KR20060003835A - 방사선조사기술을 이용한 축산분뇨에 함유된 항생물질,악취유발성물질과 병원성 미생물의 저감 및 이를 이용한부산물비료 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축산분뇨와 같은 재이용이 가능한 유기성 폐기물에 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 0.1-100kGy 수준으로 조사하여 축산분뇨에 함유되어 있는 항생물질 저감, 악취 제거, 기생충란 제거, 병원성 미생물 제거를 통하여 안전하고 효율적인 자원 재활용 시스템 구축과 함께 양질의 부산물 및 유기질비료를 개발하는 것을 목적으로 한다.

축산분뇨에 다량 함유되어 있는 항생물질은 현재 사회적으로 큰 문제가 되고 있는 항생제 내성균과 일부 연관되어 있으며, 축산분뇨의 발효과정에 영향을 끼쳐 정상적인 발효·숙성을 저해하여 미부숙된 부산물비료가 농경지에 살포될 경우 작물에 대한 가스 장애를 유발할 우려가 있다. 이와 함께 또한 정상적으로 살균처리가 되지 않은 축산분뇨가 농경지에 처리될 경우 기생충란 뿐만 아니라 살모넬라 등과 같은 병원성 미생물로 인한 보건위생상의 문제점을 야기할 수도 있다. 이와 함께 축산분뇨의 혐기발효과정에서 메탄, 암모니아 및 황화수소 등과 같은 혐기성 생성물로 인한 악취발생 때문에 축산분뇨의 자원화에 걸림돌로 작용하고 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 축산분뇨에 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 조사함으로써 농경지로의 재활용이 가능한 유기성 폐자원의 첨단 환경처리기술을 개발하고자 하였다. 보다 상세하게는 ① 톱밥 40 중량%와 제올라이트 60 중량%를 혼합한 수분조절제 제조 ② 축산분뇨에 함유된 항생물질로 인한 발효불량, 병원성 미생물 살균과 악취유발성물질을 제거하기 위하여 축산분뇨에 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 5kGy 수준으로 조사하는 공정 ③ 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 ④ 교반식 발효조에 상기에서 얻어진 축산분뇨 고형물질 70 중량%와 수분조절제 30 중량%를 투입한 후 잘 교반하여 탄질율(C/N ratio)을 20 내지 40으로 조정하는 공정 ⑤ 교반식 발효조에서 3주 정도 발효과정을 거쳐 수분 함량이 30% 이하인 부산물비료를 제조하는 공정으로 구성되어 있다.

본 발명을 통하여 축산분뇨에 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 조사함으로서 축산분뇨에 함유되어 있는 항생물질의 분해, 기생충란 및 병원성 미생물의 살균 그리고 암모니아, 메탄, 황화수소와 같은 악취유발성물질의 저감을 통한 축산분뇨의 농경지 사용시 보건위생학적 안전성을 확보할 수 있었으며, 부가적으로 처리과정에서 축산분뇨에 함유되어 있는 유기물의 분해촉진과 함께 유기태 식물영양성분이 식물체로의 흡수가 용이한 무기태 식물영양분으로 전환되어 일반 부산물비료 보다 식물영양학적인 측면에서 우수한 양질의 부산물비료를 제조할 수 있다.

축산분뇨, 유기성 폐기물, 부산물비료, 감마선, 전자선, 방사선조사기술

Description

방사선조사기술을 이용한 축산분뇨에 함유된 항생물질, 악취유발성물질과 병원성 미생물의 저감 및 이를 이용한 부산물비료 제조방법 {REDUCTION OF ANTIBIOTICS, ODOR, AND PATHOGENIC MICROORGANISMS IN LIVESTOCK MANURE USING THE IRRADIATION TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT OF BY-PRODUCT FERTILIZER}

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

도 2. 축산분뇨(돈분, 계분, 우분)의 혼합 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 부산물비료를 예시하는 사진이다.

