전과정평가(LCA)를 적용한 가축분뇨 재활용 공정의 환경영향 분석
Analyzing the Environmental Impact of Livestock Manure Recycling Process Using Life Cycle Assessment
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Abstract
목적
본 연구의 목적은 국내에서 가축분뇨 재활용 방법 중 가장 큰 비중(75.3%)을 차지하는 퇴비화 공정이 환경에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 특히 축산 부문의 주요 온실가스인 메탄과 아산화질소, 그리고 최근 사회적 이슈로 부각되고 있는 미세먼지의 전구물질인 암모니아의 환경영향을 분석하였다. 이를 위해 지구온난화(Climate change)와 미세먼지 생성(Fine particulate matter formation)이라는 영향범주를 중심으로 연구를 진행하였으며, 가장 큰 영향을 미치는 요인을 확인하고자 한다.
방법
본 연구는 ISO 14040/14044 표준에 따라 LCA 방법론을 적용하여 가축분뇨 퇴비 1 포대(20kg 용량) 생산에 대한 환경영향을 평가하였다. 전과정평가 시스템경계는 가축분뇨를 퇴비화 시설까지 운송하는 과정과 가축분뇨 퇴비 생산 공정을 고려하였다. 영향평가 방법론은 전 세계 평균 데이터를 사용하여 보다 글로벌한 평가가 가능한 ReCiPe 2016 v.1.1 Midpoint (H) 방법론을 사용하였다.
결과 및 토의
본 연구대상인 가축분뇨 퇴비 생산에 대한 영향평가 결과, 가축분뇨 퇴비 1포대(20kg 용량)생산 시 지구온난화는 2.667kg CO2-eq.로, 전기 소비가 전체 배출량 중 68.95%를 차지하였고, 지구온난화에 기여도가 가장 높은 온실가스는 이산화탄소로 전체에서 84.37%를 차지하였다. 미세먼지 생성은 0.037kg PM2.5-eq.이며, 이 중 91.97%는 퇴비화 과정에서 미생물이 유기물을 분해할 때 방출되는 대기배출물질에 의한 것이다. 미세먼지 생성의 주요 원인 물질은 암모니아(NH3)로, 전체 대기배출물질의 92.02%를 차지하였다.
결론
가축분뇨 퇴비 생산 과정에서 지구온난화에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 전기 소비이며, 미세먼지 생성의 주된 원인은 암모니아임을 확인하였다. 본 연구는 가축분뇨 퇴비 생산의 환경영향을 평가한 사례를 제시함으로써, 향후 지구온난화와 미세먼지 문제를 해결하기 위한 정책 수립 및 기술 도입에 기초 자료로 활용될 수 있다.
Trans Abstract
Objectives
This study aims to assess the environmental impact of the composting process, which constitutes 75.3% of the domestic livestock manure recycling methods, and to determine the environmental impacts of methane and nitrous oxide, the major greenhouse gases in the livestock sector, as well as ammonia, a precursor to fine particulate matter that has recently become a social issue. The analysis will focus on the categories of climate change and fine particulate matter formation to identify the most significant factors impacting the environment.
Methods
This study applied the Life Cycle Assessment (LCA) methodology according to ISO 14040/14044 standards to evaluate the environmental impact of producing one bag (20kg) of livestock manure compost. The system boundary included the transportation of livestock manure and sawdust to the composting facility and the compost production process. The methodology applied for impact assessment was the ReCiPe 2016 v.1.1 Midpoint (H) method, which allows for a more global evaluation by utilizing worldwide average data.
Results and Discussion
The impact assessment of livestock manure compost production revealed that producing one bag contributes 2.667 kg CO2-eq. to climate change, with electricity consumption responsible for 68.95% of emissions. Carbon dioxide (CO2) is the dominant greenhouse gas, making up 84.37% of the total. Particulate matter formation is 0.037 kg PM2.5-eq., with 91.97% resulting from emissions during the composting process. Ammonia (NH3) is the main cause of particulate matter, accounting for 92.02% of emissions.
Conclusion
Based on the research, electricity consumption is the main factor affecting climate change in compost production, and ammonia is the primary cause of fine particulate matter. This study provides a case for evaluating the environmental impact of livestock manure composting and can serve as a foundational reference for developing policies and technologies to address climate change and fine particulate matter issues.
