1. 서 론
축산업은 국민의 소득증대와 육류 소비량 증대로 빠 르게 성장하였으나, 가축분뇨로 인해 발생하는 문제들 로 부정적 인식이 증가하고 있다. 축산에서 발생하는 가축분뇨는 수질오염, 대기오염 등 환경문제를 발생시 키고 있으며, 그 중 악취 문제는 인근 주민의 민원 증 가로 시급히 해결해야할 사항으로 떠오르고 있다. 축산 시설에서 발생하는 악취 민원은 2011년 2,838건에서 2015년 4,323건으로 증가하였으며, 이는 총 15,573건 의 악취 민원 중 28%를 차지하고 있다(NIER, 2017;Ha, 2018). 농촌진흥청에서 실시한 농업인의 복지실태 조사에서도 874명의 농업인 중 39%가 축사시설이 악 취의 주된 요인이라고 응답하였다(RDA, 2018). 이는 공장 26.4%, 하수처리장 7.4%, 쓰레기매립장 8.8%와 견주어 볼 때 사람들이 축산업을 악취의 원인으로 인 식함을 보여준다.
돈사 내 악취물질은 사료 내 영양소의 불완전 소화 와 가축분뇨의 장기 저장으로 인한 혐기발효로 발생하 며(Jensen and Jorgensen, 1994;Jang and Jung, 2018), 생성되는 악취물질의 종류는 암모니아 트라이메틸아민 과 같은 질소계화합물, 황화수소, 메틸메르캅탄 등의 황계열물질, 지방산류와 인돌류(indoles), 페놀류(phenols) 등이다(Yasuhara et al., 1984;Kuroda et al., 1995;Kim and Choi, 2013). 이러한 악취물질들은 가 축과 근무하는 작업자 모두에게 부정적인 영향을 주는 것으로 알려져 있으며(Schiffman, 1998), 특히 암모니 아의 경우 고농도에서 돼지의 식욕을 떨어뜨려 성장을 저하시키므로 양돈농가의 경제적 손실의 원인이 된다 (Drummond et al., 1980). Indoles, phenols 등과 같은 비지정악취물질은 악취물질로 작용할 뿐만 아니라 대 표적인 공기질 오염물질로 신체적 건강을 위협하는 원 인 중 하나이다(Yang C et al., 2010).
악취는 다양한 물질들의 복합적인 작용에 의해 발생 하는 혼합기체상태이므로 단일물질로 악취를 평가하는 것은 적합하지 않다. 또한, 악취 감지가 가능한 농도인 최소감지농도는 물질마다 다르기 때문에(ME, 2012), 단순히 악취물질 농도로의 악취 평가는 한계가 존재한 다(Jung et al., 2016). 따라서 악취 특성을 고려한 평가 를 위해 악취를 유발하는 개별 물질의 활동도와 기여 도를 통해 평가하는 다양한 연구들이 시도되고 있다 (Jung et al., 2016;Lee et al., 2013;Parker et al., 2013).
양돈농장은 돈사, 분뇨처리시설 등의 다양한 시설들 이 존재하며, 동일한 농장에서도 시설에 따라 악취강도 및 악취기여물질이 다르게 나타날 수 있다. 돈사 피트 내부에 저장되는 분뇨는 시간이 경과함에 따라 미생물 군집이 변화하며 이에 따라 발생하는 냄새물질의 농도 가 상이하게 나타날 수 있으며(Jang and Jung, 2018), 퇴·액비장의 경우에는 돈사 내부에 비해 상대적으로 분 뇨 저장 기간이 길며 폭기 및 교반에 의한 냄새물질의 발생이 다르게 나타날 수 있다(Seo et al., 2013). 또한 부지경계의 경우 농장 내 발생된 냄새물질별로 확산정 도가 달라 부지경계에서의 농도가 다르게 나타난다 (Yoo et al., 2005). 따라서 양돈농장의 시설 특성에 따 라 악취의 특성이 다르게 나타날 수 있으나, 국내에서 는 현장에서의 각각의 특성을 고려한 악취평가는 거의 이루어지지 않거나(Kim et al., 2012b), 측정대상 농가 의 수가 적고(Shin et al., 2016), 지정악취물질만을 대 상으로 측정 및 평가를 실시한 연구들이 대부분이었다 (Kim et al., 2012c). 따라서 본 연구는 양돈농장을 대 상으로 시설별(돈사내부, 배기휀, 부지경계, 퇴·액비장) 지정악취물질 및 비지정악취물질에 대해, 측정한 악취 물질의 활동도와 기여도를 평가하여 주요 악취물질의 특성 분석을 수행하였다.
