Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.51 No.4 pp.139-147
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2017.51.4.139

Analysis of Bulking Agent Reduction Effect by using Previously Produced Compost

Min-Ho Lee1, Malinee Phonsuwan1,2, Byeong-Eun Moon1,2, Eun-Chul Wang1, Hyeon-Tae Kim1,2*
1Department of Bio-Industrial Machinery Engineering, College of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
2Institute of Agriculture & Life Science, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea
Corresponding author : Hyeon-Tae Kim +82-55-772-1896+82-55-772-1899bioani@gnu.ac.kr
20160926 20161213 20170203

Abstract

This study was carried out in order to reduce the amount of sawdust for recycling the generated manure from livestock farms, and to investigate the effects on the reducing usage of sawdust and quality of produced compost. To do this, a cylindrical horizontal composting device were used in the experiments and compost was analyzed for judging produce compost quality. The experiment was carried out separately under different cases of operational control conditions. The first case was produced by using sawdust and pig manure mixture(Test-1); the second case was produced by using sawdust, pig manure and the previously produced compost(Test-2). In the second case, Except for some heavy metal content, The water content and C/N ratio were found to be suitable for fertilizer process specification of the RDA(Rural Development Administration) and it was found to reduce the sawdust 1.25tons usage.


생산퇴비 재사용을 통한 수분조절재 절감효과 분석

이 민호1, 마 리네 폰수완1,2, 문 병은1,2, 왕 은철1, 김 현태1,2*
1경상대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과
2경상대학교 부속 농업생명과학연구원

초록

본 연구는 축산농가에서 발생되는 가축분뇨를 자원화하기 위해 사용되는 톱밥의 사용량을 줄이고, 이 를 통해 생산된 퇴비의 품질평가 및 톱밥의 사용량 절감효과를 구명하기 위해 실시되었다. 이를 위해 원통수평형 퇴비화 장치를 제작하여 실험에 사용하였으며, 퇴비를 생산하는 단계별 성분분석을 통해 퇴 비의 품질을 판단하였다. 실험은 원통수평형 퇴비화 장치에 투입되는 혼합물을 조건을 달리하여 실험을 행하였다. 첫 번째, 일반적인 방법인 돈분과 톱밥을 혼합하여 퇴비를 생산한 상황(Test-1), 두 번째, 돈 분과 톱밥 그리고 생산된 퇴비를 일부 재사용하여 퇴비를 생산한 상황(Test-2)로 구분하여 실시하였다. 생산된 퇴비를 일부 재사용하여 생산한 경우 일부 중금속함유량을 제외한 함수율, C/N비는 농촌진흥청 의 비료공정규격에 적합한 것으로 나타났으며, 톱밥(1.25ton) 사용량은 38% 절감할 수 있었다.


    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    315061-3

    서론

    국내의 양돈농가의 경우 농가의 수는 줄어드는 반면 사육두수는 증가하는 추세를 보인다. 이에 농 가당 돼지 사육두수는 자연스럽게 증가하게 되며 농가당 가축분뇨의 발생량 또한 늘어가는 추세이다. 가축분뇨는 연간 3,493만ton이 발생하는 것으로 나 타났으며, 수분조절재(부재료)를 구하기도 쉽지가 않 다(Kim et al., 2001). 또한, 늘어난 가축분뇨의 주 요 처리수단은 퇴비화가 주를 이루고 있으며, 이중 퇴비화는 유기성 폐기물을 농업이나 조경에 사용할 수 있는 퇴비로 전환하는 생물학적 처리과정이다 (Lee et al., 2012). 이러한 가축분뇨를 퇴비로 만 들어 재활용할 때 수분조절재(부재료)로 톱밥을 많 이 사용하지만, 톱밥의 가격이 너무 비싸고 주위에 서 구하기 어려운 실정이라 쉽게 쓸 수가 없는 형 편이다(Lee & Chang, 1998). 이러한 문제는 이미 오래된 일이며, 현재에도 특별한 대안이 없이 진행 되고 있는 실정이다.

