1. 서 론

최근 친환경 축산에 대한 관심이 높아짐에 따라 가축 분뇨의 퇴·액비 품질 향상이 요구되고 있으며, 동시에 분뇨처리과정에서 유발되는 악취 문제해결이 시급한 실정이다(Ko et al., 2006). 현재 가축분뇨 자원화를 위한 시설인 가축분뇨 공공처리시설들이 전국적으로 다수 존재하나 처리과정에서 유발되는 악취로 인하여 지역주민들에게 혐오시설로 인식되고 있으며, 시설에 대한 악취민원이 빈번하다(Park et al., 2005). 전국 지방 자치단체에 접수된 축산 악취민원은 2020년 기준 1만 2631건으로 2014년의 민원보다 약 4.5배 증가하였으며, 이는 지자체로 접수된 각종 악취민원 중 30.9%를 차지하였다(ME, 2021). 또한, 전국 악취배출시설 관련 민원건수 중 축산시설 및 축산폐수처리시설이 전체의 42.2%로 거의 절반에 이르고 있다(ME, 2021).

이러한 문제를 해결하기 위해, 가축분뇨 자원화 과정에서 발생하는 악취 제어는 국내외 악취 관리 연구에서 중요한 과제로 다루어지고 있다. 일반적으로 가축분뇨는 축사 내 일정 기간 체류 후 퇴비 또는 액비화 과정을 거치며 일부는 정화처리된다(Go and Kim, 2024). 이 과정에서 분뇨 미생물의 활성도와 축사의 환경 조건에 따라 다양한 악취물질이 생성되며, 주요 악취 유발물질로는 암모니아(NH₃), 황화합물(H₂S), 휘발성지방산(R-CH₂COOH), 인돌(C₈H₇N), 스카톨(C₉H₉N) 등이 있다(Seo, 2024).

축산 및 분뇨처리시설을 대상으로 한 분석에서는 암모니아와 황화합물이 주요 악취 성분으로 보고되고 있으며(Jang et al., 2025), 특히 분뇨의 축사 내 체류시간이 길어짐에 따라 혐기성 부패가 진행되어 악취 발생량이 증가하는 경향이 나타난다(Lee et al., 2024). 이때 발생하는 악취물질의 조성은 축사의 구조, 외부 환경 조건, 기온, 습도, 풍속 등의 기상요인에 따라 달라질 수 있으며(Baldini et al., 2016), 이는 악취 저감 기술 적용 시 변수로 작용한다.

따라서 시공간적으로 변동하는 악취 특성과 외부 요인을 고려할 때, 이를 실시간으로 감지하고 신속하게 대응할 수 있는 기술의 도입이 요구된다. 이를 위해 축사 내 환경 조건을 지속적으로 모니터링할 수 있는 센서 기반 시스템이 필요하며, 특히 암모니아와 황화합물 등 주요 악취물질을 정밀하게 측정할 수 있는 고감도 센서의 적용이 필수적이라고 판단된다. 현장에서 발생되는 악취는 시료 포집 후 악취공정시험기준에 의거하여 측정한 기기분석 데이터가 가장 정확하나, 현실적으로 악취민원이 발생한 시점과 시료 포집 시점이 동일할 수 없으므로 측정 분석결과 도출에 한계를 가진다(Oh and Lee, 2018). 현재 대부분의 센서 모니터링 장비가 축산농가 위주로 설치되어있으며, 대규모 분뇨를 처리하는 공동자원화시설에는 현재 시범적으로 운영 중이라 앞으로 지속적으로 확대될 전망으로 기대된다(Park et al., 2020).

이에 본 연구에서는 가축분뇨 자원화시설의 악취를 효과적으로 제어하기 위해, 실시간 센서 기반의 악취 모니터링 시스템과 오존수 분사 기술을 연계한 통합 관리 시스템을 구축하고, 그 현장 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 주요 악취물질(NH₃, H₂S, VOCs)의 실시간 데이터를 기반으로 오존수를 자동 분사하여 악취 저감 효과를 분석하였으며, CALPUFF 모델을 통해 분사 전후의 확산 범위를 비교하여 주변 환경에 미치는 영향을 정량적으로 검토하였다. 이를 통해 해당 기술의 악취 민원 대응 및 환경 규제 준수 측면에서의 활용 가능성을 입증하고자 하였다.

