서 론

COVID-19 팬데믹은 여러 국가들의 교류 및 이동을 막아왔고, 경제활동은 제한을 받아왔다. 그 결과 식량의 낭비와 폐기가 증가하고 특히 상하기 쉬운 농산물에서 두드러지게 나타나고 있다. 농가들은 무기화학비료와 같은 중요 투입물들에 대한 수급불량으로 영향을 받고 있다 (FAO, 2020). 그러나 가축분뇨의 비료적 가치는 잘 알려져 왔고, 최근 가축분뇨의 퇴비화는 충분한 농업토지없이 비료로써 직접적 사용이 가능한 분뇨 재활용의 수단으로 인식되고 있다 (Bernal et al., 2009).

퇴비화는 조절되는 조건하에서 미생물에 의한 유기물의 자연적인 분해과정이다. 가축분뇨, 작물의 잔사, 도시의 음식 폐기물과 같은 유기물질은 비료화 자원으로써 토양에 적용성을 강화시킨다 (FAO, 2003). 퇴비화는 유기물질을 먹이로 하는 호기성 미생물의 활성을 위해 일정한 산소의 공급이 필요하고 초기의 유기물질들은 안정하고 양분이 풍부한 토양 개량제로 변환된다 (Larney and Blackshaw, 2003). 게다가 가축분뇨의 퇴비화 과정은 퇴비대상 물질에 따라 탄질비 (carbon/nitrogen, C/N ratio) 와 수분함량이 특정하게 요구된다 (Chang et al., 2010). 수분함량과 탄질비를 조정하기 위해서 팽화제는 퇴비화에서 매우 중요한 역할을 하며, 공기의 원활한 공급을 위한 공극형성에도 주요한 요인이 된다 (Kumar et al., 2010). 퇴비화를 위해서는 우드칩, 톱밥, 건초, 식물성 쓰레기 등 다양한 물질이 팽화제로 사용될 수 있으며 영양적가치, 수분, pH, 공극 형성률 등이 고려되어야 하는 등 여러 종류가 사용된다 (Adhikari et al., 2008).

퇴비는 여러 유기체 (분뇨, 사체, 깔짚 등)의 혼합체로 더미를 이루고, 교반과 수분조절을 통해 고온단계 (45 ~ 70°C)의 분해과정을 거치게 된 후, 비료로써 농업토양에 시비될 수 있고, 토양 조성을 향상시킨다 (SSSA, 1997). 퇴비, 바이오가스, 지렁이퇴비화와 같은 가축분뇨의 적절한 활용은 작물의 수율 증대와 지속가능성의 향상에 유용하게 활용될 수 있다 (Sorathiya et al., 2014).

가축분뇨는 적절하게 관리될 때 값어치 있는 자원이 될 수 있다. 많은 연구는 분뇨관리에 대한 전략으로써 퇴비화의 이용을 제안해 왔다 (Bustamante et al., 2008).

Hadin et al. (2016)는 말의 분뇨에 대한 리뷰에서 혐기소화를 위한 반응물로써 장점과 단점을 제시한 바 있고, Kulcu and Yaldiz (2007)은 염소 분뇨에 대한 퇴비화는 그 정보가 거의 없음을 시사하였다. Finstein et al. (1985)은 가축분뇨의 퇴비화를 위하여 공기공급과 온도를 조정할 수 있는 퇴적 더미 형태의 퇴비화 시스템이 적절한 방법으로써 보고하였다.

그리하여, 본 연구는 다양한 가축분뇨를 대상으로 퇴비화를 진행하고 새로운 팽화제를 시험하고자 하였고, 온도변화와 물리화학적 속성을 비교하였으며, 퇴비화 기간 중 부숙정도를 비교하고자 하였다.

재료 및 방법

1. 실험재료

실험은 경상북도 경산시 대구대학교 시험농장에서 수행되었다. 4가지의 다른 분뇨가 퇴비화 과정에 이용되었다. 대구대학교 교내 부속목장에서 키우고 있는 가축의 각 분뇨 (마분뇨 (horse manure, HM), 젖소분뇨 (dairy cattle manure, DM), 한우분뇨 (Hanwoo manure, HM), 염소분뇨 (goat manure, GM))를 수거하였다.

