서 론

암모니아(NH₃)는 대기 중 2차 초미세먼지(PM2.5) 형성에 관여하는 대표적인 전구물질로, 대기질 악화와 축산 악취의 주요 원인으로 지목되고 있다(Kim et al., 2022). 암모니아는 대기 중에 존재하는 황산과 질산이 화학반응에 의해 황산암모늄이나 질산암모늄 형태로 전환되어 2차 초미세먼지 형성을 야기한다(Irwin et al., 1988; Song et al., 2024; Lee et al., 2024). 대기정책지원시스템(CAPSS) 2022년 국가 통계에서 연간 암모니아 배출량의 202,443 ton (83%)가 농업 부문에서 기인하며, 분뇨 관리 부문이 186,052 ton (92%)를 차지한다. 특히 돼지에서 발생하는 암모니아는 분뇨 기인 배출량의 약 42%에 해당하여, 국내 암모니아 감축 정책의 핵심 관리 대상이 되고 있다.

돼지(돈사)에서 배출되는 암모니아는 대기오염뿐만 아니라 인근 지역의 생활환경을 저해하는 악취 문제를 야기하고 있다. 축산 농가에서 주로 배출되는 주요 악취 물질로는 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S), 휘발성 유기화합물 (VOCs) 또는 휘발성 지방산 (VFAs) 등이 있다(Chen et al., 2022; Han et al., 2024). 국내에서는 2002년 지정악취물질 제도를 도입하여 악취 관리를 강화해 왔으나, 양돈시설에서는 암모니아 외에도 황화수소, 트리메틸아민, 유기산 등 다양한 악취 물질이 복합적으로 배출되기 때문에 효과적인 통합 관리에 어려움이 존재한다(Jeong et al., 2023). 돈사에서 발생하는 암모니아 및 악취를 효과적으로 저감하기 위한 다양한 연구가 선행되어 왔다. 기존 연구들은 주로 사료 내 단백질 함량 조절, 바이오 커튼, 안개 분무 시스템, 액비 순환 시설 등 발생된 악취를 후처리(post-treatment)하는 방식에 집중되었다(Lee et al., 2010). 그러나 이러한 사후 처리 방식은 분뇨 내 미생물 분해 과정에서 생성되는 악취 전구물질의 생성 단계 자체를 제어하지 못하기 때문에 한계가 있으며, 추가적인 시설 투자 및 운영 비용이 수반된다는 단점이 있다.

최근에는 암모니아 생성의 근본 원인인 요소(Urea)의 가수분해 과정을 억제하는 전처리(pre-treatment) 방식에 대한 관심이 높아지고 있다. 축사 내부에 잔류하는 슬러리에서는 분에서 유래한 우레아제(urease)효소와 돼지 뇨에 포함된 요소가 반응하여 암모니아가 생성되며(Dai et al., 2014), 이후 대기 중으로 휘발되는 것으로 알려져 있다. (J Meisinger et al., 2000; Sigurdarson et al., 2018; Svane et al., 2020). 생성 메커니즘에 기반하여, 요소-우레아제 반응을 저해하는 구조 유사체(urea-urease analogues)를 분뇨에 투입함으로써 암모니아 생성을 선제적으로 차단하는 기술이 제안되었다. PPDA(Phenyl-phosphorodiamidate), NBPT(N-(n-butyl) thiophosphoric triamide), AHA(Acetohydroxamic acid) 등은 우레아제 저해제로서 암모니아 발생 억제 효과가 보고된 물질이며(Whitelaw et al., 1991; Watson et al., 1990), 국내 축산 환경을 대상으로 한 현장 적용 연구는 제한적인 실정이다.

