Investigation on Generation and Emission of Particulate Matters and Ammonia from Mechanically-ventilated Layer House

강제환기식 산란계 사육시설의 PM, NH₃ 발생·배출 특성 조사

Abstract

In this study, the generation and emission characteristics of particulate matter and gaseous matter in a mechanically ventilated layer house were evaluated. Each concentration of PM₁₀, PM_2.5, inhalable dust, respirable dust, and NH₃ was measured and compared with occupational limit considering seasons and respiratory disorder. CAPPS (Clean Air Policy Support System) of the Ministry of Environment proposes the emission factors of PM₁₀, PM_2.5, and NH₃ for a layer houses however, emission factors are still calculated from foreign factors such as CONINAIR values. As a result, it is urgent to develop national emission factors for domestic layer house. Emission coefficients of the studied mechanically-ventilated layer house in a summer season were calculated as 0.052 kg/head/year for PM₁₀, about 12% lower than that of CAPSS, and 0.0068±0.0038 kg/head/year for PM_2.5, showing no significant difference. Emission factor of NH₃ was calculated as 0.159±0.031 kg/head/year, about 51% lower than that of CAPSS.

Ⅰ. 서론

환경부의 국가 대기오염물질 배출량 보고서에 따르면 NH₃ 국가 배출량의 약 78.7%가 농업에서 유래되며, 이 중 91.8%가 축산 분야의 ‘분뇨 관리’ 항목과 관련되는 것으로 보고되었다(NIER, 2019). 현행 ‘분뇨 관리’ 항목은 축사, 가축분뇨처리시설, 가축분뇨 퇴비의 토양시비 등으로 구성되어 있다. 실내 환경에서 고농도의 NH₃에 노출될 경우 구토나 어지럼증을 유발할 수 있으며, 일반 대기 중으로 배출 시 황산화물, 질소산화물 등과 화학적으로 결합하여 2차 초미세먼지를 형성하는 주요 전구체가 된다 (Jang et al., 2021). 환경부의 대기정책지원시스템 (CAPSS, Clean Air Policy Support System)에서는 NH₃를 포함한 9개 오염물질의 배출계수 및 활동도를 이용한 배출량 산정 방법을 제공하고 있다. 에너지산업 연소, 비산업연소, 제조업, 생산 공정, 에너지 수송 및 저장, 유기용제 사용 외 각종 분류 항목에 대하여 대부분 국가 고유 배출계수를 제시하고 있는데 반하여, 축산 분야의 경우 소, 돼지와 같은 대가축, 중가축을 제외하면 대부분 US EPA (1994), CORINAIR (1999)의 국외 측정값을 이용하고 있다. 더욱이 육계, 산란계의 경우 CORINAIR (1999)의 배출계수를 그대로 차용하고 있는데 해당 계수의 단위 (kg/AAP/a)와 CAPSS에서 제시되고 있는 단위 (kg/head/year)가 불일치하는 오류 또한 포함하고 있는 실정이다. 또한 CAPSS의 축산 부문 ‘분뇨 관리’ 항목은 배출계수의 신뢰성을 보여주는 배출 가중치의 불확도가 40.86으로 가장 높아 정확한 국내 고유 배출계수의 발굴이 시급하다. 먼지 (PM; Particulate matter)와 관련되는 TSP, PM₁₀, PM_2.5의 배출계수 또한 양계 부문의 국가 고유 값이 측정된 사례가 없어 CORINAIR (1999)의 측정값에 의존하고 있는 실정으로 축산 부문의 대기 중 미세먼지 기여 수준에 대한 관심이 집중되고 있는 상황 대비 관련 연구가 매우 미진하다.

한편, 가축 사육시설 내부에서도 고농도의 입자상, 가스상 물질이 존재하며 근로자가 해당 물질에 지속적으로 노출될 경우 폐렴, 천식, 천식 유사질환, ODTS (Organic Dust Toxic Syndrome), 알레르기 반응 등과 같은 만성 혹은 급성 호흡기계 질환을 겪을 수 있다 (Donham, 1995; Donham and Cumro, 1999; Radon et al., 2001; Kwon et al., 2016). 유럽, 미국에서는 가축 사육시설 내부에서 발생하는 먼지와 같은 입자상 물질, 암모니아, 황화수소 등과 같은 가스상 물질의 발생 수준을 측정하고 (Takai et al., 1998) 이를 토대로 공기 질 및 작업환경 개선을 위한 다양한 연구 및 정책이 추진되고 있다 (Jang et al., 2021). 그러나 국내의 경우 가축 사육시설의 작업 환경 개선에 대한 공감대조차 부족한 실정이며, 가축 사육시설 내부의 입자상, 가스상 물질 측정 연구의 경우 주로 돼지 (Kim et al., 2013; Kwon et al., 2016), 육계 (Kwon et al., 2014; Jo et al., 2015)를 대상으로 수행되었으며 산란계를 대상으로 한 연구는 단발성의 측정 수준에 그치고 있다.

