KR20150035970A

KR20150035970A - 음식물쓰레기를 처리하는 방법

Info

Publication number: KR20150035970A
Application number: KR20150037114A
Authority: KR
Inventors: 서희동
Original assignee: 서희동
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2015-04-07

Abstract

본 발명은 음식물쓰레기를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수거된 음식물쓰레기를 파쇄 및 이물질을 분리처리한 것을 탈수처리하여 탈수된 탈수케이크는 퇴비화, 메테인발효, 알코올발효 또는 사료화를 하고, 탈수 여액인 폐수는 석회와 석탄회(Fly ash)를 반응시켜 수용성 유기물, 액상유기물과 염분을 물에 불용성 물질로 전환한 것에 건류전섬유소분말(乾溜前纖維素粉末)을 주입하여 혼화한 후 응집·침전하여 고형물을 제거한 다음, 호기성 생물학처리에 의해서 음식물쓰레기를 처리하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 음식물쓰레기를 처리하는 방법에 있어서, 상기 음식물쓰레기가 투입조에 투입되면 파쇄 및 이물질을 제거한 것을 탈수처리하여 탈수케이크는 퇴비화공정, 메테인발효공정, 알코올발효공정 또는 사료화공정으로 보내고, 탈수 여액에는 석회, 석탄회(Fly ash)와 건류전섬유소분말(Pre-dry distilled fiber powder)을 반응시켜 수용성 유기물, 액상유기물과 염분을 물에 불용성인 고형물질로 전환한 후 응집·침전하여 고형물질을 제거한 다음 중화처리한 폐수는 호기성 생물학 처리공정으로 보내는 전처리단계와, 상기 중화처리한 폐수는 호기성 생물학처리, 살균·여과처리를 하여 방류하는 폐수처리단계와, 상기 탈수케이크를 액화처리 후 호기성 발효를 한 발효액에 석회와 석탄회를 주입하여 수용성 염분을 물에 불용성 물질로 전환하여 염분을 제거한 다음, 퇴비화하는 퇴비화단계와, 상기 탈수케이크를 액화 처리한 다음 산 발효와 메테인발효를 하여 메테인가스를 생산하는 메테인발효단계와, 상기 탈수케이크를 당화처리한 다음 알코올발효를 하여 에탄올을 생산하는 알코올발효단계와, 상기 탈수케이크를 고온발효하여 액화된 발효액에 단미사료를 공급하여 사료를 만드는 사료화단계와, 상기 호기성 생물학처리공정에서 배출되는 잉여오니를 이용하여 각 처리공정에서 발생하는 악취발생물질을 포집하여 생물학처리에 의해서 탈취처리하는 탈취처리단계로 구성하는 것에 특징이 있다.

Description

음식물쓰레기를 처리하는 방법{Method for treatment of food waste}

본 발명은 음식물쓰레기를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수거된 음식물쓰레기를 파쇄 및 이물질을 분리처리한 것을 탈수처리하여 탈수된 탈수케이크는 퇴비화, 메테인발효, 알코올발효 또는 사료화를 하고, 탈수 여액인 폐수는 석회와 석탄회(Fly ash)를 반응시켜 수용성 유기물, 액상유기물과 염분을 물에 불용성 물질로 전환한 것에 건류전섬유소분말(乾溜前纖維素粉末)을 주입하여 혼화한 후 응집·침전하여 고형물을 제거한 다음, 호기성 생물학처리에 의해서 음식물쓰레기를 처리하는 방법에 관한 것이다.

음식물쓰레기는 유기물농도가 높으면서 함수율이 높아 탈수처리 후 탈수 여액은 오염물질의 농도가 높아서 2012년 말까지는 대부분 해양투기를 함으로서 해역의 오염을 야기하는 문제점이 있었으며, 탈수케이크는 퇴비화를 하였으나 염분농도가 높아서 작물의 염해를 야기하는 문제가 있어서 양질의 퇴비를 생산할 수 없는 문제점이 있었다. 그래서 음식물쓰레기 탈수 여액을 혐기성 메테인발효, 하수병합처리를 시도하였으나, 음식물쓰레기 중에는 지방산 함량이 높아서 미생물의 집단(Colony)을 응집 및 표면의 코팅(Coating)현상을 야기시켜 처리효율을 떨어뜨리는 문제가 있어 적용할 수 없었으며, 그리고 음식물쓰레기를 쓰레기소각로 등에서 산업쓰레기와 함께 분무소각을 시도하였으나, 소각 시 음식물쓰레기에 함유된 염소성분과 유기물질이 반응하여 다이옥신(Dioxine)과 같은 2차 오염물질이 배출되는 문제점이 있었다.

2013년부터 유기성 폐기물과 같은 오염물질을 국제협약에 의해서 해양투기가 금지되었기 때문에 음식물쓰레기와 같은 고농도 유기성 폐기물을 합리적으로 처리할 수 있는 방안이 강구되어야 하는 실정에 있다.

특허문헌 1, 대한민국 특허등록번호 제10-0356966호의 경우는, 음식물쓰레기와 축산분뇨를 전처리 후 메테인발효방법에 의해서 처리하는 방법이 제시되어 있으나, 지방산과 염분의 영향으로 메테인발효처리 효율이 낮으면서, 발효처리액 중에는 암모니아성 질소(窒素)와 수용성 인(燐) 성분의 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 제10-0587235호에서는, 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 3, 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 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.

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.

비특허문헌 1, '지렁이를 이용한 음식물처리의 국내외 동향'에서는 음식물쓰레기를 지렁이를 사육하여 처리하는 방안이 제시되어 있으나, 지렁이 사육에 의한 음식물쓰레기처리에서는 넓은 부지와 운영관비가 많이 들어가는 문제점이 있으며, 이 이외에도 여러 문제점이 있어 널리 보급되지 못하고 있는 실정에 있다.

비특허문헌 2, '우리나라의 음식물쓰레기처리 방법의 개관'에서는 현재까지 국내의 음식물쓰레기처리 현황과 특성을 제시한 기술로 종래기술을 설명한 자료에 지나지 않는다.

이외에도 특허문헌과 비특허문헌의 다양한 자료가 제시되어 있으나, 음식물쓰레기를 합리적으로 처리할 수 기술이 제시되어 있지 않다.

대한민국 특허등록번호 제10-0356966호, 음식물쓰레기와 축산분뇨의 통합 소화처리장치 및 방법, 2002년 10월 04일 대한민국 특허등록번호 제10-0587235호, 유기성 폐기물을 이용한 퇴비의 제조방법 및 그 퇴비, 2006년 05월 30일 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 대한민국 특허등록번호 제10-1106129호, 염분을 함유한 유기성 폐기물의 탈염장치, 2012년 01월 09일

최훈근, 지렁이를 이용한 음식물처리의 국내외 동향, 국립환경연구원, 음식물쓰레기 줄이기 공동발표회 자료, 1998년 06월 박진서·차동원·서승직, 우리나라의 음식물쓰레기처리 방법의 개관, 대한설비공학회 2009년 대한설비공학회 하계학술발표회 논문집, pp. 427∼432

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하려는 기술로서, 음식물쓰레기를 탈수처리하여 탈수된 탈수케이크는 퇴비화, 메테인발효, 알코올발효 또는 사료화를 하고, 탈수 여액인 폐수는 석회, 석탄회(石炭灰) 및 건류전섬유소분말(乾溜前纖維素粉末)을 반응시켜 수용성 유기물, 액상의 유기물과 염분을 물에 불용성인 고형물질로 전환한 다음 응집·침전하여 고형물을 제거한 다음, 오염부하와 염분농도를 저감시켜 고도로 폐수처리를 할 수 있는 음식물쓰레기처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 음식물쓰레기를 처리하는 방법에 있어서, 상기 음식물쓰레기가 투입조에 투입되면 파쇄 및 이물질을 제거한 것을 탈수처리하여 탈수케이크는 퇴비화공정, 메테인발효공정, 알코올발효공정 또는 사료화공정으로 보내고, 탈수 여액에는 석회, 석탄회(Fly ash)와 건류전섬유소분말(Pre-dry distilled fiber powder)을 반응시켜 수용성 유기물, 액상유기물과 염분을 물에 불용성인 고형물질로 전환한 후 응집·침전하여 고형물질을 제거한 다음 중화처리한 폐수는 호기성 생물학 처리공정으로 보내는 전처리단계와, 상기 중화처리한 폐수는 호기성 생물학처리, 살균·여과처리를 하여 방류하는 폐수처리단계와, 상기 탈수케이크를 액화처리 후 호기성 발효를 한 발효액에 석회와 석탄회를 주입하여 수용성 염분을 물에 불용성 물질로 전환하여 염분을 제거한 다음, 퇴비화하는 퇴비화단계와, 상기 탈수케이크를 액화 처리한 다음 산 발효와 메테인발효를 하여 메테인가스를 생산하는 메테인발효단계와, 상기 탈수케이크를 당화처리한 다음 알코올발효를 하여 에탄올을 생산하는 알코올발효단계와, 상기 탈수케이크를 고온발효하여 액화된 발효액에 단미사료를 공급하여 사료를 만드는 사료화단계와, 상기 호기성 생물학처리공정에서 배출되는 잉여오니를 이용하여 각 처리공정에서 발생하는 악취발생물질을 포집하여 생물학처리에 의해서 탈취처리하는 탈취처리단계로 구성하는 것에 특징이 있다.

유기물 및 염분의 농도가 높은 음식물쓰레기는 합리적인 처리방법이 없어 2012년 말까지는 해양투기를 하였으나, 해양오염을 가중시켜 국제협약에 의해서 2013년부터 해양투기가 금지되었으나, 현재까지는 합리적인 처리방법이 없는 실정에 있다. 그래서 본 발명에서는 석회를 사용하여 수용성 유기물과 액체상태의 유기물을 고상의 유기물을 물에 불용성 유기물로 전환하면서 폐수의 오염부하를 낮게 함으로서 폐수를 고도처리할 수 있으면서 탈수된 케이크는 효율적으로 퇴비화, 메테인발효, 알코올발효 또는 사료화를 하여 유가의 부산물을 생산할 수 있는 효과가 있기 때문에 앞으로 음식물쓰레기처리에 널리 이용될 것으로 기대된다.

도 1은 음식쓰레기처리공정도
도 2는 전처리공정도
도 3은 호기성 생물학처리공정도
도 4는 퇴비화공정도
도 5는 메테인발효공정도
도 6은 알코올발효처리공정도
도 7은 사료화공정도
도 8은 탈취처리공정도
도 9는 대기압 하에서 온도 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표
도 10은 온도와 압력의 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표
도 11은 생산된 퇴비를 딸기재배용 화분에 주입하고, 딸기를 재배한 사진

먼저, 본 발명의 배경을 설명하면, 음식물쓰레기는 쉽게 부패(腐敗)하면서 악취발생이 심하며, 탈수한 탈수 여액인 폐수는 오염부하와 염분농도가 높으면서 액상의 불포화지방 농도가 높아서 폐수처리가 용이하지 않으며, 또한, 염분농도가 높아 탈수케이크를 퇴비화가 곤란한 등 다양한 문제가 있다.

그래서 본 발명에서는 탈수 여액인 폐수의 오염부하와 염분농도가 높은 문제를 해결하기 위해서 석회(石灰), 석탄회(Fly-ash)와 건류전섬유소분말(Pre-dry distilled fiber powder)을 주입하여 수용성 및 액상의 유기물을 석회와 반응하여 물에 불용성인 칼슘염으로 전환하여 폐수의 오염부하를 감소하도록 하면서, 또한, 염분도 물에 불용성 염으로 처리하고, 그리고 건류전섬유소분말(Pre-dry distilled fiber powder)을 주입하여 혼화(混化)하면서 수용성 오염물질을 흡착한 다음 응집·침전하여 고형물질을 제거한 폐수는 고도처리가 가능하도록 하였으며, 탈수한 탈수케이크는 수분을 제거하여 처리용량이 감소하게 되어 퇴비화, 메테인발효, 알코올발효 또는 사료화를 하였을 때 시설비 및 운전비용을 저감토록 하였다. 또한, 퇴비화의 경우는, 문제가 되는 염분을 제거하여 양질의 퇴비를 생산할 수 있도록 하였다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 전처리단계

음식물쓰레기가 투입조에 유입되면 이물질의 분리제거와 대형물질을 파쇄기에서 파쇄처리한 것을 탈수공정으로 보내어 탈수된 탈수케이크는 알코올발효공정, 퇴비화공정, 메테인발효공정, 알코올발효공정 또는 사료화공정으로 보내고, 탈수 여액에는 석회, 석탄회 및 건류전섬유소분말을 주입하여 수용성 유기물과 액상 유기물을 칼슘과 반응하여 물에 불용성인 물질로 전환하고, 수용성 오염물질이 건류전섬유소에 흡착되면서 수용성인 염분도 불용성 염으로 전환한 것을 응집·침전하여 고형물질을 제거한 다음, 폐수는 호기성 생물학처리공정으로 보낸다.

1. 이물질제거 및 파쇄공정

음식물쓰레기가 투입조에 투입되면 악취발생을 억제하기 위해서 호기성 생물학처리공정의 잉여오니와 탈취처리공정의 생물학처리 탈취액을 살포한 다음, 유리파편, 돌멩이, 비닐(Vinyl)이나 플라스틱(Pastic), 나무 조각, 패각(貝殼), 동물의 뼈와 같은 이물질의 분리제거와 대형물질은 파쇄기에서 파쇄한 다음, 1차 탈수공정으로 보낸다.

2. 1차 탈수공정

이물질의 분리제거와 파쇄한 음식물쓰레기는 1차 탈수공정에 공급되면, 탈수처리된 탈수케이크는 퇴비화공정, 메테인발효공정, 알코올발효공정 또는 사료화공정으로 보내고, 탈수 여액인 폐수는 탈수 여액은 반응조(1)로 보낸다.

상기 1차 탈수공정의 탈수기는, 원심탈수기(Centrifugal dehydrator), 스크루 프레스(Screw press), 진공탈수기(Vacuum dehydrator), 벨트 프레스(Belt press), 진동스크린(Vibrating screen) 또는 회전식 트롬멜 스크린(Trommel screen) 중에서 한 종류를 선택하여 사용할 수 있으며, 이 중에서 원심탈수기 또는 스크루 프레스를 사용하는 것이 바람직하지만, 본 발명에서 1차 탈수공정의 탈수기 종류는 특별히 제한하지는 않는다.

3. 반응공정

상기 1차 탈수공정의 탈수 여액이 반응조(1)에 공급되면, 반응조 교반기(2)로 180∼360rpm으로 교반하면서 석회와 석탄회(Fly ash)를 주입하고, 30∼60분간 반응한 반응물은 혼화조(3)로 보낸다. 반응조 교반기(2)는 프로펠러형(Propeller type)을 사용한다.

음식물쓰레기 탈수 여액에 석회와 석탄회를 주입하고 반응을 시키면, 올레산(Oleic acid), 리놀레산(Linoleic acid), 리놀산(Linolic acid), 아라키돈산(Arachidonic acid), 팔미트산(Palmitic acid), 스테아르산(Stearic acid)과 같은 고급지방산(Higher fatty acid), 글리세리드(Glyceride)와 같은 지방산 에스테르(Fatty acid ester), 아미노산(Amino acid), 인산 이온과 같은 수용성 오염물질의 일부와 반응하여 물에 불용성인 칼슘염으로 전환된다.

2R-COOH(고급지방산) + Ca(OH)₂→ (R-COO)₂Ca↓ + 2H₂O ………(1)

여기서 R은 고급지방산 또는 아미노산의 기체(基體)이다.

인산성분은 수산화칼슘과 반응하여 물에 불용성인 인산염으로 처리된다.

