서 론

분뇨를 가공·처리하여 만든 비료가 양분공급 및 토양개량에 관여하여 작물재배에 효과적인 결과를 보인 것은 인류의 농경사에서 익히 알려져 있는 사실이며, 미국 농무부는 2009년 의회에 제출한 연구 보고서를 통해 가축분뇨는 '작물 비료, 토양 개선 및 재생 에너지의 귀중한 자원'이라고 정의한 바 있다 (MacDonald et al., 2009).

퇴비화는 가축분뇨 및 기타 농산 폐기물 등을 발효시켜 유기 비료로 전환하는 전통적인 방법이자 현재도 널리 쓰이고 있는 방법이다. 가축분뇨를 이용한 호기적 퇴비화는 발효기간 중 고온을 발생시키며, 이런 환경조건은 생분해성 플라스틱류의 분해에 적합 (Hermann et al., 2011; Won and Lau, 2023)한 것으로 알려져 있다. 생분해성 플라스틱 원료로 이용되는 polylactic acid (PLA)는 자연환경에서 생분해, 가수분해, 광분해, 방사선 분해 및 열분해와 같은 다양한 원리를 통해 발생할 수 있으나 (Kumar and Maiti, 2016), 고온 다습한 환경에서 더욱 분해 효율이 높아 (Xu et al., 2011; Karamanlioglu and Robson, 2013), 퇴비 더미 내부는 PLA 생분해의 최적 환경을 갖추었다고 볼 수 있다.

PLA와 같은 생분해성 플라스틱은 기존 플라스틱으로 발생하는 환경적 부담을 낮추기 위해 개발된 물질로써 화석연료를 원료로 하여 제조되는 기존 플라스틱 대비 제조 및 순환 과정 그리고 미립화되어 발생시키는 환경문제를 완화 시킨다 (Jem and Tan, 2020). 이에 유럽연합에서 2018년 채택한 󰡔A European Strategy for Plastics in a Circular Economy󰡕의 세부 목표 내 기존 플라스틱의 대체제로 생분해성플라스틱을 지목하며, 대체 확대 및 순환에 적합한 체계화 마련이 있고, 국내에서도 생분해성 플라스틱의 효과적 활용에 대한 정책이 마련되고 있어, 생분해성 플라스틱의 사용량과 발생량은 지속해서 점증할 것으로 전망되고 있다.

‘22년도 농식품부 󰡔축산환경실태조사󰡕 추산에 의하면 국내 가축분뇨 발생량은 약 5천만 톤 수준이며 이 중 70% 이상이 퇴비 형태로 처리되고 있다. 이와 같은 배경에서 향후 국내 생분해성 플라스틱의 발생량 증가 시 국내 생분해성 플라스틱 자원순환 체계에서 가축분뇨 퇴비화는 소거 단계로써의 체계 중 주요 일부가 될 것으로 보이며 이로 인해 환경에 주는 부담 수준을 낮출 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 생분해성 플라스틱 원료로 사용되고 있는 대표적인 물질인 PLA가 가축분뇨 퇴비화 시 생분해 되는 수준과 퇴비화 과정에 미치는 영향을 규모화시킨 실험을 진행하고, 현장조사를 실시함으로써, 산업적으로 이용 시 가축분뇨 퇴비 더미가 분해해 낼 수 있는 생분해성 플라스틱의 양적 수준을 가늠하고자 실시되었다.

재료 및 방법

1. polylactic acid (PLA) 입자

본 시험에서는 가축분뇨 퇴비화 시 다량의 PLA가 퇴비 더미 전체에 균등하게 잘 분산되어 퇴비 더미 곳곳에서 최대량이 소거될 수 있도록 하기 위해 입자 형태의 PLA를 사용하였다. 그리고 소거량을 육안으로 확인하기 위한 목적 및 향후 산업화에서 재활용 PLA의 경제적 사용을 고려하여 고운 입자가 아닌 단순 파쇄되어 각 입자의 모양 및 크기가 자유로운 형태의 입자를 사용하였다. 순도 99.9% 등급의 PLA 펠릿 (Biodegradable polylactic acid, Guangdong province, China)을 구매한 후 한국에서 분쇄하여 사용하였으며, 분쇄된 입자의 평균 크기는 약 180 mm³ 이다.

