서 론
재료 및 방법
1. 양분수지 산출
2. 가축사육 및 가축분뇨 처리 현황
3. 분석방법
결과 및 고찰
1. 가축분뇨 발생 및 양분 부하
2. 양분수지 산출
3. 가축분뇨 처리모델의 선정 및 효과 분석
결 론
서 론
가축분뇨의 해양투기가 전면 금지되어 우리나라에서 발생하는 가축분뇨 전량이 지상에서 처리됨에 따라 여러 가지 환경적·사회적 문제가 발생했다. 가축의 사육과정 중에 발생하는 가축분뇨는 고농도의 유기물과 영양염류를 포함하고 있으며 특히, 가축분뇨 내에는 부영양화의 주요 원인이 되는 질소와 인이 다량 함유되어 있어, 적절히 처리되지 않은 채 토양 및 물 환경으로 배출된다면 토양·농경지 및 지하수의 오염을 가속화시킬 수 있다 (Jeong et al., 2014; Reza et al., 2020). 또한, 귀농인구가 증가함에 따라 지역민들의 주거지역과 집단화된 축산시설의 생활 반경이 일부 맞닿게 되었고 가축분뇨의 미흡한 관리로 인해 발생하는 축산 냄새와 관련한 지역주민들의 민원이 증가하였다. 환경부 (2016)의 ‘악취민원 실태조사’에 따르면 2016년 기준 광역 자치단체의 주요 악취 민원 중 축산시설에 대한 민원이 25.9%로 가장 많은 부분을 차지하는 것으로 나타났다 (ME, 2016). 이러한 문제들은 가축사육 농가 주변 주민들의 삶의 질을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 축산농가와 지역주민들의 지속적인 갈등을 유발하는 원인이 되고 있으며, 지역주민들에게 축산업이 지역 환경오염을 가중시키는 주요인이라는 인식을 심어줌에 따라 가축분뇨의 체계적인 관리가 보다 중요해졌다 (Won et al., 2018a; Reza et al., 2020).
우리나라의 경우 지속적으로 정부주도의 자연순환농업을 정책적으로 추진함에 따라 대부분의 가축분뇨가 퇴ㆍ액비화되어 농경지로 환원되고 있으며, 다양한 비료원을 이용한 양분 과투입 중심의 농업 생산구조로 인해 농경지 내 양분의 집적이 심각한 수준이다. 이에 지속가능한 농업을 영위하기 위한 관리지표 중 하나로 양분수지가 활용되고 있다. 특정한 경계를 기준으로 유입된 양분이 일련의 과정을 통해 유출ㆍ소실된 후 남은 양분의 양을 나타내는 양분수지는 농업 환경 내 양분의 거동에 대한 이해를 향상시키고, 관리계획을 수립ㆍ실행하기 위한 도구로 사용되고 있다 (Oenema et al., 2003; Leip et al., 2011). 대표적인 양분의 유입원으로는 화학비료, 가축분뇨, 가축분뇨 퇴ㆍ액비, 유기질 비료, 생물학적 질소고정, 대기중 침적, 파종ㆍ식재용 재료 등이 있고, 유출원으로는 작물 재배, 사료작물 재배, 작물잔재 등이 있다. 양분수지는 산출 경계에 따라 농가에서부터 지역, 국가까지 넓게 적용될 수 있으며 (Kremer, 2013), 경제협력개발기구 (Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD)에서 산출한 국가별 양분수지에 따르면 우리나라 토양에는 질소 230 kg/ha/yr, 인 46 kg/ha/yr이 잔존하는 것으로 나타나 농업 환경 내 양분의 관리가 시급한 실정이다 (OECD, 2023).
최근 정부에서는 가축분뇨의 적정처리와 국내 토양 내 양분과잉을 관리하기 위해 가축분뇨 처리방식의 다양화가 정책적으로 추진되고 있으며, 기존 퇴ㆍ액비 자원화 위주에서 벗어나 정화처리와 에너지화 확대, 고형연료 및 바이오차 생산을 통한 타 산업계 연계 등 축종별 분뇨의 특성을 고려한 처리방식을 확산시키고자 노력중이다. 또한, 가축분뇨 처리의 전문성과 체계성의 확보를 목적으로 가축분뇨 공동자원화시설 등 위탁처리용량 확대함으로써 위탁처리의 비중을 높이는 계획을 수립하였다.
