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문제 정의
- 가축 매몰지에서 사체의 분해에 영향을 주는 주요인자로 온도, 수분, 토압과 분해에 따라 발생되는 가스(O2, CO2, CH4, H2S)의 변화를 확인하고자 하였다. 그 결과 온도의 경우 계절적 요인에 따라 사체층 및 복토층 모두 겨울철에 낮아지고 여름철 높아지는 경향을 확인할 수 있었다.
- 그러나 악취배출시설을 중심으로 관리되고 있으며 매몰지에서 발생된 악취를 관리하기 위한 배출기준은 마련되어있지 않다. 그러나 이를 참고하여 본 연구에서 조사된 22 종(Ammonia, Methyl mercaptan, Hydrogen sulfide, Dimethyl sulfide, Dimethyl disulfide, Trimethylamine, Trimethylamine, Acetaldehyde, Styrene, Propionaldehyde, n-Butyl aldehyde, n-Valeraldehyde, i-Valeraldehyde, Toluene, Xylene, Methyl ethyl ketone, Methyl isobutylketone, Butyl acetate, Propionic acid, n-Butyric acid, n-Valeric acid, i-Valeric acid, I-Butanol)의 악취물질에 대해 악취방지법의 배출허용기준을 토대로 비교하고자 하였다.
- 따라서 3년 기한내 사체분해를 위해서는 상기 열거한 조건들과 함께 대량 매몰을 피하고 적정한 사체량과 규모를 조절하여 매몰하는 것을 권장하고자 한다.
- 본 연구에서는 가축 사체가 매몰되었을 때 생성되는 가스와 침출수에 대해 문헌조사 및 전문가 자문을 통해 분석 항목들을 선정하였고, 이에 대한 자료를 확보하고자 하였다. 일반적으로 매몰 후 일련의 부패과정을 통해 고농도의 유기물질, 암모니아 등을 포함한 침출수와 가스가 형성된다.
- 이를 통해 국내 악취물질 관련법령의 배출허용기준과 비교하고자 하였다. 우리나라의 경우 악취물질은 악취방지법을 통해 관리되고 있으며 공업지역과 기타지역에 따라 배출허용기준이 설정되어져 있다.
- 이에 본 연구에서는 이러한 배경 및 필요성에 따라 축종비교를 위해 돼지와 소의 사체를 매몰하였으며, 우리나라에서 가장 넓게 분포되어 있는 사양질, 식양질, 사질 토양으로 토성별 실험실 규모 가축 매몰지 5기를 설치(‘12.2월)하여14 약 3년간(2012.2~2015.2) 매몰사체의 분해특성을 살펴보고자 하였다.
제안 방법
- ‘12년 2월 10일 실험실 매몰지를 설치하고 ‘가축 매몰지역 환경조사지침’에 따른 가축 매몰지 발굴금지기간인 3년을 기준으로 매몰지 내부 상태를 확인하고자 ‘15년 2월경 3년이 경과한 후 매몰지를 굴토·해체하였다.
- Fig. 2에서 보는바와 같이 매몰지 1번을 제외한 2~5번의 경우 매몰지 바닥에 침출수 유공관을 설치하였고, 총 4 기에 설치된 침출수 배출관을 통해 침출수를 채취하고자 하였다. 먼저 산업용내시경을 사용하여 침출수 배출관을 통해 침출수의 발생여부를 관찰하였고, 발생된 침출수는 연동 펌프(Peristaltic pump)를 사용하여 침출수 배출관에서 시료채취 하였다.
- 국내에서 처음으로 축종과 토성에 따른 실험실 매몰지 5기를 설치하여 매몰지가 설치된 2012년 2월부터 2015년 2월까지 시간경과에 따른 가축사체의 유기물 분해정도, 발생가스, 사체 분해정도, 대사체 물질등 환경적 안정화 지표를 조사함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 악취물질의 분석방법은 Table 4에 정리한 것과 같이 Sulfurs는 GC/FPD를 이용하였으며, Ammonia는 검지관을 이용하여 분석하였고, THC는 GC/FID 또는 GC/PID를 이용하여 분석하였다. 그 밖의 물질의 경우 ATD400 (Perkin Elmer, USA)을 이용하여 채취한 시료를 농축하여 주입한 후 GC/MSD (Shimadzu, Japan)를 이용하여 분석하였다.
