KR101235858B1

KR101235858B1 - 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리방법과 그 처리장치

Info

Publication number: KR101235858B1
Application number: KR1020120124032A
Authority: KR
Inventors: 박성용; 이성욱; 이세빈
Original assignee: 주식회사 이시엘
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2013-03-05

Abstract

본 발명은 음식물류폐기물이나 음폐수를 고온 고압의 수증기로 가열하여 기질에서 활동 중인 미생물을 멸균하면서 기질에 함유된 유지를 분리하여 제거 한 후, 당화와 알코올 발효를 실시함으로서 악취를 근원적으로 제거하고 유기물의 가수분해를 촉진한다. 멸균에 의한 선택적 알코올발효는 유기산의 생성에 의한 pH저하를 방지하여 이후 단계인 혐기성소화를 용이하게 할 뿐 아니라 응집제의 투입없이 고형물의 탈수가 가능하게 하며, 생성된 알코올은 열에너지의 공급원과 영양염류인 질소분을 제거하기 위한 탄소원으로 재활용될 수 있다. 이 발명에 의한 처리방법과 다단식 고온혐기성 소화공정은 음식물류폐기물의 처리과정이나 부산물과 최종산물에서의 악취제거는 물론 처리 후 폐기되는 최종고형배출물의 감량과 함께 처리과정에서 발생하는 폐수를 현행법률이 정한 배출허용기준 이내로 처리할 수 있으며, 일반적으로 행하는 단순 혐기성 소화 처리에 비하여 그 처리시간을 현저히 줄일 수 있으며 유지류, 알코올류 및 메테인가스와 같은 재생에너지를 부산물로 생산 할 수 있다.

Description

알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리방법과 그 처리장치{Methed of treatment for foodwaste and its waste water by Alcohoal Fermentation and Treatment apparatus}

본 발명은 폐기물관리법에 따른 음식물류폐기물의 처리 과정에서 발생하는 폐수(이하, 음폐수라 함)의 처리방법과 이를 효과적으로 처리할 수 있는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음식물류폐기물의 유기물질을 알코올 발효하여 회수하고, 증류잔액에 포함된 용해성 유기물질을 고온혐기성 소화에 의하여 처리하는 공법으로 처리과정 중 발생하는 폐수와 악취 및 그 잔재물(불용성 및 난용성 고형물을 포함한다)을 효율적으로 처리하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

※"음식물류폐기물"은 폐기물관리법 시행규칙에서 사용하는 법정용어로 음식물이나 그 재료의 가공(조리를 포함한다)과정이나, 이용 과정에서 남은 것은 물론 용도 외 폐기되는 것을 포함하고 이와 유사한 성질을 가진 물질을 망라합니다.

음식물류폐기물과 음폐수는 발생 및 수집경로가 다양하고 미생물이 활용할 수 있는 풍부한 영양물질을 함유하여 부패하기 쉽고, 악취가 심하며, 다양한 미생물의 활동으로 생성된 독성물질(항생물질도 포함)과 난분해성 대사산물 및 노폐물로 인하여 고형물 처리나 그 폐수를 현행 관련법령(폐기물관리법이나 수질 관련법령 등) 규제기준에 적합하게 처리하기가 어렵다.

따라서 본 발명은 각 처리단계별로 특정미생물의 번식과 활동을 조장하거나 제어하면서 신재생 에너지와 같은 재활용 가능한 유용한 부산물을 회수함으로써 기질에 포함된 유기물을 분해하여 분리하고 그 처리과정에서 발생하는 폐수와 악취 및 최종 잔재물을 국내·외적으로 시행 중에 있는 관련 법령이 정하는 규제기준 이내로 할 수 있는 물리·화학적인 방법과 생물학적 기술을 병행하는 생명과학분야에 해당하는 기술이다.

한국 특허출원 제10-2008-0020486호(2008.03.05)

음식물류폐기물이나 음폐수는 80±10% 이상의 수분과, 3±2%이내의 무기염류 및 15±5%의 유기성 물질로 구성되어 있으며, 유기물과 무기염류가 고액 또는 기액 상태로 물에 용해되거나, 유·무기 고형분이 교질(colloid) 상태로 수분이나 천연유기용제에 용해 또는 에멀션 상태로 분산되어 있기 때문에, 이들을 처리하기 위해 생물학적 공법이나 물리화학적 공법으로 이를 분리 가능한 유용한 물질로 분해하거나 합성하여 기질에서 농축, 분리 및 추출하여 이들 물질을 직접 처리공정에 활용하거나 부산물로 회수할 수 있어야 한다.

