KR20110045542A - 유기성 폐기물로부터 바이오디젤의 원료를 추출하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기나 축산 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 2차 오염을 발생시키지 않게 친환경적으로 분해 처리함과 동시에 유기성 폐기물에 포함된 바이오디젤의 원료로 사용할 수 있는 지방 성분을 용이하게 추출할 수 있는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 방법은, (a) 교반수단이 내부에 구비된 반응조에 유기성 폐기물과 호기성 미생물이 포함된 바이오 칩을 투입하는 단계; (b) 상기 교반수단을 통해 상기 유기성 폐기물과 바이오 칩을 혼합하고 이 혼합물을 상기 반응조의 상,하부로 순환시켜 상기 호기성 미생물을 통해 상기 유기성 폐기물을 분해시켜 반응조 외부로 배출시키는 단계; (c) 상기 반응조의 반응 환경 조절을 통해, 유기성 폐기물에 포함된 유분의 분해 속도를 늦추어 유분을 농축시키는 단계; 및 (d) 분해처리된 잔사와 유분을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

유기성 폐기물, 소멸 처리, 바이오디젤 추출

Description

유기성 폐기물로부터 바이오디젤의 원료를 추출하는 방법{METHOD OF EXTRACTING RAW MATERIAL FOR BIODIESEL FROM ORGANIC WASTES}

본 발명은 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물을 미생물을 이용하여 분해시켜 소멸처리함과 동시에 유기성 폐기물에 함유되어 있는 소량의 지방 성분을 추출하여 바이오디젤의 원료로 사용할 수 있도록 하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물에 다량 포함된 수분을 제거하고 유기 성분을 미생물을 사용하여 저분자 물질로 소멸처리하여 부피를 줄이되 바이오디젤의 원료가 될 수 있는 식물성 또는 동물성 지방이나 그 가수분해물이 완전히 분해되지 않고 처리 잔류물에 농축되도록 함으로써, 유기성 폐기물로부터 지방 성분을 쉽게 추출하는 방법에 관한 것이다.

도시화의 확산과 인구의 증가는, 음식물 쓰레기나 축산 쓰레기와 같은 유기성 폐기물을 대량으로 발생시키고 있다. 이러한 유기성 폐기물은 소정의 처리 과정을 거치면서 고형물 중에 함유된 수분을 제거한 상태로 소각하거나, 또는 그대로 매립 처리하거나 건조 및 발효시켜서 유기질의 비료나 퇴비 등으로 재활용하는 방법 등으로 처리된다.

그런데 유기성 폐기물을 전처리하는 과정에서 발생하는 폐수나 매립한 유기성 폐기물로부터 발생하는 침출수는 그대로 방류할 경우 하천이나 해양을 크게 오염시키기 때문에 반드시 물리적 또는 화학적 정화처리를 통해 정화시켜야 하기 때문에 많은 비용이 소요된다.

한편, 음식물 쓰레기의 경우, 그대로 가축 사료로 활용하거나 발효시켜 퇴비로 활용하는 방법을 사용하기도 하는데, 음식물 쓰레기는 영양 성분이 불균일하고, 유해 성분과 이물질을 포함하고 있어 사료로 사용할 경우 가축에게 피해를 입힐 가능성이 높고, 음식물 쓰레기를 발효시킨 퇴비는 염분이 다량 함유되어 있어 농작물과 토양에 피해를 줄 수 있는 문제점이 있다.

또한, 유기성 폐기물 또는 유기성 폐기물에서 발생하는 폐수를 선박을 이용하여 공해상에 투기하는 방법도 사용되고 있으나, 폐기물의 운반 비용이 상당하고, 해양 투기는 해양을 오염시키고 국제분쟁의 소지가 될 수 있기 때문에 지속적으로 사용할 수 있는 방법이 아니다.

한편, 근래에 와서는 에너지원의 다양화에 대한 필요성에 따라 유기성 폐기물을 단순히 정화처리 또는 폐기할 것이 아니라 에너지원으로 활용하고자 하는 시도가 있다.

