KR20020062514A

KR20020062514A - 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20020062514A
Application number: KR1020010003590A
Authority: KR
Inventors: 김선장
Original assignee: 효성에바라환경엔지니어링 주식회사
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2002-07-26
Also published as: KR100370244B1

Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법 및 장치에 관한 것으로, 투입 호퍼에서 이송된 음식물 쓰레기의 수거 봉투 파봉과 조대 협잡물의 선별 및 조대 음식물을 일정 크기로 파쇄하기 위한 파봉 및 파쇄 선별공정과, 상기 파봉 및 파쇄 선별 공정을 거친 음식물 쓰레기를 자력에 의해 자성 금속류를 선별하기 위한 자력 선별공정과, 상기 자력 선별공정을 통과한 음식물 쓰레기를 고속 회전에 의한 원심력으로 비철 중량물을 분리하기 위한 원심 분리공정과, 상기 원심 분리공정을 거친 음식물 쓰레기를 후속 가수 분해 및 산발효 효율의 상승을 위해 적정 입도로 분쇄하기 위한 2단 분쇄공정과, 상기 파봉 및 파쇄 선별공정과 원심 분리공정에서 제거되지 않은 미세한 비닐 조각류를 제거하기 위한 비닐 제거공정과, 상기 비닐 제거공정을 통과하여 저류조로 투입된 음식물 쓰레기중에 혼입되어 있는 미세 중량물을 원심력과 비중차에 의해 제거하기 위한 싸이클론 공정과, 상기 전처리 공정을 완료하여 전처리된 음식물 쓰레기를 가수 분해 및 산발효하기 위한 산발효 공정을 진행하므로써 폐기물로서의 음식물 쓰레기를 완벽하게 처리함과 아울러, 에너지원으로서 효율적인 재활용을 할 수 있어서 음식물 쓰레기의 완벽한 자원화를 달성할 수 있다.

Description

음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법 및 장치 {FOOD WASTE TREATMENT AND RECYCLING MATHOD AND DEVICE}

본 발명은 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음식물 쓰레기의 이물질 제거와 분쇄를 하는 전처리 공정 및 산발효 공정을 통해 음식물 쓰레기를 완벽하게 처리함과 아울러, 에너지원으로서 효율적인 재활용을 할 수 있도록 한 것이다.

최근에 인구 증가 및 도시 집중화에 따라 생활 폐기물의 적절한 관리 필요성이 대두되고 있으며, 그 방안으로 근본적인 폐기물 발생을 억제시킴과 아울러, 발생된 폐기물의 재활용을 극대화하기 위한 방법들이 제시되고 있는 데, 1995년부터 실시되고 있는 쓰레기 종량제도가 그 중의 하나이다.

이와 같은 쓰레기 종량제로 인해 생활 쓰레기중 재활용이 가능한 성분들이 매립 쓰레기로부터 분리되고 있기 때문에 매립되는 쓰레기의 대분분이 음식물 쓰레기가 되고 있다.

상기 음식물 쓰레기는 젖어 있기 때문에 그 자체가 침출수의 발생원이고, 수거 및 운반 과정에서 쉽게 부패되어 심한 악취 등을 발생하게 되는 등의 민원의 소지를 안고 있음에 따라 정부에서는 2005년부터 젖은 쓰레기의 직매립을 금지할 예정이어서 향후 음식물 쓰레기의 처리 방법이 폐기물 행정의 주요 관건이 될 전망이다.

도 15에서 참고로 1994년 음식물 쓰레기의 처리 현황을 보면, 매립 97.3%, 소각 1.8%이고, 전체의 0.9%만이 소규모 가축 먹이 및 퇴비 이용 등의 취약한 방법에 의하여 재활용되고 있었으나, 집중적인 음식물 쓰레기 관리 정책으로 매립 비율이 점차 감소하는 대신, 재활용 비율은 계속적으로 증가하여 1998년에는 21.3%의 재활용율을 나타내고 있는 데, 이와 같은 재활용 방법에는 음식물 쓰레기의 퇴비화, 사료화, 지렁이 사육 등의 방법이 있으며, 1998년 현재 전국에 퇴비화 시설 29개소, 사료화 시설 21개소의 공공 시설이 운영되고 있다.

