2.1. 가축분뇨 개별자원화시설 자원화처리비 산정 방법

개별 자원화 시설은 가축 사육농가에서 직접 퇴비와 액 비를 생산하는 시설인데 발생 분뇨에 수분함량이 높은 돼 지는 전처리과정을 통해 분리된 고형분은 퇴비시설에서 처 리되고 있으며 나머지 액상 분뇨는 액비시설에서 처리되어 진다. 한우와 젖소 등 소 사육농가는 상대적으로 분뇨의 함수율이 낮음에 따라 우사 바닥 깔짚 방식으로 분뇨를 퇴비화 하고 여기서 저장된 분뇨를 정기적으로 퇴비장(저 장소)에 배출한다. 축산 개별 자원화 시설에 대한 조사는 양돈농가(퇴비, 액비 생산시설) 10개소, 한우와 젖소 사육 농가(퇴비생산시설) 5개소를 조사하였고, 조사 지점 선정을 위해 지자체 및 관련단체의 협조를 받아 후보 조사지점들 에 대한 정보를 수집한 후 2016년 5월에서 10월까지 6개 월간 각각 4회씩 방문 조사 및 분석을 위한 현장 시료채 취를 수행하였다. 개별자원화시설 조사지점들의 돈사 규모 는 1,000두 이상 규모의 돼지 사육 농가로 모두 허가대상 시설이다. 한우, 젖소 사육 농가는 50~100 두 사이의 농가 로 바닥 깔짚 방식의 퇴비화 방법으로 분뇨를 처리하고 있다.

농장에서 발생된 가축분뇨 원수를 전처리 과정인 고액분 리전과 고액분리후로 나누어 TOC, BOD, SS, T-N, T-P 에 대해 분석하였으며 최종 자원화 생성물인 액비와 퇴비에 대하여도 동일하게 분석하였다. 생산된 퇴비는 팽화제의 영 향을 고려한 경우와 팽화제를 제외한 상태의 시료로 구분 하여 분석하였다. 시료의 분석방법은 수질오염공정 시험기 준(^{ME, 2015b})을 따랐으며, TOC는 고온연소산화법을 적용 하였다. 고액분리 고형물과 퇴비는 폐기물 분석방법(^{ME, 2015c})으로 분석하였고 TOC 와 T-N은 수질오염공정시험 기준의 퇴적물분석법에 따라 분석하였다.

2.2. 위탁 자원화 시설 조사 방법

위탁자원화 시설은 개별 농가의 발생 가축분뇨를 수거하 여 퇴, 액비의 자원화로 처리하는 시설을 말하는데 농, 축 협 및 자원화 기업에서 운영하고 있다. 지자체가 직접 또 는 위탁 운영하는 ‘공공처리시설’과 구분하여 ‘공동자원화 시설’이라 부르기도 하는데 현재 국내 운영 중인 위탁 자 원화 시설은 총 75개소로 이중 58개소는 액비와 고형분 처 리를 위한 퇴비화 시설을 갖추고 있는데 액비 6,034 톤/일, 퇴비 2,125 톤/일의 시설 용량을 갖추고 있다. 나머지 17 개 소는 퇴비화 공정 만을 운영하고 있다. 본 연구에서는 액비 와 퇴비 시설을 모두 갖춘 위탁 자원화 시설을 대상으로 총 20 개소를 조사하였는데 이들 시설의 평균 시설 용량은 100 톤/일 이며 퇴비 35 톤/일, 액비 시설이 65 톤/일로 조사 되 었다(^{NIER, 2016}). 위탁자원화시설의 자원화 처리비 산정 을 위한 각 시설 별 분석 대상 시료와 분석 방법은 개별자 원화시설과 동일하게 적용하였다.

