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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.48 No.2 pp.143-149
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2014.48.2.143

Assessment of the Amount of Ammonia Emitted from Windowless Layer House

Seung Joo Lee1, Yong Bok Lee2, Hong-Hee Chang2*
1Department of Biosystems Machinery Engineering, College of Agriculture and Life Sciences, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea
2Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju 660-701, Korea
Corresponding author: Hong-Hee Chang, Tel: +82-55-772-1944; Fax: +82-55-772-1949; E-mail: hhchang@gnu.kr
November 27, 2013 March 11, 2014 March 28, 2014

Abstract

Ammonia emitted to the atmosphere contributes to global warming and eutrophicaton of waters. The purpose of this study was to investigate ammonia emission emitted from windowless layer house in order to compile the national ammonia emission inventory. The windowless layer house was ventilated by 9 fans with the diameter of 120 cm. Manure was eliminated by conveyor belts every morning. Room temperature, ammonia concentration, and velocity of the fans were measured for three days in each season. The seasonal ammonia emission was not significantly different. The yearly ammonia emission was estimated to 0.282 kg hd-1 yr-1 in windowless layer house.


무창산란계사에서의 암모니아 발생량 산정

이 승주1, 이 용복2, 장 홍희2*
1충남대학교 농업생명과학대학 바이오시스템기계공학과
2경상대학교 농업생명과학연구원

초록

본 연구는 국가단위 암모니아 인벤토리 작성을 위한 자료를 제공하기 위해 무창산란계사에서 사육되고 있는 Hy-line Brown 산란계를 대상으로 암모니아 휘산량을 조사하였다. 무창산란계사의 환기는 120 cm 직경의 배기팬 9대에 의해 이루어졌으며, 계분은 벨트로 매일 아침에 배출되었다. 온도, 암모니아 농도, 배기팬의 풍속 등은 계절별로 각각 3일동안 측정되었다. 무창산란계사에서의 암모니아 휘산량은 계절 간 에 차이를 나타내지 않았으며, 연평균 무창산란계사 산란계의 암모니아 휘산량은 0.282 kg hd-1 yr-1로 나타났다.


    Rural Development Administration
    PJ008277012013

    I.서론

    우리나라에서 산란계는 주로 무창산란계사에서 사 육된다. 산란계를 사육하는 과정에서 암모니아가 필 수적으로 발생되며, 이 발생된 암모니아 가스는 배 기팬을 이용한 강제환기에 의하여 대기 중으로 휘산 된다. 이처럼 대기 중으로 휘산된 암모니아는 NOx 또는 SOx와 결합하여 미세먼지를 형성하고, 사람과 동물의 호흡기를 자극하여 호흡기 질환을 발생시킨 다. 또한 침적과 질산화과정을 통하여 생태계의 종 다변성을 파괴하고 토양산성화를 초래하여 작물재배 에 악영향을 줄 수 있다(EPA, 2004-a; EPA, 2004-b; Finlayson-Pitts & Pitts, Jr., 2000; Wathes, 1994). 그리고 암모니아가 전환되어 N2O가 형성되기도 하는데, 이 N2O는 CO2와 비교하여 광 흡수량이 150배나 높기 때문에 암모니아가 간접적으 로 지구 온난화에 상당히 영향을 미칠 수 있다(EPA, 2004-a; EPA, 2004-b; Finlayson-Pitts & Pitts, Jr., 2000). 또한 암모니아가 수계로 침적하게 되면 부영양화가 발생될 수 있다(EPA, 2004-a; EPA, 2004-b).

    전 세계적으로 발생되는 암모니아 중에 인간의 활 동에 의해서 발생되는 양이 약 74% 정도인 것으로 추산되고 있다. 또한 이 74% 중, 50% 정도는 축산 업에서 발생되고 있는 것으로 추산되고 있다(van Aardenne et al., 2001). 따라서 이처럼 축산업에서 발생되는 암모니아의 발생량을 발생원별로 조사한 결과를 토대로 이를 효과적으로 관리할 수 있는 관 리시스템을 구축할 필요성이 있다.

