KR200303436Y1

KR200303436Y1 - 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용산발효액의 제조장치

Info

Publication number: KR200303436Y1
Application number: KR20-2002-0033335U
Authority: KR
Inventors: 박종웅
Original assignee: 박종웅
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2003-02-07
Anticipated expiration: 2012-11-07

Abstract

본 고안은 음식물쓰레기와 하수슬러지를 산발효시켜 생물학적 탈질용 산발효액을 제조하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전처리하여 분리된 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지에 알칼리제 등을 첨가하여 가수분해시킨 후, 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조를 이용하여 산발효시킨 다음, 분해된 산발효액에 초음파를 방사시켜 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시키는 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발효액의 제조장치에 관한 것이다.

본 고안은 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용하여 생물학적 탈질용 탄소원으로 이용하기 위한 산발효액 제조장치에 있어서, 협잡물과 이물질이 제거된 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지에 알칼리제를 투여하여 가수분해시킬 수 있도록 음식물쓰레기 슬리리와 하수슬러지가 조내로 유입되는 유입관과, 알칼리제 등 첨가물을 주입하기 위한 첨가물 주입관과, 유입된 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지가 알칼리제와 혼합되도록 교반하는 교반장치와, 가수분해된 슬러리를 배출시킬 수 있도록 연통되게 설치된 슬러리 이송관으로 이루어진 가수분해조와; 상기 가수분해조에서 유입된 슬러리를 미생물을 이용하여 산발효시킬 수 있도록 가수분해된 슬러리를 하부의 고밀도 슬러지층으로 유입시킬 수 있도록 연통되게 설치된 슬러리 이송관과, 고밀도 슬러지층을 교반시킬 수 있도록 설치된 교반장치와, 상기 고밀도 슬러지층의 상부에 형성되고 서로 다른 크기와 형태의 매체로 이루어진 매체층과, 상기 매체층을 거쳐 배출된 상징액을 배출시킬 수 있도록 연통되게 설치된 산발효액 이송관을 포함하여 이루어진 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발효액의 제조장치{Manufacturing equipment of acid fermentation for biological denitrification using food waste and sewage sludge}

일반적으로 가정 또는 대형식당 등에서 발생되는 음식물쓰레기는 함수율이 높은 유기성 물질로 구성되어 있으므로 파쇄, 선별, 분리, 발효 또는 탈수 등의 공정으로 구성된 음식물쓰레기 재활용 공정에서 처리하여 가축사료나 퇴비로 이용하고 있다. 이와 같이 음식물쓰레기를 가축사료나 퇴비로 재활용하면 매립 시 발생되는 악취와 침출수에 의한 2차 환경오염을 방지할 수 있기 때문에 음식물쓰레기의 재활용율이 점차 높아지고 있다.

그러나 이들 기존 처리방법의 문제점을 살펴보면, 사료화에서는 이물질의 혼입에 따른 시설고장 및 품질 저하가 초래되며, 계절별 쓰레기의 성상의 변화로 균질한 품질 유지가 곤란하다. 또한, 곡물 사료에 비해 영양 물질이 부족하고 살균 처리를 하지 않은 경우 가축 질병의 발생이 우려되어 사료 판매 가격이 낮으며, 불안정한 공급 체계로 안정적인 생산·공급이 곤란한 문제점이 있다.

퇴비화의 경우에는 장기간의 숙성과정을 거침에 따라 시설 부지가 많이 소요되고, 악취 제거가 곤란하여 시설 부지 확보에 어려움이 초래될 뿐만 아니라, 수분 및 염분 제거를 위한 부형제(톱밥, 미강 등)가 많이 소요되어 퇴비 제조비용을 상승시키는 원인이 되고 있다. 또한 계절별 쓰레기의 성상변화로 균질한 품질유지가 곤란하고, 수요처가 한정되어 있어 안정적인 공급·판매가 곤란할 뿐만 아니라 농작물의 생장 저해를 우려하여 농가에서 사용을 기피하는 경향도 있다.

한편 하수슬러지는 하수처리장에서 하수중의 오염물질을 고형분으로 분리·제거하는 과정에서 필연적으로 발생하는 부산물이기 때문에 슬러지가 최종 처분되어야만 하수처리가 완벽하게 이루어졌다고 할 수 있다.

