봄철 산란계사 사육형태별 미세먼지 및 암모니아 농도 비교

서 론

우리나라의 봄철은 가끔씩 뿌연 하늘을 볼 정도로 황사나 미세먼지(particulate matter, PM)가 심하게 발생하는 계절로써, 정부의 대기오염 대책 마련에도 불구하고 여전히 황사나 PM 발생은 지속되고 있다. PM은 입자 크기에 따라 직경이 100 μm 이하인 총 부유 입자(TSP, total suspended particles), 직경이 10 μm 이하인 PM₁₀ 그리고 직경이 2.5 μm 이하인 PM_2.5으로 정의할 수 있다(Bonifacio et al., 2015).

축사에서 배출되는 PM의 성분은 발생원이 다양하기 때문에 대기의 PM 수준과 차이가 있으며(Shen et al., 2018), 주로 사료, 분변, 깃털 및 피부에서 생성되는 고농도의 유기 화합물이 포함되어 있다(Mostafa, 2012; Mostafa et al., 2016). Donham et al.(1986)과 Radon et al.(2001)은 축사 내부의 PM(특히 PM_2.5)는 호흡기를 통해 폐포로 침투하기 때문에 가축과 관리자의 호흡기 건강에 좋지 않다고 하였다. 또한, Yang et al.(2017)은 계사 내부에서 배출되는 PM에는 수많은 병원성 박테리아가 번식하고 있다고 하였다. PM₁₀ 농도가 높아지면 가축뿐만 아니라 관리자들에게도 만성 기관지염, 천식 유사 증상, 심혈관 질환, 폐렴 및 폐암의 위험을 높일 수 있다(Cambra-López et al., 2010; Michiels et al., 2015).

따라서, 축사 내 PM이 가축과 관리자의 건강에 미치는 영향과 주요 배출원을 조사할 필요가 있으며, 조사된 내용들은 가축 생산 과정에서 PM 발생을 제어하기 위한 이론적 기반을 제공하게 된다(Shen et al., 2018). 축사 주변 대기오염의 또 다른 주요 원인은 미생물에 의한 분변의 분해로 생성되는 NH₃이며, 호흡기, 눈, 비강 및 피부 등의 건강을 해칠 수 있다(Kearney et al., 2014; Nemer et al., 2015). 또한, 계사에서 배출되는 NH₃는 가금류의 생산성과 복지를 저하시키며(Kristensen and Wathes, 2000; Fabbri et al., 2007), 25 ppm 이상일 때, 일일 증체량이 감소하고 사료요구율이 증가한다(Becker et al., 2004; Miles et al., 2006). 다량의 NH₃는 습도가 높은 환경 조건에서 NH₄⁺와 같은 2차 무기 입자를 형성할 수 있다(Robarge et al., 2002).

NH₃가 중간생성물과 반응 인자와 결합하여 PM_2.5로 생성되는 기전에 대한 연구는 대략 5년 전부터 수행되어 왔 다(ME, 2016). Shin et al.(2017)은 계사 외부로 배출된 NH₃가 대기 중의 아황산가스, 이산화황, 질소산화물 및 오존과 반응하여 황산암모늄이나 질산암모늄과 같은 PM_2.5를 생성한다고 하였다. MAFRA(2019)에서는 NH₃ 가스의 82.3%가 농업 분야(특히 축산 분뇨)에서 배출된다고 하였다. 국외 연구에서도 집약적 축사가 증가함에 따라 축사에서 배출되는 NH₃ 및 PM가 대기 오염에 영향을 준다는 보고가 있으며(Roumeliotis and Van Heyst, 2007; Shen et al., 2018), Takai et al.(1998)과 Kaasik and Maasikmets(2013)은 유럽의 축산 농가에서 배출되는 PM₁₀과 PM_2.5는 각각 8%와 4%를 차지하고 있고, 집약적 양계장은 총 농업용 PM 배출량의 약 50%를 차지한다고 하였다.

외국의 경우, 다양한 축산 분야에서 발생하는 NH₃ 농도에 대하여 연구가 진행되어 왔다. 특히, 미국과 유럽에서는 계사의 사육형태별로 발생하는 NH₃ 및 PM(PM₁₀, PM_2.5) 농도의 연구가 진행되어 왔으나(David et al., 2015; Shepherd et al., 2015; Zhao et al., 2015; Shepherd et al., 2017), 국내에서는 악취 방지를 위하여 양돈 슬러리에서 발생하는 NH₃ 농도 연구에 집중되어 있다(Lee et al., 2006). 최근, 정부에서는 국내 축산 분야에서 축종별 및 사육형태별로 NH₃ 농도나 PM(PM₁₀, PM_2.5) 농도를 측정하고 있으며, 이를 바탕으로 국내 배출되는 NH₃와 PM의 인벤토리(inventory) 구축을 추진 중이다(MAFRA, 2019).

