1. 서 론
최근, 귀농귀촌 활성화와 공공기관 지방이전으로 활발해진 농촌 인구 유입은 축산농가의 악취민원을 증가시키는 하나의 원인이 되고 있다. 환경부 환경통 계포털 자료에 따르면, 축산악취 민원은 전체 악취민 원(40,854건)의 30.9%(12,631건)를 차지하였고, 이 중 대다수가 양돈농가에서 발생하였다(KREI, 2021). 이 에, 농식품부는 축산악취 문제를 해결하기 위해 2022 년 6월 축산법 시행령을 개정하였으며, 양돈의 경우 축산업의 허가 및 등록 요건에 악취저감 장비·시설 설 치 조항을 추가하여 농가의 악취저감 의무를 강화하 였다(MAFRA, 2022). 한편으로, 정부와 지자체는 축산 농가의 악취관리를 돕고자 가축분뇨 처리 지원 사업, 광역축산악취개선사업 등의 축산환경개선사업을 추 진하여 축산농가의 악취문제 해결을 위해 지원하고 있다(MAFRA, 2023).
가축사육 농가의 주요한 악취물질은 암모니아, 황 화합물, 휘발성지방산, 페놀류, 인돌류 등의 다양한 물 질이 혼합되어 있다(Hwang et al., 2018;Trabue et al., 2019). 이 중 암모니아는 초미세먼지의 2차 전구물질 로 알려져 있으며(Erisman and Schaap, 2004), 사람과 동물의 건강에 유해한 물질로 분류된다. 산업안전보 건법에 따르면, 사람의 암모니아 노출기준은 25 ppm (1일 8시간 상시노출)~35 ppm (1회 15분간 집중적 노 출)으로 규정하고 있다(MEL, 2022). 그래서 축산농가 에서는 암모니아 배출을 줄이기 위해 축사외부에 바 이오커튼(bio-curtain), 트리클링 필터(trickling filter), 스크러버(scrubber)(Wang et al., 2021), 안개분무 장치 등을 설치하고 있다. 이 장치들은 축사 환기팬에서 배 출되는 공기 중에 물을 살포하여 암모니아와 같이 용 해성이 강한 악취물질의 확산을 감소시키는 습식흡 수법을 기초로 한다(Ni et al., 2001;Soto-Herranz et al., 2022). 이 중, 바이오커튼(이하 커튼)은 돈사 측벽 환기팬에 설치하는 차광막으로 공기 중에 안개분무 를 하여 악취 확산을 방지하는 장치이다. 바이오커튼 은 천(차광막)을 돈사 또는 계사의 환기팬 외부에 설 치한 windbreak(차단벽)의 상업적인 명칭으로, 먼지 와 악취 확산을 방지하기 위해 설치하였다(Nicolai et al., 2008). 커튼은 스크러버와 트리클링 필터에 비해 설치하기 쉽고 관리가 용이하여 양돈농가에서 선호한다.
커튼의 악취감소 효과에 대한 이전 연구는 주로 양 돈농가를 대상으로 수행하였다. 국외 연구에서는 공 극이 작은 메쉬망의 방풍막을 돈사 환기팬 외부에 설 치하여 효능을 평가하였다(Ajami, 2019). 이 연구에서 사용된 메쉬망은 커튼 재질과 다르고, 방풍막 내부에 전기적 집진장치를 이용하고 있어서, 안개분무를 하 는 국내와 차이가 있기에 효능을 비교하기 어렵다. 국 내 연구에서는 양돈농가에 설치된 다양한 형태의 커 튼을 대상으로 농가의 사양 환경과 커튼 운영조건을 그대로 반영하여 시험을 수행하였다(NIAS, 2009;RDA, 2020;NIAS, 2022). 이때, 연구자별로 다른 시험 조건 은 악취감소율 차이에 영향을 주었고, 암모니아 감소 율이 14~98%로 큰 차이가 있었다(RDA, 2020). 게다 가, 암모니아 농도는 간이측정기를 이용하여 단발성 으로 측정함으로써, 축사 내·외부의 다양한 환경변수 로 인한 농도 변화를 반영하지 못하였다(NIAS, 2009). 또 다른 연구에서는 커튼 표면에서만 암모니아 농도 를 측정하여 감소 효과를 평가함으로써, 커튼의 악취 감소 원리인 악취확산 방지 효과를 확인할 수 없었다 (RDA, 2020).