슬러지 처리시스템의 가장 기본적인 단위공정은 농축, 소화, 탈수, 건조, 소각, 처분으로 구성된다. 그러나 슬러지 케익의 최종처분은 탈수 후 주로 매립에 의존하여 왔으나, 최근에는 슬러지를 직매립할 수 없고 소각 또는 퇴비화 처리후 잔재물만 매립하도록 되어있으며, 해양투기 역시 제한이 될 것으로 예상됨에 따라 소각 및 슬러지의 재이용 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 소각의 경우는 대기오염 등의 2차 오염원과 시설비 및 유지관리비의 경제적인 부담이 큰 것으로 지적되어 왔다. 또한 슬러지의 재이용 방안으로 지렁이 사육, 녹생토 활용, 하수처리장의 외부탄소원 등이 산발적으로 이루어지고 있으나, 이들 방법 중 퇴비화 방안의 경우는 시비 장소의 한계 및 경제성 부족, 법제도 정비 미흡 등으로 제대로 이루어지지 않고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 감안하여 최근에는 음식물쓰레기와 하수슬러지를 발효시킨 산발효액을 생물학적 영양염류 제거공정에서 필요로하는 외부탄소원으로 사용하는 방안에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 음식물쓰레기와 하수슬러지의 직접적인 산발효는 음식물쓰레기와 하수슬러지 자체에 고농도로 존재하는 유기성 고형물 성분의 낮은 가용화로 인하여 산발효의 최종산물인 휘발산의 수율이 저조하게 되므로 생분해성을 높이기 위한 적절한 전처리를 행하는 것이 필요하다. 이러한 전처리로서는 열처리, 열-알칼리 처리, 알칼리 처리 등을 들 수 있는데 지금까지는 주로 폐슬러지의 생분해성을 높이기 위하여 적용되어 왔다. 그러나 이들 방법들은 열처리에 의한 에너지 소모가 많고, 약품비가 과다하게 소요되어 실용성에 대한 문제가 있었다.

이에 본 고안의 주된 목적은 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용하여 생물학적 탈질용 산발효액의 제조시 가수분해조에 알칼리제를 투여하여 유기성 고형물의가용화를 증진시키고 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조의 고밀도 슬러지 층의 미생물과 상부의 매체 표면에 형성된 생물막을 이용하여 산발효 효율을 증진시킬 수 있는 산발효액 제조장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은 생산된 산발효액에 초음파를 방사시켜 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시킬 뿐만 아니라 고액분리된 고형물은 가수분해조로 반송하고 상징액을 생분해 및 질소제거에 우수한 산발효액의 제조장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 고안에 따른 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 산발효액 제조장치의 일예를 보여주는 개략적인 장치도이다.

도2는 본 고안에 따른 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 산발효액 제조장치의 다른 실시예를 보여주는 개략적인 장치도이다.

도3은 본 고안에 따른 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 산발효액의 제조공정을 보여주는 개략적인 공정도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 가수분해조

11 : 음식물쓰레기와 하수슬러지 유입관

12 : 슬러리 이송관

13 : 첨가제 주입관

14 : 가스 배출관

15 : 미세협잡물 인출관

16 : 교반장치

17 : pH 및 ORP 메타

18 : 스컴스키머

20 : 산발효조(상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조)

30 : 초음파분해 및 고액분리조

33. 반송관

34. 분리판

35. 초음파변환기(또는 진동소자)

