KR101191326B1 - 담체를 이용한 유기성 폐기물 처리방법 - Google Patents

담체를 이용한 유기성 폐기물 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미생물 및 담체를 이용하여 유기성 폐기물을 처리하는 방법에 관한 것으로서, 유기성 폐기물에서 미생물의 발효?환원 작용으로 인하여 부식질이 지속적으로 생성되고 점차적으로 발효?소멸 작용이 촉진되며, 무기염류 및 염분이 부식질에 흡착되어 물질전환됨으로써 지속적인 처리 및 재활용이 용이한 형태를 유지하도록 하는 것이다.
본 발명의 유기성 폐기물 처리방법은 처리 비용이 저렴하고 에너지의 소모가 적으며, 생활형이 다른 다양한 미생물을 투입하여 유기물의 처리 속도와 효율은 높으면서 이산화탄소와 같은 온난성 가스와 악취가스 배출량은 적어서 이차적인 대기오염을 유발하지 않는다.
또한, 상기 방법에 따라 처리되어 배출되는 부산물은 환원성을 가지면서 음이온 함량이 높고, 염분함유량이 적으면서 유해성분과 유해균이 없으며, 조섬유, 조지방, 조단백, 조회분 등의 영양성분 함량이 우수하여 비료화, 사료화 및 바이오매스 에너지화가 용이하여 유기성 폐기물의 재이용에 유용하다.

Description

담체를 이용한 유기성 폐기물 처리방법{method for treating organic waste using carrier}
본 발명은 미생물 및 담체를 이용하여 유기성 폐기물을 처리하는 방법에 관한 것으로서, 유기성 폐기물에서 미생물의 발효?환원 작용으로 인하여 부식질이 지속적으로 생성되고 점차적으로 발효?소멸 작용이 촉진되며, 무기염류 및 염분이 부식질에 흡착되어 물질전환됨으로써 지속적인 처리 및 재활용이 용이한 형태를 유지하도록 하는 것이다.
생활 주변에서 버려지는 음식물 쓰레기의 양은 매우 엄청나고 또한 나날이 증가하고 있으며, 심각한 환경오염과 더불어 처리비용의 사회적 부담이 심각한 문제로 대두하고 있다.
이러한 문제를 타개하기 위하여 많은 홍보와 제도적 보완을 지속하고는 있으나 음식물 쓰레기의 폐기량을 일정 수준 이하로 줄이는 데에는 한계가 있으므로, 버려지는 음식물 쓰레기를 재활용하여 경제적 이득과 함께 환경개선 효과를 확보하고자 하는 연구가 다각도로 진행되고 있다.
이러한 연구의 일환으로서 음식물 쓰레기를 건조 및 일정한 방법으로 재처리하여 비료나 사료로 사용되는 방법이 제안되어 있다.
그러나 지금까지 제안된 방법들 대부분은 처리온도를 일정하게 유지하기 어려워 미생물에 의한 음식물 쓰레기의 분해가 잘 이루어지지 않고, 처리 과정 중 악취 발생 및 침출수 등 이차오염이 발생하여 비료 또는 사료로 사용하기 부적합하다는 단점이 있다.
또한, 건조된 유기성 폐기물은 토양에 재이용시 주변의 산소가 소비되어 고갈됨으로써 주변 다른 미생물의 생육환경을 파괴하는 등 미생물의 분해작용을 저해하여 오히려 2차 환경오염을 유발하므로 유기비료로서의 활용도가 낮고 환경피해가 뒤따르는 문제가 있다.
또한, 설비 비용이나 운전 비용에 비하여 처리 효율이 낮은 점도 극복해야할 과제 중의 하나이다.
상기와 같은 문제와 함께 화학비료의 과다 사용으로 인한 토양의 산성화를 방지하기 위하여 이를 알칼리성으로 중성화시키기 위한 토질개량에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이러한 방안의 하나로서 한국등록특허공보 제0267753호에는 해저퇴적물을 이용하여 음식물 쓰레기 및 하수슬러지 등의 유기성 폐기물을 처리하는 유기질비료 제조방법이 개시되어 있다.
상기 발명은 연안 해역의 해저 퇴적물에 담수를 첨가하여 탈수하고, 여기에 분쇄한 음식물 쓰레기 및 하수슬러지 등의 유기성 폐기물을 혼합한 다음, 안정화 첨가제인 생석회를 투여하여 발열반응을 일으킴으로써 강 알칼리화되도록 하며, 이를 건조하여 유기질비료를 생산하는 구성으로 이루어진다.
상기 발명은 유기성 폐기물에 생석회를 투여하여 비료를 생산함으로써 유기성 폐기물을 처리하면서 산성화된 토질을 개량할 수 있는 알칼리성 비료를 생산하고자 하였으나, 수분이 함유된 유기성 폐기물에 생석회 가루를 직접 혼합하였기 때문에 생석회에서 열이 발생하기 전에 유기 폐기물에 생석회 가루가 흡착되므로 살모렐라균 등의 멸균이 이루어지지 않는 문제점이 있다.
또한, 유기성 폐기물에 혼합된 생석회 가루가 발생하는 열이 지속적이지 않고 바로 식어서 유기성 폐기물에 포함된 수분을 제거하지 못하기 때문에 비료가 알칼리성을 가지지 못하여 토지개량제로서의 역할을 수행하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 음식물 쓰레기, 하수슬러지 등의 유기성 폐기물을 처리 속도와 효율은 높으면서 이산화탄소와 같은 온난성 가스 배출량은 적으며 처리완료된 부산물이 환원성을 가져서 자연에 배출되어도 이차적인 환경 오염을 유발하지 않는 유기성 폐기물의 처리방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 미강에 락토바실러스 속, 바실러스 속, 라이조푸스 속 및 아스퍼질러스 속 미생물을 접종하여 40~50 ℃에서 1~5 일간 발효시키는 단계; 상기 발효된 미강 40~90 부피%와 체적대비 수분흡수율이 120~180 %인 다기공성 물질 10~60 부피%를 혼합하여 담체를 제조하는 단계; 상기 담체에 로도스피릴리움 속, 로도슈도모나스 속 및 로도박터 속으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 미생물과 루미노코코스 속 및 피브로박터 속으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 미생물과 캔디다 속 미생물을 담체 부피기준 0.1~10.0 부피% 접종하는 단계; 및 상기 미생물이 접종된 담체에 유기성 폐기물을 투입하여 발효처리하는 단계;를 포함하는 유기성 폐기물 처리방법을 제공한다.
