서 론
오늘날 육류 소비량의 증가로 인해 축산 시설의 대형화가 이루어지고 있으며, 이에 따라 축산업에서 배출되는 암모니아, 황화수소, 휘발성 지방산류와 같은 물질로 인한 악취 문제도 증가하고 있다 (Chadwick et al., 2011; Wang et al., 2021). 그 중 암모니아는 악취방지법상 지정악취물질 중 하나로 독성을 지니고 있으며, 대기 중 황산화물, 질소산화물과 반응하여 황산암모늄 ((NH4)2SO4), 질산암모늄 (NH4NO3) 등 2차 미세먼지를 형성하는 전구체가 된다 (Behera and Sharma, 2012; Wang et al., 2011; Zhang et al., 2018). 2차 미세먼지는 인체 호흡기에 유해할 뿐만 아니라 동식물의 성장 저하 등 생태계 전반에 걸쳐 부정적 영향을 미칠 수 있다 (Brunekreef and Holgate, 2002; Krupa, 2003).
국가미세먼지정보센터 (CAPPS)에 따르면 2019년 국내 암모니아 배출량은 316,299톤으로, 농업부문에서 전체 배출량의 80%에 해당하는 252,444톤이 배출되었으며, 농업부문 하위 항목 중 ‘분뇨관리’에서 233,644 톤을 배출한 것으로 보고되었다. 특히 ‘분뇨관리’ 항목 중 돼지에서 발생하는 암모니아 배출량 비율이 45%로 타 축종에 비해 높았다. 따라서 축산업, 특히 양돈업에서 발생하는 암모니아 배출량이 높기 때문에 관련 연구가 시급한 실정이다. 현재 국내의 암모니아 배출계수는 축종, 사양단계에 따라 나누어져 있으며 돼지의 경우에는 모돈, 자돈, 육성 및 비육돈으로 분류된다. 이는 다시 세부 분류인 돈사 내, 퇴비장, 축산폐수처리 및 토양시비로 나누어진다. 그러나 현행 배출계수는 국립환경과학원이 제시한 2007년도 연구 이후 후속연구가 부족하며, 공인된 실험방법이 부재한 상황에서 단기간 측정되었다는 점에서 불확실성이 존재한다. 따라서 본 연구는 해외의 공인된 암모니아 배출량 평가 프로토콜인 VERA Test protocol (VERA, 2018)을 차용하여 자돈사의 암모니아 농도, 환기량 및 환경조건을 모니터링 하고, 최종적으로 자돈 유래 암모니아 배출량을 제시하고자 하였다.
재료 및 방법
본 연구는 2022년 4월 19일부터 6월 12일까지 45일간 전북 전주시에 위치한 강제환기식 자돈사에서 수행되었다. 실험을 진행한 돈방은 폭 1.3 m의 복도와 4개의 Pen으로 이루어진 전면 콘크리트 슬랏 구조이며, 총 110두의 자돈을 사육한다 (Figure 1). 가축의 분과 뇨는 피트 아래에 떨어져 저장되며 사육기간 동안 피트 내 저장되는 분뇨는 출하 시까지 배출되지 않았다. 실험 기간 내 급여된 사료는 VERA protocol에 따른 crude protein 함량 기준 (17 ~ 21%)을 만족하였고 구체적인 영양성분 조성은 다음과 같다 : 조단백 (crude protein)≤19.0%, 조지방 (crude fat)≥6.5%, 칼슘 (Ca)≥0.6%, 인 (P)≤0.7%, 조섬유 (crude fiber) ≤5.0%, 조회분 (crude ash)≤6.0%, 라이신 (lysine)≥1.1%. 입식 초기 자돈은 평균 60일령으로, 평균 무게 20 kg으로 측정되었다. 출하 시 계산된 평균 일당증체량은 498 g으로 나타나 VERA test protocol에서 제시하는 일당증체량 기준 (350 g/d)을 만족하였다.
