본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 퇴비 제조 시스템을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 퇴비 제조 시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 암모니아 회수 수단과 다단계 막분리 수단을 보다 상세하게 도시한 블럭도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 퇴비 제조 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 혐기 소화 수단(10), 고액 분리 수단(20), 암모니아 회수 수단(30), 다단계 막분리 수단(40), 및 건조 수단(50)을 포함한다.

퇴비 제조 시스템의 혐기 소화 수단(10)은 산소가 없는 조건 하에서 혐기 미생물에 의해 유기물을 안정화시키는 것으로, 상기 혐기 소화 수단(10)에서는 축산 폐수 중 유기물을 가수 분해하고, 산 발효하고, 메탄 발효하여, 이산화탄소, 메탄, 암모니아 등의 가스상 물질로 분해한다.

고액 분리 수단(20)은 혐기 소화 수단(10)에서 소화되어 나온 축산 폐수에 포함되어 있는 고형물을 분리해 낸다.

암모니아 회수 수단(30)은 고액 분리 수단(20)에서 고형물이 분리되어 나온 유출수 중의 암모늄 이온(NH ₄ ⁺ )을 암모니아(NH ₃ )로 탈기시킨다.

암모니아 회수 수단(30)을 좀 더 상세하게 설명하면, 도 2에 도시한 바와 같이 암모늄 이온(NH ₄ ⁺ )을 포함하는 유출수가 위치하는 반응조(32), 상기 반응조(32)에 공기를 주입하는 공기 주입구(도시하지 않음), 반응조(32)에서 탈기되어 나오는 암모니아(NH ₃ ) 기체를 산성 용액과 반응시키는 반응조(34) 등을 포함한다.

다단계 막분리 수단(40)은 암모니아가 회수되어 나온 유출수에서 영양 염류, 부식산과, 미량 무기 물질을 농축한다. 다단계 막분리 수단(40)은 예를 들어 두 단계의 막분리 수단으로 이루어질 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같은 제 1 막분리 수단(42)에서는 상대적으로 크기가 크고 점착성이 있는 고형물을 걸러내고, 제 2 막분리 수단(44)에서는 영양 염류, 부식산과, 미량 무기 물질을 걸러내어 처리수만 유출되도록 한다.

이러한 제 1 막분리 수단(42)은 점착성 있는 고형물에 의한 분리막의 막힘 현상을 방지하기 위해 와류를 발생 조건 하에 분리막이 적용되어 있는 막분리 수단이 사용될 수 있다. 이러한 와류를 발생하는 막분리 수단에 대해서는 후술하는 퇴비 제조 방법에서 상세히 설명한다.

상술한 바와 같은 제 1 막분리 수단(42)에 포함되어 있는 분리막은 정밀여과막(microfilteration membrane) 또는 한외여과막(ultrafilteration membrane)일 수 있으며, 제 2 막분리 수단(44)에 포함되어 있는 분리막은 역삼투여과막(Reverse Osmosis membrane)일 수 있다.

건조 수단(50)은 고액 분리 수단(20)에서 분리된 고형물, 암모니아 회수 수단(30)에서 회수된 암모니아, 다단계 막분리 수단(40)에서 농축된 영양 염류, 부식산과, 미량 무기 물질을 건조하여, 완성된 퇴비가 농지 살포에 적합한 형태를 유지하도록 한다.

계속해서, 상술한 바와 같은 퇴비 제조 시스템을 이용하여 퇴비를 제조하는 방법을 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 퇴비 제조 방법을 공정 순서대로 도시한 순서도이다.

도 4를 참조하여, 우선 축산 폐수를 혐기 소화시킨다(S1).

축산 폐수는 소, 돼지 등의 가축에서 나오는 분뇨 등을 포함하는 슬러지 형태의 것으로, 고농도 유기물을 함유하고 있으며, 영양 염류 또한 높은 농도로 포함하고 있다. 이러한 축산 폐수를 혐기 소화 반응 수단(도 1의 10)에 유입하여, 축산 폐수 중의 유기물을 가수 분해하고, 산 발효하고, 메탄 발효하여 이산화탄소, 메탄, 암모니아 등의 가스상 물질로 분해한다.

