서 론
재료 및 방법
1. 젖소분뇨 및 고액분리여액
2. 중온 호기성 액비화
3. 조사항목 및 방법
4. 통계분석 및 모델링
결과 및 고찰
1. 온도, pH 및 화학적 성분
2. 암모니아 발생량
결 론
서 론
국내 한우 및 젖소 농가는 동물이 안락하게 생활할 수 있도록 깔짚을 사용하는 평사 형태가 주를 이루고 있다. 우사 내 깔짚으로 톱밥, 왕겨 및 볏짚 등을 주로 사용하고 있으며, 분뇨의 유입으로 깔짚의 수분함량이 높아지면 배출하는 형태로 운영하고 있다. 젖소분뇨의 경우 수분함량이 대략 85% 전후로 배출되고 있으며, 고상과 액상의 중간형태를 나타낸다(Choi et al., 2020). 국내에서는 가축분뇨를 주로 퇴비 및 액비화를 통해 자원화하고 있다. 가축분뇨를 퇴비로 만들기 위한 최적 수분함량은 60~80% 사이에 위치하는 것으로 보고하고 있으며(Ahn et al., 2008), 액비제조를 위한 가축분뇨의 고형분 함량은 5% 미만으로 권장하고 있다. 농가에서 젖소분뇨를 퇴비화 하려면 수분을 낮추기 위해서 수분조절재 투입이 불가피하고 액비화를 하기 위해서는 물을 투입해야 한다. 두 방법 모두 가축분뇨의 부피를 증가시키는 요인이며, 대체적으로 가축분뇨 처리시설이 부족한 국내 축산농가의 분뇨처리를 어렵게 하는 요인중에 하나이다. 젖소분뇨는 섬유소와 점액성 물질이 풍부하여 수분이 잘 투과되지 않고 고형분과 수분을 분리하는 고액분리가 매우 어려운 특징이 있다. 이러한 문제를 해결하고자 고형분 함량이 높은 고상가축분뇨(한우 및 젖소분뇨)를 고액분리할 수 있는 기계장비를 개발하는 연구가 수행되었다(Yu et al., 2014). 젖소분뇨를 고액분리하여 처리하면 추가적인 수분조절재 및 수분의 투입 없이 고형분은 퇴비로 액상은 액비로 처리할 수 있는 장점이 있다. 젖소분뇨 퇴비화에 대한 연구는 많이 보고하고 있으나 고액분리여액에 대한 액비화 연구는 그 수가 매우 적다.
축산업에서 발생하는 온실가스와 악취물질은 환경을 오염시키는 주범으로 인식하고 있다. 그 중 암모니아는 공기중의 다른 물질과 결합하여 미세먼지의 주요성분이 되는 물질이며(Sharma et al., 2007; Zhang et al., 2010; Hristov, 2011; Behera and Sharma, 2012), 대표적인 축산유래 악취물질로 평가하고 있다. 축산업에서 암모니아는 대부분 가축분뇨를 처리하는 과정에서 발생하며, 미생물이 가축분뇨의 유기물을 분해하면서 생성되는 암모니아성 질소가 암모니아 형태로 전환되어 만들어진다. 현재 국내에서는 가축분뇨 유래 암모니아의 발생량을 평가하고 이를 저감하기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다. 젖소분뇨 고액분리여액을 처리하기 위한 액비화 연구와 마찬가지로 액비화 과정에서 발생하는 암모니아의 발생량을 측정하는 연구는 더욱 부족한 편이다.
따라서, 본 연구는 젖소분뇨 고액분리여액의 액비화 가능성을 평가하고 이 과정에서 발생하는 암모니아의 발생량을 평가하고자 수행하였다.
재료 및 방법
1. 젖소분뇨 및 고액분리여액
본 연구에서 사용한 젖소분뇨 고액분리여액은 충청남도 부여시 소재 낙농 농장의 우사 내에서 수집된 분뇨를 고액분리한 후 액상을 채취하여 사용하였다. 젖소우분 고액분리여액의 생물학적소요구량은 약 70,773 ppm의 농도를 나타냈으며(Table 1), 호기성 액비화에 활용한 젖소분뇨 고액분리여액은 원활한 발효를 위해서 자원화표준설계에 제시된 고액분리여액의 생물학적산소요구량 농도인 10,000~33,000 mg/L을 기준으로 약 5배가량 희석하여 실험에 이용하였다. 젖소분뇨의 고액분리는 한국기계연구원에서 개발한 고액분리기를 이용하여 수행하였으며(Figure 1), 화학적 분석 전까지 -20°C에보관하였다.
