KR102356184B1 - 자연친화형 무전원 유기물 고속발효장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명 측벽 및 투명 상부 덮개를 포함하는 발효조; 상기 발효조에 외부공기의 공급 통로를 형성하는 복수의 2중관 구조 수직배관; 및 상기 발효조에 외부공기의 공급 통로를 형성하도록 복수의 층에 구비된 수평배관;을 포함하며,
상기 2중관 구조의 수직배관은 발효조의 내부에 위치되며, 내관과 외주면에 발효조 내부에 대한 다수개의 분기공이 형성된 외관을 포함하며, 상기 수평배관은 양말단이 발효조 외부에 위치되도록 발효조를 관통하여 설치되며,
상기 2중관 구조의 수직배관 및 수평배관은 서로 교차 결합되며, 수평배관 중 제일 아래층에 구비된 수평배관은 상기 2중관 구조의 수직배관의 내관과 연통되며, 2층 이상에 구비된 수평배관은 상기 2중관 구조의 수직배관의 외관과 연통되며,
상기 복수의 층에 구비된 수평배관 중 발효조 내부에 위치되는 부분에는 아래 방향으로 형성된 다수개의 분기공이 구비되며, 상기 2중관 구조의 수직배관의 상단부에는 캡이 구비되며, 상기 캡은 수직배관의 내관을 통하여 공급된 공기를 수직배관의 외관과 상기 캡의 하부 외관 바깥 쪽으로 분배하는 무전원 유기물 고속발효장치 및 이를 이용한 유기물 고속발효방법을 제공한다.

Description

자연친화형 무전원 유기물 고속발효장치{Nature-friendly non-powered high-speed fermentation device for organic matters}
본 발명은 자연친화형 무전원 유기물 고속발효장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전원이 전혀 없는 상태에서도 호기발효를 원활히 할 수 있는 무전원 유기물 고속발효장치장치에 관한 것이다.
오늘날 세계는 급속한 산업화와 인구증가로 대량생산과 대량소비를 유발시키고 있고, 이로 인하여 자연생태계의 자정능력을 초과하는 유기성폐기물이 다량으로 발생하고 있다. 이들 유기성폐기물은 하수슬러지, 음식물쓰레기. 축산분뇨, 도축부산물, 농수산 및 임산폐기물 등으로 대부분 유기물 부하가 높아 환경에 막대한 악영향을 미치고 있는 실정이다.
이러한 심각성으로 세계 각국에서는 기존의 처리방식인 해양투기나 육상매립, 소각처리방식 등에서 벗어나 재활용에 중점을 둔 자원순환형 시스템 구축을 위해서 노력하고 있다. 이러한 자연환경보호를 위한 변화의 노력 가운데 유기성 폐기물을 이용한 가공식품, 가축사료, 농작물의 퇴비 등으로 재활용하는 다양한 형태의 기술개발과 연구가 시도되고 있다.
유기성 폐기물을 재활용하기 위해서는 미생물에 의하여 유기물을 안정된 물질로 발효하여 분해하는 소화공정이 필연적이다. 현재 혐기소화공정에 대한 기술개발은 정책차원에서 많이 이루어져 하수슬러지, 음식물쓰레기 등을 처리하는 대규모 사업장 중심으로 대체 에너지인 신재생 에너지를 확보해 나가는 가시적인 성과를 보이고 있다.
호기소화공정에 대한 기술개발 또한 많은 발전을 이루고 있으나, 상당한 규모의 설비와 자본이 요구되고 있어 영세한 농수축산업 종사자 입장에서 적용하기에는 한계가 있다. 이로 인하여 실제 유기성폐기물이 가장 많이 발생하고 있는 다수의 소규모 농수축산업 현장에서는 처리하지 못한 유기성 폐기물 등으로 악취유발 등 환경오염이 지속되고 있는 실정이다.
한국 특허등록공보 제10-1190186호(2012.10.05)의 '수직밀폐형 고속발효기'는 축산분뇨를 발효하여 유기질비료를 생산하는 수직밀폐형 고속발효기에 관한 것으로, 내부에 축산분뇨를 발효하기 위하여 교반기와 구동장치, 임펠러, 에어공급장치, 기계실 등을 구비하는 형태로 되어 있어 고가의 설비, 동력사용 등 과다한 유지관리비가 요구되는 단점이 있다.
한국 특허등록공보 제10-1801910호(2017.11.21)의 '밀폐순환형 고속유기물 발효장치'는 음식물 쓰레기, 가축분뇨 등의 발효물질을 교반, 발효시키고, 오염공기 정화, 일정온도의 정화공기 공급 등 유기물의 고속발효에 관한 것으로, 내부에 교반장치, 송풍기, 분진제거장치, 악취제거장치 등을 구비하는 형태로 되어 있어 이 또한 고가의 설비, 동력사용 등 과다한 유지 관리비가 요구되는 단점이 있다.
