KR101223009B1 - 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법 - Google Patents
가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법에 관한 것으로,
가축분뇨를 고액분리하는 단계와; 고액분리된 가축분뇨를 폭기공정 및 탈질공정의 반복수행을 통해 호기성 처리 및 탈질하는 단계와; 상기 호기성 처리 및 탈질단계를 거친 가축분뇨는 침전조에서 UF 막의 여과를 통해 고형물을 제거하는 단계와; UF막에 의해 여과된 UF여과액에에 질소, 인산, 칼륨 성분을 갖는 첨가제를 첨가하는 단계와; 첨가제가 첨가된 UF 여과액을 발효시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 제조방법으로 제조된 발효액비는 작물 생육에 필요한 질소, 인산, 칼륨성분이 충분히 포함되어 있어 작물의 정상생육이 가능하고, 친환경적이며, 발효액비 상에 부유물질이 거의 존재하지 않아 악취로 인한 불편이 해소되며, 관비 재배시 노즐막힘을 방지할 수 있으며, 화학비료를 대체할 수 있다.
가축분뇨를 고액분리하는 단계와; 고액분리된 가축분뇨를 폭기공정 및 탈질공정의 반복수행을 통해 호기성 처리 및 탈질하는 단계와; 상기 호기성 처리 및 탈질단계를 거친 가축분뇨는 침전조에서 UF 막의 여과를 통해 고형물을 제거하는 단계와; UF막에 의해 여과된 UF여과액에에 질소, 인산, 칼륨 성분을 갖는 첨가제를 첨가하는 단계와; 첨가제가 첨가된 UF 여과액을 발효시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 제조방법으로 제조된 발효액비는 작물 생육에 필요한 질소, 인산, 칼륨성분이 충분히 포함되어 있어 작물의 정상생육이 가능하고, 친환경적이며, 발효액비 상에 부유물질이 거의 존재하지 않아 악취로 인한 불편이 해소되며, 관비 재배시 노즐막힘을 방지할 수 있으며, 화학비료를 대체할 수 있다.
Description
본 발명은 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가축분뇨를 발효시켜 얻은 UF여과액에 부족한 인산, 질소, 칼륨등의 성분을 갖는 유기자재를 혼합하여 발효액비를 제조함으로써 작물생육에 필요한 충분한 량의 영양성분을 갖는 기능성 발효액비를 제조하는 방법에 관한 것이다.
우리나라 축산업은 1980년대 이후 비약적인 발전을 거듭하였으며, 국민소득증가로 육류 및 유제품에 대한 소비가 꾸준히 증가하면서 1990년대 이후부터 가축 사육두수가 급격히 증가하였고, 전업화, 대규모화 되었다.
이에 따라 가축분뇨 발생량 또한 크게 증가하게 되었다. 이와 같이 증가한 가축분뇨의 발생은 부적절한 관리로 인하여 환경오염의 주된 요인이 되고 있다. 특히 가축분뇨는 발생량이 전체 오폐수발생량 중 0.6%정도로 극히 일부분을 차지함에도 불구하고, 오염부하량은 26%정도에 달하는 등 그 발생량에 비하여 환경오염에 큰 영향을 미치고 있다.
이에 가축분뇨의 효율적인 처리방안으로서 유기질 비료자원으로서의 이용에 관심이 급증하고 있다. 특히 화학비료나 농약 등으로 인한 환경오염과 영양염류집적현상과 같은 토양환경의 악화 등을 하기 위한 대체자원으로써 상기와 같은 유기질 비료자원의 요구는 증대되고 있다. 또한 최근 국민의 웰빙(Well-Being)에 대한 관심이 높아지면서 친환경유기농산물에 대한 요구가 증대되고 있는데, 이와 같은 친환경 유기농상물을 재배하기 위해 가축분뇨를 친환경유기농자재로 이용하는 방안에 대한 관심 또한 증가하는 추세이다.
현재 가축분뇨는 퇴비, 액상분뇨 또는 발효액비로 처리되어 비료로서 사용되고 있다.
가축분뇨를 퇴비화시키면, 각종 영양분을 동시에 함유하고 있어 작물에 대한 종합영양적인 효과를 나타낼 수 있다. 그러나 가축분뇨 퇴비의 경우 퇴비품질의 표준화가 어렵고, 퇴비수급의 불균형이 나타나는 등의 문제점을 갖는다.
액상분뇨는 퇴비화에 비하여 처리가 편리하고, 퇴비보다 비료효과가 속효성이 있다는 이점을 갖으나, 살포시 악취가 심하고, 액상분뇨의 과다사용시 토양 중에 유입된 무기질 중 질산태질소가 용탈되어 경제적 손실과 지하수 오염을 유발시키기도 한다.
가축분뇨의 발효액비는 가축의 사육과정에서 배출되는 분, 뇨 및 청소수의 혼합물 등을 비료로 활용할 목적으로 수집, 저장하고 일정기간 동안 부숙시켜 병원성 미생물, 잡초종자 등을 사멸시키고 난분해성 물질 등을 분해하여 환경에 노출되어도 위해성이 없고 경종적으로 안정화된 액상물을 말하는 것이다.
이러한 발효액비는 작물생육에 필요한 성분인 질소, 인, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등과 같은 다량원소 및 미량원소도 포함하고 있어 비료로서의 가치가 높다고 볼 수 있다.
