 포함하는 음식물 탈리액 정화방법을 제공한다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법은 혐기소화조를 이용하여 음식물 쓰레기로부터 바이오 가스를 생산할 수 있는 효과가 있으며, 높은 BOD를 나타내는 혐기소화조 소화액을 정화하여 방류함으로써 수질오염문제를 해결하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 정화방법을 개략적으로 나타낸 것이고;
도 2는 본 발명의 정화방법을 수행하는 혐기소화조의 개략도이고;
도 3은 본 발명의 정화방법을 위한 적정이 수행된 그래프이고;
도 4는 본 발명의 정화방법이 단계 별로 수행됨에 따른 소화액의 변화를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 음식물 탈리액을 혐기소화조로 투입하고, 상기 혐기소화조로부터 소화액을 수거하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 수거된 소화액을 킬레이트 반응시키는 단계(단계 2);
상기 단계 2의 킬레이트 반응이 수행된 소화액을 1차 여과하는 단계(단계 3);
상기 단계 3의 여과액에서 암모니아 가스를 제거하는 단계(단계 4);
상기 단계 4에서 암모니아 가스가 제거된 여과액을 2차 여과하는 단계(단계 5);
상기 단계 5의 여과액에 황산을 첨가하여 침전물을 생성시키는 단계(단계 6); 및
상기 단계 6에서 침전물이 생성된 여과액을 3차 여과하는 단계(단계 7)를 포함하는 음식물 탈리액 정화방법을 제공한다. 상기 음식물 탈리액 정화방법을 도 1에 개략적으로 나타내었다.
이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 있어 상기 단계 1은 음식물 탈리액을 혐기소화조로 투입하고, 상기 혐기소화조로부터 배출되는 소화액을 수거하는 단계이다. 상기 단계 1에서 음식물 탈리액을 혐기소화조로 투입함으로써 약 120,000 수준의 높은 BOD 수치를 나타내는 음식물 탈리액을 약 18,000 수준까지 BOD를 낮출 수 있다.
또한, 상기 단계 1에서 음식물 탈리액을 혐기소화조로 투입함으로써 다량의 바이오 가스를 생산할 수 있는 효과가 있다. 본 발명자가 출원하여 등록받은 대한민국 등록특허 제936540호에 기재된 혐기소화조에 음식물 탈리액을 투입하는 경우 100 Nm3/ton 이상의 바이오가스가 생산되며, 이를 통해 음식물 탈리액의 BOD를 낮춤과 동시에 바이오가스를 생산하는 효과가 있다. 단계 1에서 사용되는 혐기소화조의 일 구체예를 도 2에 나타내었다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 있어 단계 2는 상기 단계 1에서 수거된 소화액을 킬레이트 반응시키는 단계이다. 상기 단계 2의 킬레이트 반응은 생석회와 폴리황산철(Fe2(SO4)3)을 첨가함으로써 수행되며, 소화액에 첨가할 생석회와 폴리황산철(Fe2(SO4)3)의 적절량을 확인하기 위하여 수산화나트륨 및 폴리황산철을 이용하여 적정을 수행하는 것이 바람직하다. 단계 2에서 상기 적정을 통해 계산된 양으로 생석회 및 폴리황산철(Fe2(SO4)3)을 순차적으로 소화액에 투입하게 되면 산, 염기반응에 의해서 반응이 촉진되고 1시간 이내로 3가의 킬레이트 반응이 형성되며 높은 분자량을 나타내는 킬레이트 미네랄로 인하여 여과효율이 극대화되는 효과가 있다.
상기 단계 2에 있어서 킬레이트 미네랄을 생성하는 방법을 이하에서 상세히 설명한다.
