1. 서 론
국내 가축사육 두수의 증가와 함께 가축분뇨와 악취로 인한 축산 환경의 악화는 사회적 비용과 악취 민원을 증가시켜 축산업에 대한 부정적 인식을 높이고 있다. 축산 악취 민원은 전체 악취 민원(40,854건)의 30.9% (12,631건)를 차지하고, 이 중 대다수가 양돈에서 발생하였다(KREI, 2021). 이에, 정부는 축산농가의 악취 관리를 위해 악취저감장치 설치 의무화(MAFRA, 2022), 축사 시설의 단계적 밀폐화(ME, 2019), 악취관리지역 지정(ME, 2016), 축산 악취 규제 위반 시 처벌 강화 등의 정책을 추진하였다. 한편으로는 축산농가의 자발적인 악취 관리를 위한 축산환경개선사업을 추진하여 ICT 악취모니터링 장치와 악취저감장치 설치를 지원하고 있다. 또한 지자체를 중심으로 축산 악취 관리를 위한 전문가 컨설팅, 지역협의체, 선진 농가 모델을 구축하는 등 축산농가의 악취 해결을 위해 다방면으로 지원하고 있다(MAFRA, 2023).
현재, 국내 양돈농가에서 이용 중인 악취 저감 장치는 액비순환시스템, 습식 세정식 탈취 장치, 바이오커 튼(이하 커튼), 안개분무장치 등이 있다. 습식 세정식 탈취 장치, 커튼 및 안개분무장치는 공기 중에 물을 살포하여 먼지와 악취물질을 흡착함으로써 악취 확산을 방지한다(Oh and Seo, 2022;Soto-Herranz et al., 2022). 이 중 커튼은 시·군 지자체의 축산환경개선사업을 통해 많은 양돈농가에 보급되었고, 습식 세정식 탈취 장치에 비해 설치가 쉽고 관리가 용이한 장점이 있다.
커튼은 돈사 측벽 환기팬에 설치하는 차광막으로 커튼 내부에 안개분무를 하여 악취 확산을 방지한다 (Nicolai et al., 2008). 커튼의 악취 저감 효능에 대한 연구는 돈사 측벽 환기팬에 나일론 메쉬망의 커튼을 설치하여 암모니아 저감 효능을 평가한 국외 사례가 있는데, 커튼 내부에 전기적 집진 장치를 이용하여 국내와 차이가 있었다(Ajami, 2019). 국내 연구에서는 양돈 농가에 설치된 커튼을 대상으로 가스검지관이나 전기 화학식 센서를 이용하여 암모니아와 황화수소의 저감 효능을 평가하였다(NIAS, 2009;RDA, 2020;NIAS, 2022). 현재까지 수행된 국·내외 연구들은 대부분 농가를 대상으로 시험하였으며, 농가별로 다른 사양환경으로 인해 악취저감율(60%~90%)에 큰 차이를 보였다. 또한 주로 암모니아와 황화수소를 분석하여 양돈 농가의 다양한 악취물질의 저감 효능을 판단하는데 한계가 있다(Jo et al., 2015). 그리고 커튼과 같이 물 세정 방식에 기반한 악취저감장치는 돈사 환기팬 가동률에 따른 돈사 내·외부의 공기 교환, 온도, 인근 돈사에 의한 교차 오염 등에 의해 악취 저감 효능에 큰 차이가 발생되기 때문에(Zhou et al., 2021), 시험 시 환경변수를 최소화하고 다양한 악취물질을 분석하여 커튼의 악취 저감 효능에 대한 평가가 필요하다.