Ca(OH)₂ + H₃PO₄ → CaHPO4 + 2H₂O …………………………………(2)

석탄회(Fly ash)는 암모니아(NH₃), 유화수소(H₂S), 메틸메르캅탄(Methyl mercaptan), 트리메틸아민(Trimethylamine), 휘발성 유기산(Volatile organic acid)과 같은 악취발생물질을 흡착하는 능력이 우수하여 악취발생을 줄이는 특성이 있다. 또한, 소석회(Ca(OH)₂)도 유화수소(H₂S)와 같은 악취발생물질을 다음 반응식 (3)에서와 같이 물에 불용성이면서 비휘발성 물질인 유화칼슘(CaS)으로 전환하여 악취발생을 줄이게 된다.

Ca(OH)₂+ H₂S → CaS + 2H₂O ………………………………………………(3)

그리고 석탄회(Fly ash)는 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+ Al₂O₃ + 3H₂O → 3CaO·Al₂O₃·6H₂O …………………………(4)

3Ca(OH)₂+ 2SiO₂ + 6H₂O → 3CaO·2SiO₂·3H₂O ………………………(5)

그리고 상기 반응식 (4)에서 생성된 알류미늄산칼슘수화물(3CaO·Al₂O₃·6H₂O)은 수중의 염소 이온(Cl^-)과 다음 반응식 (6)에서와 같이 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^- …………………………………………(6)

나트륨 이온(Na⁺)은 상기 반응식 (5)의 반응물 규산칼슘수화물(Calcium silicate hydrates, 3CaO·2SiO₂·3H₂O)과 반응식 (7)에서와 같이 반응하여 물에 불용성인 소다석회 규산염(Na₂O·3CaO·2SiO₂ ·xH₂O)이 생성되면서 수중에 염분이 제거된다.

2Na⁺ + 3CaO·2SiO₂·3H₂O + 2OH^-+ (X-4)H₂O→Na₂O·3CaO·2SiO₂ ·xH₂O↓…(7)

그리고 앨러페인(Allophane)질 점토광물(Al₂O₃·SiO₂·nH₂O), 화산회토(火山灰土), 소각로의 소각회(燒却灰), 시멘트(Cement)에도 포졸란 물질(Pozzolanic material)이 함유되어 있기 때문에 상기 석탄회 대신에 사용할 수 있다.

그리고 황산, 염산, 탄산(H₂CO₃)과 같은 산성물질이 수중에 주입되어 산성이 되면 상기 반응식 (6)과 (7)의 반응은, 역반응이 일어나면서 수중에 염분이 다시 용출하기 때문에 반응 후 염분을 함유한 침전물은 수중에서 즉시 제거해야 한다.

만약, 음식물쓰레기 탈수 여액을 상기 반응조(3)에 공급하고, 석회와 석탄회를 주입하고, 반응을 한 다음, 중화제로 황산(H₂SO₄)을 사용하여 중화를 하면 다음 반응식 (8)에서와 같은 반응에 의해서 염소 이온(Cl^-)이 수중에 재 용출되어 염분이 제거되지 않게 되므로, pH가 8.4 이상의 상태에서 즉시 침전 제거해야 한다.

3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O + SO₄ ² ^-→ 3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O + 2Cl^-…(8)

상기 반응식 (6)과 (7)에 의해서 염분이 제거되는 반응은 염분, 석탄회 및 석회가 당량(當量) 대 당량으로 반응을 하지만, 석탄회의 조성은 화력발전소에서 사용하는 석탄의 종류에 따라서 조성의 차이가 심하기 때문에, 염분제거 효율을 향상하기 위해서는 석탄회를 염분의 양보다 1.2∼2배 과잉으로 공급하는 것이 바람직하며, 석회는 유기물농도에 따라서 공급하지만 음식물쓰레기의 탈수 여액 100중량부에 3∼10중량부를 공급하면 무난하다.

4. 혼화공정

상기 반응공정의 반응물이 혼화조(3)에 공급되면, 공급되는 반응물 100중량부에 건류전섬유소분말 2∼5중량부를 주입하고 혼화조 교반기(4)로 30∼60분간 180∼360rpm으로 교반하면서 혼화되면 응집조(5)로 보낸다. 혼화조 교반기(4)는 프로펠러형(Propeller type)을 사용한다.

본 발명에서 사용하는 건류전섬유소분말(Pre-dry distilled fiber powder)은, 목재(木材), 톱밥, 수피(樹皮), 볏짚, 보릿짚, 밀짚, 왕겨, 목초, 이탄(Peat moss), 코이어(Coir), 종이류 또는 제지 공장 섬유질 슬러지(Sludge)와 같은 섬유물질(Fibric materials) 중에서 한 종류이상의 섬유소를 셀룰로스(Cellulose) 성분이 열분해 하여 건류(乾溜)가 일어나기 직전의 온도인 180∼200℃에서 열분해 처리한 것을 40∼200메시(Mesh) 범위로 분쇄한 분말이다.

상기 건류전섬유소분말은 수용성 오염물질 흡착하는 성능이 우수하며, 응집 후 탈수하였을 때 함수율이 60∼70wt% 범위로 탈수효율이 우수한 특성이 있다. 또한, 탈수케이크를 퇴비화하였을 때는 팽윤성(膨潤性)이 좋아 통기성이 우수한 특징이 있다.

5. 응집·침전공정

상기 혼화조(3)에서 건류전섬유소분말을 주입하여 혼화한 것이 응집조(5)에 공급되면, 고분자응집제(Polymer flocculating agent)를 물에 0.01∼0.1% 용액으로 용해한 것을 2∼4㎎/ℓ 범위로 주입하고, 응집조 교반기(6)로 18∼48rpm 범위로 20∼40분간 교반하면서 고형물질이 1차 침전조(7)에서 침전이 용이하게 플록(Floc)을 형성하여 1차 침전조(7)로 보낸다.

상기 응집조(5)에서 고형물질은 침전이 용이하게 플록(Floc)을 형성하여 1차 침전조(7)로 보내어지면, 고형물질 플록이 1차 침전조(7) 하부로 침전되면 침전조 레이크(8)를 0.01∼0.02rpm으로 회전하면서 1차 침전조(7) 하부 콘(Cone) 부분으로 모이게 하여 침전슬러지 이송펌프(9)로 2차 탈수공정으로 보내고, 1차 침전조(7) 상부로 월류(Over flow)하는 월류수는 중화조(10)로 보낸다.

상기 고분자 응집제는 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide) 계 고분자응집제를 사용하는 것이 바람직하지만, 본 발명에서 사용하는 고분자 응집제의 종류에는 특별히 제한하지는 않는다.

침전조 레이크(8)는 하·폐수처리장의 농축조의 레이크와 같은 구조로 하며, 회전속도는 0.01∼0.02rpm으로 한다.

1차 침전조(7)는, 단면적은 고형물부하율(Solid loading rate)을 60∼90㎏/㎡·hr 범위로 하고, 수심은 3∼5m로 하고, 하부 바닥의 경사는 1/10∼1/20 범위로 한다.

6. 2차 탈수공정

1차 침전조(7) 하부에 침전된 슬러지상의 고형물질은 침전슬러지 이송펌프(9)로 2차 탈수공정에 보내어 탈수된 탈수케이크는 폐기처분하거나, 퇴비화공정으로 보내고, 탈수 여액은 1차 침전조(7) 상부로 월류(Over flow)하는 월류수와 함께 중화조(10)로 보낸다.

상기 2차 탈수공정의 탈수기는, 원심탈수기(Centrifugal dehydrator), 스크루 프레스(Screw press), 진공탈수기(Vacuum dehydrator), 프레코팅 진공탈수기(Pre-coat vacuum filter), 압착식 필터 프레스(Filter press) 또는 벨트프레스(Belt press) 중에서 한 종류의 탈수기를 사용하며, 필터 프레스(Filter press) 탈수기를 사용하는 것이 바람직하다.

7. 중화공정

상기 1차 침전조(7) 상부로 월류(Over flow)하는 월류수와 2차 탈수공정의 탈수 여액이 중화조(11)에 공급되면 중화조 교반기(11)로 교반속도를 180∼360rpm으로 교반하면서 중화제로 10∼20%의 황산 수용액을 공급하여 pH를 5.6∼8.2 범위로 중화하여 호기성 생물학처리공정의 집수조(12)로 보낸다.

상기 반응조 교반기(3)와 중화조 교반기(11)는 프로펠러형(Propeller type) 를 사용하고, 응집조 교반기(11)는 피치드패들형(Pitched paddle type)을 사용한다.

음식쓰레기를 이물질분리제거 및 파쇄처리한 것을 스크루 프레스 탈수기(Screw press filter)로 탈수하여 처리하는 음식물쓰레기처리장으로부터 탈수 여액을 분석한 결과는 다음 표 1과 같았다.

음식물쓰레기의 탈수 여액의 성분 분석치

항목	분석치	항목	분석치
pH	4.2	T-N(㎎/ℓ)	3,240
BOD₅(㎎/ℓ)	152,860	NH₄ ⁺-N(㎎/ℓ)	255
COD_Mn(㎎/ℓ)	201,150	T-P(㎎/ℓ)	352
SS(㎎/ℓ)	134,500	전기전도도(㎳/㎝)	22.4

상기 표 1의 음식물쓰레기 탈수 여액 1,000㎏을 1.5㎥ 원형 철 탱크에 주입하고, 여기에 석회 30㎏과 다음 표 2에서와 같은 석탄회 40㎏을 주입한 후, 프로펠러형(Propeller type) 교반기로 회전속도 360rpm으로 40분간 교반한 다음, 톱밥을 200℃에서 열분해 하여 120메시로 분쇄한 건류전섬유소분말 20㎏을 주입하고, 프로펠러형(Propeller type) 교반기로 회전속도 360rpm으로 40분간 교반하고, 피치 패들형(Pitched paddle type) 교반기로 회전속도 18rpm으로 교반하면서 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide) 계 고분자응집제 0.02% 용액을 4㎎/ℓ로 주입하고 30분간 교반하면서 침전이 용이하게 플록(Floc)을 형성한 다음, 가동을 중단하고 고형물을 침전시켰다.

석탄회의 조성분석표

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

상기 플록(Floc)을 형성한 다음, 가동을 중단하고 고형물을 침전시킨 상등액의 수질을 분석한 결과는 다음 표 3에서와 같이 처리되었다.

고형물을 침전시킨 상등액의 수질을 분석치

항목	분석치	항목	분석치
pH	13.6	T-N(㎎/ℓ)	112
BOD₅(㎎/ℓ)	860	NH₄ ⁺-N(㎎/ℓ)	12
COD_Mn(㎎/ℓ)	1,020	T-P(㎎/ℓ)	0.3
SS(㎎/ℓ)	82	전기전도도(㎳/㎝)	2.4

상기 표 3의 고형물을 침전시킨 상등액의 수질분석결과에서 보는 바와 같이 음식쓰레기의 탈수 여액에 석회, 석탄회와 건류전섬유소분말을 주입하고 반응한 1차 처리수는 호기성 생물학처리방법(활성오니방법)으로 용이하게 처리될 수 있는 수질까지 처리되었음을 확인할 수 있다.

Ⅱ. 폐수처리단계

1. 호기성 생물학처리공정

상기 1차 침전조(7) 상부로 월류(Over flow)하는 월류수와 2차 탈수공정의 탈수 여액을 중화조(10)로 보내어 pH 5.6∼8.2 범위로 중화처리된 것(이하 이를 '폐수'라 함)이 호기성 생물학처리공정의 집수조(12)에 공급되면, 폭기조공급펌프(16)로 1차 폭기조(18a)에 공급한다.

집수조(12)의 폐수가 1차 폭기조(18a)에 공급되면 송풍기(26)로부터 공기를 주입하여 폭기(曝氣)를 하면서 호기성 생물학처리가 된 것을 2차 침전조(19a)로 보내어 고형물은 침전시키고, 월류(Over flow)되는 월류수인 1차 호기성 생물학처리수는 최종 처리수조(25), 살균·여과공정 또는 2차 호기성 생물학 처리공정의 2차 폭기조(18b)로 보낸다.

2차 침전조(19a)에서 침전된 고형물(미생물 균체)은 2차 침전조 레이크(20a)에 의해서 2차 침전조(19a) 하부의 중앙 콘(Cone) 부분으로 모이게 되면 1차 반송펌프(21a)에 의해서 활성부식물질 펠릿(Activated humic substance pellet)과 활성미네랄성분을 함유한 광물의 충전물(24)을 충전(充塡)한 1차 생물반응기(23a)가 내장된 1차 미생물활성화조(22a)와 1차 폭기조(18a)로 반송하면서, 배출되는 잉여오니는 투입조와 탈취공정으로 보낸다.

상기 호기성 생물학처리공정의 2차 침전조(19a)를 월류(Over flow)하는 월류수가 배출기준치 이내로 처리된 경우나, 인근 하수처리시설과 연계하여 처리하는 경우는 최종 처리수조(25)로 보내었다 방류하거나, 인근 하수처리시설로 보낸다.

1차 반송펌프(21a)에 의해서 2차 침전조(19a)에서 침전된 고형물(미생물 균체)인 오니(汚泥)가 1차 미생물활성화조(22a)에 공급되면 송풍기(26)로부터 공기를, 1차 미생물활성화조(22a)와 활성미네랄을 함유한 광물과 활성부식물질 펠릿의 충전물(24)이 충전된 1차 생물반응기(23a) 하부에 송풍기(26)로부터 공기를 공급하여, 공기와 반송오니가 함께 1차 생물반응기(23a)의 충전물(24) 층을 에어 리프팅(Air lifting) 되면서 미네랄성분을 공급받게 된다.

1차 미생물활성화조(22a)에서 미네랄성분을 충분히 공급받게 되면, 미네랄성분이 충분히 공급되었을 때 활발한 대사활동을 하는 바실러스 미코이데스(Bacillus mycoides), 바실러스 루테우스(Bacillus luteus), 방선균(放線菌)과 같이 폴리페놀화합물(Polyphenol compounds)을 대사산물(代謝産物)로 배설하여 부식화반응에 의해서 액상 수용성 유기물을 물에 불용성인 부식전구물질(腐植前驅物質) 또는 부식물질(腐植物質)로 전환하는 부식화미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물이 활성화하게 되며, 이를 1차 폭기조(18a)로 보내면 1차 호기성 생물학적 폐수처리 시스템(System) 전체가 부식화미생물과 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물에 의해서 부식화반응에 의해서 호기성 생물학처리가 일어나게 된다.

상기 유기물질을 부식화하여 부식물질을 생성하는 미생물은 세포질(Cytoplasm)이나 세포벽(Cell wall)에 미네랄 함량이 높으며, 이들 미생물은 미네랄성분을 충분히 섭취하였을 때 활발한 대사활동을 하기 때문에 수중에 미네랄성분을 용이하게 용출할 수 있는 활성부식물질과 활성미네랄성분을 다량 함유한 광물을 충전한 1차 생물반응기(23a)를 1차 미생물활성화조(22a)에 설치하여 충분한 미네랄성분이 미생물에 공급될 수 있도록 한다.

1차 미생물활성화조(22a)에 설치된 1차 생물반응기(23a)에 활성부식물질 펠릿과 미네랄성분을 함유한 광물의 충전하는 양은, 1차 폭기조(18a)에 공급되는 폐수의 유량 10㎥/일당 활성부식물질 펠릿을 5∼10㎏, 활성미네랄성분을 함유한 광물 10∼20㎏을 충전한다.

