KR20030005444A

KR20030005444A - 복합원적외선 세라믹스 분말 혼합을 이용한 발효촉진 및악취제거

Info

Publication number: KR20030005444A
Application number: KR1020010040732A
Authority: KR
Inventors: 장감용
Original assignee: 클린월드하이테크(주)
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2003-01-23

Abstract

본 발명은 축분, 동식물성 잔재물을 수거하여 톱밥, 마사토를 혼합하여 수분조절을 하고 미생물의 발효를 촉진하기 위해 필수 미네랄 성분이 다량 함유되어 있는 복합원적외선 세라믹스 분말(맥반석, 맥섬석, 일라이트, 흑운모 등 원적외선 상온 방사율이 90%이상인 소재를 혼합)을 혼합한 다음 발효조에서 숙성 발효를 시켜 양질의 유기질비료를 생산하는 공정에 관한 것이다.

유기질비료 제조 공정으로는 원료의 이송, 혼합(축분, 동식물성 잔재물, 톱밥, 마사토, 복합원적외선 세라믹스 분말), 미생물에 의한 발효, 분쇄, 포장의 공정으로 구성되어 있다.

Description

복합원적외선 세라믹스 분말 혼합을 이용한 발효촉진 및 악취제거{Accelerating fermentation and removing bad odour by using far-infrared complex ceramic powders}

원적외선은 적외선 영역(0.76-1,000㎛)중 인간에게 가장 유익한 파장대의 영역 (6-14㎛)이며, 생체를 구성하는 유기체와 공명현상을 일으키므로 인체가 받아들이기 좋은 파장대 이다. 원적외선은 인체내 세포를 구성하는 수분 등, 분자에 방사되어 세포를 1분에 2,000번 이상 미세하게 흔들어주는 진동을 통하여 세포조직을 활성화시켜 생명활동을 보다 왕성하게 해준다. 이러한 세포활동과정에서 세포내부에서 열에너지를 발생시킬 뿐만 아니라, 인체내 세포가 갖고 있는 유해물질인 노폐물을 자연스럽게 배출시키는 효과가 있다. 원적외선은 인체의 가장 기본 조직인 세포에 영향을 미쳐 혈액순환을 촉진시키고, 인체에 자기방어능력을 강화시켜 스스로 건강을 회복하도록 한다. 이 원적외선은 통증완화, 중금속제거, 숙면효과, 탈취효과, 항균효과 등 많은 유익한 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

원적외선은 복사, 침투, 공명흡수의 성질을 갖는다. 각종 물질을 구성하는 분자구조는 그 분자를 구성하는 원자, 질량, 물질의 제조 방법이나 소결상태에 따라 다르며, 신축, 변각, 회전 등 고유진동을 한다. 이 진동수는 분자에 따라 다르며 분자가 가진 진동수와 동일한 진동수의 원적외선을 받으면 원자 및 원자단에 흡수되어 공명현상을 일으킨다. 이를 공명운동이라 부르며 공명운동이 생기면 분자내에 큰 에너지가 발생하고 그 에너지의 대부분은 정적 에너지로, 일부는 활성화에너지로 변해 분자를 활성화시킴으로써 미생물의 활성을 촉진시켜 발효를 촉진하고, 양질의 비료를 생산할 수 있으며, 악취를 제거할 수 있다.

일반적으로 가축분뇨의 양은 엄청난 단위의 물량으로 가축분뇨를 수거하기 위한 별도의 노력이 요구되며, 농가에서 배출된 가축분뇨로 인하여 주변환경이 오염되고, 심각한 사회적 문제로까지 대두된다. 가축분뇨는 유기물질로 폐기물인 동시에 유기질 비료로서 높은 가치를 지니고 있으며, 미생물에 의한 호기성 발효작용을 통하여 쉽게 퇴비로 만들어지는 특성을 지니고 있는 반면, 수거 및 처리 방법에 있어서의 문제점은 현실적으로 해결되지 못하고 있는 실정이다. 특히, 농가의 대단위 축사에서 분뇨의 수거 방법으로는 정해진 장소에 콘크리트바닥을 형성하여 여기에 가축분뇨를 퇴적시키고 일정기간이 지난 후에 퇴비로서 사용하고 있는 단순 야적방법 등이며, 처리하고자 하는 분뇨를 완전히 호기적 상태로 할 수 없으므로 혐기적 조건일 때 발생하는 황화수소 등의 가스가 부분적으로 발생되며, 부숙이 완료된 후에도 이러한 불완전 산화에 의해 가스가 발생하여 심한 악취를 유발하거나 작물생육 및 토양 생태계에 피해를 입히는 문제점이 있다(표 1 참고).

