Ⅰ. 서 론
지속적인 고농도 미세먼지의 심각성에 직면하여 정부는 대기오염물질의 관리와 대기환경 개선을 정책적으로 수행하여 국내 대기질은 전반적으로 개선되는 것으로 평가되고 있다 (Kim et al., 2020). 이와 같은 개선 노력으로 미세먼지 (PM10)의 국내 배출량은 꾸준한 감소 추세를 보이고 있으나, 초미세먼지의 경우 OECD 회원국 중에서 여전히 나쁨 수준에 머물고 있고 고농도사례도 빈번히 발생하여 전반적인 대기 개선 효과는 아직 만족할 수준에 이르지는 못하였다 (Shin et al., 2017). 따라서 대기오염물질의 배출원별 체계적인 관리가 절실히 필요하다.
농업 부문에서 발생하는 대기오염물질 중 주요 관심 대상은 미세먼지와 암모니아이다. 암모니아는 그동안 생활 악취를 유발하는 물질로 분류되어 관측이 수행되었으나 (Lim, 2019), 최근 2차 생성 초미세먼지를 생성하는 주요 전구물질로 지목되어 관심이 집중되고 있다 (Choi et al., 2019, Shim et al., 2020), 국가미세먼지정보센터는 2017년 기준 308,298 ton의 암모니아가 배출된 것으로 보고하였으며 (NAPES, 2019), 이 중 농업 부문 배출량이 전체의 77%가량을 차지하고 있는 것으로 조사되어 농업 부문 암모니아 배출 관리의 중요성이 증대되고 있다.
국립환경과학원의 대기정책지원시스템 (Clean Air Policy Support System; CAPSS)은 대기오염물질 배출원을 13개 항목으로 구분하고, 8가지 항목에 대한 대기오염물질 인벤토리를 구축하고 있다. 이 중 농업 부문 암모니아 배출원은 크게 농경지 비료 사용과 축산분뇨관리 항목으로 양분되어 있고, 세부 분류체계는 유럽에서 개발된 CORINAIR 체계를 차용하여 국내 실정에 부합하도록 조정하였다. CAPSS는 암모니아 배출계수를 축산분뇨관리 항목에 대해 17종의 가축 종별로 인벤토리를 구축하여 배출량 정보를 제공한다. 그러나 CORINAIR 및 US EPA와 같이 배출량 산정 시 암모니아 및 미세먼지 배출계수를 분뇨 발생, 저장, 처리, 퇴액비 살포 등의 항목으로 구분하여 반영하지 못하는 한계가 있다. CAPSS에서 농업 부문 미세먼지 배출원 체계는 비산먼지 항목에 분류되어 총 부유물질 (Total Suspended Particulate Matters, TSP)과 PM10, PM2.5에 대한 배출계수 인벤토리가 구축되어 있고, 축종은 한우, 닭, 돼지에 대해서만 제공하고 있다. PM10 및 PM2.5의 배출계수는 CORINAIR 2006의 값을 적용하고 있어, 미세먼지 배출계수 또한 국내 실정에 맞는 값의 도출이 요구된다. 또한 CAPSS에서 제공하는 배출계수는 분뇨관리 항목에 국한되어 있어 시설 내부에서 발생하는 대기오염물질 배출량 산정에 한계가 있다.
이와 같이 CAPSS에서 제공하는 배출계수 자료는 국외 자료에 기반한 경우가 많아 축산활동 및 분뇨처리 등의 방식이 상이한 국내 배출량 산정에 그대로 적용하는 데 어려움이 있다. 암모니아 및 미세먼지 배출은 온도, 습도, 강수와 같은 기상 환경에 영향을 많이 받는 것으로 알려진 바 있는데, 국외 배출계수를 그대로 적용할 때 배출량이 과대 또는 과소하게 평가될 수 있다는 우려가 있다 (Shim et al., 2020).
축산시설 중 양돈시설은 특히 다른 축종에 비해 대기오염물질의 배출량이 큰 것으로 알려져 있다 (국립환경과학원, 2015; Shin et al., 2017). 양돈시설에서 발생하는 미세먼지의 경우 대부분의 연구는 실내 미세먼지 농도를 측정하였으며, 배출량을 평가한 연구는 많지 않다 (Cambra-López et al., 2010). Winkel et al. (2015)는 네덜란드의 16개 돈사에서 PM10 과 PM2.5의 배출계수를 측정하였다. 돈사 시설 내부의 미세먼지 농도와 시설의 환기량을 측정하여 곱하여 돼지 마리당 7.3-22.5 mg h−1의 PM10 과 0.21-1.56 mg h−1의 PM2.5이 배출되는 것으로 산정되었다. 한편 배출량 실측의 어려움으로 인해 동적 모델을 이용하여 배출량을 예측한 사례도 있다 (Angelika et al., 2008).
