KR101027449B1 - 음폐수를 포함하는 유기성 폐기물의 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음폐수(음식물류폐기물을 처리하는 과정에서 발생하는 폐수)나 음식물류폐기물과 유사한 유기성 폐기물을 처리하기 위하여 음폐수 등에 포함된 유기물질에서 유용한 부산물을 회수하고, 수용성 유기물과 난 수용성 유기물로 분리하여 처리함으로써 처리시간을 단축하고, 난분해성 유기물질은 산 가수분해와 알코올 발효를 실시하는 등 가용화 과정을 통하여 유기물의 분해율과 부산물의 수득률을 높이는 방법이며, 처리과정에서 미생물의 활동에 지장을 초래하거나 독성이 되는 물질을 제거하여 유기물과 영양염류의 처리효율을 높이고 처리에 따른 최종 폐기물을 최소화하는 기술에 관한 것으로서, 화학적 공학적 기술을 활용하여 생물학적 처리 효율을 극대화하는 기술에 관한 것이다.

Description

음폐수를 포함하는 유기성 폐기물의 처리방법{METHOD OF TREATMENT FOR ORGANIC SLUDGE INCLUDING FOOD WASTE WATER}

음식물류폐기물 및 그 처리과정에서 발생하는 폐수(이하 음폐수라 한다)와 전처리(협잡물을 제거하고 파쇄 등의 방법으로 균질화하는 과정)된 음식물류폐기물은 분해되기 쉽고 미생물의 작용이 왕성하여 매우 불안정하므로 생물학적 공정이나 기계공학적 공정을 조합하여 처리하기에는 처리효율이 낮다. 이에 화학적 공정을 추가하여 유용한 물질을 부산물로 분리하여 회수하면서, 수질오염물질을 최소화하여 물은 '생태계보전 및 수질보전법령'이 정하는 배출허용기준 이내로 처리될 수 있도록 하고, 고형물은 잔재물로서 그 발생량을 최소화하는 폐기물의 처리방법의 일종으로서 영양염류와 유기물함량이 높은 음폐수 등과 이와 유사한 유기성 폐기물을 처리하는 생명과학분야에 해당하는 기술에 관한 것이다.

음식물류폐기물은 대부분 발생지에서 수집 운반되어 폐기물처리시설이나 폐기물 중간처리시설에서 협잡물 제거와 균질화 공정(이하 전처리 과정이라 한다)을 거쳐 처리하거나 고형분이 높은 슬러지와, 수분함량이 높은 폐수 또는 음폐수로 분리하여 각각 별도의 시설에서 처리하고 있다.

통상 부유성고형분(TSS)이 20% 이상인 반고체상태의 음식물류폐기물은 자체의 발효열이나 외부에서 가하는 열에 의하여 건조·감량화 하여 유기질 비료나 사료 또는 연료 등의 원료로 가공하거나, 혐기성소화조에서 가용성 유기물을 메탄가스로 전환하는 방식(건식소화, 습식소화 등)으로 유기물질을 분해처리하고, 상대적으로 수분함량이 높은 음폐수나 전처리된 음식물류폐기물은 호기성분해 또는 강한 산화제를 이용하여 폐수 중의 유기물질의 대부분을 제거한 후 그 폐액을 액비로 활용하거나, 통상의 경우 원형 그대로 하(폐)수 종말처리장에 위탁처리하거나 해양으로 배출(해양투기)하고 있다.

음폐수 등은 총 중량 중 유기질 고형분이 많고(TS 5~15%), 과잉의 영양염류가 포함되어 상온에서 미생물의 작용으로 불안정하여 고액을 분리하기 어렵고 악취가 심하며, pH의 조절 곤란과 유기물의 생물학적 분해를 방해하는 물질이 발생하여 처리기간을 지연시키며, 생물학적 난분해성 유기물질은 최종폐기물의 발생량을 증대시키며, 과잉의 영양염류는 최종 처리된 폐수의 배출허용기준을 유지하기 어렵게 한다.

상기 음폐수 등에 2% 정도 함유된 유지(Oil and Fat)는 불포화도가 높아 산패로 인한 악취 및 유해가스를 발생하고, 과산화에 의한 중합반응으로 부유성 고형물을 서로 엉키게 하거나 검(gum) 및 그리스 물질을 생성하여 장치와 배관의 폐색을 초래하는 원인이 되고 있다.

음폐수 등이나 축산분뇨 등은 탄질비(C/N비 15이하)가 낮아 생물학적 처리에 별도의 탄소원 공급이 필요하며, 중화처리(pH조정) 부담이 과다하다. 따라서 유기물질의 생화학적 분해는 기질에서 과잉 질소분의 제거 없이는 적정 운영과 감량화는 한계가 있다.

또한, 열처리에 의한 건조나 열분해 또는 소각의 경우는 열에너지 소모가 과다한 반면 악취와 폐수(산화액, 응축수, 침출수 등) 및 배기가스 처리를 별도로 행하여야 하는 등 규제가 심한 편으로, 건조의 경우 국내 적용사례가 다소 있으나 단독 소각이나 열분해의 경우는 국내 적용이 거의 없다.

음식물류폐기물, 분뇨 및 축산분뇨 또는 기타 유기성 폐기물은 재이용 불가한 난분해성 물질이나 생명체의 대사물이나 대사 노폐물로서 여러 단계의 생물학적 대사단계를 거쳐 처리되기 때문에 각 생물학적 처리단계의 처리효율은 60%이상을 상회하는 경우가 드물며, 셀룰로오스, 리그닌 등 섬유소와 키틴(Chitin), 펙틴(Pectin) 등 세포벽 다당류는 분해가 어려워 최종 폐기물의 발생량 증가의 원인이 된다.

음폐수 등 유기성 슬러지의 처리 시 발생하는 폐수의 처리에 대하여 국내법은 공공수역에 배출되는 방류수의 수질을 계속 강화하고 있으며, 2012년 1월 1일부터 전국의 모든 배출시설이나 종말처리시설 등에 대하여 방류지역과 방류량에 따라 방류수 수질기준을 강화하여 현재보다 더욱 까다로운 수준으로 규제할 예정으로 관련법령을 개정하였다.

또한 2003년 7월부터 일정규모 이상의 배출시설에서 발생하는 유기성 슬러지의 직 매립이 금지되었으며, 국내의 육상에서 발생하는 슬러지의 해양 배출도 런던협약('96. London Convention)에 의해 단계적으로 금지되고 있으며, 국토해양부는 해양환경오염방지법시행규칙을 개정하여(2006. 2. 21) 해양배출기준을 엄격하게 설정하는 한편, 2013년 1월말 이후에는 육상에서 발생하는 음폐수의 해양투기가 전면 금지될 예정으로 2007년 이후 단계적으로 해양 투기량을 줄여나가고 있다.

자연에서 생산된 유기체(Bio-mass)와 그 세포 속에는 유지가 포함되어 있고, 음식물의 조리나 가공 시에도 유지(주로 식용유)를 첨가하기 때문에 음식물류폐기물 중에는 유지가 2~3% 정도 존재한다.

유지는 주로 동·식물성의 지질과 지방으로서 불포화도가 높아 산소와 반응하여 과산화물을 형성하여 분해, 중합 등 화학반응을 유발하거나 물과 유화(Emulsion)하여 기질의 농도별 분리를 어렵게 하며 분해 시 악취를 유발한다. 따라서 음폐수 등 유기성 슬러지에 포함된 유지나 친유성 물질은 기질에서 분리하여 부산물로 회수하여 유용한 자원으로 활용할 수 있어야 한다.

