KR20210055485A - 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법 및 그 제조장치 - Google Patents

음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법 및 그 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것으로써, 교반식 처리조에 미생물 제제를 배양하는 단계, 상기 교반식 처리조에 음식물 쓰레기를 투입하고 첨가제를 넣어 액상 발효하는 단계, 상기 액상 발효가 완료된 발효물에 기능성 보충제를 혼합하여 액상 혼합물을 제조하고 생성된 슬러지를 여과하는 단계 및 상기 여과된 액상 혼합물의 염분을 제거하는 단계로 구성된 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법을 따라 농업용 비료를 제조할 수 있는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법 및 그 제조장치{Agricultural Fertilizer Using Food Waste and Its Manufacturing Method and Apparatus}
본 발명은 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.
대한민국에서 매일 15,340톤(2015년 기준, 환경부)이 발생하는 음식물 쓰레기는 우리나라뿐 아니라 세계적으로도 크게 대두된 환경문제로 인류가 당면한 큰 고민거리 중 하나이다. 그동안 음식물 쓰레기를 처리하기 위해 수많은 방법과 장치가 개발되어 왔으나 아직도 뚜렷한 해결책이 발명되지 못하고 있는 실정이다. 종래의 음식물 쓰레기 처리방법은 분쇄 및 건조하여 분말 또는 입상으로 사료화하여 가축에 사용하거나, 효소로 처리하여 비료로 사용하거나, 소각처리 하는 등의 방식이 있었다.
한국등록특허공보 제10-0346624 호 (등록일 2002.07.16)에서는 음식물 쓰레기를 교반기가 달린 고압 반응기에 넣고, 이에 수산화칼륨을 넣고 밀폐시켜 고온에서 교반하며 가수분해시킨 후 진한 인산으로 중화시키고 이에 요소(Urea), 포도당(Glucose), 글리세린(Glycerin) 및 무기산 금속염을 단계적으로 첨가하여 용해함으로써, 음식물 찌꺼기를 이용한 액체 비료를 제조하는 방법에 관하여 개시한 바가 있다.
그러나 상기의 방법은 음식물 쓰레기의 분해과정에서 유기성 물질을 다량 발생시키므로, 혐오감을 줄 수 있는 악취가 발생하여 주변의 생활환경에 악영향을 미치는 어려움이 있었다. 따라서 음식물 쓰레기를 비료화하는 데 있어 그 악취를 줄일 수 있는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법이 필요한 실정이다.
또한, 유기농법을 사용하는 농가에서 질산, 인산, 망간 및 철 등이 포함된 4종 복합 액체 비료의 사용이 장려되고는 있으나 가격이 너무 비싼 이유로 한정된 작물에만 시비(施肥)하고 있으며 넓게 확대시비하지 못하고 있다. 따라서 음식물 쓰레기를 활용하여 4종 복합 액체 비료를 대량 또는 자체적으로 생산·공급할 수 있는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법 및 그 제조장치의 개발이 시급한 실정이다.
KR 10-0346624 B1 KR 10-0387340 B1 KR 10-1936872 B1 KR 10-1971779 B1
본 발명은 음식물 쓰레기를 활용하여 식물성 영양분을 다량 함유하고 있는 농업용 비료를 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 향미 물질을 만들어 내고, 병충해를 예방할 수 있는 음식물 쓰레기가 발효되도록 함으로써, 악취개선 및 토양의 질을 개선하는 기능성 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료를 제조 하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 본 발명은, 음식물 쓰레기를 발효하여 농업용 비료를 제조할 수 있는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 (a) 미생물 제제가 교반식 처리조에 접종된 후, 미생물 제제를 배양하는 단계; (b) 상기 교반식 처리조에 음식물 쓰레기가 투입되고, 첨가제를 넣은 후, 액상 발효 하는 단계; (c) 상기 액상 발효가 완료된 발효물에 기능성 보충제를 혼합하여 액상 혼합물을 제조한 후, 상기 액상 혼합물을 여과하여 슬러지를 분리하는 단계; 및 (d) 여과액에 25~32시간동안 전류밀도 5~7mA/㎠의 직류 전류를 가하여 전기장을 형성시키고, 전기영동에 의해 상기 액상 발효가 완료된 발효물의 염분을 제거하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 상기 단계 a)에서 미생물 제제는 류코노스톡 메센테로이데스 (Leuconostoc mesenteroides), 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스 불가리쿠스 (Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus), 류코노스톡 시트리움(Leuconostoc citrium), 락토바실러스 브레비스(Lactobacilus brevis), 효모 및, 혼합 균주 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 상기 단계 (b)에서, 상기 액상 발효는 60 내지 85℃에서 7일 이상 15일 미만 동안 1차 액상 발효하는 단계(b1); 상기 액상 발효가 완료된 발효물을 40℃미만에서 10일 이상 2차 액상 발효하는 단계 (b2);를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 상기 단계 b)에서 첨가제는 50~200mesh로 분쇄된 수산화칼슘, 50~200mesh로 분쇄된 수산화마그네슘 및 50~200mesh로 분쇄된 수산화바륨을 포함하며, 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여 첨가제가 1 내지 10 중량부 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 상기 단계 c)에서 기능성 보충제는 상기 액상 발효가 완료된 발효물 100중량부에 대하여 질소 2.5 중량부, 칼륨 2 내지 4중량부, 알긴산프로필렌글리콜 2.1중량부, 베타-시클로덱스트린 감마-폴리글루타메이트 1.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 상기 d) 단계에서 염분이 제거된 발효액에 톱밥, 밀기울, 쌀겨, 싸래기, 유박, 피마자박, 어박, 톳분말로 구성된 부재료를 더 첨가하여 고상 퇴비를 제조하는 단계;(e)를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 기재된 방법에 의해 제조되는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료를 제공한다.
