서 론
재료 및 방법
1. 조사대상 양돈장
2. 필터 흡착식 악취저감시설 설계
3. 암모니아, 황화수소 가스 측정 방법
결과 및 고찰
1. 암모니아와 황화수소 농도
2. 필터 흡착식 악취저감시설 효능 평가
결 론
서 론
축산시설의 악취는 농장 근로자와 가축의 건강을 위협하고 가축의 생산성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 농장 근로자는 장기간 악취 가스에 노출되면 구토, 두통, 기침, 타액 분비 및 무기력과 같은 증상을 나타내며, 가축은 사료 섭취량 감소와 질병 발생률 증가 등의 영향을 받는다. 또한, 악취물질이 대기로 배출될 경우 양돈시설 주변 지역 주민들에게 불쾌감과 혐오감을 유발하여 민원의 원인이 되며, 토양의 산성화와 지구 온난화와 같은 생태계 손상과 관련된 심각한 문제를 야기한다 (Blanes‐Vidal et al., 2009; Mackie et al., 1998; Zhu, 2000).
Chen et al. (2009)는 축산악취의 경우 168가지 이상의 휘발성 화합물로 구성되어 있으며, 이중 30여 개가 악취로 감지될 수 있다고 보고하였다. 양돈시설의 악취는 주로 분뇨가 혐기성 조건에서 분해됨으로써 발생하며, 이는 장기간 걸쳐 계속되며 지속해서 악취를 발생시킨다 (Varel et al., 2002; Mackie et al., 1998).
축산악취 문제가 심각해짐에 따라 정부는 축산환경 관련 규제를 점차 강화하는 한편 악취 저감을 위한 다양한 지원사업을 추진하고 있다. 농림축산식품부는 지자체와 협력을 통해 축산악취 민원이 많은 농가 1,070호를 선정하여 축산 악취관리 등 축산법령 준수 여부를 집중하여 점검하고, ‘축산법 시행령·시행규칙’을 개정하여 축산업 허가와 등록 요건을 강화하고 있다 (MAFRA, 2020). 환경부는 가축분뇨 축사의 설치 허가 시 ‘악취방지계획’, ‘악취방지시설의 연간 유지·관리 계획’ 제출을 의무화하며, 기존에 축산농가에 적용되지 않았던 악취 배출허용 기준을 축산시설 특성에 맞게 설정하여 일정 수준 이상의 악취 배출을 제한하는 방안을 마련할 계획이다. 또한 지자체에서는 축산악취개선사업을 통해 악취 저감에 필요한 시설 및 장비 (액비순환시스템, 바이오 커튼, 시설 밀폐, 미생물 배양기 등) 등을 지원하고 있다.
양돈농가들은 악취 민원을 최소화하기 위해 다양한 악취 저감 시설을 도입하고 있지만, 시설별 악취 줄이는 효과를 객관적으로 확인하는 것이 어려워 악취에 대한 불안감을 완전히 내려놓기 힘든 상황에 놓여 있다.
농가에서 악취 저감을 위해 시설을 도입할 때는 입증된 기술이나 시스템을 선택하는 것이 중요하다. 이를 통해 농가는 품질과 성능이 검증된 솔루션을 얻을 수 있으며, 기술이나 시스템의 효능에 대한 신뢰도도 높일 수 있다. 신뢰성 있는 데이터와 평가 결과는 농가가 악취 저감을 위한 최적의 선택을 할 수 있도록 돕는다. 따라서, 악취 저감을 위해 시설을 도입할 때는 신뢰할 수 있는 충분한 정보가 필요하다고 볼 수 있다.
악취 가스 및 휘발성 유기화합물을 저감하기 위한 방법은 크게 물리 화학적 방법과 생물학적 방법으로 나눌 수 있다. 물리 화학적 방법으로는 활성탄 및 담체에 의한 흡착, 산화제 및 pH 조절, 탈취제, 오존처리 등이 있으며, 생물학적 방법에는 미생물을 이용하여 악취물질을 분해시키는 방법으로 생물 여과법 및 세정제 등이 있다 (Yuwono and Lammers, 2004; Ren et al., 2019).
