KR100812686B1

KR100812686B1 - 지렁이 분변토를 이용한 우유가공 슬러지의 퇴비화 방법

Info

Publication number: KR100812686B1
Application number: KR1020070017061A
Authority: KR
Inventors: 서정윤
Original assignee: 창원대학교 산학협력단; 청원상사 주식회사
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-03-13

Abstract

본 발명은 지렁이를 이용한 우유 가공 폐수처리장 슬러지의 효율적 퇴비화 방법에 관한 것으로, 특히 우유가공 슬러지를 지렁이에 급이 하여 발생되는 분변토와 지렁이를 재활용하는 방법으로서 종래의 슬러지 처리 방법보다 간편하고 운전 관리비용이 적게 들고 재활용이 가능하게 우유가공 슬러지를 퇴비화하는 방법에 관한 것으로, 톱밥이나 당분 등의 추가의 첨가물을 넣지않고 물과 우유가공 슬러지 자체만으로 지렁이 분변토를 이용하여 우유가공 슬러지를 재활용하고 분변토에 기생하는 여러 미생물을 이용하여 각종 유기물질이 풍부하여 식물 성장에 도움을 주는 보다 양호한 우유가공 슬러지의 효율적 퇴비 생산 방법에 관한 것이다.

분변토,퇴비화

Description

지렁이 분변토를 이용한 우유가공 슬러지의 퇴비화 방법 { COMPOSTING METHOD OF MILK PROCESSING WASTE USING A FECALSOIL OF EARTHWORM }

도 1은 지렁이 사육장의 각 슬러지의 혼합을 나타내는 도면

도 2는 2주 후 각 슬러지의 혼합 비율에 따른 분해율을 도시 하는 도면

본 발명은 지렁이를 이용하여 우유가공 폐수처리장 슬러지의 퇴비화 방법에 관한 것으로, 특히 우유가공 슬러지를 지렁이에 급이하여 발생하는 분변토와 지렁이를 재활용하는 방법으로서 종래의 슬러지 처리방법보다 간편하고 생산 및 관리비용이 적게 들고 재활용이 가능하게 우유가공 슬러지를 퇴비화하는 방법에 관한 것이다.

우리나라에서 2004년에 발생된 유기성 오니류 양은 하루 대략 18000 톤이며 매년 증가 추세에 있다. 그러나 이러한 오니류는 일반 폐기물 매립장 유입이 금지되어 있고 처리에 어려움이 있어 공공기관이나 기업체 등에서 이러한 유기성 폐기물을 재활용하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이에 따라 유기성 슬러지를 처리하는 일반적인 방법은 매립지에 매립 또는 소각하는 것이 알려져 있다. 그러나 이러한 방법은 토양오염 또는 환경오염을 유발하며 소각시에는 많은 비용이 지출되고 그 양도 기계적 설비의 처리 제한으로 인해 한정되어 있다. 따라서 유기성 폐기물을 지렁이 분변토를 이용하여 퇴비화하는 방법이 제안되기도 했다. 그러나 많은 양의 우유가공 슬러지를 재활용하는 방법이 없어 처리에 고충이 있었던 것이 사실이다. 즉 우유가공 폐수처리장 유기성 슬러지는 좋은 퇴비화 원료 물질임에도 불구하고 퇴비화하여 효율적으로 재활용되지 못하고 있다. 본 발명은 이에 착안하여 우유가공 슬러지를 지렁이 먹이로 급이하고 지렁이 분변토를 이용하여 우유가공 슬러지를 환경 친화적인 물질로 퇴비화하고자 하는 것이다.

한편 종래의 유기성 슬러지를 퇴비화하는 방법은 수분 조절을 위해 톱밥이나 지렁이가 좋아하는 당분을 첨가하여 퇴비화하였으나 톱밥제조비용과 당분을 제공하는 데는 비용이 추가되어 퇴비의 원가가 증가 될 수밖에 없었다. 그러나 우유가공 슬러지는 충분한 수분을 포함하고 있을 뿐 아니라 약간의 당분도 포함하고 있어 지렁이에게는 상당히 좋은 먹이임에 틀림없다.

