KR20140133136A - 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 있어서, 상기 유기성 폐기물에 포함된 이물질의 제거와 대형물질은 파쇄처리한 유기성 폐기물이 액화기에 공급되면 칼슘함유광물을 주입하고 믹싱(Mixing)하면서 50∼60℃로 가온하고, 산소용해장치에서 산소를 용해한 액상 유기성 폐기물을 액화기로 반송하면서 고온 호기성 발효미생물에 의해 액상 유기성 폐기물로 처리하는 전처리단계와, 상기 액상 유기성 폐기물을 고온 호기성 발효조에 공급되면, 믹서로 믹싱을 하면서 60∼80℃로 가온한 상태에서 고온 호기성 발효액을 순 산소 또는 농축된 산소와 함께 가압산소용해탱크에 공급하여 2∼4기압(atm) 상태에서 산소를 용해한 고온 호기성 발효액을 고온 호기성 발효조로 반송하여 용존산소 농도를 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지하면서 고온 호기성 발효액으로 처리하는 고온 호기성 발효공정과, 상기 고온 호기성 발효액을 중온호기성 발효조로 보내어 20∼40℃에서 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지되게 공기 송풍기로부터 공기를 주입하면서 중온호기성 발효를 하여 액비상태의 발효액으로 만드는 발효단계와, 상기 액비상태의 발효액을 액비제품으로 출하하거나, 또는, 액비상태의 발효액에 함수율조정제를 혼합하여 혼화 후 발효·숙성하여 퇴비화하는 퇴비화단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법{Method for composting of organic wastes}

본 발명은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같이 유기물농도가 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물은 탈수처리 후 탈수 여액은 유기물농도가 높아 합리적인 처리방법이 없어 주로 해양투기를 하였으나 해역의 오염을 가중시켜 적조를 야기(惹起) 시키는 문제점이 있어, 2013년부터는 국제협약에 의해서 해양투기가 금지된 실정에 있으며, 탈수케이크는 주로 퇴비화를 하였으나 음식물쓰레기와 같이 염분농도가 높은 유기성 폐기물은 퇴비화로 처리하는 것도 문제점이 있었다.

특허문헌 1, 대한민국 특허등록번호 제10-0356966호의 경우는, 음식물쓰레기와 축산분뇨를 전처리 후 메테인발효방법에 의해서 처리하는 방법이 제시되어 있으나, 지방산과 염분의 영양으로 메테인발효처리 효율이 낮으면서, 발효처리액 중에는 암모니아성 질소성분과 수용성 인성분의 농도가 높아 희석수를 사용하지 않고서는 효율적으로 탈질·탈인 처리를 할 수 없는 문제점과 탈질·탈인 처리를 위해서는 시설비와 운전비가 높은 문제가 있다.

특허문헌 2, 대한민국 특허등록번호 제10-0822377호에서는, 축산분뇨를 혐기성 또는 호기성 소화 처리하여 만든 액비를 감압 증발하여 농축한 것에 친수성의 흡착성 물질인 제올라이트(Zeolite)를 혼합하여 비료화처리방법이 제시되어 있으나, 감압증발을 함으로써 에너지비용이 많이 소요됨으로써 처리비용이 높은 문제점이 있다.

특허문헌 3, 대한민국 특허등록번호 제10-0587235호에서는, 축산분뇨, 음식물쓰레기와 같은 유기성 폐기물을 건조기 내부에서 상온 75∼85℃의 온도로 4시간 동안 발효하면서 건조한 것에 생석회와 제올라이트를 혼합한 다음 성형한 것을 냉각하여 퇴비를 제조하는 방법이 제시되어 있으나, 유기성 폐기물을 건조기 내부에서 상온 75∼85℃의 온도로 4시간 동안 발효하여서는 양질의 퇴비가 될 수 없으면서 건조비용이 높은 등의 문제점이 있다.

특허문헌 4, 대한민국 특허등록번호 제10-1106129호에서는, 음식물쓰레기, 축산분뇨나 식품폐기물과 같이 염분을 함유한 유기성 폐기물을 전기추출법에 의한 탈염방법이 제시되어 있으며, 이 탈염방법은 지금까지 염분을 함유한 유기성 폐기물의 탈염기술 중에서 우수한 기술로 사료되어, 본 발명에서도 탈염공정은 특허문헌 4의 기술을 이용할 수 있다.

특허문헌 5, 유기폐기물의 퇴비화처리 방법 및 그 장치(有機廢棄物の堆肥化處理方法およびその裝置)에서는, 가축의 분뇨나 음식물쓰레기 등의 유기폐기물을 열풍을 이용하여 수분을 증발 건조한 것을 발효하여 퇴비화하는 방법이 제시되어 있으나, 건조비용 때문에 처리비용이 높게 소요되는 문제점이 있으면서, 음식물쓰레기의 경우 염분농도가 높기 때문에 양질의 퇴비가 생산될 수 없는 문제점이 있다.

비특허문헌 1, 유기성 폐기물 퇴비의 농업활용에의 문제점 및 개선방안에서는 부산물비료의 퇴비화현황, 퇴비의 활용기준 및 평가 방안만 되었지, 유기성 폐기물처리에서 제일문제가 되는 염분, 지방산, 높은 함수율 등의 문제점에 대한 합리적인 개선방안은 제시되지 못하고 있다.

비특허문헌 2, 고농도 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스 열병합 발전에서는 음식폐기물, 축산분뇨, 하수슬러지와 같은 유기성 폐기물을 혐기성 메테인발효를 하여 발생하는 바이오가스인 메테인가스를 이용하여 열병합발전을 하여 전력생산을 하는 방법이 제시되어 있으나, 전력생산단가 높기 때문에 지원금이 없이는 운영될 수 없는 문제점이 있다.

이외에도 특허문헌과 비특허문헌의 다양한 자료가 제시되어 있으나, 유기성 폐기물을 합리적으로 처리할 수 있는 기술이 제시되어 있지 않다.

대한민국 특허등록번호 제10-0356966호, 음식물쓰레기와 축산분뇨의 통합 소화처리장치 및 방법, 2002년 10월 04일 대한민국 특허등록번호 제10-0822377호, 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법 및 이를 위한 처리 장치, 2008년 04월 08일 대한민국 특허등록번호 제10-0587235호, 유기성 폐기물을 이용한 퇴비의 제조방법 및 그 퇴비, 2006년 05월 30일 대한민국 특허등록번호 제10-1106129호, 염분을 함유한 유기성 폐기물의 탈염장치, 2012년 01월 09일 일본특허공개번호 제2009-167063호, 유기폐기물의 퇴비화처리 방법 및 그 장치(有機廢棄物の堆肥化處理方法およびその裝置), 2009년 07월 30일

권순익·임동규·성기석·이신찬·이정택, 유기성 폐기물 퇴비의 농업활용에의 문제점 및 개선방안, 유기성 자원학회 2007년 공동심포지엄 및 학술논문발표 PP. 99∼117, 2007년 04월 박현수·유성인·홍승모, 고농도 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스 열병합 발전(DBS), 유기물자원화, 제16권 제4호 pp.20∼30, 2008년

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하려는 기술로서, 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 고온호기성 발효미생물에 의해서 액화 처리한 다음, 60∼80℃의 고온에서 순 산소 또는 PSA(Presure swing adsorption)공정에서 농축된 고농도 산소를 2∼4기압(atm)에서 수중에 용해한 산소를 공급하여 열손실이 적은 상태로 하여 유기성 폐기물에 함유된 유기물을 이산화탄소(CO₂)와 수분(H₂O)으로 분해하여 유기성 폐기물을 소멸하여 감량화한 다음, 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 있어서, 상기 유기성 폐기물에 포함된 이물질의 제거와 대형물질은 파쇄처리를 한 유기성 폐기물이 액화기에 공급되면 칼슘함유광물을 주입하고 믹싱(Mixing)하면서 50∼60℃로 가온하고, 산소용해장치에서 산소를 용해한 액상 유기성 폐기물을 액화기로 반송하면서 고온 호기성 발효미생물에 의해 액상 유기성 폐기물로 처리하는 전처리단계와, 상기 액상 유기성 폐기물을 고온 호기성 발효조에 공급되면, 믹서로 믹싱을 하면서 60∼80℃로 가온한 상태에서 고온 호기성 발효액을 순산소 또는 농축된 산소와 함께 가압산소용해탱크에 공급하여 2∼4기압(atm) 상태에서 산소를 용해한 고온 호기성 발효액을 고온 호기성 발효조로 반송하여 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지하면서 고온 호기성 발효액으로 처리하는 고온 호기성 발효공정과, 상기 고온 호기성 발효액을 중온호기성 발효조로 보내어 20∼40℃에서 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지되게 공기 송풍기로부터 공기를 주입하면서 중온호기성 발효를 하여 액비상태의 발효액으로 만드는 발효단계와, 상기 액비상태의 발효액을 액비제품으로 출하하거나, 또는, 액비상태의 발효액에 함수율조정제를 혼합하여 혼화 후 발효·숙성하여 퇴비화하는 퇴비화단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명의 방법에 의하면 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같이 유기물농도와 함수율이 높은 유기성 폐기물이나, 음식물쓰레기와 같이 유기물농도와 함수율이 높으면서 염분농도가 높은 유기성 폐기물은 합리적인 처리방법이 없어 2012년 말까지는 해양투기를 하였으나, 해양오염을 가중시켜 국제협약에 의해서 2013년부터 해양투기가 금지되었으나, 현재도 합리적인 처리방법이 없는 실정에 있다. 그래서 본 발명에서는 상기 유기성 폐기물을 고온호기성 발효를 하여 분해가 용이한 유기물질을 분해하면서 자체 반응열에 의해서 수분을 증발하여 감량화한 것을 퇴비화함으로써 함수율조정제(수분조정제)가 작게 소모되어 저렴한 비용으로 퇴비화할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 음식물쓰레기, 축산분뇨, 식품공장 폐기물과 같이 염분농도가 높은 경우는 액화로 처리한 유기성 폐기물을 탈염처리하여 염해가 야기되지 않는 퇴비를 만들 수 있는 효과도 있기 때문에 유기성 폐기물을 퇴비화하는데 널리 이용될 것으로 기대된다.

