서 론
축산업은 우리나라 농업의 높은 비율을 차지하는 산업이다. 2020년 기준, 농업부문 생산액 상위 10대 품목 중 축산물이 6개 품목을 차지하였으며, 총 생산액은 약 20.5조원으로 전체 농업부문의 39%를 차지한다(Statistics Korea, 2020). 이러한 축산 분야의 규모화와 전업화 등으로 인해 지속적으로 가축분뇨 관련 악취 미원이 지속적으로 증가하고 있다. 축산 악취의 주요 원인 물질로는 암모니아(NH3), 황화수소(H2S), 메틸머탑탄(CH3(SH)) 등이 있으며 이 중 가장 큰 농도를 차지하는 것은 암모니아이다(대전세종연구원, 2018). 특히, 암모니아는 초미세먼지(PM2.5)의 주요 원인물질이기도 하다(Brunekreef B. et al., 2015; Thakrar S. K. et al., 2020; Megaritis A. G. et al., 2013).
암모니아는 강한 자극성 냄새를 갖고 있는 무색의 기체로서, 악취방지법에 지정된 지정악취물질 중 하나이다. 암모니아는 대기 중 체류시간이 5일 이내로 짧지만, 암모늄 에어로졸은 15일 정도의 체류시간을 기록해 대기조건에 따라 약 2,500km까지 이동 가능해 농업지역에서 배출된 암모니아가 대도시 등 광범위한 지역에 영향을 끼칠 수 있다(Sa J. H. and Jeon E. C., 2010).
통계자료에 따르면 암모니아의 배출은 농업분야에서 가장 많으며(Van Damme M. et al., 2021), 우리나라의 경우 그 중 분뇨관리 부분에서 211,362톤으로 가장 많은 배출량이 보고되었다(Clean Air Policy Support System, 2019). 그러나 기존 농업지역의 암모니아 배출량 및 배출계수에 관한 연구는 농업 또는 축사 자체에 집중되어 있었다(Hong S. C. et al., 2021; Sa J. H. and Jeon E. C., 2010; Mukhtar, S. et al., 2008; Park S. Y. et al., 2022). 또한 퇴비에 대한 연구 역시 퇴비의 품질 및 퇴비화의 특성에 관한 연구가 대부분이었다(Kim, H. K. et al., 2022; Kim, S. R. et al., 2023). 국내 가축분뇨 대부분이 퇴비화로 처리되고 있는 상황이며 퇴비화 과정에서 발생하는 암모니아의 정확한 배출량 평가 및 배출계수 산정이 필요한 실정이다(Kim M. S. et al., 2020). 또한 가축분뇨 퇴비화 시 암모니아 외에도 메탄, 아산화질소 등의 온실가스 역시 생성된다(Hao X. et al., 2001; Zhu X. et al., 2017; Chadwick D. et al., 2011).
따라서 본 연구는 가축분뇨 중 가장 대표적인 한우분을 선정하여 한우분 퇴비화 시 발생하는 암모니아와 더불어 메탄, 아산화질소의 배출량을 측정하고, 배출계수를 산정하여 향후 미세먼지 및 온실가스 발생량 관리를 위한 기초자료와 국가 인벤토리를 구축하는 것을 목표로 한다.
연구 방법
실험은 강원도 춘천시 소재 한우농가에서 진행되었다. 농가로부터 한우분을 지원받은 후, 무게를 측정해 플럭스 챔버(Flux chamber)에서 퇴비화를 진행하였다. 퇴비화 방식은 소규모 농가에서 주로 사용되는 퇴적송풍식(Hwa K. H., 2014)으로 설정하였고 플럭스 챔버에 장착된 환기팬을 이용해 일정한 양의 공기를 주입/배출시켰다(Figure 1).
Figure 1.
실험에 이용된 플럭스 챔버.
플럭스 챔버 In, Out 측의 가스 농도를 측정한 후 Out 측의 농도에서 In 측의 농도를 빼주어 퇴비화 과정에서 발생한 가스의 농도를 계산하였다. 이후 (기체의 농도*기압*분자량)/(기온*기체상수)를 계산하여 가스의 발생량(μg/m3)을 계산한 후, 발생량에 플럭스 챔버의 유량 및 한우분의 무게를 적용하여 최종적인 배출계수(μg/s/ton, 한우분 1 ton당 1초당 배출되는 가스)를 산정하였다. 기압은 실험 날짜의 기상청 데이터를 수집하였으며, 기온계를 이용해 플럭스챔버 주변의 기온을 측정하였다. 배출계수 산정에 대한 상세한 수식은 식 (1)과 같다.
EF: 배출계수(μg/s/ton)
Cout : 플럭스 챔버 Out 측의 가스 농도(ppm)
Cin: 플럭스 챔버 In 측의 가스 농도(ppm)
atm: 대기압(atm)
MW: 해당 가스의 분자량(g･mol-1)
T: 기온(K)
R: 기체상수(0.020 L･atm･K-1･mol-1)
Q: 팬의 유량(m3/s)
W: 한우분의 무게(ton)
측정 가스는 암모니아(NH3), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O)로 선정하였으며 Laser 분석 기법을 활용한 분석 장비를 이용하였다. 상세한 분석기기의 정보는 Table 1과 같다.
