Introduction
지구표면온도 상승으로 대변되는 기후위기는 1차 산업혁명 이후 화석연료 등 자원의 과소비의 결과로 나타났으며, 이는 대기오염, 생태 위기 등의 환경문제 및 감염병 등의 다양한 사회경제적 문제와 연결되어 있어 생태계와 인류의 안전을 위해 기후위기의 완화가 시급하다. IPCC (2023)은 지구표면온도 상승을 산업화이전보다 1.5°C까지로 억제하기 위해 온실가스감축과 기후 적응 외에도 대기 CO2 제거 (carbon dioxide removal, CDR)가 필수적이라고 보고했다. 이에 부응한 기술로 산소가 제한된 조건에서 바이오매스의 열분해 산물인 바이오차 (biochar)가 있다. 다양한 CDR기술이 있지만 바이오차가 2023년 국제 자발적 탄소배출권 시장에서 거래 완료된 CO2 제거량 중 90%이상을 차지하고 있다 (CDR.fyi, 2024). 이로 볼 때 바이오차는 기후위기 완화를 위해 국제적으로 활용하고 있는 현재 실행가능한 CDR기술이라 간주할 수 있다. 우리나라 농림축산식품부에서도 바이오차를 활용한 탄소격리목표를 2030년에 58,000 ton CO2-eq (CO2 equivalent, 여러 온실가스의 이산화탄소 환산량)로 설정하였으며 Han et al. (2024)는 왕겨바이오차를 활용한 탄소격리 목표 달성 가능성을 생산단계 에너지 사용 특성을 변수로 하여 제시한 바 있다. 그런데 왕겨의 경우 축사 깔짚 등의 활용처가 많아 원료구입비용이 높다. 이에 반해 가축분뇨는 우리나라에서 매우 풍부하며 바이오차는 가축분뇨를 친환경적으로 처리할 수 있는 기술 중 하나이다. 따라서 가축분뇨를 활용한 바이오차 생산은 탄소격리량을 높이면서 가축분뇨의 환경오염을 저감할 수 있는 획기적 방안으로 주목받고 있다.
가축분뇨를 활용한 바이오차에서 주요 제한요인 중 하나는 높은 중금속 함량이다 (Han et al., 2023). 우리나라는 돼지 분뇨에서 구리와 아연 함량이 특히 높으며 (Ko and Kim, 2016) 소와 젖소 분뇨에서는 염분함량이 높게 나타나고 있다 (Nam et al., 2010). 이 때문에 가축분뇨법 시행령에서 퇴비화에 쓸 수 있는 가축분뇨 중 구리와 아연, 염분의 최대허용농도를 정하고 있다 (MOE, 2024). 그 값은 구리 500 mg kg-1, 아연 1200 mg kg-1, 염분 함량 2.5% 이다. 이 값은 퇴비 비료공정규격의 최대허용농도보다 높은데, 그 이유는 퇴비화공정 중 추가하는 톱밥 등 수분조절재 양만큼 희석되어 퇴비 중 함량이 낮아질 수 있기 때문이다. 그러나 바이오차는 열분해 과정에서 바이오차 수율만큼 구리와 아연, 염분이 농축되어 함량이 높아지는 특징이 있다 (Rathnayake et al., 2023). 이처럼 퇴비와 바이오차는 생산과정에서 구리와 아연, 염분 함량의 변화가 다르지만 현행 비료공정규격 최대허용농도는 동일하다. 또한 가축분 바이오차에서는 톱밥 등 농림부산물과의 혼합비율을 30%미만으로 제한하고 있다 (RDA, 2024). 열분해 과정에서의 농축과 제한된 농림부산물 혼합비율은 가축분 바이오차에서 높은 구리와 아연, 염분 함량이라는 품질 문제가 발생할 가능성을 크게 한다. 하지만 이에 대한 평가가 아직 이루어지지 않고 있다. 만약 비료공정규격 품질기준을 만족하지 못하면 가축분 바이오차가 농경지에 활용되지 못하여 바이오차를 활용한 탄소격리와 토양개량도 제한된다. 따라서 가축분뇨의 높은 구리와 아연, 염분 함량으로 생겨날 수 있는 바이오차의 품질 문제에 대한 평가와 해결책 모색이 필요하다.