2. 연구내용 및 방법
2.1 조사 농장
조사 대상의 농가는 다양한 규모의 양돈농가 16곳을 대상으로 2018년 7월부터 11월까지 동일 농장별로 각 각 3회에 걸쳐 악취물질을 채취하여 수행하였다(Table 1). 돈사의 환기시스템은 자연환기식 3곳을 제외한 나 머지 농장 13곳은 강제환기 방식이었으며, 사육밀도는 최소 0.9 pig/m2, 최대 1.8 pig/m2로 조사 되었다. 조사 대상 농장 중 스크래퍼(scraper) 돈사 한곳을 제외한 15개 농장은 슬러리 돈사로 피트구조를 가지고 있으며, 피트 깊이는 0.6~1.5 m까지 다양하였다. 이 돈사들 중 11곳은 partial slat floor 형태였고, 4곳은 fully slat floor 형태였다. 전체 농장 중 15곳의 농장이 퇴비장을 보유하고 있었으며, 그 중 6곳만 밀폐되어있었고, 13곳 의 농장은 액비장을 보유하고 있었으며, 그 중 8곳의 액비장은 밀폐되어있었다.
2.2 악취 물질 분석
2.2.1 측정 대상 물질
측정 대상 물질은 복합악취(complex odor), 지정악 취물질 9종, 비지정악취물질 6종을 대상으로 하였다 (Table 2). NIAS (2017)에 따르면 양돈농장의 주요 악 취물질을 암모니아, 트라이메틸아민, 황화수소, 메틸메 르캅탄, 프로피온산, n-뷰틸산, i-발레르산, 아세트산, 파라크레졸, 인돌로 보고하였다. 따라서 본 시험에서는 지정악취물질로서 질소(N) 계열인 암모니아(ammonia: NH3), 황(S) 계열인 황화수소(hydrogen sulfide: H2S), 메틸메르캅탄(methyl mercaptan: MM), 다이메틸설파 이드(dimethyl sulfide: DMS), 다이메틸다이설파이드 (dimethyl disulfide: DMDS), 지방산 계열인 프로피온 산(propionic acid: PPA), n-뷰틸산(n-butyric acid: BTA), n-발레르산(n-valeric acid: VLA), i-발레르산(iso-valeric acid: IVA)을 분석하였다. 비지정악취물질은 방향족화 합물 계열인 페놀(phenol: Pn), 파라크레졸(p-cresol: p- C), 인돌(indole: ID), 스카톨(skatole: SK), 지방산계열 인 아세트산(acetic acid: ACA), i-뷰틸산(iso-butyric acid: IBA)을 분석하였다.
2.2.2 시료 채취 및 분석 방법
악취 시료의 채취는 일반적으로「악취방지법」에 따 라 지면으로부터 5 m 이상의 일정한 배출구가 있거나 배출구외 다른 발생원이 없는 경우 배출구에서 측정하 는 것을 원칙으로 하고 있다. 그러나 일반적인 양돈농 가의 경우 5 m 이상의 배출구가 존재하지 않고, 다양 한 악취발생원(퇴·액비장, 개방형 돈사, 배출구 다수) 등 이 섞여있는 점을 고려하여 악취물질의 발생량이 큰 비 육돈사의 내부(indoor), 배기휀(fan), 부지경계(boundary) 및 퇴·액비장(manure storage)을 대상으로 악취물질을 채취하였다(Kim et al., 2012c). 시료채취 지점은 돈사 내부의 경우 내부 복도의 정중앙이었으며, 배기휀은 휀 바로 전면에서 1 m 떨어진 지점이었다. 퇴·액비장은 밀 폐된 경우 입구에서 측정하였으며, 개방되어 있는 경우 에는 퇴·액비장과 가장 가까운 지점에서 채취하였다. 부지경계의 경우에는 악취공정시험기준에 제시된 절차 에 따라 시험 당일 선정하였으며, 모든 시료 채취는 지 면으로부터 1.2 m 높이에서 이루어졌다.
