서 론
우리나라에서 2021년 도축된 가축은 소 934천두, 돼지 18,382천두, 닭 1,036백만수, 오리 49백만수이며, 2021년 1인당 육류소비량은 62.7 kg으로 주식인 쌀의 소비량 56.9 kg을 넘었으며, 이런 추세라면 육류소비량 증가는 OECD 평균 1인당 고기소비량인 70.4 kg까지 근접할 것으로 예상된다 (KOSTAT KOSIS, 2022). 가축사육 두수가 증가 함에 따라 가축분뇨 발생량도 늘었다. 2019년 기준 국내 가축분뇨 발생량은 총 51,838천 톤이었으며, 이중 퇴·액비로 자원화된 양이 47,404천 톤 (91.4%)이고 정화처리 및 기타 방법에 의해 4,434천 톤 (8.6%)이 처리됨으로써 대부분의 가축분뇨가 퇴·액비로 자원화처리되고 있다. 가축분뇨 중 퇴비로 처리되는 양이 41,428천 톤으로서 전체 가축분뇨의 79.9%를 차지하기 때문에 퇴비화처리 및 경작지 시비 이용이 매우 중요하다 (The Board of Audit and Inspection of Korea, 2021).
분뇨를 퇴비화하는 과정에서 암모니아와 이산화탄소, 황화수소 등의 발생을 저감하면서 효과적으로 양질의 퇴비로 만드는 방법이 요구되는데, 암모니아 저감을 위하여 폐식용유를 첨가하거나 (Kuroda et al., 2022), 지올라이트나 피트모스를 이용하여 암모니아를 저감하는 검토가 있었다 (Park and Hong, 2019). Park et al. (2021)은 돈분의 퇴적식 퇴비단에서 송풍방법에 따른 퇴비화 효과를 검토하였는데, 공기를 송풍 (퇴비단 부피 1 m3 당 1분에 100 L 수준)하였을 때 송풍하지 않은 경우보다 온도가 급격하게 상승하였으며, 부숙도와 종자 발아지수가 송풍한 경우 더 양호한 결과를 보였다고 보고하였다. 본 연구에서는 공기의 공급이 퇴비화를 촉진하고 양질의 퇴비를 만든다는 전제하에 부피 1 m3 당 1분에 100 L 수준의 공기를 공급하는 공기공급 반응조와 대조구로서 공기를 공급하지 않는 공기 비 공급 반응조를 구성하여 퇴비화 실험을 수행하였다.
정밀한 실험을 위하여 밀폐식 퇴비반응조를 Figure 1과 같이 제작하였으며, 공기공급은 송풍기를 이용하여 송풍을 조절하였다. 이 과정에서 발생하는 암모니아를 측정하기 위하여 전기화학식 암모니아센서를 설치하였으나, 높은 암모니아 농도로 인하여 퇴비화 초기 암모니아가 폭발적으로 발생하는 시기에 화학반응의 포화로 정상 측정이 되지 않아 이후 이 문제의 해결이 필요한 것으로 판단되었다.
제작한 밀폐식 퇴비반응조는 실험에서 정밀하게 조절된 퇴비화 과정을 추적할 수 있었으나, 밀폐식의 한계로 퇴비화과정에서 수분 배출이 어려워 전 기간 높은 수분함량을 유지한 것이 현장에서의 퇴비화를 모사하면서 정밀하게 조건을 조절하는 데 한계로 파악되었다. 본 실험을 위하여 설계, 제작한 퇴비화 반응조와 이를 이용한 실제 실험모습은 Figure 1에 도시된 바와 같다.
본 실험에 사용된 퇴비화반응조의 규격은 Table 1과 같다.