도 5. 본 발명에서 개발된 감마선 조사 부산물비료와 일반 부산물비료의

성분분석 결과를 예시하는 도표이다.

도 6. 본 발명에서 시중에서 유통중인 일반 부산물비료를 이용하여 배추작물 을 45일째에 재배하고 있는 사진이다.

도 7. 본 발명에서 개발된 부산물비료를 이용하여 배추작물을 45일째에

재배하고 있는 사진이다.

도 8. 본 발명에서 개발된 부산물비료를 이용하여 배추작물을 45일 동안

재배후 생육조사 결과를 예시하는 도표이다.

도 9. 본 발명에서 개발된 부산물비료를 이용하여 배추작물을 45일 동안

재배후 토양의 화학적 특성변화를 예시하는 도표이다.

우리나라 비료관리법에서 “비료는 식물에 영양을 주거나 식물의 재배를 돕기 위해 흙에서 화학적 변화를 가져오게 할 것을 목적으로 토지에 베풀어지는 물질과 식물에 영양을 줄 것을 목적으로 식물에 베풀어지는 물질을 말한다.” 라고 정의하고 있다.

비료는 보통비료와 부산물비료가 있다. 보통비료라 함은 부산물비료 외의 비료로서 공정규격이 정하여진 것을 말하며, 부산물비료는 농업·임업·축산업·수산업·제조업 또는 판매업을 영위하는 과정에서 나온 부산물, 인분뇨, 음식물류 폐기물, 토양미생물제제(토양효소제제를 포함한다), 토양활성제 등 비료성능이 있는 물질로서 농림부장관이 지정하는 것을 말한다.

부산물비료의 법 적용 예외는 농업·임업·축산업 또는 수산업을 영위하는 자가 그 영위과정에서 나온 부산물비료를 다른 비료의 원료로 판매하거나 포장하지 아니하고 판매하는 경우에는 대통령령이 정하는 바에 의하여 이 법의 규정을 적용하지 아니하며(법률 제3조 제2항), 농업·임업·축산업 또는 수산업을 영위하는 자가 당해 업의 영위과정에서 나오는 부산물을 이용하여 1일 1.5톤 이하의 부산물비료를 생산하여 판매하는 경우로 한다(시행령 제1조의 2).

유기질비료는 대부분 동?식물체의 찌꺼기인 박류를 원료로 사용하여 비료의 원료를 쉽게 확인할 수 있도록 원료를 부숙시키지 않고 포장해서 판매되고 있으며, 순도가 높은 원료를 사용해서 제조하므로 무기성분인 3요소 함량이 높아 토양에 시용할 경우 미생물에 의해 분해되는 각종 아미노산, 유기산, 핵산, 부식산 등이 부산물비료에 비해서 월등히 많다.

유기질비료는 비료공정규격에 17종으로 규정하고 있는데, 비료제조에 사용되고 있는 원료에 따라서 일반적으로 식물질비료, 동물질비료, 혼합유박비료, 혼합유기질비료로 크게 구분할 수 있다. 식물질비료에는 대두박, 채종유박, 면실유박, 깻묵, 낙화생유박, 아주까리유박, 기타 식물성유박, 미강유박, 아미노산발효부산비료, 맥주오니가, 동물질비료에는 어박(어분 포함), 골분, 잠용유박, 계분가공비료,증제피혁분이 있다. 혼합유박비료는 식물질비료를 2종 이상이 혼합된 것이며, 혼합유기질비료는 유기질비료가 2종 이상 혼합된 것을 말한다.

