KR20100008904A

KR20100008904A - 우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법 및이를 이용한 장치

Info

Publication number: KR20100008904A
Application number: KR20080069523A
Authority: KR
Inventors: 박완철; 김태형; 이미애
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2010-01-27
Also published as: US20100015689A1; KR101000300B1

Abstract

본 발명은 우드칩(wood chip)을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것으로, 본 발명은 음식물쓰레기에 포함된 고농도의 유기물질을 우드칩을 이용해 흡착, 분리하여 발효시켜 퇴비로 재활용하고, 유기물질 분리 후 음식물쓰레기로부터 발생되는 유출수를 2차 생물학적 공정과 3차 화학적 공정으로 복합 처리하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법은 우드칩을 이용하여 환경친화적인 방법으로 음식물쓰레기를 유기질 퇴비로 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 음식물쓰레기로부터 발생되는 유출수를 생물학적 및 화학적 복합처리에 의해 방류에 적합한 수질을 갖는 유출수로 전환시킬 수 있어 음식물쓰레기의 재활용 및 처리에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

음식물쓰레기, 우드칩, 퇴비화, 생물학적 공정, 화학적 공정

Description

우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법 및 이를 이용한 장치{METHOD FOR THE COMPOSTING AND TREATMENT OF FOOD WASTE USING WOOD CHIPS AND APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은 우드칩(wood chip)을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.

최근 국내에서 환경문제가 대두되면서 생활쓰레기의 심각성이 널리 인식되고 있다. 특히, 음식물쓰레기는 1990년대 초반에 이의 소각과 재활용에 대한 논쟁이 시작되었고, 1995년부터는 전국적으로 쓰레기 종량제가 실시되어 음식물쓰레기 발생량을 줄이기 위한 방안이 시행되고 있다. 2005년도의 음식물쓰레기 발생량은 1일 12,977톤으로서 전체 1일 생활폐기물 발생량인 48,398톤의 약 26.8%를 차지하고 있다. 또한 음식물류 폐기물 직매립 금지(2005.01.01) 이후 분리, 배출되는 음식물류 폐기물이 증가하고, 국민의 생활수준 향상 및 웰빙문화의 확산으로 인한 과일, 채소류의 소비 증가로 2005년 음식물쓰레기의 발생량이 대폭 증가한 것으로 나타났다. 정부는 음식물쓰레기의 양을 줄이기 위하여 1995년 7월부터 8개 중앙부처가 참여하는 '음식물류 폐기물 관리협의체'를 구성하고, 관리대책을 공동으로 추진 하여 왔으며, 2002년에는 환경친화적 음식문화를 정착시키기 위하여 월드컵 개최도시를 중심으로 자치단체와 음식업단체, 시민단체가 자발적으로 협약을 체결하여 이행하였고, 2003년도에는 이를 전국으로 확대 시행하였다.

그러나 음식물쓰레기는 함수율이 높아 소각 시 비효율적일 뿐만 아니라 매립하는 경우에도 악취와 유출수가 다량 발생하는 문제점이 있고 매립지로 이용할 토지가 절대적으로 부족하다는 한계가 있다. 이에 정부에서는 음식물쓰레기 줄이기와 재활용을 위한 다양한 정책적 대안을 마련하고 있으나, 아직까지 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있다. 또한 2005년부터는 직매립이 원천적으로 금지되어 음식물쓰레기의 재활용과 처리에 관한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

외국의 음식물쓰레기 처리방안을 살펴보면 소각이 가장 보편적인 방법으로, 미국의 경우 음식물쓰레기의 원소분석과 열함량 조사에서 혼합음식폐기물의 함수량이 72%로 나타났고(R.N. Welter, "Combustion and Incineration Processes", Marcel Deker, Inc., 1978), 이에 따라 미국환경보호청(EPA)에서는 음식물쓰레기의 처리방향으로 재이용 25%, 소각 20%, 그리고 매립 50%를 목표로 설정하고 있다. 스위스의 경우에는 생활쓰레기의 80%는 소각에 의해, 나머지 20%는 매립에 의해 처리하는 방법을 채택하고 있으며, 네덜란드의 경우에도 1986년과 비교하여 2000년에는 매립은 55%에서 10%로 하향 조절한 반면, 소각은 10%에서 25%로, 재이용 및 재자원화는 35%에서 55%로 상향 조절하여 정책목표를 정하고 있다. 독일과 일본의 경우에는 매립과 소각보다는 음식물쓰레기의 퇴비화 방법이 많이 이용되고 있는 것으로 알려져 있다.

