1. 서 론
2005년 악취방지법이 제정되어 22종의 지정악취물 질과 39종의 시설과 그 밖의 시설을 악취배출시설로 지정하여 복합악취와 지정악취물질의 배출허용기준 및 엄격한 배출허용기준의 설정하여 악취를 관리하 고 있다. 악취방지법 시행으로 악취관리지역으로 지 정된 산업단지의 악취 배출시설에 대한 악취 민원이 지속해서 감소했지만, 총 악취 민원 건수는 매년 지 속해서 증가하여 악취방지법 시행 시점(‘05)과 비교 하여 ’19년에 약 10배 가까이 증가하였다(환경통계포 털, https://stat.me.go.kr). 이러한 악취 민원 증가의 주 요 원인은 악취관리지역 외의 지역에 있는 생활악취 민원의 급격한 증가이며, 특히, 축산시설 관련 악취 민 원이 전체 민원의 절반 정도 차지하고 있다.
악취방지법 시행규칙에 의하면, 악취배출 시설 중 축사악취관련 악취배출시설은 (1) 축산시설, (2) 하수, 폐수 및 분뇨처리시설 중 ‘가축분뇨의 관리 및 이용 에 관한 법률에 따른 처리시설 및 공공처리시설’, 및 (3) 시설 규모의 시설 중 월 3회 이상 복합악취 또는 지 정악취를 측정한 결과 배출허용기준을 초과하여 시 도지사 또는 대도시의 장이 정하여 고시하는 시설이다.
일반적인 축산시설은 축사시설(사육장, 분만장), 분 뇨저장시설, 분뇨퇴비화시설 및 폐수처리시설 등이 다. 축종에 따라 축산시설의 특성이 다를 뿐 아니라 한 축종내에서도 축산시설별 종류와 운영방식, 사료 종류 등도 다르다(Kim et al., 2016;Wang et al., 2021). 이러한 특성으로 각 축산시설에서 발생되는 악취의 성상과 발생량 등이 상이하다. 따라서, 축사악취의 저 감과 관련 악취민원을 관리하기 위한 정책 수립과 관 련 기술을 개발하기 위해서는 각 축산시설별 축사악 취의 특성에 대한 이해가 필요하다.
본 논문에서는 지금까지 연구된 국내외의 문헌들 을 분석하여 축종별 축사악취 발생 특성, 주요 악취 물질 종류 및 발생원단위, 시설 유형별 악취와 휘발 성유기화합물 배출 특성 등을 종합적으로 정리하였다.
2. 악취 발생원
일반적인 축산 농장은 축사시설(사육장, 분만장), 분뇨저장시설, 분뇨퇴비화시설 및 폐수처리시설 등 이 있다(Wang et al., 2021). 축사시설은 개방형과 무창 형으로 구분된다. 개방형은 기둥과 지붕만 있고 벽면 이 거의 없는 형태로 밀폐식이 아니므로 악취가 그대 로 외부로 방출되는 시설이다. 무창형은 가축이 성장 하기에 적합한 상태로 축사 내부의 온도 및 습도를 인 위적으로 제어할 수 있도록 설계된 환경 제어형 축사 로, 배기구나 환기팬 등을 통해 악취가 외부로 방출 될 수 있다.
양돈 농장의 경우, 돼지 분뇨는 악취발생량에 영향 을 미치는 주요 인자이다. 배설 직후의 돼지 분뇨의 악취 발생량은 많지 않지만, 분뇨를 저장하는 동안 혐 기성 부패가 일어나면서 강한 악취물질이 발생된다. 사료도 주요 악취 발생원으로, 사료 용기에서 공기 중 으로 비산된 사료입자가 변질되어 악취를 유발한다. 특히, 돈사 내부를 수 개월간 정기적으로 청소를 하 지 않으면 사료 입자가 돈사 전체로 확산되어 심한 악 취를 유발하기도 한다(Kim et al., 2016).
