기게교반 퇴비화시설에서 수분증발량 향상방안

 

1. 머리말
돼지분뇨의 효율적인 퇴비화처리에 있어서 가장 기본적이고 중요한 것은 자기농장의 돈사별 배출되는 돼지분뇨의 특성을 정확하게 항상 파악하고 있어야만  돼지분뇨의 효율적인 퇴비화가 가능함을 항상 인지하여야 한다.

 

또한 퇴비화시설 단위면적당 수분증발량을 최대화하는데 양돈농가들이 노력을 기울여야만 효율적인 돼지분뇨의 퇴비화가 가능할 것으로 생각된다.

 

이를 위하여 돼지분뇨의 특성 및 실제 양돈농가에서의 돈사별, 계절별 수거돈분의 수분함량 분포와 퇴비화시설에서의 단위면적당 수분증발량 최대화를 위한 노력과 실제 퇴비화시설에서의 수분증발량 등에 대한 시험연구 조사결과 및 수분증발량 향상 방안 등에 대하여 요약하여 소개하고자 한다.
 
2. 양돈농가에서의 수거돈분의 특성
돼지의 분뇨배설량은 성장단계에 따라 크게 차이가 날 수 있으나 일관사육하는 농가에서의 전체 돈군의 평균체중이 약 60kg을 기준했을 때의

 

 평균 1일 두당 분뇨배설량은 4.22kg (분 1.61kg, 뇨 2.61kg)이 매일 배설되는 것으로 조사되었으며, 돈분뇨의 수분함량은 각각 76.3%, 98.5%로 조사되었다.

 반면에 양돈농가에서 스크레퍼를 이용하여 돈분뇨를 수거하는 농가에서의 돈분의 수분함량을 조사한 결과를 여름철에는 수거돈분의 수분함량이 85%이상되는 농가수가 48%나 되었으며, 90%이상인 농가도 18%나 되는 것으로 조사되었다.

 

그러나 가을철에는 수거돈분의 수분함량이 85%이상인 농가의 비율이 26%로 상대적으로 가을철에 돈사내 물사용량이 적은 것으로 조사되었다(<표 1> 참조)
이것은 양돈농가에서 돈분뇨를 퇴비화하는데 있어서 돈사내에서 돈분내 돈뇨 및 오수 등의 혼입을 막기 위한 노력이 필요하다는 것을 의미하고 있다.
 

 
 
3. 기계교반 퇴비화시설에서의 수분증발량

가. 증발에 필요한 열에너지
가축분뇨등의 수분을 함유한 재료에서 태양에너지, 바람 및 각종 연료 등의 열에너지를 이용하여 증발이 가능하며, 물 1kg을 증발시키는데 필요한 열에너지(증발열, 기화열)는 25℃에 582.8 kcal, 100℃에 539.8 kcal이나, 실제 1kg의 수분을 증발시키는데 필요한 열량은 약 1,000kcal정도 필요하다.

1) 태양열에 의한 퇴비화시설에 에너지 공급 가능량
태양에너지의 열량은 지표면이 받는 일사량으로 표현되며 우리나라의 평균 일사량은 평균 3,000kcal/㎡/일,(여름 4,000, 겨울 2,000) 정도로서 태양에너지의 일사량에 의한 수분증발가능량은 1일 1㎡당 여름에는 약 4.5kg, 겨울에는 약 2.0kg의 증발이 가능한 것으로 조사되었다. 따라서 양돈농가에서는 이를 참고로 하여 퇴비화시설의 지붕을 투과재(투명FRP, 썬라이트 등)의 투과율이 약 60%이상을 사용하여 설치하면 연중 평균 태양에너지를 이용하여 퇴비화시설 1㎡당 약 2l (3,000kcal/㎡/일×60%≒2,000kcal/㎡/일)정도의 수분증발이 가능하다는 것을 인식할 필요가 있다.

