KR102186057B1 - 염분함유 유기성 폐기물의 처리방법 및 그 처리장치 - Google Patents
염분함유 유기성 폐기물의 처리방법 및 그 처리장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 염분을 함유하는 유기성 폐기물의 처리방법 및 그 처리장치에 관한 것으로서, 경제성이 매우 우수하고 친환경적인 유기성 폐기물의 처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법은 유기성 폐기물을 무염분 바이오차 및 농축염수로 전환시켜 다양한 용도로 재사용할 수 있게 한다. 또한, 본 발명에 의하면 CASCADE 세척을 통하여 세척수를 현저히 저감시킬 수 있고, 사용된 세척수는 유기성 폐기물에 투입되어 바이오차를 활성화할 수 있을 뿐만 아니라, 세척수의 오염도를 최소화하여 제설제, 미세먼지 세정수, 및 공업용 염수로도 유용하게 쓰일 수 있다.
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Description
본 발명은, 폐기물의 처리방법 및 그 처리장치에 관한 것으로, 특히, 염분을 함유하는 유기성 폐기물의 처리방법 및 그 처리장치에 관한 것이다.
현재 환경오염이 전세계적으로 심각한 문제로 대두되고 있으며, 이러한 환경오염을 야기하는 주된 원인 중 하나로 음식물 쓰레기를 들 수 있다. 가정이나 식당 등에서 발생하는 많은 양의 음식물 쓰레기를 효과적으로 처리하는 수단이 미흡하여 매립 혹은 해양투기 등으로 처리되고 있기 때문이다.
따라서 음식물 쓰레기를 재활용, 자원화하는 방법에 대해 활발한 연구가 진행 중이며, 이러한 방법으로는 폐기물의 퇴비화, 사료화, 연소에 의한 열 회수, 및 혐기성 발효에 의해 발생하는 메탄가스(Methane Gas)의 에너지화 등이 있다.
그러나 음식물 쓰레기를 퇴비로 자원화하는 경우에는 음식물 쓰레기에 포함된 염분(NaCl)의 농도가 높기 때문에 식물 성장의 장애요인이 될 뿐 아니라, 염분이 2 차적인 토양오염을 유발시킬 가능성이 있어서 염분을 함유한 음식물 쓰레기의 경우 염분을 제거하지 않고 퇴비화하는 것은 바람직하지 않다.
즉, 음식물 쓰레기를 퇴비 등으로 활용하는 자원화를 위해서는 음식물 쓰레기에 포함된 염분의 농도가 1% 이하가 되어야 하지만 종래의 음식물 쓰레기 처리장치는 음식물 쓰레기에 포함된 염분을 제거하는데 한계가 있다.
또한, 음식물 쓰레기를 사료화하는 경우 사료로 인해 염독 현상, 면역력 저하, 소화 흡수율 저하, 배뇨 장애 등을 유발하여 가축에 의한 전염병을 발생시키기도 한다.
그리고, 음식물 쓰레기를 건조하여 연료화하는 경우 염분을 다량 함유하여 염분에 의한 부식이 일어나고, 발열량이 낮으며 미세먼지의 전구물질인 NOx, SOx 등을 발생시키는 문제점이 있다.
이러한 음식물 쓰레기의 염분을 제거하기 위한 방법으로 미생물을 이용하여 염분을 분해하는 방법이 연구되었으나 현재 기술로는 음식물 쓰레기에 포함된 염분 농도를 약 2 % 내지 3 % 정도로 낮추는데 그치고 있다. 이는 음식물 쓰레기의 자원화 기준을 충족시키지 못하고 있어, 친환경에 부합하지 못하는 것이다.
한편, 음식물 쓰레기를 소각하고, 탄화된 폐기물을 사료나 비료로 재사용하고자 하는 움직임이 있다. 한국등록특허 제 1911524 호는 음식물 쓰레기를 고액 분리 후 고형분을 탄화시키는 음식물 쓰레기 처리 시스템을 개시하고 있고, 일본공개특허 제 2006-305418 호는 음식물 쓰레기를 물과 함께 분쇄하고 원심 탈수 하여 탈염 및 탈수를 수행하는 처리방법을 제시하고 있다.