한국공개특허 2001-25926호에는 혐기성 미생물을 이용한 3단계 메탄 발효 시스템을 활용하여 음식물 쓰레기를 고속으로 소화시켜 메탄가스를 생산하여 에너지로 활용하는 방법이 개시되어 있다. 이와 같은 혐기성 소화는 메탄 가스를 회수할 수 있는 점에서 퇴비화나 소각화에 비해 유리하다고 볼 수 있으나, 시설규모가 커 유지비용이 많이 소요되고 취급이 어렵다는 단점이 있다.

한편, 바이오디젤은 통상 쌀겨, 폐식용유, 대두유, 유채유 등과 같은 유지와 알코올을 반응시켜 만든 지방산메틸에스테르로서 일반 경유와 특성이 거의 같으며, 자동차 연료로 사용할 경우에는 경유에 5 ~ 30%를 혼합하여 사용하는데, 통상의 경우에는 바이오디젤 20%에 경유 80%를 섞어서 사용하고 있는 물질이다.

바이오디젤은 경유에 비해 각각 일산화탄소가 12.6%, 미세먼지가 18%, 매연이 14%, 독성, 발암 물질이 저감되어 대기오염물질을 줄일 수 있고, 생산과정에서 온실가스를 배출하지 않으며, 석유를 대체할 수 있는 물질이기 때문에 에너지원 다원화에 기여할 수 있는 점 등으로 인해 최근에 주목받고 있는 연료원이다.

그런데, 기존의 바이오디젤은 유채유, 대두유와 같이 식량을 원료로 사용하는 점에서 생산원가가 높을 뿐 아니라, 식량과 경쟁관계에 있고, 우리나라 농업 실정에서는 저가의 바이오디젤 원료를 대량으로 생산하기 어려운 문제점이 있다.

한편, 유기성 폐기물에는 발생하는 국가에 따라 차이가 있으나, 대략 3 ~ 8%의 식물성 또는 동물성 지방이 포함되어 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 폐기물로 버려지고 있는 유기성 폐기물에 포함된 지방을 추출하여 바이오디젤의 원료로 활용하고자 하는 방법이 아이디어 차원에서 제안되고 있다.

그런데, 막대한 양의 유기성 폐기물을 처리해야만 소량의 지방 성분을 추출할 수 있기 때문에, 현재까지 다양한 시도가 있었지만 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물에 포함된 지방 성분을 효율적으로 추출할 수 있는 방법이 알려지고 있지 않다.

본 발명은 음식물 쓰레기나 축산 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 호기성 미생물을 이용하여 소멸시켜 처리함과 동시에, 유기성 폐기물에 포함된 지방 성분을 추출하여 바이오디젤의 원료로 사용할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명자는 다량의 유기성 폐기물에 포함되어 있는 소량의 지방성분을 추출하는 방법에 대해 다년간 연구한 결과, 유기성 폐기물을 소멸화시키는 방법을 통해 유기성 폐기물의 부피를 줄이고 동시에 소멸화시키는 반응조건을 제어함으로써, 지방 또는 그 가수분해물을 농축시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, (a) 교반수단이 구비된 반응조에 유기성 폐기물과 호기성 미생물이 포함된 바이오 칩을 투입하는 단계와, (b) 상기 교반수단을 통해 상기 유기성 폐기물과 바이오 칩을 혼합하고, 상기 호기성 미생물을 통해 상기 유기성 폐기물을 구성하는 고분자 물질을 저분자 물질로 분해시켜 반응조 외부로 배출시키는 단계를 포함하며, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 반응조의 반응조건을 제어하여 상기 유기성 폐기물에 포함된 지방을 미분해 또는 가수분해 상태로 농축시킨 후, 분해처리된 유기성 폐기물의 잔류물로부터 미분해 지방 또는 그 가수분해물을 분리해 내는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, '유기성 폐기물'이란 호기성 미생물로 분해가능한 모든 유기성의 폐기물을 의미하며, 음식물 쓰레기나 축산 가공 폐기물은 지방 성분이 많이 함유되어 있어 가장 바람직하다.

