KR100825639B1 - 고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를제조하는 방법 - Google Patents

고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축산분뇨, 하수 농축슬러지 등 고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법에 관한 것으로, 고농도 유기성 폐수를 수거하여 1차 저장하는 저장조, 고농도 유기성 폐수의 고형물을 물리적 원심분리에 의하여 분리하는 고액분리기, 고액분리한 여액을 저장하여 일정하게 원수를 조정하는 균등화조, 일부의 원수를 가지고 유기산을 만드는 유기산 발효조, 원수를 1차 유입시켜 암모니아성 질소를 탈기시키고 분해미생물과 1차 반응이 이루어지도록 하는 1단 활성화 액비조, 1단 활성화 액비조에서 1차 반응이 이뤄진 액비를 받아 활성화 액비가 만들어지도록 하는 2단 활성화 액비조, 간헐적 UV 조사를 통하여 미생물의 자연적 돌연변이를 유발시켜 아미노산 함량이 높은 액비를 만드는 아미노산 생성조, UV조사 및 초음파를 가하면서 살균하여 고속의 미분쇄기(Homogenizer)를 이용하여 미생물 및 고형물을 분쇄하여 에멀젼화하는 무균 아미노산 액비 생산조, 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 아미노산이 함유된 퇴비를 만드는 발효조로 구성되어지는 장치를 이용하되, 고액분리기로부터 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 발효시켜 만들어진 퇴비를 토양개량용 아미노산퇴비로 이용하고, 2단 활성화액비조에서 만들어진 액비를 노지살포용으로 사용하며, 무균화 아미노산액비 생산조에서 만들어진 아미노산 액비를 작물의 옆면살포 및 관주용으로 사용함으로써 고농도 유기성 폐수처리비용 절약 및 안정적 처리, 작물의 성장 증대, 과실의 당도 증가 및 착색을 향상시키고, 토양의 지지력 향상, 산성화된 토양 개량 효과를 얻을 수 있었다.
아미노산, 토양 개량제, 액비, 고농도 유기성 폐수, 고농도 유기성 폐수처리, 미생물

Description

고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법{The preparation method of liquid fertilizer containing the amino acid from the high concentration organic wastewater as raw materials}
도 1은 본 발명 방법을 이용하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 공정도.
도 2는 본 발명의 방법에 사용되는 유기산 발효조의 개념도.
도 3은 본 발명의 방법에 사용되는 아미노산 생산조의 개념도.
도 4는 본 발명의 방법에 사용되는 무균 아미노산 액비 생산조의 개념도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1. 교반 장치 2. 온도측정센서
3. pH측정센서 4. 용존산소(DO)측정센서
5. 수중교반장치 6. 비접촉형UV장치(간헐타임조사형)
7. 호모게나이저(미분쇄기) 8. 부유고형물(SS)측정기
9. UV소독장치 10. 초음파 진동자
본 발명은 축산분뇨, 하수 농축슬러지 등 고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 고농도 유기성 폐수를 수거하여 1차 저장하는 저장조, 고농도 유기성 폐수의 고형물을 물리적 원심분리에 의하여 분리하는 고액분리기, 고액분리한 여액을 저장하여 일정하게 원수를 조정하는 균등화조, 일부의 원수를 가지고 유기산을 만드는 유기산 발효조, 원수를 1차 유입시켜 암모니아성 질소를 탈기시키고 분해미생물과 1차 반응이 이루어지도록 하는 1단 활성화 액비조, 1단 활성화 액비조에서 1차 반응이 이뤄진 액비를 받아 활성화 액비가 만들어지도록 하는 2단 활성화 액비조, 간헐적 UV 조사를 통하여 미생물의 자연적 돌연변이를 유발시켜 아미노산 함량이 높은 액비를 만드는 아미노산 생성조, UV조사 및 초음파를 가하면서 살균하여 고속의 미분쇄기를 이용하여 미생물 및 고형물을 분쇄하여 에멀젼화하는 무균 아미노산 액비 생산조, 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 아미노산이 함유된 퇴비를 만드는 발효조로 구성되어지는 장치를 이용하되, 고액분리기로부터 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 발효시켜 만들어진 퇴비를 토양개량용 아미노산퇴비로 이용하고, 2단 활성화액비조에서 만들어진 액비를 노지살포용으로 사용하며, 무균화 아미노산액비 생산조에서 만들어진 아미노산 액비를 작물의 옆면살포 및 관주용으로 사용함으로써 고농도 유기성 폐수처리비용 절약 및 안정적 처리, 작물의 성장 증대, 과실의 당도 증가 및 착색을 향상시키고, 토양의 지지력 향상, 산성화된 토양 개량 효과가 있도록 하는 고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법에 관한 것이다.
"'동물성폐기물과 가축분뇨의 사료화방안 및 기대효과', 유동준, Journal of KOWREC Vol.3, No. 1, 107 ~ 113, 1995"에는 가축 분뇨의 사료화적 가치를 언급하고 있는 바, 아미노산으로 생성될 수 있는 단백질이 표 1에 기재된 바와 같이 풍부함을 알 수 있다.
