KR20240001111A - 더욱 개선된 비료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단립자 형태의 고체 배합 비료로서, 고체 비료는 생물학적 방출 프로파일을 가지고, 고체 비료는 단일 입자에 불안정한 탄소를 포함하는 반탄화된 유기 폐기물 및 결합제를 포함하는 고체 비료에 관한 것이다. 반탄화된 유기 물질은 결합제에 의해 단일 입자에 결합되며, 이에 의해 유기 물질의 불안정한 탄소는 배합 비료 조성물을 토양 또는 성장 배지에 적용한 후 미생물에 의한 대사에 용이하게 이용 가능하다.
Description
본 문헌은 AU2020904839호를 우선권으로 주장하며, 이의 내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 개선된 비료에 관한 것이다. 일구현예에서, 개선된 비료는 종래 기술의 비료 용도 변경 폐기물(fertiliser repurposed waste)과 비교할 때 비료의 수명 주기에 걸쳐 측정된 GHG 배출을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 비료를 형성 및 적용하기 위한 개선 방안을 이용함으로써 GHG 배출을 감소시키는 방법에 관한 것이다.
비료는 식물 및/또는 동물-기반 물질과 같은 유기 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질은, 예를 들어, 분료, 사체, 음식물 쓰레기, 유기 산업 폐기물 및 그린 깔짚(green litter)일 수 있다. 유기 및/또는 탄소-기반 비료는 토양의 구조 개선, 미생물 활성 자극 및/또는 모든 필수 영양소의 토양으로의 점진적 방출을 포함하여 토양에 유익한 경향이 있다.
무기 비료는 미네랄 및 종종 합성 화학물질, 예컨대 천연 및/또는 합성 탄화수소 및 대기 질소로부터 유도된 것들을 함유한다. 무기 비료는 질소 N, 인 P, 및 칼륨 K와 같은, 식물이 성장 및 생존하는 데 필요한 주요 영양소를 포함할 수 있다. 합성 비료는 우레아, 모노암모늄 포스페이트(MAP), 디암모늄 포스페이트(DAP), 암모니아의 설페이트(SOA), 포타쉬의 무리에이트(MOP; Muriate of Potach) 및 칼륨 설페이트(SOP)를 포함할 수 있다. 무기 비료로부터의 영양소는 토양에서 침출될 수 있고, 적용 구역의 미생물 집락에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이유 및 다른 이유로, 무기 비료는 적어도 토양 건강을 유지하기 위해 유기 비료와 함께 가장 잘 사용된다.
온실 가스(GHG; Green House Gas) 배출에 대한 유기 및 무기 비료의 기여는 잘 기록되어 있다. 비료는 다음을 포함하여 이의 수명 주기 전반에 걸쳐 여러 방식으로 GHG 배출에 기여할 수 있다:
● 사용 전 그린/유기 폐기물의 저장으로 인한 배출.
● 퇴비화 프로세스에서의 배출.
● 비료를 제조하기 위한 에너지 집약적 생산 프로세스에서 발생하는 배출.
● 생산 공장에서 농장으로 비료를 운송하는 동안 생성된 배출.
● 적용 동안, 예를 들어, 비료를 전달하기 위해 사용되는 농기계에 의해 발생된 배출.
● 적용 후 토양으로부터의 배출.
통상적으로 CO2 당량으로 보고되는 비료에 의해 방출되는 GHG의 양을 결정하기 위해 수명 주기 평가(LCA; lifecycle assessment)가 수행될 수 있다.
농도, 적합한 적용 장비, 안전성-요건 및 토양 활성의 고유한 차이로 인해, 유기 및 무기 비료는 통상적으로 2개의 개별 적용 프로세스로 토양에 적용된다. 유기 비료는 뿌리 덮개(mulch)와 같이 일관성 있게 부피가 큰 경향이 있다. 무기 비료는 건조 분말 또는 펠렛(과립, 프릴(prill), 패스틸(pastelle)) 또는 가용성 용액을 포함하는 액체와 같은 상이한 형태로 존재한다.
2개의 상이한 전달 요구를 갖는 2개의 상이한 비료 유형에 수반되는 요건은 필연적으로 전체 GHG 배출을 증가시킨다.
낮은 적용율로 적용하는 데 어려움과 결합된 분뇨 및 퇴비와 같은 통상적인 유기 비료의 부피가 크고 일관되지 않은 특성 및 낮은 영양소 농도로 인해, 농부는 통상적인 유기 비료를 드물게 높은 적용율로 적용하는데, 이는 GHG 배출에 대한 더 큰 가능성을 초래하며, 여기서 영양소는 종종 단일 작물에 대해 필요한 것보다 더 큰 비율로 적용되며, 종종 많은 물질은 일정한 범위의 손실 메커니즘으로 토양 표면에 또는 가까이에 잔류한다.
종종, 유기 및 무기 비료 유형 각각을 적용하기 위해 상이한 기계가 필요하다. 적용 시기는 또한 비료 유형 각각에 대해 상이할 필요가 있을 수 있다. 유기 비료의 영양소는 시간이 지남에 따라 서서히 방출되는 경향이 있으며, 이는 유기 비료가 토양에 적용되는 데 필요한 양 및 횟수가 주어진 기간에 걸쳐 변할 수 있음을 의미할 수 있다. 무기 영양소는 통상적으로 식물에 즉시 이용 가능하다. 무기 비료로의 과잉 시비(over fertilisation) 또는 부정확한 배치 또는 적용 기술은 영양소의 농도가 식물, 특히 발아 또는 미성숙한 식물을 손상시킬 위험을 증가시킬 수 있다. 2개의 상이한 영양소 방출 프로파일을 갖는 2개의 상이한 비료 유형에 수반되는 요건은 필연적으로 전체 GHG 배출을 증가시킨다. 증가된 GHG 배출은 적어도 수송 및 적용과 관련이 있다.
환경에 대한 비료의 영향을 최소화하기 위해 비료 수명 주기의 단계들 중 임의의 하나의 단계 동안 GHG 배출을 감소시키는 것이 바람직하다. 따라서, 종래 기술의 비료의 단점들 중 일부 단점을 극복하거나 적어도 개선하는, 개선된 비료 포뮬레이션이 필요하다.
임의의 종래 기술이 본원에서 언급되는 경우, 그러한 참고문헌은 간행물이 호주 또는 임의의 다른 국가에서, 당분야의 일반적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 인정을 구성하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1 양태에서, 단립자 형태의 고체 배합 비료로서, 고체 비료는 생물학적 방출 프로파일을 가지며, 고체 비료는 단일 입자에,
불안정한 탄소를 포함하는 반탄화된 유기 폐기물;
결합제를 포함하며,
여기서, 반탄화된 유기 물질은 결합제에 의해 단일 입자에 결합되며, 이에 의해 유기 물질의 불안정한 탄소는 배합 비료 조성물을 토양 또는 성장 배지에 적용한 후 미생물에 의한 대사에 용이하게 이용 가능한, 고체 배합 비료가 제공된다.
배합된(compounded)은 다수의 성분이 하나의 단일 입자 내로 조합되는 것을 의미한다. 배합은 종종 개개 상황의 필요에 맞는 생성물을 생성하기 위해 성분/출발 물질을 조합, 혼합 또는 변경하는 프로세스로 간주된다.
유기 물질 또는 폐기물은 천연 물질일 수 있다. 분뇨, 사체 및/또는 퇴비와 같은 유기 폐기물이 미생물 프로세스에 의해 분해됨에 따라, 관련 미생물에 의한 GHG 가스의 불가피한 방출이 존재한다. 본 발명의 프로세스는 유기 폐기물이 생성된 후 가능한 한 빠르게 이를 반탄화함으로써 이러한 GHG 가스의 방출을 회피할 수 있다. 달리 가스로 전환되어 대기로 방출되었을 폐기물의 화학 원소는 대신 고체 형태로 트랩핑되거나 추가 사용/재활용을 위해 반탄화 프로세스 동안 포획된다. 이는 반탄화를 이용하지 않는 종래 기술의 비료와 비교할 때 비료에 대한 계산된 GHG 배출을 필연적으로 감소시킨다. 따라서, 구현예에서, 본 발명의 방법 및 생성물은 유기 폐기물의 미생물 분해의 양을 감소시킴으로써 GHG 배출을 감소시킬 수 있다. 또한, 유기 폐기물은 종종 화물에 추가로 부가되는 높은 수분 함량을 갖는 반면, 반탄화는 이러한 물질에서 과잉의 물을 수송할 필요성을 피하거나 적어도 감소시키는 대부분의 수분을 제거한다. 또한, GHG 감소는 식물 뿌리로부터 멀리 떨어지고 가스 손실을 겪는 토양 표면에 또는 이의 부근에서 유기 물질 뿌리 덮개/분뇨/습윤 퇴비(건조 고체 입자가 아님)를 꼼짝 못하게 남기기 보다는, 영양소 및 탄소가 식물에 이익을 줄 수 있는 구역 내의 토양에 비료의 입자를 더 잘 배치함으로써 이루어질 수 있다. 실질적으로 더 낮은 비율의 유기 물질로부터 동일/유사하거나 더 나은 생산 결과를 얻을 수 있는 능력은 GHG 배출이 후속적으로 감소할 가능성이 있음을 의미한다. 또한, 구현예에서, 영양소 적용율은 통상적으로 식물 요건을 초과하는 과량의 영양소가 존재하는 종래의 비료에서 유기 물질의 통상적이고 드문 과도한 적용과 비교하여 식물 요건과 더 잘 일치될 수 있다.
일구현예에서, 고체 비료는 무기 또는 합성 물질을 더 포함한다. 비료가 무기 물질과 조합되는 경우, 비료 중 영양소는 질소(N), 인(P), 칼륨(K) 또는 황(S) 중 적어도 하나, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 영양소는 NPKS(즉, 4개 모두)일 수 있다. 영양소는 NPKS 중 하나 이상일 수 있다. 영양소는 암석 포스페이트, 마그네슘 카보네이트 및 식물 이용 가능 규소일 수 있다. 영양소는 합성적으로 제조된 비료일 수 있다. 예를 들어, 합성 물질은 우레아, 모노암모늄 포스페이트(MAP), 디암모늄 포스페이트(DAP), 암모니아의 설페이트(SOA), 포타쉬의 무리에이트(MOP) 및 칼륨 설페이트(SOP)를 포함할 수 있다. 이들 중 일부는 합성물로서 지칭되지만, 이를 제조하기 위한 프로세스는 자연 발생 염이 염수의 증발에 의해 또는 정전기적 분리에 의해 회수되는 것일 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 유기 물질은 또한 일부 영양소를 함유하지만, 유기 성분의 반탄화 후 무기 비료의 첨가에 의해 요망되고 일관되고, 안정하고 정확한 영양소 함량이 달성될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
일구현예에서, 무기 또는 합성 물질은 개별 입자의 형태로 제공되지만, 반탄화된 유기 물질의 입자와 함께 혼합된다. 대안적인 구현예에서, 반탄화된 유기 물질 및 무기 또는 합성 물질은 결합제에 의해 단일 입자에 함께 결합될 수 있다. 추가의 대안적인 구현예에서, 무기 또는 합성 물질은 반탄화된 유기 물질의 표면 상에 코팅될 수 있다.
구현예에서, 본 발명의 방법 및 생성물은 현장으로 수송될 필요가 있는 비료의 양을 감소시킴으로써 GHG 배출을 감소시킬 수 있다. 유기 비료 및 무기 비료가 개별 비료로서 전달되는 경우, 2개의 개별 분배 채널이 필요할 수 있다. 각 분배 채널은 CO2 동등물의 관련된 GHG 배출을 갖는다. 유기 및 무기 영양소를 하나의 고체 형태로 결합하는 비료는 하나의 분배 채널을 통해 하나의 트럭으로 운송 및 전달될 수 있다. 이는 유기/무기 물질을 포함하는 입자를 사용하지 않는 종래 기술의 비료와 비교할 때 비료에 대한 계산된 GHG 배출을 필연적으로 감소시킨다.
구현예에서, 본 발명의 방법 및 생성물은 토양으로 전달될 필요가 있는 비료의 적용율을 감소시킴으로써 GHG 배출을 감소시킬 수 있다. 적용율은 중량 단위의 적용되는 양 및 시간 경과에 따라 필요한 적용 횟수를 포함할 수 있다. 유기 비료 및 무기 비료가 2개의 개별 비료로서 전달되는 경우, 각각의 비료의 2개의 개별 양 및 시기 스케쥴이 필요할 수 있다. 각각의 전달 이벤트(delivery event)는 CO2 동등물의 관련된 GHG 배출을 갖는다. 유기 및 무기 영양소를 하나의 형태로 조합하는 비료는 단일 패스로 한 품목의 농기계를 통해 필드(field)로 전달될 수 있다. 이는 유기 및 무기 물질 둘 모두를 포함하는 입자를 사용하지 않는 종래 기술의 비료와 비교할 때 비료에 대한 계산된 GHG 배출을 필연적으로 감소시킨다.
구현예에서, 본 발명의 방법 및 생성물은 요망되는 작물 수확량을 달성하기 위해 토양에 적용되는 비료의 양을 감소시킴으로써 GHG 배출을 감소시킬 수 있다. 유기 비료 및 무기 비료가 개별 비료로서 전달되는 경우, 요구되는 본 비료의 양과 비교할 때 통상적으로 더 많은 양의 각 비료 유형이 필요할 것이다. 필드에서 비료의 양의 감소는 유기 및 무기 물질 둘 모두를 포함하는 입자를 사용하지 않는 종래 기술의 비료와 비교할 때 비료에 대한 계산된 GHG 배출을 필연적으로 감소시킬 것이다.
숫자 "하나" 및 "둘" 등에 대한 언급은 본 발명이 그러한 숫자로 제한된다는 것을 의미하지 않으며, 대신 분배 채널, 및/또는 사용되는 트럭 및/또는 농기계 차량의 수의 상대적인 감소를 언급하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다.
온실 가스(GHG)는 열적외선 범위 내의 복사 에너지를 흡수 및 방출하는 가스이다. 본 발명의 프로세스 및 생성물은 원칙적으로 범위 내의 임의의 GHG를 포함할 수 있다. GHG는, 예를 들어, 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 및 오존(O3)을 포함할 수 있다. 그러나, 유리한 구현예의 초점은 가스 CO2, CH4 및 N2O 중 하나 이상의 감소이다. 따라서, 구현예에서 GHG는 수증기를 포함하지 않는다.
또한, 단립자 형태의 건조 및 고체 비료를 제조하는 방법으로서, 방법은 유기 폐기물 물질을 멸균하여 탄소-불안정하고 실질적으로 멸균된 생성물을 제공하는 단계; NPKS 중 적어도 하나를 포함하는 무기 또는 합성 물질을 실질적으로 멸균된 생성물과 혼합하여 혼합된 생성물을 생성하는 단계; 혼합된 생성물을 결합시켜 유기 및 무기 물질의 균질한 혼합물을 제공하는 단계; 및 유기 및 무기 물질의 균질한 혼합물을 단립자로 형성시키는 단계를 포함하는, 방법이 기술된다. 일부 구현예에서, 결합 및 혼합 단계는 동시에 일어난다.
