KR20010025926A - Method for quick digestion of garbage and for producing methane therefrom using three-stage system - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided is a method for producing methane gas from garbage using three-stage methane fermentation system, which can produce a large quantity of methane gas with low HRT and a small reactor. CONSTITUTION: The method comprises the steps of a hydrolysis/acid fermentation step in which crushed garbage by a crusher (A) is mixed with water at the ratio of 1 to 1, and then conveyed to a hydrolysis/acid fermentation tank (B) wherein hydrolysis is carried out by aerobic bacteria and acid fermentation is carried out anaerobic bacteria in the condition of 28 to 32 deg.C of reaction temperature and pH range of 5.0 to 5.5; a primary acid fermentation step in which pretreated admixture of garbage and water is conveyed to the bottom part of a UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) type primary acid fermentation tank (C) by a pump (P), and then seeding thereto Clostridium butyricum for increasing yield rate of acetic acid and butyric acid in the condition of 33 to 37 deg.C of reaction temperature and pH range of 5.0 to 5.5; a methane fermentation step in which only liquid obtained during the primary acid fermentation step is conveyed to a methane fermentation tank (D) through a pipe installed up to middle part from upper part of the primary acid fermentation tank so that the conveyed liquid is fermented. The methane fermentation step is performed in the condition of 7.6 to 7.9 of pH range and 39 to 43 deg.C of reaction temperature.

Description

3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산 방법{Method for quick digestion of garbage and for producing methane therefrom using three-stage system}Method for quick digestion of garbage and for producing methane therefrom using three-stage system

본 발명은 음식물 쓰레기를 빠르게 소화시키며 그로부터 메탄을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세히 말하면 음식물 쓰레기를 신속하게 처리함과 동시에 대체 에너지로 활용하기 위하여 음식물 쓰레기로부터 다량의 메탄을 생산하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of rapidly extinguishing food waste and producing methane therefrom. More specifically, three-stage methane fermentation produces a large amount of methane from food waste in order to process food waste quickly and use it as an alternative energy. The present invention relates to a fast digestion of food waste and a methane production method using a system.

우리 나라에서 발생하는 음식물쓰레기는 1994년도에 하루 도시폐기물의 31%를 차지하였으나 정부의 음식물쓰레기 감량화 정책으로 인하여 1997년에는 27.3%를 나타내고 있으며 이와 같은 음식물쓰레기를 돈으로 환산하면 8조원에 이른다는 보고가 있다.Food waste generated in our country accounted for 31% of urban waste per day in 1994, but accounted for 27.3% in 1997 due to the government's food waste reduction policy, which translates into 8 trillion won. There is a report.

음식물쓰레기의 97년도 재활용 현황을 보면, 재활용량의 59.2%는 가축사료로 이용되었고 40.8%는 퇴비로 재활용되었다. 그러나 사료화는 분리수거의 난점이 있고 부패성/병원성 미생물의 발생과 사료 내 이물질로 인해 가축에 피해가 우려되며 음식물쓰레기 내 영양분의 불균형으로 인해 가축 영양상태의 불균형을 초래할 수 있다. 또한 퇴비화는 음식물 자체 내의 과다 수분 및 염분 때문에 농작물에 피해를 줄 수 있고 퇴비화된 음식물쓰레기를 토지화 하는 과정에서 악취를 발생시킨다.According to 97 recycling of food waste, 59.2% of the recycling was used for livestock feed and 40.8% was recycled for compost. However, foddering is difficult to separate and collects, causing rot / pathogenic microorganisms and foreign matters in feed, which can cause damage to livestock, and can lead to imbalances in the nutritional status of livestock due to unbalanced nutrients in food waste. Composting can also damage crops due to excess moisture and salt in the food itself, and can cause odors in the process of landification of composted food waste.

따라서, 최근에는 음식물쓰레기를 메탄가스로 자원화 하여 재활용하는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그 결과, 현재 산 발효상과 메탄 발효상으로 각각 나누어 소화시키는 2단계 소화법이 실용화 단계에 있다. 그러나 2단계 소화법은 아직도 처리 속도가 늦기 때문에 발효조의 크기가 커지게 되고 그에 따라 설치비용이 많이 드는 단점이 있다. 또한 메탄 발효조 내에서 발효가 일어나기 위한 최적 pH는 7.0이 가장 좋은데 산 발효조에서 생성된 산이 직접 메탄 발효조로 들어가 산 충격이 발생함으로써 공정 자체의 운전이 정지되는 단점도 가지고 있다.Therefore, in recent years, research has been actively conducted to recycle food waste into methane gas. As a result, a two-stage digestion process, which is divided into an acid fermentation phase and a methane fermentation phase, is currently in practical use. However, the two-stage fire extinguishing method still has a disadvantage of increasing the size of the fermenter because of the slow processing speed and accordingly, the installation cost is high. In addition, the optimum pH for fermentation in the methane fermentation tank is 7.0 is the best, but the acid generated in the acid fermentation tank directly enters the methane fermentation tank has a disadvantage that the operation of the process itself is stopped.

따라서, 본원은 상기와 같은 2단계 소화시스템의 단점을 보완하고자 지속적인 연구 실험을 거듭한 바, 3단계 메탄 발효시스템을 이용하여 폐유기물질을 빠르게 발효시켜 발효조 내의 체류시간을 더욱 감소시키고 이로 인하여 발효조의 크기를 경제성이 있도록 소형화함은 물론 음식물 쓰레기로부터 효과적으로 다량의 메탄을 생산하여 대체 에너지로 이용할 수 있는 음식물 쓰레기의 고속소화 및 그로부터 메탄을 얻는 방법을 안출하게 되었다.Therefore, the present application has been continuously conducted to supplement the disadvantages of the two-stage digestive system as described above, using the three-stage methane fermentation system to quickly ferment the waste organic matter to further reduce the residence time in the fermenter and thereby In addition to miniaturizing the size of the fuel economy, a large amount of methane can be produced efficiently from food waste, and a method of rapidly extinguishing food waste that can be used as an alternative energy and obtaining methane therefrom has been devised.

