KR100902495B1 - 해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성폐기물의 퇴비화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 심층수(海洋深層水)로부터 생산된 간수(Bittern)를 이용하여 유기성 폐기물(有機性廢棄物)의 퇴비화방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하여 음료수와 소금을 생산하면서 생산된 간수(苦汁)를 이용하여 유기성 폐기물을 퇴비화를 하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 유기성 폐기물의 퇴비화방법에 있어서, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 전처리 후 역삼투여과(Reverse osmosis)공정에서 여과되지 않고 농축된 염수를 증발·농축하여 소금을 제조하면서 간수(Bittern)를 생산하는 단계, 해양 심층수로부터 생산된 간수와 퇴비화공정의 발효·숙성과정에서 배출되는 침출액을 이용하여 유용토양미생물을 배양하는 단계, 유기성 폐기물에 첨가제와 유용미생물을 주입하여 퇴비를 생산하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

해양 심층수(海洋深層水), 간수(苦汁), 유기성 폐기물, 퇴비화, 유용토양미생물, 역삼투여과(Reverse osmosis)

Description

해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐기물의 퇴비화방법{A composting method of the organic wastes using bittern, the bittern which was produced by deep sea water}

본 발명은 해양 심층수(海洋深層水)로부터 생산된 간수(Bittern)를 이용하여 유기성 폐기물(有機性廢棄物)의 퇴비화방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물의 퇴비화방법에 있어서, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 전처리 후 역삼투여과(Reverse osmosis)공정에서 여과되지 않고 농축된 염수를 증발·농축하여 소금을 제조하면서 생산된 간수(Bittern)와 퇴비화공정의 발효·숙성과정에서 배출되는 침출액을 이용하여 유용토양미생물 배양액을 유기성 폐기물에 첨가제와 함께 주입하여 퇴비화를 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유기성 폐기물의 퇴비화는 수분조절제(팽윤제)를 첨가하고 발효숙성하여 완숙퇴비를 제조하고 있으나, 유기성 폐기물은 부패 및 변패되기 쉬워 심한 악취를 발생하면서 발효숙성기간이 길어 시설이 방대한 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해서 활성부식물질을 이용하여 유용 토양미생물을 배양하여 악취발생과 발효숙성기간을 단축하고 시도되었으나, 이 역시 완벽한 악취발생의 억제를 하지 못한 문제점이 있었다.

[문헌 1] 대한민국 특허 등록번호 제10-0424157호(2004.03.11)

[문헌 2] 대한민국 특허 등록번호 제10-0518722호(2005.09.26)

[문헌 3] 대한민국 특허 등록번호 제10-0577841호(2006.05.02)

본 발명은 유기성 폐기물의 퇴비화과정에서 심한 악취발생을 최대한 억제하면서 농작물의 생육에 유용한 물질과 토양개량효과가 우수한 양질의 퇴비를 생산하기 위해서 농작물의 생장에 유용한 물질인 미네랄성분과 질산염, 인산염, 규산염과 같은 영양염류 성분을 다량 함유한 해양 심층수로부터 생산된 간수를 유기성 폐기물의 퇴비화과정에 이용하여 악취발생이 감소하면서 양질의 퇴비를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 유기성 폐기물의 퇴비화방법에 있어서, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 전처리 후 역삼투여과공정에서 여과되지 않고 농축된 염수를 증발농축하여 소금을 제조하면서 간수(Bittern)를 생산하는 단계, 해양 심층수로부터 생산된 간수와 퇴비화공정의 발효숙성과정에서 배출되는 침출액을 이용하여 유용토양미생물을 배양하는 단계, 유기성 폐기물에 첨가제와 유용미생물을 주입하여 퇴비를 생산하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 유기성 폐기물을 퇴비화과정에 발생하는 악취문제를 해결하면서 농작물 생장에 유용한 물질을 다량 함유한 퇴비를 생산할 수 있기 때문에 유기성 폐기물의 퇴비화공정에 널리 이용되는 효과가 있을 것으로 기대된다.

먼저, 해양 심층수의 특성을 검토하면, 해양 심층수는 다음 표 1 "해양 심층수와 표층해수 중에 함유된 중요성분 분석치"에서 보는 바와 같이 동·식물의 생육에 필요한 다양한 미네랄성분이 함유되어 있으면서 유해한 중금속성분은 극히 미량으로 함유되어 있으며, 유해미생물과 오염물질의 농도가 낮은 청정한 특성과 특히 조류의 생육에 필요한 영양염류의 농도가 높은 특성이 있다.