다음, 혐기 소화된 축산 폐수에서 고형물을 분리한다(도 4의 S2).

혐기 소화 반응 수단(도 1의 10)에서 소화된 축산 폐수를 고액 분리 수단(도 1의 20)을 이용하여 고형물을 일차적으로 분리한다. 이때, 효율적인 응집 및 분리를 위해 응집제를 사용할 수 있다. 후술하는 암모니아 회수 공정이 중성 이상의 알칼리 조건, 바람직하게는 pH 9 이상의 알칼리 조건에서 수행되어야 하므로, 응집제로는 예를 들어 상대적으로 높은 pH를 유지시켜 주는 탄산칼슘(CaCO ₃ ) 또는 수산화칼슘(Ca(OH) ₂ )을 사용하는 것이 바람직하다. 고액 분리 수단(도 1의 20)에서 분리된 고형물은 건조 수단(도 1의 50)으로 보내지고, 고형물이 제거되어 나온 유출수는 암모니아 회수 수단(도 1의 30)으로 보내진다.

이어, 고형물이 분리되어 나온 유출수에서 암모니아를 회수한다(도 4의 S3).

고형물이 분리되어 나온 유출수에는 암모늄 이온(NH ₄ ⁺ )이 녹아 있으며, 응집제의 영향으로 알칼리성을 나타낸다. 이러한 유출수가 위치하는 반응조(도 2의 32)에 공기를 불어넣어 암모늄 이온(NH ₄ ⁺ )을 암모니아(NH ₃ ) 기체로 탈기한다. 탈기된 암모니아(NH ₃ )는 황산(H ₂ SO ₄ ) 또는 염산(HCl)의 산성 용액이 용해되어 있는 반응조(도 2의 34)를 통과하여 회수된 후 건조 수단(도 1의 50)으로 보내지고, 암모니아가 회수 된 후의 유출수는 다단계 막분리 수단(도 1의 40)으로 보내진다.

다음, 암모니아가 회수 된 유출수를 다단계로 막분리한다(도 4의 S4).

다단계 막분리 공정으로 유입되는 유출수에는 고형물의 농도가 약 500㎎/ℓ 이상되고, 다양한 이온성 물질이 존재한다.

우선, 다단계 막분리 공정에서는 1 단계로서 유출수를 정밀여과막 또는 한외여과막(도 3의 42)을 통과시켜 상대적으로 크기가 큰 고형물을 거르게 된다. 이러한 고형물은 점착성이 있어, 단순히 분리막을 통과시키게 하면, 분리막이 막힐 수 있으므로, 와류 발생 조건하에서 막분리 공정을 수행하여야 한다. 여기서, 와류란 유체가 소용돌이 치면서 흐르는 것을 의미하는 것으로, 본 명세서에서의 와류는 특별히 언급하지 않는 한 난류(亂流)를 포함하는 의미이다. 따라서, 제 1 단계의 막분리 공정에서는 와류 발생 조건 하에 분리막이 적용되어 있는 막분리 수단(이하, 제 1 막분리 수단)을 사용한다.

와류 발생 막분리 공정을 도 5 내지 도 8를 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 5는 와류 발생 막분리 공정에 사용되는 막분리 수단의 일예를 도시한 단면도이고, 도 6은 상기 막분리 수단에 와류 생성용 로터를 도시한 사시도이고, 도 7은 도 6의 VII-VII″선을 따라 절단한 단면도이고, 도 8은 도 6에 도시한 로터의 동작시에 생성되는 와류를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 제 1 막분리 수단(42)은 원수 유입구(110), 처리수 배출구(120), 농축수 배출구(130)를 구비한 배럴(100)과 배럴(100) 내에 설치되는 와류 발생용 로터(200) 및 필터 트레이(300)를 포함한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 막분리 장치(30) 중 와류 발생용 로터(200)는 모터(도시하지 않음)에 연결되어 모터 회전시 와류를 발생하는 것으로, 제 1 로터(210)와 제 2 로터(220)로 구성되어 있다. 여기서, 제 1 로터(210)는 회전축선을 중심으로 반경 방향으로 연장 형성된 복수의 제 1 블레이드(211)를 구비하고, 제 2 로터(220)는 회전축선을 중심으로 반경 방향으로 연장되며, 제 1 블레이드(211)에 대하여 회전축선 방향상에서 상이한 위치에 배치된 복수의 제 2 블레이드(221)를 구비하고 있다.