Table 1.
Chemical composition of dairy manure leachate after solid-liquid separation.
| Item | Dairy manure leachate after solid-liquid separation1 |
| BOD, mg/L | 70773.0±2093.3 |
| COD, mg/L | 93490.8±4543.1 |
| SS, g/L | 258.5±26.1 |
| T-N, mg/L | 9320.5±135.4 |
| T-P, mg/L | 2980.0±210.2 |
| T-K, mg/L | 6385.4±257.7 |
2. 중온 호기성 액비화
본 연구의 중온 호기성 액비화 공정은 시판하고 있는 4.7L polyprophlene 밀폐용기(가로 × 세로 × 높이, 25 cm × 17.8cm × 13cm)를 이용하여 반응기를 제작한 후 여액을 3L 가량 채운 후 37ºC 조건에서 30일간 호기성 액비화를 실시하였다. 호기성 액비화 공정은 가축분뇨 자원화표준설계 기준에 따라 반응기 1m3 당 0.03 m3 Air m3·min의 조건에서 무교반으로 실시하였다. 실험기간동안 지속적으로 공기공급으로 인한 수분 증발량을 고려하여 매일 증류수를 보충하였다. 공기 공급은 시판중인 기포발생기(XP200 3W, Movidic Co., Gongju-si, South Korea)와 유량계(RMA-13-SSV, Dwyer, IN, USA)를 설치하여 유량을 보정하여 각 반응기의 공기 투입량을 동일하게 조절하였다. 반응기 내 젖소분뇨 고액분리여액의 온도 및 pH는 매일 오전 10시에 측정하였으며, 발효액의 화학적 성분분석을 위해 5, 10, 15, 20 및 30일에 샘플링을 실시하였다. 젖소분뇨 고액분리여액 호기성 액비화시 암모니아 발생량을 산정하기 위해서 1, 7, 15 및 30일에 표면에서 발생하는 기체를 포집하여 분석을 실시하였다. 전체 실험기간동안 반응기 내에 추가적인 고액분리여액은 투입하지 않았다.
3. 조사항목 및 방법
(1) 온도, pH 및 화학적성분
호기성 액비화중인 젖소분뇨 고액분리여액의 온도와 pH는 매일측정하였다. 온도는 전자식온도계(MHB-382SD, Lutron Electronic Enterprise Co., PA, USA)를 이용하여 측정하였으며. 측정전에 수은온도계를 이용하여 전자식온도계의 보정을 실시하였다. pH는 전자식 pH 미터(CH8603, Mettler-Toledo, Greifensee, Switzerland)를 이용하여 측정하였다. 생물학적산소요구량, 화학적산소요구량 및 부유고형분은 Standard American Public Health Association의 방법에 따라 분석하였다 (APHA, 1995). 총 질소, 인 및 칼륨은 inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES iCAP PRO, Thermo Fisher Scientific, MA, USA)를 이용하여 분석하였다.
(2) 기체포집 및 암모니아 측정
젖소분뇨 고액분리여액의 표면에서 발생하는 암모니아 가스의 발생량을 평가하기 위해서 Flux chamber 방법(Joeng et al., 2016, Figure 2)을 이용하여 기체를 포집하였다. 악취 물질이 포함되지 않은 질소 가스를 젖소분뇨 고액분리여액이 담긴 chamber에 일정한 유량(250ml/min)으로 일정 시간(7분 이상) 흘려보내 악취 물질의 농도가 평형 상태에 도달한 후 4분간 총 1L의 기체를 2L Tedlar bag (Non Odor Polyester Bag, Takesue, Japan)을 사용하여 포집하였다. 포집된 기체에 포함된 암모니아 가스는 전자식 센서를 포함한 휴대용 악취 측정기(SKY2000-M4, Locus Airtech, Suwon, South Korea)를 활용하여 측정하였으며, 암모니아 검지관(Gastec Detector Tube, Gastec, Kanagawa, Japan)과 검지관식 기체 측정기(GV-100, Gastec, Kanagawa, Japan)을활용하여 값을 보정하였다.