도 1은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 블록선도(Block diagram)
도 2는 유기성 폐기물을 퇴비화하는 공정흐름도(Process flow diagram)
도 3은 석회와 석탄회(fly ashes)를 이용하여 탈염처리하는 공정도
도 4는 염분이 없는 유기성 폐기물을 퇴비화하는 공정흐름도
도 5는 염분을 함유한 소용량의 유기성 폐기물을 퇴비화하는 공정흐름도
도 6은 가압산소용해공정도
도 7은 대기압 하에서 온도 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표
도 8은 온도와 압력의 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표
도 9는 생산된 퇴비를 딸기재배용 화분에 주입하고, 딸기를 재배한 사진

먼저, 본 발명의 배경을 설명하면, 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물은 함수율이 높으면서, 탈수하였을 때는 BOD, COD, SS, 질소, 인과 같은 오염물질과 경우에 따라서는 염분의 농도가 높아서 탈수한 고농도 폐액(廢液)은 합리적인 처리방법이 없어서 2013년 말까지는 해양투기를 하고 있었으나, 국제협약에 의해 해양투기가 금지되었지만, 현재까지 합리적인 처리방법이 없는 실정에 있다.

종래의 상기 유기성 폐기물을 퇴비화 경우는, 탈수한 탈수케이크만 퇴비화를 하고, 탈수 여액은 대부분 해양투기를 하였다. 상기 유기성 폐기물을 그대로 퇴비화하는 경우는 함수율이 높아 함수율조정제(수분조정제)의 소모량이 많아 경제성이 없는 문제가 있어 널리 실시되지 못하고 있는 실정에 있다.

일반적으로 유기성 폐기물의 퇴비화는, 유기성 폐기물에 함수율조정제(팽윤제, 수분조정제 또는 수분조절제라고도 함)를 혼합하여 함수율을 55∼65wt% 범위로 조정하고, 믹서(Mixer)로 뒤집기를 하면 공기 중의 산소가 공급되면서 분해가 용이한 단백질, 당분, 녹말, 지방과 같은 유기물이 이산화탄소, 수분, 암모니아와 같은 간단한 유기물로 분해가 되면서 분해 열로 온도가 60∼70℃로 상승하면서 고온호기성 미생물에 의해 고온호기성 발효가 일어나면 유해병원성 미생물, 잡초의 씨앗 및 유충의 애벌레 등이 사멸처리된다. 분해가 용이한 유기물이 소멸하게 되면 온도가 떨어지면서 사상균(絲狀菌), 중온성 간균(桿菌), 방선균(放線菌), 젖산균, 효모균(酵母菌), 일반세균과 같은 중온호기성 미생물이 생육하면서 분해가 어려운 리그닌(Lignin), 셀룰로오스(Cellulose)와 같은 물질이 분해되면서 퇴비화하는데, 제일문제점이 함수율조정제의 소요량이 많다는 것이다.

상기 함수율조정제의 소모량이 많이 소요되는 문제점을 해결하기 위한 방법이 유기성 폐기물을 탈수처리하여 탈수케이크는 상기와 같이 퇴비화를 하고, 탈수 여액은 송풍기로부터 공기를 주입하여 호기성 발효를 하여 액비를 제조하고 있으나, 상기 여액인 액상 유기성 폐기물에 송풍기로부터 공기를 주입(폭기)하면서 호기성 발효를 하여서는 공기 중의 질소성분과 수중에 용해되지 산소가 대기로 배출되면서 에너지를 방출하여 고온으로 유지할 수 없기 때문에 고온호기성 발효를 할 수 없다. 따라서 유기성 폐기물에 함유된 유해병원성 미생물, 잡초의 씨앗 및 유충의 애벌레 등이 완벽하게 사멸처리되지 않아서 위생적으로 안전한 퇴비(액비)를 만들 수 없는 문제가 있다.

액상에서 호기성 발효를 하기 위해서는 용존산소(Dissolved oxygen) 농도를 2∼4㎎/ℓ로 유지해야 하는데, 도 7'대기압 하에서 온도 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표'에서 보는 바와 같이 수온이 80℃에서 용존산소 포화농도는 3㎎/ℓ이며, 유기물과 염분과 같은 불순물이 존재하는 경우는 용존산소 포화농도가 더욱더 떨어지기 때문에 단순히 수중에 공기(산소)를 주입하여서는 60∼80℃의 고온에서는 용존산소 농도를 2∼4㎎/ℓ로 유지할 수 없는 문제가 있어서 지금까지는 액상 고온호기성 발효는 실시되지 못하고 있었다.

도 8'온도와 압력의 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표'에서 보는 바와 같이 저온 고압에서 용존산소 포화농도가 높아지는 현상을 알 수 있다.

본 발명의 발명자는 이를 예의(銳意) 검토한 결과, 산소의 분압(Partial pressure)과 전압(Total pressure)이 높은 상태에서 산소를 용해하여 액상 고온호기성 발효공정에 공급하면 고온호기성 발효미생물이 생육하는데 충분한 용존산소 농도를 유지할 수 있음을 알게 되어, 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 액상 고온호기성 발효에 의한 퇴비화하는 방법을 제시하고자 한다. 이하, 첨부된 도면을 중심으로 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 전처리단계

음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물 중에서 한 종류 이상의 유기성 폐기물이 투입조에 투입되면 파쇄 및 이물질을 제거한 다음, 고상의 유기물을 액화하여 액상의 유기성 폐기물로 전처리한다.

1. 파쇄 및 이물질제거 공정

상기 유기성 폐기물이 투입조에 투입되면 퇴비를 만드는데 불필요한 쇠붙이, 유리병이나 조각, 돌멩이, 비닐(Vinyl)이나 플라스틱(Pastic), 나무 조각, 패각(貝殼), 동물의 뼈와 같은 이물질을 분리제거와 대형물질은 파쇄기에서 파쇄처리한 유기성 폐기물은 액화공정으로 보낸다.

2. 액화공정

상기 파쇄 및 이물질제거 공정에서 이물질제거 및 파쇄처리된 유기성 폐기물이 외부가 보온재(3)로 보온처리된 액화기(1)에 공급되면, 칼슘(Ca)을 함유한 광물, 필요에 따라서는 질소, 인 화합물을 공급하고, 액화기 믹서(2)로 믹싱(Mixing)을 하면서, 액화된 액상 유기성 폐기물은 보온재(3)로 보온처리된 액상 유기성 폐기물 저장조(5)로 보낸다.

액상 유기성 폐기물 저장조(5)에 공급된 액상 유기성 폐기물은 보일러(Boiler)에서 열을 공급받아 50∼60℃로 가온하면서, 2차 고온호기성 발효조(13)에서 고온호기성 발효한 발효액을 2차 고온호기성 발효액 이송펌프(16)로부터 고온호기성 발효액을 종균용으로 공급받아 혼합된 액상 유기성 폐기물은 액상 유기성 폐기물 이송펌프(6)로 1차 고온호기성 발효조(7)로 보내면서, 일부는 산소용해장치(4)로 보내어 산소를 용해한 액상 유기성 폐기물을 액화기(1) 상부로 반송한다.

상기 보일러에서 열을 공급하는 대신에 전기 가열기(Electric heater)에 의해서도 열을 공급할 수 있다.

액상 유기성 폐기물 저장조(5)에서 50∼60℃로 가온한 액상 유기성 폐기물을 아스피레이터형(Aspirator type)의 산소용해장치(4)의 업스트림(Up-stream) 측의 노즐(Nozzle)을 통해 다운스트림(Down-stream)으로 분사시키면서, 가스 흡입구 측에는 PSA(Pressure swing adsorption)공정에서 농축된 고농도 산소, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베(Bombe)의 산소 중에서 한 종류의 산소를 공급하면, 베르누이의 이론(Bernoulli's theorem)에 의해서 산소 기체가 흡입되어 산소용해장치(4)의 다운스트림(Down-stream)에서 액상 유기성 폐기물에 산소가 용해되며, 이 산소가 용해된 액상의 유기성 폐기물을 액화기(1) 상부로 공급하면, 액화기(1)의 유기성 폐기물에 산소와 고온호기성 미생물이 공급된다.

산소가 용해된 고온의 액상 유기성 폐기물이 액화기(1) 상부로 공급되면, 고상의 유기성 폐기물은 고온호기성 미생물에 의해서 저분자성 물질로 분해되면서 액화된 액상 유기성 폐기물은 액화기(1) 하부 구멍(Hole)으로 빠져나가 액상 유기성 폐기물 저장조(5)로 이송된다.

액화기(1)에서, 비닐(Vinyl), 플라스틱 (Plastic), 자갈, 돌멩이, 모래, 쇳조각, 패각(貝殼), 동물의 뼛조각과 같이 분해가 되지 않는 물질이 누적(累積)되면 간헐적(間歇的)으로 고액분리공정으로 배출하여 액상물질은 액상 유기성 폐기물 저장조(5)로 보내고, 고형물질은 폐기(소각이나 매립)처분한다.

그리고 레이아웃(Lay-out) 상 유기성 폐기물 저장조(5)를 설치하지 않아도 되는 경우는 유기성 폐기물 저장조(5)와 액상유기성 폐기물이송펌프(6)를 생략하고, 유기성 폐기물이 액화기(1)에서 액화된 액상 유기성 폐기물을 1차 고온호기성 발효조(7)로 보내고, 1차 고온호기성 발효액 이송펌프(12)로 1차 고온호기성 발효액 일부를 PSA공정에서 농축된 산소, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베의 고압의 산소 중에서 한 종류의 산소를 함께 산소용해장치(4)로 보내어 고온호기성 발효액에 산소를 용해한 것을 액화기(1) 상부로 분사시켜, 액화기(1)의 유기성 폐기물에 산소와 고온호기성 미생물을 공급하여도 된다.

상기 고액분리공정은, 트롬멜 분리기(Trommel separator) 또는 진동스크린(Vibrating screen) 중에서 한 종류를 사용한다.

