KR102398878B1 - 가축분뇨 악취 저감을 위한 커피박의 활용 - Google Patents

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경상북도(보건환경연구원장)
경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 가축분뇨 악취 저감을 위한 커피박의 활용에 관한 것으로, 보다 구체적으로 커피박을 미생물 발효한 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법 및 이로부터 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물, 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 축사 악취 저감 방법 및 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 커피박을 미생물 발효하여 가축분뇨에 다량 포함되어 악취를 풍기는 황화합물, 질소화합물, 탄화수소화합물 등을 저감할 수 있는 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 제조함으로써 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 축사나 가축분뇨 퇴비화 시설에서 발생하는 가축분뇨의 악취를 효과적으로 저감 또는 제거하는데 활용할 수 있다.

Description

가축분뇨 악취 저감을 위한 커피박의 활용{Use of coffee grounds to reduce the odor of livestock manure}
본 발명은 가축분뇨 악취 저감을 위한 커피박의 활용에 관한 것으로, 보다 구체적으로 커피박을 미생물 발효한 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법 및 이로부터 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물, 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 축사 악취 저감 방법 및 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법에 관한 것이다.
가축분뇨는 통상적으로 가축이 배설하는 분뇨뿐만 아니라 사료, 깔짚, 물 등을 포함하며, 분뇨에 포함되거나 공기 또는 축사에서 유래된 미생물도 존재하게 된다. 가축분뇨에 포함된 유기물은 미생물에 의해 분해되어 다양한 가스와 휘발성 물질을 발생하는데, 이러한 물질들은 악취를 수반하며 사육자와 가축의 눈, 피부, 점막, 호흡기 등을 자극하고, 가축의 생산성까지 저하시킨다.
국내에서는 육류 소비량과 함께 집약적 축산이 늘어나면서 가축분뇨의 배출량 또한 날로 증가하고 있다. 축사에서는 냄새 유발 물질을 제거하기 위해 사료 또는 깔짚의 종류를 바꾸거나 깔짚 사용량을 늘리기도 하며 수시로 분뇨를 제거해주지만, 비용 및 노동력이 많이 소요되며 노력에 비해 악취 저감 효율이 높지 않다. 그리고 자원 재순환을 위해 가축분뇨를 퇴비화하는 과정에서도 심한 악취가 발생하는데, 악취 저감을 위해 산제, 수분조절제, 미생물 제제 등을 사용하지만 그 효과가 크지 않다.
이러한 가축분뇨의 악취 제거를 목적으로 화합물 또는 미생물을 이용한 악취 제거제 또는 악취 저감 장치 등 악취 제거와 관련된 기술들이 활발하게 연구 및 개발되고 있다. 대한민국 등록특허 제10-2186233호는 악취 성분인 암모니아나 메르갑토메탄올을 감소시키는 미생물을 사용한 축산 분뇨 악취 제거용 조성물을 개시하며, 대한민국 등록특허 제10-1696067호는 꾸지뽕 추출물, 방아풀 추출물, 산초 추출물 등을 포함하는 축산분뇨 악취 제거용 조성물을 개시하고 있다. 하지만 미생물 또는 식물 추출물을 단독으로 사용하는 것만으로는 악취 저감 효과가 크지 않으며, 식물 추출물로부터 냄새 원인 물질을 제거하는 유용 성분을 고효율로 추출하기 위해서는 많은 비용과 노력이 필요하다. 따라서 가축분뇨의 악취를 제거하기 위해서는 여전히 연구가 필요한 실정이다.
한편, 커피는 커피나무로부터 수확한 커피열매 (생두)를 건조시키고 볶은 후 분말로 가공하여 고온고압으로 추출한 추출액으로, 커피를 만들고 남은 찌꺼기를 커피박(coffee grounds)이라고 하며, 커피의 약 99.8%가 커피박으로 버려진다. 커피박은 조섬유 46.6 ~ 51.0%, 조단백 10.2 ~ 13.0%, 조지방 22.5 ~ 28.3%, 회분 0.7 ~ 0.8%, 가용성 무질소물 14.3 ~ 16.8%, 무기질 (Ca, P, Mg, Na, K) 0.14 ~ 0.27% 및 미량원소 (Zn, Cu, Mn) 0.006 ~ 0.007%로 구성되어 다량의 유기물을 포함하기 때문에 연료나 사료 또는 비료 첨가물 등으로 사용되기도 하며, 커피박의 제습 및 탈취 기능을 이용하여 고형 흡습제 또는 탈취제로도 활용하려는 시도가 있었다. 그러나 커피박은 전 세계적으로 연간 6백만 톤 이상 발생하며 그 양이 많고 처리 방안이 부족하여 대부분 일반쓰레기로 버려진다. 따라서 커피박을 자원화하기 위해서는 보다 다양한 활용 방안이 마련되어야 한다.
대한민국 등록특허공보 제10-2249916호 대한민국 등록특허공보 제10-2197445호 대한민국 등록특허공보 제10-2169920호
본 발명은 커피박을 미생물 발효한 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 이용한 축사 악취 저감 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 이용한 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
커피박은 커피를 액상으로 추출하고 남은 모든 부산물을 의미하며, 다량의 유기물을 함유하며 제습 및 탈취 기능이 있다. 대부분의 커피박은 일반쓰레기로 배출되어 매립되거나 소각되는데 이때 지구온난화 가스로 알려진 메탄과 이산화탄소가 다량 발생하여 문제가 되고 있다. 이에, 본 발명자들은 폐기물로 버려지는 커피박을 활용하여 가축분뇨의 냄새 유발 물질에 대해 분해능을 가지는 미생물이 잘 자랄 수 있는 환경을 제공할 뿐만 아니라 냄새 유발 물질을 흡착하여 가축분뇨의 악취를 저감하는 것을 목적으로 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일 양상은 a) 커피박에 커피박 500 kg당 미생물 접종액 1 내지 10 L를 접종하여 커피박 혼합물을 제조하는 단계; 및 b) 상기 커피박 혼합물을 10 내지 100일간 발효하여 커피박 발효물을 수득하는 단계를 포함하는 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법을 제공한다.
상기 a) 단계는 커피박과 미생물을 혼합하여 커피박 혼합물을 제조하는 과정이다.
상기 커피박은 커피 가공공장이나 커피 전문점에서 배출된 것일 수 있으며, 미생물 배양에 필요한 유용 물질의 손실을 방지하기 위해 커피박을 별도로 가공하지 않고 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 a) 단계의 커피박은 함수율이 40 내지 70%인 것일 수 있다.
상기 커피박의 함수율이 40% 미만일 경우에는 수분 부족으로 인해 미생물 성장 및 증식이 정체되어 발효가 지연될 수 있으며, 함수율이 70%를 초과할 경우에는 유용 미생물 외 곰팡이 번식이 늘어 오히려 부패할 수 있다. 본 발명에서는 커피박의 효과적인 미생물 발효를 위해 함수율이 40 내지 70%, 45 내지 65%, 또는 50 내지 60%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 a) 단계의 커피박은 유기물 함량이 40 내지 70%인 것일 수 있다.
