KR20040062918A

KR20040062918A - 축산분뇨의 퇴비화방법

Info

Publication number: KR20040062918A
Application number: KR1020040044762A
Authority: KR
Inventors: 서희동; 서영준; 서영진
Original assignee: 서희동
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2004-07-09
Also published as: KR100451856B1

Abstract

본 발명은 축산분뇨를 전처리 후 탈수처리를 하여 탈수케이크는 경제적으로 퇴비화하여 양질의 유기질 비료를 생산하고, 탈수여액과 침전조의 익류수인 폐수는 환경배출기준치 이하로 고도 처리하여 방류할 수 있는 처리공정에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호 공생관계에 있는 미생물에 의해서 물에 불용성이면서 비휘발성인 부식전구물질로 전환하는 폐수처리에서 배출되는 잉여오니를 종오니용으로 집수조(3)에 공급하여 폭기조(6)에서 부식화미생물 및 이들 미생물과 공생관계에 있는 미생물에 의해서 부식화반응을 유도하면서 활성화된 미네랄(Minerals) 성분이 다량 함유된 천매암, 제올라이트(Zeolite), 황토, 알로페인(Allophane)질점토광물, 맥반석, 전기석, 견운모와 같은 광물질의 분말을 주입하여 수용성유기물을 물에 불용성이면서 비휘발성의 초기 단계의 부식토(Humus soil)로 전환한 다음 알칼리반응조(7)로 보내어 소석회, 생석회, 소성백운석과 같은 알칼리성의 활성미네랄 분말을 반응시킨 다음에 중화조(11)로 보내어 중화처리 후 응집조(13)로 보내어 침전조(15)에서 침전분리가 용이하도록 응집처리를 하여 침전조(15)에 보내고, 침전조(15)에서 침전된 오니는 탈수기시스템(18)으로 보내어 탈수 처리된 케이크는 퇴비화처리공정으로 보내어 발효 숙성하여 퇴비화하고, 탈수여액과 침전조(15)의 익류수는 폐수처리공정으로 보낸다.

특이한 사항은 탈수된 탈수케이크는 함수율이 낮기 때문에 수분조절제(팽윤제) 소모량이 적어 퇴비생산 경비가 저렴하며, 농작물 및 토양미생물에 유용한 미네랄성분이 다량 함유되어 있는 양질의 퇴비를 생산할 수 있으며, 탈수여액 및 침전조(15)의 익류수 중 오염물질의 농도가 낮아 처리규모가 적으면서 고도처리를 할 수 있기 때문에 여러 축산농가에 널리 보급될 것으로 본다.

Description

축산분뇨의 퇴비화방법{Composting method of domestic animals feces and urine}

본 발명은 축산분뇨를 1차 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 미생물을 이용하여 수중유기오염물질을 부식물질의 초기 생성물인 부식전구물질(腐植前驅物質)로 전환하면서 천매암(phyllite), 제올라이트(zeolite), 황토(Loess), 맥반석(Elvan), 전기석(Tourmaline), 견운모(Sericite), 일라이트(Illite), 알로페인(Allophane)질 점토광물과 같은 활성미네랄(Minerals)성분이 다량 함유된 광물질분말을 투입하여 물에 불용성이면서 비휘발성인 초기 단계의 부식토(Humus soil)로 전환한 다음에 소석회, 생석회, 소성백운석과 같은 알칼리(Alkali) 토금속의 산화물(알칼리성미네랄)을 주입하여 pH를 12이상으로 조정하면서 반응을 한 다음에 중화 응집처리를 한 후 침전조로 보내어 침전된 슬러리(Slurry)는 탈수처리를 함으로서 탈수여액 및 침전조의 익류수는 오염부하를 낮게하여 폐수처리장으로 보내고, 탈수된 탈수케이크(Cake)는 퇴비화공정으로 보내어 활성부식물질, 이탄, 톱밥과 같은 팽윤제(Bulking agent)를 혼합한 후 발효처리를하여 퇴비를 생산할 수 있는 처리공정에 관한 것이다.

