서 론

암모니아는 질소와 수소로 이루어진 화합물인 가스상 물질이다. NH₃는 산업, 농업, 자동차 등 다양한 곳에서 배출되며, 특히, 축산업에서 많이 발생되는 것으로 알려져 있다 (Li et al., 2017; Paulot et al., 2014; Zhao et al., 2012; Sutton et al., 2000). 이러한 NH₃는 대기 중 부유하며, 생태계에 영향을 미치거나, 인체의 영향을 미친다 (Bhattarai et al., 2020; Zou et al., 2018; Xu et al., 2016; Park et al., 2014; Xu et al., 2012). 또한, 현재 NH₃는 간접 온실가스 및 2차 무기미세먼지의 전구체로 NH₃ 연구가 시급한 상황이다.

국내 NH₃ 배출량 자료인 CAPSS에 따르면, 2015~2017년 국내 NH₃ 배출량은 297.2, 301.3, 308.3 천톤으로 매년 배출량이 증가하는 추세로 나타났다 (CAPSS, 2017). 2017년 주요 NH₃ 배출원은 농업 244.3 (79.3%)천톤, 생산공정 43.0 (13.9%)천톤, 기타 면오염원 4.2 (12.9%)천톤으로 농업에서 가장 많은 NH₃가 배출되었다. 농업부문 세부사항으로 분뇨관리 226.6 천톤, 비료사용 농경지 17.8천톤으로 가축에서 NH₃ 배출량이 높은 수준으로 나타났다.

특히, 돼지의 경우, 분류체계, 세분류에서 모돈, 자돈, 육성돈, 비육돈으로 4개의 사양단계로 구분되며, 세세분류는 돈사 내, 퇴비장, 축산폐수처리, 토양시비로 나뉘게 된다. 현재 국립환경과학원에서 제시된 돈사 내 사양단계별 NH₃ 배출계수는 자돈, 육성돈, 비육돈, 모돈 각각 1.9, 4.5, 5.2, 11.0 kg/year·pig로, 돈사 내에서는 모돈이 가장 높은 NH₃ 배출계수가 발생하는 것으로 나타났다. 하지만 최근에는 해당 연구의 후속연구 부재, 축사환경 미고려, 실험방법 미확립 등의 문제가 제기되었다. 본 연구는 이러한 문제점을 해결하기 위해 겨울철 강제환기식 임신돈사 내 NH₃ 농도 및 환기량을 측정하여, 최종적으로 돈사에서 발생하는 NH₃ 배출량 및 배출계수를 재산정하였다.

재료 및 방법

본 실험은 2020년 12월 3일부터 1월 17일 (46일) 동안 임신사에서 수행하였으며, 실험 돈사의 평면도와 단면도는 Figure 1과 같다. 돈방은 임신돈을 사육하는 각각 26개의 스톨로 구성된 5개의 사육구역 및 후보 모돈을 각각 4마리씩 사육하는 6개의 Pan으로 구성되어 있으며, 상시 사육두수는 총 154두이다. 환기시스템은 중천장을 통해 외부 공기가 내부로 들어오는 중천장 입기와 돈사 내 천장에 위치한 4개의 배기휀을 통해 내부 공기가 밖으로 배출되는 환기 시스템으로 이루어져 있다. 돈사의 바닥은 concrete와 plastic slatted floor 가 1:1 비율로 구성되어 있으며, 가축분뇨는 plastic slatted floor 아래에 있는 피트에 저장되는 구조이다.

Figure 1.

A cross-sectional view and a floor plan of a gestation swine barn.

시험 기간 중 분만이 임박한 돼지는 분만을 위해 26마리씩 분만사로 이동하며 분만사에서 약 4~5주간 분만 및 포유를 한 후 다시 임신사로 이동하여 사육하였으며, 사육두수는 사육면적 대비 상시 90~100%로 유지되었다 (VERA, 2018). 임신돈에 급여한 사료 성분은 조단백 (Crude protein) 13.5%, 조지방 (Crude fat) 3.0%, 칼슘 (Ca) 0.65%, 인 (P) 1.5%, 조섬유 (Crude fiber) 8.0%, 조회분 (Crude ash) 8.0%, 라이신 (Lysine) 0.6%이다.