한편, 음식물 쓰레기의 하수 병합 처리시설은 최근 몇몇 지방 자치단체에서 기존 하수 처리장의 여건에 맞춰 전처리 공정후 소화조 투입, 전처리 및 산발효 공정후 소화조 또는 하수 고도 처리시설 투입 등의 방법으로 시설을 운영 또는 계획하고 있다.

그러나, 이와 같은 종래 음식물 쓰레기의 자원화시에는 첫째, 혐오 시설이라는 인식에 따라 시설 인근 주민과의 마찰의 소지가 있고, 둘째, 자원화 시설을 설치할 경우 철저한 오염 방지시설을 구비해야 하므로 인해 처리 비용이 많이 소요되며, 셋째 음식물 쓰레기에 포함된 염분으로 인해 퇴비화 및 사료화에 제약이 되고 있고, 생산된 퇴비 및 사료의 판로 확보가 선결되어야 하는 등의 많은 문제점이 있었다.

이러한 면에서 볼 때 지자체 별로 설치되어 있는 하수 처리장 기본 부지를 이용하여 음식물 쓰레기 처리 부산물을 하수 처리장의 수처리 및 슬러지 처리 계통에 유입시켜 하수 처리장 빈부하 해소 및 열원으로서의 메탄 가스를 생산할 수 있는 하수 병합처리가 가장 효과적인 대안으로 제시되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 음식물 쓰레기의 이물질 제거와 분쇄를 하는 전처리 공정 및 산발효 공정을 통해 음식물 쓰레기를 완벽하게 처리함과 아울러, 에너지원으로서 효율적인 재활용을 할 수 있도록 하여 음식물 쓰레기의 완벽한 자원화를 달성할 수 있는 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 본 공정의 최종 처리 산물인 산발효 유기산을 이용하여 하수의 질소 및 인 처리시에 필요한 외부 탄소원으로 사용하는 것과 유기물 함량이 매우 높은 음식물 쓰레기를 하수 처리장의 소화조로 공급함에 따라 메탄 가스의 증산 효과를 가져올 수 있는 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 전체 공정을 나타낸 흐름도

