Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.21 No.1 pp.1-13
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2022.21.1.1

Exploration of key parameters influencing greenhouse gas and odor emissions in a naturally ventilated dairy farm

Kiwoo Choi1, SungHak Lee2, HyeSeung Kim2, HungSoo Joo2*, O-Yul Kwon1
1Department of Energy Environmental and Engineering, Seoul National University Science and Technology
2Department of Environmental Engineering, Anyang University
* Corresponding Author: Tel: +82-31-463-1291 E-mail: hungsoo.joo@gmail.com
15/12/2021 16/02/2022 02/03/2022

Abstract


This study was conducted to identify and assess key parameters affecting greenhouse gas emissions and odor intensity at a naturally ventilated dairy farm. Measurement data of greenhouse gases (CO2, CH4, N2O), odorants (NH3 and H2S), and meteorological data (wind speed, temperature, relative humidity, and solar radiation) were posited as the parameters influencing those emissions. Carbon dioxide and methane emissions correlated well to CO2-equivalent emissions and the contribution of carbon dioxide emissions (R2=0.9181) was greater than that of methane emissions (R2=0.8854). Hydrogen sulfide emissions were highly correlated with odor intensity (R2=0.9989), but the contribution of ammonia emissions to odor intensity was not significant (R2=0.0081). No correlation among CO2-equivalent and odor intensity emissions and meteorological parameters was observed. In this study, the relationship between emissions of greenhouse gases and odor intensity in a naturally ventilated dairy barn mainly depended upon carbon dioxide and hydrogen sulfide emissions. The results in this study will be helpful in the mitigation planning of greenhouse gases and odor in animal feeding operations (CFOs).



자연환기식 낙농 축사에서 온실가스 및 악취 배출에 기여하는 주요 인자 도출

최기우1, 이성학2, 김혜승2, 주흥수2*, 권오열1
1서울과학기술대학교 융합과학대학원
2안양대학교 환경에너지공학과

초록


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

    1. 서 론

    온실가스 증가로 인한 기후변화는 과거부터 꾸준 히 광범위하고 지속적으로 발생하고 있는 문제로 인 식되어왔다. 국제사회는 기후변화 문제를 해결하기 위해 교토의정서를 채택(1997년)하였고, 이어서 선진 국과 개도국이 모두 참여하는 파리협정이 2015년 채 택되어 2016년부터 국제법으로서 효력이 발효되었다. 우리나라는 2009년 온실가스 감축을 위한 감축목표 를 대내외에 발표하였으며, 2010년 ‘저탄소 녹색성장 기본법’을 시행하였다. 또한, 2030 국가 온실가스감축 목표와 목표 달성을 위한 로드맵을 수립하고, 배출권 거래제를 시행하는 등 온실가스 감축을 위한 기반을 구축하였다(GIR, 2020). 우리나라의 2018년 온실가스 총배출량은 727.6백만톤 CO2-eq.이며, 여기서 온실가 스별 비중은 이산화탄소가 91.4%로 가장 크고, 이어 서 메탄 3.8%, 아산화질소 2.0%, 수소불화탄소(HFCs) 1.3%, 육불화황(SF6) 1.2%, 과불화탄소(PFCs) 0.4% 순 으로 보고되었다(GIR, 2020). 축산 부문은 육류 소비 증가에 기인한 사육두수의 증가로 장내 발효 및 가축 분뇨처리에서 발생하는 온실가스 배출량이 증가하는 양상을 보인다. 2018년 농업분야 온실가스별 배출량 은 메탄 12.2 백만톤 CO2-eq., 아산화질소 9.0백만톤 CO2-eq. 이었으며, 배출량 비중을 부문별로 보면 벼 재배 29.7%, 농경지토양 25.8%, 가축분뇨처리 23.3%, 장내발효 21.1%, 작물잔사소각 0.1%의 순으로, 축산 관련 부문에서 가장 많은 배출량을 보이고 있다. 아 산화질소는 가축분뇨처리 부문과 농경지토양 부문에 서 주로 발생하며 농경지토양 부문 배출량은 농업 분 야 아산화질소 배출량의 60.7%를 차지하였고, 가축분 뇨처리 부문의 배출량은 39.3%로 나타났다(GIR, 2020).

    악취 문제 또한 지속적인 민원 발생 증가 등으로 저 감 대책이 절실히 요구되고 있다. 2016년 기준 사업장 별 악취관련 민원의 27.76%가 축산악취로 가장 높고, 대부분 축산 시설은 신고대상 외의 시설로 분류되어 있어 악취 문제의 심각성을 시사하고 있다(NIER, 2018). 축산 악취 저감과 민원 감소를 위해 국립환경과학원 에서는 친환경 밀폐형 축산시설 운영 및 악취방지법 테두리 안에서 관리(신고대상시설로 관리)하는 정책 을 제안한 바 있다(NIER, 2018). 특히 악취원인물질인 암모니아의 주요 발생 요인 중 70% 이상이 가축분뇨 로 나타나 정부는 농축산분야의 암모니아 배출량을 2016년 대비 2022년까지 30% 감축하려는 목표를 수 립하는 등, 암모니아 배출저감 방안에 대해 많은 관 심이 집중되어 있다(Park et al., 2019). 한편 축사에서 주로 배출되는 악취유발물질인 암모니아(NH3)와 황 화수소(H2S)의 평균 농도는 각각 25 ppm, 10 ppm으로 나타났고, 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)도 상당량이 배출되는 것으로 나 타났다(Yan and Moon, 2019;Guo et al., 2019).