- 일반적으로 매몰 후 일련의 부패과정을 통해 고농도의 유기물질, 암모니아 등을 포함한 침출수와 가스가 형성된다. 따라서 매몰지에서 발생된 침출수를 채취하여 Table 2에 정리한 것과 같이 항생제, 중금속 등 약 90 개 항목을 정밀분석하여 매몰 사체의 분해특성을 조사하고 사체분해정도를 파악할 수 있는 매몰지 내부의 온도, 수분, pH 등을 조사하였다. 조사항목은 3년 동안의 연속성을 고려하여 주기적으로 모니터링 하였고, 특히, 본 연구결과에서는 사체관련 미량원소 및 악취물질 농도변화에 주목하였다.
- 본 연구에서 사용된 장비는 온도, 수분, 압력센서가 설치되었으며 측정된 정보는 하나의 화면에 나타내고 기록할 수 있는 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 데이터를 축척하였다. 또한, 발생되는 가스와 침출수를 시료채취하기 위한 장비, 침출수가 발생함에 따라 그 수위를 측정하는 수위계, 침출수 유공관을 통해 침출수 발생여부를 관찰할 수 있는 산업용 내시경 등을 확보하여 모니터링을 진행하였다.
- 또한, 유공관의 막힘을 방지하기 위해 자갈을 깔은 후 가축사체를 유공관 위에 위치하도록 하였으며, 사체가 분해되면서 발생되는 가스로 인해 사체가 터지는 것을 방지하고자 사체에 칼집을 내어 가스를 방출시킨 후 소량의 흙을 덮은 후 센서(온도, 수분, 토압)와 가스관을 매설하였다. 가스관은 사체위에 설치하였으며, 관이 막히는 것을 방지하기 위해 자갈을 깔고 설치하였다.
- 이렇게 만들어진 맑은 용액에 증류수 50 mL를 넣어 끓기 직전의 온도로 가열하여 침전물을 녹였다. 마지막으로 여과 후 100 mL로 하고 유도결합플라즈마 분광광도계(ICP-OES) 및 원자흡광광도계(AAS)로 분석하였다.
- 매몰두수는 소의 경우한 매몰지 당 약 600 kg 젖소 2두씩 8두(2두 × 4매몰지), 돼지는 한 매몰지에 약 100 kg, 10두를 매몰하여 총 18두(소 8두, 돼지 10두)를 매몰하였으며 현황은 Table 1과 같다.
- 매몰지 모식도에 자동계측시스템의 센서 위치도 함께 표시하여 실제 매몰지를 설치할 때 참고 할 수 있도록 하였다. 준비된 복토 및 성토용 토양 3 종류(사양질, 식양질, 사질), 생석회, 비닐 그리고 소와 돼지의 사체를 순서에 따라 실험실 매몰지를 설치하였다.
- 2에서 보는바와 같이 매몰지 1번을 제외한 2~5번의 경우 매몰지 바닥에 침출수 유공관을 설치하였고, 총 4 기에 설치된 침출수 배출관을 통해 침출수를 채취하고자 하였다. 먼저 산업용내시경을 사용하여 침출수 배출관을 통해 침출수의 발생여부를 관찰하였고, 발생된 침출수는 연동 펌프(Peristaltic pump)를 사용하여 침출수 배출관에서 시료채취 하였다. 매몰지 설치 후 지속적으로 침출수 발생여부를 확인하였으며 매몰지에서 침출수가 발생한 2012년 2월부터 2014년 10월까지 총 27회 79건의 시료를 채취하였다.
- 먼저 중장비를 이용해 굴토작업을 하여 기본 매몰지의 틀을 만든 후 토성별로 바닥을 채운 뒤 비닐을 2중으로 설치하였다. 지침에 따라 복토하고 생석회를 도포하였다.
