1. 서 론

축산활동으로 인해 발생하는 악취 민원이 매년 증가 하는 추세이고, 2016년 기준 주요 사업장별 악취 민원 의 27.76%가 축산활동 민원으로 전체 산업 중 가장 많 은 비율을 차지하고 있다(NIER, 2018).

암모니아(NH₃)는 악취유발물질로써 가장 많이 배출 되고 있으며 황산암모늄 또는 질산암모늄으로 전환되 어 2차 에어로졸형성에 기여하고 있다. 또한, 혐기조건 의 탈질과정에 의해 아산화질소(N₂O)로 전환되고 지구 온난화 지수(Global warming potential, GWP)가 이산 화탄소(CO₂)의 약 300배에 해당하므로 기후변화 문제 를 야기 할 수 있다(US EPA, 2001;Hristov et al., 2011;Rotz, 2017). 황화수소(H₂S)는 300 ppb 미만의 낮은 농 도로 썩은 달걀 냄새(Rotten-egg smell)를 유발하는 악 취강도가 높은 물질로써 실질적인 민원의 주요 원인이 며 대기 중에서 매우 불안정하여 쉽게 이산화황(또는 아황산가스, SO₂)으로 전환되고, 2차 생성유기에어로 졸(Secondary organic aerosol, SOA)과 황산염(Sulfate, SO₄^2-)으로 전환되어 2차 생성 미세먼지의 원인이 되기 도 한다(Preece et al., 2012;Joo et al., 2015a;Joo and Lee, 2018;Yao et al., 2019).

메탄(CH₄)은 가축의 소화 및 호흡 등 축산활동의 결 과로 배출되는 온실가스이며 지구온난화 지수가 이산 화탄소의 약 25배에 해당한다(Lower et al., 2018). 동 물 및 미생물의 호흡, 분뇨로부터 배출되는 이산화탄소 는 생물기원으로써 지구온난화를 가중시키는 기후변화 요인으로 고려되지는 않지만 환기, 통풍 등 가축의 생 활환경 여건을 판단하는 지표로써 사용될 수 있어 축 사 내부의 이산화탄소 농도를 모니터링 할 필요가 있 다(Rotz, 2017).

축산농장에서 발생하는 물질들의 배출 특성은 호흡, 배설 등 동물에 의한 직접배출(동물기원)과 분뇨배설 후 배출(분뇨기원)로 나눌 수 있으며, 이에 따라 배출 되는 물질들과 발생 메커니즘도 다양하다. 동물의 소화 과정 중에 배출되는 물질은 메탄과 아산화질소이다. 메 탄은 반추동물이 섭취한 사료 내에 섬유질을 소화하기 위해 소의 4개의 위 중 제 1위, 제 2위에 해당하는 반 추위에서 메탄생성 미생물(Methanogens)에 의한 분해 과정(CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O)을 통해 배출되는 것 으로 나타났고(Willén, 2011;Mama and Seid, 2019), 아산화질소 또한 메탄과 마찬가지로 반추위에서 미생 물의 탈질화(Denitrificartion)를 통해 전환되는 것으로 보고되고 있다(Waldrip et al., 2016). 분뇨기원 배출물 질은 분뇨의 저장 및 처리방식(고상, 액상, 슬러리 형 태)에 따라 암모니아, 메탄, 아산화질소, 황화수소가 발 생한다. 암모니아는 분뇨가 배설된 직후부터 저장과정 까지 꾸준히 배출되는 물질로써 분뇨유래배출 물질 중 가장 많이 배출되는 물질의 하나로 간주되고 있다. 일 반적인 암모니아 배출 경로로는 사료에 포함된 질소가 동물에게 과잉 공급될 때, 초과 질소에 대해서 소변의 요소 형태로 배설되고 대변에 노출됨과 동시에 대변에 존재하는 우레아제(Urease) 효소에 의해 가스상 암모 니아로 빠르게 전환되어 배출되는 것으로 나타났다 (Deng et al., 2015;Spiehs et al., 2019). 황(S)은 사료 와 음용수에서 발견되며 가축의 필수 영양소이다. 일반 적으로 소는 섭취한 황의 10%~20%만을 사용하고 나 머지를 배설한다. 이때 혐기성 조건에서 황화수소는 유 기 황 화합물의 무기화작용과 산화된 무기 황 화합물 의 환원을 통해 생성되는 것으로 보고되고 있다(Preece et al., 2012;Kafle et al., 2018). 메탄은 동물의 분뇨와 함께 배출된 박테리아에 의해 분뇨에 함유된 유기물질 의 혐기성 분해로 생성된다(Willén, 2011). 아산화질소 는 일반적으로 두 가지 방법으로 생성된다. 첫 번째는 분뇨 저장동안 질산화 및 탈질화 과정을 통해 배출되 고, 두 번째는 분뇨로부터 휘발된 암모니아가 다시 토 양에 흡수되어 질산화 및 탈질화 과정을 거쳐 생성되 는 것으로 조사되었다(Gupta et al., 2007;Hristov et al., 2011).