3.1. 개별자원화시설 자원화 처리율 조사결과

개별 자원화 시설은 양돈농가와 한우, 젖소 농가의 주된 분뇨 처리 방법으로 국내 전체 발생량의 80% 정도가 개별 농가에서 액비와 퇴비 형태로 발생되고 있다. 자원화율이란 발생분뇨의 유기물과 질소, 인 농도에서 생산된 퇴, 액비의 삭감되는 농도비율을 말하며 자원화율 실측을 위해 고액분 리 후 원수 농도와 생산액비의 농도 삭감비를 액비 자원화 비로 산정하였으며, 고액분리로 생산된 고형물 농도와 퇴비 의 농도비를 퇴비자원화비로 산정하였다. 그리고 최종적으 로 고액분리된 고형물과 액상 분뇨의 부하비를 적용하여 혼합 자원화비를 산정하였다. 한편 우분 퇴비는 액상시료를 발생시키지 않고 고형물 형태로 발생되므로 돈분 시료와 구분하여 퇴비화율을 산정하였다. 현재 수질오염총량제에서 는 퇴, 액비화 구분 없이 BOD 40%, 질소 20%, 인은 0% 로 정하고 있다(^{ME, 2014a}; ^{ME, 2014b}; ^{NIER, 2014}).

고액분리 전 돈분 시료의 평균 TOC는 24,285 mg/L(9,658~ 55,258 mg/L), BOD는 35,906 mg/L(10,593~ 84,739 mg/L), COD_mn 26,389 mg/L(2,930~55,819 mg/L), TSS 39,727 mg/L (19,940~63,693 mg/L), T-N 4,481 mg/L(2,336~9,180 mg/L), T-P 1,010 mg/L(566~2,273 mg/L)로 계절 별 농도가 크게 차이를 보이고 있다. Table 1은 조사 분석된 양돈 및 한우 농가의 고액분리 전후 및 생산된 퇴, 액비의 농도를 보여주 고 있다. 고액 분리 후 TOC는 2,348~19,173 mg/L, 평균 8,918 mg/L로 분석되어 전처리 과정에서 약 63% 삭감이 발 생하는데 많은 액비 생산 농가들이 액비 부하를 저감시키기 위해 원수의 고액 분리 과정에서 폴리머 등 약품을 이용한 고액분리 공정을 사용하고 있는데 기인한다. 생산된 액비는 TOC기준 평균 3,031 mg/L로 나타났으며 퇴비는 TOC기준 평 균 177,484 mg/kg으로 분석되었으며 범위는 98,000~259,643 mg/kg으로 큰 농도차를 보였다. 우분의 경우 퇴비원료와 부 숙하여 외부로 반출되는 생산 퇴비 시료를 분석하였는데, 퇴비원료인 우분의 농도는 TOC기준 평균 137,805 mg/kg 이며, 퇴비의 농도는 TOC기준 평균 145,767 mg/kg로 측정 되었다. 생산 퇴비가 퇴비 원료인 우분 보다 더 높게 나타 나고 있으며, 이는 돈분 고형물과 돈분 생산 퇴비에서도 같은 현상을 보이는데 이는 가축분뇨 퇴비화를 위해 혼합되 는 톱밥, 왕겨 등의 팽화제에 의한 것으로 판단된다. 실제 팽화제로 이용되는 톱밥의 경우 퇴비화 과정을 통해 유기물 및 질소 분이 거의 분해되지 않고 있는데 이 들의 주 성분 은 생물학적으로 분해가 잘 되지 않는 셀룰로오스로 알려지 고 있다.

수질오염총량관리 기술지침에서 제시하고 있는 자원화 처리비는 아래의 수식과 같다.

