서 론
재료 및 방법
1. 실험장소
2. 악취시료 채취
3. 조사항목 및 방법
4. 통계분석 및 모델링
결과 및 고찰
1. 퇴비화 공정별 암모니아, 황화수소 및 악취강도
2. 암모니아, 황화수소 및 악취강도 상관분석
결 론
서 론
최근 국내 양돈장은 일정 규모 이상을 사육할 경우 가축분뇨 처리시설을 갖추도록 법제화하고 있다. 국내 양돈장에서 발생하는 분뇨는 대부분이 수분함량 95% 이상의 액상 형태로 배출된다. 일반적으로 수분함량이 높은 가축분뇨를 양질의 퇴비로 만들기 위해서는 가축분뇨의 수분 함량을 65~75%로 조절하고 공기를 공급하는 호기성 발효를 실시한다 (Richard et al., 2002). 양돈장에서 가축분뇨의 수분함량은 수분조절재를 투입하거나 고액분리를 통해 조절한다. 국내의 많은 양돈장에서 분뇨를 고액분리를 실시하여 고형분은 퇴비로 액상은 액비로 만들고 있다. 퇴비화 방법은 일반적으로 슬러리, 고액분리, 발효 및 후숙 공정으로 나뉘며, 공정별 처리 시간은 농장에 따라 다르다(Matiz-Villamil, Adriana et al., 2023).
최근 국내에서는 도시가 확장함에 따라 양돈장에서 발생하는 악취물질이 문제가 되고 있다. 악취에 대한 평가는 환경부의 기준에 따라 복합악취와 지정악취로 구분하여 평가하고 있다 (Ministry of Environment, 2013). 농장에서 배출되는 악취는 부지경계 복합악취 10~15 ppm을 기준 (악취방지법 시행규칙 엄격한 배출허용기준)으로 관리하고 있으나 이는 공기 포집 시점에 따라 결과의 편차가 존재한다. 지정악취 물질을 통한 농장 악취에 대한 평가는 복합악취에 비해 정확한 배출량을 제시할 수 있으나 이 또한 공기 포집 시점에 따라 값이 다른 경우가 많다. 이러한 이유로 농장에서 발생하는 악취에 대한 즉각적인 모니터링은 매우 어렵다. 따라서, 농장 악취를 효과적으로 저감하기 위해서는 발생하는 악취물질에 대한 배출량을 결정하여 이를 기준으로 평가하는 것이 가장 효율적이다. 분뇨에서 발생하는 악취물질을 정확하게 평가하기 위해서는 표면에서 발생하는 악취물질의 농도가 평형을 이룬 상태에서 포집해야 객관적인 배출량 산정이 가능하다. 그러나, 농장의 가축분뇨 처리공정에 따라 표면에서 발생하는 악취물질을 평형 상태에서 포집하여 배출량을 산정한 연구는 드물다.
따라서, 본 연구는 양돈장의 퇴비화 공정에서 발생하는 암모니아와 황화수소를 농도평형 상태에서 포집하여 객관적인 배출계수를 산정하기 위해 수행하였다.
재료 및 방법
1. 실험장소
조사대상 농장은 충북 및 이천 소재의 농장 4곳을 선정하여 조사를 수행하였다. 조사 대상 농장의 특징을 조사하여 Table 1에 나타냈다.
Table 1.
Environmental conditions of experimental piggery.
조사항목은 총 사육두수, 돈사형태, 바닥형태, 환기시스템, 돈사 면적, 퇴비장 면적, 고액분리 유무, 연간 가축분뇨 발생량, 가축분뇨 처리방법, 사료 및 수분조절재에 대하여 조사하였다.
