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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.2 pp.187-198
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.2.187

Odor emission characteristics in anaerobic high temperature burial composting of swine carcasses

Woo-Young Yang, Jin-Young Lee, Yeon-Ju Choi, Hee-Wook Ryu*, Jeong-Seok Chae1, Jun-Min Jeon1
Department of Chemical Engineering, Soongsil University
1Green Environmental Complex Center
Corresponding author +82-2-820-0611hwryu@ssu.ac.kr
June 2, 2017 June 21, 2017 June 21, 2017

Abstract

It is very important to treat infected livestock carcasses safely and quickly. In this study, the degradation characteristics and odor generation characteristics of carcasses were investigated during the treatment of swine carcasses using the anaerobic burial composting method. While the carcasses were decomposed, the temperature remained high, at 40~55°C on average, and most of the carcasses were decomposed rapidly. The major odorcontributing substances in the buried composting method are sulfuric odor substances such as H2S, CH3SH, dimethyl sulfide (DMS) and dimethyl disulfide (DMDS), and the odor contribution of these substances is 93~99%. Among them, CH3SH, which accounts for about 56~89% of odor contribution, was the most representative indicator substance. Despite the anaerobic digestion process, the methane concentration in the digestion process was as low as 0.5~0.8% at the burial point of the carcass. The odor and methane produced during the decomposition of the carcasses decreased considerably during the discharge to the surface layer through the buried layer consisting of compost. These results suggest that anaerobic high temperature burial composting is one of the most useful methods to treat carcasses of infected livestock.


돼지 사체의 혐기적 고온 매몰퇴비화법에서의 악취발생 특성

양 우영, 이 진영, 최 연주, 류 희욱*, 채 정석1, 전 준민1
숭실대학교 화학공학과
1(주)그린환경종합센터

초록


    ©Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1.서 론

    구제역은 그 전염속도 및 55%에 달하는 치사율로 인하여 국제수역사무국(Office International des Epizooties, OIE)에서도 등급이 가장 높은 A급으로 지정한 가축 전염병이다. 구제역은 자주 발생하는 전염병은 아 니지만 그 전염성이 매우 강해서 초기 대처에 실패하 면 걷잡을 수 없을 정도로 확산된다. 따라서 구제역이 발생한 국가는 축산물의 국가간 교역이 중단되며, 질병 관리 비용, 매몰 비용 등 큰 경제적 손실을 초래하게 된다(Yang at al., 1998; Sobrino et al., 2001; McLaws et al., 2006).

    국내의 경우 2000년에 발생한 구제역은 재빠른 초기 대처를 통하여 수천두의 가축만이 살처분 및 매몰되었 다. 그러나 2010~2011년에 발생한 구제역은 약 1년여 동안 전국 11개의 시, 도에서 발생하여 350여만 마리 의 가축이 살처분 되었다(Kim and Lee, 2012).

    수백만 마리의 가축이 살처분에 따른 경제적 손실도 크지만 매몰지역의 침출수 유출로 인한 지하수와 토양 오염, 및 악취발생 등의 2차적인 환경오염 문제도 심각 하다(Park et al., 2012). 2010년 발생한 구제역 때는 큰 규모의 구제역이 처음이었기 때문에, 구제역에 대한 정 확한 지침이 없었던 상황에서 긴급하게 가축들을 매몰 방식에 의해 살처분 하였다. 이러한 감염 가축의 대량 처리는 처리의 긴급성 때문에 적절하지 않은 매몰지도 선정되었으며, 매몰 후 매몰된 장소에서 침출수가 새어 나와 주변 상수도 및 농작물에 피해를 입힌 사례가 보 고되기도 하였다(Ko and Seol, 2013).

    또한 가축전염예방법 제 24조매몰한 토지의 발굴 금지 및 관리에 의거하여 가축매몰지는 매몰시점으 로부터 3년간 발굴이 금지되기 때문에, 매몰지 내부의 부패 중에 발생되는 악취 및 침출수 등 환경조건을 매 몰 이후에는 제어하기가 힘들다는 문제가 있다.

    종래의 감염가축 처리법은 매몰법, 소각법, 퇴비화법, 산/알칼리 처리법 등이 사용되고 있다(Gwyther et al., 2011). 국내의 경우 토양 매몰법이 주로 사용되고 있는 데 2차 환경오염문제뿐 아니라 사축의 분해속도가 느 려 대형 가축 사체의 경우 분해에 4-5년이 소요된다.

