KR20080013839A

KR20080013839A - 복합 미생물을 이용하여 하수슬러지를 전처리 공정 없이지렁이 처리하는 방법

Info

Publication number: KR20080013839A
Application number: KR1020070138437A
Authority: KR
Inventors: 박장우; 박설희; 홍승익
Original assignee: 영농조합법인이엔비
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2008-02-13

Abstract

본 발명은 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 이용하여 하수슬러지를 1차 처리 후에 이를 지렁이에게 급이시켜 퇴비화는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법으로 기존의 지렁이 사육을 이용한 하수슬러지의 지렁이처리 방식에 있어서 전처리 공정으로서 20-50일 동안의 부숙 공정이 필수이었으나 본 발명에 의한 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 하수슬러지와 혼합 이용하여 지렁이 섭식에 안정성을 높여주어 전처리 공정없이 직접 지렁이 급이가 가능하도록 하는 이점이 있다.

또한, 하수슬러지에 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 본처리 공정 전에 접종함으로써 처리 공정에서 발생되는 악취를 제거하는 장점을 갖는다.

지렁이, 광합성 세균, 하수슬러지, 부숙, 지렁이 처리, 지렁이퇴비화

Description

복합 미생물을 이용하여 하수슬러지를 전처리 공정 없이 지렁이 처리하는 방법 {Vermicomposting method treat sewage sludge by compound microorganism using without pretreatment process}

본 발명은 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 이용하여 하수슬러지를 1차 처리 후에 이를 지렁이에게 급이하여 지렁이 처리하는 방법에 관한 것이다.

지렁이는 미생물과 함께 자연의 먹이사슬 중 가장 하단에 위치하는 분해자로서 각종 식물체의 잔여물, 초식동물의 배설물, 원생동물, 선충, 진드기, 톡토기, 박테리아, 이스트 및 균류 등을 먹이로 하는 잡식성 동물이다. 다 자란 지렁이는 대개 몸무게가 0.4그램 정도로서 매일 자기 몸무게의 0.8-1.5배의 먹이 활동을 하며 먹이의 소화는 120-130개 정도의 체절의 장 운동으로 통하여 섭취한 먹이를 잘게 부수면서 이동시키는 과정에서 이루어 지는데 일정기간 동안 부숙된 먹이만을 소화 흡수할 수 있는 것은 지렁이가 자체 보유한 소화 효소가 부족하고 기능이 약하여 장내 미생물과의 공생에 의하여만 소화 처리할 수 있기 때문이다. 즉 지렁이는 단백질과 탄수화물을 에너지나 영양원으로 변화시키기 위해 필요한 강한 산을 분비하는 분비선이 없기 때문에 미생물과의 공생은 필수적이다. 그리고 지렁이 장내에서 대부분의 효모와 방어 기능이 부족한 다른 미생물들은 쉽게 소화되어 사멸하지만 일부의 박테리아와 방선균 들은 살아 남아서 지렁이 장내를 지나는 동안 수천 번 복제하게 되면서 섭취된 먹이의 분해 및 소화를 돕는다. 지렁이에게 먹이로 급이되는 유기성 슬러지는 대개 미생물을 함유하고 있는 유기물질로 되어 있으므로 지렁이 장내 미생물의 작용에 의해 시간이 경과하면 급격히 변하게 되며 이 변화과정을 지렁이에 의한 처리 혹은 지렁이퇴비화(Vermicomposition)라고 한다. 그런데 유기성 슬러지를 지렁이를 이용하여 부숙화 처리하기 위해서는 급이되는 유기성 슬러지의 이화학적 특성이 지렁이의 생리생태에 알맞고 지렁이에게 독성을 나타 내는 물질이 함유되어 있지 않아야 한다. 그런데 지렁이한테 급이되는 유기성 슬러지 중에서도 하수슬러지는 매우 가혹한 지렁이 먹이로서 급이할 경우에 일단 혐기성 발효 단계로 진행된 슬러지는 부숙후 20-50일이 되어야 비로소 지렁이 섭취가 가능한 것이라고 그간 국내외 연구 보고되고 있다.

그리고 급이 가능한 하수슬러지의 급이 조건을 분석한 결과를 보면, 대부분의 하수슬러지에서 슬러지를 탈수를 하기 위해 농축을 한 슬러지의 산화환원전위가 -100이상의 값을 보이고 있고 슬러지는 탈수를 하기 위하여 무기 혹은 고분자응집제의 사용으로 pH 값이 각종 문헌에서 제시되고 있는 지렁이의 생육 적정 인자보다 더 높은 것으로 나타났으며 알카리도 수치도 대부분 높아 지렁이한테 급이할 수 있는 먹이로서는 부적당한 것으로 나타나서 전처리가 반드시 필요한 것으로서 그간의 연구보고와 맥을 같이 하고 있다.

