[귀농귀촌] 가축분뇨 퇴비화의 진행 과정

가축분뇨 퇴비화의 진행 과정

유기물을 함유하는 물질에 미생물이 증식하게 되면, 시간이 지남에 따라 미생물에 의한 부숙이나 부패 또는 발효 등의 분해과정이 진행된다. 이를 통해 유기물질이 저분자화되고, 최종적으로는 부식물질이나 무기성분 또는 발효된 물질 등으로 전환된다. 자연계에서 유기물질이 부숙, 부패 또는 발효 등에 의해 분해되는 주요 요인은 전적으로 미생물에 의한 생물학적 분해과정이고, 퇴비화는 미생물에 의해 유기물질이 부숙되는 범주에 속한다.

즉 가축분뇨 퇴비는 미생물의 활동에 의해 만들어진 산물인 것이다. 유기물이 분해되는 현상을 부숙과 부패 그리고 발효로 구분하여 분류하면 다음과 같다.

① 부숙(腐熟): 이원적 의미로 해석해서 “썩혀서 익힘”이라고 표현하는 경우도 있지만, 가축분 퇴비화분야에서는 “가축분뇨 등의 유기물질이 미생물에 의한 분해과정을 거쳐서 식물과 토양에 안정적인 반응을 나타내는 것”이라고 표현하는 것이 적절할 것이다.

② 부패(腐敗): “미생물이나 효소 등의 작용으로 유기물이 분해되면서 인간에게 해로운 물질이 생성되는 반응”으로서 흔히 썩는다고 표현한다.

③ 발효(醱酵): “미생물이 효소를 분비해서 유기물(탄수화물, 당 등)을 산화, 분해 또는 환원시키면서 인간에게 유용한 알코올, 유기산, 탄산가스 등의 유용산물을 발생시키는 반응”을 의미한다.

과거에는 가축분 퇴비화를 “발효”로 구분하였고 아직까지도 발효로 표현하는 경우가 있다. 하지만 퇴비화는 환원에 의해 알코올・유기산・탄산가스 등을 생성하는 목적이 아니고, 가축분을 미생물이 산화・분해하여 식물과 토양에 안정적인 반응을 나타내는 물질을 생산하는 것이 주요한 목적이므로 “발효”보다는 “부숙”이라고 표현하는 것이 타당하다.

유기물의 분해과정에서 어떤 미생물군(群)이 관여하는가에 따라서 부패가 일어나기도 하고 부숙이나 발효과정이 진행되기도 한다. 이러한 미생물 역시 생명활동을 하는 생물이므로 주변 환경에 따라 증식이나 활력이 강화되기도 하지만 환경이 열악해지면 활동을 정지하거나 사멸되기도 한다. 가축분 퇴비화의 경우에도 어떤 미생물이 우점하느냐에 따라 퇴비화 효율이 영향을 받고, 생산된 가축분 퇴비의 품질도 달라지게 된다. 또한 퇴비 부숙기간도 달라지고 퇴비화 과정 중에서 발생하는 냄새의 특성 과 발생 강도도 달라진다.퇴비화에 있어 미생물의 역할은 절대적이다.

그렇기 때문에 퇴비화시설에서는 미생물을 위해 퇴비단에 공기도 공급하고, 뒤집기나 교반도 해주며 수분이나 탄소/질소 비율도 맞춰주는 등 온갖 노력을 다하는 것이다. 공기의 존재 여부에 따른 가축분 퇴비화 진행특성은 아래와 같다.

퇴비단에 공기가 함유되게 하면 미생물은 공기 중의 산소를 이용하여 호흡하면서 유기물 분해활동을 하게 된다. 보통 퇴비화 과정에서 유기물을 분해하는 미생물은 외부물질로부터 에너지원(탄소)을 얻어서 이용하는 종속영양미생물이다. 그리고 산소를 필요로 하는 호기성 미생물이다. 호기성, 종속영양미생물은 유기물 분해능력과 생장속도가 혐기성 미생물에 비해 상대적으로 더 빠르다. 그리고 열과 같은 에너지 생성능력도 더 좋으며, 그 과정에서 발생하는 가스에 의한 냄새 강도도 혐기성균에 비해서는 더 낮은 편이다.