양돈사의 암모니아 배출계수 산정은 다양한 사례를 살펴 볼 수 있는데 영국 (Demmers et al., 1999; Groot Koerkamp et al., 1998)과 독일 (Hinz and Linke, 1998), 벨기에 (Philippe et al., 2007)에서 양돈시설 내부의 배출량을 측정하여 배출계수를 산정한 사례가 보고 된 바 있다. 이들이 제시한 배출계수는 2.07–4.8 kg animal -1 yr-1 정도의 값을 보이고, 환기 방식과 사육되는 돼지의 무게, 시설 내 온도 등 사육 환경과의 관계를 규명하고자 노력하였다. 부분 슬랏 형식의 양돈사에서 육성돈이 비육돈으로 자라는 기간 동안 암모니아 배출량 패턴을 분석한 연구도 수행된 바 있다 (Aarnink et al., 1995).
국내에서는 축산분뇨에서 발생하는 암모니아 발생 기작을 평가하기 위해 플럭스 개념을 도입한 연구가 수행된 바 있다 (Jeon et al., 2005; Sa, 2010). 이 연구에서는 양돈시설 및 우사에서 발생하는 축산분뇨 처리 과정에서 발생하는 암모니아의 거동을 평가하기 위해 동적 플럭스 챔버를 제작하여 발생량을 평가하고, 배출계수를 산정한 바 있다. 또한 온도에 민감한 암모니아의 확산을 평가하기 위해 온도 및 습도와 같은 환경 요인을 고려했다는 점에서 의의가 크다. 다만 이들 연구 또한 시설 내부에서 유발되는 암모니아 및 미세먼지 발생 환경을 측정하지 못했다는 한계가 있다.
본 연구의 목적은 국내 양돈시설 내부에서 발생하는 암모니아 및 미세먼지 인벤토리의 합리적 구축을 위해 국내외 인벤토리 현황을 비교 분석하고, 현장 모니터링을 수행하여 돈사 내부에서 발생하는 암모니아 및 미세먼지 배출량 평가 및 배출계수를 산정하는 데 있다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 국내외 축산활동에 따른 암모니아 및 미세먼지 배출계수 산정 사례
가. 암모니아 배출계수 산정 사례
국내 축산활동 중 양돈시설에 대한 암모니아 배출계수는 CAPSS에서 제공한다. Table 1에서 보는 바와 같이 CAPSS에서 제공하는 배출계수는 자돈, 육성돈, 비육돈, 모돈으로 구분되어 있고, 가축분뇨 처리에 대해 2008년 국립환경과학원 (NIER)에서 보고한 배출계수를 활용한다. 양돈시설 내부에서 발생하는 암모니아 배출량 및 퇴액비 시비 후 발생하는 배출량을 평가하기 위한 배출계수 인벤토리는 별도의 산정 결과가 마련되지 않아 국내 실정에 맞는 배출계수가 추가되어야 할 필요가 있다.
Table 1
Literature overview of emission factors for ammonia
유럽의 CORINAIR 2006은 비육돈과 모돈에 대한 배출계수를 산정하였다. CORINAIR는 양돈시설의 분뇨수집방식과 저장방식, 이후 퇴액비 시비 후에 발생하는 암모니아 배출까지 고려한 배출계수를 구분하여 제공한다.
미국 US EPA 배출계수 기준은 돈사의 경우 분류체계를 라군을 이용한 시설과 deep-pit 형식을 취하는 시설로 구분하는 것이 특징이다. 또한 총 암모니아 배출량 (kg yr-1)을 Carnegie Mellon University (CMU) 모델의 산정법을 따르고, 이를 토대로 배출계수를 산정한다. 여기에 동일 축종에 대한 배출량 산정이라 하더라도 지역마다 개별적인 자체 배출계수를 적용하도록 하며, 일별 (daily) 또는 월별 (monthly) 단위로 시간적 범위를 다르게 적용한다는 특징을 가진다.