복합악취, NH3, H2S, MM, DMS, DMDS는 시료 채 취 후 악취공정시험기준에 제시된 방법에 따라 희석배 수 및 농도를 산정하였으며, ACA, PPA, BTA, IBA, VLA, IVA, Pn, p-C, ID, SK는 외국의 국내·외의 선행 연구(Zhang et al., 2010;Trabue et al., 2011;Shin et al., 2016)를 참고하여 분석하였다.
암모니아는 흡수액(붕산 5 g, 1L의 증류수로 제조된 붕산용액 50 ml)을 사용하여 임핀저로 포집하였으며, 대기 중 시료를 흡수액에 5 L/min의 유량으로 10분간 통과시켜 채취하였다. 암모니아는 양돈시설 내에서 고 농도로 발생하기 때문에 포집된 흡수액을 검출범위 내 로 적절하게 희석한 후 페놀-니트로프루시드 나트륨용 액(sodium nitroprusside, [Na2Fe(CN5)NO·2H2O)과 차 아염소산나트륨용액(유효염소 3~10%)을 가하여 암모 늄이온과 반응시켜 생성되는 인도페놀류의 흡광도를 작성된 검량곡선에 대입하여 농도를 산출하였다. 흡광 도는 자외선-가시선 흡광광도계(UV/vis)를 이용하여 640 nm 파장에서 분석하였다.
복합악취 및 황화합물류는 10 L 폴리에스테르 알루 미늄백과 간접흡인상자를 이용하여 5분 이내에 포집하 였으며, 저온농축관을 지닌 열탈착시스템(thermal desorption: TD)과 CP-Sil 5CB (60 m, 0.32 mm, 5 um) 컬럼이 장착된 GC/PFPD를 이용하여 분석하였다. 오븐 온도는 3분 동안 60°C로 유지한 후 160°C까지 8°C/min 으로 승온시켰으며, 160°C에서 9분 동안 유지하였다.
휘발성지방산류(volatile fatty acids: VFAs), 페놀류 (phenols), 인돌류(indoles)의 시료채취는 pump (SIBTA, MP-ΣNII)를 이용하여 Tenex TA 튜브에 0.1 L/min 속 도로 5분 동안 포집하였다. 튜브는 TD를 활용하여 농 축시킨 후 GC/FID로 도입시켰다. 컬럼(DB-WAX, 30 m, 0.25 mm, 0.25 um)으로 도입된 시료는 40°C에서 150°C까지는 10°C/min으로, 230°C 까지는 18°C/min으 로 승온 분석하였다.
분석된 결과는 개별 성분의 농도 수치를 해당 성분 의 최소감지농도 값으로 나누어 주는 방식으로 악취활 동도(odor activity value: OAV)를 산출하였으며, OAV 값을 토대로 개별성분의 전체 OAV 합에 대한 퍼센트 (%) 단위의 분율인 기여도(Percentage (%) of total OAV: PO)를 산출하였다(Feilberg et al., 2010;Lee et al., 2013;Parker et al., 2013).
2.3 악취측정결과의 통계 처리
양돈농장의 각 시설별 악취물질 농도에 대한 통계량 에 유의차 및 상관관계를 조사하기 위하여 통계 소프 트웨어 SPSS (Version 12.0.1)를 이용하여 통계분석을 실시하였다. 분석된 데이터에 kolmogorov-smirnov와 shapiro-wilk test를 실시하여 normality 여부를 검토하 였다(p > 0.05; 정규분포 가정). 검정결과 정규분포를 만족하지 못하고 데이터의 수가 10개 미만인 경우에는 비모수검정인 mann-whitney U test를 통하여 그룹 간 차이를 검정하였으며(p < 0.05; 그룹 간 평균 차이 있음), spearman correlation로 상관관계를 분석하였다.