결국 음식물쓰레기 처리의 경우 과거의 단순 매립이나 소각에 의한 방법에서 재이용이나 재자원화 방법으로 연구가 진행되고 있다. 이에 본 발명자들은 우리나라의 여건을 고려하여 음식물쓰레기의 재이용과 처리를 병용할 수 있는 방법을 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화와 생물학적 및 화학적 복합처리에 의해 음식물쓰레기의 효과적인 재활용 및 처리가 가능함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 음식물쓰레기에 고농도로 함유된 유기물질을 퇴비로 재활용하고 그로부터 분리된 유출수를 생물학적 및 화학적 복합처리에 의해 방류에 적합한 수질을 갖는 유출수로 전환시킬 수 있는 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 음식물쓰레기의 유기물질을 우드칩에 흡착시켜 분리한 후 발효시켜 퇴비로 재활용하고 이로부터 분리된 음식물쓰레기의 유출수를 호기성 미생물을 이용한 생물학적 및 화학적 공정으로 복합 처리하는 것을 포함하는, 우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 방법을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법 및 이를 이용한 장치는 우드칩을 이용하여 환경친화적인 방법으로 음식물쓰레기를 유기질 퇴비로 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 음식물쓰레기로부터 발생되는 유출수를 생물학적 및 화학적 복합처리에 의해 방류에 적합한 수질을 갖는 유출수로 전환시킬 수 있어 음식물쓰레기의 재활용 및 처리에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명은 음식물쓰레기의 유기물질을 우드칩에 흡착시켜 분리한 후 이를 발효시켜 퇴비로 재활용하고 이로부터 분리된 음식물쓰레기의 유출수를 호기성 미생물을 이용한 생물학적 및 화학적 공정으로 복합 처리하는 것을 포함하는, 우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법은 음식물쓰레기에 고농도로 포함된 고형상태의 유기물질을 우드칩을 이용해 흡착, 분리한 후 이를 발효시켜 퇴비화를 진행하고, 유기물질이 분리된 음식물쓰레기의 유출수는 2차 생물학적 공정 및 3차 화학적 공정의 복합처리에 의해 방류에 적합한 수질로 처리하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법은

1) 음식물쓰레기에 우드칩을 혼합하여 음식물쓰레기 내에 포함된 고형화 상태의 유기물질을 우드칩에 흡착시켜 분리하는 단계;

2) 상기 단계 1)을 거쳐 유기물질이 흡착된 우드칩을 회수하여 산소 공급 하에서 발효시켜 유기질 퇴비를 얻는 단계;

3) 단계 1)에서 유기물질 분리 후 음식물쓰레기로부터 발생된 유출수를 가압 처리하여 미처리된 부유물질은 상부로 부상시키고 유기물질을 함유한 상등수는 하부로 침강시키는 단계;

4) 상기 단계 3)에서 분리된 부유물질을 단계 2)로 보내 퇴비화 단계를 거치고, 상등수에 함유된 유기물질을 탄소원으로 이용하여 단계 6) 및 7)에서 반송라인으로 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소(NOx-N)를 탈질시키는 단계;

5) 유입되는 호기성 미생물과 산소를 이용하여 상기 단계 4)를 거친 피처리물에 포함된 유기물질을 호기성 분해하는 단계;

6) 유입되는 단쇄 유기산을 탄소원으로 이용하여 상기 단계 5)를 거친 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 단계;

7) 상기 단계 6)을 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리하는 단계; 및

8) 상기 단계 7)에서 분리된 침전 슬러지를 반송라인으로 이송시키고 상징액을 화학적으로 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명은 음식물쓰레기 중의 유기물질을 우드칩에 흡착시켜 분리하는 제1 및 제2 우드칩 거름조;

유기물질이 흡착된 우드칩을 호기성 발효시켜 퇴비화하는 퇴비사;

우드칩 거름조에서 분리된 음식물쓰레기의 유출수를 가압 처리하여 부유물질과 상등수로 분리하는 가압부상조;

반송라인을 통해 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소(NOx-N)를 가압부상조를 거친 상등수 내 유기물질을 탄소원으로 이용하여 탈질시키는 무산소조;

유기물질 제거에 적합한 호기성 미생물을 활성화시키는 미생물 활성조;

산소 공급 하에 미생물 활성조에서 활성화된 호기성 미생물을 이용하여 무산소조를 거친 피처리물 중의 유기물질과 질소를 산화시키는 폭기조;

폭기조를 거친 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질미생물에 의해 탈질시키는 탈질조;

탈질조를 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리하는 침전조; 및

침전조에서 분리된 상징액을 화학적 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 화학응집조를 포함하는, 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치의 일예를 도 1에 나타내었다. 도 1에 따르면, 음식물쓰레기에 고농도로 포함된 고형화 상태의 유기물질을 우드칩을 이용하여 효과적으로 흡착, 분리하기 위한 제1 및 제2 우드칩 거름조(2,3); 유기물질이 흡착된 우드칩을 전량 회수하여 호기성 퇴비로 발효시키는 퇴비사(11); 우드칩 거름조에서 유기물질이 제거된 음식물쓰레기의 유출수를 부유물질과 유기물질을 함유하는 상등수로 분리하는 가압부상조(4); 반송라인을 통해 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 무산소조(5); 고농도의 유기물질 제거에 적합한 호기성 미생물을 활성화시키는 미생물 활성조(6); 미생물과 산소를 이용하여 피처리물 중의 유기물질과 질소를 산화시키는 폭기조(7); 폭기조(7)에서 산화된 질산성 질소를 탈질미생물에 의해 탈질시키는 탈질조(8); 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 중력에 의해 분리하는 침전조(9); 상징액을 화학적 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 화학응집조(10); 각각의 제1 및 제2 우드칩 거름조(2,3), 무산소조(5), 탈질조(8) 및 퇴비사(11) 내 피처리물을 혼합하기 위한 혼합장치(12,13,14,15,16); 제1 및 제2 우드칩 거름조(2,3)를 거친 유기물질이 흡착된 우드칩을 퇴비사(11)에 투입하는 투입라인(17); 탈질조(8)에서 무산소조(5)로 슬러지를 반송시키는 반송라인(18); 침전조(9)에서 각각 퇴비사(11), 무산소조(5), 제1 및 제2 우드칩 거름조(2,3) 및 미생물 활성조(5)로 슬러지를 반송시키는 반송 라인(19,20,21,22); 가압부상조(4)로부터 슬러지를 퇴비사(11)에 투입하는 투입라인(23); 침전조(9)에서 슬러지를 배출하는 슬러지 폐기라인(24); 폭기조(7)에서 안정화된 처리액을 액비로 활용하기 위한 액비 회수라인(25); 및 제2 우드칩 거름조(3)로부터 탈질조(8)로 단쇄 유기산을 투입하는 투입라인(26)을 포함할 수 있다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법을 단계별로 살펴보면 다음과 같다.

