서 론

국가적 가축분뇨처리 기조에 따라 국내 사육 중인 가축분뇨의 90% 이상이 퇴비와 액비로 자원화되고 있다 (RDA, 2020). 가축분뇨의 처리방법은 축종별 가축의 사육환경, 즉 분뇨의 수거방법에서 결정된다고 할 수 있는데, 한육우 및 젖소의 경우 바닥에 깔짚을 제공하는 방식을 가장 많이 사용하고 있으며, 이를 통해 가축에게 안락감을 제공하고 위생적일 수 있도록 교체하는 방법을 사용하여 최종적으로 배출되는 분뇨는 깔짚과 섞여 고형물로 발생하게 된다. 한편, 돼지의 경우 바닥에 깔짚을 깔아주기보다는 슬랏형 바닥을 설치하여 돈방 바닥의 아래로 분과 뇨가 모이는 슬러리 형태로 분뇨를 수거하는 곳이 가장 많은 것으로 조사되어 슬러리를 고액분리하여 액비를 만들 수 있다.

가축사육에 있어 바닥의 깔짚재료는 몇 가지 중요한 특성이 필요하다. 바닥깔짚의 역할은 가축이 좋아하는 포근한 바닥을 제공하고, 바닥으로부터의 냉기를 차단하는 역할도 하며, 깨끗한 환경을 유지하는 것으로 가축사육에서는 필수적인 요소이다 (Mitev et al., 2012). 가축에게 안락감, 쾌적감의 제공을 통해 가축의 생산성 향상에 이바지한다.

가축분뇨를 이용한 퇴비의 생산과 이용은 토양의 지력상승에 도움이 되며, 전세계적인 토양 유기물 부족현상을 해결하는데 중요한 자원이다. 더구나 화학비료에 포함된 잔류 영양성분은 토양 내 유기물의 분해를 촉진하고 토양 내 유기물의 감소는 작물의 생산성 감소로 이어진다 (KREI, 2016). 토양 유기물은 물리ㆍ화학적 특성이 다른 다양한 탄소결합 화합물질로 존재하는데, 적은 비율로도 토양에 미치는 영향은 크기 때문에 토양 내 유기탄소의 함량은 중요다고 할 수 있다 (Faithfull, 2003). Weber et al. (2020)은 토양 내 공극을 확보하고 통기성과 보수력을 증진시켜 토양의 물리성 개선에 도움을 주어 작물 생산에 중요한 역할을 하고 있다고 하였으며, 양이온교환능력을 높여주어, 토양의 완충능력 또한 개선된다고 한 바 있다 (Yamashita, 1967; Minhal et al., 2020). 이렇듯, 가축의 사육과정에서 발생하는 분뇨의 적절한 혼합을 통해 분뇨의 수분을 조절하고 혼합물이 반출될 시 퇴비화 과정을 거쳐 농업토양에 환원될 때 환경적 악영향을 미치지 않을 뿐만 아니라 경종농가의 작물생육에 도움이 될 수 있어야 할 것이다.

토양의 작물 생산성 향상을 위해, 또한 사용의 편의를 위해 사용되고 있는 화학비료로 인한 지력저하의 개선을 위해서는 가축분뇨를 활용한 퇴비와 액비가 적절하게 사용되어야 하기 때문에 발생시점에 축사의 바닥깔짚으로 제공되고 있는 재료의 선별은 매우 중요한 일이라고 할 수 있다. 국내에 사용되는 깔짚은 대부분 톱밥이지만, 가격의 상승으로 인하여 왕겨도 많이 사용되며, 코코피트 등이 현장에 적용되고 있다. 톱밥의 경우 국내산 수급이 용이하지 않아 대부분 동남아시아로부터 수입에 의존하고 있어, 과거에 비해 품질도 저하되는 측면이 현장에서 나타나고 있는 바, 이에 대한 해결을 위해 새로운 깔짚재료에 대한 탐색이 필요한 시점이다.

증가하고 있는 온실가스배출로 인해 극심해지고 있는 기후변화에 대처하기 위해 국가적 에너지 작물로 재배되었던 거대억새는 가을까지 성장한 이후 지하경으로 줄기의 양분이 이동하여 겨울에 지상부를 수확할 경우 사료로써의 가치는 매우 낮으며, 이를 분쇄하여 바이오에탄올을 생산할 목적으로 개발ㆍ생산되었다. 하지만, 국제유가의 변동에 따른 바이오연료의 경쟁력 하락으로 생산된 바이오매스 자원의 활용처 다변화가 요구되는 시점이다. 그리하여, 이를 축사바닥의 깔짚으로 활용할 수 있다면 톱밥 사용에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있을 것으로 사료된다.