그러나, 이와 같이 물의 양을 높여 염분 농도를 낮추게 하는 기술은 과도하게 많은 양의 물을 사용함으로써, 물 사용량이 과도하게 증가하여 유지비용이 상승하게 되는 한계가 있다.
또한, 종래 기술은 현실적으로 널리 상용화되고 있지 못할 뿐 아니라 처리과정에서 발생되는 오, 폐수의 효과적인 처리와, 나아가 환경오염 개선을 수행할 수 있는 방안에 대해서는 미흡한 점이 있다.
본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
(A)염분 함유 유기성 폐기물을 건조한 후 열분해하여 바이오차를 형성하는 단계;
(B)상기 바이오차를 세척하여 염분을 배출하는 단계;
(C)상기 세척에 사용된 세척수를 재사용하여 바이오차를 반복 세척하고 농축염수를 형성하는 단계; 및
(D)상기 농축염수의 적어도 일부 및 세척된 바이오차를 회수하는 단계;를 포함하는 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 폐기물 처리를 위한 염분 함유 유기성 폐기물 처리장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 이러한 목적 및 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.
본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,
(A) 염분 함유 유기성 폐기물을 건조한 후 열분해하여 바이오차를 형성하는 단계;
(B) 상기 바이오차를 세척하여 염분을 배출하는 단계;
(C) 상기 세척에 사용된 세척수를 재사용하여 바이오차를 반복 세척하고 농축염수를 형성하는 단계; 및
(D) 상기 농축염수의 적어도 일부 및 세척된 바이오차를 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법은, 상기 농축염수의 적어도 일부를 반송하여 상기 유기성 폐기물에 투입하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 반송되어 유기성 폐기물에 투입하는 농축염수는 포화 NaCl 용액이거나, 2 내지 30 %, 바람직하게는 5 내지 26 %, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 % NaCl 용액일 수 있다.
그리고, 상기 유기성 폐기물의 건조 전에, 상기 농축염수의 적어도 일부를 상기 유기성 폐기물에 투입할 수 있다.
또한, 상기 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법은, 상기 세척된 바이오차를 회수하기 전에 수분 제거 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 수분 제거 단계는 탈수 처리 또는 건조 처리 단계일 수 있다.
또한, 상기 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법은, 상기 농축염수를 회수하기 전에 농축염수 내 무기성분을 제거하는 수처리 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 무기성분은 질소 또는 인 화합물일 수 있다.
그리고, 상기 수처리는 스트루바이트 결정 형성법을 통해 무기성분을 제거할 수 있다.
그리고, 상기 단계 (D)의 농축염수는 포화 염수일 수 있다.
그리고, 상기 유기성 폐기물은, 음식물 쓰레기, 음식물 쓰레기로 만든 사료 및 퇴비, 수산 잔재물, 또는 해양 폐기물을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 열분해 온도는 200 내지 600 ℃, 바람직하게는 250 내지 500 ℃, 더욱 바람직하게는 300 내지 400 ℃일 수 있다.
그리고, 상기 농축염수를 회수하는 동안에, 상기 회수하는 농축염수보다 낮은 염분 농도를 갖는 세척수를 통해 연속적으로 바이오차를 세척할 수 있다.
또한, 상기 세척수는 중성 용액, 산 용액 또는 알카리 용액일 수 있다.
또한, 상기 회수한 바이오차는 염소 3 %(w/w) 이하, 바람직하게는 2.2 %(w/w) 이하, 더욱 바람직하게는 1.94 %(w/w) 이하일 수 있다.
또한, 상기 회수한 바이오차는 기공의 평균 입경이 0.1 내지 200 nm, 바람직하게는 1 내지 50 nm, 더욱 바람직하게는 7 내지 14 nm일 수 있다.