    산란계의 분에서 발생되는 암모니아는 요산과 가 소화 단백질 형태로 분에 포함되어 있는 질소를 박 테리아 중의 하나인 Bacillus pasteurii가 분해함으 로써 발생된다(Bacharach, 1957; Schefferle, 1965). 우리나라의 경우 현재까지 축사로부터의 암 모니아 휘산량을 조사한 연구는 진행된 바가 없으나 2000년대 후반부터 농촌진흥청을 중심으로 가축분뇨 퇴액비 생산과정과 퇴액비 시비 후 과정에서의 암모 니아 휘산량을 제한적으로 조사하고 있는 실정이다.

    이에 반해 농업선진국인 유럽과 미국 등은 2000년대 중반에 이미 국가단위 암모니아 인벤토리를 작성하 였을 뿐만 아니라 암모니아의 휘산과 침적에 대한 모니터링을 실시하고 있다. 이와 같이 우리나라도 미국과 유럽처럼 국가단위 암모니아 인벤토리를 작 성함과 동시에 암모니아의 휘산과 침적에 대한 모니 터링을 실시해야 할 것으로 판단된다.

    따라서 본 연구는 국가단위 암모니아 인벤토리 작 성에 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 무창산란 계사에서 산란계를 사육할 때 암모니아가 연간 한 마리당 얼마가 발생되는지를 산정하기 위하여 수행 되었다.

    II.재료 및 방법

    2.1.산란계사 시설과 공시동물

    산란계사는 대부분 무창계사이기 때문에(NACF, 2008) 30,000만 수를 수용할 수 있는 무창산란계사 를 대상으로 실험하였다. 산란계는 50주령의 Hy-line Brown이었으며, 이들의 사육밀도는 0.047 m2 hd-1이었다. 산란계의 적정온도는 10~24°C이다 (Oh, 2007). 적정온도의 유지와 적절한 환기를 위해 24시간 동안 환기팬에 의해 강제적으로 환기가 되는 터널식 강제환기방식 무창산란계사에서 계측을 실시 하였다. 환기팬으로는 직경이 120 cm(48 inch)인 대 형 배기팬 9대가 이용되었다. 환기량은 설정된 목표 온도에 근거하여 배기팬 제어기에 의해 자동으로 조 절되었다. 산란계분은 매일 아침 이송벨트로 배출시 켰다. 점등은 하루 16시간인 오전 5시부터 오후 21 시까지 실시하였다. 사료는 하루에 7회 정도 자동급 여를 하였으며, 물은 니플을 이용하여 급수하였다.

    2.2.측정항목 및 방법

    계절에 따라 무창산란계사 내의 온도는 외부 기온 에 따라 변할 뿐만 아니라 온도가 산란계분으로터의 암모니아 발생량에 영향을 미칠 수 있기 때문에 온 도가 산란계분의 암모니아 발생량에 미치는 영향을 알아보고자 무창산란계사 내의 작업통로 상 150 cm 높이에 온습도계(Thermo Recorder TR-72U, T&D corporation, Japan)를 설치하여 측정하였다. 무창 산란계사 내에서 발생되는 암모니아는 출입문이 열 려있을 때를 제외하고는 항상 배기팬만을 통하여 배 기되기 때문에 배기팬 50 cm 앞쪽 무창산란계사 내 부에 Ammonia Meter/Data Logger(Model Z800XP, Environmental Sensors Co., USA)를 설 치하여 무창산란계사 내의 암모니아 농도를 실시간 으로 측정하였다. Air Velocity Meter (Model 5725, TSI Incorporated, USA)를 배기팬 날개 중앙 15 cm 앞쪽 무창산란계사 외부에 설치하여 무창산란계 사에 설치되어 있는 배기팬으로부터 배기되는 공기 의 풍속을 실시간으로 측정하였다. 무창산란계사 내 온도와 암모니아 농도 및 배기팬 풍속 모두는 계절 별로 하루에 6~8시간씩 3일(3반복)에 걸쳐 측정하 였다(Xin, 2002).

    환기량 계산에 필요한 배기팬의 총배기면적은 식 (1)을 이용하여 계산하였으며, 계절별 산란계 1수당 환기량은 식(2)를 이용하여 계산하였다.