따라서 본 연구는 수확한 거대억새를 깔짚으로 이용하였을 때, 톱밥과 비교하여 한우의 행동특성을 파악하고 축사에서의 수분조절 능력과 분뇨와 혼합시 생분해도를 측정하여, 축산용으로의 거대억새 사용 가능성을 확인하고자 수행되었다.

재료 및 방법

1. 한우의 행동특성 분석 및 수분함량 변화

축산용으로 사용되고 있는 바닥깔짚 재료는 대부분 톱밥이며 이를 통해 가축이 휴식 중 안락감을 느끼게 된다. 억새를 사용할 때 문제점으로 제기될 수 있는 측면은 파쇄되었다고 하더라도 거대억새이기 때문에 줄기가 두껍고 단단하게 느낄 수 있다는 것으로 억새가 바닥깔짚으로 제공될 때, 가축이 불편할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 깔짚이 가축으로부터 발생된 분과 뇨의 수분을 잘 흡수하고 통풍과정에서 건조과정이 이루어져야만 가축이 스트레스를 덜 받을 것으로 판단된다. 이를 판단하기 위해서는 세절 및 파쇄과정에서도 가능한 쉬운방법을 택하고, 톱밥과 동시에 제공되었을 때 앉아서 쉬는 시간을 측정하고 사육기간 중 바닥의 수분함량을 동시에 측정한다면 외부습도에 의한 변이도 배제할 수 있을 것으로 판단된다.

대구대학교 부속농장 내 한우사를 이용하여 총 6마리의 육성기의 한우를 공시하여 3칸의 우방 바닥에 각각 톱밥, 세절억새 (chopped Miscanthus, CM), 펠렛억새 (pelletized Miscanthus, PM)을 깔고 2마리씩 배치하여, 70일 간 시료를 채취하고 수분함량을 측정하였다. 우방 1칸의 면적은 24 m² (3 m × 8 m)였으며, 깔짚 재료는 약 5 cm의 두께로 투입 (1.2 m³/우방)되도록 하였다. 각 우방을 6구획으로 나누어 구획별 시료를 채취하고 분석하여 평균을 우방의 대푯값으로 하였다. 우방별로 모니터링 카메라를 설치하여 기록하고 앉아서 쉬는 시간을 측정하고 비교하였다 (Figure 1).

Figure 1.

Photograph of bedding materials for the test and its preparation. ^*a, CM; b, PM; c, SD.

2. 억새의 생분해율 평가

축사 내 바닥깔짚의 평가 시 그 역할 중 가축분뇨의 퇴비화 과정에서의 수분조절, 공극제공 및 탄소/질소 비 (carbon to nitrogen ratio, C/N ratio)조절 등이 고려되어야 하며, 특히 퇴비화 과정에서 탄소 제공능력도 중요한 판단요소가 될 것이다. 이러한 탄소의 제공능력은 생분해율과 밀접한 관련이 있으므로 이에 대한 분석이 요구된다. 따라서, 억새의 형태별 생분해 정도를 파악하기 위해 실험실 규모의 퇴비화 반응조를 제작하였다. 호기적 미생물의 유기물 분해과정을 극대화하여 그 과정에서 발생하는 CO₂를 포집하여 각 시료로부터 발생하는 CO₂ 발생율로 생분해율을 판단하였다 (ASTM, 2003).

Lab-scale의 생물학적 유기물 분해 장치는 Figure 2에 그림으로 나타내었다. 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 항온수조를 이용하여 40°C를 유지하고, 부숙된 퇴비를 밀폐된 유리반응조 내에 넣기 전 시험할 시료를 혼합하여 수분을 70%로 맞춘 뒤, 유리반응조 바닥에 설치된 산기관을 이용하여 공기를 공급하며, 배출되는 가스를 수산화나트륨 용액을 통과하도록 하여 분해과정에서 발생하는 CO₂양을 측정함으로써 분해도를 파악하고자 하였다.

Figure 2에 나타난 바와 같이 반응조로 유입되는 공기 내에 존재하는 CO₂를 제거하기 위해 1 M NaOH 용액을 통과한 후에 공기를 공급하고, 밀폐되어 있는 반응조에 위치한 퇴비와 시험물질 사이를 통과한 공기는 외부로 배출되기 전 1 M NaOH 용액을 통과하여 반응조로부터 배출되는 CO₂를 포집하였다. 이 때 유속은 150 mL/min을 유지하도록 하였다.

Figure 2.

Schematic layout of reactor for biodegradability.

