KR102319965B1 - 유기성폐기물 자원화 방법 및 이를 이용한 친환경 고기능성 인공 부식토 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기성폐기물을 자원화 하는 방법과 관련된다. 본 발명은 실시예로 유기성폐기물의 덩어리를 파쇄하여 입자를 균등하게 하며, 이물질을 제거하는 전처리단계, 상기 전처리단계를 거친 유기성폐기물에, 반응왕겨파우더 또는 왕겨파우더 중 적어도 하나를 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원료혼합단계를 거친 이후 생석회를 혼합하여 수화반응을 통해 인공 부식토/퇴비/인공 피트의 원료물질을 생성하는 생화학칼슘반응처리단계, 상기 인공 부식토/퇴비/인공 피트의 원료물질에 천연 피트, 인공 피트, 버섯폐배지, 커피박, 커피숯, 왕겨파우더, 반응왕겨파우더, 포졸란, 식이유황 또는 이들의 조합 중 하나와, 천연미네랄수를 교반기 또는 바루커식발효처리기에서 혼합하고 1일 내지 15일 동안 1차 발효시켜 1단계 인공 부식토를 생성하는 1차발효단계 및 상기 1차발효단계의 1단계 인공 부식토를 야적장에서 10일 내지 60일 동안 발효 처리하여 시아노박테리아를 활성화시켜 페놀계대사활동미생물의 활성화작용이 극대화된 인공 부식토를 생성하는 2차발효단계를 포함하는 유기성폐기물의 자원화 방법 및 이를 이용한 친환경 고기능성 인공 부식토를 제시한다.

Description

유기성폐기물 자원화 방법 및 이를 이용한 친환경 고기능성 인공 부식토{Recycling method of organic waste and eco friendly-high functional Neo Humus Soil produced by the method}

본 발명은 유기성폐기물을 자원화 하는 방법에 관한 것으로서 상세하게는 음식물류 폐기물이나 하수슬러지, 축분과 같은 유기성폐기물로부터 친환경 고기능성 인공 부식토를 제조하는 방법과 관련된다.

유기성폐기물을 처리하는 방법은 전통적인 매립부터 최근 각광받는 퇴비화 처리까지 다양하다. 일반적인 유기성폐기물의 자원화 방식은 처리 과정 중 발생하는 각종 악취로 인하여 시설 주변에 민원이 빈번하게 발생하고, 폐수 처리 비용의 과다로 인하여 처리 비용이 높은 단점 등이 있다. 이러한 애로 사항 때문에 여전히 단순 매립이나 소각 처리가 널리 사용되고 있다.

종래의 기술에 따른 유기성폐기물을 자원화 하는 방법은 발효 등 처리 과정에 따라 다양하게 나뉜다. 예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1761911호에서는 유기성 폐기물을 고온호기성 발효기에 주입하고, 순산소 또는 PSA(Pressure Swing Absorption)공정에서 농축된 산소를 공급하면서 50∼70 ℃에서 고온호기성 발효물로 처리하여 퇴비화 하는 방법을 사용하고 있다.

또한 대한민국 등록특허 제10-1057475호는 전분, 지방, 단백질, 셀룰로오스에 대한 분해효소의 활성이 고루 높고 고온에서도 생육이 가능하여 퇴비화 및 탈취능이 우수한 미생물 제제 및 이의 제조방법을 제시하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-1272187호에서는 음식물쓰레기가 미생물 및 톱밥과의 혼합교반작용으로 분해되어 퇴비의 원료물질이 되도록 하는 방법을 소개하고 있다.

또한 대한민국 등록특허 제10-0640181호는, 음식물쓰레기를 탈수, 교반 처리과정에서 발생되는 부산물은 고품질의 사료 또는 퇴비로 환원하여 사용하도록 하며, 탈수처리한 응축수는 자체 기능성 탈취제로 사용함과 아울러 액비(액체비료)나 탈취제로 사용하도록 하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-1651373호는 가축 분뇨를 정화시켜 양질의 액비로 자원화하는 방법과 단계별 정화탱크를 사용하여 속성발효 분해를 촉진시키며 탈취액을 사용하여 악취 오염을 제거하는 수단 및 양질의 에너지 메탄을 생산하는 방법을 소개하고 있다.

살펴본 바와 같이 종래의 기술에 의한 유기성폐기물을 자원화하는 방법은, 주로 미생물, 톱밥 등을 사용하여 혼합교반 및 발효에 의한 방법으로 퇴비를 만들거나, 유기성폐기물을 탈수시켜 탈리액은 액비, 악취제거제, 에너지 메탄을 생산하는 방법 등으로 자원화하고 있다.

이와 달리 유기성폐기물을 친환경 고기능성을 갖는 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)로 생산하는 방법에 대해서는 아직 구체적으로 개발되어 있지 않은 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1761911호(2017.07.21) 대한민국 등록특허 제10-1057475호(2011.08.10) 대한민국 등록특허 제10-1272187호(2013.05.31) 대한민국 등록특허 제10-0640181호(2006.10.24) 대한민국 등록특허 제10-1651373호(2016.08.19)

본 발명은 유기성폐기물을 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)로 제조하는 방법 및 이를 이용하여 제조된 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 제시하여, 유기성폐기물의 효과적인 재활용 방법을 제공하려고 한다.