2. 가축분뇨

퇴비 더미의 주원료로 사용한 축분은 인근 한우 사육농가와 산란계 사육농가에서 각 제공 받은 것으로 우분은 우분 및 볏짚 등의 부산물이 일부 혼합된 것과 계분은 계분 및 깃털 등의 부산물이 일부 섞여 있는, 가공처리 없이 단순히 구할 수 있는 축분 형태로 이용하였고, 계분은 시험개시 7일 전 우분은 시험개시 3일 전 구하여 시험 장소 가까이에 적재하여 보관 후 시험에 이용되었다. 우분 및 부산물과 계분 및 부산물을 중량 기준 약 2:8로 혼합하여 축분혼합물 제조에 사용되었고, 중량 측정에는 스키드로더(Hundai HL600S, Korea), 파렛트형 계근대 (CAS-3HFS, China) 및 톤백자루가 이용되었다.

3. 액상형 복합미생물제 제조

시험이 이루어진 겨울철의 퇴비화 현장시험에서 낮은 기온에 의한 시험 오차를 줄이기 위해 선행 시험에서 검토된 미생물을 이용하여 유사한 구성으로 복합미생물제를 제조하여 발효 보조제로 사용하였다. 제조 농도는 일반 생균형 시제품 균주농도와 비슷한 수준인 10^6~7 CFU/ml이 되도록 하기 위해 Luria-Bertani (Difco, USA)와 공개된 방법에 따라 직접 제조한 ISP1 배지를 이용하여 30˚C에서 균주별로 36~72시간 내외로 호기 진탕 배양하였으며, 각 균주의 농도가 약 10⁷ CFU/ml 수준이 되도록 하였다. 배양 최종시점에서 주요 균주농도는 7.2×10⁶ CFU/ml에서 4.2×10⁷ CFU/ml으로 복합미생물제로 혼합 제조 시 농도가 10⁶ CFU/ml은 초과할 수 있도록 하였다. 퇴비화 현장시험 시작 시점을 역산하여 배양시킨 각 균주는 목적한 농도 도달 시점에 수거 후 완전히 밀봉하였으며, 현장시험 실시 전까지 4℃에서 개별 냉장 보관하되 보관 기간은 2일 이내로 하였다.

4. 현장시험 구성 및 규모형 퇴비 제조

PLA 입자 처리 여부를 Table 1과 같이하여 퇴비 제조 시 PLA 입자를 첨가하지 않은 토비더미를 대조구 (C)로 하였고, PLA 입자를 첨가한 퇴비 더미를 처리구 (T)로 하여 2종의 시험구를 구성하였다. 퇴비 더미 구성은 축분혼합물로 우분 및 계분 혼합물이 사용되었고, 공극제로는 톱밥이 이용되었다. 선행 조사된 원료별 수분 함량을 기준으로 퇴비 더미의 최종 함수량이 약 65%가 되도록 더미 제조 시 물을 추가 투입하는 형태로 구성하였다. 각 퇴비 더미의 균질한 제조를 위해 PLA 입자를 제외한, 계근으로 준비된 원료 모두를 가수하며 혼합하는 형태로 5톤 수준의 퇴비 더미를 먼저 제조한 다음 2.5톤씩 동일하게 나누어 각 규모가 2.5 톤 수준이 되는 두 기의 퇴비 더미를 조성하였다. 이어 처리구 퇴비 더미에 PLA 입자를 첨가하여 소형굴삭기 (Yanmar SV80, Japan)를 이용하여 섞어주었다.

5. 퇴비 더미 관리

대조구와 처리구 퇴비 더미를 시험을 위해 설치된 비닐하우스 내 나란히 배치하여 일조량 및 바람 세기 등 외기로부터의 영향이 유사할 수 있도록 하였고, 분리벽 설치로 시험구 간의 섞임을 방지하였다. 퇴비화 방법은 퇴적식 퇴비화 방법으로 하여 Figure 1과 같은 형태로 실시하였다. 뒤집기 작업은 퇴비 더미 내부로의 공기 공급을 위해 약 10일에서 20일 간격으로 수행하여 대조구 퇴비 더미는 전체기간 중 총 6회 실시하였고, 처리구 퇴비 더미는 총 5회 실시하였다. 뒤집기 작업 시기는 각 퇴비 더미 발열 양상을 기준으로 온도 증가가 일어나지 않거나, 떨어질 때로 하였다. 실험개시일 기준 약 50일경까지는 퇴비 더미 내부의 미생물 발효 활동 촉진을 위해 뒤집기 작업 수행 시 각 퇴비 더미의 소실된 수분량을 현장 측정하여 각 퇴비 더미에 가수로 수분을 보충하는 작업을 병행하였다.