표 1 해양 심층수와 표층해수 중에 함유된 중요성분 분석치

구 분		울릉도 현포		일본고지현 무로도(高知縣室戶)
		650m해양 심층수	표층해수	374m 해양 심층수	표층해수
일 반 항 목	수온(℃)	0.5	23	11.5	20.3
	pH	7.8	8.15	7.8	8.15
	DO 용존산소(㎎/ℓ)	6	8	7.80	8.91
	TOC유기 탄소(㎎/ℓ)	0.6	-	0.962	1.780
	CODMn(㎎/ℓ)	0.2	0.6	-	-
	용해성 용발잔류물(㎎/ℓ)	-	-	47,750	37,590
	M-알칼리도(㎎/ℓ)	-	-	114.7	110.5
주 요 원 소	Cl 염화물이온(wt%)	NaCl로 2.69	NaCl로 2.75	2.237	2.192
	Na 나트륨 (wt%)			1.080	1.030
	Mg 마그네슘(㎎/ℓ)	1,270	1,280	1,290	1,310
	Ca 칼슘 (㎎/ℓ)	406	405	402	403
	K 칼륨 (㎎/ℓ)	380	-	414	399
	Br 취소 (㎎/ℓ)	68.2	-	68.8	68.1
	Sr 스트론튬 (㎎/ℓ)	7.76	-	7.77	7.61
	B 붕소 (㎎/ℓ)	4.45	-	4.44	4.48
	Ba 바륨(㎎/ℓ)	0.007	-	0.044	0.025
	F 불소 (㎎/ℓ)	0.52	-	0.53	0.56
	SO4 2 -(㎎/ℓ)	2,836	-	2,810	2,627
영 양 염 류	NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ)	0.05	-	0.05	0.03
	NO3 -질산태질소(㎎/ℓ)	0.28	0.04	1.158	0.081
	PO4 3 -인산태인(㎎/ℓ)	0.06	0.012	0177	0.028
	Si 규소 (㎎/ℓ)	2.8	0.44	1.89	0.32
미 량 원 소	Pb 납 (㎍/ℓ)	0.11	-	0.102	0.087
	Cd 카드뮴 (㎍/ℓ)	0.05	-	0.028	0.008
	Cu 구리 (㎍/ℓ)	0.26	-	0.153	0.272
	Fe 철 (㎍/ℓ)	0.23	-	0.217	0.355
	Mn 망간 (㎍/ℓ)	0.26	-	0.265	0.313
	Ni 니켈 (㎍/ℓ)	0.36	-	0.387	0.496
	Zn 아연 (㎍/ℓ)	0.45	-	0.624	0.452
	As 비소 (㎍/ℓ)	0.04	-	1.051	0.440
	Mo 몰리브덴(㎍/ℓ)	5.11	-	5.095	5.565
	Cr 크롬(㎍/ℓ)	0.02	-	-	-
균 수	생균 수(개/㎖)	0	520	0	540
	대장균 수(개/㎖)	음성	음성	음성	음성

해양 심층수 이용의 역사는 매우 짧으나, 지금까지 수산분야를 시작으로 식품이나 의료, 건강산업, 음료수, 화장품, 토양개량제(土壤改良劑, Soil conditioner), 미생물 배양액 등의 비 수산분야에 있어도, 다양한 연구를 하고 있다.

해양 심층수는 통상 수심 200m보다 깊은 심해 심층의 해수를 해양 심층수라고 부르며, 표층해수(表層海水)와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식(增殖)하지 못하기 때문에 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높으면서 수온(水溫)에 따른 밀도차이(密度差異)로 표층해수와 혼합되지 않아 표층해수에 존재하는 오염물질(汚染物質)이 없기 때문에 표층의 해수와 비교하였을 때 저온안정성(低溫安定性), 청정성(淸淨性), 부영양성(富榮養性), 미네랄밸런스특성, 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있으며, 구체적인 내용은 다음과 같다.

1. 저온 안전성(低溫安全性)

표층해수의 수온은 계절에 의해서 큰 폭으로 변동하는 데 대해, 해양 심층수는 계절에 따라서 수온의 변화가 없으면서 저온으로 안정되어 있다.

특히 한국 동해의 해양 심층수는 오호츠크해(Sea of Okhotsk)의 유빙(流氷)이 녹은 찬 해수가 밀도차로 침강(沈降)하여 사할린섬(Ostrov Sakhalin)과 홋카이도(北海道) 사이의 블라디보스토크(Vladivostok) 앞바다로 유입된 심층수로 일본열도가 가로 막혀 흐름이 느려 해수면에서 300m보다 깊은 해저심층에서는 연간을 통해서 수온이 1∼2℃로 하와이나 일본 태평양 연안의 코우치현(高知縣) 무로토(室戶) 앞바다 해양 심층수 등에 비해서 8∼11℃ 정도 낮은 특성이 있다.

2. 청정성(淸淨性)

해저심층에 있으므로 육상의 하천수, 대기로부터의 오염을 받기 어렵고, 화학물질, 오염물질과 세균수가 적다.

① 물리적 청정성

물리적 청정성은 현탁물(懸濁物)된 부유물이 적다고 하는 것으로 해양 심층수는 표층해수에 비해서 부유고형물질의 함량이 적다.

② 생물학적 청정성

해수의 취수에서 제일문제가 되는 것은 부착생물의 번식인데, 일반적으로, 표층해수의 취수장치에서는 취수 관내에 부착생물이 번식하는 것으로, 관의 저항이 늘어나 취수불능이 되는 것이 많은데, 해양 심층수는 플랑크톤, 미생물, 클로렐라 등의 총 생균 수는 표층수의 10분의 1에서 100분의 1로 적은 특성이 있다.