도 2는 본 발명에 따른 파봉 및 파쇄 선별기를 나타낸 사시도

도 3은 본 발명에 따른 원심 분리조를 나타낸 종단면도

도 4는 본 발명에 따른 2단 분쇄기를 나타낸 종단면도

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 비닐 제거기를 각각 나타낸 측면도 및 종단면도

도 6은 본 발명에 따른 싸이클론을 나타낸 종단면도

도 7은 본 발명에 따른 산발효 공정에서 유기성 폐기물의 혐기성 소화 과정을 나타낸 흐름도

도 8은 본 발명에 따른 가수 분해시 체류 시간별 SCOD/TCOD 전환율을 나타낸 그래프 선도

도 9는 본 발명에 따른 산생성균과 메탄 생성균의 생장 환경조건을 비교한 비교표

도 10은 본 발명에 따른 산발효시 체류 시간별 유기산 발생량을 나타낸 그래프 선도

도 11은 본 발명에 따른 산발효시의 실험 조건표

도 12는 본 발명에 따른 실험 단계별 각 성분 변화를 비교하여 나타낸 그래프 선도

도 13은 본 발명에 따른 음식물 쓰레기의 삼성분 특성을 나타낸 표

도 14는 본 발명에 따른 음식물 쓰레기 하수 병합 처리에 대한 효과 분석표

도 15는 음식물 쓰레기 연도별 처리 현황표

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1; 투입 호퍼 2; 파봉 및 파쇄 선별기

21,41,51,61,81; 본체 22; 투입구

23,42; 모터 24; 회전 드럼

25; 긁음판 26; 통공

27; 제 1 배출구 28; 제 2 배출구

3; 자력 선별기 4; 원심 분리조

43; 교반 로터 44; 챔버

45; 제 1 밸브 46; 제 2 밸브

5; 2단 분쇄기 52; 파쇄날

53; 압하 로울러 6; 비닐 제거기

62; 유입관 63; 제 1 모터

64; 드럼 65; 핀

66; 스크랩퍼 67; 제 2 모터

68; 탈수기 69; 배출구

7; 저류조 8; 싸이클론

82; 입구관 83; 출구관

84; 정크 박스 9; 가수 분해조

10; 산발효조

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 투입 호퍼에서 이송된 음식물 쓰레기의 수거 봉투 파봉과 조대 협잡물의 선별 및 조대 음식물을 일정 크기로 파쇄하기 위한 파봉 및 파쇄 선별공정과, 상기 파봉 및 파쇄 선별 공정을 거친 음식물 쓰레기를 자력에 의해 자성 금속류를 선별하기 위한 자력 선별공정과, 상기 자력 선별공정을 통과한 음식물 쓰레기를 고속 회전에 의한 원심력으로 비철 중량물을 분리하기 위한 원심 분리공정과, 상기 원심 분리공정을 거친 음식물 쓰레기를 후속 가수 분해 및 산발효 효율의 상승을 위해 적정 입도로 분쇄하기 위한 2단 분쇄공정과, 상기 파봉 및 파쇄 선별공정과 원심 분리공정에서 제거되지 않은 미세한 비닐 조각류를 제거하기 위한 비닐 제거공정과, 상기 비닐 제거공정을 통과하여 저류조로 투입된 음식물 쓰레기중에 혼입되어 있는 미세 중량물을 원심력과 비중차에 의해 제거하기 위한 싸이클론 공정과, 상기 전처리 공정을 완료하여 전처리된 음식물 쓰레기를 가수 분해 및 산발효하기 위한 산발효 공정을 진행하도록 된 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법이 제공된다.

또한, 상기 음식물 쓰레기의 전처리 공정후, 하수 처리장 소화조로 연계하는 공정을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

그리고, 상기 전처리 공정을 완료하여 전처리된 음식물 쓰레기를 가수 분해 및 산발효한 다음, 하수 고도 처리시 외부 탄소원으로 이용하는 공정을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 음식물 쓰레기의 전처리 공정을 진행하기 위해 상단 및 하단에 각각 유입관 및 배출구가 구비되는 본체와, 상기 본체의 내부에 장착되어 유입관을 통해 투입된 음식물 쓰레기에 포함된 비닐 조각 및 섬유질을 제거하기 위한 복수개의 핀이 외주면에 설치되는 드럼과, 상기 본체의 일측에 장착되어 드럼을 회전시키는 동력을 발생시키기 위한 제 1 모터와, 상기 드럼의 일측에 설치되어 드럼과 같은 방향으로 회전하여 복수개의 핀에 걸린 이물질을 분리시키기 위한 스크래퍼와, 상기 본체 내의 하부에 장착되어 스크랩퍼에 의해 분리되어 유입된 이물질을 탈수시키기 위해 회전하는 탈수기와, 상기 본체의 타측에 설치되어 탈수기를 회전시키는 동력을 발생시키기 위한 제 2 모터로 구성된 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 장치가 제공된다.

이하, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 전체 공정을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 파봉 및 파쇄 선별기를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 원심 분리조를 나타낸 종단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 2단 분쇄기를 나타낸 종단면도이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 비닐 제거기를 각각 나타낸 측면도 및 종단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 싸이클론을 나타낸 종단면도이며, 도 7은 본 발명에 따른 산발효 공정에서 유기성 폐기물의 혐기성 소화 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 8은 본 발명에 따른 가수 분해시 체류 시간별 SCOD/TCOD 전환율을 나타낸 그래프 선도이며, 도 9는 본 발명에 따른 산생성균과 메탄 생성균의 생장 환경조건을 비교한 비교표이다.

또한, 도 10은 본 발명에 따른 산발효시 체류 시간별 유기산 발생량을 나타낸 그래프 선도이고, 도 11은 본 발명에 따른 산발효시의 실험 조건표이며, 도 12는 본 발명에 따른 실험 단계별 각 성분 변화를 비교하여 나타낸 그래프 선도이고, 도 13은 본 발명에 따른 음식물 쓰레기의 삼성분 특성을 나타낸 표이며, 도 14는 본 발명에 따른 음식물 쓰레기 하수 병합 처리에 대한 효과 분석표이다.