액화기(1)는, 외부에 보온재(3)가 설치된 강철구조물로, 도 2, 도 4, 도 5에서와 같이 수평형으로 할 수 있으나, 수직형 구조로 하여도 상관없으며, 또는, 강철구조물로 하는 대신에 콘크리트구조물(Concrete structures)로 하여도 상관없다.

그리고 액화기 믹서(2)는 패들형(Paddle type), 호스앵커형(Horse anchor type), 리본형(Ribbon type), 헬리컬리본형(Helical ribbon type), 스크루형(Screw type) 또는 교반 축(Shaft)에 교반 아암(Arm)에 사각 판 블레이드(Blade)가 설치된 형태의 교반기 중에서 한 종류를 사용할 수 있으며, 회전속도는 2∼4rpm으로 믹싱(Mixing) 한다.

고온호기성 발효미생물은 세포질(Cytoplasm) 내에 칼슘과 같은 미네랄(Minerals) 성분의 함량이 일반 미생물에 비해서 높으며, 칼슘과 같은 미네랄성분이 충분히 공급되었을 때 활발한 대사활동을 하기 때문에, 유기성 폐기물 100중량부에 생석회, 소석회, 소성 도로마이트(Dolomite), 소성 패각 (貝殼) 분말 또는 소성 동물뼈의 분말 중에서 한 종류를 0.05∼0.1중량부를 공급할 필요가 있다.

그리고 고온호기성 발효미생물의 영양원으로써 질소, 인도 필요로 하기 때문에 상기 액화된 액상 유기성 폐기물의 BOD₅농도를 측정하여 BOD₅ : N : P = 100 : 5 : 1의 비율로 질소, 인 성분을 공급할 필요가 있다.

질소성분은, 요소(Urea), 유안[(NH₄)₂SO₄], 초안(NH₄NO₃), 염화암모늄(NH₄Cl), 초석(硝石, NaNO₃) 또는 암모니아수 중에서 한 종류의 질소화합물을 사용한다. 인 성분은, 인산(燐酸) 또는 소성 인광석 분말 중에서 인 화합물을 사용한다. 그리고 질소와 인 성분을 함께 함유한 인산일암모늄[(NH₄)H₂PO₄], 인산이암모늄[(NH₄)₂HPO₄] 또는 인산삼암모늄[(NH₄)₃PO₄] 중에서 한 종류를 사용할 수도 있다.

분뇨, 음식물쓰레기, 축산분뇨, 도축장 폐기물과 같이 질소와 인 성분이 높은 유기성 폐기물의 경우는, 상기 질소, 인 화합물은 공급할 필요가 없다.

Ⅱ. 발효단계

상기 액화공정에서 고상의 유기성 폐기물이 액화처리된 액상 유기성 폐기물은 60∼80℃에서 분해가 용이한 유기물을 분해하는 고온호기성 발효를 한 다음, 20∼40℃에서 중온호기성 발효를 하여 액비(液肥) 상태의 발효액으로 처리한다.

이때 음식물쓰레기, 축산분뇨, 식품공장 폐기물과 같이 염분농도가 높은 유기성 폐기물은 고온호기성 발효를 염분농도가 4∼5wt%로 농축될 때까지 1차 고온호기성 발효를 한 것을 탈염처리한 다음, 2차 고온호기성 발효를 하여 중온호기성 발효공정으로 보내거나, 혼화기(21)로 보낸다.

1. 1차 고온호기성 발효공정

상기 액화공정에서 액화처리된 액상 유기성 폐기물이 1차 고온호기성 발효조(7)에 공급되면 1차 고온호기성 발효조 믹서(8)로 믹싱(Mixing)을 하면서, 1차 고온호기성 발효조(7) 외부에 설치된 가온 재킷(Heating jacket, 9)에 보일러로부터 열을 공급하여 온도를 60∼80℃ 범위로 조정하고, PSA(Pressure swing adsorption)공정에서 농축된 산소, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베(Bombe)의 산소를 충전물(18)이 충전된 가압산소용해탱크(17) 하부로 공급하고, 상부로는 2차 고온호기성 발효액을 공급하여 2∼4기압(atm)에서 산소를 용해한 고온호기성 발효액을 1차 고온호기성 발효조(7)에 반송하면 고온호기성 미생물에 의해서 분해가 용이한 당분·녹말과 같은 탄수화물, 단백질(Protein), 지방(Fat)과 같은 유기물이 CO₂, H₂O와 같은 간단한 무기물로 분해되면서, 유해 병원균, 잡초의 씨앗과 해충의 알 등이 사멸처리된다.

이때 일어나는 반응메커니즘(Reaction mechanism)은 다음과 같다.

① 탄수화물의 경우

탄수화물은 C_m(H₂O)_n와 나타낼 수 있다. 그리고 녹말, 당분과 같은 탄수화물은 다음 반응식 (2)에서와 같이 산화분해되어 최종적으로는 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 분해된다.

C_m(H₂O)_n + mO₂ → mCO₂↑ + nH₂O↑ + 반응열 ………………⑴

②지방과 단백질과 지방

단백질이나 지방은 다음 반응식 (2)와 같이 산화분해되어, 이산화탄소, 물, 암모니아로 분해되면서 서서히 분자량이 작은 물질로 된다.

C_xH_yN_zO_p + aO₂ → C_uH_vN_wO_q + bCO₂ + dH₂O + eNH₃ + 반응열 ………………⑵

단백질과 지방이 분해되어 생성되는 암모니아는 1차 물과 반응하여 수산화암모늄이 생성된다. 나아가서는 암모늄 이온은 호기성 미생물의 아질산화세균과 질산화세균에 의해서 질산염으로 산화된다. 질산염은 식물이 가장 사용하기 쉬운 질소원이다.

NH₃ + H₂O → NH4⁺ + OH^- ………………………………⑶

암모늄 이온은 우선 아질산화세균(Nitrobacter, Nitrocystis 등)에 의해서 암모늄 이온이 아질산염으로 산화된다.

NH₄ ⁺ + 3/2O₂ → NO₂ ^－ + H₂O + 2H⁺ ……………………⑷

다음에 질산화세균(Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira 등)에 의해서 아질산염은 질산염으로 산화된다.

NO₂ ^－ + 1/2O₂ → NO₃ ^－ ………………………………⑸

고온호기성 발효온도가 70℃ 전후까지 상승하면 병원성 세균, 병해충의 알, 바이러스, 잡초의 종자 등이 대부분 불활성화되어 위생적으로 안전한 퇴비를 생산할 수 있다.

그리고 상기 반응식 (1)과 (2)의 반응에서 유기물이 이산화탄소와 물로 분해되면서 반응열에 의해 유기성 폐기물에 함유된 상당량의 수분이 증발하면서 감량화가 일어나게 된다. 이때 음식물쓰레기, 축산분뇨, 식품공장 폐기물과 같이 염분농도가 높은 유기성 폐기물은 고온호기성 발효를 하면 반응열에 의해 수분이 증발하여 염분이 농축되어 전기전도도(Electrical conductivity) 값이 50∼60㎳/㎝ 범위로 되면 미생물의 활성이 떨어지면서 발효효율이 떨어지게 되며, 또한, 여기서 생산된 퇴비를 농작물에 시비하였을 때 염해(鹽害)를 야기(惹起) 시킬 우려가 있기 때문에 1차 고온호기성 발효액 저장조(11)로 보내었다가 1차 고온호기성 발효액 이송펌프(12)로 염분을 제거하는 탈염공정으로 보내어 탈염처리를 한 다음, 2차 고온호기성 발효조(13)로 보내며, 염분을 함유하지 않는 1차 고온호기성 발효액의 경우는, 탈염공정을 생략하고, 1차 고온호기성 발효액을 2차 고온호기성 발효조(13)로 보낸다.

1차 고온호기성 발효조(7)에서 열원 공급은, 상기 액화공정에서와 같이 보일러에서 열을 공급하는 대신에 전기 가열기(Electric heater)에 의해서도 열을 공급할 수 있으며, 상기 반응식 (1)∼(2)에서와 같이 고온호기성 발효가 정상적으로 일어나면 자체 반응열에 의해서 온도가 60∼80℃ 범위로 운전되면 외부에서 열원공급은 중단한다.