2. 악취시료 채취
실험 양돈장의 퇴비화 공정을 Figure 1에 나타내었고 급여하는 사료를 채취하여 분석 후 Table 2에 제시하였다. 양돈장의 퇴비화시설에서 발생하는 악취물질을 분석하기 위해 슬러리, 고액분리 후 고형분, 발효 공정, 후숙공정 및 저장공정의 악취 시료와 고형분 시료를 채취하여 단계별 악취물질 농도를 분석하였다. 사료 및 퇴비는 샘플백을 이용하여 포집 하였으며, 슬러리는 2L 무균 채수병 (BT15502000, New International Science Co., Namyangju, South Korea)을 이용해 포집하였다 (Figure 2a). 슬러리를 포함하여 고액분리 후부터 발효기간 동안 14일 간격으로 3회 샘플을 채취하였으며, 저장 기간 60일에 샘플을 채취하여 악취물질을 평가하였다. 실험은 2021년 4, 5월 두 달간 수행하였으며, 시료의 채취 및 현장 환경모니터링은 오전 10:00에서 오전 12:00 사이에 수행하였다.
Table 2.
Chemical composition of feed in each experimental farm.
Item | A | B | C |
DM, % | 93.8±0.2 | 94.4±0.2 | 92.9±0.2 |
OM, %DM | 96.3±0.3 | 95.3±0.2 | 95.4±0.3 |
CP, %DM | 15.3±0 | 17.3±0.2 | 16.2±0 |
EE, %DM | 6.2±0.1 | 5.6±0 | 7.1±0.1 |
Ash, %DM | 3.7±0.3 | 4.7±0.2 | 4.6±0.3 |
Ca, %DM | 0.33±0.01 | 0.64±0.06 | 0.70±0.03 |
P, %DM | 0.51±0.01 | 0.57±0.02 | 0.48±0.04 |
C, %DM | 45.0±0.1 | 41.8±0.4 | 43.7±0.7 |
N, %DM | 2.45±0.19 | 2.77±0.10 | 2.59±0.14 |
S, %DM | 0.39±0.21 | 0.63±0.29 | 0.48±0.24 |
고형분 시료에 대하여 화학적성분, 암모니아 (NH3), 황화수소 (H2S) 및 악취강도 (OI, Odor intensity)에 대하여 분석을 실시하였다. 본 실험에서 악취물질은 국립환경과학원에서 고시한 악취공정시험기준 (2019)에 따라 악취 시료를 포집 하였다. 악취물질의 농도 평형의 조건은 유량 및 시간에 따라 암모니아 및 황화수소 변화를 측정하는 예비실험을 통해 설정하였고, 암모니아, 황화수소 및 악취 강도는 Flux chamber 법을 이용하여 1.0L 폴리프로필렌 샘플병을 이용하여 겉보기 밀도가 측정된 샘플을 채운 후 분당 500ml의 유량으로 20분 이상 질소 (N2, 99.999%)를 주입한 후 4분 동안 2L를 알루미늄 백에 포집하여 평가하였다 (Figure 2c, d; Joeng et al., 2016).
3. 조사항목 및 방법
(1) 화학적성분
건물 (Dry matter, DM), 조회분 (Ash) 및 조지방 (ether extract, EE)은 AOAC (2005)의 방법에 따라 분석을 수행하였다. 건물은 열풍 건조기 (HB-503-LF, Hanbaek scientific technology, Bucheon, Korea)를 사용하여 60℃에서 48시간 동안 건조하여 측정하였으며, 조회분은 회화로 (Isotemp muffle furnace 550-126, Thermo fisher scientific Inc., Hampton, USA)를 사용하여 550℃에서 3시간 30분 동안 회화 후 측정한 함량을 건물함량에서 감하여 유기물 (Organic matter, OM)을 계산하였다. 조지방은 ANKOM 산분해 시스템 (ANKOM HCl Hydrolysis System, ANKOM Technology, New York, USA)를 이용하여 측정하였다. 조단백은 automated Kjeldahl analyzer (Kjeltec 8400, FOSS, Hilleroed, Denmark)를 이용하여 Kjeldahl 방법에 따라 조단백질 함량을 측정하였다 (AOAC 968.06). 칼슘 (Ca)과 인 (P)은 전처리 후 inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES iCAP PRO, Thermo Fisher Scientific, MA, USA)를 사용하여 측정하였다. 탄소, 질소 및 황 함량은 건조된 샘플을 원소분석기 (EA1112, Thermo Fisher Scientific, MA, USA)를 이용하여 측정하였다.