음폐수 등과 유기성 폐기물은 일반적으로 영양염류와 유기물질이 풍부하여 미생물의 활동이 왕성하고 그 대사물질과 노폐물로 인하여 미생물의 성장조건이 변화하며, 산패 시 부생되는 탄산가스(CO₂),암모니아(NH₃),유화수소(H₂S),저급아민(R-NH₂) 등의 가스 상 물질은 악취가 심하고 발포하는 등 기질을 불안정하게 하므로 먼저 기질 중에서 잡균을 멸균하는 등 기질을 안정화시켜야 계획적인 처리를 시도할 수 있다.

음폐수 등과 같은 유기성 폐기물은 산 발효하여 저급유기산(이하 VFA라 한다)을 생성한다. 특히 초산균 등은 pH 5~6에서 그 활동이 최적이며, 기질에서 유기산이 0.3%정도 축적되어 pH 3~4까지 산 발효작용이 계속되며, 생성된 유기산은 다른 미생물의 대사 작용을 방해하거나 독성으로 작용한다.

또한, 초산(아세트산)과 같은 유기산은 짝산·짝염기(Conjugate pair)로 작용하여 pH 조정을 어렵게 하기 때문에 약알칼리성 상태에서 진행되는 혐기성발효에 지장을 초래하거나 중지시킬 수 있다.

유기성 폐기물은 주로 동·식물체로 구성되어 있으며, 이들의 성분 중 생물학적 난분해성 물질인 셀룰로오스(Cellulose), 리그닌(Lignin), 키틴(Chitin), 펙틴(Pectin) 등의 세포벽을 구성하는 다당류와 일부 난용성 단백질과 펩티드(Poly Peptide)는 생물학적 분해율이 낮고 처리시간이 많이 소요되어 최종 폐기물량을 증가시키므로, 이를 화학적으로 분해하여 생물학적으로 분해가 가능한 수용성의 저분자물질이나 단량체로 분해할 필요가 있다.

기질(Substance)에 포함된 유기성 성분을 혐기성소화 처리하여 메탄가스를 생산하기 위하여 기질의 탄질 비(C/N비)를 20 이상으로 유지하고 처리과정에서 암모니아 가스가 유리되지 않도록 제어할 필요가 있다.

기질에 존재하는 암모늄이온과 아민류의 분해 시 발생하는 암모니아 및 가열에 의한 용해도 감소와 알칼리도의 증가로 인하여 발생하는 암모니아는 혐기성소화 작용에 대한 독성이 강하다.

또한, 음식물류폐기물과 축산폐수 등 유기성 슬러지의 통상 탄질(C/N)비가 6~15정도이며 처리과정에서도 탄소원의 감소가 현저하므로 기질의 질소분 농도를 적정수준으로 제거하거나, 탄소원을 보충할 필요가 있다.

고·액이 혼합된 유기물질 중 유기고형분과 생물세포는 그 표면에서 내부로 가용화되어야 생물학적 작용과 화학적 반응이 진행되므로 수용성 유기물질에 비하여 처리기간이 오래 걸리며, 여러 단계의 복잡한 분해과정이 필요하다. 따라서 기질을 고액으로 분리하여 고형분의 농도에 따라 반응과 작용을 진행함으로써 처리속도를 높여야 할 필요성이 있다.

음식물류폐기물 및 유기성 폐기물 등은 악취가 심하여 그 처리시설의 존재를 인근 주민들이 기피한다. 따라서 처리시설은 밀폐되고 악취물질이 발생하지 아니하는 공법으로 처리되거나 악취성분을 제거하는 방법으로 처리되어야 하며 처리과정에서 생성되는 중간처리물이나 부산물 및 처리 후 배출되는 폐수 및 최종폐기물의 악취도 충분히 제거되어야 한다.

본 발명의 일 측면은 유기성 슬러지에 포함된 친유성 성분을 유기용제로 용해시켜 친유성 성분을 제거하는 단계; 상기 친유성 성분이 제거된 슬러지를 제 1 고형분 슬러지와 제 1 분리여액으로 분리하는 제 1 고액분리단계; 상기 제 1 고형분 슬러지를 산 가수분해하는 단계; 상기 산 가수분해된 슬러지를 가열하여 저분자 유기화합물을 제거하는 단계; 상기 저분자 유기화합물이 제거된 슬러지를 중화시키는 단계; 상기 중화된 슬러지를 알코올 발효시키는 단계; 상기 발효된 슬러지를 상기 제 1 분리여액과 혼합하여 제 2 고형분 슬러지와 제 2 분리여액으로 분리하는 제 2 고액분리단계; 상기 제 2 분리여액을 액상 혐기성 소화시키는 액상 혐기성 소화단계; 및 상기 제 2 고형분 슬러지에서 암모니아를 열탈착하여 제거한 후 건식 혐기성 소화시키는 건식 혐기성 소화단계; 를 포함하며, 상기 건식 혐기성 소화단계 및 상기 액상 혐기성 소화단계는 상호 연계하여 동시에 진행되는, 유기성 슬러지의 처리방법을 제공한다.

상기 친유성 성분이 용해된 유기용제를 부유성 협잡물을 제거한 후 85~100℃에서 증류하여 친유성 성분과 분리한 후, 30~60℃로 냉각 및 압축시켜 5~10%의 황산철 용액으로 세정 및 냉각하는 유기용제 정제단계를 더 포함하며, 상기 정제된 유기용제는 상기 친유성 성분을 제거하는 단계에서 다시 이용되며, 상기 유기용제는 에틸에테르 또는 비등점이 30~85℃인 탄화수소와 에틸에테르의 혼합물로 조합하여 유기성 슬러지에서 친유성 물질을 분리할 수 있다.

상기 제 2 고액분리단계에서, 상기 발효된 슬러지 및 상기 제 1 분리여액의 혼합물에 상기 액상 혐기성 소화단계의 소화슬러지를 더 혼합하며, 상기 액상 혐기성 소화단계의 소화슬러지가 상기 건식 혐기성 소화단계에서 처리되고, 상기 건식 혐기성 소화단계에서 발생하는 폐수는 상기 액상 혐기성 소화단계에서 처리하며, 상기 액상혐기성 소화단계의 잉여 소화슬러지는 상기 건식 고온혐기성 소화단계의 혐기성 균체를 공급할 수 있다.

상기 액상 혐기성 소화단계 및 상기 건식 혐기성 소화단계의 혐기성소화 효율을 높이기 위하여 상기 산 가수분해단계에서 기질에 함유된 질소를 산 가수분해하여 암모늄염으로 전환하고 상기 중화단계에서 알칼리로 중화하여 유기성 슬러지에서 암모니아를 제거하거나, 상기 제 2 고액분리단계의 제 2 고형분 슬러지, 상기 건식 혐기성 소화단계의 소화슬러지의 탈수여액에 함유된 암모니아를 제거하여, 혐기성소화 대상 기질의 C/N비를 높이면서 유기성 슬러지의 유기물의 분해를 촉진할 수 있다.

상기 각 단계에서 발생하는 기체상 물질에서 암모니아와 황 성분을 제거한 후 악취를 유발하는 휘발성 유기화합물(VOC) 또는 미회수 용제를 연소시켜 상기 산 가수분해 단계, 상기 저분자 유기화합물을 제거하는 단계, 상기 건식 혐기성소화 단계에 열에너지를 공급하면서 그 부산물에서 악취를 제거할 수 있다.

