동절기 산란계사 사육형태별 배출되는 미세먼지 및 암모니아 농도

서 론

최근 정부 및 연구 기관들은 축사에서 배출되는 오염 물질에 대한 심각성을 인지하고, 이를 저감시키기 위한 연구를 추진하였다. 축사에서는 대기 중으로 여러 오염물질이 방출되지만, 대부분의 연구는 대기 오염 및 인간의 건강과 환경에 해로운 영향을 주는 NH₃ 및 미세먼지(PM, particulate matter) 배출에 초점을 맞추고 있다. 특히, 밀폐식 시설의 이용이 증가하고 있는 가금 분야에서 NH₃와 미세먼지(PM)가 많이 배출된다고 알려져 있어 가금류의 배출량 산정에 대한 연구가 추진되고 있다(Roumeliotis and Van Heyst, 2008).

계사에서 배출되는 NH₃ 농도는 사육형태, 기후 및 사양 관리에 따라 달라진다. NH₃ 배출은 일반적으로 가금 분뇨의 분해로 인해 발생하기 때문에, 계분 벨트가 있는 케이지 계사에서 사육하는 경우에는 평사나 다단식 계사보다 NH₃ 배출량이 적다(Roumeliotis and Van Heyst, 2008). 계사에서 배출되는 NH₃는 대기 환경 및 닭이나 관리자에게 직접적으로 부정적인 영향을 주기도 하지만, 2차 미세먼지(PM_2.5)를 생성하는 전구물질로 알려져 있다(Shin et al., 2017). 즉, PM_2.5의 주요 성분인 질산암모늄과 황산암모늄은 배출된 암모니아 가스가 아황산가스나 질소산화물 등과 반응하여 생성된다(MSIT-EM-MOHW, 2017; Shin et al., 2017).

미국과 유럽에서는 이미 산란계의 사육형태별 PM 및 NH₃ 배출량에 대한 연구가 이루어져 왔으나(David et al., 2015; Shepherd et al., 2015; Zhao et al., 2015; Shepherd et al., 2017), 배출량에 대한 정보가 명확히 제시되지 않고 추정되는 경우가 많다(Roumeliotis and Van Heyst, 2008). 국내에서는 암모니아로 인한 PM_2.5 배출에 대하여 중요하게 인식되면서 정부에서는 축종별 미세먼지 및 암모니아 배출량 조사를 착수하였으며, 관련 데이터를 수집하고 있다(Shin et al., 2017).

계사의 대기오염은 짧은 시간 안에 변화하기 때문에 이런 오염 현상을 정확히 파악하기 위해서는 온라인-또는 실시간으로 측정이 되어야 한다. 최근 국내에서는 대기 중 PM 및 NH₃ 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 장치들을 도입하여 대기와 축사 대기의 오염 정도 조사가 가능하도록 하였다. 특히 미세먼지의 측정방법 중 광산란법은 대기 중 입자상 물질을 흡인하여 빛을 조사(照射)하였을 때, 산란(散亂)되는 빛의 세기를 측정하여 입자의 농도를 구하는 방법으로(Bae et al., 2016; Park et al., 2016a), 초단위로 측정이 가능하므로 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정기의 소형 및 경량화가 가능해 휴대가 용이하다(Park et al., 2016a,b)

본 연구는 산란계 사육형태별 동절기의 PM(PM₁₀, PM_2.5) 및 NH₃ 배출 농도를 실시간으로 측정하고, 측정 결과들을 국내 계사 환경 개선을 위한 기초자료로 이용하고자 수행하였다.

재료 및 방법

2. 미세먼지 및 암모니아 농도 측정

미세먼지와 암모니아 가스의 농도는 12~1월 동안 2주 간격으로 3회 측정하였다. 시간대별 미세먼지(PM₁₀, PM_2.5) 농도는 계사 끝부분(환기팬 부분)에 GRIMM Environmental Dust Counter(Model: EDM164, GRIMM Aerosol Technik Co., Germany)를 설치하여 6초 간격으로 24시간 자동측정하였다. 시간대별 암모니아 가스 농도는 계사 중앙과 끝부분에 암모니아 측정기(MultiRAE, RAE Systems Inc., USA)를 1 m 높이로 설치하였으며, 1분 간격으로 24시간 측정하였다. Fig. 1과 2는 미세먼지와 암모니아 가스 농도의 측정 방법 및 위치를 보여주고 있다.

Fig. 1. Evaluations of PM emission using EDM (environmental dust monitor) counter (a: barn, b: aviary, c: cage) and of NH₃ emission using ammonia gas counter (a′: barn, b′: aviary, c′: cage)

Download Original Figure

Fig. 2. Gas sampling locations for the environmental monitoring of the poultry house with barn (10 × 42 × 5), aviary (15 × 39 × 3), and cage (8 × 10.6 × 8) system.

Download Original Figure

결 과

1. 실시간 미세먼지 농도

본 연구에서 세 차례 측정된 24시간 동안의 PM₁₀과 PM_2.5의 농도는 Fig. 3과 4에 나타내었다. 세 가지 사육형태에서 PM₁₀과 PM_2.5의 농도 변화 양상은 유사하였다. 측정 결과를 사육형태별로 보면, 세 번 측정된 PM₁₀과 PM_2.5 농도는 모두 Aviary 계사에서 가장 높게 나타났으며, 평사와 Cage 계사 사이에서는 유사하게 나타났다. 시간대별로 측정된 결과를 보면, 계사의 암기(22:00~4:00)에 가장 낮았으며, 다시 점등된 후(4:00이후)에 높아지기 시작하였다.