지리적ㆍ환경적 특성에 따라 가축의 사육 및 가축분뇨 처리, 작물의 종류 및 재배 특성이 지역별로 상이하기 때문에 농업환경의 현실을 반영할 수 있는 지표를 이용한 관리가 요구되며, 이를 바탕으로 지역별 가축분뇨 처리모델을 개발하여 지속가능한 축산업을 위한 정책을 추진하는 것이 필요하다.
따라서, 본 연구는 농업환경지표로써 양분수지를 이용하여, 지역의 농축산업 특성을 고려한 가축분뇨 처리모델을 제안하고 예상되는 효과를 고찰하였다.
재료 및 방법
1. 양분수지 산출
본 연구에서는 가축분뇨가 퇴ㆍ액비 자원화 후 농경지로 시비되는 국내 가축분뇨 처리 특성을 고려하여, 토양의 표면을 기준으로 유입ㆍ유출된 양분의 차이를 양분수지로 산출하는 Soil surface budget (Oenema et al., 2003)의 산정법을 이용하였으며, 산정법의 개요는 Figure 1과 같다. 토양으로 유입되는 질소와 인의 항목 (Input)으로는 화학비료, 처리된 가축분뇨 (가축분뇨 퇴ㆍ액비, 정화처리 방류수), 지역 내 유ㆍ출입된 가축분뇨, 유기질비료, 생물학적 질소고정, 대기 중 침적, 파종ㆍ식재용 재료를 고려하였으며, 유출항목 (Output)으로는 작물 생산량, 사료작물 생산량, 작물 잔재를 산출하여 적용하였다. 유입 및 유출항목을 이용하여 잔고항목 (Surplus)으로 총 양분 잔고를 산출하였고, 질소의 경우 대기 질소 잔고와 수계 질소 잔고를 나눠서 제시하였다 (Table 1). 지역단위 양분관리 시 잠재적으로 토양 및 수계에 잔존하여 영향을 미치는 영향을 확인하기 위해 질소는 수계 질소 잔고를 이용하였고, 인의 경우 대기 중 소실되지 않기 때문에 총 잔고를 산출하여 양분저감 효과를 도출하였다. 세부항목별 산출식은 Table 2와 같다. 가축분뇨 유래 양분량을 확인하기 위해 RDA (2009)의 배출원단위와 축종별 분뇨 내 양분농도를 이용하였으며, 항목별 산출식에 사용된 계수들은 국내의 선행 연구자료에서 도출된 값을 우선적으로 사용하였고, 국내 연구자료가 없는 계수의 경우 외국의 연구자료와 OECD의 양분수지 산출 시 활용되고 있는 값을 활용하였다 (Table 3).
Table 1.
Component of nutrient budget approach used in this study.
Table 2.
Equations of input, output and surpluses in the nutrient budget approach used in this study.
