KR102051497B1 - 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 고형연료 - Google Patents

하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 고형연료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 고형연료에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법은 하수슬러지를 준비한 후 건조하고 상기 하수슬러지를 발효하는 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100); 계분을 준비한 후 건조하고 상기 계분을 발효하는 계분 자연건조 발효 단계(S200); 톱밥을 준비한 후 숙성시켜 숙성 톱밥을 제조하는 숙성 톱밥 제조 단계(S300); 상기 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 혼합한 후 건조하는 건조 단계(S400); 및 상기 건조된 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 압축 성형하여 펠릿으로 제조하는 펠릿 성형 단계(S500)를 포함한다.
상기한 구성에 의해 본 발명은 하수슬러지와 계분을 자연발효하여 건조한 후 고형연료로 제조함으로써, 환경친화적이고 자원 재활용성이 우수하며 잉여 하수슬러지의 처리에 적합하고 고효율의 고형연료를 제조할 수 있다.

Description

하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 고형연료{MANUFACTURING METHOD FOR SOLID FUEL USING SEWAGE SLUDGE AND POULTRY DROPPINGS, AND SOLID FUEL MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 고형연료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하수슬러지와 계분을 자연발효하여 건조한 후 고형연료로 제조함으로써, 환경친화적이고 자원 재활용성이 우수하며 잉여 하수슬러지의 처리에 적합하고 고효율의 고형연료를 제조할 수 있는 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 고형연료에 관한 것이다.
현재 대부분의 오·폐수처리 방식은 20세기초 개발된 활성슬러지법이 하수처리의 대표적 공정으로 발전하였고, 그 처리목표가 유기물, 부유고형물에서 질소, 인 및 미량물질로 변화하면서 처리 공정이 고도화되는 비약적 발전이 있었다.
그러나 오·폐수의 처리 과정에서 유기물은 25~30% 정도만 무기화 처리되고 나머지는 폐활성슬러지 또는 1차 슬러지 형태로 남게 된다. 상기 오폐수뿐만 아니라 분뇨, 음식물 쓰레기를 처리하는 과정에서도 다량의 수분을 포함하는 슬러지가 발생된다.
이와 같이 오폐수, 분뇨, 음식물 쓰레기의 처리 과정에서 발생하는 각종 슬러지를 최종적으로 처리하기 위해 종래에 육상매립, 해양투기, 소각, 연료화와 같은 다양한 방법들이 제안되고 있다. 이러한 종래의 처리방법은 비록 그 방식을 달리하고 있으나 공통적으로 함수율을 낮추는 감량화 및 환경오염의 방지라는 공통적인 목적을 갖는다.
육상매립은 함수율이 70 내지 80%인 슬러지를 직매립하는 것으로서, 매립지 확보 곤란 및 2차 오염의 문제점이 있다. 그리고 해양투기법 역시 해양을 오염시키는 문제가 있어 적절한 대응책이 될 수 없다. 매립이나 투기에 대한 대안으로서 소각 방식이 논의되고 있으나, 소각 처리의 경우 자원 회수에 불리하고, 소각장 건설에 대한 지역주민의 반발 및 높은 함수율로 인한 막대한 운전비용 등이 문제가 된다.
상기한 것처럼 슬러지를 단순히 매립, 투기, 소각하는 것보다는 재활용하여 에너지 및 자원을 회수하는 것이 최선일 것이다. 이러한 기술은 선진국에서는 이미 연구가 진행되었으며 그 중 일부는 실용화되고 있다. 슬러지의 재이용 방안으로 토양환원, 고형연료, 건설자재, 장식품, 에너지 생산, 자원회수 등을 들 수 있다.
이 중 슬러지를 유효하게 처리하는 방법 중 하나로 고형연료로 재활용하는 기술이 부각되고 있다.
대한민국 등록 특허 제 0700110호의 생활하수/오폐수 슬러지의 처리장치 및 슬러지를 이용한 고형연료의 제조방법, 등록특허 제 0847247호의 하수 및 폐수 슬러지를 주원료로 한 고형원료의 제조방법, 등록특허 제 0653957호의 유기성 슬러지를 이용한 고체연료제조장치가 개시되어 있다.
상기의 종래의 방법들에 의하면 슬러지를 고형연료화시키기 위해서 1차로 탈수된 함수율 70 내지 80%의 슬러지를 함수율 10% 이내로 건조시킨 후 무연탄, 목재, 기름 등의 열량보조제와 혼합한 다음 특정 형상으로 성형함으로써 고형연료가 만들어진다.