2. 실험 방법

2.1 실험 현장

국내 N시에 위치한 자연순환농업센터는 1997년 액비화 시설 가동이후 2016년 환경부 지원을 받아 바이오가스 시설을 갖추고 가축분뇨, 음식물, 농축부산물 등 일 150톤을 처리하고 있었다. 가축분뇨를 혐기성소화 처리하여 8,000~10,000 m³/일의 바이오가스를 발생시키고 있으며 이를 이용하여 14,400 KW의 전기를 생산하고 있었다. 혐기성소화 과정에서 발생된 120톤/일의 혐기소화폐액은 액비화하고 있었으며, 그 액비는 그 지역 경종농가로 무상으로 공급되고 있었다.

2.2 악취 측정방법

부지경계 시료채취 지점 선정을 위해 부지 내부를 기준으로 주변에 건물이 없는 곳에 기상관측장비를 설치하였으며, 주위에 건물이 있거나 넓은 장소가 없을 시에는 부지 외 지역에서 부지경계에 가장 가까운 곳에 기상관측장비를 설치하였다.

기상관측장비는 지상에서 1.5 m 이상에 설치하였으며, 기상관측장비 설치 후 수 분간(5~10분) 풍향 및 풍속을 확인한 후 평균 풍향과 풍속을 측정하였다. 풍향의 반대방향 부지 경계에 시료 채취 지점을 선정하였고(예, 풍향이 동남풍일 경우 시료채취지점은 북서쪽 지점), 풍향의 변화가 심한 경우 부지경계 지점을 두 지점 정도 선정하여 측정하였다.

본 연구에서는 2 지점의 부지경계부와 자동악취측정 지점에서 복합악취, 암모니아와 황화합물을 측정하였으며 이를 바탕으로 악취배출량을 산정하고 악취 모델링을 수행하였다.

2.3 악취분석방법

복합악취는 악취공정시험기준에 의거하여 측정하였으며, 관능시험법을 위한 판정원은 5인으로 구성하였다. 대기 중 암모니아는 붕산 흡수액에 흡수시켜 채취하고, 인도페놀법에 따라 분석하였다. 황화수소, 메틸메르캅탄, 다이메틸설파이드, 및 다이메틸다이설파이드 등의 황화합물은 흡인상자를 이용하여 시료채취를 한 후, 저온농축-모세분리관 기체크로마토그래피법(Bruker 450-GC)으로 분석하였다. 분석을 위한 컬럼은 BR-1(60 m × 0.32 mm × 5 μm)을 장착하고 PFPD와 저온농축장치(TD)로 검출하는 조건으로 분석되었다. Oven의 초기온도는 80°C에서 5분간 정체 후 5°C/분으로 130°C까지 상승하여 10분간 지속하며 검출기 온도는 200°C로 설정하였다.

2.4 악취 자동 측정장치

본 연구에서는 국내 S사에서 시제품으로 개발 및 제작한 악취측정기(SP-odor)를 사용하였으며, 악취센서 감지물질은 축산악취 물질 중 악취기여도가 높은 물질인(Crook et al., 1991). 암모니아(SO11N8, Senko, Korea), 황화수소(SO1198, Senko, Korea) 및 총휘발성 유기화합물(MiniPID, Ion Science, UK)이다. 또한, 측정기는 기상 조건을 측정하기 위하여 풍향, 풍속, 온도 및 습도 센서를 포함하고 있는 모델을 사용하였다. 센서 네트워크에서 사용되는 무선 네트워크 시스템은 LTE 망으로 구성되어 있으며 무선 통신을 통하여 관제 센터로 데이터가 전송되는 시스템으로 구성되었다. 관제센터는 센서 네트워크에서 수집한 데이터를 데이터베이스에 저장시키며, 모니터링 클라이언트의 요청에 대해 수집된 데이터를 제공하게 하였다. 관제센터는 통신 서버, 수집된 측정데이터를 저장할 DB 서버, 웹서비스를 위한 웹 서버로 구성되어 있으며, 웹서버에서 사용자가 인터넷을 통해 악취물질 농도를 실시간 그래프로 모니터링할 수 있게 하였다.

