KR20150001552A

KR20150001552A - 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법

Info

Publication number: KR20150001552A
Application number: KR1020130074970A
Authority: KR
Inventors: 서희동
Original assignee: 서희동
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2015-01-06
Also published as: KR101761911B1

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) 또는 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 있어서, 본 발명에서는, 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge) 또는 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 있어서, 상기 유기성 폐기물을 고온호기성 발효기에 주입하고, 순산소 또는 PSA(Pressure swing absorption)공정에서 농축된 산소를 공급하면서 50∼70℃에서 고온호기성 발효 물로 처리하는 고온호기성 발효단계와, 상기 고온호기성 발효 물을 혼화기에 주입하고 수분조정제 또는 수분조정제와 고흡수성 물질을 혼합한 것을 주입하고 혼화물로 혼화하는 단계와, 상기 혼화물을 2차 발효 및 숙성공정으로 보내어 2차 발효 및 숙성단계로 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 관한 것이다.

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) 또는 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 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) 또는 농·수산물가공공정에서 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, 상기 유기성 폐기물을 퇴비화 경우 수분조정제의 소모량이 많이 소요되어 비용이 높은 문제점이 있으면서 고온 호기성 발효과정에서 악취물질이 발생하는데, 이 악취물질을 포집하여 완벽한 탈취처리를 할 수 없는 문제점이 있다.

다시 말해서 대부분 유기성 폐기물은 함수율이 높기 때문에 팽윤성(澎潤性)을 향상시켜 호기성 발효과정에 산소전달을 용이하게 하기 위해서 수분조정제(수분조절제) 사용량이 많이 소요되는 문제점과 호기성 미생물에 의해 발효를 하면 분해가 용이한 유기물질이 이산화탄소(CO₂), 수분(H₂O), 암모니아(NH₃), 휘발성 아민(Volatile amines), 휘발성 유기산(Volatile organic acid), 휘발성 유화물(Volatile sulfur compounds)과 같은 간단한 물질로 분해되면서 자체반응열로 고온호기성 발효부분에서 이들 물질이 휘산(揮散)되면서 심한 악취를 발생하는 문제점이 있다.

특허문헌 1 '유기성 폐기물 퇴비화 방법'에서는, 유기성 폐기물에 발효된 퇴비와 혼합하여 1차 발효된 폐기물을 교반시키면서 2차 발효시킨 폐기물을 3차 발효시키면서 숙성한 폐기물에 돼지오줌과 물과 호기성 미생물이 혼합된 액비를 살포하면서 산기장치로 공기를 주입하면서 유기성 폐기물 퇴비화 방법이 제시되어 있으나, 악취발생의 근본적인 대책이 제시되어 있지 않으면서 수분조정제의 소모량이 많이 소요되는 문제가 있다.

특허문헌 2 '유기성 폐기물 퇴비화 설비의 퇴비 발효조'에서는, 유기성 폐기물과 수분조절재를 혼합하여 투입하고, 하부에 입자성 물질로 이루어지는 공기 확산 층을 구비한 유기성 폐기물을 발효시켜 퇴비를 생산하는 유기성 폐기물 퇴비화 설비의 퇴비 발효조에서 공기유도수단을 퇴비 발효조의 내측 바닥면으로부터 내측 벽을 따라 연장된 공기 유도 벽으로 이루어진 유기성 폐기물 퇴비화 설비의 퇴비발효조가 제시되어 있으며, 특허문헌 3 '유기질폐기물의 퇴비화방법(有機質廢棄物の堆肥化方法)'에서는, 유기질폐기물에 방선균을 첨가하는 퇴비원료에 제지 슬러지를 배합하여 환기를 하여 퇴비화하는 방법이 제시되어 있으나, 이들 기술 역시 수분조정제의 소모량이 많이 소요되는 문제점과 악취발생에 대한 대책이 없는 문제가 있다.

비특허문헌 1 '유기성 폐기물의 자원화 가능성 및 퇴비 이용 전망 평가'에서는 국내 유기성 폐기물의 발생 현황과 자원화 가능성을 산출, 평가하고 현재의 퇴비화 처리 및 이용을 조사한 후 앞으로의 활성화 방안을 제시한 종래기술의 현황과 추후 대책 방안을 제시한 자료에 지나지 않는다.