미생물에 미네랄성분을 용이하게 공급할 수 있는 활성미네랄성분을 다량 함유한 광물은, 유문암(Rhyolite) 또는 대사이드(Dacite)질의 부석(Pumice), 페그마타이트(Pegmatite) 또는 펄라이트(Perlite) 중에서 한 종류를 사용한다.

그리고 활성부식물질 펠릿은 해양성 규조류와 해양성 식물이 퇴적되어 풀브산(Fulvic acid) 함량이 높은 부식토(腐植土)와 벤토나이트(Bentonite)와 같은 점결제(粘結劑)와 혼합하여 펠릿형태로 가공한 시중제품을 구입하여 사용한다.

송풍기(26)에서 1차 폭기조(18a)와 1차 미생물활성화조(22a)에 공급하는 공기량은, 1차 폭기조(18a)와 1차 미생물활성화조(22a)의 용존산소(Dissolved oxygen) 농도가 2∼4㎎/ℓ가 유지되도록 공급하고, 1차 생물반응기(23a) 하부로 공급하는 공기는 폭기강도가 1.5∼3.5N㎥-Air/㎡·시간으로 한다. 송풍기(26)의 토출압력은 조의 수심에 따른 정압두(Static head)와 배관의 마찰손실에 따른 마찰손실두(Friction head)를 고려하여 결정한다.

본 발명에서 폐수처리는 부식화반응에 의한 호기성 생물학처리를 함으로써, 프로피온산(Propionic acid)·낙산(Butyric acid)·길초산(Valeric acid)와 같은 휘발성 유기산, 암모니아(NH₃), 트리메틸아민(Trimethylamine)·디메틸아민(Dimethylamine)·인돌(Indole)·스카톨(Skatol)과 같은 휘발성 질소화합물, 황화수소(H₂S)·디메틸설파이드(Dimethyl sulfide)·메틸디설파이드(Methyl disulfide)·머캡탄(Mercaptan)류와 같은 휘발성 유황화합물, 알데히드류(Acetaldehyde)와 같은 휘발성 악취물질이 비휘발성이면서 물에 불용성인 부식전구물질 또는 부식물질로 동화(同化)되어 악취발생이 억제되는 효과가 있으며, 액상유기물도 물에 불용성인 부식전구물질 또는 부식물질로 고도로 동화되면서 처리되어 폐수처리효율이 높은 특징이 있다.

1차 폭기조(18a)의 용량은 F/M비(Food/Microorganism ratio)를 0.05∼0.4 범위에서 다음 식(9)에 의해서 결정하며, 깊이는 2∼6m범위로 한다.

F/M = (BOD₅×Q)/(MLSS×V) [kg BOD/㎥.일] …………………………(9)

여기서 BOD₅는 유입폐수의 5일 생물학적 산소요구량(㎎/ℓ), V는 폭기조의 용적(Volume, ㎥), MLSS는 폭기조 내 혼합액 부유물질(Mixed liquor suspended solids)농도(㎎/ℓ), Q는 유입폐수의 유량(㎥/일)이다.

2차 침전조(19a)의 표면적은 월류부하(Over flow load) 8∼25(㎥/㎡·일)와 고형물부하 60∼90(㎏/㎡·일)을 고려하여 여유가 있는 표면적으로 하며, 조의 깊이는 3∼6m로 한다.

2차 침전조(19a)에서 1차 반송펌프(21a)에 의해서 1차 폭기조(18a)와 1차 미생물활성화조(22a)로 반송하는 유량은 1차 폭기조(18a) 내에서 MLSS(Mixed liquor suspended solids)의 농도가 2,000∼3,500㎎/ℓ범위가 되게 다음 식(10)에 의해서 결정한다.

R = Qr/Q = (MLSS-SS)/(R-MLSS) ………………………………(10)

여기서 R은 2차 침전조(18a)에서 1차 폭기조(18a)와 1차 미생물활성화조(22a)로 반송하는 반송률(%), Qr는 반송하는 유량(㎥/일), Q는 유입폐수의 유량(㎎/ℓ), MLSS는 1차 폭기조(18a) 내의 혼합액 부유물질농도(㎎/ℓ), SS는 유입폐수 중에 함유된 부유물질농도(㎎/ℓ), R은 반송오니의 부유물질 농도(㎎/ℓ)이다.

1차 미생물활성화조(22a)에 공급하는 유량은, 전체 반송오니의 유량의 8∼20%를 공급하고, 1차 미생물활성화조(22a)의 용량은 체류시간을 0.5∼2일간으로 한다.

송풍기(26)에서 1차 폭기조(18a)와 1차 미생물활성화조(22a)에 공급하는 공기량은, 1차 폭기조(18a)에서는 용존산소(Dissolved oxygen) 농도가 2∼4㎎/ℓ가 유지되도록 공급하고, 1차 생물반응기(23a) 하부로는 공급하는 공기량은 폭기강도가 1.5∼3.5N㎥-Air/㎡·시간으로 한다. 송풍기(26)의 토출압력(吐出壓力)은 조의 수심에 따른 정압두(Static head)와 배관의 마찰손실에 따른 마찰손실두(Friction head)를 고려하여 결정한다.

상기 호기성 생물학처리수가 방류기준치 이내로 처리되는 경우나 하수병합처리를 하는 경우는 최종 처리수조(25)로 보내었다가 방류하거나, 하수처리장으로 보낸다.

그리고 호기성 생물학처리 효율을 향상하기 위해서는, 집수조(12) 바닥에 접지(13h)와 연결한 스테인리스강판(15, 도체)을 설치하고, 이 스테인리스강판(15) 상부에는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화비닐(PVC), 스티로폼(Styrofoam)과 같은 절연체를 설치하고, 절연체 상단에는, 내부에 전도도(電導度)가 높은 목탄(木炭) 또는 활성탄(活性炭)을 충전(充塡)한 스테인리스 스틸(Stainless steel)의 철망전극(14)을 설치하고, 이 철망전극(14)에 정전압발생장치(靜電壓發生裝置, 13)로부터 3,000∼5,000볼트(Volt)의 고전압을 4∼10시간 동안 인가(印加)하여 정전압처리(靜電壓處理)를 하면, 철망전극(14)을 중심으로 +와 -의 정전장(靜電場)이 발생하여 물 분자 자체가 진동ㆍ회전을 되풀이하면서 표면장력(表面張力)이 적게 되면서 점성이 적게 되어 침투성이 높은 활성화된 물로 개질 처리된 폐수에는 미생물이 활발하게 활동하여 폐수처리 효율이 향상되는 특성이 있다. 또한, 필요에 따라서는 상기 정전압처리와 폭기조 공급펌프(16) 토출부에 자화기(17)를 추가 설치하여 함께 물을 개질처리하면 생물학적 폐수처리의 효율을 더욱더 향상시킬 수 있다.

자화기(17)는, 합성수지(PVC, PE, 스티렌 수지 등), 에보나이트 (Ebonite), FRP, 베이클라이트(Bakelite)와 같은 절연성 재료의 원통형 도전관에 코일(Coil)을 감은 정전압도전관(靜電壓導電管)에 0.5∼5볼트(Volt) 범위의 교류 또는 직류의 저전압을 인가하면 코일의 내부에는 자기장(磁氣場)이 형성되고, 여기에 유체를 통과하면 유체는 자화처리되면서 물이 개질 처리된다.

여기서 정전압도전관에 코일(Coil)을 감은 자화기(17) 대신 자속밀도(磁束密度)가 10,000∼15,000가우스(Gauss) 범위로 착자(着磁)된 영구자석 자화기를 사용하여도 된다.

폐수를 정전압발생장치(靜電壓發生裝置: 13)로부터 정전압을 인가하는 목탄 또는 활성탄이 충전된 철망전극(14)이 내장된 집수조(12)에 공급하고, 정전압발생장치(13)의 변압기(13a)의 2차 코일(13e)의 출력선(13f)을 집수조(12) 내부에 설치된 철망전극(14)에 연결하여 인입 전원을 100∼220볼트(Volt), 주파수 50∼60㎐의 교류 전원을 인가하고, 전압조정기(13b)로 전압을 조정하여 정전압발생장치(13)로부터 전압을 1,500∼5,000볼트(Volt)의 정전압을 4∼10시간 동안 인가하면서 정전유도처리를 하면 표면장력이 떨어져 침투력이 우수한 물로 개질 처리된다. 이때 전류는 10∼150㎂ 범위의 약한 전류가 흐르게 된다.

정전압발생장치(13)의 변압기(13a)는 철심(13d), 1차 코일(13c), 2차 코일(13e), 2차 코일(13e)의 출력선(13f), 2차 코일(13e)의 절연처리 단말(13g)로 구성되어 있으며, 전압조정기(13b)는 1차 코일(13c)에 접속하며, 2차 코일(13e)의 출력선(13f)은 절연(絶緣)된 절연체 위에 설치된 집수조(12)의 철망전극(14)에 접속한다.

폐수를 집수조(12)에 공급하고, 정전압발생장치(13) 변압기(13a)의 2차 코일(13e)의 출력선(13f)을 접속하는 것과 동시에, 2차 코일(13e)의 절연처리 단말(13g)을 변압기(13a) 내의 절연물 안에 절연상태로 하고, 철망전극(14)을 절연체에 의해서 접지(13h)와 절연상태로 한 절연체 위에 설치하고, 절연체 하부에 설치된 스테인리스강판(導體: 15)은 접지(13h) 처리한다.

변압기(13a) 내의 고압 측 2차 코일(13e)의 일단인 절연처리 단말(13g)을 변압기(13a) 내의 절연물 안에서 절연상태로 한 콘덴서(C₂)를 형성하는 것과 동시에, 고압 측의 2차 코일(13e)의 나머지 일단의 출력선(13f)을 절연체로 접지(13h)와 절연한 집수조(12)에 접속하여 콘덴서(C₁)를 형성하며, 그 결과, 출력선(13f)과 접지(13h) 간의 전압은 250∼3,500볼트(Volt)가 되어도, 전류는 10∼150㎂ 범위의 미약한 전류가 흐르게 되므로 접지상태에서는 사람이 집수조(12)에 접촉하여도 위험성은 없다.

정전유도는 전기적으로 중성인 물질에 대전한 대전체에 접근하면 대전체에 가까운 물질의 표면에 대전체와는 반대의 극성을 가지는 전하가 나타나 먼 쪽의 대전체와 같은 전하가 나타난다. 또, 대전체가 아니고 외부에 전기장이 존재하는 경우에서도 외부전하와 반대의 전하가 나타난다. 이때 나타나는 전하를 유도전하(誘導電荷)라고 하며, 중성물질은 유도 전하를 가지게 되어 접촉하고 있지 않은 외부의 전기작용에 의해서 물질에 전하가 유도되어 +전하와 -전하가 분극(分極)하는 현상이 일어나며, 이 현상을 정전유도를 받고 있다고 하며, 이 현상을 응용하여 물질에 교류전압을 인가하면 물질의 분자에 회전과 진동이 가해져 분자의 이합집산을 촉진하면서 물질에 물리적인 특성을 변화시키는 것을 정전유도처리(靜電誘導處理)라고 한다.

다시 말해서, 본 발명은, 정전압발생장치(13)의 변압기(13a)는 성층(成層)의 철심(13d)을 이용한 외철원형 코일 변압기 타입의 것이며, 변압기(13a)의 1차 측 회로의 1차 코일(13c)을 전압조정기(13b)를 개입시켜 교류 전원에 접속하여 변압기(13a)의 2차 측 회로의 2차 코일(13e) 1단의 절연처리 단말(13g)을 변압기(13a) 내의 절연물 안에서 절연처리한 것과 동시에 2차 측 회로의 2차 코일(13e)의 출력선(13f)을, 집수조(12) 내의 절연체를 접지(13h)에 연결하여 절연한 절연체 위에 설치된 철망전극(14)에 250∼3,500볼트(Volt)의 전압과 10∼150㎂의 전류를 흐르게 하는 것에 의해서 정전유도처리를 하면 집수조(12)에 주입된 폐수의 물 분자집단이 소집단화되면서 표면장력이 적어지면서 침투성이 좋아져 생물학처리 공정에서 미생물이 활발하게 활동하게 된다.

변압기(13a)는, 철심(13d)의 중앙부에 통 모양의 절연 필름을 끼워 넣고, 다시 절연 필름의 외주 면에 1차 코일(13c)과 2차 코일(13e)을 감고, 1차 코일(13c)은, 예를 들어 직경 0.6㎜의 폴리에스테르(Polyester)로 피복한 동선을 사용하여 220∼240권으로 하고, 2차 코일(13e)은, 예를 들어 직경 0.09㎜의 에나멜로 피복 한 동선을 사용하여 40,000회권으로 하지만, 이 2차 코일(13e)의 40,000회 중, 제1의 2차 코일(13e)을 22,000회권으로 하고, 제2의 2차 코일(13e)을 18,000회권으로 하여도 좋고, 이러한 동선코일의 직경, 종류와 동선의 권수 등은 집수조(12)의 용량과 처리시간, 인가전압 등의 조건에 따라서 결정을 한다.

통상의 경우, 이러한 동선코일(Coil)은 0.03∼3㎜의 것을 이용할 수 있으며, 동선의 종류는 폴리에스테르이나 에나멜로 피복한 동선을 사용하여 동선코일의 권수는 1차 코일(13c)은 200∼250회권으로 하고, 2차 코일(13e)은 28,000∼40,000회권으로 하거나 2차 코일(13e) 내에서 제1의 2차 코일(13e)을 16,800∼22,000권으로 하고, 제2의 2차 코일(13e)을 11,200∼18,000권으로 해도 좋다.

2차 코일(13e)의 절연처리 단말(13g)은 변압기(13a) 내에 있고, 그 첨단 부분을 절연 테이프로 감은 후, 타르 피치(Tar pitch) 등의 절연물을 변압기(13a) 내에 충전해서 2차 코일(13e)의 절연처리 단말(13g)을 가려 싸도록 해서 절연하지만, 절연물은 타르 피치 이외에도 절연유, 불포화폴리에스테르, 폴리우레탄 수지 등을 이용할 수도 있다.

변압기(13a)에 교류를 흐르게 하여 변압기(13a)의 1차 전압을 전압조정기(13b)로 조작하여 100∼220볼트(Volt)로 조정하면, 2차 측의 2차 코일(13e) 단말 사이에는 12,000∼18,000볼트(Volt)의 전압이 발생하지만, 2차 측 회로에서 2차 코일(13e)의 절연처리 단말(13g)은 절연하고 있으므로, 절연된 절연체 위에 집수조(12)에 출력선(13f)과 접속하고 접지(13h)와 사이에는 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압과 10∼150㎂의 전류가 흐르게 된다.

상술한, 2차 측에 발생한 12,000∼18,000볼트(Volt)의 전압이, 집수조(12)와 접지(13h) 사이에 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압, 10∼150㎂의 전류가 되는 것은 2차 코일(13e)의 절연처리 단말(13g)과 절연체의 저항, 코일의 교류저항회로에 의하는 것이다.

즉, 정전압발생장치(13)의 접지(13h)와 집수조(12)의 접지(13h)에 의한 공진 회로를 형성하는 것이며, 2차 코일(13e)의 일단인 절연처리 단말(13g) 부위인 접지(13h)와 2차 코일(13e)의 출력선(13f)을 절연체로 절연되고 있는 접지(13h)에 의한 출력전압으로부터의 방전에 의한 공진 주파수에 의해서 정전유도를 일어나게 한다.

