서론
우리나라의 봄철은 가끔씩 뿌연 하늘을 볼 정도로 황사나 미세먼지(particulate matter, PM) 가심하게 발생하는 계절로써, 정부의 대기오염 대책 마련에도 불구하고 여전히 황사나 PM 발생은 지속되고 있다. PM은 입자 크기에 따라직경이 100 μm 이하인 총부유 입자(TSP, total suspended particles), 직경이 10 μm 이하인PM10 그리고 직경이 2.5 μm 이하인 PM2.5으로 정의할 수 있다(Bonifacio et al., 2015).
축사에서 배출되는 PM의 성분은 발생원이 다양하기 때문에 대기의 PM 수준과 차이가 있으며(Shen et al., 2018), 주로사료, 분변, 깃털 및 피부에서 생성되는 고농도의 유기화합물이 포함되어 있다 (Mostafa, 2012; Mostafa et al., 2016). Donham et al.(1986)과 Radon et al.(2001)은 축사 내부의 PM(특히 PM2.5)는 호흡기를 통해 폐포로 침투하기 때문에 가축과 관리자의 호흡기 건강에 좋지 않다고 하였다. 또한, Yang et al.(2017)은 계사 내부에서 배출되는 PM에는 수 많은 병원성 박테리아가 번식하고 있다고 하였다. PM10 농도가 높아지면 가축뿐만 아니라 관리자들에게도 만성기 관지염, 천식유사 증상, 심혈관질환, 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 내용 들은 가축 생산 과정에서 PM 발생을 제어하기 위한 이론적 기반을 제공하게 된다(Shen et al., 2018). 축사 주변 대기오염의 또 다른 주요원인은 미생물에 의한 분변의 분해로 생성되는NH3이며, 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 사료 요구율이 증가한다(Becker et al., 2004; Miles et al., 2006). 다량의 NH3는 습도가 높은 환경조건에서 NH4 +와 같은 2차 무기입자를 형성할 수 있다(Ro barge et al., 2002).
NH3가 중간생성물과 반응 인자와 결합하여 PM2.5로 생성 되는 기전에 대한 연구는 대략 5년 전부터 수행되어 왔다 (ME, 2016). Shin et al.(2017)은 계사 외부로 배출된 NH3가 대기 중의 아황산가스, 이산화황, 질소산화물 및 오존과 반 응하여 황산암모늄이나 질산암모늄과 같은 PM2.5를 생성한 다고 하였다. MAFRA(2019)에서는 NH3 가스의 82.3%가 농 업 분야(특히 축산 분뇨)에서 배출된다고 하였다. 국외 연구 에서도 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 PM2.5는 각각 8%와 4%를 차지 하고 있고, 집약적 양계장은 총 농업용 PM 배출량의 약 50%를 차지한다고 하였다.
외국의 경우, 다양한 축산 분야에서 발생하는 NH3 농도에 대하여 연구가 진행되어왔다. 특히, 미국과 유럽에서는 계사의 사육 형태별로 발생하는 NH3 및 PM(PM10, PM2.5) 농도의 연구가 진행되어 왔으나(David et al., 2015; Shepherd et al., 2015; Zhao et al., 2015; Shepherd et al., 2017), 국내에서는 악취 방지를 위하여 양돈슬러리에서 발생하는 NH3 농도 연구에 집중되어 있다(Lee et al., 2006). 최근, 정부에서는 국내 축산 분야에서 축종별 및 사육형태별로NH3 농도나 PM(PM10, PM2.5) 농도를 측정하고 있으며, 이를 바탕으로 국내 배출되는 NH3와 PM의 인벤토리(inventory) 구축을 추진 중이다(MAFRA, 2019).
본 연구는 산란 계사 사육 형태별 PM 및 NH3의 발생 특성 구명을 위한 추가적인 연구로서, 환절기(가을)와 동절기에 이어 봄철의 NH3와 PM(PM10, PM2.5) 농도를 조사하여 산란 계사 사육 형태별로 비교하기 위해 수행되었다.
재료 및 방법
1.시험설계 및 방법
본 연구는 국립축산 과학원 가금연구소의 세 가지 사육시스템(평사, Aviary, 케이지) 계사 내부 및 계사 주변(5 m 이내)에서 PM(PM10, PM2.5)과 NH3 농도를 측정하였다. 계사 내부의 온도는 각각 16.4℃, 18.9℃ 및 17.5℃로 관리되었으며, 습도는 46.4%, 46.5% 및 25.3%로 케이지에서 낮게 관리되었다. 계사의 환기시스템은 모두 터널식 환기시스템을 이용하였다. 계사 주변의 PM 농도는 계사의 옆벽을 기준으로 5 m 위치에서 측정하였다.