이러한 대부분의 종래의 고형연료화 기술들은 어떤 방식으로 슬러지를 건조시키느냐 혹은 어떤 방식으로 성형하느냐에 따라 다를 뿐 슬러지를 건조시킨 후 열량보조제 또는 열량보조제와 성형제를 혼합하여 고압으로 압축해서 성형하는 방식을 택하고 있다.
상기와 같이 종래의 고형연료화 기술에 의하면 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫째, 성형시 슬러지와 열량보조제가 혼합된 혼합물을 고압으로 압축하여 성형하기 때문에 입자와 입자간의 간격이 너무 조밀하여 공극이 거의 없거나 공극률이 너무 낮다는 문제점이 있다. 이러한 고형 연료는 연소시 연소가 용이하지 않고 완전 연소하기까지 시간이 많이 소요되며 불완전 연소에 따른 유해가스 및 악취가 발생한다.
둘째로, 종래에는 슬러지를 건조시키는 데 1차적으로 에너지가 소비되고, 건조된 슬러지를 고압으로 압축성형하는 과정에서 2차적으로 에너지가 소비된다. 따라서 고형연료를 제조하는 과정에서 많은 에너지가 소비되어 제조비용이 상승된다는 문제점이 있다. 이는 슬러지를 재생에너지로 재활용한다는 취지를 무색하게 한다.
셋째로, 성형시 건조된 슬러지를 고압으로 압축성형하기 때문에 성형이 용이하도록 별도의 성형제 또는 흡착제를 첨가하여야 한다는 문제점이 있다. 이는 최종적으로 고형연료의 공극률을 더욱 저하시키는 하나의 원인이 될뿐만 아니라 연소시 유해한 성분이 발생될 수 있다.
넷째, 슬러지의 건조 후 균일한 혼합을 위해서는 건조된 고형물을 가루로 분쇄하는 과정을 거치거나 건조 전 최대한 분산시키는 과정을 거쳐야 하므로 시설이 복잡하고 설비비용이 과다하게 소용되어 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.
이와 같이 슬러지를 이용한 종래의 고체연료화 기술은 상술한 문제점들 때문에 재생에너지로 재활용하기 위한 유효 대안으로서 실제 적용이 어려운 실정이다.
국내등록특허 제10-2014980호(2019년 08월 21일 등록) 국내등록특허 제10-1703490호(2017년 01월 26일 등록) 국내공개특허 제10-2018-0099086호(2018년 09월 05일 공개)
본 발명은 하수슬러지와 계분을 자연발효하여 건조한 후 고형연료로 제조함으로써, 환경친화적이고 자원 재활용성이 우수하며 잉여 하수슬러지의 처리에 적합하고 고효율의 고형연료를 제조할 수 있는 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 고형연료를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법은 하수슬러지를 준비한 후 건조하고 상기 하수슬러지를 발효하는 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100); 계분을 준비한 후 건조하고 상기 계분을 발효하는 계분 자연건조 발효 단계(S200); 톱밥을 준비한 후 숙성시켜 숙성 톱밥을 제조하는 숙성 톱밥 제조 단계(S300); 상기 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 혼합한 후 건조하는 건조 단계(S400); 및 상기 건조된 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 압축 성형하여 펠릿으로 제조하는 펠릿 성형 단계(S500)를 포함한다.
상기 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)에서는 함수율 85 중량% 이상의 하수슬러지에, 발효 미생물 배양액을 혼합하여 미생물을 증식시킨 톱밥 혼합물 및 프리바이오틱스를 혼합하여 발효시키고, 상기 톱밥 혼합물은 함수율 18 내지 22 중량%이고, 톱밥, 왕겨 및 볏짚을 혼합하여 제조되되, 상기 톱밥 혼합물은 톱밥 6 내지 8 중량부, 왕겨 1 내지 3 중량부 및 볏짚 0.5 내지 2 중량부의 중량 비율로 혼합되어 제조될 수 있다.