부산물비료는 농림축산물업의 부산물을 주원료로 사용해서 제조하고, 비료의 3요소 성분은 적어서 거의 보증하지 않으며, 수분함량이 높고, 유기물 함량이 낮으며, 사용되고 있는 원료의 C/N율이 유기질비료보다 높아서 인위적으로 부숙(발효)시켜야 하며, 이물질이 혼입될 가능성이 있는 등 비료의 품질은 일반적으로 유기질비료 보다 낮은 것으로 알려져 있다. 비료공정규격에는 퇴비, 부숙겨, 재(草·木 灰), 분뇨잔사, 부엽토, 아미노산발효부산비료(액), 건계분, 건조축산폐기물(가축의 도축과정에서 생기는 폐기물로 제조된 것), 부숙왕겨 및 톱밥, 토양미생물제제(미생물효소) 및 토양활성제제로서 총 10종이 규제되어 있다. 부산물비료는 유기질비료와 달리 비료공정규격의 주성분에는 유기물(20∼30% 이상)을, 유해성분에는 중금속함량(비소 50, 카드뮴 5, 수은 2, 납 150, 크롬 300, 구리 500mg/kg)을, 기타규격에는 유기물 대 질소의 비(50% 혹은 70% 이하), 염분(NaCl 1.0% 이하), 수분(30% 이하), 염산불용해물(10% 이하)을 비종에 따라 규제하고 있다.

우리나라의 농업은 1960년대 이후 화학비료를 집약적으로 투입하여 단위면적당 고수확, 고소득을 올리는 농업정책으로 일관하여 왔다. 그 결과 우리나라의 토양은 유기물 함량이 대단히 부족한 상태에 있으며, 이로 인한 지력저하가 농업생산력 증대에 커다란 장애가 되고 있다. ‘친환경농업 육성정책’과 ‘논농업 직불제’ 확대 등으로 화학비료는 지원감축 등으로 사용량이 줄고 친환경 농산물 생산을 위한 유기질, 부산물 비료의 소비는 증가할 것으로 예상되고 있다. 이러한 환경변화에 따라 정부는 화학비료에 대한 정부보조를 폐지하는 대신 2006년 100만톤, 400억원 수준으로 농가에 대한 퇴비 지원을 확대할 계획이어서, 향후에는 유기질·부산물비료의 농가사용이 증가하게 될 것으로 예상된다.

최근 우리나라의 경우 수입 유기질비료의 국내 유입이 급증하고 있다. 정부가 국제식품규격위원회(CODEX) 기준에 충족한 유기농산물 생산을 목적으로 2006년 부터 공장형 축산분뇨퇴비 사용을 금지했기 때문이다. 현재 수입 유기질비료는 20kg 한 포대당 15,000원∼37,000원대로 국내에서 생산된 제품보다 3∼8배 이상 비싼 것으로 알려져 있다. 현재 수입되는 유기질비료가 자국내 인증기관으로부터 인증 받은 제품이라고 하나 이를 입증할만한 정확한 자료가 부족하고 국내에서의 안전성 검증도 이루어지지 않은 채 고가에 무분별하게 농업인들에게 보급되고 있다.

이와 함께 우리나라 축산업 형태가 이제는 부업형이 아니라 전업형, 기업형 등 대형화, 집단화되어 가고 있기 때문에 가축분뇨에 의한 수질 및 환경오염도 점차 사회문제로 대두되고 있어 분뇨처리에 대한 법적규제를 더욱 강화해 나가고 있는 실정이다. 축산분뇨의 재이용 과정에서 발생되는 악취와 고액분리후 남은 뇨(尿)의 재처리가 이루어지지 않은 채 인근 하천으로 방류되어 주요 수질오염 인자로 작용하고 있다. 이러한 과정에서 축산분뇨 처리시설이 혐오시설로 분류되어 자원순환형 사회시스템을 구축하는데 장애요소가 되고 있다.