이에 따라 본 연구에서는 가축 사육시설 중 무창형태의 강제환기식 산란계 사육시설 내부에서 발생하는 NH₃, PM 4종(PM₁₀, PM_2.5, 흡입성 분진, 호흡성 분진)의 발생 수준에 대한 기초 자료를 확보하고 NH₃, PM 2종 (PM₁₀, PM_2.5)의 배출계수를 도출하고자 하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 실험대상 산란계 사육시설

실험 대상 산란계 사육시설은 충청북도 진천군에 소재하는 강제환기식 무창 산란계사 (길이 69.7 m, 폭 19.5 m, 측고, 8.5 m, 동고 10.5 m)로 총 5개동에서 215,000수를 사육하고 있으며 2개동은 직립식 8단 케이지를, 3개동은 직립식 5단 케이지를 이용하고 있다. 총 33개의 50인치 터널 환기팬이 설치되어 있으며 고온기에는 쿨링패드를, 환절기, 동절기에는 양쪽 측벽에 설치되어 있는 입기 베플을 입기구로 이용하고 있다. 분뇨는 계분 벨트를 통해 1주에 1회 농장 부지경계 안에 있는 분뇨 처리장으로 이동되며, 분뇨 컴포스트 장치를 이용한 고속 발효를 실시한다.

2. 입경별 미세먼지, 암모니아 측정 장비

가. 중량법 기반 PM₁₀, PM_2.5 포집 장비

시설 내부의 입경별 미세먼지 발생 수준 측정을 위하여 중량법 (Gravimetric method)에 기반하여 PM₁₀, PM_2.5 시료를 포집하였다. 먼지 시료를 포함한 공기 포집을 위한 펌프는 Low-volume sampler (AirChek Touch, SKC, Inc.)를 이용하였으며 시료 포집을 위해 관성충돌방식의 PM₁₀, PM_2.5 Personal Impactor (SKC, Inc.)에 PTFE filter (37 mm diameter, 2.0 ㎛ pore size, SKC, Inc.)를 삽입하였다.

나. 광산란방식 기반 PM₁₀, PM_2.5, 흡입성 분진, 호흡성 분진 측정 장비

시설 내부의 입경별 미세먼지 발생 수준 측정 및 배기구 인근에서의 배출 특성 조사를 위하여 광산란 (Light scattering) 방식의 직독식 광학 입자개수측정기 (Optical Particle Counter, Portable Aerosol Spectrometer, Grimm, Inc.)를 이용하였다.

다. 전기화학식 기반 암모니아 측정 장비

암모니아는 전기화학식 센서 기반 가스 포집장치(MultiRAE lite, RAE System, Inc.)를 이용하여 측정하였다. 해당 장치는 암모니아, 이산화탄소, 황화수소에 대한 측정이 가능하나 본 연구에서는 암모니아에 대한 분석만 실시하였다.

Fig. 1 External and internal view of experimental layer house

3. 실험 방법

산란계사의 입자상, 가스상 물질의 발생 및 배출 특성 조사를 위해 실험 대상 농가 내 직립식 8단 케이지를 사용하는 무창 시설 건물 1개동 (6만 3천수 규모)에서 실험을 실시하였다. 실험 실시 일시는 Table 1에 기재된 바와 같으며, 2021년 실험일의 경우 배출계수 산정을 위한 실험을 추가로 실시하였다.

Table 1 Experiment date and measurement variables

*Measurement for evaluation of emission rate for PM and NH₃ was also carried out

가. 산란계사 내부 입자상, 가스상 물질 농도 측정

지점별 측정을 위하여 Fig. 2에 도시된 바와 같이, 산란계사 중앙부 케이지 사이 복도 3개 지점 (M-1, M-2, M-3) 및 배기구 인근 터널환기팬 전단 3개 지점 (E-1, E-2, E-3)에 PM₁₀, PM_2.5 포집장치 및 가스 센서를 설치하였다. 또한 계사 외부의 배경 농도 측정을 위하여 부지경계 인근에 1개 측정 지점을 선정하였다. 각 실험 장치는 근로자의 평균 호흡기 높이를 고려하여 바닥으로부터 1.5 m 높이에 설치하였으며, 입자상 물질의 경우 NIOSH (National Institute of Occupational Safety & Health) 공정시험법에 의거하여 실험을 실시하였다. 이때 각 시료의 포집시간은 최소 6시간 이상으로 설정하였다. 필터는 실험 전 후 데시케이터에 48시간 이상 보관하여 건조시켰으며 무게 칭량은 최소 분해능 0.001 mg의 전자저울 (Ohaus Discovery Balance, Ohaus Co.)을 이용하였다. 입경별 입자상 물질의 농도는 수식 (1)을 이용하여 산정된다.