또 다른 본 발명은, 음식물 쓰레기를 발효하여 비료를 제조하는 비료의 제조장치에 있어서, 음식물 쓰레기를 발효하는 발효 챔버(100), 상기 발효 챔버(100)의 상단에 형성되어 음식물 쓰레기를 투입하는 투입구(160), 상기 발효 챔버(100)의 내부 중앙에 형성되어 음식물 쓰레기를 교반하는 교반장치, 상기 발효 챔버(100)의 내부의 하부면에 형성되어 미생물 제제의 배양을 촉진하는 담체(150)(擔體, Media), 상기 발효 챔버(100)의 외부 측면 또는 외부 하면을 둘러싼 형태로 형성되어 상기 발효 챔버(100)의 온도를 조절·유지하는 항온장치(120), 상기 발효 챔버(100)의 상부면에 형성되어 첨가제를 투입하는 제1분사장치(130), 상기 발효 챔버(100)의 상부면에 형성되어 기능성 보충제를 투입하는 제2분사장치(140), 상기 발효 챔버(100)의 일측면에 형성되어 폐쇄된 상태를 디폴트로 하고 음식물 쓰레기의 발효가 완료되면 개방되는 여과구(210), 상기 여과구(210)와 연결된 통로로 형성되며 슬러지를 걸러내 배출하는 여과장치(200), 상기 여과장치(200)를 통해 상기 발효 챔버(100)와 연결되는 정제(精製) 챔버(300), 상기 정제 챔버(300)의 일측에 양극(+)을 설치하고, 타측에 음극(-)을 설치하여 전기장을 형성하는 전기장 생성장치(310), 상기 전기장 생성장치(310)의 양극 및 음극에 형성된 염분 포집 필터(320), 상기 정제 챔버(300)에서 상기 여과장치(200)의 타측에 형성된 배출구(330) 및 상기 교반장치(110)·상기 항온장치(120)·상기 제1분사장치(130)·상기 제2분사장치(140)·상기 여과구(210)·상기 여과장치(200)·상기 전기장 생성장치(310)를 제어하는 제어장치(1000)를 포함하여 구성된 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발효 챔버(100)의 상단에 위치하며 음식물 쓰레기를 분쇄·건조하는 축소 챔버(2000), 상기 축소 챔버(2000)의 상단 일측에 형성되어 음식물 쓰레기를 투입하는 공급구(2100), 상기 축소 챔버(2000)의 하단 타측에 형성되어 상기 발효 챔버(100)의 상기 투입구와 연결된 연결구(2400), 상기 축소 챔버(2000)의 내부 중앙에 형성되고, 고속으로 회전 전단하는 회전날 또는 고정날을 탑재하여 음식물 쓰레기를 분쇄하는 분쇄장치(2200), 상기 축소 챔버(2000)의 내부 측면 또는 내부 하면에 설치되어 상기 분쇄장치(2200)의 내부에 위치한 음식물 쓰레기를 가열하는 건조장치(2300)를 더 포함한 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발효 챔버(100)의 상부면에 형성되어 교반되는 음식물 쓰레기에 물을 분사하는 제3분사장치를 더 포함한 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 향미물질을 만들어 내고, 병충해를 예방할 수 있는 특정 미생물을 제제를 접종하여 음식물 쓰레기가 발효되도록 함으로써, 악취개선 및 토양의 질을 개선하는 기능성 농업용 비료를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 음식물 쓰레기에 함유된 염분에 의한 장애를 최소화 시킬 수 있는 액체 비료 내지 고체 비료를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또 다른 본 발명은, 음식물 쓰레기를 발효하고 농업용 액체 비료로 제조하는 과정을 자동화한 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 음식물 쓰레기가 미생물과 반응하여 발효되는 시간을 단축하고, 음식물 쓰레기의 부피를 축소할 수 있는 축소 챔버가 포함된 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 2는 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치의 실시예인 소형 농업용 비료의 제조장치를 나타낸 투시도이다.
도 4는 본 발명의 축소 챔버를 나타낸 투시도이다.
본 발명은 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법 및 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치에 관한 것이다.
본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법을 충분히 이해하기 위해서 본 발명에서 사용한 첨가제인 수산화 칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화바륨의 바람직한 실시예를 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명은 (a)미생물 제제가 교반식 처리조에 접종된 후, 미생물 제제를 배양하는 단계; (b) 상기 교반식 처리조에 음식물 쓰레기가 투입되고, 첨가제를 넣은 후, 액상 발효 하는 단계; (c) 상기 액상 발효가 완료된 발효물에 기능성 보충제를 혼합하여 액상 혼합물을 제조한 후, 상기 액상 혼합물을 여과하여 슬러지를 분리하는 단계; 및 (d) 여과액에 25~32시간동안 전류밀도 5~7mA/㎠의 직류 전류를 가하여 전기장을 형성시키고, 전기영동에 의해 상기 액상 발효가 완료된 발효물의 염분을 제거하는 단계;을 제공한다.
이하는 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료 제조방법의 공정 단계를 더욱 구체적으로 상술한다.
본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 (a) 미생물 제제가 교반식 처리조에 접종된 후, 배양되는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다. 상기 교반식 처리조에 음식물 쓰레기가 투입될 경우, 교반 회전이 이루어짐으로써, 음식물 쓰레기가 한 곳에 응집되거나 정체하는 것을 방지하고, 미생물 제제와의 반응을 더 용이하게 함으로써, 발효반응이 더 효과적으로 진행 될 수 있도록 하며, 교반 회전 속도는 200 내지 420 rpm으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 교반식 처리조에는 음식물 쓰레기를 분쇄시키는 수단을 구비하여, 미생물제제와 접촉하는 비표면적을 높일 수 있다.
본 발명의 상기 단계 (a)에서 미생물 제제는 류코노스톡 메센테로이데스 (Leuconostoc mesenteroides), 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스, 불가리쿠스 (Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus), 바이쎌라 사이바리아(Weissella cibaria), 아이싸첸키아 오리엔탈리스(Issatchenkia orientalis), 락토바실러스 파라카제이(Lactobacillus paracasei), 효모 및, 혼합 균주 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
상기 류코노스톡 메센테로이데스는 항생물질인 박테리오신을 분비하여 잡균의 번성을 억제하는 것으로 알려진 미생물이다.
상기 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스 불가리쿠스는 유산균군에 속하는 미생물로 요구르트생산에 사용되며 젖산발효로 유용물질과 향미물질을 만들어내는 것이 알려진 미생물이다.
상기 아이싸첸키아 오리엔탈리스는 효모군에 속하는 미생물로 과일 쥬스나 맥주 등에서 분리되는 미생물이다.
상기 바이쎌라 사이바리아는 김치유산균의 일종이다. 상기 아이싸첸키아 오리엔탈리스는 효모의 일종으로 호기성 미생물이며, 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스 불가리쿠스, 바이쎌라 사이바리아는 유산균으로 이들 균주는 통성, 혐기성 균주이다.
상기 락토바실러스 파라카제이는 인체의 내장이나 질에 정착하여 살고 있는 유산균 카제이(Lactobacillus casei)의 변종으로 인간의 면역 세포인 T세포의 증식을 차단하며, T세포에 의해 유도되는 면역반응에 간섭할 수 있는 능력이 탁월하여 뛰어난 항암 유산균으로 알려져 있다. 또한, 락토바실러스 파라카제이는 -20℃ ~ 100℃의 적용 온도 범위를 갖고 있어 외부환경조건에 제약이 없고, 항상 안정적인 상태를 유지한다. 또한, 락토바실러스 파라카제이는 탁월한 활성산소제거능력과 항산화력을 갖고 있으며, 유해물질의 제거가 가능하고, 발효시간이 매우 짧으며, 체내 및 토양에 축적되지 않는다는 특징이 있다. 따라서, 락토바실러스 파라카제이를 포함하는 미생물제재는 별도의 농약 없이 병충해를 예방하거나 제거하도록 할 수 있고, 토양에 포함된 독성물질의 제거에 탁월하며, 토양에 축적되지 않기 때문에 지속적으로 사용하여 토양의 질을 높일 수 있으며, 이에 따라 3모작 이상의 다모작이 가능해진다.