상기 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)에서 상기 발효 미생물 배양액은 고초균이 배양되어 있는 배양액을 이용하되, 상기 발효 미생물 배양액은, 세척된 볏짚을 물이 담긴 용기에 넣고 105 내지 110℃의 온도에서 30 내지 50분 동안 삶아 살균하고, 상기 살균한 후 용기에 남긴 물을 냉각함으로써 상기 용기에 남아 있는 물에 고초균이 함유된 고초균 침출수를 얻으며, 상기 볏짚이 침지되어 있는 고초균 침출수를 65 내지 75℃의 온도로 5시간 동안 유지함으로써 상기 고초균 침출수에 포함되어 있는 고초균을 증식시키고, 상기 고초균이 증식된 고초균 침출수로부터 볏짚을 분리하여 제거하고, 상기 고초균 침출수만을 105 내지 110℃의 온도에서 30분 동안 삶아 살균하며, 상기 고초균 침출수를 자연 냉각하는 과정을 거쳐 제조될 수 있다.
상기 계분 자연건조 발효 단계(S200)에서는 함수율 70 중량% 이상의 계분 50 내지 100 중량부, 톱밥 혼합물 40 내지 80 중량부, 프리바이오틱스(Prebiotics) 10 내지 20 중량부 및 발효 미생물 배양액 5 내지 15 중량부의 중량 비율로 혼합한 후 30 내지 40℃의 온도에서 5 내지 20일 동안 건조, 발효시킴으로써 진행될 수 있다.
상기 숙성 톱밥 제조 단계(S300)에서 상기 숙성 톱밥은 톱밥에 바실러스균 및 셀룰라아제를 물과 함께 분무한 후 2 내지 4일 동안 30 내지 40℃의 온도에서 저장함으로써 진행될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 제조방법으로 제조된 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료를 포함한다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법은 하수슬러지와 계분을 자연발효하여 건조한 후 고형연료로 제조함으로써, 환경친화적이고 자원 재활용성이 우수하며 잉여 하수슬러지의 처리에 적합하고 고효율의 고형연료를 제조할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예는, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법은 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100), 계분 자연건조 발효 단계(S200), 숙성 톱밥 제조 단계(S300), 건조 단계(S400) 및 펠릿 성형 단계(S500)포함한다.
1. 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)
상기 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)는 하수슬러지를 준비한 후 건조하고 상기 하수슬러지를 발효하는 단계이다.
상기 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)에서는 하수슬러지, 톱밥 혼합물, 프리바이오틱스(Prebiotics) 및 발효 미생물 배양액을 혼합하여 유기물 분해를 촉진시켜 발효시키고, 발효 시 발생하는 열을 이용하여 자연건조 시간을 단축할 수 있다.
또한, 상기 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)에서는 하수슬러지 80 내지 120 중량부, 톱밥 혼합물 30 내지 60 중량부, 프리바이오틱스(Prebiotics) 10 내지 20 중량부 및 발효 미생물 배양액 5 내지 15 중량부의 중량 비율로 혼합한 후 30 내지 40℃의 온도에서 5 내지 20일 동안 자연 건조함과 동시에 발효시킴으로써 진행될 수 있다.
상기 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)에서는 함수율 85 중량% 이상의 하수슬러지에, 발효 미생물 배양액을 혼합하여 미생물을 증식시킨 톱밥 혼합물 및 프리바이오틱스를 혼합하여 발효시킬 수 있는데, 상기 톱밥 혼합물은 함수율 18 내지 22 중량%이고, 톱밥, 왕겨 및 볏짚을 혼합하여 제조되되, 상기 톱밥 혼합물은 톱밥 6 내지 8 중량부, 왕겨 1 내지 3 중량부 및 볏짚 0.5 내지 2 중량부의 중량 비율로 혼합되어 제조될 수 있다.
또한, 상기 발효 미생물 배양액은 발효 미생물로 사용되는 바실루스균을 톱밥 혼합물에 혼합하여 제조될 수 있는데, 상기 발효 미생물로는 고초균(Bacillus Subtilis) 또는 바실루스 리케니포르미스(Bacillus Licheniformis)을 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 발효 미생물 배양액은 발효 미생물로 고초균(바실러스 서브틸러스(Bacillus subtilis))이 배양되어 있는 배양액을 이용할 수 있다.
