KR100799660B1 - 가축분뇨의 퇴비화 방법 - Google Patents

가축분뇨의 퇴비화 방법 Download PDF

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명지대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하는 단계를 포함하는 가축분뇨를 발효시켜 퇴비를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가축분뇨 퇴비화 과정에서 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가함으로써 가축분뇨 퇴비화 과정에서 발생하는 암모니아 가스의 배출을 감소시킬 뿐만 아니라, 제조되는 퇴비에 포함되는 질소의 함량을 높여 고품질의 퇴비를 제조할 수 있는 가축분뇨를 이용한 퇴비의 제조방법에 관한 것이다.
가축분뇨, 퇴비, 암모니아

Description

가축분뇨의 퇴비화 방법{METHOD FOR COMPOSTING OF LIVESTOCK EXCRETIONS}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 돈분 혼합물의 반응조를 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 명분 첨가량에 따른 돈분 혼합물의 pH 변화를 나타낸 그래프이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 명분 첨가량에 따른 돈분 혼합물의 발효에 의한 암모니아 배출량을 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 명분 첨가시점 및 제올라이트 첨가여부에 따른 돈분 혼합물의 온도변화를 나타낸 그래프이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 명분 첨가시점 및 제올라이트 첨가여부에 따른 돈분 혼합물의 pH변화를 나타낸 그래프이며,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 명분 첨가시점 및 제올라이트 첨가여부에 따른 돈분 혼합물의 발효에 의한 암모니아 배출량을 나타낸 그래프이다.
[산업상 이용분야]
본 발명은 가축분뇨 퇴비화 과정에서 발생하는 암모니아 가스의 배출량(ammonia emission)을 감소시키고, 제조되는 퇴비에 포함되는 질소의 함량을 높여 고품질의 퇴비를 제조할 수 있는 가축분뇨를 발효시켜 퇴비를 제조하는 방법에 관한 것이다.
[종래기술]
최근 발표에 의하면 가축 특히, 돼지의 밀집사육 등으로 인하여 사육되는 가축의 수는 전세계적으로 증가하고 있으며, 이러한 수적 증가에 의해 돼지 가축분뇨를 포함한 가축의 가축분뇨가 대량 발생하여 공해를 비롯한 여러 가지 문제가 발생되고 있다. 즉, 각종 유기화합물과 질소인산칼륨 등의 비료성분이 많이 함유되어 있어 농작물이나 과수에 거름으로 이용되기도 하였던 가축분뇨가 밀집사육 등에 의해 배출량이 지나치게 많아 미처 활용되지 않고 폐기되는 비율이 높아지면서 축산환경 오염문제의 발생원이 되고 있다. 일예로, 가축분뇨가 폐기되지 않고 방치되는 경우, 악취가 발생하고, 파리, 모기 등의 각종 해충들의 서식지가 될 수 있어 위생적으로 문제가 될 수 있으며, 빗물 등을 통해 방류되는 경우 축산폐수가 되어 수질을 오염시킬 수 있다.
이러한 환경적 문제로 인하여, 유럽과 북미 및 일부 아시아 국가를 포함한 여러 국가에서 밀집사육에 대한 제한을 가하고 있다.
경제성장과 인구의 증가 및 사육면적의 제한 등과 같은 요인에 따라 가축의 밀집사육을 무조건 제한할 수 없으므로, 상기 밀집사육으로 증가된 가축분뇨에 의해 발생되는 공해 등의 여러 가지 문제를 해결하려는 시도가 계속되고 있다. 상기 가축분뇨의 처리에 관한 방법으로 주로 가축분뇨를 재활용화는 방법이 연구되고 있으며, 가장 대표적인 방법이 가축분뇨를 이용한 퇴비에 관한 것이다.
가축분뇨를 이용하여 퇴비를 만드는 경우, 가축분뇨에 포함되어 있는 다량의 질소계유기물로부터 암모니아가 생성되고, pH가 상승함에 따라 암모니움 이온이 암모니아 가스로 배출됨으로써 심한 악취가 발생한다는 문제점이 있다. 상기 문제점과 함께, 상기 가축분뇨를 이용한 퇴비의 제조는 가축분뇨의 경우 통상적으로 수분이 70 내지 80% 들어 있어 취급이 어렵고, 호기성발효로 퇴비화하려면 먼저 수분을 60%로 조절해 주어야 하고, 수분조절을 위해 팽윤제를 사용하는 경우 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 가축분뇨를 퇴비화하는 경우 염분의 농도가 높아 SAR(Sodium Adsorption Ratio) 값이 높기 때문에 과량 시비할 경우에는 작물의 염해 및 토양의 입단구조를 파괴하여 단립화 할 우려가 있다.
따라서, 가축분뇨의 퇴비화 과정에서 배출되는 암모니아 가스의 양을 줄임으로써 가축분뇨 퇴비화 과정에서 발생하는 악취를 줄이고, 퇴비에 포함되는 질소의 함량을 늘림으로써 퇴비의 품질을 높일 수 있는 방법을 개발하려는 노력이 진행 중에 있다.
