원저 83 ORIGINAL PAPER 원저 삼중염을이용한음식물쓰레기퇴비중염분제거및공정효율화실험 서울보건대학환경관리과, 장우경화학 * (2006 년 5 월 8 일접수, 2006 년 6 월 14 일채택 ) The experiment of process efficiency and salt elimination in food waste compost using triple salt Nam-Cheon Kim, Byung-Man Jang* Department of environment science and technology Seoul Health College, Chang Woo Kyung Chemial Co.* The NaCl contents of food waste composts made by various techniques known up to now were under the level of 1% by fresh weight basis. But these techniques has some problem that is environment pollution from treated water and high equipment cost. The application to agricultural land of food waste compost that is not sufficiently removed NaCl was considered to be improper due to salt accumulation in soils and plant growth inhibition by salt stress. The purpose of this study is to decompose NaCl in food waste compost using triple salt and this method is differ from existing chemical method. Also, reaction of NaCl with triple salt produced KCl that is basic material of potassium fertilizer. Moreover Also, there was temperature rise of average 5 as result that apply triple salt in food waste 600 ton in food wast composting productive capacity. Obvious odious smell reduction effect appeared pretreatment process and fermentation process with temperature rise and this is because triple salt activation of aerobe and removes odious smell cause material by salt content decrease effectively. Keywords : Food waste compost, NaCl, KCl, Triple salt, Temperature rise 음식물쓰레기로만든퇴비중의염분함량을 1% 이하로조절하기위해지금까지여러가지방법이개발되 Corresponding author(ppm@shjc.ac.kr)
84 되었다. 그러나이런방법들은침출수과다로인한환경오염또는높은설치비등의문제를가지고있어실용화에어려움이있다. 염분이충분히제거되지않은음식물쓰레기로만든퇴비를농지에사용할경우염해로인한식물의성장장애및염류축적이일어날수있다. 본연구는음식물쓰레기퇴비에함유된염분을 KHSO5, KHSO4, K2SO4 로구성된삼중염을이용하여분해하는방법이며기존화학적처리방법과달리염분을분해하여칼륨비료의원료인 KCl 로전환시켰다. 또한음식물쓰레기퇴비화발효설비에서음식물쓰레기 600톤에삼중염을적용해본결과발효시의온도가평균 5 가상승되었다. 온도상승과함께전처리공정및발효공정에서현저한악취저감효과가나타났으며이는삼중염으로인한염분함량감소로호기성균의활성화및악취원인물질을효과적으로제거하기때문이다. 핵심용어 : 음식물쓰레기퇴비, NaCl, KCl, 삼중염, 온도상승 2004년기준우리나라음식물쓰레기발생량은 11,463톤 / 일로전체생활폐기물의 23% 에이르며처리금액은 15조원에이른다 1). 