    또한 농가에서 가축분뇨를 처리하기 위해 수분조 절재 구매비용 및 퇴비장 운영 등이 경제적인 부담 으로 작용하며, 이는 유기성 폐자원을 안정화하고, 재사용할 수 있는 중요한 방법 중의 하나인 퇴비화에 상당한 영향을 끼친다(Chang et al., 2002). 이러한 문제를 해결하기 위해 수분조절재로 사용되는 톱밥 의 사용량을 줄이기 위한 연구들이 이루어져 왔으 며, 관련연구로는 제지슬러지와 돈분을 이용한 퇴 비화과정 중 이화학적 특성변화(Min et al., 2000), Phyllite를 이용한 수도 육묘용 상토개발과 수분조 절제로서의 퇴비화 연구(Park et al., 2000), 도축 폐기물의 퇴비화에 있어서 수분조절제로서 폐휴지 이용(Lee & Chang, 1998), 돈분 퇴비화 공정에서 석고 및 석탄회의 첨가효과(Yu et al., 2002) 등이 있다.

    상기 연구와 같이 수분조절재의 사용량을 감소시 키기 위해 많은 노력을 기울였지만, 실용화되어 사 용되기에는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 원 통수평형 퇴비화 장치를 이용하여 가축분뇨를 처리 하며, 생산된 퇴비를 일부 재사용하여 수분조절재 의 사용량을 감소시켜 수분조절재를 절감하고자 실 시되었다.

    재료 및 방법

    1.실험 장치

    본 연구에서 사용한 퇴비화 장치는 시료투입 후 시간의 흐름에 따라 수평으로 이동하는 형태로서, Fig. 1과 같이 제작하여 실험에 이용하였다.

    퇴비화장치는 지름 1.07m, 길이 5m의 원통형이 며, 장치내부에는 퇴비화 장치의 회전에 따라 퇴비 가 투입구에서 배출구로 이동할 수 있도록 돌기를 부착하였다. 퇴비화 장치 측면에는 시료채취 구멍 H1~H5를 설치하여 위치별 퇴비의 교반상태 및 부 숙도를 평가할 수 있도록 제작하였다.

    교반방법은 퇴비화 장치 외부에 부착된 평기어를 3상 전동기와 감속기를 통해 회전시켜 교반을 진행 하였으며, 퇴비화 장치는 1시간에 1회전이 가능하도 록 설계하여 가동하였다.

    시료의 투입은 투입호퍼 통해 톱밥과 돈분을 스크 류를 통해 혼합 후 즉시 투입되도록 제작하여 실험 에 이용하였다. 스크류를 통해 일차적으로 혼합한 후 호퍼 내에서 교반 작업을 통해 완전히 혼합을 시 킨다.Fig. 2

    2.투입함수율 산정 및 운전조건

    공시재료는 분뇨분리식 돈사의 돈분과 국내산 톱 밥을 이용하여 실험을 진행하였으며, 퇴비생산을 위 한 톱밥의 사용량을 비교하기 위해 일반적 퇴비생산 을 위한 Test-1과 생산퇴비를 재사용하여 발효를 진행한 Test-2로 나누어 Table 1, 2와 같이 실험을 진행하였다.

    Test-1은 함수율 72%인 돈분과 함수율 27.3%의 톱밥을 혼합하였으며, Test-2는 함수율 72%인 돈분 과 함수율 27.3% 톱밥에 함수율 44.25%인 생산된 퇴비를 혼합하여 실험을 실시하였다.Fig. 3

    혼합된 시료의 함수율은 퇴비화에 적합한 함수율 인 60~65%의 함수율이 되도록 혼합을 하였으며, 혼합비율은 Eq. 1과 Eq. 2를 사용하여 톱밥의 사용 량을 산정을 하였다. 투입된 혼합물은 퇴비화 장치 내부의 돌기에 의해 15일간 투입구부터 배출구 까지 이동하며 발효를 진행하였다. 15일간 발효된 퇴비는 퇴비반출구를 통해 출하하였다.

