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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.1 pp.42-46
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.1.42

Estimation of odor emission rate from swine nursery facilities using probability distribution

Seongwoo Lee1, Jongkuk Lee22, Daekeun Kim3*
1Department of Energy Environmental Engineering, Seoul National University of Science and Technology
2Center for Odor Management, Korea Environment Corporation
3Department of Environmental Engineering, Seoul National University of Science and Technology
Corresponding author +82-2-970-6606kimd@seoultech.ac.kr
December 1, 2016 February 17, 2017 February 22, 2017

Abstract

This study aimed to estimate the odor emission rate from swine nursery facilities (naturally and mechanically ventilated) using probability distribution. Odor occurrence trends in the study facilities were very different; odor concentration and gas flow had a lognormal distribution. Monte Carlo simulation was used to carry out the uncertainty analysis. Odor emission rate was found to range from 18.05 OU/sec (10th percentile) to 621.88 OU/ sec (90th percentile), and odor emission rate per head ranged from 0.02 OU/sec · head (10th percentile) to 0.64 OU/ sec · head (90th percentile).


확률분포를 이용한 양돈시설의 악취발생량 추정

이 성우1, 이 종국2, 김 대근3*
1서울과학기술대학교 에너지환경공학과
2한국환경공단 악취관리처
3서울과학기술대학교 환경공학과

초록


    ©Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1.서 론

    최근 쾌적한 생활환경권 보장에 대한 국민의 욕구가 높아지면서 악취 민원이 증가하고 있으며, 생활악취 문 제는 반드시 해결해야 할 환경 문제로 인식되고 있다. 2005년도부터 정부는 악취 문제를 해결하고자 대기환 경보전법에서 관리하던 악취를 악취방지법에서 관리하 고 있다. 하지만 악취 관련 민원은 지속적으로 증가하 고 있으며, 2015년도 총 15,573건의 민원이 접수되었 다(ME, 2016).

    축산시설은 가축 사육으로 인한 사육장내 분뇨의 축 적, 가축분뇨 저장시설 및 처리시설 등에서 발생하는 악취로 인하여 혐오감을 불러일으키는 동시에 인근 주 민의 민원을 발생시키고 있다(Seo et al., 2013; ILEM, 2016). 최근에는 축산시설 중에서 돈사시설은 1차 산업 중 소득탄력성이 높은 성장산업으로 주목을 받고 있으 며, 사육두수가 증가하고 시설 규모가 커지면서 다량의 악취 발생은 불가피한 실정이다. 현재 2016년 1분기의 돼지 사육수두 수는 1천만 마리이며 가구 수는 4백 7 십만 가구로 증가하는 추세이다(Statistics Korea, 2016). 따라서 악취 민원의 과학적 해결을 통하여 축산업의 지속적 발전을 도모할 필요가 있다.

    양돈시설에서 발생되는 악취의 강도와 성상은 시설 형태의 종류, 환기방식, 사육되는 가축의 종류, 청소 횟 수 등에 영향을 받는다(Kim et al., 2007; Kim et al., 2008; Kim and Choi, 2013). 양돈시설에서 발생되는 악취 농도는 다른 축사시설에 비해 상대적으로 높으며 주원인물질인 황화수소와 암모니아를 포함한 다양한 악취물질이 발생된다. 양돈시설의 악취발생량과 발생 원인을 파악하는 것은 적절한 방지지설의 적용과 환경 정책 수립을 위해 필수적이다.

    본 연구는 양돈시설의 복합악취를 기준으로 한 악취 발생 특성을 파악하고 악취발생량을 산정하기 위하여 수행되었다. 현장 양돈시설을 대상으로 한 악취 측정· 분석 값을 산출하였으며, 현장 측정값의 불확실성을 보 완하기 위하여 확률분포 분석을 통해 측정 자료를 재 해석하였다.