상기 커피박의 유기물 함량이 40% 미만일 경우에는 미생물의 에너지원이 부족하여 미생물의 증식 및 발효가 지연될 수 있으며, 유기물 함량이 70%를 초과할 경우에는 미생물 성장이 급격하게 증가하여 발효를 제어하기 어려울 수 있다. 본 발명에서는 커피박의 효과적인 미생물 발효를 위해 유기물 함량이 40 내지 70%, 45 내지 65%, 또는 50 내지 60%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용된 "미생물 접종액"은 1종 이상의 미생물을 단독으로 또는 혼합된 상태로 배양하여 얻어지는 배양액, 배양액의 희석액이나 농축액, 배양액을 건조하여 얻어지는 건조물, 배양액의 조정제물이나 정제물, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 a) 단계의 미생물 접종액은 미생물 배양액을 용제로 10 내지 200배 희석한 것일 수 있다.
상기 용제는 미생물 또는 미생물 배양액의 농도를 조절하기 위해 첨가되는 비활성 물질로서 당업계에서 공지된 용제 또는 희석제라면 종류에 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 물, 헥산, 클로로포름, 아세톤, 에틸아세테이트, 알코올, 덱스트로스, 이소파라핀, 물 및 글리세롤로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다. 이때, 상기 용제는 미생물의 활성에 영향을 미치지 않도록 물인 것이 바람직하다.
상기 미생물 배양액의 희석배수가 10배 미만일 경우에는 커피박에 고농도의 미생물이 접종되어 커피박의 미생물 발효를 제어하기 어려울 수 있고, 미생물 배양액의 희석배수가 200배를 초과할 경우에는 접종 미생물 농도가 낮아 발효가 원활하게 일어나지 않으며 미생물 발효를 위한 적정 미생물 농도를 맞추기 위해 다량의 미생물 접종액이 처리되어 커피박 또는 커피박 혼합물의 함수율이 지나치게 높아져 오히려 부패할 수 있다. 본 발명에서는 커피박 혼합물의 발효 효율을 고려하여 미생물 배양액의 희석배수가 10 내지 200배, 50 내지 200배, 100 내지 200배, 10 내지 150배, 50 내지 150배, 또는 100 내지 200배일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 미생물 접종액은 1X104 내지 1X109 cfu/g을 포함하는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 미생물 접종액은 1종 이상의 미생물을 포함하는 총 균수로서 1X104 내지 1X109 cfu/g, 1X105 내지 1X108 cfu/g, 또는 1X106 내지 1X107 cfu/g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 미생물 접종액은 가축분뇨의 냄새 유발 물질에 대해 분해능을 가지며, 혐기 조건에서도 생존 및 증식이 가능한 미생물을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 미생물 접종액은 고초균, 광합성균 및 효모균으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 고초균(Bacillus subtilis)은 그람 양성균이며 공기 중에 산소가 없어도 생장 가능한 균으로, Bacillus subtilis subsp. Inaquosorum, Bacillus subtilis subsp. Spizizenii, Bacillus subtilis subsp. Subtilis과 같은 3개의 아종(subspecies)을 포함한다.
상기 광합성균(photosynthetic bacterium)은 빛 에너지를 이용하여 무기물로부터 생육에 필요한 영양분을 합성할 수 있는 균으로, 주로 오염된 하천의 토양에서 황화수소, 암모니아 등의 악취 물질을 먹이로 하여 질소화합물 등의 유용 물질을 합성한다. 광합성균의 일례로는 Synechococcus elongates, Microcystis aeruginosis, Nostoc punctiforme, Anabaena variabilis, Arthrospira platensis 등을 포함하는 시아노박테리아(Cyanobacteria); Rhodobacter sphaeroides, Rhodobacter capsulatus, Chromatium okenii, Rhodopseudomonas palustris, Alorhodospira halophile 등을 포함하는 프로테오박테리아(Proteobacteria); Chlorobium tepidum, Chlorobium phaeovibrioides, Pelodictyon phaeoclathhratiforme, Chlorobium phaeobacteroides 등을 포함하는 클로비(Chlorobi); Heliobacterium mobilis, Heliobacterium modesticaldum 등을 포함하는 헬리오박테리아(Heliobacteria) 등이 있다.
상기 효모균(Yeast)은 곰팡이나 버섯과 달리 균사가 없고 광합성능 및 운동성을 가지지 않는 단세포의 진핵생물을 의미하며, 주로 병원성이 없어 빵, 맥주, 포도주 등을 만드는데 사용된다. 효모의 일례로는 Asperigillus niger, Candida albicans, Candida apicola, Candida parapsilosis, Candida pseudointermedia, Clavispora lusitaniae, Cryptococcus liquefaciens, Debaryomyces hansenii, Debaryomyces hansenii var. fabryii, Dekkera anomala, Dekkera bruxellensis, Kazachstania exigua, Meyerozyma guilliermondii, Pichia membranifaciens, Rhizomucor pusillus, Rhizopus oryzae, Rhodotorula mucilaginosa, Saccharomyces bayanus, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Torulaspora delbrueckii, Torulaspora microellipsoides, Wickerhamomyces anomalus, Yarrowia lipolytica, Zygosaccharomyces bailii, Zygosaccharomyces bisporus, Zygosaccharomyces lentus, Zygosaccharomyces mellis, Zygosaccharomyces rouxii, Zygotorulaspora florentina 등이 있다.
본 발명에서는 냄새 유발 물질 제거 및 발효 효율을 높이기 위해 2종 이상 또는 3종의 균을 혼합한 미생물 접종액을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 미생물 접종액은 고초균 : 광합성균 : 효모균 = 1 : 0.1 내지 10 : 0.1 내지 10의 비율로 혼합된 것일 수 있다.
여기서 비율은 중량비 또는 부피비일 수 있으며, 실시 방법에 따라 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 미생물의 혼합 비율은 고초균 : 광합성균 : 효모균 = 1 : 0.1 내지 10 : 0.1 내지 10, 1 : 0.1 내지 10 : 0.5 내지 5, 1 : 0.5 내지 5 : 0.1 내지 10, 1 : 0.5 내지 5 : 0.5 내지 5, 또는 1 : 1 : 1의 비율일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 고초균, 광합성균으로서 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides) 및 효모균으로서 사카로마이세스 세레비시애(Saccharomyces cerevisiae)를 모두 포함한 미생물 접종액을 사용하였다.
이러한 커피박과 미생물 접종액이 혼합된 커피박 혼합물을 제조하기 위해, 커피박에 커피박 500 kg당 미생물 접종액 1 내지 10 L를 접종할 수 있다.
상기 미생물 접종액의 접종량이 1 L 미만일 경우에는 미생물의 생육 환경에서 습도가 부족하게 되며 접종 미생물 수가 적고 커피박과 미생물이 균일하게 혼합되지 않아 발효가 지연될 수 있으며, 접종량이 10 L를 초과할 경우에는 고농도의 미생물이 처리되어 커피박의 미생물 발효를 제어하기 어렵고 수분량이 증가하여 오히려 부패될 수 있다. 본 발명에서는 커피박의 미생물 발효가 원활하게 진행될 수 있도록 커피박 500 kg당 1 내지 10 L, 2 내지 8 L, 또는 4 내지 6 L의 미생물 접종액을 접종하는 것이 바람직하다.
상기 b) 단계는 커피박 혼합물을 발효하여 커피박 발효물을 수득하는 과정이다.
상기 커피박 혼합물은 미생물 증식을 위해 최소 10일 이상 발효가 필요하며, 발효 기간은 발효 정도에 따라 조절될 수 있으며, 예를 들면, 10 내지 100일, 10 내지 90일, 10 내지 80, 10 내지 70, 10 내지 60, 또는 10 내지 50일일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 b) 단계는 커피박 혼합물을 실온의 공기 흐름이 차단된 상태에서 10 내지 50일간 발효하여 커피박 혼합물의 내부 온도가 50℃이상인 것일 수 있다.