소 농장의 80% 이상은 깔짚 우사를 이용하고 있다. 깔짚 우사에서 수거된 분뇨와 깔짚 혼합물을 퇴비화 하여 자원화할 수 있는데, 퇴비화 과정에서 악취가 발 생할 수 있다(Kim et al., 2016). 양계 농장의 경우, 악취 가 환풍기를 통해 배출되거나 축사 내부에 오랫동안 축적되어 있는 분뇨와 이를 수거하는 과정 및 수거한 분뇨의 퇴비화 과정에서도 배출된다(Kim et al., 2016).
장영기 등은 축산시설의 주요 악취 발생원 및 악취 발생 특성을 설문조사를 통해 조사하였다(Jang et al., 2004). 축종별 악취가 가장 많이 발생하는 시설은 돈 사는 분만사, 우사는 퇴비설비, 계사는 산란계사로 조 사되었다. 또한, 가장 심한 악취가 발생하는 작업과 계 절은 각각 분뇨 제거 작업과정과 여름철이었다.
분뇨처리시설 중 액비발효시설은 발효 공정 전단 계인 고액분리 작업은 대부분 개방된 장소에서 이루 어지기 때문에 고농도의 악취가 배출된다. 또한, 악취 발생량은 발효 공정 중 산소가 충분히 공급되는 조건 에서는 적지만, 분뇨처리장 내부에 미처리 분뇨가 많 이 축적되거나 산소 공급이 부족하게 되면 혐기성 발 효에 의해 악취가 고농도로 배출된다.
분뇨 고형물이나 분뇨와 깔짚 혼합물의 퇴비화 공 정도 많은 악취가 배출된다. 퇴비화 발효를 촉진하기 위한 기계식 교반 과정에서 악취 발생량이 증가한다. 특히, 퇴비화 설비가 개방되어 있거나, 외부로 반출하 기 위해 퇴비 단을 뒤집는 과정에서 일시적으로 고농 도 악취가 방출된다(Kim et al., 2016).
오영숙 등은 축산분뇨처리시설 13개소를 대상으로 공기희석관능법과 기기분석법으로 악취를 분석하였 다(Oh et al., 2006). 사업장의 규모와 축사의 위생 상 태에 따라 악취도의 차이가 많았으며, 퇴비화 과정에 서 가장 심한 악취가 배출되었다(공기희석배수 144~ 14,422). 또한, 특정 사업장의 경우 풍향, 풍속 등 기상 상태에 따라 악취 강도가 10~27배 차이가 있었다. 축 산분뇨처리시설에 배출되는 주요 악취물질은 암모니 아, 황화수소, 트리메틸아민(trimethylamine, TMA), 아 세트알데히드(acetaldehyde, AA) 및 카보닐계 화합물 이었다.
3. 주요 악취 물질 종류 및 악취발생량
축산농장에서 측정한 악취 농도를 시설별로 정리 하여 총설 논문으로 발표한 Wang 등에 의하면, 사육 장, 분만장 등의 사육 시설, 및 분뇨 저장시설의 악취 농도는 시설별로 악취 농도 차이가 매우 컸다(Wang et al., 2021). 분뇨 퇴비화시설도 시설별로 농도 차이 가 매우 컸고, 상대적으로 고농도로 악취가 배출되는 시설이었다. 이에 비해 라군 등의 폐수처리시설의 악 취 농도는 타 시설에 비해 상대적으로 낮았다.
유럽과 미국에서는 악취 문제가 가장 심한 돈사를 대상으로 암모니아와 황화수소의 배출원단위 산정 연구를 수행하였다. 1998년 네덜란드, 덴마크, 독일, 영국 4개국이 공동으로 돈사의 암모니아 평균 농도 와 배출 원단위를 조사한 결과(Wathes et al., 1983), 돈 사 바닥이 슬랫 형태와 깔개 형태인 경우 암모니아 평 균농도는 각각 20과 14 ppm이고, 배출원단위는 각각 400과 340 mg m-2 h-1이었다. 미국의 경우, 돈사 암모 니아 평균농도는 0.2~19 ppm이고, 배출원단위는 0.29~ 1,066 mg m-2 h-1이었다(Ni et al., 2000). 또한, 황화수소 의 평균농도는 90~620 ppb이고 배출원단위는 0.6~65 mg m-2 h-1이었다(Ni et al., 2000). 이처럼 돈사의 환경 여건에 따라 암모니와 황화수소 배출 농도가 상당히 차이가 있음을 알 수 있다.