소화액 내의 탄수화물 성분은 CO2와 메탄가스로 대부분 소화되었지만, 미분해 단백질 등이 소화액 내에 존재하는 상태이다. 이들 중 총 질소(T-N)와 관련된 성분으로는 각종 단백질, 펩타이드 및 아미노산 성분들을 들 수 있다. 이러한 질소원들의 제거는 본 발명에 따른 단계 2에 의해서 킬레이트 미네랄을 형성함으로써 효과적으로 필터에 막힘 현상 없이 제거될 수 있다. 이하, 아미노산에 대해 예를 들어 설명한다.
일반적인 아미노산의 기본 구조식과 단백질의 N-말단은 등전점에서 하기 구조식 1과 같이 나타낼 수 있다.
<구조식 1>
Figure 112010072049502-pat00001

본 발명에 따른 킬레이트 미네랄은 상기 구조식 1과 같은 아미노산 2당량에 황산철 수용액으로 부터 형성되는 금속분자 Fe2 +가 아미노산의 카르복실기(COO-) 및 아미노기(NH2)기와 이온결합 및 배위결합을 하여 이루어지며, 형성된 킬레이트 미네랄의 구조는 하기 구조식 2와 같다.
<구조식 2>
Figure 112010072049502-pat00002

상기 구조식 2의 킬레이트 미네랄은 COO- 기와 Fe2 + 이온이 2:1로 서로 이온결합을 형성하고, 상기 구조식에서 화살표로 나타낸 바와 같이 Fe 분자에 Ca(OH)2에 의해 수소를 잃게된 아미노기(NH2)가 고립전자쌍을 형성하여 이온결합하고 있는 금속분자에 전자를 주게 되는 배위결합을 형성하게 된다. 반면 시중에서 판매되고 있는 폴리황산제2철은 Fe2(SO4)3로써 3가 철이므로 구조식3과 같은 결합을 형성한다.
<구조식 3>
Figure 112010072049502-pat00003

본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 있어 단계 2에서 첨가되어진 생석회(CaO)는 소화액 중 아미노산과 단백질의 N-말단의 아미노기로부터 수소를 받아들이면서 Ca2+ + 2H2O를 형성하게 된다. 이때 소화액으로 폴리황산철(Fe2(SO4)3)을 첨가하게 되면 소화액 중 아미노산이 Fe3+ 이온과 이온결합 및 배위결합을 하게 되고 SO4 2-기는 상기 Ca2+ 이온과 결합하여 CaSO4가 된다. 상기 CaSO4는 석고성분으로써 Fe 킬레이트 미네랄과 함께 여과효율이 향상되게끔 침강반응을 하게 된다.
상기 반응과정 중 폴리황산철(Fe2(SO4)3)을 첨가하기 전 Ca 킬레이트 미네랄이 형성될 수 있으나, 폴리황산철(Fe2(SO4)3)과 황산철(FeSO4·H2O)이 첨가되어지면 Fe 킬레이트미네랄 형성이 Ca킬레이트 미네랄보다 더욱 강력하게 이루어진다.
아미노산 중 메티오닌을 리간드로 사용할 때, 강력하게 킬레이트 반응을 보이며 침강하는 금속의 순서는 Cu>Zn>Fe>Mn>Co>Cr>Mg>Ca로써 이 중 Mg, Ca은 킬레이트 결합을 유도하여 필터로써 수확되어지지 않는 금속류이다. 종래기술에서는 Ca를 사용하여 유기물을 침강시키고 필터링함으로써 필터에 걸리지 않고 통과하는 아미노산이나 펩타이드가 많았으며, 이로 인해 여과액의 BOD가 높은 문제점이 있었다. 또한, 가장 강력하게 킬레이트 반응을 보이며 침강하는 Cu는 가장 여과가 잘되는 효과가 있지만, 만약 Cu 이온이 여과액으로 빠져나갈시 수질오염 문제를 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에서는 가장 안전한 Fe 금속을 사용하여 소화액의 정화를 수행하며, 이를 통해 종래의 Na 혹은 Ca를 사용하였을 때 발생했던 여과액에 BOD성분이 상당량 통과하는 문제점 및 공해문제를 해결할 수 있다.