시운전(試運轉)이나, 운휴(運休) 후 새로 가동하는 경우는, 바실러스 스테아로써모필러스(Bacillus Stearothermophilus)·바실러스 코아굴란스(Bacillus coagulans)·바실러스 플라보써무스(Bacillus flavothermus)·바실러스 카우스토필러스(Bacillus kaustophilus)·바실러스 쉴레겔리(Bacillus schlegelii)·바실러스 스미시(Bacillus smithii)·바실러스 써모카테눌라투스 (Bacillus thermocatenulatus)·바실러스 써모클로아케(Bacillus thermocloacae)·바실러스 써모디니트리피칸스(Bacillus thermodenitrificans)·바실러스 써모글루코시데시어스(Bacillus thermoglucosidasius)·바실러스 써모레오보란스(Bacillus thermoleovorans)·바실러스 슈스시(Bacillus tusciae)·바실러스 써모루버(Bacillus thermoruber)·바실러스 브레비스(Bacillus brevis)·바실러스 팔리더스(Bacillus pallidus)·바실러스 렌터스(Bacillus lentus)와 같은 고온성 간균(桿菌), 클로스트리듐 서모사카로리티쿰(Clostridium thermosaccharolyticum), 락토바실러스 테르모필루스(Lactobacillus thermophilus)·락토바실러스 테 델브릭키이(Lactobacillus delbrueckii)와 같은 고온성 유산 간균, 시네초코커스 리비두스(Synechococcus lividus), 스트렙토코쿠스 테르모필루스(Streptococcus thermophilus), 스트렙토마이세스 테르모필루스(Streptomyces thermophilus), 디설포토마쿨럼 니그리피칸스(Desulfotomaculum nigrificans), 지오바실러스 써모디니트리피칸스(Geobacillus thermodenitrificans)·지오바실러스 퇴비(Geobacillus toebii)·지오바실러스 스테아로써모필러스(Geobacillus stearothermophilus)와 같은 고온성 지오바실러스속(Geobacillus sp.)·지오바실러스 스테아로써모필러스(Geobacillus stearothermophilus)·지오바실러스 써모레오보란스(Geobacillus thermoleovorans)와 같은 지오바실러스속(Geobacillus sp.), 써모크리스퓸속(Thermocrispum sp.), 테르무스 테르모필루스(Thermus thermophilus), 안옥시바실러스 베푸엔시스(Anoxybacillus beppuensis)·안옥시바실러스 루피엔시스(Anoxybacillus rupiensis)·안옥시바실러스 푸라비써머스(Anoxybacillus flavithermus)와 같은 고온성 안옥시바실러스속(Anoxybacillus sp.), 서모액티노마이세스 불가리스(Thermoactinomyces vulgaris)·서모액티노마이세스 사카리(Thermoactinomyces sacchari)·서모모노스포라 카바라(Thermomonospora curｖara)와 같은 고온 방사선균(Thermophilic actinomycetes), 술폴로부스 아시도칼다리우스(Sulfolobus acidocaldarius), 알리사이클로바실러스속(Alicyclobacillus sendaiensis sp.), 후미콜라 인솔렌스(Humicola insolens), 마스티고클라두스 라미노서스(Mastigocladus laminosus), 타라로마이세스·듀폰티(Talaromyces dupontii) 또는 게오트리쿰 칸디둠(Geotrichum candidum) 중에서 한 종류 이상의 호열성 미생물(Thermophilic bacteria)을 L배지나, WSG배지를 기본으로 하여 일부 성분을 첨가한 배지에서 배양한 균제를 10⁴∼10¹⁰cfu/유기성 폐기물-kg로 종균용으로 액화기(1) 또는 고온호기성 발효조(7, 7a, 7b)에 공급하거나, 또는, 유기성 폐기물을 퇴비화하는 발효공정에서 60∼80℃로 고온발효하는 과정에서 발효 중에 있는 퇴비를 종균용으로 유기성 폐기물 100중량부에 0.05∼0.5중량부를 액화기(1) 또는 고온호기성 발효조(7, 7a, 7b)에 공급한다. 그리고 정상 가동이 되면 균주를 지속적으로 공급할 필요는 없다.

1차 고온호기성 발효조(7)는, 도 2, 도 4, 도 5에서와 같이 외부에 보온재(3)로 보온처리된 가온 재킷(9)에 보일러로부터 열원을 공급하는 원형의 철구조물로 할 수 있으며, 가온 재킷(9)을 설치하는 대신에 내부에 가열 코일(Heating coil)을 설치하거나, 또는, 전기 가열기(Electric heater)를 설치하여 열을 공급할 수도 있으며, 철구조물 대신에 콘크리트구조물로도 할 수 있다.

1차 고온호기성 발효조 믹서(8)는, 1차 고온호기성 발효조(7) 하부에는 분해되지 않는 모래, 흙, 유리파편과 같은 슬러리상의 물질을 중앙 콘(Cone) 부분으로 모아 용이하게 배출하기 위해서 하·폐수처리공정의 침전조 레이크(Rake)와 같은 구조로 하고, 이 레이크의 상부에는 피치드 패들형(Pitched paddle type)의 교반익(攪拌翼)을 설치한다. 교반속도는 2∼4rpm으로 한다.

2. 탈염공정

음식물쓰레기, 축산분뇨, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물과 같이 염분을 함유한 유기성 폐기물은 고온 발효를 하면 반응열에 의해서 수분이 증발하면서 염분이 농축되어 전기전도도(Electrical conductivity) 값이 50∼60㎳/㎝ 범위를 넘어서게 되면 미생물의 활성이 떨어지면서 발효효율이 저하하게 되며, 생산된 퇴비를 농작물에 시비를 하였을 때 염해를 야기하기 때문에 반드시 탈염처리를 한 다음, 발효를 해야 한다.

유기성 폐기물에 염분을 제거하는 탈염방법은, 액상 유기성 폐기물에 포졸란 물질(Pozzolanic material)인 석탄회(Fly ash)와 석회를 주입하여 물에 불용성 염으로 처리하여 제거하는 탈염방법 또는 전기장(電氣場)을 형성시켜 전기영동(Electrophoresis)에 의해서 염분을 추출제거하는 탈염방법 중에서 한 가지의 탈염방법으로 염분을 제거한 다음, 2차 고온호기성 발효조(13)로 보낸다.

가. 석탄회(Fly ash)와 석회를 주입하여 염분을 제거하는 탈염공정

먼저, 석탄회(Fly ash)와 석회를 주입하여 염분을 제거하는 반응메커니즘(Reaction mechanism)을 검토하면, 수중에 염분(NaCl)이 존재하는 수용액에 석회(Ca(OH)₂)와 석탄회를 주입하면 염화물이 물에 불용성인 프리델씨염(Friedel's salt)의 형태로 침전하여 수중에 염화물이 제거된다.

석탄회에는 활성화된 SiO₂와 Al₂O₃와 같은 포졸란 물질(Pozzolanic material)이 다량 함유되어 있으며, 이 포졸란 물질은 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 포졸란반응(Pozzolanic reaction)을 하여 알류미늄산칼슘수화물(Calcium Aluminate hydrates, 3CaO·Al₂O₃·6H₂O)과 규산칼슘수화물(Calcium silicate hydrates, 3CaO·2SiO₂·3H₂O)을 생성한다.

3Ca(OH)₂ + 2SiO₂ + 6H₂O → 3CaO·2SiO₂·3H₂O ………………⑹

3Ca(OH)₂ + Al₂O₃ + 3H₂O → 3CaO·Al₂O₃·6H₂O ………………⑺

그리고 알류미늄산칼슘수화물(3CaO·Al₂O₃·6H₂O)은 수중의 염소 이온(Cl^-)과 반응하여 물에 불용성인 프리델씨염(Friedel's salt)의 형태로 반응하면서 수중의 염소 이온(Cl^-)이 제거하게 된다.

3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 2Cl^- + Ca(OH)₂ + 4H₂O → 3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O(Friedel's salt)↓ + 2OH^- …………………………………………⑻

그리고 나트륨 이온(Na⁺)은 상기 반응식 (6)의 반응물 규산칼슘수화물(Calcium silicate hydrates, 3CaO·2SiO₂·3H₂O)과 반응하여 물에 불용성인 소다석회 규산염(Na₂O·3CaO·2SiO₂ ·xH₂O)이 생성하면서 수중에 염분이 제거된다.

2Na⁺ + 3CaO·2SiO₂·3H₂O + 2OH^- + (X-4)H₂O→ Na₂O·3CaO·2SiO₂ ·xH₂O↓…………………………………………………………………………………⑼

그리고 앨러페인(Allophane)질 점토광물(Al₂O₃·SiO₂·nH₂O), 화산회토(火山灰土), 소각로의 소각회(燒却灰), 시멘트도 포졸란 물질이 함유되어 있기 때문에 상기 석탄회 대신에 사용할 수 있다.

그리고 황산, 염산, 탄산(H₂CO₃)과 같은 산성물질이 수중에 주입되어 산성이 되면 상기 반응식 (8)와 (9)의 반응은, 역반응이 일어나면서 수중에 염분이 다시 용출하기 때문에 반응 후 염분을 함유한 침전물은 수중에서 제거해야 한다.

본 발명에서 석탄회(Fly ash)와 석회를 주입하여 염분의 제거는, 상기 1차 고온호기성 발효액이 염분반응조(100)에 공급되면 염분반응조교반기(101)로 교반하면서 석탄회(Fly ash)와 석회(Ca(OH)₂)를 공급하면 수용성인 염분을 물에 불용성 물질로 반응되면, 침전조(102)로 보내어 염분을 함유한 침전물이 침전조(102) 하부에 침전되면 침전조 레이크(103)에 의해 침전조(102) 하부 콘(Cone) 부분에 모인 침전 슬러지(Sludge)는 침전물 이송펌프(104)로 탈수공정에 공급하여 탈수된 케이크(Cake)는 폐기처분하고, 탈수 여액은 침전조(102) 상부를 월류(Over flow)하는 월류수와 함께 염분이 제거된 1차 호기성 발효액 저장조(105)로 보내었다가, 염분이 제거된 1차 호기성 발효액 이송펌프(106)에 의해서 2차 고온호기성 발효조(13)로 보낸다.

석탄회(Fly ash)와 석회를 주입하여 염분의 제거는, 상기 액화공정에서 액화처리된 액상 유기성 폐기물에 석탄회(Fly ash)와 석회를 주입하면, 액화 초기의 액상 유기성 폐기물에는 고급지방산과 고분자물질이 많기 때문에 석회와 반응하여 물에 불용성인 고급지방산 칼슘염과 같은 유기물질이 염분과 함께 제거되기 때문에 1차 고온호기성 발효를 하여 저 분자 유기물질로 분해한 다음, 이에 석탄회(Fly ash)와 석회를 주입하여 염분만 반응토록 하여 탈염처리를 해야 한다.

상기 반응식 (8)와 (9)에 의해서 염분이 제거되는 반응은 염분, 석탄회 및 석회가 당량(當量) 대 당량의 반응을 하지만, 석탄회의 조성은 화력발전소에서 사용되는 석탄의 종류에 따라서 조성의 차이가 심하며, 염분제거 효율을 향상하기 위해서 석탄회는 염분의 양보다 2∼3배 과잉으로 공급하는 것이 바람직하며, 석회는 pH가 10을 초과하지 않는 범위 내에서 공급한다. pH가 10을 초과하게 되면 발효미생물의 생육에 지장을 주기 때문이다. 바람직하게는 석회는 pH가 8.4∼9.5의 범위로 공급하는 것이 좋다.

그리고 석탄회 중에 CaO성분이 10wt% 이상 함유되어 있는 경우는, 석회를 별도로 공급하지 않아도 된다.

석회를 공급하여 pH가 10 전후가 되어도, 별도로 중화처리를 할 필요는 없다. 석회의 성분인 Ca(OH)₂는 발효가 되면서 생성되는 이산화탄소(CO₂)와 반응하여 탄산칼슘(CaCO₃)으로 중화되기 때문이다.