    S c X c + S r X r = S m ( X c + X c ) S m = S c X c + S r X r X c + X r
    (Eq.1)

    • Sc = Moisture content of sawdust

    • Sr = Mosture content of swine manure

    • Sm = Moisture content of mixture

    • Xc = Amount of sawdust

    • Xr = Amount of swine manure

    S c X S c + S r X 3 + S a X a = S m ( X c + X r + X a ) S m = S c X c + S r X r + S a X a X c + X r + X a
    (Eq.2)

    • Sc = Moisture content of sawdust

    • Sr = Mosture content of swine manure

    • Sa = Moisture content of reusable compost

    • Sm = Moisture content of mixture

    • Xc = Amount of sawdust

    • Xr = Amount of swine manure

    • Xa = Amount of reusable compost

    3.시료채취 방법

    돈분과 톱밥의 경우 투입호퍼에 투입하기 전 시료 를 채취하였으며, 혼합된 샘플은 퇴비화 장치로 투 입하기 전 시료를 채취하여 분석에 사용하였다. 발 효 중인 샘플은 퇴비화 장치의 측면에 부착된 시료 채취구멍 H1~H5를 통해 발효 중인 시료를 채취하 였다. 퇴비내 시료의 채취는 측정오차를 최소화하기 위해서 샘플채취파이프를 이용하여 퇴비더미의 중앙 에서 시료를 채취하여 분석에 이용하였다. 최종 생 산된 퇴비의 경우 반출구에서 퇴비를 반출하며 시료 를 채취하였다.

    4.측정방법

    4.1.함수율

    농촌진흥청에 명시되어 있는 비료 공정 규격을 보 면 함수율은 55%이하가 되어야 한다. 모든 시료는 건조중량법을 통해 함수율을 측정하였고, 건조된 시 료의 중량을 얻기 위해 105℃에서 24시간 동안 Dry oven(ED-FCO72, Korea)을 사용하여 건조를 진행 하였다. 건조된 시료 중량과 건조 전 시료의 중량의 비교를 통해 시료별 함수율을 계산하였다.

    4.2.중금속

    농촌진흥청에 명시되어 있는 비료 공정 규격을 보 면 함유할 수 있는 유해성분의 최대량은 As 45ppm, Cd 5ppm, Pb 200ppm, Cr 200ppm, Cu 360ppm, Ni 45ppm, Zn 900ppm이다. N, P, K는 비료의 3요 소이므로 측정을 하였다. ICP(Inductively coupled plasma)분석을 위해 분쇄된 사료는 식물체 분해액 을 이용하여 1일간 침전시켰고, 침전된 샘플을 핫플 레이트를 이용하여 320℃까지 서서히 가열하였다. 가열된 시료의 색상이 모두 투명해질 때까지 가열을 진행하여 전처리를 완료하였다. 전처리가 완료된 샘 플은 유도결합플라즈마분광계(4300DV, PerkinElmer, America)를 이용하여 중금속을 측정하였다.

    4.3.C/N비

    농촌진흥청에 명시되어 있는 비료 공정 규격을 보 면 C/N비는 45이하가 되어야 한다. C/N비 측정을 위한 모든 샘플은 건조 후 분쇄를 하였으며, 분쇄된 샘플은 대용량 원소분석기(TruMAC, Leco, America) 를 이용하여 C/N비 분석을 진행하였다.

    4.4.온도

    발효온도는 원통형 교반 발효기의 시료채취구에 Thermometer(A type, REO Temp. CANADA)를 부 착하여 투입부터 반출까지의 구간별 온도를 측정하 였다.