    TA = π × D 2 / 4 × NF
    (1)

    여기서, TA = 배기팬의 총배기면적 (m2)

    D = 배기팬의 직경 (m)

    NF = 배기팬의 대수 (ea)

    VRPERLAYER = TA × AV × 60 s / 1 min / TNLAYER
    (2)

    여기서, VRPERLAYER = 계절별 산란계 수당 환 기량 (cmm/hd)

    AV = 계절별 배기팬의 풍속 (m/s)

    TNLAYER = 총산란계수 (hd)

    계절별 산란계 1수당 암모니아 발생량은 식(3)을 이용하여 계산하였다.

    AMPERLAYER = CA × VRPERLAYER × TM / C
    (3)

    여기서, AMPERLAYER = 계절별 산란계 수당 암 모니아 발생량 (kg/hd)

    CA = 계절별 무창산란계사 내부의 암모니아 농도 (ppm)

    TM = 계절별 총환기시간 (129,600 min = 3개월)

    C = 농도-무게환산계수 (1.E-6 kg/m3 (공기밀도를 1 kg/m3로 가정))

    산란계의 암모니아 배출계수는 계절별 1수당 암모 니아 발생량을 구한 후 이를 식(4)에 대입하여 계산 하였다.

    AER = SPAER × SUMAER × FALAER + WINAER
    (4)

    여기서, AER = 산란계 배출계수 (kg/hd/yr)

    SPAER = 봄철 산란계 1수당 암모니아 발생량 (kg/hd/spring)

    SUMAER = 여름철 산란계 1수당 암모니아 발생량 (kg/hd/summer)

    FALAER = 가을철 산란계 1수당 암모니아 발생량 (kg/hd/fall)

    WINAER = 겨울철 산란계 1수당 암모니아 발생량 (kg/hd/winter)

    2.3.통계처리

    모든 자료에 대한 통계처리는 SAS(1998)의 GLM procedure를 이용하여 실시하였으며, 평균 간의 유 의성은 Duncan’s multiple range test로 검정하 였다.

    III.결과 및 고찰

    평균 나이가 50주령인 Hy-line Brown 산란계 30,000수를 사육하고 있는 무창산란계사에 온도계, 암모니아 농도 측정기 및 풍속계 등을 설치하여 계 절별로 측정한 온도, 암모니아 농도, 1수당 환기량 및 1일 1수당 암모니아 발생량은 Table 1과 같았다.

    무창산란계사에 있어서 계절이 1일 1수당 암모니 아 발생량에 통계적으로 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다(p>0.05). 그러나 Wathes 등(1997)의 연구 결과에 의하면, 겨울에는 0.684 g hd-1 d-1이었으나 여름에는 1.08 g hd-1 d-1로 겨울에 비하여 여름에 암모니아가 많이 발생되는 것으로 나타났으며, 또한 Simsek 등(2012)의 연구결과에 의하면, 미국에서 여 름철에 개방유우사를 대상으로 암모니아 발생량을 조사했는데 암모니아 농도는 환기량이 적을수록 높 고 암모니아 발생량은 환기량이 증가함에 따라 증가 하는 것으로 나타났다. Table 1에 나타낸 바와 같이 겨울에 비하여 여름에 온도가 높았을 뿐만 아니라 환기량 역시 높았기 때문에 1일 1수당 암모니아 발 생량이 통계적으로 유의적인 차이는 없었으나 겨울, 봄가을, 여름 순으로 높게 나타났던 것으로 판단된 다. 일반적으로 온도가 높아짐에 따라 요구환기량은 높아지며, 특히 24°C의 상한임계온도(Oh, 2007)보다 온도가 높아지면 더위 스트레스를 줄이기 위해 더 많은 환기를 시켜야 하기 때문에 Table 1에서 알 수 있는 바와 같이 다른 계절에 비하여 여름철의 요구 환기량이 높은 수준임을 알 수 있다. 반대로 온도가 10°C의 하한임계온도(Oh, 2007)보다 낮아지면 추위 스트레스를 받지 않도록 하기 위하여 최소환기를 해 야 하기 때문에 Table 1에서 알 수 있는 바와 같이 다른 계절에 비하여 겨울철의 요구환기량이 현저히 낮은 것을 알 수 있다.