3. 결 과
3.1 복합악취 측정결과
조사된 모든 양돈농장의 복합악취 측정결과를 시설 별(부지경계, 퇴·액비장, 돈사내부, 배기휀)로 구분하여 Fig. 2에 나타내었다. 부지경계에서 복합악취 희석배수 의 평균은 49이며, 자료의 중앙값을 나타내는 제2사분 위수는 20으로 나타났다. 퇴·액비장의 평균 희석배수는 278이며, 중앙값은 44였다. Kim et al. (2012c)는 분뇨 집수조와 포기 중인 액비화탱크의 복합악취 희석배수 를 각각 913, 4,055로 보고하였다. 양돈장의 분뇨저장 조인 퇴·액비장은 일부 혐기 미생물에 의해 일부 악취 성분이 고농도로 생성됨에도 불구하고 조사 대상의 퇴· 액비장의 경우 밀폐되지 않은 농가가 많아 확산에 의 해 악취성분의 과소평가가 있을 것으로 판단된다 (Trabue et al., 2006). 돈사 내부의 평균 희석배수는 2,039이며, 돈사 내부에서 냄새물질이 배출되는 배기휀 의 후단에서는 1,122로 나타났다. 중앙값은 돈사내부 의 경우 1,221을 나타내었으나, 배기휀에서는 208로 상대적으로 낮게 나타났다. 돈사 내부에 비해 배기휀에 서 낮은 희석배수를 보였는데 이는 배기휀의 환기량에 따라 돈사 내부의 악취물질의 배출량이 달라지므로 (Kim et al., 2007) 희석배수의 차이가 발생된 것으로 판 단된다. 각 시설의 희석배수는 농장 내 시설에 따라 통 계적으로 유의차가 큰 것으로 나타나(p < 0.001), 각 시 설에 따라 작용하는 악취물질이 다를 것으로 사료된다.
3.2 지정·비지정악취 물질의 측정 결과
Table 4, 5는 지정악취물질 및 비지정악취물질의 농 도를 측정 차수별로 구분하여 나타낸 것이다. 지정악취 물질의 검출 농도는 농장의 모든 시설에서 NH3, H2S 순으로 가장 높았고, PPA, BTA, IVA, VLA, MM, DMS, DMDS는 시설에 따라 달랐다. NH3 농도의 경 우 돈사내부(9.12±5.55 ppm), 배기휀(3.43±4.16 ppm), 퇴·액비장(0.53±0.68 ppm), 부지경계(0.14±0.10 ppm) 순으로 다른 악취성분에 비해 높게 검출되었다. 많은 연구에서 돈사 내부의 암모니아 농도 조사가 수행되어 졌는데 Heber et al. (2000)는 5.4~13.7 ppm 수준이었 고, Ni et al. (2000)의 연구에서도 6~15 ppm으로 보고 하여 본 실험과 유사한 수준을 보였다. 반면에 퇴·액비 장의 암모니아 농도의 경우 국내·외의 선행연구 결과들 (Clanton et al., 2001;Kim et al., 2006;Oh et al., 2014;Shin et al., 2017)과 비교 시 상대적으로 낮게 검 출되었다. 일반적으로 퇴·액비장의 악취발생은 분뇨 저 장 규모, 저장 경과 일수, 고형물과 액체 분리 유·무, 폭기 여부 등 다양한 내부 요인에 영향을 받으며, 특히 밀폐되지 않은 개방형일 경우 지역, 계절, 온·습도, 풍 속, 풍향 등의 외부 요인에 의해 영향을 받는다(Ryu et al., 2003). 조사된 지정악취물질은 돈사내부, 배기휀, 퇴·액비장, 부지경계 순으로 농도가 높게 관측되었으며, 특히 황화합물은 퇴·액비장에서 지방산류에 비해 상대 적으로 높은 수준으로 나타났다. 돈사내부에서 황화수 소는 약 500~3,400 ppb 정도의 농도 수준으로 보고되 고 있지만(Hoff et al. 2006), 본 조사에서는 부지경계 (5.21±10.93 ppb), 돈사내부(359.74±279.72 ppb), 배기 휀(210.98±369.21 ppb), 퇴·액비장(78.78±155.48 ppb)으 로 다소 낮은 수준을 보였다.
