1. 서 론

가축분뇨 자원화 촉진 및 가축분뇨의 안정적인 처 리를 위해 정부는 2007년부터 가축분뇨 공동자원화 시설 지원사업을 추진하여 2021년 기준으로 전국에 86개소의 가축분뇨 공동자원화시설이 운영되고 있다. 가축분뇨 공동자원화시설이란 축산농가로부터 수거 한 가축분뇨를 처리해 퇴비, 액비, 바이오에너지 등을 생산하는 시설로 2022년 기준 국내 가축분뇨 발생량 의 약 5%가 공동자원화시설에서 처리되고 있다.

가축분뇨의 원활한 처리를 위해 공동자원화시설 보 급을 확대해 나갈 필요가 있으나 가축분뇨 처리과정 에서 발생되는 악취관련 민원으로 인해 가축분뇨 공 동자원화시설을 확산·보급하는데 어려움이 있다. 축 산 분야에서 발생되는 악취문제를 해결하기 위한 목 적으로 축산환경관련 규제는 지속적으로 강화되고 있다. 개정된 대기환경보전법에 따르면 가축분뇨 공 동자원화시설과 같은 퇴액비 제조시설은 암모니아 배출 방지설비를 의무적으로 설치해야하는 대기배출 시설에 해당되므로 강화된 암모니아 배출허용 기준 (30 ppm 이하로)이 적용된다(ME, 2021). 가축분뇨 공 동자원화시설의 원활한 운영을 위해 암모니아 배출 허용 기준을 충족시킬 수 있는 적절한 대책을 강구해 야 하는 실정이다.

가축분뇨 처리과정에서 발생하는 악취를 저감하기 위해 미생물제제 및 마스킹제 살포, 악취 배출시설 밀 폐, 습식 세정탑, 바이오필터 등 다양한 악취저감기술 을 적용하고 있으나 악취발생 특성에 대한 기초자료 부족, 악취저감시설 설계에 필요한 설계 기준농도 부 재 등의 문제로 인해 악취관리가 원활하게 이루어지 지 못하고 있는 상황이다.

가축분뇨 퇴비화 공정의 악취 발생 특성에 대한 연 구는 여러 연구자들에 의해 수행된 바 있으나, 국내 가축분뇨 공동자원화시설과 같은 대량의 가축분뇨를 공동으로 처리하는 규모가 아닌 소규모 시설을 대상 으로 평가한 사례가 대부분이다(Oh et al., 2006). Park et al. (2020)은 가축분뇨 퇴비화 시 분뇨의 교반 및 혼 합 공정에서 암모니아 및 황화수소 등 악취가 급격히 배출되며, 농도는 축종, 온·습도, 시설환경, 저장기간 등에 영향을 받는다고 보고한 바 있으며, Osada et al. (2000)은 돼지분뇨 퇴비화 시 높은 송풍량은 메탄 및 아산화질소 배출을 감소시켰지만, 암모니아는 오히 려 증가하였다고 보고하였다. 또한, Kuroda et al. (1996) 은 암모니아와 황화합물은 온도에 따라 변화하며, 고 온 기간에 주로 발생하였다고 보고한 바 있다.

이러한 연구 결과를 종합해 볼 때 악취는 원료성상, 처리방법, 운전조건, 시설환경, 기상조건 및 계절 등 다양한 요인에 영향을 받는다는 걸 알 수 있다. 가축 분뇨 공동자원화시설의 공정은 크게 원료 투입 및 혼 합시설, 발효조, 후숙조로 구분되며, 퇴·액비화 진행 이 가장 활발한 발효조의 경우 송풍 및 교반기가 정 해진 시간에 가동되므로 가축분뇨 처리 시 발생하는 악취를 효율적으로 관리하기 위해서는 우선적으로 공정별 악취발생 특성에 대한 기초자료 확보가 필요하다.