본 연구는 우리나라 가축분뇨 에너지화 시설에서 생산한 가축분퇴비의 구리, 아연, 염분 함량에 대한 문헌 자료와 깔짚을 포함하는 우분의 바이오차 수율에 대한 실측 자료를 이용하여 가축분 바이오차의 구리, 아연, 염분 함량이 비료공정규격에서 정하는 토양개량제로서 바이오차 품질기준을 만족할 수 있는지 검토하였다. 이 검토를 바탕으로 바이오차 원료로서 가축분뇨의 활용 확대를 위해 현행 비료공정규격의 농림부산물 바이오차와 가축분 바이오차 외에 두 종류의 원료를 혼합하여 제조한 혼합바이오차가 비료공정규격에 신설될 필요성과 그 안을 제시하고자 한다.
Materials and Methods
가축분 바이오차에서 비료공정규격 최대허용농도를 초과할 가능성이 높은 구리, 아연, 염분 함량을 전국적으로 조사된 가축분퇴비 측정값과 깔짚을 포함한 우분의 바이오차 수율 실험을 통해 추정하였다.
먼저 가축분퇴비의 품질 자료를 가축분 바이오차 품질 추정에 활용하는 것이 타당한 지를 가축분퇴비의 원료구성으로 살펴보았다. 가축분퇴비의 원료구성은 대부분 가축분뇨에 수분조절재로 톱밥 등의 농림부산물을 추가한 것이다 (RDA, 2023). 가축분 바이오차도 가축분뇨에 농림부산물 원료를 혼합할 수 있는데, 가축분퇴비와의 차이점은 혼합비율이 30%미만으로 제한된다는 것이다. 가축분퇴비 제조에서 가축분뇨에 톱밥 등 수분조절재를 추가하는 양은 가축분뇨의 수분함량에 의해 정해진다 (RDA, 2023). 예를 들어, 가축분뇨의 수분함량 85%를 65%으로 낮추는 데 필요한 25% 수분함량의 톱밥의 양은 건물중 기준으로 가축분뇨와 톱밥을 합한 총량의 42%로, 가축분 바이오차의 농림부산물 혼합비율 30%미만을 훨씬 초과한다. 따라서 가축분퇴비는 가축분 바이오차와 원료구성이 유사하고 농림부산물과의 혼합비율에 제한이 없어 30%이상까지 존재하므로, 보수적으로 가축분 바이오차의 구리와 아연, 염분함량을 추정하는 데 가축분퇴비의 측정값을 활용하는 것이 타당성이 있다고 판단할 수 있다.
본 연구에 활용한 가축분퇴비의 구리, 아연, 염분 함량 측정값은 Ahn et al. (2021)이 제시한 전국 304개소 가축분뇨 에너지화 시설의 가축분퇴비 측정값의 평균값, 최대값, 최소값이다. 그리고 가축분 바이오차의 구리, 아연, 염분함량 추정에 필요한 바이오차 수율을 톱밥과 왕겨 등의 깔짚을 포함하는 우분을 재료로 하여 실험을 통해 측정하였다. 바이오차 수율 실험에 사용한 우분은 총 12종류로 그 중 8개는 톱밥을, 4개는 왕겨를 포함하였다. 톱밥의 함량은 건물중 기준으로 3.8% - 29.6%였으며 왕겨의 함량율은 8.1% - 16.0%였다. 바이오차 제조를 위한 열분해는 전기 회화로 (SH-FU-27MG, SH SCIENTIFIC, Korea)를 활용하여 400°C, 500°C, 600°C에서 1시간동안 실시하였다. 이 때 전기회화로 내로 질소 가스를 3 - 4 L min-1의 속도로 투입하여 산소가 없는 조건을 만들었다.