따라서 기존의 지렁이 사육을 이용한 지렁이처리 장치들은 전처리 공정으로 20-50일 동안의 부숙화 공정 마련이 필수이었다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 지렁이의 소화기관이 매우 단순하며 1차 분해에 이용하기 위한 강한 산성 분해 조건의 효소가 부족하기 때문에 지렁이 장내에서 미생물 등에 의해 먼저 분해한 후에 섭취하여 소화를 하게 되기 때문이다. 그런데, 일반적으로 대개의 하수슬러지의 경우에는 유기물 성분이 낮아 지렁이에게 매우 가혹한 먹이이기도 하지만 수처리 공정 중에 다양한 종류의 미생물이 증식하고 있었으므로 미생물에 의한 부숙 공정이 아주 쉽게 일어난다는 특징이 있다.

그런데, 지렁이를 이용한 유기성 슬러지의 처리 기술은 처리효율과 안정성만 확보할 수 있다면 생물학적 분해라는 장점과 지렁이 분변토라는 탁월한 부산물의 이용성 확보 등 타 방식에 비해 매우 우수한 처리 기술임에도 불구하고 전처리 공정으로 호기성 퇴비화 장치나 부숙 공정을 추가함으로써 설치 비용과 효과에 있어서 큰 문제점을 안고 있어서 기존의 방법을 획기적으로 개선하고 효율적인 처리 기술의 개발이 난제이었다.

유기성 폐기물의 처리방식 중에 최선의 방식은 자원화에 의한 재활용인데 자원화중에서도 가장 큰 과제는 친환경적인 생물학적 변환(Bioconversion)이다. 이런 측면에서 볼 때 자연의 먹이사슬 중에 가장 하단에 위치하는 분해자로서의 지렁이의 역할은 외국의 사례를 거론할 것도 없이 국내에서도 일찍이 국가적인 프로젝트였던 G-7 프로젝트에 포함되는 등 상당한 각광을 받았으나 아직까지도 안정적인 처리 제품이나 시스템 구현이 난제로 되어 있지만 지렁이 처리는 미생물과의 공생에 의한 소화 처리를 하는 특징 있어 지렁이를 작은 미생물 공장(Microorganism treatment factory) 혹은 미생물의 운반체(Microbial vehicle)라고 불리고 있다.

그런데, 지렁이는 구조적으로 단백질과 탄수화물을 에너지나 영양원으로 변화시키기 위한 강한 산을 분비하는 분비선이 없기 때문에 미생물과의 공생은 필수적이며 지렁이 처리는 미생물 처리를 특징으로 하는 것이다.

따라서 본 발명의 성공을 위하여는 지렁이 장내 미생물에 대한 연구가 선행되어야 하는데, 본 발명자들은 유기성 슬러지 특히 하수슬러지에 대한 여러 가지 처리 기술을 검토하다가 지렁이 처리에 착안하여 다년간의 지렁이 노지 사육의 경험을 가지고 있으며 나아가 지렁이 대량화, 기계화 및 자동화 사육을 통하여 유기성 폐기물을 처리하기 위한 연구와 정부 과제를 수행한 경험을 가지고 있는데 그 과정에서 지렁이 친화 혹은 지렁이 장내 미생물에 대한 연구를 수행하여 그에 대해 상당한 수준의 연구와 실증실험 자료를 보유하고 있다.

즉, 지렁이 처리를 성공적으로 수행하기 위하여는 하기 위하여는 먹이가 되는 유기성 슬러지에 대한 검토뿐만이 아니라 지렁이 사육 기술과 지렁이의 활성도와 계속성 유지라는 측면에서 집중하여야 한다. 그런데 지렁이는 생물로서 대부분의 효모와 방어 기능이 부족한 다른 미생물들은 쉽게 소화되지만 몇몇 종류의 박테리아와 방선균은 살아남아서 지렁이 장내를 지나는 동안 수 천 번 다시 복제하게 되며 섭취된 먹이의 분해 및 소화를 돕게 되므로 지렁이 장내 구조는 물론 장내 미생물 종류 및 역학 관계에 대한 연구와 지렁이 장내 및 친화 미생물의 분리동정, 배양 및 관리의 방법에 대하여도 상당한 기술적인 경험과 자료 축적이 상당 수준 되어 있어야 하였다.

