KR102453892B1

KR102453892B1 - 슬러지 저감제 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102453892B1
Application number: KR1020210174564A
Authority: KR
Inventors: 김경호; 임명준
Original assignee: 농업회사법인(유)카야시스템
Priority date: 2021-12-08
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2022-10-11
Also published as: KR102453892B9

Abstract

본 발명은 본 발명은 슬러지 저감제 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미생물 우성종균과 곡물 껍질에서 추출된 셀룰로오스, 자이란, 아라비난, 가용성 당질 및 회분을 포함하는 혼합물을 광조사 및 산소공급 흡배기 장치로 열풍 건조하며 산소를 공급하는 고속 발효 혼합 공정을 통해 활성화함으로써 유해 물질의 탈취, 대기 중 가스 저감 성능이 뛰어나며, 고속으로 슬러지를 저감할 수 있는 슬러지 저감제 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 슬러지 저감제는 3 내지 9일 안으로 슬러지를 90% 이상 고속으로 저감할 수 있으며, 미생물의 총균수가 1.0 X 10⁹이상이고, 암모니아, 트리메틸아민의 60% 이상, 황화수소, 메틸머캅탄의 6% 이상 우수한 탈취 성능을 갖는 효과가 있고, 대기 중의 메탄, 이산화탄소와 같은 온실가스를 85% 이상 효과적으로 저감할 수 있다.

Description

슬러지 저감제 및 이의 제조 방법{Sludge reducing agent and manufacturing method thereof}

본 발명은 슬러지 저감제 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미생물 우성종균과 곡물 껍질에서 추출된 셀룰로오스, 자이란, 아라비난, 가용성 당질 및 회분을 포함하는 혼합물을 광조사 및 산소공급 흡배기 장치로 산소를 공급하는 간접식 가열 히터 방식으로 적정 온도를 타이머로 조절하는 미생물 우성종균의 최적 배양시스템의 고속 발효 혼합 공정을 통해 활성화하여 유해 물질의 악취를 탈취, 대기 중 이산화탄소, 메탄과 같은 온실가스 저감 성능이 뛰어나며, 고속으로 슬러지를 저감할 수 있는 슬러지 저감제 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

축산업은 고단백 식품을 제공하는 농업 가운데 중요한 산업으로 축산업이 양적으로 괄목할만한 발전을 거듭하면서 축산농가가 대형화되면서 사육 두수도 크게 증가되었다. 따라서 이곳으로부터 발생되는 분뇨로 인해 악취처리 문제, 폐수처리 문제, 각종 질병, 과다한 농지살포에 따른 토양 오염 및 지하수의 오염 등이 문제시되어 가축 분뇨의 처리 문제는 시급히 해결하여야 할 과제로 대두되고 있다.

특히, 축산폐수는 분뇨를 능률적으로 고액분리를 한다고 하더라도 분 성분이 뇨 속에 함유하여 유해 오염 물질로서 유기물의 함량이 높고 질소와 인의 성분이 많아, 축산 분뇨가 처리되지 않고 그대로 방류될 경우 생활하수보다 심각한 수질 오염을 일으킬 수 있다.

그러나, 일반적인 폐수처리 방법으로는 처리가 어려운 문제점이 있고, 가축 분뇨 처리시설의 건설과 유지보수 관리에 소요 비용이 과다하게 발생되고, 적절한 기반 처리기술도 확립되어 있지 않기 때문에 현재까지 합리적인 처리방법이 강구되지 못하여 상당량이 불법적으로 해양 투기 되는 실정으로 기업화되고 있는 축산농가의 가축 분뇨 및 축산폐수를 경제적이고 효과적으로 처리할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

한편, 지구 환경을 유지, 개선하면서 지속 가능한 발전을 유지하고자 하는 녹색 성장에 대한 사회적 관심과 중요성은 더욱 커지고 있다. 이러한 녹색 성장을 이룩하기 위해서 필수적인 기술 중의 하나로 생각될 수 있는 것이 여러 가지 다양한 상품이나 제품의 생산과정 중 발생 되는 폐기 자원들을 가능한 유용하게 재활용하는 것이다.

특히, 유기성 폐기물의 슬러지 저감과 재활용은 환경적인 장점 이외에 온실가스의 메탄과 이산화탄소의 감소라는 측면에서 부가적인 가치가 더욱 커지고 있다. 또한, 자원의 재활용과 자원의 순환이 원활한 대표적인 친환경 소재인 목질 자원의 수급이 상대적으로 어려워지는 이때 폐 유기성 자원의 고도 활용은 많은 관심의 대상이 되고 있다.

국내에서 발생 되는 농수산 및 식품산업 부산물 중 가장 대표적인 것이 곡물 껍질이라고 할 수 있으며, 특히 동아시아에서 가장 중요한 주식으로 애용되는 곡물 껍질은 전 세계적으로 많은 양이 생성되고 있다. 곡물 껍질은 곡물의 품종, 경작지, 기후, 경작법 등에 따라 차이가 있으나, 보통 무게 비율로 벼의 약 20%를 차지한다. 많은 양은 축산시설 깔개 등으로 이용 후 퇴비로 사용하거나, 또는 상토, 보온재 등으로 이용되는 등 부가가치가 낮은 용도로 사용되고 있다.

실제 곡물 껍질은 외피가 규소로 치밀하게 피복되어 부식되기 어려울 뿐만 아니라 마모성이 높은 특성 때문에 사료 및 공업용 원료로의 사용도 적절하지 않은 특성이 있어서 곡물 껍질의 고도 활용을 위한 새로운 용도 개발을 위한 다양한 연구들이 지속적인 수행과제가 되어왔다.