선행연구 Kim et al. (2025)에서는 실내 회분식 조건에서 PPDA, NBPT, AHA 등의 구조 유사체를 돈분뇨에 단독 및 혼합 투입한 결과, PPDA 단독 처리 시 약 79%의 암모니아 저감 효과를 나타내어 가장 높은 효율을 보인 바 있다. 이후 Lee et al. (2025)은 선행연구에서 저감 효과가 가장 우수하게 나타난 PPDA를 대상으로 챔버 및 pilot 규모의 돈사에서 실험을 수행하여, PPDA 투입에 따른 대기 중 암모니아 농도 저감 효과를 평가하였다. 선행 연구에서는 초기 PPDA 투입 시 암모니아 저감 효과가 뚜렷하게 관찰되었으나, pilot 규모 시험 돈사에서 2차 투입 이후에는 교반 조건 및 반응 지속성의 한계로 인해 저감 효과가 감소하는 경향이 확인되었다. 본 연구는 Urea-Urease 구조 유사체 원리를 활용한 사전 처리 방식의 암모니아 저감 효과를 실제 양돈 농가 조건에서 검증하는 것을 목적으로 하였다. 선행 연구에서 제기된 한계를 보완하고, 실제 운영 중인 양돈 농가를 대상으로 현장 실증 연구를 수행하였다. 요소-우레아제 반응의 지속적인 억제를 위해, 구조 유사체인 PPDA에 더해 우레아제 활성 자체를 저해할 수 있는 보조 물질을 함께 적용하는 전략을 도입하였다. 추가 보조 물질로는 우레아제 저해 효과가 보고된 플루오린화나트륨(NaF)을 선정하여 PPDA와 혼합한 형태로 슬러리에 투입하였다. NaF는 우레아제의 니켈 중심 활성부위(Ni²⁺)에 결합하여 효소 활성을 억제하는 대표적인 무기 저해제로 알려져 있으며, 선행 연구에서 우레아제 활성 저해 효과가 실험적으로 검증된 바 있다(Mystkowski et al., 1928; Benini et al., 2014; Jeon et al., 2025). Jeon et al. (2025)에서는 NaF가 미생물의 단백질 가수분해 저해제로서 효과가 있음을 확인하였다.

구조 유사체인 PPDA를 실제 양돈 농가에 적용하여 현장 적용성을 평가하고, PPDA 단독 및 NaF 혼합 투입 조건에서 암모니아 및 주요 악취 물질의 저감 효과를 정량적으로 분석하고자 한다. 이를 통해 돈사 환경 내 암모니아 및 악취 물질의 발생 특성을 규명하고, 기존의 사후 처리 중심 관리 방식을 넘어 사전 저감 중심의 새로운 악취 관리 전략을 제시하고자 한다.

재료 및 방법

1. 실증 농가 선정 및 방법

실증 실험 대상 농가는 전북 진안군 소재(A 농가)와 충북 홍성군(B 농가) 2곳을 선정하여 수행되었다. 선정 조건은 일정 규모 이상의 육성-비육돈사이며, 선정 대상 농가의 형태 및 사육환경, 실험 기간은 Table 1에 나타내었다. 농가는 두개의 동으로 나누어 대조구(무처리), 처리구(PPDA 투입)로 설정하였으며, 처리구의 경우 돼지 입식 전 피트 슬러리에 PPDA 저감물질을 투입하였다. 또한 연구 기간동안 매주 1회 방문하여 돈사 내부 악취물질 및 암모니아 샘플링을 진행하였으며, 현장점검 및 돼지 사육 현황도 확인하였다. Figure 1에 A, B 농가의 돈사 단면도와 암모니아 및 악취 물질 샘플링 위치를 제시하였다. 본 실증 실험 대상 농가는 돈방별 사양 관리 조건이 동일하며, 기존의 별도 악취 저감시설이 설치되지 않은 환경에서 수행되어 외부 변수에 의한 영향을 최소화하였다.

Figure 1.

Side view and indoor sampling locations of farms A and B.

A 농가는 겨울철(12-1월)에 진행되었으며, 외부 기온이 낮아 내부 환기량을 제한하고 있는 조건이었다. 슬러리 피트는 농가와의 협의를 통해 올인-올아웃(all-in/all-out) 방식으로 슬러리 제거를 수행하였으나, 시설 연식이 오래되어 슬러리가 완전히 제거되지 않았으며, 잔존 슬러리의 비율이 비교적 높은 상태였다. 또한 돈사 내부의 전반적인 청결도는 낮은 편으로 확인되었다. 실시간 암모니아 측정 장비의 설치가 구조적으로 어려워, 암모니아 공정시험법에 따른 붕산 흡수법을 적용하여 암모니아 농도를 분석하였다. 이에 따라 암모니아 및 주요 악취 물질에 대한 주기적인 샘플링만 수행하였다.