1. 서 론
전 세계적으로 지구온난화의 심각성이 대두되면서, 각국은 온실가스 배출을 줄이기 위해 탄소중립을 선언하고 있다[1]. 우리나라도 2020년에 ‘2050년 탄소중립’을 선언하면서, 2030년까지 전환, 산업, 건물, 수송, 농축산, 폐기물 등 전체 부문에서 2018년 대비 40% 감축을 추진하고 있다[2]. 농축산 부문 중 축산 부문은 지구온난화에 영향을 미치는 메탄과 아산화질소 등 주요 온실가스를 배출하며, 최근 사회적 이슈가 되고 있는 미세먼지의 전구물질인 암모니아의 주요 배출원이다. 2020년 축산 분야의 온실가스 배출량은 농축산 전체 배출량의 46.2%를 차지했으며, 특히 가축분뇨 처리 과정에서 발생하는 온실가스 배출량이 농축산업 전체의 23.7%를 차지하여, 농축산업 분야 온실가스 배출량 증가의 주요 원인으로 작용하고 있다[3].
이에 따라, 농림축산식품부는 2024년 ‘축산분야 2030 온실가스 감축 및 녹색성장 전략’을 통해 가축분뇨 처리 부문 온실가스 감축 방안을 제시하고 이를 추진 중이다[4].
이와 관련하여, 국내에서는 가축분뇨 퇴비화 과정에서 발생하는 온실가스 배출량을 측정하거나 배출계수를 이용한 산정 연구가 진행되었다. 국립축산과학원은 단순퇴적, 강제송풍, 기계교반 등 가축분뇨 퇴비화 처리 방법별 메탄과 아산화질소 배출량을 직접 측정하는 연구를 진행하였다[5]. 또한, 1996 IPCC 가이드라인을 활용하여 가축분뇨 처리 과정의 탄소원단위를 산정하고, 처리 방법별 온실가스 배출계수를 구축하였다[6]. 농촌진흥청은 가축분뇨가 분해되면서 직접 배출되는 온실가스와 분뇨처리 시설 운영에 따른 에너지 사용량을 고려하여 전과정 온실가스 배출계수를 개발하였다. 분뇨처리에 대한 메탄 배출계수는 1996 IPCC GL에서 제공하는 Tier 1 산정식과 배출계수를 활용하였으며, 이 과정에서 분뇨 처리 방법별로 배출계수가 구분되지 않아 동일한 계수가 적용됨으로써 처리 방식에 따른 배출량 차이를 반영하지 못하는 한계가 있었다[7]. 해외에서는 가축분뇨 처리 과정에서 발생하는 온실가스와 같은 지구온난화 영향 등 다양한 환경영향을 평가하기 위해 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)가 진행되고 있으며, 이를 위해 제품의 환경영향을 산정하는 데 필요한 기초 데이터인 LCI DB(Life Cycle Inventory Database) 구축이 활발하게 이루어지고 있다. 가축분뇨 처리 관련 LCI DB 구축 시, 다양한 축종(소, 돼지, 닭 등)의 분뇨를 퇴비화, 액비화, 바이오가스화 및 펠릿화 방식으로 활용하는 것을 고려하였으며, 가축분뇨 처리 단계 외 퇴비 운송, 퇴비 살포, 처리 시설 건설 및 장비 생산 등 범위를 확장하며 세분화된 LCI DB를 구축하고 있다. 프랑스는 AGRIBALYSE를 통해 가축분뇨 퇴액비화, 바이오가스화 등 가축분뇨 처리와 관련된 LCI DB를 50여 개 구축하였으며[8], 스위스는 Ecoinvent를 통해 20여 개의 가축분뇨 처리 관련 LCI DB를 제공하고 있다[9].
기존 국내 연구들은 가축분뇨 처리 과정에서 발생하는 환경영향 중 온실가스 배출량 산정에 중점을 두고 있어, 가축분뇨 처리 분야에서 발생하는 암모니아가 미세먼지 생성에 미치는 영향 대한 연구는 부족한 상황이다. 전체 암모니아 배출량의 75%가 축산 부문에서 발생하는 만큼[10], 온실가스 배출량 산정 외에도 미세먼지 생성의 주요 원인인 암모니아에 대한 환경영향을 평가할 필요가 있다.