- 본 연구는 1차 년도(2011년)에 실험실 규모로 사전 모의실험을 통해 기초자료를 확보하고, 2차 년도(2012년)부터 실제 매몰지의15 사체층 높이 1/3규모의 실험실 매몰지 5기를 설치하여 가축사체의 분해특성에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 2012년 2월 설치된 매몰지에서 2015년 2월까지 3년 동안 침출수를 채취하여 소와 돼지의 환경영향인자인 pH, T-N, TOC, Cl-,NH3-N 등 일반항목, 사체관련 미량원소 등을 모니터링하여 매몰 후 시간에 따른 침출수의 유기물 농도를 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서 사용된 장비는 온도, 수분, 압력센서가 설치되었으며 측정된 정보는 하나의 화면에 나타내고 기록할 수 있는 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 데이터를 축척하였다. 또한, 발생되는 가스와 침출수를 시료채취하기 위한 장비, 침출수가 발생함에 따라 그 수위를 측정하는 수위계, 침출수 유공관을 통해 침출수 발생여부를 관찰할 수 있는 산업용 내시경 등을 확보하여 모니터링을 진행하였다.
- 본 연구에서는 실제 매몰지의 사체 매몰층 높이의 1/3 규모의 실험실 매몰지를 설치(‘12.2.10) 하였으며, 2011년 개정된 매몰지 모식도를 참고하여16 Fig. 1에서 보는 바와 같이 2.5 m(W)×3.5 m(L)×2.5 m(H) 규모의 구덩이를 중장비를 이용해 굴토하고 여기에 토양을 일부 채운 후 2.0 m(W)×2.5 m(L)×2.2 m(H)의 매몰지 5기를 설치하였다.
- 우리나라에서 가장 많은 분포를 가진 사양질을 소와 돼지 각 1 기씩 설치하여 축종별 분해특성을 비교하였다. 소의 경우 토성별로 사양질, 식양질, 사질로 분류하여 서로 비교 관찰하였으며, 최종적으로 돼지의 경우 사양질을 사용한 1기의 매몰지를 설치하였으며, 소의 경우 사양질 2 기, 식양질 1기 , 사질 1 기 총4 기의 매몰지를 설치하였다. 매몰두수는 소의 경우한 매몰지 당 약 600 kg 젖소 2두씩 8두(2두 × 4매몰지), 돼지는 한 매몰지에 약 100 kg, 10두를 매몰하여 총 18두(소 8두, 돼지 10두)를 매몰하였으며 현황은 Table 1과 같다.
- 악취물질의 분석방법은 Table 4에 정리한 것과 같이 Sulfurs는 GC/FPD를 이용하였으며, Ammonia는 검지관을 이용하여 분석하였고, THC는 GC/FID 또는 GC/PID를 이용하여 분석하였다. 그 밖의 물질의 경우 ATD400 (Perkin Elmer, USA)을 이용하여 채취한 시료를 농축하여 주입한 후 GC/MSD (Shimadzu, Japan)를 이용하여 분석하였다.
- 우리나라에서 가장 많은 분포를 가진 사양질을 소와 돼지 각 1 기씩 설치하여 축종별 분해특성을 비교하였다. 소의 경우 토성별로 사양질, 식양질, 사질로 분류하여 서로 비교 관찰하였으며, 최종적으로 돼지의 경우 사양질을 사용한 1기의 매몰지를 설치하였으며, 소의 경우 사양질 2 기, 식양질 1기 , 사질 1 기 총4 기의 매몰지를 설치하였다.
- 사체층 높이 1/3규모의 실험실 매몰지 5기를 설치하여 가축사체의 분해특성에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 2012년 2월 설치된 매몰지에서 2015년 2월까지 3년 동안 침출수를 채취하여 소와 돼지의 환경영향인자인 pH, T-N, TOC, Cl-,NH3-N 등 일반항목, 사체관련 미량원소 등을 모니터링하여 매몰 후 시간에 따른 침출수의 유기물 농도를 파악하고자 하였다.
- 이후 주문 제작한 침출수 유공관을 침출수 배출관 방향으로 약 2°의 경사를 두어 침출수를 수집 할 수 있도록 하였다.