그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.

위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, 음식물류 폐기물과 같은 유기성폐기물의 덩어리를 파쇄 하여 입자를 균등하게 하며, 이물질을 제거하는 전처리단계, 상기 전처리단계를 거친 유기성폐기물에, 반응왕겨파우더, 왕겨파우더 중 적어도 하나를 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원료혼합단계를 거친 이후 생석회를 혼합하여 수화반응을 통해 인공 부식토/퇴비/인공 피트의 원료물질(이하 "원료물질"이라 한다)을 생성하는 생화학칼슘반응처리단계, 상기 "원료물질"에 천연 피트, 인공 피트, 버섯폐배지, 커피박, 커피숯, 왕겨파우더, 반응왕겨파우더, 포졸란, 식이유황 또는 이들의 조합 중 하나와, 천연미네랄수를 교반기 또는 바루커식발효처리기에서 혼합하고 1일 내지 15일 동안 1차 호기성발효시켜 시아노박테리아가 활성화된 1단계 인공 부식토를 생성하는 1차발효단계 및 상기 1차발효단계의 1단계 인공 부식토를 야적장에서 혐기성발효 처리하여 시아노박테리아도 활성화되고 페놀계대사활동미생물의 활성화작용도 극대화된 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 생성하는 2차발효단계를 포함하는 유기성폐기물의 자원화 방법 및 이를 이용한 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL) 제조방법을 제시한다.

한편 상기 원료혼합단계에서, 상기 반응왕겨파우더 또는 상기 왕겨파우더 중 적어도 하나는, 상기 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 50 중량부가 투입될 수 있다.

한편 상기 생화학칼슘반응처리단계에서, 상기 생석회는 상기 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 25 중량부가 투입될 수 있다.

또한 상기 생화학칼슘반응처리단계는 반응기에서 수행되고, 상기 반응기는 하부에 한 쌍의 혼합 블레이드가 구비되고 상부에 하나의 혼합 블레이드가 구비되어 이루어지고, 하부의 혼합 블레이드들은 유기성폐기물을 투입구로부터 토출구 쪽으로 밀어내고 상부의 혼합 블레이드는 하부에서 혼합되지 못하고 상부로 올라오는 유기성폐기물을 추가로 투입구에서 토출구로 밀어주면서 반응이 이루어질 수 있다.

한편 상기 1차발효단계에서, 상기 천연 피트, 상기 인공 피트, 상기 커피박, 상기 버섯폐배지, 상기 커피숯, 상기 왕겨파우더, 상기 반응왕겨파우더, 상기 포졸란, 상기 식이유황 또는 이들의 조합 중 하나는, 상기 "원료물질"의 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 60 중량부가 투입되고, 상기 천연미네랄수는 상기 "원료물질"의 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 1 중량부가 투입될 수 있다.

또한 상기 1차발효단계는 교반기 또는 바루커식발효처리기에서 수행되고, 상기 교반기는 통상의 회전식 발효 교반기이며, 상기 바루커식발효처리기는 송풍하면서 교반 기능이 부여된 것일 수 있다.

한편 상기 1차발효단계에서 생성된 1단계 인공 부식토는, 상기 야적장에서 10일 내지 60일 동안 자연 발효하는 2차발효 및 안정화를 통하여 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)가 생성될 수 있다.

한편 위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, 상술한 방법에 따라 제조되는 유기성폐기물을 이용한 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 제시한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 음식물류 폐기물과 같은 유기성폐기물을 자원화 하는 과정에서 필수적으로 발생하는 냄새 악취를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 살균 처리되어 병해충의 번식 염려가 적으며, 영양분이 풍부한 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)가 제조 생성된다.

그 외 본 발명의 효과들은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여, 또는 본 발명을 실시하는 과정 중에 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성폐기물 자원화 방법을 이용하여 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 제조하는 방법을 나타내는 순서도.
도 2는 도 1의 유기성폐기물 자원화 방법에 사용되는 생화학칼슘반응기에 대한 간단한 구조도.
도 3는 도 1의 유기성폐기물 자원화 방법의 단계 중 생화학칼슘반응처리단계에서 제조된 "원료물질"을 나타내는 도면.
도 4는 도 1의 유기성폐기물 자원화 방법의 단계 중 1차발효단계에서 제조된 1단계 인공 부식토를 나타내는 도면.
도 5는 도 1의 유기성폐기물 자원화 방법의 단계 중 2차발효단계에서 제조된 본 발명의 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)을 나타내는 도면.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 유기성폐기물 자원화 방법을 이용한 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)의 제조방법 및 그에 따른 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)의 구성, 기능 및 작용을 설명한다. 단, 도면들과 실시예들에 걸쳐 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 도면번호는 통일하여 사용하기로 한다.

<제조방법>

본 발명의 실시예에 따른 음식물류 폐기물과 같은 유기성폐기물을 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)로 제조하는 방법은 전처리단계(S1), 원료혼합단계(S2), 생화학칼슘반응처리단계(S3), 1차발효단계(S4) 및 2차발효단계(S5)를 포함한다.