시료명 건물DM(%) 조단백질CP(%) 수분(%)
계분(산란계) 86.90 21.10 13.1
우분(한우육성우) 87.80 11.50 12.2
돈분(버크샤육성돈) 88.40 18.40 11.6
또한, "'전천후 고도 축산폐수 처리방법과 그 부산물의 고부가가치 천연무균액비 개발 및 산업화' 이규승, 충남대학교, 농림부보고서 1997.12 ~ 1998.12"의 내용을 보면 축산분뇨는 비료적 가치가 풍부하며 작물에 시비시 화학비료 이상의 성장 및 결실 효과가 있음을 보여주고 있고, "'현대의 생물공학과 생물산업' 전문진. 권석태. 이철호. 임번삼, 아카데미서적 p359 ~ 368"을 보면 발효에 관여하는 미생물을 자외선 조사나 화학제로 돌연변이를 유발하여 자연적 균주개량이 이루워진다고 기재하고 있으며, "'시설원예용 친환경자재의 활용' 박중춘, 경상대학교 식물자원학부."의 보고자료를 보면 아미노산이 식물에 미치는 영향이 표 2와 같음을 알 수 있다.
아미노산 종류 식물체내에서의 기능
리신(Lys) 발근 및 잎의 발육촉진
아스파라긴산(Asn) 토양 단립효과, 산미의 증가, 당도증진
발린(Val) 과일 향미의 증가, 병원균 생육저해 효과
루이신(Leu) 과실의 색택 개선(카로틴, 리코핀계통 등), 생장촉진, 병원균 생육 저해 효과
글루타민(Gln) 식물체 구성, 뿌리 및 잎의 발육촉진, 당도증진, 칼리염과 결합 내균성 향상
알라닌(Ala) 감미, 산미의 증가, 착색증진
히스티딘(His) 산미, 향미의 증진
페닐알라닌(Phe) 병원균 억제, 항균물질
글리신(Gly) 당도증진, 맛 향상, 내한성 증가
세린(Ser) 당의 축적, 성장호르몬으로 생육촉진
아르기닌(Arg) 풍미 증진, 병원균 억제, 당도증진, 성장촉진
트레오닌(Thr) 감미 및 산미의 증진, 착과 및 결실증대
프롤린(Pro) 스트레스 방지, 꽃눈분화 촉진, 수정촉진, 과육 비대, 화분의 주성분으로 착과 촉진, 당도증진, 염류장해해소
티로신(Tyr) 내병성 강화, 면역체계 강화
메치오닌(Met) 함황아미노산, 식물세포의 생장강화, 암꽃유인, 숙성촉진, 성숙호르몬으로 당을 축적, 에치렌 합성조절 작용, 옥신(IAA), 물리적 상처치료, 저온장해개선, 건조스트레스 개선, 병원균 생육저해 효과
시스틴(Cys) 함황아미노산, 생리활성 및 단백질 생합성 생장촉진
이소루신(Ils) 과일착색 증진
한편, 일반적으로 축산분뇨는 생물학적 산소요구량(이하, "BOD"라 함)이 대개 수만mg/L(예: 15,000 ~ 80,000mg/L)을 나타내므로 수질환경보전법의 방류수 수질기준에 적합한 상태로 처리하기가 어려울 뿐만 아니라 처리에 많은 비용이 소모된다.
특히, 수계의 부영양화에 큰 영향을 주는 질소, 인의 농도가 높아 이를 하천 등의 생활 환경에 배출시에 수자원의 훼손은 물론 주거 생활환경에 피해를 주고 있다.
현재는 소규모 축산분뇨, 특히 양돈분뇨는 지방자치단체에서 운영하는 축산분뇨공공처리시설에 이송하여 공공처리하고 있으나 공공처리시설의 처리능력 한계로 유입농도를 BOD 20,000 ~ 25,000mg/L 정도로 규제하고 있어 고농도의 처리가 어렵고 공공처리시설의 설치 및 운영에 많은 비용이 소모되고, 또한 일부는 간이저장 후 해양 배출에 의존하고 있었으나 국제적인 해양환경문제 및 어패류의 피해 등으로 어민의 반발이 심화되고 있고, 해양 배출도 처리구역 휴식년제의 도입으로 인하여 처리에 어려움이 많다. 직접 분뇨처리시설을 설치하여 운영하는 곳도 처리의 어려움과 악취 등으로 인하여 어려움을 호소하고 있는 실정이다.
축산 분뇨 액비 저장탱크의 경우 혐기성 액비 저장탱크는 6개월 이상 보관할 수 있도록 규정이 마련되어 있으나, 낮은 비료적 가치와 작물 피해의 속출, 주변악취, 강우시 무단방류 등 많은 문제점이 지적되고 있다.
