KR20090048027A - 토착생태혼합물, 토착생태혼합물을 이용한 바이오 제품 및그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지역특성에 맞는 생태환경 조성 및 유지, 오염물질 처리, 지역 동식물의 서식공간을 위한 토착생태혼합물과 토착생태혼합물을 이용한 생태학적 제품들 및 그러한 생태학적 제품들의 제조방법에 관한 것이다.

다공성 골재, 토착미생물, 대두, 보리밥, 주먹밥, 깻묵, 톱밥, 누룩, 공기,, 유기물, 유기화합물, 흡착, 분해, 식물, 표면적, 공극 , 지하수대, 혐기성, 산소

Description

토착생태혼합물, 토착생태혼합물을 이용한 바이오 제품 및 그 제조방법{Endemic bioecological mixture, Endemic bioecological products and Manufacture method thereof}

본 발명은 지역특성에 맞는 생태환경 조성 및 유지, 오염물질 처리, 지역 동식물의 서식공간을 위한 토착생태혼합물과 토착생태혼합물을 이용한 생태학적 제품들 및 그러한 생태학적 제품들의 제조방법에 관한 것이다.

종래에는 타겟물질을 위한 특정 미생물을 배양하여 담체에 접종함으로서 원하는 목적을 이루는 기술이 있었다. 이러한 종래기술에서는 특정 목적에 유익한 미생물제만을 투입하여 원하는 목적을 이루는 일시적인 효과는 있었지만 장기적으로는 토양미생물의 균형이 파괴되는 문제점도 있었다. 왜냐하면 일반적으로 병해의 근본원인을 영양의 불균형에서 찾는데, 투입되는 자재의 영양불균형도 문제이지만 더 근본적으로는 미생물 다양성의 붕괴가 영양의 불균형을 만들어 내기 때문이다.

따라서, 환경친화적인 인공 구조물 구축시에는 그 지역에 가장 적합한 미생물들을 사용하여 자연적 환경에 가장 잘 적응하면서도 원초적 다양성이 최대한 남아있는 미생물군을 균형있게 접종, 배양시키는 것이 가장 유익하다. 즉, 인공 구조물을 구축하고자 하는 지역에서 가급적 가까운 곳이면서 환경오염의 영향을 가장 적게 받은 곳의 토착 미생물 채취, 배양하여 다공성 재료에 제공함으로써, 다공성 재료가 가지고 있는 구조적, 물리적인 특성에 생태공학적 기능을 부여하여 다공성 재료의 본래 기능 이외에도 하천이나 초기 우수의 수질을 개선하고, 친환경적인 생태환경을 영구적으로 유지할 수 있도록 구성된 기술이 요구되는 것이다.

본 발명은 다음과 같은 과제들을 안고 개발되었다.

1. 다공성 재료에 생태공학적 기능을 부여한다.

2. 종래와 같이 특정 목적에 유익한 미생물만 사용함에 따라 야기되는 미생물들의 불균형을 해소하고 자연환경에 가장 잘 적응하면서도 원초적 다양성이 최대한 남아있는 친환경적인 바이오 제품을 제공한다.

3. 담체에 접종된 토착미생물의 지속적인 생장과 번식을 위한 기술을 제공한다.

상기한 과제해결을 위해 본 발명은 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

1. 담체로 다공성 재료를 활용하고, 이에 제공되는 미생물로는 특정지역의 토착미생물을 제공함으로서 그 토착미생물의 균형적인 생장능력을 극대화시키고, 토착미생물에 의해 유기물질 분해능력을 갖추도록 한다.

2. 넓은 표면적을 가지는 다공성 제품에 지역특성에 순화된 토착미생물을 제공하고, 여기에 무기영양분(미네랄류)을 가미하여 활성도를 더 향상시켜 미생물이 번식하고 생장할 수 있는 양분을 공급한다.

3. 토착미생물은 단백질이 풍부한 대두를 사용하여 Bacillus spp. 등의 양을 증대시키고, 양분이 풍부하고 분해가 빠른 보리밥, 주먹밥, 깻묵, 톱밥, 누룩을 활용하여 미생물의 성장을 극대화시킨다.