일반적인 아미노산 킬레이트 미네랄의 구조식은 상기 구조식 2와 유사하며, 펩타이드 또는 단백질의 킬레이트는 아래 구조식 4과 같은 아미노산 폴리머 리간드에 형성된다.
<구조식 4>
Figure 112010072049502-pat00004
한편, 상기 단계 2의 적정 및 킬레이트 반응에 사용되는 폴리황산철은 정화되어야할 소화액의 투입량에 따라 적절하게 조절하여 사용할 수 있다. 만약 소화액 투입량에 비하여 첨가되는 폴리황산철의 양이 부족한 경우에는 유기물과의 킬레이트 반응이 부족하여 용해성 아미노산이 필터를 통과하게 되며, 이에 따라 저농도의 BOD여과액을 만들 수 없고 필터가 막히는 문제점이 있다. 또한 소화액 투입량에 비하여 과도한 양의 황산철이 첨가되는 경우 Fe이온이 과잉이 되므로 탈수 후 시간이 경과됨에 따라 철이온이 산화되어 용액의 상층부에 붉은색 산화철 잔류물이 형성되는 문제점이 있다.
상기 폴리황산철(Fe2(SO4)3)의 첨가량은 단계 2에서 투입된 생석회(CaO) 양과 소화액내의 아미노산 및 단백질의 N-말단의 수와 상관관계가 있기 때문에 적절한 첨가량을 찾아내기가 어려운 문제점이 있다. 하지만 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법은 아미노산의 pK 2값에 착안하여 pH 적정을 수행하였고, 최적의 첨가량을 찾아내어 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법을 수행한다. 상세한 적정방법은 하기 실험예에 나타내었다.
상기 단계 3는 단계 2까지 수행된 소화액을 여과하는 단계이다. 상기 단계 3의 여과는 일반적으로 사용되는 여과방법 및 장치를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 필터프레스를 통하여 수행된다. 이는 가장 기본적인 여과법을 사용하여도 본 발명의 정화방법이 수행된 소화액의 여과가 원활하게 이루어지는 것을 의미한다.
상기 단계 3의 여과는 단계 2에서 생성된 킬레이트 미네랄에 의해 더욱 원활하게 수행된다. 상기 킬레이트 미네랄은 아미노산, 단백질 등을 포함하는 3당량의 유기물과 금속분자가 결합하여 킬레이트 반응 이전보다 더욱 큰 분자량을 가지게 된다. 따라서 상기 킬레이트 미네랄은 필터상의 여과구멍을 막지 않을 정도의 크기를 유지하면서 용이하게 여과되며, 그 결과 단계 3의 여과를 통해 유기물과 수분의 분리가 수행된다.
또한, 상기 단계 2에서 첨가된 생석회(CaO)의 Ca와 첨가된 폴리황산철(Fe2(SO4)3)의 SO4 2-는 서로 반응하여 CaSO4의 석고성분을 형성하게 된다. 종래기술에서는 수산화나트륨(NaOH)을 사용하므로 Na2SO4 또는 NaCl이 생성되었고, 상기 Na2SO4의 경우 여과액과 함께 필터를 통과하게 되므로 방류수 수질을 악화시키게 되는 문제점이 있었다. 하지만 단계 3의 여과에 있어 상기 CaSO4는 필터에 잔류하게 되어 여과효율을 더욱 향상시키고 기존의 수질 악화 문제점을 해결하는 효과가 있다.
단계 3의 여과에 의해 필터 상부에 잔류하는 잔류물은 비료생산에 사용될 수 있다. 상기 잔류물은 유기물이 다수 포함된 물질로써 비료생산에 재활용하여 환경오염 문제를 해결함과 동시에 농민들의 비료값 부담을 경감하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 있어서 단계 4는 상기 단계 3의 여과액에서 암모니아 가스를 제거하는 단계이다. 이때 상기 단계 4의 암모니아 제거는 과량의 생석회를 첨가하여 수행되며, 이를 통하여 암모니아성 질소(NH₄+-N)를 NH3로 탈기시켜 전체 유기물 질소량(T-N) 대부분을 제거할 수 있으며, 경우에 따라 방출수 기준보다 완연히 낮은 수준의 전체 유기물 질소량까지 처리할 수 있다.