이에 본 발명은 종래의 유기성 폐기물 퇴비화 과정의 문제점을 해결하기 위한 것으로 톱밥이나 당분 등의 추가의 첨가물을 넣지않고 물과 우유가공 슬러지 자체만으로 지렁이 분변토를 이용하여 우유가공 슬러지를 재활용하고 분변토에 기생하는 각종 유기 물질이 풍부한 미생물을 이용하여 식물 성장에 도움을 주는 보다 양호한 우유가공 슬러지의 효율적 퇴비를 생산하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 지렁이 생육에 적합한 온도, 습도를 유지하도록 사육장을 설치하고, 사육장에서 분리한 지렁이를 지렁이 사육장에서 배출된 분변토와 혼합하여, 상기 사육장 바닥에 20cm 의 두께로 고르게 덮는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계 위에 10cm 의 우유가공 슬러지를 덮는 제 2 단계와, 상기 2 단계 후에 2주간 숙성시키는 제 3 단계와, 상기 제3 단계 동안에 상기 우유가공 슬러지에 자연 증발된 수분을 보충하기 위해 상기 사육장 상단에서 우유가공 슬러지에 물을 분사하는 제 4 단계와, 상기 2주 후에 숙성된 분변토를 퇴비로 이용하는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 우유가공 슬러지에 분사하는 물의 양은 3일마다 3리터의 물을 분사 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 최종 급이된 분변토의 양을 측정하기 위해 다음 식에 의해 분변토 총량을 계산하는 것을 특징으로 한다.

(여기서 A;초기 급이된 분변토 총량, B;초기 급이된 슬러지의 수분 함량(%), C;초기 급이된 슬러지의 회분함량(%), X;최종 분변토의 총량, D; 최종 분변토의 수분 함량(%), E; 최종 분변토의 회분 함량(%))

이하 실험 예에 의해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 실험 재료로는 우유가공 공장의 폐수처리장에서 배출된 슬러지, 폐지를 이용하여 포장지를 생산하는 제지공장의 폐수 처리장에서 발생하는 슬러지, 분 뇨처리장에서 배출되는 슬러지를 사용하였는데 여기서 사용된 각 슬러지의 이화학적 성분은 아래의 표 1와 같다.

표 1. 실험에 사용된 각 슬러지의 이화학적 성분

슬러지 종류	파 라 미 터
슬러지 종류	수분(%)	pH	유기물(%)	Ash(%)	TKN (㎎/㎏)	NH₄ ⁺-N (㎎/㎏)	NO₃ ^--N (㎎/㎏)	NO₂ ^--N (㎎/㎏)
MPS	89.71	7.24	77.98	22.02	50,400	3,846	0	1.2
PMS	73.33	7.29	80.41	19.59	28,000	2,131	0.9	32.3
NSS	84.21	8.64	58.30	41.70	51,380	349	30.1	2.3

MPS: 우유가공 슬러지

PMS: 제지공장 슬러지

NSS:분뇨 처리장 슬러지

표 1<계 속>

슬러지 종류	파 라 미 터
슬러지 종류	T-P(㎎/㎏)	Mg(㎎/㎏)	K(㎎/㎏)	Ca(㎎/㎏)	As(㎎/㎏)	Cd(㎎/㎏)	Cu(㎎/㎏)
MPS	14,444	143	4,886	123	ND	ND	45
PMS	6,840	146	2,227	11	142	33	598
NSS	8,491	134	2,028	91	29	9	397

표 1<계 속>

슬러지 종류	파 라 미 터
슬러지 종류	Cr(㎎/㎏)	Hg(㎎/㎏)	Ni(㎎/㎏)	Pb(㎎/㎏)	Zn(㎎/㎏)
MPS	43	4.6	18	8	93
PMS	184	13.7	27	206	116
NSS	226	2.6	24	12	113

도 1은 지렁이 사육장을 도시하면 도면으로서, 실험을 위해 철제 파이프로 지어진 비닐 하우스 내에 가로(총 350cm)를 5등분 그리고 세로(총 180cm)를 3등분 하여 15개의 소형 사육장 구분하고, 실험용 사육장(70*60*60cm)을 설치하였다.그리고 우유 가공 슬러지와 제지 및 분뇨 슬러지를 표 2와 같은 무게 비율로 혼합하여 지렁이에게 각각 급이 하였으며 지렁이는 사육장에서 분리한 5.02kg 무게의 지렁이를 사육장에서 배출된 분변토에 혼합하여 20cm 두께로 고르게 깔았으며 그 지렁이 투입층 상부에 각 사육장마다 우유 가공 슬러지와 제지 및 분뇨 슬러지를 각각 42 kg 을 고르게 덮어 급이 하였다. 실험의 정확성을 기하기 위해 혼합 비율별로 3회 반복 배치하여 실험하였으며 각 슬러지 급이 층에 통상적으로 실시하는 방법으로 3일마다 3리터의 물을 상단부에서 분사시켜 자연 증발되는 수분을 보충하였다. 그리고 실험을 위한 분석용 시료는 초기에 투입된 슬러지와 2주 사육 후(말기)의 각 사육장의 상부 슬러지 급이 층에서 채취하였다.