1차 호기성 발효액 저장조(11), 염분반응조(100), 침전조(102), 염분이 제거된 1차 호기성 발효액 저장조(105)는 보온재(3)로 보온처리된 철구조물 또는 콘크리트구조물로 한다.

염분반응기교반기(101)는 프로펠러 형(Propeller Type)으로 하며, 교반속도는 180∼360rpm으로 하고, 교반 반응시간은 30∼40분이 되도록 염분반응조(100)의 용량을 설정한다.

침전조 레이크(103)는 하·폐수처리장의 농축조의 레이크와 같은 구조로 하며, 회전속도는 0.01∼0.02rpm으로 한다.

침전조(102)는, 단면적을 고형물부하율(Solid loading rate)이 60∼90㎏/㎡·hr 범위로 하고, 수심은 3∼5m로 하고, 하부 바닥의 경사는 1/10∼1/20 범위로 한다.

1차 호기성 발효액 저장조(11)와 염분이 제거된 1차 호기성 발효액 저장조(105)의 용량은 체류시간이 30분 이상이 되게 하며, 30분 이상 상한은 제한이 없다.

나. 전기영동에 의해서 염분을 제거하는 탈염공정

전기영동(Electrophoresis)에 의해서 염분을 제거하는 탈염공정은, 염분을 함유한 1차 고온호기성 발효액을 양이온교환 격막과 음이온교환 격막으로 격리된 내부로 주입하면서, 외부에는 양극과 음극을 설치한 탈염실로 구성된 탈염장치에 정류기로부터 직류전류를 인가(印加)하여 전기장(電氣場)을 형성시키면 전기영동(Electrophoresis)에 의해서 유기성 폐기물에 함유된 Na⁺ 이온은 양이온교환 격막을 통과하여 탈염실의 음극 쪽으로 이동하고, Cl^- 이온은 음이온교환 격막을 통과하여 탈염실의 양극 쪽으로 이동하면서 1차 고온호기성 발효액에 함유된 염분이 탈염실로 추출제거하게 된다. 염분이 제거된 1차 고온호기성 발효액은 2차 고온호기성 발효조(13)로 보낸다. 전기영동에 의해서 염분을 제거하는 탈염공정은 1차 고온호기성 발효공정 전 단계에서 실시할 수도 있다. (전기영동에 의해서 염분을 제거하는 탈염공정의 구체적인 내용은 상기 특허문헌 4의 기술을 참조)

3. 2차 고온호기성 발효공정

상기 염분을 함유하지 않는 1차 고온호기성 발효액이나, 또는, 탈염공정에서 염분을 제거한 1차 고온호기성 발효액이 2차 고온호기성 발효조(13)에 공급되면 2차 고온호기성 발효조 교반기(14)로 교반하면서 2차 고온호기성 발효된 2차 고온호기성 발효액이 2차 고온호기성 발효액 저장조(15) 공급되면 2차 고온호기성 발효액 일부를 충전물(18)이 충전된 가압산소용해장치(17)의 충전물(18) 상부로 보내고, 공기 압축기(21)에서 압축공기를 PSA(Pressure swing adsorption)공정에 공급하여 농축된 산소나, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베(Bombe)에서 산소를 가압산소용해장치(17)의 충전물(18) 하부로 공급하여 압력을 2∼4기압(atm)으로 조정하면서 충전물(18)이 충전된 충전 층에서 2차 고온호기성 발효액과 산소 기체가 카운터 플로(Counter flow)로 접촉하면서 2차 고온호기성 발효액에 산소를 용해한다.

상기 충전물(18)은, 래싱링(Rasching Ring), 폴링(Pall ring), 레식링(Lessig ring), 새들(Saddle) 또는 텔러렛(Tellerette) 중에서 한 종류를 사용하며, 재질은 고온성 플라스틱(Plastic). 금속(Metal) 또는 세라믹스(Ceramics) 중에서 한 종류를 사용한다.,

산소가 용해된 2차 고온호기성 발효액은 1차 고온호기성 발효조(7) 하부로 주입하여 산소를 공급하고, 나머지는 2차 고온호기성 발효조(13) 하부로 주입하여 산소를 공급하면 고온호기성 발효가 계속되어 분해가 용이한 유기물은 이산화탄소와 물과 같은 간단한 무기물로 분해된다.

2차 고온호기성 발효조(13)는, 외부에 보온재(3)로 보온한 철구조물 또는 콘크리트구조물로 하며, 1차 고온호기성 발효조(7)에서와 같이 가온하는 가온 재킷이나 가열 코일에 의한 외부에서 열을 공급하지 않고, 유기물질이 분해하는 열에 의해서 50∼60℃의 범위로 운전한다. 2차 고온호기성 발효조(13)에서 분해가 용이한 유기물질이 분해가 된 2차 고온호기성 발효액은 2차 고온호기성 발효액 저장조(15)로 보내었다가, 2차 고온호기성 발효액 이송펌프(16)에 의해서 중온호기성 발효조(19)로 보낸다.

2차 고온호기성 발효조 교반기(14)는, 피치드 패들형(Pitched paddle type)으로 하며, 교반속도는 4∼12rpm으로 한다.

염분이 없거나 염분농도가 낮은 유기성 폐기물의 경우는 도 4에서와 같이 1차 고온호기성 발효와 2차 고온호기성 발효를 구분하지 않고, 고온호기성 발효조(7a)에서 고온호기성 발효를 한 다음 고온호기성 발효액 저장조(11a)로 보내었다가 고온호기성 발효액 이송펌프(12a)로 액상 유기성 폐기물 저장조(5)로 일부를 반송하면서 가압산소 용해탱크(17)와 중온호기성 발효조(19)로 보낸다.

이때도 레이아웃(Lay-out) 상 유기성 폐기물 저장조(5)를 설치하지 않아도 되는 경우는, 유기성 폐기물 저장조(5)와 액상유기성 폐기물이송펌프(6)를 생략하고, 유기성 폐기물이 액화기(1)에서 액화된 액상 유기성 폐기물을 고온호기성 발효조(7a)로 보내고, 고온호기성 발효액 이송펌프(12a)로 고온호기성 발효액 일부를 PSA공정에서 농축된 산소, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베의 고압의 산소 중에서 한 종류의 산소를 함께 산소용해장치(4)로 보내어 고온호기성 발효액에 산소를 용해한 것을 액화기(1) 상부로 분사시켜, 액화기(1)의 유기성 폐기물에 산소와 고온호기성 미생물을 공급하여도 된다.

그리고 음식물쓰레기와 같이 염분농도가 높은 유기성 폐기물의 경우 처리용량이 작은 경우도, 1차 고온호기성 발효와 2차 고온호기성 발효를 구분하지 않고, 도 5에서와 같이 고온호기성 발효조(7b)에 고온호기성 발효조 교반기(29a∼d)를 설치하고, 고온호기성 발효를 하여 분해가 용이한 유기물이 이산화탄소와 수분과 같은 간단한 무기물로 분해되면서 분해 열에 의해 수분이 증발하여 전기전도도 값이 50∼60㎳/㎝ 범위로 농축되면, '석탄회(Fly ash)와 석회를 주입하여 염분을 제거하는 탈염공정'에서와 같이 석회와 석탄회를 주입하면서 고온호기성 발효조 교반기(29a∼d)를 30∼40분간 가동하면, 상기 반응식 (8)와 반응식(9)의 반응이 일어나면서 수중에 용해되어 있던 염분이 물에 불용성인 염분으로 전환된다.

상기 물에 불용성인 염분이 고온호기성 발효조(7b) 하부로 침전하면 고온호기성 발효조 침전슬러리 이송펌프(10b)에 의해 탈수공정으로 보내어 탈수된 탈수케이크는 폐기처분하고, 탈수 여액은 고온호기성 발효액 저장조(11b)로 보낸다.

상기 반응식 (8)와 반응식(9)의 반응이 일어나면서 수중에 용해되어 있던 염분이 물에 불용성인 염분으로 전환되어 침전된 슬러리에 흡착된 염분은, 발효 중에 생성되는 이산화탄소와 반응을 하면 다음 반응식 (10)과 반응식 (11)의 반응에 의해서 염소 이온(Cl^-)이 수용성으로 되기 때문에 염분제거반응을 한 즉시 고온호기성 발효조(7b)에서 제거해야 한다.

CO₂ ＋ H₂O → 2H⁺ ＋ CO₃ ^{2 -} ………………………………………………………⑽

3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O ＋ CO₃ ^{2 -} → 3CaO·Al₂O₃·CaCO₃·10H₂O ＋ 2Cl^-…⑾

이때도 역시 레이아웃(Lay-out) 상 유기성 폐기물 저장조(5)를 설치하지 않아도 되는 경우는, 유기성 폐기물 저장조(5)와 액상유기성 폐기물이송펌프(6)를 생략하고, 유기성 폐기물이 액화기(1)에서 액화된 액상 유기성 폐기물을 고온호기성 발효조(7b)로 보내고, 고온호기성 발효액 이송펌프(12b)로 고온호기성 발효액 일부를 PSA공정에서 농축된 산소, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베의 고압의 산소 중에서 한 종류의 산소를 함께 산소용해장치(4)로 보내어 고온호기성 발효액에 산소를 용해한 것을 액화기(1) 상부로 분사시켜, 액화기(1)의 유기성 폐기물에 산소와 고온호기성 미생물을 공급하여도 된다.

가압산소용해탱크의 구조는, 도 2, 도 4, 도 5 및 도 6-1에서와 같이 고온호기성 발효액 일부를 충전물(18)이 충전된 가압산소용해장치(17)의 충전물(18) 상부로 보내고, 공기 압축기(21)에서 압축공기를 PSA(Pressure swing adsorption)공정에 공급하여 농축된 산소나, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베(Bombe)에서 산소를 가압산소용해장치(17)의 충전물(18) 하부로 공급하고, 압력을 2∼4기압(atm)으로 유지하면서 산소를 용해한 고온호기성 발효액을 1차, 2차 고온호기성 발효조(7, 13)로 반송하여 산소를 공급하는 구조로 되어 있다.

