KR102523887B1 - 가축분을 활용한 바이오차 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가축분을 활용한 바이오차 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 토양에 시비 시 유기물의 분해를 촉진시켜 토양의 질을 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 온실가스의 배출을 감소시킬 수 있으며, 중금속 성분을 효과적으로 제거함으로써 농업 및 수질 정화 분야에서 다양하게 활용할 수 있는, 가축분을 활용한 바이오차 및 상기 바이오차의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해, 상기 바이오차 제조방법은, 가축분 원료를 수득하는 단계; 상기 가축분 원료, 부자재, 및 석회처리 비료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 1차 발효하는 단계; 상기 1차 발효한 혼합물을 건조하는 단계; 상기 건조한 혼합물을 펠렛으로 성형하는 단계; 및 상기 펠렛을 200℃ 내지 1,000℃의 온도 범위에서 열분해하여 바이오차를 수득하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 가축분을 활용한 바이오차 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 토양에 시비 시 유기물의 분해를 촉진시켜 토양의 질을 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 온실가스의 배출을 감소시킬 수 있으며, 중금속 성분을 효과적으로 제거함으로써 농업 및 수질 정화 분야에서 다양하게 활용할 수 있는, 가축분을 활용한 바이오차 및 상기 바이오차의 제조방법에 관한 것이다.
현재, 국민소득 수준의 향상으로 육류 소비가 증가함에 따라 축산업의 규모는 증가하였으나, 이에 수반되어 발생하는 가축 분뇨의 처리에 있어서는 대부분의 비율로 퇴액비화에 의존하고 있는 한계성이 있다.
이렇게 자원화된 퇴액비는 농산물을 생산하는 경작지에서 소비되어야 하지만, 현재 우리나라 토양에서 작물의 양분 요구량 대비 양분 공급량이 매우 높은 수준이고, 이를 소비할 경지 면적은 지속적으로 감소할 것으로 전망되고 있어 퇴액비 수요처 확보에 어려움이 예상된다.
이에, 정부에서는 탄소중립(Net Zero) 이행 중 축산분야 온실가스 감축을 위해 가축분뇨 에너지화를 확대하는 등 신재생 에너지 활용에 대한 방안을 확대하고 있다. 특히, 2025 년까지 가축분뇨 에너지화 시설 45개소를 신규 설치하고, 2030 년까지 가축분뇨를 이용한 바이오가스 생산량을 135 만톤으로 확대하며, 2050 년까지 축산분야 전체 온실가스 배출량의 30%를 감축하는 것을 목표로 하고 있다.
앞서 설명한 가축분뇨의 자원화 방법에는 크게 퇴액비화 방법과 에너지화 방법으로 구분할 수 있는데, 후자의 에너지화 방법은 바이오가스화가 주를 이루고 있고 고체, 연료화 방법은 건조 에너지의 과다 소비로 인한 경제성 문제로 연구 단계에 머물러 있으며 최근 경북을 중심으로 실증 사업이 일부 진행 중이다.
한편, 바이오차(biochar)는 1879년에 아마존을 탐험하던 Herbert Smith가 원주민의 설탕 농업에서 사탕수수의 높이가 3m에 굵기가 손목 두께에 이르며 경이로운 생산력이 있는 것을 보고 이의 비밀이 아마존의 검은 흙(terra preta, dark earth) 토양에 있다고 조사된 바, 이의 연구 끝에 개발된 것을 의미한다.
상기 바이오차는 토양의 탄소 고정능력이 뛰어난 것으로 보고되면서 전세계적으로 탄소저감기술로 주목을 받기 시작했으며, 온실가스 저감 뿐만 아니라 토양의 개량 효과가 있는 것으로 연구되고 있다. 보다 구체적으로, 유기물을 토양에 시비할 경우 분해 과정에서 발생하는 질산화 작용에 의한 토양의 산성화를 유발하나, 바이오차의 경우 알카리성 회분의 물질로 인해 토양의 토양산도(pH) 및 전기전도도(EC)를 상승시키는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
상기 바이오차는 2019년 International panel for climate change (IPCC)에 의해 negative emission technology (NET) 로 인정되었으며, 그에 따라 바이오차에 의한 탄소 저감 방법론이 등록되었다.
상기 바이오차가 갖는 이로움이 상당하므로, 바이오차를 제조하기 위해 가축분을 이용하는 방안에 대한 연구가 있었으나, 고형 원료화와 마찬가지로 가축분이 갖는 높은 수분 함량으로 제조에 어려움이 있었다.