본 발명은 가축분뇨 퇴비화 과정에서 발생하는 암모니아 가스의 배출을 감소시킬 뿐만 아니라, 제조되는 퇴비에 포함되는 질소의 함량을 높여 고품질의 퇴비를 제조하기 위하여, 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하는 단계를 포함하는 가축분뇨를 발효시켜 퇴비를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하는 단계를 포함하는 가축분뇨를 발효시켜 퇴비를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명자들은 가축분뇨에 황산 알루미늄(aluminum sulfate) 또는 명반을 특정양으로 특정 단계에 첨가하는 경우에 가축분뇨 퇴비화 과정에서 발생하는 암모니아 가스의 배출을 감소시키고, 제조되는 퇴비에 포함되는 질소의 함량을 높여 고품질의 퇴비를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 적정량의 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하는 경우 미생물활성에 영향을 미치지 아니하여, 충분한 발효가 진행될 수 있다는 점을 확인하여, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 가축분뇨를 발효시켜 퇴비를 제조하는 방법에 있어서, 가축분뇨의 pH를 pH 7.0 내지 8.0을 유지하도록 가축분뇨에 황산 알루미늄 또는 명반을 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 2 내지 5 중량부의 양으로 첨가하는 단계를 포함하는 퇴비 제조방법에 관한 것이다. 상기 황산 알루미늄 또는 명반의 첨가시점은 바람직하게는 상기 가축분뇨의 발효가 진행되어 상기 가축분뇨의 온도가 33 내지 37℃인 시점일 수 있다. 상기 가축분뇨의 발효가 진행되는 경우, 발효과정에 생산되는 산물에 의하여 가축분뇨의 pH가 증가함으로써, 상기 황산 알루미늄 또는 명반이 첨가되는 경우에도, pH가 급격히 낮아지지 않아 미생물활성에 영향을 미치지 아니할 수 있기 때문에, 상기 황산 알루미늄 또는 명반은 상기 가축분뇨의 발효가 진행되어 상기 가축분뇨의 온도가 33 내지 37℃인 시점에서 첨가하는 것이 바람직하다.
일예로, 본 발명의 퇴비 제조방법은 상기 가축분뇨의 발효가 진행되어 상기 가축분뇨의 온도가 33 내지 37℃인 시점에 가축분뇨의 pH를 pH 7.0 내지 8.0을 유지하도록 가축분뇨에 황산 알루미늄 또는 명반을 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 2 내지 5 중량부, 바람직하게는 2 내지 3 중량부, 더욱 바람직하게는 2.5 중량부의 양으로 첨가하는 단계; 상기 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가한 가축분뇨를 계속하여 발효시키는 단계; 상기 발효시킨 가축분뇨를 후숙시키는 단계를 포함하는 퇴비제조방법일 수 있다.
본 발명의 퇴비 제조방법은 상기 황산 알루미늄 또는 명반을 한꺼번에 또는 분량하여 첨가하는 것일 수 있다. 상기 황산 알루미늄 또는 명반의 첨가에 의하여 상기 가축분뇨의 pH가 급격하게 변화하는 경우에는 미생물활성에 영향을 미칠 수 있으므로, 상기 황산 알루미늄 또는 명반은 분량하여 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 퇴비 제조방법은 a) 상기 가축분뇨의 발효가 진행되어 가축분뇨의 온도가 33 내지 37℃인 시점에 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 1 내지 1.5 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하는 단계 및 b) 상기 a) 단계를 수행한 가축분뇨의 pH가 pH 7.0 내지 8.0을 유지하도록, 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 4 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반을 한꺼번에 또는 분량하여 첨가하는 단계를 포함하는 퇴비 제조방법에 관한 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 퇴비 제조방법은 상기 a) 단계에서 황산 알루미늄 또는 명반 첨가시 제올라이트를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 퇴비 제조방법에 관한 것일 수 있으며, 상기 제올라이트의 함량은 바람직하게는 가축분뇨 100 중량부 를 기준으로 4 내지 6 중량부일 수 있다.
본 발명에서 가축분뇨(家畜糞尿, livestock excretions)는 축분이라고도 불리며, 돼지나 소 또는 닭 등과 같은 가축이 배설하는 똥과 오줌을 의미한다. 가축분뇨는 각종 유기화합물과 질소인산칼륨 등의 비료성분이 많이 함유되어 있어 농작물이나 과수에 거름으로 이용되기도 하였지만, 최근에는 밀집사육 등에 의해 배출량이 지나치게 많아지면서 여러 가지 환경문제를 야기하고 있다. 특히, 닭 사육에 의해 발생되는 계분의 경우 90% 이상이 건조상태 또는 썩힌 거름으로 재활용되고 있지만, 돼지 또는 소의 사육에 의해 발생되는 가축분뇨는 재활용되는 비율이 15% 미만인 것으로 보고 되고 있다.