비특허문헌 2 '유기성 폐기물의 퇴비화에 관한 연구(有機性廢棄物の堆肥化に關する硏究)'에서는, 유기성 폐기물의 퇴비화에서, 석회질소의 첨가에 의한 pH의 조정, 수분 조절제, 염분, 기름성분 등에 의한 영향을 검토한 자료로 수분조절제의 저감 및 악취문제에 대한 방안은 제시되지 않고 있다.

대한민국특허 등록번호 제10-1113534호, 유기성 폐기물 퇴비화 방법, 2012년 01월 31일 대한민국특허 등록번호 제10-1184948호, 유기성 폐기물 퇴비화 설비의 퇴비 발효조, 2012년 09월 17일 일본특허 공개번호 제2011-37658호, 유기질폐기물의 퇴비화방법(有機質廢棄物の堆肥化方法), 2011년 02월 24일

신항식·황응주, 유기성 폐기물의 자원화 가능성 및 퇴비 이용 전망 평가, 폐기물자원화, 1998년, pp. 7∼30 쓰지 요시코(つじ佳子)·하야시 토시타카(林俊孝)·쿠보 히로유키(久保浩之)·모리시타 토시키(森下年起)·히라타 시게루(平田滋), 유기성 폐기물의 퇴비화에 관한 연구(有機性廢棄物の堆肥化に關する硏究), 와카야마현농림수산총합기술센터(和歌山縣農林水産總合技術センタ―), 6권(卷), pp. 57∼68, 2005년(年)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서, 유기성 폐기물에 수분조정제와 고흡수성 물질을 혼합한 것을 주입하여 혼화(混化)한 것을 밀폐된 고온호기성 발효기에 주입하고, 산소공급을 공기를 주입하는 대신에 산소 봄베(Bombe)로부터 순산소나, PSA(Pressure swing absorption)공정에서 농축된 산소를 공급하여 악취발생물질의 유량을 감소시켜 탈취공정의 부하(Load)를 줄이도록 하면서 수분증발량을 증가시켜 수분조정제의 소요량을 적게 하여 퇴비화하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서는, 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge) 또는 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 있어서, 상기 유기성 폐기물을 고온호기성 발효기에 주입하고, 순산소 또는 PSA(Pressure swing absorption)공정에서 농축된 산소를 공급하면서 50∼70℃에서 고온호기성 발효 물로 처리하는 고온호기성 발효단계와, 상기 고온호기성 발효 물을 혼화기에 주입하고 수분조정제 또는 수분조정제와 고흡수성 물질을 혼합한 것을 주입하고 혼화물로 혼화하는 단계와, 상기 혼화물을 2차 발효 및 숙성공정으로 보내어 2차 발효 및 숙성단계로 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 밀폐된 고온발효기에서 순산소 또는 농축된 산소를 공급하여 발효를 함으로서 수분증발량이 많아 높은 함수율에서 발효할 수 있기 때문에 수분조정제의 소모량이 작게 소모되므로 퇴비화비용이 저렴한 효과가 있으면서, 악취물질이 발생하는 고온호기성 발효공정을 폐쇄된 발효기에서 발효를 함으로써 악취물질이 대기로 휘산되지 않으면서 배출되는 유량도 작아 탈취처리가 용이한 특징이 있다.

도 1은 제1발명의 유기성 폐기물을 퇴비화하는 공정도
도 2는 제2발명의 유기성 폐기물을 퇴비화하는 공정도
도 3은 대기압 하에서 온도 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표
도 4는 온도와 압력의 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표

이하 본 발명을 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 제1발명의 고온호기성 발효단계

고온호기성 발효단계에서는, 당류, 아미노산, 지방산, 단백질과 같이 분해가 용이한 유기물질이 호기성 미생물에 의해서 분해되면서 분해 열로 인해서 온도가 50∼70℃로 상승하는 발효단계이다.

제1발명의 고온호기성 발효단계는, 필요에 따라서는 이물질선별, 파쇄처리와 같은 전처리를 한 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge) 또는 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물이 밀폐된 고온호기성 발효기(1)에 주입되면 고온호기성 발효기 믹서(2)로 믹싱(Mixing)을 하면서 하부로 산소 봄베(Bombe)나 산소저장탱크로부터 순산소 또는 PSA(Pressure swing absorption)공정에서 85% 이상 농축된 산소를 공급하여 50∼70℃에서 고온에서 호기성 발효를 한 다음, 호기성 발효물은 고온호기성 발효물 이송펌프(4)에 의해 혼화기(5)로 보낸다.

