1. 서론

 

2018년 IPCC 총회에서 가맹국 전원의 만장일치를 통해 채택한 ‘지구온난화 1.5℃ 특별보고서’에 따르면, 2100년까지 지구의 평균 온도 상승 폭을 1.5℃ 이하로 억제할 필요가 있음을 확인하였다. 또한 그 실현을 위해 전 세계가 협심하여 2030년까지 이산화탄소 배출량을 지금의 절반 이하로 낮출 필요가 있다는 내용이 포함되어 있다. 이에 따라 전 세계적으로 온실가스 감축에 대한 노력이 진행되고 있다.

 

2021년 국가 온실가스 인벤토리 보고서에 의하면 2019년 국내 발생 온실가스 국가 총배출량은 701.4백만톤CO2eq이며, 이 가운데 농업분야 온실가스 배출량은 21백만톤CO2eq으로 전체 총발생량의 3.0%를 차지하였다. 농업분야 중 축산분야의 온실가스 배출량은 45%(전체 발생량의 1.4%)인 9.5백만톤CO2eq를 차지(장내 발효 4.6백만톤CO2eq, 가축분뇨 처리부분 4.9백만톤CO2eq) 한다. 이는 국가 총배출량의 약 1.4%로 전체 발생량에 비하면 미비한 양이지만, 국가 전체적으로 온실가스 배출량을 감축하려는 노력에 축산분야에서도 동참하여야 한다.

 

이와 더불어 환경친화적이며 쾌적한 환경 조성에 부응하는 축산으로의 발전이 요구됨에 따라 가축분뇨의 효율적인 자원화, 에너지화 및 재활용 방안과 이용에 따른 환경영향 등에 대한 관심이 점차 커지고 있다. 이에 본고에서는 가축분뇨 처리 부문의 온실가스 감축 기술이자 가축분뇨의 처리 방법 중 에너지화 기술의 하나인 바이오가스 생산 기술에 대해 살펴보고자 한다.

 

2. 국내 축산업의 현황

 

2021년 기준으로 전체 농림업생산액 61조3천9백억원 중 축산업은 24조5천7백5십억원으로 약 40%를 차지하고 있다. 농림업생산액 가운데 축산물이 차지하는 품목이 상위 10대 품목 중 5개 품목(돼지, 한우, 계란, 닭, 우유)을 차지하고 있다. 1인당 육류의 소비량은 1980년 11.3kg에서 2021년 56.1kg으로 약 5배 증가하였으며, 돼지고기의 경우 6.3kg에서 27.6kg으로 4.4배 상승하였다. 이처럼 농업분야에서 축산업의 위상은 해마다 높아지고 있고 축산물이 국민 식생활에 미치는 영향은 많이 증가하였다.

 

 

그럼에도 불구하고 축산업은 고령화에 따른 노동인구 감소, 해외시장 개방으로 인한 경쟁심화, 잦은 가축질병의 발생, 가축분뇨 및 축산냄새와 같은 환경문제 등으로 인해 산업 여건이 점차 악화하고 있다. 최근 들어 가축분뇨 처리 부문의 탄소중립과 관련하여 온실가스 저감에 대한 이슈도 가축분뇨 발생량 중 가장 큰 비율을 차지하고 있는 양돈분야에 있어서 커다란 근심거리가 되고 있다.

 

3. 가축분뇨 발생 및 처리현황

 

지난 2020년 기준으로 발생한 가축분뇨 발생량은 총 5천193만9천톤에 달하였으며, 이 중에서 돼지 분뇨 발생량이 2천37만3천톤으로서 전체 가축분뇨 발생량 중 39.2%로 가장 많이 차지하였다. 이어서 한·육우 분뇨가 1천672만6천톤으로 32.2%, 계분이 749만4천톤으로 14.4%, 그리고 젖소 분뇨가 561만8천톤으로 10.8% 수준이었다. 가축분뇨 5천193만9천톤 중 90.8%가 퇴비화나 액비화 방법에 따라 자원화 처리, 8%는 정화처리, 나머지 1.2%는 자연 증발을 비롯한 기타방법에 따라 처리되었다. 이외에도 혐기소화에 의한 바이오가스화 방법이나 고체연료화 방법 등에 의해 에너지 자원화하는 방법도 적용될 수 있지만 아직은 퇴비화나 액비화, 그리고 정화방법과 같은 타 방법보다 적용비율이 높지 않은 상황이다.

