KR100897832B1 - 가축 분뇨 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가축분뇨 생물순환에 의한 재순환 시스템(recycle system)과 양육 및 작물재배에 적용할 수 있는 가축 분뇨 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 (a) 가축 분뇨 저류조로부터 이송된 분뇨를 순환식가용화조에서 순환폭기로 가용화하는 공정; (b) 상기 순환식가용화조에서 가용화된 처리물을 침전조로 이송하여 액상인 상등액과 고형분(오니)을 고액 분리하는 공정; 및 (c) 상기 침전조로부터 얻은 상등액을 클로렐라 배양조로 이송하여 클로렐라를 배양하여 클로렐라 사료를 제조하고 상등액을 정화하는 공정;을 포함하는 가축 분뇨 처리 방법에 관한 것이다.
가축 분뇨, 돈분뇨, 클로렐라, 생물활성수조

Description

가축 분뇨 처리 방법{Treatment method livestock excretions}
본 발명은 가축 분뇨 처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토양의 이화학성과 생물성을 개선하여 고품질의 작물을 재배할 수 있는 클로렐라사료 및 액비, 광합성세균액비, 및 미네랄생물활성수를 생산하기 위한 가축분뇨 처리방법에 관한 것이다.
가축분뇨는 대표적인 것이 우분뇨, 돈분뇨, 계분뇨를 들 수 있는데, 우분뇨와 계분뇨는 재순환(Recycle)이 용이하지만, 돈분뇨의 배수처리는 기술적으로 매우 어렵다.
현행 양돈장의 분뇨처리 방법은 돈분뇨를 폭기조에 유입시키기 전에 고액 분리하여 고형분은 퇴비화하고, 액상분은 BOD가 6,000-1,000ppm인 오수로서 이를 과폭기처리에 의하여 3,000-5,000ppm까지 BOD를 떨어뜨린 후 광합성세균으로 후-처리하여 방류허용기준치 이하까지 처리되면 방류하게 된다. 이때, 액상분 처리과정 이전에 탈모제거장치 및 고액분리장치를 설치하도록 되어 있다.
그러나, 상기 장치들의 설치비는 플랜트(plant) 전체의 설치비와 거의 버금가는 고가의 장비이다. 또한, 분뇨는 점도가 높기 때문에 탈수장치가 고성능이어 야 하며, 탈모를 제거하는 바이브레이션(Vibration)도 기능이 고도로 정밀해야 한다. 이러한 장비설치는 소규모로 경영하는 양축 농가에서는 경제적 부담이 커서 설치하기가 어렵다.
한편, 토양부식은 박테리아에 의해 이루어지는데, 축사폐수가 미생물군이 처리할 수 있는 허용량을 초과하게 되면 미분해의 유기물이 땅에서 넘쳐 부패의 경로에 들어가게 되므로 토양을 오염시킬 뿐 아니라 토양미생물군의 불균형으로 인하여 토양부식형성회로가 파괴된다. 또한, 토양부식형성의 파괴는 전 생태계 물질순환의 기초고리를 기능 불능케 만드는 결과를 낳게 된다.
상기와 같은 종래기술에서의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 고가의 장비를 설치하지 않고도 경제적으로 가축분뇨, 특히 돈분뇨를 효율적으로 처리하여 클로렐라 사료, 광합성세균액비료, 및 미네랄생물활성수를 생산할 수 있는 가축 분뇨 처리방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 가축 분뇨 저류조로부터 이송된 분뇨를 순환식가용화조에서 순환폭기와 미생물에 의한 가용화하는 공정;
(b) 상기 순환식가용화조에서 가용화된 처리물을 침전조로 이송하여 액상인 상등액과 고형분(오니)을 고액 분리하는 공정; 및
(c) 상기 침전조로부터 얻은 상등액을 광합성세균 배양조로 이송 배양한 후 균체괴를 침전시키고 상등액은 클로렐라 배양조로 이송하여 클로렐라를 배양하여 클로렐라 사료를 제조하고 수질이 정화하는 공정;
을 포함하는 가축 분뇨 처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
(a) 가축 분뇨 저류조로부터 이송된 분뇨를 순환식가용화조에서 순환폭기와 미생물에 의한 가용화하는 공정;
(b) 상기 순환식가용화조에서 가용화된 처리물을 침전조로 이송하여 액상인 상등액과 고형분(오니)을 고액 분리하는 공정; 및
(c) 상기 침전조로부터 얻은 상등액을 생물활성수조로 이송하여 폭기로 생물반응 및 자기반응을 수행하여 미네랄 생물활성수를 제조하는 공정;
을 포함하는, 가축 분뇨 처리 방법을 제공한다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 고가의 장비를 설치하지 않고, 완전 순환식 가용화조에서 생물과 폭기압의 작용에 의하여 고형물을 분해 가용화 시킨 후 액상분과 고형분(오니)를 고액 분리하고, 상등액을 광합성세균 배양조 및 생물활성수조로 이송하여 보다 효율적으로 클로렐라 사료, 광합성세균액비 및 미네랄 생물활성수를 제조할 수 있는 가축분뇨의 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에서 처리하는 가축 분뇨는 일반적인 양축 농가에서 발생하는 우분뇨, 돈분뇨 및 계분뇨를 포함하며, 특히 기존에서 처리하기 어려웠던 돈분뇨를 경제적이면서도 용이하게 처리할 수 있다.
특히, 상기에서 생산된 클로렐라 사료와 미네랄 생물활성수는 사료나 음용수에 첨가하여 가축에게 음용하게 하여 가축의 체질을 개선할 수 있고, 가축을 건강하게 기를 수 있다. 또한, 상기에서 생산된 광합성세균체 액비, 미네랄 생물활성수 및 원핵생물선택배양배지보전자재는 토양에 적용함으로써, 토양의 이화학성과 생물성을 개선하여 고품질의 작물을 다수확 할 수 있을 뿐 아니라 과학농업기술체계를 확립할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일실시예에 따른 가축분뇨의 처 리방법에 대하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 이때, 본 발명의 방법이 하기 바람직한 실시예에 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위가 이에 특별히 한정되는 것은 아니고 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분뇨 처리 공정을 간략히 도시하여 나타낸 것이다.