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서, 본 고안에 따른 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용하여 생물학적 탈질용 탄소원으로 이용하기 위한 산발효액 제조장치에 있어서, 협잡물과 이물질이 제거된 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지에 알칼리제를 투여하여 가수분해시킬 수 있도록 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지를 반응조의 하부로 유입하는 유입관과, 알칼리제 등 첨가물을 주입하기 위한 첨가물 주입관과, 유입된 음식물쓰레기 슬러리 및 하수슬러지에 알칼리제가 혼합되도록 교반하는 교반장치와, 가수분해된 슬러리를 배출시키 위한 슬러리 이송관이 연통되게 설치된 가수분해조와; 상기 가수분해조에서 배출된 슬러리를 미생물을 이용하여 산발효시킬 수 있도록 가수분해된 슬러리를 반응조 하부의 고밀도 슬러지층으로 유입시킬 수 있도록 연통된 슬러리 이송관과, 고밀도 슬러지층을 교반시킬 수 있도록 설치된 교반장치와, 상기 고밀도 슬러지층의 상부에 형성되고 서로 다른 크기와 형태의 매체로 이루어진 적어도 2단 이상의 매체층과, 상기 매체층을 거쳐 배출된 상징액을 배출시킬 수 있도록 연통되게 설치된 산발효액 이송관을 포함하여 이루어진 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 고안은 또한 상기 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조를 거친 산발효액에 초음파를 방사시켜 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시킬 수 있도록 소정의 외벽으로 이루어진 반응조와, 상기 반응조의 내부에 설치된 분리판과, 상기 외벽 및 분리판에 지그재그식으로 설치된 다수의 초음파 변환기(또는 진동자)와, 상기 분리판 사이로 산발효액이 유입되도록 연통되게 설치된 산발효액 이송관과, 반응조의 하부에 설치되어 침전물의 일부를 상술한 가수분해조로 반송시키는 반송관으로 이루어진 초음파분해 및 고액분리조를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 가수분해조, 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조, 초음파 분해 및 고액분리조의 상부에는 발생가스와 스컴을 제거하기 위한 가스배출관과 스컴스키머가 설치되고 하부에는 미세협잡물을 제거하기 위한 미세협잡물 인출관이 설치되며, 반응조의 일측에는 적절한 운전조건을 점검하기 위하여 pH 및 ORP 메타가 설치된 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용하여 산발효액의 제조장치를 상세히 설명한다.

먼저 도1은 본 고안에 따른 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발효액 제조장치(이하 '산발효액 제조장치'라 약칭 함)의 일예를 보여주는 개략적인 장치도로서, 도시된 바와 같이, 상기 산발효액 제조장치는 크게 가수분해조(10)와 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조(20)로 구성되어 있다. 상기 가수분해조(10)의 하부에는 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지가 유입되는 유입관(11)과, 반응조 내로 유입된 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지에 알칼리제나 첨가제를 주입하는 첨가제 주입관(13) 및 미세협잡물을 제거하기 위한 미세협잡물 인출관(15)이 설치되어 있다. 그리고 반응조의 중앙에는 음식물쓰레기 슬러리 및 하수슬러지를 알칼리제와 혼합하기 위한 교반장치(16)가 구비되어 있다.

이어 가수분해조(10)의 상부에는 가수분해과정에서 발생되는 가스와 스컴을 제거하기 위한 가스배출관(14)과 스컴스키머(18)가 설치되어 있고, 일측에는 가수분해된 슬러리를 배출하기 위한 슬러리 이송관(12)이 연통되게 설치되어 있다. 그리고 상기 가수분해조(10)에는 적절한 운전조건을 점검하기 위하여 pH 및 ORP 메타(17)가 설치되어 있다.

그리고 상기 가수분해조(10)에서 배출된 가수분해 슬러리는 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조(20)로 유입되어 산발효된다. 상기 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조(20)의 하부에는 고밀도 슬러지층(S)이 형성되어 상기 가수분해조(10)에서 전처리된 슬러리가 슬러리 이송관(12)을 통해 상기 고밀도 슬러지층(S)의 하부로 유입된다. 그리고 상기 고밀도 슬러지층(S)에는 교반장치(16)가 설치되어 분해반응을 촉진시키고, 일측에는 미세협잡물을 제거하기 위한 미세협잡물 인출관(15)이 형성되어 있다.

그리고 상기 고밀도 슬러지층(S)의 상부에는 서로 다른 크기와 형상을 갖는매체(M1, M2)로 이루어진 적어도 2단 이상의 매체층(26)이 형성되어 있다. 따라서 상기 고밀도 슬러지층(S)의 미생물에 의해 분해된 슬러리는 상부로 상승하면서 상기 매체층(26)에 형성되어 있는 미생물막을 통과하게 된다. 그리고 상기 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조(20)의 상부에는 산발효과정에서 발생되는 가스와 스컴을 제거하기 위한 가스배출관(14)과 스컴스키머(18)가 설치되고, 상기 고밀도 슬러지층(S)에는 적절한 운전조건을 점검하기 위한 pH 및 ORP메타(17)가 설치된다.

