한우 깔짚분뇨 퇴비화 시 왕겨 바이오차 첨가가

악취 및 온실가스 발생에 미치는 영향

Effects of rice husk biochar application on odor and greenhouse gas emissions during composting of beef bedded manure packs

신진호1 · 김동여2 · 송용우2 · Riuh Wardhani1 · Fufa Abera Jabessa1 · 이태구2 · 김수현1 · 이종옥3 · 안희권3*

1충남대학교 낙농학과, 2충남대학교 축산환경학과, 3충남대학교 동물자원과학부

1. 서 론

국내 한육우 사육농가에서 발생하는 가축분뇨는 연간 약 1천 7백만 톤에 달하며, 이 중 약 81%가 농가에서 직접 퇴비화되고 있다. 퇴비화는 양분 보존, 토양 환경 개선, 화학비료 구입비 절감 등의 이점이 있으나, 퇴비화 과정에서 발생하는 악취는 인근 주민의 민원과 갈등의 주요 원인이 될 수 있다. 또한, 퇴비화 과정에서 배출되는 온실가스는 기후 변화에 영향을 미칠 수 있다. 이를 해결하기 위해 미생물제, 식물 추출물, 흡착제 등 다양한 악취 및 온실가스 저감 기술이 도입되고 있다. 이 중 바이오차는 퇴비화 과정 중 발생되는 악취와 온실가스 저감 효과가 우수하다고 알려져 있으므로 이와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 바이오차의 악취 및 온실가스 저감 효과는 바이오차 표면의 물리화학적 특성 및 첨가 방법 등에 따라 차이를 보이므로, 이와 관련한 기초자료 확보가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 한우 깔짚분뇨 퇴비화 시 왕겨 바이오차 첨가가 악취 및 온실가스 발생에 미치는 영향을 평가하였다.

2. 연구 방법

본 연구에서는 800L 부피의 퇴비단을 이용하여 58일간 한우분뇨를 퇴비화하였다. 대조구는 바이오차 첨가 없이 한우 깔짚분뇨(수분함량: 66.5±1.4% wet basis) 약 478kg만 퇴비화하였으며, 처리구는 왕겨를 550℃에서 열분해하여 생산한 왕겨 바이오차를 한우 깔짚분뇨 건물 무게의 10%만큼 첨가한 후 퇴비화하였다. 퇴비단은 퇴비화 13일차와 42일차에 교반되었다. 바이오차 첨가에 따른 악취물질과 온실가스 발생량 차이를 비교하기 위해 2m3 규모의 Flux chamber를 이용하여 기체상의 시료를 포집하였다. 또한 퇴비단 내부의 악취물질과 온실가스의 농도를 퇴비단 중앙의 세 지점(중앙, 중간, 외곽)에서 시료를 포집하여 평가하였다. 퇴비단 외부로 발생되는 악취 저감 효과는 Ammonia (NH3), hydrogen sulfide (H2S), volatile fatty acids (VFAs: acetic acid, propionic acid, isobutyric acid, butyric acid, isovaleric acid, valeric acid), phenol, p-cresol, indole, skatole 및 악취강도를 기준으로 평가되었으며, 퇴비단 내부 악취물질 농도 저감효과는 NH3, H2S를 기준으로 평가되었다. 퇴비단 외부로 발생되는 온실가스와 퇴비단 내부의 온실가스 저감 효과는 Nitrous oxide (N2O)와 Methane (CH4)를 기준으로 평가되었다. 퇴비단에서 발생되는 악취와 온실가스 발생량과 내부 농도는 58일의 실험기간 동안 1-8일 간격으로 총 14회 측정되었으며, 악취강도는 7-12일 간격으로 총 8회 측정되었다.

3. 결과 및 고찰 

퇴비단 NH3 발생량은 대조구 40.0±4.4mg/day/kg-TS, 처리구 171.7±85.4mg/day/kg-TS로, NH3 발생량 저감 효과는 없었다. 퇴비단 내부 NH3 농도는 대조구 92.1-302.0ppmv, 처리구 53.1-177.0ppmv 수준으로, 평균 약 

43% 저감되었다. 퇴비단 H2S 발생량의 경우 대조구 1.6±0.2mg/day/kg-TS, 처리구 1.1±0.1mg/day/kg-TS 발생되어, H2S 발생량은 처리구에서 약 29% 저감된 것으로 나타났다(p<0.05). 퇴비단 내부 H2S 농도는 대조구 266.9-3,589.1ppbv, 처리구 308.8-3,249.7ppbv로, H2S 농도 저감 효과는 없었다.