본 연구는 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 적용하여 가축분뇨 퇴비 생산의 환경영향을 전 과정 관점에서 분석하였으며, 가축분뇨에서 직접적으로 발생하는 대기배출물질 외에도 퇴비화 공정에서 사용되는 전기, 원료 운송, 그리고 퇴비의 원료인 톱밥 생산으로 인한 환경영향도 고려하였다. 이를 통해 가축분뇨 퇴비 생산이 지구온난화(Climate change)와 미세먼지 생성(Fine particulate matter formation) 영향범주에 미치는 영향을 분석하고, 이에 결정적인 영향을 주는 원인을 도출하고자 한다.
2. 연구 방법
본 연구는 ISO 14040/14044 표준을 기반으로 한 LCA 방법론을 사용하여 가축분뇨 퇴비 생산 전과정의 환경영향을 분석하였다. LCA는 제품 또는 서비스의 전과정인 원료물질 채취부터 생산, 운송을 거쳐 사용 및 처분에 대한 시스템 전반에서 발생하는 투입물과 산출물의 잠재적인 환경영향을 평가하는 기법이다[11]. LCA 분석 절차는 4단계로 구성되어 있으며 (1) 목적 및 범위 정의, (2) 전과정 목록분석, (3) 전과정 영향평가, (4) 결과 및 해석으로 구분된다[12]. 본 연구는 가축분뇨 퇴비 생산에 필요한 투입물과 이에 따라 발생하는 산출물을 분석하여 환경영향을 산정하였다. 가축분뇨 퇴비 생산으로 인한 지구온난화와 미세먼지 생성을 평가하기 위해 해당 영향범주를 고려하는 ReCiPe 2016 v.1.1 Midpoint (H) 방법론을 적용하였다.
2.1. 목적 및 범위 정의
2.1.1. 연구 목적
본 연구는 LCA를 통해 국내 가축분뇨 퇴비 생산의 환경영향을 산정하고, 퇴비 생산 과정에서 지구온난화와 미세먼지 생성에 영향을 미치는 주요 원인을 규명하는 것을 목적으로 한다.
2.1.2. 기능단위
기능단위(Functional Unit, F.U)는 제품이나 시스템의 전과정의 환경영향을 평가하기 위한 기준단위를 설정하기 위해 정량화된 기능으로 LCA의 중심 역할을 한다. 본 연구의 LCA 대상은 토양에 필수 영양소를 공급하여 비옥도를 향상시키는 가축분뇨 퇴비이며, 기능단위는 가축분뇨 퇴비 1 포대(20 kg) 생산으로 설정하였다.
2.1.3. 시스템경계
본 연구의 분석 대상인 가축분뇨 퇴비화는 유기물인 가축분뇨가 호기성 미생물에 의해 분해되는 원리를 이용한 공법이다. 이 과정에서 유기물, 수분, 공기 등의 적정 퇴비화 조건이 형성되면, 호기성 미생물은 가축분뇨를 분해하여 이산화탄소, 물, 암모니아 가스, 열에너지 등을 발생시키며, 그 결과로 질소(N), 인산(P), 칼륨(K) 등의 주요 영양소를 함유한 양질의 퇴비가 만들어진다[13]. 국내 퇴비화 시설에서의 일반적인 퇴비 생산의 과정은 Table 1과 같다.
Livestock manure compost production process.
본 연구의 시스템 경계는 Fig. 1과 같이 가축분뇨를 퇴비화 시설까지 운송하는 과정과 퇴비 생산 공정을 포함하는 gate-to-gate로 설정하였다. 가축분뇨에서 직접적으로 발생하는 메탄, 아산화질소, 암모니아 등 대기배출물질과 퇴비화 공정에서 사용되는 전기, 원료인 가축분뇨 운송 그리고 톱밥 생산에 대한 환경영향을 포함하였다. 그러나 퇴비 원료인 석회고토와 미생물은 데이터를 수집한 시설 중 한 곳에서만 사용되었으며, 가축분뇨 퇴비 1 포대를 생산하는데 0.27 kg 정도 사용되어 전체 질량의 0.6%에 해당한다. 이는 95% cut-off 기준을 적용 시 질량 기준 5% 미만이기에 제외하였다. 또한, 퇴비화 공정에서 발생하는 가축분뇨 잔재물은 원료로 재투입되기 때문에, 폐기 단계는 폐기물이 발생하지 않는 것으로 간주하여 시스템경계에서 제외하였다.