물리 화학적 방법과 생물학적 방법의 장단점을 비교해 보면 물리 화학적 방법은 다양한 종류의 악취분자를 대상으로 처리가 가능하며 화학적 반응, 흡착, 분해 등의 작용을 통해 악취를 빠르게 제거할 수 있지만, 초기 투자 및 운전·유지 비용이 많이 들고 다소 운영이 복잡하여 농가에서 적용하는 데 어려움 있다. 생물학적 방법은 미생물의 자연적인 기능을 활용하기 때문에 운영 및 유지보수 비용이 저렴하며, 가축분뇨, 폐기물, 하수 처리 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 장점이 있으나, 미생물이 활동에 필요한 특정 조건을 유지하지 못할 시 악취 저감 효율이 급격히 감소되고, 처리 시간이 길다는 단점이 있다 (Yuwono and Lammers, 2004; Ren et al., 2019).
악취 저감 시설은 정확한 원인물질과 발생 원인, 발생량 등을 고려하여 타당성 있는 설비가 구축되어야 한다. 그러나 실제로는 이러한 원칙을 충분히 고려하지 않고 시설을 구축하는 경우가 많다.
본 연구에서는 타 산업에서 활용되고 있는 필터 흡착식 악취저감시설을 대상으로 탈취시스템 효능 평가를 실시하였다. 연구 결과에 따라 농장 적용성을 평가하고, 필요한 조치와 설비 도입 등의 방향을 제시하는 목적으로 한다.
재료 및 방법
1. 조사대상 양돈장
본 연구에서 조사한 양돈장은 돈방 당 자돈 (20 kg 미만) 약 90두를 사육하고 있는 무창돈사로서 용적은 180 ㎥ (W: 5 m * D: 14.4 m * H: 2.5 m)이다. 돈사 내부는 중앙복도를 중심으로 측면에 각각 6개의 pen으로 나누어져 있으며 돈사 바닥은 부분 슬랏 (50%) 형태이다 (Figure 1).
슬러리 피트 (깊이 70 cm)에 저장된 분뇨는 2~4주마다 피트 바닥에 설치된 볼 시스템을 통해 수거되어 저장조로 이송되는 형태로 분뇨관리가 이루어지고 있었다. 적정 온도 유지 및 악취 배출을 위해 돈방의 측벽에는 지름이 50 cm인 2개의 환기팬을 가동하고 있었으며, 환기팬 반대편에는 지름 30 cm인 입기구 (3개)를 통해 신선한 공기가 유입되고 있었다. 돈사 내부 온도는 23°C로 설정되어 있었다.
2. 필터 흡착식 악취저감시설 설계
본 연구에서 적용한 악취 저감 시설은 돈사 내 악취를 필터 흡착식 시스템으로 흡입한 후 필터를 통해 정화하여 정화된 공기를 다시 돈사 내부로 유입하는 방식이다.
필터 흡착식 악취 저감 시설 효능 평가를 위해 Figure 2와 같이 기존 가동 중이던 50 cm 크기의 환기팬 2기를 제거하고 동력 5 HP 송풍팬을 연결하여 돈사 내에서 발생하는 악취 가스를 포집하도록 설계하였다. 또한 필터를 통해 정화된 공기를 돈사 내부로 유입시키기 위하여 기존 중앙 입기 덕트를 필터 흡착식 시스템 후단 배관과 연결하여 복도로 급기하도록 하였으며 복도에는 커튼을 설치하여 외부 공기가 유입되는 것을 방지하였다.
필터 흡착식 시스템의 악취 저감 효과가 높지 않을 경우를 대비하여 시스템 전후단에 댐퍼를 설치하여 필요시 외부로 공기가 배출될 수 있도록 하였다. 악취 가스는 최대 60 CMM까지 포집이 가능하며, 인터버를 사용하여 포집량을 조절 가능하도록 하였다 (Figure 3).
