Bio-drying 공법을 이용한 음식물류 폐기물 분해 특성 평가 및 고형연료로서의 가치 평가
정철진, 박세용, 오두영, 장은석, 송형운✝
고등기술연구원 플랜트엔지니어링 본부
Estimation of Characteristics Treatment for Food Waste and Valuable as Solid Refuse Fuel (SRF) using Bio-drying Process
Cheoljin Jeong, Seyong Park, Dooyoung Oh, Eun-Suk Jang, Hyoungwoon Song
†Plant engineering center, Institute for Advanced Engineering
(Received: Dec. 21, 2016 / Revised: Jan. 25, 2017 / Accepted: Jan. 26, 2017)
ABSTRACT: In this study, water and organic treatment efficiency and operating characteristics (temperature, salinity effect) were evaluated when food waste with high water content was treated by Bio-dying method.
In addition, the optimum conditions for producing pellets for evaluating the decomposition products as SRF(Solid Refuse Fuel) after Bio-drying and evaluating the use value of SRF as a solid fuel were analyzed.
As a result, the temperature, CO
2concentration, organic matter removal rate and weight reduction rate according to the daily dose were about 86% and 68% at the input of 2.4 kg/day. The optimal food waste input was estimated to be 2.4 kg/day. As a result of the pellet molding and produce, Pellets can be produced within 10∼25% of raw material water content. It was judged that the water content of 25%, which showed the best quality results in terms of external shape maintenance and strength. The high calorific value of SRF of decomposition products after Bio-drying was more than 3,500 kcal/kg.
Keywords: Food waste, Bio-drying, Solid refuse fuel (SRF), Calorific, Operating characteristics
초 록: 본 연구에서는, 높은 함수율을 가진 음식물류 폐기물을 Bio-dying 공법을 이용하여 처리하였을 때 수분 과 유기물의 변화정도를 분석하였으며 음식물류 폐기물 처리 시 온도와 염도가 Bio-dying 공법의 운전특성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, Bio-drying 후 분해산물의 SRF(Solid Refuse Fuel)로서의 가치 평가를 위한 펠렛 제조의 최적조건 도출 및 SRF의 발열량 분석을 통한 고형연료로서의 가치를 평가하였다. 그 결과, 1일 투 입량에 따른 온도, CO
2농도, 유기물 제거율과 무게 감소율 값을 분석하였다. 유기물 제거율과 무게 감소율은 투입량 2.4 kg/day에서 각각 86%, 68%로 최대값을 나타내었다. 이를 통해 최적 음식물류 폐기물 투입량은 2.4 kg/day라 판단되었다. 펠렛 성형 결과, 원료 함수율이 10∼25% 이내에서 펠렛 제조가 가능하고, 외형유지와 강도면에서 가장 좋은 품질결과를 보여준 함수율 25%가 가장 적합하다고 판단되었다. Bio-drying 후 분해산물 의 SRF 고위발열량은 3,500 kcal/kg 이상의 값을 나타내었다.