음폐수 등에 포함된 유지 중 지방은 지방산의 트리글리세리드(Triglyceride) 형태로 존재하며 C₁₀ 이하의 저급 지방산은 휘발성이 있고, 지질과 지방은 성질이 유사하여 알코올, 에테르 및 지용성 유기용제에 잘 용해되고 대부분 물에 대한 용해도가 낮아 물과 쉽게 분리되나 소량인 경우 물이나 친유성 성분에 용해되어 수분층 상부에 유리하여 존재하거나 졸(Sol) 상태로 분산 또는 고체와 혼합된 겔(Gel) 상태로 미셀(Micelle)을 형성하고 있으며 불포화물이 많아 공기, 빛, 금속, 물 등에 접촉 산화하여 저급지방산을 형성하거나 악취와 유독성 물질을 생성하기도 한다. 따라서 이를 기질에서 용해할 수 있는 유기용제는 친유성이 강하고 물에 대한 용해도가 낮고 그 액비중이 물보다 적어 물과 잘 분리될 수 있는 에테르(Ether : R-O-R')류와 에스테르(RCOO-R')류 및 석유계 솔벤트(Solvent)가 적당하며, 이들 용제는 분리 용해한 유지(지방족아민류를 포함한다)와 저급지방산(VFA: Volatile Fatty Acid)을 용이하게 분리하기 위하여 그 비점이 상온보다는 높고 VFA의 비점보다는 낮아야 한다.

따라서 본 발명에 사용하는 유기용제는 에틸에테르 또는 비등점이 30℃ 이상 85℃ 이하의 석유계 솔벤트를 조합하여 사용한다. 이 경우, 에틸에테르는 물에 대한 용해도는 낮은 반면 유기산이나 알코올류, 유기산류 및 여러 가지 유기화합물에 대한 용해도가 우수하고, 산이나 알칼리 및 보통의 산화환원제와도 잘 반응하지 않는 특성이 있다. 특히, 비중과 비등점이 낮고 액비중 차와 증류에 의한 용질의 분리가 용이하다.

에틸에테르와 포화도가 높은 유기용제(비등점 30~85℃)를 혼합하여 음폐수나 음식물류폐기물과 혼합하여 정치하면 유기성 폐기물에 포함된 유지, VFA, 알코올 및 알데히드 등 친유성 물질은 유기용제에 용해되고 이를 물에서 분리한 후 비등점이 낮은 용제성분을 증류 제거하면, 양성(Hydrophobic & Hydrophilic)의 친화성이 높은 VFA, 알코올류, 알데히드류 휘발성 유기물(이하 VOC 라 한다)등을 이를 용해한 용제에서 분리할 수 있다.

이때 불포화지방산과 에테르의 과산화를 방지하기 위하여 황산철(FeSO₄·6H₂O) 용액으로 용제와 추출유지를 세정한다.

음폐수나 유기성 슬러지에 포함된 휘발성 유기산(Volatile Fatty Acid)과 알코올류, 지방족아민(계면활성제 역할도 겸함) 및 알데히드류는 미생물의 대사과정에서 발생한 대사산물 또는 대사노폐물로서 특정 미생물의 활동을 억제하거나 정지시킬 수 있으며, VFA는 기질의 pH를 3.2 정도까지 낮출 수 있다. 따라서 기질에서 이러한 물질이 제거되면 일시적으로 기질이 안정하게 되며, 침강성이 증진될 뿐 아니라 다시 활발한 미생물의 산 발효 활동이 재개될 수 있다.

VFA와 유지 등이 제거된 유기성 슬러지에 산을 가하여 100±10℃로 가열하여 산 가수분해(Acidolysis)하면 단백질과 대부분의 다당류는 아미노산이나 단당류(이당류를 포함한다)로 가수분해되어 알코올 발효가 가능한 상태로 당화하고 암모니아는 이 산에 중화된다. 따라서 기질의 점성이 개선되어 고액분리가 용이해진다. 이때 분리된 고형물을 회수하여 계속 가수분해하면, 난분해성 다당류가 단당류로 가수분해되고, 더 이상 가수분해가 되지 않는 고형물질을 제거한다.

동·식물세포(세포의 건조중량 50%정도가 단백질이다)의 핵산을 산으로 가수분해하면 질소 질이 풍부한 염기성 성분의 퓨린(Purine), 피리미딘(Pyrimidine), 당, 인산 등으로 분해되며, 이때 단백질을 구성하는 아미노산의 질소 질은 대부분 암모니아로 가수분해되며, 타 미생물의 활동을 저해하고 악취의 원인물질이 되므로 과잉인 질소성분은 처리과정에서 제거하거나 조정할 필요가 있다.

따라서 산 가수분해 이후 중화하는 과정에서 질소와 인산을 제거하기 위하여, 돌로마이트(Dolomite; CaMg(CO₃)₂)나 소성 돌로마이트(CaO·MgO)를 투입하여 암모늄염을 분해하여 암모니아가스로 휘산시켜 제거하거나, Cattiite(Mg₃(PO₄)₂·22H₂O), Vivicite(Mg₃(PO₄)₂·8H₂O), Dittmarite(NH₄MgPO₄·H₂O), Newveryite(MgHPO₄·3H₂O), Struvite(NH₄MgPO₄·6H₂O), 및 Hannavyte ((NH₄)₂Mg₃H₄(PO₄)₄·8H₂O) 등의 결정으로 암모니아와 인산을 동시에 회수하고 회수된 결정의 일부를 진한 황산으로 분해하여 생성된 인산을 첨가하여 상기 결정의 형성을 도모하고 이때 부산물로 황산암모늄((NH₄)₂SO₄)을 회수하여 활용함으로서 유기성 슬러지 처리과정에서 발생하는 과잉의 영양염류를 제어한다.

음폐수 등 유기성 폐기물은 점진적으로 저분자물질로 분해되면서 최종적으로 생물학적인 혐기성분해나 호기성분해에 의하여 메탄, 탄산가스, 물 등 비교적 무해한 상태로 분해되는 과정이며, 혐기성발효는 탄산가스(CO₂), 수소(H₂), 포름산(HCOOH), 초산(CH₃COOH), 메틸알코올(CH₃OH), 메틸아민(CH₃NH₂)과 같이 가장 간단한 물질만 직접 메탄가스로 전환하고 이보다 분자량이 큰 수용성 유기물은 별도의 전환과정을 거쳐야 한다.

이러한 유기물의 분해과정을 계획적이고 신속하게 진행하기 위하여 산 가수분해에 의하여 다당류나 폴리펩티드 등이 단당류와 아미노산 등으로 가수분해되고, 이를 알코올로 발효함으로써 이때 부생하는 고농도의 알코올은 부산물로 회수하여 바이오 에탄올의 연료나 본 발명에서 사용하는 에틸에테르의 원료로 사용하고, 저 농도의 미회수 알코올은 혐기성소화의 탄소원으로 활용함으로써 혐기성소화에 대한 유기물 부하를 분산시켜 혐기성소화 효율을 높이는 방법을 제공한다.

음식물류 폐기물이나 유기성 폐기물은 부유성 고형분(TSS 3% 이상)이 많아, 통상 혐기성 분해에 20~30일이 소요되는데 비하여, 수용성 기질(TSS 0.1% 이하)은 7일 이내로서 유기물 제거율도 90%이상으로 높다.

