KR100781388B1

KR100781388B1 - 방사선조사기술을 이용한 육묘상토의 제조방법

Info

Publication number: KR100781388B1
Application number: KR1020050127401A
Authority: KR
Inventors: 조재영
Original assignee: 조재영
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-11-30
Also published as: KR20060006993A

Abstract

본 발명은 축산분뇨의 자원화 과정에서 파생되는 여러 가지 문제점 예를 들어, 항생물질로 인한 축산분뇨의 발효불량, 악취유발성 물질로 인한 취급 어려움, 병원성 미생물이나 기생충란으로 인한 식품안전성 문제 등을 해결하는데 방사선 조사기술을 이용하여 농업분야 첨단 환경정화 처리기술 및 자원재활용 기술을 정립하고자 하였다.

본 발명의 공정은 ① 축산분뇨에 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 5kGy 수준으로 조사하는 공정 ② 고체-액체 분리탱크에 축산분뇨를 우분, 돈분, 계분 단독 또는 혼합하여 투입한 후 교반기로 2 내지 4시간 정도 해리후 고체(糞)와 액체(尿)로 분리하는 공정 ③ 교반식 발효조에 축산분뇨 고형물질 50 중량% + 피트모스 10 중량% + 버미큘라이트 20 중량% + 펄라이트 20 중량% 투입한 후 잘 교반하여 농업용 육묘상토의 물리성 개선 공정 ④ 수용성 질소와 유효인산 등 식물영양성분을 첨가한 다음 교반식 발효조에서 3주 정도 발효 숙성시켜 수분함량이 30 % 미만으로 농업용 육묘상토를 제조하는 공정으로 구성되어 있다.

본 발명을 통하여 축산분뇨가 잠재하고 있는 여러 가지 보건위생, 환경보전적인 문제점을 해결할 수 있었고, 재활용이 가능하고 기능성이 우수한 유기성 폐기물의 농경지 투입으로 인한 토양환경 개선효과를 얻을 수 있었다. 이는 궁극적으로 피트모스, 수피, 코코피트와 같은 농업용 수입 원자재를 대체하여 농업인 뿐만 아니라 국가적인 농업경쟁력을 확보하는데 크게 기여할 것으로 예상된다. 부가적으로 처리과정에서 축산분뇨에 함유되어 있는 유기물의 분해촉진과 함께 유기태 식물영양성분이 식물체로의 흡수가 용이한 무기태 식물영양분으로 전환되어 일반 육묘상토 보다 식물영양학적인 측면에서 우수한 양질의 육묘상토를 개발할 수 있었다.

육묘상토, 축산분뇨, 감마선, 전자선, 방사선동위원소, 방사선조사기술

Description

방사선조사기술을 이용한 육묘상토의 제조방법{METHOD FOR PREPARATION OF MANURE USING IRRADIATION TECHNOLOGY }

도 1. 감마선 조사장치(코발트; 원자번호 60)의 공정을 예시하는 그림이다.

도 2. 축산분뇨 유래 돈분, 계분, 우분의 고형화물을 예시하는 사진이다.

도 3. 축산분뇨(우분, 돈분, 계분의 동일 중량% 혼합)의 감마선 조사 전?후 화학적 특성 변화를 예시하는 도표이다.

도 4. 본 발명에서 개발된 육묘상토를 예시하는 사진이다.

도 5. 본 발명에서 개발된 감마선 조사 육묘상토와 일반 육묘상토의 성분분석 결과를 예시하는 도표이다.

도 6. 본 발명에서 개발된 육묘상토와 시판되는 일반 육묘상토를 이용하여 15일째 재배중인 배추작물의 생육상태를 비교하고 있는 사진이다.

도 7. 시판되는 일반 육묘상토를 이용하여 15일째 배추작물을 재배하고 있는 사진이다.

도 8. 본 발명에서 개발된 육묘상토를 이용하여 15일째 배추작물을 재배하고 있는 사진이다.

종자가 발아하여 종피를 막 뚫고 나온 연약한 뿌리는 온도, 수분, 산소 등의 환경적 요인에 매우 민감하게 반응하면서 그 고유기능을 발휘하게 된다. 이러한 어린 뿌리가 처음으로 맞닿은 토양이 바로 육묘상토인데, 이는 어린 식물체의 뿌리가 성장하는 장소로서 식물체를 기계적으로 지지시켜 주고, 각종 양분, 수분, 산소를 뿌리로 공급하며 외부의 급격한 환경변화를 1차적으로 차단하는 가장 기본적이고 중요한 육묘자재라 할 수 있다.

초기의 원예용 상토는 각 농가에서 토양과 퇴비를 혼합하여 짧게는 1개월에서 길게는 6개월간 부숙시켜 사용하였는데 상토를 만드는 재료와 시기에 따라 상토의 물리·화학성이 각각 달라 작물의 생육이 불균일하여 상토의 제조와 육묘에 많은 기술과 숙련을 필요로 하였다. 그러나 요즈음에는 농업에 관련된 산업이 발달하고 육묘기술이 발전하여 보다 가벼워지고 작물생육에 필요한 양분의 균형이 안정화되고 물리적 조건을 최상화시킨 전문화된 상토가 생산 공급되고 있다.

