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문제 정의
- 본 연구에서는 여러 종류의 호열성, 호기성 간균(Bacillus genus) 군, 중금속leaching 미생물군(Thiobacillus T.fercoxidans), 그리고 여러가지 난분해성 물질을 분해하는 미생물군(Pse- udomonas genus)을 활용하여 분해조건을 연구하고 이를 이용하여 축산 폐기물의 퇴비화에 미치는 효과를 연구하였다.
제안 방법
- Bacillus subtilis, Thiobacillus, T. feroxidans, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens을 사용하기 전 냉동에서 꺼내어 LB media에서 18시간 정도 활성화시킨 후 농축하여 minimum salt media와 축산 폐기물에서 24시간 적응시켰다. 이를 퇴비화 분해 미생물군으로 첨가하여 퇴비화에 활용하였다.
- feroxidans, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens을 사용하기 전 냉동에서 꺼내어 LB media에서 18시간 정도 활성화시킨 후 농축하여 minimum salt media와 축산 폐기물에서 24시간 적응시켰다. 이를 퇴비화 분해 미생물군으로 첨가하여 퇴비화에 활용하였다.
- 1차 발효는 김해시 축산농가의 퇴비더미에서 이루어졌으며 숙성을 위한 2차 발효는 실험실에서 퇴비화 기간이 비교적 짧고 충분한 산소가 공급될 수 있어 악취를 방지할 수 있는 회전 드럼형 반응조와 수동적 송풍식 반응조를 활용하였다[4, 13]. 회전 드럼형 반응조는 축산 폐기물 처리 시스템 개발을 위하여 삼환분체기계에서 실험실 모형으로 제작하였다.
- 1차 발효는 김해시 축산농가의 퇴비더미에서 이루어졌으며 숙성을 위한 2차 발효는 실험실에서 퇴비화 기간이 비교적 짧고 충분한 산소가 공급될 수 있어 악취를 방지할 수 있는 회전 드럼형 반응조와 수동적 송풍식 반응조를 활용하였다[4, 13]. 회전 드럼형 반응조는 축산 폐기물 처리 시스템 개발을 위하여 삼환분체기계에서 실험실 모형으로 제작하였다. 약 8 kg의 퇴비를 발효시킬 수 있는 원통형 실린더 모양의 발효통이 회전하기 쉬운 옆면으로 위치하고 모터가 옆에 부착되어 자동 회전에 의해 교반됨과 동시에 작은 공기주입구를 옆면에 내어 air pump를 부착하였고 다른 반대편 옆면으로 공기가 빠져나가도록 제작되었다.
- 약 8 kg의 퇴비를 발효시킬 수 있는 원통형 실린더 모양의 발효통이 회전하기 쉬운 옆면으로 위치하고 모터가 옆에 부착되어 자동 회전에 의해 교반됨과 동시에 작은 공기주입구를 옆면에 내어 air pump를 부착하였고 다른 반대편 옆면으로 공기가 빠져나가도록 제작되었다. 또한 교 반없이 6-8 Kg을 발효시킬 수 있는 실험실용 반응조에 air pump에 연결된 작은 고무관을 밑면에 도입하여 퇴비화 방식 및 조건의 최적화를 실험 관찰하였다.
- 최적 C/N 비로 25:1-30:1을 초기 조건으로 맟추어 실험 관찰하였다. 탄소와 질소의 량은 원소분석기(Elemental Ana lyzer, Vario EL.
- 최적 C/N 비로 25:1-30:1을 초기 조건으로 맟추어 실험 관찰하였다. 탄소와 질소의 량은 원소분석기(Elemental Ana lyzer, Vario EL. Haeraus)에 의해 분석되었으며 탄소량을 질소량으로 나눈 값으로 설정하였다. 즉 C/N비 25는 탄소가 질소에 비해 25배가 많음을 뜻한다.
- 퇴비화의 수분 함량은 40-65%로 하고 최적으로 50-60%을 유지하기 위하여 수분 조절재로 톱밥을 사용하였다. 수분 함량을 측정을 위해 80℃ 오븐에서 24시간 시료를 건조시킨 후 무게손실을 측정하여 결정하거나 수분측정기(Denver Instrument)를 사용하였다.
- 5을 유지하고자 하였다. pH meter를 활용하거나 간단하게 리트머스 시험지를 이용하여 pH를 측정하였다.
- 퇴비의 병원균 안전성을 검사하기 위하여 살모넬라균과 대장균을 검사하였다. 살모넬라균의 존재 유무는 Samonella 와 Shigella 분리용 agar (SS agar, Difco회사) plate에서 대장 균은 Eosin Methylene Blue (EMB, Difco 회사) agar plate에서 24시간 37℃에서 키웠을 때 생성되는 colony를 확인하여 분석하였다.
