Korean Journal of Poultry Science (한국가금학회지)

The Korean Society of Poultry Science (한국가금학회)
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Concentration of Particulate Matter and Ammonia Emitted by Breeding Type of Laying Hen Houses in Winter

동절기 산란계사 사육형태별 배출되는 미세먼지 및 암모니아 농도

  • Hong, Eui-Chul (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • Kang, Bo-Seok (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • Kang, Hwan-Ku (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • Jeon, Jin-Joo (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • You, Are-Sun (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • Kim, Hyun-Soo (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • Son, Jiseon (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • Kim, Hee-Jin (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • Kim, Kwang-Yeol (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science) ;
  • Yun, Yeon-Seo (Poultry Research Institute, National Institute of Animal Science)
  • 홍의철 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 강보석 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 강환구 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 전진주 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 유아선 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 김현수 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 손지선 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 김희진 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 김광렬 (국립축산과학원 가금연구소) ;
  • 윤연서 (국립축산과학원 가금연구소)
  • Received : 2021.01.28
  • Accepted : 2021.02.22
  • Published : 2021.03.31
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Abstract

In this study, we measured the concentration of particulate matter (PM) and ammonia (NH3) emission in the winters according to the breeding type of laying hen houses. Measurements were performed thrice in Barn, Aviary, and Cage houses every 2 weeks from December to January. The changes in the PM10 and PM2.5 concentrations were similar in all three breeding types. The PM10 and PM2.5 concentrations, measured three times, were the highest in the Aviary house. In the results measured by time, the PM10 and PM2.5 concentrations were the lowest during the dark period (22:00 to 4:00) of the day. The NH3 concentration was the highest in the Cage house and the lowest in the Barn house. Regarding emissions over time, the results of the three measurements showed different patterns and differed from those of the PM. In addition, with passage of time from the 1st (december) to 3rd (january), the NH3 concentration gradually increased. The daily PM10 and PM2.5 concentrations in the Aviary house, which were higher than those of the other houses, were 4,787 ㎍/㎥ and 388.6 ㎍/㎥, respectively, while, the PM10 and PM2.5 concentrations outside the poultry houses were 226.0 ㎍/㎥ and 39.3 ㎍/㎥, respectively. The daily NH3 concentration was 7.70 ppm and 9.20 ppm at the center and end of the Cage house, respectively. This was higher than that in the other houses. In conclusion, the concentrations of PM (PM10, PM2.5) and NH3 were the highest in the Aviary and Cage laying hen houses, respectively.

본 연구는 산란계사 사육형태별 동절기의 미세먼지(PM) 및 암모니아(NH3) 배출 농도를 측정하기 위해 수행하였다. 배출 농도는 12~1월 동안 2주 간격으로 3회 평사, Aviary 그리고 Cage 계사에서 측정되었다. PM(PM10, PM2.5) 및 NH3 배출 농도 변화는 세 가지 사육형태에서 유사하였다. 세 번 측정된 PM10과 PM2.5 농도는 Aviary 계사에서 가장 높게 나타났다. 시간대별로 측정한 결과는 계사들의 암기 (22:00~4:00)에 가장 낮았다. NH3 농도는 Cage 계사에서 가장 높았으며, 평사에서 가장 낮게 나타났다. 시간대별 NH3 배출 농도에 대한 세 번의 측정 결과는 모두 다른 양상을 보여 PM과는 다른 결과를 보여주었다. 또한 1차(12월)에서 3차(1월) 측정까지 시간이 경과함에 따라 NH3 농도가 점점 높아지고 있었다. 일일 PM10과 PM2.5 농도는 Aviary 계사에서 각각 4,787 ㎍/㎥와 388.6 ㎍/㎥로 다른 계사에 비해 높게 나타났다. 계사 외부의 PM10과 PM2.5 농도는 각각 226.0 ㎍/㎥와 39.3 ㎍/㎥이었다. 일일 NH3 농도는 Cage 계사의 중앙과 끝에서 각각 7.70 ppm과 9.20 ppm으로 다른 계사들에 비해 높았다. 결론적으로, PM(PM10, PM2.5)과 NH3 농도는 Aviary와 Cage 계사에서 각각 가장 높게 나타났다.

Keywords

서론

최근 정부 및 연구기관들은 축사에서 배출되는 오염물질에 대한 심각성을 인지하고, 이를 저감시키기 위한 연구를 추진하였다. 축사에서는 대기 중으로 여러 오염물질이 방출되지만, 대부분의 연구는 대기오염 및 인간의 건강과 환경에 해로운 영향을 주는 NH3 및 미세먼지(PM, partic- ulate matter) 배출에 초점을 맞추고 있다. 특히, 밀폐식 시설의 이용이 증가하고 있는 가금 분야에서 NH3 와 미세먼지(PM)가 많이 배출된다고 알려져 있어 가금류의 배출량 산정에 대한 연구가 추진되고 있다(Roumeliotis and Van Heyst, 2008). 계사에서 배출되는 NH3 농도는 사육 형태, 기후 및 사양관리에 따라 달라진다. NH3 배출은 일반적으로 가금분뇨의 분해로 인해 발생하기 때문에, 계분벨트가 있는 케이지 계사에서 사육하는 경우에는 평사나 다단식 계사보다 NH3 배출량이 적다(Roumeliotis and Van Heyst, 2008).