수도용 상토는 1977년 기계이앙기의 보급으로 상토의 사용이 시작되었다고 볼 수 있다. 손 모내기를 하였을 때는 상토를 사용하지 않고 논 못자리에 바로 파종하여 육묘하였다. 그러나 기계이앙기를 사용함에 따라 기계이양용 육묘상자에 육묘를 하여야 기계이양이 가능하기 때문에 기계이양 육묘에 사용되는 상토는 논이나 산에 있는 깨끗한 토양을 채취하여 비료를 혼합하고, 토양산도를 조절한 후 약제에 의한 토양소독을 하면서 사용하여 오다가 1981년 부농에서 수도용 상토를 생산한 것이 시발점이 되어 공장에서 생산된 상토의 공급이 이루어지게 되었다. 농협중앙회는 작물별 전용 상토개발의 필요성을 인식하고 상토전문회사와 공동으로 고추, 토마토, 오이, 참외, 수박, 호박, 배추 전용상토 개발 협약을 체결하고 1998년 7월 이들 전용상토를 개발 공급하게 되었다.

원예용 상토의 조제조건에는 각 작물마다 생육에 적합한 화학성, 물리성 그리고 생물성이 다를 수 있으나 일반적으로 상토가 갖추어야 하는 기능은 크게 4가지로 구분할 수 있다. 첫째 상토는 작물의 생육에 필요한 양분을 보유하고 있어야 하고, 둘째 필요한 수분을 적절하게 유지하여야 하며, 셋째 뿌리의 호흡에 필요한 산소를 공급하고 이산화탄소를 원활하게 배출하는 가스 교환기능이 좋아야 될 뿐만 아니라, 넷째 작물체를 지지하는 힘이 커야 한다(한국육묘산업연합회).

현재 국내에서 사용되고 있는 상토의 유기·무기성 재료는 다음과 같다.

① 버미큘라이트(Vermiculite)

버미큘라이트는 주로 남미와 미국에서 생산되는 마그네슘과 철이 함유된 알루미늄실리케이트 계통의 원석을 1,000℃의 고열로 처리하여 용적을 10∼15배 증가시킨 원예용 인조토양이다. 특히 병충해와 잡초의 발생 걱정이 없고, 보수력이 풍부하며 열의 전도가 적은 이상적인 토양이다.

② 펄라이트(Perlite)

펄라이트는 화산의 용암지대에서 캐낸 회백색의 광물을 760℃의 고열 처리를 하여 원광석의 10배 이상으로 팽창시켜 만든 백색의 가벼운 입자이다. 무게가 모래보다 86% 정도 가벼워 관수하면 이동하기 쉬우나 다른 상토재료와 섞어 쓰면 적정한 공기와 수분을 함유하여 토양을 부드럽게 하는 효과가 있으므로 세근의 발육이 양호하다.

③ 제올라이트

장석류의 미세한 다공 광물질로서 보수력, 보비력 및 배수력이 우수하며 유해 가스 및 유해물질 흡착력이 높다. 아울러 토양 산성화를 방지하고 K, Mg, Ca등의 양분을 공급하므로 토양개량제, 비료혼합제, 증량제 등으로 사용된다.

④ 규조토

규조토는 규조(珪藻)라고 일컫는 단세포 수중식물의 유해가 호수나 바다에 가라앉아 형성된 회백색의 퇴적물이다. 대부분 비정질의 실리카로 되어있으며 물리화학적으로 안정한 무기질로 다공성이며 가볍고 흡수성과 보수력, 보비력이 뛰어나 양분을 보유하였다가 서서히 용출시키는 특성이 있으며 유해가스 제거 및 살충효과가 있다.

⑤ 코코피트

코코피트는 열대지방 야자수의 섬유물질로 리그닌의 함량이 높아 화학적으로 불활성 물질이다. 미생물 침투에 저항성이 있고 산화조건이 안정적이며, 상당한 유기 양분과 미량요소를 함유하고 있는 무독, 무취의 소재이다. 퇴비와는 달리 장기간 분해되지 않는 특성이 있으므로 상토내에서 가스발생의 우려가 없다. 보수력은 건물기준으로 중량의 6∼9배로 대단히 높고, 공극량은 96%로 양호하다. 이를 이용한 상토는 물리성과 화학성이 안정되어 있으며, 타 소재에 비해 무게가 매우 가벼워 작업성이 뛰어나다.