또한, 최종 잔재물은 환경생태계에서 안정한 물질로 전환하거나 그 발생량을 최소화하여야 하며, 이러한 일련의 과정에서 필연적으로 발생하는 부생가스(악취 등 가스상 물질), 처리 후에 공공 수역 또는 하수도로 배제하는 폐수 및 그 잔재물(최종 고형성 폐기물)의 처리가 현행 국내법이나 국제법에 적법하여야 하며, 시·공간적으로 처리장치나 처리과정이 인근지역의 주민에게 위해나 혐오감을 유발하지 않아야 하며, 주변생태계와 지구온난화에 주는 영향을 최소화하도록 하여야 한다.

특히 처리 후에 폐기되는 최종폐기물은 일반세균이나 병원균에 대한 규제가 날로 강화되고 있기 때문에 이에 적합하도록 멸균처리 하여야 할 필요성이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 음식물류폐기물 처리장치는 음식물류폐기물(음폐수를 혼합처리 또는 단독으로 처리하는 것을 포함한다)을 순간적으로 강한 열과 에너지를 가하여 세포막의 파괴와 고형물의 파쇄 및 기질을 일차적으로 예비가열하는 가열기와,

가열기에서 유출되는 기질을 일정시간 동안 일정범위의 온도와 압력을 지속하게 하여 균질화(homonize)하고 이 과정에서 미생물을 멸균하면서 유지(oil and fat) 분리와 고분자물질을 가수분해시키는 증자기와,

증자기의 처리 후 유출되는 기질에 포함되어 있는 난분해성 다당류를 분해가 용이한 단당류나 올리고당류로 분해하기 위한 당화기와,

당화기에서 처리 후 유출물을 알코올 발효하기 위한 발효조와,

발효조에서 처리 후 유출되는 유출물의 증류잔액 중 일부와 하기 탈수여액을 혐기성 소화하기 위한 소화조와,

증자기와 발효조에서 배출되는 퇴적 슬러지의 수분을 감소시키는 탈수기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가열기는 고온의 포화 수증기나 과열수증기를 주요 열원이나 처리하고자 하는 대상기질의 희석용 용매로 이용할 수 있다.

또한, 상기 가열기는 보일러를 더 포함하고, 상기 보일러는 증자기에서 회수되는 유지(유증기를 포함한다), 당화기 및 발효조에서 발생하는 기체상의 VOC 및 알코올류(액상의 농축분과 유증기를 포함한다)과, 소화조에서 발생하는 메테인가스를 이용할 수 있으며 이때 보일러의 연소기는 악취가스를 소각에 의한 탈취기능을 부수적으로 수행한다.

또한, 상기 탈수기에서 배출되는 슬러지케익 중 일부에 특정미생물을 배양하여 당화기나 발효조에 공급하는 당화제나 발효제로 재활용 또는 순환사용 할 수 있다.

또한, 열교환기를 더 포함하여, 상기 증자기에서 배출되는 유출물은 열교환기에서 냉각되어 당화기로 공급되고, 상기 발효조의 유출물은 열교환기에서 가열되어 증류되고, 증류 잔액은 혐기성 소화하기 위한 고온혐기성소화조로 공급되거나 알코올의 농도를 낮추어 발효조로 재순환 될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 음식물류폐기물을 가열기 및 증자기로 가압가열하여 멸균과 유지의 분리를 병행하면서 기질의 균질화를 실시하고, 증자기의 처리 후 유출물은 당화기와 발효조에서 각각 당화 및 알코올 발효하며, 액상의 분리발효액은 알코올 증류 후 또는 직접 소화조에서 혐기성 소화하고, 상기 다단식소화조에서 발생하는 소화오니는 가열기로 재공급하거나 탈수기에서 탈수하고 상등수는 처리된 폐수로 배출하며, 상기 증자기와 발효조에서 발생하는 슬러지는 가열기로 재순환되고, 상기 탈수기의 탈수여액은 소화조로 회수하고 탈수슬러지는 건조하여 계외로 배제시키는 음식물류폐기물(이하 음폐수를 포함한다)의 처리방법을 제공할 수 있다.