B 농가는 여름철(5-7월)로 외부 기온이 높아 환기량이 높았다. 돼지의 고온 스트레스 완화를 위해 물 분무가 수시로 이루어지고 있었다. 슬러리 제거는 A 농가와 동일하게 농가와 협의를 통해 관리하였으며, 올아웃 시 슬러리가 완전히 제거되었다. 또한 돈사 내부도 광음향 분광 장비(INNOVA-1441)를 설치하여 실시간 암모니아 농도 모니터링을 수행하였으며, 동시에 암모니아 및 주요 악취 물질에 대한 시료 채취를 병행하였다. 실시간 암모니아 농도는, 돈사 내부의 농도의 균일성을 반영하기 위해, 전체 돈방을 4개의 구획으로 나누고, 각 구획 내 사료 급이기 상단에 측정 포트를 설치하였다. B 농가의 경우, 샘플링 튜빙을 고정할 수 있는 구조물이 부재하고 천장 환기 방식의 특성상 환기구 인근 설치가 제한적이었다. 또한 가축의 접촉에 의한 훼손을 방지하고 측정의 안정성을 유지할 수 있는 지점을 선정하여 배치하였다. 각 지점의 샘플링 튜빙은 외부에 설치된 펌프를 통해 내부 공기를 동일하게 흡입하였으며, 분석 장비 전단에서 혼합되어 유입되도록 구성하였다(Figure 1(B)). 이때 4개 지점에서 균일한 유량으로 시료가 채취될 수 있도록 실험실 사전 테스트를 거쳐 펌프 부하를 정밀하게 설정하였으며, 모든 지점에서 동일한 규격과 길이의 라인을 사용함으로써 압력 손실에 따른 오차를 최소화하였다.

2. 농가 Urea 구조 유사체(PPDA) 투입 방법

본 연구에서는 암모니아의 초기 발생을 억제하기 위한 사전 저감 후보물질로 요소 구조 유사체인 PPDA를 선정하였다. 선행 연구인 Kim et al. (2025)은 PPDA를 유력한 저감 물질로 선정한 바 있으며, Lee et al. (2025)은 분뇨 챔버 실험과 연구시설 내 시험 돈사 적용을 통해 PPDA의 기본적인 암모니아 억제 효과를 검증하였다. PPDA 투입량은 국립축산과학원에서 제시한 육성·비육돈 기준(70 kg 체중, 평균 분 배설량 1.1 kg/d)을 적용하여, PPDA 요구량은 약 0.025 g/두·일로 계산된다. 투입량은 Urea unit 개념에 기반하여 설정하였으며, 요소 가수분해 활성(돈분뇨 1 kg당 2.06 nM/min; Dai et al., 2014)을 1 Urease unit = 1 μM NH₃로 환산하여 적용하였다. PPDA 용액은 C₆H₉N₂O₂P(97%)를 용해도를 고려하여 5 g/L 농도로 제조하였다. 60℃ 이상의 초순수 조건에서 24시간 동안 연속 교반 공정을 거쳤으며, 제조된 용액은 각 농가의 사육 두수와 사육 기간 내 총 분뇨 발생량을 계산하여 산출된 총량에 맞춰 투입되었다.

A 농가(사육 규모 450두)의 경우, 측정 기간 중 1회의 분뇨 배출이 이루어졌다. 분뇨 배출 시점을 기준으로 입식 전과 육성 후기로 나누어 2회에 걸쳐 총 1,000g의 PPDA를 분할 투입하였다.

B 농가(사육 규모 400두) 역시 동일한 투입 방법을 적용하였다. 사육 규모를 고려하여 산출된 총 910g의 PPDA를 투입하였다.

두 농가 모두 입식 직전과 육성 후기에 각각 1회씩 총 2회 투입하였으며, 투입 시 처리구 피트에 잔류한 슬러리 높이를 사전에 계측하여 잔존 슬러리량에 비례하도록 분산 투입하였다. 이후 사육 기간 동안에는 약 30-45일 주기로 필요한 투입량을 산정하여 사육 두수와 날짜에 맞추어 일괄 적용하였다. 중간 투입 시에는 체중 증가로 인한 분뇨 발생량 변화를 반영하여 투입량을 추가로 조정하였다(Figure 2).

Figure 2.

Manure production increase with pig body weight.

3. 측정항목 및 분석 방법

본 연구에서는 연구 기간 동안 주 1회 실증 농가를 방문하여 암모니아, 복합악취 및 주요 악취물질을 대상으로 시료를 채취하고 분석하였다. 주요 악취 물질 측정 및 분석 방법은 Table 2에 요약해서 나타냈다. 각 항목별 분석 절차는 악취공정시험기준(환경부, 2012)에 준하여 수행하였으며, 대조구와 처리구 모두 동일한 방법을 적용하였다.