(2) 암모니아, 황화수소 및 악취강도
샘플의 표면에서 발생하는 암모니아, 황화수소 및 악취강도 평가를 위해 Flux chamber 방법 (Joeng et al., 2016, Figure 2d)으로 포집된 기체를 전자식 센서 휴대용 악취 측정기 (SKY2000-M4, Locus Airtech, Suwon, South Korea)를 활용하여 암모니아, 황화수소 및 악취강도를 측정하다. 암모니아 및 황화수소 결과는 검지관 (Gastec Detector Tube, Gastec, Kanagawa, Japan)과 검지관식 기체 측정기 (GV-100, Gastec, Kanagawa, Japan)을 이용하여 값을 검정하였다.
4. 통계분석 및 모델링
돈분 슬러리 퇴비화 공정에 따른 암모니아, 황화수소 및 악취강도를 알아보기 위하여 완전 임의 배치법으로 실험을 수행하였으며, 디자인 모델은
Yij = μ + Ti + Eij
와 같다. μ는 평균, Ti는 퇴비화 공정 및 Eij는 오차를 나타낸다. 본 실험의 결과는 SAS package program (9.4 version, SAS Inc., NC, USA)의 MIXED procedure를 이용하여 분석을 수행하였다. 본 실험의 실험단위는 실험을 수행한 각각 공정별 농장 샘플이며, 처리구간의 유의성은 CONTRAST 옵션을 이용하여 직교 다항비교 (orthogonal polynomial contrast)를 수행하였다. 악취물질 간의 상관성을 알아보기 위해서 CORR 옵션을 사용하여 상관성을 분석하였다. 처리구간의 유의성과 상관성은 P<0.05 수준에서 검정하였으며, 모든 처리구의 평균은 최소자승평균 (Least square means) 값을 표시하였다.
결과 및 고찰
1. 퇴비화 공정별 암모니아, 황화수소 및 악취강도
조사대상 농장의 퇴비화 공정별 암모니아, 황화수소 및 악취강도의 변화를 Table 3 에 나타냈다. 모든 실험농가에서 고액분리 후 샘플에서 측정한 암모니아 및 황화수소가 유의적으로 감소하는 결과를 나타냈다 (P<0.05). 농장 A, B 및 C에서 고액분리 후 돈분의 퇴비화 기간에 따라 측정한 암모니아의 농도는 시간에 따라 증가하는 결과를 나타냈다 (P<0.05). 농장 B와 C에서 고액분리 후 샘플에서 황화수소는 검출되지 않았다. 농장 A의 경우 고액분리 후 샘플의 황화수소 농도가 3.4 mg/m2/h으로 나타났으며, 퇴비화가 진행됨에 따라 감소하는 경향을 나타냈다 (P=0.057). 농장A는 퇴비화가 진행됨에 따라 악취강도가 감소하였으며 (P=0.023), 다른 농가는 퇴비화 진행에 따라 악취강도 값이 유의적인 차이를 나타내지 않았다.
Table 3.
Ammonia, hydrogen sulfide and odor intensity of swine manure according to the composting process of each experimental farm.