사육 형태별 계사의 사육 환경과 환기시스템에 대한 자세한 사항은 Table1에 나타내었다.
Table 1. Information on in-house birds and environmental conditions in different types of poultry houses where air measurements were performed in spring season
2.PM 및 NH3 측정
본 연구에서 PM과 NH3 농도는 봄(3∼4월) 에 2주 간격으로 3회씩(24시간/회) 측정되었다. PM 측정은 Environmental Dust Counter (EDM164, GRIMM Aerosol Technik Co., Germany)를 이용하였으며, NH3는 암모니아 가스 측정기 (MultiRAE, RAE Systems Inc., USA)로 측정하였다. 측정 위치는 Hong et al.(2021a)의 연구와 같이 PM은 계사의 끝에서 , NH3는 계사의 중앙과 끝에 1m 높이에서측정하였다. 세 가지 사육시스템별 계사의 환경과 사육 형태는 Table 1과 2에 나타내었다.
3.PM 및 NH3의 배출계수 산정
본 연구에서 측정된 PM 및 NH3의 배출계수는 계사의 끝에서 측정한 PM 및NH3 농도를 이용하여 다음 공식에 의해 산정되었으며, 1년 동안 산란계 1수가 배출하는 값으로 나타내었다.
\(\text { 배출계수 }(\mathrm{g} / \mathrm{yr})=\frac{\text { 측정 농도 } \times \text { 환기량 }}{\text { 사육수수 } \times 365(\text { 일 })}\)
4.자료분석 및 배출계수
본 연구의 PM(PM10, PM2.5)과 NH3 농도는 30분 간격으로 그래프에 나타내었으며, 일일 평균값을 산출하였다. 측정지 역대기의 미세먼지 농도는 ME(2021)에서 제시한 미세먼지 농도로 제시하였다. 일평균PM(PM10, PM2.5)과 NH3 농도를 계사 주변 측정값 및 대기농도와 비교하였다.
배출계수 자료는SAS(2019)의 Generation Linear Model (GLM) procedure을 이용하여 분석하였으며, Duncan의 다중검정(Duncan, 1955)을 이용하여 각 처리 구간의 평균값을 95% 신뢰수준에서 검정하였다.
결과
1.사육형태별 PM(PM10, PM2.5) 농도
본 연구에서 24시간 동안 측정된 산란 계사 사육형태별 PM(PM10, PM2.5) 농도는 Fig. 1에 나타내었다. PM10과 PM2.5 농도는 24시간동안 유사한 경향을 보였으며, 특히, 22:00부터 04:00까지 낮게나타났다. Aviary 계사의 경우, 22:00∼ 04:00 외의 시간대에서는 PM10과 PM2.5 농도의 편차가 심하게 나타났다. 평사와 케이지 계사의 PM(PM10, PM2.5) 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) PM2.5. PM concentrations were measured with the PM counter at the end of three rearing types of laying hen house.
2.사육형태별 NH3 농도
본 연구에서 24시간동안 측정된 산란계사 사육형태별 NH3 농도는NH3 농도는 Fig. 2에 나타내었다. 평사에서는 계사 중앙과 끝에서 24시간 동안 측정한 NH3 농도가 일정하게 나타났다. Aviary 계사에서는 24시간 동안 중앙에서 측정한 값과 끝에 서 측정한 값이 유사한 경향을 보였으며, 14:00부터 20:00까 지 낮게 나타났다. 계사의 중앙과 끝에서 측정한 값을 사육 형태별로 비교하였을 때, 측정 위치와 관계없이 평사 계사 에서 NH3 농도가 가장 낮게 나타났으며, Aviary 계사에 비 해 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.
사육형태별로 계사의 중앙과 끝의 24시간 NH3 농도변화는 Fig.3에 나타내었다. 세 가지 계사 모두 중앙과 끝에서 측정된 값은 유사한 경향을 보였다. 평사와 Aviary 계사에서는 중앙보다 끝에서 측정된 농도가 더높았으나, 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.
3.일평균 PM(PM10, PM2.5) 및 NH3 농도
본 연구에서 측정된 산란계 사육형태별 일평균PM(PM10, PM2.5)과 NH3 농도는 Table 3에나타내었다. ME(2021)에서 제시한 봄철 대기의 PM10과 PM2.5 농도는 각각 44.6 µg/m3 과13.2 µg/m3이었으며, 본 연구에서 측정한 계사 주변의 농도는 각각 57.5 µg/m3와 34.0 µg/m3이었다.