이에 따라서, 본 발명의 미생물 제제는 호기적 조건 내지 혐기적 조건에서 음식물 쓰레기를 신속하게 발효하여 액상으로 분해하는 능력이 우수하고, 음식물쓰레기의 액상 분해 발효처리 과정에서 악취방지효과(탈취 효과)가 우수할 뿐만 아니라, 처리 산물이 해충의 방어에도 탁월한 효과를 나타내며, 별도의 농약 없이 토양에 포함된 독성물질을 제거하여, 토양의 질을 높일 수 있는 농업용 비료를 제조 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 미생물 제제는 류코노스톡 메센테로이데스 (Leuconostoc mesenteroides), 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스 불가리쿠스 (Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus), 바이쎌라 사이바리아(Weissella cibaria), 아이싸첸키아 오리엔탈리스(Issatchenkia orientalis), 락토바실러스 파라카제이(Lactobacillus paracasei)의 개체수가 각각
Figure pat00001
/ml가 되도록 배양하는 것이 바람직하하다.
상기 미생물 제제의 개체수가 각각
Figure pat00002
/ml 미만으로 배양될 경우, 음식물 쓰레기가 원활하게 발효되지 않을 수 있고,
Figure pat00003
/ml를 초과하여 배양하고자 하는 경우, 상기 미생물 제제를 배양하기 위해 많은 시간이 요구될 수 있고, 배양에 상응되는 환경조건을 조성하기 위한 비용이 소모되므로, 경제적으로 효율적이지 못한 문제가 있다.
한편, 액상을 유지하기 위해, 진공 감압된 상태에서 구동될 경우, 교반식 처리조가 외부로부터 별도의 공기가 공급되지 않는 상태로 제조될 수 있다. 이는 시간이 경과함에 따라 호기성 미생물이 산소부족에 의해 사멸화 될 수 있으므로, 호기성 미생물의 개체수가
Figure pat00004
/ml가 될 때까지 배양하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 류코노스톡 메센테로이데스 (Leuconostoc mesenteroides), 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스, 불가리쿠스 (Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus), 바이쎌라 사이바리아(Weissella cibaria), 아이싸첸키아 오리엔탈리스(Issatchenkia orientalis), 락토바실러스 파라카제이(Lactobacillus paracasei) 중 어느 한 미생물을 단독 사용하면 음식쓰레기의 무기화 정도가 낮아 많은 처리시간을 필요로 하고, 다량의 음식 쓰레기를 연속적으로 처리하기 위해서는 처리장치를 상당히 큰 규모로 설계하여야 하나, 상기 기재된 조합의 미생물 제제를 사용하는 경우에는 어느 한 미생물을 단독으로 사용하는 경우에 비해 음식쓰레기의 무기화 정도가 상당히 높고 발효시간이 크게 단축되어 음식쓰레기 처리장치를 소규모로 설계하여도 다량의 음식쓰레기를 정상적으로 연속처리 함으로써, 농업용 비료를 제조할 수 있는 효과가 있다.
상기 미생물 제제는 음식물 쓰레기에 함유되어, 악취제거 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 발효에 있어서 공극을 유도하여 양질의 비료를 제조 할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명의 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 (b) 상기 교반식 처리조에 음식물 쓰레기가 투입되고, 첨가제를 넣은 후, 액상 발효 하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 단계 (b)에서 첨가제는 수산화 칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화바륨을 포함하며, 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여 첨가제가 1 내지 10 중량부 첨가될 수 있다.
상기 첨가제가 교반식 처리조에 투입된 음식물 쓰레기에 첨가되는 목적은 음식물 쓰레기가 가수분해 되는 것을 촉진하기 위함이다. 상기 첨가제가 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만으로 첨가될 경우, 음식물 쓰레기 가수분해 정도가 미미하며, 10 중량부를 초과하여 첨가될 경우, pH가 높아지므로, 교반식 처리조에서 음식물 쓰레기의 주발효를 담당하는 미생물이 산패할 수 있으며, 사용되는 염기의 양이 많아지므로, 염기 사용에 따른 생산 비용증가의 문제를 초래 할 수 있으므로, 첨가제는 상기 기재된 조건범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 첨가제로 입자의 비표면적을 높여 가수분해 활성이 향상되도록 하기위해, 상기 단계 b)에서 첨가제는 50~200mesh로 분쇄된 수산화칼슘, 50~200mesh로 분쇄된 수산화마그네슘 및 50~200mesh로 분쇄된 수산화바륨을 포함하며, 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여 첨가제가 1 내지 10 중량부 첨가될 수 있다.
상기 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화바륨이 50 mesh 미만으로 분쇄된 것을 이용할 경우, 가수분해 활성이 정도가 미미하며, 200 mesh를 초과하여 분쇄된 것을 이용할 경우, 가수분해 활성 증가에 의해, pH가 높아져, 미생물의 활동이 저해될 수 있고, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화바륨이 상기 기재된 조건범위로 분쇄된 것을 이용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화바륨이 100mesh로 분쇄된 것을 이용하는 것이 비표면적 대비 가수분해 활성 효율을 최적으로 증진시킬 수 있다.
더욱 바람직하게, 본 발명은 상기 단계 (b)에서 첨가제는 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여, 50~200mesh로 분쇄된 수산화칼슘, 50~200mesh로 분쇄된 수산화마그네슘 및 50~200mesh로 분쇄된 수산화바륨을 중량대비 0.1 내지 0.5:1:1의 비율로 구성된 첨가제 1 내지 10 중량부를 첨가할 수 있다. 상기 수산화칼슘은 수산화마그네슘 내지 수산화바륨에 비하여, 이온화도가 크다. 이에 따라서, 수산화칼슘이 수산화마그네슘 내지 수산화바륨 중량대비 0.5 비율을 초과할 경우, pH가 현저하게 높아져, 미생물이 산패할 수 있다. 또한, 상기 수산화칼슘이 수산화마그네슘 내지 수산화바륨 중량대비 0.1 미만 일 경우, 가수분해의 반응속도가 느려 생산성이 저하될 우려가 있다. 상기 첨가제에 의해 액상의 pH가 10을 초과하게 되면 미생물제제의 생육 내지 활동에 지장을 주기 때문에, pH는 8.5 내지 9.6의 범위 인 것이 바람직하다. 가장 바람직하게, 상기 단계 b)에서 첨가제는 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여, 100mesh로 분쇄된 수산화칼슘, 100mesh로 분쇄된 수산화마그네슘 및 100mesh로 분쇄된 수산화바륨을 중량대비 0.1 내지 0.5:1:1의 비율로 구성된 첨가제 1 내지 10 중량부를 첨가하는 것이 음식물 쓰레기의 가수분해 반응속도를 증진시키고, 최적의 생산효율을 보일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 단계 (b)에서, 상기 액상 발효는 60 내지 85℃에서 7일 이상 15일 미만 1차 액상 발효하는 단계 (b1);를 포함하여 제조될 수 있다. 상기 1차 액상 발효 단계는 당분·녹말과 같은 탄수화물, 단백질, 지방과 같은 유기물이 60 내지 85℃에서 활동성이 증진되는 미생물에 의해서 하기의 식처럼, 이산화탄소와 물과 같은 간단한 무기물로 분해되면서, 유해 병원균, 잡초의 씨앗과 해충의 알 등이 사멸처리 된다.
또한, 하기 식 (1)과 (2)의 반응에 있어서, 음식물 쓰레기가 분해되면서 생성되는 이산화탄소는 음식물 쓰레기와 가수분해 되지 않고, 액상에 용해된 첨가제와 반응하여 탄산칼슘, 탄산바륨 및 탄산마그네슘으로 중화된다.