한편, 지금까지 알려진 액비제조방법으로는 국내공개특허 제2003-20233호(특허 제472969호)에 기재된 바와 같이 고농도 축산 분뇨를 1차 호기성 발효 후 탈수처리하여 저농도 여액만을 호기성 숙성 처리하고, 숙성을 위하여 해양성 부식산, 활성미네날, 자성페라이트 등을 이용한 생물반응기(Bioreactor)를 이용하고 있으나, 1차 호기성 발효, 스크린, 탈수기, 균주 배양조, 균주 침전분리조 등 많은 시설이 필요하고 제조된 액비는 미생물을 대부분 제거하므로 유용성 미생물에 의한 토양의 비옥화가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
또한, 국내공개특허 제2005-117495호의 경우에는 고농도 축산분뇨를 토양미생물을 이용하여 처리하기 위하여 스크린 등의 전처리장치를 통해 이물질을 제거하여 낙엽수의 낙엽과 동물로부터 분해물이 분해 재합성되어 안정화된 부식물질로 성형한 펠렛(Pellet)과 토양미생물의 응결, 중축합작용 등을 위한 경석(Lightstone)을 충진한 토양미생물반응기가 설치된 2세트(Sets) 이상의 고효율 액비저장탱크를 교대로 이용하여 체류시간(HRT) 15 ~ 30일 동안 토양미생물에 의하여 호기성 상태에서 부숙시킨 후 여분의 고효율 액비 저장탱크에서 배출되는 축산분뇨를 저장하는 동안 추가적인 부숙기간(HRT) 15 ~ 30일을 거쳐 악취를 제거하는 방법이지만, 후부숙 기간이 길어 유용한 질소성분이 탈질되어 작물에 유용한 질소성분이 감소되거나 유기탄소원이 없어져 액비로서의 효능이 낮은 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로서 슬러리와 같은 고농도 유기성 폐수의 무방류 처리를 효율적으로 하기 위해 아미노산 함유 액비를 생산하되 아미노산 함유 액비를 생산하기 위한 탄소원 공급 발효공정과 간헐적 UV조사를 통한 돌연변이적 아미노산 발효 생산 공정, 호기성 활성을 통한 고농도 유기성 폐수 처리, 고농도의 아미노산이 함유될 수 있도록 하여 미생물과 미세한 부유물질을 에멀젼화하고 소독하여 원예작물에 살포시 살포수단의 막힘 현상을 방지하고, 여과 후 남은 아미노산이 함유된 슬러지는 토양개량제 및 노지살포용으로 활용할 수 있도록 하는 고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적의 방법을 달성하기 위한 아미노산 함유 액비 제조 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적들 뿐만 아니라 용이하게 표출될 수 있는 다른 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에서는 고농도 유기성 폐수를 수거하여 1차 저장하는 저장조, 고농 도 유기성 폐수의 고형물을 물리적 원심분리에 의하여 분리하는 고액분리기, 고액분리한 여액을 저장하여 일정하게 원수를 조정하는 균등화조, 일부의 원수를 가지고 유기산을 만드는 유기산 발효조, 원수를 1차 유입시켜 암모니아성 질소를 탈기시키고 분해미생물과 1차 반응이 이루어지도록 하는 1단 활성화 액비조, 1단 활성화 액비조에서 1차 반응이 이뤄진 액비를 받아 활성화 액비가 만들어지도록 하는 2단 활성화 액비조, 간헐적 UV 조사를 통하여 미생물의 자연적 돌연변이를 유발시켜 아미노산 함량이 높은 액비를 만드는 아미노산 생성조, UV조사 및 초음파를 가하면서 살균하여 고속의 미분쇄기(Homogenizer)를 이용하여 미생물 및 고형물을 분쇄하여 에멀젼화하는 무균 아미노산 액비 생산조, 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 아미노산이 함유된 퇴비를 만드는 발효조로 구성되어지는 장치를 이용하되, 고액분리기로부터 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 발효시켜 만들어진 퇴비를 토양개량용 아미노산퇴비로 이용하고, 2단 활성화액비조에서 만들어진 액비를 노지살포용으로 사용하며, 무균화 아미노산액비 생산조에서 만들어진 아미노산 액비를 작물의 옆면살포 및 관주용으로 사용함으로써 고농도 유기성 폐수처리비용 절약 및 안정적 처리, 작물의 성장 증대, 과실의 당도 증가 및 착색을 향상시키고, 토양의 지지력 향상, 산성화된 토양 개량 효과를 얻을 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면에 의거하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 방법을 이용하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 공정도이 고, 도 2는 본 발명의 방법에 사용되는 유기산 발효조의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 방법에 사용되는 아미노산 생산조의 개념도이고, 도 4는 본 발명의 방법에 사용되는 무균 아미노산 액비 생산조의 개념도이다.
본 발명에 따른 고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법은 고농도 유기성 폐수를 수거하여 1차 저장하는 저장조, 고농도 유기성 폐수의 고형물을 물리적 원심분리에 의하여 분리하는 고액분리기, 고액분리한 여액을 저장하여 일정하게 원수를 조정하는 균등화조, 일부의 원수를 가지고 유기산을 만드는 유기산 발효조, 원수를 1차 유입시켜 암모니아성 질소를 탈기시키고 분해미생물과 1차 반응이 이루어지도록 하는 1단 활성화 액비조, 1단 활성화 액비조에서 1차 반응이 이뤄진 액비를 받아 활성화 액비가 만들어지도록 하는 2단 활성화 액비조, 간헐적 UV 조사를 통하여 미생물의 자연적 돌연변이를 유발시켜 아미노산 함량이 높은 액비를 만드는 아미노산 생성조, UV조사 및 초음파를 가하면서 살균하여 고속의 미분쇄기(Homogenizer)를 이용하여 미생물 및 고형물을 분쇄하여 에멀젼화하는 무균 아미노산 액비 생산조, 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 아미노산이 함유된 퇴비를 만드는 발효조로 구성되어지는 장치를 이용하되, 고액분리기로부터 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 발효시켜 만들어진 퇴비를 토양개량용 아미노산퇴비로 이용하고, 2단 활성화액비조에서 만들어진 액비를 노지살포용으로 사용하며, 무균화 아미노산액비 생산조에서 만들어진 아미노산 액비를 작물의 옆면살포 및 관주용으로 사용하는 것으로 특징지워진다.