이에, 가축분에 대한 압착을 진행하여 함수율을 낮추는 등의 노력이 있었으나, 이로 인한 실효성이 낮은 것으로 판단되었으며, 또한 탈수 시 발생되는 고농도 폐수의 처리에 대한 문제가 부가적으로 발생하는 등 어려움이 아직까지 남아있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 축분을 이용함으로써 토양으로 환원되는 환경오염을 줄이는 동시에 고부가성, 농자재 제품의 개발을 도모할 수 있는 바이오차 및 상기 바이오차의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 가축분으로부터 가축분 원료를 수득하는 단계; 상기 가축분 원료, 부자재, 및 석회처리 비료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 1차 발효하는 단계; 상기 1차 발효한 혼합물을 건조하는 단계; 상기 건조한 혼합물을 펠렛으로 성형하는 단계; 및 상기 펠렛을 200℃ 내지 1,000℃의 온도 범위에서 열분해하여 바이오차를 수득하는 단계;를 포함하는, 바이오차 제조방법에 의해 해결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 가축분 원료를 수득하는 단계; 상기 가축분 원료, 부자재, 및 석회처리 비료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 1차 발효하는 단계; 상기 1차 발효한 혼합물을 건조하는 단계; 상기 건조한 혼합물을 펠렛으로 성형하는 단계; 상기 펠렛을 200℃ 내지 1,000℃의 온도 범위에서 열분해하여 바이오차를 수득하는 단계; 및 상기 바이오차에 기능성 미생물을 포함하는 첨가제를 추가하여 기능성 바이오차를 수득하는 단계;를 포함하는, 바이오차 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
구체적으로, 상기 기능성 미생물은, 바실러스 속(Bacillus sp.), 엔테로코커스 속(Enterococcus sp.), 사카로마이세스 속(Saccharomyces sp.), 페디오코커스 속(Pediococcus sp.), 스트렙토코커스 속(Streptococcus sp.) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로할 수 있다.
구체적으로, 상기 가축분은, 돈분, 계분, 우분, 마분, 견분, 압분, 사육동물 배설물, 식육동물 배설물 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 1차 발효 후 혼합물의 함수율은 35% 미만인 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 건조는 50℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 건조 후 혼합물의 함수율은 20% 미만인 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 열분해는 산소가 제한된 조건에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 축산 시설에서 다량으로 발생하는 가축분을 이용함으로써 환경오염을 줄이는 동시에 고부가성, 농자재 제품의 개발을 도모할 수 있는 바이오차를 종래 방법에 비해 낮은 비용으로 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 바이오차는, 토양에 시비 시 토양의 유기물 분해를 촉진시켜 짧은 시간 내에 토양을 안정화시키고 산도를 개선할 수 있고, 식물의 발아 및 생육면에서 특히 우수한 효과를 나타낼 수 있으며, 토양의 개량 효과를 장시간 유지시킬 수 있다는 장점을 갖는다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 바이오차는 수성 매질에서 유기성분과 중금속 오염 성분을 제거함으로써 토양 뿐만 아니라 수질 정화 분야에서도 다양하게 활용될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바이오차를 나타낸 이미지이다.
도 3의 (a) 내지 (d)는, 비교예 및 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차를 이용한 작물 생장 비교 실험을 나타낸 이미지이다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바이오차를 나타낸 이미지이다.
도 3의 (a) 내지 (d)는, 비교예 및 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오차를 이용한 작물 생장 비교 실험을 나타낸 이미지이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원의 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 측면은, 가축분 원료를 수득하는 단계; 상기 가축분 원료, 부자재, 및 석회처리 비료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 1차 발효하는 단계; 상기 1차 발효한 혼합물을 건조하는 단계; 상기 건조한 혼합물을 펠렛으로 성형하는 단계; 및 상기 펠렛을 200℃ 내지 1,000℃의 온도 범위에서 열분해하여 바이오차를 수득하는 단계;를 포함하는,바이오차 제조방법을 제공한다.
본원의 또 다른 측면은, 가축분 원료를 수득하는 단계; 상기 가축분 원료, 부자재, 및 석회처리 비료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 1차 발효하는 단계; 상기 1차 발효한 혼합물을 건조하는 단계; 상기 건조한 혼합물을 펠렛으로 성형하는 단계; 상기 펠렛을 200℃ 내지 1,000℃의 온도 범위에서 열분해하여 바이오차를 수득하는 단계; 및 상기 바이오차에 기능성 미생물을 포함하는 첨가제를 추가하여 기능성 바이오차를 수득하는 단계;를 포함하는,바이오차 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 축산 시설에서 다량으로 발생하는 가축분을 이용함으로써 환경오염을 줄이는 동시에 고부가성, 농자재 제품의 개발을 도모할 수 있는 바이오차를 종래 비용에 비해 낮은 비용으로 용이하게 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 바이오차는, 토양에 시비 시 토양의 유기물 분해를 촉진시켜 짧은 시간 내에 토양을 안정화시키고 산도를 개선할 수 있고, 식물의 발아 및 생육면에서 특히 우수한 효과를 나타낼 수 있으며, 토양의 개량 효과를 장시간 유지시킬 수 있다는 장점을 갖는다. 뿐만 아니라, 수성 매질에서 유기성분과 중금속 오염 성분을 제거함으로써 토양 뿐만 아니라 수질 정화 분야에서도 다양하게 활용될 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 통해 본원의 일 실시예에 따른 바이오차 제조방법을 설명할 수 있다.