Figure 1.

Form of compost piles for evaluating PLA biodegradation test (A) and Preparation of compost pile with white PLA particle (B).

6. 조사 항목 및 방법

(1) 현장 측정

외부 기온은 오후 약 5시를 기준으로 퇴비 제조 시설 외부 지정 자리에 걸어둔 온도계 (Testo905-T1, Testo SE & Co. KGaA., USA.)를 이용하여 퇴비 더미가 있는 온실 내부가 아닌, 외부의 기온을 측정하였고, 퇴비 더미 온도는 탐침이 달린 온도계 (Testo905-T1, Testo SE & Co. KGaA., USA.)를 이용하여 측정하였다. 퇴비화 시 발생하는 주요 악취 물질을 암모니아로 하여 조사하였고, 시험구별 퇴비 더미의 여러 군데에서 시료를 부분 채취하여 100g이 되도록 칭량한 후 PE폴리백에 담아 밀봉한 시료를 만들어 4반복이 되도록 하여 측정에 이용하였다. 각 밀봉된 시료는 1분간의 안정화 이후 밀봉된 내부로 검지관 (3L, 3La, 3M; Gastec. Corp., JPN.)을 넣어, 실린더 (Gas sampling pump, Gastec. Corp., JPN.)로 플라스크 내 기체를 100 ml 흡기토록 하여 측정하였다.

(2) 시료 채취 및 일반분석

시험개시일에서 시험종료일까지 100일 동안 약 10일 간격으로 시험구별 퇴비 더미 여러 위치와 깊이에서 시료를 채취한 후 균등 혼합하여 밀봉하였고, 실험실 이송 후 분석 전까지 냉장 보관하였다. 수분 함량은 각 퇴비 시료 5 g을 일회용 알루미늄 그릇 (disposable aluminum dish)에 3 반복으로 담아 60°C로 설정된 건조 오븐 (dry oven)에 24시간 동안 건조한 후 소실된 수분량을 계상하여 구하였고, pH 값은 시료를 증류수와 중량 기준 1:4 비율로 희석한 희석액을 시료별 3 반복으로 제조하여 pH측정기 (Mettler Toledo-Five Easy Plus Ph/mV bench meter FP20, USA)로 측정 후 환산하여 구하였다. 총균수 측정은 시료별로 10,000~1,000,000배 계단식 희석한 희석액을 희석 농도별로 표준한천배지를 분주하여 35℃, 48시간 배양 후 성장한 미생물 집락수를 세어 구하였으며, 조사된 집락수는 log값으로 표기하였다

(3) PLA 입자 소거 수준

퇴비 내 PLA 입자가 소거되는 정도를 알기 위해 수집된 처리구 퇴비더미 시료에서 서로 다른 위치마다 무작위로 덜어낸 퇴비의 합이 100 g이 되도록 하여 PLA 입자 분석을 위한 시료를 재구성하였고, 수집 시료 일자별로 3개의 PLA 시료를 만들어 3 반복이 되게 하였다. Figure 2와 같이 퇴비 시료 내 PLA 입자 분리는 증류수를 이용해 PLA 입자가 아닌 물질들을 최대한 제거한 후 단계별 규격을 가진 체 등을 순차적으로 이용하여 1차 분리하였다. 이후 핀셋 및 확대경 등을 이용하여 퇴비 시료 중 섞여 있는 PLA 입자로 보이는 물질을 골라낸 후 분리된 입자는 유사한 외형을 가진 다른 물질이 아닌지 최종 검토 후 계수함으로써 PLA 소거 수준을 정량화하기 위한 수치로 사용하였다. 소거 수준은 각 단계 PLA 입자의 개수를 최초 시료에서 구한 PLA 입자 개수와의 비교로 계상되었다. 계상을 위한 식은 아래와 같으며, M1은 최초 시료에서 얻은 총 PLA 입자의 개수 평균이며, M2는 각 단계의 시료 수집 일정에서 얻은 시료 내 PLA 입자의 개수이다.

PLA소거율=[(M1¯-M2¯)/M1¯×100],

M1¯=M1,1+M1,2+M1,33,

M2¯=M2,1+M2,2+M2,33,

Figure 2.