또한, 상기 호기성 미생물이란, 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물의 소멸화 방식에 사용될 수 있는 미생물로서, 셀룰로오스를 분해할 수 있는 코리네형(coryneform), 노카디오형(nocardioform), 진정 섬유상 세균(true filamentous bacteria), 방선균류(actinomycetes) 등 유기성 폐기물을 처리할 수 있는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 반응조 하부의 온도는 70 ~ 95℃로 유지하고, 상기 반응조 내부의 온도는 55 ~ 70℃로 유지하는 것을 특징으로 한다. 여기서, '반응조 하부의 온도'는 반응조 하부의 가열온도를 의미하며 반응조 하부에 위치한 유기성 폐기물과 바이오칩의 혼합물의 온도를 의미하는 것은 아니다. 또한 '반응조 내부의 온도'는 반응조 내부에 투입된 유기성 폐기물과 바이오칩의 혼합물의 온도를 의미한다.

상기 온도 조건은 반응조의 하부만 가열하고 나머지 부분은 보온하는 방법을 통해 형성된다. 이와 같이, 반응조 하부만을 상기와 같은 온도 범위로 가열하게 되면, 반응조 내부에서 상,하로 순환하는 유기성 폐기물과 호기성 미생물이 접종된 바이오칩의 혼합물이 하부에 도달하였을 때, 하부는 상부에 비해 산소량이 부족하여 호기성 미생물의 활동이 활발하지 못한 상태(반혐기성 상태)에서 반응조 하부의 높은 온도로 인해 하부와 접촉하는 유기성 폐기물에 포함된 수분이 급속하게 증발 제거되어 유기성 폐기물의 부피가 상당하게 줄어듦과 동시에 유기성 폐기물에 포함된 지방 성분의 유동성이 높아져 지방 성분이 상호 응집되어 농축되는 효과를 얻을 수 있으며, 혼합물이 상부로 이동하게 되면 혼합물의 온도와 산소의 함량이 적절하여 호기성 미생물에 의한 유기성 폐기물의 분해 제거가 활발해진다. 이와 같은 순환과정을 반복하여 거치면서, 유기성 폐기물에 포함된 지방과 이의 가수분해물인 지방산을 주성분으로 하는 물질이 농축된다.

유기성 폐기물의 분해 소멸에 의한 감량이 충분히 이루어지면, 처리 잔류물에는 지방과 그 가수분해물인 지방산이 농축된 슬러지 상태가 되는데, 이 슬러지를 압착기를 이용하여 가압하게 되면 지방 및 지방산이 농축된 액상을 분리해 낼 수 있는데, 이 액상의 물질은 다량의 지방 또는 지방산을 함유하고 있어, 바이오디젤을 제조하는 원료로 이용할 수 있다.

또한, 상기 반응조 하부의 온도를 상기 온도범위로 유지하면서도, 반응조의 내부의 온도는 55 ~ 70℃로 유지되는 것이 바람직한데, 55℃ 미만으로 유지될 경우, 수분의 증발속도와 호기성 미생물의 활동속도가 저하되어 분해소멸 효율이 저하되고, 70℃를 초과하게 되면 호기성 미생물이 생존하기 어렵기 때문이다.

또한, 상기 교반수단의 가동은 소정 시간 간격을 두고 단속적으로 행하는 것이 바람직한데, 교반수단을 가동하게 되면 외부의 산소가 반응조 내부의 혼합물에 전달되어 호기성 상태를 형성하고, 교반수단의 가동을 중지하게 되면, 반응조 하부의 혼합물에는 산소가 전달되지 않아 반혐기성 내지는 혐기성 상태가 형성되면서 고온으로 가열되는 상태가 유지되는데, 이와 같은 상태에서는 지방 또는 그 가수분 해물의 축적이 용이하기 때문이다. 한편, 교반수단의 가동 조건은 투여되는 유기성 폐기물의 종류, 양, 반응조의 온도 조건, 교반 rpm 등의 공정 조건에 맞추어 다양하게 조절될 수 있지만, 1 ~ 10분 가동, 5 ~ 20분 중지를 반복하는 것이 바람직한데, 이는 상기 시간 범위를 벗어날 경우, 지방 성분의 축적이 이루어지지 않게 되거나, 유기성 폐기물의 소멸이 잘 이루어지지 않기 때문이다.