2015년 환경부와 농림축산식품부는 현장조사와 문 헌조사를 통해 공기희석법에 의한 악취 발생 농도(OU, 희석배수)와 발생유량(m3/min)을 이용하여 축종별 악 취발생량 원단위를 계산하였다(Kim et al., 2016;Lee et al., 2017). 축종별 악취발생량 원단위는 한·육우 0.4, 젖소 0.6, 돼지 10.9, 그리고 닭 0.2 OU·m-3min-1으로 돼 지가 다른 가축에 비해 15~50배 많은 악취가 발생하 는 것으로 나타났다.
축산농장에서 발생하는 악취물질은 암모니아와 아 민류 등의 질소계 화합물, 황화수소와 다이메틸설파 이드(dimethylsulfide, DMS) 등의 황화계 화합물, 에스 테르류, 케톤류, 방향족 화합물 등 수백 가지의 화합 물이 포함되어 있다(Wang et al., 2021). 암모니아는 축 산 농장에서 생성되는 가장 일반적인 악취 화합물이 며 퇴비 시설에서 가장 높은 농도(약 4,100ppm)로 배 출되기도 한다(Hanajima et al., 2010).
가축 분뇨에는 많은 양의 유기물이 포함되어 있어 분해 과정에서 고농도의 악취가 발생하는데, 최대 6,289 OU·m-3로 보고되고 있다(Blazy et al., 2015). 메틸아민 (methylamine, MA), 다이메틸아민(DMA) 및 TMA 등 의 아민류는 최소감지농도가 낮고 생선비린내의 불 쾌한 악취를 유발한다. 황화계 악취물질은 아주 낮은 농도에서도 계란 썩는 냄새를 유발하고, 축산 농가에 서는 자극성이 심한 황화수소와 DMS 등이 많이 배출 된다. 방향족질소화합물인 인돌과 스카돌 등은 최소 감지농도가 매우 낮아서 축산농장의 주요 악취물질 이다(Wang et al., 2021). p-크레졸은 분뇨 저장시설에 서 최대 1.228 mg·m-3 까지 검출되기도 한다.
가금류(닭/오리), 돼지 및 소 사육 시설 중에서 닭 사 육시설의 암모니아 및 유기 황 화합물의 배출 농도가 상대적으로 높다(Schmidt et al., 2002;Trabue et al., 2008;Melse and Hol, 2017). 가금류 사료에는 질병 예 방 효과가 있는 메티오닌(methionine)이 첨가되어 있 어 가금류 배설물에 상당한 질소계와 황화계 악취가 배출된다. 돼지 농장은 다른 농장에 비해 인돌 및 p- 크레졸이 고농도로 배출된다(Chavez et al., 2004;Higgins et al., 2008;Lu et al., 2008).
2004년 환경부는 돈사, 우사, 양계사 등에서 발생되 는 악취 배출 특성을 조사하였는데, 축종별 주요 악 취 농도(중앙값)와 악취 기여도가 높은 물질 순위를 Table 1와 Table 2에 정리하였다(ME, 2004;Kim et al, 2016). 축종과 무관하게 암모니아 농도가 가장 높았 고(1.8~15.0 ppm), 황화계 악취 중에서는 황화수소의 농도가 가장 높았다(11.7~857.7 ppb). 축종별로 비교 해 보면(Table 1), 암모니아 농도는 우사(1.8~2.4 ppm) 나 돈사(3.1~6.6 ppm)에 비해 계사(9.5~15.0 ppm)에서 높았다. 황화수소 농도는 우사(14.9~36.5 ppb)나 계사 (11.7~13.0 ppb) 보다 돈사(68.2~857.7 ppb)가 높았다. 돈사의 황화수소 농도는 비육돈사에서 가장 높았고, 그다음 모돈사, 분만돈사 그리고 자돈사 순이었다. DMS 농도는 계사(8.1~17.7 ppb), 돈사(2.6~4.1 ppb) 그리고 우사(1.2 ppb) 순이었다.
