9권2호_고한종(135-145).pdf576.4KB

1. 서 론

악취는 쾌적한 삶의 질 향상을 추구하려는 현대인들의 욕구와 도시와 농촌간의 공간적 거리가 점차 줄어들어 지속적으로 악취 민원 발생이 증가하고 있으며, 이와 관련되어 정부에서는 기존의 대기환경보전법에서 다루었던 악취관련 부분을 따로 독립시켜 더욱 강화된 악취 방지법을 2005년 2월부터 시행하고 있다 (환경부, 2005). 악취는 자극성 있는 기체상 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새로 악취물질은 그 종류에 따라서 발생원이 다르며 발생량을 어느 정도 저감시킨다 할지라도 극미량으로도 취기를 유발시키므로 이에 대한 대책과 방지에는 많은 어려움이 산재해 있다. 대부분의 사람들은 악취의 질(quality)과 강도(intensity)를 감지할 수 있지만 사람의 후각 감각은 개인마다 상이하기 때문에 이를 객관적으로 평가 분석하는 것은 쉽지 않으며, 악취 노출시 신체내 알러지 반응, 식욕 감퇴, 음수량 저하, 호흡기 장애, 설사와 구토, 정신적 스트레스 등의 심미적 환경 공해 요인으로 작용한다고 알려져 있다 (Yasuhara et al., 1984). 

상대적으로 제한된 면적에서 사육형태가 집약적이고 기업화됨에 따라 축산농가에서 발생되는 대량의 가축분뇨 적정처리와 악취문제에 대한 방지대책이 지속적 축산을 영위하기 위한 필수적인 선결과제가 되었다. 축산업의 가장 대표적 시설인 돈사(豚舍)의 경우 일반 다른 산업시설이나 생활시설에서 배출되는 악취에 비해 농도, 강도, 지속성 모두 상대적으로 높은 것으로 보고되고 있다 (Hartung and Phillips, 1994; Gustafsson, 1999). 하지만 탈취 및 흡착탑 등의 고효율 악취 제어시설이 보편적으로 적용되는 일반 시설들과는 달리 경제적으로 열악한 조건하에서 운영되고 있는 돈사 대부분이 미생물 첨가제나 단순 환기시스템 등의 저비용 저효율 악취 제어시설이 가동되고 있어 인근 주민 지역으로의 악취 배출이 거의 무방비라고 해도 과언이 아니다. 

또한 미국과 유럽 등의 선진국에서는 돈사 악취에 대해 산업보건과 환경보건학적인 측면에서 주요 원인물질인 암모니아와 황화수소를 대상으로 돈사 작업자 노출량 평가 (Crook et al., 1991; Duchaine et al., 2000; Chang et al., 2001) 및 주변 지역으로의 악취 휘산 정도를 정량화하기 위한 배출계수 산정 연구들 (Koerkamp et al., 1998; Gay et al., 2003)이 이미 오래전부터 수행되어 이와 관련한 DB의 구축이 거의 정립화되고 있는 실정이다. 우리나라의 경우 환경부(2004)에서 악취 배출계수 산정화에 대한 현장 연구를 수행하였으나, 국외 선행 자료 중 암모니아 배출계수만을 인용하여 각 축사 유형별 암모니아의 총 배출량만 간접적으로 추정했을 뿐 악취물질 배출계수 산정을 위한 독자적인 현장 데이터의 확보는 진행되지 못했다. 따라서 우리나라는 본 분야에 대한 현장 기초 조사마저도 거의 시행되지 못한 연구 초기 단계라 할 수 있다 (Kim et al., 2005). 

따라서 본 연구는 돈사를 대상으로 현재 국내 악취방지법에서 적용하고 있는 22가지 물질에 대한 실내 농도 파악 및 배출계수의 산정을 통해 축산 악취 관련 환경 정책 수립을 위한 현장 기초자료를 제공하는 데 목적을 두고 있다.