표 1. 축분 부숙시 발생하는 악취 유발물질

축분의 종류	가 스(mg/kg건분/일)	휘발성 지방산(mg/kg건분/일)
축분의 종류	암모니아	황화수소	메르캅탄	아세트산	프로피온산	부탄산
우분	1이하	7.9	0.04	3.817	88	55
돈	1이하	6.3	0.14	9.331	568	48
계	12.1	4.5	0.12	4.245	869	44

농업분야에서 퇴비 제조 이용의 목적은 유기물을 미생물의 분해작용을 이용하여 토양중의 부식(腐植)과 유사한 물질로 만드는데 있다 토양 중에 동식물의 유체(遺體)가 혼입되면 토양 미생물의 분해작용을 받아 안정한 화합물은 부식으로 전환된다. 이와 같은 기작은 근본적으로 인위적 퇴비화 과정과 같다. 인위적 퇴비화 과정은 제한된 조건에서 비교적 빠른 시기에 부식과 같은 안정한 물질을 얻는 과정이다. 따라서 퇴비화 속도는 미생물의 활성에 절대적인 영향을 받게 되며, 미생물의 활성을 최적 상태로 유지하는 것이 퇴비화의 기본이다. 퇴비화 과정에서 고려해야 할 기본인자들은 표 2와 같다.

표 2. 퇴비화 과정 기본인자

C/N	25-30	* 비율이 낮은면 퇴비화가 지연되며, 탄소원이 제한요인이되고, 질소손실을 유발한다.* 비율이 높으면 질소기아를 초래하며, 퇴비화가 진행되지않거나 지연된다.
pH	6.5-8.0	* 퇴비화 초기에는 유기산의 영향으로 pH가 약간 낮아지지만유기성 질소의 암모니아화 작용으로 pH는 9.0이상으로 상승하는 경우가 있다. pH가 지나치게 높으면 암모니아 휘산으로 냄새를 유발한다
통기성	50m³/hr/dry ton
수분함량(퇴비화 속도 지배)	50-65%	* 40%미만인 경우 퇴비화 족도 저하 60%이상인 경우 호기성 미생물의 활성이 억제되어 퇴비화가 지연되고 악취가 발생한다.
온도	45-65℃

또한, 원적외선 방사관에 코팅한 세라믹스 재료인 맥반석류를 악취제거제로 하여 스크린을 통과한 분뇨 처리장 폐수를 증류수로 4배 희석하여 1,000ml의 용기에 넣은 다음, 50x50x25cm의 밀폐된 실험장치에 넣고, 여기에 악취제거제 1kg을 넣은 것과 넣지 않은 것으로 하고 문의 개폐를 최소로 하기 위하여 개패시에는 밀폐상태에서 관능법으로 수행하였으며, 폐수에서 발생하는 황화수소의 양은 유화합물 경도전자농도계를 사용하여 측정하였다.

시험준비가 끝난 10분 후부터 흐르게 하면서 연속적으로 황화수소 농도를 측정한 결과를 표 4에 정리하였다. 아래 표 3에서 보는 바와 같이 측정 12분 후에 95.8%의 제거율을 나타내었다.

