가축 매몰지 침출수를 사용한 비료의 제조방법 및 그 비료{Method for producing the fertilizer used the leachate of livestock burial and the fertilizer made thereby}

본 발명은 구제역 또는 AI등으로 인하여 매몰된 가축의 매몰지에서 발생되는 침출수를 처리하기 위한 것으로, 상기 매몰지의 침출수를 바텀애쉬를 이용하여 비료화 하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 비료에 관한 것이다.

구제역이나 AI(조류인플루엔자)바이러스 등으로 동물을 매몰처분하여 오랫동안 매립되었을 때, 매립지로부터 침출수가 발생된다. 이로 인한 바이러스는 인체에는 직접 감염되지 않으나 침출수에는 청색증을 일으킬 수 있는 질산성질소와 심한 패혈증을 일으키는 탄저균, 또 병원균과 식중독균등이 섞여 나올 가능성이 존재한다.

한국에서는 1934년 처음 발생했으며, 이후 66년 만인 2000년 경기도 파주 지역에서 발생해 충청도 지역까지 확산되어 큰 피해를 입혔다. 예를 들어 2010년 11월 경북 안동시에서 구제역으로 인하여 가축 매몰지가 4200개를 넘어서고 있는 상태이었고 이로 인한 인근주민들이 사용하는 지하수의 안정성이 크게 문제가 된바 있다. 환경부의 2004년부터 작년 5월까지 발생한 구제역 및 AI 가축 매몰지 23곳을 대상으로 환경오염 여부를 정밀 조사한 결과 8곳(35%)에서 침출수가 유출돼 지하수토양 오염을 일으킨 것으로 나타났다. 동시에 초기대응 실패로 전국 10개 시도와 77개 시군으로 확대되었고 살처분된 소돼지만 지난 11일 기준으로 327만 마리를 넘어섰었다. 김포시가 일부 구제역 매몰지 인근의 지하수 관정을 긴급폐쇄하였고 2009년 구제역이 발생하였던 포천의 경우 겉보기에는 완벽하나 상수도설치가 되지않아 마을주민들은 악취와 식수에 대한 불안을 언론이 보도한 바 있다.

2010년 포천의 경우 매몰지는 지난해보다 7배이상 늘어난 279곳으로 침출수로인한 오염이 더 심각해진 상황이다. 행정안전부 실태조사 결과 낙동강 상류(경북) 61곳, 한강상류(경기강원충북) 22곳에서 시설 보완이 필요한 것으로 파악되었고 현재 전국 매몰지는 4632개로 늘어난 상태이다.

어떤 형태로 침출수가 유출되는지 확인할 방법이 없다. 그러나 침출수가 지하수를 오염시켜 식수를 오염시킬 가능성이 큰 상태이며 매몰 과정의 결함이 발견되었기에 2차오염의 가능성도 제기되고 있는 상황이다. 초기대응에 실패하여 41조억의 예산을 사용한 대만의 전례와 기온상승으로 인한 악취 및 침출수의 유출이 심각해지기전에 시급한 처리가 필요한 상태이지만 이를 처리할 마땅한 대책이 없다. 특히 경사지나 하천 주변 매몰지는 2차 오염이 될 경우 차단막과 보강공사로는 한계가 있다. 따라서 보다 친환경적이고 경제적인 처리공법과 대책이 필요한 실정이다.

UK Economic Accounts(영국 통계청 소속)은 두 달 동안 사체에서 발생하는 액체의 양을 소1마리당 170L로 추정했고, 미국 농무부 동식물 검역청은 소(500~600kg) 1마리당 매몰 두 달 뒤 나오는 침출수의 양은 소의 경우 160L, 돼지는 12L라고 발표를 하였는데 이를 근거로 현재 구제역 매몰지에서만 예상되는 침출수의 양은 6156만L이상의 지표가 나왔다. 특히 장마시 매몰지 붕괴 및 유실등으로 인체에 막대한 악영향을 줄 수 있다.