    축산농장에서 발생되는 가스상 물질들의 특성을 보 면 동물 등에 의한 동물기원 직접배출 과 분뇨배설 이 후 배출되는 분뇨기원 배출로 나뉘며, 동물의 소화 활 동에서 배출되는 동물기원 직접배출 물질은 메탄과 아산화질소이고(Willén et al., 2011;Mama and Seid, 2019), 분뇨배설 이후 배출되는 분뇨 기원 물질은 암 모니아, 메탄, 아산화질소, 황화수소이다(Deng et al., 2015;Spiehs et al., 2019). 황화수소는 유기 황 화합물 의 무기화작용 및 산화과정을 거친 무기황 화합물의 환원 반응으로 생성된다(Preece et al., 2012;Kafle et al., 2018). 암모니아는 혐기조건 하에 탈질과정을 거 처 아산화질소로 전환되며 아산화질소는 지구온난화 지수(Global warming potential, GWP)가 이산화탄소의 약 310배에 달한다(USEPA, 2001;Hristov et al., 2011;Rotz, 2017). 황화수소는 악취 관련 민원의 주요 원인 으로 악취농도지수가 상당히 높아 300 ppb 미만의 낮 은 농도에서도 썩은 달걀 냄새(Rotten-egg smell)를 유 발한다(Preece et al., 2012;Joo et al., 2015a;Joo and Lee, 2018;Yao et al., 2019). 메탄은 기후변화의 원인이 되는 대표적인 온실가스이며 지구온난화 지수가 이 산화탄소의 약 21배에 달한다(Lower et al., 2018). 악취 는 악취원인물질의 최소감지농도와 직접적인 관계가 있으며, 악취농도지수(Odor intensity)로 표현할 수 있 다. 축사 배출 대표적인 악취유발물질인 암모니아의 최소감지농도는 0.1 ppm, 황화수소는 0.0005 ppm, 프 로판은 1,500 ppm로 조사되었다(Park et al., 2009). 만 약, 중국 우사에서 배출되는 암모니아의 평균 농도는 25 ppm으로 황화수소의 10 ppm보다 2.5배 높은 농도 수준이었다고 했을 때(Yan and Moon, 2019), 황화수소 의 최소감지농도가 암모니아에 비해 200배 낮은 수준 이므로, 실제로는 황화수소가 악취영향이 더 크다 볼 수 있다. 따라서, 악취를 해석할 때 농도 뿐 아니라 최 소감지농도를 고려하는 것이 중요하다(Yan and Moon, 2019;Park et al., 2009). 축사 악취 문제의 주요 원인은 분뇨이며, 분뇨는 온도가 증가할수록 발효가 활발히 일어나 암모니아와 황화수소의 배출이 증가하는 것 으로 나타났고, 습도가 증가할수록 수용성 가스에 해 당하는 암모니아와 황화수소의 농도 및 배출량이 감 소하며, 풍속이 높아질수록 암모니아와 황화수소의 배출량이 증가하는 것으로 보고되었다(Yan and Moon, 2019;Lee et al., 2020). 암모니아와 황화수소 이외의 악 취원인물질 중 낙농축사에서 배출되는 주요물질로 메틸메르캅탄(Methyl Mercaptane), 다이메틸설파이드 (Dimethyl sulfide), 다이메틸다이설파이드(Dimethyl disulfide), 트리메틸아민(Trimethylamine)이 보고된 바 있다(Jang et al., 2010).

    현재까지 전 세계적으로 축사에서 배출되는 온실 가스를 측정하는 연구는 악취원인물질 연구에 비하 여 매우 적고, 또한 축산시설 배출 온실가스의 농도 수준 및 배출영향인자에 대한 연구가 미미한 실정이 다. 축산 시설에서 배출되는 오염물질의 배출 특성과 영향인자를 정확하게 파악하기 위해서는 측정농도로 는 한계가 있으며, 좀 더 오염상태를 잘 표현하는 배 출속도(Emission rate)와 부하 속도(Loading rate)를 사 용하는 것이 효과적임을 과거 연구에서 증명하였다 (Joo and Lee, 2018).

    따라서 본 연구에서는 자연환기식 축산농장에서 배 출되고 있는 온실가스 중 환경산업에서 중요하게 다 루어지는 3대 온실가스(CO2, CH4, N2O)와 축산환경 의 대표 악취이며 실시간 기기측정이 가능한 악취원 인물질(NH3, H2S)의 성분측정 결과 바탕으로, 온실가 스(이산화탄소상당량, CO2 equivalent) 배출량과 악취 (Odor intensity) 배출량에 영향을 미치는 인자를 상세 하게 분석하였다. 온실가스와 악취의 배출량은 단순 측정농도가 아닌 배출 유량을 고려한 배출속도 자료 를 이용하였고, 각 측정성분 간 및 측정성분과 기상 인자 간 상관관계를 종합적으로 분석하여, 축사의 온 실가스 및 악취 배출의 주요 영향인자를 파악하고자 하였다.