필터 흡착식 악취 저감 시설 용량은 약 4 ㎥ (W: 2.9 m * D: 0.8 m * H: 1.6 m)이고 내부에는 암모니아와 황화합물 제거용 필터를 각각 24개씩 장착하였다. 필터의 재원은 Table 1에 나타내었다.
본 시설에 사용된 필터는 활성 탄소와 이온 교환 수지를 조합하여 악취 물질을 효과적으로 흡착 및 제거하기 위한 복합 필터이다.
Table 1.
Specifications of the odor reduction filter embedded in the filter adsorption-based odor control facility.
| NH3 | Size (mm) | 610*610*450 |
| Quantity | 24 | |
| H2S | Size (mm) | 610*610*450 |
| Quantity | 24 |
3. 암모니아, 황화수소 가스 측정 방법
자돈사에 설치된 필터 흡착식 악취 저감 시설의 효능 평가는 악취 저감 시설 전단부와 후단부, 복도 (입기부) 3개 지점을 실시간 악취 모니터링 시스템과 연결하여 총 74일간 수행되었다. 악취 모니터링 시스템은 솔레노이드 밸브, 가스 센서, 펌프 및 유량계 등이 장착되어 있어 5분간 일정한 유량으로 대상 지점의 배출가스 농도를 측정하고 5분 간격으로 10분 동안 순수 공기를 이용하여 센서를 Flushing 하도록 설계하였다. 측정에 사용된 가스 센서는 접촉식 방식으로 암모니아는 파장가변 다이오드 레이저 (LGD F200-A, Axetris Co., USA), 황화수소 (H2S/C-50, Membrapor Co., Switzerland) 는 전기화학식 센서를 이용하였으며 센서에 대한 정보는 Table 2와 같다. 암모니아와 황화수소 센서의 측정범위는 각각 0~500 ppm, 0~50 ppm, 분해능은 0.5 ppm, 0.05 ppm 이며, 가스 농도의 90%까지 측정값이 도달하는 시간인 응답시간은 각각 2초와 35초 미만이다.
결과 및 고찰
1. 암모니아와 황화수소 농도
고농도의 암모니아 가스에 노출 시 눈, 피부, 목, 폐를 자극하고 기침과 화상 등을 유발할 수 있다. 직업 안전 및 건강 관리국 (OSHA)은 암모니아의 8시간 노출 한계를 25 ppm으로, 단기 (15분) 노출 수준을 35 ppm으로 보고하였다 (A.f.T.S.a.D.r, 2006). 각 측정지점별 암모니아 농도 변화는 Figure 4와 같다. 입기부 (복도), 자돈사 내부 (필터 흡착식 악취 저감 시설 전단부), 필터 흡착식 악취 저감시설 후단부를 대상으로 측정한 결과로써 전반적인 농도 변화를 나타내었다.
필터 흡착식 악취 저감 시설의 전단부 (Inlet)와 후단부 (Outlet)의 암모니아 농도는 각각 1~99 ppm, 0~26 ppm 범위를 보였으며, 평균 농도는 각각 10.4 ± 9.6 ppm, 7.3 ± 4.1 ppm로 필터 흡착식 악취 저감 시설을 거친 후 농도가 소폭 감소하는 경향을 나타냈다. 복도 (Hallway)의 경우 암모니아 농도는 2.7 ± 3.8 ppm으로 필터를 통해 정화된 공기의 암모니아 농도 (7.3 ppm) 보다 약 5 ppm 낮은 수준을 나타냈다.
시간대별 돈사에서 배출되는 암모니아 평균 농도를 비교한 결과, 새벽 (0~6시) 9.8 ppm, 오전 (6~12시) 11.9 ppm, 오후 (12~18시) 12.4 ppm, 저녁 (18~24시) 9.6 ppm으로 시간대별 필터 흡착식 악취 저감 시설로 유입되는 암모니아 농도 차이는 크지 않는 것으로 나타났다 (Figure 5). 그러나, 분뇨가 제거되는 시점에는 암모니아 농도가 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 분뇨가 제거된 시점인 12월 14일~18일경에는 암모니아 가스 농도가 최대 95 ppm까지 증가하여 직업 안전 및 건강 관리국 (OSHA)에서 보고한 작업자의 건강을 위협하는 수준을 나타내었다.
