KR100509990B1 - 가압발포에 의한 유기질비료의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 농수산 부산물 및 식물체를 분쇄하여 가압발포시킨 후, 유동층 건조를 하고, 분뇨와 혼합하여 가압발포이완살균기에 의해 멸균 산화시킨 후 미생물을 첨가하여 발효시키는, 가압발포에 의한 유기질비료 제조 방법 및 제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하여 무폐수, 무방류, 무균, 무폐기물의 효과를 얻었으며, 6개월 미만의 최단기간에 완전 숙성 처리된 무균 유기질비료를 환경 친화적인 방법으로 제조할 수 있다.

Description

가압발포에 의한 유기질비료의 제조방법 및 제조장치{Method of producing organic fertilizer by high-pressure foaming}

본 발명은 농수산 부산물(부재료)과 분뇨를 혼합하여 제조하는 유기질 비료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부재료를 발포, 건조, 연질화하여, 분뇨를 혼합하고 가압발포이완살균기에 넣어 멸균 산화시킨 후 미생물을 첨가하여 발효시키는 가압발포에 의한 유기질비료를 제조하는 방법 및 제조장치에 관한 것이다.

종래의 유기질비료를 제조하는 방법으로 국내외에 공개된 특허출원으로는 300여건이 넘으며, 그중 지렁이분변토를 담체로 이용, 살충미생물을 접종하여 토양 개량 효과와 작물에 영양분을 공급하면서 토양에 서식하는 각종 해충을 방제하는 고기능성 바이오 비료를 생산하는 방법, 밀폐형 구조를 갖는 발효조내에서 유기성 폐기물과 박리 팽창시킨 질석(흙)을 조절제로 하여 상기 폐기물과 혼합하여 그 내부로 공급되는 산소에 의해 호기성 발효를 실행하고 상기 발효조의 내부에 수용된 유기성 폐기물과 조절제를 혼합함과 아울러 발효조 내부의 교반기에 의해 산소와 혼합시키고 유기물을 소정의 온도로 가열하는 방법 및 밀폐 고온속성 호기발효 공법등의 여러 방법들이 있었다.

그러나 상기의 방법들은 미숙성된 침출수의 발생, 수분 조절제의 과다투입, 부재료의 장기부식, 미생물 먹이의 부적절, 발효온도의 편중, 에너지의 과다투입, 강제 공기 주입에 따른 과질소화, 산소공급의 편중화, 강제 건조에 의한 숙성의 멈춤, 일일 발생 분뇨의 대량 처리 곤란 및 숙성발효기간의 장기간화(12개월이상)등의 많은 문제점이 발생하였다. 지렁이분변토를 사용하는 경우에도 단시간에 다량의 비료(100톤/일)를 생산하기에는 부적합하였고, 상기 비료를 농작물에 직접 시비 할 경우, 2차 발효가 진행되어 농작물에 필요하지 아니하는 물질을 배출하는 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술의 제반 문제점을 해소할 수 있는 완전 살균처리 된 친환경적인 유기질비료를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명자는 유기혼합물의 가압발포를 통한 조직의 팽창 및 이완을 시키고 다단계의 발효 및 완숙조에서의 완전숙성을 하게 되면 침출수의 발생이 전혀 없고 숙성기간을 6개월이하로 하여 단기간에 농작물에 필요한 물질만을 공급할 수 있는 완전발효된 유기질비료를 제조할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 된 것이다.

그러므로 본 발명에 의하면 유기질비료의 제조방법에 있어서,

a)분쇄한 농수산부산물(부재료)을 가압발포기에 공급하여 체적을 팽창시키고 조직의 연질화를 시키는 공정, b)가압발포기에서 배출된 부재료를 유동층 건조기에서 건조시키고 부피를 수축시키는 공정, c)별도로 수거한 분뇨를 상기 b)공정에서 배출된 부재료와 혼합하여 가압발포이완살균기에 공급하여 고온, 고압에서 산화시키면서 상기 혼합물의 체적 팽창, 조직의 이완 및 살균을 하는 공정, d)상기 산화 팽창공정이 완료된 혼합물과 미생물을 연속 이동 발효기에 공급하여 발효시키는 공정, e)완숙조에 저장되어 함수율 50%로 조절되면서 혼합물의 완전숙성을 하는 공정 및 f)상기 연속 이동 발효공정이 완료된 혼합유기물을 자연 비중 침강 분리에 의해 액체부와 고체부로 탈리하고 탈리된 액비를 경사면을 통하여 고체비료 이동의 역순으로 향류 포집하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압발포에 의한 유기질비료의 제조방법이 제공된다.