| Variables | Methodology | |
| Input | INN1, P11 | chemical fertilizer consume amount (ton/yr) × fertilizer nutrient contents (%) |
| INN2, P2 |
Nutrient inputs from discharge water in livestock wastewater treatment (ton/yr) + Nutrient inputs from livestock manure compost (ton/yr) + Nutrient inputs from livestock manure liquid compost (ton/yr) ○ Nutrient inputs in discharge water from livestock wastewater treatment = number of livestock (head) × unit discharge coefficient (kg/head/yr) × manure nutrient contents (g/kg) × livestock wastewater treatment ratio (%) × nutrient loading fluxes by discharge water ○ Nutrient inputs in discharge water from livestock wastewater treatment = number of livestock (head) × unit discharge coefficient (kg/head/yr) × manure nutrient contents (g/kg) × nutrient loading fluxes by compost (Especially, unit discharge coefficient and manure nutrient contents of swine manure consider only solid phase) ○ Nutrient inputs in discharge water from livestock wastewater treatment = number of swine (head) × unit discharge coefficient of liquid phase (kg/head/yr) × manure nutrient contents (g/kg) × nutrient loading fluxes by liquid compost | |
| INN3, P3 | Livestock manure import and export amount (ton/yr) × manure nutrient contents (g/kg) | |
| INN4, P4 | Organic fertilizer consume amount (ton/yr) × fertilizer nutrient contents (%) | |
| INN5 | Unit biological nitrogen fixation fluxes (kg/ha/yr) × agricultural land area (ha) | |
| INN6, P5 | Unit atmospheric deposition fluxes (kg/ha/yr) × agricultural land area (ha) | |
| INN7, P6 | Seed nutrient inputs fluxes (kg/ha/yr) × agricultural land area (ha) | |
| Total | Total inputs = sum (INN1, P1+INN2, P2+INN3, P3+INN4, P4+INN5+INN6, P5+INN7, P6) | |
| Output | OUTN1, P1 | Crop production (kg/ha/yr) × estimated crop nutrient content (%) × agricultural land area for each crop (ha) |
| OUTN2, P2 |
Fodder production (kg/ha/yr) × estimated fodder nutrient content (%) × agricultural land area for each fodder (ha) | |
| OUTN3, P3 |
Crop production (kg/ha/yr) × crop residue ratio (%) × estimated crop residue nutrient content (%) × agricultural land area for each crop (ha) | |
| Total | Total outputs = sum (OUTN1, P1+OUTN2, P2+OUTN3, P) | |
| Surplus | SPN1, P | Total inputs - Total outputs |
| SPN2 |
Nutrients from livestock manure [number of livestock (head) × unit discharge coefficient (kg/head/yr) × manure nutrient contents (g/kg)] - INN2, P2 | |
| SPN3 | SPN1 - SPN2 & SPP | |
1INN1, P1, Amount of nutrient of chemical fertilizer; INN2, P2, Amount of nutrient of treated livestock manure; INN3, P3, Amount of nutrient of net manure import/export; INN4, P4, Amount of nutrient of organic fertilizer; INN5, Amount of nitrogen of biological N fixation; INN6, P5, Amount of nutrient of atmospheric deposition; INN7, P6, Amount of nutrient of planting materials; OUTN1, P1, Amount of nutrient of crop production; OUTN2, P2, Amount of nutrient of fodder production; OUTN3, P3, Amount of nutrient of crop residue; SPN1, P, Amount of gross nutrient surplus; SPN2, Amount of atmospheric net N surplus, SPN3, Amount of hydrospheric net N surplus.
Table 3.
Coefficients used to calculate nutrient budgets.
| (a) Nitrogen | ||||
| Variables | Coefficient | References | ||
| Nutrient loading coefficient | ||||
| - Hanwoo | 0.31 | Won et al. (2015) | ||
| - Dairy cow | 0.6 | Won et al. (2017) | ||
| - Swine (solid) | 0.59 | Won et al. (2018a) | ||
| - Swine (liquid) | 0.48 | Won et al. (2018a) | ||
| - Poultry | 0.47 | Won et al. (2018b) | ||
| Biological N fixation | ||||
| Legumes | 76.0 kg/ha/yr | Kremer (2013) | ||
| Paddy field | 35.0 kg/ha/yr | Yun et al. (2008) | ||
| Dry field | 15.0 kg/ha/yr | Bashkin et al. (2002) | ||
| Atmospheric deposition | 24.1 kg/ha/yr | NIER (2016) | ||
| Atmospheric loss | ||||
| Denitrification | Bashkin et al. (2002) | |||
| Chemical fertilizer | 15.0% | |||
| Compost | 13.0% | |||
| Arable land | 3.0 kg/ha/yr | |||
| Volatilization | Bouwman et al. (2002) | |||
| Chemical fertilizer | 14.0% | |||
| Compost | 23.0% | |||
| (b) P budget | ||||
| Variables | Coefficient | References | ||
| Nutrient loading coefficient | ||||
| - Hanwoo | 0.6 | Won et al. (2015) | ||
| - Dairy cow | 0.66 | Won et al. (2017) | ||
| - Swine (solid) | 0.95 | Won et al. (2018a) | ||
| - Swine (liquid) | 0.38 | Won et al. (2018a) | ||
| - Poultry | 0.46 | Won et al. (2018b) | ||
| Atmospheric deposition | 0.59 kg/ha/yr | Reza et al. (2016) | ||
2. 가축사육 및 가축분뇨 처리 현황
본 연구에서는 지역단위 가축분뇨 처리모델의 적용을 위해 A 지역을 선정하였으며, 해당지역의 가축 사육현황과 가축분뇨 유ㆍ출입 및 처리현황, 가축분뇨 위탁처리시설과 공공처리시설의 운영현황을 제공받아 분석하였다.