2.5 악취방지시설 가동 현장실험

액비화조 앞에 악취모니터링 시스템을 설치하고 실시간으로 데이터를 측정하였으며, 액비화조 내부 상단에는 총 49개의 노즐을 설치하여 오존수를 7 L/min로 분사하고 오존 농도는 2.5 mg/L가 되도록 하였다. 또한 작업자 상주시간인 11시에서 오후 5시 사이에 오존수를 주기적으로 살포하였다.

2.6 악취확산모델링

자연순환농업센터에서 발생하는 악취가 주변에 미치는 영향을 평가하기 위해 CALPUFF 모델을 이용하였다. 이 모델은 캘리포니아 대기자원위원회(California Air Resources Board)의 지원을 받아 Sigma Research 사에서 개발한 모델로 non-steady 상태의 대기질을 해석할 수 있도록 개발된 대기확산 모델이다(Do and Jung, 2019).

최적의 대기질 평가 모델을 선정하기 위하여, U.S. EPA(1998)에서 분석한 Kincaid의 추적자 실험 자료를 이용하여 ISCST3 모델과 CALPUFF 모델을 비교 분석하였다. 그 결과, 복잡지형에서 단일 기상대 자료를 입력 자료로 이용하였을 때 CALPUFF 모델이 ISCST3 모델보다 관측 값에 가깝게 모사되었으며, 시간의 변화를 고려할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 보다 정확히 지형과 기상특성을 반영할 수 있는 CALPUFF 모델을 사용하여 자원순환농업센터의 악취영향 예측을 수행하였다.

3. 실험 결과

3.1 악취배출량 산정

자연순환농업센터에 설치 운영 중인 악취방지시설의 배출구는 높이 7.5 m, 구경 1.2 m, 면적 1.13 m² 이었다. 또한 배출구 내의 유속은 19.2 m/sec, 악취농도는 448 OU/m³로 측정되어 악취배출량을 9,706.7 OU/sec으로 산정하였다. 악취 측정이 진행된 시점의 기상현황 및 분석 결과는 Table 2에 제시하였다.

부지경계1(소화동과 발전기동 사이), 부지경계2(소화동 옆 경계부위) 지점의 복합악취, 암모니아 및 황화합물 분석 결과, 배출허용 기준을 초과하지 않았다. 액비 조상부의 경우, 센서가 설치된 장소와 1 m 이격된 지점에서 시료를 채취하였는데, 복합악취는 20 배수였으며, 암모니아는 1.4 ppm으로 분석되었다. 액비조 상부의 센서값은 다음 Table 4와 같다.

3.2 악취확산모델링

본 연구에서 악취확산모델링 결과를 얻기 위해 peak to mean 값을 3분 간격으로 해석하였다. 암모니아 모델링 결과는 N 자연순환농업센터에서 장착된 악취모니터링 장치의 암모니아 센서 1 ppm, 2 ppm 값과 비교하였으며, 최소감지농도(0.1 ppm)와 배출허용기준(기타지역, 1 ppm)을 감안하여 표현하였다.

악취방지시설에서 측정된 암모니아 농도는 8.02 ppm 이며, 확산모델을 이용하여 액비조에서 부지경계로 확산될 경우를 예측한 결과 Fig. 2 부지경계에서 배출허용기준을 초과하는 것으로 나타났다.

오존수 살포 후 액비조 상부 센서측정 결과, 암모니아 농도는 0.3 ppm이며 확산모델을 이용하여 액비조에서 부지경계로 확산될 경우를 예측한 결과 Fig. 3, 부지경계에서 배출허용기준을 만족하는 것으로 나타났다.

액비조 상부에서 오존수 살포로 인해 주변으로 확산되는 암모니아 저감효과가 큰 것을 확인할 수 있으며, 센서와 오존수 살포 시스템을 함께 이용한다면, 악취민원저감에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

센서농도기준에 따른 암모니아의 주변 확산정도를 모델링을 통해 예측했을때 Fig. 4, 5 센서농도 기준 1 ppm일 경우 부지경계 배출허용기준을 만족하였으며, 2 ppm일 경우 기타지역 기준치를 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 실제 현장에 악취모니터링 시스템을 적용할 경우, 액비조상부 센서측정농도 기준치를 1 ppm으로 설정하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.

