서 론

가축분뇨는 2019년 기준으로 연간 총 5,183만 8천 톤이 발생하였으며, 이 중 돼지 분뇨가 2,072만 4천 톤으로서 전체 가축분뇨 발생량 중 40.0%를 차지하였다(MAFRA, 2019). 돼 지 분뇨는 분과 뇨 그리고 축사 세정수 등이 혼합된 액상상태 로 배출되는 것이 일반적이며 배출 당시의 수분함량은 통상적 으로 약 97% 내외에 달한다. 따라서 돼지분뇨는 배출된 후 고 액분리 과정을 거치게 되며, 이 과정에서 분리된 액상물은 액 상비료화나 정화처리 과정을 거쳐서 유기성 비료자원으로서 재 활용되거나 수계에 방류되어진다. 2019년 통계자료를 보면 전 체 가축분뇨 발생량 중의 11.5%인 597만 6천 톤이 액상비료 화 되었으며, 7.4%에 해당하는 379만 7천 톤이 정화방류나 기타 방법에 의해 처리되었는데 이 물량의 대부분을 돼지분뇨 액상물이 차지한다고 볼 수 있다. 돼지 분뇨 고액분리과정에 서 발생한 고형상 물질은 톱밥과 같은 수분조절재와 혼합된 후 퇴비화 되어 비료 원으로서 경작지에 환원되어진다. 퇴비 화과정에서 돈분은 작물이 흡수, 이용할 수 있는 물질로 전환 되어지는 안정화과정을 거치게 되므로 부숙 완료된 돈분 퇴비 가 경작지로 환원되어지면 환경적 문제발생의 우려가 낮다. 또 한 퇴비화는 축분에 존재할 수 있는 유해미생물을 사멸시킬 수 있고(Jeong et al., 2020) 퇴비의 환경적 안전성을 높일 수 있다(Hess et al., 2004). 이로 인해 최적의 퇴비화조건을 설 정하고 돈분을 비롯한 가축분 퇴비의 부숙효과를 증진함으로 써 생산된 퇴비의 품질을 높이기 위한 연구가 지속적으로 수 행되어 왔다(Yun et al., 2012). 그러나 최근 들어 정부가 가 축분 퇴비의 부숙도 관리를 강화하면서 가축분뇨 퇴비화처리 관련 주체들의 가축분뇨 퇴비 부숙도에 대한 관심이 더욱 높 아짐에 따라 가축분 퇴비의 품질 및 안전성 향상과 관련된 연 구의 필요성이 높아진 상황이다. 이에 더해 퇴비의 최종 수용 처인 국내 농경지 면적은 휴경이나 각종 개발사업으로 인해 지속적으로 감소하고 있으므로 양분관리 측면에서도 가축분 퇴비의 품질향상기술의 중요성이 높아지고 있다(KOSIS., 2020). 따라서 본 연구에서는 국내 N시 W읍 소재 양돈농가에 서 발생한 분뇨를 고액분리한 후 수거한 고형물을 재료로 하 여 송풍방법별 퇴비화효과를 분석하였다.

재료 및 방법

돼지를 사육하는 각 돈사에서 발생한 돼지분뇨 슬러리를 저 장조에 모은 뒤 매일 처리량에 해당하는 만큼을 고액분리하는 양돈농가에서 분리한 돈분뇨 고형물을 수거하여 퇴비화 원료 로 사용하였다. 수거한 돈분뇨 고형물로 4개의 실험용 퇴비단 을 각각 4 m³ 규모로 조성하였다. 각 실험용 퇴비단은 공기를 송풍하지 않는 단순 무산소적 퇴비단(T1), 공기송풍 기능만을 부여한 호기적 퇴비단(T2), 공기를 송풍하면서 공기 배출경로 (천공)를 설치한 퇴비단으로 구분하여 퇴비화 효과를 분석하였 다. 퇴비단에 공기 배출경로(천공)를 설치한 목적은 호기적 퇴 비화과정에서 투입공기가 손실되어지는 경우가 퇴비화에 미 치는 영향을 분석한 연구결과가 발표된 선례가 없으므로 이 에 대한 효과를 분석하기 위하여 수행하였다. 공기 배출경로 (천공) 수준을 달리하기 위하여 퇴비단 표면에 직경 20 mm의 원형 배기 공 12개(퇴비단 표면적 630 cm² 당 천공 면적 3.14 cm²)를 설치한 처리구(T3)와 24개(퇴비단 표면적 320 cm² 당 천공 면적 3.14 cm²)를 설치한 처리구(T4)로 구분하여 설치 하였다. 각 퇴비단에 공급하는 공기량은 가축분뇨 자원화시설 표준설계도 해설서에 기재된 퇴비단 공기공급량의 중간 값인 퇴비단 부피 1 m³ 당 1분에 100 L 수준으로 설정하였다 (KMA, NACF., 2008). 반면에 단순 무산소적 퇴비단에는 공 기를 공급하지 않았다. 퇴비화실험 수행기간은 33일로 하였으 며 이 기간 동안 총 12회의 샘플을 채취하여 퇴비화관련 지표 항목과 종자발아지수를 분석하였다. 실험과정에서 채취한 시 료는 실험실로 냉장운송하여 공정실험기준에서 정하는 방법에 따라 즉시 분석을 실시하였다(APHA., 2005). 분석 대상 퇴비 시료를 증류수로 10배 희석한 후 Orion 920기기를 사용하여 pH를 측정하였으며, 전기전도도는 EC전극(013605MD)을 사용 하여 측정하였다. 수분함량은 시료를 60°C 조건에서 48시간 건조한 후에 건조 전후의 시료무게 변화를 백분율로 산정하여 산출하였다. 휘발성고형물은 고형물을 550°C에서 2시간 이상 강열한 뒤 휘발한 양을 기준으로 하여 산출하였다(AOAC., 2007). 퇴비단 내의 공기 공급장치 설치와 퇴비단 조성은 Fig. 1에 나타난 바와 같이 진행하였다.