먼저, 가축분으로부터 가축분 원료를 수득한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가축분은 돈분, 계분, 우분, 마분, 견분, 압분, 사육동물 배설물, 식육동물 배설물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 구체적으로는, 계분을 포함할 수 있다. 상기 계분은 유기물질을 함유하고 있어 우수한 비료 자원으로서, 유기질 함량이 풍부하고 작물에 필요한 다량원소가 함유되어 있어, 토양의 비옥도를 향상시키고 토양 구조를 개선시키며 토양의 지속생산능력을 강화시키는 능력을 지니고 있다.
다음으로, 상기 가축분 원료, 톱밥 등의 부자재, 및 석회처리 비료를 혼합하여 혼합물을 형성한다.
일 실시예에 있어서, 상기 석회처리 비료는 유기성 폐기물을 석회처리하여 살균, 살충된 퇴비로서, 바람직하게는 유기성 폐기물을 파쇄 및 선별한 후 저장하는 단계, 상기 저장된 유기성 폐기물을 수분 조절제와 혼합하는 1차 수분 조절 단계, 상기 1차 수분 조절된 유기성 폐기물을 생석회와 혼합하여 반응시키는 단계, 상기 생석회와 혼합된 유기성 폐기물을 부형제와 혼합하는 2차 수분 조절 단계, 및 상기 2차 수분 조절된 유기성 폐기물을 교반 건조하는 건조 단계를 통하여 제조될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기성 폐기물은 음식물류 폐기물 뿐만 아니라 식물성 잔재물, 동물성 잔재물 등 다양한 유기성 원료를 포함할 수 있으며, 구체적으로는, 음식물류 폐기물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이물질, 예를 들어 금속 물질, 폐비닐 등이 제거된 유기성 폐기물은 그라인더, 믹서, 파쇄기, 또는 미립분쇄기를 통해 입경 약 1 내지 2 mm로 미분쇄된 유기성 폐기물은 일차적으로 저장될 수 있다.
저장된 유기성 폐기물은 반응기 내로 이송되어 일련의 첨가제들과 혼합 공정을 거치게 되는데, 먼저 본격적으로 생석회와 혼합 반응을 하기 전에 폐기물 내 수분을 1차적으로 조절하기 위하여 수분 조절제와 혼합하는 과정을 거치게 된다.
예를 들어, 상기 수분 조절제는 왕겨, 톱밥, 유박, 커피박, 코코피트, 규조토, 제올라이트, 벤토나이트, 카올린, 점토, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 수분 조절제는 톱밥 및 코코피트가 약 1 내지 약 2:1(w/w)의 비율로 혼합된 혼합물이 사용될 수 있다.
톱밥은 목재를 절단, 연마, 사포질 등의 가공 과정에서 발생하는 부산물로서, 고운 목재 입자로 구성되어 수분을 흡수하는 성능이 뛰어나 상기 유기질 비료 제조 공정에 첨가 시 수분 조절제로서 사용될 수 있다. 또한, 상기 톱밥은 탄소원을 함유하기 때문에 추후 축분 및 미생물과 함께 발효됨으로써, 토양의 영양을 공급함으로써 토양을 개선할 수 있는 비료로서 사용될 수 있다.
코코피트는 코코넛의 내과피에서부터 외과피까지 존재하는 섬유질을 분쇄하여 만든 유기입자로서, 뛰어난 수분 흡수력을 가지고 있어 근래에 주목받고 있으며, 탄소원으로서 추후 축분 및 미생물과 함께 발효될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기성 폐기물에 투입되는 수분 조절제의 혼합량은 저장된 유기성 폐기물의 약 6 내지 10 중량%인 것이 바람직하며, 이보다 적으면 충분한 수분 조절 효과가 나오기 어렵고 이보다 크면 전체적인 공정의 경제성이나 효율성이 떨어지게 된다.