톱밥과 억새를 깔짚으로 사용하여 분뇨와 혼합되었으며, 이 물질들은 탄소함량이 높아 탄질비를 조절하는데 유용하다. 또한 과도한 수분을 흡수하기 때문에 냄새 저감에도 도움이 될 수 있다 (Georgacakis et al., 1996). 초기 수분함량은 70%로 조정하였고, 평균 입자의 크기는 1.5에서 3.0 cm였다. 주요 성분은 Table 1에 다른 연구자들의 자료와 함께 나열하였다. 물리화학적 성상으로는 수분 (moisture content, MC), 총유기탄소 (total organic carbon, TOC), 총질소 (total nitrogen, T-N), C/N ratio, 총인 (total phosphorous, T-P), pH를 비교하였는데, 발견된 값들을 살펴보면, HM이 T-N이 가장 높았음에도 C/N ratio도 높게 나와 자료는 없으나 TOC가 상대적으로 매우 높았을 것으로 추측된다. T-P에 있어서도 HM에서 가장 높아 퇴비화 후 비료성분이 가장 높게 함유될 것으로 판단된다. pH의 경우 GM이 가장 높게 조사되었으며, HM이 약산성인 6.1로 조사되었다. 이는 퇴비화시 미생물의 활성에 영향을 주는 요인이 될 것으로 예상된다.

2. 퇴비화 장치

시험에 사용된 퇴비화 장치는 Figure 1에 나타내었다. 장치의 주요장치는 퇴비더미 유지를 위한 그물철망과 온도센서이며, 퇴비더미를 유지하기 위해 그물망으로 감싸 원기둥이 되도록 유지하여 퇴비화 과정 중 공기의 순환이 원활하도록 하였다. 공기의 흐름은 미생물의 활동, 분해율, 온도에 영향을 준다 (Kuter et al., 1985). 퇴비더미의 내부크기는 400 mm (D) × 1280 mm (H)로 총 용적은 약 161 L의 크기였다. 온도 측정을 위해서 온도센서 (300 series Digital thermometer, Taiwan)를 퇴비더미의 심부에 설치하고 외부 온도와 비교할 수 있도록 하였다.

퇴비화 시작시 사전에 측정한 수분함량을 기준으로 수분을 추가로 첨가하여 ~70% 수준에서 시작될 수 있도록 충분히 삽으로 혼합 후에 그물철망으로 원기둥을 만들고 시작시점으로 정하였다.

Figure 1.

Schematic layout of livestock manure composting pile.

3. 시험방법

각기 다른 4개의 혼합물 (각각 약 200 kg)은 퇴비화 공정의 원활한 시작을 위해 초기 C/N ratioio와 수분함량을 맞추어 준비되었다. 퇴비더미의 상부, 중간, 하부의 온도가 지속적으로 모니터링되었고 평균값이 퇴비화 중의 온도변화에 대한 대푯값으로 사용되었다. 일일 외기 온도도 또한 함께 기록되었다. 시료는 퇴비더미의 상부, 중부, 하부의 다른 위치에서 채취하여 ISO 8633 (ISO, 1992)에 따라 측정하였다. 부위별로 채취된 시료는 혼합한 뒤 건조시킨 다음 화학적 분석을 위해 2 mm 크기로 분쇄하였다.

시료채취 즉시, 시료는 실험실로 이송되어 수동으로 균질화하였다. 여분의 시료는 103°C에서 24시간 이상 충분한 시간을 두어 건조기에서 건조시키며 수분함량을 측정하고 나머지는 화학적 분석을 실시하였다.

시험 첫날, 퇴비화를 위한 재료들이 충분히 섞여 균질화되도록 더미를 만들기 전에 수차례에 걸쳐 뒤집기를 실시하였으며 수분이 65% 수준이 되도록 수돗물을 첨가하였다.

4. 부식질 분석

시료 0.5 g을 250 mL 비커에 넣고 1M NaOH에서 12시간 방치한 후, 50 mL 원심분리튜브에 담아 3000 rpm에서 10분간 원심분리한 후 40 mL의 상등액을 취한 뒤, 6M HCl을 이용하여 pH를 1~2로 조정한 다음, 12시간동안 방치하여 humic acid를 추출하였다. 다시 3000 rpm에서 10분간 원심분리한 후 20 mL의 상등액을 취하여 30 mL의 에탄올을 혼합하여 fulvic acid를 12시간 동안 추출하였다. 추출된 humic acid와 fulvic acid는 deionized water를 이용하여 10회에 걸쳐 잔여 NaCl을 제거한 후 건조하여 무게를 측정하였다.