유기성 폐기물을 밀폐된 고온호기성 발효기(1)에 주입하고, 고온호기성 발효기 믹서(2)로 믹싱을 하면서 고온호기성 발효기(1) 하부로 산소 또는 농축된 산소를 공급하면 유기성 폐기물 중에서 분해가 용이한 당분·녹말과 같은 탄수화물, 단백질(Protein), 지방(Fat)은 CO₂, H₂O, NH₃와 같은 간단한 물질로 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 (1)과 같이 산화분해되어 최종적으로는 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 분해된다.

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

② 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 아질산화세균(Nitrosomonas sp., Nitrosococcus sp., Nitrosospira sp., Nitrosolobus sp. 등)과 질산화세균(Nitobacter sp., Nitospira sp., Nitococcus sp. 등)에 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.

유기성 폐기물의 처리용량이 10톤/일 이상 되는 경우는 밀폐된 고온호기성 발효기(1) 시스템을 2기 이상 직렬로 설치한다.

본 발명에서 고온호기성 발효기(1)는 도 1에서와 같이 외부에 보온재(3)로 보온처리된 밀폐식 수직형(Vertical type)의 철구조물로 하고, 내부에는 스크루형(Screw type)의 고온호기성 발효기 믹서(2)를 설치한다. 그리고 상기 고온호기성 발효기(1)의 형태는 밀폐식 수직형 대신에 밀폐식 수평형(Horizontal type)으로 하여도 상관은 없으며, 철구조물 대신에 콘크리트 구조물(Concrete structure)로 하여도 상관없다.

고온호기성 발효기 믹서(2)도, 수직형 대신에 수평형으로 하여도 상관없으며, 피치드 패들형(Pitched paddle type) 또는 스크루 리본형(Screw ribbon type)으로 한다.

고온호기성 발효물 이송펌프(4)는 모노펌프(Mohno pump), 스크루펌프(Screw pump), 로브펌프(Lobe pump), 원심슬러리펌프(Centrifugal slurry pump), 로터리베인펌프(Rotary vane pump), 루츠형 펌프(Roots-type pump) 또는 연동호스펌프 (Peristaltic hose pump) 중에서 한 종류의 펌프를 사용한다.

종래의 유기성 폐기물의 고온호기성 발효에서는 산소공급을 송풍기로부터 공기를 주입하는 경우는 공기 중에 발효에 관여하지 않는 질소성분이 79%가 포함되어 있기 때문에 이 질소성분이 대기로 방출되면서 호기성 발효에서 발생하는 열을 함께 방출되어 수분 증발량이 적어 수분조정제의 소량이 많이 소요되는 문제가 있었으며, 대기에 노출된 개방식의 경우는 로터리 믹서(Rotary mixer)로 뒤집기를 하면서 호기성 발효를 하는 경우에는 대기와 접촉하는 면에서 산소를 공급되면서 대부분의 호기성 발효에서 발생하는 열이 대기로 방출되기 때문에 수분 증발량이 더욱더 적어 많은 수분조정제를 필요로 하면서 호기성 발효조 바닥부분에는 산소공급이 원활하지 않아 혐기성 상태가 되면서 휘발성 유황화합물, 휘발성 유기산, 휘발성 아민류, 암모니아와 같은 악취물질이 발생하면서 심한 악취가 나는 문제가 있었다.

그러나 본 발명에서는, 유기성 폐기물을 보온재(3)로 보온처리된 밀폐형 고온호기성 발효기(1)에 주입하고, 순산소 또는 농축된 산소를 공급하여 산소를 공급하여 호기성 발효를 하면 배기 되는 가스는 상기 반응식 (1) 및 (2) 반응에 의해 이산화탄소와 수분만 대기로 방출되기 때문에 열손실이 적어 수분증발량이 많아 지므로 수분조정제의 소요량이 작아도 되는 특징이 있으면서, 악취물질인 암모니아는 상기 반응식 (3), (4) 및 (5)의 반응에 의해서 비휘발성인 질산염으로 전환되며, 그리고 혐기성 상태에서만 발생하는 휘발성 아민(Volatile amines), 휘발성 유기산(Volatile organic acid), 휘발성 유화물(Volatile sulfur compounds)과 같은 악취물질은 발생이 억제되기 때문에 악취발생물질의 발생이 작은 특징이 있으면서, 또한, 배출되는 유량이 작아 탈취설비의 규모가 작아도 됨으로써, 운영비용 역시 작게 소요되는 특징이 있다.

