서 론
재료 및 방법
결과 및 고찰
1. 한우농가 퇴비의 화학성 및 비효성분 분석
2. 한우농가 퇴비의 유기물, 수분, 염분, 염산불용해물, 중금속 및 병원성미생물 분석
3. 한우농가 퇴비의 부숙도 평가
결 론
서 론
역사적으로 가축분뇨는 농업에 있어 영양소 공급원으로서의 매우 중요한 역할을 해왔다. 가축분뇨는 질소, 인산, 칼륨을 포함하는 동시에 다양한 미량원소 및 유기물을 토양에 공급하여 토양 비옥도를 유지하고, 개선하는 기능을 한다 (Nam et al., 2010). 다만, 오늘날 집약적인 축산업은 그에 상응하는 대량의 가축분뇨를 발생시키기 때문에 환경의 부정적인 영향을 피하기 위해서 반드시 적절한 처리 방법이 수반되어야 한다 (Burton and Turner, 2003).
2019년 기준, 우리나라의 가축분뇨 발생량은 총 51,838천 톤이었으며, 이 중 41,428천 톤 (79.9%)이 퇴비로 처리되고 있는 실정이다 (The Board of Audit and Inspection of Korea, 2021; Kim et al., 2022). 퇴비화는 새로운 기술이라고 할 수 없으나, 다면적인 이점으로 인하여 가축분뇨의 관리 및 이용 영역 내에서 여전히 중심적으로 채택되는 방법이다 (Larney and Hao, 2007; Bernal et al., 2009).
퇴비화는 유기물질의 무기화작용 (mineralization)과 부분적인 부식화작용 (humification)을 수반하는 생물학적 산화 과정으로서 (Zucconi, 1987), 가축분뇨는 퇴비화 과정을 통해 농지 이용 측면에서 더 안전하고 안정적인 물질로 변환된다 (Carr et al., 1995). 우수한 품질의 퇴비를 생산하기 위해서는 퇴비화 단계에서 물질의 변화에 대한 이해가 필요한데, 그중에서도 안정성과 부숙도는 최종적으로 생산되는 퇴비의 품질에 가장 중요한 요소이다 (Wang et al., 2004). 퇴비의 안정성은 미생물의 활성과 밀접한 관련이 있으며, 유기물질이 분해되는 과정에서 미생물학적 호흡 측정 및 화학적 변화 (pH, 전기전도도 (EC), 유기물대질소비 (OM/N), NH4+와 NO3- 비율 등)에 의해 평가될 수 있다 (Lasaridi and Stentiford, 1998; Pichler and Kögel-Knabner, 2000; Wang et al., 2004). 퇴비의 부숙도를 평가하기 위해 종자발아테스트 및 생물검정 등이 사용되고 있으며 (Cooperband et al., 2003), 우리나라에서는 비료공정규격에 근거하여 기계적 부숙도 측정법과 종자발아법이 이용되고 있다.
그동안 많은 연구자들에 의해 가축분뇨 유래 퇴비의 품질 특성, 농지에 대한 투입 정량화, 토양의 물리화학 및 미생물학적 특성 변화에 대한 학술적 연구가 진행되었다. 현재 경종농가에 공급되는 퇴비는 대부분 가축분뇨를 원료로 사용하여 생산하고 있는데, 축종에 따른 분뇨의 성상 및 배출 특성 차이로 인해 생산되는 퇴비의 조성도 달라지며, 동일 축종 내에서도 차이가 발생하는 것으로 보고되고 있다 (Nam et al., 2010; Jeong et al., 2005; Kim et al., 2018). 따라서 축종별 가축분뇨 유래 퇴비의 지속적인 품질 분석과 연구자료의 축적은 농축산 분문의 자원 순환 구조 내에서도 토양 양분관리 등 지속가능한 친환경 농축산업으로의 전환을 위해 중요한 자료가 될 것으로 사료된다.