③ 화학적 청정성

해양 심층수는 오염된 표층해수와 혼합이 일어나지 않기 때문에 다이옥신이나 PCB, 유기 염소화합물, 유기주석 등 이른바 환경오염물질이 오염되어 있지 않은 특성이 있다.

3. 부영양성(富榮養性)

해양 심층수는 표층해수에 비해서 동·식물의 생장에 근원이 되는 조류, 식물플랑크톤(주로, 엽록소를 가지는 미소의 단세포 식물인 규조)의 영양원이 되는 질소, 인, 규산 등이 표층해수의 약 5∼10배의 무기영양염류가 풍부하게 포함되어 있는 특성이 있다.

해수면에서 수심 150m보다 깊은 해저심층에서 광량은 1% 이하가 되며, 더 이상의 깊이에서는 식물성 플랑크톤은 광합성을 할 수 없기 때문에, 영양소는 식물성 플랑크톤에 의해서 소비되지 않고 아래의 깊은 층으로 가라앉아 축적되어 있어 무기영양염류의 농도가 높다.

4. 미네랄의 특성

해수는 70여 종류를 넘는 원소를 포함하고 있으며, 해양 심층수도 이와 같이 다종다양의 원소를 포함하고 있는 특성이 있다.

동·식물의 생육에 필요한 주요원소가 많으면서 필요하기는 하지만 다량으로 섭취하면 해가 되는 필수 미량원소인 동, 아연과 같이 사람의 건강에 깊은 관계가 있는 것은 극히 소량 포함되어 있다고 하는 미네랄밸런스의 좋은 특성이 있다.

5. 숙성성(熟成性)

해양 심층수는 표층해수에 비해 pH가 낮으며(pH 7.8 전후), 유기물 함량이 적으면서 해양 심층수는 표층해수로부터 분리되어 저온 고압 하에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 적은 소집단화(小集團化)된 소집단수(小集團水, Micro-clustered water)로 수질이 안정되어 있다.

본 발명에서는 상술한 원리를 이용하여 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층에서 농작물과 토양의 유용미생물의 생육에 유용한 영양염류와 다양한 미네랄성분이 농축된 간수(苦汁)를 이용하여 유기성 폐기물을 퇴비화하는 방법을 제시한다.

그리고 본 발명에서 염분의 농도를 파악하기 위한 용액의 비중의 측정은 보 메 비중계(Baume's hydrometer)로 측정하며, 보매 비중계의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메도 비중계를 액체에 띄웠을 때의 눈금의 수치로 나타낸 것으로, 물의 비중보다 무거운 중액용(重液用)의 무거운 보메도(중보메도)와 물의 비중보다 가벼운 경액용(輕液用)의 가벼운 보메도(경보메도)가 있으며, 이 중에서 15℃에서 중액용은 순수(純水)를 0°Be로 하고, 15% 식염수를 15°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 가지며, 경액용은 10% 식염수를 0°Be로 하고, 순수(純水)를 10°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 매기고 있으며, 보메도(°Be)는 해수의 경우 염 농도(wt%)와 근사(近似)하기 때문에 염분농도를 표시하는 척도로도 널리 사용되고 있다.

보메도(°Be)와 액체의 비중(d)과의 관계는 다음과 같다.

액체의 비중이 물의 비중보다 무거운 중보메도의 경우

d = 144.3 / (144.3 - °Be) ………………………………………………①

액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우

d = 144.3 / (134.3 + °Be) ………………………………………………②

본 발명에서 혼합의 비율을 나타내는 "부"의 의미는 중량 부를 의미하며, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 간수를 생산하는 단계

1. 해양 심층수의 취수 및 가온 처리 공정

해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하여 후속처 리를 원만하게 처리될 수 있도록 가온 처리를 한다.

해양 심층수는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층에서 해양 심층수를 취수하며, 취수방법은 선상(船上)에서 해저 200m보다 깊은 곳까지 배관을 내려 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층까지 배관을 설치하여 펌프(Pump)로 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층까지 배관을 설치하고, 취수정을 해수면보다 낮게 설치하여 사이펀(Siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.

집수조에 취수된 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점성이 높아 처리효율이 떨어지기 때문에 보일러(Boiler)에서 열을 공급받아(여름철에는 표층해수의 수온을 이용할 수도 있음) 20∼30℃로 가온하여 전처리여과공정으로 보낸다.

2. 전처리여과공정

전처리여과공정은 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter)나 한외여과(限外濾過: Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 수중의 부유고형물질(SS: Suspended solid)을 제거한 다음, 나노여과(Nano-filter)공정으로 보낸다.

이때 여과압력은 운전조건에 따른 여과기의 압력손실과 배관의 압력손실을 고려하여 결정하며, 모래여과의 경우 여과속도는 6∼10m/시간으로 하고, 여과사(濾過砂)의 유효경(有效徑)은 0.3∼0.45㎜ 범위로 하며, 균등계수(均等係數)는 2.0 이하로 하며, 여층(濾層)의 두께는 0.5∼1.0m 범위로 한다.

이때 취수된 해양 심층수의 탁도(濁度)가 2㎎/ℓ이하인 경우는 모래여과는 할 필요가 없다.