① 탄수화물의 경우
탄수화물은 Cm(H2O)n와 나타낼 수 있다. 그리고 녹말, 당분과 같은 탄수화물은 다음 반응식 (2)에서와 같이 산화분해되고, 최종적으로는 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해된다.
Cm(H2O)n + mO2 → mCO2↑ + nH2O↑ + 반응열 ………………식⑴
② 지방과 단백질과 지방의 경우
단백질이나 지방은 다음 반응식 (2)와 같이 산화분해되어, 이산화탄소, 물, 암모니아로 분해되면서 서서히 분자량이 작은 물질로 된다.
CxHyNzOp + aO2 → CuHvNwOq + bCO2 + dH2O + eNH3 + 반응열 ………………식⑵
단백질과 지방이 분해되어 생성되는 암모니아는 1차 물과 반응하여 수산화암모늄이 생성된다. 나아가서는 암모늄 이온은 호기성 미생물의 아질산화세균과 질산화세균에 의해서 질산염으로 산화된다. 질산염은 식물이 가장 사용하기 쉬운 질소원이다.
NH3 + H2O → NH4+ + OH- ………………………………식⑶
암모늄 이온은 우선 아질산화세균(Nitrobacter, Nitrocystis 등)에 의해서 암모늄 이온이 아질산염으로 산화된다.
NH4+ + 3/2O2 → NO2－ + H2O + 2H+ ……………………식⑷
다음에 질산화세균(Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira 등)에 의해서 아질산염은 질산염으로 산화된다.
NO2－ + 1/2O2 → NO3－ ………………………………식⑸
상기 발효 온도가 60 내지 85℃로 유지되는 것은 상기 온도일 때, 유해균 향균 효과 및 악취제거 효과를 얻을 수 있고, 발효온도가 70℃ 전후까지 상승하면 병원성 세균, 병해충의 알, 바이러스, 잡초의 종자 등이 대부분 불활성화 되어 위생적으로 안전한 비료를 생산할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 70 내지 85℃, 보다 바람직하게는 77 내지 82℃로 유지하는 것이 유익한 미생물이 생장하기에 최적의 조건을 조성할 수 있다. 상기 발효 기간은 pH 조건 등에 따라서 조절될 수 있으나, 7일 미만으로 발효될 경우, 음식물 쓰레기가 미생물에 의해 발효되는 효과가 미미하여, 악취가스가 발생할 수 있는 문제가 있다. 또한, 15일을 초과하여 발효될 경우, 음식물 쓰레기가 분해될 때 발생하는 반응열에 의해 수분이 증발하여, 액상의 염분이 농축되어 미생물의 활성이 떨어지고, 발효효율이 저하되는 우려가 있으므로 7일 이상 15일 미만으로 발효하는 것이 생산비용을 절감하여 경제성을 증진시킬 수 있다.
본 발명은 상기 액상 발효가 완료된 발효물을 40℃미만에서 10일 이상 2차 액상 발효하는 단계 (b2);를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 2차 액상 발효 하는 단계의 목적은 1차 액상 발효 단계에서 분해 되지 않은 난분해성 고분자유기물이 분해되면서, 미산화된 암모니아가 초산으로 질산화 되도록 함에 있다.
상기 1차 액상 발효 단계에서 음식물 쓰레기에 포함된 분해가 용이한 유기물이 소멸하게 되면, 온도가 떨어지면서 상기 2차 액상 발효되는 단계는 40℃ 미만에서 활동성이 증진되는 미생물에 의해 음식물 쓰레기가 분해된다. 보다 바람직하게는 20 내지 35℃에서 간균(桿菌), 방선균(放線菌), 젖산균, 효모균(酵母菌), 일반세균과 같은 미생물이 생육하면서 분해가 어려운 리그닌(Lignin), 셀룰로오스(Cellulose)와 같은 물질이 분해되면서 비료화 하는데, 비교적 완만하게 진행된다. 이에 따라서, 발효 온도는 40℃ 미만으로 유지되는 되어 10일 이상 발효되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 20 내지 35℃ 10일 이상 발효되는 것이 바람직하다.
상기 온도가 서로 상이한 액상 발효 단계를 거침으로써, 발효 과정에서 미생물들은 대사 산물 중에 식물 생장에 유용한 비타민류와 같은 생리적 활성화물질, 호르몬(Hormon)과 같은 성장촉진물질, 유해 병원균에 대한 항생물질 등의 유용한 물질을 생성할 수 있으며, 또한, 고온호기성 발효에서는 유해병원성 미생물, 잡초의 씨앗 및 유충의 애벌레 등이 사멸처리가 되기 때문에 위생적으로 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료를 제공 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 액상에 잔존하는 염분 제거를 위해, (c) 상기 액상 발효가 완료된 발효물에 기능성 보충제를 혼합하여 액상 혼합물을 제조한 후, 상기 액상 혼합물을 여과하여 슬러지를 분리하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 상기 단계 (c)에서의 기능성 보충제는 질소, 칼륨, 백부자(白附子) 추출물, 알긴산프로필렌글리콜, 베타-시클로덱스트린, 감마-폴리글루타메이트을 포함하여 제조 될 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 단계 (c)에서 기능성 보충제는 상기 액상 발효가 완료된 발효물 100 중량부에 대하여 질소 2.5 중량부, 칼륨 2 내지 4 중량부, 알긴산프로필렌글리콜 2.1 중량부, 베타-시클로덱스트린 감마-폴리글루타메이트 1.5 중량부를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 질소는 작물의 생장에 필요한 성분으로 작물 내에서 단백질을 합성하도록 하며, 특히, 잎, 줄기 등의 생장에 필수적인 성분이다.
상기 백부자 추출물은 백부자에서 추출된 물질을 말하며, 항산화 활성을 갖는바, 상기 미생물제재에 추가로 투입하여 미생물제재의 항산화 활성이 증대되도록 한다. 백부자추출물은 강력한 항산화 효능을 가지며, 온풍건조기를 사용하여 건조된 백부자를 마쇄기로 분쇄하고, 상온에서 80%의 에탄올에 40시간 침지하여 추출하며, 추출물을 감악농축하고 동결건조하여 제조될 수 있다.
상기 칼륨은 작물 내에서 단백질의 합성에 관여하고, 뿌리를 튼튼하게 하는데에 필수적인 성분이다. 칼륨이 2 중량부 미만이며, 식물 성장의 속도가 저하되고, 4 중량부를 초과하는 경우, 과도한 성장에 의해 과실의 형성이 지연된다.
상기 알긴산프로필렌글리콜은 유화를 촉진하는 안정된 고분자 물질로, 천연해조류에서 추출하여 천연물질로서 하며, 미생물제재의 소성효율을 높이고 중금속 등의 유해물질을 제거하는 기능을 하도록 한다.
상기 감마-폴리글루타메이트는 대두의 발효 시 생산되는 고분자 물질로, 세포 활성화, 항염증 등의 기능을 갖고 있으며, 상기 미생물제재에 첨가되도록 함으로써 락토바실러스 파라카제이의 항산화력이 더욱 강화될 수 있도록 한다.
