KR20030018503A - 집단 주거 및 취사 시설의 음식물 쓰레기를 발생 현장에서처리하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집단 주거 및 취사 시설의 음식물 쓰레기를 발생현장에서 환경 친화 및 성 에너지 적으로 처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 아파트와 같은 집단 주거 혹은 학교, 군부대와 집단 취사시설을 갖춘 곳의 음식물 쓰레기를 발생현장에서 처리시설까지 위생적인 방법으로 이송한다. 이송을 쉽게 하거나 처리속도를 높이기 위하여 음식물 쓰레기 이송 전후에 분쇄과정을 거친다. 분쇄 후 물로 이송하는 경우는 처리 장치에 투입하기 전에 음식물 쓰레기를 오수로부터 분리한다. 분리된 음식물 쓰레기를 생물학적인 처리시설에서 혐기적으로 탄산가스와 메탄가스로 소멸하거나 혹은 호기적으로 탄산가스와 물로 완전소멸 하는 것이다. 이러한 방법은, 과거 혹은 현재 통용되고 있는 발생장소에서 수거 후 소각, 매립, 퇴비화/사료화 처리와는 획기적으로 다른 방법으로, 발생현장 내의 작은 공간에서 처리를 가능하게 함으로서 기존의 어떠한 방법보다 최소한의 인력을 이용하여 위생적으로 처리할 수 있는 기술로 한국과 같은 나라의 대도시 음식물쓰레기 문제를 근본적으로 해결하는 방법이 될 것이다.

Description

집단 주거 및 취사 시설의 음식물 쓰레기를 발생 현장에서 처리하는 방법 {On-Site Treatment Method of Food Wastes Generated from Collective Residence or Institutional Food Service Facilities}

본 발명은 아파트와 같은 집단 주거시설 혹은 학교, 군부대와 같은 집단 취사시설의 음식물 쓰레기를 발생현장에서 가까운 곳에 위치한 처리시설까지 위생적으로 이송한 후 혐기적 혹은 호기적 생물학적인 처리방법을 통하여 효율적이고 에너지를 절약하는 방법으로 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂)와 같은 가스와 물로 소멸시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 음식물 쓰레기를 수거하지 않은 상태로 발생현장에서 처리할 수 있는 방법에 관한 것이다. 발생현장이라 함은 개인/연립주택은 택지내, 아파트는 지하실 등, 집단 취사시설은 발생장소에서 가까운 곳 즉 공동처리시설을 설치할 수 있는 최소한의 공간을 보유한 곳을 의미한다.

우리 나라의 음식물 쓰레기는 연간 8조원의 자원이 낭비되고 있다고 할만큼 많이 발생되고 있는 것이 사실이다. 따라서 우리 나라의 음식물 쓰레기는 다른 나라와는 달리 자원과 쓰레기라는 양면이 공존하고 있어 음식물 쓰레기 처리를 어렵게 하고 있는 것 또한 사실이다. 이러한 이유로 2000년의 환경부 통계자료에 의하면 총 발생량 11,350톤 중 사료화 퇴비화 등의 재활용량이 5600톤으로 재 활용율은 총 49.3%를 차지하고 있다.

기존의 처리방법에 의하면 양질의 음식물 쓰레기는 가축사료로 많이 활용되고 있고 그렇지 않은 경우는 현장 처리와 수거 후 처리로 나누는 데 구체적인 방법은 아래와 같다. 현장 처리는 음식물 쓰레기를 퇴비와 사료로 전환시키는 방법이다. 이를 위해 열풍건조와 발효를 이용한 감량 자원화 기기가 대형 식당 등에 설치되었으나 냄새, 수분을 증발시키는 데 소요되는 과도한 전력비 등과 서비스 부족으로 현재 대부분 운영되지 못하고 있는 실정이다. 또한 사료는 위생상태가 불량하여 가축이 죽고 퇴비는 과다한 염분으로 역할을 제대로 못하고 있고 또 처리 후 사료, 퇴비의 사용처가 불투명한 상태에 있다. 수거 후 처리하는 방법으로는 사료화 퇴비화뿐만 아니라 혐기성 소화를 통한 소멸화의 방법이 채택되고 있다. 사료화 퇴비화에 대한 문제점은 전술한바와 같고 혐기성 소화를 통한 소멸화 방법은 도시에서는 공장규모로, 소규모 아파트 단지에서는 정화조 형태로 활용되고 있어 그 유용성이 점점 커져 처리량이 늘고 있고 있는 실정이다. 예를 들면, 생활오수 및 주방페기물 합병처리시스템 (한국특허 등록번호 10-280934-0000)과 분뇨와 함께 음식물 쓰레기 및 생활하수를 함께 처리하는 시스템 (한국특허 출원번호 10-2000-032344)이 알려져 있다. 또한 유기성 폐기물 (음식물 쓰레기)은 호기성 미생물과 물과 공기, 그리고 과산화 수소를 첨가하여 처리하는 방법(한국특허 등록번호 10-266089-0000)이 알려져 있다. 그러나, 이러한 시스템은 음식물 쓰레기를 발생 원에서 이송 후 분리하지 않고 오수와 함께 처리하는 것을 특징으로 하고 있거나 혹은 한국특허 10-266089-0000의 경우 위생적인 이송방법을 특별히 채택하지 않고 있다.