본 연구는 한우농가에서 생산된 퇴비의 이화학적 성상, 비효성분 조성, 중금속 함량, 부숙도 등의 품질 특성을 파악하여 고품질 퇴비 생산 유도 및 제도적 기준 마련을 위한 기초자료로 활용하고자 수행하였다.
재료 및 방법
한우농가 퇴비의 품질 특성을 조사하기 위하여 2021년 강원도 지역 (횡성군, 양구군)의 한우농가로부터 생산된 총 51점 퇴비 샘플을 수집하였다. 퇴비 샘플은 비료관리법 상 비료정규격설정 (가축분퇴비) 항목으로 규정된 유기물, 중금속 (비소 (As), 카드뮴 (Cd) 수은 (Hg), 납 (Pb), 크롬 (Cr), 구리 (Cu), 니켈 (Ni) 아연 (Zn)), 병원성미생물 (E. coli (O157:H7), Salmonella spp.), 유기물대질소비 (OM/N), 염분 (NaCl), 부숙도, 염산불용해물을 분석하였으며, 그 외에도 pH, 전기전도도 (EC), 질소 (N), 인산 (P2O5), 칼리 (K2O), 암모늄태질소 (NH4-N)/질산태질소 (NO3-N) 비를 분석하였다.
퇴비 시료의 분석은 「비료의 품질검사방법 및 시료채취기준」을 준수하여 분석하였다. 유기물과 염산불용해물은 회화법을 이용하였고, P, K, As, Cd, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn은 마이크로웨이브 (QWave1000, Questron Technologies, USA)로 산 가수분해 후 ICP (Spectro Blue, SPECTRO Analitical Instruments, Germany)로 각각 측정하였으며, Hg는 마이크로웨이브 (QWave1000, Questron Technologies, USA)로 산 가수분해 후 수은분석기 (RA-5, NIC, Japan)를 이용하여 측정하였다. T-N, NH4-N, NO3-N은 각각 황산법, 증류법, 데바루다합금법으로 측정하였다. 염분 농도는 ICP (Spectro Blue, SPECTRO Analitical Instruments, Germany) 로 정량한 후 NaCl로 환산하여 계산하였다. 부숙도는 암모니아와 이산화탄소 발색반응을 이용한 기계적 부숙도측정 방법 (콤백, CoMMe-100)과 종자발아법으로 측정하였으며, 병원성미생물인 E. coli (O157:H7), Salmonella spp.은 미생물시험법으로 분석하였다. 그 외 pH와 EC는 시료대 증류수를 1:10 (w/v) 비율로 현탁액을 만들어 각각 수질다항목측정기 (YSI-556MPS, Xylem,USA)를 이용하여 측정하였다.
결과 및 고찰
1. 한우농가 퇴비의 화학성 및 비효성분 분석
(1) pH, EC 및 질소, 인산, 칼리의 함량
본 연구에서 조사된 한우농가 퇴비의 pH, EC, 질소, 인산, 칼리 함량의 분석 결과는 Table 1에 나타냈다. 한우농가 퇴비에 대한 화학성 분석에서 pH의 평균값은 8.69이었으며, EC는 5.87 mS/cm로 측정되었으며, 비효성분인 질소, 인산, 칼리의 분석 결과 평균값은 각각 1.05%, 1.09%, 1.68%로 측정되었다.
가축분뇨 퇴비화 활성 단계에서는 유기물질의 분해 및 무기화작용으로부터 암모니아 생성에 기인하여 pH가 증가하다가 퇴비화 부숙 단계에서는 pH가 낮아지는 경향을 나타내며, EC의 경우는 암모늄과 가용성 염 생성에 기인하여 퇴비화 활성 단계 이후부터 다소 증가하는 것으로 알려져 있다 (Gómez-Brandón et al., 2008). pH와 EC는 모두 토양의 화학성과 무기성분의 유효도에 영향을 미치므로 작물생육과 밀접한 관계에 있기 때문에 퇴비화 단계에서 적절한 관리가 요구되는 인자이다.