우선 축산분뇨의 퇴비화에서 문제점을 고려하면 다음과 같다.

① 함수율이 높기 때문에 퇴비화 경우 수분조절을 위한 팽윤제의 소요량이 많아 경제성이 떨어진다.

② 미생물에 의해 분해가 쉬운 탄수화합물, 단순 단백질이 많아 부패 및 변패성미생물에 의해서 쉽게 분해되어 심한 악취가 발생하면서 병원성미생물과 같은 유해성미생물에 의해서 가축에 질병을 전염시킬 우려가 있다.

③ 축분을 퇴비화 경우 염분(NaCl) 농도가 높아 SAR(Sodium Adsorption Ratio)값이 높기 때문에 과량 시비할 경우에는 작물의 염해 및 토양의 입단구조를 파괴하여 단립화 할 우려가 있다.

여기서, Ca, Mg, Na, K의 단위는 meq/ℓ이다.

④ 질소 함량이 높기 때문에 C/N비가 높은 팽윤제를 사용하지 않고 과량 시비를 하면 암모니아태질소가 작물뿌리의 생육에 장애를 줄뿐만 아니라 암모니아태질소가 아질산 및 질산화균에 의해서 산화되어 아질산 및 질산태질소가 다량 발생할 때는 산소농도가 떨어지면서 환원상태로 되어 혐기성세균이 활동하면서 산소고갈로 작물이 고사될 수 있으면서 주변 하천을 오염시킬 수 있다.

축산 분뇨를 퇴비화 방법으로는 탈수 후 팽윤제로 톱밥 등을 혼합하여 발효부숙하여 완숙퇴비를 만들거나 청정지역, 수자원보호지역의 경우에는 배출기준이 엄격하기 때문에 폐수를 완벽하게 처리하지 않고서는 방류할 수 없음으로 대한민국 특허공개번호 1997-021038호 에서는 축산분뇨 전체를 건조 톱밥, 왕겨, 볏짚, 건초등에 수분을 흡착하여 퇴비화를 하고 있으나 처리비용이 높은 결점이 있어 축산농가에 경제적인 부담을 주고 있다.

대한민국특허 공개번호 1997-006242호 에서는 톱밥, 왕겨와 같은 팽윤제(수분조절제)의 비용을 줄이기 위해서 건조공정을 추가하여 건조 후 발효숙성을 하여 퇴비화를 하지만 이 역시 경제적인 문제가 해결될 수 없으면서, 건조과정에서 악취발생의 우려가 있으며, 또한,이와같은 방법으로는 양질의 퇴비를 생산할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 1차 전처리공정에서 축산분뇨 중 수용성유기오염물질을 물에 용해도가 낮은 부식물질로 전환 후 pH를 알칼리상태로 처리를 한 다음에 중화 응집을 한 후에 침전조로 보내어 침전된 슬러리를 탈수처리 하였을 때 탈수여액과 1차 처리수인 침전조 익류수에서 유기오염물질의 농도를 최대한 낮은 폐수를 배출하면서 탈수케이크는 퇴비화공정으로 보내어 퇴비를 생산토록 하는 것이 목적이다.

도 1은 전 처리 공정도

도 2는 퇴비화처리 공정도

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1: 투입구 2: 조목스크린(Screen)

3: 집수조 4: 분뇨이송 펌프(Pump)

5: 진동스크린 6: 폭기조

7: 알칼리 반응조 8: 알칼리반응조 교반기

9: 알칼리성미네랄 공급기 10: 스트리핑(Stripping)조

11: 중화조 12: 중화조 교반기

13: 응집조 14: 응집조 교반기

15 : 침전조 16: 침전조레이크(Rake)

17: 탈수기 공급펌프 18: 탈수기시스템(System)

19: 송풍기 20: 혼화기

21: 혼화기 믹서(Mixer) 22: 이송 컨베이어(Conveyer)

23: 발효설비 24: 로터리 믹서(Rotary mixer)