이에 본 발명자들은 현재의 음식물 쓰레기 처리가 자원화이외에 별다른 처리방법이 없기는 하지만 아파트나 개인 주택 거주자들이 음식물 쓰레기 때문에 얼마나 많은 불편을 겪고 있는 지에 착안하였다. 따라서 (1) 음식물 쓰레기를 현재처럼 수거에 의존하지 않고 발생장소에서 현장처리를 하고, (2) 발생 즉시 현재처럼 부엌 등에 보관하여 부패하여 악취를 풍기는 것을 방지하기 위하여 최소한의 시간 내에 처리장소까지 이송하고, (3) 아파트나 대형식당이 장소가 협소함을 감안하여 고성능, 고효율 생물 반응기를 이용하여 음식물 쓰레기 처리에 사용되는 공간을 최소화하여 기존 아파트의 잔여 공간에 수용되도록 하며, (4) 음식물 쓰레기를 메탄가스(CH₄), 이산화탄소(CO₂)와 같은 가스와 처리수로 전환시키고 이러한 결과물이 환경 친화적이어서 이차공해를 유발하지 않게 하고 (5) 마지막으로 이러한 처리방법이 기존의 방법보다 에너지 사용 면이나 연간 처리비에 면에서 경제성과 편리성이 있을 것을 목표로 하였다 [도1].

(2)항과 관련지어 처리장소까지 발생즉시 이송하는 방법은 1) 쓰레기 그대로 스쿠루 이송기 (screw transporter) 등을 이용하는 방법, 2) 주방싱크대에 음식물 분쇄기를 설치하여 분쇄 후 주방오수를 이용하여 이송하는 방법, 3) 상기 방법에 화장실 오수를 제외한 가정생활오수와 함께 이송하는 방법 등을 고려할 수 있다. 1)의 방법은 대형식당에서 활용할 수 있고 2), 3)은 아파트에서 활용할 수 있고 또 미국 등 선진국에서 이미 활용하고 있는 방법이다. 2)를 활용할 경우 아파트에서는 주방오수 250에 음식물 쓰레기 1의 비율로 3)을 활용할 경우는 가정 생활 오수 1000에 음식물 쓰레기 1의 비율로 희석되어 운반된다. 본 발명에서는 처리속도를 높이기 위해 분쇄과정을 거치며 처리의 효율성을 높이기 위해 2), 3)의 방식으로 이송하는 경우는 음식물 쓰레기를 가정오수와 분리하여 생물반응기에 투입한다.

(4)항과 관련지어 음식물 쓰레기는 모두 생물학적인 재료이므로 생물학적으로 분해가 가능하다. 단 소뼈 등 근본적으로 분해에 오래 걸리는 것은 이송 전에 분리수거가 가능하고 탄수화물, 지방, 단백질 등은 모두 가스 혹은 수분으로 변환 가능하므로 이러한 원리를 이용하여 이를 구현할 수 있는 생물반응기를 이용하며 여기에는 액상은 물론이고 고상 (composting) 처리법을 포함한다. (5) 항과 관련지어 본 발명의 경제성을 강조하는 것으로 음식물 쓰레기를 많은 양의 물과 혼합하여 처리하는 것은 결과적으로 많은 양의 물을 처리하는 것이므로 원칙적으로 경제적인 방법이 아니다. 현재 처리하고 있는 합병정화조와 같은 방식으로 처리는 가능하나 많은 공간을 필요로 하므로 토지 값이 비싼 우리 나라에서는 경제성이 적다고 할 수 있다.