Solid containing with PLA particles after washing (A), Separating PLA particles (B).

PLA 소거량 계산 방법은 Moon et al. (2016)의 논문을 참고하였다. 제시된 시험 시작 시 기준 되는 퇴비 시료 부피 내 PLA 무게에서, 퇴비화 과정 중 동량의 퇴비 시료 부피 중 소거되지 않고 남은 PLA 무게 차를 소거된 양으로 하는 방법을 본 시험에 적절하게 조정하여 사용하였다.

7. 통계분석

본 연구에서 대조구와 처리구 같은 측정 기간 간의 결과를 분산 분석 이용으로 분석하였으며, 사용한 통계 모형은 아래와 같다.

Yijkl = μ + Fi + εijkl

여기서, Yijkl는 반복측정에서 관측된 결과값, μ는 전체 모집단의 평균, Fi는 처리군 i의 고정효과, εijkl는 잔차이다. 통계적 유의수준은 p<0.05로 설정하였고, p≥0.05에서 ≤0.10은 경향성 기준으로 하였으며, 표기는 산출된 p값으로 하였다. 통계분석에는 SPSS v29 (IBM Corp., Armonk, NY)을 이용하였다.

결과 및 고찰

1. 퇴비화 기간 중 기온 및 퇴비 더미 발열 양상

퇴비 더미의 제조는 1월 추운 시기에 있었다. 약 한 달 동안의 초기 발열 기간 동안, 외기 최저 온도는 시험개시일 -6.3℃와 10일 차 -11.0℃로 측정되어 영하권 수준에 있었다. 시험 40일차에는 -0.6℃로 측정되었고, 이후 두 달 동안 외기 평균 온도는 약 10°C로 유지되며 추운 환경이 지속되었다. 퇴비 더미의 뒤집기 작업이 있은 후에는 공기 유입으로 인한 온도 상승이 관찰되었으나, 60°C 이상의 발열은 나타나지 않았으며, 이는 추운 외기가 퇴비 더미 발열 과정에 영향 (Das et al., 2002; Abdellah and Li, 2020)한 것과 퇴비화 초기 소실된 수분량에 맞추어 매회 가수를 할 때 냉수를 대량 이용하여 함수량을 초기 퇴비 더미와 같은 수준으로 원복시킨 것이 퇴비 더미 발열을 억제한 요인으로 추정된다 (Table 2). 본 현장시험의 대조구 퇴비 더미는 시험개시 10일 차에 45.4°C±0.2, 그리고 70일 차에 44.9°C로 가장 높은 수준의 발열이 있었고, 100일 차에는 30.7°C로 최저 온도가 있어, 100일 간의 전체 퇴비화 기간 동안 50°C 이하에서의 발열 양상이 조사되었다. 처리구 퇴비 더미는 10일 차에 58.2°C, 그리고 40일째에 58.4°C로 측정되었고, 최저 온도는 100일 차의 35.3°C로 측정되었다. 두 시험구 퇴비 더미의 발열 양상은 초기 상승 후 점감하는 형태의 전형적인 양상을 보였고, 우려와 달리 시험개시일을 제외한 모든 측정일에서 PLA 입자를 원물 기준 함량 약 8%, 건물 기준 함량 약 23%로 함유하고 있는 처리구 퇴비 더미가 대조구 퇴비 더미에 비해 더 높은 온도를 유지하였다 (p<0.05). 이상적인 조건에서 퇴비 심부 온도는 적어도 3일 동안 55°C에서 70°C 사이로 유지되어야 하나 (Epstein et al., 1976; Pereira-Neto et al., 1987), 처리구 퇴비 더미의 온도는 이 범위에 미치지 못했다. 이는 생물학적 분해 과정을 느리게 하여 퇴비 기간을 연장하고 병원원 제거에 불리한 조건을 초래할 수 있다. 다만 본 현장시험은 축산분뇨 퇴비화 시 PLA 물질 소거 가능 수준과 퇴비화 양상에 미치는 영향을 구함에 있기 때문에 처리구 퇴비 더미의 온도가 낮은 이유는 추정만 되었다. 대조구 퇴비 더미와 처리구 퇴비 더미 사이의 발열 양상 차이는 생분해성 플라스틱 입자 (PLA)의 투입 여부에 기인할 수 있다. 향후 경제성을 고려하여 단순 파쇄되어 투입된 PLA 입자는 각기 자유로운 파편 형태를 가지고 있으며, 평균 180 mm³의 입방체를 이루고 있다. 이는 퇴비 더미 내 미생물 활동을 결정하는 중요한 요인이 되는 퇴비 더미의 다공성과 통기 (Imbeah, 1998; Amuah et al., 2022)에 영향을 미치게 된다. 향상된 통기는 호열성 미생물의 성장 환경을 개선하여 퇴비 더미 발열에 직접 영향함에 따라 상대적으로 더 높은 온도를 도달하게 할 수 있다. 퇴비 제조에 주요 조건이 되는 발열 양상에서는 선행된 소규모의 퇴비 내 PLA 소거 시험에서의 결과 (Kawashima et al., 2021; Maragkaki et al., 2023)와 같이 본 시험에서도 뚜렷한 부정적 영향은 측정되지 않았다.