25: 삽차 26: 완숙퇴비투입호퍼

27: 이물질 선별기 28: 완숙퇴비 분배호퍼

29: 완숙퇴비 반송컨베이어 30: 완숙퇴비 이송컨베이어

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 축산분뇨가 투입구(1)에 투입되면 1차 조목스크린(2)에서 대형 이물질을 제거한 다음, 집수조(3)에 유입되면 부식물질 중에서 풀브산(Fulvic acid) 및 금속착체가 유리의 상태로 유도되어 있으면서, 자체산화기능, 산화탈취의 촉매기능, 유기물을 거대고분자화하여 물에 불용성이면서 비휘발성의 안전한 부식물질로 전환하는 부식화반응을 촉진하는 촉매기능 등을 가진 킬레이트(Chelate)성과산화풀브산(Peroxyfulvic acid) 미네랄(Minerals) 착염과 산화효소(Oxidase) , 동ㆍ식물의 생육을 활발하게 하는 생리적활성화물질(Vitamin류) 및 성장촉진물질(Hormone류), 유해병원성미생물의 생육을 억제하는 항생물질과 같은 활성물질을 다량 함유한 활성부식물질(Activated humic substances)과 활성미네랄 성분이 다량 함유된 유문암(流紋巖) 또는 대사이드(Dacite)질의 부석(Pumice)을 이용하여 수용성유기물질을 물에 불용성이면서 비휘발성의 부식전구물질로 전환하는 폐수처리공정에서 배출되는 잉여오니를 공급받아 분뇨이송펌프(4)에 의해서 진동 스크린(5)으로 보내어 고형물을 제거하여 탈수기 시스템(18)으로 보내고, 여액은 1차 폭기조(6)로 보내어 송풍기(19)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면 부식화반응에 의해서 수용성유기물질을 물에 불용성이면서 비휘발성의 부식전구물질로 전환한다.

이때 생성된 부식전구물질은 페놀성 수산기(-OH Radical)와 카르복시기(Carboxyl radical;-COOH)와 같은 반응성기를 가지고 있다.

유기오염물질이 부식전구물질로 전환할 때 물에 용해도가 더욱더 낮은 물질로 전환하기 위해서는 천매암(千枚岩), 황토(黃土), 맥반석(麥飯石), 전기석(電氣石), 견운모(絹雲母), 제올라이트, 일라이트, 알로페인질 점토광물과 같은 활성미네랄 성분을 다량 함유한 광물질의 분말을 유기오염물질량 기준으로 2∼10wt% 정도 주입하여 부식전구물질과 활성부식물질을 반응시키면 물에 불용성인 초기단계의 부식토(Humus soil)가 생성된다.

상술한 1차 폭기조(6)에서 일어나는 반응을 요약하면 다음과 같다.

폭기조(6)에서 상술한 반응이 완료되면 축산폐수에는 암모니아성 질소의 농도가 높기 때문에 알칼리(Alkali) 반응조(7)로 보내어 생석회, 소석회, 소성백운석과 같은 알칼리토금속산화물(알칼리성 미네랄)을 주입하여 pH를 12이상로 조정한 다음 스트리핑(Stripping)조(10)로 보내어 폭기를 하여 유리암모니아를 스트리핑 시킨 후 중화조(11)로 보내어 중화제(H₂SO₄)를 공급하여 pH를 7 전후로 중화처리를 한다.

이때 알칼리토금속산화물 역시 부식전구물질과 반응 후 중화제로 황산을 주입하여 중화하면 수 중 유기오염물질 및 인 화합물의 농도를 더욱더 낮게 한다.

중화조(11)에서 중화된 축산분뇨는 응집조(13)로 보내어 침전조(15)에서 침전분리가 용이하도록 응집제를 주입하여 플록(Floc)을 형성시킨다.

침전조(15)에서 고형물을 침전한 상등수는 폐수처리공정으로 보내고, 침전된 슬러리(Slurry)는 진동스크린(5)에서 배출되는 고형물과 탈수기시스템(18)으로 보내어 탈수 처리된 케이크는 퇴비화 공정의 혼화기(20)로 보내고, 탈수여액은 1차 침전조 상등수와 함께 폐수처리공정으로 보낸다.