- 따라서 매몰지에서 발생된 침출수를 채취하여 Table 2에 정리한 것과 같이 항생제, 중금속 등 약 90 개 항목을 정밀분석하여 매몰 사체의 분해특성을 조사하고 사체분해정도를 파악할 수 있는 매몰지 내부의 온도, 수분, pH 등을 조사하였다. 조사항목은 3년 동안의 연속성을 고려하여 주기적으로 모니터링 하였고, 특히, 본 연구결과에서는 사체관련 미량원소 및 악취물질 농도변화에 주목하였다.
- 매몰지 모식도에 자동계측시스템의 센서 위치도 함께 표시하여 실제 매몰지를 설치할 때 참고 할 수 있도록 하였다. 준비된 복토 및 성토용 토양 3 종류(사양질, 식양질, 사질), 생석회, 비닐 그리고 소와 돼지의 사체를 순서에 따라 실험실 매몰지를 설치하였다.
- 먼저 중장비를 이용해 굴토작업을 하여 기본 매몰지의 틀을 만든 후 토성별로 바닥을 채운 뒤 비닐을 2중으로 설치하였다. 지침에 따라 복토하고 생석회를 도포하였다. 이후 주문 제작한 침출수 유공관을 침출수 배출관 방향으로 약 2°의 경사를 두어 침출수를 수집 할 수 있도록 하였다.
- 2) 매몰사체의 분해특성을 살펴보고자 하였다. 특히 가축매몰지에서의 사체분해정도, 사체관련 미량원소, 악취물질 농도변화를 중심으로 조사하였다.
대상 데이터
- 가축 매몰지의 토성 및 시간 경과에 따른 악취물질조사를 위해 실험실 매몰지 5 개 지점에서 시료를 채취하였으며 매몰지 주변에서 공시료 1 개를 채취하여 분석하고자 하였다.
- 굴토·해체 매몰지는 우리나라의 대표적 토양인 사양질 토양에 약 600 kg의 소 2 마리가 매몰된 매몰지 3번을 발굴하였다.
- 대상 물질로는 Table 3과 같이 Acids(6 종), Esters(11종), Alcohols(8 종), Phenols(4 종), Ketones(7 종), Sulfurs(4 종), Terpenes(5 종), Aldehydes(5 종), Aromatics(4 종), Nirtous(4 종), Ammonia(1 종), THC(1 종)로 총12개군 60 개 물질을 대상으로 분석하였다.
- 먼저 산업용내시경을 사용하여 침출수 배출관을 통해 침출수의 발생여부를 관찰하였고, 발생된 침출수는 연동 펌프(Peristaltic pump)를 사용하여 침출수 배출관에서 시료채취 하였다. 매몰지 설치 후 지속적으로 침출수 발생여부를 확인하였으며 매몰지에서 침출수가 발생한 2012년 2월부터 2014년 10월까지 총 27회 79건의 시료를 채취하였다.
- 매몰지 설치에 필요한 재료로 복토 및 성토용 토양, 생석회, 유공관(가스, 침출수), 모니터링 장비 그리고 매몰될 사체를 준비하였다. 복토와 성토에 사용한 토양은 국토의 43.
- 매몰지 설치에 필요한 재료로 복토 및 성토용 토양, 생석회, 유공관(가스, 침출수), 모니터링 장비 그리고 매몰될 사체를 준비하였다. 복토와 성토에 사용한 토양은 국토의 43.8 %로 가장 많이 분포하고 있는 사양질과 35.4 %를 차지하는 식양질, 그리고 쉽게 구할 수 있는 모래입자로 되어있는 사질 토양 등 3 종류의 토양을 선정하여16 매몰지를 설치하였다.
이론/모형
- 채취한 침출수의 유해물질은 수질오염공정시험기준17에 준하여 분석하였으며, 중금속의 경우 시료 10 mL를 취하여 증류수로 100 mL로 하고 진한질산 5 mL와 비등석을 넣고 가열하였다. 15 mL까지 농축하여 냉각시킨 뒤, 질산 5 mL와 황산 5 mL를 넣고 다시 가열하였다.
