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1. 서론

 상대적으로 제한된 면적에서 사육형태가 집약적이고 기업화됨에 따라 축산농가에서 발생되는 대량의 가축분뇨 적정처리와 악취문제에 대한 방지대책이 지속적 축산을 영위하기 위한 필수적인 선결과제가 되었다. 악취는 쾌적한 삶의 질 향상을 추구하려는 주민의 욕구와 도시와 농촌간 공간적 거리가 점차 줄어들어 지속적으로 악취 민원 발생이 증가하고 있으며, 이와 관련되어 정부에서는 기존의 대기환경보전법에서 다루었던 악취관련 부분을 따로 독립시켜 더욱 강화된 악취방지법을 2005 년 2월부터 시행하고 있다 (Ministry of Environment, 2005).

 국내 축산업의 경우 가축 생산성 증대를 도모하기 위해 소규모 산업 형태에서 대규모 방식의 기업화 형태로 전환되고 있고, 사육두수관점에서는 과거에 비해 크게 감소하지 않고 있는 상황이다 (Ministry of Agriculture and Forestry, 2011). 이러한 변화로 가축의 사육 환경 조건이 상당 부분 개선되었고, 이에 따라 가축의 생산성 지표도 매년 증가하는 경향을 보인 것도 사실이다. 하지만 축사 실내 환경 내부에서 악취, 분진, 부유 미생물 등의 공기오염물질들이 적정 수준으로 제어되지 못한 조건하에서 외부로 배출되는 경우 미시적 관점에서는 악취 발생 (Hayes et al., 2006)을, 거시적 관점에서는 오존층 파괴로 인한 기후 변화 (Hospido and Sonesson, 2005) 및 구제역 및 조류독감 바이러스의 공기 전염 확산 (Mayer et al., 2008) 등의 환경보건학적 문제들을 유발할 수 있다.

축산시설 중 닭을 사육하는 계사(鷄舍)의 경우 일반적인 산업시설 및 생활시설에서 배출되는 악취에 비해 농도(concentration), 강도(intensity), 불쾌도(offensiveness) 측면 모두에서 상위하는 것으로 알려져 있다 (Hartung and Phillips, 1994; Gustafsson, 1999). 하지만 경제적으로 열악한 조건하에서 운영되고 있는 국내 계사 시설들의 경우 대부분 악취물질 제거용 미생물 첨가제 및 약액을 사료에 주입하거나 실내에 분무하는 아주 단순한 방식의 저비용 저효율 악취 제어 기술이 적용되고 있어 계사 내부에서 발생되는 악취 물질들이 거의 제어되지 못한 상황하에서 그대로 외부에 배출되고 있는 것이 지금의 현실이라 할 수 있다. 

 미국과 유럽 등의 선진국에서는 계사에서 배출되는 악취 원인 물질들에 대해 산업보건학적 측면에서는 계사시설에 종사하는 근로자들을 대상으로 작업환경모니터링을 통한 건강 위해 성 평가 (Chang et al., 2001; Rimac et al., 2010; Senthilselvan et al., 2011), 대기환경학적 측면에서는 계사 주변 정주민들의 악취 민원을 해소하기 위해 악취 확산 모델 적용을 통한 적정 이격거리 산정 기준 설정용 배출계수 산정 연구들 (Wathes et al., 1997; Hinz and Linke et al., 1998; Koerkamp et al., 1998; Gay et al., 2003; Lacey et al., 2004)이 1990년대 초반부터 지금까지 계속해서 진행되어 왔다. 하지만 우리나라의 경우 계사에서 발생되는 악취 원인 물질들의 실내 농도 수준에 대한 현장 측정 자료 확보 등의 기초 연구마저도 거의 수행된 바 없다.

 따라서 본 연구의 목적은 현재 국내 악취방지법에서 적용하고 있는 총 22가지 물질들을 대상으로 계사시설의 유형 및 기후적 조건을 반영한 실내 농도 분포 특성을 현장 조사에 의해 산정하여 계사 악취 관련 환경 및 산업 보건정책 반영을 위한 기초자료를 제시하는 데 있다.