결과 및 고찰

CM, PM, SD로 한우사의 바닥을 도포하고 10주간 (70일) 한우의 행동을 모니터링하고, 각 우방 당 6구획의 시료를 채취하여 고형물을 분석하였다. 처리구 우방 당 면적은 모두 24 m²으로 동일하였으며, 약 5 cm 두께의 깔짚을 투입하였다.

따라서, 용적중에 따라 깔짚의 투입량은 달라지게 되는데, CM, PM, SD의 용적중은 각각 153.3, 599.0, 180.0 kg/m³으로 조사되어 1.2 m³씩 투입할 경우, 약 184, 719, 216 kg이 투입되었다. Figure 3에 나타난 바와 같이 CM과 SD처리구에서는 1주일만에 깔짚의 수분함량이 50% 이상으로 상승한 반면, PM처리구에서는 1/3 수준의 수분농도를 보였다. 이 시기의 상대습도를 조사하여 비교한 결과, 모든 처리구에서 대기 중의 상대습도의 경향을 따르는 모습이 관찰되어 축사바닥깔짚의 수분함량이 대기 중 상대습도에 민감하게 영향을 받는 것으로 조사되었다. 축사구조 상 사료조와 음수대가 같은 방향에 있어 임의로 나눈 우방 당 6구획의 수분함량을 조사한 그림이 Figure 4에 나타나 있다. 그 결과 음수대 근처에서 한우의 행동특성에 따라 수분함량이 높게 유지되었으며, 투입량의 차이로 인하여 PM에서는 전체 수분함량이 40%이하로 유지되는 것이 관찰되었다. 축사에서 사육되는 가축은 푹신하고 건조한 바닥을 선호하기 때문에 수분함량의 변화는 한우의 행동 특성, 즉 앉아서 쉬는 시간에 영향을 미치게 되며 궁극적으로는 생산성에 영향을 미치게 된다.

Figure 4에 나타난 바와 같이 모든 처리구 깔짚에서 수분 함량이 높아졌다가 다시 감소하는 경향이 보이는 것은 깔짚 내에 함유되어 있던 수분이 증발하면서 발생한 현상으로 바닥의 깔짚이 수분흡수력도 중요하지만, 동시에 통풍이 잘되어 증발도 잘 되어야만 축사 내 가축이 더 안락감을 느낄 수 있을 것으로 판단된다. 우방 내의 E와 F 구역에서의 높은 수분함량은 사료조와 같은 방향에 있는 음수대에서 유실된 물과 사료섭취시 배설하는 분과 뇨로 인해 수분함량의 증가가 두드러지게 나타난 것이다.

Figure 3.

Moisture content variation during the experimental period. ^*CM, chopped Miscanthus; PM, pelletized Miscanthus; SD, sawdust; RH, relative humidity.

Figure 4.

Moisture content variation during the experimental period. ^*CM, chopped Miscanthus; PM, pelletized Miscanthus; SD, sawdust.

가축에 있어 안락감을 확인하기 위한 척도는 앉아서 쉬는 시간의 길이가 될 것이다. 본 연구에서는 다른 종류의 깔짚 조건에서 앉아 있는 시간을 모니터링하여 그 가치를 평가하고자 하였다. 우방의 깔짚은 푹신한 바닥을 제공하고 콘크리트 바닥에서 올라오는 냉기를 잘 차단하며, 건조하고 깨끗한 환경을 유지하는데 필수적이다 (Mitev et al., 2012). 바닥 깔짚 종류에 따른 소의 휴식행동 패턴 변화에 대한 국내 연구는 찾기가 어려워, 해외문헌을 조사한 결과, 볏짚과 모래를 비교했을 때 볏짚에서 더 오랜기간 앉아서 쉬는 것으로 보고되고 있으며 일일 휴식시간으로 앉아 있는 시간을 측정하여 조사하였다 (Norring et al., 2007).

세계적으로 잘 알려져 있는 낙농기업 중 하나인 DeLaval에서는 이상적인 조건이 제공되었을 때 젖소의 휴식시간은 대략 일일 14시간에 이른다고 소개하고 있다. 처리구 중 PM의 경우 타 처리구에 비하여 물리적으로 단단하게 느낄 수 있다고 예상된 바, Figure 5에 나타난 것처럼 첫 번째 주에 하루 중 앉아 있는 시간이 가장 짧은 것으로 나타났다. 상대적으로 SD와 CM처리구의 경우 일일 13시간 가량 앉아서 쉬어 안락감을 느끼는 것으로 판단된다. 하지만, 시간이 지남에 따라 4주째에 수분함량이 50% 이상으로 증가하면서 앉아서 쉬는 시간이 11시간 정도로 2시간 가량 감소하는 것이 관찰되었다. 이에 반하여 PM처리구에서는 쉬는 시간이 오히려 처음보다 증가하였고 꾸준히 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 초기의 펠렛가공 형태가 부서지며 한우에게 부드럽게 느껴졌을 것이며, 타 처리구에 비하여 부피는 같으나 실질 투입량이 많아 수분함량이 낮게 유지되었기 때문에 시간이 지나더라도 휴식시간이 12시간 이상 꾸준히 유지된 것으로 판단된다.