4. 통계분석 및 모델링
젖소분뇨 고액분리여액의 중온 호기액비화의 효과에 대한 통계분석은 SAS 9.4 (2013, release. 9.4version, SAS inc., Cary, NC, USA)의PROC MIXED procedure를 이용하였다. 모델 모형은,
Yji= μ+ Ti+ Eji
모델에서 μ는 평균값, Ti는 중온 호기액비화 효과 및 Eji는 실험오차를 나타낸다. 모델의 고정 변수는 중온호기 액비화이며, 임의 변수는 고려하지 않았다. 유의성은P<0.05 수준에서 검정하였다. 제시된 모든 평균은 최소자승평균(least square means)을 사용하였다. 중온 호기액비화 동안 암모니아의 발생량을 평가하기 위해 암모니아 측정 결과를 Gaussian curve에 피팅하고 예측 모델을 적분하여 배출량을 산정하였으며, 그래프의 피팅은 Microsoft Excel 프로그램의 Solver를 이용하여 실시하였다.
결과 및 고찰
1. 온도, pH 및 화학적 성분
본 연구에서 수분함량이 약 80% 전후인 젖소분뇨를 고액분리한 결과, 고액분리여액의 생물학적산소요구량은 70,773 mg/L로 나타났다. 호기성 액비화에서 기질의 유기물함량이 너무 높으면 미생물에 충격을 주어 액비화를 저해하는 요소로 작용하기 때문에(Chen Yao et al. 2008) 젖소분뇨 고액분리여액을 약 5배 희석하여 30일간 호기성 액비화를 실시하였다.
본 실험 기간동안 외기온도는 25.6±1.0ºC, 습도는 43.4±1.0%를 나타냈으며, 항온수조 내 반응기에서 30일 동안 0.03m3/m3/min유속으로 호기성 액비화를 실시한 젖소분뇨 고액분리 여액의 온도는 38~39.5℃를 유지하였다(Figure 3a). 젖소분뇨 고액분리 여액의 pH는 초기 7.6에서 액비화가 진행되면서 점차 상승하여 6일경에 8.0을 초과하였으며, 이 후 액비화 기간 동안 8.0~8.2의 범위를 나타냈다(Figure 3b). 이전 연구에서 기계적 부숙도 판정기에 의해 부숙으로 판정된 액비의 평균 pH는 8.0 ± 0.5으로 보고되었으며 부숙 액비 중 80%가 pH 7~9 범위를 나타낸 것으로 보고하고 있다(Kang et al., 2017). 따라서, 본 연구에서 측정된 젖소분뇨 고액분리여액의 pH의 범위는 부숙 액비가 나타내는 pH 범위에 포함되는 것으로 사료되며, 젖소분뇨 고액분리여액의 호기성 액비화 과정에 문제는 없는 것으로 판단된다. 젖소분뇨 고액분리 여액을 액비화하는 동안 화학적 산소 요구량은 초기 25,900 ppm에서 3,200 ppm까지 약 88% 감소하였으며, 화학적 산소 요구량을 기준으로 유기물의 80%가 분해되는 시점은 20일경으로 나타났다. 본 실험에서 젖소분뇨 고액분리여액의 부유고형물 함량은 초기 9979.6 mg/L에서 30일간의 액비화 과정을 거친 후 2050.8 mg/L까지 약 79% 감소한 것(Table 2)은 이전 연구 결과에서 보고된 부숙 액비 46점의 부유고형물 함량의 평균값 범위인 5.188~6.115 mg/L에 포함되므로(Kang et al., 2017) 본 연구에서 액비화 후 여액은 양질의 부숙액비로 사료된다. 본 연구에서 액비화 후 고액분리여액의 총 질소 함량은 932.1 mg/L에서 272.6 mg/L (0.027%) 수준까지 약 71% 감소하였으며(Table 2), 비료공정규격의 기준을 충족하는 질소 함량을 나타냈다. 본 실험에서 액비화가 진행될수록 총 질소 함량은 감소하는 경향을 보였다. 이는 가축분뇨 내 질소 성분이 처리 과정에서 NH3, NO2, N2O 및 NO 등의 형태로 전환되어 대기나 수계로 손실되어(Choi et al., 2012) 부숙 액비의 경우 총 질소 성분의 농도가 미숙 액비에 비해 낮게 나타난 것으로 사료된다(Jeon et al., 2013). 