KR20100126788A - 유기성 폐기물의 처리방법 및 처리장치와 열에너지 이용방법 - Google Patents

유기성 폐기물의 처리방법 및 처리장치와 열에너지 이용방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래와 같은 열에너지나 송풍에 의한 건조를 수행하거나 톱밥 등의 농업부산물을 섞는 일 없이, 함수율이 높은 유기성 폐기물이라 하더라도 그대로의 상태로 미생물 분해를 촉진시켜 퇴비화나 감량화를 실현할 수 있는 효과적인 유기성 폐기물 처리방법 및 처리장치를 제공하는 것이다. 본 발명은 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물을 처리하는 방법으로서, 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하며, 산소가 공급된 유기성 폐기물의 내부온도를 생화학반응에 의해 상승시키고, 상승된 온도를 유지하며 생화학반응을 계속함으로써, 유기성 폐기물을 퇴비화시킨다. 또한, 그 후에는 퇴비화시킨 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지하며 발열반응을 일으킴으로써, 그 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시킨다.

Description

유기성 폐기물의 처리방법 및 처리장치와 열에너지 이용방법{Method and Apparatus for Treating Organic Waste and Method of Utilizing Heat Energy}
본 발명은 유기성 폐기물의 처리방법 및 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물 내에 산소를 용이하게 도입하고, 자기 발열을 촉진시켜 퇴비화나 감량화를 실현할 수 있는 유기성 폐기물의 처리방법 및 처리장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 유기성 폐기물의 처리방법으로 인해 발생하는 자기발열을 열원으로서 이용하는 방법에 관한 것이다.
생물자원의 순환이용에 대한 의식이 높아짐과 아울러 근래 유기성 폐기물의 대부분이 퇴비화되어, 자원으로서 토양환원되게 되었다. 그 중에서도 가장 퇴비화/자원화가 기대되는 축산배설물인 가축 분뇨나 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물(이하, 이들을 총칭할 때에는 '가축 분뇨 등'이라 한다)은 발생시점에는 고수분으로 소위 곤죽상태로 되어 있는 경우가 대부분이다. 그러한 가축 분뇨는 곤죽상태로 되어 있기 때문에 내부에 공기(산소)를 도입하기 어렵고, 통상의 미생물 분해에 의한 생화학반응이 일어나기 어려워 퇴비화하기 어렵다는 난점이 있다. 그 때문에, 종래에는 함수율을 낮춰 내부에 산소를 도입하기 쉽게 하는 방법이 사용되고 있다.
함수율을 낮추는 한 수단으로서, 유기성 폐기물에 열에너지나 송풍 등을 부여하여 함수율을 낮추는 방법이 있는데, 비용면에서 문제가 있어 현실적이지 못하다. 또한 다른 수단으로서, 축산배설물인 가축 분뇨의 경우와 같이 톱밥, 벼짚, 겉겨 등의 농업부산물을 유기성 폐기물과 혼합하여 수분을 낮추고, 그 결과 공기가 통하기 쉽게 하여 미생물 분해에 의한 생화학반응을 촉진하는 방법이 있는데, 이 경우에는 상기 농업부산물을 조달하기 어려운 지역이 있거나, 설사 조달할 수 있다고 하더라도 농업부산물의 가공작업이 더해져서 비용증대로 이어지거나, 또한 그러한 농업부산물의 혼합은 오히려 총처리량이 늘어나 비용증대로 이어지거나 하는 난점이 있다.
또한, 하기 특허문헌 1에는 가축 분뇨 등을 용기 내에서 가열, 교반함으로써 퇴비화하는 폐기물의 순환재이용방법이 제안되어 있다. 그러나, 이 방법에서도 함수율이 높은 유기성 폐기물에 대해서는 상기와 마찬가지로 열에너지 등을 부여하여 함수율을 낮추어야만 하므로, 여전히 비용면에서 과제가 있다.
한편, 유기성 폐기물을 퇴비화/자원화하지 않고, 감량화하여 자연계로 되돌리는 것도 고려해 볼 수 있는데, 그 경우에도 곤죽상태의 유기성 폐기물은 함수율을 낮추어야만 하므로, 상기와 마찬가지 문제가 발생한다. 또한, 곤죽상태의 유기성 폐기물의 함수율을 단순히 낮추어 건조시키는 것만으로는 미생물 분해에 의한 퇴비화반응이 일어나지 않으며, 건조시킨 유기성 폐기물을 자연계로 다시 되돌리면 원래의 곤죽상태의 유기성 폐기물로 되돌아가 버린다. 또한, 인간의 배설물과 동일한 하수처리를 실시할 정도의 비용도 들일 수 없다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 종래와 같은 열에너지나 송풍에 의한 건조를 실시하거나 톱밥 등의 농업부산물을 섞는 일 없이, 함수율이 높은 유기성 폐기물이라 하더라도 그대로의 상태로 미생물 분해를 촉진시켜 퇴비화나 감량화를 실현할 수 있는 효과적인 유기성 폐기물 처리방법 및 처리장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 그러한 유기성 폐기물의 처리방법 내지 처리장치에 의한 처리로 인해 발생한 열을 효과적으로 이용하는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명자는 함수율이 높은 유기성 폐기물을 퇴비화하여 재이용하거나, 감량화하여 폐기하거나 할 수 있는 효과적인 처리방법 및 처리장치를 연구하는 과정에서, 함수율이 높은 곤죽상태의 유기성 폐기물이라 하더라도 그 내부에 산소를 효과적으로 공급하면, 미생물 분해에 의한 생화학반응이 촉진되어 퇴비화를 실현할 수 있음을 발견하였다. 그리고 더욱 연구를 계속한 결과, 놀랍게도 미생물 분해에 의한 자기발열이 종료하는 온도(약 70℃ 전후)를 초과하여 100℃, 200℃로 온도가 상승하는 현상을 발견하였다. 마찬가지의 온도상승은 함수율이 낮은 유기성 폐기물일지라도 특정 분위기하에 둠으로써 일어남을 발견하였다. 여기에서는 이들의 발견에 기초하여 이루어진 것으로서, 하기 제 1～제 3의 관점에 따른 발명을 제안한다.
즉, 상기 과제를 해결하는 본 발명의 제 1 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법은 특히 곤죽상태의 유기성 폐기물 등의 퇴비화/자원화를 실현하는 것이다. 그 요지는 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물을 처리하는 방법으로서, 상기 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하며, 산소가 공급된 상기 유기성 폐기물의 내부 온도를 상기 생화학반응에 의해 상승시키고, 상승된 온도를 유지하며 상기 생화학반응을 계속함으로써, 상기 유기성 폐기물을 퇴비화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물이라 하더라도, 그 내부에 산소를 강제적으로 공급함으로써, 유기성 폐기물의 생화학반응을 촉진시키며 또한 계속시킬 수 있어, 유기성 폐기물의 퇴비화/자원화를 실현할 수 있다. 이러한 처리방법은 가열이나 송풍에 의한 건조를 실시하거나 톱밥 등의 농업부산물을 혼합하거나 하는 종래기술과는 달리, 함수율이 높은 유기성 폐기물의 미생물 분해를 촉진시켜 퇴비화를 실현할 수 있으며, 또한 건조에 의한 감량화를 실현할 수 있다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 제 2 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법은 특히 곤죽상태의 유기성 폐기물 등의 감량화/폐기화를 실현하는 것이다. 그 요지는 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물을 처리하는 방법으로서, 상기 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하며, 산소가 공급된 상기 유기성 폐기물의 내부 온도를 상기 생화학반응에 의해 상승시키고, 상승된 온도를 유지하며 상기 생화학반응을 계속하는 제 1 반응단계와, 제 1 반응단계 후의 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지하며 발열반응을 일으킴으로써, 상기 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시키는 제 2 반응단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 제 1 관점에 따른 처리방법인 제 1 반응단계 후의 제 2 반응단계로서, 그 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지하며 화학반응을 일으킴으로써, 놀랍게도 미생물 분해에 의한 자기발열이 종료하는 온도(약 70℃ 전후)를 초과하여 100℃, 200℃로 온도를 상승시킬 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물을 충분히 퇴비화할 수 있으며, 더욱 건조시켜 감량화할 수 있고, 또한 그 온도가 더욱 올라감으로 인해 탄화할 수 있으며, 저비용하에서 보다 감량화를 실현할 수 있다. 이 제 2 관점에 따른 처리방법에 의하면, 충분히 퇴비화한 상태에서 건조 내지 탄화시킬 수 있으므로, 자연계에 다시 폐기하여도 종래와 같은 원래의 곤죽상태의 유기성 폐기물로 되돌아가지 않는다.