그러나 가축분뇨 유래 비료성분 중 질소는 현재 사용되고 있는 화학비료 사용량에 미치지 못할 뿐만 아니라, 고형물을 많이 함유하고 있어 주로 노지작물의 기비로만 이용되고 있으며, 시설재배에서 관비형태의 추비나 양액재배 적용시에는 노즐과 밸브 및 관막힘을 예방하기 위하여 반드시 여과과정을 거쳐야 한다. 또한, 여과나 희석등의 공정을 거치면서 작물에 필요한 영양성분의 불균형으로 인해 정상생육이 어려운 결과를 초래하였다.
이에 본 발명인은 질소, 인산, 칼륨, 미량원소들이 적절하게 함유되어 정상생육이 가능하고, 작물재배시 시비시기(기비, 추비) 및 시기계절에 관계없이 4계절 이용이 가능하며, 화학비료를 대체할 수 있는 친환경적인 기능성 발효액비 제조기술을 개발하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,
가축분뇨를 활용하여 작물생육에 필요한 영양성분이 균형있게 포함되어 있고, 친환경적이면서 시비시기나 계절에 관계 없이 이용가능하고, 화학비료의 대체가 가능한 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 첨가제의 용해성을 더욱 높이는데 있다.
본원발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,
가축분뇨를 고액분리하는 단계와; 고액분리된 가축분뇨를 폭기공정 및 탈질공정의 반복수행을 통해 호기성 처리 및 탈질하는 단계와; 상기 호기성 처리 및 탈질단계를 거친 가축분뇨는 침전조에서 UF 막의 여과를 통해 고형물을 제거하는 단계와; UF막에 의해 여과된 UF여과액에에 질소, 인산, 칼륨 성분을 갖는 첨가제를 첨가하는 단계와; 첨가제가 첨가된 UF 여과액을 발효시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 첨가제로는 동물성 아미노산, 골분 및 해조추출물이 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동물성 아미노산, 골분 및 해조추출물은 일괄혼합하여 UF여과액에 첨가된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동물성 아미노산, 골분 및 해조추출물은 개별적으로 용해시킨 후 UF여과액에 첨가시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 골분은 UF여과액에 질산을 가하여 2~8N HNO3가 되도록 한 다음 전기회화로(1000℃, 1시간 가열 후 자연냉각)에서 소성처리한 골분을 혼합하여 48시간 정치하여 사용한 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법을 통해 제조된 발효액비는 작물 생육에 필요한 질소, 인산, 칼륨성분이 충분히 포함되어 있어 작물의 정상생육이 가능하고, 가축분뇨, 동물성 아미노산, 골분, 해조추출물과 같은 폐기산물을 리사이클하여 친환경인 유기자재로 사용가능토록 한 것이기 때문에 친환경적이며, 발효액비 상에 부유물질이 거의 존재하지 않아 악취로 인한 불편이 해소되며, 관비 재배시 노즐막힘을 방지할 수 있으며, 화학비료를 대체할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 첨가제의 개별용해를 통해 골분의 용해성을 높임으로써 짧은 발효기간에도 불구하고 더욱 많은 양의 질소, 인산, 칼륨 등의 성분이 포함된 비료를 얻는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예 2에 따른 일괄혼합에 의한 발효액비 제조방법을 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예 3에 따른 개별용해 후 혼합에 의한 발효액비 제조방법을 나타낸 모식도.
도 3은 실시예 2의 발효액비 1 제조시 발효기간에 따른 암모니아가스 및 부유물질의 함유량을 나타낸 그래프.
도 4는 실시예 3의 발효액비 2 제조시 발효기간에 따른 암모니아가스 및 부유물질의 함유량을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예 3에 따른 개별용해 후 혼합에 의한 발효액비 제조방법을 나타낸 모식도.
도 3은 실시예 2의 발효액비 1 제조시 발효기간에 따른 암모니아가스 및 부유물질의 함유량을 나타낸 그래프.
도 4는 실시예 3의 발효액비 2 제조시 발효기간에 따른 암모니아가스 및 부유물질의 함유량을 나타낸 그래프.
이하에서는 본 발명에 따른 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 가축분뇨를 고액분리하는 단계를 수행한다.
고액분리는 간격이 1mm 이하로 좁은 세목 진동스크린이나 강제 압축으로 고형물을 거르는 고액분리기 등을 통해 수행될 수 있으며, 이와 같은 고액분리를 통하여 1mm이상의 가축의 털과 같은 이물질이 액비저장조로 유입되는 것을 방지하여 액비저장조의 가용공간을 늘리고, 미세 유기물질이 보다 잘 부숙될 수 있다.
두 번째 단계는 고액분리된 가축분뇨를 폭기공정 및 탈질공정의 반복수행을 통해 호기성 처리 및 탈질하는 단계이다.
여기서 폭기공정은 가축분뇨의 호기성 액비화를 돕기 위한 것으로, 여기서 호기성 액비화라 함은 호기성 미생물로 유기물을 분해시켜 가축분뇨를 발효시키는 것이다. 이러한 호기성미생물은 액중의 용존산소를 쉽게 이용하여 용존산소가 빨리 제거되기 때문에 폭기공정을 통해 지속적으로 산소를 공급하여 줌에 따라 호기성 미생물의 활동이 활발하게 나타나도록 하여준다.
