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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.22 No.4 pp.351-370
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2023.22.4.351

A review on livestock odor characteristics and management (IV) : Livestock odor mitigation technologies and their application

Kyung-Suk Cho1*, Hee Wook Ryu2
1Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans University
2Department of Chemical Engineering, Soongsil University
* Corresponding Author: Tel: +82-2-3277-2393 E-mail: kscho@ewha.ac.kr
07/12/2023 14/12/2023 18/12/2023

Abstract


This review paper aimed to comprehensively assess the ventilation methods and ventilation rates of livestock sheds, various livestock odor mitigation technologies, and the design flow rate of odor mitigation devices. The most efficient ventilation method for livestock odor control was found to be mechanical ventilation. When livestock odor is at its most severe during summer, ventilation systems are operated at the maximum ventilation rate, which is 5-25 times higher than the ventilation rate in winter. Therefore, the mitigation facilities of livestock odor must be designed while considering the maximum ventilation rate. There is a significant amount of research data on various livestock odor control technologies using various physical, chemical, biological, and complex technologies applied to livestock farms. Biofiltration and photocatalytic oxidation are considered the most promising methods due to their cost-effectiveness and simplicity. Biofiltration is effective for removing hydrophilic odors, but requires improvement for the efficient removal of hydrophobic odors and the control of accumulated excess biomass. The advantages of the photocatalytic oxidation method include its excellent hydrogen sulfide and ammonia removal rates and relatively low ozone emissions. However, it requires technology to reduce nitrous oxide emissions. Investment in installing and operating these odor mitigation technologies is only realistic for large-sized farms. Therefore, it is imperative for small and medium-sized livestock farms to develop odor mitigation technology that is inexpensive and has low installation, operation, and maintenance costs.


Biofilter , Livestock , Mitigation , Odor , Photocatalysis , Ventilation

축사 악취 특성 및 관리 (IV) : 축사 악취 저감 기술 및 적용 사례

조경숙1*, 류희욱2
1이화여자대학교 환경공학과
2숭실대학교 화학공학과

초록

    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    우리나라 악취방지법에 의하면 악취는 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 그 밖에 자극성이 있는 물질이 사 람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새 로 정의된다. 축산 시설은 대표적인 악취배출시설로, 축산 시설에서 배출되는 축사 악취는 다양한 물질이 혼합된 복합취이고, 발생장소가 농장 전체이며 장소 별로 주요 악취물질 및 농도에 차이가 있다(Mahin, 2001;Rappert and Müller, 2005;Cho and Ryu, 2023b). 축사 악취에 장기간 노출되면 눈이 따끔거리고 두통, 호흡 곤란을 겪을 수 있다(Nicell, 2009;Sironi et al., 2010). 깨끗하고 살기 좋은 환경, 특히 대기질에 대한 대중의 관심과 요구는 점점 증가하고 있다. 따라서, 개 별 축산 농장 및 집약적인 축산 단지에서 배출되는 축 사 악취 문제는 지속적인 축산업 발전뿐 아니라, 쾌 적하고 건강한 환경질을 조성하기 위해 반드시 해결 해야 할 환경문제이다(Cho and Ryu, 2023a;Cho and Ryu, 2023b;Cho and Ryu, 2023c).

    발생원으로부터 배출된 악취를 처리하기 위한 탈 취 기술은 악취 제거 원리에 따라, 물리적, 화학적 그 리고 생물학적 기술로 구분된다. 일반적으로 악취 농 도와 풍량에 따라 적용 가능한 기술이 다르다(Wang et al., 2021; Fig. 1). 예를 들면, 활성탄을 이용한 흡착 법은 악취 농도와 풍량이 상대적으로 낮은 경우에 적 용하고, 연소법은 악취 농도와 풍량이 상대적으로 높 은 경우에 적용하는 것이 바람직하다.

    물리학적 축사 악취 저감 기술은 악취를 마스킹, 희 석, 흡착 등의 물리적 기작을 이용하여 악취 농도를 낮추는 방법으로, 마스킹법, 희석 확산법, 활성탄 흡 착법이 주로 사용되고 있다(Wang et al., 2021). 화학적 축사 악취 저감 기술은 악취를 화학반응으로 제거하 는 방법으로(Burgess et al., 2001), 식물 추출액 살포법, 약액 세정법, 비열플라즈마법, 광촉매 산화법 및 연소 법 등이 있다(Wang et al., 2021). 생물학적 축사 악취 처리 기술은 생물, 특히 미생물을 활용하여 악취를 생 분해하는 방법으로, 에너지 소비가 적고 2차 오염이 없으며 대중 친화적인 방법이다(Kennes and Thalasso, 1998;Lebrero et al., 2010;Van Groenestijn and Hesselink, 1993). 축사 악취 처리에 적용되는 생물학적 방 법은 주로 생물세정법(Bioscrubbing), 생물여과법 (Biofiltration) 및 생물살수여과법(Biotrickling filtration) 이 있다.

    본 논문에서는 축산 농장 혹은 단지로부터 배출되 는 축사 악취를 저감하기 위해 개발된 기술의 종류 및 특성을 요약하고, 축산 농장 현장에 적용하여 축사 악 취 저감 효과를 평가한 기존 연구 결과를 정리하였다. 또한, 현재 적용되고 있는 악취 저감 기술의 문제점, 보다 효율적인 축사 악취 저감을 위한 기술 개발 방 향과 후속 연구의 필요성을 종합적으로 고찰하였다.

    2. 축사의 환기 시스템과 악취 저감장치의 처리 용량

    2.1 축사 환기 시스템

    집약적인 축사 시스템에서 배출되는 공기가 주변 대기로 방출되면 다량의 대기오염물질이 배출되고, 일부 공기가 다시 축사로 유입될 수 있어 축사의 실 내공기질을 악화시킬 수 있다. 이를 완화하기 위해서 는 축사의 유입 및 배출 공기 중의 오염물질의 저감 이 필요하다. 집약적인 축사의 환기 시스템은 자연환 기, 기계식/강제 환기 또는 복합형 환기가 있다. 널리 사용되고 있는 기계식/강제 환기 또는 복합형 환기 시 스템은 가스상과 입자상 오염물질의 농도 등 실내 조 건을 제어하여 작업자와 동물의 복지를 보장하고 생 산성을 유지할 수 있다(Guo et al., 2022). 기계식 환기 시스템은 외부의 신선한 공기를 유입하고 내부의 오 염된 가스를 배출하여 축사 내부와 외부의 효과적인 공기 교환이 가능하여 온도, 습도 및 공기 질을 향상 할 수 있다. 자연 환기 시스템과 비교하여 기계 환기 시스템은 출구와 입구의 공기를 정화하는 것이 용이 하고, 축사에서 발생하는 총 배출량을 줄일 수 있고 축사에 신선한 공기의 공급이 가능하다.