Table 1.
가스 분석 장비의 개요.
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암모니아 센서
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측정범위
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0~100 ppm
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측정주기
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67.5 sec
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측정방법
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Laser 분석
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메탄 센서
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측정범위
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0~1000 ppm
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측정주기
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1 sec
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측정방법
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Laser 분석
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아산화질소 센서
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측정범위
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0~40 ppm
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측정주기
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1 sec
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측정방법
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Laser 분석
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실험은 한우분 6,450 kg(6.45 ton)을 사용하여 2023년 10월에 진행되었으며, 대략 2시간 동안 측정이 이루어졌다. 분석장비의 특성상 한번에 하나의 물질만 측정할 수 있어 센서 안정화 시간을 고려하여 각 물질당 약 35분 가량의 측정 데이터를 수집하였다.
연구 결과 및 고찰
암모니아 및 온실가스 배출량 측정과 그에 따른 배출계수 산정 결과, NH3의 경우 평균 4,003.2(± 850.6) μg/s/ton, CH4의 경우 평균 67.809(± 16.008) μg/s/ton, N2O의 경우 평균 2.512(± 0.566) μg/s/ton으로 산정되었다(Figure 2).
Figure 2.
한우분 온실가스 및 암모니아 배출계수 산정 결과
암모니아 배출계수에 대한 선행연구들의 경우 Dynamic Flux Chamber를 이용한 소사육시설에서 11.41(±5.86) kgNH3/animal/yr(Sa J. H. and Jeon E. C., 2010), 낙농장 시설에서 9.4(±5.7) kgNH3/animal/yr(Mukhtar, S. et al., 2008), 강제환기식 모돈사에서 11.2g/day/pig(Park S. Y. et al., 2022) 등의 결과가 보고되었다. 본 연구의 암모니아 배출계수 산정 결과를 kgNH3/yr/ton으로 수정하면 126.1 kgNH3/yr/ton으로, 한우의 표준 분 배출량 8 kg/animal/day를 적용하면 43.2 kgNH3/yr/animal로, 선행연구에 비해 높은 값을 보인다. 선행연구들의 경우 퇴비화 시설이 아닌 가축 사육시설에서 배출계수를 측정하였다. 퇴비화시설은 가축 사육시설에 비해 암모니아 배출의 원인인 가축/분뇨가 집약되어 있어 높은 발생량을 보인 것으로 판단된다.
메탄 및 아산화질소의 경우 돈분뇨 처리시설에서의 분뇨 처리 과정에서의 배출계수를 평가한 선행연구에서 각각 3.919 kgCH4/ton, 0.042 kgN2O/ton으로(Park Y. S. et al., 2020), 대상 축종과 배출계수 산정 방법이 달라 직접적인 비교는 불가하였다.
본 연구에서는 플럭스챔버 내에서 퇴적송풍식으로 한우분을 퇴비화시키며 NH3, CH4, N2O의 배출계수를 산정하였다. 그러나 측정이 한 계절만 이루어졌다는 한계점이 있다. 향후 추가적인 계절 측정을 통해 계절별 비교가 이루어질 필요가 있다. 또한 한우분 외에도 유우분, 계분 등의 가축분뇨 퇴비화 시 발생하는 암모니아 배출계수 역시 산정하여 자료를 구축해야 할 것이다.
결 론
암모니아는 초미세먼지의 주요한 전구물질로서 초미세먼지 생성에 많은 기여를 하고 있고, 토양의 산성화와 호소의 부영양화의 원인물질이기도 하다. 이러한 암모니아의 주요 발생 원인은 축산업이며, 그 중에서도 분뇨관리 부분에서 가장 많은 배출량을 보인다. 또한 암모니아 외에도 메탄, 아산화질소 등이 퇴비화 시 발생할 수 있으며, 이들은 온실가스로 지구온난화를 가속시킬 수 있다.
본 연구에서는 플럭스 챔버를 활용해 한우분 퇴비화 시 발생하는 암모니아, 메탄, 아산화질소의 배출계수가 측정되었다. 측정 결과, 암모니아의 경우 평균 4,003.2(± 850.6) μg/s/ton, 메탄의 경우 평균 67.809(± 16.008) μg/s/ton, 아산화질소의 경우 평균 2.512(± 0.566) μg/s/ton으로 산정되었다. 이는 기존 축사 등에서 암모니아 배출계수를 산정한 선행연구들에 비해 높은 값으로, 퇴비화 시설에서 배출계수를 측정한 본 연구의 특성상 배출원이 보다 집약되어 있는 것이 원인으로 판단된다.
향후 본 연구를 바탕으로 퇴비화 시 발생하는 암모니아, 메탄, 아산화질소의 계절별 비교, 타 축종분(유우분, 계분 등)에 대한 비교 연구가 진행될 필요가 있다.
Acknowledgements
본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호: PJ017077)의 지원에 의해 이루어졌음
References
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