한편, 본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물 처리장치는,
염분 함유 유기성 폐기물을 열분해하여 바이오차를 형성하는 열분해부;
상기 바이오차의 염분을 배출하기 위해 바이오차를 세척하는 세척부;
상기 세척된 바이오차를 회수하는 바이오차 회수부; 및
상기 세척으로 인해 형성된 농축염수를 회수하는 농축염수 회수부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열분해부 전단에, 유기성 폐기물을 건조시키는 건조부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 농축염수 회수부 전단에, 상기 농축염수 내 무기물을 제거하기 위해 수처리하는 수처리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열분해부 전단에, 상기 농축염수 일부가 반송되어 상기 유기성 폐기물에 투입되는 염수투입부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 세척부는,
다단세척을 위한 단계별 세척수를 저장하는 2 이상의 저장조;
상기 세척수의 투입구 및 배출구를 구비한 세척조; 및
상기 세척조에서 세척된 바이오차를 탈수하고, 탈수여액은 상기 저장조 또는 상기 투입구로 이송하는 이송부를 구비한 원심분리기;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 세척조는 배출된 세척수를 저장조 또는 투입구로 이송하는 이송부를 구비할 수 있다.
또한, 제 1 저장조의 세척수가 소정의 염분 농도에 도달하면 이를 저장조 또는 세척조로부터 배출하고, 제 2 저장조에 저장된 세척수에 의해 바이오차의 세척을 이어서 수행할 수 있다.
그리고, 상기 제 2 저장조에 저장된 세척수의 염분 농도는 상기 소정의 염분 농도보다 낮을 수 있다.
그리고, 상기 소정의 염분 농도는, 10 내지 30 %(w/w), 바람직하게는 20 내지 30 %(w/w), 더욱 바람직하게는 24 내지 30 %(w/w)일 수 있다.
본 발명에 따른 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법 및 이의 처리장치는 유기성 폐기물을 무염분 바이오차 및 농축염수로 전환시켜 다양한 용도로 재사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물 처리방법에 따르면, 염분함유 유기성 폐기물을 열분해하여 생성된 바이오차를 세척하는 세척수의 오염도를 최소화할 수 있다. 또한, 세척수를 반복사용하고 CASCADE 세척을 통하여 세척수를 저감하는 동시에 농축염수를 생산할 수 있다. 농축염수는 건조 과정 이전에 유기성 폐기물에 투입되어 바이오차를 활성화할 수 있을 뿐만 아니라, 수처리하여 제설제, 미세먼지 세정수, 및 공업용 염수로도 재사용할 수 있어 경제성이 매우 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 유기성 폐기물의 처리방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 유기성 폐기물의 처리방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 유기성 폐기물 처리장치를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차의 SEM 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차의 염분 함유량 측정 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차 세척수의 오염도 측정 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 유기성 폐기물의 처리방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 유기성 폐기물 처리장치를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차의 SEM 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차의 염분 함유량 측정 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차 세척수의 오염도 측정 결과이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
다만, 아래는 특정 실시예들을 예시하여 상세히 설명하는 것일 뿐, 본 발명은 다양하게 변경될 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있기 때문에, 예시된 특정 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 설명되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 출원에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서, '포함하다', '함유하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소(또는 구성성분) 등이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법은
(A) 염분 함유 유기성 폐기물을 건조한 후 열분해하여 바이오차를 형성하는 단계;
(B) 상기 바이오차를 세척하여 염분을 배출하는 단계;
(C) 상기 세척에 사용된 세척수를 재사용하여 바이오차를 반복 세척하고 농축염수를 형성하는 단계; 및
(D) 상기 농축염수의 적어도 일부 및 세척된 바이오차를 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 2는 상기 본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 이를 참조하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 염분 함유 유기성 폐기물을 건조한 후 열분해하여 바이오차(bio-char)를 형성한다(단계 (A)).