일부 구현예에서, 비료 중 유기 및 무기 물질은 동일한 고체 입자에 존재한다. 동일한 고체 입자는, 단일 고체 입자가 분석을 위해 선택되는 경우, 분석시 선택되는 입자가 단일 고체 입자 내에 균일하게 분포된 유기 및 무기 성분을 갖는 것으로 나타날 것임을 의미한다. 균일한 분포는 이후 함께 밀링될 수 있는 2개의 성분(반탄화된 유기 및 무기 물질)의 혼합의 결과이다. 본질적으로, 2개의 물질은 함께 뒤섞여져서 실질적으로 균질한 혼합물을 형성하고, 하나의 복합 입자로 형성된다. 복합 입자를 형성하는 프로세스는 2개(또는 그 초과)의 이전의 별개의 물질을 압축하고 하나의 고체 복합 입자에 결합시킨다. 무기 성분 및 유기 성분은 달리 임의의 지지체 매트릭스에 의해 지지되지 않는다. 일부 종래 기술의 비료에서, 유기 지지체는 바이오숯 호스트(biochar host)의 형태로 제공될 수 있다. 이러한 배열에서, 호스트는 무기 및 유기 성분이 후속 방출을 위해 첨가되는 다공성 구조를 제공한다. 이는 호스트가 없고 대신에 유기 물질 및 무기 물질이 결합제와 함께 결합될 수 있는 동일한 입자 내에 및 이러한 동일한 입자 전반에 걸쳐 존재하는 본 발명의 구현예의 물질과 상이하다. 분석시, 과립의 단면은 복합 입자에서 유기 및 무기 물질의 균질한 매트릭스를 나타낼 수 있다. 본 발명의 일구현예의 입자는 도 20에 실시예로서 다공성 호스트에 지지된 물질과 대조적으로 도시되어 있다.
생물학적 방출 프로파일은 비료 중 임의의 탄소가 토양에서 미생물에 의한 신속한 동화에 이용 가능함을 의미한다. 미생물은 비료가 토양에 적용된 후 수일 이내에 탄소를 흡수한다. 미생물은 비료의 탄소 물질이 음식물 공급원으로 사용되면 번성(thrive)을 멈춘다. 일부 구현예에서 무기 영양소는 서방형이며, N 및/또는 P의 최대 약 15, 25, 30, 45 또는 50%가 약 처음 1, 2, 또는 3개월 내에 이용 가능해지며, 나머지는 후속 1 내지 3, 내지 12 내지 18개월, 일구현예에서, 1 내지 12개월에 걸쳐 이용 가능해진다. 일구현예에서, N 및/또는 P의 50%는 첫 달에 걸쳐 이용 가능하며, 나머지는 다음 1 내지 4개월에 걸쳐 이용 가능해진다. 이론에 의해 제한하고자 하는 것은 아니지만, 이용 가능한 대부분의 무기 영양소는 초기에 토양의 미생물에 의해 사용되며, 이러한 영양소는 천연 미생물 집단의 사멸 및 부패 시에 방출되는 것으로 생각된다.
유기 및 무기 물질이 동일한 고체 입자 내에 존재하는 구현예에서, 물질은 농기계에 의해 전달되는 다른 비료와 동일하거나 유사한 유동 특성을 갖도록 하는 대략적인 크기 및 형상인 것이 바람직하다. 결과적으로, 구현예에 따른 비료 물질은 종래 건조 비료의 전달에 적합한 임의의 적용 장비로 대체될 수 있다. 일구현예에서, 비료는 구형 형상이고, 약 2 내지 약 3, 4 또는 5 mm 직경의 평균 입자 크기를 갖는다.
일부 구현예에서, 비료 중 유기 및 무기 물질은 동일한 고체 입자에 존재하지 않는다. 일부 구현예에서, 비료 중 유기 물질은 제1 고체 입자 내에 형성된다. 무기 물질은 제2 고체 입자 내에 형성된다. 제1 고체 입자는 제2 고체 입자와 상이하다. 제1 및 제2 고체 입자는 동일한 용기, 백, 탱크, 그릇 내에 함께 혼합될 수 있다. 유기 및 무기 물질이 상이한 고체 입자 내에 존재하는 구현예에서, 물질 각각은 형상이 대략 구형이고 크기가 약 2 내지 3, 4 또는 5 mm인 것이 바람직하다. 이러한 크기 및 형상은 물질이 농기계에 의해 전달되는 다른 비료와 유사한 유동 특성을 갖도록 할 수 있다. 결과적으로, 두 성분의 비료 물질은 종래 건조 비료의 전달에 적합한 트럭의 임의의 섹션 내에 대체될 수 있다.
일부 구현예에서, 무기 및 유기 물질의 혼합물은 "유기 및 무기 물질의 균질한 혼합물"로 지칭된다. 이는 비료가 실질적으로 함께 결합될 수 있는 혼합물 또는 입자 전반에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포된 2개의 물질을 포함함을 의미한다. 물질은 화학적으로 함께 결합될 필요는 없지만, 이러한 것은 적어도 물리적으로 함께 결합된다. 이러한 구현예의 비료는 한 단계에서 적용되는 유기 비료 및 제2 단계에서 적용되는 무기 비료를 갖는 것을 포함하는 것으로 의도되지 않는다. 이는 둘의 불균질한 혼합물일 것이고, 본 발명의 일부 다른 구현예보다 적은 이점을 제공할 것이다. 물질이 개개 입자 전반에 걸쳐 균질하게 분포되는 건조 및 고체 비료 구현예의 이점은 유기 및 무기 비료 물질이 기존의 적용 장비를 사용하여 한 단계에서 함께 적용될 수 있다는 것이다. 이는 상당한 비용 및 시간 절약을 나타낸다.
지금까지, 비료는 결합제로 결합된 반탄화된 유기 비료의 입자를 포함할 수 있으며, 이는 동일하거나 유사한 크기 및 형상의 무기 비료의 입자가 산재될 수 있는 것으로 기술되었다. 또한, 비료 입자는 단일 입자에 유기 및 무기 물질의 복합 입자를 포함할 수 있으며, 이는 균질한 혼합물로 지칭되는 것으로 기술되었다. 또한, 일구현예에서, 유기 및 무기 물질이 개별 입자에 존재하지 않을 뿐만 아니라 단일 입자에 균일하게 분포되지 않는 경우 사이에 무언가가 있는 것으로 예상된다. 이러한 구현예에서, 반탄화된 폐기물의 유기 입자는 전달 직전에 공장 또는 농장에서 무기 거대 영양소로 코팅될 수 있다. 이러한 외부 코팅은 유기 영양소에 매우 근접하지만 과립화 프로세스의 펠렛화 후에 거대 영양소를 전달하는 이점을 가질 수 있다. 따라서, 여기서 호스트는 동적 시비 프로세스에서 아무런 역할(또는 미미한 역할)을 하지 않는 일부 다른 난분해성 다공성 호스트가 아니라 입자 내의 유기 물질이라는 점에 주목하는 것이 중요하다.
유기 폐기물은 바이오 고체로 지칭될 수 있다. 유기 폐기물은 바람직하게는 동물 폐기물이다. 동물 폐기물은 통상적으로 폐기되거나 추가 프로세싱에 거의 가치가 없는 것으로 간주되는 동물로부터 유래된 임의의 것일 수 있다. 폐기물은 동물로부터의 분뇨, 사체, 또는 동물(예를 들어, 모발, 피부, 신체 부위)로부터 파쇄됨(예를 들어, 깔개(bedding))으로써 사용되는 다른 물질을 포함할 수 있다. 폐기물은 깔짚을 포함할 수 있다. 깔짚은 가금류 배설물, 유출된 사료, 신체 부위, 예를 들어, 털, 및 농업 작업에서 깔개로서 사용되는 식물 기반 물질의 혼합물일 수 있다. 깔짚은 또한 사용되지 않은 깔개 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유기 폐기물은 그린 폐기물이다. 그린 폐기물은 건초(가능하게는 손상된 폐기물 건초) 또는 다른 농업용 바이오 고체과 같은 농업 폐기물을 포함할 수 있다. 본 방법 또는 본 비료의 대상이 되는 유기 폐기물은 상이한 유형의 바이오 고체의 혼합물일 수 있다. 일부 구현예에서, 동물 폐기물은 비료 조성물의 적어도 약 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100 중량%의 유기 성분을 포함한다.
일구현예에서, 동물 폐기물은 닭 폐기물이다. 폐기물은 닭 사체 및/또는 닭 분뇨 및/또는 닭 깔짚을 포함할 수 있다. 닭 폐기물 또는 가금류 깔짚은 일부 국가에서 상당한 폐기물 스트림을 나타낸다. 일구현예에서, 동물 폐기물은 돼지 폐기물이다. 폐기물은 돼지 사체 및/또는 돼지 분뇨 및/또는 돼지 깔짚을 포함할 수 있다. 일구현예에서, 동물 폐기물은 소 폐기물이다. 폐기물은 소 사체 및/또는 소 분뇨 및/또는 소 깔짚을 포함할 수 있다. 동물은 폐기물을 생산하는 임의의 다른 동물일 수 있다. 구현예에서, 본 발명은 그러한 폐기물 스트림을 재활용되고 상업적으로 가치 있는 생성물로 활용하기 위한 방법을 제공할 수 있다. 동물의 다양한 폐기물의 백분율은 본원에 기재된 바와 같이 다양할 수 있다. 바람직하게는, 폐기물은 너무 습하지 않아 공급물 스트림에서 더 많은 깔짚을 사용하고 더 적은 분뇨를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
유기 폐기물을 토양에 직접 적용하는 것에 대한 한계들 중 하나는 병원성 미생물의 존재이다. 예를 들어, 동물 폐기물은 푸사리움(Fusarium), 아스페르길루스(Aspergillus) 및/또는 페니실리움(Penicillium) 종과 같은 미세한 진균을 함유할 수 있다. 대부분의 푸사리움 진균은 식물영양생물이다. 아스페르길루스와 페니실리움은 토양에서 독소를 형성한다. 다양한 병원체는 닭 깔짚 또는 닭 깔짚-기반 유기 비료, 예컨대, 악티노바실러스, 보르데탈라, 캄필로박터, 클로스트리디움, 코리네박테리움, 대장균, 글로비카텔라, 리스테리아, 마이코박테리움, 살모넬라, 스태필로코커스, 및 스트렙토코커스에서 발견될 수 있다. 리스테리아 및 살모넬라는 사망을 유발하는 것으로 알려져 있다. 본원에 기재된 비료는 유기 폐기물의 실질적으로 멸균된 생성물이다. 실질적으로 멸균이라는 것은 병원체가 사용 직전에 비료에 존재하지 않는 경향이 있음을 의미한다. 따라서, 이는 실질적으로 멸균되기 때문에, 비료는 멸균되지 않은 비료보다 취급하기에 더 안전하다. 리스테리아 감염은 임산부의 계획되지 않은 낙태 또는 신생아의 사망으로 이어질 수 있다. 살모넬라, 캄필로박터, 및 장출혈성 대장균은 매년 수백만 명의 사람들에게 영향을 미치는 가장 흔한 식품매개 병원체 중 하나이며, 때로는 심각하고 치명적인 결과를 초래한다. 박테리아, 진균 및 효모 등을 포함하는 병원체는 공기 중에 존재하고, 단리되거나 달리 보호되지 않은 임의의 물질을 불가피하게 오염시킬 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 비료 생성물에 일부 병원체가 존재할 수 있지만, 이들은 달리 임의의 멸균 프로세스 없는 경우 존재하는 것과 동일한 수로 존재하지 않을 것이다.
물질을 멸균하기 위해, 화학적, 열적 및/또는 물리적 방법이 사용될 수 있다. 본 발명의 비료의 유기물은 바람직하게는 열 멸균 프로세스로 처리된다. 열 멸균 이외에 다른 멸균 프로세스가 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 멸균 프로세스는 바람직하게는 유기 폐기물을 폐기물에서 병원체를 감소시키거나 제거하기에 충분한 온도로 처리한다. 멸균 프로세스는 병원체를 감소시키거나 제거하기 위한 것이고, 또한 유기 폐기물의 수분 함량을 추가의 미생물 성장이 억제되는 지점까지 감소시킬 수 있다. 이러한 수분 함량의 감소는 토양에 적용될 때 사용 시점까지 비료의 유기 부분의 저장 및 수송에 중요할 수 있다. 구현예에서, 멸균 프로세스는 수분 함량을 최대 약 1, 2, 5, 8, 10 또는 15 중량의 중량 기준의 총 수분 함량까지 감소시킬 수 있다.
열 멸균 프로세스 동안, 스팀 및 다른 휘발성 가스는 가스 세정 시스템에서 플래쉬오프(flash off), 포획 및/또는 응축될 수 있다. 벌크 고체로부터 응축 증기로 낮은 영양소 손실이 있는 것으로 생각된다. 비응축성 증기는 최종 여과 프로세스를 통해 대기로 보내질 수 있다. 응축물은 현장에 저장되고, 선택적으로 프로세스를 통해 다시 재활용되거나(습윤제로서) 폐기될 수 있다. 일구현예에서, 응축물은 하기에 추가로 기재되는 바와 같은 프로세스의 펠렛화/과립화 단계에서 사용된다. 응축물은 이후에 액체 비료로서 판매되는 첨가될 다른 영양소(예를 들어, 암모늄 폴리포스페이트(APP) 및/또는 우레아)를 가질 가능성이 있다.
일구현예에서, 멸균을 수행하기 위해, 유기 물질은 열분해된다. 바람직하게는, 열분해는 유기 물질의 반탄화이다. 열분해는 불활성(혐기성) 분위기에서 상승된 온도에서의 물질의 열분해이다. 유기 물질의 열분해는 부분적 또는 완전한 산화(연소)를 피하기 위해 산소의 제어/제거를 필요로 한다. 유기 물질의 열분해는 온도 범위에서 일어나고 통상적으로 상이한 최종 생성물을 초래한다. 열분해는 많은 천연 유기물의 경우 약 250℃에서 시작되고 약 400℃에서 탄화된다. 최하단에서, 퇴비화는 40℃ 내지 80℃에서 일어난다. 반탄화는 통상적으로 150℃ 내지 350℃에서 일어난다. 반탄화는 최대 400 내지 450℃의 온도에서 일어날 수 있다. 본 프로세스에서, 구현예에서, 온도는 100 내지 450℃, 250 내지 400℃, 또는 330 내지 380℃의 범위일 수 있고, 반탄화기 체류 시간을 최소화하기 위해 바이오숯에서 폐기물을 돌리지 않으면서 허용되는 최고 온도까지 경사를 갖는다. 바이오숯은 일반적으로 약 750℃ 초과에서 생산된다. 통상적으로, 숯은 600℃ 초과의 온도에서 더 표면 활성이 된다. 매우 높은 온도, 예를 들어, >600 내지 700℃에서 제조된 바이오숯은 적어도 농업용으로는 유용하지 않을 수 있다. 대략 450 내지 500℃에서 제조된 일부 바이오숯은 농업용으로 비교적 우수한 결과를 제공할 수 있다. 본 방법은 바람직하게는 반탄화가 일어나는 온도를 적용하여, 유기 폐기물이 반탄화된 생성물이 된다. 반탄화기에서 체류 시간은 폐기물을 반탄화하기 위해 약 5분 내지 약 30분, 예컨대, 최대 5, 10, 15, 20, 25 또는 30분일 수 있다. 특정 구현예에서, 본 방법은 바이오숯의 생산 없이 반탄화가 일어나는 온도를 적용한다. 추가 구현예에서, 본 방법은 바이오숯의 생산 없이 반탄화가 일어나는 온도 및 시간을 적용한다.