주제어: 음식물류 폐기물, Bio-drying, 고형연료, 발열량, 운전 특성
1. 서 론
국내 유기성 폐기물의 해양배출 금지에 따라 음 식물류 폐기물의 처리 및 자원화 이슈는 2014년도 사회 현안문제 해결을 위한 10대 다부처 과제로 선 정될 정도로 중요한 국가적 현안문제로 대두되고 있다
1). 국내 음식물류 폐기물은 수분함량과 유기물 함량이 80% 이상으로 매우 높고, 염도가 높아서 수 거 및 운송과정에서 쉽게 부패하여 악취 및 침출수 발생 등의 심미적 악영향으로 주거단지 내의 쾌적 성 저해요인으로 작용하고 있다
2). 그러므로 발생원 에서부터 원천적으로 음식물류 폐기물의 적정처리 에 대한 효과적 기술개발의 필요성이 증대되고 있 으며, 공동주택에서 발생하는 음식물류 폐기물은 발생량과 성상이 거의 일정하여 생물학적 처리 후 활용이 용이하여 유용한 에너지 자원으로 기대되고 있다. 또한, 국내⋅외 폐기물 처리 및 자원화 시설 들은 감량화/자원화 방식으로 주로 대형⋅집중형 형태로 운영되고 있으며 기술적·사회적·경제적으로 다양한 한계를 내포하고 있다
3). 음식물 총량제 추 진 등 다양한 정책이 추진되고 있으나 자원순환 인 식과 실천부족으로 효과는 미미한 수준이다. 따라 서 정부차원의 소규모·지역밀착형 유기성 폐기물 처리시설 및 주민 주도 운영을 통한 문제해결 노력 이 필요하다. 전체 생활폐기물 중에서 음식물류 폐 기물은 약 20% 전후로 나타났으며, 2004년도에 22.0%까지 감소하였지만, 음식물류 폐기물과 같은 유기성 폐자원은 잠재적 에너지가 크기 때문에 안 정적인 친환경 처리와 동시에 에너지로 활용하기 위한 기술개발이 필요하다
1,4-5). 국내 음식물류 폐 기물 처리기술은 발효, 소멸, 건조, 탈수, 바이오가 스, 고형연료화 등이 있으나, 단편적인 현장적용에 그쳐 실용화가 저조한 실정이다
6). 특히, 음식물류 폐기물의 처리를 통한 에너지 생산방법으로 바이오 가스화 기술이 각광받고 있으나, 국내의 경우 신⋅
재생에너지에 대한 관심 미흡, 정책적 지원 및 인센 티브의 부재, 기술적인 운전 및 운영문제 등으로 국 내 정착에는 미흡하다는 평가를 받고 있다
7,22).
Bio-drying 공법은 최근 발전하고 있는 생물학적 공법의 일종으로 음식물류 폐기물에 대한 호기성 미
생물의 분해열을 이용하여 음식물류 폐기물을 건조하 는 기술로서 Bio-drying 분해산물을 고형연료인 SRF(Solid Refuse Fuel)의 제조에 사용할 수 있는 장점이 있다
8). 또한, 음식물류 폐기물 내 수분을 80%
이상 제거하여 음식물류 폐기물의 점착성을 줄이고 후단공정의 선별효율을 높여 음식물류 폐기물의 Bio-dying 후 SRF 품질 및 생산수율의 증대가 가능 하며, 발열량이 보존될 수 있는 장점이 있다
9-10). Kanning and Ketelsen (2013)에 의하면 약 90%
이상의 함수율을 가진 음식물류 폐기물을 처리할 때 건식혐기성 소화 또는 Bio-drying이 적용된 Mechanical Biological Treatment (MBT)가 가장 적합하다고 했으나
11), 건식 혐기성 소화의 경우 Bio-drying 공법에 비해 숙련된 기술이 요구될 뿐만 아니라, 운전 기간이 약 2~3배 가량 소요된다는 단 점이 있어
9)Bio-drying 공법을 적용한 SRF 생산 및 에너지 회수기술이 더 바람직한 방법이라 판단된다.
이에 본 연구에서는, 높은 함수율을 가진 음식물 류 폐기물을 Bio-dying 공법을 이용하여 처리하였 을 때 수분, 유기물 처리효율 및 운전특성(온도, 염 도 영향)을 평가하였다. 또한, Bio-drying 후 분해 산물의 SRF로서의 가치 평가를 위한 펠렛 제조의 최적 조건 도출 및 SRF의 발열량 분석을 통한 고형 연료로서의 가치를 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1. 실험 장치 및 재료
2.1.1. 실험장치
Bio-drying 공법을 이용한 음식물류 폐기물 처
리효율 평가를 위해 [Fig. 1]과 같이 처리용량 10
kg/day 급 lab scale 반응기를 설계⋅제작하여 운
전하였다. 제작된 장치는 반응부, 모니터링 및 제어
부로 구성되었으며, 반응부에는 반응기 내부의 온도
및 습도 모니터링을 위한 센서류가 부착되어 있으
며, 반응기는 기밀성을 높이고자 하였고 원료 투입
시 오픈될 수 있는 형태로 제작 되었다. 모니터링
및 제어부는 센서류와 PLC를 통해 데이터를 수집,
Fig. 1. Schematic diagram of lab scale aerobic composting process.
