KR20050023060A

KR20050023060A - 혐기·호기 미생물 복합처리공정을 이용한 음식물쓰레기와 폐수 처분장치 및 방법

Info

Publication number: KR20050023060A
Application number: KR1020030060097A
Authority: KR
Inventors: 이영철
Original assignee: 주식회사 녹색바이오
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-09

Abstract

본 발명은 수거된 음식물쓰레기를 고형물은 퇴비화하고 침출액은 생물학적으로 완전 처분하는 장치및 방법에 관한 것이다. 선별된 음식물쓰레기를 분쇄기로 잘게 분쇄한 후, 분쇄된 음식물에 질산화 처리수를 반송하여 전탈질을 유도하였으며, 고형물과 침출액은 스크류프레스로 분리하였다. 고형물은 호기성 미생물로 퇴비화하였고 침출액은 저류시킨 후 원심탈수기를 이용하여 부유물질을 제거한 후 혐기성소화조로 투입되었다. 혐기성으로 소화된 유출수는 화학반응조와 중력식벨트농축기를 거치면서 부유물질이 제거되었다. 중력식벨트농축기를 거친 처리액은 질산화조에서 유기물의 제거와 질소의 질산화가 이루어졌다. 질산화된 처리수는 일부 전탈질조로 반송되었고 나머지는 후탈질조에서 메탄올로 탈질되었다. 미생물에 부착된 질소 기체는 재폭기조에서 제거되었으며 침전조에서 맑은 상등수가 방류되었다.

상기의 과정에 의해 음식물쓰레기를 효과적으로 완전 처분할 수 있는 장치 및 방법을 개발하였으며, 특히 질소제거 공정을 음식물쓰레기 처분공정과 연계하여 퇴비화 공정의 효율을 향상시킴은 물론, 침출액의 고농도 유기물질 및 부유물질과 질소를 제거하여 방류함으로써 기존의 처리가 어렵던 음식물쓰레기를 효율적으로 처분할 수 있게 되었다.

Description

혐기·호기 미생물 복합처리공정을 이용한 음식물쓰레기와 폐수 처분장치 및 방법{The system ＆ equipment for treating food waste and waste water, by using complex process with anaerobic and aerobic microbe}

본 발명은 음식물쓰레기의 처리방법 및 장치에 관한 것으로서 음식물쓰레기에 포함된 고형분은 퇴비화 시설로 처리하고, 고농도의 침출액은 상향류식 혐기성 소화조와 호기성 미생물 처리방법으로 유기물 및 부유물질과 질소를 처리하는 음식물쓰레기 처분방법과 이에 이용되는 장치에 관한 것이다. 종래의 음식물쓰레기 처리기술로서는 퇴비화방법, 열처리를 통한 사료화방법과 하수처리장에 설치된 재래식 소화조를 이용한 감량화방법 등이 있다.

퇴비화 방법의 경우 음식물쓰레기에 포함된 고형물을 기계적으로 분리하여 이를 호기성 미생물에 의해 퇴비로 전환시키는 방법이다. 그러나 분리된 고형물의 pH는 산성(약 4.0)이어서 호기성미생물의 성장을 어렵게 함으로써 퇴비화 공정운영의 많은 문제점을 나타내고 있다. 또한, 고형물을 분리하고 남은 침출액은 별도의 처리방법이 없어 기존의 하수처리장 폭기조에 유입시켜 처리하기도 하는데, 이 경우 폭기조에서의 유기물 과부하와 고농도 질소처리가 어려워 매우 제한적으로 사용되어지고 있다.

열처리를 통한 사료화 방안은 음식물쓰레기를 고온·고압으로 멸균한 후 고형물은 건조하여 사료로 제조하고 그 증류액은 폐수처리장에서 처리하는 방법이다. 그러나 음식물쓰레기를 건조하는데 연료가 다량 소모되고 생산된 사료는 염분 농도가 높아 품질이 저하되므로 저급사료에 의한 2차폐기물이 생산되고 있다.

재래식소화조를 이용한 감량화방안은 음식물쓰레기를 기존 하수처리장에 설치되어 있는 재래식 소화조에 소량씩 투입하여 고형물을 감량화시키는 방법으로서 최근에 시도되고 있다. 그러나 기존재래식 소화조의 고형물 제거율이 낮고 상층부에 두터운 스컴층을 형성하거나 산축적 현상이 발생되는 등 많은 문제점을 나타내고 있어서 음식물쓰레기를 소화조에서 처리하기 위해서는 그에 적합한 새로운 형태의 소화조가 개발되어야 한다.