Fig. 2 Schematic view of measurement points in layer house

\(\begin{aligned}C=\frac{\left[\left(W S_{p}-W S_{i}\right)-\left(W B_{p}-W B_{i}\right)\right]}{\text { flowrate } \times \text { sampling time }} \times 10^{3}\end{aligned}\)       (1)

여기서, C는 concentration (mg/m³), WS_i, WS_p는 각각 실험 실시 전 후의 필터 무게 (mg), WB_i, WB_p는 각각 실험 전후의 공시료 필터 무게 (mg)를 의미한다. 공기 포집 펌프의 경우 실험 전후의 유량을 각각 3회 이상 측정하여 보정작업을 실시하였다. 흡입성 및 호흡성 분진 측정을 위한 광학 입자개수측정기는 M-2 지점에 바닥으로부터 1.5 m 높이에 설치하였으며 데이터는 6초 간격으로 실시간 측정 및 저장되었다. 또한, 실험 산란계사 내부 온도 및 습도 측정을 위해 M-2, E-2 지점에 HOBO 센서 (UX-011A, Onset, Inc.)를 각각 설치하였다. Fig. 3은 산란계사 내부의 입자상 및 가스상 물질 측정을 위한 포집 장치 및 센서 설치 장면이다.

Fig. 3 Experimental view for measuring PM and NH₃ inside layer house

나. 산란계사 PM₁₀, PM_2.5, NH₃ 배출계수 산정

산란계사의 PM₁₀, PM_2.5, NH₃ 배출계수 산정을 위하여 광학 입자개수측정기 및 가스 센서를 터널 환기팬 전단에 설치하였다. 국내의 경우 가축 사육시설의 배출계수 산정을 위한 공인된 실험 방법론이 확립되지 않아 전반적인 실험 설계는 VERA TEST Protocol에 의거하여 실시하였다 (International VERA Secretariat, 2018). VERA TEST Protocol은 네덜란드, 독일, 덴마크에서 축산시설 및 부대시설의 배출계수 산정을 위한 가이드라인으로 실험 대상 시설의 선정 기준, 오염물질 별 측정 방법, 배출계수 산정 수식 등을 담고 있다. 한편, 해당 가이드라인에서는 PM의 경우 중량법을 기본 실험 방법론으로 설정하되, 광산란 방식 장치 이용 시 주의사항에 대하여 제시하고 있다. 일반적으로 12시간 이상의 장시간 PM 시료 포집에 사용되는 High-volume sampler의 경우 장치 가동 시 발생되는 소음으로 인하여 가축 스트레스가 발생할 우려가 있어, 본 연구에서는 Low-volume sampler를 이용하여 NIOSH 기준에 의거하여 내부 농도 값을 측정하였는데, 해당 방식을 적용하여 배기구 인근에서 연속 측정을 실시할 경우 24시간 기준 3∼4회의 필터 교환을 필요로 한다. 그러나 야간 소등시 연구자의 출입은 가축 스트레스를 가중시켜 산란율에 영향을 미칠 수 있다고 판단되어 광산란방식 장치를 이용하여 연속 측정을 실시하는 것으로 실험을 설계하였다. NH₃의 경우 임핀저 방식을 기본 방식으로 제시하고 있는데, 국내 일반적으로 대기 중 암모니아 농도 측정에 이용되는 인도페놀법(Indophenol) 방식의 경우 수용액의 증발 및 시료 손실을 이유로 5∼15분간의 포집시간을 권장하고 있어 24시간 연속 측정을 요구하는 배출계수 측정 실험에는 적합하지 않다. 따라서 본 연구에서는 전기화학식 센서를 이용하여 연속 측정을 실시하되, 자체적으로 NH₃ 표준가스를 이용 QA/QC를 실시하여 데이터의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 이때 측정 항목은 표준가스 농도 대비 오차율, 응답시간 (Response time)으로 측정 결과를 이용하여 실측값에 대한 보정 및 응답시간을 고려한 데이터 분석 구간 설정을 실시하였다. 광학 입자개수측정기 및 가스 센서는 Fig. 2에 도시된 E-2 지점에 설치하여 24시간 연속 측정을 실시하였다.

