KR20030020233A - 고농도 유기성폐기물의 액비 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 함수율이 높은 유기성폐기물을 악취발생이 없이 짧은 시간에 양질의 액비를 생산할수 있는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여 본 발명은, 유기성폐기물중 대형이물질의 파쇄 및 이물질의 제거, 염분함량이 높은 경우에는 탈염처리와 같은 전처리가 된 것이 저장 및 1차호기성발효조(1)에 유입되면 호기성숙성공정에서 배양된 폴리페놀(Polyphenol)성 대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물 균주를 공급받아 송풍기(22)로부터 공기를 공급하여 1차호기성발효를 하므로서 악취발생을 저감시킨 다음 유기성폐기물이송펌프(2)에 의해서 진동스크린(3) 및 탈수기(4)로 보내어 유기성폐기물중 고형물질을 탈수한 탈수케이크는 퇴비장으로 보내고, 탈수여액은 탈수여액저장조(5)로 보내었다가 탈수여액이송펌프(6)에 의해서 축산분뇨의 경우에는 축사의 청소용 반송수 재이용하고, 나머지는 호기성숙성조(7)로 보내어 부식화도(Humification grade)가 90%이상이 되게 유기물질을 부식화한 다음 균주침전분리조(8)로 보내어 부식화된 오니와 균주가 균주침전분리조(8)의 하부에 침전농축되면 균주반송펌프(10)에 의해서 유기성폐기물투입구, 저장 및 1차 호기성발효조(1), 호기성숙성조(7)의 전단으로 반송을 하면서 일부는 균주배양조(11)로 보낸다.
균주배양조(11)에는 해양성규조류, 해초, 플랑크톤(Plankton)통이 퇴적되어생성된 해양성부식산(腐植酸)콜로이드미셀(Colloidal micelle)을 성형가공한 펠렛트(Pellet ; 13)와 가용성미네랄(Minerals) 성분이 다량함유된 부석(Pumice)과 같은 활성미네랄(Activated minerals ; 14) 및 자성(磁性)을 가진 페라이트(Ferrite)광물 등이 충진된 생물반응기(Bio-reactor ; 12)가 설치되어 있으며, 이 균주배양조(11)에 균주침전분리조(8)에서 침전농축된 균주와 부식화된 오니를 공급받아 폭기를 하면, 균주와 부식화된 오니는 공기와 함께 생물반응기(12)를 순환하면서 해양성부식산콜로이드미셀의 펠렛트(13)와 활성미네랄(14) 및 자성을 가진 페라이트광물 등으로부터 킬레이트(Chelate)성유기산미네랄과 활성화물질 및 효소 등을 공급받아 폴리페놀(Polyphenol)성대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물이 활발한 대사활동을 하는 배양액이 배양되면 호기성숙성조(7)로 보내어 전체시스템(System)이 부식화미생물 및 이들미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물이 우점적(優點的)으로 생육하는 환경분위기로 전환되면서 상대적으로 병원성미생물과 부패 및 변패성미생물과 같은 유해성미생물의 생육이 억제되어 악취발생이 저감되며, 유기물질은 물에 불용성이면서 비휘발성의 안전한 부식물질로 전환되어 숙성된 액비가 된다.
부식물질 생성반응이 원활하게 일어나기위해서는 시스템(System)내의 산화환원전위(ORP ; Oxidation reduction potential)값이 +250∼+300mV범위에서 원활한 반응이 일어나기 때문에 저장 및 1차호기성발효조(1)와 균주배양조(11)의 산화환원전위(ORP)값이 +250~+300mV 범위로 유지되게 산화수저장조(19)의 산화수를 공급하여 산화환원전위(ORP)값을 조정한다.
숙성된 액비는 액비중간저장조(15)로 보내었다가 액비이송펌프(16)에 의해서 액비저장탱크(17)로 이송 한다.
특이한 사항은, 본 발명에서는 유기성폐기물을 액비화처리공정에서 악취의 발생이 거의 없으며, 부숙기간이 짧기 때문에 시설비용이 저렴하면서 식물성장에 유용한 물질이 다량 함유되어있어 양질의 유기질비료가 될 수 있기 때문에 인분, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 식품 및 도축공장부산물과 같은 유기성폐기물의 자원화 방법으로 널리 보급 될 것으로 기대된다.