본 발명의 실시예에서 처리 대상인 유기성폐기물은 일상생활에서 배출되는 음식물류 폐기물, 농업ㆍ임업ㆍ축산업ㆍ수산업ㆍ제조업 또는 판매업을 영위하는 과정에서 나온 부산물(副産物), 축산 농가에서 배출되는 축산 분뇨, 하수 슬러지, 공장 폐수 슬러지, 식품공장 슬러지 등 다양하다.

<전처리단계>

전처리단계(S1)는 음식물류 폐기물과 같은 유기성폐기물의 덩어리를 파쇄하여 입자를 균등하게 하며, 유기성폐기물에 섞인 비닐, 금속, 플라스틱과 같은 이물질을 제거하는 단계이다.

전처리단계는 선별 파쇄기(도시 생략)에서 진행되며, 덩어리의 파쇄에는 그라인더를 구비할 수 있다. 선별 방식은 마그네틱, 진동기 등 공지된 다양한 선별 장치를 사용할 수 있다.

전처리단계를 거친 유기성폐기물은 일정 수준을 초과하는 큰 덩어리가 제거되고 이물질이 제거되므로, 이후 설명하는 원료혼합단계 이하의 공정 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

<원료혼합단계>

원료혼합단계(S2)는 전처리단계(S1)를 거친 유기성폐기물에 반응왕겨파우더 또는 왕겨파우더 중 적어도 하나를 혼합하는 단계이다.

여기서 반응왕겨파우더나 왕겨파우더는 선택적으로 투입하거나, 이들을 혼합하여 투입할 수 있다.

이 단계에서 사용하는 반응왕겨파우더는 왕겨를 후술하는 생화학칼슘반응기를 이용하여 생석회와 수화반응 시켜 생산한 물질을 말한다.

이러한 반응왕겨파우더 또는 왕겨파우더는 유기성폐기물의 수분 함량을 적절히 조절하게 돕는다.

더욱 구체적으로, 반응왕겨파우더 또는 왕겨파우더 중 적어도 하나는, 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 50 중량부를 투입할 수 있다.

전처리단계에 투입되는 음식물류 폐기물과 같은 유기성폐기물은 함수비가 85 % 이상이나, 원료혼합단계를 거치고 난 유기성폐기물의 혼합물의 수분 함량을 70 % 내지 75 % 수준으로 맞출 것을 목표로 할 때에, 투입되는 반응왕겨파우더 또는 왕겨파우더의 분량을 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 50 중량부로 한정하는 것이다.

여기서 유기성폐기물의 혼합물의 수분 함량 목표를 70 % 내지 75 %로 결정하는 것은, 이후 진행되는 생화학칼슘반응처리단계의 작업 효과를 증대시키기 위한 것이다. 이때, 반응왕겨파우더 또는 왕겨파우더가 10 중량부 미만으로 투입되는 경우에는 수분함량이 너무 많아 생화학칼슘반응처리가 잘 이루어지지 않으며, 50 중량부를 초과하여 투입하면 수분함량이 너무 적어 생화학칼슘반응처리단계에서 수화반응 속도가 떨어져 목적하는 상기 "원료물질"을 제대로 생성할 수 없게 된다.

따라서 원료혼합단계에서 투입되는 반응왕겨파우더 또는 왕겨파우더는, 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 50 중량부로 한정할 필요가 있다.

원료혼합단계는 통상적인 혼합기에서 수행될 수 있다. 혼합기의 내부에 구비되는 혼합용 회전블레이드를 5 내지 10 rpm의 속도로 하여 대략 1시간 이내에서 혼합할 수 있다.

<생화학칼슘반응처리단계>

한편 생화학칼슘반응처리단계(S3)는 원료혼합단계(S2)를 거친 유기성폐기물의 혼합물에 생석회(CaO)를 혼합하여 수화반응을 촉진시키고, "원료물질"을 생성하는 단계이다.

생화학칼슘반응처리단계는 단시간 내에 전용 반응기에서 진행된다. 반응기는 전단계를 거쳐 투입된 유기성폐기물 혼합물과 생석회를 신속하게 혼합하기 위해 다수의 혼합 블레이드나 혼합 스크류를 구비할 수 있다. 혼합 블레이드 등은 수화반응이 진행되는 동안 지속적으로 작동하여, 수화반응을 더욱 촉진시킬 수 있다.

구체적으로, 도 2에는 하부에 한 쌍의 혼합 블레이드(104, 105)가 구비되고, 상부에 하나의 혼합 블레이드(106)가 구비된 반응기(100)가 도시되어 있다.

하부의 한 쌍의 혼합 블레이드(104, 105)는 투입구에서 토출구 방향으로 회전하면서 유기성폐기물을 투입구(101)로부터 토출구(103) 쪽으로 밀어내고, 상부의 혼합 블레이드(106)는 투입구에서 토출구 방향으로 회전하면서 하부에서 혼합되지 못하고 상부로 올라오는 유기성폐기물을 추가로 투입구에서 토출구로 밀어준다.

단, 상부의 혼합 블레이드(106)는 하부의 한 쌍의 혼합 블레이드(104, 105)의 회전 속도가 24 rpm 이상일 경우 유기성폐기물과 생석회가 완전하게 혼합하여 수화반응을 일으키므로 제외하여도 무방하다.

이때 반응기(100)의 블레이드의 회전 속도는 24 rpm이 적정하나 18 rpm 이상이면 효과적이며, 그 이하의 속도에서는 교반 효과만 있으므로, 수화반응이 불완전하여 의도한 상기 "원료물질"이 잘 생성되지 않는다.