단계 1)은 음식물쓰레기에 우드칩을 혼합하여 음식물쓰레기 내에 고농도로 포함된 고형화 상태의 유기물질을 흡착, 분리하는 단계이다.

일반적으로 음식물쓰레기의 주요성분은 탄수화물, 지방, 단백질 등의 유기물질로 대체적으로 고형화 상태의 물질이 주를 이루며, 그 구성성분이 크고, 복잡하여 가수분해 기간이 매우 길게 소요되는 것으로 알려져 있다. 이러한 음식물쓰레기의 효과적인 퇴비화 및 처리를 위하여 본 발명에서는 우드칩을 이용하는데, 우드칩이란 벌채목, 간벌목, 과수원 전자목 등 폐기목을 잘게 파쇄하여 만든 것으로 일반적으로 퇴비 제조, 조경용 자재 등으로 많이 사용된다. 우드칩은 혼합물 내에 공극을 형성하여 산소의 공급을 원활히 해줄 뿐만 아니라, 관수 시 우드칩에 수분이 흡수되어 있다가 점차적으로 수분을 내놓기 때문에 미생물이 작용하는데 필요한 수분을 원활히 공급할 수 있다. 또한 우드칩 자체에 미생물이 달라 붙어있어 미생물 제제를 따로 사용하지 않아도 미생물의 작용에 호의적인 환경을 조성하여 퇴비화가 제대로 이루어진다. 우드칩에 적합한 목재로는 미생물에 분해되기 어려운 침 엽수를 사용하는 것이 바람직하고, 침엽수 중에서 편백, 삼나무, 미소, 육송 등을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 특히 우드칩으로 가장 유용한 목재는 삼나무(Crysptomeria sp.)로, 목섬유(wood fiber)가 잘 발달되어 있고 값이 저렴한 피죽을 주로 이용한다. 본 발명에서는 순수 국내산 삼나무를 파쇄하여 우드칩을 제조하며, 이때 우드칩의 입자 크기는 2 내지 5 ㎝인 것이 바람직하다.

먼저 음식물쓰레기를 새로운 우드칩과 퇴비사(11)에서 반송된 우드칩이 반반씩 혼합되어 충진된 제1 우드칩 거름조(2)에 투입한다. 본 발명에서 제1 우드칩 거름조(2)로 투입되는 음식물쓰레기의 양은 거름조에서 피처리물의 체류시간(retention time)을 고려할 때 하루에 58 내지 70 ㎏/ℓ가 바람직하고, 음식물쓰레기와 우드칩의 혼합 중량비는 45:55 내지 55:45가 바람직하다. 제1 우드칩 거름조(2)에는 혼합장치(12)가 설치되어 있어 우드칩과 피처리물인 음식물쓰레기를 균질하게 혼합하여 음식물쓰레기 내 유기물질이 효과적으로 우드칩에 흡착될 수 있도록 고안된다. 제1 우드칩 거름조(2)에서 피처리물의 체류시간은 20 내지 24시간이 바람직하다. 제1 우드칩 거름조(2)를 거친 피처리물은 제2 우드칩 거름조(3)로 유입된다. 제2 우드칩 거름조(3) 역시 새로운 우드칩과 퇴비사(11)에서 반송된 우드칩이 반반씩 혼합되어 충진되어 있으며, 혼합장치(13)에 의해 우드칩과 피처리물을 혼합하여 음식물쓰레기에 포함된 유기물질이 우드칩에 흡착하여 분리되도록 고안된다. 제2 우드칩 거름조(3)에서 피처리물의 체류시간 역시 20 내지 24시간이 바람직하다.

단계 2)는 상기 제1 및 제2 우드칩 거름조(2,3)로부터 유기물질이 흡착된 우 드칩을 전량 회수하여 산소 공급 하에서 발효시켜 유기질 퇴비를 얻는 단계이다.

상기 단계 1)에서 제1 우드칩 거름조(2)와 제2 우드칩 거름조(3)를 거치면서 음식물쓰레기 내 고형화 상태의 유기물질이 흡착된 우드칩을 전량 회수하여 반송라인(17)을 통해 퇴비사(11)로 이송시킨 후 이를 퇴비사(11)로 공급되는 산소와 퇴비사(11) 내에 설치된 혼합장치(16)에 의해 혼합하면 호기성 발효에 의한 퇴비화 단계를 거친다. 이때 회수되어 퇴비사(11)로 이송되는 우드칩은 건조되어 가능하면 적은 수분 함량을 유지하는 것이 바람직하고, 호기성 발효는 50 내지 70℃에서 3 내지 5일간 수행하는 것이 바람직하다. 퇴비사(11)에는 침전조(9)에서 활성화된 슬러지가 반송라인(19)을 통해 일정량 공급되는데, 이는 호기성 퇴비화를 위한 활성화된 미생물의 공급과 함께 퇴비사(11)에서 발효 시 발생되는 냄새를 이 미생물을 이용하여 제거하는 부수적인 역할도 기대할 수 있다.