4. 토착생태혼합물을 이용한 다양한 바이오 제품을 제작하여 인공 시설물 구축에 활용한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 여러 가지 효과가 있다.

1. 특정지역의 토착미생물을 채취하여 다공질 재료에 접종하여 미생물의 적응성 및 유기물질 분해능력을 극대화시키고, 대두에서 생성되는 Bacillus spp.는 고농도의 질소 성분을 효율적으로 처리할 수 있고, 또한 냄새를 제거할 수 있다.

2. 토착생태혼합물이 포함된 다공성 재료를 식물과 함께 사용할 경우 식물의 활성이 극대화되어 오염물질의 추출, 분해, 안전화가 촉진되고, 이러한 다공성 재료가 물과 접촉하거나 지하수대가 형성되어 있는 곳에 사용될 경우 다공성 재료에 제공된 토착미생물은 다공성 재료에 흡착된 유기물질을 분해한다.

3. 토착생태혼합물이 포함된 다공성 재료에 식물을 식재하면, 식물의 광합성에 의해 토착미생물에 산소가 공급되어 토착미생물의 혐기성화가 방지되고, 식물이 흡수한 수중의 용존 유기물은 토착미생물이 분해할 수 있어, 토착미생물과 식물의 상호작용이 촉진된다.

4. 토착생태혼합물을 다공성 재료, 점토질 재료, 콘크리트 등에 본 적용하고 식생하면 식물생장이 촉진됨은 물론 인, 유류, 중금속 등 비점오염물질이 제거된다.

5. 하천 구조물로 시공되는 호안블록, 보강토 옹벽블록 등의 콘크리트와 점토 블록, 도시 내 보도블록 및 주차블록 등에 토착생태혼합물을 적용하여 블록입자 사이 사이에 그 지역의 특성에 맞는 동식물의 서식처 제공 및 친환경적 식생이 가능하게 되며, 도시 내 불투수층을 투수화 할 수 있고, 이러한 토착생태혼합물은 하천수나 우수 등을 침투 접촉시켜 수처리 기능을 가진 여재층으로서의 역할을 담당함으로써 각종 블록들은 물리적인 원래 기능 이외에 생물학적 오염물질 처리기능도 가질 수 있게 된다.

즉 본 발명은 다공성 재료 및 각종 바이오 제품에 제공된 물질에 의한 여과, 흡착, 토착미생물에 의한 분해 및 식물의 흡착작용 등으로 오염물질을 감소시킴과 동시에 식물의 성장을 원활히 하도록 하여 대상지역의 동식물에게 서식공간을 제공하면서 녹지경관으로서의 기능을 부여하여 인공적인 구조물체에 복원지의 자연상태와 근접한 조건을 제공하도록 하였다. 또한 지구 온난화와 기후변화를 유발하는 온실가스는 사실상 거의 모든 경제활동에서 직간접적으로 배출되고 있다. 특히 향후 광물산업에서 재활용 골재를 대체 활용함으로써 온실가스를 저감할 수 있고, 본 발명으로 표면에 식생피복을 원활히 함으로써 온실가스의 배출을 줄이는 청정개발체제사업으로서 지구온난화 및 향후 배출권 거래에서도 활용될 수 있다.

Ⅰ. 토착생태혼합물

본 발명은 특정지역에 서식하는 토착미생물을 활성화시키기 위해 지역특성에 순화된 토착미생물; 무기영양분; 및 생장제; 를 혼합한 토착생태혼합물을 제공한다. 도 1은 토착생태혼합물의 구성에 대한 개념도이다.

