1.1. 축산바이오매스의 종류
축산부문의 바이오매스는 소, 돼지, 닭 등의 가축을 사육하는 과정에서 발생하는 생성물을 의미한다. 주로 가축분뇨를 지칭하며 도축과정에서 발 생하는 가죽이나 털 등도 축산바이오매스에 해당된다. 이 연구는 축산바이 오매스 중에서 비중이 가장 큰 가축분뇨를 대상으로 한다.
가축분뇨란 소, 돼지, 닭, 젖소, 오리 등 동물이 유․무기 사료를 섭취한 후 체외로 배설한 유기성 물질63을 말한다. 가축분뇨는 대부분이 기계적 이용, 물질 이용, 열화학적 처리단계를 거쳐 자원화(퇴비, 액비)로 이용되 고 있으며 최근에는 생물학적 처리단계를 거쳐 바이오에너지인 가스 및 전 기로 이용되기도 한다.
63 2007년 9월부터 시행되는 “가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률”은 가축분뇨 는 분뇨 이외에 가축사육과정에서 사용된 물까지 포함하고 있다. 과거 “오수․
분뇨․축산폐수의 처리에 관한 법률”(오분법)에서는 가축분뇨를 “오염물질”로 보던 관점과 청소수가 섞인 것을 축산폐수로 보던 관점이 “자원화”라는 긍정 적 폐자원으로 인식되어 축산환경에 큰 전환점이 되었다.
1.2. 축산바이오매스의 발생량
가축분뇨 총 발생량은 축종별 사육두수에 축종별 발생원단위를 곱하여 계산하였다. 환경부 고시 제1999-109호에 의하면 가축별 배출원단위64는 한 우 14.6kg, 젖소 45.6kg, 돼지 4.2~8.6kg(슬러리 돈사 5.3kg, 톱밥깔짚 4.2kg, 정화 8.6kg), 닭․오리 0.12kg/일/수, 사슴․양 0.7kg, 개 1.1kg 등이다.
2006년 우리나라 가축분뇨 총 발생량은 하루에 16만 9천 톤이며, 연간 약 6,150만 톤이 발생한 것으로 추정된다(표 5-1).
표 5-1. 가축 분뇨 발생량 현황(2006년)
단위: 톤/일
계 허가대상 신고대상 신고미만
소․말 29,799(17.7) 6,228 12,158 11,412 젖소 39,718(23.6) 12,710 18,905 8,103 돼지 80,685(47.9) 52,203 23,238 5,245 닭․오리 15,308(9.1) - 10,486 4,823 사슴, 양, 개 등 2,997(1.8) - - 2,997 계 168,507(100.0) 71,141(42.2) 64,787(38.4) 32,579(19.3) 주: ( )은 축종별, 허가․신고․신고미만 구분별 비중임.
자료: 농림부(2007).
분뇨발생량 중 돼지에 의한 발생량이 가장 많으며 전체 발생량의 50%를 차지하고 있다. 발생형태는 미규제 및 신고미만의 농가65에서 발생하는 분 뇨가 약 33,000톤/일으로 19%를 차지하며 허가 및 신고 농가66에서 발생하 는 분뇨가 약 136,000톤/일으로 81%를 차지하고 있다.
64 축종별 가축분뇨 발생원단위= 분배설량+뇨배설량+세정수이다.
65 신고미만 농가로부터 발생한 분뇨는 무단방류 금지 이외에 처리 의무가 없고 자율 관리한다.
66 정화처리 시 허가대상 BOD 50～150mg/ℓ, 신고대상 BOD 150～350mg/ℓ이 며, 반드시 처리시설을 설치하여 운영할 의무가 있다.
1.3. 축산바이오매스의 자원화 형태
축산바이오매스를 이용한 자원화 형태는 퇴비, 액비, 퇴․액비, 가스를 이용한 열에너지 및 전기 등이 있다(그림 5-1).
그림 5-1. 축산바이오매스의 자원화 형태
한우 젖소 양계 양돈
퇴비: 유기질 비료
액비: SCB, 일반액비
에너지: 가스 보일러: 열 발전기: 전기
소화액
퇴․액비 정화처리
1.3.1. 퇴비
퇴비화는 유기물이 미생물에 의하여 분해되어 안정화되는 과정이며 그 최종 물질은 환경에 악영향을 주지 않아야 하고, 토양에 사용할 수 있어야 하며, 저장하기에 충분한 부식토 상태의 물질로 변화시키는 생화학적 공 정이다. 퇴비화의 목적은 가축분뇨를 이용하여 위생적으로 안전하게 처리 하는 것과 퇴비를 토양 유기물 공급원과 화학비료 대체재로 이용하기 위 함이다.