집수조(12)의 크기, 그리고 충전물을 충전한 철망전극(14)의 크기와 절연체에 따라서 집수조(12)와 접지(13h) 사이의 전압은 3,500∼5,000볼트(Volt)로 변동하며, 전류도 10∼150㎂ 범위로 변화한다. 또한, 입력 전원을 전압조정기(13b)로부터 전압을 조정하는 것에 따라서 전압과 전류를 변동시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 교류저항회로에 의해서 발생시킨 집수조(12)의 전압은 무부하(無負荷) 시에 3,500∼5,000볼트(Volt)이지만, 전류는 10∼150㎂ 범위의 미약한 전류이므로 인체에 대해서는 안전하고, 감전이나 화재 등의 트러블(Trouble)을 일으킬 우려는 없으며, 또한, 집수조(12)에 인가되는 전압과 전류는 조의 충전 용량이나 정전유도처리조건에 따라서 전압조정기(13b)에 의해서 전압을 조정하지만, 통상의 경우는 집수조(12)와 접지(13h) 간의 전압이 550∼1,600볼트(Volt), 전류는 30∼100㎂ 범위로 하는 것에 의해서 정전유도하면 적절한 교류 전계(電界)를 구성할 수 있다.

그리고 집수조(12)에서는, 집수조(12) 내의 철망전극(14)이 +전하가 되면, 접지(13h) 측에서는 -전하가 유전(誘電)되며, 반대로 집수조(12) 내의 철망전극(14)이 -전하가 되면 접지(13h) 측에서는 +전하가 유전되고, 이후 교류 전원의 주파수에 따라서 집수조(12)는 1초간에 주파수(50 내지 60회)만큼 +전하와 -전하가 바뀌게 되며, 이것에 따라서 접지(13h) 측의 전하도 유전되어 +전하와 -전하가 바뀌게 된다.

일반적으로 물질은 원자(原子)에 의해 성립되고 있으며, 이 원자는 원자핵과 전자에 의해 구성되고 있으며, 다시 원자핵은 중성자와 양자로 구성되어 있으며, 그리고 원자핵의 주위에는 부(-)의 전하를 가지는 전자가 원운동을 하고 있고, 외부 전계가 작용하지 않는 정상상태에서는 양자의 +전하와 전자의 -전하가 동량으로 안정된 상태로 되어 있으나, 외부에서 높은 전압을 인가하면 이것에 의해서 전자는 한편으로 이동하면서, 또한, 양자도 한편으로 이동하기 때문에 원자의 전기적 중심이 일치하지 않게 되어 원자는 한 개의 전기쌍극자(電氣雙極子)를 형성하게 되면서 전하의 밸런스(Balance)에 의해서 내부전계(內部電界)가 발생하면서 분극(分極)을 일으키게 된다.

이와 같은 경우 원자(분자)가 외부전계(外部電界)에 의해서 분극이 되므로 이를 전자분극(電子分極) 혹은 원자분극(原子分極) 이라고 하며, 집수조(12)에 충전된 폐수에 높은 정전압을 인가하면 모든 분자는 정전유도에 의해서 +전하와 -전하의 교체에 따라서 순응하려고 하지만, 분자 간의 결합력의 강한 것과 약한 것의 차이가 생겨 폐수의 표면장력(表面張力)이 적게 되면서 점성이 적게 되어 물속에 용해되어 있는 칼슘, 마그네슘, 철분 등의 미네랄성분도 분자의 이온화가 촉진되어 초미립자화 되어 침투성이 높은 활성화된 물로 개질처리된다.

유입폐수의 핵자기공명(核磁氣共鳴) ¹⁷O-NMR 반치폭의 값이 90㎐ 이하이면서 표면장력이 68dyne/㎝이하인 경우와 BOD₅ 및 COD_Mn의 농도가 500㎎/ℓ이하로 낮은 경우에는 호기성 생물학처리만으로도 배출기준치 이내로 처리할 수 있기 때문에 상기 정전압유도처리나 자화처리와 같은 물의 개질처리공정을 생략하여도 상관없다.

그리고 호기성 생물학처리수가 방류기준치 이내로 처리되지 않는 경우는, 도 3 '호기성 생물학처리공정도'의 하단에서와 같이, 상기한 1차 호기성 생물학처리와 동일한 2차 호기성 생물학처리를 한다.

상기 1차 호기성 생물학처리에서 방류기준치 이내로 처리되지 않는 경우는, 2차 침전조(19a) 상부로 월류(Over flow)하는 월류수를 2차 폭기조(18b)로 보내어 송풍기(26)로부터 공기를 공급하여 용존산소 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위가 유지되게 폭기(曝氣)를 하면서 2차 호기성 생물학처리한 것을 3차 침전조(19b)로 보내어 고형물은 침전시키고, 월류(Over flow)되는 월류수인 2차 호기성 생물학처리수는 최종처리수조(25) 또는 살균·여과공정으로 보낸다.

3차 침전조(19b)에서 침전된 미생물 균체인 고형물은 3차 침전조 레이크(20b)에 의해서 3차 침전조(19b) 하부의 중앙 콘(Cone) 부분으로 모이게 되면 2차 반송펌프(21b)에 의해서 활성부식물질 펠릿(Activated humic substance pellet)과 활성미네랄성분을 함유한 광물의 충전물(24)을 충전(充塡)한 2차 생물반응기(23b)가 내장된 2차 미생물활성화조(22b)와 2차 폭기조(18b)로 반송하면서, 배출되는 잉여오니는 투입조와 탈취공정으로 보낸다. 그리고 설계조건과 운전조건은 상기 1차 호기성 생물학처리와 동일하게 한다.

2. 살균·여과공정

상기 호기성 생물학처리수는 산화제의 주입, 자외선의 조사, 전기산화 또는 전자선의 조사 중에서 한 종류 이상의 처리방법을 조합한 공정에 의해서 살균처리를 한 후, 모래여과를 하여 부유물질(Suspended solids)을 제거한 다음, 방류한다.

가. 산화제의 주입에 의한 살균

산화제의 주입에 의한 살균은, 생물학처리수에 NaClO, ClO₂, Cl₂, H₂O₂ 또는 O₃ 중에서 한 종류의 산화제를 산화환원전위(Oxidation-reduction potential) 값이 +700∼+1,100㎷ 범위로 주입하여 30∼60분간 교반반응을 하여 수중의 박테리아 및 바이러스와 같은 미생물을 살균처리한다.

나. 자외선조사(紫外線照射)에 의한 살균

자외선조사에 의한 살균은, 파장이 250∼260㎚의 자외선 살균등으로부터 100∼300㎼/㎠·min 범위의 조사량으로 수중에 조사하여 박테리아 및 바이러스와 같은 미생물의 DNA 염기 부분을 변성시켜 생존이 불가능한 상태로 만들어 살균처리를 한다.

다. 전기산화에 의한 살균

전기산화에 의한 살균처리는, 전기산화로 산화환원전위(Oxidation-reduction potential) 값을 +700∼+1,100㎷ 범위로 하여 수중의 박테리아 및 바이러스와 같은 미생물을 살균처리한다.

라. 전자선조사에 의한 살균

전자선조사에 의한 살균은, 전자선을 수중에 조사하여 수중에 존재하는 박테리아 및 바이러스와 같은 미생물을 염기배열 그 자체를 파괴하여 살균처리를 하게 된다.

전자선을 조사에 의한 살균은, 전자선발생장치로부터 0.15∼10MeV 강도(强度)로 전자선의 선양률(線量率)을 0.1KGy/h∼100MGy/h 범위로 물에 조사하여 수중의 미생물을 살균처리한다.

그리고 수중에 산소농도가 높거나 산화제(NaClO, H₂O₂, O₃, ClO₂, HClO, Cl₂ 등)가 존재하는 경우에 살균처리의 효율이 향상되기 때문에 전자선처리 이전에 전기산화처리나 산화제를 주입하면 살균처리 효율을 더욱더 향상할 수 있으며, 또한 공기(산소)를 공급하여 수중의 용존산소(Dissolved oxygen) 농도를 높게 한 상태에서 전자선을 조사하여도 살균처리효율을 향상할 수 있다.

5. 여과공정

상기 살균처리한 물은 모래여과를 하여 수중의 부유물질(Suspended solids)을 제거한 다음, 방류한다.

모래여과는 여과속도를 6∼10m/시간으로 하고, 여과사(濾過砂)의 유효경(有效徑)은 0.3∼0.45㎜, 균등계수(均等係數)는 2.0 이하로 하며, 여층(濾層)의 두께는 0.5∼1.0m로 한다. 이때 여과압력은 운전조건에 따른 여과기의 압력손실과 배관의 압력손실을 고려하여 결정한다.

그리고 상기 살균과 여과공정은, 수중의 부유물질의 농도가 50㎎/ℓ이하 이면서 살균을 필요로 하지 않은 경우는 생략할 수도 있다.

상기 실시 예1에서 처리한 표 3의 고형물을 침전시킨 상등액에 20% 황산 수용액을 주입하여 pH를 7.6으로 조정한 것 400㎏을 0.5㎥ 플라스틱 통에 주입하고, 본 발명의 호기성 생물학처리 효율을 확인하기 위해서 일본 나가사키현(長崎縣)의 가라고(唐比) 습지에서 채굴한 다음 표 4의 조성을 가진 부식토를 가공한 부식펠릿 1㎏과 일본 구마모토현(熊本縣) 아소산(阿蘇山) 화산지대에서 채굴한 표 5의 조성을 가진 부석(浮石) 2㎏을 망사포대에 담아 플라스틱 통속 수중에 설치하고, 호기성 생물학처리를 하는 공정에서 배출되는 잉여오니를 MLSS농도가 3,200㎎/ℓ로 주입하고, 용존산소 농도가 2∼3㎎/ℓ범위로 유지되게 공기를 주입하여 폭기하며 회분식 호기성 생물학처리(Batch aerobic biochemical treatment)를 하면서 처리시간별 BOD₅ 및 COD_Mn를 측정한 결과는 다음 표 6의 내용과 같이 처리되었다.

부식토의 건물성분조성 분석치

성분	유기물	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	Na₂O	K₂O	CaO	MgO	기타
함량(%)	32.7	52.5	7.8	4.0	0.5	0.3	0.5	0.5	1.2

부석(Pumice)의 성분조성 분석치

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	Na₂O	K₂O	CaO	MgO	TiO₂	기타
함량(%)	68.50	15.07	1.92	4.33	4.38	1.41	0.48	0.45	3.46

회분식호기성생물학처리에서 처리시간별 BOD₅ 및 COD_Mn를 측정한 결과 분석치

처리시간(hr)	BOD₅(㎎/ℓ)	COD_Mn(㎎/ℓ)	처리시간(hr)	BOD₅(㎎/ℓ)	COD_Mn(㎎/ℓ)
6	142	203	12	98	127
8	125	179	14	89	104
10	110	157	16	82	93

상기 표 6 회분식 호기성 생물학처리에서 처리시간별 BOD₅ 및 COD_Mn를 측정한 분석치에서 보는 바와 같이 폭기조의 용량을 12시간 이상으로 하여 호기성 생물학처리를 하면, 나 지역의 오염물질 배출허용기준치 이하로 처리할 수 있음을 확인할 수 있다.

물을 개질처리에 의한 호기성 생물학적 폐수처리 효율을 확인하기 위해서 상기 실시 예2에서와 같은 0.5㎥ 플라스틱 통 하부에 도체인 스테인리스강판(Stainless steel plate)을 설치하고 접지(Earth)처리한 다음, 스테인리스강판 상부에 절연체인 플라스틱판(Plastic plate)을 설치하고, 플라스틱판 위에 목탄이 충전된 철망전극을 설치하였다.

상기 철망전극이 설치된 플라스틱 통에 상기 실시 예1에서 처리한 표 3의 고형물을 침전시킨 상등액에 20% 황산 수용액을 주입하여 pH를 7.6으로 조정한 것 400㎏을 0.5㎥ 플라스틱 통에 주입하고, 주입된 물의 핵자기공명(Nuclear magnetic resonance, NMR) 스펙트럼(Spectrum) ¹⁷O-NMR의 반치폭(半値幅)을 측정한 결과 127㎐이었다. 그리고 플라스틱 통속에 설치된 철망전극에 정전압발생장치(靜電壓發生裝置)로부터 3,500볼트(Volt)의 고전압을 4시간 동안 인가(印加)하여 정전압처리(靜電壓處理)를 한 다음, 물의 핵자기공명 스펙트럼 ¹⁷O-NMR의 반치폭을 측정한 결과는 58㎐으로 물이 개질 처리되었음을 확인할 수 있었다.

상기 물이 개질 처리된 것에 상기 실시 예2에서와 동일한 부식토를 가공한 부식펠릿 1㎏과 부석(浮石) 2㎏을 망사포대에 넣은 것을 플라스틱 통속에 설치하고, 호기성 생물학처리를 하는 공정에서 배출되는 잉여오니를 MLSS농도를 3,200㎎/ℓ로 주입하고, 용존산소 농도가 2∼3㎎/ℓ이 유지되게 공기를 주입하여 폭기를 하며 회분식 호기성 생물학처리를 하면서 처리시간별 BOD₅ 및 COD_Mn를 측정한 결과는 다음 표 7의 내용과 같이 처리되었다.

물을 개질 처리한 다음 회분식 호기성 생물학처리에서 처리시간별 BOD₅ 및 COD_Mn를 측정한 결과 분석치

처리시간(hr)	BOD₅(㎎/ℓ)	COD_Mn(㎎/ℓ)	처리시간(hr)	BOD₅(㎎/ℓ)	COD_Mn(㎎/ℓ)
6	127	182	12	89	116
8	112	160	14	81	95
10	99	126	16	75	84

상기 표 7 물을 개질 처리한 다음 회분식 호기성 생물학처리에서 처리시간별 BOD₅ 및 COD_Mn를 측정한 결과 분석치에서 보는 바와 같이 실시 예2의 회분식 호기성 생물학처리에 비해서 약 10% 정도 처리효율이 향상되었음을 알 수 있으며, 물을 개질 처리한 다음 호기성 생물학처리를 하면 폭기조의 용량을 10시간 이상으로 하여 호기성 생물학처리를 하면, 나 지역의 오염물질 배출허용기준치 이하로 처리할 수 있음을 확인할 수 있다.

Ⅲ. 퇴비화단계

음식물쓰레기는 함수율이 높으면서 염분농도가 높아서 합리적으로 퇴비화를 할 수 없는 실정에 있다. 그래서 본 발명에서는 함수율을 줄여 함수율조정제(수분조절제)의 소모량을 줄이기 위해서 탈수처리된 탈수케이크만 퇴비화를 하고, 그리고 탈수처리된 탈수케이크에 함유된 염분은 고상 상태에서는 탈염처리가 어렵기 때문에 액화처리 후 탈염한 다음 퇴비화하는 방법을 제시코자 한다.

퇴비화단계에서는, 상기 1차 탈수공정의 탈수케이크를 호기성 액화기(100)에 주입하고, 고온호기성 액상발효를 하면 분해가 용이한 단백질, 당분, 녹말, 지방과 같은 유기물질이 이산화탄소와 수분과 같은 간단한 무기물질로 분해되면서 분해 열에 의해서 60∼80℃ 범위로 온도가 올라가면 유해 병원균, 잡초의 씨앗과 해충의 알을 사멸처리되면서 액화되며, 이때 수분이 증발하면서 염분이 농축되어 전기전도도(Electrical conductivity) 값이 50∼60㎳/㎝ 범위로 되면 미생물의 활성이 떨어지면서 발효 효율이 떨어지기 때문에 고온호기성 액상발효는 여기까지 한 다음, 탈염공정으로 보내어 염분을 제거하고, 염분이 제거된 고온호기성 발효액은 액비화공정 또는 고상 퇴비화공정으로 보내어 액비 또는 퇴비화하는 방법에 관한 것으로 상세한 내용은 아래와 같다.