상기 가축분뇨는 바람직하게는 돈분(豚糞) 또는 우분(牛糞)일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 돈분일 수 있다. 또한, 상기 가축분뇨는 가축분뇨 자체를 사용하거나 다른 성분과 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 가축분뇨의 수분을 조절하기 위하여, 가축분뇨에 톱밥(saw dust), 수피(wood bark) 또는 이들의 혼합물을 첨가하여 사용할 수 있다.
상기 가축분뇨는 바람직하게는 가축분뇨에 톱밥, 수피 또는 이들의 혼합물을 첨가하여 가축분뇨의 수분함량이 55% 내지 65%, 더욱 바람직하게는 60%인 가축분뇨일 수 있다. 상기 톱밥은 통상의 톱밥일 있으며, 바람직하게는 평균직격이 1 내지 3 mm, 더욱 바람직하게는 1.5 mm 내지 2.5 mm, 가장 바람직하게는 2 mm로 파쇄된 것일 수 있다.
일예로 상기 가축분뇨는 가축분뇨, 바람직하게는 돈분 100 중량부를 기준으 로 5 내지 25 중량부, 바람직하게는 10 내지 20 중량부, 더욱 바람직하게는 16 중량부의 톱밥 또는 5 내지 15 중량부, 바람직하게는 8 내지 13 중량부, 더욱 바람직하게는 10 중량부의 수피를 첨가할 수 있으며, 상기 톱밥 및 수피를 함께 첨가할 수 있다.
본 발명의 퇴비 제조방법에 있어서, 가축분뇨를 발효시켜 퇴비를 제조하는 방법은 발효단계에서 암모니아 가스가 다량 발생함으로 심한 악취가 발생한다는 문제점이 있다. 상기 암모니아 가스는 다량의 질소계유기물의 분해로부터 생성된 암모니움 이온이 가축분뇨에 축적되어 가축분뇨의 pH가 상승함에 따라 암모니아화 되어 배출되는 것으로, pH를 낮춤으로써, 보다 상세하게는 pH를 pH 9.0 이하, 바람직하게는 pH 8.5, 더욱 바람직하게는 pH 8.0 이하로 유지함으로써 이러한 암모니아 가스의 배출을 막을 수 있다. 따라서, 상기 가축분뇨의 pH를 조절하기 위해서, 가축분뇨의 pH를 높이기 위한 물질을 첨가할 수 있다. 또한, 상기 가축분뇨를 발효시키는 미생물의 생육 및 활성에 영향을 주지 않기 위해서는 상기 첨가되는 첨가물의 양은 조절된 가축분뇨의 pH를 6.0 이상, 바람직하게는 pH 6.5 이상, 더욱 바람직하게는 pH 7.0 이상으로 유지할 수 있도록 조절될 수 있다.
상기 가축분뇨의 pH가 급격히 변화되는 경우, 미생물활성이 낮아져 미생물에 의한 가축분뇨의 발효가 충분히 진행되지 아니할 수 있으므로, 상기 가축분뇨의 pH를 조절하기 위해 첨가되어야 하는 첨가물은 가축분뇨의 pH를 급격히 변화시키지 아니하는 것일 수 있다.
본 발명의 퇴비 제조방법에 있어서, 상기 가축분뇨의 pH를 조절하기 위하여 첨가되는 첨가제는 황산 알루미늄 또는 명반일 수 있다. 상기 황산 알루미늄 또는 명반은 액체상태가 아닌 고체의 분말상태이므로, 본 발명은 액상의 산을 투여하는 제조방법에 비하여 가축분뇨의 pH의 급격한 변화를 방지할 수 있어 가축분뇨에 포함되어 있는 미생물에 의한 발효가 충분히 진행될 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명에서 황산 알루미늄(aluminum sulfate)이란 알루미늄의 황산염을 의미하고, 황산반토라고도 하며, 황산 알루미늄의 무수물 또는 수화물을 모두 포함할 수 있다. 상기 황산 알루미늄의 바람직한 예는 황산 알루미늄 수화물(Al2(SO4)3·14-18H2O)일 수 있다. 무색의 결정으로서 물, 산 및 알카리에 녹는다.
본 발명에서 명반이란 황산 알루미늄과 금속의 황산염이 만드는 복염을 의미하고, 백반이라고도 하며, 상기 금속은 리튬을 제외한 알칼리금속 또는 칼륨일 수 있다. 본 발명의 명반은 상기 알루미늄이 티탄(Ti), 비나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 이라듐(Ir), 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)으로 치환된 것일 수 있다.
본 발명의 퇴비 제조방법에 있어서, 가축분뇨에 첨가되는 황산 알루미늄 또는 명반은 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 2 내지 5 중량부, 바람직하게는 2 내지 3 중량부, 더욱 바람직하게는 2.5 중량부일 수 있다.