본 발명은 크게 5단계의 단위 공정을 통해 음식물 쓰레기에 포함된 이물질을 제거하고 5㎜ 이하의 적정 크기로 분쇄하여 주는 전처리 공정과, 상기 전처리된 음식물 쓰레기를 가수 분해 및 산발효하여 하수 처리장의 고도 처리시설(질소/인 제거시설) 및 소화조로 연계할 수 있는 산발효 공정을 순차적으로 진행하게 된다.

먼저, 상기 전처리 공정을 단계별로 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시한 투입 호퍼(1)에서 이송된 음식물 쓰레기는 도 2에 도시한 파봉 및 파쇄 선별기(2)의 본체(21) 상부에 형성된 투입구(22)로 투입되고, 모터(23)의 구동에 의해 본체(21) 내부의 회전 드럼(24)과 그 내부에 톱날 형상의 긁음판(25)이 서로 동일한 방향으로 회전하면서 우선적으로 비닐 봉투를 파봉하며, 상기 회전 드럼(24)과 긁음판(25)의 회전수 차이로 인한 전단력을 이용하여 음식물 쓰레기와 종이류 등을 선택적으로 파쇄, 선별하여 상기 회전 드럼(24)에 형성된 약 30∼60㎜ 정도의 복수개 통공(26)을 통해 분리시킨 후, 상기 본체(21) 하부의 제 1 배출구(27)에 연계된 콘베이어 벨트 라인을 통해 후단 공정으로 이송된다.

그 다음, 상기 회전 드럼(24)의 복수개 통공(26)을 통해 선별된 비닐, 플라스틱, 고무, 섬유, 금속, 큰 건전지 등의 조대 협잡물은 상기 본체(21) 하부의 제 2 배출구(28)를 통해 이물질로 분리되어 협잡물 저장호퍼에 저장된 후 장외로 반출된다.

상기 파봉 및 파쇄 선별기(2)의 기능적인 특징은 비닐 봉투, 종이 봉투 등의 수거 봉투를 파쇄하여 그 안의 내용물을 배출시키며, 크기가 큰 비닐 봉투 등 협잡물의 선별 및 조대 쓰레기의 파쇄를 단일 공정에서 소동력으로 처리할 수 있는 것이다.

그 후, 상기 파봉 및 파쇄 선별기(2)를 거친 음식물 쓰레기는 선행 공정인파봉 및 파쇄 선별기(2)와 원심 분리조(4) 사이의 콘베이어 벨트 라인에 설치된 자력 선별기(3)로 공급되는 데, 이 자력 선별기(3)는 상기 파봉 및 파쇄 선별기(2)에서 완전히 제거되지 않은 철재류중 병뚜껑, 철편 금속류 등의 자성 금속류를 자력의 세기 조정이 가능한 강력한 전자석인 강자성체(2000∼2500 Gauss)를 이용하여 제거하고, 제거된 철재류는 철재 중량물 탱크에 저장된 다음 장외로 반출된다.

그 후, 상기 자력 선별기(3)를 통과한 음식물 쓰레기는 도 3에 도시한 원심 분리조(4)의 본체(41) 내부로 투입되고, 투입된 음식물 쓰레기는 이 본체(41) 내의 하부에 설치되어 모터(42)의 구동에 의해 회전하는 교반 로터(43)의 고속 회전시 발생하는 원심력에 의해서 무거운 중량물은 상기 본체(41) 하단의 챔버(44) 내부로 유입되며, 분리된 중량물은 이 챔버(44)의 중앙 및 하단부에 설치된 제 1,2 밸브(45)(46)를 이용하여 배출하게 되는 데, 이 제 1 밸브(45)는 차단시키고, 제 2 밸브(46)를 개방하여 밖으로 배출시키며, 분리 중량물의 양에 따라 상기 제 1,2 밸브(45)(46)의 작동 빈도를 조절하게 된다.