반탄화는, 더욱 어려운 휘발성 물질(예를 들어, 타르)의 발생을 방지하기에 충분히 낮은 온도에서 유기 물질을 '활성화'할 수 있기 때문에, 본 발명의 비료의 제조에 적합한 프로세스 기술인 것으로 생각된다. 활성화는 하부 탄소 매트릭스를 변화시키는 프로세스"이다. 반탄화(약 350℃) 후, 유기 폐기물의 탄소는 더 부서지기 쉬운 경향이 있고, 그라인딩 및 압축시키는 데 비교적 용이하다. 반탄화된 생성물은 바이오숯과 유사하지만 동일하지 않은 셀 구조를 갖는다. 바람직하게는, 본 발명의 프로세스는 유기 폐기물을 바이오숯을 발생시키는 온도(또는 충분한 시간 동안의 온도)로 처리하지 않는다. 반탄화된 유기 폐기물과 바이오숯의 주요 차이점은, 반탄화된 유기 폐기물이 불안정한 탄소를 포함하는 반면, 바이오숯이 난분해성 탄소를 포함한다는 것이다. 비료에는 임의의 유해한 효과 없이 소량의 바이오숯이 존재할 수 있지만, 비료의 주요 성분은 미생물에 생체이용 가능한 불안정한 탄소를 갖는 반탄화된 유기 폐기물이라는 것이 이해되어야 한다. 일구현예에서, 20%, 15%, 10%, 5%, 1% 또는 0.5% 미만의 바이오숯이 존재한다. 일구현예에서, 불안정한 탄소 대 난분해성 탄소(예를 들어, 바이오숯 탄소)의 비는 85:15; 90:10, 95:5 또는 99:1이다.
건조 및 고체 비료를 토양에 적용시, 토양에 존재하는 박테리아가 유기 물질의 탄소 대사를 시작할 수 있다. 유기 물질은 탄소가 풍부하다. 비료 입자의 탄소는 주로 불안정하다. 적어도 약 50(51 포함), 60, 70, 80, 85, 90, 95 또는 100%의 불안정한 탄소가 존재할 수 있다. 불안정하다는 것은 탄소가 토양 매트릭스의 미생물에 생물학적으로 이용 가능하다는 것을 의미한다. 탄소-풍부 물질의 또 다른 예는 바이오숯이지만; 상기 언급된 바와 같이, 바이오숯의 탄소는 불안정하지 않은 경향이 있다. 바이오숯의 탄소는 안정한 또는 난분해성 탄소로 지칭될 수 있다. 본 발명은 바람직하게는 미생물에 생물학적으로 이용 가능하지 않은 안정한 및/또는 난분해성 탄소를 함유하지 않는다. 따라서, 미생물이 탄소를 덜 사용할 수 있기 때문에, 바이오숯은 본 발명의 비료에 유용하지 않다. 따라서, 일부 구현예에서, 입자는 바이오숯을 실질적으로 함유하지 않는다. 바이오숯은 첫째로 탄소가 대기로 재진입하는 것을 방지하기 위한 격리 매질 및 둘째로 종자 심기에 사용하기 위한 서방형 조성물을 나타낼 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 단립자 형태의 고체 비료를 제조하는 방법으로서, 방법은,
실질적으로 멸균된, 탄소-불안정한 유기 생성물 및 적어도 하나의 부산물을 제공하기 위해, 유기 폐기물 물질을 반탄화시키도록 약 150℃ 내지 약 400℃ 미만, 선택적으로 약 330℃ 내지 약 380℃ 미만, 선택적으로 약 200℃ 내지 약 350℃ 미만, 선택적으로 약 250℃ 내지 약 330℃ 미만에서 가열하는 단계,
선택적으로, N, P, K 또는 S 중 적어도 하나를 포함하는 무기 물질을 유기 생성물과 혼합하여 혼합된 생성물을 생성하는 단계,
결합제의 존재 하에 유기 물질 또는 혼합된 생성물을 밀링하여 결합된 물질을 제공하는 단계, 및
결합된 물질의 단립자를 형성하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.
구현예에서, 방법은 하기 에너지 회수 단계 중 적어도 하나 이상을 포함한다:
가열 단계 동안 발생된 폐열을 포획하고 이를 사용하여 가열 단계에 공급된 유기 폐기물 물질을 예열하는 단계;
적어도 하나의 부산물을 포획하고 이를 프로세스의 다른 단계로 재순환시키는 단계;
단일 분배 채널을 통해 비료를 농장으로 수송하는 단계.
또 다른 양태에서, 작물 수확량을 실질적으로 유지하면서 온실 가스 배출을 감소시키는 방법으로서, 방법은 브로드캐스팅 장비를 사용하여 단일 패스로 필드에 본 발명의 구현예의 설명에 따른 비료를 적용하거나 적용한 단계를 포함하며, 여기서, 브로드캐스팅 장비는 미립자 물질의 제어된 투여를 위해 설계된, 방법이 제공된다.
또 다른 양태에서, 비료의 수명 주기 평가로부터 GHG 배출 측정치의 양을 감소시키기 위한 프로세스로서, 프로세스는
단립자 형태의 고체 비료를 제조하거나 제조한 단계로서, 고체 비료의 각 입자는 반탄화된 유기 폐기물; 선택적으로, 반탄화된 유기 폐기물과 혼합된 무기 물질을 포함하며, 고체 비료를 제조하거나 제조한 단계 동안, 단계들은 프로세스로부터 에너지를 회수하기 위해 수행되는 단계;
고체 비료를 토양에 적용하는 단계로서, 비료의 유기 및 무기 성분이 펠렛화된 물질의 제어된 투여 및 배치를 위해 설계된 장비를 사용하여 단일 패스로 적용되는 단계를 포함하는, 프로세스가 제공된다.
본 발명의 방법으로부터 생성된 반탄화된 구조는 유익한 미생물 성장, 물 및 영양소 저장을 위한 고-표면적 다공성 매질을 제공할 수 있기 때문에 바람직하게는 토양 건강에 도움이 된다. 본 발명의 비료는 영양소 및 퇴비의 동시 공급을 제공할 수 있으며; 영양소는 서방형이고, 발아/묘목 손상 문제를 일으킬 가능성이 덜하지만, 구현예에서, 전통적인 분뇨 및 퇴비보다 훨씬 더 빠르고 예측 가능하게 방출되는 형태를 갖는다.
일부 구현예에 따른 비료를 형성하는 방법은, 예를 들어, NPKS 중 적어도 하나를 포함하는 무기 물질을 반탄화된 유기 생성물과 혼합하여 혼합된 생성물을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 통상적으로 유기 성분이 반탄화 프로세스로 처리된 후에 수행되지만, 이는 일부 경우에 그 이전에 수행될 수 있다. 무기 비료 성분은 이들의 높은 염 및/또는 암모늄 함량 및 이들의 제조 프로세스와 관련된 열/압력으로 인해 이미 멸균되는 경향이 있으므로, 열처리할 필요가 없다. 반탄화 후 무기 물질을 첨가하는 것에 대한 추가 논의는 특정 온도가 무기 물질 비료를 화학적으로 변경시키거나 이들을 제공된 형태로 용융시킬 수 있다는 것이다.
혼합은 유기 및 무기 물질 각각이 밀링된 후에 수행될 수 있다. 대안적으로, 혼합은 유기 및 무기 물질이 함께 밀링되도록 유기 및 무기 물질 각각이 밀링되기 전에 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 밀에서 더 적은 막힘이 있고 반탄화된 베이스의 오버그라인딩(overgrinding)이 감소될 수 있기 때문에 물질을 함께 밀링한다는 이점이 존재한다.
유기 및 무기 물질이 존재하는 일구현예에서, 2개의 물질을 혼합하기 위해, 혼합은 하기 프로세스에 의해 수행될 수 있다:
● 유기 성분을 열처리(반탄화)한다.
● 유기 성분을 무기 비료(및 다른 미네랄, 예를 들어, 반응성 암석 포스페이트 및 결합제)와 혼합한다. 이후, 유기/무기 혼합물을 밀링한다.
● 이후 블렌딩된 유기 및 무기 조성물을 압축하여 단립자를 형성할 수 있다. 이는 과립화, 압출 또는 펠렛화를 포함하는 임의의 형태일 수 있다. 이러한 프로세스는 반드시 외부 열을 포함하는 것은 아니지만, 혼합으로부터의 전단으로 인한 열이 존재할 수 있다. 일부 구현예에서, 스팀 또는 온수는 과립화를 돕기 위해 사용될 수 있다. 이러한 단계에서 재순환된 응축물이 사용될 수 있다.
● 과립을 연마 처리하여 구형 형상(불규칙하고 날카로운 에지가 없음) 및 일관된 크기를 달성할 수 있다. 연마는 통상적으로 스프레이 형태의 액체의 적용을 필요로 한다.
● 이후 연마된 과립을 열 건조시켜 추가적인 수분이 건조되고 과립이 저장 및 취급 목적을 위해 생물학적으로 불활성이게 할 수 있다. 건조된 과립은 또한 비료 적용 장비에서 취급 내구성에 대해 더 나은 경도를 가질 것이다.
유기 물질이 무기 물질과 혼합되지 않는 구현예에서, 혼합은 하기 프로세스에 의해 수행될 수 있다:
● 유기 성분을 열처리(반탄화)한다.
● 유기 성분을 결합제와 혼합한다. 이후 유기 혼합물을 밀링한다.
● 이후 블렌딩된 유기 조성물을 압축 처리하여 단립자를 형성할 수 있다. 이는 과립화, 압출 또는 펠렛화를 포함하는 임의의 형태일 수 있다. 이러한 프로세스는 반드시 외부 열을 포함하는 것은 아니지만, 혼합으로부터의 전단으로 인한 열이 존재할 수 있다. 일부 구현예에서, 스팀 또는 온수는 과립화를 돕기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 단계에서 재순환된 응축물이 사용될 수 있다.
● 과립을 연마 처리하여 구형 형상(불규칙하고 날카로운 모서리가 없음) 및 일관된 크기를 달성할 수 있다. 연마는 통상적으로 스프레이 형태의 액체의 적용을 필요로 한다.
● 이후 연마된 과립을 열 건조시켜 추가적인 수분이 건조되고 과립이 저장 및 취급 목적으로 생물학적으로 불활성이게 할 수 있다. 건조된 과립은 또한 비료 적용 장비에서 취급 내구성에 대해 더 나은 경도를 가질 것이다.
문맥이 달리 명백하지 않는 한, 하기 설명은 유기 물질 단독 또는 유기/무기 물질을 포함하는 비료에 적용될 수 있다. 과립을 형성하기 위해서는 약간의 수분이 필요하다. 수분이 너무 적으면 생성물이 가루 같을 것이다(dusty). 수분 함량이 너무 높으면, 생성물에서 병원체가 성장하는 경향이 증가할 수 있다. 수분 함량은 반탄화를 위해 유기 혼합물의 더 건조된 블렌드를 선택함으로써 감소될 수 있다. 최종 과립의 수분 함량은, 바람직한 구현예에서, 8 중량% 미만이지만 1 중량% 초과이다. 이러한 수분 수준에 도달하기 위해, 열 건조 단계에서 건조 기간 및/또는 건조 온도가 조정될 수 있다. 대안적으로, 과립은 1회 초과의 건조 사이클로 처리될 수 있다.
개선된 비료 과립의 수분 함량은 파쇄 강도(경도)에 영향을 미친다. 파쇄 강도는 수분 함량이 증가함에 따라 감소한다. 일구현예에서, 파쇄 강도는 적어도 약 2, 2.5, 3 또는 3.5 KgF이며, 이는 예를 들어, 우레아의 과립과 유사하다. 개선된 비료의 입자는 또한 평균 직경이 약 2 내지 약 5 mm 범위인 우레아 과립과 유사한 크기를 갖는다. 얻어진 파쇄 강도에 영향을 줄 수 있는, 물을 흡수하는 임의의 경향을 감소시키기 위해, 입자가 코팅될 수 있다. 코팅은 입자의 흡습 특성을 감소시키는 공지된 코팅일 수 있다.
본 발명의 비료에서, 무기 영양소는 토양에서 이용 가능한 영양소의 양을 제어하기 위해 첨가될 수 있다. 첨가되는 영양소의 양은 비료의 최종 의도된 용도에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 구현예에서, 당업자는 비료가 적용될 토양에 대해 실험을 수행할 것이다. 실험의 결과는 어떤 영양소가 표적 토양에 가장 적합한 지를 밝힐 것이다. 대안적으로, 영양소 요구량은 토양 및/또는 식물 조직 분석에 의해 결정될 수 있다.
무기 영양소와 함께 유기 매트릭스를 사용함으로써, 더 높은 로드(load)의 질소가 건조 및 고체 비료에 로딩될 수 있다. 일반적으로, 토양에서 발아 종자 또는 미성숙 식물에 근접한 고농도의 비료 염 및/또는 암모늄 질소는 식물에 해로울 것이다. 그러나, 암모늄 질소 및 다른 염에 결합하기에 충분한 유기 물질이 주변 토양 환경에 존재하는 경우, 이러한 문제는 회피되거나 적어도 감소될 수 있다. 미생물이 탄소를 에너지원으로 사용하고 암모늄을 단백질 빌딩 블록으로 사용함에 따라 질소는 이후 식물에 이용 가능하게 된다. 비료 중 암모늄 질소의 양은 적어도 약 1, 2, 5, 10, 12 또는 15% w/w일 수 있다.
유기 물질에 첨가된 질소 N은 (비제한적으로) 하기 중 하나 이상의 형태일 수 있다:
● 암모늄 설페이트
● 우레아
● 암모늄 클로라이드
● 암모늄 니트레이트
● 무수 암모니아
● 우레아 암모늄 니트레이트
● 칼슘 암모늄 니트레이트
● 칼륨 니트레이트
● 칼슘 니트레이트
비료 중 총 질소의 백분율은 적어도 약 0, 10, 20 또는 30% w/w일 수 있다. 일구현예에서, 최소 30%의 유기 물질을 가정하면, 총 N 최대치는 대략 30% w/w로 제한될 것이다.
일부 구현예에서, 무기 물질과 유기 물질의 조합은 잠재적인 폭발성 조합을 제공할 수 있다. 비료가 가연성일 가능성을 줄이기 위해, 단계들이 수행될 수 있다. 단계들은 폭발 지연제의 첨가를 포함할 수 있다. 폭발 지연제는 디암모늄 포스페이트(DAP) 및/또는 칼슘 카보네이트일 수 있다.