본 발명의 가축 분뇨 처리방법은 도 1에 도시된 가축 분뇨 처리 재순환 시스템(recycle system)을 이용할 수 있으며, 이는 기본적으로 각 양축 농가에서 발생된 분뇨를 저장하기 위한 가축 분뇨 저류조, 분뇨를 고형분(오니)과 액상분으로 분해하기 위한 완전순환식 가용화조, 고형분과 액상분을 고액 분리하는 침전조로 구성된다.
또한, 본 발명의 가축 분뇨 처리 시스템은 침전조에 연결설치된 원핵생물보전자재 반응기와 광합성세균 배양조에서 클로렐라 배양조로 일부 상등액을 이송하는 생물반응기인 생물활성수조를 포함한다. 상기 광합성세균 배양조는 클로렐라 배양조로 일부 상등액을 생물활성수조로 이송할 수 있는 이송관이 연결 설치되며, 클로렐라 배양조는 클로렐라 배양후 클로렐라 농축액을 유산발효 시키기 위하여 유산발효조로 이송관이 연결 설치되고, 유산발효조에서 얻어진 유산발효액의 일부는 사료에 첨가되며 나머지는 순환식 가용화조로 이송될 수 있는 이송관이 설치된다.
상기 완전 순환식 가용화조에서는 투입된 분뇨를 공기압으로 폭기시켜 이 고형물이 분해 가용화되는 과정에 각종 아미노산, 당, 유기산 등이 생성되고 암모니아를 발생하면서 기포가 발생하게 된다. 이 기포에는 탈모, 토사 및 여러 입상물질이 부착되어 상승하여 폭기조 밖으로 배출된다. 폭기 기포에 의하여 자연 분리되는 이러한 현상은 지금까지의 처리기술에서는 찾아볼 수 없는 독특한 기술발견이다. 즉, 순환식 가용화조에 유입된 분뇨에는 점성이 있어 탈모를 비롯한 각종 고형분이 쉽게 부착하지만 폭기가 지속되고, 시간이 경과될수록 점성은 점점 소멸하게 된다. 이렇게 점성이 소멸된 후 처리물을 침전조로 이송하여 침전시키면 고형분이 쉽게 침전되므로 고액분리가 정확하게 이루어 진다.
침전된 고형분은 원핵생물선택배양배지보전자재의 원료로 사용하고 상등액인 액상분은 클로렐라사료 및 액비, 광합성세균체농축액비, 미네랄생물활성수 등을 생산하는 재순환 시스템(Recycle system)에 이용할 수 있다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 본 발명의 가축 분뇨 처리 방법을 설명한다.
본 발명은 도 1에 도시된 분뇨 저류조로 가축분뇨를 유입 시킨다. 분뇨 저류조는 가축 1일 배설량의 3배 용량을 저장할 수 있는 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 본 발명은 가축 분뇨 저류조로부터 이송된 분뇨를 순환식 가용화조에서 순환폭기로 가용화하는 공정을 수행한다.
분뇨 저류조로부터 순환식 가용화조에 분뇨가 유입되면, 탱크저변(TANK안의 밑바닥)에 설치된 수중 컴프레셔(compressor)에 의하여 공기압으로 과폭기 순환시킨다. 이러한 과정을 통해, 분뇨는 파괴되고 뇨와 혼합 유동되면서 수생세균 등에 의하여 가용화되어 아미노산, 당, 유기산 등이 생성됨과 동시에, 암모니아 가스를 다소 발생 시킨다.
상기 순환 폭기 과정에서는 다량의 기포가 발생되는데, 액상수면 위로 기포가 상승하여 집합부에 쌓이면서 터져 다시 액상으로 되돌아가게 된다. 이때, 상기 기포가 발생하면서 분뇨에 함유되어 있는 탈모, 토사 및 여러 입상물질이 기포(起泡)에 부착하여 상단 집합부까지 동반 상승된다. 기포에 부착된 물질은 배출구로 유출되면서 필터에 의하여 여과 제거되고, 암모니아 가스는 탈취동에서 다공성 제올라이트와 분탄 등에 의하여 탈취된다.
이어서, 본 발명은 상기 순환폭기조에서 가용화된 처리물을 침전조로 이송하여 액상인 상등액과 고형분(오니)을 고액분리하는 공정을 수행한다.
본 발명은 순환식 가용화조에서 점성이 약화된 처리물을 침전조로 이송하여 침전시키면 고형분이 쉽고 빠르게 침전되어 고액분리가 정확하게 이루어 진다. 상기 고형분 침전 및 고액 분리 공정은 특별히 한정되지는 않으며, 당업자들에 잘 알려진 통상의 방법에 의해 수행될 수 있다.
상기 과정 다음으로, 본 발명은 상기 침전조로부터 얻은 상등액을 광합성세균 배양조로 이송하여 광합성세균를 배양하면 광합성세균이 고농도로 증식하게 된다. 이것을 침전시키면 광합성 세균 농축액(세균덩어리)이 침전 되면서 상등액이 생긴다. 이 상등액을 클로렐라 배양조로 이송 클로렐라를 배양하면 클로렐라가 고농도로 배양되면서 수질이 깨끗하게 정화된다
상기 클로렐라 배양조는 순환식으로 용량에 알맞게 타원형 콘크리트형 틀로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 클로렐라 배양조는 광투과 공기접촉을 위하여 수심이 20~30cm인 것이 바람직 하다. 클로렐라는 100평(330㎡) 정도에서 순조롭게 운전 배양되면 동절기 200ℓ/day, 하절기 800ℓ/day정도의 클로렐라가 생산되는데 이를 유산발효 시켜 가축사료 첨가제로 사용할 경우 돼지 1두당 하루 필요량이 5리터이므로 클로렐라 배양면적은 각 농가의 사육두수에 따라 계산하여 설비제작하는 것이 바람직 하다.