현재 국내에는 NH₃ 배출량 평가를 위한, 공인된 NH₃배출량 측정 프로토콜이 없기 때문에, VERA 테스트 프로토콜 방법론 (Verification of environmental technologies for agricultural production)을 이용하였다. 축사 내부 NH₃ 농도는 실시간 광음향분광 측정기 (LumaSense Technologies INNOVA 1412i, Ballerup, Denmark)를 사용하여 측정하였다. 또한, 멀티 샘플러 (LumaSense Technologies INNOVA 1409 (6 port), Ballerup, Denmark)를 이용하여 중천장에서 입기와 돈사 내부 배기휀 3곳에서 배출구 농도를 측정하였다. 측정 주기는 1일 12회 측정하였으며, 매 2시간 마다 6회 측정한 뒤, 측정한 데이터 중 최소 흡인 횟수를 고려하여 4~6회 평균 농도를 대표 값으로 사용하였다 (Jo et al., 2020a). 또한, 돈사 내부 온도와 내부 배기휀 가동률은 돈사에서 자체 측정된 실시간 자료를 1시간 평균을 내어 사용하였다. 돈사 내부 상대습도는 NH₃ 측정기에서 측정된 이슬점을 식 1을 사용하여, 습도로 변환해 내부 상대습도를 산정하였다 (Sonntag, 1990).

T : Temperature in pig room (- 45°C < T < 60°C)

RH : Relative humidity (%)

β : 17.62

λ : 243.12°C

돈사 내 환기량은 환기팬의 가동률에 따라 실측하여, 가동률에 따른 환기량을 계산하였다. 환기량 측정을 위해 실험 돈사의 배기구 (Vostermans ventilation BV Multifan 4E50 (Ø630), Venlo, Netherlands)에 소형 환기량 측정 장치를 제작하였으며, 이때, 30, 50, 70, 100%의 가동률에 따른 유량 (m³/h)을 측정하였다 (ASHRAE, 1993; Jo et al., 2020b). 환기팬은 가동률은 30% 이하로는 운용되지 않았으며, 돈사 내 환기팬 가동률은 온도변화에 따라 1% 단위로 가동되었다. 결측구간 (31~49%, 51~69%, 71~99%)에서의 환기량은 Jo et al. (2020b)의 방법론을 사용하여 모델링을 통해 추정하였다. 최종적으로 측정된 돈사 내 환기량 범위는 3642.5~12703.0 m³/h로 나타났다.

측정된 돈사 내 NH₃ 농도와 환기량을 통해 최종적으로 NH₃ 배출량을 산정하였다. NH₃ 배출량 산정 공식은 식 2, 3에 나타냈다. NH₃ 순발생 농도는 측정하기 위해 배기 농도에서 입기 농도를 제외하였고, 3개의 배기휀 NH₃ 농도 평균과 환기량을 곱하여 NH₃ 배출량을 계산하였다. 이후 단위 부피당 질량 단위 (mg/m³)로 전환하여 최종 시간당 NH₃ 배출량을 산정하였다. 계산된 NH₃ 배출량은 VERA에 명시된 이상치 제거기준 (Outlier upper > upper quartile (75th; 3Q) + (3IQR), Outlier lower > lower quartile (25th; 1Q) ― (3IQR); IQR: Inter quartile range)을 적용하여 이상치를 제거하였고, 최종적으로 임신돈사 내 돼지 1마리당 NH₃ 배출계수 (kg·year^-1·pig^-1)를 산정하였다.

ENH3: 돼지 1마리가 1시간당 배출하는 NH₃(g∙h-1∙pig-1)

Ammoniaout: 배기구 NH₃ 농도 (ppm)

Ammoniain: 입기구 NH₃ 농도 (ppm)

Vflow: 1시간 평균 환기량

pig: 사육 두수

또한, 측정 항목간 상관성을 분석하기 위해 상관분석을 진행하였다. 상관분석에 앞서, 측정된 각 항목간 정규성 검정을 위해, Shapiro-walk test를 이용하였고, 분석 결과, 내부 습도 데이터를 제외한 모든 측정 항목이 정규분포를 따르지 않은 비정규 분포로 나타났다. 따라서, 비모수적 상관분석인 ‘Spearman's Correlation’을 이용하여 상관분석을 진행하였다.