Description

고농도 유기성폐기물의 액비 제조방법{Liquid fertilizer manufacturing method of high concentrated organic wastes.}
본 발명은 음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 함수율이 높은 유기성폐기물을 해양성규조류, 해초, 플랑크톤(Plankton)등이 퇴적되어 생성된 해양성부식산(腐植酸)콜로이드미셀(Colloidal micelle)을 성형가공한 펠렛트(Pellet)와 가용성미네랄(Minerals) 성분이 다량 함유된 부석(Pumice)과 같은 활성미네랄(Activated minerals) 및 자성(磁性)을 가진 페라이트(Ferrite)광물 등을 이용하여 부식화미생물 및 이들미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물균주를 배양하여 악취발생이 없으면서 짧은 시간에 양질의 액비를 생산 할수 있는 방법을 제시하는 것이다.
음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 유기성 폐기물은 함수율이 높으면서 미생물에 의해서 분해가 용이한 유기물질의 농도가 높기 때문에 특히 하절기에는 쉽게 부패 및 변패가 되면서 심한 악취를 발생하며, 파리와 같은 해충과 쥐 등이 서식하기 때문에 위생적인 문제를 야기 할수있으며, 이들 유기성폐기물을 폐수 또는 하수병합처리, 소각처리와 퇴비화, 사료화, 메탄발효에 의한 에너지화와 같은 자원화 등 여러 방법이 시도 되고 있으나 처리 중 2차공해가 야기되면서 효율적인 처리가 되지 않으며, 경제성이 결여 되어 있기 때문에 이들 유기성폐기물의 처리가 사회적인 문제로 야기되고 있다.
특히 음식물쓰레기의 경우에는 염분농도 및 함수율이 높아 퇴비 및 사료로 자원화가 시도되고 있으나 염해문제 및 경제적인 문제점 때문에 실용화 되지못하고 있는 실정에 있으며, 또한 지방질 및 유기물질의 농도가 높기 때문에 하수병합처리, 소각처리, 메탄발효에 의한 에너지화 등의 처리에서도 여러 가지의 문제점이 야기되기 때문에 현재까지 합리적인 처리방법이 없는 실정에 있다.
그래서 축산분뇨 및 기타 고농도유기성폐기물을 아직까지 거의 대부분 매립 또는 해양투기에 의존하고 있는 실정에 있으나, 이는 해양의 오염으로 적조와 같은 2차적인 문제점을 야기 시키기 때문에 결코 바람직한 방법이 아니다.
전술한 유기성폐기물을 액비로 자원화 경우 처리조건을 고려하면 다음과 같다.
① 경제성이 높아야 한다.
② 처리공정에서 악취의 발생, 파리 등 해충의 서식과 같은 2차 오염을 야기해서는 안 된다.
③ 중금속과 같은 유해물질과 염분, 유해성유기산, 유분, 계면활성제, 환원물질, 유해병원성미생물과 같이 식물성장 및 토양에 장애를 주는 물질의 농도가 높아서는 안 된다.
④ 충분한 부숙이 되어야 하는데, 호기기성부숙조(7)에서 공기 폭기를 하였을 때 산화환원전위(ORP ; Oxidation reduction potential)값이 +250∼+300mV범위가 되어야 한다.
⑤ 질소, 인산, 가리와 같은 비료성분, 식물의 성장을 촉진하는 물질(Auxin과 같은 Hormon류), 생리적 활성화물질(Vitamin류), 유해병원성 미생물의 생육을 억제하는 항생물질, 킬레이트(Chelate)성 유기산미네랄착염 등 유용토양미생물 및 식물의 생육에 유용한 물질이 다량 함유되어 있어야 한다.