    결과 및 고찰

    1.함수율 변화

    Test-1의 함수율 변화는 Fig. 5와 같이 나타났으 며, 초기함수율 65.0%부터 최종함수율 29.9%까지 꾸준하게 감소하는 결과를 나타내었으며, 이는 농촌 진흥청의 비료공정규격에 고시된 함수율 55.0%이하 에 포함되는 수치로 퇴비공정규격에는 적합한 것으 로 판단된다.

    Figure 4는 Test-2의 실험 기간 중 함수율변화를 나타낸 것이며, 초기 함수율 65.0%부터 44.0%까지 감소하는 결과를 나타내었다. 이것은 Test-1의 투입 시 재사용 퇴비 함수율의 영향으로 최종함수율 29.9% 보다 높은 수치를 나타내지만, 농촌진흥청의 비료공 정규격에 고시된 최종산물의 함수율 기준 55.0%이하 에 적합한 수치를 나타내는 것을 확인하였다.

    2.퇴비화장치 내부온도 변화

    Figure 5는 Test-1의 실험기간중 퇴비화 장치 내 부의 온도변화를 나타낸 것이다. 온도 측정은 시료 채취구 5개를 선정하여 온도 센서를 이용하여 구간 별로 온도를 측정하였다. 그 결과, 투입구부터 2번 째 시료 채취구까지 부숙이 진행됨에 따라 발효온도 는 62.1℃까지 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 3 번째 시료 채취구부터는 점차적으로 발효온도가 낮 아져 5번째 시료 채취구에서는 51.3℃까지 온도가 낮아지는 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 퇴비화 장치 내부에서 충분한 발효가 이루어지고 있다는 것 을 알 수 있었다.

    Figure 5는 Test-2의 실험기간중 퇴비화 장치 내 부의 온도변화를 나타낸 것이다. 그 결과Test-2에서 도 Test-1과 마찬가지로 H2에서 발효온도는 60.7℃ 까지 증가하였으며, 3번째 채취구부터 점차적으로 발효온도가 감소하여 최종적으로 57.6℃까지 내려가 는 결과를 나타내었다. 이러한 내부 온도변화를 통 해서 Test-2에서도 충분한 발효가 진행되고 있다는 것을 알 수 있었다.Fig. 7

    3.C/N비 변화

    Table 3와 Fig. 6은 Test-1의 실험기간중 각 시 료채취구에서 퇴비의 C/N비를 나타낸 것이다. 그 결과, 최초의 시료는 약 22.3이었으며, 마지막은 27.3로 나타났다. 전체적으로 전반부는 상대적으로 낮게 나타났지만, 후반부에는 증가하는 것을 알 수 있었으며, 평균 약 26.0 정도로 나타났다. 따라서 본 실험의 결과는 일반적으로 토양 또는 퇴비로서 적합도를 판단하는 기준 중에 하나인 C/N비의 경 우, 약 25-35범위 안에 있는 것을 알 수 있다(In et al., 2006).

    Table 4와 Fig. 6은 Test-2의 실험기간중 각 시 료채취구에서 퇴비의 C/N비를 나타낸 것이다. 그 결과, 전제적으로 약 20.0 이하로 Test-1에 비해서 상대적으로 낮은 C/N비로 나타났다. 이는 재투입된 퇴비에서 질소의 비율이 높았기 때문으로 판단된다. 또한 전반적으로 각 시료의 채취구별 편차가 Test-1에 비해 적은 것을 알 수 있었다. 이는 재투 입에 따른 영향으로 판단된다.