재료 및 방법
퇴비는 전북 N시 소재 양돈농가에서 고액분리가 된 돈분슬러리 유래 고형물을 수거하여 전북 J시의 실험실로 운송한 뒤 톱밥과 섞어서 수분함량을 조절하였다. 원료돈분의 pH는 8.42이고, 수분함량은 76.3%였으며, 톱밥의 pH는 5.01이고, 수분함량은 32.1% 수준이었다. 원료돈분과 톱밥을 혼합하여 퇴비화원료의 수분함량을 70%내외로 조절한 뒤 퇴비화를 시작하였다. 퇴비화는 1월부터 6월까지 총 152일 동안 진행하였는데, 겨울철 저온에 의한 영향을 제거하기 위하여 25°C 내외의 온도가 유지되는 실험실 내에 반응조를 설치하고 퇴비화실험을 수행하였다. 밀폐식으로 제작한 퇴비화 시험용 반응조에 실용량 140리터의 부숙실을 구성 (직경 600 mm, 높이 500 mm)하고 반응조 하단에 설치된 산기장치를 통해 퇴비 1 m3당 1분에 100리터 수준의 공기를 용적형 송풍기로 강제송풍하였다. 본 실험에서 송풍량을 100 L/m3/min으로 한 이유는 송풍수준별 퇴비화 실험을 선행한 결과, 50 L, 150 L 수준보다 100리터 처리구가 더 안정적인 퇴비화효과를 보였기 때문이다. 대조구로서 공기를 공급하지 않는 비 송풍 반응조를 동시에 운용하면서 공기공급여부에 따른 퇴비화효과를 비교하였다. 분석을 위한 시료를 채취한 다음에는 추가 교반 없이 고르기를 한 상태로 유지하였다. 퇴비화과정 중의 퇴비단 온도변화는 연속측정식 스틱형 온도계 (Testo)를 퇴비단 심부에 꽂아서 1시간 간격으로 실시간 측정하였으며, 암모니아와 이산화탄소는 전기화학식 센서를 설치하여 발생농도를 실시간으로 측정할 수 있도록 설정하고 그 실측 결과치는 데이터로거 (Graphtec midi logger GL240)에 저장되도록 제작하였다. 퇴비화 진행에 따른 물질변화는 주당 2회씩 반응조내 퇴비단의 표층에서 5 cm 이하의 부위를 4곳 분리하여 채취한 시료를 농촌진흥청 시료처리방법에 준하여 처리한 뒤 표준공정시험방법에 따라 분석하였다. 부숙도는 퇴비부숙도측정기 (CoMMe-100)을 사용하여 측정하였으며, pH, EC, 수분함량, 유기물 (organic matter, OM), 암모늄태 질소 (NH4-N), 질산성질소 (NO3-N), 총켈달질소 (TKN) 측정은 농촌진흥청 비료공정규격 설정 및 지정 중 ‘비료의 이화학적 검사 방법’을 참고하여 수행하였다. Figure 2는 돈분슬러리 고형물과 톱밥을 혼합하여 수분함량을 70% 수준으로 조절한 후에 자체 제작한 퇴비화 반응조에 퇴비화원료를 투입하는 과정을 나타낸 것이다.
결과 및 고찰
유기물의 퇴비화 과정에서 온도변화는 퇴비화 진행 정도를 추정할 수 있는 중요한 지표이다. 생화학적으로 분해 가능한 유기물이 존재하면 퇴비화 과정을 거치면서 열이 발생하기 때문에 퇴비단의 온도가 높은 상태를 유지하는 동안에는 퇴비가 부숙이 완료되었다고 보기 어렵기 때문이다. 본 실험을 수행하는 과정에서 퇴비단의 온도변화는 Figure 3에 도시된 바와 같다.
각 퇴비단의 온도를 측정한 결과 공기를 공급한 3조의 실험구에서는 퇴비화 개시 후 1시간 째부터 온도가 상승하기 시작하여 12시간째에는 모두 개시시 온도에 비해 약 1°C 정도 상승하였다. 15시간째 이후부터는 온도상승 속도가 빨라지기 시작하였으며 19시간째부터 22시간째까지는 시간당 1°C 정도씩 상승하였다. 이후 22시간째부터 26시간째까지는 시간당 1∼2°C씩 상승하였으며 27시간째부터 29시간째까지는 시간당 5∼10°C씩 상승하였다. 그 이후로는 온도상승 속도가 약간 느려져서 39시간째까지는 시간당 1∼2°C씩 상승하는 형태를 보였다. 40시간째 이후부터는 온도상승이 더뎌져서 44시간까지는 0.5∼1°C 정도씩 상승하였다. 45시간째부터 51시간 사이에 최고온도를 나타냈으며 그 이후부터는 온도가 낮아지는 경향을 보였다. 반면에 공기 비 공급구는 퇴비화 실험 개시시부터 24시간 후에는 5°C 상승하였고 48시간 때에는 개시 대비 20°C, 72시간째에는 개시 대비 27°C가 상승함으로써 공기공급구에 비해 온도상승 속도가 매우 느렸다. 이후 140시간 후에 45°C에 도달하는 등 온도상승 속도가 느린 것으로 보아 퇴비화가 더디게 진행되는 것으로 판단할 수 있다. 공기공급구의 경우 퇴비화 2일 만에 74°C 이상의 최고온도에 도달하였다가 주변 대기 온도에 도달하는데 1달가량 걸리는 온도변화 추세를 나타냈다. 반면에 공기 비 공급구에서는 온도가 6일 만에 45.6°C에 도달하였고 퇴비화 개시 1개월 후에 최고온도 47.5°C를 기록한 뒤 3달이 지난 후에야 주변 대기 온도에 도달하였다. 이에 따라 공기를 공급해주는 것이 퇴비화 기간을 단축할 수 있을 것으로 판단된다. 퇴비화 기간의 경과에 따른 pH변화은 아래 Figure 4와 같다.