    산란계에 있어서 질소는 요산과 미소화 단백질로 배설된다. 갓 배설된 신선 분에 포함되어 있는 질소 중에서 반 정도가 요산형태다. 요산형태의 질소는 암모니아로 매우 빠르게 전환되나, 미소화 단백질 형태의 질소는 조금 느리게 전환된다(Oenema et al., 2001). 요산과 미소화 단백질을 분해하여 암모 니아 가스를 발생시키는 주요 미생물은 요산분해 박 테리아 중의 하나인 Bacillus pasteurii이다 (Bacharach, 1957; Schefferle, 1965). 이러한 박테 리아들은 약 8.5의 pH에서 최적으로 성장한다 (Elliott & Collins, 1982). 그러나 일반적으로 산란 계분의 pH는 7.5~8.5 범위가 된다. 산란계분의 pH 가 7.5에서 7.0 정도까지 낮아짐에 따라 암모니아 발생량이 줄어들다가 7.0 미만이 되면 암모니아가 거의 생성되지 않으며, 8.0 이상으로 증가함에 따라 암모니아 발생량이 높아진다(Carr et al., 1990; Reece et al., 1979). 그러나 본 연구에서는 동일 사 료를 급여하는 상황이었기 때문에 pH는 변하지 않고 일정한 것으로 판단하여 계절에 따라 pH가 암모니아 발생량에 영향을 미치지 않는 것으로 판단하였다.

    나이가 50주령인 Hy-line Brown 산란계의 4계절 평균 1일 1수당 암모니아 발생량은 Table 1과 같이 0.782 g hd-1 d-1으로 나타났다. 이러한 본 연구의 결과는 외국의 연구결과인 0.05~1.08 g hd-1 d-1(Asman, 1992; Battye et al., 1994; Groot Koerkamp et al., 1998; Kroodsma et al., 1988; Tamminga, 1992; Van der Hoek, 1998; Wathes, 1997)의 범위 내에 포함되었다. 이처럼 외국에서 조 산된 값들 간에 편차가 심한 것은 산란계의 품종, 체중 및 급여사료(Liang et al., 2003), 기후특성, 산란계사의 형태 및 관리, 깔감의 사용여부와 교체 주기, 그리고 측정의 방법 및 정확도 등의 영향 때 문인 것으로 추측된다.

    계절별 1수당 암모니아 발생량은 Table 2와 같이 겨울철에는 0.068 kg hd-1, 봄과 가을에는 0.070 kg hd-1, 여름에는 0.074 kg hd-1로 나타났으며, 연 간 1수당 암모니아 발생량은 Table 2와 같이 0.282 kg hd-1 yr-1로 나타났다.

    앞에서 설명한 바와 같이 통계적으로 유의적인 차 이가 없었지만 다른 계절에 비하여 여름에 온도와 환기량이 높게 형성되어 암모니아 발생량이 높게 나 타난 것으로 판단된다(p>0.05).

    무창산란계사의 케이지 내에서 산란계를 사육하고 산란계분을 벨트로 배출하는 시설에서의 산란계에 대한 연간 1수당 암모니아 발생량을 외국에서 조사 한 결과에 의하면, 0.018~ 0.394 kg hd-1 yr-1의 범위였다(Asman, 1992; Battye et al., 1994; Groot Koerkamp et al., 1998; Kroodsma et al., 1988; Tamminga, 1992; Van der Hoek, 1998; Wathes, 1997). 그리고 깔감을 제공하는 육계에 대 한 연간 1수당 암모니아 발생량을 외국에서 조사한 결과에 의하면, 0.078~0.336 kg hd-1 yr-1의 범위 였다(Asman, 1992; Groot Koerkamp et al., 1998; Wheeler et al., 2003). 이러한 범위 내에 본 연구 의 결과값인 0.282 kg hd-1 yr-1이 포함되는 것을 고려해 볼 때 본 연구가 적절하게 수행된 것으로 판 단된다.

    본 연구의 결과에는 계분처리과정과 계분 퇴비 시비 후의 암모니아 발생량이 포함되어 있지 않기 때문에 계분처리과정과 계분 퇴비 시비 후의 암모 니아 발생량을 조사한 후 그들 값들을 본 연구결과 값에 합하여 우리나라의 Ammonia emission factor를 산정해야 함으로 이에 대한 연구가 추가 적으로 요구된다.