Figure 5.

Variation of resting time according to types of bedding materials.

축사에 적용하는 깔짚은 분뇨와 혼합 후 수거되어 퇴비화에 이용되므로 퇴비화 과정에서 쉽게 분해될 수 있어야하며, 탄소 대 질소의 비 (carbon to nitrogen ratio, C/N ratio) 중 탄소의 공급이 가능해야 할 것이다.

축사바닥 환경개선을 위해 이용하는 깔짚이 미생물에게 탄소를 제공한다는 것은 분뇨와 깔짚 내 성분 중 유기물의 호기적 산화반응을 통한 동화작용과 완전분해되어 CO₂ 가스의 형태로 대기로 날아가게 된다는 것을 의미하므로 배출되는 CO₂의 양을 처리구별로 비교한다면, 생분해도를 측정할 수 있을 것이다. 이러한 개념이 ASTM 5336에 해당하여 이 방법으로 실험을 수행하였다. 깔짚이 포함되지 않은 대조구에서 발생하는 CO₂의 양을 처리구에서 발생한 CO₂의 양에서 제외시키면 깔짚재료에 의해 발생한 CO₂양이 계산되므로 이를 통해 생분해의 정도를 파악할 수 있을 것이다. CO₂가 포집된 1 M NaOH 용액을 역적정 방법을 통해 녹아든 CO₂의 양을 추정하였다.

where C1 is a cumulative CO₂ amount from sample compost, C2 indicates a cumulative CO₂ amount from blank compost, C3 represents a carbon amount from the initial sample weight, and “12/44” is a carbon fraction in CO₂.

퇴비화 반응조로부터 총 6주간의 탄소배출량을 분석한 결과, CM에서는 125 g의 탄소를 배출하였으며, PM과 SD에서 각각 97.89, 94.33 g의 탄소를 배출하였다. 생분해율로 환산한 결과 Table 1에 나타난 바와 같이 시험 첫 3주 동안은 CM처리구에서만 분해가 일어나는 것으로 조사되었고, PM와 SD에서는 3주가 지나고 나서부터 분해가 시작되는 것으로 관찰되었다.

결론적으로 생분해율이 높은 순으로 나열하면, CM > PM > SD의 순으로 높았는데, 이는 억새가 초본계에 속해 목질계인 SD보다 쉽게 분해될 수 있었던 것으로 판단되며, PM의 경우 고온과 고압에서 가공하였기 때문에 시험초기에 미생물의 분해가 활발할 수 없었기 때문에 0~3주간 분해가 일어나지 않고, 이후에 분해가 시작되었을 것으로 사료된다. 시험을 장기간 실시하게 될 경우, PM에서도 CM만큼의 분해가 일어날 수 있을 것으로 예측된다.

결 론

축산용 깔짚은 가축에게 안락감, 위생적 안전성을 제공할 뿐만 아니라, 자연순환농업의 양분순환 매개인 퇴비화 과정에서의 탄소제공능력도 갖춰야 한다. 본 연구에서 실시한 가축의 행동특성 모니터링을 통해 세절된 억새는 기존에 널리 사용되고 있는 톱밥과 비교하여 충분한 안락감을 제공하는 것으로 나타났으며, 수분의 흡습과 통기성에서도 큰 차이가 없는 것으로 조사되었다. 또한 퇴비화 과정의 수분조절 및 공극형성에 영향을 줄 수 있는 재료로써, 탄소를 제공하는 측면에서는 톱밥에 비해 생분해율이 두 배 이상 높은 것으로 측정되어 퇴비화 과정에서도 우수한 성능을 나타낼 것으로 예측된다.

따라서, 축산용으로의 억새활용은 대략 60 mm 수준이하로 파쇄하여 제공할 경우 농가의 톱밥구매비용 절감에 도움이 될 것으로 사료되며, 그 결과로 바닥깔짚 교체주기를 짧게 유지한다면, 축우에게 스트레스를 감소시켜 생산성 향상에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.