KR20150094411A - 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 음식물 쓰레기로부터 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법에 관한 발명으로서, 생석회의 사용량을 줄이고 유기질 함량이 풍부하면서도, 염분농도를 1%이하로 감소시킨 유기질 비료를 제공할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 유기질 비료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
현대 사회에서는 음식물쓰레기의 양이 증대하면서, 음식물쓰레기를 처리하기 위한 여러 방안들이 모색되고 있다.
종래 음식물쓰레기의 처리 방안으로서, 소각 또는 매립에 의한 방안이 활용되었으나, 소각의 경우 대기오염의 문제가 심각하였고, 매립의 경우 매립지 확보의 어려움, 및 매립 후 침출수에 의한 지하수나 토양 오염의 문제가 있었다.
이에, 음식물 쓰레기가 유기물의 함량이 풍부하고 중금속이나 농약 등의 인공 독성물질이나 자연독성을 함유하지 않기 때문에 농업용 비료나 가축의 사료 등으로 재활용할 수 있는 기술들이 많이 개발되고 있다.
그런데, 음식물 쓰레기가 농업용 비료로 다년간 사용될 경우, 음식물 쓰레기에 포함된 염분이 토양에 집적됨으로써, 식물 재배에 심각한 문제가 발생하여 사용이 기피되고 있는 실정이다.
따라서, 음식물 쓰레기로부터 제조된 유기질 비료에 함유된 염분을 제거하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있는데, 한국등록특허 제10-0450718호에는 음식물쓰레기 내에 함유된 염분을 아토마이징처리된 제강슬래그와 혼합시켜 제강슬래그 내의 활성화 CaO와 음식물쓰레기 내의 NaCl이 서로 치환반응이 일어나게 함으로써 음식물쓰레기 내의 염분이 감소된 유기비료를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 이러한 방법은 제강슬래그를 아토마이징처리하는 공정이 반드시 필요하여 이에 따른 공정처리비용이 상승하고 작업이 번거로운 문제가 있었다.
또한, 한국등록특허 제10-0884601호에는, 음식물 쓰레기 등의 유기성폐기물처리방법으로서, 소각장 등에서 발생되는 폐열을 이용하여 유기성폐기물을 예열하면서 예열 장치로 열을 더 가하여 1차 가온 교반하여 안정화시킨 후, 폐 굴껍질을 혼합하여 2차 가온 교반하여 안정화시키는 공정을 포함하는, 유기성폐기물 처리방법이 개시되어 있으나, 이러한 처리방법은 폐열을 공급할 수 있는 소각장 등의 시설 등이 갖추어져야 하는 문제가 있었다.
또한, 한국등록특허 제10-1178450호에는, 음식물 등과 같은 유기성 쓰레기를 생석회 및 탈취 및 수분 조절제인 코코피트와 혼합 교반하여, 물리, 화학적 반응을 유도하여 석회처리 비료를 제조하는 방법이 있으나, 이와 같이 단순히 코코피트와 생석회만을 음식물 쓰레기와 혼합 교반하는 방법은 반응 효율이 높지 않아 상대적으로 많은 생석회를 첨가해야 하므로, 유기질 비료의 제조에 적합하지 않은 문제가 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은, 음식물 쓰레기로부터 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 생석회의 사용량을 줄이면서도 유기질 비료의 염분 함량을 최소화할 수 있는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법에 관한 발명으로서,
음식물쓰레기에 포함된 이물질을 선별하고, 음식물쓰레기를 파쇄하는 선별 및 파쇄 단계;
상기 선별 및 파쇄 단계를 거친 음식물쓰레기를 수분함량 70~80%가 되도록 탈수하는 탈수 단계;
반응기에 탈수된 음식물쓰레기를 투입하고, 생석회와 코코피트를 투입한 후, 교반하는 제1혼합 단계;
상기 제1혼합 단계에서 발생한 가스를 배출시키는 가스배출 단계;
상기 반응기에 코코넛 칩을 투입하고 교반하는 제2혼합 단계; 및
상기 제2혼합 단계를 거친 혼합물을 건조하여 수분함량 30~50%의 유기질 비료를 얻는 건조 단계를 포함하여, 염분농도가 1% 이하인 유기질 비료를 제조한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제2혼합 단계에서, 공기 또는 이산화탄소를 주입할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제1혼합 단계에서, 파쇄된 음식물쓰레기 100중량부에 대하여, 생석회 3~7중량부, 및 코코피트 5~12중량부가 혼합될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제2혼합 단계에서, 파쇄된 음식물쓰레기 100중량부에 대하여, 코코넛 칩 3~5중량부가 혼합될 수 있다.