본 발명에서는 구제역 또는 AI등으로 인하여 매몰된 가축의 매몰지에서 발생되는 침출수를 처리하기 위한 것으로, 상기 매몰지의 침출수를 바텀애쉬를 이용하여 비료화 하는 방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

상기한 과제를 해결한 본 발명의 가축 매몰지 침출수를 사용한 비료의 제조방법은 매몰지 또는 저류조에 pH4 이하의 강산성 약품 또는 pH10이상의 강알칼리성 약품으로 1차 약품처리하는 살균단계;

상기 살균단계 완료 후, 상기 매몰지 또는 저류조에 흡입용 파이프를 설치하여 침출수를 추출하는 단계;

상기 추출된 침출수를 바텀애시와 일정비율로 혼합하여 슬러리를 준비하는 단계;

상기 슬러리를 열처리하여 2차 멸균하는 단계;

상기 멸균된 슬러리에 발효 미생물을 투입하여 혼합하는 단계;

상기 미생물이 혼합된 슬러리를 발효하는 단계;

로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 슬러리는 바텀애시와 침출수를 중량비로 7:3 ~ 3:7의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 슬러리의 2차 살균은 50 ~ 150℃의 온도범위에서 살균처리 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 발효 미생물은 혐기성 및 호기성 복합 미생물 균주와 산소공급원으로 구성되는 미생물제제를 사용하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 슬러리의 발효는 저온 혐기성 균주와 산소공급원이 첨가된 저온 호기성 균주를 복합 처리하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 슬러리의 발효 단계는 발효조에서 20~40℃의 온도조건으로 3 ~ 7일간 발효시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 개시되는 제조방법에 의해 제조되는 비료가 제공된다.

본 발명은 구제역 또는 AI로 인하여 상당수의 가축이 매몰되고 있고 매몰지에서 발생되는 침출수가 2차오염을 발생시킬 가능성이 농후하기 때문에 침출수를 신속하게 처리하기 위한 공법으로 침출수 그 자체를 비료화 함으로써 2차 오염을 방지하고, 침출수를 작물의 생육에 필요한 영양소를 가지는 비료로 식생비료, 골프장 잔디육성비료, 작물비료 및 곡물비료로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 화력발전소에서 연간 수백만톤 발생하는 Bottom Ash를 이용하는 것으로, 상기 Bottom Ash는 현재 일정한 저장용 pond에 매립처리 되고 있고, 전국적으로 연간 유지비가 수백억원이 소요되는 바, 침출수의 비료화에 사용함으로써 연간 유지비를 절감함과 동시에 새로운 수익원을 창출할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 가축 매몰지 침출수를 사용한 비료의 제조방법을 예시한 공정도이다.
도 2 는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 비료의 효용성을 평가하기 위해 준비된 파종전 발아시킨 콩의 사진이다.
도 3 은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 비료를 사용하여 발아된 콩의 성장을 관찰하기 위해 준비된 도 2의 발아콩이 파종된 pot들의 사진이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 구제역 또는 AI로 인하여 상당수의 가축이 매몰되고 있고 매몰지에서 발생되는 침출수가 2차오염을 발생시킬 가능성이 농후하기 때문에 침출수를 신속하게 처리하기 위한 공법으로 침출수 그 자체를 비료화 하기 위하여 안출한 것이다.

침출수의 비료화 방법으로는, 화력발전소에서 연간 수백만톤 발생하는 Bottom Ash를 이용하는 것이다. Bottom Ash는 현재 일정한 저장용 pond에 매립처리 되고 있고, 전국적으로 연간 유지비가 수백억원에 이른다.

본 발명에서 사용하고자 하는 Bottom Ash는 기공성이 뛰어나므로 액체나 기체를 흡수할 수 있는 물리적 특성을 가지고 있다. 침출수를 Bottom Ash에 흡착시켜 멸균처리 후 Bottom Ash와 침출수를 동시에 비료로 개발하고자 하는 것이다.

이상과 같이 개발 목적에 따라 발명된 본 발명의 가축 매몰지 침출수를 사용한 비료의 제조방법의 비료제조 개념을 설명하면 이하와 같다.

본 발명에 사용되는 Bottom Ash는 그 특성은 nSiO ₂ / SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ 가 주요 성분이며 일반 토양성분과 크게 다르지 않고 흡수성이 뛰어난 무기성재료이며 토양비료로서도 사용된다.

매몰지에 혹은 저류조에 pH4이하(강산성) 또는 pH10이상(강알카리성)으로 1차 약품처리살균을 한 후 흡입용 파이프를 넣어 침출수를 추출한다. 추출한 침출수를 Bottom Ash와 혼합하여 Slurry상태로 안정시키고 그 혼합물을 열처리로 2차 멸균 과정을 거친다.