본 발명자는 음식물쓰레기를 효율적으로 완전 처분할 수 있는 적합한 장치와 방법을 연구하던 중 기존의 처리가 어렵던 음식물쓰레기의 처분에 있어 고형물은 분리하여 퇴비화하고 침출액은 미생물 복합공정으로 처리함으로써 실질적으로 음식물쓰레기 처리에 적합한 처리장치 및 방법을 개발하게 되었다. 이를 위해 음식물쓰레기에 포함된 고형물을 분리하여 호기성 미생물에 의해 퇴비화하는 방법과 분리된 고농도의 침출액의 부유물질을 제거한 후, 혐기·호기 미생물처리공법에 의해 고농도의 유기물 및 질소를 고도처리하여 최종적으로 CODcr 농도를 100mg/L, 총질소 농도를 20mg/L로 처리하여 방류하는 방법을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다. 따라서 본 발명의 목적은 기존에 적절하게 처리하지 못했던 음식물쓰레기를 처리함에 있어 퇴비를 생산함과 동시에 침출액을 처리후 방류하는 음식물쓰레기 처리장치와 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 음식물쓰레기 처리장치의 구성 및 흐름을 <도1>에 나타내었다.

본 발명의 구성은 수거된 음식물쓰레기를 파봉, 선별하는 선별시설(10)과, 전기 선별시설로 부터의 음식물쓰레기를 10mm 이하의 입자크기로 분쇄하는 분쇄기(20)와, 음식물쓰레기에 포함된 탄소원을 이용하여 후단 질산화조에서 직접 반송된 질산화 처리수에 함유된 질산염을 탈질시켜 pH를 상승시키는 전탈질조(30)와, 전기 전탈질조의 음식물쓰레기를 고형물과 침출액으로 분리하는 스크류프레스(40)와, 전기 스크류프레스로 부터의 고형물을 퇴비화하는 퇴비화시설(50)과, 전기 스크류프레스로 부터의 침출액을 저장하는 저류조(60)와, 전기 저류조로 부터 부유물질을 제거하는 원심탈수기(70)와, 전기 원심탈수기로 부터의 부유물이 제거된 폐수를 혐기 조건하에서 소화처리하는 혐기성소화조(80)와, 전기 혐기성소화조 처리수에 포함된 부유물질과 황화합물을 제거하기 위한 화학반응조(90) 및 중력식벨트농축기(100)와, 상기 처리된 폐수 중의 암모니아를 미생물에 의해 호기성상태에서 질산염(NO₂-N, NO₃-N)으로 전환하는 질산화조(110)와, 상기 질산염을 메탄올에 의해 탈질시키는 후탈질조(120)와, 이를 재폭기와 침전을 통해 슬러지를 분리하고 상등수를 방류하기 위한 재폭기조(130) 및 침전조(140)와, 상기 혐기성소화조, 중력식벨트농축기 및 침전조로 부터 발생한 폐슬러지를 감량화하는 슬러지탈수기(150)를 포함하고 있다.

상기 장치들의 처리공정을 상세히 설명하고자 한다.

1. 선별 및 분쇄공정

수거된 음식물쓰레기는 비닐, 나무, 동물뼈, 플라스틱, 협잡물 등이 다소 포함되어 있으므로 이를 선별시설(10)에서 분리하여 제거하고 선별된 음식물쓰레기는 분쇄기(20)에서 10mm이하의 입자로 분쇄한다.

2. 전탈질 공정

전탈질조(30)에서는 질산화조(110)로 부터 일부 반송된 질산염이 음식물쓰레기에 포함된 탄소원에 의해 탈질화 반응이 일어난다. 이때 탈질에 필요한 탄소원은 음식물쓰레기를 이용하는 것으로 충분하므로 별도의 탄소원을 첨가하지 아니한다.

NO₃ ^- + COD → 0.065C₅H₇O₂N + 0.47N ₂↑ + OH^-

탈질반응은 상기 반응식과 같이 질산염 1mole이 탈질될 때 OH^-가 1mole이 생성되므로 알칼리생성 반응이다. 음식물쓰레기의 질소농도는 약 6,000mg/L이며, 질산화액의 반송수량을 폐수처리장 유입수량의 2배로 운전할 때 음식물쓰레기에 포함된 질소는 75% 반송되는데, 이렇게 반송된 질소는 전량 탈질되며 탈질 반응에 따른 알칼리의 생성에 의해 전탈질조의 pH는 약 1.0 ~ 1.5 정도 상승된다.