반면에 산소가 제한된 상태에서 유기물을 분해하는 혐기성 미생물은 유기물 분해력도 더 낮으면서 황화수소나 유기산, 지방산 등과 같이 냄새가 더 심한 가스를 생성한다.

그래서 퇴비화 시에는 공기를 공급하거나 교반, 또는 뒤집기 작업을 실시하여 호기적 퇴비화 상태가 유지될 수 있도록 하는 것을 권장한다. 산소가 존재하는 상태에서 퇴비화를 하게 되면 퇴비화 기간도 단축되고 생산된 퇴비의 부숙도도 더 양호하게나타난다.

가축분의 퇴비화과정에서 부숙시키고자 하는 대상물질은 유기물이다. 수분은 60~70% 정도 유지되면 퇴비화 미생물의 증식과 활력 증진에 도움이 된다. 그러나 광물이나 금속류와 같은 무기물은 퇴비화 과정에서 미생물에 의해 생물학적으로 분해가 되지 않는다. 그러므로 퇴비화 과정에서 주요 분해 대상물질은 유기물이 되는 것이다. 가축분뇨는 일반적으로 <표 3-1>에 나타난 바와 같이 구성되어 있다.

위의 표에 나타난 가축분의 구성요소 및 비율은 일반적인 결과값으로, 절대적인 것은 아니다. 그리고 가축분에 포함된 수분의 함량은 축종별로 다르다. 예를 들어 젖소의 경우 착유우, 건유우 그리고 축사형태, 계절별로 다르고 한우의 경우는 축사의 깔짚이용 형태와 이용기간 등에 따라 달라진다. 돼지의 경우는 분뇨슬러리를 탈수하는 정도에 따라 수분 함유량이 다르다. 그리고 닭은 산란계와 육계의 수분 함량이 달리 나타나는 등 세부적으로는 각각 다 다르지만 통상적으로 <표 3-1>에 나타난 범위에 해당된다고 보는 것이다.

수분의 존재형태별로 보면 간극수는 가축분 입자들 간의 공극에 존재하는 수분이고, 표면결합(부착)수는 가축분 입자의 표면에 부착되어 있는 수분이다. 또한 모관결합수는 가축분 입자의 갈라진 틈에 들어있는 수분이며 내부결합수는 가축분 입자를 구성하는 세포 내에 존재하는 수분이다. 그러므로 분뇨 중에 함유된 수분을 제거할수 있는 정도(탈수 정도)는 간극수가 가장 좋고 그다음으로 표면부착수, 모관결합수 그리고 내부결합수의 순이다. 즉 탈수가 가장 어려운 수분은 내부결합수이고 가장 쉬운 수분은 간극수이다.

가축분 중에 포함된 유기물도 미생물에 의해 생물학적 분해가 가능한 유기물과 분해가 어려운 유기물 두 가지로 구성된다. 퇴비화는 이러한 유기물이 미생물에 의해 분해되어 작물의 뿌리가 흡수할 수 있는 무기성물질이나 이온형태로 전환시키는 것이 주목적이다.

가축분이 퇴비화 과정을 거치기에 적절한 조건을 갖추게 되면 퇴비화는 즉시 진행 하기 시작한다. 퇴비화 미생물은 가축분에도 포함되어 있고 기존 퇴비 및 퇴비사 내 퇴비 잔류물 등 곳곳에 존재하고 있기 때문에 퇴비사 내에 가축분을 퇴적하여 놓으면 별도의 조작 없이도 자연적으로 퇴비화가 시작된다. 여기에 인위적으로 퇴비화가 진행되기에 양호한 조건을 형성해 주면 퇴비화는 더욱 활발하게 이루어진다.