표 3. 유화수소제거효과 (단위 : ppm)

측정시간(분)구 분	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22
탈 취 제	1,000	720	480	305	173	113	42	21	7	0	0	0

본 발명은 축분, 동식물성 잔재물을 수거하여 톱밥, 마사토를 혼합하여 수분조절을 하고 미생물의 발효를 촉진하기 위해 필수 미네랄이 다량 함유되어 있는 복합원적외선 세라믹스 분말(맥반석, 맥섬석, 일라이트, 흑운모 등 원적외선 상온 방사율이 90%이상인 소재를 혼합)을 혼합한 다음 발효조에서 숙성 발효를 시켜 양질의 유기질비료를 생산하는 공정에 관한 것이다

다량의 원적외선 에너지를 방사하는 복합원적외선 세라믹스 분말(맥반석, 맥섬석, 일라이트, 흑운모 등 원적외선 상온 방사율이 90%이상인 소재를 혼합)을 수분 조절과정에서 혼합하고 발효과정을 거쳐 제조된 유기질 비료는 원적외선 에너지의 효과를 이용하여 생물의 성장을 촉진시키고, 화학, 유기물을 사용하지 않으므로 토양의 산성화를 방지하며, 대량생산이 용이하고 사용방법도 간편한 장점이 있다. 또한, 기공률이 높아 산성으로 굳어진 토양에 통기성을 충분히 부여할 수 있다. 또한, 종래의 방법보다 단위 무게당 미생물의 함량이 많고, 미생물의 흡착성이 높으며, 투입량이 1kg의 유기질 비료당 함유량이 0.02%가 함유되어 있어 제품원가를 낮출 수 있는 유기물 비료를 제조하는 기술에 관한 것이다.

도면 1은 유기질비료제조 공정으로 혼합공정에 필수 미네랄이 다량 함유되어 있는 복합원적외선 세라믹스 분말을 첨가하여 발효촉진 및 악취제거 공정이며, 도 2는 복합원적외선 세라믹 분말을 혼합공정에서 주입하는 주입장치에 관한 것이다.

[복합원적외선 세라믹분말]

맥반석, 맥섬석, 일라이트, 흑운모 등 원적외선 상온 방사율이 90%이상이며, 필수 미네랄 성분이 다량 함유된 복합원적외선 세라믹스 분말로 구성되어 있으며, 세부적인 배합조성은 표 4와 같다. 일정한 비율로 배합하고 물을 넣어 혼합하여, 그것을 1,300℃전후의 온도로 10시간 소성하여 볼밀에서 72시간동안 분쇄하여 복합원적외선 세라믹스 분말을 제조한다.

표 4. 배합조성 (wt %)

산화규소(SiO₂)	알루미나(Al₂O₃)	지르코니아(ZrO₂)	타이타니아(TiO₂)	산화제2철(Fe₂O₃)	산화망간(MnO₂)	산화동(CuO)	산화리튬(LiO₂)	탄산바륨(BaCO₃)
40	19.5	13.5	5.5	4.5	4.0	3.5	4.5	5.0

이와 같은 방법으로 얻은 세라믹스 분말은 표 5에서 나타난 바와 같이 방사율이 5-20㎛의 파장에서 93%이며, 3.74x102 W/㎡·㎛의 강력한 원적외선 방사에너지를 방사한다.

표 5. 원적외선 방사량 성적서(상온 40℃)

방 사 율(5∼20㎛)	방 사 에 너 지(W/㎡·㎛, at 40℃)
0.93	3.74 X 102

비고) 본 시험은 한국건자재시험연구원에서 FT-IR Spectrometer를 이용한 BLACK BODY대비 측정 결과임.

표 6의 복합 원적외선 세라믹스 분말의 암모니아 가스 탈취 실험결과에서는 시간이 경과할 수록 시료의 농도가 처음 500ppm에서 2시간이 경과 후 30ppm으로 감소하였다. 즉, 시험시작 2시간이 경과 후 93%의 높은 탈취율을 나타내었다.

표 6. 탈취시험 성적서

시험항목	경과시간(분)	Blank 농도(ppm)	시료농도(ppm)	탈취율(%)
탈취시험	초기	500	500	-
	30	490	120	76
	90	440	40	91
	120	430	30	93

주) Blank : 시료를 넣지 않은 상태에서 측정한 것임

[유기질 비료 제조]

퇴비원료로 이용되고 있는 가축분뇨는 수분함량이 높아 반드시 수분조절제 사용이 필수적이다. 톱밥은 국내 축분 퇴비의 수분조절제와 팽화제로 가장 많이 사용되는 재료이다. 톱밥은 C/N 비율이 높고, 입자가 크며, 수분 흡수량이 높기 때문에 퇴비화를 위한 부자재로 적합하다(표 7참고).

