Article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 31 May 2022. 148-161
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2022.55.2.148

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   공시 재료

  •   실험 방법

  •   분석 방법

  •   통계 처리

  • Results and Discussion

  •   우분뇨의 악취 발생 특성

  •   깔짚 소재별 우분뇨의 악취 저감 효율

  • Conclusions

Introduction

국내 한우 농가 수는 꾸준히 감소하고 있음에도 불구하고 축산농가의 기업화, 밀집화와 함께 국내 육류 소비량이 증대되면서 국내 한우의 사육 두수는 2006년 1,841천 두 (Lee et al., 2020)에서 2021년 3,360천 두로 꾸준히 증가하였고 (KOSIS, 2022), 이로 인해 우분뇨의 발생량은 지속적으로 증가하는 추세이다. 이러한 우분뇨는 함유하고 있는 양분이 풍부하여 퇴비 등 비료로 주로 활용되고 있는 실정이다. 그러나 우분뇨가 발생되는 축산시설이 규모화와 관리 미흡으로 인하여 축산악취에 대한 민원이 빈번하게 발생되고 있다 (Park et al., 2019; Ko et al., 2021; Lee et al., 2021).

대부분의 한우 농가에서 축사를 효율적으로 관리하기 위하여 톱밥이나 왕겨 등의 부자재를 축사 바닥의 깔짚으로 사용하고 우분뇨가 배설되어 깔짚 내 수분이 포화되어 수분조절 능력이 현저히 감소하면 퇴비사로 옮겨 퇴비화를 진행하게 된다. 그러나 톱밥이나 왕겨의 악취 저감 능력이 뛰어나지 않아 악취로 인한 민원이 자주 발생되고 있으며, 농가에서는 악취 관리를 위하여 미생물 등에 기반한 환경개선제를 사용하는 등 악취 저감을 위하여 상당한 경비를 지출하고 있는 실정이다 (Kim et al., 2013; Shim et al., 2022).

또한 축사의 악취를 저감하기 위하여 미생물을 첨가한 사료첨가제의 사용, 여과 집진장치를 이용한 축사 내 분진 저감, 오존 처리, 바이오 필터, 습식 스크러버 및 방풍벽 등을 이용한 방법들이 다양하게 시도되고 있다 (Lee, 2003). 하지만 이러한 방법들은 기존에 사용하던 톱밥이나 왕겨 등의 깔짚 외에도 미생물제 처리나 악취 저감 장치의 설치, 장치의 유지 및 관리로 인한 추가 비용이 발생되고 있어 장기적인 축사 운영에 많은 문제가 발생되고 있다.

이와 같은 고비용의 복잡한 공정을 통한 악취제거 방법을 더욱 단순화하고 효과적인 악취제거 방법을 확립하기 위하여 대체 깔짚 연구의 일환으로 피트모스, 코코피트 및 바이오차를 깔짚으로 활용하는 연구가 몇몇 연구자에 의해 시도되고 있다 (Barbusinski et al., 2017; Kim et al., 2019; Rho et al., 2022; Pachaiappan et al., 2022). 피트모스는 이탄토, 습지, 늪 등에 서식하는 식물류가 부식화 되어 쌓인 것으로 리그닌, 셀룰로스 및 다양한 분해 단계의 부식질 물질로 구성되어 있다 (Wen et al., 2020). 몇몇 연구자들에 의해 피트모스는 가정 및 산업 폐수에서 용해된 금속, 영양소, 부유 고형물, 유기물, 기름 및 악취의 포집 가능성이 입증되었다 (Gupta et al., 2009). 코코피트는 코코넛 수확 후 가공된 코코넛 껍질에서 섬유질인 코코넛 섬유질을 추출한 후 파쇄 및 건조 과정 등을 거쳐 생산되고 하이드록실기, 카르복실기, 에테르기, 인산기 및 아미노기와 같은 풍부한 반응성 작용기를 보유하고 있어 악취 저감에 효율적이라고 제시된 바 있다 (Yang et al., 2017; Lee et al., 2018; Verasoundarapandian et al., 2021). 또한 Chen et al. (2021) 등에 의해 바이오차는 가축분뇨의 가스 배출을 완화하기 위한 첨가제로 활용된 바 있으며, 특히 바이오차가 돼지 분뇨에 적용되었을 때 암모니아, 온실가스 및 휘발성유기화합물 (VOCs)을 효과적으로 저감할 수 있다는 것이 입증되었다 (Chen et al., 2021). 하지만 아직까지 국내 축사환경에서 발생되는 악취 발생 특성연구는 일부 수행되었지만 깔짚을 이용한 축사 악취 저감 연구는 거의 없으며, 특히 국내 축사환경에 적합한 깔짚 소재 선정과 대체 깔짚의 축사 악취 저감 효율에 대한 체계적인 연구는 미흡한 실정이다.

