1. 서 론
도시환경에 대한 중요성 증대 및 기후변화, 미세먼지 대응 등 다양한 문제들의 해결방안으로 도시녹지화는 많은 관심의 대상이 되어 왔고 국가적으로 또한 각 지자체별로 가로수 정비 및 보완과 함께 도시숲, 도시정원 등 다양한 녹지공간의 조성이 지속적으로 이루어지고 있다. 이렇게 증가되고 있는 도시 내 녹지공간과 수목들은 도시의 미관향상과 경관 개선, 미세먼지 저감과 도시열섬 해소, 시민의 생활환경 개선 등 다양한 이점을 가져오고 있지만 도시 내 녹지의 유지 및 관리의 과정 중에서 낙엽 및 전정부산물 등 지엽폐기물의 발생을 지속적으로 증가시키고 있다. 이러한 도시 발생 지엽폐기물의 경우 생활폐기물 혹은 사업장폐기물로 분류되어 폐기물관리법 제14조 및 제15조 규정에 따라 자치단체장에게 수집/운반 및 처리책무가 부여되며 이에 따라 각 지자체별로 관리 및 처리되고 있다. 주요한 지엽폐기물인 낙엽의 경우 실제 지자체별로 생활폐기물과 함께 처리되기 때문에 정확한 발생량이나 처리량에 대한 조사나 측정이 이루어지고 있지 않지만 주요 언론(한국일보, 2018.11.29.)에 따르면 2017년 서울의 경우, 발생된 낙엽 중 생활폐기물로 수거된 약 8,672톤의 낙엽 중에서 2,445톤이 소각되고 431톤은 매립처리된 것으로 추정하고 있다. 도시녹지공간의 지속적 확대 등으로 도시 내 낙엽 등 지엽폐기물의 발생량도 지속적으로 증가하고 있으나 생활폐기물로 지정되어 매립공간의 확보나 소각처리의 어려움이 점차 가중되고 있으며 이러한 지엽폐기물의 처리비용도 지속적으로 상승하고 있는 상황이다.
이에 따라 지엽폐기물의 처리 또는 활용을 통해 이러한 문제를 해결하기 위해 낙엽의 부숙에 따른 영양염류의 함량 연구,1) 당화를 통한 바이오에탄올로서 적용 연구,2) 펠릿화를 통한 유기물 소재화 연구3) 등 다양한 노력이 지속되어 왔다. 특히 퇴비화를 통해 부엽토로 사용하는 자원순환 방식은 많은 관심이 되어 왔고 실제로 낙엽의 주요 활용방안으로 적용되었으나, 낙엽의 적절한 부숙을 통한 퇴비화를 위해 최소 6개월 이상의 시간이 소요되며 이를 위한 낙엽 퇴비화 처리장 확보가 요구될 뿐만 아니라 제조된 낙엽 퇴비의 저급한 품질에 따라 수요가 낮은 상황으로 일부의 낙엽만 처리되고 있는 실정으로 보다 유효한 활용 기술의 개발이 요구되고 있다.
도시에서 발생되는 지엽폐기물인 낙엽은 플라타너스, 은행나무, 왕벚나무, 이팝나무, 벚나무, 느티나무 등 다양한 수종으로 발생되어 형태 및 성분조성이 매우 상이할 뿐만 아니라 대부분 도로변에서 수거되는 특성상 오염물질이 포함될 수 있다.4) 그러나 주요 가로수인 플라타너스 낙엽과 같은 활엽수 낙엽은 낮은 밀도 및 다공특성, 낮은 자체강도에 의해 분쇄가 용이하여 비표면적이 높은 소재로서 활용이 용이할 것으로 판단된다. 유기물 자원으로서 넓은 비표면적을 갖는 소재는 코코피트가 대표적인데, 낮은 밀도 및 다공성에 기반하여 높은 수분흡수성, 통기성, 보수성을 제공5)하고 있어 토양 및 인공상토 분야에서 작물의 식생과 생장에서 수분특성을 개선하는 소재로서 널리 활용되고 있다. 유사한 기계적 특성을 가지고 있는 낙엽의 경우 코코피트를 대체하여 토양 및 인공상토 소재로서 활용이 용이할 것으로 판단되었다. 특히, 인공상토 소재로서 대표적인 매트형 소재인 육묘매트는 농업기술의 발전, 사용자의 작업성 및 접근성 증대를 위해 식생매트, 식생기반재, 육묘용 매트형 상토, 수목의 양묘용 소재 등 다양한 인공토양 기반 식생용 소재로서 활용되고 있다.6-8)
이러한 육묘패드는 고지펄프와 같은 섬유상 소재를 적용하여 제조되는데, 섬유상의 펄프 원료는 통기성, 탈수성 등 물리적 특성이 작물의 생장에 적합하지 않아9) 통기성과 탈수성을 개선하기 위해 다양한 유기 원료를 혼합하여 제조하고 있다. 기존에 일반적으로 적용되고 있는 코코피트는 산도, 수분흡수 및 보유특성이 우수하여 육묘매트에 널리 활용되고 있으며, 이외에도 오일팜 EFB(empty fruit bunch),10) 제지슬러지11) 등을 적용하는 연구가 진행된 바 있다.