또한, 이 발명의 음식물류폐기물의 처리방법은 열교환기를 더 포함하여, 상기 증자기의 주 유출물은 열교환기에서 고온(120±10℃)부 열매로 작용한 다음 냉각(60±5℃)되어 당화기로 공급하고, 상기 발효조의 주 유출물은 냉매(35±5℃)로 작용하여 열교환기에서 고온혐기성소화에 유입에 적합한 온도(60±10℃)로 가온되면서 증류하여 알코올을 회수하고, 그 증류잔액과 저온(60±10℃)부 응축수는 소화조로 공급할 수 있다.

또한, 상기 처리방법은 상기 탈수기에서 배출되는 탈수슬러지는 120±20℃의 열에 의하여 완전히 멸균되고 가용성의 유기물이 거의 제거된 상태이므로 그대로 또는 건조시켜 사료나 부산물비료의 원료로 재활용하거나 일부에 특정미생물을 배양하여 당화기나 알코올발효조에 소요되는 효소나 누룩의 자급용으로 재공급할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 처리방법과 그 장치를 이용하여 음식물류폐기물을 처리하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 음식물류폐기물과 같이 영양물질이 풍부한 유기성 폐기물을 가압 가온하여 멸균하고 유지를 분리하면, 유지의 산패취를 근원적으로 제거하고, 미생물의 활동에 의한 유기물의 분해( 특히 유기산의 생성)와 변질을 차단할 수 있으며, 이를 다시 선택적으로 당화와 알코올 발효하고 혐기성 소화를 실시하기 때문에 내외부의 산소에 의한 산화나 미통제 잡균에 의한 부패를 방지하여 악취를 방지하고 가용성유기물에서 비교적 순도가 높은 액상 및 기체상의 연료 물질(재생에너지)을 회수할 수 있다.

둘째, 음식물류폐기물의 증자에 소요되는 열원을 각 처리 과정 예컨대, 증자 시 발생하는 유지, 발효 시 발생하는 VOC 또는 알코올, 및 혐기성 소화조에서 생산한 메테인가스로 충당하고, 또한 증자 후의 폐열을 각 장치에서 순환되는 유체와 열교환함으로써 열효율을 극대화할 수 있다.

셋째, 음식물류폐기물에 다량 포함되어 있는 단백질의 주성분인 질소분은 가열 가압처리에 의해 암모니아나 휘발성 저급아민 또는 미생물이 활용 가능한 아미노산으로 가수분해하고, 유기인 성분은 분해된 암모니움 이온과 기질에 존재하는 금속 이온을 이용하여 암모늄이온을 포함하는 인산이온의 금속염의 복염 또는 단일염으로 불용화를 유도하는 한편, 잔류하는 영양염류(질소 성분과 인 성분으로 핵산의 분해물인 퓨린과 피리미딘을 포함한다)는 당화기와 알코올발효조와 소화조에서 미생물의 체세포 증식에 이용함으로써 효과적으로 제거할 수 있으며, 나아가 질소분과 인의 흡수를 촉진하기 위하여 다단식 소화조에 질소분이 없는 탄소원(알콜류나 단당류)를 단계적으로 추가하고, 용해된 유기물이 미생물에 의하여 분해됨에 따라 증가하는 알카리도의 상승현상(탄산암모늄 또는 중탄산암모늄)을 가열기와 증자기에서 열분해하거나 기질에 존재하는 칼슘과 마그네슘 또는 칼륨이온을 이용하여 제거함으로서 배출폐수에서 이들 영양염류를 현저히 감소시킬 수 있다.

넷째, 음식물류폐기물은 자연상태 또는 일반적인 처리방법의 경우 유기산이 생성이 과다하고 이는 짝산 및 짝염기(conjugate pair)로 작용하여 일명 “알카리 발효”라 불리워지는 혐기성소화작용의 저해하기 때문에 이를 중화하고 유기산의 분해 이후 다시 산으로 중화하는 이중의 중화과정을 거쳐야 하지만, 본 실시 예에서는 멸균과 알코올 발효를 통해 초기에 유기산을 생성을 억제하고 중성물질인 알코올발효를 극대화 함으로서 혐기성소화조로 투입되는 기질의 pH 조정을 용이하게 하고, 혐기성 소화조에서 생성된 소화 슬러지를 가열기와 증자기로 재순환시킴으로서 처리 전에 생성된 유기산을 중화함으로서, 기질전체에 대한 각종 중화제의 투입을 생략하거나 현저히 감소시키면서 pH를 효과적으로 조정할 수 있다.