액비 제조의 종래기술로서는 대한민국 특허 등록번호 10-0312738호의 경우에는 축산분뇨 침출액과 음식물쓰레기 침출액에 동물성 기름을 주입하여 5∼10일 정도 숙성한 다음 필요에 따라서는 토양에 살포시 살균제를 적당량 주입하는 것으로 제시되어 있으나, 지방분은 미생물에 피막을 형성하면서 산소(O2)전달을 저해하기 때문에 숙성기간을 오히려 길게 되며, 과량의 살균제는 토양의 유용성미생물 및 유해성미생물 모두에 생육을 억제하기 때문에 바람직한 방법이 아니며, 식물의 성장을 촉진하는 물질, 생리적 활성화 물질, 유해병원성 미생물의 생육을 억제하는 항생물질, 킬레이트성유기산미네랄착염 등 토양미생물 및 식물의 생육에 유용한 물질이 거의 존재하지 않기 때문에, 이와 같은 방법으로는 안전한 양질의 액비를 생산 할수 없는 문제점이 있으며, 대한민국 특허 등록번호 10-0346624호의 경우에는 음식물쓰레기를 고압반응기 넣고, 이에 수산화칼륨(KOH)을 넣어 80∼150℃에서 가열 교반을 하면서 가수분해 반응을 한 다음 이에 인산을 주입하여 중화한 다음 요소, 포도당, 글리세린(Glycerin) 및 무기산염( 황산철, 황산마그네슘, 황산아연, 황산구리, 황산망간 등)을 첨가하여 액비를 제조하는 방법이 제시되어 있으나, 유기물질이 전혀 부숙화가 되지 않은 상태로 있기 때문에 토양에 과량시비(施肥)를 하는 경우에는 호기성미생물이 활발하게 활동을 하면서 토양의 산소농도를 떨어뜨려 혐기성상태로 되어 식물의 뿌리를 고사(枯死)시킬 우려가 있으며, 심하면 혐기성미생물이 활동하게 되면서 악취발생이 야기 될수 있는 등의 문제점이 있으며, 대한민국 특허 공개번호 2001-0078871호에서는 축산분뇨를 오존(O3)산화에 의한 유기물을 산화하면서 부패성미생물의 생육을 억제하므로서 악취발생이 저감되는 액비제조방법이 제시되어 있으며, 일본 특허 공개번호 2002-177984호에서는 광합성세균에 의한 처리후 환원성이 높은 환원수를 주입하여 부패성세균의 생육을 억제하므로서 악취발생을 저감하는 방법이 제시되어 있으나 이들 방법은 순간적으로 부패성미생물의 생육을 억제하면서 악취유발물질을 산화 또는 환원처리가 되므로서 악취발생이 저감 되어 액비화가 된 것으로 판단하지만 미생물에 의해서 분해가 용이한 탄수화합물, 단순단백질 등이 그대로 남아 있을수 있기 때문에 산화성 또는 환원성물질이 소멸되면 미생물에 의해서 이들 물질이 분해가 일러나면 혐기성조건이 되기 때문에 숙성된 액비는 아니며, 또한 운전비용이 높은 문제점이 있다.
지금까지 알려진 유기성폐기물의 액비화방법으로 제일합리적인 방법으로는 일본특허 공개번호 평(平)10-118686호(특허번호 2972992호, EP-0957067A4, WO9817583, US6270665, AU4722997, CN1234783, TW438727, KR242777…등 으로도 출원)의 경우는 과거 호기성활성오니법에 의한 유기물을 숙성하는 방법에서 영양원과 미생물의 투입비(投入比)의 조정, 체류시간의 조정, 사상균(섬유상미생물)의 증식억제, 적정 용존산농도의 유지, 활성오니 순환량의 규제(規制)…등을 향상 할수있는 처리장치가 제시되어 있으나, 단순폭기에 의한 활성오니 방법으로 처리시간이길어 시설비가 높으며, 토양 미생물 및 식물의 생육을 활성화하는 물질, 성장촉진물질, 유해미생물의 생육을 억제하는 항생물질…등과 같은 유용물질의 함량이 낮기 때문에 양질의 액비가 될 수 없는 문제점이 있다.
이외에도 일본특허 공개번호 평(平)5-872호, 평(平)10-81579호, 평(平)10-182273호, 평(平)10-245291호, 평(平)10-310483호, 평(平)10-338583호 등 다양한방법이 제시되어 있으나 경제적이면서 합리적인 처리방법이 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서, 음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 함수율이 높은 유기성폐기물을 이물질, 염분 등을 제거 한 다음 1차 예비발효를 하여 악취발생을 저감 시킨후 탈수공정으로 보내어 탈수케이크(Cake)는 퇴비장으로 보내어 퇴비화 하고, 탈수여액은 호기성숙성 방법에 의해서 경제적이면서 양질의 액비를 제조하는 방법을 제시하는 것이 본 발명의 목적이 있는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전술한 유기성폐기물의 탈수여액을 해양성부식산콜로이드미셀을 성형 가공한 펠렛트와 활성미네랄 및 자성을 가진 페라이트광물 등을 이용하여 폴리페놀성 대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물 균주를 배양하여 악취발생이 없이 짧은 시간에 경제적이면서 양질의 액비를 생산할수 있는 방법을 제시하는 것이다.
도 1은 고농도 유기성폐기물의 액비처리 전체공정도
도 2는 액비화 숙성 및 균주배양공정도
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 저장 및 1차호기성발효조 2 : 유기성폐기물이송펌프(Pump)
3 : 진동스크린(Screen) 4 : 탈수기
5 : 탈수여액저장조 6 : 탈수여액이송펌프
7 : 호기성숙성조 8 : 균주침전분리조
9 : 균주침전분리조 스크랩퍼 10 : 균주반송펌프
(Scrapper)
11 : 균주배양조 12 : 생물반응기(Bio-reactor)
13 : 해양성부식산콜로이드미셀 14 : 활성미네랄
(Colloidal micelle)펠렛트(Pellet) (Activated minerals)
15 : 액비중간저장조 16 : 액비이송펌프
17 : 액비저장탱크(Tank) 18 : 액비운송펌프
19 : 산화수저장탱크 20 : 산화수탱크 교반기
21 : 산화수 이송펌프 22 : 송풍기(Blower)
상기의 목적을 달성하기 위해서는 우선 폴리페놀성 대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물 의 생육 특성을 정확히 파악하여 이들 미생물이 활발한 대사활동을 할 수 있는 환경분위기를 조성해 주어야하기 때문에 이들 미생물의 특성을 보면 다음과 같다.
