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승리 모
5 years ago
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1 한국환경농학회지제 28 권제 4 호 (2009) Korean Journal of Environmental Agriculture Vol. 28, No. 4, pp 연구보문 우분야적시암모니아휘산량과강우에의한질소및인산유출량평가 윤홍배 ** 이연 이상민 김석철 홍승길 이용복 * 농촌진흥청국립농업과학원 (2009 년 12 월 9 일접수, 2009 년 12 월 26 일수리 ) Ammonia Emission and Nitrogen and Phosphorous Loss by Rainfall from Cow Manure Pile Hong Bae Yun **, Youn Lee, Sang Min Lee, Suk Chul Kim, Seung Gil Hong, and Yong Bok Lee * (National Academy of Agricultural Science, RDA) ABSTRACT: For the reduction of ammonia (NH 3) volatilization from the cow manure composting process, a cow manure pile was covered with vinyl (white polyethylene) and the ammonia emissions were evaluated using the dynamic chamber system for 47 days. Nitrogen and phosphorus loss from cow manure pile by rainfall was also measured in this study. In the cow manure pile without covering, the amount of NH 3 emission was 0.78 N kg/mg which accounted for 9.4% of total nitrogen contents in the cow manure. Eighty nine percent of the total NH 3 emission during experimental period from the cow manure pile without covering was emitted for the first 21 days. The vinyl covering of cow manure pile reduced 91% of NH 3 emission compared to the pile without covering. The amounts of nitrogen and phosphorus loss by rainfall from cow manure pile without covering were 1.27 N kg/mg and 0.23 P kg/mg for 47 days, respectively. Results from this study demonstrated that vinyl covering of cow manure pile could reduce NH 3 emission and loss of nitrogen and phosphorus by rainfall during composting. Key Words: Ammonia Emission, Cow Manure, N and P Loss 서론 가축분뇨는자원으로활용할경우토양유기물보충및작물의양분공급원으로가치를가지고있는반면, 적절하게관리되지않을경우자연환경에악영향을미치는오염원으로작용한다 1). 2008년우리나라에서사육된가축은소 2,876 천두, 돼지 9,087 천두그리고닭은 119,780 천수이다 ( 한편, 이들가축사육수와농촌진흥청에서발표한축종별원단위를적용하여분뇨발생량을추정한결과약 3,960 만톤 ( 세정수포함 ) 에상당하는양이다 2). * 연락저자 : Tel: , Fax: E-mial: soiltest@kg21.net ** 공동연락저자 : Tel: , Fax: hbaeyun@korea.go.kr 그리고우리나라의전체가축분뇨발생량을축종별로구분하여보면, 우분이 46.3% 로가장많은양을차지하며, 돈분이 42.6%, 계분 11.1% 순이다. 유럽의축산선진국과미국은대부분의가축분뇨를액비화과정을거쳐서활용하고있지만, 우리나라는전통적으로가축분뇨를퇴비화공정을거친후농경지에활용하고있다. 일반적으로퇴비화는친환경및지속적인가축분뇨처리방법으로널리이용되고있지만, 많은양의암모니아를휘산시킨다. 퇴비화과정에서휘산되는암모니아는작물생산에이용되는가축분의질소양분가치를감소시키며 3), 환경측면에서는대기오염, 생태계교란을일으키는한요인으로알려져있다 4-6). 지금까지가축분뇨의퇴비화과정에서발생되는암모니아휘산량평가및저감에관한다수의연구가이루어지고있다. 예를들면, 계분과볏짚혼합물은퇴비화과정에서초기질소함량의약 44% 가암모니아로휘산된다 7). 그리고육계사육장의깔개는퇴비화과정에서초기전질소함량의약 392

암모니아휘산및질소인산유출량 393 Table 1. Selected properties of sawdust-bedded cow manure used in this experiment Moisture (%, wet wt.) O.M T-N P TAN (mg/kg) 65 730 24.2 15.