상기 콘크리트 형틀 내면에는 강점질토 및 원핵생물선택배양배지 보전자재(이하 선택배지)의 혼합물을 부착 건조하는데, 강점질토와 선택배지의 중량비가 85 내지 90 :15 내지 10으로 고르게 혼합 타반하여 사용한다.
클로렐라는 광합성세균 배양조 상등액 저농도 오수에서 잘 번식하며 형틀용량 90%정도 상등액을 주입하여 배양하는데 20~25℃에서 왕성하게 번식함으로 온도제어장치를 설치하여야 한다.
상기 구조를 포함하는 클로렐라 배양조에 상등액을 순환시키면, 미네랄이 다량 함유된 약알칼리성 배지(선택배지에 함유 되어있는 성분에 의한것)에서 클로렐라가 유기/무기의 용해성분을 다량 흡수하여 고농도의 클로렐라가 연속 배양되면서 물이 깨끗이 정화된다. 클로렐라의 발생시간(Generation Time)은 20~24시간이므로 배양조에서 광조건과 영양조건이 양호한 상태에서 연속배양 되는데 8~10일 정도이 면 그 증식밀도가 과밀하게 되므로 이렇게 배양된 클로렐라를 여과포로 포집하면 수분함량이 90% 내지 95%인 클로렐라를 수거할 수 있다.
수거한 클로렐라는 유산발효조로 이송하고 정화되고 남은 일부는 생물활성수와 같이 돈사내 세척수로 이용할 수 있으며, 나머지 일부는 순환식 가용화조로 재이송하여 돈분뇨를 가용화시키는 역할을 하게 된다.
또한, 유산발효조로 이송된 클로렐라액 생체내에는 유산균의 생장을 촉진하는 물질인 클로렐라 성장 팩터(Chlorella growth factor)가 함유되어 있으며 흑설탕이나 당밀을 첨가하여 클로렐라 액상물의 당농도를 1% 내지 0.5%정도가 되도록 조정해주고 40 내지 45℃ 정도의 온도를 유지시켜주면 유산발효가 촉진되어 5일 내지 6일이면 발효가 완성된다.
클로렐라 유산발효액은 냄새가 없고 상쾌한 산미를 갖게된다. 따라서 일부는 가축 음용수에 희석하여 음용시킬 수 있다. 또한, 유산발효액 일부는 미네랄 생물활성수에 혼합하여 돈사내 세척용으로 살포하면 유효미생물이 다량증식되어 축사내 환경을 쾌적하게 정화할 수 있어 가축이 건강하게 자라도록 할 수 있다.
이때, 본 발명에서 사용하는 클로렐라(Chlorella)는 녹조류에 속하는 구형 단세포 조류이며 영양학적으로 성분조성이 우수할 뿐 아니라 단백질 생성속도가 대두의 약 125배 정도가 되는 중요한 식량자원이다. 클로렐라를 가축이나 작물에 공여할 경우 가축 건강과 생육을 촉진할 수 있으며, 이것은 양질의 영양원을 다량 함유하고 있기 때문이다. 돼지의 경우 배합사료에 클로렐라 유산발효액을 1% 내지 2%를 첨가해주면 사료효율이 10% 내지 16% 정도 향상되고, 성장률은 10% 내지 14% 정 도 상승하게 된다. 그리고 유산발효액은 질소, 인산, 칼륨을 비롯하여 유기물과 각종 미량원소를 다량 함유하고 있어 비료로서도 우수하기 때문에 정기적으로 토양에 살포해주면 토양비옥도가 상승하여, 작물이 건전하게 생육하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 클로렐라 배양조는 증식과 반응을 증폭시키는 수용성 자성철을 더욱 포함할 수 있다.
즉, 상기 클로렐라 자체는 오수를 정화하는 능력이 그렇게 높지는 않지만, 정화력이 높은 수생세균 등과 공존하게 되면 클로렐라는 광합성에 의하여 생성되는 산소를 수생세균에게 공여하게 되고, 수생세균은 오수중의 유기물을 분해하는 과정에 이산화탄소를 생성하고, 클로렐라에게 이산화탄소를 제공하여 광합성을 촉진시키는 역할을 하게 된다. 이렇게 공생관계가 유지되면 오수정화 효율이 높아지고 고농도의 클로렐라가 증식하게 된다. 연속적으로 다량 증식시키기 위하여서는 배양조의 수심을 낮게 하여 분뇨 폐액 중에 일광과 공기가 충분히 접할 수 있도록 교반을 해주어야 클로렐라가 빠르게 증식하게 된다. 따라서, 본 발명은 증식을 더욱 향상시키기 위하여, 수용성자성철(Fe3O4 -4)을 반응조에 투입하여, 폭기에 의해 반응시킨다. 이러한 반응을 통해, 오수 중에 있는 물분자 H2O의 쌍극성 H+-O-의 연결고리를 자성철의 전자가 절단하여, 산소와 수소를 분리한다. 이에 따라, 산소는 수생세균에게 공여 활성도를 높여주어 정화효율을 높이고, 수소는 클로렐라가 탄수화물을 합성하는데 이용하여 증식량을 향상시킬 수 있다. 상기 과정은 오폐수의 정화 와 사료의 생산이라는 1석2조의 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에서 수용성자성철의 투입량은, 분뇨 폐액 100 중량부에 대하여 0.2 내지 0.1 중량부로 투입하고, 보다 바람직한 일례를 들면 수용성 자성철은 분뇨폐액 1t에 대하여 1kg 정도 투입한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 본 발명의 가축 분뇨 처리 방법을 설명한다.