유기 물질에 첨가된 인 P는 (비제한적으로) 하기 중 하나 이상의 형태일 수 있다:
● 수퍼포스페이트
● 골분
● 암석 포스페이트
● 디암모늄 포스페이트
● 모노암모늄 포스페이트
● 삼중 수퍼포스페이트
● 인산
● 스트루바이트(Struvite)
● 암모늄 폴리포스페이트
● 모노 칼륨 포스페이트
비료 중 총 인의 백분율은 적어도 약 0.5 내지 약 15% w/w일 수 있다.
유기 물질에 첨가된 칼륨 K는 (비제한적으로) 하기 중 하나 이상의 형태일 수 있다:
● 칼륨 클로라이드(포타쉬의 무리에이트)
● 칼륨 설페이트
● 칼륨 쇼에나이트(Potassium Schoenite)
● 칼륨 니트레이트
● 당밀에서 유도된 포타쉬
● 모노 칼륨 포스페이트
비료 중 총 칼륨의 백분율은 적어도 약 0.5 내지 약 12% w/w일 수 있다.
유기 물질에 첨가된 황 S는 (비제한적으로) 중 하나 이상의 형태일 수 있다:
● 황 분말
● 황(과립)
● 황 벤토나이트
● 암모늄 설페이트
비료 중 총 황의 백분율은 적어도 약 1 내지 약 16% w/w일 수 있다.
포뮬레이션은 NPKS 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이는 이것이 N 및/또는 P 및/또는 K 및/또는 S를 함유할 수 있음을 의미한다. 포뮬레이션은 4개의 NPKS 모두를 포함할 수 있거나, 이는 4개 미만의 NPKS 영양소를 함유할 수 있다. 모든 포뮬레이션이 NPKS 각각의 무기 형태를 함유하는 것은 아니며, 예를 들어, 일부는 무기 형태의 N만을 함유할 수 있다. 디암모늄 포스페이트, 암모늄 포스페이트 설페이트, 우레아 암모늄 포스페이트, 모노 암모늄 포스페이트, 암모늄 니트레이트 포스페이트, 암모늄 포스페이트, NPK 중 하나 이상을 포함하나 이에 제한되지 않는 조합 첨가제가 또한 사용될 수 있다. 열거된 무기 영양소 이외에, 비료는 아연, 구리, 철, 망간, 붕소, 몰리브덴 및 이차 영양소 칼슘, 마그네슘 및 규소를 포함하는 미량영양소를 포함할 수 있다. 비료에서 칼슘과 같은 이차 영양소의 백분율은 적어도 약 0.5 내지 약 18% w/w일 수 있다. 비료 중 미량영양소의 백분율은 적어도 약 0.01 내지 약 2% w/w일 수 있다. 미량영양소는 입자 외부 주위의 코팅에 도입될 수 있다. 코팅은 입자의 제조 동안 적용될 수 있다. 코팅은 농장에서 적용될 수 있다.
영양학적 이점을 반드시 제공하지는 않지만, 대신에 다른 기능적 개선을 부여하는 다른 첨가제가 조성물에 존재할 수 있다. 구현예에서, 최종 생성물의 기계적 특성을 증가시키기 위한 첨가제가 존재한다. 구현예에서, 포뮬레이션은 하나 이상의 질화 억제제를 포함한다. 비료 질소는 식물 이용 가능한 니트레이트 질소가 침출 및 탈질화 손실로 처리되기 때문에 많은 농업 토양에서 비효율적으로 사용된다. 이러한 손실을 줄이는 한 가지 방법은 질화 억제제로 질소 비료를 안정화시키는 것이다. 이는 질소가 장기간 동안 보다 안정한 암모늄 형태로 남아 있도록 질화 박테리아의 활성을 억제하는 화합물로 (비료를 통해) 토양을 처리함으로써 수행된다. 질화 억제제의 예는 디메틸피라졸(DMP)이다. 이는 니트레이트 질소 상쇄 손실 이벤트의 드립 공급(drip feed)을 제공한다. 질화 억제제의 성능은 다양한 이유로 호주 토양에서 가변적임이 주목된다. 식물은 또한 토양으로부터 암모늄 질소를 추출할 수 있지만, 고농도의 암모늄 및 관련 암모니아는 식물에 유독할 수 있다. 이러한 독성은 동물 폐기물에 존재하고 최종 생성물에서 미량 수준으로 검출된 비타민 B6의 존재에 의해 감소될 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 아연 옥사이드는 질화를 억제할 수 있는 반면, 아연은 또한 많은 호주 토양에서 낮거나 결핍된 필수 미량 영양소라는 몇몇 증거가 존재한다. 따라서, 일부 구현예에서 아연이 포뮬레이션에 첨가된다.
또한, 농작물은 가뭄 및 염분을 포함하는 다른 비생물적 스트레스에 정기적으로 노출된다. 식물 이용 가능 규소는 식물이 비생물적 스트레스에 대처하도록 도울 수 있는 요소로 인식되며, 또한 규소는 식물 세포벽의 구조적 빌딩 블록이기도 하다. 사탕수수 및 쌀과 같은 특정 작물은 규소 수요가 높으며, 종종 식물 이용 가능 규소가 고갈된 토양 또는 영역에서 성장된다. 식물에 질소를 공급하는 효율적인 방식은 질소의 방출을 조절하는 억제제 및 식물이 유해한 환경 또는 화학적 요인을 상쇄하도록 돕는 비생물적 스트레스 조절제와 조합된 질소의 무기 및 유기 공급원을 조합하는 것으로 생각된다. 또한, 일부 식물 종은 식물의 부패 후에 지속되는 실리카로 제조된 단단한 미세 구조인 규소의 존재 하에 식물석(phytoliths)을 형성한다는 증거가 있다. 이러한 식물석은 또한 탄성 탄소(resilient carbon)를 함유하며, 최근 연구에 따르면 규소로의 시비는 탄소 격리로 이어질 수 있음을 시사한다.
구현예에서, 유기 물질 대 무기 물질의 비는 100:0, 90:10, 80:20, 70:30, 60:40, 50:50, 45:55, 40:60, 32.5:67.5 또는 30:70이다. 일구현예에서, 베이스 레시피는 45%의 유기 물질 및 55%의 무기 물질(본원에서 A 베이스로서, 때때로 내부 참조번호인 숫자와 함께, 예를 들어, A1으로 지칭됨), 또는 32.5%의 유기 물질 및 67.5%의 무기 물질(B 베이스로서, 때때로 내부 참조번호인 숫자와 함께, 예를 들어, B1, B2, B3 등으로 지칭될 수 있음); 또는 100% 유기 물질 및 0% 무기 물질(C로 지칭됨), 또는 30% 유기 물질 및 70% 무기 물질(E 베이스로서, 때때로 내부 참조번호인 숫자와 함께, 예를 들어, E1으로 지칭될 수 있음)을 포함한다.
일구현예에서, 유기 물질은 결합제로 반탄화된다. 결합제 전구체는 유기 물질과 함께 첨가된 다음, 반탄화기로 전달될 수 있다. 일구현예에서, 유기 물질은 반탄화되며, 이후 반탄화 후에 결합제가 첨가된다. 결합제는 레오나르다이트일 수 있다. 결합제는 칼슘 리그노설페이트(CaLigno)일 수 있다. 레오나르다이트는 이를 토지에 직접 적용하거나 적용을 위한 휴믹산 또는 칼륨 휴메이트의 공급원을 제공함으로써 토양을 컨디셔닝하는 데 사용될 수 있다. 레오나르다이트의 탄소 지리격리 가능성은, 특히 토양에서 탄소를 가두고 보유하기 위한 미생물 작용을 빠르게 가속화하기 위해, 갈탄의 유기 비료 측면에 대한 광범위한 연구의 기초를 제공한다.
레오나르다이트는 비료 조성물의 적어도 약 1, 5 또는 10% w/w/의 양으로 존재할 수 있다. 레오나르다이트는 또한 토양에서 영양소 보유 및 또한 포스페이트와 같은 특정 영양소의 식물 흡수를 개선시키기 위한 다양한 농업 시스템에서 널리 사용되는 토양 컨디셔너인 휴믹산의 가치 있는 공급원으로 인식된다. 다른 반탄화된 유기 폐기물과 혼합된 레오나르다이트에 의해 공급되는 기능성 탄소 그룹은 식물 인 흡수를 개선시켜, 잠재적으로 보다 효율적인 인 비료를 제공할 수 있다. 인은 레오나르다이트와 함께 비료에 존재할 수 있다(여기서, 유기물/무기물의 균질한 블렌드가 존재함). 대안적으로, 인은 개별 단계 동안 개별 물질로서 전달될 수 있다. 인이 개별적으로 전달되는 경우, 이는 여전히 토양에 존재할 것이며, 비료 중의 레오나르다이트는 여전히 식물 인 흡수를 개선시킬 수 있다. 이는 무기 물질과 균질하게 블렌딩되지 않고, 대신에 레오나르다이트 결합제와 함께 반탄화된 유기 물질을 포함하는 비료를 사용하는 이점이다. 인이 토양에 고정된다는 점을 고려할 때, 레오나르다이트는 예를 들어, 고랑에 블렌딩된 생성물로서 P 비료에 매우 가깝게 배치되는 것이 필요할 것이다.
일구현예에서, 토양에서 미생물 집단의 활성이 모니터링될 수 있다. 대부분의 미생물은 토양-미생물 활성의 지표로서 사용될 수 있는 탄소질 생성물 또는 가스와 같은 부산물을 생산한다. 미생물이 매우 활성인 경우, 토양의 영양소 함량은 발아 식물을 손상시킬 높은 임계값에 아직 도달하지 않아서, 종자가 심겨질 수 있는 것으로 추론될 수 있다. 미생물이 덜 활성인 경우, 이는 집단이 감소하고 있고 무기 영양소가 미네랄화 프로세스에 의해 곧 유리된다는 것을 나타낼 수 있다. 만약 그런 경우이고 미생물 집단이 아직 감소하는 것이 바람직하지 않은 경우(예를 들어, 식물이 충분히 성숙하지 않을 수 있거나, 종자가 아직 심겨져야 할 필요가 있을 수 있거나, 또는 일부 다른 이유로) 미생물 집단을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 토양에 더 많은 탄소 불안정한 비료를 첨가함으로써 미생물 집단을 증가시키는 것이 가능할 수 있다. 따라서, 토양 시험은 또한 시간 및 위치에 따른 최적 비료 투여량을 결정하는 데 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, (숙련된 기술자에 의해 이해되는 바와 같이) 일부 식물 또는 종자 유형에 유해한 것으로 알려진 바람직하지 않은 미생물 생태계 및/또는 토양에는 미생물 활성이 없다는 것이 확인될 수 있다. 이러한 상황에서, 비료의 입자는 박테리아, 진균, 효모 또는 기타 중 하나 이상을 포함하는 미생물로 접종될 수 있다. 입자의 이러한 접종은 표면 코팅으로서 수행될 수 있다. 코팅은 입자의 제조 동안 적용될 수 있다. 코팅은 농장에서 적용될 수 있다. 코팅은 토양 생태계를 위한 프로바이오틱 및/또는 프리바이오틱으로 생각될 수 있다. 코팅 내의 미생물은 그들 자신의 음식물 공급원과 함께 전달되는 이점을 가지며, 따라서 이들은 토양에 일단 파종되면 입자의 영양소를 본질적으로 대사할 것이다. 미생물이 음식물 공급원을 소모하고 사멸함에 따라, 영양소는 토양으로 제공된다. 일구현예에서, 미생물 접종제는 과립화/펠렛화 단계 후에 첨가될 수 있다. 일구현예에서, 미생물 접종제는 과립화/펠렛화 단계 전에 프로세스에 첨가된다. 일부 미생물은 매우 높은 온도를 견딘다.
논의된 바와 같이, 방법은 유기 및 무기 물질의 균질한 혼합물을 단립자로 형성시키는 단계를 포함한다. 건조 및 고체 비료는 미분, 과립, 펠렛 또는 프릴을 포함할 수 있다. 임의의 형태의 단립자는 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 mm의 중간 평균 직경의 크기를 가질 수 있다. 구현예에서, 적어도 약 80, 90, 95 또는 100%의 단립자는 중간 입자 크기의 1 표준 편차 내에 속한다(이상적으로 >80, 85 또는 90%는 약 2 내지 약 5 mm 범위이다). 고체 비료의 각 입자는 정의된 바와 같은 특징을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 임의의 주어진 혼합물에서, 비료의 입자는 또한 본 발명에 따르지 않는 다른 입자와 함께 존재할 수 있다. 예를 들어, 다른 비료 유형의 펠렛은 오로지 무기 물질의 펠렛을 포함한다.
펠렛과 같은 과립은 분말 물질의 작은 응집체이다. 과립은 이의 둥근 형상으로 인해, 펠렛보다 덜 빨리 붕해되는 경향이 있고, 더 적은 분진을 생성하는 경향이 있고, 구현예에서, 이후에 과립을 통해 균일하게 분포되는 다수의 생성물이 함께 결합될 수 있다. 균일하게 분포된다는 것은, 비료 입자의 임의의 한 위치에서, 무기 및 유기 물질의 상대량이 임의의 다른 위치에서와 거의 동일하다는 것을 의미한다. 과립은 또한 브로드캐스팅 기계를 통해 적용될 때 더욱 공기역학적이며, 따라서 더 넓은 스와스(swath)가 달성될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 펠렛화는 과립을 제조하는 데 사용된다.
비료는 건조 고체로 기술된다. 건조하고 고체라는 것은 물질이 펠렛(과립)의 형태로 취급될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 물질은 트럭에 적재되고 수송된 다음 펠렛화된 물질의 제어된 투여를 위해 설계된 장비를 사용하여 적용될 수 있다. 비료를 형성하는 데 사용되는 성분 중 하나 이상은 액체일 수 있다.
방법은 또한 비료를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 비료는 적어도 약 0.05 내지 약 5 톤/헥타르의 비율로 적용될 수 있다. 일부 구현예에서, 비료는 작물의 수확량을 2, 20, 50, 또는 100%만큼 증가시킬 수 있다. 작물의 성숙은 비료 없이 소요되는 시간의 적어도 5, 8, 또는 10%만큼 앞당길 수 있다. 일부 구현예에서, 비료는 달리 작물에 적합하지 않은 토양을 포함하는 토지의 복원에 사용될 수 있다. 비료의 탄소-불안정한 특성은 미생물 군집이 소비 및 증식하도록 자극할 수 있지만, 이후 음식물 공급원이 고갈됨에 따라 사멸하고 부패한다. 박테리아가 사멸함에 따라, 토양은 달리 결핍되었던 영양소의 방출에 의해 복원될 수 있다. 레오나르다이트는 특히 퇴비와 조합될 때 오염된 땅에서 식물에 의한 금속 흡수를 감소시키기 위해 토양에 직접 첨가될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 작물 수확량을 유지하면서 온실 가스 배출을 감소시키는 방법으로서, 방법은
비료를 브로드캐스팅 장비를 사용하여 단일 패스로 필드에 적용하거나 적용한 단계로서, 브로드캐스팅 장비는 펠렛화된 물질의 제어된 투여를 위해 설계되며, 비료는 고체 펠렛을 포함하며, 각각의 펠렛은 N, P, K, 또는 S 영양소 중 적어도 하나를 포함하는 무기 또는 합성 물질과 불안정한 탄소를 함유한 반탄화된 유기 물질의 균질한 혼합물을 포함하는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.
