서 론
국내 축산업의 규모화와 사육 두수 변화에 따라 2023년 기준 가축분뇨 발생량은 총 50,871천 톤을 기록하였으며, 이 중 한육〮우가 17,511천 톤으로 전체 발생량의 34%를 차지하고 있다(Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2024). 가축분뇨 발생량의 증가는 처리 비용 증가와 관리의 어려움으로 인한 악취 문제의 주된 원인으로 작용하고 있다. 가축분뇨에서 배출되는 물질 중 암모니아(NH3)와 황화수소(H2S)가 악취의 원인으로 지목되고 있다(Jang et al., 2010). 가축의 대사과정에서 생성된 뇨 내 요소는 축사 바닥이나 토양에 존재하는 요소 분해효소와 접촉하여 가수분해되며, 이 과정에서 생성된 암모니아는 대기 중으로 휘발된다(Bussink and Oenema, 1998). 우사 내 톱밥과 같은 수분 조절재의 수분 함량 증가는 분뇨의 공기 공극률을 감소시키는 직접적인 원인이 된다(Ahn et al., 2008). 또한, 우사 내 분뇨 축적 과정은 산화환원전위를 낮추어 혐기성 환경을 조성하는데(Blazy et al., 2015), 이러한 공극률 감소와 혐기 환경은 황화수소의 생성을 유도하는 원인이다(Blazy et al., 2015). 국내 한우 및 젖소 농가에서 발생하는 가축분뇨는 대부분 수분조절재와 혼합된 고상 형태로 배출되기에 주로 퇴비화를 통해 자원화하고 있다. 퇴비화는 주기적인 교반을 통해 산소를 공급하여 호기성 미생물의 활동을 촉진하고 유기물을 분해하여 안정화하는 과정으로, 미생물의 대사 과정에서 암모니아와 함께 상당량의 열이 생성된다(Bernal et al., 2009). 미생물 대사로 인해 축적된 열은 퇴비단 내부 온도를 상승시키고, 고온 조건은 암모니아 휘산을 촉진하는 요인으로 작용한다(Bernal et al., 2009).
피트모스는 이끼류 식물이 분해 및 축적된 잔류물이다. 피트모스는 산성 작용기가 풍부하고, 높은 다공성으로 인해 악취물질과의 결합 능력이 우수하다(Lee et al., 2021). 특히 피트모스의 낮은 pH는 암모늄 이온(NH4+)이 암모니아(NH3)로 전환되는 반응을 억제하여 악취물질 배출을 감소시킨다(Nugrahaeningtyas and Park, 2024). 또한, 건조 중량 대비 16~25배의 수분을 흡수할 수 있어 깔짚 소재로 활용 가능성이 높다(Nugrahaeningtyas and Park, 2024). 축산농가에서 가장 널리 사용되는 톱밥은 수분 조절 능력은 우수하지만, 악취물질에 대한 흡착능력이나 저감 효율은 상대적으로 낮은 것으로 평가된다. 현재 국내에서 피트모스를 깔짚으로 활용하기 위해 피트모스의 효과를 평가한 연구는 드물다.
따라서, 본 연구는 피트모스가 한우 및 젖소 분뇨 유래 암모니아 및 황화수소 배출에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행하였다.
재료 및 방법
1. 피트모스
본 연구에서 사용한 피트모스는 블랙 피트모스이며, 화학적 성분은 Table 1에 제시하였다. 피트모스를 톱밥이 깔려 있는 한우 및 젖소 우사에 추가로 투입하였으며, 우사 바닥 면적 기준 25 kg/m2의 양을 투입하였다.
Table 1.
Chemical composition of the peat moss on both a wet basis and a dry matter basis.
2. 실험설계
본 연구는 2025년 04월21일부터 11월19일까지 대한민국 경기도에 위치한 한우 농가2곳(김포, 화성)과 젖소 농가3곳(포천, 양주, 여주)에서 수행하였다. 피트모스가 혼합된 한우 및 젖소 분뇨는 4월부터 6월까지는 약 2주 간격으로, 7월부터 11월까지는 약 1개월 간격으로 채취하였다. 피트모스 투입 및 샘플링 위치는 Figure 1에 제시하였다. 본 연구에서는 계절 변화에 따른 악취물질의 감소 효과를 최소화 하기 위하여 대조구와 처리구의 샘플을 같은 시간에 수집하였다. 실험단위는 한우의 경우 펜으로, 젖소의 경우 농장으로 설정하였으며, 각 처리구는 3반복으로 샘플링하였다. 젖소농장의 경우 피트모스와 분뇨의 혼합을 위해 실험 기간 동안 로터리 장비를 이용해 교반 작업을 수행하였으며, 한우 농장은 초기에 피트모스를 투입한 후 교반을 실시하지 않았다.