도1은 본 발명에 의한 3단계(three-stage) 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법을 보이는 공정 흐름도,1 is a process flow chart showing a high-speed fire extinguishing and methane production method of food waste using a three-stage methane fermentation system according to the present invention;

도2는 본 발명에 따른 1차 가수분해 및 산 발효공정과 2차 산 발효공정 동안 휘발성 지방산(volatile fatty acid; VFA)의 생성 그래프,Figure 2 is a graph of the production of volatile fatty acids (VFA) during the first hydrolysis and acid fermentation process and the secondary acid fermentation process according to the present invention,

도3은 본 발명에 따른 메탄 발효공정 동안의 pH 변화도,Figure 3 is a change in pH during the methane fermentation process according to the present invention,

도4는 본 발명에 따른 메탄 발효공정 동안의 SCOD, TCOD, BOD 변화도,Figure 4 is a change in SCOD, TCOD, BOD during the methane fermentation process according to the present invention,

도5는 본 발명에 따른 메탄 발효공정 동안 암모니아성 질소와 총 질소량의 변화도.Figure 5 is a change in ammonia nitrogen and total nitrogen during the methane fermentation process according to the present invention.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명****** Explanation of symbols for main parts of drawing ***

A : 파쇄기 B : 1차 가수분해 및 산 발효조A: Crusher B: Primary hydrolysis and acid fermenter

C : 2차 산 발효조 D : 3차 메탄 발효조C: secondary acid fermenter D: tertiary methane fermenter

E : 침전조 F : 생물학적 여재 용기E: Sedimentation tank F: Biological media container

G : 수산화나트륨 공급 용기 H : 메탄 저장 탱크G: sodium hydroxide supply vessel H: methane storage tank

P : 펌프 AP: 공기주입 펌프P: Pump AP: Air Injection Pump

즉, 본 발명은 음식물 쓰레기의 고속소화 및 그로부터 메탄을 생산하는 방법에 있어서, 파쇄기에서 작은 입자로 분쇄된 음식물 쓰레기를 물과 1:1 비율로 혼합하고 스크류를 통해 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조로 운반하여 호기성 세균에 의해 가수분해하고 혐기성 세균에 의해 산 발효시키는 1차 가수분해 및 산 발효공정과; 상기 1차 발효한 고액성분을 펌프에 의해 상류 혐기성 슬러지 블랭킷 (upflow anaerobic sludge blanket: UASB)형태의 2차 산 발효조 하단부를 통해 주입하고 클로스트리디움 부티리컴을 접종하여 산 발효시키는 2차 산 발효공정과; 상기 2차 발효한 고액성분 중 액체성분만 발효조의 상단에서 중간까지 내려와 있는 관을 통하여 3차 메탄 발효조로 정량펌프에 의해 수송하여 접종된 메탄 생성균에 의해 메탄을 생산하는 3차 메탄 발효공정으로 이루어진 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법이다.That is, the present invention is a high-speed digestion of food waste and the production of methane therefrom, the food waste pulverized into small particles in the shredder mixed in a 1: 1 ratio with water and the first semi-anaerobic hydrolysis and acid through a screw A primary hydrolysis and acid fermentation step which is transported to the fermenter and hydrolyzed by aerobic bacteria and acid fermented by anaerobic bacteria; The secondary acid fermentation process in which the first fermented solid-liquid component is injected through the bottom of a secondary acid fermentation tank in the form of an upstream anaerobic sludge blanket (UASB) by a pump, and inoculated with acid clotidium butyricum to ferment acid. and; It consists of a third methane fermentation process of producing methane by the methane-producing bacteria inoculated by transporting by the metering pump to the third methane fermentation tank through the pipe descending from the upper end of the fermentation tank to the middle of the solid-liquid fermentation secondary It is a high-speed fire extinguishing and methane production method of food waste using three-stage methane fermentation system.

상기 1차 가수분해 및 산 발효공정에 있어서, 반혐기성 가수분해 및 산 발효조 내부의 운전 온도와 pH는 각각 28∼32℃와 5.0∼5.5이다.In the first hydrolysis and acid fermentation step, the operating temperature and pH in the semi-anaerobic hydrolysis and acid fermentation tank are 28 to 32 ° C. and 5.0 to 5.5, respectively.

상기 2차 산 발효공정에 있어서, 2차 산 발효조는 그 내의 운전 온도가 33∼37℃이고 pH가 5.0∼5.5이다.In the secondary acid fermentation step, the secondary acid fermentation tank has an operating temperature of 33 to 37 ° C and a pH of 5.0 to 5.5.

상기 3차 메탄 발효공정에 있어서, 상기 메탄 발효조는 그 내의 온도가 39∼43℃이고 pH가 7.6∼7.9이며 상단 부위의 발효액과 상단으로부터 하단 55∼70Cm되는 부위의 발효액이 순환할 수 있도록 설계한다.In the third methane fermentation process, the methane fermentation tank is designed to circulate the fermentation broth at a temperature of 39-43 ° C., a pH of 7.6 to 7.9 and an upper portion and a lower portion of 55 to 70 cm from the upper portion. .

상기 1차, 2차, 3차 발효조 내에서 음식물 쓰레기를 소화하기 위해 사용되는 미생물은 표1에 나타난 바와 같다.Microorganisms used to digest food waste in the primary, secondary and tertiary fermenters are shown in Table 1.