System boundary for livestock manure compost production.
2.1.4. 데이터 수집
데이터는 현장 데이터를 우선적으로 적용하는 원칙에 따라, 2023년 한 해 동안 퇴비 생산에 대한 현장 데이터를 수집하였다. 농림축산식품부에서 발간한「가축분뇨 자원화시설 표준설계도」의 표준 공정을 준수하는 가축분뇨 처리시설 6곳을 선정하였으며[14], 현장 데이터는 퇴비화 시설 관리자들을 대상으로 한 설문 조사와 전화 인터뷰를 통해 수집되었다. 현장 데이터를 수집할 수 없는 경우에는 논리적인 계산 및 추정으로 데이터를 보완하였다. 데이터에는 퇴비 원료 배합비율, 퇴비 제품 생산량, 전력 사용량, 가축분뇨와 톱밥의 입고량 그리고 축사와 퇴비화 시설의 거리가 포함되었다. 가축분뇨 퇴비화 공정 중 분해 과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 퇴비화 시설에서 별도 측정 및 관리하지 않지만 실질적으로 배출되고 있으므로[15] 2019 IPCC 가이드라인[16]의 산정식과 배출계수 및 참고 문헌을 활용하여 계산하였다.
2.2. 전과정 목록분석
2.2.1. 원료 운송
퇴비의 원료인 가축분뇨의 운송은 트럭의 종류, 운송되는 가축분뇨의 무게, 축사 위치에서 퇴비화 시설까지의 거리를 고려하였다. 가축분뇨는 탱크로리를 사용하여 수거하였으며, 축사에서 퇴비화 시설까지의 거리는 최단 거리를 기준으로 산정하였다. 퇴비화 공정에서 수분을 조절하기 위해 사용되는 톱밥의 운송도 동일한 기준을 적용하였다. 총 6개의 퇴비화 시설에서 수집한 운송 데이터는 퇴비 원료 수거량과 이동거리를 기반으로 계산되었으며, Table 2는 각 시설의 가축분뇨와 톱밥의 운송량을 ton･km 단위로 나타냈다. 각 시설에 대한 명칭은 A 시설, B 시설, C 시설, D 시설, E 시설, F 시설로 구분하였다.
Freight volume for livestock manure and sawdust collection.
현장 데이터를 기본흐름으로 연결하기 위해 상위 흐름 데이터는 LCI 데이터베이스를 사용하였으며, 운송으로 인한 배출량 산정에는 ecoinvent v.3.10의 LCI 데이터베이스인 “market group for transport, freight, lorry, unspecified(GLO)”를 사용하였다. LCI 데이터베이스 선정 시 EU의 제품환경발자국(Product Environmental Footprint, PEF) 인증 기준으로 품질 평가를 수행하였으며, 지역적 범위는 대한민국(South Korea, KR), 특정 국가나 지역을 제외한 나머지 국가(Rest of World, RoW), 글로벌(Global, GLO) 순으로 설정하였고, 시간적 범위는 최근 연도에 우선순위를 두었으며, 기술적 범위는 최신 기술 사용여부 기준으로 선정하였다. 현장 데이터와 LCI 데이터베이스에 적용된 데이터 품질 조건은 다음 Table 3에 나타내었다.
Data quality requirements.
2.2.2. 퇴비 생산 공정
Table 4는 퇴비 1포대(20kg 용량)를 생산하는데 투입되는 원료 및 에너지와 생산 과정에서 산출되는 제품 및 대기배출물질 등을 나타내었다. 퇴비 생산에 투입되는 원료는 가축분뇨와 수분 조절에 필요한 톱밥이며, 퇴비 생산을 위한 기계 및 시설 운영에 전기가 사용되었다. 또한, 퇴비 생산 과정에서 발생하는 대기배출물질은 메탄, 아산화질소, 암모니아, 수증기로 구분하였다.
Input-output list of producing 1 bag (20 kg) of livestock manure compost.
