KR101889400B1 - 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 완효성 비료 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 완효성 비료 제조방법 및 이에 의해 제조된 비료에 관한 것이다. 본 발명의 일 구체예에 따른 방법에 의해 제조된 펠렛 형태의 비료는 암모니아성 질소의 흡착 및 제거 효율성이 우수하고 탄소 격리 효과가 있으며, 기후변화 대응 온실가스인 아산화질소 및 이산화탄소를 감소시킬 수 있으며, 완효성 비료로서의 효과가 우수하고, 염류집적에 따른 연작 피해 개선 효과가 있다. 또한, 비료가 펠렛 형태로 제조되어 저장 및 운반이 용이하므로 완효성 비료로서 우수하게 사용될 수 있다.

Description

바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 완효성 비료 제조방법 {Method for manufacturing pellet type of slow releasing fertilizer using biochar and manure compost}
본 발명은 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 비료 제조방법 및 이에 의해 제조된 비료에 관한 것이다.
석탄, 석유, 천연가스 등의 연료로부터 발생하는 온실 가스(greenhouse gases, GHG)는 온실 효과(greenhouse effect)에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 농업 및 토지 이용에서 발생하는 온실 가스, 특히 이산화탄소(CO2)는 총 발생하는 온실 가스의 20% 정도 차지하고 있다고 추정되고 있고 또한, 기후 변화에 따른 작물 생산성에 대한 직·간접적인 효과에 관한 연구도 발표되었다 (비특허문헌 1, 비특허문헌 2).
아산화질소(N2O)는 지구온난화지수(global warming potential, GWP)가 이산화탄소보다 298배 더 크며, 대기 중의 아산화질소 농도는 매년 0.8% 증가하고 있다. 지구 온난화에 큰 영향을 미치고 있는 아산화질소는 질소 순환 과정 중 탈질화작용(denitrification) 과정에서 생성되고, 탈질화 작용은 pH, 토양 수분, 탄소와 질소의 기질에 의해 영향을 받는다. 질소 비료(N fertilizer)와 유기 토양 개량제(organic soil amendment)의 사용은 유기물의 분해를 촉진시켜 분해되기 쉬운 탄소 화합물을 생성하여 토양에서 탈질화작용의 속도를 증가시켜 아산화질소의 배출을 촉진시킨다고 보고하였다 (비특허문헌 3, 비특허문헌 4, 비특허문헌 5, 비특허문헌 6, 비특허문헌 7, 비특허문헌 8).
이러한 아산화질소의 배출을 억제하기 위한 방법으로 바이오차(biochar)가 주목을 받고 있다. 바이오차는 열분해(pyrolysis) 및 액화 공정(liquefaction technology)을 통하여 바이오 오일을 만드는 과정에서 발생하는 부산물로써, 흡착제로 사용되고 있다. 바이오차는 산소가 제한된 환경에서 바이오매스를 열분해하여 얻을 수 있는 탄소 함량이 높은 고체 물질이다 (비특허문헌 9).
가축분뇨는 소, 돼지, 닭과 같은 가축이 배설하는 똥과 오줌을 의미하는 것으로 축산분뇨라고도 한다. 각종 유기화합물과 질소, 인산, 칼륨 등의 비료성분이 많이 함유되어 있어 농작물이나 과수에 거름으로 이용되기도 하지만 양이 지나치게 많아 미처 활용되지 않고 폐기되는 비율이 높아지면서 축산환경 오염문제의 발생원이 되고 있다. 이러한 가축분뇨를 발효 처리하여 퇴비화한 것을 가축분 퇴비라고 한다.
한편 염류 집적(salt accumulation)이란 지표수, 지하수 및 모재 중에 함유된 염분이 강한 증발 작용 하에서 토양 모세관수의 수직과 수평 이동을 통하여 점차적으로 지표에 집적되는 과정을 의미한다. 건조 및 반 건조 기후 지대에서 많이 일어나며 시설 하우스와 같이 폐쇄된 환경 또는 과잉 시비된 토양에서 일어나기도 한다. 이렇게 토양 중에 염류가 많을 경우 재배하는 작물에 피해를 주어 생육이 위축되고 심하면 고사하게 되는데 이를 염류장해(salt stress)라 한다. 염류집적의 해결방법으로는 기존에는 논에 물을 담아 염류를 제거하거나 돌려짓기, 토양 교체 등의 방법을 이용하였다. 그러나 물을 담는 방법은 일정시간이 지나면 지하의 염류가 토양표면으로 올라와 효과가 떨어지며, 토양의 교체는 비용이 많이든다는 등의 단점이 있다. 킬레이트제 활용 기술은 기존의 염류집적 해결 방안들이 가지고 있는 단점을 보완하고자 개발된 것이다. 킬레이트제를 시설재배지에 뿌려주면 토양 중에 고정 또는 불용화된 질소, 인산, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등의 양분이 작물에서 흡수하기 쉬운 상태로 되어 작물 생육을 촉진한다.