표 1. 음식물 쓰레기를 소화하기 위해 사용되는 미생물Table 1. Microorganisms Used to Digest Food Waste

공 정fair 균 주Strain 분 해 능 력Resolution 반혐기성가수분해/산 발효공정Semi-anaerobic Hydrolysis / Acid Fermentation Process 셀룰로모나스 셀룰란스Cellulose cellulose 셀룰로오스, 키틴, 펙틴Cellulose, chitin, pectin 플라보박테리움 브리브Flavobacterium bribes 셀룰로오스cellulose 바실러스 아밀로리큐파시언스Bacillus amyloliquecucience 탄수화물carbohydrate 바실러스 리체니포미스Bacillus licheniformis 단백질protein 바실러스 서브틸리스Bacillus subtilis 탄수화물, 단백질Carbohydrates, protein 바실러스 알칼로필러스Bacillus Alcalophilus 지방질Fat 혐기성산 발효 공정Anaerobic Acid Fermentation Process 클로스트리디움 부티리컴Clostridium Butyrim 당, 아미노산, 긴 사슬 지방산Sugars, amino acids, long chain fatty acids 혐기성 메탄 발효공정Anaerobic Methane Fermentation Process 메탄발효균Methane fermentation bacteria 아세테이트, 포메이트Acetate, formate

본 발명에 의한 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법의 전체적인 공정을 첨부된 도1을 참조로 하여 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 1 attached to the overall process of the high-speed digestion of food waste and methane production method using a three-step methane fermentation system according to the present invention.

파쇄기(A)에서 분쇄된 음식물 쓰레기는 물과 1:1비율로 혼합되어 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조(B)로 운반된다. 상기 1차 가수분해 및 산 발효조(B)는 음식물 쓰레기로부터 빠른 가수분해와 산 생성을 하도록 설계된다. 1차 발효조에서는 공급된 음식물 쓰레기를 교반하고, 효과적인 가수분해를 위해 콤프레셔를 통해 다량의 공기를 주입함으로써 주입된 호기성 세균으로 하여금 단시간에 고분자 유기물질을 저분자 물질로 가수분해하도록 하며 혐기성 세균의 경우 저분자 물질을 산으로 전환하게 한다. 이 공정에서 분해되지 않는 깡통, 고무, 조개 껍데기 등의 물질은 발효조 하단에 설치된 밸브구멍을 통하여 제거한다.The food waste crushed in the crusher (A) is mixed with water in a 1: 1 ratio and transported to the first semi-anaerobic hydrolysis and acid fermentation tank (B). The primary hydrolysis and acid fermentation tank (B) is designed for fast hydrolysis and acid production from food waste. In the first fermentation tank, the agitated food waste is agitated and a large amount of air is injected through the compressor for effective hydrolysis to inject the aerobic bacteria to hydrolyze the macromolecule organic material to low molecular weight in a short time. Causes the substance to be converted to acid. Materials such as cans, rubber, shells, etc., which are not decomposed in this process, are removed through a valve hole provided at the bottom of the fermenter.

상기 1차 발효조(B)로부터 발효된 고액성분이 펌프(P)에 의해 2차 산 발효조 (C)의 하단부로 주입된다. 2차 산 발효조(C)에는 아세트산, 부티르산 같은 산의 생성을 높이기 위해 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum)을 접종한다. 2차 산 발효조(C)에서 생성된 산 유출물은 메탄 생성을 위해 3차 메탄 발효조(D)로 이송되며, 3차 메탄 발효조(D)에는 메탄 생성균을 접종한다.The solid solution fermented from the primary fermentation tank (B) is injected into the lower end of the secondary acid fermentation tank (C) by the pump (P). The secondary acid fermenter (C) is inoculated with Clostridium butyricum to increase the production of acids such as acetic acid and butyric acid. The acid effluent produced in the secondary acid fermenter (C) is sent to the tertiary methane fermenter (D) for methane production, and the third methane fermenter (D) is inoculated with methane producing bacteria.

메탄 발효조(D)에는 열 변환기, 가스 계량기, 연소 배관장치, 가스 배기구멍을 장치한다. 메탄 발효공정에서 배출되는 유출물 내의 잔여 유기물과 질소, 인 화합물을 제거하기 위하여, 여러 가지 추가적인 공정이 채택된다. 상기 유출물은 침전 조(E)로 이송되고 그 중 고형물들은 침전된다. 상층액은 고정된 질화 세균 (immobilized nitrifying bacteria)이 붙어있는 호기성 생물막 여재(oxic biological filter)가 들어있는 45리터의 용기로 이송된다. 3일 후, 상기 폐액은 탈질 세균(denitrifying bacteria)에 의해 질소가 제거되도록 90리터의 무산소성 생물막 여재(anoxic biological filter)로 이송된다. 본 연구에서 사용되는 생물학적 여재는 넓은 외부 표면을 갖는 PVC스틱으로 만들어지며 폐폴리염화비닐(waste polyvinyl chloride)로부터 재생된다. 상기 필터는 폐수 속으로 침수되고 세균은 그것들 위에 고정되어진다.The methane fermentation tank D is equipped with a heat converter, a gas meter, a combustion piping device, and a gas exhaust hole. Several additional processes are employed to remove residual organics, nitrogen and phosphorus compounds in the effluents from the methane fermentation process. The effluent is sent to a settling tank E, of which solids settle. Supernatants are transferred to a 45-liter container containing an aerobic biological filter with immobilized nitrifying bacteria. After 3 days, the waste fluid is transferred to 90 liters of an anoxic biological filter to remove nitrogen by denitrifying bacteria. The biological media used in this study are made from PVC sticks with a wide outer surface and are recovered from waste polyvinyl chloride. The filters are submerged into the wastewater and bacteria are fixed on them.