1. 액화공정

상기 1차 탈수공정의 탈수케이크가 호기성 액화기(100)에 공급되면, 호기성 액화기 믹서(101)로 2∼4rpm의 회전속도로 믹싱하면서, 60∼80℃의 고온호기성 발효액을 아스피레이터형(Aspirator type)의 산소용해장치(103)의 업스트림(Up-stream) 측의 노즐(Nozzle)을 통해 다운스트림(Down-stream)으로 분사시키면서, 가스 흡입구 측에는 PSA(Pressure swing adsorption)공정에서 농축된 산소, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베(Bombe)의 산소 중에서 한 종류의 산소를 함께 공급하면, 베르누이의 이론(Bernoulli's theorem)에 의해서 산소 기체가 흡입되어 산소용해장치(103)의 다운스트림(Down-stream)에서 고온호기성 발효액에 산소가 용해되며, 이 산소가 용해된 고온호기성 발효액을 액화기(100) 상부로 공급하면, 호기성 액화기(100) 내의 고상 음식물쓰레기에 산소와 고온호기성 미생물이 공급된다.

산소가 용해된 고온호기성 발효액이 액화기(100) 상부로 공급되면, 고상의 음식물쓰레기는 고온호기성 미생물에 의해서 저분자성 물질로 분해되면서 고상의 음식물쓰레기는 액화처리된다. 액화처리된 액상의 음식물쓰레기는 호기성 액화기(100) 하부 구멍(Hole)으로 빠져나가 액상음식물쓰레기 저장조(104)로 이송된다.

호기성 액화기(100)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 액상음식물쓰레기 저장조(104)로 보내고, 고형물질은 폐기(소각이나 매립)처분한다.

그리고 알코올발효처리를 하는 경우는, 알코올발효공정의 발효폐액과 메테인발효처리를 하는 경우는, 메테인발효공정의 발효액도 액상 음식물쓰레기 저장조(104)로 함께 보낸다.

그리고 레이아웃(Lay-out) 상 액상음식물쓰레기 저장조(104)를 설치하지 않아도 되는 경우는 액상음식물쓰레기 저장조(104)와 액상음식물쓰레기 이송펌프(105)를 생략하고, 호기성 액화기(100)에서 액화된 액상 음식물쓰레기를 고온호기성 발효조(106)로 보내어도 된다.

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

호기성 액화기(100)는, 외부에 보온재(102)가 설치된 강철구조물로, 도 4에서와 같이 수평형으로 할 수 있으나, 수직형 구조로 하여도 상관없으며, 또는, 강철구조물로 하는 대신에 콘크리트구조물(Concrete structures)로 하여도 상관없다.

그리고 호기성 액화기 믹서(101)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) 한다.

그리고 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 써모필러스(Lactobacillus thermophilus)·락토바실러스 델브루에키이(Lactobacillus delbrueckii)와 같은 고온성 유산 간균, 시네초코커스 리비두스(Synechococcus lividus), 스트렙토코쿠스 테르모필루스(Streptococcus thermophilus), 스트렙토마이세스 써모필루스(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)·써모모노스포라 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 액화기(100)에 유입되는 음식물쓰레기 100중량부에 0.04∼0.1중량부를 종균용으로 호기성 액화기(100) 또는 고온호기성 발효조(106)에 공급하거나, 또는, 유기성 폐기물을 퇴비화하는 발효공정에서 60∼80℃로 고온발효되는 과정에서 발효 중에 있는 퇴비를 종균용으로 액화기(100)에 유입되는 음식물쓰레기 100중량부에 0.1∼0.5중량부를 종균용으로 호기성 액화기(100) 또는, 고온호기성 발효조(106)에 호기성 미생물 균제를 공급할 필요가 있다. 그리고 정상 가동이 되면 균주를 지속적으로 공급할 필요는 없다.

2. 고온호기성 발효공정

액상 상태에서 호기성 미생물에 의해서 발효를 하기 위해서는 용존산소(Dissolved oxygen) 농도를 2∼4㎎/ℓ로 유지해야 하는데, 도 9 '대기압 하에서 온도 변화에 따른 수중에 산소의 용해도표'에서 보는 바와 같이 80℃에서는 산소를 단순히 주입하여서는 용존산소 포화농도가 3㎎/ℓ으로, 유기물과 염분과 같은 불순물이 존재하는 유기성 폐기물의 경우는 용존산소 포화농도가 더욱더 떨어져 60∼80℃ 고온에서는 용존산소 농도를 2∼4㎎/ℓ로 유지할 수 없는 문제가 있어서 지금까지는 액상 상태에서 고온호기성 발효는 실시되지 못하고 있는 실정에 있었다.

도 10 '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 70∼80℃의 고온호기성 발효공정에 공급하면, 액상 상태에서도 고온호기성 발효가 일어날 수 있음을 알게 되어, 이의 방법을 제시하고자 한다.

상기 액화공정에서 액화처리된 액상 음식물쓰레기가 고온호기성 발효조(106)에 공급되면 고온호기성 발효조 교반기(107)로 믹싱(Mixing)하면서, 고온호기성 발효조(106) 외부에 설치된 가온 재킷(Heating jacket, 108)에 보일러로부터 열을 공급하여 온도를 60∼80℃ 범위로 조정하고, PSA(Pressure swing adsorption)공정에서 농축된 산소, 또는, 산소저장탱크나 산소저장 봄베(Bombe)의 산소와 고온호기성 발효액을 함께 가압산소용해탱크(110)에 공급하여 2∼4기압(atm)에서 산소를 용해한 고온호기성 발효액을 반송하면 고온호기성 미생물에 의해서 분해가 용이한 당분·녹말과 같은 탄수화물, 단백질(Protein), 지방(Fat)과 같이 분해가 용이한 유기물이 CO₂, H₂O과 같은 간단한 무기물로 분해되면서, 유해 병원균, 잡초의 씨앗과 해충의 알이 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 산화 분해되어 최종적으로는 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)이 된다.

C_m(H₂O)_n + mO₂ → mCO₂↑ + nH₂O↑ + 반응열 …………………………(11)

②지방과 단백질과 지방

단백질이나 지방은 다음 반응식 (12)와 같이 산화 분해하여, 이산화탄소, 물, 암모니아를 방출하면서 서서히 분자량이 작은 물질로 된다.

C_xH_yN_zO_p + aO₂ → C_uH_vN_wO_q + bCO₂ + dH₂O + eNH₃ + 반응열 …………(12)

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^- …………………………………………………(13)

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

NH₄ ⁺ + 3/2O₂ → NO₂ ^－ + H₂O + 2H⁺…………………………………………(14)

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

NO₂ ^－ + 1/2O₂ → NO₃ ^－………………………………………………………(15)

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

그리고 상기 반응식 (11)과 (12)의 반응에서 유기물이 이산화탄소와 물로 분해되면서 반응열에 의해 음식물쓰레기에 함유된 상당량의 수분이 증발하면서 감량화가 일어나게 된다. 이때 수분이 증발하면서 염분이 농축되어 전기전도도(Electrical conductivity) 값이 50∼60㎳/㎝ 범위로 되면 미생물의 활성이 떨어지면서 발효효율이 떨어지게 되므로, 이때까지 고온호기성 발효를 한 고온호기성 발효액은 염분반응조(111)로 보낸다.

고온호기성 발효조(106)에서 열원 공급은, 보일러에서 고온호기성 발효조(106) 외부에 설치된 가온 재킷(108)에 열을 공급하거나, 또는, 전기 가열기(Electric heater)를 고온호기성 발효조(106)에 설치하고 전기가열에 의해서도 열을 공급할 수 있다. 그리고 상기 반응식 (11)∼(12)에서와 같이 고온호기성 발효가 정상적으로 일어나면 자체 반응열에 의해서 온도가 60∼80℃ 범위로 운전되면 외부에서 열원공급은 중단한다.

고온호기성 발효조(106)는, 도 4에서와 같이 외부에 보온재(102)로 보온처리된 가온 재킷(108)에 보일러로부터 열원을 공급하는 원형의 철구조물로 할 수 있으며, 가온 재킷(108)을 설치하는 대신에 내부에 가열 코일(Heating coil)을 설치하거나, 또는, 전기 가열기(Electric heater)를 설치하여 열을 공급할 수 있다. 그리고 철구조물 대신에 콘크리트구조물로도 할 수 있다.

고온호기성 발효조 교반기(107)는 피치드 패들형(Pitched paddle type)의 교반기를 사용하며, 교반속도는 4∼8rpm으로 한다.

3. 탈염공정

음식물쓰레기에는 염분(NaCl)농도가 높아서 탈염처리를 하지 않고서는 퇴비화를 할 수 없기 때문에 본 발명에서는 고온호기성 발효처리된 고온호기성 발효에 석회와 석탄회를 주입하여 수용성인 염분을 물에 불용성인 염으로 전환하여 침전제거 한 염분이 제거된 고온호기성 발효액을 중온호기성 발효조(118)로 보내어 중온발효하여 액비로 생산하거나, 또는, 염분이 제거된 고온호기성 발효액을 혼화기(120)에 공급하고, 함수율조정제, 수분흡수제, 토양개량제를 주입하고 혼화(混和)한 것을 발효·숙성조(123)로 보내어 발효·숙성하여 퇴비화를 한다.

상기 1차 탈수처리공정에서 배출되는 탈수된 음식물쓰레기, 알코올발효공정에서 배출되는 발효폐액, 메테인발효공정에서 배출되는 발효액에는 수용성 염분이 존재하기 때문에 반드시 탈염처리를 해야 퇴비화를 할 수 있으며, 2차 탈수처리공정에서 배출되는 탈수된 탈수케이크 또는 이물질의 분리제거와 대형물질은 파쇄기에서 파쇄처리한 음식물쓰레기를 고상 상태의 반응기에서 석회와 석탄회를 공급하여 반응한 것을 1차 탈수처리공정에서 탈수처리된 탈수케이크에는 석회와 석탄회를 주입하고 반응하여 물에 불용성인 프리델씨염(3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O)의 형태의 염화물로 존재하지만 고온호기성 발효과정에 발생하는 이산화탄소(CO₂)에 의해서 다음 반응식 (16)와 반응식 (17)에서와 같이 다시 염소 이온(Cl^-)이 재 용출되므로 본 탈염공정에서 다시 한번 석회와 석탄회를 주입하고 물에 불용성인 염으로 전환한 다음, 침전 제거해야 한다.

CO₂ ＋ H₂O → 2H⁺ ＋ CO₃ ² ^- ……………………………………………(16)

3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O＋CO₃ ² ^-→3CaO·Al₂O₃·CaCO₃·10H₂O＋2Cl^-…(17)

상기 고온호기성 발효액이 염분반응조(111)에 공급되면 염분반응조 교반기(112)로 교반하면서, 석회와 석탄회를 주입하고, 30∼40분간 교반하면, 상기 반응식 (6), 반응식 (7)과 같은 반응이 일어나면서 수용성인 염분이 물에 불용성인 염으로 전환되면 염분반응물침전조(113)로 보낸다.

상기 물에 불용성인 염으로 전환된 염분반응물이 염분반응물침전조(113)에 공급되어 염분반응물침전조(113) 하부로 침전되면, 염분반응물침전조 레이크(114)를 0.01∼0.02rpm으로 회전하면서 하부 콘(Cone) 부분으로 모은 다음, 염분반응물침전조 침전슬러지이송펌프(115)에 의해서 3차 탈수공정으로 보내어 물에 불용성 염분을 함유한 탈수된 케이크는 폐기처분하고, 탈수 여액은 염분반응물침전조(113) 상부를 월류(Over flow)하는 월류수와 함께 염분이 제거된 고온호기성 발효액 저장조(116)로 보낸다.

염분이 제거된 고온호기성 발효액 저장조(116)에 공급되면, 염분이 제거된 고온호기성 발효액은 염분이 제거된 고온호기성 발효액 이송펌프(117)에 의해서 액비생산공정의 중온 호기성 발효조(118)로 보내거나, 또는, 고상 퇴비생산공정의 혼화기(120)로 보낸다.

상기 반응식 (6)과 반응식 (7)에 의해서 염분이 제거되는 반응은 염분과 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.

염분반응조(111), 염분반응물침전조(112), 염분이 제거된 고온호기성 발효액 저장조(116)는 철구조물 또는 콘크리트구조물로 한다.

염분반응기교반기(112)는 프로펠러 형(Propeller Type)으로 하며, 교반속도는 180∼360rpm으로 하고, 교반 반응시간은 30∼40분이 되도록 염분반응조(111)의 용량을 설정한다.

염분반응물침전조 레이크(114)는 하·폐수처리장의 농축조의 레이크와 같은 구조로 하며, 회전속도는 0.01∼0.02rpm으로 한다.

염분반응물침전조(113)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.

염분이 제거된 고온호기성 발효액 저장조(116)의 용량은 체류시간이 30분 이상이 되게 하며, 30분 이상 상한은 제한이 없다.

그리고 상기 고온호기성 발효에 석회와 석탄회를 주입하여 수용성인 염분을 물에 불용성인 염으로 전환하여 침전제거하는 탈염방법 대신에 공지된 상기 특허문헌 4 '음식물쓰레기 탈수 여액의 탈염장치'의 전기영동에 의해서 염분을 제거하는 탈염공정에 의해서도 탈염처리를 하여도 된다.

염분을 함유한 상기 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 고온호기성 발효액에 함유된 염분이 탈염실로 추출제거하게 된 고온호기성 발효액은 액비생산공정 또는 고상 퇴비생산공정으로 보낸다.

3. 액비생산공정

상기 염분이 제거된 고온호기성 발효액이 중온 호기성 발효조(118)에 공급되면 상온에서 용존산소 농도를 1∼4㎎/ℓ범위가 유지되게 송풍기(127)로부터 공기를 주입하면서 10∼20일간 폭기하면서 중온 호기성 발효를 하여 액비(液肥)를 만든다. 중온호기성 발효액인 액비는 액비이송펌프(119)로 탱크로리(Tank lorry)에 보내어 액비제품으로 출하한다.

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

중온호기성 발효조(118)에서도, 시운전이나, 운휴(運休) 후 새로 가동하는 경우는, 바실러스 서브틸리스(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), 락토바실러스속(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 미생물 균제를, 중온호기성 발효조(118)에 유입되는 염분이 제거된 고온호기성 발효액 100중량부에 0.04∼0.1중량부를 종균용으로 호기성 미생물 균제를 공급하거나, 또는, 유기성 폐기물을 퇴비화하는 숙성공정에서 20∼40℃로 중온발효과정에서 발효 중에 있는 퇴비를 종균용으로 중온호기성 발효조(118)에 유입되는 염분이 제거된 고온호기성 발효액 100중량부에 0.04∼0.1중량부를 종균용으로 호기성 미생물 균제를 중온호기성 발효조(118)에 공급할 필요가 있다. 그리고 정상 가동이 되면 호기성 미생물 균제를 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 항생물질과 같은 유용한 물질을 생성하며, 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.

4. 고상 퇴비생산공정

상기 염분이 제거된 고온호기성 발효액과 2차 탈수공정의 탈수케이크를 혼화기(120)에 주입하고, 함수율조정제를 첨가하고 혼화기 믹서(121)로 믹싱하면서 혼화한 것을 혼화물 이송 컨베이어(122)에 의해 발효·숙성조(123)로 보낸다. 그리고 함수율조정제의 소모량을 줄이기 위해서 함수율조정제에 수분흡수제를 혼합한 것을 사용할 수도 있으며, 퇴비의 기능성을 보완하기 위해서는 토양개량제를 추가로 첨가할 수도 있다.