Kim et al. (2018)의 연구에 따르면, 2016년부터 2017년까지 시판되는 659점의 가축분뇨 유래 퇴비를 분석한 결과 질소, 인산, 칼리의 평균 함량은 각각 1.73%, 1.88%, 1.66%로 나타났다고 보고하였는데, 본 연구의 한우농가 퇴비 분석 결과와 비교 시 질소와 인산의 함량은 다소 낮았으며, 칼리의 함량은 유사하게 나타났다.
(2) NH4-N, NO3 –N의 함량 및 NH4-N/NO3 –N 비
한우농가 퇴비의 NH4-N, NO3-N 평균값은 각각 831 mg/kg, 685 mg/kg로 나타났으며, NH4-N/NO3 –N 비의 평균값은 1.78인 것으로 분석되었다 (Table 2).
Table 1.
pH, EC, N, P2O5, and K2O properties of Hanwoo manure compost.
| pH [1:10] |
EC [1:10] (mS/cm) |
N (%) |
P2O5 (%) |
K2O (%) | ||
|
Hanwoo manure compost (n=51) | Mean | 8.69 | 5.89 | 1.05 | 1.09 | 1.68 |
| Min1 | 7.35 | 2.22 | 0.50 | 0.30 | 0.47 | |
| Max2 | 9.72 | 14.51 | 2.52 | 6.74 | 4.11 | |
| Standard deviation | 0.48 | 2.13 | 0.55 | 1.05 | 0.95 | |
Table 2.
NH4-N, NO3-N, and NH4-N/NO3-N ratio properties of Hanwoo manure compost.
|
NH4-N (mg/kg) |
NO3-N (mg/kg) | NH4-N/NO3-N ratio | ||
|
Hanwoo manure compost (n=51) | Mean | 831 | 685 | 1.78 |
| Min1 | 108 | 184 | 0.16 | |
| Max2 | 2,446 | 3,494 | 10.28 | |
| Standard deviation | 537.61 | 561.47 | 1.64 | |
퇴비화에서 NH4-N, NO3-N의 함량의 변화 및 NH4-N/NO3 –N 비는 퇴비의 안정성 및 부숙 정도를 추정하는 지표 인자 중 하나이다. 가축분뇨 퇴비화 과정에서의 질소 손실은 대부분 암모니아 휘발에 기인하는 것으로 알려져 있다 (Parkinson et al., 2004). 퇴비화의 활성 단계 (발열 단계)에서 유기물질의 분해 및 무기화작용에 NH4-N의 농도가 가장 높게 나타나며, 과정이 진행됨에 따라 퇴비 내 pH의 상승으로 암모니아 휘발에 의해 NH4-N의 농도가 빠르게 감소하게 되는데 (Bernal et al., 2009), 이와 동시에 퇴비화 과정에서의 수분 증발 등으로 인하여 부분적으로 질소가 농축되는 현상이 일어나기도 한다 (Paredes et al., 1996). 한편, 질산화균이 활성화되는 시기는 퇴비화의 부숙 단계 (감열 후 후숙 단계)로서 pH가 중성으로 낮아지고, 온도가 40°C 이하로 떨어질 때 질산화가 진행된다 (Tiquia, 2002). 이때 부숙된 퇴비에서의 NH4-N/NO3–N 비율도 낮아지게 되는데, Bernal et al. (1998)는 다양한 유기성폐기물 유래의 퇴비에 대해 NH4-N/NO3–N 비 0.16 이하를 부숙도 평가지표로 도출한 바 있다. 이와 비교했을 때 본 연구의 한우농가 퇴비의 NH4-N/NO3–N비 평균값 (1.78)은 Bernal et al. (1998)의 연구 결과에서 제시하는 범위보다 다소 높은 것으로 평가된다.