다섯째, 음식물류폐기물에 포함된 리그닌, 셀루로오스와 세포막이나 그 간질을 형성하는 키틴이나 펩틴과 같이 일반 미생물이 분해하지 못하는 물질들을 처리하기 위해 본 실시 예에서는 탈수기에서 배출되는 처리 잔재물에 곰팡이류를 번식시키고,이들 곰팡이류가 분비하는 효소를 당화기에 재공급함으로써 난분해성 다당류를 생화학적으로 단당류나 올리고당으로 분해 하여 기질에 포함된 난분해성물질의 처리를 현저하게 개선하였다.

여섯째, 음식물류폐기물의 성분 중 단순당류(다당류 또는 올리고당 및 단당류를 포함한다)나 세포간질을 형성하는 함질 또는 인산이온을 포함하는 다당류는 점질성이 강한 접착성 물질로서 고형물과 교질을 형성하여 탈수효율이 낮고, 유지류는 고형물의 계면을 활성화 시켜 탈수 시 불용성고형분에 대한 응집제의 과다 사용이 불가피하다. 그러나 이 발명에 의한 유지의 분리와 당류의 알코올화로 점질성 물질을 감소시켜 응집제의 별도 투입 없이 고형물의 일반적인 탈수(필터 프레스, 스쿠류프레스, 및 원심분리에 의한 탈수)가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음식물류폐기물을 처리하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 처리 계통도이다.
도 2는 도 1의 음식물류폐기물 처리장치 중 증자기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 음식물류폐기물의 처리장치 중 당화기와 발효조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 음식물류폐기물의 처리장치 중 소화조를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 여기서, 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.

따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 나아가 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음식물류폐기물의를 처리하기 위한 장치들을 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 본 실시 예의 음식물류폐기물의 처리장치는 공급된 음식물류폐기물을 가열하기 위한 가열기(30)와, 증자기(40)와, 열교환기(50)와, 당화기(60)와, 발효조(70)와, 소화조(80)와, 탈수기(90)와, 건조기(100) 및 보일러를 포함한다.

가열기(30)는 음식물류폐기물을 분쇄기 등으로 1차 파쇄한 후 4 메쉬 이상의 스크린(10)을 통과하는 슬러지상의 음식물류폐기물을 펌프 또는 고압수증기의 압력을 이용하는 이송설비(20)를 이용하여 원료저장시설로부터 공급받는다. 가열기(30)는 유입된 음식물류폐기물을 1.2kg/㎠이상의 과열 또는 포화수증기로 폭쇄하면서 가열하는데, 이때 120초 이내에 혼합될 수 있도록 하여 120±30℃의 범위의 온도로 순간적으로 가열한다. 가열기(30)에서 배출되는 피가열체는 수증기와 음식물류폐기물이 혼합된 기액 혼합물로 증자기(40)로 이동된다. 이동 중 일정 온도 및 일정 압력을 유지할 수 있도록 가열기의 배출측에는 정압 유출구와 긴급배출관이 병행 설치된다.

증자기(40)는 도 2에 도시한 바와 같이 유입관(42)을 통해 가열기(30)로부터 연속 또는 단속적으로 유입되는 기액 혼합물을 120 ~ 180℃ 범위의 온도를 유지하여 유지 분리와 유기물의 가수분해 및 기질을 멸균하기 위한 압력용기이다. 증자기(40)의 바닥에는 비중이 높은 퇴적물의 유출과 내부청소를 위하여 배출구(48)가 설치되며, 중심부에는 증자기(40)로 유입된 기액 혼합물이 용기 내에 고르게 하향 분산되도록 하는 유입관 가이드(45)가 마련되어 있다. 증자기(40)의 상부에는 기액 혼합물 중 기체성 물질, 유분, 부유성 협잡물 등이 외부로 분리 배출되는 배출관과, 이상 압력을 자동감지하는 방출관, 일정압력의 기체성 물질을 배출하는 정압배출관, 처리액을 유출시키는 다단식 유출배관 등이 마련되고 정압 배출관으로 배출되는 미응축 수증기는 상기 가열기에 유입되는 음식물류폐기물의 예열용으로 활용 될 수 있으며, 이때 미 응축된 폐가스(폐수증기와 암모니아, 탄산가스 및 VOC)는 보일러에서 연소 후 방출되며 응축수는 내부 기질의 희석용으로 사용된다.

증자기(40)로 유입된 기액 혼합물은 120℃ 이상의 온도로 2 시간 정도 정치되면서 가열된 후 중심부와 상부의 중간 정도 위치에 위치한 상하로 구분된 2개소 이상의 유출배관(46)을 통해 열교환기(50)로 유출된다. 연속적인 자연유하에 의한 배출이 가능하도록 증자기(40) 내의 기액 혼합물 수위는 열교환기와 연결된 배출관(46)보다 높게 설치할 수 있다.