이에, 본 연구는 국립축산과학원 내 연구용 돈사에 특정 규격의 커튼을 설치하고, 커튼 내 안개 분무에 의한 악취 저감 효능에 대해 양돈농가의 주요 악취물 질인 휘발성지방산류, 페놀류, 인돌류 및 암모니아를 분석하여 평가하였다. 이때, 악취저감장치 성능에 영향을 주는 주요한 요인인 돈사 환기팬 가동률을 환경 변수로 하여 돈사 환기팬 가동률에 따른 커튼 내 안개 분무 시 악취저감 효능을 시험하였다. 환기팬 가동률은 계절별 양돈농가의 운영현황을 반영하였으며, 커튼 외부의 악취물질을 측정하기 전에 환기팬 가동률의 증가에 따른 커튼 외부의 풍속을 측정하여 공기 배출 상태를 점검하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 시험 돈사 및 커튼의 특성
시험 돈사는 비육돈 48두(체중 평균 93 kg)가 사육 중인 돈방(7 m × 8 m; W × L)으로 돈방 내부에는 4개 의 팬으로 구분되어 있다. 돈사 측벽에는 내부 지름 600 mm의 환기팬(COCO-630A model, Dongsung CoCofan Ltd, Korea)이 있고, 환기팬을 중심으로 커튼을 설치하였다(Fig. 1). 커튼은 광차단율이 95%인 차광막 2겹이며, 총 면적 37.9 m3 (4.7 m × 2.6 m × 3.1 m; W×L×H)의 직육면체 구조이다(Fig. 1). 돈사 측벽 환기팬과 커튼 사이의 거리는 커튼 전면에서 1.8 m, 측면에서 2.6 m, 천장에서 1.6 m이다. 안개분무 노즐(입 경 4마이크론)은 커튼 내부 전면의 바닥에서 약 2.1 m 높이에 총 4개의 노즐을 일정한 간격으로 설치하였다. 안개분무는 고압펌프(Annovi reverberi RC-M, China)를 이용하여 약 90 bar의 압력으로 분당 0.291 L의 물이 살포되었다.
2.2 돈사 환기팬 및 커튼 외부로 배출되는 풍속 측정
돈사 환기팬에서 배출되는 풍속은 환기팬 중심의 모터를 기준으로 좌·우측 각각 3개 지점과 위·아래 각 각 3개 지점으로 총 12개 지점에서 측정하였다. 이때 측정한 풍속은 각 측정 지점의 면적을 반영하여 환기량을 계산하였다. 커튼 외부로 배출되는 풍속은 직육 면체 커튼의 전면(Front), 좌(Left)·우(Right)측 및 천장 (Roof)의 각 표면을 동일한 면적(0.9 m × 1.0 m (W × L); 약 0.9 m2)의 구획을 나눈 후 각 구획의 중심부에서 측정하였다. 커튼 표면별로 나누어진 구획의 수는 전면 15개, 좌·우측과 천장은 각각 9개이다(Fig. 2). 풍속은 양돈농가의 계절별 환기팬 운전 현황을 반영하여 4 가지의 환기팬 가동률 조건[30% (0.27 m3/s), 50% (0.45 m3/s), 70% (1.03 m3/s), 100% (1.24 m3/s)]에서 베인형 풍속계(Model 435, Testo, USA)를 이용하여 측정하였다.
2.3 악취물질 분석용 공기 시료채취
공기 시료는 환기팬 가동률별로 커튼 내부에 안개 분무를 하는 조건에서 돈사 내부와 커튼 외부에서 채취하였다. 안개분무 조건은 물이 살포되는 시간(안개 분무시간)과 살포되지 않는 시간(휴지시간)을 설정하여 안개분무와 휴지가 반복적으로 가동되게 하였다. 안개분무 시간은 커튼 내부에 안개분무액이 가득차는데 걸리는 시간인 10분, 휴지시간은 이전의 연구결과를 바탕으로 암모니아 저감율이 높았던 10분으로 하였다(Hwang et al., 2023). 커튼 외부의 공기 시료는 커튼의 직육면체 표면별로 각 1개 지점(총 4 지점)에서 커튼 표면으로부터 5 cm 떨어진 곳에서 채취하였다. 본 연구에서 측정 지점을 최소화한 이유는 모든 지점의 시료를 동일한 시간과 환경에서 채취하기 위함이다. 측정 거리는 커튼 주변의 바람에 의한 희석 효과를 최소화하여 안개분무에 의한 악취저감 효과를 평가하기 위해 커튼 표면에서 인접한 곳으로 하였다. 이때 5 cm 이내에서는 암모니아 농도에 차이가 없었다. 공기 시료채취 위치에 대한 자세한 내용과 그림은 이 전의 연구결과에서 확인할 수 있다(Hwang et al., 2023).
