퇴비화

1. 서론

ㅇ 최근 유기성 폐기물의 급격한 증가와 이들의 매립 및 소각으로 인한 환경오염이 사회적으로 큰 문제가 되고 있다.

ㅇ 특히 매립장 확보의 어려움이 심각하여 매립 처분되는 폐기물량의 감량화가 시급

ㅇ 매립시 부패성 유기물질은 악취의 발산뿐만 아니라 침출수의 발생으로 토양 및 지하수, 인근 지표수의 오염문제 또한 심각하다.

ㅇ 이들 폐기물의 소각시에는 높은 수분함량과 낮은 발열량으로 소각로 운전 및 에너지 회수에도 악영향을 미치고 있다.

ㅇ 따라서 유기성 폐기물은 환경에 무해할 정도로 처리후 자원화하여 자연계로 환원시켜 원활한 물질 및 에너지의 순환이 이루어질 수 있도록 하는 것이 지구 생태계의 건전한 유지 및 발전에 매우 중요한 사항이다.

ㅇ 이의 가장 바람직한 처리방식이 유기성 폐기물의 퇴비화이다.

2. 퇴비화의 특징

ㅇ 퇴비화는 유기물을 호기성 조건하에서 생물학적으로 안정화시키는 고형폐기물 자원화 방법의 하나이다.

ㅇ 즉, 음식물 찌꺼기, 축산폐기물, 낙엽 또는 하수처리장 슬러지와 같은 유기물을 안정한 부식토(HUMUS)로 변환시키는 생물학적 공정이다.

ㅇ 퇴비화는 다음과 같이 요약될 수 있다.

가. HUMUS의 특징

ㅇ 악취가 없는 안정한 유기물질(흙냄새)

ㅇ 병원균이 사멸되어 거의 없다.(퇴비화 반응중 발열반응으로 퇴비더미가 55℃ 이상으로 상승한다.)

ㅇ 뛰어난 토양 개량제이다.

ㅇ 물 보유능력과 양이온 교환능력이 좋다.

ㅇ 짙은 갈색이다.

나. 퇴비의 구비조건

ㅇ 작물 병해충 방지

ㅇ 영양물질의 저장 및 제공

ㅇ 토양경화 방지

ㅇ 토양의 수분 보유능력 향상

ㅇ 토양침식 방지

ㅇ 토양내 공극 증대

다. 퇴비화의 장점

ㅇ 생산품인 퇴비는 토양의 이화학적 성질을 개선시키는 토양개량제로 사용할 수 있다.

ㅇ 운영시에 소요되는 에너지가 낮고 초기 시설투자비가 낮다.

ㅇ 다른 폐기물 처리기술에 비해 고도의 기술수준이 요구되지 않는다.

라. 퇴비화의 단점

ㅇ 생산된 퇴비는 비료가치가 낮다.(질소 및 인 함량이 낮다.)

ㅇ 다양한 재료를 이용하므로 퇴비제품의 표준화가 어렵다.

ㅇ 퇴비가 완성되어도 부피가 크게 감소되지 않는다.

ㅇ 악취발생의 가능성이 있다.

3. 퇴비화 공법 종류

가. 퇴비단식(Windrow system)

ㅇ 개방식(open system)으로 뒤집기 퇴비단 공법과 공기주입식 퇴비단 공법이 있다.

1) 뒤집기 퇴비단 공법

ㅇ 퇴비단을 폭 4m, 높이 1.5m 정도로 쌓아 놓고 자연 통풍이 될 수 있도록 주 1～2회 정도 퇴비단을 뒤집어 주는 공법

ㅇ 퇴비화 기간은 1개월, 안정화 기간은 20일 정도 소요된다.

2) 공기주입식 퇴비단 공법

ㅇ 폐기물을 유공관 위에 쌓아놓고 펌프를 이용하여 공기를 공급시키는 방법

ㅇ 공기를 주입하는 방향에 따라 Aeration mode(퇴비단으로 공기를 공급시키는 방법)과 Suction mode(공기를 흡입하는 방법)으로 구분

ㅇ Aeration mode로 운영할 경우 악취발생의 문제점이 있으나 퇴비화 공정이 효율적이다.