본 발명에 있어 처리 대상인 폐기물은 염분을 함유하고 있는 유기성 폐기물로서, 음식물 쓰레기, 음식물 쓰레기로 만든 사료 및 퇴비, 수산 잔재물, 또는 해양 폐기물로부터 발생된 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 폐기물을 그 대상으로 할 수 있다. 특히 생음식물 쓰레기는 물론, 한번 이상 가공된 쓰레기인 사료나 퇴비도 본 발명에 의해 재처리될 수 있다. 최근 음식물 쓰레기로 만든 사료나 퇴비가 가축의 질병을 유발할 수 있다는 문제가 대두되었는데, 이들을 다시 수급하여 본 발명에 따라 재가공하면 더욱 용도가 다양하고 환경친화적인 원료가 될 수 있는 것이다.
상기 폐기물의 열분해 시 온도는 200 내지 600 ℃, 바람직하게는 250 내지 500 ℃, 더욱 바람직하게는 300 내지 400 ℃일 수 있다. 본 발명자는 폐기물의 열분해 온도에 따라 세척 후 탄화물의 Na 함량이 달라지는 것과 바이오차의 세척수의 오염도가 달라지는 것을 확인하였으며, 상기 범위 내에서 열분해 시 염분 제거의 최대화 및 세척수의 오염도 최소화의 효과를 모두 달성할 수 있었다. 열분해 온도가 상기 범위 미만이면 충분히 탄화되지 않아 염수의 오염도가 증가할 수 있고, 반면에 상기 범위를 초과할 경우 바이오차의 탄소 휘발량의 증가로 바이오차의 가치가 저해될 수 있다.
또한, 상기 열분해 시 발생하는 에너지는 회수하여 열분해 전단의 건조 단계에 활용할 수 있다. 이 경우 에너지를 더욱 절감할 수 있어 경제성이 우수하다.
다음으로 상기 형성된 바이오차를 세척하여 염분을 배출한다(단계 (B)).
상기 세척은 세척수에 염분을 용해시켜 배출하는 것을 의미할 수 있고, 상기 세척수는 물, 증류수일 수 있다. 또한, 상기 세척수는 중성 용액, 산 용액 또는 알카리 용액일 수 있고, 산 또는 알카리 용액의 세척수를 사용할 경우 무기이온성물질을 제거하는 데 더욱 효과적이다.
그리고, 상기 세척에 사용된 세척수를 재사용하여 바이오차를 반복 세척하고 농축염수를 형성한다(단계 (C)). 더욱 구체적으로는, 상기 바이오차를 세척한 세척수는 염분을 어느정도 함유하게 되고, 이 세척수로 다시 바이오차를 세척하면 세척수가 염분으로 포화되거나 석출될 때까지 농축될 수 있다. 염분의 용해도를 고려하면 바이오차의 세척을 동일한 세척수로 수 회 반복할 수 있다.
반복 세척에 의해 소정의 농도에 도달한 농축염수 또는 포화 염수는 배출하여 회수하고 충분히 세척된 바이오차도 별도로 회수한다(단계 (D)). 상기 농축염수를 회수하는 동안에, 다른 저장조에 저장되어 있던 상기 회수하는 농축염수보다 낮은 염분 농도를 갖는 다른 세척수를 통해 계속해서 바이오차를 세척할 수 있고, 마찬가지로 위 과정이 반복될 수 있다.
상기 농축염수를 회수하기 전에 농축염수 내 무기성분을 제거하는 수처리 단계;를 더 포함하는 것이 좋다. 상기 수처리는 스트루바이트 결정 형성법을 통해 무기성분을 제거하는 처리일 수 있고, 상기 무기성분은 질소 또는 인 화합물일 수 있다. 이를 통해 제거되는 화합물은 MgNH4PO4·6H2O, MgNH4PO4·H2O, FeNH4PO4·H2O, ZnH4PO4·H2O, MnNH4PO4·H2O, CuNH4PO4·H2O, CoNH4PO4·H2O, (NH4)3[P(Mo3O10)4] 일 수 있다.
