유기성 폐기물의 퇴비화

제 1 절  폐기물 퇴비화의 정의와 목적

1. 퇴비화의 정의

퇴비화라는 것은 유기물을 인위적으로 퇴적 분해시키는 것을 의미하고, 유기성폐기물 즉 하수슬러지, 도시쓰레기와 분뇨, 축분 외의 유기물을 호기적 조건화에서 생물학적으로 분해.안정화하는 것이다.

퇴비화기술이라는 것은 『유기성폐기물의 녹농지 이용을 주요한 목적으로 하여 분해를 촉진시키기 위한 일정한 용기내에 유기성폐기물 단독 혹은 통기개량제를 주입하여 호기성조건하에 미생물로 유기물을 분해시켜 자연계내에서 재차 분해가 없도록 안정화 시키는 프로세스』로 정의할 수 있다.  이 분해 생성물을 전통적인 의미에서는 퇴비라고 부르며, 최근에 환경분야에서는 부숙토라는 별도의 용어를 설정하고 있다. 다른 선진국에서는 도시에서 발생되는 각종 폐자원을 이용하여 퇴비화 한 것을 오니퇴비, Biosolid, Biowaste, Compost라는 용어로 사용하고 있으며, 농가에서 생산하고 있는 전통적인 퇴비와 용어를 달리하고 있다.

2. 퇴비화의 목적

유기성폐기물의 퇴비화에 의하여 생성된 생성물은 녹농지에 비료로서 토양개량제 효과을 기대하는 자원으로서 이용하는 것을 기본으로 하지만, 퇴비화된 생성물은 질적으로 안정화되어 있기 떄문에 녹농지이외에 녹생토(건설공사녹화용)와 매립보조재로서 이용하는 것에 대해서도 생각할 수 있다. 유기성폐기물의 녹농지 이용을 위한 퇴비화의 목적은 다음의 3가지로 대별할 수 있다.

(1) 유기물의 분해에 의한 안정화 및 감량화

슬러지중에는 미분해성 물질이 많이 있고 질적으로 불안정한 형태이다. 이것을 녹농지 등에 무제한 사용하면 토양중에서 급격하게 분해되어 토양중의 산소가 결핍된다. 또한 이들 유기물이 발아장애 및 생육작물의 뿌리썩음의 원인이 된다. 따라서 슬러지를 퇴비화하는 것에 의하여 슬러지 중의 불안정한 유기물을 분해하여 안정화 할 필요성이 있다.

(2) 취급성의 개선

탈수케익의 함수율은 70∼80% 정도이기 때문에, 이 상태로는 유통, 이용에 있어서 취급성이 나쁘다. 또한 저류, 저장시에 질적으로 불안정하기 때문에 부패에 의하여 악취등의 문제도 일어난다. 따라서 퇴비화에 의하여 함수율의 저장 및 유기질의 안정화에 의하여 녹농지 이용에 있어서 취급성, 저장성의 개선을 시도할 필요가 있다.

(3) 병원성미생물, 기생충란 및 잡초종자의 사멸

슬러지중에는 병원균, 기생충란, 바이러스 및 잡초종자등이 혼입할 가능성이 있다. 따라서 슬러지를 녹농지 이용하는데 있어서, 이것을 사멸 또는 불활성화 하는 것이 중요하다.

제 2 절  폐기물의 퇴비화 처리

1. 퇴비화처리의 기본 개념

각종 산업으로부터 배출되는 유기성 폐기물을 산소가 존재하는 분위기에서 호기성미생물에 의하여 분해하는 것을 퇴비화 처리라고 한다. 일반적으로 퇴비화가 가능한 유기성 폐기물(환경부기준 유기물농도가 40%이상인 물질)은 도시 폐기물 중의 주방 쓰레기, 하수 오니, 펄프 공장 오니, 식품 산업 폐기물 등이다.

예전에는 농가 혹은 분뇨 처리장 등에 있어서 장시간에 걸쳐 퇴비화를 해왔으나 최근에는 고속 퇴비화 장치가 개발되어 강제적인 통기와 개량화된 장치를 통하여 2∼10일 정도에 퇴비화를 하고 있다.

2. 기본 처리원리

유기성폐기물은 상기에서도 언급해듯이 미생물에 의하여 분해된다. 그 분해원리를 도식화 해보면 다음과 같다.

상기에서 알 수 있듯이 분해에 관여하는 미생물은 산소가 있는 곳에만 서식이 가능한 호기성미생물로서 이 미생물이 음식물을 분해시켜 부식질이라는 퇴비를 남기고 물과 이산화탄소로 분해하는 것이다.    이때에 분해와 동시에 산화열이 발생하여 외부에서 온도를 가하지 않아도 온도가 60-70℃로 상승하게된다.  또한 이때 분해와 동시에 음식물속에 들어있는 수분은 발효열에 의하여 증발된다.  다음 에서 볼 수 있듯이 수분이 만이 증발하는 것으로 85%정도의 감량화가 있으며, 또한 미생물에 의하여 나머지 유기물의 15%정도중에서 10%정도가 분해되므로 퇴비화에 의하여 95%이상의 분해율을 얻게된다.

[퇴비화시 미생물에 의한 감량화 정도]

3. 퇴비화원리

소멸화란 일정한 퇴비화장치에 수분을 조절할 수 있는 통기개량제를 장치내에 넣어두고 음식물쓰레기 매일 일정량씩 넣어도 장치내 내용물의 부피 증가는 거의 없어 매일 들어가는 음식물쓰레기가 분해된다는 것이다. 이것은 이론적인 면에서 충분히 가능한 방법의 하나이다. 본 연구에서 설계된 장치는 소멸화 개념하에서 설계된 것으로 반응기종류별 분류상으로는 Semi- batch상의 장치가 될 것이다.

음식물의 주성분은 당, 지질, 단백질, 셀룰로스등으로 되어 있으며, 약84%이상의 수분을 함유하고 있다. 즉 이들 성분중에서 수분만을 발효열에 의하여 제거한다면 84%의 감량화를 이룰 수 있다. 만약에 100Kg의 음식물쓰레기가 있다고 한다면, 84kg이상은 수분의 상태로 제거가 가능한다. 나머지 16Kg는 대부분이 유기물로서 미생물에 의하여 분해가 가능하다. 이들의 휘발성고형물을 측정하여보면 90%전후를 보인다.  즉 미생물에 의하여 나머지 고형물의 90%이상을 제거할 수 있다는 계산이 나온다.  분해되지 않고 남은 무기물의 량은 100kg중에 약 1.6kg정도가 된다. 이들은 대부분 회분과 무기성의 미네랄이 대부분이다.  이 성분은 통기개량제로서 투입된 분해매체에 흡수되고, 이들에 의하여 증량하는 만큼, 분해매체로 첨가하는 톱밥이 또다시 분해되어 전체의 량의 변화는 없이 항상 일정한 수준의 량을

보이게 된다.다. 초기에 톱밥을 처리하고자 하는 주방폐기물 무게량에 대하여 약 20배정도의 부피로 투입하여 퇴비화를 시작한다. 주방폐기물의 VM(휘발성고형물질, 강열감량)은 약 75∼83.4%정도로, 미생물이 분해가능한 물질이 75∼83.4%로 말할 수 있다.

[소멸화에 의한 퇴비화 Mechanisim]

4. 분해생성물 및 장단점

(1) 분해반응기구

유기성 폐기물의 분해는 미생물에 의하여 호기적으로 일어나며, 산화 반응에 의하여 발생하는 산화 발생열에 의하여 분해가 촉진된다.

유기물 ／ O2  →  H2O ／ CO2 ／ NO3 ／ SO4-  →  대사물질 ／ Energy

↓              ↓

균체           ATP

유기물 성분은 단백질, 다당류, 지질(脂質)등이 주성분으로 되어 있어 이들의 고분자 유기화합물은 미생물의 체내효소에 의하여 glucose, 아미노산, 지방산 등의 저분자 유기화합물로 일단 분해되어 최종적으로는 탄산가스, 암모니아, 물 및 무기염류로 분해된다.  혐기성발효에서 발생되는 황화수소 . Indole . Skatol과 같은 악취화합물의 발생은 없으나, 암모니아 냄새와 저급지방산의 냄새(부분혐기반응시)가 발생된다.

[미생물에 의한 분해과정]

(2) 화학식에 의한 표현

분해되기 전의 유기물과 분해 후의 유기물을 화학식으로 표현하면

CaHbOcNd0+0.5(ny+2s+r-c)O2  →  nCwHxOyNz+sCO2+rH2O+(d-nx)NH3

r = 0.5{b-nx-3(d-nx)}     s = a-nw

상기식에서 필요한 산소량을 이론적으로 구할 수 있다.

nCwHxOyNz

생성물의 수율 = -------------- = 0.5   w = 5-7   x=7-17   z=2-8

CaHbOcNd

(3) 유기물의 분해단계

중온반응 : 15∼45℃

고온반응 : 45∼75℃ (퇴비화에서는 이들 반응이 동시에 병행해서 일어남)

1차발효  a. 정치단계 : 미생물이 유기물의 존재하에 균체 형성

b. 성장단계 : 온도상승단계, 균체증식단계

c. 고열단계 : 고열균이 우점종으로 되어 고열분해

2차발효  d. 숙성단계 : 분해온도의 하강과 함께 부식촉진, 안정화, 악취물질 휘산

(4) 호기성처리(퇴비화)의 장점

유기성폐기물을 호기성 미생물 존재하에 분해하는데 다음과 같은 장점이 있다.