이때, 상기 락토바실러스 속 미생물은 락토바실러스 애시도필루스, 락토바실러스 카세이, 락토바실러스 불가리쿠스, 락토바실러스 브레비스 및 락토바실러스 플란트룸으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 상기 바실러스 속 미생물은 바실러스 서브틸리스, 바실러스 서브틸리스 나토, 바실러스 메가트리움 및 바실러스 서브틸리스 사케로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 상기 라이조푸스 속 미생물은 라이조푸스 오리지에, 라이조푸스 스토니퍼 및 라이조푸스 마이크로스포러스로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 상기 아스퍼질러스 속 미생물은 아스퍼질러스 니거, 아스퍼질러스 오리지에, 아스퍼질러스 오크라세우스 및 아스퍼질러스 퍼미가터스로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 로도스피릴리움 속 미생물은 로도스피릴리움 루브럼이고, 상기 로도슈도모나스 속 미생물은 로도슈도모나스 캡슐라타, 로도슈도모나스 스페로이드 및 로도슈도모나스 젤라티노사로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 상기 로도박터 속 미생물은 로도박터 캡슐라타, 로도박터 스페로이드 및 로도박터 루부럼으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 상기 루미노코코스 속 미생물은 루미노코코스 플라베푸시엔스 및 루미노코코스 알부스로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 상기 피브로박터 속 미생물은 피브로박터 숙시노게나스이고, 상기 캔디다 속 미생물은 캔디다 인터미디아, 캔디다 에덱스, 캔디다 플라비아틸리스, 캔디다 파마타 및 캔디다 헬레니카로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 다기공성 물질은 퍼라이트, 견운모, 일라이트, 소성 제올라이트, 팽화 왕겨 및 코코넛 피트로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 상기 담체에 지름 10~50 ㎜의 원형 또는 원추형 고형물을 담체 부피기준 5~20 부피% 추가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 발효처리하는 단계는 담체와 유기성 폐기물을 30분~1시간 간격으로 교반 및 중단을 주기적으로 반복하면서 공기를 공급하고 발생가스를 배출하는 것이 바람직하다.
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본 발명의 유기성 폐기물 처리방법은 처리 비용이 저렴하고 에너지의 소모가 적으며, 생활형이 다른 다양한 미생물을 투입하여 유기물의 처리 속도와 효율은 높으면서 이산화탄소와 같은 온난성 가스와 악취가스 배출량은 적어서 이차적인 대기오염을 유발하지 않는다.
또한, 상기 방법에 따라 처리되어 배출되는 부산물은 환원성을 가지면서 음이온 함량이 높고, 염분함유량이 적으면서 유해성분과 유해균이 없으며, 조섬유, 조지방, 조단백, 조회분 등의 영양성분 함량이 우수하여 비료화, 사료화 및 바이오매스 에너지화가 용이하여 유기성 폐기물의 재이용에 유용하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 유기성 폐기물 처리방법은 먼저 미생물이 살아갈 수 있는 담체를 제조하고, 여기에 염류, 섬유소, 지질 등을 분해하는 특정 미생물 배양체를 접종한 다음 유기성 폐기물을 투입하여 발효처리하는 과정으로 이루어진다.
상기 담체는 미강에 미생물을 접종하여 40~50 ℃에서 1~5 일간 발효시킨 발효 미강 40~90 부피%와 미생물이 살아갈 수 있도록 기공형성 및 담체 역할을 할 수 있으며 체적대비 수분흡수율이 120~180 %의 퍼라이트, 견운모, 일라이트, 소성 제올라이트, 팽화 왕겨, 코코넛 피트(coconut peat) 중에서 1종 또는 2종 이상의 다기공성 물질 10~60 부피%를 혼합하여 제조된다.
상기 팽화 왕겨는 왕겨를 150 ℃ 정도의 고온에서 압축?팽창시켜 기공을 형성하고 병균과 유해물질 등을 제거한 것이며, 상기 담체에 저작 작용 및 공극을 형성하기 위하여 지름 10~50 ㎜를 갖는 원형이나 원추형의 고형물을 상기 담체 부피기준 5~20 부피% 추가할 수도 있다.
상기 미강 발효 과정에 접종하는 미생물은 다음과 같으며, 미강에 함유된 유기물은 미생물의 우수한 영양공급원으로 작용한다.
(a) 락토바실러스 속 미생물
예를 들어, 락토바실러스 애시도필루스(Lactobacillus acidophillus), 락토바실러스 카세이(Lactobacillus casei), 락토바실러스 불가리쿠스(Lactobacillus bulgaricus), 락토바실러스 브레비스(Latobacillus brevis) 및 락토바실러스 플란트룸(Lactobacillus plantrum)으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 종의 통성혐기성 미생물
(b) 바실러스 속 미생물
예를 들어, 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtillis), 바실러스 서브틸리스 나토(Bacillus subtillis natto), 바실러스 메가트리움(Bacillus megatrium) 및 바실러스 서브틸리스 사케(Bacillus subtillis sakke)로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 종의 통성호기성 미생물
(c) 라이조푸스 속 미생물
예를 들어, 라이조푸스 오리지에(Rhizopus oryzae), 라이조푸스 스토니퍼(Rhizopus stlonifer) 및 라이조푸스 마이크로스포러스(Rhizopus microsporus)로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 종의 호기성 미생물
(d) 아스퍼질러스 속 미생물
예를 들어, 아스퍼질러스 니거(Aspergillus niger), 아스퍼질러스 오리지에(Aspergillus oryzae), 아스퍼질러스 오크라세우스(Aspergillus ochraceus) 및 아스퍼질러스 퍼미가터스(Aspergillus fumigatus)로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 종의 호기성 미생물
상기 (a) 락토바실러스 계통의 미생물은 발효 초반 자연상태에 존재하는 부패균 등의 생육억제와 효모, 방선균, 광합성균 등의 여타 유용미생물의 생육효율 증가, 산성물질 발생으로 악취 원인물질의 생성 억제, 탄수화물의 분해 및 전체적인 운전효율 증가 목적으로 투입한다.