Parameter Design specifications
Capacity 10 kg/day
Reactor size Stainless steel(400W×800L×300H)
Agitator
1 ~ 15 rpm
Forward and reverse Possible time setting
Load cell Max 300 kg (Measurement unit 0.1kg) Gas sensor O2: 0 ~ 30% (Electro-chemical method)
CO2: 0 ~ 50,000 ppm (NDIR, Semiconductor method)
Main configuration in reactor
Temperature measurement under 1 point upper 1 point Hydrometer: 0 ~ 95% RH
Pressure gauge -0.1 MPa ~ 2 MPa
Heater: Bottom of the reactor installation, possible heating to setting temperature
Integrated power meter
Control and data stored using notebook
Table 1. Monitoring System in Lab Scale Aerobic Composting System 저장하고 모든 구동부의 모니터링과 제어를 담당
한다.
[Table 1]은 Lab scale Bio-drying 장치의 설계 사양을 나타낸 것이다. 반응기 형태는 현재 Bio-drying 공법을 이용한 토지주택연구원(LHI)의 상용화 장치를 scale down 한 것으로 발효조는 폭 400mm × 길이 800mm × 높이 300mm 크기로 구 성하였다.
2.1.2. 실험재료
[Table 2]는 본 연구에 사용된 음식물류 폐기물,
바이오칩(wood chip)에 대한 물리⋅화학적 특성을 나타낸 표이다. 수분함량은 음식물류 폐기물 81%, 바이오칩 36% 정도였으며, 음식물류 폐기물의 NaCl 농도는 평균 8% 정도였다. 음식물류 폐기물 의 원소분석 결과를 토대로 식 (1)을 이용하여 CO
2발생량 및 CO
2농도를 계산한 결과 음식물류 폐기
물 1 mol/day 분해 시 발생되는 CO
2양은 78.85 L
CO
2/day, CO
2발생 농도는 약 16% 로 계산되었으
며, 이론적 필요공기량은 0.43 m
3/mol (at 12 ℃)
으로 계산되었다. 또한, 음식물류 폐기물의 고위 발
열량은 3,637 kcal/kg으로 일반적인 음식물류 폐기
Items Food waste Wood chip
Moisture content 81.6±5.3 36.1±9.7
Proximate analysis (wt%, on dry basis)
Volatile matter 75.20 48.87
Fixed Carbon 20.78 7.93
Ash 3.92 0.22
TS 20.4±5.3 63.0±9.7
VS 17.1±3.7 45.1±6.9
NaCl 8.2±3.7 -
T-N 2.9±1.3 5.0
Ultimate analysis (wt%, on dry basis)
Carbon 42.3 51.6
Hydrogen 6.0 7.5
Oxygen 33.9 30.9
Nitrogen 1.3 3.8
Sulphur 0.4 0.6
Low heating value (kcal/kg) 3,637 4,566
Table 2. Characteristics of Food Waste and Wood Chip (Dry Basis) (Average±Standard Deviation)
물 고위발열량 값과 비슷한 결과를 보였다
12).