한국 특허등록공보 제10-1794611호(2017.11.01)의 '외부관리형 발효공기 공급장치가 적용된 2단구조의 직립교반 고속발효기'는 유기물의 발효를 위한 공기공급장치, 교반장치, 압축공기탱크 등을 구비하는 형태로 되어 있어, 이 또한 고가의 설비, 동력사용 등 과다한 유지관리비가 요구되는 단점이 있다.
이와 같이 유기성폐기물을 호기성 소화공정을 통하여 재활용하기 위한 종래기술의 대부분은 성능과 효과를 불문하고 영세한 사업장에서는 도입하기 어려운 고가의 설비와 과다한 유지관리비 등이 요구되는 단점을 갖는다.
또한, 재래방식으로는 유기성 폐기물을 미생물의 발효활동에 반드시 필요한 탄질율(C/N ratio), pH(수소이온농도), 수분함량 등 적합한 조건을 구비한 다음 자연환경에서 장기간 퇴적한 상태를 유지하거나, 빠른 호기발효를 위하여 공기유입을 위한 뒤집기를 반복하거나, 퇴비더미 속으로 다공성관을 매립하여 자연송풍을 유도하는 방식 등을 시도하고 있으나, 발효와 부숙완료까지는 최소 3~6개월의 기간을 필요로 하며, 악취발생 등 주변의 환경오염이 불가피한 단점이 있다.
그러므로, 유기성 폐기물의 호기소화공정을 위하여 교반기, 송풍기, 온풍기, 모터 등 전원을 필요로 하는 일체의 기계적시스템을 갖추지 않아도 호기발효에 필요한 공기의 원활한 공급과 발효가정에서 발생한 산화열을 보존하고 적정수분을 유지하면서 유기물을 고속으로 발효하고 건조할 수 있는 저비용 고효율구조의 장치와 방법이 절실히 요구되고 있다.
한국 특허등록공보 제10-1190186호(2012.10.05) 한국 특허등록공보 제10-1801910호(2017.11.21) 한국 특허등록공보 제10-1794611호(2017.11.01)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
축산분뇨 등 유기성폐기물을 누구나 용이하게 재활용할 수 있는 저비용 고효율의 가성비가 뛰어난 자연친화형 무전원 유기물 고속발효장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
투명 측벽 및 투명 상부 덮개를 포함하는 발효조;
상기 발효조에 외부공기의 공급 통로를 형성하는 복수의 2중관 구조 수직배관; 및
상기 발효조에 외부공기의 공급 통로를 형성하도록 복수의 층에 구비된 수평배관;을 포함하며,
상기 2중관 구조의 수직배관은 발효조의 내부에 위치되며, 내관과 외주면에 발효조 내부에 대한 다수개의 분기공이 형성된 외관을 포함하며, 상기 수평배관은 양말단이 발효조 외부에 위치되도록 발효조를 관통하여 설치되며,
상기 2중관 구조의 수직배관 및 수평배관은 서로 교차 결합되며, 수평배관 중 제일 아래층에 구비된 수평배관은 상기 2중관 구조의 수직배관의 내관과 연통되며, 2층 이상에 구비된 수평배관은 상기 2중관 구조의 수직배관의 외관과 연통되며,
상기 복수의 층에 구비된 수평배관 중 발효조 내부에 위치되는 부분에는 아래 방향으로 형성된 다수개의 분기공이 구비되며, 상기 2중관 구조의 수직배관의 상단부에는 캡이 구비되며, 상기 캡은 수직배관의 내관을 통하여 공급된 공기를 수직배관의 외관과 상기 캡의 하부 외관 바깥 쪽으로 분배하는 무전원 유기물 고속발효장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 투명 측벽 및 투명 상부 덮개는 제1층과 제3층의 투명패널 사이에 복수개의 양면 오목렌즈(bi-concave lens)가 구비된 제2층을 포함하는 3중 구조의 투명패널로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 각층의 수평배관은 격자 모양으로 배치되며, 수평배관들이 서로 교차되는 지점에 상기 2중관 구조의 수직배관이 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 2중관 구조의 수직배관 외관의 분기공 및 상기 수평배관의 분기공에는 발효물이 들어가지 않도록 통기관이 결합되며, 상기 통기관은 굴곡부를 포함하거나 포함하지 않은 형태를 가지며, 말단부가 발효조의 바닥을 향해 배향될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발효조의 투명 측벽 및 투명 상부 덮개는 탈부착이 가능한 조립형 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발효조의 바닥은 발효조가 위치되는 지면에 의해 형성되거나; 상기 상기 투명 측벽에 탈부착이 가능하며, 발효조에 투입되는 유기물의 하중을 지탱할 수 있는 소재로 형성된 패널로 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 2중관 구조의 수직배관 내관에는 외부 공기의 유입 속도를 향상시키기 위한 하나 이상의 벤츄리관 구조가 구비될 수 있다.