또한, 상기 세척된 바이오차를 회수하기 전에 바이오차의 수분을 제거하는 단계;를 거치는 것이 바람직하다. 상기 수분 제거는 탈수 처리 또는 건조에 의해 수분을 제거할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 탈수 처리는 원심탈수기에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따라 회수한 바이오차는 염분 농도가 매우 낮거나 없는 무염분 바이오차인 것이 특징이다. 최종적으로 얻는 바이오차는 3 %(w/w) 이하, 바람직하게는 2.2 %(w/w) 이하, 더욱 바람직하게는 1.94 %(w/w) 이하의 염소 함유량을 가질 수 있다. 이는 수 회의 세척에 따라 염분 농도를 현저히 낮출 수 있기 때문이며, 본 발명에 의해 무염분 바이오차를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 임의로 염분 농도를 조절할 수도 있다.
이렇게 염분이 제거된 바이오차는 원료로 사용될 경우 그렇지 않은 바이오차에 비하여 발생시킬 수 있는 열량이 매우 높다. 즉, 본 발명에 의하면 폐기물을 단순히 재활용 자원으로 재탄생시킬 뿐만 아니라 재활용 자원의 가치를 극대화할 수 있다.
그리고, 상기 본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법은, 상기 농축염수의 적어도 일부를 상기 유기성 폐기물에 투입하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이는 상기 단계 (A) 이전, 즉 유기성 폐기물의 건조 전에 농축염수를 투입하거나, 유기성 폐기물 건조 후에 농축염수를 투입하여 재건조 후 열분해하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 의해 생성되는 바이오차는 기공의 평균 입경이 0.1 내지 30 nm, 바람직하게는 1 내지 20 nm, 더욱 바람직하게는 7 내지 14 nm일 수 있다.
본 발명에 따라 농축염수를 다시 처리 대상인 유기성 폐기물에 투입하면 활성화 바이오차를 생산할 수 있다. 염분 함유 유기성 폐기물의 건조 및 열분해 과정에서 소금 등 염분 성분이 결정으로 성장하는데, 이 후 세척에 의해 염분이 빠져나가면 그 자리에 기공이 형성된다. 그런데 농축염수를 다시 폐기물에 투입할 경우 폐기물의 염분 농도가 상승하여 더 큰 결정으로 성장할 수 있고, 결국 기공의 평균입경이 증대되어 활성화 바이오차가 제조될 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 바이오차의 기공을 확대시킬 수 있을 뿐만 아니라 기공량 및 기공형태를 임의로 조절할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명은 폐기물로 활성화 바이오차를 만드는 동시에, 활성화 바이오차를 만들기 위해 투입되는 염수가 같은 처리장치 내에서 배출되는 것을 다시 활용하기 때문에 자원을 절약할 수 있고 경제성 및 효율성이 매우 우수하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 유기성 폐기물의 처리방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1과 같이 무염분 바이오차 및 세척수인 고농축염수를 얻거나, 도 2와 같이 농축염수를 다시 전단으로 이송하여 유기성 폐기물에 투입하는 단계를 추가하여 활성화 바이오차를 얻을 수도 있다.
회수한 농축염수는 제설제, 미세먼저 세정수, 공업용 염수 등 다양한 분야에서 자원으로 활용될 수 있고, 친환경 자원이므로 인공적인 화학품과 달리 환경에도 해를 끼치지 않는다.