본 발명의 제조방법은, 음식물 쓰레기를 이용하여 생석회의 사용량을 줄이면서도 유기질 함량이 풍부하고, 염분농도를 1%이하로 감소시킨 유기질 비료를 제공할 수 있어, 다년간 사용되더라도 토양에 염분 축적으로 인한 작물 생장 저해를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 유기질 비료에 의하면, 화학비료의 사용량을 줄이면서도 생산량이 향상되고 품질이 우수한 작물을 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따라 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명을, 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도 1의 순서도를 참조하면, 본 발명은, 음식물쓰레기의 선별 및 파쇄 단계(S1); 상기 선별 및 파쇄 단계를 거친 음식물쓰레기를 수분함량 70~80%가 되도록 탈수하는 탈수 단계(S2); 상기 반응기에 탈수된 음식물쓰레기를 투입하고, 코코피트와 생석회를 투입한 후, 교반하는 제1혼합 단계(S3); 상기 제1혼합 단계에서 발생한 가스를 배출시키는 가스배출 단계(S4); 반응기에 코코넛 칩을 투입하고 교반하는 제2혼합 단계(S5); 및 상기 제2혼합 단계를 거친 혼합물을 건조하여 수분함량 30~50%의 유기질 비료를 얻는 건조 단계(S6);를 포함하여, 염분농도가 1% 이하인 유기질 비료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기 음식물쓰레기의 선별 및 파쇄 단계(S1)는, 음식물쓰레기의 저장부로부터 비닐봉지에 담긴 음식물쓰레기를 인출하여, 비닐봉지를 파봉한 후, 비닐봉지 속에 담긴 음식물쓰레기와 이물질을 분리하고, 분리된 음식물쓰레기를 파쇄하는 단계이다.
상기 탈수 단계(S2)는, 파쇄된 음식물쓰레기 속에 포함된 수분을 분리하기 위한 것으로서, 그 수분함량이 70~80%, 바람직하게는 75~78%가 되도록 탈수하는 단계이다.
다음으로, 제1차 혼합 단계(S3)로서, 반응기에, 상기와 같이 탈수 단계를 거친 음식물쓰레기를 투입한 후, 생석회 및 코코피트를 동시에 투입한 후, 반응기를 밀폐시키고 나서 투입된 원료들을 혼합하기 위해 교반한다.
제1혼합 단계에 있어서, 생석회가 투입되면, 음식물쓰레기에 함유된 수분을 흡수하면서, 수산화칼슘이 되는 소화(slaking) 반응에 의해 열이 발생하는데, 이 반응열에 의해 반응기 내의 온도가 약 100~130℃ 정도로 되어, 미생물의 멸균 및 살균을 가능하게 하고, 생성된 강알칼리성 물질인 수산화칼슘(소석회)의 작용에 의해 유기물이 분해되는 반응이 일어나게 된다. 또한, 상기 수산화칼슘과 음식물쓰레기 내 염분(NaCl)이 반응하여 수산화나트륨과 염화칼슘이 생성되므로, 음식물쓰레기 속의 염분을 감소시키는 효과가 있다. 본 발명의 제1혼합 단계에서의 염분 저감과 관련한 반응식을 정리하면 다음과 같다.
CaO + H2O → Ca(OH)2 +15.2kcal/kg CaO
Ca(OH)2 + 2NaCl → CaCl2 + 2NaOH
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
상기 제1혼합 단계에서는, 생석회 투입 후 약 5분~10분 후에 반응열에 의해 수증기가 발생하기 시작하여, 생석회 투입 후 약 20~30분 경과 시점에 반응기 내부의 온도가 100℃~130℃ 정도에 이르는데, 이 온도 범위를 30분~2시간, 바람직하게는 30분~1시간 정도 유지하면서 교반하는 동안 유기물이 분해되고 수분이 증발하며, 유기질 비료화된 혼합물이 생성된다.
