1. 서 론

2022년 농림축산식품부 「농림어업조사 결과」에 따르면, 국내 한육우 사육농가의 85%는 깔짚을 이용하여 분뇨를 수거하고 있다. 우사 깔짚으로 주로 이용되고 있는 톱밥의 구입비용이 지속적으로 증가되고 있어 한우 사육농가는 깔짚 교체주기 및 깔짚 사용량을 적정 수준으로 유지하는 것이 부담이 되고 있다. 한우는 개방형 또는 부분 개방형 한우사에서 주로 사육되고 있으므로, 깔짚이 적절히 관리되지 않을 경우 한우 사육환경 뿐만 아니라 악취관리 측면에서 어려움이 있다. 바이오차를 가축분뇨의 퇴비화 과정 중 첨가하면 영양분 흡착, 미생물 서식 환경 개선 등을 통해 악취 발생을 줄일 수 있으며 온실가스 저감에도 도움이 된다고 알려져 있다. 그러나 깔짚 우상을 대상으로 펠렛 형태의 바이오차의 악취 및 온실가스 저감 효과를 평가한 연구 결과는 전무하다. 따라서 본 연구는 Pilot-scale 시스템을 활용하여 펠렛 형태의 우분 바이오차 첨가가 젖소 깔짚우상 암모니아(NH3), 황화수소(H2S), 온실가스(N2O, CO2, CH4) 발생에 미치는 영향을 평가하였다.

2. 연구 방법 

  본 연구에서는 100L 부피의 Pilot-scale reactor 6개를 활용(실험구별 3회 반복)하여 젖소 깔짚우상에서 바이오차의 NH3, H2S 및 온실가스(N2O, CO2, CH4) 저감 효과를 9일 동안 평가하였다. 깔짚우상을 모사하기 위해 이용된 젖소분뇨는 스크레이퍼를 이용하여 분뇨를 제거하는 착유우사 내 분뇨 저장조에서 채취하였다. 톱밥 투입량은 가축분뇨 자원화시설 표준설계도에 제시되어 있는 젖소 깔짚우상 적정 깔짚 높이인 10cm를 고려하여 산정하였다. 젖소분뇨 투입량은 착유우(경산우) 깔짚우사 단위면적당 적정 가축사육기준인 16.5m2/head와 젖소분뇨 배출원단위인 27.81kg/head/day, 투입 톱밥량을 고려하여 깔짚교체 후 4주가 경과된 시점의 젖소분뇨량을 기준으로 하였다. 6개의 Reactor에 투입될 톱밥과 젖소분뇨는 한꺼번에 혼합되어 무작위로 각 Reactor에 투입되었다. 이후 각 Reactor 내 투입된 깔짚분뇨의 수분함량을 측정하였으며, TLUD(top lit up draft) 바이오차 제조기를 이용하여 생산된 우분 바이오차를 처리구 Reactor 내 깔짚분뇨 건조 무게 기준 10%만큼 24시간 뒤에 혼합하였다. 악취 및 온실가스 발생량은 US EPA에서 제시한 Emission isolation flux chamber를 통해 채취된 시료의 농도와 포집량을 기준으로 계산하였다. Flux chamber의 Recovery rate는 발생량을 기준으로 했을 때, 108.5-110.3% 수준인 것으로 나타났다. 

3. 결과 및 고찰 

  9일 동안 바이오차 첨가 후 3회씩 측정된 NH3와 H2S 발생량 비교 결과를 Fig. 1에 나타내었다. NH3 발생량은 대조구 2.5-8.4mg/m2, 처리구 1.5-7.4mg/m2 수준 발생되었으며, 실험구 간 발생량 차이는 보이지 않았다. H2S 발생량은 대조구 0.0-1.6μg/m2, 처리구 0.3-0.5μg/m2 수준 발생되었으며, NH3와 마찬가지로 바이오차 첨가에 따른 저감효과는 없었다. 9일 동안 바이오차 첨가 후 3회씩 측정된 N2O, CO2, CH4 발생량 비교 결과를 Fig. 2에 나타내었다. N2O 발생량은 대조구 0.2-0.3μg/m2, 처리구 0.0-0.1μg/m2, CO2 발생량은 대조구 0.0-19.9mg/m2, 처리구 0.0-26.9mg/m2, CH4 발생량은 대조구와 처리구 모두 0.0-0.1mg/m2으로 나타났다. 바이오차 첨가에 따른 N2O, CO2, CH4 발생량에 유의적 차이는 없었다.  바이오차를 가축분뇨의 저장 및 퇴비화 시 첨가할 경우 바이오차 표면 공극에 의한 분뇨 내 미생물 서식 환경 개선, 양분 흡착뿐만 아니라, 분뇨의 물리‧화학적 특성 개선 등의 효과로 악취물질과 온실가스 발생량은 저감될 수 있다. 그러나 바이오차를 분쇄 등 전처리 과정 없이 펠렛 형태로 이용할 경우 분뇨와 접촉하는 바이오차의 단면적이 제한되어 바이오차의 악취 및 온실가스 저감효과는 기존 연구결과와 비교할 때 약화될 수 있다. 또한, 본 연구에 이용된 우분 바이오차의 회분 함량은 55.0±0.9%(d.b.)이었다. 선행 연구에 따르면 바이오차의 공극은 K, Na, Ca, Mg 등의 무기물에 의해 막힐 수 있다. 따라서 바이오차의 회분 함량이 증가할수록 바이오차의 공극에 의한 NH3, H2S 및 온실가스 저감효과는 감소될 수 있다.

4. 결  론

  우분 바이오차를 젖소 깔짚 우상에 고형물 무게의 10% 수준에 해당되는 만큼 펠렛 형태로 첨가하였을 때, 약 9일의 실험기간 동안 NH3, H2S 및 온실가스 발생 저감효과는 나타나지 않았다. 바이오차는 분진 감소와 저장‧운송의 용이성을 위해 펠렛 형태로 제작될 수 있으나 전처리 과정 없이 펠렛 형태 그대로 이용될 경우 분뇨와 접촉되는 단면적 감소로 NH3, H2S와 온실가스 저감효과는 제한될 수 있다. 또한, 선행 연구에 따르면 바이오차 내 회분은 바이오차의 공극을 차단할 수 있으며, 바이오차 제조 시 열분해 온도가 높아질수록 바이오차 회분 함량도 증가될 수 있다. 따라서 바이오차 제조 후 가축분뇨 저장 및 퇴비화 시 악취물질 및 온실가스 발생 저감을 위한 이용을 고려할 경우 바이오차의 물리‧화학적 특성이 고려된 적절한 열분해 온도를 선정할 필요가 있다.