현 기술지침상의 자원화 처리비는 고형물을 처리하는 퇴 비화와 고액분리 후 액상을 처리하는 액비화에 대해 구분 하지 않고 단일 자원화 처리비 BOD 0.4, T-N 0.2, T-P 0 으로 제시하고 있다. 본 연구에서는 이 들 수치의 근거 자료 를 제시하기 위하여 돈분 액비, 돈분 퇴비 그리고 한우 및 젖소의 퇴비화 처리비를 각각 조사하였으며, 현 지침과 비교 하는 단일화된 평균자원화처리비는 양돈 농가의 경우 퇴비와 액비의 각각 처리비를 처리 부하비율에 따라 산정 하였고, 퇴 비 자원화비에 한우, 젖소의 자원화비를 포함하여 결정하였 다. 전체평균 자원화비는 TOC 0.34(0.08~0.57), BOD 0.60 (0.12~0.87), T-N 0.37(0.12~0.60), T-P 0.42(0.11~0.61) 로 나 타나고 있는데 Table 2에 전체평균자원화 처리비와 돼지의 액비와 퇴비, 한우, 젖소의 퇴비 자원화비를 구분하여 보여 주고 있다. 수질오염총량제에 적용을 위해 단순화한 수치를 도출하였으나 실제 돈분의 액비 처리시와 퇴비 처리시의 자원화 처리비는 크게 다르게 나타나고 있다. 돈분 액비 자원화처리비는 TOC 0.63, BOD 0.62, T-N 0.42, T-P 0.32 로 조사되었고, 돈분 퇴비 자원화처리비는 TOC 0.37, BOD 0.83, T-N 0.50, T-P 0.64로 조사되었다. 퇴, 액비의 각각 발생 부하를 고려한 돈분 자원화 처리비는 TOC 0.43, BOD 0.76, T-N 0.46, T-P 0.55 로 산정되었다. 이는 기존 지침 상의 BOD 0.4, T-N 0.2, T-P 0 에 비해 상당히 큰 값을 보 이고 있다. 기존 지침상의 수치는 생물학적 유기물질만을 고려한 이론적인 값인데 실제 미생물을 이용한 가축분뇨 퇴, 액비 생산과정에서는 암모니아성질소의 탈기, 생물학적 질산화-탈질소화 과정 등을 통해 유기물과 질소의 손실, 즉 제거율이 크게 나타나고 있다. 한편 보존성 물질인 인은 수중에서나 미생물합성 과정에서도 슬러지 제거를 하지 않 는 한 농도 저하가 발생되지 않아야 하며 따라서 지침상에 그 값을 0으로 나타내고 있다. 그러나 현장 조사 결과에 의하면 퇴비나 액비 공정 모두에서 바닥이나 벽면에 결석 형태로 침적되어 제거율이 50% 내외까지 나타나고 있다. 그러나 인 침적물은 향후 어떤 형태로든 유출가능성이 있 으므로 실측값보다는 이론적인 값을 적용하는 것이 타당할 것으로 사료된다.

지침보다 커진 각 항목별 제거율은 실제 환경으로 발생 되는 퇴비의 농도와는 차이를 보인다. 이는 퇴비 생산과정 중 수분조절제로 이용되는 톱밥의 영향인데 톱밥 자체가 유기물과 질소 성분을 함수율 25%, TOC 12~23%, T-N이 1.2~3.0% 농도로 포함되어 있다. 톱밥의 주입량은 고형물 의 함수율에 따라 유량 대비 20~36% 정도로 주입된다. 톱 밥은 주성분이 셀룰로오스로 구성되어 생물학적으로 거의 분해가 되지 않는 것으로 알려지는데 유입 분뇨의 고형물 의 유기물이 40% 가량 제거된다고 가정하면 발생퇴비 부 하의 30%는 톱밥에 기인하는 것이 된다. 실제로 톱밥의 농 도를 고려하지 않고 자원화처리비를 산정하면 TOC 는 -0.04, T-N은 0.33으로 나타나 큰 폭으로 감소하게 된다. 또한 우분 퇴비를 구분하여 분석한 결과는 TOC 0.17, T-N 0.19로 나타나 돈분뇨보다 자원화 처리비가 훨씬 낮게 나 타나고 있다. 이는 섬유질 성분이 많은 우분 특성상 유기 물이 잘 분해되지 않는데 기인한 것으로 판단되며 수분함 량이 낮아 질소의 분해율도 상대적으로 낮게 나타나고 있 다(^{Thompson et al., 2001}). 한편 퇴비의 BOD 자원화비는 톱밥 고려시와 미고려시에 크게 다르지 않게 나타나고 있 는데 톱밥 자체가 미생물에 의해 분해되지 않으며 BOD 로 분석되지 않기 때문에 톱밥의 영향이 고려되지 않기 때문 이다. 농업분야에서는 토양의 양분도 조사를 위해 가축분뇨 퇴, 액비의 양분부하계수를 산정하여 이용하고 있는데 수질 오염 총량제의 자원화처리비의 반대 개념으로 제거율이 아 닌 아래 식에 나타낸 것과 같이 잔존율 비를 나타내고 있 다(^{Rural Development Administration, 2015}).