  퇴비단 총 휘발성 지방산(Total volatile fatty acid, TVFA) 발생량은 대조구 20.4±19.5μg/day/kg-TS, 처리구 9.4±5.0μg/day/kg-TS로 나타나, 

TVFA 발생량 저감 효과는 없었다. Phenol은 대조구에서 16.4±6.7μg/day/kg-TS, 처리구에서 16.1±6.2μg/day/kg-TS 발생되었으며, p-cresol은 대조구에서 0.5±0.8μg/day/kg-TS, 처리구에서 0.9±0.8μg/day/kg-TS 발생되었다. Skatole은 대조구에서 161.6±32.5μg/day/kg-TS, 처리구에서 151.0±35.8μg/day/kg-TS 발생되었다. Indole은 검출되지 않았으며, 왕겨 바이오차 첨가에 따른 개별 휘발성 유기화합물 발생량 저감 효과는 없었다.

  악취강도 수준을 대수값으로 변환해 비교하였을 때, 대조구 1.2±0.1, 처리구 1.2±0.1로 왕겨 바이오차 첨가에 따른 악취강도 저감 효과는 없었다.

  퇴비단에서 발생되는 N2O 발생량은 대조구 10.4±0.7mg/day/kg-TS, 처리구 12.5±1.6mg/day/kg-TS로 나타나 N2O 발생량 저감 효과는 없었다. 퇴비단 내부 N2O 농도는 대조구에서 퇴비단 중앙, 중간, 외곽 지점 순으로 9.6±2.0ppmv, 10.6±1.4ppmv, 10.9±2.9ppmv로 나타났으며, 처리구에서 4.6±1.4ppmv, 7.8±1.7ppmv, 9.1±2.5ppmv로 나타났다. 따라서 N2O 농도는 처리구에서 중앙 지점 약 52%(p<0.05), 중간 지점 약 27%(p>0.05) 저감되었다. 

  반면, CH4 발생량은 대조구 27.0±2.2mg/day/kg-TS, 처리구 49.7±10.4mg/day/kg-TS로, 왕겨 바이오차가 첨가된 처리구에서 약 1.8배 많이 발생되었으며, 퇴비단 내부 CH4 농도는 퇴비단 중앙, 중간, 외곽 지점 순으로 대조구 12.6±8.6ppmv, 249.4±169.5ppmv, 571.0±426.1ppmv, 처리구 70.1±96.1ppmv, 528.3±358.1ppmv, 2,060.3±845.4ppmv으로 퇴비단 중앙 지점의 경우 처리구 CH4 농도가 약 2.6배 높았다. 

  본 연구에 이용된 왕겨 바이오차의 공극은 미세 기공과 중간 기공으로 이루어져 있다. 미세 기공은 물질 흡착의 역할을 수행하고, 중간 기공은 미세 기공으로의 물질 이동 및 공기 확산 통로로 작용한 것으로 보인다. 이를 통해 NH3와 H2S와 같은 악취 물질이 바이오차의 미세 기공에 효과적으로 흡착되었을 가능성이 크며, 중간 기공을 통한 공기 공급 개선이 혐기성 조건에서 발생하는 H2S 생성을 억제했을 것으로 판단된다. 또한, N2O는 주로 혐기성 및 호기성 조건이 혼재될 때 발생하는데, 왕겨 바이오차에 의해 개선된 공극 구조가 퇴비단 내 산소 확산을 원활히 하면서 N2O 생성이 억제된 것으로 해석된다. 반면, 대조구와 비교할 때 처리구에서 CH4 발생량과 내부 농도가 높게 나타났는데, 이는 퇴비화 초기 바이오차 첨가에 따른 호기성 미생물의 활발한 산소 소모가 영향을 미친 것으로 보인다. 특히 처리구에서 측정된 전체 CH4 발생량의 약 65%가 퇴비화 초기 8일 이내에 발생되었으며, 퇴비화 5일차와 8일차 퇴비단 내부 중간 지점 산소 농도가 처리구에서 약 12-59% 낮게 나타난 것으로 확인되었다. 

4. 결  론

  본 연구에서는 왕겨 바이오차 첨가가 한우 깔짚분뇨 퇴비화 과정에서의 악취 및 온실가스 발생에 미치는 영향을 평가하였다. 연구 결과, 퇴비단 내 NH3 농도는 대조구 대비 약 43%, H2S 발생량은 약 29% 저감되었으며, N2O 농도는 약 27-52% 감소되었다. 이는 왕겨 바이오차의 기공 구조가 NH3, H2S와 같은 악취 물질의 흡착 및 퇴비단 내부 공극 개선에 기여하면서 악취 물질의 발생이 억제된 결과로 판단된다. 반면, 퇴비단 CH4 발생량과 내부 CH4 농도는 처리구에서 대조구 대비 각각 약 1.8배, 2.6배 높았던 것으로 나타났다. 이는 퇴비화 초기 왕겨 바이오차가 호기성 미생물의 활성을 촉진하면서 내부 산소가 급격히 소모되어 초기 혐기적 조건이 형성된 결과로 판단된다. 따라서 바이오차 첨가 시 퇴비화 초기 CH4 발생을 줄이기 위해 초기 산소 공급을 촉진하기 위해 퇴비단 뒤집기 빈도를 높이는 등의 노력이 필요할 것으로 보인다.

사  사

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 축산현안대응산업화기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(RS-2021-IP321088).