A 지역은 전체 21개의 동, 면, 리 중 도심을 구성하는 8개 동을 제외한 나머지 지역에서 가축을 사육중이었다. 2020년 기준 축종별 농가 수 (사육두수) 현황으로는 한우 526호 (19,786두), 젖소 10호 (625두), 돼지 10호 (23,072두), 닭 21호 (1,101,210수수)로 조사되었으며, 별도의 가축분뇨 공동자원화시설이나 공공처리시설은 존재하지 않았다. 대부분의 농가에서 가축분뇨를 자체적으로 퇴ㆍ액비화하여 처리하고 있었으나 일부 한우 사육농가의 경우 관외 민간퇴비업체에 분뇨를 위탁하여 처리하였으며, 돼지분뇨의 경우 한 농가에서 운영하는 공공처리시설을 통해 4호 (전체 10호)의 농가가 위탁처리하였다. 공공하수처리시설이 1개소 운영중이며, 설계부하를 고려하여 가축분뇨 연계처리 가능성을 확인하였다. 또한, 화학비료 및 유기질비료 판매량, 작물재배현황 등 지역단위 양분수지 산출을 위한 상세 통계자료는 해당 지역 지자체를 통해 제공받았으며, 양분수지 산출에 이용하였다.
3. 분석방법
A지역은 가축분뇨 유래 퇴·액비를 비롯한 다양한 양분 공급원의 농경지 살포, 자연 유입으로 인해 발생하는 환경영향을 판단할 수 있는 근거 자료가 없는 상황으로 지역의 통계자료와 선행연구들을 통해 확보된 계수들의 이용하여 가축분뇨 유래 양분의 농업환경으로의 유입량과 토양의 양분 수용량을 확인하고, 산출된 양분수지 데이터를 기반으로 가축분뇨 공동자원화시설 및 처리시설 유형을 선정하였다. 가축분뇨 위탁처리시설의 설립을 통한 위탁처리를 중심으로 가축분뇨 처리 시나리오 (자제처리 비중 0%, 30%, 50%)를 설정하였으며, 조건별 양분 저감 효과를 도출함으로써 해당 지역의 친환경적인 축산업 영위를 위해 적합한 가축분뇨 처리모델을 제안하였다.
결과 및 고찰
1. 가축분뇨 발생 및 양분 부하
각 통계자료 및 산출방법을 통해 2020년 기준 A지역의 가축분뇨 발생 및 처리 현황을 분석한 결과, 발생된 가축분뇨의 총 량은 163,886 ton/yr로 한(육)우, 젖소, 돼지, 닭이 배출하는 분뇨의 양은 각각 97,026, 5,621, 18,407, 42,833 ton/yr 나타나 한(육)우분뇨가 전체의 59.2%의 차지하면서 가장 높은 비중을 나타내었으며, 닭분뇨, 돼지분뇨, 젖소분뇨 순으로 많이 발생되었다 (Table 4). 발생량을 바탕으로 한(육)우, 젖소, 돼지, 닭을 통해 발생한 양분은 1,300.7 ton-N/yr, 272.9 ton-P/yr으로 나타났으며 이 중 804.1 ton-N/yr, 121.7 ton-P/yr이 가축분뇨 처리과정 중 소실되어 총 469.6 ton-N/yr, 151.3 ton-P/yr의 양분이 지역 토양으로 유입되는 것으로 조사 결과 나타났다 (Table 4). 양분부하량에서 질소는 닭분뇨 (52.3%), 인은 한우분뇨 (63.0%)로 가장 많은 비중을 차지하는 것으로 나타나 가축분뇨 처리모델 구축 시 중점적으로 관리되어야 할 것으로 판단된다.