고농도 유기성 폐수를 유기산 발효시키면 가수분해단계를 거쳐 산생성 단계 가 이뤄지는데 가수분해단계에서는 클로스트리디움(Clostridium), 박테로이드(Bacteroides), 비브리오(Vibrio) 등의 미생물이 기여하여 다당류를 단당류나 2당류로, 지방을 긴사슬 지방산, 글리세린으로, 단백질을 아미노산 등으로 가수분해시키게 된다. 산생성단계에서는 락토바실러스(Lactobacillus), 코리네박테리움(Corynebacterium), 액티노마이세스(Actinomyces), 클로스트리디움(Clostridium), 박테로이드(Bacteroides), 램비박테리윰(Rambibacterium) 등의 미생물이 기여하여 휘발성 유기산(특히, 초산), 알코올, 알데히드, 케톤 등을 생산한다. 이러한 유기산은 탈질을 위한 탄소원과 아미노산 생성에 필요한 에너지원으로 이용된다.
본 발명에서는 유기산발효조에는 KCCM3233(비피도박테리움 코리네포네 : Bifidobacterium coryneforme), KCCM3635(락토바실러스 델부르이치 서브틸리스 에스피. 불가리커스 : Lactobacillus delbrueckii sub sp. bulgaricus), KCCM1058(락토바실러스 델부르이치 서브틸리스 에스피. 락티스 : Lactobacillus delbrueckii sub sp. lactis)를 유기산발효조 유입량에 대하여 각각 0.001 ~ 5중량%의 비율이 되도록 접종(seeding)하고, 아미노산발효조에 KCCM1045(대장균 : Escherichia coli), KCCM2799(세라티아 마르세센스 : Serratia marcescens), KCCM12457(세라티아 마르세센스 서브틸리스 에스피. 마르세센스 : Serrartia marcescens sub sp. marcescens), KCCM2679(세라티아 루비대아 : Serratia rubidaea), KCCM1660(바실러스 아밀로리퀴페이시언스 : Bacillus amyloliquefaciens), KCCM1661(바실러스 세리우스 : Bacillus cereus), KCCM6174(리조프스 오리지아 : Rhizophus oryzea), KCCM1056(마이크로코커스 루티우스 : Micrococcus luteus)를 아미노산 발효조 유입량에 대하여 각각 0.001 ~ 5중량%의 비율이 되도록 접종하여 각각의 발효조를 운영한 결과, 아미노산이 다량 함유된 액비를 얻을 수 있었다.
자외선은 X선(X-ray)보다는 길고 가시광선보다는 짧은 100nm ~ 400nm의 파장을 가지고 있는 빛으로, 파장에 따라 UVA, UVB, UVC 그리고 Vacuum UV로 나뉘게 된다. UVA(315 ~ 400nm)의 경우 청색의 빛으로 파란색 램프를 필요로 하는 실내 장식이나, 선탠을 할 때 사용되고, 광촉매(TiO2), 포토페리옥살레이트(photo-ferrioxalate) 또는 포토펜톤(photo-fenton)과 같은 고도 산화공정에서 사용되며, UVB(280 ~ 315nm)는 피부에 홍반작용을 일으킨다. UVA와 UVB의 경우 이 파장의 빛을 DNA가 거의 흡수하지 못하기 때문에 직접적인 소독용으로 사용할 수 없다. 100 ~ 200nm의 빛은 Vacuum UV라고 하는데 파장이 짧기 때문에 투과성이 낮고 흡수성이 매우 높기 때문에 물속을 투과하는 능력이 효과적이지 못해 미생물을 불활성화시킬 수 있는 에너지를 가지고 있음에도 불구하고 소독용으로의 사용에 한계가 있다.
UV에 의한 미생물의 불활성화는 미생물 내부의 RNA나 DNA의 광반응에 의한 손상에 기인한다. UVC파장의 빛이 미생물에 조사되면 각각의 뉴클레오티드(Nucleotides)들이 UV빛을 흡수하게 된다. DNA에서 흡수가 최대로 일어나는 파장은 250 ~ 270nm이며, 이는 파장에 따른 소득능 패턴과 거의 유사하다. DNA나 RNA 염기중 미생물의 불활성화에 영향을 미치는 염기는 피리미딘(DNA : 시토신과 티민, RNA : 시토신과 우라실)분자들이다. DNA에 UV가 조사되면 티민이 서로 이중결합을 형성하게 되고, 이중결합이 형성되면 DNA 복제가 이루어질 수 없기 때문에 증식과 같은 생명체로의 기능이 정지되고, 따라서 미생물의 불활성화가 이루어진다. 그러나, 이중결합이 형성되어 미생물이 불활성화되었다 하더라도 세포의 대사작용(metabolism)과 다른 기능들은 그대로 남아 있기 때문에 충분한 정도의 UV가 조사되지 않을 경우 손상된 DNA가 다시 복원되어 미생물이 정상으로 돌아오는 경우도 존재한다. 이러한 현상을 광회복 현상이라 한다.
본 발명에서는 이러한 광회복 현상이 아미노산 생산조에서 최대가 일어날 수 있도록 하여 돌이변이형 아미노산 생산 균주가 되도록 하며, 무균아미노산 생산조에서는 광회복현상이 발생 되지 않도록 UV조사를 최적의 조건으로 최대가 되도록 하여 살균되도록 한다.