본 연구는 실시간 악취(암모니아, 황화수소) 모니 터링 시스템을 이용해 가축분뇨 공동자원화시설의 퇴·액비화 공정에서 배출되는 암모니아와 황화수소 발생 특성을 주중과 주야 등으로 구분해 평가한 후 이 를 바탕으로 경제적인 탈취시스템 운영전략을 수립 하기 위한 목적으로 수행되었다.

2. 재료 및 방법

2.1 가축분뇨 공동자원화시설 공정 개요

본 연구의 대상 시설은 충청남도에 소재한 가축분 뇨 공동원자원화시설로 일일 가축분뇨 110 ton, 음식 물쓰레기 30 ton, 농림축산부산물 10 ton을 처리하고 있다. 이 시설은 에너지화(바이오가스), 퇴비화 및 액 비화 공정을 통해 가축분뇨를 처리하고 있으며, 시설 별 주요 공정은 Fig. 1과 같다. 우선 개별 농가에서 수 거한 슬러리 형태의 돈분뇨와 음식물 탈리액을 혼합 한 후 혐기소화 공정을 통하여 바이오가스를 생성하 고, 혐기소화를 거친 잔존물은 고액분리 후 고상물은 고상 형태인 우분 및 계분과 함께 퇴비화 공정으로, 액상물은 액비화 공정으로 투입하여 퇴비와 액비를 생산하고 있다. 원활한 퇴비화 유도를 위해 퇴비화시 설의 송풍기는 24시간 가동하고 기계식 교반기는 주 중 오전 9시부터 오후 6시까지 가동하고, 주중 오후 6 시부터 익일 9시와 주말은 가동을 중지하는 형태로 운영하고 있다. 액비화시설은 송풍기를 주중 및 주말 관계없이 24시간 가동하고 있다. 퇴·액비화과정에서 발생하는 가스는 바이오 필터를 거친 후 습식 스크러 버를 통해 최종 처리하여 배출하고 있으며, 세정수로 바이오필터는 물, 습식 스크러버는 물과 황산을 사용 하고 있다.

2.2 공정별 포집량

본 연구대상 시설에 설치된 탈취시스템은 바이오 필터와 습식 스크러버로 용량은 바이오 필터 810 m³, 습식 스크버러 530 m³ (φ6,300 mm × 17,000 mmH)이 다. Fig. 2와 같이 바이오 필터와 습식 스크러버 사이 에 1,400 CMM (Cubic Meter per Minutes; 포집압력: 250 mmAq) 용량의 송풍기 2기가 병렬로 연결되어 공 정 중에 발생하는 악취 가스를 최대 2,800 CMM (포집 압력: 250 mmAq)으로 포집하고 있으며, 인버터를 사 용하여 포집량 조절이 가능하도록 설계되어 있다. 각 공정별 최대 포집 가능한 가스량은 원료 반입 및 전 처리 시설에서 890 CMM, 액비저장조에서 130 CMM, 액비화 시설에서 210 CMM, 퇴비화시설에서 1,570 CMM으로 설계되었다.

2.3 암모니아, 황화수소 가스 측정 방법

주중과 주말의 가축분뇨 공동자원화시설 퇴액비화 공정 운영 시 암모니아와 황화수소의 발생 특성을 평 가하기 위해 주중과 주말로 구분하여 총 4일간 암모 니아와 황화수소의 농도를 측정하였다. 가축분뇨 공 동자원화시설의 퇴·액비화 시설에서 발생하는 암모 니아와 황화수소 가스 특성을 평가하였다. 암모니아 와 황화수소 가스는 퇴액비화 공정의 배가스가 혼합 되는 배관(바이오 필터 전단부)에서 실시간 악취 모 니터링 시스템을 이용하여 측정하였다(Fig. 1). 악취 모니터링 시스템은 솔레노이드 밸브, 가스 센서, 펌프 및 유량계 등이 장착되어 있어 5분간 일정한 유량으 로 퇴·액비화 시설의 배출가스 농도를 측정하고 5분 간격으로 10분 동안 순수 공기를 이용하여 센서를 Flushing 하도록 설계하였다. 측정에 사용된 가스 센 서는 접촉식 방식으로 암모니아는 파장가변 다이오 드 레이저(LGD F200-A, Axetris Co., USA), 황화수소 (H₂S/C-50, Membrapor Co., Switzerland) 는 전기화학 식 센서를 이용하였으며 센서에 대한 정보는 Table 1 과 같다. 암모니아와 황화수소 센서의 측정범위는 각 각 0 ppm~ 500 ppm, 0 ppm~50 ppm, 분해능은 0.5 ppm, 0.05 ppm이며, 가스 농도의 90%까지 측정값이 도 달하는 시간인 응답시간은 각각 2초와 35초 미만이다.