본 방법은 제1 실시예와 동등하게 가축 분뇨 저류조로부터 이송된 분뇨를 순환식가용화조에서 순환폭기로 가용화하는 공정; 및 상기 순환폭기조에서 가용화된 처리물을 침전조로 이송하여 액상인 상등액과 고형분(오니)을 고액 분리하는 공정을 수행하여 상등액을 제조한다. 이후, 상기 침전조로부터 얻은 상등액을 생물활성수조로 이송하여 폭기로 생물반응 및 자기반응을 수행하여 미네랄 생물활성수를 제조하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 생물활성수를 제조하는 공정은 생물반응기(Bio Reactor)인 생물활성수조를 통해 생물 반응과 자기반응을 일으키도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분뇨 처리 공정 중 생물활성수조의 구성을 간략히 도시하여 나타낸 것이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 생물활성수조는 4개의 반응조를 구비하는 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 본 발명의 생물활성수조는 4개의 반응조 안에 각종 암석(화강암, 현무암, 변성암 등), 부식토 및 수용성 분말자성철을 투입한다. 또한, 본 발 명은 생물활성수조를 병열로 4조로 만들어 제1조에서 제3조까지 처리하는 기간은 20일정도 경과되도록 하여 미네랄 생물활성수를 생성하고, 제4조에서는 저장 반출량을 조절하도록 한다.
본 발명은 상기 구성을 갖는 생물활성수조에, 분뇨폐액의 상등액과 하기 설명하는 광합성 세균조 배양 상등액을 투입하고, 1조에서 4조까지 경유하도록 한 후, 폭기에 의하여 암석류와 폐액을 계속 접촉시킨다. 그러면, 생물반응과 자기반응에 의하여 박테리아 대사 활동이 활발해지고, 물의 분자운동이 활성화되면서 암석에 함유되어 있던 미네랄이 다량 용출되면서 분뇨폐액에 함유된 산화물(NOx, SOx 등)을 중화시켜 정화효율이 향상된다. 이러한 반응이 지속되면 처리물은 가스화(이산화탄소, 질소, 암모니아)되고 동시에 수중에서는 "토양부식물질"이 생성된다. 이 생화학 반응에서 박테리아는 생체촉매로 작용하고 암석은 고정자재가 된다.
즉, 침전조에서 고액분리된 상등액과 광합성 세균조 배양 상등액을 제1조에 이송시킨 후, 산 기관(酸 器官)을 통하여 공기압으로 순환 폭기시키면 박테리아가 암석에 함유되어 있는 각종 미네랄을 용출시키는 촉매작용을 한다. 폭기와 생물반응에 의하여 질소는 가스화하여 대기로 휘산되고, 악취 원인인 암모니아는 조암광물질의 다공 속에 포획되어 미생물에 의하여 분해되므로 가스발생이 억제된다. 이 공정의 산물이 미네랄 생물활성수이다. 상기 미네랄 활성수를 공급수에 1/1000 내지 1/2000로 첨가하여 가축에 음용시키면 2주 이내에 체질이 개선, 털에서 윤기가 나면서 건강해진다. 그리고 이 활성수를 세척수로 축사전체에 살포해주면 유용 미 생물군이 다량증식, 유해 미생물의 증식을 억제하게 되므로 축사환경을 비롯, 퇴비장까지 쾌적한 환경으로 개선된다.
상기에서 수용성 분말자성철의 투입량은, 분뇨 폐액 100 중량부에 대하여 0.2 내지 0.1 중량부로 투입하고, 보다 바람직한 일례를 들면 수용성 자성철은 분뇨폐액 1t에 대하여 1kg 정도 투입할 수 있다.
또한, 본 발명의 생물활성수조는 늪지의 저질토, 산림지대의 부식토, 토양부식 등을 암석류와 같이 사용할 수도 있다. 이런 경우, 호기조건만 유지시키는 정도로 폭기량을 약하게 하는 것이, 양질의 토양과 같은 시뮬레이션이 만들어져 박테리아가 안전하게 활동할 수 있게 된다. 생물반응이 호기조건에서 부드럽게 진행되어야만 분뇨 폐액이 부패하지 않고, 분해됨과 동시에 부식물 형성회로로 진입하게 된다. 따라서, 이러한 생물반응과정을 거쳐야만 액상반응생성물이 토양 본래의 형성물질의 농축형태로 바뀌고, 처리액의 pH가 6 내지 6.5이고, 0.009% 이하의 질소를 포함하는 미네랄 활성수로 변한다.
각종 미네랄은 생물반응에 의해 미네랄의 용해도를 높이고 생물을 다량증식 시키기 위하여, 변성암, 화강암 등의 암석에 맥반석이나 제올라이트를 첨가하여 미폭기 상태로 폭기하며, 상등액 용적비에 1/3정도를 충적시켜야 처리효율이 높다. 처리기간은 24일이 경과하여야 미네랄생물활성수가 완성된다.
또한, 본 발명의 생물반응에서 미네랄과 자기에 의하여 생물반응을 증폭시키는 것이 중요하므로, 암석의 종류, 폭기의 정도 및 체류시간을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분뇨 처리 공정 중 생물활성수조에서의 반응을 통해 생성되는 물질을 도시한 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 생물활성수조에서의 반응을 통해, 가축 분뇨 폐액을 유용한 물질로 변화시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 제1 실시예 및 제2 실시예에서, 상기 침전조로부터 얻은 고형분(오니)은 원핵생물보전자재반응기(한국실용신안등록 제0240254호)로 이송하여, 각종 점토광물질과 혼합한 후 고활성도의 생석회(CaO)를 중량비 5~10%로 첨가 반응시키면 원핵생물선택배양배지보전자재(한국특허등록 제0421116호)를 생산할 수 있다.
