KR101536000B1 - 가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발효처리 전에 과산화수소를 이용하여 가축분뇨를 산화시킴으로써 악취를 저감시키고 발효기간을 크게 단축시킬 수 있는 가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치에 관한 것이다.
본 발명의 가축분뇨의 고속 액비화 방법은 가축분뇨로부터 분리된 분리액에 과산화수소를 첨가하여 상기 분리액을 산화시키는 산화단계와, 산화단계에서 산화된 분리액을 호기성 조건에서 발효시키는 발효단계를 포함한다.

Description

가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치{equipment and method for making liquid fertilizer of livestocks' excrements rapidly}

본 발명은 가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발효처리 전에 과산화수소를 이용하여 가축분뇨를 산화시킴으로써 악취를 저감시키고 발효기간을 크게 단축시킬 수 있는 가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치에 관한 것이다.

축산농가에서 배출되는 축산 분뇨는 일반적으로 가축의 대사작용 중 발생하는 고체액체성 물질로 BOD 2만 ~ 3만ppm 정도의 고농도 유기물질이다. 이러한 축산 분뇨는 관리 및 활용의 정도에 따라 자연 및 인간에 득과 실이 될 수 있는 물질로서, 축산분뇨는 오수분뇨 및 축산폐수의 처리에 관한 법률에 의해 축산폐수로 규정하고 있다.

축산 폐수는 고농도의 유기물로 이루어져 있어 별도의 처리과정을 거치지 않고 방류하게 되면 하천과 호수를 오염시키게 된다. 특히 질소와 인이 다량 함유되어 수계에 부영양화를 초래하여 음용수뿐만 아니라 농업용수 등 하천수의 이용을 불가능하게 만든다.

국내 고농도 유기성 폐기물의 총 발생량은 연간 약 8,000만톤으로서, 그중 하수슬러지가 2400만톤, 음식폐기물이 430만톤, 축산분뇨가 5100만톤을 차지하고 있는 실정이며, 2005년 기준으로 국내 연간 폐기물의 해양투기량은 992만㎥으로서, 그 중에 축산폐수는 274만 5천㎥을 차지하는 실정이며, 해양투기로 인한 처리 비용도 증가하는 실정이다.

현재, 축산폐수를 비롯한 각종 폐기물에 대해 한국에서 가장 많이 사용되는 폐기물 처리방법은 해양투기이나, 앞으로는 유기성 폐기물의 해양투기는 불가능할 것으로 전망되므로 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로서 해양투기 없이 축산폐수를 육상에서 처리할 수 있는 기술의 개발이 시급하다.

축산분뇨를 처리함에 있어서 수거된 분뇨의 성상, 지역적 특성 및 경제적 조건 등에 의해 그 처리방법은 실로 다양하다.

축산분뇨는 그 처리에 있어, 혐기성 소화법, 호기성 소화법, 이단활성슬러지법, 습식산화법 등에 의해 처리되며, 이외에도 처리용량, 지역적 특성에 의해 변형된 처리방식이 있으나 극소수에 지나지 않으며 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

먼저, 혐기성 소화법은, 혐기성 미생물의 자기고정화 특성으로 형성된 입상슬러지를 이용하여 고농도 유기성 폐수를 효율적으로 처리하는 공법이다. 즉, 고농도 유기성 폐수에 산소가 존재할 수 없도록 외부와 차단함으로써 분뇨의 유기물(BOD 등)이 물, 탄산가스, 메탄가스로 분해되어 정화되도록 하는 방법이다. 분자구조가 복잡한 탄수화물, 단백질 및 지방이 가수분해과정을 거쳐서 액화되고, 액화된 저분자 물질은 산 생성 미생물에 의해 초산, 피로피온산 등의 유기산으로 분해된다. 이 유기산은 다시 메탄생성 미생물에 의해 최종적으로 물, 탄산가스 및 메탄가스로 전환된다.

혐기성 소화법을 이용하여 축산분뇨를 처리하면 퇴비와 액비 그리고 메탄가스가 생성되는데, 그중 약 7%만이 퇴비로서 포장 및 판매되고, 약 70%는 액비가 된다. 혐기성 소화법을 통해 만들어진 액비를 처리함에 있어서는, 현재 저장조에 담아 연 1회 계약 경종 농가에 무상으로 뿌려주고, 나머지는 해양투기 하고 있는 실정이다.

그리고, 미숙 액비의 시용(施用)시 악취로 인한 민원발생 문제가 있는데, 혐기성 액비화의 경우에는 논작물 위주 경지가 민가와 근접한 국내 여건상 작물의 피해 및 악취에 의한 민원발생 소지가 높은 실정이다.