악취는 감각적이고 주관적인 오염물질로 주로 대규모 축사와 농촌지역 등에 설치된 소규모 축사 등에서 발생하는 악취가 대부분이다. 특히 축산시설에서는 분뇨에 의한 악취 발생량이 가장 많은 것으로 알려져 있으며, 이로 인한 민원이 자주 발생되고 있다 (Jang et al., 2010). Hong et al. (2007)Ahn et al. (2006)은 축산폐수와 분뇨처리시설에서 악취에 대한 연구를 수행하였으며, Park et al. (2005)은 축산시설에서 암모니아 외 6종, Park et al. (2019)은 Methyl mercaptan외 9종 등 대부분 배출량이 많은 일부 악취에 초점을 두고 연구가 수행되었다. Jang et al. (2010)은 양돈시설에서는 암모니아, 황화수소, 메틸머캅탄, 다이메틸설파이드, 다이메틸다이설파이드 등의 다양한 물질이 발생되는 것으로 보고하였으며, 양계시설 및 한우농가에서는 암모니아, 황화수소, 메틸머캅탄, 다이메틸설파이드, 다이메틸다이설파이트, 트리메틸아민, 발레르산, 트리메틸아민, 이소발레르산 등이 발생된다고 보고하였다. 상기 축사 악취연구들은 대부분 5 - 10여종 이내의 발생량이 많은 악취를 중심으로 주로 수행되어져 왔으나, 현재 환경부령에서 정하고 있는 지정악취물질 22종 모두를 고려한 축사 악취연구는 미흡한 실정이다 (Jang et al., 2010; Barbusinski et al., 2017; Yang et al., 2017; Kim et al., 2019; Pachaiappan et al., 2022). 또한 이들 선행연구는 보편적으로 사용 중인 톱밥과 왕겨 등의 깔짚 효과연구보다는 축종별 악취 특성 조사에 초점을 두고 진행되어 깔짚 종류가 가축분뇨 내 악취를 저감하는 역할과 지정악취물질 22종 모두에 대한 악취 저감 능력을 확인하는 연구가 체계적으로 진행될 필요성이 제기되고 있다. 최근 본 연구진에 의해 우사에서 바이오차, 피트모스 및 코코피트는 우수한 수분조절 능력을 갖춘 톱밥 대체 깔짚으로 가능성을 제시한 바 있다 (Rho et al., 2022).

따라서 본 연구에서는 우사에서 톱밥과 왕겨의 수분조절 기능을 대체하면서 악취를 효과적으로 저감할 수 있는 깔짚 개발의 기초 연구로 우사에서 지정악취물질 22종의 발생 특성과 깔짚 소재별 (바이오차, 피트모스, 코코피트, 톱밥) 지정악취물질 22종에 대한 각각의 악취 저감 능력을 조사하였다.

Materials and Methods

공시 재료

시험에 사용한 우분뇨는 경남 진주시에 위치한 한우 농가 (35°14'23.6"N 128°11'14.3"E)의 우사에서 배출된 우분뇨를 직접 수거하여 사용하였다. 우분뇨의 이화학적 특성은 Table 1에 제시된 바와 같다. 우분뇨의 pH는 9.8로 약알칼리성이고, 수분함량은 약 71% 정도였으며 다른 이화학적 특성은 일반적인 우분뇨의 특성과 유사하였다 (Li et al., 2019; Stylianou et al., 2020; Choi, 2022).

Table 1.