상기 번행초추출물은 번행초로부터 추출된 물질을 말하며, 항산화 활성을 갖는바, 상기 미생물제재에 추가로 투입하여 미생물제재의 항산화 활성이 증대되도록 한다. 또한, 본 발명에서는 특유의 방법에 의하여 번행초를 재배하도록 함으로써 번행초의 항산화 활성을 극대화하고 대량 생산이 가능하도록 하여 저렴한 미생물제재의 생산이 가능하도록 하였다. 번행초(학명 : Demidovia tetragonoides PALL)는 해변의 모래땅에 나는 여러해살이풀로, 온몸에 작은 점이 빽빽하게 나 있는 줄기는 50cm 정도의 높이로 자라나 약간의 가지를 치며, 두껍게 살이 찐 잎은 서로 어긋나게 자리하며 계란 꼴에 가까운 마름모이고 끝이 뾰족하고 잎의 가장자리에는 톱니가 없고 밋밋하게 되어 있으며, 꽃은 잎겨드랑이에 1~2송이가 꽃대도 없이 달라붙어서 피고, 꽃잎은 없고 다섯 갈래로 갈라진 종 모양의 꽃받침이 꽃잎처럼 보이며, 노란색으로 피는 꽃의 지름은 6mm 안팎이다. 상기 번행초는 제주도와 다도해의 여러 섬에 분포하며 해변의 모래땅이나 바위틈에 자라는 것으로 알려져 있다. 번행초추출물은 강력한 항산화 효능을 가지며, 온풍건조기를 사용하여 건조된 번행초를 마쇄기로 분쇄하고, 상온에서 80%의 에탄올에 40시간 침지하여 추출하며, 추출물을 감악농축하고 동결건조하여 제조될 수 있다.
본 발명에 제조방법에 따른 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료는 미생물제제에 기능성 보충제를 더 첨가함으로써, 병충해를 방지하거나 토양을 개량하거나 작물의 품질 또는 생산성을 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 액상에 잔존하는 염분 제거를 위해, (d) 여과액을 25~32시간동안 전류밀도 5~7mA/㎠의 직류 전류를 가하여 전기장을 형성시키고, 전기영동에 의해 상기 액상 발효가 완료된 발효물의 염분을 제거하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
음식물 쓰레기에 함유되어 있던 염분의 양이온과 음이온은 토양 및 음식물 쓰레기와 결합의 형태로 존재하면, 토양의 오염을 유발하고, 토양 속 미생물들이 염해로 피해를 입을 수 있다. 이에 따라서, 본 발명은 공정 단계에서 염분을 제거하는 공정을 포함함으로써, 토양을 정화 시킬 수 있는 음식물 쓰레기를 이용한 농업용 비료를 제공 할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 (d) 단계에서 염분이 제거된 발효액에 0 내지 20 중량비%의 톱밥, 밀기울, 쌀겨, 싸래기, 유박, 피마자박, 어박, 톳분말로 구성된 부재료를 더 첨가하여 고상 퇴비를 제조하는 단계;(e)를 포함하여 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료 제조방법을 제공 할 수 있다. 상기 고상의 퇴비를 제조하는 단계를 더 추가하여 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료 제조함으로써, 취급을 더 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
■ 실시예. 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조
미생물 제제가 교반식 처리조에 첨가되어 미생물 제제의 개체수
Figure pat00005
/ml가 되도록 배양하되, 상기 미생물 제제는 류코노스톡 메센테로이데스, 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스 불가리쿠스, 바이쎌라 사이바리아, 아이싸첸키아 오리엔탈리스, 락토바실러스 파라카제이를 사용하며, 상기 교반식 처리조에 음식물 쓰레기가 투입되고, 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여, 100mesh로 분쇄된 수산화칼슘, 100mesh로 분쇄된 수산화마그네슘 및 100mesh로 분쇄된 수산화바륨을 중량대비 0.1 내지 0.5:1:1의 비율로 구성된 첨가제 1 내지 10 중량부를 첨가한다. 이후, 50 내지 85℃에서 7일 이상 1차 액상 발효하고,40℃미만에서 10일 이상 2차 액상 발효한다. 이후, 액상 발효가 완료된 발효물에 기능성 보충제를 혼합하여 액상 혼합물을 제조한 후, 상기 액상 혼합물을 여과하여 슬러지를 분리하여 여과액에 25~32시간동안 전류밀도 5~7mA/㎠의 직류 전류를 가하여 전기장을 형성시키고, 전기영동에 의해 상기 액상 발효가 완료된 발효물의 염분을 제거하여 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료를 제조하였다.
■ 실험예 1. 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조의 전류에 세기에 따른 염분 제거율
상기 실시예를 실시하는 과정에서 염분을 제거하는데 전류의 세기를 달리하여 실험하 위해, 비교예를 제조하였다. 비교예1,2는 전류의 세기를 달리한 조건 외에 실시예와 동일한 과정으로 비료를 제조하였다. 세부적인 실험결과를 아래 표 1에 나타내었다.
구분 전류의 세기(mA/㎠) 염분제거율(%)
실시예 5~7 95
비교예1 3 20
비교예2 8 55
■ 실험예 2. 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조과정의 악취 저감 효과
상기 실시예를 실시하는 과정에서 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료를 제조하는 동안 발생되는 악취 정도를 알아보기 위하여, 5인의 관능 검사자가 직접 후각법으로 조사한 것을 상대지표 1부터 5까지로 정량화시킨 후 그 평균치를 조사하여 아래 표 2에 나타내었다.(1 : 냄새를 전혀 느낄 수 없음, 2 : 냄새가 약간 남, 3 : 냄새가남을 확연히 느낄 수 있음, 4 : 불쾌한 냄새가 남, 5 : 불쾌한 냄새가 매우 심함)
구분 발효기간
5일 10일 15일 20일
미생물 처리
(실시예)		 1.0 1.5 1.6 1.8
미생물 무처리 3.0 3.5 4.0 4.2
상기 표 2에서와 같이, 미생물 제제는 류코노스톡 메센테로이데스, 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스 불가리쿠스, 바이쎌라 사이바리아, 아이싸첸키아 오리엔탈리스, 락토바실러스 파라카제이 미생물을 접종하여 발효한 경우 악취 저감 효과가 우수함을 확인할 수 있었다.
또 다른 본 발명인 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치를 본원에서는 실시예인 소형 농업용 비료의 제조장치를 통해 자세히 설명한다.
■ 실시예. 소형 농업용 비료의 제조장치
본 발명의 실시예로써 도3에 도시된 바와 같이 소형 농업용 비료의 제조장치를 설명한다. 상기 소형 농업용 비료의 제조장치의 필수 구성요소로써, 발효 챔버(100), 교반장치(110), 항온장치(120), 제1분사장치(130), 제2분사장치(140), 투입구(160), 여과장치(200), 여과구(210), 정제 챔버(300), 전기장 생성장치(310), 배출구(330), 염분 포집 필터(320) 및 제어장치(1000)를 포함하여 소형 농업용 비료의 제조장치를 구성한다. 상기 소형 농업용 비료의 제조장치는 소량의 음식물 쓰레기를 처리하는 데 적합한 것으로써 미생물을 통한 음식물 쓰레기의 발효, 여과 및 염분 제거 과정을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 소형 농업용 비료의 제조장치는 2단의 박스 형태로 형성되며, 외부를 감싸는 하우징 내에 음식물 쓰레기의 교반, 발효, 여과 및 이 과정에서 발생하는 슬러지의 배출, 그리고 염분 제거를 위한 상기 염분 포집 필터(320) 등의 각종 장치를 구비할 수 있다. 통상적으로 가정의 음식물 쓰레기는 주 단위로 배출되므로 상기된 구성요소들은 단계적으로 작동하여 음식물 쓰레기를 액체 비료로 만드는 과정을 수행한다.