Solid pig manure treatment period1,d | p-value1 | ||||||||
Items2 | Raw | 0 | 14 | 28 | 60 | SEM | L | Q1 | Q2 |
Farm A | |||||||||
NH3, mg/m2/h | 77.5 | 6.1 | 1.1 | 2.6 | 14.6 | 5.2 | 0.048 | 0.021 | 0.286 |
H2S, mg/m2/h | 76.7 | 3.4 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 9.3 | 0.057 | 0.103 | 0.326 |
Odor intensity | 29.7 | 5.5 | 3.8 | 2.7 | 1.8 | 7.2 | 0.023 | 0.091 | 0.313 |
Farm B | |||||||||
NH3, mg/m2/h | 79.6 | 22.6 | 79.2 | 178.4 | 396.8 | 48.2 | 0.068 | 0.269 | 0.941 |
H2S, mg/m2/h | ND | ND | ND | ND | ND | - | - | - | - |
Odor intensity | 1.0 | 3.1 | 2.0 | 0.9 | 0.9 | 0.6 | 0.234 | 0.128 | 0.030 |
Farm C | |||||||||
NH3, mg/m2/h | 124.7 | 220.2 | 231.1 | 307.2 | 81.3 | 68.7 | 0.000 | 0.096 | 0.254 |
H2S, mg/m2/h | 5.7 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 4.7 | 0.190 | 0.246 | 0.462 |
Odor intensity | 3.6 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1.5 | 1.5 | 0.430 | 0.174 | 0.597 |
가축분뇨에서 발생하는 암모니아는 미생물이 활동함에 따라 발생하는 암모니아성 질소가 증가함에 따라 발생한다 (Kim et al., 2020). 농장 A와 B는 액비순환 시스템이 적용되어 있지 않은 농가이며, B의 경우 정화처리 후 액을 돼지 출하 후 피트에 일부 채운 후 돼지를 입식하는 농가이다. 농가 C는 액비순환 시스템이 적용되어 있어 부숙액비를 슬러리 피트로 상시 순환하는 농가이다. 따라서, 액비가 순환함에 따라 혼합된 공기와 미생물 공급 효과로 농장 C의 슬러리 암모니아 발생량이 농장 A와 B의 슬러리 암모니아 발생량 보다 높게 나타난 것으로 사료된다. 퇴비화 공정에서 발생하는 암모니아는 송풍퇴적식 시설에서 회분식으로 퇴비화할 경우 초기에는 증가하고 점차 감소하는 결과를 나타낸다 (Park et al., 2024). 본 연구에서는 농장별로 암모니아의 발생량과 증감 여부가 농장간에 서로 상의한 것으로 나타났는데, 이는 퇴비화 공정에 따라 차이가 발생할 수 있다. 실험 농가의 퇴비화 시설 샘플을 채취하여 평가한 결과이기 때문에 암모니아 발생량의 정량과 증가 감소에 대한 명확한 평가는 어려우나 액비순환시스템의 적용은 농장 전체에서 발생하는 암모니아의 발생량을 높이는 것으로 사료된다. 다만, 암모니아는 가축분뇨의 퇴비화가 진행됨에 따라 증가하기 때문에 (Kim et al., 2013) 암모니아의 증가는 반대로 농가에서 퇴비를 잘 처리하고 있음을 나타내는 지표이다.
가축분뇨에서 발생하는 황화수소는 공기가 없는 혐기상태에서 미생물에 의해서 발생한다 (Zhu, 2000). 또한, 분뇨가 물리적 교반 또는 폭기로 인해 공기와의 접촉이 증가하지 않을 경우 혐기화가 진행되고 이 과정에서 악취 기여도가 높은 황화합물이 생성된다 (Higgins et al., 2006). 국내 양돈장은 많은 수가 슬러리피트 형태를 갖고 있으며, 슬러리피트의 분뇨는 물리적인 충격이 없을 경우 공기와의 접촉이 제한적이다. 상대적으로 액비순환 시스템이 적용되어 있는 농가의 경우 슬러리피트 내 돈분슬러리에 물리적인 흐름이 발생하여 공기접촉량이 늘어나고 부착성 미생물의 성장을 저해하는 특징이 있다. 이전 연구에서 액비순환시스템을 적용한 양돈장에서는 돈사 내 황화수소 수치가 일반적인 양돈장에 비해 낮게 나타난 것으로 보고하고 있다 (Choi et al., 2021). 본 연구의 결과도 액비순환시스템의 적용은 돈사 내 슬러리에서 발생하는 황화수소 발생량을 저감할 수 있음을 시사한다.