처리방법은현재매립이 14.0%, 소각 4.7%, 재활용이 81.3% 를차지하고있다 1). 음식물쓰레기의재활용방법으로는 2002년기준사료화 52%, 퇴비화 43.5%, 메탄화및기타가 4.4% 를차지하고있다. 사료화는구제역파동이후급격히줄어들고있고, 메탄화도관련기술이미흡한상황이라향후퇴비화의처리비율이크게증가할것으로예측된다 2). 퇴비화는 유기물이미생물에의하여분해되어안정화되는과정이며그최종물질은환경에영향을주지않아야하고, 토양에사용할수있어야하며, 저장하기에충분한부식토상태의물질로변화시키는생화학적공정또는고체폐기물의유기성분을인위적으로만든조건하에서연속적으로생물학적처리를하는것 이라고정의한다. 따라서퇴비화의정의에는농업적이용을위한퇴비뿐만아니라폐기물처리차원의퇴비화도포함하고있다. 이와같이퇴비화는쓰레기처리와양질의농자재확보두가지목적을포함하고있다 3). 음식물쓰레기는농산물을가공하여이용한후에발생되는폐기물이기때문에주성분과함량은일반퇴비원료와차이가없다 4). 그럼에도음식물쓰 레기를퇴비화하여양질의비료를생산하는데있어서가장큰문제가되는것은염분으로서, 이는한국인의음식문화특성상소금, 간장, 된장, 고추장등과같은각종장류및젓갈류의사용이빈번하기때문이며음식물쓰레기의발생원및식염은계절에따라차이가있을수있으나염분의함량은평균 3.45% 의함량을보였다 5). 음식물쓰레기로만든퇴비의경우염분이작물의성장에영향을미쳐보급에중요한걸림돌이되어왔다. 현재우리나라음식물쓰레기퇴비화시설의공통된문제점은생산단계의악취문제와시비단계에서염분문제이다. 음식물쓰레기를이용하여퇴비를만드는과정에서염분을제거하기위한기존기술은물을이용한세척법, 기계장치를이용한압착법, 화학적처리법, 전기분해법등이있다 6). 물을이용한세척법의경우, 많은양의물을사용하게되므로세척수로인한 2차오염및하수처리장과연계하여건설해야하는문제가있으며, 특히몬트리올 protocol에의해우리나라도 2006년부터음식물침출수에대한해양투기에엄격한규제가가해지고있는실정이다. 기계장치를이용한압착법은음식물중에함유된수분을기계적방법으로제거함으로써탈리액과함께염분을제거하는방법으로일정부분음식물쓰레기에함유된염분을제거할수있으나최종퇴비제품에서건조등에의한농축효과로인해서만족할만한제거효과를기대할수없다.
원저 85 전기분해법은음식물쓰레기를전기분해하여염분을제거하는방법이지만유해한염소가스가발생하고처리비용및시설비가많이드는단점을가지고있다. 화학적인방법의경우생석회 (CaO) 를이용하여염분을제거하는방법이알려져있는데생석회의경우물과높은열을내며반응하여수산화칼슘으로된다. 이것을소화 (slaking) 라고한다. CaO+H 2O=Ca(OH) 2+15.2kcal 소석회는염소를흡수해서차아염소산칼슘을만들수있으며소금과반응하여염화칼슘과수산화나트륨으로분해될수있는문제점을가지고있다. 이와같이음식물쓰레기로만든퇴비중에염분제거방법은여러가지방법이제안되었지만실제적용에는많은문제점을가지고있었다. 본연구에서는 KHSO 5 를주성분으로하는삼중염 (Triple salt) 을이용하여실험실적규모를벗어나실제생산현장에적용하여염분분해효율및온도변화거동과생산효율의증가정도를측정하고음식물쓰레기퇴비중에염분을효율적으로제거할수있는방법을제시하고자한다. 본실험에사용된삼중염 (Triple salt) 은 Shangyu Jiehua Chemical Co., Ltd.( 중국 ) 의제 품을사용하였으며삼중염은각성분의함량은 KHSO 5 43%, KHSO 4 23%K 2SO 4 32% 였다. 음식물퇴비중염분제거및생산성실험은경기도소재 B사에서실시하였으며실험에사용된음식물쓰레기는총 600톤이었다. XRD 검량선작성을위해사용된 NaCl, KCl 은 Junsei( 일본 ) 의 1급시약을사용하였다. 음식물쓰레기에대해삼중염을 0.5wt% 비율로적용하였으며실험에사용된삼중염은용해장치에서 25% 용액으로제조한후사용하였다. 제조된용액은고압분사기를사용하여음식물쓰레기에도포하였다. 작업장은, 와같다. 음식물퇴비에함유된염분의양을측정하기위해음식물퇴비를회화한후염분양을측정하였다. 먼저 200g의음식물퇴비를계량한후 105 오븐에서 5시간동안건조하여시료중함유된수분의양을측정하였고시료를도가니에옮겨서전기로에넣은후 600 에서 2시간동안회화하였다. 얻어진잔유물중물에대한가용성성분을 200 ml물을이용하여추출하였으며, 추출된용액을감압증발하여무기물만을얻을수있었다. 얻어진무기물은 105 로조절된오븐에서 2시간동안건조한후 XRD 로분석하였다.