본 발명의 무전원 유기물 고속발효장치는 전원을 필요로 하는 일체의 기계적시스템을 구비하지 않음에도 불구하고, 유기물을 고속으로 효과적으로 발효처리하는 것을 가능하게 하므로, 유기성 폐기물을 가공식품, 가축사료, 농작물의 퇴비 등으로 재활용하는 분야에서 뛰어난 가성비 및 원가절감 효과를 제공한다.
또한, 유기성 폐기물의 처리 효율을 높임으로써, 유기성 폐기물의 자원화를 용이하게 하며, 환경오염을 감소시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 자연친화형 무(無)전원 유기물 고속발효장치의 전체를 도시한 3D 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 내부배관 전체를 도시한 3D 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 3중 구조 투명 측벽과 내부배관을 도시한 3D 정면도
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 3중 구조 투명 측벽과 내부배관을 도시한 3D 측면도
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 2중관 구조 수직배관의 외관 분기공 및 캡, 수평배관의 분기공을 상세하게 도시한 3D 평면도
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 수평배관과 2중관 구조 수직배관의 연결형태와 분기공을 상세하게 도시한 3D 정면도
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 3중 구조 투명 측벽과 수평배관이 연결된 2중구조 수직배관의 내관과 외관을 상세하게 도시한 3D 정면도
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 수평배관과 연결된 2중관 구조 수직배관의 내관, 외관 및 캡, 분기공 전체를 도시한 3D 정면투시도
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 2중구조 수직배관의 외관 분기공과 캡을 상세하게 도시한 3D 정면투시도
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 수평배관과 연결된 2중관 구조 수직배관의 내관과 외관, 분기공을 상세하게 도시한 3D 정면투시도
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따르는 고속발효장치의 3중 구조 투명 측벽을 상세하게 도시한 3D 정면도
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
아래 설명과 도면은 당업자가 설명되는 장치와 방법을 용이하게 실시할 수 있도록 특정 실시예를 예시한다. 다른 실시예는 구조적, 논리적으로 다른 변형을 포함할 수 있다. 개별 구성 요소와 기능은 명확히 요구되지 않는 한, 일반적으로 선택될 수 있으며, 과정의 순서는 변할 수 있다. 몇몇 실시예의 부분과 특징은 다른 실시예에 포함되거나 다른 실시예로 대체될 수 있다.
본 발명의 무전원 유기물 고속발효장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 투명 측벽(CW) 및 투명 상부 덮개(CW)를 포함하는 발효조(R);
상기 발효조(R)에 외부공기의 공급 통로를 형성하는 복수의 2중관 구조 수직배관(DP); 및 상기 발효조(R)에 외부공기의 공급 통로를 형성하도록 복수의 층에 구비된 수평배관(P);을 포함하며,
상기 2중관 구조의 수직배관(DP)은 발효조(R)의 내부에 위치되며, 내관(DPI)과 외주면에 발효조 내부에 대한 분기공(A1)이 형성된 외관(DPO)을 포함하며, 상기 수평배관(P)은 양말단이 발효조 외부에 위치되도록 발효조(R)를 관통하여 설치되며,
상기 2중관 구조의 수직배관(DP) 및 수평배관(P)은 서로 교차 결합되며, 수평배관(P) 중 제일 아래층에 구비된 수평배관은 상기 2중관 구조의 수직배관의 내관(DPI)과 연통되며, 2층 이상에 구비된 수평배관은 상기 2중관 구조의 수직배관의 외관(DPO)과 연통되며,