본 발명의 제 1 및 제 2 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법에 있어서, 상기 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물은, 가축배설물 또는 농산폐기물로서 해당 폐기물의 함수율이 전체적으로 또는 국부적으로 80% 이상이거나, 또는 식품 폐기물로서 해당 폐기물의 함수율이 전체적으로 또는 국부적으로 40% 이상이 되도록 구성하다.
상기의 "정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물"이란, 유기성 폐기물이 곤죽화되어 통기성이 나쁜 것을 가리키며, 구체적으로는 유기성 폐기물이 가축배설물 또는 농산폐기물인 경우에는 그 함수율이 전체적으로 80% 이상인 것이나 전체적으로는 많지 않지만 80% 이상의 함수율 부분을 국부적으로 갖는 것, 또는 유기성 폐기물이 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물인 경우에는 그 함수율이 전체적으로 40% 이상인 것이나 전체적으로는 많지 않지만 40% 이상의 함수율 부분을 국부적으로 갖는 것이다. 이들은 전체적으로 또는 국부적으로 곤죽화되어 있어, 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 것이다. 본 발명에 따르면, 그러한 유기성 폐기물에 대해, 상기 제 1 및 제 2 관점에 따른 처리방법을 적용함으로써, 미생물 분해에 의한 생화학반응을 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 제 1 및 제 2 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법에 있어서, 상기 유기성 폐기물 내부로의 산소의 강제공급이, 산소를 포함하는 미소(微小)가압환경하에 상기 유기성 폐기물을 둠으로써, 또는 상기 유기성 폐기물의 내부에 산소를 직접 주입함으로써 행해지도록 구성한다.
본 발명의 구체적 수단에 의해 유기성 폐기물 내에 산소를 강제공급할 수 있으므로, 미생물 분해에 의한 생화학반응을 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 제 1 및 제 2 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법에 있어서, 상기 미소가압 환경에서의 압력을 대기압 초과 15기압 이하가 되도록 구성한다.
본 발명에 따르면, 상기 압력범위 내이면, 유기성 폐기물 내에 산소를 강제적으로 공급할 수 있으며, 더욱 고가의 압력용기 등을 사용하지 않고도 실현할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법에 있어서, 상기 제 2 반응단계는 상기 유기성 폐기물의 온도를 적어도 55℃ 이상으로 하며, 상기 일산화탄소가 상기 제 1 반응단계 후의 유기성 폐기물을 발생원으로 하고 그 농도를 50ppm 이상으로 하는 환경 하에서 수행하도록 구성한다.
본 발명에 따르면, 유기성 폐기물의 온도를 적어도 55℃ 이상으로 하며, 제 1 반응단계 후의 유기성 폐기물을 발생원으로 한 일산화탄소의 농도를 50ppm 이상으로 한 환경 하에서 제 2 반응단계가 용이하고 효율적으로 진행된다. 그 결과, 미생물 분해에 의한 자기발열이 종료하는 온도(약 70℃ 전후)를 초과하여 100℃, 200℃라는 높은 온도에까지 온도 상승을 용이하게 일으킬 수 있다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 제 3 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법은 특히 곤죽상태로 한정되지 않는 유기성 폐기물의 감량화/폐기화를 실현하는 것으로서, 산소와 일산화탄소의 존재 하에 유지함으로써 발열반응이 발생하는 유기성 폐기물을, 이 유기성 폐기물의 온도를 적어도 55℃ 이상으로 하고, 상기 일산화탄소의 농도는 50ppm 이상으로 한 환경 하에 두어 발열반응을 일으킴으로써, 상기 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 산소와 일산화탄소의 존재 하에 유지함으로써 발열반응이 발생하는 유기성 폐기물을 상기 온도와 일산화탄소 농도 분위기하에 둠으로써, 놀랍게도 그 발열반응이 현저하게 촉진되며, 100℃, 200℃로 온도를 상승시킬 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물을 충분히 건조시켜 감량화할 수 있으며, 또한 그 온도가 더욱 올라감으로 인해 탄화할 수 있고, 저비용하에서 보다 감량화를 실현할 수 있다. 이 제 3 관점에 따른 처리방법에 의하면, 충분히 건조 내지 탄화시킬 수 있으므로, 자연계에 다시 폐기하여도 종래와 같은 원래의 곤죽상태의 유기성 폐기물로 되돌아가지 않는다.
본 발명의 제 3 관점에 따른 유기질 오니의 처리방법에 있어서, 상기 일산화탄소가 상기 유기성 폐기물을 발생원으로 하도록 구성한다.
본 발명에 따르면, 미생물 분해에 의한 생화학반응으로 인해 발열한 유기성 폐기물과 같이, 일산화탄소를 발생하는 것임이 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 처리장치는 유기성 폐기물을 넣었다 빼었다 할 수 있게 수용하는 밀폐가능한 용기와, 상기 용기 내의 압력을 대기압 초과 15기압 이하로 제어할 수 있는 압력제어장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 밀폐가능한 용기와 압력제어장치를 구비하므로, 예를 들면 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물을 그 용기 내에 넣고, 밀폐 후에 상기 범위 내의 압력을 가함으로써, 유기성 폐기물 내에 산소를 강제적으로 공급할 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물 내에서는 미생물 분해에 의한 생화학반응이 일어나며, 예를 들면 퇴비화나 건조를 촉진시킬 수 있다. 특히 제어하는 압력은 그다지 높지는 않으므로, 고가의 압력용기를 채용할 필요도 없다. 따라서, 본 발명의 처리장치는 상기 제 1～제 3 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법을 용이하고 저비용으로 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 유기성 폐기물의 처리장치에 있어서, 상기 용기가 일산화탄소 농도계와 온도계를 추가로 구비하도록 구성한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 열에너지 이용방법은 상기 본 발명의 제 2 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법을 구성하는 제 2 반응단계를 실시함으로 인해 발생한 열, 또는 상기 본 발명의 제 3 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법을 실시함으로 인해 발생한 열을 열원으로서 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법에 의하면, 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물이라 하더라도, 그 내부에 산소를 강제적으로 공급함으로써, 유기성 폐기물의 생화학반응을 촉진시키고 또한 계속시킬 수 있어, 유기성 폐기물의 퇴비화/자원화를 실현할 수 있다. 이러한 처리방법은 가열이나 송풍을 실시하거나 톱밥 등의 농업부산물을 섞거나 하는 종래기술과는 달리, 함수율이 높은 유기성 폐기물의 미생물 분해를 촉진시켜 퇴비화를 실현할 수 있으며, 또한 건조에 의한 감량화를 실현할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법에 의하면, 상기 제 1 관점에 따른 처리방법인 제 1 반응단계 후, 그 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지하며 화학반응을 일으킴으로써, 미생물 분해에 의한 자기발열이 종료하는 온도(약 70℃ 전후)를 초과하여 100℃, 200℃로 온도를 상승시킬 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물을 충분히 퇴비화할 수 있으며, 건조시켜 감량화할 수 있고, 또한 그 온도가 더욱 올라감으로 인해 탄화할 수 있으며, 저비용하에서 보다 감량화를 실현할 수 있다.
본 발명의 제 3 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리장치에 의하면, 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지함으로써 발열반응이 일어나는 유기성 폐기물을 상기 온도와 일산화탄소 농도 분위기하에 둠으로써, 그 발열반응이 현저하게 촉진되어 100℃, 200℃로 온도를 상승시킬 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물을 충분히 건조시켜 감량화할 수 있으며, 또한 그 온도가 더욱 올라감으로 인해 탄화할 수 있고, 저비용하에서 보다 감량화를 실현할 수 있다.