C
aH
bO
cN
d+ (4a+b-2c-3d)/4 O
2= aCO
2+ (b-3d)/2 H
2O + dNH
3··· (1) 여기서, a, b, c, d는 원소분석 결과 시료 구성원 소의 mol 수
2.2. Bio-drying 실험방법 및 분석
Bio-drying 이용한 음식물류 폐기물 발효 시 온도, CO
2, 수분함량, 유기물 함량 변화에 대한 평가를 위해 처리용량 10 kg/day 급 lab scale 반응 기를 운전⋅평가하였다. 반응기 처리용량은 10 kg/day지만 본 실험에서는 음식물류 폐기물 투입 량 1.5~3.3 kg/day로 연속적으로 투입하여 처리량 을 늘려가는 방식으로 실험을 진행하였다. 음식물 류 폐기물 투입량은 1.5 kg/day, 2.4 kg/day, 3.3 kg/day로 1일 3회로 매 8시간마다 나누어 투입하 였으며, CO
2농도 및 반응기 온도가 안정화 되었다 고 판단되었을 때 음식물류 폐기물 투입량을 증가 시켰다. 음식물류 폐기물:바이오칩 혼합무게 비율 은 1:2로 통기개량제인 바이오칩은 초기 음식물류 폐기물 비율에 맞추어 투입되었다. 인위적인 승온 없이 미생물 자체발열을 이용하였으며 산기관은 반 응기 중간지점에 6개가 설치되었다. 호기성 처리를 위한 반응기내 공기 주입은 25 L/min 조건으로 진 공펌프를 이용한 압인송풍 방식으로 공급되었다.
교반은 3rpm으로 1분간 작동하고 2분간 정지하는
방식으로 진행 되었다. 분석을 위한 시료채취는 음 식물류 폐기물과 바이오칩 교반 시 채취하였으며, 온도 측정은 반응기 하부에 한 지점, 반응기 중부에 한 지점 설치하여 실시간 측정하였다. CO2 측정은 발효조 상층부에서 반도체 방식의 Non-dispersive infrared adsorption (NDIR) 센서를 설치하여 실 시간으로 측정하였다. Adenosine triphosphate (ATP) 분석을 위해 시료 1 g에 1% 황산 10 g을 혼 합한 후 5분 동안 Vortex Mixer로 섞어 주고 30분 동안 침전시킨 후 상등액을 이용하여 분석 Kit(MERCK HY-Lite2)와 Liquid Chromatograph(HPLC TL9100) 로 분석하였다. 시료 pH는 현탁액을 만들어 이 상 등액을 이용하여 측정하였다. 수분 및 고형물 중 유 기물 분석은 다음 식과 같이 계산하였다
13).
수분(%) =
× 100 ··· (2) 고형물(%) =
× 100 ··· (3) 강열감량(%) =
× 100 ··· (4) 휘발성고형물(%) = 강열감량(%) - 수분(%) ··· (5)
유기물함량(%) = 휘발성고형물
고형물 × 100 ··· (6)
Fig. 2. Extruder for pellet molding and produce.
여기서,
W
1: 증발접시를 105～110 ℃에서 1시간 건조 후 무게 측정
W
2: W
1에 시료를 취하여 증발 접시와 시료 무게 측정
W
3: W2 에 25% 질산암모늄 용액으로 시료 적 신 후 가열하여 탄화시켜 무게 측정
2.3 펠렛 제조 및 분석
펠렛 제조는 자체 제작한 압출성형기를 사용하였 으며 원료를 일정하게 투입함으로써 이송 스크류에 서 균일하게 혼합되게 하였다. 원료는 Bio-drying 실험 후 2 mm 크기 이하의 발효물 만을 사용하였 다. 투입된 원료는 펠렛 성형기에서 적정한 온도, 습도, 스크류 회전속도 하에서 펠렛이 제조되어 배 출되는데, 그 때의 온도는 약 50~60 ℃ 이며 성형 된 펠렛을 냉각하면서 수분을 적정하게 제거하기 위하여 상온에서 냉각, 저장되도록 하였다. 그리고 펠렛 제조시 성형틀에 과부하가 걸리지 않게 하기 위하여 함수율 10~25% 범위 내에서 제조하여 비 교, 분석하였다. 펠렛 크기는 직경 8 mm이고 길이 는 20 mm~40 mm로 제조되었으며 1회 성형시 원 료 1 kg을 투입하였다. 제조된 펠렛은 겉보기 밀도, 함수율, 발열량 등의 분석을 통해 연료특성을 평가 하였다. [Fig. 2]는 펠렛 제조 장치인 압출성형기와 이를 이용하여 펠렛을 제조하는 모습을 나타낸 것 이다. 발열량은 발열량측정기(LECO AC350)를 사
용하여 시료 약 1 g을 열량계에서 3회 이상 산소로 연소시켜 건조시료의 고위발열량을 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. Bio-drying 실험 결과
3.1.1. 온도 및 CO
2변화
[Fig. 3]은 음식물류 폐기물 1일 투입량을 각각
1.5 kg, 2.4 kg, 3.3 kg로 다르게 하였을 때 온도
및 CO