결과 및 고찰

1. 겨울철 임신돈사 내부 모니터링 결과

국내 강제환기식 임신돈사에서의 NH₃ 배출량 산정을 위해, 2020년 12월 3일~2021년 1월 17일 기간 동안, 임신돈사 내부 NH₃ 농도를 배출구 및 입기구에서 측정하였고, 결과를 시계열 그래프로 나타냈다 (Figure 2). 2020년 12월 14~18일, 2021년 1월 7~12일 동안 기기의 오류 및 축사 현장 상황으로 인한 결측 구간이 발생하여, 해당 데이터를 제외하고 분석하였다. 배출구 Port 1~3의 NH₃ 농도 범위는 각각 13.6~38.3 ppm, 16.0~52.7 ppm, 12.0~30.8 ppm으로 나타났다. 또한, 입기구의 NH₃ 농도는 0.6~4.7 ppm으로 축사 내부에 비해 낮은 농도 수준을 보였다. 특히, 2020년 12월 5일 오전 8~9시에 port 1~3 모두 측정 기간 중 가장 높은 농도를 보였다. NH₃ 평균 농도는 port 1~3 각각 21.1 ± 3.8 ppm, 26.3 ± 5.9 ppm, 18.9 ± 3.2 ppm, 입기구의 경우, 2.5 ± 1.2 ppm으로 측정되었으며, 이때, port 2번의 평균 NH₃ 농도가 가장 높은 것으로 나타났다. 출입구 인근 port의 경우, 작업자에 의해서 출입구가 개폐될 때, 외부에서 유입되는 깨끗한 공기의 영향을 받아 상대적으로 NH₃ 농도가 낮은 것으로 판단된다. 최종적으로 돈사 내 NH₃ 평균 농도는 19.6 ± 3.7 ppm였다.

Figure 2.

Hourly average NH₃ concentration in the gestation swine, during the measurement period.

Figure 3은 NH₃ 농도와 배출량, 내부 온도, 상대습도, 환기량의 일별 평균을 보여준다. 돈사 내부 온도는 평균 19.0 ± 1.1°C로 측정되었으며, 계산된 돈사 내부 상대습도의 경우, 25.5 ± 3.7%로 나타났다. 측정 기간 중, 2020년 12월 8일부터 돈사 내부온도가 낮아지면서, 환기량이 급격하게 감소하였다. 환기량의 경우 3699.3~11926.1 m³/h의 범위로 나타났으며, 평균 6116.7 ± 2145.0 m³/h로 측정되었다. 측정된 NH₃ 농도와 환기량을 통해 NH₃ 배출량 산정 결과, NH₃ 배출량 범위는 3.4~34.7 g/day·pig였으며, 측정 기간 평균 13.6 ± 7.4 g/day·pig로 산정되었다. 특히, 환기량이 급감하는 12월 8일의 경우, NH₃ 배출량은 환기량의 영향을 받은 것으로 나타났다. Philippe et al. (2016)에서 임신돈사 내 평균 NH₃ 배출량이 12.7~15.8 g/day·pig으로 측정된 결과를 통해, 본 연구의 NH₃ 배출량이 비슷한 수준인 것으로 나타났다.

Figure 3.

Daily average NH₃ concentration, NH₃ emission, temperature, RH, ventilation in the gestation swine, during the measurement period.

NH₃ 농도와 배출량, 내부 온도, 상대습도, 환기량의 일변화 경향성을 분석하기 위해 Figure 4를 나타내었다. 측정 기간, NH₃ 농도를 비롯하여, NH₃ 배출량, 환기량의 일변화 경향성이 뚜렷하게 나타났다. NH₃ 농도의 경우, 오전 8~9시에 22.8 ppm으로 가장 높은 농도를 보였으며, 반면, 환기량의 경우, 내부 온도가 가장 높은 오후 14~15시 (19.2°C)에 7021.0 m³/h로 최대로 나타났다. 이는, 돈사 내부 온도에 따라서 배기휀이 가동되기 때문에, 내부 온도와 환기량의 경향성이 유사한 것으로 나타났다. 또한, 환기량이 증가함에 따라서, 돈사 내부에 축적된 NH₃ 농도가 밖으로 배출되어 NH₃ 농도가 감소하는 것으로 나타났다 (Jacobson et al., 2005; Sun et al., 2008). 하루 중, NH₃ 배출량은 오전 8~9시에 0.73 g/day·pig로 가장 높게 나타났으며, 이는 NH₃ 농도의 일변화 경향성과 상당히 유사한 것으로 분석되었다.

Figure 4.