또한 유기질비료의 제조장치에 있어서, 분쇄한 부재료의 체적팽창 및 연질화를 유도시키는 가압발포기; 상기 가압발포된 부재료를 건조 수축시키는 유동층 건조기; 상기 부재료와 분뇨를 혼합하여 가압 및 살균을 하는 가압발포이완살균기; 상기 부재료와 분뇨의 혼합물에 미생물을 투입하고 다단계 경사면을 가진 스크류부에 의해 발효시키는 연속 이동 발효기 및 상기 혼합물의 함수율이 50%정도로 유지되면서 완전 숙성을 하는 완숙조 및 연속 이동 발효가 완료된 유기물은, 액체비료와 고체비료로 자연 침강 분리되어지고, 상기 가압발포이완살균기 및 연속 이동 발효기의 어느 한곳 이상에 유기물을 가온시키는 고주파 가온기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압발포에 의한 유기질비료의 제조장치가 제공된다.

이하 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서는 상기 부재료를 수거하여 분쇄한 후 도1의 분쇄부재료(1)를 가압발포기(2)에 넣어 체적팽창 및 조직연질화를 유도시킨다. 분쇄부재료를 3∼5㎏/㎠의 가압상태에서 130∼150℃로 가열하게 되면 분쇄부재료 내부의 수증기가 건포화상태로 머물고 있다가 외부로 배출되면서 순간적으로 수증기의 팽창이 이루어지게 된다. 이때 분쇄부재료 내부에는 많은 기공이 발생하면서 분쇄부재료의 체적이 팽창하게 되어 조직의 연질화가 이루어지게 되며 미생물과 유기물의 침투가 용이하게 되므로, 미생물의 먹이화 및 부식 숙성이 이루어지는 시간을 1/5이상 단축시킬 수 있다.

본 발명에서 분쇄부재료로 사용되는 대표적인 것으로는, 나뭇잎, 줄기, 왕겨, 볏짚, 농수산 부산물같은 것이 있는데 이는 탄소섬유질로 단단하게 포집되어 있어서 자연상태로 사용할 경우 미생물과 유기물의 흡수가 어렵게 된다. 따라서 본 발명에서는 상기와 같이 가압발포기에 의한 섬유질의 강제팽창이완 및 조직의 연질화를 유도하여 산화시간을 줄이고 미생물과 유기물과 산소가 섬유질 속으로 즉시 침투하여 섬유질내부에서부터 산화가 진행되는 원리를 적용함으로서 발효의 주기를 단축시킨다.

상기 가압발포기를 통과한 분쇄된 부재료는 유동층건조기에 투입되어 지면서 다시 체적을 수축시키는 건조가 진행되게 된다. 유동층건조기에서 고압공기를 노즐을 통하여 밑에서부터 불어넣으면 부재료가 공기에 의해 부상되어 진다. 이때 비중에 의하여 공중에 떠 있는 상태로 건조가 진행된다. 건조 수축된 분쇄부재료는 분뇨(4)와 함께 가압발포이완살균기(5)에 공급되며 자체 순환되는 가온부(100~120℃)를 거치면서 순간 살균이 이루어짐으로서 유해한 균은 멸균되고 유익한 유기물 및 미생물은 계속 생존하게 된다. 상기 가압발포 후 건조수축된 부재료는 본 가압발포이완살균기(5)내에서 순환되어지면서 오리피스의 차압 원리 및 고온고압의 증기에 의하여 최초 자연 상태의 부피체적보다 5배 이상 확장 팽창된다. 이때 액상의 유기물 및 미생물은 확장된 부피만큼 부재료내부로 흡수되면서 슬러리(98%의 함수율)화된 분뇨가 최적 발효습윤상태(68%미만)로 변환된다. 또한 가축 분뇨 속에는 소화되지 않은 생분뇨(소화되지 않은 음식상태))상태로 배출되어지는 경우가 30%이상 됨으로서 이를 본 가압발포이완살균기에서 강제 소화시켜 조직이완을 시키게 된다.