5. 통계분석

퇴비화 전과 후의 성분분석은 모두 3반복으로 이루어졌으며, 전과 후의 변수 분석은 SAS statistical package program (version 9.1, SAS Institute Inc., Cary, NC)을 이용하였다. 처리구별 유의성은 5% 수준에서 최소유의차검정을 이용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

1. 퇴비화 중 온도변화

온도변화의 양상은 미생물의 활동과 퇴비화의 진행을 보여준다. 본 연구에서 각기 다른 퇴비더미의 온도 상승이 Figure 2에 나타나 있다. 온도변화 양상은 4개의 변화단계를 보여주는데, 즉 중온, 고온, 냉각, 숙성 단계이다. 퇴비화 초기에 4개 더미의 온도가 상승하는 것을볼 수 있으나, 축종별 분뇨에 따라 조금씩 다른 결과를 보였다. 퇴비화 초기의 급격한 온도의 상승은 이 기간 동안 빠른 분해율을 반영하는 미생물 활동에 기인한다 (Paredes et al., 2000). 3일 이내에 KM처리구의 온도는 약 60°C까지 상승하며 고온 상태에 도달하였다. Hachicha et al. (2008)에 따르면 높은 온도는 병원균을 감소시켜 위생적인 퇴비더미를 생산할 수 있다고 하였으며, Bernal et al. (2009)는 퇴비의 적정 온도는 40-65°C이며, 55°C 이상에서 병원성 미생물의 제거가 가능하다고 하였다.

DM처리구의 온도 역시 3일 이 내에 50°C 이상으로 상승하였으나, GM처리구는 5일 후 최대 45°C 수준에 머물렀다. 이는 염소의 특성상 직경 1 cm 정도의 단단한 분을 배설하고 퇴비화 과정에서도 형태를 유지하고 있어 미생물에 의한 분해과정에 더 많은 시간이 소요되는 것이 반영된 것으로 추측된다. 한편, HM처리구는 하루만에 온도가 40°C로 상승했으나, 50°C 이상으로 상승하지 못하고 6일 째부터 감소하기 시작하여 시험종료 시까지 그대로 머물러 있었다. Qasim et al. (2018)에 따르면 퇴비화는 호기적 활동을 위한 산소를 요구하지만 너무 많은 공기의 공급은 퇴비더미의 온도를 낮춰 적절한 분해를 위한 고온 조건을 저해한다고 보고하였다. 본 연구에서 첫 일주일이 경과한 후 , DM, KM, GM처리구들의 온도는 2주일 이내로 상온까지 하락하였고, GM처리구에서만 좀 더 높은 28°C에서 3주 까지 유지되었다. 이후 24일 경, 온도에서 큰 변화가 없어 모든 처리구의 온도측정을 중단하고 종료하도록 하였다. 비슷한 경우가 젖소분뇨의 퇴비화 시험에서 보고되었는데 (Qian et al., 2014), 2일 이내에 고온단계에 도달하고 60일간 유지된 경우가 있다. 상온으로의 온도하락은 퇴비화 기간 중 공기공급에 따른 외기 온도로의 하락이며, Wang et al. (2015)는 쉽게 분해 가능한 물질의 고갈 후에 미생물 활성의 감소로 인해 온도의 하락이 일어난다고 보고하였다.

Figure 2.

Schematic layout of livestock manure composting pile.

2. 수분 및 유기질 성분비교

퇴비화 전과 후의 HM, DM, KM, GM을 비교하였다 (Table 2). HM과 DM에서 퇴비화 전 수분함량은 각각 76.3, 73.4%로 KM과 GM에 비하여 상대적으로 높게 나타났다. 퇴비화 후 HM의 수분은 74% 수준으로 변화가 거의 없었고, KM에서는 49%로 관찰되었으며, DM과 GM에서는 각각 69.3과 56.3%로 나타났다. Gajalakshmi와 Abbasi (2008)은 일반적으로 퇴비화 혼합물의 수분은 약 50에서 60% 수준이어야 하나, 적정 수분함량은 투입물에 따라 다양하다고 보고하였다. 이번 연구에서 HM, DM, KM, GM의 퇴비화 전ㆍ후의 수분함량을 비교할 때, 퇴비화가 진행됨에 따라 유의적으로 감소하였다.