본 연구는 산란계사 사육형태별 PM 및 NH₃의 발생특성 구명을 위한 추가적인 연구로서, 환절기(가을)와 동절기에 이어 봄철의 NH₃와 PM(PM₁₀, PM_2.5) 농도를 조사하여 산란계사 사육형태별로 비교하기 위해 수행되었다.

재료 및 방법

결 과

1. 사육형태별 PM(PM₁₀, PM_2.5) 농도

본 연구에서 24시간 동안 측정된 산란계사 사육형태별 PM(PM₁₀, PM_2.5) 농도는 Fig. 1에 나타내었다. PM₁₀과 PM_2.5 농도는 24시간 동안 유사한 경향을 보였으며, 특히, 22:00부터 04:00까지 낮게 나타났다. Aviary 계사의 경우, 22:00∼04:00 외의 시간대에서는 PM₁₀과 PM_2.5 농도의 편차가 심하게 나타났다. 평사와 케이지 계사의 PM(PM₁₀, PM_2.5) 농도는 유사하게 나타났으며, 일일 편차도 심하게 보이지 않았다.

Fig. 1. Aspects of PM concentrations by different rearing types for 24 h (average of 3 times) in spring; (a) PM₁₀, (b) PM_2.5. PM concentrations were measured with the PM counter at the end of three rearing types of laying hen house.

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2. 사육형태별 NH₃ 농도

본 연구에서 24시간 동안 측정된 산란계사 사육형태별 NH₃ 농도는 Fig. 2에 나타내었다. 평사에서는 계사 중앙과 끝에서 24시간 동안 측정한 NH₃ 농도가 일정하게 나타났다. Aviary 계사에서는 24시간 동안 중앙에서 측정한 값과 끝에서 측정한 값이 유사한 경향을 보였으며, 14:00부터 20:00까지 낮게 나타났다. 계사의 중앙과 끝에서 측정한 값을 사육형태별로 비교하였을 때, 측정 위치와 관계없이 평사 계사에서 NH₃ 농도가 가장 낮게 나타났으며, Aviary 계사에 비해 케이지 계사에서 높게 나타났다.

Fig. 2. Aspects of NH₃ concentrations by different rearing types for 24 h (average three times) in spring; (a) Center, (b) End (Near of the ventilation fan). NH₃ concentrations were measured with the NH₃ analyzer in the center and at the end of three rearing types of laying hen house.

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사육형태별로 계사의 중앙과 끝의 24시간 NH₃ 농도 변화는 Fig. 3에 나타내었다. 세 가지 계사 모두 중앙과 끝에서 측정된 값은 유사한 경향을 보였다. 평사와 Aviary 계사에서는 중앙보다 끝에서 측정된 농도가 더 높았으나, 케이지 계사에서는 중앙에서 측정된 NH₃ 농도가 더 높은 값을 나타내었다.

Fig. 3. Comparison of NH₃ concentrations between center and end of poultry houses by different rearing types for 24 h in spring; (a) floor-pen, (b) aviary, (C) cage. NH₃ concentrations were measured with the NH₃ analyzer in the middle and at the end of three rearing types of laying hen house.

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고 찰

본 연구는 봄철에 계사 내 발생하는 PM 농도를 측정하고, 계사 외기의 농도와 비교하였다. 특히, 2018년과 2019년에 축사에서 발생하는 NH₃가 국내 PM_2.5 발생에 영향을 미친다는 언론 보도로 인하여 계사 내 발생하는 PM(특히 PM_2.5)과 NH₃ 농도의 중요성이 더욱 커졌다. NH₃는 질산이나 황산과 결합하여 PM_2.5를 생성하기 때문에 계사 내 NH₃와 PM_2.5의 상관관계를 파악하는 것도 상당히 중요하다. Hong et al.(2021b)은 같은 시간대의 NH₃와 PM_2.5 농도는 상관관계가 없다고 하였다. 그러나, Hong et al.(2021a, b) 및 본 연구의 일일 평균값을 보았을 때, NH₃ 농도가 높을수록 PM_2.5 농도도 높게 나타나 하루 기준으로는 상관관계가 있는 것으로 추정되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

온도, 상대습도, 환기율 및 점등과 같은 변수들은 축사에서 PM 및 NH₃ 농도와 분포에 영향을 미친다(Puma et al., 1999). 계사의 환기는 PM의 형성, 농도, 배출, 분포뿐만 아니라, 내부의 온․습도, 닭의 체감 온도에도 영향을 미치는 주요 요인으로(Shen et al., 2018), 온․습도 조절 및 유해가스(PM, NH₃ 등)를 계사 외부로 배출하는 기능을 한다. 본 연구에서도 3차례 측정 시에 환기량이 변화되면서 측정되는 PM 및 NH₃ 농도도 같이 변화되었다. 이는 겨울철에서 봄철로 계절이 바뀌면서 계사 내부의 온․습도도 변화됨에 따라 환기량이 조절되기 때문이라 사료된다.