ㅇ Suction mode로 운영할 경우 효율은 떨어지나 여과단에 의하여 악취문제를 해결할 수 있다.

나. 기계식

ㅇ 폐쇄식으로 최근에 개발되었거나 현재까지도 개발중인 방법으로 퇴비단 공법의 문제점인 퇴비화 기간을 단축시키고 소요부지를 감축시킬 수 있다.

ㅇ 수직형 퇴비 반응조와 수평식 퇴비 반응조가 있다.

ㅇ 수직형은 부피(면적)를 작게 차지한다는 장점이 있으나 폐기물 주입 및 공기공급 등 운영상의 어려움이 있다.

ㅇ 수평형은 운영상의 문제는 적으나 수직형 보다 면적을 많이 차지한다.

ㅇ 퇴비화 기간은 7일 정도, 숙성기간은 14일 정도

4. 퇴비화 공법의 장단점 비교

5. 퇴비화 과정

가. 초기단계

ㅇ 중온성 진균과 세균들이 유기물을 분해하고 이에 따라 퇴비더미의 온도가 40℃ 이상으로 상승되어 고온성 세균과 방선균으로 대체되기 시작하는 단계

나. 고온 단계

ㅇ 중온성 미생물에 의하여 발생된 열이 퇴비더미에 축적되면서 온도가 상승되고 고온성 미생물의 밀도가 증가하며 주주간 지속된다.

ㅇ 퇴비온도는 일반적으로 50～60℃가 유지되지만 70℃까지 상승하기도 함

ㅇ 고온으로 인하여 병원균과 기생충란이 사멸됨

ㅇ 관여하는 미생물은 Bacillus sp., Streptomyces sp., Thermoactinomycetes sp. 등

다. 숙성단계

ㅇ 고온성 미생물에 의한 분해가 어느 정도 이루어지면 대부분의 분해가능 물질이 분해되었고 남은 유기물질은 분해가 어려운 HUMUS 등으로 분해속도가 느려짐

ㅇ 따라서 퇴비더미의 온도도 40℃ 이하로 떨어짐

ㅇ 중온성 미생물이 재 정착하게 되는데 이때는 cellulose와 lignin의 분해능력이 있는 곰팡이류와 방선균이 우점함

ㅇ HUMUS는 lignin 함량이 높고 가용 영양분의 함량이 낮음

6. 퇴비화에 영향을 미치는 주요 인자

가. 입자크기

ㅇ 입자의 크기가 작으면 표면적이 넓어지므로 반응속도가 빨라지지만 너무 작으면 입자 사이의 간격이 좁아 산소전달과 발생된 이산화 탄소의 배출이 어려워져 반응속도가 저하

ㅇ 적절한 입자크기는 1.3～5.0cm

나. 수분함량

ㅇ 미생물의 대사에 필요한 영양분은 대부분 체외 가수분해효소를 분비하여 영양분을 흡수하기 좋은 상태로 분해후 수용액 상태에서 흡수함

ㅇ 따라서 수분함량은 미생물의 에너지 대사 및 세포증식에 매우 중요한 역할을 함

ㅇ 수분함량이 30% 이하가 되면 생물반응이 저해되어 20% 이하일 때는 반응이 불가능함

ㅇ 너무 높은 수분 함유율 하에서는 입자표면으로의 산소전달에 문제가 생겨 혐기적 조건이 되어 악취가 발생함

ㅇ 적정 수분함량은 50～60%임

다. C/N비

ㅇ 탄질비는 미생물의 분해대상인 유기물의 특성으로 효과적으로 퇴비화를 진행시키기 위한 직접적인 인자

ㅇ 탄소는 미생물이 생장하기 위한 에너지원으로, 질소는 세포증식을 위한 단백질 합성에 이용되는데 보통 미생물 세포의 탄질비가 5～15로 퇴비화는 이 수준에 도달할 때까지 지속