유기물질이 산화되어 안정화 단계에 도달하게 되면 혼합물에서 우드칩을 걸러내는 선별공정을 통해 우드칩은 거름조로 이송하여 재활용하고 순수하게 유기질 퇴비만을 제품화하게 된다. 일반적으로 이 과정은 우드칩과 음식물쓰레기의 퇴비화된 혼합물이 선별기를 통과하면서 유기질 퇴비만이 체에 걸러져 나온다. 선별기는 부산물비료 또는 퇴비의 제조에 통상적으로 사용되는 것들 중에서 적절히 선택할 수 있다. 일반적으로 사용되는 선별기는 10 ㎜, 8 ㎜ 및 6 ㎜의 체가 단계적으로 적절한 층간격을 두고 짜여져 있어 혼합물이 선별기를 통과하면서 우드칩과 이물질이 걸러지고 순수하게 유기질 퇴비만 분리된다. 이러한 선별과정으로 퇴비를 분리하고 얻은 활성화된 미생물이 다량 부착된 우드칩은 제1 우드칩 거름조(2)와 제2 우드칩 거름조(3)에 우드칩 총 중량의 50% 정도씩 반송하여 우드칩을 재활용함으로써 경제성 측면에서 비용 절감효과 뿐만 아니라 거름조에서 발생될 수 있는 냄새도 제거해주는 효과를 기대할 수 있다.

퇴비화(Composting)는 통상적으로 유기물이 미생물에 의하여 분해되어 안정화되는 과정이다. 그 최종물질인 퇴비는 환경에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 토양에 사용할 수 있어야 하고 저장이 가능해야 한다. 퇴비화 반응에서의 탄수화물, 단백질 및 지방의 분해 기작은 서로 조금씩 다른데, 탄수화물은 단당류로 변화된 후 산소와 반응하여 최종적으로는 이산화탄소와 물로 분해된다. 이는 연소와 동일한 현상으로 생물체가 가지고 있는 산소가 촉매로 작용하여 저온에서 반응이 진행된다. 그 반응식은 다음과 같다.

C_m(H₂O)_n + m(O₂) → mCO₂ + nH₂O

만약 퇴비화 과정에서 산소가 부족하게 되면 혐기성 상태가 되며, 유기산이 생성되어 pH가 떨어지게 된다.

단백질과 지방은 분해되어 분자량이 작은 물질로 변하면서 이산화탄소와 물, 암모니아를 생성한다. 그 반응식은 다음과 같다.

C_xH_yN_zO_p + aO₂ → C_uH_vN_mO_q + bCO₂ + dH₂ + eNH₃

이 반응에서 암모니아(NH₃)는 물에 용해되어 NH₃OH를 형성함으로써 pH를 높이는 역할을 한다.

단계 3)은 단계 1)의 제1 및 제2 우드칩 거름조(2,3)에서 유기물질 분리 후 음식물쓰레기로부터 발생된 유출수를 가압 처리하여 미처리된 부유물질은 상부로 부상시키고 상등수는 하부로 침강시키는 단계이다.

제1 우드칩 거름조(2)와 제2 우드칩 거름조(3)를 거친 피처리물은 부유물질 농도가 현저히 감소된 상태이나 생물학적 처리 장치에 그대로 유입되기에는 농도가 높은 수준이다. 부유물질의 농도가 높은 피처리물이 폭기조(7)로 유입되면 폭기조의 적정한 혼합액 부유 고형물(mixed liquor suspended solid, MLSS) 농도를 유지하기가 곤란하다. 따라서 피처리물의 부유물질 농도를 낮추어 부유물질의 폭기조 부하율을 감소시키고 MLSS 농도를 유지하도록 한다. 이를 위해 제1 우드칩 거름조(2)와 제2 우드칩 거름조(3)를 거친 피처리물을 가압부상조(4)에 이송한 후 가압된 공기를 공급하여 효과적으로 부유물질을 분리하여 피처리물 내 부유물질의 농도를 현저히 감소시킨다. 가압 처리에 의해 상부로 부상된 부유물질은 반송라인(23)을 통해 퇴비사(11)로 이송되어 단계 2)의 퇴비화 단계를 거치는 반면, 하부로 침강된 유기물질을 함유하는 상등수는 생물학적 처리 장치인 무산소조(5)로 유입된다.

단계 4)는 단계 3)에서 가압부상조(4)를 거쳐 유입된 상등수에 함유된 유기물질을 탄소원으로 이용하여 단계 6) 및 7)에서 반송라인으로 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소(NOx-N)를 탈질시키는 단계이다.

탈질조(8) 및 침전조(9)에서 침전된 슬러지가 반송라인(19,20)을 통해 무산소조(5)로 반송되는데, 반송되는 슬러지에 포함된 질산성 질소(NO_x-N)는 가압부상 조(4)로부터 유입되는 상등수 내 함유된 유기물을 탄소원으로 이용하여 무산소 조건 하에서 탈질반응(denitrification)을 거치게 된다. 탈질반응 결과, 피처리물로부터 질소가 제거되고 인(phosphorous)이 용출된다. 무산소조(5)와 같이 용존산소가 거의 없는 경우에는 NO₃, NO₂와 같은 형태의 결합산소를 전자 수용체로 이용하여 에너지를 얻게 되므로, 탈질미생물(denitrifier)에 의해 NO_x-N은 NO₃ → NO₂→ NO → N₂O → N₂의 과정을 거쳐 질소가스로 환원되어 대기 중으로 제거된다. 무산소조(5)에는 탈질미생물, 탄소원 및 NO_x-N이 원활하게 혼합되도록 혼합장치(14)가 부착되어 있다. 탈질반응에 전자공여체(electron donor)로 사용되는 외부 탄소원으로는 아세트산, 시트르산, 메탄올 등이 유용한데, 본 발명에서는 제1 및 제2 우드칩 거름조(2,3)를 거친 피처리물에 상기와 같은 유기산 성분들이 다량 함유되어 있어 외부 탄소원의 공급 없이도 효율적인 탈질반응이 일어날 수 있다.