따라서 본 발명은 혐기성 소화공정을 고형물 농도별로 구분하여 저 농도의 수용성 기질은 액상소화조에서, 고형분의 함량이 높은 슬러지상의 기질은 건식소화조에서 분리하여 각각 처리하고, 액상소화조에서 발생하는 잉여 소화슬러지를 건식소화조에 혼합하는 방법으로 F/M비를 조정하고, 건식소화조의 탈수여액을 액상소화조에서 처리함으로써 유기성 폐기물의 액상처리와 고상(TSS 5%이상)처리를 상호 연계하여 병행하는 방법을 제공한다.

(음폐수 등과 유기성 폐기물의 감량화 및 안정화처리)

"경제 살리기와 기후변화대응을 위한 폐기물에너지화 종합대책(환경부, 2008.5)"에 의하면, 우리나라에서 발생하는 하·폐수의 유기성 슬러지 7,971톤/일과 음폐수 5,420톤/일 및 가축분뇨 7,100톤/일 도합 20,491톤/일을 해양투기하고 있으며, 런던협약 1996의정서 및 "2006.3.7.국무회의", "2007.9.12.국정현안정책조정회의" 보고에 의하면, 하수 및 가축분뇨는 2012년 1월부터, 음식물폐수는 2013년 1월부터 해양배출이 전면 금지되므로 음폐수나 유기성 폐기물의 처리대책이 시급하다. 따라서 유기성 폐기물을 자원화하면서 감량화 및 안정화하여 육상매립지 신·증설에 따른 사회적비용을 경감하여야 한다.(2006년 말 현재 전국 227개소의 매립장 평균수명은 19.1년이며 유기성 폐기물의 육상매립으로 전환 시 11.3년으로 5.2년 단축된다: 환경부)

(기후변화 대응을 위한 재생에너지 및 재생자원의 생산)

유럽 국가연합은 1990년 대비 2010년까지 온실가스 3억2천만 CO₂톤/년의 감축목표를 추진 중에 있고, 2000년 "에너지안보를 위한 그린페이퍼"에서 2010까지 신재생에너지 보급률을 12%까지 향상시키는 재생에너지로드맵을 제정하였으며. 전 세계가 현재 기후변화에 대한 대응수단으로 신·재생에너지 확충에 몰두하고 있다. 우리나라도 국가 신재생에너지 보급목표를 2030년까지 11%까지 달성하겠다는 국가에너지기본계획(2008.12.)을 수립하였으며, 신재생에너지 중 33,4%를 유기성 폐기물에서, 30.8%를 바이오매스(Bio-Mass)에서 확보할 계획이다. 따라서 본 발명에 따라 음식물류폐기물이나 유기성 폐기물을 이용하여 바이오메탄(소화가스), 바이오에탄(알코올류, 저급에스테르류), 바이오디젤(고급지방산에스테르), 유기산(개미산 초산, 프로피온산, 부틸산 등) 및 케톤류(아세톤 등) 등의 탄소중립의 연료물질의 생산이 가능하며, 영양염류를 복합비료로 전환할 수 있고,기체 및 액체상의 연료물질을 이용하여 열병합발전을 행할 경우 유기성 슬러지의 처리에 소요되는 열에너지를 충당하고 생산전력은 재생에너지로 판매가 가능하다. 또한 이들 부산물은 시장성을 고려하여 부산물을 선택적으로 생산 가능하다.

(폐기물의 친환경적 처리)

본 발명은 음폐수 등과 유기성 폐기물을 대상으로 화학적, 물리적. 생물학적 처리방법을 적용하는 고안이며 각 공정에서 발생하는 발효열이나 반응열을 최대한 활용하고, 열손실을 최소화한 방식으로서 특히, 고형분의 분해를 극대화시켜 최종 발생하는 폐기물의 양을 최소화함은 물론 처리과정에서 유용한 부산물(탄소중립연료, 복합비료 등)을 회수할 수 있다. 또한 본 발명을 적용하는 전체 처리공정에서 탈취가 이루어지므로 처리과정과 부산물에서도 악취를 제거할 수 있다.

(장치의 모듈화 및 처리공정의 일원화)

음폐수 등과 같은 유기성 폐기물은 계절에 따라 그 발생량의 증감이 심하고 그 처리공정이 대부분 생물학적 처리에 의존하고 있어 평균처리능력 이상의 여유 처리시설의 확보가 필요하며 민원과 법적 규제를 해소할 수 있는 환경오염방지시설의 부설이 필연적이나 본 발명의 처리공정은 단위공정을 모듈화하여 폐기물처리시설이나 오염물질방지시설로 병합사용이 가능하고 기존시설의 처리효율을 높일 수 있도록 고안되어 신규시설로 증설하거나 기존시설의 개량에 활용할 수 있으며 생물학적 처리공정(장기폭기, 혐기성소화 등)과는 달리 산 가수분해공정, 중화공정, 증류공정, 결정화공정 및 탈질공정 등 단위화학공정으로 생물학적 처리조건을 최적화하고 오염물질의 제거나 분리를 목적으로 하기 때문에 시설의 부피가 작고, 모듈화되어 실내설치와 처리용량의 증설이 용이하다.

따라서 중소처리업체(폐기물중간처리업자 또는 폐기물처리시설 설치업체)나 폐기물관리법령상 음식물류폐기물을 스스로 처리하거나 위탁 처리하여야 하는 감량의무사업장(대형건물, 구내식당, 대형매장 아파트단지)의 폐기물처리시설로서 건물 내 설치 및 지하 설치가 가능하다.

(최종폐기물 및 배출폐수의 소독)

음폐수나 음식물류폐기물은 불특정다수인이 폐기하는 생활폐기물의 일종이며 수집운반과 처리가 이원화되어 있어 발생지를 확인하기 곤란하며, 동식물체의 생체의 일부나 그 가공품이므로 병원균의 감염이나 번식의 원인이 될 수 있다.

본 발명의 처리방법은 산·알칼리 처리와 열처리 및 55℃ 이상에서 행하는 고온 혐기성소화처리 과정에서 대부분의 병원균과 대장균은 사멸하므로 최종 배출되는 폐기물(슬러지케익)과 배출폐수는 현행법상 수질 및 폐기물의 생물학적 기준(일반세균 및 대장균군)을 준수할 수 있다.

(처리과정 및 부산물과 최종잔재물의 탈취효과)

본 발명에 의한 유기성 슬러지의 처리방법은 기질에 포함된 유지의 산패방지와 단백질의 분해로 인한 악취를 제거하는 과정으로서 악취유발물질을 분리하거나 분해하는 일련의 과정이며 악취물질 중 황화수소는 지질의 과산화 방지와 미세고형분의 응결을 조장하기 위하여 투입하는 황산철(FeSO₄·7H₂O)에 의해, 유기물의 분해 시 발생하는 황화수소(H₂S)나 머캅탄(R-SH)성분은 산화철(Fe₂O₃)현탁액에 의하여 황화철(FeS)로 침전시키며, 암모니아(NH₃)와 아민류는 산으로 중화하여 암모늄비료(황산암모늄 또는 염화암모늄)의 원료로 분리하고, 그 외 휘발성 유기산은 비등점까지 증류하여 응축액으로 분리하여 혐기성소화 처리하고 기타 휘발성 유기물질(VOC)은 기체연료로 열공급시설에서 소각하는 방법 등으로 악취물질을 처리과정에서 직접 제거한다.