상기와 같은 가축분뇨의 호기적 처리가 진행되면, 가축분뇨 내의 난분해성 유기물 분해가 촉진되어 단시간에 완숙된 액비를 제조할 수 있고, 호기성 처리를 통하여 악취물질이 대기 중에 휘산되기 때문에 악취 제거효과 및 점도가 낮아지는 효과가 있다. 또한, 대장균, 기생충란, 병원성 미생물, 잡초종자 등의 사멸효과도 갖게 된다.
아울러 상기 탈질공정은 가축분뇨의 원수 중의 전체질소중 대부분을 차지하고 있는 암모니아를 질소가스 상태로 만들어 대기 중으로 날려 보내 전체 질소의 양을 줄이는 공정이며, 이를 통해 잠재적 암모니아 가스의 함량을 낮추는 효과를 갖는다.
이러한 탈질공정은 암모니아가 미생물의 도움에 의해 질산화가 되도록 하여야 한다. 이때 질산화는 폭기공정에서 이루어지는 것으로, 탈질공정에서는 공기의 공급없이 교반을 함으로써 폭기공정에서 질산화된 질산성 질소(NO3-N)를 공급받고 가축분뇨에 포함된 유기물을 이용하여 탈질세균이 질산성질소를 질소가스로 변환시켜 대기중으로 질소를 방출시키는 것이다.
이때 폭기공정은 8단계를 거치고, 침전조에 이르기까지의 슬러지 체류기간(SRT, Sludge Retention Time)은 25~28일 소요되도록 하고, 포기량은 120㎥/min.정도인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
세 번째 단계는 고형물을 제거하는 단계로서, 두 번째 단계에서 탈질 및 호기성 처리된 가축분뇨의 고형물이 침전조에서 UF 막의 여과를 통해 걸러지도록 하는 것이다. 이와 같은 단계를 수행하는 것은 악취의 주요원인인 고형물을 제거하여 악취발생을 방지하기 위한 것이다.
상기 고형물은 탈질 및 호기성 처리된 가축분뇨를 침전조로 보내어 침전시킨 뒤, 한외여과막(UF, Ultrafiltration)을 이용한 여과를 통하여 제거될 수 있다. 여기서 한외 여과막은 반투막을 이용하여 가축분뇨 내의 물질을 분리해 내는 것으로, 시간당 유량이 50L/2kg/㎠이고, 20℃, 여과막은 Polysulfone으로 여과면적이 0.15㎡인 것이 바람직하게 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 얻어진 UF여과액은 악취의 주요인인 부유물질(SS)과 병원성 미생물의 제거 효과로 인하여 안정성은 우수했으나, 작물성장에 필수성분인 질소, 인산의 함량이 다소 부족하였다. 이를 보완하기 위하여 네 번째 단계가 진행된다.
네 번째 단계는 상기 UF 막에 의해 여과된 UF여과액에 질소, 인산, 칼륨 성분을 갖는 첨가제를 첨가하는 단계이다.
상기 첨가제를 첨가하는 것은 고액분리, 탈질, 폭기, 침전되는 과정에서 질소, 인산, 칼륨, 칼슘 등의 영양성분들이 손실되어 작물생장에 필수적인 영양성분이 발효액비에 충분히 첨가될 수 있도록 하기 위함이다.
여기서 상기 첨가제로는 동물성 아미노산, 골분 및 해조추출물이 사용되는 것이 바람직하다. 동물성 아미노산은 돈모, 우모의 케라틴을 가수분해한 후 탈염 및 동결건조과정을 거쳐 만든 천연 아미노산으로, 주요성분은 L-트레오닌(3.56%), L-아스파라긴(3.45%), L-글루타민산(9.12%)를 비롯하여 14종가량으로 총 아미노산이 48~52%이다.
이러한 동물성 아미노산은 전기적으로 중성을 띠기 때문에 다른 물질로부터 방해를 받지 않고 대부분이 식물체 내로 흡수 이동될 수 있으며, 흡수된 질소원이 식물체 내에서 아미노산으로 전환되는 과정이 생략되어 에너지 소모가 줄어들기 때문에 생육활성 능력이 더욱 강화될 수 있다.
상기 골분은 300℃정도에서 반소성시킨 후 분쇄하거나 생뼈를 분쇄하여 압력을 가하고 2기압, 2~4시간 증기열을 쏘인 뒤 지방과 젤라틴을 제거하고 건조시킨 후 다시 곱게 부순 지효성 비료로, 주요성분이 인산과 칼슘이며, 그 외 미량원소와 생리활성물질이 있다. 이러한 골분은 열매의 결실, 뿌리의 활력을 촉진하는 등의 효과가 있다.
해조추출물은 해조(갈조류)를 가수분해한 후 동결건조하여 분말화한 것으로 주요성분이 알긴산(Alfinic acid), 유기물, 질소, 인, 칼륨(K), 미량원소(Cu, Fe, Mn, Zn), 수분으로 구성되며, 수용성물질이다. 이러한 해조추출물은 개화와 착과를 촉진하는 등 식물성장을 돕고, 토양의 질과 비옥도를 증대시키며, 면역력을 강화하는 등의 효과가 있다.