3. 퇴비화 공정

전탈질 공정에서 pH가 상승된 음식물쓰레기는 스크류프레스(40)에서 고형물과 죽상태의 침출액으로 분리되어 고형물은 퇴비화공정으로 이송된다. 퇴비화란 유기물이 호기성미생물에 의해 안정화 되어 부식토로 전환되는 것을 뜻한다. 퇴비화 공정 운전의 주요 환경인자는 호기성 미생물의 성장에 적합한 환경조건으로서 온도, pH, 수분, 공기공급 등이며 이를 적절히 조절함으로서 유기물 분해를 촉진시키고 분해시간을 단축하게 된다. 음식물 퇴비화에 있어서 음식물쓰레기는 기존의 pH가 4정도의 산성이어서 호기성 미생물 성장에 저해를 주어 퇴비화에 어려움이 있었으나 상기 탈질과정을 거친 음식물쓰레기는 별도의 pH조절 없이 퇴비화가 진행된다.

4. 혐기성소화 공정

스크류 프레스(40)에서 분리된 침출액 중의 고형물질은 원심탈수기(70)에서 분리되어 전기 퇴비화공정으로 이송되고 청정한 폐수는 혐기성소화조(80)로 유입된다. 상기 폐수는 부유물질 농도가 300mg/L이하이고 다량의 휘발성유기산(VFA)을 함유하고 있으므로 혐기성 소화조의 형식으로는 고속메탄발효조(U.A.S.B)형태가 적합한데, 이는 재래식소화조에 비해 적은 반응기 용량으로 높은 효율을 나타내기 때문이다. U.A.S.B는 Flug - Flow 형태의 반응기로서 부유물질이 유입되면 혐기성 미생물의 보유가 어렵게 되므로 이를 위해 U.A.S.B 유입전 원심탈수기(70)에서 SS를 제거함으로써 안정적인 효율을 유지할 수 있다. 혐기성소화조에 유입된 COD와 VFA는 바이오가스로 전환되며 유입수의 COD를 약 80% 정도 제거하게 된다.

C_nH_2n+1COOH → CH₄ + CO₂

상기 반응식에 의해 COD가 바이오가스로 전환되면서 폐수중의 유기질소는 암모니아성 질소로 전환된다.

5. 화학처리 공정

혐기성소화조 유출액에는 환원성 물질인 황화합물이 다량 포함되어 있는데, 이는 후단 질산화공정에서 질산화미생물의 독성물질로 작용하므로 제거할 필요가 있다.이를 위해 화학반응조(90)에서는 염화철을 투여하여 황화합물을 응결시키고 이 슬러지를 중력식벨트농축기(100)를 이용하여 제거한다. 보통의 중력침전에 의한 농축슬러지의 고형물 농도는 2% 정도인데 반해, 중력식벨트농축기의 고형물질 농도는 5%정도로서 후단 슬러지 처리공정을 간편하게 한다.

6. 질산화 공정

혐기성소화공정과 화학처리공정을 거친 폐수는 COD/TKN비가 3.8정도이고, 독성물질이 없어 질산화에 적정한 최적의 상태이다. 화학처리된 폐수는 질산화조(110)에 유입되어 질산화균의 작용에 의해 아래 반응과 같은 질산화 공정을 수행한다.

NH₄ ⁺ + 1.5O₂ → NO₂ ^- + 2H⁺ + H₂O …… (Nitrosomonas)

NO₂ ^- + 0.5O₂ → NO₃ ^- …………………………… (Nitrobacter)

상기 반응에 의해 질산화가 완료된 폐수는 전탈질조(30)로 유입수량의 2배를 반송시켜줌으로서 질소유입량의 75%가 전탈질조에서 제거된다. 질산화 반응은 알칼리도를 소모하게 되어 pH 저하를 유발하므로, 알칼리도를 보충하기 위해 가성소다 투입설비를 갖추었다. 질산화 공정에서 폐수의 질소가 질산화 되는 것과 동시에 폐수중의 COD도 함께 제거된다.