특히, 다양한 방법을 적용하여 곡물 껍질 활성탄을 제조하는 연구, 곡물 껍질을 원료로 이용한 곡물 껍질 가스화 관련 연구, 곡물 껍질을 탈 휘발화시킨 탄화 곡물 껍질로 활용하는 방법의 연구 등 곡물 껍질의 활용성을 높이기 위한 많은 연구개발이 진행되었다.

또한, 곡물 껍질 내에 존재하는 실리카를 활용하기 위하여 곡물 껍질을 연소한 후 회분에서 실리카를 분리 추출하는 방법과 같은 연구 및 실리카 휘스커 등의 합성에 관한 연구 등이 수행되었다. 곡물 껍질 자체를 섬유 자원으로 활용하기 위한 연구는 껍질 등과 혼합하여 성형포장재로 사용하는 연구가 진행된 바 있고, 곡물 껍질을 활용한 곡물 껍질 보드가 개발된 바 있다. 또한, 최근에는 곡물 껍질을 활용하여 바이오 복합재를 만드는 연구 등이 진행되고 있다. 그러나, 축산 분뇨와 같은 폐유기물의 제거에 곡물 껍질을 활용한 연구개발은 필요한 실정이다.

한국등록특허 제10-2258068호 한국등록특허 제10-1938497호

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 미생물 우성종균과 곡물 껍질에서 추출된 다당류 셀룰로오스, 오탄당 자이란, 아라비난, 가용성 당질 및 회분을 포함하는 혼합물을 광조사 및 산소공급 흡배기 장치로 산소를 공급하는 간접식 가열 히터방식으로 적정 온도를 타이머로 조절하는 미생물 우성종균의 최적 배양시스템의 고속 발효 혼합 공정을 통해 활성화함으로써 고속으로 슬러지를 저감할 수 있으며, 유해 물질의 탈취, 대기 중 이산화탄소, 메탄과 같은 온실가스 저감 성능이 뛰어난 슬러지 저감제 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 정제수, 로도박터 블라스티쿠스, 로도박터 캡슐라투스, 로도박터 스페로이데스, 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum), 바실러스 서브틸리스, DTPA 킬레이트제, 소이펩톤, 수산화나트륨, 아미노산, 당밀, 염화나트륨, 포도당 일수염, 사카로마이세스 세레비제, 다당류 셀룰로오스, 오탄당 자이란, 아라비난, 가용성 당질 및 회분을 포함하는 슬러지 저감제를 제공한다.

상기 정제수 34.5 내지 41중량부, 로도박터 블라스티쿠스 0.5 내지 1중량부, 로도박터 캡슐라투스 0.5 내지 1중량부, 로도박터 스페로이데스 0.5 내지 1중량부, 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum) 0.5 내지 1중량부, 바실러스 서브틸리스 2 내지 2.5중량부, DTPA 킬레이트제 1 내지 1.5중량부, 소이펩톤(Soy peptone) 0.5 내지 1중량부, 수산화나트륨(Sodium hydroxide) 0.5 내지 1중량부, 아미노산 0.5 내지 1중량부, 당밀 1 내지 1.5중량부, 염화나트륨(Sodium chloride) 0.5 내지 1중량부, 포도당 일수염(Dextrose monohydrate) 0.5 내지 1중량부, 사카로마이세스 세레비제 0.5 내지 1중량부, 다당류 셀룰로오스 21 내지 30중량부, 오탄당 자이란 9 내지 10중량부, 아라비난 1 내지 2중량부, 가용성 당질 7 내지 12중량부 및 회분 3 내지 5중량부로 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 로도박터 블라스티쿠스, 로도박터 캡슐라투스 및 로도박터 스페로이데스의 배합비는 중량비로 3~5:2~4:1~3인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 슬러지 저감제의 제조 방법을 제공한다.

상기 슬러지 저감제의 제조 방법은

정제수, 미생물 우성종균, DTPA 킬레이트제, 소이펩톤, 수산화나트륨, 아미노산, 당밀, 염화나트륨, 포도당일수염, 다당류 셀룰로오스, 오탄당 자이란, 아라비난, 가용성 당질 및 회분을 혼합기 내에서 혼합하여 혼합물을 제조하는 제1 단계;

상기 제1 단계의 혼합물에 상판 LED 레일조명등으로 빛을 조사하는 제2 단계;

상기 제2 단계에서 빛을 조사한 혼합물에 산소공급 흡배기 장치로 간접식 열풍 건조하며 산소를 공급하는 제3 단계;

상기 제3 단계 후 생성된 혼합물을 소분하고 포장하는 제4 단계;를 포함한다.

상기 제1 단계의 혼합물 중 정제수 78 내지 87중량부, 미생물 우성종균 4 내지 6 중량부, DTPA 킬레이트제 1 내지 2 중량부, 소이펩톤(Soy peptone) 1 내지 2중량부, 수산화나트륨(Sodium hydroxide) 1 내지 2 중량부, 아미노산 1 내지 2 중량부, 당밀 2 내지 5 중량부, 염화나트륨(Sodium chloride) 1 내지 2중량부, 포도당 일수염(Dextrose monohydrate) 2 내지 3 중량부, 그리고, 셀룰로오스 52 내지 68중량부, 자이란 13 내지 17중량부, 아라비난 1 내지 2중량부, 가용성 당질 10 내지 17중량부 및 회분 8 내지 12중량부인 것이 바람직하다.

상기 제1 단계의 미생물 우성종균은 로도박터, 바실러스 서브틸리스 및 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum)이다.