    기계식/강제 환기 시스템은 축사 내부와 외부의 압 력에 따라 음압 환기, 양압 환기 및 등압 환기로 나눈 다(Saleeva et al., 2020, Costa and Guarino, 2009). 음 압 환기는 배기 팬을 사용하여 축사의 공기를 밖으로 밀어내어 축사에 약간의 음압이 생겨 신선한 외부 공 기(대기)가 유입된다. 양압 환기는 팬을 사용하여 실 외 공기를 축사에 밀어 넣어 축사에 양압이 걸리고, 등압 환기는 입구와 출구에서 팬을 동시에 사용하여 유입과 유출 공기의 양이 같아 축사의 압력이 대기압 과 일치한다.

    기계식 환기는 팬의 배열에 따라 종방향 및 횡방향 환기, 수직 환기로 구분된다(Du et al., 2019;Wang et al., 2018;Calvet et al., 2010). 종방향 환기는 팬이 박공 에 설치되어 축사 내부의 긴 축을 따라 공기가 흐르 는 구조이며, 횡방향 환기는 팬이 횡벽에 설치되어 더 짧은 축을 따라 반대쪽 횡벽으로 흐르는 구조이다. 수 직 환기는 기본적으로 공기가 천장의 한쪽 면에서 들 어가서 실내로 환산되어 순환한 후 지붕의 반대 방향 으로 빠져나가는 구조이다. 그 외에도 슬랏 바닥으로 유입된 공기가 축사 내 분뇨저장조 상부를 거쳐 외부 로 배출하기도 한다. 이러한 환기 방법은 단독으로 사 용되는 경우보다는 몇 가지 환기 방식을 혼합하여 사 용하는 경우가 많다.

    2.2 축사 환기율과 악취저감장치 처리용량의 설계

    축사 환기는 가축 및 작업자의 건강을 위해, 축사 내 부의 오염물질을 저감하기 위한 중요한 요소이다 (MWPS-8 Midwest Plan Service, 1893). 축사의 환기 팬은 여러 개의 팬을 사용하며, 팬의 직경은 일반적 으로 60~130 cm이다. 팬은 기본 팬과 보조 팬으로 구 성되며, 기본 팬은 상시 가동되나 보조 팬은 간헐적 으로 작동한다. 축사의 환기율은 축종과 계절에 따라 달라지며, 사육동물의 사육밀도가 높을수록 전체 환 기율과 팬 개수가 증가하나 평균 환기율은 일반적인 범위를 벗어나지 않는다. 평균 환기율은 일반적으로 돈사의 경우 150m3·h-1·pig-1이고, 피트는 10m3·h-1·pig-1 이다. 양계 농장은 산란계를 기준으로 15 m3·h-1·hen-1 을 초과하지 않는다. 환기 유량은 계절에 따라 달라 지므로 이를 고려하여야 한다. 미국 Iowa 주에서 권장 하는 환기율은 Table 1과 같다(MWPS-8 Midwest Plan Service, 1893). 돈사의 환기율은 다음과 같이 계산한다.

    • (1) 최소 환기율(Wmin): 동절기에 건물 내 공기 질과 습도를 유지하면서 열 손실을 최소화하기 위해 사용하는 환기율

      • Wmin= 동물의 수 × 동절기 환기율 (CMM/unit) (CMM, m3/min)

    • (2) 최대 환기율 (Wmax): 더운 날씨 조건에서 가장 높 은 환기율

      • Wmax = 동물의 수 × 더운 날씨 환기율 (CMM/unit)

    • (3) 두 개의 중간 환기율 (W1과 W2): 대부분 기계식 환기 시스템은 4개의 환기 단계를 권고하며, 추 운 날씨 기준과 더운 날씨 기준, 그리고 이들 단 계 사이에는 2개의 중간 단계로 구성한다.

      • 중간 1단계 환기율 1 (W1) = (Wmax – Wmin)/ (No. of stages + 2) + Wmin

      • 중간 2단계 환기율 2 (W2) = 2 × (Wmax – Wmin)/ (No. of stages + 2)

    • (4) 각 환기 단계별 필요한 환기 팬의 용량 계산: 환 기 단계가 결정되면 단계별 사용할 팬의 적절 용량이 필요하며, 최소 환기 팬은 상시 가동된다.

      • 최소 환기 팬 용량 (F1, CMM)= Wmin

      • 두 번째 환기 팬 용량 (F2, CMM)= W1 – Wmin

      • 세 번째 환기 팬 용량 (F3, CMM)= W2 – W1

      • 네 번째 환기 팬 용량 (F4, CMM)= Wmax – W2

    축사 악취 저감을 위한 방지설비의 설계 용량은 축 사 환기율에 의존한다. 여름철은 축사의 악취가 가장 심할 뿐 아니라 최대 환기율로 환기 시스템을 가동하 는 시기이다. Table 1의 환기율을 기준으로 할 때 여름 철은 동절기에 비해 환기율이 5~25배 많다. 따라서 축 사 악취 저감 설비의 설계 용량은 최대 환기율(Wmax) 을 기준으로 설계되어야 한다.

    3. 물리학적 축사 악취 저감 기술

    3.1 마스킹법 및 희석 확산법

    마스킹법은 악취를 마스킹제로 덮는 방법으로, 일 반적으로 에틸 메르캅탄 유칼립투스 오일, 메틸 인돌 쿠마린, 장뇌향 등과 같은 향기가 강한 방향족 화합물 이 마스킹제로 사용되고 있다(Wang et al., 2021). 마스 킹제의 향기는 처리하고자 하는 악취와 화합이 좋아 야 하는데, 마스킹법은 축산 농장의 퇴비화 설비 뿐만 아니라 축사 외부, 액비처리시설 및 농장 주변에도 사 용되기도 한다(Schilling and Kollatsch, 1990;Wang et al., 2021). 희석 확산법은 악취를 공기로 희석하여 농 도를 낮추는 방법으로, 축산 농장에서 악취를 포집하 여 굴뚝을 이용하여 고도가 높은 곳에서 악취를 배출 하는 방법이다. 따라서 이 기술은 대기 오염 확산 모 델로 설계한 굴뚝이 설치된 축산 농장에서만 사용 가 능하며, 풍량이 적고 저농도로 배출되는 악취에만 극 히 제한적으로 적용 가능한 방법이다(Wang et al., 2021).

    3.2 흡착법

    일반적으로 악취를 흡착하여 제거하는 데 가장 많 이 사용되고 있는 것은 활성탄이다. 활성탄은 다공성 구조로 비표면적이 크기 때문에 악취를 효율적으로 흡착할 수 있어(Le-Minh et al., 2018), 이를 이용한 활 성탄 흡착법은 비교적 장치가 간단하므로 저농도 저 풍량 악취 제거에 많이 사용되고 있는 악취 저감 방 법으로, 여름철에는 환기팬 가동에 저항을 발생시킬 수 있다(Sattler and Rosenberk, 2006;Parmar and Rao, 2008). 그런데, 활성탄은 포화되기 전에 교체해 야 하고 폐활성탄 처리 등 운영 비용이 많이 소요되 는 문제가 있다(Abdulrasheed et al., 2018). 활성탄의 흡 착능력에 따라 악취 제거능이 결정되므로, NaOH 용 액이나 CeO2와 같은 금속산화물을 이용하여 활성탄 개질을 통한 악취 흡착 성능을 향상하고자 하는 연구 가 수행되었다(Tsai et al., 2001a;Sumathi et al., 2010). 고압 고온 조건이나 CuSO4로 활성탄을 개질하여 황 화수소 흡착능을 개량하거나(Liang et al,, 2014a;Liang et al., 2014b), CuCl2 용액을 이용하여 고압 고온 증기 조건에서 활성탄을 개질하여 황화수소와 암모니아 흡착 성능을 향상시킨 결과가 보고되고 있다(Zhang et al., 2020).