① 분해속도가 빠르다.

② 유기탄소가 이산화탄소로 산화되면서 열의 형태로 에너지 방출

③ 악취발생 소(小)  - 혐기성 : 메탄.황화수소.암모니아.인돌        호기성 : 암모니아

④ 고열에 의하여 식물병원균 사멸

제 3 절  퇴비화에 관여하는 인자

1. 통기량(공기량, aeration)

성공적인 퇴비화반응을 위해서 필수적인 성분이 산소이다. 미생물이 에너지를 얻기 위하여 탄소를 산화시킴에 따라, 산소는 사용되고 이산화탄소가 생성된다. 충분한 산소가 없다면, 그 과정은 혐기성으로 되고 저급지방산, 황화수소등의 심한 악취가 발생되게 된다. 계란이 썩는 냄새가 나게되면, 황화수소가스발생하여 혐기성으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. 반대로 산소가 너무 많으면 미생물의 산화열이 냉각되어 퇴비화반응기내의 온도가 올라가지 않으며, 저온에서의 분해속도는 고온보다도 상대적으로 느려지게 된다.

대기중의 산소농도가 21%이지만, 퇴비화에 있어서 유용한 호기성미생물은 5%보다 낮은 영역의 산소농도에서도 살아남을 수 있다. 가능한 내부온도의 냉각을 방지하면서 10% 이상의 산소 농도를 유지한다면, 호기성조건을 유지하는 것이 가능하다. 이러한 산소공급을 위하여 많은 장치에서 다양한 방법으로 접근하고 있다. 외부에서 블로워를 통하여 공기를 공급하기도하고, 주기적으로 퇴비더미를 뒤집기 하기도 한다.

1g의 유기물을 분해하는 데 필요한 산소량 0.8∼0.9g   8∼10 kcal/g유기물

소량일 경우  →  반응이 혐기성으로 진행하여 반응속도가 저하와 악취 발생

과량일 경우  →  반응기의 자체열발생량을 냉각하는 역할. 대사열을 상실하여 동화 작용을 저해하여 반응 속도가 느려진다.

혐기성과 호기성의 분해속도

하수오니 - 호기성 : 1∼2주 분해

- 혐기성 : 2∼3개월

최적공기량 : 원료에 따라 다소 차이는 있으나 10□의 반응조에 8kg의 하수오니(수분 60%) 400ml/min 의 공기 공급

2. 통기개량제 (bulking agent)

하수오니.식품폐기물 등과 같이 유기물이 점성을 유지할 경우, 산소의 통기가 어려워 혐기성 반응이 일어나 반응속도에 영향

전처리과정 중에 통기개량제 첨가  -  볏집, 왕겨, 톱밥, 나무껍질 등을 혼합

이들의 역할을 통기를 개량하는 외에 C/N비와 수분함유량을 조절하는데도 사용

3. 온  도

퇴비화과정 중에 자연발생하는 열에 의하여 온도가 적절하게 유지되나, 온도가 높거나 낮을 때에는 분해율이 저하된다. 보통 대형퇴비화시설에서는 온도제어를 하지 않고 있으나 때에 따라서는 제어가 요구된다. 퇴비화과정 중에 온도는 70℃ 이상까지도 유지되나   일반적 제어온도   50℃,  60℃에서 이루어지며,  탄소분해율이 좋은 온도는 60℃로 알려져 있다.

퇴비화의 초기에는 미생물에 의하여 분해되기 쉬운 당류, 단백질, 지방 등이 분해되어 발열반응에 의하여 온도가 상승한다. 온도가 상승되면 반응속도는 수배로 되며 다시 온도상승을 가져온다. 온도가 높은 상태에서 고열균이 우점종으로 나타나며, 유기물이 분해되고 수분이 저하되면 온도가 떨어지게 된다.

4. 수분 함량

물은 미생물의 세포구성인자로서, 미생물은 양분을 유동상태에서만 흡수가능하다. 유기물 중에 수분함량이 30% 미만일 경우 미생물의 활동에 지장을 주게 된다. 또한 함수율이 높을 경우, 산소의 확산을 저해하고 공기의 통기성을 저하시켜 반응속도가 저하된다. 보통 초기 제어 수분 함유량은 40∼60%, 하수 오니의 경우에는 60%가 최적이다.

5. 수소이온농도(pH)

미생물은 생육에 알맞은 pH를 가지고 있다. 일반적으로 세균은 pH치가 5∼9범위에서 생육되며, 중성 부근에서 미생물의 활동이 전반적으로 높아진다.

퇴비화과정에서 관찰되는 pH범위는 5.5∼8.5 사이로서, 일반적으로 초기에는 낮은 값을 유지하고 퇴비화반응이 진행됨에 따라 약알칼리성을 진행한다. 퇴비화반응의 초기에는 원료입자의 내부에 충분한산소가 공급되지 않은 채로 내부물질이 혐기적으로 분해됨으로 저급지방산등이 발생하고, 시간이 지남에 따라 공기공급이 원활히 되면서 분해가 활발히 진행되어, 질소성분중의 암모니아가 발생되게 된다. 이러한 암모니아의 발생이 활발화되면서 물질내에 암모늄이온이 잔존되어 약알카리성을 띠어 8이상의 pH를 유지하게된다.

퇴비화과정중에 많이 일어나는 현상중에 하나가 공기가 적게 공급될 시에  pH가 4.5이하로 떨어지는 것으로 이러한 현상이 일어날 시에는 공기공급을 원할히 함과 동시에 소석회와 같은 중화제를 사용하여 pH를 임으로 올려주어야 한다.

① 퇴비화의 경우 초기에는 약산성으로 되나, 반응이 진전되면서 8이상으로 된다.

② 퇴비화시에 산성을 유지할 경우 C/N비가 높거나, 점도가 높아 혐기성 발효가 일어나 유기산이 생성

③ 알칼리를 유지할 경우   암모니아가 유리되어 pH 상승

④ pH 조절을 위하여 석회나 유황을 첨가

6. 영양물질(C/N비)

많은 원소중에서 탄소와 질소는 생물에게 매우 중요한 원소로 작용하며, 또한 분해정도를 가름하는 중요한 지표로 사용된다. 이들의 함량비를 탄질소비, C/N로 나타내게 된다.  탄소는 흔히 발열량 즉 에너지의 양을 예측하는 기본 자료로서 사용되며, 미생물세포의 약 50%를 탄소로 되어 있다. 질소는 단백질, 헥산, 세포 성장과 기능조절을 위한 필요한 아미노산의 구성성분으로서 효소와 Coenzyme의 주요한 구성요소이다.  퇴비화에 있어서 분해를 촉진시키기 위해서는 생체에 가장 많은 량을 차치하고 있고, 대사를 위하여 가장 많이 필요한 두 원소의 최적의 양을 공급하지 않으면 안된다.  이를 위해서는 사용하는 원료내에 탄소와 질소비를 측정하고, 최적의 비율로 조정해줄 필요가 있다.   원료성상에 따라 최적의 값이 달라질 수 있으나, 일반적으로 퇴비화에서 있어서 가장 이상적인 탄소와 질소의 무게비율은 50이하로서, 25-30:1이다. 만약에 비율이 25-30이하일 경우에는 질소성분의 유실이 커지며, 암모니아등의 악취가 심하게 발생되게 된다. 비율이 25-30이상으로 되는 분위기에서는 미생물의 성장에 필요한 질소원이 적어 미생물의 성장에 장애를 줌으로서 퇴비화의 반응속도가 느리게 진행되게 된다.

① C/N비가 높을 경우

a. 질소원의 부족으로 분해하는 데 긴 시간이 요구

b. 분해속도가 늦어진다.

c. 부분혐기성 유지시에 저급지방산을 생산하여 pH 저하

② C/N비가 낮은 경우

a. 질소원의 손실이 커서 비료 효과 저하

b. NH3의 발생이 과다하게 되어 반응속도를 제한

③ C/N비와 퇴비화 일수 : 20(12일), 20∼50(14일), 128(21일)

이와 같이 각 폐기물에 따라 C/N비에 많은 차이가 있다. 따라서 도시폐기물에 오니를 첨가하여 C/N비를 적절하게 조절하면 반응속도를 제어할 수 있다.   일반적으로, 녹색을 띠면서 수분을 포함하여 습기가 있는 원료는 질소가 높은 경향을 보여주고 있으며,  갈색이면서 건조한 것은 탄소가 높다.  퇴비화를 하기 위해서 적정한 C/N비를 맞추어 주기위해서는 높은 C/N의 것과 낮은 C/N의 것을 적절하게 혼합하여 사용해야 한다.  일반적으로 우리나라에서는 축분 및 음식물쓰레기의 퇴비화를 위하여 톱밥 혹은 왕겨를 사용하고 있다.