나. 미세먼지 배출계수 산정 사례
축산활동에서 발생하는 미세먼지는 가축에 급이하는 사료와 축산분뇨가 시설 내부에서 건조된 후 가축의 활동에 따른 비산에서 기인한다 (Heber et al., 1988). 축산활동에서 발생하는 미세먼지 배출 항목은 TSP, PM10, PM2.5 항목으로 나뉘고, 각 항목에 대해 가축분뇨 수집 방법에 따라 깔짚 (litter)형식과 슬랏 (slats)형식으로 구분하여 배출계수를 산정하여 배출량을 추산한다.
국립환경과학원은 2008년 농업 부문이 아닌 비산 먼지 항목에서 축산활동에 의한 미세먼지 배출계수 자료를 제공하고 있다. TSP 배출계수는 국내 개발 자료이며, 그 밖에 PM10, PM2.5 배출계수는 유럽의 CORINAIR 2006에서 제공하는 배출계수 자료를 적용하고 있다. CORINAIR 2006은 자돈, 비육돈, 모돈에 대한 배출계수를 제공하는데, 국내 분류체계는 육성돈과 비육돈을 구분하고 있어 육성돈의 배출계수는 비육돈 자료를 그대로 차용하였다.
EEA 2016에서는 분뇨수집방식에 대한 구분을 두지 않고, 자돈, 비육돈, 모돈에 대한 배출계수만을 제공하고 있다. 또한 연중평균개체수 (Annual Average Population; AAP) 개념을 도입해 배출계수를 산정하였기 때문에 상세한 배출량 산정에는 어려움이 있을 것으로 판단된다.
Table 2
Literature overview of emission factors for particulate matters
| Animal category | Housing type | CAPSS1) | CORINAIR 20061) | EEA 20162) | ||||||
| TSP | PM10 | PM2.5 | TSP | PM10 | PM2.5 | TSP | PM10 | PM2.5 | ||
| Weaners | Litter | 0.540 | 0.180 | 0.029 | - | - | - | 0.270 | 0.050 | 0.002 |
| Slats | - | 0.180 | 0.029 | |||||||
| Growing pigs | Litter | 1.260 | 0.420 | 0.069 | - | - | - | - | - | - |
| Slats | - | - | - | - | - | - | ||||
| Fattening pigs | Litter | 1.260 | 0.420 | 0.069 | - | 0.500 | 0.081 | 1.050 | 0.140 | 0.006 |
| Slats | - | 0.420 | 0.069 | |||||||
| Sows | Litter | 1.350 | 0.450 | 0.073 | - | 0.580 | 0.094 | 0.620 | 0.170 | 0.010 |
| Slats | - | 0.450 | 0.073 | |||||||
2. 현장 실험을 통한 암모니아 및 미세먼지 배출량 평가
가. 대상 농장 현황 및 기상 개황
양돈시설 내부의 암모니아 및 미세먼지 발생량을 측정하기 위해 실험 농장은 전라북도 정읍시에 위치한 농장 A와 전라남도 장성군에 위치한 농장 B를 선정하였다. 농장 A는 자돈, 육성돈, 비육돈을 총 6,000두 정도를 사육하고, 농장 B는 총 9,000두를 사육하고 있다. 분뇨처리 방식은 두 농장 모두 피트 타입이다.
육성돈은 농장 A에서 암모니아 및 미세먼지 발생량을 측정하였고, 자돈과 비육돈에 대해서는 농장 B에서 측정하였다. 실험 농장의 세부 정보는 Table 3과 같다. 측정 기간은 2019년 9월부터 2020년 9월까지이며, 총 15회에 걸쳐 측정하였다. 측정 시기별 양돈시설 내부 및 외부의 온⋅습도는 Table 4와 같다.
Table 3
Overview of farms, ventilation system and housing type
Table 4
Average indoor and outdoor temperature and relative humidity during field measurements
나. 암모니아 및 미세먼지 포집 실험 방법
1) 암모니아 및 미세먼지 포집 장치 및 측정 위치
암모니아 농도 측정은 실시간 암모니아 센서 (Gastiger 2000, Wandi, China)를 이용하여 0.6 L/min의 유량으로 0.1 ppm 단위로 암모니아 농도를 측정하고, 5초 간격으로 기록하여 수집하였다.