유기물질이 호기성 미생물에 의해서 분해가 용이한 당분과 아미노산과 같은 물질이 분해되면서 분해 열로 온도가 60℃ 이상으로 상승하며, 또한, 대부분의 유기성 폐기물은 단독으로 고온호기성 발효를 하면 슬러리(Slurry) 상태로 액화되면서 도 3 '대기압 하에서 온도 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표'에서 보는 바와 같이 대기압 상태에서는 호기성 미생물이 원활하게 활동을 하기 위한 용존산소 농도를 2∼4㎎/ℓ범위로 유지하기 어렵기 때문에, 도 4 '온도와 압력의 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표'에서 보는 바와 같이 시스템(System) 압력을 2∼4기압(atm)으로 유지할 필요가 있다. 다시 말해서 본 발명에서는, 고온호기성 발효에서 순산소 또는 농축된 산소를 고온호기성 발효공정에 공급하여 산소의 분압(Partial pressure)을 높게 하면서, 시스템 압력을 높게 하여 전압(Total pressure)을 높게 유지하여 고온호기성 미생물에 충분한 산소를 공급함으로써 발효속도와 효율을 향상할 수 있는 특성이 있기 때문에 고온호기성 발효기간이 1.5∼3일이면 완료될 수 있다.

시운전 시나 운휴(運休) 후 재가동을 하는 운전 초기에는, 유기성 폐기물을 퇴비화하는 발효공정에서 50∼70℃로 고온발효되는 과정에서 발효 중에 있는 퇴비를 유입되는 유기성 폐기물 100중량부에 0.05∼0.1중량부를 고온호기성 발효기(1)에 호기성 발효미생물 종균용으로 주입할 필요가 있다. 그리고 정상 가동이 되면 지속적으로 주입할 필요는 없다.

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 석회, 화산회토, 부석(浮石) 분말, 소성 도로마이트(Dolomite), 소성 패각 (貝殼) 분말, 석탄회(Fly ash) 또는 소성 동물뼈의 분말 중에서 한 종류의 활성미네랄성분을 0.02∼0.2중량부를 주입할 필요가 있다.

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 주입할 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, 질소, 인 화합물은 주입할 필요는 없다.

그리고 칼슘과 같은 미네랄성분이 유기성 폐기물에 함유되어 있는 경우는 활성 미네랄성분을 주입할 필요가 없다.

Ⅱ 제1발명의 혼화하는 단계

제1발명의 혼화하는 단계에서는, 상기 유기성 폐기물을 50∼70℃에서 발효된 호기성 발효물이 혼화기(5)에 주입되면 혼화기 믹서(6)로 믹싱(Mixing)을 하면서 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 수분조정제를 함수율이 60∼65wt% 범위로 주입하고, 필요에 따라서는 토양 개량제를 주입하고 혼화한 혼화물은 2차 발효 및 숙성조 주입 컨베이어(7)에 의해 2차 발효 및 숙성조(8)로 보낸다.

수분조정제의 소모량을 절감하기 위해서는 상기 수분조정제 100중량부에 고흡수성(高吸水性)의 수분흡수제를 1∼10중량부를 혼합한 것을 사용할 수도 있다.

상기 고흡수성(高吸水性)의 수분흡수제는, 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) 중에서 한 종류 또는 두 종류 이상 혼합한 것을 사용한다.

토양개량제는, 황토(Loess), 벤토나이트(Bentonite), 카올린나이트(Kaolinite), 천매암(Phyllite), 페그마타이트(Pegmatite),질석(Vermiculite), 일라이트(Illite), 고령토(Kaolin), 제올라이트(Zeolite), 진주암(Perlite), 스멕타이트(Smectite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 소성 장석(長石), 소성 규조토분말, 규산질광물(규산 석회, 규산 고토 석회, 규산염 백토, Black Silica, 규산 칼륨), 소석회, 활성실리카광물(Acivated silica minerals), 목탄(木炭), 죽탄(竹炭), 활성탄(活性炭), 제지공장의 제지슬러지 탄화물(Paper sludge carbide), 석탄을 건류(乾溜)한 활성탄소(活性炭素), 연료의 불안전연소에서 생산된 카본블랙(Carbon Black) 또는 훈탄(燻炭) 중에서 한 종류 또는 두 종류 이상 혼합한 것을 숙성된 퇴비 중에서 무기물농도가 3∼10wt% 범위가 되게 주입한다.