또한, 제1 실시예 및 제2 실시예에서, 상기 침전조로부터 얻은 상등액의 일부는 클로렐라 배양 이전에 광합성세균배양조로 이송되어 처리된 후, 클로렐라 배양조에 투입될 수 있다. 또한, 광합성세균배양조에서 처리된 액상은 일부가 생물반응기인 생물활성수조로 투입될 수 있다.
상기 광합성세균배양조는 용량에 맞추어 4조를 설치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광합성 세균 배양조에 투입되는 광합성 세균 종균은 동결 광합성세균(1012생균체/g 해동후에는 생균체 1011균체/g이 활성화된다)을 사용할 수 있다. 광합성 세균 액비를 제조하기 위해, 본 발명은 동결 광합성 세균을 해빙후 분뇨 2-3톤에 대하여 50g-70g 정도로 투입하고, 통기량이 많지 않게 약하게 폭기시킨다. 그러면, 고농도의 오수에서도 광합성세균이 잘 증식하게 된다. 광합성 세균조 에서는 용존산소량(DO)이 1ppm이하가 되어도 생육에는 이상이 없으므로 DO는 낮추고 pH는 높여주어야 한다. pH를 높이기 위해, 본 발명은 상기 원핵생물선택배양배지보전자재 농축액을 이용할 수 있다. 이 농축액은 pH 11-12이며, 가용성유기물과 미네랄을 다량 함유하고 있어 증식이 잘 된다. 본 발명에 따르면 pH를 높이면, 유해세균의 증식이 억제되고 광합성 세균에게는 호적한 환경이 조성된다. 여기에 광조건만 갖추어주고 폭기량을 약하게 조절해주면 증식이 용이하게 이루어진다. 또한, 본 발명에서 제1조에서는 폭기량을 약하게 하고 제 2, 3조에서는 통기량을 겨우 감지할 정도(적은 기포가 발생하는 정도)로 조절하면, 처리액이 핑크색을 띄면서 광합성세균이 다량 증식하게 된다. 마지막 4조에서는 고농도의 세균덩어리가 생성된다. 이를 침전조로 이송 분리시킨 후 침전물은 액상비료나 생균체로 이용하고 상등액은 클로렐라 배양조와 생물활성수조로 나누어 이송할 수 있는 것이다.
한편, 상기 광합성세균은 담수토양의 유해물질을 제거하고 벼가 건강하게 자라도록 다양한 영양원을 제공, 품질향상, 다수확이 되도록 기능하게 된다. 벼 재배기간 중 유수 형성기가 되면 근권에 황산환원 균이 급격히 증식, 유화수소가스를 발생, 벼 뿌리를 상하게 하여 추락현상을 일으키게 된다. 이때 광합성세균을 투여하면 유화수소를 이용 다량증식 근권환경을 정화, 벼가 건강하게 자라도록 한다. 광합성세균에는 proling이 많고 분비물에는 고 에너지 인산화합물인 ADP, ATP, GDP를 다량함유하고 있으며 이 인산화합물은 벼 뿌리권역의 활성화와 등숙 경향에 크게 영향을 주게 된다.
광합성세균을 밭 토양에 사용하면 병원성균 발병이 억제 된다. 광합성 세균 체를 밭 토양에 사용하면 후자니움과 길항관계에 있는 방선균이 증식하여 후자니움에 의한 발병을 억제하게 된다. 방선균은 후자니움 세포를 휘감은 후 효소기치나제를 분비, 세포벽을 용해시켜 죽게 만든다. 광합성세균 중에는 Carotene계 색소를 다량 함유하고 있어 밀감에 사용하면 과피의 Carotene함량이 상승, 색상이 좋은 과실이 만들어진다. 이런 효과는 토마토, 딸기, 메론, 옥수수, 복숭아 등에서도 시용결과 입증되고 있다. 광합성세균체를 사용한 과실은 선도유지 및 저장기간이 장기화된다. 예를 들면 12월 10일 과실을 채취하여 자연 부패되는데 까지 저장기간을 조사해보았더니 화학비료만 사용 재배한 것은 이듬해 2월 중에 거의 부패되고 말았으나 광합성세균체를 7월, 8월, 9월 세번 나누어 사용한 것은 이듬해 4월까지도 부패하는 것이 없었다. 이와 같이 선도 유지효과가 높았다. 그리고 광합성 세균체에는 비타민B1과 비타민C가 다량함유돼 있어 증수를 비롯 품질을 향상시키는 효과가 높다. 이와 같이 광합성 세균체는 농업분야뿐만 아니라 어류양식장의 환경정화 오수처리 분야등 사용범위가 광범위하다.
이와 같이, 본 발명의 처리방법은 부패성 유기폐자원, 즉 축산분뇨로부터 특정 반응조를 이용하여 원핵생물선택배양배지보전자재, 광합성세균체, 클로렐라 유산발효사료, 미네랄 생물활성수 등의 우수한 농자재를 다량 생산할 수 있다. 따라서, 이들은 가축사육환경과 체질개선, 농산물의 고품질화 및 다수확 등을 실현할 수 있다.