한편, 배출계수의 산정은 수식 (2)와 같이 배기구 인근에서 측정한 오염물질의 농도와 외부 (혹은 입기구)에서 측정한 오염물질 농도 차에 환기량을 곱한 후 가축 사육두수로 나누어 주는 방식으로 실시된다.

\(\begin{aligned}E_{i}=\sum \frac{\left(C_{i n}-C_{\text {out }}\right) \times Q}{1,000 \times n}, E_{j}=\bar{E}_{i}\end{aligned}\)       (2)

여기서, E_i는 i 측정일의 배출계수 (g/head/h), C_in은 배기구 인근에서 측정한 오염물질 농도 (mg/m³), C_out은 외부 혹은 입기구 인근에서 측정한 오염물질 농도 (mg/m³), n은 가축 사육 수수 (마리), Q는 환기량 (m³/h), E_j는 배출계수 평균치를 의미한다. 일반적으로 단위 시간 당 배출계수를 산정한 후 24시간 기준 측정값을 합산하여 일당 배출계수를 계산한다.

배출계수 산정 시 필요한 환기량은 자체 제작한 풍량 측정 장치를 이용하여 각 실험 조건 별 값을 산출하였다. 환기량 측정 규정 (AHSRAE Fundamentals, AMCA Publication 203, 40CFR60)에 따라 제작한 압력홀을 통해 터널팬 가동에 따른 전압과 정압의 차이를 차압 측정기 (TSI, DP-Calc 5825, US)로 측정하여 동압을 계산한 후 공기 밀도와 측정부의 면적 정보를 이용하여 수식 (4)에 의거하여 시간별 환기량을 계산하였다.

P_d = P_t - P_s       (3)

\(\begin{aligned}Q=A \times \sqrt{\frac{2 \times P_{d}}{\rho}} \times 3,600\end{aligned}\)       (4)

여기서, A는 측정부의 단면적 (m²), P_d는 동압 (Pa), P_s는 정압 (Pa), P_t는 전압 (Pa), Q는 환기량 (m³/h), ρ는 공기밀도(1.2 kg/m³)을 의미한다.

터널팬 가동 대수를 실험 변수로 고려하여 가동 대수 증가에 따른 압력 부하를 고려한 실제 풍량 정보를 취득하고자 하였으며 각 실험은 3회 반복 수행하였다 (Fig. 4).

Fig. 4 Experimental view for measuring performance of tunnel fan

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 산란계사 내부 입자상, 가스상 물질 측정 결과

가. PM₁₀, PM_2.5 측정 결과

중량법에 의한 실험 산란계사의 PM₁₀, PM_2.5 농도 측정 결과는 Table 2와 같다. 전체 실험 기간에 대한 평균 농도는 PM₁₀의 경우 시설 내부 (케이지 사이 복도)에서 0.66±0.63 mg/m³, 배기구 인근에서 1.14±0.80 mg/m³으로 배기구 인근에서의 농도가 약 1.73배 높게 관측되었다. PM_2.5의 경우 시설 내부 및 배기구에서 각각 0.33±0.45, 0.44±0.37 mg/m³으로 1.3배의 차이를 보였다. 이는 터널환기를 실시하는 경우, 내부에 시설 길이 방향으로 형성되는 유선 (Stream line)을 따라 배기구 인근에 열 및 오염물질이 집적 되는 현상과 밀접한 관련이 있으며 Kwon et al. (2016), Jang et al. (2021)의 논문에서도 유사한 경향이 관측된 바 있다. 그러나 겨울철 측정 결과(Table 2, 3)의 경우 PM₁₀, PM_2.5 관측결과 모두 배기구 인근 보다 시설 내부에서 높은 농도가 관측되었는데, 이는 시설 내부 보온 유지를 목적으로 낮은 설계 환기량이 적용됨에 따라 시설 내부의 오염물질 제거 성능이 원활하게 형성되지 않기 때문으로 추정 가능하다.

Table 2 Measurement results of PM₁₀ concentrations at the experimental layer house by gravimetric method (Unit: mg/m³)

S: Summer; C: Change of seasons; W: Winter

Ave.: Average

Table 3 Measurement results of PM_2.5 concentrations at the experimental layer house by gravimetric method (Unit: mg/m³)

S: Summer; C: Change of seasons; W: Winter

Ave.: Average

실험 산란계사에서 수행된 실험 대부분이 여름철에 집중되어 있으나, 해당 기간 동안의 평균 관측치는 PM₁₀의 경우 시설 내부에서 0.48±0.23 mg/m³, 배기구 인근에서 1.19±0.85 mg/m³으로 겨울철 관측치의 21.3, 74.8% 수준으로 나타났다. 이는 앞서 언급한 바와 같이, 외기 온도 감소에 따라 적온 유지를 위해 낮은 설계 환기량을 적용함에 따라 각종 입자상, 가스상 물질의 배출이 원활하지 않기 때문으로 판단할 수 있으며 Taki et al. (1998), Kwon et al. (2014), Jang et al. (2021)의 결과와도 유사하다.