상기 폐수는 6일 동안 처리된 후 배출된다. 또한 상기 1차 발효조로부터 발생되는 배출가스는 현저히 악취가 제거되도록 호기성 생물막 여재용기로 연결된다.The wastewater is discharged after 6 days of treatment. In addition, the exhaust gas generated from the primary fermenter is connected to the aerobic biofilm media container so that odor is significantly removed.

메탄은 무색무독하고 완전 연소 후 이산화탄소와 물만이 생성되는 청정에너지이다. 또한 메탄 연소 시 12,000㎉/㎏라는 다량의 에너지를 방출하며, 일원자 탄소화합물이기 때문에 연소효율이 높아 불완전 연소가 거의 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이러한 특징은 메탄 발효공정이 청정 바이오가스를 생산하여 대체에너지원 생산 공정이 될 수 있고 미처리 폐기물과 매연이 적으므로 청정 폐기물 처리 공정이 될 수 있다는 것을 의미하며 이러한 장점 때문에 입지 선정이 용이하다는 특징도 가지고 있다. 메탄발효 후 생산된 가스 중에는 메탄이 약 70%, 이산화탄소가 약 30% 정도 포함되어 있어 에너지로서 충분한 효용가치가 있으며, 황화수소와 암모니아 가스는 각각 1%미만이기 때문에 악취도 크게 문제가 되지 않는다.Methane is a colorless, toxic, clean energy produced only after complete combustion. In addition, the methane combustion emits a large amount of energy of 12,000 ㎉ / ㎏, and because it is a single-atomic carbon compound, the combustion efficiency is high, so that incomplete combustion rarely occurs. This feature means that the methane fermentation process can be an alternative energy source production process by producing clean biogas, and can be a clean waste treatment process because there is less untreated waste and soot. Have. The gas produced after the methane fermentation contains about 70% of methane and about 30% of carbon dioxide, and thus has sufficient utility value as energy. Since hydrogen sulfide and ammonia gas are less than 1%, respectively, odor is not a problem.

이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments.

<실시예1><Example 1>

1. 1차 가수분해 및 산 발효 공정;1. First Hydrolysis and Acid Fermentation Process;

수집된 음식물 쓰레기를 파쇄기에서 3mm 이하의 작은 입자로 분쇄하여 물과 1:1 비율로 희석하고, 그 중 10ℓ를 1차 가수분해 및 산 발효조에 넣었다. 발효조에 넣어진 음식물 쓰레기를 100rpm의 속도로 교반하였고 30℃ 온도에서 2일 동안 체류시켜 호기성 및 혐기성 세균에 의해 가수분해되고 산 발효 되도록 하였다.The collected food waste was crushed into small particles of 3 mm or less in a crusher and diluted 1: 1 with water, of which 10 liters were placed in a primary hydrolysis and acid fermenter. The food waste put into the fermenter was stirred at a speed of 100 rpm and kept at 30 ° C. for 2 days to be hydrolyzed by aerobic and anaerobic bacteria and acid fermented.

1차 가수분해 및 산 발효공정은 호기성 세균과 혐기성 세균이 공존하며 동시에 활동할 수 있는 반혐기성 발효로서, 쉽게 분해될 수 있는 중합체들은 호기성 세균에 의해 소중합체 또는 단량체로 빠르게 가수분해되었으며 동시에 음식물 쓰레기에 존재하는 혐기성 세균에 의해 상기 가수분해된 저분자 물질은 다시 산으로 전환되었다.The first hydrolysis and acid fermentation process is a semi-anaerobic fermentation where both aerobic and anaerobic bacteria coexist and can be active at the same time. The easily decomposable polymers are rapidly hydrolyzed into oligomers or monomers by aerobic bacteria and at the same time in food waste. The low molecular weight hydrolyzed by the anaerobic bacteria present was converted back to acid.

즉, 호기성 세균을 주입하여 가수분해를 빠르게 함으로써 혐기성 세균에 의한 산 발효도 빨라져 1차 발효조에서 쓰레기를 소화하는데 걸리는 수리학적 체류시간이 2일로 단축되었다. 또한, 1차 발효조 내에서의 발효 속도가 빨라짐에 따라 1차 발효조의 크기가 작아질 수 있게 되었다.In other words, by injecting aerobic bacteria to accelerate the hydrolysis, acid fermentation by anaerobic bacteria is also accelerated, the hydraulic retention time to digest the waste in the primary fermenter is reduced to two days. In addition, as the fermentation rate in the primary fermenter is faster, the size of the primary fermenter can be reduced.

가수분해 및 산 발효공정에 사용되는 세균들은 음식물에 많이 존재하는 탄수화물, 단백질, 지방 등 복잡한 유기물을 분해할 수 있는 호기성 세균들(표1)로 선정하여, 잘 성장할 수 있는 기질에서 각각 배양한 후, 음식물 쓰레기의 추출물을 함유한 기질에 주입하였다. 연속 재배에 의한 적응 후에 그 균들을 혼합하여 발효조에 주입하였다.Bacteria used in the hydrolysis and acid fermentation process are selected as aerobic bacteria that can decompose complex organic substances such as carbohydrates, proteins, and fats in the food (Table 1), and then cultured on a substrate that can grow well. , Was injected into the substrate containing the extract of food waste. After adaptation by continuous cultivation, the bacteria were mixed and injected into the fermenter.