2 암모니아휘산및질소인산유출량 393 Table 1. Selected properties of sawdust-bedded cow manure used in this experiment Moisture (%, wet wt.) O.M T-N P TAN (mg/kg) ,570 All values are expressed on a dry weight basis unless otherwise indicated. TAN : Total ammoniacal nitrogen, O.M : organic matter 47-62% 가암모니아로휘산된다 8). 그리고돈분과톱밥의퇴비화과정에서 Alum 처리는무처리에비해약 78% 의암모니아휘산량을저감시킬수있다고보고하였다 9). 우리나라에서발생되는돈분과계분은약 80% 이상이공장형퇴비화시설에서퇴비화과정을거친후농경지에활용되고있는실정이지만, 우분의경우는대부분이축사및농경지인근에야적후자연퇴비화과정을거쳐서농경지에활용되는편이다. 특히, 농경지에살포되기전우분의관리상태즉, 피복유무에따라양분손실에상당한차이가예상된다. 이에본연구는우분야적시발생되는암모니아휘산량을정량적으로평가하고강우차단시설없이야적할경우자연강우에의한질소와인의유출양을평가하여향후농가우분관리방법개선을위한기초자료를제공하고자수행하였다. 재료및방법 우분야적방법본연구의공시우분은톱밥을깔짚으로활용한경기도화성시축산농가에서운반하여사용하였으며, 그화학적특성은 Table 1과같다. 우분의수분함량은퇴비화조건에적당한 65% 였으며, 유기물대질소비는 30.2, TAN (Total Ammoniacal Nitrogen) 함량은 3,570 mg/kg 이었다. 우분야적은나무합판 (2 m 2 m) 에비닐을깐후그위에 250 kg (fresh weight) 을쌓아서더미를만들었으며, 암모니아휘산평가를위하여비닐 (white polyethylene) 피복과비닐무피복더미를두었다. 그리고강우시양분유출량평가를위해서는무피복상태의별도우분더미를두었으며, 유출수수거가용이하도록바닥을약 10도의경사를두었다. 우분더미의교반은암모니아휘산량평가를위한처리는시험개시후일주일간격으로 5회실시하였으나, 강우에따른양분유출량평가를위한우분더미는시험기간동안교반작업을하지않았다. 시험기간은 2007년 6월 6일부터 2007년 7월 23일까지 47일동안실시하였다. 조사기간동안총강우량은 318 mm 였으며, 유출수는 800 L 크기의플라스틱통에수집하여총 4회칭량하였고, 그중일부의용액을채취하여질소와인산성분분석용으로사용하였다. 퇴비더미의온도변화는 20 cm 깊이에온도센서를묻은후데이터로거 (WatchDog, Spectrum Technologies, Inc. 450) 를이용하여우분야적 2일후부터 6시간간격으로조사하였다. Fig. 1. The chamber system for trapping ammonia emitted from the cow manure pile. 암모니아가스포집및측정방법우분더미로부터휘산되는암모니아포집은 Fukumoto 등 10) 이고안한장치에근거하여약 5 m 3 크기로제작하였다 (Fig. 1.). 이때배기량은 56.5 m 3 /h 이되도록조절하였으며, 휘산되는암모니아포집을위해전체배기량중 2 L/min 를 0.05 N-H 2SO 4 용액 100 ml 을넣은유리용기를통과시켰다. 암모니아포집시료채취는시험개시후 1일간격으로 47일간동일시간에실시하였으며, 황산용액에포집된암모니아는 Automatic ion analyzer (BRAN-RUEBBE. CO) 를이용해서분석하였다. 퇴비및유출수성분분석퇴비의총질소분석은건조한퇴비 1 g 을황산으로분해시킨후킬달법으로정량하였으며, 인산은산가수분해후비색정량하였다 11). 퇴비의유기물함량정량을위하여먼저 105 에서 24시간건조후 20 g 내외의시료를도가니에취하여 550 전기로에서 4시간탄화시킨다음데시게이터에서냉열후무게를달았다 11). 퇴비의침출수중질소, 인산함량분석은퇴비중총질소와인산분석방법과동일한방법을이용하였으며, 야적기간중총질소와인산의유출량은물의유출량에질소와인산의농도를각각곱하여산출하였다. 결과및고찰 우분야적시암모니아휘산량우분야적더미의비닐피복유 무에따른온도변화는 Fig. 2에서보는바와같다. 두처리모두빠르게고온기에

3 394 윤홍배 이연 이상민 김석철 홍승길 이용복 Fig. 2. Changes in temperature of the cow manure pile with or without vinyl covering. 도달하여최고약 65 까지상승하였다. 비닐무피복의온도변화는퇴적 2-3일째최고온도에도달한이후점점낮아져서 10일째이후 40 유지하였고, 2차교반 (14일째) 이후약간상승하였지만이후큰온도변화는없었다. 그러나비닐피복처리구의온도변화는 1차교반 (7일째) 이후다시약 60 까지상승하였으며약 2주간 50 이상을유지하였으며, 1차교반이후에서 3차교반전까지비닐피복처리구의온도는무피복처리구에비해약 5-10 가높았다. 이는퇴비화기간중고온기에발생되는빠른수분증발을비닐피복이억제시킴으로써무피복에비해수분이용율향상에따른생물학적활성이오래유지된것으로생각된다. 