이에 본 연구에서는 대표적인 도심폐기물인 낙엽의 자원화를 위한 방안으로 다양한 용도로 활용이 가능한 식생용 육묘패드의 제조 원료로서 낙엽의 적용성을 평가하였다. 활엽수 도심낙엽의 물리적 전처리를 실시하고 이를 활용하여 섬유소재인 열기계펄프와 첨가량을 달리하여 육묘패드를 제조하였으며 기존 육묘패드 소재로 사용되는 코코피트와의 비교 분석을 진행하였다. 이를 통해 낙엽적용에 의한 육묘패드의 구조적 특성변화를 알아보았고 육묘패드로서의 기능성을 평가하기 위하여 수분특성 및 내구성의 변화를 분석함으로써 식생용 소재로서의 낙엽의 활용가능성을 알아보았다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 도심낙엽
대전 유성지역에서 수거된 도로변 가로수 낙엽을 사용하였다. 도심에서 발생되는 지엽폐기물인 낙엽은 지역에 따라 상이하지만 다양한 수종의 낙엽이 혼합되고 수거 과정에서 포함되는 생활쓰레기 및 먼지, 모래 등을 동시에 포함하고 있다. 이에 따라 수거된 낙엽으로부터 생활쓰레기를 분류하여 배제하였으며, 사용된 낙엽의 구성은 건조중량 기준 플라타너스 80%, 벚나무 15%, 은행나무 5%로 혼합되어 있는 활엽수 낙엽이 사용되었다. 이후 낙엽을 커터밀을 사용하여 분쇄하고 거름망을 사용하여 30-200 mesh로 분급하여 미분쇄 낙엽과 미세먼지 및 미세분말 등을 제거한 도심낙엽분말을 육묘패드 제조에 사용하였다.
2.1.2 코코피트
인공토양 소재 및 상토소재로서 널리 사용되는 베트남산 코코피트를 구입하여 도심낙엽분말과 비교소재로 활용하였다. 도심낙엽분말과의 형태적 조건을 가능한 균일하게 확보하기 위해 블록형태의 인공토양용 코코피트를 분쇄한 후, 거름망을 사용하여 30-200 mesh로 분급하여 실험용 코코피트를 준비하였고 이를 육묘패드 제조에 사용하였다.
2.1.3 열기계펄프(TMP)
도심낙엽분말과 비교소재인 코코피트를 혼합한 육묘패드를 습식방식으로 제조하는 데 있어서 구조적 품질특성을 확보하기 위해 섬유상 결합소재인 펄프섬유를 적용하였다. 열처리와 기계적 처리 공정을 거친 열기계펄프(thermo-mechanical pulp)는 화학펄프에 비해 잔존 리그닌 함량이 높고 표면의 친수성기가 상대적으로 적게 형성되어 있어 낮은 결합수 함량을 요구하는 육묘패드의 적용에 용이할 것으로 판단되어 섬유상 결합소재로서 열기계펄프를 활용하였다. 열기계펄프는 실험실용 valley beater를 사용하여 20분간 해리를 진행하였으며 별도의 고해처리를 진행하지 않고 육묘패드 제조에 적용하였다.
2.2 원료 특성 분석
2.3 육묘패드 제조방법
분쇄된 도심낙엽 및 코코피트 분말, 열기계펄프를 아래 Table 1과 같이 혼합하여 지료를 조성하였다. 도심낙엽과 코코피트 분말의 적용에 의해 감소하는 강도특성을 개선하기 위해 모든 조건에서 1,000 ppm의 양이온성고분자인 C-PAM(cationic polyacrylamide)을 적용하였다. 각 조성된 지료를 교반기를 이용하여 충분히 해리하였으며 습식 펄프몰드 성형기를 이용하여 평량 200±5 g/m2의 육묘패드를 제조하였다. 육묘패드 제조 시, 펄프몰드 성형기의 진공압력은 0.04 MPa의 조건에서 성형을 진행하였으며 이후 165℃의 열풍건조기를 이용하여 건조하여 최종적으로 도심낙엽 및 코코피트 분말이 적용된 육묘패드를 제조하였다.