결국, 본 발명의 주된 목적은 음식물 쓰레기를 아파트 거주자와 식당종사자들에게 최대한의 편의성을 부여하고, 많은 공간을 필요로 하지 않고 이차공해를 유발하지 않으면서, 에너지 측면에서도 기존 공정보다 유리한 완전소멸형 음식물 쓰레기 처리법을 제시하여 도시화 생활에서 음식물 쓰레기로 인한 주민의 불편을 최소화하는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집단 주거시설 또는 집단 취사시설의 음식물 쓰레기를 발생현장에서 처리하는 방법:

(a) 음식물 쓰레기를 주방오수를 통하거나, 운반장치를 이용하여 이송하는 단계;

(b) 음식물 쓰레기를 오수와 분리하는 단계: 및

(c) 상기 오수가 제거된 음식물 쓰레기를 수거하여 별도 처리하거나, 오수에서 분리된 음식물 쓰레기를 생물반응기에서 혐기적 방법, 호기적 방법 또는 두 방법의 혼용으로 처리하는 단계를 제공한다. 여기서 별도처리란 음식물 쓰레기를 외부로 반출하여 사료화, 퇴비화하거나 혐기성처리 등 자원으로 활용할 수 있는 처리를 의미한다.

도 1은 음식물 쓰레기의 발생현장, 이송과정 및 생물학적 처리방법을 나타낸 그래프이다.

도 2는 하수 속에 포함된 음식물 쓰레기의 분리 방법과 그 회수율을 나타낸 그래프이다.

도 3는 음식물 쓰레기의 혐기적 소화과정을 나타낸 그래프이다.

도 4는 음식물 쓰레기 처리수의 수질을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 (1)음식물 쓰레기를 발생 원으로부터 가까운 처리장소까지 이송하는 공정을 선결로 하며 (2)이송하는 과정에 오수 등이 많이 포함되어 있을 경우는 이를 침전, 원심분리 등과 고효율 여과 방법을 활용 분리하며 [도2] (3) 쓰레기의 분쇄는 생물반응기에서 처리효율을 향상시키는 데 중요한 역할을 하므로 이송전후에 적절한 크기로 분쇄한다. (4) 생물반응기에서는 혐기적, 호기적 단독 혹은 두 방법의 혼용이 가능하며 반응기의 부피를 최소화하는 방법을 채택한다. 액상 처리법이 바람직하나 고상 처리법(composting)도 고려할 수 있다. (5) 음식물 쓰레기는 궁극적으로 물, 가스, 그리고 약간의 미생물로 변환되나 미생물은 외부로의 유출을 방지하여 자체 소멸되도록 하므로 반응기 외로 배출되는 결과물은 주방오수 수준의 오수와 환경 친화적인 가스로 구성된다. 메탄가스는 연료, 온수생산, 발전용으로 활용할 수 있어 다른 처리방법에 비해 에너지 활용도가 높다고 할 수 있다 [도3]. (2)항의 이송과정에서 음식물 쓰레기의 용해성 BOD가 첨가될 수 있으나 여과과정을 철저히 함으로써 분리 후 오수에서 BOD증가를 없게 하거나 최소화 할 수 있다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 아파트 음식물 쓰레기 처리 방법

서울특별시 강남구 청담동 65번지의 진흥 아파트 7동에는 90세대가 거주하고세대 당 3.5인으로 계산하면 315명이 거주한다. 여기서 발생하는 음식물 쓰레기는 매일 315×0.2kg/인=63kg이다. 매일 사용하는 수돗물은 온수.냉수를 합하여 80m³정도이다. 이는 세대 당 900L/일로 대전지역의 800L에 대해 약간 높은 편이다. 수돗물은 화장실수, 주방수, 목욕수, 세탁수, 청소수로 구분되어 사용된다. 사용 후에는 화장실 수는 따로 정화조로 보내어 지고 주방오수, 세탁오수, 청소오수, 목욕오수는 통합되어 나가나 궁극적으로는 공동 정화조를 거친 화장실 처리오수와 합병되어 하수 종말 처리장으로 배출된다. 현재 음식물 쓰레기는 쓰레기 분리용 통에 보관하였다가 일주일에 2-3회씩 아파트 단지 내 저장소에 수거되어 아파트 관외의 공동처리 시설로 이송된다.