환경적 측면에서 지렁이 본래의 기능을 이용한 최초의 국가적인 국내 연구의 시작은 1990년경부터 국립환경과학원에서 과학기술처 주관 특정연구과제 및 G-7 프로젝트 사업으로 추진하면서 기초가 다져져서 대략적인 과학적인 연구의 틀을 마련하였고 이를 바탕으로 환경부에서는 1992년 5월 환경처 고시 1992-34호로 지렁이를 이용한 유기성 슬러지 처리방법을 공인하여 지렁이의 환경정화기능을 공식적으로 인정하였으며 1997년 7월 폐기물관리법을 개정하면서 종래의 관점에서 한발 더 나아가 지렁이를 이용하여 처리한 유기성 오니를 비료, 퇴비 또는 사료로 처리하는 경우에 재생 처리가 가능하도록 법제화하였다.

게다가 2004년 4월에는 농림부에서 고시로서 지렁이를 가축으로 고시한 바 있고 2007년 2월에는 지렁이 축사를 농업용 시설로서 농지법에 포함하여 지렁이처리에 대한 제도적인 규제를 획기적으로 완화하고 지렁이 사육을 적극적으로 권장하고 있는 입장이다. 그런데, 지렁이를 이용한 유기성 슬러지 처리에서 가장 중요한 인자는 지렁이와 먹이와의 관계이다. 즉, 지렁이의 먹이가 되는 유기성 슬러지는 미생물을 함유하고 있는 유기물질로 되어 있으므로 시간이 그대로 경과하면 미생물에 의해 부패되거나 발효되는데 이를 부숙(Decomposition)라고 한다.

따라서 위와 같은 유기성 슬러지를 지렁이로 처리하기 위해서는 슬러지 자체의 이화학적 특성이 지렁이의 생리적응에 알맞고 또한 슬러지의 자연적인 부숙 과정에서 지렁이에게 독성을 나타내는 물질이 함유 내지는 구현되어 않아야 한다. 즉 슬러지의 이화학적 조건과 지렁이의 사육조건이 적합한 경우에만 지렁이처리가 가능하게 된다. 따라서 하수슬러지를 지렁이에게 급이하여 처리할 경우에는 하수슬러지는 혐기성 발효 단계로 진행되기 때문에 20-50일 정도의 부숙화 단계를 거쳐야 지렁이 섭취가 가능한 것으로 국내외 공히 연구 보고되고 있다.

<표 1>에는 지렁이 퇴비화의 적정 먹이조건 적정인자를 나타내었다.

<표 1> 지렁이 퇴비화의 적정인자

pH	ORP	Alkalinity	EC	Cl-	Temp
5.8～7.5	>+0 mV	<1000ppm	<2000㎛/cm	<5000ppm	15～30℃

본 발명은 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 이용하여 하수슬러지를 1차 처리 후에 이를 지렁이에게 직접 급이시켜 퇴비화는 방법에 관한 것으로서 지렁이 친화 혹은 지렁이 장내에 서식하는 미생물의 군집 중 우점종을 차지하고 있는 미생물의 작용 및 특징을 보면 다음과 같다.

우선 Rodobacter capsulatus(광합성 세균)은 일반적인 광합성에 있어서 세균 자체는 동화색소를 가지고 있지 않으므로 자체적인 광합성을 할 수는 없지만 박테리 오클로로필을 가지고 있어 이산화탄소와 수소화합물(H₂S 등)을 재료로 하여 광합성을 수행하여 당분을 만들어 낸다. 대개의 고등식물들은 환원물질로서 물(H₂O)을 사용하는 대신 황화수소(H₂S)를 사용하는데 그 과정에서 발생하는 기체도 산소(O₂)가 아니라 황(S)이다. 위 광합성 세균(Rodobacter capsulatus)는 본 발명의 하수슬러지 처리에 있어 호기적인 암조건(Aerobic dark)에서 N₂, NH₃ 전자 수용체를 이용하여 활발하게 증식을 하여 유기물의 주요 성분인 불안정한 암모니아태 질소를 안정적인 질산태 질소화로 변화시켜 지렁이의 섭식 효율을 증가시키는 역할을 수행하며 또한 혐기적 명조건(Anaerobic light)에서는 H₂S를 전자 수용체로 이용 증식하여 하수슬러지 혐기적 부패 방지 및 pH Buffering의 효과를 가지고 있다.