    이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 매몰 법과 퇴비화법을 융합한 매몰 퇴비화법을 제안하였다. 매몰퇴비화법은 매몰법과 마찬가지로 웅덩이를 파고 토양대신 숙성퇴비로 사체를 감싸 40~70°C의 고온에 서 호기성 세균에 의해 빠르게 분해시켜 퇴비화하는 방법이다. 매몰 퇴비화법은 고온에서 빠르게 분해하는 퇴비화법의 장점과 간단하고 매몰지가 지상으로 노출 되지 않아 혐오감이 상대적으로 적은 토양 매몰법의 장점을 채택하였다.

    매몰 퇴비화법의 한 운전 형태로 혐기적 상태에서 선정하고, 대형사축인 돼지사체를 대상으로 호열성 통 성혐기성균으로 구성한 미생물 제제를 적용하여 돼지 사체의 분해 특성과 악취 발생 특성을 조사하였다.

    2.연구내용 및 방법

    2.1.실험재료 및 장치

    본 연구에 사용된 매몰용 사축은 도축장으로부터 구 입한 중량 80~90 kg의 요오크셔 품종의 성돈 6마리를 사용하였다. 구입한 사축은 고온에서 빠르게 분해될 수 있도록 퇴비로부터 분리한 호열성 균주 Geobacillus thermodenitrificans OP4 (KCCM11668P), Aneurinibacillus thermoaerophilus OP11 (KCCM11669P), 및 Bacillus sp. AL2 (KCCM11667P)의 배양혼합액을 사용하여 제조한 미생물제제를 사축 1마리당 약 300 mL씩 항문 을 통해 사체에 주입한 후에 매몰처리 하였다.

    본 연구는 Fig. 1과 같이 사축 매몰처리 시험장을 전 남 순천시 000 지역에 조성하였다. 시험용 test cell은 지상으로부터 1.3 m 깊이로 굴착하여 웅덩이를 만든 후 굴착토를 활용하여 2 m (W) × 2.8m (L) × 2.5m (H) 크기로 조성하였다. 사축의 분해과정에서 발생될 수 있는 침출수의 유출을 차단하기 위하여 HDPE 재 질의 농업용 비닐(두께 0.7 mm)을 cell의 바닥과 벽면 에 차수막으로 설치하였다. 사축의 분해과정에서 발생 되는 대사열이 cell의 바닥과 벽면을 통해 토양으로 손 실되는 것을 차단하여 매몰층의 온도가 40~70°C를 유 지할 수 있도록 두께 10 cm의 폴리스틸렌 폼 재질을 사용하여 단열처리 하였다.

    조성된 test cell 내부에 돼지 사축의 매몰과 가스포 집관, 고체매질시료 채취관, 및 열전쌍 등의 설치과정 을 Fig. 2에 도시하였다. Cell의 바닥과 벽면에 차수막 을 설치하고, 퇴비를 바닥으로부터 60 cm 까지 채운 후 사체의 매몰 위치 확인과 유골의 발굴이 용이하도 록 플라스틱 파레트를 설치하였다. 그 위에 중량 80~90 kg의 성돈 6마리의 사체를 올려놓고 퇴비로 덮 었다. Cell은 가스포집관, 열전쌍, 및 고체매질시료 채 취관 등을 원하는 위치(높이)에 설치하면서 퇴비를 2.5 m 높이까지 채워 완성하였다. 축분 퇴비는 6개월 이상 숙성된 돈분 퇴비를 사용하였다.

    사축이 분해하는 과정에서 발생되는 악취와 VOCs, CH4, CO2, O2 등의 가스상 물질을 채취하기 위하여 가 스 포집관을 표층으로부터 0.6 m, (상단, B1), 1.2 m (중 단, B2), 1.8 m (하단, B3)에 각각 1개씩 설치하였다. 가스포집관의 포집부는 직경 20 cm, 높이 30 cm의 부 직포로 감싼 유공관으로 구성되어 있으며 직경 5 cm의 PVC 관의 길이를 조정하여 원하는 깊이에 설치가 가 능하도록 연결되어있다.