계사에서 배출되는 NH3는 대기환경 및 닭이나 관리자에게 직접적으로 부정적인 영향을 주기도 하지만, 2차 미세먼지(PM2.5)를 생성하는 전구물질로 알려져 있다(Shin et al., 2017). 즉, PM2.5 의 주요 성분인 질산암모늄과 황산암모늄은 배출된 암모니아 가스가 아황산가스나 질소산화물 등과 반응하여 생성된다(MSIT-EM-MOHW, 2017; Shin et al., 2017).

미국과 유럽에서는 이미 산란계의 사육 형태별 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 PM2.5 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 대기중입자상 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 사육 형태별 동절기의 PM(PM10, PM2.5) 및 NH3 배출농도를 실시간으로 측정하고, 측정 결과들을 국내 계사 환경개선을 위한 기초자료로 이용하고자 수행하였다.

재료 및 방법

1. 시험설계

본 시험은 평창에 위치한 국립축산과학원 가금연구소 계사에서 수행하였다. 세 가지 사육시스템(Aviary 및 케이지) 계사를 이용하였으며, 각각의 사육 시스템을 처리구로 하였다. 계사들은 모두 터널식 환기를 이용하고 있으며, 온도는 각각 16.5, 15.6 및 15.4℃로 관리되었으며, 습도는 44.1, 42.3 및 25.3%로 케이지에서 낮게 관리되었다. 사육 형태별 계사에 대한 자세한 사항은 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Information on environment and ventilation system about the different types of poultry houses where air measurements were performed

2. 미세먼지 및 암모니아 농도 측정

미세먼지와 암모니아 가스의 농도는 12∼1월 동안 2주 간격으로 3회 측정하였다. 시간대별 미세먼지(PM10, PM2.5) 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 계사중앙과 끝부분에 암모니아 측정기(MultiRAE, RAE Systems Inc., USA)를 1 m 높이로 설치하였으며, 1분 간격으로 24시간 측정하였다. Fig. 1과 2는 미세먼지와 암모니아 가스농도의 측정방법 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).

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.

3. 자료분석

본 시험에서 측정된 PM10 과 PM2.5, 그리고 환기팬 근처의 NHH3 농도는 30분 간격으로 그래프에 나타내었다. 사육 형태별 계사 내외부 일일 PM 농도와 계사 내 NH3 배출농도는 세 차례 측정된 자료들을 일일 평균값으로 산정하여 나타내었다.

결과

1. 실시간 미세먼지 농도

본 연구에서 세 차례 측정된 24시간 동안의 PM10 과 PM2.5 의 농도는 Fig. 3과 4에 나타내었다. 세 가지 사육형태에서 PM10 과 PM2.5의 농도변화 양상은 유사하였다. 측정결과를 사육형태별로 보면, 세 번 측정된 PM10 과 PM2.5 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(4:00 이후)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).

Fig. 4. Temporal variations (24 h) of PM2.5 emission in three poultry houses with barn, aviary, and conventional cage system (a: first, b: second, c: third, d: average).

2. 실시간 암모니아 가스 농도

본 연구에서 세 차례 측정된 24시간의 NH3 농도(환기팬 근처) 변화는 Fig. 5에 나타내었다. 사육 형태별 측정 결과를 보면, Cage 계사의 NH3 배출농도가 가장 높았으며, 평사에서 가장 낮게 나타났다. 측정 결과를 시간대별로 보았을 때, 1차, 2차 및 3차 측정 결과들이 모두 다른 양상을 보여 PM 배출양상과는 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).

3. 일일 PM 및 NH3 배출농도

본 연구에서 측정된 일일 PM10, PM2.5 및 NH3 배출농도는 Table 2에 나타내었다. 일일PM10과PM2.5 농도는 Aviary 계사에서 각각 4,787㎍/m3와 388.6㎍/m3로 다른 계사에 비해 높게 나타났다. 계사 외부의 PM10 과 PM2.5 농도는 각각 226.0 ㎍/m3 와 39.3 ㎍/m3 로 평사나 Cage 계사와 유사하였다.

Table 2. Daily emission of particulate matter (PM10 and PM2.5) and ammonia (NH3) in different types of poultry houses

* Measurement location of NH3.

일일 NH3 농도는 다른 계사들에 비해 Cage 계사의 중앙과 끝에서 각각 7.70 ppm 과 9.20 ppm으로 높았으며, 평사에서 가장 낮게 나타났다. 평사와 Aviary 계사의 비교에서는 Aviary 계사에서 평사에 비해 높게 나타났다.