본 발명에 따른 유기성 폐기물로부터 바이오디젤의 원료 물질을 추출하는 방법은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명은 음식물 쓰레기나 축산 폐기물과 같은 대량의 유기성 폐기물을 친환경적으로 소멸처리한 후 그 잔류물로부터 지방 또는 그 가수분해물을 추출하기 때문에, 지방성분의 추출이 용이하다.

둘째, 기존의 유기성 폐기물 소멸화 처리 시설을 그대로 활용하면서, 반응조의 온도조건만을 조절함으로써, 지방성분의 추출이 가능하기 때문에, 지방성분의 추출을 위해 별도의 설비비나 운용비가 들지 않아 경제적이다.

셋째, 본 발명은 폐기물로부터 바이오디젤의 원료를 생산할 수 있기 때문에, 기존의 바이오디젤의 생산방식과 비교할 때, 식량과 경쟁하는 것을 피할 수 있다.

셋째, 유기성 폐기물의 처리과정에서 소요되는 에너지 비용 등을 생산되는 바이오디젤로 상쇄할 수 있어, 폐기물 처리비용을 획기적으로 줄이거나 추가적인 이익을 얻을 수도 있게 된다.

넷째, 유기성 폐기물로부터 메탄 가스를 생산하는 방법에 비해, 생산된 물질 을 저장 및 취급하기가 용이하여 시설비가 줄어든다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 이 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자가 본 발명의 실시가 가능한 범위 내에서 설명한다. 또한, 본 발명의 실시 예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 다른 형태로 변형할 수 있는 것이므로 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

유기성 폐기물 처리장치

본 발명의 실시 예에 사용된 유기성 폐기물 소멸처리 장치는 일당 최대 처리용량이 400kg인 것을 사용하였으며, 구체적인 구조는 도 1과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 사용된 유기성 폐기물 소멸처리 장치(1)의 단면도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 사용된 유기성 폐기물 소멸처리장치(1)는, 반응조(10)와, 상기 반응조(10)의 내부에 설치된 교반장치(20)와, 상기 반응조(10)의 하부에 설치된 저항코일(30)과, 상기 반응조(10)의 측부에 설치된 탈취장치(40)와, 상기 장치들을 커버하는 하우징(50)으로 이루어진다.

또한, 상기 교반장치(20)는 교반기(21)와 이 교반기(21)를 회전시키는 교반모터(22)로 이루어지는데, 상기 교반기(21)는 도 2에 도시된 바와 같은 형상을 가지며, 반응조(10)의 내부에 투입된 음식물 쓰레기나 바이오칩을 교반기(21)의 교반축(21a)을 중심으로 회전하면서, 혼합물이 상,하부로 순환이동시키는 역할을 하며, 이러한 과정을 통해 투입된 혼합물에는 골고루 산소가 스며들게 되어, 호기성 미생물에 의해 상기 혼합물이 저분자 상태로 분해되어 소멸된다.

또한, 상기 저항코일(30)은 반응조(10)의 온도를 100℃ 이상으로 가열할 수 있도록 되어 있다.

유기성 폐기물의 처리 방법

도 1에 도시된 바와 같은 소멸화 처리 장치를 사용하여, 본 발명의 실시예에서는 음식물 쓰레기를 다음과 같은 조건으로 처리하였다.

먼저 식당에서 배출되는 음식물 쓰레기 300kg을 매일 도 1에 도시된 유기성 폐기물 처리장치(1)에 상기 반응조(10)의 커버(11)를 열고 투입한다. 한편 소나무 우드칩은 3㎥의 부피로 투입하여 바이오칩과 폐기물의 부피 비율이 7.5:1의 비율이 유지되도록 하였다. 소나무 우드칩은 최초 투입 후 음식물 쓰레기의 소멸처리를 완료될 때까지 음식물 쓰레기와의 비율을 맞추기 위해 소량 추가하거나, 추가하지 않는 방식을 사용하는데, 본 발명의 실시예에서는 추가로 투입하지 않았다. 상기 소나무 우드칩에는 사전에 LACTOBACILLUS 1 SP, R.CAPSULATA, LACTOBACILLUS PALNTARUM, BACILLUS, BACILLUS SUBTILIS로 이루어진 호기성 미생물의 혼합용액을 접종하였다.