7. 후탈질 공정

질산화가 완료된 폐수에는 질산염이 다량 포함되어 있으므로 탈질 반응에 의해 제거가 필요하다. 그러므로 후탈질조(120)에서 메탄올과 같은 외부 탄소원에 의해 최종적으로 질소기체로 전환시켜 이를 대기중으로 방산시키게 된다. 후탈질조에서의 탈질반응 아래와 같이 이루어 진다.

NO₃ ^- + 0.83CH₃OH → 0.5N₂ + 1.167H₂O + 0.833CO₂ + OH^-

8. 재폭기 및 침전 공정

상기 탈질 공정이 완료된 폐수내에는 COD, TN 등 오염물질이 모두 제거된 상태이다. 그러나 탈질 반응시 미생물에 질소기체가 부착되어 있으므로 이를 탈리시키기 위해 재폭기조(130)에서 폭기시킨후, 침전조(140)에서 미생물과 맑은 상등수로 분리하여 미생물은 폐기시키고 상등수를 방류하게 된다.

9. 슬러지 처분공정

혐기성소화조(80), 중력식벨트농축기(100), 침전조(140)에서 발생한 슬러지는 슬러지탈수기(150)에 의해 감량화된 후 폐기물로 반출된다.

이와 같은 공정을 통해 음식물쓰레기는 혐기·호기 미생물 복합처리공정으로 분해되어 최종적으로 퇴비를 생산하고 침출액은 완전히 처리되어 맑은 물을 방류하게 된다. 이로써 음식물쓰레기의 완전처분을 하게 된다.

본 장치에 대한 현장 및 실험실 운전자료를 제시하여 그 효과를 설명하고자 한다.

<실시예>

음식물쓰레기를 분쇄한 후 이를 전탈질조(20)에서 질산화처리수를 유입유량에 2배로 반송함으로써 원수에 포함된 COD는 상당 부분 제거되었으며, 질소산화물은 완전 제거되었다. 또한 pH는 음식물쓰레기와 질산화된 반송수를 혼합시 5.2 였으나 탈질반응이 완료된 후에는 6.7로 상승되었다. 전탈질조 처리액은 스크류프레스(40)와 원심탈수기(70)에 의해 단계적으로 고형물을 제거한 후 혐기성소화조(80)로 유입시켰다. 혐기성소화조의 COD용적부하는 3 ~ 6 kg CODcr/m³·day 범위로 운전하였으며, 평균 5 kg CODcr/m³·day로 운전하였다. 혐기성소화조의 유출수는 화학반응조(90)에서 부유물질과 황화합물을 제거한 후 폐수는 질산화조(110)로 유입시켰다. 질산화조의 운전조건은 F/M비는 0.2 kg CODcr/kg MLSS·day 이었고, 이 때 체류시간은 2.3day 로 운전하였다. 질산화처리수는 전탈질조(30)로 반송되어 탈질되었고 나머지 잔존하는 질소산화물은 후단 공정의 후탈질조(120)로 이송되어 탈질되었다. 후탈질반응에 필요한 부족한 유기탄소원은 메탄올을 공급하였으며, 탈질공정이 완료된 폐수는 재폭기조(130)에서 폭기시킨 후 침전조(140)를 거쳐 방류하였다. 이 때의 탈질조의 체류시간(HRT)은 8시간, 재폭기조의 체류시간(HRT)은 4시간이었다. 이로써 상기 공정에 의해 음식물쓰레기는 완전처분 되었다. 상기 과정으로 운전시 공정별 각 항목의 오염물질 농도는 하기 <표 1>과 같다.

	pH	CODcr	TKN	NO₂	NO₃	SS
음식물쓰레기	4.1	208,000	6,090	N.D	N.D	173,500
전탈질조	6.7	65,500	2,100	N.D	N.D	55,300
스크류프레스	6.7	36,500	1,250	N.D	N.D	14,800
원심탈수기	6.5	17,480	810	N.D	N.D	280
혐기성소화조	8.2	3,300	785	N.D	N.D	320
화학반응조	8.0	2,810	748	N.D	N.D	40
질산화조	6.5	100	15	520	210	-
후탈질조	7.8	98	13	N.D	N.D	-
침전조	7.6	98	13	N.D	N.D	20

본 발명은 음식물쓰레기를 고효율의 퇴비화 방법과 침출액의 완벽한 폐수처리 방법을 발명함으로써 기존의 음식물쓰레기 처리방법의 문제점을 기술적으로 해결하여 음식물쓰레기를 위생적으로 완전처분하게 되었다.