(b) 바실러스 계통의 미생물은 단백질의 효율적 분해, 효소생성 및 발효온도 상승효과를 목적으로 투입한다.
(c) 라이조푸스 계통의 미생물은 유기성 폐기물에서 발생하는 유독성 가스 물질을 제거하여, 유독성 가스로 인해 여타 미생물의 활성이 저하되는 것을 방지한다.
(d) 아스퍼질러스 계통의 미생물은 발효 극초반부에 대량으로 증식하는 초기 발효 촉진균으로서, 유기성 폐기물을 여타 미생물이 이용하기 쉬운 형태로 전환시켜서 발효 점화제의 역할을 수행한다.
다음은 상기에서 제조된 담체에 염류, 섬유소, 지질 등을 분해하는 미생물 배양체가 포함된 특정 미생물 제제를 상기 담체 부피기준 0.1~10.0 부피% 접종한다.
상기 특정 미생물 제제의 미생물은 다음과 같다.
(e) 로도스피릴리움 속, 로도슈도모나스 속 및 로도박터 속으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 속의 미생물
예를 들어, 로도스피릴리움 루브럼(Rhodospirillum rubrum), 로도슈도모나스 캡슐라타(Rhodopseudomonas capsulata), 로도슈도모나스 스페로이드(Rhodopseudomonas spheroides), 로도슈도모나스 젤라티노사(Rhodopseudomonas gelationsa), 로도박터 캡슐라타(Rhodobacter capsulata), 로도박터 스페로이드(Rhodobacter sphaeroides) 및 로도박터 루부럼(Rhodobacter rubrum)으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 종의 미생물을 혼합한 광합성 세균 배양액
(f) 루미노코코스 속 및 피브로박터 속으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 속의 미생물
예를 들어, 루미노코코스 플라베푸시엔스(Rumincoccus flavefuciens), 루미노코코스 알부스(Ruminococcus albus), 및 피브로박터 숙시노게나스(Fibrobacter succinogenase)로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 종의 미생물을 혼합한 섬유소 분해 촉진균 배양액
(g) 캔디다 속의 미생물
예를 들어, 캔디다 인터미디아(Candida intermedia), 캔디다 에덱스(Candida edax), 캔디다 플라비아틸리스(Candida fluviatilis), 캔디다 파마타(Candida famata) 및 캔디다 헬레니카(Candida hellenica)로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 한 종의 미생물을 혼합한 지질 분해균 배양액
상기 (e) 광합성 세균 계통의 미생물 배양액은 킬레이트화 물질 방출로 인한 영양염류의 분해능을 가지고 있어서, 단백질, 지질, 탄수화물, 셀룰로오스 등의 전체적인 분해효율 증가, 악취 원인물질의 직접적 분해, 다른 미생물의 원활한 생육을 보조하는 효과를 제공한다.
(f) 섬유소 분해 촉진균 계통의 미생물 배양액은 최종 분해과정 중 셀룰로오스 등의 잔존 유기물을 점차적으로 분해하는 역할을 수행한다.
(g) 지질 분해균 계통의 미생물 배양액은 지질 분해효과를 증대시켜 여타 미생물에 원활한 영양을 제공하고, 알코올 등 유기화합물의 합성에 기여한다.
발효과정을 단계별로 살펴보면, 발효 초반부에 락토바실러스, 라이조푸스, 아스퍼질러스 및 광합성 세균에 의하여 물질분해 및 환경변화, 비오틴(biotin) 등의 생성이 이루어진다.
통성혐기성 미생물은 주로 산소가 없는 곳에서 생육하는 미생물이나 공기가 있어도 물질 분해와 재합성 과정을 진행할 수 있는 미생물로서, 본 발명에서는 초반의 처리속도를 높이는데 기여하는데, 먼저 물질을 분해하여 유기산 및 저급 산화물로 분해함으로써 호기성 미생물의 처리효율을 향상시키는 역할을 한다.
호기성 미생물은 산소가 있는 곳에서 생육하는 미생물로서, 본 발명에서는 상기 통성혐기성 미생물에 의해 분해된 물질을 다시 분해하여 더욱 저급의 산화물과 분해물질을 만들어 내는 동시에 광합성 미생물 및 여타의 난분해성 물질 분해균이 유기성 폐기물을 빠르게 분해?환원하여 물질을 재생산하고 부식질을 생성할 수 있도록 하는 역할을 한다.
이후, 발효 중반부에 바실러스와 지질 분해균이 물질의 분해 및 제거를 담당하며, 발효 중반부에도 일부의 락토바실러스와 광합성 세균은 여전히 발효 활동을 보조하거나 분해과정에 직접 참여한다.
발효 후반부에는 토양, 식물체, 동물체, 하천, 해수 등 자연계에 널리 분포하여 상기 담체 및 유기성 폐기물에 존재하는 방선균(Actinomyces)과 섬유소 분해 촉진균이 미분해된 유기화합물과 셀룰로오스 등의 난분해성 물질을 가스화 과정 및 기타 분해과정을 통해 분해하여 물질의 순환을 돕게 되는데, 모든 미생물은 분해과정 중 온도 등의 여러 조건에 의하여 유기물의 공극과 공극조절 물질에 자체 내생하게 되어 그 생육을 끊임없이 이어나가게 되며, 촉매물질을 분비하여 조성물을 자신들의 세포조성물로서 끊임없이 이용하는 순환과정을 거침으로써 염류의 고정을 억제한다.
