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2017년 07월 24일 (월)
     
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음식물쓰레기 생석회처리 유기질비료 생산기술

농업기술실용화재단

정 완 태 박사

(기술거래사/탄소배출권거래중개사)

 

 

우리나라에서 발생되는 음식물쓰레기는 하루 1만 4천 톤으로 전체쓰레기의 28.7%를 차지하고 있다. 음식물쓰레기는 1인당 하루 발생량이 0.31㎏으로 연평균 3%씩 증가하고 있다. 해마다 증가하는 음식물쓰레기는 악취 유발, 환경오염, 처리비용 증가 등 심각한 사회문제로 인식되고 있다.

앞으로 다가오는 미래에는 인류가 직면한 가장 큰 위험은 지구 온난화이며, 온난화의 원인 중 하나가 버려지는 음식물쓰레기라고도 한다. 우리나라 음식물쓰레기는 처리비용으로 연간 8천억 원이 사용되고, 식량자원으로 가치평가를 했을 때 매년 20조원(2010년 기준)의 경제적 손실이 발생되고 있다. 또한 환경문제와 관련해서는 에너지낭비 90억kwh, 연간 온실가스배출량 885만톤 CO2e, 수거·처리시 악취발생과 식량자급문제로는 농·축·수산물 수입증가로 식량자급율 50%, 곡물자급율 27%로 먹거리 자급율이 낮다.

전 국민이 음식물쓰레기를 20% 줄이면 연간 1,600억 원의 쓰레기 처리비용이 줄고, 에너지 절약 18억kwh 등으로 5조 원에 달하는 경제적 이익과 온실가스배출량 177만톤 CO2e를 감소시켜서 환경도 살리고 자원낭비도 막을 수 있다고 한다. 전 국민이 함께 근본적인 음식물쓰레기 감량화와 아울러 자원화방법은 하나의 기술이 아닌 다양한 기술을 융복합하여 지자체별 맞춤형기술로 자원화를 하여야 할 것으로 본다. 현재는 새로운 하나의 모범답안을 찾는 것보다는 음식물쓰레기로 배출되어 수거된 유기성폐자원의 재활용이란 명제아래 기존의 부가가치가 있는 자원화방법에 문제점이 있으면 해결하려는 노력이 더 필요할 것으로 본다.

 

음식물쓰레기의 특성 및 자원화 기술

 우리가 먹고 있는 음식물은 자연으로부터 농·축·수산물을 생산 수확하고, 이를 음식물로 처리가공 중 및 먹고 남은 것이 유기성폐기물로 버려진다. 음식물쓰레기의 구성을 보면 유통과정 및 조리과정에서 57%, 먹고 남긴 음식물 30%, 보관폐기 식재료 9%, 먹지 않은 음식물 4%이다. 발생원별로 보면은 가정·소형음식점 70%, 대형음식점 16%, 집단급식소 10%, 유통단계에서 4%가 발생한다. 이렇게 발생한 유기물은 자연으로 되돌려 주어, 토양은 유기성폐기물을 분해하고 분해된 유기성 물질은 식물의 영양분으로 흡수되어 다시 우리 식탁으로 돌아오는 순환을 거치게 되어야 한다.

현재는 인구증가로 인하여 유기성폐기물의 양이 많아지고, 식생활패턴이 달라지고, 식품의 안전성 기준이 높아져 음식물쓰레기 발생량이 많아져서 일정기간 자연이 정상적으로 처리할 수 있는 양보다 더 많은 양의 유기성폐기물이 나오고 있다. 자연이 유기물을 분해할 수 있는 양과 시간을 특히, 우리나라 사람들은 고려하지 않고 많은 양을 배출하여 자연의 유기물 분해속도를 앞지르고 있다. 사람들은 과거와 달리 자연이 정상적으로 유기물이 분해되어 순환되기만을 기다리지 않고 버리고, 또한 빠르게 더 많은 양의 농산물을 생산하는 기술을 개발하고 있다. 대기 중의 질소를 고정시키고 석유화학을 응용해 화학비료를 생산해 농작물에 유기성 물질을 속성으로 공급해 농사를 짓는 동시에 환경오염물질인 유기성폐기물은 눈에 보이지 않도록 태우거나 바다에 버리는 방법을 택하였다.