바이오차 수율 (biochar yield)은 Eq. 1과 같이 열분해 후 생산된 바이오차 무게 (Wbiochar)를 열분해를 위해 사용한 100°C 건조된 원료 무게 (Wfeedstock dried at 100°C)로 나누어 계산하였다. 그리고 Ahn et al. (2021)에서 제시한 가축분퇴비 자료에서 구리 (Cu LMC), 아연 (Zn LMC), 염분 (NaCl LMC) 함량의 전국 평균값, 최대값, 최소값을 각각 바이오차수율 (biochar yield)로 나누어 가축분 바이오차의 구리 추정값 (Cuestimated in Biochar), 아연 추정값 (Znestimated in Biochar), 염분 추정값 (NaClestimated in Biochar)을 Eqs. 2, 3, 4와 같이 구하였다.
Table 1.
Estimated copper, zinc, and salt content of livestock manure biochar in different pyrolysis temperatures using cattle manure biochar yield and the quality data of livestock manure composts from 304 locations nationwide shown as Ahn et al. (2021).
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T1 (°C) |
Biochar yield (%) | Cu (mg kg-1) | Zn (mg kg-1) | Salt content (%) | ||||||
| Mean | Max | Min | Mean | Max | Min | Mean | Max | Min | ||
| 400 | 52.8 ± 3.82 | 283 | 1,304 | 24 | 1,132 | 5,934 | 16 | 2.2 | 6.3 | 0.5 |
| 500 | 46.2 ± 3.6 | 323 | 1,489 | 28 | 1,293 | 6,779 | 19 | 2.6 | 7.1 | 0.6 |
| 600 | 44.5 ± 3.5 | 336 | 1,547 | 29 | 1,343 | 7,043 | 19 | 2.7 | 7.4 | 0.6 |
| LMC3 (N = 304) | 149 | 688 | 13 | 597 | 3,132 | 9 | 1.2 | 3.3 | 0.3 | |
| Legal standard | 360 or less | 900 or less | 2.0 or less | |||||||
Results and Discussion
깔짚을 포함한 우분의 바이오차 수율의 평균값은 열분해 온도가 높을수록 감소하였으며, 400°C에서 52.8%, 500°C에서 46.2%, 600°C에서 44.5%였다 (Table 1). 같은 열분해온도에서도 깔짚인 톱밥과 왕겨, 조사료인 볏짚 등 농림부산물이 얼마나 포함되었느냐에 따라 바이오차 수율은 다르게 나타났다. 본 연구에서 활용한 12개 종류의 우분, 그리고 열분해온도 3수준에서 바이오차 수율의 최대값은 400°C에서 61%, 최소값은 600°C에서 40%로 나타났다. 이는 바이오차 제조를 위한 열분해로 구리, 아연, 염분의 농축이 최소 1.6배, 최대 2.5배 나타날 수 있다는 것을 의미한다.
가축분 바이오차의 아연과 염분함량의 추정 평균값은 열분해온도 400°C, 500°C, 600°C 모두 비료공정규격의 최대허용농도를 초과하였다 (Table 1). 구리 함량은 가축분퇴비 평균값에는 비료공정규격을 초과하지 않았으나 돈분의 경우 우분과 계분보다 구리함량이 높게 나타나므로 (Ko and Kim, 2016; Nam et al., 2010) 초과할 가능성이 있다고 사료된다. 가축분 바이오차의 추정된 구리, 아연, 염분 함량 최대값은 비료공정규격의 최대허용농도를 3배에서 4배까지 초과하였다. 이 결과로 볼 때 가축분 바이오차가 가축분퇴비처럼 톱밥 등의 농림부산물 원료를 일부 포함하더라도 최대값뿐 아니라 평균값에서도 비료공정규격의 품질 기준을 만족하기가 어려울 것으로 판단할 수 있었다.