여기서 최종적으로 광합성균 계열과 방선균 계열은 상호 공생 관계를 이루면서 광합성균 계열은 유기산과 각종 저급 지방산, 그 외 타 미생물 등에서 발생한 영양원으로 지속적으로 분해함으로써 산을 환원시켜 수소가스를 환원시키고 음이온을 최종의 물질에 남기게 되어 전체적으로 부식질 생성시 부식질 표면에 음이온의 양을 더욱 증가시키게 된다.
토양교질을 예로 들면, 지속적인 분해와 환원과정 및 무기질의 분해 효과 등에 의하여 토양표면에 많은 음이온을 띄고 있는 것과 마찬가지로, 각종의 유기물질과 무기질이 지속적으로 기내에서 분해됨에 따라 최종적으로는 담체교질물 표면에는 음이온을 띄고 있는 입자가 지속적으로 증가하고 이는 곧 부식질과 같은 구성을 가지게 되는 것으로서 이러한 지속적인 분해과정에서 일어나는 효과와 더불어 광합성균과 방선균 등의 최종 분해자의 환원효과로 인한 음이온 증가 효과는 더욱 촉진된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 미생물의 구성은 처리대상인 유기성 폐기물의 탄소원을 원료로 하여 다른 탄수화물의 콤플렉스 및 부식질의 형태로 전이시키고 미생물의 발효에 의해 생성되는 부식질은 외부표면에 음이온을 띠게 되며, 이때 발생하는 탄소부위의 환원전위(reduction potential)는 소멸하지 않고 지속적으로 남는 무기물 및 염분과 결합하여 콤플렉스 물질형태의 물질 전환과정을 일으키게 되므로 무기물이나 염분을 회분이나 기타의 물질로 전환시킴으로써 지속적인 발효물질 순환과정이 유지된다.
이와 같이, 상기 미생물의 발효과정을 거쳐 유기성 폐기물이 처리되면서 부식질이 점차 늘어나고 이에 따라 가스로 전환되어 배출되는 물질의 양이 많아지며, 이는 다시 음이온 함량이 많은 부식질을 지속적으로 증가시키는 과정이 순환 반복되어 환원성을 지속적으로 유지하는 형태의 기내 환경을 유지하게 된다.
환원성을 띈다는 것은 산화물과 환원물의 농도 차이에 의해 나타나게 되는데, 배출되는 가스 및 유기성 교질물(발효과정을 통해 재합성되어 환원되는 물질)의 농도가 높아짐에 따라, 산화되어 미생물의 영양원으로 이용되는 물질의 농도는 점차 낮아지고 음이온의 함량이 높은 부식질이 많아지며, 이에 따라 담체는 지속적으로 환원성을 띠게 된다.
발효 초반부에 음이온 성질을 갖는 환원된 형태의 부식질을 담체의 외각부에 지속적으로 생성하는 미생물만을 이용할 경우에는 분해속도가 느리므로 초기 분해속도를 촉진시킬 필요가 있다.
이를 위하여, 본 발명에서는 초기에 투입되는 담체의 발효 미강에 있는 락토바실러스, 바실러스, 라이조푸스, 아스퍼질러스 등이 동시에 활동하여 발효, 분해, 재합성 공정을 거치면서 환원형 미생물이 생육하기에 적합한 영양과 환경조건을 조성하여, 추후 발효처리속도를 증폭하고 환원성 미생물만을 이용할 경우보다 더 많이 분해할 수 있도록 하여 처리 효율을 5~10 배 정도 높여 발효?소멸화 과정을 유지할 수 있도록 한다.
또한, 상기와 같이 생활형이 다른 미생물들의 활성이 처리과정에서 균일하게 나타나도록 하기 위하여, 발효 미강과 다양한 미생물의 생육이 가능한 다기공성 물질의 담체와 더불어 발효과정 중에 생성되는 부식질 또한 지속적으로 담체의 역할을 담당함에 따라, 이러한 담체에서 미생물들의 생육이 지속적으로 이루어진다.
또한, 통성혐기성 미생물, 호기성 미생물 및 광합성 물질이 생장하면서 분비하는 점액물질에 의해 담체가 점차 떼알구조화 되어 표면적 및 기공이 확대되고 이에 따라 담체의 공기 접촉면적이 증가하여 산화에 의한 처리효율이 향상된다.
이러한 과정을 거침으로써 담체 내부에서 완벽한 물질 순환과정을 유지하여 소멸화 효율을 증대?유지시키는 것이다.
이에 따라 일부 남게 되는 셀룰로오스 등의 잔재물도 시간이 경과함에 따라 담체로서의 역할을 하면서 점차 분해되므로 장시간 분해효율이 저하되지 않고 유지되며, 0.5~1.0 년 정도의 시간 경과 후 투입된 유기성 폐기물 성상에 따른 담체 교체나 연속 배출시에 배출되는 배출물은 고품질의 비료로 재활용할 수 있고 매립이나 분리 배출시에도 자연환경에 부하를 주지 않는 환경친화적인 배출물로 전환될 수 있다.
상기와 같이, 미생물 담체가 균일하게 유지되고 미생물이 지속적으로 생존, 번식 및 유기물을 발효할 수 있는 환경을 조성함으로써 담체의 환경이 지속적으로 환원형으로 유지되며, 음식물이나 슬러지 등의 유기성 폐기물이 발효, 분해, 환원 과정을 거쳐 부식질화 됨에 따라 셀룰로오스, 리그닌 등 난분해성 물질의 일부와 발효 순환 과정에서 발생하는 물질이 복합된 형태의 환원성을 갖는 담체로 형성되어 미생물의 생육이 더욱 안정화된다.