Table 3. Daily emission of particulate matter (PM10, PM2.5) and ammonia (NH3) in different types of poultry houses
1 Measurement location of NH3.
2 Daily PM concentration of atmosphere (ME, 2021).
PM, particulate matter; PM10, particulate matter with a diameter of less than 10 µm; PM2.5, particulate matter with a diameter of less than 2.5 µm
일평균 PM10과 PM2.5 농도는 Aviary 계사에서 4, 730 µg/m3와 447.7 µg/m3로 가장높고, 케이 지계사에서 311.8 µg/m3와61.9 µg/m3로가장낮았다. 반면, 계사중앙과 끝의 NH3 농도는 케이지 계사에서12.0 ppm과9.31 ppm으로 가장 높고, 평사 계사에서 0.71 ppm과1.01 ppm으로 가장 낮았다.
4.PM(PM10, PM2.5) 및 NH3 배출계수
본 연구에서 산정된 PM 및 NH3의 배출계수는 Table 4에 나타내었다. PM10과PM2.5의 배출계수는 케이지에서 높게 나타난반면, NH3의 배출계수는 케이지에서 가장 낮게 나타났다(P>0.05). 평사와Aviary 시스템 사이의 배출계수는 유의적인 차이를 보이지않았다.
Table 4. Emission factor (EF) of particulate matter (PM10, PM2.5) and ammonia (NH3) in different types of poultry houses
1 Standard error of means. a,b Means with different superscripts in the same column differ significantly (P<0.05).
고찰
본 연구는 봄철에 계사 내 발생하는 PM 농도를 측정하고, 계사 외기의 농도와 비교하였다. 특히, 2018년과 2019년에 축사에서 발생하는 NH3가 국내PM2.5 발생에 영향을 미친다는 언론 보도로 인하여 계사 내 발생하는 PM(특히 PM2.5)과 NH3 농도의 중요성이 더욱 커졌다. NH3는 질산이나 황산과 결합하여 PM2.5를 생성하기 때문에 계사 내 NH3 와 PM2.5의 상관관계를 파악하는 것도 상당히 중요하다. Hong et al.(2021b)은 같은 시간대의 NH3와 PM2.5 농도는 상관관계가 없다고 하였다. 그러나, Hong et al.(2021a, b) 및 본연구의 일 일 평균값을 보았을 때, NH3 농도가높을수록 PM2.5 농도도 높게 나타나 하루기준으로는 상관 관계가 있는 것으로 추정되며, 이에 대한 추가적인 연구가필요하다.
온도, 상대습도, 환기율 및 점등과 같은 변수들은 축사에서 PM 및 NH3 농도와 분포에 영향을미친다(Puma et al., 1999). 계사의 환기는 PM의 형성, 농도, 배출, 분포뿐만 아니라, 내부의 온․습도, 닭의 체감온도에도 영향을 미치는 주요 요인으로(Shen et al., 2018), 온․습도 조절 및 유해가스(PM, NH3 등)를 계사외부로 배출하는 기능을한다. 본 연구에서도 3차례 측정시에 환기량이 변화되면서 측정되는 PM 및 NH3 농도도 같이 변화되었다. 이는 겨울철에서 봄철로 계절이 바뀌면서 계사내부의 온․습도도 변화됨에 따라 환기량이 조절되기 때문이라 사료된다.
현장조건에서 계사의 환기평가는 실내환경뿐 아니라, 정부 규정에 따른 오염 물질 배출에도 중요하다. 예를들어, 동물보호법에서는 국내 축사에서 발생되는 암모니아농도를 25 ppm이 넘지 못하도록 규정하고있다. 환기 관리에 영향을 주는 요인은 계사의 방향과크기, 단열재, 닭의수, 최소환기 등이다. 특히 최소 환기는 겨울철에 차가운공기가 계사 안으로 들어오는 것을 감소시켜 호흡기 등의 질병을 예방하는 효과가 있으나, 환기량이 적어 환기 불량이 되는 단점을 가지고있다. 본 연구에서는 평사와 Aviary 계사의 PM(PM10, PM2.5) 및NH3 농도의 1차 측정 시에는 봄철의 꽃샘추위로 인하여최소 환기를 유지하였으나, 2, 3차 측정 시 날씨가 풀리면서 환기량을 늘려주어 PM2.5 농도가 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또한 평사에서는 3회 측정시 모두 NH3 농도가 계사의 중앙보다 끝(환기팬근처)에서 높아 환기가 잘되는 것으로 나타났다. 케이지 계사에서는 1차 측정이 전부터 환기량을늘려주어 3차까지 유지시켰다. 그러나 케이지 계사에서 1회와 2회 측정시에 중앙에서 측정한 NH3 농도가 환기팬 근처에서 측정한 값보다 높았다. Yao et al.(2017)에 의한 정상적인 환기상태에서는 계사 내 환기팬과 가까울수록 PM 배출농도가 더 높다는 보고에 따라본 연구에서는 환기가 불량했던 것으로 사료된다. 반면, 3차 측정 시에는 중앙보다 환기팬 근처에서 측정한 NH3 농도가 높아 환기가 정상인 것으로 보이며, 이에 따라 PM(PM10, PM2.5) 농도도 감소된 것으로 보인다.