Table 4.
Production and treatment status of nutrients from livestock manure.
2. 양분수지 산출
양분수지 산정법에 따라 산출한 A 지역의 총 양분 유입량은 1,884.8 ton-N/yr, 551.4 ton-P/yr으로 나타났으며 479.1 ton-N/yr, 72.5 ton-P/yr의 양분이 유출됨에 따라 총 양분잔고는 1,405.7 ton-N/yr, 479.0 ton-P/yr으로 산출되었다 (Table 5).
Table 5.
Regional nutrient balance investigated in this study.
| Items | Nitrogen | Phosphorus | |
| ton N/yr | ton P/yr | ||
| Input | INN1, P11 | 989.7 | 347.0 |
| INN2, P2 | 496.6 | 151.2 | |
| INN3, P3 | - | - | |
| INN4, P4 | 185.6 | 48.2 | |
| INN5 | 118.3 | ||
| INN6, P5 | 81.3 | 2.7 | |
| INN7, P6 | 13.3 | 2.4 | |
| Total | 1884.8 | 551.4 | |
| Output | OUTN1, P1 | 257.5 | 42.2 |
| OUTN2, P2 | 37.2 | 23.2 | |
| OUTN3, P3 | 184.4 | 7.1 | |
| Total | 479.1 | 72.5 | |
| Surplus | SPN1, P | 1,405.7 | 479.0 |
| SPN2 | 531.8 | - | |
| SPN3,P | 873.9 | 479.0 | |
|
SPN3,P per ha (kg/ha/yr) | 0.19 | 0.11 | |
1INN1, P1, Amount of nutrient of chemical fertilizer; INN2, P2, Amount of nutrient of treated livestock manure; INN3, P3, Amount of nutrient of net manure import/export; INN4, P4, Amount of nutrient of organic fertilizer; INN5, Amount of nitrogen of biological N fixation; INN6, P5, Amount of nutrient of atmospheric deposition; INN7, P6, Amount of nutrient of planting materials; OUTN1, P1, Amount of nutrient of crop production; OUTN2, P2, Amount of nutrient of fodder production; OUTN3, P3, Amount of nutrient of crop residue; SPN1, P, Amount of gross nutrient surplus; SPN2, Amount of atmospheric net N surplus, SPN3, Amount of hydrospheric net N surplus.
질소 (N) 유입항목에서 화학비료 유입량이 전체 유입량의 52.5%로 가장 큰 영향을 나타내는 항목이었으며, 가축분뇨 유입량이 26.4%로 가축분뇨 다음으로 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이 외 유기질비료 9.8%, 질소고정 6.3%, 대기침적 4.3%, 파종작물 0.7% 비율로 질소 유입항목에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 인 (P) 유입항목에서는 화학비료 유입량이 전체 유입량의 62.9%로 가장 큰 영향을 나타내는 항목이었으며 가축분뇨 유입량은 27.4%로 화학비료 유입량이 가축분뇨 유입량의 두 배 이상 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이 외 유기질비료 8.7%, 대기침적 0.5%, 파종작물 0.4% 비율로 인 유입항목에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 양분잔고의 경우 총 대기 질소잔고는 531.84 ton/yr이며 이 중 37.8%의 질소가 대기 중으로 소실되어 토양 및 물 환경에 직접적으로 영향을 미치는 총 수계 잔고는 873.88 ton-N/yr, 478.98 ton-P/y로 산출되었다. 산출한 총 수계 잔고를 기준으로 ha 당 양분수지를 산출한 결과 0.19 ton-N/ha·yr, 0.11 ton-P/ha·yr로 농경지 면적당 양분이 과다한 것으로 산출되었다.