    2. 연구방법

    2.1 측정 사이트

    본 연구는 Fig. 1과 같이 미국(Mabton, Washington) 의 전형적인 대규모 낙농 축사에서 수행되었다. 측정 지점은 축사 내부 2개소(Barn site)와 축사로부터 약 27 m 떨어진 외부 중앙에 일반대기 1개소(Ambient site) 로 선정하였다. 본 연구가 수행된 축산농장은 독립 칸 막이 형태의 축사(Free-stall)로 약 1,000두의 젖소가 집 단 사육되고, 젖소는 우유생산을 위해 착유시설(Milking parlor)로 이동하는 시간 및 사료공급시간(Feeding time) 을 제외한 대부분의 시간동안 축사 내에서 사육된다. 젖소에 의해 발생하는 분뇨는 축사 내 통로(Manure alley)에 쌓이고, 일정한 시간 간격으로 진행되는 수세 식 세정 과정(Flushing)에 의해 제거된다. 제거된 분뇨 는 저류조 및 저류지(Lagoon)로 이송되어 일정시간의 중력침강 과정 후, 상등수는 축사 내 수세식 세정을 위한 세정수로 재사용된다.

    2.2 측정 장치

    암모니아, 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 측정을 위 해 INNOVA (Photoacoustic infrared detector Model 1412, Innova AirTech Instruments, Danmark)를, 황화 수소 측정을 위해 450i (A pulsed-fluorescence detector Model 450i, Thermo Fisher Scientific, USA)를 사용하 였다. 온·습도는 온습도 계측기(NOVUS Model RHTWM, Omni Instruments, Arroyo Grande, USA)를, 태 양광 세기는 파이라노미터(Pyranometer, Model LI- 200SL, LiCOR, Lincoln, USA)를, 바람장(풍향, 풍속)은 RM Young 81000 3-D ultra sonic anemometer (RM Young Company, USA)를 사용하였다.

    2.3 시료도입 및 데이터 수집 시스템

    낙농 축사 내부의 두 지점과 외부 중앙의 한 지점 에서 시료를 샘플링 하였고, 시료의 샘플링주기 (Sampling time)지점 당 20분씩 설정하여 측정하였다. 측정된 데이터는 Air DAC (Air Data Acquisition and Control) 프로그램(Purdue University and National Instrument, USA)에 의해 수집되고, 1일 1회 관리자에 게 자동으로 전송되어 측정 데이터와 축사의 운영 상 태의 점검이 가능하게 하였다(Joo et al., 2013;Joo et al., 2014;Joo et al., 2015c).

    2.4 데이터사용 및 처리

    본 연구에서는 2013년 7월 7일부터 2013년 7월 13일 기간의 축사 내부 두 지점과 외부 중앙에서 1분 단위 로 측정한 온실가스와 악취유발물질 1시간 평균 데 이터를 사용하였으며, 축사 내부 두 지점에서 측정한 데이터는 평균값을 사용하였다. 데이터처리로서 축 사 내부와 외부 중앙에서 측정된 농도에 풍량을 곱하 여 배출량 단위로 변환 후 데이터의 중간 값(Median) 에 4분위수간 영역(Interquartile range, IQR)에 1.5배 한 값을 가감하여 상한한계(Upper outlier)와 하한한계 (Lower outlier)를 설정하고 범위를 벗어난 데이터는 제거하였다(Li et al., 2013;Sancho et al., 2014;Joo et al., 2015b). 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 축사에서 배 출되는 량를 정확하게 산정하기 위해, 축사내부의 공 기는 외부로부터 이동하여 채워졌다는 가정을 사용 하였다. 즉, 외부중앙에 사용된 풍량은 축사내부 풍량 과 같기 때문에, 외부중앙의 배출량은 배출속도(Emission rate, μg/s)로서 표현이 가능하다. 따라서 축사내부로 부터 배출되는 순수배출량은 축사 내부 배출부분에 서 외부 중앙 값을 뺀 값을 사용하였다(EOut = EBarn- EAmbient).

    본 연구에서는 온실가스와 악취유발물질의 정확한 상관관계 분석을 위해 CO2-eq.와 악취농도지수 개념 을 사용하였다. CO2-eq.는 각 온실가스 농도 및 배출 량의 지구온난화 지수를 곱한 후 결과에 대한 합으 로 산출이 가능하며( C O 2 e q = G H G s × G W P C H G s ), 악취농도지수는 각 악취유발물질 농도 및 배출량을 최소감지농도(Threshold limit value, TLV)로 나눈 후 결과에 대한 합으로 산출이 가능하다(악취강도 = O d o r a n t s T L V ). CO2-eq. 계산을 위한 각 온실가스의 지구온난화 지수는 IPCC (1995)에서 제시한 100년 기 준 값을 사용하였으며, 악취농도지수 계산을 위한 악 취유발물질의 최소감지농도는 Park et al. (2009)에서 제시한 최소감지농도를 사용하였다. 측정기간 동안 의 총 데이터 수는 168개이며, 측정물질별/측정 장소 별 유효 데이터 수를 Table 1에 나타냈다(Lee et al., 2020). 기상인자는 상대습도, 온도, 풍속, 태양광세기 를 측정하여 온실가스와 악취유발물질 배출량과의 상관관계 분석에 이용하였다. 풍속의 경우에는 비이 상적으로 매우 높은 풍속이 관측되는 경우에는 상기 의 데이터 처리에 의해 제거되었고, 태양광세기는 야 간 데이터를 제거하여 사용하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 축사배출 온실가스 및 악취가스의 농도 및 배출 량 측정결과