가축분뇨법 시행령의 퇴비화기준과 본 연구결과의 최소 바이오차 수율을 활용하여, 구리, 아연, 염분 함량의 품질 문제 해결책을 모색해 볼 수 있다. 염분함량을 예로 하면, 퇴비화기준 상한은 2.5%이며 본 연구 결과에서 나타난 최소 바이오차 수율은 40%이다. Eq. 4로 퇴비화 기준 상한 2.5%의 염분함량의 가축분뇨를 바이오차 수율 40%로 제조한다면 생산된 가축분 바이오차의 염분함량은 5%로 예상되며, 이는 비료공정규격의 최대허용농도 2%를 2.5배 초과한다. 염분 5%를 비료공정규격 최대허용농도 2%이하로 낮추는 데 필요한 톱밥 등의 농림부산물의 혼합비율은 70%이상으로 계산되며, 구리와 아연에 대해서도 이와 같은 방식으로 비료공정규격의 품질 기준을 맞출 수 있는 농림부산물 혼합비율을 찾을 수 있다. 만약 30%미만의 혼합비율로 가축분 바이오차의 염분함량을 2.0% 이하로 맞추려면 바이오차 수율 40%에서 원료로 쓰는 가축분뇨의 염분함량이 1.1%이하로 낮아야 한다는 결과가 나온다. 이는 Ahn et al. (2021)에서 제시한 우분, 돈분, 계분을 모두 포함한 가축분퇴비의 평균값보다도 낮은 값에 해당한다. 이상과 같이 언급한, 바이오차에서 높은 구리, 아연, 염분 함량으로 인한 품질문제의 해결책을 요약하자면 농림부산물 혼합비율을 증가하는 것과 가축분뇨의 구리, 아연, 염분 함량을 낮추는 것 두 가지이다. 이 중에서 가축분뇨에서 구리, 아연, 염분 함량을 가축분퇴비의 평균값 이하로 낮추는 것은 가축 사양관리에서 큰 변화가 필요하여 지금 실행가능성이 낮다고 볼 수 있다. 이에 비해 초과되는 성분의 양만큼 농림부산물의 혼합비율을 높여 바이오차 품질이 비료공정규격에 맞도록 바이오차 원료를 구성하는 것은 지금 실행가능성이 높다. 그런데 이렇게 가축분뇨에 농림부산물 혼합비율을 30% 이상으로 높인 바이오차를 토양개량제로 활용하기 위해서는 비료공정규격에 새로운 기준의 바이오차를 신설하는 제도적 뒷받침이 필요하다. 새로운 기준의 바이오차는 가축분을 원료로 쓰되, 현행 비료공정규격에서 정하는 가축분 바이오차와 구분하기 위해, 농림부산물의 혼합비율이 30%이상인 바이오차로 ‘혼합바이오차’로 명명할 수 있다.
Table 2.
Suggestion for newly addition of mixed biochar to fertilizer legal standards.
혼합바이오차가 비료공정규격에 신설되는 안을 표 2에 제시하였다. 원료는 농림부산물 바이오차와 가축분 바이오차에서 쓸 수 있는 원료로 제한하며, 함유하여야 할 주성분인 탄소함량은 가축분 바이오차 규격을 따라 30%로 하였다. 그 외 품질기준은 기존의 농림부산물 바이오차와 가축분 바이오차와 동일하게 하였다. 다만, 농림부산물과 가축분의 원료구성비율을 표기하여야 한다는 사항을 추가하여 혼합바이오차의 특성을 추정할 수 있게 하였다. 이렇게 혼합바이오차가 비료공정규격에 신설된다면, Fig. 1에서 양 극단인 농림부산물 100%인 농림부산물 바이오차와 농림부산물 30%미만의 가축분 바이오차만 활용하는 것이 아니라 가축분뇨에 농림부산물을 90% - 30%까지 혼합한 바이오차도 활용할 수 있어 바이오차의 활용 확대가 기대된다.