2. 연구 방법

2.1 연구대상

제주 지역에 위치한 돈사 4개소를 대상으로 2011년 7월에서 2011년 10월 기간 동안 각 농장주와의 협조를 얻어 월별 현장 방문하여 악취 시료를 채취하였다. 제주 지역에 위치한 돈사를 선정한 근거는 현장 조사 시기에 즈음하여 구제역이 전국적으로 발병하여 제주 지역 이외에는 외부인의 농장 출입이 전면 통제되었고, 청정지역인 제주 지역의 경우 외부 공기오염물질의 농도가 상대적으로 낮아 공기 흐름을 통해 돈사 내부로 유입되는 수준도 상당히 미미할 것으로 추정되어 외부 유입원이 배제된 본연의 데이터로 활용될 수 있다는 장점을 보유하고 있었기 때문이었다. 

현장 조사는 월별 데이터의 객관성을 유지하기 위해 맑은 날 오전 시간대(10:00 AM~12:00 PM)로 모두 동일하게 적용하여 수행되었고, 조사대상 돈사의 제원은 <표 1>과 같다. 

Table 1. Profile of the pig buildings investigated in this study

2.2 측정 및 분석

돈사 중앙 바닥으로부터 1m 상부 지점에서 지역시료의 형태로 공기 채취를 하였다. 돈사에서 배출되는 악취 물질의 발생량은 내부 공기 배출구 지점에서 측정한 농도 값에 유량을 곱하여 나타냈다. 유량은 강제환기 방식의 밀폐형 돈사의 경우 배기팬 면적에 유속을 곱하여 측정하였고, 자연 환기 방식의 개방형 돈사의 경우 Gay 등 (2003)의 연구 방법에 따라 돈사 내/외부의 온도 및 CO² 농도를 직독식 측정기로 측정한 후 내부와 외부간의 차이를 근거로 열평형 및 CO² 평형 방법을 병행하여 측정하였다. 

발생량에 대한 원단위 배출 계수 산정을 위해 조사 대상 각 돈사의 면적과 사육되는 돼지의 총 무게를 조사하였다. 돈사의 사육 면적은 줄자를 가지고 직접 측정하거나 돼지 전염병 확산을 우려한 농가의 경우 농장주로의 협조를 받아 측정하였다. 총 무게 산출의 경우 현실적으로 사육되는 돼지들의 총 무게를 측정한다는 것은 불가능했기 때문에 이 또한 농장주로부터 자료를 받아 수행하였고, 최종적으로 가축 단위(Animal Unit; AU) 기준으로 환산한 후 산정하였다

측정 대상 악취 물질은 현재 국내 악취방지법에서 규정하고 있는 악취 물질 22가지 모두를 대상으로 하였으며, 각 물질별 돈사 내부의 공기 시료 채취 및 분석 절차는 악취공정시험 방법(국립환경과학원, 2007)에 준하여 시행하였다. 

3. 결과 및 고찰

3.1 조사대상 돈사 유형별 현행 22가지 악취 규제물질의 내부 농도 분포 현황

<그림 1>은 2011년 7월에서 10월의 4개월 동안 측정된 악취 물질의 돈사 유형에 따른 월별 농도 분포 현황을 보여주고 있다. 측정 결과, 현행 국내 악취방지법에서 규제하고 있는 22가지 물질 중 최소 한 곳의 돈사에서라도 검출된 물질은 총 10가지 (ammonia, hydrogen sulfide, methyl mercaptan, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide, trimethyl amine, stylene, toluene, xylene, methyl ethyl ketone)였으며, 나머지 12개 물질은 불검출로 분석되었다. 검출된 각각의 악취 물질별 농도 분포 현황을 평균 수치와 범위로 살펴보면, ammonia는 5.3(0.4~21.3)ppm, hydrogen sul-fide는 118.6(2.9~1,341.1)ppb, methyl mercaptan은 6.0(2.2~18.4)ppb, dimethyl sulfide는 1.8(0.06~13.0)ppb,x diemthyl disulfide는 0.3(0.1~0.9)ppb, trime-thylamine은 4.8(0.1~21.2)μmole/mole, stylene은 1.5(0.6~2.8)μmole/mole, toluene은 2.2(1.0~3.4)μ mole/mole,, xylene은 2.5(1.2~5.8)μmole/mole, methyl ethyl ketone은 2.8(1.5~5.1)μmole/mole인 것으로 분석되었다. 

Fig. 1. Monthly concentration of main odorous compounds according to pig buildings.

