KR100822377B1 - 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법 및 이를 위한 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축산분뇨 처리 부산물인 액비를 해양투기 없이 고스란히 자원화하기 위한 비료화 처리 과정에 있어서, 입상화(粒狀化)하는데 적합할 뿐만 아니라 비료 내의 질소와 인의 함량이 높고 비효가 장기간 지속될 수 있어, 액비를 비료화 함에 있어서의 생산성 및 경제성 향상을 도모할 수 있도록 한 처리 방법 및 처리 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 혐기성 또는 호기성 소화 처리에 의해 축산분뇨를 분해하여 안정화시킴으로써 생성된 부산물인 액비의 비료화 처리 방법에 있어서, 액비를 농축하는 공정과; 액비 농축액에 친수성의 흡착성 물질을 혼합하여 함수율을 조절하는 공정과; 상기 액비 농축액과 흡착성 물질의 혼합물을 고형화 처리하는 공정;을 포함하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법이 제공된다.

한편, 본 발명은, 혐기성 또는 호기성 소화공정을 이용하여 축산분뇨를 분해하여 안정화시킴으로써 생성된 부산물인 액비의 처리 장치에 있어서, 액비를 농축하는 액비 농축부와; 액비 농축부에서 농축된 액비 농축액에 친수성의 흡착성 물질을 혼합하여 함수율을 조절하는 흡착성 물질 혼합부와; 상기 액비 농축액과 흡착성 물질의 혼합물을 고형화 처리하는 고형화 처리부;를 포함하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치가 제공된다.

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Description

축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법 및 이를 위한 처리 장치{method for fertilization treatment of byproduct accompanying digestion Treatability of livestock excretion and device for using the same}

본 발명은 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법 및 이를 위한 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산분뇨의 혐기성 또는 호기성 소화 등의 처리 과정을 통해 생성된 액비를 감압증발에 따른 농축 처리 등을 통해 고형화된 비료로 제조함에 있어, 입상화(粒狀化)하는데 적합할 뿐만 아니라 비료 내의 질소와 인의 함량이 높고 비효가 장기간 지속될 수 있도록 한 처리방법 및 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로, 축산분뇨란 가축의 대사작용 중 발생하는 고체액체성 물질로 BOD 2만 ~ 3만ppm 정도의 고농도 유기물질로 관리 및 활용의 정도에 따라 자연 및 인간에 득과 실이 될 수 있는 물질로서, 축산분뇨는 오수분뇨(汚水糞尿) 및 축산폐수(畜産廢水)의 처리에 관한 법률에 의해 축산폐수로 규정하고 있다.

이러한 축산분뇨는 고농도의 유기물로 이루어져 있어 별도의 처리과정을 거치지 않고 방류하게 되면 하천과 호수를 오염시키게 된다. 특히 질소와 인이 다량 함유되어 수계에 부영양화를 초래하여 음용수뿐만 아니라 농업용수 등 하천수의 이용을 불가능하게 만든다.

유기질 성분뿐만 아니라 질소와 인이 다량 함유된 축산분뇨 등의 바이오매스를 혐기 상태에서 미생물을 이용하여 폐수를 처리하는 방법인 혐기성 소화 공법을 통해 적절히 처리하게 되면, 화석연료를 대체할 수 있는 재생에너지의 생산이 가능하므로 환경개선에도 크게 기여할 수 있으며, 친환경 농업에 필요한 부산물 비료를 생산할 수 있으며, 부가적으로 바이오 가스가 생산되므로 환경친화적인 대체에너지 확보도 가능하게 된다.

한편, 축산분뇨를 처리함에 있어서 수거된 분뇨의 성상, 지역적 특성 및 경제적 조건 등에 의해 그 처리방법은 실로 다양하다.

축산분뇨는 그 처리에 있어, 혐기성 소화법, 호기성 소화법, 이단활성슬러지법, 습식산화법 등에 의해 처리되며, 이외에도 처리용량, 지역적 특성에 의해 변형된 처리방식이 있으나 극소수에 지나지 않으며 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

자연계에 존재하는 미생물은 크게 호기성, 임의성 및 혐기성 미생물로 구분되며 어느 미생물을 주로 이용하는가에 따라 처리공정이 구분되는데, 대표적인 처리공법인 혐기성 소화법 및 호기성 소화법에 대해 소개한다.

먼저, 혐기성 소화법은, 혐기성 미생물의 자기고정화 특성으로 형성된 입상슬러지를 이용하여 고농도 유기성 폐수를 효율적으로 처리하는 공법이다.

즉, 고농도 유기성 폐수에 산소가 존재할 수 없도록 외부와 차단함으로써 분뇨의 유기물(BOD 등)이 물, 탄산가스, 메탄가스로 분해되어 정화되도록 하는 방법 이다. 분자구조가 복잡한 탄수화물, 단백질 및 지방이 가수분해 과정을 거쳐서 액화되고, 액화된 저분자물질은 산생성 미생물에 의해 초산, 피로피온산 등의 유기산으로 분해된다. 이 유기산은 다시 메탄생성 미생물에 의해 최종적으로 물, 탄산가스 및 메탄가스로 전환된다.