발효공정 동안, 적은 양의 글루코오스, 셀로바이오스, 람노오스와 여러 가지 미확인 당들이 검출되었으며(데이타 없음), 동시에 다량의 젖산, 아세트산, 프로피온산이 연속적으로 관찰되어졌으며 그 결과는 도2에 나타낸다.During the fermentation process, small amounts of glucose, cellobiose, rhamnose and various unidentified sugars were detected (no data), while a large amount of lactic acid, acetic acid, propionic acid were observed continuously and the results are shown in FIG.

초기 pH는 6.0으로 조정되었으나, 산이 생성됨에 따라서 4.0으로 저하되었으며 이를 도3에 나타낸다.The initial pH was adjusted to 6.0, but lowered to 4.0 as the acid was produced, which is shown in FIG.

도4에 도시된 바와 같이, 가수분해된 저분자 물질의 총 화학적 산소요구량(TCOD)과 용해성 화학적 산소요구량(SCOD)은 각각 45,000㎎/ℓ와 32,000㎎/ℓ였다. 그러나 생물학적 산소요구량(BOD)의 농도는 51,000㎎/ℓ으로 총 화학적 산소요구량의 농도 보다 높았다. 그 이유는 혼합물이 여전히 다량의 미립자를 함유하고 있어서 총 화학적 산소요구량과 생물학적 산소요구량의 정밀한 값을 얻기 어렵기 때문이다.As shown in FIG. 4, the total chemical oxygen demand (TCOD) and soluble chemical oxygen demand (SCOD) of the hydrolyzed low molecular weight materials were 45,000 mg / l and 32,000 mg / l, respectively. However, the concentration of biological oxygen demand (BOD) was 51,000 mg / l, which was higher than the total chemical oxygen demand. This is because the mixture still contains a large amount of fine particles, making it difficult to obtain precise values of the total chemical oxygen demand and the biological oxygen demand.

음식물 쓰레기가 소화됨에 따라, 분해되지 않는 무거운 물질들은 바닥으로 침전하였고 발효조의 하단 중앙부에 설치된 밸브구멍을 통하여 제거되었다.As the food waste was extinguished, heavy materials that did not decompose settle to the bottom and were removed through a valve hole installed in the bottom center of the fermentor.

2. 2차 산 발효 공정;2. secondary acid fermentation process;

1차 발효조로부터 가수분해된 저분자물질은 기어펌프에 의해 2차 산 발효조로 이송되었다. 2차 산 발효공정에서는 클로스트리디움 부티리큠을 접종하였고 상기에서 기술된 바와 같이 연속적 배양을 하여 음식물 쓰레기의 추출물을 함유한 기질에 주입하였다. 연속 재배에 의한 적응 후, 그 균들을 혼합하여 상류 혐기성 슬러지 블랭킷 형태의 2차 산 발효조의 하단부위를 통해 주입하였고 2일 동안의 체류시간 동안 충분한 산 발효가 일어났다.The hydrolyzed low molecular weight material from the primary fermenter was transferred to the secondary acid fermenter by a gear pump. In the secondary acid fermentation process, Clostridium butyridin was inoculated and subjected to continuous culture as described above and injected into the substrate containing the extract of food waste. After adaptation by continuous cultivation, the bacteria were mixed and injected through the lower portion of the secondary acid fermenter in the form of an upstream anaerobic sludge blanket and sufficient acid fermentation occurred during the residence time for two days.

생성물은 여전히 높은 양의 총 화학적 산소요구량과 용해성 화학적 산소요구량을 나타내었지만, 생물학적 산소요구량은 60%로 감소했다. 이것은, 음식물 쓰레기로부터 생분해되는 대부분의 물질들이 효과적으로 소화되었고 휘발성 지방산과 이산화탄소로 전환되었다는 것을 보여준다. 표2에 나타난 대로, 산을 생성하는 발효조로부터 생산되는 가스의 주요 성분은 이산화탄소였다. 발효동안, pH 범위는 산 생성의 방해를 막기 위해 5.0∼5.5로 유지하였다.The product still showed high amounts of total and soluble chemical oxygen demand, but the biological oxygen demand was reduced to 60%. This shows that most of the biodegradable material from food waste was effectively digested and converted to volatile fatty acids and carbon dioxide. As shown in Table 2, the main component of the gas produced from the acid-producing fermentor was carbon dioxide. During the fermentation, the pH range was maintained at 5.0-5.5 to prevent interference with acid production.

가수분해 및 산성화 반응을 중지하게 한 낮은 pH와 높은 산성 환경은 아마도 발효에 의한 산 생성의 최종 생산물 억제(end-product inhibition)에서 기인한 것이라고 생각되었다. 즉, 아세트산이 분해되어 메탄이 생성되는 활성은 이러한 산성 소화조건 하에서는 매우 억제되었다. 따라서 산성 액체를 중화시키기 위해 메탄 발효조로부터의 알칼리 유출물(pH7.6∼8.0)과 혼합하는 것이 필요했으며 그 결과 더 많은 산이 계속적으로 생산될 수 있었다.The low pH and high acidic environment that caused the hydrolysis and acidification reaction to stop were thought to be due to end-product inhibition of acid production by fermentation. In other words, acetic acid decomposed and methane-producing activity was very suppressed under these acidic digestion conditions. It was therefore necessary to mix with alkali effluents from the methane fermenter (pH7.6-8.0) to neutralize the acidic liquids, resulting in more acid being produced continuously.

3. 3차 메탄 발효 공정;3. tertiary methane fermentation process;

2차 발효한 고액성분 중 발효조의 상단으로부터 90㎝ 수직으로 내려와 있는 관을 통해 액체 성분만 펌프에 의하여 상류 혐기성 슬러지 블랭킷 형태의 3차 메탄 발효조 하단으로 운반하였다.Only liquid components were conveyed to the bottom of the tertiary methane fermenter in the form of an upstream anaerobic sludge blanket by a pump through a tube descending 90 cm vertically from the top of the fermentation solids component of the secondary fermentation solids.