다음으로, 상기 1차적으로 수분이 조절된 유기성 폐기물은 본격적으로 생석회와 혼합되어 가수분해 반응을 일으키게 되며, 이때 반응열로 인해 반응기내 온도가 약 80℃ 내지 약 120℃를 유지하게 되어 유기물의 소화 및 살균, 살충 작용은 물론 악취 제거가 이루어지게 된다. 구체적으로, 상기 유기성 폐기물과 생석회를 혼합 교반할 경우, 상기 유기성 폐기물에 포함된 수분이 산화 석회의 미세한 공극에 흡수되고 소화(slaking)에 의해 열이 발생하면서 수산화칼슘[(CaOH)2] 미립자를 형성하게 된다. 이어 중탄산칼슘[Ca(HCO3)2]을 생성하는데, 이때 화학적 변화 및 분해에 의하여 많은 반응열이 발생하게 된다.
상기 생석회와의 반응을 통해 발생한 반응열은 세 가지 중요한 작용을 하는데, 먼저, 상기 유기성 폐기물에 포함된 유기물의 활성도를 진작시켜 칼슘 등 금속이온의 착화합물을 형성을 촉진시킨다. 두 번째로는, 악취물질의 근원이 되는 성분, 예를 들어 암모니아(NH3), 황화수소(H2S), 트리메칠아민[(CH3)3N] 등을 분해하여 분해된 악취물질의 일부가 칼슘화합물을 형성하게 한다. 마지막으로, 상기 유기성 폐기물이 생석회와 반응하여 생성된 반응열에 의해 온도가 상승하고, 상기 상승한 온도에 의해 일부 수분이 증발되며, 반응종료 직후 상기 유기물과 금속 이온과의 착화합물인 칼슘-유기화합물에 상기 수산화칼슘 입자가 균일하게 분산 및 흡착되었기 때문에 반응물은 pH 약 11 내지 12의 강알칼리성을 나타내게 된다. 상기 반응물이 나타내는 강알칼리성에 의하여,상기 유기성 폐기물에 포함되었던 유해균들이 멸균 및/또는 살균될 수 있다.
구체적으로, 상기 유기성 폐기물은 하기와 같은 반응들을 통해 생석회와 반응하여 졸(sol) 상태에서 젤(gel) 상태로 변화하면서 칼슘 화합물을 형성함에 따라 상기 유기성 폐기물에 포함되는 악취 성분이 제거되는 것일 수 있다.
2(CH3SH)+CaO -> (CH3S)2Ca + H2O
2(RCOOH) + CaO -> (R-COO)2Ca+ H2O
-S-(유황화합물) + 2CaO -> CaS
일 실시예에 있어서, 상기 생석회는 상기 1차 수분 조절된 유기성 폐기물의 약 20 내지 약 30 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 만약, 상기 생석회가 약 20 중량%미만으로 첨가될 경우 충분한 수분 소화 및 살균, 살충 효과가 나오기 어렵고, 약 30 중량%를 초과할 경우 전체적인 공정의 경제성이나 효율성이 떨어질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 생석회 혼합 반응을 거친 유기성 폐기물은 부형제와 혼합되어 2차 수분 조절 단계를 거치게 된다, 이 때, 상기 부형제는 1차 수분 조절 단계에서 사용된 톱밥과 코코피트의 혼합물 등 다양한 부형제가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 본 발명의 공정에 따라 제조된 석회처리 비료의 일부를 포함하는 리사이클 첨가제를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 리사이클 첨가제는 약 65 내지 약 75 중량%의 석회처리 비료 및 약 25 내지 약 35 중량%의 피트머스 또는 휴믹산(humic acid)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 있어서, 상기 리사이클 첨가제는 상기 생석회 혼합 반응을 거친 유기성 폐기물의 약 8 내지 약 12 중량%로 첨가될 수 있다. 만약, 상기 리사이클 첨가제가 약 8 중량% 미만으로 첨가될 경우 충분한 수분 조절 효과가 나오기 어렵고, 약 12 중량%를 초과할 경우 전체적인 공정의 경제성이나 효율성이 떨어질 수 있다.