    117 마리의 돼지를 사육하고 있는 돈사 내부 공기 를 blower를 이용하여 활성탄 흡착조(1.2m L × 0.3 m H×0.6m W))에 주입하여 축사 악취 저감 효과를 평 가하였다(Mutlu et al., 2003). 환기율은 약 1,360 m3/h (저풍량), 압력손실은 약 84.7 Pa, 온도는 19.4–21.7°C 및 상대습도는 51.2–61.0% 범위이었다. 활성탄 흡착 조에 유입되는 악취 농도는 226.1 OU/m3이었는데 배 출되는 악취 농도는 166.8 OU/m3로, 평균 악취 제거 율은 26.2%이었다.

    활성탄 이외에 ZnO와 TiO2 나노입자를 이용하여 축 사 악취 주성분인 암모니아와 황화수소를 흡착 제거 할 수 있었다(Labrada et al., 2020). 돈사 피트로부터 배 출된 악취를 ZnO와 TiO2 나노입자를 충진한 필터(0.38 m L × 0.38 m W × 0.032m H)로 처리한 결과, 암모니아 와 황화수소 제거율은 각각 50~100%와 67~100%이었다.

    Minami et al. (2022)은 암모니아를 효율적으로 흡착 할 수 있는 copper hexacyanoferrate (CuHCF, Prussian blue analogue)을 흡착제로 활용한 흡착장치(9 kg CuHCF)를 이용하여 일본의 축산 농장에서 배출되는 암모니아 저감능을 평가하였다. Na[Fe(CN)6] 수용액 과 CuSO4를 혼합하여 합성한 CuHCF 나노입자를 탈 수한 후, 유기 바인더와 혼합하여 직경 약 5 mm, 길이 약 10 mm 크기로 압출하여 만든 흡착제를 사용하였 다. 비육돈 20두를 사육하고 있는 돈사(3.6 mL × 6mW × 2.3mH) 2곳에 흡착장치 4개를 설치하여 돈사 내부 의 암모니아 농도를 모니터링하였다. 대조군으로 흡 착장치를 설치하지 않은 2곳의 돈사 내부의 암모니 아 농도도 측정하였다. 그 결과, 흡착장치에 의한 돈 사 내부의 암모니아 농도 저감률은 겨울철에는 55~85% 이었고, 여름철에는 30~55%이었다.

    Biochar는 열분해 바이오매스의 탄소질 물질로, 토 양의 질과 수분 보유 능력을 향상시킬 수 있는 물질 이다(Novak et al., 2014). 또한, biochar는 황화계 약취 물질, 휘발성 지방산, 페놀 및 인돌 화합물 등 악취 흡 착능을 가지고 있다(Hwang et al., 2018). Ro et al. (2021) 은 소나무 칩을 열분해 처리하여 제조한 biochar를 흡 착제로 이용한 파일럿 규모 흡착탑을 미국 돈사에 설 치하여, 축사 악취 저감능을 평가하였다. 분석한 15종 악취성 휘발성유기화합물(VOCs) 중, 아세트산 이외 의 물질은 모두 검출한계 미만이었다. 또한, 흡착탑에 유입되는 황화수소 농도는 71.9 ppm과 308.5 ppm이었 으나 흡착탑 출구에서는 황화수소 농도는 모두 검출 한계 미만이었다. 흡착 처리한 폐biochar는 토양 개량 제로 활용할 수 있다고 제안하였다.

    4. 화학적 축사 악취 저감 기술

    4.1 식물 추출액 살포법

    식물의 뿌리, 줄기, 잎 혹은 꽃에서 추출한 일부 식 물 추출액은 화학반응으로 악취를 무취 화합물로 분 해할 수 있다. 예를 들어 녹차 추출액의 살포에 의해 악취 냄새가 현저하게 저감되었고(Negishi and Ozawa, 1997), 민들레, 쇠뜨기 등의 식물 추출액을 이용해서 메틸메르캅탄(MT)을 처리한 결과 90% 이상의 제거 효율을 얻을 수 있었다(Urabe et al., 1999;Shimizu et al., 2001). 그런데 식물 추출액을 이용한 방법은 다양 한 성분이 혼합된 다성분 복합악취나 고농도 악취를 처리하기 위해서는 비효율적이었다(Yasuda and Onogi, 1996). 녹차 추출액에 의한 MT 제거능은 산성 가스가 없을 때는 제거 효율이 87.6%이었으나, 산성 가스가 공존하면 제거율이 8.8%로 급감하였다(Yasuda and Onogi, 1996).

    4.2 약액 세정법

    약액 세정법은 약품 용액을 악취와 접촉시켜 악취 를 제거하는 방법으로, 일반적으로 고농도 및 대용량 악취 처리에 적합하다(Kuntz and Aroonwilas, 2009;Codolo and Bizzo, 2013). 축산 농장에서 배출되는 대 표적인 악취인 황화수소와 암모니아는 약액 세정법 으로 효율적으로 제거 가능한데(Charron et al., 2004;Jafari et al., 2018), 알칼리성 가스인 암모니아를 처리 하기 위해 산성 세정액이, 산성 가스인 황화수소를 처 리를 위해 알칼리성 세정액이 이용된다(Chen, 2004;Lee et al., 2008;Li and Zhao, 2012). 그런데, 유기성 악 취인 MT 등은 약액 세정법으로 잘 처리되지 않는데, Charron et al. (2004)은 과산화수소 세정액을 이용하 여 MT와 황화수소를 처리한 결과, 황화수소의 제거 율은 90%이었으나, MT의 제거율은 45%이었다.

    네덜란드 연구진은 네덜란드의 돈사와 계사에서 암 모니아 제거를 위한 설치한 산성액 스크러버의 성능 을 평가한 결과, 암모니아 제거율은 40~100%, 평균 제 거율은 96%로 우수하였다(Melse and Ogink, 2005). 악 취 체류시간은 0.4~1.1초이었고, 세정액의 pH 측정 및 자동적으로 세정액이 배출되도록 유지관리하는 것만 으로도 안정적으로 암모니아를 제거할 수 있었다.