증자기(40)는 유입되는 슬러지 상의 유기성 물질들을 가온하여 유동성을 증가시키면서 유입 물질에 포함된 기체성 물질의 용해도를 저하시켜 이를 분리하는 한편, 고온의 수증기와 수증기의 응축 시 발생하는 초음파를 이용하여 유기물의 가수분해와 고형물의 물에 대한 가용성을 증진시키고 균질화를 이루면서 동식물 세포막의 파괴작용과 기질에 작용하는 일체의 미생물을 멸균한다.

또한, 고온수증기를 이용한 가온은 유지의 에스테르 결합을 친수성이 강한 글리세린과 소수성의 지방산으로 가수분해하고, 단백질을 열 변성시키거나 가수분해하여 아미노산이나, 암모늄이온, 지방산으로 해체함으로써 친유성 물질을 기질(기고액 혼합물)에서 쉽게 분리할 수 있으며 특히 암모늄이온의 중 탄산염(HCO₃)^-1과 탄산염CO₃)^-2의 열분해를 촉진하여 암모니아와 탄산가스를 기질에서 기액분리 한다. 예컨대, 친유성 물질은 온도 상승에 따라 물에 비하여 비중이 현저히 감소하고 열에 의한 물의 운동 에너지가 증가함에 따라 상부로 부상하며 상대적으로 물은 용해성 물질의 용해도적이 증가함에 따라 액체의 비중은 대체로 증가하면서 물에 대한 친유성 물질의 용해도는 상대적으로 감소하여 지질과 친유성 성분은 액상 층의 상단에서 액상 또는 반고상 상태로 쉽게 분리할 수 있으며 저급 지방산이나 유분(oil)은 유증기로 분리 할 수 있고, 탄산암모늄(중탄산염이나 카르밤산류를 포함한다)은 탄산가스와 암모니아가스로 열에의하여 해리함으로서 기액이 각각 분리 된다.

한편, 계외로부터 반입되는 음식물류폐기물의 년 평균온도가 20±15℃ 정도이며, 본 실시 예의 주요 처리 공정에서 소요되는 각 단계별 적정온도는 증자기(40)의 경우 120℃ 이상, 당화기(60)와 고온혐기성소화조(80)는 55±10℃, 발효조(70)는 35℃ 정도이기 때문에, 본 실시 예에서는 열교환기(50)를 통과하는 다수의 배관이나 별도의 전열관(판)을 통해 각 공정으로 적정 온도를 제공한다.

열교환기(50)에서 전열물질로 사용하는 주요 열매로서 증자기(40)에서는 유출되는 폐열(액상의 유출물과 미응축 증기)을 활용할 수 있으며, 배관을 통과하는 냉매는 원료물질인 음식물류폐기물을 활용한다. 발효조(70)의 알코올 발효공정은 48 내지 96시간 정도의 장시간을 필요로 하며, 증자기(40)의 경우 2시간 이내 비현탁성 물질의 고온 혐기성 소화의 경우 생성 고형물의 출입을 적절히 제어하면 36±24시간 이내인 특성을 이용하여 각 장치의 표면에서 발산하는 열손실과 발효과정에서 발생하는 발열현상을 고려하여 가열과 냉각을 효과적으로 실시할 수 있다.

당화기(60)는 증자기(40)와 열교환기(50)를 경유하여 60±5℃정도로 냉각된 무균상태의 유출액에 엿기름이나 이 발명으로 발생하는 슬러지케익에 증식한 곰팡이 국 〔麴,(koji)〕을 첨가하여 24시간 정도로 발효하여 셀루로오스, 키틴 및 펩틴 등을 포함한 난분해성 다당류와 전분이나 글리코겐 등 일반적인 다당류를 올리고당이나 단당류로 가수분해한다.