도 1은 본 발명의 유기성 슬러지를 처리하는 단계별 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 유기성 슬러지를 처리하는 전체적인 공정의 흐름도이다.
도 3은 상기 도 1과 도 2를 상세히 설명하는 용제 및 슬러지의 흐름도이다.
도 4는 본 발명에서 처리하는 유기성 슬러지의 일종인 음폐수와 음식물류 폐기물의 주요 성분표이다.
도 5은 본 발명에서 사용하는 유기용제의 물리화학적 특성표이다.
도 6은 유기성 슬러지에 포함 가능성이 있는 유지의 성분인 천연산 고급알코올과 고급지방산을 정리한 표이다.
도 7은 유기성 슬러지가 미생물의 작용에 의하여 생성될 수 있는 휘발성 유기산의 종류와 그 특성을 나타내는 표이다.

이하 본 발명을 도 1 내지 도 7을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 유기성 슬러지를 처리하는 단계별 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 유기성 슬러지를 처리하는 전체적인 공정의 흐름도이며, 도 3은 상기 도 1과 도 2를 상세히 설명하는 용제 및 슬러지의 흐름도이며, 도 4는 본 발명에서 처리하는 유기성 슬러지의 일종인 음폐수와 음식물류 폐기물의 주요 성분표이며, 도 5는 본 발명에서 사용하는 유기용제의 물리화학적 특성표이며, 도 6은 유기성 슬러지에 포함 가능성이 있는 유지의 성분인 천연산 고급알코올과 고급지방산을 정리한 표이며, 도 7은 유기성 슬러지가 미생물의 작용에 의하여 생성될 수 있는 휘발성 유기산의 종류와 그 특성을 나타내는 표이다.

[실시예 1] 유지 및 VFA 추출단계

음폐수 등 유기성 슬러지를 시간당 처리용량 20% 이상 40% 이하에 해당하는 순환되는 유기용제와 혼합 투입하여 3시간 이상을 조 내부에서 체류하면서 기질에서 유지와 VFA 및 친유성 물질을 용제에 용해·추출하여 유분층과 수분층으로 분리한다. 이때 사용하는 유기용제는 에틸에테르 또는 비등점이 30~85℃이며, 비중이 0.8 이하인 탄화수소와 에틸에테르를 혼합한 유기용제이다.

상세하게는 비등점이 30~85℃이며, 비중이 0.8 이하인 탄화수소의 예(도 3 참조)로서, n-펜탄, n-헥산, 2-메틸펜탄, 3-메틸펜탄, 2,3-디메틸부탄, 2,2-디메틸부탄, 3,3-디메틸펜탄, 2,2,3-트리메틸부탄, 시클로펜탄, 벤젠, tert-부탄올, 에틸 포르메이트, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 에틸프로피오네이트, 프로필아세테이트, 디에틸에테르, 메틸프로필에테르, 부틸메틸에테르, 에틸프로필에테르를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 단계의 온도는 20±10℃로 유지하는 한편, 친유성 성분이 제거된 기질은 HLB(Hydrophilic Liphophilic Blance)가 감소되어 소포성(Defoaming)과 침강성이 개선되어, 부유성 고형분은 하부로 침전된다.

상기 유분층의 일부는 하기의 실시예 16으로, 수분 층에서 침강된 슬러지는 하기의 실시예 3으로, 유기성 슬러지의 자연발효에 의하여 생성된 최상부 가스층은 이 조가 일정한 압력을 초과하는 경우 실시예 2로 배출된다.

이때, 유기용제는 음폐수 등에 2~3% 정도 포함된 유지(도 6 참조)와 0.2~0.3% 정도 포함된 휘발성 유기지방산(도 7 참조)을 용해하여 기질에서 분리하여, 기질의 산 발효를 촉진할 수 있으며, 이 단계에 유입된 유기성 슬러지는 유기용제의 증기를 냉각하여 액화하는 역할을 추가 수행한다.

[실시예 2] 용제의 정제 및 순환단계

실시예 1에서, 상층에서 분리된 친유성 물질을 용해한 용제에서 부유성 협잡물을 제거한 후, 실시예 16의 열교환 단계를 경유하여 85℃ 내지 100℃로 증류하여 비등점이 100℃ 이상인 친유성 물질과 용제를 분리하고, 하기 실시예 14의 응축단계로 이송하여 가스 또는 액체상태의 용제를 이 단계에 도입하여 5~10%의 황산철용액으로 세정·냉각한 후 다시 실시예 1로 순환·이송한다.

또한, 실시예 1의 최상부 기체층에 존재하는 유증기를 상기 황산철용액에서 20~30℃로 냉각 압축하여 액화시켜 실시예 1로 순환·이송한다. 이때, 세정·냉각·압축에 의하여 액화되지 아니한 폐가스(주로 탄산가스, 암모니아 가스 및 질소 등)는 하기 실시예 13의 암모니아 흡수단계를 거쳐 가연성 가스는 하기 실시예 15의 열 공급단계에서 연소된다.

본 단계의 상기 용제의 회수, 정제 및 순환과정은 역류현상이 발생하지 않도록 압축기 및 감압밸브 등에 의하여 내부압력을 3,000 내지 6,000mmH₂O로 유지시킨다.

상기 실시예 1의 용제의 증류잔액은 하기 실시예 7의 알코올 발효단계에서 발생하는 증기상의 알코올 또는 응축액으로서의 알코올을 가하여 에스테르화하여 HCOOCH₃, CH₃COOCH₃, CH₃COOC₂H₅ 형태의 용제로 충당하거나 바이오디젤로 회수할 수 있다. 또한 직접 물 또는 수증기로 세정·냉각하여 유지와 친유성 유질을 VFA와 분리하고, 물에 용해된 VFA는 실시예 8로 이송할 수 있고, 물에 의하여 분리된 유지와 친유성 물질은 부산물로 회수할 수 있다. 또한 VFA는 소성 돌로마이트로 중화하여 케톤류(아세톤 등)를 생산할 수 있다.

이 단계의 주요기능은 본 발명에 사용되는 혼합용제를 회수·정제하여 과산화를 방지하고 용제를 실시예 1로 순환시키는 역할을 담당하고 부차적으로 용제에 추출된 유지와 VFA 등을 용제에서 분리하는 역할을 수행한다.

이를 위하여 내부구조는 가스 상의 용제를 압축·냉각·이송할 수 있는 설비와 황산철용액의 세정장치를 내장한 3㎏/㎠ 이상의 압력에 견딜 수 있는 금속재료의 압력용기로 제작되어야 하며, 내부에 순환되는 물질이 인화성이 강한 물질이므로 방폭형 불연재료로 구성되어야 한다.

[실시예 3] 제 1 고액분리단계

실시예 1에서 유지, VFA 및 친유성 성분이 제거된 음폐수 등을 원심력 또는 중력을 이용하거나 여과에 의하여, 부유성 고형분(TSS)이 5%이상의 분리액과 3%이하의 분리여액으로 분리한다. 고농도의 분리액은 실시예 4의 산 가수분해단계로, 저농도의 분리여액은 실시예 8의 제 2 고액분리단계로 이송한다.

이 단계는 밀폐공간에서 실시되고, 배기가스는 실시예 13의 암모니아 흡수단계로 이송된다.

[실시예 4] 산 가수분해단계

실시예 3의 고형분의 함량(TSS)이 5% 이상의 분리액을 내산성 밀폐 용기에서 황산철(FeSO₄·7H₂O) 존재 하에 진한 염산 또는 진한 황산을 0.1Mole 이상 가하여 pH 3.5 이하로 조정한 다음 1시간 이상 100±10℃로 가열한다. 가열된 슬러지는 하기 실시예 5의 증류단계로 이동하고, 실시예 5의 증류단계에서 침전 분리된 슬러지는 본 단계로 순환된다.