2. 퇴비화 기간 중 암모니아 가스 발생 양상

다양한 생물학적 처리 시설에서 발생하는 불쾌한 냄새는 일반적으로 황과 질소의 무기 및 유기 화합물, 저분자 무게의 지방산 등에 의해 발생하며, 암모니아는 퇴비 과정에서 생성되는 주된 악취 가스 형태이다 (Li et al., 2009). PLA 입자 첨가에 의한 악취 발생 경향을 알기 위해 측정된 암모니아 가스 발생량은 모든 시험구에서 시험 전기간 동안 후각으로 느낄 수 있는 수준이 되는 5ppm 이상의 농도가 측정되었다 (Table 3). 대조구와 처리구 퇴비 더미 모두 시험개시 20일 차에 각 461.3±16.5 ppm과 672.5±51.9 ppm으로 가장 높은 농도의 암모니아 가스 발생이 있었고, 시험종료일에 10.5±6.4 ppm과 7.5±2.9 ppm을 가장 낮은 농도의 암모니아 가스 발생이 있어, 퇴비화 기간이 길어짐에 따라 악취발생량이 점감하는 일반적인 형태를 보였다. PLA 입자가 첨가된 처리구 퇴비 더미는 시험개시 20일 차, 30일 차, 40일 차, 60일 차, 70일 차, 그리고 90일 차에서 대조구 퇴비 더미 대비 유의적으로 높은 농도의 암모니아 발생이 측정되었다 (p<0.05). PLA는 lactic acid를 고진공 고온에서 응축하여 물을 제거하는 형태로 조성됨 (Gupta et al., 2007)에 따라, 구조적으로 질소 계열의 분해 산물을 생성할 수 없다. 하지만 특정 미생물에 따라 PLA 및 젖산을 이용하여 2차 대사산물 등으로 휘발성지방산 생성 시 이취 및 악취의 양적 증가 원인이 될 수 있다. 처리구 퇴비 더미에서 암모니아 가스 발생 농도가 대조구 퇴비 더미 대비 높은 것은 상기 퇴비 더미 온도에서의 결과와 같이 호열성과 호기성 미생물의 활동성이 상대적으로 높음에 따라 질소 함유 유기물의 분해량이 증가하고, 온도가 높음에 따라 암모니아의 기화 여건이 상대적으로 더 조성되었기 때문으로 보인다.