퇴비화단계에서도 중온호기성 발효조(118)에서와 같이, 시운전이나, 운휴(運休) 후 새로 가동하는 경우는, 상기 중온호기성 발효조(118)에서와 같이 상기 중온호기성 미생물 균제를, 혼화기(120)에 유입되는 염분이 제거된 고온호기성 발액과 2차 탈수공정의 탈수케이크를 합한 량 100중량부에 0.04∼0.1중량부를 종균용으로 공급하거나, 또는, 유기성 폐기물을 퇴비화하는 숙성공정에서 20∼40℃로 중온발효과정에서 발효 중에 있는 퇴비를 종균용으로 중온호기성 발효조(118)에 유입되는 염분이 제거된 고온호기성 발효액 100중량부에 0.04∼0.1중량부를 종균용으로 호기성 미생물 균제를 혼화기(120)에 공급할 필요가 있다. 그리고 정상 가동이 되면 호기성 미생물 균제를 지속적으로 공급할 필요는 없다.

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 염분이 제거된 고온호기성 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 발효에서 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.

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.

상기 함수율조정제 대신에 건류전섬유소분말을 사용할 수도 있다. 그리고 건류전섬유소분말 100중량부에 상기 수분흡수제 1∼10중량부를 혼합한 것을 사용할 수도 있다.

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(120)는, 도 4에서와 같이 수평형(Horizontal type)으로 할 수 있으나, 수직형(Vertical type)으로 할 수 있다. 그리고 혼화기 믹서(121)는 패들형(Paddle type), 스크루 리본형(Screw ribbon type)으로 하며, 회전속도 2∼4rpm으로 하고, 혼화 시간은 30∼40분으로 한다.

상기 혼화기(120)에서 혼화된 혼화물이 혼화물 이송 컨베이어(122)에 의해서 발효·숙성조(123)에 공급되면, 로터리믹서(121)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(124)로 뒤집기를 하는 대신에 삽차(125)로 뒤집기를 하여도 된다.

그리고 퇴비화에서 숙성은 주로 도 4에서와 같이 개방·직선형(開放·直線型)을 사용하지만, 퇴비화처리 용량이 작은 경우는 개방·직선형 발효·숙성조(123) 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 발효·숙성장치를 이용할 수도 있으며, 본 발명에서 발효·숙성조의 형태에는 특별히 제한하지는 않는다. 로터리믹서(124)로 뒤집기 회수는 1일 2∼4회 정도로 한다.

상기 실시 예1에서 음식물쓰레기를 이물질분리제거 및 파쇄처리한 것을 스크루 프레스 탈수기(Screw press filter)로 탈수하여 처리하는 음식물쓰레기처리장으로부터 탈수된 탈수케이크를 분석한 결과는 다음 표 8과 같았다.

음식물쓰레기 탈수케이크의 분석표

pH	가연분(wt%)	회분(wt%)	수분(wt%)	전기전도도(㎳/㎝)
4.7	20.3	5.1	74.6	22.4(NaCl: 1.3wt%에 해당)

상기 탈수된 탈수케이크 1,000㎏을 1.2㎥ 용량의 철구조물 원형 탱크에 주입하고, 패들형(Paddle type) 믹서로 회전속도 2rpm으로 믹싱하면서 퇴비제조공정의 60∼70℃로 고온발효되는 부분에서 퇴비 1㎏을 고온호기성 발효미생물 종균용으로 공급하고, 산소저장봄베로부터 산소를 탱크 하부로 공급하면서 탱크 내부에 설치된 전기가열기로 70∼75℃로 유지하면서 운전한 결과 8시간이 경과면서 고상의 음식물쓰레기는 액화처리되어 가동을 중단하고, 액화되지 않은 조개껍데기, 유리파편, 작은 돌, 모래, 비닐조각과 같은 액화되지 않는 고형물질 35㎏을 제거하였다.

상기 탱크에서 액화되지 않는 고형물질을 제거한 다음, 믹서를 피치드 패들형(Pitched paddle type)의 교반기로 교체하고, 교반속도는 4rpm으로 교반하면서 탱크 내의 액화된 액상음식물쓰레기를 탱크 하부에 설치된 펌프로 가압산소용해 탱크로 보내어 압력을 2∼3기압으로 유지하면서 산소저장봄베로부터 산소를 함께 공급하여 산소가 용해된 액상음식물쓰레기를 반송하면서 용존산소 농도가 2∼3㎎/ℓ범위가 유지되도록 반송하면서 온도를 70∼75℃로 유지하며 14시간 동안 고온호기성 발효를 하였을 때 전기전도도 값이 60㎳/㎝이 되어 운전을 중단하였다. 이때 고온호기성 발효액의 양은 368㎏으로 감소하였다. 다시 말해서 상기 고온호기성 발효에서 597㎏(=1,000-368-35)이 이산화탄소와 수분으로 증발하여 감량되었음을 알 수 있다.

상기 호기성 발효액 368㎏에 석회 16㎏과 상기 표 2의 석탄회 20㎏을 주입하고, 프로펠러형(Propeller type) 교반기로 회전속도를 360rpm으로 40분간 교반한 다음, 교반을 중단하고, 2시간 동안 방치 후 침전된 침전물은 진공탈수기로 탈수 후 탈수케이크는 폐기하고, 탈수 여액과 상등액인 탈염처리된 호기성 발효액 310㎏을 얻었다.

상기 탈염처리된 호기성 발효액의 전기전도도를 측정한 결과 1.8㎳/㎝로 염분농도가 0.1wt% 이하로 떨어졌음을 확인할 수 있었다.

상기 탈염처리된 호기성 발효액 310㎏에 함수율이 7.5wt%인 코코피트(Coconut peat) 100중량부에 폴리-감마-글루타민산(Poly-γ-glutamic acid) 10중량부를 혼합한 것 150㎏, 양이온치환용량(Cation exchange capacity, CEC)이 138meq/100g인 질석(Vermiculite) 15㎏, 목탄(木炭) 15㎏을 혼합하고, 혼화한 것을 20일간 삽차로 1일 2회 뒤집기를 하면서 퇴비를 만들었다.

상기 실시 예4에서 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 11에서 보는 바와 같이 염해를 전혀 야기하지 않으면서 정상적으로 딸기 결실되는 것을 확인할 수 있었다.

Ⅳ. 메테인발효단계

종래에 음식물쓰레기의 메테인발효는 유입되는 음식물쓰레기를 이물질의 제거, 파쇄처리와 같은 전처리한 음식물쓰레기 전체를 메테인발효처리함으로써 처리용량이 커 시설투자비가 많이 소요되면서, 함수율이 높으면서 상대적으로 유기물농도가 낮아 메테인 생성률이 떨어지는 문제점이 있어서, 본 발명에서 음식물쓰레기의 메테인발효방법은, 전 처리된 음식물쓰레기를 함수율이 75% 전후로 탈수처리하여 메테인발효처리하는 용량을 1/10∼1/20로 감량화하면서 유기물질의 농도를 20∼25% 범위로 농축된 것을 메테인발효를 하여 시설비가 감소하면서 메테인발효 수율이 향상된 음식물쓰레기의 메테인발효방법을 제시코자하며, 상세한 내용을 첨부된 도 5' 메테인발효공정도'를 중심으로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 혐기성 액화공정

상기 1차 탈수공정의 탈수케이크가 혐기성 액화조(200)에 공급되면, 혐기성 액화조 믹서(201)로 2∼4rpm으로 믹싱하면서 메테인발효조(209)의 메테인발효액을 종균용으로 메테인발효 슬러지 이송펌프(211)로 공급하고, 혐기성 액화조(200) 외부에 설치된 가온 재킷(202)에 보일러로부터 열원을 공급하여 50∼60℃로 유지하면서 고상의 음식물쓰레기를 액상음식물쓰레기로 처리한 다음, 액상음식물쓰레기는 액상음식물쓰레기 저장조(204)로 보내었다가 액상음식물쓰레기 이송펌프(205)로 산성발효조(207)로 보낸다.

그리고 혐기성 액화조(200)에서 모래, 흙, 유리파편과 같이 액화되지 않는 무기물질, 플라스틱 조각과 같이 액화되지 않는 물질은 혐기성 액화기슬러리 이송펌프(206)로 고액분리공정으로 보내어 고형물질은 폐기하고, 액상물질은 액상음식물쓰레기 저장조(204)로 보낸다.

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

상기 혐기성 액화조(200)는, 외부에 가온 재킷(202)이 설치되고, 가온 재킷(202) 외부에는 보온재(203)로 보온처리된 강철구조물로, 도 5에서와 같이 수직형으로 할 수 있으나, 수평형 구조로 하여도 상관없으며, 또는, 강철구조물로 하는 대신에 콘크리트구조물(Concrete structures)로 하여도 상관없다.

그리고 혐기성 액화조 믹서(201)는, 하부에 레이크(Rake)가 부착하고, 상부에 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) 한다.

2. 산성발효공정

상기 혐기성 액화공정에서 액화된 음식물쓰레기가 액상음식물쓰레기 이송펌프(205)에 의해 산성발효조(207)에 공급되면 산성발효기 교반기(208)로 교반을 하면서 50∼60℃ 범위에서 산성발효기(酸性醱酵期), 산성감퇴기(酸性減退期)까지 산성발효를 한 산성발효액은 알칼리성 발효기(醱酵期)인 메테인발효조(209)로 보낸다.

음식물쓰레기와 같은 고농도 유기성 폐기물의 혐기성 발효는 산성발효기(酸性醱酵期), 산성감퇴기(酸性減退期) 및 알칼리성 발효기의 3단계로 일어난다.

산성발효기(酸性醱酵期)에서는 유기성 폐액(廢液)에 함유된 탄수화물(炭水化物)이 분해되어 저분자(低分子)의 유기산(有機酸)이 되는 과정으로, 이 과정에서는 pH가 5 부근까지 떨어지면서 강한 부패취(腐敗臭)가 난다. 글루코오스(Glucose)를 예를 들면 다음 반응식 (18)과 같은 반응이 일어난다.

C₆H₁₂O₆ ―산생성균→3CH₃COOH………………………………………………(18)

산성감퇴기(酸性減退期)에서는 단백질이 분해되면서 암모니아(Ammonia), 아민(Amine), 카복실산(Carboxylic acid)이 생성되며, 또한, 상기 반응에서 생성된 유기산의 중화와 분해가 일어나면서, 이 결과 pH는 6∼6.5로 상승한다.

단백질→NH₄HCO₃………………………………………………………………(19)

CH₃COOH + NH₄HCO₃ → CH₃COONH₄ + H₂O + CO₂……………………………(20)

3. 메테인발효공정

상기 산성발효공정에서 산성발효액이 메테인발효조(209)에 공급되면, 메테인 균에 의해서 유기물이 CO₂, CH₄으로 분해되면서 분해된 메테인가스(CH₄)와 탄산가스(CO₂)는 메테인가스저장탱크(212)로 보내고, 메테인발효조(209) 하부에 침전된 슬러지(Sludge)는 메테인발효 슬러지 이송펌프(211)로 일부는 혐기성 액화조(200)에 종균용으로 반송하면서 메테인발효조(209) 상부에서 월류(越流)하는 메테인발효액과 함께 퇴비화공정의 호기성 발효조(104)로 보낸다.

메테인가스 저장탱크(212)에 저장된 메테인가스는 보일러 연료로 사용하고, 남는 것은 난방용 연료 등으로 이용한다.

알칼리성 발효기인 메테인발효는 저급유기산이 메테인 생성균(Methane forming bacteria)에 의해서 메테인, 이산화탄소, NH₄ ⁺이온까지 분해되는 혐기성 발효의 최종단계이다. 이 단계에서는 BOD는 감소하고, pH는 7.5 부근까지 상승한다.

CH₃COONH₄ + HO ―메테인균→ CH₄ + NH₄HCO₃………………………………(21)

CH₃COOH ―메테인균→ CH₄ + CO₂……………………………………………(22)

상기 메테인 균은 편성혐기성 세균(嫌氣性細菌)으로 30∼36℃ 온도 범위에 활발하게 활동하는 중온균(Methophilic bacteria)과 50∼60℃ 온도 범위에 활발하게 활동하는 고온균(Thermophilic bacteria)으로 구분되며, 메테인 발효균에 의한 혐기성 발효한 탈리액(脫離液)의 BOD는 상당히 감소하여도 잔류유기물의 농도가 높기 때문에 퇴비화공정의 호기성 발효조(104)로 보낸다. (호기성 생물학처리 공정으로 보낼 수도 있다.)

본 발명에서 혐기성 발효공정의 운전조건 및 설계조건을 검토하면 다음과 같다.

① 산성발효조(207)와 메테인발효조(209)의 형태

산성발효조(207)와 메테인발효조(209)는 모두 원형으로 하고, 내경(Inside diameter, D)은 25mФ이하로 한다. 측면 깊이(Side wall depth, H)는 내경의 1/2(H=D/2)로 하고, 바닥면의 구배(句配)는 20/100∼30/100 범위로 한다.

② 운전온도 및 산성발효조(207)와 메테인발효조(209)의 용량

혐기성 발효조의 액화조(200)에서 보일러로부터 에너지를 공급받아 50∼60℃ 범위에서 운전하면서 유기물부하(有機物負荷)가 5∼6㎏/㎥·일 범위로 산성발효조(207)와 메테인발효조(209)의 용량을 결정한다. 일반적으로 발효시간(Fermentation time, T)은 20∼30일로 하고, 조의 용량(Volume, V㎥)은 [{고농도폐수 투입량(㎥)+배출되는 혐기성 발효액량(㎥)}×발효시간(T)/2]로 한다. 그리고 산성발효조(207)와 메테인발효조(209)의 용적 비는 1:1∼2:1로 한다.

③ 산성발효조교반기(208)의 교반속도

산성발효조(207)의 산성발효조교반기(208)는 프로펠러형(Propeller type)으로 하며, 교반 용량(Q)과 교반속도(V)의 비(Q/V)가 0.5∼2의 범위가 되게 한다.

④ 메테인발효조 레이크(210)의 회전속도

메테인발효조(209)의 메테인발효조 레이크(210)의 회전속도는 0.01∼0.05rpm으로 회전하면서 하부에 침전된 슬러지(Sludge)가 중앙 콘(Cone) 부분으로 모이게 하여 침전된 슬러지가 용이하게 배출되도록 한다.

⑤ 메테인가스저장탱크(212)는 구형으로 하고, 구형의 메테인가스저장탱크 실 피트(213)의 수중에 설치하는 유수식(有水式)으로 하여 생산된 메테인가스를 저장하며, 저장용량은 10∼12시간으로 한다.

Ⅴ. 알코올발효단계

종래에는 탄수화물의 알코올발효는, 탄수화물을 누룩의 누룩곰팡이나 맥아(麥芽)를 이용하는 방법, 수산(蓚酸), 염산(鹽酸) 또는 황산(黃酸)으로 가수분해하는 방법, 아밀라아제(Amylase) 효소를 이용하는 방법과 같은 당화방법으로 당화한 다음, 사카로미세스속(Saccharomyces sp.) 효모나, 자이모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis) 혐기성 세균에 의해서 알코올발효를 하였으나, 상기 종래의 당화방법은 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

본 발명에서는 음식물쓰레기를 예의(銳意) 검토한 결과, 음식물쓰레기에는 배출되면서부터 아밀라아제(Amylase)를 분비하는 미생물이 서식하면서 탄수화물의 상당부분이 당화되어 있거나, 당화가 진행되고 있는 것을 알게 되었다. 그래서 본 발명에서는 당화가 진행되고 있는 음식물쓰레기에 필요에 따라서는 아밀라아제(Amylase)를 생성하는 미생물균제를 투입하여 알코올발효과정에서 발효효율이 좋은 pH, 온도와 같은 환경조건을 맞추어 에탄올(Ethanol)을 생산하는 방법을 제공한다.