    Fig. 3에 축사 외부에서 측정한 온실가스 농도를 나 타내었다. 이산화탄소 농도는 800~1000 mg/m3 수준 이었으며, 온실가스 농도는 이산화탄소상당량 환산 기준 900~1,200 mg/m3 수준이었다. 메탄은 0~3 mg/m3 수준을 나타내었고, 아산화질소는 0.6 mg/m3 수준을 보였다. 2011년 한반도 대기 중의 일반적인 연간 온실 가스 평균 농도는 이산화탄소 395.7 ppm (777.3 mg/ m3), 메탄 1.929 ppm (1.21 mg/m3), 아산화질소 0.324 ppm (0.636 mg/m3)이었고, 축사 외부에서 측정한 온 실가스 농도는 이산화탄소 메탄, 아산화질소 모두 이 와 비슷한 수준이었다(Lee et al., 2012). 2011년도 미국 의 이산화탄소 농도는 393.5 ppm, 메탄 1.859 ppm, 아 산화질소는 0.325 ppm으로 나타났고, 본 연구의 결과 는 미국의 배경 온실가스 농도와 비교할 때 유사한 수 준으로 조사되었다(WDCGG, 2011). 시간에 따른 농 도변화의 패턴을 볼 때, 이산화탄소는 측정기간 동안 비교적 일정한 수준을 유지하였고, 이산화탄소 상당 량으로 환산한 농도 또한 비슷한 패턴을 보였다. 아 산화질도 농도는 시간에 따른 농도의 변화가 거의 없 는 일정한 수준의 농도를 유지하였다. 반면 메탄 농 도는 일정한 패턴 없이 불규칙한 경향을 나타냈다.

    Fig. 4에 축사 내부에서 측정한 온실가스 농도를 나 타내었다. 이산화탄소 농도는 900~1300 mg/m3 수준 으로 캐나다 돈사 내에서 측정한 이산화탄소 농도와 매우 비슷한 수준을 보였다(Sun et al., 2008). 온실가 스 농도는 이산화탄소상당량 환산 기준 1,100~1,700 mg/m3 수준이었다. 축사 외부에서 측정한 농도 대비 평균 300 mg/m3 정도 더 높은 농도를 나타내었으며 이 산화탄소 농도와 온실가스 농도의 변화 패턴은 매우 비슷한 경향을 보였다. 메탄은 0.7~9.1 mg/m3 수준을 나타내었고, 축사 외부에서 측정한 농도 대비 약 세 배 정도였으며, 일정한 변화 패턴 없이 불규칙한 경 향을 보였다. 아산화질소는 0.7 mg/m3 수준으로 축사 외부에서 측정한 농도와 비슷한 수준을 보였으며 일 정한 수준을 유지하였다. 2011년 국내 대기 중의 일반 적인 연간 온실가스 평균 농도와 비교해보면 이산화 탄소 농도는 약 1.3배, 메탄농도는 약 3.5배 높은 수치 를 보였고, 아산화질소 농도는 비슷한 수준이었다(Lee et al., 2012). 미국 축사 내부의 경우와 비교하면, 이산 화탄소 농도는 약 1.6배, 메탄농도는 약 2.9배 높은 수 치를 보였고, 아산화질소 농도는 약 0.6배 낮은 것으 로 나타났다(Borhan et al., 2011). 축사내부에서의 시 간에 따른 온실가스의 종류별 배출량 변화의 패턴을 보면, 하루 중 배출량이 높고 낮음을 반복하는 주기 적 경향이 보였다. 이는 유우의 착유주기에 따른 어 느 정도 일정한 식이, 배설, 휴식 패턴에 따른 결과로 해석된다.

    Fig. 5에 축사로부터 배출되는 온실가스 배출량을 나타내었다. 이산화탄소 배출량은 1,000~28,000 g/min 수준이었으며 온실가스 배출량은 이산화탄소상당량 1,800~33,000 g/min 수준을 보였다. 메탄은 10~310 g/ min 수준을 나타내었고, 아산화질소는 0~15 g/min 수 준으로 나타났다. 대체적으로 농도 결과에 비해 변화 폭이 컸으며, 평균적인 수준에 상당히 높은 배출량을 보이는 경우가 관찰되었다. 이는 매탄이나 아산화질 소의 배출량 보다는 이산화탄소의 배출량이 높은 데 서 기인한 것으로 축사내에서 갑작스런 환경변화에 의한 동물들의 활동량 증가 및 보수작업을 위한 차량 운행 등에 의한 것으로 추측된다.