또한, 단계 4에서 제거되는 암모니아 가스는 포집되어 단계 3의 여과 잔류물과 혼합되어 비료생산에 사용될 수 있다. 이를 통하여 악취를 유발하는 암모니아를 제거함과 동시에 비료를 생산할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 있어서 단계 5는 상기 단계 4에서 암모니아가스가 제거된 여과액을 2차 여과하는 단계이다. 단계 5에서 여과액을 2차 여과함으로써 과잉의 CaOH2를 여과하고 재이용할 수 있다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 있어서 단계 6은 상기 단계 5에 의해 여과된 여과액으로 황산을 첨가하여 침전물을 생성시키는 단계이다. 단계 6에서 황산을 첨가하게 되면 상기 단계 5의 여과액에 남아있는 유리칼슘 Ca2+ 이온과 황산의 SO4 2- 이 반응하게 된다. 이에 따라 여과액에 잔류하는 Ca2+ 이온으로부터 CaSO4 침전물을 생성시킬 수 있다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 있어서 단계 7은 상기 단계 6에서 생성된 침전물을 분리하기 위하여 3차 여과하는 단계이다. 단계 7의 여과를 통해 더욱 여과액을 정화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법은 상기 단계 7의 3차 여과액으로 활성탄을 첨가하여 정화하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 활성탄 첨가를 통해 3차례의 여과를 수행하며 정화된 여과액을 더욱 정화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 활성탄을 첨가하는 단계가 더 포함되는 경우 생물학적 산소 요구량 및 부유물질 농도를 99% 이상 낮출 수 있어 여과액을 공정수, 농업용수 등으로 이용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법을 종래의 기술들과 종합하여 비교하여보면,
종래의 기술 중 수산화나트륨을 이용하여 NH₄+-N를 NH3로 탈기시키는 방법은 Na+ 이온이 불용성 아미노산 또는 펩타이드를 수용성으로 만들어 아미노산 또는 펩타이드가 필터를 통과하게 되고, 이로 인하여 여과액에 BOD를 낮추는 기능을 수행할 수 없는 문제점이 있다. 즉, 아미노산이나 단백질이 나트륨과 반응하면 용해도가 높아지는 특징이 있기 때문에 BOD를 낮출 수가 없게 된다.
하지만 본 발명에서는 생석회를 사용하여 암모니아를 제거함으로써 상기의 문제점을 해결하고 여과액에 포함될 무기물을 CaSO4화하여 여과함으로써 여과액의 BOD를 낮춰 수질을 향상시키는 효과가 있다.
한편 종래의 기술 중 침강법에 사용되었던 CaO, Ca(OH)2, FeCl2 방식은 CaO, Ca(OH)2를 단독으로 쓰거나 FeCl2를 복합적으로 쓰는 방법으로, FeCl2를 먼저 사용하고 Ca(OH)2로 중화하는 방법이다. 하지만 종래기술은 용존 NH4 +-N 제거 효율을 향상시키지 못하는 문제점이 있다.
또한 CaO, Ca(OH)2를 단독으로 사용하는 경우 NH4 +-N가 NH3로 반응하면서 칼슘킬레이트미네랄이 형성될 수 있다. 상기의 칼슘킬레이트미네랄은 여과되지 않는 킬레이트 미네랄로써 여과 시 필터를 통과하게 되는 문제점이 있다.
하지만 본 발명에서는 종래 기술들의 문제점들을 보안하고 결과론적으로 가장 단순하면서 빠르고 효과적인 처리공정을 완성하였다.
이하, 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.