생화학칼슘반응처리단계에서 진행되는 화학 반응은 다음과 같다.

생석회가 반응하면서 이산화탄소와 열이 발생하며, 유기성폐기물은 80 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 5분 내지 25분 동안 단시간에 수화반응 처리된다. 이때 처리 산물은 악취가 효과적으로 줄어든 상태가 되며, 높은 온도에 의한 살균 효과로 대부분의 병해충이 제거된다. 또한 침전수는 거의 발생하지 않게 된다.

생석회는 수분과 반응시 3∼10초 이내에 반응이 완료되므로 생화학칼슘반응처리단계에서 반응시간은 수분의 함량에 따라 달라지지만 반응기내에서 유기성폐기물은 생석회와 5분 내지 25분 이내에 혼합 및 수화반응이 완료되어야 의도한 상기 "원료물질"이 생성되며, 25분 이상 혼합 및 수화반응이 초과되면 유기성폐기물과 생석회의 혼합이 균질하지 못하므로 도리어 수화반응이 불완전하게 된다.

또한 반응기에서의 수화반응시 음식물류 폐기물과 같은 유기성폐기물에 존재하는 병해충의 경우 80 ℃ 이상에서 대부분 사멸하나 반응온도가 80 ℃ 이하이면 병해충이 불완전 살균되며, 120 ℃ 이상이면 상기 "원료물질"이 탄화되어 사용할 수 없는 제품이 생성된다.

반응기에서의 수화반응시 발생하는 반응열은 온도를 상승시켜 수분을 증발시키고, 유기물의 활성도를 높여 칼슘 등 금속이온과 Ca-유기화합물을 킬레이트(Chelate)화 하여 형성시킨다. 이때 반응 종료 직후의 처리물은 유기물과 Ca-유기화합물에 수산화칼슘 입자가 고르게 분산 흡착됨으로써 알칼리성(pH 11 내지 12)으로 상승하므로 또한 해충과 병원균을 사멸시킨다.

특히 상기 반응 종료 직후의 처리물은 고형화가 진행되면서 입상구조를 형성한다. 따라서 처리물에 잔류한 악취물질은 생석회의 입상구조물에 흡착되고 수산화칼슘, 탄산수소칼슘 등의 미세 공극에도 흡착됨으로써 냄새 악취가 2차적으로 완전히 제어된다.

반응기에서의 수화반응시 생석회는 아래 화학식들과 같이, 시스테인(Cysteine), 카복실산(Carboxylic acid), 아미노산(Amino acid)과 같은 악취 원인물질을 분해시키고 졸(Sol) 상태의 처리물을 겔(Gel)화시켜 악취를 저감시킨다. 또한 분해된 악취 성분의 일부는 칼슘 화합물을 형성시키는데 토양 속에서 쉽게 녹으므로 작물이 쉽게 흡수할 수 있도록 한다. 칼슘 성분은 토양에서 질소, 인, 칼륨과 견줄 수 있는 다량 원소로서도 절대적으로 필요한 성분이며, 칼슘 성분의 상승효과에 의해 당(분)의 함량이 증가되고 유기물질의 사용효과도 향상된다.

이러한 수화반응의 효과를 이끌어내기 위하여, 생석회의 투입량은 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 25 중량부로 한정할 수 있다.

수화반응시 생석회의 투입량은 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하이면 수화반응이 골고루 발생하지 않아 생성된 상기 "원료물질"의 함수비를 적정하게 낮추기가 어려우며, 25 중량부 이상을 사용하면 생성된 상기 "원료물질"이 강알칼리(pH 12.5 이상)가 되며 또한 과도한 수화반응으로 상기 "원료물질"이 콘크리트화 되므로 의도하는 인공 부식토의 특성을 얻기 어려워진다.

<1차발효단계>

1차발효단계(S4)는 생화학칼슘반응처리단계를 거쳐 생성된 상기 "원료물질"에 첨가물과 천연미네랄수를 교반, 혼합하여 발효시킴으로써 1단계 인공 부식토를 생성하는 단계이다. 이 단계에 따라 호기성발효가 이루어지고, 1단계 인공 부식토는 후숙 발효를 통하여 pH가 8.5∼8.0인 약알칼성이되므로 독립영양미생물인 시아노박테리아가 활성화 된다.

여기서 첨가물은 천연 피트, 인공 피트, 버섯폐배지, 커피박, 커피숯, 왕겨파우더, 반응왕겨파우더, 포졸란, 식이유황 중 적어도 하나와, 천연미네랄수를 혼합하는 단계이다.

천연 피트(peat)는 토탄 내지 이탄을 말하며, 우수한 보습력을 지녀 지속적인 영양분 공급을 가능하게 한다. 통기성이 양호하여 작물의 뿌리 호흡에 도움을 주며, 질소, 인, 칼륨을 포함하고 있어 토양에서 분해 후 미량의 비료성분을 제공한다. 또한 다량의 유기물을 함유하고 있으므로 유용한 미생물의 증식에 효과적이다.