현재 국내에는 암모니아 배출량을 평가하기 위한 공인된 방법론이 부재한 실정이므로, 본 연구는 유럽 3국이 사용하는 VERA (Verification of Environmental Technologies for Agricultural production) test protocol에 준하여 암모니아 배출량 평가를 진행하였다. 환기는 복도 입기구를 통해 외부의 깨끗한 공기가 돈방으로 유입된 후 돈방 전체를 거쳐 천장에 위치한 굴뚝 배기팬 (COCO-50A (⍉540), Dongsung CoCofan. Ltd)을 통해 빠져나가는 방식으로 이루어졌다. 이때 배기팬 가동률은 국내 팬 소프트웨어 (양돈 ICT 통합관제시스템, Ver 2.0)를 통해 10분 간격으로 서버에 저장되었으며, 해당 팬의 최대 설계 풍량은 8,340 CMH였다. 배기팬의 각 가동률 (20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 99%)에서 특수 제작한 덕트 풍량계를 사용하여 30초씩 3번 측정한 환기량 평균값을 1반복 데이터로 하여 총 9회 (3반복) 측정하였다. 수집된 실제 환기량 데이터를 바탕으로 다항회귀곡선을 작성하여 결측구간에서의 환기량을 산출하였다. 각 돈방의 암모니아 농도는 광음향분광법 기반 실시간 측정기인 INNOVA 1512 (LumaSense Technologies, Denmark)를 사용하여 실시간 모니터링 되었으며, 다지점측정기 (LumaSense Technologies INNOVA 1409 (6 port), Ballerup, Denmark)를 통해 복도 입기구와 천장 배기팬 2지점에서 측정을 진행하였다. 암모니아 농도는 시간당 6회 측정 후, 최소 흡인 횟수를 고려하여 4~6번째 값의 평균을 산출하여 1회 농도 데이터 대푯값으로 적용하였다. 돈방 내부의 상대습도 및 온도와 같은 환경조건은 돈사 내부의 관제 시스템에 의하여 10분마다 실시간으로 측정된 후, 배기팬 가동률과 함께 서버에 저장되었다. 이후 1시간 평균값으로 환산하여 암모니아 농도 데이터와 비교하였다.
최종적으로 암모니아 배출계수는 암모니아 농도와 환기량, 그리고 돼지 사육두수를 고려하여 Equation 1에 따라 계산하였다. 이때 외부 공기의 암모니아 배경농도를 고려하여 배기구 측정값에서 입기구의 암모니아 농도값을 제외하였다. 수집된 데이터 중 이상치 식별은 VERA test protocol에서 명시하는 이상치 제거기준 (Outlierupper > upper quartile (75th; 3Q) + (3×IQR), Outlierlower > lower quartile (25th; 1Q) - (3×IQR); IQR: Inter quartile range)에 따라 수행하였다. 또한 수집된 데이터는 Jamovi (The Jamovi Project, 2021, Version 2.2) 소프트웨어를 사용하여 통계분석을 진행하였다.
Where, Aout denotes ammonia concentration of exhaust fan (ppm), Ain denotes ammonia concentration of inlet (ppm), Vf denotes ventilation rate (m3/h), and pig denotes total number of pigs.
결과 및 고찰
1. 자돈사 내부 모니터링 결과
Figure 2는 2022년 4월 19일부터 6월 12일까지 모니터링 된 자돈사 내 암모니아 농도. 환기량 및 온·습도 데이터를 보여준다. 2021년 5월 11일부터 5월 15일까지의 환기량 데이터는 프로그램 서버 오류 등 현장 상황으로 인해 결측구간이 발생하여 분석에서 제외하였다. 측정기간 동안 자돈사 내부의 암모니아 농도는 최소 0.81 ppm, 최대 9.15 ppm 범위로 나타났으며, 평균 2.61 ppm으로 측정되었다. 환기량은 최소 1876 m3/hr, 최대 7611 m3/hr, 평균 6067 m3/hr로 나타났다. 이를 자돈 1마리당 환기량으로 환산한 값은 55.16 m3/hr/pig로, 미국 MWPS에서 권장하는 봄~여름철 자돈사 환기량인 25.47~59.42 m3/hr/pig 범위를 만족하였다 (MWPS, 1990). 돈방의 배기팬 가동률은 내부 온도와 연동하여 실시간으로 달라지기 때문에, 계절적 변화로 인해 외부 온도가 높아지는 측정기간 후반 (Figure 3)에 환기량이 증가하는 경향을 보였다. 이로 인해 돈방 내부에 축적된 암모니아가 입기된 공기에 의해 더 빠르게 희석되며 농도가 감소한 것으로 판단된다. 한편 내부 온도는 22~27°C 범위로 유지되어 평균 24°C를 나타냈으며, 상대습도는 35~71% 범위로 평균 54%로 나타났다.
2. 암모니아 배출계수
모니터링 된 돈방 내부 암모니아 농도와 환기량 데이터를 기반으로 암모니아 배출량을 계산하고, 사육두수를 나누어 배출계수를 산정하였다. 그 결과, 자돈사에서 발생하는 암모니아 배출량은 1.56 g/day/pig로 계산되었다. 이는 기존의 선행연구에서 보고된 자돈의 암모니아 배출량(1.01~1.64 g/day/pig)과 유사한 수치로 나타났다 (Hayes et al., 2006; Hyde et al., 2003; van der Peet-Schwering et al., 1999).