상기 커피박 혼합물에서는 혐기 조건에서도 생장 가능한 미생물이 커피박의 유기물을 에너지원으로 사용하여 생장 및 증식한다. 이때 미생물의 호흡을 통해 열에너지가 발생되어 커피박 혼합물의 내부 온도가 50℃ 이상, 최대 70℃까지 상승하며, 이로 인해 커피박에 존재하는 곰팡이, 병원성 세균, 기생충 등의 유해균을 별도의 처리 없이 사멸시킬 수 있다.
상기 커피박 혼합물의 발효 기간이 10일 미만일 경우에는 미생물이 충분히 증식되지 않아 커피박 혼합물의 내부 온도가 50℃에 미치지 못하여 유해균 사멸 효과를 기대할 수 없으며, 발효 기간이 50일을 초과할 경우에는 커피박 내 유기물이 부족하여 미생물 성장이 지연되거나 더 이상 발효가 되지 않고 오히려 부패될 수 있다. 본 발명에서는 커피박 혼합물 내 유해균 사멸 및 유용 미생물 증식을 위해 커피박 혼합물을 10 내지 50일, 12 내지 45일, 또는 14 내지 40일간 발효하는 것이 바람직하다.
상기 커피박 발효물을 발효하는 동안, 부족한 수분 및 미생물을 공급하기 위해 미생물 접종액을 1회 이상 반복 접종할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 b) 단계에서 커피박 혼합물을 발효하는 동안, 주 1회 간격으로 커피박 혼합물 500 kg당 미생물 접종액 1 내지 10 L를 접종하는 것일 수 있다.
상기 미생물 접종액의 추가 접종량이 1 L 미만일 경우에는 미생물의 생육 환경에서 습도가 부족하게 되며 접종 미생물 수가 적고 커피박과 미생물이 균일하게 혼합되지 않아 발효가 지연될 수 있으며, 추가 접종량이 10 L를 초과할 경우에는 고농도의 미생물이 처리되어 커피박의 미생물 발효를 제어하기 어렵고 수분량이 증가하여 오히려 부패될 수 있다. 본 발명에서는 커피박 혼합물 내 발효가 원활하게 진행될 수 있도록 커피박 500 kg당 1 내지 10 L, 2 내지 8 L, 또는 4 내지 6 L의 미생물 접종액을 추가 접종하는 것이 바람직하다.
상기 추가된 미생물 접종액은 초기 접종 미생물 접종액과 조성이 동일하거나 상이할 수 있으며, 실시 방법에 따라 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 커피박 혼합물의 발효가 완료되면, 커피박에 초기 접종된 미생물 수에 비해 수배 ~ 수천배 증가한 미생물을 포함하는 커피박 발효물을 수득할 수 있다.
상기 커피박 발효물은 미생물의 지속적인 호흡을 통해 내부 온도가 50℃ 이상 유지될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 b) 단계의 커피박 발효물은 발효가 완료되면 내부 온도가 55 내지 65℃로 유지되는 것일 수 있다.
상기 커피박 발효물은 사용 전까지 실온 (1 내지 35℃)에서 최대 1개월까지 보관할 수 있으며, 보관 중 손실되는 미생물 및 수분을 보충하기 위해 미생물 접종액을 1회 이상 반복 접종할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 b) 단계 이후, 상기 b) 단계의 커피박 발효물을 실온에서 보관하며 주 1회 간격으로 커피박 발효물 500 kg당 미생물 접종액 1 내지 10 L를 접종하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 미생물 접종액의 추가 접종량이 1 L 미만일 경우에는 미생물의 생육 환경에서 습도가 부족하게 되며 접종 미생물 수가 적고 커피박과 미생물이 균일하게 혼합되지 않아 발효가 지연될 수 있으며, 추가 접종량이 10 L를 초과할 경우에는 고농도의 미생물이 처리되어 커피박의 미생물 발효를 제어하기 어렵고 수분량이 증가하여 오히려 부패될 수 있다. 본 발명에서는 커피박 혼합물 내 발효가 원활하게 진행될 수 있도록 커피박 500 kg당 1 내지 10 L, 2 내지 8 L, 또는 4 내지 6 L의 미생물 접종액을 추가 접종하는 것이 바람직하다.
상기 추가된 미생물 접종액은 초기 접종 미생물 접종액과 조성이 동일하거나 상이할 수 있으며, 실시 방법에 따라 제한 없이 사용될 수 있다.
보관 중인 커피박 발효물은 미생물의 생장 및 증식으로 인해 발효 상태가 유지되어 내부 온도가 50℃ 이상 (예컨대, 55 내지 65℃)일 수 있다.
상기 커피박 발효물은 가축분뇨 악취 저감용 조성물로써 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 상기 방법으로 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 제공한다.
가축분뇨는 소, 돼지, 닭 등과 같은 통상적인 가축이 배설한 똥과 오줌을 통칭하는 것으로, 가축이 섭취한 질소의 약 60 내지 90%가 체내에서 이용되지 못하고 분뇨의 형태로 배설된다. 분뇨에 함유된 요산과 유기질소는 미생물에 의하여 암모늄(NH4+)으로 전환되고, 축사 또는 깔짚의 수분함량, 온도, 산성도 등에 따라 암모니아 가스(NH3)로 변한다. 암모니아 가스를 포함한 질소화합물 외에도 황화수소, 탄화수소화합물 등의 가스 또는 악취 물질이 생성된다. 이러한 가스는 악취를 발생시키며 가축과 사육자의 눈, 피부, 점막, 호흡기 등을 자극하여 가축의 생산성을 저하시키므로, 가축 사양관리에서 냄새 유발 물질을 제어하는 것이 중요하다. 법에서는 아세트알데히드, 스티렌, 2황화메틸, 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 트리메틸아민 및 암모니아를 포함하는 8종에 대해 악취 물질로 지정하여 규제 대상으로 삼고 있다.
상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물은 커피박 및 이를 에너지원으로 하여 배양된 고농도의 미생물을 포함함으로써 커피박이 냄새 유발 물질을 흡착하고, 암모니아, 황화수소 등 악취를 가진 유독한 화합물의 분해능을 가지는 미생물의 대사작용을 통해 가축분뇨 내 악취 물질을 저감할 수 있다.
상기 악취 물질로는 3-메틸뷰탄산(3-methylbutanoic acid), 아세트알데히드(acetaldehyde), 암모니아(ammonia), 뷰탄알(butanal 또는 butyraldehyde), 뷰탄산(butanoic acid 또는 butyric acid), 뷰타논(butanone), 부틸 아세테이드(butyl acetate), 디메틸 디설파이드(dimethyl disulfide), 디메틸 설파이드(dimethyl sulfide), 황화수소(hydrogen sulfide), 이소부틸 알코올(isobutyl alcohol), 메틸 이소부틸 케톤(methyl isobutyl ketone), 메틸 메르캅탄(methyl mercaptan), 펜탄알(pentanal), 프로판알(propanal 또는 propionaldehyde), 프로피온산(propanoic acid), 스테렌(styrene), 톨루엔(toluene), 트릴메틸아민(trimethylamine), 자일렌(xylene) 및 에틸벤젠(ethylbenzene)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 조성물은 암모니아, 황화수소, 톨루엔, 스티렌, 뷰탄산, 프로피온알데히드 및 프로피온산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 악취 물질을 저감하는 것일 수 있다.
