부레옥잠을 이용한 축산 폐수의 처리

 

축산폐수는 하천이나 호수의 부영양화, 작물의 생육저해, 식수원 오염 등의 원인이 될 수 있다. 축산폐수는 유기물 함량이 많고, 질소와 인산의 농도가 높아서 논으로 흘러들면 벼농사에 피해를 준다. 현재 그 피해를 줄이기 위한 시비법으로 규회석과 칼리는 더 주고, 질소는 적게 주는 방법을 권장하고 있다.

  오염된 관개수에 들어 있는 질소와 인산을 제거하는 하나의 수단으로 오염된 물에 수초(水草)를 재배하여 이들 성분을 흡수하도록 한 다음, 수초는 거두어 가축의 사료로 쓰거나 농경지 토양에 주어 유기질 거름으로 활용하는 일련의 연구가 얼마전부터 여러 나라에서 이루어지고 있다. 농업과학기술원에서도 1986년부터 물에서 잘 자라는 부레옥잠, 물옥잠, 줄, 부들, 창포, 토란 등의 수생식물을 놓고 정화효과가 큰 식물을 선발하기 위한 연구를 수행한 바 있다. 그 가운데 부레옥잠은 질소와 인산 모두 흡수량이 많아 제거효과가 컸으며, NH 4 -N가 생육을 저해하는 농도도 다른 식물보다 높다는 것을 확인하였다. 부레옥잠이 흡수한 성분 가운데 질소는 잎에 많았고, 인산은 부레에 많았다. 이러한 시험 결과를 바탕으로 부레옥잠을 이용한 축산폐수 정화 가능성을 검토하였다.

부레옥잠의 분포와 생육 특성

부레옥잠[ Eichhornia crassipes(Mant. Solms.)]은 남미 원산의 물옥잠과(Pontederiacea ) 다년생 수생식물로서 세계 10대 문제잡초의 하나이다. 부레옥잠과 같은 속에 E. azurea, E. pamiculata, E. paradoxa, E. natans, E. dwersifolia 등 5종이 있지만, 부레옥잠만이 북위 40° 에서 남위 45° 까지의 열대, 아열대, 온대지방에 걸쳐 널리 분포하고 있다. 부레옥잠이 처음으로 기재된 곳은 브라질이라고 하며 아시아, 아프리카의 일부 지역에서는 약60년 전부터 퍼지기 시작하였고, 미국에는 1880년대에 루이지애나와 플로리다에 도입되어 현재 그 분포지역이 확대 일로에 있다고 한다. 또 스리랑카, 수단, 이집트, 인도, 파키스탄, 인도네시아 등의 열대지방에서 번성하고 있고, 오스트레일리아, 뉴질랜드, 남미, 중미, 대만, 일본 등지에서도 이상 번식이 인정되고 있다. 일본에서 조사한 바로는 큐슈지방의 논이나 관개수로에 나타나며, 칸토(關東)지방에서 호쿠리쿠(北陸)지방(북위 37° )까지도 자생한다는 기록이 있다. 우리나라에서는 아직 분포조사가 이루어진 일은 없으나 중부지방인 수원에서도 가끔 발견되며, 남부지방 또는 제주지역의 저수지, 댐, 관개수로에서 발생되는 것이 확실하다.

  부레옥잠의 번식은 먼저 식물체의 기부에서 나온 부레(포복지, stolon)에 눈이 생기고 뿌리가 나와 자주(子株)가 된다. 이 자주가 자라서 또 부레를 내면 손주(孫株)가 된다. 이렇게 해서 계속 번식하면서 수면에 넓게 퍼져 부유형(浮遊形)의 특징을 발휘한다. 부레옥잠은 물길이나 바람을 따라 먼 곳으로 떠다니며 영양번식을 되풀이하여 널리 분포한다. 부레옥잠은 특별한 경우에만 종자번식을 하는데, 수위가 떨어져 흙이 드러나기 쉬운 곳이나 물깊이가 얕은 장소 또는 식물체가 부패 퇴적된 곳에서만 종자번식을 한다. 종자는 자연상태에서는 임실되는 삭과율(朔果率)이 16∼25%이고, 1삭과에는 34∼62개의 종자가 들어있으며, 종자의 휴면성은 채종 장소에 따라 다르고, 발아 최적온도는 25∼30℃이지만 그보다 훨씬 낮은 온도조건에서도 발아가 가능하다고 한다. 다라서 겨울을 넘기는 개체가 적거나 없는 경우에도 종자로 번식하는 개체들이 이듬해 봄에 번식원이 될 수 있다는 것을 유의해야 한다.