그 다음, 상기 원심 분리조(4)를 거친 음식물 쓰레기는 도 4에 도시한 2단 분쇄기(5)의 내부로 투입되는 데, 이 2단 분쇄기(5)는 후단 가수 분해 및 산발효 효율의 상승을 위해 음식물 쓰레기를 약 5㎜의 적정 입도로 분쇄하여 준다.

즉, 상기 2단 분쇄기(5)는 본체(51) 내의 상,하부에 파쇄날(52)과 압하 로울러(53)가 설치되어 상기 본체(51)의 상부로 투입된 음식물 쓰레기는 상기 파쇄날(52)의 양면 회전에 따라 조대한 입자가 1차로 파쇄된 후, 하부의 압하 로울러(53)를 통과하면서 완전하게 분쇄되고, 파쇄는 상기 파쇄날(52)의 양면 회전에의해 각각 파쇄되며, 대형 음식물 쓰레기는 파쇄날(52)의 홈에서 물려 투입되고, 상기 파쇄날(52)과 압하 로울러(53)의 사이에 필요시 수분을 살수하도록 하므로써 분쇄 효율을 높일 수 있으며, 파쇄와 분쇄 입경은 각각 파쇄 15㎜ 이하, 분쇄 5㎜ 이하가 된다.

그 다음, 상기 2단 분쇄기(5)를 통과한 음식물 쓰레기는 도 5a 및 도 5b에 도시한 비닐 제거기(6)로 투입되는 데, 이 비닐 제거기(6)는 상기 파봉 및 파쇄 선별기(2)와 원심 분리조(4)에서 제거되지 않은 작은 비닐 조각류 등을 제거하기 위한 설비로서, 상기 2단 분쇄기(5)와 저류조(7)의 사이에 설치된다.

즉, 상기 비닐 제거기(5)의 본체(61) 상부에 설치된 복수개의 유입관(62)을 통해 투입된 음식물 쓰레기는 낙하되면서 음식물 쓰레기에 포함된 비닐 조각 및 섬유질이 상기 본체(61) 내부에 장착되어 제 1 모터(63)의 구동에 의해 회전하는 드럼(64)의 외주면에 설치된 복수개의 핀(65)에 박혀 제거된다.

이와 동시에, 상기 복수개의 핀(65)에 걸린 이물질은 상기 드럼(64)의 일측에 설치되어 드럼(64)과 같은 방향으로 회전하는 스크래퍼(Scraper)(66)에 의해 분리됨과 동시에, 상기 본체(61) 내의 하부에 장착되어 제 2 모터(67)의 구동에 의해 회전하는 탈수기(68)로 유입되어 탈수되고, 탈수된 이물질은 콘베이어를 통해 외부로 반출되며, 탈수액은 상기 본체(61)의 하단에 형성된 배출구(69)를 통해 상기 저류조(7)로 투입된다.

그 후, 상기 저류조(7)로 투입된 음식물 쓰레기는 후속 공정인 가수 분해 및 산발효 공정을 진행하기 위해 이송되는 데, 이때 상기 저류조(7)에 투입된 음식물쓰레기중에 혼입되어 있는 모래, 조개 껍질, 달걀 껍질 등의 미세 중량물을 원심력을 이용하여 제거하기 위해 저류조(7)의 일측에 도 6에 도시한 싸이클론(8)이 설치된다.

상기 싸이클론(8)의 본체(81) 상부 일측에 형성된 입구관(82)을 통해 2∼3 ㎏/㎠ 의 압력으로 투입된 음식물 쓰레기는 상기 본체(81)의 내부에서 선회하면서 점차 아래로 내려가다가 본체(81) 내부의 중앙부에서 조절수(Balance Water)를 만나 평형을 이루게 되고, 상기 본체(81) 내의 중앙 통로를 거꾸로 거슬러 올라가 본체(81) 상단의 출구관(83)을 통해 배출되며, 음식물 쓰레기는 평형을 이루는 지점에서 약간 희석되고, 미세 중량물은 음식물 쓰레기에서 분리되어 상기 본체(81) 하부의 정크 박스(84)로 유입된 후 배출하게 된다.