상기 2층 이상에 구비된 수평배관 중 발효조(R) 내부에 위치되는 부분에는 아래 방향으로 형성된 분기공(A2)이 구비되며, 상기 2중관 구조의 수직배관(DP)의 상단부에는 캡(C)이 구비되며, 상기 캡(C)은 수직배관(DP)의 내관(DPI)을 통하여 공급된 공기를 수직배관(DP)의 외관(DPO)과 상기 캡(C)의 하부 외관 바깥 쪽으로 분배하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 자연친화형 무전원 유기물 고속발효장치는 미생물의 발효활동에 반드시 필요한 탄질율(C/N ratio), pH(수소이온농도), 수분함량 등 호기발효에 적합한 조건을 갖춘 유기물을 고속으로 발효시켜서 원활하게 반출하는 것을 특징으로 한다. 특히, 동력장치가 없는 무전원 상태에서도 호기발효에 필요한 공기의 원활한 공급과 발효가정에서 발생한 산화열을 보존하고 적정수분을 유지하면서 유기물을 고속으로 발효시키고, 또한 발효가 완료되어가는 유기물을 고속으로 건조하고 반출할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 발효조(R)을 형성하는 투명 측벽(CW) 및 투명 상부 덮개는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1층과 제3층의 투명패널 사이에 복수개의 양면 오목렌즈(bi-concave lens)가 구비된 제2층을 포함하는 3중 구조의 투명패널로 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 투명 측벽 및 투명 상부 덮개는, 3중 구조로서 호기발효에서 발생하는 이산화탄소(CO2), 암모니아(NH3)가스 등의 악취물질을 먹이로 사용하여 증식하는 광합성균의 활성화를 위하여 에너지원으로서 투과되는 햇빛을 분산 및 산란할 수 있는 복수개의 양면 오목렌즈(bi-concave lens)를 내장한 중간층(제2층)을 포함한다. 또한, 중간층(제2층)을 포함한 외부층(제1층)과 내부층(제3층)은 모두 유기물 내부의 호기발효에서 발생하는 산화열과 수증기를 적절하게 유지하고 햇빛을 투과할 수 있는 내열성과 투명성을 겸비한 유리, 플라스틱, 아크릴, 비닐 에어 캡(air cap) 등 상용의 소재를 사용하여 제조될 수 있다.
상기 외부층(제1층)과 내부층(제3층)은 투명 패널 형태일 수 있으며, 상기 중간층(제2층)은 상기 투명 패널 사이에 위치될 수 있다. 또한, 상기 중간층(제2층)도 양면 오목렌즈(bi-concave lens)를 내장한 투명 패널 형태일 수 있다.
상기 발효조(R)을 형성하는 투명 측벽 및 투명 상부 덮개는 통상의 수단으로 현장 환경에 따라서 고정식으로 조립하여 발효조(R)를 형성하거나, 필요할 경우 탈부착이 가능한 조립형 구조로 발효조(R)를 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 발효조(R)의 바닥면은 지면을 그대로 사용할 수 있다. 또한, 상기 발효조(R)의 바닥면은 발효와 건조가 완료된 유기물을 바닥면의 아래로 간편하게 반출할 수 있게 하기 위하여, 최초 투입된 유기물의 하중을 지탱할 수 있는 철판, 스테인리스, 플라스틱 등 상용의 재질로 형성된 패널을 사용할 수도 있다. 이 때, 상기 패널은 탈부착이 가능한 조립형 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 각층의 수평배관(P)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 격자 모양으로 배치되며, 수평배관(P)들이 서로 교차되는 지점에 상기 2중관 구조의 수직배관(DP)이 결합될 수 있다.
상기 수평배관(P) 및 수직배관(DP)은 내열성의 플라스틱, 아크릴, 금속 등 상용의 재질로 제조될 수 있으나, 이들 소재로 한정되는 것은 아니고, 배관의 기능을 수행할 수 있는 소재라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 복수의 2중관 구조 수직배관(DP)의 외관(DPO)에는 내관(DPI)에서 상부로 유입되어 캡을 통하여 외관에 공급되는 외부공기를 유기물에 공급하는 복수의 분기공(A1)이 설치된다. 상기 분기공은 외관의 전방향으로 형성될 수 있다.