3. 일변화 경향성
암모니아 농도와 배출량, 그리고 환기량의 일변화 경향성을 Figure 4에 도시하였다. 측정기간 동안 암모니아 농도 및 배출량, 환기량의 시간에 따른 뚜렷한 일변화 경향성이 확인되었다. 암모니아 농도의 경우, 오전 6~7시경 3.92 ppm으로 가장 높은 농도를 보였다. 반면, 환기량은 일출 이후 외부 온도가 높아지는 오후 시간대에 점차 증가하였으며, 오후 12시경 7096 m3/hr로 최댓값을 나타냈다. 일반적으로 돈사 내부 배기팬 가동률은 온도와 연동하여 달라지기 때문에 환기량과 내부 온도의 경향성이 유사하게 나타났다. 또한 환기량이 증가함에 따라 돈사 내부에 축적된 암모니아가 외부로 더 빠르게 배출되면서 암모니아 농도가 감소하여 서로 반대의 경향성을 나타내는 것으로 사료된다 (Jacobson et al., 2005; Sun et al., 2008). 하루 중 암모니아 배출량은 오전 10~11시경 0.09 g/day/pig로 가장 높게 나타났으며, 이후 점차 감소하는 경향을 보였다.
4. 상관분석
측정기간 내 수집된 각 변수의 데이터를 바탕으로 상관성 분석을 수행하여 Table 1에 결과를 제시하였다. 암모니아 농도는 환기량 (R2=-0.757)과 내부 온도 (R2=-0.558)와 음의 상관관계를 보였으며, 특히 환기량의 경우, 내부에서 발생된 암모니아가 환기팬에 의해 밖으로 배출되기 때문에 가장 강한 음의 상관성을 가지는 것으로 나타났다. 환기량은 내부 온도의 영향을 받기 때문에 내부 온도 (R2=0.648)와 높은 수준의 양의 상관관계를 보였다. 한편 암모니아 배출량은 선행연구와 다르게, 환기량 (R2=-0.263)과 음의 상관관계로 나타났다 (Park et al., 2022). 이는 환기량보다 암모니아 농도가 배출량에 지배적인 영향을 끼쳤음을 시사한다. 본 연구에서 자돈의 사육밀도는 0.4 m2로, 축산법 시행령에 따른 후기 자돈의 권장 사육밀도 (0.3 m2)에 비해 더 넓은 환경을 제공하였다. 따라서 사육기간 동안 발생되는 자돈의 암모니아 발생량에 비해 환기 효과가 더 크게 작용한 것으로 사료된다.
Table 1.
Correlation factor between ammonia concentration, ventilation, temperature and relative humidity.
| NH3 Concentration | Ventilation | NH3 emission | Temperature | Relative Humidity | |
| NH3 Concentration | 1 | ||||
| Ventilation | -0.76§ | 1 | |||
| NH3 emission | 0.48§ | -0.28§ | 1 | ||
| Temperature | -0.56§ | 0.65§ | -0.26§ | 1 | |
| Relative Humidity | 0.42 | -0.46§ | -0.05 | -0.35§ | 1 |
결 론
본 연구는 강제환기식 자돈사의 암모니아 배출 특성 파악 및 배출계수 산정을 위해 2022년 4월 19일부터 6월 12일까지 45일의 기간동안 수행되었다. 배출량 측정은 유럽의 공인된 방법인 VERA test protocol에 근거하여 수행되었으며, 광음향분광법 측정기기를 사용하여 자돈사 내부의 암모니아 농도를 실시간으로 모니터링 하였다. 측정기간 동안 자돈사 내부의 암모니아 농도는 0.81~9.15 ppm 범위로 나타났으며, 평균 2.61 ppm으로 측정되었다. 환기량은 1876~7611 m3/hr 범위로, 평균 6067 m3/hr로 나타났다. 또한 암모니아 농도 및 배출량, 환기량의 시간에 따른 뚜렷한 일변화 경향성이 확인되었다. 암모니아 농도는 오전 6~7시경 3.92 ppm으로 가장 높은 농도를 보였으나, 환기량은 일출 이후 외부 온도가 높아지는 오후 시간대에 점차 증가하였으며, 오후 12시경 7096 m3/hr로 최댓값을 나타냈다. 배기팬 가동률은 내부온도와 연동하여 달라지기 때문에 환기량과 내부 온도의 경향성은 유사하게 나타났다. 반면 환기량이 증가하면 돈사 내부에 축적된 암모니아가 외부로 더 빠르게 배출되면서 암모니아 농도가 감소하여 서로 반대의 경향성을 나타냈다. 한편 각 변수간 상관성 분석을 진행한 결과에서도 마찬가지로, 암모니아 농도가 환기량 (R2 = -0.757)과 높은 수준의 음의 상관성을 보여 반비례 관계임을 확인하였다.
최종적으로 본 연구에서 산출된 강제환기식 자돈사 유래 암모니아 배출량은 1.6 g/day/pig로 나타났다. 하지만 암모니아 농도는 돈사 구조, 계절별 특성 등에 따라 달라질 수 있기 때문에 보다 대표성 있는 배출량 평가를 위해서는 장기간의 모니터링이 필요할 것으로 사료된다. 뿐만 아니라 공인된 방법론에 따른 지속적인 후속 연구를 통해 암모니아 배출량 데이터를 축적하는 것이 필요할 것으로 보인다.