상기 로도박터는 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 캡슐라투스(Rodobacter capsulatus) 및 로도박터 스페로이데스(Rodobacter sphaeroides)로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제1 단계에서 미생물 우성종균에 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae)를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 단계에서 상기 상판 LED 레일조명등의 파장은 100 nm 내지 350 nm이며, 또한 상기 LED 광원의 세기는 5mW/㎠ 내지 45mW/㎠인 것이 바람직하다.

상기 제3 단계에서 산소공급 흡배기 장치는 산소(O2)로 이루어진 기체를 제1 단계의 혼합물에 분사하기 위한 원통형 파이프를 구비하고, 상기 원통형 파이프는 본체부 및 하단부를 구비하고, 상기 하단부의 단부는 밀폐되고, 또한 하단부의 단부로 갈수록 하단부의 단면의 직경이 상부와 동일하고,

상기 본체부의 측면에는 다수 개의 제1 홀을 구비하고, 상기 하단부의 측면에는 다수 개의 제2 홀을 구비하고, 상기 다수 개의 제1 홀 및 다수 개의 제2 홀은 원통형 파이프를 관통하여 형성되고, 산소로 이루어진 기체는 원통형 파이프의 내부로부터 외부로 미세 분사되는 것이 바람직하다.

본 발명의 슬러지 저감제는 미생물 우성종균과 곡물 껍질에서 추출된 다당류 셀룰로오스, 오탄당 자이란, 아라비난, 가용성 당질 및 회분을 포함하는 혼합물을 고속 발효 혼합하여 활성화함으로써 3 내지 9일 안으로 슬러지를 90% 이상 고속으로 저감할 수 있다.

또한, 미생물의 총균수가 1.0 X 10⁹이상이고, 암모니아, 트리메틸아민의 60% 이상, 황화수소, 메틸머캅탄의 6% 이상 우수한 탈취 성능을 갖는 효과가 있다.

아울러, 본 발명의 슬러지 저감제는 대기 중의 메탄, 이산화탄소와 같은 온실가스를 85% 이상 효과적으로 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 슬러지 저감제의 제조 방법의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 본 발명의 미생물 발효기에 대한 사진이다.
도 3은 본 발명의 본 발명의 상판 LED 레일조명등에 대한 사진이다.
도 4는 본 발명의 본 발명의 산소공급 흡배기 장치에 대한 사진이다.
도 5는 본 발명의 본 발명의 이물질을 제거 하고 포장하는 장치에 대한 사진이다.
도 6은 본 발명의 평가예 1의 슬러지 제거율 시험 조건에 대한 사진이다.
도 7은 본 발명의 평가예 1에 따른 슬러지 제거율 시험 결과에 대한 사진이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 평가예 2에 따른 발생 가스 제거율 비교 시험 결과에 대한 사진이다.
도 12 내지 도 15은 본 발명의 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제의 탈취 성능 실험 결과표이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 평가예 3 내지 7의 PAHs 테스트 방법, As, Cd, Cr, Pb, Cu, Ni, Zn 테스트 방법, Hg 테스트 방법, VACs, 염소계 탄화수소의 테스트 방법에 대한 설명 사진이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략할 수 있다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.

본 발명은 유해 물질의 탈취, 대기 중 가스 저감 성능이 뛰어나며, 고속으로 슬러지를 저감할 수 있는 슬러지 저감제 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 슬러지 저감제는 정제수, 로도박터 블라스티쿠스, 로도박터 캡슐라투스, 로도박터 스페로이데스, 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum), 바실러스 서브틸리스, DTPA 킬레이트제, 소이펩톤, 수산화나트륨, 아미노산, 당밀, 염화나트륨, 포도당 일수염, 사카로마이세스 세레비제, 다당류 셀룰로오스, 오탄당 자이란, 아라비난, 가용성 당질 및 회분을 포함한다.

상기 상기 정제수 34.5 내지 41중량부, 로도박터 블라스티쿠스 0.5 내지 1중량부, 로도박터 캡슐라투스 0.5 내지 1중량부, 로도박터 스페로이데스 0.5 내지 1중량부, 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum) 0.5 내지 1중량부, 바실러스 서브틸리스 2 내지 2.5중량부, DTPA 킬레이트제 1 내지 1.5중량부, 소이펩톤(Soy peptone) 0.5 내지 1중량부, 수산화나트륨(Sodium hydroxide) 0.5 내지 1중량부, 아미노산 0.5 내지 1중량부, 당밀 1 내지 1.5중량부, 염화나트륨(Sodium chloride) 0.5 내지 1중량부, 포도당 일수염(Dextrose monohydrate) 0.5 내지 1중량부, 사카로마이세스 세레비제 0.5 내지 1중량부와,

그리고, 다당류 셀룰로오스 21 내지 30중량부, 오탄당 자이란 9 내지 10중량부, 아라비난 1 내지 2중량부, 가용성 당질 7 내지 12중량부 및 회분 3 내지 5중량부인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 희석 용액으로서 정제수를 포함할 수 있고, 정제수는 34.5 내지 41중량부를 포함할 수 있다.

본 발명의 슬러지 저감제는 미생물 우성종균인 로도박터, 락토바실러스 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum), 바실러스 서브틸리스를 포함할 수 있고, 상기 로도박터는 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 캡슐라투스(Rodobacter capsulatus) 및 로도박터 스페로이데스(Rodobacter sphaeroides)이다.

본 발명의 슬러지 저감제는 상기 로도박터 블라스티쿠스 0.5 내지 1중량부, 로도박터 캡슐라투스 0.5 내지 1중량부, 로도박터 스페로이데스 0.5 내지 1중량부, 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum) 0.5 내지 1중량부, 바실러스 서브틸리스 2 내지 2.5중량부를 포함할 수 있다.