단계 5)는 유입되는 호기성 미생물과 산소를 이용하여 상기 단계 4)에서 탈질반응을 거친 피처리물에 포함된 유기물질을 호기성 분해하는 단계이다.

본 발명에서는 냄새 및 유기물질 제거효율이 우수한 미생물을 음식물쓰레기 처리에 이용하기 위하여, 토양미생물 중에서 악취 및 유기물질 제거효율이 우수한 미생물을 선택적으로 분리, 대량 배양하여 미생물 군체로 제작한다. 본 발명에 유용한 미생물 군체는 호기성 미생물을 이용한 처리 및 퇴비화 공정에서 바실러스종(Bacillus sp.)과 같은 호기성 토양미생물의 증식과 활성을 향상시키기 위한 성분으로 구성되어 있다. 일반적으로 토양미생물 중에서 바실러스종은 자연발생적으 로 토양에 서식하는 미생물로서 악조건인 환경에서도 생존능력이 뛰어나며, 유기물 분해 및 탈질 능력이 매우 뛰어난 것으로 알려져 있다. 통상 음식물쓰레기의 pH는 4 내지 6의 범위로 다른 폐기물에 비해 매우 낮으며, 염분 농도 또한 상당히 높은 것으로 알려져 있는 바, 보통의 미생물은 이러한 낮은 범위의 pH와 높은 염분 농도에서는 생존 능력과 활성이 현저히 저하된다. 그러나 바실러스종은 이러한 낮은 pH 범위와 높은 염분 농도 하에서도 별다른 지장 없이 유기물 분해와 탈질반응 등의 활동이 황성하게 이루어진다.

상기와 같은 미생물 군체는 미생물 활성조(6)의 호기성 분위기 하에서 활성화되어 활성미생물의 폭기조 유입라인을 통해서 폭기조(7)로 이송된다. 외부 공기를 미생물 활성조(6)의 내부로 유입시킴으로써 미생물 활성조(6) 내부를 호기성 분위기로 유지시켜 호기성 미생물만을 선택적으로 활성화시킨다. 또한 미생물 활성조(6)는 반송라인(22)을 통해서 침전조(9)로부터 계속적으로 슬러지가 공급되어 미생물 군체로부터 용출되는 미생물과 반송되는 슬러지에 포함된 미생물의 활성화가 연속적으로 수행되도록 고안된다.

이와 같이 활성화된 호기성 미생물과 산소가 유입되는 조건 하에서 탈질반응을 거친 피처리물 중의 유기물질은 폭기조(7)에서 호기성 분해된다.

호기성 분해란 음식물쓰레기 중의 유기물질을 호기성 미생물이 섭취하여 생존에 필요한 영양원으로 사용하고 최종적으로 탄산가스, 암모니아, 물 등으로 분해하는 공정을 의미하고, 암모니아는 산소와 결합해 아질산성 질소(NO₂ ^-)를 거쳐 질산 성(NO₃ ^-) 질소로 산화된다. 본 발명에서 호기성 분해는 25 내지 35℃의 온도에서 10 내지 15시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 이러한 호기성 분해가 일어나는 폭기조(6)에서 MLSS 농도는 9,000 내지 12,000 ㎎/ℓ로 유지하는 것이 바람직하다.

폭기조(6)는 복수개의 분리격판에 의해 복수개의 격실로 나누어져 있고 격실에 따라 용존산소(dissolved oxygen: DO)의 양을 단계별로 다르게 유지하도록 한다. 구체적으로, 폭기조는 3단으로 구분되는데, 폭기조 1단은 외부 공기를 유입하여 DO 농도를 높게, 바람직하게는 0.5 내지 1.0 ㎎/ℓ로 유지함으로써 음식물쓰레기 내의 유기물질이 효과적으로 분해되도록 하고 질산화 미생물의 작용에 의하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소(NO₂ ^-)를 거쳐 질산성(NO₃ ^-)로 산화되도록 한다. 폭기조 2단은 DO를 0.2 내지 0.5 ㎎/ℓ로 유지하고, 폭기조 3단에서는 산소 공급을 중단하여 DO 농도를 낮게, 바람직하게는 0.1 ㎎/ℓ 이하로 유지하여 이후의 탈질조(8) 공정에 적응 가능하도록 DO를 최대한 낮추는 역할을 수행한다. 아울러, 폭기조(6)에는 안정화된 폭기조액을 액비로 활용하기 위한 액비 회수라인(25)이 설치되어 있다.