이에, 양돈농가별로 다양한 환경변수의 문제를 극 복하기 위해 단발성이 아닌 실시간 암모니아 측정으 로 커튼의 효능에 대한 객관적인 평가가 필요하다. 그 래서 본 연구는 환경조절이 가능한 연구용 돈사에 특 정 규격의 커튼을 설치한 후, 사육두수와 환기팬 가 동률을 일정하게 유지하여 실시간 암모니아 측정을 통한 시험을 수행하였다. 암모니아 감소 효과는 커튼 의 악취감소 원리인 커튼 외부 이격거리에 따른 확산 감소능과 커튼 내부에 안개분무의 포화시간, 제거시 간 및 농가 운영조건을 반영한 안개분무 조건에 따른 감소 효과를 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 커튼 구조, 시험 돈사 및 암모니아 농도 측정
커튼은 2겹의 차광막(광차단율 95%)으로 된 2.6 m × 4.7m × 3.1 m (H×W× L; 총 면적 37.9 m3)의 직육면 체 구조이다. 커튼 내부의 안개분무 노즐은 내부 전 면부(W 4.7 m) 상단에 일정한 간격으로 총 4개를 설 치하였으며, 안개분무 시 분 당 291 mL의 물이 커튼 내부에 살포된다. 시험 돈사는 비육돈 48두가 사육 중 인 돈방을 대상으로 하였으며, 돈사 측벽 환기팬(630 mm) 외부에 커튼을 설치하였다. 암모니아는 멀티샘 플러(multisampler; INNOVA 1409)가 장착된 광음향 분광분석장치(photoacoustic spectrometer; INNOVA 1512, Lumasense Technologies, Ballerup, Denmark)를 이용하여 실시간으로 측정하였다.
2.2 커튼 표면별 암모니아 측정지점 선정
암모니아 측정지점을 선정하기 위해, 먼저 1) 양쪽 측면 각 4개, 2) 전면 상단 4개, 하단 4개, 3) 천장 4개 의 총 20지점에서 암모니아를 측정하였다(Fig. 1). 공 기이동 측정에 대한 ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers) standard HVAC (Heating, Ventilating, and Air Conditioning) 에 따르면, 면적별로 차이가 있지만 최소 25 개 포인트에서 공기를 측정하도록 권장하였다(ASHRAE, 2008). 본 연구에서는 멀티샘플러가 장착된 광음향 분 광분석장치를 이용하여 커튼의 다지점에서 암모니아 를 측정할 수 있지만, 측정지점이 증가하면 지점 간 에 측정시간 차가 발생한다(1개 시료측정 시간 약 30 초). 이것은 암모니아가 실시간으로 변하는 축사 내· 외부 환경에서 측정지점 간의 유사한 환경을 구현하 기 어렵다. 이에, 측정시간 차의 최소화를 위해 1회 측 정 시료 수는 4개로 하였고, 각 표면별로 동일한 면적 의 4개 구획을 나눈 후 표면별로 1시간 동안 암모니 아를 측정하였다. 최종적으로 선정한 암모니아 측정 지점은 지점 간의 표준편차가 적은 지점을 표면별로 1 지점씩 총 4 지점을 선정하였다. 이 지점은 커튼 외 부 이격거리와 내부 안개분무 시험에서 암모니아 측 정을 위한 지점으로 활용하였다. 암모니아 측정을 위 한 공기 시료 채취관은 커튼 표면의 5 cm 이격거리에 설치하였고, 시험 시 돈사 환기팬 가동률은 50% (2091 m3/h)로 가동하였다. 이격거리를 5 cm로 선정한 이유 는 커튼 주변의 바람에 의한 공기 희석과 커튼 내부 안개분무 시 외부로 배출되는 분무액에 의한 시료 채 취관 입구의 물 맺힘을 방지하기 위함이다.