또한, 본 실험에서 고액분리여액의 30일간의 액비화가 종료된 후 총 인 및 총 칼륨 성분 함량은 각각 약 298.0 mg/L에서 약 231.6 mg/L (0.02%)까지, 약 826.4 mg/L에서 약 617.2 mg/L (0.06%)까지 감소하였다(Table 2). 총 질소, 인산 및 칼륨 성분의 함량은 초기 2,056.5 mg/L에서 약 1121.4 mg/L으로 감소하였는데 이는 전체 총 질소, 인 및 칼륨의 함량의 합이 0.11%로 국내 가축분뇨 액비 29개를 분석항 평균인 0.61% (총 질소, 0.22%; 총인, 0.06%, 총 칼륨, 0.33%)에 비해 매우 모자란 수치인다(Ahn et al., 2021). 일반적으로 국내에서 일반적으로 액비 제조시 희석을 하지 않고 폭기를 하여 제조하거나 미생물이 활성화된 폭기조에 적정량의 가축분뇨를 투입하여 제조하는 경우가 많다. 이 과정에서 유기물은 분해가 진행되며 액비의 비효성분의 농축이 발생한다. 그러나, 본 연구에서는 초기 투입 액비를 희석하여 유기물 부하량이 낮은 상태에서 폭기를 시작하였으며, 증발되는 액비의 양을 보충하기 위해 수분을 첨가하여 현장에서 제조되는 액비에 비하여 낮은 총 질소, 총인 및 칼륨 함량을 나타낸 것으로 사료된다.
Table 2.
Change of Chemical composition on dairy manure leachate after solid-liquid separation by aeration1
| Item | Non aeration | After aeration | Degradation ratio |
| COD, mg/L | 25,900±2,600 | 3,200±300 | 0.88 |
| SS, mg/L | 9,979.6±454.3 | 2,050.8±654.4 | 0.79 |
| T-N, mg/L | 932.1±72.6 | 272.6±32.4 | 0.71 |
| T-P, mg/L | 298.0±66.5 | 231.6±26.3 | 0.22 |
| T-K, mg/L | 826.4±25.8 | 617.2±52.1 | 0.25 |
2. 암모니아 발생량
암모니아 가스의 발생은 액비화가 진행됨에 따라 약 7일까지 증가한 후 30일까지 점차 감소하는 양상을 나타냈으며(Figure 4a), 30일동안의 누적암모니아 발생량은 27일부터 12.23 mg/m2/min에 도달한 후 크게 증가하지 않았다(Figure 4b). 암모니아 가스 발생 모델을 기반으로 계산된 30일동안의 암모니아 총 발생량은 약 136.44 mg/m2으로 나타났다. 이전 연구에서 우분 퇴비에서 발생하는 발생하는 암모니아의 배출량과 배출계수는 각각 25.5 kg ha-1, 70 kg NH3-ton N으로 보고하고 있으며, 총 질소 기준 약 0.7%에 해당한다(Kim et al., 2020). 본 연구에서 총 질소 함량 약 2796.3 mg/3L인 고액분리여액의 표면 0.0445 m2에서 발생하는 암모니아의 발생량을 계산할 경우 약 0.68%로 계산할 수 있고 이는 다른 연구와 매우 유사한 결과이다(Hong et al., 2021). 그러나, 고형분 함량이 높은 젖소분뇨와 수분함량이 높은 젖소분뇨에서 발생하는 암모니아를 평가한 이전 연구에서 고형분 함량이 높은 젖소분뇨 유래 암모니아 배출이 더 높게 나타났다(Balsdon et. al, 2000). 이는 암모니아가 물에 쉽게 녹는 특성이 있으며, 생성된 암모니아의 배출은 배출원의 표면적과 공기흐름에 영향을 받는다(Hristov et al., 2011; kupper et al., 2020). 따라서, 일반적으로 표면적이 넓고 고형분 함량이 높은 분뇨의 표면에서 암모니아가 더 많이 배출될 수 있다. 