상기 황산 알루미늄 또는 명반을 5 중량부 초과하여 첨가하면 가축분뇨 혼합물의 pH가 너무 낮아져 미생물의 활성에 영향을 미치므로, 가축분뇨가 충분히 퇴비화되지 아니하고 질소유기물의 분해율이 낮아지거나 퇴비화기간이 길어질 수 있다 는 문제점이 있다. 황산 알루미늄 또는 명반을 2 중량부 미만으로 첨가하면, 암모니아 휘발의 감소 정도가 낮아, 다량의 암모니아 가스가 배출되므로, 발명이 목적하는 효과를 충분히 얻을 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 퇴비 제조방법에 있어서, 상기 황산 알루미늄 또는 명반은 한꺼번에 또는 분량하여 첨가할 수 있다. 상기 황산 알루미늄 또는 명반의 첨가에 의하여 상기 가축분뇨의 pH가 급격하게 변화하는 경우에는 미생물활성에 영향을 미칠 수 있으므로, 상기 황산 알루미늄 또는 명반은 상기 가축분뇨의 pH가 급격하게 변화되지 아니하도록 분량하여 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 퇴비 제조방법은 바람직하게는 a) 상기 가축분뇨의 발효가 진행되어 상기 가축분뇨의 온도가 33 내지 37℃인 시점에 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 1 내지 1.5 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하는 단계 및 b) 상기 a) 단계를 수행한 가축분뇨의 pH가 pH 7.0 내지 8.0을 유지하도록, 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 4 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반을 한꺼번에 또는 분량하여 첨가하는 단계를 포함하는 퇴비 제조방법일 수 있다.
상기 가축분뇨의 발효과정은 미생물에 의한 유기물 분해반응 즉, 발열반응에 의한 것이므로, 발효과정이 진행됨에 따라 가축분뇨의 온도는 점차적으로 상승한 후에 최고 온도, 바람직하게는 60 내지 75℃ 이후로는 점차 감소하는 것으로 보고 되고 있다. 또한, 상기 가축분뇨 혼합물의 pH가 pH 9 이하, 바람직하게는 pH 8.5 이하, 더욱 바람직하게는 pH 8.0 이하로 조절되면 미생물 활성이 좋아져 가축분뇨 혼합물의 발효시 미생물에 의한 유기물 분해가 용이하여 지고, 암모니아가 암모니 움 이온상태로 존재할 수 있게 되어 암모니아 방출량도 저감시킬 수 있다는 장점이 있는 것으로 보고 되고 있다.
상기 황산 알루미늄 또는 명반의 첨가는 발효과정의 진행에 따른 가축분뇨의 pH를 조절하기 위한 것으로, 상세하게는 발효산물에 따른 pH의 상승을 억제하여 암모니아 가스의 배출을 제어하기 위함이다. 따라서, 발효과정이 진행되기 이전에 무기산을 첨가하는 경우 오히려 pH가 너무 급격하게 낮아져, 미생물활성에 영향을 미쳐 초기반응속도가 낮아지므로 발효공정이 길어지는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 황산 알루미늄 또는 명반의 첨가는 반응이 진행되어 pH가 상승된 시점 즉, 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하지 아니하는 경우에는 pH 9.0 , 바람직하게는 pH 8.5, 더욱 바람직하게는 pH 8.0 이상으로 올라가는 시점에 수행하는 것이 바람직하다.
상기 가축분뇨에 대한 퇴비화 실험 결과, 본 발명자는 발효반응이 진행하기 전보다는 발효반응이 진행되어 가축분뇨의 온도가 33 내지 37℃, 바람직하게는 34℃ 내지 36℃, 더욱 바람직하게는 35℃인 시점에 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하는 것이 발효반응의 초기 반응 속도가 일정 속도 이상으로 될 수 있고, 암모니아 가스 배출량도 줄어들어 바람직한 것을 확인하였다.
또한, 본 발명자는 반응 초기 보다 상세하게는 가축분뇨의 온도가 20 내지 37℃인 시점에 황산 알루미늄 또는 명반을 다량, 보다 상세하게는 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 2 중량부 이상을 첨가하는 경우, 가축분뇨의 pH가 너무 급격하게 변화되어 미생물활성에 영향을 미쳐, 초기 반응속도가 감소함으로써 발효공정이 길 어지는 문제점이 발생할 수 있음을 확인하였다. 또한, 상기 반응 초기에 황산 알루미늄 또는 명반을 소량 보다 상세하게는 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.625 중량부 이하를 첨가하는 경우, 가축분뇨의 pH의 증가를 제어하지 못하여 다량의 암모니아가 배출됨으로써 암모니아 배출량을 조절함에 어려움이 발생할 수 있음을 확인하였다
따라서, 반응 초기의 황산 알루미늄 또는 명반의 첨가량은 미생물 활성에 영향을 미치지 아니할 뿐만 아니라, 반응 초기의 pH를 조절할 수 있는 함량 즉, 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 1 내지 1.5 중량부, 바람직하게는 1.25 중량부인 것일 수 있다.