⑥ 피트모스(Peat moss)

피트모스는 세계적으로 상토의 유기물 자재로서 가장 많이 이용되고 있다. 피트모스는 부피의 89% 정도를 차지하는 수분세포를 가지고 있고 물과 공기가 이상적인 비율로 함유되어 있어 통기성 및 보수력이 매우 우수하다. 양이온치환용량이 커서 보비력이 좋으며 상토내에서 분해가 느리게 일어나기 때문에 이화학성이 오랫동안 유지될 수 있다. 또한 무기성분 함량이 매우 적고 분해과정에서 무기성분의 용출도 많지 않으므로 시비조절이 용이하며, 해충 및 잡초종자 등이 없고 가벼워 취급이 용이 할 뿐만 아니라 섬유질상으로 되어 있어 자체결합력이 우수한 장점이 있다. pH가 3.2∼5.5로 낮으나 조정 후에는 안정되는 특징이 있다. 그러나 피트모스는 보수력이 지나치게 좋아 과습의 우려가 있으며 한번 건조된 후에는 재흡수가 어려우며, 토양에 정식할 경우에는 토양과 친화력이 낮아 정식초기 3∼4일 이내에는 포장의 수분관리에 상당한 주의를 하지 않으면 활착에 문제가 있을 수 있다.

⑦ 수피(Bark)

바크는 제재업이나 펄프공업의 폐기물을 퇴비화한 것으로 비교적 값이 싸나, 사용하기 전에 아세트산과 같은 생육저해 물질을 제거하고 C/N율을 낮추기 위한 부식과정을 거쳐야 하며 부식과정을 거치면 양이온치환용량도 매우 높아진다. 그러나 원료가 되는 수목의 종류, 처리공정 등에 따라 제품의 질이 다르므로 동일재료를 구입하기 어려우며 분해를 위한 노력과 시간이 많이 소요되는 결점이 있다.

⑧ 왕 겨

왕겨는 우리나라에서 가장 쉽게 구할 수 있는 유기물자재로서 매년 100여만톤 이상 생산되는 것으로 추정되고 있다. 왕겨는 비중(100kg/㎥)이 낮아 운반비가 많이 들고 리그닌, 규산함량 등이 높아 가공이 어려우나 분해 안정성이 높은 장점이 있으며 흡수율은 피트모스에 비하여 낮은 편이나 가공입자의 형태나 크기에 따라 높일수 있는 반면 통기성이 매우 우수하다. 그러나 양이온치환용량이 낮고, pH가 지속적으로 높아지며 자체 결합력이 적어 뿌리의 발달이 적은 고추와 같은 작물에서는 다소 성형성이 떨어지는 단점이 있다.

⑨ 부 엽

부엽은 낙엽을 썩힌 것으로서 산지에서 퇴적된 것이라든지, 또는 인위적으로 퇴적하여 만들며 다른 용토나 배합토와 혼용하여 쓰면 배수와 통기가 잘되며 흙을 팽연화(膨軟化) 시켜서 물리적 성질을 오랫동안 좋게 지속시킨다. 낙엽의 재료로는 잎몸이 두꺼운 떡갈나무, 참나무, 밤나무 등이 이상적이다. 침엽수의 낙엽은 작물 반근에 해로운 테레핀유를 함유하고 대나무 잎은 백견병, 균핵병 따위의 발생이 많아서 좋지 못하다.

원예산업의 급격한 발전으로 인한 대형 육묘장의 증가 등 농업적 여건이 변화되어 전문 생산자에 의해 생산되는 육묘상토의 수요와 공급이 지속적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 2004년 기준으로 국내 육묘상토 시장규모는 약 500억원 수준으로 매년 20% 이상 성장 추세에 있다. 향후에는 작물 특성에 적합한 맞춤형 상토와 미생물 상토, 고기능성 상토 등의 수요가 급증할 것으로 예상되고 있다. 육묘상토의 수요공급이 증가함에 따라 파생된 주요 문제점 중의 하나가 육묘상토 재료의 확보이다.

우리나라의 경우 육묘상토를 제조하는데 필요한 버미큘라이트, 펄라이트, 제올라이트와 같은 무기질 자원, 코코피트, 피트모스 또는 수피와 같은 유기질 자원의 거의 대부분이 수입에 의존하고 있다. 육묘상토의 사용량이 증가함에 따라 상토용 원제의 수입량이 증가하고 있다. 2004년 기준으로 매년 10만톤 이상의 상토용 원제가 수입되고 있는데 이는 국내 소요량의 70% 이상에 해당되는 양이다. 이는 농가 생산력에 대한 부담일 뿐 아니라 장기적으로 국가 경제에도 바람직하지 못한 영향을 끼치게 될 것으로 예상된다.