퇴비화 운전 조건이 다른 양돈장에서 수집된 샘플의 암모니아, 황화수소 및 악취강도 분석 결과에서 고액분리 전 슬러리와 고액분리 후 고형분에서 발생한 암모니아와 황화수소는 유의적으로 큰 차이를 보였다. 일반적으로 악취물질은 발생 대상의 표면에서 발생하며, 공기보다 가벼운 물질이 공기중으로 배출되는 특성이 있다. 이러한 특성으로 인해 발생한 악취물질은 수분함량이 높은 가축분뇨 내에 물리적인 충격이 발생하기 전까지 수압에 의해 배출되지 않고 머무르는 특성이 있다 (VanderZaag et al., 2009). 따라서, 본 연구에서 고액분리 전 슬러리와 고액분리 후 고형분 유래 악취물질 배출량의 차이는 고액분리 과정에서 배출된 악취물질로 볼 수 있다. 다만, 고형분과 액상으로 분리하기 때문에 액상에서 측정한 암모니아와 황화수소 함량을 반영하면 고액분리 과정에서 배출되는 악취물질의 양을 정확하게 측정할 수 있을 것으로 사료된다. 연구 내에서 고액분리 전후에 따라 배출되는 악취물질이 유의적인 차이가 나타나지 않은 경우는 고액분리 전 슬러리의 악취물질 배출량 낮을 경우이다. 본 연구 내 모든 양돈장에서 퇴비화가 진행됨에 따라 발생하는 황화수소 배출량은 감소하였고 이는 송풍을 통해 호기성미생물이 증가함에 ᄄᆞ라 생성되는 황화수소의 양보다 배출되는 양이 더 많았기 때문으로 사료된다.
농장 A는 실험 농장 중 슬러리 저장 높이가 가장 높고 (0.8 m), 돈분 슬러리의 장기 저장에 따른 황화합물 생성으로 슬러리 원수의 악취강도가 높게 나타난 것으로 사료된다. 양돈 분뇨에서 생성되는 황화합물의 대부분은 혐기성 미생물에 의해서 생성되며 (Zhu, 2000), 저장기간이 길어 짐에 따라 더 많이 생성되는 특징이 있다 (Lin et al., 2016). 환경부에서 제공하는 악취물질별 최소 감지 농도를 살펴보면 암모니아에 비해서 황화수소의 감지 최소 값이 200배 가량 낮은 것으로 보고하고 있다 (환경부, 2020). 따라서, 본 연구에서 나타난 악취강도는 황화수소의 기여도가 높은 것으로 사료된다.
2. 암모니아, 황화수소 및 악취강도 상관분석
조사대상 농장별 암모니아, 황화수소 및 악취강도 요약 결과를 Table 4에 나타냈다. 농장 A의 암모니아 평균은 20.4 mg/m2/h이며, 최소, 최대값은 0.0~186.1 mg/m2/h로 나타났다. 황화수소는 평균 16.0 mg/m2/h이며, 최소, 최대값은 0.0~230.4 mg/m2/h로 나타났다. 악취강도의 평균은 8.7 OU이며, 최소, 최대값은 1.3~75.0 OU로 나타났다.
Table 4.
Summary of database by odor variables during the composting.
농장 B의 암모니아 평균은 151.3 mg/m2/h, 최소, 최대값은 0.0~1,118.6 mg/m2/h로 나타났다. 황화수소는 검출되지 않았다. 악취강도의 평균은 1.6 OU이며, 최소, 최대값은 0.0~5.3 OU로 나타났다. 농장 C의 암모니아 평균은 192.9 mg/m2/h이며, 최소, 최대값은 5.0~495.5 mg/m2/h로 나타났다.