2.4 통계분석

가축분뇨 공동자원화시설에서 발생되는 NH₃와 H₂S 의 주중과 주말, 주간과 야간의 농도 차이는 Origin Pro 소프트웨어(Origin-Lab, version 8.1)를 이용하여 ANOVA 를 시행하였으며, 사후분석으로 Tukey’s test를 이용하 여 집단간 유의성을 검증하였다. 모든 통계의 유의수 준은 p-value가 0.05 미만의 경우 유의한 것으로 채택 하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 퇴액비화시설의 암모니아 발생 특성

암모니아 가스에 대한 악취감지농도(Odor detection thresholds)는 0.04 ppmv~57 ppmv로 높지만(Michaels, 1999) 정상적인 퇴액비화가 진행될 경우 고농도의 암 모니아 가스가 발생되고 온실가스인 N₂O로 전환될 수 있기 때문에 퇴액비화 시 주 타겟 저감 물질로 알 려져 있다(Krupa, 2003). 본 연구 대상인 가축분뇨 공 동자원화시설의 퇴액비화 공정에서는 송풍기를 주중 과 주말 모두 24시간 가동하면서 퇴비화시설의 기계 식 교반기를 주중 오전 9시부터 오후 6시까지 가동하 고, 주중 오후 6시부터 익일 9시와 주말은 가동을 중 지하는 방식으로 운영하고 있다. 퇴액비화시설에서 배출되는 암모니아 농도를 기계식 교반기가 가동되 는 주중과 기계식 교반기를 중단하는 주말을 주·야간 으로 구분하여 Table 2에 나타내었다.

주중과 주말의 암모니아 농도는 각각 70.9 ppmv~ 109.1 ppmv, 40.4 ppmv~107.7 ppmv 범위를 보였으며, 평균 농도는 각각 90.2 ppmv ± 9.4 ppmv, 87.2 ppmv ± 13.1 ppmv로 기계식 교반기 가동 여부와 관계없이 유 사한 결과를 나타냈다(p > 0.05). 교반기를 가동하지 않는 주말은 주·야간의 암모니아 농도에 큰 차이가 없 었지만(p > 0.05), 주중과 같이 교반기가 가동될 때 주 간의 암모니아 농도는 96.4 ppmv ± 7.8 ppmv로 야간 (84.0 ppmv ± 6.4 ppmv)에 비해 약 15% 높은 결과를 보 였다(p < 0.05). 교반기를 가동하는 주중 주간(96.4 ppmv ± 7.8 ppmv)의 암모니아 농도가 교반기를 가동하지 않 는 주말의 주간(84.9 ± 15.9)에 비해 약 14% 높았으며, 야간은 오히려 주말이 약 6% 높은 것으로 조사되었 다(p < 0.05). 이는 주중 주간의 경우 교반을 함으로써 암모니아 가스가 급격하게 배출된 반면 교반을 하지 않는 주말의 경우 상대적으로 주중 주간에 비해 교반 으로 손실된 암모니아 가스가 적어 주말 야간의 농도 가 주중 야간에 비해 상대적으로 더 높은 결과를 보 인 것으로 판단된다. Park et al. (2020)은 퇴비화 시 분 뇨의 교반 및 혼합 공정에서 암모니아 및 황화수소 등 악취가 급격히 배출된다고 보고한 바 있다.