    약액 세정법에 의한 악취 제거성능은 세정액 성상 뿐 아니라, 세정액 분무 속도 및 노즐 크기, 압력손실 등 운전 인자에도 영향을 받는다(Hadlocon et al., 2014;Codolo and Bizzo, 2013). 노즐이 하나인 세정기와 노 즐이 여러 개인 다중 노즐 세정기의 악취 제거능을 비교한 결과, 다중 노즐 세정기가 더 효율적이었다(Ebert and Büttner, 1996). 또한, 황산을 세정액으로 이용하여 24 ppm의 암모니아 제거를 위한 최적 운전조건을 연 구한 결과, 황산용액 농도는 0.01%, 분무압력은 12 bar 인 조건에서 최대 암모니아 제거율(98%)을 얻을 수 있 었다(Jafariet et al., 2018).

    Wysocka and Boguszewicz (2019)는 폴란드의 양계 장에서 배출되는 악취를 대상으로 수돗물만을 세정 액으로 이용한 경우와 모래로 충진한 세정탑에 수돗 물을 세정액으로 이용한 경우를 비교 평가하였다. 수 돗물만을 이용한 세정법에 의한 악취 제거율은 31~45% 이었으나, 모래를 충전한 세정법을 사용하면 악취 제 거율이 94~100%까지 향상되었는데, 이는 모래에 의 한 기-액 접촉시간이 증가했기 때문으로 평가되었다.

    이탈리아의 양돈 농장에서 640 마리(60~110 kg) 돼 지를 사육하고 있는 돈사에서 배출되는 악취 처리를 위해 설치한 습식 스크러버의 성능을 평가하였다(Conti et al., 2021). 세정액으로 물과 15% citric acid 용액을 각 각 50 L씩 사용하였고 악취 처리풍량은 6700 m3/h이 었다. 이 스크러버에 의한 축사 악취 제거능은 16%이 었다.

    4.3 비열플라즈마(Non-thermal plasma)법

    비열플라즈마법은 고에너지 전자가 전극 사이의 고 전압 전기장의 작용으로 들뜬상태가 되고, 들뜬상태 가 된 전자는 산소와 충돌하여 자유 라디칼을 생성하 여 악취를 산화 처리하는 방법이다(Narengerile and Watanabe, 2012;Li et al., 2014;Xia et al., 2016;Schiavon et al., 2017). 그런데, 고농도 악취와 풍량이 높 으면 악취 제거 효율이 감소하므로(Van Laer and Bogaerts, 2015;Ma and Lan, 2015), 이 방법은 저·중농 도 및 중풍량 악취 처리에 적합하다.

    덴마크의 대학 실험용 돼지 농장에서 비열플라즈 마법에 의한 축사 악취 저감 가능성을 평가하였다 (Andersen et al., 2013). 파일럿 규모 비열플라즈마 시 스템을 설치하여, 음전압과 양전압 코로나 방전 모드 에 의한 축사 악취 제거를 평가한 결과, 2가지 방전 모 드 조건에서 indole (제거율 약 50~80%)과 3-methyl- 1H-indole(제거율 약 80~100%)의 제거율이 가장 높았 고, 그다음 methanol, 4-methylphenol, 및 4-ethylphenol의 제거율이 높았다(평균 제거율 약 20~40%). 암모 니아, 황화수소, trimethylamine (TMA) 및 dimethyl sulfide (DMS)의 제거율은 각각 15~28%, 21~27%, 10~ 26% 및 19~31%이었다. 또한, 돈사에서 배출되는 입자 상 물질은 90% 이상 제거되었다. 그런데, 이 방법에 의 해 악취 산화 부산물로 ethanol, 2,3-butanedione 및 dimethyl trisulphide이 생성되었다. 음전압 조건은 양 전압 조건보다 악취 제거율은 약간 높았지만, 부산물 인 오존 생성량이 많은 문제가 있었다.

    4.4 광촉매 산화법(Photocatalysis)

    광촉매 산화법은 광촉매와 UV 방사선을 이용하여 악취를 처리하는 방법이다(Ao et al., 2003a;Ao et al., 2003b;Pernyeszi and Dékány, 2003;Han et al., 2020). UV 조사 때문에 전자 전이가 발생하여 전자(e-) 위치 에 정공(h+)이 생성되며, 전자와 정공이 물과 산소와 반응하여 악취를 분해하는 하이드록실 라디칼과 과 산화수소를 생성하게 된다(Hoffmann et al., 1995;Chen and Ray, 2001). 이 방법은 에너지 소비량이 적고, 악취 제거율이 높으며 2차 오염 문제가 거의 없는 장점이 있으며, 중농도 악취 처리와 중풍량에서 적합하다 (Konkol et al., 2022).

    이 방법에서 악취 제거능에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 광촉매 성능인데(Jo et al., 2002;Choi et al., 2001), 수분 함량과 촉매의 수명은 광촉매의 악취 산 화 성능을 좌우하는 핵심 인자이다(Mo et al., 2009). 따 라서, 수분 함량이 높은 악취 처리에 적용할 경우 제 거성능이 많이 저하되는 문제가 있다(Obee and Hay, 1997). 또한, 촉매 수명은 운전비와 연관되므로, 촉매 수명을 높이기 위한 연구 개발이 지속해서 이루어져 야 한다(Wang et al., 2021).

    광촉매를 이용한 축사 악취 저감에 관한 주요 연구 결과를 Table 2에 제시하였다. 이탈리아의 돼지 농장 에서 TiO2 광촉매 용액을 돈사(모돈 30마리, 각 모돈 당 자돈 10마리씩 사육) 내부 벽에 뿌린 후, UV-A를 조사하여 암모니아 농도 감소 효과를 조사한 결과, 30.4% 의 감소 효과를 얻을 수 있었다(Guarino et al., 2008). 그러나, 391 마리의 돼지를 사육하고 있는 돈사 내부 벽에 TiO2 광촉매 용액을 살포하고 UV-A를 조사하여 암모니아 배출량을 조사한 결과, 유의미한 감소 효과 를 얻을 수 없었다(Costa et al., 2012). 그러나 이러한 광촉매 산화에 의해 온실가스인 메탄과 미세먼지 PM10 배출량은 각각 27%와 17% 감소하였다(p<0.05). TiO2 광촉매를 코팅한 벌집 모양의 광산화 필터에 의한 9 종의 악취(H2S, MT, DMS, dimethyl disulfide (DMDS), 1-butanol, acetic acid, propionic acid, butyric acid 및 valeric acid)의 제거능을 평가한 결과, 황화수소(제거 율 4.2~14.0%)를 제외한 8종 악취의 제거능은 80% 이 상으로 우수하였다(Yao and Feilberg, 2015).

    Maurer and Koziel (2019)은 1200 마리의 돼지를 수 용할 수 있는 미국(Mooresville, NC, USA)의 농장에서 UV를 이용한 광산화와 TiO2 광촉매 산화에 의한 축 사 악취 저감능을 비교 평가하였다. 반응기(2.44 × 0.3 × 0.3m)를 설치하여 체류시간 47.2초인 조건에서 돈 사에서 배출되는 악취를 처리한 결과, 광촉매 산화 반 응기에 의한 p-cresol의 제거율은 22.0%이었고, 복합 악취 제거율은 16%이었다. 본 반응기를 연속 운영할 경우 전기사용료를 평가한 결과, 돼지 한 마리당 봄 /가을, 여름과 겨울의 전기사용료는 각각 $0.23, $0.37 및 $0.15이었다. 그런데, UV를 이용한 광산화에 의한 축사 악취 제거율은 통계적으로 유의미하지 않았다.