유기성폐기물인 음식물쓰레기는 수분함량이 높아 부패가 빠르고 냄새가 심하고, 발생원에서 즉시 처리되지 않으면 사회적·환경적 문제를 야기한다. 이러한 유기성폐기물을 안전하고 빨리 처리하기 위해 다양한 방법이 제시되고 있으나 처리비용 및 시간이 소요되어 해결이 어려운 실정이다. 음식물쓰레기를 재활용하는 방법에는 퇴비, 사료, 에너지(연료)화 등이 있다. 퇴비화 기술은 수분 조절제 구입비용과 부적절한 처리로 퇴비로서 가치가 낮아 사용자가 없다는 것이다(이러한 논란은 어떠한 방법, 어떤 전문가, 어떻게, 언제 기술로 퇴비화 했을 때인지를 다시 충분한 검토가 필요한 부분이다). 사료화 기술은 이용자측면에서는 영양성분이 일정하지 않고 불완전한 열처리시 문제가 있고, 음식물쓰레기를 간단한 방법으로(가축의 먹이로 급여하기에 불완전하게 만들어진 상태) 공급자하고자 하는 측면에서는 열처리를 해야 하므로 비용이 높다는 문제점을 이야기 하고 있다(사료화에 대한 문제점에 대한 논란은 어떠한 기술, 어떤 전문가가, 어떻게 경제적인 비용을 도출했는지, 어떻게 영양성분을 평가했는지, 사료적 가치평가에 대하여 어떻게 하였는지 등등 전문가 관점에서 재검토가 필요하다). 또한 에너지(연료)화의 경우 부지, 예산확보 및 경제적 효율성 등의 문제가 있을 것으로 본다.

 

음식물쓰레기의 생석회 처리방법

음식물쓰레기 자원화에 많은 문제점을 보완하고자 음식물쓰레기에 생석회 처리하는 방법은 생석회를 이용한 음식물쓰레기의 안정화 반응은 생석회와 음식물내 높은수분 함량과의 반응 시 발생하는 높은 pH와 발열반응에 의해 병원성 미생물을 사멸시키고 수분함량을 줄여주는 생석회처리 음식물쓰레기 유기질비료를 만들어 산성토양의 토양개량제 및 유기질비료로 사용이 가능토록 제조되고 있는 방법에 대해 과학적으로 분석하고 기술적으로 검토하고자 한다.

 

1. 생석회(CaO)의 화학적 특성

  산화칼슘으로 생석회라고도 한다. 화학식 CaO로 순수한 것은 등축정계의 백색 결정으로 녹는점 2,570℃이다. 공기 중에 방치하면 수분과 이산화탄소를 흡수하여 수산화칼슘(소석회)와 탄산칼슘이 된다. 석회석 또는 탄산칼슘(CaCO3)를 약 900℃ 이상으로 가열하면 아래와 같은 반응식에 의해 산화칼슘이 생긴다[CaCO3→CaO+CO2]. 생석회(산화칼슘 CaO)에 물을 작용시키면 격렬하게 발열하며 생긴다. ① 고온에서 소석회는 생석회와 물로 분해된다. 소석회를 열분해하여 제조한 생석회는 물과 산성 기체에 대하여 매우 반응성이 높다. 수산화마그네슘은 훨씬 낮은 온도에서 분해되고 ② 25℃, 1기압의 표준상태에서 수산화칼슘 포화용액의 pH는 12.4이다. ③ 소석회를 첨가하여 pH를 11이상으로 높임으로써 1~2일 동안 물과 하수 슬러지를 소독할 수 있다. ④ 소석회는 분해온도보다 낮은 모든 온도범위에서 물이 존재하지 않은 경우 이산화탄소와 반응한다. 300℃보다 낮은 온도에서 이산화탄소와 소석회의 반응은 미반응한 수산화칼슘이 존재하기만 하면 계속적으로 진행된다.