배출계수는 환경이 다른 세가지 사육형태의 PM 및 NH3 농도를 비교 가능하도록 산정한 것이다(Roumeliotis and Van Heyst, 2008). 배출계수는 배출량 농도를 기준으로 산정하는 것이기 때문에 계사의 끝(환기팬근처)에서 측정된 농도를 이용한다. 본 연구의 배출계수는 Xin et al. (2011)이 조사한 산란계사의 배출계수와 유사한 것으로 나타났다. 본 연구에서 평사와 Aviary 시스템의PM(PM10, PM2.5) 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 PM2, 5의 발생원인이 되어 환기 시에 외부로 배출되는 PM 농도가 높아지는 것이라고 사료된다.
Shen et al.(2018)은PM10과TSP 농도가 첫 사료급여 시간인 07:00에 가장 높게 나타났다고 하였다. 본 연구에서도 24시간동안 측정된 PM(PM10, PM2.5) 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 사육 형태 모두 낮게 나타났다. 그러나NH3 농도는 관리자의 출입과 관계없이 시간이 지날수록 높아졌으며, 이는 계사 내부의 계분이나 깔짚 상태로 NH3 농도가 결정되기 때문이라 사료된다.
축사 및 계사에서 배출되는 대기오염물질은 주변환경, 생태계 및 주변지역에사는 주민들에게 부정적인 영향을 미칠수있다(NRC, 2003). al.(2017)은 황산암모늄과 질산암모늄과 같은 에어로 졸은 대기 중 체류시간이 약15일 정도로 장기간 대기중에 머무르면서 오염원이 된다고 하였다. 본 연구에서 일평균 PM(PM10, PM2.5)과 NH3 농도를 살펴본 결과, 계사 내부에 비해 계사 주변에서 측정된 농도는 훨씬 낮았으며, ME(2021)에서 제시한 PM(PM10, PM2.5)의 정상범위로 나타났다. 본 연구의 결과는 이전의 연구들과는 다르게 계사에서 발생되는PM(PM10, PM2.5)은 계사주변에 크게 영향을 주지않는 것으로 나타났으며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.
적요
본 연구는 산란계사사육 형태별 봄철의 미세먼지(PM) 및 암모니아(NH3) 배출농도를 측정하기 위해 수행하였다. 평사, Aviary 그리고Cage 계사에서 미세먼지 및 암모니아 농도를 3∼5월동안 2주간격으로3회(24시간/회) 측정하였다. PM10과 PM2.5 농도는 24시간동안 유사한 경향을 보였으며, 22:00부터04:00까지 낮게 나타났다. 평사와 케이지 계사의 PM(PM10, PM2.5) 농도는 유사하게 나타났으며, 일일 편차도 심하게 보이지 않았다. 평사 계사에서는 중앙과 끝에서 24시간 동안 측정한 NH3 농도가 일정하게 나타났다. 측정 위치와 관계없이 평사에서 NH3 농도가 가장 낮게 나타났다. 평사와Aviary 계사에서는 중앙보다 끝에서 측정된 NH3 농도가 더 높았으나, 케이지 계사에서는 끝에서 측정된 NH3 농도가 더 낮았다. 계사 주변의 PM10과 PM2.5 농도는각각 57.5 µg/m3와34.0 µg/m3이었다. 일평균 PM10과 PM2.5 농도는 Aviary 계사에서4, 730 µg/m3와 447.7 µg/m3로 가장 높았다. 계사 중앙과 끝의 NH3 농도는 케이지 계사에서 12.0 ppm과 9.31 ppm으로 가장 높았다. PM10과PM2.5의 배출계수는 케이지에서 가장 낮았으며, NH3의 배출계수는 가장 높았다(P>0.05). 결론적으로, PM(PM10, PM2.5) 농도는 Aviary 계사에서, NH3 농도는 Cage 계사에서 각각 높게 나타났다. (색인어: 산란계, 사육형태, 미세먼지, 암모니아, 봄철)
사사
본 연구는 2021년 농촌진흥청 국립축산과학원 전문연구원 과정 지원사업과 농촌진흥청의 공동연구사업(과제번호: PJ01529103)에 의해 이루어진 것으로 이에 감사드립니다.
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