다수의 기존 연구를 조사한 결과 축산농장에서 배출 되는 물질들의 배출특성에 관한 연구가 대부분이며, 물 질들간 상관관계를 파악하는 연구는 다소 미흡한 실정 이다. 현재 가스상 대기오염물질 측정에서 대부분 농도 단위를 사용하고 있어 물질 농도간의 상관관계성이 미 흡한 경우 더 이상 배출 역학관계를 파악하는데 한계 가 있다. 하지만 최근 연구에 따르면 축산농장과 같은 비점오염원 뿐만 아니라 특정 구조물이 없는 외부대기 (Ambient)에서도 배출속도(emission rate) 및 부하속도 (loading rate) 개념을 도입하여 가스상 대기오염물질 배출 절대량을 효과적으로 산정할 수 있는 방법이 보 고되었다(Joo and Lee, 2018).

따라서 본 연구에서는 비점오염원 축산농장에서 배 출되고 있는 가스상 대기오염물질(Odorous compounds, Greenhouse gases)을 좀 더 정확하게 표현하는 배출량 (부하속도 및 배출속도) 단위를 이용하여 상관관계 비 교·분석을 진행하였다(Joo and Lee, 2018). 더 나아가 가스상 대기오염물질과 기상인자와의 상관관계를 심층 비교·분석하여 실제 축산농장에서 발생하고 있는 가스 상 대기오염물질들의 발생기작 및 배출상관성을 명확 히 하여 효율적 저감 방안을 모색하는데 기초 자료로 써 활용 가능하도록 하고자 하였다.

2. 연구방법

2.1 측정지점

본 연구는 Fig . 1과 같이 미국(Mabton, Washington) 의 전형적인 축산농장에서 측정된 결과를 이용하였다. 인접한 서로 다른 측정 지점으로써 축사 내부 1개소 (Barn site)와 축사로부터 약 27m 떨어진 외부중앙에 일반대기 1개소(Ambient site)를 측정 대상지점으로 설 정하였다. 이러한 축산농장으로부터 배출되는 악취유 발물질(암모니아, 황화수소)과 온실가스(이산화탄소, 아산화질소, 메탄)를 실시간으로 측정한 자료를 비교· 분석하였다.

본 연구가 수행된 축산농장은 독립 칸막이 형태의 축사(Free-stall)로 1,000두의 젖소가 집단 사육되고, 젖 소는 사료공급시간(feeding time)과 우유생산을 위해 착유시설(Milking parlor)로 이동하는 시간 외 대부분 의 시간을 축사 내에서 사육된다. 젖소로부터 발생하는 분뇨는 축사 내 수세용 통로(Manure alley)에 누적되고, 6시간 간격으로 수세식 세정(Flushing)에 의해 청소되 며, 제거된 분뇨는 저류조를 거쳐 저류지(Lagoon)로 이송되어 일정기간동안 중력침강을 거친 후, 상등수는 축사 내 분뇨청소를 위한 세정수로 재사용된다.