그리고, Bacillus megaterium은 단백질 분해 능력이 우수한 미생물로서 지렁이 장내에 우점종 공생하면서 먹이로 섭취된 단백질 고분자를 분해하는 역할을 수행하고 있다. 더욱이 하수슬러지의 고분자 응집제로 이용되고 있는 아크릴 아마이드 등 고분자 응집제를 분해하는 능력도 매우 우수하여 그간 하수슬러지의 탈수 및 건조에 커다란 장애가 되고 있는 슬러지의 응집 구조를 파괴시켜 미생물의 분해 활성을 높여주어 처리 효율을 제고하는 효과가 크다.

Geobacillus stearothermophilus는 고온성 미생물로서 발효처리의 속도가 매우 빠른데 이런 특성을 이용하여 그간 음식폐기물의 고온성 발효에 많이 이용되는데 주요 미생물로 이용되고 있다. 본 발명에서는 이와 같은 미생물을 하수슬러지에 투 입하여 발효 처리하면서 지렁이 장내 주입시켜 우점종 시켜 지렁이 장내에서 발효처리 하도록 한다.

또한, Geobacillus stearothermophilus는 호온성 미생물로 고대의 원시 대기 및 바다에 존재했던 고미생물로 알려져 극한의 환경에서도 증식 및 활동이 가능하여 하수슬러지의 고분자 응집제에 의한 알칼리조건에서도 유기물을 분해하는 능력이 우수하며 지렁이 친화 미생물로서 지렁이 장내 서식이 가능하다.

Rhodococcus sp .는 하수슬러지에 포함되어있는 난분해성 화합물인 톨루엔 등의 페놀류의 화합물을 분해하는 능력이 우수한 균주로서 하수슬러지에 포함되어있는 환경호르몬의 유해성을 완화시켜주고 악취를 제거해주는 효과 또한 우수하다.

위에서 언급한 유기물의 분해 능력이 우수한 광합성세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 각각 x10⁸으로 배양하여 각 미생물을 동량으로 혼합하여 제조한 미생물 배양액을 하수슬러지 1톤에 10리터의 비율로 접종한 후 혼합하여 하수슬러지를 별도의 전처리 공정없이 지렁이에게 안정적으로 급이시킬 수 있는 먹이 조건을 만들어서 지렁이 먹이로 사용한다.

본 발명은 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 이용하여 하수슬러지 를 1차 처리 후에 이를 지렁이에게 급이시켜 퇴비화는 방법에 관한 것으로 자세하게는 유기물의 분해 능력이 우수한 광합성세균을 포함하는 4종의 복합 균주(Rodobacter capsulata, Bacillus megaterium, Geobacillus stearothermophilus, Rhodococcus sp.)를 각각 x10⁸으로 배양하여, 각각의 미생물을 동량으로 혼합하여 제조한 미생물 배양액을 하수슬러지 1톤에 10리터 비율로 접종한 후 혼합하여 하수슬러지를 별도의 전처리 공정없이 지렁이에게 먹이로서 안정적으로 급이시킬 수 있다. 이로서 하수슬러지를 지렁이처리하기 위하여 거쳤던 20-50일의 전처리 부숙 기간을 거치지 않아 전체 처리기간과 처리비용 및 공간의 획기적으로 감축하면서도 지렁이 처리가 안정적으로 가능하였고 그간 지렁이 처리 과정에서 발생하였던 부패에 의한 악취 발생도 사람이 악취를 감지하기 어려운 수준으로 획기적으로 저감할 수 있었다.

본 발명은 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 이용하여 하수슬러지를 1차 처리 후에 이를 지렁이에게 급이시켜 퇴비화는 방법에 관한 것으로 더 구체적으로는 유기물의 분해 능력이 우수하고 지렁이 친화성이 있는 광합성세균을 포함하는 지렁이 친화 혹은 지렁이 장내 서식하는 4종의 복합 균주 (Rodobacter capsulata, Bacillus megaterium, Geobacillus stearothermophilus, Rhodococcus sp.)를 각각 x10⁸으로 분리동정, 배양하여 각 미생물을 동량으로 혼합하여 제조한 미생물 배양액 을 하수슬러지 1톤에 10리터의 비율로 접종한 후 혼합하여 하수슬러지를 별도의 전처리 공정없이 지렁이에게 안정적으로 급이 시킬 수 있는 조건을 만든다.