대한민국 특허 10-1999-0055283에 톱밥과 농업부산물(왕겨) 등을 분쇄한 상토조성물에 대해, 대한민국 특허 10-1999-0052005에 폐지(종이류)와 농업부산물(볏짚류 등)을 분쇄한 상토조성물에 대해 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-2001-0047158에 기존의 유기질 성분과 제지섬유소를 유효성분으로 하는 상토 조성물에 계면활성제와 임의로 천연 유해생물 기피제를 적정농도 범위로 첨가하여 수분 흡착성과 평탄성을 개선시킨 발명이 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-1987-0001574에 의하면, 입상화시킨 암면과 점토 광물 등 부가배합물을 혼합한 광물섬유를 이용한 양액재배용 농작물의 상토 조성물에 대해 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-2001-0025133에 천매암을 이용한 육묘용 상토의 제조방법이 그리고 대한민국 특허 10-2003-0071359에 팽연왕겨를 이용한 육묘상토의 개발방법이, 대한민국 특허 10-2003-0013855에 게르마늄이 첨가된 기능성 상토의 제조방법이 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-2003-0019085에 피트모스, 코코피트, 질석, 규조토, 제올라이트 분말 등을 포함한 수도용 상토 조성물 제조 그리고 대한민국 특허 10-2002- 0062237에 정수장에서 필수적으로 발생되는 폐기물인 슬러지를 이용한 상토제조방법이 예시되어 있다. 또한 대한민국 특허 10-1995-0001262에 왕겨를 분쇄·증자(蒸蔗)한 후 상토를 제조하는 방법이 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-2001-0030249에 녹차의 유효성분을 씨앗 또는 종균에 흡수시키고, 성장기에도 녹차의 유효성분을 이용하여 병충해 등으로부터 보호하는 방법이 그리고 대한민국 특허 10-2000-0020288에 산야토에 왕겨 또는 제지공장의 슬러지를 첨가하여 수도용 상토를 개발하는 방법이 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-1982-0002855에 농산폐자원인 톱밥, 왕겨, 화본과 식물의 잔간, 초근목피 등을 요소와 알카리액을 혼가하고 처리함으로써 팽연 다공질로서 흡수성이 우수하고 조강성이 없는 부드러운 미강상태로 하여 반추가축의 조사료나 사료증강제, 미생물 배양제, 퇴비원료 및 육묘용 상토의 개발방법이 예시되어 있다.

상기 선행발명에서 살펴본 바와 같이 우리나라에서 육묘용 상토제조시 수입 유기성 원료를 대체하기 위해 주로 팽연왕겨, 왕겨, 톱밥, 식물성잔사, 폐종이 등을 사용하여 왔으며, 아직까지 농업생태계에서 위해성 논란의 중심에 위치하고 있는 정수장 슬러지, 제지슬러지 등을 이용한 사례도 발견되고 있다.

이에 여러 연구기관에서 상토의 주재료인 유기질 자원을 확보하기 위해 다각도로 연구를 진행하고 있는데 그 대표적인 것이 왕겨와 활엽수 파쇄목을 이용한 상토재료의 확보이다. 왕겨는 자원은 풍부한 편이나 양이온교환용량이 낮고, pH가 지속적으로 높아지며, 성형성이 낮기 때문에 범용화 하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 아울러 활엽수 파쇄목을 상토제조에 이용할 경우 수입 상토를 대체할 수 있을 만큼 경제성이 있으나, 활엽수는 개발이 제한돼 있는 것이 단점으로 지적되고 있다.

한편, 가축분뇨에는 식물생육에 필요한 식물영양물질(질소, 인산, 칼리), 유기물이 다량 함유되어 있어 비료자원, 토양물리성 개량제로의 재활용이 가능하기에 자연순환적인 친환경농업을 수행하는데 그 효용가치가 매우 큰 것으로 알려져 있다. 가축분뇨의 효율적인 이용과 관련하여 그동안 국내에서는 거의 모든 정책이 액비화와 퇴비화에 집중되어 왔다. 액상 가축분뇨는 농경지 처리과정의 번거로움과 질산태질소의 지하수로의 다량 이동에 따른 환경오염문제를 안고 있다. 축산분뇨가 갖는 농업환경 및 작물생산성에 대한 유익성과 유해성 즉, 이중성 때문에 축산분뇨의 이용범위가 많이 제한되어 있는 것이 사실이다. 축산분뇨에는 식물생장에 필요한 질소, 인산, 칼리와 같은 다량원소가 많이 함유되어 있는 반면에 축산분뇨에 다량 함유되어 있는 항생제 물질로 인한 발효불량, 병원성 미생물, 그리고 황화수소, 메탄, 암모니아성 물질로 인한 악취발생, 가축사료의 면역증강제로 사용되는 구리 아연과 같은 중금속오염과 같은 잠재적인 위해성 문제를 동시에 안고 있다. 이러한 상기 문제점 때문에 가축분뇨의 범용적 재이용에 어려움이 상존해 있고, 간혹 상기 문제점들을 해결하지 않은 상태에서 무분별하게 제조한 육묘상토, 부산물비료로 인한 농가민원이 끊임없이 발생되고 있다.