2변화량을 나타낸 그래프이다. 1일 투입량에
따른 온도 및 CO
2농도는 음식물류 폐기물 투입량
이 2.4 kg/day 일 때 가장 높게 나타났다. 음식물
을 투입하고 서서히 온도가 상승하여 약 7시간 후
최고 온도 약 45 ℃에 도달하였다. CO
2농도 역시
온도가 상승할 때 증가하여 약 9,000ppm의 농도를
보였으며, 온도와 CO
2농도를 통해 미생물의 활성
을 간접적으로 확인 할 수 있었다. 음식물 쓰레기
연속 투입 시 유기산과 이산화탄소가 축적되면 반
응기 조건이 산성이 되면서 미생물의 생장과 효소의
활성이 억제되어 감량 효율에 큰 영향을 미친다
14).
음식물류 폐기물 투입량이 2.4 kg/day 일때 연속적
인 음식물류 폐기물의 누적 투입에도 불구하고 혼
합 반응조의 유기물함량이 일정한 수준으로 유지되
는 현상은 바이오칩과 투입 음식물류 폐기물의 원
활한 배합 및 반응이 진행되고 있음을 보여 준다
15).
1 . 5 k g / d a y 2 . 4 k g / d a y 3 . 3 k g / d a y
M C , Or ga n ic an d w eig ht re mo va l ef fic ie n cy ( % )
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
M o i s t u r e c o n t e n t s O r g a n ic c o m p o u n d s
W e ig h t r e d u c t i o n o f f o o d w a s t e
Fig. 4. Removal efficiency of moisture contents, organic compounds and weight reduction in treatment of food waste with Bio-drying.
T im e ( h r )
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0
Fermentation reactor temperature (o C) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0
1 . 5 k g / d a y 2 . 4 k g / d a y 3 . 3 k g / d a y
CO 2 concentration (ppm)
0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 C O2 c o n c e n t r a t i o n
T e m p e r a t u r e
Fig. 3. Variation of temperature and CO
2during treatment of food waste with Bio-drying.
3.1.2. 수분 및 유기물 제거 효율 평가 [Fig. 4]는 1일 음식물류 폐기물 투입량에 따른 수분, 유기물 제거율 및 무게 감소율을 나타낸 것이 다. 음식물류 폐기물 투입량 1.5 kg/day의 총 유입 수분량, 총 유출 수분량, 총 유입 유기물량, 총 유출 유기물량은 각각 4.78 kg, 2.25 kg, 1.53 kg, 0.56 kg이다. 음식물류 폐기물 투입량 2.4 kg/day의 총
유입 수분량, 총 유출 수분량, 총 유입 유기물량, 총
유출 유기물량은 각각 8.53 kg, 5.08 kg, 2.30 kg,
1.98 kg이다. 음식물류 폐기물 투입량 3.3 kg/day
의 총 유입 수분량, 총 유출 수분량, 총 유입 유기물
량, 총 유출 유기물량은 각각 7.75 kg, 6.29 kg,
1.64 kg, 0.39 kg이다. 음식물류 폐기물 투입량
1.5 kg/day, 2.4 kg/day, 3.3 kg/day의 1일 평균
T im e (h r)
0 1 0 0 2 0 0 3 00 4 00
N a C l co nc en tr at io n (% )
0 2 4 6 8 1 0 1 2
1.5 k g /d a y 2 .4 k g /d a y 3 .3 k g /d ay
F o o d w a ste N a C l c o n c e n tratio n Afte r ferm en ta tio n N a C l c o n c en tratio n
Fe rm en ta tio n rea ct or te mp erat ure (
oC)
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 T e m p e ra tu re
Fig. 5. Variation of NaCl during treatment of food waste with Bio-drying.