상기 2중관 구조의 수직배관(DP) 외관의 분기공(A1) 및 상기 수평배관(P)의 분기공(A2)에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 발효물이 들어가지 않도록 통기관이 결합되며, 상기 통기관은 굴곡부를 포함하거나 포함하지 않은 형태를 가지며, 말단부가 발효조의 바닥을 향해 배향될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기의 교차결합된 복수의 2중관 구조 수직배관(DP)과 복수의 수평배관(P)의 설치간격은 상하좌우 공통으로 30~200cm, 바람직하게는 80~120cm일 수 있다. 또한, 3중 구조의 투명 측벽(CW)과 배관의 설치간격은 15~100cm, 바람직하게는 40~60cm일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 복수의 2중관 구조 수직배관(DP)과 복수의 수평배관(P)의 직경은 동일하게 형성될 수 있으며, 예를 들어, 설치간격이 30~200cm일 경우, 직경은 2~40cm, 바람직하게는 3~20cm일 수 있다. 또한, 예를 들어, 배관의 설치간격이 50~180cm일 경우, 직경은 3~36cm, 바람직하게는 5~18cm일 수 있다. 또한, 예를 들어, 배관의 설치간격이 80~120cm인 경우, 직경은 5~24cm, 바람직하게는 8~12cm일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 복수의 2중관 구조 수직배관(DP)의 내관과 직접 연결된 제일 아래층 복수의 수평배관과 직상부층의 복수의 수평배관(P)의 설치간격은 상기 직상부층 복수의 수평배관에 아래방향으로 설치된 복수의 분기공에서 유기물로 공급되는 공기의 원활한 흐름을 감안하여 복수의 수평배관 직경의 0.5~7배, 바람직하게는 1~3배로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 복수의 2중관 구조 수직배관의 내관의 직경은 외관에 설치된 복수의 분기공에서 유기물로 공급되는 공기의 원활한 흐름을 감안하여 외관 직경의 0.1~0.9배, 바람직하게는 0.3~0.7배로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 2중관 구조 수직배관의 외관에 설치된 복수의 분기공과 수평배관에 설치된 복수의 분기공의 직경은 공통되게, 예를 들어, 배관의 직경이 3~20cm인 경우 0.1~4cm, 바람직하게는 0.3~2cm일 수 있다. 예를 들어, 배관의 직경이 5~18cm인 경우 0.3~3.6cm, 바람직하게는 0.5~1.8cm일 수 있다. 예를 들어, 배관의 직경이 8~12cm인 경우 0.6~2.4cm, 바람직하게는 0.8~1.2cm일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 분기공의 상호간 설치간격은, 예를 들어, 분기공의 직경이 0.3~2cm인 경우 0.5~30cm, 바람직하게는 1.5~10cm일 수 있다. 예를 들어, 분기공의 직경이 0.5~1.8cm인 경우 7.5~27cm, 바람직하게는 2.5~9cm일 수 있다. 예를 들어, 분기공의 직경이 0.8~1.2cm인 경우 12~24cm, 바람직하게는 4~6cm일 수 있다. 또한 퇴적하는 유기물로 분기공이 막히는 것을 최소화하기 위하여 모든 분기공에는 통기관이 결합되며, 상기 통기관은 굴곡부를 포함하거나 포함하지 않은 형태를 가지며, 말단부가 발효조의 바닥을 향해 배향될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 2중관 구조의 수직배관(DP)의 상단부에는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 캡(C)이 구비되며, 상기 캡(C)은 수직배관의 내관(DPI)을 통하여 공급된 공기를 수직배관의 외관(DPO)과 상기 캡의 하부 외관 바깥 쪽으로 분배하는 기능을 수행한다. 또한, 상기 캡은 발효조(R)에 퇴적되는 유기물의 유입을 막는 기능도 수행한다.
상기 캡(C)의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상부에서 하부방향으로 점차 직경이 넓어지는 형태가 바람직할 수 있다. 이러한 캡의 형태는 예를 들어, 속이 빈 반구형 형태일 수 있다. 이러한 형태의 캡은 발효조의 상부에서 공급되는 유기물이 캡의 경사진 표면을 통하여 자연스럽게 흘러내리게 한다.
또한, 상기 캡(C)의 하단부는, 도 9에 도시된 바와 같이, 2중관 구조의 수직배관(DP) 외관(DPO)의 직경보다 더 큰 직경을 가짐으로써, 2중관 구조의 수직배관 내관(DPI)을 통해 유입된 외부공기가 캡(C)과 외관(DPO) 사이에 형성된 공간을 통해 자연스럽게 상부 유기물 부분으로 공급되게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 2중관 구조의 수직배관(DP) 내관(DPI)에는, 도 10에 도시된 바와 같이, 외부 공기의 유입 속도를 향상시키기 위한 하나 이상의 벤츄리관 구조가 구비될 수 있다. 또한, 상기 2중관 구조의 수직배관(DP)의 내관은 호기발효의 산화열로 고온이 유지되는 최상층부까지 연돌효과(stack effect)로 수직 상승기류가 형성되도록 외벽에는 분기공이 없는 밀폐된 구조로 형성된다. 또한, 상기 내관의 내부에는 하나 이상의 벤츄리관 구조가 구비될 수 있다.
본 발명의 무전원 유기물 고속발효장치의 발효조(R)에서 실시되는 호기발효는 산화열을 발생시키며, 호기발효가 최성기에 이르게 되면 발효조(R) 내부의 온도가 60~75℃까지 상승된다. 이와 같이 발효조(R)에 수용된 유기물의 산화열로 상부의 공기는 고온이 형성되므로, 발효조(R)의 수직배관의 내관(DP1)은 상부의 공기와 하부에서 유입되는 외부공기 사이에 온도차이가 발생된다. 따라서, 이러한 온도차이에 의해, 도 8에 도시된 바와 같이, 제일 아래층의 수평배관(P)을 통해 외부공기가 자연적으로 유입되며, 이렇게 유입된 외부공기는 2중관 구조의 수직배관(DP)의 내관(DPI)을 타고, 상승하면서 상승기류를 형성한다. 이러한 상승기류는 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 2중 구조의 상부 말단에 설치된 캡(C)에 의해 막히면서, 아래 쪽으로 방향을 틀어 2중관 구조의 수직배관 외관(DPO)을 따라 하부로 흐르게 된다. 또한, 상기 상승기류의 일부는 상기 캡(C)과 수직배관의 외관(DPO) 사이에 형성되는 분기공을 통해 발효조에 수용된 유기물에 고르게 공급될 수 있다.