2. 연구 방법

2.1 연구 대상

 제주 지역에 위치한 계사 2개소를 대상으로 2011년 7월부터 2012년 6월까지 총 1년 기간동안 월별 현장 방문하여 악취 물질 분석을 위한 공기 시료를 채취하였다. 제주 지역에 위치한 계사를 조사 대상으로 선정한 이유는 조류독감 등 닭 관련 감염성 질병 발병률이 육지에 비해 상대적으로 낮아 현장 조사를 위한 외부인들의 농장 출입이 비교적 용이하고, 청정지역인 제주 지역의 경우 외부 공기오염물질의 농도가 상대적으로 낮아 계사 내부로 유입되는 수준도 상당히 미미할 것으로 추정되었기 때문이다. 현장 조사는 월별 데이터의 객관성을 유지하기 위해 맑은 날 오후 시간대(1:00 PM~5:00 PM)로 모두 동일하게 적용하여 수행되었고, 조사대상 계사의 제원은 <표 1>과 같다.

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

2.2 측정 및 분석

 계사 중앙 바닥으로부터 1m 상부 지점에서 지역시료의 형태로 공기 채취를 하였다. 계사에서 배출되는 악취 물질의 발생량은 내부 공기 배출구 지점에서 측정한 농도 값에 유량을 곱하여 나타냈다. 유량은 강제환기 방식의 밀폐형 계사의 경우 배기팬 면적에 유속을 곱하여 측정하였고, 자연환기 방식의 개방형 계사의 경우 Gay et al.(2003)의 연구 방법에 따라 계사 내/외부의 온도 및 CO₂ 농도를 직독식 측정기로 측정한 후 내부와 외부간의 차이를 근거로 열 평형 및 CO₂ 평형 방법을 병행하여 측정하였다. 발생량에 대한 배출 계수 산정을 위해 조사 대상 각 계사의 면적과 사육되는 닭의 총 무게를 조사하였다. 총 무게 산출의 경우 현실적으로 사육되는 닭들의 총 무게를 측정한다는 것은 불가능했기 때문에 농장주로부터 자료를 받아 수행하였고, 최종적으로 성계(成鷄) 평균 무게인 1.5kg을 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 계사 내부의 공기 시료 채취 및 분석 절차는 악취공정시험방법(2007)에 준하여 시행하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 계사 유형별 현행 22가지 악취 규제물질의 월별 실내 농도 분포 현황

<그림 1>은 2011년 7월에서 2012년 6월까지 1년 동안 매달 현장 방문하여 측정된 현행 22가지 악취 규제물질의 계사 유형별 월별 실내농도 변화 추이를 보여주고 있다. 계사 유형에 따른 악취 물질들의 월별 실내농도 분포 현황을 정리하면 다음과 같다. 

Fig. 1. Monthly mean concentration of 22 odorous compounds according to type of poultry building.

강제환기(무창)/컨베이어 방식으로 운용되고 있는 계사(W farm)의 경우 평균 농도와 범위가 ammonia는 2.75(0.40~13.65)ppm, hydrogen sulfide는 4.84(1.81~9.14)ppb, methyl mercaptan은 1.05 (n.d.~4.55)ppb, dimethyl sulfide는 1.29(0.06~4.73) ppb, dimethyl disulfide는 0.03(n.d.~0.20)ppb, tri-methyl amine은 3.57(0.55~11.00)ppb, styrene은 9.27(0.81~21.37)ppb, toluene은 27.49(1.52~74.96) ppb, xylene은 15.90(1.21~35.43)ppb, methyl ethyl ketone은 89.15(20.13~248.71)ppb, methyl iso-butyl ketone은 6.27(4.21~8.52)ppb, butyl acetate는 6.23(2.43~11.96)ppb, i-butyl alcohol은 17.76(2.23~35.01)ppb, propionic acid는 117.04(7.06~761.86) ppb, n-butylic acid는 42.88(4.18~352.42)ppb, n-va-leric acid는 8.45(n.d.~31.49)ppb, i-valeric acid는 13.35(n.d.~66.22)ppb로 분석되었다.