7. 종균제(미생물)의 필요성(반송오니)

퇴비화의 초기에는 미생물의 존재수가 반응속도를 좌우

① 제품퇴비 중의 미생물수 : 고온균  10 8-9 ,  중온균  10 9-10

② 원료퇴비 중의 미생물수 : 고온균  10 4-5 ,  중온균  10 6-7

③ 미생물을 공급하기 위한 수단

a. 1차  → 상품화된 퇴비를 재순환(20-30%)

b. 2차  → 특수미생물을 분리 동정하여 주입

유기물의 고발효균 : 가수분해균

농약역할균 : 항생물질생산균, 질소고정균

c. 3차  → 유해폐기물분해균 주입, 유해물질생산

8. 미생물과 Composting

① 유기물 분해는 미생물에 의하여 좌우되므로 존재 여부 관찰 필요

② 미생물의 우점화를 위하여 프로세스 제어가 필요

③ 반송퇴비, 수분, 통기량, 탄소/질소비, 온도등의 조건에 따른 미생물의 대사 활동에 영향을 받음

그림

제4절  퇴비화의 단위 공정

1. 퇴비화공정의 구성과 기능

퇴비화장치의 공정에 대하여 검토하고, 세부적인 설계를 위해서는 다음과 같은 공정을 참고로 해야한다. 실질적으로 대규모의 공정에서는 이와같은 처리 흐름에 의하여 처리를 하고 있다.  또한 그 원리상 장치 및 플랜트내에 각각에 해당하는 각종제어기술이 함축되어 포함되어야 한다. 크게 분류하여 각종첨가물 및 조작 등을 가하여 수분을 조절하는 전처리조작, 호기성미생물을 활발하게 움직이게하여 유기물을 분해시키는 1차발효단계, 활성화되어 있는 유기물을 안정화시키는 2차발효단계, 체분리 및 포장을 하는 제품화단계로 분류가 가능하다.  실질적으로 중요한 제어조작은 1차발효단계로서 이 단계의 공정제어에 따라 유기물 분해가 좌우된다. 전체공정을 다음 그림에 나타냈다.

[퇴비화 장치 사용현황 및 특성]

1) 전처리과정

유기성폐기물은 폐기물별 유기물의 함량과 함수율이 서로 틀리다는 점으로부터 전처리에서는 균일화하는 작업 및 수분을 조절하는 것이 중요한 기능이다. 수분을 제어하는 수단으로서 먼저 검토해야 할 것이 기계적으로 수분을 감량화하는 것이 가능한가에 대하여 검토해야하며, 이러한 조작이 확보된 상태에서 미생물이 활성을 유지하도록, 통기 개량제 및 제품의 반송량을 결정해야한다. 이와 동시에 퇴비화를 원활하게 촉진시키기 위하여 미생물의 공급을 위한 각종 영양 균형의 조정과 pH등이 조절가능하다면, 이러한 조작도 부각적으로 필요하다.

2) 1차(본처리)처리 과정

특히 1차발효공정의 경우에는 호기성미생물의 성장을 유도할 수 있는 산소 즉 공기의 공급이 주요한 조작에 포함되며, 이러한 조작에 의하여 온도가 60∼70℃로 상승하여 난분해성의 유기물이 분해되고 병원성미생물 및 잡씨앗 등이 불활성화되게 된다. 또한 슬럿지의 퇴비화는 감량화가 주요한 목표가 될 수 있다. 이러한 감량화는 유기물 분해와, 수분의 증발에 의하여 얻어질 수 있다. 이 중 유기물의 분해량은 감량화에 큰 기여를 할 수 없으나, 수분의 증발은 감량화에 큰 기여를 할 수 있다. 이러한 면에서 1차

발효조에서는 증발한 수분을 신속하게 제거하는 조작도 필요하다. 즉 이 과정에서는 미생물들이 원활하게 유기물을 분해하도록 각종제어인자를 고려하여야 한다. 열의 보온, 공기량의 조절, 증발되는 수분의 배출, 내용물의 혼합 등의 조작이 필요하다.

3) 2차(숙성과정)처리 과정

2차발효과정은 흔히 숙성과정이라고도 하며, 이 숙성과정은 분해과정중에 유기물이 불안정한 상태에 있는 것을 안정화시키는 과정이다. 즉 1차발효과정중에 발생된 각종 악취물질의 휘산, 휴믹산의 안정화등이다. 2차발효과정은 단순하게 저장과 같은 조작으로 해도 좋으나, 일반적으로는 하부에서 공기를 공급해 주는 경우가 많다. 또한 이 과정중에서 중요한 역할을 하는 것이 상기에서도 지적했듯이 반송퇴비의 공급여부이다. 반송퇴비의 가장 큰 목적은 원재료에 종균을 투입하는 것이고 둘째가 수분의 조절이다. 대부분 반송시에는 스크린을 하여 입자가 큰 것을 재분리하여 보내는 것이 일반적이다. 입자가 큰 것 일수록 입자내의 유기물이 분해되지 않고 남아있기 때문에 재순환하여 완전하게 분해시킨다는 의미를 갖는다. 이 때 반송비는 원료의 수분함량을 측정하여 결정해야한다.  통기개량제를 첨가할 경우에는 30∼40%, 무첨가의 경우에는 50∼300% 까지 반송을 시키고 있다.

[처리공정의 예2]

2. 각종 퇴비화의 공정

이상에서 서술한 것과 같이 퇴비화 처리기술은 기본적으로는 ① C/N비가 30∼35로 하고 ② 함수율은 50∼70%로 조정하며, ③ 산소공급과 ④ 온도 유지 등의 제조건을 최적상태로 유지.관리하는 것이 필요하다.

퇴비화장치의 종류는 통기 및 혼합방식에 따라 퇴적, 입형원통, 입형다단, 횡형교반 및 원형교반방식 등으로 분류할 수 있다.

(1) 장치의 종류

(가) 퇴적통기방식

이 방법은 탈수슬러지와 반송퇴비 또는 첨가물을 혼합하여 (이하 혼합물이라 함) 수분 또는 pH를 조정한 후 일정 높이로 퇴적하고, 하부에서 공기를 공급하여 발효시킨다. 발효는 비가 적은 지역에서는 옥외에서 하지만 보통은 옥내에서 하는데, 퇴적고를 2m 정도로 하고 악취방지를 위해 혼합물의 상부를 약 30cm 정도 숙성퇴비로 덮거나, 배출가스를 강제로 혼입하여 숙성퇴비사이를 통과시켜 처리한다. 통기는 송풍기로부터 통기관을 이용해 주입하는 간단한 방법을 이용하는 경우가 많으며, 뒤집기는 보통 불도우저를 이용한다. 이 방법은 설비비가 싸지만 넓은 부지가 필요하다.

[퇴적형 퇴비화 장치]

(나) 입형원통방식

발효조의 형상이 원통으로 하부에 퇴비 배출장치를 갖추고 있으며, 통기는 하부로부터 하고 탈수슬러지와 반송퇴비 및 톱밥 또는 왕겨 등의 첨가물과 혼합한 후 발효조의 상부에서 투입한다. 자중에 의해서 혼합물을 하부로 이동하는데, 발효조내에서는 교반을 하지 않으므로 혼합물중의 미생물 우점종의 천이는 자연법과 유사하다고 알려져 있다. 필요부지면적은 횡형발효조에 비해서 적고, 발효조내의 기계적인 장치는 퇴비배출장치만 필요하므로 비교적 조작이 간단하나 퇴적고에 한계가 있는데, 약 5m 정도인 것으로 알려져 있다.

[입형 원통형 퇴비화 장치]

(다) 입형다단방식

입형의 발효조 내부를 몇 개로 분리하여 공기를 각 소실의 하부로부터 보내고 상부에서 배출하게 한다. 상단의 소실에서 하단의 소실로 혼합물을 보내는 방법으로는 개폐식, 회전날개방식 등이 있으며, 이장치에 의해 큰 덩어리의 혼합물이 분쇄되어 혼합물 내부의 발효가 촉진된다. 본 방식은 발효조를 수직방향으로 설치하므로 부지면적을 절약할 수 있다. 그러나 그 만큼 기계장치가 증가하기 때문에 운전조작, 유지관리, 보수의 면에서 입형원통방식보다 복잡하다.

(라) 횡형교반방식

발효조가 횡형으로 설치되어 기계식 뒤집기에 의해서 혼합물이 분쇄, 혼합 및 이동이 이루어 지며, 뒤집기 기계의 종류는 카터필더, 바스켓 및 스쿠류형등이 있고, 통기는 하부에서 행한다. 본 장치는 구조적으로 많은 발효조를 횡으로 배열 가능하며, 발효조는 상부가 개구형이므로 발효상태를 관찰하기 쉽고, 기기의 수리가 손쉬운 특징을 갖고 있다. 한편, 입형에 비해 넓은 부지면적이 필요하고, 개구부가 넓기 때문에 악취방지대책이 비교적 곤란한 단점이 있다. 따라서 발효조 상부에 신축자재로 덮게를 하거나 강제흡입방식에 의하여 악취방지 효과를 얻을 수 있다.