일구현예에서, 상이한 비료는 동일한 성장 시즌 내에 필드에 적용되지 않는다. 성장 시즌은 지역 조건(강우량, 온도, 일광)이 정상적인 식물 성장을 허용하는 해(year)의 일부이다. 각각의 식물 또는 작물은 이의 유전적 적응(genetic adaptation)에 의존하는 특정 성장 시즌을 갖지만, 성장 시즌은 일반적으로 이들의 특정 작물 및/또는 위치에 대해 당업자에 의해 이해된다.
일구현예에서, 반탄화된 유기 물질은 유사한 수율을 유지하면서, 건조 질량 기준으로, 퇴비가 필드에 적용되는 비율보다 적어도 20% 더 적거나, 적어도 30% 더 적거나, 적어도 40% 더 적거나, 또는 적어도 50% 더 적은 비율로 필드에 적용된다.
일구현예에서, 온실 가스 배출은 퇴비가 필드에 적용되는 비율과 비교하여, 반탄화된 유기 물질이 필드에 적용되는 비율과 적어도 유사한 백분율만큼 감소되며, 예컨대, 반탄화된 유기 물질이 필드에 적용될 때 GHG의 적어도 20% 감소는 퇴비와 비교하여 20%만큼 감소된다.
또 다른 양태에서, 비료의 수명 동안 GHG 배출의 양을 감소시키기 위한 프로세스로서, 프로세스는
유기 폐기물과 같은 유기 자원을 수용하거나 수용한 단계;
유기 자원의 가스 방출성(off-gassable) 성분을 포획하거나 포획하면서 유기 자원을 단립자 형태의 탄소 불안정하고 실질적으로 멸균된 고체 비료로 전환시키는 단계로서, 고체 비료는 펠렛화된 물질의 제어된 투여를 위해 설계된 장비에 의한 전달과 양립 가능한, 단계를 포함하는, 프로세스가 제공된다.
일구현예에서, 유기 자원은 유기 자원의 생산 1주, 2주, 1개월, 2개월, 3개월, 또는 6개월 이내에 수용되어, 유기 자원의 가스 방출을 제한한다.
일구현예에서, 포획된 가스 방출성 성분은 고체 비료 내에 도입되어, 폐기물 스트림을 피하거나 실질적으로 감소시킨다.
일구현예에서, 프로세스는 유기 자원의 가스 방출성 성분을 포획하거나 포획하고 유기 자원을 반탄화시키면서 유기 자원을 단립자 형태의 탄소 불안정하고, 실질적으로 멸균된 고체 비료로 전환시키는 단계를 포함한다.
일구현예에서, 유기 자원을 반탄화시키는 것으로 인한 폐열은 반탄화 전에 유기 자원을 예열하는 데 사용된다.
일구현예에서, 프로세스는 유기 자원의 가스 방출성 성분을 포획하거나 포획한 단계, 및 유기 자원을 반탄화시키는 동안 생성된 반탄화기 가스를 응축시키는 단계를 포함한다.
일구현예에서, 프로세스는 N, P, K, 또는 S 영양소 중 적어도 하나를 포함하는 무기 또는 합성 물질을 고체 비료에 도입시키는 단계를 더 포함하며, 이에 의해 고체 비료는 특정 작물에 필요한 모든 영양소를 포함하고, 이에 의해 고체 비료의 단일 패스가 특정 작물에 대해 필요한 유일한 비료일 수 있게 하여, 비료를 전달하는 것과 관련된 온실 가스 배출을 추가로 감소시킨다.
본 발명의 구현예는 이제 일정 비율로 도시되지 않고 단지 예시적인 것인 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 제안된 비료 포뮬레이션 및 이들의 유기 및 무기 함량을 백분율로 나타낸 표이다.
도 2는 본원에 기재된 프로세스에 따라 반탄화된 유기 폐기물 물질에서 상이한 탄소 유형의 절대 신호 강도의 %를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본원에 기재된 프로세스에 따라 반탄화된 유기 폐기물 물질의 C13 NMR 스펙트럼이다.
도 4는 비교를 위한 (a) 갈탄 및 (b) 그린 폐기물 퇴비의 C13 NMR이다.
도 5는 일구현예에 따른 프로세스의 단순화된 블록도이다.
도 6은 일구현예에 대한 상세한 프로세스 흐름도이다.
도 7은 병원체 시험 결과를 포함하는 (반탄화 후) 유기 물질의 분해(%)를 나타내는 표 1이다.
도 8은 상이한 반탄화된 유기 베이스의 포뮬레이션 및 영양소 함량을 나타내는 표 4이다.
도 9는 결합제로서 칼슘 리그노설파네이트의 사용 후 과립의 파쇄 강도의 그래프이다.
도 10은 샘플 B1의 예측된 및 측정된 영양소 함량을 나타내는 표 5이다.
도 11은 대장균군 수, 파쇄 강도 및 수분 함량을 나타내는 그래프이다.
도 12는 반탄화된 유기 베이스 레시피의 예를 나타내는 표 6이다.
도 13은 본 발명의 구현예에 따른 비료의 조성을 나타내는 표이다.
도 14는 표준 농업 관행으로부터의 GHG 배출을 보여주는 표이다.
도 15는 표준 농업 관행을 나타내는 개략도이다.
도 16은 일구현예에 따른 비료로부터의 GHG 배출량을 나타내는 표이다.
도 17은 개선된 실시를 나타내는 개략도이다.
도 18은 GHG 배출량을 나타내는 그래프이다.
도 19는 적용률 및 수율의 표이다.
도 20은 본 발명의 입자의 일구현예의 개략도이다.
도 21은 토양에 적용되면 비료의 생물학적 방출 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 22는 30일 인큐베이션 동안 모래 및 점토 토양에서 500(A) 및 1000(B) kg ha-1의 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 누적 CO2 방출의 반응(예비 실험)이다.
도 23은 30일 인큐베이션 동안 모래 및 점토 토양에서 500(A) 및 1000(B) kg ha-1의 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 토양 CO2 방출율의 반응(예비 실험)이다.
도 24는 28일 인큐베이션 동안 모래(A) 및 점토(B) 토양에서 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 누적 CO2의 반응이다. 수직 막대는 ± 표준 오차를 나타낸다(주요 실험). 참고: 주요 실험을 위해, 모든 토양은 2주 동안 사전-인큐베이션되었다.
도 25는 28일 인큐베이션 동안 모래(A) 및 점토(B) 토양에서 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 토양 CO2 방출율의 반응이다. 수직 막대는 ± 표준 오차를 나타낸다(주요 실험). 참고: 주요 실험을 위해, 모든 토양은 2주 동안 사전-인큐베이션되었다.
도 26은 필드 시험으로부터의 누적 CO2 배출을 도시하는 그래프이다.
도 1은 제안된 비료 포뮬레이션 및 이들의 유기 및 무기 함량을 백분율로 나타낸 표이다.
도 2는 본원에 기재된 프로세스에 따라 반탄화된 유기 폐기물 물질에서 상이한 탄소 유형의 절대 신호 강도의 %를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본원에 기재된 프로세스에 따라 반탄화된 유기 폐기물 물질의 C13 NMR 스펙트럼이다.
도 4는 비교를 위한 (a) 갈탄 및 (b) 그린 폐기물 퇴비의 C13 NMR이다.
도 5는 일구현예에 따른 프로세스의 단순화된 블록도이다.
도 6은 일구현예에 대한 상세한 프로세스 흐름도이다.
도 7은 병원체 시험 결과를 포함하는 (반탄화 후) 유기 물질의 분해(%)를 나타내는 표 1이다.
도 8은 상이한 반탄화된 유기 베이스의 포뮬레이션 및 영양소 함량을 나타내는 표 4이다.
도 9는 결합제로서 칼슘 리그노설파네이트의 사용 후 과립의 파쇄 강도의 그래프이다.
도 10은 샘플 B1의 예측된 및 측정된 영양소 함량을 나타내는 표 5이다.
도 11은 대장균군 수, 파쇄 강도 및 수분 함량을 나타내는 그래프이다.
도 12는 반탄화된 유기 베이스 레시피의 예를 나타내는 표 6이다.
도 13은 본 발명의 구현예에 따른 비료의 조성을 나타내는 표이다.
도 14는 표준 농업 관행으로부터의 GHG 배출을 보여주는 표이다.
도 15는 표준 농업 관행을 나타내는 개략도이다.
도 16은 일구현예에 따른 비료로부터의 GHG 배출량을 나타내는 표이다.
도 17은 개선된 실시를 나타내는 개략도이다.
도 18은 GHG 배출량을 나타내는 그래프이다.
도 19는 적용률 및 수율의 표이다.
도 20은 본 발명의 입자의 일구현예의 개략도이다.
도 21은 토양에 적용되면 비료의 생물학적 방출 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 22는 30일 인큐베이션 동안 모래 및 점토 토양에서 500(A) 및 1000(B) kg ha-1의 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 누적 CO2 방출의 반응(예비 실험)이다.
도 23은 30일 인큐베이션 동안 모래 및 점토 토양에서 500(A) 및 1000(B) kg ha-1의 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 토양 CO2 방출율의 반응(예비 실험)이다.
도 24는 28일 인큐베이션 동안 모래(A) 및 점토(B) 토양에서 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 누적 CO2의 반응이다. 수직 막대는 ± 표준 오차를 나타낸다(주요 실험). 참고: 주요 실험을 위해, 모든 토양은 2주 동안 사전-인큐베이션되었다.
도 25는 28일 인큐베이션 동안 모래(A) 및 점토(B) 토양에서 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 토양 CO2 방출율의 반응이다. 수직 막대는 ± 표준 오차를 나타낸다(주요 실험). 참고: 주요 실험을 위해, 모든 토양은 2주 동안 사전-인큐베이션되었다.
도 26은 필드 시험으로부터의 누적 CO2 배출을 도시하는 그래프이다.
하기 설명은 유기 폐기물이 닭 폐기물이고 멸균 프로세스가 반탄화인 구현예에 초점을 맞춘다. 이들은 예로서 사용되며, 다른 유기 폐기물이 프로세스로 처리될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 반탄화가 가장 바람직하지만, 당업자는 다른 멸균 기술이 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 그럼에도 불구하고, 반탄화는 저온을 사용하여 유기 폐기물의 탄소 불안정성의 대부분을 유지함으로써 본 프로세스에서 상당한 이점을 제공한다. 탄소 불안정한 생성물은 토양 건강을 최적화하고 첨가된 영양소와 상승적으로 작용하여 특히 유리한 비료를 제공한다. 본원에 기재된 핵심 프로세스는 베이스 물질(반탄화된 닭 폐기물)을 분말로 제조한 다음, '설계된' 영양적 결과를 전달하기 위해 다른 성분과 혼합될 수 있다. 반탄화된 생성물은 '토양 컨디셔닝'에 최적화되어 있다. 무기 첨가제는 영양소 강도를 추가하고 개선된 식물 생산성을 목표로 한다.
인근 양계장으로부터의 미가공 유기 폐기물(육계 깔짚, 층분뇨, 육계 폐사물)은 현장으로 대량으로 전달될 수 있다. 이러한 폐기물은 공급원 농장, 이용 가능한 깔개, 및 계절적 변화에 기반하여 영양소 및 탄소 함량이 달라질 것이다. 사료의 비율은 영양소 함량 및 원하는 생성물에 따라 약간 다를 수 있다. 시간이 지나면, 다른 유기 원료가 공급원료로서 사용될 수 있고, 현장에서 저장 및 취급될 수 있다.
반탄화 프로세스 전에, 동물 폐기물은 강철 또는 콘크리트 벙커에 저장될 수 있다. 바람직하게는, 폐기물은 임의의 가능한 생물학적 위험을 감소시키는 방식으로 저장된다. 동물 폐기물은 인간에게 특히 위험할 수 있으며, 특히 대상 동물이 또한 인간인 경우, 멸균 전에 엄격한 건강 및 안전 조치를 취해야 한다. 배치 리본 혼합기는 분뇨, 깔개 및 사체(사용된 닭)와 같은 가금류 폐기물을 혼합하는 데 사용될 수 있다. 필요한 경우, 미가공 유기 물질은 처리를 위해 반탄화기로 이송되기 전에 파쇄기 및/또는 햄머 밀에서 컨디셔닝될 수 있다.
프런트 엔드 로더(Front End Loader; FEL)는 투입물을 원하는 비율로 호퍼에 로딩할 수 있으며, 여기서 이들은 칭량 공급기를 통해 통과하여 리본 혼합기에서 혼합될 수 있다. 혼합된 물질은 파쇄기로 이송되어, 반탄화기에 공급되기 전에 물질을 분해할 수 있다. 반탄화는 산소 부재 하에서 물질을 250 내지 350℃까지, 및 때때로 450℃까지 가열한다. 반탄화기는 아래의 버너 시스템으로부터의 복사 및 전도를 통해 스크류 컨베이어를 통해 통과하는 물질을 가열함으로써 반탄화를 수행한다. 이는 다음과 같은 결과를 달성한다:
- 물질로부터 대부분의 수분 제거.
- 동물 폐기물 공급원료에 존재할 수 있는 모든 병원체를 변성시킴.
- 동물 폐기물 공급원료에 존재할 수 있는 잔류 살충제/항생제 분자를 변성시킴.
프로세스는 이러한 결과를 달성할 수 있지만, 온도가 열분해 지점에 도달하지 않기 때문에 탄소를 불안정한(사용 가능한) 형태로 유지시킨다.
스팀 및 다른 휘발성 가스는 가스 세정 시스템에서 플래쉬 오프, 포획 및 응축될 수 있으며, 벌크 고체로부터 응축 증기로의 낮은 영양소 손실이 있다.
반탄화기는 목적에 적합한 임의의 장치일 수 있다. 반탄화기는 공기 밀봉될 수 있다. 반탄화기는 가스-연소 외부 가열을 가질 수 있다. 반탄화기는 스크류 컨베이어를 포함할 수 있다. 작동시, 반탄화 온도가 결정될 수 있다. 선택되는 온도는 반탄화될 물질에 대한 사전 경험을 기반으로 한다. 온도는 약 100℃ 내지 약 450℃, 예컨대, 약 250℃ 내지 약 400℃, 또는 약 330℃ 내지 약 380℃의 범위일 수 있다. 제어기는 온도를 유지하기 위해 가열 요소에 적용할 전력량을 설정할 것이다. 온도가 설정 범위 내에 유지되도록 하기 위해 온도 조절기가 사용될 수 있다. 온도가 요망되는 수준에 도달한 후, 습식 바이오 고형물(유기 폐기물)은 반탄화기의 유입구 포트를 통해 연속적인 방식으로 도입될 수 있다. 유기 폐기물은 스크류 컨베이어에 의해 픽업되어 반탄화 챔버로 수송될 수 있다. 물질이 반탄화기를 통해 통과하는 속도는 컨베이어의 회전 속도에 의존할 것이다. 열은 외벽을 통한 전도 및 수송 동안 고체에 가해지는 복사 가열을 통해 가해진다.