일반적인 유기화합물의 특성은 90℃이상이 되면 거품화(bubbling)가 진행되어지며, 발생된 거품은 엄청난 부피를 형성하여 외부로 흘러 나가며, 유익한 유기물 성분의 균형이 깨지기 시작한다. 이는 살균온도 및 소화온도까지 온도를 상승시키기 어렵다는 결론이다. 따라서 본 발명에서는 가압발포이완살균기(5)의 밀폐 가압상태에서 90∼120℃에 도달할 때까지 유기물을 외부로 배출시키지 아니하고 3~5Kg/㎠의 압력이 되면 순수한 수증기만 자동압력조절밸브에 의해 밖으로 배출되는데 이러한 조건 하에서만 토양에 유익한 유기질 성분을 추출할 수가 있었다.

또한 유기혼합물이 관내 또는 용기에 저장되어 있을 때 산화 및 발열반응에 의한 찌꺼기(Scum)가 발생될 수 있는데 이는 기계설비의 각종공간에서 케이크화를 진행시켜 장치의 연속적인 사용을 어렵게 한다. 본 발명에서는 기계의 성능과 수명에 전혀 문제가 없는 미세 초음파 충격기 스크랩퍼로 찌꺼기의 부착을 원천적으로 방지하여 장치의 연속적인 사용을 할 수 있다.

본 발명에서는 상기 가압발포이완살균기(5)에서 배출된 유기혼합물을 호퍼(6)에 잠시 저장하면서 미생물(7)을 투입하여 유기혼합물과 반응시키기 위한 준비를 한다. 호퍼(6)의 하부에는 다단계 경사면을 가진 스쿠류부를 구비한 발효기(8)를 설치하는데 호퍼에서 미생물과 혼합된 유기화합물은 본 발효기(8)에 의해 연속 이동 발효된다. 발효기 내부에서는 미생물과 유기혼합물이 혼합되어 60~80℃의 온도에서 순환되어지는 액비 및 용존산소에 의해 휴지기의 공백이 없이 산화분해가 이루어진다. 상기 미생물은 바실러스(Bacillus)속, 사카로마이세스(Saccharomyces)속, 질소고정균인 리조비윰(Rhizobium)속 등을 사용하는데 이는 순간적인 환경변화(습윤,산소,온도)만 바뀌어도 포자 휴식에 들어가거나, 혐기가 진행되어 있는 메탄가스발생 유기물일 경우 30초 이내에 죽는다. 따라서 자연환경의 엄청난 변화에 적응을 잘하는 변이미생물인 광합성 미생물과 심산계곡의 음지 미생물을 직접 채취하여 배양 사용한다.

이 미생물이 가장 활발한 산화 분해 활동을 하는 주변 환경은 습도 60~70%, 60℃~70℃, 용존산소(6~12 Vt%)이나 자생기준선 상하 30%까지는 신축적으로 변이 적응을 하였으며, 신축한계선을 넘었을 경우 2~3일 정도는 포자상태로 생존해 있다. 상기의 미생물은 생명 보존력이 뛰어 났으며 활동 환경이 조성되면 왕성한 먹이활동으로 말미암아 속성산화분해반응이 일어나고 이때 엄청난 열이 스스로 발생되며 연속 이동 발효기 내부의 상, 하, 좌, 우에서 균일하게 온도유지가 되어 단시간내에 유기혼합물의 완전 발효를 끝낼 수 있었다.

이후 유기혼합물은 완숙조(8)에서 함수율 50%를 유지하면서 자연건조된다.함수율이 50%미만이 되면 완숙된 액비를 다시 살포하여 일정한 함수율을 유지해 준다. 함수율이 40%미만이 되면 유기혼합물속의 미생물이 포자휴식단계로 들어가 유기혼합물이 완숙에 이르지 못하고 중간숙성단계에서 멈추게 된다. 이 상태로 농작물에 시비하는 경우에는 시비 후 2차 발효가 일어나게 되고 농작물에 불필요한 NH계(암모니아, 메탄, 부탄)성분들이 생성되는 것이다. 따라서 본 발명에서는 함수율 40% ~ 50%를 유지하면서 유기혼합물을 완숙시킴으로써 최종제품인 유기질비료의 출하시에는 미생물의 먹이활동에 의한 생성물과 미생물의 노후사체만이 남게 되어 농작물에 시비할 때 더 이상의 발효는 이루어지지 아니하고 농작물에 필요한 영양분만 배출하게 되는 것이다.

