Introduction
Materials and Methods
가축분뇨 발생량 산정 및 처리현황 조사
혐기소화를 통한 가축분뇨 (돈분) 이론적 바이오가스 잠재량 산정
위치기반 축산농가 분포 및 커널밀도분석
Results and Discussion
가축분뇨 발생량 산정 및 처리현황 조사 결과
가축분뇨 이론적 바이오가스 잠재량 산정 결과
위치기반 축산농가 분포 및 커널밀도분석 결과
Conclusions
Introduction
유기성 폐기물은 처리 대상 물질에서 순환을 해야 하는 자원으로 관점이 전환되고 있으며, 전세계적으로도 재활용 처리 대상과 처리 기술이 점차 다양화되고 있는 상황이다 (Lehmann and Joseph, 2009; Kim et al., 2022). 우리나라는 현재 이용되고 있는 에너지의 95% 이상이 해외에서 수입된 자원으로 주로 화석연료에 의존하고 있기 때문에, 향후 에너지 안보의 향상과 탄소배출 저감을 위해 국내에서 확보 가능한 재생 자원, 특히 유기성 폐자원의 에너지로써 잠재력을 최대한 활용해 나갈 필요가 있다 (Ko et al., 2021; Kang et al., 2022; Choi et al., 2023). 또한 유기성 자원의 적절한 이용과 관리가 우리나라 농경지 토양환경을 지속가능하게 유지하는 데 필요하다 (Park et al., 2011; Lee et al., 2017; Kim et al., 2021).
유기성폐자원을 활용한 바이오가스의 생산 및 이용 촉진법 (이하, 바이오가스법)이 2022년 12월에 제정되어 2023년 12월부터 시행된다. 2023년 4월에 입법 예고된 시행령 (안)에 따르면 “민간 바이오가스 의무생산자의 범위 설정 (안 제3조)에는 돼지 사육두수 2만두 이상 사업자, 국가 또는 지자체 지원을 받은 처리용량 일일 100톤 이상인 가축분뇨 처리시설 사업자”를 대상으로 하고 있다. 또한 환경부는 본 법안을 통해 민간 의무생산자는 2026년 10%를 시작으로 2050년부터는 80%의 생산 목표율을 부가할 예정이다 (ME, 2023).
전국을 기준으로 2022년 2만두 이상 돼지를 사육하고 있는 농가수는 22농가로, 전체농가의 0.4%에 해당되고, 이들 농가에서 배출되는 분뇨량은 일일 2,571톤으로 전체 돈분발생량의 4.7%에 해당한다 (NIER, 2022). 정부에서 수립한 목표를 달성하기 위해서는 사육농가를 규모화하거나 일일 100톤 이상의 가축분뇨를 처리하는 집중형 처리시설의 설치가 필요하다. 집중형처리시설의 설치 위치 및 규모는 인근 축산농장의 지리적 위치와 사육규모, 사양관리 등의 영향을 받는다.
이와 더불어 현재 국내에 생산되는 가축분뇨를 기반으로 한 바이오에너지 잠재량은 지역별 가축사육두수에 분뇨배출원단위를 곱하고 축종별 에너지 발생 원단위를 곱하여 산정한 값을 제공하고 있다 (MOTIE, 2022). 이러한 정보는 국내 바이오에너지의 이론적 잠재량은 알 수 있지만 실질적 활용가능한 양은 추정할 수는 없다. 정부가 추진하는 정책을 실행하기 위해서는 국내 가축분뇨를 이용한 바이오에너지의 이론적 잠재량이 아니라 시설의 규모와 위치가 고려되어야 한다.