    축산업의 지속 가능성을 향상시키기 위해서는 악 취와 같은 오염 물질 외에 온실가스 배출 저감을 위 한 노력이 필요하다. Lee et al. (2020)는 TiO2 촉매를 이 용한 광산화법에 의해 축사 악취뿐 아니라 온실가스 및 오존 저감의 가능성을 평가하였다(Lee et al., 2020). 이러한 광촉매 산화에 의해 암모니아 제거는 확인되 었고(2.6~18.7%), 광촉매에 축사 먼지가 축적됨에 따 라 암모니아 제거능이 감소하였다. 광촉매 산화에 의 해 황화수소의 유의미한 저감은 관찰되지 않았다. 온 실가스의 경우, 메탄 저감 효과는 없었으나 이산화탄 소와 아산화질소의 제거율은 3.8~4.4%와 6.9~12.2%이 었다. 오존 저감률은 12.4~48.4%이었다.

    4.5 연소법

    연소법은 일정량의 에너지 하에서 악취를 산소의 산화 작용 때문에 무취 물질을 처리하는 방법으로, 고 농도 악취 처리에는 적합하나, 풍량이 너무 크면 장 치 크기가 너무 커지거나 보조연료가 많이 소요되는 문제가 있다(Shen et al., 1990;Karatum and Deshusses, 2016;Wysocka et al., 2019;Ragazzi et al., 2014), 연소 법은 일반 연소법과 촉매 연소법으로 구분할 수 있다. 일반 연소법은 고온(1200°C 전후)에서 악취를 처리하 는 방법으로 운전비가 고가이며, 처리 과정에서 질소 산화물이나 다이옥신과 같은 2차 부산물이 생성되는 문제가 있다(Schlegelmilch et al., 2005;Shie et al., 2005;Kolar and Kastner, 2010). 촉매 연소법은 촉매를 이용하여 상대적으로 낮은 온도에서 악취를 산화하 여 처리할 수 있으며, 2차 부산물 생성량이 적은 방법 으로, 기존의 일반 연소법보다 환경친화적인 방법이 다(Tsou et al., 2003;Shie et al., 2005;Kolar and Kastner, 2010).

    5. 생물학적 축사 악취 처리기술

    5.1 생물세정법

    생물세정법은 부유 활성 슬러지 시스템의 일종으 로, 일반적으로 물질전달을 최대화하기 위해 악취 분 해능을 가진 생물 현탁액과 악취 가스를 서로 반대 방 향으로 접촉되도록 설계한다(Barbusinski et al., 2017; Fig. 2a). 이 방법은 주로 헨리 계수가 0.01 미만인 친수 성 악취를 효율적으로 분해할 수 있으며(Barbusinski et al., 2017), 다른 생물학적 방법보다 압력손실이 적 고 수용액의 pH 제어가 용이한 장점이 있다(Mudliar et al., 2010;Wang et al., 2021). 생물세정법은 저·중농도 악취 처리 및 저·중풍량에 적합한 방법이다.

    5.2 생물여과법

    생물여과법은 초기 투자비와 운전비가 낮고, 2차 부 산물이 적으며, 저·중농도, 중풍량의 악취 처리가 적 합한 방법이다(Mudliar et al., 2010;Konkol et al., 2022). 생물여과법에 기반한 바이오필터는 미생물이 부착된 필터층, 필터층에 악취를 불어넣어 주는 가스 공급 시스템, 필터층 미생물 생장에 필요한 영양분을 공급하는 영양액 살포 시스템으로 구성된다(Fig. 2b). 필터층에서 생물막이 잘 발달되기 위해서는 충진제 (packing materials)가 매우 중요한데, 충진제의 표면 적, 입자크기, 겉보기밀도, 수분 보유능력, 통기성, 강 도 및 내구성 등은 바이오필터의 성능을 좌우하는 요 소이다(Nabatilan et al., 2010;Cheng et al., 2019). 이 탄(peat), 우드칩(wood chip), 퇴비(compost), 화산석 (lava rock), 활성탄(activated carbon), 세라믹(ceramic), 펄라이트(perlite), 폴리우레탄(polyurethane foam) 등 이 바이오필터용 충전제로 많이 사용되고 있다(Lee et al., 2005;Ryu et al., 2008;Ro et al., 2008;Ryu et al., 2010b;Wang et al., 2021). 바이오필터의 생물막에 는 세균, 진균, 효모, 원생동물, 선충 및 조류 등이 존 재할 수 있는데(Kong et al., 2013), 세균과 곰팡이가 악 취 제거에 기여하는 주요 미생물이다(Lee et al., 2009;Ryu et al., 2010a). 필터층 내부는 수분 함량이 상대적 으로 낮아서 소수성 악취의 생분해에 기여하는 것으 로 보고되고 있다(De Heyder et al., 1994;Flores- Barbosa et al., 2020).

    다른 생물학적 악취 처리기술보다, 바이오필터는 필터층의 수분함량과 pH의 조절이 상대적으로 어려 우며(Wang et al., 2021), 장기간 운전 시 필터층이 열 화되고 미생물 군집 변화가 일어날 수 있으며, 분진 이나 바이오매스의 축적으로 필터층의 막힘 문제가 발생할 수 있다(Morgan-Sagastume et al., 2003;Ryu et al., 2010a;Han et al., 2018).

    바이오필터는 축사 악취를 처리하는 데 사용되고 있으며(Chen and Hoff, 2009), 주요 연구 결과를 Table 3에 정리하였다. Martens et al. (2001)은 돈사에서 배 출되는 악취와 휘발성 유기화합물을 바이오필터로 처리할 경우, 그들 제거능에 미치는 5종 충진제의 영 향을 평가하였다. Biochip, 코코넛 섬유와 이탄 섬유 혼합물, chopped bark와 우드칩 혼합물 혹은 퇴비를 충 진한 바이오필터의 복합악취와 VOCs의 제거율은 각 각 72~83.5% 및 87~94% 범위로 만족할 만한 수준이었 다. 그러나, 5종의 바이오필터에 의해 암모니아는 거 의 제거되지 않았다. 암모니아가 거의 제거되지 않았 음에도 불구하고 복합악취 제거율이 72% 이상인 결 과는 이 돈사의 악취강도에 암모니아 기여율이 낮음 을 시사하였다.

    폴리비닐알코올(PVA) 코팅 분말 활성탄 입자를 담 체로 충진한 바이오필터에 의한 돈분에서 배출되는 암모니아와 황화수소 제거능을 평가하였다(Ro et al., 2008). PVA 코팅 활성탄 입자는 수분 보유능이 1.39 g- H2O/g-dry PVA, porosity가 0.53이고 압력손실도 낮은 특성을 보였다. 이 바이오필터에 의한 암모니아와 황 화수소 제거능을 각각 80%와 97%이었다. 온실가스 아 산화질소 생성량은 0.14 g-N2O-N/L-wet PVA이었지만, 메탄은 거의 생성되지 않았다.