고찰

본 연구는 산란계의 사육 형태에 따른 동절기 미세먼지농도를 광산란법으로 실시간 측정하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 해외에서는 산란계 사육 형태별 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 PM2.5 농도는 오전에 높은 경향이었으며, 밤에는 낮게 나타났다. Aviary 계사의 경우, 1차와 2차 측정시보다 3차 측정시에 PM10과 PM2.5 농도가 높아졌으며, 평사계사의 경우, 세 번 측정한 PM 농도가 24시간 동안 거의 유사하였다. 또한, Cage 계사에서는 2차와 3차 측 정시에 환기량을 감소시켰음에도 불구하고, 세 번 측정값은 24시간 동안 일정한 농도를 유지하였다. NH3의 실시간 측정농도는 시간대에 따른 특정유형은 보이지 않았으나, 1차 측정에서 3차 측정까지 환기량 감소에 따라 증가하는 경향을 보이고 있었다. 특히 Cage 계사에서의 3차 측정시에 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 배출농도에 영향을 미치지만(Prodanov et al., 2016), 이외에도 사육수수, 온·습도 및 사육형태 등이 계사 내 PM와 NH3의 배출농도에 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 호흡기질병 발생을 억제하기 위해 환기량을 감소시켜 최소 환기량으로 조절하였다. 1차 측정시에 Aviary와 Cage 계사의 환기량은 평사의 2배이지만, Aviary 계사의 PM 배출농도는 평사와 Cage 계사에 비해 높게 나타났으며, 평사와 Cage 계사 사이에서는 유사하게 나타났다. 2, 3차 측정시에는 평사, Aviary 및 Cage 계사의 환기량을 감소시킴으로써 평사와 Aviary 계사의 PM 농도가 증가하였다. 반면, NH3 배출농도는 Cage 계사에서 가장 높게 나타났으며, 이는 Cage 계사의 환기량이 부족하다는 것을 나타내는 것이라 사료된다.

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

본 연구의 PM10 과 PM2.5의 농도는 각각 4,787 ㎍/m3와 388.6 ㎍/m3 로 Zhao et al.(2015)의 결과(3,950 ㎍/m3, 410 ㎍ /m3)와 유사하였다. 또한 Cage 계사에서도 PM10과 PM2.5의 농도는 본 연구와 Zhao et al.(2015)의 결과가 유사하게 나타났다(414.8 vs. 590.0 ㎍/m3, 52.4 vs. 35.0 ㎍/m3). 그러나 NH3 농도는 본 연구의 Cage 계사(중앙)에서 높게 나타났다(7.7 vs. 4.0 ppm). 이러한 결과는 본 연구에서 동절기 특성상계 사내 환기량을 최소 환기로 조절하였기 때문이라고 사료된다.

적요

본 연구는 산란계사 사육 형태별 동절기의 미세먼지(PM) 및 암모니아(NH3) 배출농도를 측정하기 위해 수행하였다. 배출농도는 12∼1월 동안 2주 간격으로 3회 평사, Aviary 그리고 Cage 계사에서 측정되었다. PM(PM10, PM2.5) 및 NH3 배출농도변화는 세 가지 사육 형태에서 유사하였다. 세 번 측정된 PM10과 PM2.5 농도는 Aviary 계사에서 가장 높게 나타났다. 시간대별로 측정한 결과는 계사들의 암기(22:00∼4:00)에 가장 낮았다. NH3 농도는 Cage 계사에서 가장 높았으며, 평사에서 가장 낮게 나타났다. 시간대별 NH3 배출농도에 대한 세 번의 측정 결과는 모두 다른 양상을 보여 PM 과는 다른 결과를 보여주었다. 또한 1차(12월)에서 3차(1월) 측정까지 시간이 경과함에 따라 NH3 농도가 점점 높아지고 있었다. 일일 PM10 과 PM2.5 농도는 Aviary 계사에서 각각 4,787 ㎍/m3와 388.6 ㎍/m3로 다른 계사에 비해 높게 나타났다. 계사 외부의 PM10 과 PM2.5 농도는 각각 226.0 ㎍ /m3와 39.3 ㎍/m3이었다. 일일 NH3 농도는 Cage 계사의 중앙과 끝에서 각각 7.70 ppm 과 9.20 ppm 으로 다른 계사들에 비해 높았다. 결론적으로, PM(PM10, PM2.5)과 NH3 농도는 Aviary와 Cage 계사에서 각각 가장 높게 나타났다.

(색인어: 산란계사, 동절기, 미세먼지, 암모니아)

사사

본 연구는 2021년 농촌진흥청 국립축산과학원 전문연구원 과정지원사업과 농촌진흥청의 공동연구사업(과제번호 : PJ01529103)에 의해 이루어진 것으로 이에 감사드립니다.

References

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