따라서 본 고안에 따른 산발효액 제조장치는 고밀도 슬러지층(S)의 미생물에 의해 1차로 분해된 후 매체층(26)의 미생물막을 통과하면서 2차로 분해될 뿐만 아니라 서로 다른 크기와 형상을 갖는 매체층을 통과하여 배출되기 때문에 막힘과 편류현상이 방지된다.

이어서, 도2는 본 고안에 따른 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발효액 제조장치(이하 '산발효액 제조장치'라 약칭 함)의 다른 실시예를 보여주는 개략적인 장치도로서, 도시된 바와 같이, 상술한 실시예의 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조(20)의 후단에 초음파 분해 및 고액분리조(30)가 더 설치되어 산발효액에 포함된 미분해 물질을 초음파로 분해시킨다.

상기 초음파 분해 및 고액분리조(30)는 소정의 외벽(36)으로 이루어진 반응조와, 상기 반응조의 내부에 설치된 분리판(34)과, 상기 분리판(34) 및/또는 외벽(36)에 지그재그식으로 설치된 다수의 초음파 변환기(35)로 이루어진다. 또한 상부에는 산발효액이 분리판(34) 사이로 유입될 수 있도록 산발효액 이송관(22)이 연통되게 설치되고 상기 분리판(34) 사이에는 교반수단(16)이 구비된다.

이어서 초음파 분해된 산발효액 중 침전물은 바닥으로 가라앉고 그 중 일부는 반송관(33)을 통해 상술한 가수분해조(10)로 반송되며 그 상징액은 상부에 설치된 유출관(32)을 통해 배출된다. 그리고 초음파 분해 및 고액분리조(30)의 상부에는 초음파분해 및 고액분리 과정에서 발생되는 가스와 스컴을 제거하기 위한 가스배출관(14)과 스컴스키머(18)가 설치되어 있고 하부에는 미세협잡물을 제거하기 위한 인출관(15)이 설치되어 있다.

이하에서는 도3의 개략적인 공정도를 참조하여 본 고안에 따른 산발효액 제공정을 설명한다.

<제 1 단계 : 가수분해공정>

먼저, 음식물쓰레기는 1차 파쇄 및 선별분리 공정에서 협잡물 및 이물질의 분리와 전처리공정에서 반입량의 1.5∼3배로 희석 조제된 슬러리와 하수슬러지는 가수분해조(10)에 유입된다. 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지는 유입관(11)을 통해 조내로 유입되어 알칼리제(가성소다, 수산화칼륨, 석회 중 NaOH 기준 0.025∼0.15 gNaOH/gTS)을 첨가제 주입관(13)을 통해 조내로 투여한다. 이어서 조내 온도를 35∼37℃로 유지하여 약 6∼24시간 동안 가용화하거나, 또는 첨가제 주입관(13)을 통해 가수분해 효소를 첨가하여 처리한 후 상부의 슬러리 이송관(12)을 통해 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조(20)로 이송된다.

<제 2 단계 : 산발효공정>

이어서 가수분해조(10)에서 전처리된 슬러리는 크기와 형상이 서로 다른 매체가 조 용적의 약 30% 이상 충전된 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조(20) 하부로유입된다. 상기 슬러리 이송관(12)을 통해 고밀도 슬러리층(S)으로 유입된 슬러리는 약 35∼37℃ 에서 약 1-3일간 산발효 과정을 거친 후, 상기 매체층(26)에 형성된 생물막을 통과하여 상부의 산발효액 이송관(22)을 통해 초음파 분해 및 고액분리장치(30)로 이송된다. 이때 상기 매체층(26)은 서로 다른 크기와 형태를 갖는 매체로 이루어진 매체층(M1, M2)이 적어도 2단 이상으로 설치되어 있으므로 막힘과 편류현상이 방지된다.

