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1. 퇴비화 (발효처리)의 원리

  퇴비화 (발효처리)는 분뇨 분리형 축사에서 분리된 분이나 고액분리 과정에서 분리된 고형물을 호기성, 혐기성 조건하에서 발효 미생물의 작용에 의해 발효처리하는 공정이다.

  최근 다양화 되고 있는 퇴비화 처리의 원리는 다음과 같다.

    퇴비화(발효)에는 호기성 또는 혐기성의 미생물이 관여하지만, 현재의 퇴비화 처리는 호기성 미생물에 의한 호기성 발효를 목표로 두고 있다.

    퇴비화(호기성 발효)의 개요는 다음과 같다.

    퇴비화가 되는 과정은 쉽게 분해되는 물질 (당분, 단백질 등) → 셀룰로우스 → 리그닌 의 과정으로 분해가 쉬운 것 부터 분해가 되고 물질이 변하면서 유기물이 분해된다.  따라서 온도, 미생물의 변화가 생긴다.

  그러므로 쉽게 분해되는 물질이 많은 축분의 분해 (처리기간)는 단기간에 종료되지만 분해가 어려운 물질(리그닌 등)을 포함한 톱밥, 수피 등의 나무물질은 분해하는데 많은 시간을 요한다.

2. 퇴비화의 조건

  퇴비화(발효)를 촉진하기 위하여 호기성 미생물이 증식할 수 있는 환경조건을 조성하는 것이 필요하다.  그 주요조건은 아래 표에 표시한 것과 같다.

  영양원으로서 분해가 쉬운 유기물이 필요한데 축분이 가장 좋다.

  퇴비화에 관여하는 미생물은 주로 중온 및 고온 미생물이기 때문에 20℃ 이상이 좋고 특히 겨울 저온기에는 태양열의 이용을 필요로 한다.

  수분은 60% 전후 (50 ~ 70) 로 조절을 하여야 한다.  특히 축분의 수분이 75 ~ 85% 와 같이 고수분일 경우에는 통기성이 좋지 않기 때문에 부자재 (수분조절재)의 첨가 등으로 수분을 70% 이하로 조절하는 일이 필요하다.

  호기성 미생물 증식 (활성화)를 위하여 산소(공기)의 공급이 필요하다.  그것을 위하여 정기적으로 뒤집기나 또는 교반, 통기등을 하여 통기성을 개선하는 것이 가장 중요하다.

  혐기성 상태가 되면 혐기발효가 일어난다.  재료 퇴적 후 몇 일이 경과하여도 온도가 상승하지 않는 경우는 수분이 많기 때문에 통기성이 나빠 산소의 공급이 안되어 혐기성 발효를 하고 있기 때문이다.

<퇴비화 조건의 비교>

 a. 영양원

  축분은 가축의 체내에서 어느 정도 소화가 되나 미흡수된 영양분이 포함되어 있어 분해가 쉽게 되고 미생물의 영양원으로서 적합하게 되는 것이다.  또한 축분 배설 당시 각종 미생물이 함유되어 있어 특별히 이들을 첨가할 필요는 없다.  배설된 축분은 수분과 건물로 되어 있으며 건물은 유기물과 회분으로 조성되어 있다.  이 유기물 중에는 분해되기 쉬운 물질과 분해되기 어려운 물질이 있어 퇴비화 처리에서는 주로 분해되기 쉬운 물질이 미생물에 의하여 분해가 되며 이 분해과정에서 열에너지를 발생한다.

  b. 온  도

  퇴비화에 관계하는 미생물은 일반적으로 30℃이상의 온도에서 증식이 왕성하다.  초기 발효 온도의 상승이 다소 늦기는 하나 한냉기(2월)에도 충분히 퇴비화가 가능한 것으로 나타났다.  그러나 겨울철에는 건물분해에 의하여 발생한 열 에너지가 재료중의 온도 상승이나 유입 공기의 온도 상승에 소요되고 대기 기온이 낮고 발효조 벽면으로 열전도에 따른 에너지 손실이 크기 대문에 수분의 증발이 감소하고 건물 분해 1kg당 수분 증발량도 낮아진다.  그러므로 퇴비화 처리 시설을 기본 설계할 때 이러한 점에 유의하여 기준을 설정하고 설계를 하여야 한다. 

  수분 1kg을 증발시키는 데 필요한 열 에너지는 이론상으로 약 600kcal이나 퇴비화 처리에 있어서는 앞에서 말한 바와 같이 ㉠ 재료중 온도상승 에너지 ㉡ 공기의 온도상승 에너지 ㉢ 발효조 벽으로 손실되는 에너지 ㉣ 건물 분해로 인하여 발생한 수분의 증발 에너지 등, 건물 분해로 인하여 발생한 에너지가 소모되기 때문에 퇴비재료 중의 수분 1kg을 증발시키기 위하여 필요한 에너지는600kcal보다 커야 할 것이다.

  c. 수  분

  미생물은 건조한 상태에서는 활동이 약하므로 수분이 40% 이하인 때는 미생물의 증식이 억제된다.  그러나 축분으로 퇴비화 처리를 할 때 호기성 미생물은 산소의 공급이 충분하면 수분함량이 높은 상태에서도 미생물의 증식이 가능하다.  일반적으로 가축 분뇨 처리 시설에서 반입되는 축분은 배설 직후 보다 수분함량이 증가되는 경우가 많아 축분 자체만으로는 호기성 발효가 되지 않는다.  그래서 예비 건조를 하거나 고액분리 또는  별도 수분조절재를 첨가하는 등의 방법으로 재료주의 통기성을 높여준다.  통기성의 정도는 축분의 공극률이 30% 이상이 이상적이나 축종이나 혼합되는 수분조절재의 종류에 따라 달라진다.  그러므로 퇴비화 처리 시설에 반입되는 축분의 수분함량을 사전에 충분히 적게 하여야 하는 일이 중요하다.