① 대부분 이들 미생물은 세포막이 미네랄 키틴(Chitin)질로 되어 있거나 세포조직 내에 미네랄 함량이 높기 때문에 충분한 미네랄이 공급되었을 때 활발한 대사활동을 한다.
② 이들 미생물은 대부분 통성혐기성미생물로 산소농도와 산화환원전위(Oxidation reduction potential)값 및 용존산소(DO ; Dissolved dxygen)농도에 따른 활동범위가 넓으나, 용존산소농도와 산화환원전위값에 따라서 대사메커니쥼(Mechanisms)이 틀리며, 호기성조건의 산화환원전위(ORP)값이 +250∼+300mV에서 원활한 발효부숙이 일어난다.
③ pH는 중성 내지는 약산성에서 활발한 대사활동을 하며, 산성에 대해서 내성이 높다.
④ 생육온도는 0℃ 가까운 저온에서 60∼70℃의 고온까지 생육을 하고 있으며, 대체적으로 최적의 온도는 상온(25℃)에서 40∼50℃까지 이며, 특히 병원성미생물이나 부패 및 변패성 미생물과 같은 유해성 미생물에 비해서 내열성이 높다.
⑤ 호기성조건의 토양에서 유기물을 섭취하여 폴리페놀성 대사산물을 배설하여 부식물질(腐植物質)을 생성하는 부식화미생물과 생육환경이 비슷하며, 이들 미생물과 상호공생(Mutalistic symbiosis)관계에 있다.
⑥ 자외선, 산화제, 염(Salts), 항생제, 방사선, X-선 등에 대해서 유해 미생물에 비해서 내성이 높다.
⑦ π-Water 에서도 생육을 한다.
활발한 대사활동을 하는 이들 미생물을 배양하기 위해서는 전술한 이들 미생물의 특성 중에서 ①에서 ④항의 환경조건을 최적의 조건으로 조성해 주어야 하는데, 특히 ①항과 ②항의 환경조건을 최적의 상태로 유지시켜주면, 이들 미생물과 상호길항(Antagonism) 및 경합(Competition) 관계에 있는 병원성미생물, 부패성 및 변패성미생물과 같은 유해미생물에 대해서는 생육을 억제하는 항생물질(Antibiotics) 등을 배설 하므로써 유해미생물의 대사활동이 상대적으로 억제하게 된다.
해양성부식산콜로이드미셀(Colloidal micelle)은 해양의 동 · 식물성 플랑크톤(Plankton), 해조류(海藻類), 해초 및 어패류와 같은 동 · 식물의 유체(遣體), 패화석(員化石), 기타활성미네랄(화산회토) 등이 퇴적되어 유기물질이 미생물과 미네랄의 영양을 받으면서 분해, 환원, 발효, 합성 등을 반복하여 해저지층이나 해안주변의 지층에 퇴적되어 수백만년내지는 수천만년동안 퇴적되어있는 토양의 성분으로 일부학자들은 해양성규조토(海洋性硅藻土)라고도 하며, 이 해양성 부식산콜로이드미셀중에는 킬레이트(Chelate)성 과산화 풀브산(Fulvic peroxic acid)의 미네랄(Minerals)착염형태의 부식물질이 다량함유 되어있어 동 · 식물 및 토양미생물에 미네랄공급능력이 우수하면서 부식물질 생성반응에서 촉매적인 역할을 하며(하기 유기물질이 부식물질로 전환하는 ⑤의 반응에서 폴리페놀성 물질이 퀴논화합물로 산화하는 반응을 촉진함), 동 · 식물의 생육에 생리적 활성을 주는레티놀(Retinol ; Vitamin-A), 티아민(Thiamin ; Vitamin-B1), 리보플라빈(Riboflavin ; Vitamin-B2), 피리독신(Pyridoxine ; Vitamin-B6), 코발아민(Cobalamin ; Vitamin-B12), 토코페롤(Tocopherol), 비오틴(Biotin ; Vitamin-H)과 같은 비타민(Vitamin)류, 동 ·식물의 신장생장(伸張生長 ; Stretch growth)을 하게 하는 헤테로옥신(Heteroauxin ; Indol-3-acetic acid)과 같은 옥신류, 시토키닌(Cytokinin), 지베렐린(Gibberellin)과 같은 호르몬(Hormon)류, 동 · 식물의 성장을 촉진하는 디카르복시산(Dicarboxylic acid), 호박산(Succinic acid), 푸마르산(Fumaric acid), 염산(Folic acid), 판토텐산(Pantothenic acid), 파라아미노벤조산(Para-aminobenzoic acid) 등과 같은 유기산, 