    가스포집관을 통해 ORP probe (Marine Inc, USA) 를 삽입하여 각 위치에서의 산화환원전위 (Oxidation Reduction Potential, ORP)를 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 사축 분해과정에서 test cell의 표층을 통해 대기 중으로 배출되는 기상물질들을 채취·분석하기 위하여 표층에 0.5 m (W) × 0.5 m (L) × 0.5 cm (H) 크기의 아 크릴 챔버를 설치하였다. 매몰지 내부의 pH 변화를 확 인하기 위해 35 cm 간격으로 5 cm 크기의 시료채취구 가 총 4개 있는 고체매질시료 채취관을 10개 설치하였 다. 온도 측정을 위한 copper- constantan 재질의 열전 쌍을 사용한 온도센서를 제작하여 사체의 몸통, 3개의 가스포집관 설치지점, 매몰지 주변 토양의 표층(지표면 으로부터 30 cm 깊이), 비닐하우스 내부 등에 각각 설 치하여 부패과정 동안 온도변화를 data logger를 통해 모니터링 하였다.

    구제역이 주로 동절기에 발생하므로 이를 모사하기 위하여 동절기(1월)에 사축을 매몰하여 test cell의 운 전을 수행하였다. 구축된 test cell은 송풍관의 설치 없 이 혐기적 조건에서 사체가 분해되도록 운전 하였다.

    2.2.시료 측정 항목 및 분석방법

    악취물질은 국내 악취공정시험기준에 따라 관능평가 인 복합악취 평가와 22가지 지정악취 물질에 대해 기 기분석법으로 측정하였다(ME, 2014). 다만, 측정 악취 물질 중 지방산의 경우 측정기간 동안 검출이 되지 않 아 측정방법 및 연구 결과에서 제외하였다. 국외 연구 사례 중 퇴비 부자재를 이용한 가축 사체 퇴비화 연구 (Akdeniz et al., 2007)에서 또한 지방산 물질은 검출되 지 않는 것으로 보고되고 있다.

    복합악취 측정을 위해 10 L tedlar bag (TOP Trading Eng., Korea)을 사용하여 악취가스를 채취하였고, 무취공기에 채취 시료를 단계적으로 주입하여 희석시 료를 제조한 후 5명의 판정요원에 의해 냄새의 감지여 부를 단계별로 평가하였다. 최종 희석배수의 산정은 악 취공정시험법에 제시한 방법에 따라 최대 100,000배 까지 평가하였다.

    황화합물(Reduced Sulfur Compound, RSC)의 시료 는 복합악취 시료 채취와 동일한 방법으로 채취하여 GC (Shimadzu-17A, Japan)-FPD (Flame Photometric Detector, Shimadzu-17A, Japan)에 전자식 저온농축장 치(SPIS-TD 3000, Donam Instrument Inc., Korea)를 부착하여 분석하였다. 암모니아(NH3)는 0.5% 붕산용 액 50 mL를 2개의 임핀저에 나누어 담고 직렬로 연결 한 후 먼지필터가 장착된 유입부로 50 L (10 L/min × 5 min)의 시료를 흡수시켰다. 흡수가 끝난 붕산용액 10 mL를 분취하여 인도페놀법으로 1시간 동안 발색시킨 후 UV (160A, Shimadzu, Japan)를 사용하여 640 nm 파장에서 흡광도를 측정하여 농도를 계산하였다.

    트리메틸아민(trimethylamine, TMA)은 원형유리섬 유 거름종이(Glass microfiber: 47 mm, Whatman, UK) 를 산성여과지 처리하여 50 L (10 L/min × 5 min)의 시 료 가스의 흡착을 유도하였다. 채취에 사용된 시료여지 를 증류수 20 mL에 깨트린 후 3 mL를 바이알에 넣고 NaOH 50% 2 mL를 주입하여 교반 후 용출시켜 SPME (Solid Phase Microextraction, 65 μm, Supelco, USA) 방식에 따라 fiber에 흡착·농축 시켰다. 분석은 GC (2010Plus, Shimadzu, Japan)의 주입구에서 220°C로 3 분간 열탈착하여 200°C의 온도 조건하에서 TMA를 고 감도로 검출이 가능한 NPD (Nitrogen Phosphorous Detector)로 정량 분석하였다.

    알데하이드류는 DNPH (2,4-dinitrophenylhydrazine) cartridge (S10, Supelco, USA)를 이용하여 Personal Air Sampler (Gilian, USA)로 1 L/min으로 10분간 총 10 L를 채취하였다. 채취 시 오존의 영향을 제거하기 위하여 2,4-DNPH 카트리지 전단부에 KI가 채워져 있 는 오존 스크러버(Waters, U.S.A)를 적용하였다. DNPH 로 유도체화 시킨 알데하이드류 화합물은 HPLC/UV (YL9100, Younglin, Korea)에서 360 nm의 파장으로 알데하이드류 성분들을 측정하여 농도를 계산 하였다.