상기 제1차 혼합 단계에서 투입하는 코코피트(cocopeat)란, 코이어 더스트(coir dust)라고도 하며 코코넛의 겉껍질(husk) 부위에서 섬유질(coconut fiber)을 제거하고 남은 부산물을 자연 상태에서 부식시켜 제조한 것을 말한다. 본 발명에 있어서, 코코피트는, pH가 5.5~6.6이고 전기전도도(EC)가 1mS/cm 이하, 바람직하게는 0.5mS/cm 이하로 조정된 것으로서, Na+, Ka+, Cl-와 같은 염류농도가 균일하게 낮은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
제1차 혼합 단계에서는, 파쇄된 음식물쓰레기 100중량부에 대하여, 생석회 3~7중량부, 및 코코피트 5~12중량부를 투입하여 혼합한다.
상기 생석회의 사용량이 3중량부 미만이면 음식물쓰레기를 비료화하는 반응이 충분하게 수행되지 못하는 문제가 있고, 상기 생석회의 사용량이 7중량부를 초과하면 석회의 양이 증가함으로써 유기질 비료로 적합하지 않은 문제가 있다.
또한, 코코피트의 사용량이 5중량부 미만이면 생성된 유기질 비료의 보수력 및 통기력이 저하되어 식물 생장에 바람직하지 못하고, 코코피트의 사용량이 12중량부를 초과하면 사용량 대비 실익이 적다.
상기 제1혼합 단계가 종료되면, 발생한 반응열로 인해 생성된 증기, 및 기타 유기물의 분해 과정에서 발생된 가스를 배출하는 가스배출 단계(S4)를 거친다. 상기 제1혼합 단계의 소화 반응과, 이 가스배출 단계를 통해 다량의 수분이 제거되는 효과가 있다.
다음으로, 가스배출 단계가 종료된 직후에 코코넛 칩(chip)을 투여한 후 제2 혼합 단계를 거치는데, 여기서의 코코넛 칩(chip)이란 코코넛 껍질에서 섬유질을 분리하지 않고 입자가 크게 절단한 것을 말하며, 바람직하게는, 입자크기 5~10mm로 절단된 것을 사용한다. 상기 코코넛 칩은 pH가 5.5~6.6이고 전기전도도(EC)가 1mS/cm 이하, 바람직하게는 0.5mS/cm 이하로 조정된 것을 사용함으로써, Na+, Ka+, Cl-와 같은 염류의 농도가 낮은 것을 사용하는 것이, 유기질 비료의 염분농도를 1%이하로 조절하는데 유리하다. 이처럼, 코코넛 칩을 혼합하는 제2차 혼합 단계를 거친 유기질 비료는, 코코피트만 사용하는 것에 비해, 장기간에 걸쳐 더 많은 공극 확보를 가능하게 하여 통기성을 향상시킴으로써, 식물 생장에 바람직하다.
또한, 제2혼합 단계를 수행함으로써, 코코넛 칩을 가스배출 단계 종료된 직후에, 온도 50~70℃가 유지되는 조건하에서 투입하여 10분~2시간의 범위, 바람직하게는 30분~1시간의 범위 내에서 교반함으로써, 미처 증발되지 않은 잔여 수분이 코코넛 칩에 추가적으로 흡수되는 효과가 있다.