Table 3은 토양양분도 산정을 위해 제시되고 있는 양분조 정계수값들을 나타낸 것인데 퇴비화를 통해 유기물의 거의 제거되지 않고 젖소의 경우 2배 가까이 증가되는 것을 보여 준다(^{Eghball et al., 1997}). 이는 본 연구에서 나타난 수분조 절제의 영향이며 질소의 경우는 수분조절제 영향을 고려하 고도 암모니아 탈기 등에 의해 본 연구와 유사한 결과를 제 시하고 있다(^{Frederick et al., 2004}). 또한 보존성 물질인 인 의 경우 양분 조정 계수에 있어서도 실측 결과에 바탕을 두 었기 때문에 본 연구결과와 마찬가지로 최대 62%까지 삭감 되는 값을 보이고 있다(^{ME, 2016}).

3.2. 위탁자원화시설 자원화처리비 조사 결과

자원화 시설은 축산농가에서 자체적으로 운영하는 개별자 원화 시설과 농·축협 및 자원화 기업에서 운영하는 위탁자원 화 시설로 구분할 수 있다. 위탁자원화 시설은 “공동자원화 시설”로 표현되기도 하는데 위탁자원화시설의 자원화 처리비, 즉 오염물질 삭감율도 수질오염총량제 기술지침(^{NIER, 2014}) 상에는 BOD 0.4, T-N 0.2, T-P 0의 단일값으로 제시되고 있 다. 본 연구에서는 위탁 자원화 시설의 자원화처리비도 개별 자원화 시설과 마찬가지로 액비, 퇴비 및 부하 비율에 따라 통합 자원화 처리비를 산정하였다. 위탁자원화시설의 자원화 처리비를 Table 4에 나타내고 있는데 액비 자원화처리비는 TOC 0.41(0.22~0.87), BOD 0.46(0.22~0.87), T-N 0.40(0.18~ 0.64), T-P 0.29(0.12~0.70)로 나타났으며, 퇴비 자원화처리비 는 TOC 0.37(0.09~0.74), BOD 0.81(0.62~0.94), T-N 0.51 (0.22~0.77), T-P 0.61(0.20~0.88)로 조사되었다. 전체 자원화 처리비는 TOC 0.38(0.18~0.71), BOD 0.61(0.41~0.88), T-N 0.45(0.23~0.59), T-P 0.44(0.26~0.75)로 조사되었는데 T-N은 기존 지침의 2 배 이상으로 나타나고 있으며, 보존성 물질인 T-P도 개별 자원화 시설과 마찬가지로 0이 아닌 0.44로 나타 나고 있다.