이 처리공정의 장점은 고농도의 유기물질을 함유한 폐액의 처리에 대단히 경제적이며, 병원균이나 기생충란을 99% 이상 사멸시킨다. 또한 유지관리가 쉽고 발생되는 슬러지가 대단히 적고, 그 비용도 저렴하며 최종적으로 생성되는 메탄가스는 에너지원으로 사용할 수 있다. 분뇨를 혐기성 분해하여 얻을 수 있는 소화가스의 열량은 5,000∼7,000㎉/㎥ 이며, 처리 분뇨량의 10∼15배 정도의 소화가스가 생성된다.

혐기성 소화에서 유기물질은 거의 기체로 분해되며 제거되는 유기물질의 COD 농도는 대부분 메탄가스로 전환되어 발생슬러지는 매우 적다. 따라서 혐기성 소화의 운전이 원활히 되는가를 검토할 때 발생되는 메탄가스량을 측정함으로서 공정의 이상유무를 판단할 수 있다.

다음으로, 호기성 미생물을 이용하는 호기성 소화법은 호기성 미생물이 산소를 충분히 사용할 수 있도록 외부에서 공기를 폭기하여 유기물질을 산화시킴으로서 안정화시키는 방법이다. 이 호기성 소화법의 장점은 외부조건에 비교적 강하고 반응속도가 상대적으로 빠르기 때문에 초기건설비가 싸고 처리부지 또한 상대적으로 소규모이다.

호기성 소화의 원리는 유기물질을 장기간 (통상 15∼20일) 폭기시킴으로서 분뇨 중의 유기물질을 안정화시키는 동시에 미생물의 증식이 일어나며 이 미생물의 내생호흡으로 자기분해가 되어 전체 슬러지의 발생량을 감소시키는 것이다. 즉, 호기성 세균이 오수 중의 용존산소를 소비하고, 영양원으로는 오염원 중의 유기물을 섭취한다. 섭취된 유기물은 산화, 분해되고 균에 의해서 무용한 이산화탄소, 암모니아, 물 등의 무기화합물로 방출된다. 암모니아는 산소와 결합하여 아질산이나 질산이 된다.

한편, 만약 혐기성 소화법을 이용하여 축산분뇨를 처리하면 퇴비와 액비 그리고 메탄가스가 생성되는데, 그중 약 7%만이 퇴비로서 포장 및 판매되고, 약 70%는 액비(액체비료의 줄임말로서, 일명 가축분뇨발효비료라고도 한다; 이하에서는 '액비'라 칭한다)가 된다.

따라서, 혐기성 소화법을 통해 만들어진 액비를 처리함에 있어서는, 현재 저장조에 담아 연 1회 계약 경종 농가에 무상으로 뿌려주고, 나머지는 해양투기 하고 있는 실정이다.

이와 같이 축산분뇨의 자원화가 어려운 이유는 축산업의 규모화, 집약화가 진전되면서 농가들의 가축분뇨처리에 한계가 있고, 퇴비 및 액비 수급의 지역별 불균형이 심하며, 액비 살포면적이 부족하고, 사용 시기도 특정 계절에 편중되어, 액비의 장기 저장시설 설치 및 운반차량, 살포장비의 확보가 어렵고 살포작업이 불편하여 이용농가의 관심이 저조한 실정이기 때문이다.

그리고, 미숙 액비의 시용(施用)시 악취로 인한 민원발생 문제가 있는데, 혐기성 액비화의 경우에는 논작물 위주 경지가 민가와 근접한 국내 여건상 작물의 피 해 및 악취에 의한 민원발생 소지가 높은 실정이다.

따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 액비 처리 기술의 개발이 시급한 실정이다.

한편, 국내 고농도 유기성 폐기물의 총 발생량은 연간 약 8,000만톤으로서, 그중 하수슬러지가 2400만톤, 음식폐기물이 430만톤, 축산분뇨가 5100만톤을 차지하고 있는 실정이며, 2005년 기준으로 국내 연간 폐기물의 해양투기량은 992만㎥으로서, 그 중에 축산폐수는 274만 5천㎥을 차지하는 실정이며, 해양투기로 인한 처리 비용도 증가하는 실정이다.

현재, 축산폐수를 비롯한 각종 폐기물에 대해 한국에서 가장 많이 사용되는 폐기물 처리방법은 해양투기이나, "폐기물 및 기타물질의 투기에 의한 해양 오염 방지에 관한 협약"인 런던협약 '96의정서'에 의해 제약을 받고 있으며, 해양수산부에서는 2006년 하반기부터 해양투기를 금지하기 시작했으므로 2012년부터는 유기성 폐기물의 해양투기는 불가능할 것으로 전망되므로 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로서 해양투기 없이 육상에서 처리할 수 있는 기술의 개발이 시급하다.