인공 피트는, 코코넛 껍질의 섬유질을 제거하고 분쇄하여 천연 재활용 소재의 원예농업용 등으로 만들어지는 코코피트(coco-peat)와 대비하여, 천연 피트와 유사한 작용을 하도록 인공적으로 만들어진 물질을 말하고, 본 발명에서 생화학칼슘반응처리단계를 거친 후 위 첨가물을 교반, 혼합하여 발효 생성된 물질 또는 이와 유사한 물질을 말하며 이를 네오 피트(Neo Peat)라 명명하였다.

천연 피트는 섬유소원이 다량인 물질이 혐기성발효를 통하여 페놀계대사활동미생물의 유익한 대사활동에 의하여 만들어지며 탄소함량이 60 % 이하인 탄질물질이며, 인공 피트인 네오 피트(Neo Peat) 역시 피트의 생성 방식에 따라 인공적으로 만들어진 탄질물질이다.

버섯폐배지는 버섯 재배 농가에서 버섯을 재배하고 남은 부산물을 말한다. 버섯폐배지에는 다량의 영양 성분이 남아 있어 미생물 활성화와 식물의 생장에 유익한 효과를 준다.

커피박(粕, coffee waste)는 커피원두로부터 커피액을 추출하고 남은 찌꺼기로, 유기 성분을 크게 함유하고 있어서 미생물 활성화에 크게 기여한다. 커피숯은 수거된 커피박을 반탄화 처리한 것으로, 다공성 탄소 알갱이로 구성되어 악취 제거 효과 및 미네랄 공급 효과가 뛰어나다.

포졸란(possolan)은 겔라이트(Ge-lite)라고도 하며, 화산재, 규산백토, 규산토 등을 분쇄하여 얻을 수 있다. 악취 제거 효과가 있으며, 미네랄 공급 효과가 있다.

식이유황(MSM)은 지하에서 토출된 토유황을 잘게 분쇄하여 얻을 수 있으며, 유기성폐기물에 첨가됨으로써 부족한 황(S) 성분을 보충하는 역할을 담당한다.

이러한 첨가물은 어느 한 성분을 단독으로 사용하거나, 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

첨가물 및 천연미네랄수는 교반기 또는 바루커식발효처리기에 투입되어 교반, 혼합된다. 여기서 교반기는 단순한 구조를 가진 통상적인 회전식 교반 발효기가 사용될 수 있으며, 바루커식발효처리기는 송풍하면서 교반 기능이 부여된 것을 사용할 수 있다.

교반기 또는 바루커식발효처리기에는 공기가 공급되게 되며 이에 따라 호기성발효가 이루어진다.

생성된 상기 "원료물질"은 1차발효단계를 거친 이후 함수비가 40 % 내지 60 % 수준인 1단계 인공 부식토가 된다.

앞서 설명한 1단계 인공 부식토를 형성하기 위하여, 첨가물과 천연미네랄수의 함량을 다음과 같이 한정할 수 있다.

1차발효단계에서 투입되는 첨가물(천연 피트, 인공 피트, 버섯폐배지, 커피박, 커피숯, 왕겨파우더, 반응왕겨파우더, 포졸란, 식이유황 또는 이들의 조합 중 하나)은, 상기 "원료물질"의 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 60 중량부로 한정할 수 있다. 이와 함께 천연미네랄수는 상기 "원료물질"의 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 1 중량부로 한정할 수 있다.

상기 첨가물이 10 중량부 미만으로 사용되는 경우에는, 전술한 함수비(40 % 내지 60 %) 수준에 따른 수분 조절이 불가능한 문제가 있다. 한편 60 중량부를 초과하여 사용하는 경우에는 생산단가가 높아져 실용성이 없게 된다.

천연미네랄수는 상기 "원료물질"에 대하여 0.1 중량부 내지 1 중량부의 원액을, 10 배 내지 1,000 배 희석하여 사용하게 되는데, 1 중량부를 초과하여 사용하게 되면 산출물인 1단계 인공 부식토의 수분 조절이 적정하게 이루어지지 않을 수 있다.

천연미네랄수는 휴마이트(Humite) 내지 벤토나이트(Bentonite) 등에서 무공해한 방법으로 무기질을 추출하여 제조된 다양한 종류의 미네랄을 포함하는 액상의 미네랄수를 말한다. 이러한 천연미네랄수는 다양한 종류의 미네랄을 공급하므로 최종 산물인 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)의 영양분을 더욱 풍부하게 할 뿐만 아니라, 페놀계대사활동미생물과 시아노박테리아를 증폭시키는데도 매우 효과적이다.

< 2차발효단계 >

2차발효단계(S5)는 1단계 인공 부식토를 야적장에서 10일 내지 60일 동안 야적하여 산소 공급이 차단된 상태로 발효 및 안정화시켜 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 만드는 단계이다. 이 단계에 따라 혐기성발효가 이루어지고, 1단계 인공 부식토는 후숙 발효를 통하여 시아노박테리아가 활성화되면서 페놀계대사활동미생물의 활성화작용도 극대화된 친환경 고기능성의 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)가 된다.

2차발효단계에서는 아래의 과정을 거쳐 수산화칼슘과 탄산수소칼슘이 탄산칼슘을 생성하게 된다.