    4.중금속 변화

    4.1.Test-1 중금속 측정

    Test-1의 실험 과정에서 각 시료채취구에서의 중 금속 측정결과는 Table 5와 같다. As의 최대량은 45ppm으로 명시되어 있고 실험 후 평균 0.39ppm 으로 측정이 되었다. Cd의 최대량은 5ppm으로 명 시되어 있고 실험 후 평균 0.28ppm으로 측정이 되 었다. Pb의 최대량은 130ppm으로 명시되어 있고 실험 후 평균 0.5ppm으로 측정이 되었다. Cr의 최 대량은 200ppm으로 명시되어 있고 실험 후 평균 17.63ppm으로 측정이 되었다. Cu의 최대량은 360ppm 으로 명시되어 있고 실험 후 평균 49.37ppm으로 측 정이 되었다. Ni의 최대량은 45ppm으로 명시되어 있고 실험 후 평균 7.78ppm으로 측정이 되었다. Zn의 최대량은 900ppm으로 명시되어 있고 실험 후 평균 655.81ppm으로 측정이 되었다. 전체적으로 실 험 후 측정값들이 비료공정 규격에 명시되어 있는 값들보다 낮게 측정이 되었다. Test-1이 중금속 감 소에 영향이 있음을 알 수 있었다.

    4.2.Test-2 중금속 측정

    Test-2의 실험 과정에서 각 시료채취구에서의 중 금속 측정결과는 Table 6와 같다. As의 최대량은 45ppm으로 명시되어 있고 실험 후 평균 0.19ppm 으로 측정이 되었다. Cd의 최대량은 5ppm으로 명 시되어 있고 실험 후 평균 0.28ppm으로 측정이 되었다. Pb의 최대량은 130ppm으로 명시되어 있 고 실험 후 평균 0.6ppm으로 측정이 되었다. Cr의 최대량은 200ppm으로 명시되어 있고 실험 후 평균 11.38ppm으로 측정이 되었다. Cu의 최대량은 360ppm 으로 명시되어 있고 실험 후 평균 104.2ppm으로 측 정이 되었다. Ni의 최대량은 45ppm으로 명시되어 있 고 실험 후 평균 7.03ppm으로 측정이 되었다. Zn의 최대량은 900ppm으로 명시되어 있고 실험 후 평균 1314.96ppm으로 측정이 되었다. 전체적으로 실험 후 Zn을 제외한 측정값들이 비료공정 규격에 명시 되어 있는 값들보다 낮게 측정이 되었다. Test-2는 Zn을 제외한 다른 칙정 성분들에 대해 중금속 감소 효과가 있음을 알 수 있었다.

    5.생산퇴비 재사용 평가

    퇴비를 생산하기 위해 사용된 주원료의 사용량은 Table 7과 같다. Test-1의 경우 10ton의 돈분을 처리하기 위해 톱밥을 3.25ton을 사용하였으며, Test-2의 경우 생산퇴비 2ton을 재사용함에 따라 톱밥의 사용량을 2ton으로 절감하였다. 이는 Test-1 의 톱밥 사용량 보다 1.25ton의 절감효과가 있는 것 으로 나타났다. 톱밥 kg당 80원으로 계산했을 때 Test-1에서 10ton의 돈분을 처리하기 위해 톱밥 3.25ton 사용하였을 시 톱밥 가격은 260,000원이 고, Test-2의 경우 생산퇴비 2ton을 재사용함에 따 라 2ton을 절감하였을 때 160,000원이 절감이 된 다. 이는 Test-1의 톱밥 사용량 보다 100,000원 절 감효과가 있는 것으로 나타났다.

    본 연구에서는 원통수평형 밀폐형 발효기를 이용 하여 퇴비를 생산함으로써 생산되는 퇴비 Test-1의 주 성분을 분석하였으며, 생산된 퇴비 일부를 수분 조절재 중 하나로 사용하여 발효를 진행한 퇴비 Test-2를 생산하였다.

    Test-1의 퇴비는 함수율 34.11%, C/N 27.24, As 0.525ppm, Cd 0.3ppm, Pb 0.3ppm, Cr 48.325ppm, Cu 20.9ppm, Ni 15.775ppm이하, Zn 241.55ppm 으로 측정되었다.

    Test-2의 퇴비는 함수율 46.4%, C/N 17.95, As 0.006ppm, Cd 0.013ppm, Pb 0.03ppm, Cr 0.075ppm, Cu 5.111ppm, Ni 9.25ppm이하, Zn 1511.75ppm으 로 측정되었다.