[입형 다단식 퇴비화 장치]

[횡형 교반식 퇴비화 장치 (스쿠프 식)]

(마) 원형교반방식

원형의 발효조 내부에 많은 스크류 또는 회전날개를 설치하여, 뒤집기를 하는 장치이다. 이 방식은 장치에서 혼합물을 충분히 교반할 수 있고, 발효전의 혼합장치가 필요없는 특징을 갖고 있지만 교반부의 유지관리에는 주의할 필요가 있다.

(2) 기종선정의 조건

현재 많은 퇴비화 장치가 개발되어 있지만 어떤 장치에서도 1차 발효의 목적(고온에서 병원성미생물 잡초종자의 불활성화, 악취물질제거 및 미분해성 유기물의 분해)은 달성된다. 따라서 기종선정에 있어서는 건설비, 퇴적고, 유지관리, 조작성, 작업성, 악취 소음방지대책 및 탈수슬러지의 성질등을 비교검토하여 채택하여야 하는데 표에 각 발효조의 형식별 특성을 비교하여 나타냈다.

현재 도시에서 가까운 지역의 경우에는 밀폐형을 책택하고 있는 경우가 많이 있으며, 도시가 아닌 교외지역의 경우에는 개방형도 문제는 되지 않는다. 최근에 인근 주민에 의하여 악취에 대한 관심이 고조되어 있으므로 기종선정에 있어서 주의 해야한다. 도시형에서 퇴비화장치로서는 일반적으로 입형다단낙화식이 사용되고 있는 경향이 있다.

입형단단식의 경우에 모든 기계장치가 내부에 설치되어 있고, 또한 모든게 기계장치로 구성이 되어 있으므로 유지관리비와 건설비가 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 여기에 비교하여 횡형스크프형은 일반적으로 축산폐기물의 처리에 많이 사용되고 있는 방법으로서 악취의 제어가 어려우나, 비교적 유지관리가 쉽다.

[발효조의 형식별 특성 비교]

3. 퇴비화에 있어서 통기개량제 및 반송율

퇴비화에 있어서 가장 중요한 관점은 유기물내에 포함된 수분을 어떠한 방법으로 제어하느냐가 가장 중요하다. 일반적으로 수분의 제어는 통기개량제에 의한 방법,  통기개량제의 무첨가에 의한 반송비의 극대화 방법, 전처리과정에서 수분을 제어하는 방법으로 분류가 가능하다.   본 절에서는 퇴비화동향중에서 통기개량제와 반송비에 대하여 검토하였다.

1) 통기개량제

퇴비화과정에 있어서 반응을 촉진시키기 위하여 각종 첨가제를 통기개량제로 사용한다. 이러한 통기개랑제의 역할은 수분의 조정, 공기유통량의 개선, 퇴비의 질(C/N비) 개선에 영향을 줄 수 있다. 현재 사용되고 있는 통기개량제를 다음의 표에 나타냈다. 현재 우리나라의 축산분야와 기타분야에서는 톱밥을 가장 많은 빈도로 사용하고 있으며, 최근에 톱밥의 고갈이 예상되고 있는 싯점에서 구입이 어려워져, 자체에서 톱밥제 조기를 사용하여 폐목으로 부터 톱밥을 구입사용하고 있다. 일부 외국에서 수피(bark)

를 사용하고 있으나, 우리나라에서는 지역적인 면에 있어서 발생량이 적어 공급이 불가능한 실정이다. 외국의 일부지역에서는 왕겨와 볏집을 사용하여 통기개량제로서 사용을 하고 있으나, 이들의 경우에는 가을에만 발생한다는 관점에서 장기 수급이 불가능하고, 수급을 한다고 해도 넓은 저장공간이 필요하다는 점에서 그 수급이 어렵게 된다. 퇴비화의 대상물질이 대부분 수분을 과량으로 함유한 유기물이라는 관점에서 통기개량제는 반드시 필요한 것이다. 그러나 도시부에서 발생하는 각종 유기물을 퇴비화하

는데 있어서 가장 중요한 제어관점은 감량화에 있다. 도시부에서 발생하는 유기물을 발생지점에서 효율적으로 처리하여 감량화하는 것이 중요하다.   이러한 면에 있어서 각종 통기개량제를 도시외곽에서 반입하여 또다시 유기물에 혼합.처리하여 반출하는 것은 경제적인 관점에서 많은 문제가 있다. 실질적으로 대부분의 하수처리장이 도시에 집중되어 있으므로 현실적으로 공급에 어려움이 있다. 또한 처리과정중에 통기개량제가 첨가되는 만큼 반응기의 크기가 커지지 않으면 안되므로 시설비에 많은 비용이 가중되게 된다. 이러한 점에서 통기개량제를 사용하지 않는 퇴비화 시스템의 개발이 요구되고 있다.

[퇴비화에 사용하는 통기개량제의 종류 및 특징]

다음 표는 가동되고 있는 퇴비화 장치의 통기개량제 사용 유무에 따른 운전 현항을 나타내고 있다.  조사된 14개의 하수슬럿지 퇴비화사업장에 있어서 8개사업소가 통기개량제를 사용하지 않고 있었으며, 나머지 6개사업소는 톱밥, 압축왕겨, 파쇄수피, 파쇄왕겨 등을 사용하고 있었다. 사용비율은 원료량에 대하여 무게비로 30%전후를 사용하고 있는 경향을 볼 수 있다.  무첨가방식을 채택하고 있는 곳은 반송퇴비의 반송율을 높게하여 수분을 조절하고 있다. 투입혼합물의 수분함량을 무첨가방식의 경우에는 50% 전후, 첨가하는 경우에는 60%전후로 조절하고 있다. 이러한 현황으로부터 하수슬럿지의 퇴비화에는 통기개량제를 사용하지 않아도 퇴비화가 가능함을 알 수 있다. 후술의 장에서도 통기개량제의 첨가없이 퇴비화가 가능한가에 대하여, 우리나라에서 발생하는 슬럿지를 이용하여 그 가능성을 타진하여 좋은 결과를 돌출해 놓고 있다. 즉 도시부에서 발생하는 유기성폐기물에 대해서는 통기개량제의 첨가가 비경제적인 것을 알 수가 있다.

2) 반송퇴비의 필요성 및 조건검토

퇴비화에 있어서 수분함량의 조절, 미생물의 지속적인 공급, 퇴비의 완숙을 유도한다는 관점에서 생성된 퇴비를 반송시키는 조작이 제어에 중요한 관점이 될 수 있다. 일반적으로 농가등에서 축산분뇨를 이용하여 상업적으로 판매가 가능한 경우에는 생성퇴비의 량을 증산하기 위해서는 반송량이 적어도 된다. 그러나 도시부에서 발생하는 각종 유기물을 퇴비화한다는 관점에서 통기개량제와 같은 개념하에서 발생량의 감량화가 중요하다.

[통기개량제 첨가유무에 따른 퇴비화장치 운전 현황]

반송량을 증가시킴으로서 얻어질 수 있는 잇점은 수분을 조절할 수 있으며, 실제 반응기 내에서의 체류시간을 연장시킴으로 인하여 퇴비의 완숙을 유도할 수 있다.   다음표에 나타낸 것과 같이 통기개량제를 첨가하는 경우에는 반송율이 원료에 대하여 30∼80%전후이지만, 통기개량제를 무첨가하는 경우에는 반송비를 높게는 370%, 낮게는 40%선까지 유지하고 있다. 본 연구에서 통기개량제를 무첨가한다는 전제하에서 연구를 수행하고 있으므로, 반송비를 최대로 유지하면서 반응효율을 높일 수 있는 방안을 검토할 예정이다.

5) 퇴비화의 문제점

퇴비화하여 퇴비를 생산 할 경우 품질관리 및 유통체계를 고려해야 하며 다음과 같은 문제점이 있다.

(1) 품질관리

(가) 중금속

유해물질이 존재하는 경우, 슬러지의 생체에 농축되어 슬러지 퇴비화시에도 잔류할 가능성이 있다. 제품퇴비를 작물에 사용할 경우 농림수산붕에서 정한 부산물 비료에 관한 규제치를 만족시키는 제품이어야 한다.

(나) 위생처리

하수슬러지 중에는 병원규, 기생충, 바이러스 및 잡초씨등이 들어 있을 가능성이 있으므로 이에 대한 위생처리가 필요하다. 위생생물에 애하여는 발효온도 65∼70℃ 이상의 상태가 1∼2일 이상 지속되면 일반적으로 위생처리 되었다고 볼수 있으나, 제품화하여 공급할 퇴비에 대해선는 반드시 정기적인 확인검사가 필요하다.