즉, 상기와 같은 첨가제는 유기자재로서 친환경농업에 용이하게 적용될 수 있는 성분들로, 상기 3종류의 성분을 추가적으로 첨가하는 것만으로 작물성장에 필수성분인 질소, 인산, 칼륨 등이 충분하게 포함된 기능성 발효액비로의 제조가 가능하다.
이때 상기 동물성 아미노산, 골분 및 해조추출물은 일괄혼합하여 UF여과액에 첨가될 수 있다. 이때 상기 각 첨가제는 질소:인산:칼리가 3:1:2의 비율로 투입될 수 있도록 그 양을 조절하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기와 같이 첨가제를 일괄혼합하는 경우 수용성이 우수한 첨가제의 선택이 필요하며, 장기간 발효과정을 거쳐야 하는 문제점이 발생될 수 있었다.
이에 본 발명에서는 상기 동물성 아미노산, 골분 및 해조추출물은 개별적으로 용해시킨 후 UF여과액에 첨가시킬 수도 있다. 이때 각 첨가제의 용해방법은 다음과 같다.
수용성인 동물성 아미노산이나 해조추출물의 경우에는 UF여과액에 각각 동물성 아미노산분말 또는 해조추출물 분말을 혼합하여 1~2시간 정도 교반한 뒤, 여과하는 것만으로 쉽게 용해가 가능하다.
한편, 골분은 수용성이 아니고, 인산과 칼슘의 함량이 높은 편이기 때문에 인산과 칼슘의 용해도를 높이기 위하여 전처리를 수행하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 골분에 60% 농도의 질산을 가하여 약2~8N 질산이 되도록 한 다음, 전기회화로를 통해 1000℃에서 1시간 가열 후 자연냉각하여 소성처리된 골분을 사용하며, 상기 소성처리된 골분은 UF여과액에 혼합하여 48시간 가량 정치함으로써 보다 용이하게 용해될 수 있다.
여기서 상기 질산을 2~8N와 1000℃의 온도에서 이루어지도록 하는 것은 상기 범위 내에서 소성처리된 골분이 인산 및 칼슘함량이 크기 때문으로, 4N 질산이 되도록 하는 것이 가장 바람직하며, 상기 농도범위를 벗어나는 경우 오히려 인산 및 칼슘의 함량이 지나치게 감소하여 기능성 발효액비 제조에 적합하지 않다. 이는 하기 표 1의 골분의 소성온도에 따른 산처리 농도별 인산, 칼슘함량을 통해 확인할 수 있다.
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2N | 4N | 8N | ||||
| 800℃ | 1000℃ | 미소성 | 800℃ | 1000℃ | 800℃ | 1000℃ | |
| 수용성 인산(P2O5, %) | 4.99 | 5.18 | 1.48 | 5.19 | 6.07 | 4.57 | 4.99 |
| 수용성칼슘(CaO,%) | 7.35 | 7.30 | 2.27 | 7.75 | 7.82 | 7.11 | 7.20 |
상기와 같은 방법으로 각각의 첨가제를 별도의 저장조에서 용해시킨 후 이를 이송펌프 등을 통해 하나의 반응기로 이송시켜 혼합하는 것이다.
이때 각 첨가제를 개별용해시킨 후 첨가하는 경우에도 역시 상기 첨가제에 포함된 질소: 인산: 칼륨 성분의 비율이 3:1:2정도가 되는 것이 보다 바람직하다.
마지막 단계로서, UF여과액과 첨가제가 혼합된 용액은 발효시키는 단계를 수행함으로써 본 발명에 따른 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조가 완료될 수 있다.
여기서 발효는 첨가제가 혼합된 UF여과액이 저장된 반응기 내에서 14일 정도 발효를 시키는 것이 바람직하며, 발효성능을 향상시키기 위하여 온도조절기를 통해 24~28℃가 유지되도록 하고, pH 3.5~7이 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 보다 더 상세하게 설명하고자 하나, 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 변형 또는 수정할 수 있음은 이 분야에서 당업자에게 명백한 것이다.
<실시예 1>
- UF 여과액 제조 -
고액분리기를 통해 가축분뇨를 고액분리하여 털과 같은 이물질을 제거한 뒤 액비 저장조에 저장하고, 폭기공정 및 탈질공정을 통해 호기성 처리 및 탈질한다. 이때 폭기공정은 8단계에 걸쳐 이루어진다. 그 후 탈질 및 호기성 처리된 가축분뇨는 침전조로 보냈으며, 침전조에 이르기까지 슬러지 체류기간이 25~28일 소요되며 포기량은 120㎥/min.이였다.
그런 다음 Ultra Filter를 이용하여 고형물을 제거하여 UF 여과액을 얻었다. 이때 Ultra Filter의 사양은 1시간당 유량이 50L/2kg/㎠, 20℃이며, 여과막은 Polysulfone으로 여과면적은 0.15㎡으로 구성된 것을 이용하였다.