퇴비단의 pH는 실험개시 후 초기에는 모든 반응조 내 퇴비에서 모두 높아지다가 퇴비화 개시 후 20일이 경과한 후부터는 다시 낮아지는 경향을 보였다. 퇴비화 개시 후 약 20일까지는 3조의 공기공급구 퇴비단의 pH 변화가 거의 일치하는 결과를 보였다가 pH가 낮아지기 시작한 20일 경과 이후부터는 공기공급 시험구 간에도 약간의 차이가 발생하였다. 반면에 공기 비 공급구의 pH는 전반적으로 공기공급구에 비해 낮게 유지되는 결과가 나타났다. 이는 퇴비화과정에서 발생하는 암모니아와 이산화탄소의 농도 차이 그리고 유기물 분해과정에서 산소농도의 차이에 따른 산성물질의 생성정도의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 퇴비화기간 동안에 나타난 pH의 변화는 퇴비단의 암모늄태 질소의 변화양상과 상응하는 경향을 보여주고 있으며, 암모늄태 질소와 pH의 상관계수는 0.86을 기록하였다. 반면에 부숙도와는 –0.65로 음의 상관성을 보여주어 pH가 높은 상태이면 부숙이 안된 것이며, pH가 높아졌다가 낮아지면 부숙이 진행되고 있다고 추정할 수 있을 것으로 판단된다. 돈분뇨슬러리 유래 고형물의 퇴비화과정에서 나타난 전기전도도의 변화는 Figure 5에 도시된 바와 같다.
전기전도도는 어떤 물질을 통해 전하가 운반되는 정도를 측정하는 것으로서 전류를 통하는 정도를 의미하며 용액 중에 존재하는 이온의 종류와 양에 의해 그 값이 결정된다. 즉 용액 중에 이온이 존재하면 전류가 흐르게 되고 이온을 완전히 제거한 순수한 물은 전도도가 매우 낮거나 전기전도가 안되게 된다. 따라서 분자상태의 어떤 물질이 분해되어 이온화되면 전기전도도가 높아지게 된다. Inbar et al. (1993)은 퇴비화 과정에 NO3-, Ca2+, Mg2+, P 등의 변화에 따라 EC가 변동한다고 하였고, Lee et al. (2016)과 Jeong et al. (2003)은 이온들의 변화에 EC값이 점차 증가하는 경향을 보여준다고 하였는데, 본 실험에서는 퇴비화 개시 후 45일이 경과할 때까지는 전기전도도가 감소하다가 그 이후부터는 높아지는 결과를 보였다. 아래 Figure 6은 퇴비화 기간의 경과에 따른 염분의 농도변화를 나타낸 것이다.
염분은 토양의 물리적 구조와 투수성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 비료공정규격 설정 및 지정에서 그 허용농도를 규정하고 있다. 돼지분뇨슬러리를 고액분리 고형물과 톱밥을 퇴비화 원료로 한 본 실험에서는 염분농도가 0.1% 수준을 보임으로써 규정농도에 비해 매우 낮은 수준이었다. 퇴비화 기간이 경과하면서 염분의 농도가 낮아지다가 퇴비화 개시 후 45일이 경과한 후부터는 염분의 농도가 높아지는 결과를 보였다. 이는 산화분해되어 감소하는 유기물과는 달리 염분은 분해가 더딘 관계로 총고형물 중에서 그 상대적 비율이 변화되는데 기인하는 것으로 판단된다. 돈분 퇴비화 과정에서 나타난 염분농도 변화추세와 전기전도도의 변화추세가 매우 유사한 경향을 나타내었다. 본 실험과정에서 측정된 전기전도도와 염분의 변화 사이의 상관계수는 0.98이었다. 공기 공급구에 비해 공기 비 공급구의 전기전도도와 염분 수준은 공히 공기 비 공급구가 상대적으로 더 높은 수준을 유지하는 것으로 분석되었다. Figure 7은 퇴비화 기간 동안 각 퇴비단의 수분 농도변화를 나타낸 것이다.