감소량은 각각 0.36 kg, 0.67 kg, 0.49 kg이다. 음 식물류 폐기물 투입량에 따른 유기물 부하량을 알 아보면, 투입량 1.5 kg/day, 2.4 kg/day, 3.3 kg/day 에서 각각 34.4 kgVS/m³·d, 49.6 kgVS/m³·d, 56.9 kgVS/m³·d의 값을 나타내었다. 1일 투입량에 따른 발효물을 분석하면 음식물류 폐기물 투입량이 2.4 kg/day 일 때 음식물류 폐기물 총 제거량, 음 식물류 폐기물 유기물 제거량이 가장 높게 나타났 다. 이는 미생물의 활성이 높고 유기물 부하량이 낮 아 안정화가 이루어졌기 때문으로 판단된다. 1.5 kg/day1일 투입량에 따른 데이터를 분석하면 수분 제거율은 투입량 3.3 kg/day에서 가장 높았지만, 유기물 제거율이 23%로 급격히 낮아졌다. 수분 제 거율이 높은 것은 외부 온도의 영향과 음식물 자체 투입량이 높아짐에 따라 수분량에 비례하여 높아졌 기 때문으로 판단되고 수분제거량의 영향으로 무게 감소량도 약 55% 이상 나타날 수 있었다. 유기물 제거율이 급격히 낮아진 것은 유기물 부하량이 50 kgVS/m³·d 이상으로 높아졌기 때문으로 판단된다.
중요 요소인 유기물 제거율과 무게 감소율은 투입 량 2.4 kg/day에서 각각 약 86%, 68%로 높은 값을
나타내었다. 이는 음식물류 폐기물 투입량 3.3 kg/day의 유기물 제거율 23% 보다 3배 이상 높은 수치이다. 이처럼 유기물 제거량에서 차이가 나는 것은 음식물류 폐기물을 3.3 kg/day로 투입하였을 때 음식물류 폐기물 투입량 증가에 따른 유기물 부 하가 음식물류 폐기물 분해 미생물에 영향을 미쳤 기 때문이라 판단된다. 따라서 수분 및 유기물 제거 효율을 살펴본 결과 음식물류 폐기물 투입량은 2.4 kg/day 가 최적 조건임을 확인 할 수 있었다.
3.1.3. NaCl 영향 평가
[Fig. 5]는 1일 투입량에 따른 염분 농도와 온도
변화를 나타낸 것이다. 음식물류 폐기물 투입량이
2.4 kg/day 일 때까지는 평균 5%를 유지하고 있으
나 투입량 3.3 kg/day 이 후 6% 이상으로 증가한
다. 이는 CO
2농도와 유기물 제거량 등의 결과와 유
사한 결과로, 음식물류 폐기물 투입량의 증가가 염
분 농도의 증가를 초래하며, 염분 농도의 증가는 미
생물에 독성요인으로 작용할 수 있다는 점을 확인
시켜 준다. 따라서 추가 분석을 통한 염도 변화에
대한 영향을 관찰할 필요가 있을 것으로 판단된다.
Fig. 6. Variation of ATP during treatment of food waste (2.4 kg/day) with Bio-drying.