성능/효과
- 1. 가축 매몰지에서 사체가 분해됨에 따라 발생되는 주요가스물질로 CH4, H2S, CO2를 모니터링한 결과 매몰 후 6개월이 지난 시점부터 농도가 높아지는 경향이 나타남에 따라 활발한 분해가 이루어지는 것으로 판단된다.
- 2. 사체가 분해됨에 따라 발생되는 침출수로부터 중금속을 분석한 결과 Mo, Mn, Fe가 주요물질로 검출되었으나 국외 문헌과 비교한 결과 다소 차이를 나타내었다. 이는 매몰지의 토성 및 축종의 특성에 따른 결과로 추정된다.
- 3. 가축 매몰지역 환경조사지침에 따른 가축 매몰지 발굴금지기간인 3년을 기준으로 사양질 토양의 소 매몰지 사체의 분해정도를 확인한 결과 거의 분해가 완료된 것을 확인하였으며 약간의 악취, 소의 털과 뼈를 발견할 수 있었고 뼈에 묻어있는 토양 및 주변 토양을 분석한 결과 수분함량은 평균 16.49 %, pH는 평균 8.22로 나타났다. 사체분해를 위해서는 분해의 주요 요인으로 온도, 수분, pH, 토성, 영양소, 매몰지 깊이등 다양한 외부환경 요인이 적절히 유지되어야 한다.
- 4. 가축 매몰지에서의 주요 악취 물질로는 Sulfurs로 조사되었으며 매몰 후 5개월~ 7개월 사이에 고농도로 발생하는 것으로 조사되었다. 또한, 시간이 지남에 따라 감소하는 경향을 보이고 있으나 사체분해가 종료되는 시점에도 검출됨에 따라 매몰지에서 악취물질관리를 위해 최우선적으로 고려해야 할 항목으로 나타났다.
- 검출된 악취물질에 대해 악취방지법19의 배출허용기준과 비교한 결과 지정악취물질 22 종 중 10 종(Propanoic acid, n-Butyl acetate, Isobutyl alcohol, 2-Butanone, Methyl Isobutyl Ketone, Acetaldehyde, Propionaldehyde, Toluene, Xylene, Styrene)은 배출허용기준(공업지역)보다 낮거나 검출되지 않았다. 나머지 12 종(Isovaleric acid, Valeric acid, Butyric acid, Dimethyl disulfide, Dimethyl sulfide, Hydrogen sulfide, Methyl mercaptan, Butanaldehyde, i-Valeraldehyde, n-Valeraldehyde, Trimethylamine, Ammonia)은 배출허용기준(공업지역)보다 높거나 유사한 농도수준으로 발생하는 것으로 조사되었다.
- S)의 변화를 확인하고자 하였다. 그 결과 온도의 경우 계절적 요인에 따라 사체층 및 복토층 모두 겨울철에 낮아지고 여름철 높아지는 경향을 확인할 수 있었다. 특히, 복토층의 경우 외부온도에 사체층 보다 민감하게 반응하는 것으로 조사되었다.
- 의 배출허용기준과 비교한 결과 지정악취물질 22 종 중 10 종(Propanoic acid, n-Butyl acetate, Isobutyl alcohol, 2-Butanone, Methyl Isobutyl Ketone, Acetaldehyde, Propionaldehyde, Toluene, Xylene, Styrene)은 배출허용기준(공업지역)보다 낮거나 검출되지 않았다. 나머지 12 종(Isovaleric acid, Valeric acid, Butyric acid, Dimethyl disulfide, Dimethyl sulfide, Hydrogen sulfide, Methyl mercaptan, Butanaldehyde, i-Valeraldehyde, n-Valeraldehyde, Trimethylamine, Ammonia)은 배출허용기준(공업지역)보다 높거나 유사한 농도수준으로 발생하는 것으로 조사되었다.
- 가축 매몰지에서의 주요 악취 물질로는 Sulfurs로 조사되었으며 매몰 후 5개월~ 7개월 사이에 고농도로 발생하는 것으로 조사되었다. 또한, 시간이 지남에 따라 감소하는 경향을 보이고 있으나 사체분해가 종료되는 시점에도 검출됨에 따라 매몰지에서 악취물질관리를 위해 최우선적으로 고려해야 할 항목으로 나타났다.