하기 표 2는 실시예 1에서 제조된 UF 여과액의 이화학성분을 측정한 것으로, 각 항목의 분석은 폐기물 공정시험법과 Standad Method에 따라 분석하였다. pH는 ORION model 420A을 사용한 이온전극법을 사용하였고, TN(Total Nitrogen은 Ultraviolet spectrophotometric screening method, P(인)는 Ascorbic acid method, 미량원소의 분석은 ICP-MS(Varian model: Ultramass 700)를 사용하였으며, EPA Method 3050B의 전처리방법과 EPA Method 200.8의 분석방법을 적용하였다. 단종 다량원소 분석은 AA(Perkin Elmer model : 5100PC)를 사용하였으며, EPA Method 3050B의 전처리방법과 EPA Method 200.8의 분석방법을 적용하였다. 그리고 암모니아가스(NH3 Gas)는 시료 200ml을 정량하여 플라스틱 bottle에 가스가 유출되지 않도록 sealing 하여 매일 정해진 시간에 가스포집기(Gastec GV-100, Japan)를 이용하여 검지관내로 100ml 흡인한 후 수치를 5회 측정하여 평균값으로 하였다. 이온성 원소(NO3 -:Nitrate Nitrogen)의 분석은 IC(Dionex model:DX-120)를 사용하였으며, Standard method 4110으로 분석하였다. 부유물질(SS, Suspended Solid)은 유리섬유여지법(Standard Method 2540)에 따라 분석하였다.
| 항목 | UF여과액 | 항목 | UF여과액 |
| TN(㎎/L) | 224.16 | K(㎎/L) | 2685.50 |
| NH3-N(㎎/L) | 137.30 | Mn(㎎/L) | 0.109 |
| NO3-N(㎎/L) | 42.03 | B(㎎/L) | 1.859 |
| P(㎎/L) | 19.84 | SO4 -2(㎎/L) | 407.60 |
| Ca(㎎/L) | 63.30 | Suspended solid(SS,㎎/L) | 3 |
| Mg(㎎/L) | 48.51 | pH | 8.19 |
상기 표 2에 보여지는 바와 같이 부유물질(SS) 등의 제거가 효과적으로 이루어진 것을 확인할 수 있었으며, 부유물질의 수치가 3이하로 양액 재배시 막힘 문제가 전혀 없는 액비의 원료로 이용가능함을 알 수 있다.
<실시예 2>
- 기능성 발효액비 제조(일괄혼합) -
도 1에 나타낸 모식도와 같이 실시예 1에서 제조된 UF여과액 1000L를 반응기로 유입시키고, 동물성 아미노산 30㎏, 골분 9㎏, 해조추출물 3.5㎏을 일괄혼합하여 반응기로 투입한 뒤, 14일간 발효시켜 발효액비 1을 제조하였다. 이때 동물성 아미노산과 해조추출물은 수용성이 높아 이물질이 거의 발생되지 않으므로 별도의 처리없이 투입하고, 골분은 3~5㎜이상의 입자로 침강할 소지가 있어 미세망에 넣어 반응기 중간부위에 위치하도록 조치하여 투입하였으며, 반응기 운전 조건은 25℃이고, pH는 6~7이었다.
<실시예 3>
- 기능성 발효액비 제조(개별용해) -
도 2에 나타낸 모식도와 같이 실시예 1에서 제조된 UF여과액 480L와 동물성 아미노산 분말30㎏을 1시간 정도 교반하여 용해시킨 동물성 아미노산액과, 실시예 1에서 제조된 UF여과액 300L에 해조추출물 3.5㎏을 소량씩 투입하여 1~2시간정도 교반하여 용해시킨 해조추출물액과, 질산(60% HNO3)을 가하여 4N 질산이 되도록 한 다음 전기 회화로(1000℃에서 1시간 동안 가열 후 자연냉각)에서 소성처리한 골분 4.5㎏을 실시예 1에서 제조된 UF여과액220L에 48시간 정치시켜 용해한 소성골분액을 이송펌프를 통해 반응기로 투입한 뒤, 14일간 발효하여 발효액비 2를 제조하였다. 이때 반응기 운전조건은 25℃이고, pH는 3.5~4였다.
<실험예 1>
실시예 2 및 실시예 3의 발효액비 1, 2의 제조 중 발효기간에 따른 비료성분의 이화학적특성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었으며, 발효기간 별 암모니아 가스 및 부유물질 함유량을 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다.
이때 질소는 Ultraviolet spectrophotometric screening method, P(인)는 Ascorbic acid method, 칼륨의 분석은 ICP-MS(Varian model: Ultramass 700)를 사용하여 측정하였으며, 이때 단위는 ㎎/L이다.
아울러 암모니아 가스(NH3 Gas)는 시료 200ml을 정량하여 플라스틱 bottle에 가스가 유출되지 않도록 sealing 하여 매일 정해진 시간에 가스포집기(Gastec GV-100, Japan)를 이용하여 검지관내로 100ml 흡인한 후 수치를 5회 측정하여 평균값으로 하였고, 부유물질(SS, Suspended Solid)은 유리섬유여지법(Standard Method 2540)에 따라 분석하였다.
| 구분 | 발효액비 1 | 발효액비 2 | ||||
| 기간 | 질소 | 인산 | 칼륨 | 질소 | 인산 | 칼륨 |
| 1일 | 23,414 | 159 | 5,625 | 36,730 | 15,230 | 11,200 |
| 3일 | 28,320 | 210 | 9,850 | 37,325 | 15,700 | 12,100 |
| 7일 | 27,955 | 832 | 12,011 | 39,205 | 15,123 | 13,590 |
| 11일 | 27,260 | 1,065 | 11,910 | 39,062 | 15,490 | 13,500 |
| 14일 | 26,194 | 1,325 | 12,023 | 38,900 | 15,600 | 13,600 |
상기 표 3의 결과를 통해 질소의 경우 발효액비 1과 발효액비 2는 각각 3일 째와 7일 째에 가장 높은 수치를 보였으나, 그 후 질소함량이 감소하는 경향을 보였다. 이는 발효에 따른 미생물의 번식에 의한 현상으로 보여진다. 아울러 인산과 칼륨의 함량의 경우 발효기간이 증가함에 따라 그 함량도 증가하는 경향을 보였다.