한편, 상기한 전처리 공정을 완료한 후에는 산발효 공정을 진행하게 되는 데, 산발효 공정을 설명하기 전에 도 7을 참고로 산발효 공정에서 유기성 폐기물의 혐기성 소화 과정을 설명하면 다음과 같다.

상기한 유기성 폐기물의 혐기성 반응은 탄수화물, 지방, 단백질 등의 고분자 유기물이 산생성균이라 통칭하여 불리는 발효균이나, 혐기성 산화균에 의해 단당류로 가수 분해되고, butyric acid, 수소, 이산화탄소 등으로 전환되며, 메탄균은 이들을 이용하여 메탄과 이산화탄소와 같은 최종 생성물을 생산한다.

본 발명에서는 메탄 생성이 이루어지기 전에 하수 처리장과 연계하므로써 생성된 휘발성 유기산(VFA; Volatile fatty acid - butyric acid, propionic acid, acetic acid 등)을 하수 고도 처리시(질소/인) 외부 탄소원으로 이용할 수 있도록공정을 구성하였으며, 가수 분해 및 유기산 생성은 단일 반응조 또는 별도의 반응조에서 분리 시행할 수 있으나, 본 발명에서는 알카리 가수 분해조(9)와 산발효조(10)로 구분하여 최적의 조건에서 유기물질의 유기산 전환이 이루어지도록 유도하게 된다.

즉, 상기 가수 분해조(9)에서는 알카리 가수 분해를 통해 고분자 유기물의 용존성 유기물 전환율을 향상시킬 수 있고, 도 8에 도시한 바와 같이 액성 가성소다 180 meq/L 투입, 35℃ 중온 조건에서 초기 음식물 쓰레기 SCOD/TCOD 비 33%에서 18시간 경과후 60% 내외로 증가하는 효과를 확인할 수 있는 데, 이때 상기 SCOD/TCOD 전환율은 가수 분해시의 효율 지표로서 전체 유기물(TCOD)량중 용존성 유기물(SCOD)량을 나타내며, 가수 분해를 통해 용존성 유기물 함량이 증가하므로써 후단 산발효조(10)의 산발효 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

그 다음, 상기 산발효조(10)에서는 유기산 생성균의 활동으로 급속한 유기산 생성이 이루어지며, 메탄 발효를 억제하기 위하여 산생성균이 우세하게 생장할 수 있는 환경을 조성하게 되는 데, 도 9는 산생성균과 메탄 생성균의 생장 환경조건을 비교한 것으로, 본 발명에서는 산발효 기간(가수 분해 포함) 2일 내외, 반응조 내부의 온도계와 가온 설비의 연동 조건, 반응조 내부의 ph meter와 약품 주입설비의 연동 운전을 통해, 메탄 생성균의 성장을 억제하고 산생성균을 우점종화시키며, 적정 pH를 유지함으로써, 유기산 생성을 극대화시킬 수 있어서 본 발명의 목적중 하나인 하수 고도 처리시 외부 탄소원의 역할을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.

한편, 도 10은 본 발명에 따른 산발효시 체류 시간별 유기산 발생량을 나타낸 그래프 선도로서, 35℃ 중온 조건에서 운전되는 산발효산물의 유기산 농도를 체류 시간에 따라 측정한 값으로, 21시간 알카리 가수 분해후 18∼30 시간 산발효 결과 10,000∼15,000 mg/L의 안정적인 고농도 휘발성 유기산 농도를 얻을 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 적용된 전처리 공정으로 운영중인 음식물 쓰레기 처리 설비에서 전처리된 음식물 쓰레기를 본 발명에 적용된 조건으로 알카리 가수 분해 및 산발효한 실험 내용은 도 11과 같으며, 도 12는 본 발명에 따른 실험 단계별 각 성분 변화를 비교하여 나타낸 그래프 선도로서, 전처리된 음식물 쓰레기의 전체 고형물중 유기물의 비율을 나타내는 지표인 VS/TS(VS; Volatile Solids, TS; Total Solids)는 0.838로 유기물이 차지하는 비율은 높으나, SCOD/TCOD는 0.334로 후단 하수 고도 처리 및 소화조 시설로 유입하기 위해서는 용존성 유기물의 증가 및 VFA으로의 전환 공정이 요구된다.