상기 제2혼합 단계(S5)에서의 코코넛 칩은, 파쇄된 음식물쓰레기 100중량부에 대하여 3~5중량부의 양을 투입하는 것인 바람직하다. 코코넛 칩의 투입량이 3중량부 미만이면 가스배출 단계 이후의 잔여 수분 제거가 미흡하여 바람직하지 않고, 상기 코코넛 칩의 투입량이 5중량부를 초과하는 것은 사용량 대비 실익이 적고, 비료 생산비용을 증가시켜 바람직하지 않다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 제2혼합 단계에서, 음식물쓰레기 내의 염분 저감을 극대화하기 위해서, 코코넛 칩을 투입하여 교반하면서, 공기 또는 이산화탄소를 주입할 수 있다. 보다 바람직하게는 이산화탄소를 주입함으로써, 음식물쓰레기 내에 잔존하는 염화나트륨을 효율적으로 저감시키는 효과가 있는데, 이는 제1혼합 단계에서 생성된 수산화나트륨이 이산화탄소와 반응하여 탄산나트륨으로 전환하는 반응이 촉진되기 때문에, 이에 따라, 잔여량의 염화나트륨과 수산화칼슘이 반응해서 수산화나트륨을 생성하는 반응 또한 촉진되기 때문인 것으로 추정된다. 본 발명의 일실시예에 의하면, 이산화탄소가스를 500cc/min~10L/min의 유량으로 주입한다. 이처럼 이산화탄소가스를 주입하면 pH가 하강하는데, 반응기 내 혼합물의 pH가 11~12에서, 약 pH 9 이하로 하강하는 시점에 이산화탄소가스 주입을 중단하고, 교반만을 수행한다. 이처럼 제2혼합 단계에서 이산화탄소를 주입하는 추가 공정을 수행함으로써, 염분 함량을 0.5% 이하로 저감시킨 유기질 비료를 공급할 수 있어서, 다년간에 걸쳐 본 발명의 유기질 비료를 사용하더라도, 토양에 염분이 집적됨으로써 발생하는 작물 피해를 예방할 수 있는 효과가 있어 바람직하다.
한편, 제2혼합 단계에서는, 이산화탄소의 주입에 의해 발생하는 수산화나트륨이 탄산나트륨으로 전환되는 반응 등에 의해 다시 수분이 발생할 수 있는데, 이러한 수분을 제2혼합 단계에서 추가로 투입된 코코넛 칩이 효과적으로 제거할 수 있다.
다음으로, 건조 단계(S6)를 통해, 생성된 유기질 비료를 건조하여, 이전 단계에서 생성된 유기질 비료 내의 수분함량을 30~50%로 감소시킨다.
이렇게 생성된 유기질 비료는, 필요에 따라 저장부에 저장되었다가, 분쇄, 선별 및 포장되는 단계를 걸쳐 유기질 비료 제품으로 제공된다.
실시예
1: 음식물쓰레기를 이용한 유기질 비료의 제조방법
음식물쓰레기를 저장호퍼에서, 파쇄부로 이송하고 나서 비닐봉지를 파봉하여 비닐봉지와 이물질을 분리해 낸 후 음식물쓰레기를 2~10mm의 미세입자 크기로 파쇄하였다. 파쇄된 음식물쓰레기 1000kg을 탈수부로 이송하여 탈수한 후, 수분함량과 염분(NaCl) 농도를 측정하였다. 수분함량은 75%였고, 염분(NaCl) 농도는 1.9%인 것으로 측정되었다.
이후, 반응기에 탈수된 음식물쓰레기를 투입한 후, 생석회 50kg과 코코피트 90kg을 투입한 후, 반응기를 밀폐시키고 나서 교반하면서 제1차 혼합 단계를 수행한 후 온도를 확인하였다. 온도 100℃~105℃에서 40~50분 동안 유지시켜 유기질 비료를 생성한 후, 가스를 탈취탑으로 배출시켰다. 가스를 배출시킨 후, 반응기 내의 온도를 50~60℃로 유지하면서, 반응기에 코코넛 칩 30kg을 투입하여, 20분 동안 교반하는 제2혼합 단계를 수행하였다. 그리고 나서, 혼합물을 반응기에서 배출한 후, 건조냉각부로 이송하여 건조시켜 유기질 비료를 얻었다. 이때 유기질 비료의 수분함량이 45%였고, 건물중(乾物重)에 대하여 염분(NaCl) 농도는 1%였다.
실시예
2: 음식물쓰레기를 이용한 유기질 비료의 제조방법
실시예 1과 동일하게 실시하되, 코코넛 칩을 투여한 후 교반하는 제2혼합 단계에서, 이산화탄소를 5L/min의 유량으로 주입한 후, pH가 9가 되는 시점에서 이산화탄소 주입을 중단한 후 20분 더 교반하는 공정을 실시하는 것만 달리하였다. 제2혼합 단계에서 생성된 혼합물을 건조냉각부로 이송하여 건조시켜 유기질 비료를 얻었다. 이때 유기질 비료의 수분함량이 45%였고, 건물중(乾物重)에 대하여 염분(NaCl) 농도는 0.4%였다.