(1) 암모니아

암모니아 농도는 붕산흡수법과 실시간 광음향 분광법 두 가지 방식으로 측정하였다. 암모니아 시료는 0.5% 붕산 흡수액 50 mL가 담긴 1 L 임핀저 두 개를 직렬로 연결하여 채취하였다. 5 L/min의 유량으로 10분간 총 50 L를 포집한 뒤, 아이스팩을 이용하여 5℃ 이하 상태를 유지하며 실험실로 운반하였다. 분석은 인도페놀법으로 발색시킨 후 흡광광도계(UV/Vis spectrophotometer)를 이용하여 정량하였다. 실시간 암모니아 농도는 광음향분광법 기반 측정장치(LumaSense Technologies INNOVA 1412i, Ballerup, Denmark)와 멀티샘플러(LumaSense Technologies INNOVA 1409)를 사용하여 외부 입기, 대조구, 처리구 3곳을 동시에 측정하였다. 사용 전 기기 교정을 실시하였으며, 암모니아 표준가스(Rigas, Korea)를 사용하여 0, 10, 30, 50, 100 ppm의 농도 범위에서 수행하였으며, Mass Flow Controller(VIC-D220, MFC Korea)를 이용해 1.5 SLPM 조건으로 가스를 주입하였다. 교정 결과, 검량선은 y = 0.9004x + 3.704 (R²= 0.9996)로 산출되었다. 암모니아 농도 데이터는 1분 간격으로 수집하였으며, 데이터 품질 확보를 위해 VERA test protocol에서 제시하는 IQR(interquartile range) 기반 이상치 제거 기준을 적용하였다. 이상치는 상위 사분위수(Q3)에 3×IQR을 초과하거나, 하위 사분위수(Q1)에서 3×IQR 미만으로 벗어나는 값으로 정의하였으며, 해당 기준에 따라 이상치를 제거한 데이터를 최종 분석에 사용하였다.

(2) 그 외 악취물질

복합 악취 시료는 흡인상자와 펌프를 이용한 간접 흡인 방식으로 채취하였으며, 채취 후 48시간 이내에 공기희석관능법을 적용하여 패널 테스트를 수행하였다. 주요 악취물질(휘발성 지방산 및 VOC류)은 펌프(SIBATA MP-ΣNⅡ)를 이용하여 Tenax-TA 튜브에 0.1 L/min으로 10분간 포집하였다. 황화합물 분석은 열탈착 장치(Unity 2 Air Server, Markes, UK)와 GC/PFPD(456-GC, Scion Instruments)를 사용하였으며, VOC류는 동일한 TD 시스템과 GC/FID(CP-3800, Varian)를 이용하여 분석하였다(Woo et al., 2021).

결과 및 고찰

1.요소 구조 유사체 투입에 따른 돈사 내 암모니아 농도변화

(1) A 농가

A 농가에서는 현장 여건의 제약으로 인해 실시간 측정을 수행하지 못하였으며, 암모니아 및 주요 악취 물질은 주 1회 방문하여 시료 채취 및 분석을 실시하였다. 처리구와 대조구 간 돼지 입식 시점에 약 1주일의 차이가 존재함에 따라, 성장 단계 차이에 기인한 누적 분뇨 발생량의 불균형이 발생할 수 있다.

대조구와 처리구 간 돼지 입식일에 약 1 주일의 차이가 존재하여, 데이터 분석 시 돼지 성장 단계에 따른 분뇨 축적량이 동일하도록 측정 데이터를 분석하였다. 총 9주간의 암모니아 측정은 공정시험기준에 따른 붕산 흡수법을 적용하였고, 매주 동일한 요일과 시간에 대조구와 처리구를 동시에 포집하였다. Figure 3은 측정된 암모니아 농도 변화(a)와 PPDA 투입 기점으로 평균(b)을 나타내었다. 전체 기간 동안의 평균 암모니아 농도는 대조구 64.3±19.8 ppm, 처리구 50.9±13.6 ppm으로 확인되어 처리구에서 약 21% 낮은 수준을 나타냈다. PPDA는 돼지 입식 전(1 주차)과 육성 후기(6 주차)에 총 2회 투입되었다. PPDA 1차 투입 이후(2024.11.20.)부터 2차 투입 이전까지의 평균 암모니아 농도는 대조구 62.2±22.1 ppm, 처리구 43.7±4.9 ppm으로, 처리구에서 약 30% 낮게 나타났다. 그러나 2차 투입 이후(2024.12.26.)에는 대조구 65.9±16.5 ppm, 처리구 56.6±12.7 ppm으로 나타나 저감율이 1차 투입 대비 30%에서 14%로 감소하였다. PPDA 투입에 따라 처리구의 암모니아 농도는 전 기간 동안 대조구보다 낮게 유지되었으나, 초기 투입 시점에 비해 2차 투입 시점에서는 상대적인 저감 효과가 완화되는 경향이 확인되었다. PPDA(요소 구조 유사체)가 우레아제 효소의 활성 부위에 요소보다 선제적으로 결합하여 요소의 가수분해 반응을 억제함으로써 암모니아 발생을 저감시키는 기작이 투입 초기에는 효과적으로 작용하나, 재투입 조건에서는 저감 효과가 점차 감소할 수 있음을 시사한다. 재투입 후 저감 효과가 감소하는 경향은 시험 돈사를 대상으로 PPDA를 반복 투입한 선행연구(Lee et al., 2025) 에서도 동일하게 보고되었으며, 해당 연구에서도 2차 투입 이후 Urease-Urea 반응 억제 효과가 초기 투입 대비 약화되는 양상이 확인된 바 있다.