미세먼지의 측정은 TSP, PM10, PM2.5를 대상으로 하고, 중량법으로 측정하였다. 중량법은 건조된 필터에 공기를 흡입하여 통과시켜 미세먼지를 필터에 포집하고, 이후 무게 차이를 공기 흡입량으로 나누어 미세먼지의 농도를 측정하는 방법이다. TSP는 PVC 필터 (공극 5.0 μm, 직경 37 mm)를 2단 카세트홀더 (Filter cassettes, SKC Inc., USA)에 넣고 소형 공기포집기 (AirChek, SKC Inc., USA)에 연결하여 2 L min-1의 유량으로 포집하였다. PM10과 PM2.5는 PTFE 필터 (공극 2.0 μm, 직경 37 mm)를 PEM 임펙터 (Personal Environmental Monitor, SKC Inc., USA)에 넣고 동일 공기포집기에 연결하여 4 L min-1의 유량으로 포집하였다.
미세먼지와 암모니아의 포집 및 측정은 일반적으로 10시 이전에 장치 설치 후 17시까지 거치하여 6시간 이상 수행하였으며, 포집된 미세먼지 및 필터의 중량은 30-35%의 상대습도가 유지되는 챔버 내에 24시간 이상 건조시켜 정밀저울 (BM-22, AND weighing Inc., Japan)로 1 μg 단위로 계측하였다. 미세먼지의 농도는 식 (1)에 의해 계산된다. 실험 중 필터 운반과정 및 시료 전처리 과정 등에서의 미세한 필터 무게 변화에 따른 불확실한 오차를 보정하기 위하여 공시료를 활용하였다.
여기서, 
은 미세먼지의 농도 (μg/m3), 
와 
는 각각 포집 필터와 공시료 필터의 무게 (μg), 
는 공기펌프의 흡입 유량 (m3/s), 
는 포집 시간 (s), 아래첨자 
와 
는 각각 실험 후와 실험 전을 의미한다.
양돈시설의 암모니아 및 미세먼지 배출량 측정을 위해 앞서 기술한 포집 장치를 각 시설의 환기 배출구 안쪽 면에 설치하여 시설에서 배출되는 암모니아 및 미세먼지의 농도를 측정하였다 (Fig. 1). 배출구에는 동일한 포집 장치를 2세트를 설치하여 평균값을 산정하였다. 또한 농장 내 시설 외부에서도 동일한 포집 장치를 설치하여 시설 내부로 유입되는 외부 공기의 암모니아 및 미세먼지 농도를 측정하였다. 모든 측정 지점에는 온습도 로거 (Hobo MX2301A, Onset instruments, Massachusetts, USA)를 설치하여 실험 기간동안 온도와 상대습도를 측정하였다.
2) 시설 환기량 측정 및 배출계수 산정
미세먼지와 암모니아의 배출량은 환기 배출구에서 측정된 미세먼지와 암모니아의 농도에 측정 시간 동안의 총 환기량을 곱하여 산정된다. 따라서 배출량 및 배출계수의 산정을 위해서는 환기팬을 통한 환기량을 산정이 필수적이다. 본 연구가 수행된 농장 A와 농장 B는 모두 무창돈사로 벽과 굴뚝에 설치된 환기팬에 의해 환기가 진행된다. 두 농장 모두 여러 대의 환기팬이 각기 다르게 작동하며 시설 내부 온도에 따라 수시로 변화한다. 특히 배기 팬의 작동은 자동화 설비로 운영하는데, 이때 팬들의 작동 상황을 모니터링 할 수 있는 기반 시스템이 제공되지는 않아, 실험 기간동안 다수 환기팬의 작동 상황을 모니터링 할 필요가 있었다. 따라서 실험 기간동안 배기 팬을 모두 확인할 수 있도록 비디오 영상을 촬영하고, 이를 이미지 분석하여 시간에 따른 배기 팬의 작동현황을 모니터링 하였다 (Fig. 2(a)). 각 배기 팬의 환기 유량은 후드형 덕트 풍량계 (Flow hood Testo 420, Testo, Inc., Germany)와 베인 풍속계 (SHT 100 & AMI310, Kimo Instruments, France)를 사용하여 실측하였으며 (Fig. 2(b)), 배기 팬의 작동현황과 각 배기 팬의 유량을 곱하여 대상 시설의 시간에 따른 환기량을 산정하고 실험 시간 동안의 총 환기 배출량을 산정하였다. 전체 실험의 평균 환기 배출량은 Table 5와 같다.