글루타민산(Glutamic acid), 리신(Lysine), 페닐아라닌(Phenylalanie), 메티오닌(Methionine), 발린(Valine), 세린(Serine), 알라닌(Alanine), 글리신(Glycine), 시스테인(Cysteine), 아스파라긴산(Asparaginic acid), 알라닌(Argnine), 히스티딘(Histidine), 티록신(Thyroxine), 류신(Leucine), 트립토판(Tryptophane), 트레오닌(Threonine) 등과 같은 아미노산, 리파아제(Lipase), 아밀라아제(Amylase), 프로테아제(Protease), 우레아제(Ueaase), 산화효소(Oxidase)와 같은 효소, 칼슘(Ca), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 망간(Mn), 나트륨(Na), 철(Fe), 규소(Si), 란탄(La), 스트론튬(Sr) 등과 같은 미네랄성분 등, 동 · 식물과 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 유용토양미생물의 생육에 유익한 작용을 하는 물질이 다량 함유되어있으며, 또한 병원성미생물과 같은 유해미생물의 생육을 억제하는 페니시린(Penicillin), 테트라마이신(Tetramycin),오레오마이신(Aureomycin), 스트렙토마이신(Streptomycin)과 같은 항생물질(Antibiotcs) 도 다량 함유되어있다.
따라서, 해양성부식산콜로이드미셀은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.
① 비타민류, 아미노산, 킬레이트(Chelete)성유기산미네랄, 효소 등이 분해 되지 않고 있어 동·식물과 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양유용미생물의 대사활동을 활발하게 한다.
② 병원성미생물, 부패 및 변패성미생물과 같은 유해성미생물에 대해서는 항균, 살균작용에 의해서 생육을 억제한다.
③ 항산화작용(抗酸化作用)에 의해서 활성화산소를 제거한다.
④ 토양에 투입하였을 때는 토양입자의 단립화(團粒化)를 촉진하며, 작물의 연작장애(連作障碍)를 감소하게 한다.
⑤ 농약과 같은 합성유기물질, 유해중금속물질 등과 같은 유해성물질을 흡착하여 고정화한다.
⑥ 지방, 고급알콜, 탄수화합물, 단백질 등의 분해를 촉진한다.
⑦ 수질정화 및 개선의 효과가 있다.
⑧ 야채와 같은 식품의 신선도 유지에 효과가 있다.
그리고, 음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 유기성폐기물에서 양질의 액비를 제조하기 위해서는 이들 폐기물을 이용하여 퇴비 또는 액비의 제조과정에서 일러나는 생물학적반응메커니쥼(Mechanism)과 조건을 검토하면 다음과 같다.
음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 함수율이 높은 유기성폐기물은 대기 중에 방출되면 미생물에 의해서 분해가 용이한 탄수화합물, 단순단백질 등이 1차 호기성미생물에 의해서 CO2, H2O와 같은 간단한 무기물질로 분해 된다.
호기성미생이 활발한 활동을 하면 산소농도가 떨어지게 되면 혐기성미생물이 활동하면서 유기물질은 CO2, CH4, NH3, H2S와 같은 간단한 무기물과 휘발성아민(Amines)류, 휘발성알콜(Alcohol)류, 휘발성유기산류, 메르캅탄(Mercaptan)류와 같은 저분자성유기물질로 분해 되면서 악취가 발생한다.
전술한 ②의 반응은 퇴비화 공정이나 액비화 공정에서는 심한 악취를 발생하면서 식물에 유해한 낙산과 같은 대사산물이 생성 될 수 있기 때문에 충분한 산소를 공급하여 ②의 반응은 최대한 억제 되도록 운전해야 한다.
퇴비화 과정에서 전술한 ①의 반응에 의해서 유기물질이 산화반응이 일어나면 반응열에 의해서 온도가 상승하게 되면 호열성미생물(Thermophilic bacteria)이활동하게 되면서 열에 약한 병원성미생물, 해충의 유충(幼蟲) 및 알, 잡초의 씨앗 등이 사멸하게 된다.