본 발명의 유기성 폐기물의 처리장치에 의하면, 예를 들면 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물을 그 용기 내에 넣고, 밀폐 후에 상기 범위 내의 압력을 인가함으로써, 유기성 폐기물 내에 산소를 강제적으로 공급할 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물 내에서는 미생물 분해에 의한 생화학반응이 일어나, 예를 들면 퇴비화나 건조를 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 열에너지 이용방법에 의하면, 상기 본 발명의 유기성 폐기물의 처리방법으로 발생한 열을 열원으로서 이용하므로, 열에너지를 유효하게 이용할 수 있다. 특히 이러한 열에너지를 축산사업 등의 에너지원으로서 이용함으로써, 사업비용의 절약을 도모하고 경쟁력을 높일 수 있다.
도 1은 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물을 이용하여, 그 내부에 산소를 강제적으로 공급했을 때의 시간과 용기 내부온도와의 관계를 모식적으로 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 처리장치의 일 예를 나타낸 구성도.
도 3은 실험 1(미소고압반응실험)과 실험 2(상압반응실험)에 따른 온도변화를 나타낸 그래프.
도 4는 실험 1과 실험 2에서 얻어진 온도 프로파일을 해석하여 얻은 열발생속도의 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 실험 1의 미소고압반응실험에서의 온도와 가스농도의 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 실험 2의 상압반응실험에서의 온도와 가스농도의 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 공기와 일산화탄소만의 기체반응실험의 온도변화결과를 나타낸 그래프.
도 8은 건조시킨 젖소똥을 약 50℃~약 70℃로 가온한 후, 미소고압반응을 실시했을 때의 온도변화를 나타낸 그래프.
도 9는 젖소똥 이외의 드라이계 바이오매스(목재칩, 현미)의 미소고압반응의 온도변화를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명을 실시형태에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시형태는 본 발명의 바람직한 예로서, 그 실시형태에 한정해석되는 것은 아니다.
도 1은 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물을 사용하여, 그 내부에 산소를 강제적으로 공급했을 때의 시간과 용기 내부온도와의 관계를 모식적으로 나타낸 그래프이다. 이 결과는 본 발명자가 함수율이 높은 곤죽상태의 유기성 폐기물을 퇴비화하여 재이용하거나, 감량화하여 폐기하거나 할 수 있는 효과적인 처리방법을 연구하고 있던 과정에서, 함수율이 높은 유기성 폐기물을 밀폐용기 내에 넣고 약간 가압하면, 가압하지 않을 경우에 비해 유기성 폐기물 내에 많은 산소가 유입되어, 미생물 분해에 의한 자기발열이 촉진되는 '생화학반응영역'(제 1 반응단계)을 나타냄과 아울러, 또한 미생물 분해에 의한 자기발열이 종료하는 온도(약 70℃ 전후)를 초과하여 100℃, 200℃로 온도가 상승하는 '화학반응영역'(제 2 반응단계)을 나타내는 것이다.
[유기성 폐기물의 처리방법]
본 발명에 따른 유기성 폐기물의 처리방법은 3개의 양태로 크게 나눌 수 있다. 첫째는 도 1에 나타낸 생화학반응영역에서의 현상을 이용한 처리방법이며, 둘째는 도 1에 나타낸 생화학반응영역에서의 현상과 화학반응영역에서의 현상을 이용한 처리방법이며, 셋째는 도 1에 나타낸 화학반응영역에서의 현상을 이용한 처리방법이다.
(제 1 처리방법)
먼저, 제 1 처리방법에 대해 설명한다. 제 1 처리방법은 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물에 대해, 그 생화학반응을 촉진시키도록 처리하는 방법으로서, 특히 곤죽상태의 유기성 폐기물 등의 퇴비화/자원화를 효율적으로 실현하는 것이다. 상세하게는 그 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하고, 산소가 공급된 유기성 폐기물의 내부온도를 상기 생화학반응에 의해 상승시키며, 상승된 온도를 유지하며 상기 생화학반응을 계속함으로써, 유기성 폐기물을 퇴비화시키는 방법이다.
유기성 폐기물로서는 미생물 분해에 의한 생화학반응을 일으킬 수 있는 가축배설물(분뇨), 인간배설물(분뇨), 농산폐기물, 하수 오니, 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물(식품잔사) 등을 들 수 있다. 가축은 소, 돼지, 말 등을 예시할 수 있다. 특히, 제 1 처리방법에서는 함수율이 높고, 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물이 대상이 된다. 특히, 전체적으로 또는 국부적으로 곤죽화되어 통기성이 나쁜 것을 대상으로 하는 것이 보다 효과적이다.
유기성 폐기물이 가축배설물(분뇨)이나 농산폐기물 등과 같이 섬유질을 많이 포함하는 것인 경우에는 그 함수율은 그 유기성 폐기물 전체적으로 80% 이상이거나, 혹은 전체적으로는 많지 않지만 국부적으로 80% 이상이다. 이러한 높은 함수율의 유기성 폐기물은 곤죽상태로 되어 있기 때문에, 미생물에 의한 생화학반응을 일으키기 위한 산소가 곤죽상태의 표면으로부터 내부에 파고들기 어렵다. 그 때문에, 미생물에 의한 생화학반응이 진행되기 어렵고, 그 생화학반응에 기초한 내부온도의 상승도 느리며, 그 결과 소위 퇴비화에 장시간이 걸리게 된다. 그러나, 이 제 1 처리방법은 그러한 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하므로, 산소가 공급된 유기성 폐기물의 내부온도를 생화학반응에 의해 신속하게 상승시킬 수 있다. 또한, 상승된 온도를 유지할 수 있도록 유기성 폐기물을 넣는 반응용기의 주변을 단열재 등으로 보온하면, 활발한 생화학반응을 계속할 수 있어 유기성 폐기물의 퇴비화를 보다 촉진할 수 있다. 또한, 유기성 폐기물의 함수율이 높은 경우일수록 본 발명의 처리방법은 효과적이며, 예를 들면 83% 이상이거나 87% 이상인 경우와 같이, 높은 함수율의 유기성 폐기물에 대해 특히 바람직하게 적용될 수 있다.
전체적인 또는 국부적인 함수율이 80% 미만인 경우에는 산소가 유기성 폐기물의 내부에 파고들기 어려운 현상은 약간 약하므로, 그 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하는 필요성은 약해지며, 정치상태에서도 내부에 산소가 파고들어 생화학반응이 일어나 온도가 서서히 상승한다. 따라서, 80% 미만인 경우에는 산소를 강제적으로 내부에 공급한다는 제 1 처리방법 특유의 수단을 적용할 필요는 반드시 없다. 그러나, 생화학반응을 보다 촉진시킨다는 관점에서는 적용하여도 좋다.
또한, 유기성 폐기물이 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물인 경우에는 그 함수율이 그 유기성 폐기물 전체로서 40% 이상이거나, 전체적으로는 많지 않지만 국부적으로 40% 이상이다. 상기한 가축배설물(분뇨)이나 농산폐기물 등과 같이 섬유질을 많이 포함하는 것인 경우에는 전체 또는 국부적인 함수율이 80% 이상에서 곤죽화되는데, 섬유질을 그다지 많이 포함하지 않는 음식물 쓰레기 등에서는 80% 미만에서도 곤죽화되며, 통상 40% 이상에서 곤죽화되는 경향이 있다. 그 때문에, 이 제 1 처리방법은 이러한 함수율을 갖는 곤죽화된 식품폐기물에서도 상기와 마찬가지로, 그 내부에 산소를 강제적으로 공급하여 내부 온도를 생화학반응에 의해 신속하게 상승시킬 수 있으며, 유기성 폐기물의 퇴비화를 보다 촉진할 수 있다.
함수율이 '전체적으로'란, 유기성 폐기물에 수분이 균등하게 또는 비교적 균등하게 포함되어 있는 경우의 비율을 가리키고 있다. 한편, 함수율이 '국부적으로'란, 유기성 폐기물 전체로서는 80% 미만(축산배설물 등의 경우) 또는 40% 미만(음식물 쓰레기와 같은 식품폐기물의 경우)일지라도, 부분적으로 보면 80% 이상 또는 40% 이상의 곤죽상태로 되어 있는 부분이 있는 경우를 가리킨다.
유기성 폐기물 전체의 함수율 측정은 어느 정도 양의 유기성 폐기물을 시료로서 채취하고, 그 시료의 건조 전후의 질량측정으로 평가할 수 있다. 한편, 유기성 폐기물의 국부적인 함수율은 국부적으로 소량의 시료를 채취하여, 그 건조 전후의 질량측정에 의해 평가할 수 있다.