3.3 오존수 살포를 이용한 악취 저감 현장실험

0일에서 3일 사이의 암모니아의 발생량은 0.7~4.8 ppm의 범위에서 발생되었으며, 일별 발생량과 발생 경향은 일관적이지 않고 유동적인 경향을 보였다(Fig. 6).

Fig. 7의 0~1 일차의 10분 평균 악취 발생량을 자세히 알아보았을 때, 황화수소는 정오에서 18시 사이에 농도가 높고 그 이후엔 낮아지는 패턴을 보였다. 또한, 황화수소보다 암모니아와 VOC의 발생이 유사한 증감 패턴을 보이는 것으로 나타났으며, 암모니아와 VOC 모두 오전부터 16시까지 높고, 그 이후엔 감소하는 경향을 보였다(Fig. 7).

오존수 분사가 악취 저감에 기여하는 바를 평가하여 아래 Fig. 8~9에 나타내었다. 아래 Fig. 9에서 오전 11시부터 17시 사이에 오존수를 분사했을때 암모니아가 저감되며, 휘발성유기화합물도 억제됨을 확인할 수 있었다. 암모니아는 약 50%, 휘발성유기화합물는 98%의 제거율로 특히 휘발성유기화합물에서 큰 제거율을 보였다.

오존수는 강력한 산화력을 지닌 산화제로, 암모니아 및 휘발성유기화합물과의 화학적 반응을 통해 악취를 효과적으로 저감하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 도출된 암모니아 및 휘발성유기화합물 저감효과는 오존과 악취 물질간의 산화반응에서 기인한 것으로 판단되며, 그 메커니즘은 다음과 같이 설명된다(Jeong and Hong, 2003).

암모니아는 오존과의 산화반응을 통해 질소(N₂) 및 물(H₂O)로 전환된다. 이 과정에서 암모니아는 오존과 결합되어 산화되고, 최종적으로 질소가스와 물이 생성물로 잔존하게되어 암모니아 농도가 감소하는 것으로 판단되었다.

휘발성유기화합물의 경우 주로 탄화수소류로 구성되어있으며 오존은 이들 화합물의 이중결합 및 작용기를 산화시켜 최종적으로 저분자물질로 분해하거나 이산화탄소 및 물로 전환한다. 오존과 휘발성 유기화합물의 주요 반응과정은 다음과 같다(Jeong et al., 2007).

오존수는 암모니아 및 휘발성유기화합물과의 산화반응을 통해 악취 저감에 기여하는 것으로 확인되었다. 암모니아는 오존과 결합하여 질소와 물로 전환되며, VOCs는 산화 반응을 통해 저분자 화합물로 분해된다. 이러한 반응 메커니즘은 축산 악취 저감 기술로서의 오존수의 실효성을 입증하며, 실시간 악취 모니터링 시스템과의 결합을 통해 악취 발생을 정밀하게 제어할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 가축분뇨 자원화시설에서 발생하는 악취 저감을 위해 실시간 악취 모니터링 시스템과 오존수 분사 기술을 적용한 현장 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

악취 물질 중 암모니아(NH₃)는 액비화조상부에 서 8.02 ppm으로 측정되었으며, 휘발성유기화합물(VOCs) 또한 높게 나타났다. 확산 모델링 결과, 배출허용 기준을 초과하는 것으로 확인되었다. 그러나 오존수 살포 이후 부지 경계에서 암모니아 농도가 배출 기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 이는 악취의 확산을 효과 적으로 억제할 수 있음을 나타내었다.

오존수 살포 후 암모니아는 약 50%, 휘발성유기화합 물은 약 98%의 제거율을 보였다. 이는 오존수의 강력한 산화력이 암모니아와 VOCs의 산화 반응을 촉진시켜 악취를 저감시킨 결과로 해석되었다. 실시간 악취 모니터링 시스템을 통해 악취 물질의 발생 특성을 정밀하게 분석할 수 있었으며, 오존수 살포 시스템과 연동할 경우 악취 저감의 효율성을 극대화할 수 있었다.

본 연구를 통해 가축분뇨 처리시설에서 실시간 모니터링과 오존수 살포 시스템을 결합한 악취 제어 기술이 악취 발생을 효과적으로 저감할 수 있음을 확인하였다. 향후 이러한 시스템의 확대 적용하다면 축산시설 악취 문제 해결 및 악취민원 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.