일반적인 아미노산의 효과는 아미노산을 유일한 질소원을 하여 식물을 키웠을 경우, 염기성 아미노산인 글루타민(Glutamine), 아스파라긴(Asparagine), 아르기닌(Arginine), 시트룰린(Citrulline), 올리친(Ornithine) 등은 화학비료 상태의 암모니아나 질산을 질소원으로 하였을 경우보다 생육이 좋아지는 경우가 있는 것으로부터 밝혀지고 있다. 특히, 저온이나 광합성이 불리한 환경에서는 당이나 ATP의 생산이 부족하기 때문에 뿌리에 의한 무기물의 흡수 및 동화에 필요한 에너지가 부족한데 아미노산은 뿌리에 흡수된 후 즉시 아미노기 전이반응에 의해 아르기닌이나 글루타민산처럼 생체 내에서 질소대사의 중심적인 아미노산으로 되어 무기태 질소보다 양호한 생육을 보인다. 또한, 정상적인 경우에도 10ppm 정도의 아미노산을 처리하였을 경우 생육을 증진시키는 효과가 있다. 함아미노산인 시스틴과 메티오닌은 냉해, 일조량 부족으로 인한 생리 장해 극복에 효과가 있고, 로이신은 과색 촉진, 아르기닌은 병원균 생육억제, 글리신과 알라닌은 당도 증가에 효과가 있다.
유기성 폐수로서 돈분 폐수를 이용하여 본 발명을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
유량조정조
유량조정조는 각 축산농가에서 수거해온 축산분뇨를 용기에 담아 수리학적 체류시간(HRT)이 2일이 되도록 하고, 잘 혼합되도록 저속 혼합을 시키는 장치로서, 교반기가 부설된 통상의 혼합 장치를 사용한다.
유량조정조의 유출수를 채취하여 측정된 평균값의 축산분뇨의 성상을 분석한 결과, BOD 18,300mg/L, SS 29,800mg/L, CODcr 56,000mg/L, COMmn 12,300mg/L, T-N 3,800mg/L, T-P 780mg/L, 대장균 1,400,000마리/mL, pH 8.2이었다.
고액분리 여액 균등화조
고액분리 여액 균등화조는 원심력 농축 고액분리기와 균등화조로 구성되고, 2,600rpm의 원심력 농축 고액분리기를 이용하여 분리한 여액을 수리학적 체류시간(HRT)이 3일이 되는 균등화조에 담아 잘 혼합되도록 저속 혼합을 시킨다.
유출수를 채취하여 측정된 평균값의 축산분뇨의 성상을 분석한 결과, BOD 17,300mg/L, SS 15,800mg/L, CODcr 42,000mg/L, COMmn 8,700mg/L, T-N 2,400mg/L, T-P 530mg/L, 대장균 1,350,000마리/mL, pH 8.3이었다.
유기산 발효조
유기산 발효조는 도 2에 도시된 바와 같이 고액분리 여액 균등화조로 부터 분리된 여액이 유입되는 유입구와 발효된 유기산이 배출되는 배출구를 갖고, 여액을 혼합하기 위한 교반장치(1)가 설치되며, 온도측정센서(2), pH측정센서(3) 및 용존산소(DO)측정센서(4)가 구비되고, 슬러지를 인발하기 위한 슬러지 배출구가 형성되고, 발효조내에 공기를 주입하기 위한 수단이 설치된 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명에서는 균등화조의 원수를 수리학적 체류시간(HRT)이 4.5일이 되는 유기산 발효조에 주입하여 잘 혼합되도록 교반장치(1)를 이용하여 교반하면서 간헐적으로 공기를 주입하여 DO가 0 ~ 0.15가 되도록 운영하였다(공기공급 10분/공기중단 90분).
유기산 발효조의 배출구로부터 시료를 채취하여 수질을 분석한 평균값의 성상을 보면 유기산 2,350mg/L, 온도 29 ℃, TS 1.2%, VS 68%, pH 8.9이었다.
유기산발효조에서 생산된 유기산은 아미노산 생성조에 유입율대비 3.5%로 주입하였으며, 활성화액비조 2단에 0.2%의 비율로 주입하였다.
아미노산 생성조
아미노산 생성조는 도 3에 도시된 바와 같이 유기산발효조로부터 유기산이 유입되는 유입구와 생성된 아미노산이 배출되는 배출구를 갖고, 여액을 혼합하기 위한 수중교반장치(5)가 설치되며, 온도측정센서(2), pH측정센서(3) 및 용존산소(DO)측정센서(4)가 구비되고, 2단 활성화 액비조의 슬러지가 유입되는 유입구 및 슬러지를 인발하기 위한 슬러지 배출구가 형성되고, 비접촉형UV장치(간헐타임조사형)(6)가 설치되며, 조내에 공기를 주입하기 위한 수단(미도시)이 설치된 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 제조할 수 있다.
2단 활성화 액비조의 슬러지를 간헐포기시간 중 비포기 시간대에 슬러지를 유입하였으며 유기산발효조의 유기산을 슬러지 유입량 대비 3.5%가 되도록 유입하여 수리학적 체류시간이 12시간이 되도록 운영하였다. 1단 활성화 액비조에 유량대비 10%의 비율로 반송 유입하였다. 수중교반장치(5)를 이용하여 교반하면서 간헐적으로 공기를 넣어(공기공급 20분, 공기중단 50분) DO가 0 ~ 0.15도록 하고, UV(253.7nm, 55㎼/㎠) 6초(조사)/600초(정지)로 운영하였다.