2.3 커튼 외부 이격거리에 따른 암모니아 농도 변화
커튼 외부의 이격거리는 주변 공간을 고려하여 양 쪽 측면과 천장은 5 cm와 2 m로, 커튼 전면은 5 cm, 2 m, 4 m로 선정하였다(Fig. 2). 암모니아 측정용 시료 채취관은 돈사 환기팬과 커튼 표면별로 선정한 지점 에서 이격거리별로 설치하였다. 시험 시 돈사 환기팬 가동률은 100% (최대 환기량; 5709 m3/h), 70% (3837 m3/h), 50% (2091m3/h), 30% (최소 환기량; 1144m3/h) 로 가동하였다. 이격거리에 따른 암모니아 감소 효과 는 각 이격거리별로 4개 지점(표면별로 1개 지점)에 서 4시간 동안 실시간으로 측정한 농도의 평균값과 돈사 환기팬에서 배출되는 농도를 이용하여 계산하였다.
2.4 커튼 내부 안개분무 조건별 암모니아 농도 변화
안개분무 조건에서 분무시간은 환기팬 미가동 상 태에서 커튼 내부에 안개분무 후 분무액이 가득 차는 데 걸리는 시간인 10분으로 하였다. 휴지시간은 안개 분무액이 사라지는데 걸리는 시간(2.5분)과 농가에서 적용하는 시간을 종합하여 4개 처리구(20분, 10분, 5 분, 2.5분)로 구성하였다. 암모니아 측정용 시료 채취 관은 돈사 환기팬과 커튼 표면별로 선정한 지점에서 외부 이격거리 5 cm에 설치하였다. 이 시험은 안개분 무 효과를 평가하는 것으로 이격거리에 의한 영향성 을 배제하기 위하여 이격거리 5 cm에서만 측정하였 다. 시험 시 돈사 환기팬 가동률은 커튼 외부 이격거 리 시험에서 암모니아 감소 효과가 낮았던 100% (5709 m3/h)로 하였다. 안개분무 조건별 암모니아 감소 효 과는 커튼 표면별로 실시간으로 측정한 농도의 평균 값과 돈사 환기팬의 농도를 이용하여 계산하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 커튼 표면별 암모니아 측정지점 선정
커튼 표면별로 4개 또는 8개 지점에서 측정한 암모 니아 농도는 3.12~4.41 ppm의 범위이고, 표면별 평균 값은 좌측 4.24 ppm, 우측 4.02 ppm, 전면 상단 4.31 ppm, 하단 3.79 ppm, 천장 3.98 ppm이었다(Table 1). 이 때, 표면별로 각 지점 간의 암모니아 농도의 표준편 차는 좌측 0.12 ppm, 우측 0.30 ppm, 전면 상단 0.07 ppm, 하단 0.52 ppm, 천장 0.36 ppm으로 전면 하단에 서 지점 간에 차이가 컸다(Table 1). 전면 하단의 표준 편차가 큰 것은 돈사 환기팬 외부에 설치된 덕트 형 태에 따른 공기 이동방향과 관계가 있다. 직진방향의 덕트는 커튼 전면 상단으로 많은 공기가 배출되지만, 덕트 방향이 아래로 향할수록 커튼 하부로 배출된다 (Ajami, 2019). 본 연구돈사에 설치된 덕트는 아래로 향 하고 있어서, 돈사에서 배출되는 공기가 직접적으로 커튼의 하단으로 이동한다. 이로 인해 전면 하단은 다 른 표면에 비해 강한 난류가 발생하여, 측정지점 간 에 공기 배출정도 차이에 의한 암모니아 농도 변화에 영향을 주었을 것이다. 이 결과를 종합하여 선정한 암 모니아 측정지점은 지점 간의 표준편차가 크고 농도 가 낮은 전면 하단을 제외하고, 나머지 4곳에서 암모 니아 농도 차이가 크지 않은 지점으로 좌측 1번, 우측 4번, 전면 상단 2번, 천장 3번으로 선정하였다. 이렇게 선정한 지점들은 커튼의 암모니아 감소 효과 평가를 위한 커튼 외부 이격거리와 내부 안개분무 시험에서 암모니아 측정을 위한 지점으로 활용하였다.