본 발명의 가축 분뇨 처리 방법은 가축분뇨, 특히 양돈장으로부터 발생된 돈분뇨를 고가의 장비를 설치하지 않고 완전순환식 가용화조에서 분해하고, 이후 처리물을 침전조로 이송하여 상등액과 고형분(오니)으로 고액 분리하고, 고액 분리된 상등액을 클로렐라 배양조, 생물활성수조를 통해 처리하여 클로렐라 사료, 미네랄 생물 활성수 및 광합성세균액비 등을 생산함으로써 용도를 다변화할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 1의 가축 분뇨 처리 시스템을 이용하여, 돈분뇨를 처리하였다. 즉, 가축 1일 배설량의 3배 용량을 저장할 수 있는 분뇨 저류조에 돈분뇨를 유입시켰다가, 완전 순환식 가용화조에서 순환폭기하여 분뇨를 가용화하고, 가용화된 처리물을 침전조로 이송하여 액상인 상등액과 고형분(오니)을 고액 분리하고, 상기 침전조로부터 얻은 상등액을 클로렐라 배양조로 이송하여 광합성세균을 배양하고 여기서 분리된 상등액을 클로렐라 배양조로 이송하여 클로렐라를 배양하여 클로렐라를 배양하였다. 배양된 클로렐라는 필터로 포집하여 수분함량이 90%내지 95%인 클로렐라를 얻었다. 이때, 배양전 클로렐라는 상등액 100 중량부에 대하여 0.1중량부로 사용하였다. 또한, 클로렐라 배양조는 내부에 강점질토 100중량부에 대해 10 내지 15중량부의 원핵생물선택배양배지보전자재가 혼합된 건조물이 부착된 타원형 콘크리 트형틀을 사용하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일하게 실시하되, 클로렐라 배양조에 수용성 분말자성철을 분뇨폐액(상등액) 1t에 대하여 1kg 정도로 투입하였다. 또한, 처리효율을 높이기 위하여 수용성분말자성철로 제1조에서는 화강암, 현무암을 사용하여 유기물을 침전 분리시키는 효과를 높였으며, 제2, 3, 4조에는 다공성이 있는 변성암을 주재로 이용하였다. 그 결과, 배양된 클로렐라는 필터로 포집하여 수분함량이 90%내지 95%인 클로렐라를 얻었다.
[실시예 3]
실시예 1에서, 상등액을 클로렐라 배양조로 이송하지 않고, 도 2에 도시된 생물활성수조로 이송하여 생물반응을 수행하고 돈분뇨 대신 우분뇨(한우)를 사용하였다. 또한, 처리효율을 높이기 위하여 수용성 분말자성철로 제1조에서는 화강암, 현무암을 사용하여 유기물을 침전 분리시키는 효과를 높였으며, 제2, 3, 4조에는 다공성이 있는 변성암을 주재로 이용하였다. 생물 반응기에 의한 질소와 인산 제거율은 표 1에 나타내고, 제조된 생물활성수의 미네랄 분석 결과는 표 2에 나타내었다.
[표 1] 생물반응기에 의한 질소와 인산의 제거율(한우)
pH 질소(%) 인산(P2O5, %)
원 뇨 8.81 0.679 0.057
중간조 8.33 0.023 0.012
활성수 8.29 0.009 0.000
[표 2] 생물반응기 처리후 생물활성수 미네랄 분석
생물활성수
Na ion 0.552g/L
K 2.017
Ca 0.332
Mg 0.134
Cl 0.480
P 0.054
Fe 0.025
상기 표 1, 2의 생물활성수 중에 함유되어 있는 미네랄성분 분석결과를 보면, 주요한 미네랄이 100ppm이상 함유되어 있었다. 일반 지하수 평균미네랄 함량에 비하면 약 100배 정도의 양이다. 이렇게 미네랄이 다량 용출된 것은 미네랄, 자기, 유기물, 박테리아 등의 상호작용에 의하여 생물반응(bio reaction)이 증폭된 결과라고 판단된다.
또한, 처리효율을 높이기 위하여 사용된 화강암, 현무암의 극간 다공속에 박테리아의 서식처를 제공하여 촉매작용이 증폭되었다.
또한, 수생 박테리아가 오수 중의 당질, 지질, 및 단백질 등을 영양원으로 하여, 신속히 이용 대사활동이 왕성하게 진행되어 생물반응 시스템에서 악취발생이 감소되었고, 부식물질이 다량 형성되었다. 상기 부식물질은 유해잡균의 번식을 억제하고 유기물을 부패되지 않게 하므로 암모니아, 유화수소 등의 악취원의 발생을 방지한 것이다.
[실시예 4]
실시예 3에서 얻은 처리수를 유산발효조로 이송하여 클로렐라 유산발효액을 제조하였다.
[실시예 5]
실시예 1에서 얻은 상등액을 광합성 세균조로 이송하여 광합성 세균액비를 제조하였다. 광합성 세균 종균은 동결 광합성세균(1012생균체/g 해동후에는 생균체 1011균체/g이 활성화된다)을 해빙하여 사용하고, 이것은 분뇨 1톤에 대해 50g으로 투입하고, 통기량이 많지 않게 약하게 폭기하였다.
이렇게 하여 얻어진 광합성세균 배양액의 특성을 클로렐라, 쌀 및 콩과 비교하여 그 결과를 표 3에 나타내었다. 하기 결과는 성분 대비율에 비교한 것이다.
[표 3] 광합성 세균체(Rcapsulata)와 클로렐라 일반곡물 조성 성분비교(%)
시료 조단백질 조지방 가용성 당류 조섬유 회분
광합성세균 57.76 7.91 20.83 2.92 4.40
클로렐라 53.76 6.31 19.23 10.33 1.52
쌀 7.84 0.94 90.60 0.35 0.72
콩 38.99 19.33 30.93 5.11 5.68
표 3의 결과로부터, 축산폐수를 정화하기 위해 광합성을 이용하면 폐수중의 유기물을 먹이로 하여 배양되면서 폐수를 정화함과 동시에 대량의 광합성 세균체를 채취할 수 있다. 또한, 이 균체의 아미노산 조성 비율을 보면, 단백질 함량이 높고 각종 아미노산 조성비도 거의 균일하며 소화율은 가제인과 비슷하여 단백질 자원으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 광합성세균체 중의 비타민과 색소 함량은 표 4에 나타내었다.