3. 퇴비화 기간 중 퇴비 더미의 물성 양상

제조 직후 대조구 퇴비 더미의 함수량은 63.3±2.0%, 처리구 퇴비 더미의 함수량은 58.5±2.8%로 조사되었다 (Table 4). 대조구와 처리구에서 발생한 약 5% 수준의 함수량 차이는 PLA 입자 첨가에 의해 발생하였다. 더미 당 약 3톤 규모의 현장시험임을 고려했을 때 두 시험구 모두 목표한 원료 혼합 비율에 맞게 적절한 수분 함량에서 퇴비화가 진행된 것으로 보인다. 대조구에서 가장 높은 수분 함량이 발생한 측정일은 평균 수분 64.9±1.5%의 시험개시 50일 차였으며, 처리구 또한, 동일한 측정일에 62.5±1.6%로 가장 높은 수분 함량이 조사되었다. 가장 낮은 함수량은 대조구에서 시험개시 10일 차에 52.7±2.2%, 처리구에서는 시험개시 30일 차에 49.1±1.0%로 조사되었다. 시험일 50일 차까지 미생물 활동성 유지를 위해 직전 조사 결과 대비 소실된 수분량을 고려한 가수 작업이 있음에 따라, 퇴비 더미 별 수분 함량이 낮아졌다 다시 높아지는 결과가 있었다. 시험개시 30일 차까지는 시험구 퇴비 더미 모두에 동일한 수준의 가수를 하였으나, 퇴비 더미별 수분 소실량의 차이가 커짐에 따라 가수량을 달리하였다. 각 퇴비 더미에서 보인 수분 소실량 차이는 퇴비 더미 발열 양상에 비례하여 발생하였고, 시험개시 30일 차까지 처리구 퇴비 더미에서 수분 소실의 양적 차이가 뚜렷하게 발생하였다. 퇴비화 공정에서 함수량은 생분해 속도와 퇴비입자의 크기와 구조 변화에 큰 영향을 미치며, 적절한 수분 함량은 50~70%으로 알려져 (Richard et al., 2002) 있으나, 계분을 원료로 다량 이용 시 높은 수준의 함수량은 낮은 수준의 함수량 대비 퇴비 더미 발열이 낮아지기도 하였다 (Li et al., 2021). 본 시험에서는 퇴비화 초기 있었던 동일한 양의 가수가 처리구의 발열 양상을 저해한 요인 중 하나가 되었던 것으로 추정되고 PLA 입자 첨가에 의해 낮아진 함수량 변화 외 특이적 변화는 관찰되지 않았다.

시험구별 퇴비 더미의 시계열적 pH 변화에서 대조구는 시험개시 1일 차에 8.4±0.02로 시작하여 100일 차에 8.4±0.07로 측정되었고, 50일 차를 제외한 전 기간 측정일 간의 비교에서 변동 폭이 크지 않으며 8.0을 상회하는 pH 값이 관찰되었다. 처리구에서는 시험개시 1일 차에 8.7±0.01로 시작하여 100일 차에 8.7±0.05로 측정되었으며, 대조구에 비해 상대적으로 pH 변화폭이 높은 것으로 관측되었다. 퇴비 pH 변화는 질소화합물류의 휘발과 미생물의 활동성으로 일부 설명될 수 있는데, 질소화합물의 휘발은 퇴비 더미 내 pH를 낮추는 요인이 되고, 미생물 활동성은 유기산 생성을 통한 pH 저하 및 퇴비 내 단백태 물질 분해를 통한 pH 상승 양쪽에 있다. 본 시험에서는 대조구 대비 처리구에서 pH 변동폭이 컸는데, 이는 처리구 퇴비 더미에서의 질소화합물류 발산과 미생물 활동성 양측이 대조구 퇴비 더미에 비해 높음에 따라 발생된 것으로 보인다. PLA 물질을 퇴비화 원료로 사용했을 시 pH 변화에서 퇴비화 기간 초기 pH를 상승시켰다가 이후 낮아지는 현상을 보이는 결과 (Kale et al., 2006; Chen et al., 2024)들과 본 시험의 pH는 상이한 결과를 보였으나, 가축분뇨 퇴비화 기간 중기에 상대적으로 큰 폭의 pH 저하 후 회귀하는 특징을 보인 Ge et al. (2022)의 결과와는 유사한 형태를 보였다.