2.4 악취물질 종류 및 분석방법
악취물질은 암모니아, 휘발성지방산류(아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 발레르산, 이소-뷰티르산, 이소- 발레르산), 페놀류(페놀, 파라-크레졸) 및 인돌류(인돌, 스카톨)를 분석하였다. 암모니아는 멀티샘플러 (Multisampler; INNOVA 1409)가 장착된 광음향 분광 분석장치(Photoacoustic spectrometer; INNOVA 1512, Lumasense Technologies, Denmark, Detection limit 0.2 ppm)를 이용하여 실시간으로 농도를 측정한 후 평균값을 산출하였다. 휘발성지방산류, 페놀류 및 인돌류는 흡착튜브(Tenax TA, Markes International, UK)와 진공펌프(Model MP-30KNII, Sibata, Japan)를 이용하여 분 당 0.1 L로 30분(총 3 L) 동안 시료를 포집한 후 열탈착 장치(Thermal desorption; TD100-xr, Markes International, UK)가 장착된 가스크로마토그래피(GCFID; 6890A, Agilent Technology, USA, Detection limit < 1.8 pg C/s)를 이용하여 분석하였다. 열탈착 조건은 Trap flow 50 mL/min, Trap purge time 1.0 min, Trap purge flow 50 mL/min, split flow 5 mL/min이다. 가스크로마토그래피에는 DB-WAX UI (30 m × 0.25 mm × 0.25 μm, Agilent Technology, USA) 컬럼을 장착하여, flow 1.90 mL/min, run time 30 min (60°C 5분 → 7°C씩 승온 → 180°C → 8°C씩 승온 → 235°C) 분석 조건으로 질소를 운반 가스로 이용하였다.
2.5 악취물질별 악취활동도 및 총 악취활동도
악취활동도(Odor activity values; OAVs)는 악취 불쾌도를 나타내는 지표로 악취물질 농도(ppm)를 최소감 소지농도(Odor threshold, ppm)로 나누어 계산하였다 (Nagata, 2003). 총 악취활동도(Total odor activity values; TOAVs)는 악취물질별 악취활동도를 합산한 값이다.
3. 결과 및 고찰
3.1 돈사 환기팬 및 커튼 외부로 배출되는 풍속의 변화
돈사 환기팬에서 측정한 풍속은 환기팬 가동률이 높아짐에 따라 단계적으로 증가하였으며, 측정 지점의 면적을 반영한 환기곡선이 R2 > 0.9으로 직선이었다(Fig. 3). 반면, 커튼 외부의 풍속은 환기팬 가동률에 관계없이 모두 0 m/s로 측정되었으며, 돈사에서 배출되는 풍속이 커져도(환기팬 가동률 100%) 커튼 외부로 배출되는 풍속은 베인형 풍속계의 측정 한계 이하로 측정되었다. 이 결과는 커튼 설치에 의한 악취저감 효과를 유도하는 요인으로 작용하며, 환기팬 가동률 30%에서 커튼 내 안개분무를 하지않았을 때 휘발 성지방산류, 페놀류, 인돌류 및 암모니아의 악취활동도를 합산한 총 악취활동도의 저감율이 약 58.73% (돈사 내부 1207.20, 커튼 외부 498.20)로 평가되었다.
3.2 악취물질별 악취활동도
돈사 내부(IN)의 악취물질별 악취활동도는 돈사 환기팬 가동률이 높을수록 낮았다(Table 1). 돈사에서 배출되는 악취물질의 농도는 환기팬 가동률과 음의 상관성을 가진다(Ni et al., 2019;Tabase et al., 2020). 예를 들면, 낮은 환기팬 가동률에서는 돈사 밖으로 배출되는 공기가 적어 돈사 내부의 악취가 높아진다. 반면, 환기팬 가동률이 높으면 돈사 내부로 유입되는 다량의 공기로 인해 악취가 희석되고, 돈사 내부의 공기가 빠르게 배출되어 악취 농도가 낮아진다(Ni et al., 2019). 이러한 원인으로 높은 환기팬 가동률에서 돈사 내부의 악취활동도가 낮아졌을 것이다(Table 1).