따라서 축산농가에서 발생하는 가축들의 분뇨를 호기성 미생물을 이용하는 액비의 제조방법들이 연구되고 있다. 대한민국 등록특허 제 10-0879586호에는 호기성 액비화 제조방법이 개시되어 있다.

상기 개시된 종래의 기술은 호기성 조건에서 분뇨를 발효시키므로 악취를 저감시킬 수 있는 장점은 있지만, 발효기간이 길어 액비를 제조하는 데 최소 2개월 이상의 많은 기간이 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 가축분뇨를 미생물을 이용하여 발효시키기 전에 과산화수소로 유기물을 산화처리함으로써 발효기간을 크게 단축시킬 수 있고 악취의 발생을 저감시킬 수 있는 가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가축분뇨의 고속 액비화 방법은 가축분뇨로부터 분리된 분리액에 과산화수소를 첨가하여 상기 분리액을 산화시키는 산화단계와; 상기 산화단계에서 산화된 분리액을 호기성 조건에서 발효시키는 발효단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 산화단계는 상기 과산화수소가 첨가된 분리액을 번갈아 압축 및 팽창시켜 상기 분리액과 상기 과산화수소를 혼합시키는 것을 특징으로 한다.

상기 혼합은 상기 과산화수소가 첨가된 분리액을 확장경부와 축소경부가 교대로 형성된 혼합관을 통과시켜 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 발효단계는 a)상기 산화단계에서 발생된 기포를 파괴하는 기포파괴단계와, b)상기 기포파괴단계에서 기포가 파괴된 분리액에 호기성 미생물을 투입한 후 폭기와 함께 교반시키는 폭기교반단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 산화단계는 상기 과산화수소가 첨가된 분리액에 순수 산소를 주입하여 산화시키는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가축분뇨의 고속 액비화 장치는 가축분뇨로부터 분리된 분리액에 과산화수소를 첨가하여 상기 분리액을 산화시키는 산화부와; 상기 산화부에서 산화된 분리액을 호기성 조건에서 발효시키는 발효부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 산화부는 상기 과산화수소가 첨가된 상기 분리액 중의 이물질을 제거하면서 1차로 혼합하는 사이클론부와, 상기 사이클론부에서 배출되는 상기 분리액을 번갈아 압축 및 팽창시켜 혼합하는 혼합관을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 발효부는 산화단계에서 발생된 기포를 파괴하는 기포파괴부와, 상기 기포파괴부에서 기포가 파괴된 분리액에 호기성 미생물을 투입한 후 폭기와 함께 교반시키는 폭기교반부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 미생물에 의한 발효과정에 앞서 분리액에 과산화수소를 첨가하여 분리액 중의 유기물질을 산화시킴으로써 미생물에 의한 분해시간을 크게 단축시키고 발효 효율을 향상시킨다.

또한, 본 발명은 과산화수소에 의해 유기물질의 산화를 통해 악취의 성분인 휘발성 유기화합물들을 분해시키므로 액비제조과정에서 발생하는 악취의 발생을 현저히 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가축분뇨의 고속 액비화 방법을 개략적으로 나타낸 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가축분뇨의 고속 액비화 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 3은 도 2에 적용된 요부를 나타낸 사시도이고,
도 4는 도 2에 적용된 다른 요부를 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가축분뇨의 고속 액비화 방법 및 이를 이용한 고속 액비화 장치에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1 내지 도 2를 참조하면서 본 발명의 일 실시 예에 따른 가축분뇨의 고속 액비화 방법은 크게 산화단계와 발효단계를 포함한다. 각 단계별로 구체적으로 살펴본다.

1. 산화단계

가축분뇨를 액비로 만들기 위해서 먼저 가축분뇨를 고액분리하여 고형 폐기물과 분리액으로 분리한다.

고액분리는 통상적인 고액분리장치를 이용한다. 고액분리장치로 스크린, 원심분리기, 필터프레스, 침전분리기 등이 이용될 수 있다. 분리된 고형 폐기물은 퇴비나 연료, 사료 등으로 재활용 처리될 수 있다. 그리고 유기성 폐액인 분리액은 본 발명을 통해 액비로 제조된다.

산화단계는 분리액에 과산화수소를 첨가하여 분리액을 산화시키는 과정이다.