또한, 상기 가수 분해 및 산발효후, SCOD/TCOD는 초기 0.334에서 0.693으로, VFA는 초기 1,832 mg/L에서 10,250 mg/L로 각각 증가하였으며, 유입 VS 대비 VFA 생성량은 평균 0.156 mgVFA/mgVS로 측정되었는 데, 상기 VFA/VS는 유입 유기물(VS)에 대한 휘발성 유기산(VFA) 생산량을 나타내는 지표로서, 실험 결과 평균 유입 VS 농도 65,800 mg/L, 산발효후 평균 VFA 생성농도 10,250 mg/L로서 VFA/VS는 평균 0.156 mgVFA/mgVS를 나타내게 된다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 음식물 쓰레기의 이물질 제거와 분쇄를 하는 전처리 공정 및 산발효 공정을 통해 폐기물로서의 음식물 쓰레기를 완벽하게 처리함과 아울러, 에너지원으로서 효율적인 재활용을 할 수 있으므로써 음식물 쓰레기의 완벽한 자원화를 달성할 수 있으며, 특히 본 공정의 최종 처리 산물인 산발효 유기산은 하수의 질소 및 인 처리시에 필요한 외부 탄소원으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 하수 처리장의 소화조로 공급시 유기물의 함량이 매우 높음에 따른 메탄 가스의 증산 효과를 가져올 수 있는 등의 많은 장점이 구비된 매우 유용한 발명이다.

먼저, 산발효 유기산의 하수 고도 처리시 외부 탄소원 역할을 통한 자원화 효과를 보다 구체적으로 설명하면, 하수 고도 처리시 질소 제거의 메카니즘은 다음과 같다.

질산화과정: NH₃+ 2O₂→ NO₃ ^-+ H₂O + H⁺---------------- (1)

탈질화과정: 2NO₃ ^-+ 유기물질 → N₂↑ + CO₂+ H₂O -------- (2)

상기 식(1)에서와 같이 하수중에 포함된 암모니아성 질소(NH₃-N)는 산소가 공급되는 호기 조건에서 질산화 미생물(Nitrosomonas, Nitrobactor 등)에 의하여 산화되어 질산성 질소(NO₃ ^-- N)로 전환되고, 식(2)에서와 같이 외부 산소가 공급되지 않는 무산소 조건에서 질산성 질소(NO₃ ^-- N)내의 결합 산소로 호흡하며, 하수에 포함된 유기 물질을 영양원으로 이용하여 질산성 질소에서 질소 가스(N₂)로의 전환이 이루어지는 탈질화 과정이 진행된다.

그러나, 상기 탈질화 과정에 필요한 유기 물질이 충분하지 않을 경우 탈질 효과는 현저히 감소하는 데, 국내 하수성상은 전형적인 빈부하 현상, 즉 저 유기물질의 유입으로 인해 아세트산 또는 메탄올 형태의 유기 물질(외부 탄소원)을 인위적으로 공급해야 하는 실정이다. 음식물 쓰레기를 산발효하여 하수 고도 처리시 외부 탄소원으로 이용가능한 휘발성 유기산 생산량을 검토한 결과 음식물 쓰레기 1톤당 약 20.6 ㎏에 해당하는 휘발성 유기산이 생산되는 것으로 산정되었다.

이때, 132,000 mgVS/L ×0.156 mgVFA/mgVS ×10^-3= 20.6 kgVFA/톤

음식물 쓰레기의 지역별/계절별 성상 변화를 고려하여 가연분(VS)은 도 13의 최저치(13.2% → 132,000 mg)를 적용한 것이다.

또한, 일일 100톤의 음식물 쓰레기를 처리하는 하수 병합 처리장의 경우 년간 하수 고도 처리에 필요한 메탄올 대치 효과는 다음과 같다.