로도박터속의 세균은 해수 담수 및 토양 환경에서 분리되는 통성호기성 세균이며, 로도박터의 세포는 난형 또는 막대 모양을 갖고 광합성 작용에 의한 탈취 성분으로 작용할 수 있다. 그람음성균이고 이중 분영 또는 출출안법(budding)으로 세포 분열한다. 광합성 조건에서 배양시에 황록색에서 노란색, 호기성 배양시 분홍색에서 빨간색으로 변한다.

본 발명에서는 로도박터 속의 로도박터 블라스티쿠스, 로도박터 캡슐라투스 및 로도박터 스페로이데스를 이용하여 유용 미생물을 배양한다. 상기 로도박터 블라스티쿠스, 로도박터 캡슐라투스 및 로도박터 스페로이데스의 배합비는 중량비로 3~5:2~4:1~3인 것이 바람직하다.

일반적으로 로도박터 블라스티쿠스, 로도박터 캡슐라투스 및 로도박터 스페로이데스는 27℃ 내지 30℃도, 중성 pH 6 내지 8에서 성장이 잘 이루어지며, 중성의 pH일 경우, 상기의 로도박터 블라스티쿠스, 로도박터 캡슐라투스 및 로도박터 스페로이데스의 3~5:2~4:1~3 중량비의 배합이 가장 이상적으로 성장이 잘 이루어지며, 성장 배양 속도가 가장 빠르고, 탈취 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 미생물 우성종균 중 바실러스 서브틸리스는 바실러스속 세균으로 토양 등 주변 환경 및 인체나 동물 등에서 널리 분포하고 있다. 본 발명의 바실러스 서브틸리스는 아밀라제와 프로타제 등 중요한 효소 활성을 가지고 있으며, 탈취 특성을 발휘할 수 있다. 본 발명의 바실러스 서브틸리스(Bacillus Subtillis)는 흔히 '고초균'이라도 하며 주로 토양에서 서식하며 바실러스 속이 속하는 균으로서 그람(Gram) 반응에서 양성 반응(Gram positive)을 하는 아포 형성균으로, 호기성이고 주모성 편모를 가지고 운동을 한다. 아포는 난원형이고 중앙에 위치한다. 청국장의 발효 미생물로서 관계가 깊고 여러 미생물 제제로도 이용되고 있다. 또한, 유전공학에서 재조합 DNA 기술의 플라스미드(Plasmid)로서의 매우 중요하게 사용되고 있다.

상기 미생물 우성종균 중 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum)은 락토바실러스속 세균으로 당류를 발효하여 에너지를 획득하여 다량의 유산을 생성하는 세균으로 형태적으로는 그람 양성 무포자 간균으로 다형성을 나타낸다. 균의 배열은 단재, 이연쇄, 단연쇄, 단붕상이 있으며, 각종의 당에서 유산을 생성하여 악취 저감과 함께 슬러지의 감소 성능에 유용하다.

킬레이트(chelate)는 한 개의 리간드가 금속 이온과 두 자리 이상에서 배위결합을 하여 생긴 착이온을 뜻한다. 예를 들어, 구리가 포함된 용액에 에틸렌다이아민의 수용액을 가할 때 구리는 에틸렌다이아민의 두 개의 아민기의 질소 원자와 결합하여 고리 모양의 착이온을 만드는데, 이렇게 해서 생성된 화합물을 킬레이트라 한다.

킬레이트는 작물에 필요한 양분을 흡수하기 좋은 상태로 만들어주는 기능을 하는데, 이때 대표적인 합성 킬레이트제로 EDTA(Ethylenediamine tetraacetic acid), DTPA(Diethylenetriamine pentaacetic acid)가 있다.

본 발명의 슬러지 저감제는 DTPA 킬레이트제를 포함할 수 있고, 1 내지 1.5중량부를 포함하는 것이 바람직하다. DPTA 킬레이트제를 사용함으로써 양분을 잘 흡수하게 하여 미생물 우성종균을 보다 더 성능이 향상되도록 배양할 수 있다. 또한, 미생물 탈취제 성분 중 고정 또는 불용화된 질소, 인산, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등의 양분은 킬레이트제를 뿌려주면 칼륨, 칼슘, 미량 원소, 불용화된 인산을 악취에서 분리해 미생물이 쉽게 흡수하도록 도와주는 장점이 있다.

본 발명의 슬러지 저감제는 소이펩톤(Soy peptone)을 포함할 수 있고, 0.5 내지 1중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 소이펩톤(Soy peptone)은 효소 분해된 대두 단백질로, 높은 비율의 저분자량 펩타이드, 유리 아미노산 및 성장 촉진 인자가 함유되어 있어 발효 산업에서 다양한 미생물 성장에 뛰어난 배지 원료로 사용이 가능하다.

소이펩톤은 효소 분해된 대두 단백질로, 높은 비율의 저분자량 펩타이드, 유리 아미노산 및 성장 촉진 인자가 함유되어 있어 발효 산업에서 다양한 미생물 성장에 뛰어난 배지 원료로 사용이 가능한 소재이다.

동물 유래 추출물 등의 원료와 달리 100% 식물성 기원이기 때문에 광우병, 조류인플루엔자 등의 전염병으로부터 안전하며, 높은 용해성과 살균시 열에 대한 안정성, 미생물 콜로니 동정을 위한 높은 투명도를 나타낸다. 소이펩톤은 유리 아미노산 등 다양한 아미노산을 함유하고 있어 영양학적으로도 미생물을 증식시킬 수 있는 풍부한 영양원을 제공하고 있어 상기 소이펩톤을 사용함으로써 미생물 우성종균의 성장에 도움을 줄 수 있다.