- 또한, 악취물질의 경우 토양의 종류 및 매몰 가축의 종류에 따라 발생되는 악취물질의 상관성은 뚜렷한 경향을 나타내지 않았다.
- 또한, 토양의 종류에 따라 침출수가 발생되는 시간을 살펴본 결과 사질의 경우 매몰 후 1주가 지난 시점부터 발생하기 시작하였으며, 사질의 경우 6주, 사양질의 경우 8주가 지난 시점부터 발생함에 따라 사질 > 식양질 > 사양질 토양 순으로 분해가 이루어지는 것으로 추정된다.
- 발생되는 가스의 경우 Fig. 3과 같이 CH4는 매몰 후 6개월부터 꾸준히 발생하였으며, H2S는 매몰 후 5개월부터 8개월까지 4개월 동안 일시적으로 발생하였고, CO2는 매몰 후 6개월부터 3개월 동안 최고 약60 %까지 급격히 발생하는 것을 확인하였다.
- 4와 같이 약간의 악취와 함께 소의 털과 뼈들이 발견되어 거의 분해가 완료된 것을 확인할 수 있었다. 사체 주변의 토양은 수분을 함유하고 있었으며, 토양을 채취하여 수분함량과 pH를 측정한 결과 수분함량은 평균 16.49 %, pH는 평균8.22로 나타났다.
- 악취물질에 대한 모니터링 결과 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 전체적으로 Sulfurs (5 종)의 농도가 높게 나타났으며, Ketones (7 종), Alchols (8 종), Aromatics (4종), Nitrous compounds (4 종) 순으로 높게 검출되었다.
- 침출수의 중금속을 분석한 결과 Mo, Mn, Fe가 대표적으로 분해과정 중 검출되는 것으로 나타났으며, Mo, Mn, Fe를 제외한 대부분의 중금속은 불검출 또는 미량 검출되는 것으로 나타났다. 특히 Mo, Mn, Fe의 경우 매몰 후 42주가 경과한 날부터 농도가 높아지는 경향을 나타내고 있으며, 60주~64주에 가장 높은 농도로 발생함에 따라 활발한 분해가 이루어졌음을 짐작할 수 있었다.
- 특히, Sulfurs 5 종 중 지정악취물질인 4 종(Dimethyl disulfide, Dimethyl sulfide, Hydrogen sulfide, Methyl mercaptan)의 경우 대부분의 시료에서 배출허용기준(공업지역)을 초과하여 검출되어 주요 악취유발물질이라고 할 수 있다. 특히, 매몰 후 5개월~7개월 사이에 고농도로 검출되었고, 시간이 지남에 따라 감소하는 경향을 보이고 있으나, 사체분해 후반기에도 여전히 검출되고 있으므로 매몰지 악취물질 관리를 위해 최우선적으로 고려해야 할 항목으로 나타났다.
- 해체된 매몰지에서는 Fig. 4와 같이 약간의 악취와 함께 소의 털과 뼈들이 발견되어 거의 분해가 완료된 것을 확인할 수 있었다. 사체 주변의 토양은 수분을 함유하고 있었으며, 토양을 채취하여 수분함량과 pH를 측정한 결과 수분함량은 평균 16.
후속연구
- 특히, 복토층의 경우 외부온도에 사체층 보다 민감하게 반응하는 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 사체가 부패됨에 따라 온도가 높아지는 경향은 뚜렷하게 확인하지 못하였다.
- 그러나 Sulfurs(5 종)는 토양종류에 따른 농도 수준이 다소 상이한 것으로 조사되었다. 사양질 토양에 비하여 사질 토양에서 낮은 농도로 검출되어 토양의 종류에 따른 Sulfurs(5 종)의 생성/분해/유출 속도 등이 상이한 것으로 나타나 추가적인 조사가 요구된다. Sulfurs(5 종)는 가축분뇨 저장조 및 처리시설에서 분해 시 발생하는 주요 악취 화합물 중 하나로서 달걀썩은 냄새가 나며 자극성이 있으며 질식을 유발시키는 가스이다.
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