20.6 kg as Methanol/ton × 100ton/d ×360d/y ÷ 1000

= 741.6 ton as Methanol / year ----------------- (3)

다음으로 산발효된 음식물 쓰레기가 기존 하수 처리장 소화조로 유입시 메탄 가스 증산에 따른 자원화 효과를 살펴본다. 본 발명에서 상술한 바와 같이 혐기성 분해 과정에서 유기 물질의 최종산물은 열원으로 사용가능한 메탄 가스 그리고 이산화탄소의 형태이다. 산발효된 음식물 쓰레기에 포함된 유기 물질은 기존 하수 처리장 소화조에서 산생성 단계와 메탄 생성 단계를 거쳐 메탄으로 전환되며, 일일100톤의 음식물 쓰레기를 처리하는 하수 병합 처리장의 경우 년간 메탄 생산량은 다음과 같다.

132 kgVS/ton × (1-0.35) ×0.25 m³CH₄/kgVS ×100 ton/d ×360d/year

= 772,200 m³CH₄/year

이때, 상기 소화조로 유입되는 VS 농도는 가수 분해/산발효시 고형물감량 35%를 적용하였고, 단위 고형물당 CH₄가스 발생량은 하수도 시설 기준 및 하수 처리장 소화조에 적용되는 일반적인 기준을 참조로 선정한 것이다.

또한, 도 14는 본 발명에 따른 음식물 쓰레기 하수 병합 처리(100톤/일 처리 기준)에 대한 효과 분석표로서, 음식물 쓰레기의 하수 병합 처리에 따른 연간 외부 탄소원 및 메탄 생산량을 각각 메탄올과 LNG로 환산했을 경우 매우 큰 경제적인 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

투입 호퍼에서 이송된 음식물 쓰레기의 수거 봉투 파봉과 조대 협잡물의 선별 및 조대 음식물을 일정 크기로 파쇄하기 위한 파봉 및 파쇄 선별공정과,

상기 파봉 및 파쇄 선별 공정을 거친 음식물 쓰레기를 자력에 의해 자성 금속류를 선별하기 위한 자력 선별공정과,

상기 자력 선별공정을 통과한 음식물 쓰레기를 고속 회전에 의한 원심력으로 비철 중량물을 분리하기 위한 원심 분리공정과,

상기 원심 분리공정을 거친 음식물 쓰레기를 후속 가수 분해 및 산발효 효율의 상승을 위해 적정 입도로 분쇄하기 위한 2단 분쇄공정과,

상기 파봉 및 파쇄 선별공정과 원심 분리공정에서 제거되지 않은 미세한 비닐 조각류를 제거하기 위한 비닐 제거공정과,

상기 비닐 제거공정을 통과하여 저류조로 투입된 음식물 쓰레기중에 혼입되어 있는 미세 중량물을 원심력과 비중차에 의해 제거하기 위한 싸이클론 공정과,

상기 전처리 공정을 완료하여 전처리된 음식물 쓰레기를 가수 분해 및 산발효하기 위한 산발효 공정을 진행하도록 된 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 음식물 쓰레기의 전처리 공정후, 하수 처리장 소화조로 연계하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전처리 공정을 완료하여 전처리된 음식물 쓰레기를 가수 분해 및 산발효한 다음, 하수 고도 처리시 외부 탄소원으로 이용하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 방법.
음식물 쓰레기의 전처리 공정을 진행하기 위해 상단 및 하단에 각각 유입관 및 배출구가 구비되는 본체와,

상기 본체의 내부에 장착되어 유입관을 통해 투입된 음식물 쓰레기에 포함된 비닐 조각 및 섬유질을 제거하기 위한 복수개의 핀이 외주면에 설치되는 드럼과,

상기 본체의 일측에 장착되어 드럼을 회전시키는 동력을 발생시키기 위한 제 1 모터와,

상기 드럼의 일측에 설치되어 드럼과 같은 방향으로 회전하여 복수개의 핀에 걸린 이물질을 분리시키기 위한 스크래퍼와,

상기 본체 내의 하부에 장착되어 스크랩퍼에 의해 분리되어 유입된 이물질을 탈수시키기 위해 회전하는 탈수기와,

상기 본체의 타측에 설치되어 탈수기를 회전시키는 동력을 발생시키기 위한 제 2 모터로 구성된 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기의 처리와 재활용 장치.