아울러 발효액비 1의 경우보다 발효액비 2의 경우에 질소, 인산, 칼륨의 함량이 증가한 것을 확인할 수 있었으며, 질소와 인산의 경우 그 차이가 특히 큰 것을 알 수 있다. 이는 발효액비 1의 경우 짧은 발효기간 동안 골분의 입자가 용해되지 못함에 의한 것으로, 산처리를 통해 골분을 개별용해시킨 발효액비 2의 경우 반응물의 pH가 낮아져 질소의 탈질을 방해하므로, 질소의 함량이 더 높게 나타나며, 인산의 경우에도 골분의 용해정도가 높아져 더 많은 함량을 나타남을 알 수 있다.
도 3은 발효액비 1의 발효기간 별 암모니아가스 및 부유물질 함유량을 나타낸 그래프로, 이에 보여지는 바와 같이 암모니아가스 농도는 발효초기부터 1.5mg/kg 이하의 함량으로 거의 존재 하지 않았으다. 이는 가축분뇨의 폭기공정 및 탈질공정에 의한 암모니아 가스의 감소효과인 것으로 여겨진다. 그리고 부유물질은 UF 여과액의 경우 1~3ppm수준이었으나, 첨가제의 첨가로 부유물질(Suspended solid, SS)의 함량이 증가하였으며, 발효기간 중 SS농도증감에 대한 유의성 있는 차이를보이지 않았다.
반면, 발효액비 2의 경우 초기 암모니아가스 농도는 0.5 mg/kg의 함량 이하의 수준으로 발효액비 1의의 경우와 비슷한 경향을 나타내었고, 부유물질은 발효액비 1의 SS함량보다 훨씬 낮은 값을 나타냈는데, 이는 골분을 용해시켜 첨가함으로 인한 효과로 사료된다.
<실험예 2> - 발효 후 균질성 측정 -
실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 발효액비 1, 2의 EC(Electronic Conductivity) 및 흡광도 값을 측정하여 균질성 테스트를 하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다. 균질성 측정은 발효 14일에 반응기의 교반기를 off한 상태로 1시간 정치 후 반응기 위치별 시료를 채취해 100㎛ Sieve를 통과한 액을 검정하였다. 이때 EC값과 Spectrophometer (sp-830)을 이용하여 흡광도를 측정하여 나타냈으며 5회반복하여 DMRT를 이용하여 95%수준에서 유의성을 검토하였고, 여기서 EC(Electronic Conductivity:mS)는 TOA model CM-7B를 사용하여 Standard Method를 사용하였다. 아울러 시료는 100배 희석액을 이용하였다.
| 구분 | 발효액비 1 | 발효액비 2 | ||
| 시료채취위치 | EC | 흡광도(525㎚) | EC | 흡광도(525㎚) |
| 30㎝ | 1.02a | 0.63a | 2.32a | 0.92a |
| 60㎝ | 0.97a | 0.37b | 2.45a | 0.88a |
| 90㎝ | 0.78b | 0.21b | 2.41a | 0.96a |
- abc: Same letters are not significantly different with DMRT at 5% level.
상기 표 4를 통해 알 수 있듯이 발효액비 1의 경우 30cm와 90cm지점 간에 EC 측정값 및 흡광도 값의 차이가 큰 것을 알 수 있으며, 흡광도 값은 액중의 고형물, 색도 등에 영향을 많이 받는 것으로 볼 때 골분과 같은 미발효된 첨가제의 존재로 기인된 것으로 추정된다.
이에 반하여 발효액비 2의 경우 EC(Electronic Conductivity) 및 흡광도값 모두에서 시료채취 위치에 따른 농도값의 유의적인 차이는 나타나지 않은 것으로 보아 균질한 액비로 판단할 수 있다.
상기와 같은 실험을 통하여 발효액비 1과 발효액비 2 모두 식물생장에 필요한 다량의 칼륨, 인, 질소 등을 갖고 있음을 확인할 수 있었으며, 발효액비 1의 경우보다는 골분을 별도로 용해 후 투입시켜 사용하는 발효액비 2의 경우가 칼륨, 인, 질소의 함량이 높고, 암모니아가스나 부유물질의 농도가 적으며, 균질성이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3> - 가축분뇨 UF여과액의 안전성 점검 -
배추종자(Brassica campestris L. 피피에스, 신천지 배추)를 대상으로 실시예 1에서 제조된 UF여과액의 발아율 조사를 하였다. 이를 위하여 샤레에 여과지(Whatman No.2)을 깔고 배추종자 20립씩을 넣은 후 농도별로 조제한 실시예 1의 UF여과액을 7㎖씩 첨가한 뒤, 항온기(암조건, 25℃)에서 7일동안 재배하였으며, 대조구는 증류수를 이용하였고, 유근의 출현을 기준으로 발아율을 조사하였으며 3회 반복실험을 하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
| 구 분 | UF여과액 농도(%) | |||||
| 대조구 | 10 | 30 | 50 | 70 | 100 | |
| 발아율 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 85 |
상기 표 5에 보여지는 바와 같이 UF 여과액 100%처리구를 제외한 모든 처리구에서 대조구와 같은 발아율을 나타내는 것을 확인할 수 있었으며, 농업에서는 일반적으로 발효액비를 희석하여 사용되므로 안전성이 우수함을 알 수 있었다.