또한, 유제품 산업에서 널리 사용되고 있는 락토바실러스(Lactobacillus), 비피도박테리움(Bifidobacterium sp.) 계열의 유산균과, 바실러스(Bacillus sp.), 대장균(E. coli), 효모 및 곰팡이(Yeast & mold) 검출에도 높은 성능을 발휘한다.

본 발명의 슬러지 저감제는 수산화나트륨(Sodium hydroxide)을 포함할 수 있고, 0.5 내지 1중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 수산화나트륨은 미생물을 배양할 때 산도조절제 용도로 사용되며, 이를 사용함으로써 미생물 생산 효율성이 증가된다.

본 발명의 슬러지 저감제는 아미노산을 포함할 수 있으며, 0.5 내지 1중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 아미노산을 함유하여 산/염기 반응을 통하여 효소의 분해를 도와서 탈취 성분을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 슬러지 저감제는 염화나트륨(Sodium chloride)을 포함할 수 있으며, 0.5 내지 1중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 염화나트륨(Sodium chloride)은 흰색의 결정으로 정제수에 녹을 수 있고, 발효 보조제로서 사용 가능하다.

본 발명의 슬러지 저감제는 당밀을 포함할 수 있으며, 1 내지 1.5중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 당밀은 발효 보조제로서 사탕수수 혹은 사탕무를 설탕으로 가공하는 과정에서 남게 되는, 더 이상 결정화되지 않는 부산물로 갈색의 찐득하고 밀도가 높은 시럽 형태를 갖는다.

본 발명의 슬러지 저감제는 포도당 일수염(Dextrose monohydrate)을 포함할 수 있으며, 0.5 내지 1중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 포도당 일수염(Dextrose monohydrate)을 포함하여 LED 조사 시에 발효가 원활하게 될 수 있는 역할을 할 수 있다.

본 발명의 슬러지 저감제는 사카로마이세스 세리비제를 포함할 수 있으며, 0.5 내지 1중량부를 포함할 수 있다.

본 발명의 슬러지 저감제는 다당류 셀룰로오스, 오탄당 자이란, 아라비난을 포함할 수 있으며, 다당류 셀룰로오스 21 내지 30중량부, 오탄당 자이란 9 내지 10중량부, 아라비난 1 내지 2중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다당류 셀룰로오스는 곡물 껍질로부터 얻을 수 있다. 오탄당 자이란은 곡물 껍질의 알칼리 추출액에 다량의 알콜을 넣어 무색의 분말로서 얻어질 수 있고, 아라비난은 L-아라비노오스만을 구성단당으로 하는 중성 다당류의 일종이며, 곡물 껍질에서 펙틴질과 같이 뜨거운 물에서 추출할 수 있고, α-1,5 결합한 L-아라비노프라노오스사슬의 C-3에 곁사슬이 붙은 분지구조를 갖는다.

상기 다당류 셀룰로오스, 오탄당 자이란, 아라비난의 혼합 중량비율은 바람직하게는 65~70:25~30:1~3을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 67~70:28~30:2~3을 포함할 수 있고, 가장 바람직하게는 68~69:29~30:2~2.2을 포함할 수 있다. 상기 비율을 포함함으로써, 미생물 우성종균에 의한 슬러지의 고속 저감 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 슬러지 저감제는 가용성 당질을 포함할 수 있으며, 7 내지 12중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 가용성 당질은 글루코스, 과당, 및 갈락토스에서 선택된 어느 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. 이당류와 다당류를 사용하게 되면 불용성인 성질을 갖기 때문에 당질은 폐유성 슬러지 내부에 균일한 분포를 가지기 어려워 미생물 우성종균과 접촉성은 감소하므로 바람직하지 않다.

본 발명의 슬러지 저감제는 회분을 포함할 수 있으며, 3 내지 5중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 회분은 SiO₂(이산화규소), CaO(산화칼슘), MgO(산화마그네슘), K₂O(산화칼륨), Na₂O(산화나트륨), Fe₂O₃(산화철(III)), P₂O₅(오산화인), Al₂O₃(산화알루미늄), MnO₂(이산화망간)을 함유할 수 있다. 구체적인 회분의 중량 혼합비는 SiO₂(이산화규소): CaO(산화칼슘) : MgO(산화마그네슘) : K₂O(산화칼륨) : Na₂O(산화나트륨) : Fe₂O₃(산화철(III)): P₂O₅(오산화인): Al₂O₃(산화알루미늄): MnO₂(이산화망간)는 85~90 : 0.1~0.5 : 0.1~0.5 : 0.5~1 : 0.5~1 : 0.01~0.1 : 0.1~0.5 : 0.1~0.5 : 0.1~0.5를 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 SiO₂(이산화규소): CaO(산화칼슘) : MgO(산화마그네슘) : K₂O(산화칼륨) : Na₂O(산화나트륨) : Fe₂O₃(산화철(III)): P₂O₅(오산화인): Al₂O₃(산화알루미늄): MnO₂(이산화망간)는 89~90 : 0.1~0.3 : 0.1~0.3 : 0.8~1 : 0.8~1 : 0.05~0.1 : 0.2~0.4 : 0.1~0.2 : 0.1~0.2를 사용할 수 있다. 상기 범위에서 회분에 의한 미생물 우성종균의 활성화가 가속화될 수 있다.

또한, 본 발명은 슬러지 저감제의 제조 방법을 제공한다.