2. 한우농가 퇴비의 유기물, 수분, 염분, 염산불용해물, 중금속 및 병원성미생물 분석
(1) 유기물, 수분, 염분, 염산불용해물의 함량 및 유기물대질소비
현행 우리나라의 비료관리법에 따른 비료공정규격 및 설정에서는 가축분퇴비를 부산물비료로 분류하여 유기물 최소함량, 중금속의 최대 허용량, 병원성미생물의 불검출 여부, 기타규격 (유기물대질소비, 수분함량, 염분, 염산불용해물)을 제시하고 있으며, 비료생산업을 등록하고 해당 비료공정규격에 적합하면 가축분뇨퇴비로 등록 및 판매가 가능하다 (Ko and Kim, 2016; Chang et al., 2008). 이에 한우농가에서 생산되는 퇴비 품질을 평가하고자 비료공정규격의 기준 항목 성분에 대해 분석하였다.
본 연구에서 조사된 한우농가 퇴비의 유기물, 수분, 염분, 염산불용해물의 함량 및 유기물대질소비는 Table 3과 같다. 각 분석 항목의 평균값은 유기물 32.82%, 수분 54.32%, 염분 1.85%, 염산불용해물 1.63%로 나타났으며, 유기물대질소비는 33.72로 분석되었다.
Table 3.
Physicochemical properties of Hanwoo manure compost.
|
OM3 (%) |
OM/N ratio |
MC4 (%) |
NaCl (% dw) |
HCl-insoluble substance (%) | ||
|
Hanwoo manure compost (n=51) | Mean | 32.82 | 33.72 | 54.32 | 1.85 | 1.63 |
| Min1 | 17.13 | 22.13 | 8.49 | 0.50 | 0.50 | |
| Max2 | 70.04 | 79.45 | 78.65 | 3.52 | 4.13 | |
| Standard deviation | 13.77 | 10.21 | 20.26 | 0.73 | 0.92 | |
| Official standard of commercial fertilizer | ≥ 30 | ≤ 45 | ≤ 55 | ≤ 2.0 | ≤ 25 | |
토양 유기물은 토양 비옥도 향상, 물리성 개선, 양이온교환능력 증대, 영양분 공급 및 미생물 활동 촉진 등 다방면의 기능을 한다. 따라서 가축분퇴비에 있어 유기물 함량은 그 품질을 평가하는데 매우 중요한 기준이 된다. Nam et al. (2010)에 따르면 시판되는 축종별 퇴비의 유기물과 수분을 조사한 결과 유기물 함량은 계분퇴비 39.1%, 돈분퇴비 40.7%, 우분퇴비 39.6%, 혼합퇴비 39.9%로 축종별 원료에 따른 큰 차이가 없었으며, 수분의 경우 각각 돈분퇴비 42.1%, 우분퇴비 41.6%, 계분퇴비 37.0%, 혼합퇴비 39.1%로 조사되었다. 본 연구에서 조사한 한우농가 퇴비의 경우 Nam et al. (2010)의 보고에 비해 유기물은 다소 낮고 수분은 비교적 높은 것으로 조사되었으나 비료공정규격인 유기물 함량 30% 이상, 수분 55%이하 기준에는 만족하였다. 이와 같은 차이는 농가 단위에서 퇴비화 시 톱밥과 같은 수분조절재의 사용량 차이나 퇴비화 방법에서 기인되는 것으로 사료된다.
소는 사육과정에서 소금의 섭취량이 많기 때문에 소의 분뇨에도 염분이 비교적 다량 배출되는 특성이 있다 (Nam et al., 2010). 한편, 염분은 토양의 물리적 구조 및 투수성과 밀접한 관계에 있으므로 비료공정규격에서 염분의 함량을 2.0% 이하로 허용농도를 규정하고 있다 (Kim et al., 2022). 또한 염산불용해물은 퇴비에 모래나 흙의 무분별한 혼합을 방지하기 위한 것으로 비료공정규격에서는 염산불용해물 25% 이하로 허용농도를 규정하고 있다. Ahn et al. (2021)의 연구에 따르면, 가축분뇨 재활용시설에서 생산된 퇴비 시료 304점을 분석한 결과, 염분과 염산불용해물의 평균값은 각각 1.18%, 2.25%로 나타났다고 보고하였다. 본 연구의 한우농가 퇴비 분석 결과와 비교 시 염분의 함량은 다소 높았고, 염산불용해물은 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 비료공정규격의 기준을 각각 만족하였다.