    2.연구방법

    2.1.연구대상시설

    본 연구의 양돈시설은 경기도 7개소, 인천광역시 2 개소, 강원도 5개소, 충청북도 1개소, 충청남도 3개소, 전라북도 3개소, 전라남도 4개소, 경상북도 3개소, 경 상남도 13개소 그리고 제주도 1개소로 총 42개소의 비 육돈사를 대상으로 복합악취 발생농도를 분석하였다. 악취발생 유량은 환기방식(자연환기 및 기계환기)을 고려하여 총 9개소의 양돈시설을 대상으로 하였다.

    2.2.시료 채취 및 분석 방법

    시료의 채취 및 측정기간은 2010년부터 2014년까지 이며 축산농가주의 협조를 얻어 현장 방문하여 악취 시료를 채취하였다. 복합악취(odor unit, OU) 측정은 악취공정시험법에 준하여 공기희석관능법을 적용하여 악취발생농도(OU/m3)로 산출하였다.

    2.3.악취발생량

    악취발생량의 표현은 OER (Odor Emission Rate, OU/sec)로 나타내었으며 악취발생농도(OU/m3)와 발생 유량(m3/sec)의 곱으로 식 (1)과 같이 산출하였다. 악취 발생농도는 복합악취의 희석배수 값을 사용하였으며, 발생유량은 자연환기와 기계환기 시설을 구분하여 산 정하였다.

    O d o r E m i s s i o n R a t e ( O U / sec ) = O d o r C o n c e n t r a t i o n ( O U / m 3 ) × F l o w r a t e ( m 3 / sec )
    (1)

    기계환기 시설은 배출구의 면적과 배출가스의 유속 을 이용하여 발생유량을 산출하였으며, 자연환기 시설 의 경우 물질전달속도 0.00001 m/sec (시설 바닥면적에 서 공기 중으로 물질이 확산되는 것으로 가정)와 시설 의 바닥면적을 곱하여 산출하였다. 악취물질의 물질전 달속도는 확산속도(diffusion rate, 1 × 10−5cm2/sec)를 확산경계층 두께(film thickness, 0.01 cm)로 나누어 산 출되었다. 여기서, 악취 물질은 복합적이기 때문에 확 산속도는 일반적으로 사용될 수 있는 값을 적용하였으 며 확산경계층도 주로 0.01 cm로 사용하여 계산된다 (Cussler, 2008).

    2.4.몬테카를로 시뮬레이션

    본 연구에서는 불확실성을 보완하고 확률적 변수를 통하여 대표적인 추정치를 나타내기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다. 시뮬레이션은 Crystall ball (Oracle, USA)을 사용하였으며 추정치의 정확도를 확 보하기 위하여 난수를 100,000회로 하였다. 확률 분포 는 대수정규분포(log normal distribution)을 사용하여 악취발생 농도와 유량, 사육두수, 악취발생량의 평균 및 표준편차, 백분위수(10%, 50%, 90%) 그리고 사육 두수당 악취발생량(OU/sec·head)을 산출하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.악취 발생 특성

    Fig. 1은 조사된 양돈시설의 악취농도(a), 발생유량 (b)과 시설 당 사육두수(c)의 확률 밀도 분포를 보여준 다. 악취농도의 평균과 표준편차는 510 ± 606 OU/m3으 로 나타났으며 변동계수(coefficient of variation)는 119%로 나타났다. 악취 발생농도의 범위는 최소 26 OU/m3에서 최대 3,000 OU/m3으로 넓은 분포를 나타 냈다. 1,000 OU/m3이하의 악취 발생농도를 보인 양돈 시설은 전체 42개소 중 38개소(90% 분포)로 조사되었 다. 가장 높은 발생빈도를 나타낸 악취농도 구간은 300~400 OU/m3이었으며 15개소(36% 분포)로 나타났다.