퇴비단에서의 수분은 원료에서 유래되는 수분 그리고 유기물의 분해 과정에서 생성되는 수분 등이 퇴비단에 흡수되거나 대기로 증발하는 과정을 통해 변화하게 된다 (Lee et al., 2016; Miller, 1985). Hong (2001)은 최종 30~40% 수분함량이 양질 퇴비에 부합한다고 하였다. 일반적으로 퇴비화과정에서는 퇴비단의 열에 의한 증발이 활발하고 송풍으로 인한 공기의 흐름과 퇴비화 시 발생하는 기체상 물질의 휘산 등으로 인해 수분함량이 퇴비화 기간의 경과와 함께 감소하는 것이 일반적이다. 반면에 본 연구에서 사용한 퇴비화 반응조는 완전 밀폐방식 구조로 형성되어 있어서 퇴비화 전 기간 동안 수분함량이 감소하지 않는 결과를 보였다. Figure 8은 퇴비화 기간의 경과에 따른 유기물함량의 변화 정도를 나타낸 것이다.
퇴비화가 진행됨에 따라 유기물이 분해되어 미생물의 영양원이 되거나 무기화되는 현상 또는 기체 형태로 전환되어 퇴비단 외부로 방출되는 요인에 의해 총고형물 중에서 차지하는 유기물함량이 낮아지게 된다. 본 실험에서도 퇴비화 기간이 경과됨에 따라 유기물 함량이 지속적으로 감소하고 있는 경향을 보였다. 공기공급 여부에 따른 유기물함량 변화는 공기를 공급하지 않은 퇴비단에 비해 공기를 공급한 퇴비단에서 그 감소 정도가 상대적으로 크게 나타났다. Figure 9는 본 실험과정에서 나타난 총고형물의 변화양상이다.
본 실험기간 동안 나타난 총고형물의 함량변화는 퇴비화 기간이 경과하면서 전반적으로 점차 낮아지는 결과를 보였다. 이는 퇴비화 기간 동안 총고형물중의 유기물이 분해되거나 기체상태로 전환되어 퇴비단으로부터 탈기되었기 때문인 것으로 판단된다. 공기공급 여부에 따른 총고형물의 농도 변화는 공기를 공급하지 않은 퇴비단에 비해 공기를 공급한 퇴비단에서 그 감소 정도가 상대적으로 크게 나타났다. 총고형물은 유기물함량과는 0.84, 질산성 질소와는 0.4의 상관관계를 가지고 있었고, 수분함량과는 –1의 상관관계를 나타냈다. Figure 10은 본 실험과정에서 나타난 총고형물중에 함유된 휘발성 고형물의 농도변화 양상을 나타낸 것이다.
퇴비화 기간이 경과됨에 따라 총고형물 중에 함유된 휘발성고형물이 감소하는 결과를 나타냈다. 이 값은 총고형물의 변화양상에 비해 상대적으로 다 크게 나타났는데 이는 총고형물 중의 휘발성 고형물이 선택적으로 분해되었거나 기체상태로 전환되어 방출된데 기인한 것으로 판단된다. 퇴비화 기간 중에 감소하는 경향을 고려해 보면 퇴비화 초기에 감소하는 정도가 더 큰 것으로 나타났다. 공기공급 여부에 따른 총고형물중의 휘발성 고형물의 농도 변화는 공기를 공급하지 않은 퇴비단에 비해 공기를 공급한 퇴비단에서 그 감소 정도가 상대적으로 크게 나타났다. 총고형물과 휘발성고형물 간의 상관계수는 0.12 수준으로 나타났다. 또한 암모뮽태 질소와는 0.85, pH와는 0.75, 질산성 질소와는 –0.44의 상관관계를 가지고 있었다. Figure 11은 본 실험과정에서 나타난 암모늄태 질소의 농도변화 양상이다.
암모늄태 질소는 퇴비화가 진행됨에 따라 초기에는 증가하다가 다시 낮아지는 결과를 보였다. 퇴비화 초기에는 원료 중의 질소가 분해되어 암모늄태 질소로 전환됨에 따라 그 농도가 높아졌다가 퇴비화가 진행됨에 따라 점차 산화되어 질산성 질소로 전환되는 현상에 의해 그 농도가 낮아지는 결과를 보인 것으로 판단된다. 퇴비화 개시 후 15일 정도가 경과한 후에 퇴비단의 온도가 낮아지는 현상도 암모늄태 질소 농도 감소의 요인이 된 것으로 보이며 pH의 저하도 영향을 준 것으로 판단된다. 공기공급 여부에 따른 암모늄태 질소농도의 변화는 공기를 공급하지 않은 퇴비단에 비해 공기를 공급한 퇴비단에서 그 변화정도와 감소 정도가 상대적으로 크게 나타났다. 또한 퇴비화 후기의 암모늄테 질소농도 감소도 공기공급구에서 더 높게 나타났다. Figure 12는 본 실험과정에서 나타난 질산성 질소의 농도변화 양상이다.