따라서,현재의 하수오니와 축산폐수의 대량 배출국이라는 오명을 벗어나기 위해서도 그렇고, 앞으로 국제적인 협약의 가입에 따른 해양투기 금지에 따른 경제적·사회적 대책을 마련하는 차원에서도 축산분뇨 처리 부산물인 액비를 해양투기 없이 고스란히 자원화할 수 있는 기술 개발이 절실한 실정이다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 축산분뇨 처리 부산물인 액비를 해양투기 없이 고스란히 자원화하여 해양투기에 따른 처리비용을 없애고 국제적인 환경관련 협약을 만족시키는데 기여할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은, 혐기성 또는 호기성 소화 공법에 의해 분해된 축산분뇨로부터 생성된 액비를 감압증발에 따른 질소나 인 등 비료성분의 손실 없이 농축 및 고형화 처리하여 고농축 지효성 복합비료로 만들어 고스란히 자원화함으로써, 해양투기에 따른 처리 비용 및 국제적으로 부각되는 환경과 관련된 부분을 모두 만족시킬 수 있는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법 및 이를 위한 처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명은 기존 액비의 저장 및 시비 작업상의 어려움 및 악취 문제 등을 원천적으로 해소함과 더불어 비효가 오래 지속되지 않는 단점을 효과적으로 해소할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은, 축산분뇨의 혐기성 또는 호기성 소화 처리를 통해 생성된 액비를 감압증발에 따른 농축 처리 등을 통해 지효성의 고체 비료화 함으로써, 고체비료보다 속효성이며 인산의 시비에도 유리하지만 수용성이기 때문에 비효가 오래가지 않아 자주 시용(施用)해야 하던 액비 사용상의 문제점을 해소할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 혐기성 또는 호기성 소화 처리에 의해 축산분뇨를 분해하여 안정화시킴으로써 생성된 부산물인 액비의 비료화 처리 방법에 있어서, 액비를 농축하는 공정과; 액비 농축액에 친수성의 흡착성 물질을 혼합하여 함수율을 조절하는 공정을 포함하여서 됨을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법이 제공된다.

상기 흡착성 물질은 제오라이트임을 특징으로 하되, 천연적으로 암석이나 점토로 산출되는 천연 제오라이트 혹은 인공적으로 만들어지는 인공 제오라이트임을 특징으로 한다.

상기 액비는 농축률 55~90%로 농축된 액비 농축액임을 특징으로 하되, 가장 바람직하게는 농축률 80%로 농축됨을 특징으로 한다.

상기 액비 농축액과 제오라이트와의 혼합비는 중량 기준으로 1:0.5~1:2.5 범위 내에서 조절됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 액비 농축액과 제오라이트와의 혼합물은 함수율이 7~13%를 이루도록 액비 농축율 및 제오라이트 혼합비가 조절됨을 특징으로 하되, 가장바람직하게는 상기 액비 농축액과 제오라이트의 혼합비는 혼합물의 함수율이 10%를 이루도록 조절됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 액비를 농축하기에 앞서 황산과 같은 강산성 용액을 첨가함으로써 액비의 초기 산도(pH; potential of Hydrogen)를 조절하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 액비는 감압증발을 통하여 농축시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 액비 농축액과 흡착성 물질의 혼합물을 고형화 처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고형화 처리 공정은, 상기 액비 농축액 흡착성 물질을 혼합하여 함수율이 조절된 혼합물을 작은 입자상으로 만드는 펠릿타이징 공정과, 펠릿타이징 공정을 거친 펠릿을 건조시키는 건조공정과, 건조공정을 거친 펠릿을 포장하는 패킹 공정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 혐기성 또는 호기성 소화 공정을 이용하여 축산분뇨를 분해하여 안정화시킴으로써 생성된 부산물인 액비의 처리 장치에 있어서, 액비를 농축하는 액비 농축부와; 액비 농축부에서 농축된 액비 농축액에 친수성의 흡착성 물질을 혼합하여 함수율을 조절하는 흡착성 물질 혼합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치가 제공된다.

그리고, 본 발명은 상기 흡착성 물질을 혼합하기에 앞서 액비를 소정 농도로 농축시키는 감압증발부와, 상기 감압증발부에서의 감압증발에 의한 농축에 앞서 액비의 산도(pH)를 조절하는 산도조절부를 더 구비하는 것을 됨을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 상기 흡착성 물질 혼합부에서 혼합되어 함수율이 조절된 혼합물을 작은 입자상으로 만드는 펠릿타이저와, 상기 펠릿타이저를 거쳐 만들어진 펠릿을 건조시키는 건조부와, 상기 건조부에서 건조된 펠릿을 포장하는 포장부를 더 구비한다.

그리고, 상기 감압증발부에서의 감압 증발 작용을 위해 상기 감압증발부로 열에너지를 공급하는 에너지공급부를 더 구비한다.

상기 에너지공급부는, 혐기성 소화 공정에서 발생하는 바이오 가스를 이용한 가스보일러와, 상기 가스보일러에서 발생하여 감압증발부로 보내어지는 스팀을 제어하는 제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 효과는 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 축산분뇨의 처리 부산물인 액비를 해양투기 없이 고스란히 자원화하여 해양투기에 따른 처리비용을 없애고 국제적인 환경관련 협약을 만족시키는데 기여할 수 있는 효과가 있다. 즉, 해양투기 없이 고스란히 자원화하여 해양투기에 따른 처리비용을 없애고 국제적인 환경관련 협약을 만족시킬 수 있을 뿐만 아니라, 실질적인 면에서 해양투기의 금지로 인해 해양환경 및 해양자원을 지키고 가꾸어나가는데 도움을 줄 수 있는 일거양득의 효과가 있다.