이러한 가축분뇨 악취 저감용 조성물은 아무것도 처리되지 않은 가축분뇨의 악취 물질을 기준으로 40% 이상, 바람직하게는 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90% 이상 저감할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 i) 축사 바닥에 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 도포하는 단계; 및 ii) 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물이 도포된 축사 바닥에 주 1회 간격으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 미생물 접종액 0.1 내지 10 L를 살포하는 단계를 포함하는 축사 악취 저감 방법을 제공한다.
상기 i) 단계는 축사 바닥재로서 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 도포하는 과정이다.
축사에서는 축사의 습도 및 온도 조절, 위생관리, 먼지 발생 억제 등을 목적으로 하여 바닥재를 사용한다. 이러한 바닥재는 수분 흡수성과 생물 분해능력이 좋아야 하며 청결하고 안락하고 먼지 발생이 적고 부패되지 않은 것이어야 하며, 특히 병원성 세균, 진균, 해충 등에 오염된 바닥재를 사용할 경우에는 가축 건강과 함께 생산성이 저하되므로 관리가 중요하다. 바닥재의 구비조건으로는 수분이 20 내지 25% 함유되어 수분 흡수력 및 통기성이 좋고 수분의 증발력이 양호해야 하며 값이 싸고 구하기 쉬우며 병원성 미생물에 오염되지 않아야 하며 가축에게 푹신하고 안락함을 줄 수 있는 재질이어야 한다.
종래에는 바닥재로서 톱밥이나 왕겨와 같은 깔짚을 주로 사용하였으나, 톱밥은 수분 흡수성 및 분해성이 양호하지만 가격이 비싸고 가축분뇨 처리가 어렵다는 단점이 있으며, 왕겨는 톱밥에 비해 가격이 낮고 가축분뇨 처리가 용이하지만 수분 흡수력이 부족하다는 단점이 있다.
본 발명의 가축분뇨 악취 저감용 조성물은 함수율이 10 내지 40%이므로 수분 흡수력 및 증발력과 통기성이 우수하며, 미생물 발효를 통해 병원성 미생물이 사멸되어 축사 바닥재로 사용하기 적합하다. 따라서 본 발명에서는 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 단독으로 사용하거나 종래 깔짚과 혼용함으로써 축사 유지 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 가축분뇨에 의한 악취를 저감할 수 있다.
본 발명에서 사용된 "바닥재"는 축사 바닥에 까는 재료를 의미하며, 가축분뇨 악취 저감용 조성물이거나 가축분뇨 악취 저감용 조성물과 혼합된 종래 깔짚을 모두 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 i) 단계의 가축분뇨 악취 저감용 조성물은 깔짚과 1 : 0 내지 5의 비율로 혼합되어 가축 1마리당 10 내지 500 kg으로 축사 바닥에 도포되는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 가축분뇨 악취 저감용 조성물은 단독으로 사용될 수 있으며, 가축분뇨 악취 저감용 조성물과 깔짚을 혼용할 경우에는 1 : 5, 1: 4, 1: 3, 1 : 2, 또는 1: 1의 비율로 혼합될 수 있다.
여기서 비율은 중량비 또는 부피비일 수 있으며, 실시 방법에 따라 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물과 깔짚의 혼합 비율이 1 : 5를 초과할 경우에는 전체 바닥재 사용량 중 깔집의 비율이 높아져 가축분뇨 악취 저감용 조성물 사용에 의한 축사 유지 비용 절감 효과 및 가축분뇨의 악취 저감 효과를 기대할 수 없다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 깔짚은 짚, 톱밥, 대팻밥, 왕겨, 목재칩, 종이 및 낙엽으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명에서는 바닥재의 구비조건을 고려하여, 깔짚이 톱밥 또는 왕겨인 것이 바람직하다.
본 발명에서 가축분뇨 악취 저감용 조성물이 적용된 축사는 바닥재의 사용이 필요한 가축의 축사일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 가축은 소, 닭, 양 및 염소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
이러한 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 포함하는 바닥재는 축사의 전체 면적 중 80% 이상, 바람직하게는 90%, 95%, 또는 100% 도포될 수 있으며, 가축의 보행에 방해되지 않으면서 바닥재로서의 역할을 수행할 수 있도록 도포량이 가축 1마리당 10 내지 500 kg의 범위에서 조절될 수 있다.
상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 도포량이 가축 1마리당 10 kg 미만일 경우에는 축사 내 수분 조절 및 악취 저감이 실패되어 가축에게 쾌적하고 안락한 환경을 제공할 수 없으며, 가축 1마리당 500 kg을 초과할 경우에는 가축의 보행을 방해하며 바닥재 접촉에 의한 피부염이 발생할 수 있다. 본 발명에서는 가축에게 바닥재에 의한 스트레스 발생을 줄이고 가축 건강 및 생산성을 높일 수 있도록 바닥재의 도포량을 가축 1마리당 10 내지 500 kg, 10 내지 400 kg, 10 내지 300 kg, 10 내지 200 kg, 50 내지 500 kg, 50 내지 400 kg, 50 내지 300 kg, 또는 50 내지 200 kg일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 ii) 단계는 축사 내 바닥재를 유지 및 관리하여 가축분뇨의 악취를 저감하는 과정이다.
축사 바닥에 도포된 가축분뇨 악취 저감용 조성물은 악취 물질에 대한 분해능을 가진 미생물을 포함하고 있다. 이러한 미생물들이 지속적으로 생장 및 증식하여 악취 물질을 제거할 수 있도록 부족한 미생물을 공급하고 미생물이 잘 자랄 수 있는 환경을 제공하기 위해, 주기적으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 미생물 접종액 0.1 내지 10 L를 접종 또는 살포해준다.
상기 미생물 접종액은 전술한 내용과 공통되므로, 과도한 복잡성을 회피하기 위하여 그 기재를 생략한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 ii) 단계의 미생물 접종액은 미생물 배양액을 용제로 10 내지 200배 희석한 것일 수 있다.
상기 미생물 접종액의 접종량이 0.1 L 미만일 경우에는 미생물의 생육 환경에서 습도가 부족하게 되며 공급되는 미생물 수가 적어 가축분뇨의 악취 물질 발생 속도보다 가축분뇨의 악취 물질 분해 속도가 느려 가축분뇨의 악취가 지속되며, 접종량이 10 L를 초과할 경우에는 다량의 수분이 함께 처리되어 미생물의 생장이 지연될 수 있고 가축의 보행에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 본 발명에서는 가축분뇨에 포함된 냄새 유발 물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 0.1 내지 10 L, 0.2 내지 8 L, 0.4 내지 6 L, 0.6 내지 4 L, 또는 0.8 내지 2L의 미생물 접종액을 접종하는 것이 바람직하다.