부레옥잠의 축산폐수 정화효과

부레옥잠은 20℃이상의 수온에서 잘 자라므로 우리나라에서는 6∼7개월 동안 재배가 가능하며, 연간 7회를 생산할 경우 폐수의 농도에 따라 차이가 있겠지만 건물 생산량이 헥타르당 50톤까지 기대할 수 있다. 부레옥잠은 봄에 성숙한 1개체가 번식하는 개체의 수가 752개인 것으로 계산된다.

  부레옥잠이 축산폐수를 정화하는 능력을 확인하기 위하여 양돈 돈사에서 나오는 폐수에 부레옥잠을 재배하였다. 그 결과 돈사에서 나오는 폐수의 NH 4 -N 농도가 156ppm이던 것이 20일 후에는 7.0ppm으로 줄어들었고, 다시 25일 후에는 거의 없어졌으며, 인산은 당초 22.9ppm이던 것이 20일 후에는 약 10분의 1로 줄어들었고, 25일 후에는 거의 없어졌다. 따라서 돈사에서 나오는 폐수에 부레옥잠을 제곱미터당 44포기를 물에 띄운 뒤 25일이 지나면 질소와 인산을 100% 제거할 수 있으며, COD도 122.0ppm에서 25일 후에는 15.3ppm으로 떨어져 88%까지 낮출 수 있다.

<표> 부레옥잠의 도사폐수 정화효과(1987, 농업기술연구소)

(단위:ppm)

폐 수 성 분

생 육 일 수

25일후 폐수정화율(%)

0

10

20

25


암모니아태질소(NH 4 -N)
인 산(P 205 )
화학적 산소요구량(COD)


156.0
22.9
122.0


58.2
18.5
60.8


7.0
2.5
28.8


흔적
흔적
15.3


100
100
88

돈사폐수에서 자란 부레옥잠에 함유된 질소는 건물중의 4.5%이고, 인산은 2.3%이며, 칼리는 7.5%였다. 부레옥잠이 연간 회수하는 비료성분의 양은 헥타르당 질소가 2.2톤(요소비료 4.8톤), 인산은 1.1톤(용과린 5.3톤), 칼리 3.5톤(염화칼리 5.8톤)이나 된다. 그러므로 부레옥잠을 수확하여 퇴비로 만들어 사용한다면 상당한 양의 화학비료를 대체할 수 있고, 토양에 유기물을 공급해주는 효과를 기대할 수 있다. 다만 수분함량이 높기 때문에 부레옥잠을 퇴비로 만드는 것이 다른 유기자원을 재료로 할 때보다 쉽지 않은 것이 문제이다.

부레옥잠의 생산량과 활용 가능성

돈사폐수에서 25일 동안 부레옥잠 한포기가 번식한 자주는 13주이고, 하루 평균 한포기가 불어나는 생체중은 38.5g이나 되어 번식률과 증체율이 높았다. 15㎡의 재배조(裁培槽)에서 25일간 자란 총 생체중은 155kg이고, 건물중으로는 11kg이었다. 중부지방에서는 연간 7회 재배가 가능하므로 헥타르당 건물 생산량은 50톤이 넘는다.

<표> 돈사폐수에서 자란 부레옥잠의 생육과 수량

폐 수 종 류

자 주 수
(개/25일)

1일 증체량
(g)

수 량(kg/15㎡/25일)

ha당 수량
(kg/건물중/7회)

생 체 중

건 물 중

돈 사 폐 수

13.2

38.5

155.4

10.9

50,760

다른 나라의 예를 보면, 일본에서는 부레옥잠 1개체가 5개월간 1,000개 이상의 자주를 증식하였고, 열대지방에서는 헥타르당 건물중으로 210톤까지 생산된 예가 있다고 한다. 따라서 우리나라의 경우 남부지방이나 제주도에서는 중부지방보다 많은 양을 생산할 수 있을 것이다.

  이와 같이 증식과 성장이 빠른 부레옥잠을 폐수정화에 이용한 뒤에는 거두어들여야 하는데, 이 엄청난 양의 부레옥잠의 바이오매스(유기자원)를 어떻게 활용하여야 할 것인가는 폐기물처리에 못지않게 중요하다. 앞서 부레옥잠을 유기질 거름으로 활용하는 것을 제시한 바 있지만, 그 구체적인 활용방법에 대한 연구는 아직 이루어지지 않고 있다. 일본에서는 비료뿐만 아니라 가축의 사료, 토양개량제, 혐기발효를 통한 메탄가스 생산 등으로 사용이 가능하다는 보고가 있고, 단백질 식량자원으로도 검토하고 있다고 한다.