상기 가축분뇨에 대한 퇴비화 실험 결과, 본 발명자는 초기 온도가 급격히 상승하는 범위가 발효 즉, 미생물에 의한 유기물분해가 급격히 진행되는 시점이므로 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 1 내지 1.5 중량부, 바람직하게는 1.25 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하고, 잔여 황산 알루미늄 또는 명반은 발효과정 중, 가축분뇨의 pH가 pH 7.0 내지 8.0을 유지하도록 첨가하는 것이 가축분뇨의 발효를 충분히 진행시키고 암모니아의 배출량도 줄일 수 있는 것임을 확인하였다.
상기 가축분뇨에 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 1 내지 1.5 중량부를 초기 첨가한 후에, 잔여 첨가되는 황산 알루미늄 또는 명반의 양은 전체 황산 알루미늄 또는 명반의 첨가량인 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 2 내지 5 중량부의 잔량 즉, 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 4 중량부 일 수 있다.
상기 잔여 황산 알루미늄 또는 명반 즉, 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 4 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반의 첨가는 가축분뇨의 pH가 pH 7.0 내지 8.0을 유지할 수 있도록 가축분뇨의 pH가 pH 7.6 내지 8.0으로 측정되는 시점에 한꺼번에 또는 분량하여 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 잔여 황산 알루미늄 또는 명반을 분량하여 첨가하는 것은 바람직하게는 2회 내지 5회, 더욱 바람직하게는 2회 내지 4회 동일한 양을 첨가하는 것일 수 있다.
상기 잔여 첨가되는 황산 알루미늄 또는 명반은 상기한 바와 같이, 분할 첨가할 수 있으며, 상기 분할첨가시 1회 첨가되는 황산 알루미늄 또는 명반의 양은 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 0.7 중량부일 수 있다. 상기와 같이 황산 알루미늄 또는 명반을 분할 첨가하는 경우, 미생물활성에 미칠 수 있는 영향을 최소화할 수 있고, 발효과정에 따른 암모니아 및 이산화탄소의 발생으로 인한 pH의 증가를 적정 pH 즉, pH 7 내지 8, 바람직하게는 pH 7 내지 7.5로 조정하기가 용이하다는 장점이 있다.
상기 가축분뇨를 발효시켜 퇴비를 제조함에 있어서, a) 상기 가축분뇨의 온도가 33 내지 37℃인 시점에 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 1.25 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하고는 단계 및 b) 상기 a) 단계를 수행한 가축분뇨의 pH가 pH 7.0 내지 8.0을 유지하도록, 1회 첨가량 즉, 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.625 중량부인 황산 알루미늄 또는 명반을 2회 첨가한 경우에, 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하지 아니한 경우에 비하여, 암모니아의 배출량이 83%까지 저감되는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명의 퇴비 제조방법은 상기 a) 단계에서 상기 황산 알루미늄 또 는 명반 첨가 시 제올라이트를 추가로 첨가하는 것일 수 있으며, 상기 제올라이트의 첨가량은 바람직하게는 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 4 내지 6 중량부의 제올라이트를 추가로 첨가하는 것일 수 있다.
상기 제올라이트는 가축분뇨의 pH에 영향을 미치지는 아니하나, 흡착반응을 통하여 가축분뇨 내의 암모니움 이온이 용출되는 것을 막을 수 있고, 부식질의 물질을 포함하는 수추출물 유기탄소를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 제올라이트는 가축분뇨로 제조한 퇴비 내의 암모니움이 물에 즉시 배출되지 않도록 흡착할 수 있기 때문에, 상기 제올라이트를 첨가하는 단계를 수행함으로써 암모니움을 서서히 토양에 배출할 수 있어 강우 등의 경우에도 토양의 질소함량을 유지할 수 있는 고품질의 비료 생산이 가능할 수 있다. 또한, 상기 제올라이트는 황산 알루미늄 또는 명반과 다르게 상기 가축분뇨에 첨가하는 경우, 산을 방출하지 않을 뿐만 아니라 암모니아를 제어할 수 있는 pH 완충효과를 나타내어 산 첨가에 의한 초기 암모니아 제어 효과를 계속 유지시켜 주어 암모니아의 최종 배출량을 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 제올라이트를 첨가한 경우에는 상기 가축분뇨의 발효 최종산물인 비료의 전기전도도(electrical conductivity) 및 염분도(salinity)를 증가시키지 아니하여 비료에 의한 작물의 염해 및 토양의 입단구조를 파괴하는 등의 문제점이 발생되지 아니한다.