유기성 폐기물 내로의 산소 공급은 강제적으로 이루어진다. 이러한 강제적인 공급에 의해, 산소를 내부에 도입하기 어려운 유기성 폐기물의 생화학반응을 촉진할 수 있다. 공급되는 산소는 산소가스 그 자체이어도 좋으며, 산소와 다른 캐리어를 혼합한 가스이어도 좋지만, 통상적으론 산소를 약 20% 정도 포함하는 일반적인 공기가 사용된다.
산소의 강제적인 공급수단의 구체예로서는, 예를 들면 산소를 포함하는 미소가압 환경하에 유기성 폐기물을 두는 것, 또는 유기성 폐기물의 내부에 산소를 직접 주입하는 것 등을 들 수 있다.
전자의 산소공급수단은 예를 들면 도 2에 나타낸 바와 같이, 가압가능한 밀폐용기 내에 유기성 폐기물을 넣고, 그 용기에 공기를 넣어 미소가압 환경으로 만드는 것이다. 이 수단에 있어서, 용기 내의 압력은 대기압(1기압) 초과 15기압 이하인 것이 바람직하다. 이러한 압력범위 내이면, 산소는 유기성 폐기물 내에 용이하게 파고들 수 있다. 또한, 고가의 압력용기 등을 사용하지 않아도 좋다. 또한, 보다 효과적인 산소공급을 위해서는 2기압 이상 10기압 이하인 것이 바람직하며, 보다 저렴한 용기의 관점에서는 2기압 이상 5기압 이하인 것이 보다 바람직하다.
한편, 후자의 산소공급수단은 밀폐형 용기이든 개방형 용기이든 상관없지만,그러한 용기 내에 유기성 폐기물을 넣고 그 유기성 폐기물에 직접 산소를 공급하는 수단이며, 보다 구체적으로는 예를 들면 복수의 튜브를 유기성 폐기물에 찔러넣고, 그 튜브 내에 공기(산소)를 통과시켜 유기성 폐기물 내에 넣는 수단을 들 수 있다. 또한, 동일한 원리이면 특별히 다른 구조형태를 구비하는 것이어도 좋다.
산소가 존재하는 분위기하에서는 유기성 폐기물 내에 존재하는 미생물의 유기물 분해에 의한 생화학반응이 일어난다. 이 생화학반응은 대사열을 발생하여 유기성 폐기물의 온도가 상승하며, 유기성 폐기물은 약 70℃ 전후가 된다. 이 제 1 처리방법에서는 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물에 대해, 강제적으로 산소를 공급하므로 생화학반응이 촉진되어 온도가 상승하며, 수분증발로 인해 적당한 수분상태로 변화하고, 미생물의 유기물 분해가 보다 한층 촉진되어 퇴비화 등도 촉진시킨다.
또한 이 처리방법에 따르면, 유기성 폐기물 내에서의 미생물에 의한 생화학반응이 산소존재 하에서 이루어진다. 밀폐형으로 함으로써, 미생물 반응에 의해 부차적으로 발생하는 암모니아의 포착이 용이해지기 때문에, 효과적인 냄새 대책이 가능하며, 유기성 폐기물 처리에 자주 부수되는 주위환경에 대한 악취공해도 경감시킬 수 있다.
이상 설명한 제 1 처리방법에 따르면, 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물일지라도, 그 내부에 산소를 강제적으로 공급함으로써 유기성 폐기물의 생화학반응을 촉진시키며 또한 계속시킬 수 있어, 유기성 폐기물의 퇴비화/자원화를 실현할 수 있다. 이러한 처리방법은 가열이나 송풍으로 인한 건조를 실시하거나 톱밥 등의 농업부산물을 섞거나 하는 종래기술과는 달리, 함수율이 높은 유기성 폐기물의 미생물 분해를 촉진시켜 퇴비화를 실현할 수 있으며, 또한 건조에 의한 감량화를 실현할 수 있다.
(제 2 처리방법)
다음으로, 제 2 처리방법에 대해 설명한다. 제 2 처리방법은 상기한 제 1 처리방법과 마찬가지로, 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물(특히 곤죽상태의 것)에 대해, 그 생화학반응을 촉진시켜 퇴비화/자원화시키는 제 1 반응단계와, 더욱 그 유기성 폐기물을 감량화하거나 또는 탄화하는 제 2 반응단계를 구비하는 처리방법이다. 상세하게는 그 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하며, 산소가 공급된 상기 유기성 폐기물의 내부 온도를 상기 생화학반응에 의해 상승시키고, 상승한 온도를 유지하며 상기 생화학반응을 계속하는 제 1 반응단계와, 이 제 1 반응단계 후의 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지하며 발열반응을 발생시켜, 그 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시키는 제 2 반응단계를 포함하는 방법이다.
이 제 2 처리방법에 있어서, 제 1 반응단계는 상기 제 1 처리방법과 동일하므로, 상기 제 1 처리방법의 설명란에서 설명한 기술적 사항(유기성 폐기물, 그 함수율, 산소의 공급 등)이나 작용효과에 대한 설명은 여기에서는 생략한다.
제 2 반응단계는 제 1 반응단계 후의 반응이 일어나는 단계이며, 제 1 반응단계 후, 즉 제 1 처리방법으로 처리된 후의 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재 하에 유지하며 발열반응을 발생시킴으로써, 그 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시키는 반응단계이다.
제 2 반응단계에서의 유기성 폐기물은 제 1 반응단계에서 적어도 55℃ 이상의 온도로 되어 있는 것이 필요하다. 또한, 함수율은 특별히 한정되지 않지만, 제 1 반응단계 개시시와 동일하거나 또는 약간 수분이 보다 감소한 정도이다. 예를 들면, 30%～80% 미만 정도의 범위로 되어 있는 경우가 대부분이다.
이러한 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지함으로써 발열하는 것을 본 발명자는 발견하였다. 이 제 2 반응단계는 이러한 발열반응을 일으키는 단계이며, 그 결과 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시킬 수 있다.
이 발열반응의 상세한 사항은 충분히 명확하지는 않지만, 유기성 폐기물에 산소가 반응하여 이산화탄소를 발생시킬 때의 발열반응과, 유기성 폐기물에 산소가 반응하여 일산화탄소를 발생시키는 발열반응과, 일산화탄소와 산소가 반응하여 이산화탄소를 발생시키는 발열반응을 적어도 하나 포함하는 반응이라고 생각된다.
제 2 반응단계는 밀폐환경 하에서 이루어지는 것이어도 좋고, 대기개방환경 하에서 이루어지는 것이어도 좋은데, 적어도 대기중과 동일 정도의 산소가 존재하고 있으면 된다. 또한, 제 1 반응단계가 밀폐환경 하에서 이루어진 경우에는 제 2 반응단계도 연속적으로 제 1 반응단계와 동일한 밀폐환경 하에서 이루어져도 좋으며, 제 2 반응단계는 대기개방환경 하에서 이루어져도 좋다. 제 1 반응단계와 제 2 반응단계의 반응환경을 만족시키는 것이면, 그 반대이어도 좋다.
제 2 반응단계에서는 일산화탄소의 존재가 필수적이다. 일산화탄소는 제 1 반응단계에서 얻어진 유기성 폐기물이 산소와 불완전하게 반응하여 생성된다. 이렇게 생성된 일산화탄소의 농도는 50ppm 이상, 바람직하게는 100ppm 이상이다. 일산화탄소의 농도가 50ppm 이상임으로 인해, 제 2 반응단계에서의 발열반응이 활발하게 이루어져 온도가 현저하게 상승하며, 유기성 폐기물의 건조나 탄화를 진행시킬 수 있다. 일산화탄소의 농도가 50ppm 미만에서는 50ppm 이상 존재하는 경우에 비해 발열반응이 약간 불충분하여 온도도 그다지 올라가지 않는 일도 있으며, 유기성 폐기물의 건조나 탄화의 진행이 둔해진다.