3.2 커튼 외부 이격거리에 따른 암모니아 농도 변화
돈사 환기팬 가동률에 따른 커튼 외부 이격거리별 암모니아 농도는 모든 환기팬 가동률에서 안정적으 로 측정되었고, 돈사 환기팬을 제외하고 이격거리별 로 환기팬 가동률 간에 큰 차이가 없었다(Fig. 3). 이격 거리별 암모니아 농도의 평균값은 5 cm 3.84 ppm, 2 m 3.17 ppm, 4 m 2.95 ppm으로 5 cm에 비해 2 m에서 0.67 ppm (17.45%), 2 m에 비해 4 m에서 0.22 ppm (6.94%) 감소하며, 커튼 인근에서 감소 효과가 높았다 (Table 2). Zhao et al. (2005) 의 연구결과에서도 돈사 환 기팬에서 배출된 암모니아 농도는 환기팬에서 멀어 질수록 감소하였으며, 환기팬에서 이격거리 15 m의 암모니아 농도는 검출한계 이하로 측정되었다. 또 다 른 연구에서는 돈사 외부의 500 m 내에서 암모니아 농도를 측정한 결과, 돈사에서 멀어질수록 최대 50% 가 감소하였다(Yi et al., 2021). 이러한 감소 효과는 돈 사 외부의 풍향과 풍속에 의한 공기 희석과 확산에 영 향을 받았기 때문이다(Hernandez et al., 2012). 본 연구 에서도 커튼 주변의 바람이 왼쪽에서 오른쪽으로 불 면서 암모니아 확산에 영향을 주어 이격거리가 멀어 질수록 농도가 감소하였다.
반면, 돈사 환기팬에서 배출된 암모니아 농도 대비 커튼 외부 이격거리에 따른 암모니아 감소율은 환기 팬 가동률 간에 차이가 있다. 가동률 100%에서 암모 니아 감소율은 5 cm 8.00%, 2 m 26.75%, 4 m 35.85%이 었지만, 가동률 30%에서는 돈사 환기팬 대비 5 cm 65.54%, 2 m 71.92%, 4 m 73.75%로 환기팬 가동률이 높 을수록 감소율이 낮았다(Table 3). 이러한 차이는 돈 사에서 배출되는 암모니아 농도가 환기팬 가동률에 따라 차이가 있기 때문이다(Tabase et al., 2020). 암모 니아 농도는 환기팬 가동률과 음의 상관성을 가진다 (Ni et al., 2019). 만약 환기팬 가동률이 높으면(100%, 70%), 돈방 안으로 유입되는 다량의 공기에 의해 희 석된 암모니아가 돈사 외부로 빠르게 확산되어 환기 팬에서 배출되는 농도가 감소한다(Ni et al., 2019). 반 면, 가동률이 낮으면(50%, 30%), 돈방 내부로 유입되 는 공기량과 커튼 내·외부로 배출되는 공기량이 적어 져 오히려 돈사 내부 또는 커튼 내부에 암모니아 농 도가 높아진다. 이로 인해, 돈사 환기팬에서 배출되는 암모니아 농도가 낮은 처리구인 높은 환기팬 가동률 에서 암모니아 감소율이 낮아진 것이다.