2.2 측정 장치

NH₃, CO₂, CH₄ and N₂O 측정은 INNOVA (photoacoustic infrared detector Model 1412, Innova AirTech Instruments, Danmark)를 사용하였다. H₂S 측정은 450i (A pulsed-fluorescence detector Model 450i, Thermo Fisher Scientific, USA)를 사용하였다. 온습도는 전자 온습도 계측기(NOVUS Model RHT-WM, Omni Instruments, Arroyo Grande, USA)를 사용하였다. 태양 광 세기는 파이라노미터(Pyranometer, Model LI- 200SL, LiCOR, Lincoln, USA)를 사용하였다. 바람장 (풍향, 풍속)은 RM Young 81000 3 차원 풍향풍속계 (RM Young Company, USA)를 사용하였다. 사용된 측 정 장치는 2006년부터 2010년까지 미국 환경부(U.S. EPA) 주관 National Air Emission Monitoring Study (NAEMS) 연구과제에 참여한 모든 기관에서 동일하게 사용된 장비로써, 과제수행 전 미국 환경부에서 사전에 측정 신뢰도를 인정받은 모델이다.

2.3 시료도입 및 데이터 수집 시스템

시료의 샘플링(Sampling pots)은 축사 내부의 두 지 점과 외부중앙의 한 지점으로 20분씩 순환하며 측정하 는 자동화 시스템을 사용하였다. 측정된 데이터는 Air DAC (Air Data Acquisition and Control) 프로그램 (Purdue University and National Instrument, USA)에 의해 수집되고, 1일 1회 관리자에게 자동 전송되어 축 사의 운영 상태와 측정 데이터 점검이 가능하다(Joo et al., 2013, 2014, 2015c).

2.4 데이터사용

본 연구에서는 2013년 7월 7일부터 7월 13일까지의 1주일 동안 축사 내부와 외부 중앙에서 측정한 가스상 대기오염물질과 기상인자(Relative humidity, Temperature, Wind speed, Solar strength) 데이터를 사용하였다. 데이터는 축사 내부의 두 지점에서 측정한 데이터의 평균값과 외부중앙 한 지점에서 측정한 데이터이며, 다 른 인자들과 달리 태양광 세기(Solar strength)는 태양 의 직접적인 영향력을 알아보기 위해 태양이 떠있는 시간(7시~18시)과 태양에너지(≥200 W/m²)를 고려하여 데이터를 설정하였다. 데이터 프로세싱 방법은 측정된 농도에 풍속을 곱하여 배출량 단위(Ambient-Loading rate, Barn-Emission rate)로 변환 후 데이터의 중간 값 (Median)에 4분위수간 영역(Interquartile range, IQR)에 1.5배 한 값을 가감하여 상한한계(Upper outlier)와 하 한한계(Lower outlier)를 설정하였다. 이에 따라 상한한 계와 하한한계를 벗어난 데이터를 제거하고 오름차순 으로 정렬 후 5개로 그룹화하고 평균값을 사용하여 인 자별 상관관계성을 분석하였다(Li et al., 2013;Sancho et al., 2014;Joo et al., 2015b). 1분 단위로 물질별 데 이터 수집이 이루어졌고, 본 연구에서는 1시간 평균데 이터를 상관관계 분석에 사용하였다. Table 1에 인자별 이용된 데이터 수를 나타내었다. 분석을 통해 도출된 상관계수(R²)는 임의로 범위를 지정하여 분류하였으며(R² ≥ 0.8 : 매우 높음, 0.5 £ R² < 0.8 : 높음, 0.3 £ R² < 0.5 : 낮음, R² < 0.3 : 매우 낮 음), 상관계수 뒤에 (+), (-)로 양의 상관관계인지, 음의 상관관계인지 명시하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 축사 내부에서의 인자간 상관관계 분석

축사 내부에서의 악취유발물질-온실가스 및 가스상 대기오염물질-기상인자(Relative humidity, Temperature, Wind speed)간 상관관계는 Table 2와 같다. 상관관계 분석 시 기준 물질(X축) 오름차순으로 정렬 후 5개로 그룹화 하여 비교물질(Y축)의 평균값을 사용하였기 때 문에 암모니아와 황화수소의 상관계수 값이 서로 다르 게(0.2728 및 0.3905) 나타났지만, 유의미한 해석이 나 올 만큼의 큰 차이를 보이지는 않았다.