다음으로, 본 발명은 농축된 액비에 친수성이면서 토양 내의 질소를 고정시키는데 도움을 주는 높은 흡착성 물질인 제오라이트를 혼합하여 산업적으로 부가가치가 높은 지효성의 고체 비료를 생산할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명은, 액비 처리 과정에서 나오는 증발 생산수를 방류하지 않고 돈사 세척수 등으로 재활용한 후 리사이클 시킴으로써 친환경적인 액비 처리 방법 및 장치를 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 축산분뇨의 혐기성 또는 호기성 소화 처리를 통해 생성된 액비를 감압증발에 따른 농축 처리 등을 통해 지효성의 고체 비료화 함으로써 비효가 오래가지 않아 자주 시용(施用)해야 하던 액비 사용상의 불편함도 해소하는 효과가 있다. 즉, 기존 액비는 고체비료보다 속효성이며 인산의 시비에도 유리하지만 수용성이기 때문에 비효가 오래가지 않으므로 자주 시용해야 하나, 본 발명에 따르면 생산된 고형화된 비료가 지효성이어서 자주 시용(施用)하지 않아도 되므로 일손을 덜어주어 편리하다.

그리고, 본 발명에 따르면 액비가 고형화 처리되어 고체 비료가 됨에 따라 장기 저장 및 운반 등이 용이하므로, 기존 액비 살포면적의 부족 및 사용 시기의 특정 계절 편중 현상이 해소되며, 액비의 장기 저장시설 설치 및 운반차량 확보에따른 문제와 살포장비의 확보 문제 및, 살포 작업의 불편함 등과 관련한 제반 문제가 해소된다.

한편, 본 발명에 따르면 액비가 고체 비료화되어 기존의 미숙 액비 시용시 발생하던 악취로 인한 민원 발생 문제가 근원적으로 해소되는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면 및 표를 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 축산분뇨 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 축산분뇨 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치 구성도이고, 도 3은 비료화 처리에 있어서의 액비 초기 산도(pH)에 따른 감압증발 누적 생산량 추이를 나타낸 그래프이다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명은, 혐기성 소화공정을 이용하여 축산분뇨를 분해하여 안정화시킴으로써 생성된 부산물인 액비의 처리 장치에 있어서, 액비를 농축하는 액비 농축부와; 액비 농축부에서 농축된 액비 농축액에 친수성의 흡착성 물질을 혼합하여 함수율을 조절하는 흡착성 물질 혼합부(310)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 액비 농축부는 액비를 감압증발을 통해 농축시키는 감압 증발부(2)로 이루어짐이 바람직하다.

한편, 본 발명의 액비 처리장치는, 액비의 농축에 앞서 초기 산도(pH)를 조절하기 위한 산도조절부(1)와; 상기 흡착성 물질 혼합부(310)를 거쳐 나온 혼합물을 입상(粒狀)의 고체비료화하는 고형화처리부(3)를 더 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명의 액비 처리 장치는, 액비의 농축에 앞서 초기 산도(pH)를 조절하기 위한 산도조절부(1)와; 상기 산도조절부(1)를 거치면서 초기 산도(pH)가 조절된 액비를 감압증발을 통하여 농축시키는 감압증발부(2)와; 상기 감압증발부(2)를 거쳐나온 농축액에 흡착성 물질을 혼합하는 흡착성 물질 혼합부(310)와, 상기 흡착성 물질 혼합부(310)를 거쳐 나온 혼합물을 입상(粒狀)의 고체비료화하는 고형화처리부(3)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 산도조절부(1)는, 혐기성 소화 공정이 이루어지는 혐기처리시스템(5)에서 나온 액비가 머무르는 액비저류조(110)와, 강산성 용액인 황산이 수용되는 저장탱크(120)와, 상기 액비의 초기 산도(pH) 조절을 위해 저장탱크(120)의 황산을 첨가함에 있어 첨가량을 조절하는 조절밸브(130)와, 액비의 초기 산도(pH) 조절 완료 후 상기 액비저류조(110)에 수용된 액비를 감압증발부(2)로 압송하는 액비압송펌프(140)를 포함하여 구성된다.

한편, 상기 산도조절부(1)는, 액비의 농축 전 산도 조절을 위해 상기 액비저류조(110)에 머무는 액비의 산도를 자동 검출하는 검출부(150)를 더 구비한다.

따라서, 상기 조절밸브(130)는 검출부(150)에서 검출된 액비의 산도에 따라 황산 첨가량이 자동 조절되도록 관로를 제어된다.

그리고, 상기 감압증발부(2)는, 감압 상태에서 액비로부터 수분을 증발되도록 함으로써 액비를 농축시키도록 순차적으로 연결된 복수개의 감압증발기(210a)(210b)(210c)와, 상기 복수개의 감압증발기(210a,210b,210c) 각각에 연결되어 상기 감압증발기(210a,210b,210c)의 증발 작용을 돕도록 액비 및 증발수의 승온(昇溫)을 위해 열교환 작용을 수행하는 열교환기(220a,220b,220c)를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 감압증발부(2)는 상기 복수개의 감압증발기(210a,210b,210c)를 통과하면서 최종 발생된 증발 생산수의 일부를 감압증발을 위한 열교환에 재사용하도록 회수하는 회수라인(230)을 더 포함한다.

그리고, 상기 감압증발부(2)는, 상기 복수개의 감압증발기(210a,210b,210c)를 통과하면서 최종 발생된 증발 생산수를 응축시켜 돈사 등 축사의 세척을 위해 활용할 수 있는 응축수를 만드는 응축기(240)와, 상기 응축기(240)를 냉각하여 응축효율을 높이기 위한 냉각탑(250)을 더 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 흡착성 물질 혼합부(310)는 이온교환 능력이 뛰어난 고흡착성 물질인 제오라이트(Zeolite)를 피더(feeder)로 공급하는 호퍼(311)와, 상기 호퍼(hopper)를 통해 공급된 제오라이트를 펠릿타이저(320)로 이송시키는 피더(312)로 이루어진다.