86 XRD 를사용하여음식물퇴비에함유된 NaCl 및 KCl 의함량을분석하기위해검량선을작성하였다. 검량선을작성하기위해표준품 NaCl 및 KCl 을각각 ball mill 을이용하여분쇄한후 200mesh 표준체로균일한입도를얻었다. 얻어진표준품 NaCl, KCl 의농도를달리하면서 XRD 를측정, 검량선을작성하였다. 의작업자및관리자가관능실험을실시하였으며삼중염적용전, 후의악취정도를 0부터 5까지표시된것중하나를선택하게하였다. 각각의악취측정장소에서작업자별로 3회관능측정을하였으며측정된결과를평균하여사용하였다. 음식물쓰레기에대해삼중염을 0.5wt% 비율로적용한후전처리및발효공정설비에서발생하는악취변화를측정하고자하였다. 음식물쓰레기처리공정중발생하는악취의원인물질및이원인물질이삼중염에의해분해되는메커니즘을에나타내었다. 악취의실험은기기를이용한분석이아닌 10명 표준품 NaCl, KCl 의농도를달리하면서 XRD 를측정하였으며 NaCl, KCl 이측정된 XRD spectrum은과같다. XRD 분석결과음식물퇴비에함유된 NaCl 과 KCl 양및 NaCl 의 KCl 로의전환율은와같다. 위의에서와같이음식물퇴비에대하 Odious small Chemical reaction 1 Ammonia (NH 3) 2NH 3 + 3KHSO 5 N 2+3KHSO 4+3H 2O 2 Trimethylamine ((CH 3) 3N) (CH 3) 3N + KHSO 5 (CH 3) 3NO + KHSO 4 3 Hydrogensulfide (H 2S) H 2S+KHSO 5 S+KHSO 4+H 2O 4 Methylmercaptan (CH 3SH) 2CH 3SH + 6KHSO 5 2CH 3SO 3+6KHSO 4+H 2 5 Dimethylsulfide ((CH 3) 2S) (CH 3) 2S + 3KHSO 5 (CH 3) 2SO 3+3KHSO 4 6 Dimethyldisulfide ((CH 3) 2S 2) (CH 3) 2S 2 + 2KHSO 5 (CH 3) 2S2O 2+2KHSO 4
원저 87 Division NaCl Content(wt%) KCl Content(wt%) Conversion rate(%) Sample 1 46.4 30.1 39.35 Sample 2 38.5 29.2 43.13 여무게비로 0.5wt% 의삼중염을사용한경우 41.24% 의 NaCl 이 KCl 로전환되었다. 삼중염적용전, 후의온도변화를측정하기위해 발효장전단부터후단까지 2m 간격으로동일한지 점에서삼중염적용전, 후의온도변화를측정하였 다. 삼중염적용전, 후의온도변화에따른발효조 상황을발효장전단은, 에나타 내었고, 발효장후단은, 에나타
88 내었다. 측정결과삼중염적용전과비교하여삼중염을적용한후평균 5 의온도상승이관찰되었으며온도측정결과는과같다. 또한실제라인에삼중염 0.5% 를투여한후생산성효율화시험결과, 기존 14 13일공정에서 10 11일만에발효가완료되었으며생산효율이약 22 24% 정도향상되어생산성이증대되었다. 음식물쓰레기에대해삼중염을 0.5wt% 비율로 적용한후전처리및발효공정설비에서발생하는악취변화를관능검사를통하여측정하였다. 악취를판단하기위한악취정도를에나타내었으며 10명의작업자및관리자가수행한관능실험결과는에나타내었다. 와같이삼중염투입전과비교하였을때전처리공정과발효공정에서악취저감효과가있는것을알수있었으며이는삼중염의유효성분인 KHSO 5 가악취원인물질을분해하였기때문에나타난결과로판단할수있다. Odor intensity Odor sensor 설명 0 무취 (none) 상대적인무취로아무냄새도감지하지못하는상태 1 감지취기 (threshold) 무슨냄새인지는알수없으나냄새를느낄수있는정도의상태 2 보통취기 (moderate) 무슨냄새인지알수있는정도의상태 3 4 5 강한취기 (strong) 극심한취기 (very strong) 참기어려운취기 (over strong) 쉽게감지할수있는정도의강한냄새 ( 병원특유의크레졸냄새정도의상태 ) 아주강한냄새 ( 여름철에재래식화장실에서나는심한정도의상태 ) 견디기어려운강렬한냄새로서호흡이정지될것같이느껴지는정도의상태