구체적으로, 호기발효가 진행되면서 발생한 산화열로 발효조(R) 내부의 공기의 온도가 상승하면서 수직배관의 내관(DP1)을 통하여 유입되는 외부공기와 온도차이가 형성된다. 이때, 연돌효과(stack effect) 등으로 상온 15~25℃수준인 외부공기가 2중 구조 수직배관의 내관을 통하여 60~75℃의 고온이 유지되는 최상층부로 빠르게 상승기류를 형성하게 된다. 또한, 상기 내관에 형성된 벤츄리관(venturi tube)은 이러한 상승기류의 흐름을 가속시켜 공기의 유입을 촉진한다.
본 발명의 무동력 고속발효장치에서 동력장치가 없는 무(無)전원 상태는, 교반기, 송풍기, 온풍기, 모터 등 전원을 필요로 하는 일체의 기계적시스템을 갖추지 않은 상태를 의미한다. 이와 같이, 본 발명의 무동력 고속발효장치 무전원 상태임에도 불구하고, 호기(好氣)발효에 필요한 공기의 원활한 공급이 가능하며, 발효가정에서 발생한 산화열을 보존하고 적정수분을 유지하면서 유기물을 고속으로 발효시키고, 또한 발효가 완료되어가는 유기물을 고속으로 건조하고 반출하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 다음의 유기물의 고속발효방법을 제공한다:
(a) 탄질율(C/N ratio), pH, 및 수분함량에 있어서 호기발효에 적합한 조건을 구비한 유기물을 준비하는 유기물 전처리 단계;
(b) 상기 전처리가 완료된 유기물을 본 발명의 무전원 유기물 고속발효장치의 발효조에 투입하는 단계;
(c) 상기 무전원 유기물 고속발효장치의 투명 측벽 및 투명 상부 덮개에 의해 공급되는 햇볕, 및 수직배관 및 수평배관에 의한 자연적 공기 순환에 의해 공급되는 산소에 의해 유기물을 발효시키는 단계; 및
(d) 상기 발효가 완료된 유기물을 무전원 유기물 고속발효장치를 해체하거나, 바닥면을 개방하여 발효조 밖으로 배출하는 단계;를 포함하는 특징을 갖는다.
상기 (a) 전처리단계에서 탄질율(C/N ratio)은, 전 질소(N)에 대한 유기탄소(C)의 비율을 의미하며, 미생물은 발효활동에 있어서 탄소(C)를 에너지원으로, 질소(N)를 영양원으로 사용한다. 미생물의 발효활동에 가장 좋은 유기물의 탄질율은 20~25이고 미생물체의 평균 탄질율은 8~12 정도이며, 호기발효 및 분해활동이 완료된 유기물의 평균 탄질율은 미생물체의 평균 탄질율과 같은 8~12 정도가 된다. 따라서 호기발효에 적합한 탄질율로 유기물을 배합하는 것은 고속발효를 위해서 가장 중요한 전처리과정이기도 하다.
상기 (a) 전처리단계에서 미생물의 발효활동에 적합한 pH 범위는 5.5~8.5이다. 일반적으로 호기발효 초기에는 약산성을 유지하다가 충분한 산소가 공급으로 발효가 활발히 진행되면서 유기물의 질소성분 중에 암모니아(NH3) 가스가 발생하면서 암모늄이온(NH4 +)이 잔존하여 약 알칼리성을 띠게 된다. 또한 유기물의 탄질율이 적정수준보다 높을 경우 질소부족으로 혐기발효가 일어나 유기산의 생성 등으로 pH가 약산성을 유지할 수도 있다. 따라서 유기물의 호기발효에 따른 pH 변화는 유기물의 호기발효에 적합한 탄질율과 산소공급이 제대로 되고 있는지 지표로 사용할 수 있다.
상기 (a) 전처리단계에서 미생물이 호기발효를 활발히 하기 위해서는 유기물의 수분 함량은 대단히 중요하다. 유기물 중에 수분함량이 30% 미만일 경우에는 유동성 부족으로 미생물의 활동이 저조해지고 수분함량이 70% 이상일 경우에도 공기의 통기성을 저하시켜 활동이 저조해진다. 따라서 유기물의 수분함량은 55~65%가 되어야 최적의 상태에서 미생물의 활동이 극대화된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 (b)단계에서 토양미생물배양액이 유기물 100 중량부를 기준으로 1 내지 10 중량부로 더 투입될 수 있다.