음식물쓰레기를 처리장소까지 이송하는 수단은 주방에서 분쇄 후 주방오수와 함께 배출되나, 화장실 오수 이외의 가정오수와 함께 아파트 지하실 등 공동처리시설에 보내어 진다. 외국의 경우는 이 하수를 종말 처리장으로 보내어 처리하나 본 특허에서는 간편한 고속 고액분리기를 이용하여 가정오수를 아파트 지하실 등에서 분리한다. 분리된 가정오수는 수질이 음식물 쓰레기를 운반하기 전의 오수의 수질을 초과하면 간단한 생물학적 처리를 통해 종전의 수준 이하로 낮추거나 수준이하이면 처리하지 않고 바로 방류한다. 분리된 음식물 쓰레기는 기존에 알려진 방법대로 고속 혐기성 혹은 호기성 발효조에서 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂) 혹은 이산화탄소와 물로 변환되어 소멸된다.

실시예 2: 음식물 쓰레기의 운반과 분리방법

가정의 주방오수와 함께 혹은 주방오수, 목욕오수, 세탁오수 및 청소오수의 혼합오수 (이하 혼합오수)에 운반되어 온 음식물쓰레기는 화장실 수를 전체 물 사용량의 15% 정도로 잡으면 음식물쓰레기가 혼합오수에 의해 이송이 될 경우는 (80,000×0.85)/63L ≒ 1000배로 희석되어 진다. 주방오수에 의한 경우는 주방오수를 전체 물 사용량의 25% 정도로 가정하면 250배로 희석된다고 가정할 수 있다. 혼합수의 경우는 평균 유량이 분당 47L정도이고 최대유량이 평균 사용량이 2배 정도가 되더라도 100L/분 정도로 많은 양이 아니기 때문에 분리기의 메시크기 (meshsize)를 조절하면 회수율을 높일 수가 있다. 실시 예로는 30메시 주방용 체의 물 여과량은 5L/(cm²분)이므로 20cm²정도면 분당 100L를 처리 할 수 있다. 이때 음식물 쓰레기 20그램을 물 20L로 1000배 희석한 음식물 쓰레기의 상기 주방용 체에 의한 회수율은 무게로 65-90% 정도였다. 위의 예는 가장 간단한 분리장치로 더 작은 메시크기로 필터를 사용한다면 음식물 쓰레기 회수율을 더 높일 수 있을 것이다

[도 2].

실시예 3: 집단 취사시설의 음식물 쓰레기 처리

학교, 군부대와 같은 집단 급식시설의 경우는 음식물 쓰레기의 발생장소가 한 곳에 집중되어 있기 때문에 스쿠루 (screw)가 장착된 파이프를 이용하면 쉽게 처리조까지 운반할 수가 있고 또한 처리속도를 높이기 위해서 분쇄하여 투입한다. 실시 예로 매일 1000명이 이용하는 KAIST 식당에서 음식물 쓰레기를 채취하여 건조무게로 2g/L, 5g/L, 10g/L, 20g/L가 되도록 발효조에 투입하고 pH를 7.65에 맞춘후 35℃에서 혐기성 발효를 시행한다. 도 3은 pH와 음식물 단위 무게당 메탄 발생량을 보여주고 있다.

실시예 4: 음식물 쓰레기의 혐기성 혹은 호기성 반응조의 부피

본 특허에서는 아파트와 같은 주거시설, 학교, 군부대와 같은 집단 취사시설의 음식물 쓰레기 처리시설을 위한 면적이 협소한 점을 감안하고 또 현장에서 위생적으로 처리되어야 함을 원칙으로 한다. 본 특허에서 처리대상으로 하는 시설은 사용인원이 1000인 이하의 시설로 음식물 쓰레기 발생량은 하루에 200kg 정도이다.

상기 서울시 강남구 청담동소재 진흥 아파트의 경우 하루 발생량이 63kg정도이다. 이를 혐기적으로 36℃에서 처리할 경우 필요한 단위 반응기 부피당 처리량은 1.6-6.4kg(건조중량)/M³.일 (참조: 장호남, 생물화학공학, 576p, 대영사, 1988)로 음식물 쓰레기의 수분량을 80%로 가정하면 음식물쓰레기의 건조 중량은 12.6kg로 필요한 반응기 용량은 7.8-1.9M³범위에 속하며 대표적인 반응기의 용량은 4.2M³정도이다. 공기를 이용한 호기적인 방법으로 상온에서 처리하면 처리량이 3kg/(M³.일)로 4.2M³에 불과하다 (참조: 박종문 등, 음식물 쓰레기의 슬러리 상 처리, Bioresource Tech 73: 21-27, 2000). 혐기적인 방법과 호기적인 방법에 필요한 반응기의 용량을 보면 모두 아파트의 지하실 용적 등을 고려할 때 설치가 가능하다고 할 수 있다. KAIST 식당의 경우는 혐기성의 경우 필요한 반응기의 부피는 건조중량을 40kg으로 가정하고 12.5-3.1M³이고 호기성의 경우 6.6M³로 식당주변에 반응기를설치할 공간이 있음은 물론이다.