전술한 ③의 반응은 함수율이 높은 유기성 폐기물의 경우나 액비화 과정에서는 일러나기 어렵다.
유기물질 중에서 호열성미생물의 먹이가 되는 영양성분이 줄어지게 되면 방선균, 곰팡이류, 효모류, 일반토양중온성미생물 등이 활동하게 되면서 이들 미생물의 대사산물중에는 폴리페놀(Polyphenol)성 화합물을 배설한다.
이 폴리페놀성화합물은 공기 중에서 산화효소(Polyphenoloxidase)의 촉매반응에 의해서 퀴논(Quinone)화합물로 산화되면서 과산화수소(H2O2)가 생성되며, 과산화수소는 미생물이 배설하는 효소와 반응해서 산화효소를 생성한다.
퀴논화합물은 미생물에 의해서 분해가 어려운 리그닌(Lignin), 셀루로스(Cellulose), 탄닌(Tanin) 등과 중축합반응을 하여 물에 불용성이면서 비휘발성의 안정한 부식물질(Humic substance)로 전환되면서 숙성(熟成)된다.
전술한 반응식 ④에 관여하는 미생물은 방선균(放線菌)류, 바실루스 마이코이데스(Bacillus mycoides) 간균(桿菌)류, 소랑세루로섬(Sorangium cellulosum), 믹소박데리아(Myxobacteria)류, 곰팡이류(Aspergillus niger, Penicillium sp., Mucor sp., Fusarium sp.)와 같은 토양미생물은 대사산물중 폴리페놀성물질을 배설하여 유기물질을 부식물질로 전환하는 부식화 미생물로 알려져 있다.
이들 미생물은 대부분 세포막이나 세포핵 등에 미네랄함량이 높기 때문에 활발한 대사활동을 하기위해서는 킬레이트성 유기산미네랄을 충분히 공급 하여야한다.
그리고, 부식화반응이 원활하게 진행되기 위해서는 ⑤의 반응이 원활이 진행되어야 하는데, ⑤의 반응이 활발하게 진행되기 위해서는 산화환원전위(ORP)값이 +250∼+300mV 범위의 산화성 분위기가 되어야 한다.
그리고, 방선균류와 페니시륨균류 등은 병원성미생물의 생육을 억제하는 항생물질을 배설한다.
사상균류, 슈도모나스(Pseudomonas sp.)와 같은 미생물은 부식화된 부식물질을 먹이로 섭취하여 대사산물중 식물의 성장에 유용한 생리적 활성물질인 비타민(Vitamin)류, 옥신(Auxin)류와 같은 성장촉진물질인 호르몬(Hormon)류와 같은 유용물질을 배설한다.
부식물질은 토양의 조암광물(造岩鑛物) 중 활성미네랄(물에 가용성미네랄)과 반응하여 킬레이트(Chelate)성부식산미네랄착염의 콜로이드미셀(Colloidal micelle)형태인 부식질토양(일반적으로 부식토라 부르고 있음)으로 된다.
음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 유기성 폐기물에서 양질의 액비를 제조하기 위해서는 전술한 생물학적 반응메커니쥼에서 언급한바와 같이 유기물질을 안정된 부식물질로 전환하는 부식화 미생물(방선균류, Bacillus mycoides, Sorangium cellulosum, Myxobacteria류, Aspergillus niger, Penicillium sp., Mucor sp., Fusarium sp.…등) 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 유용한 토양미생물(Pseudomonas sp.와 같은 세균류, 근권(根圈)균류, 사상균(絲狀菌)류, 곰팡이류, 효모류(Torura sp., Mycotorula sp.,), 질소고정균류…등)의 생육환경조건을 최적의 상태로 유지하면서 액비화 처리를 해야 양질의 액비를 생산 할수 있다.
이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같이 특별한 이물질이 포함되어 있지 않은 경우에는 바로 저장 및 1차호기성발효조(1)에 주입하고, 인분뇨와 같이 모래 및 기타이물질이 존재하는 경우에는 조목스크린(Screen)과 침사지 등에서 이물질을 제거 한후 저장 및 1차호기성발효조(1)에 주입하며, 음식물 쓰레기와 같이 이물질과 염분농도가 문제되는 경우에는 파쇄처리 및 이물질 제거 후 탈염처리를 한 다음에 저장 및 1차호기성발효조(1)에 주입한다.