    Fig. 6에 축사 외부와 축사 내부에서 측정한 악취 원 인물질 농도와 악취농도지수 농도를 나타내었다. 축 사 외부에서 측정한 황화수소 농도는 30~50 ppb 수준 이었으며 Odor intensity는 70~110 O.I.를 보였다. 암모 니아 농도는 0.5~1.5 ppm 수준으로 나타났다. 시간에 따른 농도의 변화는 H2S 농도와 Odor intensity 농도가 거의 일치하는 비슷한 경향을 나타내었으며 암모니 아 농도는 일정한 패턴 없이 불규칙한 경향을 나타냈 다. 축사 내부에서 측정한 황화수소 농도는 30~160 ppb 수준으로 축사 외부보다 두 배가량 높았으며, 이는 Sun et al. (2008)의 돈사 내에서 측정한 황화수소 평균농 도인 158 ppb와 유사한 수준을 보였다. Odor intensity 는 80~340 O.I.을 보여 축사 외부보다 1.5배가량 높았 고 이는 Sun et al. (2008)의 돈사 내에서 측정한 Odor intensity 평균인 464 O.I.와 비교하여 조금 낮은 수준 을 나타내었다. 축사 내부의 암모니아 농도는 1~3 ppm 수준으로 축사 외부보다 두배 정도 높았고, 이는 Sun et al. (2008)의 돈사 내에서 측정한 암모니아 평균농 도인 9.0 ppm보다 상당히 낮은 수준을 보였다. 미국 낙농축사(Dairy farm)의 경우 암모니아는 1.6~2.85 ppm, 황화수소는 0.0~136 ppb로 본 연구의 측정치와 유사한 수준으로 나타났다(Joo et al., 2015a). 축사 외 부와 축사 내부에서의 시간에 따른 농도의 변화는 황 화수소 농도와 Odor intensity가 일정한 수준으로 농 도변화가 크게 없는 거의 일치하는 비슷한 경향을 나 타내었으며 암모니아 농도는 일정한 패턴 없이 불규 칙한 경향을 나타냈다.

    Fig. 7에 축사로부터 배출되는 악취원인물질과 악 취농도지수 배출량을 나타내었다. 황화수소 배출량 은 2~11,000 mg/min 수준이었으며 Odor intensity는 110~23,000 O.I./min 을 보였다. 암모니아는 6~60 g/ min 수준으로 나타났다. 시간에 따른 변화는 황화수 소 배출량과 Odor intensity 가 거의 일치하는 비슷한 경향을 나타내었으며 암모니아 배출량은 농도 패턴 과 비슷하게 일정한 패턴 없이 불규칙한 경향을 나타냈다.

    Table 2에 축사외부(Ambient)와 내부(Barn)의 온실 가스와 악취원인물질의 농도를 나타내었다. 온실가 스의 경우 축사외부(Ambient)에서 항목별 평균 농도 는 이산화탄소 911.9 (838.5~1,002.1) mg/m3, 메탄 1.1 (0.0~3.1) mg/m3, 아산화질소 0.6 (0.6~0.7) mg/m3, CO2- eq. 1,111.2 (927.6~1,245.2) mg/m3, 내부(Barn)에서 항 목별 평균 농도는 이산화탄소 1,077.9 (922.0~1,341.0) mg/m3, 메탄 4.6 (0.7~9.1) mg/m3, 아산화질소 0.6 (0.6~ 0.7) mg/m3, CO2-eq. 1,350.3 (1,138.4~1,735.1) mg/m3 으로 나타났다. 축사 외부에서의 온실가스 농도는 2011 년 한반도 대기 중의 일반적인 연간 온실가스 평균 농 도와 비슷한 수준이었다(Lee et al., 2012). 악취원인물 질의 경우 축사외부(Ambient)에서 항목별 평균 농도 는 암모니아 0.9 (0.5~1.5) ppm, 황화수소 35.7 (30.8~ 50.5) ppb, Odor intensity 79.1 (66.6~111.1) O.I., 내부 (Barn)에서 항목별 평균 농도는 암모니아 1.9 (1.0~3.2) ppm, 황화수소 63.0 (33.9~163.6) ppb, Odor intensity 142.0 (80.1~345.3) O.I.로 분석되었다. 축사 내부에서 측정한 악취 원인물질 농도는 돈사 내에서 측정한 황 화수소 농도와 매우 비슷한 수준을 보였다(Sun et al., 2008). Odor intensity는 축사 외부보다 1.8배가량 높았 고, 돈사 내에서 측정한 Odor intensity 보다 조금 낮거 나 비슷한 수준을 보였다(Sun et al., 2008). 미국의 경 우와 비교하면, 축사외부의 CO2-eq.는 995.2 mg/m3, 내 부의 CO2-eq.는 111,5.5 mg/m3으로 유사한 수준이었 으며, 내부의 Odor intensity는 158.25 O.I.로 유사한 수 준인 것으로 나타났다(WDCGG, 2011;Joo et al., 2015a). 암모니아 농도는 외부보다 두배 정도 높았고, 돈사 내에서 측정한 암모니아 농도 절반 수준을 보였 다(Sun et al., 2008). 전체 항목에서 축사외부(Ambient) 보다 내부(Barn) 농도가 높게 나타나는 것을 볼 수 있다.