그리고 도 6-2에서와 같이, 상기 산소용해장치(4)와 같은 산소용해장치(4a)에 PSA공정의 농축산소 또는 산소저장탱크의 순산소와 고온호기성 발효조(7a, 7b, 13)의 발효액을 공급하여 우선 고온호기성 발효액에 산소를 용해한 것을 다운코머(Down-comer) 배관이 설치된 가압산소용해탱크(17a)의 하부로 공급하면서 가압산소용해탱크(17a) 내부 압력을 2∼4기압(atm)으로 유지하면서 고온호기성 발효액에 산소를 용해한 것을 고온호기성 발효조(7, 7a, 7b, 13)로 보내어 산소를 공급할 수도 있다.

또는, 산소용해효율이 다소 떨어지더라도, PSA공정의 농축산소 또는 산소저장탱크의 순산소를 다운코머(Down-comer) 배관이 설치된 가압산소용해탱크(17b)의 하부로 공급하고, 고온호기성 발효조(7a, 7b, 13)의 발효액을 상부로 공급하면서 가압산소용해탱크(17b) 내부 압력을 2∼4기압(atm)으로 유지하면서 고온호기성 발효액에 산소를 용해한 것을 고온호기성 발효조(7, 7a, 7b, 13)로 보내어 산소를 공급할 수도 있다.

3. 중온호기성 발효공정

중온호기성 발효는, 고온호기성 발효에서 분해되지 않았던 리그닌(Lignin), 셀룰로오스(Cellulose)와 같은 난분해성인 고분자유기물이 분해되면서, 미 산화된 암모니아가 초산으로 질산화되는 과정으로 고온호기성 발효에 비해서 완만하게 진행된다.

상기 2차 고온호기성 발효액이 중온호기성 발효조(19)에 공급되면, 공기 송풍기(28)로부터 공기를 용존산소(Dissolved oxygen) 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 주입하면서 20∼40℃에서 중온호기성 발효를 15∼20일간 한다. 중온호기성 발효가 된 액상의 중온호기성 발효액은 액비(液肥)로 이용할 수 있기 때문에 액비로 이용하거나, 또는, 고상의 퇴비를 만들고자 할 때는 중온호기성 발효액 이송펌프(20)로 혼화기(21)로 보낸다.

중온호기성 발효조(19)에서도, 시운전이나, 운휴(運休) 후 새로 가동하는 경우는, 바실러스 섭티리스(Bacillus subtilis)·바실러스 마이코이데스(Bacillus mycoides)·바실러스 낫또(Bacillus natto)와 같은 간균(桿菌), 스트렙토미세스 그리세올러스(Streptomyces griseolus)·스트렙토미세스 올리바슈스(Streptomyces olivaceus)·스트렙토미세스 그리세우스(Streptomyces griseus)·미크로모노스포라 푸르프레아(Micromonospora purprea)·미크로모노스포라 에키노스포라(Micromonospora echinospora)·미크로모노스포라 푸스카(Micromonospora fusca)·미크로모노스포라 오리바스테로스포라(Micromonospora olivasterospora)와 같은 방선균(放線菌), 락토바실루스속(Lactobacillus sp.)·스트렙토코쿠스속(Streptococcus sp.)·페디오코쿠스속(Pediococcus sp.)·류코노스톡속(Leuconostoc)과 같은 젖산균, 사카로미세스속(Saccharomyces sp.)·스포로볼로미케스속(Sporobolomyces sp.)·크립토코쿠스속(Cryptococcus sp.)과 같은 효모균(酵母菌), 아스페르길루스속(Aspergillus sp.)·페니실리움속(Penicillium sp.)·푸사리움속(Fusarium sp.)·무코르 속(Mucor sp.)·리조푸스속(Rhizopus sp.)과 같은 사상균(絲狀菌), 마이크로코쿠스속(Micrococcus sp.)·스피로헤타속(Spirochaeta sp.)·클로스트리디움속(Clostridium sp.)·슈도모나스속(Pseudomonas sp.)과 같은 세균(Bacterium) 중에 한 종류 이상 혼합 배양한 중온호기성 발효미생물 균제를 10⁴∼10¹⁰cfu/유기성 폐기물-kg로 종균용으로 공급하거나, 또는, 유기성 폐기물을 퇴비화하는 숙성공정에서 20∼40℃로 중온발효과정에서 발효 중에 있는 퇴비를 종균용으로 0.05∼0.5㎏/유기성 폐기물-100㎏로 중온호기성 발효조(19)에 공급한다. 그리고 정상 가동이 되면 균주를 지속적으로 공급할 필요는 없다.

상기에서와 같이 고온호기성 발효와 중온호기성 발효를 고온호기성 발효미생물과 중온호기성 발효미생물들은 대사 산물 중에는 식물생장에 유용한 비타민류와 같은 생리적 활성화물질, 호르몬(Hormon)과 같은 성장촉진물질, 유해 병원균에 대한 항생물질 등의 유용한 물질을 생성할 수 있으며, 또한, 고온호기성 발효에서는 유해병원성 미생물, 잡초의 씨앗 및 유충의 애벌레 등이 사멸처리가 되기 때문에 위생적으로 안전한 액비 또는 고상의 퇴비를 만들 수 있다. 다시 말해서 종래의 액비제조에서는 고온호기성 발효를 할 수 없어서 유해병원성 미생물, 잡초의 씨앗 및 유충의 애벌레 등이 사멸처리가 완벽하지 못한 점이 보완되었다고 할 수 있다.

표 1에서와 같은 조성을 가진 음식물쓰레기 1,200㎏에 퇴비화공정의 60∼70℃에서 고온호기성 발효되는 퇴비를 고온호기성 발효균의 종균용으로 5㎏과 소석회 1㎏을 주입하여 혼합한 것을 믹서(Mixer), 보온재와 전기가열기(Electric heater)가 설치된 6㎥ 철구조물의 고온호기성 발효조에 주입하고, 믹서를 2rpm으로 교반하면서 전기가열기로 70∼75℃로 가온하고, 산소 봄베(Bombe)로부터 철구조물 통 음식물쓰레기 층에 산소를 공급하면서 운전한 결과, 6시간 후에 액상의 유기성 폐기물로 액화처리되었다.

음식물쓰레기의 조성 분석표

pH	가연분(wt%)	회분(wt%)	수분(wt%)	전기전도도(㎳/㎝)
4.7	16.2	4.9	78.9	22.4(NaCl: 1.3wt%에 해당)

상기 액상의 유기성 폐기물 중에서 무기물질, 비닐과 플라스틱과 같은 액화되지 않은 물질을 제거한 액상의 유기성 폐기물 1,000㎏을 상기 철구조물의 고온호기성 발효조에 주입하고, 패들형(Paddle type) 믹서로 회전속도 2rpm으로 믹싱하면서 산소 봄베로부터 산소와 철구조물의 고온호기성 발효조에 있는 액상의 유기성 폐기물을 도 6-3과 같은 가압산소용해 탱크로 보내어 압력을 2∼3기압으로 유지하면서 산소가 용해된 액상의 유기성 폐기물을 고온호기성 발효조로 반송하면서 용존산소 농도가 2∼3㎎/ℓ범위가 유지되도록 공급하고, 온도를 70∼75℃로 유지하면서 14시간을 운전하였을 때 전기전도도 값이 62㎳/㎝되어 1차 고온호기성 발효를 중단하고, 믹서를 제거한 다음, 프로펠러형(Propeller type) 교반기를 설치하고, 표 2에서와 같은 석탄회 25㎏을 주입하고, 교반기의 회전속도를 360rpm으로 교반하면서, pH를 9가 되도록 석회를 주입하고 40분간 반응을 한 다음, 교반을 중단하고, 2시간 동안 방치 후 침전된 침전물은 진공탈수기로 탈수 후 탈수케이크는 폐기하고, 탈수 여액은 고온호기성 발효조로 반송하고, 온도를 70∼75℃로 가온한 다음, 상기와 동일하게 고온호기성 발효조에 산소를 공급하면서 외부에서 열원공급은 중단하고 자체 분해 열로만 발효되도록 하면서 2차 고온호기성 발효를 하였다.

석탄회의 조성분석표

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	기타(강열감량분 포함
57.8	23.2	5.2	8.2	2.7	2.9

상기 2차 고온호기성 발효가 16시간이 지나면서 발효온도가 50℃로 떨어져 2차 고온호기성 발효를 중단하였다. 이때 고온호기성 발효의 양은 181㎏으로, 819㎏이 이산화탄소와 물로 분해되면서 분해 열로 인한 수분이 증발하여 약 82%가 감량화되었음을 알 수 있다. 그리고 2차 고온호기성 발효액의 전기전도도를 측정한 결과 3.5㎳/㎝로 측정되었다. 이는 축산분뇨에 함유된 염분농도보다 낯은 수치로 퇴비화하여 작물에 시비를 하였을 때 염해가 문제되지 않는 농도까지 처리되었음을 알 수 있다.

Ⅲ. 퇴비화단계

상기 액비를 그대로 사용해도 되지만, 본 퇴비화단계에서는, 취급이 어려운 액비의 단점을 보완하기 위해서 고상의 퇴비로 만드는 과정이다.

1. 혼화공정

중온호기성 발효조(19)에서 발효된 액비상태의 발효액이 혼화기(21)에 공급되면, 함수율조정제를 첨가하고 혼화기 믹서(22)로 믹싱하면서 혼화한 것을 혼화물 이송 컨베이어(23)에 의해 숙성조(24)로 보낸다. 그리고 함수율조정제의 소모량을 줄이기 위해서 함수율조정제에 수분흡수제를 혼합한 것을 사용할 수도 있으며, 퇴비의 기능성을 보완하기 위해서 토양개량제를 추가로 첨가한다.