완효성 비료란 비료의 효과가 천천히 나타나는 비료를 의미하는 것으로, 지효성 비료라고도 한다. 완효성 비료의 장점은 작물의 생육시기에 따라 필요한 성분량만큼 양분을 공급할 수 있다는 점이다. 무기질 질소 및 칼륨 비료는 속효성으로 비료 이용률이 낮기 때문에 이들 비료 성분이 서서히 용출되도록 개발할 필요가 있다. 완효성 비료는 비료 성분의 유실이 적어서 비료 효율을 높일 수 있는 장점 외에 1회 시비로 충분하므로 추비를 하는 데서 오는 노동력을 절감할 수 있다.
이와 관련하여 한국 등록특허 제1188062호는 비료용출속도 제어가 가능한 완효성 비료복합체 및 이의 제조방법을 개시하고 있으며, 구체적으로 완효성 비료에 있어서, 목질계 바이오매스와 비료가 균일하게 함유되며, 상기 목질계 바이오매스에 함유된 리그닌이 가열가압에 의해 접착제가 되어 상기 바이오매스와 비료가 결합을 이룬 성형체인 것을 특징으로 하는 친환경의 완효성 비료복합체를 제공한다 (특허문헌 1). 그러나 아직까지 바이오차 및 가축분 퇴비와 질소, 인산 및 가리와 같은 3요소 복합 비료성분을 이용하여 펠렛 타입의 완효성 비료를 제조하는 기술은 개발되지 않았다.
이에 본 발명자들은 바이오차 및 가축분 퇴비와 질소, 인산 및 가리와 같은 3요소 복합 비료성분을 이용하여 펠렛 타입의 완효성 비료를 제조하고, 이렇게 제조된 비료가 완효성, 기후변화 대응 온실가스 저감, 염류집적 문제 해결 등의 효과가 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
한국 등록특허공보 제1188062호
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본 발명의 목적은 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 비료 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 비료를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구체예는 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 비료 제조방법을 제공하며, 상기 방법은 하기의 단계를 포함할 수 있다.
1) 바이오매스를 열분해하여 얻은 바이오차를 미세분말로 분쇄하는 단계;
2) 상기 바이오차에 가축분 퇴비를 혼합하여 바이오차 및 가축분 퇴비 혼합물을 제조하는 단계;
3) 상기 단계 2)의 바이오차 및 가축분 퇴비 혼합물에 물을 첨가하거나, 또는 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액을 첨가하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 혼합물을 펠렛(pellet) 형태로 제조하는 단계.
본 명세서에서 사용된 용어, "비료(fertilizer)"란 유기질, 무기질, 천연산, 합성품이 있으며, 식물이 정상적으로 생육하기 위하여 필요한 원소의 하나 또는 그 이상을 공급하는 모든 물질을 의미한다. 토양 중에서 함량이 비교적 적어 시용하는 경우에 식물의 반응이 높은 것은 질소, 인, 칼륨이며, 이것을 비료 3요소라고 한다. 3요소 이외에 사용량이 많고, 식물의 반응이 나타나기 쉬운 것은 칼슘, 마그네슘, 황이며 이것을 2차 요소라고 한다. 통상적으로 3요소계 비료 중에서 1종만을 공급하는 비료를 단비라 하며, 2종 이상 공급하는 비료는 복합비료이며, 동식물질의 것을 유기질비료로 취급한다. 비료로 사용되는 염류는 수용성이 많으며, 토양수 중에 빠르게 용해되는 것은 속효성이다. 비료의 효과를 완효적으로 하여 지속성이 있는 화학 형태가 있는데 이것을 일반적으로 "완효성 비료"라 한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "바이오매스(biomass)"란 에너지원으로 사용되기 위해서 사용되는 식물이나 동물 같은 생물체를 의미한다.