이 단계의 주요 역할은 산에 의하여 유기성 성분을 가수분해하고, 미생물을 멸균하는 것이며, 가수분해가 비교적 쉽게 일어나는 녹말(Starch), 글리코겐(Glycogen), Dextran, Nigeran, Pullulan, Laminaran, Fructan(Inulin, Levan), Glycuronan(Polyuronide), Mucopolysaccharide, Glycoprotein 및 단백질 등을 조기에 가수분해하여 배제하고, 동·식물 및 미생물의 세포벽성분의 난분해성 다당류인 섬유질(Cellulose), Xylan, Petic acid, Algmic acid, Chitin, Hemicellulose, Arabian-gum, Mucilage, Pectin-substance, Peptidoglycan, Teichoic-acid, Lipo- polysaccharide 등은 하기 실시예 5의 증류단계에서 침전 분리시켜 본 단계로 다시 이송되어 가수분해를 반복한다. 이때, 가열에 의해 증발된 증기는 하기 실시예 5의 증류단계에서 발생한 증기와 함께 상기 실시예 2의 액상의 용제를 증류하는 열원으로 이용되고, 하기 실시예 14의 응축단계에서 60℃ 이하로 응축 액화되어 하기 실시예 8의 제 2 고액분리단계로 이송되며, 폐가스는 하기 실시예 13의 암모니아 흡수단계에서 암모니아 가스가 제거된 후 하기 실시예 15에서 연소 소각된다.

[실시예 5] 증류단계

실시예 4에서 산 가수분해가 진행 중에 있는 기질을 100±5℃로 유지하면서 정치하여 침전분리를 실시하고, 상징액(上澄液)은 실시예 16의 열교환단계로, 하부에 침전된 고형분은 상기 실시예 4의 산 가수분해 단계로 전체 유입량의 20± 10% /시간의 양을 반송한다.

이 단계는 기질 속에 잔존하거나 가수분해로 생성된 VFA, 휘발성 유기물질(VOC), 유화수소, 암모니아 및 머캅탄화합물(R-SH), 알데히드(R-CHO) 등 알코올 발효에 독성으로 작용할 수 있는 저분자 유기화합물을 제거하기 위함이며, 50mmHg이하로 감압한 상태에서 내용물을 5% 이상 증발시킬 수 있다. 이때, 상기 실시예 4에서 투입된 황산과 이로 인하여 생성된 황산염은 극성인 물 분자의 증발을 억제한다.

이 단계에서 발생하는 증기는 상기 실시예 4단계의 폐증기와 함께 하기 실시예 14의 응축단계에서 산화철(Fe₂O₃) 현탁액에서 탈황시킨 후, 85℃ 이하로 냉각 응축하여 응축액은 하기 실시예 8의 제 2 고액분리단계로 직접 이송되며, 미 응축 증기를 압축하여 용제를 회수한 후 폐가스는 하기 실시예 13의 암모니아 흡수단계를 거쳐 하기 실시예 15에서 소각 처리한다.

[실시예 6] 중화단계

상기 실시예 5의 증류단계에서 유출된 침전여액을 실시예 16의 열 교환단계에서 2회 이상 냉각하여 40℃ 이하로 한 후, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)을 고정 알칼리로, 소성 돌로마이트(MgO·CaO)를 소모성 알칼리로 이용하여, 이단 중화방식으로 기질에 포함된 미 반응 황산을 중화시키고 황산암모늄을 분해하여, 기질을 pH 7~8 범위로 조정한다. 이 단계에서 기질에 포함된 황산이온(SO₄ ^{2 -})은 완전히 제거되어야 하며, 기질의 부유성 고형물이 소모성 알칼리의 황산염에 혼입되지 않도록 하여야 하며, 저급 유기산과 알데히드류는 산 발효에 독성이 될 수 있으므로 완전히 중화되어야 한다.

이 단계의 주요 역할은 알코올 발효를 위해 전처리하는 것이며, 이때 발생한 암모니아 가스는 폐가스와 함께 하기 실시예 13의 암모니아 가스 흡수단계로 이송된다.

[실시예 7] 알코올 발효단계

이 단계는 상기 실시예 4의 산 가수분해단계에서 생성된 단당류, 이당류, 3당류와 아미노산 등에 원하는 알코올의 해당 효모나 발효균을 투입하여 1~2일 동안 알코올 발효하는 과정이다. 이 발효과정은 통상적인 술의 연속 제조과정과 유사하나 후단의 발효액의 일부를 하기 실시예 16의 열교환단계로 순환시켜 가온함으로써 발효 중인 알코올을 증류하여 그 농도를 감소시킴으로써 알코올 수득률을 높일 수 있는 특징이 있으며, 기질의 유기물의 부하 감소, 고액분리효과 및 알코올의 회수가 주목적이다.

알코올 발효가 종료된 발효액 중 상부의 청등액은 하기 실시예 16에서 열 교환으로 60℃로 가온하여 하기 실시예 8의 청등조로 직접 이송되고, 상기 발효액 중 하단의 침전슬러지는 같은 방법으로 가온하여 하기 실시예 8로 이송된다.

[실시예 8] 제 2 고액분리단계

상기 실시예 7단계에서 침전된 슬러지상의 발효잔액과, 실시예 3의 분리여액 및 하기 실시예 9의 액상 고온혐기성소화조의 소화슬러지를 혼합하여 이를 여과하거나 원심력 또는 중력 또는 기계식 농축 등의 방법으로 부유성고형분(TSS)이 10% 이상인 슬러지와 1% 이하인 분리여액으로 분리하여, 부유성고형분의 농도가 높은 슬러지는 하기 실시예 10의 건식고온 혐기성 소화단계로 이송하고, 분리여액은 청등조에서 일시 정치하여 침전시킨 후 그 상징액을 액상 혐기성 소화조로 일정량을 균등하게 정기적으로 이송한다. 이때 정치한 분리여액에서 침전한 슬러지 상태의 고형분은 다시 본 단계의 고액분리단계를 거친다. 또한, 이 단계에서 분리한 고형슬러지를 실시예 3로 이송하여 다시 산 가수분해를 실시할 수도 있다.

[실시예 9] 액상 혐기성소화단계

이 단계는 일반적으로 이용되는 체류시간 3일 이상의 단열구조의 상향류식 혐기성소화조(Upflow Anaerobic Sludge Blanket; UASB)를 이용하며, 소화조의 하부에서는 도입된 기질과 소화조 내부에서 형성된 슬러지층이 잘 혼합되고, 내부에서 발생하는 소화가스는 수상층의 교란을 최소화하면서 부상하고, 소화조 내부의 수층 중·상부에서는 현탁물질이 침강된다. 또한, 이런 소화조는 그 하부에서 소화조 용량의 3%/시간 이상의 슬러지를 인발할 수 있는 슬러지 반송설비와 가스배출설비 및 처리수의 자동배제설비를 구비할 수 있다. 그리고 소화조의 내부에 유입부하 변동을 흡수할 수 있는 충분한 혐기성균체를 일정하게 (F/M비 0.5 이상) 유지할 수 있도록 교반층과 일정한 침강층이 존재할 수 있다.

상기 실시예 8의 제 2 고액분리단계에서 발생한 분리여액 중 정치상징액을 60±5℃, pH 7~8로 조정한 후, 상기 소화조의 반송슬러지의 1/2 내지 1/6의 양의 상기 상징액을 반송 슬러지와 함께 혼합투입하면, 소화조 내부에서 하부 교란(攪亂)과 상부 정치로 인한 슬러지 분리현상이 일어난다. 이때, 형성된 소화슬러지는 침강하고, 소화가스는 상부로 부상하고, 일정한 수위를 초과하는 분리여액(처리수)은 실시예 3의 분리여액과 열교환 후 40℃ 이하의 폐수로 배출한다.