Figure 3.

(a) Temporal variation in ammonia concentrations for the control and treatment groups at A farm, (b) Mean ammonia concentrations by period and room at Farm A.

(2) B 농가

A 농가의 실증 결과, PPDA 단독 투입 시 초기 암모니아 저감 효과는 뚜렷하게 나타났으나, 시간이 경과함에 따라 저감 효율이 유지되지 못하는 지속성의 한계가 확인되었다. 지속성의 한계를 보완하기 위해, B 농가에서는 우레아제 저해 및 생분해 억제 효과가 보고된 NaF(Sodium fluoride, 98% 이상)를 PPDA와 병행 투입하였다. NaF 수용액은 선행연구(Jeon et al., 2025)의 저감 효율 결과를 참고하여 20 g/L 농도로 조제하였으며, 분말 형태의 NaF를 초순수에 넣고 완전히 용해될 때까지 연속 교반하였다. 투입량은 가축분뇨 배출 특성을 반영한 180 mg/head·day의 부하량을 기준으로 산정되었으며, B 농가의 사육 규모(400두)를 고려하여 실험 기간 동안 총 3,900g의 NaF를 정량 투입하였다. B 농가에서는 B 농가는 붕산 흡수법과 실시간 광음향 분광법(INNOVA-1412)를 병행하여 암모니아 농도를 측정하였으며, 12주간 수행되었다. Figure 4는 붕산 흡수법으로 측정된 주간 암모니아 농도 변화(a)와 PPDA 투입 기점으로 평균(b)를 나타냈다. 전체 기간 동안, 대조구 5.4±1.0 ppm, 처리구 7.9±2.4 ppm으로, 처리구가 더 높게 나타났다. 초기 농도 또한 처리구가 대조구 대비 약 30% 높은 수준에서 시작하였다. 1차 투입 이후(2025.04.23) 대조구와 처리구의 평균 농도는 각각 5.3 ±1.2 ppm, 9.1±2.2 ppm으로 대조구보다 처리구에서 약 40% 높게 나타났다. 그러나 2차(2025.07.01) 투입 이후에는 대조구 5.7±0.6 ppm, 처리구 5.6±1.5 ppm으로 두 돈방의 NH₃ 농도가 비슷하게 나타났으며, 처리구 농도가 1차 투입 대비 31% 감소하며 두 번째 투입시 첫 번째 투입보다 낮아지는 경향이 나타났다.

Figure 4.

(a) Temporal variation in ammonia concentrations for the control and treatment groups at B farm, (b) Mean ammonia concentrations by period and room at Farm B.

Figure 5는 실시간 광음향분광법(INNOVA-1412)을 통해 측정한 암모니아 농도 변화(a)와 PPDA 투입 기점으로 평균(b)를 나타냈다. 대조구 4.8 ± 3.7 ppm, 처리구 7.5± 3.3 ppm으로 나타났다. 최대값은 대조구 23.6 ppm, 처리구 19 ppm으로 나타났다. 대조구와 처리구 간 농도 차이를 비교하기 위해 독립표본 t-검정을 수행한 결과, 두 집단 간 차이는 통계적으로 유의한 것으로 나타났다 (p< 0.001). 1차 투입 후(2025.04.23) 평균 농도는 대조구 5.3±4.3 ppm, 처리구 8.2±3 ppm으로 측정되었으며, 대조구 대비 처리구에서 36% 높게 나타났다. 이후 2차 투입(2025.07.01) 이후 평균 농도는 대조구 3.4±0.6 ppm, 처리구 6.2±3.1 ppm으로 나타났다. 두 처리 모두 1차 투입 시점 대비 농도가 감소하는 경향이 나타났다.

Figure 5.

(a) Daily real-time ammonia concentration variations at B farm, (b) Mean ammonia concentration over the entire experimental period.