한편, 본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물 처리장치는, 본 발명의 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법을 수행하기 위한 장치이며,
염분 함유 유기성 폐기물을 열분해하여 바이오차를 형성하는 열분해부;
상기 바이오차의 염분을 배출하기 위해 바이오차를 세척하는 세척부;
상기 세척된 바이오차를 회수하는 바이오차 회수부; 및
상기 세척으로 인해 형성된 농축염수를 회수하는 농축염수 회수부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열분해부 전단에, 유기성 폐기물을 건조시키는 건조부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 농축염수 회수부 전단에, 상기 농축염수 내 무기물을 제거하기 위해 수처리하는 수처리부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열분해부 전단에, 상기 농축염수 일부가 반송되어 상기 유기성 폐기물에 투입되는 염수투입부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 세척부는,
다단세척을 위한 단계별 세척수를 저장하는 2 이상의 저장조;
상기 세척수의 투입구 및 배출구를 구비한 세척조; 및
상기 세척조에서 세척된 바이오차를 탈수하고, 탈수여액은 상기 저장조 또는 상기 투입구로 이송하는 이송부를 구비한 원심분리기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 세척부는 상기 원심분리기 대신 건조기를 구비하여 건조에 의해 바이오차의 수분을 제거할 수도 있다.
그리고, 상기 세척조는 배출된 세척수를 저장조 또는 투입구로 이송하는 이송부를 구비할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 염분 함유 유기성 폐기물 처리장치의 일 실시예로서, 3 개의 저장조, 세척조, 및 원심분리기를 포함하는 세척부를 나타낸다. 저장조 1 내지 3에는 세척수가 각각 저장되어 있다. 바이오차가 세척조로 이송되면 제 1 저장조의 세척수가 세척조로 유입 및 세척조로부터 배출되는 사이 바이오차를 세척하고, 상기 배출된 세척수가 세척조로 재유입되어 바이오차를 세척하는 세척 과정을 반복한다. 이 때 세척조가 세척조로 재유입되기 전에 제 1 저장조를 거치거나, 또는 세척조로 곧바로 이송될 수 있다. 이러한 반복 세척을 통해 바이오차는 염분이 제거되고 세척수는 염분이 농축되어 농축염수가 된다.
각 저장조 및 세척조에는 측정기가 있을 수 있어 세척수 또는 바이오차의 염분 농도를 모니터링할 수 있다. 상기 세척을 수행하던 세척수가 소정의 염분 농도에 도달하면 이를 저장조 또는 세척조로부터 배출하고, 제 2 저장조에 저장된 세척수에 의해 바이오차의 세척을 이어서 수행할 수 있다. 상기 제 2 저장조에 저장된 세척수의 염분 농도는 상기 소정의 염분 농도보다 낮다.
그리고, 상기 소정의 염분 농도는, 10 내지 30 %(w/w), 바람직하게는 20 내지 30 %(w/w), 더욱 바람직하게는 24 내지 30 %(w/w)일 수 있다. 또는 염분의 석출이 가시적으로 확인되는 포화농도일 수 있으나, 석출이 일어나기 전에 배출하는 것이 바람직하다. 소정의 염분 농도가 상기 범위 미만이면 경제성이 떨어지고, 반면에 상기 범위를 초과하면 석출된 염분에 의해 장치의 내구성이나 처리 공정의 효율성이 저감될 수 있다.
바이오차의 탈수는 원심분리기에서 수행될 수 있다. 상기 원심분리기에 의한 탈수에 의해 바이오차의 염분이 추가로 제거될 수 있어 바이오차의 염분을 낮추는데 유리하다. 또한, 원심분리기에서 발생되는 탈수여액은 세척조로 직접 유입되어 세척수와 세척을 곧바로 수행하거나 현재 활성화된 저장조로 이송되어 세척수와 병합될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
실시예
실시예
1: 바이오차의 제조(1)
염분 농도가 3 %인 음식물 쓰레기를 분쇄하여 폐기물 표본을 준비하였다. 표본을 105 ℃에서 12 시간 건조시키고 열분해부로 이송하였다. 상기 표본의 산화를 방지하기 위해 표본 투입 전 질소를 먼저 주입하여 산소를 제거하였다. 열분해 장치에 투입된 표본을 400 ℃에서 2 시간 동안 열분해하여 바이오차를 제조하고 이를 배출하여 상온으로 냉각시켰다. 그 후 10 g의 바이오차를 회수하여 100 mL 증류수에서 30 분간 교반하여 세척하고 바이오차와 세척수와 분리하였다. 세척된 바이오차는 105 ℃에서 12 시간 건조시켰다.