    악취 발생 농도는 양돈시설의 환기 방식, 발생가스 의 온도와 습도 등에 따라 나타는 것으로 상이한 결과 를 보이는 것으로 판단된다. Hayes et al. (2006)의 연 구에서는 아일랜드 소재의 기계 환기가 적용된 4개소 의 양돈시설을 대상으로 악취발생량을 조사한 결과 115~2,172 OUE/m3으로 넓은 범위의 악취발생량을 나 타냈다. 이러한 현상은 외부 환경과 양돈시설 내의 사 육장 종류에 따른 기계 환기율의 조절에 의하여 넓은 범위로 나타난 것으로 보고하였다. Kim et al. (2008) 의 연구는 대기 온도와 습도의 변화, 시료 채취 지점의 환경, 분석기술에 의한 차이로 인하여 상이한 측정 결 과가 나타날 수 있다고 보고하였다. 또한 양돈시설에서 발생하는 분뇨의 관리 상태에 따라 고농도의 악취가 발생할 수 있다(Hoff et al., 2006; Van Huffel et al., 2016). 따라서 보다 정확한 악취 발생농도를 파악하기 위하여 시설별, 계절별, 온도와 습도, 환기시설의 방식 에 따라 구분하여 광범위한 조사가 필요하며(Webb et al., 2014), 악취 발생의 불확실성을 감소시키기 위한 통계적 해석이 요구된다.

    Fig. 1 b)는 양돈시설의 가스 발생유량을 산출한 확 률 밀도 분포로 보여준다. 발생 유량의 평균과 표준편 차는 0.48 ± 0.69 m3/sec로 악취 발생농도와 유사한 넓 은 범위의 경향을 나타내었다. 발생유량의 최소값은 0.009 m3/sec, 최대값은 1.63 m3/sec이었다. 가스 발생유 량은 악취의 발생량과 계수를 산정하는데 중요한 인자 로 사용된다.

    Fig. 1 c)는 양돈시설 사육두수의 확률 밀도 분포를 보여준다. 사육두수의 평균과 표준편차는 2,020 ± 1,283 두수로 조사되었으며, 최대값은 5,000 두수로 나 타났다. 양돈시설의 다양성을 악취발생 특성에 반영하 기 위하여 자료값의 불확실성을 해결할 수 있는 통계 적 기법의 활용이 고려될 수 있다.

    3.2.몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 분석

    Table 1은 양돈시설의 조사 분석값의 불확실성을 감 소시키고 신뢰성을 보완하기 위해서 몬테카를로 시뮬 레이션을 사용하여 산출된 결과 값을 보여준다. 3.1절 에서 설명하였듯이 악취의 발생추이가 매우 상이하기 때문에 악취발생의 농도분포를 대수정규분포(log normal distribution)로 분석하는 것이 타당하였다.

    몬테카를로 시뮬레이션을 적용한 악취농도(OU/m3) 와 발생유량(flow rate), 사육두수(head) 분포는 양의 왜도를 보이며 왼쪽에 중앙값을 포함하고 첨도는 양의 값으로 뾰족한 분포를 나타냈다. 악취농도와 발생유량 의 각 분산 값은 1이상으로 평균보다 편차가 큰 넓은 분산 분포를 보였다. 최소값은 측정·분석 값과 유사하 였으나, 최대값은 측정·분석 값보다 높은 수치를 나타 냈다. 악취발생량과 사육두수당 악취발생량의 수치도 동일한 경향을 보였으나 변동계수는 악취농도에 비해 약 2배가 높았다. 악취는 시설의 구조 및 운전여건, 주 위 환경조건, 기후 및 날씨조건에 따라 상이하게 발생 할 수 있으며, 변화의 폭이 매우 크게 나타날 수 있다.

    3.3.악취발생량 추정

    Table 2는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 산출 된 악취농도, 유량, 사육두수, 악취발생량과 사육두수 당 악취발생량의 백분위수를 보여준다. 제시된 값은 3.2장의 몬테카를로 시뮬레이션의 결과로부터 도출하 였으며, 10%와 50%, 90% 백분위수로 추정값을 제시 하였다. 양돈시설의 악취발생량 범위는 18.05 OU/sec (10th percentile)~621.88 OU/sec (90th percentile), 사육 두수 당 악취발생량은 0.02 OU/sec·head (10th percentile)~ 0.64 OU/sec·head (90th percentile)로 추정되었다. 각각의 도출된 결과값은 문헌조사를 통하여 비교가 필 요하다.