일산화탄소는 유기성 폐기물과 산소가 반응하여 발생하는데, 그러한 일산화탄소는 제 2 반응단계가 이루어지는 환경 전체의 농도로서 포함되어 있어도 좋다. 이 경우의 유기성 폐기물은 일산화탄소가 대기중에 개방되지 않는 밀폐환경에 놓여져 있는 것이 바람직하다.
한편, 유기성 폐기물의 내부에서 발생한 일산화탄소는 유기성 폐기물 밖으로 그다지 방출되지 않고, 그 내부에서 추가로 산소와 반응하여 발열반응을 일으켜도 좋다. 따라서, 이 경우의 유기성 폐기물은 대기개방환경에 놓여져 있어도 좋다. 물론 밀폐환경 하이더라도 상관없다. 또한, 이와 같이 내부에서 발생한 일산화탄소가 유기성 폐기물 밖으로 그다지 방출되지 않는 상태란, 유기성 폐기물의 내부의 일부가 부분적으로 통기성이 나쁘며, 국소적으로 일산화탄소가 발생하는 경우 등을 들 수 있다.
제 2 반응단계에서의 유기성 폐기물의 온도는 적어도 55℃ 이상인 것이 바람직하며, 약 70℃ 전후 이상인 것이 보다 바람직하다. 특히, 이 온도가 중요해지는 것은 제 1 반응단계로부터 제 2 반응단계로 이행하는 경우이다. 즉, 제 1 반응단계에서는 미생물에 의한 생화학반응으로 인해 온도가 상승하며, 통상 그 온도가 약 70℃ 전후로까지 상승한다. 이 약 70℃ 전후의 온도이면, 제 2 반응단계가 용이하게 시작되며, 유기성 폐기물과 산소 내지 일산화탄소와의 발열반응이나, 일산화탄소와 산소와의 발열반응이 용이하게 일어나기 쉽다. 한편으로, 그러한 온도에 도달해 있지 않더라도, 적어도 55℃ 이상의 온도로 유기성 폐기물이 되어 있으며 거기에 산소와 일산화탄소가 공급되면, 상기 각 발열반응이 일어나 온도상승이 발생하며, 또한 발열반응이 일어나기 쉬워진다.
유기성 폐기물의 처리에 요하는 시간(기간)은 처리대상인 유기성 폐기물의 종류나 함수율 등의 상황에 따라서도 다르지만, 상기 제 1 처리방법이나 이 제 2 처리방법의 제 1 반응단계에 따른 약 70℃ 전후까지의 온도상승에 요하는 일수로서는 통상 0.5일 이상, 3일 이하 정도이며, 이 제 2 처리방법의 제 2 반응단계에 따른 예를 들면 100℃, 200℃라는 고온에 도달할 때까지의 일수로서는 3일 이상, 14일 이하 정도이다. 따라서, 유기성 폐기물의 처리량과의 관계로, 처리용기 내지 후술하는 처리장치를 복수대 준비하여 실시하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 제 2 처리방법에 따르면, 상기 제 1 처리방법인 제 1 반응단계 후의 제 2 반응단계로서, 그 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지하며 화학반응을 일으킴으로써, 미생물 분해에 의한 자기발열이 종료하는 온도(약 70℃ 전후)를 초과하여 100℃, 200℃로 온도를 상승시킬 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물을 충분히 퇴비화할 수 있으며, 더욱 건조시켜 감량화할 수 있고, 또한 그 온도가 더욱 올라감으로 인해 탄화할 수 있으며, 저비용하에서 보다 감량화를 실현할 수 있다. 이 제 2 처리방법에 따르면, 충분히 퇴비화한 상태에서 건조 내지 탄화시킬 수 있으므로, 자연계에 다시 폐기하여도 종래와 같은 원래의 곤죽상태의 유기성 폐기물로 되돌아가지 않는다.
또한, 특히 바람직하게는 유기성 폐기물의 온도를 적어도 55℃ 이상으로 하고, 제 1 반응단계 후의 유기성 폐기물을 발생원으로 한 일산화탄소의 농도를 50ppm 이상으로 한 환경으로 만듦으로써, 제 2 반응단계가 용이하고 효율적으로 진행된다. 그 결과, 미생물 분해에 의한 자기발열이 종료하는 온도(약 70℃ 전후)를 초과하여 100℃, 200℃라는 높은 온도에까지 온도상승을 용이하게 일으킬 수 있다.
(제 3 처리방법)
다음으로, 제 3 처리방법에 대해 설명한다. 제 3 처리방법은 상술한 제 2 처리방법과 동일한 제 2 반응단계에 따른 것인데, 상술한 제 1 및 제 2 처리방법과는 달리, 곤죽상태로 한정되지 않는 유기성 폐기물의 감량화/폐기화를 실현하는 것이다. 상세하게는 제 2 처리방법에서의 제 2 반응단계와 마찬가지로, 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지함으로써 발열반응이 발생하는 유기성 폐기물을 그 유기성 폐기물의 온도를 적어도 55℃ 이상으로 하고, 상기 일산화탄소의 농도를 50ppm 이상으로 한 환경 하에 두고 발열반응을 일으킴으로써, 상기 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시키는 방법이다.
이 제 3 처리방법에서는 유기성 폐기물의 함수율은 관계없으며, 곤죽상태이든 아니든 상관없다. 따라서, 제 1 처리방법이나 제 2 처리방법의 제 2 반응단계를 거치지 않는 유기성 폐기물이어도 적용된다. 예를 들면, 이미 퇴비화된 유기성 폐기물을 사용할 수도 있으며, 또한 함수율이 낮은 젖소똥, 목재칩, 현미 등과 같은 탄소를 기질로 갖는 드라이계의 바이오매스 재료를 유기성 폐기물로서 사용할 수도 있으며, 어느 것이든 제 3 처리방법을 적용하여 보다 감량화하거나 탄화시키거나 할 수도 있다. 또한, 일산화탄소는 이러한 유기성 폐기물을 발생원으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 제 3 처리방법에서의 유기성 폐기물의 온도나 일산화탄소 농도는 제 2 처리방법의 제 2 반응단계와 마찬가지이므로, 여기에서는 그 설명을 생략한다.
이상 설명한 제 3 처리방법에 따르면, 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지함으로써 발열반응이 일어나는 유기성 폐기물(바이오매스 재료)을 상기 온도와 일산화탄소농도 분위기하에 둠으로써, 발열반응이 일어나고 또한 그 발열반응이 현저하게 촉진되어 100℃, 200℃로 온도를 상승시킬 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물(바이오매스 재료)을 충분히 건조시켜 감량화할 수 있고, 또한, 그 온도가 더욱 올라감으로 인해 탄화시킬 수 있으며, 저비용하에서 보다 감량화를 실현할 수 있다. 그리고, 이 제 3 관점에 따른 처리방법에 따르면, 충분히 건조 내지 탄화시킬 수 있으므로, 자연계에 다시 폐기하여도 종래와 같은 원래의 곤죽상태의 유기성 폐기물로 되돌아가지 않는다.
(처리장치)
다음으로, 유기성 폐기물의 처리장치에 대해 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 유기성 폐기물의 처리장치의 일 예를 나타낸 구성도이다. 도 2에 나타낸 처리장치는 유기성 폐기물을 밀폐환경 하에 두고, 그 환경을 미소가압상태로 하여 상기 본 발명의 처리방법을 적용하는 장치이다. 상세하게는 도 2에 나타낸 바와 같이, 유기성 폐기물을 넣었다 빼었다 할 수 있게 수용하는 밀폐가능한 용기(2)와, 그 용기(2) 내의 압력을 대기압 초과 15기압 이하로 제어할 수 있는 압력제어장치를 구비하고 있다.
용기(2)는 유기성 폐기물을 수용하고, 예를 들면 대기압 초과 15기압 이하의 내압에 견딜 수 있는 용기이다. 용기(2)는 유기성 폐기물을 넣었다 빼었다 할 수 있는 개폐부(미도시)를 구비하고 있는데, 그 개폐부는 덮개 형태이어도 좋고 문 형태이어도 좋으며, 특별히 한정되지 않는다. 용기의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 유기성 폐기물에 대해 내부식성이 있으며, 또한 내열성이 있는 재질로 이루어진 것이면 되며, 예를 들어 스테인리스강 등을 예시할 수 있다.