- 퇴비의 병원균 안전성을 검사하기 위하여 살모넬라균과 대장균을 검사하였다. 살모넬라균의 존재 유무는 Samonella 와 Shigella 분리용 agar (SS agar, Difco회사) plate에서 대장 균은 Eosin Methylene Blue (EMB, Difco 회사) agar plate에서 24시간 37℃에서 키웠을 때 생성되는 colony를 확인하여 분석하였다. 퇴비 시료를 날짜별로 배양하여 고온에서 내성을 가지는 균주가 있는지를 확인하여 퇴비 활용에 있어서 안전성을 검사하였다.
- 살모넬라균의 존재 유무는 Samonella 와 Shigella 분리용 agar (SS agar, Difco회사) plate에서 대장 균은 Eosin Methylene Blue (EMB, Difco 회사) agar plate에서 24시간 37℃에서 키웠을 때 생성되는 colony를 확인하여 분석하였다. 퇴비 시료를 날짜별로 배양하여 고온에서 내성을 가지는 균주가 있는지를 확인하여 퇴비 활용에 있어서 안전성을 검사하였다.
- 생산된 퇴비는 성분 분석으로 질소, 인산, 칼륨 외에 중금속 등을 분석하였다. 분석 후 이를 시비하여 토양 및 식물의 생장에 대한 영향을 관찰하였다.
- 생산된 퇴비는 성분 분석으로 질소, 인산, 칼륨 외에 중금속 등을 분석하였다. 분석 후 이를 시비하여 토양 및 식물의 생장에 대한 영향을 관찰하였다. 퇴비의 성분 분석은 원소분석기 (Elemental Analyzer, Vario EL.
- 분석 후 이를 시비하여 토양 및 식물의 생장에 대한 영향을 관찰하였다. 퇴비의 성분 분석은 원소분석기 (Elemental Analyzer, Vario EL. Haeraus)로 측정하였으며 중금속은 Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES, TJA)로 분석하였다.
- 환원 당 비율에 의한 판정법: Fechling 용액-황산구리의 Rochelle 염을 함유하는 알칼리 용액 속에서 환원당을 가열하면 수산화구리는 환원되어 아산화구리가 생성되며 당은 산화되어 많은 알칼리분해산물을 생성한다. 여기에 과잉의 KI를 첨가하여 l2를 생성하게 하며 티오황산 나트륨 표준용액으로 녹말 지시약과 함께 적정하여 환원당의 함유량을 분석하였다[5].
- 발아 시험법: 풍건한 퇴비 5 g을 200㎖의 비커에 넣고 60℃의 온수 100㎖를 가하여 3시간 동안 방치하였다. 거즈로 여과하여 여과지 2장을 깐 페트리디쉬에 추출액 10㎖을 넣어 그 위에 종자 25립을 뿌리고 발아 상황을 관찰하였다[5].
- 이 밖에 토양 500g만을 충진한 화분을 준비하였다. 수분 조절 후 종자를 각 화분마다 20립을 뿌리고 생육상황을 조사하여 종자에 대한 퇴비 시용의 영향으로부터 퇴비의 숙도 판정을 하였다[5].
- 김해 근처의 축산농가에서 배출되는 축산 폐기물을 축분, 돈분, 계분 별로 채취하여 미량원소 분석기로 탄소, 질소 및 황을 분석하였다. 탄소 함유량을 질소 함유량으로 나누어 C/N비를 구하였으며 수분 조정재로 사용된 톱밥의 성분도 분석하였다.
- 김해 근처의 축산농가에서 배출되는 축산 폐기물을 축분, 돈분, 계분 별로 채취하여 미량원소 분석기로 탄소, 질소 및 황을 분석하였다. 탄소 함유량을 질소 함유량으로 나누어 C/N비를 구하였으며 수분 조정재로 사용된 톱밥의 성분도 분석하였다. 수분 함유율은 80℃ 오븐에서 24시간 시료를 건조시킨 후 무게를 재어 측정 전과 측정후의 무게 차이로 건조한 수분량을 계산하거나 수분측정기로 측정하 였다.
- 탄소 함유량을 질소 함유량으로 나누어 C/N비를 구하였으며 수분 조정재로 사용된 톱밥의 성분도 분석하였다. 수분 함유율은 80℃ 오븐에서 24시간 시료를 건조시킨 후 무게를 재어 측정 전과 측정후의 무게 차이로 건조한 수분량을 계산하거나 수분측정기로 측정하 였다. 수분조정재, 톱밥을 혼합한 후 수분 함수율이 50~ 70%가 되도록 조정하였으며 C/N비는 초기 35〜40정도로 시작하였다.