[표 4]
광합성세균 (㎍/100g) 효 모 (㎍/100g)
비 타 민 B2 3,600 2.900
B6 3,000 2.400
엽 산 2,000 1.700
B12 200-2,000 1
C 20,000 -
D 10,000 IU 300,000IU
E 31,200 -
색 소 Bacteria chlorophy1 56.1mg/g -
Carotenoid총량 41.7mg/g -
상기 표 3 및 4로부터, 광합성세균은 단백질 함량과 비타민 세균성 엽록소 카로틴계 색소 함량 등이 다량 함유되어 있어 사료로서 이용가치가 높은 균체임을 확인하였다.
[실시예 6]
상기 실시예 5의 광합성 세균조에서 얻은 처리수를 클로렐라 배양조로 이송하여 클로렐라 배양액을 제조하고, 물을 정화하였다.
[실시예 7]
상기 실시예 5의 광합성 세균조에서 얻은 처리수를 생물활성수조로 이송하여 미네랄 생물활성수를 제조하였다.
[실험예 1]
어류 양식장에 광합성 세균 이용
어류(잉어, 치어) 양식장에 실시예 4에서 얻은 광합성 세균 배양액을 사용하여 생존율을 측정하였다. 이때, 부화직후 치어사료에 광합성 세균 배양액을 첨가하였다. 또한, 실험은 2t 수조에 잉어의 치어 4,000마리를 넣고, 배합사료에 광합 성세균 생균체(광합성 세균 배양액) 0.1% X 108을 첨가하여 실험하였다.
[표 5] 어류의 생존율에 영향을 주는 광합성세균 첨가 효과
1개월 후의 생존 수 생존율(%)
대조(배합사료) 2,770 69.3
광합성세균 첨가 3,860 96.5
표 5에서 보면, 광합성 세균체를 동물성 플랑크톤과 어패류의 초기사료로 사용하면 빠르게 성장하였다. 또한, 부화 직후 치어사료에 첨가해주었을 때, 치어 폐사율이 감소할 뿐만 아니라 건전하게 생육하게 된다.
[실험예 2]
실시예에서 얻은 클로렐라 유산발효액, 생물활성수 및 광합성 세균 배양액을 포함하는 비료를 이용하여 토마토를 재배하였다. 토마토의 재배 조건은 다음과 같다.
* 작 물 : 토마토 육묘기간 60일 묘
* 시비체계
- 기비, 재배면적 150평 / 정식 6월 10일
- 원핵생물선택배양배지보전자재 150kg 전층시비
- 계분발효퇴비 1t 층상시비
* 돈분발효퇴비 발효 공정
- 미네랄 생물활성수로 수분조절
- 수용성 분말자성철 1t 당 1kg 혼합(전체혼합비율에서 제외)
- 중량 혼합비율
- 분탄 20%
- 낙엽 40%
- 황토 10%
- 돈분 30%
* 광합성세균체액 108 - 100g 과 클로렐라 유산발효액 21,000g을 100리터의 물에 희석하여 전층 살포후 경운
* 하우스내 온도 낮 35~40℃, 밤 18~22℃
일반적으로 여름 하우스내 온도가 35℃ 이상이 되면 토마토는 착화 절위에 착화치 못하는 경우가 많다. 그런데, 위와 같은 시비체계에 미네랄 생물활성액비를 엽면살포 관주를 해주었더니, 착화절 위에 전체가 이상 없이 착화되었고 생육도 왕성하였다. 이것은 토마토의 세근량 확대로 수분흡수량이 증대되어 체온유지에 이상이 없었기 때문에 착화된 것으로 판단된다.
[실험예 3]
본 처리공정 과정에 미네랄 성분과 미생물의 농도를 분석한 바, 아래 표 6과 같은 특징을 갖고 있는 것이 확인되었다. 이때, 하기 결과는 축사환경 정화개선을 위해 본 발명의 공정을 한우 뇨 처리에 이용한 것이다.
[표 6]
원뇨 제1조 (2003.05.10) 제2조 (2003.06.30) 제3조 (2003.08.10)
통성혐기성균 0 46 0 0 14 0 0 0 0
야생효모 3.8 X 103 7.0 X 103 1.9 X 103
사상균 1.7 X 102 88 34 6 0 0 0 0 0
방선균 8.0 X 10 1.9 X 10 2.5 X 104 2.9 X 10 8.2 X 10 2.6 X 103 1.6 X 10 1.5 X 10 3.5 X 103
대장균 0 15 0 0 0 0 0 0 0
위의 분석 결과를 보면, 방선균의 농도가 높은 것으로 나타나고 있으며, 특히 하절기 제3조에서는 방선균의 농도가 가장 높은 것으로 나타나고 있다. 대장균은 제2조, 및 제3조에서는 발견되지 않았다. 야생효모수도 처리진행에 따라 감소하였다. 최종제품에 주목할 것은 방선균의 농축액이다. 방선균은 스트렙토마이신(streptomycin)이라는 항생물질을 만들어 내는 균이다. 방선균은 생물의 건강에 해를 주는 유해한 미생물에 대하여는 항균작용을 갖고 있다.
상기 미네랄 생물 활성수를 축사에 살포해 주면 유해한 대장균, 살모넬라(salmorella)의 증식이 억제되고 유용균류가 다량 증식하였다. 이에 축사환경을 정화하게 되고 병해예방효과가 높다.
[실험예 4]
작물재배, 병해 예방효과 5월 5일에 토마토를 정식(시설)하고 광합성 세균 액비는 500배 희석하여 15일에 1회 관주해 주고, 미네랄 생물활성수는 1000배 희석 하여 주 1회 관주해주고, 500배로 희석하여 10일 간격으로 5회 옆면 살포하였다.