산 유출물이 메탄 소화조로 직접 주입되면 산성 조건하에서는 메탄 발효가 사실상 정지하기 때문에 메탄 생성균에 대한 산 충격을 감소하도록 5N의 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 최적 조건으로 조정하였다.When the acid effluent was injected directly into the methane digester, the methane fermentation was virtually stopped under acidic conditions and adjusted to optimal conditions using 5N sodium hydroxide (NaOH) to reduce acidic impact on methane producing bacteria.

운전 온도 및 pH는 각각 41℃와 7.6∼7.9이었고 발효액의 상단 부위가 굳는 것을 방지하기 위하여 상단 부위의 발효액과 상단으로부터 하단 60㎝되는 부위의 발효액이 순환할 수 있도록 하였다.The operating temperature and pH were 41 ° C and 7.6 to 7.9, respectively, so that the upper part of the fermentation broth and the fermentation broth of the lower part 60 cm from the upper part were allowed to circulate.

상기 산 액체는 메탄 소화조에서 12일간 체류되었다. 이 조건하에서 유출물의 총 화학적 산소요구량, 용해성 화학적 산소요구량, 생물학적 산소요구량이 각각 95%, 96%, 97%감소하였다.The acid liquid remained in the methane digester for 12 days. Under these conditions, the total chemical oxygen demand, soluble chemical oxygen demand and biological oxygen demand of the effluent were reduced by 95%, 96% and 97%, respectively.

이것은 본 연구에 의해 개발된 3단계 소화시스템이 매우 효과적이고, 높은 총 고형물 함유 음식물 쓰레기의 처리 시간을 절약할 수 있음을 보여준다. 동시에 본 공정을 통해서 총 질소는 4287㎎/ℓ에서 2624㎎/ℓ로 감소되었으나, 암모니아성 질소는 혐기성 산 발효공정에서 서서히 증가되었고 메탄 발효공정에서 1,200㎎/ℓ까지 축적되었다(도5). 이러한 질소 농도는 폐수로 배출하기에 너무 높기 때문에, 다른 추가적인 처리가 필요했다. 이 문제를 해결하기 위해, 호기성 또는 무산소성 생물학적 여과 시스템이 채택되었다. 상기 생물학적 여과기에는 폐수에 함유된 잔류 쓰레기를 감소시키기 위해 질화 및 탈질(denitrifying) 세균뿐만 아니라 종속영양세균(heterotrophic)도 고정하였다. 결과적으로, 총 질소와 암모니아성 질소의 농도는 각각 166㎎/ℓ와 66㎎/ℓ로 감소되었고, 생물학적 산소요구량 또한 287㎎/ℓ로 감소되었다. 즉, 총 질소와 생물학적 산소요구량은 96%와 99.9% 감소되었다.This shows that the three-stage digestive system developed by this study is very effective and can save processing time for high total solids-containing food waste. At the same time, the total nitrogen decreased from 4287 mg / l to 2624 mg / l, but ammonia nitrogen was slowly increased in anaerobic acid fermentation and accumulated to 1,200 mg / l in methane fermentation (Fig. 5). Since these nitrogen concentrations are too high to be discharged into the waste water, other additional treatments were required. To solve this problem, aerobic or anoxic biological filtration systems have been adopted. The biological filter was fixed with heterotrophic as well as nitrifying and denitrifying bacteria to reduce residual waste contained in the wastewater. As a result, the concentrations of total nitrogen and ammonia nitrogen were reduced to 166 mg / l and 66 mg / l, respectively, and the biological oxygen demand was also reduced to 287 mg / l. In other words, total nitrogen and biological oxygen requirements were reduced by 96% and 99.9%.

총 인 중 10㎎/ℓ이하가 최종 유출물에서 검출되었고, 최종 유출물은 배출되도록 적절하게 처리되었다.Less than 10 mg / l of total phosphorus was detected in the final effluent and the final effluent was properly treated to discharge.

3차 메탄 발효공정에서는 휘발성 지방산으로부터 72%의 메탄과 28%의 이산화탄소가 발생하였으며 12일의 수리학적 체류시간 동안 0.45∼0.50m3/㎏VS의 수율로 메탄을 생성하였다.In the third methane fermentation process, 72% methane and 28% carbon dioxide were generated from volatile fatty acids, and methane was produced at a yield of 0.45 to 0.50 m 3 / kgVS for 12 days of hydraulic retention time.

총 3단계 메탄 공정에서는 95%의 높은 총 화학적 산소요구량 감소율을 나타내었다. 또한 총 질소도 96%가 감소하였고 총 인은 10㎎/ℓ이하가 감지되었다.The total three stage methane process showed a high total chemical oxygen demand reduction of 95%. Total nitrogen also decreased 96% and total phosphorus was detected below 10 mg / l.

도2에 나타낸 바와 같이, 총 휘발성 지방산 중 4,100㎎/ℓ가 1차 소화공정에서 생산되는데 이중 아세트산이 77%로 가장 많았다. 흥미롭게도 젖산의 농도는 이 조건에서 아세트산의 농도보다 9배 많았으나, 젖산은 아세트산으로 다시 전환되었다(데이타 없음). 2차 산 발효 공정에서 생산된 총 휘발성 지방산의 농도는 6,100㎎/ℓ이었으며 여러 형태의 휘발성 지방산이 생산되었다.As shown in FIG. 2, 4,100 mg / L of total volatile fatty acids were produced in the first digestion process, of which acetic acid was the highest at 77%. Interestingly, the concentration of lactic acid was nine times higher than that of acetic acid under these conditions, but lactic acid was converted back to acetic acid (no data). The concentration of total volatile fatty acids produced in the secondary acid fermentation process was 6,100 mg / l and several types of volatile fatty acids were produced.