국내에서는 재생에너지인 바이오매스자원을 효율적으로 이용하기 위한 바이오매스 자원별 DB 구축 등의 제반환경이 미흡하며, 바이오매스 활용시스템 구축을 통해 자료 현황을 쉽게 파악하고 의사결정을 지원하기에는 더욱 힘든 상황이다. 이를 해결하기 위해서는 지역별 ‧ 발생원별 자료에 대한 공간 DB 구축과 자료항목별 인벤토리 구축이 우선 필요하며, 이를 통해 정책입안자, 농민, 일반인에게 쉽게 전달하고 바이오 에너지 이용 등 정책 자료로 활용할 수 있는 주제별 분포도 작성이 필요하다 (Park et al., 2021b; Kim et al., 2023). 정책적 의사 결정에 지리정보시스템을 이용한 공간적 분포 특성의 도구로 커널밀도분석방법 (kernel density estimation)이 이용되고 있다 (Kerm, 2003; Okabe and Sugihara, 2009; Zambom and Dias, 2013). 커널밀도분석은 분석대상 지역 데이터를 이용하여 확률밀도함수를 추정하는 비모수적 통계기법이다 (Silverman, 1986).
본 연구에서는 커널밀도분석방법을 적용하여 정책적 의사결정에 필요한 가축분뇨 바이오 에너지화 시설 적지선정 방법을 경기도를 사례 지역으로 하여 제시하고자 하였다.
Materials and Methods
가축분뇨 발생량 산정 및 처리현황 조사
축산농가 현황 및 가축분뇨 발생 및 처리현황 파악을 위해 국립환경과학원 ‘2022년도 기준 전국오염원조사’ (NIER, 2022)에서 제공한 축산농장현황자료를 수집하여 활용하였다. 본 자료에는 축종 및 사육두수 등이 포함된 읍면동 단위의 축산농가 정보 (법정동 코드도 제공)가 수록되어 있으며, 농가의 법적규제기준 (허가, 신고, 신고미만)과 가축분뇨 처리현황 (자가처리, 위탁처리) 정보도 제공하고 있다.
축산농가 가축분뇨 발생량은 사육두수에 환경부에서 공고한 가축별 배출원단위 (ME, 2022)를 적용하여 배출량을 산정하였다. 적용된 돼지분뇨 배출원단위는 4.73 kg 두-1 ‧ 일-1 (분 0.83 kg 두-1 ‧ 일-1, 뇨 3.7 kg 두-1 ‧ 일-1, 세정수 0.2 kg 두-1 ‧ 일-1)이었다.
혐기소화를 통한 가축분뇨 (돈분) 이론적 바이오가스 잠재량 산정
본 연구에서는 실현 가능한 정책 제안을 하기 위하여 혐기소화를 통한 바이오에너지 기술적용이 적합한 돈분을 대상으로 하였다. 돈분 이론적 바이오가스 잠재량은 신재생에너지백서 (MOTIE, 2022)에서 제시하고 있는 산정방법을 이용하였다. 신재생에너지백서에는 돼지의 경우 슬러리 돈사가 대부분이어서 분과 뇨가 합쳐 배출되므로 수분함량이 높아 발열량으로 이론적 바이오가스 잠재량을 산출할 경우 건조에 따른 에너지 비용이 증가하므로 바이오가스화에 의한 메탄가스 열량으로 이론적 바이오가스 잠재량을 산정하고 있다.
여기서, Lth: 돈분 이론적 바이오가스 잠재량 (TOE ‧ year-1)
Lk: 사육두수 (head)
Lm: 돈분발생량 원단위 (m3 head-1 ‧ day-1)
Tsp: 돈분 고형물 함량 (%)
Bgp: 돈분 바이오가스 전환계수
Hvm: 메탄발열량 (kcal ‧ Nm-3)
위치기반 축산농가 분포 및 커널밀도분석
축종별 가축사육지도는 농림축산식품부, 환경부 등의 가축통계자료를 이용하여 작성하였다. 수집된 자료를 읍면동단위로 분석하여 지도를 작성하였다. 밀집도는 커널밀도분석을 통해 산정하였고, 시각화를 위해 열지도를 작성하였다.
축산농가 분포도 및 커널밀도분석을 위해 QGIS (3.28버전)을 활용하였으며, 지도이미지는 GIS developer (http://www.gisdeveloper.co.kr/)에서 제공하는 읍면동지도를 적용하였다.