2차 혼합물에 적절한 비율로 발효 미생물을 투입한다. 여기에 투입되는 미생물은 독성 화학물질 오염 정화용 미생물제제(Biotod)이다. 이 미생물 제제는 혐기성 및 호기성 복합 미생물 균주와 산소공급원으로 구성되어 있는 것이 특징이다. 미생물로 인하여 오염된 토양은 용존산소 농도가 매우 낮아 저온혐기성 균주와 최종 처리효율을 높이기 위하여 산소공급원이 첨가된 저온호기성 균주를 복합 처리하여 최종처리효율을 극대화한다.

위 과정을 거친 혼합물을 일정기간의 발효기간을 부여하게 되면 부식토의 형태로 남게 되고 이를 식생비료, 작물비료 등의 친환경적인 재생비료를 생산하게 된다. 1차로 식생비료로 사용하고 안정성을 평가한 후 단계별로 골프장 잔디 육성 비료, 작물비료, 곡물비료 등으로 응용분야로 넓혀간다.

이상과 같은 비료의 제조 개념을 첨부도면 도 1을 참조하여 설명하면, 우선 매몰지 또는 저류조에 pH4 이하의 강산성 약품 또는 pH10이상의 강알칼리성 약품으로 1차 약품처리하는 살균단계를 거친다음, 상기 살균단계 완료 후, 상기 매몰지 또는 저류조에 흡입용 파이프를 설치하여 침출수를 추출한다.

상기 추출된 침출수를 바텀애시와 일정비율로 혼합하여 슬러리를 준비하는 단계를 거친다. 상기 준비된 슬러리는 열처리하여 2차 멸균하게 되고, 상기 2차 멸균된 슬러리에 발효 미생물을 투입하여 혼합한 다음. 상기 미생물이 혼합된 슬러리를 발효하는 단계를 거쳐 완성된다.

본 발명에 따르면, 상기 슬러리는 바텀애시와 침출수를 중량비로 7:3 ~ 3:7의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 중량비를 벗어날 경우에는 침출수가 Bottom Ash에 적절한 흡착이 미비하는 문제가 있을 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 슬러리의 2차 살균은 50 ~ 150℃의 온도범위에서 살균처리 하는 것이 바람직하다. 만일 50℃ 미만의 온도에서 살균처리할 경우에는 완전한 살균이 이루어지지 않는 문제가 있고, 150℃를 초과할 경우에는 제조하고자 하는 비료의 영양성분의 파괴가 일어날 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 슬러리의 발효에 사용되는 발효 미생물은 혐기성 및 호기성 복합 미생물 균주와 산소공급원으로 구성되는 미생물제제를 사용한다.

본 발명에 따르면, 상기 미생물제제를 사용하여 발효할 경우, 산소공급이 잘 이루어지지 않아 오염이 될 우려가 있어, 상기 슬러리의 발효는 저온 혐기성 균주와 산소공급원이 첨가된 저온 호기성 균주를 복합 처리하여 이루어지는 것이 바람직하다.

이때, 사용되는 미생물제제 또는 저온 혐기성 균주와 산소공급원이 첨가된 저온 호기성 균주는 특별히 한정하지 않으며, 종래 발효에 사용되는 안정성이 확보된 균주를 적의 선택하여 사용한다.

본 발명에 따르면, 상기 슬러리의 발효 단계는 발효조에서 본 발명을 완성하기 위해 사용되는 미생물제제 또는 균주의 생육조건에 따라 온도조건과 발효기간을 적절히 조절하게 되며, 바람직하게는 35~45℃의 온도조건으로 3 ~ 7일간 발효시키는 것이다.

이상에서 설명된 바와 같은 본 발명의 가축 매몰지 침출수를 이용한 비료의 제조방법에 따라 제조되는 비료는 식생비료, 골프장 잔디 육성 비료, 작물비료 또는 곡물비료로 사용가능한 것이다.

이하에서는 본 발명의 가축 매몰지 침출수를 이용한 비료의 제조방법을 바람직한 실시예를 들어 보다 상세히 설명한다. 단, 하기에 기술되는 실시예로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지 변형 가능한 것이다.

[실시예]

1. 시료준비

경기도 K시에 구제역으로 인한 동물매몰지로부터 침출수를 채위하였다. 침출수를 1차적으로 pH < 10 약품으로 virus 살균 처리 하였다.