표2. 각 실험 구획의 중량 혼합비

실험구획	중 량 혼 합 비 (%)
실험구획	MPS	PMS	NSS	비고
MPS-100	100	0	0
MPS-75	75	20	5
MPS-50	50	40	10
MPS-25	25	60	15
MPS-0	0	80	20

이를 분석하기 위해 온도계를 각 급이 층에 꽂아두고 측정하였으며 사육장 실내온도는 최고 초저 온도계로 측정하였다 여기서 pH 는 습시료 10g 에 증류수 25ml를 첨가 휘저음 후 pH 메타로 측정하고 나머지 파라미터는 비료의 품질 검사 방법 및 시료 채취 기준(2006년 1.6일자 농촌 진흥청 고시 2005-27호)에 따라 측정 하고, 각 구획지점의 분변토에서 지렁이를 분리하여 무게를 측정하였다

또한, 슬러지 분해율을 구하기 위해 초기 급이된 슬러지 유기물 양과 2주 후 급이층에서 채취된 시료의 유기물 양의 차이를 초기 급이된 유기물 양에 대한 비율로 구하였다 그러나 실험 초기에 지렁이를 입식하기 위하여 각 구획 지점에 분변토 층을 깔았기 때문에 실험 종료시 급이된 슬러지 층과 지렁이 입식용 층과의 구별이 불가능하였다

그러나 급이된 슬러지 중 회분의 총량은 초기나 실험 종료시에도 같아야 한다는 것을 전제로 상기 위에서 언급한 식에 의하여 최종 분변토 총량(x) 을 구할 수가 있었다.

한편, 사육장 실내온도가 14 ℃에서 42 ℃까지 변화가 있었으나 슬러지 급이 층 내부 온도는 22-23 ℃ 로 거의 온도 변화가 없었다. 따라서 최훈근저 서울 시립 대학교 "유기질 슬러지 처리에 있어서 지렁이를 이용한 퇴비화의 슬러지 급이와 사육 조건에 관한 연구" 논문에 나타난 바와 같이 유기성 슬러지를 지렁이에 급이 하였을 때 10-25 ℃의 온도 범위에서는 지렁이 생존율에 영향을 미치지 않고 또한 "Roy Hartenstein, Metabolic Parameters of the Earthworm Eisenia foetida in Relation to Temperature, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 24, 1803-1811, 1982" 에도 18-30 ℃의 온도 범위에서는 지렁이의 생존율이 95-100%로 관찰된 바있어 사육온도로 인해 분해율에는 영향이 없는 것을 전제로 하였다.

실험에 의하면 순수 우유가공 슬러지(이하 MPS-100 이라칭함)의 경우 2주 후 지렁이의 무게가 17.7% 감소하였다. 감소의 원인은 먹이의 양이 충분치 못한 것으 로 생각된다. 50% 중량 우유가공 슬러지 (MPS-50 으로칭함)는 무게증가가 49.2 % 로가장 크게 증가하였으며 굵기 역시 가장 많이 증가하였다. 그러나 분해율이 좋았던 25% 중량 우유가공 슬러지(MPS-25 이라칭함) 에서 MPS-50 보다 지렁이 증가가 낮았는데 이는 MPS-100 과 마찬가지로 먹이로 인해 증가율이 낮아진 것으로 생각된다