    악취성 VOCs의 시료 채취는 10 L Tedlar bag에 채 취한 후 휴대용 펌프(MP-Σ30KN, Sibata)로 총 1 L (100 mL/min × 10 min)의 시료를 Tenax-TA 흡착제 (Supelco, USA) 200 이 충진된 흡착관(Perkin elmer, Supelco)에 흡착을 유도하였다. 그리고 이를 열탈착분 석기(Thermal Desorber, TD)와 GC (GC 6890N, Shimadzu, Japan)-MS (Mass Spectrometer; GC 5973N, Shimadzu, Japan)가 결합된 분석 시스템으로 분석하였다.

    Table 1은 조사대상 악취물질에 대한 최소감지농도 (Odor Threshold Value, OTV)로서 방법검출한계 (Method Detection Limit, MDL)를 상대표준편차(Relative Standard Deviation, RSD)로 나타낸 것이다. MDL 값은 7회 반복 분석하여 산출한 값이며, RSD는 0.81~ 4.86%로 국내 악취공정시험 기준인 10% (ME, 2014) 보다 낮게 평가되어 양호한 재현성을 보였다. 약 1년여 동안 시료의 채취와 분석이 이루어졌으므로 채취 시료 의 분석 전에는 앞서 언급한 바와 같이 분석기기의 정 도관리가 이루어진 상태에서 분석을 진행하였다.

    메탄, 이산화탄소 및 산소의 농도는 휴대용 측정장 비(biogas meter 5,000, Geotech Ltd. UK)를 사용하여 측정하였다. 측정장비의 정도관리는 0%, 15%, 50%로 혼합된 3가지 표준가스를 이용하여 측정 전에 정도관 리를 진행하였고, calibration 후 약 ±0.5% 오차범위의 신뢰도를 나타냈다.

    고체매질 시료채취기를 악취가스 포집 시기에 맞추 어서 1개월 간격으로 1개씩 뽑아내서 퇴비층 높이별로 4 지점의 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 pH와 수 분함량 등의 측정에 사용하였다. PH 측정은 채취 시료 1 g을 증류수에 현탁시켜 pH meter로 측정하였다.

    3.연구결과 및 고찰

    3.1.사축 분해과정에서의 온도 변화

    사축을 매몰하여 처리하는 약 1년 동안 매몰지 시험 장 주변의 토양, test cell 내부 및 test cell을 덮고 있는 온실 내부 등으로부터 정오에 측정한 온도 변화를 Fig. 3에 나타냈다. 토양 온도는 동절기에 0~8°C 범위 이었 고, 하절기에는 30°C 까지도 상승하였다. 마찬가지로 비닐하우스 내부 온도는 동절기에는 4~5°C이고, 하절 기로 계절이 바뀜에 따라 지속적으로 온도가 상승하여 5월부터 8월까지는 약 50°C 내외로 유지되었고, 동절 기로 계절이 변화함에 따라 온도가 지속적으로 감소하 였다.

    Test cell 내부의 퇴비층 온도는 하부층(B3)에서 상층 부(B1)로 갈수록 온도가 상승하였다. 이러한 현상은 일 반적인 퇴비화법에서 관찰되는 것으로 통기관을 통해 공급된 공기와 사축의 분해과정에서 발생된 기체들이 대사열에 의해 온도가 상승하여 퇴비층을 통과해 상층 부로 배출되는 대류현상 때문이다. 공기를 주입하지 않 고 혐기적인 조건하에서 사축을 분해하는 본 연구에서 도 호기공정과 유사한 현상이 관찰됨을 확인할 수 있 다. 사축이 매몰된 하부(B3)와 사축 내부 온도는 매몰 초기 약 45°C에서 서서히 감소하여 50일 경과 후에는 약 40°C 내외로 큰 변화 없이 유지되었다. 중층부(B2) 와 상층부(B1)는 매몰초기보다 온도가 상승하여 50일 경과 이후에는 각각 45~50°C와 50~55°C로 일정하게 유지되었다.

    본 연구에서 제안한 방법은 혐기적 운전조건에서 매 몰 퇴비층의 온도를 약 1년에 걸친 장기간 동안 40~55°C의 고온상태를 지속적으로 유지가 가능하여 호열성 세균들이 활성을 유지할 수 있는 환경조건의 제공이 가능함을 알 수 있다.