2.4 육묘패드의 특성 분석
2.4.1 육묘패드의 육안적 성상 및 물리적 특성 분석
각 제조된 육묘패드의 제조 특성을 평가하기 위하여 육안적 성상 및 물리적 특성을 분석하였다. 육안적 성상은 각 조건의 육묘패드 표면을 디지털 현미경(MAP-8000P)을 이용하여 80배율 조건에서 TMP와 도심낙엽 및 코코피트 분말의 결합성상을 관찰하였다. 또한 육묘패드의 물리적 특성은 벌크 및 내구성을 평가하였다. 벌크는 각 육묘패드의 두께를 L&W Micrometer (Lorentzen & Wettre Products, Sweden)를 이용하여 두께를 측정하고 평량 대비 벌크를 산출하였다. 제품의 운송 및 활용성에 영향을 미치는 주요 품질요인인 내구성은 일정수준의 진동을 가하여 육묘패드가 부서지는 정도를 평가하여 측정하였다. 각 5×5 cm2의 육묘패드 시편을 700×700×1,140 mm3의 원통형 칭량병에 투입하고 입구를 봉하여 진탕배양기(Shaker incubator Si-600R, Jeio tech, Korea)에서 300 rpm의 진동을 30분간 일정한 진동을 가하였고, 이러한 진동에 의해 육묘패드가 부서져서 육묘패드로부터 이탈한 구성분을 제외한 육묘패드의 잔류무게를 측정하여 육묘매트의 내구성(durability)을 다음 Eq. 1을 통해 계산하여 나타내었다.
2.4.2 육묘패드의 pH 및 전기전도도 특성
제조된 육묘패드의 활용에 있어서 씨앗의 발아 및 작물 생장에 주요한 영향인자인 pH 및 전기전도도를 측정하였다. 각 육묘매트 10 g을 취하여 10% 농도로 수분과 혼합한 후, 24시간 동안 용탈한 용액을 pH 및 전기전도도 측정기(Orion star A215 benchtop pH/conductivity meter)를 이용하여 측정하였다.
2.4.3 육묘패드의 건조에 따른 수분보유 특성
육묘패드의 발아 기능 및 생육 기능을 위한 수분 유동 특성을 나타내는 지표인 수분보유 특성을 분석하기 위하여, 면적 6×6 cm2의 육묘패드를 24시간 동안 수분에 침지하여 포수상태로 조절하고, 포수된 육묘패드를 온도 23±1℃, 상대습도 50±2%의 항온항습실에서 48시간 동안 100 mesh의 망 위에서 존치시켜 자연탈수 및 수분증발을 조장하였다. 포수 시점부터 48시간까지 2시간 간격으로 시간 경과에 따른 육묘패드의 질량 변화를 측정하여 시간경과에 따른 수분보유 경향을 분석하였다.
2.4.4 육묘패드의 모세관수(capillary water) 함량
육묘매트의 표면화학적 특성 및 구조적 특성에 따라 상이한 결합수(bound water) 및 자유수(free water)의 함량변화를 평가하여 작물의 식생이 요구되는 모세관수(capillary water) 함량을 평가하였다. 모세관수는 결합수 이상, 자유수(중력수) 이하 범위의 수분형태로서 실제 작물이 이용 가능한 수분으로 여겨진다. 자유수 범위는 제조된 육묘매트를 포수상태로 조절한 후, 100 mesh의 거름망 위에서 자연탈수를 진행하고 거름망 하단이 1 mm 이내로 잠기도록 조성하여 모세관력에 의한 수분흡수를 유도하였을 때 수분함량을 측정하였다. 결합수 범위는 TAPPI standard UM 256에 의거하여 여과 도가니에 포수된 각 시료를 충전하고 21±3℃에서 원심분리기를 이용하여 30분간 중력가속도 900 G를 가하여 구조 내 자유수를 탈수하였다. 이후, 탈수된 시료의 중량 및 시료의 전건중량을 측정하여 잔류한 결합수의 함량을 산출하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 육묘패드 원료 특성 평가
육묘패드의 제조에 사용된 열기계펄프 및 도심낙엽, 코코피트 분말의 pH와 전기전도도 특성을 Table 2에 나타내었다. 원료의 pH 및 전기전도도는 씨앗의 발아 및 작물의 생장에 중요한 영향을 미치는 인자이다. 육묘패드의 산도(pH)는 모 생육에 큰 영향을 주게 되며, 이에 따라 농촌진흥청의 상토품질관리기준에 의하면 벼 육묘용 상토의 경우 pH 4.5-5.8, 원예용 상토는 pH 5.5-7.0이 적당한 것으로 규정하고 있다.12) 전기전도도는 염류의 집적 정도를 나타내는 지표로서, 도심낙엽의 경우 도시 내 식생의 성장과정 중 다양한 염이 포함될 가능성이 높아 이를 활용하는 경우 염류장해로 인한 생리장해 및 병해의 발생가능성이 높을 것으로 판단되기 때문에 육묘패드 원료로서 적용하기 위하여 전기전도도가 염류장해 가능성의 예측을 위해 고려되어야 할 것으로 판단되었다. 육묘매트의 씨앗 발아 시 pH 조건은 5.5-6.5에서 가장 양호한 것으로 알려져 있으며, 낙엽과 코코피트 분말은 발아성능을 구현하기 위한 원료로서 적절한 것으로 판단되었다. 식물생육에 주요요소인 염류농도를 나타내는 전기전도도는 모두 0.8 dS/m 이하로 식물생육에 염류집적에 의한 문제는 발생하지 않는 수준으로 확인되었다.