상기 단계 1)에서 바이오매스는 식물체 잔사일 수 있고, 구체적으로 왕겨, 볏짚, 보릿짚 또는 음식물 쓰레기일 수 있고, 예를 들어 왕겨일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 열분해 과정에서 바이오차를 얻을 수 있는 바이오매스라면 어느 것이든 사용할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어, "바이오차(biochar)"란 열분해(pyrolysis) 및 액화 공정(liquefaction technology)을 통하여 바이오 오일을 만드는 과정에서 발생하는 부산물로써, 산소가 제한된 환경에서 바이오매스(biomass)를 열분해하여 얻을 수 있는 탄소 함량이 높은 고체 물질이다.
구체적으로, 본 구체예에서 사용된 바이오차는 바이오매스를 400 내지 800℃에서 열분해시켜 발생한 부산물일 수 있다.
상기 단계 1)에서 바이오차를 0.1 내지 2 mm의 미세분말로 분쇄하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 입자의 크기가 2 mm를 초과할 경우 바이오차의 표면적이 줄어 흡착 능력이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 단계 1) 이후에, 1') 분쇄된 바이오차를 500~1,000℃에서 활성화시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 바이오차를 고온에서 활성화시키면 바이오차가 다공성이 되어 표면적을 증가하기 때문에 흡착능이 증가될 수 있다. 다만, 생산단가를 고려하여 본 단계를 생략하는 것도 가능하다.
상기 단계 2)에서 바이오차:가축분 퇴비=9~1:1~9의 중량비로 혼합하는 것일 수 있고, 예를 들어, 9:1, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8의 중량비로 혼합하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어, "가축분 퇴비(manure compost)"란 가축분뇨를 원료로 하여 제조한 퇴비를 의미하는 것으로, 가축분뇨(돈분, 우분 또는 계분)를 발효 처리하여 퇴비화한 것을 의미할 수 있다.
상기 단계 2)의 가축분 퇴비는 돈분 퇴비, 우분 퇴비 또는 계분 퇴비일 수 있고, 예를 들어 돈분 퇴비일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 돈분은 2~3개월 정도 발효시키면 냄새가 없어지고 질소 성분이 우분에 비해 높아 유기물로서뿐만 아니라 부산물비료로도 사용할 수 있다. 돈분 중의 질소질은 황산암모늄 또는 요소로 주는 질소질의 50~60%에 해당하는 효과가 있을 수 있다.
상기 단계 3)에서 물은 바이오차 및 가축분 퇴비 혼합물 100 중량부에 대하여 100 내지 1000 중량부, 구체적으로 200 내지 600 중량부, 보다 구체적으로 300 내지 500 중량부, 예를 들어 400 중량부를 첨가하는 것일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다. 상기 범위를 벗어나 물을 지나치게 많이 첨가하거나 적게 첨가하는 경우 펠렛화 하는 공정에서 성형이 잘 이루어지지 않으며, 건조시 에너지가 많이 소모되므로 공정 단가가 상승하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
상기 단계 3)에서 질소(N)는 요소(urea) 또는 황산암모늄(ammonium sulfate)에 함유되어 있는 질소를 사용하는 것일 수 있다.
상기 단계 3)에서 인산(P)은 용성인비(fused phosphate)에 함유되어 있는 인산을 사용하는 것일 수 있다.
상기 단계 3)에서 칼륨은 염화칼륨(또는 염화가리, potassium chloride)에 함유되어 있는 칼륨을 사용하는 것일 수 있다.
상기 단계 3)에서 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액은 질산을 포함하는 용액, 인산을 포함하는 용액 및 칼륨을 포함하는 용액을 각각 사용할 수도 있고, 질산, 인산 및 칼륨 중 둘 이상을 포함하는 용액을 사용할 수도 있다. 상기 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액은 물에 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 첨가하고 30~90℃ 반응시킨 용액을 사용할 수 있다. 30~90℃에서 반응시켜 질소, 인산 및 칼륨의 용해도를 높일 수 있다.
상기 단계 3)에서 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액은 바이오차 및 가축분 퇴비 혼합물 100 중량부에 대하여 100 내지 1000 중량부, 구체적으로 200 내지 600 중량부, 보다 구체적으로 300 내지 500 중량부, 예를 들어 400 중량부를 첨가하는 것일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다. 상기 범위를 벗어나 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액을 지나치게 많이 첨가하는 경우 용해도가 떨어져 반응이 일어나지 않고, 적게 첨가하는 경우 완효성 비료로서 비료 함량이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 단계 3)에서 질소, 인산 및 칼륨을 모두 포함하는 용액을 사용하는 경우, 질소:인산:칼륨=0.8~1.25:0.1:0.3의 중량비인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지 않는다.
상기 단계 4)에서 펠렛 형태로의 제조는 이 기술분야에 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어 시판되는 펠렛 제조기를 이용하여 펠렛을 제조할 수 있다.