[병원균, 기생충균의 사멸 조건]

(나) 유통체계

년중 발생하는 퇴비에 대하여 농가에서는 농작물의 생장 기간 이외에 겨울철 및 장마철등 년중 3∼4개월간은 퇴비에 관한 수요가 적으므로 슬러지 퇴비의 저장,보관의 문제가 발생된다. 슬러지 퇴비의 함수율이 35%이내 이므로 함수율이 높아지지 않도록 보관에 주의를 기울여야 하고 넓은 보관 장소가 필요하다. 장기간 보관시에 발생할 수 있는 악취 등에 관한 환경 오염방지 설비도 필요하다.

제 5 절  우리나라 퇴비의 관리현황

1. 농림부 비료관리법에서의 관리현황

오니의 종류는 산업단지 및 개발에 관한 법률 제 6조 및 제 7조의 규정에 의하여 지정된 산업단지, 도시계획법 제 17조 제1항 제3호 의 규정에 의하여 지정된 공업지역에 설치된 산업단지폐수종말처리시설, 산업입지 및 개발에 관한 법률 제 8조의 규정에 의하여 지정된 농공단지에 설치된 농공단지폐수종말처리시설 및 하수도법에 의하여 설치된 하수종말처리시설에서 발생하는 오니로 분류할 수 있다. 이러한 오니류중에서 농림부 비료관리법 제4조의 비료공정규격 별표1( 농림부 제 97-59호)에서는 식료품 제조 및 판매업(수산포함)에서 발생하는 폐수처리오니,  음료수 및 담배 제조업에서 발생하는 폐수처리오니, 종이제조업에서 발생하는 부산물 및 폐수처리오니, 읍.면단위 농어촌지역 생활하수오니등에 대해서는 특별지정원료로서 지정하여 사전에 검사를 받아서 제조에 대한 승인받도록 하고 있다.  즉 하수오니중에서 읍·면단위 농어촌지역의 생활하수 오니에 대하여 비료가치가 인정되고 인축 및 농작물에 유해한 물질 (중금속 및 유해화합물)이 포함되지 않음이 입증된 물질은 사용이 가능하나 도시 및 공단지역 하수오니 및 사업장등에서 발생하는 폐수오니는 사용불가 원료로 지정되어 있어서 재활용이 불가능한 상태이다. 부산물퇴비에 대한 각종 품질조건(규제농도) 및 부산물의 종류를 지정해 놓은 상태에서 또다시 사용가능한 원료와 사용불가능한 원료를 지정하여 규제 이중으로 시행되고 있다. 중금속이 전혀 포함되어 있지 않은 원료라도 사용불가능한 원료로 지정되면, 자원화가 불가능하다는 비합리적인 요소를 갖고 있다. 외국은 사용용도에 따라 등급을 정하거나, 다양한 유해물질(주로 중금속)의 농도를 지정하여  규제하고 있는 것에 비교하여 [표 1]에서와 같이, 우리나라는 단순하게 원료 규제와 농도기준에 의한 중금속 및 기타 유기물함량등을 규제하고 있다. 중금속의 경우 일본과 동일하게 Pb, Cd, Hg, As만을 규제하고 있었으나, '97년 9월 개정된 농림부 고시안에 부산물비료중 퇴비의 공정규격개정안에 의하여 Cr, Cu 항

목이 추가되었다. 농촌지역의 하수오니 즉 특별지정원료의 검사기준을 다음표의 우측에 나타냈다. 좌측의 일반지정원료와 단위가 틀리게 명시되어 있다. 일반지정원료는 현물당(습량기준)Kg의 mg이나, 특별지정원료는 건량기준으로 설정되어 있다. 퇴비의 수분함량이 30%전후라는 점에서 실제 규제값은 특별지정원료가 4∼5배 농도규제가 강화 되어 있다. 즉 농도규제값이 겉으로는 같게 보이나, 실제로는 많은 차이가 있다. 실제 이러한 기준으로 할 경우에 같은 규제법내에서도 일관성이 없으며 농어촌지역의 하

수오니의 퇴비화가 불가능하다는 결론이 나온다. 또한 이러한 중금속 농도외에도 유기물함량이 60%이상으로 되어있다. 우리나라의 하수관거는 대부분 합류식이므로 유기물함량이 높지 않은 상태이며, 전국하수처리장의 오니성상으로 볼 때에 거의 퇴비가 불가능하다는 결론이 나온다.

이러한 여러가지 면에서 현행의 법체계내에서는 하수오니의 퇴비화가 불가능하며, 또한 각종 규제내용에 비합리성이 내재되어 있는 것으로 부터,  하수오니가 생태계내에 환원되어 자연생태계 및 동식물에 위해성을 야기하지 않는 범위내에서 자원화 촉진을 위한 검토가 필요하다고 판단된다.

* 혼합유기질비료 : 질소, 인산, 칼리 전량의 합계량 : 7 %

[우리나라 부산물비료의 종류 및 규격]

2. 폐기물관리법에서의 유기성오니 관리현황

환경부에서 관리하고 있는 폐기물관리법에서는 농림부 비료관리법에서 부숙퇴비로서 사용을 원천적으로 일부 또는 전면 금지하고 있는 산업단지폐수종말처리시설, 농공단지폐수종말처리시설 및 하수종말처리시설에서 발생되는 오니를 시설규모에 따라 한정된 기간을 설정하여 다음과 같이 관리하고 있다.

사업장에서 발생하는 일반폐기물중 유기성오니(고형물중 유기물질 함량이 40%이상인 것을 말한다)는 2001년 이후에는 수질환경보전법 제 25조 및 하수도법 제 2조의 규정의 의한 종말처리시설과 1일 폐수배출량 2,000세제곱미터 이상인 배출업소의 유기성오니를 바로 매립하여서는 아니되며 , 소각처리후 발생되는 잔재물을 매립하거나 생물학적 처리방법으로 처리하여  퇴비로 사용하거나  환경부 장관이 정

하여 고시하는 용도 및 방법에 따라 매립시설 복토용 또는 토양개량제로 사용하도록 되어 있다(페기물관리법시행규칙 제 6조 별표4). 또한 2005년 1월1일 이후에는 축산폐수처리시설, 분뇨처리시설 및 1일 폐수배출량이 700세제곱미터이상 2,000세제곱미터 미만인 배출업소의 유기성오니를 바로 매립하여서는 아니되며, 소각처리후 발생되는 잔재물을 매립하거나 생물학적으로 처리하여 퇴비로 사용하거나 한경부장관이 정하여 고시하는  용도 및 방법에 따라 매립시설 복토용 또는 토양개량제로 사용하도록 되어 있다. 이와 같이 환경부의 폐기물관리법에서는 2001년도부터 유기성오니를 퇴비화방법에 의하여 재활용하도록 명시하고 있다. 따라서 시기적으로 늦은 감이 있지만 2001년시점에서 하수오니의 처리상에 혼란을 초래하지 않기 위해서는 법체계상에서 후속적인 관계사항을 정비하여야 하며, 법에 명시된 퇴비화 및 소각에 대한 구체적인 시행방안의 제시가 필요하다.

[공정규격내의 퇴비로 사용가능한 원료]

* 특별지정 원료는 추가로 지정하는 퇴비 원료를 의미함

* 사용불가는 "비료의 품질을 저하시킬수 있는 이물질"에 해당 원료임

* 농림부 비료관리법 제 4조의 비료공정규격 별표1( 농림부 제 97-59호)

제 6 절  퇴비화 공정 및 운전인자

그외에 퇴비화장치에서는 개발해야할 것, 즉 노우하우의 축적이 필요한 항목이 있다.  즉 가장 중요한 것이 미생물의 개발로서 발효촉진시킬수 있는 미생물의 확보가 필요하며다. 또한 상기에서도 설명한 것과 같이 퇴비화장치에서는 통기개량제역활을 할 수 있는 톱밥의 개발이 필요하다. 일부 외국에서는 톱밥에다가 특수처리를 하여 톱밥이 잘분해되지 앟고 분해매체제 역활을 담당하게하기 위하여 특수물리적처리를 하고 있다. 이러한 방법에 의하여 톱밥이 잘분해되지 않으며 지속적으로 수분조정역활을 하여 오래동안 반응이 지속되도록 해야한다.  그외의 인자는 다음의 그림에 나타냈다.

[소멸기에 있어서 주요한 개발인자]

1. 분해원리에 따른 장치의 구성

열을 올리지 않고 미생물이 유기물을 분해하면서 발생하는 열에 의해서 음식물을 감량화하는 것이다. 미생물에 의해서 퇴비화되는 과정을 보면 다음과 같다.

[퇴비화장치의 구성과 분해원리]

상기의 그림에 알 수 있는 것과 같이 퇴비화는 산소를 이용하는 호기성미생물에 의하여 유기물을 분해시켜 분해와 동시에 발생하는 발생열에 의하여 고열의 상태에서 우점화되는 고열성미생물에 의하여 유기물의 분해를 촉진시키는 것이다. 이 과정에서 제어인자를 다음과 같이 분류할 수 있다.

1) 미생물들이 이용할 수 있는 공기를 열의 저하를 막는 범위하에서 공급해주어야 한다.

2) 초기의 원료로 사용되는 음식물찌꺼기는 수분을 85%정도를 함유하고 있으므로 수분이 높은 상태에서는 산소의 통기가 원활하지 못하므로 수분의 조절이 필요하다.