상기 슬러지 저감제의 제조 방법은

상기 제1 단계의 혼합물 중 정제수 78 내지 87중량부, 미생물 우성종균 4 내지 6 중량부, DTPA 킬레이트제 1 내지 2 중량부, 소이펩톤(Soy peptone) 1 내지 2중량부, 수산화나트륨(Sodium hydroxide) 1 내지 2 중량부, 아미노산 1 내지 2 중량부, 당밀 2 내지 5 중량부, 염화나트륨(Sodium chloride) 1 내지 2중량부, 포도당 일수염(Dextrose monohydrate) 2 내지 3 중량부, 그리고, 셀룰로오스 52 내지 68중량부, 자이란 13 내지 17중량부, 아라비난 1 내지 2중량부, 가용성 당질 10 내지 17중량부 및 회분 8 내지 12중량부로 혼합한 것이 바람직하다.

상기 제1 단계에서 미생물 우성종균에 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae)를 더 포함할 수 있다. 상기 사카로마이세스 세리비제를 더 포함함으로써 미생물의 빠른 성장에 도움을 줄 수 있다.

상기 사카로마이세스 세리비제는 천연 생효모로, 일반적으로 화학 물질을 사용해 배양한 인위적인 인공 효모와 달리, 천연 생효모는 발효될 때 다양한 미생물들이 작용하게 되는데, 이때 단백질이 아미노산으로 분해되는 양이 많아 촉감이 부드러워지는 장점이 있으며, 장시간 지속적인 발효를 통하여 우성종균의 배양 성능에 도움을 주는 장점이 있다.

상기 제2 단계에서 상기 상판 LED 레일조명등의 파장은 100 nm 내지 350 nm이며, 또한 상기 LED 광원의 세기는 5mW/㎠ 내지 45mW/㎠인 것이 바람직하며, 상기 LED 조사를 함으로써 로도박터 및 락토바실러스 미생물의 발육 성장을 더욱 촉진시킬 수 있다.

본 발명의 미생물 우성종균의 발효 반응을 위해서는 광원이 필요하다. 이 광원은 상업적 생산을 위해서는 비용이 낮아야하고 내구성이 높고 효율이 높아야 한다. 이러한 조건들을 만족하는 광원 중의 하나가 발광 다이오드(light-emitting diode, LED)이다. LED는 작고, 가벼워서 어떤 형태의 미세폭기 반응에도 직접 조명이 가능하고, 평균 수명도 길고, 전기 효율도 높아서 미생물 우성종균의 발효 반응용 광원으로 적합하다. LED 광원이 특정 파장 영역의 빛을 발하고, 이 파장 영역이 광합성의 활동 스펙트럼(action spectrum)과 겹친다면, 공급된 빛에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 된다. 그러나, 종래의 LED는 광량이 적어 미생물 우성종균의 발효 반응용 광원에 사용될 수 없었는데, 본 발명은 DDH GaAlAs(double-power double-heterostructure gallium aluminum arsenide) 발광소자를 사용하여 높은 광량으로 본 발명의 유용 미생을 재배하는데 사용할 수 있다.

LED 광원은 다수개의 LED 램프(도 3)를 사용하여 광조사를 할 수 있다. 또한 상기 제2 단계에서 상기 LED 광원에 의한 빛의 조사는 고속발효장비 상부에 설치된 다수개의 LED 램프에서 제1 단계의 혼합물과 비접촉 상태로 광 조사할 수 있다. 또한, 고속발효장비 내부 바닥에 설치된 다수 개의 LED 램프에서 제1 단계의 혼합물과 접촉 상태로 광 조사할 수 있다. 이와 같이 함으로써, LED 광조사를 혼합물 상부 및 혼합물 내부에 행하여 광 조사 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 LED 파장 영역이 자외선 영역을 사용할 수 있고, 상기 범위를 벗어나면 배양 조건이 나빠져서 미생물 수가 감소하게 된다. 예를 들어, 가시광선 또는 적외선 영역에서는 오히려 광의 조사로 인한 미생물 수가 감소 우려가 있어 바람직하지 않다.

본 발명의 광원의 세기는 5mW/㎠ 내지 45mW/㎠일 수 있고, 상기 범위의 미만이면 광조사에 대한 효과를 기대하기 어렵고, 상기 범위를 초과하면 미생물 수가 오히려 감소되어 바람직하지 않다.

본 발명의 산소공급 흡배기 장치(도 4)로 간접식 열풍 건조하며 산소를 공급하는 제3 단계를 포함할 수 있다. 상기 산소공급 흡배기 장치는 혼합물 내에 원통형 파이프를 삽입하여 산소를 주입하여 혼합물 내의 산소 농도를 일정하게 유지시키고 호기성 미생물의 활동을 활발하게 할 수 있다.

상기 제3 단계에서 산소공급 흡배기 장치는 산소(O₂)로 이루어진 기체를 제1 단계의 혼합물에 분사하기 위한 원통형 파이프를 구비하고, 상기 원통형 파이프는 본체부 및 하단부를 구비하고, 상기 하단부의 단부는 밀폐되고, 또한 하단부의 단부로 갈수록 하단부의 단면의 직경이 상부와 동일하고,

본 발명의 산소공급 흡배기 장치는 원통형 파이프를 구비할 수 있는데, 원통형 파이프의 입구를 통하여 산소가 공급되어 다수 개의 제1 홀 및 다수 개의 제2 홀을 통하여 혼합물로 산소를 분사할 수 있다. 공기를 주입하는 것도 가능하지만 산소 농도를 높게 유지하기 위해 산소로 이루어진 기체를 분사하는 것이 바람직하다.