상기 유기물의 고속발효방법에서 발효가정에 참여하는 광합성균은, 태양에너지를 받아 광합성작용을 하여 탄수화물을 만들어 스스로 살아가는 균으로 자연환경에서 폭 넓게 존재하는 미생물 중의 하나로써 동식물의 먹이 사슬에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 또한 호기조건과 혐기조건에서도 성장이 가능하며 이산화탄소(CO2), 암모니아(NH3)가스 등 악취물질을 먹이로 사용하여 증식하기 때문에 유기물의 발효가정에서 발생하는 악취제거에 탁월한 효과를 보이는 등 미생물의 생육환경을 정화하는 생리적인 기능을 가진다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
실시예.
본 발명의 실시예에서 제시한 자연친화형 무전원 유기물 고속발효장치 및 그 방법에 대한 실용성과 효과 등을 실증하기 위하여 축산업 현장에서 발생하는 유기성폐기물을 기초로 미생물의 발효활동에 필요한 탄질율(C/N ratio), pH(수소이온농도), 수분함량 등 적합한 조건을 구비한 유기물을 준비하였다.
전처리한 유기물을 발효조에 투입한 후, 호기발효 전과정에서 실시간 상용의 방법으로 표준시료를 채취하여 색깔, 냄새, 수분함량 등 관능검사와 더불어 C/N ratio, pH, 온도 등 검사를 병행하여 실시하였다. 여기서 호기발효 전과정의 관능검사 및 C/N ratio, pH, 온도 등 실시간 검사의 결과 값은 발효조 내부의 상하좌우 가장자리 4개 지점과 심부 1개지점 등 5개지점의 평균값으로 산정하였다.
또한, 부숙완료 상태를 검증하고자 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률에서 정한 판정기준에 따라 국제적으로 공용하는 기계식 측정법 2가지 모두를 적용하여 호기발효 전과정에서 부숙도측정을 하였다. 여기서 부숙도 측정을 위한 표준시료는 발효조 내부의 상하좌우 가장자리 4점과 심부 1점 등 5개 지점에서 각 200g을 채취한 총 1000g을 고르게 혼합한 후 돌, 비닐 등 이물질을 제거하고 최종적으로 200g을 부숙도 측정용으로 사용하였다.
실험은 아래 2가지 유형으로 실시하였다.
<실험 1>
1. 전처리로 유기성 폐기물로서 돈분을 사용하고, 수분조절과 탄소(C) 보강을 위한 건조 톱밥과, 질소(N) 보강을 위한 아미노산 농축액을 첨가재로 하여, 이들을 적절한 비율로 혼합하여 아래의 표 1과 같이 C/N ratio, pH, 수분함량 등 호기발효에 가장 적합한 조건을 충족시켰다.
Figure 112021058189187-pat00001
2. 상기 전처리한 돈분의 호기발효 전 과정을 1~7일차에 걸쳐 관능검사와 C/N ratio, pH, 온도 등 부숙도를 추정할 수 있는 검사를 실시한 결과는 아래의 표 2와 같았다.
Figure 112021058189187-pat00002
3. 상기의 호기발효 전과정에서 부숙 진행상태를 검증하고자 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률에서 정한 판정기준에 따라 국제적으로 공용하는 기계식 측정법 2가지 모두를 적용한 부숙도측정결과는 아래의 표 3과 같았다.
Figure 112021058189187-pat00003
상기 실험 1은 호기발효 2일차(48시간 경과)부터 암모니아(NH3)가스 등 냄새는 거의 없었고, 4일차(96시간 경과)에는 내부온도가 최고점을 지나 하락하는 것을(3일차 78℃→4일차 74℃) 확인하고 상부를 개방하여 건조진행을 하였고, 4일차(96시간 경과)부터 부숙이 거의 끝나가는 부숙후기 상태임을 확인할 수 있었다.
<실험 2>
1. 전처리로 실험 1에서 구비한 충족조건에서 미생물활성촉진을 위하여 토양미생물을 상용의 방법으로 배양한 토양미생물배양액 2중량%를 더 첨가하고 C/N ratio, pH, 수분함량 등을 상기 실험 1과 동일하게 조절하였다.
2. 상기의 전처리한 돈분의 호기발효의 전과정을 1~7일차에 걸쳐 관능검사와 C/N ratio, pH, 온도 등 부숙도를 추 정할 수 있는 검사를 실시한 결과는 아래의 표 4와 같았다.