지역단위 양분수지 산출 결과에 따르면, A 지역의 핵심 양분 유입원은 화학비료이며 양분수지 유입항목 내 가축분뇨 유래 질소와 인이 모두 삭감되어도 타 유입원에 의해 555.38 ton-N/yr, 327.79 ton-P/yr이 토양으로 유입되어 총 양분 유출량 대비 많은 양의 양분이 유입되어 집적될 것으로 분석되었다.
따라서, 해당 지역의 양분관리 시 가축분뇨 유래 양분의 삭감뿐만 아니라 화학비료 및 유기질비료를 대상으로 한 양분 감축 또한 이뤄져야 하며 지역 토양에서의 양분 유출량을 고려하여 양분감축 목표를 적용해야 한다.
3. 가축분뇨 처리모델의 선정 및 효과 분석
가축분뇨 유래 양분유입량에서 높은 양분 유입량 비중을 가지는 한우와 닭분뇨의 경우 각각 98.7%, 98.1%의 분뇨가 농가 내에서 위탁처리 없이 자체적으로 퇴비화되고 있어 개별농가에서의 분뇨관리 미숙으로 인한 양분 유출과 과다한 악취발생이 우려되는 상황이다.
발생된 한우, 젖소, 돼지, 닭 분뇨 중 고형물을 모두 퇴비화한다면, 연간 143,390 ton을 수용해야하며, 약 393 ton/d의 처리용량을 갖춘 퇴비화시설이 요구된다. 그러나 매우 많은 일일 처리량과 퇴비화 과정에서의 양분삭감량 한계로 인해 고상분뇨를 처리하기 위한 다른 방법이 필요하다. 고열을 이용한 처리방법으로 인해 대부분의 질소를 삭감할 수 있는 고형연료화의 경우 타 산업에 이용될 수 있는 에너지원을 생산하여 부가가치를 창출할 수 있다. 고형연료화 시설의 설비 시 퇴ㆍ액비시설과 연계 설비함으로써 건설 시 부지의 선정 및 지역 내 위탁처리 시 효율적인 분뇨 운송 및 처리가 가능할 것으로 사료된다. 그러나 대기중으로 소실되지 않는 인의 경우 고형연료를 사용 후 재 형태로 남게되기 때문에 고형연료화와 동시에 소각제 처리를 위한 별도의 방안을 마련해야한다.
상대적으로 타 지역에서 양분 부하율이 높은 돼지분뇨는 A지역에서는 부하량이 적으며, 이는 해당 지역이 상수원 보호구역으로 지정된 것에서 기인한다. A지역의 총 돼지분뇨 발생량 18,407 ton/yr 중 액상 돼지분뇨는 14,412 ton/yr로 공공처리시설 연계 액비화 시설 설치 시 약 40 ton/d 이상의 설비용량을 갖춘 처리시설이 필요한 것으로 산정되었다. 공동 규모로 운영되는 공동자원화시설에 비해 적은 규모의 처리시설이 요구되므로, 현재 운영되고 있는 공공처리시설의 처리용량 증대나 공공하수처리시설 연계를 통한 처리기간 단축 등이 제안될 수 있다. A지역의 공공하수처리시설 설계용량 기준 최대 198.2 ton-N/yr, 26.8 ton-P/yr의 연계처리가 가능하며, 액상 돼지분뇨의 1차 액비화 후 공공하수처리시설으로 유입 시 처리시설의 수용량 대비 질소 21.9%, 인 5.1%가 유입되며 이는, 처리시설의 연평균 유입 수질 대비 질소 0.22%, 인 0.06% 의 유입농도가 증가하므로, 처리시설에 부하에 큰 영향을 미치지 않으므로 단독으로 정화처리시설을 설치하는 것보다 관리 및 경제성 측면에서 유리할 것으로 사료된다.
제시된 양분수지 및 처리시설에 따른 가축분뇨 유래 양분의 저감 효과를 고려하여 A 지역 특성 및 현황에 가장 적합한 가축분뇨 처리모델을 수립하였다. 수립된 처리시설 모델로 유입되어 처리되는 처리물질은 지역 내 농장에서 자체처리되는 축종별 가축분뇨로서 총 157,802 ton/yr가 시설 내 유입되는 것으로 산출되었다.