본 연구를 통해 측정된 결과만을 근거로 고찰해 보면 대체로 분뇨 처리 형태 측면에서는 스크레퍼(바닥 분뇨 제거 시스템)>슬러리(분뇨 정화조 시스템), 환기 방식 측면에서는 무창(강제환기)>윈치(자연환기)의 농도 분포 양상을 보였다. 월별 농도 추이 측면에서는 돈사 환기율이 감소하는 가을철(9월, 10월)이 돈사 환기율이 상대적으로 높은 여름철(7월, 8월)보다 돈사 내부의 악취 물질 농도가 높게 형성됨을 알 수 있었다. 

본 측정 결과에 있어 특이할만한 사항은 축산 악취의 주요 원인 물질로 국외 여러 연구자들에 의해 지목된 지방산류 물질 (Yasuhara et al., 1984; Tanaka et al., 1991)들이 전혀 검출되지 않은 사실이다. 일반적으로 악취 발생에 크게 기여하는 휘발성 지방산은 짝수 탄소로만이루어진 탄소사슬을 가진 기름이나 지방으로 이루어져 있으며 보통 12, 14 및 18의 탄소사슬을 갖는다. Hartung과 Hilliger (1984)에 의하면 돈분에서 주로 검출되는 저급 지방산(C1-C4 계열)은 탄소수가 적어 실질적으로 악취형성에 크게 기여하지 못하며 탄소수가 많은 고급 지방산이 주요 악취원인이라 하였는데, 이는 탄소수가 많을수록 분해시 악취형성에 크게 영향을 미칠 수 있다는 판단에서 비롯된 듯하다. 따라서 현재 국내 악취방지법에서 규제하고 있는 저급 지방산류 4가지 물질들은 돈사에서 발생되는 악취 기여도가 상대적으로 낮을 수 있어 축산 악취 기여도가 높을 것이라 추정되는 C5 이상의 고급 지방산류 물질들로 모니터링하는 것이 지방산류에 의한 축산 악취 패턴을 객관적으로 평가할 수 있는 방안이라 판단된다.

또한 p-cresol, skatole, indole 등의 페놀류 물질들도 축산 전반에 걸쳐 대량으로 배출되는 악취원인 물질로 많은 국외 연구자들에 의해 밝혀졌으며 (Hartung and Rokicki, 1984; Kuroda et al., 1995; Kulik, 1996), 돈사내 가축이나 주변 사람들에 대한 심미적 피해도 상당한 편이다. 하지만 현행 국내 악취방지법 규제 물질 항목에는 포함되어 있지 않기 때문에 객관적인 돈사 악취의 정성 분석 결과를 반영하기 위해서는 돈사 악취 기준 합리화에 대한 신중한 검토가 필요한 시점이라 할 수 있다. 

3.2 돈사에서 배출되는 악취 물질의 배출계수 산정 결과

국내 악취규제물질 22가지 중 조사대상 돈사 4개소 모두에서 검출된 a셭 모nia, hydrogen sul-fide, methyl mercaptan, dimethyl sulfide에 대해서만 가축단위 및 돈사면적 기준 방식으로 배출 계수를 산정한 결과는 다음과 같다. 

3.2.1 Ammonia (NH3)

<그림 2>에서 나타난 바와 같이 가축 단위 기준의 암모니아 평균 배출계수는 강제환기(무창)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(J 농장)의 경우 2,371(±432)mg h^-1  AU^-1 , 자연환기(윈치)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(K농장)의 경우 2,709(±356)mg h^-1 AU^-1 , 강제환기(무창)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(N농장)의 경우 2,512(±352)mg h^-1 AU^-1 , 자연환기(윈치)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(S농장)의 경우 2,211(±280)mg h^-1 AU^-1인 것으로 분석되었다. 돈사 면적 기준의 암모니아 평균 배출계수는 J 농장의 경우 464(±71)mg h^-1 m^-2, K 농장의 경우 421(±64)mg h^-1 AU^-1 , N 농장의 경우 491(±66)mg h^-1 m^-2 , S 농장의 경우 448(±71)mg h^-1 m^-2인 것으로 분석되었다.

Fig. 2. Monthly emission coefficient of ammonia according to pig buildings.