이러한 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 축사 악취 저감 방법은 축사 내부에 존재하는 냄새 유발 물질의 농도를 저감하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 방법은 축사 또는 바닥재 내 암모니아, 황화수소 및 복합악취 농도를 저감하는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 방법은 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 적용하지 않은 축사에 비해 축사 내 공기 또는 바닥재 내부에 존재하는 암모니아, 황화수소 및 복합악취를 각각 40% 이상, 바람직하게는 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90% 이상 저감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바닥재로서 가축분뇨 악취 저감용 조성물이 도포된 우사에서 바닥재로부터 50 cm 떨어진 공기를 채취하여 붕산용액 흡수법, 기체크로마토그래피법 및 공기희석관능법에 따라 악취 검사한 결과, 암모니아, 황화수소 및 복합악취가 각각 95% 이상, 93% 및 70% 이상 저감된 것을 확인하였다. 따라서 본 발명에서는 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 축사의 바닥재로 사용함으로써 상당한 수준으로 냄새 유발 물질을 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 i) 가축분뇨와 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 1 : 0.1 내지 10의 비율로 혼합하여 분뇨 혼합물을 제조하는 단계; 및 ii) 상기 분뇨 혼합물을 5 내지 60일간 발효하여 가축분뇨 퇴비를 제조하는 단계를 포함하는 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 사용된 "퇴비"는 짚, 낙엽, 가축의 배설물 등을 혼합 또는 퇴적하여 부숙시킨 비료를 의미하며, "가축분뇨 퇴비"는 가축분뇨를 이용한 것으로 분뇨에 함유된 질소, 인산, 칼륨 등에 의해 양질의 비료로 이용될 수 있다. 본 발명에서는 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 가축분뇨의 발효를 통해 가축분뇨에 포함된 유기물을 완전히 분해하여 악취가 없으며 식물과 토양에 안정적인 상태의 퇴비를 제공할 수 있다.
상기 i) 단계는 가축분뇨와 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 혼합하는 과정이다.
상기 가축분뇨는 통상의 가축이 배설한 똥과 오줌을 포함하는 것으로, 일례로 우분, 돈분, 계분 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 가축분뇨는 고형분을 20 내지 80% 포함하고, 함수율이 30 내지 80%인 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 가축분뇨는 전체 중량에서 고형분으로 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% 또는 80%를 포함할 수 있으며, 함수율이 30%, 40%, 50%, 60%, 70% 또는 80%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서는 가축분뇨의 퇴비화 과정을 신속하고 용이하게 제어할 수 있도록 함수율이 50% 이하 (예컨대, 10 내지 50%)인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 i) 단계의 가축분뇨는 고액분리를 통해 분리된 고형분인 것일 수 있다.
상기 고액분리는 분과 뇨가 혼합된 슬러지 형태의 가축분뇨를 액체로부터 고체 형태의 고형분만을 분리하는 것으로, 당업계에 공지된 고액분리 방법 또는 장치를 제한 없이 사용할 수 있다.
이러한 가축분뇨와 가축분뇨 악취 저감용 조성물은 1 : 0.1 내지 10의 비율로 혼합되어 분뇨 혼합물로 제조된다.
여기서 비율은 중량비 또는 부피비일 수 있으며, 실시 방법에 따라 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 분뇨 혼합물의 혼합 비율은 1 : 0.1 내지 10, 1 : 0.5 내지 5, 또는 1 :1의 비율일 수 있다.
상기 분뇨 혼합물의 혼합 비율이 1 : 0.1 미만일 경우에는 가축분뇨 악취 저감용 조성물에 의한 분뇨 발효 또는 퇴비화가 지연되고 가축분뇨의 악취 물질을 제거하기 어려우며, 혼합 비율이 1 : 10을 초과할 경우에는 상대적으로 가축분뇨의 함량이 낮아 양질의 퇴비를 얻을 수 없다.
상기 ii) 단계는 분뇨 혼합물을 퇴비화하는 과정이다.
상기 분뇨 혼합물은 미생물 증식 및 유기물 분해를 위해 최소 5일 이상 발효가 필요하며, 발효 기간은 발효 정도에 따라 조절될 수 있으며, 예를 들면, 5 내지 60일, 5 내지 50일, 5 내지 40일, 또는 5 내지 30일일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 ii) 단계는 분뇨 혼합물을 실온의 공기 흐름이 차단된 상태에서 5 내지 30일간 발효하여 커피박 혼합물의 내부 온도가 50℃ 이상인 것일 수 있다.
상기 분뇨 혼합물에는 혐기 조건에서도 생장 가능한 미생물이 포함되어, 가축분뇨의 유기물을 에너지원으로 사용하여 미생물에 의해 발효가 진행된다. 이때 미생물의 호흡을 통해 열 에너지가 발생되어 분뇨 혼합물의 내부 온도가 50℃ 이상, 최대 70℃까지 상승하며, 이로 인해 가축분뇨 악취 저감용 조성물 또는 가축분뇨에 존재하는 곰팡이, 병원성 세균, 기생충 등의 유해균을 별도의 처리 없이 사멸시킬 수 있다.
상기 분뇨 혼합물의 발효 기간이 5일 미만일 경우에는 미생물이 충분히 증식되지 않아 분뇨 혼합물의 내부 온도가 50℃에 미치지 못하여 유해균 사멸 효과를 기대할 수 없으며 여전히 가축분뇨의 악취가 나며, 발효 기간이 30일을 초과할 경우에는 분뇨 혼합물 내 유기물이 소진되어 퇴비화가 끝난 상태에서 오히려 부패가 일어날 수 있다.
상기 분뇨 혼합물을 발효하는 동안, 부족한 수분 및 미생물을 공급하기 위해 미생물 접종액을 1회 이상 반복 접종할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 ii) 단계에서 분뇨 혼합물을 발효하는 동안, 주 1회 간격으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 미생물 접종액 0.1 내지 10 L를 접종하는 것일 수 있다.
상기 미생물 접종액은 전술한 내용과 공통되므로, 과도한 복잡성을 회피하기 위하여 그 기재를 생략한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 ii) 단계의 미생물 접종액은 미생물 배양액을 용제로 10 내지 200배 희석한 것일 수 있다.
상기 미생물 접종액의 접종량이 0.1 L 미만일 경우에는 미생물의 생육 환경에서 습도가 부족하게 되며 공급되는 미생물 수가 적어 가축분뇨의 악취 물질 발생 속도보다 가축분뇨의 악취 물질 분해 속도가 느려 가축분뇨의 악취가 지속되며, 접종량이 10 L를 초과할 경우에는 다량의 수분이 함께 처리되어 미생물의 생장이 지연될 수 있고 가축분뇨가 오히려 부패될 수 있다. 본 발명에서는 가축분뇨의 퇴비화 과정에서 가축분뇨의 냄새 유발 물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 0.1 내지 10 L, 0.2 내지 8 L, 0.4 내지 6 L, 0.6 내지 4 L, 또는 0.8 내지 2L의 미생물 접종액을 접종하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 ii) 단계에서 분뇨 혼합물을 발효하는 동안, 가축분뇨와 가축분뇨 악취 저감용 조성물 내 미생물이 골고루 혼합되며 일시적으로 공기 유입이 이루어질 수 있도록 주 2회 이상 골고루 섞어준다.
상기 분뇨 혼합물의 발효가 완료되면, 분뇨 혼합물에 존재하는 악취 물질이 현저히 감소하여 피부나 점막에 자극이 없는 가축분뇨 퇴비를 수득할 수 있다.
상기 가축분뇨 퇴비는 미생물의 지속적인 호흡을 통해 내부 온도가 50℃ 이상 유지될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 ii) 단계의 퇴비는 발효가 완료되면 내부 온도가 55 내지 65℃로 유지되는 것일 수 있다.