토착미생물이란 특정 환경에 토착하여 사는 미생물을 말하는 것으로서, 환경의 영양 상태가 일정하면 토착미생물의 수도 일정하게 유지된다. 이러한 토착미생물에는 사상균, 세균, 그리고 방선균이 있는 데 이들은 수, 양 그리고 대사 활성에서 다른 어느 생물보다 우세하다. 일반적으로 토양 1그램에는 10⁸에서 10¹⁰의 세균이 있음이 직접 관찰된다. 세균은 일반적으로 목초지나 휴경지보다는 경작지에, 차가운 토양보다는 따뜻한 토양에, 건조한 토양보다는 습윤한 토양에 많다. 세균의 평균 무게는 1×10^-12g (0.01ng)으로서, 그 수가 많음에도 불구하고 세균의 양은 전체토양 생물체량의 10%이하로, 환경에 따라 대략 헥타아르당 300∼3,000㎏이다. 토양에 서식하는 세균은 주어진 환경에서 실제로 영구한 서식자라고 생각할 수 있는 토착세균(고유세균, 자생적 세균)과 침입자 혹은 일시적 서식자라 할 수 있는 외래세균(외생적세균)으로 분류할 수 있다. 외래세균은 강우, 이병조직, 두엄 혹은 슬러지에 의해 유입되며, 토양에 존속하고 생육하지만 중요한 생화학적 활성에는 거의 기여하지 않는다. 토착세균은 주로 지연생육 미생물이지만, 먹이가 존재할 때 속성으로 증식하는 발효적 세균도 자생적 미생물이라 한다. 미생물제로 이용되는 세균은 주로 발효적 미생물에 속한 것이 많다. 토양에서 가장 보편적으로 분리되는 것은 Bacillus속과 Pseudomonas속이다. Bacillus속은 토양 분리균주의 7∼67%를 나타낸다. Bacillus속은 방선균처럼 포자를 형성한다. Bacillus속은 pH 2에서 8의 범위에서 생육하고 온도는 -5℃에서 75℃의 범위에 걸친다. 일부 Bacillus속은 질소를 고정한다. Pseudomonas속은 토양 분리균주의 3%에서 15%를 나타낸다. 일부 Pseudomonas속은 병원성이지만, 다양한 대사작용, 특히 농약과 같은 유기화합물을 분해하는 능력을 가지고 있다.

본 발명의 토착생태혼합물은 특정 지역의 오염도가 낮은 땅을 선정하여 무기영양분 및 생장제를 공급하고 인위적으로 공기를 공급하여 다양한 미생물이 서식하도록 하고, 미생물의 생장에 유리한 조건을 형성하여 토착미생물을 배양함으로서 얻을 수 있다. 이 때, 상기 생장제로는 영양분이 풍부하고 분해율이 높은 쌀밥, 보리밥, 깻묵, 토밥, 누룩을 투여할 수 있으며, 단백질이 풍부한 콩분말 또는 콩부스러기가 더 포함시켜 토착미생물 생장을 증진시킬 수 있다.

미생물은 유기물질을 몸에 축적하는 과정에서 물과 이산화탄소로 분해시킨다. 미생물은 먹이가 되는 오염물질이 충분이 있고 생육환경이 적합하면 대량으로 번식하여, 대량으로 번식한 이들이 더욱 많은 오염물질을 먹음으로서 환경정화가 이루어진다. 본 발명과 같이 특정지역에 서식하고 있는 토착미생물을 사용한 토착생태혼합물은 미생물의 활성 및 유기물질 분해능력이 극대화된다.

이들 토착미생물들은 수체, 토양 등 모든장소에서 서식할 수 있으나 토착미생물의 증식과 균등한 분산을 위해서는 미생물이 부착 서식할 수 있는 부착매체가 필요하다. 부착매체는 표면적과 공극이 큰 것이 적당하므로, 넓은 표면적을 가지고 있고 공극이 큰 다공성 제품에 상기 토착생태혼합물을 제공함으로서 토착미생물의 부착, 생장이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 다공성 제품은 제방, 옹벽 등의 축조에 이용하여, 수중이나 지중의 유기물질 및 유기화합물을 효과적으로 제거하도록 할 수 있다.