    미국의 돈사(1000마리 사육)에서 배출되는 악취를 처리하기 위해 두 가지 유형의 우드칩(섬유상 삼나무 껍질(WC)와 2인치 정도 우드칩(HW)을 충진제로 사 용한 파일럿 규모의 바이오필터의 축사 악취 제거능 을 평가하였다(Chen et al., 2009). 가스 체류 시간 1.6~7.3초인 조건에서 바이오필터 입구와 출구에서 복 합악취, 황화수소와 암모니아 농도를 측정하였다. WC 를 충전한 바이오필터의 복합악취, 황화수소와 암모 니아의 제거능은 각각 82.3%, 88.6% 및 74%이었다. HW를 충전한 바이오필터의 복합악취, 황화수소와 암 모니아의 제거능은 각각 70.1%, 81.6% 및 43.4%로, WC 충전 바이오필터의 축사 악취 제거능이 우수하였다.

    캐나다의 오리사에서 배출되는 악취 처리를 위해 바이오필터를 설치하였다(Lau and Cheng, 2007). 오리 사육장에서 배출되는 가스에는 털이나 먼지가 많이 함유되어 있어 이로 인한 바이오필터 막힘 문제를 방 지하기 위해, 바이오필터 전단에 섬유 필터를 설치하 였다. 오리 사육장에서 배출되는 가스의 악취 농도는 8553 ± 1006 ~ 12171 ± 1575 OU/m3이었다. 그러나, 섬 유 필터 전처리 장치를 설치한 바이오필터에 의해 처 리한 가스의 악취 농도는 312 ± 51~406 ± 56 OU/m3로, 평균 악취 제거율은 95 ± 3%로 우수하였다. 오리털과 먼지를 제거하기 위해 설치한 섬유 필터의 설치비는 매우 저렴하지만, 축적된 털과 먼지를 제거하기 위해 청소를 자주 해 주거나 교체해야 하므로 인건비 등 운 전비가 상당히 증가하는 문제가 있었다. 따라서, 보다 효율적으로 털과 먼지를 제거할 수 있는 전처리 기술 개발이 필요하였다.

    일본의 축분 퇴비화 시설에서 배출되는 악취를 처 리하고 있는 바이오필터의 암모니아 제거능을 질산 화 및 탈질화 활성으로 평가하였다(Yasuda et al., 2009). 이 바이오필터의 질산화 및 탈질화능은 각각 8.2~12.2 및 1.42~4.69 mg-N·100 g-dry packing material-1 d-1 이었는데, 이는 축분의 퇴비화 과정에서 배출되는 암 모니아가 질산염 및 질소 가스로 처리되고 있음을 의 미한다.

    축사 악취 처리를 위해 시판하고 있는 우드칩(소나 무 껍질) 기반 바이오필터(Odor Cell Technology, Solon, IA)의 성능 평가를 하였다(Lim et al., 2012). 일반적으 로 축사 악취 저감용 바이오필터는 가스 체류시간은 3~10초 설계하나, 이 장치의 가스 체류시간은 0.3~0.6 초로 기존 장치에 비해 크기가 매우 작고, 유지관리 및 점검이 용이하도록 개방형으로 설계된 장치이다. 이 장치의 성능을 미국 인디애나에 위치한 위탁 양돈 농장에서 평가하였는데, 우드칩 크기가 127 mm와 254 mm의 우드칩으로 충진제로 사용하였다. 127 mm 우 드칩을 충진한 바이오필터의 암모니아와 황화수소 제거능은 각각 18.1~31.2% 및 23.6~26.6%이었다. 254 mm 우드칩을 충진한 바이오필터의 암모니아와 황화 수소 제거능은 각각 18.0~45.8% 및 27.9~42.2%이었다. 이들 바이오필터의 평균 압력손실은 29.6~57.2 Pa 범 위이었고, 미세먼지(PM10)와 총 부유물질의 제거능 은 각각 62.0~62.9% 및 89.7~96.3%로 우수하였다. 그 런데, 바이오필터의 악취 저감 효율을 유지하고 압력 손실을 최소화하고 담체의 수분함량을 일정 범위로 유지하기 위해서는 빈번한 유지관리가 필요하였다.

    미국의 양돈 농장에서 설치된 우드칩 기반 바이오 필터의 복합악취, 암모니아 및 황화수소 처리능을 평 가하였다(Kafle et al., 2015). 복합악취, 암모니아 및 황 화수소 최대 제거율은 각각 73.5~76.9%, 95.2~97.9% 및 95.8~100%로 매우 우수하였다. 또한, 압력손실은 28.8~68.8 Pa 범위이었고, 바이오필터 최적 성능을 위 한 가스 체류시간과 담체 수분 함량은 각각 2~3초 및 35~50%이었다.

    네덜란드 연구진은 우드 칩 기반 바이오 필터를 3 곳의 축산 농장에 설치하여 6~12개월 동안 악취 제거 능을 비롯한 바이오 필터 성능을 감시하였다: (1) 축 산 분뇨 건조기로부터 배출되는 악취 처리용 바이오 필터1; (2) 1300 마리 사육 돈사에서 배출 악취 처리용 바이오필터2; (3) 5900 마리 돼지 사육장에서 배출되 는 바이오필터3 (Melse and Hol, 2017). 각 바이오필터 의 평균 가스체류시간은 각각 1.4, 2.6, 3.3초이었고, 평 균 압력손실은 각각 287, 22, 91 Pa 이었다. 이러한 실 규모 바이오필터에 의한 복합악취와 암모니아의 평 균 제거율은 각각 43~62% 및 38~74% 이었다. 실규모 바이오필터 운전 시 충진제의 막힘 문제와 수분함량 을 일정 수준으로 유지하는 것이 매우 중요하였고, 수 분 함량이 낮아지면 악취 제거율도 급격하게 저하되 었다. 미세먼지(PM10) 평균 제거율은 90% 이상이었다. 바이오필터에 의해 제거된 암모니아의 일부는 온실 가스인 아산화질소(N2O)로 전환되는데, 향후 이러한 온실가스 생성을 최소화할 수 있는 추가 연구가 필요 하다.

    덴마크의 돼지 농장에서 350마리의 돼지를 사육하 고 있는 돈사에서 배출되는 황화계 악취를 처리할 수 있는 바이오필터를 설치하여, 19개월 동안 운전하면 서 필터내 곰팡이 유무에 따른 황화수소 제거율을 비 교 평가하였다(Hansen et al., 2018). 곰팡이가 있는 기 간 동안 황화수소 평균 제거율은 64%이었으나, 곰팡 이가 없는 기간 동안은 제거율이 18%로 낮아졌다. 바 이오필터에서 곰팡이의 균사가 바이오필터 충전제 표면에 확장됨에 따라 황화수소 제거능이 향상되는 것이 관찰되었는데, 이러한 결과는 곰팡이가 황화수 소 산화에 중요한 역할을 함을 시사하였다.