<제 3 단계 : 초음파분해공정>

상기 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조(20)에서 분해된 산발효액은 초음파 분해 및 고액분리장치(30)로 유입된다. 상기 산발효액 이송관(22)을 통해 스텐레스 스틸로 만들어진 분리판(34) 사이로 유입된 산발효액은 상기 분리판(34)에 지그재그로 설치된 초음파 변환기(또는 진동자)(35)에서 방사되는 연속파 또는 멀티펄스형 초음파에 의해 미분해 물질의 분자구조가 바뀌어(예, 고분자구조에서 단분자구조로) 분해가 용이한 용존성 물질로 변화된다. 그리고 초음파 분해된 산발효액의 상징액은 상부의 유출관(32)으로 유출되고, 침전물 중 일부는 반송관(33)을 통해 가수분해조(10)로 약 50-100% 반송된다. 이때 산발효액의 상징액은 외벽(36)에 설치된 초음파 변환기(35)에서 방사되는 초음파에 의해 한번 더 분해되어 분해 효율을 높이는 것이 바람직하다. 그리고 초음파분해 및 침전분리과정에서 발생되는 가스와 스컴은 가스배출관(14)과 스컴스키머(18)을 통해 제거되고, 미세협잡물은 인출관(15)을 통해 제거된다.

이하에서는 본 고안에 따른 산발효액 제조장치의 구체적인 실시예를 설명한다.

<실시예 1 : 가수분해 및 산발효>

전처리한 음식물쓰레기의 슬러리의 평균 농도는 각각 TCOD 206,900㎎/ℓ, SCOD 82,800㎎/ℓ, TS 158,300㎎/ℓ, VS 131,300㎎/ℓ, Cl^-3,500㎎/ℓ 이었고, SCOD/TCOD, VS/TS비는 각각 0.4, 0.83이었다. 시료는 TS농도를 기준으로 탈이온수로 2배로 희석하여 조제하였다.

그리고 하수처리장의 1차 슬러지의 평균 농도가 각각 TCOD 25,550㎎/ℓ, SCOD 2,178㎎/ℓ, TS 23,752㎎/ℓ, VS 16,556㎎/ℓ, Cl^-317㎎/ℓ 이었고, SCOD/TCOD, VS/TS비는 각각 0.09, 0.70인 1차슬러지와 음시물쓰레기를 부피비 기준으로 7:3과 3:7로 조제하였다.

앞서 언급한 가수분해조(10)와 산발효조(20)의 유효용적이 각각 5ℓ와 10 ℓ이었고, 조내 온도 35∼37℃, 교반강도 150rpm, 음식물쓰레기와 하수슬러지의 알칼리제 주입량 0.075 및 0.025 gNaOH/gTS, 매체( Φ15mm Pall ring)를 산발효조 용적의 30% 충전하였으며, 총 체류시간이 2일인 운전조건에서 실험한 결과 음식물쓰레기와 하수슬러지 혼합액의 산발효액의 성상은 <표1>과 같다.

<표1> 음식물쓰레기와 하수슬러지 산발효액의 성상

항목	음식물쓰레기	음식물쓰레기와 하수슬러지 혼합
항목	단독	7:3	3:7
체류시간(day)	0	2	0	2	0	2
pH	4.2	6.0	4.2	6.2	4.8	6.3
TCOD(㎎／ℓ)	103,450	75,640	78,520	72,513	55,063	52,017
SCOD(㎎／ℓ)	41,400	53,350	38,807	42,643	17,733	21,173
SCOD/TCOD(%)	40	70	50	59	32	41
Ps(%)*	-	64	-	25	-	17
TS(㎎／ℓ)	79,150	40,290	54,083	40,000	36,923	30,453
TS 감소율(%)**	-	49	-	26	-	18
TSS(㎎／ℓ)	40,980	21,150	29,220	22,200	26,060	21,700
TSS 감소율(%)**	-	48	-	24	-	17
VFAs(㎎／ℓ)	8,450	19,070	5,567	7,583	2,846	5,104
VFAs 생성율(%)***	-	126	-	37	-	80