나. 흡입성 분진, 호흡성 분진 측정 결과

광산란 방식의 광학 입자개수측정기를 이용하여 근로자의 평균 호흡기 높이 (케이지 사이 복도)에서 실시간으로 측정한 흡입성 및 호흡성 분진 농도 결과는 Table 4, 5와 같다. 전체 실험 기간에 대한 시설 내부에서의 흡입성 분진의 평균 농도는 1.14±1.04 mg/m³, 호흡성 분진의 평균 농도는 0.20±0.28 mg/m³으로 관측되었다. Jang et al. (2021)은 강제환기식 육계사를 대상으로 시기별 일령별 흡입성 분진 및 호흡성 분진 농도 관측을 실시하였는데, 해당 연구에서 전체 실험 기간에 대한 흡입성 분진의 평균 농도는 1.46±0.93 mg/m³으로 본 연구에서의 측정값 대비 1.28배 수준으로 측정된 바 있다. Takai et al. (1998), Cambra-Lopez et al. (2010) 등의 국외 연구에서는 상대적으로 입경 분포가 큰 분진의 경우 케이지 사육을 실시하는 산란계사보다 육계사에서 높은 수준의 값이 관측된다고 언급한 바 있다. TSP 혹은 흡입성 분진과 같이 공기역학적 직경이 상대적으로 큰 분진의 경우, 환기시스템 가동에 따라 주변에 형성된 공기 흐름 혹은 닭의 날개 짓 등과 같은 이벤트에 대하여 즉각적인 영향을 받지만, 상대적으로 입경의 크기가 작은 PM₁₀ 혹은 그 이하의 분진, 호흡성 분진의 경우, 해당 이벤트와 관련 없이 변화 폭이 크지 않은 상시 일정한 농도 값을 보이는 경우가 많다고 보고된 바 있다 (Kwon et al., 2016). 또한 평사 사육을 실시하는 육계사의 경우 닭개체들이 자유롭게 이동 및 날개 짓을 할 수 있어 분진 발생원으로부터 다량의 입자상 물질의 발생 및 확산이 일어나며, 케이지 사육을 실시하는 산란계사의 경우 개체의 활동성이 제한됨에 따라 분진이 발생할 수 있는 기회 확률이 극히 작은 것으로 보고된 바 있다 (Takai et al., 1998; Cambra-Lopez et al., 2010). 호흡성 분진의 경우 육계사를 대상으로 한 Jang et al. (2021)의 연구 결과, 0.19±0.14 mg/m³으로 본 연구의 관측치와 유의한 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 앞서 기술한 바와 같이, 흡입성 분진 및 호흡성 분진의 발생 양상은 앞선 선행 문헌들의 결과와 유사한 형태를 띄고 있는 것으로 판단할 수 있다.

Table 4 Measurement results of inhalable dust concentrations at the experimental layer house by light-scattering method (Unit: mg/m³)

S: Summer; C: Change of seasons; W: Winter

Ave.: Average

Table 5 Measurement results of respirable dust concentrations at the experimental layer house by light-scattering method (Unit: mg/m³)

S: Summer; C: Change of seasons; W: Winter

Ave.: Average

계절별 비교의 경우 시설 내부에서 측정한 흡입성 및 호흡성 분진의 여름철 평균 농도는 각각 0.97±0.61, 0.11±0.03 mg/m³ 수준으로 겨울철 측정값 대비 각각 28.57, 12.03% 수준의 값을 보이는 것으로 나타났다.

앞서 언급한 Takai et al. (1998)은 영국, 네덜란드, 덴마크, 독일에 위치한 산란계 사육시설에서 흡입성, 호흡성 분진 농도 측정을 실시하였으며 4개국 평균에 대하여 각각 1.22±0.43, 0.14±0.10 mg/m³으로 보고하였다. 흡입성 분진의 경우 본 연구의 측정치가 Takai et al. (1998)의 결과 대비 6.5% 낮은 것으로, 호흡성 분진의 경우 42% 높게 측정된 것으로 나타났다. Takai et al. (1998)은 해당 관측치에 대하여 실제 측정을 실시 한 시간대 (낮, 밤)로 구분하여 제시하였는데 본 연구의 측정이 실시된 낮 시간대에 한정할 경우 케이지 사육 형태를 띄는 산란계사의 흡입성 분진 측정값은 1.51 mg/m³으로 본 연구의 결과치보다 약 32.4% 높은 것으로 나타났다.