황화수소는 사람들이 일반적으로 저농도 (0.0005~0.3 ppm)에서도 냄새를 감지할 수 있으며 고농도 (500 ppm)에 잠시라도 노출되면 의식을 잃을 수 있다. NIOSH (National Institute of Occupational Health and Safety)는 최대 권장 노출 한도를 10분 동안 최대 10 ppm으로 보고하였다 (A.f.T.S.a.D.r, 2006). 각 측정지점별 황화수소 농도 변화는 Figure 6과 같다. 필터 흡착식 악취 저감 시설의 전단부 (Inlet)와 후단부 (Outlet)의 황화수소 농도는 각각 0~492 ppb, 0~59 ppb 범위를 보였으며, 평균 농도는 각각 84.9.4 ± 76.1 ppb, 12.3 ± 11.9 ppb로 필터 흡착식 악취 저감 시설을 거친 후 농도가 급격하게 감소하는 경향을 나타냈다. 복도 (입기부)의 황화수소 농도는 13.3 ± 23.8 ppb로 필터를 통해 정화된 공기의 황화수소 농도 (12.3 ppb)와 유사한 수준을 나타냈다.
시간대별 돈사에서 배출되는 황화수소 농도를 비교한 결과, 새벽 (0~6시) 96.9 ppb, 오전 (6~12시) 79.5 ppb, 오후 (12~18시) 86.8 ppb, 저녁 (18~24시) 94.1 ppb로 암모니아와 마찬가지로 시간대별 필터 흡착식 악취저감시설로 유입되는 황화수소 농도 차이는 크지 않는 것으로 나타났다 (Figure 7). 분뇨가 제거된 시점인 12월 14일~18일경에 황화수소 가스가 490 ppb으로 최대 수준을 보였으나 농도 변화 폭은 크지 않았으며, NIOSH에서 보고한 최대 권장 노출 수준보다 낮은 것으로 나타났다.
2. 필터 흡착식 악취저감시설 효능 평가
필터 흡착식 악취 저감 시설은 내부에 장착된 필터를 통해 악취 가스를 흡착하여 정화하는 방식이다. 본 연구에서는 필터 흡착식 악취저감 시설을 사용하여 자돈사에서 배출되는 암모니아와 황화수소 가스의 저감 효과을 평가하였다. Figure 8은 필터 흡착식 악취 저감 시설의 암모니아 저감 효율 결과를 보여준다.
필터 흡착식 악취 저감 시설로 유입되기 전 암모니아의 농도 범위는 1~99 ppm, 악취 저감 시설에서 배출된 암모니아 농도 범위는 0~26 ppm로 측정되었으며, 암모니아 제거율은 평균 13.5 ± 41.5%로 큰 편차를 보였다. 특히, 실험착수 약 40일 경과 후부터 암모니아 제거 효율이 급격하게 저하되었으며 오히려 농도가 증가하는 경향을 나타냈다. 필터 흡착식 악취 저감 시설의 악취 저감 효율은 필터의 상태에 영향을 받는다. 오염된 필터는 흡착 포화상태에 도달하여 추가적인 효율을 기대하기 어렵다. 이에 본 연구에서는 실험착수 69일차에 암모니아 필터를 모두 교체하였다.
필터 교체 후 (2차) 암모니아 제거율은 약 50% 수준까지 회복하였으나, 서서히 감소하여 1차 때와 유사하게 교체 6일 차 경에는 암모니아 제거 효과가 거의 없는 것으로 나타났다. 2차 기간의 암모니아 제거율은 평균 34.7 ± 13.8%를 보였다.