상기 단계 4)의 펠렛은 1 내지 10 mm의 크기일 수 있고, 구체적으로 1 내지 5 mm의 크기일 수 있고, 예를 들어 3 mm 이하의 크기 또는 3 내지 5 mm의 크기일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 비료로 사용하기에 적절한 크기로 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예는 상기 방법에 의해 제조된 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 비료를 제공한다.
본 구체예에 따른 비료는 완효성 비료로서, 질소, 인산, 칼륨 및 규소 중 어느 하나 이상의 비료 요소를 천천히 지속적으로 용출하는 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 방법에 의해 제조된 펠렛 형태의 비료는 암모니아성 질소의 흡착 및 제거 효율성이 우수하고 탄소 격리 효과가 있어 온실가스인 아산화질소 및 이산화탄소를 감소시킬 수 있으며, 완효성 비료로서의 효과가 우수하고, 염류집적에 따른 연작 피해 개선 효과가 있다. 또한, 비료가 펠렛 형태로 제조되어 저장 및 운반이 용이하므로 비료로서 우수하게 사용될 수 있다.
도 1은 펠렛 제조기를 이용한 비료의 펠렛 형태 제조 공정을 나타낸 도이다.
도 2는 일반적인 비료 사용 과정(위)과 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 비료의 사용 과정(아래)을 나타낸 도이다.
도 3은 바이오차와 돈분 퇴비의 혼합비율(9:1, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8)에 따른 암모니아성 질소(NH4-N)의 흡착(Adsorption amount) 및 제거(removal rate) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 비료 처리 후 0 내지 77일 동안 토양 중의 질소 누적 농도를 표시한 그래프이다: TN, 실시예 2에 따라 제조된 질소 완효성 비료 처리군; HTN, 실시예 3에 따라 제조된 고농도 질소 완효성 비료 처리군; TNPK, 실시예 4에 따라 제조된 NPK 복합 완효성 비료 처리군; HTNPK, 실시예 5에 따라 제조된 고농도 NPK 복합 완효성 비료 처리군; PC, 돈분 퇴비만 사용한 처리군.
도 5는 비료 처리 후 0 내지 77일 동안 토양 중의 인산 누적 농도를 표시한 그래프이다: TN, 실시예 2에 따라 제조된 질소 완효성 비료 처리군; HTN, 실시예 3에 따라 제조된 고농도 질소 완효성 비료 처리군; TNPK, 실시예 4에 따라 제조된 NPK 복합 완효성 비료 처리군; HTNPK, 실시예 5에 따라 제조된 고농도 NPK 복합 완효성 비료 처리군; PC, 돈분 퇴비만 사용한 처리군.
도 6은 비료 처리 후 0 내지 29.3일 동안 토양 중의 칼륨 누적 농도를 표시한 그래프이다: TN, 실시예 2에 따라 제조된 질소 완효성 비료 처리군; HTN, 실시예 3에 따라 제조된 고농도 질소 완효성 비료 처리군; TNPK, 실시예 4에 따라 제조된 NPK 복합 완효성 비료 처리군; HTNPK, 실시예 5에 따라 제조된 고농도 NPK 복합 완효성 비료 처리군; PC, 돈분 퇴비만 사용한 처리군.
도 7은 비료 처리 후 0 내지 77일 동안 토양 중의 규산 누적 농도를 표시한 그래프이다: TN, 실시예 2에 따라 제조된 질소 완효성 비료 처리군; HTN, 실시예 3에 따라 제조된 고농도 질소 완효성 비료 처리군; TNPK, 실시예 4에 따라 제조된 NPK 복합 완효성 비료 처리군; HTNPK, 실시예 5에 따라 제조된 고농도 NPK 복합 완효성 비료 처리군; PC, 돈분 퇴비만 사용한 처리군.
도 8은 비료 처리 후 토양 전기전도도를 측정한 그래프이다: control, 어떤 비료도 처리하지 않은 대조군; 돈분, 돈분 퇴비 처리군; 돈분(pellet), 비교예 1에서 제조한 돈분 펠렛 비료 처리군; 9:1, 실시예 1-1에서 제조한 비료 처리군; 8:2, 실시예 1-2에서 제조한 비료 처리군; 6:4, 실시예 1-3에서 제조한 비료 처리군; 4:6, 실시예 1-4에서 제조한 비료 처리군; 2:8, 실시예 1-5에서 제조한 비료 처리군; TN, 실시예 2에서 제조한 질소 완효성 비료 처리군; HTN, 실시예 3에서 제조한 고농도 질소 완효성 비료 처리군; TNPK, 실시예 4에서 제조한 NPK 완효성 비료 처리군; HTNPK, 실시예 5에서 제조한 고농도 NPK 완효성 비료 처리군.