3. 악취 시료 포집
본 연구에서는 국립환경과학원에서 고시한 악취공정시험기준(National Institute of Environmental Research, 2024)에 따라 플럭스 챔버 방법(Flux chamber method, Figure 2)을 이용하여 악취 물질 분석을 위한 기체 시료를 포집하였다. 시료 채취 전, 플럭스 챔버 내 분뇨 표면을 평탄화하고 챔버를 밀폐하여 외부 공기의 유입을 방지하였다. 이후 15 L 용량의 챔버 내부 공기의 완전한 치환을 위해 초고순도 질소(99.999%, N2)를 2.0 L/min의 유량으로 주입하였으며, 5분 간격으로 검지관 및 가스 센서를 이용하여 암모니아와 황화수소 농도를 측정하였다. 이를 통해 악취물질이 농도 평형에 도달하는 데 필요한 최소 플러싱 시간을 산정하였다. 실제 시료 포집은 각 실험 조건에서 최소 20분간 플러싱을 수행한 뒤 농도 평형이 확인된 시점에 1분 30초 동안 진행하였다. 기체 포집에는 주문 제작된 진공 박스(Vacuum box, 21.6 L, Astek, Anyang, Korea)를 사용하였으며, 테들러 백을 진공 박스 내부에 설치한 후 에어 펌프를 이용하여 악취물질이 포집 백으로 유입되도록 하였다.
Figure 2.
Flux chamber system used in this experiment.(1), Ultra-high purity nitrogen (99.999%); (2), Flow meter with valve (RMA-14-SSV, Dwyer Instruments, Indiana, USA), with a capacity of 200-2,500 cc/min; (3), Flux chamber, a double-shell device made of passivated stainless steel witha volume of 15 L ; (4), Vacuum box (Astek, Anyang, Korea) with a capacity of 21 L; (5), Tedlar bags (HSK-TD-003; HSK-TD-005, HS korea, Anyang, Korea) with capacity of 3 L or 5 L; (6), Air pump (VP-18D, Astek, Anyang, Korea).
4. 조사항목 및 방법
채취한 한우 및 젖소 분뇨 시료의 건물함량(Dry matter, DM)은 AOAC에서 제시한 표준 방법(AOAC, 2005)에 따라 분석하였다. 시료는 열풍 건조기(WFO-700, EYELA, Tokyo, Japan)를 사용하여 60°C에서 48시간 동안 건조하였으며, 건조 전과 후 시료 무게를 비교하여 건물함량을 계산하였다.
암모니아 및 황화수소는 기체 채취기(Figure 3; GV- 100, GASTEC, Kanagawa, Japan)에 직독식 기체 검지관(Figure 3; GASTEC, Kanagawa, Japan)을 연결한 후, 검지관을 100 ml 1회 흡인하여 농도를 측정하였다. 암모니아 농도 측정에는 5-100 ppm 범위의 검지관(3La, GASTEC, Kanagawa, Japan) 및 1-30 ppm 범위의 검지관(3L, GASTEC, Kanagawa, Japan)을 사용하였으며, 황화수소 농도 측정에는 1-6 ppm 범위의 검지관(4LB, GASTEC, Kanagawa, Japan) 및 0.1-2.0 ppm 범위의 검지관(4LT, GASTEC, Kanagawa, Japan)을 사용하였다. 또한 휴대용 악취 측정기(Figure 3; SKY2000-M4, SAFEGAS, Shenzhen, China)를 사용하여 암모니아, 황화수소 및 악취 강도를 함께 측정하였다. 본 연구에서 사용한 악취 센서의 악취 강도는 황화합물 값을 기반으로 모델링 된 수치를 나타내며, 공기희석관능법을 기준으로 냄새의 강도를 1~100까지 구분하여 나타낸다.
5. 통계분석
본 실험의 결과는 SAS package program (9.4 version, SAS Inc., NC, USA)의 MIXED procedure와 Microsoft Excel (Microsoft Corp., Redmond, WA, USA)를 이용하여 분석하였다. 피트모스 투입에 따른 한우 및 젖소 분뇨의 악취물질 저감 효과는 완전 임의 블록 배치법(Randomized completely block design, RCBD)을 적용하여 평가하였으며, 디자인 모델은 다음과 같다.