4. 균수 측정

퇴비 더미 내 미생물 활동성을 보기 위해 군집 검사로 시료 별 총균수를 호기상에서 조사한 결과는 Table 5와 같다. 시험개시일 대조구 총균수는 7.81±0.19 log10 CFU g^-1 수준으로 조사되었고, 시험개시 40일 차까지 감소하는 경향을 보인 후, 60일 차부터 증가하여 100일 차 최종 측정에서는 7.48±0.44 log10 CFU g^-1 로 조사되었다. 처리구의 경우 시험개시일, 대조구와 유사한 수준의 7.80±0.09 log10 CFU g^-1 로 조사되었고, 시험개시 20 일차에 7.10±0.12로 감소가 있은 후 점증하는 경향을 보여 100일 차에는 7.70±0.20 log10 CFU g^-1 로 조사되었다. 시험개시 20일 차와 40일 차에서 대조구와 처리구 총균수에서 유의한 차이 (p<0.05)가 있었다. 발열 양상을 고려할 때 총균수 조사결과가 40일 차에 대해서는 처리구의 균수가 대조구에 비해 많음에 따라 호기 상태에서 퇴비 더미 내 발열 양상을 주도하는 호열성 미생물의 활성이 높음으로 설명될 수 있으나, 20일 차의 경우 그렇지 못하다. 20일 차에 조사된 대조구의 총균수가 높으나, 낮은 총균수의 처리구 대비 발열 수준이 낮은 것은 대조구에 투입된 미생물이 퇴비화 초기가 되는 20일 차까지 아포 등의 형태로 다수 존재는 하나, 상대적으로 통기 취약과 같은 생장 등의 활성을 통해 발열을 견인하기 어려운 환경조건에 있었던 것으로 생각된다. 처리구의 경우 대조구 대비 생장에 좋은 환경으로 퇴비 더미 내 호열성 미생물의 활동이 있어, 발열 및 열축적이 일어나고, 활성화된 호열성 미생물 외 다른 호기성 미생물의 억제가 있었기 때문으로 추정된다. 본 현장시험으로 PLA 물질이 가축분뇨 퇴비에서 미생물의 영양원으로써 효과적인지는 설명하기 어려우나, PLA 소거에는 화학적 가수분해와 미생물에 의한 생물학적 분해가 순차적으로 진행 (Kale et al., 2007)되고, 멸균된 퇴비 대비 멸균처리를 하지 않은 퇴비에서 PLA 물질 소거율이 높음 (Saadi et al., 2012; Karamanlioglu and Robson, 2013)에 따라 퇴비 내 분포한 미생물 활성 수준으로 PLA 분해 수준을 판단할 수 있을 것으로 보인다.

5. PLA 입자 소거

퇴비 더미 내 첨가된 PLA 입자들의 퇴비화 기간 중 소거되는 수준을 PLA 입자 개수로 조사한 결과는 Table 6과 같다. 조사는 PLA 입자를 첨가한 처리구 퇴비더미에서만 실시되었다. 시험개시일 시료에서 조사된 PLA 입자 개수는 546.0±105.2개로 이후 시료에서 조사되는 PLA 입자 개수를 비교하여 소거율을 측정하는 기준으로 사용되었다. 시험개시 10일 차에서는 개시일 기준 약 13%의 PLA가 더 함유되어 있는 것으로 조사되었는데, 이는 퇴비화 초기 PLA 분해가 거의 이루어지지 않은 시점의 시료라는 시기상의 특징과 시료 채취 시, 다량의 첨가로 인해 균등한 혼합이 되지 않았던 부위 중 PLA 입자가 뭉쳐 있는 부분에서의 시료 채취가 다회 있어 발생한 오류로 보인다. 20일 차에는 469.0±80.3개의 PLA 입자가 조사되어 14.1%의 소거가 있었으며, 30일 차에는 305.3±20.6개의 PLA 입자로 개시일 대비 44.1% 소거율이 조사되었다. 50일 차는 30일차와 비슷한 수준의 43.5%의 소거율이 조사되었는데, 처리구 퇴비 더미는 동일한 기간 고온을 유지하였으나, 소거율의 진척이 낮았다. 이는 50~60℃ 가 PLA 분해에 적합하다는 결과 (Gorrasi and Pantani, 2013; Karamanlioglu and Robson, 2013)와 PLA 생분해 적합 온도로 58℃를 권장하는 국제 표준 󰡔ISO 17556󰡕 로는 설명이 어려우나, 58℃ 고온에 노출된 PLA는 결정화를 이루어 미생물에 의한 생분해를 방해할 수 있게 되는 결과 (Oh et al., 2024)로는 소거율 진행이 낮아진 것에 대한 일부 설명이 된다. 시험개시 70일 차에 조사된 PLA 입자 개수는 140.3±8.0개로 74.3%의 소거가 조사되었고, 100일 차에 조사된 PLA 입자 개수는 147.3±2.1개로 73.0%의 소거가 관찰되며 직전 조사일 대비 소거율 정체가 다시 발생하였다. 이는 퇴비화 기간 초기 생분해되는 PLA양에 비해 중·후반으로 갈수록 생분해 양이 줄거나, 급격히 줄어들게 되는 보고 (Kalita et al., 2021)와 퇴비화 최적 환경 유지 형태로 이루어진 PLA 소거 시험에서도 시험개시 약 30일 차부터 PLA 생분해량이 점감하는 보고 (Andréia da Silva et al., 2024)에 의해 일부 설명이 될 수 있다.