Physicochemical properties of cattle manure in this study.

pH
(1:10)
EC
(dS m-1)
WC
(%)
OM
(%)
T-N
(%)
K
(mg kg-1)
Ca
(mg kg-1)
Mg
(mg kg-1)
Na
(mg kg-1)
Ave. 9.8 6.31 71.2 71.1 1.11 4.59 1.99 0.66 0.58
SD. 0.3 0.23 3.4 2.1 0.15 0.52 0.12 0.04 0.10

WC, water content.

Ave., average; SD., standard deviation.

시험에 사용한 깔짚 소재는 바이오차, 피트모스, 코코피트 및 톱밥 등 4종을 사용하였다. 바이오차는 (주)한국남동발전의 우드펠릿 전소발전소에서 발생된 바이오차를 사용하였고, (주)부농에서 구매한 피트모스 및 코코피트를 사용하였으며, 톱밥은 (주)한농에서 구매하여 사용하였다. 상기 깔짚 소재의 이화학적 특성은 Table 2Fig. 1에 제시된 바와 같다.

Table 2.

Physicochemical properties of livestock litter in this study.

Treatment pH
(1:10)
EC
(dS m-1)
WC
(%)
SSA
(m2 g-1)
T-N
(mg kg-1)
K
(mg kg-1)
Ca
(mg kg-1)
Mg
(mg kg-1)
Na
(mg kg-1)
Sawdust Ave.§ 8.0 0.53 20.1 0.96 350 1.1 0.9 0.2 1.55
SD. 0.2 0.02 1.6 0.12 5 0.1 0.2 0.1 0.08
Peat moss Ave. 4.5 1.17 37.4 1.18 700 0.4 1.6 2.1 1.34
SD. 0.2 0.03 2.9 0.23 6 0.1 0.1 0.2 0.05
Cocopeat Ave. 6.7 2.80 35.4 0.56 180 32.9 17.4 2.1 7.14
SD. 0.2 0.05 2.1 0.09 7 0.1 0.6 0.1 0.23
Biochar Ave. 9.3 4.01 8.6 98.3 1,580 18.0 105.9 19.1 5.76
SD. 0.1 0.30 0.4 1.8 7 0.3 4.6 0.9 0.11

WC, water content.

SSA, specific surface area.

§Ave., average; SD., standard deviation.

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Fig. 1

FTIR spectrum of livestock litter.

Fig. 1에 나타난 FTIR 결과에서 톱밥은 다른 깔짚 소재와 달리 3,400 cm-1 부근의 O-H stretching이 두드러지게 나타났으며, 3,340 cm-1 부근에 리그닌, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스의 O-H stretching에 해당하는 peak와 1,540 cm-1 부근에 carboxylic groups가 나타났다 (Wahab et al., 2010; Stylianou et al., 2020; Choi et al., 2021). 또한 1,740 cm-1 부근에 헤미셀룰로오스의 케톤, 알데하이드기의 C=O vibration이 나타났으며, 이외에도 C=O, Aliphatic deformation, O-H bending, Symmetric C-O stretching, C=C stretching 등의 다양한 작용기들이 깔짚 소재에 존재하고 있음을 확인하였다 (Stylianou et al., 2020; Choi et al., 2021). 피트모스는 많은 peak들이 톱밥과 유사하였지만, 톱밥에서 나타난 C=O vibration과 C=O를 나타내는 peak가 없었으며 특히 리그닌, 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스의 C-H stretching으로 알려진 2,897 - 2,931 cm-1 부근의 peak가 두드러지게 나타났다 (Wahab et al., 2010; Stylianou et al., 2020; Choi et al., 2021). 코코피트는 톱밥 및 피트모스 보다 적은 수의 peak가 나타났으며, 2,897 - 2,931 cm-1 부근의 C-H stretching peak가 미세하게 나타났으며, 1,630 cm-1 부근의 C=O peak와 C=C stretching, symmetric C-O stretching 등의 peak가 두드러지게 나타났다 (Stylianou et al., 2020; Choi et al., 2021). 바이오차는 O-H stretching, C=O, C-C 등의 peak가 나타났으며, 특히 874 cm-1 부근의 aromatic C-H가 두드러지게 나타났다 (Stylianou et al., 2020; Choi et al., 2021).