C/N비는 퇴비화에서 중요한 영향을 미치는 결정요인으로 퇴비화의 최적 C/N비는 25~30:1로 알려져 있으며, C/N비가 20:1 미만에서는 암모니아 등 악취가 유발되고, C/N비가 40:1를 초과하면 질소질 부족으로 퇴비화가 지연될 수 있다 (Lee et al., 2020). 퇴비화가 진행되면 탄소는 감소되고 질소는 증가하는 경향을 나타내는데 이로 인하여 C/N비는 퇴비화가 진행될수록 감소되는 경향을 나타낸다 (Chang et al., 2008). 비료공정규격에서는 유기물대질소비 45이하로 규정하고 있는데 본 연구의 한우농가 퇴비의 경우 비료공정규격을 만족하였다.
(2) 중금속 및 병원성미생물
가축사육에서 성장 촉진이나 사료효율 개선 등의 목적으로 사료에 첨가되는 Cu, Zn, As, Mn, Fe과 같은 미량원소들은 동물 체내에서 전량 이용되지 않고 일부 분뇨로 배출된다 (Ko and Kim, 2016; Sims and Wolf, 1994). 용해성이 높은 유기물과 무기염류는 토양내에서 용탈 및 용해되어 축적성이 적으나 중금속류는 토양내에서 장기간 축적되고, 중금속의 화학적 형태에 따라 양분의 이동성과 생물학적 유효도 (bioavailability)에 영향을 주어 식물의 생육 장애와 함께 인간과 가축에도 직·간접적인 피해를 줄 수 있다 (Jung et al., 1998; Ko and Kim, 2016). 비료공정규격에서는 가축분퇴비 내 중금속의 허용 가능 최대량을 As 45 mg/kg, Cd 5 mg/kg, Hg 2 mg/kg, Pb 130 mg/kg, Cr 200 mg/kg, Cu 360 mg/kg, Ni 45 mg/kg, Zn 900 mg/kg로 규정하고 있으며, 병원성미생물인 E. Coli (O157:H7)와 Salmonella spp.은 검출되지 않아야 한다. 본 연구에서 조사된 한우농가 퇴비의 중금속 함량 분석 결과 As 불검출, Cd 불검출, Hg 불검출, Pb 2.51 mg/kg, Cr 3.21 mg/kg, Cu 45.73 mg/kg, Ni 1.71mg/kg, Zn 205.76 mg/kg로 측정되었으며 (Table 4), 비료공정규격에서 제시하는 모든 중금속 항목에서 허용기준치 이내인 것으로 조사되었다. 또한 조사된 모든 한우농가 퇴비에서 병원성미생물은 검출되지 않았다.
Table 4.
Heavy metals contents of Hanwoo manure compost.