Diurnal variation of NH₃ concentration, NH₃ emission, temperature, RH, ventilation in the gestation swine, during the measurement period.

2. 상관분석

측정된 인자별 영향을 분석을 위해 상관분석을 실행하여 Table 1에 나타냈다. 상관분석 결과, NH₃ 농도는 내부 온도 (r = 0.387)와 NH₃ 배출량 (r = 0.465)과 약한 양의 상관관계를 보였다. 환기량의 경우에는 NH₃ 배출량 (r = 0.820), 내부 온도 (r = 0.813), 상대습도 (r = 0.715)와 강한 양의 상관관계를 보였다. 이는 앞서, Figure 4와 같이 환기량이 내부 온도의 영향을 받은 것으로 보였으며, 환기량이 증가하면서 내부에 있는 NH₃가 밖으로 배출되어 배출량이 증가한 것으로 분석되었다. 선행연구에 따르면, NH₃ 배출량은 환기량 영향보다 NH₃ 농도의 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있다 (Jo et al., 2020c; Sun et al., 2008). 반면, 본 연구에서는 겨울철 외부 기온의 영향으로 인해, 환기량이 급감하였고, 이에 따라, NH₃ 배출량이 환기량 영향을 크게 받은 것으로 판단된다.

3. NH₃ 배출계수

측정된 NH₃ 농도와 환기량을 통해 최종적으로 배출계수를 산정하였다. 배출계수를 산정하기 앞서 NH₃ 배출량 데이터의 이상치 제거를 진행하였다. 이상치 제거 후, 다시 산정한 겨울철 임신돈사 내부 NH₃ 배출계수는 11.1 g/day·pig였으며, 단위 환산을 통해 최종 4.0 kg/year·pig로 산출되었다. 이는, 선행연구의 NH₃ 배출계수인 9.1~15.8 g/day·pig와 비슷한 수준으로 나타났다 (Philippe et al., 2016; Philippe et al., 2011).

결 론

본 연구는 강제환기식 임신사의 겨울철 NH₃ 배출 특성을 분석하기 위해, 2020년 12월 3일~2021년 1월 17일 기간, 임신돈사 내부 NH₃ 농도, 환기량, 내부 온습도를 측정하였다. 측정기간 NH₃ 평균 농도는 port 1~3 각각 21.1 ± 3.8 ppm, 26.3 ± 5.9 ppm, 18.9 ± 3.2 ppm였으며, 입기구는 2.5 ± 1.2 ppm으로 측정되었다. 이때, 최종 돈사 내 NH₃ 평균 농도는 19.6 ± 3.7 ppm였다. 돈사 내부 평균 온도는 평균 19.0 ± 1.1°C, 상대습도 25.5 ± 3.7%로 나타났으며, 환기량의 경우 평균 6116.7 ± 2145.0 m³/h로 측정되었다. 측정기간 NH₃ 배출량 산정 결과 평균 13.6 ± 7.4 g/day·pig로 나타났다. 측정 인자별 영향 분석을 위해 상관분석 결과, NH₃ 농도는 내부 온도 (r = 0.387)와 NH₃ 배출량 (r = 0.465)과의 약한 양의 상관관계를 보였다. 반면, 환기량의 경우에는 NH₃ 배출량 (r = 0.820), 내부 온도 (r = 0.813), 상대습도 (r = 0.715)와의 강한 양의 상관관계를 보였다. 이는 배기휀이 내부 온도에 의해 가동되어 환기량에 영향을 준 것으로 분석되었다. 분석 결과를 바탕으로 최종 배출계수 산정 결과, 겨울철 임신돈사 내부 NH₃ 배출계수는 11.1 g/day·pig로 산정되었으며, 최종적으로 4.0 kg/year·pig로 산출되었다.

현재 국내 축사발생 NH₃ 배출계수는 후속연구 부재, 축사환경 미고려, 실험방법 미확립 등의 다양한 문제가 제기되고 있다. 이를 해결하기 위해, 강제환기식 임신돈사에서 발생하는 NH₃ 배출량 및 배출계수를 재산정하는 연구를 진행하였다. 하지만, 겨울철로 한정되어 있어 국내 NH₃ 배출계수로 적용하기엔 대표성이 부족하여, 다양한 계절 (봄, 여름, 가을)의 NH₃ 배출량 측정이 이루어져야 국가 배출계수를 산정할 수 있을 것으로 사료된다.