상기 함수율조정제는, 흡수성(吸水性)이 우수한 섬유질재료(纖維質材料)인, 펄프(Pulp), 코코피트(Coconut peat), 피트모스(Peat moss, 草炭), 이탄(泥炭, Peat), 부엽토(腐葉土), 솜 부스러기, 수피(Bark), 톱밥, 목재분말, 왕겨, 볏짚, 보릿짚. 밀짚, 옥수수박, 사탕수수 찌꺼기(Bagasse), 콩깻묵(大豆粕), 밀기울, 유채박, 커피박, 차박(茶粕), 깻묵, 쌀겨 또는 콩비지로부터 선택되는 한 종류 또는 두 종류 이상 혼합한 것을 중온호기성 발효조(19)에서 발효된 액비상태의 발효액에 함수율이 55∼65wt% 범위가 되게 주입한다.

본 발명에서 함수율조정제를 사용하는 목적은, 액상의 발효액을 흡수하여 팽윤(Bulking) 하면서 공극률(空隙率)을 향상시켜 통기성(通氣性)을 향상하면서, 탄소와 질소의 비율(C/N비)을 조정하여 질소성분의 휘산(揮散)을 억제하기 위함에 있다.

본 발명에서는, 상기 고온호기성 발효와 중온호기성 발효에 의해서 분해가 용이한 유기물질이 분해되었기 때문에 분해가 용이한 물질을 함유한 함수율조정제로 사용하면 숙성과정에서 숙성이 길어지기 때문에 자연상태에서 분해가 용이한 유기물질이 분해된 코코피트(Coconut peat), 부엽토(腐葉土), 피트모스(Peat moss) 또는 이탄(泥炭) 중에서 한 종류 또는 두 종류 이상 혼합한 것을 함수율조정제로 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 함수율조정제의 소요량(所要量)을 줄이기 위해서 수분흡수성(水分吸收性)이 우수한, 펙틴(Pectin)·카라기난(Carrageenan), 구아 검(Guar gum), 잔탄검(Xanthan gum), 아라비아고무(Gum arabic), 로커스트빈검(Locust Bean Gum), 디메틸 아미노 에틸 메타크리레이트(Dimethyl amino ethyl methacrylate), 디에틸아미노에틸메타크리레이트(Diethyl amino ethyl methacrylate), 디에틸 아미노-2-히드록시 프로필 메타크리레이트(Diethyl amino-2-hydroxypropyl methacrylate), 디메틸 아미노 프로필 메타크리레이트(Dimethyl amino propyl methacrylate), 디에틸아미노에틸메타크릴아미드(Dimethyl amino ethyl methacrylamide), 알긴산 나트륨(Sodium alginate), 소듐 폴리아크릴레이트 가교물(Cross-linked sodium polyacrylate)과 같은 폴리 아크릴산(Poly acrylic acid)계, 폴리 N－비닐아세트아미드(Poly N-vinylacetamide)계, 히드록시에틸셀룰로오스(Hydroxyethyl cellulose), 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose), 알긴산(Alginic acid), 히알루론산(Hyaluronic acid), 폴리 글루탐산(Polyglutamic acid), 키토산(Chitosan), 폴리리신(Polylysine), 견(絹)피브로인(Fibroin), 셀룰로오스 글리콜산(Cellulose Glycolic acid), 산화처리한 셀룰로오스(Cellulose)의 가교물(架橋物), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리 아크릴 아미드(Polyacrylamide), 폴리 비닐피로리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리 하이드록시에틸메타크릴레이트(Polyhydroxyethyl methacrylate), 폴리 비닐메틸에테르(Poly vinylmethylether), 폴리 이소부틸렌-말레산(Poly isobutylene-maleic acid), 폴리 2-아크릴 아미도-메틸-1-프로판술폰산(Poly 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid), 2-아크릴 아미도-2-메틸프로판 술폰산(2-Acrylamido-2-methyl Propanesulfonic Acid), 폴리비닐 포스폰산(polyvinyl phosphonic acid), 폴리 메타크릴로일옥시에틸 4급화염화암모늄(Poly methacryloyloxyethyl quaternary ammonium chloride), 폴리 4-비닐 피리딘(Poly 4-vinylpyridine), N-N-디메틸-N-(3-아크릴 아미드 프로필)-N-(카르복시메틸) 암모늄[N-N-Dimethyl-N-(3-acrylamidepropyl)-N-(carboxymethyl) ammonium], 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene glycol), 폴리 디옥소란(Poly dioxolane) 또는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine)과 같은 고흡수성(高吸水性) 물질 중에서 한 종류 또는 두 종류 이상 혼합한 것을 수분흡수제로 사용하며, 수분흡수제의 사용하는 양은, 상기 함수율조절제 100중량부에 수분흡수제 1∼10중량부를 혼합하여 사용한다.

토양개량제는, 황토(Loess), 벤토나이트(Bentonite), 카올린나이트(Kaolinite), 천매암(Phyllite), 질석(Vermiculite), 일라이트(Illite), 고령토(Kaolin), 제올라이트(Zeolite), 진주암(Perlite), 스멕타이트(Smectite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 소성 가리장석, 활성실리카광물(Acivated silica minerals), 목탄(木炭), 죽탄(竹炭), 활성탄(活性炭), 제지공장의 제지슬러지 탄화물(Paper sludge carbide), 석탄을 활성화한 활성탄소(活性炭素), 연료의 불안전연소에서 생산된 카본블랙(Carbon Black) 또는 왕겨 훈탄(燻炭) 중에서 한 종류 또는 두 종류 이상 혼합한 것을 숙성된 퇴비 중에서 무기물농도가 5∼15wt% 범위가 되게 공급한다.

혼화기(21)는, 도 2, 도 4, 도 5에서와 같이 수평형(Horizontal type)으로 할 수 있으나, 수직형(Vertical type)으로 할 수 있다. 그리고 혼화기 믹서(22)는 패들형(Paddle type), 스크루 리본형(Screw ribbon type)으로 하며, 회전속도 2∼4rpm으로 하고, 혼화 시간은 30∼60분으로 한다.

2. 숙성공정

상기 혼화기(21)에서 혼화된 혼화물이 혼화물 이송 컨베이어(23)에 의해서 숙성조(24)에 공급되면, 로터리믹서(25)로 뒤집기를 하면서 산소를 공급하여 함수율조정제에 함유된 분해가 용이한 당분, 녹말과 같은 탄수화물이 발효분해되고, 나아가서는 사상균, 방성균, 일반세균과 같은 중온성 미생물에 의해서 분해될 수 있는 유기물이 최종적으로 분해되면서 숙성되면 퇴비제품으로 출하한다. 퇴비화처리 용량이 적은 경우는 로터리믹서(25)로 뒤집기를 하는 대신에 삽차(26)로 뒤집기를 하여도 된다.

그리고 퇴비화에서 숙성은 주로 도 2, 도 4, 도 5에서와 같이 개방·직선형(開放·直線型)을 사용하지만, 퇴비화처리 용량이 작은 경우는 개방·직선형 숙성조(24) 대신에 개방식원형발효장치(開放式円型醱酵裝置), 개방식회행형발효장치(開放式回行型醱酵裝置), 개방식교반발효장치(開放式攪拌醱酵裝置), 개방식종형발효장치(開放式縱型醱酵裝置), 개방식횡형발효장치(開放式橫型醱酵裝置), 엔드리스 스쿠프형(Endless Scoop type) 발효장치, 상형통기발효장치(箱形通氣醱酵裝置), 로터리 킬른식(Rotary kiln type) 밀폐횡형발효장치(密閉橫型醱酵裝置) 또는 밀폐식종형발효장치(密閉式縱型醱酵裝置), 밀폐형다단식종형발효장치(密閉型多段式縱型醱酵裝置) 중에서 한 종류의 숙성장치를 이용할 수도 있으며, 본 발명에서 숙성조의 형태에는 특별히 제한하지는 않는다. 로터리믹서(25)로 뒤집기 회수는 1일 2∼4회 정도로 한다.

상기 실시 예1에서 고온호기성 발효액을 180㎏을 220ℓ 플라스틱 통에 주입하고, 퇴비화공정 중온호기성 발효과정의 퇴비 800g을 중온호기성 발효미생물 종균으로 주입하고, 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ가 유지되도록 송풍기로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 상온에서 15일간 중온호기성 발효를 하여 액비상태의 중온호기성 발효액으로 처리하였다.

상기 중온호기성 발효액 150㎏에, 함수율이 7.5%인 코코피트(Coconut peat) 100중량부에 폴리-감마-글루타민산(Poly-γ-glutamic acid) 10중량부를 혼합한 것 45㎏, 양이온치환용량(Cation exchange capacity, CEC)이 138meq/100g인 질석(Vermiculite) 5㎏, 목탄(木炭) 5㎏을 혼합하고, 혼화한 것을 20일간 삽차로 1일 2회 뒤집기를 하면서 퇴비를 만들었다.

상기 실시 예2에서 만든 퇴비 100㎏에, pH가 4.5∼5.5 범위의 점토함량이 30% 정도 함유된 산 흙 100㎏, 붕사 1㎏, N-사의 딸기용 완효성 비료 13㎏, 살균제로 C-사의 메탈락실(Metalaxyl) 1.5㎏, 살충제로 카보퓨란(Carbofuran, Furadan) 3㎏를 혼합하여 딸기 재배용 상토를 만들었다.

상기 상토를 딸기재배 포트(화분)에 주입하고, 딸기를 재배한 결과 도 9에서 보는 바와 같이 염해를 전혀 야기하지 않으면서 정상적으로 딸기 결실되는 것을 확인할 수 있었다.

Ⅳ. 탈취대책

퇴비화의 과정에서는, 악취가 발생하므로 악취 대책은 필수이다. 퇴비화 시설에는, 시설 내에서 발생한 악취를 한곳에 모아 탈취시설을 하여야 한다.

유기성 폐기물을 퇴비화하는 과정에서 발생하는 악취(惡臭)의 주된 성분은 유황 화합물, 저급지방산, 저급아민류, 암모니아 등이다. 유황화합물이나 저급지방산은, 반응공정 내가 혐기성(嫌氣性) 상태가 되었을 때 다량으로 발생하기 때문에, 수분과 환기를 조절하고, 반응공정 내를 호기성(好氣性) 상태에 유지하는 것으로 발생을 억제할 수 있다. 그러나 암모니아에 관해서는, 적정하게 퇴비화를 해도 발생을 억제할 수 없기 때문에, 이에 대해서는 적절한 탈취방법을 강구하여야 하는데 이들의 방법은 다음과 같다.