지난 10년 동안 국제적으로 방사선 조사기술을 접목한 유기성 폐자원의 자원화 기술이 매우 활발하게 개발되고 있으며, 특히 환경 및 농업분야에서 그 중요성이 증가하고 있다. 하수슬러지에 존재하는 병원성 미생물과 유기독성물질로 인한 위해성을 제거하기 위해 선진외국에서는 1990년대 초반부터 방사선 조사와 전자선 조사를 이용한 하수슬러지의 전처리 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하수슬러지의 방사선 조사와 관련된 최초의 설비는 1973년에 독일의 Geiselbullach(처리용량 : 150톤/day)에 설치되었으며, 그 이후에 방사선 조사시설이 미국, 일본, 인도, 멕시코, 아르헨티나에 설치되어 폐수처리 및 하수슬러지의 전처리에 이용되고 있다.

방사선 조사란 아주 다량의 방사선을 물질에 조사함으로써 화학반응을 일으키게 하거나 생물의 세포를 파괴하거나 또는 세균을 사멸시키는 효과를 이용하는 방법의 총칭이다. 코발트-60에서 방출되는 감마선은 전자와 같은 하전입자에 비하면 투과력이 강하기 때문에 액체나 고체의 내부까지 조사하는 데 적합하다. 한편 전자선은 투과력이 약하여 1 MeV의 전자도 0.5 mm 두께의 물 밖에 투과할 수 없다. 따라서 필름, 가는 전선, 도장면 등과 같이 얇은 물건의 조사에는 전자가속기가 사용되고 있다. 의료기구 살균이나 식품조사 목적에는 코발트-60선원, 방사선 화학공업에서는 전자가속기가 이용되고 있다.

대한민국 특허 10-0458965-0000에, 소, 돼지 도축혈액 혈장단백질 파우더를 감마선 조사하여 위생적 혈분을 제조하는 방법이 제시되어 있고, 대한민국 특허 10-0468324-0000에, 폐타이어 또는 폐고무 분말을 생고무 또는 플라스틱 수지에 투입하기 전에 폐고무 분말에 감마선을 조사하는 방법이 제시되어 있고, 대한민국 특허 10-0156439-0000에, 옥수수 전분에 일정조건의 감마선을 조사하여 전분의 물리화학적 성질을 단계적으로 변화시키는 방법이 제시되어 있다. 대한민국 특허 10-1997-0000087에, 폐기물 소각로 등에서 발생하는 연소 배기가스에 전자선을 조사하여 황산화물, 질산화물, HCl 및 다이옥신 등의 유해화합물을 제거하는 배기가스중의 유해화합물 제거방법 및 장치에 관하여 예시되어 있다. 대한민국 특허 20-1998-0020805에, 전자선을 이용하여 폐수처리에 유용한 방법을 제시하고 있으며, 대한민국 특허 10-1996-0076923에, 전자선을 조사하여 폐수중의 Cr과 Hg를 제거하는 방법에 관하여 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-1996-0057191에, 발전소 배가스에 전자선을 조사하여 유해성분을 제거하는 방법에 있어서 배가스에 직접 수증기를 주입하여 전자선 반응에 알맞은 습도를 유지하도록 함으로써 유해물질을 효과적으로 제거하는 방법 및 그 장치에 관해 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-1996-0022983에, 전자선을 조사하여 폐수내의 납 및 카드뮴을 제거하는 방법 및 그 장치를 소개하고 있다. 대한민국 특허 10-1997-0020971에, 폴리비닐알콜(PVA)이 함유된 염색폐수에 전자선을 조사하고 응집제를 투입하여 PVA 및 기타 오염물질을 제거하는 전자선 조사에 의한 폴리비닐알콜(PVA)이 함유된 염색폐수 처리방법에 관하여 개시하고 있다. 대한민국 특허 10-1998-0031422에, 항산화제가 첨가된 분쇄육 제품에 방사선을 조사하여 분쇄육 제품을 위생적이고 영양적으로 안전하도록 가공하는 방법이 소개되어 있다.

선행 발명에 대한 검토결과, 본 발명에서 목적하는 바와 같이 축산분뇨의 자원화 과정에서 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있는 항생제 물질로 인한 발효불량, 병원성 미생물, 그리고 메탄, 황화수소, 암모니아와 같은 혐기성 물질로 인한 악취발생과 같은 문제점을 해결한 사례를 찾아보기가 어렵다. 아직까지 우리나라에서는 축산분뇨에 대해 살균 및 혐기성 악취유발물질에 대한 처리를 수행하지 않은 상태에서 무분별하게 부산물비료를 제조하거나 농경지로 직접 투입하여 여러 가지 바람직하지 못한 환경위생학적 문제를 유발하고 있다. 자원순환형 사회체제에서 점진적으로 사용가능한 유기성 폐자원의 농경지로의 재활용에 대한 사회구성원의 요구가 증가할 것으로 예상되고, 유기성 폐자원의 첨단 환경처리기술의 개발과 관련된 수요가 증가할 것으로 예상되는 바 본 발명의 성과는 이러한 문제점을 해결하는데 크게 기여할 것으로 예상된다.