    Table 3은 양돈시설의 악취 발생농도와 발생량을 조 사한 국내·외 연구결과를 보여준다. Jo et al. (2015)는 14곳의 양돈시설을 대상으로 악취발생을 조사하여 7~2,080 OU의 악취 발생농도를 보고하였다. Hayes et al. (2006)는 아일랜드 소재 비육돈사의 악취발생량을 8,460~45,600 OUE/sec, 사육두수당 악취발생량은 10.7~ 28.2 OUE/sec·head로 보고하였다. 양돈시설의 축적된 분뇨, 계절 및 기후, 환기방식과 사료의 공급 체계 등 이 복잡하게 작용하여 악취 발생에 영향을 미치는 것 으로 판단하였다. 특히, 환기시설은 환기량에 따라 악 취의 배출 관리가 가능하기 위하기 때문에 양돈시설의 중요한 운영인자가 되며, 질소 함유량 등 사료의 특성 에 따라 배출되는 분뇨의 성상이 상이하기 때문에 악 취발생에 영향을 준다. Romain et al. (2013)는 양돈시 설의 악취발생량을 5.4~17.5 OU/sec·head, 변동계수는 67.4 %로 보고하였고, 돼지의 체중이 무거울수록 악취 발생량이 증가할 수 있다고 분석하였다. 미국 EPA (Enviromental Protection Agency, 2001)에서는 양돈시 설의 악취 발생량에 대한 권고값을 제시하였는데, 비육 돈사는 10~20 OUE/sec·head, 분만돈사는 18 OUE/sec· head, 자돈사는 4.2 OUE/sec·head이었다. 본 연구의 결 과 값은 Table 3에 제시된 문헌 값보다 다소 낮은 범위 를 보인다. 그 이유는 본 연구에서 조사된 시설은 자연 환기와 기계환기식 시설을 모두 포함하고 있는 반면에 비교대상 문헌 값은 기계환기식 시설만을 대상으로 한 다. 양돈시설에서 발생되는 악취는 현장 시설의 용도와 구조, 규모에 따라 상이한 결과를 보이는 것으로 판단 할 수 있다. 또한, 돼지의 생장 조건과 활동성이 악취 발생에 영향을 주는 것으로 조사되었다.

    4.결 론

    본 연구는 양돈시설 중 비육돈사(자연환기 및 기계 환기식 돈사를 대상)에서 발생되는 악취를 측정·분석 하여 악취발생량을 파악하고자 하였다. 양돈시설에서 측정·분석된 악취 발생농도는 510 ± 606 OU/m3이었으 며 악취농도 분포의 변동계수는 119%로 넓은 범위의 분포를 보였다. 또한, 조사된 시설 중 90%는 1,000 OU/m3 이하의 악취농도로 분석되었다. 측정자료의 불 확실성을 보완하고자 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하 였으며 도출된 모든 항목의 분산은 1이상으로 평균보 다 편차가 큰 넓은 분산분포를 나타냈다. 몬테카를로 시뮬레이션으로 도출된 양돈시설(자연환기 및 기계환 기식 돈사 대상)의 악취 발생량은 18.05 OU/sec (10th percentile)~621.88 OU/sec (90th percentile)이었으며 사육 두수당 악취발생량은 0.02 OU/sec·head (10th percentile) ~0.64 OU/sec·head (90th percentile)로 추정되었다.

    감사의 글

    이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지원으 로 수행되었습니다.

    Figure

    JOIE-16-42_F1.gif

    Probability density distribution of odor concentration (a), flow rate (b) and number of livestock (c) on swine nursery facilities in this study.

    Table

    Logarithmic normal probability distributions by using Monte Carlo simulation

    Distribution percentile of odor emission rate from swine nursery facilities by using the observation of Monte Carlo simulation

    Comparison of odor emission rate from swine nursery facilities

    anot available
    bnaturally and mechanically ventilated

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