그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 음식물 탈리액의 정화
단계 1: 혐기소화조로 음식물 탈리액을 30ton/day의 양으로 25일간 공급하여 바이오가스 평균 3,000Nm3/일, 총 7만5천 Nm3를 생산하였으며, 상기 혐기소화조로부터 유기물 량이 85%이상 감소된 소화액을 수거하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 수거된 탈리액 유래 소화액 13 ton을 반응조에 투입하고 교반하였으며, 균질도를 확보한 상태에서 생석회 274.3 kg을 첨가하였고 30분 후 폴리황산철 1279.2 kg을 첨가하여 킬레이트 반응을 일으켰다.
단계 3: 상기 단계 2의 킬레이트 반응이 수행된 소화액을 필터프레스를 통하여 여과하였다.
단계 4: 상기 단계 3의 여과액을 2차 반응조에 넣고 과량의 생석회를 첨가하여 암모니아 가스를 제거하였다.
단계 5: 상기 단계 4에서 암모니아 가스가 제거된 여과액을 필터프레스를 통해 2차 여과하였다.
단계 6: 상기 단계 5에서 2차 여과된 여과액의 pH가 7이 될 때까지 황산을 첨가하여 CaSO4 침전물을 생성시켰다.
단계 7: 상기 단계 6의 여과액을 필터프레스를 통해 3차 여과하여 음식물 탈리액을 정화하였다.
<실시예 2> 활성탄을 이용한 음식물 탈리액의 정화
본 발명에 따른 실시예 1의 단계 7의 3차 여과 후 활성탄을 통하여 여과액을 더욱 정화한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 음식물 탈리액을 정화하였다.
<실험예 1> 음식물 탈리액 BOD검사(도드람수질연구소 의뢰)
본 발명에 따른 실시예 1의 단계 1에서 수거된 소화액과 혐기소화조에 투입하기 전의 음식물 탈리액에 대하여 도드람수질연구소에 수질분석을 의뢰하였고 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
표 1에 나타낸 바와 같이 BOD 및 휘발성 고형물량(VS, Volitile Solids)의 수치가 혐기소화조로 유입되기 전보다 80% 이상 감소되는 것을 알 수 있었다. 이를 통하여 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법이 혐기소화조로 바이오 가스를 생산함과 동시에 BOD 및 휘발성 고형물량과 같은 수질항목 수치를 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
구 분 유입수(mg/L) 방출수(mg/L) 분해율(%)
BOD 126,840 18,120 85.7
휘발성 고형물량
(Volitile Solids)
145,888
24,822
83
<실험예 2> 소화액 적정실험
(1)수산화나트륨을 통한 적정
본 발명에 따른 실시예 1의 단계 1에서 수거된 소화액 1L와 물 1L를 비이커에 넣고 교반하였으며, 상기 소화액에 40% 수산화나트륨수용액을 1mL씩 첨가하며 pH의 변화를 pH meter를 통해 측정하였다. 상기 적정의 결과는 표 2 및 도 3에 나타내었다.
표 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 초기 pH 8.14부터 40 % 수산화나트륨수용액을 1ml 씩 첨가하며 pH의 변화를 측정한 결과 pH 9.09일 때부터 pH 변화량이 완만해지는 것을 알 수 있으며, pH 10.96일 때부터 pH 변화량이 급격해지는 것을 알 수 있었다. 이는 pH 9.09부터 pH 10.96의 구간에서 아미노산의 아미노기 NH3 +가 모두 NH2가 되는 것을 의미한다. 이때 소요되는 OH-의 양을 투입된 NaOH의 양으로 환산하여 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 첨가되는 생석회의 적절량을 계산할 수 있다.