Fig. 2는 암모니아와 다른 가스상 대기오염물질들과 의 상관관계성을 나타냈다. 암모니아와 아산화질소와 의 상관계수는 0.9102로 매우 높게 나타났다. 이는 아 산화질소가 분뇨로부터 휘발된 암모니아의 탈질에 기 인한다는 기존 보고와 일치한 결과이며(Hristov et al., 2011), 축산농장에서 분뇨를 자주 청소하는 것이 악취 유발물질과 온실가스를 동시에 저감하여 민원과 지구 온난화 해결에 도움이 될 것으로 판단된다. 암모니아와 메탄과의 상관계수 또한 0.9755로 매우 높게 나타났다. 소변의 요소는 대변 또는 토양의 우레아제 효소에 의 해 암모늄(NH₄⁺)으로 빠르게 가수분해 된 후 암모니아 로 전환되어지는 활동과 가축의 반추활동에 의한 메탄 배출이 동시에 진행되어 상관관계성이 높은 것으로 판 단된다(Leytem et al., 2018).

황화수소는 모든 가스상 대기오염물질과 양의 상관 관계이며, 상관계수는 0.0444~0.3893으로 낮거나 매우 낮게 나타났다. Preece et al. (2012)의 연구에 따르면 황화수소는 박테리아가 혐기성 조건에서 분뇨와 같이 황을 함유한 유기물을 분해할 때 생성되지만, 본 연구 에서는 축사 운영상 6시간마다 수세식 세정이 일어나 는 조건으로 혐기성 소화가 일어나기 어렵다. 하지만 축사 근처에 분뇨를 저장하는 저류지가 있고, Preece et al. (2012)의 연구에 따르면 저류지 특성상 혐기성 조건이 유지되며 분뇨에 포함된 황 성분으로 인하여 황화수소가 배출되기 충분한 조건이다. 따라서 축사에 서 측정된 황화수소는 수세식 세정이 일어나는 순간 고농도로 배출되어지는 것으로 분뇨나 동물의 호흡 및 소화에 기인한 다른 가스상 대기오염물질과는 상관관 계성이 높지 않은 것으로 판단된다. 하지만, 황화수소 는 매순간 고농도로 배출되는 것이 아니므로 시간을 맞춰 저감을 실시한다면 악취 민원 감소에 긍정적 작 용이 있을 것으로 판단된다.

Fig. 3은 온도와 습도에 따른 암모니아와 메탄의 상 관관계를 나타냈다. X축의 가장 낮은 온도, 가장 높은 습도에 해당하는 구간은 가축의 수면활동으로 인해 활 동이 거의 없어 암모니아와 메탄이 적게 배출되는 것 으로 나타났다. 온도가 높아지고 습도가 낮아지는 구간 에서는 가축의 사료섭취 및 소화활동과 배설활동으로 인해 암모니아와 메탄이 증가하는 것으로 나타났다. 온 도가 더 높아지고 습도가 더 낮아지는 구간에서 암모 니아는 증가하지만 메탄은 감소하는 것을 볼 수 있는 데, 이러한 배출 현상은 가축이 받는 열 스트레스 현상 으로 보인다. 열 스트레스 현상은 온도-습도에 비례하 여 나타나는 것으로 알려져 있지만, 27°C 이상에서는 습도가 낮다 하더라도 가축의 체온이 증가함에 따라 수분 섭취와 땀 배출이 증가하고 사료 섭취가 감소하 는 것으로 조사되었다(Brouček et al., 2006;Atrian and Shahryar, 2012). 결과에 따르면 온도와 습도는 가 축의 소화 및 배설활동과 직접적으로 연관된 물질로 가축의 활동 지표 인자로 분석되었다.

Fig. 4는 온도와 습도에 따른 아산화질소의 상관관계 를 나타냈다. 아산화질소는 암모니아와 같은 질소성분 물질로써 암모니아와 비슷한 거동을 보이는지 검토하 였다. 아산화질소는 습도에 반비례하고, 온도에 비례하 는 결과로써 암모니아와 유사한 결과를 보였다. 따라서 축사 발생 아산화질소는 소화과정 및 분뇨배출 후 암 모니아로부터 분해되고 탈질과정을 통하여 배출(암모 니아 유래)되는 것으로 판단된다.

3.2 외부대기에서의 인자간 상관관계 분석

외부대기에서의 악취유발물질-온실가스 및 가스상 대기오염물질-기상인자(Relative humidity, Temperature, Wind speed, Solar strength)간 상관관계는 Table 3와 같다. 상관관계 분석 시 기준 물질(X축) 오름차순으로 정렬 후 5개로 그룹화 하여 비교물질(Y축)의 평균값을 사용하였기 때문에 암모니아와 황화수소의 상관계수 값이 서로 다르게(0.9942 및 0.9934) 나타났지만, 유의 미한 해석이 나올 만큼의 큰 차이를 보이지는 않았다.