일구현예에서, 반탄화기는 직렬로 하나 초과의 스크류 컨베이어를 포함할 수 있다. 반탄화기 공급 속도는 주 스크류 유출구의 온도를 조절하는 피드백 루프를 통해 제어될 수 있으며, 이는 공급 물질을 기준으로 추정된 생성물 수분 함량(약 7 내지 10%)을 제공한다. 유출구 온도 설정은 수분 분석에 기초하여 조정될 수 있고, 공급 물질의 열분해를 허용 가능한 속도로 최소화하도록 제한될 수 있다.
모든 반탄화기 투입물 및 반탄화기 유닛 자체는 전용 빌딩에 위치될 수 있다. 이는 현장으로 전달되는 미가공 유기 물질에 존재할 수 있는 병원균에 의한 최종 생성물의 오염 위험을 관리하는 데 도움이 될 수 있다. 병렬로 3개의 반탄화기 유닛(단일 공급 시스템, 단일 응축물 시스템)이 존재할 수 있다.
고체가 반탄화되면, 처리된 유기 물질은 반탄화기 외부로 수송될 수 있다. 물질은 반탄화 챔버로부터 적합한 용기로 중력 하에 떨어질 수 있다. 반탄화된 물질은 추가 취급을 돕기 위해 실온에서 또는 바로 그 초과로 냉각될 수 있다. 선택적으로, 냉각은 워터 재킷형 스크류 컨베이어를 통한 반탄화 후 냉각이다. 반탄화된 물질로 충전된 용기는 백 언로더(bag unloader)에 의해 지지되는 백일 수 있다. 미리 결정된 간격으로, 반탄화된 물질은 멸균 요건 및 수분 함량을 충족하는 지를 확인하기 위해 시험될 수 있다. 임의의 시험 문제가 있는 경우, 프로세스가 중단될 수 있으며, 반탄화기의 파라미터가 조정될 수 있다.
반탄화기 생성물은 중간 사일로에서의 저장을 위해 인접한 과립화 빌딩으로 이송될 수 있다. 이러한 사일로는 농장 내 반탄화 유닛으로부터 반탄화된 물질의 향후 "허브 & 스포크(hub & spoke)" 공급을 지원하기 위해 인피드 시스템(infeed system)의 개보수를 가능하게 하도록 설계될 수 있다.
무기 비료(예를 들어, RPR/SOP 블렌드, 우레아, DAP/MOP 블렌드)는 현장에 대량으로 전달되고 스크류 컨베이어를 통해 저장 사일로로 오프로딩될(offload) 수 있다. 다른 미량 영양소(예를 들어, Zn/Cu/Mo 물질)가 1 톤(T) 백으로 전달되고 향후 필요에 따라 사용하기 위해 저장되는 설비가 있을 수 있다.
레오나르다이트는 총 생성물의 적어도 약 2, 5, 10 또는 15%의 양으로 첨가될 수 있다. 레오나르다이트는 현장에 대량으로 또는 예를 들어, 1 톤(T) 백으로 전달되고 필요에 따라 사용을 위해 저장될 수 있다. 레오나르다이트는 병원체가 없는 물질이기 때문에 반탄화 후에 첨가될 수 있으며, 이는 과립화를 돕고 토양 건강에 기여하는 것으로 생각되는 높은 탄소 함량 및 휴믹산의 존재로 인해 첨가된다.
반탄화된 유기물, 레오나르다이트 및 무기 비료의 균질한 혼합물을 함유하는 최종 생성물 과립을 수득하기 위해, 물질은 혼합되고 햄머 밀에서 그라인딩되어 요망되는 크기 감소를 달성한 다음, 혼합기에서 습윤화되어 담수, 회수된 응축물 또는 다른 영양소 풍부 물을 사용하여 수분 함량을 증가시키고, 이후에 펠렛화 또는 과립화 프로세스로 보낸다.
펠렛화는 혼합물을 펠렛 압출기 및 절단기로 수송한 후, 선택적으로 3개가 직렬로 배열된 볼링 밀을 수행하는 것을 포함한다. 모든 적절한 단계에서, 분진을 감소시키고 펠렛을 구체로 둥글게 만드는 것을 돕기 위해 액체가 분무될 수 있다.
과립화는 혼합물을 회전 드럼으로 수송하는 것을 포함하며, 이에 의해 재생 물질 및 수분이 또한 첨가된다. 드럼의 롤링 작용은 재순환된 언더사이즈 물질의 크기를 증가시키기 위해 새로운 물질 코팅 및 포밍을 초래하여, 재순환 공급물과 비교하여 과립기 생성물의 전체 크기 분포를 증가시킨다.
공급, 혼합 및 밀링 프로세스는 연속적인 그라인딩 공급물의 스트림을 습식 혼합기로 전달하기 위해 연속적일 수 있다. 일부 혼합물은 다른 혼합물보다 펠렛화에 더 적합하다. 당업자는 사용되는 혼합물에 적합한 것을 확인하기 위해 펠렛화 및 과립화를 시도할 수 있다.
펠렛화의 원리는 펠렛화기로의 모든 공급물을 설정 수준으로 습윤시켜 다이를 통해 통과하기에 충분한 윤활과 함께 압력 하에 물질의 충분한 조합을 달성하는 것이다. 물이 충분하거지 않거나 너무 많으면 롤-헤드 및 다이의 플러깅/보깅(plugging/bogging)뿐만 아니라 약한 생성물 및 과잉 미분이 발생할 수 있다.
펠렛화를 사용하여 제조된 생성물의 경우, 미가공 밀링된 공급물은 펠렛화 전에 혼합물을 습윤시키기 위해 첨가된 물(또는 반탄화기 응축물) 및 재순환된 언더사이즈 생성물과 함께 습윤 혼합기에 들어갈 수 있다. 펠렛화/볼링 프로세스는 대략 70%의 온-사이즈 생성물을 수득할 것으로 예상되어, 펠렛화기에 공급된 모든 물질의 약 30%가 재순환으로서 다시 회수된다(0.43:1 재순환 비율).
습윤된 물질은 평행한 펠렛화기(2 × 50% 듀티(duty))에 공급되어 생성물의 작은 실린더를 생성한 다음, 일련의 볼링 밀에 공급하여 펠렛의 날카로운 에지를 둥글게 하고 이들의 형상을 구체로 변경할 수 있다. 볼링 밀은 생성물을 디스크 주위의 수직 벽으로 던지는 회전 디스크로 구성되며, 이는 밀 주위에서 회전함에 따라 벌크 물질에 롤링 작용을 부여한다. 에지의 연화를 돕고 펠렛을 가소화하여 형상을 변화시키기 위해 물(또는 반탄화기 응축물)이 첨가될 수 있다. 볼링은 또한 일부 미분의 조합을 보다 큰 온-사이즈 입자로 생성할 것이다. 둥근 물질은 이후 하류 건조기 및 스크리닝 프로세스로 공급될 수 있다.
과립화는 혼합물을 큰 개방형 회전 드럼으로 수송하는 것을 포함하며, 이에 의해 재순환된 언더사이즈 과립도 또한 공급된다. 새로운 혼합물 및 재순환된 과립은 선택적으로 드럼에 공급되기 전에 혼합될 수 있고, 혼합기에서 합한 벌크 수분이 증가될 수 있다. 드럼의 롤링 작용은 재순환/새로운 입자와 새로운/새로운 입자 사이에 친밀한 접촉을 생성하여 재순환된 물질을 새로운 물질로 코팅하여 이들의 입자 크기를 증가시킨다. 또한, 상이한 더 작은 입자의 응집이 발생하여 새로운 더 큰 과립을 생성한다. 습윤 스프레이는 과립 성장/형성을 돕기 위해 드럼 내의 물질의 베드 상에 물 또는 다른 액체를 분무하는 데 사용될 수 있거나 사용되지 않을 수 있다. 출구에서의 크기 분포는 통상적으로 20% 내지 80% 온 사이즈 과립을 생성할 것이다(제조되는 생성물에 따라 다름). 과립화된 물질은 이후 하류 건조기 및 스크리닝 프로세스에 공급될 수 있다.
가스 버너는 과립을 건조시키기 위해 건조기 드럼으로 공급되는 공기를 가열하는 데 사용될 수 있다. 건조기 배기 가스는 세정된 가스를 대기로 배기시키는 추출 팬과 함께, 백 하우스를 통해 포획될 수 있다. 건조 고체 비료 생성물은 스크리닝될 수 있다(2 데크 진동 스크린). 오버사이즈 스크리닝 후, 생성물은 미분 스크린을 통과하여 언더사이즈를 제거할 수 있다. 사양에 따라 회전식 냉각기 드럼을 통과한 다음 연마 스크린을 통과하여 분진을 제거한다. 미분 및 연마 스크린으로부터의 언더사이즈는 펠렛화기 또는 과립기로 다시 재순환될 수 있다. 선택적으로 과립 형태의 건조 고체 비료 생성물은 저장 안정성을 위해 및 과립에서 병원체의 재성장을 방지(또는 적어도 감소)시키기 위해 약 10, 8 또는 5% 미만(바람직하게는 5% 미만)의 수분 함량을 가질 수 있다.
냉각 및 연마 스크린 후, 생성물은 벌크 트럭(bulk truck)으로의 발송을 위해 현장 저장 사일로 또는 벌크 저장 창고로 운반되거나, 예를 들어, 1T 백에 저장되도록 현장 배깅 라인에 공급될 수 있다. 생성물이 모든 요구되는 표준을 충족한다고 가정하면, 이는 대량으로 판매되거나 백으로 판매되고, 판매 및 사용을 위해 표시될 수 있다.
실시예
본 발명의 구현예는 이제 하기 비제한적인 실시예를 참조하여 예시될 것이다.
실시예 1 - 비료의 예측된 영양소 함량을 결정하는 방법
비료 포뮬레이션의 효과를 결정하기 위해, 본 개시에 따라 다양한 포뮬레이션이 생성될 수 있다. 이후, 당업자는 어떤 포뮬레이션이 어떤 유형의 토양 및 그 토양에서 성장하고자 하는 식물의 유형에 사용하기에 가장 최상인 지를 결정할 수 있다. 예로서, 상이한 포뮬레이션이 제안되며, 이들은 내부 참조를 위해 A 내지 M으로 표지될 수 있다.
예로서, 비료 포뮬레이션 A는 닭 분뇨 깔짚, 층분뇨 및 사용된 암탉을 포함하는 유기 물질의 반탄화에 의해 제조될 수 있다. 유기 물질은 저장되고 이후 반탄화기로 이송될 수 있다. 150℃ 내지 약 350℃의 온도는 폐기물을 반탄화시키기 위해 약 5 내지 약 30분 동안 사용될 수 있다. 고체가 반탄화되면, 처리된 유기 물질은 반탄화기 외부로 수송되고 용기에 수집되기 전에 냉각될 수 있다. 배치는 용기로부터 취해질 수 있고, 더 짧은 시간이 사용될 수 있지만, 예를 들어, 최대 20분 동안 밀(예를 들어, 햄머 밀)에서 그라인딩되기 전에 반탄화된 물질이 혼합될 리본 혼합기로 보내질 수 있다. 암모늄 설페이트 및 APP와 같은 액체 및 고체 무기 비료는 그라인딩된 생성물에 첨가되고 혼합될 수 있다. 유기 성분은 약 20 내지 80%일 수 있으며; 결합제는 약 5 내지 10%일 수 있으며; 무기 성분은 그라인딩된 물질의 총 중량의 약 20 내지 70%일 수 있다. 혼합된 유기 및 무기 물질은 펠렛화를 위해 보내질 수 있다.
비료에서 탄소(C), 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 황(S) 및 칼슘(Ca)의 예측된 분해는 도 1의 표 1에 나타나 있다.
도 1의 표 1은 또한 상기 기재된 것과 유사한 방식으로 제조될 수 있는 조성물 B 내지 M의 제안된 포뮬레이션을 나타낸다.
상이한 포뮬레이션에 추가하여, 반탄화기에서 소요된 시간은 30분 내지 15분, 1시간, 2시간, 3시간으로 다양할 수 있다. 또한, 온도의 영향은 150℃ 내지 350℃에서 조사될 것이다. 또한, 그라인딩에 소요된 시간은 20분 이상 또는 미만일 수 있다.
이후, 비료 각각은 식물 성장 및 전반적인 건강을 촉진하는데 있어서의 이들의 효능을 결정하기 위해 토양에서 시험될 수 있다.
실시예 2 - 반탄화된 생성물의 분석
포뮬레이션의 반탄화된 유기 성분의 멸균 특성은 도 7에 도시되어 있다.
반탄화된 물질의 탄소 불안정한 특성의 분석을 수행하였다. 결과는 도 2에 도시되어 있다. 반탄화된 물질은 다양한 탄소 형태를 함유한다. 고려되는 주요 형태는 다음과 같다:
카복실 C - 이는 단쇄 유기산을 포함하는, 카복실산을 포함한다. 이들은 영양소 이용 가능성에 영향을 미치는 토양 프로세스에 기여한다. 이들은 토양 미생물에 의해 쉽게 분해될 수 있다.
아릴 C - 이들은 보다 '성숙한' 유기 물질의 기능인 벤젠 고리 구조를 도입하는 방향족 C 화합물을 포함한다. 이러한 화합물은 또한 영양소 이용 가능성에 기여하지만, 이들의 고리 구조가 미생물 분해에 더 내성이기 때문에 토양에서 더 긴 체류 시간을 갖는다. 이들은 C 격리에 기여할 수 있다.
O-알킬 C - 이러한 부류는 모든 다당류(당-유형) 및 탄수화물 화합물을 포함한다. 이들은 용이하게 이용 가능한 미생물 기질이기 때문에 국소화된 미생물 활성을 자극할 것이다. 이러한 물질은 '프라이밍(priming)' 효과를 가질 수 있으며, 이에 의해, 이는 또한 이용 가능하지 않은 다른 토양 C 공급원의 미네랄화를 자극한다.
알킬 C - 이러한 부류는 지방산, 지질 및 기타 장쇄 지방족 화합물을 포함한다. 이들은 에너지원으로서 미생물에 의해 소비될 가능성이 높지만, 이들은 영양소 방출 또는 C 격리에 기여하지 않는다.
13C NMR 스펙트럼은 도 3에 나타나 있으며, 다양한 C 부류는 상이한 '화학적 이동'에서 피크의 그룹으로서 측정된다. 약 70 ppm에서의 큰 피크는 다당류/탄수화물 피크이다. 이러한 형상의 스펙트럼은 다른 퇴비형 유기 개질제에서 보이는 것과 유사하다. 따라서, 반탄화는 퇴비화와 같은 다른 유기 프로세싱의 많은 이점을 유지하면서 탄소를 농축시키고 병원체를 제거한다. 갈탄 및 퇴비와 비교하여 또 다른 NMR 예가 도 4에 도시되어 있다.