pH 수산화나트륨
투입량		 pH 변화량 비 고
8.14 1 mL
8.43 1 mL +0.29 pI 값 부근
8.62 1 mL +0.19 〃
8.74 1 mL +0.12 〃
8.87 1 mL +0.13 〃
8.99 1 mL +0.12 〃
9.09 1 mL +0.10 pK 2 값 부근
9.17 1 mL +0.08 〃
9.25 1 mL +0.08 〃
9.32 1 mL +0.07 〃
9.39 1 mL +0.07 〃
9.46 1 mL +0.07 〃
9.52 1 mL +0.06 〃
9.59 1 mL +0.07 〃
9.66 1 mL +0.07 〃
9.72 1 mL +0.06 〃
9.79 1 mL +0.07 〃
9.85 1 mL +0.06 〃
9.92 1 mL +0.07 〃
10.00 1 mL +0.08 〃
10.06 1 mL +0.06 〃
10.13 1 mL +0.07 〃
10.21 1 mL +0.08 〃
10.30 1 mL +0.09 〃
10.40 1 mL +0.10 〃
10.51 1 mL +0.11 〃
10.64 1 mL +0.13 〃
10.78 1 mL +0.14 〃
10.96 1 mL +0.18 pK 2 값 초과부근
11.17 1 mL +0.21 〃
11.38 1 mL +0.21 〃
11.54 1 mL +0.16 〃
11.67 1 mL +0.13 〃
(2)폴리황산철을 통한 적정
상기 수산화나트륨을 통해 적정된 소화액에 폴리황산철 용액을 1ml씩 첨가하여 pH 변화를 측정하여 아미노산을 등전점 구간을 분석하였으며, 상기 분석의 결과는 표 3에 나타내었다.
표 3에 나타낸 바와 같이 pH 9.09지점부터 pH의 변화량이 증가하였으며 pH 7.69 지점에서 pH 변화량이 감소하는 것을 알 수 있다. 즉 pH 7.69 지점이 등전점 부근인 것을 알 수 있다. 등전점 부근인 pH 7.69 지점까지 투입된 폴리황산철의 양으로부터 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 첨가되는 폴리황산철의 적절량을 계산해낼 수 있다.
pH 폴리황산철 투입량 pH 변화량 비 고
11.13 10 mL
9.94 10 mL -1.19 pK 2 값 부근
9.18 1 mL -0.76 〃
9.09 1 mL -0.09 〃
8.99 1 mL -0.10 〃
8.89 1 mL -0.10 〃
8.80 1 mL -0.09 〃
8.70 1 mL -0.10 〃
8.57 1 mL -0.13 〃
8.43 1 mL -0.14 〃
8.27 1 mL -0.16 〃
8.08 1 mL -0.19 〃
7.90 1 mL -0.18 〃
7.69 1 mL -0.21 pI 값 부근
7.50 1 mL -0.19 〃
7.41 1 mL -0.09 〃
<실험예 3> 수질분석
(1)여과액 수질분석
본 발명에 따른 실시예 1을 통하여 정화된 여과액에 대하여 도드람수질연구소에 수질분석을 의뢰하였고 그 결과는 표 4에 나타내었다.
표 4에 나타낸 바와 같이 암모니아성 질소(NH₄-N)와 전체 질소량(T-N)과 같은 질소성분 및 수용성 인(PO4 3 --P)과 같은 인의 검출량이 낮은 수치를 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한 본 발명의 정화방법을 통하여 정화된 여과액은 본 발명의 정화방법이 수행되기 전의 음식물 탈리액보다 부유물질농도(SS)가 99%이상 낮아졌으며, 생물학적산소요구량(BOD) 또한 99%가까이 낮아진 것을 알 수 있었다. 이는 신고대상 축산농가를 대상으로 하는 방류수 기준을 만족시키는 수치로써, 본 발명의 정화방법으로 신고대상 축산농가 방류수 수준으로 정화할 수 있는 것을 확인하였다.