이와 같이 2차 수분 조절 단계까지 거친 유기성 폐기물은 교반 건조기로 이송되어 건조 단계를 거쳐 최종적으로 석회처리 비료로서 제조되며, 일부는 앞서 설명한 바와 같이 부형제로 재사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 상기 가축분 원료 약 40 내지 60 중량%및 석회처리 비료 약 20 내지 약 50 중량%를 혼합하여 형성되는 것일 수 있다. 만약, 상기 가축분 원료가 약 40 중량%미만으로 포함되거나 석회처리 비료가 약 50 중량%을 초과하여 포함될 경우 유기질 성분이 부족하여 추후 제조되는 바이오차에 기공이 충분히 형성되지 않을 수 있으며, 가축분 원료가 약 60 중량%를 초과하거나 석회처리 비료가 약 20 중량% 미만으로 포함될 경우 악취가 지나치게 과하게 발생하고 수분 조절에 더 많은 비용이 소요될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 스테비아 발효액을 약 1 내지 10 중량%로 추가 포함할 수 있다. 상기 스테비아 발효액은 유효성분으로서 카로틴, 단백질, 유기탄소, 글루타민, 탄수화물 등 다양한 영양소와 미네랄을 함유하고 있므로, 추가 포함 시 추후 진행되는 1차 발효의 속도를 촉진하고, 바이오차 제조 후 작물에 시비할 경우 작물의 광합성 능력을 향상시키고 항산화력을 증가시켜 작물의 품질 향상과 신선도 유지에 도움을 줄 수 있다. 만약, 상기 스테비아 발효액이 약 1 중량% 미만으로 포함될 경우 상기 스테비아 발효액을 포함함에 따라 나타나는 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있으며, 약 10 중량%를 초과할 경우 추후 건조 시 매우 많은 시간과 비용이 소모될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 포졸란 분말을 약 1 내지 10 중량%로 추가 포함할 수 있다. 포졸란은 실리카 물질을 주성분으로 하며 그 자체에는 수경성이 없는 광물질 분말 재료로서, 상기 포졸란을 추가 포함함으로써 발효 시 발생하는 암모니아를 포함하는 악취를 흡착 및 제거할 수 있고, 추후 탄화되어 바이오차에 많은 기공을 형성할 수 있다. 또한, 상기 포졸란은 원적외선 방출 및 음이온 방출 성능을 가지므로, 상기 포졸란을 추가 포함하여 바이오차 제조 시 작물 생장에 유효한 도움을 줄 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 포졸란 분말을 약 1 내지 10 중량%로 추가 포함할 수 있으며, 만약 약 1 중량% 미만으로 포함할 경우 상기 포졸란 분말을 추가 포함함에 따라 나타나는 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있고, 약 10 중량%를 초과할 경우 유기 물질이 상대적으로 부족해질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 수산화 마그네슘 분말을 추가 포함할 수 있다. 상기 혼합물이 수산화 마그네슘분말을 추가 포함함으로써, 추후 제조되는 바이오차를 토양에 시비 시 부족한 미량원소를 보충하여 작물 생장에 도움을 줄 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수산화 마그네슘 분말은 약 0.1 내지 5 중량%로 상기 혼합물에 추가 포함될 수 있다. 만약, 상기 수산화 마그네슘 분말이 약 0.1 증량%미만으로 포함될 경우 상기 수산화 마그네슘을 추가 포함함에 따라 나타나는 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있으며, 약 5 중량%를 초과할 경우 추후 제조되는 바이오차를 토양에 시비 시 다른 양이온인 칼슘, 암모늄, 칼륨 등의 결핍이 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 혼합물을 1차 발효한다. 상기 가축분 원료와 석회처리 비료가 혼합된 혼합물은 약 80% 정도의 함수율을 보유하고 있기 때문에, 이를 이용하여 바로 바이오차 제조 시 수분 조절에 많은 비용이 소모될 수 있다. 따라서, 혼합물을 충분한 시간 동안 발효시킴으로써 혼합물이 가진 함수율을 약 35% 미만으로 낮춰주는 단계가 요구된다.
일 실시예에 있어서, 상기 1차 발효 후 혼합물의 함수율은 약 35% 미만인 것일 수 있으며, 만약, 상기 1차 발효가 함수율의 혼합물이 약 35%를 초과하는 범위까지 수행될 경우 바이오차 제조를 위해 더 많은 건조 비용이 소모될 수 있으므로, 상기 1차 발효는 혼합물의 함수율이 약 35%이 될 때까지 수행되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 1차 발효는 혼합물의 함수율이 약 30% 내지 약 35%이 될 때까지 수행되는 것이 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 상기 1차 발효는 혼합물의 함수율이 약 30% 내지 약 35%이 될 때까지 약 15 일 내지 약 30 일 동안 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기1차 발효가 약 15 일 미만으로 수행될 경우 혼합물의 함수율이 약 35% 미만까지 떨어지지 않을 수 있고, 약 30 일을 초과할 경우 바이오차 제조에 너무 많은 시간 및 비용이 소요될 수 있다.
다음으로, 상기 1차 발효한 혼합물을 건조한다.