    Test-1의 경우 농촌진흥청 비료공정규격인 함수 율 55%이하 C/N 40이하를 충족하며, 중금속 측면 에서는 As 45ppm이하, Cd 5ppm이하, Pb 130ppm 이하, Cr 200ppm이하, Cu 360ppm이하, Ni 45ppm 이하, Zn 900ppm이하를 모두 충족한 결과를 나타냄

    Test-2의 경우는 함수율, C/N비 측면에서는 비 료공정규격에 적합한 것으로 나타났지만 중금속 측 면에서는 아연을 제외한 모든 중금속은 비료공적규 격에 적합한 것으로 측정되었다.

    비료공정규격의 초과된 중금속은 돼지의 분뇨에서 과량의 중금속이 배출되어 나타나는 현상이며, 이는 돼지가 섭취한 사료에서 중금속이 과량 섭취되어 나 타난 결과이다. 따라서 톱밥의 사용량을 조금 더 추 가한 실험을 통해 비료공정규격에 적합한 결과를 나 타낼 수 있는 배합비울을 선정할 필요가 있을 것으 로 판단된다. 또한 추가실험을 통한 검증으로 적합 한 결과를 도출할 필요가 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 농림축산식품부 생명산업기술개발사업 에 의해 이루어 진 것임.

    Figure

    JALS-51-139_F1.gif

    Configuration of cylinder horizontal composting device.

    JALS-51-139_F2.gif

    The diagram of a cylinder horizontal composting device.

    JALS-51-139_F3.gif

    The diagram of test for mixing.

    JALS-51-139_F4.gif

    Moisture content variation.

    JALS-51-139_F5.gif

    Internal temperature variation in composting device.

    JALS-51-139_F7.gif

    The result of C/N ratio variation in compost on tests.

    Table

    Experimental design for Test-1

    Experimental design for Test-2

    The result of C/N ratio variation in compost on Test-1

    The result of C/N ratio variation in compost on Test-2

    The result of heavy metal content on Test-1

    The result of heavy metal content on Test-2

    The amount of raw materials [Unit: ton]

    Reference

    1. Chang KW , Yu S , Min KH (2002) Development of the optimal composting condition for the high quality of pig manure compost , Journal of the Organic Resources Recycling Association, Vol.10 (4) ; pp.112-117
    2. Kim SB , Choi HG , Jo G , Yang CO , Lee SG (2001) The study of reuse, putting the bulking agent into food waste and livestock feces , Journal of the Organic Resources Recycling Association, Vol.9 (3) ; pp.127-135
    3. Lee SY , Chang SY (1998) Wastepaper as a bulking agent for butchery wastes composting , Korean. J. Soil Sci. Fert, Vol.31 (2) ; pp.183-188
    4. Lee BR , Cha MJ , Jeong CS , Kim JS (2012) Distribution and characteristics of culturable airborne microorganisms in composting facility and landfill , Korean Journal of Microbiology, Vol.48 (1) ; pp.8-15
    5. Min KH , Chang KW , Yu. YS (2000) Changes of physico-chemical properties of paper mill sludgeamended with pig manure in composting process , Journal of the Organic Resources Recycling Association, Vol.8 (4) ; pp.86-92
    6. Yu HC , Kim JS , Kwak MH , Lee HI , Park SC (2002) Effect of adding gypsum and coal fly ash on composting process of pig manure , J. of Korean Inst. of Resources Recycling, Vol.11 (1) ; pp.32-36
    7. In BH , Park JS , Namkoong W (2006) Effect of C/N ratio on composting treatment of TNTcontaminatedsoil , J. Environ Health Sci, Vol.32 (6) ; pp.578-584
    8. Park YH , Ryu JB , Jang KW (2000) Effects of phyllite on nursery soil for rice seedling and water conditioner in compost , Journal of the OrganicResources Recycling Association, Vol.11 ; pp.101-106
    오늘하루 팝업창 안보기 닫기