다. 암모니아 측정 결과

전기화학식 센서를 이용하여 시기별 측정한 NH₃의 측정 결과는 Table 6과 같다. 전체 실험 기간에 대한 NH₃ 평균 농도의 경우, 시설 내부에서 7.52±5.27 ppm, 배기구 인근에서 9.68±6.38 ppm으로 앞선 측정 결과와 마찬가지로 배기구 인근에서 평균적으로 높은 농도 값을 보이는 것으로 나타났다. 측정일별 세부 관측 결과를 살펴보면, 겨울철 시설 내부에서 측정한 NH₃ 농도가 배기구 인근보다 높게 관측된 것은 앞선 PM 관측 사례와 유사한 양상을 보이는 것으로 판단할 수 있으나, 2021년 6월 16일 관측치의 경우 예외적으로 시설 내부에서 상대적으로 높은 농도 값을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 2021년 여름철 관측치의 경우 외기에서의 NH₃ 평균 관측값이 3.06±3.74 ppm 수준으로 이전 관측시기 대비 크게 상승한 것을 확인할 수 있는데, 이는 당시 실험 산란계사의 분뇨 처리장의 컴포스트 장치 고장으로 인하여 분뇨에 대한 고속 발효 작업을 실시하지 못해 고농도의 NH₃가 농장 주변에 확산된 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라 2021년 관측치를 제외하고 계절별 비교를 실시할 경우, 여름철 평균 NH₃ 농도는 시설 내부에서 3.78±3.05 ppm, 배기구 인근에서 5.99±3.91 ppm로 겨울철 관측치 대비 시설 내부의 경우 3% 감소한 것으로 반면, 배기구 인근의 경우 149% 증가한 것으로 나타났다. 앞선 PM 사례와 측정지점 별로 다른 경향을 보이는 데는 NH₃와 같은 가스상 물질의 물리적 확산 거동이, 입자상 물질과 상이할 수 있다는 점이 주원인이 될 수 있으나, 실험 조건을 고려해볼 때 NH₃의 주요 발생원이라고 볼 수 있는 산란계사의 분뇨벨트의 가동 시점 또한 큰 영향을 미쳤을 것이라 추정할 수 있다. 이는 향후 후속 연구를 통해 보완될 요소로 판단된다.

Table 6 Measurement results of NH₃ concentrations at the experimental layer house by gravimetric method (Unit: ppm)

S: Summer; C: Change of seasons; W: Winter

Ave.: Average

2. 산란계사 입자상, 가스상 물질 배출계수 산정 결과

가. 환기팬 성능 측정 결과

자체 제작한 풍량 측정장치를 이용하여 터널 배기팬 가동 대수 증가에 따른 실제 풍량 정보 취득 결과는 Fig. 5에 도시된 바와 같다. 가동 대수가 2, 3, 5, 10, 25, 32대로 늘어남에 따라 50인치 터널 배기팬 1기의 풍량은 16,582.77±95.88 m³/h에서 각각 0.55, 1.75, 5.27, 15.65, 25.19, 42.61, 53.71% 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 환기팬 가동 대수에 따른 실제 환기량 산출을 위하여 Fig. 5에 도시된 회귀식 (R²=1.00)을 이용하여 터널팬 1대의 실제 풍량 값에 실제 가동 대수를 곱하여 전체 환기량 값을 결정하였다.