상술한 바와 같은 제 1 막분리 수단(42)을 이용하여 고형물을 분리하기 위해서는, 우선 원수 유입구(110) 내로 암모니아가 회수된 유출수가 유입된다. 배럴(100) 내부로 유입된 유출수는 필터 트레이(300)의 분리막, 예를 들어 정밀여과막 또는 한외여과막을 통과하면서, 유출수 내에 포함되어 있는 고형물은 걸러지고, 상대적으로 작은 입자 크기를 갖는 영양 염류 및 부식산 등을 포함하는 유출수는 처리수 배출구(120)를 통해 외부로 유출된다.

이러한 제 1 막분리 수단(42)의 정화 동작이 수행되는 동안 회전축선을 중심으로 회전시키는 모터(도시되지 않음)에 의해 로터(200)가 지속적으로 회전하고, 도 6에 도시한 바와 같이 제 1 블레이드(211)와 제 2 블레이드(221)가 로터(200)의 회전축선을 중심으로 한 원주 방향상으로 상호 상이한 위치에 배치되어 로터(200) 회전시 도 8에 도시된 바와 같은 복잡한 유형의 와류를 발생한다.

와류에 의해 필터 트레이(300)의 분리막에 부착된 고형물을 다시 떨어지게 하고, 분리막에서 떨어진 고형물은 농축수에 함유된 상태로 농축수 배출구(130)를 통해 배럴(100) 외부로 배출된다. 따라서, 상술한 바와 같이 와류를 이용하여 필터 트레이(300)의 분리막에 고착된 고형물을 효과적으로 제거할 수 있다. 이러한 와류 발생 막분리 공정에 의한 고형물의 농축율은 약 90%에 이른다.

상대적으로 큰 고형물이 제거된 상기 유출수는 예를 들어 역삼투여과막을 포함하는 제 2 막분리 수단(도 3의 44)으로 유입되다. 상대적으로 작은 크기를 갖는 영양 염류, 부식산과, 여러가지 미량 무기 물질은 역삼투여과막에 의해 약 80 내지 90% 정도 농축된다. 즉, 역삼투여과막을 이용함으로써 상대적으로 작은 크기를 갖는 영양 염류, 부식산과, 여러가지 미량 무기 물질을 고농도로 농축하는 것이 가능하다.

다단계 막분리 공정에서 제 1 막분리 수단(도 3과 도 5의 42)과 제 2 막분리 수단(도 3의 44)에서 각각 농축된 고형물은 건조 수단(도 1의 50)으로 보내지고, 고형물이 제거되어 나온 처리수는 농가에서 재이용할 수 있으며, 일부는 암모니아를 포집하기 위한 산용액을 제조하기 위하여 사용한다.

다음, 각 단계에서 얻어진 고형물들과 회수된 암모니아를 건조한다(도 4의 S5).

고액 분리 수단(도 1의 20)에서 분리된 고형물, 암모니아 회수 수단(도 1의 30)에서 회수된 암모니아와, 다단계 막분리 수단(도 1의 40)에서 농축된 영양 염류, 부식산과, 여러가지 미량 물질을 건조하여 안정한 건조 퇴비 형태로 만들어진다.

상술한 바와 같은 방법으로 제조된 퇴비에는 영양 염류, 부식산과, 여러가지 미량 물질을 고루 갖추고 있어, 훌륭한 토양 개량제와 영양제로서의 역할을 수행할 수 있다. 특히, 영양 염류가 고형물과 함께 포함되어 있어 고형물의 분해와 함께 천천히 용출되기 때문에 강우에 따른 유출 현상을 최소화 할 수 있다. 또한, 건조에 의해 부피가 감소되어 물류 비용도 감소되며, 퇴비 살포시에 특별한 장비도 요구하지 않는다. 뿐만 아니라, 다단계 막분리 공정을 통한 영양 염류 등의 농축을 통하여 수분 함량을 최소화하였기 때문에 건조시 소모되는 에너지의 절감도 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 상기와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.