Figure 9는 필터 흡착식 악취 저감 시설의 황화수소 저감 효율 결과를 보여준다. 필터 흡착식 악취 저감 시설로 유입되기 전 황화수소의 농도 범위는 0~492 ppb, 악취 저감 시설에서 배출된 황화수소 농도 범위는 0~59 ppb로 측정되었으며, 제거율은 실험 초기 90% 이상을 보이다가 실험착수 30일 이후부터 서서히 감소하는 경향을 나타냈다.
암모니아 결과와 동일하게 황화수소 제거율은 실험착수 30일 이후부터는 시간대별 제거율 편차가 컸으며 오히려 황화수소 농도가 증가하는 시점도 발생하였다. 실험 전 기간의 황화수소 제거율은 평균 66.4 ± 38.7%로 나타났다.
필터 흡착식 악취 저감 시설은 폐액이 발생하지 않아 시스템 운영이 편리하다는 장점을 지니고 있으며 평균 암모니아 및 황화수소 제거율도 각각 약 13.5%, 약 66%로 습식 스크러버 (세정액 : 물)에 비해 높은 저감 효과를 가지고 있다. 그러나 본 연구에서 평가한 필터 흡착식 악취 저감 시설의 악취 가스 제거 및 탈취 효율을 효과적으로 유지하기 위해서는 주기적인 필터 교체를 통한 유지관리가 필요할 것으로 판단된다. 필터 유지 및 교체는 적용 대상 시설의 악취 수준에 따라 차이가 있을 수 있으나 연구 결과 필터의 권장 교체 주기는 암모니아 농도 약 10 ppm 수준으로 발생하는 시설에서는 40~50일, 황화수소 약 85 ppb 발생하는 시설에서는 최소 3개월부터 최대 6개월 정도로 나타났다.
본 연구에서 평가한 필터 흡착식 악취 저감 실증시설의 경우 편의성 및 악취 저감 효능 등은 우수하나 필터 교체에 소요되는 비용에 따라 현장 적용성이 결정되므로 저가형 필터 개발을 위한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 타 산업에서 활용되고 있는 필터 흡착식 악취 저감 시설을 대상으로 탈취시스템 효능 평가를 실시하였다. 연구 결과에 따라 농장 적용성을 평가하고 필요한 조치와 설비 도입 등의 방향을 제시하는 목적으로 한다. 자돈사에 설치된 필터 흡착식 악취 저감 시설의 효능 평가는 악취 저감 시설 전단부와 후단부, 복도 (입기부) 3개 지점을 실시간 악취 모니터링 시스템과 연결하여 총 74일간 수행되었다. 연구 결과 필터 흡착식 악취 저감 시설의 전단부 (Inlet)와 후단부 (Outlet), 복도 (입기부)의 암모니아 평균 농도는 각각 10.4 ± 9.6 ppm, 7.3 ± 4.1 ppm, 2.7 ± 3.8 ppm으로 나타났으며, 황화수소는 전단부 (Inlet) 84.9.4 ± 76.1 ppb, 후단부 (Outlet) 12.3 ± 11.9 ppb로 필터 흡착식 악취 저감 시설을 거친 후 농도가 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 복도 (입기부)의 황화수소 농도는 13.3 ± 23.8 ppb로 측정되었다. 필터 흡착식 악취 저감 시설의 암모니아 및 황화수소 제거율은 각각 약 13.5%, 약 66%로 암모니아보다 황화수소 제거에 더 효과적인 결과를 나타냈다.
그러나 평가한 필터 흡착식 악취 저감 시설에서는 효율적인 악취 제거 및 탈취 효율을 유지하기 위해 주기적인 필터 교체와 유지관리가 필요한 것으로 나타났다. 필터 유지 및 교체는 악취 수준에 따라 다를 수 있으나, 연구 결과에 따르면 암모니아 농도 약 10 ppm 수준에서는 40~50일, 황화수소 약 85 ppb 수준에서는 최소 3개월부터 최대 6개월 정도로 나타났다.
본 연구에서 평가한 필터 흡착식 악취 저감 실증시설의 경우 편의성 및 악취 저감 효능 등은 우수하나 필터 교체에 소요되는 비용에 따라 현장 적용성이 결정되므로 저가형 필터 개발을 위한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