본 발명에서는 전체적인 분해사이클이 순차적으로 돌아갈 수 있도록 미생물을 구성하고 모든 미생물이 활동하기에 최적의 조건을 갖출 수 있도록 하여, 지속적으로 무기질 및 염분 등이 촉매 반응, 효소 반응 등의 작용을 거쳐 흡착되고 물질 전환되어, 장기간 미생물의 발효 및 분해 작용이 유지될 수 있다.
또한, 발효하여 재합성된 유용물질과 유용효소 및 생합성 물질 등이 잉여 담체에 많이 함유되어 있어도, 환원형의 부식질 형태와 부패성 미생물들이 이용하지 못하는 재합성 형태로 존재함에 따라, 다른 분해미생물이 달라붙지 못하는 형태가 유지되어 장기간의 보관을 하여도 부패가 억제되며, 발효 부식질에 함유된 항산화 물질 등은 부패성 균을 억제하여 생합성 물질 등이 부패하는 것을 막으며 토양에서 부패성 균의 생성을 막는다.
또한, 본 발명의 통성혐기성 미생물과 호기성 미생물들은 유기산과 유해성 아민을 분해하여 무해화(無害化)하는 특성이 있고 이들 미생물들의 다양한 효소작용으로 분해가 이루어져 최종적으로 미생물의 세포벽을 구성하는 단백질의 주성분인 아미노산(systeine, serine 등의 R-NH2)과 미생물 대사에 필요한 성분으로 전환된다.
즉, 유기산 및 악취물질인 황화메틸, 이황화메틸, 메틸메르캅탄 등은 미생물 세포 내로 흡수되어 미생물의 에너지원으로 이용되는 NADH(nicotinamide adenine dinucleotide, reduced)를 생성하는데 이용되거나 아미노산이나 당류를 만드는 경로에 이용되어 미생물 자체의 생육과 증식에 사용되게 한다.
이러한 아미노산이나 당류를 만드는 과정에서 무기물이나 염류가 결합하여 물질의 전환과정을 일으켜 무기물이나 염분의 농축으로 인한 미생물의 생육 저하현상 및 발효 분해 둔화현상을 예방하는 효과를 갖는다.
내부순환 과정에서의 악취 원인물질의 제어는 담체에 흡착 후 서서히 방출되는 현상, 미생물 등에서 발생하는 효소에 의한 제어 현상, 알코올 등 유기화합물의 생성에 의한 분해, 불활성화 현상, 미생물에 의한 영양원으로의 흡수 등의 과정을 거치므로, 발효작용에 따른 자체 발생 악취량이 매우 적어 탈취장치와 같은 물리적 또는 생물학적 필터에 의하여 최종 처리되는 과정을 거침으로써 대부분의 악취원인물질 제거가 가능하다.
상기와 같이, 물질의 소멸이 아닌 미생물 상호 간의 지속적인 물질 순환과정을 정립하고, 최종적으로는 물질의 소멸(가스로 방출, 증기로 제거, 세포에의 재이용)을 달성함으로써, 유기성 폐기물을 발효?환원 작용을 통하여 발효?소멸 처리한다.
또한, 본 발명은 미생물의 호흡작용과 생리작용을 이용하여 처리된 유기성 폐기물의 부산물이 환원성을 갖도록 하여 자연에 환원되거나 비료로 이용되어도 다른 미생물 환경에 피해를 입히지 않으며, 오히려 부패성 또는 생물기생성 병원균에 대하여 살균능력을 가지므로 토양환경에 투입하였을 경우 발효합성형 유익균의 생육환경을 촉진하는 작용을 갖는 미생물적 처리방법이다.
즉, 본 발명에 따른 처리방법은 고농도의 유기성 폐기물을 산화?분해에 의한 무기화와 동시에 발효?합성의 유기화 공정이 동시에 이루어질 수 있도록 하기 위하여 통성혐기성 미생물, 호기성 미생물 및 광합성 미생물로 이루어지는 미생물 제제를 투입하고 환경 조절하여 발효를 유도함으로써 발효?환원 처리효율을 향상시키며, 처리완료 후에는 환경친화적이고 생리활성능력과 부식질 함량이 높고 환원성을 갖는 부산물이 배출되도록 한 것이다.
상기 방법으로 유기성 폐기물을 처리하여 배출되는 부산물은 발효?환원상태의 성질을 가지므로 토양에 투입시 환원성을 가지면서 음이온 함량이 높아서 부패 현상에 의한 2차 환경오염을 일으키지 않으며, 부식질 형태의 유기물이 풍부하다.
따라서 상기 부산물을 사용하여 토양개량제를 제조하거나 비료화, 사료화, 바이오매스 에너지화가 용이한 환경개선기술에 접목할 수 있어서, 자연생태계의 환경공생적 자원으로 활용되는 유기성 폐기물의 재이용이 가능하다.
구체적으로, 상기 부산물에는 토양미생물의 생육을 증진시킬 수 있는 미네랄 성분이 다량으로 조성되어 있고 식물의 노화를 방지하고 광합성을 촉진하는 등 다양한 효과를 제공하며, 토양에서 탄산가스를 발생시켜 탄소동화작용의 상승작용으로 이어지게 하고 토양에 존재하는 방선균이 증식하기에 좋은 환경을 만들어 토양개량을 촉진하는 역할을 한다.
또한, 부산물에 함유된 미생물들은 토양 무기물을 유기화시켜 비료의 흡수를 원활히 하는 양분의 조절자 역할을 하고, 토양에서 아미노산, 비타민, 핵산, 미네랄, 호르몬, 지방산 등을 재합성하다가 자신의 생육주기가 끝나면 이러한 물질들을 토양으로 환원시켜 토양의 유용균들의 증식, 식물의 생장 및 토양 비옥화에 도움을 준다.