3) 미생물이 유기물의 분해동시에 열을 발산하나, 이열이 장치외부로 발열되지 않고 유지 되도록 보온대책을 강구해야한다.

4) 상기에서 초기에 들어가는 음식물찌꺼기는 미생물을 가지고 있지 않으므로 미생물의 원활한 공급을 위하여 생성된 퇴비를 다시 순환시켜야 한다.

5) 미생물에 의하여 분해되면서 생성된 열에 의하여 증발되는 수분을 제거하는 것은 수분의 조정과 관계있으므로 완전하게 배출시켜 빼내어 응축시켜야 한다.

2. 음식물쓰레기 퇴비화(퇴비화)에 미치는 인자 및 영향

상기의 일반적인 개념하에서 음식물쓰레기를 퇴비화시키는 공정이 세계각국에서 개발되고 있다. 각 세부조작에 대해서는 기업의 Know-how라는 명목하에서 확실하게 공개가 되고 있지 않은 상태이다. 퇴비화에서 있어서 중요한 기술에 대하여 지금까지 검토하고 분석한 결과는 다음과 같다.

1)  미생물제재의 필요성

상기에서 전술한 발효라는 용어가 사용될시에는 미생물의 존재가 필요하게된다. 지금까지의 전통적인 퇴비화방법은 시간의 경과에 따라 자연적으로 증식되는 미생물에 의하여 퇴비화를 해왔다. 그러나 최근에 퇴비화장치가 개발되어 도시에 보급되어 시간적, 공간적 여유가 없기 때문에 인위적으로 미생물을 첨가하여 발효시간을 단축시키는 시도를 하게되었다. 현재 퇴비화장치를 개발하고 있는 대부분의 장치에는 미생물제재의 필요성이 강조되고 있다. 우리나라 퇴비화장치에서나 일본에서의 퇴비화장치내에서도 음식물처리에 대하여 미생물제재를 일정량 매번 첨가하도록 명시하고 있다.

미생물제재에 대한 필요성과 상품에 대해서는 기업의 비밀로서 되어 있기 때문에 정보의 입수에는 한계가 있으나 지금까지 조사된 사항으로 검토하면 다음과 같은 미생물제재가 시중에 공급되고 있음을 알 수 있었다.

[미생물제재의 종류]

실질적으로 유용한 미생물을 실험실내에서 분리후 순수배양에 의하여 제작된 미생물은 거의 관찰할 수 없었으며, 대부분 복합배양에 의하여 제작된 생균제재가 대부분이었으며, 몇가지 제재에서는 미생물이 거의 관찰되지 않았으며, 이것은 영양제나 효소제재, 무기성발효촉진제라고 평가할 수 있으나 정확한 검토는 되지 않고 있다. 미생물제재의 선택시에는 어떠한 특성을 가진 미생물인가를 인식하여 선택할 필요가 있고, 또한 개발시에도 퇴비화에 있어서 유용성을 충분하게 검토한 후에 개발하는 것이 바람

직하다. 상기에서도 언급했듯이 최근에 EM균이라는 미생물제재가 판매가 되고 있으나, 이균의 경우에는 혐기성 혹은 통성혐기성균으로서 본 장치에서 목적으로 하는 호기성처리와는 거리가 있으므로 이러한 균을 사용하는 경우에는 발효속도가 떨어지고 반응이 일어나지 않는 경우가 있다.

2)  반응조의 온도유지

상기에서도 언급했듯이 퇴비화의 종류를 발효, 건조·발효, 건조로 크게 분류할 수 있다. 일본이나 우리나라의 대부분의 퇴비화장치가 건조에 의존하여 퇴비화를 하고 있다. 그러나 퇴비화의 기본원리에서는 외부에서 온도의 가온이 없이 순수한 미생물의 발효열에 의하여 퇴비화를 하는 것이 바람직하다. 지금까지 개발된 장치의 온도유지를 위한 방법을 검토해 보면 다음과 같다.

[장치의 온도유지 방법]

상기의 가온조작에 의하여 건조 혹은 발효인가를 구분할 수 있다. 즉 가열조작에 의하여 반응기 내통의 온도가 60℃이상을 넘으면 건조에 해당하고, 그 이하이면 발효의 의한 퇴비화로 판단할 수 있다. 즉 퇴비화과정중의 고열균에 대한 검토를 해보면 알려진 대부분의 균들이 55∼60℃범위내에서 개체수가 가장 많이 있고 활성이 높기 때문이다. 이 보다 높은 고등고열균이 알려져 있지만 이들을 이용해서는 미생물에 의한 분해속도보다 가온에 의한 수분이 증발하는 속도가 빠르다고 할 수 있다.   퇴비화에 있어서 가장 이상적인 운전방법은 가온없이 미생물의 분해열에 의하여 전체과정을 유도하는 것이다. 이상적인 퇴비화가 일어날 시에는 평상시에도 60∼70℃의 온도를 보인다. 만약에 온도를 외부에서 설정시에는 설정된 온도가 미생물에 대하여 어떠한 영향을 끼칠지를 판단해야한다. 즉 온도를 초기에 40℃ 정도로 설정하고 운전하여 온도가 60℃이상으로 올라갔을 때, 즉 고열균이 순양화되어 활발하게 움직이게 될때에 60℃로 유지한다면 문제가 없을 것이다. 그러나 초기부터 60℃를 설정한다면 건조만이 일어나고 퇴비화는 일어나지 않는다. 즉 건조가 아닌 발효에 의한 퇴비화를 고려시에는 미생물의 성장과 반응조내의 상태에 따라 온도의 제어가 되어야한다.

3)  공기공급의 필요성

퇴비화는 공기의 공급여부에 따라 호기성처리와 혐기성처리로 분류할 수 있다. 일반적으로 혐기적처리는 발효시간이 길어지는 현상과 처리의 효율이 떨어진다는 관점하에서 거의 사용이 되지 않고 있다. 즉 현재 거의 모든 간이화처리는 호기성처리에 기반을 두고 있다는 관점하에서 공기의 공급은 필수적이며, 중요한 것이다. 그러나 미생물의 활성을 증가시키는 것 이외에 중요한 역활을 하는 것이 미생물의 발효열에 의하여 발생한 수증기를 효율적으로 장치밖으로 빼내어 수분의 제거를 하는 것이다.

반대로 공기의 배출이 너무 많게 되면 발효열이 상실되어 반응이 진행되지 않게 된다. 이러한 목적으로 공기를 공급하는 장치로서 컴프레셔와 송풍기를 들을 수 있다. 장치에 특성에 따라 공기를 주입하는 방법을 상부주입과 하부주입으로 구분할 수 있고, 반응기의 중앙에 공기를 공급하기도 하며, 표면에서 폐기물과 공기를 접촉시키기도 한다. 컴프레셔를 사용하는 경우는 반응기의 중앙에 주입하여 접촉시키며, 송풍기의 경우에는 표면에서 접촉시킨다. 컴프레셔의 경우에는 하부나 상부에서 공기를 전달하기 위해서는 압력손실을 고려하여 기압을 조절하여야 한다. 공기의 주입에 대한 효율은 컴프레셔에 의한 방법이 효과적이다.

[공기주입에 따른 분류의 방법]

[공기공급의 방법]

상기와 같은 공기의 공급방법이 컴프레셔나 팬에 의한 하나의 방법으로는 원활하게 진행이 안되는 경우가 있다. 컴프레셔를 사용할시에는 물질내부에 공기의 공급은 가능하나 증발되는 수분을 장치밖으로 배출시키는 것은 불가능하다. 가장 이상적인 제어방법은 병용하는 방법이 좋다. 장치의 하부에서 미생물이 이용하는 산소를 불어 넣어주고, 팬에 의하여 증발되는 수분을 제거해주는 것이다.

배출되는 가스의 형태가 어떠한 형태인가에 따라 후단의 악취처리장치가 틀려지게된다. 배출되는 가스는 반드시 점오염원 즉, 어떤 관로를 타고 나오게 만들어야 한다. 이때에 팬을 일반팬으로 사용시에는 배출되는 가스가 관을 타고 흐르는 압이 약하여 제어가 불가능하므로 이때에는 반드시 터보팬이나 링블로워를 사용하여 어느정도의 압력을 가진 가스배출이 필요하다.

4)  폐기물의 혼합장치

폐기물의 혼합을 위한 장치는 기계본체의 구동장치와 반응기내부의 각반장치로 구분할 수 있다. 구동장치의 경우에는 모터에 감속기를 내장하여 체인으로 연결되어 있다. 감속비는 각반자에 받는 부하 및 회전수의 정도에 따라 결정한다. 대부분 장치의 각반자 회전수는 대개 1∼10rpm전후로서 조정되어 있다. 최근 감속비가 적은 모터가 사양에 따라 주문제작이 가능하기 때문에 별도의 감속기와 체인 필요없는 경우도 있다. 모터선정은 음식물쓰레기의 혼합상태에 따라 결정이 되나, 일반적으로 음식물은 점성이 강하므로 기계설계상의 계산보다도 높게 선택해야 한다. 교반자의 역활은 내용물이 적절하게 혼합하는 것이기 때문에 중요한 장치이다. 일반적으로 봉을 사용하는 경우와 판재를 사용하여 각도 혹은 부착위치에 따라 폐기물이 상하좌우로 혼합되게 한다.