본 발명에서는 상기 가압발포이완살균기(5) 및 발효기중 어느 한곳이상에 고주파가온기를 설치하여 혼합물을 가열시킨다. 이렇게 함으로써 기계의 외부를 가열하지 않고 유기물의 분자를 직접 가열하게 되므로 내부로부터 외부로 열이 전달된다. 이는 외부 가열시 발생되는 누룽지 현상이 없으며 유기물의 편중가열에 의한 일부 유기물의 무성분화를 방지 할 수 있다. 또한 파이프의 막힘, 기기의 각종 케이크화를 방지하며 유기물에 직접적인 충격가열로 조직이완을 유도할 수 있기에 발효속도는 기존공법과는 비교가 안 될 정도로 빠르게 된다.

상기 발효가 된 유기혼합물은 연속 이동발효기에서 자연 침강 분리에 의해 고체부와 액체부로 분리되는데 고체비료는 뿌리 채소 및 과수용으로, 액체비료는 벼 및 특용작물용으로 각각 농작물의 비료로서 사용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 비료제조시 침출수의 발생이 전혀 없고 숙성기간을 6개월 이하로 단축시킬 수 있으며 농작물에 시비한 후에 2차 발효가 일어나지 아니하는 완전 발효된 유기질비료를 환경친화적인 방법으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

제1도는 본 발명인 가압발포에 의한 유기질비료의 공정도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 분쇄부재료 2 : 가압발포기

3 : 유동층 건조기 4 : 분뇨

5 : 가압발포이완살균기 6 : 호퍼

7 : 미생물 8 : 발효기

9 : 완숙조 10 : 고주파가온기

Claims (3)

1. 유기질비료의 제조방법에 있어서,

   a)분쇄한 농수산부산물(부재료)을 가압발포기에 공급하여 체적을 팽창시키고 조직의 연질화를 시키는 공정,

   b)가압발포기에서 배출된 부재료를 유동층 건조기에서 건조시키고 부피를 수축시키는 공정,

   c)별도로 수거한 분뇨를 상기 b)공정에서 배출된 부재료와 혼합하여 가압발포이완살균기에 공급하여 고온, 고압에서 산화시키면서 상기 혼합물의 체적 팽창, 조직의 이완 및 살균을 하는 공정,

   d)상기 산화 팽창공정이 완료된 혼합물과 미생물을 연속 이동 발효기에 공급하여 발효시키는 공정,

   e)완숙조에 저장되어 함수율 50%로 조절되면서 혼합물의 완전숙성을 하는 공정 및

   f)상기 연속 이동 발효공정이 완료된 혼합유기물을 자연 비중 침강 분리에 의해 액체부와 고체부로 탈리하고 탈리된 액비를 경사면을 통하여 고체비료 이동의 역순으로 향류 포집하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압발포에 의한 유기질비료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가압발포이완살균기 및 연속 이동 발효기 중 어느 한 곳 이상에 고주파가온기를 설치하여 유기물을 승온하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가압발포에 의한 유기질비료의 제조방법.
3. 유기질비료의 제조장치에 있어서,

   분쇄한 부재료의 체적팽창 및 연질화를 유도시키는 가압발포기;

   상기 가압발포된 부재료를 건조 수축시키는 유동층 건조기;

   상기 부재료와 분뇨를 혼합하여 가압 및 살균을 하는 가압발포이완살균기;

   상기 부재료와 분뇨의 혼합물에 미생물을 투입하고 다단계 경사면을 가진 스크류부에 의해 발효시키는 연속 이동 발효기 및

   상기 혼합물의 함수율이 50%정도로 유지되면서 완전 숙성을 하는 완숙조 및 연속 이동 발효가 완료된 유기물은, 액체비료와 고체비료로 자연 침강 분리되어지고, 상기 가압발포이완살균기 및 연속 이동 발효기의 어느 한곳 이상에 유기물을 가온시키는 고주파 가온기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압발포에 의한 유기질비료의 제조장치.