 

2. 생석회와 음식물쓰레기 혼합시 발열반응으로 인한 병원성미생물 사멸효과

생석회는 강알카리성으로서 수분을 접촉하면 순간 발열하여 미생물살균과 퇴충 효능이 탁월한 물성의 기술응용이 가능하다. 수분 접촉시 순간발열반응으로 수산화칼슘(소석화)이 되는데, 이것을 소화(Slaking)반응을 하고, 이때 별도의 인위적 에너지 없이 자연 방출되는 열에 의하여 대장균군 병원성 미생물 일반세균 해충 등이 사멸되고 염분 악취 중금속 침출수 등을 낮추는 부수적 효과를 얻을 수가 있다. 생석회의 발열효과로 처리과정에서 혼합기의 온도가 130~150℃의 고열을 1~2시간 유지해 음식물쓰레기 등의 수분이 증발, 오·폐수의 발생이 줄어들 수 있다. [반응식 = CaO + H₂O→Ca(OH)₂ + 15.2Kcal/1Kg CaO]

우리나라 해외악성가축전염병 방역실시요령에 환축이 발생한 축사에서 죽은 가축과 살처분한 가축을 매몰하는 때에는 살처분 가축의 매몰은 4∼5미터 깊이로 판 후 바닥에 생석회를 뿌린 다음 사체를 투입하고 사체의 윗쪽을 생석회로 도포한 후 2미터이상 흙을 덮고, 매몰장소 주위에 소독약을 살포한 다음 사체의 매몰 사실과 발굴금지를 알리는 표지판을 설치하도록 되어있다.

 

3. 생석회 처리한 음식물쓰레기의 유기질비료

음식물쓰레기엔 수분함량이 80%이상이다. 생석회(CaO)가 음식물쓰레기의 수분과 반응하면 수산화칼슘과 열이 발생한다. 이 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 물에 녹으면 다시 칼슘과 수산기로 이온화 된다. 음식물쓰레기에 생석회 처리시 남아 있는 것은 수산기에 의해 산화된 유기성영양물질과 수산화칼슘이 뒤섞인 혼합물이다. 이 물질을 토양에 섞어주면 유기성영양물질과 산성화된 토양을 중화가 가능하다. 이때 150℃ 이상의 고열이 발생한다[CaO + H₂O = Ca(OH)₂(수산화칼슘) + 열]. 이것이 남아 있는 물에 녹으면서 Ca+와 OH-로 이온화되고, 수산화칼슘과 물이 반응해 생기는 150℃ 이상의 열로 인해 일부‘OH-’와 물은 증발한다. 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 물에 녹으면 Ca+와 OH-(수산기)로 이온화된다. 물과 수증기 속에 이온화되어 있는 수산기(OH-)는 유기성 물질(폐기물)을 순식간에(30분 이내) 산화시켜 자연으로 환원시킨다.

 

4. 음식물쓰레기에 생석회처리 유기질비료 생산시설의 사례 분석

음식물 쓰레기를 분쇄하여 죽처럼 걸쭉하게 만들어서 수분조절제로 톱밥대신 코코피트(코코아 열매를 갈아서 만든 가루)를 혼합하여 수분을 50%정도 줄인후 생석회를 넣어서 발열시키고, 유기성폐기물의 수분과 생석회가 반응조내에서 교반 혼합하여 수산화칼슘으로 변화되며 1kg당 15.2kcal의 열을 발생하며 유기물을 소화 수분을 증발시키며 유기성 폐기물에 함유되어 있는 병원성 세균, 해충, 잡초씨 등 유해성 물질을 사멸시키고 유기질 비료 생산하는 시설을 탐방한 후 음식물쓰레기에 생석회처리에 대한 다양한 특허자료를 검색 분석후 처리공정을 소개하고자 한다.