주) * Ps(%)=(초기IDCO-t시간후ICOD)/초기ICOD×100

** TS(TSS) 감소율(%)=(초기TS(TSS)-t시간후TS(TSS))/초기TS(TSS)×100

*** VFAs 생성율(%)=t시간후VFAs- 초기VFAs)/초기VFAs×100

<표1>에서 보듯이 SCOD/TCOD의 경우 음식물쓰레기 단독과 음식물쓰레기와 하수슬러지 혼합액이 7:3 및 3:7에서 각각 70%, 59%, 41%이었으며, 입상 COD의 가용화 효과(Ps)의 경우는 64%, 25%, 17%로 음식물쓰레기 단독에서 가장 높았다. TS(TSS)감소율의 경우는 각각 49(48)%, 26(24)%, 18(17)%이었으며, VFA_S농도는 각각 19,070㎎/ℓ, 7,583㎎/ℓ, 5,104㎎/ℓ이 었고, VFA_S생성율은 126%, 37%, 80%로 음식물쓰레기 단독에서 가장 많이 생성되었다.

<실시예 2 : 일차슬러지의 초음파 분해>

하수처리장의 일차슬러지에 0.05 gNaOH/gTS를 주입한 후 가용화 및 산발효 한 경우의 초기 TCOD는 각각 22,700㎎/ℓ, 20,850㎎/ℓ이었고, SCOD는 2,933㎎/ℓ, 3,333㎎/ℓ인 시료를 사용하였다. 각 시료를 초음파 항온조의 온도 20℃에서 6시간 동안 35kHz로 처리한 후 액성변화와 가용화 효과에 대해 분석한 결과는 <표 2>와 같다.

<표 2> 일차슬러지 전처리 방법별 초음파처리 비교

구분	gNaOH/gTS	시간(hr)항목	0	0.5	1	2	3	4	5
가용화액	0.05	SCOD/TCOD(%)	13	30	32	38	41	47	53
가용화액	0.05	Ps(%)	0	19	22	28	32	39	46
산발효액	0.05	SCOD/TCOD(%)	16	36	36	36	37	37	38
산발효액	0.05	Ps(%)	0	24	24	24	25	26	26

일차슬러지의 가용화액과 산발효액을 초음파처리 한 후의 SCOD/TCOD 변화는 각각 13∼53%, 16∼38%로 반응시간이 경과함에 따라 SCOD/TCOD의 변화 및 입상 COD의 가용화 효과(Ps)가 증가하였다. 그러나 반응시간 1hr 이내에서 가장 높은 효율을 보였다.

<실시예 3 : 음식물쓰레기의 초음파 처리>

산발효한 음식물쓰레기의 초기 pH는 6.6이고 TCOD와 SCOD가 각각 53,000㎎/ℓ 및 39,000㎎/ℓ인 시료를 단순침전과 35㎑로 초음파 처리한 상징액을 10분 간격으로 60분동안 측정하여 침전물 깊이와 SCOD/TCOD 변화 및 가용화 효과에 대해 분석한 결과 <표3>과 같다.

<표3>에서 보는 바와 같이, 단순침전과 초음파 처리 후 침강 높이는 30분 경과 후 약 50%로 급격히 낮아졌으나 이후에는 약간씩 낮아졌다. SCOD/TCOD의 변화는 단순침전 및 초음파 처리에서 각각 2%, 21%로 약 10배 차이를 보였으며 초음파처리 40분 이후에는 95%의 높은 용존성 물질을 얻을 수 있었다. 또한 입상 COD의 가용화 효과(Ps)의 경우 단순침전에서는 최대 4.4%이었으나, 초음파처리에서는 80%로 약 18배의 높은 효율을 보였다. 이는 입상 COD물질 중 초음파에 의해 미세한 물질은 분해되고 일부 고형물은 고액분리되어 하부에 침강되었기 때문이다. 따라서 산발효조를 거친 발효산물을 40∼60분간 초음파로 분해할 경우 용해성 물질(SCOD)의 비율을 높이는데 효과적이다.