- 수분 함유율은 80℃ 오븐에서 24시간 시료를 건조시킨 후 무게를 재어 측정 전과 측정후의 무게 차이로 건조한 수분량을 계산하거나 수분측정기로 측정하 였다. 수분조정재, 톱밥을 혼합한 후 수분 함수율이 50~ 70%가 되도록 조정하였으며 C/N비는 초기 35〜40정도로 시작하였다. pH는 추출물을 pH meter나 리트머스 종이로 측정하여 최적화하였다.
- 수분조정재, 톱밥을 혼합한 후 수분 함수율이 50~ 70%가 되도록 조정하였으며 C/N비는 초기 35〜40정도로 시작하였다. pH는 추출물을 pH meter나 리트머스 종이로 측정하여 최적화하였다. 또한 각종 축산 폐기물의 중금속 분석도 퇴비화 전후로 ICP-AES을 이용하여 분석하였다(Table 2).
- pH는 추출물을 pH meter나 리트머스 종이로 측정하여 최적화하였다. 또한 각종 축산 폐기물의 중금속 분석도 퇴비화 전후로 ICP-AES을 이용하여 분석하였다(Table 2).
- 퇴비화의 방법을 여러 측면에서 실험 관찰하였다. 산소 공급을 air pump로 해준 반응조와 산소 공급을 하지 않은 반응조를 비교하여 보았을 때 산소 공급이 없는 반응조가 퇴비화에 따른 온도 상승이 조금 더 나았으나 그다지 큰 차이를 보여주지 않았다(Fig.
- 이는 함수율이 악취 발생과 중요한 상관관계가 있음을 시사하며 함수율을 조정함으로 악취 발생을 예방할 수 있을 것으로 사료된다. 퇴비화 과정 중에서 자동적으로 뒤집기가 되고 산소 공급이 되는 회전식 반응조와 수동으로 뒤집기를 하고 산소공급이 되는 반응조 및 산소 공급이 안 되는 반응조를 비교하였다. 온도 상승을 측정하였을 때 수동적으로 뒤집기를 하는 반응조의 온도가 자동 회전식 반응 조보다 온도 상승이 빠르며 높았다.
- 실험실의 혼합 균주를 실험 방법에 적힌 대로 준비하여 함수율과 C/N비를 조정한 시료에 혼합한 후 퇴비화 과정을 온도측정으로 분석하였다. 1차 발효는 김해 근처 퇴비 발생지에서 이루어졌으며 2차 발효는 실험실 내 반웅조에서 이루어졌다.
- 1, 2차 발효를 거친 퇴비의 성분을 분석하였다(Table 1). C/N비가 우분 28, 돈분 28, 계분 18를 나타내고 있고 인산, 칼리 및 질소의 함량이 화학비료를 대체해도 좋음을 보여주고 있다.
- 각 방법들에 있어서 보완하여야 할 사항들과 조건들이 있으므로 각각으로는 완전히 판정을 내릴 수는 없지만 종합적으로 퇴비의 부숙이 완성되어 사용 가능함을 보여주고 있다. 그 중에서 발아시험법과 유식물 시험법이 가장 확실한 종합적 판정자료로 퇴비의 액을 추출하여 Petri Dish에서 발아를 확인하여 판정하였다(Fig. 3A). 퇴비 중독성물질이 존재 시 발아가 되지 않았으므로 퇴비의 독성물질이 제거되었고 부숙되었음을 시사하고 있다.
- 지렁이 이용법: 컵에 가볍게 부순 퇴비를 1/2〜1/3정도 넣고 그 위에 지렁이를 풀어놓고 행동을 관찰하였다.
대상 데이터
- 김해시 축산농가에서 각종 축산 폐기물을 직접 채취하였다. 채취한 시료의 일부로 성상 분석을 시도하고 나머지는 퇴비화를 위해 톱밥과 혼합하였다.
- 또한 실험실용 작은 반응조에서는 1차 발효에서 보여주는 퇴비화의 온도처럼 고온(60〜80℃)으로 오르지 않음을 보여주며 퇴비단의 크기 또한 퇴비화의 중요한 요인임을 시사한다. 그러므로 실험실에서는 숙성을 위한 2차 발효를 주로 실행하였으며 1차 발효는 김해 축산 농가 부근의 퇴비 더미에서 이루어졌다.