결 론

발생 시 환경에 부정적 영향을 미치는 것으로 인식되고 있는 축산분뇨가 향후 플라스틱 대안 물질로 주목받고 있는 생분해성 플라스틱 분해 처리에 효과적으로 활용되어 이용 형태에 따라 환경에 긍정적으로 사용될 수 있음을 현장 수준에서 검토하고자 하였다. 퇴비화 형태로 분해될 시 자연 상태 대비 단기간에 분해가 되며, 퇴비로써 사용되어 토양을 비옥하게 할 수 있는 생분해성 플라스틱인 PLA를 축산분뇨에 다량 첨가했을 시 관찰되는 퇴비화 양상과 소거 수준을 살펴보았다. 평균 180 mm³ 크기로 입자화 시킨 PLA를 건물 기준 가축분뇨 퇴비 더미의 약 23%가 되도록 혼합하여 퇴비화 시 PLA 입자를 첨가한 처리구 퇴비 더미가 대조구 퇴비 더미에 비해 PLA 입자로 인한 통기성 개선으로 추정되는 이유로 더 높은 발열 양상을 보였다. 퇴비화에서 발생하는 악취 수준을 암모니아 발생량으로 하여 측정했을 시 처리구는 대조구에 비해 발생시키는 암모니아 농도가 높았고, 대조구 대비 높은 발열 양상에 의한 암모니아 휘발량 증가에 기인한 것으로 생각된다. PLA는 생분해 시 질소 계열의 분해 산물을 생성하지 않기에 물질의 생분해로 인해 직접 발생시키지는 않으나, 이취 및 악취를 발생시킬 수 있는 미생물류의 성장에 유효할 수도 있음을 알아볼 필요가 있다. PLA 입자 첨가에 의해 함수량이 낮게 시작된 처리구 퇴비더미는 퇴비화 초기 대조구 대비 발열 양상에 의해 건조가 더 되었고, 이에 상대적으로 낮은 함수량이 관찰되었으나, 수분 보충을 통해 PLA 입자 첨가에 의한 수분 관리 문제는 뚜렷하게 보인 바 없다. 반면 대조구에서 퇴비화 초기 함수량 과다로 인한 통기 문제 발생으로 퇴비 더미의 발열이 저해된 측면이 있는 것으로 추정된다. 이는 향후 PLA 다량 첨가 시 적정 수분 관리와 관련한 연구를 통해 퇴비화 공정 효율 개선이 있을 수 있음을 시사하고 있다. pH 또한 물성과 미생물 활성 등으로 이해하기 어려운 부분이 있어 관련한 추가 연구의 필요성이 있다고 판단되었다. 다량의 PLA 입자가 첨가된 처리구 퇴비 더미에서 퇴비화 초기 및 중기를 비롯한 전 기간에서 미생물 활성 수준이 높은 것으로 나타났는데, 이를 통해 PLA 입자 첨가가 축산분뇨 퇴비화에서 미생물 활동을 저해시키지는 않는 수준으로는 이해할 수 있었다. 퇴비화 소재 및 다른 환경조건에 의해 미생물 종류 및 군집 분포가 영향을 받음에 따라, 퇴비 소재로 PLA의 이용 효율을 높이기 위한 다양한 조건 및 미생물을 활용한 후속 연구가 필요할 것으로 보인다. 국내에서 다량으로 발생되는 축산분뇨를 활용하여 다량의 PLA 소거를 목적한 본 시험에서 PLA 입자 소거율은 시험개시 30일 차에 44.1%로 기대한 수준의 소거율이 조사되었으나, 시험개시 중후반에는 저조한 소거율이 관찰되어, 시험개시 100일 차에 약 73%의 PLA 입자가 소거된 것으로 조사되었다. 본 연구는 PLA의 가축분뇨 퇴비 소재화를 규모화한 퇴비 더미로 검토함으로써, 생분해성 플라스틱이 가축분뇨 퇴비화 과정에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 도출하였다. 이를 통해 가축분뇨를 이용한 환경적 이점을 강화할 수 있음은 시사되었으나, 퇴비로써의 활용 수준 이해는 한계가 있다. 이에 PLA 입자를 소재로 사용하여 만들어진 퇴비가 농지로 환원되어 쓰임을 다하기 위해서는 퇴비로써의 품질과 작물 생육에 미치는 영향과 같은 이어지는 연구와 논의가 필요하다고 생각된다.