[실시예 1] 본 발명에 의한 실시예와 다른 예를 비교하면, 하수슬러지를 아무런 처리도 하지 않고 급이한 경우(도표표시■), 하수슬러지 50일간의 호기성 퇴비화 전처리 공정 경과 후 투입한 경우(□), 본 발명의 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 하수슬러지에 접종하여 투입한 경우(▲)의 35일간의 pH 변화 추이는 다음 [그림 1]과 같다.

[그림 1] 복합균주 처리에 따른 하수슬러지의 pH 변화

즉, 지렁이의 안정적 섭식 조건 유지를 위한 pH의 범위는 5.8-7.5로 알려져 있는데 하수슬러지 단독으로 급이한 경우에는 14일 경과 후부터는 pH가 지렁이 생육조건에 부적합한 것으로 나타났으며 본 발명과 같이 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 하수슬러지에 접종한 경우의 pH 변화는 50일간의 호기성 퇴비화 조건과 유사하거나 보다 더 안정적인 조건을 그대로 유지하였다.

[실시예 2] 본 발명에 의해 ■: 하수슬러지를 단독, □: 하수슬러지 호기성 퇴비화 전처리 공정 50일 경과 후, 그리고 ▲: 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 하수슬러지에 접종하여 각각의 하수슬러지의 산화환원전위 변화는 다음 [그림 2]와 같다.

[그림 2] 복합균주 처리에 따른 하수슬러지의 ORP 변화

즉, 지렁이의 안정적 섭식 조건 유지를 위한 산화환원전위의 범위는 > 0 mV 이상으로 알려져 있는데 아무런 처리 없이 하수슬러지 단독으로 투입한 경우는 투입 5일 경부터 급격히 부숙이 일어나고 있으며, 50일간의 호기성 퇴비화 조건을 거친 하수슬러지의 경우에도 투입 10일 경과 후부터는 급격한 부숙이 이루어져서 14일경부터는 지렁이 생육조건에 부적합한 것으로 나타났지만 본 발명의 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 하수슬러지에 접종하면 적어도 투입 25일까지는 안정적인 먹이 조건을 그대로 유지하고 있다.

[실시예 3] 본 발명에 의한, 대조구는 하수슬러지를 50일간 호기성 부숙화 전처리를 한 슬러지에서 발생되는 NH₃-N(◆)와 NO₃-N()의 농도 변화이며 실험구는 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 하수슬러지에 접종한 후 8일간 체크한 각 농도 변화는 다음 [그림 3]과 같이 나타냈다.

하수슬러지 호기성 부숙화 전처리 공정을 거친 슬러지에서 발생되는 NH₃-N 와 NO₃-N의 농도 변화는 암모니아태 질소의 양과 질산태 질소의 양에 별 차이가 없는 반면에 광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 하수슬러지에 접종한 슬러지에서의 NH₃-N 와 NO₃-N의 농도 변화는 암모니아태 질소의 비율보다 각 2배에서 많게는 5배 이상 증가되는 것으로 확인되었다.

[그림 3] 복합균주 처리에 따른 하수슬러지 NH₃-N 와 NO₃-N의 농도 변화

이로서 복합 처방된 복합 균주의 활발한 작용에 의해 지렁이에게 소화 흡수가 용이한 형태로 하수슬러지 성상이 변화됨으로써 지렁이 섭식 효율이 최적화되어 그간 단독 급이가 불가능한 것으로 알려져 있던 하수슬러지를 단독적으로 호기성 전처리 공정없이 처리하여도 동등 이상의 처리 효율 거양이 가능하다는 판단에 의해 본 발명을 착안하게 되었던 것이다.

Claims

광합성 세균을 포함하는 4종의 복합 균주를 이용하여 하수슬러지에 혼합 처리하여 별도의 전처리 공정없이 지렁이에게 급이시켜 지렁이퇴비화 처리하는 방법.
제 1 항에 있어서, 4종의 복합 균주는 Rodobacter capsulata, Bacillus megaterium, Geobacillus stearothermophilus, Rhodococcus sp.를 특징으로 하는 미생물을 혼합 처리하여 하수슬러지를 별도의 전처리 공정없이 지렁이에게 먹이로 급이시켜 지렁이퇴비화 처리하는 방법.
제 1 항에 있어서, 4종의 복합 균주를 각각 x10⁸으로 배양하여, 각 미생물을 동량 혼합하여 제조한 미생물 배양액을 하수슬러지 1톤에 대해 10리터의 비율로 접종한 후에 혼합하여 하수슬러지를 별도의 전처리 공정없이 지렁이에게 급이시켜 지렁이퇴비화 처리하는 방법.