또한 10 일 내지 60 일간의 야적에 의해 발효가 촉진되면서, 위 반응메커니즘에 의해 생성된 탄산칼슘은 속효성 비료를 완효성 비료로 변환시키는 역할을 한다. 이와 함께 시아노박테리아가 활성화되면서 페놀계대사활동미생물의 활성화작용도 극대화된다.

시아노박테리아(Cyanobacteria)는 남조류(Blue Green Algae)라고도 하며 녹색 색소인 엽록소를 가지고 광합성을 하는 세균을 통틀어 지칭한다. 시아노박테리아는 21억 년 전부터 지구에 존재하였으며 광합성을 통해 지구 대기에 산소를 공급한 것으로 과학자들은 추측하고 있는데, 스스로 광합성을 해서 유기물을 만들어 에너지를 생산해내는 독립영양미생물인 시아노박테리아는 유기물 투입이 없어도 질소 기체를 암모니아로 전환하는 질소고정 능력을 가지고 있다.

또한 시아노박테리아는 광합성 과정에서 토양 중에 있는 여러 가지 미네랄을 킬레이트화 하여 뿌리에서 쉽게 미네랄을 흡수하도록 하므로, 식물을 통해 흡수된 미네랄은 사람이 유용하게 식용할 수 있게 된다.

독립영양미생물인 시아노박테리아는 호기성이며 약알카리성 토양을 선호하며, 종속영양미생물인 페놀계대사활동미생물은 대부분 혐기성이고 산성토양을 좋아한다. 그러므로 시아노박테리아가 활성화 될 수 있는 환경 즉, pH를 8.5 내지 8.0으로 약알칼리화 시켜주면 스스로 활성 증폭하여 식물의 뿌리에 산소를 공급하며, 탄산가스를 소비하면서 생존하다 죽으면 스스로가 부식토(HUMUS SOIL)가 되어 토양을 비옥하게 한다.

종속영양미생물인 페놀계대사활동미생물은 산성에서 중성의 토양에서 유기물을 공급받아 생활하는데, pH를 7.4 내지 7.0으로 중성화 시켜주면 페놀계대사활동미생물이 섬유소, 리그닌(Lignin), 셀룰로스(Cellulose), 헤미셀룰로스(Hemicellulose), 단백질, 미네랄 등을 변화시켜 부식(HUMUS)질 토양을 생성한다. 유기성폐기물에는 상술한 물질이 풍부하므로 10일 내지 60일간 야적에 의해 추가적인 발효를 촉진시킨 원료물질에는 페놀계대사활동미생물이 활성화되고 이에 따라 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)가 생성된다.

이들 시아노박테리와 페놀계대사활동미생물이 활성화되는 과정을 설명하면, 1차 발효단계를 거쳐 생성된 1단계 인공 부식토는 pH가 8.5∼8.0이므로 시아노박테리아가 활성화 될 수 있는 상태를 가진다. 한편 2차발효단계에서는 수산화칼슘과 탄산수소칼슘이 탄산칼슘으로 변화하므로 이 단계를 거친 인공 부식토는 pH가 7.4∼7.0이 된다. 이에 따라 시아노박테리아뿐만 아니라 혐기적조건에서 왕성하게 활동하는 페놀계대사활동미생물이 활성화된다.

여기에서 1차발효단계에서 공급된 천연미네랄수는 풍부한 미네랄로 페놀계대사활동미생물이 유익한 대사활동을 하는데 도움을 준다. 페놀계대사활동미생물인 유산균에 의한 발효 공정은 생유기물 속의 고분자 탄수화물과 단백질을 저분자 형태로 변화시키는 작용을 하여 유익균과 합성균에게 먹이를 제공하게 되며, 호기적 조건에서는 광합성을 하는 남조류와 녹조류를, 혐기적 조건에서는 질소 고정균과 광합성세균 및 효모균들을 증식시키는 역할을 하는데 pH가 7.4 내지 7.0일 때 활성화된다. 유산은 뿌리에 유익한 유기산이므로 유해균을 억제하고, 과잉시비 때 토양에 집적된 염류 특히 불용성 인산도 용해 시켜 뿌리에 흡수되도록 하여 건전한 합성형 토양을 만든다. 또한 유산발효는 40 ℃ 내외의 호흡열만 발생할 뿐 고에너지를 발산하는 분해가 아니므로 호기성 고열분해에서 소모되는 에너지의 1/20 만으로도 충분하다.

또한 본 발명의 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)는 토양의 근모 표면에서 활동하는 페놀계대사활동미생물인 균근(Mycorrhiza) 등의 활동을 왕성하게 도와줌으로써 토양 내 염분의 저항성도 길러주며 비료의 사용량도 줄여주므로 토양개량제나 오염토양정화제 등의 원료로 유용하게 이용될 수 있다.

식물의 뿌리인 근모의 표면에서 활동하는 균근(Mycorrhiza)은 뿌리에 붙어서 균사를 뿌리 안팎으로 뻗으면서 식물의 뿌리처럼 물과 양분을 빨아들이고 뿌리에 보호막을 만들어 가뭄 피해를 줄여주고 해로운 병균의 침입을 막아 주며 자신은 뿌리속에 박고 있는 균사를 통해 식물로부터 수액과 일부의 양분을 얻는다. 특히 인산은 인산고정에 의해 식물이 흡수하기가 어려운 것인데 균근의 도움으로 쉽게 흡수시키며, 구리, 아연, 몰리브덴 등도 잘 흡수하도록 도와준다.