한편, 상기 고형화처리부(3)는, 혼합물을 작은 입자상으로 만드는 펠릿타이저(320)와, 상기 펠릿타이저(320)를 거쳐 만들어진 펠릿을 건조시키는 건조부(330)와, 상기 건조부(330)에서 건조된 펠릿을 포장하는 포장부(340)를 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 액비 처리 시스템은, 액비 농축부인 감압증발부(2)에서의 감압 증발 작용을 위해 상기 감압증발부(2)로 열에너지를 공급하는 에너지공급부(4)를 더 포함하며, 상기 에너지공급부(4)는, 혐기성 소화 공정에서 발생하는 바이오 가스를 이용한 가스보일러(410)와, 상기 가스보일러(410)에서 발생하여 감압증발부(2)로 보내어지는 스팀을 제어하는 제어밸브(420)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 액비 처리 장치에서의 액비 처리 과정은 다음과 같다.

먼저, 혐기처리장치(5)에 의해 분해된 유기성 축산분뇨로부터 얻어진 부산물인 액비와 더불어 바이오 가스가 본 발명의 액비 처리 장치으로 공급된다.

참고로, 혐기성 소화 처리 공법 중, 상향류식 혐기성 소화공법(UASB)은 혐기성 미생물의 자기고정화 특성으로 형성된 입상슬러지를 이용하여 고농도 유기성 폐수를 효율적으로 처리하는 공정으로서, 축산폐수 등의 처리에 적용이 가능하며, 최종부산물로 메탄가스 등과 같은 바이오 가스가 생성됨으로써 폐수처리 및 에너지 재이용 측면에서 매우 유리한 장점이 있는 공법이다.

즉, 혐기성 소화공정의 특징은 고농도 유기물부하 적용으로 소요부지면적을 최소화할 수 있고, 적용 농도 범위가 넓으며, 발생된 메탄가스의 이용이 가능하고, 슬러지 발생량 감소에 따른 슬러지 처리비의 절감이 가능하다.

참고로, 바이오 가스는 보일러,발전기 등의 열원으로 사용하거나, 혐기성 공정의 열원으로 이용할 수 있어 경제적·친환경적이다.

한편, 본 발명의 처리 장치으로 유입된 액비는 감압증발을 통해 농축시키게 되는데, 그 전에 본 처리 장치으로 도입된 액비에 대해 황산을 첨가함으로써 액비의 산도(pH)를 적정 수준으로 조절해 줄 필요가 있다.

구체적으로, 액비의 감압증발 전 초기 산도(pH)는 4~7 범위 내에서 설정되도록 함이 바람직한데, 이는 만약 액비의 산도(pH)가 7을 초과하게 되면 농축액 내의 질소 성분이 증발 생산수로 유출되어 질소 성분 농도가 매우 낮아지게 되고, 초기 산도(pH)가 4 미만이 감압증발기(210a,210b,210c)에 유지(油脂) 상태의 응고물이 생성되어 이로 인한 관막힘 현상이 발생함에 따라 감압증발 효과가 저감되고 감압증발기 내의 증기 온도가 급격히 상승하기 때문이다.

아래 [표1]을 참조하면, 액비의 초기 산도(pH)가 7보다 높으면 감압증발 후의 질소 성분 농도가 너무 낮아져 비료로서의 가치를 잃게 되고, 초기 산도(pH)가 4보다 낮으면 관 막힘(clogging) 현상으로 인해 감압증발 자체가 불가능함을 알 수 있다.

[표1] 감압증발 운전 조건 및 증발 생산수 누적 생산량과 초기 pH와의 관계

특히, 위의 표를 통해 알 수 있듯이, 초기 산도(pH) 5에서는 증발시 감압증 발기(210a,210b,210c) 내에 거품(forming)발생이 없고, 감압증발 후에 산도(pH)의 변화가 없어 안정적이며, 흰색의 유지(油脂) 발생이 없어, 액비의 초기 산도(pH)를 5로 맞춘 상태에서 감압증발을 수행하는 것이 가장 바람직하다.

따라서, 상기와 같이 초기 산도(pH)를 4~7로 설정한 후에는, 초기 산도(pH)가 조절된 액비를 감압증발을 통하여 농축시키게 된다.

이때, 액비는 감압증발을 통해 농축율 55~90%로 농축하게 되는데, 이는 후술하게 되는 흡착성 물질인 제오라이트 혼합비 및 그 혼합물의 함수율과 관계가 있다.

특히, 액비는 감압증발을 통해 농축율 80%로 농축됨이 바람직한데, 농축율 80%에서는 농축액과 제오라이트의 혼합비가 중량기준으로 1:1일 경우, 투입 비용 대비 질소와 인의 함량 비율과 비료생산량에서 최적화되며, 제오라이트 혼합물의 함수율이 펠릿 형태로의 가공에 가장 적합한 10%가 되기 때문이다.

상기 액비 농축률과 제오라이트 혼합비 및, 그 혼합물의 함수율과의 상관 관계에 대해서는 뒤에 상세히 설명하기로 한다.