- 실험실의 혼합 균주를 실험 방법에 적힌 대로 준비하여 함수율과 C/N비를 조정한 시료에 혼합한 후 퇴비화 과정을 온도측정으로 분석하였다. 1차 발효는 김해 근처 퇴비 발생지에서 이루어졌으며 2차 발효는 실험실 내 반웅조에서 이루어졌다. 계분의 온도 상승이 제일 높았으며 공기 주입의 유무에 큰 차이를 보여주지 않았다(Fig.
이론/모형
- CEC법: Harada와 Inoko의 분석 방법에 의해 양이온 치환 용량을 측정하였다[3].
- 퇴비의 부숙도를 판정하기 위해 여러 종류의 이화학적 및 생물 이용법을 활용하였다(Table 3). 각 방법들에 있어서 보완하여야 할 사항들과 조건들이 있으므로 각각으로는 완전히 판정을 내릴 수는 없지만 종합적으로 퇴비의 부숙이 완성되어 사용 가능함을 보여주고 있다.
성능/효과
- 퇴비화 과정 중에서 자동적으로 뒤집기가 되고 산소 공급이 되는 회전식 반응조와 수동으로 뒤집기를 하고 산소공급이 되는 반응조 및 산소 공급이 안 되는 반응조를 비교하였다. 온도 상승을 측정하였을 때 수동적으로 뒤집기를 하는 반응조의 온도가 자동 회전식 반응 조보다 온도 상승이 빠르며 높았다. 그러나 산소 공급 유무에는 크게 차이를 보이지 않았다.
- 그러나 산소 공급 유무에는 크게 차이를 보이지 않았다. 이 결과는 온도 상승이 되는 기간에는 뒤집기를 하지 않는 것이 실험실용 반응조의 퇴비화 과정에서 온도 상승에 더욱 큰 효과가 있음을 보여주었다(Fig. 1). 그러나, 실제 현장에서의 상황에 대해 적용하기는 더 많은 연구가 필요 되어진다.
- 중금속 오염이 종래 퇴비의 사용에서 걸림돌이 되고 있다. 이 시스템에서는 퇴비화 전후 중금속의 양을 측정하였을 때 As 는 모든 퇴비에서, Cr은 돈분, pb은 축분, Hg은 계분, 그리고 Cu는 축분 퇴비에서 규제값 이하가 됨을 보여주고 있다(Table 2). 그러나 카드뮴의 경우 ICP-AES로 분석하는 데 어려움이 있으므로 정확한 분석을 위해 다른 방법이 필요되어지며 금속오염 감소에 대한 정확한 기작과 잔류 오염에 대해서는 앞으로의 연구로 남아있다.
- 퇴비의 부숙도를 판정하기 위해 여러 종류의 이화학적 및 생물 이용법을 활용하였다(Table 3). 각 방법들에 있어서 보완하여야 할 사항들과 조건들이 있으므로 각각으로는 완전히 판정을 내릴 수는 없지만 종합적으로 퇴비의 부숙이 완성되어 사용 가능함을 보여주고 있다. 그 중에서 발아시험법과 유식물 시험법이 가장 확실한 종합적 판정자료로 퇴비의 액을 추출하여 Petri Dish에서 발아를 확인하여 판정하였다(Fig.
후속연구
- 함수율이 75%이상일 때 퇴비화 반응기에서 악취가 나기 시작하나 함수율이 70% 미만인 반응조에서는 악취가 나지 않았다. 이는 함수율이 악취 발생과 중요한 상관관계가 있음을 시사하며 함수율을 조정함으로 악취 발생을 예방할 수 있을 것으로 사료된다. 퇴비화 과정 중에서 자동적으로 뒤집기가 되고 산소 공급이 되는 회전식 반응조와 수동으로 뒤집기를 하고 산소공급이 되는 반응조 및 산소 공급이 안 되는 반응조를 비교하였다.
- 이 시스템에서는 퇴비화 전후 중금속의 양을 측정하였을 때 As 는 모든 퇴비에서, Cr은 돈분, pb은 축분, Hg은 계분, 그리고 Cu는 축분 퇴비에서 규제값 이하가 됨을 보여주고 있다(Table 2). 그러나 카드뮴의 경우 ICP-AES로 분석하는 데 어려움이 있으므로 정확한 분석을 위해 다른 방법이 필요되어지며 금속오염 감소에 대한 정확한 기작과 잔류 오염에 대해서는 앞으로의 연구로 남아있다.
- 그러나 축분이나 계분의 경우 양호하며 퇴비로의 활용이 가능함을 보여주고 있으며 토양만 사용한 비교 화분보다 생육이 더 빠르고 양호함을 보여주고 있다. 이러한 결과는 축산 폐기물 처리 시스템 국산화 개발의 주된 공정인 미생물 처리 공정의 발전에 기여할 수 있을 것이라고 사료된다.
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