Fig. 3에 요일별 주·야간의 암모니아 농도 변화를 나 타내었다. 하루 중 암모니아 가스가 최고 농도 수준 을 유지하는 시간대는 주중과 주말 간 서로 다른 경 향을 보였다. 주중의 경우 주로 교반을 시작하는 9시 경부터 15시까지 암모니아 농도가 증가하다가 15시 경 이후 서서히 감소하는 경향을 보였으나, 토요일 (주말)은 12시부터 16시까지와 20시부터 24시에 최고 농도를 보였으며, 일요일(주말)은 상대적으로 시간대 별 농도 변화 폭이 크지 않는 것으로 조사되었다. 교 반기 가동으로 인해 암모니아가 많이 발생되는 주중 9시부터 15시까지의 암모니아 농도(100.8 ppmv ± 5.5 ppmv)는 주말의 주간(84.9 ppmv ± 15.9 ppmv)에 비해 약 16% 높은 수준을 보였다. 교반기를 가동하지 않았 음에도 불구하고 토요일에 2개의 peak가 나타난 것은 토요일에도 주중과 같이 원료가 반입됨에 따라 원료 반입에 의한 농도 변화 폭이라 판단된다.

세부적으로 살펴보면 교반기를 가동하는 주중의 경 우 목요일은 11시부터 15시경에 가장 높은 농도를 나 타내었으며, 3시부터 7시까지 가장 낮은 농도를 나타 내었다. 월요일의 경우 목요일과 농도 변화 경향은 비 슷하나 목요일 보다 약 2시간 이른 시간인 9시부터 최 고 농도를 보이다가 13시를 기점으로 서서히 감소하 는 양상을 나타내었다. 이는 교반을 하지 않는 주말 동안 퇴비 더미의 공극을 채우고 있던 가스가 교반 시 작과 함께 배출되면서 급격히 증가한 것으로 사료된 다. 교반기를 가동하지 않는 주말을 보면 주·야간 구 분 없이 농도가 증가 및 감소를 반복하는 것으로 나 타났으며 토요일과 일요일을 비교할 때 일요일은 토 요일에 비해 농도 변화 폭이 작고 시간이 지날수록 농 도가 감소하는 경향을 나타내고 있다.

본 연구에서 조사된 암모니아 농도의 경우 Cheon (2019)이 보고한 퇴액비화 시설 혼합 구간에서 배출 되는 암모니아 농도(169.9 ppmv)보다 낮은 농도를 보 였으며, Kim (2015)이 보고한 가을철 퇴비화시설 암 모니아 농도(76.2 ppmv) 보다는 높게 나타났다. 이런 농도 차이는 원료 성상 및 처리공정과 연관지어 설명 할 수 있다. 바이오가스 시설과 퇴비화 공정이 연계 된 본 조사대상 시설의 특성 상 일반 퇴비화시설의 신 선한 원료와 비교할 때, 본 조사대상의 퇴비화 원료 인 혐기소화 잔존물은 혐기소화 공정을 거치면서 유 기물(유기질소)이 상당 부분 분해되어 Cheon (2019) 이 보고한 암모니아 농도(169.9 ppmv)보다 낮은 농도 를 보인 것으로 판단된다(Manu et al., 2021).

결과적으로 암모니아는 교반 시 고농도의 가스를 배출하는 것으로 나타났다(Park et al., 2020). 따라서 퇴비화 시설 교반 시 악취 포집 및 탈취시스템 가동 이 잘 이루어지도록 집중적으로 관리할 필요가 있다 고 사료된다.