그리고 정밀여과(Micro-filter)와 한외여과(Ultra-filter)는 여과 막의 종류에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.

정밀여과 또는 한외여과에서 여과는, 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 처리한다.

FI값은 대상 수중의 미세한 탁질 농도를 나타내는 수치로 다음 ③식으로 표현 된다.

FI = (1－T₀/T₁₅)×100/15 ……………………………………………………③

여기서 T₀는 0.45㎛의 정밀여과 막을 이용하여 시료 수를 0.2㎫로 가압 여과했을 때에 최초의 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이며, T₁₅는 T₀와 동일한 상태에서 15분간 여과한 후에 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 하는 시간이다.

2. 나노여과공정

나노여과공정에서는 후처리의 역삼투여과에서 스케일(Scale)생성의 원인이 되는 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 제거하는 것이 주목적으로, 전처리여과공정에서 수중의 부유고형물질을 제거한 해양 심층수는 나노여과공정으로 보내어 여과되지 않은 황산 이온 함유 수는 방류(放流)하고, 여과수인 탈황산이온미네랄염수는 역삼투여과공정 으로 보낸다.

나노여과 막에서 이온의 투과순서는 양이온의 경우는 Ca^{2 +}＞Mg^{2 +}＞Li⁺＞Na⁺＞K⁺＞NH₄ ⁺ 이고, 음이온의 경우는 SO₄ ^{2 -}≫HCO₃ ^-＞F^-＞Cl^-＞Br^-＞NO₃ ^-＞SiO₂ 이며, 황산 이온(SO₄ ^{2 -})의 경우는 Mg^{2 +}와 Ca^{2 +}보다도 투과하기 어렵다.

나노여과공정에서 공급압력은 염 농도가 3.5wt%인 해양 심층수의 삼투압 25㎏/㎠보다 낮은 15∼20㎏/㎠으로 하며, 나선형의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 이때 막 투과수량은 유입수량의 70∼80%가 된다.

3. 역삼투여과공정

상기 나노여과공정에서 황산 이온이 제거된 여과수가 역삼투여과공정에 공급 되면, 운전압력을 50∼70㎏/㎠으로 역삼투여과 막에 공급하여 여과된 탈 염수인 탈염수는 음료수제조공정으로 보내고, 농축된 농축 염수는 증발·농축공정으로 보낸다.

역삼투여과공정의 역삼투여과 막이 나선형 여과 막인 경우 운전압력을 55∼56㎏/㎠에서 막 투과수량은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 여과된 탈 염수에는 염분이 99.0∼99.85wt% 범위로 제거되며, 유입수량의 40∼60%가 여과되면서 해양 심층수에 함유된 염분은 농축된다.

상기 나노여과 및 역삼투여과의 막 모듈(Module) 형태는 관형(管形: tubular), 중공사형(中空絲形: hollow fiber), 나선형(螺旋形: spiral wound), 평판형(平板形: plate and frame) 등 어떠한 형태를 사용하여도 상관이 없으며, 그리고 막(膜)의 재질(材質)도 특별히 제한하지는 않는다.

그리고 나노여과 막의 소재로서 폴리아미드(Polyamide)계, 폴리피페라진아미드(Polypiperazineamide)계, 폴리에스테르 아미드(Polyesteramide)계, 혹은 수용성의 비닐폴리머(Vinylpolymer)를 가교(架橋)한 것 등을 사용할 수 있으며, 막 구조는 막의 한 면에 치밀층(緻密層)으로 되어 있으며, 치밀 층으로부터 막 내부 혹은 한 면의 막을 향해서 서서히 큰 구멍에서 미세 구멍으로 구성되어 있는 비대칭 막(非對稱膜)이나, 이러한 비대칭 막의 치밀 층 위에 다른 소재로 형성된 매우 얇은 분리기능층(分離機能層)을 가지는 복합 막(複合膜) 등을 사용할 수 있으며, 피페라진 폴리아미드계 복합 막이 바람직하지만 본 발명에서는 막의 재질과 구조에는 특별히 제한하지는 않는다.

4. 전기투석공정

상기의 나노여과된 여과수를 역삼투여과 대신에 양이온교환 격막과 음이온교환 격막을 양극과 음극 사이에 탈염실과 염농축실로 분리하여 다단을 설치한 전기투석장치를 사용하여 정류기로부터 직류전기를 인가하여 염분을 탈염처리한 탈염수는 음료수제조공정으로 보내고, 농축된 농축 염수는 증발·농축공정으로 보낸다,

본 발명의 전기투석공정은, 양이온교환 격막과 음이온교환 격막으로 격리된 탈염실과 염농축실을 양극과 음극 사이에 교호적으로 다단(多段)으로 설치한 전기 투석장치의 탈염실로 상기 나노여과공정에서 황산 이온을 배제한 여과수를 공급하고, 염농축실로는 염수를 공급하면서 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하면 전기적인 인력(引力)에 의해서 탈염실 중의 양이온은 음극 쪽의 양이온교환 격막을 투과하여 염농축실로 이동하고, 음이온은 양극 쪽 음이온교환 격막을 투과하여 염농축실로 이동하여 탈염실의 염수가 탈염처리 되면 음료수제조공정으로 보내고, 염농축실로 염분이 이동하여 농축된 농축 염수는 증발·농축공정으로 보낸다.