이 단계의 주요 역할은 50~60℃의 온도범위에서 물에 용해된 유기물질을 분해하여 물을 정화하는 것으로, 기질에 함유된 알코올, 단당류, VFA, VOC, CO₂ 및 아미노산 등을 이용하여 혐기성균체를 번식하거나 효모를 생산하여 상기 유기물질로 메탄가스와 이산화탄소를 생성하며, 이 단계에서 형성된 잉여 소화슬러지는 실시예 10의 건식 고온혐기성 소화조의 혐기성균체를 공급한다.

[실시예 10] 건식 고온혐기성소화단계

이 단계는 상기 실시예 8에서 슬러지를 고형분이 10% 이상으로 농축하여 20~40일에 걸쳐 장기적으로 혐기성소화 처리하는 단계이다. 이 경우, 상기 슬러지의 부유성 고형물 농도는 15±10%이며, 탄질비가 20 이상이 되도록 탈질하거나 추가로 실시예 2에서 회수한 유지와 VFA 등 탄소원을 보충하여야 하고, 기질의 유동성 확보와 암모니아 열 탈착이 가능하도록 슬러지를 80℃ 이상으로 가열하여 건식소화기간 동안 55~60℃를 유지할 수 있도록 한다.

본 단계로 투입되는 슬러지를 이 단계의 반송슬러지나 액상소화조의 소화슬러지로 F/M비를 조정하고, 투입되는 슬러지가 상향류식으로 순환 및 교반되어, 고온 건식 혐기성 소화를 촉진시킨다.

[실시예 11] 탈수단계

이 단계는 상기 실시예 10의 고온 건식 혐기성 소화단계를 거친 소화슬러지에서 수분을 제거하는 단계이다. 이 단계의 소화슬러지는 부유성 고형물이 상당량 제거되어 상대적으로 수분과 알칼리도가 증가된 상태이므로, 탈수효율이 높고 외기와 차폐된 스크류 프레스나 필터프레스 등을 이용하여 탈수케익과 탈수여액으로 분리시킨다.

이 단계에서 발생한 탈수케익은 최종 잔재물로 처리하거나 상기 실시예 10단계로 반송하고, 탈수여액은 하기 실시예 12의 탈 암모니아 단계를 거쳐 상기 실시예 8의 제 2 고액분리단계로 이송한다.

[실시예 12] 탈 암모니아 단계

실시예 11의 탈수단계에서 발생하는 탈수여액에 소성 돌로마이트를 투입하여 pH 10 이상으로 조정하여 암모니아 가스와 인산이온을 제거한 후, 그 상징액을 상기 실시예 8의 제 2 고액분리단계의 청등조로 이송한다.

이 단계에서 생성되는 침전물은 알칼리성이 강하고 인산염이 포함되어 있어 이를 직접 상기 실시예 6의 중화단계에서 소모성 알칼리로 이용할 수 있으며, 물에 용해되지 아니한 난·불용성 인산염은 복합비료의 원료로 회수할 수 있다.

또한, 상기 침전물을 상기 실시예 5의 증류단계의 유출액으로 분해시켜 인산을 회수할 수 있다.(MgNH₄PO₄·XH₂O 형태의 난용성 결정은 Mg:NH₄:PO₄의 Mole 비가 1:1:1로서 통상 유기성 슬러지의 경우는 암모니아성분이 인산에 비하여 과잉임)

[실시예 13] 암모니아 가스 흡수 단계

상기 실시예 2단계의 용제의 정제 시 발생하는 폐가스, 상기 실시예 4의 산 가수분해단계 내지 실시예 5의 증류단계에서 발생하는 비 응축가스, 상기 실시예 6의 중화단계에서 발생하는 암모니아 가스, 상기 실시예 10의 건식 고온혐기성소화단계의 슬러지 가열공정에서 발생하는 열탈착 가스 및 상기 실시예 12의 탈 암모니아단계에서 발생하는 가스 상의 물질 등 본 발명의 모든 단계에서 발생하는 배기가스는 암모니아 가스, 탄산가스, 기체상의 아민류, 유화수소, 머캅탄류 및 휘발성 유기물질(VOC) 등이 혼합된 가스로서 대부분 강한 악취를 동반한다. 따라서 각 단계에서 발생하는 폐가스를 강제 흡입하여 암모니아를 진한 황산이나 염산으로 중화하여 암모니아를 포집하는 단계이다.

이 단계는 가스를 황산 또는 염산으로 중화하고 그 생성물을 농축하여 비교적 순도가 높은 결정으로 회수하여 부산물로 하며, 암모니아 가스가 제거된 나머지 가스는 하기 실시예 15의 열공급단계에서 소각하여 최종 처리한다.

[실시예 14] 응축단계

상기 실시예 2의 용제 정제단계에서 유출되는 유증기, 상기 실시예 4의 산 가수분해단계 내지 실시예 5의 증류단계, 상기 실시예 7의 알코올 발효단계에서 발생하는 증기를 압축하여 30~60℃로 냉각 액화하는 단계이다.

응축은 Cell & Tube 방식의 금속재질의 압력용기나 압력배관 등을 사용하여, 외기와 물의 잠열을 이용하는 강제 냉각방식이나 상기 실시예 3의 고액분리단계의 분리여액의 현열을 이용하여 냉각하는 방법을 채택할 수 있다.

응축 대상의 증기는 발생원별로 구분하여 3000mmH₂O 이상의 압력으로 압축하여 응축액을 종류별로 회수하고, 용제와 알코올을 제외한 응축액은 상기 실시예 8의 제 2 고액분리단계의 청등조로 이송한다.

폐증기는 감압밸브로 팽창시켜 상기 실시예 2의 용제정제단계로 이송하거나, 상기 실시예 13의 암모니아 가스 흡수단계를 거쳐, 하기 실시예 15의 열공급단계에서 소각된다.

[실시예 15] 열 공급단계

본 발명에서 소요되는 열에너지의 생성 및 공급단계로서, 유기성 슬러지에서 열 에너지원으로 회수 가능한 물질 중 저장과 이동이 불편하고 순도가 낮거나 발생량이 적어 경제적 가치가 적은 가연성물질 등을 다양하게 사용할 수 있다. 이를 위해 액체연료와 기체 연료를 동시에 사용하거나 각각 사용할 수 있다. 에너지를 일정하게 공급하기 위해 열저장능력이 큰 축열로를 내장한 증기압 10kg/㎠ 이하의 증기보일러 또는 폐열증기보일러 등을 이용할 수 있고, 또한, 열 소요공정을 서로 근접 배치하여 방산 열량을 최대한 줄이고 주된 열에너지 소모처에서 혼합 또는 열교환에 의하여 공급할 수 있도록 할 수 있다.

그리고 본 발명에서 발생하는 악취물질을 포함한 폐가스는 휘발성 유기화합물이므로 탈황과정을 거쳐 상기 실시예 9의 액상 혐기성 소화단계와 상기 실시예 10의 건식 고온 혐기성 소화단계에서 발생하는 소화가스와 함께 혼합하여 열원으로 연소되고, 연소 가스는 완전 소각·분해하여 악취를 근원적으로 제거할 수 있다.

또한, 폐가스 성분 중 미 회수 암모니아와 불활성가스인 탄산가스를 이용하여 고열연소에 의한 배기가스의 질소산화물의 농도를 줄일 수 있다.