실시예 2: 바이오차의 제조(2)
실시예 1과 동일한 방법으로 바이오차를 제조하되, 열분해 온도를 300 ℃로 하였다.
실시예 3: 바이오차의 제조(3)
실시예 1과 동일한 방법으로 바이오차를 제조하되, 열분해 온도를 250 ℃로 하였다.
실시예 4: 바이오차의 제조(4)
실시예 1과 동일한 방법으로 바이오차를 제조하되, 열분해 온도를 200 ℃로 하였다.
시험예 1: 바이오차의 Na 함유량 평가
상기 실시예 1 내지 4에 의해 제조된 바이오차에 대하여 Na 함유량을 측정하기 위해 AAS 분석을 실시하였다. 도 5는 각 실시예의 세척 전 Na 함량 및 세척 후 Na 함량을 나타낸다. 실시예 1 내지 4 모두 세척 후 바이오차의 Na 함량이 1.33 % 내지 1.94 %로 1 % 대의 Na 중량 퍼센트를 나타내어 염분이 효과적으로 배출되었음을 확인하였다.
시험예 2: 세척수의 오염도 평가
세척수의 오염도를 평가하기 위해 상기 실시예 1 내지 4에 의해 제조된 바이오차를 세척한 세척수를 희석한 후 COD, N(Total N; TN), 및 P(Total P; TP)의 함량을 측정하였다(도 6). 세 종류의 성분 모두 열분해 온도가 높을수록 감소하였는데, 특히 COD 및 N의 함량이 급격히 감소하여 특정 온도 이상에서 세척수의 오염도를 현저히 감소시킬 수 있는 것을 확인하였다.
실시예 5: 5 %NaCl 염수 투입
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오차를 제조하되, 열분해 전 폐기물에 5 %NaCl 염수를 투입하여 건조 후 열분해 하였다.
실시예 6: 10 %NaCl 염수 투입
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오차를 제조하되, 열분해 전 폐기물에 10 %NaCl 염수를 투입하여 건조 후 열분해 하였다.
실시예 7: 20 %NaCl 염수 투입
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오차를 제조하되, 열분해 전 폐기물에 20 %NaCl 염수를 투입하여 건조 후 열분해 하였다.
시험예 3: 바이오차의 비표면적 및 기공 평가
상기 실시예 1, 5 내지 7에 의해 제조된 바이오차의 비표면적 및 기공을 관측하기 위해 BET 분석 및 SEM 분석을 실시하였으며 그 결과는 도 4 및 하기 표 1과 같다.