Ⅱ. 바이오 제품 및 그 제조방법

상기 토착생태혼합물은 다공성 블럭, 합성블럭, 콘크리트, 펠릿제품 등의 구성물질로 다양하게 활용될 수 있다. 이하에서는 상기 토착생태혼합물을 구성성분으로 하는 여러가지 제품을 통칭하여 '바이오 제품'이라 한다. 도 2는 바이오 제품의 구성, 제작방법 및 기능에 대한 개념도이고, 도 3은 바이오 제품의 활용에 관한 개념도이다. 이하에서는 본 발명에 따른 바이오 제품 및 바이오 제품의 제조방법, 을 구체적으로 설명하기로 한다.

(1) 바이오 다공성 블럭 및 바이오 다공석 블럭 제조방법

본 발명은 다공성 재료와 상기한 토착생태혼합물로 구성된 바이오 다공성 블럭을 제공한다. 다공성 재료란 내부에 잔 구멍이 많이 있는 건설재료를 통칭하는 용어로서, 동식물의 서식공간을 제공하기 위한 식생용으로 많이 활용된다. 기존에 는 다공성 재료로 제작된 블럭의 공극에 식물의 씨앗을 넣어 하천제방 등의 녹화(綠化)를 추구하였는데, 본 발명에서는 상기 토착생태혼합물이 다공성 블럭의 재료에 혼입되어 위에서 설명한 바와 같은 미생물과 식물의 상호작용을 통한 생태환경의 조성, 유지 및 오염물질에 효율적으로 이용되도록 한 것이다. 한편, 상기 다공성 재료에 의해 형성된 공극에는 식물이 식재된 상태로 제품화시킬 수 있으며, 이 경우 별도의 현장작업 없이 공장제품을 그대로 활용할 수 있다.

상기 바이오 다공성 블럭은 넓은 표면적을 가지는 다공성 재료에 토착생태혼합물을 제공함으로서 1차적으로 다공성 제품의 물리적인 특성에 의해 용해성 물질 및 양이온성 중금속을 흡착시키고, 흡착된 유기물질은 2차적으로 다공성 재료에 투입된 토착미생물에 의해 분해되도록 개발된 것이다.

또한, 본 발명은 다공성 재료로 본체를 제작하고, 상기 토착생태혼합물에 물과 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxy Methyl Cellulose : CMC)를 혼합하여 뿜어붙이기 결합력을 향상시킨 후 상기 본체의 표면에 상기 토착생태혼합물을 뿜어붙이는 과정을 포함하며, 상기 카르복시메틸셀룰로오스는 토착생태혼합물 중량의 1~5%이고, 물은 상기 토착생태혼합물 중량의 10~50%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 바이오 다공성 블럭 제조방법을 제공한다.

위와 같이 다공성 재료로 본체를 제작한 후, 상기 토착생태혼합물을 뿜어붙 이는 방법 이외에 다음과 같은 방법들을 통해 상기 바이오 다공성 블럭을 제조할 수 있다.

1) 다공성 재료로 본체를 제작한 후, 상기 다공성 재료에 의해 형성된 공극에 상기 토착생태혼합물을 진공압입하는 과정을 통해 바이오 다공성 블럭을 제조할 수 있다.

2) 다공성 재료로 본체를 제작한 후, 상기 본체를 상기 토착생태혼합물이 수침된 수조에 담그는 과정을 통해 바이오 다공성 블럭을 제조할 수 있다.

3) 다공성 재료와 상기 토착생태혼합물 및 물을 혼합하고 양생하여 본체를 제작하는 과정을 통해 바이오 다공성 블럭을 제조할 수 있다. 즉 본 방법은 상기 토착생태혼합물이 바이오 다공성 블럭의 본체를 직접 구성하는 재료로 이용하는 것이다.

(2) 바이오 합성블럭

본 발명은 상기 토착생태혼합물; 점토질 재료; 석재질 재료; 카르복시메틸셀룰로오스; 및 혼화제; 를 포함하여 구성되며, 상기 토착생태혼합물은 5~10중량%로, 상기 점토질 재료는 10~79.5중량%로, 상기 석재질 재료는 10~79.5중량%로, 상기 카르복시메탈셀룰로오스는 0.5~1중량%로, 혼화제는 5~10중량%로 혼합된 것을 특징으 로 하는 바이오 합성블럭을 제공한다. 상기 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)는 생분해성 접착제로서 구성물간의 결합력을 높인다. 한편, 상기 바이오 합성블럭에는 폴리머칩을 더 포함시켜 구성함으로써 강도저하를 방지할 수 있다.