<표3> 단순침전과 초음파처리 비교

구 분	시간(분)항목	0	10	20	30	40	50	60
단순침전	침강높이(㎝)	16	15	9.5	9.0	7.8	6.9	6.8
초음파처리	침강높이(㎝)	16	15	9.6	8.0	7.8	7.4	7.3
단순침전	SCOD/TCOD (%)	74	74	74	75	75	76	76
초음파처리	SCOD/TCOD (%)	74	79	81	84	94	95	95
단순침전	Ps(%)	0	0.7	1.5	1.5	3.7	3.7	4.4
초음파처리	Ps(%)	0	19.1	27.2	39.0	76.5	79.4	80.1
단순침전	TSS감소율(%)	0	0.6	1.1	2.4	4.6	6.6	7.1
초음파처리	TSS감소율(%)	0	3.6	4.1	6.1	7.6	8.6	12.6

<실시예 4 : 산발효액의 생분해>

전처리한 음식물쓰레기 슬러리를 TS농도 기준으로 2배 희석하여 조제한 시료를 <실시예1>에서 언급한 가수분해 및 산발효 장치를 이용하여 조내 온도 35∼37 ℃, 교반강도 150rpm, 음식물쓰레기와 하수슬러지의 알칼리제 주입량 0.075 및 0.025gNaOH/gTS, 체류시간 2일인 운전조건에서 얻어진 산발효액과 이 액을 35㎑로 40분간 초음파처리 한 2종류의 음식물쓰레기와 산발효한 하수슬러지 시료를 사용하였다. 수온이 20℃ 이고 MLSS농도가 약 3000 mg/ℓ 인 호기성 조건에서 생분해한 결과를 토대로 기질제거 속도상수와 비기질 소모율을 산출한 결과는 <표 4>와 같다.

<표 4>에서 보듯이 메탄올을 기준하여 음식물쓰레기 단순 산발효액과 산발효 후 초음파처리 한 액 그리고 산발효한 하수슬러지에 대한 기질제거 속도상수를 비교한 결과 0.96, 0.98 및 0.91로 미생물에 의한 기질제거능이 우수하였다. 한편 비기질 소모율을 토대로 반응시간별 비기질 소모속도상수를 산출하여 메탄올과 음식쓰레기 및 하수슬러지의 산발효에 대해 상대 비교한 결과 0.88∼0.94로 상당히 우수한 비기질 소모율을 보였다.

<표 4> 생분해도 산출결과

구분	gNaOH/gTS	기질제거속도상수(K, hr^-1)	비기질소모속도상수(ａ, hr^-1)
Methanol	0	0.45(1.0)	0.17(1.0)
음식물쓰레지단순 산발효액	0.075	0.43(0.96)	0.15(0.88)
음식물쓰레기산발효 후초음파 처리	0.075	0.44(0.98)	0.160.94)
하수슬러지산발효액	0.025	0.41(0.91)	0.15(0.88)

주) C = Co - e^-kt, U = (So - S) / tX, U = Uo·e^-at

<실시예 5 : 산발효액의 탈질>

<실시예 4>단계에서 사용한 동일한 시료를 수온 20℃이고 MLSS농도가 3000 mg/ℓ인 무산소조에서 탈질 실험한 결과를 토대로 질소제거속도상수(k_DN)와 탈질율 그리고 탈질에 따른 유기물 소모율을 산출한 결과는 <표 5>와 같다.

메탄올을 기준하여 음식물쓰레기 단순 산발효액과 산발효 후 초음파처리 한액 그리고 하수슬러지 산발효액의 질소제거속도상수를 상대 비교한 결과 0.84, 0.92 및 0.83이었고, 탈질율의 경우는 0.82, 0.92 및 0.64로서 하수슬러지에 비해 음식물쓰레기 산발효액의 탈질효과가 우수하였으며 유기물 소모율의 경우 메탄올에 비해 약 10∼18% 더 소모되었다.