도 9는 비료 처리에 의한 상추 생물 검정 실험 결과이다: TN, 실시예 2에 따라 제조된 질소 완효성 비료 처리군; HTN, 실시예 3에 따라 제조된 고농도 질소 완효성 비료 처리군; TNPK, 실시예 4에 따라 제조된 NPK 복합 완효성 비료 처리군; HTNPK, 실시예 5에 따라 제조된 고농도 NPK 복합 완효성 비료 처리군; PC, 돈분 퇴비 비료 처리군; Pellets, 비교예 1에서 제조한 돈분 펠렛 비료 처리군.
이하 본 발명을 하기 실시예에서 보다 상세하게 기술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하거나 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
< 실시예 1> 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 비료 제조
바이오차 및 가축분 퇴비를 이용하여 펠렛 타입의 비료를 제조하였다.
구체적으로, 왕겨를 400~800℃에서 열분해시켜 부산물인 바이오차(biochar)를 얻었다. 생성된 바이오차는 0.1~2 mm로 미세하게 분말화하였다. 바이오차 및 돈분 퇴비를 하기 표 1과 같은 중량비로 혼합하여 교반하였다. 바이오차 및 돈분 퇴비 혼합물에 물을 1:4 중량비로 고르게 뿌려 혼합하였다. 혼합된 시료를 펠렛 제조기(제조사: 금강이엔지)에 넣고 바이오차 펠렛(pellet)을 만들어 30~90℃에서 건조시켰다. 펠렛의 크기는 3~5mm로 하였다. 펠렛 제조기를 이용하여 펠렛을 제조하는 과정을 도 1에 나타내었다.
혼합 중량비 ( 바이오차:돈분 퇴비)
실시예 1-1 9:1
실시예 1-2 8:2
실시예 1-3 6:4
실시예 1-4 4:6
실시예 1-5 2:8
< 실시예 2> 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 질소 완효성 비료 제조
바이오차 및 가축분 퇴비를 이용하여 펠렛 타입의 질소 완효성 비료를 제조하였다.
구체적으로, 요소(urea)를 물에 첨가하여 질소 포화 용액을 제조하였다. 이때 질소:물의 용해비를 0.8:1 (v/w)로 하여 포화 용액을 제조하였다 (즉, 요소 240g에 물 300ml를 첨가함). 바이오차 및 돈분 퇴비의 혼합 중량비를 4:6으로 하고, 물 대신 상기 질소 포화 용액을 바이오차 및 돈분 퇴비 혼합물에 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 펠렛 타입의 질소 완효성 비료를 제조하였다.
< 실시예 3> 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 고농도 질소 완효성 비료 제조
바이오차 및 가축분 퇴비를 이용하여 펠렛 타입의 고농도 질소 완효성 비료를 제조하였다.
구체적으로, 바이오차는 700~1000℃에서 활성화시킨 다음 사용하였다. 질소 용액에 50~90℃의 열을 가하면서 요소를 더 첨가시켜 고농도의 질소 포화 용액을 제조하였다. 이때 질소:물의 용해비를 1.25:1 (v/w)로 하여 포화 용액을 제조하였다 (즉, 물 300ml에 요소 375g 첨가함). 바이오차 및 돈분 퇴비의 혼합비를 4:6으로 하고, 물 대신 상기 고농도 질소 포화 용액을 바이오차 및 돈분 퇴비 혼합물에 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 펠렛 타입의 고농도 질소 완효성 비료를 제조하였다.
< 실시예 4> 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 NPK 복합 완효성 비료 제조
바이오차 및 가축분 퇴비를 이용하여 펠렛 타입의 NPK 복합 완효성 비료를 제조하였다.
구체적으로, 요소를 물에 첨가하여 질소(N) 포화 용액을 제조하고, 용성인비(fused phosphate fertilizer)를 물에 첨가하여 인산(P) 포화 용액을 제조하고, 염화가리(potassium chloride)를 물에 첨가하여 칼륨(K) 포화 용액을 각각 제조하였다. 질소 포화 용액, 인산 포화 용액 및 칼륨 포화 용액을 혼합하여 30~90℃에서 반응시켜 NPK 복합 포화 용액을 제조하였다. 질소:인산:칼륨:물의 용해비는 0.8:0.1:0.3:1 (w/v)로 하였다 (즉, 물 300 ml에 질소 240g, 인산 30g, 칼륨 90g 첨가). 바이오차 및 돈분 퇴비의 혼합비를 4:6으로 하고, 물 대신 상기 NPK 복합 포화 용액을 바이오차 및 돈분 퇴비 혼합물에 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 펠렛 타입의 NPK 복합 완효성 비료를 제조하였다 (도 2).