통상의 건조과정을 통하여 처리된 유기성 폐기물의 잔존물은 자연에 재활용할 경우 토양 중의 산소를 소모하는 산화적 프로세스로 작용하여 오히려 자연을 더욱 심각하게 오염시키는 단점이 있으나, 본 발명의 처리방법을 거친 처리 잉여물, 즉 부산물은 자연에 재활용할 경우 자연계의 산화과정을 촉진하지 않으므로 자연폐해를 주지 않고 자연계의 미생물들에게 오히려 유익한 유용물질과 자연정화작용을 촉진하는 영양원으로서의 역할을 하며 환원화에 가까운 자연환경을 조성한다.
또한, 상기 부산물을 토양에 재이용할 경우 일반 비료보다 더 좋은 효과를 가져오는데, 이는 각종 병원균과 악취의 원인이 되는 부패성 균을 사멸하여 토양환경 개선효과가 증폭되며, 항균, 항바이러스성 물질이 포함되어 있으므로 토양뿐만 아니라 사료로서 재활용할 경우 유용한 효과를 제공한다.
또한, 상기 부산물을 분진형태로 연소시켜 바이오매스 에너지화할 경우 부식질 및 미생물 재합성 과정 중 발생하는 기타 영양소가 풍부한 형태의 에너지원으로서 재활용할 수 있다.
본 발명의 처리방법은 미생물 제제와 산화?환원반응을 유도할 수 있는 시설이면 특별한 추가장치 없이 적용할 수 있기 때문에 기존 처리시설을 그대로 이용할 수 있는 장점을 가진다.
처리시설 내의 각 미생물이 적합한 활성을 유지할 수 있도록 담체와 유기성 폐기물을 주기적으로 교반 및 중단하는 단계를 반복하여, 교반단계에서는 호기성 미생물의 활성을 증가시키고 중단단계에서는 통성혐기성 미생물의 활성을 증가시켜, 양 단계에서 발효 재합성 미생물의 최적 활성조건을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
유기성 폐기물의 함수량, 외부 온도 등에 따라 미생물 환경조건을 최적화해야 하며, 이에 따라 상기 교반주기도 적절하게 변동되어야 하므로 교반주기를 한정하는 것은 바람직하지 않으나, 미생물의 특성에 의거 30분~1시간 범위 내에서 교반주기를 설정할 수 있다.
교반방법 이외에 처리시설 내 공기공급장치를 구비하여 호기성 분위기를 조성하고, 공기 흐름을 원활히 하여 발효시에 발생하는 수증기 등의 가스를 장치 내부에서 외부로 지속적으로 제거할 필요가 있다.
본 발명에 따른 유기성 폐기물 처리방법은 폐기물 내에 함유된 유기물을 통성호기성, 통성혐기성 미생물과 호기성 미생물로 하여금 순차적인 발효가 진행되도록 하고 각 발효 단계에서 각자의 역할을 순차적으로 수행함으로써 부식질의 생성을 촉진시켜 에너지 사용을 최소화한다.
또한, 유기성 폐기물의 탄소원을 탄수화물의 다른 형태로 전이시키기 때문에 이산화탄소 가스의 발생량을 종래의 처리법에 비하여 현저히 낮출 수 있어서 온난화가스의 발생량을 줄일 수 있는 친환경적인 특징을 갖는다.
본 발명에서의 유기성 폐기물은 수처리 과정 중 발생하는 상?하수 슬러지, 음식물 쓰레기, 동물의 사체 또는 기타 유기성 성질을 가지는 폐기물 전체를 말하며, 특히 90~60 %의 고함수율을 갖고 악취 발생이 우려되는 악성 유기성 폐기물에 본 발명이 매우 적합하게 적용될 수 있다.
본 발명에서 사용하는 미생물은 상기 (a)~(g)에서 기술된 미생물에 특별히 한정되지는 않으며, 상기에서 기술된 미생물과 동일 속명에 속하면서 본 발명의 목적을 수행할 수 있는 미생물이면 사용이 가능하고, 또한 상기 미생물의 종명은 공지의 종명을 가리키나 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니라 상기 미생물 종에서 변이된 공지의 균주명도 포함할 수 있다.
또한, 미생물의 구성비율은 유기성 폐기물의 상태에 따라 변화될 수 있으며, 상기 미생물 제제에 퇴비 발효능과 악취 제거능이 우수한 공지의 미생물과 효모류를 더 첨가하여 사용하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에서 사용하는 미생물 제제는 통성혐기성 미생물, 통성호기성 미생물, 호기성 미생물 및 광합성 미생물을 각각 배양한 다음 그 배양물을 공지된 통합 배지에서 혼합 배양한 것을 사용하거나 또는 각 미생물의 배양액을 따로 준비하고 담체에 접종 시 동시에 투입할 수도 있으며, 보관이나 사용의 용이성을 위하여 상기 혼합 배양물이나 별도 배양물을 공지의 방법으로 건조분말화 한 휴면상태의 분말 미생물 제제 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 특정 미생물 배양체를 접종한 담체를 음식물 수거함, 하수슬러지 집합소 등 유기성 폐기물이 모이는 장소에 일부 사전 투입하여 발생원에서부터 발효를 유발하여 전처리함으로써 유기성 폐기물의 처리시간 및 과정을 간소화하는 것도 가능하다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 시험예에 의거하여 좀더 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
<실시예 1> 미생물의 제조
(a) 통성혐기성 미생물
통상적으로 폐수처리에 사용되는 공지의 균주인 락토바실러스 애시도필루스, 락토바실러스 카세이, 락토바실러스 불가리쿠스, 락토바실러스 브레비스 및 락토바실러스 플란트룸을 분양받아 각각 뉴트리언트 배지(nutrient agar)에서 배양하고, 성장력이 우수한 균주를 분리하여 액상배지(nutrient broth) 1 ℓ에 분리한 균주들을 모두 접종하고 충분히 증식되도록 3 일 동안 35 ℃ 전후의 온도에서 혼합배양을 하여 통성혐기성 미생물 배양액을 제조하였다.