Table 2.
pH and Electric conductivity properties of raw materials
| pH | Electric conductivity (dS/m) | |
|---|---|---|
| Leaves | 6.0 | 0.420 |
Fig. 1에는 분쇄된 도심낙엽과 코코피트 분말의 입자 형태를 나타내고 있는데, 도심낙엽분말은 사각 형태의 판상 구조를 나타내는 반면, 코코피트 분말은 상대적으로 원형의 3차원적 구조를 형성하고 있다. 이는 육묘패드 제조 시, 패드 내 공극의 형성에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되며, 3차원적 구조의 코코피트 분말과 달리 낙엽분말은 육묘패드의 물리적 특성 저하를 완화할 수 있는 첨가 소재로서 적용이 용이할 것으로 판단되었다.
3.2 육묘패드 제조특성 평가
3.2.1 육묘패드의 물리적 구조 특성
도심낙엽 및 코코피트가 적용된 육묘매트의 표면 성상을 Fig. 2에 나타내었다. 도심낙엽분말의 함량이 증가함에 따라 표면에 관찰되는 낙엽분말이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 60%의 도심낙엽과 코코피트를 각각 적용한 육묘패드의 표면을 관찰한 결과, 도심낙엽을 적용한 Leave 60% 육묘패드는 최외부에 열기계펄프 섬유가 존재하고 내부에 판상형태의 낙엽분말이 존재하여 안정된 결합구조를 나타낸 반면, 입자형태가 두껍고 3차원 형태로 조성된 코코피트는 육묘패드 외부로 돌출되어 존재하였다. 이러한 결합구조에 의한 물리적 특성의 변화는 Fig. 3 및 Fig. 4에 나타낸 벌크 및 내구성 변화에서 그 영향이 관찰되었다. 도심낙엽과 코코피트 분말이 첨가됨에 따라 벌크가 상승하고 내구성이 감소하는 경향을 나타내었으며, 특히 동일한 첨가량에서 낙엽분말을 첨가한 조건이 상대적으로 낮은 벌크와 내구성이 개선되는 특성을 보였다. 이는 판상 구조를 갖는 낙엽분말이 열기계 펄프 섬유와의 결합면적이 증가함에 따라 나타나는 결과로 판단되었다. 이는 낙엽분말을 적용하여 육묘패드를 제조할 때, 코코피트보다 많은 투입량을 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 2.
Changes in the surface structure of seedling pad according to the added amount of fallen leaves and cocopeat powder.
3.2.2 육묘패드의 pH 및 전기전도도 특성
제조된 육묘패드의 pH와 전기전도도 특성을 Table 3에 나타내었다. pH 6.0을 나타내는 도심낙엽의 투입량 증가에 따라 육묘패드는 약 pH 6.8–7.2의 산도를 나타내었으며, 도심낙엽이 코코피트에 비해 육묘패드의 발아특성 개선이나 생육에 요구되는 산도를 조성하는 소재로서 활용이 용이할 것으로 판단되었다. 전기전도도의 경우, 최초 측정했던 낙엽분말 원료의 수치(Table 2)보다 낮아지는 결과를 나타내었는데, 이는 육묘패드 제조를 위한 습식 성형 단계를 거치면서 수용성의 염류가 제거됨에 따라 나타난 결과로 보여진다. 이를 통해 낙엽분말이 코코피트보다 육묘패드의 pH 및 전기전도도 특성을 개선하는 효과를 내는 것을 확인할 수 있었다.