Table 5
Estimation of total ventilation rate during field experiments
| Ventilation Volume (m3 h-1) | ||
| Mean | Range | |
| Weaners | 7,614.91 | 699.71-14,982.03 |
| Growing pigs | 8,688.62 | 9.95-11,270.00 |
| Fattening pigs | 212,434.35 | 10,838.87-318,073.00 |
미세먼지와 암모니아의 배출계수는 실험 시간 동안 산출된 시설에서의 총 배출량을 실험 당시의 동물 수로 나누고 연 단위로 환산하여 kg animal-1 yr-1 단위로 표현하였다. 연 단위로 환산 시 자돈, 육성돈, 비육돈의 사육 기간은 각각 2개월 이하, 2-4개월, 4-6개월로 구분하였다 (MAFRA, 2005).
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 암모니아 및 미세먼지 배출계수 산정 결과
본 연구에서는 자돈, 육성돈, 비육돈을 대상으로 양돈시설 내부에서 발생하는 암모니아 및 미세먼지 배출량을 측정하고, 그 결과를 토대로 대상 양돈시설의 배출계수를 산정하였다. 분석 항목인 암모니아, TSP, PM10, PM2.5에 대한 배출계수는 Fig. 3과 같이 산출되었다.
Fig. 3
Box plots for measured emission factors of ammonia and particulate matters (blue square dots and red circle dots indicate the mean of the data and the data not included between the whiskers, respectively)
자돈사의 암모니아 배출 농도는 평균 3.70 ppm으로 관측되었고, 육성돈사의 경우 4.88 ppm, 비육돈사 2.14 ppm으로 각각 관측되었다. 이를 토대로 암모니아 배출계수를 산정한 결과는 Fig. 3(a)와 같으며, 자돈 0.225 kg animal-1 yr-1, 육성돈 0.869 kg animal-1 yr-1, 비육돈 1.679 kg animal-1 yr-1로 산정되었다. 암모니아 배출은 일반적으로 피트 하부 가축분뇨로부터 유발하는 것으로, 가축의 성장에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. Fig. 3(a)의 배출계수 산정 결과로 살펴보면 육성돈 및 비육돈의 배출계수가 자돈사에 비해 산정 범위가 넓게 분포한 것을 알 수 있다. 배출계수가 가장 큰 비육돈사를 중심으로 살펴보면 자돈사의 암모니아 배출계수는 비육돈사의 13.41%, 육성돈사는 51.71% 정도의 값을 보이는데, 이는 일령이 적을수록 돈사 규모가 작고, 사육 가축 수가 적으며, 성돈에 비해 시설 내 관리가 세심하게 이루어지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 배출계수는 농도와 환기량의 관계로 산정되는 값으로, 양돈시설 내부의 환기량이 배출계수 산정에 크게 기여한다. 이에 따라 자돈사와 비육돈사의 암모니아 배출계수를 비교할 때 비육돈사의 암모니아 농도가 낮지만 자돈사에 비해 월등히 높은 환기량에 기인하여 배출계수는 자돈사보다 크게 산정된 것으로 사료된다.
TSP 농도는 자돈사 207.04 ㎍ m3 h-1로 측정되었고, 육성돈사 781.77 ㎍ m3 h-1, 비육돈사 92.56 ㎍ m3 h-1으로 각각 관측되었다. 이 관측 자료를 기반으로 산정한 TSP 배출계수는 자돈사 0.023 kg animal-1 yr-1, 육성돈사 0.237 kg animal-1 yr-1, 비육돈사 0.241 kg animal-1 yr-1이다. TSP 배출계수는 자돈사의 배출계수가 비육돈사에 9.50%로 작은 값을 보였고, 육성돈사는 비육돈사의 98.66%로 비슷한 수준을 보였다. 자돈사 는 타 돈사에 비해 습도가 높게 유지되는 편이며, 본 연구의 측정치도 61.6%로 육성돈사와 비육돈사의 상대습도 58.1%, 57.1%보다 높게 측정되었다. 육성돈사와 비육돈사의 배출계수는 유사하게 산출되었고, 육성돈사의 분산이 상대적으로 크게 평가되었다.