첫 단계로, 상기 발효 챔버(100)에서 미생물을 증식시킨다. 상기 발효 챔버(100)의 내부 하부면에는 담체(150)가 설치되어 상기 미생물의 증식에 일조할 수 있다. 상기 담체(150)는 세라믹 재질로 구성된다. 세라믹 재질의 담체의 경우 단위 부피당 기공률이 크며, 내구성 및 내화학성이 뛰어나고 환경친화적인 장점이 있다. 상기 담체(150)는 단위체 당 20~30mm 크기의 정육면체 형태로 형성되며, 부피비중은 약 1.1, 겉보기 기공률은 약 53.6%, 흡수율은 53.1%를 나타낸다(The Korean Journal of Microbiology (2010) Vol. 46, No. 1, pp. 27-32). 상기 담체(150)는 1~2cm 간격으로 설치하는 것이 바람직하다.
두 번째 단계로, 상기 발효 챔버(100)에 음식물 쓰레기를 투입한다. 상기 발효 챔버(100)의 내부 중앙에 위치한 상기 교반장치(110)는 모터의 동력으로 가동하며, 200 내지 420rpm 으로 회전하여 음식물 쓰레기와 미생물을 교반한다. 상기 담체(150)가 설치된 상기 발효 챔버(100)의 경우에 있어서, 상기 교반장치(110)는 상기 담체와 충돌하지 않도록 상기 발효 챔버(100) 하부면에서 4~5cm 이격된 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 교반장치(110)를 통해 상기 여과구(210)로 발효된 음식물 쓰레기가 배출되도록 유도한다. 상기 여과구(210)는 음식물 쓰레기가 교반되는 궤도에 맞춰 상기 발효 챔버(100) 하부면의 일측에 설치된다.
세 번째 단계로, 음식물 쓰레기와 미생물이 교반하기 시작하는 시점에 상기 첨가제를 상기 음식물 쓰레기에 분사한다. 상기 첨가제는 방사형으로 액체를 분사하는 상기 제1분사장치(130)를 통해 음식물 쓰레기로 분사된다. 상기 첨가제는 상기 제1분사장치(130)와 연결된 제1분사장치 스토리지(Storage)(131)에 보관되어 상기 교반장치(110)가 작동을 시작하는 시점에 맞춰 분사된다. 상기 발효 챔버(100)에 음식물 쓰레기의 중량 측정 센서를 설치하여 상기 음식물 쓰레기의 중량을 측정하고, 측정된 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여 상기 첨가제가 1 내지 10 중량부가 첨가될 수 있도록 상기 제어장치(1000)에 의해 분사량이 조절된다.
음식물 쓰레기와 미생물이 교반하며 발효하는 동안, 상기 항온장치(120)를 통해 상기 발효 챔버(100)에서 미생물의 생장에 적절한 온도를 유지한다. 상기 항온장치(120)에는 센서부 및 가열부가 구비되고, 상기 센서부는 상기 제어장치(1000)와 온도 정보를 송수신하여 상기 가열부의 온(On)/오프(Off)를 결정한다. 상기 발효 챔버(100)는 교반이 시작된 직후부터 7~15일간 77~82℃로 유지되고, 그 다음 단계로 20~35℃로 10일 이상 유지되어 상기 음식물 쓰레기를 발효를 완성한다.
네 번째 단계로, 상기 제2분사장치(140)를 통해 상기 발효가 끝난 음식물 쓰레기에 기능성 보충제를 분사한다. 상기 기능성 보충제는 상기 제2분사장치(140)와 연결된 제2분사장치 스토리지(141)에 보관되어 설정된 발효 시간이 종료되는 시점에 맞춰 분사된다. 상기 기능성 보충제는 상기 중량 측정 센서를 통해 측정된 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여 질소 2.5 중량부, 칼륨 2 내지 중량부, 알긴산프로필렌글리콜 2.1 중량부, 베타-시클로덱스트린 감마-플리글루타메이트 1.5 중량부가 첨가될 수 있도록 상기 제어장치(1000)에 의해 분사량이 조절된다.
다섯 번째 단계로, 발효가 끝난 음식물 쓰레기를 여과하여 상기 정제 챔버(300)로 액상 혼합물만을 이동시킨다. 상기 기능성 보충제가 분사된 음식물 쓰레기는 설정된 발효 시간이 종료됨에 따라 상기 제어장치(1000)에 의해 개방된 상기 여과구(210)로 이동한다. 상기 교반장치(110)는 발효시간의 종료 이후에도 5~10분 동안 작동하도록 설정되어 상기 발효 챔버(100) 내부에 위치한 상기 음식물 쓰레기를 상기 여과구(210) 방향으로 밀어낸다. 상기 음식물 쓰레기는 상기 교반장치(110)과 중력에 의해 상기 여과구(210)를 거쳐 상기 여과장치(200) 내부로 이동한다.
상기 여과장치(200)는 이동관, 여과 필터 및 여과 피스톤으로 구성된다. 상기 여과구(210)를 거쳐 상기 이동관 내부로 이동한 혼합물은 고체 슬러지와 비료로 사용할 발효된 액상 혼합물로 구성되어있다. 상기 여과구(210)의 직경과 같은 직경을 갖는 상기 여과 피스톤은 상기 이동관 내부의 하부면에 위치한 상기 여과 필터까지 하강하여 음식물 쓰레기를 압착한다. 이 때, 상기 액상 혼합물은 상기 여과 필터를 거쳐 상기 정제 챔버(300) 내부로 이동하고 상기 고체 슬러지는 상기 이동관 내부에 남게 된다. 상기 여과 필터는 압력을 견디기 위해 금속 재질인 것이 바람직하고, 그중에서도 스테인리스강을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 이동관은 상기 발효 챔버(100) 및 상기 정제 챔버(300)에서 분리되어 탈착할 수 있는 형태로 되어 있으며, 탈착하여 내부에 남아 있는 상기 고체 슬러지를 폐기할 수 있다.
여섯 번째 단계로, 상기 액상 혼합물은 상기 정제 챔버(300) 내에서 전기영동의 원리에 의해 염분이 제거되고 액체 비료로써 완성된다. 상기 전기장 생성장치(310)는 상기 정제 챔버(300)의 일측에 양극(+)을, 타측에 음극(-)을 설치하여 5~7mA/㎠의 직류 전류를 25~32시간동안 상기 액상 혼합물에 흘린다. 상기 염분 포집 필터(320)로써 양극에 음이온 교환 수지 필터를, 음극에 양이온 교환 수지 필터를 설치하여 상기 액상 혼합물에서 양이온 염분과 음이온 염분을 포집하여 제거한다. 염분 제거 과정이 끝나면 상기 제어장치(1000)에 의해 배출구(330)가 개방되고 완성된 액체 비료가 배출된다.