당화기(60)는 도 3에 도시한 바와 같이 격벽(61)을 이용하여 중심부는 55±5℃ 정도의 내부온도를 유지하고, 내용물이 순환 교반 되면서 외벽에서 냉각되도록 하여 최종 외각의 유출액이 35±5℃ 정도로 배출되도록 한다. 열교환기(50)로부터 유입되는 슬러리상의 증자기 유출액은 당화조(63)의 최중심부로 공급되며, 내부에서 외부로 빠져 나가면서 냉각되어 발효조(70)로 공급되며 엿기름이나 곰팡이류나 달팽이류가 분비하는 효소에 의하여 기질성분 중 다당류가 단당류 또는 올리고당으로 전환된다. 당화조 내부 각 격실의 침전물들은 순환배관(64)을 통해 내부로 순환되거나 발효조(70)의 내부나 가열기 또는 탈수기로 공급되며, 증발되는 유기성기체는 기액분리실(65)에서 응축수를 분리한 후 탈취시설이나 보일러로 보내진다. 미 설명된 참조부호 66은 당화조에 엿기름이나 당화효소를 원료물질에 혼합하여 공급하는 장치이다.

발효조(70)는 당화기(60)에서 유출된 유출액에 이스트탱크(73)로부터 이스트와 밑술(알코올 발효조의 순환 슬러지)을 추가하여 알코올 발효를 행하는 적어도 2단 이상의 발효조(72,74,76)로 구성된다. 각 발효조(72,74,76)는 순환액에 의하여 교반되고 정치(定置)에 의하여 침전과 침전물의 내부순환이 반복되는 밀폐형 구조이다. 제1단에서는 원료의 유입과 교반, 제2단 이상에서는 고형분의 침강과 회수, 최종단은 청등액의 분리가 일어나는 구조이며, 청등액은 열교환기(50)에서 가열되면서 알코올의 일부를 감압 증류하여 회수한 후 60±5℃의 증류잔액을 혐기성 소화조(80)로 이송하는 구조이다. 알코올 발효에 의하여 발생하는 탄산가스와 휘발성유기물은 혐기성소화조로 배출하여 처리하며, 발효조 내의 알코올농도가 최적 발효농도를 초과하지 않도록 당화조로부터 유입유량과 열교환기에서 알코올을 증류하고 재순환되는 증류잔액으로 발효조 내부의 알코올 농도를 제어한다.

그리고 발효조 내부의 잉여 침전물(슬러지)은 상기 당화기의 예와 같이 가열기 또는 탈수기로 배출한다

당화와 알코올 발효로 탄수화물 성분은 혐기성 상태에서 5 내지 15% 정도의 알코올과 생성되는 알코올과 거의 동일한 당량의 탄산가스를 생성하고, 이들 물질들의 소독작용과 길항(拮抗)작용에 의하여 타 미생물의 활동을 정지시키거나 억제하여 악취의 제거는 물론 기질 전체를 비교적 단순한 물질로 변화시켜 신속한 혐기성소화(Anaerobic Digestion)를 가능하게 할 수 있다.

또한 다단식 발효조 최종단에서는 미 발효고형분이나 발효찌꺼기의 침강분리가 일어나 발효 잔류물인 술찌끼 (밑술)과 청주(상징수)로 분리 할 수 있으며, 기질 중 생성된 알코올류의 농도가 증가하면 발효속도가 감소하는 경향이 강하므로 생성된 알코올발효액의 일부(청주 부분)를 증류에 의하여 알코올을 회수 후 순환하거나 발효조의 유입량과 유출량을 제어하여 최적 발효조건을 유지하여야 하며 이 과정에서 고농도(45±10%) 알코올을 유증기 또는 액상상태로 회수 할 수 있다.

소화조(80)는 가수분해(증자기)와 알코올 발효에 의하여 생성된 알코올(메틸 알코올과 퓨젤유를 포함한다)과 알데히드류, 탄산가스, 아세트산, 메틸아민 등 비교적 분자량이 작은 수용성 물질을 혐기성 분해하거나 혐기성 균체로 합성함으로써 물속에 용해된 유기물질과 영양염류를 제거하는 장치로, 다단식 구조(poly stage)의 혐기성 소화조를 이용한다. 각 소화조(82,83,84,85)는 체류시간이 6시간 이상 이며 L/D(높이와 직경의 비)가 1.5 이상 ~4.0 이하이다. 각 소화조를 통과하는 유체는 중심부에서 교반과 침전이 동시에 진행되고 상등수가 다음 단계로 이동하고 생성된 소화슬러지는 처음단계의 소화조(first stage)로 이송되어 유입분과 혼합된다.