Fig. 3. Temporal variations (24 h) of PM₁₀ emission in three poultry houses with barn, aviary, and conventional cage system (a: first, b: second, c: third, d: average).

Download Original Figure

Fig. 4. Temporal variations (24 h) of PM_2.5 emission in three poultry houses with barn, aviary, and conventional cage system (a: first, b: second, c: third, d: average).

Download Original Figure

2. 실시간 암모니아 가스 농도

본 연구에서 세 차례 측정된 24시간의 NH₃ 농도(환기 팬 근처) 변화는 Fig. 5에 나타내었다. 사육형태별 측정 결과를 보면, Cage 계사의 NH₃ 배출 농도가 가장 높았으며, 평사에서 가장 낮게 나타났다. 측정 결과를 시간대별로 보았을 때, 1차, 2차 및 3차 측정 결과들이 모두 다른 양상을 보여 PM 배출 양상과는 다른 결과를 보여주었다. 또한 1차(12월)에서 3차(1월) 측정까지 시간이 경과함에 따라 NH₃ 농도가 점점 높아지고 있었다.

Fig. 5. Temporal variations (24 h) of NH₃ emission at the end of three poultry houses with barn, aviary, and conventional cage system (a: first, b: second, c: third, d: average).

Download Original Figure

고 찰

본 연구는 산란계의 사육형태에 따른 동절기 미세먼지 농도를 광산란법으로 실시간 측정하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 해외에서는 산란계 사육형태별 PM과 NH₃ 배출량에 대한 연구가 이루어져 왔으나(David et al., 2015; Shepherd et al., 2015; Zhao et al., 2015; Shepherd et al., 2017), 이들 오염물질 농도를 실시간으로 조사한 연구는 미비한 실정이다.

실시간 측정된 PM₁₀과 PM_2.5 농도는 오전에 높은 경향이었으며, 밤에는 낮게 나타났다. Aviary 계사의 경우, 1차와 2차 측정 시보다 3차 측정 시에 PM₁₀과 PM_2.5 농도가 높아졌으며, 평사 계사의 경우, 세 번 측정한 PM농도가 24시간 동안 거의 유사하였다. 또한, Cage 계사에서는 2차와 3차 측정 시에 환기량을 감소시켰음에도 불구하고, 세 번 측정값은 24시간 동안 일정한 농도를 유지하였다. NH₃의 실시간 측정 농도는 시간대에 따른 특정 유형은 보이지 않았으나, 1차 측정에서 3차 측정까지 환기량 감소에 따라 증가하는 경향을 보이고 있었다. 특히 Cage 계사에서의 3차 측정 시에 NH₃은 시간이 흐름에 따라 점차 증가하였다.

계사 내 상태는 물리적(온·습도, 점등, 환기 등) 및 화학적(NH₃, CO₂ 등) 요인에 의해 결정된다(Kocaman et al., 2005; Liang et al., 2005). 환기는 PM와 NH₃의 배출 농도에 영향을 미치지만(Prodanov et al., 2016), 이외에도 사육수수, 온·습도 및 사육형태 등이 계사 내 PM와 NH₃의 배출 농도에 영향을 준다(Roumeliotis and Van Heyst, 2008). 특히, 평사의 NH₃ 수준은 닭들이 바닥의 깔짚에서 활동하는 동안 상승하게 된다(Zhao et al., 2015).

본 연구에서 산란계사들은 동절기에 호흡기 질병 발생을 억제하기 위해 환기량을 감소시켜 최소 환기량으로 조절하였다. 1차 측정 시에 Aviary와 Cage 계사의 환기량은 평사의 2배이지만, Aviary 계사의 PM 배출 농도는 평사와 Cage 계사에 비해 높게 나타났으며, 평사와 Cage 계사 사이에서는 유사하게 나타났다. 2, 3차 측정 시에는 평사, Aviary 및 Cage 계사의 환기량을 감소시킴으로써 평사와 Aviary 계사의 PM 농도가 증가하였다. 반면, NH₃ 배출 농도는 Cage 계사에서 가장 높게 나타났으며, 이는 Cage 계사의 환기량이 부족하다는 것을 나타내는 것이라 사료된다.

본 연구의 일일 미세먼지 및 암모니아의 배출 농도는 평사와 케이지 사이에서는 유사하게 나타났고, Aviary에서는 높게 나타났다. 주령에 따른 미세먼지 및 암모니아 농도는 일관성이 없게 나타났는데, 이는 계사의 청소 상태, 관리자의 방문 횟수 등에 따라 농도가 달라지기 때문이라고 사료된다.

본 연구의 PM₁₀과 PM_2.5의 농도는 각각 4,787 μg/m³와 388.6 μg/m³로 Zhao et al.(2015)의 결과(3,950 μg/m³, 410 μg/m³)와 유사하였다. 또한 Cage 계사에서도 PM₁₀과 PM_2.5의 농도는 본 연구와 Zhao et al.(2015)의 결과가 유사하게 나타났다(414.8 vs. 590.0 μg/m³, 52.4 vs. 35.0 μg/m³). 그러나 NH₃농도는 본 연구의 Cage 계사(중앙)에서 높게 나타났다(7.7 vs. 4.0 ppm). 이러한 결과는 본 연구에서 동절기 특성상 계사 내 환기량을 최소 환기로 조절하였기 때문이라고 사료된다.