고액분리를 통해 발생한 14,412 ton/yr의 액상분뇨는 공동자원화시설의 액비화조를 통해 1차 처리된 후 액비로 사용되거나 공공하수처리시설로 연계처리되어 정화·방류되는 것으로 설정하였다. 또한, 전체 처리량에서 액상분뇨를 제외한 143,390 ton/yr의 고상분뇨 중 계분과 돈분을 합한 42,119 ton/yr는 공동자원화시설을 통해 가축분 퇴비로 이용되며 우분의 경우 고형연료화 시설로 전량 이동하여 고형연료화를 통해 에너지화하여 이용하는 것으로 모델을 수립하였다.
전체적인 처리모델의 양분 저감 효과는 Figure 2에 나타냈으며, 다음으로 각 공정 모델별 세부적인 양분 저감 및 시설 효과를 분석하여 나타내었다.
공동자원화시설로 유입되어 퇴비화 되는 처리물질은 자체 처리되는 계분 및 돈분으로 총 42,119 ton/yr가 퇴비화 공정 내로 유입되는 것으로 나타났으며 116 ton/d 이상 처리할 수 있는 설비 규모를 갖춰야 하는 것으로 산정되었다.
계분 및 돈분 퇴비화 시설을 통해 273.1 ton-N/yr, 42.3 ton-P/yr의 양분 중 질소 10.0%, 인 2.1%가 처리되어 245.8 ton-N/yr, 41.4 ton-P/yr의 양분이 퇴비 형태로 남는 것으로 산출되었으며 이는, 지역 토양 내 작물 수용량인 479.1 ton-N/yr, 72.5 ton-P/yr에 전량 수용가능한 양으로 분석되었다.
닭의 경우 분뇨 내 질소 함량이 높아 비료원으로써 가치가 높기 때문에 전량 퇴비화 하는 것이 바람직하며 돈분과의 혼합을 통해 충분한 양의 질소질 함량이 높은 고품질 퇴비를 생산하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
지역 내 가장 많은 가축분뇨 발생량을 차지하는 우분의 경우 고형연료화를 통해 처리하는 것이 농경지 내 질소 저감 측면에서 효과적 (100% 저감)이기 때문에 공동자원화시설을 통해 처리하는 양에서 제외하였다. 고형연료화시설로 유입되어 고형 연료화되는 처리물질은 자체 처리되는 소 분뇨로 총 101.271 ton/yr가 유입되는 것으로 나타났으며 277 ton/d 이상 처리할 수 있는 설비 규모를 갖춰야하는 것으로 산정되었다. 고형연료화를 통해 267.1 ton-N/yr, 104.7 ton-P/yr의 양분 중 질소 성분만 100.0% 처리되어 0.0 ton-N/yr, 104.7 ton-P/yr의 양분이 소각재 (灰) 형태로 남는 것으로 나타났으며 이에 따른 소각재의 추가적인 처리가 필요한 것으로 파악되었다. 기존 화력발전소에서 사용하고 있는 소각재 재이용 방법으로는 ①유용 양분의 회수 및 재이용 방법, ②도로포장재 및 시멘트, 벽돌 등의 점토로 이용하는 방법, ③토목, 건축, 조경 등 분야의 골재 또는 자재로 이용하는 방법이 많이 쓰이고 있다 (Lee et al., 2001). 가축분뇨 유래 고형연료의 소각재 (灰)의 경우에는 산업시설의 소각재에 비해 유해물질 및 중금속 함량이 낮기 때문에 보다 친환경적인 재료로써 재이용이 가능할 것으로 판단된다.
공동자원화시설로 유입되어 액비화 및 정화처리 시 고액분리 된 액상 돼지분뇨 내 포함되어있는 총 111.1 ton-N/yr, 12.0 ton-P/yr의 양분 중 액비화를 통해 질소 61.0%, 인 88.5% 저감이 가능하며, 양분수지를 이용하여 토양의 양분 수용량을 초과하는 액비만 선택적으로 정화ㆍ방류한다면 보다 정밀한 양분관리가 가능할 것으로 사료된다.