도 2 에 2주 후 각 슬러지 혼합비율에 따른 분해율을 나타내었다. 우유가공 슬러지만을 급이 하였을 때 분해율은 19.9%로 가장 높았다. 우유가공 슬러지 0%, 25%, 50% 및 75% 의 중량% 일 때 분해율은 각각 16.7, 19.5, 19.1 및 17.6%이었다. 분해율 만으로 보면 우유가공 슬러지는 다른 슬러지들과 혼합하지 않고 한 가지만 급이하는 것이 보다 효과적으로 분변토를 생산할 수 있을 것으로 판단된다. 분뇨와 제지 슬러지를 혼합하여 급이 할 경우는 25% 중량 우유가공 슬러지, 60% 중량 제지 슬러지 그리고 15% 중량 분뇨 슬러지로 섞어 급이하는 것이 가장 좋았다. 이와 같이 60% 중량 제지 슬러지를 혼합하여 급이하는 경우에는 우유가공 슬러지의 혼합량이 제지 슬러지 보다 적으므로 우유가공 슬러지가 오히려 혼합재로서의 역할을 한다고 볼 수 있다. 이상의 결과로부터 지렁이 사육장에서 우유가공 슬러지와 제지 슬러지 중 어느 것을 많이 급이하여야 하느냐에 따라 우유가공 슬러지만 급이 할 것인지 아니면 오히려 혼합재의 역할로 사용할 것이냐를 선택할 수 있을 것이다. 일반적으로 유기성 슬러지를 지렁이에 급이 할 경우는 지렁이가 섭취한 것과 섭취하지 않은 것으로 구분된다. 섭취한 슬러지는 소화기관에서 동화되는 것과 분뇨(feces)로 나누어진다. 소화기관에서 동화된 것은 활동에너지와 생체증가 및 분뇨로서 배설된다. 따라서 분해율은 사육기간 동안 지렁이에 섭취된 슬러지의 일부가 활동에너지로 소비된 것으로 고려될 수 있다.

이를 증명하기 위해 지렁이에 급이한 슬러지와 2주 후 생산된 분변토의 이화학적 특성 변화를 아래의 표3 에 나타내었다. pH, 수분, 유기물, TKN, NH₄ ⁺-N, Ca, Mg, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb함량은 2주 후 감소하였다. 반면에 회분, NO₃ ^--N, NO₂ ^--N, T-P 함량은 증가하였다.

상기 표3에 따르면 pH는 전체적으로 초기에 7.07 내지 8.53 이었으나 2주 후(말기)에는 6.49 내지 7.69로 감소하였다. Madge, D.S.에 의하면 pH 5.6-8.3 범위에서 지렁이는 별다른 반응을 보이지 않는 것으로 알려져 있다. MPS-0 은 초기 pH가 8.53으로 8.3을 초과하였다. 그러나 2주 후에는 지렁이의 생육에 적절한 범위인 6.37 내지 7.69를 유지하였다. 유기성 슬러지는 초기에 pH가 높더라도 생물학적으로 분해되면서 산이 생성되기 때문에 낮아졌다가 시간이 경과함에 따라 다시 증가하는 경향을 보이는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명의 실험에서는 pH는 초기보다 2주 후 오히려 낮았다. 이것은 초기에 암모늄 형태의 질소가 후반에 아질산 및 질산성 질소로 변하였기 때문이다. 수분의 함량은 초기 우유가공 슬러지(MPS-100)만 급이된 실험구획에서 평균 90.51%로 가장 높았다. 이것은 우유가공 슬러지 자체의 수분함량이 높기 때문이다. 언급한 농촌진흥청 고시에 따르면 지렁이에 급이할 경우 함수율(수분 함량 비율)이 70±10%일 때 가장 적합한 것으로 알려져 있다. 그러나 초기 우유 가공 슬러지만 급이된 구획에서의 수분함량에서도 분해율이 가장 높았다는 것은 이 슬러지 자체가 많은 수분을 보유하고 있지만 지렁이에 필요한 산소가 잘 공급될 수 있는 물리적 특성이 있기 때문으로 고려된다. 한편, 유기물 함량은 시간이 경과함에 따라 지렁의 활동에 필요한 에너지로서 소모되기 때문에 감소하였다. TKN (Kjeldahl 질소)은 마찬가지로 유기성 성분에 함유된 질소가 무기화되고 암모니아성 질소도 아질산성 및 질산성 질소들로 산화되면서 감소하였다. 반대로 아질산성 및 질산성 질소들은 말기에 증가하였다. T-P(총인) 함량도 초기에 높으면 말기에도 높았으며 또한 말기의 함량이 모두 증가하였다. 이것은 지렁이에 급이된 슬러지 중의 T-P가 지렁이에 의하여 보다 효율적으로 무기화된다는 것을 의미한다. 이러한 효과는 지렁이 장 내의 여러 가지 세균과 효소들의 도움으로 유기물이 무기화되기 때문이다. 또한, 식물성 쓰레기가 지렁이에 섭취된 후 배설물에 이용 가능한 T-P의 함량이 증가하고 그 이유는 지렁이에 의하여 식물성 유기물의 자체의 물리적 분해에 의한 것으로 설명하고 있다(Mansell, G.P, Syers, J.K. and Gregg, P.E.H., Plant availability of phosphorous in dead herbage ingested by surface-casting earhtworms, Soil Biol. Biochem. Vol. 13, 163-167, 1981 을 참조 ).중금속 중에서는 Hg만 지렁이에 급이한 후 함량이 많이 감소 하였다. 이것은 지렁이가 섭취한 슬러지 중의 Hg가 생체량에 흡수되어 감소한 것으로 생각된다. 우 유가공 슬러지 만을 급이 하였을 경우 "2006년 1.6 일자 농업 진흥청고시 2005-26호"에 고시된 바와 같이 비료공정규격 부산물비료의 기준을 충족하였다. 그러나 제지와 분뇨 슬러지를 혼합하여 급이 하였을 경우 분변토의 Cd 함량이 비료공정규격 부산물비료 기준을 초과하였다.