Figure 112021058189187-pat00004
3. 상기의 호기발효 전과정에서 부숙 진행상태를 검증하고자 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률에서 정한 판정 기준에 따라 국제적으로 공용하는 기계식 측정법 2가지 모두를 적용한 부숙도측정결과는 아래의 표 5와 같았다.
Figure 112021058189187-pat00005
상기 실험 2는 실험 1 조건에 호기발효 촉진을 위하여 토양미생물배양액 2%를 첨가한 것으로 호기발효 1일차(24시간 경과)부터 암모니아(NH3)가스 등 냄새는 거의 없었고, 3일차(72시간 경과)에는 내부온도가 최고점을 지나 하락하는 것을(2일차 79℃→3일차 76℃) 확인하고 상부를 개방하여 건조진행을 하였고, 3일차(72시간 경과)부터 부숙이 거의 끝나가는 부숙후기 상태임을 확인할 수 있었다.
R: 발효조, P: 수평배관
DP: 2중관 구조 수직배관
DPI: 2중 구조 수직배관의 내관
DPO: 2중 구조 수직배관의 외관
DPIV: 2중 구조 수직배관 내관의 벤츄리관(Venturi tube)
C: 2중관 구조 수직배관의 캡(cap)
A1: 2중관 구조 수직배관 외관의 분기공
A2: 수평배관의 분기공
CW1: 3중 구조 투명 측벽 또는 투명 상부 덮개의 외부층(제1층)
CW2: 3중 구조 투명 측벽의 또는 투명 상부 덮개의 중간층(제2층 양면 오목렌즈(Double-concave lens) 포함)
CW3: 3 중구조 투명 측벽의 또는 투명 상부 덮개의 내부층(제3층)

Claims (7)

  1. 투명 측벽 및 투명 상부 덮개를 포함하는 발효조;
    상기 발효조에 외부공기의 공급 통로를 형성하는 복수의 2중관 구조 수직배관; 및
    상기 발효조에 외부공기의 공급 통로를 형성하도록 복수의 층에 구비된 수평배관;을 포함하며,
    상기 2중관 구조의 수직배관은 발효조의 내부에 위치되며, 내관과 외주면에 발효조 내부에 대한 다수개의 분기공이 형성된 외관을 포함하며, 상기 수평배관은 양말단이 발효조 외부에 위치되도록 발효조를 관통하여 설치되며,
    상기 2중관 구조의 수직배관 및 수평배관은 서로 교차 결합되며, 수평배관 중 제일 아래층에 구비된 수평배관은 상기 2중관 구조의 수직배관의 내관과 연통되며, 2층 이상에 구비된 수평배관은 상기 2중관 구조의 수직배관의 외관과 연통되며,
    상기 복수의 층에 구비된 수평배관 중 발효조 내부에 위치되는 부분에는 아래 방향으로 형성된 다수개의 분기공이 구비되며, 상기 2중관 구조의 수직배관의 상단부에는 캡이 구비되며, 상기 캡은 수직배관의 내관을 통하여 공급된 공기를 수직배관의 외관과 상기 캡의 하부 외관 바깥 쪽으로 분배하는 무전원 유기물 고속발효장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 측벽 및 투명 상부 덮개는 제1층과 제3층의 투명패널 사이에 복수개의 양면 오목렌즈(bi-concave lens)가 구비된 제2층을 포함하는 3중 구조의 투명패널로 형성된 것을 특징으로 하는 무전원 유기물 고속발효장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각층의 수평배관은 격자 모양으로 배치되며, 수평배관들이 서로 교차되는 지점에 상기 2중관 구조의 수직배관이 결합된 것을 특징으로 하는 무전원 유기물 고속발효장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2중관 구조의 수직배관 외관의 분기공 및 상기 수평배관의 분기공에는 발효물이 들어가지 않도록 통기관이 결합되며, 상기 통기관은 굴곡부를 포함하거나 포함하지 않은 형태를 가지며, 말단부가 발효조의 바닥을 향해 배향되는 것을 특징으로 하는 무전원 유기물 고속발효장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발효조의 투명 측벽 및 투명 상부 덮개는 탈부착이 가능한 조립형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 무전원 유기물 고속발효장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발효조의 바닥은 발효조가 위치되는 지면에 의해 형성되거나; 상기 상기 투명 측벽에 탈부착이 가능하며, 발효조에 투입되는 유기물의 하중을 지탱할 수 있는 소재로 형성된 패널로 형성된 것을 특징으로 하는 무전원 유기물 고속발효장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2중관 구조의 수직배관 내관에는 외부 공기의 유입 속도를 향상시키기 위한 하나 이상의 벤츄리관 구조가 구비된 것을 특징으로 하는 무전원 유기물 고속발효장치.


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