<실험예 4> - 작물재배실험 -
실시예 3에서 제조한 발효액비 2를 이용하여 작물을 재배하였을 때 작물의 생육효과를 확인하기 위하여 청치마상추(Lactuca sativa, 홍농종묘) 종자를 파종용포트에 파종한 뒤, 3~4엽기 정도에 우레탄스폰지에 이식한 후 재배상에 정식하였다. 재배상은 스티로폴제로 가로 230 × 세로 67 × 높이 20cm로 제작되었으며, 재식거리는 15 × 15cm였다. 재배방식은 담액수경이며, 양액은 200ℓ용량의 양액통과 양수량 7ℓ/min. 의 화학용펌프를 사용하여 주야간 매 1시간마다 15분씩 급액되도록 하였다. 시험구는 임의배치 3반복으로 배치하였다. 대조구의 양액은 Yamazaki 상추용 배양액으로 공급하였다. 배양액의 전기전도도(EC)는 생육 초기에 1.2mS/cm, 생육중기에는 1.5mS/cm로 조절하였다. 배양액의 pH는 질산용액(HNO3)으로 조절하였으며 6.0~6.5로 유지하였다.
하기 표 6과 표 7은 상기 Yamazaki 상추용 배양액의 조성을 나타낸 것이다.
| KNO3 |
Ca(No3)2·4H2O |
MgSO4·7H2O |
NH4H2PO4 |
NO3-N | PO4-P | K | Ca | Mg |
| 404 | ||||||||
| 404 | 236 | 123 | 57.5 | 6 | 1.5 | 4 | 2 | 1 |
| EDTA-Fe | H3BO3 | MnSO4·4H20 | ZnSO4·7H20 | CuSO4·5H20 | Na2MoO4·2H2O |
| 24 | 3 | 2 | 0.22 | 0.05 | 0.02 |
- 정식 20일 후 생육특성 및 무게특성 측정 -
실시예 3의 발효액비 2와 실시예 1의 UF여과액의 상추 수경재배 적용 가능성과 비효 검증을 평가하기 위하여 정식 후 20일에 조사한 상추의 수량구성요소인 엽수, 엽장, 엽폭 등의 생육특성과 무게특성을 조사하여 하기 표 8에 나타내었다.
| 처 리 구 | 엽장 (cm) |
엽폭 (cm) |
엽수 (ea) |
근장 (cm) |
SPAD 502 | 생체중 (g/plant) |
지수 | 건물중 (g/plant) |
지수 |
| UF여과액 | 14.9b | 7.2b | 9.8b | 11.1b | 31.2b | 29.2b | 61 | 3.8b | 58 |
| 발효액비 2 | 17.9a | 11.7a | 12.4ab | 14.8a | 36.6a | 44.1a | 92 | 5.9a | 91 |
| 대조구 | 18.3a | 12.5a | 13.6a | 15.1a | 36.7a | 47.6a | 100 | 6.5a | 100 |
- abc: Same letters are not significantly different with DMRT at 5% level.
상기 표 8에서 보여지는 바와 같이 엽장, 엽폭 및 엽수는 UF여과액 처리구의 경우 각각 14.9cm, 7.2cm로 대조구보다 수치가 유의하게 낮았다. 그러나 유기 첨가제가 첨가된 발효액비 2 처리구는 UF여과액 처리구보다 엽장, 엽폭, 엽수의 생육특성이 유의성 있게 높았으며, 대조구와도 비슷한 수준이었다. 또한, 상추의 근장은 UF여과액 처리구에서 11.1cm로 가장 낮았고 발효액비 2 처리구는 대조구와 대등한 근장를 나타내었다. 이는 발효액비 2에 포함된 해조추출물이 뿌리의 발근을 촉진시키는 옥신(Auxin)의 물질(Hartman과 Kesler, 1975)이 작용한 것으로 생각된다.
상기와 같은 결과를 통해 발효액비 2는 양분간의 균형이 맞아 엽장, 엽폭, 근장의 증대효과를 가져 왔으나, UF여과액 처리구는 질소, 인산이 부족한 양분 불균형으로 인하여 정상적인 생육을 나타내지 못한 것으로 사료되며, 이를 통해 본 발명의 제조방법에 따른 발효액비를 사용하는 경우 기존의 무기성분으로 조성된 대조구와 유사한 생육특성을 나타낼 수 있음을 확인하였다.