상기 혼화기(5)는, 도 1에서와 같이 수평형으로 할 수 있으나, 수직형 구조로 하여도 상관없으며, 또는, 강철구조물로 하는 대신에 콘크리트구조물(Concrete structures)로 하여도 상관없다.

그리고 혼화기 믹서(6)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 것 중에서 한 종류를 사용할 수 있으며, 회전속도는 2∼4rpm으로 믹싱(Mixing) 하고, 혼화시간은 30∼40분으로 한다.

상기 수분조정제에 고흡수성의 수분흡수제를 혼합한 것을 사용하면 수분흡수율이 향상되어 함수율이 70% 정도에서도 공극률이 좋아 산소전달이 용이하여 적은 수분조정제를 사용하여도 발효 및 숙성이 원활하게 일어날 수 있다.

그리고 유기성 폐기물의 처리용량이 적은 경우는, 상기 제1발명에서는, 유기성 폐기물을 고온호기성 발효단계에서 고온호기성 발효한 발효물을 혼화하는 단계로 보내어 수분조정제 또는 수분조정제 수분흡수제를 혼합한 것을 주입하여 혼화한 다음, 2차 발효 및 숙성조 주입 컨베이어(7)에 의해 2차 발효 및 숙성조(8)로 보내는 대신에, 도 2에서와 같이 제2의 발명에서는, 유기성 폐기물을 혼화기(5)에 주입하고, 수분조정제 또는 수분조정제 수분흡수제를 혼합한 것을 주입하여 혼화한 혼화물을 고온호기성 발효기(1a)로 보내어 순산소 또는 농축된 산소를 공급하여 고온호기성 발효한 발효물을 2차 발효 및 숙성단계의 2차 발효 및 숙성조(8)로 보내어 처리를 할 수도 있다.

● 제2발명의 혼화하는 단계

이물질선별, 파쇄처리와 같은 전처리를 한 음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge) 또는 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물을 혼화기(5)에 주입하고, 혼화기 믹서(6)로 믹싱(Mixing)을 하면서 상기의 제1발명에서 수분조정제 또는 수분조정제에 수분흡수제를 혼합한 것을 혼화기(5)에 주입하고, 혼화기 믹서(6)로 믹싱하면서 혼화한 혼화물을 혼화물 이송 컨베이어(12)에 의해 제2발명의 고온호기성 발효기(1a)로 보낸다.

제2발명에서 혼화기(5)와 혼화기 믹서(6)는, 상기 제1발명의 혼화기(5) 및 혼화기 믹서(6)와 동일하게 하고, 혼화물 이송 컨베이어(12)는 상기 제2발명의 혼화물은 유동성이 없기 때문에 스크루형(Screw type) 컨베이어를 사용한다.

● 제2발명의 고온호기성 발효단계

상기 유기성 폐기물이 제2발명의 혼화하는 단계에서 혼화된 혼화물이 제2발명의 고온호기성 발효기(1a)에 주입되면, 제2발명의 고온호기성 발효기 믹서(2a)로 믹싱하면서 하부로 산소 봄베(Bombe)나 산소저장탱크로부터 순산소 또는 PSA(Pressure swing absorption)공정에서 85% 이상 농축된 산소를 공급하여 50∼70℃에서 고온에서 1.5∼5일간 호기성 발효한 다음, 고온호기성 발효물은 2차 발효 및 숙성조 공급 컨베이어(7)에 의해 2차 발효 및 숙성조(8)로 보낸다.

유입되는 유기성 폐기물에 질소·인 화합물이 함유되어 있지 않은 경우는, 질소·인 화합물을 유기성 폐기물의 BOD₅농도를 측정하여 BOD₅ : N : P = 100 : 5 : 1의 비율로 질소, 인 성분을 주입할 필요가 있다.

그리고 유입되는 유기성 폐기물에 활성미네랄성분이 함유되어 있지 않은 경우는, 유기성 폐기물 100중량부에 상기 활성미네랄성분을 0.02∼0.2중량부를 주입할 필요가 있다.