본 발명의 원통형 파이프는 본체부 및 하단부를 구비하는데, 상기 하단부의 단부는 밀폐되고, 또한 원통형 파이프가 지면에 수직한 방향을 z-축이라 정의할 때, 하단부의 단부로 갈수록 하단부의 xy-평면 상의 단면의 직경이 감소될 수 있다. 상기와 같이 하여, 산소공급 흡배기 장치의 원통형 파이프가 혼합물 내에 삽입을 쉽게 할 수 있다.

또한, 상기 본체부의 측면에 다수 개의 제1 홀을 구비하고, 상기 하단부의 측면에 다수 개의 제2 홀을 구비하여 원통형 파이프 내의 산소가 외부로 미세하게 분사될 수 있게 하는 역할을 한다. 특히, 상기 본체부의 측면에 다수 개의 제1 홀에 의하여 원통형 파이프의 측면에 산소 버블을 공급할 수 있고, 상기 하단부의 측면에는 다수 개의 제2 홀에 의하여 원통형 파이프의 하측면에 방사 방향으로 산소를 공급할 수 있다.

본 발명의 상기 산소공급 흡배기 장치에서 산소로 이루어진 기체를 분사하기 위한 작동 횟수는 2 ~ 3 회/min, 내지 3 ~ 4 회/min, 1회 작동 시간은 30 내지 40초 조정 타이머 세팅 조건 값으로 구동되는 것이 바람직하다. 즉, 산소로 이루어진 기체를 분사하는 작동 횟수 및 시간이 상기 범위보다 초과하게 되면, 과잉 산소가 주입되어 오히려 호기성 미생물의 활동에 방해되어 산소를 주입하지 않는 것보다도 효율이 저하될 수 있다.

본 발명은 상기 제3 단계 후 생성된 혼합물을 소분하고 포장하는 제4 단계(도 5)를 포함할 수 있다. 본 발명의 상기 제2 단계와 제3 단계는 동시에 행해지고, 또한 상기 제2 단계와 제3 단계는 3일 내지 5일 동안 행해질 수 있고, 3일 내지 4일 동안 행해지는 것이 더욱 바람직하다.

이와 같이, 제2 단계의 광조사 및 제3 단계의 산소공급 흡배기 장치에 의한 산소 공급에 의하여 1주일 이상 소요되는 숙성 시간을 줄여서 3 내지 6일의 단기간에 슬러지 저감제를 제조할 수 있는 장점이 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

실시예 1 슬러지 저감제의 제조

정제수 35g, 로도박터 블라스티쿠스 1g, 로도박터 캡슐라투스 1g, 로도박터 스페로이데스 1g, 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum) 1g, 바실러스 서브틸리스 2.5g, DPTA 킬레이트제 1.5g, 소이펩톤 1g, 수산화나트륨 1g, 아미노산 1g, 당밀 1g, 염화나트륨 1g 및 포도당 일수염 1g, 사카로마이세스 세레비제 1g, 다당류 셀룰로오스 26g, 오탄당 자이란 10g, 아라비난 2g, 가용성 당질 9g 및 회분 3g을 혼합하고, 225nm 파장과 15mW/㎠ 의 세기의 LED 광원에 노출시키고, 산소공급 흡배기 장치를 이용하여 30초 간격으로 분당 3회씩 미세 홀을 갖는 원통형 파이프에 산소를 공급하여 3일 동안 숙성하여 슬러지 저감제를 제조하였다.

평가예 1 슬러지 제거율 비교 시험

실시예 1로 제조된 슬러지 저감제와 일반 왕겨 및 톱밥의 슬러지 제거율 비교하기 위해, 도 6과 같이 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제 1.5kg, 왕겨 1.5kg 및 톱밥 1.5kg에 각각 슬러지 1.5kg를 혼합한 후 0일차, 3일차, 6일차 및 9일차의 슬러지 잔량을 확인하였다.

도 7을 참조하면 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제는 슬러지가 0일차 1.5kg, 3일차 1.25kg, 6일차 0.86kg, 9일차 0.14kg로 90.67%가 제거된 반면, 일반 왕겨 및 톱밥의 경우 각각 슬러지가 14%, 25.33%만 제거된 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 슬러지 저감제는 9일 안으로 슬러지가 90% 이상 효과적으로 제거할 수 있음을 알 수 있다.

평가예 2 발생 가스 제거율 비교 시험

실시예 1로 제조된 슬러지 저감제와 일반 왕겨 및 톱밥의 발생 가스 제거율을 비교하기 위해, 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제 1.5kg, 왕겨 1.5kg 및 톱밥 1.5kg에 각각 슬러지 1.5kg를 혼합한 3일차, 6일차 및 9일차의 슬러지 시료를 주식회사 EL에 의뢰하여 메탄 및 이산화탄소의 검출량을 확인하였다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 일반 왕겨가 혼합된 슬러지 시료(도 8), 톱밥이 혼합된 슬러지 시료(도 9)에 비해 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제가 혼합된 슬러지 시료(도 10)는 메탄이 검출되지 않았으며, 이산화탄소는 88.9%가 저감된 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 슬러지 저감제는 대기 중의 메탄, 이산화탄소와 같은 온실가스를 효과적으로 저감할 수 있는 것을 확인하였다.

평가예 3 총 호기성 미생물수 확인

실시예 1로 제조된 슬러지 저감제를 한국융합화학시험연구원에 의뢰하여 총 호기성 미생물수를 확인하였다.

도 12를 참조하면 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제의 총 호기성 미생물수는 1.1x10⁹ CFU/mL이다. 따라서, 단 기간 내에 미생물을 효과적으로 배양할 수 있음을 확인하였으며, 미생물 성장 발육 증진 효과가 뛰어남을 확인하였다.