(3) 바이오 콘크리트 및 바이오 콘크리트 제조방법

본 발명은 천연골재(자연골재), 모래, 시멘트 및 상기 토착생태혼합물로 구성된 바이오 콘크리트를 제공한다. 또한, 본 발명은 천연골재(자연골재) 대신 석탄회(coal ash)를 모래, 시멘트 및 상기 토착생태혼합물로 구성된 바이오 콘크리트를 함께 제공한다. 물론 상기 천연골재(자연골재)와 석탄회는 혼용할 수 있다.

상기 석탄회를 골재로 이용할 때에는 플라이애쉬, 바텀애쉬, 신더애쉬 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있으며, 바텀애쉬만을 골재로 사용하거나 플라이애쉬와 바텀애쉬를 혼합하여 골재로 사용하는 등 다양한 조합을 도출해 낼 수 있다.

천연골재를 사용하는 경우에는, 상기 토착생태혼합물을 5~10부피%로, 천연골재를 45~80부피%로, 모래를 5~20부피%로, 시멘트를 10~25부피%로 혼합한 후, 35~45%의 물시멘트비로 교반한 후 양생하는 과정으로 바이오 콘크리트 제조할 수 있다.

석탄회를 골재로 사용하는 경우에는, 상기 토착생태혼합물을 5~10부피%로, 플라이애쉬, 바텀애쉬, 신더애쉬 중 어느 하나 이상을 45~80부피%로, 모래를 5~20부피%로, 시멘트를 10~25부피%로 혼합한 후, 35~45%의 물시멘트비로 교반한 후 양생하는 과정으로 제조하되, 양생온도를 30~40℃로 유지시키며 제조할 수 있다. 상기 바이오 콘크리트의 양생과정 중 양생온도가 50℃ 이상이 되면 토양미생물이 휴면단계로 돌입하거나 죽을 수 있으므로 자연건조가 아닌 증기양생시에는 양생온도를 30~40℃로 유지시키는 것이 바람직한 것이다.

다른 한편 고로슬래그를 골재로 사용하는 경우에는, 상기 토착생태혼합물을 5~10부피%로, 고로슬래그를 45~80부피%로, 모래를 5~20부피%로, 시멘트를 10~25부피%로 혼합 한 후, 35~45%의 물시멘트비로 교반한 후 양생하는 과정으로 바이오 콘크리트를 제조할 수 있으며,

상기 토착생태혼합물을 5~10부피%로, 음이온 방출량이 300ion/g이하이고, 방사능 방출량이 110~140bq/kg인 산성백토를 2~50부피%로, 모래를 3~20부피%로, 다공성 골재, 천연골재, 석탄회 중 어느 하나 이상의 골재를 30~80부피%로, 시멘트를 10~25부피%로 혼합한 후 35~45%의 물시멘트비로 교반한 후 양생하는 과정으로 바이오 콘크리트를 제조할 수 있다.

위에서 열거한 바이오 콘크리트 제조시에는 혼화제를 전체부피 대비 1% 이하로 섞어 제작할 수 있다.

(4) 바이오 펠릿제품

상기 토착생태혼합물은 바이오 펠릿(pellet)제품을 제작하는 할 때도 사용될 수 있다. 즉, 다공성 재료와 상기 토착생태혼합물을 혼합하거나 다공성 재료와 상기 토착생태혼합물에 천연골재 또는 석탄회를 더 포함시켜 구성되는 펠릿제품 등을 제작할 수 있다.

위에서 설명한 바이오 다공성 블럭, 바이오 합성블럭 또는 바이오 콘크리트를 이용한 생태환경 조성이 여의치 않은 경우, 즉, 기 시공된 하천제방 등에는 상기한 바이오 펠릿제품을 기존 구조물 위에 포설하여, 기존의 구조물에 오염물질 처리 기능과 영구적인 생태환경 유지 기능을 부가할 수 있다.