연속 발효 시에 염도는 유기물의 분해와 수분증발 에도 불구하고 공정 중에 그대로 축적되어 증가하 게 되는데 염분이 과다하게 들어가면 미생물이 사 멸하므로 토양에서는 옥토를 박토로 만드는 결과를 초래 한다
16,17,18).
3.1.4. Adenosine triphosphate(ATP) 분석 실시간 모니터링을 통해서 얻어진 최적 실험조건 인 음식물류 폐기물 투입량이 2.4 kg/day 일 때 이 산화탄소와 상대습도 등의 분석 결과와 미생물활성 과 직접적인 상관관계 도출을 위해서 분석 Kit(MERCK HY-Lite2)와 LC(HPLC TL9100)를 이용하여 Adenosine triphosphate(ATP) 분석이 진행되었고 그 결과를 [Fig. 6]에 나타내었다.
Adenosine triphosphate(ATP)은 미생물의 증식을 돕는 효소의 주성분으로서 농도가 높을수록 미생물 의 활성을 촉진 시킨다
19).
분석 결과 Adenosine triphosphate(ATP)의 증 감의 변화는 없으나 저분자물질이 증가되는 경향이
확인 되었다. 이것은 발효물질의 공업분석 및 원소 분석결과에서도 확인된 결과로 연속운전을 통하여 바이오칩과 혼합된 발효물질의 지속적인 분해로 고 분자물질이 저분자물질로 분해되는 것으로 판단된다.
3.2. 펠렛 성형 및 특성
3.2.1. 펠렛 제조
[Fig. 7]은 함수율별로 성형 완료된 펠렛의 형상
을 나타낸 사진이다. [Fig. 7]에서 보여지는 바와
같이 함수율이 높아짐에 따라 원료의 색이 짙었으
며, 원료의 함수율이 높을수록 펠렛 표면이 균일하
고 원료의 색과 동일하게 펠렛 표면색이 짙음을 알
수 있다. 함수율이 15% 이하일 경우 재료 분리, 고
열에 의한 추가 건조 및 추가 분쇄에 의해 다량의
분진이 발생하여 펠렛 성형이 어렵다. 또한 원료 함
수율 25% 이상일 경우 펠렛 모양, 경도가 물러서
성형 시 성형기에 의해 펠렛이 으스러지므로 고형
연료로서의 활용이 어렵다고 판단되었다. 따라서
(a) m oisture content 10% (b) m oisture content 15%
(c) m oisture content 20% (d) m oisture content 25%
Fig. 7. Pellets with moisture content.
moisture content of pellets(%) Higher Heating Value(kcal/kg) Lower Heating Value(kcal/kg) 10
Average 3,709
3,329
15 3,291
20 3,278
25 3,255
Fermentation product 3,685 -
Table 3. Calorific Value by Moisture Content of Pellets 성형실험 결과 원료 함수율 15~25%에서 펠렛 제조 가 가능하다고 판단되었다.
3.2.2. 펠렛 특성
Kwak
20)은 펠렛화 처리가 발효물의 밀도를 3배 정도 증가시키고 수분을 증발시켰으나 일반 성분의 변화는 초래하지는 않았다고 하였다. Yoo
21)는 펠렛 성형과정에서 약 2%의 함수율이 감소하였고 최적 품질의 펠렛 사료 성형을 위해 최적의 함수율 범위 는 약 18%라고 판단하였다. 본 실험 결과에서는 펠 렛 성형과정에서 약 3%의 함수율이 감소였고 인위 적으로 절단하였을 때, 함수율 25%에서 외형유지와
강도면에서 가장 좋은 품질을 보여주었으며 펠렛 성형시 최적의 조건이라고 판단되었다.