여기서 특이한 사항은, 해양 심층수 중에 존재하던 CaSO₄성분 중에서 황산 이온(SO₄ ^{2 -})은 1가 음이온(Cl^-)에 비해서 음이온교환 격막을 투과하기 어렵기 때문에 농축 염수 중에서는 황산 이온이 적기 때문에 칼슘 이온(Ca^{2 +})은 여분(餘分)의 염소 이온(Cl^-)과 결합하여 염화칼슘(CaCl₂)의 상태로 되며, 이와 같은 현상을 이온의 선택투과성(選擇透過性) 이라고 한다.

5. 증발·농축공정

상기 역삼투여과공정 또는 전기투석공정에서 1차 농축된 농축 염수는, 가열증발농축공정, 진공증발에 의한 증발농축공정 또는 천일 염전에서 태양열에 의한 증발농축공정 중에서 한가지 이상의 증발농축공정을 조합한 공정으로 한다.

도 3에서 보는 바와 같이 상기 1차 농축된 농축 염수의 수분을 증발하여 보메도 비중이 7°Be가 되면 물에 용해도가적은 CaSO₄가 석출하기 시작하며, 계속 수 분을 증발하여 보메도 비중이 25∼26°Be가 되면 NaCl이 석출하기 시작하고, 증발농축을 계속하여 농축 염수의 보메도 비중이 30∼34°Be가 되면 MgSO₄가 석출하게 되면서, 이어서 MgCl₂와 KCl도 석출(析出)하기 시작한다.

본 발명에서는 1차 농축 염수를 보메도 비중이 30∼34°Be 까지 증발 농축하여 소금을 석출(析出)하고, 남은 모액(母液)인 간수(苦汁)를 유용토양미생물을 배양하는 단계로 보내어 퇴비생산에 이용한다.

Ⅱ. 유용토양미생물을 배양하는 단계

본 발명은 유기기성 폐기물이 부패하여 악취를 발생시키는 혐기성 미생물의 생육을 최대한 억제하여 부패반응을 방지하기 위해서는 혐기성 미생물과 상호길항관계에 있는 부식물질을 생성하는 부식화미생물과 공생관계에 있는 토양미생물을 배양하여 발효숙성공정(11)의 전단에 공급하며, 잉여배양액은 액비로 이용하는 방법을 제시한다.

부식화미생물과 이들 미생물과 상호공생관계(相互共生關係)에 있는 토양미생물을 배양하기 위한 배양액으로는 발효숙성공정(11)에서 배출되는 침출수를 미생물 배양조(1)에 공급하고, 상기 간수를 생산하는 단계의 증발·농축공정에서 1차 농축 염수를 보메도 비중이 30∼34°Be까지 증발 농축하여 소금을 석출(析出)하고, 남은 모액(母液)인 간수(苦汁)를 공급되는 유기성 폐기물 100부당 3∼5부를 미생물 배양조(1)에 공급하고, 송풍기(7)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면서 배양된 배양액은 미생물 농축조(2)로 보내어 상부로 월류(Over flow)하는 배양액은 배양액 저장조(5)로 보낸 다음에 배양액 이송펌프(6)에 의해서 발효숙성공정(11)의 고온 발효부 전단에 공급하며, 미생물 균체와 부식전구물질(腐植前驅物質)인 고형물질이 농축조(2) 하부에 침전된 것은 반송펌프(4)에 의해서 종균용으로 미생물 배양조(1)로 반송하면서, 배양된 미생물 균체와 부식전구물질을 발효숙성공정(11)의 전단과 고온 발효부의 후단에 공급한다.

이때 농축조(2) 하부에 침전된 것은 반송펌프(4)에 의해서 종균용으로 미생물 배양조(1) 전단으로 반송하는 유입되는 침출수 유량의 30∼100% 범위로 반송하며, 발효숙성공정(11)의 전단으로 공급하는 유량은, 미생물 배양조(1) 내의 배양액의 MLSS(Mixed liquor suspended solid) 농도가 3,000∼3,500㎎/ℓ범위가 유지되는 범위 내에서 배출한다.

미생물 배양조(1)에 송풍기(7)로부터 공급하는 공기의 양은 폭기강도 2∼4㎥(공기 양)/㎥(조의 용량)·hr 범위로 공급하고, 송풍기(7)의 압력은 유량에 따른 배관의 손실두(Head loss), 조의 수심에 따른 정압두(Static pressure head) 등을 고려하여 결정한다.