본 발명에서 제올라이트는 알칼리 및 알칼리금속의 규석 알루미늄 수화물인 장석류 광물을 총칭하는 물질일 수 있으며, 비석(沸石)이라고도 한다. 상기 제올라이트는 함수량이 많고 즉, 내부에 있는 나노 크기의 세공 속에 물분자들을 가득 채우고 있으며, 물리적 흡착력 및 화학적 양이온 치화작용이 뛰어나고, 굳기가 6이고, 비중이 2.2인 무색 투명 또는 백색 반투명인 광물을 의미하고, 클라이놉틸로라이트, 방비석, 어안석, 캐버자이트, 소다비석, 휼란다이트 또는 스틸바이트 등이 있다.
상기 제올라이트는 바람직하게는 클라이놉틸로라이트 제올라이트(clinoptiolite zeolite)일 수 있다. 상기 클라이놉틸로라이트 제올라이트는 화산재의 결정으로 구성된 광물일 수 있다. 상기 클라이놉틸로라이트는 바람직하게는 100 내지 300 mesh, 더욱 바람직하게는 200 mesh일 수 있다. 일예로, 상기 클라이놉틸로라이트의 화학식은 (Na2, Ca)(Al2Si018)6H2O일 수 있다.
상기 가축분뇨에 대한 퇴비화 실험 결과, 본 발명자는 제올라이트를 첨가하는 경우에, 아무런 무기산도 첨가하지 않은 경우에 비하여 암모니아 가스 배출량이 92.4% 감소되었고, 전기전도도 및 염분도가 감소되었으며, 가축분뇨로 제조한 퇴비에 암모니아 보유량이 증가하는 것을 확인하였다.
상기 제올라이트의 첨가량은 본 발명이 의도하는 효과 및 경제성에 의할 때, 바람직하게는 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 4 내지 6 중량부일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: 돈분 혼합물의 제조
수분함량이 81%인 돈분(용인 축협 비료 공장, 대한민국) 2000g에 평균직경 2 mm의 크기 톱밥 445 g과 바크(wood bark) 263 g을 첨가하여 돈분 혼합물을 제조하였다. 상기 돈분, 톱밥 및 바크를 혼합하여 제조한 돈분 혼합물의 수분함량은 60%이었다.
실시예 2: 명반 첨가량에 따른 악취 제거 효과
명반 및 제올라이트의 첨가량에 따른 암모니아 배출량의 저감정도를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조한 돈분 혼합물에 명반을 첨가하고, 돈분 혼합물의 발효를 수행하였다.
상기 돈분 혼합물의 발효는 도 1의 반응조를 이용하여 수행하였으며, 상기 도 1의 반응조는 환기(aeration)를 위해서 반응조의 일부분만을 돈분 혼합물로 채워 반응을 수행하였다. 상기 반응은 상기 돈분 혼합물을 매일 섞어주면서 수행하였다. 상기 돈분 혼합물의 발효 과정에서의 공기의 주입은 750 ml의 5N KOH 및 500 ml의 중성의 물(deionized water)을 통과한 공기를 0.4 L/kg sample · minute의 속도로 유지하면서 주입하는 것으로 수행하였다. 상기 돈분 혼합물의 발효 과정에서 배기는 발효과정 즉, 유기물의 배출과정에서 배출되는 이산화탄소와 암모니아를 획득하기 위하여, KOH와 H2SO4를 순차적으로 통과시켜 배출하는 것으로 수행하였다. 상기 반응조에는 돈분 혼합물의 온도를 측정할 수 있는 온도계인 multilogPRO(Fourier, 이스라엘)가 삽입되어 있다.
상기 명반((주)대정화금주식회사, 대한민국)은 백색의 결정인 황산 알루미늄 수화물(Al2(SO4)3·14-18H2O)인 것으로 측정결과, Al2(SO4)3의 함량이 51.0% 내지 57.5%이었다.
실험예와 대조예의 명반의 첨가량은 하기 표 1과 같다.
1차첨가량(w/w) 2차첨가량(w/w) 3차첨가량(w/w) 4차 첨가량(w/w) 총량(Total%, (w/w))
실험예2-1(R2a) 1.25% 0.625% 0.625% 2.5%
실험예2-2(R3a) 0.625% 0.625%
실험예2-3(R4a) 0.625% 0.625% 0.625% 0.625% 2.5%
대조예2-1(R1a)
상기 표 1의 실험예 2-1 내지 실험예 2-3의 명반의 1차 첨가는 실시예 1에서 제조한 돈분 혼합물의 온도가 35 ℃인 시점에서 첨가하여 수행하였고, 실험예 2-1 및 실험예 2-3의 명반의 2차 첨가 내지 4차 첨가는 돈분 혼합물의 pH가 8이하가 되도록, pH가 8을 초과하는 경우에 명반을 첨가하여 수행하였다.
돈분 혼합물의 온도는 돈분 혼합물 중간 부분에 삽입되어 있는 도 1의 상기 반응조의 온도계를 이용하여 측정하였다. 한편, 돈분 혼합물의 pH 및 염도(salinity)의 측정은 상기 돈분 혼합물 시료 3 g을 30 ml의 중성의 물에 첨가한 후, 6℃ 및 150 rpm의 조건으로 2시간 동안 원심분리하여 제조한 용액을 이용하여 측정하였다. 상기 염도의 측정은 WTW 전기전도도 측정기(WTW사)을 이용하였다.