과산화수소(H₂O₂)는 수소와 산소가 결합된 화합물로서, 산화력이 매우 높아 상온에서도 쉽게 분해가 된다. 과산화수소의 분해에 의해 유리되는 산소원자나 수산화라디칼은 매우 활성이 강하고 반응성이 풍부하여 강력한 산화작용을 갖는다.

과산화수소는 분리액 자체에 함유된 카탈라아제(catalase) 효소에 의해 분해가 촉진된다. 카탈라아제는 거의 모든 동식물 조직에 널리 존재하는 것으로 알려져 있다. 따라서 가축사료로 이용되는 과일, 채소, 곡물 등에 존재하는 카탈라아제는 가축분뇨로부터 분리된 분리액에 일정량 존재한다.

과산화수소는 초과산화 이온(superoxide ion: O^{2 -}), 수산화 라디칼(hydroxyl radical: ㆍOH)과 함께 대표적인 활성산소에 해당한다. 이러한 활성산소(active oxygen species)는 보통으로 존재하는 기저상태의 삼중항산소(³O₂)보다 반응성이 크고 활성이 풍부하다.

분리액에 첨가된 과산화수소는 분리액 중의 유기물질을 산화시킴으로써 후술할 발효단계에서 미생물에 의한 분해시간을 크게 단축시키고 미생물에 의한 분해 효율을 향상시킨다. 또한, 유기물질을 산화시키는 것은 악취의 성분인 휘발성 유기화합물들을 분해시키는 결과를 가져오므로 악취의 발생을 현저히 감소시킬 수 있다.

과산화수소를 이용하여 분리액을 산화시키는 산화단계는 1차 혼합단계와, 2차 혼합단계를 포함한다. 1차 및 2차 혼합단계를 통해 과산화수소는 분리액과 골고루 혼합되면서 반응속도를 증대시킨다.

1차 혼합단계는 분리액 중의 이물질을 제거하면서 분리액과 과산화수소를 1차로 혼합하는 과정이다. 그리고 2차 혼합단계는 1차 혼합된 분리액을 번갈아 압축 및 팽창시켜 상기 분리액과 상기 과산화수소를 2차로 혼합시킨다.

산화단계는 산화부에서 수행된다. 산화부는 제 1혼합부(10)와 제 2혼합부로 이루어진다.

1차 혼합단계를 수행하기 위한 제 1혼합부(10)는 하부가 원추형으로 형성된 사이클론(11)과, 사이클론(11)의 하부에 연결된 포집조(13)와, 사이클론(11)의 측면에 설치되어 분리액이 유입되는 분리액유입관(15)과, 사이클론(11)의 상부에 형성되어 이물질이 제거된 분리액이 배출되는 분리유출관(17)으로 이루어진다.

분리액유입관(15)을 통해 가축분뇨로부터 분리된 분리액이 사이클론(11)으로 유입된다. 분리액유입관(15)에는 과산화수소가 주입되는 과산화수소 주입관이 연결되어 과산화수소가 분리액에 첨가된다. 이와 달리 분리액과 과산화수소를 첨가한 후 분리액유입관을 통해 사이클론으로 유입될 수 있다.

과산화수소로 농도 20 내지 40%의 수용액을 이용할 수 있다. 과산화수소는 분리액 100중량부에 대하여 0.01 내지 1.0중량부를 투입하는 것이 바람직하다. 과산화수소의 투입량이 0.01중량부 미만이면 효과가 미미하고, 1.0중량부를 초과하면 효과의 상승이 낮다.

펌프(16)에 의해 일정한 속도로 유입되는 분리액은 사이클론(11)에서 회전하면서 원심분리에 의해 비중이 큰 이물질은 하방으로 낙하하여 포집조(13)로 포집된다. 이물질이 제거된 분리액은 분리액유출관(17)을 통해 제 2혼합부로 유입된다. 포집된 이물질은 드레인관(19)을 통해 외부로 배출할 수 있다.

2차 혼합단계는 1차 혼합된 분리액을 번갈아 압축 및 팽창시킨다.

2차 혼합단계는 제 2혼합부에서 수행된다. 제 2혼합부는 확장경부(21)와 축소경부(25)가 형성된 혼합관(20)으로 이루어진다. 혼합관(20)은 적어도 하나의 확장경부(21)와 적어도 하나의 축소경부(25)로 이루어진다. 확장경부(21)와 축소경부(25)는 교대로 배치된다.