단계 6)은 유입되는 단쇄 유기산을 탄소원으로 이용하여 상기 단계 5)에서 호기성 분해를 거친 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 단계로, 이러한 탈질반응은 25 내지 35℃의 온도에서 3 내지 6시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

폭기조(7)에서 호기성 분해를 거친 피처리물은 탈질조(8)로 이송된다. 폭기조(7)에서 암모니아성 질소가 공급하는 산소를 이용하여 NOx-N으로 질산화된 피처리물은 무산소 상태에서 탈질 미생물의 산소원으로 이용되어 NOx-N에 붙어있는 화학적인 산소가 대사되면서 NOx-N이 N₂ 가스로 환원되는 탈질반응이 일어난다. 이러한 탈질반응은 본 발명에 따른 탈질조(8)에서 수행되는데, 이때 제2 우드칩 거름조(3)에 존재하는 단쇄 유기산을 탈질조(8)에 유입라인(26)을 통해 일부 유입시켜 NOx-N의 환원반응 시 탄소 공급원으로 사용함으로써 탈질반응을 완벽하게 실현할 수 있다. 탈질조(8)에서 배출되는 피처리물은 침전조(9)로 이송된다.

단계 7)은 상기 단계 6)에서 탈질반응을 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리하는 단계이다.

침전조(9)로 이송된 피처리물은 침전 슬러지와 상징액으로 중력에 의해 고액 분리되어 처리수인 상징액은 화학적 처리를 위해 후속 공정으로 이송되고, 침전 슬러지 일부는 반송라인(20)을 통해 무산소조(5)로 이송되어 침전 슬러지 내에 포함된 NOx-N이 탈질 미생물에 의해 질소가스로 환원되는 탈질산화 작용을 거쳐 질소가 제거된다. 또한 침전 슬러지의 일부는 반송라인(19)을 통해 퇴비사(11)로 반송되어 퇴비사의 미생물 공급과 냄새 제거 역할을 담당하게 되며, 다른 일부는 반송라인(21)을 통해 제1 및 제2 우드칩 거름조(2,3)로 반송되고, 또 다른 일부는 반송라인(22)을 통해 미생물 활성조(6)로 이송되어 미생물 활성화에 기여하게 되며, 여분의 침전 슬러지는 폐기라인(24)을 통해 폐기 처분된다.

단계 8)은 상기 단계 7)에서 고액 분리된 침전 슬러지를 반송라인으로 이송시키고 상징액을 화학적으로 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 단계를 포함한다.

화학적 처리는 응집제를 첨가하여 생물학적 분해가 어려운 난분해성 물질, 예를 들면 인, 부유성물질, 색도유발물질 등을 제거하는 공정이다. 이는 음식물쓰레기 처리 장치의 화학적 처리조(9)에서 일어나며 알루미늄(Al) 계통의 응집제, 철(Fe) 계통의 응집제 등을 사용할 수 있으나, 이로 제한되지 않는다. 상기 Al 계통 응집제로는 Alum(Al₂SO₄)ㅇ18H₂O, PAC(poly aluminum chloride) 등을 예로 들 수 있고, Fe 계통 응집제로는 FeSO₄ㅇ7H₂O, FeCl₃, Fe₂(SO₄)₃ 등을 예로 들 수 있다. 응집제 종류, 응집제 주입량, pH, 탁도 등이 미치는 영향을 고려하여 화학적 처리를 수행하도록 한다. 또한, 응집보조제(coagulant aid)로 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 생석회(CaO), 가성소다(NaOH), 소다회(Na₂CO₃) 등과 같은 pH 조정제와 벤토나이트, 플라이 애쉬, 활성규산, 시멘트 더스트 등과 같은 탁도 증가제를 사용할 수 있다.

이처럼 본 발명은 우드칩을 이용하여 환경친화적인 방법으로 음식물쓰레기를 유기질 퇴비로 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 음식물쓰레기로부터 발생되는 유출수를 생물학적 및 화학적 복합처리에 의해 방류에 적합한 수질을 갖는 유출수로 전환시킬 수 있어 음식물쓰레기의 재활용 및 처리에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지 에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

< 실시예 >

실험실 규모로 실시된 우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치를 위한 적용실험에 사용된 반응조는 반응조 내부의 관찰이 용이하도록 아크릴로 제작하였다.

음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치 내 반응기의 재원 및 규격을 하기 표 1에 나타내었다. 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치에서 반송라인은 이송펌프를 구비하고 있으며, 폭기조와 미생물 활성조는 송풍기를 구비하고 있다.

반응기 및 기기	규격	비고
제1 우드칩 거름조	70 L(L=50 ㎝, B=40 ㎝, H=40 ㎝)	구형
제2 우드칩 거름조	70 L(L=50 ㎝, B=40 ㎝, H=40 ㎝)	구형
무산소조	5 L(φ=16 ㎝, H=35 ㎝)	원통형
폭기조	10 L(L=33 ㎝, B=17 ㎝, H=27 ㎝)	구형, 하수슬러지 사용
탈질조	3 L(φ=14 ㎝, H=30 ㎝)	원통형
침전조	4.0(φ=23 ㎝, H=35 ㎝)	원뿔형, 호퍼경사 60^o 유지
미생물 활성조	0.2(φ=0.7 ㎝, H=18 ㎝)	원통형
pH, 온도측정기	Orione 250A	pH, 온도측정
이송펌프	Master-flex 펌프	2 헤드
혼합기	Panasonic M6GA30M	60 rpm
송풍기	코리아다까스끼 SPP-200GJ-H	40 ℓ/분 용량

상기 실험에 사용된 음식물쓰레기는 한국과학기술연구원 구내식당에서 배출되는 음식물쓰레기를 직접 수거하여 냉장 보관하여 사용하였다.