실험 방법

우분뇨에서 지정악취 22종의 발생 특성과 깔짚 소재별 악취 저감 효율을 평가하기 위해 우분뇨, 우분뇨 + 바이오차, 우분뇨 + 피트모스, 우분뇨 + 코코피트 및 우분뇨 + 톱밥의 총 5개 처리구를 3반복하여 총 15개 악취 실험장치 (가로 56.5 cm × 세로 36.5 cm × 높이 36.5 cm)를 설치하였다. 각 처리구에서 우분뇨대 깔짚 비율 (질량비)을 10:1되게 혼합하여 총 시료 50 L를 각 장치에 투입하였다. 우분뇨대 깔짚 비율은 농림수산식품부에서 권장하는 우사 깔짚 높이인 5 cm와 단위 면적당 일일 우분뇨 발생량 (1.96 kg m-2)을 고려하여 축사환경에서 60일간 투입되는 양으로 산정하였다 (Rho et al., 2022). 우분뇨만 들어간 처리구에도 시료의 균질화를 위하여 혼합 과정을 수행하였다.

악취 시료는 각 악취실험 장치 상부에 연결된 관을 악취 샘플러 (COS-100, KEMIK Corporation, Korea)에 연결되도록 하여 채취하였다. 악취가스 시료는 우분뇨 단독처리와 우분뇨와 깔짚 혼합 처리 모두 실험 시작 후 악취와 깔짚이 충분히 혼합될 수 있도록 실온에서 24시간동안 축사환경과 동일한 조건으로 유지한 후 악취채취를 위해 4시간 동안 밀폐하여 악취 샘플러를 이용하여 3 L의 기체를 채취하였다.

채취된 기체는 환경부고시 지정악취물질 22종을 Selected Ion Flow Tube-Mass Spectrometry (SIFT-MS, VOICE 2000 ULTRA, SYFT Technologies, New Zealand)를 이용하여 분석하였고, 분석된 악취 농도를 통해 악취 발생 특성을 평가하였다. 또한 악취의 성분별 기여도를 고려하기 위하여 악취 성분 각각의 발생 농도에 사람이 감지할 수 있는 최저 농도인 악취 성분별 최소감지농도 (Table 3)를 나누어 (Eq. 1) Odor Unit으로 환산된 값을 사용하였다 (Jang et al., 2010).

(Eq. 1)
Odor Unit = 악취 발생 농도 (nmol mol-1) / 악취 성분별 최소감지농도 (nmol mol-1)

지정악취물질의 종류는 ammonia, trimethylamine, 황화합물 4종 (dimethyl disulfide, dimethyl sulfide, hydrogen sulfide, methyl mercaptan), 지방산 4종 (propanoic acid, butanoic acid, (n,i)-3-methylbutanoic acid), 알데하이드 5종 (acetaldehyde, propanal, butanal, (n,i)-pentanal), 휘발성유기화합물 7종 (styrene, toluene, m-xylene, butanone, methyl isobutyl ketone, butyl acetate, isobutyl alcohol) 등이 있다.

Table 3.

Threshold values of specified offensive odor substances (Ministry of Environment, 2005).

Odor compounds Concentration (nmol mol-1) Odor compounds Concentration (nmol mol-1)
Ammonia 100 Propanal 2
Trimethylamine 0.1 Butanal 0.3
Dimethyl disulfide 0.3 Pentanal 0.2
Dimethyl sulfide 0.1 Styrene 30
Hydrogen sulfide 0.5 Toluene 900
Methyl mercaptan 0.1 m-xylene 41
Propanoic acid 2 Butanone 440
Butanoic acid 0.07 Methyl isobutyl ketone 200
3-methylbutanoic acid 0.3 Butyl acetate 8
Acetaldehyde 2 Isobutyl alcohol 10

분석 방법

pH 및 EC는 시료 (우분뇨 또는 깔짚)와 증류수를 1:10의 비로 혼합하여 pH meter (S20 SevenEasy, METTLER TOLEDO, USA) 와 EC meter (COM-100, HM digital, USA)를 이용하여 측정하였으며, 수분 및 유기물 함량은 가열건조법 및 회화법으로 분석하였다. 시료를 정량하여 습식분해법 (황산:과염소산 = 1:1)으로 분해를 하였으며 분해된 시료를 사용하여 T-N은 Kjeldahl법으로 분석하였고, 무기성분 함량은 ICP-OES (OPTIMA 8300DV, PerkinElmer, USA)를 이용하여 분석하였다. 깔짚 소재에 대한 FTIR (FT-IR Spectrum two, PerkinElmer, USA) 분석 및 BET Surface Area Analyzer (ASAP-2020M, Micromeritics) 분석을 통하여 작용기와 비표면적 특성을 확인하였다.