5)  통기개량제 및 수분조절의 필요성

가정, 대형음식점, 급식소등에서 발생하는 음식물쓰레기 성상을 분석해보면 다음과 같은 성상을 가진다. 일반적으로 높은 함수율을 보이고 있으며, C/N비가 15∼20정도를보이고 있다. 퇴비화에 있어서 중요한 반응인자로서 수분의 함유량은 미생물이 각종유기물을 분해하는데 최대 60%, 최소 40%정도의 필요하다.

[음식물의 성상분석]                                                        (단위: %)

또한 퇴비화에 있어서 영양분의 균형이 필요한데, 이 영양분의 균형을 탄소와 수소의 비로 표현한다. C/N비는 폐기물의 성상에 따라 차이가 있으나, 일반적으로 20∼30정도가 좋은 것으로 말하고 있다. 수분함유량과 탄소와 질소의 비를 조정하기 위하여 통기개량제가 사용된다. 음식물의 경우에는 수분함량이 비교적 높기 때문에 통기개량제의 양이 많이 사용된다. 이러한 통기개량제를 쉽게 구할 수 없기 때문에 다음과 같은 방법에 의하여 수분을 조정하는 경우가 많이 있다.

천일건조는 일반적으로 자연내에서 태양광선에 의하여 건조시키는 것을 말하고, 가열건조는 열에 의하여 건조시키는 조작을 말한다. 천일건조는 시간적인 제약에서, 건조는 에너지면에서 사용이 자제되고 있으며, 일반적으로 첨가물을 가해서는 조정하는 경우가 많이 있다. 반송퇴비의 반송비를 높여줌으로 해서 수분의 감소와 미생물의 공급이 가능하여, 별도로 수분조절제를 투입하지 않고도 퇴비화 장치를 운전할 수 있다. 그러나 수분조절제 투여가 불가능 할 경우에는 톱밥, 왕겨, 수피 등의 투여에 의하여 수분조절이 필요하며, 이들의 선택은 주위에서 쉽게 구할 수 있느냐에 따라서 결정하여야 한다.

[수분 조정법]

최근 우리나라의 경우에는 축산농가에서 톱밥돈사를 설치하면서 축산폐기물을 처리하고 있는 관계로 톱밥의 사용량이 증가하고 있어 수급에 차질이 있는 정도이다. 톱밥을 제조하는 장치까지 도입되어 필요한 장소에서 폐목을 이용하여 톱밥을 제조하고 있다. 또한 퇴비화에 있어서 톱밥의 종류도 반응속도에 크게 영향을 끼치게 된다. 예를 들면 리그닌이 많이 함유되어 있다면 리그닌이 저해재로 작용할 수 있다. 톱밥의 구입시에도 면밀한 검토를 한 후에 이용해야할 것이다.  최근에는 일본에서 통기개량제에 관한 연구를 하면서 음식물의 분해를 더욱더 촉진이 가능한 톱밥을 개발하는 데 성공을 하여, 실제 퇴비화장치에 많은 응용을 하고 있다. 이것은 톱밥을 특수처리(물리화학적처리)를 하여 제작한 것으로서 보고되고 있다.

도시지역의 대량의 음식물쓰레기 및 유기성폐기물을 처리하기 위해서는 통기개량제로 사용하기 위하여 도시외부에서 물질을 유입해와야한다는 문제점이 있는 것으로 부터 통기개량제의 개발이 필요하다. 통기개량제 수분의 흡수가 용이하면서, 물질의 분해에 관여하는 미생물에 대하여 영향을 미치지 않는 재질로 해야한다.  재질면에서 미생물에 영향을 끼치지 않으면서도 경제성에 대하여 강점을 가지고 있어야 한다. 최근에 가장 많이 사용되고 있는 톱밥의 공급균형이 무너지면서 가격이 상승하는 요인이 보이고 있으나, 아직까지 경제성이 있는 재질중에 하나이다. 톱밥과 비교하여 경제성이 얻어지는 새로운 통기개량제가 개발이 된다면, 퇴비화 및 퇴비화시스템에는 상당한 효과가 기대된다.

[각종 첨가물들의 특징 비교]

6)  탈취장치의 필요성

퇴비화장치의 운전에 있어서 예상되는 2차오염은 악취문제이다. 가정용이나 업소용으로 공급시에 퇴비화장치가 밀집된 도시지역에 위치하므로서 님비현상을 수반할 수 있다. 이를 위해서는 악취를 제거하는 시스템이 필요하다.  퇴비화에서는 발효가 원활하게 진행될수록 악취는 더욱더 심해짐으로 반응중에는 억제하는 것이 곤란하고, 다른 탈취탑의 설치가 필요하다. 퇴비화에 있어서 호기성상태에서는 질소계 악취가 대부분을 차지하며, 혐기성분위기 유지시에는 황화합물계와 저급지방산계의 취기가 발생한다. 이들을 제거하기 위하여 여러가지 탈취시스템과 방법이 검토되고 있으나, 아직까지 확립된 방법이 없어 많은 시도가 되고 있다. 대표적인 예를 보면 다음과 같다.

[탈취장치의 종류]

상기에서 실제적인 응용에 있어서 퇴비화장치와 같은 소규모에서는 생물학적처리장치와 세정탑, 오존산화법을 이용할 수 있다. 특히 최근에 오존발생기의 제작이 쉽고, 염가로 제공된다는 점에 오존발생기를 설치하는 경우도 증가하고 있다. 그러나 실제적인 응용에 있어서는 개별적인 응용에 의해서는 악취를 완벽하게 제거하는 것이 불가능하기 때문에 상기의 여러방법을 복합적으로 사용하는 경우가 많이 있다. 그 응용의 방법이 같다.

[오존 발생기의 설치 및 응용법]

유기성 폐기물의 세부처리조작

6.1 각종 전처리 기술

전처리시설이란 유기성폐기물이 반입되어 1차발효실(주발효시설)로 유입되기 직전까지를 말한다. 슬러지의 경우에는 성상이 일정하고, 단지 수분함량이 75∼80%를 보이는 것으로부터 수분을 60%전후로 조정하기 위한 혼합조만이 필요하게 된다.

반면에 음식물쓰레기의 경우에는 ① 수분함량이 높고, ② 경우에 따라서는 봉투에 담겨져 유입되고, ③ 이물질이 혼입되어 있고, ④ 염분농도가 높게 유입된다는 점에서 전처리에 많은 노우하워가 필요하다. 이러한 것으로 음식물쓰레기를 퇴비화한다는 조건하에서 시설이 계획된다면, 어떠한 유기성폐기물도 대응이 가능하다.

1) 수분함량에 대한 대책

수분함량에 대한 대책으로는 반송퇴비 및 통기개량제의 공급으로 혼합기에 어떻게 균일하게 혼합하느냐에 있으며, 역으로 통기개량제를 어떤 것을 사용하느냐에 기술적인 초점이 맞추어져 있다. 지금까지는 톱밥, 가구등의 파쇄목을 사용해 왔으나, 톱밥은 쉽게 구입이 불가한 점, 가구등의 파쇄목은 페인트성분 및 방식용으로 사용한 각종 방부제가 문제되고 있는 것으로부터 가로수등의 전지목을 수거하여 파쇄후에 사용하는 곳이 증가하고 있다.

2) 파봉 및 선별장치

음식물쓰레기는 대부분 종량제봉투에 투입되어 반입되는 경우가 많은 것으로부터 파봉이 선결되어야 하며, 파봉과 동시에 질의 균일화를 위하여 혼합이 되어야 한다. 최근에 파봉혼합선별 기술이 개발되어 보급되어 있으며, 그 효능이 계속적으로 개선되고 있다. 경기도 시흥시 음식물쓰레기 자원화시설(주식회사 E)에 사용된 파봉 및 파쇄시스템을 [그림 3]에 나타냈으며, 주식회사 H에서 제안한 파봉.파쇄장치를 [그림 4]에 나타냈다.

[그림 3] 경기도 시흥시 자원화시설의 파봉 파쇄시스템

[그림 4] H사에서 제안한 파봉파쇄시스템

3) 염분대책

이전의 각종 규제안에서 서술 된 것과 같이 슬러지에서는 큰 문제가 없으나, 음식물쓰레기의 경우에는 염분이 문제로 되고 있다. 이러한 염분을 제거하여 원료기준으로 최소 0.2%이하로 억제할 필요가 있으며, 퇴비화과정중에 수분의 증발 및 유기물분해에 의하여 농축된다고 해도 최종제품에서 1% 이내로 억제하는 것이 필요하다. 이러한 염분의 제거를 위하여 많은 기술이 제안되고 있으나, 현실적으로 적용이 어려우며, 현재 단계에서는 세척에 의하여 염분을 제거하는 방법이 가장 합리적인 방법이다. 그러나 이러한 세척방법을 사용할 시에는 폐수가 대량으로 발생하여 폐수처리대책이 요구되며, 폐수처리시설이 동시에 설치되어야 한다. 발생되는 폐수가 고농도라는 점에서 폐수처리시설에 많은 투자가 필요하다. 폐수처리설비를 하지 않으면서 염분을 제거하기 위해서는 최근에 진행되고 있는 하수연계처리방법과 같은 개념으로 발생된 폐수를 하수와 연계처리하는 방법이 합리적이다. 이를 위해서는 퇴비화설비도 하수처리장 인근에 설치될 경우에 유리할 수 있다. 하수처리와 연계하면서 세척에 의하여 염분을 제거하면서 퇴비화를 한다는 전제조건에서 전처리방법으로 제안할 수 있는 시스템이 [그림 5]와 같은 습식선별시스템이다.