한편, 상기에서 상기 감압증발을 위해 공급되는 에너지원으로는 혐기성 소화공정을 거쳐 나온 바이오가스가 이용됨이 바람직하다. 즉, 혐기성 소화 처리 공정에서 나온 메탄가스 등의 바이오가스를 열원으로 이용하여 가스보일러(410)를 작동시켜 발생한 증기를 감압증발부(2)를 구성하는 다단 구조인 감압증발기(210a,210b,210c)에 각각 연결된 열교환기(220a,220b,220c)로 공급함으로써 감압 증발 작용을 돕는다.

그리고, 액비의 농축을 위한 감압증발 과정에서 발생하는 증발 생산수는 응축과정을 거쳐 응축수가 되는데, 이 응축수는 돈사 등의 축사 세척수로 사용되거나, 혐기성 소화 처리 공정에 원수로서 재투입된다. 즉, 응축수는 육안상으로는 깨끗하고 돈사 세척수로 사용하는 데는 문제가 없으며, 세척수로 사용된 다음에는 다시 혐기성 소화 처리를 거치도록 리사이클 되므로, 본 발명의 액비 처리 장치는 처리수의 무방류가 가능하다는 장점이 있다.

그리고, 상기 복수개의 감압증발기(210a,210b,210c)를 통과하면서 발생된 증발 생산수의 일부를 회수라인(230)을 통해 다시 감압증발부(2)의 열교환기(220a,220b,220c) 측으로 보냄으로써 감압증발을 위한 열교환에 재사용할 수도 있다.

한편, 상기 감압증발 과정을 거쳐 생성된 농축액은 흡착성 물질 혼합부(310)에서 고흡착성 물질인 제오라이트와 혼합된다.

상기 제오라이트는 높은 친수성을 가지며, 결정구조의 손상없이 물 분자를 흡착하는 능력이 뛰어난 물질로, 천연적으로 암석이나 점토로 산출되는 천연 제오라이트와 인공적으로 만들어지는 인공 제오라이트가 있으며, 그 특성은 뒤에 자세히 설명하기로 한다.

액비 농축액과 제오라이트와의 혼합비는 중량 기준으로 1:0.5~1:2.5 범위 내에서 조절되는데, 이는 농축액과 제오라이트와의 혼합에 의해 형성된 혼합물의 함수율이 7~13%를 이루도록 하기 위함이다. 즉, 아래 [표2]에 도시된 바와 같이 농축율에 따라 제오라이트 혼합물의 함수율이 7~13% 내에 들도록 하는 적절한 제오라이 트의 혼합비가 결정되어 지는 것이다.

[표 2] 액비 농축율과 제오라이트 혼합비에 따른 함수율(%)

특히, 앞서 설명한 바와 같이, 액비는 감압증발을 통해 농축율 80%로 농축된 상태에서, 제오라이트와 1:1로 혼합될 경우, 제오라이트 혼합물의 함수율이 10%가 되어 입상(粒狀)으로 만드는 펠릿타이징 가공에 가장 적합하며, 투입 비용에 대비하여 비료 생산량 및 질소와 인의 함량 비율이 높아 경제성 측면에서도 좋다.

한편, 상기와 같이 액비 농축액과 제오라이트와의 혼합이 완료된 후에는, 그 혼합물을 상품성을 가질 수 있도록 처리하는 고형화 처리가 이루어진다.

즉, 농축액과 제오라이트와의 혼합물은 펠릿타이저(320)를 거치면서 작은 알갱이 형태로 만들어진 다음, 건조부(330)로 이송되어 건조되며, 건조가 완료된 입상의 고체비료는 포장부(340)로 이송되어 포장된다.

요컨대, 혐기성 소화 공정을 거쳐 나온 액비는 감압증발을 통해 농축되고, 농축액은 흡착성이 높은 물질인 제오라이트와 결합되어 비료로 만들어지고, 감압증발 과정에서 생성되는 응축수는 돈사 세척수로 사용하며, 세척수로 사용된 다음에는 다시 리사이클 되므로, 본 발명의 액비 처리 장치는 처리수의 무방류가 가능한 친환경 축산폐수 처리 장치를 제공할 수 있게 된다.

참고로, 위에서 액비 농축액의 고체비료화를 위한 흡착성 물질로 쓰인 제오라이트는, 결정성 함수알루미나 규산염 광물로서, 화학적으로는 결정성 함수알루미노 규산의 알카리금속(주로 Na)염 혹은 알칼리 토금속(주로 Ca)염으로, 일반적으로 메탄형구조의 SiO2사면체가 교대로 1개씩의 산소원자를 공유해서 결합한 망목구조의 결정구조를 갖는다. 그 결합양식에는 1차원적인 것(섬유상제오라이트)나 2차원적 제오라이트(판상제오라이트)도 있지만 흡착제로서 중요한 것은 3차원적 망목구조를 가진 제오라이트(상자형 제오라이트)이다.

제오라이트는 구조적 특성에 의해, 미세한 세공에 의해 양이온, 물, 가스 등을 흡착할 수 있는 고기능성 소재이며, 산, 알칼리, 열 등에 쉽게 분해되지 않는 천연 광물이다.

즉, 제오라이트는 자연계에서는 보기 드물게 전체부피의 50%이상이 빈 공간일 정도로 공동을 많이 가지고 있으며, 결정수를 내재하고 있는 세공은 결정수를 제거시키면 여러 가지 기체 분자를 흡착하게 된다.