저장 및 1차호기성발효조(1)에 주입된 유기성폐기물은 호기성숙성조(7)와 균주배양조(11)에서 배양된 폴리페놀성 대사산물을 배설하는 부식화 미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물을 공급받아 송풍기(22)로부터 공기를 공급하여 폭기를 하면서 1차호기성발효가 일어나게 하면 부패성 및 변패성미생물의생육이 억제 되면서, NH3, H2S, 휘발성아민류, 휘성알콜류, 휘발성유기산류, 메르캅탄류와 같은 악취 발생물질은 비휘발성인 부식전구물질(腐植前驅物質)에 부동화(不動化 ; Immobilization)되므로서 악취발생이 저감된다.
저장 및 1차호기성발효조(1)에서 1차발효처리 되어 악취발생이 저감된 유기성폐기물은 유기성폐기물이송펌프(2)에 의해서 탈수공정[진동탈수기(3)및 탈수기(4)]로 보내어 고형물질을 탈수한 다음 탈수케이크(Cake)는 퇴비화 공정으로 보내어 퇴비화하고, 탈수여액은 탈수여액저장조(5)로 보낸다.
탈수여액저장조(5)의 탈수여액은 호기성숙성조(7)로 보내어 액비화며, 축산분뇨 처리의 경우에는 이 탈수여액을 축사의 청소수로 재이용하여 축사내의 악취를 저감하므로서 축사환경을 개선토록하고, 나머지 탈수여액은 호기성숙성조(7)로 보내어 액비화 처리를 한다.
호기성숙성조(7)에 유입된 탈수여액은 송풍기(22)에서 공기를 공급하여 호기성 상태로 하면 산야(山野)에서 동 · 식물의 유체(遺體)가 토양에 유입되어 부식토(腐植土 ; Humus soil)이 생성메커니쥼과 같이 균주배양조(11)에서 배양된 유기물질을 부식물질(Humic substance)로 전환하는 폴리페놀성 대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양 미생물에 의해서 초기에는 호기성미생물에 의해서 전술한 반응식 ①에서와 같이 탄수화합물 및 단순단백질과 같은 미생물에 의해서 분해가 용이한 물질이 CO2, H2O과 같은 간단한 무기물질로 분해 반응이 일어나면서 폴리페놀성 대사산물을 배설하는 부식화미생물에 의해서 ④의 반응이 일러나며, 폴리페놀성화합물은 공기중에서 ⑤의 반응과 같이 퀴논화합물로 산화된다.
퀴논화합물은 미생물에 의해서 분해가 어려운 세루로스, 리그닌, 탄닌과 같은 화합물과 ⑦의 반응에서와 같이 중축합반응(重縮合反應)이 일어나면서 물에 불용성이면서 비휘발성의 부식전구물질(중간 생성물)을 걸쳐 부식물질로 전환되며, 이때 NH3, H2S, 휘발성아민류, 휘성알콜류, 휘발성유기산류, 메르캅탄류와 같은 악취 발생물질도 부식물질에 함께 부동화(不動化) 되면서 악취 발생이 저감된다.
호기성숙성조(7)에서 생유기물질이 부식물질로 숙성이 완료되면 균주침전분리조(8)로 보내어 증식된미생물과 부식물질로 전환된 오니(汚泥)는 침전된후 상등수는 액비중간저장조 (15)로 보내었다가 액비이송펌프(16)에 의해서 액비저장탱크(17)로 보내었다가 출하하며, 과잉으로 액비가 생산되는 경우에는 폐수처리장으로 보내어 처리한다.
균주침전분리조(8)에 침전된오니는 악취제거를 위해서 유기성폐기물 투입구에 일부를 살포하며, 악취제거 및 종균(種菌)용으로 저장 및 1차호기성 발효조(1)와 호기성숙성조(4) 전단으로 반송하고, 일부는 해양성부식물질콜로이드미셀의 펠렛트(13)와 부석(Pumice)과 같은 활성미네랄(14) 및 자성을 가진 페라이트 등이 충진된 생물반응기(Bio-reactor ; 12)가 내장된 균주배양조(11)로 보내어 송풍기(22)로부터 공기를 공급받아 폭기를 하면 배양액은 공기와 함께 해양성부식물질콜로이드미셀의 펠렛트(13)층과 활성미네랄(浮石塊…등 ; 14)층 및 자성을 가진 페라이트층을 통과하면서 미네랄과 활성화 효소 및 기타활성물질을 공급받아 유기물질을 안정된 부식물질로 전환하는 폴리페놀성 대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물이 활발한 대사활동을 하는 배양액을 배양한다.
이 배양액을 호기성숙성조(7) 전단으로 공급하면 액비화 시스템(System)전체가 이들 미생물이 우점적(優點的)으로 생육하는 환경분위기로 전환되면서 병원성미생물 및 부패성미생물과 같은 유해성미생물의 생육은 상호길작용에 의해서 최대한 억제되는 친환경분위기로 전환되면서 악취발생이 저감되며, 부숙도가 높으면서 안정된 양질의 액비를 생산 할수있게 된다.