그러나퇴비화후숙단계인퇴비화 3주째이후두처리모두온도변화는없었다. 퇴비화기간중고온기동안비닐무피복처리구의암모니아휘산은높은수준을유지하였지만, 온도변화가없는퇴비화 3주이후의암모니아발생량은매우낮은수준이었다 (Fig. 3.). 비닐무피복처리구의야적후 3주동안암모니아휘산량은 0.70 N kg/mg으로전체휘산량의 89.6% 에해당된다. 이와같은대부분의암모니아가퇴비화초기에휘산되는패턴은 Osada 등 12) 과 Kuroda 등 13) 의연구결과와일치하는경향이다. 퇴비화로인한우분야적더미중의고온은미생물에의한높은유기물분해에서발생된것이기때문에이과정에서많은양의 NH 3 가생성된다. 우분더미의 47일야적기간동안비닐피복처리구의암모니아휘산량은 0.07 N kg/mg( 이는초기우분중 T-N의 9.4% 해당량 ) 으로비닐무피복처리구의 0.78 N kg/mg 에비하여약 91% 의저감효과가있었다. Berg 등 14) 은가축분액비를대상으로액비화과정중발생하는암모니아휘산량을조사한결과볏짚을 8 cm 두께로덮었을경우볏짚무피복구에비해약 75% 의암모니아휘산저감효과가있었다고하였다. 이러한결과는비닐피복시대기중으로확산되는가스억제효과와동시에휘산되는암모니아가스가수분에용해되어암모니아휘산량이적어진요인이라생각된다. 따라서가축분뇨자원화과정에서농가에서비닐등간단한피 Fig. 3. Comparisons of ammonia emission from the cow manure pile with or without vinyl covering. Fig. 4. Changes in total nitrogen content of the cow manure during piling. 복물을설치함으로써암모니아휘산에의한질소의손실을감소시킬수있을것으로판단된다. 우분퇴비의야적기간내비닐피복과무피복간의암모니아휘산량차이는우분퇴비중총질소함량의변화를가져왔다 (Fig. 4.). 시험종료시퇴비중질소함량은비닐무피복의경우 23.8 N g/kg이었으며, 비닐피복은 24.9 N g/kg로비닐피복이비닐무피복에비해높았다. 이는비닐피복에

4 암모니아휘산및질소인산유출량 395 위해쌓아놓을경우비닐피복유 무에따른암모니아휘산에의한질소손실량, 그리고피복물이없는야외우분더미에서강우에따른질소와인산유실량을정량적으로평가하였다. 비닐무피복우분야적더미의누적암모니아휘산량은 0.78 N kg/mg 으로이는퇴비중총질소량대비 9.4% 에상당하는양이였다. 특히, 야적후 3주동안휘산된암모니아양은 47일간휘산된총암모니아양의약 89.6% 에해당되었다. 반면, 비닐피복을한우분더미에서의암모니아휘산량은무피복대비약 91% 의저감효과가있었다. 강우시질소총유실량은 1.27 N kg/mg 으로이는퇴비중총질소량의약 15.2% 에해당하는양이며, 인산의경우는 0.23 P kg/mg 으로퇴비중총인산함량의약 10.1% 상당하였다. 따라서농가에서우분을야적하여자연조건에서퇴비를발효시킬경우비닐등간단한피복시설을함으로써양분손실방지효과가매우크다는사실을알수있었다. 감사의글 본연구는 2008년국립농업과학원박사후연수과정지원사업에의해이루어진것임. 참고문헌 Fig. 5. Nitrogen and phosphorus loss by rainfall from the cow manure pile. 의한암모니아휘산량감소에서기인된결과로판단된다. 우분야적시강우에의한질소및인유출량 우분야적후피복물을설치하지않은채방치할경우강우에의한질소와인산의유실량을분석한결과는 Fig. 5와같았다. 우리나라에서강우량이많은하절기 (6-7월) 우분야적더미로부터총질소와인산의유출량은각각 1.27 N 및 0.23 P kg/mg 이었으며, 이는우분에포함된총질소와인산의약 15.2 및 10.1% 에해당되는양이다. 일반적으로호수에서부영양화를일으킬수있는인산의농도는 P mg/l 이다 15). 따라서우분야적시 47일동안유출된인산 0.23 P kg/mg 은상당히높은수준으로담수에부영양화를일으킬수있는가능성을가지고있다. 그리고우분야적더미 1톤에서 47일간유실된인산의양은밭토양의인산함량에따라차이는있지만 1 ha 에서일년간유실된양과거의같은수준이다 16). 위와같은결과를볼때, 농가에서발생되는우분을야외야적에의해자연발효시켜이용할경우는반드시비닐과같은간단한피복물을활용하여인산과질소등양분유출을감소시킬필요가있다고판단된다. 요약 본연구는농가우분을야외의자연조건에서숙성시키기 1. Novak, J. M., Waltts, D. W., Hunt, P. G. and Stone, K. C. (2000) Phosphorus movement through a Coastal Plain soil after a decade of intensive swine manure application, J. Environ. Qual. 29, RDA. (2008) The study to re-establish the amount and major compositions of manure from livestock, National Policy Report, Suwon, Korea. pp Sommer, S. G. and Hutchings, N. (1995) Techniques and strategies for the reduction of ammonia emission from agriculture, Water, Air Soil pollut. 