2.2.2.1. 전기 소비
각 시설의 퇴비화 공정에서 전기는 교반기(에스컬레이터식), 분쇄기, 선별기, 자동포장설비, 세정식 악취저감시설을 운영하는 데 사용된다. 각 시설별로 퇴비 1 포대(20 kg 용량)를 생산할 때, A 시설은 6.41 kWh, B 시설은 0.24 kWh, C 시설은 1.59 kWh, D 시설은 1.87 kWh, E 시설은 4.19 kWh, F 시설은 2.41 kWh의 전기를 사용하였다. B 시설을 제외한 나머지 시설은 통풍식 발효조 바닥에 공기 투입시설이 설치되어 있어 전기 사용량이 B 시설보다 많은 것으로 추정된다. 시설별 전기 사용량은 시설의 규모, 교반 횟수, 입고되는 가축분뇨의 함수율에 따라 차이가 있음을 확인하였다. 평균적으로 2.79 kWh의 전기를 사용하는 것으로 나타났으며, 전기 소비로 인한 배출량은 LCI 데이터베이스를 사용하여 산정하였다. LCI 데이터베이스 선정 시 Table 3에 나타낸 데이터 품질 요구사항에 따라 지역적, 시간적, 기술적 범위에 대한 우선순위를 적용하여 ecoinvent v.3.10의 “market for electricity, medium voltage (KR)”를 사용하였다.
2.2.2.2. 대기배출물질
퇴비화 과정 중에는 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 암모니아(NH3) 등의 대기배출물질이 발생하지만[17], 퇴비화 시설에서는 별도 측정하지 않으므로 데이터가 부재하다. 이를 위해 대기배출물질의 배출량을 문헌자료를 통해 논리적으로 계산하였다. 각 대기배출물질별 산정 방법은 Table 5에 나타내었다.
Estimation methods and references for air emissions during livestock manure composting.
가축분뇨 내 유기물이 분해되면서 생성된 이산화탄소(CO2)는 식물이 광합성을 통해 흡수한 후 가축 사료로 이용되는 순환 과정의 생물기원 탄소이다. 이는 대기 중 CO2 농도에 장기적인 영향을 미치지 않는 것으로 간주되기 때문에 퇴비화 시 배출량 산정에 포함되지 않는다[18].
메탄(CH4)은 퇴비 더미 내부의 산소 공급이 부족한 환경에서 혐기성 미생물이 유기물을 분해하며 생성된다. 아산화질소(N2O)는 분뇨 내 질소 성분이 산소 공급 수준에 따라 질산화와 탈질화 과정을 거치면서 발생한다. 그러나 수집 대상 퇴비화 시설에서는 메탄과 아산화질소와 같은 온실가스의 정기적인 측정 및 관리가 이루어지지 않고 있다. 이에, 국제적으로 인정받는 최신 지침인 「2019 Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories」을 활용하여 해당 온실가스 배출량을 산정하였다. 2019 IPCC GL의 가축분뇨처리 시스템 중 본 연구 대상과 유사한 “집중 야적식 퇴비화(Composting-intensive windrow)”로 설정하고, 메탄 배출량은 Tier 2 접근법을 사용하여 산정하였다. 2019 IPCC GL에서 가축분뇨 처리 과정에서의 아산화질소 배출을 직접 배출과 간접 배출로 구분하고 있다. 직접적인 배출은 퇴비화 공정 내 질소 화합물이 N2O로 직접 변환되어 즉시 배출되는 경우를 의미한다. 반면, 간접 배출은 질소 화합물이 대기나 수계로 이동한 후 다른 위치에서 N2O로 변환되어 배출되는 경우를 의미한다. 본 연구에서는 퇴비화 시설 내 반응에 한정하여 간접 배출은 고려하지 않았으며, 직접 배출을 Tier 1 방법론에 따라 산정하였다.
퇴비화는 40~50°C의 비교적 높은 온도에서 진행되는 미생물의 호기성 분해 과정으로, 이 과정에서 주기적으로 교반을 수행할 때 많은 양의 암모니아가 발생한다[19]. Jeong et al. (2000)에 따르면, 퇴비화 공정 단계에서 가축분뇨 내 질소의 약 28.5~38.3%가 암모니아 형태로 전환되며, 해당 암모니아의 77.2~93.8%가 기체 형태로 휘발되어 공기 중으로 배출된다[20]. 이에, 가축분뇨 내 질소의 암모니아로의 평균 휘발율을 적용하여 암모니아 배출량을 산정하였다.
