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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.6 pp.81-88
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.6.81

Analysis of the Characteristics of Bulking Agents Used in Livestock Manure Composting

Hyeon-Tae Kim1, Min-HO Lee1,Waqas qasim1,Yong-Jin Lee1,Won-Joong Kim2,Yong-Cheol Yoon3*
1Department of Bio-Industrial Machinery Engineering. College of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University(Institute of Agriculture & Life Science), Jinju, 52828, Korea
2BK Environmental construction Co. Ltd., Hwaseong, 18589, Korea
3Department of Agricultural Engineering. College of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University(Institute of Agriculture & Life Science), Jinju, 52828, Korea
*Corresponding author: Yong-Cheol Yoon
Tel: +82-55-772-1936
Fax: +82-55-772-1939
March 5, 2018 May 2, 2018 May 15, 2018

Abstract


This study analyzed the characteristics of 6 recyclable bulking agents which can replace sawdust and rice hulls that are commonly used in livestock manure composting. The content of all the hazardous chemicals found in the bulking agents used in this experiment was between 0.0 and 34.1 ppm, which was noticeably lesser than the maximum content levels of hazardous substances 5.0~900.0 ppm prescribed by the Rural Development Administration(RDA), which means that the bulking agents would be able to replace sawdusts and rice husks. The water content of the bulking agents ranged from a minimum of 12.4% to a maximum of 16.6% in the original state, which was much less than 60%, the optimal moisture content. These results indicate that they would be able to function fully as bulking agents. Their water absorption rate was in the range of minimum 31.9% ~ maximum 600.0%, which showed huge differences among the types of bulking agents. The most appropriate bulking agent in terms of water absorption rate was wood pellets. It was the highest in the wood briquette manufactured by A, which was followed by C and B in the order. The shear strength of the 5 types of bulking agents in the original state was 271.7 N on an average, the highest figure of all, except for the oak briquette whose shear strength could not be measured and the wood pellets in the absorption state. The shear strength in the dry and absorption states then followed, and were 78.0 N and 27.7 N on an average, respectively. The wood briquette of A recorded considerably lower shear strength than that of B and C. Overall, shear strength tended to increase according to lower water absorption rates. Since pine wood chips and oak cuts have relatively greater shear strength even in the absorbing state than the other materials, they will be able to endure some power in the case of stirring with pig droppings.



축산분뇨 퇴비화에 이용되는 수분조절제의 특성 분석

김현태1, 이민호1,와카스 카심1,이용진1,김원중2,윤용철3*
1경상대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원), 2BK환경종합건설(주),3경상대학교 농업생명과학대학 지역환경기반공학과(농업생명과학연구원)

초록


본 연구는 축산분뇨를 퇴비화 하는 과정에서 흔히 사용되는 수분조절제인 톱밥, 왕겨 등을 대체하여 사용할 수 있고 또한 재사용 여부를 판단하기 위하여 수분조절제 6종을 대상으로 특성을 분석하였다. 그 결과 본 실험에 사용한 수분조절제의 종류에 관계없이 유해성분의 함량은 0.0~34.1ppm으로써 농촌 진흥청에서 제시하고 있는 유해성분의 최대함량인 5.0~900.0ppm보다 상당히 적은 것으로 나타나 톱밥 이나 왕겨 등을 대체가 가능할 것으로 판단되었다. 그리고 수분조절제 원상태의 함수율은 최소 12.4% 에서 최대 16.6%까지 측정되어 적정 함수율인 60%이하 보다는 낮아 수분조절제로서의 기능이 충분한 것으로 나타났다. 흡수율은 최소 31.9%에서 최대 600.0%까지 나타나 수분조절제의 종류에 따라 큰 차 이를 보였지만, 가장 적절한 수분조절제는 우드펠릿인 것으로 나타났다. 우드브리켓만 보면, A사 제품 이 가장 높게 나타났고 그 다음으로 C사 및 B사 제품 순으로 나타났다. 전단강도는 전단강도를 측정할 수 없었던 재료를 제외한 5가지 종류에서 원상태의 경우, 평균 271.7N정도로서 가장 크게 나타났다. 그 다음으로 건조 및 흡수상태로서 평균 전단강도가 각각 78.0N 및 27.7N정도로 나타났다. 우드브리켓의 경우, A사 제품이 B, C사 제품보다 상대적으로 전단강도가 현저히 작게 나타났다. 전체적으로 볼 때, 전단강도는 흡수율이 작으면 상대적으로 크게 나타나는 경향이 있었다. 특히 소나무 우드칩이나 참나무 절단목의 경우, 흡수상태에서도 전단강도가 다른 재료에 비해 상대적으로 크기 때문에 돈분과의 교반 시 어느 정도의 동력을 견딜 수 있을 것으로 나타났다.



    Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture, Forestry and Fisheries
    717001-07-2-SB220

    서론

    현재 우리나라의 축산업은 국민의 식생활의 변화 에 따라 대규모 집약 산업으로 발전하였으며, 여기 서 발생된 축산분뇨 처리가 축산업의 가장 큰 문제 로 대두 되고 있다(Park et al., 2014). 최근 우리 나라에서 발생된 축산분뇨는 4,500만 톤으로 이중 약 80%가 부산물인 퇴비로 자원화 되어 농경지에 환원되고 있는 실정이다. 축산분뇨는 비료의 3대 요소인 질소(N), 인(P), 칼륨(K) 등의 영양소와 구 리(Cu), 나트륨(Na), 망간(Mn), 붕소(B), 몰리브덴 (Mo) 등 미량의 광물질을 다량 함유하고 있다. N, P, K 이외에도 Na, 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등과 같은 미량원소도 포함하고 있어 비료로서의 가치가 상당히 높다(Choi, 2008). 국민소득 증대와 식생활 의 변화로 육류 소비량이 증가하면서 가축 사육 두 수가 늘어나고 농업의 구조 변화에 따라 급격히 규 모화되는 추세이다. 지역에 따라서는 농경지 면적 대비 축산분뇨 이용량의 한계를 초과하는 경우가 발 생하여 축산분뇨의 과잉발생에 따른 축산분뇨 처리 가 사회문제로 대두되고 있다(Zong et al., 1996). 국내 양돈농가의 경우, 사육농가의 수는 줄어드는 반면 사육두수는 증가하여 농가당 돈분의 발생량이 증가하는 추세이다. 돈분은 연간 3,493만 톤이 발 생하는 것으로 나타났다(Kim et al., 2001). 축산 분뇨는 오래전부터 작물 생육에 매우 중요한 양분 공급원으로 활용되어 왔으며, 질소, 인산, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 아연, 철, 구리 및 붕소 등 다양 한 다량원소와 미량원소 성분을 토양에 공급하는 기능뿐만 아니라 유기물을 공급하여 토양을 비옥 하게 하는 기능을 수행하였다(Nam et al., 2010). 축산분뇨를 퇴비로 만들어 재활용할 때, 수분조절 제(부재료)로 톱밥을 많이 사용하지만, 톱밥의 가격 이 너무 비싸고 공급에 한계가 있는 실정이다(Lee & Chang, 1998). 이러한 문제를 해결하기 위해 수 분조절제로 사용되는 톱밥의 사용량을 줄이기 위한 연구들이 수행되어 왔다. 이와 관련한 연구로 제지 슬러지나 석탄회 등과 돈분을 이용한 퇴비화 과정 중 이화학적 특성변화 등이 있다(Min et al., 2000;Hwang, 2009). 현재 국내에서 사용하고 있는 수 분조절제로 짚이나 톱밥 및 왕겨 등이 주로 이용되 고 있으며, 특히 톱밥을 이용한 축산분뇨의 퇴비화 가 가장 보편적으로 사용되고 있다. 그러나 산림훼 손 및 환경파괴 등의 이유로 톱밥 생산이 제한적으 로 이루어져 왔다. 이로 인하여 톱밥 수입이 급격 히 증대되고 있고, 톱밥가격 상승 등으로 농가의 비용 증대는 물론 각종 해외 전염병의 국내 확산과 같은 큰 문제점을 안고 있다. 따라서 축산분뇨의 퇴비화를 위해 경제적이고 효과적인 수분조절제의 확보가 절실한 실정이다(Lim et al., 2011).

    따라서 본 연구에서는 톱밥이나 왕겨 등을 대체 할 수분조절제 6종의 성분을 분석하여 대체 가능성 을 판단하기 위하여 실험을 수행하였다.