부식화미생물이 활발한 대사활동을 하면서 활발한 부식화반응이 일어나기 위해서는 산화환원전위(ORP; Oxidation Reduction Potential)값이 +250∼+350mV 범위가 최적의 상태이기 때문에 폐수처리공정 산화조의 산화수를 집수조(3)에 공급하여 산화환원전위(ORP)값을 +250∼+350mV범위로 조정할 필요가 있다.

탈수기시스템(18)에서 탈수된 탈수케익크는 퇴비화공정의 혼화기(20)로 보내어 톱밥, 왕겨, 이탄과 같은 팽윤제를 주입하여 함수율을 50∼60% 정도로 조정한 다음 킬레이트성 과산화풀브산 미네랄착염과 기타 활성화물질이 다량 함유된 활성 부식물질분말을 0.01∼0.5wt% 정도 혼합하고, 필요에 따라서는 고초균(Bacillus substilis), 바실루스 마이코이데스(Bacillus mycoides), 바실루스 투링지엔시스(Bacillus thuringiensis), 악시네토박터 종(Acinetobacter sp.) 에어로모나스 종(Aeromonas sp.), 마아크로코카스 종(Micrococcus sp.), 슈도모나스 종(Pseudomonas sp.), 유산발효균, 믹소박테리아(Myxobacteria)와 같은 중온성미생물, 바실루스 스테아로써모필러스(Bacillus stearothermophilus), 락토바실루스 터모필러스(Lactobacillus thermophilus)와 같은 고온성미생물, 곰팡이류(Aspergillus niger, Rhizopas sp., Penicillum sp. ... 등), 방선균류, 효모와 같은 복합미생물 균제를 200∼400mg/ℓ 정도 주입하여 발효설비(41)로 보내어 로터리 믹서(42)로 뒤집기를 하면서 호기성발효를 한다.

발효설비(23)에서 호기성 발효가 원활하게 일어나기 위해서는 다음의 조건을 고려하여야 한다.

① 분해가 용이한 유기물질의 농도가 충분하여야 한다.

미생물의 영양 원이 될 수 있는 분해 용이한 유기물질의 농도가 낮으면 고온발효가 일어나기 어렵기 때문에 유해병원성미생물, 잡초의 씨앗, 해충의 애벌레 등이 사멸되지 않으면서 악취가 나는 불량한 미숙퇴비가 생산될 수 있다.

따라서, 폭기조(6)에서 활성미네랄이 다량 함유된 광물질의 분말을 과량 주입하는 것은 삼가해야 하며, 또한, 톱밥, 왕겨, 이탄과 같은 분해가 어려운 팽윤제도 과량으로 사용해서는 안 된다.

② 적정한 산소 농도가 유지되어야 한다.

호기성미생물이 활동하기 위해서는 산소가 필요하기 때문에 공극율이 우수한 팽윤제를 사용하여 로터리 믹서(24)로 뒤집기를 할 때 산소전달을 용이하게 해야한다.

③ 지나친 고온 발효는 피해야 한다.

미생물이 초기에는 분해 용이한 탄수화합물, 단순 단백질과 같은 유기물이 분해(산화) 되면서 온도가 상승하기 때문에 별도의 가열은 필요 없으나 고온발효가 70℃ 이상 장시간 지속되면 발효설비 후단의 숙성과정에서 생육하는 중온성미생물의 생육이 원활하지 못하게 되어 미숙퇴비가 생산될 수 있다.

그래서, 본 발명에서는 완숙퇴비를 완숙퇴비 반송컨베이어(29)에 의해서 발효설비(23)의 고온발효부 후단에 반송하여 종균용으로 공급하므로 안정된 발효숙성이 일어날 수 있도록 하였다.

④ 함수율은 60% 정도가 되도록 팽윤제를 혼합한다.