통계 처리

본 연구에서 실험은 3반복으로 수행하여 평균과 표준편차를 제시하였으며, 각 깔짚 종류별 악취 저감 효율 비교를 위해 SAS program (SAS version 9.4, SAS Institute, USA)을 활용하여 ANOVA 및 Duncan’s multiple range test를 실시하였으며, 처리구 간의 유의성은 p < 0.05 범위에서 분석하였다.

Results and Discussion

우분뇨의 악취 발생 특성

우분뇨의 악취 발생 특성은 Fig. 2에서 보는 바와 같다. 우분뇨에서 발생되는 악취물질 측정 결과, 주로 발생하는 악취 물질은 ammonia, hydrogen sulfide, butanoic acid, acetaldehyde 및 butanone 등이 있으며 각각 102.0, 320.2, 32.2, 143.0 및 40.2 nmol mol-1의 악취가 발생하였다. 우분뇨의 주요 악취 물질 이외에도 trimethylamine, dimethyl sulfide, propanoic acid, 3-methylbutanoic acid, propanal, pentanal, styrene, m-xylene 및 methyl isobutyl ketone 등이 각각 2.90, 3.72, 2.40, 2.96, 3.10, 4.75, 2.36, 2.17 및 1.00 nmol mol-1 정도로 미량 발생하였고, dimethyl disulfide, methyl mercaptan, butanal, toluene, butyl acetate 및 isobutyl alcohol 등은 검출되지 않았다 (Fig. 2). 하지만 악취는 단일 성분의 악취 물질에 의해 결정되는 것이 아닌 다양한 악취 물질의 복합적인 상호작용에 의해 결정되기 때문에 단순 농도로 악취를 평가하는 것은 한계가 있는 것으로 알려져 있다 (Jang et al., 2010). 따라서 추가적으로 사람이 악취를 인지하는 기여도를 고려한 Odor Unit으로 환산된 값을 사용하여 악취를 평가하였다. Odor Unit은 악취의 기여도를 고려하였기 때문에 복합 악취의 기준에서 볼 때 단일 악취의 절대 농도보다 악취를 평가하기에 더 적합할 것으로 판단된다.

우분뇨에서 발생되는 악취 물질을 Odor Unit으로 환산한 결과 주로 발생되는 악취는 trimethylamine, dimethyl sulfide, hydrogen sulfide, butanoic acid, acetaldehyde 및 pentanal 등이 있었으며, 각각의 Odor Unit 값은 29.0, 37.2, 640.4, 460.0, 71.5 및 23.8으로 hydrogen sulfide와 butanoic acid가 가장 높았다. 이들 주요 악취 물질 이외에 ammonia, propanoic acid, 3-methylbutanoic acid, propanal, styrene, m-xylene, butanone 및 methyl isobutyl ketone의 Odor Unit 값은 각각 1.02, 1.20, 9.87, 1.55, 0.08, 0.05, 0.09 및 0.01이었다 (Fig. 2). 위 결과에서 ammonia, acetaldehyde 및 butanone은 악취 최소감지농도가 높아 악취 발생량에 비해 Odor Unit이 크게 감소하였고, 이와 대조적으로 trimethylamine, dimethyl sulfide, hydrogen sulfide, butanoic acid 및 pentanal은 악취 최소감지농도가 낮아 Odor Unit이 증가하는 경향을 보였으며 이 성분들이 복합 악취에서의 기여도가 높은 것으로 판단된다.

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Fig. 2

The emission characteristics of specified offensive odor substances in cattle barn. Values are the means ± SD (n = 3).

