서 론
축산분야는 2021년 기준 농업 생산액 상위 10대 품목 중 5개 품목(돼지, 한육우, 계란, 닭, 우유 등)을 차지하며 농업에서 높은 비중을 차지하고 있다(Statistics Kroea, 2023). 이러한 국내 축산업의 규모화와 전업화로 인해 가축분뇨의 발생량 및 악취 민원이 지속적으로 증가하고 있다. 축산 분야에서 유래하는 악취 물질로는 암모니아(NH3), 황화수소(H2S), 메틸머캅탄(CH3(SH)) 등이 있으며(Stetter et al., 2003; Wang et al., 2021) 그 중 가장 높은 비중을 차지하고 있는 것은 암모니아이다(Yoon et al., 2021). 2023년 기준 총 암모니아 배출량 242,523 톤/yr 중 농업이 83.9%(203,373 톤/yr)를 차지하며 농업 중에서는 분뇨관리가 91.9%(186,870 톤/yr)를 차지한다고 보고 있다(CAPSS, 2023). 또한 암모니아는 초미세먼지(PM2.5)의 주요 원인 물질 중 하나로 악취 뿐만 아니라 환경에도 큰 영향을 미친다(Behera and Sharma, 2010; Hristov, 2011).
따라서 가축분뇨에서 발생하는 암모니아의 정확한 측정은 매우 중요하다. 현재 대기오염공정시험기준에서는 암모니아에 대해 비분산적외선분광분석법 및 용액전도율법을 이용한 굴뚝연속자동측정기기를 기준으로 제시하고 있다(National Insitute of Environmental Resaerch, 2024). 그러나 가축분뇨 퇴비화가 진행되는 과정에서 암모니아의 발생량을 측정하기 위해서는 준 연속(quasi-continuous) 측정이 필요하고, 타 온실가스와의 동시 실시간 모니터링 역시 가능한 암모니아 측정 장비 개발이 필요하였다. 따라서 본 연구에서는 퇴비화 시 발생하는 암모니아의 발생량을 측정하기 위해 Laser 방식을 사용한 준 연속 암모니아 측정 센서를 이용하였으며 이미 공인된 측정 방법과의 비교를 통해 해당 센서의 신뢰성 검증을 실시하였다.
재료 및 방법
본 연구에서 검증할 암모니아 측정 센서는 LSE NH3-1700 Analyser (LSE-Monitoris, Netherlands)이다. 해당 장비는 Laser 방식을 사용하며 67.5초당 1회 측정을 실시하고, 측정 범위는 0 ~ 100 ppm이며, 호스를 통해 원하는 곳의 공기 시료를 펌프를 통해 센서에 주입하여 암모니아 농도를 측정할 수 있는 장비이다(Table 1). 암모니아 센서를 검증하기 위한 방법으로 기존에 공인된 방법인 NIOSH Method 6015 Ammonia (National Institute for Occupational Safety and Health, 1992)를 이용하였다. 해당 방법은 흡착관(sulfuric acid-treated silica gel)을 통해 암모니아를 포집하고, 이를 이온 교환 크로마토그래피(Ion-exchange chromatography; IC)를 이용해 분석하는 방법이다. 자세한 암모니아 측정 및 분석 조건은 Table 2와 같다.
Table 1.
Measurement conditions of ammonia using sensor.
| Range | 0 ~ 100ppm |
| Measurement cycle | 67.5 sec |
| Measurement method | Laser analysis |
Table 2.
Measurement and analysis conditions of ammonia using solid adsorption tube.
암모니아 측정은 우분을 사용한 퇴적송풍식 시설에서 이루어졌으며 Figure 1과 같이 부숙 진행중인 우분 위의 세 측정 지점에서 흡착관과 센서를 이용한 동시 측정을 진행하였다. 측정은 2023년 6월경 오후 2시부터 4시 반까지 두 시간 반 가량 진행되었으며 측정이 종료된 이후 이후 암모니아 센서에 기록된 암모니아 측정값과 흡착관 분석을 통한 암모니아 분석값을 비교하였다.
결과 및 고찰
암모니아 센서의 평균 측정값과 고체 흡착관을 이용한 분석값을 Table 3에 나타내었다. 센서의 평균 측정값은 측정 지점에 따라 1,236.1(±139.1) ppb, 962.2(±63.5) ppb, 1,142.7(±103.2) ppb 였으며, 전체 평균은 1,113.7(±103.2) ppb였다. 고체 흡착관을 이용한 분석값은 측정 지점에 따라 1,227.4 ppb, 975.7 ppb, 1,162.1 ppb 였으며, 전체 평균은 1,103.7 ppb이었다. 두 값을 비교한 결과, 각각의 오차를 백분율로 나타내었을 때 0.7%, -0.6%, -0.3%, 전체 평균은 0.9%로 1% 이내의 오차율을 보였다(Table 3 및 Figure 2).
Table 3.
Comparison of measurement and analysis values of ammonia sensors and solid adsorption tubes for each measurement point.
현재 국내 작업환경측정 및 정도관리 등에 관한 고시에 따르면 시료분석 값이 분야별로 75% 이상 적합범위 안에 포함되었을 때 적합한 분석이 이루어지고 있다고 보고 있다(Ministry of Employment and Labor, 2020). 또한 통계적으로 가스 센서를 평가할 때 1% 이내의 정확도를 엄격한 기준으로 제시하고 있다(Badura et al., 2013). 본 연구에서 검증을 진행한 암모니아 센서의 경우 참값(고체 흡착관을 이용해 분석한 결과)과의 오차가 1% 이내로 충분한 정확도를 지녔다고 평가할 수 있다.
다만 본 연구에서 검증한 센서의 측정 범위는 0 ~ 100 ppm이고 제조사에서의 최적 성능 범위는 수십 ppb의 저농도를 권장하고 있다. 본 연구에서 사용된 우분에서의 암모니아 발생량은 1 ppm 내외로 측정 범위를 벗어난 고농도는 아니지만 최적 성능 범위를 벗어나 센서 측정값에 오차가 발생할 수 있다. 또한 본 연구는 2시간 30분 가량의 짧은 측정 시간, 외부 기류 영향, 실험 계절(초여름) 등 한계점을 가지고 있다. 해당 한계점을 보완하기 위해 향후 장시간 측정(24시간 이상), 플럭스 챔버를 이용한 외부 간섭 요소 차단, 계절별 비교, 축종별(우분, 돈분, 계분 등) 비교 등 추가적인 연구가 필요할 것이다.