Qian et al. (2014)는 젖소분뇨 더미에서 수분함량은 퇴비화 과정에서 점진적으로 감소된다고 보고하였다.퇴비화 전 생분뇨에 함유된 VS 함량은 축종에 따라 유의적으로 차이를 보였으나, DM과 GM에서는 비슷하게 나타났다 (각각 21.0, 20.6%). HM, DM, KM, GM처리구의 퇴비화 후 VS 함량은 각각 17.6, 23.4, 42.8, 31.3% 으로 나타났다. 본 연구에서 HM처리구의 VS는 Eriksson et al. (2016)이 보고한 말 분뇨와 깔짚 혼합물의 VS 17.5%와 매우 유사했고 Böske et al. (2014)는 건초 혼합 말분뇨와 사일리지 혼합 말분뇨를 대상으로 VS를 측정한 결과, 각각 17.5%와 21.4%로 측정되었다. KM처리구의 퇴비화 전과 후의 VS는 다른 처리구에 비하여 가장 높은 25.5%로 나타났다. Jeong et al. (2017)은 평창과 거창에서 각각 수집한 한우분뇨의 VS는 본 연구에서의 값과 유사하게 나타났다. 생분뇨에서의 회분은 HM, DM, KM처리구에서 각각 6.4, 5.6, 7.0%로 나타났으며, 유의적인 차이는 없었으나, GM처리구의 회분은 가장 높게 나타났다. 퇴비화가 진행됨에 따라 회분 농도는 증가하는 경향을 보였다.

3. 퇴비화 전과 후의 질소 및 부식질 성상

퇴비화 후의 HM, DM, KM 내 부식질과 질소의 양상은 GM과 차이가 크게 나타났다 (Table 3). 퇴비화 전 후의 humic acid 함량은 유의적인 차이를 보였으며, DM과 KM에서 가장 높은 값이 관찰되었다. DM과 KM의 퇴비화 전후의 humic acid와 fulvic acid 함량은 각각 유사하게 나타났다. 본 연구에서는 퇴비화가 진행됨에 따라 humic acid 함량은 증가하는 경향을 보였는데, 이러한 경향은 Ko et al. (2008)의 연구에서 퇴비화 진행에 따라 humic acid가 증가함을 보고한 바와 일치하며, Bernal et al. (2009) 역시 유기물질의 부식화의 지표로써 humic acid를 지목한 바와 일치한다.

가장 높은 값은 HM더미에서 나타났는데, 퇴비화가 시작된 후 NH₄-N의 농도가 급격하게 증가하였다. Qian et al. (2014)의 연구에서 젖소 분뇨 내 NH₄-N의 농도는 퇴비화 시작 후 60일까지 돼지 분뇨의 퇴비더미 내 NH₄-N 수준으로 상승한 후 마지막에 초기수준으로 감소하였다고 보고하였으며 Wang et al. (2015)는 퇴비화 과정에서 서로 다른 7개의 유기성 퇴비더미에서 NH₄-N의 농도가 증가하였다고 보고한 바와 일치한다고 볼 수 있다. 이러한 현상은 퇴비 더미 내에서 서식하는 미생물 활동, 즉 유기태 질소의 암모니아화와 질산화 반응에 의존된다 (Bustamante et al., 2008). 따라서, NH₄-N의 농도는 퇴비화 여건에 따라 증가하거나 감소할 수 있으며, 총량의 측정을 통해 제거율을 산정해야 할 것이다.

결 론

축종별 퇴비화 시험을 통해 축종별로 다른 형태를 띄고 있는 분의 산화반응과 퇴비화 과정에서의 온도변화를 살펴 본 결과, 동일한 조건의 규모 하에서 젖소와 한우 분에서는 온도상승과 함께 활발한 분해과정이 이루어져 염소나 말의 분뇨 퇴비화에 비하여 효과적이었다고 판단된다. 한편, 염소의 경우 분의 형태가 단단한 구의 형태를 띄고 있어 분해가 쉽게 이루어지지 않아 온도의 상승이 이루어지지 않았던 것으로 판단된다. 말 분의 경우 타 축종 처리구에 비하여 초기 수분함량이 높았고, TVS의 함량도 상대적으로 낮아 C/N ratio에서 퇴비화에 부정적인 영향을 미쳐 충분한 온도 상승이 이루어지지 않았던 것으로 판단된다.

가축분뇨 퇴비화는 토양작물에 자원으로써 가장 널리 활용되고 있으나 축종별로 동일한 조건을 제공했을 때, 분의 배출형태에 따라서 퇴비화의 진행과정에서는 차이를 보였으며, 토양 유기물이 부족현상을 겪고 있는 시점에서 퇴비 내 부식질로 대변되는 humic acid와 fulvic acid의 경우 fulvic acid 보다는 humic acid의 퇴비화 후 증가 양상이 두드러졌으며, 상대적으로 염소 퇴비에서 퇴비화 전과 후의 humic acid 증가분이 가장 높게 나타났다. 향후 부식질의 작물효과 및 퇴비화 지표로써의 활용에 대한 연구가 요구된다.