도시된 예에서 혼합관(20)은 전단에서부터 확장경부-축소경부-확장경부-축소경부-확장경부의 순서로 이루어져 있다. 이와 달리 축소경부-확장경부-축소경부-확장경부-축소경부의 순서로 이루어질 수 있다. 확장경부(21)와 축소경부(25)는 일직선으로 연결되거나 도 3에 나타난 바와 같이 축소경부가 굽어지게 형성되어 상하로 배치된 확장경부를 상호 연결시킬 수 있다.

확장경부(21)와 축소경부(25)의 내부에는 유로가 형성된다. 확장경부(21)의 유로(22)와 축소경부(25)의 유로(26)는 연결된다.

도 3에 잘 나타난 바와 같이 확장경부(21)의 유로(22) 직경은 분리액유출관(17)의 내경보다 더 크게 형성된다. 그리고 축소부경부(25)의 유로(26)는 확장경부의 유로(22)보다 직경이 더 작게 형성된다. 축소경부의 유로(26) 직경은 분리액유출관(17)의 내경과 동일하거나 더 작게 형성될 수 있다.

과산화수소가 첨가된 분리액이 혼합관(20)의 확대경부(21)를 통과하면서 유속은 낮아지고 압력은 높아진다. 그리고 이후 축소경부(25)를 통과할 때 유속이 빨라지고 압력은 낮아진다. 이와 같이 혼합관(20)을 통과하는 분리액은 교대로 압축 및 팽창이 반복적으로 일어나므로 과산화수소와의 혼합이 효율적으로 수행된다.

상술한 제 1 및 제 2혼합부를 통해 분리액 중의 이물질을 제거함과 동시에 과산화수소와 분리액을 골고루 혼합시켜 과산화수소에 의한 산화효과를 향상시킨다. 제 1 및 제 2혼합부를 통해 과산화수소에 의해 산화처리된 분리액은 최초의 분리액과 비교시 성상에서 많은 차이가 있다. 색상은 검정색에서 갈색으로 변하고, 악취는 거의 느낄 수 없을 정도로 현저히 감소된다.

한편, 산화단계에서 과산화수소가 첨가된 분리액에 순수 산소를 주입할 수 있다. 가령, 분리액유출관에서 배출되어 제 2혼합관으로 유입되는 분리액 중으로 순수 산소를 주입한다. 이는 분리액 중의 용존산소를 높이고, 산화효과를 증대시킬 수 있다.

도시되지 않았지만, 순수산소를 주입하기 위해 순수 산소가 충전된 산소붐베와, 산소붐베와 분리액유출관을 연결하는 산소공급관이 구비된다.

2. 발효단계

발효단계는 상기 산화단계에서 산화된 분리액을 호기성 조건에서 발효시킨다. 과산화수소에 의해 산화되지 않은 유기물들은 발효단계에서 미생물에 의해 분해처리된다. 발효단계는 발효부를 통해 수행된다.

발효단계는 일 예로 산화단계에서 발생된 기포를 파괴하는 기포파괴단계와, 기포가 파괴된 분리액에 호기성 미생물을 투입한 후 폭기와 함께 교반시키는 폭기교반단계로 이루어진다.

기포파괴단계를 수행하기 위한 기포파괴부는 도 4에 잘 나타난 바와 같이 혼합관(20)과 연결된 제 1연결관(31)과, 제 1연결관(31)과 연결된 탱크(33)와, 탱크(33)의 내부에 설치된 충돌판(35)과, 탱크(33)의 하부에 연결된 제 2연결관(37)으로 이루어진다.

혼합관(20)의 후단과 연결되어 탱크(33)의 내부까지 연장되는 제 1연결관(31)은 단부가 상방으로 경사지게 형성된다. 그리고 제 2연결관(37)에는 펌프(38)가 설치된다.

혼합관(20)에서 배출되는 분리액은 제 1연결관(31)을 통해 탱크(33)의 내부로 유입되고, 탱크(33)의 내부로 유입된 분리액은 충돌판(35)과 충돌하면서 기포가 파괴된다. 기포가 파괴된 분리액은 제 2연결관(37)을 통해 폭기교반부(40)로 유입된다.

기포를 파괴시킨 후 분리액에 호기성 미생물을 투입한 후 폭기와 함께 교반시켜 분리액을 발효시킨다.

폭기교반단계를 수행하기 위한 폭기교반부(40)는 발효조(41)와, 발효조(41)의 내부에 설치된 산기관(43)과, 산기관(43)과 연결되어 공기를 공급하는 블로워(45)와, 발효조(41) 내부에 설치된 교반수단(미도시)으로 이루어진다. 교반수단으로 전동모터에 의해 구동되는 통상적인 교반 임펠러가 설치될 수 있다.