3.2 퇴·액비화시설의 황화수소 발생 특성

황화수소는 암모니아와 함께 퇴비화 공정에서 주 로 배출되는 가스로 계란 썩은 냄새가 나는 무색의 독 성 가스며, 최저 감지 농도는 0.5 ppbv에 불과하여 낮 은 농도에서도 불쾌한 악취를 유발하는 물질로 알려 져 있다(Haug, 1993). 퇴액비화시설에서 배출되는 황 화수소 농도를 기계식 교반기를 가동하는 주중과 기 계식 교반기를 중단하는 주말로 구분하여 Table 3에 나타내었다. 주중과 주말 모두 야간보다 주간에 높은 황화수소 농도를 배출하는 것으로 조사되었다. 주중 의 주·야간 황화수소 농도는 각각 4,729 ppbv ± 3,687 ppbv, 1,007 ppbv ± 466 ppbv로 주간이 야간보다 약 4.7 배 높았으며, 주말의 경우 각각 3,052 ppbv ± 2,962 ppbv, 1,722 ppbv ± 943 ppbv로 주간이 야간보다 약 1.8배 높 은 것으로 나타났다(p < 0.05). 주·야간의 황화수소 평 균 농도를 보면 주중 주간에 4,729 ppbv ± 3,687 ppbv로 가장 높았으며, 그 다음으로 주말 주간(3,052 ppbv ± 2,962 ppbv), 주말 야간(1,722 ppbv ± 943 ppbv), 주중 야 간(1,007 ppbv ± 466 ppbv) 순으로 나타났다. 주중과 주 말의 황화수소 농도는 모두 286 ppbv~10,100 ppbv 범 위를 보였으며, 평균 농도는 각각 2,868 ppbv ± 3,220 ppbv, 2,387 ppbv ± 2,296 ppbv로 기계식 교반기 가동 여 부와 관계없이 유사한 결과를 나타내었다(p > 0.05). 그러나, 주중과 주말의 주·야간 농도를 살펴보면 암모 니아 결과와 동일하게 주중의 주간이 주말의 주간보 다 약 55% 높은 반면, 야간은 오히려 주중 농도가 주 말 농도의 약 59% 수준에 불과한 것으로 조사되었다 (p < 0.05).

Fig. 4는 시간대별 주중과 주말의 황화수소 농도 변 화를 보여주고 있다. 주중의 경우 교반을 시작하는 시 각인 9시경에 농도가 급격하게 증가하다가 14시까지 유지한 후 서서히 감소하는 경향을 보였으며, 토요일 (주말)은 9시부터 11시에 최고 농도를 보였고, 일요일 (주말)은 시간대별 농도 변화 폭이 크지 않는 것으로 조사되었다. 교반기를 가동하지 않음에도 불구하고 토요일에 급격하게 농도가 증가한 것은 원료 투입에 따른 영향이라 사료된다. 혐기소화 잔존물을 퇴액비 화 원료로 사용하는 본 시설의 경우 자연스럽게 형성 된 혐기조건으로 인해 혐기성 미생물이 우점할 수 있 는 환경이 조성되어 있으므로 혐기조건에서 생성되 는 황화수소 발생 가능성이 높다(Ryu et al., 2003). 이 는 Cheon (2019)이 보고한 퇴액비화 시설 혼합 구간 에서 배출되는 황화수소 농도(313 ppbv) 보다 약 30배 높은 수준이며, Ko et al. (2008)이 보고한 바이오 가스 시설이 연계된 퇴비화 공정의 황화수소 농도(2,301 ppbv)와 비슷한 수준이다. 세부적으로 살펴보면 교반 기를 가동하는 주중의 경우 목요일은 10시부터 급격 하게 황화수소 농도가 증가하다가 12시까지 약 9,700 ppbv 수준을 유지하였고 이후 13시까지 약 700 ppbv 수준으로 감소한 후 13시를 기점으로 15시까지 다시 증가하는 경향을 보였다. 월요일도 마찬가지로 목요 일과 비슷하게 12시 전·후 3시간 사이에 가장 높은 황 화수소 농도를 보였으나, 목요일보다 1시간 이른 시 간인 9시부터 급격하게 농도가 증가하는 현상을 나 타내었다. 이는 암모니아 결과와 동일한 경향을 보이 고 있다. 즉, 교반기 가동을 중단한 주말의 경우 퇴비 에서 많은 가스가 배출되지 않고 잔류된 상태로 유지 하고 있어 월요일 교반 시작과 함께 퇴비 더미 내에 갇혀있던 가스가 급격히 배출되었기 때문으로 판단 된다. 교반기를 가동하지 않는 주말의 주·야간의 농도 변화를 분석한 결과 토요일 8시부터 11시 사이를 제 외하면 토요일 23시까지 서서히 농도가 증가하다가 월요일 9시 전까지 지속적으로 감소하는 것으로 나 타났다. 토요일과 일요일을 비교해 보면 일요일은 토 요일에 비해 농도 변화 폭이 작고 시간이 지날수록 농 도가 감소하는 경향을 나타내고 있다.