    3.2.매몰 퇴비층의 pH와 ORP 변화

    사축이 분해되는 시간 경과에 따라 매올 퇴비층의 높이별 pH와 ORP의 변화를 Fig. 4에 나타냈다. 퇴비 의 초기 pH는 약 5.5이었고, 사축이 매몰된 지점 주변 (B4)의 pH는 초기에는 약 7.5까지 약간 상승하였다가 100일 경과 후에는 약 6.2~6.5로 감소한 후 일정하게 유지되었다. 그 이상의 상층부(B1, B2, B3)에서의 pH 는 오히려 초기 보다 약간 감소하였으나 변화는 미미 하였다. 초기에 pH가 증가한 이유는 돼지 사체의 단백 질이 분해하는 과정에서 암모니아가 발생하기 때문이 다(Dekeirsschieter et al., 2009).

    매몰층의 ORP는 test cell의 상층부(B1)에서 사축이 매몰되어 있는 하층부(B3)에서 갈수록 감소하였고, 매 몰 초기 약 170일까지는 낮은 상태를 유지하였으나 시 간이 경과함에 따라 전 퇴비층에서 지속적으로 증가하 였다. 사체 매몰지점(B3)의 경우 –300 mV로 완전혐기 상태가 유지되었고, 170일 경과 후에는 –50 ~ –100mV 로 상승하였다. 전반적으로 사축의 분해가 혐기적 상태 에서 진행되고 있음을 ORP를 통해 확인이 가능하였다. 상층부의 ORP는 초기 –53 mV에서 시간이 경과됨에 따라 증가하기 시작하여 약 170일 이후에는 –10 ~ 10 mV 사이이다. 이는 사체가 분해됨에 따라 산소 소비량 과 분해가스 발생량이 감소하고, 표층으로부터 공기가 유입되기 때문으로 추정된다.

    3.3.혐기적 조건에 의한 매몰 사축의 분해정도

    Test cell에 사축을 매몰한 후 약 1년경과 후에 발굴 작업을 통해 사축의 분해 상태를 확인하였다(Fig. 5). 사축의 분해상태는 다음과 같은 5단계로 구분되며 각 단계별 주요 특징은 다음과 같다(Dekeirsschieter et al., 2009).

    • 신선부패단계 (1단계): 사체 분해 과정에서 사체 내 VOC가 검출되지 않음

    • 부풀림 분해 단계 (2단계): 알코올류와 황화계 악취 물질(DMS)들이 다량 발생

    • 활성분해단계 (3단계): 가장 강한 악취를 가진 많은 화학 물질들이 배출됨. 이 단계에서 주로 인돌, 페 놀 및 4- 메틸 페놀 등이 검출되며 황화계 악취물 질은 DMS과 DMDS가 주요 물질이며, 질소계로 트리메틸아민과 유기산이 다량 발생

    • 건조화단계 (4단계): 알데히드 부분이 증가

    • 해골화단계 (5단계): 뼈와 머리카락만 남음

    매몰 1년경과 후 사축의 대부분이 분해되어 백골이 관찰되었으며, 부분적으로 가죽 및 지방층이 남아 있는 상태이었다. 분해단계로는 4단계인 건조화과정에서 5 단계인 백골화 단계로 전이하고 있는 과정이었다. 평균 적으로 4~5년 이상이 소요되는 토양 매몰법에 비하여 매몰퇴비화법은 혐기적 운전임에도 사축의 분해속도가 상당히 빠르게 진행되었다. 대형가축 임에도 돼지 사체 의 빠른 분해는 40~55°C의 고온에서 호열성 세균에 의 해 분해가 촉진되기 때문으로 보인다.

    3.4.악취 조사결과

    사체의 매몰 후 시간 경과에 따른 복합악취와 주요 악취물질들의 농도 변화를 Fig. 6에 나타냈다. 돼지사 체의 분해과정에서 질소계와 황화합물, 유기산들, 알데 히드류, 고리형 탄화수소 등이 방출되었다(Dekeirsschieter et al., 2009; Brasseur et al., 2012; Stadler et al., 2012; Glanville et al., 2016).