발효조에 일정량의 분리액이 저장되면, 미생물을 투입한다. 미생물로 호기성 미생물을 이용한다.

호기성 미생물의 일 예로 바실러스 스테아로써모필러스(Bacillus stearothermophilus), 스페로테리우스 나우타우(Speroterius Nautau ), 바실러스 서브틸러스(Bacillus subtilis), 로도슈도마나스(Rhodopsudomonas), 로도스피릴룸(Rhodospirillum), 바실러스 소노렌시스(Bacillus sonorensis), 바실러스 터모아밀로보란스(Bacillus thermoamylovorans) 단독 또는 2 이상이 혼합된 형태로 이용할 수 있다.

이 외에도 공지의 호기성 미생물을 이용할 수 있다. 미생물은 축산 분뇨의 발효 과정에서 자체적으로 분리하여 이용하거나 상업적으로 구입하여 이용 가능하다.

미생물 배양액을 발효조(41)에 투입하는 경우, 분리액 100중량부에 대하여 미생물 배양액 0.01 내지 0.3중량부를 투입할 수 있다.

미생물의 투입 후 발효조(41)에 저장된 분리액에 폭기와 함께 교반을 시키면서 분리액을 발효시킨다. 폭기와 교반은 간헐적으로 수행될 수 있다. 발효를 통해 호기성 미생물에 의해 분리액 중의 유기물이 분해되고 질소 및 염분, 중금속의 수치 저하와 COD, BOD, SS, 질소, 인의 수치를 낮출 수 있다.

특히, 본 발명은 미생물에 의한 유기물의 분해 전에 과산화수소에 의한 산화처리가 먼저 진행되므로 미생물에 의한 분해시간을 크게 단축시킬 수 있다. 미생물에 의해 분뇨를 발효시키는 종래의 액비제조방법은 액비 제조기간이 2개월 내지 6개월이 소요되는 반면에 본 발명은 액비 제조기간은 10 내지 20일 정도면 충분하다.

발효단계를 통해 분리액은 최종적으로 연한 갈색 빛을 띠고, 취기가 전혀 나지 않을 정도로 분해되어 양질의 액비가 형성된다.

이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해 져야할 것이다.

10: 제 1혼합부 11: 사이클론
13: 포집조 20: 혼합관
21: 확대경부 25: 축소경부
30: 기포파괴부 33: 탱크
40: 폭기교반부 41: 발효조
43: 산기관

Claims (8)

1. 가축분뇨로부터 분리된 분리액에 과산화수소를 첨가하여 상기 분리액을 산화시키는 산화단계와;
   상기 산화단계에서 산화된 분리액을 호기성 조건에서 발효시키는 발효단계;를 포함하고,
   상기 발효단계는 a)상기 산화단계에서 발생된 기포를 파괴하는 기포파괴단계와, b)상기 기포파괴단계에서 기포가 파괴된 분리액에 호기성 미생물을 투입한 후 폭기와 함께 교반시키는 폭기교반단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨의 고속 액비화 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 산화단계는 상기 과산화수소가 첨가된 분리액을 번갈아 압축 및 팽창시켜 상기 분리액과 상기 과산화수소를 혼합시키는 것을 특징으로 하는 가축분뇨의 고속 액비화 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 혼합은 상기 과산화수소가 첨가된 분리액을 확장경부와 축소경부가 교대로 형성된 혼합관을 통과시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨의 고속 액비화 방법.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 산화단계는 상기 과산화수소가 첨가된 분리액에 순수 산소를 주입하여 산화시키는 것을 특징으로 하는 가축분뇨의 고속 액비화 방법.
6. 가축분뇨로부터 분리된 분리액에 과산화수소를 첨가하여 상기 분리액을 산화시키는 산화부와;
   상기 산화부에서 산화된 분리액을 호기성 조건에서 발효시키는 발효부;를 구비하고,
   상기 발효부는 상기 산화부에서 발생된 기포를 파괴하는 기포파괴부와, 상기 기포파괴부에서 기포가 파괴된 분리액에 호기성 미생물을 투입한 후 폭기와 함께 교반시키는 폭기교반부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨의 고속 액비화 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 산화부는 상기 과산화수소가 첨가된 상기 분리액을 사이클론으로 유입시켜 분리액 중의 이물질을 제거하면서 1차로 혼합하는 제 1혼합부와, 상기 사이클론에서 배출되는 상기 분리액을 번갈아 압축 및 팽창시켜 혼합하는 제 2혼합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가축분뇨의 고속 액비화 장치.
8. 삭제

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