왕겨 바이오차 첨가가 젖소 깔짚 우상에서 발생되는 악취 및 온실가스에 미치는 영향

Effect of rice husk biochar addition on odor and greenhouse gas emissions

from dairy cattle bedded pack

신진호1 · 김동여2 · Wardhani Riuh1, 송용우2, 이주미2, 이태구2, Fufa Abera Jabessa3, 안희권4*

1충남대학교 낙농학과, 2충남대학교 축산환경학과 3충남대학교 낙농식품 및 생명과학과,

4충남대학교 동물자원과학부

1. 서 론

국내 젖소 농가의 약 95% 이상이 톱밥 깔짚우사를 활용하여 젖소를 사육하고 있다. 그러나 톱밥 비용이 상

승하면서 일부 농가에서는 깔짚 두께를 적정 수준으로 충분히 유지하지 못하거나 깔짚 교체 주기를 늘리는 등

쾌적한 사육환경 조성에 어려움이 있다. 특히 젖소 농가의 경우 분뇨의 형태로 깔짚에 축적되는 수분이 많아

악취와 깔짚 관리에 부담이 있다. 바이오차는 미세기공을 통해 악취 물질을 흡착하고 깔짚의 수분조절에 이로

운 특성이 있어, 바이오차를 젖소 깔짚우상에 첨가하면 악취 감소와 수분 조절 효과가 기대된다. 또한, 바이오

차를 가축분뇨의 퇴비화 과정 중 첨가하면 영양분 흡착, 미생물 서식 환경 개선 등을 통해 온실가스 저감에도

도움이 된다고 알려져 있다. 따라서 다수의 선행 연구에서 바이오차가 가축 분뇨 퇴비화 중 발생하는 악취와

온실가스 저감 효과를 조사했지만, 젖소 깔짚우상에서 바이오차 활용에 대한 연구는 거의 없다. 따라서 본 연

구는 Pilot 규모 깔짚우상 평가 시스템을 활용하여 왕겨 바이오차 첨가가 젖소 깔짚우상 악취 및 온실가스 저

감효과를 평가하였다.

2. 연구 방법

본 연구에서는 100L 부피의 Pilot-scale reactor 6개를 활용(실험구별 3회 반복)하여 젖소 깔짚우상에서 발

생되는 악취와 온실가스 발생량을 35일간 평가하였다. 젖소분뇨는 스크레이퍼를 이용하여 분뇨를 수거하는 착

유우사 내 분뇨 저장조에서 채취하였다. 젖소분뇨와 톱밥은 적정 가축사육기준과 젖소분뇨 배출원단위, 젖소

깔짚우상 적정 깔짚 높이를 고려하여 깔짚교체 후 5주가 경과된 시점을 기준으로 혼합되었다. 대조구와 처리구

의 젖소분뇨와 톱밥을 한꺼번에 혼합하여 깔짚분뇨를 준비하였다. 대조구의 경우, 깔짚분뇨만 Reator에 투입하

였으며, 처리구는 왕겨 바이오차를 깔짚분뇨 건조 무게의 10%만큼 추가 혼합하여 Reator에 투입하였다. 악취

및 온실가스 발생량은 US EPA에서 제시한 Emission isolation flux chamber (recovery rate:

108.5-110.3%)를 이용해 채취된 시료의 농도와 포집량을 기준으로 평가하였다. 바이오차의 악취저감 효과는

Ammonia (NH3), sulfur compounds (H2S, CH4S, C2H6S, C2H6S2), volatile fatty acids (acetic acid,

propionic acid, isobutyric acid, butyric acid, isovaleric acid, valeric acid), phenol, p-cresol,

indole, skatole의 발생량을 기준으로 평가하였으며, 온실가스 저감 효과는 Nitrous oxdie (N2O)와

Methane (CH4) 발생량을 기준으로 평가하였다.

3. 결과 및 고찰

개별 악취물질의 평균 발생량을 비교한 결과, NH3, sulfur compound, total volatile fatty acid(TVFA)

에서 바이오차 첨가에 따른 유의미한 발생량 저감효과가 나타났다. NH3 발생량의 경우 대조구 227±12μ

g/m2/kg‧TS, 처리구 160±8μg/m2/kg‧TS로 처리구에서 약 30% 저감되었다(p <0.05). 선행연구에 따르면,

왕겨 현물 무게의 약 15-20%는 Silica(SiO2)로 구성되어 있으며 왕겨 Ash의 경우 약 90%가 SiO2로 구성되

어 있다(Jung et al., 2013; Chandrasekhar et al., 2006). 본 연구에 이용된 왕겨 바이오차의 경우

SEM-EDS 분석 결과 왕겨 바이오차 표면을 구성하는 원자의 약 15%가 Si 원자로 구성되어 있는 것으로 나

타났다. FT-IR 분석 결과 Si 원자를 포함하는 다양한 작용기가 검출된 것으로 나타났으며, 작용기 중 Siloxane(Si-O-Si) 작용기에 해당하는 파수에서 가장 뚜렷한 Peak가 나타났다. SiO2는 Si 원자와 O 원자가

결합한 구조로 Si-O-Si 결합들로 구성되어 있다. 문헌에 따르면, 자연 상태에서 SiO2의 바깥 부분은 Si와 O

원자의 배위가 불포화된 결함부위로, H2O 분자가 풍부한 환경에서 Si-O-Si는 가수분해되어 Silanol(Si-OH)

을 생성하고 Si-OH는 약산으로 H+이온을 해리하며 음이온인 Si-O-를 형성하게 된다(Ma et al., 2005).