    Table 3에 축사로부터 배출되는 온실가스와 악취원 인물질 배출량을 나타내었다. 온실가스 항목별 평균 배출량은 이산화탄소 6,119.7 (1,081.1~28,968.0) g/min, 메탄 137.0 (10.0~311.6) g/min, 아산화질소 1.1 (0.0~ 15.8) g/min 였고, 이산화탄소상당량 환산 기준(CO2- eq) 9,022.4 (1883.4~33,210.3) g/min으로 나타났다. 축 사 내로부터 배출되는 온실가스의 배출량을 사육하 는 소 한 마리가 1년간 배출하는 양으로 계산해보면 소 1마리당 이산화탄소상당량 환산 기준 4.7 tCO2-eq/ yr을 배출하는 것으로 나타났다. 악취원인물질 항목 별 평균 배출속도는 암모니아 25.3 (6.3~61.4) g/min, 황 화수소 1,468.6 (2.5~11,419.0) mg/min, Odor intensity 2,731.3 (115.1~23,155.0) O.I./min으로 조사되었다.

    3.2 축사배출 이산화탄소상당량 및 악취배출 주요 기여 물질 분석

    Fig. 8에 축사에서 배출되는 온실가스 총량(이산화 탄소 상당량, CO2-eq.)에 기여하는 각각의 온실가스 의 기여도를 파악하기 위해, 온실가스 총량과 각각의 온실가스 배출량의 상관관계성을 비교 분석하였다. 그림에서 보듯, 이산화탄소는 상관관계 계수(R2)가 0.92, 메탄은 0.89로서 매우 높은 상관관계성을 나타내었고, 아산화질소는 매우 낮게 나타났다. 또한 이산화탄소 는 이산화탄소 총량과의 기울기(Slope) 값이 1.53을 나 타내었고, 메탄은 46.10을 나타내 이산화탄소의 기울 기가 더 높다. 이는 이산화탄소 총량에 대한 기여가 메 탄보다는 이산화탄소 배출의 영향이 더 크다고 볼 수 있다. 상관관계 계수와 기울기의 결과로 볼 때, 축사 에서 배출되는 온실가스 총량은 이산화탄소 배출 영 향이 지배적인 것으로 판단된다.

    Fig. 9에 축사에서 배출되는 악취물질 총량(악취농 도지수, Odor intensity)에 기여하는 암모니아와 황화 수소의 기여도를 파악하기 위해, 악취농도지수와과 각각의 악취원인물질 배출량의 상관관계성을 비교 분석하였다. 그림에서 보듯, H2S는 상관관계 계수가 0.99로서 매우 높은 상관관계성을 나타내었고, 암모 니아는 상관관계 계수가 0.01로서 매우 낮은 상관관 계성을 나타내었다. 이는 악취물질 총량에 대한 기여 가 NH3보다는 H2S 배출의 영향이 더 크다고 볼 수 있 다. 상관관계 계수와 기울기의 결과로 볼 때, 축사에 서 배출되는 악취물질 총량은 H2S 배출 영향이 지배 적인 것으로 판단된다.

    3.3 축사배출 이산화탄소상당량 및 악취 배출량에 관여 하는 환경인자 분석

    Fig. 10에 축사에서 배출되는 온실가스 총량과 기상 인자(풍속, 상대습도, 온도, 태양광세기)와의 상관관 계를 비교 분석하였다. 그림에서 보듯, 온실가스의 발 생과 기상인자와의 상관관계성이 관찰되지 않았다.

    Fig. 11에 축사에서 배출되는 악취농도지수 총량과 기상인자(풍속, 상대습도, 온도, 태양광세기)와의 상 관관계를 비교 분석하였다. Fig. 9에서 온실가스 총량 과 기상인자와의 상관관계성이 관찰되지 않았듯, 악 취농도지수 또한 온실가스의 발생과 기상인자와의 상관관계가 없는 것으로 나타났다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 자연환기식 낙농 축사에서 배출되 고 있는 온실가스와 악취 원인물질의 측정 결과 바탕 으로, 온실가스 배출량과 악취(odor intensity) 배출량 에 영향을 미치는 인자를 상세하게 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 축사 내부에서 배출되는 온실가 스 총량과 각각의 온실가스 배출량의 상관 관계성을 비교 분석하였다. 이산화탄소는 상관관계 계수 0.92, 메탄은 0.89로서 매우 높은 상관 관계성을 나타내었 고, 아산화질소는 매우 낮게 나타났다. 또한 이산화탄 소는 이산화탄소 총량과의 기울기(Slope) 값이 1.53을 나타내었고, 메탄은 46.10으로 이산화탄소 총량에 대 한 기여가 메탄보다는 이산화탄소 배출의 영향이 더 크다고 볼 수 있다. 상관관계 계수와 기울기의 결과 로 볼 때, 축사에서 배출되는 온실가스 총량은 이산 화탄소 배출영향이 지배적인 것으로 판단된다. 축사 내부에서 배출되는 악취농도지수와과 각각의 악취 원인물질 배출량의 상관 관계성을 비교 분석하였다. 황화수소는 상관관계 계수가 0.99로서 매우 높은 상 관 관계성을 나타내었고, 암모니아는 상관관계 계수 가 0.01로서 매우 낮은 상관 관계성을 나타내었다. 이 로써 악취물질 총량에 대한 기여가 암모니아보다는 황화수소 배출의 영향이 더 크다고 볼 수 있다. 상관 관계 계수 결과로 볼 때, 축사에서 배출되는 악취물 질 총량은 황화수소 배출 영향이 지배적인 것으로 판 단된다. 축사에서 배출되는 온실가스의 발생과 기상 인자(풍속, 상대습도, 온도, 태양광 세기)와의 상관 관 계성은 관찰되지 않았으며, 배출되는 악취농도지수 총량과 기상인자와의 상관관계 또한 관찰되지 않았 다. 또한, 악취농도지수와 온실가스의 발생과의 상관 관계도 없는 것으로 관찰되었다.