본 출원인은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하며, 종래의 육묘상토 제조에 사용되는 피트모스(peat moss), 수피(bark), 코코피트(coir)와 같은 수입 원자재를 대체할 수 있는 우수한 국내 유기성 자원을 개발하는데 있어 축산분뇨를 친환경적이고 위생적으로 재처리하는 기술을 개발하는데 있다.

세부적으로 축산분뇨에 다량 함유되어 있는 항생물질은 육묘상토 제조후 발효단계에서 축산분뇨의 정상적인 숙성을 저해할 뿐만 아니라 항생물질이 육묘단계에서 식물체로 흡수 이행될 경우 안전농산물의 생산을 기대할 수 없을 뿐만 아니라 항생제 내성문제가 발생할 개연성도 내포되어 있다. 또한 축산분뇨의 혐기발효과정에서 다량 생산되는 메탄, 황화수소, 암모니아와 같은 악취유발성물질로 인한 농가 민원 발생으로 인하여 축산분뇨 처리시설이 혐오시설로 분류되고 있는 실정이다. 마지막으로 축산분뇨에 함유되어 있는 살모넬라와 같은 병원성 미생물과 기생충란 등으로 인해 축산분뇨를 이용해서 재배한 농산물의 안전성이 크게 위협받고 있는 실정이다.

상기에서 논의한 축산분뇨의 재이용 과정에서 파생되고 있는 제반 문제점을 해결하는데 있어 이미 선진외국에서 하수슬러지 처리시설에 일부 도입하여 상용화되고 있는 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 이용한 조사기술을 도입함으로써 축산분뇨 유래 이들 유해물질을 분해 및 살균시켜 보건위생학적으로 안전성이 확보된 축산분뇨의 재이용 시스템을 구축하고자 한다.

삭제

본 발명은 축산분뇨에 코발트 방사성동위원소로 부터 방출되는 감마선을 5 kGy수준으로 조사하여 농업용 육묘상토를 제조하는 것으로 구성된다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 는 하기의 단계로 구성된다. :
축산분뇨에 코발트 동위원소에서 방출되는 감마선을 5kGy수준으로 조사하는 제 1 공정:
상기 축산분뇨를 고체와 액체로 분리하여 고체부분의 함수율이 50-60% 될 때까지 건조하는 제 2 공정; 및
상기 감마선이 조사된 축산분뇨 고체부분 50중량%, 피트모스 10중량%, 버미큘라이트 20중량% 및 펄라이트 20 중량%를 혼합한 후 발효시키는 제3 공정.
본 발명은 자원재순환 시스템에서 처리하는데 많은 문제점을 야기하고 있는 축산분뇨를 양질의 친환경 농업자재로 개발하여 육묘상토 재료의 수입대체 효과와 친환경농업을 실현할 수 있는 우수 육묘상토를 개발하는 것이고, 이를 위해 축산분뇨에 코발트(Co, 원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 조사함으로써 축산분뇨가 가지고 있었던 종래의 여러 가지 문제점을 해결하고 환경친화적이고 보건위생적인 농업생산을 위한 기반을 구축할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예로 예시할 것이지만, 본 발명은 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시 예 1 : 축산분뇨의 감마선 조사와 고체-액체 분리

전라북도 장수군 장수축협과 인근 축산농가에서 수거한 반습식 형태의 우분, 돈분, 계분을 동일 중량비율로 혼합하여 축산분뇨에 함유된 항생물질로 인한 발효불량, 병원성 미생물 살균과 악취유발성물질을 제거하기 위하여 한국원자력연구소 감마선 조사실(대전 소재)에서 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소를 5kGy 수준으로 조사하였다(도 1, 출처: http://www.greenpia.biz/).

축산분뇨를 우분, 돈분, 계분 단독 또는 혼합하여 고액분리탱크에 투입한 후 나선형 스크류식 교반기로 2-4시간 정도 해리후 고체(糞)와 액체(尿)로 분리한다. 본 발명에서는 반습식 형태의 우분, 돈분, 계분을 동일 중량비율로 혼합하여 고체-액체분리기에 투입하여 액상과 고상을 분리시킨 후 얻어진 축산분뇨 고형분을 세척과정을 통하여 질소 1.0%(암모니아태질소 250mg/kg, 질산태질소 500mg/kg), 인산 1.5%, 칼리 0.6%가 되도록 하였다. 본 발명에 사용한 축산분뇨의 고체-액체 분리전 식물영양성분의 함량은 질소 1.9%, 인산 2.8%, 칼리 0.7% 수준이었다.