그 결과, 7월5일 8화방이 착화할 때 하우스내 온도가 35~40 ℃임에도 불구하고 생육에 이상이 없고 병해충이 일절 발생하지 않았다. 그 원인을 분석한 결과 상기의 표에서 나타낸 것과 같이 미네랄 생물 활성수에는 방선균이 108 까지 농도가 증가해 있었으며 방선균은 광합성 세균의 유체를 기질로 이용하는 특성을 갖고 있는바 토중에서 가일층 증식 방선균이 스트렙토마이신을 다량 생성하여 항균작용을 강화하기 때문이라고 판단된다.
[실험예 5]
시금치의 연작 장해 개선
시금치를 5년 동안 연작하여, 연작장해가 나타나는 곳에 미네랄 생물 활성수 1000배액을 10a당 150리터를 관주하고, 100배액 20리터를 옆면 살포해 주었더니 연작 장해를 피할 수 있었다. 그리고, 그 다음 작기에는 미네랄 생물활성수로 발효시킨 퇴비를 10a당 2000kg, 원핵생물선택배지보전자재 200kg을 기비로 전층 살포후 미네랄 생물 활성수 1000배를 고루 살포하였다. 이후, 경운하여 포장 정리 1주일 경과후 생물 활성수 원액에 시금치 종자를 10시간 정도 침종해 두었다가 파종하고, 미네랄 생물 활성수 100배액을 관주해 주었더니 포장의 흙이 부드러워지고 뿌리의 신장이 매우 좋아졌다. 또한 옆육이 매우 두꺼워 졌고 감미가 좋은 시금치가 이전대비 150%이상 증수되었다.
이러한 과정을 통해, 본 발명은 축분뇨 폐액을 가축이 음용할 수 있는 단계 까지 개선할 수 있으며, 가축이 활성수를 음용하면 장내에서부터 산화물이 중화되어 악취를 발생하지 않는 양질의 분뇨를 배설하게 된다. 이런 배설물을 통해 양질의 퇴비를 만들 수 있고 토양에 환원했을 때 소생의 장이 형성 고품질의 농작물을 생산할 수 있고 가축은 고품질의 육질을 만들게 되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분뇨 처리 공정을 간략히 도시하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분뇨 처리 공정 중 생물활성수조의 구성을 간략히 도시하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분뇨 처리 공정 중 생물활성수조에서의 반응을 통해 생성되는 물질을 도시한 것이다.

Claims (14)

  1. (a) 가축 분뇨 저류조로부터 이송된 분뇨를 순환식가용화조에서 순환폭기로 가용화하는 공정;
    (b) 상기 순환식가용화조에서 가용화된 처리물을 침전조로 이송하여 액상인 상등액과 고형분(오니)을 고액 분리하는 공정; 및
    (c) 상기 침전조로부터 얻은 상등액을 클로렐라 배양조로 이송하여 클로렐라를 배양하여 클로렐라 사료를 제조하고 상등액을 정화하는 공정;
    을 포함하며,
    상기 클로렐라 배양조는 타원형 콘크리트형틀로 이루어지며, 상기 타원형 콘크리트형틀의 내부에는 강점질토와 원핵생물선택배양배지보전자재의 혼합물이 부착되어 건조되어 있으며, 상기 강점질토와 원핵생물선택배양배지보전자재의 중량비가 85 대 15 내지 90 대 10인 것인 가축 분뇨 처리 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 (c)단계에서 배양된 클로렐라는 수분함량이 90-95%인 클로렐라 사료인, 가축 분뇨 처리 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 (c)단계에서 정화된 상등액은 유산발효조로 이송된 후 돈사내 세척수로 사용하는 것인, 가축 분뇨 처리 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 (c)단계의 클로렐라 배양에서 분말 자성철(Fe3O4 -4)을 투입하는 공정을 더 포함하는, 가축 분뇨 처리 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 분말 자성철은 분뇨폐액 100 중량부에 대하여 0.1 중량부로 투입하는 것인, 가축 분뇨 처리 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 고형분(오니)은 원핵생물보전자재 반응기로 이송되어 원핵생물선택배양배지 보전자재를 제조하는 공정을 포함하는, 가축 분뇨 처리 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 원핵생물선택배양배지보전자재는 고형분(오니), 점토광물질 및 생석회의 혼합물의 반응에 의해 제조되는 것인, 가축 분뇨 처리 방법.
  9. (a) 가축 분뇨 저류조로부터 이송된 분뇨를 순환식가용화조에서 순환폭기로 가용화하는 공정;
    (b) 상기 순환식가용화조에서 가용화된 처리물을 침전조로 이송하여 액상인 상등액과 고형분(오니)을 고액 분리하는 공정; 및
    (c) 상기 침전조로부터 얻은 상등액을 생물활성수조로 이송하여 폭기로 생물반응 및 자기반응을 수행하여 미네랄 생물활성수를 제조하는 공정;
    을 포함하는, 가축 분뇨 처리 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 생물활성수조는 4개의 반응조를 구비하고 있으며, 상기 4개의 반응조 안에는 화강암, 현무암 또는 변성암 중에서 선택된 암석과, 부식토 및 분말 자성철(Fe3O4 -4)을 포함하는 것인, 가축 분뇨 처리 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 (c)단계에서 생물활성수는 pH가 6 내지 6.5이고, 0.009% 이하의 질소를 포함하는 것인, 가축 분뇨 처리 방법.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 (b)단계의 상등액은 일부가 광합성 세균조로 이송된 후 생물활성수조 또는 클로렐라 배양조로 이송되는 것인, 가축 분뇨 처리 방법.
  13. 제 1항 또는 제 9항에 있어서, 상기 가축 분뇨가 우분뇨, 돈분뇨 또는 계분뇨를 포함하는 것인, 가축 분뇨 처리 방법.
  14. 제 1항 또는 제 9항에 있어서, 상기 가축 분뇨가 돈분뇨인 것인, 가축 분뇨 처리 방법.
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