상기 제어장치(1000)는 도2에 도시된 바와 같이, 상기된 액체 비료가 제조되는 단계에서 각 장치들을 설정값에 의해 제어한다.
발효 챔버 제어부(1100)는 설정값에 따라 상기 발효 챔버(100) 내부의 각 장치들을 제어한다. 교반장치 제어부(1110)는 음식물 쓰레기가 투입되어 상기 교반장치(110)가 작동하는 17일 이상 25일 미만 동안의 교반 회전 속도가 200 내지 420 rpm이 유지하도록 상기 교반장치(110)를 제어한다. 항온장치 제어부(1120)는 음식물 쓰레기의 1차 액상 발효 단계에서 7일 이상 15일 미만 동안 상기 발효 챔버(100) 내부의 온도를 60 내지 85℃로 유지하고, 2차 액상 발효 단계에서 상기 발효 챔버(100) 내부의 온도를 10일간 40℃미만으로 유지하도록 상기 항온장치(120)를 제어한다. 제1분사장치 제어부(1130)는 음식물 쓰레기 투입 직후 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여 첨가제가 1 내지 10 중량부 혼합될 수 있도록 상기 제1분사장치(130)를 제어하여 상기 첨가제를 분사한다. 제2분사장치 제어부(1140)는 액상 발효가 완료된 발효물 100 중량부에 대하여 기능성 보충제가 8 내지 10 중량부 혼합될 수 있또록 상기 제2분사장치(140)를 제어하여 상기 기능성 보충제를 분사한다. 더하여 센서를 통해 상기 제1분사장치 스토리지(131) 및 상기 제2분사장치 스토리지(141) 내부의 보충제 용액 잔존량을 측정하여 그 잔존량이 1회 분사값보다 적을 경우에 램프 또는 소리로 사용자에게 알림을 제공할 수 있다.
여과장치 제어부(1200)와 여과구 제어부(1210)는 설정값에 따라 상기 여과 피스톤과 상기 여과구(210)를 제어한다. 상기 여과구 제어부(1210)는 2차 액상 발효가 끝나면 상기 여과구(210)가 개방되도록 제어한다. 상기 여과장치 제어부(1200)는 상기 여과구(210)를 통해 상기 이동관 내부로 이동한 발효물을 압착하도록 상기 여과 피스톤을 제어한다.
정제 챔버 제어부(1300)는 설정값에 따라 상기 전기장 생성장치(310)와 상기 배출구(330)를 제어한다. 전기장 생성장치 제어부(1310)는 상기 액상 발효물이 25~32시간동안 5~7mA/㎠의 전류밀도를 유지하도록 상기 전기장 생성장치(310)를 제어한다. 배출구 제어부(1320)는 상기된 모든 과정을 거쳐 제조된 액체 비료를 배출하도록 상기 배출구(330)를 개방한다.
상기한 실시예에 더하여 도4에 도시된 바와 같은 음식물 쓰레기를 분쇄·건조하여 상기 음식물 쓰레기의 수분 및 부피를 크게 축소하는 축소 챔버(2000)를 상기 발효 챔버(100) 상단에 설치·결합할 수 있다. 상기 축소 챔버(2000)는 실린더(cylinder) 또는 직육면체의 형태로 형성됨이 바람직하다.
축소 과정을 거친 음식물 쓰레기는 최대 90%까지 부피가 축소되므로, 상기 축소 챔버(2000)를 사용함으로써 상기 발효 챔버(100)의 크기를 줄일 수 있다. 대한민국의 1인당 평균 음식물 쓰레기 배출량은 0.28kg/일(日) 이므로 4인 가정 기준 한 달 음식물 쓰레기 배출량은 33.6kg으로 산정된다. 상기 액상 비료의 발효과정은 약 3주에서 한달까지 소요되므로, 한 달간 배출되는 음식물 쓰레기의 부피를 평균적인 음식물의 밀도로 미루어 추정한 약 300L를 수용할 수 있는 상기 농업용 비료의 제조장치의 크기는 가정용으로써 부적합한 용적이다. 또한 상기 농업용 비료의 제조장치를 시·군 단위의 음식물 쓰레기 처리장에 적용함에도 부적합하다. 따라서 상기 축소 챔버(2000)를 상기 발효 챔버(100) 상단에 설치하여 사용함이 바람직하다.
상기 축소 챔버(2000)는 상단에 공급구(2100)를 형성하여 상기 공급구(2100)로 음식물 쓰레기를 투입하고, 하단에 연결구(2400)를 형성하여 가열·분쇄 과정을 거친 음식물 쓰레기를 상기 연결구(2400)를 통해 상기 발효 챔버(100)로 이동시킨다. 상기 공급구(2100)와 상기 연결구(2400)는 상기 제어 장치를 통해 제어되며 폐쇄된 상태를 디폴트로 한다.
상기 공급구(2100)를 통해 상기 축소 챔버(2000) 내부의 분쇄 장치로 들어간다. 상기 분쇄 장치는 모터의 동력으로 작동되며, 날카로운 칼날이 5~7개 부착된 톱니바퀴 형태의 분쇄날을 고속으로 회전 전단하여 대상을 분쇄한다. 상기 분쇄 장치의 하단은 상기 연결구(2400)와 이어져 건조·분쇄된 음식물 쓰레기를 상기 발효 챔버(100)로 내보내는 역할을 한다.
한편, 분쇄장치(2200)를 감싼 형태로 설치되는 건조 장치는 가열을 위한 히터(heater)와 증발을 위한 팬(fan)을 포함하여 구성된다. 상기 히터에는 히터의 온도를 검출하여 상기 제어 장치에 송신하는 히터 온도 센서(2310)가 설치될 수 있다. 상기 제어 장치는 상기 히터 온도 센서(2310)를 통해 상기 히터의 온도를 제어하고 음식물 쓰레기를 건조하기 적절한 온도로 유지하며 상기 음식물 쓰레기의 존재 유무에 따라 온(on)/오프(off)를 결정한다. 상기 팬은 상기 히터로 인해 가열된 공기를 음식물 쓰레기로 전달하여 건조 과정을 단축하며 상기 히터의 온(on)/오프(off)에 맞춰 온(on)/오프(off)가 결정된다. 상기 팬은 상기 히터와 부착된 형태이며 바람을 일으키는 날개는 통상적인 선풍기의 날개와 같은 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 건조장치(2300)가 음식물 쓰레기를 건조함으로 인해 생성되는 수증기를 배출하기 위해, 상기 축소 챔버(2000)의 벽에는 메쉬(mesh) 구조가 설치될 수 있다. 상기 축소 챔버(2000)의 벽을 완전 개방할 경우 상기 분쇄 장치에서 나는 소음이 여과 없이 외부로 전달되어 소음 공해를 유발할 수 있다. 따라서 상기 메쉬 구조를 통해 음식물 쓰레기의 수증기를 배출하되 소음을 방지할 수 있다.