시아노박테리아가 활성화된 본 발명의 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 이용하여 생산한 쌀과 일반 비료를 투여한 쌀의 성분을 아래 표 1과 같이 비교하여 보면 본 발명의 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 이용하여 생산한 쌀이 일반 비료를 투여한 쌀보다 거의 대부분의 항목에서 6.0 % 내지 100.0 % 까지 미네랄과 비타민이 많은 것으로 확인되었다.

항목	NEO HUMUS SOIL 이용 쌀	보통 쌀	비교치
pH	7.4	6.7
칼슘	16.3 mg/100g	10.0 mg/100g	+ 63.0 %
마그네슘	135.8 mg/100g	110.0 mg/100g	+ 23.4 %
아연	890.0 mg/100g	760.0 mg/100g	+ 17.1 %
구리	278.0 mg/100g	250.0 mg/100g	+ 11.2 %
질소	1.20 %	-	-
인	26.9 mg/100g	30.0 mg/100g	-10.3 %
칼륨	265.0 mg/100g	250.0 mg/100g	+ 6.0 %
철	2.0 mg/100g	1.1 mg/100g	+ 81.8 %
비타민 B1	0.75 mg/100g	0.54 mg/100g	+ 38.8 %
비타민 B2	0.12 mg/100g	0.06 mg/100g	+ 100.0 %

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 반응기에서 반응 종료 직후의 처리물은 알칼리성(pH 11 내지12)의 상기 "원료물질"이 되며, 여기에 천연 피트, 인공 피트, 버섯폐배지, 커피박, 커피숯, 왕겨파우더, 반응왕겨파우더, 포졸란, 식이유황 및 천연미네랄수를 혼합, 1 일 내지 15 일간의 교반 및 혼합 공정에 의해 1차 발효시켜 pH가 8.5 내지 8.0인 1단계 인공 부식토를 만든다. 나아가 10 일 내지 60 일간의 야적에 의해 추가적인 발효를 촉진시켜 최종적으로 pH가 7.4 내지 7.0인 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 생산할 수 있다.

본 발명에서 생성된 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)는 전처리과정에서 제거하지 못하고 남아있는 비닐이나 쓰레기를 선별 제거하기 위하여 선별기에 투입될 수 있으며, 이 과정을 거치면 입자가 고르고 쓰레기가 최종 제거되어 상품성이 극대화된다.

한편 본 발명에서 제조된 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)에 미생물 효소 등을 혼합하면 중금속, 다이옥신 등 오염토양정화제, 염해지토양정화제, 농약, 비료 과다토양개량제, 조경용토, 원예용토 등 식생용토, 건축물의 친환경 층간소음재를 만드는 것이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 음식물류 폐기물과 같은 유기성폐기물을 에너지를 사용하지 않는 친환경 자원화 시스템을 이용하여 냄새를 제어하고 음폐수 발생량을 최소화함으로써 운영비를 대폭 절감하고, 유기성폐기물을 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)로 변환시켜 생산함으로써 이를 이용하여 토양의 개량, 깨끗한 자연환경 제공은 물론 이산화탄소 저감, 지구온난화 방지 등의 효과를 기대할 수 있다.

한편 토양내 부식(HUMUS)의 양과 토양비옥도는 비례 관계에 있는데, 부식량이 2% 이하이면 식물이 생장곤란과 질병이 많아지며, 5% 이하이면 기아상태, 10% 정도면 살만한 상태, 10% 내지 20% 정도면 충분히 비옥하여 무농약 재배가 가능하다고 알려져 있으며, 20% 이상을 부식토(HUMUS SOIL)라 한다.

부식토(HUMUS SOIL)는 토양에 투여 또는 존재하는 유기물이 다양한 미생물에 의하여 분해작용을 하면서 원조직이 변형되거나 합성된 갈색 또는 암갈색의 일정한 형태가 없는 교질상의 복잡 다양한 물질로서 분해에 대하여 상당부분 저항성을 지닌 혼합 물질이며, 중생대 이끼류, 갈대 등이 지각변동에 의해 땅속에 묻혀 페놀계대사활동미생물에 의해 수백만 년 동안 서서히 변화되어 검갈색 물질로 전환된 천연 무공해 토양을 말한다.

참고로 부식량은 넓은 의미에서는 토양 유기물을 총칭하는 용어로 사용되지만 좁은 의미에서는 토양 유기물 중 특히 암색 비정질 콜로이드상 고분자 물질군을 의미한다. 토양이 흑색이면 부식량이 10% 이상이고, 흑갈색은 5∼10%, 암색은 2∼5%, 옅은 암색은 0∼2% 정도의 부식을 함유한다고 볼 수 있다.

또한 작물의 건강과 인체의 건강을 위해 요구되는 부식량은 15% 이상으로, 본 발명에 의하면 생산된 친환경 고기능성 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)는 부식량이 20%내지 35% 정도로서 작물의 생산성과 품질을 높여 국민이 안심하고 식생활을 영위할 수 있도록 일조할 것이다.

본 발명에서 생성된 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)는, 인공 토양과 달리, 이러한 천연 무공해 부식토(HUMUS SOIL)와 유사한 역할을 할 수 있도록 제조된 건전한 합성형 부식토이다.