2차 산 발효 공정을 여러 번 실시하여 데이터를 얻은 결과, 생산된 총 휘발성 지방산의 농도는 6,100㎎/ℓ에서 최대 9,100㎎/ℓ의 범위까지 증가될 수 있음도 관찰되었다.The data obtained by performing the secondary acid fermentation process several times also showed that the concentration of total volatile fatty acids produced could be increased from 6,100 mg / L up to 9,100 mg / L.

생산된 총 휘발성 지방산 6,100㎎/ℓ중 주요 휘발성 지방산들은 아세트산 3,000㎎/ℓ, 발레르산 1,540㎎/ℓ, 프로피온산 1,000㎎/ℓ이었다. 적은 양의 휘발성 지방산(310㎎/ℓ)이 메탄 발효조로부터의 폐액에 남겨지기는 하지만 대부분의 유기 탄소는 메탄과 이산화탄소로 전환되었다(표2).Of the 6,100 mg / l total volatile fatty acids produced, the main volatile fatty acids were 3,000 mg / l acetic acid, 1,540 mg / l valeric acid and 1,000 mg / l propionic acid. Although a small amount of volatile fatty acids (310 mg / l) was left in the waste liquid from the methane fermenter, most of the organic carbon was converted to methane and carbon dioxide (Table 2).

소화 시스템의 일반적인 운전을 위한 가장 중요한 매개변수는 pH, 유기물 부하율(organic loading rate), 산과 메탄 발효조 사이의 부피율이었다.The most important parameters for the general operation of the digestive system were pH, organic loading rate, and volume fraction between acid and methane fermenters.

총 가스 발생량은 0.65∼0.70m3/㎏VS였다. 주요 가스 조성물은 메탄, 이산화탄소, 암모니아, 황화수소였다. 발생된 총 가스 부피 중 72%가 메탄이었고 메탄 발생량은 0.45∼0.50m3/㎏VS였다(표2). 메탄 전환율과 발생량은 다른 종래 연구와 비교하여 유사한 값을 나타내었다. 메탄 발효조로부터 발생된 1,200㎎/ℓ의 높은 암모니아성 질소 농도는 메탄 생성을 방해하지 않았다. 전체 공정으로부터 얻어진 데이터는 표2에 요약되어있다.The total gas generation amount was 0.65-0.70 m 3 / kg VS. Main gas compositions were methane, carbon dioxide, ammonia, hydrogen sulfide. 72% of the total gas volume generated was methane and methane production was 0.45 to 0.50 m 3 / kg VS (Table 2). Methane conversion and generation yielded similar values compared to other previous studies. The high ammonia nitrogen concentration of 1,200 mg / l generated from the methane fermenter did not interfere with methane production. The data obtained from the overall process are summarized in Table 2.

종래의 2단계 시스템을 이용한 방법들과 비교하여 본 바, 본 연구에 의해 개발된 3단계 시스템은 효과적인 메탄-생산 시스템이었다(표3).Compared with the methods using the conventional two-stage system, the three-stage system developed by this study was an effective methane-producing system (Table 3).

표2. 3단계 시스템의 운전조건 및 수행결과Table 2. Operation conditions and results of the three-stage system

매개변수parameter 1차공정Primary process 2차공정2nd process 3차공정3rd process 생물학적 여재Biological media 수리학적체류시간(일)Hydraulic stay (days) 22 22 1212 99 부하량(kgVS/m3d)Load capacity (kgVS / m 3 d) 20∼22.820 to 22.8 25∼27.425 to 27.4 12∼18.812-18.8 1∼1.21 to 1.2 pHpH 5.0∼5.55.0 to 5.5 5.0∼5.55.0 to 5.5 7.6∼7.97.6 to 7.9 8.3∼8.78.3-8.7 온도(℃)Temperature (℃) 28∼3228-32 33∼3733-37 39∼4339-43 28∼3228-32 T-N(㎎/ℓ)T-N (mg / L) 42874287 32163216 26242624 166166 NH3-N(㎎/ℓ)NH 3 -N (mg / L) 117117 172172 12051205 6666 COD(㎎/ℓ)TCODSCODCOD (mg / L) TCODSCOD 44948322234494832223 30582206323058220632 2382107123821071 1145110411451104 BOD(㎎/ℓ)BOD (mg / l) 5108151081 2087620876 13561356 287287 가스 발생량(m3/㎏VS)Gas generation amount (m 3 / ㎏VS) -- -- 0.65∼0.700.65 to 0.70 -- 가스 조성CH4(%)CO2(%)Gas composition CH 4 (%) CO 2 (%) --- 8.9%91.1%8.9% 91.1% 72%28%72% 28% --- 메탄 발생량(m3/㎏VS)Methane generation amount (m 3 / ㎏VS) -- -- 0.45∼0.500.45 to 0.50 -- 휘발성 산(㎎/ℓ)아세트산프로피온산부티르산발레르산카프로산총Volatile acid (mg / L) Acetic acid propionate Butyric acid valeric acid caproic acid 31510123829041033151012382904103 2976101356215430609429761013562154306094 31300003133130000313 ------------

표3. 중온(mesophilic)에서 종래 2단계 혐기성 소화 시스템과Table 3. Mesophilic and conventional two-stage anaerobic digestion system

본 발명의 3단계 시스템의 성능 비교Performance comparison of the three stage system of the present invention