  d. 산소의 공급

  호기성 미생물의 증식은 산소의 공급이 있어야 한다.  산소의 공급과 아울러 미생물이 증식하는데는 영양원이 되는 유기물이 있어야 하며, 이들 유기물은 미생물의 영양원으로 축분 중에 함유되어 있고 미생물에 의하여 분해되며 이때 발생되는 에너지의 작용으로 퇴비의 부숙과 퇴비 재료 내 수분의 증발을 촉진하게 된다.  산소 공급이 중단된 상태에서 축분을 장기간 방치하게 되면 혐기성 미생물이 증식하여 유기물이 서서히 분해되므로 퇴비화 처리할 때 열원이 감소하게 된다.  예를 들면 고상식(高床式) 계사 등에서 계분의 퇴적 기간이 장기화 되면 열원이 서서히 분해되어 매일 청소처리 하는 신선한 계분과 비교할 때 건물을 분해하여 발생하는 에너지의 양과 분해 가능한 건물량이 감소하게 된다.  산소 공급 수단으로는 팬을 이용한 강제 통기를 하게 되는데 이때는 재료 중 증발한 수분을 외부로 추출하는 작용도 동시에 이루어지게 되는 것이다.  통풍(통기)량은 (약 20%의 산소를 함유) 극히 적은 양이기 대문에 재료 중에서 증발한 수분을 외부로 추출하기 가 어려우므로 실제 활용하는 시설을 설치할 때는 많은 양의 공기를 송풍할 수 있도록 계획하여야 하며 이때 주의하여야 할 점은 통기량이 많거나 교반이나 뒤집기를 과도하게 하면 재료중의 온도가 낮아지는 역작용이 있음을 주의하여야 한다.

  e. 통기성(물성)의 개선

  호기성 발효를 촉진하기 위해서는 앞에서 언급한 바와 같이 수분으로 인한 통기성 불량을 개선하는 것이 필수적이다.

  ㉠ 축분은 수분이 (75 ~ 85%) 많다.  그리고 조직이 미세하기 때문에 공기가 통할 수 있도록 하여야 한다.

  ㉡ 공기를 통하게 하기 위하여 축분 중에 수분을 절감시키는 방법은 다음과 같다.

      ⓐ 축사 내에서 예비 건조

      ⓑ 자연건조에 의한 수분 증발

      ⓒ 부재료를 첨가하여 수분을 70% 이하로 하는 일

      ⓓ 고액분리기에 의해 액을 분리한다.

  고액분리기에 의한 고형물(축분)의 수분은 70% 이상의 경우가 많지만 미세한 고형물은 액 중에 남아 있으므로 통기성이 개선되기 때문에 수분이 높지만 발효에는 비교적 양호하다.

  ㉢ 축분에 공기를 통하게 하기 위하여는 축분 중에 공극률이 30% 이상 되어야 하지만 축종과 급여 사료의 종류 및 성상등에 따라 다르다.

3. 퇴비화 시설 (발효시설)의 종류

  퇴비사 : 축사에서 배출된 축분을 저장조에 1차 저류 하였다가 퇴비사로 운반하여 혐기성균을 이용하여 축분을 일정기간 (180일 이상) 건조 발효처리

  통풍식 톱밥 발효시설 : 축사에서 배출된 축분을 저장조에 1차 저류 하였다가 수분조절재(톱밥 및 왕겨)와 혼합하여 함수율을 조절한 다음, 발효시설의 발효조로 운반하여 호기성균을 이용 일정기간(30일 이상) 1차 발효시킨 후 퇴적장으로 운반하여 2차 발효(30일 이상)를 실시

  교반식 톱밥 발효시설 (직선형 에스컬레이터식, 직선형 로터리식)

  축사에서 배출된 축분을 저장조에 1차 저류하였다가 수분 조절재 (톱밥 및 왕겨)와 혼합하여 함수율을 조절한 다음, 발효시설의 발효조로 운반하여 발효건조기 등을 이용 교반, 혼합하면서 일정기간(30일 이상)  1차 발효를 시킨 후 퇴적장으로 운반하여 2차발효(30일 이상)를 실시

  교반식 톱밥 발효 시설 (순환형 로터리 식)

  축사에서 배출된 축분을 저장조에 1차 저류하였다가 발효 건조 중인 퇴비 중에 고르게 살포한 후 발효 건조기 등을 이용 교반, 혼합함으로써 축분을 일정기간 (180일 이상) 발효, 건조 처리

  톱밥 깔짚 우사의 퇴비사

  우사 바닥에 톱밥 또는 왕겨, 발효건조 톱밥 우분을 한우 5cm, 젖소는 10cm 두께로 깔고 그위에 소를 사육하여 소가 배설한 분뇨를 소가 밟고 뒤짚어 줌으로써 일부 건조 후 톱밥 우상에서 1차 건조된 축분뇨를 퇴비사로 운반하여 퇴비사에서 건조 발효처리.

< 축산 분뇨 자원화시설의 처리 조건 >

※ 저장조 : 축종별 필요용량, 배출원단위, 여유율등을 고려할 때 약 21일을 적용한다.

< 퇴비화 시설 설계시 분.뇨 분리식 축사 100㎡당 축종별 사육두수 및 분 발생량 >

※ 자료 : 축산분뇨자원화시설 표준설계도 (1999.8. 환경부 농림부, 건설교통부, 축협중앙회)

※ 마리당 분량 : 젖소, 한우, 돼지의 마리당 분량은 분 배출량중 분리된 80%의 분량

※ 축종별 마리당 축사면적은 소 12㎡/두, 돼지 1.4㎡/두를 기준