균주배양조(11)와 호기성숙성조(4)에서 유기물질을 안정된 부식물질로 전환하는 폴리페놀성 대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물이 활발한 대사활동을 하면서 부식화반응이 원활하게 이러나기 위해서는 충분한 킬래트성부식산미네랄착염이 공급 되어야하며, 그리고 산화환원전위(ORP)값이 +250∼+350mV에서 원활한 부식화반응이 일어나기 때문에 산화환원전위(ORP)값이 낮은 유기성폐기물의 경우에는 산화수저장탱크(19)의 과산화유기산(Organic peroxy acid)이나 전해산화수(電解酸化水)와 같은 산화수를 균주배양조(11) 및 저장 및 1차호기성숙성조(1)에 공급하여 산화환원전위(ORP)값이 +250∼+350mV 범위로 조정한다.
그리고, 균주침전조(8)에 침전된 잉여오니는 퇴비화시설이 인근(隣近)에 있는 경우에는 퇴비화공정의 발효숙성공정에 종균용으로 공급하면 유기물질을 안정된부식물질로 전환하는 폴리페놀성 대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물에 의해서 악취발생이 저감되며, 발효숙성기간이 단축되면서 부숙도가 높은 양질의 퇴비를 생산할수 있으며, 이와같이 잉여오니를 별도로 사용할수 없는 경우의 잉여오니는 액비와 혼합하여 액비화 한다.
[실시예 1]
2500두를 사육하는 양돈농가의 축산분뇨 8∼14톤/일을 3단 활성오니로 처리하는 설비에 1단 활성오니공정을 도 2와 같은 액비공정으로 개조한 다음 액비처리를 15일정도 호기성 숙성을 한 결과 악취발생은 거의 감지하지 못하였으며, 이를 밭 600평에 기비(基肥)로 사용하고, 나머지 화학비료는 전혀 사용하지 않고 고추를 재배한 결과 탄저병(炭疽病)과 같은 병해발생이 전혀 없으면서 성장속도가 향상되었으며, 초기수확도 일반재배를 한 경우에 비해서 20∼25일정도 빨라지면서 생산량은 약 1.5배정도 증가되었다.
전술한 기술내용으로부터 자명하듯이, 음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 함수율이 높은 유기성폐기물은 폐수처리, 소각처리, 하수병합처리와 퇴비화처리, 일부는 사료화처리(음식물쓰레기의 경우), 메탄발효에 의한 에너지화, 건조등 다양한 방법이 시도되고 있으나 완벽한 처리를 할수 없으면서 경제성이 떨어지기 때문에 아직까지 상당한량은 매립 및 해양투기에 의존하고 있으나 이 역시 상당한 비용이 소요되면서 적조와 같은 문제를 야기 시키고 있기 때문에 결코 바람직한 방법이 아니며, 본 발명은 처리비용이 저렴하면서 위생적으로도 안전한 양질의 액비로 자원화 경우 일거양득(一擧兩得)의 기대효과가 있기 때문에 전술한 고농도유기성폐기물의 자원화처리에 널리 보급될 것으로 기대된다.

Claims (3)

  1. 음식물쓰레기, 인분, 축산분뇨, 식품 및 도축공장부산물과 같은 함수율이 높은 유기성폐기물을 도 1 및 도 2와 같은 액비화 처리공정에서 해양성 규조류, 해초, 플랑크톤(Plankton)등이 퇴적되어 생성된 해양성부식산(腐植酸)콜로이프미셀(Colloidal micelle)을 성형 가공한 펠렛트(Pellet)와 가용성미네랄(Minerals) 성분이 다량 함유된 부석(Pumice)과 같은 활성미네랄(Activated minerals)및 자성을 가진 페라이트(Ferrite)광물 등을 이용하여 폴리페놀(Polyphenol)성 대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물을 배양하여 악취발생이 없으면서 짧은 시간에 양질의 액비를 생산 할수 있는 방법
  2. 제1항에 있어서, 균주침전분리조(8)에서 배출되는 폴리페놀(Polyphenol)성대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 토양미생물을 퇴비화 공정의 발효숙성공정에 공급하여 악취발생이 저감되면서 짧은 발효숙성기간에 퇴비를 생산 할 수 있게 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 축산분뇨의 액비화처리 경우 탈수공정[진동스크릴(3)및 탈수기(4)]에서 배출되는 탈수여액저장조(5)의 탈수여액을 축사에 청소수로 사용하여 축사의 악취를 저감 하므로서 축사환경을 개선하는 방법.
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