2) 강제송풍에 의한 수분증발 가능량
송풍에 의한 퇴비화시설내에서의 수분증발량 또한 중요한 부분을 차지하며 적정 추천량은 퇴비더미 1㎥당 250l/분 정도 공급하면 1일 발효조 1㎥당 약 2l 정도의 수분 증발이 가능한 것으로 조사되었다.(축산연, 2004)

3) 돈분내 함유된 열량가에 의한 수분증발   가능량
돈분중에 함유된 유기물에 의한 에너지 발생가능량은 건물기준으로 4,149kcal/kg정도이며, 수분함량이 75%일 경우 1,160kcal/kg정도의 에너지가 발생될 수 있다. 이를 퇴비화 조건에서 유기물이 100%분해된다는 조건으로 계산해보면 수분함량 75%인 돈분 1kg으로 수분 약 1,160g을 증발시킬 수 있는 에너지를 함유하고 있다는 것이다.(<표 2> 참조)

그러나 돈분내 수분함량이 5%정도씩 증가함에 따라서 돈분내 함유된 열량가는 계속적인 감소를 가져오며,

돈분의 수분함량이 90%일 경우에는 열량가가 464kcal/kg정도밖에 함유하지 못하고 있다는 것이다. 따라서 돈분내 수분함량을 최소화하는 방법에 대하여 양돈농가 스스로 다시 한번 관심을 기울여야 한다고 생각된다. 여기에서 한가지 참고할 사항은 돈분뇨의 유기물 분해율은 퇴비화 과정중에서 약 20%정도만 분해된다는 것이다.

즉, 돈분내 수분함량이 낮으면 낮을수록 에너지가가 높아 퇴비화시설에서의 수분증발량을 향상시킬 수 있다는 것에 관심을 가져야 한다.

나. 실제 기계교반 퇴비화 시설에서의  수분감소량 조사결과

1) 퇴비화과정 중 수분감소량
퇴비화과정 중의 수분함량 변화를 살펴보면(<그림 1> 참조) 돈분과 톱밥 혼합물 투입시의 수분함량은 평균 73.7%이었으며 마지막 지점의 수분함량은 평균 57.5%로 약 16.2%정도 수분함량이 감소되는 것으로 조사되었다.

퇴비화과정 중의 일일 수분감소율을 계절별로 보면(<그림 1> 참조)

겨울철이  0.9%로 제일 낮았고,

여름 1.4%, 봄 1.3%, 가을 1.2% 순으로 조사되었다.

그리고 퇴비화시설에서의 수분증발량은 <표 3>와 같으며, 발효조 1㎥당 약 13.4l/일이었으며, 봄 14.4l, 여름 14.0l, 가을 14.7l, 겨울 10.5l 조사되었다.

 

즉 겨울철 증발량이 여름철에 비하여 약 28.6%나 적은 것으로 나타났다. 이 조사성적은 관리가 매우 양호한 농가에서 조사한 성적으로 양돈농가 각자가 이 수치보다 높은 증발을 위해서 노력한다. 예를 들면 같은 기계교반 퇴비화시설이라고 하더라도 발효조가 약 1,000㎡일 경우 1일 수분증발량이 가을철 14.7톤, 겨울철 10.5톤이 증발되는 것으로 계산되며, 차이는 약 4.2톤이나 된다는 것을 인식할 필요가 있다고 생각된다.

또한 유기물 분해율 및 발열온도는 물론 외부적인 환경요인도 수분증발에 직접적인 영향을 끼쳤을 것으로 판단되는데, 실제 계절별 퇴비화시설에서의 수분함량 감소율을 분석한 결과를 보면 여름 > 봄 > 가을 > 겨울 순으로서 기상청이 발표한 외부환경 요인에 의한 수분증발량 데이터와 같은 경향을 나타내는 것으로 나타났다.

이를 퇴비화 시설내 물질수질 계산을 간략하게 해보면 <그림 2>와 같으며,

여름철의 경우에는 돈분의 수분함량이 86.7%, 톱밥의 수분함량이 25.5%로서 총 23.2톤의 수분이 투입되었으며 이때 혼합물의 수분함량은 평균 75.4%의 조건으로 퇴비화를 실시하여 13일간의 기계교반 퇴비화과정을 거치면서 수분함량은 58.5%로 약 22.4%가 감소되는 것으로 조사되었다.