결과 및 고찰

퇴비단 온도

실험에 사용된 각 처리구별 돈분뇨 고형물의 특성은 Table 1과 같다.

퇴비화가 진행되는 과정에서 퇴비화 원료에 함유되어 있는 유기물이 퇴비화 미생물에 의해 분해되면서 발생되는 열이 축 적되면서 퇴비단 내부의 온도가 60~70°C 내외까지 상승하게 된다. 퇴비화가 진행되면서 생물학적으로 분해가 가능한 유기 물량이 점차 감소하게 되면 분해열 발생이 감소하여 퇴비단 온도가 점차 낮아진다. 따라서 퇴비단의 온도 변화는 퇴비화의 진행 정도를 가늠할 수 있는 중요한 지표가 된다. Bustamante 등(2008)은 퇴비단의 온도변화가 퇴비화기간 동안 진행되는 생 물학적 분해과정에 의해 나타나는 것으로서 퇴비화과정의 진 행정도를 가장 잘 나타내주는 요소라고 하였다. Fig. 2는 본 실험의 퇴비화 기간 동안 각 퇴비단의 온도변화를 2시간 간격 으로 측정하여 그 변화 추세를 도시한 것이다.

총 33일간의 퇴비화 시험기간 동안 외기온은 30±5°C를 유 지하였다. 처리 형태별 각 퇴비단의 온도변화를 측정한 결과, 송풍을 실시한 퇴비단의 온도는 퇴비화 개시 직후부터 급격하 게 상승하여 퇴비화 1일 이내에 65°C까지 상승하였다. 이 결 과는 돈분을 이용한 퇴비화 과정에서 퇴비단 중심부 온도가 60°C까지 상승하였다(Chang et al., 2002)고 한 기존 보고에 비해 본 실험에서는 그 보다 높은 온도를 나타냈다. 퇴비단의 온도가 최고 온도에 도달한 이후 퇴비화 기간이 경과함에 따 라 온도가 하강하기 시작하여 퇴비화 9일 째부터는 외부 온도 와 같아지는 결과를 나타냈다. 처리구별로는 공기를 공급하는 퇴비단(T2, T3, T4)의 온도변화가 공기를 공급하지 않은 무산 소 조건하에서의 퇴비단(T1)보다 온도변화가 더 크게 나타났 다. Richard(2002) 등은 퇴비단의 수분제거 효율은 온도와 통 기량, 미생물의 생분해열과 같은 문제로 귀착되어진다고 하였 는데, 본 실험에서도 산소 존재 하에서 활동성이 좋은 퇴비화 관련 호기성 미생물에 의해 분해가 가능한 생분해성 유기물의 소비가 산소를 공급하지 않는 무산소적 처리구에서 발생하는 생분해성 유기물의 소비보다 상대적으로 더 활발하게 진행된 다는 것으로 판단할 수 있다. 송풍 처리구간의 온도변화 곡선 을 보면 공기 배출통로를 설치한 처리구 T3, T4가 단순 송풍 구 T2에 비해 퇴비단의 온도가 더 높게 나타났다. 공기 배출 통로 설치 처리구 중에서 퇴비단 표면에 더 많은 공기 배출통 로를 설치한 처리구 T4에서의 퇴비단 온도가 상대적으로 더 높았다. 이러한 결과는 아직까지 송풍식 돈분 퇴비화 처리에 서 시도되지 않은 실험결과로서 퇴비단 내의 공기 유통이 더 쉬운 조건이 형성되면 퇴비단의 온도가 더 높게 상승한다는 것을 시사해준다. 퇴비단의 온도가 높게 상승한다는 것은 퇴 비중의 유해 미생물 또는 잡초 종자 사멸과 같은 퇴비의 안전 성 확보에 도움이 된다. Grundy 등(2013)은 퇴비 온도가 55°C 보다 높아지면 잡초 종자가 발아력을 잃게 된다고 하였 는데 이는 퇴비의 품질과 직결되는 내용이다. 또한 정 등 (2011)은 가축분 퇴비가 유기질 비료에 비해 분해성 미생물의 오염 가능성이 높다고 하였고, Lung 등(2001)은 퇴비화 과정 중에 열에 의해 감소된다고 하였으므로 퇴비단의 온도 상승은 퇴비의 안정성 측면에서도 그 효과가 크다고 할 수 있다. Jeong 등(2018)은 우분을 이용한 퇴비화실험을 수행한 결과, 온도가 60~70°C인 조건의 퇴비단에서 1.5일 동안 머무른 소 리쟁이 종자와 피 종자는 발아력을 완전히 상실하였던 반면에 퇴비단 최고 온도가 51°C 이하인 퇴비단에서는 소리쟁이 종 자와 피 종자가 퇴비단 내에서 20일간 머무른 후에도 10% 정도의 발아력을 유지하였다고 하였다. 본 실험에서는 공기공 급을 하지 않은 퇴비단 T1은 퇴비화 개시 후 2일 째부터 온 도가 본격적으로 상승하기 시작하여 10일째 되는 시점에서 최 고온도인 69°C에 도달한 뒤 점차 하강하기 시작하여 퇴비화 실험이 마무리 된 33일째 시점에서도 외기온도보다 높은 경향 을 보였다. 이 결과는 Carl Tibu 등(2019)이 21일 주기로 뒤 집기를 하는 돈분뇨와 음식물 쓰레기, 볏짚 등을 혼합한 퇴비 단에서 45~70°C의 온도를 보였다고 보고한 내용과 유사한 것 이다.