수분조절제 농도를 포함한 최종 퇴비 농도와 유입 분뇨 의 농도와의 관계로 산정된 수분조절제 고려 자원화 처리비 를 Table 5에 나타내었는데 TOC가 0.38에서 -0.21로, T-N은 0.54에서 0.24로 줄어들게 된다. 이는 가축분뇨를 퇴비로 자 원화하는 경우 가축분뇨 자체의 부하는 감량이 되지만 수분 조절제의 첨가로 실제 농지와 수환경으로 환원되는 유기물 부하는 오히려 증가되어지며 질소 부하도 크게 줄어들지 않고 주로 톱밥과 왕겨를 수분조절제로 사용하는 퇴비화의 특성상 농지에 잘 분해되지 않는 유기성 물질의 축적을 염 려할 필요도 있다.

위탁자원화시설과 개별 농가의 자원화 처리비를 비교하 여 보면 위탁시설에서 생산된 퇴비가 부숙도가 더 높고 상 태로 생산되고, 액비는 질소의 농도가 충분히 확보된 상태로 생산·판매되는 특징을 보임에 따라서 개별시 설 대비 퇴비 자원화처리비가 높고, 액비 자원화처리 비가 낮은 것으로 판단된다. Fig. 1은 개별자원화 시 설과 위탁자원화시설의 액비와 퇴비의 각각에 대한 자원화 처리비를 비교한 것이데 개별자원화시설의 퇴 비는 대부분이 판매용으로 생산하지 않고 인근 농가 에 무상 제공 또는 야적 상태로 유지됨에 따라서 처리비 의 편차는 있으나 전반적으로는 위탁 대비 낮은 자원화처 리비를 나타내고 있다. 액비는 전처리 단계에서 약품 주입 을 통해 고액 분리 효율을 높이고 액비관리효용성(악취저 감 등)을 위해 저부하 운전을 하고 있는 상황으로 위탁자 원화시설 대비 높은 자원화처리비를 보이고 있다. 퇴비 자 원화처리비는 위탁시설이, 액비 자원화처리비는 개별시설이 높음에 따라서 전체 자원화 처리비는 위탁시설이 다소 높 은 경향을 보이고 있으나 큰 차이는 보이지 않는다. 자원 화 처리비 중 퇴비 자원화와 액비 자원화 시설을 구분하여 평가하여야 하나 현재의 지침은 통합된 자원화비로 제시되 고 있다. 퇴비 시설의 자원화 처리비는 위탁시설이, 액비시 설의 자원화 처리비는 개별 처리시설이 효율이 더 높게 나 타나며 전체 자원화 처리비는 위탁시설이 다소 높은 것으로 나타나고 있다.

Fig. 1. Comparison of the livestock manure’s pollutant reduction ratio between an individual farm and an entrustment facility.

퇴비 시설은 제품의 품질관리 차원에서 악취, 부숙도 등 의 관리가 중요하며, 판매용 퇴비를 생산하는 위탁 시설은 품질관리가 잘 되어있고 자원화비가 높은 편이다. 개별 처 리시설은 판매용 퇴비 생산을 목적으로 하지 않으므로 품 질관리가 상대적으로 불량한 편이며 자원화처리비가 낮게 나타나고 있다. 액비화의 경우는 퇴비화 자원화처리비와 반 대 양상을 보이는데 위탁 시설의 액비는 비료 성분 함량을 높이기 위해 고농도 액비를 생산하는 편이나 개별 시설은 관리의 용이성을 위해 고액분리 약품 사용 등을 통해 가급 적 저농도로 운영하여 자원화 처리비가 상대적으로 높게 나타나고 있다. 위탁처리시설의 실측 자원화 처리비는 TOC 0.38, BOD 0.61, T-N 0.45 T-P 0.44 로 나타났다. 전 술한 바와 같이 인의 자원화처리비는 0으로 제시되어 있으 나, 현장 실측 시 퇴비사에서 발생하는 불완전 혼합 및 화 학 결합 축적 등에 의해 실제 시료 분석한 결과 0.44 로 나타나고 있는데 인의 보존성 특징을 고려하여 T-P의 자원 화 처리비는 0으로 산정하는 것이 타당할 것으로 사료된다.