< 실시예 5> 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 고농도 NPK 복합 완효성 비료 제조
바이오차 및 가축분 퇴비를 이용하여 펠렛 타입의 고농도 NPK 복합 완효성 비료를 제조하였다.
구체적으로, 요소를 물에 첨가하여 질소(N) 포화 용액을 제조하고, 용성인비(fused phosphate fertilizer)를 물에 첨가하여 인산(P) 포화 용액을 제조하고, 염화가리(potassium chloride)를 물에 첨가하여 칼륨(K) 포화 용액을 각각 제조하였다. 질소 포화 용액, 인산 포화 용액 및 칼륨 포화 용액을 혼합하여 30~90℃에서 반응시켜 NPK 복합 포화 용액을 제조하였다. 질소:인산:칼륨:물의 용해비는 1.25:0.1:0.3:1 (w/v)로 하였다 (즉, 물 300 ml에 질소 375g, 인산 30g, 칼륨 90g 첨가). 바이오차 및 돈분 퇴비의 혼합비를 4:6으로 하고, 물 대신 상기 고농도 NPK 복합 포화 용액을 바이오차 및 돈분 퇴비 혼합물에 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 펠렛 타입의 고농도 NPK 복합 완효성 비료를 제조하였다.
< 비교예 1> 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 비료 제조
가축분 퇴비만을 이용하여 펠렛 타입의 비료를 제조하였다.
구체적으로, 바이오차를 첨가하지 않고 돈분 퇴비만을 이용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 돈분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 비료를 제조하였다.
< 실험예 1> 암모니아성 질소의 흡착 및 제거 효율성 확인
실시예 1-1 내지 1-5에 따라 제조된 바이오차 및 돈분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 비료의 암모니아성 질소(NH4-N) 흡착 및 제거 효율성을 확인하기 위한 실험을 하였다.
구체적으로, 플라스틱 병에 실시예 1-1 내지 1-5에 따라 제조한 펠렛(pellet)을 각각 0.25~1g을 넣고, 50ml 양의 증류수를 주입한 후, 왕복식 항온 진탕기(JP/NTS-3000, Eyela, Tokyo, Japan)를 이용하여 25℃에서 140 rpm으로 24시간 교반 후 여과하였다. 이때, 펠렛의 입자 크기를 5mm로 하였기 때문에, Whatman No.2 여과지를 이용하여 여과하였다. 이 침출액의 NH4-N 성분을 분석하여 각각의 펠렛에 대한 NH4-N의 흡착량 및 제거율을 산정하였다.
그 결과, 바이오차 및 돈분 퇴비를 이용한 펠렛 타입의 비료를 이용하였을 때, 암모니아성 질소(NH4-N) 흡착량은 2.56~6.30 mg/g이었으며, 암모니아성 질소(NH4-N)의 제거율은 32.5~88.9% 범위였다. 또한, 바이오차의 혼합 비율이 증가함에 따라 암모니아성 질소 흡착 및 제거 효율이 증가함을 확인할 수 있었다 (도 3).
따라서, 바이오차 및 돈분 퇴비를 혼합하여 제조한 펠렛을 이용하면 암모늄태 질소를 흡착하여 질산화 과정을 지연시킴으로써 온실가스인 아산화질소의 배출을 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.
< 실험예 2> 질소, 인산, 칼륨 및 규소의 용출 특성 확인
실시예 2 내지 5에 따라 제조된 질소 완효성 비료 (TN), 고농도 질소 완효성 비료 (HTN), NPK 복합 완효성 비료 (TNPK), 고농도 NPK 복합 완효성 비료 (HTNPK)와 돈분 퇴비 비료 (PC)에 대하여 질소, 인산, 칼륨 및 규소의 용출 특성을 확인하는 실험을 하였다.
구체적으로, 각각 조제된 팰렛형 완효성 비료 5g을 컬럼에 충진한 후 증류수 50ml을 넣었다. 주기적으로 초기에는 1일 간격으로 30일 후부터는 2일 간격으로 충진된 증류수 50ml을 완전히 용출하였으며, 즉시 증류수 50ml을 충진하였다. 이때 용출된 물 시료를 Whatman No.2 여과지를 이용하여 여과한 후 NH4-N과 NO3-N은 Auto technician analyzer로 분석하였다. 또한 PO4-P, K, SiO2의 농도는 UV spectrophotometer (ST-Ammonium, C-Mac, Korea)를 이용하여 적량하였다.