깔짚 소재별 우분뇨의 악취 저감 효율

상기 우분뇨에서 발생하는 22종의 악취를 고려하여 4종의 깔짚 소재별 악취 저감 효율을 평가한 결과는 Figs. 3, 4, 5에서 보는 바와 같다. 우분뇨에 깔짚 소재를 혼합하고 악취 성분의 농도를 측정한 결과 ammonia, hydrogen sulfide, butanoic, acid, acetaldehyde, butanone 등 우분뇨에서 주로 발생하였던 악취 물질들의 발생량이 깔짚 소재에 따라 차이는 있지만 감소하는 경향을 보였다. 깔짚 소재별로 ammonia, hydrogen sulfide 및 butanoic acid는 피트모스 > 바이오차 > 코코피트 > 톱밥 순으로 악취 발생량이 감소하였으며, 피트모스를 투입하였을 때 ammonia가 거의 100%가깝게 저감되어 검출이 되지 않았고 hydrogen sulfide는 모든 처리구에서 악취 발생량이 크게 감소되어 97% 이상의 악취 저감률을 보였다. Acetaldehyde 및 butanone은 바이오차 > 피트모스 > 코코피트 > 톱밥 순으로 악취 발생량이 감소하였고, acetaldehyde는 깔짚 소재에 따라 발생량의 34.3 - 57.3%가 저감되었으며 butanone은 발생량의 95.3 - 98.0%가 저감되는 높은 저감률을 보였다. 깔짚 소재의 투입에 따라 악취 발생량이 감소되는 성분이 있는 반면에, dimethyl disulfide, propanoic acid, propanal, butanal 및 m-xylene은 깔짚 소재를 투입한 후 악취 발생량이 미세하게 증가하였으며, Odor Unit은 위 결과들과 유사한 경향으로 나타났다 (Figs. 3, 4, 5).

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Fig. 3

The emission characteristics of specified offensive odor substances at different livestock litter in cattle barn. Values are the means ± SD (n = 3). Values within a bar with different superscripts are significantly different at p < 0.05 by the Duncan’s test.

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Fig. 4

Odor Unit of specified offensive odor substances at different livestock litter in cattle barn. Values are the means ± SD (n = 3). Values within a bar with different superscripts are significantly different at p < 0.05 by the Duncan’s test.

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Fig. 5

Removal rate (A: nmol mol-1, B: Odor Unit) of specified offensive odor substances at different livestock litter in cattle barn. Values are the means ± SD (n = 3).

우분뇨에 깔짚 소재를 투입하였을 때 악취 성분의 분류에 따른 악취 저감 효율을 평가하였다 (Fig. 5). Ammonia의 경우 피트모스가 악취 저감 효율이 가장 높았고 바이오차, 코코피트가 뒤를 따랐으며 톱밥의 악취 저감 효율이 가장 낮았는데, 이는 피트모스가 극성이 높은 다공성 물질이고 주로 리그닌과 셀룰로오스를 함유하고 있으며 알코올, 알데하이드, 케톤, 페놀 수산화물 및 에테르를 포함하는 리그닌의 작용기는 다양한 이온과 결합할 수 있는 특징을 가지고 있기 때문으로 판단된다 (Gupta et al., 2009). 또한 피트모스의 낮은 pH로 인해 우분뇨의 pH가 감소되어 암모니아 발생을 저감한 것으로 판단되며, 이는 Gupta et al. (2009)Cao et al. (2019)의 결과와도 일치하였다. 톱밥은 Wahab et al. (2010)Chowdhury et al. (2016)의 결과와 동일하게 페놀기, 카르복실기, 하이드록실기, 카르보닐기 등 다양한 작용기가 존재하지만 비표면적이 0.96 m2 g-1로 매우 낮은 값을 보였다. 또한 톱밥의 pH는 8.0의 약알칼리성으로 우분뇨 내 암모니아 휘산 반응이 일어나 암모니아 저감 효율이 낮은 것으로 판단된다 (Mandal et al., 2019). 하지만 상기 ammonia 저감 효율은 우분뇨에 깔짚을 혼합한 직후부터 24시간 동안의 ammonia 발생량이 미치는 영향을 고려하지 않은 수치로, pH가 높은 바이오차 처리의 경우 혼합 과정 중에 암모니아의 휘산이 증가하여 빠르게 휘발이 일어나 악취가 더 발생하였을 수 있으며, 암모니아가 휘산된 후의 악취 측정 결과에서 수치가 더 낮게 나타났을 가능성도 있을 것으로 사료된다.