자연환기(윈치)/컨베이어 방식으로 운용되고 있는 계사(Y farm)의 경우 평균 농도와 범위가 ammonia는 1.79(0.59~3.35)ppm, hydrogen sulfide는 6.59(2.04~18.98)ppb, methyl mercaptan은 0.88  (n.d.~4.94)ppb, dimethyl sulfide는 1.16(n.d.~5.73) ppb, dimethyl disulfide는 0.03(n.d.~0.20)ppb, tri-methyl amine은 2.30(0.13~7.83)ppb, styrene은 6.52 (0.86~11.67)ppb, toluene은 15.11(1.49~35.36)ppb, xylene은 12.95(1.29~30.28)ppb, methyl ethyl ketone은 34.73(2.56~100.01)ppb, methyl iso-butyl ketone은 4.62(3.15~8.77)ppb, butyl acetate는 4.89 (1.21~8.20)ppb, i-butyl alcohol은 15.86(3.85~44.68) ppb, propionic acid는 63.54(12.14~146.23)ppb, n-butylic acid는 20.53(8.06~43.58)ppb, n-valeric acid는 0.98(n.d.~7.55)ppb, i-valeric acid는 6.10(n.d.~ 45.38)ppb로 분석되었다.

3.2 계사 유형별 현행 22가지 악취 규제물질의 계절별 실내 농도 분포 현황

 <그림 2>는 계사 유형에 따른 현행 22가지 악취 규제물질들의 계절별 내부 농도 수치를 제시하고 있다. 여기서 봄철은 3~5월, 여름철은 6~8월, 가을철은 9~11월, 겨울철은 12~2월로 구분한 것으로, 각 3개월 동안 측정된 월별 데이터를 종합하여 평균화한 것이다. 조사대상 계사 2개소에서 측정된 계절별 악취 물질들의 실내 농도 수치를 모두 종합한 결과는 다음과 같다.

Fig. 2. Seasonal mean concentration of 22 odorous compounds according to type of poultry building.

 Ammonia의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 1.47(1.41~1.52)ppm, 여름은 1.39(0.83~1.95)ppm, 가을은 2.24(2.20~2.28)ppm, 겨울은 4.54(2.15~6.94)ppm으로 분석되었다. Hydrogen sulfide의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 5.53(5.52~5.53)ppb, 여름은 4.01(2.46~5.57)ppb, 가을은 3.59(2.61~4.57) ppb, 겨울은 7.09(5.17~9.02)ppb로 분석되었다. Methyl mercaptan의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 1.68(1.22~2.14)ppb, 여름은 0.36(n.d.~0.73)ppb, 가을은 0.29(n.d.~0.58)ppb, 겨울은 1.42(0.58~2.27) ppb로 분석되었다. dimethyl sulfide의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 2.18(1.00~3.36)ppb, 여름은 0.47(0.15~0.80)ppb, 가을은 0.75(0.43~1.07)ppb, 겨울은 1.32(n.d.~2.65)ppb로 분석되었다. Dimethyl disulfide의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 n.d., 여름은 n.d., 가을은 0.10(0.08~0.11)ppb, 겨울은 n.d.로 분석되었다. Trimethyl amine의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 3.10(1.71~4.48)ppb, 여름은 1.05(0.80~1.30)ppb, 가을은 1.66(0.89~2.44)ppb, 겨울은 5.02(2.09~7.95)ppb로 분석되었다. Styrene의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 10.60(6.72~14.48) ppb, 여름은 3.28(1.90~4.66)ppb, 가을은 7.07 (6.50~7.64)ppb, 겨울은 11.27(10.75~11.79)ppb로 분석되었다. Toluene의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 30.06(9.38~50.73)ppb, 여름은 8.60(2.99~14.21)ppb, 가을은 21.48(19.76~23.21)ppb, 겨울은 30.98(29.86~32.10)ppb로 분석되었다. xylene의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 12.99(9.29~16.69)ppb, 여름은 4.07(2.73~5.42)ppb, 가을은 18.92(17.17~20.67)ppb, 겨울은 27.06(24.96~29.17) ppb로 분석되었다. Methyl ethyl ketone의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 57.87(32.12~83.62)ppb, 여름은 22.20(5.68~38.72)ppb, 가을은 40.70(37.51~43.90)ppb, 겨울은 109.22(63.48~154.96)ppb로 분석되었다. Methyl iso-butyl ketone의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 5.53(4.42~6.64)ppb, 여름은 4.86(3.23~6.48)ppb, 가을은 5.53(5.04~6.02)ppb, 겨울은 7.13(7.08~7.18)ppb로 분석되었다. Butyl acetate의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 7.79 (5.75~9.83)ppb, 여름은 2.42(2.04~2.81)ppb, 가을은 4.92(4.58~5.25)ppb, 겨울은 7.67(7.63~7.71)ppb로 분석되었다. i-Butyl alcohol의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 16.82(14.61~19.03)ppb, 여름은 6.22(6.04~6.40)ppb, 가을은 18.84(17.02~20.65)ppb, 겨울은 30.05(29.73~30.36)ppb로분석되었다. Propionic acid의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 46.20(34.55~57.84)ppb, 여름은 16.50(12.11~20.90) ppb, 가을은 57.86(52.67~63.04)ppb, 겨울은 230.65 (93.75~367.56) ppb로 분석되었다. n-Butylic acid의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 18.66(14.49~ 22.82)ppb, 여름은 8.90(8.73~9.07)ppb, 가을은 9.86 (6.29~13.42)ppb, 겨울은 80.58(28.04~133.11)ppb로 분석되었다. n-Valeric acid의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 0.76(n.d.~1.52)ppb, 여름은n.d., 가을은3.15(1.39~4.91) ppb, 겨울은 14.24(3.90~24.59) ppb로 분석되었다. i-Valeric acid의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 1.04(n.d.~2.08)ppb, 여름은n.d., 가을은3.97(2.16~5.79) ppb, 겨울은 29.30(18.32~ 40.28)ppb로 분석되었다.