 

겨울철에는 돈분의 수분함량이 86.1%, 톱밥은 수분함량이 26.5%로서 총 23.0톤의 수분이 투입되었으며, 이때 혼합물의 수분함량은 평균 70.2%였다. 13일의 퇴비화기간을 거치면서 수분함량은 57.5%로 약 18.1%가 감소되는 것으로 조사되었다. 이는 여름철과 겨울철에 수분감소율이 약 4.3%정도나 차이가 나는 것으로 양돈농가 스스로 겨울철 돈분뇨의 퇴비화처리에 관심을 가질 필요가 있다.
 

 

 
다. 기계교반 퇴비화시설에서의 수분증발량 향상방안
1) 교반(뒤집기)과 혼합
퇴비화시설에서의 교반의 목적은 퇴비화물질 전체에 수분함량을 균일하게 혼합하고  수분함량이 높아 혐기성조건이 된 지역과 너무 건조해진 지역을 혼합하며, 일정기간이 경과된 퇴비화물질을 이동시키고 새로이 유입되는 퇴비화물질을 위한 공간을 만들어 주는 것이다

돈분 등 유기물을 분해하는 퇴비화물질 전체 무게에 대해 일정한 비율의 물과 영양물 및 공기를 필요로 한다. 만약 물질이 적절히 혼합되지 않으면 첨가한 물이 퇴비내 골고루 섞이지 못해 그 결과 일부는 너무 젖게 되고 일부는 너무 건조하게 된다.

 

그리고 퇴비화공정동안 미생물에 의한 산소소모율이 매우 높으므로 교반과 혼합 공정만으로는 충분히 산소를 공급하지 못한다. 따라서 미생물에 충분한 산소를 제공하기 위하여 교반과 혼합공정에 강제송풍도 반드시 병행되어야 한다.

특히 산소가 부족한 상태에서 교반과 혼합은 퇴비더미내에 있는 악취물질을 공기중으로 노출시키게 만들어서 악취방출의 원인이 되며, 퇴비더미내의 물질이 적절한 공기공급을 받지 못하면 냄새가 심하다.

 

또한 교반과 혼합시 수분기가 발생되어 건물과 기기 등을 부식시키는 경우가 종종 발생되고 있다. 따라서 교반은 1일 1회를 기준으로 하여 다음과 같은 조건하에서 교반을 실시하여야 한다.

<교반과 혼합을 수행해야 할 단계>
① 새로이 유입되는 퇴비화 물질을 위하여 공간이 필요할 때
② 퇴비화물질의 어느 한부분이 너무 건조하거나 너무 젖어있을 때
③ 퇴비화물질이 덩어리가 형성될 때
④ 강제송풍시 퇴비화물질 주위에 단회로가 형성되었을 때
⑤ 퇴비화물질 위에 파리유충이 번성할 때

 

2) 공기공급
퇴비더미내 공기공급의 목적은 미생물 활동에 적절한 온도를 제공하고, 혐기성 조건이 되는 것을 방지하며, 퇴비화물질로부터 이산화탄소와 휘발성 유기화합물 등을 제거하는데 있다.

  퇴비화 단계동안 미생물이 영양물을 소비하고 성장, 증식하므로 신지대사 활동은 증가하게 되며 미생물의 활성도는 충분한 영양물, 적절한 수분, 적절한 온도조건이면 계속 증가가 이루어진다.

공기공급량은 250l/㎥/분을 추천하고 있으며, 퇴비더미내 공기공급이 적절하게 되면 미생물이 물질을 분해하기 시작하면서 산소요구량이 증가하고 신진대사 활동결과 발생하는 열이 퇴비화물질내 축적되기 때문에 퇴비물질내 온도가 상승하게 된다. 따라서 미생물 활성이 증가하면 공기공급량도 증가되어야 하는데 실제 양돈농가에서는 공기 공급의 증가에 한계를 두고 있다. 따라서 양돈농가들이 퇴비화시설에 강제송풍을 반드시 실시하여 퇴비더미 산소농도가 약 10% 내외를 유지할 수 있도록 하여야 한다. 이때

 

주의 하여야 할 사항은

① 퇴비원료량에 대한 공기 필요량,

② 공기공급기의 운전형태,

③ 최고 효율로 운전되기 위하여 필요한 공기공급의

가상압력 등을 고려하여야 한다.