이와 대조적으로 trimethylamine은 톱밥에서 악취 저감 효율이 가장 높았는데, 이는 톱밥에는 휘발성 monoterpenes, α-pinene, β-pinene 및 limonene 등이 존재하고 있으며 (Nakamura et al., 2019), 이 중 양전하를 띄고 있는 monoterpene이 trimethylamine의 음전하를 끌어당겨 trimethylamine을 감소시키기 때문으로 판단된다 (Nakamura et al., 2019). 코코피트는 하이드록실기, 카르복실기, 인산기 등의 작용기를 보유하고 있어 표면이 음전하를 띄게 되어 동일한 음전하를 띄는 trimethylamin에 대한 저감 효율이 낮은 것으로 판단된다 (Kumari and Dey, 2019; Verasoundarapandian et al., 2021).

Sulfur compounds 중 hydrogen sulfide는 모든 깔짚 소재에서 악취 저감 효율이 높았다. Habeeb et al. (2018)Khabazipour and Anbia (2019) 등은 습한 환경, 알칼리성 pH 및 다공성 물질이 hydrogen sulfide의 제거 효율을 높인다고 보고하였다. 특히 바이오차는 높은 pH와 98.3 m2 g-1의 넓은 비표면적을 보유한 다공성 물질로 hydrogen sulfide의 저감에 가장 효율적이었다. 톱밥, 코코피트 및 피트모스는 약 0.56 - 1.18 m2 g-1의 비표면적을 보유하고 있지만 다양한 작용기를 가지고 있고 톱밥은 약알칼리성을 띄기 때문에 hydrogen sulfide 저감 효율이 높게 나타난 것으로 판단된다. 이러한 요소들이 복합적으로 작용하여 모든 깔짚 소재에서 hydrogen sulfide 저감 효율이 높게 나타난 것으로 판단된다.

Fatty acids의 경우 톱밥 및 코코피트에서 보다 피트모스 및 바이오차에서 높은 악취 저감률이 나타났고, aldehydes의 경우 바이오차 > 피트모스 > 코코피트 > 바이오차 순으로 악취 저감 효율이 높았으며, fatty acids와 aldehydes에 대한 깔짚 소재의 악취 저감 경향이 유사하였다.

휘발성 유기화합물인 VOCs는 바이오차 투입 시 악취 저감 효율이 가장 높았고 피트모스의 악취 저감 효율은 다소 낮았으며, 톱밥과 코코피트는 VOCs를 거의 저감하지 못하였다. VOCs는 비표면적이 넓은 물질에 대해 흡착이 효과적으로 일어나며 흡착제의 미세 기공이 막히게 되면 흡착에 제한적인 것으로 보고되었다 (Sánchez-Monedero et al., 2019). 이로 인해 미세기공이 많은 바이오차 처리에서 이들 악취 저감 효율이 높게 나타난 것으로 판단된다 (Fig. 5).

이상의 결과를 미루어 볼 때 Sulfur compounds 및 VOCs는 모든 깔짚 소재에서 악취가 효과적으로 감소되었고, 톱밥은 trimethylamine, 피트모스는 ammonia 및 fatty acids, 바이오차는 fatty acids 및 aldehydes의 악취 저감에 효과적이었으며 코코피트는 특이적으로 뛰어난 저감 효율을 보이는 성분이 없었다. 대체적으로 다공성 구조로 넓은 비표면적을 보유하여 악취를 수용할 수 있는 공간이 충분한 바이오차와, 비표면적은 넓지 않지만 깔짚 소재 중 가장 다양한 작용기를 보유하고 있는 피트모스가 뛰어난 악취 저감 효율을 보였다. 또한 본 연구를 통해 우사에서 주민의 생활에서 가장 큰 영향을 미치는 악취는 Odor Unit이 가장 높은 hydrogen sulfide, butanoic acid 및 acetaldehyde 등이었으며, 이 물질들에 대한 저감 효율은 바이오차와 피트모스가 다른 깔짚 소재에 비해 가장 효과적이었다.