시운전이나, 운휴(運休) 후 재가동하는 운전 초기에는 호기성 미생물 균제를 상기 제1발명의 고온호기성 발효기(1)에 주입하는 것과 동일한 조건으로 주입할 필요가 있다.

필요에 따라서는 상기 제1발명의 토양개량제(Soil conditioner)을 상기 제1발명의 고온호기성 발효기(1)에 주입하는 것과 동일한 조건으로 주입할 필요가 있다.

상기 제2발명의 고온호기성 발효기(1a)는, 제1발명의 고온호기성 발효기(1)와 동일하게 하며, 제2발명의 고온호기성 발효기 믹서(2a)는 제2발명의 고온호기성 발효기(1a)에서 발효물은 유동성이 없기 때문에 스크루형(Screw type) 믹서를 사용한다.

Ⅲ. 2차 발효 및 숙성단계

2차 발효 및 숙성단계에서는, 1차 상기 고온호기성 발효에서 분해되지 않았던 리그닌과 셀룰로오스와 같은 난분해성인 고분자 유기물이 분해될 단계로, 상기 고온호기성 발효에 비해서 완만하게 분해가 진행된다.

상기 제1발명의 혼화하는 단계의 혼화물 또는 제2발명의 고온호기성 발효단계의 호기성 발효물이 2차 발효 및 숙성조(8)에 공급되면, 산소를 로터리믹서(9)로 뒤집기를 하면서 공급하면 2차 발효 및 숙성되면서 완숙된 퇴비가 생산된다.

퇴비화처리 용량이 적은 경우는 로터리믹서(9)로 뒤집기를 하는 대신에 삽차(10)로 뒤집기를 하여도 좋다. 로터리믹서(9) 또는 삽차(10)로 뒤집기 하는 횟수는 1일 2∼4회 정도로 한다.

상기 고온호기성 발효단계에서 호기성 발효균에 의해서 분해가 용이한 유기물이 분해된 호기성 발효물이 2차 발효 및 숙성조(8)에 공급되면 바실루스 미코이데스(Bacillus mycoides), 바실루스 루테우스(Bacillus luteus), 소란? 켈룰로숨(Sorangium cellulosum), 폴리안? 켈룰로숨(Pclyangium cellulosum), 방선균(Actinomyces sp.)과 같이 대사산물(Metabolite) 중에 폴리페놀화합물(Polyphenolic compound)을 배설하는 미생물이 활동하면서 이들 미생물과 상호공생관계에 있으면서 식물의 생장에 생리적 활성화물질인 비타민(Vitamin)류를 생성하는 슈도모나스 속(Pseudomonas sp.)과 같은 미생물, 성장촉진물질인 호르몬(Hormon)류 생성하는 미생물, 유해병원성 미생물의 생육을 억제하는 항생물질을 생성하는 페니실리움 속(Penicillium sp.), 아스페르길루스 속(Aspergillus sp.), 무코르 속(Mucor sp.), 푸사리움 속(Fusarium sp.)과 같은 사상균(絲狀菌) 등의 미생물이 활동하게 된다.

퇴비 생산 메커니즘은 유기성 폐기물이 호기성 미생물에 의해서 분해가 용이한 유기물이 분해된 1차 고온호기성 발효물이 2차 발효 및 숙성조(8)에 공급되면 로터리믹서(9) 또는 삽차(10)로 뒤집기를 하면서 산소를 공급하면 리그닌과 셀룰로오스와 같은 난분해성인 고분자 유기물이 분해되면서 대사산물(Metabolite) 중에 폴리페놀화합물(Polyphenolic compound)을 배설하는 미생물이 활동하면서 폴리페놀화합물은 공기 중에서 퀴논화합물(Quinone compound)로 산화된다.

폴리페놀화합물 + 산소(공기) ―폴리페놀 산화효소(Polyphenol oxidase)→ 퀴논화합물 ……………………⑹

상기 퀴논화합물은 유기물, 악취발생물질 등과 중·축합반응을 하여 비휘발성의 거대고분자물질인 부식전구물질(腐植前驅物質)을 걸쳐 최종적으로는 안정한 부식물질(Humic substance)로 전환되면서 숙성되어 퇴비화가 된다.