    감사의 글

    본 연구는 교육부/한국연구재단 이공학 개인기초 연구지원사업(과제번호NFR-2016R1D1A1B01010832) “석탄연소공정으로부터 배출되는 초미세먼지와 온실 가스 동시제거/저감기술 개발”과제의 지원을 받아 작 성되었고, Washington State University로부터 과거 측 정 데이터를 지원받아 수행되었으며, 이에 관련된 관 계자 분들께 감사드립니다.

    Figure

    JOIE-21-1-1_F1.gif

    Description of the monitoring site.

    JOIE-21-1-1_F2.gif

    The concept of emission calculation.

    JOIE-21-1-1_F3.gif

    Greenhouse gases concentrations at ambient in naturally ventilated diary farm.

    JOIE-21-1-1_F4.gif

    Greenhouse gases concentrations at barn in naturally ventilated diary farm.

    JOIE-21-1-1_F5.gif

    Greenhouse gases emission rate from barn in naturally ventilated diary farm.

    JOIE-21-1-1_F6.gif

    Odorous compound concentrations at ambient and barn in naturally ventilated diary farm.

    JOIE-21-1-1_F7.gif

    Odorous compound emission rate from barn in naturally ventilated diary farm.

    JOIE-21-1-1_F8.gif

    Correlation between CO2-equivalent and greenhouse gas emission rates from barn in naturally ventilated diary farm.

    JOIE-21-1-1_F9.gif

    Correlation between odor intensity and odorous compound emission rates from barn in naturally ventilated diary farm.

    JOIE-21-1-1_F10.gif

    Correlation between CO2 equivalent emission rate from barn and meteorological parameters at ambient in naturally ventilated diary farm.

    JOIE-21-1-1_F11.gif

    Correlation between odor intensity emission rate from barn and meteorological parameters at ambient in naturally ventilated diary farm.