측정 데이터를 종합해 볼 때 암모니아 배출계수의 경우 가축 단위 기준 측면에서는 약 1,500~3,000mg h^-1 AU^-1 , 돈사 단위 면적 측면에서는 약 300~600mg h^-1 m^-2 범위의 배출계수를 나타냈고, 본 수치는 국외 선행 연구 자료(Koerkamp et al., 1998; Zhu et al., 2000; Gay et al., 2003)와 비교시 유사하거나 약간 높은 수준인 것으로 분석되었다. 

3.2.2 Hydrogen sulfide (H2S)

<그림 3>에서 나타난 바와 가축 단위 기준의 황화수소 평균 배출계수는 강제환기(무창)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(J 농장)의 경우 7.63(±3)mg h^-1 AU^-1 , 자연환기(윈치)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(K 농장)의 경우 27.38(±44)mg h^-1 AU^-1 , 강제환기(무창)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(N 농장)의 경우 135.95(±89)mg h^-1 AU^-1 , 자연환기(윈치)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(S 농장)의 경우 18.92(±19)mg h^-1 AU^-1인 것으로 분석되었다. 돈사 면적 기준의 황화수소 평균 배출계수는 J 농장의 경우 1.49(±1)mg h^-1 m^-2 , K 농장의 경우 5.36(±9)mg h^-1 AU^-1 , N 농장의 경우 26.40(±17)mg h^-1 m^-2 , S 농장의 경우 3.78(±4)mg h^-1 m^-2인 것으로 분석되었다. 

Fig. 3. Monthly emission coefficient of hydrogen sulfide according to pig buildings.

측정 데이터를 종합해 볼 때 황화수소 배출계수의 경우 가축 단위 기준 측면에서는 약 3.0~250mg h^-1 AU^-1 , 돈사 단위 면적 측면에서는 약 0.5~50mg h^-1 m^-2 범위의 배출계수를 나타내 돈사 유형 및 월별 간 큰 차이를 보였고, 본 수치는 국외 선행 연구 자료 (Ni et al., 2000; Zhu et al., 2000)와 비교시 암모니아의 경우와 마찬 가지로 유사하거나 약간 높은 수준인 것으로 분석되었다. 

3.2.3 Methyl mercaptan (CH3SH)

<그림 4>에서 나타난 바와 가축 단위 기준의 메틸메르캅탄 평균 배출계수는 강제환기(무창)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(J 농장) 의 경우 0.91(±1)mg h^-1 AU^-1 , 자연환기(윈치)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(K 농장)의 경우 5.81(±8)mg h^-1 AU^-11 , 강제환기(무창)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(N 농장)의 경우 2.75(±1)mg h^-1 AU^-1 , 자연환기(윈치)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(S 농장)의 경우 1.70(±1)mg h^-1 AU^-1인 것으로 분석되었다. 돈사 면적 기준의 메틸메르캅탄 평균 배출계수는 J농장의 경우 0.18(±0.1)mg h^-1 m^-2 , K 농장의 경우 1.14(±1.5)mg h^-1 AU^-1 , N 농장의 경우 0.81(±0.78)mg h^-1 m^-2 , S 농장의 경우 0.86(±1.2)mg h^-1 m^-2인 것으로 분석되었다.

Fig. 4. Monthly emission coefficient of methyl mercaptan according to pig buildings.

측정 데이터를 종합해 볼 때 메틸메르캅탄 배출계수의 경우 가축 단위 기준 측면에서는 약 0.3~20mg h^-1 AU^-1 , 돈사 단위 면적 측면에서는 약 0.1~3.5mg h^-1 m^-2 범위의 배출계수를 나타내는 것으로 분석되었으며, 국외 선행 연구 자료의 부재로 메틸메르캅탄의 경우 현재로서 비교할 수 없는 상황이다. 