우사의 악취 기여도가 높은 물질은 암모니아, 황화 수소, MA과 DMA이었다(Table 2). 양계사의 악취 기 여도가 높은 물질은 산란계사에서는 암모니아, DMS 그리고 황화수소 순이었고, 육계사에서는 암모니아, 메틸메르캅탄(methyl mercaptan, MM) 그리고 DMS 순 이었다. 돈사의 악취 기여도가 가장 높은 물질은 자 돈사는 암모니아, 분만돈사는 메틸메르캅단, 모돈사 와 비육돈사는 황화수소이었다. 악취강도(냄새세기) 를 비교해 보면, 우사에 비해 계사와 돈사의 악취강 도가 더 높았다.
4. 시설 유형별 악취 배출 특성
김기연 등과 이명규 등은 중량 50~100 kg (평균 75 kg) 의 육성/비육돈을 사육하고 있는 돈사를 대상으로, 시 설 유형별(분뇨처리시스템과 환기방식)로 암모니아 와 황화수소 배출 특성을 조사하였다(Kim et al., 2006;Lee et al, 2019, Tables 3 & 4). 분뇨처리시스템은 슬랫 돈사(Deep-pit manure system with slats), 스크레이퍼 돈사(manure removal system by scraper), 톱밥 돈사 (Deep-litter bed system)의 3가지로 구분하였다. 환기 방식은 윈치 커튼(winch curtain)을 설치하여 환기를 유도하는 개방형 자연 환기와 측벽 배기를 적용하는 밀폐형 강제 환기의 2가지로 구분하였다. 돈사 내부 의 암모니아 농도는 톱밥 돈사가 슬랫 돈사나 스크레 이퍼 돈사에 비해 낮았고(p < 0.05), 슬랫 돈사와 스크 레이커 돈사의 암모니아 농도는 유의적 차이는 없었 다(Table 3). 환기 방식에 따른 차이를 비교해 보면, 개 방형 자연 환기 방식이 밀폐형 강제 환기 방식보다 돈 사 내부 암모니아 농도가 유의적으로 높았다(p < 0.05). 돈사 내부의 암모니아의 농도 범위는 0.8~21.4 ppm 이 었고, 평균농도는 7.5 ± 8.2 ppm 이었다. 암모니아 배 출원단위도 톱밥 돈사가 다른 유형의 돈사보다 낮았 으나, 슬랫 돈사와 스크레이퍼 돈사의 배출원단위는 차이가 없었다. 또한, 환기 방식에 따른 배출원단위값 의 차이도 없었다. 평균 중량 75 kg인 육성돈 한 마리 당 암모니아 평균 배출량은 250.2 ± 316 mg pig-1 h-1 (8.2~826.5 mg pig-1 h-1)이었고, 단위면적당 암모니아 평균 배출량은 336.3 ± 426 mg m-2 h-1 (23.3~1,068 mg m-2 h-1)이었다.
자연 환기 방식의 스크레이퍼 돈사와 톱밥 돈사에 서 황화수소 농도는 상대적으로 낮았다(Table 4, p < 0.05). 자연 환기 방식의 스크레이퍼 돈사 내부의 황 화수소 농도는 115.2 ± 86 ppb (46.8~313.1 ppb)이고, 톱 밥 돈사 내부의 황화수소 농도는 137.8 ± 96 ppb (45.8~ 289.2 ppb)로 분석되었다. 개방형 자연 환기 방식이 밀 폐형 강제 환기 방식보다 돈사 내부 황화수소 농도가 유의적으로 낮았다(p < 0.05). 돈사 내부의 황화수소 평균농도는 286.5 ± 367 ppb이고, 농도 범위는 45.8- 1,235 ppb 이었다. 황화수소 배출원단위는 톱밥 돈사 가 다른 유형의 돈사보다 낮았고, 슬랫 돈사가 스크 레이퍼 돈사의 배출원단위는 자연환기 보다는 강제 환기가 많고, 슬랫돈사가 스크래터 돈사 보다 더 많 다. 평균 체중 75 kg의 육성돈 한 마리당 황화수소의 평균 배출량은 37.8 ± 52 mg pig-1 h-1 (6.2~192.5 mg pig-1 h-1)이었고, 단위면적당 황화수소의 평균 배출량 은 50.9 ± 78 mg m-2 h-1 (6.3~224.3 mg m-2 h-1)이었다.