  부레옥잠의 사료가치를 보면, 알팔파보다 조단백질(28%)과 조회분(16%)은 많지만, 조지방, 조섬유, 석회 성분은 낮고 각종 아미노산이 들어 있는 것으로 밝혀졌다. 부레옥잠의 소화율은 건물중으로 53%, 유기물질로는 42%인 것으로 알려졌다. 부레옥잠은 가축 사료로서의 가능성도 있으나 가축의 선호도와 실제 사료로 급여했을 때 비육, 착유 등의 효과에 관한 연구가 이루어져야 할 것이다.

  부레옥잠을 재료로 하여 혐기발효 과정을 거치면 60∼80%가 메탄인 바이오가스를 건물중 1톤당 373㎥을 얻을 수 있고, 그 연소열량은 바이오가스 1㎥당 약 5,300kcal가 나오는데, 이 에너지는 등유 180kg과 맞먹는다는 외국의 연구결과가 있다.

  부레옥잠의 활용을 축산폐수의 정화에 국한할 것이 아니라 호수나 하천의 부영양화를 일으키는 도시하수의 정화까지 그 범위를 넓혀가야 할 것이다. 1990년에 수원시 서둔동에 잇는 약 1,000세대 규모의 아파트에서 흘러나오는 생활하수에 부레옥잠을 재배하였더니 유입수의 COD, NH4 -N를 50∼60% 줄일수 있었고, P, Na, Cl 뿐만 아니라 합성세제(LSA)의 함량도 줄일 수 있다는 결과를 얻었다.

  부레옥잠은 수온이 20℃이상이라야 잘 자라며 -3℃가 되면 동해를 입게 되므로 우리나라의 대부분 지역에서는 자연상태의 증식과 보존은 어렵다. 부레옥잠이 겨울을 나려면 아주 따뜻한 남부지방이나 제주지역으로 가거나 비닐하우스 안으로 들어가야 한다. 최근에는 더럽혀진 양어장 물을 깨끗하게 하기 위하여 부레옥잠을 재배하는 경우가 있고, 부레와 꽃의 아름다움 때문에 관상용으로 재배하거나 학생들의 실험용으로도 쓰이고 있다. 또 골프장의 수질정화와 군부대에서 폐수정화를 위하여 활용하며, 유기성 폐수를 배출하는 산업체에서도 폐수정화에 활용할 길을 찾고 있다.

  부레옥잠을 적극적으로 활용하려면 겨울에 자체증식을 하여 주보존을 하거나 종자를 받아두었다가 종자번식을 하여야 한다. 종자번식에는 이형예(異形蘂) 현상으로 자연상태에서는 불임현상이 나타나므로 인공수정을 해주어야 한다. 그러므로 온대지방에서 부레옥잠을 활용하려면 월동과 번식방법에 대한 체계가 확립되어야 할 것이다.

  부레옥잠은 세계 10대 문제잡초로서 외국에서는 관개수로의 물흐름을 막거나 배의 운항에 지장을 주기도 하며, 강어귀에 지나치게 무성하게 자라 물고기의 산란이나 산소공급을 방해하고, 수력발전에도 지장을 주는 경우가 있다. 이 때문에 부레옥잠을 방제하기 위한 노력을 다하고는 있지만 수계의 오염 때문에 제초제를 사용할 수도 없어 기계적인 방법에 의존할 수밖에 없는 상태이다.

  1979년에 이란혁명과 더불어 다가온 제2차 오일쇼크는 대체에너지원의 탐색에 눈을 돌리지 않을 수 없게 하였다. 제1차 오일쇼크이래 원자력을 비롯한 각종 에너지공급원을 찾아 그 가능성을 계속 검토해왔지만 제2차 오일쇼크가 그렇게 일찍 다가올 줄은 몰랐다. 대체에너지와 관련하여 부레옥잠은 태양에너지를 변형 저장한 바이오매스로서 우리 손에 쉽사리 넣을 수 있으므로 메탄발효를 통해 대체에너지를 얻을 수 잇고, 화학비료를 대체하여 화석에너지의 사용을 줄일 수 있으며, 가축의 사료로 이용하여 사료생산에 필요한 보조에너지를 절약할 수 있는 길을 열어줄 자원식물로 볼 수 있다. 그러나 아직은 부레옥잠을 잡초에서 자원식물로 바꾸는 데는 상당한 노력이 더 필요하다.