처리매개변수Processing parameters 본 발명의 3단계 시스템(음식물 쓰레기)Three-stage system of the present invention (food waste) 종래의 2단계 시스템(1)(음식물 쓰레기)Conventional two-stage system (1) (food waste) 종래의 2단계 시스템(2)(활성화 슬러지) Conventional two-stage system 2 (activated sludge) 가수분해Hydrolysis mountain 메탄methane mountain 메탄methane mountain 메탄methane 수리학적체류시간(일)Hydraulic stay (days) 22 22 1212 55 1515 3.13.1 9.19.1 부하(kgVS/m3d)Load (kgVS / m 3 d) 20∼22.820 to 22.8 25∼27.425 to 27.4 12∼18.812-18.8 25∼3525 to 35 10∼1510 to 15 18.918.9 6.26.2 pHpH 5.0∼5.55.0 to 5.5 5.0∼5.55.0 to 5.5 7.6∼7.97.6 to 7.9 5.5∼6.55.5 to 6.5 7.4∼7.87.4-7.8 5.65.6 7.77.7 투여 시전체고형물%Total solids at the time of administration 17.5317.53 7.47.4 6.56.5 25.825.8 5∼65 to 6 7.57.5 4.34.3 전체 휘발성지방산(㎎/ℓ)Total Volatile Fatty Acid (mg / l) 4,1004,100 6,100∼9,1006,100-9,100 313313 9,000∼13,0009,000 to 13,000 4,000∼7,0004,000-7,000 9,4459,445 172172 메탄 발생량(첨가m3/㎏VS)Methane generation amount (added m 3 / ㎏VS) -- -- 0.45∼0.500.45 to 0.50 -- 0.440.44 -- 0.290.29

이상에서 살펴본 바와 같이 본원의 발명은, 음식물 쓰레기의 가수분해와 산의 생산량(율)을 높임으로써 수리학적 체류시간(HRT)을 효과적으로 감소시켰고 이에 따라 발효조의 크기도 작게 할 수 있었으며 종래의 다른 어떤 시스템보다 많은 양의 메탄을 생산할 수 있었다.As described above, the present invention effectively reduced the hydraulic retention time (HRT) by increasing the hydrolysis of food waste and the production rate of acid, thereby reducing the size of the fermenter. It was able to produce more methane than the system.

Claims (4)

음식물 쓰레기의 소화 및 메탄을 생산하는 방법에 있어서,In the method of digesting food waste and producing methane, 파쇄기에서 작은 입자로 분쇄된 음식물 쓰레기를 물과 1:1 비율로 혼합하고 스크류를 통해 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조로 운반하여 호기성 세균에 의해 가수분해시키고 혐기성 세균에 의해 산 발효시키는 1차 가수분해 및 산 발효공정과,In the crusher, the food wastes pulverized into small particles are mixed with water in a ratio of 1: 1 and transported to the first semi-anaerobic hydrolysis and acid fermenter through a screw to be hydrolyzed by aerobic bacteria and acid fermented by anaerobic bacteria. Hydrolysis and acid fermentation process, 상기 1차 발효한 고액성분을 펌프에 의해 상류 혐기성 슬러지 블랭킷 형태의 2차 산 발효조 하단부를 통해 이송하고 클로스트리디움 부티리컴을 주입하여 산 발효시키는 2차 산 발효공정과,A secondary acid fermentation step of transferring the first fermented solid-liquid component through a lower acid fermentation tank in the form of an upstream anaerobic sludge blanket by a pump and injecting Clostridium butyricum to acid fermentation; 상기 2차 발효한 고액성분 중 액체성분만 발효조의 상단에서 중간까지 내려와 있는 관을 통하여 3차 메탄 발효조로 정량펌프에 의해 수송하여 접종된 메탄 생성균에 의해 메탄을 생산하는 3차 메탄 발효공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법.It consists of a third methane fermentation process of producing methane by the methane-producing bacteria inoculated by transporting by the metering pump to the third methane fermentation tank through the pipe descending from the upper end of the fermentation tank to the middle of the solid fermentation of the secondary fermentation Fast digestion of food waste and methane production method using a three-stage methane fermentation system. 제 1항에 있어서, 상기 1차 가수분해 및 산 발효공정의 상기 1차 반혐기성 가수분해 및 산 발효조 내부의 온도가 28∼32℃이고 pH가 5.0∼5.5인 것을 특징으로 하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법.The three-stage methane fermentation system according to claim 1, wherein the temperature of the first semi-anaerobic hydrolysis and acid fermentation tank in the first hydrolysis and acid fermentation process is 28 to 32 ° C and pH is 5.0 to 5.5. Fast digestion of food waste and the methane production method. 제 1항에 있어서, 상기 2차 산 발효공정의 상기 2차 산 발효조 내의 운전 온도가 33∼37℃이고 pH가 5.0∼5.5인 것을 특징으로 하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법.2. The fast digestion of food waste using a three-stage methane fermentation system according to claim 1, wherein the operation temperature in the secondary acid fermentation tank of the secondary acid fermentation process is 33 to 37 DEG C and pH is 5.0 to 5.5. Methane production method. 제 1항에 있어서, 상기 3차 메탄 발효공정의 상기 3차 메탄 발효조 내의 온도가 39∼43℃이고 pH가 7.6∼7.9이며 상단 부위의 발효액과 상단으로부터 하단 55∼70Cm되는 부위의 발효액이 순환할 수 있도록 설계한 것을 특징으로 하는 3단계 메탄 발효시스템을 이용한 음식물 쓰레기의 고속소화 및 메탄 생산방법.The fermentation broth of claim 1, wherein the temperature in the tertiary methane fermentation tank of the tertiary methane fermentation process is 39 to 43 DEG C, pH is 7.6 to 7.9, and the fermentation broth at the upper end and the lower 55 to 70 Cm from the upper end are circulated. Fast digestion of food waste and methane production method using a three-stage methane fermentation system, characterized in that designed to be.
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