본 발명은 이와 같이 우유가공 슬러지만을 급이 하였을 때와 25% 중량 우유가공 슬러지, 60% 중량 제지 슬러지 그리고 15% 중량 분뇨 슬러지를 섞어 급이 하였을 때 분해율이 가장 높았으며 각각 19.9 와 19.1%로 비슷하였다. 분뇨와 제지 슬러지 만을 급이 하였을 때보다 우유가공 슬러지와 분뇨 및 제지 슬러지를 혼합 급이 하였을 때 분해율이 높아 오히려 우유가공 슬러지가 지렁이에 다른 슬러지와 혼합하여 급이하는 슬러지로 더욱 적합하였다. 그러나 제지와 분뇨 슬러지를 혼합하여 급이 하였을 경우 분변토의 Cd 함량이 비료공정규격 부산물비료 기준을 초과하여 퇴비로는 부적당하다. 이상과 같이, 분변토의 이화학적 특성으로 보면 우유가공 슬러지 만을 급이 하였을 경우 비료공정규격 부산물비료의 기준을 충족하여 훌륭한 퇴비가 된다는 것이 증명되었다.

본 발명은 이와 같이 매립 및 소각되는 우유가공 슬러지를 지렁이 분변토를 이용하여 퇴비화시키므로 환경오염 방지와 우유가공 슬러지의 재활용방안으로 기대되며 우유가공 슬러지 자체의 수분 함량으로 인해 종래의 수분 조절제로서 이용되는 톱밥의 문제도 해결할 수 있으며 동시에 퇴비의 품질과 가격경쟁을 높일 수 있고 분변토의 악취제거 특성을 이용하여 토양 오염과 환경 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

지렁이 생육에 적합한 온도인 14 내지 42℃, 60 내지 80%인 습도를 유지하도록 사육장을 설치하고, 지렁이 사육장에서 분리한 지렁이를 지렁이 사육장에서 배출된 분변토와 혼합하여, 상기 사육장 바닥에 20 cm 의 두께로 고르게 덮는 제 1단계를 포함하는 지렁이 분변토를 이용한 우유가공 슬러지의 퇴비화 방법에 있어서,

상기 제 1단계 위에 10cm 의 우유가공 슬러지를 덮는 제 2단계와, 상기 2단계 후에 2주간 숙성시키는 제 3단계와, 상기 3단계 동안에 상기 우유가공 슬러지에 자연 증발된 수분을 보충하기 위해 상기 사육장 상단에서 우유가공 슬러지에 물을 분사하는 제 4단계와, 상기 2주 후에 숙성된 분변토를 퇴비로 이용하는 제 5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지렁이 분변토를 이용한 우유가공 슬러지의 퇴비화 방법
제 1항에 있어서,

상기 우유가공 슬러지에 분사하는 물의 양은 3일마다 3리터의 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 지렁이 분변토를 이용한 우유가공 슬러지의 퇴비화 방법
제1항에 있어서,

상기 분변토의 총 양은
(여기서 A;초기 급이된 분변토 총량, B;초기 급이된 슬러지의 수분 함량(%), C;초기 급이된 슬러지의 회분함량(%), X;최종 분변토의 총량, D; 최종 분변토의 수분 함량(%), E; 최종 분변토의 회분 함량(%)) 에 의해 분변토 총량을 계산하는 것을 특징으로 하는 지렁이 분변토를 이용한 우유가공 슬러지의 퇴비화 방법.