    재료 및 방법

    본 실험에 사용한 수분조절제는 우드브리켓 3종 류, 소나무 우드칩, 우드펠릿, 참나무 절단목을 포 함하여 총 6가지 재료이다. 그리고 소나무 우드칩 을 제외한 수분조절제의 규격의 경우, 두께, 폭 및 길이가 각각 30mm, 30mm, 10mm인 육면체로 모 두 동일하다. 우드브리켓의 경우, 시중에 시판되는 3개 회사의 것을 사용하였다.

    수분조절제의 화학성분(유해성분)을 확인하기 위 하여 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석을 실시하였다. ICP 측정 장치로는 유도결합플라즈마 분광계(Parkin Elmer Inc, OPTIMA 4300DV, USA) 를 이용하였다. 그리고 수분조절제의 기계적 성질 인 전단강도는 만능재료시험기(LLOYD LTD., EZ 20, USA)를 이용하여 측정하였으며, 물리적 성질인 중량, 함수 및 흡수율은 저울(Precisa, XT620M, Switzerland)을 이용하여 측정하였다.

    수분조절제의 화학성분을 확인하기 위하여 전처리 과정인 식물체 분해액(HNO3:H2SO4:HClO4= 10:1:4 비율로 혼합)을 이용하여 수분조절제를 분해시킨 후, 유도결합플라즈마분광계를 이용하여 분석을 하 였다.

    본 실험에 사용한 수분조절제에 함유되어 있는 유해성분은 농촌진흥청에서 제시하고 축산분뇨를 이용한 부숙퇴비에 존재할 수 있는 유해성분의 최 대함량과 비교하였다(RDA, 2010).

    물리 및 기계적 성질의 경우, 각각의 수분조절제 를 대상으로 원상태, 건조 및 흡수상태로 구분하여 중량, 함수 및 흡수율, 전단강도를 측정하였다. 재 료의 건조는 드라이 오븐을 이용하여 105±5℃에서 24시간 건조시켜 건조상태로 만들었다. 그리고 흡 수는 60g의 증류수에 24시간 흡수시켜 흡수상태로 만들었다.

    본 실험에서 측정한 수분조절제의 함수율은 수분 조절제를 최초로 돈분에 투입할 때, 완숙퇴비의 적 정 함수율인 60% 이하로 유지하는데 기여도를 확인 하기 위해 분석하였고, 흡수율은 돈분에 함유되어 있는 수분을 어느 정도까지 흡수할 수 있는지의 여 부를 판단하기 위하여 측정하였다. 전단강도는 만 능재료시험기(LLOYD LTD., EZ20, USA)를 이용 하여 측정하였다(Fig. 1). 전단강도는 퇴비 발효조 내부에서 수분조절제와 돈분이 혼합될 때, 파쇄에 저항하는 정도를 판단하기 위하여 측정하였다. 즉, 전단강도가 상대적으로 크면, 혼합될 때에 파쇄 되 지 않기 때문에 수분조절제를 완숙퇴비로부터 분 리하여 재사용함으로써 비용을 절감할 수 있다.

    결과 및 고찰

    1 화학성분

    Table 1은 본 실험의 결과와 비교하기 위하여 농촌진흥청에서 제시하고 있는 축산분뇨를 이용한 부숙퇴비에 존재할 수 있는 유해성분의 최대함량 을 나타낸 것이다(RDA, 2010). Table 1을 보면, 유해성분은 최소 5.0ppm에서 최대 900.0ppm으 로서 성분에 따라 최대 허용함량에 큰 차이가 있 는 것을 알 수 있다.