Yij=μ + Ti + Bj + Eij
모델에서 μ는 평균값, Ti는 피트모스 투입 효과, Bj는 블록 효과, Eij는 실험 오차를 나타낸다. 실험단위는 한우의 경우 펜, 젖소의 경우 농장으로 설정하였으며, 블록은 각 농장으로 설정하였다. 처리구 간의 유의성은 초기 샘플(0d)의 암모니아, 황화수소 및 악취강도를 공변위로 하여 공분산분석을 실시하였으며, 계절 변화에 따른 효과를 제거하기 위해 repeated measurement 분석을 실시하였다(Littell et al., 1998). 처리구의 유의성은 p<0.05 수준에서, 경향성은 0.05≤p<0.10 수준에서 검정하였다. 모든 처리구의 평균값은 최소 자승 평균(least square means)으로 제시하였다.
결과 및 고찰
피트모스 처리 전·후에 따른 한우 및 젖소 분뇨 유래 암모니아, 황화수소 및 악취 강도의 변화는 Table 2, Table 3 및 Table 4에 제시하였다.
Table 2.
Comparison of ammonia, hydrogen sulfide and odor intensity before and after peat moss application in manure from Korean native cattle cattle and dairy cows1.
| Item | Control (n=38) | Peat moss (n=69) | SEM | p-value2 |
| Dry matter, % | 34.4 | 48.4 | 3.87 | <0.001 |
| ----------Dector---------- | ||||
| NH3 (ppm) | 26.2 | 8.20 | 4.47 | 0.008 |
| H2S (ppm) | 1.98 | 0.00 | 0.37 | 0.001 |
| ----------Sensor---------- | ||||
| NH3 (ppm) | 19.2 | 4.20 | 3.93 | 0.002 |
| H2S (ppm) | 1.12 | 0.00 | 0.22 | 0.001 |
| Odor intensity | 9.41 | 5.35 | 11.5 | 0.001 |
Table 3.
Comparison of ammonia, hydrogen sulfide and odor intensity of Korean native cattle manure before and after peat moss application1.
| Items | Control (n=32) | Peat moss (n=45) | SEM | p-value2 |
| Dry matter, % | 34.4 | 48.4 | 4.09 | <0.001 |
| ---------Detector--------- | ||||
| NH3 (ppm) | 28.0 | 7.19 | 6.47 | 0.017 |
| H2S (ppm) | 2.40 | 0.00 | 0.55 | 0.001 |
| ---------Sensor--------- | ||||
| NH3 (ppm) | 21.9 | 4.62 | 4.02 | 0.008 |
| H2S (ppm) | 1.37 | 0.00 | 0.33 | 0.006 |
| Odor intensity | 5.70 | 0.04 | 1.07 | 0.001 |
Table 4.
Comparison of ammonia, hydrogen sulfide and odor intensity of dairy cow manure before and after peat moss application1.
| Items | Control (n=6) | Peat moss (n=24) | SEM | p-value2 |
| Dry matter, % | 19.2 | 47.4 | 2.11 | <0.001 |
| ---------Detector--------- | ||||
| NH3 (ppm) | 17.2 | 9.99 | 3.84 | 0.243 |
| H2S (ppm) | 0.49 | 0.00 | 0.06 | 0.001 |
| ---------Sensor--------- | ||||
| NH3 (ppm) | 10.6 | 4.17 | 1.69 | 0.023 |
| H2S (ppm) | 0.22 | 0.02 | 0.03 | 0.001 |
| Odor intensity | 1.48 | 0.65 | 0.25 | 0.065 |
악취물질 포집 당시 분뇨 샘플의 수분함량은 대조구가 피트모스 처리구에 비하여 유의적으로 낮게 나타났다(p<0.01). 피트모스 처리구는 대조구 대비 암모니아, 황화수소 및 악취 강도에 유의적으로 낮게 나타났다(p<0.05).
한우 분뇨의 악취물질 포집 당시 분뇨 샘플의 수분함량은 대조구가 피트모스 처리구에 비하여 유의적으로 낮게 나타났다(p<0.01). 한우 분뇨에서 피트모스는 암모니아, 황화수소 및 악취 강도 모두에서 유의적인 감소 효과를 보였다(p<0.05). 피트모스 처리 후 검지관 및 센서 기반 암모니아 농도는 각각 28.0에서 7.19 ppm (74.3%), 21.9에서 4.62 ppm (78.9%)으로 감소하였고(p<0.05), 황화수소 농도는 2.40 및 1.37 ppm에서 피트모스 처리 후 모두 0.00 ppm 으로 검출한계(ppm)를 기준으로 검출되지 않았다(p<0.05). 악취 강도 또한 5.70에서 0.04으로 유의하게 감소하는 것으로 나타났다(p=0.001).