일 실시예에 있어서, 상기 1차 발효한 혼합물의 건조는 상기 건조 후 혼합물의 함수율이 약 20% 미만이 될 때까지 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 건조 후 혼합물이 함수율이 약 20%을 초과할 경우 추후 열분해 과정에서 과도한 에너지가 사용되어 경제성이 하락할 수 있으며, 또한 추후 성형 과정에서 펠렛 모양으로 용이하게 성형되지 않을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 건조는 약 50℃ 내지 약 100℃의 온도 범위에서 약 3 일 내지 약 10 일 동안 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 건조가 약 50℃ 미만의 온도에서 약 3 일 미만으로 수행될 경우 건조 후 혼합물의 함수율이 약 20% 미만까지 하락하지 않을 수 있으며, 약 100℃를 초과하는 온도에서 약 10 일을 초과하여 수행될 경우 혼합물이 타버리는 현상이 발생할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 건조는 외부 공기가 유입되는 조건에서 수행되는 것이라면 다양한 방법으로 수행될 수 있으며, 예를 들어, 열풍 건조, 실내 건조, 실외 건조, 동결 건조, 자연 건조, 건조기계설비, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법을 통해 수행되는 것일 수 있다. 바람직하게, 상기 건조는 외부 공기가 유입되는 조건에서 건조기를 통해 열풍 건조되는 것일 수 있다.
다음으로, 상기 건조한 혼합물을 펠렛으로 성형한다. 건조한 혼합물을 먼저 펠렛으로 성형한 뒤 이를 열분해함으로써, 성형 시 유기질 원료들이 차지하던 공간이 탄화를 통해 열분해되어 기공으로 형성되고, 이에 따라, 먼저 열분해 후 이를 펠렛으로 성형하는 종래 방식의 바이오차에 비해 더 많은 기공을 갖는 다공성 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 펠렛으로 성형하는 단계는 제한 없이 다양하게 수행될 수 있으며, 예를 들어, 펠렛 제조기를 이용하여 약 1 내지 약 20 mm의 크기로 압축하여 성형되는 것일 수 있다.
다음으로, 상기 펠렛을 산소가 제한된 조건에서 열분해하여 바이오차를 수득한다.
상기 바이오차는 바이오매스의 열분해(pyrolysis)에 의한 고체생성물로서, C(>60%), H/C(<0.7), O/C(<0.4), N, S, 회분 등으로 구성된다. 상기 바이오차는 식물의 성장을 촉진하는 비료 역할을 하며, 높은 표면적과 이온 교환 성질을 나타내어 토양 내 중금속 및 유기오염물질을 흡착하는 성질을 갖는다. 상기 바이오차의 흡착 성능은 탄소 함량, 비표면적, 기공성에 비례하여 증가하며, 그에 따라 저비용흡착제로서 정수 및 공기 정화에도 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 바이오차는 펠렛을 산소가 제한된 조건에서 약 200℃ 내지 약 1,000℃의 온도 범위에서 열분해하여 수득되는 것일 수 있다. 상기 산소가 제한된 상태에서 약 200℃ 내지 약 1,000℃의 온도 범위로 가열함에 따라 유기성 물질의 내부 구조가 안정한 형태인 방향족 구조로 재배열되고, 표면적이 증가하여 거대 기공이 형성되는 것일 수 있다. 만약, 상기 열분해 온도가 약 200℃ 미만에서 수행될 경우 열분해가 충분히 수행되지 않을 수 있으며, 약 1,000℃를 초과할 경우 유기성 물질이 과도하게 탄화되는 현상이 발생할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수득한 바이오차에 기능성 미생물을 포함하는 첨가제를 첨가하여 기능성 바이오차를 수득할 수 있다. 상기 수득한 바이오차에 기능성 미생물을 포함하는 첨가제를 첨가함으로써, 바이오차가 가진 많은 기공 내에 기능성 미생물이 담지될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기능성 미생물은, 작물 생장, 토양 보수, 중금속 성분 제거등에 도움이 되는 역할을 하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 바실러스 속(Bacillus sp.), 엔테로코커스 속(Enterococcus sp.), 사카로마이세스 속(Saccharomyces sp.), 페디오코커스 속(Pediococcus sp.), 스트렙토코커스 속(Streptococcus sp.) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 기능성 미생물은 바실러스 속을 포함함으로써 더욱 효과적으로 작물 생장, 토양 보수, 중금속 성분 제거 효능을 발휘할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수득한 바이오차에 기능성 미생물을 포함하는 첨가제를 추가하는 방법은, 예를 들어 스프레이 분무를 통해 수행되는 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수득한 바이오차에 기능성 미생물을 포함하는 첨가제를 첨가할 경우, 첨가 후 실온에서 약 6 시간 내지 약 24 시간 동안 건조하는 단계를 추가 포함할 수 있다. 만약, 상기 건조가 약 6 시간 미만으로 수행될 경우 건조가 충분히 수행되지 않아 보관 시 펠렛이 뭉쳐지는 현상이 발생할 수 있으며, 약 24 시간을 초과할 경우 경제성이 하락할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
먼저, 가축분(계분, 마분 등)으로부터 가축분 원료를 수득한 뒤, 상기 가축분 원료 50 중량% 및 석회처리 비료 50중량%을 혼합하였다. 혼합하여 형성된 혼합물은 수분 함량이 32%이 될 때까지 교반 통풍식 발효동에 투입하여 약 18 일동안 1차 발효하였으며, 발효 후 대형 건조기를 통해 함수율이 20% 미만이 될 때까지 약 8 일 동안 건조하였다. 건조 후 펠렛 성형기를 이용하여 압착하여 펠렛 모양으로 성형하였으며, 형성된 펠렛을 산소가 제한된 조건, 450℃에서 열분해하여 바이오차를 수득하였다.