PM10은 자돈 0.017 kg animal-1 yr-1, 육성돈 0.072 kg animal-1 yr-1, 비육돈 0.223 kg animal-1 yr-1로 산정되었으며, 자돈사와 육성돈사의 자료 분포의 관측 범위는 암모니아 배출계수와 비슷한 형태를 따르는 것으로 평가할 수 있으며, 비육돈사의 경우 관측치가 좌편향 된 것으로 분석되었다. 비육돈사 배출계수 대비 자돈사는 7.82%, 육성돈사 32.13%로 자돈사는 TSP와 유사한 거동을 보였으나 육성돈사의 배출계수는 큰 폭으로 감소한 것을 알 수 있다.
PM2.5는 자돈 0.011 kg animal-1 yr-1, 육성돈 0.016 kg animal-1 yr-1, 비육돈 0.151 kg animal-1 yr-1로 산정되었다. 이는 비육돈사 대비 자돈사 7.58%, 육성돈사 10.55%에 해당하는 값으로 PM10과 유사한 형태를 보였다.
TSP와 PMs는 시설 내부에서 발생하는 분진으로 가축에게 공급되는 사료 급이에 의해 유발된다. 자돈은 육성돈사로 이동하기 전까지 습식 사료를 혼용하여 급이하고, 상대적으로 적은 양을 급이하므로 입자상 물질의 배출이 적은 것으로 사료된다. 또한 자돈에서 육성돈을 거쳐 비육돈이 되면 가축의 움직임이 커지고, 돈사의 크기 및 사료 급이량이 증가하여 실내에서 발생하는 분진량도 증가하는 것으로 보인다.
2. 국내외 암모니아 및 미세먼지 배출계수와 비교 분석
본 연구에서 산정한 양돈시설 내부에서 발생하는 암모니아 및 미세먼지에 대한 배출계수를 CAPSS 및 국외 배출계수 산정 사례와 비교 분석하였다.
가. 암모니아 배출계수와 비교 분석
암모니아 배출계수에 대한 CAPSS 국외 자료를 살펴 볼 때 자돈과 육성돈을 대상으로 수행한 연구는 미흡한 수준이었고, 비육돈을 주요 대상으로 연구된 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 양돈시설의 내부에서 발생하는 배출량을 대상으로 암모니아의 배출계수를 산정하였는데, CAPSS에서는 분뇨관리에서 유발하는 배출량에 대한 배출계수를 배포하고 있다. CAPSS 제공 비육돈 암모니아 배출계수는 6.39 kg animal-1 yr-1로 본 연구의 산정값 1.68 kg animal-1 yr-1보다 380% 이상 큰 값이다. 이와 같은 차이는 CAPSS 제공 배출계수가 자돈, 육성돈, 비육돈의 각각의 돈사 내, 저장조, 퇴액비의 토양 시비 후 암모니아 발생량의 합으로 제공되기 때문인 것으로 판단된다. 유럽 제공 자료인 CORINAIR 배출계수는 2.89 kg animal-1 yr-1로 본 연구 산정값과 172%가량 차이를 보였다. 그 밖의 선행연구는 벨기에에서 수행된 (Ransbeeck et al., 2013)의 암모니아 배출계수 2.20 kg animal-1 yr-1과 네덜란드 연구진에 의해 발표된 배출계수 (Mosquera et al., 2011) 2.40 kg animal-1 yr-1으로 산정하여 본 연구 결과보다 130.95%, 142.85%의 큰 값을 보고하였다.
나. 미세먼지 배출계수 비교 분석
미세먼지 배출계수는 TSP, PM10, PM2.5에 대해 CAPSS, CORINAIR, EEA, 기타 선행연구와 비교 분석하였다.