Fig. 5 Fan-performance curve according to number of operating tunnel-exhaust fan

나. 배출계수 산정 결과

Fig. 6은 2021년 7월 22일 (a) 및 2021년 8월 24일 (b)에 측정한 PM₁₀, PM_2.5의 시간별 배출계수 산정 결과이다. Fig. 6에 도시된 바와 같이, 점등이 실시되는 순간 배출계수가 급격히 증가하였으며 8월 24일 관측치의 경우 소등 이후, 다시 급격한 감소 경향을 보여주는 것으로 나타났다. 이는 Qi et al. (1992), Ellen et al. (2000), Mitchell et al. (2002)이 조명 및 외부 태양광의 유입으로 인한 광량의 증가에 따라 사육시설 내부의 가축이 수면 상태에서 벗어나 활동량이 증가하여 그에 따른 날개 짓, 배변활동, 급이 활동 발생 확률이 증가하면서 시설 내부의 분진 농도에 영향을 미친다고 언급한 사례와 일치하는 결과로 판단할 수 있다. 또한, 사료 급이 라인이 작동한 시각 또한 일시적으로 내부 분진 농도 증가와 함께 배출계수 증가 경향을 보이는 것으로 나타나, 가축의 활동성이 증가되는 주간에 야간 대비 높은 배출 계수 값을 보이는 경향을 확인할 수 있었다. Fig. 6에 도시된 7월 22일 (a)의 결과 대비 8월 24일 (b)의 결과에서 상대적으로 높은 배출 계수 분포를 보이는 데는, 열 환경의 차이; (a) 시기의 경우 평균 온도 29.62±2.21℃, 최고 온도 33.46℃, (b)의 경우 (a) 대비 다소 낮은 평균 온도 29.00±1.83℃, 최고 온도 31.92℃, 혹은 계분 벨트에 누적된 분뇨의 양 등에서 그 원인을 찾을 수 있다.

Fig. 6 PM₁₀ and PM_2.5 emission rate (kg/h) according to time series at 2021. 7. 22 (a) and 2021. 8. 24 (b)

Table 7은 PM₁₀ 및 PM_2.5 배출계수 산정 결과이다. 일반적인 산란계 농가의 사육 주기 (72주 전후, 많게는 90주 전후)를 고려하여, 연중 출하 없이, 고르게 사육을 실시한다고 가정하여, 연간 배출 계수를 산출하면 PM₁₀은 평균 0.046±0.029 kg/head/year, PM_2.5는 평균 0.007±0.004 kg/head/year 수준으로 산정되었다. 각 실험 당일 환기량을 토대로 시설 전체 공기 교환량을 산정한 후 PM₁₀, PM_2.5 배출계수 산출 결과와 비교해보면, PM₁₀의 경우 공기 교환량 증가에 따라 약한 양의 상관성 (R²=0.44)를 보이는 것으로 PM_2.5의 경우 특정 경향(R²=0.07)을 따르지 않는 것으로 나타났다. 이는 앞서 언급한 바와 같이, 상대적으로 직경이 큰 분진일수록 주변에 형성되는 공기 흐름 및 유선의 영향을 받는 다는 선행 연구 결과와 유사한 결과를 보이는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 상대적으로 시설 전체 공기 교환량 및 교환횟수가 급격히 감소하는 환절기 및 동절기에는 본 연구 결과 대비 상대적으로 작은 배출계수가 도출될 것이라 추정 가능하다. CAPSS에 제시된 산란계 배출계수와 비교할 경우, PM₁₀은 0.052 kg/head/year, PM_2.5는 0.0068 kg/head/year로 본 연구를 통해 도출된 PM₁₀ 배출계수는 0.046±0.029 kg/head/year로 CPASS 대비 약 12% 낮은 것으로 나타났으며 PM_2.5의 배출계수는 0.0068±0.0038 kg/head/year로 CAPSS와 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 단, 상대적으로 시설 전체 공기 교환량 및 교환횟수가 급격히 감소하는 환절기 및 동절기에는 본 연구 결과 대비 상대적으로 작은 배출계수가 도출될 것이라 예상되며, 연중 측정값을 이용하는 산정 방법론을 고려할 경우, 최종 배출계수는 CAPSS 대비 상대적으로 적은 값을 보일 것이라 추정 가능하다.

Table 7 PM₁₀ and PM_2.5 emission rate at experimental layer house

Table 8은 NH₃의 배출계수 산정 결과이다. NH₃의 경우, 평균 0.259±0.247 kg/head/year로 산정되었으나 8월 24일 실험일의 경우, 실험 진행 중 약 2시간 동안 계분 벨트가 가동되어 평균 19.27±10.85 mg/m³으로 익일 측정치 4.88±0.69 mg/m³ 대비 약 3.95배 증가한 값을 보였다. 계분 벨트 가동 시 벨트 위에 산재하는 분뇨로부터 다량의 암모니아가 공기 중으로 휘산하여 높은 농도를 보일 수 있다. 그 외 타 실험일의 경우 계분 벨트 가동이 되지 않은 것으로 확인 되었으며, 일반적인 산란계사 농가에서 계분 벨트 가동은 일주일에 1회 혹은 2회 정도 실시하는 것을 고려하여 해당 결과를 제외하고 다시 평균값을 취할 경우, 0.159±0.031 kg/head/year의 배출계수가 산출되었다. 8월 24일의 결과치를 제외하고 전체 공기 교환량 대비 암모니아 배출계수 산정 결과를 도시하면, 앞선 PM 사례와 달리 음의 상관성 (R²=0.48)을 띄는 것으로 나타났다. 이는, 환기량이 증가한다는 것은 내부 및 외부 기온이 높아졌음을 간접적으로 시사하며, 공기 온도의 증가는 암모니아의 확산성을 가속화시킨다는 점에서 그 원인을 추론할 수는 있으나, 주변 공기 온도, 유속과 암모니아의 확산성, 배출 flux의 특성과 관련하여 추후 심도 깊은 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Table 8 NH₃ emission rate at experimental layer house

NH₃ 배출계수의 경우 CAPSS에서 제시된 0.37 kg/head/year 대비 약 51% 감소한 0.159±0.031 kg/head/year 수준으로 산정되었다.