3. 결과 및 고찰
퇴비화 시설 6곳의 평균값을 기준으로, 영향평가 방법론 중 ReCiPe 2016 v.1.1 Midpoint (H) 방법론을 사용하여 퇴비 생산 공정의 전과정 영향평가를 수행하였다. ReCiPe 2016 v.1.1 Midpoint (H) 방법론은 전 세계 평균 데이터를 사용하여 보다 글로벌한 평가가 가능하며, 미세먼지 생성에 대한 평가를 보완하기 위해 1차 오염물질 외 대기 중 화학반응을 통해 미세먼지를 생성하는 2차 오염물질을 포함하고 있기에 본 연구에 적합하다고 판단하였다.
3.1. 퇴비 생산 단계별 영향평가 결과
퇴비 생산 단계는 원료(톱밥) 생산, 원료 운송, 퇴비화 공정 중 발생하는 대기배출물질, 전기 소비로 구분된다. 축산 분야의 주요 온실가스와 대기오염물질을 평가할 수 있는 지구온난화 와 미세먼지 생성을 중심으로 분석하였다. 퇴비 생산 단계별 영향평가 결과는 Table 6와 Fig. 2에 나타내었다.
Environmental impacts at each stage related to climate change and fine particulate matter formation.
Environmental impacts at each stage related to climate change and fine particulate matter formation.
지구온난화(Climate change) 영향범주에서 퇴비 1포대(20 kg) 생산 시 2.667 kg CO2-eq. 가 배출되었다. 전기 소비가 1.839 kg CO2-eq.로 전체 배출량의 68.95%를 차지하였고, 그 다음으로는 원료 운송이 0.476 kg CO2-eq. (17.85%), 퇴비화 공정 중 발생하는 대기배출물질이 0.224 kg CO2-eq. (8.42%), 원료(톱밥) 생산은 0.0002 kg CO2-eq. (4.79%) 순이었다. 이를 통해 가축분뇨 퇴비 생산 과정에서 전기 소비가 온실가스 배출에 가장 큰 기여를 하는 것으로 나타났다.
미세먼지 생성(Fine particulate matter formation) 영향범주에서는 퇴비 1포대(20 kg)를 생산할 때 0.037 kg PM2.5-eq.가 배출되어 미세먼지 생성에 잠재적인 영향을 미친다. 미세먼지 생성의 주요 원인은 퇴비화 공정 중 발생하는 대기배출물질로, 이는 0.034 kg PM2.5-eq.을 발생시켜 전체 미세먼지 생성의 91.97%를 차지한다. 그 다음으로는 전기 소비가 0.002 kg PM2.5-eq. (5.88%), 원료 운송이 0.001 kg PM2.5-eq. (1.49%), 원료(톱밥) 생산이 2.43E-04 kg PM2.5-eq. (0.66%) 순으로 영향이 크다.
3.2. 영향범주별 대기배출물질의 기여도 분석
퇴비 1포대(20 kg 용량)를 생산할 때 지구온난화와 미세먼지 생성에 영향을 미치는 대기배출물질종류와 기여도를 Fig. 3과 Fig. 5에 나타내었다.
Contribution of air emissions to climate change.
Contribution of air emissions to fine particulate matter formation.
지구온난화에 영향을 미치는 대기배출물질은 이산화탄소, 메탄, 비화석 기반 메탄, 아산화질소, 육불화황 등으로 구분되며, 이 중에서 이산화탄소가 전체 온실가스 배출의 84.37%로 가장 큰 비중을 차지한다. 다음으로 기여도가 높은 대기배출물질은 비화석 기반 메탄으로, 전체 배출의 8.42%를 차지하고 있으며, 메탄은 6.39%, 아산화질소는 0.68%, 육불화황을 비롯한 기타 대기배출물질은 0.14%를 차지한다. Fig. 4는 지구온난화에 영향을 주는 대기배출물질의 퇴비 생산 단계별 기여도를 나타내었다. 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 및 기타 대기배출물질들은 대부분 전기 소비 단계에서 발생하였고, 비화석 기반 메탄은 가축분뇨 퇴비 생산 중 혐기성 조건을 형성하는 부분에서 발생하였다.