함수율이 높은 경우에는 통기성이 떨어져 산소공급이 불량하여 혐기성 부패가 일어날 수 있기 때문에 발효설비(23)의 입구 측에서 함수율은 60% 정도로 조정하며, 너무 낮은 경우에도 미생물의 생육이 장애를 받기 때문에 발효 숙성한 후에 완숙퇴비의 함수율은 38% 전후가 되게 하는 것이 적당하다.

발효설비(23)에서 발효 숙성된 완숙퇴비는 이물질선별기(27)로 보내어 이물질을 제기한 다음에 완숙퇴비 이송컨베이어(30)에 의해서 포장공정으로 이송하여포장 후 출하하며, 완숙된 퇴비의 일부는 완숙퇴비 반송컨베이어(29)에 의해서 발효설비(23)의 고온발효부 후단으로 반송하여 고온발효 후 중온성미생물을 종균용으로 공급해 줌으로서 안정된 발효숙성이 일어날 수 있다.

본 발명의 퇴비화공정은 활성화된 유용미네랄 성분이 다량 함유된 광물질의 분말과 활성부식물질을 첨가하여 퇴비화를 함으로서 다음과 같은 특성이 있다.

① 활성화된 유용미네랄과 활성부식물질은 미생물의 생육을 활발하게 하면서 부식화반응을 촉진시키기 때문에 짧은 시간에 발효숙성이 일어 남으로서 시설 규모가 적다.

② 활성부식물질은 부식화반응을 촉진하면서 산화 탈취의 촉매기능이 있기 때문에 퇴비화공정과 생산된 퇴비에서 악취발생이 적다.

축산분뇨에서 발생되는 암모니아, 유화수소, 메르캅탄, 휘발성유기산, 휘발성아민과 같은 악취발생물질은 상술한 반응식 ③에서 생성된 퀴논화합물 등과 중ㆍ축합반응을 하여 비휘발성인 부식물질에 부동화(Immobilization)되기 때문에 악취 발생이 저감된다.

③ 생산된 퇴비 중에서 킬레이트성유기산미네랄착염 성분과 동ㆍ식물 및 토양미생물의 생육을 활성화하는 물질, 성장촉진물질, 병원성미생물의 생육을 억제하는 항생물질, 산화효소 등이 다량 함유된 양질의 퇴비가 생산된다.

그래서, 일부의 학자들은 활성부식물질은 양질의 토양을 만든다고 하였다.

[실시 예1]

슬러지돈사에서 비육돈 1,000두를 사육하는 농장에서 배출되는 분뇨의 성상은 표1의 내용과 같으며, 배출 분뇨의 양은 세정수를 포함해서 20∼25㎥/일인 돈분뇨를 진동 스크린에서 1차 고형물을 분리한 유입분뇨에 천매암, 황토, 천연 제올라이트, 석탄회(Fly-ash)를 고온 산 처리하여 인공 제조한 알로페인을 동일 중량으로 혼합한 광물질분말을 유입분뇨량에 0.5wt%을 주입하고, 부식화반응에 의한 폐수처리공정의 잉여오니를 집수조로 반송하면서 1일 정도 폭기한 다음 석회를 주입하여 pH를 12로 조정한 후 1일 정도 폭기를 한 다음에 중화ㆍ응집처리를 한 후 침전조로 보내어 침전조의 익류수는 탈수여액과 함께 폐수처리공정으로 보내고, 침전된 슬러리는 탈수기로 보내어 탈수된 케이크의 함수율 75% 이었으며, 이에 톱밥과 이탄을 1:2의 비율로 혼합한 팽윤제(함수율 15%)를 30% 정도 혼합하고, 이에 천연산 활성부식물질을 0.3%, 복합미생물 균제 400mg/ℓ을 주입하여 혼합 교반하면서 25일간 발효 숙성한 결과 퇴비의 성상은 표2의 내용과 같다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 오염물질의 농도가 높은 축산폐수를 1차 부식화반응에 의해서 생성된 부식전구물질을 천매암, 맥반석, 황토, 일라이트, 알로페인질 점토 광물과 같이 활성미네랄 성분이 많은 광물질 분말과 반응하여 물에 불용성 물질인 초기 단계의 부식토로 전환한 것을 생석회, 소석회, 소성백운석과 같은 알칼리성 미네랄로 pH를 12이상으로 처리한 다음에 중화 - 응집 - 침전하여 침전된 슬러리는 탈수처리를 함으로서 1차 처리수와 탈수여액의 오염부하를 낮게 하므로 폐수를 고도처리를 할 수 있도록 하였으며, 탈수된 케이크는 톱밥, 이탄, 왕겨와 같은 팽윤제와 활성부식물질을 혼합하여 발효숙성을 함으로서 발효숙성기간이 짧아 시설규모가 적어지므로 시설비가 저렴하면서 킬레이트성유기산미네랄착염, 생리활성물질, 성장촉진물질, 유해병원성 미생물의 생육을 억제하는 항생물질 및 기타 활성물질이 다량 함유된 양질의 퇴비를 생산할 수 있기 때문에 여러 축산농가에 널리 보급될 것으로 기대된다.