우리나라 시·도에 등록된 퇴비생산업체의 원료는 축산분뇨에 톱밥을 혼합하여 제조한 퇴비가 가장 많고, 축산분뇨와 톱밥에 동물 및 식물잔재물과 수피를 혼합한 것이 그 다음으로 많은 것으로 알려져 있다. 가축분뇨에는 식물생육에 필요한 식물영양물질, 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 거 의 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 현실이다. 축산분뇨에는 식물생장에 필요한 질소, 인산, 칼리와 같은 다량원소가 많이 함유되어 있는 반면에 축산분뇨에 함유되어 있는 항생물질은 축산분뇨의 발효과정에 영향을 끼쳐 정상적인 발효, 숙성을 저해함으로써 미부숙된 부산물비료를 농경지에 살포시 작물에 대한 가스 장애를 유발할 우려가 있다. 또한 정상적으로 살균처리가 되지 않은 축산분뇨가 농경지에 처리될 경우 병원성 미생물로 인한 보건위생상의 문제점을 야기할 위험성이 잠재되어 있다. 이와 함께 축산분뇨의 혐기발효과정에서 메탄, 암모니아 및 황화수소 등과 같은 혐기성 생성물로 인한 악취가 매우 심각한 문제로 대두되고 있다.

최근에 국내에서는 김치에서 기생충란이 검출되어 엄청난 사회적인 파장과 함께 대외무역 관계에서도 많은 문제점이 파생되었다. 이에 식품의약청안전청에서는 "검출된 기생충알이 동물유래 회충이기 때문에 동물의 배설물을 통해 잔류됐을 가능성이 높다"면서 "일부 돼지 분변을 충분한 퇴비과정 없이 사용하거나 농작물의 재배, 유통 과정에서 개나 고양이 등의 배설물이 묻었을 경우가 있을 수 있다"고 밝혔다. 이같은 문제는 축산분뇨의 환경위생적인 처리가 이루어지지 않아 파생된 문제로 축산분뇨의 안전한 전처리가 그 무엇보다도 중요함을 보여주는 지표로 판단된다.

대한민국 특허 10-2002-0004664에, 퇴비나 농축산물의 부산물비료 그리고 유기질비료와 무기질비료를 원료로 하여 소정 크기의 정제형 펠릿비료를 제조하는 시스템에 관해 제시되어 있으며, 대한민국 특허 10-2002-0016215에, 계분과 톱밥을 섞어 우드칩 발효공법으로 완전히 발효시켜 퇴비로서의 기능 및 미생물군집으로서의 기능을 활성화시키고 고추 역병균 및 탄저병균 저항성 균주인 바실러스 서브틸리스(Bacilus subtilis)를 대량 배양하여 첨가하는 부산물비료 및 그 제조방법에 관해 예시되어 있다. 또한 대한민국 특허 10-2001-0037488에, 식물성 유박에 석회석이나 결착제를 첨가하여 클럼블 형태로 부산물 비료를 제조하는 방법이 예시되어 있다. 그리고 대한민국 특허 10-2001-0083075에, 퇴비의 발효와 미생물의 배양을 극대화하는 방법으로 키토산의 특성중 유효미생물 증식, 토양개량, 염분축적 예방 등의 특성을 이용하여 부산물비료의 발효시 축산분뇨과 톱밥의 발효 기간을 단축시켜 생산원가 절감과 퇴비의 부숙과정에서의 유효 미생물 증식으로 양질의 퇴비를 생산할 수 있는 방법이 제시되어 있다.

지난 10년 동안 국제적으로 방사선 조사기술을 접목한 유기성 폐자원의 자원화 기술이 매우 활발하게 개발되고 있으며, 특히 환경 및 농업분야에서 그 중요성 이 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. 도 1에 감마선조사장치의 원리를 소개하고 있다(출처: http://www.greenpia.biz/)

우리나라의 경우 매년 증가하는 유기성 폐자원의 처리과정에서 발생하는 님비현상과 바나나현상과 같은 사회적인 갈등구조를 해소하여 국가통합의 길로 나아갈 수 있는 방안의 모색이 절실하게 필요한 시기이다. 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 여기에 대한 대책마련이 절실한 시기이다.