Contribution of air emissions by stage in manure compost production (climate change).
미세먼지 생성에 영향을 미치는 주요 대기배출물질은 암모니아(NH3)로 전체에서 92.02%에 해당한다. 그 다음으로는 직경이 2.5μm 이하인 미세먼지 입자가 3.40%, 이산화황은 2.18%, 질소산화물은 2.00%, 먼지(PM2.5)를 비롯한 기타 대기배출물질은 0.40%로 나타났다. Fig. 6은 미세먼지 생성에 영향을 주는 대기배출물질의 퇴비 생산 단계별 기여도를 나타내었다. 암모니아는 전체 배출량 중 99.94%가 가축 분뇨를 생물학적으로 분해하는 과정에서 발생하였으며, 직경이 2.5 μm 이하인 미세먼지 입자, 이산화황 및 질소산화물은 전기 사용에 의해 발생하였다. 그리고 기타 대기배출물질 중 먼지(PM2.5)는 원료 운송단계에서 기여도가 가장 높았다.
Contribution of air emissions by stage in manure compost production (fine particulate matter formation).
4. 결론
본 연구는 전과정평가(LCA) 방법론을 적용하여 국내 가축분뇨 퇴비 생산의 환경영향을 평가하였다. 특히, 가축분뇨 퇴비 생산으로 인한 지구온난화와 미세먼지 생성을 중심으로 연구를 수행하였다. 시스템경계는 가축분뇨를 퇴비화 시설까지 운송하는 과정과 퇴비 생산 공정으로 설정하였으며, 영향평가는 ReCiPe 2016 v.1.1 Midpoint (H) 방법론을 활용하여 수행하였다.
퇴비 생산 단계별 기여도와 주요 대기배출물질별 기여도를 분석한 결과, 지구온난화에서는 가축분뇨 1 포대 생산 시 2.667 kg CO2-eq.의 온실가스가 배출되었으며, 그 중 전기 소비가 68.95%를 차지하는 것으로 나타났다. 주요 대기배출물질의 기여도 분석에서는 이산화탄소가 전체 온실가스 배출의 84.37%를 차지하였고, 주로 전기 사용으로 인해 발생하였다.
미세먼지 생성에서는 가축분뇨 퇴비 1포대 생산 시 0.037 kg PM2.5-eq.가 배출되었으며, 이 중 91.97%가 퇴비화 과정에서 발생하는 대기배출물질에 의한 것으로 확인되었다. 미세먼지 생성에 영향을 미치는 주요 대기배출물질은 암모니아(NH3)로, 전체 미세먼지 생성의 92.02%를 차지한다. 암모니아는 가축 분뇨를 생물학적으로 분해하는 과정에서 주로 발생한 것으로 확인되었다.
본 연구를 통해 퇴비 생산 과정 중 전기 소비가 지구온난화의 주요 요인으로 나타났으며, 대기배출물질 중 암모니아가 미세먼지 생성의 주요 원인으로 확인되었다. 본 연구는 데이터 수집의 한계로 특정 6곳의 퇴비화 시설에서 수집된 데이터에 기반하였으므로 다른 시설에서의 데이터와는 차이가 있을 수 있다. 그러나 본 연구가 제시하는 가축분뇨 퇴비 생산의 환경영향 분석 사례는 국내 가축분뇨 처리 분야에서 지구온난화와 미세먼지 문제를 해결하기 위한 정책과 기술 개발의 근거 자료로 활용될 것이다. 특히, ‘축산분야 2030 온실가스 감축 및 녹색성장 전략’에서 제시한 퇴･액비 생산 공정 개선을 통한 온실가스 저감 방안의 기초 자료로서 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 해외에서는 가축분뇨 처리 분야의 LCI DB가 활발하게 구축되고 있으나, 국내에서는 가축분뇨 처리에 대한 환경성을 평가할 수 있는 LCI DB가 부재한 상황이다. 향후 본 사례 연구가 국가 전체로 확장되면, 국가 LCI DB 구축에도 활용될 수 있을 것이다.
Acknowledgements
본 연구는 농촌진흥청 연구사업(과제번호: PJ01705501)의 지원에 의해 이루어진 것입니다.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.