3.3 계사 악취 물질 현장 측정 결과에 대한 고찰

 계사 유형 및 측정 시점에 상관없이 악취 물질별 실내 농도 수치는 ammonia가 ppm 수준으로 측정되어 가장 높은 것으로 나타났고, 다음으로 황계열 물질 중 hydrogen sulfide, 휘발성 유기화합물 중 methyl ethyl ketone, 지방산류 중 propionic acid와 butylic acid가 백단위 수준의 ppb로 측정되었으며, 나머지 물질들은 십단위 수준의 ppb로 측정된 것으로 분석되었다. 본 연구 결과 중 특이할만한 사항은 22가 악취 물질 중 알데히드류 5가지 물질들(acetaldehyde, propionaldehyde, butyraldehyde, n-valeraldehyde, i-va-leraldehyde)은 어떠한 측정 시점에서도 전혀 검출되지 않은 점이다.

 환기 방법 차이에 따른 계사 유형별 실내 악취 물질의 농도는 대체로 윈치커튼을 이용한 자연환기 방식의 산란계사와 측벽 배기팬을 이용한 강제환기 방식의 산란계사 간에 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다. 월별 및 계절별 농도 추이 측면에서는 계사 환기율이 감소하는 겨울철(12~1월)이 계사 환기율이 상대적으로 높은 여름철(6~8월)보다 축사 내부의 악취 물질 농도가 높게 형성됨을 알 수 있었고, 봄철(3~5월)과 가을철(9~11월)은 유사한 수준인 것으로 조사되었다. 본 측정 결과에 근거를 두면 22가지 악취 물질들 모두 계사 유형, 월별, 계절별간 농도 수치의 편차가 상당히 높은 것으로 분석되었는데, 이는 현장 조사 특성상 측정 당일의 다양한 주변 환경 요인들의 변화에 의한 결과로 추정된다.