본 연구대상 가축분뇨 공동자원화시설의 황화수소 발생 특성을 분석한 결과 원료 반입 및 교반 시 고농 도의 가스가 배출되며(Park et al., 2020), 특히 월요일 의 경우 교반 시작과 동시에 급격하게 농도가 증가하 는 것을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구는 가축분뇨 공동자원화시설의 암모니아 및 황화수소 발생 특성 평가를 통해 가축분뇨 공동자원 화시설 운영 시 효율적으로 악취를 관리할 수 있는 기 초자료를 확보하기 위한 목적으로 수행되었다. 암모 니아 가스의 경우 주중과 주말의 평균 농도가 비슷하 였으나 주·야간으로 구분하여 비교해 보면 교반기를 가동하는 주중 주간이 주말 주간 보다 약 14% 높았으 며, 야간은 오히려 약 6% 낮은 것으로 조사되었다 (p < 0.05). 또한, 교반기가 가동되는 주중 주간은 암모 니아 농도가 96.4 ± 7.8 ppmv로 교반기를 가동하지 않 는 야간(84.0 ppmv ± 6.4 ppmv)에 비해 약 15% 높았지 만, 교반기를 가동하지 않는 주말은 주·야간 암모니아 농도 차이가 없는 것으로 나타났다(p > 0.05). 시간대 별 분석 결과, 암모니아 농도가 가장 높은 시간은 주 중 11시부터 15시까지였으며, 특히 월요일에는 다른 주중보다 약 2시간 이른 시간인 9시에 고농도의 가스 를 배출하는 것으로 나타났다. 교반기 가동으로 인해 암모니아가 많이 발생하는 주중 9시부터 15시까지의 암모니아 농도(100.8 ppmv ± 5.5 ppmv)는 주말의 주간 (84.9 ppmv ± 15.9 ppmv)에 비해 약 19% 높은 수준이다.

황화수소도 마찬가지로 주중과 주말의 평균 농도 는 비슷한 수준을 보였지만(p > 0.05), 주·야간 농도를 비교할 시 주간은 4,729 ppbv ± 3,687 ppbv, 야간은 1,007 ppbv ± 466 ppbv로 주간이 야간보다 약 4.7배 높았으 며, 주말의 경우 각각 3,052 ± 2,962, 1,722 ± 943로 주간 이 야간보다 약 1.8배 높은 것으로 나타났다(p < 0.05). 시간대별 분석 결과, 황화수소 농도가 가장 높은 시 간은 주중 10시부터 12시와 13시부터 15시까지였으 며, 월요일은 암모니아와 동일하게 9시부터 급격하게 농도가 증가하는 현상을 나타내었다.

본 연구 결과는 가축분뇨 공동자원화시설의 퇴·액 비화공정 운전 요소별 암모니아와 황화수소의 농도 변화를 보여주고 있다. 결과적으로 암모니아와 황화 수소는 기계식 교반기 가동 및 분뇨 반입 시 높은 농 도를 보였으며, 특히 주중 9시부터 15시경에 고농도 의 가스가 배출됨을 확인할 수 있었다. 악취는 다양 한 요인에 영향을 받기 때문에 효율적으로 관리하기 위해서는 먼저 시설 특성에 따른 악취 관련 영향 인 자들을 이해하고 분석하는 것이 중요하다고 본다. 본 연구 결과는 가축분뇨 공동자원화시설의 악취관리를 위한 기초자료로 활용이 가능하며, 악취저감 효율을 고려하여 배가스 포집에 소요되는 에너지를 조절함 에 따라 탈취시스템에 소요되는 운영비를 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.