분뇨처리시스템 유형별 돈사 내부의 암모니아와 황 화수소 농도는 톱밥 돈사에서 상대적으로 낮았다(Tables 3 & 4). 돈사 바닥에 깔아놓은 톱밥과 분뇨가 혼합되 어 암모니아를 질산화하고 탈질화하는 미생물이나 황화수소를 산화하는 미생물 활성이 높아져 돈사 내 부의 암모니아와 황화수소 농도가 낮아진 것으로 사 료된다(Groenestein, 1993).
슬랫 돈사에서 암모니아와 황화수소 농도가 타 방 식에 비해 상대적으로 높은 경향이 있었다(Tables 3 & 4). 슬랫 돈사는 돈사 바닥 피트(pit) 표면적이 슬랫(slat) 에 의해 완전히 차단된 구조로 피트에 저장된 분뇨로 부터 악취 물질이 돈사 내부로 쉽게 휘발될 수 있어 악취 농도가 상대적으로 높은 것으로 보고되고 있다 (Muck and Steenhuis, 1982;Swierstra et al., 1995;Aarnink et al., 1996).
축사의 암모니아와 황화수소의 배출원단위는 배출 구에서 측정한 농도값에 공기 유량을 곱하여 산정한 다. 일반적으로 자연환기 돈사의 공기 유량은 추적 가 스(tracer gas), 이산화탄소 평형 및 열평형 등의 방법 으로 산정하고, 강제환기 돈사의 공기 유량은 돈사 내 부와 외부의 정압 차이와 환기팬 작동 데이터를 이용 하여 산정한다(Gay et al., 2003). 이들 농도와 공기 유 량을 측정하는데 영향을 미치는 인자가 많아 정확하 게 악취 농도와 공기 유량을 측정하는 것은 어렵다(Casey et al., 2006). 따라서, 지속적인 배출원단위 분석을 통 한 지속적인 자료 축적이 필요하다.
박귀환 등은 돈사 7개소, 우사 2개소 및 계사 1개소 를 대상으로 여름철과 가을철(7월~10월)에 악취물질 을 분석한 결과, 모든 축사에서 암모니아 농도가 가 장 높았다(Park et al., 2005). 암모니아 평균 농도는 돈 사가 2.31 ppm (0.31~7.25 ppm)로 가장 높았고, 계사는 1.88 ppm (0.15~4.88 ppm) 및 우사는 1.32 ppm (0.11~ 3.16 ppm)이었다. 황화계 악취물질의 농도는 돈사와 우사에서는 황화수소가 가장 높았다. 돈사와 우사의 황화수소 평균 농도는 각각 17.53 ppb (3.22~77.99 ppb) 와 8.41 ppb (0.19~17.69 ppb)로 분석되었다. 황화수소 다음으로 농도가 높은 황화계 악취물질은 DMS로 돈 사와 우사의 평균 농도는 각각 6.73 ppb (0.37~11.12 ppb)와 2.51 ppb (0.14~4.87 ppb)이었다. 반면, 계사의 황화계 악취물질 농도는 DMS가 가장 높았고(평균 32.06 ppb, 범위 6.91~57.20 ppb), 그 다음 MM (평균 22.44 ppb, 범위 20.22~24.66 ppb), 다이메틸다이설파이드 (dimethyl disulfide, DMDS, 평균 11.82 ppb, 범위 8.09~ 15.55 ppb) 및 황화수소(평균 3.55 ppb, 범위 2.94~4.16 ppb) 순이었다. 각 악취물질의 최소감지농도를 이용 하여 악취 기여도를 계산한 결과, 돈사와 우사는 황 화수소의 악취 기여도가 가장 높았고(돈사 74% 및 우 사 70%), 그다음으로 암모니아(돈사 24% 및 우사 29%) 및 DMS (돈사 2% 및 우사 1%)의 순이었다. 계사는 MM의 악취 기여도가 가장 높았고(88%), 그다음으로 암모니아(5%), DMDS (4%). DMS (3%) 및 황화수소 (2%) 순이었다.