Si-O-는 깔짚우상 내 풍부하게 존재하는 양이온인 NH4

+와 정전기적 결합을 하고 휘산되는 NH3의 양이 줄어

들며 처리구에서 NH3 발생량이 감소된 것으로 추정된다.

분석된 4종의 황화합물 중 CH4S와 C2H6S의 평균 발생량이 대조구대비 처리구에서 각각 약 42%, 60% 저

감된 것으로 나타나며, H2S와 CH4S, C2H6S, C2H6S2 발생량을 모두 합한 Sulfur compound 발생량은 대조

구 49±11ng/m2/kg‧TS, 29±3ng/m2/kg‧TS으로 처리구에서 약 42% 저감된 것으로 나타났다(p <0.05).

바이오차는 넓은 비표면적과 다공성의 표면을 갖는 특성이 있다. 이러한 바이오차를 깔짚우상에 첨가하면 처

리구 깔짚분뇨 내 호기적 조건 형성에 유리한 측면이 있으며, 혐기성 미생물인 Sulfate-reducing bacteria의

활성이 처리구에서 낮아질 수 있다. Sulfate-reducing bacteria는 유기물을 분해하여 H2S를 형성하게 되는

데, H2S는 CH4S와 C2H6S의 전구체로 이용될 수 있다. 따라서 Sulfate-reducing bacteria의 활성이 상대적

으로 저하된 처리구에서 Sulfur compound 발생량이 감소된 것으로 판단된다.

또한, 개별 VFA의 평균 발생량에 저감효과는 없었으나, 평균 TVFA 발생량은 대조구 687±11ng/m2/kg‧

TS, 처리구 605±39ng/m2/kg‧TS으로 나타나 처리구에서 약 12% 저감된 것으로 나타났다. n-butanol 농

도를 악취강도대조군으로 이용하였을 때, 본 연구의 악취강도 수준은 대조구대비 처리구에서 약 18% 저감되

었다(p <0.05).

개별 온실가스의 평균 발생량을 비교한 결과, N2O에서 바이오차 첨가에 따른 유의미한 발생량 저감효과가

나타났다. 평균 N2O 발생량은 대조구 13±1μg/m2/kg‧TS, 처리구 9±1μg/m2/kg‧TS로 대조구대비 처리

구에서 약 31% 저감되었다(p <0.05). N2O는 깔짚분뇨 내 혐‧호기가 혼재된 지역에서 주로 발생된다고 알려

져 있다. 따라서 넓은 비표면적과 다공성의 특성이 있는 바이오차를 깔짚분뇨에 첨가하면 통기성이 개선되어

N2O 발생량이 처리구에서 저감될 수 있다. 또한, N2O는 실험 14일차부터 발생되어 18일차부터 실험 종료

시까지 발생량 저감 효과가 나타났다. 실험 18일차와 종료 시의 미생물 군집의 상대적 풍부도를 분석한 결과,

대조구의 경우 탈질에 관여하는 미생물인 Galbibacter marinus의 우점비율이 약 13-20% 수준으로 높게 나

타났다. 따라서 혐‧호기가 혼재된 지역이 상대적으로 많은 대조구에서 탈질이 활발히 일어나는 과정 중 N2O

가 많이 발생된 것으로 보인다. 반면, 처리구의 경우 가장 많은 비율로 우점한 미생물인 Cytophagales의 비

중은 7-9% 수준으로 낮게 나타났으며, 미생물의 풍부도 및 균등도를 나타내는 Shannon diversity index도

대조구에서 5.7-7.2 수준 이었던 반면, 처리구의 경우 6.7-7.7로 높게 나타났다. 따라서 처리구의 경우 온실

가스 발생에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 특정 미생물 종이 우점하는 정도가 낮게 나타나 N2O 발생량이

대조구대비 낮게 나타난 것으로 보인다.

4. 결 론

본 연구에서는 왕겨 바이오차 첨가가 젖소 깔짚우상에서의 악취와 온실가스 저감에 미치는 효과를 평가하였

다. 그 결과, 처리구에서 NH3, sulfur compound, TVFA 및 N2O 발생량이 대조구에 비해 유의미하게 감소

하였다. 특히, 바이오차의 넓은 비표면적과 다공성 구조는 통기성을 개선하고, 특정 미생물의 우점을 억제하여

혐기성 조건에서 발생하는 악취물질인 Sulfur compound와 온실가스인 N2O를 줄이는 데 기여한 것으로 보

인다. 또한, 바이오차 표면의 Si-O- 음이온이 NH4

+와 결합하여 NH3 휘산을 억제하는 효과도 확인되었다. 향

후 국내에서 이용 가능한 바이오차의 원료, 제조 방법 및 적용 대상에 따른 악취 및 온실가스 저감 효과에 대

한 추가적인 연구가 필요하다.

사 사

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 축산현안대응산업화기술개발사업의 지원을

받아 연구되었음(RS-2021-IP321088).