결론적으로, 고체-액체 분리과정에 일부 식물영양성분이 액상형태(尿)로 침출되었는데 이는 육묘상토의 발효과정에서 탄질율 조절용으로 재이용할 수 있다. 이와 같이 축산분뇨의 고액분리를 수행하는 것은 각각의 축산분뇨별로 함유되어 있는 유기물과 질소의 함량이 다르고 액상분뇨를 그대로 처리할 경우 탄질율을 조정하기가 힘들어지기 때문이다. 고체-액체 분리후 축산분뇨 유래 고형물질은 함수율이 50 내지 60%가 되도록 조절하였다(도 2).

실시 예 2 : 축산분뇨에 처리한 감마선 조사 효과 구명

감마선 조사가 끝난 축산분뇨와 감마선 비조사 축산분뇨를 대상으로 대표적인 분변성 대장균군(Coriform group, MPN/mL)에 대한 조사를 수행하였다. 농가에서 수거하여 혼합?건조한 축산분뇨 혼합물에는 3,500MPN/mL 이상의 대장균군이 분포하였으나 감마선(코발트; 원자번호 60) 조사후에는 대장균군이 전혀 검출되지 않았다.

악취유발성물질 가운데 대표적인 암모니아가스 발생량을 조사한 결과, 감마선 조사전 축산분뇨에는 약 43.9mg/kg의 암모니아 가스가 발생한 반면에 감마선 조사후 시료에서는 암모니아 가스 발생량이 3.2mg/kg으로 감소하였다. 감마선 조사전 축산분뇨에서는 대표적인 항생물질인 streptomycine, tetracycline, penicillin이 미생물학적 간이시험법에서 모두 검출되었으나, 감마선 조사후 시료에서는 상기 3가지 항생물질 모두가 검출되지 않아 감마선 조사가 항생물질의 분해 및 저감에 아주 효과적인 처리방안임이 확인되었다.

이와 함께 감마선(코발트; 원자번호 60) 조사에 의해 축산분뇨에 함유되어 있는 유기태 질소성분이 무기태 질소성분으로 전환되어 식물영양학적으로 아주 바람직한 결과가 도출되었다. 실례로 감마선 조사전 축산분뇨에서는 무기태질소(암모니아태질소와 질산태질소)의 합이 179.7mg/kg이었는데, 감마선 조사후에는 263.7mg/kg으로 약 50% 이상 증가되었다. 이는 식물체가 생장하면서 식물양분으로 이용할 수 있는 질소성분의 증가를 의미하며, 토양내에서 분해속도가 느린 유기물의 분해 및 숙성에도 감마선 조사가 유용하게 작용하고 있음을 확인하게 되었다(도 3).

실시예 3 : 감마선이 조사된 축산분뇨를 이용한 육묘상토의 개발

실시예 3에서는 감마선이 조사된 축산분뇨의 유기성 고형물질, 피트모스 그리고 코코피트와 같은 유기성 재료와 무기성 재료인 버미큘라이트와 펄라이트와의 혼합비율을 조절하였다. 혼합비율의 조정은 육묘상토의 물리적인 특성 고려와 함께 우리나라 퇴비 생산업체의 관행적인 생산공정에 기준하였다. 기본적으로 육묘상토 제조시 피트모스와 코코피트의 사용량을 효율적으로 저감시키고 그 대신에 축산분뇨 유래 유기성 고형물질의 최적 투입량을 결정하고자 하였다.

① 축산분뇨 고형물질 10 중량% + 피트모스 50% + 버미큘라이트 20% + 펄라이트 20%, ② 축산분뇨 고형물질 20 중량% + 피트모스 40% + 버미큘라이트 20% + 펄라이트 20%, ③ 축산분뇨 고형물질 30 중량% + 피트모스 30% + 버미큘라이트 20% + 펄라이트 20%, ④ 축산분뇨 고형물질 40 중량% + 피트모스 20% + 버미큘라이트 20% + 펄라이트 20%, ⑤ 축산분뇨 고형물질 50 중량% + 피트모스 10% + 버미큘라이트 20% + 펄라이트 20%, ⑥ 축산분뇨 고형물질 60 중량% + 피트모스 0% + 버미큘라이트 20% + 펄라이트 20%로 혼합비율을 조절하였다.

이렇게 조제된 혼합분에 대해 상토의 물리성 지표로 수분보유력을 그리고 식물영양성분 지표로 암모니아태질소, 질산태질소, 유효인산의 함량을 측정하였다. 축산분뇨의 처리량이 60% 처리된 ⑥에서 보수력이 낮아 육묘상자 용기에 담겨져 있는 상토원료가 부풀어 오르거나 용기 밖으로 흘러내리는 현상이 발생하였다. 축산분뇨가 10-30% 처리된 ①-③에서는 암모니아태질소의 경우 100-150mg/kg, 질산태질소 50-80mg/kg, 유효인산 120-150mg/kg의 범위로 나타나 일부 식물영양성분이 결핍될 우려가 제기되어 질산암모늄(NH₄NO₃)과 과인산석회(KH₂PO₄)를 첨가하여 최종적으로 암모니아태질소 300±100 mg/kg, 질산태질소 200±50mg/kg, 유효인산 250±50mg/kg 수준으로 유지되도록 하였다.