복합적인 악취 발생량 및 저감 효율을 평가하기 위하여 악취 성분 각각의 발생량을 합하여 총 악취 발생량 및 총 Odor Unit을 도출하였으며, 각각에 대한 악취 저감 효율을 확인하였다 (Fig. 6) 단순 농도의 개념에서 악취 저감 효율은 피트모스 (76.3%) > 바이오차 (71.6%) > 코코피트 (59.5%) > 톱밥 (49.3%) 순서로 높았고, 개별 악취의 기여도를 고려한 복합 악취 개념의 Odor Unit에 대한 저감 효율은 바이오차 (70.7%) > 피트모스 (62.2%) > 코코피트 (52.9%) > 톱밥 (29.2%) 순으로 높았으며 바이오차 및 피트모스의 악취 저감 효율은 톱밥에 비해 각각 41.5% 및 33.0% 높은 뛰어난 악취 저감 효율을 보유한 효과적인 악취 저감용 깔짚 소재임을 확인하였다 (Fig. 6).

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Fig. 6

Odor emission and removal rate (A: nmol mol-1, B: Odor Unit) of complex odor at different livestock litter in cattle barn. Values are the means ± SD (n = 3). Values within a bar [Odor emission (A), Odor Unit (B)] or dot [odor removal rate] with different superscripts are significantly different at p < 0.05 by the Duncan’s test.

현재 축사에서 관행적으로 사용되는 깔짚인 톱밥은 국내 수급이 불안정하여 수입에 의존하고 있고, 최근 들어 가격이 급격히 상승하고 있는 실정이다. 특히 톱밥 등의 현재 사용 중인 깔짚은 부숙화율이 떨어져 수분조절 능력과 부숙도를 만족할 수 있는 대체 깔짚의 개발이 요구되고 있는 추세이다 (Rho et al., 2022). 이러한 국내외 여건을 고려해 볼 때, 본 연구에 사용된 바이오차는 (주)한국남동발전의 우드펠릿 전소발전소에서 전기생산 후 발생되는 폐기물로 가격경쟁력이 매우 높은 장점과 우수한 악취 및 수분조절 능력을 가지고 있어 대체 깔짚으로 가능성이 매우 높은 실정이다. 또한 본 연구를 통해 악취 저감 효과가 뛰어난 피트모스는 단순 무게 대비 경제성이 톱밥에 비해 거의 유사하거나 약간 낮은 것으로 알려져 있지만 부숙 촉진, 우수한 악취 저감 및 수분조절 능력을 고려하면 충분한 경제적인 이점이 있을 것으로 판단된다.

Conclusions

우사에서 발생하는 악취 문제를 해결하기 위하여 톱밥, 피트모스, 코코피트 및 바이오차의 투입이 우분뇨에서 발생하는 악취에 어떠한 영향을 미치는지 평가하였다. 복합 악취의 개념으로 우분뇨에서 주로 발생하는 악취 물질은 trimethylamine, dimethyl sulfide, hydrogen sulfide, butanoic acid, acetaldehyde, pentanal 등이 있었으며, 이외에 ammonia, propanoic acid, 3-methylbutanoic acid, propanal, styrene, m-xylene, butanone, methyl isobutyl ketone이 미량 발생하였다. 이 중 hydrogen sulfide 및 butanone은 모든 깔짚 소재에서 악취 저감 효율이 90%이상으로 뛰어난 악취 저감 효율을 보였다. 또한 모든 악취 성분에 대하여 대체적으로 바이오차 및 피트모스가 악취 저감 효율이 높았으며 코코피트 및 톱밥의 악취 저감 효율은 낮았다. 총 Odor Unit에 대한 악취 저감 효율은 바이오차 (70.7%) > 피트모스 (62.2%) > 코코피트 (52.9%) > 톱밥 (29.2%) 으로 바이오차 및 피트모스가 뛰어난 악취 저감 소재임을 확인하였다. 따라서 향후 후속 연구를 통하여 바이오차 및 피트모스의 장점을 활용하여 악취 저감 효율을 향상시켜 우사에서 주로 사용되고 있는 깔짚 소재인 톱밥을 대체하게 된다면 축사 악취 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

This work was supported by Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture and Forestry (IPET) through Livestock Industrialization Technology Development Program, funded by Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (MAFRA) (Project No. 121034-3).

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