또한, 상기 가열·분쇄된 음식물 쓰레기는 수분이 대부분 제거된 상태이므로 미생물이 번식하여 발효되기 어려운 환경이다. 따라서 상기 발효 챔버(100) 내부 상부면에 물을 분사하는 용도인 제3분사 장치를 추가하여 상기 음식물 쓰레기에 수분을 공급하는 것이 바람직하다.
상기된 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치의 실시예 및 상기 축소 챔버(2000)의 내부 구성 요소는 스테인리스강인 STS(Steel Type Stainless) 304 또는 STS 316의 재질로 제작될 수 있다. STS 304는 산성 물질에 내성이 강하며 가격이 저렴한 장점이 있다. STS 316은 STS 304의 단점인 염화물 용액 또는 염분 환경에서의 부식을 견딜 수 있는 강력한 내부식성과 비반응성을 가지고 있으나 STS 304에 비하여 상대적으로 가격이 높은 단점이 있다. 상기 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치에서 음식물 쓰레기를 분쇄·발효·여과하는 데 있어 일반적인 금속은 단시간 내 부식되므로 스테인리스강 재질로 제작되는 것이 바람직하다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 통상의 기술자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 자명하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
100 : 발효 챔버
110 : 교반장치
120 : 항온장치
130 : 제1분사장치
131 : 제1분사장치 스토리지
140 : 제2분사장치
141 : 제2분사장치 스토리지
150 : 담체
160 : 투입구
200 : 여과장치
210 : 여과구
300 : 정제 챔버
310 : 전기장 생성장치
320 : 염분 포집 필터
330 : 배출구
1000 : 제어장치
1100 : 발효 챔버 제어부
1110 : 교반장치 제어부
1120 : 항온장치 제어부
1130 : 제1분사장치 제어부
1140 : 제2분사장치 제어부
1200 : 여과장치 제어부
1210 : 여과구 제어부
1300 : 정제 챔버 제어부
1310 : 전기장 생성장치 제어부
1320 : 배출구 제어부
2000 : 축소 챔버
2100 : 공급구
2200 : 분쇄장치
2300 : 건조장치
2310 : 히터 온도 센서
2400 : 연결구

Claims (10)

  1. (a) 미생물 제제(製劑)가 교반식 처리조에 접종된 후, 미생물 제제를 배양하는 단계;
    (b) 상기 교반식 처리조에 음식물 쓰레기가 투입되고, 첨가제를 넣은 후, 액상 발효 하는 단계;
    (c) 상기 액상 발효가 완료된 발효물에 기능성 보충제를 혼합하여 액상 혼합물을 제조한 후, 상기 액상 혼합물을 여과하여 슬러지를 분리하는 단계; 및
    (d) 여과액에 25~32시간동안 전류밀도 5~7mA/㎠의 직류 전류를 가하여 전기장을 형성시키고, 전기영동에 의해 상기 액상 발효가 완료된 발효물의 염분을 제거하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서 미생물 제제는 류코노스톡 메센테로이데스 (Leuconostoc mesenteroides), 락토바실루스 델브루에키 서브스페시스 불가리쿠스 (Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus), 류코노스톡 시트리움(Leuconostoc citrium), 락토바실러스 브레비스(Lactobacilus brevis), 효모 및, 혼합 균주 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,
    상기 액상 발효는 60 내지 85℃에서 7일 이상 15일 미만 동안 1차 액상 발효하는 단계(b1);
    상기 액상 발효가 완료된 발효물을 40℃미만에서 10일 이상 2차 액상 발효하는 단계 (b2);를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 첨가제는 50~200mesh로 분쇄된 수산화칼슘, 50~200mesh로 분쇄된 수산화마그네슘 및 50~200mesh로 분쇄된 수산화바륨을 포함하며, 음식물 쓰레기 100 중량부에 대하여 첨가제가 1 내지 10 중량부 혼합되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 기능성 보충제는 상기 액상 발효가 완료된 발효물 100중량부에 대하여 질소 2.5 중량부, 칼륨 2 내지 4중량부, 알긴산프로필렌글리콜 2.1중량부, 베타-시클로덱스트린 감마-폴리글루타메이트 1.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 염분이 제거된 발효액에 톱밥, 밀기울, 쌀겨, 싸래기, 유박, 피마자박, 어박, 톳분말로 구성된 부재료를 더 첨가하여 고상 퇴비를 제조하는 단계;(e)를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료.
  8. 음식물 쓰레기를 발효하여 비료를 제조하는 비료의 제조장치에 있어서,
    음식물 쓰레기를 발효하는 발효 챔버(100);
    상기 발효 챔버(100)의 상단에 형성되어 음식물 쓰레기를 투입하는 투입구(160);
    상기 발효 챔버(100)의 내부 중앙에 형성되어 음식물 쓰레기를 교반하는 교반장치(110);
    상기 발효 챔버(100)의 외부 측면 또는 외부 하면을 둘러싼 형태로 형성되어 상기 발효 챔버(100)의 온도를 조절·유지하는 항온장치(120);
    상기 발효 챔버(100)의 상부면에 형성되어 첨가제를 투입하는 제1분사장치(130);
    상기 발효 챔버(100)의 상부면에 형성되어 기능성 보충제를 투입하는 제2분사장치(140);
    상기 발효 챔버(100)의 일측면에 형성되어 폐쇄된 상태를 디폴트로 하고, 음식물 쓰레기의 발효가 완료되면 개방되는 여과구(210);
    상기 여과구(210)와 연결된 통로로 형성되며 슬러지를 걸러내 배출하는 여과장치(200);
    상기 여과장치(200)를 통해 상기 발효 챔버(100)와 연결되는 정제(精製) 챔버(300);
    상기 정제 챔버(300)의 일측에 양극(+)을 설치하고, 타측에 음극(-)을 설치하여 전기장을 형성하는 전기장 생성장치(310);
    상기 전기장 생성장치(310)의 양극 및 음극에 형성된 염분 포집 필터(320);
    상기 정제 챔버(300)에서 상기 여과장치(200)의 타측에 형성된 배출구(330);
    상기 교반장치(110), 상기 항온장치(120), 상기 제1분사장치(130), 상기 제2분사장치(140), 상기 여과구(210), 상기 여과장치(200) 및 상기 전기장 생성장치(310)를 제어하는 제어장치(1000);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발효 챔버(100)의 상단에 위치하며 음식물 쓰레기를 분쇄·건조하는 축소 챔버(2000);
    상기 축소 챔버(2000)의 상단 일측에 형성되어 음식물 쓰레기를 투입하는 공급구(2100);
    상기 축소 챔버(2000)의 하단 타측에 형성되어 상기 발효 챔버(100)의 상기 투입구(160)와 연결된 연결구(2400);
    상기 축소 챔버(2000)의 내부 중앙에 형성되고, 회전 전단하는 칼날을 탑재하여 음식물 쓰레기를 분쇄하는 분쇄장치(2200);
    상기 축소 챔버(2000)의 내부 측면 또는 내부 하면에 설치되어 상기 분쇄장치(2200)의 내부에 위치한 음식물 쓰레기를 가열하는 건조장치(2300);
    를 더 포함한 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 발효 챔버(100)의 상부면에 형성되어 교반되는 음식물 쓰레기에 물을 분사하는 제3분사장치;
    를 더 포함한 음식물 쓰레기를 활용한 농업용 비료의 제조장치.
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