    악취발생특성을 종합적으로 파악할 수 있는 복합악 취는 매몰층인 하단에서 복합악취가 가장 높고 표층으 로 갈수록 점점 낮아졌다. 매몰 기간 동안 복합악취의 평균희석배수는 복토층 표층 7,800배, 상단 46,200배, 중단 89,000배, 하단 95,300배 이었다. 사축의 매몰층 인 하단의 경우 복합악취 농도는 전 기간 동안 고농도 로 유지되었으나(100,000배 이상은 측정하지 않음), 상 층의 복합악취는 약 180일 경과 후부터 현저하게 감소 하였고 표층으로 배출되는 악취는 매몰 후 약 50일 경 과 후부터는 약 3,000배 이하로 현저하게 감소하였다. 매몰층을 통해서 사축분해과정에서 발생되는 상당 부 분의 악취가 매몰층을 통과하여 표층으로 배출되는 동 안 감소함을 알 수 있다. 숙성된 돈분퇴비를 사용한 본 연구에서는 표층의 돈분 퇴비가 biofilter 기능을 가지 기 때문으로 추정된다(Bonhotal et al., 2014). 일반 토 양 매몰법에 비해 퇴비화법의 경우 고온에서 처리하기 때문에 분해속도가 빠르고, 퇴비 자체가 침출수를 흡수 하여 침출수 누출을 차단하는 등의 많은 장점이외에도 표층이 바이오필터 기능을 하기 때문에 악취 발생량을 줄일 수 있는 장점이 있다.

    주요 악취물질들의 배출 특성을 살펴보면, 질소계 악취물질은 암모니아가 매몰 후 약 100일부터 상승하 기 시작하여 330일까지 최대 350 ppm 까지도 검출이 되었고, TMA는 매몰 후 약 140일부터 농도가 증가하 였으며 최대 300 ppb 정도로 검출이 되었다.

    질소계 악취물질들은 매몰층 보다는 상층부에서 더 고농도로 검출이 되었다. 황화계 악취물질은 매몰 직후 매몰층에서 수백~수천 ppm 의 고농도로 검출이 되었 다. 특히, methyl mercaptan의 경우 1,600 ppm 까지도 검출되었다. 매몰 시간이 경가됨에 따라 황화수소는 농 도가 급감하였으나, 나머지 황화계 악취물질들은 전 기 간에 걸쳐 수십~수백 ppm이 검출되었다. 표층으로 배 출되는 황화계 악취물질들의 농도는 매몰층의 농도보 다 훨씬 낮은 수십~수백 ppb 수준이다. 매몰 초기에 황화수소의 농도가 높은 데 이는 돈분의 퇴비화과 활 발히 진행될 때 황화수소가 많이 배출되기 때문이다 (Argo et al., 2000; Moreno et al., 2010).

    주요 악취물질 중 하나인 알데히드류의 경우 매몰 후 약 30일 경과부터 증가하기 시작하였고, 약 330일 까지 고농도로 유지되다가 330일 경과 후에 알데히드 류 중 농도가 높은 acetaldehyde, propioaldehyde, 및 ivaleraldehyde 이 급감하였다. 이러한 경향은 부패 4단 계인 에서 5단계인 해골화 과정으로 전이과정에서 나 타나는 전형적인 특징이다.

    악취물질의 매몰층 높이별 농도 분포가 물질에 따라 다르게 나타났다. 복합악취와 마찬가지로 주요 악취기 여 물질들인 황화합물 4종과 프로피온알데하이드, 뷰 틸아세테이트의 경우 높이별 농도는 하단 (B3) > 중단 (B2) > 상단 (B1) > 표층 (B0) 순이지만, 그 외의 알데 하이드류 및 VOC의 일부 물질들은 상단에서 오히려 고농도로 분포하기도 하였다.