실시예 3 - 일구현예에 따른 비료의 제조의 특정 예
도 5 및 도 6의 흐름도는 원료로부터 최종 과립의 패킹까지의 프로세스의 개략도를 제시한다. 단계는 아래에 개략되고, 도 5에 표시되어 있다.
1. 유기 원료(닭 깔짚, 닭 분뇨, 및 닭 사체를 개별 구획에서 수용함).
2. 모든 유기 원료를 특정 비율로 리본 혼합기에 공급하고(예를 들어, 도 13의 표), 파쇄기에 들어가기 전에 잘 혼합하였다.
3. 반탄화 프로세스에 들어가기 전에 혼합물을 작고 일관된 입자 크기로 파쇄하였다. 이러한 단계는 일관된 크기로 인해 균일한 반탄화(열 분포)를 가능하게 하였다.
4. 파쇄된 혼합물을 반탄화기 유닛에 도입하였으며, 여기서 혼합물을 산소의 부재 하에 330℃의 상승된 온도에 노출시켰다. 반탄화 프로세스는 혼합물의 수분을 상당히 감소시켰다(40% 수분 함량에서 10% 수분 함량 미만으로).
5. 이후, 반탄화된 유기 물질을 특정 비율, 예를 들어, 도 13의 표(생성물 포뮬레이션 레시피에 따름)로 무기 비료 과립 및 결합제와 함께 혼합기에 도입하였다.
6. 이후, 유기 및 무기 물질의 혼합물을 햄머 밀에 도입하여 입자를 그라인딩하고 균질성을 위해 물질을 추가로 혼합하였다. 최종 혼합 펠렛의 조성의 균질성의 예는 도 10에 도시되어 있다.
7. 이후, 밀링되고 균질화된 혼합물을 액체(물 또는 액체 비료 또는 프로세스로부터의 응축물)가 펠렛화를 위해 제조되는 혼합물에 첨가되는 습식 스테이션에 도입하였다.
8. 이후, 습윤 혼합물을 과립화를 위해 펠렛화기에 도입한다.
9. 펠렛화기로부터의 과립을 액체(물 또는 프로세스로부터의 응축물)와 함께 연마기에 도입하여 과립 표면을 추가로 연마하고 균일한 구형 과립을 생성시켰다.
10. 연마된 과립을 건조기에 도입하여 과잉 수분 함량을 제거하였다. 수분은 적어도 약 1% 내지 최대 약 9%의 범위로 감소되었다.
11. 이후, 건조된 과립을 가능하게는 주위 냉각 또는 팬에 의해 저장 온도로 냉각시켰다.
12. 냉각된 과립을 저장 또는 패킹으로 발송하기 전에 덩어리(lump) 및 큰 입자 크기에 대해 추가로 스크리닝하였다.
실시예 4 - 반탄화된 베이스의 선택
생성물에 사용된 동물 폐기물을 다양한 비율로 반탄화시켜 "베이스(base)"를 생산하였다. 이들 베이스 중 4개에 대한 영양소 분석 결과는 도 8의 표 4에 제시되어 있다. 베이스의 수분 함량은 다양하고, 분뇨/사체(습윤)의 존재에 따라 증가되었고 깔짚(건조 물질)의 존재에 따라 감소한다. 그러나, 수분 함량의 변화 외에, 유기 공급원료의 전체 영양소 함량은 최종 생성물에서 불안정한 탄소의 양에 유의하게 영향을 미치지 않는 것으로 밝혀졌다. 이는, 생성된 탄소 함량이 전체의 약 30 내지 약 40% 범위인 경우 개선된 비료가 반탄화된 베이스에서 다양한 백분율의 깔짚/분뇨/사체를 용인할 수 있음을 의미한다.
3개의 배치의 유기 폐기물을 또한 독립 실험실(SWEP)에 의해 반탄화 후 영양소, 탄소 및 병원균에 대해 분석하였다. 결과는 도 7의 표 1에 제시되어 있다. 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 반탄화된 생성물은 대장균, 살모넬라 및 리스테리아의 부재(총 대장균군(<3))로 인해 실질적으로 멸균된다. 대장균군의 결핍은 또한 도 11의 그래프에서 볼 수 있다. B1 및 B4로 표지된 비료는 대장균군, 요망되는 경도 및 요망되는 수분 함량을 갖지 않는다.
실시예 5 - 경도/파쇄 강도
과립 경도의 척도인 파쇄 강도는 과립 성능 지표로 사용된다. 파쇄 강도(과립 경도)를 추가로 개선시키기 위해 과립화 결합제로서 리그노설포네이트를 사용하여 실험을 수행하였다. 도 9는 하나의 이러한 실험으로부터의 결과를 보여준다. 도 9의 데이터로부터, 10% 미만의 수분 함량에서 칼슘 리그노설파네이트를 갖는 과립의 경도가 결합제가 없는 경우보다 유의하게 더 높다는 것을 알 수 있다.
실시예 6 - 개선된 비료 포뮬레이션
유기 및 무기 물질을 포함하는 비료 펠렛을 제조하기 위해 반탄화 및 과립화 프로세스를 사용하여 다수의 포뮬레이션을 생산하였다. 이후, 반탄화된 유기 물질을 다양한 혼합물 및 비율로 무기 비료와 혼합하고, 혼합물을 과립화하였다. 조성물은 도 13의 표에 제시되어 있다. 최종 과립을 영양소, 수분 및 조성 분석을 위해 실험실로 보냈다.
상이한 토양 구조 및 영양소 조성에서 비료 생성물(들)의 효과를 이해하기 위해 토양 인큐베이션 및 온실 실험을 모래 토양 및 점토 토양에서 수행하였다.
토양 인큐베이션
● 유기 물질의 분해는 두 토양 유형 모두에서 관찰되었지만, 이는 점토에 비해 더 낮은 영양소 로딩, 유기 물질 및 미생물 활성으로 인해 모래 토양에서 더 명확하게 관찰되었다.
● 양이온의 방출은 실험 기간 동안 관찰되었으며, 이는 CEC, C:N 비 및 불안정한 탄소 사이의 관계에 반영되었다.
● 칼륨 및 인의 미네랄화가 관찰되었으며, 이들의 대조군과 비교하여 반탄화된 유기 생성물에서 발생하는 미네랄화가 증가하였다.
● 반탄화된 유기 생성물은 대조군과 비교하여 실험 기간 동안 유사한 암모늄 및 니트레이트를 갖는 것으로 관찰되었으며, 이는 두 토양 모두에서 주요 질소 고정화가 발생하지 않았음을 보여주었다.
● 높은 유기물 함량 및 미생물 활성으로 인해, 암모늄 N은 니트레이트 N으로 빠르게 전환되는 것으로 관찰되었다.
● 일부 반탄화된 유기 생성물은 이들의 대조군에 비해 N에 대해 더 느리고 더 제어된 방출을 갖는 것으로 관찰되었다.
온실
● 생성물(들)의 성능은 옥수수(점토) 및 상추(모래) 둘 모두에 대해 단순한 토양(즉, 비료 제어 없음)보다 더 우수하여, 증가된 수확량 및 더 높은 영양소 흡수를 제공한다.
● 농경학적 효과는 점토 토양의 비옥도가 더 높기 때문에 점토 토양보다 모래 토양에서 더 분명하다.
● 생성물(B4)에 대한 상이한 적용율을 시험하였고, 최적 범위가 확인되었다.
● 다른 모든 처리에 대해 2개의 적용율을 시험하였다. 생성물 별로 다양한 반응이 관찰되었다.
필드 시험은 추가적인 퇴비화된 닭 분뇨로 처리된 반면, 화분 시험은 추가적인 미가공 닭 분뇨로 처리되었다. 분뇨 또는 퇴비의 개별 적용 후 통상적인 NPK 비료의 적용을 갖는 ABF 생성물(예를 들어, B1, B4, B5, B6, B7, D5 등)과의 비교를 위해 분뇨/퇴비를 첨가하였다. 영양소 이용 가능성은 미가공 분뇨 또는 퇴비화된 분뇨와 유사할 것으로 예상되며, 즉, 퇴비화된 물질은 단순하게 더 적은 병원체를 가지고, 일부 경우에, 약간 더 적은 질소(퇴비화 동안 손실됨)를 갖는다.
% 건조물 수율은 대조군(비료가 적용되지 않음)으로 나눈 건조물(화분당 그램)이다.
가설 1: 반탄화된 유기 물질은 분뇨/퇴비에 비해 우수하거나 더욱 우수할 것이다.
결과: 사실
C1 반탄화된 유기물에는 무기 물질이 첨가되지 않았다. 이러한 실험은 반탄화된 유기 물질의 불안정한 탄소가 단독으로 사용될 때 분뇨 또는 퇴비보다 우수함을 입증하기 위한 것이다. 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 필드 시험에서 % 건조 물질은 일반적으로 개선된 비료 조성물에서의 이의 사용을 위해 지지체를 첨가하는 반탄화된 물질의 사용에 의해 증가된다.
가설 2: 공동-과립화된 반탄화된 유기물/무기 화학 비료 화합물은 분뇨/퇴비 + NPK 화학 비료 블렌드와 마찬가지로 우수할 것이다.
결과: 사실
본 발명의 구현예에 따른 B4, B5 및 B6 조성물은 각각 32.5%의 반탄화된 유기 베이스 및 67.5%의 무기 물질을 갖는다. 접미사 4, 5 및 6은 B 포뮬레이션 각각이 약간 상이한 무기 포뮬레이션을 갖는 것을 나타내기 위해 사용된다. 포뮬레이션의 정확한 영양소 %는 도 13의 표에 제시되어 있다.
전반적인 성능을 고려할 때, NPK 블렌드 + 퇴비/분뇨에서, 포뮬레이션은 2개의 개별 단계로 전달되어야 하며, 이는 상기 배경기술 섹션에 기재된 바와 같은 단점이라는 것을 명심해야 한다. 따라서, 필드 시험 상추 및 필드 시험 브로콜리에서 관찰된 개선은 본 발명의 구현예에 따른 비료 B4, B5 및 B6이 한 단계로 첨가되었기 때문에 상당한 개선이다.
가설 3: 공동-과립화된 반탄화 유기물/화학 비료 화합물은 분뇨/퇴비 + NPK 화학 비료 화합물에 비해 우수하거나 더욱 우수할 것이다.
결과: 사실
NO3PK는 종종 상표명 Nitrophoska로 지칭된다. 단독으로 또는 퇴비/분뇨와 함께 사용된 Nitrophoska와 비교할 때 B7의 개선된 결과는 표에 제시된 결과로부터 명백할 것이다. 상추에 대한 % 건조물 수율은 본 발명의 일구현예에 따른 개선된 비료 B7을 사용할 때 26%에서 31%로 증가하였다. 옥수수에 대한 % 건조물 수율은 본 발명의 일구현예에 따른 개선된 비료 B7을 사용할 때 107%에서 136%로 증가하였다.
가설 4: 공동-과립화된 반탄화 유기물/SOA 화합물은 SOA에 비해 우수하거나 더욱 우수할 것이다.
결과: 사실
단독으로 사용된 SOA와 비교할 때 B2의 개선된 결과는 상기 표에 제시된 결과로부터 명백할 것이다. 상추에 대한 % 건조물 수율은 본 발명의 일구현예에 따른 개선된 비료 B2를 사용할 때 66%에서 138%로 증가하였다. 옥수수에 대한 % 건조물 수율은 본 발명의 일구현예에 따른 개선된 비료 B2를 사용할 때 36%에서 66%로 증가하였다.
가설 5: 공동-과립화된 반탄화 유기물/MAP-S-Zn 화합물은 Granulock Z에 비해 우수하거나 더욱 우수할 것이다.
결과: 사실
MAP-S-Zn은 Incitec Pivot의 등록 상표인 상표명 Granulock Z로 지칭된다. 단독으로 사용된 MAP-S-Zn과 비교할 때 B3의 개선된 결과는 상기 표에 제시된 결과로부터 명백할 것이다. 상추에 대한 % 건조물 수율은 본 발명의 일구현예에 따른 개선된 비료 B3을 사용할 때 100%에서 138%로 증가하였다. 옥수수에 대한 % 건조물 수율은 본 발명의 일구현예에 따른 개선된 비료 B2를 사용할 때 32%에서 56%로 증가하였다.
가설: 공동-과립화된 반탄화된 유기물/우레아 화합물은 Si & DMP 억제제의 첨가에 따라 유의한 수율 증가를 제공할 것이다.
결과: 사실
규소, 아연 및 DMP의 첨가를 갖는 D5의 개선된 결과는 포뮬레이션 D1과 비교할 때 볼 수 있다. 상추에 대한 % 건조물 수율은 본 발명의 일구현예에 따른 D5를 사용할 때 38%에서 77%로 증가하였다. 옥수수에 대한 % 건조물 수율은 본 발명의 일구현예에 따른 개선된 비료 D5를 사용할 때 77%에서 86%로 증가하였다.
실시예 7 - GHG 배출
온실 가스는 다음과 같이 계산되었다:
- 1 리터 디젤 = 3.28 kg CO2e
- 1 kg N2O = 265 kg CO2e
- 1 kg CH4 = 24 kg CO2e
표준 농업 관행에 따라 이론적으로 적용되는 비료의 경우:
대조군: 퇴비를 1년에 1회 2 t/ha의 건조물 동등물로 표면 적용하고, NPK 비료를 500 kg/ha로 1년에 4회 힐(hill) 내에 드릴링되는 개별 적용으로 적용하였다.
도 14의 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 비료의 LCA에 대한 GHG 배출량을 평가하기 위해, 퇴비화 동안 닭 깔짚의 가스 방출(off-gassing)은 약 365 kg GHG CO2e/건조 물질(DM) 톤으로 추정된다.
닭 깔짚의 수송 로드는 퇴비화 현장으로의 유기물 깔짚의 수송을 위해 50 km 및 농장까지의 화물 수송을 위해 약 50 km로 추정된다(총 100 km). 디젤의 양은 약 5.5 kg GHG CO2e/tDM으로 추정된다. 이는 또한 도 15에 개략적으로 도시되어 있다. 도 15는 또한 하기에 추가로 논의되는 무기물 수송을 보여준다.
필드에서 비료의 살포 로딩은 약 3.3 kg의 GHG CO2e/tDM을 발생시키는 것으로 추정된다.
필드에서, 방출된 GHG는 232 kg GHG CO2e/tDM인 것으로 추정된다.
전체적으로, GHG CO2e/ha는 퇴비 DM 1 톤당 606.56이다. 건조물 기준으로 연간 2톤의 퇴비가 적용되므로, 총 GHG CO2e/ha는 1213.12 kg이다.
원예 재배자가 연간 4개의 작물을 심고 있고, 퇴비가 연간 1회 적용되다고 가정된다.
본 개시의 일구현예에 따라 이론적으로 적용되는 고체 비료
고체 비료는 약 1/3의 유기 물질을 함유하고, 힐 내에 1년에 4회 750 kg/ha로 드릴링되어, 매회 250 kg의 유기 물질을 제공한다. 공급된 총 유기 물질은 1년의 과정에 걸쳐 1000 kg/ha이다.