상기 돈분 혼합물의 발효에 따른 배기가스 내의 이산화탄소는 연속되어 있는 2개의 집진장치(two impingers placed in series)내의 5N의 수산화칼륨(KOH)에 의해 포집되었다. 한편, 발열반응인 발효과정이 격렬하게 일어나는 thermophilic phase와 mesophilic phase의 경우, 이산화탄소의 배출량이 많으므로 8N의 수산화칼륨을 이용하였다. 포집된 이산화탄소의 농도의 측정은 2006a 및 2006b(Komilis 2000)을 이용하여 두 번의 적정을 통하여 수행하였다. 상기 수산화칼륨을 통과한 기체는 0.3N의 황산 용액을 통과시켜 발효과정 중에 발생한 암모니아를 포집하였다. 상세하게는, 상기 암모니아의 포집은 0.3N의 황산 용액이 100 ml 들어있는 2개의 집진장치를 이용하여 암모니아 가스를 포집한 후에, 상기 포집된 암모니아 가스의 배출량을 암모니아 일렉트로드(ammonia electorde) 95-12(Orion사)를 이용하여 측정하였다.
상기 측정한 발효과정에 따른 pH의 변화 및 암모니아 배출량을 도 2 및 도 3에 나타내었다.
상기 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 실험예 2-2는 실험예 2-1 및 실험예 2-3과 달리, 대부분의 측정 범위에서 pH가 8.0 이상인 것으로 확인되었고, 이에 비례하여 암모니아 배출량도 실험예 2-1 및 2-3의 거의 2배에 가까운 값을 나타내는 것을 확인하였다. 한편, 실험예 2-1 및 실험예 2-3의 경우, 명반을 첨가하지 아니한 대조예에 비하여, 최종 암모니아 배출량이 25% 정도로 낮게 나타났다.
또한, 1차 첨가량이 0.625%인 실험예 2-3의 경우, 1차 첨가량이 1.25%인 실험예 2-1에 비하여 초기 반응에서 pH가 pH 8 이상으로 증가하는 것이 관찰되었으며, 이에 따라, 암모니아의 방출량도 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 초기 첨가량과 관련하여 실험예 2-1이 실험예 2-3에 비하여 2배 이상 효율적이라는 것을 확인하였다.
실시예 3: 명반 첨가시점 및 제올라이트 첨가여부에 따른 악취 제거 효과
명반 첨가시점 및 제올라이트의 첨가 여부에 따른 암모니아 배출량의 저감정도를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조한 돈분 혼합물에 명반 및 제올라이트를 첨가하고, 돈분 혼합물의 발효를 수행하였다.
상기 돈분 혼합물의 발효 및 발효과정에 따른 온도, pH 및 암모니아의 배출량의 측정은 상기 실시예 2와 같은 방법으로 상기 도 1의 반응조를 이용하여 수행하였다. 상기 실시예 3의 명반 첨가시점 및 제올라이트 첨가 여부로 구분한 실험예와 대조예의 명반 첨가시점 및 제올라이트의 첨가량은 하기 표 2와 같다. 하기 1차 첨가시기의 온도는 돈분 혼합물의 온도이다. 하기 실험예 3-1 내지 실험예 3-3의 명반의 2차 첨가 및 3차 첨가는 돈분 혼합물의 pH가 8이하가 되도록, pH가 8을 초과하는 경우에 명반을 첨가하여 수행하였다.
첨가물의 종류 1차 첨가시기 2차 첨가시기 3차 첨가시기 총 량
발효수행전(25℃) 발효수행중 (35℃) Total%(w/w) Total mass(g)
실험예3-1(R2az) 명반 1.25% 0.625% 0.625% 2.5% 67.70
실험예3-2(R3az) 명반 1.25% 0.625% 0.625% 2.5% 67.70
실험예3-3(R4az) 명반 1.25% 0.625% 0.625% 2.5% 67.70
제올라이트 5% 5% 135.0
대조예3-1(R1az) 명반
상기 온도, pH 및 암모니아의 배출량에 대한 측정 결과를 도 4 내지 도 6에 나타내었다.