 

그러나 가축분뇨 처리 부문 탄소중립과 관련하여 농식품부에서는 2022년에 축산환경 개선대책을 수립하여 가축분뇨 바이오가스화와 정화처리, 그리고 가축분뇨 비농업계 이용 기술에 대해 정책적으로 추진하고 있다. 바이오가스화와 정화처리는 양돈분야 가축분뇨 처리와 밀접한 관련이 있어서 향후 양돈분야 가축분뇨 처리 방법에 있어서 기존의 퇴·액비화 방법 일부가 바이오가스화 및 정화처리 방법으로 확대될 것으로 예상된다.

 

4. 가축분뇨를 이용한 바이오가스 생산

 

 

바이오가스는 가축이나 인간으로부터 배설되는 배설물, 음식물쓰레기, 하수슬러지 등과 같은 다양한 종류의 바이오매스를 이용하여 산소가 결핍된 상태에서 혐기소화 미생물에 의해 바이오매스가 분해되는 과정을 통해 발생하는 가스를 말하며, 주성분은 메탄가스와 이산화탄소로 이루어져 있다. 바이오가스를 생산하는 과정을 혐기성 소화(Anaerobic Digestion)과정이라 말하며, 크게 3단계 과정을 거쳐 바이오가스를 생산하게 된다.

 

 

첫 번째 단계는 가축분뇨 내 탄수화물, 단백질, 지방과 같은 고분자 유기물로부터 당류, 아미노산, 지방산 등의 저분자 유기물로 분해되는 가수분해 미생물에 의한 가수분해 단계이며, 두 번째 단계는 혐기성 산 생성미생물에 의해 저분자 유기물로부터 휘발성지방산, 젖산, 에탄올 등을 생산하는 산 생성과정을 거쳐 아세트산을 생성하는 과정이다. 마지막 3단계에서는 메탄 생성균에 의해 아세트산으로부터 최종적으로 메탄과 이산화탄소가 생성된다.

 

혐기성소화는 200여년 전에 발견된 기술이지만 근래 들어 화석연료의 부존량과 기후변화를 비롯한 환경적 문제에 의해 그 중요성이 다시 부각되고 있다. 바이오가스화를 통한 가축분뇨 처리는 고농도 유기성 폐기물을 처리함과 동시에 유용한 에너지로 활용할 수 있는 바이오가스를 회수할 수 있다는 일석이조의 효과를 지닌 방법이다. 또한 바이오가스화는 온실가스인 메탄가스를 생성시키지만, 바이오가스 시설은 밀폐시설이기 때문에 생성된 메탄가스가 거의 유출되지 않으며 화석연료를 대체하는 에너지로 재활용되기 때문에 온실가스 저감 기술이다.

 

 

국내 축산분야에서의 가축분뇨 바이오가스화 기술은 1990년대 들어 대규모 양돈농가에서 발생하는 돈분 슬러리를 대상으로 하여 독일 등 혐기소화 선진국으로부터 도입한 대규모 단상 혐기소화 시설이 설치되어 운영되었으며, 2000년대 들어서면서부터 국내 기업에서 가축분뇨 바이오가스화 시설을 설치하여 운영하였다. 또한 기존의 단상 혐기소화조 외에도 산 발효조와 메탄 발효조를 구분하여 설치한 이상 혐기소화조가 설치 운영되는 경우도 많아지고 있다. 이처럼 국내 운영 중인 가축분뇨를 이용한 바이오가스 시설은 돈분 슬러리 위주의 습식혐기소화 시설이 운영되고 있으며, 바이오가스 생산량 증대를 위해 음식물쓰레기 등을 30%까지 혼합하여 처리하고 있다.