[실시예 2]
상기 실시예 1과 동일하게 제조하되, 혼합물 제조 시 가축분 원료 45 중량%, 석회처리 비료 49.5 중량%, 스테비아 발효액 5 중량%및 수산화 마그네슘 분말 0.5 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 이를 이용하여 제조된 바이오차를 실시예 2로 명명하였다.
[실시예 3]
상기 실시예 1과 동일하게 제조하되, 혼합물 제조 시 가축분 원료 45 중량%, 석회처리 비료 47.5 중량%, 스테비아 발효액 5 중량%, 포졸란 분말 2 중량%, 및 수산화 마그네슘 분말 0.5중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 이를 이용하여 제조된 바이오차를 실시예 3으로 명명하였다.
[실시예 4]
상기 실시예 3과 동일하게 제조하되, 제조된 바이오차에 미생물로서 바실러스 속(Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus Licheniformis Bacillus siamensis, etc.) 균주를 포함하는 첨가제를 첨가(스프레이 분사) 후 건조함으로써 실시예 4의 기능성 바이오차를 수득하였다.
[실험예 1: 작물 생장 비교 실험 - (1)]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 바이오차를 각각 상토와 다른 비율로 혼합하여 배양용 토양을 제조한 뒤, 상기 배양용 토양에 작물로서 상추를 심어 재배한 후 그 결과를 비교하였다. 실험 조건은 대조구(비교예 1)로서 상토 100%, 처리구 1로서 상토 99%와 실시예 1의 바이오차 1% 혼합, 처리구 2로서 상토 95%와 실시예 1의 바이오차 5% 혼합, 처리구 3으로서 상토 90%와 실시예 1의 바이오차 10% 혼합, 처리구 4로서 상토 99%와 실시예 2의 바이오차 1% 혼합, 처리구 5로서 상토 99%와 실시예 3의 바이오차 1% 혼합, 처리구 6으로서 상토 99%와 실시예 4의 바이오차 1%를 혼합하였다(중량 기준). 약 30 일 동안 수분을 함께 공급하였으며, 결과는 하기 표 1 및 도 3에 나타내었다.
| 구분 | 생체중(g/pot) | 건물중(g/pot) | 엽면적(cm2/pot) | 엽수(개/pot) |
| 처리구1 | 66.65±1.07 | 3.28±0.15 | 75.82±3.90 | 6.6 |
| 처리구2 | 42.63±9.71 | 2.25±0.29 | 55.94±10.15 | 5.1 |
| 처리구3 | 39.50±4.90 | 2.11±0.07 | 53.05±3.44 | 4.6 |
| 처리구4 | 70.54±4.90 | 3.98±1.08 | 79.08±2.57 | 7.0 |
| 처리구5 | 74.65±3.87 | 4.08±0.98 | 80.98±1.89 | 7.2 |
| 처리구6 | 73.87±6.87 | 4.16±0.87 | 81.07±1.80 | 7.2 |
| 대조구 | 46.81±4.69 | 2.74±0.40 | 59.5±7.14 | 5.4 |
상기 표 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 상토만을 사용한 대조구에 비해 본 발명에 따른 바이오차를 이용한 실시예의 경우 생체중, 건물중, 엽면적, 엽수 모두에서 우수한 생장 효과를 나타낸 것을 확인하였다.