Ⅳ. 결론

본 연구에서는 강제환기식 산란계 사육시설을 대상으로 PM₁₀, PM_2.5, 흡입성 분진, 호흡성 분진, NH₃의 내부 농도 수준을 평가하고, PM₁₀, PM_2.5, NH₃에 대한 배출계수를 산정하였다. 국내⋅국외 선행 연구 사례와 유사하게 계사 내부보다 배기구에서 상대적으로 높은 오염물질 농도 값이 관측되었으며, 이는 터널환기를 실시하는 시설 내부에 형성되는 유선과 오염물질의 이동 형태와 밀접한 관련이 있다.

유럽에서는 양계시설의 근로자의 작업환경과 밀접한 관련이 있는 흡입성 및 호흡성 분진에 대해 각각 2.40, 0.16 mg/m³의 허용 노출 기준을 제시하고 있는데, 본 연구 결과, 겨울철의 경우 시설 내부에서, 여름철의 경우 배기구 인근에서 기준치 이상의 값이 관측되는 것으로 나타났으며 사람의 호흡 과정에서 폐 속까지 침투가 가능한 호흡성 분진의 경우 배기구 인근에서 시기와 상관없이 기준치 이상의 값이 관측되는 것으로 나타났다. 따라서 시기별, 지점별 작업 상황을 고려하여 마스크와 같은 개인 보호구 착용이 권장되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 암모니아의 경우 국내에서 시간가중평균노출 기준 25 ppm을, 단시간 노출기준 35 ppm을 제시하고 있는데, 산란계 사육을 실시하는 평상시 평균 농도의 경우 해당 기준치를 쉽게 초과하지 않으나, 계분 벨트 가동 시 이후 약 3∼4 시간가량 단시간 노출 기준을 쉽게 상회하는 암모니아 농도가 관측될 수 있는 것으로 나타나, 해당 작업 시, 근로자의 시설 내부 출입을 자제하도록 권장해야 될 것으로 판단된다.

PM₁₀, PM_2.5 배출계수의 경우, 국내 고유값이 부재하여 유럽의 CORINAIR 값을 그대로 차용하고 있는데, 해당 계수의 실제 단위가 국내에서 주로 사용하는 단위와 상이하나 산란계의 사육 주기를 고려하면 동일 단위로 간주하여 상대 비교가 가능하다. 본 연구를 통한 최종 산출 결과는 PM₁₀ 배출계수의 경우 0.046±0.029 kg/head/year로 CAPSS 대비 약 12% 낮은 것으로, PM_2.5의 배출계수는 0.0068±0.0038 kg/head/year로 CAPSS와 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. NH₃ 배출 계수의 경우 CAPSS 대비 약 51% 감소한 0.159±0.031 kg/head/year 수준으로 산정되었다. 다만, 본 연구에서 측정한 배출계수의 경우, 하절기를 기준으로 산정된 값으로써, 일반적으로 시간당 공기 교환량이 급격하게 감소하는 환절기 및 동절기의 경우 낮은 배출계수 값이 도출될 것으로 추정 가능하여 이를 고려할 시 연중 배출계수 값은 낮아질 것으로 전망될 수 있다.

본 연구를 통해 산란계사 내부의 입자상, 가스상 물질의 발생 및 배출 특성을 파악할 수 있었으며, 그간 실시되지 않았던 국내 고유 배출계수 산정을 시도했다는 데서 의의를 찾을 수 있다. 향후 지속적인 현장 모니터링을 토대로 시설 미기상, 계분 벨트 가동 등과 같은 시설 운영 조건 대비 발생 및 배출 특성에 대한 후속 연구를 기대하며, 환절기, 동절기의 배출계수 산정을 토대로 국가 고유 배출계수 산정을 기대할 수 있다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 연구사업 (세부과제번호: PJ01424803)의 지원 사업과 2021년도 농촌진흥청 국립축산과학원 전문연구원 연수과정 지원사업에 의해 이루어진 것으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.