3.3 육묘패드의 수분거동 특성
3.3.1 육묘패드의 수분보유 특성
시간에 따른 육묘패드의 수분보유 특성을 Fig. 5에 나타내었다. 최초 포수상태의 수분흡수량은 Cocopeat 60% 조건이 약 490%로 가장 높은 흡수량을 나타내었다. 이후 낙엽의 첨가량 증가에 따라 약 400%에서 450%까지 증가하는 경향을 나타내어, 첨가된 코코피트와 낙엽분말의 수분보유특성 개선효과를 확인하였다. 이러한 결과는 각 첨가량 및 첨가소재의 입자형태에 따라 변화된 육묘패드의 벌크 증가에 기인한 내부 공극의 증가에 의한 것으로 판단되었다. 모든 육묘패드 시료에서의 수분 거동은 최초 12시간 동안 자유수의 범위에서 빠른 수분 증발이 발생하여 급격한 속도로 수분함량이 감소하였으며, 이후 완만한 속도로 결합수 범위까지 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 상온 건조 48시간의 시점에서 낙엽을 투입한 Leaves 60% 조건이 Cocopeat 60%과 유사한 수분보유 특성을 보였다. 실제, 수분함량 200%까지 도달하는 데 소요된 시간으로 볼 때, 코코피트나 도심낙엽을 첨가하지 않은 대조구의 경우 19시간이 소요되었으나, Cocopeat 60% 조건은 약 34시간, Leaves 60% 조건은 약 32시간으로 엽설분말의 첨가를 통해 코코피트에 준하는 수분특성을 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 낙엽분말이 해외의존도가 높고 수분보유특성 개질 효과를 갖는 코코피트를 대체 가능한 소재로서 활용이 가능할 것으로 판단되었다.
Fig. 5.
Moisture holding properties of the seeding pad samples according to the composition of the seeding pads.
육묘패드 내 존재하는 수분은 자유수, 결합수 형태로 존재하며 각 수분 유형에 따른 함량을 Fig. 6에 나타내었다. 자유수 함량은 육묘패드의 벌크 특성을 크게 증대시킨 코코피트 첨가 조건(Cocopeat 60%)에서 가장 높게 나타났으며, 낙엽분말의 첨가량이 증가함에 따라 자유수 함량도 증가하였다. 결합수의 함량 변화는 모든 육묘패드가 약 19-24% 함량을 보여 유의한 차이가 나타나지 않았으나, 낙엽분말의 첨가량이 증가함에 따라 22%에서 최소 19%까지 감소하는 경향을 보였다. Fig. 7에 나타낸 육묘패드의 모세관수 함량 변화에서 확인되었는데, 작물이 이용가능한 모세관수 함량이 낙엽 60% 적용한 조건(Leaves 60%)에서 가장 높은 수치를 나타내었다. 이를 통해 낙엽분말이 모세관수 함량을 개선하는 데 보다 큰 효과가 있을 것으로 판단되었다.
4. 결 론
식물의 발아와 생장에 사용되는 육묘패드의 개질 원료로서 도심 폐기물인 낙엽의 적용성을 평가하기 위해 기존 활용되는 소재인 코코피트와 비교 적용하여 육묘패드를 제조하고 그 특성 변화를 평가하였다. 낙엽은 코코피트보다 낮은 산도를 나타내었으며, 이는 약산성 조건에서 생장이 용이한 작물에 적용이 가능할 것으로 보인다. 또한 분쇄하여 분말화한 낙엽과 코코피트를 열기계펄프 섬유와 함께 적용한 결과 육묘패드의 벌크는 향상되었지만 내구성은 감소하는 것을 확인하였다. 낙엽분말의 경우, 판상형태의 입자형태를 가지고 있기 때문에 동일한 투입량에서 입자상 형태의 코코피트보다 내구성 감소가 적고 벌크도 낮은 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 낙엽분말의 경우 높은 비율로 적용한 육묘패드의 제조가 가능할 것으로 판단되었다. 육묘패드의 주요 품질요소인 수분특성에서는 낙엽분말의 적용 시 코코피트 적용 시보다 수분보유특성이 낮았으나 낮은 결합수 보유량을 나타내어 작물이 이용가능한 수분인 모세관수의 함량을 크게 개선시키는 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들을 기반으로 분쇄하여 분급한 도심낙엽의 경우 코코피트를 대체하여 육묘패드 제조 시 수분보수성 등의 개선을 위한 원료로서 적용이 가능할 것으로 판단되었다.