TSP 배출계수는 본 연구에서는 자돈사, 육성돈사, 비육돈사 모두 산정하였고, CAPSS는 자돈사와 비육돈사의 값을 활용하여 육성돈사에 비육돈과 동일한 값을 적용하고 있다. CAPSS는 자돈사 TSP 배출계수를 0.54 kg animal-1 yr-1로 제공하고, 본 연구의 산정값은 0.023 kg animal-1 yr-1으로 CAPSS 제공 값의 4.26%에 해당한다. CAPSS는 육성돈과 비육돈을 1.26 kg animal-1 yr-1로 동일한 값을 적용하며, 본 연구 결과 (육성돈사 0.237 kg animal-1 yr-1, 비육돈사 0.241 kg animal-1 yr-1)는 각각 18.81%, 19.13% 정도의 값을 보이는 것으로 나타났다. EEA는 자돈사에 대해 0.27 kg animal-1 yr-1로 보고하여 본 연구 결과가 8.52%에 해당하는 것으로 나타나 CAPSS 보다는 적은 변동성을 보였으나, 여전히 큰 차이를 보였다. 상기한 바와 같이 자돈사는 높은 습도 유지 및 위생에 대한 노력, 습식 급이 등으로 입자상 물질의 비산이 적을 것으로 판단하였으나, CAPSS 및 국외 제공 자료와 정량적 차이가 크게 나타나 추후 원인 규명을 위한 추가 자료 구축 및 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.
PM10은 CAPSS에서 유럽의 자료를 그대로 차용하고 있고, CORINAIR에서는 자돈과 비육돈의 정보 (자돈사 0.180 kg animal-1 yr-1, 비육돈사 0.420 kg animal-1 yr-1)만 제공하고 있어 국내 분류기준에 포함되는 육성돈은 비육돈의 값을 적용하고 있다. 이 배출계수 값은 본 연구 산정 값과 비교할 때 자돈, 육성돈, 비육돈이 각각 9.44%, 17.14%, 53.10%에 해당하는 것으로 산정되었다.
PM2.5 또한 CAPSS에서는 CORINAIR의 값 (자돈사 0.029 kg animal-1 yr-1, 비육돈사 0.069 kg animal-1 yr-1)을 차용한다. 본 연구에서 산정한 배출계수는 자돈, 육성돈, 비육돈이 0.011 kg animal-1 yr-1, 0.016 kg animal-1 yr-1, 0.151 kg animal-1 yr-1로 각각 산정되었고, CAPSS 대비 자돈사 37.93%, 육성돈사 23.19%에 해당하는 것으로 나타났으며, 비육돈사는 218.84%로 CAPSS 제공 자료보다 크게 산출되었다.
3. 외기 암모니아 및 미세먼지 농도를 고려한 배출계수 특성 변화 분석
축산시설의 주변은 시설 내부에서 배출되는 가스 물질 및 분뇨 저장시설이 위치하기 때문에 암모니아 및 미세먼지의 농도가 그렇지 않은 지역에 비해 높게 나타난다. 지금까지 축산시설 및 분뇨처리 과정에서 발생한 암모니아 및 미세먼지 배출량 연구에서는 외부 농도를 고려하지 않고 배출구에서의 배출량을 산정했지만, 본 연구에서는 시설 내부로 유입되는 공기에 이미 암모니아 및 미세먼지가 존재하며 여기에 시설 내부에서 발생한 암모니아와 미세먼지가 더해져서 배출구를 통해 배출된다는 점에 착안하였다. 축산시설의 외부에서도 동일한 실험 장치를 구성하여 암모니아와 미세먼지의 농도를 모니터링 하였으며, 그 결과 Table 6과 같이 시설 내⋅외부의 평균 농도를 측정하였고, 내부 농도에서 외부 유입 농도와 차를 구해 순 내부 발생 농도를 산출하였다. 이렇게 산출된 항목별 순 농도를 이용하여 순 배출계수를 재산정하였고 그 결과는 Fig. 4와 같다.