[그림 5] H사에서 제안한 습식선별 시스템

주발효시설

주발효시설은 퇴비화설비에 있어서 심장부와 같은 것으로 많은 시스템이 소개되고 있다. 주발효시설은 뒤집기장치와 공기의 공급방법에 따라 차별화될 수 있다.

1) 뒤집기 장치에 따른 구분

현재까지 우리나라에 공급되어진 호기성비화장치는 크게 분류하면, 에스컬레이터식, 다단회전원통식, 패들회전식, 회전로터리식, BOX, 칸막이식으로 구분이 가능하다. 지금까지 가장 많이 보급되어 있는 순으로 하면 에스컬레이터식> 횡형패들회전식> 회전로터리식 > 칸막이식> BOX식> 다단회전원통식으로 구분이 가능하다. 각각은 장단점을 안고 있으며, 특히 유기성폐기물의 성상에 따라 뒤집기장치의 선정에 신중을 기하여야 한다. 이들 주발효시스템에 따라 개방(Open)식과 밀폐(Close)식으로 구분이되며 에스컬레이터식, 횡형패들식, 회저로터리식, 칸막이식등은 개방식으로 구분이 되며, BOX형, 다단회전원통식은 밀폐식으로 구분이 가능하다. 개방식은 부하의 증가에 대하여 대응이 가능하나, 상대적으로 공기량이 많이 요구되며 악취제어가 곤란하며, 밀폐식의 경우에는 부하증가에 대한 대응이 어려운 반면에 공기요구량이 적고, 악취를 점오염원으로 처리하여 2차오염을 방지할 수 있다.

[사진 1] 에스컬레이터식 주발효시스템

[사진 2] BOX형의 주발효시스템

[사진 3] 회전 로터리식 주발효시스템

[사진 4] 횡형패들식 주발효시스템

[사진 5] 다단회전원통식 주발효시스템

2) 공기공급(산기)시스템

처리시스템에 따라 공기공급방법에 많은 차이점이 있으며, 개방식은 외부송입식을 밀폐식의 경우에는 출구흡입식을 채용하는 경향이 있다. 가장 이상적인 방법은 발효조내부에 퇴비화에 필요한 공기량을 공급하면서 공급되는 공기에 의하여 증기로 증발되는 수분제거를 최대로 하면서 악취제어를 위하여 점오염원으로 형태로 확산되지 않는 상태에서 내부공기를 배출시키는 것이다. 이러한 조건을 충족시키기 위해서는 밀폐식이 가장 적당하다. 개방식의 경우에도 부분적으로 밀폐하여 공기량을 최소로 하면서 악취를 제어하는 시스템으로 방법을 강구할 필요가 있다.

6.4 후숙시설

후숙시설의 목적은 1차발효과정에 미분해된 유기물을 분해시켜 안정화 시킴과 동시에 퇴비내에 잔존하는 각종 취기를 제어하는 목적이다. 통상적으로 1차발효과 원활하게 수행되었다면, 내부온도가 40℃이하로 유지되면서 유기물의 안정화가 일어난다. 통상적으로 야적의 개념으로 저장하며, 때에 따라서는 바닥에 주발효시설보다 훨씬적으로 산소를 공급하여 안정화속도를 촉진시킨다. [그림 12]에 후숙시설의 전형적인 예를 나타냈다. 이 시설의 경우에는 주위에 민가등이 없어 개방식으로 설치했으나, 주위에 민원발생의 소지가 있을 경우에는 내부에 설치해야 한다.

[사진 6] 후숙시설의 예

6.5 2차오염방지시스템

퇴비화에 있어서 2차오염은 악취가 1순위이며, 다음이 시설에 따라서 염분제거 등을 위하여 세정을 실시할 경우에는 폐수처리설비가 필요하다. 세척설비가 없는 시설에서 발생되는 폐수는 대부분 주발효시설에 살수하여 수분조정용으로 사용하여 무배출시스템의 구현이 가능하다.

가장 민원의 소지가 있는 것이 악취문제이며, 현재까지 시설된 대부분의 퇴비화설비는 [그림 13]과 생물탈취법으로 바이오필터법(토양탈취법)을 채용하고 있다. 이러한 바이오필터법도 그림과 같은 개방식과 탑형으로 만들어진 밀폐식으로 구분이 된다. 일반적으로 관리가 용이하다는 점에서 가방식을 많이 사용하고 있다. 이 시설의 경우에는 저농도악취에 대하여 효과가 뛰어나며, 저농도로 배출되는 곳에서는 문제가 없이 운영되고 있으나, 고농도일 경우에는 별도의 시스템이 필요하게 된다. 가장 이상적인 탈취방법은 저농도와 고농도를 분류하여 고농도악취는 습식약액세정법 혹은 별도의 처리방법으로 저농도화시켜, 저농도악취와 혼합하여 최종처리하여 배출하는 것이 이상적이다.

[사진 7] 바이오필터(Bio filter)법에 의한 악취처리시스템

[사진 8] 습식약액세정법에 의한 악취처리

7. 맺음말

21세기는 자원순환사회라고 말하고 있으며, 생태계에 대한 영향을 최소화하면서, 자원을 적절하게 분배사용하기 위해서는 자원화가 필수적인 과제이다. 선진외국도 생활쓰레기에 대해서는 직매립을 금지하고, 소각을 금지한다는 장래 정책목표를 수립하고 있으며, 이를 위하여 발생억제를 위한 각종 제도의 개발이 이루어지고 있으며, 발생된 후에 감량화 및 자원화하는 기술 및 시스템의 개발에 노력을 기울이고 있다.

우리나라의 상황은 외국과 많은 차이가 있으나, 90년대 초기에 매립지가 문제가 되어 2003년 7월부터 슬러지, 2005년도1월부터는 음식물쓰레기의 직매립을 금지하는 사항을 폐기물관리법에 명시하고 있는 실정이다. 이러한 배경하에서 유기성폐기물의 자원화기술에 대한 관심이 증가하고 있으며, 다양한 자원화시스템이 기술개발되어 보급되고 있다.

21세기의 자원순환체제구축을 위해서 선진국에서는 기본구상을 하고 있으며, 기본 구상에 따라 산학연이 각종 제도 및 기술개발에 총력을 기울이고 있다. 최근에 첨단환경산업을 리드하는 환경관련 기업들은 자원순환사회와 Zero emission을 표방하여 브로셔를 제작하고 기술적 우위를 점하기 위하여 노력하고 있다.

자원의 유한성에 대비하여 세계각국은 소각과 매립을 점진적으로 지양한다는 정책을 가지고 있는 것으로부터 폐기물중에 종이, 고분자화학물질 및 무기성물질(유리, 도자기, 금속류)은 발생억제 및 분리수거에 의하여 제어가 가능하나, 음식물쓰레기와 슬러지등은 발생억제에 한계가 있으며, 반드시 처리과정을 거쳐 감량화시켜야 하며, 가장 좋은 수단이 다시 자연계로 환원시키는 자원화가 필수적이다. 자원화수단으로 귀결되는 퇴비화시스템이다.

최근에 매립대신에 퇴비화시스템을 두어 생활폐기물을 자원화시켜 무배출시스템을 구현하고자 하는 연구가 시작되었다. 즉 생활폐기물중의 유가물은 기계적, 인적자원에 의하여 분별수거하여 재사용하고, 최종적으로 잔존하는 유기성폐기물을 퇴비화에 의하여 생물학적으로 분해시켜 안정화시킨 후에 농지로 환원이 가능한 것은 순환시키고, 불가능한 것은 최종적으로 매립을 하자는 시도이다. 퇴비화과정중에 유기물이 안정화되어 최종매립되어도 2차오염이 발생하지 않으며, 매립지안정화가 필요없게 된다. 이러한 시도는 "퇴비화에 의한 폐기물의 매립전처리 겸 영구매립시스템"으로 명칭되어 활발하게 연구가 이루어지고 있다. 일부의 연구에 의하면 퇴비화과정을 거치면 1/10정도의 감량화와 동시에 매립지내의 침출수에 영향을 거의 주지 않는 거으로 보고 하고 있다. 21세기에는 매립시스템이 퇴비화시스템으로 변화할 것이다.

[퇴비화 그림 모음]

1) 혼합기                            2) 미생물발효

3) 발효조 뒤집기 장치                     4) 포장기