A 농가와 B 농가에는 동일한 실험 설계를 적용하였음에도 불구하고, 처리구와 대조구 간 암모니아 농도 변화 양상은 농가별로 상이하게 나타났다. A 농가에서는 처리구의 암모니아 농도가 대조구보다 낮게 유지된 반면, B 농가에서는 처리구의 암모니아 농도가 대조구보다 높게 나타나는 상반된 경향이 관찰되었다. 선행 연구에서도 축사 내 암모니아 농도는 피트 오염도, 계절적 온도 변화에 따른 환기 특성, 슬러리 체류 조건 등 다양한 요인의 영향을 받는 것으로 보고된 바 있다(Blanes-Vidal et al., 2008; Webb et al., 2008). 본 연구에서 두 농가는 계절, 환기 운영 방식, 피트 관리 수준 등이 상이하였으며, 실험 개시 시점에 처리구와 대조구의 초기 조건 역시 완전히 동일하지 않았을 가능성이 있다.

첫 번째 요인으로 농가별 피트 오염도 차이가 제시된다. B 농가에서 대조구와 처리구의 초기 조건을 보다 면밀히 비교하기 위해 바닥 입기 지점의 암모니아 농도를 추가 측정한 결과, 대조구는 6.11 ppm, 처리구는 8.56 ppm으로 처리구가 더 높게 나타났다. 또한 현장 점검에서 처리구 피트 내부에 상대적으로 많은 침전물과 오염이 관찰되었다. 이러한 관찰 결과는 처리구의 피트 상태가 대조구보다 불리했음을 시사하며, PPDA 처리 효과의 비교·해석에 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

두 번째 요인은 실험이 수행된 계절적 조건의 차이이다. A 농가는 겨울철에 실험이 수행되어 외기 온도가 낮았으며, 이에 따라 축사 환기량이 제한적으로 운영되었다. 겨울철 축사는 환기량 저하로 인해 암모니아가 축적되기 쉬운 환경을 형성하는 것으로 알려져 있으며(Arogo etl al, 2002), 이러한 계절적 영향은 다수의 선행연구에서도 보고된 바 있다(Philippe et al., 2011). 반면, B 농가는 여름철 고온기에 실험이 수행되어 환기량이 크게 증가하는 운영 특성을 보였고, 높은 환기량은 축사 내부 공기의 교환을 촉진하여 암모니아 농도를 낮추는 방향으로 작용할 수 있다(Granier et al., 1996; Cortus et al., 2008).

세 번째 요인은 피트 내 슬러리 관리 수준 및 잔존 슬러리 양의 차이이다. A 농가는 피트 내 슬러리 제거가 충분히 이루어지지 않아 고형물 축적과 오염도가 상대적으로 높은 상태였던 반면, B 농가는 피트 청소 및 슬러리 배출이 규칙적으로 수행되어 슬러리 체류시간이 짧은 특성을 보였다. Figure 6은 농가 현장 사진으로, A 농가는 슬러리 관리 및 청결 유지가 미흡했고, 반면 B 농가는 전반적으로 청결도와 피트 관리 수준이 높은 것으로 확인되었다. 선행 연구에 따르면 슬러리 체류시간이 길고 표면 오염층이 두꺼울수록 암모니아 발생이 증가하는 반면, 체류시간이 짧고 오염도가 낮을 경우 암모니아 발생 잠재량은 감소하는 것으로 보고되고 있다(Ndegwa et al., 2008). B 농가는 기본적으로 암모니아 발생 잠재량이 낮은 조건에서 실험이 수행되었을 가능성이 있으며, 처리구와 대조구 간 농도 차이에 영향을 미친 요인으로 판단된다.

Figure 6.

Field observations of pit management conditions in Farm A(a) and Farm B(b).

2. 요소 구조 유사체 투입에 따른 암모니아 저감 효과 평가

초기 농도 차이에 따른 영향을 제거하고, 시간 경과에 따른 상대적 변화 경향을 비교하기 위해 정규화된 농도(normalized concentration)를 적용하였다. 정규화는 각 시점의 암모니아 농도(C)를 초기 농도(C₀)로 나눈 비(C/C₀)로 표현하는 방식으로, 모든 조건에서 초기 값을 1.00으로 설정함으로써 처리 조건에 따른 농도의 상대적인 증가 또는 감소 양상을 동일한 기준에서 비교할 수 있도록 하였다. 정규화 농도(C/C₀) 통계적 처리는 흡착 공정 연구를 포함한 농도 변화 분석에서 초기 농도 수준이 상이한 조건 간 시간적 변화 경향을 비교하기 위한 지표로 활용 되어져 왔다(Reynel-Ávila et al., 2022; Halim et al., 2010).