    Table

    Number of data of greenhouse gases, odorants and meteorological parameters

    Concentrations of greenhouse gases and odorants at ambient and barn

    Emission rates of greenhouse gases and odorants from dairy farm

    Reference

    1. Borhan, M. S. , Capareda, S. C. , Mukhtar, S. , Faulkner, W. B. , McGee, R. , Parnell, C. B. ,2011. Greenhouse gas emissions from ground level area sources in dairy and cattle feedyard operations. Atmosphere 2(3), 303-329.
    2. Deng, J. , Li, C. , Wang, Y. ,2015. Modeling ammonia emissions from dairy production systems in the United States. Atmospheric Environment 114, 8-18.
    3. Guo, H. , Hao, H. , Zhang, Q. , Wang, Juan. , Liu, J. ,2019. Components and dispersion characteristics of organic and inorganic odorous gases in a large-scale dairy farm. Journal of the Air & Waste Management Association 69(6), 717-725.
    4. Hristov, A. N. , Hanigan, M. , Cole, A. , Todd, R. , McAllister, T. A. , Ndegwa, P. M. , Rots, A. ,2011. Ammonia emissions from dairy farms and beef feedlots. Canadian journal of animal science 91(1), 1-35.
    5. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC),1995. IPCC Second Assessment Report. Available from: URL: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/05/2ndassessment-en-1.pdf
    6. Jang, Y. , Jung, B. , Kim, J. , Song, K. , Kim, H. , Yoo, Y. ,2010. Assessment of odor characterization and odor unit from livestock facilities by animals. Journal of environmental impact assessment 19(1), 29-38.
    7. Joo, H. S. , Ndegwa, P. M. , Heber, A. J. , Ni, J. Q. , Bogan, B. W. , Ramirez-Dorronsoro, J. C. , Cortus, E. L. ,2013. Particulate matter dynamics in naturally ventilated freestall dairy barns. Atmospheric Environment 69, 182-190.
    8. Joo, H. S. , Ndegwa, P. M. , Heber, A. J. , Bogan, B. W. , Ni, J. Q. , Cortus, E. L. , Ramirez-Dorronsoro, J. C. ,2014. A direct method of measuring gaseous emissions from naturally ventilated dairy barns. Atmospheric Environment 86, 176-186.
    9. Joo, H. S. , Ndegwa, P. M. , Wang, X. , Heber, A. J. , Ni, J. Q. , Cortus, E. L. , Ramirez-Dorronsoro, J. C. , Bogan, B. W. , Chai, L. ,2015a. Ammonia and hydrogen sulfide concentrations and emissions for naturally ventilated freestall dairy barns. Transactions of the ASABE (American Society of Agricultural and Biological Engineers) 58(5), 1321-1331.
    10. Joo, H. S. , Ndegwa, P. M. , Heber, A. J. , Ni, J. Q. , Bogan, B.W. , Ramirez-Dorronsoro, J. C. , Cortus, E. ,2015b. Greenhouse gas emissions from naturally ventilated freestall dairy barns. Atmospheric Environment 102, 384-392.
    11. Joo, H. S. , Park, K. , Lee, K. , Ndegwa P. M. ,2015c. Mass concentration coupled with mass loading rate for evaluating PM2.5 pollution status in the atmosphere: A case study based on dairy barns. Environmental Pollution 207, 374-380.
    12. Joo, H. S. , LEE, S. H. ,2018. Measurement and interpretation of emission rate and loading rate of air pollutants from the non-point source of naturally ventilated dairy farm. Journal of Odor and Indoor Environment 17(1), 68-77. (in Korean with English abstract)
    13. Kafle, G. K. , Joo, H. S. , Ndegwa, P. M. ,2018. Sampling duration and frequency for determining emission rates from naturally ventilated dairy barns. Transactions of the ASABE (American Society of Agricultural and Biological Engineers) 61(2), 681-691.
    14. Lee, H. Y., Kim, S. H., Min D. L., Lim, B. S.,2012. Analysis of changes in greenhouse gas concentrations observed by the Climate Change Monitoring Center from 1999 to 2011. Proceedings of the Autumn Meeting of KMS (Korean Meteorological Society) 2012, 260-261.
    15. Lee, S. H. , Kim, H. S. , Joo, H. S. ,2020. Correlation analysis of gaseous air pollutants and meteorological parameters in naturally ventilated dairy farm. Journal of Odor and Indoor Environment 19(4), 353-361.
    16. Li, L. , Wu, J. , Ghosh, J. K. , Ritz, B. ,2013. Estimating spatiotemporal variability of ambient air pollutant concentrations with a hierarchical model. Atmospheric Environment 71, 54-63.
    17. Lower, B. H. , Shaul, T. R. , Shaul, K. A. , Weaver, E. M. ,2018. Environmental ScienceBites Volume 2. The Ohio State University 1-209.
    18. Mama, A. , Seid, A. ,2019. Review on methane emission from dairy farms and its impact on global warming. Austin Journal of Veterinary Science & Animal Husbandry 6(1), 1052.
    19. National Institute of Environmental Research (NIER),2018. Study for the establishment of the second comprehensive odor prevention policy. Report of NIER-SP2018-233.
    20. National Center for Greenhousegas Inventory & Research (GIR),2020. National Greenhouse Gas Inventory Report of Korea.
    21. Park, J. S. , JeGal, D. S. , Kim, K. M. , Choi, J. K. , Lee, M. J. , Oh, Y. J. , Lee, J. S. ,2009. A Study on Characteristics of Odor Emissions from Incheon Seobu Industrial Complex neighboring area. Incheon Research Institute of Public Health and Environment. Available from: https://www.incheon.go.kr/comm/getFile?srvcId=BBSTY1&upperNo=1419666&fileTy=ATTACH&fileNo=295408
    22. Preece, S. L. M. , Casey, K. D. , Auvermann, B. W. ,2012. Hydrogen Sulfide Emissions from Open/Dry-Lot.
    23. Park, D. B. , Kim, C. W. , Yu, D. H. , Lee, G. M. , Huh, J. S. , Lim, J. O. ,2019. Investigation into the Reduction of Odor Substances due to Fermentation of Livestock Manure for its Utilization as Renewable Energy. New & Renewable Energy 15(4), 86-91.
    24. Rotz, C. A. ,2017. Modeling greenhouse gas emissions from dairy farms. Journal of Dairy Science 101(7), 6675-6690.
    25. Sancho, J. , Martinez, J. , Pastor, J. J. , Taboada, J. , Pin eiro, J. I. , Garcia-Nieto, P. J. ,2014. New methodology to determine air quality in urban areas based on runs rules for functional data. Atmospheric Environment 83, 185-192.
    26. Spiehs, M. J. , Woodbury, B. L. , Parker, D. B. ,2019. Ammonia, hydrogen sulfide, and greenhouse gas emissions from labscaled manure bedpacks with and without aluminum sulfate additions. Environments 6(10), 108-121.
    27. Sun, G. , Guo, H. , Peterson, J. , Predicala, B. , Lague, C. ,2008. Diurnal Odor, Ammonia, Hydrogen Sulfide, and Carbon Dioxide Emission Profiles of Confined Swine Grower/ Finisher Rooms. Journal of the Air & Waste Management Association 58(11), 1434-1448.
    28. United States Environmental Protection Agency (US EPA),2001. Emissions from animal feeding operations.
    29. Willen, A. ,2011. Methane production from dairy cows. [cited 2020 Sep 7]; Available from: URL: http://stud.epsilon.slu.se/2328/1/will%C3%A9n_a_110303.pdf
    30. World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG),2011. Greenhouse Gas (CO2, CH4, N2O) Concentration in the United States of America in 2011. [cited 2022 February]; Available from: URL: https://gaw.kishou.go.jp/search/station#UTA
    31. Yan, D. , Moon, C. S. ,2019. Literature review of the Reduction of Hydrogen Sulfide and Ammonia in Livestock Pen: Comparison between Korean and Chinese cases. Journal of Korean Society of Occupational and Environmental Hygiene 29(4), 442-451.
    32. Yao, M. , Zhao, Y. , Hu, M. , Huang, D. , Wang, Y. , Yu, J. Z. , Yan, N. ,2019. Multiphase Reactions between Secondary Organic Aerosol and Sulfur Dioxide: Kinetics and Contributions to Sulfate Formation and Aerosol Aging. Environmental Science & Technology Letters 6(12), 768-774.