3.3 커튼 내부 안개분무 조건별 암모니아 농도 변화
안개분무 시험은 커튼 외부 이격거리 시험에서 암 모니아 감소 효과가 낮은 처리구인 환기팬 가동률 100% 에서 감소 효과를 높이기 위한 방안으로 수행하였다. 암모니아 농도는 모든 안개분무 조건별로 측정시간 동안 안정적으로 유지되었다(Fig. 4). 돈사 환기팬과 비교하여 안개분무 조건별 암모니아의 농도 감소와 감소율은 무살포 0.31 ppm/7.97%, 휴지시간 20분 0.61 ppm/12.95%, 10분 0.82 ppm/18.30%, 5분 0.88 ppm/ 18.33%, 2.5분 0.77 ppm/18.08%로 무살포에 비해 안개 분무 시 높았다. 그러나 안개분무 조건별 암모니아 감 소율은 휴지시간 20분을 제외하고 다른 처리구 간에 는 유사하였다(Table 4). 암모니아는 돈사 환기팬에서 배출되는 먼지와 함께 커튼 내부에 흡착되어 감소하 게 된다(Ajami, 2019). 돈사 환기팬 외부에 메쉬망을 설 치한 후 무살포 조건에서 시험하였을 때, 암모니아 감 소율이 5%~16% 범위였으며(Table 5;Ajami, 2019;Jerez et al., 2013) 본 연구의 무살포 조건과 유사하였 다. 이때 커튼 내부에 물을 분무하면 용해성이 강한 암모니아가 물에 용해되어 감소 효과를 높일 수 있다 (Soto-Herranz et al., 2022). 이전 연구에서, 커튼 내부 의 안개분무액을 수집하여 암모니아성 질소 농도를 분석하였을 때, 안개분무 전(탱크에 저장된 수돗물) 에 비해 후에 암모니아성 질소 농도가 최대 60% 증가 한 것을 확인하였다(Halder et al., 2023). 양돈농가에 설 치된 커튼 내 안개분무에 의한 암모니아 감소율이 90% 이상이었으며(Table 5;NIAS, 2009;NIAS, 2022), 본 연 구의 안개분무에 의한 감소율보다 높았다. 이러한 감 소 효과의 차이는 커튼형태, 안개분무 조건, 환기팬 가 동률, 암모니아 측정방법 (Cho et al., 2020; Oh et al., 2021) 등의 시험조건이 연구자별로 상이하였기 때문 으로 판단된다. 결과를 정리하면, 암모니아 감소율은 무살포에 비해 안개분무 시 4.98~10.36% 증가하였으 며, 안개분무에 의해 암모니아 감소효과가 높았다(Table 4).
4. 결 론
본 연구는 커튼의 암모니아 감소 효과에 대해 커튼 외부 이격거리와 안개분무 조건별로 평가하였다. 두 시험을 수행하기에 앞서, 커튼 표면별로 암모니아 측 정지점을 선정하기 위해 표면별로 4개 ~8개 지점에 서 암모니아 농도를 측정한 후, 표준편차가 적은 지 점을 표면별로 1 지점씩 선정하였다. 이 지점은 커튼 의 암모니아 감소 효과 평가를 위한 암모니아 측정지 점으로 활용하였다. 먼저, 커튼 외부 이격거리 시험에 서 암모니아 농도는 이격거리별로 환기팬 가동률 간 에 큰 차이가 없었고, 평균적으로 이격거리 5 cm에 비 해 2 m에서 17.45%, 2 m에 비해 4 m에서 6.94% 감소하 였다. 반면, 돈사 환기팬 대비 각 이격거리별 암모니 아 감소율은 환기팬에서 배출되는 암모니아 농도가 낮은 처리구인 높은 환기팬 가동률에서 가장 낮았다. 이때 암모니아 감소 효과를 높이기 위한 방안으로 커 튼 내부 안개분무에 의한 효능을 평가하였다. 그 결 과, 암모니아 감소율은 무살포에 비해 안개분무 시 4.98%~10.36% 높았다. 결과를 종합하면, 커튼의 암모 니아 감소 효과는 커튼에서 멀어지거나 커튼 내부에 안개분무를 하였을 때 증가하였다. 이때 환기팬 가동 률은 돈사에서 배출되는 암모니아 농도를 변화시켜 커튼의 암모니아 감소율에 영향을 주는 요인이었다. 향후에는 커튼의 악취감소 효과를 높이기 위해 다양 한 안개분무 조건을 설정하여, 장기간의 암모니아 측 정을 통한 재현성 있는 추가적인 연구가 필요하다.