각 반응조의 HRT는, 제1 및 제2 우드칩 거름조는 각각 20 내지 24시간, 농축조는 1 내지 2일, 무산소조는 3 내지 6시간, 미생물 활성조는 3일, 폭기조는 10 내지 15시간, 탈질조는 3 내지 6시간, 침전조는 8시간으로 조절하였다. 폭기조의 MLSS 농도는 10,000 ㎎/ℓ로 유지하였고, 폭기조의 적절한 MLSS 유지를 위하여 침전조에서 일정량의 잉여슬러지를 폐기하였다. 주처리 장치는 중력에 의한 자연유하 방식으로 피처리물이 이동하도록 고안하였고, 시료투입과 반송은 정확한 양을 확보하기 위하여 타이머를 부착한 정량펌프를 이용하여 자동으로 조절하였다.

본 발명에 따른 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치를 이용하여 음식물쓰레기를 처리하고 각 단계에서 얻은 유출수의 화학적 산소 요구량(COD: chemical oxygen demand), 생물학적 산소 요구량(BOD: biological oxygen demand), 총부유물질량(TSS: total suspended solids), TKN(total Kjeldahl nitrogen), 및 총인량(T-P)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었으며, 실험 결과는 운전기간 동안의 평균값이다.

구분	CODcr	BOD	TSS	TKN/NH₄	NOx-N	T-P	비고
원수	311,400	118,200	209,600	9,220/166	0	1,138
제1 우드칩 거름조 유출수	81,766	45,120	29,845	2,823/384	16	459
제2 우드칩 거름조 유출수	63,323	34,200	18,360	2,266/412	7	349
가압부상조	29,500	12,500	9,800	2,150/382	5	250
생물학적 처리 유출수	1,082	55	72	69/55	1.0	52
화학적 처리 유출수	51	17	15	43/35	1.0	4

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 음식물쓰레기 원수의 평균 성상은 TSS/VSS가 209,600/198,600 ㎎/ℓ, COD 농도가 311,400 ㎎/ℓ, BOD 농도가 118,200 ㎎/ℓ로 나타났다. 또한, TKN 농도는 9,220 ㎎/ℓ로 나타났고, 이중 NH₄ 농도는 166 ㎎/ℓ로 낮게 나타났으며, T-P 농도는 1,138 ㎎/ℓ로 나타났다.

제1 및 제2 우드칩 거름조의 유출수에서 암모니아의 농도가 원수에 비해 높아졌는데, 이는 거름조 내에서 유기성 질소가 암모니화(ammonification)된 원인이며, 생물학적 처리공정인 침전조 유출수는 BOD 55 ㎎/ℓ, CODcr 1,082 ㎎/ℓ, TKN 농도 72 ㎎/ℓ, T-P 농도가 52 ㎎/ℓ로 나타났다. 생물학적 처리를 거친 유출수의 경우 처리효율이 높은데도 불구하고 유입원수의 유기물질 농도가 높고 음식물쓰레기 내에 생물학적 분해가 어려운 색도 등을 함유하고 있어 최종 방류를 위해서는 후속하는 3차 화학적 처리공정이 요구되는 것을 상기 실험결과로부터 확인할 수 있다.

본 실험에서 화학적 처리는 응집제로 철염(FeCl₃)을 100 ㎎Fe/ℓ의 농도로 사용하였는데, 화학적 처리 후 최종 유출수는 BOD 17 ㎎/ℓ, TKN 농도가 43 ㎎/ℓ, TP가 4 ㎎/ℓ로 매우 우수한 결과를 나타내어 방류수 수질기준을 만족하는 것으로 확인되었다.

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

도 1은 본 발명에 따른 우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치의 구성도를 나타낸 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1: 우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치

2: 제1 우드칩 거름조, 3: 제2 우드칩 거름조

4: 가압부상조, 5: 무산소조

6: 미생물 활성조, 7: 폭기조

8: 탈질조, 9: 침전조

10: 화학응집조, 11: 퇴비사

12, 13, 14, 15 및 16: 혼합장치,

17: 우드칩 퇴비사 투입라인

18: 탈질조 무산소조 슬러지 반송라인

19: 침전조 퇴비사 슬러지 반송라인

20: 침전조 무산소조 슬러지 반송라인

21: 침전조 우드칩 거름조 슬러지 반송라인

22: 침전조 미생물 활성조 슬러지 반송라인

23: 가압부상조 퇴비사 슬러지 투입라인

24: 침전조 슬러지 폐기라인, 25: 액비 회수라인

26: 우드칩 거름조 탈질조 단쇄 유기산 투입라인

Claims

음식물쓰레기의 유기물질을 우드칩에 흡착시켜 분리한 후 이를 발효시켜 퇴비로 재활용하고, 이로부터 분리된 음식물쓰레기의 유출수를 호기성 미생물을 이용한 생물학적 및 화학적 공정으로 복합 처리하는 것을 포함하는, 우드칩을 이용한 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 방법.
제1항에 있어서,

1) 음식물쓰레기에 우드칩을 혼합하여 음식물쓰레기 내에 포함된 고형화 상태의 유기물질을 우드칩에 흡착시켜 분리하는 단계;

2) 상기 단계 1)을 거쳐 유기물질이 흡착된 우드칩을 회수하여 산소 공급 하에서 발효시켜 유기질 퇴비를 얻는 단계;