이러한 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 가축분뇨 퇴비의 제조방법은 가축분뇨에 존재하는 냄새 유발 물질의 농도를 저감하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 방법은 가축분뇨 퇴비 내 암모니아, 황화수소 및 복합악취 농도를 저감하는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 방법은 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 적용하지 않은 가축분뇨 퇴비에 비해 암모니아, 황화수소 및 복합악취를 각각 40% 이상, 바람직하게는 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90% 이상 저감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가축분뇨 악취 저감용 조성물로 돈분을 부숙시켜 제조된 가축분뇨 퇴비를 일부 채취하여 붕산용액 흡수법, 기체크로마토그래피법 및 공기희석석관능법에 따라 악취 검사한 결과, 암모니아, 황화수소 및 복합악취가 각각 87%, 92% 및 95% 저감된 것을 확인하였다. 따라서 본 발명에서는 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 가축분뇨 퇴비화에 사용함으로써 상당한 수준으로 가축분뇨 내 냄새 유발 물질을 제거할 수 있다.
본 발명에서는 커피박을 미생물 발효하여 가축분뇨에 다량 포함되어 악취를 풍기는 황화합물, 질소화합물, 탄화수소화합물 등을 저감할 수 있는 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 제조함으로써 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 축사나 가축분뇨 퇴비화 시설에서 발생하는 가축분뇨의 악취를 효과적으로 저감 또는 제거하는데 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물 및 이를 우사에 적용한 사례를 보여주는 사진으로, (a)는 가축분뇨 악취 저감용 조성물이고, (b)는 일반적인 깔짚을 2주간 사용한 축사의 바닥 상태이며, (c)는 축사 바닥에 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 도포하는 장면이며, (d)는 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 도포한 후 미생물 접종액을 살포하는 장면이며, (e)는 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 도포한 지 2주 후 바닥재의 상태이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 적용한 우사에서 1, 2, 3, 7, 14, 21 및 28일째 측정된 암모니아 및 황화수소 농도 변화 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 돈분 퇴비화 사례를 보여주는 사진으로, (a)는 돈분과 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 혼합한 후 비닐로 밀폐하여 발효하는 장면이며, (b)는 발효한 지 7일된 분뇨 혼합물이며, (c)는 발효한 지 14일된 분뇨 혼합물의 내부 온도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 적용한 돈분 퇴비를 제조하는 과정에서 1, 2, 3, 7, 14, 21 및 28일째 측정된 암모니아 및 황화수소 농도 변화 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 미생물 다양성을 커피박과 비교 분석한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물에 존재하는 미생물과(family)를 커피박 및 가축분뇨 악취 저감용 조성물이 적용된 경우와 비교 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물에 존재하는 미생물과(family)를 커피박 및 가축분뇨 악취 저감용 조성물이 적용된 경우와 비교 분석한 히트맵(heatmap)이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 제시된 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이러한 예시적인 설명에 의하여 제한되는 것은 아니다.
실시예 1. 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조
1-1. 미생물 접종액 준비
커피박의 미생물 발효에 사용되는 미생물 접종액을 준비하였다. 유용 미생물로는 고초균 (Bacillus subtilis, 1X106 cfu/g), 광합성균 (Rhodobacter sphaeroides, 1X106 cfu/g) 및 효모균 (Saccharomyces cerevisiae, 1X106 cfu/g)을 사용하였다.
먼저, 각 미생물의 특성에 따라 적절한 배양 조건에서 미생물을 순수 배양하였다. 각각의 미생물 배양액으로부터 200 mL를 취하여 물로 100배 희석하여 미생물 접종액 (20 L)을 제조하였다. 제조된 미생물 접종액은 사용 전까지 냉장 보관하였으며, 최대 1개월간 보관 가능하다.
1-2. 커피박 발효물 제조
경북 영천과 경산 지역에 있는 커피전문점에서 커피박을 수거하여 사용하였다. 수거한 커피박 (함수율 50 ~ 60%)을 반응용기에 투입한 후 커피박 500 kg당 미생물 접종액 5 L를 살포하였다. 이후 반응용기를 밀폐시키고 실온에서 2주 이상 발효하여 커피박 혼합물의 내부 온도가 50℃ 이상이 되었다. 그리고 혼합물에 미생물과 수분을 보충하기 위해 미생물 접종액을 최초 살포 후 주 1회 커피박 500 kg당 미생물 접종액 5 L를 더 살포하였다. 제조된 커피박 발효물의 내부 온도는 50℃ 이상으로, 커피박에 존재하던 곰팡이, 병원성 세균, 기생충 등의 유해균이 사멸되었다.
제조된 커피박 발효물은 사용 전까지 실온에서 보관하였으며, 보관 중 미생물과 수분 보충을 위해 주 1회 커피박 500 kg당 미생물 접종액 5L를 살포하였다.
커피박 발효물은 이후 실험에서 가축분뇨 악취 저감용 조성물로서 사용되었다.
실시예 2. 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 축사 악취 저감
경북 군위군에 위치한 한우 사육 농가의 한우 22마리가 사육되는 60평 우사를 대상으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 사용하여 축사의 악취 저감을 시도하였다.
도 1을 참고하면, 톱밥을 거의 사용하지 않고 30일간 한우를 사육한 축사에서 악취 검사를 실시하였다. 이후, 한우 22마리에 대해 가축분뇨 악취 저감용 조성물 1.5톤을 분뇨가 있는 축사 바닥에 도포하고 섞어주었다. 14일간 축사 바닥에 주 1회 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 미생물 접종액 1 L를 살포하였고, 다시 악취 검사를 실시하였다.
악취 검사는 바닥재로부터 50 cm 떨어진 공기를 채취하여 악취공정시험기준에 따라 암모니아, 황화수소 및 복합악취를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
검사 항목 가축분뇨 악취 저감용 조성물 적용 저감률
0일 (적용 전) 14일
암모니아(NH3) 947.5 ~ 6,743 ppb 46.7 ~ 310 ppb ≥95%
황화수소(H2S) 31.1 ppb 2.1 ppb 93%
복합악취 10 ~ 14 배 3 배 ≥70%
상기 표 1을 참고하면, 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 사용한 경우에는 주요 냄새 유발 물질인 암모니아 및 황화수소의 발생이 각각 95% 이상 및 93% 감소하였고, 이러한 냄새 유발 물질들이 반응하여 생성되는 복합악취가 70% 이상 감소하여 사육자가 악취를 거의 느끼지 못하였다.
실시예 3. 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 축사 악취 저감
경북 영천시 화산면에 위치한 젖소 사육 농가를 대상으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 사용하여 축사의 악취 저감을 시도하였다.
톱밥을 거의 사용하지 않고 30일간 젖소를 사육한 축사에서 악취 검사를 실시하였다. 이후, 젖소 1마리당 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg을 분뇨가 있는 축사 바닥에 도포하고 섞어주었다. 28일간 축사 바닥에 주 1회 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 미생물 접종액 1 L를 살포하였고, 다시 악취 검사를 실시하였다.
악취 검사는 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 도포한 후 1, 2, 3, 7, 14, 21 및 28일째 바닥재로부터 채취된 시료에서 이동형 질량분석시스템(SIFT-MS) (Voice200ultra, SYFT)을 사용하여 휘발성유기화합물(volatile organic compound)의 절대 농도를 실시간으로 분석하였다. 그 결과는 하기 표 2 및 도 2에 나타내었다.