 

또한  퇴비더미내 공기공급시 단회로가 형성되는 것을 막기 위해 공기공급 상태를 정기적으로 점검해야 하며 정확한 공기압을 유지하기 위하여 퇴비더미의 높이와 퇴비화 물질의 특성(입자크기, 함수율)을 조절할 필요가 있다.

라. 양돈농가에 설치된 퇴비화시설 운영의 문제점 해결방안
양돈농가에서 설치하여 운영하고 있는 퇴비화 방법은 크게

단순 퇴적퇴비화,

퇴적송풍식 및 기계교반 퇴비화시설로 일정규모 이상 사육하고 있는 농가에서는 주로 기계교반 퇴비화시설을 이용하여 돼지분뇨를 퇴비화처리하는 것으로 알려져 있다.

 

 우리가 일상적으로 퇴비화시설을 설치하여 운영하고 있는 양돈가들은 퇴비화시설의 효율극대화를 이루면서 돼지분뇨를 처리하는 것으로 알고 있으나, 실제로는 양돈농가에서 자기농장에 설치한 퇴비화시설의 세밀한 운영현황에 대해 파악하고 있지는 못한 것으로 조사되었다.

예를 들어

① 퇴비화시설의 지붕이 스레트 등 햇빛 비투과성 재질,

 ② 퇴비화시설 옆면을 윈치커텐 또는 기타의 것으로 막아놓은 양돈농가,

③ 매일 생산되는 돼지분뇨의 정확한 양 측정,

④ 돈분뇨의 수분함량에 따른 퇴비화시설에 투입되는 수분량,

⑤ 퇴비화시설에서의 수분 감소율 및 감소량등에 대한 조사 및 분석이 제대로

 되어 있지 못해 양돈농가에서 퇴비화시설의 가동효율에 한계를 보이는

경우가 종종 있다

따라서 양돈농가들은 농장에 설치된 퇴비화시설의 이론적인 수분증발

가능량에 대한 사전 분석과 실제 퇴비화시설에서의 수분증발량을 계산하여

 1일 처리 물량을 정확하게 사전에 판단함으로써 퇴비화시설에서의 처리효율을

 높일 수 있을 것으로 생각된다


 
4. 맺음말
양돈업을 경영함에 있어서 돼지분뇨 처리분야는 양돈농가들이 겪는 가장 큰 애로사항중에 하나로 알려져 있다. 이는 양돈업에 관련된 사람이라면 모두 느끼는 사항이다. 그런데 양돈농가 중에서 돼지분뇨 처리에 크게 어려움 없이 처리하는 농가들을 주위에서 종종 볼 수 있다.

 

이 농가들의 특징은 분뇨처리 시설에 투자를 많이 한 시설을 갖추고 있는 것이 아니라 기존 시설을 최대한 활용하면서 생산된 분뇨를 매일 퇴비화 처리하고 있다는 것이다.

이는 돼지분뇨를 수거후 단순 저장시 돈분더미내에서 유기물이 혐기성으로 분해가 되므로써 냄새가 발생하게 되며,

이는 곧 호기성 퇴비화가 정상적으로 이루어지지 못하게 하는 원인을 사전에 차단하고 앞의 조건을 기본적으로 활용한다는 것이다.

 따라서 양돈농가들 퇴비화시설로 유입되는 돼지분뇨가 신선하여야 하고 수분함량이 너무 높지 않게 분뇨분리 수거 및 수분함량 등의 조절을 반드시 실시하여야 한다.

그리고 여기에서 제시한 태양열의 효율적인 이용과 강제송풍 및 발효조내 발효온도를 높게 유지함으로써 퇴비화시설 단위면적당 돼지분뇨의 퇴비화처리 효율의 향상이 가능함을 잊지 말아야 할 것이다.
 
 
 

 가축분뇨자원화연구실의 축산연구소 축산환경과에 근무하시는 곽정훈 연구사님의 자료입니다.