이어서, 상기 교반장치(20)를 가동하여 음식물 쓰레기와 소나무 우드칩이 균일하게 혼합되도록 하였다. 그리고 상기 유기성 폐기물 처리장치의 교반조 하부의 저항코일을 이용하여 반응조(10) 하부의 온도가 80 ~ 95℃가 되도록 가열하였다.

한편, 상기 교반장치(20)의 가동은 처리되는 물량에 따라 조절될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 3분 가동, 15분 정지를 반복하여 운전하는 조건으로 120일간 총 36톤의 음식물 쓰레기의 소멸화 작업을 수행하였다. 소멸화 과정에서 발생한 수증기와 기체성분들은 상기 반응조(10)의 상부에 설치된 배기관(12)을 통해 미생물을 이용하여 악취성분을 분해하는 탈취장치(40)를 통과하여 악취성분이 제거된 상태로 대기로 배출된다.

이러한 작업을 통해 하기 표 1과 같은 결과를 얻었다.

항목	처리 결과	비고
일일 처리량	300kg	음식물 쓰레기 소멸화
총 처리량	36톤	120일 조업
처리 잔류물량	4.5톤
바이오 오일 원료 추출량	2.5톤

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 36톤의 음식물 쓰레기를 처리하여 도 3에 나타난 바와 같이 지방성분이 다량 함유된 액상과 바이오칩 분해 잔류물이 혼합되어 곤죽 형태로 된 약 4.5톤의 처리 잔류물을 얻었다.

이와 같이 얻어진 4.5톤의 처리 잔류물을 걸름망을 통해 자중으로 고/액 분리를 행하고, 걸러진 고상 잔류물은 압착기로 압착하여 잔류물에 흡수되어 있는 지방성분을 추출해내었다. 이러한 과정을 통해, 도 4에 나타난 바와 같이 짙은 갈색을 띠는 2.5톤의 기름으로 이루어진 액상을 얻었다.

추출한 액상에 지방성분이 포함되었는지 여부를 확인하기 위하여, 추출물에 인화시험을 한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이 쉽게 불이 붙었으며 이는 상기 액상에 다량의 지방 또는 지방의 가수분해물인 지방산이 포함된 것을 의미한다.

그러므로, 본 발명의 실시예에 따르면, 약 36톤의 음식물 쓰레기로부터 약 2.5톤의 바이오 오일 원료로 사용할 수 있는 액상을 추출할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용한 유기성 폐기물 처리장치의 단면도이다.

도 2는 상기 유기성 폐기물 처리장치에 사용된 교반기의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 음식물 쓰레기를 소멸화한 후 잔류한 물질의 사진이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 처리한 잔류물로부터 추출한 유분을 다량 함유한 액상의 사진이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 추출한 액상에 인화시험을 하였을 때 상기 액상이 연소하는 상태를 나타낸 사진이다.

Claims (5)

1. 유기성 폐기물을 분해 소멸시킴과 동시에 유기성 폐기물에 포함된 지방성분을 농축시켜 추출하는 방법으로서,

   (a) 교반수단이 구비된 반응조에 유기성 폐기물과 호기성 미생물이 포함된 바이오 칩을 투입하는 단계와,

   (b) 상기 교반수단을 통해 상기 유기성 폐기물과 바이오 칩을 혼합하고, 상기 호기성 미생물을 통해 상기 유기성 폐기물을 구성하는 고분자 물질을 저분자 물질로 분해시켜 반응조 외부로 배출시키는 단계를 포함하며,

   상기 (b) 단계에 있어서, 상기 반응조의 반응조건을 제어하여 상기 유기성 폐기물에 포함된 지방을 미분해 또는 가수분해 상태로 농축시킨 후, 분해처리된 유기성 폐기물의 잔류물로부터 미분해 지방 또는 그 가수분해물을 분리해 내는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응조건은 상기 반응조 하부만을 가열하여 반응조 하부의 온도를 70 ~ 95℃로 유지하는 것임을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 반응조의 내부의 온도는 55 ~ 70℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 방 법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교반장치의 가동은 단속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 교반장치는 1 ~ 10분 가동과 5 ~ 20분 정지를 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.

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