외부대기에서 암모니아와 황화수소는 모든 가스상 대기오염물질과 양의 상관관계이며, 상관계수는 전부 0.8522 이상으로 매우 높게 나타났다. 외부대기에서 대 기오염물질의 농도는 축사내부의 동물 및 분뇨기원으 로 배출된 부분과 이미 배출되어 외부 대기 중에서 이 동 확산되고 있는 부분이 일정시간 경과하여 대기 중 에서 대기오염물질의 혼합 및 확산이 충분이 이루어져 평균농도에 가까운 데이터를 이용하였기 때문에 가스 상 대기오염물질간 상관관계성이 축사내부와 비교했을 때 보다 더 안정적으로 높게 나타난 것으로 판단된다. 축사내부는 가스상 대기오염물질이 배출직후 충분한 혼합 확산이 이루어지지 않아 시료의 샘플링 지점에 따라 가스상 대기오염물질의 농도의 편차가 심할 수 있으며, 물질간 상관관계성이 외부대기에 비해 상대적 으로 낮게 나타난 것으로 분석되었다.

습도에 따른 가스상 대기오염물질의 상관관계성은 메탄을 제외한 모든 가스상 대기오염물질과 음의 상관 관계를 나타냈다. 일반적으로 습도가 높아지면 가축의 활동량 감소 및 사료섭취 감소로 메탄 배출이 감소될 것으로 예상할 수 있다. 하지만 Choe (2008)의 연구에 서 젖소의 반추활동은 24시간 중 35%~49%를 사용하 는 것으로 보고된바, 젖소가 사료를 섭취 하지 않아도 기존에 섭취한 사료의 반추활동으로 인하여 메탄이 발 생되는 것으로 판단된다.

Fig. 5는 온도에 따른 가스상 대기오염물질의 상관관 계성을 나타냈다. 암모니아, 아산화질소, 이산화탄소, 황화수소는 온도와의 상관계수가 0.0014~0.0882로 매 우 낮게 나타났다. 온도와 메탄 배출과의 상관관계는 음의상관관계(R² = 0.6079)로써 온도가 높을수록 메탄 배출이 낮아지는 결과를 보였다. 메탄은 지구온난화를 일으키는 온실가스로써 축사 내부에서 다른 가스들과 의 반응성이 낮고 체류시간(life time)이 길어 외부대기 로 이동한다. 온도가 높아지면 가축의 활동량이 저하되 어 음의 상관관계를 나타낸 것으로 판단된다.

풍속과 태양광세기에 따른 가스상 대기오염물질의 상관관계성을 분석한 결과 풍속과의 상관관계성은 모 두 양의 상관관계이며 상관계수는 0.8922 이상으로 매 우 높게 나타났다. 이는 본 연구에 사용한 배출속도와 부하속도를 산출할 때 풍속의 개념이 포함되어 있기 때문이며, 이전 결과에서 풍속이 증가할수록 배출량도 증가하는 기존 보고와 일치한 결과이다(Joo et al., 2015c;Joo and Lee, 2018). 반면 태양광세기와의 상관 관계성은 모두 양의 상관관계이나 상관계수는 0.234~ 0.5563으로 매우 낮음에서 높음까지 다양하게 나타났 다. 입자상물질과 같이 대기 중 광화학반응에 의한 변 화를 관찰하기 위해 태양광세기를 환경인자로 검토해 보았지만, 본 연구에서는 태양광세기와 가스상 대기오 염물질의 배출과의 상관관계성이 유의미하게 관찰되지 않았다.

4. 결 론

본 연구는 축산농장에서 발생하는 다양한 악취유발 물질-온실가스 및 가스상 대기오염물질-기상인자들과 의 상관관계성을 면밀히 검토하였고 다음과 같은 결과 를 얻었다.

본 연구에서는 실제 축사에서 발생되고 있는 오염물 질들의 발생경로와 측정된 물질 간 상관관계를 좀 더 면밀하게 파악하였고, 더 나아가 각 오염배출 물질별 저감 방안을 모색하는 데에 기초적인 자료로써 유용하 게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.