약품살균처리된 침출수는 화력발전소로부터 매립처리되는 bottom ash(완전건조)에 흡착되도록, 침출수-bottom ash slurry 상태로 24시간 방치 후 자연건조 하였다.

자연건조된 침출수-bottom ash 혼합물은 각각 50±5℃와 100±5℃에서 2차 살균과정을 거쳤다. 2차 살균과정을 거친 혼합물에다 부식토 0%, 3%, 6%, 9%를 다시 첨가하여 마지막 3차 혼합물을 제조하고 24시간 발효 과정을 거친 후, 콩의 식물성장용 비료로 준비하였다.(표 1 참조)

2. 시험방법

1) 콩의 발화

콩은 Petri Dish에서 3일간 발회 시킨다.(도 2 참조)

2) 혼합비(무게비)와 파종

콩의 성장을 관찰하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같은 pot를 준비하였으며, 각각의 pot의 조건은 하기 표 1과 같고, 상기 준비된 pot에 도 2에 도시된 바와 같은 발아콩을 식생한다.

<주의> ISF비중 : 0.8, 부식토 : 0.31

- ISF(Inorganic Siliceous Fertilizer) : 규산질비료

- LT(Low Temperature) : 저온처리, HT(High Temperature) : 고온처리

- 부식토 : 미생물 촉매물질

3) 실내관리

- ISF와 부숙토를 혼합한 인공토양에서의 콩의 성장을 30일간 관찰한다.

- 저온과 고온에서 살균한 시료를 각각의 포트에 옮긴다.

- 파종에 사용한 콩은 발아를 시킨 콩을 사용함(평균 뿌리길이 0.5~0.7cm).

각각의 포트에 콩 3개씩 파종한다.

- 최초 콩을 포트에 파종 후 물 20ml 공급하였으며, 이후는 10ml/day로 공급한다.

24시간 실내온도를 25℃로 유지 시킨다(24시간 형광등을 켜놓는다).

- 모든 시료에 대하여 3반복 실험을 진행한다.

3. 측정

- 성장과정을 육안으로 관찰하고 사진으로 남긴다.

- TP(총인산), TN(총질소), pH변화를 측정한다.

- POT당 성장한 콩의 개수, 성장콩길이(cm), 건조중량(g)를 측정한다.

4. 결과

< 인산, 질소, pH변화 및 건조 중량 변화>

TP, TN의 측정값은 대조구보다 시험구에서 더 높게 나왔다. 시험구 중 부숙토를 3% 투입한 시료의 TP, TN의 값이 6%, 9% 투입한 시료와 비교 시 상대적으로 높았다. 이는 콩 성장률이 높은 6%, 9% 시험구들에서 콩 생장 시 영양분으로 흡수하였기 때문으로 판단된다.

하기 표 2는 총인산을 측정한 결과이고, 표 3은 총질소를 측정한 결과이며, 표 4는 pH의 변화를 측정한 것이며, 표 5는 건조중량의 변화를 측정한 것의 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 총인산, 총질소, pH의 변화 및 건조중량의 변화의 측정대상은 3차 혼합물(침출수+Bottom Ash+부식토)이었다.

X: 전혀 자라지 못하여 측정불가

이상의 결과, 부숙토 내에 존재하는 미생물의 최종 부산물인 유기산으로 인해 시료의 pH를 낮춰주는 효과가 나타난 것으로 보이며, 이 때 발생된 유기산들은 토양 속에 존재하는 필수원소 및 미량원소들인 인산, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 유황, 철, 아연, 망간, 구리 등을 쉽게 이온화 형태로 부식 후 용탈시켜 유산화합물을 형성함으로써 작물의 영양원소로서 흡수하는데 도움을 주기 때문에 부숙토 투입비가 높은 시험구에서 콩이 더 잘 성장한 것으로 판단된다.

전반적으로 시험구에서 시들어가는 콩이 관찰되었으며, 이는 영양분의 고갈(특히 탄소성분)로 인하여 시들어가는 것으로 보임(수분은 충분히 공급하였음).

따라서, 위와 같은 방법으로 제조된 규산질 비료는 친환경비료로서의 성공 가능성이 매우 높다고 판단된다.