가축분과 농림부산물의 혼합바이오차는 토양개량을 위해서도 연구가 이루어져 왔다 (Novak et al., 2014; Ippolito et al., 2015). 혼합바이오차의 장점은 가축분뇨 원료가 갖는 이점과 농림부산물 원료가 갖는 이점을 모두 가질 수 있다는 것이다. 그리고 원료의 혼합비율을 조정하여 원하는 토양개량목표에 더 잘 작동하는 바이오차를 설계할 수 있다는 것이다. 바이오차로 가능한 토양개량특성에는 유기물 증진, 물부족 및 염류집적 완화, 산성토양 pH 교정, 양분공급 등의 기능이 있다 (Guo, 2020; Lee et al., 2023; Cho et al., 2024). 이 중에서 가축분 바이오차는 토양 양분공급과 pH 상승에 더 효과적이며 농림부산물 중 목질계 원료로 생산한 바이오차는 토양 유기물 증진에 더 효과적이라고 보고되고 있다 (Ippolito et al., 2015). 토량개량에 혼합바이오차 사용이 유리한 예로, 양분 과잉이 우려되는 토양에서 적정양분 유지가 필요할 때 등을 들 수 있다 (Novak et al., 2014). 따라서 혼합바이오차는 가축분뇨의 높은 구리, 아연, 염분 함량으로 발생되는 바이오차 품질문제의 해결책일 뿐 아니라 토양별 개량목표에 효과적으로 작동할 수 있는 혼합비율의 바이오차로 토양 질 개선에도 기여하리라 기대된다.
Conclusions
우리나라에서 풍부한 바이오매스인 가축분뇨를 원료로 한 바이오차는 구리와 아연, 염분함량에서 비료공정규격의 최대허용농도를 초과하는 품질 문제가 발생할 가능성이 높아 해결책을 모색하였다. 구리, 아연, 염분 함량의 품질 문제 발생 가능성은 가축분퇴비의 구리와 아연, 염분함량의 전국적 모니터링 문헌 자료와 깔짚을 포함한 우분의 바이오차 수율 실험 측정값을 활용하여 가축분 바이오차의 구리와 아연, 염분함량의 평균값, 최대값, 최소값을 추정하여 비료공정규격 최대허용농도를 초과여부로 평가하였다. 그 결과 최대값 뿐만 아니라 평균값에서도 비료공정규격의 최대허용농도를 초과하여 품질문제 발생 가능성이 매우 높다고 판단할 수 있었다. 이를 해결할 수 있는 실행가능한 방안은 바이오차 제조 후 구리, 아연, 염분 함량을 비료공정규격의 최대허용농도 이하가 되도록 원료에서 농림부산물 혼합비율을 높이는 것이다. 하지만 가축분뇨에 농림부산물 혼합비율을 30% 이상으로 높인 바이오차를 토양개량제로 활용하기 위해서는 비료공정규격에 새로운 기준의 바이오차를 신설하는 제도적 뒷받침이 필요하다. 새로운 기준의 바이오차는 가축분뇨를 원료로 사용하는 것을 기본으로 하고, 대신 현행 비료공정규격에서 정하는 가축분 바이오차와 구분하기 위해, 농림부산물의 혼합비율이 30%이상인 바이오차를 ‘혼합바이오차’로 하여 별도로 관리할 수 있다. 비료공정규격에서 혼합바이오차의 신설은 가축분뇨를 원료로 한 바이오차의 품질문제 해결 뿐만 아니라 토양특성별 개량 효과성을 높일 수 있는 맞춤형 바이오차 생산과 활용에 도움이 될 것으로 기대된다.