1. 당화공정

상기 1차 탈수공정의 탈수케이크에 국수, 빵, 감자, 고구마, 밥과 같은 전분질 탄수화합물이 많이 함유되어 있는 음식물쓰레기는, 1차 탈수공정의 탈수케이크인 탈수된 음식물쓰레기가 당화조(300)에 공급되면, 당화조 믹서(301)로 교반속도를 2∼4rpm 범위로 교반하면서, 당화조(300) 외부에 설치된 가온 재킷(302)에 보일러로부터 열원을 공급하여 25∼40℃ 범위에서 pH가 4∼5로 떨어지면서 음식물쓰레기가 액화될 때까지 당화처리를 하여 당화된 당화액을 당화액저장조(304)로 보내었다가, 당화액이송펌프(305)에 의해서 알코올발효조(307)로 보낸다.

당화조(300)에서 온도는, 알코올발효조(307)에 알코올발효의 최적의 온도인 25∼30℃가 유지되는 온도로 조정한 당화액을 알코올발효조(307)로 보낸다.

여름철에 음식물쓰레기의 온도가 20℃ 이상으로 유입되는 경우는 보일러로부터 가온 재킷(302)에 열원을 공급할 필요가 없으며, 보일러로부터 열원공급을 하는 대신에 당화조(300) 내에 전기가열기(Electric heater)를 설치하고 전기에너지로 가온할 수도 있다.

시운전이나 운휴(運休) 후 재가동하는 경우는, 당화조(300)에 유입되는 탈수된 음식물쓰레기 100중량부에, 아밀라아제(Amylase) 효소를 생산하는 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)·바실러스 낫또(Bacillus natto)·바실러스 리케니포미스(Bacillus licheniformis)·바실러스 마세란스(Bacillus macerans)·바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)·바실러스 아밀로리쿠에파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens)·바실러스 셀레우스(Bacillus cereus)·바실러스 서큘란스(Bacillus circulans)·바실러스 아시도칼다리우스(Bacillus acidocaldarius)·바실러스 스테아로스모필러스(Bacillus stearothermophilus)와 같은 간균류, 지오바실러스 스테아로스모필러스(Geobacillus stearothermophilus)·지오바실러스 써모디니트리피칸스(Geobacillus thermodenitrificans)와 같은 지오바실러스속(Geobacillus sp.), 락토바실러스 아밀로보러스(Lactobacillus amylovorus)·락토바실러스 셀로비오서스(Lactobacillus cellobiosus)·락토바실러스 마니호티보란스(Lactobacillus manihotivorans)와 같은 젖산균, 슈도모나스 스투체리(Pseudomonas stutzeri), 클레프시엘라 에어로게네스(Klebsiella aerogenes)와 같은 세균, 스트렙토미케스 그리세우스(Streptomyces griseus)와 같은 방선균류, 아스페르길루스 오리제(Aspergillus oryzae)·아스페르길루스 니게르·(Aspergillus niger)·아스페르길루스 아와모리(Aspergillus awamori)、아스페르길루스 플라부스(Aspergillus flavus)·아스페르길루스 카와치(Aspergillus kawachii)·아스페르길루스 스클레로티오룸(Aspergillus sclerotiorum)와 같은 사상균류 중에서 한 종류이상을 배양한 균제 0.04∼0.1중량부를 당화조(300)에 종균용으로 공급하는 것이 좋다.

겨울철에 유입되는 음식물쓰레기의 온도가 낮아 미생물 활동이 원활하지않아 당화가 잘 되어 있지 않은 경우는, 당화조(300)에 유입되는 음식물쓰레기 100중량부당 시중에서 판매하는 아밀라아제 효소제를 0.01∼0.06중량부를 공급하여도 좋다. (유입되는 음식물쓰레기의 온도가 20℃ 이상 되는 경우는, 아밀라아제 효소제를 공급할 필요가 없다.)

당화조(300)에서 모래, 흙, 유리파편과 같이 액화되지 않는 무기물질, 플라스틱 조각과 같이 액화되지 않는 물질은 혐기성 당화슬러리 이송펌프(306)로 고액분리공정으로 보내어 고형물질은 폐기하고, 액상물질은 당화액 저장조(304)로 보낸다.

상기 당화조(300)는, 외부에 가온 재킷(302)이 설치되고, 가온 재킷(302) 외부에는 보온재(303)로 보온처리된 강철구조물로, 도 6에서와 같이 수직형으로 할 수 있으나, 수평형 구조로 하여도 상관없으며, 또는, 강철구조물로 하는 대신에 콘크리트구조물로 하여도 상관없다.

그리고 당화조 믹서(301)는, 하부에 레이크(Rake)가 부착하고, 상부에 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 한다.

2. 알코올발효공정

상기 당화공정에서 당화된 당화액이 알코올발효조(307)에 공급되면, 알코올발효조교반기(308)로 교반하면서 알코올발효 효모인 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)를 주입하고 무산소 상태에서 알코올발효를 하면 에탄올(Ethanol)이 함유된 알코올발효액이 생산되면 알코올발효액 이송펌프(309)로 증류탑(310)으로 보낸다.

알코올발효공정에서 온도는 25∼30℃ 범위로, pH는 4.5∼5.5 범위에서 운전하는 것이 알코올 생성효율이 우수하기 때문에 상기 당화공정에서 당화액은 이를 감안하여 공급하는 것이 좋다.

알코올발효는, 산소가 없는 무산소 상태에서 미생물(Saccharomyces속, Zymomonas mobilis)에 의하여 당류가 반응식 (23)에서와 같이 알코올과 이산화탄소로 분해되면서 알코올이 생성된다.

C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH₂OH ＋ 2CO₂ + 반응열 ……………………………(23)

알코올발효조(307)는 외부에 보온재(303)로 보온처리된 철구조물 탱크로 하며, 알코올발효조 교반기(308)는 피치드 패들형(Pitched paddle type) 교반기를 사용하고, 교반속도는 2∼4rpm으로 한다.

3. 증류공정

상기 알코올발효공정에서 알코올발효액이 상단과 하단에 충전물 또는 트레이(311)가 설치된 증류탑(310)의 중간 단으로 공급하고, 증류탑(310) 하부의 알코올발효 폐액은 알코올발효 폐액 이송펌프(312)로 리보일러(313)로 보내어 증류탑(310) 하부의 온도가 90℃가 유지되도록 스팀을 사용하여 열을 공급하면 알코올발효액에 함유된 에탄올성분은 증발되어 충전물 또는 트레이(311) 층을 통과하여 증류탑(310) 상부로 62∼63℃의 에탄올 증기와 일부 수증기가 빠져나간다.

증류탑(310) 상부로 빠져나온 에탄올성분의 증기가 응축기(314)로 보내어져 냉각수를 공급하여 20∼40℃로 냉각하면 에탄올과 일부의 수분은 액화되어 증류액 어큐물레이터(315)로 보내어 진다.

증류액 어큐물레이터(315)에 보내어진 에탄올을 함유한 증류액은 증류액 이송펌프(316)로 일부는 증류탑(310) 상단으로 환류(Reflux)시키면서, 나머지 에탄올을 함유한 증류액은 수분제거공정으로 보낸다.

증류탑(310) 하부에서 배출되는 알코올발효 폐액은 메테인발효공정의 산성발효조(207)로 보내거나, 또는, 퇴비화공정의 호기성 발효조(104)로 보낸다.

상기 알코올발효액의 용량이 작은 경우는, 상기와 같은 연속증류방식 대신에 공지된 단증류(Simple distillation) 방식으로 하여도 상관이 없다.

상기 증류탑(310)에 충전하는 충전물(311)은, 라시히링(Raschig ring), 폴링(Pall Ring), 라프락스링(Raflux ring), 레싱링(Lessing Ring), 십자분할링(Cross partition ring), 새들형(Saddle type) 또는 볼형(Ball type) 중에서 한 종류의 충전물(311)을 사용한다.

4. 수분제거공정

상압(常壓)에서 에탄올(CH₃CH₂OH)의 비점(Boiling point)은 78.37℃이며, 물의 비점은 100℃이지만, 에탄올 95.63%-물 4.37%의 조성에서 공비혼합물로 존재하며, 이 물-에탄올 공비혼합물의 비점은 78.15℃로, 상압(常壓)에서 물-에탄올은 상기 증류방법만으로는 에탄올 농도를 96% 이상으로 분리하는 것은 불가능하다.

그래서 증류액 어큐물레이터(315)의 증류액은 벤젠(Benzene), 사이클로헥세인(Cyclohexane), 디에틸 에테르(Diethyl ether)와 같은 공비제(共沸劑)를 도입(導入)한 공비증류법(共沸蒸溜法), 용매추출증류법(溶媒抽出蒸溜法), 막분리법(膜分離法), 에틸렌의 수화반응(水和反應)에 의한 합성법(合成法), 기상흡착법(氣相吸着法) 중에서 한 방법으로 수분을 제거하여 99% 이상 고순도의 에탄올을 생산한다.

Ⅵ. 사료화단계

종래에 음식물쓰레기의 사료화는, 이물질제거와 파쇄처리와 같은 전 처리된 음식물쓰레기를 액상상태에서 발효를 한 다음, 액상사료로 돼지, 닭, 오리와 같은 가축에 급여하였으나, 함수율이 높아 가축이 사료섭취량이 적어서 성장속도가 느리면서 폐수발생량이 많은 문제점이 있어 축산농가에 널리 보급되지 못하였으며, 이와 같은 문제점을 보완하기 위해서 건조사료제조방법이 시도되었으나, 음식물쓰레기는 함수율이 높아 건조비용 높기 때문에 현실화하지 못하였다.

본 발명에서는 종래의 문제점을 보완하기 위해서, 우선 함수율을 줄이기 위해서는 이물질제거 및 분쇄처리와 같은 전 처리가 된 음식물쓰레기를 탈수처리하여 탈수된 케이크를 유용발효미생물을 이용하여 고온발효를 하여 액상화하면서 유해병원성 미생물을 사멸처리한 것에 단미사료를 혼합하여 돼지, 닭, 오리와 같은 가축이나, 어류의 사료를 만드는 방법을 첨부된 도 7을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 발효공정

상기 이물질의 분리제거와 파쇄한 음식물쓰레기가 1차 탈수공정에서 탈수처리된 탈수케이크가 사료화공정 고온발효기(400)에 공급되면 유용미생물 균제를 주입하고, 고온발효기 믹서(401)로 믹싱하면서 고온발효기(400) 외부에 설치된 가온 재킷(402)에 보일러로부터 열원을 공급하여 온도를 35∼45℃ 범위로 유지하면서 발효를 하면 가축에 유해한 병원성 미생물, 부패 및 변패 미생물이 사멸되면서 액화처리된다.

상기 고온발효기(400)에서 액화처리된 발효액은 발효액 저장조(404)로 보내고, 고온발효기(400) 하부에 모래, 유리파편, 조개껍데기와 같이 액화되지 않고 슬러리 상태로 존재하는 고형물질은 발효액 슬러리 이송펌프(406)로 고액분리공정으로 보내어 분리된 액상물질은 발효액 저장조(404)로 보내고, 고형물질은 폐기처분한다.

상기 고온발효기(300)는, 외부에 가온 재킷(402)이 설치되고, 가온 재킷(402) 외부에는 보온재(403)로 보온처리된 강철구조물로, 도 7에서와 같이 수직형으로 할 수 있으나, 수평형 구조로 하여도 상관없으며, 또는, 강철구조물로 하는 대신에 콘크리트구조물로 하여도 상관없다.

그리고 고온발효기 믹서(401)는, 하부에 레이크(Rake)가 부착하고, 상부에 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 한다.

유용미생물 균제는, 시운전시나 운휴(運休) 후 재가동하는 경우에, 유입되는 음식물쓰레기 100중량부에 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)·바실러스 마이코이데스(Bacillus mycoides)·바실러스 낫또(Bacillus natto)·바실러스 미코이데스(Bacillus mycoides)·바실러스 스테아로써모필러스(Bacillus Stearothermophilus)와 같은 간균(桿菌), 락토바실러스 아시도필루스(Lactobacillus acidophilus)·락토바실러스 비피더스(Lactobacillus bifidus)·락토바실러스 불가리쿠스(Lactobacillus bulgaricus)·락토바실러스 델브릭키이(Lactobacillus　delbrueckii)·락토바실러스 락티스(Lactococcus lactis)·락토바실러스 아밀로보러스(Lactobacillus amylovorus)·락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei)·락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum)와 같은 락토바실러스속(Lactobacillus sp.), 클로스트리듐 뷰티리쿰(Clostridium butyricum), 페디오코커스속(Pediococcus sp.), 엔테로코커스속(Enterococcus sp.), 류코노스톡속(Leuconostoc sp.), 페디오코커스속(Pediococcus sp.) 또는 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)와 같은 효모균 중에서 한 종류 이상의 복합배양한 미생물 균제를 0.05∼0.1중량부를 공급한다. 그리고 정상운전이 되면 유용미생물 균제를 계속 주입할 필요는 없다.

2. 혼화공정

상기 발효액 저장조(404)의 발효액을 발효액 이송펌프(405)로 혼화기(407)에 공급되면 혼화기 믹서(408)로 믹싱하면서 가축종류에 따라 영양밸런스가 적절하게 무 염분 단미사료를 공급하여 혼화한 사료혼화물은 사료혼화물 이송 컨베이어(409)에 의해서 사료화공정으로 보낸다.

상기 혼화기(407)는, 도 7에서와 같이 수평형(Horizontal type)으로 할 수 있으나, 수직형(Vertical type)으로 할 수도 있다. 그리고 혼화기 믹서(407)는 패들형(Paddle type), 스크루 리본형(Screw ribbon type)으로 하며, 회전속도 2∼4rpm으로 하고, 혼화 시간은 30∼40분으로 한다.

상기 단미사료는 가축의 종류에 따라서 영양 밸런스가 적절하게 혼합한 것을 사용하며, 혼합량은 볼형(Ball type) 또는 펠릿형(Pellet type)으로 성형된 사료를 만드는 경우는 함수율이 40∼43% 범위가 되게 공급하여 혼화한다.

3. 사료화공정

상기 혼화공정에서 사료혼화물이 공급되면, 건조기로 보내어 함수율이 12%이하로 건조하여 건조사료를 만들거나, 또는, 성형공정으로 보내어 바인더(Binder)를 공급하여 볼형(Ball type) 또는 펠릿형(Pellet type)으로 성형한 것을 건조기로 보내어 함수율이 12% 이하로 건조하여 볼형 또는 펠릿형의 사료를 만든다.

상기 건조기는, 열상 건조기(Hearth dryer), 원통형 건조기(Drum dryer), 탑형 건조기(tower drier), 밴드 건조기(Band dryer) 또는 상자형 건조기(Cabinet type dryer) 중에서 한 종류의 건조기를 사용할 수 있으며, 본 발명에서 건조기 종류에는 특별히 제한하지 않는다.

성형된 사료를 만드는 경우 바인더(Binder)는, 사료혼화물 100중량부에 옥수수·밀·감자와 같은 전분을 호화한 호화전분(Pre-gelatinized starch), 메틸셀룰로오스(Methyl cellulose, MC), 카르복실메틸셀룰로오스(Carboxylmethylcellulose, CMC), 알긴산염(Alginate), 구아검(Guar gum)·트라가칸트 검(Tragacanth gum)과 같은 천연검, 카보폴(Carbopol), 한천(寒天), 펙틴(Pectin), 키토산(Chitosan), 폴리아크릴산나트륨(Sodium polyacrylate), 폴리메틸카바마이드(Poly methyl carbamide), 젤라틴(Gelatin), 리그닌 설포네이트(Lignin sulfonate), 아가 프래그매틱스(Agar pragmatics) 또는 카라기난(Carrageenan) 중에서 한 종류 이상을 1∼3중량부를 첨가한다.