[Table 3]은 펠렛의 수분함량에 따른 발열량 분
석결과를 나타낸 것이다. 성형된 펠렛 샘플은 발열
량 측정기기를 사용하여 발열량 측정을 하였고 고
위발열량은 건조 질량 기준으로 측정하여 3,500
kcal/kg 이상의 값을 나타내었다. 펠렛 성형 샘플
이 고형연료 기준인 저위발열량 3,500 kcal/kg에
준하는 수치로 나타나 발열량을 높이는 연구를 통
해 고형연료로 사용하기 적합한 펠렛 성형이 필요
할 것으로 판단된다. 고형연료는 원료 물질의 조성
에 크게 의존하기 때문에 발열량을 좀 더 높이기 위
해서는 혼합비율을 바꾸거나 발열량이 높은 폐기물 의 첨가가 필요함을 알 수 있다. 본 연구결과는 음 식물류 폐기물 처리 후 고형연료 제조 가능성에 목 적이 있었고 음식물류 폐기물은 현재 고형연료의 원료로 사용할 수 없지만 환경 기준치 이하 및 SRF 품질 기준에 만족하는 펠렛 성형시 거시적인 측면 에서 연료로서의 활용가치를 충분히 가질 것으로 보인다.
4. 결 론
본 연구에서는, 높은 함수의 음식물류 폐기물을 Bio-dying 공법을 이용하여 처리하였을 때 수분, 유기물 처리효율 및 운전특성(온도, 염도 영향)을 평가하고 Bio-drying 후 분해산물의 SRF로서의 가치평가연구를 수행하고자 하였다. 이에 대한 결 과는 다음과 같다.
1. 1일 투입량에 따른 온도 및 CO
2농도는 음식물 류 폐기물 투입량이 2.4 kg/day 일 때 가장 높게 나타났다. 이는 미생물의 활성이 높고 유기물 부하 량이 낮기 때문인 것으로 사료된다. 이를 통해 최적 음식물류 폐기물 투입량은 2.4 kg/day라 판단되었다.
2. 유기물 제거율과 무게 감소율은 투입량 2.4 kg/day에서 각각 86%, 68%로 가장 높은 값을 나타 내었다. 유기물 제거량은 투입량 3.3 kg/day에서 약 23%로 낮아짐을 확인하였고 결과적으로 투입량 2.4 kg/day가 약 3배 이상 높은 결과로 최적임을 확인하였다.
3. 염분 농도는 음식물류 폐기물 투입량이 2.4 kg/day 일 때까지는 평균 5%를 유지하고 있으나 투입량 3.3 kg/day 이 후 평균 6% 이상으로 증가한 다. 투입량 3.3 kg/day에서는 수분 제거율은 가장 높았지만, 유기물 제거율이 23%로 급격히 낮아졌 다. 음식물류 폐기물 투입량의 증가가 염분농도의 증가를 초래하며, 염분농도의 증가는 미생물에 독 성요인으로 작용할 수 있다는 점을 확인시켜 준다.
4. 펠렛 성형 결과, 원료 함수율이 15~25% 이내 에서 펠렛 제조가 가능하고 이 함수율 보다 낮으면
다량의 분진이 발생하여 펠렛 성형이 불가능하다.
25% 이상의 함수율일 경우는 펠렛 모양, 경도가 물 러서 성형시 부서지므로 활용이 어렵다. 펠렛 특성 결과에서는 외형유지와 강도면에서 가장 좋은 품질 결과를 보여준 함수율 25%가 가장 적합하다고 판단 되었다.
5. Bio-drying 후 분해산물을 이용한 펠렛 제조 샘플의 고위발열량은 3,500 kcal/kg 이상의 값을 나타내었다. 음식물류 폐기물은 현행 기준에서 고 형연료의 원료로 사용할 수 없지만 음식물류 폐기 물 처리 후 고형연료 제조 가능성을 목적으로 SRF 품질 기준에 만족하는 펠렛 성형시 거시적인 측면 에서 연료로서의 활용가치를 충분히 가질 것으로 보인다.
사 사
본 연구는 농림축산식품부의 재원으로 농림수산 식품기술기획평가원의 첨단생산기술개발사업의 지 원을 받아 연구되었음 (316001-03)
References