퇴비단 pH

퇴비화는 유기물의 생물학적 분해과정을 통해 안정화되는 과정이므로 pH의 최적범위는 6.0~9.0 수준이며 pH 변화는 퇴 비화 진행과정을 가늠할 수 있는 간접적 지표로 이용될 수 있 다(Miller et al., 1992). 총 33일간의 실험기간 중 샘플링 시 기에 따라 12개 시점으로 구분하였으며 샘플링 시점은 퇴비화 개시 시, 1, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 20, 23, 28, 33일 째에 분 석을 실시하였다. 이후 제시되는 각 항목의 변화를 나타낸 그 래프의 샘플 채취시점도 같다. Fig. 3은 본 실험과정에서 퇴비 화 진행기간별로 각 퇴비단에서 측정된 pH의 변화 내역을 도 시한 것이다.

퇴비화 초기 단계에서는 pH 수준이 약간 낮아지다가 퇴비 화 기간이 경과함에 따라 다시 상승하는 추세를 보이고 있다. 이 결과는 퇴비화시 유기물이 분해되기 시작하는 단계에서 발 생하는 유기산 등과 같은 산성 물질 생성과 이산화탄소 등에 기인한 것으로 판단된다. Lee 등(2004) 등은 퇴비화 과정에서 발생하는 유기산이 초기 퇴비의 pH를 낮춘다고 하였는데 본 실험 과정기간 동안 분석된 pH 변화 양상은 모든 처리구에서 비슷하게 나타났다 그런 가운데 공기를 공급하지 않은 T1 처 리구에서 그 감소 정도가 상대적으로 큰 것으로 나타났으며 이는 산소 농도가 다른 처리구에 비해 더 낮음에 따라 산 발 생 정도가 더 커지는 현상에 기인한 것으로 판단된다.

퇴비단 수분함량

퇴비화 기간이 경과함에 따라 퇴비단의 수분함량은 감소하 는 것이 일반적이다. Fig. 4는 퇴비화 처리기간 중에 분석된 수분함량 변화 정도를 나타낸 것이다.

본 실험에서도 실험기간이 경과함에 따라 각 처리구별 퇴비 의 수분함량은 점차적으로 감소하는 경향을 보였다. 실험에 필 요한 돈분뇨 슬러리 고형물을 농가에서 수거하였을 때의 초기 수분함량이 낮았기 때문에 수분 조절재 첨가 없이 4개의 퇴비 화 실험구를 조성하였다. T2, T3, T4는 모두 다 비슷한 수준 의 수분 감소효율을 나타냈다. 또한 송풍을 실시하지 않은 T1 의 경우에도 실험개시 후 초기 3일까지는 수분함량 감소율이 송풍구에 비해 약간 더 높은 경향을 나타내다가 이후 약 3일 동안은 수분함량 감소율이 더 낮았다. 이후부터는 수분함량 감 소율이 늘어나기 시작하여 최종적으로는 T2, T3, T4와 비슷 한 수분의 수분 감소효율을 나타냈다. 이 결과는 T1의 퇴비단 온도가 퇴비화개시 후 2일 이후부터는 T2, T3, T4에 비해 지 속적으로 높게 유지된 데에 기인한 것으로 판단된다.