우리나라에 널리 보급되어 있는 퇴비화 시설은 규모와 특성에 따라 3가 지로 나눌 수 있다. 하나는 개방형 야적식이고, 둘째는 개방형 교반식으로 중대규모 공동처리시설에서 주로 적용하고 있는 시설이다. 셋째는 악취문 제와 퇴비화 기간을 단축시킨 밀폐형 기계식이다.
개방형 야적식 퇴비화와 개방형 교반식 퇴비화의 문제는 악취가 심하고, 침출수에 의한 2차 오염이 발생하기도 한다. 그러나 밀폐형 기계식은 악취 나 2차 오염문제는 해결할 수 있으나, 시설비가 많이 들고 유지관리비와 야적장 등의 부지확보가 문제로 대두된다.
1.3.2. 액비
액비화 방법에는 호기성 처리법67과 혐기성 처리법68 그리고 SCB(퇴비 단 여과법)69 등이 있다. 호기성 처리법은 분뇨를 유기질 액비로 만들었을 때, 악취가 감소되고, 비료성분도 일정하여 비효가 높다.
혐기성 액비화 처리방법은 기존에는 액비생산만을 목적으로 활용하였으 나 최근에는 에너지활용 측면을 고려하여 혐기소화과정에서 발생하는 바이 오가스를 열과 전기로 사용하고 여기서 남은 소화액은 액비로 활용하는 방 법이다.
SCB(퇴비단여과)방법은 수분함량이 많은 양돈 슬러리 처리에 적합한 방 법이다. SCB 방법은 슬러리상의 양돈 분뇨를 1차 저장조에 저류시키고, 볏짚 또는 톱밥을 여과상으로 활용하는 것이 특징이다. 저장조의 슬러리를 여과상에 살포하면 고상의 유기물은 퇴비단에 걸려 발효되고, 액상은 여과 되어 액비로 활용할 수 있는 방법이다.
67 호기성 미생물이 산소를 이용하여 유기물을 분해하는 생화학 반응이다. 호기성 발효는 유기물의 분해와 함께 온도가 상승하여 악취와 병원균이 소멸된 유동 성이 좋은 흑갈색의 액비를 생성할 수 있다.
68 혐기성 액비화 방법은 저장 액비화 방법이다. 저장액비화법은 대형저류조에서 축산폐수를 장기간 부숙시킴으로서 축산폐수를 처리하는 방법이다. 축종별 발 효조 용량은 축사 100㎡당 한우의 경우 250ℓ, 젖소 400ℓ, 돼지 860ℓ를 기준 으로 액비화 시설을 설치해야 한다. 따라서 대규모의 저장시설이 필요하며, 처 리기간이 길고, 충분한 살포 면적 확보가 필요하다.
69 SCB(Slurry Composting Biofiltration, 퇴비단여과)는 기존 양돈분뇨 퇴비화시설 바닥을 개조(물빠짐과 통기성)함으로써 퇴비화시설의 문제점 개선과 생물여과 기능을 가지게 하는 방법이다.
1.3.3. 바이오가스
바이오가스 생산 원료는 가축분뇨, 음식물쓰레기, 도축부산물 등 고농도 유기성 폐기물이다. 이 원료가 혐기성 소화조로 유입되고, 혐기성 소화조 내에서 메탄을 생산한다. 매탄 생산 단계는 기능적으로 서로 다른 미생물 에 의해 세단계로 구분된다.
첫 번째 단계는 복합 고분자 유기물이 가수분해 미생물에 의해 단순 단위 화합물로 쪼개지는 가수분해(hydrolysis) 단계이고, 두 번째는 단순 단위화 합물이 메탄생성의 원료로 사용되는 이산화탄소(CO2), 수소(H2,), 각종 휘발 성지방산 등을 생산하는 산생성(acetogenesis)단계이다. 마지막으로 전 단계 에서 생산된 산물을 이용하여 메탄(CH4)을 생산하는 메탄생성단계이다.
결과적으로 유기물이 산소(O2)가 없는 극도의 환원상태에서 미생물에 의 해 분해되면서 생성되는 메탄(CH4)이 약 40～70%, 이산화탄소(CO2) 약 30
～60%, 기타 황화수소(H2S), 수소(H2), 수분, 휘발성지방산(VFA) 가스를 포함하는 기체가 바로 바이오가스가 된다.