합성된 인공 토양은 대부분 경량성, 흡착성, 통기성 등을 요구하며, 건축 혹은 토목공사의 재료, 녹화용 경량토, 화분이나 화단 등에 사용하는 것을 목적으로 천연의 흙과 유사하게 제조하는 것으로서 인공 토양은 대부분 그 사용목적이 달라 부식질을 요구하지 않고 있으므로, 본 발명에서 제조하는 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)와는 전혀 다른 작용을 하는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)는 발효가 완료된 상태이므로 냄새 악취가 제어되었으며, 사용되는 첨가물에 의해 유기 무기미네랄이 풍부한 상태이다. 그러므로 미생물 효소, 계분 등을 약간만 혼합하여 질소(N), 인산(P), 칼리(K) 등을 비료관리법에서 정한 수준으로 유기질 함유량을 보강할 경우 퇴비처럼 활용할 수도 있게 된다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 반응기
101 : 유기성폐기물 투입구
102 : 생석회 등 투입구
103 : 토출구
104 : 하부의 혼합 블레이드
105 : 하부의 혼합 블레이드
106 : 상부의 혼합 블레이드

Claims (8)

1. 유기성폐기물의 덩어리를 파쇄하여 입자를 균등하게 하며, 이물질을 제거하는 전처리단계;
   상기 전처리단계를 거친 유기성폐기물에, 반응왕겨파우더 또는 왕겨파우더 중 적어도 하나를 혼합하는 원료혼합단계;
   상기 원료혼합단계를 거친 유기성폐기물에 생석회를 혼합하여 수화반응을 통해 원료물질을 생성하는 생화학칼슘반응처리단계;
   상기 원료물질에 천연 피트, 인공 피트, 커피박, 버섯폐배지, 커피숯, 왕겨파우더, 반응왕겨파우더, 포졸란, 식이유황 또는 이들의 조합 중 하나와, 천연미네랄수를 교반기 또는 바루커식발효처리기에서 혼합하고 1일 내지 15일 동안 1차 호기성발효시켜 1단계 인공 부식토를 생성하는 1차발효단계 및
   상기 1차발효단계의 1단계 인공 부식토를 야적장에서 혐기성발효 처리하여 시아노박테리아도 활성화되고 페놀계대사활동미생물의 활성화작용도 극대화된 인공 부식토(NEO HUMUS SOIL)를 생성하는 2차발효단계를 포함하고,
   상기 원료혼합단계에서,
   상기 반응왕겨파우더 또는 상기 왕겨파우더 중 적어도 하나는, 상기 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 50 중량부가 투입되고, 상기 원료혼합단계를 거친 유기성폐기물 혼합물의 수분 함량을 70% 내지 75%로 하며,
   상기 생화학칼슘반응처리단계에서,
   상기 생석회는, 상기 유기성폐기물의 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 25 중량부가 투입되고, 상기 생화학칼슘반응처리단계를 거쳐 생성된 상기 원료물질의 pH를 11 내지 12로 하며,
   상기 1차발효단계에서,
   상기 천연 피트, 상기 인공 피트, 상기 커피박, 상기 버섯폐배지, 상기 커피숯, 상기 왕겨파우더, 상기 반응왕겨파우더, 상기 포졸란, 상기 식이유황 또는 이들의 조합 중 하나는, 상기 원료물질의 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 60 중량부가 투입되고,
   상기 천연미네랄수는, 상기 원료물질의 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 1 중량부가 투입되며,
   호기성발효를 통해 생성된 상기 1단계 인공 부식토는 pH가 8.0 내지 8.5이고,
   상기 2차발효단계에서,
   혐기성발효를 통해 생성된 상기 인공 부식토는 pH가 7.0 내지 7.4이고, 부식량이 20% 내지 35%인
   유기성폐기물의 자원화 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 생화학칼슘반응처리단계는 반응기에서 수행되고,
   상기 반응기는 하부에 한 쌍의 혼합 블레이드가 구비되고, 상부에 하나의 혼합 블레이드가 구비되어 이루어지고,
   하부의 혼합 블레이드들은 유기성폐기물을 투입구로부터 토출구 쪽으로 밀어내고, 상부의 혼합 블레이드는 하부에서 혼합되지 못하고 상부로 올라오는 유기성폐기물을 추가로 투입구에서 토출구로 밀어주면서 반응이 이루어지는
   유기성폐기물의 자원화 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 1차발효단계는 교반기 또는 바루커식발효처리기에서 수행되고,
   상기 교반기는 통상의 회전식 발효 교반기이며, 상기 바루커식발효처리기는 송풍하면서 교반 기능이 부여된 것임을 특징으로 하는
   유기성폐기물의 자원화 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 2차발효단계에서,
   상기 1단계 인공 부식토를 후숙 발효를 통하여 시아노박테리아도 활성화되면서 페놀계대사활동미생물의 활성화도 극대화 되도록 야적장에서 10일 내지 60일 동안 자연 발효시키는 것을 특징으로 하는
   유기성폐기물의 자원화 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 유기성폐기물의 자원화 방법을 이용한 방법으로 생산되고,
   pH가 7.0 내지 7.4이며, 부식량이 20 % 내지 35 %인
   인공 부식토(NEO HUMUS SOIL).
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