비지정악취물질의 경우 전 시설에서 ACA가 가장 높게 검출되었고, p-C, IBA, Pn, ID, SK는 시설에 따 라 다르게 나타났다. 지방산 계열인 ACA, IBA와 페놀 류 계열인 Pn, p-C는 돈사내부, 배기휀, 퇴·액비장, 부 지경계 순으로 농도가 높게 나타났지만, 인돌류인 ID, SK는 부지경계에서 가장 높았고, 돈사내부, 배기휀, 퇴· 액비장 순으로 높게 검출되었다. 부지경계에서 페놀류 및 인돌류가 검출되지 않았다는 보고도 있지만(Shin et al., 2016), 이는 농장의 규모(사육두수, 건폐율 등), 현 장조사 당시의 기상(풍속, 습도 등), 저장되고 있는 분 뇨량 등에 의하여 차이가 발생할 수 있다. Song et al. (2013), Shin et al. (2016)은 본 조사의 결과와 유사하 게 악취성분의 농도가 퇴·액비장에 비해 돈사내부가 높 게 관찰되는 것으로 보고하고 있다. 특히 ACA는 비지 정악취물질이지만 측정된 지방산 계열 중 농도가 가장 높은 수준으로 검출되어 기존의 연구 결과와 일치하였 다(Wu et al., 1999;Jang and Jung, 2018). 또한 부지 경계에서 검출된 ID (0.3 ppb), SK (0.0056 ppb) 등은 낮은 최소감지농도로 인하여 농장 악취 불쾌도에 기여 할 가능성이 높을 것으로 보인다(ME, 2012).
한편, 측정시기에 따른 악취물질의 농도 변화를 비교 한 결과 1차(7-8월, 34.4°C)에 비해 2차(10월 초, 26.8°C), 3차(10말-11월, 24.3°C) 측정 시기의 외기 온도 가 낮아짐에 따라 돈사 환기량도 상대적으로 낮아져 2, 3차의 측정시기에 돈사 내부의 악취 물질 농도가 높게 나타났다. 반면에 배기휀에서는 악취 물질 농도가 낮게 형성됨을 알 수 있었다. 이는 환기율로 인해 가을철(9- 10월)이 여름철(7-8월)보다 돈사 내부의 악취농도가 높 았다는 기존 연구와 일치하였다(Kim et al., 2012a).
3.3 악취 활동도 및 기여도 평가
돈사 시설별 악취활동도 평가를 위하여 각 악취성분 별 OAV 값을 모식화한 그래프를 Fig. 3에 나타내었다. 돈사 내부 및 배기휀의 OAV 분포는 비슷한 경향성을 보였으며, BTA의 값이 3,534, 1,389로 가장 높게 나타 났다. 이는 돈사내부에서 생성된 악취가 배기휀을 통해 외부에 직접적인 영향을 주기 때문으로 판단된다. 반면, 부지경계 및 퇴·액비장에서는 SK가 높은 수치를 보였 고, 돈사 내부 및 배기휀과 다른 경향성을 보여 농장 시설에 따른 악취의 원인물질이 다르게 나타났다. 또한 악취성분의 OAV 환산 시 1이상의 수치를 보여 악취물 질이 대부분으로 일부 물질(퇴·액비장: DMDS, 부지경 계: MM, DMS, DMDS)을 제외하고 각 시설에서 주요 악취물질로서 작용하는 것으로 나타났다.
각 시설별의 복합악취(희석배수)를 기반으로 악취활 동도의 합(SOAV: Sum of OAV)과의 상관관계를 Table 6에 나타냈다. 돈사 내부와 배기휀의 희석배수와 SOAV는 상관계수가 0.727, 0.798로 비교적 높은 상관 관계를 보였다. 이는 악취활동도가 높은 물질이 복합악 취에 영향을 주는 주요 악취 원인 물질임을 확인할 수 있다.