(1) A 농가

Figure 7(a)는 A 농가의 정규화 결과로, 대조구와 처리구 모두 초기 농도 대비 시간 경과에 따라 증가하는 양상을 보였다. 초기 농도 차이를 제거한 동일 기준선에서 비교한 결과, 대조구의 정규화 농도는 1.57-3.23 범위로 나타나 시간 경과에 따른 누적 증가 패턴이 확인되었다. 반면 처리구의 정규화 농도는 0.82-1.72 범위로 초기 대비 증가하였으나, 전반적으로 대조구 보다 낮은 수준을 유지하였다. Y=aX를 적용한 결과, 대조구의 기울기(a 값)는 0.1102, 처리구의 기울기(a 값)는 0.0892로 산정되었으며, 처리구에서 기울기가 더 낮게 나타났다. A 농가에서 두 처리 모두 시간 경과에 따라 암모니아 농도가 증가하는 경향을 보였으나, 처리구에서는 대조구에 비해 암모니아 농도의 증가 속도가 상대적으로 완화되었다고 판단된다. PPDA 투입이 암모니아 농도의 시간적 증가율을 낮추는 방향으로 작용했을 가능성이 있는 것으로 보인다.

Figure 7.

A Farm (a) and B Farm (b) Normalized Analysis Results.

(2) B 농가

Figure 7(b)는 B 농가의 정규화 결과로, 대조구와 처리구 모두 초기 농도 대비 시간 경과에 따라 감소하는 양상을 보였다. 초기 농도 차이를 제거한 동일 기준선에서 비교한 결과, 대조구의 정규화 농도는 0.37-0.84 범위로 나타나 전 기간 동안 1.0 이하를 유지하며 감소 패턴을 보였다. 처리구의 정규화 농도 또한 0.31-0.85 범위로 초기 대비 감소하였으나, 일부 시점에서는 대조구보다 높게 나타나는 구간이 나타났다. 정규화된 농도에 대해 선형 회귀식 Y= aX적용한 결과, 대조구의 기울기(a 값)는 -0.0037, 처리구의 기울기(a)는 -0.0375로 산정되어 처리구에서 더 큰 음의 기울기가 나타났다. 두 처리 모두 여름철 환기량 증가 등의 영향으로 암모니아 농도가 전반적으로 감소하는 추세를 보이지만, 처리구에서는 시간 경과에 따른 감소 속도가 대조구보다 상대적으로 크게 나타났음을 의미한다. 다만 처리구에서 일부 시점에 대조구보다 높은 값이 관찰된 점을 고려할 때, 처리 효과는 시간 전 구간에서 일관되지 않고, 운영·환경 조건 변동에 따라 변동성이 동반된 것으로 판단된다.

Figure 8는 B 농가의 실시간 암모니아 농도를 초기값(C/C₀)로 정규화하여 시간 경과에 따른 상대적 변화를 분석하였다. 이러한 경향은 붕산 흡수법으로 측정한 암모니아 농도 변화와 일치하여, 두 측정기법 간 패턴의 일관성이 확인되었다. 정규화 농도(C/C₀) 변동 범위는 대조구 0.028-1.000, 처리구 0.061-1.000 수준으로 나타났다. 시계열 전체에 대해 선형 회귀식을 적용한 결과, 대조구의 기울기(a)는 -0.00056, R²은 0.0102로 산출되었으며 통계적 유의성은 나타나지 않았다(p= 0.336). 반면 처리구의 기울기는 -0.00361, R² 은 0.247로 산출되어 시간 경과에 따른 농도 감소 경향이 통계적으로 유의미하게 나타났다(p< 0.001). 처리구의 기울기 절댓값이 대조구 대비 약 6배 높게 나타났으며, 두 처리 간 기울기 차이에 대한 유의성 검정 결과(p=0.001) 처리구의 농도 감소 속도가 대조구보다 통계적으로 유의미한 것으로 판단된다.

Figure 8.

Normalized real-time ammonia measurements at B farm.