본 발명의 각 단계에 열을 공급하기 위해 상기 실시예 2의 용제정제단계에서 발생하는 추출된 유지류와 상기 실시예 7의 알코올 발효단계에서 발생하는 알코올 등의 액체연료와 상기 실시예 9의 액상 혐기성 소화단계와 상기 실시예 10의 건식 고온 혐기성 소화단계에서 발생하는 Bio-Gas(메탄 함량 60%), 상기 실시예 2의 용제정제단계와 상기 실시예 14의 응축단계에서 응축되지 아니한 VOC 등을 기체연료로서 병용 할 수 있다.

특히, 여기서 연소에 소요되는 공기는, 본 발명의 각 단계 중 악취 발생 가능성이 높은 단계에서 포집하여 주변에 대한 탈취를 병행할 수도 있다.

또한, 상기 액체연료는 저장성 좋고 경제성이 높은 반면, 기체인 소화가스는 저장성과 이동이 제한적이므로, 본 발명에서는 기체연료를 주 연료로 하거나 이를 이용하여 발전과 폐열보일러를 함께 운영하는 열 병합도 가능하다.

[실시예 16] 열 교환단계

본 발명에서 공급되는 열에너지는 상기 실시예 4와 실시예 5에 집중 공급되며, 이 열에너지는 가온을 필요로 하는 실시예 2의 '용제정제 및 순환단계', 실시예 9와 실시예 10의 혐기성소화단계 및 실시예 3의 고액분리단계의 분리여액 등의 직·간접 가온에 의하여 열 교환되어 냉각된다. 또한, 실시예 9의 배출폐수의 폐열을 실시예 3의 분리여액의 예비가열에 이용한다.

이 단계에서의 열 교환방식은 Cell & Tube 방식으로 하고, 열매(熱媒)는 상기 실시예 5의 증류단계의 유출 현열과 상기 실시예 4의 산 가수분해단계 및 상기 실시예 5의 증류단계에서 발생하는 폐증기의 잠열 및 상기 실시예 9에서 발생하는 분리여액(처리수)가 되고, 주된 가온대상은 상기 실시예 3의 고액분리단계에서 발생하는 분리여액과 상기 실시예 2의 용제정제단계의 유지를 용해하고 있는 용제 및 상기 실시예 7의 알코올발효 잔액을 고온 혐기성소화가 가능한 60±5℃로 가온하기 위함이다.(도 3 참조)

[실시예 17] 에틸알코올의 회수 및 에틸에테르의 제조와 그 이용단계

상기 실시예 7의 알코올 발효단계에서 생성된 증기상태의 알코올을 상기 실시예 4에서 사용하는 진한 황산으로 140℃로 가열 탈수하여 에틸에테르를 제조하여 본 발명에서 사용하는 용제의 원료로 활용하거나, 황산의 탈수력에 의하여 고순도의 알코올로 정제하여 바이오에탄올(Bio-Ethanol)로 제조할 수 있다. 또한, 상기 실시예 1의 친유성 성분 제거단계에서 회수되는 유지류와 반응시켜 Bio-Diesel을 합성하거나, VFA와 에스테르화하여 본 발명에 사용할 수 있는 용제 또는 가솔린의 원료로 회수할 수도 있다.

또한, 이 단계에서 탈수제로 사용한 폐 황산은 상기 실시예 4의 산 가수분해단계에 사용할 수 있고, 폐 황산에 잔류하는 알코올과 에테르는 비등점이 현저히 낮아, 상기 실시예 14의 응축단계에서 용제 또는 알코올로 회수할 수 있고, 탈수반응과 그 생성물의 증류에 필요한 열에너지는 상기 실시예 4단계에서 직접 활용할 수 있다.

Claims (5)

1. 유기성 슬러지에 포함된 친유성 성분을 유기용제로 용해시켜 친유성 성분을 제거하는 단계;
   상기 친유성 성분이 제거된 슬러지를 제 1 고형분 슬러지와 제 1 분리여액으로 분리하는 제 1 고액분리단계;
   상기 제 1 고형분 슬러지를 산 가수분해하는 단계;
   상기 산 가수분해된 슬러지를 가열하여 저분자 유기화합물을 제거하는 단계;
   상기 저분자 유기화합물이 제거된 슬러지를 중화시키는 단계;
   상기 중화된 슬러지를 알코올 발효시키는 단계;
   상기 발효된 슬러지를 상기 제 1 분리여액과 혼합하여 제 2 고형분 슬러지와 제 2 분리여액으로 분리하는 제 2 고액분리단계;
   상기 제 2 분리여액을 액상 혐기성 소화시키는 액상 혐기성 소화단계; 및
   상기 제 2 고형분 슬러지에서 암모니아를 열탈착하여 제거한 후 건식 혐기성 소화시키는 건식 혐기성 소화단계; 를 포함하며,
   상기 건식 혐기성 소화단계 및 상기 액상 혐기성 소화단계는 상호 연계하여 동시에 진행되는, 유기성 슬러지의 처리방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 친유성 성분이 용해된 유기용제를 부유성 협잡물을 제거한 후 85~100℃에서 증류하여 친유성 성분과 분리한 후, 30~60℃로 냉각 및 압축시켜 5~10%의 황산철 용액으로 세정 및 냉각하는 유기용제 정제단계를 더 포함하며,
   상기 정제된 유기용제는 상기 친유성 성분을 제거하는 단계에서 다시 이용되며,
   상기 유기용제는 에틸에테르 또는 비등점이 30~85℃인 탄화수소와 에틸에테르의 혼합물로 조합하여 유기성 슬러지에서 친유성 물질을 분리하는, 유기성 슬러지의 처리방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제 2 고액분리단계에서, 상기 발효된 슬러지 및 상기 제 1 분리여액의 혼합물에 상기 액상 혐기성 소화단계의 소화슬러지를 더 혼합하며,
   상기 액상 혐기성 소화단계의 소화슬러지가 상기 건식 혐기성 소화단계에서 처리되고,
   상기 건식 혐기성 소화단계에서 발생하는 폐수는 상기 액상 혐기성 소화단계에서 처리하며,
   상기 액상혐기성 소화단계의 잉여 소화슬러지는 상기 건식 고온혐기성 소화단계의 혐기성 균체를 공급하는 유기성 슬러지의 처리하는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 액상 혐기성 소화단계 및 상기 건식 혐기성 소화단계의 혐기성소화 효율을 높이기 위하여 상기 산 가수분해단계에서 기질에 함유된 질소를 산 가수분해하여 암모늄염으로 전환하고 상기 중화단계에서 알칼리로 중화하여 유기성 슬러지에서 암모니아를 제거하거나, 상기 제 2 고액분리단계의 제 2 고형분 슬러지 및 상기 건식 혐기성 소화단계의 소화슬러지의 탈수여액에 함유된 암모니아를 제거하여, 혐기성소화 대상 기질의 C/N비를 높이면서 유기성 슬러지의 유기물의 분해를 촉진하는 유기성 슬러지의 처리방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 각 단계에서 발생하는 기체상 물질에서 암모니아와 황 성분을 제거한 후 악취를 유발하는 휘발성 유기화합물(VOC) 또는 미회수 용제를 연소시켜 상기 산 가수분해 단계, 상기 저분자 유기화합물을 제거하는 단계, 상기 건식 혐기성소화 단계에 열에너지를 공급하면서 그 부산물에서 악취를 제거하는 유기성 슬러지의 처리방법.

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