즉, 상기 발효 미생물 배양액을 제조하기 위하여 먼저, 깨끗이 세척된 볏짚을 물이 담긴 용기에 넣고 105 내지 110℃의 온도에서 30 내지 50분 동안 삶아 살균함으로써 볏짚에 잔류하는 잡균을 제거할 수 있다. 본 발명은 상기와 같이 105 내지 110℃의 온도에서 30 내지 50분 동안 삶아 살균함으로써 곰팡이나 기타 잡균을 살균할 수 있는데, 고초균은 120℃ 이상의 온도에서 장시간 지나야 살균되기 때문에 고초균이 사멸되지 않도록 105 내지 110℃의 온도에서 30 내지 50분 동안 볏짚을 삶아 살균할 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 삶아 살균한 후 용기에 남긴 물을 자연 냉각함으로써 상기 용기에 남아 있는 물에 고초균이 함유된 고초균 침출수를 얻을 수 있다.
그 다음으로, 상기 볏짚이 침지되어 있는 고초균 침출수를 65 내지 75℃의 온도로 5시간 동안 유지함으로써 상기 고초균 침출수에 포함되어 있는 고초균을 증식시킬 수 있다. 본 발명은 상기와 같이 고초균이 증식하기에 적합하도록 고초균 침출수를 65 내지 75℃의 온도로 유지하고, 상기 고초균이 증식될 때 필요한 영양분은 고초균 침출수에 침지되어 있는 볏짚으로부터 공급받을 수 있도록 함으로써 상기 고초균을 증식시킬 수 있다.
이어서, 상기와 같이 고초균이 증식된 고초균 침출수로부터 볏짚을 분리하여 제거하고, 상기 고초균 침출수만을 105 내지 110℃의 온도에서 30분 동안 삶아 살균함으로써 고초균 증식과정에서 생성될 수 있는 잡균을 살균하여 제거하고, 상기 고초균 침출수를 자연 냉각함으로써 고초균이 포함되어 있는 발효 미생물 배양액을 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 톱밥, 왕겨 및 볏짚으로 이루어진 톱밥 혼합물에서 상기 톱밥의 구성인 셀를로오스(다당류)는 셀룰라아제 에 의해 셀로비오스(이당류)로 분해되고 셀로비오스는 셀로비아제에 의해 포도당(단당류)으로 전환되며, 최종 셀로비아제에 의해 전환된 포도당은 바실러스균의 먹이가 된다.
또한, 상기 톱밥 혼합물은 바실루스균의 증식을 위해 일정 시간 동안 숙성과정을 거치는데, 상기 톱밥 혼합물의 숙성은 15 내지 25℃의 온도 및 24 내지 26%의 습도에서 60 내지 80시간 동안 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 하수슬러지는 함수율 85 중량% 이상의 하수슬러지가 사용될 수 있는데, 상기 함수율 85 중량% 이상의 하수슬러지에 함수율 20 내지 25 중량%의 톱밥 배지를 혼합하여 함수율 65 내지 68 중량%로 조정된 톱밥 배지가 포함된 하수슬러지를 제조하거나, 건조 발효된 함수율 15 중량%의 건조 하수슬러지를 동시에 첨가하여 55 내지 60 중량%의 하수슬러지를 제조하여 이용할 수도 있다.
상기 프리바이오틱스(Prebiotics)는 건강에 유익한 세균의 연료가 되어 이들의 성장과 활동을 촉진하고 해로운 미생물의 성장과 활동은 억제하는 역할을 수행하는데, 상기 프리바이오틱스(Prebiotics)(프락토 올리고당)는 결장내의 유용균 증식을 촉진하거나 유해균을 억제하여 숙주의 건강에 유리하게 작용하는 비소화성 식품성분으로, 올리고당류나 식이섬유가 여기에 포함될 수 있다.
2. 계분 자연건조 발효 단계(S200)
상기 계분 자연건조 발효 단계(S200)는 계분을 준비한 후 건조하고 상기 계분을 발효하는 단계이다.
상기 계분 자연건조 발효 단계(S200)에서는 계분, 톱밥 혼합물, 프리바이오틱스(Prebiotics) 및 발효 미생물 배양액을 혼합하여 유기물 분해를 촉진시켜 발효시키고, 발효 시 발생하는 열을 이용하여 자연건조 시간을 단축할 수 있다.
또한, 상기 계분 자연건조 발효 단계(S200)에서는 계분 50 내지 100 중량부, 톱밥 혼합물 40 내지 80 중량부, 프리바이오틱스(Prebiotics) 10 내지 20 중량부 및 발효 미생물 배양액 5 내지 15 중량부의 중량 비율로 혼합한 후 30 내지 40℃의 온도에서 5 내지 20일 동안 자연 건조함과 동시에 발효시킴으로써 진행될 수 있다.