측정 항목 가축분뇨 악취 저감용 조성물 적용 저감률
(%)
0일 (적용 전) 28일
3-methylbutanoic acid 3.973 ppb 0.757 ppb 80.940
acetaldehyde 66.529 ppb 45.149 ppb 32.137
ammonia 1,922.093 ppb 374.941 ppb 80.493
butanal 9.686 ppb 5.170 ppb 46.627
butanoic acid 13.018 ppb 2.466 ppb 81.054
butanone 6.690 ppb 2.428 ppb 63.710
butyl acetate 7.768 ppb 0.728 ppb 90.626
dimethyl disulfide 7.517 ppb 0.452 ppb 93.991
dimethyl sulfide 7.485 ppb 3.680 ppb 50.840
hydrogen sulfide 169.132 ppb 65.860 ppb 61.060
isobutyl alcohol 53.065 ppb 1.727 ppb 96.746
methyl isobutyl ketone 3.375 ppb 0.749 ppb 77.812
methyl mercaptan 15.083 ppb 5.344 ppb 64.568
pentanal 3.274 ppb 1.093 ppb 66.620
propanal 8.127 ppb 2.797 ppb 65.581
propanoic acid 6.193 ppb 2.205 ppb 64.391
styrene 2.442 ppb 0.522 ppb 78.633
toluene 8.540 ppb 1.773 ppb 79.235
trimethylamine 28.534 ppb 8.297 ppb 70.922
xylenes + ethylbenzene 7.069 ppb 0.655 ppb 90.736
상기 표 2 및 도 2를 참고하면, 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 사용한 경우에는 주요 냄새 유발 물질인 암모니아 및 황화수소의 발생이 급격히 감소하였고, 사용한지 28일째에는 암모니아 및 황화수소뿐만 아니라 악취와 함께 피부, 점막 등 신체 자극을 주는 부틸계 화합물, 벤젠계 화합물, 황화합물, 케톤류, 알데히드류 등이 최소 30%, 최대 96%까지 감소하였다.
실시예 4. 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 축산분뇨 퇴비 악취 저감
경북 영천시 신녕면에 위치한 돼지 사육 농가를 대상으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 사용하여 축산분뇨 퇴비의 악취 저감을 시도하였다.
도 3을 참고하면, 돈사에서 발생한 돈분을 고액분리장치로 분리하여 고형분만을 회수하였고, 고형분에 대해 악취 검사를 실시하였다. 이후 고체돈분 300 kg과 가축분뇨 악취 저감용 조성물 300 kg을 혼합하여 비닐로 덮어 밀폐시킨 후 주 2회 골고루 섞어주고, 주 1회 미생물 접종액 3 L를 살포하였다. 혼합물은 혼합 후 24시간 내에 고온발효상태가 되며, 내부 온도가 50℃ 이상으로 증가하였다. 가축분뇨 악취 저감용 조성물과 혼합한지 7일 후 다시 악취 검사를 실시하였다.
악취 검사는 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였고, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
검사 항목 가축분뇨 악취 저감용 조성물 적용 저감률
0일 (적용 전) 7일
암모니아(NH3) 5,597 ppb 751 ppb 87%
황화수소(H2S) 2,129 ppb 160 ppb 92%
복합악취 3,000 배 100 배 95%
상기 표 3을 참고하면, 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 사용한 경우에는 주요 냄새 유발 물질인 암모니아 및 황화수소의 발생이 각각 87% 및 92% 감소하였고, 이러한 냄새 유발 물질들이 반응하여 생성되는 복합악취가 95% 감소하여 사용자가 악취를 거의 느끼지 못하였다.
실시예 5. 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 이용한 축산분뇨 퇴비 악취 저감
경북 영천시 신녕면에 위치한 돼지 사육 농가를 대상으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 사용하여 축산분뇨 퇴비의 악취 저감을 시도하였다. 실시예 4와 동일한 방법으로 축산분뇨 퇴비를 제조하였고, 실시예 3과 동일한 방법으로 악취 검사를 실시하였다. 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
측정 항목 가축분뇨 악취 저감용 조성물 적용 저감률 (%)
0일 (적용 전) 28일
3-methylbutanoic acid 66.367 ppb 76.616 ppb -
acetaldehyde 1,664.967 ppb 176.829 ppb 89.379
ammonia 32,452.183 ppb 266.277 ppb 99.179
butanal 297.217 ppb 25.638 ppb 91.374
butanoic acid 125.350 ppb 342.980 ppb -
butanone 177.433 ppb 15.218 ppb 91.423
butyl acetate 121.317 ppb 56.795 ppb 53.185
dimethyl disulfide 37.617 ppb 6.478 ppb 82.780
dimethyl sulfide 73.867 ppb 21.558 ppb 70.815
hydrogen sulfide 2,062.317 ppb 72.021 ppb 96.508
isobutyl alcohol 1,443.833 ppb 41.984 ppb 97.092
methyl isobutyl ketone 71.717 ppb 5.741 ppb 91.995
methyl mercaptan 250.150 ppb 18.338 ppb 92.669
pentanal 71.833 ppb 49.595 ppb 30.958
propanal 210.367 ppb 20.506 ppb 90.252
propanoic acid 141.750 ppb 72.870 ppb 48.593
styrene 32.817 ppb 5.268 ppb 83.948
toluene 171.767 ppb 11.062 ppb 93.560
trimethylamine 651.850 ppb 64.816 ppb 90.057
xylenes + ethylbenzene 152.000 ppb 4.131 ppb 97.282
상기 표 4를 참고하면, 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 사용한 경우에는 주요 냄새 유발 물질인 암모니아 및 황화수소의 발생이 각각 약 80% 및 61% 감소하였으며, 부틸계 화합물, 벤젠계 화합물, 황화합물, 케톤류, 알데히드류 등의 냄새 유발 물질도 상당히 감소하였다.
실시예 6. 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 미생물 다양성 분석
커피박, 이를 이용하여 제조된 가축분뇨 악취 저감용 조성물 (실시예 1) 및 이를 가축분뇨에 처리한 후 21일째 바닥재에서 채취된 혼합물 (실시예 3)을 시료로 사용하여 미생물 다양성을 분석하였다.
먼저, QIAamp PowerFecal Pro DNA Kit (QIAGEN, Germany)를 사용하여 시료 내 미생물의 DNA를 추출한 후 NanoDrop 2000 (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)을 사용하여 DNA 농도 및 순도를 확인하였다. 이후, 하기 표 5 내지 7을 참고하여 2회 PCR을 수행하여 16S rRNA coding gene을 증폭한 후 barcode 서열을 연결하였다. 2차 PCR의 경우, 각 시료 유래 template들을 구별하기 위한 index 서열이 연결되었고, 조성은 하기 표 5와 동일하였다.
시약 부피 (μL)
EmeraldAmp® PCR Master Mix (Takara) 12.5
SDW 10.5
Forward primer 0.5
Reverse primer 0.5
Template 1
프라이머 프라이머 서열
515F (서열번호 1) 5'-barcode-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3'
907R (서열번호 2) 5'-barcode-CCGYCAATTCMTTTRAGTTT-3'
PCR 수행 조건
1차 PCR 95℃ 5분; (95℃ 30초, 57℃ 30초. 72℃ 5분)X25cycles; 72℃ 5분; hold: 4℃
2차 PCR 95℃ 5분; (95℃ 30초, 57℃ 30초. 72℃ 5분)X10cycles; 72℃ 5분; hold: 4℃
그리고 Qubit 2.0 Fluorometer (Life Technologies, Carlsbad, CA, USA) 를 사용하여 앞서 증폭된 library들을 동량의 DNA가 들어가도록 pooling 하였다. 그 후, QIAquick Gel Extraction Kit (QIAGEN, Germany)를 사용하여 2% agarose gel로 gel extraction을 수행하였다. 완성된 library를 Illumina MiSeq (Illumina, San Diego, CA, USA)를 사용하여 차세대 염기서열 분석(Next Generation Sequencing, NGS)을 수행하였다.