본 발명이 제공하는 토착생태혼합물 및 바이오 제품들을 하천제방 등의 구조물에 적용하여 시공한 경우, 상기 토착생태혼합물 및 바이오 제품들을 매체로 서식하는 토착미생물들은 생물막을 형성하며 이 생물막에서 수질정화가 일어나며, 또한 그 지역의 자연적 환경에 적응성이 뛰어나 유기물질의 분해를 극대화시킨다.

본 발명에서 사용되는 본질적인 토양미생물 서식매체는 지역특성에 잘 순화된 다양한 토착미생물이며, 바이오 제품들을 구성하는 골재 또는 다공성 재료들도 부분적으로는 토양미생물 부착매체로서의 역할을 하게 된다.

따라서, 유기물질이 포함된 물이 바이오 제품의 표면 및 바이오 제품의 구성입자 사이로 흐르면 생물막이 형성된다. 용존 유기물이 바이오 제품의 표면에 흡착되면 토양미생물은 분자확산, 와류, 침전, 열이동 등에 의해 바이오 제품의 표면으로 이동하여 생물막을 형성하는 것이다. 또한, 이렇게 형성된 생물막의 표면은 전해질이고 흡착성이 강하므로 양이온 성격의 중금속을 제거하는 기능도 수행하게 된다.

도 1은 토착생태혼합물의 구성에 대한 개념도이다.

도 2는 바이오 제품의 구성, 제작방법 및 기능에 대한 개념도이다.

도 3은 바이오 제품의 활용에 관한 개념도이다.

Claims (9)

1. 지역특성에 순화된 토착미생물; 무기영양분; 및 생장제; 를 혼합한 토착생태혼합물.
2. 제1항에서, 상기 생장제는 쌀밥, 보리밥, 깻묵, 톱밥, 누룩 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 토착생태혼합물.
3. 제2항에서, 콩분말 또는 콩부스러기가 더 포함된 것을 특징으로 하는 토착생태혼합물.
4. 다공성 재료와 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 토착생태혼합물로 구성된 것을 특징으로 하는 바이오 다공성 블럭.
5. 다공성 재료로 본체를 제작하고, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 토착생태혼합물에 물과 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxy Methyl Cellulose : CMC)를 혼합 하여 뿜어붙이기 결합력을 향상시킨 후 상기 본체의 표면에 상기 토착생태혼합물을 뿜어붙이는 과정을 포함하며, 상기 카르복시메틸셀룰로오스는 토착생태혼합물 중량의 1~5%이고, 물은 상기 토착생태혼합물 중량의 10~50%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 바이오 다공성 블럭 제조방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 토착생태혼합물; 점토질 재료; 석재질 재료; 카르복시메틸셀룰로오스; 및 혼화제; 를 포함하여 구성되며, 상기 토착생태혼합물은 5~10중량%로, 상기 점토질 재료는 10~79.5중량%로, 상기 석재질 재료는 10~79.5중량%로, 상기 카르복시메탈셀룰로오스는 0.5~1중량%로, 혼화제는 5~10중량%로 혼합된 것을 특징으로 하는 바이오 합성블럭.
7. 천연골재; 모래; 시멘트; 혼화제; 및 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 토착생태혼합물로 구성된 바이오 콘크리트.
8. 석탄회(coal ash); 모래; 시멘트; 혼화제; 및 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 토착생태혼합물로 구성되며, 상기 석탄회는 플라이애쉬, 바탐애쉬, 신더애쉬 중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 바이오 콘크리트.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 토착생태혼합물을 5~10부피%로, 플라이애쉬, 바텀애쉬, 신더애쉬 중 어느 하나 이상을 45~80부피%로, 모래를 5~20부피%로, 시멘트를 10~25부피%로 혼합한 후, 35~45%의 물시멘트비로 교반한 후 양생하는 과정으로 이루어지고, 양생온도를 30~40℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 바이오 콘크리트 제조방법.

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