반응조의 수질을 분석한 평균값의 성상을 보면 MLSS 18,000mg/L, 온도 32 ℃, pH 8.9이었다.
아미노산이 생성된 발효액은 상부, 중부, 하부의 3단으로 배출되도록 구성되어 있으며, 이러한 구성은 무균 아미노산 액비 생산조에 투입시 슬러지 농도를 맞추기 위한 것이다. 즉, 공기 교반 및 수중교반기가 정지시 하부에서 인발을 하면 고농도의 아미노산이 함유된 슬러지를 이송할 수 있고, 상부에서 인발하면 저농도의 아미노산이 함유된 슬러지를 이송할 수 있고, 혼합 교반시 중부에서 인발하면 평균 혼합된 슬러지를 인발 이송할 수 있도록 한 것이다. 이러한 조절은 무균아미노산액비생산조에 설치된 SS 계측기에 의하여 제어되며 SS농도는 최종 아미노산 농도를 알 수 있는 지표로 활용된다.
활성화 액비조 1단
생물학적인 질소제거의 원리는 미생물의 동화작용에 의해 소모되어 제거되는 것과 질산화작용과 탈질화작용에 의해 제거되는 두가지로 나눌 수 있다. 활성화 액비조 1단에서는 산소를 충분히 주어 질산화를 시켜 탈질산화가 잘 이루어질 수 있도록 한다.
호기성 상태에서의 질산화(Nitrification)작용은 다음의 두단계를 거쳐 암모니아성 질소가 NO2 -에서 NO3 -로 산화하는 것으로 반응식은 다음과 같다.
2NH4 + + 3O2 →2H2O + 2NO2 - + 4H (니트로소모나스 : Nitrosomonas)
2NO2 - + O2 --- →2NO3 - (니트로박터 : Nitrobacter)
이때 주로 관여하는 미생물은 질산화 미생물인 니트로소모나스(Nitrosomonas), 니트로소코커스(Nitrosococcus), 니트로박터(Nitrobacter) 등이다.
본 발명에서는 활성화 액비조 1단에서는 암모니아성 질소를 제거하기 위하여 공기공급을 활성화액비조 2단보다 많이 하여 용존된 암모니아성 질소의 탈기작용과 질산화를 유도하였다. 운영조건은 수리학적 체류시간(HRT) 4일, pH 8.7, 온도 28℃ MLSS 9,000 mg/L, DO 2 mg/L로 운영하였다.
활성화 액비조 2단
무산소조 상태에서 일어나는 탈질화반응(Denitrification)의 탈질 미생물들은 주로 헤테로트로픽 박테리아(Heterotrophic bacteria)로 최종 전자 수용체로 산화된 질소의 형태인 NOx를 이용하고, 탄소원(carbon source)로는 유기 탄소원을 이 용하여 아래와 같은 단계를 거쳐 N2 가스형태로 대기중으로 방출하여 제거한다.
NO3 → NO2 - → NO → N2O →N2
이때 필요한 탄소원은 유기산발효조에서 유량대비 0.2%의 유기산을 투입하여 공급하였다. 이때 주로 관여하는 미생물은 슈도모나스(Pseudomonas), 마이크로코커스(Micrococcus), 아크로모박터(Achromobacter), 바실러스(Bacillus) 등이다.
본 발명의 활성화 액비조 2단에서는 과잉의 질소 제거와 유기물을 제거하도록 하는 반응조로 운영조건은 수리학적 체류시간(HRT) 14일, pH 8.4, 온도 28℃, MLSS 9,000 mg/L, DO 0 ~ 2.5 mg/L로 운영하였다. 공기공급은 공급(120분)/정지(40분)으로 조절하면서 간헐적으로 하여 질산화된 질소를 탈질화하여 활성화 액비중의 질소농도를 조절하였으며, 유기산발효조에서 유량대비 0.2%의 유기산을 투입하였다.
무균 아미노산 액비 생산조
무균 아미노산 액비 생산조는 도 4에 도시된 바와 같이 호모게나이저(미분쇄기 : 7), 부유고형물(SS)측정기(8), UV소독장치(9) 및 초음파 진동자(10)가 설치되며, 아미노산 액비가 유입되는 유입구와 생성된 무균 아미노산 액비가 배출되는 배출구를 갖고, 슬러지를 인발하기 위한 슬러지 배출구가 형성되어 있다.
무균아미노산액비생산조는 아미노산 생성조에서 생산된 아미노산과 아미노산 생성 미생물들 살균하여 미세하게 분쇄하여 작물에 살포시 노즐 막힘을 없애고 병원성균에 의한 작물 및 인체의 영향을 없애고, 운반 저장시 빠른 변질을 막을 수 있도록 하는 반응조이다.
수리학적 체류시간(HRT)을 2시간으로 하여 반응조의 수질을 분석한 평균값의 성상을 보면 UV(253.7nm, 120㎼/㎠) 조사, 초음파 40khz 1,200W 를 가하면서 미분쇄용 호모게나이저(Homogenizer) 48,000rpm으로 분쇄한 결과, 아미노산이 18.01%인 액비를 얻을 수 있었으며, 분석값은 표 4와 같았다.
또한, 최종 무균화 아미노산 액비에서는 병원성 균의 대표성 지표인 대장균이 검출되지 되지 않았다.