3) 단계 1)에서 유기물질 분리 후 음식물쓰레기로부터 발생된 유출수를 가압 처리하여 미처리된 부유물질은 상부로 부상시키고 유기물질을 함유한 상등수는 하부로 침강시키는 단계;

4) 상기 단계 3)에서 분리된 부유물질을 단계 2)로 보내 퇴비화 단계를 거치고, 상등수에 함유된 유기물질을 탄소원으로 이용하여 단계 6) 및 7)에서 반송라인으로 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소(NOx-N)를 탈질시키는 단계;

5) 유입되는 호기성 미생물과 산소를 이용하여 상기 단계 4)를 거친 피처리물에 포함된 유기물질을 호기성 분해하는 단계;

6) 유입되는 단쇄 유기산을 탄소원으로 이용하여 상기 단계 5)를 거친 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질시키는 단계;

7) 상기 단계 6)을 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리하는 단계; 및

8) 상기 단계 7)에서 분리된 침전 슬러지를 반송라인으로 이송시키고 상징액을 화학적으로 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

단계 1)에서 우드칩이 2 내지 5 ㎝의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

단계 1)에서 우드칩이 새로운 우드칩과 단계 2)에서 퇴비화가 완료된 후 회수된 우드칩이 절반씩 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

단계 1)에서 음식물쓰레기와 우드칩의 혼합 중량비가 45:55 내지 55:45인 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

단계 2)에서 발효가 50 내지 70℃의 온도에서 3 내지 5일간 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

단계 4)에서 탈질반응이 25 내지 35℃의 온도에서 3 내지 6시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

단계 5)에서 호기성 분해가 25 내지 35℃의 온도에서 10 내지 15시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

단계 6)에서 탈질반응이 25 내지 35℃의 온도에서 3 내지 6시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

단계 8)에서 화학적 처리가 응집제를 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서,

응집제가 알루미늄(Al) 계통 또는 철(Fe) 계통의 응집제인 것을 특징으로 하는 방법.
음식물쓰레기 중의 유기물질을 우드칩에 흡착시켜 분리하는 제1 및 제2 우드칩 거름조;

유기물질이 흡착된 우드칩을 호기성 발효시켜 퇴비화하는 퇴비사;

우드칩 거름조에서 분리된 음식물쓰레기의 유출수를 가압 처리하여 부유물질과 상등수로 분리하는 가압부상조;

반송라인을 통해 유입되는 슬러지에 포함된 질산성 질소(NOx-N)를 가압부상조를 거친 상등수 내 유기물질을 탄소원으로 이용하여 탈질시키는 무산소조;

유기물질 제거에 적합한 호기성 미생물을 활성화시키는 미생물 활성조;

산소 공급 하에 미생물 활성조에서 활성화된 호기성 미생물을 이용하여 무산소조를 거친 피처리물 중의 유기물질과 질소를 산화시키는 폭기조;

폭기조를 거친 피처리물에 포함된 질산성 질소를 탈질미생물에 의해 탈질시키는 탈질조;

탈질조를 거친 피처리물을 침전 슬러지와 상징액으로 분리하는 침전조; 및

침전조에서 분리된 상징액을 화학적 처리하여 생물학적 난분해성 물질을 제거하는 화학응집조를 포함하는 음식물쓰레기의 퇴비화 및 처리 장치.
제12항에 있어서,

상기 장치가 각각의 제1 및 제2 우드칩 거름조, 무산소조, 탈질조 및 퇴비사 내 피처리물을 혼합하는 혼합장치;

제1 및 제2 우드칩 거름조를 거친 유기물질이 흡착된 우드칩을 퇴비사에 투입하는 투입라인;

탈질조에서 무산소조로 슬러지를 반송시키는 반송라인;

침전조에서 퇴비사, 무산소조, 제1 및 제2 우드칩 거름조, 및 미생물 활성조로 각각 슬러지를 반송시키는 반송라인;

가압부상조로부터 슬러지를 퇴비사에 투입하는 투입라인;

침전조로부터 슬러지를 배출하는 슬러지 폐기라인;

폭기조에서 안정화된 처리액을 액비로 활용하기 위한 액비 회수라인; 및

제2 우드칩 거름조로부터 탈질조로 단쇄 유기산을 투입하는 투입라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,

제1 우드칩 거름조로 투입되는 음식물쓰레기의 양이 하루에 68 내지 70 ㎏/ℓ인 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,

제1 및 제2 우드칩 거름조에서 피처리물의 체류시간이 각각 20 내지 24시간 인 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,

가압부상조에서 부상된 부유물질은 반송라인을 통해 퇴비사로 이송되고, 유기물질을 함유하는 상등소는 무산소조로 이송되는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,

미생물 활성조에서 활성화된 호기성 미생물이 폭기조로 이송되고, 미생물 활성조에는 침전조로부터 침전 슬러지가 반송라인을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,

폭기조가 복수개의 분리격판에 의해 복수개의 격실로 나누어져 있고 격실에 따라 용존산소(dissolved oxygen: DO)의 농도를 단계별로 다르게 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
제18항에 있어서,

폭기조가 3단으로 구분되고, 폭기조 1단은 0.5 내지 1.0 ㎎/ℓ의 DO 농도를, 폭기조 2단은 0.2 내지 0.5 ㎎/ℓ의 DO 농도를, 폭기조 3단은 0.1 ㎎/ℓ 이하의 DO 농도를 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,

탈질조에 제1 및 제2 우드칩 거름조로부터 단쇄 유기산을 함유하는 피처리물이 유입되는 것을 특징으로 하는 장치.