원저 89 Odor intensity 0 1 2 3 4 5 * Triple salt Odor sensor 무취 (none) 감지취기 (threshold) 보통취기 (moderate) 강한취기 (strong) 극심한취기 (very strong) 참기어려운취기 (over strong) Pretreatment process Fermentation process add-before add-after add-before add-after 3 8 6 5 2 3 4 2 7 본연구는음식물쓰레기퇴비중함유된염분을효과적으로제거하기위한방법을현장적용실험을통하여연구한결과다음과같은결론을얻었다. KHSO 5 43%, KHSO 4 23%K 2SO 4 32% 로구성된삼중염을물에용해하여음식물퇴비와반응시킨결과 NaCl 이칼륨비료의원료인 KCl 로전환됨을 XRD 분석을통해확인할수있었고, NaCl 이삼중염과반응하여 KCl 전환율은삼중염을음식물퇴비대비중량비로 41.24% 전환되었다. 실제생산현장에서음식물쓰레기에삼중염을 0.5wt% 투입한결과발효장의온도변화는삼중염을투입하기전과비교하여평균 5 의온도상승이관찰되었으며, 이러한온도상승은염분제거로인해호기성균이활성화되어나타난것으로판단되며실제퇴비생산속도도기존 14 13일공정에서 10 11일만에발효가완료되었으며생산효율이약 22 24% 정도향상되어생산성이증대되었다. 또한음식물쓰레기악취의원인물질인 mercaptane 류는삼중염의유효성분인 KHSO5 가효괴적으로분해하였기때문에삼중염적용전, 후를비교해보았을때전처리공정과발효공정에서악취저감효과가있는것을알수있었다. 이러한결과를바탕으로삼중염을사용하여음식 물퇴비중에함유된염분을제거할경우기존화학적처리법에서나타나는유해한물질이발생하지않을뿐아니라식물생장에도움이되는 KCl 이생성되므로음식물퇴비에함유된염분을효과적으로제거할수있는방법이라고판단된다. 또한염분제거와함께염분제거로인한호기성균의활성화와음식물쓰레기처리공정에있어많은민원을야기하는악취를효율적으로제거할수있어생산성향상및퇴비화생산공정의악취저감에대한하나의대안이될것으로기대된다. 1. 한국폐기물학회, 폐기물처리및관리기술개발전략수립에관한연구, p. 22 (2006). 2. 국립환경연구원, 유기성폐기물종합관리기술구축, p. 359 (2004. 5) 3. 정광용, " 유기성폐자원비료화방안 ", 21세기를향한비료개발과정책방향심포지엄, 한국토양비료학회, pp. 48~90 (1995) 4. 농촌진흥청, " 음식물쓰레기퇴비화기술개발 ", p. 5 (1999). 5. 정국례, " 서울시내대중식사중식염함량에대한조사연구 " 한국식품과학회지. 19(6), pp. 475~479 (1987).
90 6. Flowers, T. J. and Lauchi, A. "Sodium versus Potassium : Substitution and compartmentation", In 'Encyclopedia of Plant Physiology, New Series', Springer-Verlag, Berlin., Vol. 15B, pp. 651~681 (1983).