[실험예 2: 작물 생장 비교 실험 - (2)]
상기 실시예에서 제조된 바이오차 1%를 각각 상토 99%와 혼합하여 배양용 토양을 제조한 뒤, 상기 배양용 토양에 도라지를 심어 재배한 후 그 결과를 비교하였다. 대조군(비교예)로서는 상토 100%만을 사용하였다. 처리량은 1,000 kg/200 평 기준으로 처리하였으며, 시비 후 14 일에 정식한 후 160 일 동안 수분을 공급하였다. 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 경장(cm) | 경직경(mm) | 지상부중(g) | 근장(cm) | 근직경(mm) | 근중(g) |
| 실시예 1 | 7.40 | 1.16 | 0.30 | 9.48 | 5.38 | 0.65 |
| 실시예 2 | 8.34 | 1.21 | 0.31 | 10.03 | 6.09 | 0.68 |
| 실시예 3 | 9.21 | 1.28 | 0.41 | 11.12 | 6.48 | 0.83 |
| 실시예 4 | 9.20 | 1.31 | 0.40 | 12.87 | 6.84 | 0.78 |
| 비교예(대조군) | 5.30 | 1.09 | 0.28 | 8.08 | 4.14 | 0.60 |
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오차를 이용한 경우 비교예 보다 재배된 작물의 생장이 높은 증가율을 나타낸 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 3: 성분분석]
상기 실시예에서 제조된 바이오차를 상토와 1:1의 비율로 혼합하여 비료를 제조한 뒤, 제조한 비료 각각에 대한 수분, 질소전량, 인산전량, 카리전량, 토양산도, 전기전도도, 염분, 및 유기물의 함량을 농촌진흥청고시 비료분석법에 준하는 성분분석을 통해 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. 대조군(비교예)로서는 상토 100%만을 사용하였다.
| 성분 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 비교예 |
| 수분 | 48 | 51 | 44 | 40 | 60 |
| 질소전량 | 0.41 | 0.46 | 0.23 | 0.21 | 1.63 |
| 인산전량 | 0.42 | 0.45 | 0.36 | 0.31 | 0.66 |
| 가리전량 | 0.06 | 0.07 | 0.07 | 0.08 | 0.06 |
| 토양산도 | 7.1 | 7.3 | 6.8 | 6.6 | 8.62 |
| 전기전도도 | 1.61 | 1.63 | 1.88 | 1.49 | 1.59 |
| 염분 | 0.20 | 0.19 | 0.10 | 0.06 | 2.87 |
| 유기물 | 36.24 | 38.89 | 50.11 | 56.87 | 21.90 |
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오차의 경우 비료로 활용 시 비료에 대한 공정규격을 모두 만족하였으며, 비교예에 비해 더욱 높은 유기물 함량, 낮은 염도, 낮은 질소 전량 등을 나타낸 것을 확인할 수 있었다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
Claims (8)
- 가축분 원료를 수득하는 단계;
상기 가축분 원료, 부자재, 석회처리 비료, 스테비아 발효액, 및 수산화 마그네슘 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
상기 혼합물을 함수율이 30 내지 35 중량%가 될 때까지 1차 발효하는 단계;
상기 1차 발효한 혼합물을 함수율이 20 중량% 미만이 될 때까지 50 내지 100℃의 온도 범위에서 3 일 내지 10 일 동안 건조하는 단계;
상기 건조한 혼합물을 펠렛으로 성형하는 단계; 및
상기 펠렛을 200℃ 내지 1,000℃의 온도 범위에서 열분해하여 바이오차를 수득하는 단계;
를 포함하는, 바이오차 제조방법.
- 가축분 원료를 수득하는 단계;
상기 가축분 원료, 부자재, 석회처리 비료, 스테비아 발효액, 및 수산화 마그네슘 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
상기 혼합물을 함수율이 30 내지 35 중량%가 될 때까지 1차 발효하는 단계;
상기 1차 발효한 혼합물을 함수율이 20 중량% 미만이 될 때까지 50 내지 100℃의 온도 범위에서 3 일 내지 10 일 동안 건조하는 단계;
상기 건조한 혼합물을 펠렛으로 성형하는 단계;
상기 펠렛을 200℃ 내지 1,000℃의 온도 범위에서 열분해하여 바이오차를 수득하는 단계; 및
상기 바이오차에 바실러스 속(Bacillus sp.) 미생물을 포함하는 첨가제를 스프레이 분사하여 기능성 바이오차를 수득하는 단계;
를 포함하는, 바이오차 제조방법.
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가축분은, 돈분, 계분, 우분, 마분, 견분, 압분, 사육동물 배설물, 식육동물 배설물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오차 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 열분해는 산소가 제한된 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오차 제조방법.
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| KR20210049011A (ko) | 2019-10-24 | 2021-05-04 | 나누리안(주) | 동애등에 분변토를 포함하는 바이오차 및 이의 제조방법 |
| KR20220003897A (ko) * | 2020-07-02 | 2022-01-11 | 바이오지이티(주) | 이동형 바이오차 생산장치 |
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