Results and Discussion
가축분뇨 발생량 산정 및 처리현황 조사 결과
경기도 양돈농장을 사육량 규모별로 농장수와 구간별 분뇨 발생량을 조사한 결과 3천두 이하 사육농가가 전체농가의 85.2%를 차지하고, 분뇨 발생량은 1천 - 3천두 농가에서 전체 발생량의 43.0%가 발생하고 있다. 발생된 돼지 분뇨의 32.6%는 정화처리되고, 67.4%는 퇴액비 자원화되고 있다 (Fig. 1). 시군별 가축분뇨 처리현황을 보면 이천시와 여주시가 정화처리비율이 각각 46.4%와 50.9%로 경기도 평균보다 높은 비중을 보이고 있다 (Fig. 2). 본 자료에 기초하여 지역 양분수지와 가축분뇨의 활용을 통한 토양 유기물 증진 효과를 높이고 온실 가스배출을 줄일 수 있는 농업을 적용하기 위한 자료로 활용이 가능하다 (Kim et al., 2017, 2023; An et al., 2022; Choi et al., 2022; Park et al., 2022).
가축분뇨 이론적 바이오가스 잠재량 산정 결과
가축분뇨의 효율적 처리를 위해서는 소규모 농가가 분산되어 있는 지역의 경우 정화처리비중을 높이기 위해 정화처리시설 확충 계획 수립 등이 필요하고 에너지화를 확대하기 위해서 중규모 농장에서 배출되는 분뇨 수거를 통한 집중형 시설에서의 처리가 필요하다. Fig. 3은 경위도 데이터를 통해 경기도 읍면별 돼지사육량을 보여주고 있는데, 그림에서 알 수 있는 정보는 시군별 가축분뇨 발생량 총량일 뿐이며, 가축분뇨 처리방법을 구상하기 위한 정보를 제공하지는 못한다. Park et al. (2021a)과 Kim et al. (2009)의 보고에서도 DB를 통한 전국적인 토양 양분의 수지상태나 가축분뇨의 발생 분포를 알 수는 있다. 하지만 총량적인 개념의 전국적인 분포의 의미이지 구체적인 사업 지구선정에서 있어서는 지역단위 밀도분포를 파악할 필요가 있다.
경기도 시군별 돼지사육 현황을 보면 이천시, 안성시 등 경기남부와 연천, 포천 등 경기북부지방에서 사육규모가 크며, 시군별 이론적 바이오가스 잠재량도 사육규모와 동일하게 안성시, 이천시 등에서 높음 잠재량을 보이고 있다 (Fig. 4). 그러나 Fig. 2에서와 같이 이천시와 여주시 등은 발생되는 가축분뇨의 50% 이상이 정화처리 되고 있고, 나머지 시군에서도 퇴액비율이 높아 현재까지는 발생되는 가축분뇨의 바이오에너지 활용은 미미한 실정이다.
최신 디지털 기술 향상으로 Kang et al. (2023)은 충청도 농경지 토양의 탄소 저장량을 산정하고 공간적 분포를 확인하고자 하였으며, 이를 위해 digital soil mapping 기술과 multiple linear regression 모델을 이용한 바 있다. 분포 특성만으로의 한계를 추정 모델을 이용하였는데 다양한 토양 속성 인자의 분포화 장래 전망을 추정하는 모델 연구에 있어서 본 연구에서 구축한 속성 자료를 연결하면 보다 가치 있는 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
위치기반 축산농가 분포 및 커널밀도분석 결과
경기도 읍면단위 사육규모별 축산농장의 커널밀도분석에 따른 커널밀도분석결과는 Fig. 5와 같으며, 색깔이 진할수록 밀집도가 높음을 의미한다. 경기북부지역은 5천두 이하 소규모 양돈농가의 분포 집중도가 높고, 경기남부지역은 중규모 농가 분포 집중도가 높다 (Fig. 5A). 경기북부 OO군을 예로 들어 살펴보면 분뇨 발생량은 많지만 소규모 농장의 분포가 높아 바이오가스 생산에는 불리한 조건을 가지고 있는 것으로 보인다 (Figs. 5A and 5B). 만약 이 지역에서 집중형 바이오가스화시설을 할 경우는 양질의 분뇨를 공급받기 위한 사양관리, 효율적인 분뇨 관리 및 체계적인 수거운반시스템이 구축되어야 한다. 이러한 분포 및 열지도분석자료는 향후 경기도의 가축분뇨 이용 및 관리를 위한 정책개발 등에 활용 할 수 있을 것을 판단된다.