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 황화물, 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 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 축산분뇨의 재이용과정에서 파생되는 종래의 문제점을 해소하며, 농경지로의 재활용이 가능한 유기성 폐자원의 첨단 환경처리기술을 개발하는데 있다.

세부적으로 축산분뇨의 자원화 과정에서 야기되고 있는 항생제로 인한 축산분뇨의 발효불량, 메탄, 황화수소, 암모니아와 같은 악취유발성물질, 기생충란, 유해 해충, 유해 잡초종자 및 살모넬라 등 병원성 미생물의 살균 및 유기독성물질의 분해 저감에 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 이용한 방사선 조사기술을 도입함으로써 축산분뇨 유래 이들 유해물질을 분해 및 살균시켜 보건위생학적으로 안전성이 확보된 축산분뇨의 재이용 시스템을 구축하고자 한다.

또한 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 축산분뇨에 조사할 경우 유기물질의 분해가 촉진되고, 축산분뇨에 함유되어 있는 유기태 식물양분을 무기태 식물양분으로의 전환율을 향상시켜 비료성분의 식물이용 효과를 증진시킬 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명의 목적은 방사선조사기술을 이용하여 축산분뇨의 자원화 과정에서 야기되고 있는 항생제로 인한 축산분뇨의 발효불량, 메탄, 황화수소, 암모니아와 같은 악취유발성물질, 살모넬라 등 병원성 미생물의 살균 및 유기독성물질의 분해 저감에 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 이용한 방사선 조사기술을 도입함으로써 축산분뇨 유래 이들 유해물질을 분해 및 살균시켜 보건위생학적으로 안전성이 확보된 축산분뇨의 재이용 시스템을 구축하고자 한다.

본 발명을 공정별로 좀 더 상세히 설명하면 제 1 공정은 수분조절제 제조, 제 2 공정은 축산분뇨의 감마선 조사와 고체-액체 분리, 제 3 공정은 축산분뇨에 처리한 감마선 조사 효과 구명, 제 4 공정은 축산분뇨와 수분조절제의 혼합후 발효공정, 제 5 공정은 개발된 감마선 조사 부산물비료와 일반 부산물비료를 이용한 작물재배시험으로 구성되어 있다.

본 출원인은 살균처리된 축산분뇨 유래 부산물비료를 대상으로 병원성 미생물 존재 여부, 항생물질, 악취유발성물질의 함량, 식물영양성분의 유효도 정도를 분석하고 부산물비료의 탄질율(C/N ratio)이 20 내지 40이 되도록 조성비를 조절하였다. 그 후 교반식 발효조에 축산분뇨 고형물질 70 중량%와 수분조절제 30 중량%를 투입한 후 혼합하여 잘 교반하여 3주 정도 발효 숙성시킨 후 양질의 부산물비료를 개발하였다. 이러한 과정을 통하여 병원성 미생물과 항생제 물질이 전혀 검출되 지 않았고 메탄, 황화수소, 암모니아와 같은 악취유발성물질이 상당량 저감된 양질의 부산물비료가 개발되었다. 이하 본 발명을 실시예로 예시할 것이지만, 본 발명은 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시 예 1 : 수분조절제 제조

첫째, 축산분뇨의 발효에 적당한 탄질율, 통기성과 함수율을 제어하기 위해 톱밥 40 중량%와 제올라이트 60 중량%로 혼합한 수분조절제를 제조하여 별도의 소형 사이로에 저장하였다. 우리나라 퇴비 생산업체에서는 주로 축산분뇨(우분, 돈분, 계분)를 주원료로 하고 수분조절제로 톱밥을 혼합하여 제조한 퇴비가 가장 많고, 축산분뇨와 톱밥에 동물 및 식물잔재물과 수피를 혼합한 것이 그 다음으로 많은 것으로 알려져 있다. 이에 본 발명에서도 수분조절제로 톱밥을 사용하였으며, 톱밥과 제올라이트의 배합비율은 관행적인 퇴비 생산업체의 처리량에 기준하였다.