실시예 5: 처리수의 수질, 메탄가스와 냄새 문제

본 특허에서는 아파트 오수의 수질을 음식물 쓰레기를 현장처리하기 이전의 수질로 유지한다는 원칙을 고수하고자 한다. 이는 필터과정에서 현장처리 이전의 BOD는 용해성 BOD와 입자성 BOD로 구성되어 있는 데 음식물 쓰레기를 추가하면 음식물 쓰레기의 용해성 BOD와 입자성 BOD가 여기에 추가된다. 그러나 입자성 BOD는 모두 여과에 의해 모두 제거되므로 수질이 동일하거나 우수하다고 할 수 있다. 하기 표 1에서 보면 주방오수의 COD는 4,050 mg/L이고 음식물쓰레기 분리후의 COD는 2,050 mg/L로 오히려 분리후의 수질이 더 우수해 가정오수의 추가처리가 필요하지 않음을 알 수 있다.

(1)주방오수/음식물쓰레기 =250배 희석 (주방오수: KAIST 동측식당)

(2)여기서 SS는 주방오수에 포함된 부유물과 음식물 쓰레기를 의미함.

혐기성 소화를 한 처리수는 매일 처리된 음식물 쓰레기량 만큼 (수분함량이 80%일 때는 92%) 발생한다. 처리수는 처리 방법에 따라 BOD가 수천에서 수백이 될 수 있다. 그러나 충전탑 등 처리방법을 잘 선택하면 100정도로 유지하는 것도 가능하다 [도 4]. 메탄가스 발생 시 냄새문제는 유기산 등에 의한 것으로 이를 유기산 등의 농도를 어떻게 조절하느냐에 따라 냄새조절이 가능하다. 혐기성이나 호기성 처리에 의한 냄새는 요즈음의 냄새처리기술로 처리가 가능하여 위생적 처리가 가능하다.

이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구 항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 음식물 쓰레기를 발생 원으로부터 가까운 처리장소까지 사람의 손을 거치지 않는 위생적인 방법으로 이송하여 적절한 방법으로 오수와 분리하여 아파트 지하실과 같은 좁은 공간에서도 처리할 수 있음을 보여주고 있다. 또한 학교식당이나 군부대와 같은 대형 급식소에서도 스크루 운반기와 같은 장치를 통해 이송하고 아파트와 같은 방법으로 처리한다. 음식물 쓰레기의 생물학적 처리방법은 이미 알려진 혐기성 발효 방법이나 호기성 방법을 이용할 수도 있고 또 추후에 개발될 성능이 더 우수한 방법이 채택될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 막연한 개념상이 아니라 실제적으로 아파트와 같은 대형 주거시설, 대학, 군부대와 같은 대형 취사시설의 음식물 쓰레기 문제를 위생적이고 에너지 절약적인 방법으로 처리 할 수 있음을 보여준다.

Claims (3)

1. 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집단 주거시설 또는 집단 취사시설의 음식물 쓰레기를 발생현장에서 처리하는 방법:

   (a) 음식물 쓰레기를 주방오수를 통하거나, 운반장치를 이용하여 이송하는 단계;

   (b) 음식물 쓰레기를 오수와 분리하는 단계: 및

   (c) 상기 오수가 제거된 음식물 쓰레기를 수거하여 별도 처리하거나, 오수에서 분리된 음식물 쓰레기를 생물반응기에서 혐기적 방법, 호기적 방법 또는 두 방법의 혼용으로 처리하는 단계.
2. 제 1항에 있어서,

   이송 전, 이송 중 또는 이송 후에 음식물 쓰레기를 분쇄하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   분리는 침전, 원심분리, 통상의 체, 녹즙기 형태, 미세여과, 한외여과, 나노여과 또는 역삼투압법을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.