상기 계분 자연건조 발효 단계(S200)에서는 함수율 70 중량% 이상의 계분에, 발효 미생물 배양액을 혼합하여 미생물을 증식시킨 톱밥 혼합물 및 프리바이오틱스를 혼합하여 발효시킬 수 있는데, 상기 톱밥 혼합물은 함수율 18 내지 22 중량%이고, 톱밥, 왕겨 및 볏짚을 혼합하여 제조되되, 상기 톱밥 혼합물은 톱밥 6 내지 8 중량부, 왕겨 1 내지 3 중량부 및 볏짚 0.5 내지 2 중량부의 중량 비율로 혼합되어 제조될 수 있다.
또한, 상기 발효 미생물 배양액은 발효 미생물로 사용되는 바실루스균을 톱밥 혼합물에 혼합하여 제조될 수 있는데, 상기 발효 미생물로는 고초균(Bacillus Subtilis) 또는 바실루스 리케니포르미스(Bacillus Licheniformis)을 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 발효 미생물 배양액은 발효 미생물로 고초균(바실러스 서브틸러스(Bacillus subtilis))이 배양되어 있는 배양액을 이용할 수 있다.
즉, 상기 발효 미생물 배양액을 제조하기 위하여 먼저, 깨끗이 세척된 볏짚을 물이 담긴 용기에 넣고 105 내지 110℃의 온도에서 30 내지 50분 동안 삶아 살균함으로써 볏짚에 잔류하는 잡균을 제거할 수 있다. 본 발명은 상기와 같이 105 내지 110℃의 온도에서 30 내지 50분 동안 삶아 살균함으로써 곰팡이나 기타 잡균을 살균할 수 있는데, 고초균은 120℃ 이상의 온도에서 장시간 지나야 살균되기 때문에 고초균이 사멸되지 않도록 105 내지 110℃의 온도에서 30 내지 50분 동안 볏짚을 삶아 살균할 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 삶아 살균한 후 용기에 남긴 물을 자연 냉각함으로써 상기 용기에 남아 있는 물에 고초균이 함유된 고초균 침출수를 얻을 수 있다.
그 다음으로, 상기 볏짚이 침지되어 있는 고초균 침출수를 65 내지 75℃의 온도로 5시간 동안 유지함으로써 상기 고초균 침출수에 포함되어 있는 고초균을 증식시킬 수 있다. 본 발명은 상기와 같이 고초균이 증식하기에 적합하도록 고초균 침출수를 65 내지 75℃의 온도로 유지하고, 상기 고초균이 증식될 때 필요한 영양분은 고초균 침출수에 침지되어 있는 볏짚으로부터 공급받을 수 있도록 함으로써 상기 고초균을 증식시킬 수 있다.
이어서, 상기와 같이 고초균이 증식된 고초균 침출수로부터 볏짚을 분리하여 제거하고, 상기 고초균 침출수만을 105 내지 110℃의 온도에서 30분 동안 삶아 살균함으로써 고초균 증식과정에서 생성될 수 있는 잡균을 살균하여 제거하고, 상기 고초균 침출수를 자연 냉각함으로써 고초균이 포함되어 있는 발효 미생물 배양액을 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 톱밥, 왕겨 및 볏짚으로 이루어진 톱밥 혼합물에서 상기 톱밥의 구성인 셀룰로오스(다당류)는 셀룰라아제에 의해 셀로비오스(이당류)로 분해되고 셀로비오스는 셀로비아제에 의해 포도당(단당류)으로 전환되며, 최종 셀로비아제에 의해 전환된 포도당은 바실러스균의 먹이가 된다.
또한, 상기 톱밥 혼합물은 바실루스균의 증식을 위해 일정 시간 동안 숙성과정을 거치는데, 상기 톱밥 혼합물의 숙성은 15 내지 25℃의 온도 및 24 내지 26%의 습도에서 60 내지 80시간 동안 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 계분은 함수율 70 중량% 이상의 계분이 사용될 수 있는데, 상기 함수율 60 중량% 이상의 계분에 함수율 20 내지 25 중량%의 톱밥 배지를 혼합하여 함수율 65 내지 68 중량%로 조정된 톱밥 배지가 포함된 계분을 제조하거나, 건조 발효된 함수율 15 중량%의 건조 계분을 동시에 첨가하여 45 내지 50 중량%의 계분을 제조하여 이용할 수도 있다.