통상, 극성 분자를 강하게 흡착하지만, 비극성 분자도 그 분자의 형태나 크 기 여하에 따라서는 흡착하는 것이 가능하다. 이것을 선택적인 흡착작용이라 하며, 이는 제오라이트 세공이 분자 차원의 치수를 갖기 때문으로 제오라이트는 분자체라 불려진다.

제오라이트를 공기 중에 방치하거나 수분과 접촉시키면 용이하게 흡습해서 결정수를 복원하는 성질이 있다. 이처럼 제오라이트의 결정수는 다른 함수 결정질의 경우와는 다르게 결정구조의 안정화에는 전혀 관계가 없이 결정수의 이탈과 재결합이 반복적으로 일어나는 특징이 있다. 흡착은 단순한 물리적 흡착이 아니기 때문에 강력한 흡습력을 가진다.

제오라이트의 알카리 금속이온은 수용액중에 있어서 용이하게 타의 금속이온과 교환하는 특성을 갖고 있다. 이 성질에 의해 천연산 제오라이트는 경수연화제나 중금속 제거제, 토양개량제로서 이용될 수 있다.

특히, 제오라이트는 이온교환능력과 수분을 취하는 성질로 인해 토양개량용으로 수년간 사용되어 왔다. 높은 암모니아 흡착력은 암모니아의 방출을 느리게 하는데 이는 이온교환능력의 증가에 의해 토양내의 질소를 고정시키는데 도움을 준다

친환경농업의 핵심은 토양관리 즉 땅살리기라고 볼 수 있다. 보비력, 보수력, 다양한 미생물의 서식, 통기성을 확보하여 작물을 잘 자라게 하여야 한다. 튼튼한 작물은 병해충에 대한 강한 적응력을 가질 수 있다.

현재 친환경농가의 대부분은 비닐하우스농가에서 엽채류를 연작하는 경우가 가장 많다. 그러므로 이 토양에서는 연작장해와 각종 병해충의 발생위험이 높다. 그러므로 연작과 비닐하우스를 재배를 하면서 친환경농산 물을 키우기 위해서는 좋 은 토양개량제의 사용이 중요하다.

그리고, 제오라이트는 응회암 변성물로 화학조성은 실리카, 알루미나 등 양이온 교환능력을 가진 함수규산염 광물이다. 이것은 수분을 흡수하고 보관하는 성질이 우수하고 건조시키면 수분을 밖으로 뿜어내기도 한다.

한편, 제오라이트는 염류집적을 해소하고 양분흡수률을 높여 연작을 하는 시설하우스농가에 매우 유용하다.

그리고, 제오라이트는 점토 광물중에서 염기치환용량이 가장 높기 때문에 강력한 흡착기능을 가졌으며 700℃의 열에서도 구조가 파괴되지 않는 특성을 지니고 미량요소를 함유한 함알루미나 함수규산염 광물로서, 광상과 입자의 크기에 따라 양이온치환능력이 달라지며 국내에서는 120 이상인 것도 있다. 상토의 원료로도 이용되는 제오라이트는 결정형의 미세 다공질로 물과 암모니아 비료를 잘 보전할 수 있다. 비료를 보전하는 힘은 토양의 10배에 달한다.

점착력이 적어 땅을 부드럽게 하며 안전한 물질로 효력이 반영구적이다. 각종 비료성분을 흡착 보관하며 식물이 필요로 할 때 다시 공급하는 성질이 우수하다.

또한 비료를 과일 시비한 토양의 피해를 경감시키며 온실 토양에서 발생하는 유해가스를 효과적으로 제거하며 양분보전능력(CEC)가 높다. 제오라이트의 성분은 규산이 60-70%를 차지하고 알루미늄, 철 칼슘 마그네숨이 함유되어 있다.

농촌진흥청에 의하면 제오라이트는 유해성분 흡착과 특수성분을 공급하는 특성 때문에 농업적 이용 면에서는 보비력이 높으므로 사질답, 습답, 염해답등의 토 양개량제로서의 이용할 수 있고 또한 원예 육묘포트, 수도 상토, 비료 증량제 및 사료 첨가제로 그 용도가 다양해지고 있다고 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 토양이용도가 높은 시설하우스를 비롯하여 토양이용도가 높고 연작하는 지역에 퇴비, 기비와 함께 제오라이트가 혼합된 본 발명의 처리 방법 및 장치에 의해 제조된 고체비료를 사용하게 되면 매우 효과적으로 지력을 높일 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술 사상의 범주를 벗어나지 않는 한 여러 가지 다양한 형태로의 변형 및 수정이 이루어질 수 있음은 물론이다.

예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 호기성 소화 처리를 위한 호기처리시스템(6)이 구성된 경우에도 본 발명이 적용되며, 이 경우에는 혐기성 소화 처리시와는 달리 별도의 열원이 제공되면 된다.

그리고, 상기에서 고형화되는 필렛의 형태는 구형이나 타원형 등 여러 가지 다양한 형태를 이룰 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에서는 이온교환 능력이 뛰어난 고흡착성의 물질로서 제오라이트를 예를 들어 설명하였으나, 이온교환 능력 및 흡착성이 우수한 물질이라면 제오라이트를 대신하여 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 축산분뇨의 처리 부산물인 액비를 해양투기 없이 고스란히 자원화하여 해양투기에 따른 처리비용을 없애고 국제적인 환경관련 협약을 만족시키는데 기여할 수 있으므로, 산업상 이용가능성이 매우 높다.