다른 연구에서는 액비화 공정에서 공기의 투입이 암모니아의 발생량을 증가시킨다고 보고하고 있다(Kim et al, 2013). 따라서, 본 연구의 고액분리여액유래 암모니아의 발생량이 상대적으로 높은 이유는 호기성 액비화를 통한 물리적인 충격이 암모니아의 배출을 촉진하여 나타난 결과로 사료된다(VanderZaag et al., 2009). 우분 저장시설에서 발생하는 암모니아 발생량을 평가한 연구에서 우분 유래 암모니아 발생량은 0.0001~0.005 mg/m2/min으로 보고하고 있으며(kupper et al., 2020), 이는 본 연구의 발생량보다 현저하게 낮은 수준이다. 교반 유무에 따른 젖소 분뇨 유래 암모니아 발생량을 비교한 연구에서 교반을 실시할 경우 교반하지 않고 보관하는 것에 비해서 암모니아 배출량이 크게 증가하였다 보고하였다(VanderZaag et al., 2009). 저장조에서 발생하는 암모니아 발생량을 평가한 연구에서 실험기간 동안 온도 분포가 0.0~20.3°C로 본 연구의 조건보다 환경 온도가 낮았고, 교반이나 폭기가 이루어지지 않는 안정된 저장조의 환경이 암모니아 발생량의 차이를 유발한 것으로 사료된다. 분뇨에서 암모니아의 발생은 pH 8.0 이상에서 급격하게 증가하며 온도가 높을수록 발생량이 많은 것으로 보고하고 있다(Hristov et al., 2011). 특히, 암모니아성 질소가 pH 8.0을 기준으로 빠르게 암모니아로 전환되는 특징을 보인다(Hristov et al., 2011). 본 연구에서 호기성 액비화 공정 동안 pH가 8.0~8.2 사이를 나타냈고, 수분함량이 높은 우분에서 암모니아 발생량을 측정한 다른 연구와 비교하여 본 연구에서 고액분리여액에서 높은 암모니아 발생량은 설명 가능하다. 젖소 분뇨는 고형분 함량이 높아 대부분 퇴비화를 통해서 처리되기 때문에 호기성 액비화 공정 유래 암모니아 발생량 대한 정보가 부족하지만 본 연구의 결과가 젖소분뇨 고액분리여액을 호기처리할 때 발생하는 암모니아 배출량을 산정하는 기초자료로 충분한 의미가 있는 사료된다.
수분함량 60% 전후의 우분에 대해 호기성 액비화를 진행한 연구에서 질소의 제거율을 60% 가량으로 보고하고 있으며(Guardia et al., 2008), 수분 함량이 86% 가량인 젖소 분뇨를 호기성 액비화하는 연구에서는 총 질소 중 50% 가량 암모니아로 전환된다는 결과를 보고하고 있다(Molodovskaya et al., 2008). 본 연구의 질소 제거율이 이전 연구보다 높게 나타난 이유는 중온 조건에서 오픈된 반응기에서 환경에서 지속적인 공기 공급과 35도의 온도 유지를 위한 외부가온이 수분의 증발을 촉진하고 이로 인한 암모니아의 휘산이 결과에 영향을 미친 것으로 사료된다. 또한, 안정적인 액비화를 위해서 일반적인 분뇨에 비하여 낮은 농도로 희석한 후 공기를 주입하였기 때문에 미생물의 성장에 따라 발생하는 암모니아의 절대량이 높아 발생량이 높게 평가된 것으로 사료된다.
결 론
본 연구에서는 중온 호기성 액비화에서 젖소분뇨 고액분리여액의 암모니아 발생량을 산정하고 액비화 가능성을 평가하였다. 초기의 유기물 부하를 적절히 조절한다면 젖소분뇨 고액분리 여액은 30일 가량의 호기적 액비화 과정을 거쳐 유기물 함량이 20% 수준인 양질의 액비 생산이 가능할 것으로 사료된다. 젖소분뇨 고액분리 여액을 가축분뇨 자원화 표준설계에서 제시한 적정 COD 10,000 ppm 기준에서 호기액비화시 136.44 mg/m2의 암모니아가 발생할 것으로 예상되며, 연속식으로 고액분리여액을 호기성 액비화를 진행할 경우 고액분리여액의 표면에서 12.23 mg/m2/min의 암모니아가 지속적으로 배출될 것으로 예상된다.