비교예
1: 음식물쓰레기를 이용한 유기질 비료의 제조방법
실시예 1과 동일하게 실시하되, 코코넛 칩을 투여한 후 교반하는 제2차 혼합 단계를 진행하지 않고, 제1차 혼합 단계에서 코코피트의 사용량을 120kg으로 증가시키는 것을 달리하였다. 건조 단계 후 생성된 유기질 비료의 수분함량이 45%였고, 건물중(乾物重)에 대하여 염분(NaCl) 농도는 1.3% 였다.
실험예
1: 고추의 생산 수량 비교 실험
고추 경작지 10a당, 대조군으로서 일반 화학비료(요소, 용성인비, 염화카리), 실시예 1의 유기질 비료, 및 비교예 1의 유기질 비료를 각각 100kg씩 기비(밑거름)로 처리하였다. 토양은 양토를 사용하였으며, 5월 2일에 재식밀도 130x40cm로 고추(품종: 부촌)를 파종하였다. 기비 처리 후 추비(웃거름)를 농촌진흥청 농업과학기술원의 표준시비량으로 처리하였다. 수확기의 고추 생육 및 수량을 측정한 결과는 다음과 같다.
| 시비처리별 수확기 고추 생육 및 수량 특성 | |||||
| 처리 | 과수 (개/주) |
과장 (cm) |
과경 (mm) |
상품화율 (%) |
수량 (kg/10a) |
| 대조군 | 32.0 | 15.7 | 21.7 | 98.3 | 1,203 |
| 실시예 1의 유기질비료 처리군 | 34.7 | 16.9 | 23.5 | 98.7 | 1,320 |
| 비교예 1의 유기질비료 처리군 | 31.1 | 15.5 | 21.3 | 97.3 | 1,190 |
이상 살펴본 바와 같이, 실시예 1의 유기질비료 처리군이, 대조군 또는 비교예 1의 유기질비료 처리군에 비하여 그 생산량이 전체적으로 10% 정도 증가한 점이 확인되었다. 즉, 실시예 1의 제조방법과 같이 파쇄된 음식물쓰레기와 코코피트 및 생석회를 교반하여 혼합하는 단계 이후에, 다시 코코넛 칩을 혼합하는 단계를 거친 경우의 유기질 비료가 보다 더 우수한 작물 생장 효과를 갖는 점을 확인할 수 있었다.
Claims (5)
- 음식물 쓰레기에 포함된 이물질을 선별하고, 음식물 쓰레기를 파쇄하는 선별 및 파쇄 단계;
상기 선별 및 파쇄 단계를 거친 음식물쓰레기를 수분함량 70~80%가 되도록 탈수하는 탈수 단계;
반응기에 탈수된 음식물쓰레기를 투입하고, 생석회와 코코피트를 투입한 후, 교반하는 제1혼합 단계;
상기 제1혼합 단계에서 발생한 가스를 배출시키는 가스배출 단계;
상기 반응기에 코코넛 칩을 투입하고 교반하는 제2혼합 단계;
상기 제2혼합 단계를 거친 혼합물을 건조하여 수분함량 30~50%의 유기질 비료를 얻는 건조 단계;를 포함하여,
염분농도가 1% 이하인 유기질 비료를 제조하는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2혼합 단계에서, 공기 또는 이산화탄소를 주입하는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 제2혼합 단계에서, 이산화탄소를 주입하는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1혼합 단계에서는, 선별 및 파쇄된 음식물 쓰레기 100중량부에 대하여, 생석회 3~7중량부 및 코코피트 5~12중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2혼합 단계에서는, 선별 및 파쇄된 음식물 쓰레기 100중량부에 대하여 코코넛 칩 3~5중량부를 혼합하여 교반하는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용하여 염분농도가 저감된 유기질 비료를 제조하는 방법.
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