현장 조건에서 계사의 환기 평가는 실내 환경뿐 아니라, 정부 규정에 따른 오염 물질 배출에도 중요하다. 예를 들어, 동물보호법에서는 국내 축사에서 발생되는 암모니아 농도를 25 ppm이 넘지 못하도록 규정하고 있다. 환기 관리에 영향을 주는 요인은 계사의 방향과 크기, 단열재, 닭의 수, 최소 환기 등이다. 특히 최소 환기는 겨울철에 차가운 공기가 계사 안으로 들어오는 것을 감소시켜 호흡기 등의 질병을 예방하는 효과가 있으나, 환기량이 적어 환기 불량이 되는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 평사와 Aviary 계사의 PM(PM₁₀, PM_2.5) 및 NH₃ 농도의 1차 측정 시에는 봄철의 꽃샘추위로 인하여 최소 환기를 유지하였으나, 2, 3차 측정 시 날씨가 풀리면서 환기량을 늘려주어 PM_2.5 농도가 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또한 평사에서는 3회 측정 시 모두 NH₃ 농도가 계사의 중앙보다 끝(환기팬 근처)에서 높아 환기가 잘 되는 것으로 나타났다. 케이지 계사에서는 1차 측정 이전부터 환기량을 늘려주어 3차까지 유지시켰다. 그러나 케이지 계사에서 1회와 2회 측정 시에 중앙에서 측정한 NH₃ 농도가 환기팬 근처에서 측정한 값보다 높았다. Yao et al.(2017)에 의한 정상적인 환기 상태에서는 계사 내 환기팬과 가까울수록 PM 배출농도가 더 높다는 보고에 따라 본 연구에서는 환기가 불량했던 것으로 사료된다. 반면, 3차 측정 시에는 중앙보다 환기팬 근처에서 측정한 NH₃ 농도가 높아 환기가 정상인 것으로 보이며, 이에 따라 PM(PM₁₀, PM_2.5) 농도도 감소된 것으로 보인다.

배출계수는 환경이 다른 세 가지 사육 형태의 PM 및 NH₃ 농도를 비교 가능하도록 산정한 것이다(Roumeliotis and Van Heyst, 2008). 배출계수는 배출량 농도를 기준으로 산정하는 것이기 때문에 계사의 끝(환기팬 근처)에서 측정된 농도를 이용한다. 본 연구의 배출계수는 Xin et al.(2011)이 조사한 산란계사의 배출계수와 유사한 것으로 나타났다. 본 연구에서 평사와 Aviary 시스템의 PM(PM₁₀, PM_2.5) 배출계수는 케이지 시스템에 비해 낮게 나타났으나, NH₃ 배출계수는 반대되는 현상을 보였다. 이는 평사나 Aviary 계사에서는 닭의 활동성이 높아 분변이 깔짚과 섞이면서 깔짚에 NH₃이 흡착되고, 이렇게 계사 내에 잔류하게 된 NH₃는 PM_2,5의 발생 원인이 되어 환기 시에 외부로 배출되는 PM 농도가 높아지는 것이라고 사료된다.

Shen et al.(2018)은 PM₁₀과 TSP 농도가 첫 사료 급여 시간인 07:00에 가장 높게 나타났다고 하였다. 본 연구에서도 24시간 동안 측정된 PM(PM₁₀, PM_2.5) 농도의 변화를 살펴본 결과, 관리자가 사료를 주기 위해 출입하는 시간(AM 05:00∼06:00, AM 10:00∼12:00, PM 14:00∼16:00)에 높게 나타났으며, 닭들이 쉬는 시간인 22:00부터 04:00까지는 세 가지 사육형태 모두 낮게 나타났다. 그러나 NH₃ 농도는 관리자의 출입과 관계없이 시간이 지날수록 높아졌으며, 이는 계사 내부의 계분이나 깔짚 상태로 NH₃ 농도가 결정되기 때문이라 사료된다.

축사 및 계사에서 배출되는 대기 오염 물질은 주변 환경, 생태계 및 주변 지역에 사는 주민들에게 부정적인 영향을 미칠 수 있다(NRC, 2003). Shin et al.(2017)은 황산암모늄과 질산암모늄과 같은 에어로졸은 대기 중 체류시간이 약 15일 정도로 장기간 대기 중에 머무르면서 오염원이 된다고 하였다. 본 연구에서 일 평균 PM(PM₁₀, PM_2.5)과 NH₃ 농도를 살펴본 결과, 계사 내부에 비해 계사 주변에서 측정된 농도는 훨씬 낮았으며, ME(2021)에서 제시한 PM(PM₁₀, PM_2.5)의 정상 범위로 나타났다. 본 연구의 결과는 이전의 연구들과는 다르게 계사에서 발생되는 PM(PM₁₀, PM_2.5)은 계사 주변에 크게 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.