상기 도 4에 나타낸 바와 같이, 실험예 3-1, 실험예 3-3 및 대조예3-1의 경우와 비교해서, 실험예 3-2는 초기 반응 온도가 현격히 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 보다 상세하게는 실험예 3-1(66.1℃), 실험예 3-3(67.6℃) 및 대조예3-1(68.4℃)에 비하여, 실험예 3-2의 최고 온도는 약 10℃ 정도 낮은 53.8 ℃를 나타내었다. 또한, Thermophilic phase 도달시간의 경우에도 실험예 3-1(16시간), 실험예 3-3(15시간) 및 대조예3-1(14시간)의 경우와 비교해서, 실험예 3-2의 경우에는 약 5시간 정도 더 걸리는 20시간으로 확인되었으며, Thermophilic phase 도달시간의 경우에도 실험예 3-1(41시간), 실험예 3-3(62시간) 및 대조예3-1(49시간)의 경우와 비교해서, 실험예 3-2의 경우에는 약 50여 시간이 더 소요되는 101시간으로 확인되었다. 상기 도 5에 나타낸 바와 같이, 실험예 3-2의 초기 pH가 6 내지 6.5로 나타나 상기 도 4와 관련하여, pH의 급격한 저하로 인하여 미생물활성에 영향을 받아 발효과정이 원활하게 진행되지 아니하였음을 확인할 수 있다. 상기와 같이, 미생물활성에 영향을 받아 발효반응의 초기 반응속도가 낮아지는 경우, 발효반응 전체에 영향을 미쳐 발효과정이 장기간 소요되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 상기 도 6에 나타낸 바와 같이 실험예 3-1 내지 3-3의 경우 명반 및 제올라이트를 모두 첨가하지 아니한 대조예 3-1에 비하여 현저하게 감소되었으며, 상세하게는 실험예 3-1의 경우, 대조예 3-1의 83.6%가 감소되었고, 실험예 3-2의 경우, 대조예 3-2의 85.1%가 감소되었으며, 제올라이트를 첨가한 실험예 3-3의 경우, 대조예 3-3의 경우 92.4%가 감소되었다. 상기 실험예 3-1 및 3-2에 비하여 실험예 3-3의 암모니아 발생량이 10% 감소한 것은 제올라이트가 완충효과(bufferring effect)를 나타내기 때문이다. 보다 상세하게는, 발효반응이 진행된 시점 즉, 가축분뇨의 온도가 35℃인 시점에 명반이 첨가되어 암모니아 배출을 제어할 수 있고, 제올라이트의 완충효과에 의해 pH가 급격하게 올라가는 것이 더욱 차단되어, 실험예 3-1 및 실험예 3-2에 비하여 10%에 가까운 추가적인 암모니아 발생량 감소효과를 나타내었다. 또한, 상기 실험예 3-3에 의해 제조된 비료는 대조예 3-1에 비하여 암모니움(ammonium) 보유량이 3.4배 증가되어 즉, 질소 보유력이 매우 뛰어난 것으로 확인되어 이에 의해 제조된 퇴비가 고품질인 것을 확인할 수 있었다.
상기 실험 결과, 퇴비의 발효가 일정 수준 진행된 시점에 가축분뇨의 pH를 조절할 수 있는 함량의 무기산, 바람직하게는 고체의 분말상태인 황산 알루미늄 또는 명반을 제올라이트와 함께 첨가하고, 발효반응이 진행됨에 따라, 적정량의 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하여 pH가 8.0 이상으로 올라가지 못하게 제어하는 경우에는 미생물활성에 영향을 미치지 아니하고 암모니아 가스 발생량을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 발효과정에 의해 생산되는 가축분뇨의 암모니움 보유량을 증가시켜 고품질의 비료를 제조할 수 있는 효과가 있는 것으로 확인되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의할 경우, 암모니아 휘발이 현저하게 감소되어 가축분뇨 퇴비화 과정에서 발생하는 악취를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 퇴비 내의 암모니아 용출을 막아, 식물이 필요로 하는 다량의 질소를 함유하는 고품질의 퇴비를 제조할 수 있어, 환경오염의 원인이 되는 가축분뇨의 재활용 및 양질 의 비료 생산이라는 점에서 그 산업적 효과가 매우 크다 할 것이다.

Claims (5)

  1. 가축분뇨를 발효시켜 퇴비를 제조하는 방법에 있어서,
    가축분뇨의 pH를 pH 7.0 내지 8.0을 유지하도록 가축분뇨에 황산 알루미늄 또는 명반을 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 2 내지 5 중량부의 양으로 첨가하는 단계를 포함하는 퇴비 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 퇴비 제조방법은 a) 상기 가축분뇨의 발효가 진행되어 가축분뇨의 온도가 33 내지 37℃인 시점에 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 1 내지 1.5 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반을 첨가하는 단계 및 b) 상기 a) 단계를 수행한 가축분뇨의 pH가 pH 7.0 내지 8.0을 유지하도록, 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 4 중량부의 황산 알루미늄 또는 명반을 한꺼번에 또는 분량하여 첨가하는 단계를 포함하는 퇴비 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 b) 단계는 상기 황산 알루미늄 또는 명반의 1회 첨가량이 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 0.7 중량부인 퇴비 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 상기 황산 알루미늄 또는 명반 첨가 시 제올라이트를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 퇴비 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가축분뇨에 첨가되는 제올라이트의 함량은 가축분뇨 100 중량부를 기준으로 4 내지 6 중량부인 퇴비 제조방법.
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