| BET specific surface area [m2g-1] | Total pore volume [cm3g-1] |
Average pore diameter [nm] |
mesopore surface area [m2g-1] |
mesopore volume [cm3g-1] |
|
| 실시예 1 | 1.226 | 0.002 | 6.552 | 0.672 | 0.002 |
| 실시예 5 (세척 전) |
0.824 | 0.002 | 9.475 | 0.465 | 0.002 |
| 실시예 5 (세척 후) |
2.946 | 0.005 | 7.556 | 1.158 | 0.004 |
| 실시예 6 (세척 전) |
1.184 | 0.003 | 11.505 | 0.902 | 0.003 |
| 실시예 6 (세척 후) |
3.500 | 0.006 | 8.501 | 1.686 | 0.005 |
| 실시예 7 (세척 전) |
0.795 | 0.003 | 14.119 | 0.651 | 0.002 |
| 실시예 7 (세척 후) |
2.485 | 0.007 | 12.610 | 1.623 | 0.006 |
| NaOH | 3.914 | 0.017 | 17.845 | 2.452 | 0.017 |
고농도의 염수가 투입될수록 총 기공(Total pore) 또는 메조기공(mesopore)의 부피는 증가하는 경향을 보였으며, 이는 고농도의 염수가 더 큰 NaCl 결정을 형성한 뒤 세척에 의해 제거되어 기공을 형성하기 때문이다. 또한 Total pore volume과 mesopore volume을 비교해 보았을 때 크게 차이가 나지 않아, 존재하는 기공 중 대부분이 메조기공으로 존재한다는 것을 알 수 있다. 그리고, 세척 전에 비해 세척 후 기공 부피가 대략 두 배 증가하였으며 이를 통해 기공 형성 원인이 NaCl에 의한 것이라는 사실을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 따라 포화염수 또는 고농도의 염수 형성 후 이를 다시 폐기물에 투입하여 바이오차를 형성할 경우 기공이 충분히 발달된 활성화 바이오차를 제조할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 국한해서 해석되어서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (11)
- (A) 염분 함유 유기성 폐기물을 건조한 후 열분해하여 바이오차를 형성하는 단계;
(B) 상기 바이오차를 세척하여 염분을 배출하는 단계;
(C) 상기 세척에 사용된 세척수를 재사용하여 바이오차를 반복 세척하고 농축염수를 형성하는 단계; 및
(D) 상기 농축염수의 적어도 일부 및 세척된 바이오차를 회수하는 단계;를 포함하고,
상기 농축염수를 회수하기 전에, 농축염수의 무기성분을 제거하는 수처리 단계로서 농축염수의 염분은 잔존하는 단계;를 더 포함하는, 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 단계 (C)에서 형성된 농축염수의 적어도 일부를 반송하여 상기 열분해 전의 유기성 폐기물에 투입하는 단계;를 더 포함하여 소금결정화에 의한 활성화 바이오차를 회수하는 것을 특징으로 하는, 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 세척된 바이오차를 회수하기 전에 수분 제거 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 무기성분은 질소 또는 인 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 세척수는 중성 용액, 산 용액 또는 알카리 용액인 것을 특징으로 하는, 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 회수한 바이오차는 염소 3 %(w/w) 이하인 것을 특징으로 하는, 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 활성화 바이오차는 기공의 평균 입경이 0.1 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는, 염분 함유 유기성 폐기물의 처리방법. - 염분 함유 유기성 폐기물을 열분해하여 바이오차를 형성하는 열분해부;
상기 바이오차의 염분을 배출하기 위해 바이오차를 세척하는 세척부;
상기 세척된 바이오차를 회수하는 바이오차 회수부;
상기 세척으로 인해 형성된 농축염수를 회수하는 농축염수 회수부; 및
상기 농축염수 회수부 전단에, 농축염수의 무기성분을 제거하고 염분은 잔존시키는 수처리부;를 포함하는, 염분 함유 유기성 폐기물 처리장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 열분해부 전단에, 상기 세척부에서 생성된 농축염수 일부가 반송되어 상기 유기성 폐기물에 투입되는 염수투입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 염분 함유 유기성 폐기물 처리장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 세척부는,
다단세척을 위한 단계별 세척수를 저장하는 2 이상의 저장조;
상기 세척수의 투입구 및 배출구를 구비한 세척조; 및
상기 세척조에서 세척된 바이오차를 탈수하고, 탈수여액은 상기 저장조 또는 상기 투입구로 이송하는 이송부를 구비한 원심분리기;를 포함하는, 염분 함유 유기성 폐기물 처리장치. - 청구항 10에 있어서,
제 1 저장조의 세척수가 소정의 염분 농도에 도달하면 이를 저장조 또는 세척조로부터 배출하고, 제 2 저장조에 저장된 세척수에 의해 바이오차의 세척을 이어서 수행하는 것을 특징으로 하는, 염분 함유 유기성 폐기물 처리장치.
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2019
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