혐기성 소화작용에 의한 대사산물로는 메테인과 탄산가스 등의 소화가스가 발생하며, 대사 노폐물로는 중탄산암모늄과 노화된 혐기성 균체 등이 소화슬러지(오니) 형태로 발생한다. 소화가스는 가열기(30)의 보일러로 공급되며, 잉여소화슬러지는 가열기(30)를 거쳐 증자기(40)로 회수되어 120℃ 이상의 수증기에 의하여 재 분해되고 증자기(40) 또는 발효조(70)에 퇴적되어 상기 각 조(40,60,70)의 퇴적물과 함께 잉여슬러지로 배출된 후 탈수기(90)에서 처리된다.

탈수기(90)는 증자기(40)와 당화기(60)와 발효조(70)에서 발생하는 슬러지상의 잉여퇴적물을 유출하여 탈수 처리하며, 건조기(100)는 탈수된 최종 슬러지를 이 발명의 처리과정에서 발생하는 여분의 폐열을 이용하여 건조 할 수 있다. 각 단계에서 발생하는 잉여 슬러지는 처리과정에서 완전히 멸균 처리된 상태이므로 별도의 탈취처리 없이도 직접 사료 또는 퇴비의 원료로 재활용할 수 있으며 단순건조만으로 장기저장과 최종처분(소각 또는 매립)이 가능하다

그러면, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 음식물류폐기물의 처리 방법을 살펴보기로 한다.

스크린(10)을 거쳐 처리장치로 유입된 음식물류폐기물은 먼저 가열기(30)에서 가열되면서 멸균된다. 멸균된 가열기 유출물은 증자기(40)에서 소정 시간 체류하면서 일정온도까지 재 가열되어 유동성이 증가되며, 이때 유지가 추출된다. 유지가 제거된 증자기의 주된 유출물은 열교환기(50)를 통과하면서 온도가 낮추어지며, 당화기(60)로 유입되어 엿기름이나 특정 효소에 의하여 다당류가 단당류나 올리고당으로 분해된다. 당화기(60)를 통과한 유출액은 발효조(70)로 유입되어 알코올류로 발효되면서 유기산 생성이 억제되는 반면 알코올발효가 우세하게 진행된다. 발효조(70)에서 최종 배출되는 청등액은 열교환기(50)를 통과하면서 온도를 높여 저비점의 휘발성 물질을 증류한 후 냉각에 의하여 액상의 알코올 또는 알코올 기체로 회수되며, 증류 잔액은 소화조(80)로 유입된다. 소화조(80)로 유입된 증류 잔액은 혐기성균에 의해 잔여 유기물질이 소화가스(메테인가스와 탄산가스)로 분해처리 되면서 상등수는 폐수로 배출되고, 이때 생성되는 소화오니는 이송설비(20)를 통해 소화조에 재순환하고 잉여 소화오니 가열기(30)로 배제된다.

한편, 증자기(40)의 바닥에 퇴적되는 침전물과 당화조(60) 및 발효조(70)에서 침강되는 발효잔액과 소화조의 잉여소화오니의 일부는 탈수기(90)로 유입되어 탈수된다. 탈수기(90)의 탈수 여액은 소화조(80)로 유입되며, 탈수된 슬러지 중 일부는 당화기(60)에서 필요한 만큼 특정 곰팡이류를 배양하여 재활용하고, 대부분의 탈수후의 슬러지케익은 그대로 재활용하거나 건조기(100)에서 건조된다. 이때의 탈수케익이나 건조기(100)의 생산물은 가열기(30)에 의해 멸균된 상태이거나 알코홀 발효에 의하여 소독이 충분한 상태이므로 사료 또는 퇴비의 원료로 직접 사용될 수 있다.

상기와 같은 일련의 연속 처리공정에 따라 각 공정의 기질에서 발생하는 악취는 음식물의 고유취나 알코올취로 변화하여 최소화되며, 보일러는 증자기(40)에서 분리추출한 유지, 당화기(60) 및 발효조(70)에서 발생하는 VOC 또는 알코올류, 및 소화조(80)에서 생산되는 소화가스(메테인가스와 탄산가스의 혼합기체)로 충당할 수 있어 이발명의 실현에 소요되는 열에너지를 자급 충당하고 잉여 재생에너지를 부산물로 생산할 수 있다.