토양미생물 중에서 유기물질이 토양에 유입되었을 때 안정된 부식물질로 전환하는 바실루스 미코이데스(Bacillus mycoides)와 같은 폴리폐놀화합물(Polyphenloic compounds)을 대사산물로 배설하는 부식화미생물, 비타민류(Vitamins)와 같은 생리적 활성물질을 대사산물로 배설하는 미생물, 호르몬(Hormon)과 같은 성장촉진물질을 배설하는 사상균류, 슈도모나스(Pseudomonas sp.)와 같은 미생물, 바실루스 스테아로써머필러스(Bacillus stearothermophilus), 클로스트리디엄 테르모사카라오리티큠(Clostridium thermosaccharaolyticum), 락토바실러스 써머필러스(Lactobacillus thermophilus), 스트렙토코커스 써머필러스(Streptococcus thermophilus)와 같은 고온성 미생물, 유해 병원성 미생물의 생육을 억제하는 항생물질을 대사산물로 배설하는 방선균류(Actinomycetales spp.), 페니실륨류(Penicillium sp.)와 같은 미생물과 같이 유용한 토양미생물은 세포벽(細胞壁)이나 세포 내에 미네랄 함량이 높은 미생물로, 상기 해양 심층수로부터 생산된 간수 중에는 이들 미생물이 섭취가 용이한 다양 미네랄성분이 함유되어 있기 때문에 상기의 간수를 미생물 배양조(1)에 공급하면 이들 미생물은 활발한 대사활동을 하게 되면서 악취발생이 감소 되는 등의 특징이 있다.

그래서 본 발명에서 특별히 유용미생물균제를 사용하지 않아도 상기의 간수를 미생물 배양조(1)에 공급하면 자연계에 있는 유용미생물이 자연적으로 접종되기 때문에 특별히 유용미생물 균주를 접종할 필요는 없다.

그리고 상기 해양 심층수에서 생산된 간수 중에는, 농작물의 성장에 유용한 질산염(窒酸鹽), 인산염(燐酸鹽), 규산염(硅酸鹽)과 같은 영양염류(營養鹽類)가 다량 함유되어 있으며, 표1에서 보는 바와 같이 마그네슘(Mg), 칼리(K), 칼슘(Ca), 붕소(B) 등과 같은 다양한 미네랄 성분이 함유되어 있기 때문에 토양의 개량효과뿐만 아니라 농작물의 생장을 활발하게 하는 물질이 포함되어 있는 특징이 있기 때문에 양질의 퇴비를 생산할 수 있다.

Ⅲ. 퇴비를 생산하는 단계

본 발명은 축산분뇨, 음식물쓰레기, 식품공장부산물, 농·수산물가공공장부산물, 도축공장부산물과 같은 유기성 폐기물을, 파쇄처리, 이물질의 제거, 탈염처리와 같은 전처리를 한 다음, 혼화기(8)에 주입하고, 점토질 흙, 질석(蛭石, Vermiculite) 또는 천매암(千枚岩) 분말을 작물의 종류, 토양의 특성, 용도 등을 고려하여 유기질/무기물의 비가 0.8∼10의 범위로 주입하고, 톱밥 또는 이탄(토탄)과 같은 팽윤제(Bulking agent)을 수분조절, 공극률(통기성)향상, C/N비의 조정 등의 목적으로 함수율이 55∼65wt% 범위로 공급하여 혼화기 믹서(9)로 교반 혼합한 다음에 발효숙성공정(11)으로 이송한다.

발효숙성공정(11)에 유입된 유기성 폐기물은 로터리 믹서(Rotary mixer; 9)로 뒤집기를 하면서 호기성 발효를 하면 초기에는 탄수화물(Carbohydrate), 단순단백질(Simple protein)과 같이 미생물에 의해서 분해가 용이한 물질이 분해되면서 분해 열에 의해서 온도가 50∼65℃로 상승하게 되면, 고온성 미생물(Thermophilic microbes)이 활동하게 되면서 유해병원성 미생물, 해충의 유충(幼蟲) 및 알, 잡초의 씨앗 등이 사멸처리되며, 고온성 미생물의 먹이가 되는 유기물질이 고갈하게 되면 온도가 떨어지면서 중온성 미생물(Mesophilic microbes)이 활동하게 되며, 미분해된 난분해성 유기물질은 미생물의 대사산물(代謝産物)과 반응하여 안정된 부식물질(腐植物質)로 전환되어 발효숙성이 완료되면 삽차(13)에 의해서 이물질선별기(15)로 보내어 이물질을 분리 제거한 다음, 완숙된 퇴비를 생산한다.

본 발명은, 발효숙성공정(11)에서 2∼3주간 로터리 믹서(Rotary mixer: 12)로 1일 1∼2회 뒤집기를 하면서 발효숙성한 다음, 25∼30일간 후숙처리를 한 다음, 완숙된 퇴비는 삽차(13)로 호퍼(Hopper: 14) 주입 후 이물질 선별기(15)에 공급하여 이물질을 제거한 다음, 퇴비제품을 생산한다.

발효숙성공정(11)에서 숙성된 완숙퇴비가 생산되는 반응 메커니즘(Mechanisms)은 다음과 같다.

발효 초기단계에는 1차 미생물에 의해서 분해가 용이한 탄수화물, 단순단백질 등이 CO₂, H₂O와 같은 간단한 무기물질로 분해가 된다.