운영시스템 운영 지표 적정범위 실시예
유량조정조 수리학적체류시간(일) 0.8 ~ 3 2.0
BOD(mg/L) 5,000 ~ 45,000 28,300
SS(mg/L) 5,000 ~ 45,000 29,800
CODcr(mg/L) 18,000 ~ 75,000 56,000
CODmn(mg/L) 3,200 ~ 33,000 12,300
T-N(mg/L) 1,400 ~ 3,500 2,800
T-P(mg/L) 200 ~ 1,500 580
대장균(마리/mL) 30,000 ~ 2,000,000 1,400,000
pH 5.4 ~ 9.2 8.4
고액분리액 균등화조 수리학적체류시간(일) 1 ~ 5 3.0
BOD(mg/L) 4,000 ~ 25,000 17,300
SS(mg/L) 3,000 ~ 25,000 15,800
CODcr(mg/L) 11,000 ~ 65,000 42,000
CODmn(mg/L) 3,000 ~ 28,000 8,700
T-N(mg/L) 1,100 ~ 3,200 2,400
T-P(mg/L) 200 ~ 1,200 530
대장균(마리/mL) 30,000 ~ 2,000,000 1,400,000
pH 5.4 ~ 9.2 8.2
유기산 발효조 수리학적체류시간(일) 1 ~ 5 4.5
pH 6.9 ~ 9.1 8.0
유기산(mg/L) 500 ~ 4,300 2,350
온도(℃) 20 ~ 55 28
VS(%) 40 ~ 98 65
DO(mg/L) 0 ~ 0.2 0~0.15
아미노산 생성조 수리학적체류시간(일) 6 ~ 36 12
pH 6.9 ~ 9.1 8.6
온도(℃) 20 ~ 40 32
MLSS(mg/L) 5,000 ~ 30,000 11,000
UV 253.7nm, 간헐타임 조사 5초/600초(55㎼/㎠)
유기산발효액유입율(%) 3 ~ 15% 3.5
유량조정조 공급율(%) 1 ~ 10% 2.0
활성화액비조 공급율(%) 5 ~ 95% 10.0
활성화 액비조 1단 수리학적체류시간(일) 0.5 ~ 6 4.0
pH 6.9 ~ 9.1 8.7
온도(℃) 20 ~ 40 30.0
MLSS(mg/L) 5,000 ~ 30,000 11,000
DO 0.25 ~ 3.5 2
활성화 액비조 2단 수리학적체류시간(일) 8 ~ 30 13.0
pH 6.9 ~ 9.1 8.4
온도(℃) 20 ~ 40 30.0
MLSS(mg/L) 5,000 ~ 30,000 9,000
DO 0.0 ~ 2.5 0.0 ~ 2.5
공기공급시간조절 30 ~ 180분/20 ~ 60분 120/40(공급/정지)
유기산발효액유입율(%) 0.1 ~ 5 0.2
무균 아미노산 액비생산조 수리학적체류시간(일) 0.5 ~ 8 2
아미노산(21종) 5 ~ 20% 18.01%
UV 253.7nm 55㎼/㎠
초음파 28 ~ 570khz 40khz, 200w(output)
Homogenizer 1600 ~ 3200RPM 1750RPM
대장균(마리/mL) 0 0
아미노산 생산액비 생산액비 생산액비
UV조사(0.5시간) UV조사(1시간) UV조사(2시간)
% pmol % pmol % pmol
Cys 0.66 627.192 2.84 1950.053 1.8900 1391.71230
Asp 1.90 1730.17 2.42 1598.043 2.3328 1797.23502
Glu 1.74 1281.603 2.84 1516.289 2.4732 1510.86168
Asn 1.67 2054.964 0.25 226.146 1.0368 1231.79940
Ser 1.65 990.678 0.45 196.897 1.1340 641.29050
Gln 0.39 771.887 0.13 184.624 0.2808 516.51594
Gly 1.26 670.757 0.69 266.843 1.0530 506.30400
His 0.93 744.536 0.17 98.836 0.5940 455.42088
Arg 1.82 1337.156 0.07 37.111 1.0206 742.10418
Thr 0.21 165.652 0.03 14.837 0.1296 97.46406
Ala 0.39 223.875 0.08 31.501 0.2538 137.90304
Pro 2.16 1387.473 1.53 713.851 1.9926 1134.71496
Tyr 0.34 202.867 0.65 285.277 0.5346 263.59776
Val 1.07 795.846 1.06 569.579 1.1502 737.32950
Met 0.57 372.018 0.65 306.207 0.6588 366.24150
Cys 0.33 150.297 0.05 16.245 0.2052 89.93268
Ile 0.23 174.979 0.00 0.018 0.1242 94.49838
Leu 0.05 36.312 0.00 0.292 0.0270 19.76616
Phe 0.13 115.493 0.56 353.340 0.3726 253.16982
Trp 0.00 2.571 0.88 487.303 0.4752 264.53196
Lys 0.02 12.010 0.49 188.058 0.2754 108.03672
합계 17.52 13848.340 15.84 9041.350 18.0144 12360.43000
상술한 바와 같이 본 발명은 고농도 유기성 폐수를 이물질제거 등 간단한 처리를 거친 후 호기성처리 미생물과 아미노산 생산 미생물을 조합하여 활성시켜 식물 성장 및 작물에 필수 영양소인 아미노산이 함유된 액비와 아미노산이 함유된 토양개량제를 생산하여 고농도 유기성 폐수처리비용 절약 및 안정적 처리, 작물의 성장 증대, 과실의 당도 증가 및 착색을 증가시키고, 토양개량제로 활용함으로서 토양의 지지력 향상, 산성화된 토양 개량효과가 있으며, 점차 증가되고 있는 아미노산의 수입대체효과를 이룰 수 있다.