음식물쓰레기와 혼합 석회반응기의 교반기를 통하여 생석회 및 코코피트와 혼합, 교반하여 효율적으로 제거할 수 있도록 함은 물론, 석회반응기 및 건조로를 통하여 유기성쓰레기의 살균 및 살충효과를 얻으면서, 처리 공정상 발생하는 폐수를 석회반응기와 건조기에서 제거하여 폐수 무배출의 공정으로 유기물함량이 높은 석회처리 비료를 손쉽고, 용이하게 제조할 수 있도록 한 석회처리 비료 제조방법에 관한 것이다. 파쇄선별기로 유입되는 유기성쓰레기는 8~13mm의 크기로 파쇄 및 선별작업을 수행하며, 파쇄선별기에서 파쇄 및 선별작업을 수행한 음식물쓰레기는 저류저장고에 함수율이 80~90%의 슬러리 형태로 1차 저장하고, 석회반응기의 수화반응에 의한 반응열은 80~120℃의 온도를 유지하게 되어 음식물쓰레기 유기물을 소화시키면서 살균, 살충작용 및 악취를 제거하며, 음식물쓰레기의 교반시 슬러리의 처리물 함수율이 50~ 55%를 유지하도록 하는 한편, 혼합 석회반응기에서 배출되는 처리물은 건조로 내부에서 10분간의 열풍 건조를 통하여 최종 함수율이 45%로 이루어지는 석회처리 비료로 제조되는 것을 요지로 한다

① 제1공정 ; 원료의 입고

유기성 폐기물을 탱크로리나 암롤차 카고차로 수거운반하여 폐기물창고나 탱크에 입고한다. 생석회는 벌크차량이나 톤백으로 운반하여 생석회 보관탱크 또는 Silo 에 입고한다. 처리하고자 하는 유기성 폐기물의 함수율이 80% 이하인 경우는 수분보충을 위한 폐수탱크나 보충수 탱크를 별도로 설치 보관한다.

② 제2공정 ; 혼합 반응조 투입

안정화 처리할 유기성 폐기물의 함수율은 80~90%로 혼합 조절하여 반응조에 스크류컨베어나 파이프라인으로 투입하며 20~30 중량%의 생석회를 자동계량하여 투입한다.

③ 제3공정 ; 교반 소화 안정화처리

반응조에 원료투입이 완료된 후에 실린더에 의해 작동되는 해치로 투입구를 밀봉하고 반응조의 구동모터가 자동으로 작동되어 반응조 내부에 장착된 나선형의 양방향 교반날개를 회전시켜 원료가 고르게 교반 혼합되면서 급속한 발열로 150~200℃의 고온이 발생하고 수증기와 가스가 반응조 내부에 충만하게 되어 내부압력이 3~4kg/m₂ 로 반응조 외부에 부착된 온도계와 압력계에 반응 상태가 나타내면 반응조의 개폐 발브가 자동으로 열려 안전하게 가스와 수증기가 배출되어 운전이 자동화 된다.

④ 제4공정 ; 액화처리

반응조의 배기구개폐밸브를 통하여 외부에 배출되는 가스와 수증기는 응축기로 액화처리하여 액상비료나 악취 제거제로 출하한다.

⑤ 제5공정 ; 소화처리 물질의 배출 및 건조

반응조에 투입하여 20~30분간 소화처리한 물질은 반응조 하단에 설치한 반응조 배출구 도어가 열려 반응조 하부로 자체온도 50~60℃ 상태로 배출하게 되며 이를 건조 및 분쇄기에 투입하여 브로어로 건조하여 일정한 규격으로 분쇄가 된다.

⑥ 제6공정 ; 첨가제 첨가 및 입상화 포장출하

건조 분쇄기에서 나온 토양개량제는 유기물 등 첨가제와 혼합 선별후 포장하거나 펠렛으로 제조한 후 포장하고 출하한다.



기사입력 : 2015-03-30 10:17:05

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