10: 선별시설

20: 분쇄기

30: 전탈질조

40: 스크류프레스

50: 퇴비화시설

60: 저류조

70: 원심탈수기

80: 혐기성소화조

90: 화학반응조

100: 중력식벨트농축기

110: 질산화조

120: 후탈질조

130: 재폭기조

140: 침전조

150: 슬러지탈수기

Claims

음식물쓰레기의 처분에 있어 협잡물을 분리하는 선별시설(10)과;

고형폐기물을 잘게 분쇄하는 분쇄기(20)와;

상기 분쇄기(20)로 부터의 고상쓰레기와 후단 질산화조(110)에서 일부 반송된 질산화처리수를 혼합하여 전탈질 함으로서 pH를 상승시키는 전탈질조(30)와;

상기 전탈질조(30)의 현탁액에 포함된 고형물을 분리하는 스크류프레스(40)와;

상기 스크류프레스(40)에서 분리되는 고형물을 호기성 미생물에 의해 퇴비화하는 퇴비화시설(50)과;

상기 스크류프레스(40)에서 발생된 침출액을 저장하는 저류조(60)와;

상기 저류조로 부터의 침출액에 포함된 현탁물질을 제거하기 위한 원심탈수기(70)와;

상기 원심탈수기(70)를 거친 청정한 폐수에 포함된 COD를 제거하여 메탄가스를 발생시키는 혐기성소화조(80)와;

상기 혐기성소화조 유출액에 포함된 부유물질과 환원성 황화합물을 제거하기 위한 화학반응조(90) 및 중력식벨트농축기(100)와;

중력식벨트농축기(100)로 부터의 처리된 폐수중에 잔류 COD를 제거하고 암모니아성 질소를 질산염 형태의 질소로 전환시켜서 이 중 일부를 전탈질조(30)로 반송하는 질산화조(110)와;

상기 질산염을 메탄올에 의해 탈질시키는 후탈질조(120)와;

상기 후탈질조로 부터의 처리수를 미생물은 침강시키고 맑은 상등수는 방류하는 재폭기조(130) 및 침전조(140)와;

혐기성소화조(80), 중력식벨트농축기(100), 침전조(140)에서 발생된 폐슬러지를 감량화하기 위한 슬러지탈수기(150)를 포함하는 음식물쓰레기 처분장치.
음식물쓰레기 처리에 있어서

협잡물을 선별 및 분쇄하는 단계와;

후단 질산화조(110)에서 일부 반송된 질산염을 분쇄된 음식물쓰레기를 이용하여 전탈질시키는 단계와;

상기 전탈질된 음식물쓰레기를 스크류프레스(40)로 고형물을 분리하여 퇴비화시키는 단계와;

스크류프레스(40)로 부터의 침출액을 원심탈수기(70)로 부유물질을 제거한 후 이를 혐기성소화시키는 단계와;

상기 혐기성소화조의 유출수를 화학약품으로 부유물질과 황화합물을 제거하는 화학처리 단계와;

상기 처리된 폐수에 포함된 잔류 유기물을 제거하고 유기성 질소와 암모니아성 질소를 질산염으로 질산화시키고 일부 질산화액을 전탈질조(30)로 반송시키는 질산화 단계와;

상기 질산화된 폐수를 탈질화하여 질소가스로 전환하는 후탈질 단계와;

활성슬러지의 침강성을 향상시키고, 맑은 상등수를 방류하기 위한 재폭기 및 침전 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기 처분방법.
스크류프레스(40) 전단에 전탈질조(30)를 구비하며 분쇄기(20)로 부터의 음식물쓰레기를 이용하여 전탈질시키고 전탈질과정에서 생성되는 알칼리도를 이용하여 음식물 쓰레기의 pH를 상승시킴으로서 후단 퇴비화 공정의 효율을 상승시키는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기 처분방법.
저류조(60)로 부터의 음식물 폐수에 포함된 부유물질을 원심탈수기(70)를 이용하여 제거함으로써 후단 혐기성소화조(80) 운전을 안정화 시키고 유기물 제거 효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기 처분방법.
혐기성소화조(80) 유출수를 화학반응조(90)와 중력식벨트농축기(100)를 이용하여 부유물질과 황화합물을 제거함으로써 후단 질산화공정의 효율을 상승시키고 슬러지 탈수공정을 간편하게 하는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기 처분 방법.