황화수소는 평균 1.1 mg/m2/h이며, 최소, 최대값은 0.0~22.9 mg/m2/h로 나타났다. 악취강도의 평균은 1.3 OU이며, 최소, 최대값은 0.0~13.9 OU로 나타났다.
전체 농장의 암모니아 평균은 121.5 mg/m2/h 최소, 최대값은 0.0~1,118.6 mg/m2/h로 나타났다. 황화수소는 평균 5.7 mg/m2/h이며, 최소, 최대값은 0.0~230.4 mg/m2/h로 나타났다. 악취강도의 평균은 3.3 OU이며, 최소, 최대값은 0.0~75.0 OU로 나타났다.
젖소분뇨를 퇴비화하는 동안 Flux chamber 방법을 활용하여 측정한 암모니아 최대 배출량을 1,200 mg/m2/h로 보고하고 있다 (van Dooren HJC, 2015). 퇴비화의 대상이 돈분은 아니지만 가축분뇨를 퇴비화하는 동안 발생하는 암모니아 배츨량을 유사한 방법을 활용하여 측정한 값이 유사하기 때문에 본 연구의 암모니아 배출량은 신뢰할 만 한 것으로 판단된다. 본 연구와 유사한 flux chamber 방법을 이용하여 양돈장 피트 내에서 6~7일 체류한 슬러리의 표면에서 발생한 황화수소를 측정한 결과를 2.67 mg/m2/ min (160.0 mg/m2/h)로 보고하고 있으며 (Dai and Blanes-Vadal, 2013) 산 첨가에 따라 최대 268 mg/m2/min으로 보고하고 있다. 본 연구에서 나타난 황화수소 발생량 0.0~230 mg/m2/h은 피트 내 분뇨 체류시간으로 미루어 볼 때 가능한 배출량으로 사료된다.
전체 농장의 암모니아, 황화수소 및 악취강도 상관분석 결과를 Table 5에 나타냈다. 암모니아와 악취 강도의 상관성은 유의적인 차이를 나타내지 않았으며, 황화수소와 악취강도 간에는 매우 높은 양의 상관성을 나타내었다 (p<0.001). 상관분석 결과에서 황화수소와 악취강도의 연관성이 매우 높은 양의 상관성을 나타냈고 (0.978; p<0.001), 이러한 황화수소의 발생은 농장의 슬러리 피트 내 분뇨 저장기간과 매우 밀접하다. 양돈장에서 발생하는 악취 중 돈분 유래 황화합물이 실제 악취에 미치는 영향이 매우 높은 것으로 사료되기 때문에 혐기화를 방지하는 것이 양돈장의 악취저감에 가장 중요할 것으로 사료된다.
결 론
본 연구는 양돈장 퇴비화 과정 및 양돈장의 시설 차이에서 발생하는 암모니아, 황화수소 및 악취강도를 평가하였다,
양돈장 슬러리피트 내 돈분에서 발생하는 암모니아와 황화수소는 고액분리 과정에서 가장 많이 배출되는 것으로 나타났다. 대체적으로 액비순환 시스템 적용 농가의 암모니아 배출량이 높았고 반대로 황화수소의 배출량은 일반적인 양돈장에서 높게 나타났다. 실제 느끼는 악취를 간접적으로 알아볼 수 있는 악취강도는 황화수소와 매우 높은 양의 상관성을 나타냈고 암모니아는 상관성이 나타나지 않았다. 양돈장에서 효과적인 악취저감을 위해서는 슬러리피트의 혐기화를 막는 것이 가장 효율적일 것으로 사료된다. 본 연구에서는 양돈장 및 퇴비화 과정에서 발생하는 암모니아와 황화수소의 배출 특성을 제시하였으며, 악취저감을 위한 연구의 기초자료로 활용 수 있다.