퀴논화합물 + 유기물, 악취발생물질 → 부식전구물질 →…→ 부식물질……………………⑺

상기 반응식 (7)의 반응이 일어날 때 악취발생물질인 암모니아(NH₃), 유화수소(H₂S), 머캡탄(Mercaptan)류, 인돌(Indole), 스카톨(Skatol), 휘발성 아민류(Volatile amines), 휘발성 유기산(Volatile organic acid)과 같은 물질도 함께 중·축합반응을 하여 비휘발성의 고분자물질로 전환하기 때문에 퇴비의 숙성과정에서는 악취발생이 일어나지 않게 된다.

Ⅳ. 탈취대책

상기 퇴비화공정에서 발생하는 악취물질을 한곳에 모아 탈취시설을 하는데, 유기성 폐기물을 퇴비화하는 과정에서 발생하는 악취(惡臭)의 주된 성분은 휘발성 유화물, 휘발성 지방산, 휘발성 아민류, 암모니아 등으로, 이들 성분을 처리하는 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 악취물질에는 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 마스킹 효과도 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, 보일러를 가동하는 경우는 악취성분이 배출되는 가스를 보일러에서 2차 공기(Secondary air)와 함께 공급하여 연소처리하는 연소처리법이 가장 바람직하게 처리할 수 있다.

축산분뇨를 탈수처리하여 탈수케이크에 수분조정제로 톱밥을 주입하여 로터리믹서로 뒤집기를 하면서 발효 및 숙성하여 퇴비를 생산하는 공장주변에서, 함수율이 82%인 탈수케이크 10톤과 미네랄성분 보급용으로 칼슘함량이 8.2%인 석탄회(Fly ash) 10㎏을, 기존 퇴비장에서 60∼70℃로 고온발효되는 부분에서 발효 중에 있는 퇴비를 고온호기성 발효미생물 종균용으로 60㎏을, 외부에 가온재킷(Heating jacket)과 보온재로 보온처리한 폐쇄된 12㎥ 스틸 탱크(Steel tank)에 주입하고, 패들형(Paddle type) 교반기로 2rpm으로 교반하면서 가온 재킷(Heating jacket)에 스팀을 공급하여 60℃로 가온한 다음 스팀을 차단하고, 산소저장 봄베(Bombe)로부터 용존산소 농도(DOI)가 2∼3㎎/ℓ 범위로 유지되게 공급하면서 시스템 압력을 2∼3 기압(atm)으로 유지하고, 온도는 60∼70℃에서 32시간 동안 고온호기성 발효를 한 결과 분해가 용이한 유기물질의 분해가 완료되면서 온도가 50℃ 이하로 떨어져 33시간이 되면서 고온호기성 발효를 중단하였다. 본 고온호기성 발효과정에서 배출되는 가스는 보일러 연소과정에 2차 공기와 함께 공급하여 열분해 처리하였다.

이때 상기 고온호기성 발효에서 발효물은 1,452㎏이 생성되었으며, 함수율은 83.2%이었다. 다시 말해서 함수율이 82%인 축산분뇨 탈수케이크 10톤을 순산소를 공급하면서 33시간 동안 고온호기성 발효를 한 결과 탄수화합물, 단백질, 지방과 같이 분해가 용이한 유기물질 8,618㎏(10,000+10+60-1,452)이 이산화탄소(CO₂)와 수분(H₂O)으로 휘산(揮散)되어, 약 86% 정도가 소멸하였음을 확인할 수 있었다.

상기 발효물에 함수율 12.5%인 톱밥 710㎏ 혼합하여 함수율을 약 60%로 조정한 다음 1일 2회 삽차로 뒤집기를 하면서 30일간 상온에서 발효 및 숙성하여 퇴비를 만들었다. 그리고 본 발효 및 숙성과정에서는 악취발생은 거의 일어나지 않았다.

실시 예 1에서 만든 퇴비는, 기존 축산분뇨 탈수케이크에 수분조정제로 톱밥을 주입하여 로터리믹서로 뒤집기를 하면서 발효 및 숙성하여 생산한 퇴비와 대등한 퇴비가 생산되었다.

기존 축산분뇨 탈수케이크에 수분조정제로 톱밥을 주입하여 로터리믹서로 뒤집기를 하면서 발효 및 숙성하여 생산한 퇴비를 생산하는 경우 수분조정제의 소모량은, 함수율이 82%인 축산분뇨 탈수케이크 10톤에 함수율이 12.5% 톱밥의 경우 4,632㎏을 혼합하여 함수율 60%로 조정한 것을 발효 및 숙성조에 공급하여 로터리믹서로 뒤집기를 하면서 퇴비화를 한다.