표 7. 부재료 종류별 상대 흡수율 비교

톱밥	왕겨	팽화옹겨	절단볏짚	Vermiculite	제지박	Fly ash	ALC
100	49	96	119	81	54	7	10

그러므로, 본 공정에서는 가축분뇨의 수분조절제로 톱밥을 사용하였으며, 축분및 동식물성 잔재물과 수분조절제의 혼합공정에 필수 미네랄 성분이 다량 함유되어있고, 복합 원적외선 세라믹스 분말은 표 5의 방사량 성적서에서 보는 바와 같이 상온에서 방사율이 93%이상이며, 93%읠 탈취율을 갖는다. 복합 원적외선 세라믹 분말은 표 2와 같은 조건에서 혼합공정에서 도 2에서 보는 바와 같은 분배장치를 이용하여 1kg의 유기질 비료당 함유량이 0.02%를 혼합한 다음, 발효과정 등 도 1과 같은 공정을 통해 유기질 비료를 제조한다. 제조된 유기질 비료는 시비의 편리성을 위해 분쇄 후 출하게 된다.

유기물이 과량 함유된 비료를 장기간 사용할 경우에는 작물의 생장에 피해를 줄 수 있다. 즉, 톱밥은 충분히 발효되지 않았을 때는 탄닌이나 리그린 등이 잔류하여 작물에 피해를 줄 수 있고, 축분, 어분 등은 부패과정에서 유기산이 생성되어 작물 뿌리에 손상을 유발 할 수 있다. 또한, 토양에의 흡착능력이 낮아 쉽게 유실되어 시비효과의 지속성이 낮았다.

따라서, 다량의 원적외선 에너지를 방사하는 복합원적외선 세라믹스 분말(맥반석, 맥섬석, 일라이트, 흑운모 등 원적외선 상온 방사율이 90%이상인 소재를 혼합)을 수분 조절과정에서 혼합하고 발효과정을 거쳐 제조된 유기질 비료는 원적외선 에너지의 효과를 이용하여 생물의 성장을 촉진시키고, 화학유기물을 사용하지 않으므로 토양의 산성화를 방지하며, 대량생산이 용이하고 사용방법도 간편한 장점이 있다. 또한, 기공률이 높아 산성으로 굳어진 토양에 통기성을 충분히 부여할 수 있다. 또한, 종래의 방법보다 단위 무게당 미생물의 함량이 많고, 미생물의 흡착성이 높으며, 투입량이 1kg의 유기질 비료당 함유량이 0.02%가 함유되어 있어 제품원가를 낮출 수 있다.

또한, 탈취율이 93%이상의 결과로부터 알 수 있듯이 퇴비화 과정에서 발생되는 암모니아, 황화수소 등과 같은 악취물질을 제거할 수 있다.

Claims

미생물 활성화를 극대화 시켜 퇴비화 속도를 향상시키며, 최종 생성물질인 유기질비료는 환경에 영향을 주지 않고, 필수 미네랄 성분(표 4참고)이 다량으로 함유되어 있어 작물 및 식물의 성장 과정에서 충분히 영양분이 공급됨으로써 병충해 및 냉해에도 강한 자생력을 갖게 하기 위해 축분 및 동식물성 잔재물과 수분조절제의 혼합공정에 필수 미네랄 성분이 다량 함유되어있고 5-20㎛의 파장에서 방사율이 93%이며, 3.74x10²W/㎡·㎛의 강력한 원적외선 방사에너지를 방사하는 복합원적외선세라믹스분말(산화규소(40%),알루미나(19.5%),지르코니아(13.5%),타이타니아(5.5%), 산화제2철(4.5%) 등)을 유기질비료 제조공정 중 혼합 공정에 투입(1kg의 유기질 비료당 함유량이 0.02%)하는 공정과, 유기질 비료 제조과정에서 발생되는 악취물질(암모니아가스 등)을 상온 방사율이 90%이상인 복합 원적외선 세라믹스 분말을 투입함으로 인해 방사되는 원적외선 에너지에 의해 악취물질이 제거되는 과정.