실시 예 2 : 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). 그 후 축산분뇨를 고체-액체 분리탱크에 투입한 후 나선형 스크류식 교반기로 2시간 정도 해리후 고체(糞)와 액체(尿)로 분리하였다. 일부 건 조된 축분만 포함되어 있을 경우에는 수분을 일부 공급할 수 있다. 탈수된 액체(尿)는 실시예 4에서 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. 그 후 고액분리후 얻어진 고형물의 함수율이 60% 정도 되도록 순환통풍 건조하였다(도 2).

실시 예 3 : 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 모두 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 전환되 어 식물영양학적으로 아주 바람직한 결과가 도출되었다. 실례로 감마선 조사전 축산분뇨에서는 무기태질소(암모니아태질소와 질산태질소)의 합이 179.7 mg/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).

실시 예 4 : 축산분뇨와 수분조절제의 혼합후 발효공정

교반식 발효조에 상기 감마선으로 조사된 축산분뇨 고형분 70 중량%와 수분조절제 30 중량%를 투입한 후 혼합하여 잘 교반하였다. 축산분뇨와 수분조절제의 혼합비율은 시중 퇴비 생산업체에서의 관행적인 배합기준에 준하여 실시하였다. 수분조절제와 축산분뇨의 혼합물을 대상으로 탄질율을 조사하면서 탄질율의 범위가 50 이하로, 본 발명에서는 20 내지 40 정도가 유지될 수 있는 조건으로 하면서 질소원이 부족할 경우 상기 실시예 2에서 얻어진 축산분뇨 유래 액상물질을 첨가하였다. 교반식 발효조에 공기를 공급하면서 3주 동안 고온발효시켰다. 발효공정이 진행되는 3주 동안 매일 수분함유 정도를 관능검사를 수행하면서 부족한 수분을 공급하였으며 발효 종료시점에서 수분함량은 30% 수준이었다(도 4). 최종적으로 발효가 종료된 부산물비료를 대상으로 비료공정규격에 제시되어 있는 항목에 대한 성분분석을 수행한 결과 모든 기준항목에서 일반 시판 부산물비료 보다 우수한 것으로 나타났다(도 5).

실시 예 5 : 개발된 감마선 조사 부산물비료와 일반 부산물비료를 이용한 작물재배시험

시판중인 S社(전라북도 김제 소재)의 부산물비료를 대조구로 하고, 본 발명에서 최종적으로 개발한 감마선이 조사된 부산물비료를 대상으로 배추작물을 재배하면서 적용가능성을 비교하였다. 부산물비료의 처리량은 소형 폿트에 4ton/10a(우리나라 부산물비료 농경지 시비량 기준)이었으며 재배기간은 총 45일이었다(도 6, 도 7).

배추재배 45일째에 배추를 수확하여 생체중, 엽폭, 엽장을 조사한 결과, 전체적으로 일반 부산물비료에 비해 감마선이 조사된 부산물비료에서 수량지수가 높게 나타났다. 조사항목 전체에서 일반 부산물비료과 비교시 본 발명에서 개발된 부산물비료가 1.5 내지 2배 이상의 수량지수가 높게 나타났다(도 8).

배추재배 45일째 수확이 끝나고 재배되었던 토양을 채취하여 토양 pH, 총질소, 총인, 유기물, 전기전도도, CEC 등을 조사하였다. 조사결과, 감마선 조사가 이루어진 부산물비료를 농경지에 투입시 확연하게 토양의 물리성과 화학성이 개선되고 있음이 확인되었다. 도 3의 감마선 조사전·후 축산분뇨의 화학적 특성변화에서 언급한 바와 같이 양이온치환용량, 무기태질소(암모니아태질소, 질산태질소), 그리고 무기태인산의 토양중 함량이 증가한 것으로 나타났다(도 9).