NGS 분석을 통해 획득한 raw data는 QIIME2 (Bolyen, E. et al. Nat. Biotechnol. 2019, 37, 852-857) 프로그램을 이용하여 적절히 전처리되었다. 균일한 길이의 염기서열(sequence)을 이용하여 분석하기 위해 QIIME DADA2 plugin (Callahan, B.J. et al. Nat. Methods. 2016, 13, 581-583)을 사용하여 sequence를 299 bp 길이로 자른 후 분석을 진행하였다. 그 후 각각 sequence마다 Taxonomy를 할당하였다. Taxonomy 할당은 silva database를 기반으로 진행되었다. 그 후 R studio에서 microbiome package와 phyloseq package를 이용하여 알파 다양성(alpha diversity)과 각각 미생물과(family)에 해당하는 출현율(prevalence)을 계산하였다. 또한 악취 물질 저감에 기여할 것으로 여겨지는 미생물과(family)들은 cytoscape의 CoNet app으로 확인하였다.
그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 다양성 지표로서 Inverse_Simpson, Observed_Features, Shannon index를 도입한 결과에서는 3종의 지표 모두에서 알파 다양성이 증가하였으며, 처리한 미생물은 3종인 것에 반해, 극적인 미생물 다양성 증가가 나타났다. 이러한 결과는 유용 미생물 처리가 생태학적으로 커피박 내 미생물 군집을 안정시키면서 다양한 미생물들이 번성할 수 있는 환경을 형성했음을 시사한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 미생물군집조사 결과에서는 8종의 유용 미생물과(family)가 안정적으로 커피박에 생착하여 가축분뇨에서도 유의미하게 증가한 것을 확인하였다 (P < 0.05). 여기서 확인한 8개의 미생물과(family)는 spearman correlation 분석에서 r < 0.7, P < 0.05로 악취 물질들과 음적 상관관계를 가진 미생물들이다 (표 8 참고). 따라서 가축분뇨 악취 저감용 조성물은 악취 저감 효과를 가지는 미생물들의 성장을 촉진하는 것을 알 수 있었다.
미생물과(family) 저감 물질
Unclassified_Micrococcales Toluene
Dermabacteraceae Toluene, Styrene
Micrococcaceae Butyric-acid
Nocardiodiaceae Propionaldehyde
Cyclobacteriaceae Propionic-acid, Styrene
Peptostreptococcales-Tissierellales Toluene
Pseudohongiellaceae Propionic-acid
도 7에 나타낸 바와 같이, Prevalence 분석 결과에서는 미생물 발효를 거치지 않은 커피박에 비해 가축분뇨 악취 저감용 조성물에서 미생물 발생 빈도가 증가한 것으로 관찰되었다. 그리고 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 가축분뇨에 처리 후 21일째에는 모든 미생물의 발생 빈도가 증가한 것으로 나타나, 가축분뇨 악취 저감용 조성물에 포함된 미생물이 가축분뇨에 안정적으로 생착하며 악취 물질을 저감하였음을 시사한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
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Claims (22)

  1. a) 커피박에 커피박 500 kg당 미생물 접종액 1 내지 10 L를 접종하여 커피박 혼합물을 제조하는 단계; 및
    b) 상기 커피박 혼합물을 실온의 공기 흐름이 차단된 상태에서 10 내지 50일간 발효하여 내부 온도가 50 내지 70℃인 커피박 발효물을 수득하는 단계
    를 포함하며,
    상기 a) 단계의 미생물 접종액은 고초균(Bacillus subtilis), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides) 및 사카로마이세스 세레비시애(Saccharomyces cerevisiae)를 포함하는 것인 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) 단계의 커피박은 함수율이 40 내지 70%이고, 유기물 함량이 40 내지 70%인 것인 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) 단계의 미생물 접종액은 미생물 배양액을 용제로 10 내지 200배 희석한 것인 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 a) 단계의 미생물 접종액은 고초균 : 로도박터 스페로이데스 : 사카로마이세스 세레비시애 = 1 : 0.1 내지 10 : 0.1 내지 10의 비율로 혼합된 것인 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 b) 단계에서 커피박 혼합물을 발효하는 동안, 주 1회 간격으로 커피박 혼합물 500 kg당 미생물 접종액 1 내지 10 L를 접종하는 것인 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 b) 단계의 커피박 발효물은 발효가 완료되면 내부 온도가 55 내지 65℃로 유지되는 것인 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 b) 단계 이후, 상기 b) 단계의 커피박 발효물을 실온에서 보관하며 주 1회 간격으로 커피박 발효물 500 kg당 미생물 접종액 1 내지 10 L를 접종하는 단계를 더 포함하는 가축분뇨 악취 저감용 조성물의 제조방법.
  10. 청구항 1 내지 3, 5 및 7 내지 9 중 어느 한 항의 방법으로 제조되어 암모니아, 황화수소, 톨루엔, 스티렌, 뷰탄산, 프로피온알데히드 및 프로피온산을 포함하는 악취 물질을 저감하는 가축분뇨 악취 저감용 조성물.
  11. 삭제
  12. i) 함수율이 10 내지 40%인 청구항 10의 가축분뇨 악취 저감용 조성물과 깔짚을 1 : 0 내지 5의 비율로 혼합하여 가축 1마리당 10 내지 500 kg으로 축사 바닥에 도포하는 단계; 및
    ii) 상기 가축분뇨 악취 저감용 조성물이 도포된 축사 바닥에 주 1회 간격으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 미생물 접종액 0.1 내지 10 L를 살포하는 단계
    를 포함하는 축사 악취 저감 방법.
  13. 삭제
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 깔짚은 짚, 톱밥, 대팻밥, 왕겨, 목재칩, 종이 및 낙엽으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 축사 악취 저감 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 가축은 소, 닭, 양 및 염소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 축사 악취 저감 방법.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 ii) 단계의 미생물 접종액은 미생물 배양액을 용제로 10 내지 200배 희석한 것인 축사 악취 저감 방법.
  17. i) 가축분뇨와 함수율이 10 내지 40%인 청구항 10의 가축분뇨 악취 저감용 조성물을 1 : 0.1 내지 10의 비율로 혼합하여 분뇨 혼합물을 제조하는 단계; 및
    ii) 상기 분뇨 혼합물을 실온의 공기 흐름이 차단된 상태에서 5 내지 30일간 발효하여 내부 온도가 50 내지 70℃인 가축분뇨 퇴비를 제조하는 단계
    를 포함하는 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 i) 단계의 가축분뇨는 고액분리를 통해 분리된 고형분인 것인 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법.
  19. 삭제
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 ii) 단계에서 분뇨 혼합물을 발효하는 동안, 주 1회 간격으로 가축분뇨 악취 저감용 조성물 100 kg당 미생물 접종액 0.1 내지 10 L를 접종하는 것인 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 미생물 접종액은 미생물 배양액을 용제로 10 내지 200배 희석한 것인 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법.
  22. 청구항 17에 있어서,
    상기 ii) 단계의 퇴비는 발효가 완료되면 내부 온도가 55 내지 65℃로 유지되는 것인 악취가 저감된 가축분뇨 퇴비의 제조방법.
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