국외 선행 연구 결과들과 비교시 계사 악취의 주요 원인 물질로 지목되고 있는 지방산류 물질들의 측정 농도값이 상대적으로 낮게 검출된 점이 주목할 만한 사항이다 (Yasuhara et al., 1984; Zhu et al., 2000; Redwine et al., 2002). 상대적으로 악취 형성 기여도가 높은 휘발성 지방산의 구조는 짝수의 탄소사슬을 가진 기름이나 지방 형태로 일반적으로 12, 14 및 18의 탄소사슬을 갖는데, 이는 탄소수가 많은 지방산성분일수록 혐기 분해시 악취 형성도가 높기 때문이라 언급되고 있다 (Hartung and Hilliger, 1984). 그러므로 현재 국내 악취방지법에서 규제하고 있는 저급 지방산류(C₁-C₄ 계열) 4가지 물질들은 계사에서 발생되는 악취 기여도가 상대적으로 낮을 수 있어 계사 악취 기여도가 높을 것이라 추정되는 C₅ 이상의 고급 지방산류 물질들을 대상으로 관리하는 것이 지방산류에 의한 계사 악취 패턴을 객관적으로 평가할 수 있는 방안이라 판단된다. 

 계사 실내의 악취 발생을 증가시키는 주요 원인 물질로 p-cresol, skatole, indole 등의 페놀계열 물질들도 몇몇 국외 연구자들에 의해 제기되었다 (Hartung and Phillips, 1984; Hartung and Rokicki, 1984). 또한 이러한 물질들이 계사 실내 환경에서 허용기준 이상으로 노출시에는 닭은 생산성 감소, 양계업 종사자에게는 천식, 비염, 기관지염 등의 호흠기계 질환을 유발하는 것으로 보고되고 있다 (Kuroda et al., 1995; Kulik, 1986). 그러나 본 물질들이 현행 국내 악취방지법에서는 규제 대상으로 설정되어 있지않기 때문에 계사 악취의 정성 분석 결과를 객관적으로 반영하기 위해서는 계사 악취 관리를 위한 실내환경 기준 합리화 연구가 향후 검토되어야 할 것이다.

 계사 악취 발생 강도를 결정하는 주요 인자인 온도와 상대습도를 동시에 모니터링하지 못해 계사 실내 온/습도와 악취 물질 농도간의 통계적 상관관계를 본 연구에서는 규명할 수 없었던 것이 본 연구의 제한점이라 할 수 있다. 그러므로 계사 악취 원인 물질들의 발생 농도와 계사 실내 온도 및 상대습도 간 상관성을 파악하기 위한 심화 연구가 향후 요구되는 바이다.

4. 결 론

 본 연구는 현장 방문 조사를 통해 계사 유형에 따른 현행 국내 악취 규제 물질 22가지에 대한 월별/계절별 실내 농도 분포를 규명하기 위해 수행되었다. 조사대상 계사 유형 및 측정 시점에 상관없이 악취 물질별 실내 농도 수치는 ammonia가 ppm 수준으로 측정되어 가장 높은 것으로 나타났고, 다음으로 황계열 물질 중 hy-drogen sulfide, 휘발성 유기화합물 중 methyl ethyl ketone, 지방산류 중 propionic acid와 Butylic acid가 백단위 수준의 ppb로 측정되었으며, 나머지 물질들은 십단위 수준의 ppb로 측정된 것으로 조사되었다. 22가 악취 물질 중 알데히드류 5가지 물질들(acetaldehyde, propionaldehyde, butyraldehyde, n-valeraldehyde, i-valer-aldehyde)은 어떠한 측정 시점에서도 검출되지 않은 것으로 분석되었다. 계사 유형에 따른 악취 물질의 실내농도 분포는 환기 방식 측면에서 강제환기가 적용되는 무창 계사와 자연환기가 적용되는 윈치 계사 간의 내부 악취 농도 분포는 일정한 변화 양상이 관찰되지 않았고, 물질별로 농도 차이가 다양하게 나타난 것으로 조사되었다. 월별 및 계절별 농도 추이 측면에서는 계사 환기율이 감소하는 겨울철(12~1월)이 상대적으로 높은 여름철(6~8월)보다 계사 내부의 악취 물질 농도가 높게 형성됨을 알 수 있었고, 봄철(3~5월)과 가을철(9~11월)은 유사한 수준인 것으로 관찰되었다.

5. 사 사

 본 논문은 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호:PJ907172)의 지원에 의해 이루어진 것임