85(1), Schlesinger, W. H. and Hartley, A. E. (1992) A global budget for atmospheric NH 3, Biogeochem. 15, Seedorf, J. and Hartung, J. (1999) Survey of ammonia concentrations in livestock buildings, The J. Agric. Sci. 133, Sharmsa, M., Kishore, S. Tripathi, S. N. and Behera, S. N. (2007) Role of atmospheric ammonia in the formation of inorganic secondary particulate matter: A study at Kanpur, India, J. Atmos. Chem. 58, Kirchmann, H. and Witter, E. (1989) Ammonia volatili-

5 396 윤홍배 이연 이상민 김석철 홍승길 이용복 zation during aerobic and anaerobic manure decomposition, Plant and Soil 115, Kithome, M., Paul, J.W. and Bomke, A.A. (1999) Reducing nitrogen losses during simulated composting of poultry manure using adsorbents or chemical amendments, J. Environ. Qual. 28, Lee, Y. B., Lee, H. B., Yun, H. B. and Lee, Y. (2008) Alum as a chemical amendment for reducing ammonia emission and stabilizing pig manure phosphorus during composting, Kor. J. Environ. Agric. 27(4), Fukumoto, Y., Osada, T., Hanajima, D. and Haga, K. (2003) Patterns and quantities of NH 3, N 2O and CH 4 emissions during swine manure composting without forced aeration-effect of compost pile scale, Bioresour. Technol. 89, Peters, J., Comb, S. M., Hoskins, B., Jarman, J., Watson, M. E., Wolf, A. M. and Wolf, N. (2003) Recommended methods of manure analysis. Cooperative Extension Publishing, Madison, WI, USA. pp Osada, T., Kuroda, K. and Yonaga, M. (2000) Determination of nitrous oxide, methane, and ammonia emissions from a swine waste composting process, J. Mater. Cycles Waste Manage. 2, Kuroda, K., Osada, T., Yonaga, M., Kanematu, A., Nitta, T., Mouri, S. and Kojima, T. (1996) Emission of malodorous compounds and greenhouse gases from composting swine feces, Bioresour. Technol. 56, Berg, W., Brunsch, R. and Pazsiczki, I. (2006) Greenhouse gas emissions from covered slurry compared with uncoverd during storage, Agric. Ecosyst. Environ. 112, Sharpley, A. N., Daniel, T. C., Sims, J. T., and Pote, D. H. (1996) Determining environmentally sound soil phosphorus levels, J. Soil Water Conserv. 51, Kronvang, B. M. Bechman, M. L. and Flynn, N. (2003) Phosphorus dynamics and export in streams draining micro-catchments: Development of empirical models, J. Plant Nurt. Soil Sci. 166,

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