    5.3 생물살수여과법

    생물살수여과법은 생물세정법과 생물여과법의 특 징을 모두 가진 방법으로, 영양분이 포함된 세정액을 생물막이 발달된 필터층에 지속적으로 순환시켜 공 급하면서 악취를 분해하는 방법이다(Mudliar et al., 2010; Fig. 2c). 생물살수여과법에서는 처리하고자 하 는 악취 공급과 세정액의 공급이 동일 방향이든 서로 반대 방향이든 무관하게 악취 제거 효율은 동일하였 는데, 이 시스템에서 기체-액체 접촉 방법은 물질전 달에 큰 영향을 미치지 않았다(Kraakman et al., 2011). 생물세정법과 유사하게 생물살수여과법도 악취 물질 의 헨리 계수(무차원)가 1 미만일 때 효율적이었다 (Fortuny et al., 2011). 축사 악취 중 황화수소와 암모니 아 등과 같은 친수성 악취는 생물살수여과법에 의해 효과적으로 제거할 수 있었다(Delhoménie and Heitz, 2005;Sakuma et al., 2006).

    생물살수여과법을 이용한 축사 악취 저감에 관한 주요 연구 결과를 Table 4에 정리하였다. 네덜란드의 돈사에서 배출되는 악취를 처리하기 위해 실규모 생 물살수여과 장치를 설치하여 72일 동안 성능을 평가 한 결과, 악취와 암모니아의 평균 제거능은 각각 49% 와 79%이었다(Melse and Mol, 2004). 그런데, 암모니아 는 질산염으로 완전히 산화되지 않고, 암모늄 이온이 나 아질산염 형태로 살수 여상에 축적되어, 질산염 혹 은 질소가스로 질산화 및 탈질 반응이 잘 일어날 수 있도록 운전하는 것이 필요하였다(Melse and Mol, 2004). Melse and Ogink (2005)는 네덜란드 양돈장 및 양계장에서 암모니아 제거를 위한 설치한 생물살수 여과 장치의 성능을 조사한 결과, 악취 제거능은 -29% 에서 87%로 매우 상이하였고, 전체 평균은 51%이었 고, 공기체류시간은 0.5~2.3s 이었다.

    벨기에의 돼지 농장에 실규모의 생물살수여과 장 치를 설치하여 암모니아 제거율에 미치는 활성슬러 지 접종 효과를 평가하였다(der Heyden et al., 2019). 활 성슬러지를 접종하기 전의 암모니아 제거율은 50.5 ± 30%이었으나, 활성슬러지를 접종에 의해 암모니아 제 거율이 70.2 ± 27%까지 향상되었다. 암모니아 산화 부 산물인 아산화질소 생성률은 활성슬러지 무접종 반 응기에서는 39.1 ± 29%이었으나, 활성슬러지 접종 반 응기에서는 31.0 ± 23.9%이었다. 이러한 결과로부터 활성슬러지 접종에 의해 암모니아 제거율을 향상되 고 온실가스인 아산화질소 생성률을 감소시킬 수 있 음을 알 수 있었다. 2개의 반응기 내부에서 운전 시간 이 경과함에 따라 탈질세균을 포함하여 다양한 종류 의 종속영양세균이 우점화되었고, 활성슬러지를 접 종한 반응기에는 아질산염 산화세균의 존재를 확인 할 수 있었다. 그런데, 활성슬러지를 접종하지 않은 반 응기에서는 아질산염 산화세균이 검출되지 않았는데, 이는 이 반응기에서 아질산염이 축적되는 원인이 아 질산염 산화세균의 부재 때문으로 밝혀졌다.

    축사 악취의 주성분인 황화수소와 암모니아를 동 시에 처리하기 위해 실험실 규모의 생물살수여과 반 응기를 제작하여 그 성능을 평가하였다(Ying et al., 2020). 이 반응기에 의한 황화수소와 암모니아의 제 거능은 98% 이상이었다. 황화수소와 암모니아 유입 농도가 각각 1.8 및 35.3 ppm인 조건에서 반응기 출구 에서의 황화수소 농도는 검출한계(3.6 ppb) 미만이었 고, 암모니아 농도도 검출한계(0.4 ppm) 미만이었다. 또한, 반응기 출구에서의 온실가스인 아산화질소 농 도도 매우 낮게 유지되었다. 반응기의 우점 황산화세 균은 Thiobacillus 이었다.

    Deng et al. (2022)은 중국의 축분 퇴비화 설비에서 배출되는 악취를 생물살수여과법으로 처리한 결과를 보고하였다. 화산석과 ceramsite를 담체로 충진한 2종 의 반응기의 성능을 평가한 결과, ceramsite를 충진한 반응기의 악취 저감능이 더 우수하였다. 이 반응기에 의한 복합악취, 암모니아 및 총휘발성유기화합물 (TVOCs) 제거능은 88.1 ± 13%, 88.8 ± 5% 및 70.6 ± 7% 이었다. 세균 군집을 분석한 결과, 우점 암모니아 산 화 세균은 Nitrosoglobus이었고, Nitrosoglobus와 Ralstonia속 세균이 악취 분해에 기여하는 것으로 추정되었다.

    6. 복합 축사 악취 처리기술

    최근 들어서는 축사 악취를 효율적으로 처리하기 위해 물리학적, 화학적 및 생물학적 방법의 시너지 효 과를 활용하는 복합 축사 악취 처리기술들이 제안되 고 있다. TiO2 이용 광촉매와 플라즈마(Dielectric barrier-discharge)를 연계한 시스템을 이용하여 실험 실 및 실규모 축산 농장에서 축사 악취 처리능을 평 가하였다(Saoud et al., 2023). 실험실 규모 실험 결과, 광촉매 단일 시스템에 의한 암모니아와 propionaldehyde 제거능은 각각 29%와 37%이었고, 플라즈마 단일 시 스템에 의한 암모니아와 propionaldehyde 제거능은 각 각 36%와 42%이었다. 그런데, 이 2개의 공정을 연계 한 공정에 의한 암모니아와 propionaldehyde 제거능은 각각 72%와 83%로 향상되었다. 또한, 플라즈마 공정 에서 부산물로 발생된 오존은 광촉매에 의해 산화되 는 효과도 있었다. 이러한 연계 공정의 시작품 장치 를 프랑스의 돼지 농장에서 축사에 배출되는 암모니 아 저감 효과를 평가한 결과, 암모니아 제거능을 59~75% 로 실험실 평가와 거의 유사한 성능을 확인할 수 있었다.

    독일의 40,000 마리의 닭을 사육하는 양계 시설에 약액 세정기(1단계)와 바이오필터(2단계)를 연계한 복합 공정에 의한 암모니아와 복합악취 처리능을 평 가하였다(Strohmaier et al., 2020). 바이오필터층은 뿌 리 부분 목재와 벌집 모양의 종이 패드로 절반씩 충 진하였다. 이 연계 공정에 의한 암모니아 제거능은 68~71%이었고, 복합악취 제거능은 38~51%이었는데, 뿌리 부분 목재로 충전한 층에는 곰팡이 생장이 관찰 되었고, 종이와 같은 셀룰로오스 성분의 충전재가 다 소 우수한 것으로 보였으나 장기 운전에 따른 내구성 평가가 필요하였다.