| As | Cd | Hg | Pb | Cr | Cu | Ni | Zn | ||
| -------------------- (mg/kg dw) -------------------- | |||||||||
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Hanwoo manure compost (n=51) | Mean | ND3 | ND | ND | 2.51 | 3.21 | 47.53 | 1.71 | 205.76 |
| Min1 | - | - | - | ND | ND | 5.62 | ND | 21.00 | |
| Max2 | - | - | - | 7.02 | 8.53 | 106.20 | 5.59 | 508.00 | |
| Standard deviation | - | - | - | 2.48 | 2.95 | 19.33 | 1.79 | 94.68 | |
| Official standard of commercial fertilizer | ≤ 45 | ≤ 5 | ≤ 2 | ≤ 130 | ≤ 200 | ≤ 360 | ≤ 45 | ≤ 900 | |
3. 한우농가 퇴비의 부숙도 평가
퇴비의 부숙도를 평가하거나 부숙 정도를 추정하는 지표 인자는 온도, C/N비, CO2 발생량, 질산화율, 미생물 안정성, 특정 미생물의 발현, 생물독성시험 (종자발아법) 등 매우 다양하다 (Bernal et al., 2009; Bernal et al., 1998). 비료공정규격에서는 기계적 부숙도 측정방법인 콤백 (CoMMe-100), 솔비타 (Solvita) 또는 생물학적측정방법인 종자발아법 중에서 하나의 측정 방법 이상에서 부숙으로 판정되어야 한다.
본 연구에서는 콤백과 종자발아법을 이용하여 한우퇴비의 부숙도를 평가하였으며, 그 결과는 Table 5와 같다. 콤백법의 경우 한우농가 퇴비 51개의 모든 시료에서 부숙으로 판정되었다. 한편, 종자발아법의 경우 발아지수 (Germination Index, GI) 70 이상을 부숙으로 판정하는데, 한우농가 퇴비 샘플별 발아지수는 35~159까지 다양하게 나타났으나, 평균 발아지수는 86으로 분석되어 비료공정기준에 만족하는 것으로 평가되었다.
결 론
본 연구에서는 한우농가에서 생산된 퇴비 시료 51점을 수거하여 비효성분의 조성, 이화학적 성상, 중금속 함량, 병원성미생물 검출 여부, 부숙도 등을 비교 분석하였다. 그 결과 한우농가 퇴비 시료에 대한 분석 항목별 평균값은 비료공정규격에 부합하는 것으로 평가되었다. 전문성을 갖춘 가축분뇨 재활용 시설 (퇴비 생산시설·업체 등)의 시판 퇴비와 비교 시 질소와 인산의 함량이 다소 낮은 것을 제외하면 품질면에서도 큰 차이가 발견되지 않았다. 다만 퇴비 성상의 균질성은 이용자 측면에서 반드시 요구되는 부분이다. 가축분뇨는 축종 및 축종별 사육 특징, 생육단계, 사료의 종류, 분뇨의 수거 방법이나 처리방식에 따라 많은 차이가 발생한다. 일례로 소의 영양소 요구량 중 광물질이나 소금은 우군의 영양 측면에서 매우 중요하기 때문에 기타 축종에 비해 급여량이 많으므로 퇴비의 염분에 대해서도 고려할 필요성이 있다. 또한 우리나라 대부분은 깔짚우사로서 깔짚의 종류와 양, 교환 주기, 우상의 수분관리 등은 결국 퇴비화의 주요 인자인 C/N비, 수분함량뿐만 아니라 생산된 퇴비 품질에도 영향을 미친다. 따라서 농가 단위에서 양질의 퇴비를 생산하기 위해서는 사료의 선정부터 우상 관리, 퇴비화 기술, 퇴비의 농지환원까지 전주기에 걸친 관리가 필요하다.
한편, 현재 가축분뇨 퇴비 기준에 대해 「가축분뇨법」과 「비료관리법」상 비료공정규격으로 이원화되어 있는 것이 지적되고 있으며 (Ahn et al., 2021), 비료공정규격의 가축분퇴비 기준은 유기물의 최소 함유량, 유해성분 (중금속 및 병원성미생물)의 최대 허용량, C/N비, 염분, 수분, 부숙도 정도에 대해서만 기준을 정하고 있다. 향후 고품질 퇴비의 생산 유도와 지속가능한 농축산업의 발전을 위해서는 토양 양분관리나 이용자 측면에서 퇴비성분표시제 또는 퇴비품질인증제와 같은 정책·제도적 개선이 필수적인 것으로 사료된다.