상기 프리바이오틱스(Prebiotics)는 건강에 유익한 세균의 연료가 되어 이들의 성장과 활동을 촉진하고 해로운 미생물의 성장과 활동은 억제하는 역할을 수행하는데, 상기 프리바이오틱스(Prebiotics)(프락토 올리고당)는 결장내의 유용균 증식을 촉진하거나 유해균을 억제하여 숙주의 건강에 유리하게 작용하는 비소화성 식품성분으로, 올리고당류나 식이섬유가 여기에 포함될 수 있다.
3. 숙성 톱밥 제조 단계(S300)
상기 숙성 톱밥 제조 단계(S300)는 톱밥을 준비한 후 숙성시켜 숙성 톱밥을 제조하는 단계이다.
상기 숙성 톱밥 제조 단계(S300)에서 상기 숙성 톱밥은 자연건조 발효된 하수슬러지와 계분의 고형 작업시 펠릿화 결합의 작업성과 성형성 유지를 위하여 사용될 수 있는데, 예를 들어, 상기 숙성 톱밥은 톱밥에 바실러스균 및 셀룰라아제를 물과 함께 분무한 후 2 내지 4일 동안 30 내지 40℃의 온도에서 저장함으로써 진행될 수 있다.
상기 숙성 톱밥 제조 단계(S300)에서는 톱밥에 바실러스균 및 셀룰라아제를 물과 함께 분무하여 숙성 톱밥을 제조함으로써 톱밥 속의 일정양의 셀룰로오즈를 셀루비오스 또는 포도당으로 전환시켜 톱밥을 연질화시키고 펠릿 작업시 결합성과 펠릿 성형 후 부서짐을 방지할 수 있다.
4. 건조 단계(S400)
상기 건조 단계(S400)는 상기 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 혼합한 후 건조하는 단계이다.
상기 건조 단계(S400)에서는 상기 발효 하수슬러지 150 내지 200 중량부, 발효 계분 100 내지 150 중량부 및 숙성 톱밥 100 내지 200 중량부의 중량 비율로 혼합한 후 35 내지 45℃의 온도에서 3 내지 6일 동안 건조함으로써 함수율 10 중량% 미만으로 건조할 수 있다.
5. 펠릿 성형 단계(S500)
상기 펠릿 성형 단계(S500)는 상기 건조된 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 압축 성형하여 펠릿으로 제조하는 단계이다.
상기 펠릿 성형 단계(S500)에서 상기 건조된 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥은 15 중량% 이상의 함수율을 갖는데, 상기 건조된 발효 하수슬러지와 계분 및 숙성 톱밥의 혼합비율은 굵기, 길이, 밀도, 칼로리에 따라 다양한 중량 비율로 조정할 수도 있다.
또한, 상기 펠릿 성형 단계(S500)에서 톱밥 속의 목질 세포의 구성원인 니그린은 고형화 작업 시 성형의 바인더 역할을 수행하며, 유기성분이 높은 발효 계분은 펠릿 작업 시 성형성 증대와 연료화시에 높은 칼로리를 제공할 수 있다.
상기 펠릿 성형 단계(S500)에서 상기 건조된 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 압축 성형하여 펠릿으로 성형 작업시 성형 온도는 목질부 니그린의 종류에 따라 가공 온도를 조정할 수 있는데, 상기 펠릿으로 제조하는 구성은 공지의 기술인바, 설명의 편의 및 본 발명의 기술적 사상의 명확성을 위하여 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법에 대한 실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
< 실시예 >
먼저, 함수율 85 중량% 이상의 하수슬러지 100 중량부, 톱밥 혼합물 45 중량부, 프리바이오틱스(Prebiotics)(프락토 올리고당) 15 중량부 및 발효 미생물 배양액 10 중량부의 중량 비율로 혼합한 후 34 내지 35℃의 온도에서 12일 동안 자연 건조함과 동시에 발효시킴으로써 발효 하수슬러지를 제조하였다.
다음으로, 함수율 70 중량% 이상의 계분 80 중량부, 톱밥 혼합물 60 중량부, 프리바이오틱스(Prebiotics) 15 중량부 및 발효 미생물 배양액 10 중량부의 중량 비율로 혼합한 후 34 내지 35℃의 온도에서 12일 동안 자연 건조함과 동시에 발효시킴으로써 발효 계분을 제조하였다.