<콩의 성장>

1) POT당 성장 콩의 개수

-. 100℃에서 살균처리된 대조구에서는 콩을 회수하지 못하였다. 100℃에서 살균처리된 대조구에서 부식토 3%를 넣었어도 콩을 회수하지 못하였으나 부식토 6%를 넣었을 때는 1개의 콩을 회수 하였다. 또한 부식토 9%를 넣으면 대조구에서 3개의 콩을 회수할 수 있었다. 결과적으로 100℃에서 살균한 시료에서는 콩을 회수할 수는 없으나, 부식토를 대량으로 넣어주면 최소한의 콩은 회수할 수 있다. 이는 살균과정에서 영양분이 되는 유기물의 산화가 원인으로 보인다.

-. 50℃에서 살균처리된 대조구에서는 부식토를 넣지 않았을 때는 콩을 회수할 수가 없었다. 그러나 부식토를 3%, 6%, 9%로 그 투입량을 늘리면 콩의 회수율은 높았다. 즉 3%에서는 5개, 6%에서는 6개, 9%에서는 9개를 회수할 수 있었다. 이는 저온 살균처리에서는 영양분인 유기물이 그대로 남아있기 때문으로 보인다.

하기 표 6은 pot당 성장 콩의 갯수를 관찰한 결과를 나타낸 것이다.

2) 뿌리와 줄기 성장

-. 100℃에서 살균처리된 대조구에 콩의 성장은 뿌리 및 줄기의 성장이 되지 않았다. 부식토를 3%, 6%, 9%를 투입하더라도 역시 콩의 뿌리와 줄기 성장은 거의 발달되지 않았다. 이 결과 역시 유기물 영양분이 온도 살균처리시에 산화되었기 때문으로 풀이된다.

-. 50℃에서 살균처리된 대조구에 콩의 성장은 100에서의 대조구에 비하여 매우 잘 발달되었다. 부식토를 전혀 투입하지 않았을때는 부리와 줄기의 성장은 없었지만 부식토를 3%, 6%, 9%를 투입하면 그 투입량이 많아질수록 성장이 좋아졌다. 이는 저온에서 유기물이 남아있었고, 부식토의 활성에 도움이 되었을 것으로 보인다. 따라서 살균처리온도는 고온처리(100℃), 저온(50℃)를 하여야 한다는 사실을 밝혀주었다.

하기 표 7은 콩 길이를 관찰한 결과를 나타낸 것이다.

이상에서 보여지는 실험의 결과, 하기와 같은 결론을 도출할 수 있었다.

-. 2010년도 기준 동물매몰지 침출수(예 : 구제역)는 10개 시군구에서 발생한 소의 경우, 전체 소의 4.5%인 15만두, 돼지는 전체 돼지의 32.7%인 323만두가 매몰대상으로 처리되었고 전국 가축 매몰지 현황은 4365개로 파악되었다. 매몰지 침출수는 식수원, 악취등 심각한 환경오염이 우려되고 있는 실정이고, 매몰지 인근 주민들의 삶의 질에 막대한 악영향을 끼치고 있는 것으로 파악되었다.

-. 침출수를 강알칼리성화 후 폐수처리방식, 매몰지 빗물 유입을 막고 악취 발생을 차단하기 위해 주변에 흙을 성토하는 방법, 톱밥을 섞어 소각장에 보내는 방법, 식수정이 오염되지 않는 조건에서 침출수 형성을 최소화 하면서 자연정화하는 방법, 침출수를 분뇨처리장에서 처리하는 방법등이 현재 개발 중으로 조사 되었다.

-. 동물매몰지 침출수를 흡수한 Bottom Ash의 멸균 처리온도는 저온이 효과적이었다. 또한 저온처리된 Bottom Ash 규산질 비료에다 부식미생물 6~9% 혼합시에는 콩의 성장(갯수, 길이, 건조중량)은 매우 양호 하였다.

-. 총질산(TN), 총인산(TP) 값은 Bottom Ash 저온멸균처리와 부식미생물이 혼합되었을 때, 콩의 성장시 영양분을 많이 흡수하는 것으로 나타났다. 이때에도 pH값을 낮춰주는 것으로 확인되었다. 콩의 건조중량은 Bottom Ash 저온 멸균처리와 부식미생물이 혼합되었을 때 가장 높았다.

-. Bottom Ash는 동물 매몰지 침출수를 흡수하여 부식미생물과 혼합하였을 때, 친환경비료로 활용성이 매우 높다. 결론적으로 무기성 흡착재를 사용하여 침출수를 비료로 개발할 경우, 침출수 그 자체를 100% 재활용할 수 있고 대량으로 처리 가능한 친환경적공법이다.