(b) 통성호기성 미생물
통상적으로 폐수처리에 사용되는 공지의 균주인 바실러스 서브틸리스, 바실러스 서브틸리스 나토, 바실러스 메가트리움 및 바실러스 서브틸리스 사케를 분양받아 각각 뉴트리언트 배지에서 배양하고, 성장력이 우수한 균주를 분리하여 액상배지 1 ℓ에 분리한 균주들을 모두 접종하고 충분히 증식되도록 4 일 동안 45 ℃ 전후의 온도에서 혼합배양을 하여 통성호기성 미생물 배양액을 제조하였다.
(c) 독성 가스 물질 제거균
라이조푸스 오리지에, 라이조푸스 스토니퍼 및 라이조푸스 마이크로스포러스를 분양받아 각각 뉴트리언트 배지에서 배양하고, 성장력이 우수한 균주를 분리하여, 액상배지 1 ℓ에 분리한 균주들을 모두 접종하고 충분히 증식되도록 4 일 동안 25 ℃ 전후의 온도에서 혼합배양을 하여 호기성 미생물 배양액을 제조하였다.
(d) 초기 발효 촉진균
아스퍼질러스 니거, 아스퍼질러스 오리지에, 아스퍼질러스 오크라세우스 및 아스퍼질러스 퍼미가터스를 분양받아 각각 뉴트리언트 배지에서 배양하고, 성장력이 우수한 균주를 분리하여 액상배지 1 ℓ에 분리한 균주들을 모두 접종하고 충분히 증식되도록 4 일 동안 25 ℃ 전후의 온도에서 혼합배양을 하여 호기성 미생물 배양액을 제조하였다.
(e) 광합성 미생물
로도슈도모나스 스페로이드 및 로도슈도모나스 젤라티노사를 분양받아 각각 뉴트리언트 배지에서 배양하고, 성장력이 우수한 균주를 분리하여 증식배지(물 1 ℓ, 효모 추출물 10 ㎎, 초산나트륨 3 g, 황산암모늄 0.3 g, 인산제2수소칼륨 0.5 g, 황산마그네슘 0.2 g, 염화나트륨 0.1 g, 염화철 6수화물 5 ㎎ 및 염화칼슘 2수화물 50 ㎎) 1 ℓ에 모두 접종하고 충분히 증식되도록 3 일 동안 30 ℃ 전후의 온도에서 혼합배양하였다.
대량 배양을 위하여 상기 혼합배양액에 물 20 ℓ 쌀겨(밀기울도 가능) 400 g , 유산균배양액 1 ℓ, 천일염 30 g, 효모추출물 100 g을 혼합하여 5 일간 배양하여 광합성 미생물 배양액을 제조하였다.
(f) 섬유소 분해 촉진균
루미노코코스 플라베푸시엔스, 루미노코코스 알부스 및 피브로박터 숙시노게나스를 분양받아 각각 뉴트리언트 배지에서 배양하고, 성장력이 우수한 균주를 분리하여 액상배지 1 ℓ에 분리한 균주들을 모두 접종하고 충분히 증식되도록 4 일 동안 25 ℃ 전후의 온도에서 혼합배양을 하여 섬유소 분해 촉진균 배양액을 제조하였다.
(g) 지질분해 촉진균
캔디다 인터미디아, 캔디다 에덱스, 캔디다 플라비아틸리스, 캔디다 파마타 및 캔디다 헬레니카를 분양받아 각각 뉴트리언트 배지에서 배양하고, 성장력이 우수한 균주를 분리하여 액상배지 1 ℓ에 분리한 균주들을 모두 접종하고 충분히 증식되도록 4 일 동안 25 ℃ 전후의 온도에서 혼합배양을 하여 지질 분해 촉진균 배양액을 제조하였다.
<실시예 2> 담체 제조 및 미생물 배양체 접종
미강 30 ℓ에 상기 실시예 1의 (a)~(d) 통성혐기성 미생물, 통성호기성 미생물 및 호기성 미생물을 각각 50 ㎖씩 접종하고 45 ℃에서 3 일간 발효시켰다.
상기 발효 미강 20 ℓ와 퍼라이트, 소성 제올라이트, 팽화 왕겨 및 코코넛 피트를 동일 부피비로 혼합한 다기공성 물질 10 ℓ를 혼합하여 담체를 제조하였다.
상기에서 제조된 담체 20 ℓ에 상기 실시예 1의 (e)~(g) 광합성 미생물, 섬유소 분해 촉진균 및 지질분해 촉진균 200 ㎖를 접종하였다.
<실시예 3> 유기성 폐기물 처리
교반장치와 공기공급 및 배기장치가 구비된 발효조에 음식물 쓰레기 50 ㎏과 상기 실시예 2의 미생물 배양체가 접종된 담체 5 ㎏을 투입하였다.
45 분 교반 및 45 분 교반중지를 반복실시하였으며, 공기공급 및 배기장치를 가동하여 발효조 내에 공기를 공급하면서 발효조 내부의 가스를 배출하였다.
이후, 발효조를 연속가동하면서 일일평균 50 ㎏ 정도의 음식물 쓰레기를 120 일에 걸쳐 3 일 중 2 일씩 투입하여 모두 80 일 투입하였으며, 이에 따라 총 4 톤의 음식물 쓰레기가 투입 처리되었다.
120 일간 처리 후 발효조 내 70 ㎏이 잔존하여, 98.25 %의 발효?소멸률을 나타내었다.
<시험예> 성분분석
비료관리법에 따른 농촌진흥청 고시 제2011-46호에 의거, 상기 실시예 3에서 발효처리 후 잔존물의 염분량 및 유해성분을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
염분 분석은 질산은법을 이용하여 염화물의 농도를 측정하였으나, 나트륨 이외의 염화물이 존재할 경우를 산정하여 나트륨을 화염광도 분석법으로 따로 정량하고 2.542를 곱하여 상기의 질산은법에서 측정한 염소의 양으로부터 산출된 값과 비교하여 작은 값을 염분의 양으로 하였다.