특히, 본 발명은 농축된 액비에 고흡수성이면서 토양 내의 질소를 고정시키는데 도움을 주는 높은 흡착성 물질인 제오라이트를 혼합하여 산업적으로 부가가치가 높은 지효성의 고체 비료를 생산할 수 있게 되며, 액비 처리 과정에서 나오는 증발 생산수를 방류하지 않고 돈사 세척수 등으로 재활용한 후 리사이클 시킴으로써 친환경적이면서도 산업상 이용가능성이 매우 높다.

또한, 본 발명은 유기성 축산분뇨의 혐기성 또는 호기성 소화 처리를 통해 생성된 액비를 감압증발에 따른 농축 처리 등을 통해 지효성의 고체 비료화 함으로써 비효가 오래가지 않아 자주 시용(施用)해야 하던 액비 사용상의 불편함도 해소하는 등 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

도 1은 본 발명의 축산분뇨 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법을 나타낸 흐름도

도 2는 본 발명의 축산분뇨 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치 구성도

도 3은 비료화 처리에 있어서의 액비 초기 산도(pH)에 따른 감압증발 누적 생산량 추이를 나타낸 그래프

도 4는 본 발명의 축산분뇨 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치의 다른 실시예에 따른 구성도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1:산도조절부 110:액비저류조

120:저장탱크 130:조절밸브

140:액비압송펌프 2:감압증발부

210a,210b,210c:감압증발기 220a,220b,220c:열교환기

230:회수라인 240:응축기

250:냉각탑 3:고형화처리부

310:흡착성 물질 혼합부 320:펠릿타이저

330:건조부 340:포장부

4:에너지공급부 410:가스보일러

420:제어밸브 5:혐기처리시스템

Claims (19)

1. 혐기성 또는 호기성 소화 처리에 의해 축산분뇨를 분해하여 안정화시킴으로써 생성된 부산물인 액비의 비료화 처리 방법에 있어서,

   액비를 농축하는 공정과;

   액비 농축액에 친수성의 흡착성 물질을 혼합하여 함수율을 조절하는 공정과;

   상기 액비 농축액과 흡착성 물질의 혼합물을 고형화 처리하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 흡착성 물질은 제오라이트임을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 흡착성 물질은, 암석이나 점토 형태로 산출되는 천연 제오라이트 혹은 인공적으로 만들어지는 인공 제오라이트임을 특징으로 하는 축산분뇨의 혐기성 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 액비는 농축률 55~90%로 농축된 액비 농축액임을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 액비는 농축률 80%로 농축된 액비 농축액임을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 액비 농축액과 제오라이트와의 혼합비는 중량 기준으로 1:0.5~1:2.5 범위 내에서 조절됨을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 액비 농축액과 제오라이트와의 혼합비는 중량 기준으로 1:1로 조절됨을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 액비 농축액과 제오라이트와의 혼합물은 함수율이 7~13%를 이루도록 액비 농축율 및 제오라이트 혼합비가 조절됨을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
9. 제 2 항에 있어서,

   상기 액비 농축액과 제오라이트의 혼합비는 혼합물의 함수율이 10%를 이루도록 조절됨을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 액비를 농축하기에 앞서 강산성 용액을 첨가함으로써 액비의 초기 산도(pH)를 조절하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 액비는 감압증발을 통하여 농축시키는 것을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 방법.
12. 삭제
13. 혐기성 또는 호기성 소화공정을 이용하여 축산분뇨를 분해하여 안정화시킴으로써 생성된 부산물인 액비의 처리 장치에 있어서,

    액비를 농축하는 액비 농축부와;

    액비 농축부에서 농축된 액비 농축액에 친수성의 흡착성 물질을 혼합하여 함수율을 조절하는 흡착성 물질 혼합부와;

    상기 액비 농축액과 흡착성 물질의 혼합물을 고형화 처리하는 고형화 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 흡착성 물질을 혼합하기에 앞서 액비를 농축시키는 감압증발부와;

    상기 감압증발부에서의 감압증발에 의한 농축에 앞서 액비의 산도(pH)를 조절하는 산도조절부와;

    상기 감압증발부에서의 감압 증발 작용을 위해 상기 감압증발부로 열에너지를 공급하는 에너지공급부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 고형화 처리부는,

    상기 흡착성 물질 혼합부에서 혼합되어 함수율이 조절된 혼합물을 작은 입자상으로 만드는 펠릿타이저와, 상기 펠릿타이저를 거쳐 만들어진 펠릿을 건조시키는 건조부와, 상기 건조부에서 건조된 펠릿을 포장하는 포장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치.
16. 삭제
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 에너지공급부는,

    소화 공정에서 발생하는 바이오 가스를 이용한 가스보일러와, 상기 가스보일러에서 발생하여 감압증발부로 보내어지는 스팀을 제어하는 제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨의 소화 처리에 따른 부산물의 비료화 처리 장치.
18. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조됨을 특징으로 하는 고체 비료.
19. 제 13 항, 제 14 항, 제 15 항 또는 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 제조됨을 특징으로 하는 고체 비료.

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