 

5. 바이오가스 생산공정 분류 및 바이오가스 이용

 

바이오가스를 생산하는 혐기소화 공정은 소화조 운전온도에 따라 중온소화(35℃)와 고온소화(55℃)로 구분할 수 있고, 소화조 내로 투입되는 원료 중에 함유된 고형물의 농도에 따라 습식소화(고형물 농도 5% 이하), 반 건식소화(고형물 농도 5∼15%), 건식소화(고형물 농도 15% 초과)로 구분된다. 또한 소화조의 상 분리에 따라 운전하는 소화조에서 가수분해, 산 생성, 메탄 생성 단계가 1개의 소화조에서 일어나는 단상 소화조와 산 생성과 메탄 생성과정이 2개의 소화조로 구분되어 운전되는 2상 소화조의 형태로 분류된다.

 

 

바이오가스화 시설이 정상적으로 운영되기 위해서는 가축분뇨가 얼마나 소화조에 머무르는지 결정하는 소화조 체류시간, 소화조의 온도, pH 등 다양한 요소가 영향을 미치므로 소화조 운전에 적절한 조건으로 시설을 유지하도록 지속적인 모니터링과 관리가 필요하다. (그림 3)은 일반적인 가축분뇨 혐기소화 공정의 예를 나타내었다.

 

농가에서 발생하는 가축분뇨를 수거하여 이물질 제거과정을 거친 후 바이오가스 소화조로 투입되면, 일정 시간 소화조에 체류하면서 가축분뇨가 분해되며 이 과정에서 바이오가스가 생성된다. 생성된 바이오가스는 가스저장조에 저장된 후 에너지 생산의 원료로 사용된다. 바이오가스를 생산한 후에 가축분뇨 혐기소화액은 다시 고액분리되어 고형물은 퇴비화과정을 거쳐 퇴비로 이용되고, 액상물은 액비생산 과정을 거쳐 액비로 이용하거나 정화처리 되어 하천에 방류된다.

 

앞서 언급한 바와 같이 바이오가스는 에너지의 원료로 사용된다. 바이오가스를 이용한 에너화는 주로 열병합 발전을 통한 전기생산이 주를 이루고 있다. 추가로 발전과정에 발생하는 폐열을 회수하여 재활용하는 것은 또 다른 가축분뇨 바이오가스화를 통한 에너지 생산방법이다. 전기생산 이외의 방법으로 바이오가스를 높은 순도로 정제하여 도시가스나 자동차 연료 등에 혼합되어 사용될 수 있다. 실제로 스웨덴의 경우 바이오가스화를 통해 생산된 바이오가스를 정제하여 주유소에서 차량용 연료로 활용하고 있다. 또한 최근 수소에너지가 주목받고 있는 가운데 바이오가스를 개질하여 수소에너지를 생산하고자 하는 노력도 진행되고 있다.

 

6. 맺음말

 

축산업의 발전을 통해 국민의 식생활이 개선되고 풍요로워졌으며, 농업분야에서 가장 많이 급성장한 분야가 축산분야라 해도 과언이 아니다. 그러나 가축분뇨 처리, 축산악취, 탄소중립 등은 축산환경의 여건을 점차 어려워지게 하고 있고, 지속 가능한 축산업을 만들기 위해서는 당면한 축산환경 문제를 반드시 해결해야 한다. 가축분뇨 바이오가스화는 기존 가축분뇨 처리 방법에 적용되는 강화된 환경규제 및 탄소중립에 대응하기 위한 대안 기술이다. 가축분뇨 바이오가스 시설의 확대와 더불어 정상적으로 시설이 운영되기 위한 관리 노력을 통해 적절한 가축분뇨 처리와 가축분뇨 처리 부문의 온실가스 저감에 기여함으로써 친환경 축산업으로 거듭나고 향후에도 축산업이 지속해서 더욱 발전할 수 있기를 기대해 본다.

 

월간 한돈미디어 2023년 3월호 98~103p 【원고는 ☞kjk9207@korea.kr로 문의바랍니다.】