Claims

축산분뇨가 투입구(1)에 투입되면 조목스크린(2)에서 이물질을 제거한 다음 폐수처리공정의 부식화반응에 의한 생물학처리 공정에서 발생되는 잉여오니를 종오니용으로 유입 축산분뇨와 함께 집수조(3)로 보내어 송풍기(19)로부터 공기를 주입하여 폭기를 하면 폴리페놀(Polyphenol)성대사산물을 배설하는 부식화미생물 및 이들 미생물과 상호공생관계에 있는 미생물에 의해서 수 중 유기오염물질이 부식화반응이 일어나게 되면서 악취발생이 저감된 축산분뇨는 분뇨이송펌프(4)에 의해서 진동 스크린(5)으로 보내어 고형물은 탈수처리시스템(18)으로 보내고, 여액은 폭기조(6)로 보내어 천매암(Phyllite), 황토, 제올라이트(Zeolite), 일라이트(Illite), 맥반석, 알로페인(Allophane)의 분말을 유입 유기물 양에 2∼10% 정도 공급하면서 폭기를 하면 수 중 용해성 유기오염물질을 물에 불용성이면서 비휘발성인 초기단계의 부식토(Humus soil)로 전환한 후 알칼리반응조(7)로 보내어 폐수처리공정의 산화처리공정으로부터 산화수를 공급받아 산화환원전위(ORP) 값을 +250∼+350mV 범위로 조정하면서 소석회, 생석회, 소성백운석과 같은 알칼리토금속산화물(알칼리성미네랄)을 주입하여 pH를 12이상으로 조정한 다음 스트리핑조(10)로 보내어 폭기를 하여 축산분뇨 중 유리상태의 암모니아성질소를 스트리핑한 후 중화조(11)로 보내어 황산(H₂SO₄)을사용하여 pH를 7전후로 중화처리를 한 후 응집조(13)로 보내어 침전조(15)에서 침전분리가 용이하도록 응집제를 주입하여 플록(Floc)을 형성한 다음 침전조(15)로 보내어 침전된 슬러리(Slurry)는 진동스크린(5)에서 배출되는 고형물과 함께 탈수기시스템(18)으로 보내어 탈수 처리된 탈수케이크(Cake)는 퇴비화처리 공정의 혼화기(38)로 보내고, 탈수여액은 침전조(15)의 상등수와 함께 폐수처리 공정으로 보내고, 탈수된 케이크가 퇴비화공정의 혼화기(20)에 공급되면 팽윤제와 복합미생물균제를 혼합 교반할 때 활성부식물질(Activated humic substances)을 함께 첨가하여 혼합 교반한 것을 발효설비(23)공정으로 보내어 로터리 믹서(24)로 뒤집기를 하면서 발효부숙이 원활하게 진행될 수 있도록 하기 위해서 발효부숙이 완료된 완숙퇴비를 완숙퇴비 반송컨베이어(29)에 의해서 발효설비(23)공정의 고온발효부 후단으로 중온성미생물의 종균용으로 반송하여 안정된 발효부숙이 일어날 수 있도록 하는 공정에 의해서 퇴비화하는 방법.