그 다음으로, 톱밥에 바실러스균 및 셀룰라아제를 물과 함께 분무한 후 3일 동안 36 내지 37℃의 온도에서 저장함으로써 숙성 톱밥을 제조하였다.
어어서, 상기 발효 하수슬러지 180 중량부, 발효 계분 130 중량부 및 숙성 톱밥 150 중량부의 중량 비율로 혼합한 후 39 내지 40℃의 온도에서 5일 동안 건조함으로써 함수율 10 중량% 미만으로 건조하였고, 상기 건조된 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 펠릿으로 압축 성형함으로써 고형연료를 제조하였다.
< 발열량 측정 >
상기 실시예에 따라 제조된 고형연료의 발열량을 측정하였다.
비교예로 목재펠렛의 단위 중량당 발열량을 측정하였다.
구분 실시예 비교예
발열량(kcal/kg) 4,029 4,531
상기 [표 1]을 참조하면, 실시예에 따라 제조된 고형연료는 발열량이 높고 고효율의 고형연료를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. 하수슬러지를 준비한 후 건조하고 상기 하수슬러지를 발효하는 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100);
    계분을 준비한 후 건조하고 상기 계분을 발효하는 계분 자연건조 발효 단계(S200);
    톱밥을 준비한 후 숙성시켜 숙성 톱밥을 제조하는 숙성 톱밥 제조 단계(S300);
    상기 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 혼합한 후 건조하는 건조 단계(S400); 및
    상기 건조된 발효 하수슬러지, 발효 계분 및 숙성 톱밥을 압축 성형하여 펠릿으로 제조하는 펠릿 성형 단계(S500)를 포함하되,
    상기 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)에서는 함수율 85 중량% 이상의 하수슬러지에, 발효 미생물 배양액을 혼합하여 미생물을 증식시킨 톱밥 혼합물 및 프리바이오틱스를 혼합하여 발효시키고, 상기 톱밥 혼합물은 함수율 18 내지 22 중량%이고, 톱밥, 왕겨 및 볏짚을 혼합하여 제조되되, 상기 톱밥 혼합물은 톱밥 6 내지 8 중량부, 왕겨 1 내지 3 중량부 및 볏짚 0.5 내지 2 중량부의 중량 비율로 혼합되어 제조되며,
    상기 하수슬러지 자연건조 발효 단계(S100)에서 상기 발효 미생물 배양액은 고초균이 배양되어 있는 배양액을 이용하되, 상기 발효 미생물 배양액은, 세척된 볏짚을 물이 담긴 용기에 넣고 105 내지 110℃의 온도에서 30 내지 50분 동안 삶아 살균하고, 상기 살균한 후 용기에 남긴 물을 냉각함으로써 상기 용기에 남아 있는 물에 고초균이 함유된 고초균 침출수를 얻으며, 상기 볏짚이 침지되어 있는 고초균 침출수를 65 내지 75℃의 온도로 5시간 동안 유지함으로써 상기 고초균 침출수에 포함되어 있는 고초균을 증식시키고, 상기 고초균이 증식된 고초균 침출수로부터 볏짚을 분리하여 제거하고, 상기 고초균 침출수만을 105 내지 110℃의 온도에서 30분 동안 삶아 살균하며, 상기 고초균 침출수를 자연 냉각하는 과정을 거쳐 제조된 것을 특징으로 하는 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 계분 자연건조 발효 단계(S200)에서는 함수율 70 중량% 이상의 계분 50 내지 100 중량부, 톱밥 혼합물 40 내지 80 중량부, 프리바이오틱스(Prebiotics) 10 내지 20 중량부 및 발효 미생물 배양액 5 내지 15 중량부의 중량 비율로 혼합한 후 30 내지 40℃의 온도에서 5 내지 20일 동안 건조, 발효시킴으로써 진행되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 숙성 톱밥 제조 단계(S300)에서 상기 숙성 톱밥은 톱밥에 바실러스균 및 셀룰라아제를 물과 함께 분무한 후 2 내지 4일 동안 30 내지 40℃의 온도에서 저장함으로써 진행되는 것을 특징으로 하는 하수슬러지와 계분을 이용한 고형연료 제조방법.
  6. 삭제
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