젖소분뇨의 악취물질 포집 당시 분뇨 샘플의 수분함량은 대조구가 피트모스 처리구에 비하여 유의적으로 낮게 나타났다(p<0.01). 젖소 분뇨에서 검지관 암모니아 농도가 대조구(17.2 ppm)와 피트모스 처리구(9.99 ppm)간에 유의적으로 차이를 나타내지 않았으며, 센서 기반 암모니아 농도는 피트모스 투입시 10.6 ppm에서 4.17 ppm으로 유의적으로 감소하였다(60.6%, p=0.023). 황화수소는 검지관 및 센서 모두에서 피트모스 처리 후에는 검출한계(ppm)를 기준으로 검출되지 않았다(p<0.001). 악취 강도는 피트모스 처리를 통해 1.48에서 0.65으로 감소하는 경향성을 나타냈다(p=0.065).
우사 내 분뇨와 깔짚 혼합물의 수분 함량이 50~60%를 초과하게 되면 공극률이 감소하여 혐기 조건이 형성되고, 이로 인해 악취 물질 발생의 원인이 된다(Alberta Agriculture, Food and Rural Development, 2005). 피트모스는 다공성 구조를 가진 물질로 보수력과 흡착력이 뛰어나(Rezanezhad et al., 2016), 우사 내 가축 분뇨의 수분함량을 혐기화가 일어나기 어려운 적정 범위(Rho et al., 2022)로 조절하는데 기여하여 악취물질 저감에 직간접적으로 도움을 준 것으로 판단된다. 또한, 피트모스는 다양한 휴믹물질을 함유하고 있어 pH 3.5~5.0의 산성을 나타내는데, 낮은 pH는 암모늄 이온(NH4+)이 암모니아(NH3)로 전환되는 것을 억제하여 암모니아의 배출 감소에 기여하는 것으로 보고하고 있다(Nugrahaeningtyas and Park, 2024). 피트모스의 물리화학적 특성으로 인해 한우 및 젖소 분뇨에서 발생하는 암모니아, 황화수소 및 악취 강도가 대조구 대비 유의적으로 낮게 나타난 것은(Table 3, Table 4), 수분 조절을 통한 혐기 상태 억제, 산성 환경 형성에 따른 NH4+의 유지, 다공성 구조에 의한 악취물질 흡착이라는 복합적인 기작이 동시에 작용한 결과로 판단된다. 이는 기존 연구에서 보고된 피트모스의 물리화학적 장점(Nugrahaeningtyas and Park, 2024; Rho et al., 2022) 을 실제 우사 환경에 적용했을 때도 동일하게 재현된 것으로 해석된다. 다만, 본 연구에서 피트모스가 투입됨에 따라 악취물질이 감소하는 결과를 나타냈으나, 젖소 분뇨에서 암모니아 검지관 측정의 결과가 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 이는 젖소 분뇨 샘플의 수분 함량이 높아 포집된 샘플의 수분 함량 또한 상대적으로 높을 것으로 유추할 수 있으며, 검지관의 경우 샘플의 수분 함량에 따라 측정 결과에 큰 영향을 받을 수 있다. 반대로 센서를 통한 암모니아 측정 결과에서 유의적인 차이가 나타난 것은 이를 뒷받침하는 근거로 볼 수 있다. 종합적으로, 한우 및 젖소 우사에서 톱밥과 피트모스의 혼합 사용은 우사 유래 암모니아 및 황화수소 저감에 긍정적인 영향을 줄 것으로 사료된다.
결 론
본 연구에서는 피트모스가 한우 및 젖소 분뇨 유래 암모니아 및 황화수소 배출에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 피트모스 투입에 따른 우사 내 악취 저감 효과를 분석한 결과, 검지관과 센서를 통해 분석한 암모니아 수치가 대조구에서 26.2와 19.2 ppm이며 피트모스 처리구에서 8.20 및 4.20 ppm으로 낮게 나타났으며, 검지관과 센서를 통해 측정한 황화수소는 대조구에서 1.98 및 1.12 ppm이며, 피트모스 처리구에서 ppm 수준에서 감지되지 았았다. 본 연구에서 피트모스 투입 시 우사 내 악취물질 발생 감소 효과가 장기적으로 나타남을 확인하였다. 다만, 본 연구에서 피트모스 처리구의 수분 함량이 일반 톱밥 처리구에 비하여 높게 나타났기 때문에 우사 바닥관리를 위해서 피트모스 혼합 비율 조정과 교반 방법에 대한 추가연구는 필요할 것으로 사료된다. 전반적으로 피트모스의 사용이 한우 및 젖소 분뇨 내 암모니아 및 황화수소 발생을 억제하는데 효과를 보이며, 가축분뇨 유래 악취 물질 저감에도 기여할 수 있음을 시사한다.