    Table 2는 각각의 수분조절제에 함유하고 있는 유해성분을 나타낸 것으로서 대상 수분조절제별로 1개의 샘플을 사용하였다. 전체적으로 보면, 본 실 험에 사용한 수분조절제의 종류에 관계없이 유해 성분의 함량은 0.0~34.1ppm으로써 농촌진흥청에 서 제시하고 있는 유해성분의 최대함량인 5.0~ 900,0ppm보다 상당히 적은 것으로 나타났다. 농촌 진흥청에서 제시하고 있는 유해성분 중 최대 허용 함량이 900,0ppm으로 가장 많은 아연(Zn)의 경우, 본 실험에서는 수분조절제별로 최소 5.8ppm에서 최대 34.1ppm으로 나타나 농촌진흥청의 자료와 비 교할 때, 0.6∼3.8%정도로 나타났다. 허용함량이 가장 장은 카드뮴(Cd)의 경우, 우드브리켓 A, B회 사 제품에서 0.2ppm 및 1.1ppm으로 나타났지만, 허용함량과 비교하면 4.0% 및 22.0%정도로서 아연 에 비해 높게 나타났다. 그리고 납(Pb)의 경우는 0.3∼2.4ppm으로 0.2∼1.2%정도의 범위에 있고, 니켈(Ni)의 경우는 0.7∼2.5ppm으로 1.6∼5.6%, 구 리(Cu)의 경우는 1.9∼6.0ppm으로 0.5∼1.7%, 크롬 (Cr)의 경우는 2.0∼13.7ppm으로 1.0∼6.9%정도의 범위로 나타났다. 비소(As)의 경우는 우드브리켓 A 회사에서만 0.5ppm으로 측정되어 1.1%정도의 범위 에 있는 것으로 나타났다. 이와 같이 허용함량을 백분율로 보면, 카드뮴이 우드브리켓 A, B회사 제 품에서 각각 4.0% 및 22.0%으로 가장 높게 나타났 지만, 농촌진흥청에서 제시한 최대함량 보다 낮기 때문에 우드브리켓 3종류, 소나무 우드칩, 우드펠 릿 및 참나무 절단목을 톱밥이나 왕겨 등과 대체할 수 있는 수분조절제로 사용이 가능할 것으로 판단 되었다.

    2 물리 및 기계적 성질

    Table 3은 수분조절제의 한 개당 물리 및 기계 적 성질을 나타낸 것이다. Table 3에서 중량의 경 우, 원래, 건조 및 흡수시키기 전의 무게가 약간 상이한 것은 서로 다른 수분조절제 3개의 샘플을 대상으로 하였기 때문이다.

    Table 3에서 전단강도의 경우, 참나무 절단목은 상태에 관계없이 측정이 불가능하였고, 우드펠릿의 경우는 흡수상태에서 측정이 불가능하였다. 참나무 절단목의 경우, Fig. 2와 같이 전단에 사용된 전단 칼날의 응력이 참나무 절단목의 응력보다 낮아 칼 날에 휨이 발생하였기 때문에 전단강도를 측정할 수 없었다. 그리고 흡수상태인 우드펠릿의 경우, 우드펠릿의 형상이 허물어 져서 전단강도를 측정할 수 없었다.

    Table 3에서 알 수 있듯이 각 수분조절제 원상태 의 함수율은 최소 12.4%에서 최대 16.6%까지 나타 났고, 평균 함수율은 14.0% 정도로 나타나 완숙퇴 비의 적정 함수율인 60.0% 이하 보다는 낮아 수분 조절제로서의 기능이 충분한 것으로 판단되었다. 퇴 비의 적정 함수율은 재료의 수분 보유력, 물리적 특 성 및 퇴비화 시설에 따라 다소 차이가 있다. 함수 율이 60.0% 이상의 경우, 산소부족으로 인하여 악 취가 발생하거나 독성물질의 생성, 분해속도 저하 등의 문제점이 발생된다. 그리고 40.0% 이하의 경 우, 미생물의 활성저하로 유기물의 분해속도가 저하 되는 것으로 알려져 있다. 또한 퇴비화 과정에서 함 수율은 일반적으로 55~65% 정도로 알려져 있고, 완숙퇴비의 적정 함수율은 60.0% 이하로 알려져 있 다(Chang et al., 2002;Hwang, 2009).

    흡수율은 최소인 참나무 절단목에서 31.9%, 최대 인 우드펠릿에서 600.0% 정도로 나타났으며, 평균 흡수율은 267.5%로 나타났다. 수분조절제의 종류에 따라 큰 차이를 보였으며, 우드브리켓의 경우에는 제조회사에 따라서도 다른 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 성형 시 압축의 정도나 입자의 대소정 도 등의 차이로 인하여 수분조절제에 따라 공극률이 다르기 때문인 것으로 판단된다.