상기 실시 예1의 결과에서 보면, 수분조정제의 사용량이 기존의 축산분뇨의 탈수케이크를 퇴비화하는 경우에 비해서 85% 정도 감소함으로써 퇴비화비용을 월등히 절감할 수 있으며, 악취발생이 심한 고온호기성 발효를 폐쇄된 발효기에서 순산소를 이용하여 발효를 하는 경우는 배기가스량이 적으면서 포집(捕集)이 용이하여 악취처리를 용이하게 할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 유기성 폐기물의 퇴비화방법은 수분조정제의 소모량이 작게 소모되므로 퇴비화비용이 저렴한 효과가 있으면서, 악취물질이 대기로 휘산되지 않으면서 유량이 작아 탈취가 용이한 특징이 있기 때문에 유기성 폐기물의 퇴비화처리에 널리 보급될 것으로 기대된다.

1, 1a: 고온호기성 발효기 2, 2a: 고온호기성 발효기 믹서
3: 보온재 4: 고온호기성 발효물 이송펌프
5: 혼화기 6: 혼화기 믹서
7: 2차 발효 및 숙성조 공급 컨베이어 8: 2차 발효 및 숙성조
9: 로터리믹서(Rotary mixer) 10: 삽차
11: 공기 압축기(Air compressor) 12: 혼화물 이송 컨베이어
S: 솔레노이드밸브(Solenoid valve) M: 모터(Motor)
DOI: 용존산소지시계(Dissolved oxygen indicator)
TI: 온도지시계(Temperature indicator) FI: 유량지시계(Flow indicator)
PI: 압력지시계(Pressure indicator) PT: 압력송신기(Pressure transmitter)
PIS: 압력지시제어스위치(Pressure indicating control switch)
PSV: 압력안전밸브(Pressure safety valve) PSA: Pressure swing adsorption

Claims

음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge) 또는 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물의 퇴비화에 있어서,
상기 유기성 폐기물과 운전 초기에는 호기성 발효미생물 균제를 밀폐된 고온호기성 발효기에 주입하고, 순산소 또는 PSA(Pressure swing absorption)공정에서 농축된 산소를 공급하여 50∼70℃에서 고온에서 호기성 발효물로 처리하는 고온호기성 발효단계와,
상기 호기성 발효물과 수분조정제 또는 수분조정제에 수분흡수제를 혼합한 것을 혼화기에 주입하고, 혼화기 믹서로 믹싱하면서 혼화된 혼화물로 혼화하는 단계와,
상기 혼화물이 2차 발효 및 숙성조에 주입되면, 로터리믹서 또는 삽차로 뒤집기를 하면서 발효 및 숙성하여 완숙된 퇴비를 생산하는 2차 발효 및 숙성단계로 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법.
음식물쓰레기, 가축의 분뇨, 인 분뇨, 폐 당밀, 주정폐기물, 도축장에서 배출되는 폐기물, 식품가공공장에서 배출되는 폐기물, 하·폐수처리장에서 배출되는 잉여 슬러지(Sludge) 또는 농·수산물가공공정에서 배출되는 폐기물과 같은 유기성 폐기물의 퇴비화에 있어서,
상기 유기성 폐기물과 수분조정제 또는 수분조정제에 수분흡수제를 혼합한 것을 주입하고, 혼화기 믹서로 믹싱하면서 혼화된 혼화물로 혼화하는 단계와,
상기 혼화물과 운전 초기에는 호기성 발효미생물 균제를 밀폐된 고온호기성 발효기에 주입하고, 순산소 또는 PSA(Pressure swing absorption)공정에서 농축된 산소를 공급하여 50∼70℃에서 고온에서 호기성 발효물로 처리하는 고온호기성 발효단계와,
상기 호기성 발효물이 2차 발효 및 숙성조에 주입되면, 로터리믹서 또는 삽차로 뒤집기를 하면서 발효 및 숙성하여 완숙된 퇴비를 생산하는 2차 발효 및 숙성단계로 구성된 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고온호기성 발효기에 질소·인 화합물, 활성 미네랄성분을 추가로 주입하고, 혼화기에 토양개량제를 추가로 주입하여 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법.