본 발명에 따르면, 축산분뇨에 코발트(원자번호: 60) 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 5kGy 수준 조사함으로써 축산분뇨에 함유되어 있는 암모니아와 같은 악취유발성물질의 저감, 병원성 미생물의 살균과 항생물질의 분해 및 저감을 통한 보건위생학적 안전성을 확보할 수 있었다.

부가적으로 처리과정에서 축산분뇨에 함유되어 있는 유기물의 분해촉진과 함께 유기태 식물영양성분이 식물체로의 흡수가 용이한 무기태 식물영양분으로 전환되어 일반 부산물비료 보다 식물영양학적인 측면에서 우수한 양질의 부산물비료를 제조할 수 있다. 이는 추후 유기성 폐자원의 재활용과 관련된 환경정화 처리기술의 발달에도 크게 기여할 것으로 예상된다.

Claims (9)

1. 우리나라 농림부 비료관리법 제 4조의 비료공정규격(농림부 제 97-59호)에서 규정하고 있는 부산물비료의 일반지정원료와 특별지정원료 그리고 유기질비료의 원료에 방사선 조사기술을 이용하여 항생물질 분해, 대장균, 기생충란 및 병원성 미생물의 살균, 유해해충 제거, 유해 잡초종자 제거 그리고 메탄, 암모니아 및 황화수소 등 악취유발성물질의 제거를 특징으로 하는 방법
2. 청구항 1에서 방사선 조사기술은 전자선 가속기에서 방출되는 전자선, 코발트(Co, 원자번호: 60), 크립톤(Kr, 원자번호: 85), 스트론튬(Sr, 원자번호: 90), 세슘(Cs, 원자번호: 137) 등과 같은 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선 그리고 X선을 사용하여 흡수선량 0.1 내지 100kGy를 조사하는 것을 말한다.
3. 우리나라 농림부 비료관리법에서 규정하고 있는 퇴비의 원료중 사전 분석검토후 사용가능한 원료 예를 들어, 하수슬러지 또는 음식물 쓰레기에 방사선 조사기술을 이용하여 항생물질, 환경호르몬 분해, 대장균, 기생충란 및 병원성 미생물의 살균, 유해해충 제거 그리고 메탄, 암모니아 및 황화수소 등 악취유발성물질의 제거를 특징으로 하는 방법
4. 청구항 1과 3에 있어서 부산물비료의 일반지정원료와 특별지정원료, 유기질비료의 원료 그리고 퇴비의 원료중 사전 분석검토후 사용가능한 원료에 유래하는 유기물의 분해속도 촉진, 유기태 식물양분의 무기태 식물양분로의 양분유효도를 증가시킬 목적으로 방사선 조사기술을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법
5. 도축폐기물, 축산분뇨의 액비화 및 퇴비화시설 그리고 축산분뇨 처리장에서 탈수효율 개선, 수분건조 및 축산분뇨의 감량화를 목적으로 방사선 조사기술을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법
6. 청구항 5에 있어서 항생물질 분해, 대장균, 기생충란 및 병원성 미생물의 살균, 유해해충 제거 그리고 메탄, 암모니아 및 황화수소 등 악취유발성물질의 제거의 목적으로 방사선 조사기술을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법
7. 우리나라 농림부 비료관리법 제 2조에서 정의하고 있는 ‘비료업자’가 비료의 생산, 수입, 판매, 수출하고자 하는 유기질비료 및 부산물비료에 방사선 조사기술을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법
8. 청구항 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7에 의한 방법으로 조제한 부산물비료 및 유기질비료
9. 청구항 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8에 있어서 방사선 조사기술의 이용과 함께 상승효과(SYNERGIC EFFECT)를 얻기 위해 자외선(UV), 오존(OZONE), 초음파 처리 등 어느 하나 이상의 조합을 특징으로 하는 방법

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