즉, 본 발명에서는 고농도 유기성 폐수를 수거하여 1차 저장하는 저장조, 고농도 유기성 폐수의 고형물을 물리적 원심분리에 의하여 분리하는 고액분리기, 고액분리한 여액을 저장하여 일정하게 원수를 조정하는 균등화조, 일부의 원수를 가지고 유기산을 만드는 유기산 발효조, 원수를 1차 유입시켜 암모니아성 질소를 탈기시키고 분해미생물과 1차 반응이 이루어지도록 하는 1단 활성화 액비조, 1단 활성화 액비조에서 1차 반응이 이뤄진 액비를 받아 활성화 액비가 만들어지도록 하는 2단 활성화 액비조, 간헐적 UV 조사를 통하여 미생물의 자연적 돌연변이를 유발시켜 아미노산 함량이 높은 액비를 만드는 아미노산 생성조, UV조사 및 초음파를 가하면서 살균하여 고속의 미분쇄기(Homogenizer)를 이용하여 미생물 및 고형물을 분쇄하여 에멀젼화하는 무균 아미노산 액비 생산조, 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 아미노산이 함유된 퇴비를 만드는 발효조로 구성되어지는 장치를 이용하되, 고액분리기로부터 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 발효시켜 만들어진 퇴비를 토양개량용 아미노산퇴비로 이용하고, 2단 활성화액비조에서 만들어진 액비를 노지살포용으로 사용하며, 무균화 아미노산액비 생산조에서 만들어진 아미노산 액비를 작물의 옆면살포 및 관주용으로 사용함으로써 고농도 유기성 폐수처리비용 절약 및 안정적 처리, 작물의 성장 증대, 과실의 당도 증가 및 착색을 향상시키고, 토양의 지지력 향상, 산성화된 토양 개량 효과를 얻을 수 있었다.

Claims (3)

  1. 유기성 폐수를 수거하여 1차 저장하는 저장조, 유기성폐수의 고형물을 물리적 원심분리에 의하여 분리하는 고액분리기, 고액분리한 여액을 저장하여 일정하게 원수를 조정하는 균등화조, 일부의 원수를 가지고 유기산을 만드는 유기산 발효조, 원수를 1차 유입시켜 암모니아성 질소를 탈기시키고 분해미생물과 1차 반응이 이루어지도록 하는 1단 활성화 액비조, 1단 활성화 액비조에서 1차 반응이 이뤄진 액비를 받아 활성화 액비가 만들어지도록 하는 2단 활성화 액비조, 간헐적 UV 조사를 통하여 미생물의 자연적 돌연변이를 유발시켜 액비를 만드는 아미노산 생성조, UV조사 및 초음파를 가하면서 살균하여 고속의 미분쇄기를 이용하여 미생물 및 고형물을 분쇄하여 에멀젼화하는 무균 아미노산 액비 생산조, 고액분리된 탈수슬러지를 수분조절제와 혼합하여 아미노산이 함유된 퇴비를 만드는 발효조로 구성되어지는 장치를 이용하되, 유기성 폐수에서 아미노산생성 활성 미생물을 우점종으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 아미노산 생성조는 3단 인출장치를 적용하여 각각 다른 아미노산 농도의 액비를 무균 아미노산 액비 생산조로 이송이 가능하도록 하고, 무균 아미노산 액비 생산조의 SS 계측기로부터 아미노산 함량을 용이하게 파악할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 유기산발효조에는 KCCM3233(비피도박테리움 코리네포네 : Bifidobacterium coryneforme), KCCM3635(락토바실러스 델부르이치 서브틸리스 에스피. 불가리커스 : Lactobacillus delbrueckii sub sp. bulgaricus), KCCM1058(락토바실러스 델부르이치 서브틸리스 에스피. 락티스 : Lactobacillus delbrueckii sub sp. lactis)를 유기산발효조 유입량에 대하여 각각 0.001 ~ 5중량%의 비율이 되도록 접종(seeding)하고, 아미노산발효조에는 KCCM1045(대장균 : Escherichia coli), KCCM2799(세라티아 마르세센스 : Serratia marcescens), KCCM12457(세라티아 마르세센스 서브틸리스 에스피. 마르세센스 : Serrartia marcescens sub sp. marcescens), KCCM2679(세라티아 루비대아 : Serratia rubidaea), KCCM1660(바실러스 아밀로리퀴페이시언스 : Bacillus amyloliquefaciens), KCCM1661(바실러스 세리우스 : Bacillus cereus), KCCM6174(리조프스 오리지아 : Rhizophus oryzea), KCCM1056(마이크로코커스 루티우스 : Micrococcus luteus)를 아미노산 발효조 유입량에 대하여 각각 0.001 ~ 5중량%의 비율이 되도록 접종하여 각각의 발효조를 운영함을 특징으로 하는 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를 제조하는 방법.
KR1020070025964A 2007-03-16 2007-03-16 고농도 유기성 폐수를 원료로 하여 아미노산 함유 액비를제조하는 방법 KR100825639B1 (ko)

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