    Cao et al. (2023) 가축의 안전과 환경에 심각한 영향 을 미치는 악취와 바이오에어로졸 문제를 동시에 해 결하기 위해 2~3개의 공정을 연계한 복합기술의 효 과성을 평가하였다. 실험실 규모 분뇨 저장 피트로 배 출되는 가스를 대상으로, 다음의 4가지 복합기술에 의 한 악취와 바이오 에어로졸 제거율을 비교하였다: (1) 산성 용액 세정법 + 알칼리 용액 세정법(AC); (2) 산 성 용액 세정법 + 알칼리 용액 세정법 + 광촉매 산화 법(ACP); (3) 산성 용액 세정법 + 알칼리 용액 세정법 + 생물 세정법(ACB); (4) 산성 용액 세정법 + 알칼리 용액 세정법 + 생물 세정법(ACB) + 광촉매 산화법 (ACBP). 실험 결과, 악취와 바이오 에어로졸 처리율 이 가장 높은 연계 공정은 ACP이었다. 이 연계 공정 에 의한 복합악취, 암모니아, 황화수소, MT, 메틸 황 화물, 세균 에어로졸 및 곰팡이 에어로졸의 제거율은 각각 76.3%, 89.1%, 100%, 94.2%, 91.2%, 75.6%, 그리 고 83.6%이었다. ACBP 연계 공정의 경우, 복합악취의 제거능은 79.2%로 가장 우수하였으나, 세균 에어로졸 의 제거율이 25% 미만이었다.

    계분의 호기성 퇴비화 공정으로부터 악취 배출을 최소화하기 위해 퇴비화 공정에 biochar를 첨가하고, 배출된 악취를 화학적 산화 반응기와 생물 반응기를 연계한 공정이 제안되었다(Li et al., 2022). 화학적 산 화 반응기에서는 황화수소는 강력한 산화능을 가진 Fe3+로 인해 황산염으로 산화되어 제거되며, 암모니 아는 황산염과 화학적으로 반응하여 (NH4)2SO4로 제 거된다. 이 과정에서 Fe3+는 Fe2+로 환원된다. 화학적 산화 반응기의 후단에 설치한 생물반응기에서는 철 산화세균(A. ferrooxidans)이 Fe2+을 Fe3+로 산화하며, 산 화된 Fe3+용액은 전단의 화학적 산화 반응기로 되돌 려지는 시스템이다. 즉, 생물반응기는 황화수소를 산 화하는 Fe3+을 재생하는 역할을 담당하는 것이다. 이 러한 복합 시스템의 효과를 평가한 결과, 계분 퇴비 화 과정에서 biochar를 10% 첨가에 의해 암모니아, 황 화수소 및 TVOCs 배출량이 각각 20.0%, 16.2% 및 17.6% 저감되는 효과를 얻을 수 있었다. 또한, 퇴비화 공정에서 배출된 암모니아, 황화수소 및 TVOCs는 화 학-생물 복합 처리 시스템에 의해 효율적으로 처리할 수 있었다. 복합 시스템에 의한 암모니아, 황화수소 및 TVOCs의 제거율은 각각 95%, 97% 및 53%이었다.

    7. 결 론

    축산 농장에서 축사 및 분뇨처리시설 등으로부터 배출된 축사 악취를 저감하기 위해, 다양한 저감 기 술들에 대한 연구 결과가 보고되었다. 생물여과법과 광촉매 산화법은 비용 효율성과 단순성의 장점이 있 다. 생물여과장치는 축사 악취 농도, 성상, 풍량에 맞 추어 설계되어야 하며, 적합한 담체의 선택 및 생물 막의 미생물 군집 안정성을 유지관리하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 생물여과법은 친수성 악취의 제거에는 효과적이지만, 소수성 악취 제거 효율이 낮 은 문제가 있다. 이를 개선하기 계면활성제나 사이클 로덱스트린 등을 첨가하여 소수성 악취의 용해도를 향상시키는 방법의 유용성을 평가할 필요가 있다. 또 한, 장기간 운전시 필터 내부에 과잉으로 축적되는 바 이오매스를 적절하게 관리하는 것이 필요하다. 생물 여과장치로부터 제거된 잉여 바이오매스는 혐기성 소화 혹은 퇴비화 방법 등으로 자원화할 수도 있다. 화학적 악취 저감 기술인 광촉매 산화법은 황화수소, 암모니아의 제거능이 우수하고, 반응 부산물로 오존 배출량이 상대적으로 적은 장점이 있으나, 안정적인 복합 악취 제거능을 얻으면서 반응 부산물로 온실가 스인 아산화질소 배출량을 최소화하기 위한 기술이 향후 개발될 필요가 있다.

    현재 축산 농장에서 주로 사용 중인 악취 저감 기 술은 마스킹법에 기반한 안개분무, 그리고 흡착과 물 세정에 기반한 바이오커튼과 스크러버(탈취장치)이 다. 축산 농장에 축사 악취 저감 기술들이 적용되기 위해서는 악취 저감용 기술의 초기 시설비와 운전비 를 낮추기 위한 방향으로 기술 개발이 이루어질 필요 가 있다. 또한, 축산 농장에서 배출되는 가스에는 악 취 이외에 털, 먼지 등과 같은 입자상 물질 및 메탄, 아 산화질소와 같은 온실가스도 함유되어 있다. 따라서, 악취 이외에 이러한 입자상 물질과 온실가스 배출량 을 최소화하면서 축사 악취를 효율적으로 처리할 수 있도록 기술 개발이 필요하다.

    축사는 가축이 사육되는 곳으로 계절별로 가변적 인 환기팬 가동이 필요하다. 특히, 여름철은 축사의 악 취가 가장 심할 뿐 아니라 최대 환기율로 환기 시스 템을 가동하는 시기로, 동절기에 비해 환기율이 5~25 배이다. 따라서 악취 저감 장치는 최대 환기율을 기 준으로 설계하여 환기팬 가동에 저항성이 발생되지 않도록 해야 한다.

    감사의 글

    This research was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Ministry of Science and ICT (RS-2023-00217228 & NRF-2020RA1A6A1A03044977).

    <저자정보>

    조경숙(교수), 류희욱(교수)

    Figure

    JOIE-22-4-351_F1.gif

    Application of odor control technologies.

    JOIE-22-4-351_F2.gif

    Schematic diagrams of bioscrubber (a), biofilter (b) and biotrickling filter (c).

    Table

    Recommended ventilation rates

    Mitigation performance of livestock odor by photolysis and photocatalysis

    MT, methanethiol; DMS, dimethyl sulfide; DMDS, dimethyl disulfide; DEDS, diethyl disulfide; DMTS, dimethyl trisulfide; AA, acetic acid; PA, propionic acid; BA, butyric acid; VA, valeric acid

    Mitigation performance of livestock odor by biofiltration

    Mitigation performance of livestock odor by biotrickling filter

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