    매몰지의 하단(사체층) 부분에서 시간 경과 후 악취 기여물질들의 변화를 Fig. 7에 나타냈다. 악취기여율의 산정은 측정농도 수치를 최소감지농도로 나누어 계산 되는 개별 악취활성수치(Odor Activity Value, OAV)와 OAV의 합인 SOAV (Sum of Odor Activity Value)에 대한 개별 악취물질 OAV의 기여율로 나타낸 것이다. 혐기적 고온 매몰퇴비화법의 주요 악취 기여물질은 H2S, CH3SH, DMS, DMDS 등의 황화계 악취 물질이 며, 전 기간에 걸친 이들 물질들의 악취기여도가 93~ 99%로 절대적이다. CH3SH의 기여도는 전 기간에 걸 쳐 56~89%로 가장 높고, DMS는 초기에는 1.5~12%, 33~138일 사이에는 24~27%, 말기에는 3~9%로 감소 하였다. 황화수소의 초기에는 악취기여도가 약 18% 이었으나 시간 경과에 따라 약 138일 경과 후에는 0.2% 정도로 감소하였다. 사축의 분해과정에서 황화계 악취물질이 대량 발생하는 것은 단백질의 분해과정에 서 황함유 아미노산으로부터 CH3SH, DMDS, DMTS 이 생산되기 때문이다(Higgins et al., 2002). 사체의 분 해와 관련된 유력한 지표물질들로 DMDS, DMTS, pyrimidine로 제시되고 있다(Akdeniz et al., 2010). 본 연구진의 다른 연구에서 5~40°C의 중온 상태에서 사 축이 분해가 이루어지는 토양 매몰법에서 주요 악취 기여물질은 CH3SH, DMS, DMDS 가 85%를 차지하 였고, 그 중에서도 CH3SH와 DMDS의 기여도가 높다. 또한 호기공정인 퇴비매몰법에서 악취 기여물질은 H2S가 가장 기여도가 높고 그 다음이 CH3SH 이었다. 사축의 처리방법, 운전조건 등에 따라 사축의 분해과정 에서 배출되는 악취 기여도가 다르긴 하지만 본 연구 진의 선행연구와 본 연구 결과를 종합적으로 살펴보면 돈분 퇴비화의 지표인 황화수소를 제외하고 가장 유력 한 지표물질이 CH3SH 임을 알 수 있다.

    3.5.온실가스 및 산소 농도 분포 특성

    사축의 분해과정에서 발생되는 주요 온실가스인 CH4와 CO2, 그리고 O2의 농도 분포를 Fig. 8에 나타냈 다. 매몰된 가축의 분해과정에서 야기되는 환경오염문 제 중 하나가 온실가스 배출이다. Yuan et al. (2012) 에 의하면 토양 매몰한 감염사축의 혐기분해 과정에서 약 온실가스를 메탄 0.33 m3/kg, 이산화탄소 0.09 m3/ kg이 생산된다고 한다. 또한, 한국자치발전연구원의 분 석에 의하면 2011년 구제역으로 매몰된 사축에 의한 메탄가스 발생잠재량은 6,500만 m3이고, 온실 가스량 은 1 백만 CO2 환산톤으로 많은 양의 메탄가스가 생성 되는 것으로 평가되고 있다(Choi, 2011). 그에 반하여 본 매몰퇴비화법에서는 사축이 활발히 분해되는 약 250일 동안 사축 매몰지점을 포함하여 퇴비층의 CH4 의 농도는 0.8% 미만으로 낮게 유지되었다. 기존 연구 들에 비해 고온조건에서 운전한 본 연구에서는 고온메 탄 발생 농도가 낮은데 중온과 고온에서 미생물들의 유기물 분해과정에서 발생되는 메탄의 양은 고온에서 발생량이 많다는 보고도 있지만(Sathish and Vivekanandan, 2014; Moset et al., 2015) 중온성 균들이 메탄 생 산수율이 높다는 상반된 보고도 있다(Varel and Hashimoto, 1988).

    메탄 농도는 사축이 분해되는 하층부에서 가장 높은 0.5~0.8% 이지만 상층부로 올라갈수록 감소하여 표층 에서는 0~0.2%가 검출 되었다. 이는 표층의 퇴비층이 바이오필터 또는 biocover 기능을 하여 메탄이 제거되 기 때문으로 보인다. 여러 연구들에서 매립지와 같이 악취와 메탄이 발생되는 환경에서는 표층에서 악취 제 거 및 메탄산화 세균들의 활성이 우수하여 악취와 메 탄을 제거하는 biocover 기능을 수행한다(Bogner et al., 2010; Ryu and Cho, 2012; Lee et al., 2014). 표층 의 메탄 산화 작용은 일반 토양의 경우 산소공급이 원 활하여 biocover 작용은 메탄 산화세균의 활성이 유지 되는 0~20 cm에서 주로 이루어진다. 사축의 매몰층에 서는 악취의 농도가 높은데 반하여 표층으로 배출되는 가스들의 악취농도가 미미한 것과 동일하다. 고온 매몰 퇴비화법의 경우 퇴비층이 biocover나 biofilter 기능을 수행하여 메탄의 발생을 억제하므로 사축분해과정에서 배출되는 온실가스를 저감할 수 있는 유용한 방법이라 고 할 수 있다.