화염광도 분석법에서 이용한 화염광도계(flame photometer)는 CORNING climical flame photometer 410C(Corning Ltd. 제품, 영국)를 이용하였다.
유해성분의 분석은 수은, 비소, 카드뮴, 니켈, 구리, 카드뮴, 아연, 크롬, 납을 대상으로 하였으며, 수은은 가열기화법을 이용하여 분석하였고 나머지 성분은 원자흡광분광법을 이용하여 분석하였다.
원자흡광광도계는 AAS 3300(Perkin Elmer사 제품, 미국)을 이용하였으며, 회화로는 소형전기로를 사용하였다.
조섬유, 조지방, 조단백, 조회분 함량은 A.O.A.C.법에 준하여 분석하였으며, 병원균 및 대장균 분석은 충남대학교 농업과학연구소에 위탁 분석하였다.
음식물 쓰레기 잔존물의 분석결과
항목 분석치
염분량 2.74 중량%
유해성분 ND주)
조섬유 7.54 중량%
조지방 15.62 중량%
조단백 20.17 중량%
조회분 8.13 중량%
병원균 ND
대장균 ND
주) ND : non-detected
음식물의 일반적인 염도는 약 3 중량% 정도로 볼 수 있고, 실시예 3에 사용된 음식물 쓰레기에서 칼국수가 매우 많은 관계로 염분함유량이 약간 높을 것으로 판단되므로, 최소 3 중량%로 추산하여 총 음식물 쓰레기 투입량 4 톤의 경우 120 ㎏의 염분이 투입된 것으로 추산된다.
발효처리 후 잔존물 70 ㎏ 중 염분량이 2.74 중량%이므로 약 2 ㎏의 염분이 잔존하여, 98 % 이상의 염분이 물질 전환된 것으로 나타났다.
또한, 조섬유, 조지방, 조단백, 조회분 함량이 1급 애견용 사료와 유사할 정도로 우수하고 유해성분이 검출되지 않았으며, 개의 사료로 20 여일 이상 급이한 결과 이상이 나타나지 않아서 사료로서의 재활용에도 우수한 특성을 갖는 것으로 판단된다.
또한, 작물에 비료로서 사용한 결과 방선균이 토양에 풍부해지고 작물 생육이 매우 건전하고 왕성하여 비료로서의 우수한 효능을 확인하였으며, 환경에 무해한 형태로 유기물을 분해하는 효과가 있음을 추정할 수 있다.
또한, 잔존물에서 병원균 및 대장균이 검출되지 않아서 처리과정에서 모두 사멸된 것으로 판단되며, 락토바실러스 및 바실러스 균이 검출되어 프로바이오틱스(probiotics)의 효과 또한 기대할 수 있다.

Claims (7)

  1. 미강에 락토바실러스 속, 바실러스 속, 라이조푸스 속 및 아스퍼질러스 속 미생물을 접종하여 40~50 ℃에서 1~5 일간 발효시키는 단계;
    상기 발효된 미강 40~90 부피%와 체적대비 수분흡수율이 120~180 %인 다기공성 물질 10~60 부피%를 혼합하여 담체를 제조하는 단계;
    상기 담체에 로도스피릴리움 속, 로도슈도모나스 속 및 로도박터 속으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 미생물과 루미노코코스 속 및 피브로박터 속으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 미생물과 캔디다 속 미생물을 담체 부피기준 0.1~10.0 부피% 접종하는 단계; 및
    상기 미생물이 접종된 담체에 유기성 폐기물을 투입하여 발효처리하는 단계;를 포함하는 유기성 폐기물 처리방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 락토바실러스 속 미생물은 락토바실러스 애시도필루스, 락토바실러스 카세이, 락토바실러스 불가리쿠스, 락토바실러스 브레비스 및 락토바실러스 플란트룸으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고,
    상기 바실러스 속 미생물은 바실러스 서브틸리스, 바실러스 서브틸리스 나토, 바실러스 메가트리움 및 바실러스 서브틸리스 사케로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고,
    상기 라이조푸스 속 미생물은 라이조푸스 오리지에, 라이조푸스 스토니퍼 및 라이조푸스 마이크로스포러스로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고,
    상기 아스퍼질러스 속 미생물은 아스퍼질러스 니거, 아스퍼질러스 오리지에, 아스퍼질러스 오크라세우스 및 아스퍼질러스 퍼미가터스로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 로도스피릴리움 속 미생물은 로도스피릴리움 루브럼이고,
    상기 로도슈도모나스 속 미생물은 로도슈도모나스 캡슐라타, 로도슈도모나스 스페로이드 및 로도슈도모나스 젤라티노사로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고,
    상기 로도박터 속 미생물은 로도박터 캡슐라타, 로도박터 스페로이드 및 로도박터 루부럼으로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고,
    상기 루미노코코스 속 미생물은 루미노코코스 플라베푸시엔스 및 루미노코코스 알부스로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고,
    상기 피브로박터 속 미생물은 피브로박터 숙시노게나스이고,
    상기 캔디다 속 미생물은 캔디다 인터미디아, 캔디다 에덱스, 캔디다 플라비아틸리스, 캔디다 파마타 및 캔디다 헬레니카로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다기공성 물질은 퍼라이트, 견운모, 일라이트, 소성 제올라이트, 팽화 왕겨 및 코코넛 피트로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 담체에 지름 10~50 ㎜의 원형 또는 원추형 고형물을 담체 부피기준 5~20 부피% 추가하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 발효처리하는 단계는 담체와 유기성 폐기물을 30분~1시간 간격으로 교반 및 중단을 주기적으로 반복하면서 공기를 공급하고 발생가스를 배출하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물 처리방법.
  7. 삭제
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