<표 5> 탈질 및 유기물 소모율 산출결과

구분	gNaOH/gTS	질소제거속도상수(k_DN, mgNO₃-N/ℓ·hr)	탈질율(mgNO₃-N/gVSS·hr)	유기물소모율(gSCOD/gNO₃-N)
Methanol	0	31.3(1.0)	12.9(1.0)	2.8(1.0)
단순음식물쓰레기산발효액	0.075	26.4(0.84)	10.6(0.82)	3.2(1.14)
음식물쓰레기산발효 후초음파처리	0.075	28.80.92	11.8(0.92)	3.1(1.10)
하수슬러지산발효액	0.025	26.0(0.83)	8.2(0.64)	3.3(1.18)

하수처리장 유입수질이 계획보다 낮게 유입되고 있어 빈부하 현상으로 인한 시설의 유지관리에 상당한 어려움이 초래되고 있을 뿐만 아니라 고도처리시 무산소조의 탈질율을 높이기 위해 외부에서 유기탄소원을 공급해야 하는 경제적인 문제점에 직면하고 있다. 또한 최근에는 방류 수질 기준 강화로 산업폐수 중 산세정 공정에서 발생되는 질소화합물을 처리하기 위해 외부탄소원으로 메탄올을 공급해야 하는 어려움이 있다. 따라서 고가의 메탄올 구입비용은 고도처리공정의 운전비용에 상당한 부담을 줌으로써 하·폐수의 고도처리를 더욱 어렵게 하는 요인이 되고 있다.

이러한 문제점에 대한 해결방안의 일환으로 탈질공정에 메탄올 대신 음식물쓰레기와 하수슬러지 산발효액을 생물학적 탈질용 외부탄소원으로 대체하므로써 처리비용의 획기적인 절감은 물론 음식물쓰레기와 하수슬러지의 근원적인 처리로 기존의 많은 문제점을 동시에 해소할 수 있을 것으로 기대된다.

아울러 본 공정에서 생산된 산발효액은 생분해성 향상과 용해성 유기물량이 증가된 양질의 탄소원으로 재활용하므로써 처리비용의 절감과 폐자원의 재활용으로 환경친화적인 측면에서도 더욱더 효과가 클 것이다.

Claims

음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용하여 생물학적 탈질용 탄소원으로 이용하기 위한 산발효액 제조장치에 있어서,

협잡물과 이물질이 제거된 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지에 알칼리제를 투여하여 가수분해시킬 수 있도록 음식물쓰레기 슬리리와 하수슬러지가 조내로 유입되는 유입관과, 알칼리제 등 첨가물을 주입하기 위한 첨가물 주입관과, 유입된 음식물쓰레기 슬러리와 하수슬러지가 알칼리제와 혼합되도록 교반하는 교반장치와, 가수분해된 슬러리를 배출시킬 수 있도록 연통되게 설치된 슬러리 이송관으로 이루어진 가수분해조와;

상기 가수분해조에서 유입된 슬러리를 미생물을 이용하여 산발효시킬 수 있도록 가수분해된 슬러리를 하부의 고밀도 슬러지층으로 유입시킬 수 있도록 연통되게 설치된 슬러리 이송관과, 고밀도 슬러지층을 교반시킬 수 있도록 설치된 교반장치와, 상기 고밀도 슬러지층의 상부에 형성되고 서로 다른 크기와 형태의 매체로 이루어진 매체층과, 상기 매체층을 거쳐 배출된 상징액을 배출시킬 수 있도록 연통되게 설치된 산발효액 이송관을 포함하여 이루어진 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발효액의 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 상향류 슬러지 블랭킷 여상 발효조를 거친 산발효액에 초음파를 방사시켜 미분해 물질을 분해가 용이한 용존성 물질과 분자구조로 변화시킬 수 있도록 소정의 외벽으로 이루어진 반응조와, 상기 반응조의 내부에 설치된 분리판과, 상기 분리판에 지그재그식으로 설치된 다수의 초음파 변환기(또는 진동자)와, 상기 반응조의 하부에 설치되어 침전물의 일부를 상기한 가수분해조로 반송하는 반송관으로 이루어진 초음파 분해 및 고액분리조를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발효액의 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 매체층은 서로 다른 크기와 형태로 이루어진 적어도 2단 이상의 매체층이 이루어져 막힘과 편류 및 이구(mudball)형성을 방지하는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발효액의 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 다수의 초음파 변화기가 반응조의 외벽에도 지그재그식으로 설치되어 미분해 물질의 분해효율을 높이는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기와 하수슬러지를 이용한 생물학적 탈질용 산발효액의 제조장치.