ㅇ 탄질비가 너무 높으면 유기산의 생성으로 pH가 저하되고 퇴비화 저하

ㅇ 탄질비가 너무 낮으면 질소가 암모니아로 변하여 pH가 상승하고 암모니아 가스로 인한 악취발생

ㅇ 적정 탄질비는 25～35가 적당

라. 온도

ㅇ 퇴비화 과정에서 퇴비화 진행 및 완료여부를 나타내는 지표

ㅇ 퇴비화는 발열반응이 필수적

ㅇ 고온유지는 호기성 조건에서 퇴비화가 진행되고 있음을 나타냄

ㅇ 적정온도는 55℃～60℃이나 퇴비단의 온도가 70℃를 넘는 경우가 많다.

ㅇ 적정온도 초과시 미생물 대사가 저해되어 분해율이 떨어지므로 공기공급량을 증가시켜 온도조절을 하여야 함

마. 산소(공기)

ㅇ 퇴비화 과정은 유기물의 호기적 산화분해로서 산소의 존재가 필수적이며 이 결과 유기물이 분해되어 CO2, 가스가 생성되는데 산소 부족시 CO2 외에 CH4, H2, 유기산 등이 형성되고 악취가 발생하고 유기물 분해가 감소하게 됨

ㅇ 공기공급은 미생물이 호기적 대사를 할 수 있도록 산소를 공급하고 온도를 조절하고 수분과 CO2 및 다른 가스를 제거하는 역할을 함

ㅇ 공기주입률은 50～200ℓ/min?㎥ 정도가 적당

ㅇ 폐기물과 공간부피비(free air space)는 폐기물 부피의 30～60%가 적당함

ㅇ 공간부피비를 늘리기 위하여 bulking agent(팽화제)를 첨가

ㅇ Bulking agent

- 공기소통과 수분함량 조절

- 탄질비 조절

- 나무조각, 톱밥, 짚단, 왕겨, 생산된 퇴비를 사용

- 쉽게 조달 가능하여야 한다.

- 적절한 분해도를 갖는 carbon rich compound를 다량 함유하여야 한다.

- 분해도가 적을 때에는 퇴비로부터 쉽게 분리가 가능하여야 한다.

- 수분 흡수능력이 좋아야 한다.

- 입자간 구조적 안정성이 있어야 한다.

바. pH

ㅇ 미생물 대사활동에 적정한 pH 범위는 6.0～8.0

사. 교반

ㅇ 퇴비더미의 온도, 산소농도를 균일하게 유지하고 미생물 세포와 유기질과의 접촉기회를 높혀 퇴비화 반응을 가속

아. 저해물질

ㅇ 중금속, 유해물질은 퇴비화에 관여하는 미생물의 성장을 저해하여 퇴비화 반응을 저해할 뿐만 아니라 생산된 퇴비를 이용할 때 먹이사슬에 의한 생태계의 교란 및 인간의 건강에 악영향을 미치므로 저해물질을 함유하고 있을 경우 제거후 퇴비화

자. 미생물 접종

ㅇ 퇴비화 반응을 빠르게 유지시키기 위해서는 퇴비더미 내에 활성 미생물의 함유량이 높아야 하므로 완성된 퇴비를 반송하거나 분뇨나 하수처리 슬러지와 혼합하여 미생물을 식종함

6. 퇴비화 숙성지표

가. C/N비 : 10～15

나. 양이온 교환 능력 : 80～100 meq/100g

다. 질산화 정도 : 질산화가 진행되면 탄소가 부족하거나 과잉의 암모니아가 존재하므로 퇴비화 적정

라. BOD : 50 mg O2/kg at moisture content/hr 이하

마. C-NMR Spectroscopy

바. 잔여 유기물의 분해로 인한 식물독성 유무

사. 온도, 냄새(흙냄새), 색(짙은 암갈색, 갈색, 흑색)