일반적으로 돈분 바이오가스를 통한 경제성을 확보하기 위해서 1일 100톤 이상의 분뇨처리 시설이 필요하다고 알려져 있다 (Kim and Yeo, 2023). 경제성을 더욱 높이기 위해서는 발생하는 소화액을 액비로 활용할 필요가 있다 (Lim et al., 2002; Shin et al., 2012). 이를 충족하기 위해서는 최소 1만두 이상의 가축사육규모가 필요하고, 수거반경이 최적화 되어야 한다. 커널밀도분석 결과 경기남부의 4개 지역과 북부 1개 지역이 적지로 추정된다 (Fig. 5C).
이러한 결과는 지역별 가축분뇨 처리방법을 선정할 때 활용 가능하다. 저규모 축산농가의 분산도가 매우 높은 지역은 수거방법, 분뇨 관리 등에 따라 정화처리를 우선 고려하고, 중간규모 이상 규모의 농가들이 낮은 분산도로 위치한 지역의 경우 집중형 자원화 시설이 유리하다. 중간규모 농가들의 분산도 높은 경우는 퇴액비를 우선 고려하고 중간규모 농가의 분산도가 낮은 지역은 바이오가스화를 우선 고려할 수 있다. Kim et al. (2011)은 전과정 평가에 의한 양돈 바이오매스의 물질 및 에너지 자원화 잠재량 연구를 시도 한 바 있으나 공간적인 분포와 밀집도 등을 고려하지 못하였다. Kim et al. (2022)도 지역별 분뇨 발생량과 농지 양분수지를 고려한 가축분뇨 처리 유형의 경제성 분석을 시도하였으나 공간적인 분포와 밀집도 등을 고려하지 못하였다.
Conclusions
기후변화에 대응하고자 지구촌은 전세계적으로 유기성 폐기물은 처리 대상 물질에서 순환을 해야 하는 자원으로 관점이 전환되고 있으며 재활용 처리 대상과 처리 기술이 점차 다양화되고 있는 상황이지만 우리나라의 돈분을 활용한 바이오가스 시설은 크게 성공한 사례가 부족하다. 이는 적정 규모의 시설이 적합한 위치에 설치되어야 환경적 순환과 경제성을 동시에 확보할 수 있다. 또한 최근 정부에서 발표한 바이오가스법을 통한 바이오에너지 정책의 성공을 위해서는 중소규모 축산농가에서 배출되는 시설용량 일일 100톤 규모의 집중형 시설이 확대보급 필요하다. 적지를 선정하기위해 데이터베이스를 구축하고, GIS를 이용한 커널밀도분석으로 적지추정을 실시하였다. 경기도 지역을 사례로 분석한 결과 경기남부의 4개 지역과 북부 1개 지역이 적지로 추정되었다. 적지로 추정된 지역에 대한 타당성 평가를 통해 구체적인 적지를 확정하여야 하겠지만 커널밀도분석을 통하여 후보지를 우선 선정하고 타당성 조사를 실시한다면 시간 절약과 함께 합리적 의사결정에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다. 다만 본 결과는 경기도 지역을 대상으로 한 결과이며 향후, 전국적인 적용성 검토가 필요하며, 현장실측을 통한 적용된 방법의 검증연구도 필요하다.