퇴비단 휘발성고형물(VS)함량

휘발성 고형물(Volatile Solids)은 퇴비화 과정에서 미생물에 의해 분해되어지게 되므로 퇴비화가 진행됨에 따라 그 함량이 감소하게 된다. Fig. 5는 본 실험과정에서의 TS(총 고형물)중 에 함유된 VS(휘발성 고형물)의 변화를 나타낸 것이다.

퇴비중의 VS 함량은 전체 처리구 모두에서 퇴비화 기간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 보였다. VS 감소정도는 T1과 T2에 비해 T3와 T4에서 상대적으로 더 높은 비율로 나타났으 며 T1과 T2는 비슷한 경향을 나타냈다. VS는 퇴비화 미생물 에 의해 생물학적으로 분해가 가능한 물질이기 때문에 VS 감 소 정도는 퇴비화 과정에서의 유기물 분해, 무기화 정도 그리 고 부숙 정도를 가늠할 수 있는 좋은 지표로 볼 수 있다 (Hamideh et al., 2020).

퇴비단 전기전도도(EC)변화

퇴비화가 진행됨에 따라 전기전도 수준이 각기 다른 이온성 물질의 농도수준이 변하면서 전기전도도가 달라지게 된다. Fig. 6은 본 실험에서 퇴비화 처리기간이 경과함에 따른 전기전도 도의 변화를 나타낸 것이다.

퇴비화기간이 경과함에 따라 EC의 변화는 크게 나타나지는 않았으나 T4에서는 약간 감소하는 경향을 나타냈다. Inbar 등 (1993)은 가축분 퇴비화 과정 중에서 EC는 NO^3-, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ 등과 같은 이온성 물질 등의 전환에 의해 변화된다고 하였는데, 본 실험에서는 큰 변화를 보이지는 않았다.

퇴비단의 부숙도 및 종자 발아지수

퇴비는 식물의 싹이 발아하고 생장하는데 좋은 효과를 나타 내야 한다. 통상적으로 퇴비화가 잘된 퇴비일수록 부숙완료 및 종자 발아지수가 높게 나타난다. 아래 Table 2는 퇴비화 처리 구별로 부숙도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 부숙결과 값 은 미숙(A), 중숙(B), 완숙(C)으로 구분하여 표기하였다.

송풍조건에 따른 각 처리구별 부숙도는 전체 처리구 모두에 서 퇴비화 개시 후 9일 이후부터는 부숙이 완료된 것으로 나 타났다. 부숙도 역시 T2와 T3에서 양호하게 나타났으며 T1과 T4는 상대적으로 더 늦게 부숙 상태에 도달하는 것으로 나타 났다. 종자 발아지수를 기준으로 할 때는 T2와 T3 처리구가 양호한 결과를 보였다. 반면에 T1과 T4가 더 늦게 부숙 상태 에 도달했으며 그중에서도 T1이 가장 늦은 것으로 나타났다.

Table 2는 본 실험에서 각 처리구별로 송풍조건에 따라 처 리한 퇴비를 이용하여 측정한 종자 발아지수를 나타낸 것이다.

송풍조건에 따른 각 처리구별 종자 발아지수는 T2와 T3에 서 양호하게 나타났으며 T1과 T4는 상대적으로 더 낮게 나타 났다. 종자 발아지수를 기준으로 할 때는 T2 처리구에서 가장 양호한 결과를 나타냈다. 장 등(2008) 은 축분 퇴비화에 따른 배추 종자의 발아율 측정실험을 측정한 결과 퇴비화 초기의 발아지수는 7.2~13.8 수준이었다가 퇴비화가 진행될수록 급격 한 증가를 보이다가 퇴비화 60일 째의 발아율이 75~95를 나 타냈다고 하였는데 본 실험에서 측정된 발아율이 모든 처리구 에서 장 등이 보고한 발아율 수준과 유사하거나 그 이상인 것 으로 분석되었다. 실험 처리구별로 송풍조건에 따라 처리한 퇴 비의 부숙도는 Table 3에 나타난 바와 같다.

적 요

농가에서 수거한 돈분뇨 고형물을 원료로 하여 퇴비단에 공 기를 공급하는 송풍방법을 4 가지(T1, T2, T3, T4)로 구분하 여 33일 동안 퇴비화 실험을 수행한 결과를 종합적으로 분석 한 결론은 다음과 같다.