평가예 4 탈취성능시험 1

실시예 1로 제조된 슬러지 저감제의 탈취 성능을 확인하기 위해 한국융합화학시험연구원에 의뢰하여 VACs, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 스타이렌, PAHs, Acenaphthene, Acenaphthylene, Anthracene, Benzo(a)anthracene의 검출량을 확인하였다.

도 13을 참조하면 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제에 있어서 VACs, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 스타이렌, PAHs, Acenaphthene, Acenaphthylene, Anthracene, Benzo(a)anthracene가 검출되지 않음을 확인할 수 있다.

평가예 5 탈취성능시험 2

실시예 1로 제조된 슬러지 저감제의 탈취 성능을 확인하기 위해 한국융합화학시험연구원에 의뢰하여 benzo(a)pyrene, benzo(b)fluoranthene, Benzo(g,h,i)perylene, Benzo(k)fluorathene, Chrysene, Dibenzo(a,h)anthracene, fluoranthene, 플루오렌, indeno(1,2,3-cd)pyrene, 나프탈렌, 페난트렌, 피렌의 검출량을 확인하였다.

도 14를 참조하면 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제에 있어서 benzo(a)pyrene, benzo(b)fluoranthene, Benzo(g,h,i)perylene, Benzo(k)fluorathene, Chrysene, Dibenzo(a,h)anthracene, fluoranthene, 플루오렌, indeno(1,2,3-cd)pyrene, 나프탈렌, 페난트렌, 피렌이 검출되지 않음을 확인할 수 있다.

평가예 6 탈취성능시험 3

실시예 1로 제조된 슬러지 저감제의 탈취 성능을 확인하기 위해 한국융합화학시험연구원에 의뢰하여 염소계 탄화수소, 디클로로메탄, 클로로포름, 카본 테트라클로라이드, 1,1,1-트리클로로에탄, 1,1-디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, As, Cd, Cr, Pb, Cu, Ni, Zn, Hg의 검출량을 확인하였다.

도 15를 참조하면 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제에 있어서 염소계 탄화수소, 디클로로메탄, 클로로포름, 카본 테트라클로라이드, 1,1,1-트리클로로에탄, 1,1-디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, As, Cd, Cr, Pb는 검출되지 않음을 확인할 수 있으며, Cu는 0.13 mg/kg, Ni는 0.07 mg/kg, 도 12를 참조하면 Zn은 0.7 mg/kg, Hg는 검출되지 않음을 확인할 수 있어 종래의 미생물 탈취제에 비해 탈취능이 뛰어남을 알 수 있다.

평가예 7 탈취성능시험 4

실시예 1로 제조된 슬러지 저감제의 탈취 성능을 확인하기 위해 한국융합화학시험연구원에 의뢰하여 암모니아, 트리메틸아민, 황화수소 및 메틸머캅탄의 검출량을 확인하였다.

도 12를 참조하면 실시예 1로 제조된 슬러지 저감제는 암모니아는 68.8%, 트리메틸아민은 72.5%, 황화수소는 10.0%, 메틸머캅탄은 6.3%가 탈취되는 것을 확인할 수 있다.

Claims

정제수 35g, 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus) 1g, 로도박터 캡슐라투스(Rodobacter capsulatus) 1g, 로도박터 스페로이데스(Rodobacter sphaeroides) 1g, 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum) 1g, 바실러스 서브틸리스(Bacillus Subtillis) 2.5g, DTPA 킬레이트제 1.5g, 소이펩톤 1g, 수산화나트륨 1g, 아미노산 1g, 당밀 1g, 염화나트륨 1g, 포도당 일수염 1g, 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae) 1g, 다당류 셀룰로오스 26g, 오탄당 자이란 10g, 아라비난 2g, 가용성 당질 9g 및 회분 3g을 포함하고, 메탄이나 이산화탄소와 같은 탄소 저감의 특징을 갖는 가축분뇨 슬러지 저감제.
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정제수 35g, 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus) 1g, 로도박터 캡슐라투스(Rodobacter capsulatus) 1g, 로도박터 스페로이데스(Rodobacter sphaeroides) 1g, 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantarum) 1g, 바실러스 서브틸리스(Bacillus Subtillis) 2.5g, DTPA 킬레이트제 1.5g, 소이펩톤 1g, 수산화나트륨 1g, 아미노산 1g, 당밀 1g, 염화나트륨 1g, 포도당 일수염 1g, 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae) 1g, 다당류 셀룰로오스 26g, 오탄당 자이란 10g, 아라비난 2g, 가용성 당질 9g 및 회분 3g을 혼합기 내에서 혼합하여 혼합물을 제조하는 제1 단계;
상기 제1 단계의 혼합물에 상판 LED 레일조명등으로 빛을 조사하는 제2 단계;
상기 제2 단계에서 빛을 조사한 혼합물에 산소공급 흡배기 장치로 간접식 열풍 건조하며 산소를 공급하는 제3 단계;
상기 제3 단계 후 생성된 혼합물을 소분하고 포장하는 제4 단계;를 포함하고, 메탄이나 이산화탄소와 같은 탄소 저감의 특징을 갖는 가축분뇨 슬러지 저감제의 제조 방법.
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청구항 4에 있어서,
상기 제2 단계에서 상기 상판 LED 레일조명등의 파장은 100 nm 내지 350 nm이며, 또한 상기 LED 광원의 세기는 5mW/㎠ 내지 45mW/㎠로 로도박터 및 락토바실러스 미생물의 발육 성장을 더욱 촉진시켜주는 것을 특징으로 하는 슬러지 저감제의 제조 방법.
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