SPAD502를 이용하여 엽록소 측정치를 조사한 결과로, 엽록소측정치는 식물체 영양상태를 나타내는 간접지표이다. 엽록소 측정치를 살펴본 결과, UF여과액 처리구 가장 낮았으나, 발효액비 2 처리구는 36.6으로 대조구와 대등하게 높았다.
또한, UF여과액 처리구의 상추의 주당 생체중은 29.2g으로 대조구 대비 61%의 생체중를 나타내었다. 그러나 발효액비 2 처리구의 생체중은 대조구 대비 각각 92, 91%를 나타내어 대조구인 화학양액에는 미치지 못하나, 상추의 유기양액 재배가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 정식 40일 후 생육특성 및 무게특성 측정 -
하기 표 9는 정식 40일 후의 생육특성 및 무게특성을 측정한 것이다. 이에 보여지는 바와 같이 정식 후 40일 상추의 생육특성도 정식 후 20일과 유사한 경향이 나타났다. 식물의 양분흡수는 근권부의 뿌리활력에 의해 좌우되는데 상추의 근장은 처리구간에 뚜렷한 차이를 나타내어 UF여과액 처리구에서 낮고, 발효액비 2 처리구는 대조구와 대등한 근장을 나타내었다. UF여과액 처리구에서 잎의 엽록소측정치(SPAD502)가 낮은 것은 UF여과액에 함유된 질소의 부족과 질산태질소(NO3-N) 부족이 원인이 된 것으로 사료된다.
아울러 정식 후 40일에 상추의 주당 생체중과 건물중을 살펴본 결과 UF여과액 처리구의 생체 및 건물중은 각각 57.6, 7.0g로 대조구 대비 각각 47, 48%의 수량를 나타내어 정식 후 20일 보다 수량감소가 더 커졌다. 발효액비 2 처리구에서는 대조구 대비 92%의 생체중를 나타내었다.
| 처 리 구 | 엽장 (cm) |
엽폭 (cm) |
엽수 (ea) |
근장 (cm) |
SPAD 502 | 생체중 (g/plant) |
지수 | 건물중 (g/plant) |
지수 |
| UF여과액 | 21.2b | 10.5b | 16.3b | 11.8b | 27.2b | 57.6b | 47 | 7.0b | 48 |
| 발효액비 2 | 27.6a | 12.9a | 18.4ab | 18.9a | 32.2a | 112.1a | 92 | 12.8a | 88 |
| 대조구 | 28.3a | 13.1a | 19.2a | 18.8a | 32.3a | 121.3a | 100 | 14.5a | 100 |
- abc: Same letters are not significantly different with DMRT at 5% level.
- 수량 측정 -
실시예 3의 발효액비 2 처리구와 실시예 1의 UF여과액 처리구에 의한 상추의 1차, 2차 수확의 합계수량을 측정하여 하기 표 10에 나타내었다. UF여과액 처리구의 경우 상추의 수량이 대조구 대비 51%를 나타내었는데, 이는 비료성분의 불균형과 과부족에 의한 생육저조현상으로 나타난 결과로 생각된다.
반면, 질소, 인산, 칼륨 성분이 높아진 발효액비 2 처리구에서는 UF여과액 처리구에 비하여 상추의 수량이 크게 증대되어 대조구인 양액 대비 92%의 수량에 도달하였다.
| 처리구 | 전체수량(g/plant) | 지수 |
| 가축분뇨UF여과액 | 86.8b | 51 |
| 기능성액비(Han-F) | 156.2a | 92 |
| 대조구 | 168.9a | 100 |
- abc: Same letters are not significantly different with DMRT at 5% level.
상기와 같은 결과를 통해 UF여과액의 단독 시용은 유기양액의 대체가 불가능한 반면, 본 발명의 기능성 발효액비 제조방법에 따라 제조된 발효액비 2의 경우에는 작물 재배시 필요한 충분한 양의 인산, 질소, 칼륨함량을 갖추고 있어 작물의 정상생육이 가능하고, 기존의 화학양액과 비교하여 얻어진 상추 수량이 거의 유사하기 때문에 화학양액을 대체할 수 있는 친환경적인 발효액비로서의 활용도가 높을 것으로 보인다.
Claims (5)
- 가축분뇨를 고액분리하는 단계와; 고액분리된 가축분뇨를 폭기공정 및 탈질공정의 반복수행을 통해 호기성 처리 및 탈질하는 단계와; 상기 호기성 처리 및 탈질단계를 거친 가축분뇨는 침전조에서 UF 막의 여과를 통해 고형물을 제거하는 단계와; UF막에 의해 여과된 UF여과액에 질소, 인산, 칼륨 성분을 갖는 첨가제인 동물성 아미노산, 골분 및 해조추출물을 개별적으로 용해시킨 후 UF여과액에 첨가시키는 첨가제를 첨가하는 단계와; 첨가제가 첨가된 UF 여과액을 발효시키는 단계; 를 포함하여 이루어지되,
상기 골분은,
60% 농도의 질산을 가하여 2~8N 질산이 되도록 한 다음 1000℃의 전기회화로에서 1시간 가열후 자연냉각하여 소성처리하고, 소성처리된 골분을 UF여과액에 혼합하여 48시간 가량 정치한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨를 이용한 기능성 발효액비의 제조방법.
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- 2010-09-16 KR KR1020100091141A patent/KR101223009B1/ko active IP Right Grant
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