3. PPDA 투입시, 돈사 내부 악취물질 변화

PPDA 투입에 따른 암모니아 외 악취물질의 변화를 평가하기 위해 복합악취와 돈사 주요 악취원인물질을 동시 측정하였다. 복합악취는 공기희석관능법으로 분석하였으며, 악취 원인물질은 돈사에서 주로 발생하는 휘발성 지방산(VFA)을 중심으로 평가하였다. Figure 9은 A 농가와 B 농가에서 대조구와 처리구의 주요 악취지표를 비교한 결과를 나타냈다. 복합악취의 경우, A 농가는 대조구 4,028배, 처리구 2,925배로 측정되어 대조구가 약 20% 높게 나타났다. 반면 B 농가는 대조구 1,12배, 처리구 1,91배로 처리구가 약 39% 높았다. A 농가에서는 PPDA 투입으로 복합악취가 일부 감소한 것으로 보이나, B 농가에서는 유의한 저감 경향이 보이지 않았다. 황화수소(H₂S)의 경우, A 농가에서 대조구 0.46 ppm, 처리구 0.75 ppm으로 처리구가 약 39% 높게 나타났으며, B 농가는 대조구 0.31 ppm, 처리구 0.31 ppm으로 두 처리 간 차이가 거의 없었다. 지방산류는 아세트산은 A 농가에서 대조구 4.32 ppm, 처리구 3.75 ppm으로 대조구가 약 13% 높았고, B 농가에서는 처리구가 약 7% 높았다. 프로피온산 역시 A 농가에서는 대조구가 약 9% 높았으나, B 농가에서는 처리구가 약 11% 높았다. 뷰티르산은 A 농가에서는 처리구가 약 12% 높았고, B 농가에서는 양 처리 간 큰 차이가 없었다. 발레르산은 A 농가에서 유사한 수준으로 나타났으며, B 농가에서는 대조구가 처리구보다 약 25% 높았다. 전체적으로, PPDA는 우레아제 저해 기반의 암모니아 타깃형 저감제로, 황화수소 VFA와 같은 비질소성 악취물질에서는 뚜렷한 변화가 관찰되지 않았다.

Figure 9.

Concentrations of major odorous compounds measured at A and B farms.

결 론

본 연구에서는 실제 운영 중인 양돈 농가를 대상으로 슬러리에 요소 구조유사체(PPDA) 암모니아 사전 저감물질을 투입하여 현장적용성을 평가하고 이를 통해 암모니아 및 악취 저감효과를 정량적으로 분석하였다. A 농가(겨울철)에서는 전체 기간 평균 암모니아 농도가 대조구 64.32 ppm, 처리구 50.89 ppm으로 처리구에서 약 21% 낮게 나타났다. 1차 투입 이후 대조구 62.24 ppm, 처리구 43.74 ppm으로 약 30%의 저감 효과가 확인되었으나, 2차 투입 이후에는 대조구 65.99 ppm, 처리구 56.62 ppm으로 저감율이 14%로 감소하였다. 정규화 분석에서도 처리구의 C/C₀ 값이 0.82-1.72 범위로 대조구보다 증가폭이 작게 나타나 PPDA가 암모니아 농도 상승을 억제한 것으로 판단되었다. 반면 B 농가(여름철)에서는 공정시험법 기준으로 대조구 5.4 ppm, 처리구 7.9 ppm으로 처리구가 초기부터 더 높게 나타났으며, 실시간 측정에서도 대조구 4.8±3.7 ppm, 처리구 7.5±3.3 ppm으로 처리구가 더 높은 유사한 경향이 관찰되었다. 정규화 분석 결과 회귀 기울기 대조구 -0.00059, 처리구 -0.00361으로 시간에 따라 처리구 에서 저감효과가 나타났다. 복합악취는 A 농가에서 대조구 4,028배, 처리구 2,925배로 감소 효과가 있었으나, B 농가는 오히려 처리구가 더 높게 나타나 농가 구조·환기·슬러리 조건에 따른 차이가 나타난 것으로 판단된다. VFA_s, H₂S등 비질소성 악취물질에는 일관된 변화가 나타나지 않았다. 선행 연구(Lee et al., 2025)의 시험돈사 결과와 동일하게, A 농가에서는 PPDA 투입 시 처리구의 암모니아 농도가 대조구보다 낮게 나타났고 정규화 분석에서도 증가폭이 작아 저감 경향이 확인되었다. 반면 B 농가는 상대적인 농도 비교에서는 처리구가 높았으나, 실시간 정규화 기준으로는 처리구의 감소폭이 더 크게 나타나는 등 상이한 결과를 보였다. 이는 여름철 환기량 증가, 피트 오염도 및 슬러리 체류시간, 세정수 방류 등 통제하기 어려운 현장 환경 요인의 영향을 받은 것으로 판단된다. 본 연구는 요소 구조 유사체인 PPDA의 암모니아 저감 가능성을 실제 농가에 적용하여 검토하였다는 점에서 의의가 있다. 또한, 실제 농가 적용을 위한 경제성 확보 측면에서 PPDA와 NaF의 혼합 방식 및 투입 주기 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 아울러, 저감 효과를 정량적으로 평가하기 위해서는 환기량, 슬러리 관리 상태 등 현장 변수를 동시에 고려한 다양한 조건 설정이 요구된다.