퇴비화를 개시한 이후 약 1개월 정도까지는 변화가 크지 않았으나 1개월 이후부터는 질산성 질소의 농도가 높아지는 결과가 나타났다. 질산성 질소의 농도는 암모늄태 질소의 농도와 반대되는 경향을 나타냈는데, 이 결과는 퇴비화 진행에 따라 암모늄태 질소에서 질산성 질소로 전환되는 질산화과정이 진행된 데 기인한 것으로 판단된다. 암모늄태 질소와 질산성 질소의 상관관계는 –0.28 인 것으로 나타났다. Figure 13은 본 실험을 통해 각 퇴비화 항목들 간의 상관관계를 종합적으로 도시한 것이다.
결 론
국내 양돈농가들이 적용하고 있는 슬러리돈사에서 배출된 돼지분뇨슬러리를 데칸타 방식의 고액분리기로 고액분리하는 과정에서 배출되는 고형물을 1 m3 규격의 비투수성 백에 직접 받아서 실험장소로 운송한 뒤 수분조절재인 톱밥과 혼합한 퇴비화 원료를 밀폐형 반응조에 투입하여 퇴비화실험을 실시하였다. 실험결과 여러 가지 퇴비화 관련 요소에 대한 분석한 결과, 공기공급 방법이 공기 비공급구에 비해 퇴비화 진행에 더 바람직한 것으로 나타났다. 실험수행 결과 퇴비화 관련 요소들과 각 요소들 간의 상관관계를 요약하면 다음과 같다.
1.퇴비화 진행에 따른 퇴비단의 온도변화는 공기공급구의 경우 퇴비화 2일 만에 74°C 이상의 최고온도에 도달하였다가 주변 대기 온도에 도달하는데 1달 가량 걸리는 온도변화 추세를 나타냈다. 반면에 공기 비 공급구에서는 온도가 6일 만에 45.6°C에 도달하였고 퇴비화 개시 1개월 후에 최고온도 47.5°C를 기록한 뒤 3달이 지난 후에야 주변 대기 온도에 도달하였다. 이에 따라 공기를 공급해주는 것이 퇴비화 기간을 단축할 수 있을 것으로 판단된다.
2.퇴비단의 pH는 실험개시 후 초기에는 모든 반응조 내 퇴비에서 공히 높아지다가 퇴비화 개시 후 20일이 경과한 후부터는 다시 낮아지는 경향을 보였다. 퇴비화기간 동안에 나타난 pH의 변화는 퇴비단의 암모늄태 질소의 변화양상과 상응하는 경향을 보여주고 있으며, 암모늄태 질소와 pH의 상관계수는 0.86이었다.
3.퇴비화 기간이 경과됨에 따라 유기물 함량이 지속적으로 감소하고 있는 경향을 보였다. 공기공급 여부에 따른 유기물함량 변화는 공기를 공급하지 않은 퇴비단에 비해 공기를 공급한 퇴비단에서 그 감소 정도가 상대적으로 크게 나타났다.
4.퇴비화 기간이 경과됨에 따라 총고형물 중에 함유된 휘발성고형물이 감소하는 결과를 나타냈다. 공기공급 여부에 따른 총고형물중의 휘발성 고형물의 농도 변화는 공기를 공급하지 않은 퇴비단에 비해 공기를 공급한 퇴비단에서 그 감소 정도가 상대적으로 크게 나타났다. 총고형물과 휘발성고형물 간의 상관계수는 0.12 수준으로 나타났다.
5.암모늄태 질소는 퇴비화가 진행됨에 따라 초기에는 증가하다가 다시 낮아지는 결과를 보였다. 퇴비화 초기에는 원료 중의 질소가 분해되어 암모늄태 질소로 전환됨에 따라 그 농도가 높아졌다가 퇴비화가 진행됨에 따라 점차 산화되어 질산성 질소로 전환되는 현상에 의해 그 농도가 낮아지는 결과를 보인 것으로 판단된다.