그 결과, 질소, 인산 및 규소는 75일간 지속적으로 용출되었으며, 칼륨은 약 7일간에 걸쳐 용출되었다 (도 4, 5, 6 및 7).
따라서, 바이오차 및 돈분 퇴비를 혼합하여 제조한 펠렛 타입의 비료는 완효성 비료의 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
< 실험예 3> 염류집적에 따른 연작 피해 개선 효과
토양 전기전도도가 너무 높으면 작물의 생육이 저하되고 장해를 일으켜 피해가 발생할 수 있기 때문에, 작물 재배에 적합한 토양의 적정 전기전도도를 유지하는 것이 바람직하다. 킬레이트제는 토양에 집적된 염류를 작물이 흡수하기 좋은 상태로 만들어줄 수 있다. 이에 따라 본 발명의 비료를 사용한 후 토양의 무기염류 및 NaCl 함유량을 확인하기 위하여, 토양 전기전도도(EC)를 측정하는 실험을 하였다.
구체적으로, 실험군은 다음과 같이 12개로 진행하였다: 어떤 비료도 처리하지 않은 대조군 (control), 돈분 퇴비 처리군 (돈분), 비교예 1에서 제조한 돈분 펠렛 비료 처리군 (돈분(pellet)), 실시예 1-1에서 제조한 비료 처리군 (9:1), 실시예 1-2에서 제조한 비료 처리군 (8:2), 실시예 1-3에서 제조한 비료 처리군 (6:4), 실시예 1-4에서 제조한 비료 처리군 (4:6), 실시예 1-5에서 제조한 비료 처리군 (2:8), 실시예 2에서 제조한 질소 완효성 비료 처리군 (TN), 실시예 3에서 제조한 고농도 질소 완효성 비료 처리군 (HTN), 실시예 4에서 제조한 NPK 완효성 비료 처리군 (TNPK), 실시예 5에서 제조한 고농도 NPK 완효성 비료 처리군 (HTNPK). 완효성 비료는 팰렛 6.6g, 그리고 바이오차 팰렛은 비료 시용량 0.115-0.29-0.12g/pot (N,P,K)을 각각 넣어 토양 3kg과 잘 혼합한 후 포트에 충진하였다. 상추 품종 미니컵메인을 파종 후 30일된 묘를 각각의 포트에 정식하였다. 점적 관수 시스템을 이용하여 물 관리를 하였다. 그리고 토양 시료를 2주 간격으로 채취하여 전기전도도를 측정하였으며, 또한 상추를 수확하여 비교 분석하였다.
그 결과, 실시예 1-1에서 제조한 바이오차 및 돈분 퇴비를 9:1로 혼합하여 이용한 펠렛 비료는 전기전도도가 약 3.8 ds/m으로 나타나 가장 낮았다 (도 8).
따라서, 바이오차 및 돈분 퇴비를 9:1로 혼합하여 제조한 펠렛 비료는 킬레이트제 대용으로 사용할 수 있음을 확인하였다.
< 실험예 4> 상추 생물 검정
실시예 2 내지 5에 따라 제조된 질소 완효성 비료 (TN), 고농도 질소 완효성 비료 (HTN), NPK 복합 완효성 비료 (TNPK), 고농도 NPK 복합 완효성 비료 (HTNPK)와 돈분 퇴비 비료 (PC) 및 비교예 1에서 제조한 돈분 퇴비 펠렛 비료 (Pellets)를 이용하여 상추 생물 검정 실험을 하였다.
구체적으로, 수도용 상토와 원예용 상토를 1:4 중량비로 혼합한 후, 완효성 비료는 팰렛 6.6g 그리고 바이오차 팰렛은 비료 시용량 0.115-0.29-0.12g/pot(N,P,K)을 각각 넣어 잘 혼합한 후 포트에 충진하였다. 상추 품종 미니컵메인을 파종 후 30일된 묘를 각각의 포트에 정식하였다. 점적 관수 시스템을 이용하여 물관리를 하였다. 5회에 걸쳐 상추를 수확하여 무게를 합산한 자료를 비교 분석하였다.
그 결과, 대조구와 비교하여 모든 실험군에서 상추의 수량에 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다 (도 9).