이 용기에는 일산화탄소 농도계나 온도계(모두 미도시)가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 온도계는 상술한 본 발명의 처리방법에서 설명한 생화학반응시나 화학반응시의 온도를 측정하고, 각 반응의 진행상황 등의 확인에 편리하다. 또한, 일산화탄소계는 상술한 본 발명의 처리방법에서 설명한 화학반응시의 일산화탄소 농도를 측정하고, 화학반응의 진행상황 등의 확인에 편리하다. 이러한 측정장치는 시판되는 것을 사용할 수 있으며, 그 설치장소도 임의로 할 수 있다.
또한, 압력계(미도시)도 설치되어 있는 것이 바람직하다. 압력계는 용기 내부의 압력을 측정하며, 용기(2) 내의 압력을 조정하기 위해 이용된다.
압력제어장치는 용기(2) 내의 압력을 소정의 압력으로 조정하기 위한 장치이다. 도 2에 나타낸 장치(10)에서는 고압가스봄베(1)와, 봄베(1)와 용기(2)를 연결하는 입기관(3)과, 입기관(3)의 도중에 봄베(1) 또는 용기(2)에 마련되어 용기 내로 넣는 가스량을 조정하는 제 1 밸브(4)와, 용기(2) 내의 가스를 배기하는 배기관(5)과, 용기(2) 또는 배기관(5)에 마련되어 용기(2) 내의 가스량을 조정하는 제 2 밸브(6)를 구비하고 있다.
고압가스봄베(1)는 압축공기가 들어간 봄베 등을 예시할 수 있다. 제 1 밸브(4)와 제 2 밸브(6)는 콕크식의 수동제어밸브이어도 좋지만, 압력계로부터의 데이터에 기초하여 구동하는 자동제어밸브인 것인 바람직하다. 용기(2) 내의 압력을 정확하게 제어할 수 있으면, 유기성 폐기물의 반응을 안정적으로 실시할 수 있다.
또한, 도 2에 나타낸 처리장치(10)는 본 발명의 처리장치의 일 예로서, 도시한 구조형태에 한정되는 것은 아니다. 봄베(1) 대신에, 압축펌프나 콤프레셔 등의 압력인가수단을 적용할 수도 있다. 또한, 용기 내의 압력이 내부온도의 상승에 따라 상승하여도 봄베측으로 역류하는 것을 방지하는 압력체크밸브(미도시)가 입기관(3)에 마련되어 있어도 좋다. 또한, 용기(2)의 주위에는 단열챔버(7)를 마련하는 것이 바람직하다. 이 단열챔버(7)는 용기(2)의 온도를 보온할 수 있으며, 용기 내에서의 유기성 폐기물의 미생물에 의한 제 1 반응단계인 생화학반응속도 및 제 2 반응단계인 화학반응속도를 저하시키지 않도록 작용한다.
이러한 처리장치(10)에 따르면, 밀폐가능한 용기와 압력제어장치를 구비하므로, 예를 들면 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 곤죽상태의 유기성 폐기물을 그 용기 내에 넣고, 밀폐 후에 소정의 압력을 인가함으로써, 유기성 폐기물 내에 산소를 강제적으로 공급할 수 있다. 그 결과, 유기성 폐기물 내에서는 미생물 분해에 의한 생화학반응이 일어나, 예를 들면 퇴비화나 건조를 촉진시킬 수 있다. 특히 제어하는 압력은 그다지 높지는 않으므로, 고가의 압력용기를 채용할 필요도 없다. 따라서, 본 발명의 처리장치는 상술한 유기성 폐기물의 처리방법을 용이하고 저비용으로 실시할 수 있다.
(열에너지의 이용방법)
다음으로, 상기 본 발명의 처리방법시의 발열원리를 활용한 열에너지의 이용방법에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 열에너지의 이용방법은 상기 본 발명의 제 2 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법을 구성하는 제 2 반응단계를 실시함으로 인해 발생한 열, 또는 상기 본 발명의 제 3의 관점에 따른 유기성 폐기물의 처리방법을 실시함으로 인해 발생한 열을 열원으로서 이용하는 방법이다.
이 열에너지의 이용방법은 상기 제 2 처리방법의 제 2 반응단계나 제 3 처리방법에 있어서, 산소와 일산화탄소의 존재와 소정의 온도 이상의 환경 하에 유기성 폐기물을 두었을 때, 그 유기성 폐기물이 화학반응하여 발열하여 온도가 고온까지 상승하는 것을 이용한다.
구체적인 이용방법으로서는 용기 내에서 유기성 폐기물을 처리하여, 그 용기 내에서 발생한 수증기를 열원으로서 열교환하는 방법을 들 수 있다. 이 경우에는 열교환기가 사용되는데, 그 열교환기는 용기로부터 고온 수증기를 도입하여 고온측 열원으로서 외부에 열에너지를 공급하도록, 용기에 직접 또는 배관을 통해 설치된다.
또한, 용기 내에서 유기성 폐기물 처리를 실시하며, 그 용기 내에서 발생한 수증기를 냉매용 열원으로서 냉난방에 이용하는 방법도 들 수 있다.
온도가 예를 들면 100℃, 200℃라는 고온에 도달할 때까지의 일수로서는 3일 이상, 14일 이하 정도이므로, 화학반응에서 발생하는 열을 열원으로서 이용할 경우에는, 예를 들면 도 2에 나타낸 처리장치를 복수대 병설하고, 유기성 폐기물의 투입시기를 순차적으로 어긋나게 하여 운전함으로써, 연속적인 열원으로서 이용할 수 있다.
이러한 이용시에는 열교환기에서 냉각된 수증기를 재차 처리용기 내에 환류시켜 수분을 순환이용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 유기성 폐기물의 탄화를 억제하여, 유기성 폐기물을 발열용 원료로서 비교적 장시간 지속적으로 이용할 수 있다.
[실시예]
이하, 구체적인 실험예를 나타내어 본 발명의 유기성 폐기물의 처리방법에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
(실험 1)
실험 1로서, 미소고압 하에서의 반응실험을 실시하였다. 실험시료로서, 우츠노미야대학 농학부 부속농장에서 채취한 젖소똥을 사용하며, 이를 약 50~60%w.b.의 함수율로 조정하여, 약 15시간 30℃에서 정치한 후에 실험에 제공하였다. 실험장치는 도 2에 나타낸 것과 마찬가지의 구조형태로 이루어진 미소고압 반응장치를 사용하며, 1L의 반응조에 시료 220g(함수율 : 51.6%w.b.)을 넣었다. 반응조의 배기구를 닫고, 공기 봄베로부터 반응조 내로 공기를 보내어 반응조 내의 압력을 1MPa으로 유지하였다. 이 실험은 사용한 실험장치의 특성을 고려하여, 온도가 약 110℃에서 120℃에 도달한 시점에서 종료하였다.
실험 1의 반응 중의 가스분석을 실시하였다. 반응 중의 가스농도는 가스검지기(GASTEC, Japan)를 사용하여 계측하였다. 미소고압반응에서는 1L의 가스채취백으로 가스를 채취한 후에 측정하였으며, 상압반응에서는 반응조의 배기반응조의 배기기로부터 직접 측정하였다. 분석대상으로 한 가스는 산소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 암모니아로 하였다.
(실험 2)
실험 2로서, 상압 하에서의 반응실험을 실시하였다. 실험시료는 상기 실험 1의 것과 동일한 것을 실험에 제공하였다. 실험장치도 실험 1과 동일한 장치를 사용하며, 1L의 반응조에 시료 250g(함수율 : 61.0%w.b.)을 넣었다. 반응조에는 약 0.6Lmin-1kg-vm-1의 공기를 통기하였다. 약 70℃ 전후의 퇴비화 온도에 도달한 후, 반응조의 입기구와 배기구를 닫고, 상압 하에서 반응조를 밀폐하였다. 이 실험도 사용한 실험장치의 특성을 고려하여, 온도가 약 110℃로부터 약 120℃에 도달한 시점에서 종료하였다. 또한, 실험 2에서도 실험 1과 동일한 가스 분석을 실시하였다.