5. 휘발성유기화합물 배출 특성
휘발성유기화합물(VOCs)은 오존 전구체로 환경과 건강을 위협하는 대기오염물질로 그중 많은 VOCs는 불쾌한 냄새를 동반하는 악취 물질이다. Ni 등은 양 돈 농장에서 배출되는 VOCs 관련 논문 및 자료를 정 리하여 총설논문을 발표하였다(Ni et al., 2012). 돼지 축사 내부, 분뇨 저장고 및 퇴비 설비, 폐수 처리설비 를 포함한 모든 시설에서 약 500 종 이상의 VOCs가 확 인되었다. 돼지 농장 주변 대기에서 고농도로 검출되 는 VOCs는 아세트산, 부티르산, DMDS, DMS, iso-발 레르산, p-크레졸, 프로피온산, 스카톨, 트리메틸아민 및 발레르산이었다. 돼지 분뇨로부터 주로 배출되는 VOCs는 아세트산, p-크레졸, iso-부티르산, 부티르산, 인돌, 페놀, 프로피온산, iso-발레르산 및 스카톨이었 다. 양돈 농가 먼지 시료에서는 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 발레르산, p-크레졸, 헥사날, 데카날 등의 VOCs가 검출되었다. 돼지 1 kg 당 VOCs 배출원단위 는 3.0~176.5 mg kg-pig-1 d-1이고, 분뇨 저장설비 면적 당 VOCs 배출원단위는 2.3~45.2 g m-2 d-1 범위이었다. 악취와 유사하게 VOCs 농도와 성상은 시·공간적 인 자에 따라 변이가 매우 컸으며, 축사 구조 및 관리 상 태, 환기율 및 분뇨관리시스템 등 다양한 인자의 영 향을 크게 받았다.
6. 결 론
본 총설 논문에서는 축사악취 발생원, 주요 악취물 질 및 발생원단위 등 축사악취 배출특성을 정리하였 다. 축산시설의 주요 악취 발생원은 축사시설(사육장, 분만장), 분뇨저장시설, 분뇨퇴비화시설 및 폐수처리 시설이며, 분뇨 제거 작업과정에서 고농도의 악취가 발생하고, 계절별로는 여름철에 악취가 가장 심한 경 향이 있다. 사업장의 규모와 축사의 위생 상태, 풍향, 풍속 등 기상 상태에 따라 악취 강도가 크게 차이가 났다. 문헌에 발표된 사육장과 분만장 등 사육 시설 과 분뇨 저장시설의 악취 농도는 0.001~1,000 OU·m-3 수준이었고, 분뇨 퇴비화시설의 악취 농도는 0.00001~ 10,000 OU·m-3 수준으로 상대적으로 고농도로 악취가 배출되었다. 폐수처리시설의 악취 농도는 0.00001~1 OU·m-3 수준으로, 타 시설에 비해 상대적으로 악취 농 도가 낮았다. 국내 분석 자료에 의하면, 축종별 악취 배출원단위는 한·육우 0.4, 젖소 0.6, 돼지 10.9, 그리고 닭 0.2 OU·m-3min-1으로, 돼지가 다른 가축에 비해 15~50배나 컸다. 축산 농장에서 발생하는 악취물질은 그 중 암모니아와 아민류 등 질소계 화합물, 황화수 소와 DMS 등 황화계 화합물, 에스테르류, 케톤류, 방 향족 화합물 등 수백 가지의 화합물이 검출되었다. 축 종에 무관하게 암모니아 농도가 가장 높았고, 황화계 악취 중에서는 황화수소의 농도가 가장 높았고, 이들 물질은 악취 기여도도 높았다. 악취강도를 비교해 보 면, 우사에 비해 계사와 돈사의 악취강도가 더 높았 다. 본 논문에서 정리한 축사악취 배출 특성에 관한 정보는 축사악취 민원에 대응하고 축사악취 저감기 술을 설계하는데 유용하다.