결론적으로 육묘상토의 물리성과 식물영양성분 그리고 자원재활용 측면을 고려하였을 때 축산분뇨 고형물질 50 중량% + 피트모스 10% + 버미큘라이트 20% + 펄라이트 20%을 기준으로 일부 식물영양성분을 첨가하는 것이 가장 타당할 것으로 조사되었다.

실시 예 4 : 축산분뇨를 이용한 육묘상토 개발

축산분뇨 고형물질 50 중량% + 피트모스 10% + 버미큘라이트 20% + 펄라이트 10% 첨가하여 잘 혼합하였다. 그 후 준비된 육묘상토를 교반식 발효조에서 3주 동안 발효?숙성시켜 육묘상토를 개발하였다(도 4). 발효과정중 매 3일 마다 개발된 육묘상토의 탄질율과 수분함량을 조사하였는데 탄질율은 25-45 범위를, 수분함량은 30% 이하를 유지하도록 하였다. 최종적으로 발효·숙성이 종료된 육묘상토를 대상으로 수분, 용적밀도, pH, EC, 암모니아태질소, 질산태질소, 유효인산, CEC 그리고 유해중금속물질에 대해 조사하였다.

본 발명에서 개발된 육묘상토의 성분을 분석한 결과 수소이온농도(pH) 6.2, 전기전도도(EC) 는 0.2dS/m, 수용성 질소총량 700mg/kg(암모니아태질소 500mg/kg, 질산태질소 200mg/kg), 유효인산 350mg/kg, 용적밀도 0.25Mg/m³, CEC 25cmol/kg, 수분함량 29%로 나타나 기존 육묘상토보다 훨씬 우수하거나 비슷한 수준을 유지하고 있었다. 그 밖의 유해성 중금속오염물질의 경우에는 비료공정규격을 모두 만족하는 수준이었다(Hg 2, As 50, Pb 150, Cd 5, Cr 300, Cu 500mg/kg 이하)(도 5).

실시 예 5 : 개발된 육묘상토와 일반 육묘상토를 이용한 작물재배시험

시판중인 S社(충청북도 음성군 소재)의 경량 원예범용상토를 대조구로 하고, 본 발명에서 최종적으로 개발한 육묘상토를 대상으로 배추작물을 재배하면서 적용가능성을 비교하였다. 시판 육묘상자에 상기 육묘상토를 채우고 배추종자를 파종후 총 15일 동안 재배하였다(도 6, 7, 8). 배추재배 15일째에 배추를 수확하여 여러 가지 수량지수. 즉, 배추의 생체중, 엽폭, 엽장 그리고 작물뿌리의 매트형성 정도를 조사한 결과, 일반 육묘상토(생체중: 3.2±1.2g/plant, 엽폭: 5.2±2.9cm, 엽장: 8.5±3.4cm, 엽수: 7±1매)에 비해 감마선으로 조사된 축산분뇨가 첨가된 육묘상토(생체중: 3.9±1.4g/plant, 엽폭: 5.4±2.2cm, 엽장: 9.3±2.7cm, 엽수: 7±1매)에서 배추작물의 생체중, 엽폭, 엽장이 더 높게 나타났고, 배추 뿌리의 매트형성도 더 양호하게 나타나 축산분뇨를 이용한 육묘상토 개발을 완성하게 되었다.

이로 인하여 축산분뇨가 잠재하고 있는 여러 가지 보건위생, 환경보전적인 문제점을 해결할 수 있었고, 재활용이 가능하고 기능성이 우수한 유기성 폐기물의 농경지 투입으로 인한 토양환경 개선효과를 얻을 수 있었다.

이는 궁극적으로 피트모스, 수피, 코코피트와 같은 농업용 수입 원자재를 대체하여 농업인 뿐만 아니라 국가적인 농업경쟁력을 확보하는데 크게 기여할 것으로 예상된다.

부가적으로 처리과정에서 축산분뇨에 함유되어 있는 유기물의 분해촉진과 함께 유기태 식물영양성분이 식물체로의 흡수가 용이한 무기태 식물영양분으로 전환되어 일반 육묘상토 보다 식물영양학적인 측면에서 우수한 양질의 육묘상토를 개발할 수 있었다.

Claims

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하기 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 농업용 육묘상토의 제조방법:

축산분뇨에 코발트 동위원소에서 방출되는 감마선을 5kGy수준으로 조사하는 제 1 공정:

상기 축산분뇨를 고체와 액체로 분리하여 고체부분의 함수율이 50-60% 될 때까지 건조하는 제 2 공정; 및

상기 감마선이 조사된 축산분뇨 고체부분 50중량%, 피트모스 10중량%, 버미큘라이트 20중량% 및 펄라이트 20 량%를 혼합한 후 발효시키는 제3 공정.