최적 모델 적용 (고형연료 소각재 내 인은 토양에 유입되지 않는 것으로 가정) 후, 가축분뇨 유래 양분 유입량은 290.0 ton-N/yr, 42.9 ton-P/yr로 농경지 작물 수용량을 통해 전량 수용 가능한 것으로 나타났으며, 기타 유입 항목을 포함한 토양 내 양분수지는 741.4 ton-N/yr, 370.7 ton-P/yr로 모델 적용 전 대비 질소 15.2%, 인 22.6%의 양분 감축 효과가 있는 것으로 분석되었다. 하지만, 본 모델은 가축분뇨 유래 양분 부하량의 감축 효과만 가지고 있어 화학비료에 의한 양분 부하량의 감축은 확인이 불가능하므로, 가축분뇨 처리시설 최적 모델의 적용과 함께 추가적인 화학비료 및 유기질비료에 대한 감축 목표가 설정되어야만 토양의 양분 집적을 관리할 수 있을 것으로 판단된다.
수립된 최적 가축분뇨 처리모델의 분뇨처리량 변동 (자체처리 비율 변동)에 따른 모델 내 처리시설의 규모와 양분 삭감율, 양분수지의 변동을 비교한 결과 (Table 6), 자체처리 비율 30% 증가 시, 고형연료화 시설의 규모는 194.2 ton/d, 공동자원화 시설 규모는 108.4 ton/d로 각각 30% 씩 감소하였으며 가축분뇨 유래 양분 유입량은 376.04 ton-N/yr, 74.47 ton-P/yr로 인 (P) 양분의 유입량이 작물 수용량을 2.8% 초과하였고 자체처리 0% 최적모델 대비 토양 (농경지) 내 양분수지는 질소 7.4%, 인 8.5% 증가하는 것으로 분석되었다. 자체처리 비율 50% 증가 시, 고형연료화시설의 규모는 138.7 ton/d, 공동자원화 시설 규모는 77.4 ton/d로 각각 50.0% 씩 감소하였고 가축분뇨 유래 양분 유입량은 433.40 ton-N/yr, 95.52 ton-P/yr로 인 (P) 양분의 유입량이 작물 수용량을 31.8% 초과하였으며 자체처리 0% 최적모델 대비 토양 (농경지) 내 양분수지는 질소 12.4%, 인 14.2% 증가하는 것으로 분석되었다. 이를 활용하여 토양 내 양분수지 감축 목표 설정에 따른 단계적 모델 적용에 따른 효과를 확인할 수 있었으며, 지역단위 가축분뇨 처리시설의 구축 시 경제성 및 환경적 효과 분석에 활용가능할 것으로 사료된다.
Table 6.
Effect of a regional model for livestock manure treatment according to change in on-farm treatment ratio.
결 론
가축 사육 및 분뇨 특성에 따른 지역단위 가축분뇨 처리모델 개발 연구 결과, 토양 양분수지를 기반으로 우분뇨를 이용한 고형연료의 생산과 닭 분뇨 및 고상 돼지분뇨의 혼합 퇴비화를 통한 고품질 퇴비 생산 그리고 액상분뇨의 정화연계처리 시스템이 복합적으로 운영되는 시설의 개발을 통해 가축분뇨 유래 양분을 안정적으로 관리할 수 있을 것으로 판단된다. 모델 적용 전, 가축분뇨 유래 양분의 부하량은 작물 수용량 대비 질소 (N) 양분은 3.5%, 인 (P) 양분은 15.1%가 잉여 양분으로 남아 토양 (농경지) 내 양분수지가 873.9 ton-N/yr, 479.0 ton-P/yr으로 산출되었으나, 최적 모델 적용 시 질소 15.2%, 인 22.6%의 유입량이 감소하여 작물 수용량을 통해 전량 수용 가능했다. 따라서 지역단위 가축분뇨 처리모델의 적용과 더불어 토양으로의 주된 양분유입원인 화학비료와 유기질비료의 사용량을 조절하는 양분관리 계획을 통해 작물 생산성 및 토양 환경이 고려된 친환경 경축순환농업의 활성화가 가능할 것으로 기대된다.