3.3 돈사 환기팬 가동률에 따른 커튼 내부 안개분무 시 악취저감 효능
악취저감 효능은 악취물질을 특성별로 구분한 그룹과 모든 악취물질별 악취활동도를 합산한 총 악취 활동도에 대해 평가하였다. 먼저, 악취물질별 악취활동도를 악취물질의 특성에 따라 휘발성지방산류(아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 발레르산, 이소-뷰티르산, 이소-발레르산), 페놀류(페놀, 파라-크레졸) 및 인돌류(인돌, 스카톨)로 그룹화한 후 돈사 내부에 비해 커튼 외부로 배출되는 악취활동도의 저감율을 계 산하였다. 그 결과, 악취물질 그룹 중 휘발성지방산류의 악취활동도 저감율이 38.04%~72.68%의 범위로 다른 그룹에 비해 높았고, 환기팬 가동률이 높아짐에 따라 악취활동도의 저감율이 단계적으로 낮아졌다(Fig. 4b). 휘발성지방산류의 저감율이 높은 것은 발레르산 을 제외한 휘발성지방산류를 구성하는 물질들이 친수성으로 커튼 내 안개분무액(물)에 잘 용해될 수 있었기 때문이다(Rizzioli et al., 2024). 그리고 휘발성지 방산류의 악취활동도가 페놀류와 암모니아에 비해 낮아 상대적으로 악취활동도의 저감효과가 높아졌을 것이다(Fig. 4a).
악취물질별 악취활동도를 모두 합한 총 악취활동도의 저감율은 15.67%~68.80%의 범위로 환기팬 가동률이 높아질수록 저감율이 감소하였다(Fig. 4b). 이렇게 악취활동도의 저감율이 환기팬 가동률의 증가에 따라 점차적으로 감소된 것은 커튼 내부에 안개분무와 공기의 접촉시간(또는 접촉율)에 영향으로 판단된다. 환기팬 가동률이 높으면 공기 교환율이 증가하여, 돈사에서 배출되는 공기가 커튼 밖으로 빠르게 배출된다(Van Buggenhout et al., 2009). 이로 인해 커튼 내부에 안개분무와 공기의 접촉시간이 짧아져서 악취 저감 효과가 감소하게 된다(Bist and Chai, 2022;Vitko et al., 2022). 본 연구에서 환기팬 가동률별로 커튼 내 안개분무가 제거되는 시간을 측정하였을 때, 환기팬 가동률 100%에서 30초 내로 빠르게 제거되었다. 그리고 커튼 내부의 안개분무량(Liquid; L)과 돈사 환기팬의 환기량(Gas; G)을 이용하여 습식 세정식 탈취장치 의 악취저감성능을 평가하는 지표인 세정수·공기 접촉율(Liquid to gas flow ratio; L/G)을 계산하였다 (Morral et al., 2021). 그 결과, 환기팬 가동률의 증가에 따라 세정수·공기 접촉율이 감소하였으며(Fig. 5a), 총 악취활동도의 저감율과 세정수·공기 접촉율이 정의 관계를 나타내어(Fig. 5b), 환기팬 가동률의 증가에 따라 낮아진 세정수·공기 접촉율이 악취저감 효과를 감소시킨 요인으로 판단되었다.
4. 결 론
본 연구는 악취저감장치의 성능에 영향을 주는 주요한 요인인 돈사 환기팬 가동률을 환경변수로 이용하여 커튼 내부에 안개분무 시 악취활동도의 저감 효능을 평가하였다. 악취활동도는 악취물질 농도를 최소감지농도로 나눈 값으로 악취 불쾌도를 나타내는 지표이다. 악취물질별 악취활동도를 합한 총 악취활 동도의 저감율이 환기팬 가동률의 증가에 따라 단계적으로 감소되었다. 이는 환기팬 가동률이 높을수록 커튼 내부에 안개분무와 공기의 접촉시간이 짧아져 세정수·공기 접촉율이 감소된 것에 영향을 받은 것으로 판단되었다. 본 연구의 결과는 환기팬 가동률별로 커튼의 악취저감 효능을 높일 수 있는 안개분무량을 추정하는 기초자료로 활용할 수 있다. 예를 들면 환기팬 가동률 100%에서 세정수·공기 접촉율을 기존의 0.004에서 0.005로 높이기 위해서는 현재 분무량인 0.291 L/min에서 0.364 L/min로 분무량의 증가가 필요함을 산술적으로 추정할 수 있다. 이 연구결과는 향후 계절별로 커튼의 악취저감 효능 유지할 수 있는 최적 분무조건의 설정을 위한 추가적인 연구에 활용이 가능하다.