1. 생물탈취법

탈취재료 중의 수분 또는 수용액에, 악취성분을 흡착시켜, 탈취재료 중에 존재하는 미생물에 의해서 악취성분을 분해한다. 이 방법은, 운전비용을 염가로 할 수 있지만, 미생물의 처리능력 이상의 악취에는 대응할 수 없다. 탈취재료로는 토양, 암면(岩綿, Rock wool), 퇴비, 피트 모스(Peat moss), 코코 피트(Coconut peat), 톱밥, 활성탄 등이 이용할 수 있다.

2. 수세법

물에 악취물질을 용해시키는 방법으로, 암모니아와 같이 물에 녹기 쉬운 악취물질에 효과적이지만, 물을 대량으로 필요로 하며, 배수(排水) 대책이 필요하다.

3. 연소법

800℃ 전후의 고온으로 악취 성분을 산화 분해하는 고온 연소법과 300℃ 전후로 백금 등의 촉매를 사용하여 탈취시키는 저온 연소법이 있다. 탈취능력은 높지만, 비용이 비싼 문제가 있다.

3. 약액(藥液) 처리법

묽은 황산 등의 산성 용액이나 가성소다 등의 알칼리성 용액과 악취성분을 반응시켜, 화학반응으로 제거한다.

4. 마스킹(Masking)법

방향성분을 악취에 혼합하는 방법으로, 악취가 강한 경우 대량의 방향성분이 필요하게 되며, 근본적인 해결은 되지 않는다.

5. 오존산화법

오존에 의해 악취성분을 산화 분해하는 방법으로, 오존취에 의해 마스킹효과도 있다. 그러나 암모니아에 대해서는 효과가 작으며, 취급을 잘못하면 호흡기질환의 우려가 있을 수 있다.

본 발명에서 탈취는 상기 탈취방법 중에서 한 종류 또는 두 종류 이상을 조합한 방법에 의해서 할 수 있으며, 본 발명에서는 대부분공정이 호기성 발효공정에 의해서 처리되기 때문에, 투입조 부분을 제외하고는 암모니아가스 이외에는 크게 문제되지 않으며, 고온호기성 발효의 열원으로 보일러를 가동하는 경우는 악취성분이 배출되는 지점에서 흡입송풍기로 흡입하여 보일러에서 2차 공기(Secondary air)와 함께 공급하여 연소처리하는 연소처리법이 가장 바람직하게 처리할 수 있다.

본 발명의 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법은, 고온호기성 발효처리에서 분해가 용이한 유기물질이 분해되면서 자체 반응열에 의해 수분이 증발되어 감량화한 것을 퇴비화를 함으로서 함수율조정제의 소모량이 작아 저렴한 비용으로 퇴비화를 할 수 있으면서, 음식물쓰레기, 축산분뇨, 식품공장 폐기물과 같이 염분농도가 높은 유기성 폐기물은 염분을 제거함으로써 염해가 없는 퇴비를 만들 수 있기 때문에 유기성 폐기물을 처리하는 시장에 널리 보급될 것으로 전망된다.

1: 액화기 2: 액화기 믹서(Mixer)
3: 보온재 4, 4a: 산소용해장치
5: 액상 유기성 폐기물 저장조 6: 액상 유기성 폐기물 이송펌프
7: 1차 고온호기성 발효조 7a, 7b: 고온호기성 발효조
8: 1차 고온호기성 발효조 믹서 8a, 8b: 고온호기성 발효조 믹서
9: 가온 재킷(Heating jacket)
10: 1차 고온호기성 발효조 침전 슬러리 이송펌프
10a, 10b: 고온호기성 발효조 침전 슬러리 이송펌프
11: 1차 고온호기성 발효액 저장조 11a, 11b: 고온호기성 발효액 저장조
12: 1차 고온호기성 발효액 이송펌프 12a, 12b: 고온호기성 발효액 이송펌프
13: 2차 고온호기성 발효조 14: 2차 고온호기성 발효조 교반기
15: 2차 고온호기성 발효액 저장조 16: 2차 고온호기성 발효액 이송펌프
17, 17a, 17b: 가압산소용해탱크 18: 충전물
19: 중온호기성 발효조 20: 중온호기성 발효액 이송펌프
21: 혼화기 22: 혼화기 믹서
23: 혼화물 이송 컨베이어 24: 숙성조
25: 로터리믹서(Rotary mixer) 26: 삽차
27: 압축기(Compressor) 28: 송풍기(Blower)
29a∼d: 고온호기성 발효조 교반기 100: 염분 반응조
101: 염분 반응조 교반기 102: 침전조
103: 침전조 레이크(Rake) 104: 침전물 이송펌프
105: 염분이 제거된 1차 호기성 발효액 저장조
106: 염분이 제거된 1차 호기성 발효액 이송펌프
PSA: Pressure swing adsorption M: 모터(Motor)
S: 솔레노이드 밸브(Solenoid valve) FI: 유량지시계(Flow indicator)
PI: 압력지시계(Pressure indicator) PT: 압력송신기(Pressure transmitter)
PIS: 압력지시스위치(Pressure indicating switch)
PIC: 압력지시제어기(Pressure indicating controller)
PSV: 압력안전밸브(Pressure safety valve)
DOI: 용존산소지시계(Dissolved oxygen indicator)
TI: 온도지시계(Temperature indicator)
TT: 온도송신기(Temperature transmitter)
TIC: 온도지시제어기(Temperature indicating controller)
LT: 수위송신기(Level transmitter)
LIC: 수위지시제어기(Level indicating controller)

Claims (4)

1. 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge), 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물 또는 피혁가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물의 퇴비화에 있어서,
   상기 유기성 폐기물에 포함된 이물질의 제거와 대형물질은 파쇄처리한 유기성 폐기물이 액화기에 공급되면 칼슘함유광물을 주입하고 믹싱(Mixing)하면서 50∼60℃로 가온하고, 산소용해장치에서 산소를 용해한 액상 유기성 폐기물을 액화기로 반송하면서 고온 호기성 발효미생물에 의해 액상 유기성 폐기물로 처리하는 전처리단계와,
   상기 액상 유기성 폐기물을 고온 호기성 발효조에 공급되면, 믹서로 믹싱을 하면서 60∼80℃로 가온한 상태에서 고온 호기성 발효액을 순산소 또는 농축된 산소와 함께 가압산소용해탱크에 공급하여 2∼4기압(atm) 상태에서 산소를 용해한 고온 호기성 발효액을 고온 호기성 발효조로 반송하여 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지하면서 고온 호기성 발효를 하여 고온 호기성 발효액으로 처리하는 고온 호기성 발효공정과,
   상기 고온 호기성 발효액을 중온호기성 발효조로 보내어 20∼40℃에서 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지되게 공기 송풍기로부터 공기를 주입하면서 중온호기성 발효를 하여 액비상태의 발효액으로 만드는 발효단계와,
   상기 액비상태의 발효액을 액비제품으로 출하하거나, 또는, 액비상태의 발효액에 함수율조정제를 혼합하여 혼화 후 발효·숙성하여 퇴비화하는 퇴비화단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 고온 호기성 발효액으로 처리하는 공정 대신에, 염분농도가 높은 액상 유기성 폐기물은 1차 고온 호기성 발효조에 공급하고, 믹서로 믹싱을 하면서 60∼80℃로 가온한 상태에서 고온 2차 호기성 발효액을 순산소 또는 농축된 산소와 함께 가압산소용해탱크에 공급하여 2∼4기압(atm) 상태에서 산소를 용해한 것을 1차 고온 호기성 발효조로 반송하여 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지하면서 전기전도도 값이 50∼60㎳/㎝까지 1차 고온 호기성 발효를 하는 1차 고온호기성 발효공정과,
   상기 1차 고온 호기성 발효를 한 발효액에 석회와 석탄회를 공급하여 수용성 염분을 물에 불용성 염으로 처리하는, 석탄와 석회를 주입하여 염분을 제거하는 탈염공정 또는 1차 호기성 발효액을 양이온교환 격막과 음이온교환 격막으로 격리된 내부로 주입하면서, 외부에는 양극과 음극을 설치한 탈염실로 구성된 탈염장치에 정류기로부터 직류전류를 인가(印加)하여 전기장(電氣場)을 형성시키면 전기영동에 의해서 염분을 제거하는 탈염공정 중에서 한 종류의 탈염방법으로 염분이 제거된 1차 고온 호기성 발효액으로 처리하는 탈염공정과,
   상기 염분이 제거된 1차 고온 호기성 발효액이 2차 고온호기성 발효조에 공급되면, 믹서로 믹싱을 하면서 50∼60℃로 가온한 상태에서 2차 고온 호기성 발효액을 순산소 또는 농축된 산소와 함께 가압산소용해탱크에 공급하여 2∼4기압(atm) 상태에서 산소를 용해한 2차 고온 호기성 발효액을 2차 고온 호기성 발효조로 반송하여 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지하면서 2차 고온 호기성 발효액으로 처리하는 2차 고온 호기성 발효공정과,
   상기 2차 고온 호기성 발효액을 중온호기성 발효조로 보내어 20∼40℃에서 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지되게 공기 송풍기로부터 공기를 주입하면서 중온호기성 발효를 하여 액비상태의 발효액으로 만드는 발효단계와,
   상기 액비상태의 발효액을 액비제품으로 출하하거나, 또는, 액비상태의 발효액에 함수율조정제를 혼합하여 혼화 후 발효·숙성하여 퇴비화하는 퇴비화단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에서, 상기 함수율조정제에 고흡수성(高吸水性)의 수분흡수제를 추가로 첨가 혼합한 것을 사용하여 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에서, 상기 액비상태의 발효액에 함수율조정제와 수분흡수제 또는 토양개량제를 혼합하여 혼화 후 발효·숙성하여 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법.

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