또한, 음식물류페기물에 다량 포함되어 있는 질소분은 가열기(30) 및 증자기(40)의 열처리에 의하여 탄산암모늄은 직접 암모니아가스로 분해하고 단백질성분은 아미노산 또는 암모늄이온으로 가수분해하여 당화기(60)와 발효조(70) 및 혐기성소화조(80)에서 미생물의 체세포 증식에 이용하게 함으로써 제거되고, 미 제거된 과잉의 암모니아태나 질산태의 질소분은 발효조나 소화조(80)에서 알코올류와 같은 순수한 탄소원을 추가공급하여 원소상태의 질소가스나 노폐물인 중탄산암모늄형태로 제거된다. 또한, 음식물류폐기물이 미생물에 의하여 분해됨에 따라 기질의 pH가 상승(중성화 또는 알카리화)하여 영양염류의 일종인 암모늄이온과 인산이온이 기질의 회분(주로 칼슘과 마그네슘 또는 칼륨이온) 성분과 단독 또는 복합적으로 결합하여 불용성염 또는 난용성염으로 침강함으로서 이들 영양염류들을 감소시킨다.

10..스크린 20..이송설비
30..가열기 40..증자기
50..열교환기 60..당화기
70..발효조 80..소화조
90..탈수기 100..건조기

Claims

음식물류폐기물에 고온의 포화수증기 또는 과열수증기를 가하여 가열하고 멸균하는 가열기(30)와,
상기 가열기(30)에서 유출되는 음식물류폐기물을 균질화하면서 기질에 포함된 유지와 기체상 물질을 기질에서 분리하고 단백질의 변성(Deneaturaion)을 유도하는 증자기(40)와,
상기 증자기(40)에서 열처리한 유출물에 포함되어 있는 난분해성 다당류를 분해가 용이한 단당유와 올리고당으로 가수분해하기 위한 당화기(60)와,
상기 당화기(60)에서 당화된 성분과 미 당화된 다당류를 알코올류로 발효하기 위한 발효조(70)와,
상기 발효조(70)에서 유출되는 발효액에서 열교환과 증류에 의하여 알코올의 일부를 회수하면서 55℃ 이상으로 가열된 증류잔액을 고온혐기성 소화하기 위한 혐기성 소화조(80)와,
상기 증자기(40)와 발효조(70)에서 배출되는 잉여 슬러지를 탈수하기 위한 탈수기(90)를 포함하는 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리장치.
제 1항에 있어서,
상기 가열기(30)는 고온 고압의 포화수증기 또는 과열수증기를 이용하는 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 가열기(30)는 보일러를 더 포함하고,
상기 보일러는 증자기에서 회수되는 유지, 당화기 및 발효조에서 발생하는 VOC 가스 및 알코올과, 소화조에서 발생하는 메테인가스를 이용하는 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리장치.
제 1항에 있어서,
상기 탈수기(90)에서 배출되는 슬러지케익 중 일부에 특정 미생물을 배양하여 당화기(60)로 재 유입되는 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리장치.
제 1항에 있어서,
열교환기(50)를 더 포함하여,
상기 증자기(40)에서 배출되는 유지와 가스상 물질이 제거된 음식물류폐기물은 열교환기(50)에서 열교환하면서 당화기(60)로 공급되고,
상기 발효조(70)의 유출액은 열교환기(50)에서 가열되어 알코올의 일부가 증류되어 그 농도가 감소하면서, 가온된 증류 잔액은 혐기성 소화하기 위한 소화조(80)로 공급되는 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리장치.
음식물류폐기물을 가열기(30) 및 증자기(40)로 가열하여 기질을 멸균하면서 유지와 기체상물질의 분리를 실시하고,
이를 당화기(60)를 거쳐 냉각하여 발효조(70)에서 알코올 발효하며,
발효액은 소화조(80)에서 혐기성 소화하되,
상기 증자기(40)의 침전슬러지와 발효조(70)에서 발생하는 잉여슬러지는 가열기(30)로 순환시키며,
상기 소화조(80)에서 발생하는 상등수는 폐수로 배출하며, 잉여소화오니는 가열기(30)로 순환하거나 탈수기(90)에서 탈수하는 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리방법.
제 6항에 있어서,
열교환기(50)를 더 포함하여,
상기 증자기(40)의 처리 후 유출액은 열교환기(50)에서 냉각되어 당화기(60)로 공급하고,
상기 발효조(70)에서 배출되는 발효액은 열교환기(50)에서 가온되면서 증류하여 알코올을 회수하고, 가온된 증류잔액은 소화조(80)로 공급하는 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리방법.
제 6항 또는 제 7항에 있어서,
상기 탈수기(90)에서 배출되는 탈수슬러지는 직접 또는 건조시켜 사료나 퇴비의 원료로 사용하거나 일부를 특정미생물을 배양하여 당화기(60)로 재공급하는 알코올 발효에 의한 음식물류폐기물의 처리방법.