    이상의 결과로 미루어 볼 때, 퇴비의 최종 함수율 인 60% 이하로 만들기에 가장 적절한 수분조절제는 우드펠릿인 것으로 판단되었다. 그리고 우드브리켓 만 고려한다면, A사 제품이 가장 높고 그 다음으로 C사 및 B사 제품 순으로 나타났다. 흡수율이 상대 적으로 가장 낮게 나타난 참나무 절단목이나 비교적 낮은 수준의 소나무 우드칩의 경우, 흡수를 통한 퇴 비의 함수율을 저감시키기 보다는 다른 재료들과의 혼합 등의 방법으로 공극개선을 통한 함수율 저하 방법을 채택하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.

    Figure 3은 우드브리켓 A사 제품을 대상으로 수 분조절제의 상태별로 전단강도의 실험결과를 나타낸 것이다. 재료의 상태에 관계없이 전체적으로 전단강 도가 시간의 경과에 따라 일정한 경향, 즉 시간의 경과에 따라 일정하게 전단강도가 증가하지 않고 증 가 또는 감소하는 등의 경향을 보였다. 이것은 수분 조절제의 조직(재료의 밀도)이 일정하지 않기 때문 인 것으로 판단된다. 이와 같이 전단강도가 시간의 경과에 따라 증감하는 경향을 보이지만, 본 실험에 서는 상태별로 실험종료 시까지 가장 크게 나타낸 값을 재료의 전단강도로 정의하였다. 이와 같은 방 법으로 구한 전단강도는 원상태, 건조 및 흡수상태 별로 각각 약 43.4N, 13.9N 및 4.6N으로써 무처리 상태인 원상태가 가장 크게 나타났으며, 예측한바와 같이 흡수상태가 가장 작게 나타났다. 재료의 상태 별로 이러한 경향은 수분조절제의 종류에 관계없이 동일하였다. 즉, 전단강도를 측정할 수 있었던 재료 들의 제외하면 원상태에서 평균 271.7N 정도로서 가장 크게 나타났다. 그 다음으로 건조 및 흡수상태 로서 평균 전단강도가 각각 78.0N 및 27.7N 정도 로 나타났다.

    전체적으로 볼 때, 전단강도는 전단강도를 측정할 수 없었던 참나무 절단목과 흡수상태인 우드펠릿을 제외하고 흡수율이 작으면 상대적으로 크게 나타나 는 경향이 있었다. 결국 재료의 종류나 상태별로 이 러한 전단강도의 차이는 재료의 함수량 상태나 흡수 율 및 밀도 차에 의한 것으로 판단된다. 우드브리켓 의 경우, A사 제품이 B, C사 제품보다 상대적으로 전단강도가 현저히 작게 나타났다. 이것은 흡수율에 서 알 수 있듯이 A사 제품의 밀도가 상대적으로 작 기 때문이 것으로 판단된다. 그리고 전단강도를 측 정할 수 있었던 재료들의 제외하면 원상태에서 평균 271.7N 정도로서 가장 크게 나타났다. 그 다음으로 건조 및 흡수상태로서 평균 전단강도가 각각 78.0N 및 27.7N 정도로 나타났다.

    본 연구에서는 수분조절제를 돈분과 혼합할 때, 최초에는 원상태의 재료를 사용하고, 그 이후에는 재사용을 원칙으로 하고 있다. 즉, 재사용할 때는 완숙퇴비에서 수분조절제를 분리시켜 건조시킨 후 에 사용하여야 한다. 따라서 흡수상태에서 어느 정 도의 전단강도가 필요하다. 본 실험의 결과로 미루 어 볼 때, 소나무 우드칩이나 참나무 절단목의 경 우, 흡수상태에서도 전단강도가 다른 재료에 비해 상대적으로 크기 때문에 돈분과의 교반 시 어느 정 도의 동력을 견딜 수 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림수 산식품기술기획평가원의 농림축산식품연구센터지원 사업의 지원을 받아 수행된 연구임(717001-07-2- SB220).

    Figure

    JALS-52-81_F1.gif

    View of universal testing machine(UTM).

    JALS-52-81_F2.gif

    View of fail to strength measurement.

    JALS-52-81_F3.gif

    Shear strength of wood briquette A.

    Table

    Fertilizer process specification in Rural Development Administration(RDA)

    Chemical components contained in the moisture control agent(unit: ppm)

    Physical and mechanical properties of moisture control agent

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