구분 단위 음식물 탈리액 실시예 1 방류기준
(신고대상농가)
부유물질농도(SS) mg/l 13750 108 150
생물학적산소요구량(BOD) mg/l 126840 113 150
Na+ mg/l 631 1423
K+ mg/l 4750 2197
Mg2+ mg/l 133 224
Ca2+ mg/l 540 1003
NH4 3+-N mg/l 5982 360
NO2 --N mg/l 불검출 불검출
NO3 2--N mg/l 불검출 불검출
용해성 T-N mg/l 5982 360 850
PO4 3--P mg/l 146 61 200
SO4 2- mg/l 25 3986
Cl- mg/l 1285 2808
(2)활성탄을 통해 정화한 여과액 수질 분석
본 발명에 따른 실시예 1을 통하여 정화된 여과액을 활성탄으로 더욱 정화 처리하였고, 활성탄으로 정화 처리된 여과액에 대하여 도드람수질연구소를 통하여 수질분석을 실시하였으며 그 결과는 표 5에 나타내었다.
표 5에 나타낸 바와 같이 활성탄으로 더욱 정화를 실시함으로써 부유물질 농도와 생물학적 산소요구량이 더욱 낮아지는 것을 알 수 있다. 이를 통하여 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법에 활성탄을 통해 정화하는 단계를 더 추가하는 경우 매립지 침출수 방류기준 수준까지 정화할 수 있는 것을 확인하였다.
구분 단위 음식물 탈리액 실시예 2 방류기준
(매립지 침출수)
부유물질농도(SS) mg/l 13750 35 70
생물학적산소요구량(BOD) mg/l 126840 3 70
Na+ mg/l 631 394
K+ mg/l 4750 2419
Mg2+ mg/l 133 61
Ca2+ mg/l 540 3541
NH4 3+-N mg/l 5982 426
NO2 --N mg/l 불검출 19
NO3 2--N mg/l 불검출 11
용해성 T-N mg/l 5982 456 300
PO4 3--P mg/l 146 3 8
SO4 2- mg/l 25 237
Cl- mg/l 1285 835
<실험예 4> 여과액의 색 분석
본 발명에 따른 실시예 1을 통해 정화된 여과액이 색 변화를 육안으로 관찰하였으며, 그 결과는 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법이 단계별로 수행될수록 투명해지는 것을 알 수 있다. 특히 혐기소화조로부터 배출된 소화액과 3차 여과된 여과액을 비교하였을 때 본 발명에 따른 음식물 탈리액 정화방법의 효과를 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 음식물 탈리액을 혐기소화조로 투입하고, 상기 혐기소화조로부터 소화액을 수거하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 수거된 소화액을 킬레이트 반응시키는 단계(단계 2);
    상기 단계 2의 킬레이트 반응이 수행된 소화액을 1차 여과하는 단계(단계 3);
    상기 단계 3의 여과액에서 암모니아 가스를 제거하는 단계(단계 4);
    상기 단계 4에서 암모니아 가스가 제거된 여과액을 2차 여과하는 단계(단계 5);
    상기 단계 5의 여과액에 황산을 첨가하여 침전물을 생성시키는 단계(단계 6); 및
    상기 단계 6에서 침전물이 생성된 여과액을 3차 여과하는 단계(단계 7)를 포함하는 음식물 탈리액 정화방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 혐기소화조로부터 바이오 가스가 생산되는 것을 특징으로 하는 음식물 탈리액 정화방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 킬레이트 반응은 생석회 및 폴리황산철(Fe2(SO4)3)을 첨가함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 음식물 탈리액 정화방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 여과는 필터프레스를 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 음식물 탈리액 정화방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 여과를 통해 생성되는 잔류물은 비료생산에 사용되는 것을 특징으로 하는 음식물 탈리액 정화방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 4는 생석회를 추가함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 음식물 탈리액 정화방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계 4에서 제거된 암모니아 가스는 포집되어 비료생산에 사용되는 것을 특징으로 하는 음식물 탈리액 정화방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 정화방법은 상기 단계 7의 3차 여과액을 활성탄을 통하여 정화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 탈리액 정화방법.
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