따라서, 본 발명의 펠렛 비료를 실제 작물 재배를 위한 비료로서 사용할 수 있음을 확인하였다.
< 실험예 5> 탄소 격리 효과
대기 중 배출되는 온실가스로서 메탄가스나 아산화 질소는 토양중 유기질 비료가 분해될 때 발생된다. 따라서 농업 바이오매스를 바이오차로 전환시켜 가축분퇴비와 혼합하여 팰렛화 공정에 따른 완효성 비료를 농경지에 투입함으로서 토양탄소 격리는 물론 암모늄태 질소를 흡착함으로서 질산화 과정을 지연시킴으로 온실가스 발생을 완화시킨다.
바이오차를 옥수수 경작지에 시용한 탄소격리 효과 분석 실험에서 찰옥수수인 미백 2호 품종을 파종하였다. 본 실험구는 우분 퇴비 처리구, 호기소화액 처리구 및 돈분 퇴비 + 1% 바이오차 처리구으로 구성되어있다. 화학비료 시용량은 190-39-221 kg/ha로 인산과 가리비료는 전량 기비로 사용하였다. 돈분 퇴비 및 우분 퇴비의 시용량은 각각 25,000kg/ha와 5500 kg/ha로 토양검정 시비량에 준하였다. 또한 호기소화액비는 100ton/ha를 살포하였고, 바이오차 시용량은 토양무게(1,300,000kg/ha)의 1%를 돈분 처리구에 투여하였다. 실험 기간동안 15일 간격으로 토양 시료를 채취하여 토양탄소, 유기탄소 및 무기탄소의 함량을 분석하였으며, 옥수수 수량 구성요소를 조사하였다.
그 실험 결과, 토양 중에 탄소격리량을 산정한 모델 수식, Y=0.5523X-742.57(r2=0.9392)을 산정하였다. 따라서 이 수식에 바이오차 팰렛의 시용량을 대입하면, 바이오차를 토양무게의 1%를 시용할 경우 약 hector 4톤의 탄소격리 할 수 있으며, 배출 거래 시 작물을 재배할 때 바이오차를 1% 투입함으로서 Hector당 17,000원에서 538,000원 범위에서 산정되었다 (표 2).
처리구* 탄소 격리
(kg ha-1)**		 CO2-e 방출 감소
(MT ha-1)		 이윤(Profit, Won ha-1)***
1191/MT CO2 9,409/MT CO2 36,921/MT CO2
AD 429 0.16 191 1,501 5,907
CC 2,366 0.87 1,036 8,182 32,121
PC+1% Biochar 3,978 14.58 17,365 137,203 538,308
* AD; 호기 소화액(aerobic digestate), CC; 우분 퇴비(cow compost), PC; 돈분 퇴비 (pig compost).
** 1kg C=3.664 kg CO2-e
*** $1.00=1,191원=1 MT CO2
따라서, 본 발명의 펠렛 비료는 온실가스인 이산화탄소의 격리를 위해 사용이 가능함을 알 수 있었다.

Claims (9)

1) 바이오매스를 열분해하여 얻은 바이오차를 미세분말로 분쇄하는 단계;
2) 상기 바이오차에 가축분 퇴비를 혼합하여 바이오차 및 가축분 퇴비 혼합물을 제조하는 단계;
3) 상기 단계 2)의 바이오차 및 가축분 퇴비 혼합물에 물을 첨가하거나, 또는 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액을 첨가하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)의 혼합물을 펠렛(pellet) 형태로 제조하는 단계;를 포함하는, 바이오차 및 가축분 퇴비를 이용한 펠렛 형태의 비료 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 바이오매스는 왕겨, 볏짚, 보릿짚 또는 음식물 쓰레기인 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 1)에서 바이오차를 0.1 내지 2 mm의 미세분말로 분쇄하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 2)에서 바이오차:가축분 퇴비=9~1:1~9 중량비로 혼합하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 가축분 퇴비는 돈분 퇴비, 우분 퇴비 또는 계분 퇴비인 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 3)에서 물은 바이오차 및 가축분 퇴비 혼합물 100 중량부에 대하여 100 내지 1000 중량부를 첨가하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 3)에서 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액은 바이오차 및 가축분 퇴비 혼합물 100 중량부에 대하여 100 내지 1000 중량부를 첨가하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 3)에서 질소, 인산 및 칼륨을 모두 포함하는 용액을 사용하는 경우, 질소:인산:칼륨=0.8~1.25:0.1:0.3의 중량비인 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 4)의 펠렛은 1 내지 10 mm의 크기인 것인 방법.
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