(온도변화의 결과)
도 3은 실험 1(미소고압반응실험)과 실험 2(상압반응실험)에 의한 온도변화를 나타낸 그래프이다. 도 3 중, 부호 A는 실험 1의 미소고압반응실험을 가리키며, 부호 B는 실험 2의 상압반응(컴포스트화 + 반응조 밀폐)을 가리키며, 부호 C는 실험 2에서 반응조를 밀폐(컴포스트화)한 약 75℃의 시점을 가리키고 있다. 실험 1의 미소고압반응실험에서는 약 70℃에서 약 90℃ 부근까지는 대략 직선적으로 온도가 상승하며, 그 후 지수함수적으로 온도가 상승하고 있다. 또한, 실험 2의 상압반응실험에서는 온도가 반응조를 밀폐한 약 75℃로부터 실험이 종료할 때까지 직선적으로 상승하였다. 어느 것에 있어서도, 쌍방 모두 통상의 퇴비화에서는 일어날 수 없는 약 120℃나 되는 고온에 도달하였다. 또한, 고온에 견디는 용기를 사용하여 확인한 결과, 쌍방의 온도는 도달일수의 차이는 있었지만, 모두 200℃에까지 이른 것을 확인하였다.
(열발생속도의 결과)
실험 1과 실험 2에 있어서, 얻어진 온도 프로파일을 해석하여 열발생속도를 산출하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4 중, 부호 A는 실험 1의 미소고압반응실험을 가리키며, 부호 B는 실험 2의 상압반응(컴포스트화 + 반응조 밀폐)을 가리키고 있다. 쌍방 모두 상온에서 약 70℃까지는 약 40℃와 약 60℃로 열발생속도의 피크가 관찰되며, 확실하게 통상의 퇴비화에서도 관찰되는 중온 미생물과 고온 미생물에 의한 활성의 피크라고 이해된다. 단, 상압반응실험 쪽이 약 70℃까지의 미생물 활성은 높은 것을 알 수 있다.
한편, 약 70℃ 이상의 반응은 통상의 퇴비화에서는 생각할 수 없으며, 미생물로 인한 반응이라고는 생각하기 어렵다. 이 점으로부터 미소고압반응실험, 상압반응실험 모두 온도 상승에 따른 2종류의 반응이 진행되고 있다고 말할 수 있다. 즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상온으로부터 약 70℃ 부근(Phase A)까지의 반응과, 약 70℃ 이상(Phase B)에서 발생하는 반응이다. Phase A에서의 반응은 퇴비화와 동일한 반응이며, 미생물에 의한 유기물 분해의 결과 대사열이 발생하여 온도가 상승하는 생화학반응이라고 이해되고, 한편 Phase B에서의 반응은 통상의 퇴비화에서는 전혀 볼 수 없는 반응이며, 화학적인 반응이 온도를 상승시키고 있다고 이해된다.
(실험 1의 가스분석결과)
도 5는 실험 1의 미소고압 반응실험에서의 온도와 가스농도의 변화를 나타낸 그래프이다. 반응개시 직후에는 미생물의 활동으로 인해 산소가 소비되며, 산소농도가 저하되어 이산화탄소농도가 상승하였다. 온도가 약 80℃ 부근까지는 산소농도, 이산화탄소농도 모두 거의 변동이 없는 추이를 보였지만, 약 80℃ 이상에서는 산소농도는 저하되며 이산화탄소농도는 상승으로 전환하였다.
한편, 일산화탄소농도는 시간에 따라 상승하고 있으며, 약 80℃ 이상에서의 일산화탄소의 상승이 현저하였다. 약 90℃ 이상에서의 산소농도의 저하는 시료(젖소똥)를 구성하는 탄소와 산소의 반응(C + O2 = CO2 + 94.1kcal, C + 1/2O2 = CO + 26.4kcal), 및 일산화탄소와 산소의 반응(CO + 1/2O2 = CO2 + 67.6kcal)에 의해 산소가 소비된 것에 기인하고 있다고 미루어 알 수 있다. 마찬가지로, 상기 반응에 의해 이산화탄소농도가 상승하였다고 생각된다. 또한 상기 반응은 발열반응이므로, 이러한 각 화학반응이 Phase B에서의 온도상승에 기인하고 있다고 생각된다.
(실험 2의 가스분석 결과)
도 6은 실험 2의 상압반응실험에서의 온도와 가스농도의 변화를 나타낸 그래프이다. 반응개시 직후에는 미소고압반응과 마찬가지로, 미생물활동의 결과 산소농도가 저하되어 이산화탄소 농도가 상승하였다. 단, 약 75℃까지 상압반응실험은 통기를 실시하고 있으며, 통상의 퇴비화 반응과 별반 차이가 없으므로, 일단 저하된 산소농도는 다시 상승하며, 마찬가지로 이산화탄소 농도도 저하되었다. 한편, 일산화탄소 농도는 통상의 퇴비화반응에서도 10~50ppm 정도인 일산화탄소가 배출되었다. 또한, 암모니아는 약 70℃ 이상의 온도에서 높은 배출농도를 나타내었다.
상압반응에서는 퇴비화(Phase A)에서의 최고온도가 약 75℃이며, 그 시점에서 반응조의 입기구와 배기구를 닫아 밀폐시켰다. 그 직후부터 산소농도가 급격히 저하되어, 가스검지관의 검출범위인 6% 이하로까지 저하되었다. 그에 따라, 미소고압반응시와 마찬가지의 화학반응에 의해, 이산화탄소 농도는 상승하였다고 생각된다. 한편, 일산화탄소는 반응조를 밀폐한 후 급격히 증가하기 시작하여, 약 100℃에서 1500ppm까지 상승하였다. 그러나, 약 80℃~약 100℃에서 산소농도가 검출한계 이하로 추이되었음에도 불구하고, 일산화탄소 농도나 이산화탄소 농도는 대폭 높아졌다. 이와 같이 일산화탄소와 이산화탄소가 생성되기 위해서는 탄소나 이산화탄소와 결합하기 위한 산소가 필요한데, 분석결과에서는 산소농도는 매우 낮기 때문에, 아직 명확하지는 않지만, 그 산소는 유기성 폐기물 성분으로부터 공급되고 있다고 미루어 짐작된다.
상압반응에서의 온도상승 메카니즘도 미소고압반응과 마찬가지로, 상온～약 70℃까지의 Phase A에서는 미생물에 의한 생화학반응으로 온도가 상승하며, 약 70℃～약 120℃를 초과하는 고온은 C + O2 = CO2 + 94.1kcal, C + 1/2O2 = CO + 26.4kcal, CO + 1/2O2 = CO2 + 67.6kcal의 화학반응에 의해 온도가 상승한다고 생각된다. 또한, 온도는 압력의 유무에 상관없이 매우 높은 온도까지 상승하는 것이 밝혀졌다. 단, 상압반응에서는 Phase B에서의 온도상승이 직선적인 것에 비해, 미소고압반응에서는 약 90℃로부터 온도나 열발생속도가 지수함수적으로 상승하고 있으며, 약 90℃ 이상에서는 압력이 지수함수적인 온도의 상승에 기여하고 있다고 미루어 짐작되었다.
(Phase B에서의 일산화탄소 효과의 검증)
도 7은 공기와 일산화탄소만의 기체반응실험의 온도변화결과를 나타낸 그래프이다. Phase B의 반응이 일산화탄소를 중심으로 한 가스만으로 인한 반응이면, 빈 반응조에 공기와 일산화탄소만을 충전하는 것만으로 온도는 상승하게 된다. 반응조에 공기와 일산화탄소를 충전하고, 온도를 약 60℃에서 약 80℃로 강제적으로 가온한 결과, 상압에서도 미소고압에서도 공기와 일산화탄소만으로 온도가 상승함이 확인되었다. 물론, 대조구로서 공기만으로 미소고압반응을 실시한 경우, 온도는 상승하지 않았다. 단, 반응조에 공기와 '젖소똥의 미소고압반응 후의 가스'를 혼합하여 실험을 실시한 결과, 일산화탄소 농도가 100ppm일 때는 온도가 상승하였지만, 일산화탄소 농도가 25ppm 이하일 때는 온도가 저하되었다. 온도를 상승시키기 위해서는 최저한의 일산화탄소 농도가 필요하다고 미루어 짐작되었다.