유기성 폐기물 + 산소(O₂) ――호기성미생물→ 증식미생물 + 대사산물 + CO₂↑ + H₂O ………………………………………………………………………………④

이때 산소공급이 부족하게 되어 혐기성 상태가 되면 혐기성 미생물이 활동하게 되면서 유기물질은 CO₂, CH₄, NH₃, H₂S와 같은 간단한 무기물질과 휘발성 아민류, 휘발성 알코올류, 휘발성 유기산류, 메르캅탄류와 같은 저 분자유기물질로 분해가 일어나면서 악취가 발생하게 되므로 충분한 공기(산소)를 공급해야 한다.

여기서 지나친 공기를 주입하게 되면 열손실이 심하여 온도가 60℃까지 상승하지 않으면 유기성 폐기물 중에 함유되어 있는 유해병원성 미생물, 해충의 유충 및 알, 잡초의 씨앗 등이 사멸되지 않을 수 있으며, 공기공급이 약간 부족하게 되어 온도상승이 80℃ 이상 장시간 유지하게 되면 중온성 미생물이 사멸하게 되어 후단에서 완숙발효가 일어나지 않으면서 미숙 퇴비가 생산될 수 있으므로, 산소공급이 지나치게 부족하면 혐기성 상태가 되어 심한 악취가 발생하면서 식물생육에 유해한 낙산(酪酸)과 같은 혐기성 미생물의 대사산물이 생성될 수 있기 때문에 적절 한 산소공급 및 수분조절을 하면서 혐기성 미생물의 생육을 억제하도록 해야 한다.

유기성 폐기물 ――혐기성 미생물→ 증식미생물 + 대사사물 + CO₂↑ + H₂O + CH₄↑ + NH₃↑ + H₂S↑ + 휘발성 아민↑ + 휘발성 알코올↑ +휘발성 유기산↑ + 티올↑ …………………………………………………………………………………⑤

다시 말해서 ②의 반응이 일어나게 되면 심한 악취를 발생하면서 식물에 유해한 낙산과 같은 미생물 대사산물이 생성될 수 있기 때문에 충분한 산소를 공급하여 ②의 반응은 최대한 억제 되도록 운전해야 한다.

발효숙성공정(11)의 전 단계에서 ①과 같은 호기성 반응이 일어나게 되면서 반응열에 의해서 온도가 상승하게 되면 호열성 미생물이 활동하게 되면서 열에 약한 유해병원성 미생물, 해충의 유충 및 알, 잡초의 씨앗 등이 사멸하게 되며, 이때 상당량의 수분이 증발하게 된다.

여기서 온도 상승으로 인하여 지나친 수분이 증발하게 되면 후단의 발효 숙성이 원활하게 일어나지 않을 수 있기 때문에 미생물 배양액 등을 살포하여 함수율을 조절하는 것이 좋다.

유기성 폐기물 중 호열성 미생물의 먹이가 되는 영양물질이 소멸하게 되면 호열성 미생물의 대사활동은 둔화하면서 온도가 떨어지면 중온성 미생물이 활동하게 된다.

중온성 미생물 중에는 방선균(放線菌)류, 바실루스 마이코이데스(Bacillus mycoides)와 같은 간균(桿菌)류, 믹소박데리아(Myxobacteria)류, 곰팡이 류(Aspergillus niger, Penicillium sp., Mucor sp., Fusarium sp. 등)와 같이 유기물질을 부식물질로 전환하는 폴리페놀(Polyphenol)성 화합물을 대사산물로 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물이 활동하게 되면서 유기물질을 안정된 부식물질로 전환하게 된다.

유기성 폐기물 + 산소(O₂) ――부식화미생물→ 증식미생물 + 폴리페놀성 대사산물 + 기타 대사산물 + CO₂↑ + H₂O …………………………………………⑥

폴리페놀성 화합물은 공기 중에서 산화효소(Polyphenoloxidase)의 촉매작용에 의해서 퀴논(Quinone)화합물로 산화되면서 과산화수소(H₂O₂)가 생성되며, 과산화수소는 미생물이 배설하는 효소와 반응해서 산화효소를 생성한다.

폴리페놀성 대사산물 + 산소(O) ――산화효소→ 퀴논화합물 + H₂O₂…⑦

H₂O₂ + 효소 → 산화효소 ……………………………………………………⑧

퀴논화합물은 미생물에 의해서 분해가 어려운 리그닌(Lignin), 셀룰로오스(Cellulose), 타닌(Tannin)과 같은 물질과 중축합반응(重縮合反應)을 하여 물에 불용성이면서 비휘발성인 안정된 부식물질로 전환된다.

퀴논화합물 + 리그닌, 셀룰로오스, 타닌 ――중축합반응→ 부식전구물질(腐植前驅物質) + H₂O→…→부식물질 + H₂O …………………………………………⑨

이때 악취를 발생하는 암모니아(NH₃), 유화수소(H₂S), 휘발성 아민류, 휘발성 알코올류, 휘발성 유기산류, 티올(Thiol)류와 같은 물질을 부식물질에 부동화 (不動化: Immobilization) 됨으로써 악취발생이 감소하게 된다.

퀴논화합물 + 리그닌, 타닌 + 악취발생물질 → 부식전구물질 + H₂O →…→부식물질 …………………………………………………………………………………⑩

부식물질은 토양의 조암광물(造岩鑛物)에 함유되어 있는 활성미네랄성분과 반응하여 킬레이트(Chelate)성 부식산미네랄착염 상태인 콜로이드 미셀(Colloidal micelle)형태의 부식물질이 생성된다.