Ⅶ. 탈취단계

음식물쓰레기는 혐기성미생물(嫌氣性微生物), 통성혐기성(通性嫌氣性) 등에 의해서 부패(腐敗) 및 변패(變敗) 되면서 암모니아(NH₃)·트리메틸아민(Trimethylamine)·디메틸아민(Dimethylamine)·인돌(Indole)·스카톨(Skatol)과 같은 휘발성 질소화합물, 아세트산(Acetic acid)·프로피온산(Propionic acid)·낙산(Butyric acid)·길초산(Valeric acid)과 같은 휘발성 유기산, 황화수소(H₂S)·메르캅탄류(Mercaptans)·디메틸설파이드(Dimethyl sulfide)·메틸디설파이드(Methyl disulfide)와 같은 휘발성 황화합물, 알데히드류(Acetaldehyde)와 같은 휘발성 악취물질이 발생하기 때문이다.

그러나 산속 숲 속의 토양에서는, 낙엽, 동물의 배설물 및 사체와 같은 유기물이 퇴적되어도 악취발생이 거의 나지 않으면서, 여기서 배출되는 산속 계곡수(溪谷水)는 깨끗한 물이 배출되고 있다.

본 발명의 발명자는 상기 산속 숲 속의 토양에서 낙엽, 동물의 배설물 및 사체와 같은 유기물이 퇴적되어도 악취발생이 되지 않은 점을 여의 검토한 결과, 폴리페놀화합물(Polyphenolic compounds)을 대사산물(Metabolites)로 배설하는 바실러스 미코이데스(Bacillus mycoides), 바실러스 루테우스(Bacillus luteus), 방선균(放線菌)과 같은 미생물이 우점종(優占種)으로 생육하면서, 이들 미생물은 대사 산물로 폴리페놀화합물을 배설한다.

유기물 + 공기(O₂) ―폴리페놀생성미생물→ 폴리페놀화합물(미생물 대사산물) + CO₂ + H₂O …………………………………………………………………(24)

상기 폴리페놀화합물은 공기 중에서 폴리페놀옥시다아제(Polyphenol oxidase)와 같은 산화효소의 촉매반응에 의해서 퀴논화합물(Quinone Compounds)로 산화된다.

폴리페놀화합물 + 공기(O₂) ―산화효소(Oxidase)→ 퀴논화합물 + H₂O₂…(25)

이 퀴논화합물이 상기 휘발성 악취물질과 중축합반응(Polycondensation)을 하여 비휘발성인 고분자물질인 부식전구물질(腐植前驅物質)로 되었다가 나아가서는 안정된 부식토와 같은 부식물질(腐植物質)로 되기 때문이다.

퀴논화합물 + 휘발성 악취물질(NH₃, H₂S, 메르캅탄류, 휘발성 아민류, 인돌류, 스카톨) ―중·축합반응→ 부식전구물질(비휘발성 물질)→…→ 부식물질 …………………………………………………………………(26)

상기 폴리페놀화합물을 대사 산물로 배설하는 미생물은, 세포 중에 미네랄성분이 많은 특성이 있으며, 토양의 표층, 묘비석, 바위의 표면 등에서 충분한 미네랄성분을 섭취하면서 서식하며, 자외선, 열 등에 강하며 일반 병원성 미생물, 부패성 및 변패성 미생물과는 상호길항관계에 있다. 다시 말해서 폴리페놀화합물을 대사산물로 배설하는 미생물은 충분한 미네랄성분을 공급하였을 때 활발한 대사활동을 하면서 상호길항관계에 있는 미생물에 대한 항생물질을 배설하여 병원성 미생물, 부패성 및 변패성 미생물의 생육을 억제하게 한다.

그래서 본 발명에서는 폴리페놀화합물을 배설하는 미생물 배양조(504)에 미네랄성분을 용이하게 용출하는 충전물(507)이 내장된 생물반응기(506)를 설치하고, 이들 미생물의 먹이와 종균으로 호기성 생물학처리공정의 폐수와 잉여오니를 공급받아 폴리페놀화합물을 배설하는 미생물 배양액으로 상기 각 공정에서 발생하는 악취물질을 포집하여 탈취하는 방법을 첨부된 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 생물학적 탈취공정

본 발명의 생물학적 탈취공정은, 수중에서 미네랄성분의 용출이 용이한 유문암(Rhyolite) 또는 대사이트(Dacite) 질의 부석(浮石, Pumice)과 유문암 또는 대사이트 질의 화산회토(火山灰土)와 해양성 식물이 함께 퇴적되어 형성된 이탄질(泥炭質) 부식토를 펠릿(Pellet) 형태로 가공한 충전물(507)이 내장된 생물반응기(506)를 폴리페놀화합물을 배설하는 미생물 배양조(504)에 설치를 한다.

배양조(504) 상부에는, 라시히링(Raschig ring), 폴링(Pall Ring), 라프락스링(Raflux ring), 레싱링(Lessing Ring), 십자분할링(Cross partition ring), 새들형(Saddle type) 또는 볼형(Ball type) 중에서 한 종류의 충전물(502)을 2단으로 충전한 탈취탑(501)을 설치한다.

배양조(504)에 호기성 생물학처리공정 집수조(12)의 폐수를 주입하고, 폐수처리단계의 호기성 생물학처리공정에서 배출되는 잉여오니를 MLSS(Mixed liquor suspended solid)의 농도가 3,000∼4,000㎎/ℓ 범위로 주입하고, 송풍기(508)로부터 생물반응기(506) 하부와 미생물 배양조(504) 하부로 공기를 공급하여 용존산소(Dissolved Oxygen) 농도가 2∼4㎎/ℓ 범위로 유지되게 폭기를 하면, 생물반응기(506)에 충전된 부석(浮石) 광물과 부식토 펠릿(Pellet)으로부터 미네랄성분을 공급받아 폴리페놀화합물을 대사 산물로 배설하는 바실러스 미코이데스(Bacillus mycoides), 바실러스 루테우스(Bacillus luteus), 방선균(放線菌) 및 아시네토박터 속(Acinetobacter sp.)과 같은 미생물이 우점종으로 생육하는 미생물배양액이 된다.

상기 배양조(504)의 미생물배양액을 탈취탑 순환펌프(505)로 탈취탑(501)에 내장된 하단과 상단의 충전물(502) 위로 각각 공급하여 순환하면서, 상기 각 공정에서 악취가 발생하는 부분에서 악취물질흡입 펜(500)으로부터 악취물질을 포집하여 탈취탑(501) 하부로 공급하면, 휘발성 악취물질과 미생물배양액이 충전물(502)이 충전된 충전 층에서 대향류(Counter flow)로 서로 접촉하면서 휘발성 악취물질은 미생물배양액에 함유된 퀴논화합물과 반응식 (26)에서와 같은 반응에 의해 비휘발성의 거대분자물질인 부식전구물질(腐植前驅物質)을 걸쳐 부식물질(腐植物質)로 전환되면서 악취물질이 제거되고, 악취물질이 제거된 가스는 대미스터(503)에서 작은 물방울(水滴)이 제거된 후 탈취탑(501) 상부를 통해서 대기로 배출된다.

폴리페놀화합물을 대사 산물로 배설하는 미생물을 배양하는 배양조(504)의 용량은 투입조에 유입되는 음식쓰레기 100톤/일 당 20∼30㎥의 용량으로 하고, 배양조(504)에 내장된 생물반응기(506) 충전되는 유문암 또는 대사이트 질의 부석(Pumice)은 40∼60㎏을 충전하고, 부식토 펠릿(Pellet)은 20∼30㎏을 충전한다.

탈취탑(501)은, 악취물질흡입팬(500)에서 악취탑(501) 하부로 공급되는 악취물질을 함유한 기체의 질량속도(G)와 탈취탑순환펌프(505)에서 공급하는 미생물배양액과 호기성 생물학처리공정의 잉여오니와 폐수를 합한 용액의 질량속도(L)의 질량속도 비(L/G)가 0.2∼0.6의 범위가 되게 하고, 탈취탑(501)의 면적은, 충전물(502)의 종류에 따른 익류점(Flooding point)과 로딩점(Loading point)을 고려하여 결정하는 것이 원칙이지만, 일반적으로 가스의 유속이 0.15∼0.3m/초의 범위로 하고, 충전물(502)의 충전용량은 상단과 하단을 각각 기·액 접촉시간을 2∼3초 범위로하면 무난하다.

호기성 생물학처리공정에서 공급되는 잉여오니와 폐수의 유량은 미생물 배양조(504)에 MLSS의 농도가 3,000∼4,000㎎/ℓ 범위가 유지되게 공급하고, 배양조(504)에서 누적되는 배양액은 수위지시제어기(LIC)로 음식물쓰레기 투입조로 보낸다.

그리고 고도로 탈취처리를 하고자 하는 경우는 상기 탈취탑(501) 상부로 배출되는 가스를 활성탄·규조토·제올라이트와 같은 흡착제로 흡착하는 흡착법, 과산화수소·오존·염소산·이산화염소와 같은 산화제에 의한 산화법, 염소 산화법 또는 연소법 중에서 한 가지 이상의 탈취방법을 부가하여 처리할 수도 있다.

염분농도, 유기물질의 농도와 함수율이 높아 아직까지 합리적인 처리방법이 없어 해양투기를 함으로써 해역의 오염을 야기시켰으나, 본 발명의 방법에 의한 음식물쓰레기를 처리하는 방법은, 석회를 이용하여 수용성 유기물과 액체상태의 유기물을 고상의 물에 불용성의 유기물로 전환 후 탈수처리한 탈수 여액인 폐수는 오염부하가 낮아 시설비와 운전비가 저렴하면서도 고도처리가 가능하며, 탈수케이크에서는 염분이 물에 불용성인 프리델씨염의 형태로 처리하여 염분을 제거한 양질의 퇴비를 만들 수 있으며, 또한, 탈수케이크는 탈수 농축됨으로써 유기물농도가 높고, 함수율은 적으면서 양이 적기 때문에 메테인발효 또는 알코올발효에서는 시설의 규모가 작아 시설비가 저렴한 특성이 있기 때문에 음식물쓰레기 처리에 널리 이용 것으로 전망된다.

1: 반응조 2: 반응조 교반기
3: 혼화조 4: 혼화조 교반기
5: 응집조 6: 응집조 교반기
7: 1차 침전조 8: 1차 침전조 레이크(Rake)
9: 침전슬러지 이송펌프 10: 중화조
11: 중화조 교반기 12: 집수조
13: 정전압발생장치 13a: 변압기
13b: 전압조정기 13c: 1차 코일(Coil)
13d: 철심 13e: 2차 코일
13f: 출력선 13g: 절연처리 단말
20h: 접지(Earth) 14: 철망전극
15: 스테인리스강판(導體) 16: 폭기조공급펌프
17: 자화기 18a 1차 폭기조
18b: 2차 폭기조 19a: 2차 침전조
19b: 3차 침전조 20a: 2차 침전조 레이크
20b: 3차 침전조 레이크 21a: 1차 반송펌프
21b: 2차 반송펌프 22a: 1차 미생물활성화조
22b: 2차 미생물활성화조 23a: 1차 생물반응기
23b: 2차 생물반응기 24: 충전물
25: 최종처리수조 26: 송풍기(Blower)
100: 호기성 액화기 101: 호기성 액화기 믹서(Mixer)
102: 보온제 103: 산소용해장치
104: 액상음식쓰레기 저장조 105: 액상음식쓰레기 이송펌프
106: 고온호기성 발효조 107: 고온호기성 발효조 교반기
108: 가온 재킷(Heating jacket) 109: 고온호기성 발효액 이송펌프
110: 가압산소용해탱크 111: 염분반응조
112: 염분 반응조 교반기 113: 염분반응물침전조
114: 염분반응물침전조 레이크(Rake)
115: 염분반응물침전조 침전 슬러지 이송펌프
116: 염분이 제거된 고온호기성 발효액 저장조
117: 염분이 제거된 고온호기성 발효액 이송펌프
118: 중온호기성 발효조 119: 액비이송펌프
120: 혼화기 121: 혼화기 믹서
122: 혼화물 이송 컨베이어 123: 발효·숙성조
124: 로터리믹서(Rotary mixer) 125: 삽차
126: 압축기(Compressor) 127: 송풍기
200: 혐기성 액화조 201: 혐기성 액화조 믹서
202: 가온 재킷 203: 보온재
204: 액상음식물쓰레기 저장조 205: 액상음식물쓰레기 이송펌프
206: 혐기성 액화기슬러리 이송펌프 207: 산성발효조
208: 산성발효조 교반기 209: 메테인발효조
210: 메테인발효조 레이크 211: 메테인발효 슬러지 이송펌프
212: 메테인가스저장탱크 213: 메테인가스저장탱크 실 피트(Seal pit)
300: 당화조 301: 당화조 교반기
302: 가온 재킷 303: 보온재
304: 당화액 저장조 305: 당화액 이송펌프
306: 당화슬러리 이송펌프 307: 알코올발효조
308: 알코올발효조 교반기 309: 알코올발효액 이송펌프
310: 증류탑 311: 충전물(Packing)
312: 알코올발효폐액 이송펌프 313: 리보일러(Reboiler)
314: 응축기(Condenser) 315: 증류액 어큐물레이터(Accumulator)
316: 증류액 이송펌프
400: 고온발효기 401: 고온발효기 믹서
402: 가온 재킷 403: 보온재
404: 발효액 저장조 405: 발효액 이송펌프
406: 발효액슬러리 이송펌프 407: 혼화기
408: 혼화기 믹서 409: 사료혼화물 이송컨베이어
500: 악취물질흡입 팬(Fan) 501: 탈취탑
502: 충전물 503: 데미스터(Demister)
504: 미생물 배양조 505: 탈취탑 순환펌프
506: 생물반응기 507: 충전물
508: 송풍기 C₁, C₂: 콘덴서
ⓢ: 솔레노이드밸브(Solenoid valve) M: 모터(Motor)
LT: 수위송신기(Level transmitter) LS: 수위 제어스위치(Level switch)
LIC: 수위지시제어기(Level indicating controller)
FI: 유량지시계(Flow indicator) pHI: 수소이온농도지시계(pH indicator)
pHT: 수소이온농도송신기(pH transmitter)
pHIS: 수소이온농도지시제어스위치(pH indicating control switch)
DOI: 용존산소지시계(Dissolved oxygen indicator)
TI: 온도지시계(Temperature indicator)
TT: 온도송신기(Temperature transmitter)
TIC: 온도지시제어기(Temperature indicating controller)

Claims

음식물쓰레기처리에 있어서,
상기 음식물쓰레기를 이물질의 분리제거와 파쇄한 음식물쓰레기를, 1차 탈수공정으로 보내어 탈수처리된 탈수케이크가 사료화공정 고온발효기에 공급되면, 유용미생물 균제를 주입하고, 고온발효기 믹서로 믹싱하면서 온도를 35∼45℃ 범위로 유지하면서 발효하여 고상의 음식물쓰레기를 액상의 음식물쓰레기로 액화처리하는 액화공정과,
상기 액상의 음식물쓰레기를 혼화기에 공급하고, 혼화기 믹서로 믹싱하면서 가축종류에 따라 영양밸런스가 적절하게 단미사료를 공급하여 사료혼화물로 혼화하는 혼화공정과,
상기 사료혼화물을 바인더를 공급하여 볼형(Ball type) 또는 펠릿형(Pellet type)으로 성형한 것 또는 사료혼화물을 건조기로 보내어 건조하여 사료를 만드는 사료화공정으로 구성된 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 처리하는 방법.