3.2.4 Dimethyl sulfide (CH3SCH3)

<그림 5>에서 나타난 바와 가축 단위 기준의 디메틸설파이드 평균 배출계수는 강제환기(무창)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(J 농장)의 경우 0.46(±0.2)mg h^-1 AU^-1 , 자연환기(윈치)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(K 농장)의 경우 0.44(±0.2)mg h^-1 AU^-1 , 강제환기(무창)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(N 농장)의 경우 1.95(±2.5)mg h^-1 AU^-1 , 자연환기(윈치)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(S 농장)의 경우 0.49(±0.3)mg h^-1 AU^-1인 것으로 분석 되었다. 돈사 면적 기준의 디메틸설파이드 평균 배출계수는 J 농장의 경우 0.09(±0.08)mg h^-1 m^-2, K 농장의 경우 0.09(±0.04)mg h^-1 AU^-1 , N 농장의 경우 1.04(±0.7)mg h^-1 m^-2 , S 농장의 경우 0.10(±0.1)mg h^-1 m^-2인 것으로 분석되었다. 

Fig. 5. Monthly emission coefficient of dimethyl sulfide according to pig buildings.

측정 데이터를 종합해 볼 때 디메틸설파이드 배출계수의 경우 가축 단위 기준 측면에서는 약 0.2~6.0mg h^-1 AU^-1 , 돈사 단위 면적 측면에서는 약 0.02~2.0mg h^-1 m^-2 범위의 배출계수를 나타내는 것으로 분석되었으며, 국외 선행 연구자료의 부재로 디메틸설파이드도 메틸메르캅탄의 경우와 마찬가지로 현재로서는 객관적 비교가 불가능한 상황이다.

3.3 본 연구의 제한점

돈사 내부의 열적 인자인 온도와 상대습도도 악취 발생 강도를 결정하는 주요 인자이나, 4개월의 측정 결과만을 토대로 돈사 실내의 온습도와 악취 농도간의 통계적 상관관계를 규명한다는 것은 불가능하다. 따라서 이를 수행하기 위해서는 지금보다 더 많은 분석 데이터의 확보가 필요하다. 또한 본 연구의 조사는 7월에서 10월 중에 진행되어 전반적으로 여름철의 기후 조건만을 반영했을 뿐 우리나라의 전형적인 4계절 상황 모두를 포함시키지 못하고 있다. 따라서 돈사 내부 환경의 적정 온습도 유지를 위해 환기율이 상대적으로 낮아지는 겨울철과 여름과 겨울의 중간 기후 조건인 봄철과 가을철에도 추가 조사가 수행되어 본 측정 데이터와의 계절별 비교가 반드시 검토되어야 할 것이다. 

4. 결 론

본 연구는 현장 방문 조사를 통해 돈사 유형에 따른 현행 국내 악취 규제 물질 22가지에 대한 실내농도 및 배출계수의 분포 현황 자료를 수집하기 위해 수행되었다. 현행 국내 악취방지법에서 규제하고 있는 22가지 물질 중 최소 한곳의 돈사에서라도 검출된 물질은 총 10가지(ammonia, hydrogen sulfide, methyl mercaptan, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide, trimethyl amine, stylene, toluene, xylene, methyl ethyl ketone)였으며, 나머지 12개 물질은 불검출로 분석되었다. 돈사 유형에 따른 악취 물질의 실내농도 분포는 분뇨 처리 형태 측면에서는 스크레퍼>슬러리, 환기 방식 측면에서는 무창>윈치의 양상을 보였다. 월별 농도 분포 측면에서는 돈사 환기율이 감소하는 가을철(9월, 10월)이 돈사 환기율이 상대적으로 높은 여름철(7월, 8월)보다 돈사 내부의 악취 물질 농도가 전반적으로 높았다. 하지만 악취물질 배출계수의 경우 이와는 정반대로 돈사 환기율이 상대적으로 높은 여름철(7월, 8월)이 돈사 환기율이 감소하는 가을철(9월, 10월) 보다 전반적으로 높은 것으로 조사 되었다. 돈사의 주요 악취 원인물질인 암모니아와 황화수소의 배출계수의 경우 가축 단위 기준 측면에서는 1,500~3,000mg h^-1 AU^-1와 3.0~250mg h^-1 AU^-1 , 돈사 단위 면적 측면에서는 00~600mg h^-1 m^-2와 0.5~50mg h^-1 m^-2 범위의 배출계수를 나타내 국외 선행 연구 자료와 비교시 유사하거나 약간 높은 수준인 것으로 분석되었다.