한편, 공기와 일산화탄소의 반응을 상온으로부터 실시한 경우, 상압에서도 미소고압에서도 온도의 상승은 관찰되지 않았다. 따라서, 공기와 일산화탄소의 반응을 개시시키기 위해서는 어느 정도의 온도가 필요하다고 생각된다. 이상의 점으로부터, Phase B의 반응은 기체에 의한 화학반응이며, 일산화탄소가 관여하고 있음이 실증되었다. 또한, 반응을 개시시키기 위해서는 최저한의 온도와 일산화탄소 농도가 필요하다는 것도 밝혀졌다.
(드라이계 바이오매스의 미소고압반응)
도 8은 건조시킨 젖소똥을 약 50℃~약 70℃로 가온한 후, 미소고압반응을 실시하였을 때의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 70℃로부터 미소고압반응을 개시시킨 경우, 함수율이 0%w.b.인 경우에서조차도 온도는 상승하였다. 따라서, 시료의 함수율은 Phase B의 기체반응에는 관여하지 않음이 확인되었다. 한편, 상압에서 개시한 대상구(함수율69.5%w.b.)일 때는 온도가 저하되었다. 이는 온도상승반응에 필요한 일산화탄소 농도가 상압하에서는 충분히 배출되지 않았기 때문이라고 생각된다. 그 때문에, 압력은 기질인 시료로부터 일산화탄소를 발생시키기 쉬운 효과를 갖는다고 추측된다.
또한, 미소고압반응실험의 개시온도를 55℃로 설정한 경우에도 온도 상승이 확인되었지만, 50℃로부터 미소고압반응실험을 개시한 경우에는 온도 상승은 확인되지 않았다. 그 때문에, Phase B의 일산화탄소를 중심으로 한 기체에 의한 화학반응은 최저 55℃ 이상에서 반응이 개시된다고 생각된다.
도 9는 젖소똥 이외의 드라이계 바이오매스(목재칩, 현미)의 미소고압반응의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 약 70℃에서 미소고압반응을 실시한 경우, 목재 칩, 현미 모두 온도는 상승하였다. 이는 일산화탄소를 발생시키기 위한 유기물(C를 포함하는 것)이 존재하기만 하면 온도를 상승시키는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 한편, 목재 칩에 대해 53℃부터 미소고압반응을 실시한 경우에는 온도가 저하되었다. 이는 건조시킨 젖소똥과 마찬가지로, Phase B의 기체반응은 55℃ 이상에서 개시된다는 결과를 보완한다.
(Phase B에서의 유기물 분석)
표 1은 Phase B의 기체반응 전후에서의 VM율(유기물 함유율)의 변화를 나타낸 것이다. Phase B에서는 반응 전후에서 VM율은 거의 변화하지 않고, 유기물 분해는 기대할 수 없다. 상온으로부터 시작되는 미소고압반응/상압반응에서의 유기물 분해는 Phase A에서의 미생물에 의한 유기물 분해가 대부분을 차지한다고 이해된다.
반응전 VM율(%) 반응후 VM율(%)
젖소똥 0%w.b.(55스타트) 86.2 85.9
젖소똥 0%w.b.(70스타트) 85.9 86
젖소똥 7.1%w.b.(70스타트) 86.1 85.6
젖소똥 63.5%w.b.(70스타트) 85.3 83.9
목재 칩 0.2%w.b.(70스타트) 99.5 99.4
목재 칩 35.7%w.b.(70스타트) 99.6 99.5
현미 11.2%w.b.(70스타트) 98.0 97.4
Phase B에서의 반응 전후의 VM율의 변화
이상, 도 3～도 9 및 표 1의 결과로부터 다음과 같은 점을 알 수 있다.
(1) 미소고압반응, 상압반응(퇴비화 + 반응조 밀폐) 쌍방 모두 120℃ 이상(약 200℃ 정도까지 확인함)의 고온을 발생시킬 수 있다.
(2) 미소고압반응, 상압반응 쌍방 모두 다음과 같은 2종류의 반응에 의해 온도가 상승한다.
반응 1(Phase A : 상압, 약 70℃) : 미생물의 유기물 분해에 의해 대사열이 발생하는 생화학적 반응,
반응 2(Phasse B : 약 70℃～) : 유기물로부터 발생한 일산화탄소가 관여하는 이하의 기체화학반응,
C + O2 = CO2 + 94.1kcal(394.3kJ)
C + 1/2O2 = CO + 26.4kcal(110.6kJ)
CO + 1/2O2 = CO2 + 67.6kcal(283.7kJ)
(3) Phase B의 기체화학반응은 일산화탄소(50ppm 이상), 온도 55℃ 이상에서 반응이 개시된다고 미루어 짐작된다. 단, 미생물로 인한 발열을 기대할 수 있는 경우에는 70℃까지의 온도상승에는 발열량이 큰 미생물의 생화학반응을 이용하는 편이 효과적이다.
(4) Phase B의 기체화학반응은 함수율에 의존하지 않고 탄소를 기질에 갖는 것이면 어떠한 것이든 온도를 상승시킬 수 있는 가능성이 있다.
(5) 통상의 퇴비화 반응에서도 일산화탄소는 배출된다.
1 : 고압가스봄베
2 : 용기
3 : 입기관
4 : 제 1 밸브
5 : 배기관
6 : 제 2 밸브
7 : 단열챔버
A : 미소고압반응
B : 상압반응(컴포스트화 + 반응조 밀폐)
C : 반응조를 밀폐(컴포스트화)

Claims (12)

  1. 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물을 처리하는 방법으로서,
    상기 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하며,
    산소가 공급된 상기 유기성 폐기물의 내부 온도를 상기 생화학반응에 의해 상승시키고,
    상승된 온도를 유지하며 상기 생화학반응을 계속함으로써, 상기 유기성 폐기물을 퇴비화시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.
  2. 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물을 처리하는 방법으로서,
    상기 유기성 폐기물의 내부에 산소를 강제적으로 공급하며, 산소가 공급된 상기 유기성 폐기물의 내부 온도를 상기 생화학반응에 의해 상승시키고, 상승된 온도를 유지하며 상기 생화학반응을 계속하는 제 1 반응단계와,
    제 1 반응단계 후의 유기성 폐기물을 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지하며 발열반응을 일으킴으로써, 상기 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시키는 제 2 반응단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 반응단계는, 상기 유기성 폐기물의 온도가 적어도 55℃ 이상이며, 상기 일산화탄소가 상기 제 1 반응단계 후의 유기성 폐기물을 발생원으로 하고 그 농도가 50ppm 이상인 환경 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 유기성 폐기물은, 가축배설물 또는 농산폐기물로서 해당 폐기물의 함수율이 전체적으로 또는 국부적으로 80% 이상이거나, 또는 식품폐기물로서 해당 폐기물의 함수율이 전체적으로 또는 국부적으로 40% 이상인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기성 폐기물 내부로의 산소의 강제공급이, 산소를 포함하는 미소가압환경 하에 상기 유기성 폐기물을 놓아둠으로써, 또는 상기 유기성 폐기물의 내부에 산소를 직접 주입함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 미소가압 환경에서의 압력을 대기압 초과 15기압 이하로 하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.
  7. 산소와 일산화탄소의 존재하에 유지함으로써 발열반응이 일어나는 유기성 폐기물을, 해당 유기성 폐기물의 온도를 적어도 55℃ 이상으로 하며 상기 일산화탄소의 농도를 50ppm 이상으로 하는 환경 하에 두고 발열반응을 일으킴으로써, 상기 유기성 폐기물을 감량화 또는 탄화시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 일산화탄소가 상기 유기성 폐기물을 발생원으로 하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리방법.
  9. 유기성 폐기물을 넣었다 빼었다 할 수 있게 수용하는 밀폐가능한 용기와,
    상기 용기 내의 압력을 대기압 초과 15기압 이하로 제어할 수 있는 압력제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 용기가 일산화탄소농도계와 온도계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 처리장치.
  11. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항 기재의 유기성 폐기물의 처리방법을 구성하는 제 2 반응단계를 실시함으로 인해 발생한 열을 열원으로서 이용하는 것을 특징으로 하는 열에너지 이용방법.
  12. 제 7 항 또는 제 8 항 기재의 유기성 폐기물의 처리방법을 실시함으로 인해 발생한 열을 열원으로서 이용하는 것을 특징으로 하는 열에너지 이용방법.
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