시설별 주요 원인성분 파악을 위해 PO의 산정 결과 를 Table 7에 나타내었다. 지정악취물질 중 BTA, IVA, H2S, VAL가 비지정악취물질 중에서는 p-C, SK이 양 돈농장에 악취 기여도가 매우 높은 것으로 계산되었다. 농장 내 시설별로 주요 원인이 되는 성분은 유사하였 으나, 기여율은 서로 상이하였다. 돈사내부 및 배기휀 에서는 BTA, p-C이 50% 이상의 기여도를 가진 반면, 부지경계에서는 SK, BTA가 높은 분율을 보였다. 퇴· 액비장에서는 SK, H2S가 높은 기여도를 가지는 것으 로 평가되었다. 따라서 양돈장의 악취 저감을 위해서는 시설별로 악취 기여도에 따라 적절한 저감 방법을 사 용하여야만 저감효과가 높을 것으로 판단된다. 특히, p-C, SK 등 페놀류, 인돌류 물질들은 국내 악취방지법 상 규제 대상 항목에 포함되어 있지 않지만 양돈농장 에서 악취에 높은 기여율을 가지는 것으로 나타났다. 많은 국외 연구자들은 이 물질들을 축산악취의 원인물 질임을 밝히고 있어(Kuroda et al., 1995;Kulik et al., 1996;Heber et al., 2000;Wright et al., 2005), 양돈농 장의 악취 관리를 위한 적절한 저감 및 제어에 대한 연 구가 필요할 것으로 사료된다.
4. 결 론
다양한 규모의 국내 양돈농가 16곳의 복합악취, 지 정악취물질 9종, 비지정악취물질 6종을 분석하였다. 선 정된 농가의 부지경계, 퇴·액비장, 비육돈사의 돈사내 부와 배기휀을 대상으로 2018년 7월부터 11월까지 동 일 농장에서 3회에 걸쳐 악취물질을 측정하였다. 복합 악취 평균 희석배수는 부지경계, 퇴·액비장, 돈사내부, 배기휀이 각각 49, 278, 2,039, 1,122로 나타났으며, 각 시설별 희석배수는 통계적으로 유의한 차이를 보였다.
지정악취물질의 검출 농도는 농장의 모든 시설에서 NH3, H2S 순으로 가장 높았고, PPA, BTA, IVA, VLA, MM, DMS, DMDS는 시설에 따라 달랐다. 비지정악취 물질의 검출 농도는 전 시설에서 ACA가 가장 높았고, p-C, IBA, Pn, ID, SK는 시설에 따라 다르게 나타났다. NH3, 황화합물류, 지방산류, 페놀류는 돈사내부, 배기 휀, 퇴·액비장, 부지경계 순으로 농도가 높았지만, 인돌 류는 돈사내부, 배기휀, 부지경계, 퇴·액비장 순으로 높 게 나타났다.
돈사 시설별 OAV 평가 결과, 돈사 내부 및 배기휀 의 경향성은 매우 유사하여, 돈사내부에서 생성된 악취 가 배기휀을 통해 외부에 직접적인 영향을 주는 것으 로 보인다. 반면 부지경계 및 퇴·액비장은 다른 경향성 을 보여 시설에 따라 주요 악취물질이 다른 것으로 나 타났다. 특히 돈사내부와 배기휀의 악취활동도의 합은 복합악취와 비교적 높은 상관관계를 가져 서로 영향을 미치는 관계임을 확인했다. 농장 내 주요 악취 원인 물 질은 유사하였으나, 악취 기여도는 각 시설별로 달라 시설에 따른 적절한 저감방법을 사용하여야만 악취 관 리의 효율을 높일 것으로 사료된다. 또한 페놀류, 인돌 류 등의 비지정악취물질은 높은 기여율을 차지하고 있 으므로, 시료채취 및 분석방법의 적절한 방법론 정립이 필요할 뿐만 아니라 저감 및 제어에 대한 연구가 필요 함을 시사한다.