    표층에서 사체의 분패가 진행됨에 따라 산소농도는 증가하고 CO2 농도는 감소하였으며 250일 경과 이후 에는 CO2 농도가 급감하였는데 사체의 분해가 거의 완료되어 해골화 단계로 접어들었기 때문으로 사료된 다. 시간이 경과됨에 따라 사축이 분해되어 퇴비층이 서서히 가라앉는 현상이 발생되는데 350~400일 경과 시에는 약 40 cm 가량 가라앉았다. 이로 인해 퇴비층 이 압축되어 분해과정에서 생성된 기체들이 배출되지 못하고 퇴비층에 고여 있게 되어 농도가 상승하는 것 으로 추정된다.

    4.결 론

    국내에서 주로 사용되는 토양 매몰법의 경우 느린 분해속도와 전염성 병균이 생존할 수 있는 낮은 분해 온도(10~27°C), 사축 분해 과정 시 발생되는 각종 악취 물질로 인한 주변 악취민원 소지, 온실가스 발생 등의 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 사축에 고온 혐 기성 균주와 축산퇴비를 적용시켜 사축의 부패속도를 높이고, 분해과정 시 발생되는 악취물질 및 온실가스를 저감하고자 하였다.

    자체 제작하여 실험한 혐기성 cell에서 평균적으로 40~55°C의 고온을 유지하여 고온의 혐기성 균주는 생 존가능하나, 저온성 전염성 세균의 생존 활성은 저해되 는 매몰 조건을 만들 수 있었다. 사축의 분해과정 중 pH 및 ORP를 확인한 결과, 혐기성 조건에서 사축의 분해가 활발할 때, pH는 6~7로 상승하였으며, ORP 또 한 혐기 조건으로 유지되는 것을 확인 할 수 있었다.

    악취 측정 결과, 황화합물이 주요 악취 기여물질로 나타났고, 단백질 분해 시 발생하는 이들 물질을 확인 함으로써, 사축의 분해가 활발하게 진행되고 있음을 확 인 할 수 있었다. 특히 이러한 악취의 발생은 본 연구 조건을 통하여 사체 분해를 조기에 완료시킴으로서 악 취의 지속적인 발생을 방지할 수 있다. 혐기적 고온 매 몰퇴비화법에 의한 돼지 사체의 분해과정에서 발생되 는 주요 악취 기여물질은 H2S, CH3SH, DMS, DMDS 등의 황화계 악취 물질이다. 이들 물질의 악취기여도는 93~99%이며 특히 CH3SH의 기여도는 전 기간에 걸쳐 56~89%로 가장 높다. 또한 CH4, CO2와 같은 온실가 스가 cell 내부에서는 발생하지만 표면으로 갈수록 그 농도가 감소하였으며, 사축 분해층인 하단부에서도 시 간이 지남에 따라 감소하여 온실가스를 저감할 수 있 는 분해법임을 확인 할 수 있었다.

    고온혐기성 균주와 축산퇴비를 적용한 사축의 혐기 분해 공정은 사축 부패 촉진을 통해 매몰 처리완료 시 기를 앞당길 수 있는 매몰법임을 확인하였다. 하지만 실제 사축의 매몰현장에서 대량으로 발생하는 사축에 대한 적용가능성을 확인해 보아야 하며, 그에 따른 분 해 조건이나 발생물질의 변화 가능성에 대하여 파악해 볼 필요성이 있다.

    감사의 글

    본 연구는 환경부 환경산업기술선진화기술개발사업 으로 이루어졌으며, 이에 감사드립니다.

    Figure

    JOIE-16-187_F1.gif

    Structure of pilot test used for swine carcasses buried.

    JOIE-16-187_F2.gif

    Construction process of burial test site : anaerobic decomposition cell.

    JOIE-16-187_F3.gif

    Temperature change of the anaerobic decomposition process.

    JOIE-16-187_F4.gif

    pH and ORP change of anaerobic process during the swine carcasses decomposition.

    JOIE-16-187_F5.gif

    Decomposition status of the swine carcasses after 1 year.

    JOIE-16-187_F6.gif

    Odor concentration by buried position during anaerobic process.

    JOIE-16-187_F7.gif

    Change of major odor contribution compounds in the swine carcasses during anaerobic decomposition process.

    JOIE-16-187_F8.gif

    Change of CH4, CO2, O2 concentration during the swine carcasses decomposition.

    Table

    List of analyzed compounds parameters

    aOTV: odor threshold value: refer to ME (2007)
    bMDL: method detection limit
    cRSD: relative standard deviation
    dmxylene = 41 ppb, p-xylene = 58 ppb

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