부식산 + 미네랄 → 킬레이트성 미네랄염 ……………………………⑪

부식물질 + 토양 → 부식질토양 ………………………………………⑫

또한, 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호 공생관계에 있는 토양미생물은 악취발생을 유발하는 부패성 미생물 및 유해병원성 미생물의 생육을 억제하는 항생물질을 배설하여 이들 미생물의 생육을 억제함으로써 상호길항관계를 유지하게 된다.

따라서 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호 공생관계에 있는 토양미생물의 생육환경조건을 최적의 상태로 유지하여 주면 악취발생은 억제하게 된다.

유기성 폐기물 + 산소(O) ――방선균류, 페니실륨과 같은 토양미생물→ 증식미생물 + 항생물질(대사산물) + CO₂↑ + H₂O ……………………………………⑬

그리고 사상균류, 슈도모나스(Pseudomonas sp.)와 같은 미생물은 부식물질을 먹이로 섭취하여 대사산물 중 식물성장에 유용한 생리적 활성물질인 비타민(Vitamin)류와 성장촉진물질인 호르몬(Hormon)류와 같은 식물성장에 유용한 물질 을 배설한다.

부식물질 + 산소(O) ――슈도모나스와 같은 토양미생물→ 미생물 + 대사산물(생리활성물질인 Vitamin류 등) + CO₂↑ + H₂O ………………………………⑭

부식물질 + 산소(O) ――사상균과 같은 토양미생물→ 미생물 + 대사산물(성장촉진물질인 Hormon류 등) + CO₂↑ + H₂O ………………………………………⑮

유기물질을 부식물질로 전환하는 폴리페놀(Polyphenol)성 화합물을 배설하는 전술한 부식화미생물과 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물은 세포막이나 세포핵 중에는 미네랄 함량이 높은 특성이 있음으로 미네랄 및 활성물질을 충분히 공급하였을 때 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물들의 대사활동이 활발하게 되면서, 길항관계에 있는 부패를 야기하는 혐기성 미생물이나 병원성 미생물 등은 생육이 억제하게 된다.

도 1은 해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐기물의 퇴비화공정도

도 2는 미생물배양 및 퇴비제조공정도

도 3은 해양 심층수의 농축에 따른 각종 염류의 농도변화도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 미생물 배양조 2: 농축조

3: 레이크(Rake) 4: 반송펌프

5: 배양액 저장조 6: 배양액이송펌프

7: 송풍기(Air blower) 8: 혼화기

9: 혼화기 믹서(Mixer) 10: 이송 컨베이어(Conveyer)

11: 발효숙성공정 12: 로터리 믹서(Rotary mixer)

13: 삽차 14: 호퍼(Hopper)

15: 이물질 선별기 16: 완숙퇴비 이송 컨베이어

17: 완숙퇴비

Claims (2)

1. 해양 심층수를 취수하여 20∼30℃로 가온하여 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter)나 한외여과(Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상의 공정을 조합하여 여과한 후 나노여과(Nano-filter)공정의 여과수를 역삼투여과공정에 공급하여 여과되지 않고 농축된 농축 염수를 증발농축하여 보메도 비중이 30∼34°Be 범위까지 소금을 석출하고, 남은 모액(母液)인 간수(苦汁)를 생산하는 단계,

   상기 간수와 발효숙성공정(11)에서 배출되는 침출수를 함께 미생물 배양조(1)에 공급하고, 송풍기(7)로부터 공기를 주입하여 폭기하면서 배양된 배양액은 미생물 농축조(2)로 보내어 상부로 월류(Over flow)하는 배양액은 배양액 저장조(5)로 보내고, 농축조(2) 하부에 침전된 유용미생물 균체와 부식전구물질(腐植前驅物質)은 반송펌프(4)에 의해서 종균용으로 미생물 배양조(1)로 반송하면서, 배양된 미생물 균체와 부식전구물질을 발효숙성공정(11)의 전단과 고온 발효부의 후단에 공급하는, 유용토양미생물을 배양하는 단계,

   전 처리된 유기성 폐기물을 혼화기(8)에 공급하고, 팽윤제와 첨가제를 공급하여 혼화기 믹서(9)로 혼화한 것을 발효숙성공정(11)에 공급하고, 상기 유용토양미생물을 배양하는 단계에서 배양된 유용미생물 균체와 부식전구물질(腐植前驅物質)을 발효숙성공정(11)의 전단과 고온 발효부의 후단에 공급하여 로터리 믹서(Rotary mixer; 9)로 뒤집기를 하면서 발효숙성이 완료되면 이물질을 분리 제거한 다음, 완숙된 퇴비를 생산하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐기물의 퇴비화방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 역삼투여과공정 대신에 양이온교환 격막과 음이온교환 격막을 양극과 음극 사이에 탈염실과 염농축실로 분리하여 다단을 설치한 전기투석장치를 사용하여 해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 유기성 폐기물의 퇴비화방법.

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