가축분 퇴비화 과정은 다음과 같은 단계로 진행된다. 초기에는 가축분에 함유된 산소의 양이 충분치 않은 상태에서 탄소와 지방 등이 분해되면서 유기산과 지방산 등 산성물질이 형성되고 퇴비단의 pH가 낮아진다. 이후 단계에서는 공기 공급에 따른 퇴비화 조건이 좋아지게 되면 질소로부터 기인하는 암모니아의 발생량이 늘어나면서 가축 분의 경우에는 pH가 보통 8.0 이상의 수준을 나타낸다. 그러고 나서 퇴비화 기간이 더 경과함에 따라서 암모니아의 발생량은 점차적으로 감소하는 반면에 유기물 분해에 따른 이산화탄소의 발생 등에 의해 pH가 약간씩 낮아지면서 점차 안정화된다. 이상의
반응이 발생하는 퇴비화의 전 과정을 도식화하면 아래 그림과 같다.

<그림 3-2>는 퇴비단을 조성해 놓고 추가적인 원료투입 없이 일정하게 공기를 공급하는 상태에서 퇴비화 기간이 경과함에 따라 일반적으로 나타나는 퇴비화 공정의 진행상태를 나타낸 것이다. 가축분뇨를 적정한 수분농도와 공극이 유지되도록 퇴적 하여 놓고 공기를 공급해주면 별도의 미생물 투입 없이도 위 그림과 같은 퇴비화 과정이 진행된다.

그 이유는 수분 조절재나 가축분 그리고 공기 중에도 퇴비화 미생물이 존재하고 있기 때문이다. 또한 거의 대부분의 가축분 퇴비화는 기존부터 퇴비화를 실시해 오던 퇴비사에서 이루어지기 때문에 주변에 이미 퇴비화 관련 미생물이 분포하고 있어서 퇴비화가 시작되는 데 도움이 된다.

퇴비화 초기단계에는 사상균, 세균이 활동하여 발열이 시작된다. 온도가 상승하기 시작하여 50℃ 이상이 되면 고온성 베실러스(Bacillus)가 우점한다. 가축분의 종류와 퇴비단의 상태 그리고 외부조건에 따라 온도상승이 영향을 받지만 보통의 경우 2~3일, 늦어도 5일 이내에 최고온도에 도달하게 되어서 80℃ 이상까지 상승하는 경우도 있다. 고온단계에서의 높은 온도와 고농도의 암모니아, 높은 pH로 인하여 잡초씨앗과 해충의 알 그리고 비료공정규격으로 설정 및 지정에서 정하는 대장균 O157:H7 (Escherichiacoli O157:H7)이나 살모넬라(Salmonella spp.) 등의 유해 미생물이 사멸한다. 최고온도에 도달한 후 1~2일이 경과하면 퇴비단의 온도가 하강하기 시작하고, 이후 시간의 경과에 따라 퇴비화가 완료되면 주변의 기온보다 약간높은 온도까지 하강한다. 퇴비온도가 50℃ 이하로 내려가면 방선균 등이 활동하여 셀룰로스나 리그닌 등의 난분해성 물질을 분해한다.

가축분 퇴비화 시 유의할 사항은 퇴비화가 진행됨에 따라 퇴비단으로부터 암모니아와 이산화탄소 그리고 휘발성 산류 등을 비롯한 아민류・메르캅탄・인돌류 등의 냄새관련 물질이 발생하게 되므로, 이러한 가스의 관리에 주의를 기울여야 한다. 또한 퇴비의 부숙도에 관련한 기준이 설정되어 시행되기 때문에 퇴비화가 완료되는 시점에서의 퇴비단의 부숙도가 규정에 의해 정해진 기준에 부합될 수 있도록 퇴비화의 진행에 만전을 기해야 한다.