Table 6
Results of average concentration of pigs room and net EF considering outdoor concentration
암모니아는 외기 농도를 고려해 배출계수를 재산정한 결과 자돈사, 육성돈사, 비육돈사의 배출계수가 외기 고려 전 대비 89.76%, 82.56%, 81.30%로 전반적인 감소율이 20% 이내로 암모니아 배출계수의 급격한 변동은 없는 것으로 평가되었다. 이는 Table 6에서 보는 바와 같이 암모니아는 외부 농도가 낮기 때문인데, 이로써 양돈시설 인근의 악취 문제는 돈사 내부 또는 분뇨처리에서 기인한 암모니아뿐만 아니라 기타 요소를 고려해 평가해야 할 것으로 판단된다. 가장 변동이 큰 관측 값은 자돈사의 PM2.5 배출계수로 외기 농도를 고려할 때 0.011 kg animal-1 yr-1에서 0.001 kg animal-1 yr-1로 산정되어 90.90% 감소되는 경향을 보였고, 육성돈은 0.016 kg animal-1 yr-1에서 0.002 kg animal-1 yr-1로 87.50%, 비육돈 0.151 kg animal-1 yr-1에서 0.021 kg animal-1 yr-1까지 감소하였다. PM10 배출계수도 자돈사에서 외기를 고려하기 전과 후의 배출계수가 0.017 kg animal-1 yr-1에서 0.005 kg animal-1 yr-1까지 감소하며 70.60% 차이가 생겨 가장 높은 변동성을 보였다. 외부에서 시설 내부로 유입되는 미세먼지의 농도를 고려할 경우, PM2.5의 배출계수가 가장 크게 감소하였으며, TSP의 배출계수가 가장 적은 폭으로 감소하였다. 이는 양돈사 내부에서 생성하는 미세먼지가 주로 TSP와 같이 입경이 큰 입자임을 의미하며, PM2.5와 같이 입경이 작은 입자들은 양돈사 내부 발생량 보다 환기 시 시설 내부로 유입되는 외부 공기의 영향이 크다고 볼 수 있다.
Ⅳ. 결 론
본 연구는 현장 모니터링을 기반으로 양돈시설 내부에서 발생하는 암모니아 및 미세먼지 배출계수 산정에 관한 것으로 국내 실정에 부합하는 배출계수 산정을 시도한 연구이다. 본 연구에서 산정한 배출계수를 국내외 배출계수 자료와 비교 · 분석한 결과 다음과 같은 결론에 도달하였다.
양돈시설 내부에서 발생하는 암모니아 배출은 피트 하부 가축분뇨로부터 유발하는 것으로, 가축의 성장에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였고, 이에 따른 암모니아 배출계수는 내부 환기량이 크게 영향을 미치는 것으로 나타나 비육돈사의 경우 자돈사 보다 암모니아 농도는 낮았으나 배출계수는 크게 산정되었다. 입자상 물질인 미세먼지의 발생은 사료 급이의 영향을 많이 받아 높은 습도유지와 습식 급이를 하는 자돈사의 경우 미세먼지의 비산을 감소시키는 요인이 되는 것으로 판단되었고, 비육돈으로 성장할수록 급격히 큰 값을 보이는 것은 사료의 급이량이 많아지고 가축의 활동성이 반영된 것으로 사료된다.
본 연구에서 산정한 배출계수와 CAPSS 제공 자료를 비교 분석한 결과는 PM2.5는 CAPSS 대비 자돈사 37.93%, 육성돈사 23.19%에 해당하는 것으로 나타난 반면, 비육돈사는 218.84%로 CAPSS 제공 자료보다 크게 산출되었다. 또한 본 연구에서 산정한 PM10 배출계수 값은 CAPSS 값의 자돈, 육성돈, 비육돈이 각각 9.44%, 17.14%, 53.10%에 해당하는 것으로 산정되었다.
시설 내부로 유입되는 외부 공기의 암모니아 및 미세먼지 농도를 제외하고 내부에서 발생하는 순 암모니아와 미세먼지 농도만으로 배출계수를 산정할 경우, 암모니아는 내 · 외부 배출계수 차이가 크지 않아 외부 암모니아 농도가 높지 않음을 재확인 하였다. 반면 순 미세먼지 배출계수는 크게 감소하였는데, 입경이 큰 TSP에 비하여 입경이 작은 PM2.5의 순 배출계수가 크게 감소하였다. 이로써 양돈사 내부에서 생성되는 미세먼지는 TSP 크기에 가까운 큰 입경의 비율이 높으며, PM2.5와 같은 작은 입경은 환기 시 외부에서 유입되는 비율이 높은 것으로 사료된다.
국내 축산활동에 따른 암모니아 및 미세먼지 배출계수는 가축분뇨 처리에 국한되어 있어 시설 내부에서 유래하는 암모니아 및 미세먼지에 대한 배출계수 산정은 축산활동으로 발생하는 배출량 산정의 신뢰도를 높이는 기반이 될 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 산정한 배출계수의 정확도를 증진하여 보편적이고 합리적으로 적용하기 위해서는 배출계수 산정을 위한 다양한 사육 환경을 고려한 인벤토리 구축, 암모니아 및 미세먼지 농도 측정 및 시료 채취 방법에 대한 표준화 방안 모색, 장기 모니터링 연구가 선행되어야 할 것으로 사료된다.