도 16의 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 비료의 LCA에 대한 GHG 배출량을 평가할 목적으로, 닭 깔짚은 반탄화되기 때문에 가스가 방출된다. 퇴비화 동안 시간이 지남에 따라 닭 깔짚이 천천히 분해되기보다는, 도 5에 개략된 것과 유사한 프로세스를 사용하여 닭 깔짚을 반탄화시킨다. 반탄화 동안 생성된 가스는 대부분 응축된다. 따라서, 반탄화기 및 다른 프로세스 장비의 GHG 배출량만이 계산된다. 이들은 333 kg GHG CO2e로 추정된다.
닭 깔짚 퇴비의 반탄화기로의 수송 로드는 50 km, 및 농장까지 약 50 km의 반토화된 물질의 운송으로 추정된다(총 100 km). 디젤의 양은 약 3.8 kg GHG CO2e로 추정된다. 이는 도 16에 개략적으로 도시되어 있다.
필드에서 비료의 드릴링은 약 1.64 kg의 GHG CO2e를 생성하는 것으로 추정된다.
필드에서, 방출된 GHG는 273 kg GHG CO2e인 것으로 추정된다.
전체적으로, GHG CO2e/ha는 611.65 kg이다. 1년에 1톤의 유기 기반 비료의 동등물이 적용된다.
원예 재배자가 연간 4개의 작물을 심고 있으며 퇴비를 적용하지 않는다는 가정하였다.
상기 실시예는 본 비료에 대한 GHG 배출의 감소를 입증한다. 표준 관행의 경우, 퇴비로서 1년에 2 t/ha의 건조 물질이 존재한다. 본 발명에 따른 비료의 경우(생성물이 약 33%의 유기 물질이라고 가정함), 연간 유기물로서 250 kg 또는 단지 총 1 t/ha의 건조 물질이 4회 적용된다. 따라서, 표준 관행의 비료와 비교할 때 본 발명에 따른 비료에 적용되는 유기 물질의 양은 절반이다.
실시예 8 - 필드 시험
실시예 7의 필드내 배출량(in-field emission) 계산을 필드 시험에서 검증하였다. 셀러리 농장에서, 4가지 처리를 적용하였다:
대조군(비료 없음);
다양한 단계에서 무기 NPK 비료 + 측방 시비(side dress) N 적용;
에이징된 닭 분뇨 + 무기 비료; 및
반탄화된 유기물(C1, 도 13 참조) + 무기 비료.
2개의 유기 처리를 동등한 N 비율/ha로 적용하여, 반탄화된 유기물이 습윤물 기준으로 분뇨의 비율의 64%로 적용되도록 하였다(분뇨에서 물 손실을 고려함 - 대략적으로 동등한 건조 질량의 각 유기물 유형이 적용됨). 에이징된 분뇨는 건조물 기준으로 3.24% N인 반면, C1은 건조물 기준으로 대략 3.6% N이므로, 약간 적은 양의 C1이 적용되었다.
결과는 도 18 및 도 26에 제시되어 있다. 반탄화된 유기물 및 무기 비료로 처리된 필드 부분은 에이징된 닭 분뇨 + 무기 비료보다 전체 GHG 배출량이 적었다. 데이터는 대략 동등한 톤수에서, 본 개시의 일구현예에 대한 GHG 배출량이 통상적인 기존 유기 비료의 배출량보다 적다는 것을 보여준다. 요점은 유사(N 비율) 기준으로, 유사하거나 약간 더 낮은 전체 CO2-e 배출이 발생했지만, 생산 데이터는 동등한 생산 결과가 실질적으로 더 낮은 비율의 C1 v의 에이징된 분뇨 또는 퇴비로 달성될 수 있음을 보여준다는 것이다.
분뇨에 비해 반탄화된 물질로부터의 약간 더 높은 N2O 배출은 초기 단계에서 식물에 대한 더 나은 영양소 이용 가능성을 시사한다는 것이 주목된다. 배출은 에이징되지 않은 신선한 분뇨로부터 더 높을 것으로 예상된다.
실시예 9 - 추가 필드 시험
실시예 7의 수명 주기 분석은 기존 유기 비료와 비교하여 본 발명의 생성물의 톤수를 절반으로 감소시키는 능력에 기초하였다. 더 낮은 비율의 반탄화된 물질(또는 무기물과 배합된 반탄화된 베이스)이 사용될 수 있음을 입증하기 위해, 브로콜리 필드 시험 수율로부터의 데이터를 수집하였다. 결과는 도 19의 표에 제시되어 있다.
도 19의 표는 0.5 비율의 반탄화된 유기물(C1)을 2배 비율(1x)의 퇴비와 비교할 때 수율에서 유의한 차이가 없음을 분명히 나타낸다.
유사하게, 1x 비율의 반탄화된 유기물을 2x 비율의 퇴비와 비교하는 경우, B7(도 13 참조)을 더 높은 비율의 NPK 화합물 + 퇴비의 개별 적용과 비교할 때 동일한 경향이 존재한다. 동일한 문자가 처리와 함께 있는 경우, 이러한 처리는 95% 신뢰 수준에서 유의하게 다르지 않았다.
결론 - 본 발명의 일구현예에 따른 실질적으로 더 낮은 비율의 비료는 실질적으로 더 낮은 GHG 배출을 발생시키면서 동일한 생산 결과에 도달하는 데 사용될 수 있다.
이러한 비율 감소가 실용적이라는 것을 입증하는 시험과는 별도로, 과립 물질은 뿌리 영역에 배치되는 반면, 퇴비는 일반적으로 뿌리 영역에 부분적으로만 분포되어 결과적으로 손실에 더 취약하다는 점에서 의미가 있다.
실시예 10 - 생물학적 방출 프로파일
일구현예에 따른 비료의 생물학적 방출 프로파일은 도 21의 그래프에서 볼 수 있다. 그래프는 반탄화된 유기물(C1)이 토양에 적용될 때, 28일 후에 약 300 mg/kg의 불안정한 탄소의 증가가 관찰됨을 보여준다. 이는 미가공 닭 분뇨에서 탄소의 불안정성과 거의 동등하다. 불안정한 탄소의 증가는 42일까지 급격한 감소로 이어지는데, 이는 반탄화된 물질/분뇨의 적용이 불안정한 탄소를 제공하고 이후 미생물이 증식함에 따라 에너지원으로서 빠르게 사용되며, 이는 42일 후에 대조군 수준으로의 감소를 초래함을 시사한다.
도 22는 30일 인큐베이션 동안 모래 및 점토 토양에서 500(A) 및 1000(B) kg ha-1로 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 누적 CO2 방출의 반응을 나타내는데, 이는 모든 토양이 14일 동안 사전-인큐베이션되었다는 것을 주목한다. 탄소의 불안정한 특성을 나타내는 반탄화된 유기물(C1)로부터의 CO2 방출의 실질적인 증가가 주목된다. 포함된 생성물의 분석은 다음과 같다:
C3는 CO2 방출과 관련하여 대조군과 비교하여 차이가 거의 없는 이유를 설명하는 완전히 무기 성분으로 구성된다는 점에 유의한다.
도 23은 30일 인큐베이션 동안 모래 및 점토 토양에서 500(A) 및 1000(B) kg ha-1의 상이한 유형의 비료 첨가에 대한 토양 일일 CO2 방출률의 반응을 나타내는데, 이는 모든 토양이 14일 동안 사전-인큐베이션되었다는 것을 주목한다. 탄소의 불안정한 특성을 나타내는 반탄화된 유기물(C1)로부터의 높은 초기 CO2 방출이 주목된다.
도 24는 28일 인큐베이션 동안 모래 및 점토 토양에서 500(A) 및 1000(B) kg ha-1의 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 토양 누적 CO2 방출률의 반응을 나타내는데, 이는 모든 토양이 14일 동안 사전-인큐베이션되었다는 것을 주목한다. 이러한 실험에서, 본 발명자들은 비교를 위해 분뇨 및 퇴비 공급원(M & M1)이 포함된 것으로 여긴다(연구원들은 이들 생성물의 공급원/분석을 확인함). 탄소의 불안정한 특성을 나타내는 반탄화된 유기물(C1)로부터의 실질적인 CO2 방출이 주목된다. 분뇨 공급원과 비교하여 반탄화된 유기물(C1)로부터의 추가 CO2 방출은 분뇨에 비해 이러한 포뮬레이션을 구성하는 입자의 높은 표면적에 기인할 수 있다.
도 25는 28일 인큐베이션 동안 모래 및 점토 토양에서 500(A) 및 1000(B) kg ha-1의 상이한 유형의 비료의 첨가에 대한 토양 일일 CO2 방출률의 반응을 나타내는데, 이는 모든 토양이 14일 동안 사전-인큐베이션되었다는 것을 주목한다. 이러한 실험에서, 2개의 분뇨 공급원(M & M1)(여기서, M = 분뇨; M1 = 분뇨 + NPK 비료)이 비교를 위해 포함되었다. 탄소의 불안정한 특성을 나타내는 반탄화된 유기물(C1)로부터의 실질적인 CO2 방출이 주목된다. 분뇨 공급원과 비교하여 반탄화된 유기물(C1)로부터의 추가 CO2 방출은 분뇨에 비해 이러한 포뮬레이션을 구성하는 입자의 높은 표면적에 기인할 수 있다.
본 명세서에서 이루어진 임의의 가능성(promise)은 본 발명의 일부 구현예와 관련된 것으로 이해되어야 하고, 본 발명에 대해 이루어진 가능성으로 의도되지 않는다. 본 발명의 모든 구현예에 적용되는 것으로 간주되는 가능성이 있는 경우, 문맥이 달리 명확하지 않는 한 특허의 수락 또는 후속 등록(grant)에 대해 이러한 가능성에 의존할 의도가 없기 때문에 설명에서 이러한 가능성을 나중에 삭제할 권리를 갖는다.
본 발명의 뒤따르는 청구범위 및 선행하는 설명에서, 문맥이 명시적인 언어 또는 필요한 함축으로 인해 달리 요구하는 경우를 제외하고, 단어 "포함하다(comprise)" 또는 "포함하다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"과 같은 변형은 포괄적인 의미로 사용되고, 즉, 언급된 특징의 존재를 특정하기 위한 것이고, 본 발명의 다양한 구현예에서 추가 특징의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니다.
물론, 전술한 내용은 본 발명의 예시적인 예로서 제공되었지만, 당업자에게 명백한 바와 같이, 그에 대한 모든 그러한 및 다른 변경 및 변형은 본 발명의 넓은 범위 및 본원에 기재된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주되는 것으로 이해될 것이다.
Claims (20)
- 단립자(discrete particle) 형태의 고체 배합 비료(solid compounded fertilizer)로서, 고체 비료는 생물학적 방출 프로파일을 가지며, 고체 비료는 단일 입자에,
(i) 불안정한 탄소를 포함하는 반탄화된 유기 폐기물(torrefied organic waste);
(ii) 결합제
를 포함하며, 반탄화된 유기 물질은 결합제에 의해 단일 입자에 결합되며, 이에 의해 유기 물질의 불안정한 탄소는 배합된 비료 조성물을 토양 또는 성장 배지에 적용한 후 미생물에 의한 대사에 용이하게 이용 가능한 고체 배합 비료. - 제1항에 있어서, (iii) 무기 또는 합성 물질을 더 포함하는 고체 비료.
- 제2항에 있어서, 반탄화된 유기 물질 및 무기 또는 합성 물질이 결합제에 의해 단일 입자에 함께 결합되며, 이에 의해 유기 물질의 불안정한 탄소 및 무기 또는 합성 물질은 각각 비료의 적용 후 미생물에 의한 대사에 용이하게 이용 가능한 고체 비료.
- 제2항에 있어서, 무기 또는 합성 물질이 결합제에 의해 결합된 반탄화된 유기 물질의 외부 표면의 적어도 일부 주위의 코팅인 고체 비료.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제가 레오나르다이트(leonardite)인 고체 비료.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 약 5 w/w%의 결합제를 포함하는 고체 비료.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단일 입자의 수분 함량이 8 중량% 미만인 고체 비료.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 파쇄 강도(crush strength)가 적어도 약 2.0 KgF인 고체 비료.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 무기 물질이 N, P, K 또는 S 영양소 중 적어도 1종을 포함하는 고체 비료.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 합성 물질이 우레아, 모노암모늄 포스페이트(MAP), 디암모늄 포스페이트(DAP), 암모니아의 설페이트(SOA), 포타쉬의 뮤리에이트(Muriate of Potash; MOP), 칼륨 설페이트(SOP), 마그네슘 카보네이트 및 식물 이용 가능 규소 중 1종 이상으로부터 선택되는 고체 비료.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 단립자가 과립 또는 펠렛인 고체 비료.
- 제11항에 있어서, 단립자가 실질적으로 구형 형상이고, 약 2 내지 5 mm 직경의 평균 입자 크기를 갖는 고체 비료.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단립자가 소수성 코팅으로 코팅되는 고체 비료.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, DMP 및 아연으로부터 선택되는 질화 억제제를 더 포함하는 고체 비료.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 식물 이용 가능 규소와 같은 비생물적 스트레스 조절제(abiotic stress controller)를 더 포함하는 고체 비료.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 토양에 미생물을 접종하기 위한 프로바이오틱 또는 프리바이오틱 코팅을 더 포함하는 고체 비료.
- 토양에 적용시 생물학적 방출 프로파일을 갖는 배합 비료 조성물의 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
유기 폐기물을 반탄화시켜 불안정한 탄소를 포함하는 반탄화된 유기 물질을 제공하는 단계,
반탄화된 유기 폐기물을 밀링하여 밀링된 생성물을 생성하는 단계, 및
밀링된 생성물을 펠렛화 또는 과립화하여 고체 입자를 형성시키는 단계
를 포함하며, 고체 입자는 결합제에 의해 함께 유지되는 제조 방법. - 제18항에 있어서, 결합제가 밀링된 생성물의 펠렛화 또는 과립화 동안 첨가되는 제조 방법.
- 작물 수확량을 실질적으로 유지하면서 온실 가스 배출을 감소시키는 방법으로서, 상기 방법은
브로드캐스팅(broadcasting) 또는 드릴링 장비를 사용하여 단일 패스(single pass)로 필드(field)에 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 비료를 적용하거나 적용한 단계
를 포함하며, 장비는 미립자 물질의 제어된 투여(dosing)를 위해 설계되는 감소 방법. - 비료의 수명 주기 평가로부터 측정된 GHG 배출의 양의 감소 방법으로서, 상기 방법은
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 고체 비료를 제조하거나 제조한 단계로서, 고체 비료를 제조하거나 제조한 단계 동안, 프로세스로부터 에너지를 회수하기 위한 단계가 수행되는 단계,
고체 비료를 토양에 적용하는 단계로서, 비료는 미립자 물질의 제어된 투여 및 배치를 위해 설계된 장비를 사용하여 단일 패스로 적용되는 단계
를 포함하는 감소 방법.
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