    Figure

    Table

    Amount of daily ammonia emissions from windowless layer house

    Amount of seasonal and yearly ammonia emissions from windowless layer house

    Reference

    1. Asman W. A. H (1992) Ammonia Emissions in Europe: Updated Emission and Emission Variations, National Institute of Public Health and Environmental Protection,
    2. Bacharach U (1957) The aerobic breakdown of uric acid by certain pseudomonades , J. Gen. Microbiol, Vol.17; pp.1-11
    3. Battye R , Battye W , Overcash C , Fudge S (1994) Development and selection of ammonia emission factors, US EPA, Office of Research and Development,
    4. Carr L. E , Wheaton F. W , Douglass L. W (1990) Empirical models to determine ammonia concentrations from broiler chicken litter , Trans. ASAE, Vol.33; pp.1337-1342
    5. Elliott H. A , Collins N. E (1982) Factors affecting ammonia release in broiler houses , Trans. ASAE, Vol.25; pp.413-418
    6. EPA (United States Environmental Protection Agency) (2004-a) Ag 101. Ammonia in the nitrogen cycle , www.epa.gov/agriculture/ag101/impactammonia.html Accessed Jul. 2004,
    7. EPA (2004-b) Airborne emissions from animal production systems. Source of airborne emissions , www.epa.gov/agriculture/ag101/impactairborne.html Accessed Jul. 2004,
    8. Finlayson-Pitts B. J , Pitts J. N Jr. (2000) Chemistry of the upper and lower atmosphere, Academic Press, pp.657-726
    9. Groot Koerkamp P. W. G , Metz J. H. M , Uenk G. H , Phillips V. R , Holden M. R , Sneath R. W , Short J. L , White R. P , Hartung J , Seedorf J , Schroder M , Linkert K. H , Pederson S , Takai H , Johnsen J. O , Wathes C. M (1998) Concentrations and emissions of ammonia in livestock buildings in Northern Europe , J. Agric. Eng. Res, Vol.70; pp.79-95
    10. Kroodsma W , Scholtens R , Huisveld J (1988) Ammonia emissions from poultry housing systems volatile emissions from livestock farming and sewage operations, Vol.2; pp.71-73
    11. Liang Y , Xin H , Tanaka A , Lee S. H , Li H , Wheeler E. F , Gates R. S , Zajaczkowski J. S , Topper P , Casey K. D (2003) Ammonia emissions from U.S. poultry houses: part II - layer houses, ASAE, pp.147-158
    12. NACF (National Agricultural Cooperative Federation) (2008) Livestock Housing Standard Plan. (In Korean),
    13. Oenema O , Bannink A , Sommer S. G , Velthof L Follet R. F , Hatfield J. L (2001) Gaseous nitrogen missions from livestock farming systems , In Nitrogen in the Environment: Sources, Problems, and Management, Elsevier Publ, pp.255-289
    14. Oh B. G (2007) Poultry Science, Munundang Press,
    15. Reece F. N , Bates B. J , Lott B. D (1979) Ammonia control in broiler houses , Poult. Sci, Vol.58; pp.754-755
    16. Schefferle H. E (1965) The decomposition of uric acid in built up poultry litter , J. Appl. Bacteriol, Vol.28; pp.412
    17. Simsek E , Kilic I , Yaslioglu E , Arici I (2012) Ammonia emissions from dairy cattle barns in summer season , J. Anim. Vet. Adv, Vol.11 (12) ; pp.2116-2120
    18. Tamminga S Philips C , Piggins D (1992) Gaseous pollutants produced by farm animal enterprises , Farm Animals and the Environment, CAB International, pp.345-357
    19. van Aardenne J. A , Dentener F. J , Klijn Goldewijk C. G. M , Lelieveld J , Olovier J. G. J (2001) A 1-1 resolution dataset of historical anthropogenic trace gas emissions for the period 1890-1990 , Global Biogeochem. Cycles, Vol.15; pp.909
    20. Van der Hoek K. W (1998) Summary of the work of the UNECE ammonia expert panel , Atmos. Environ, Vol.32; pp.315-316
    21. Wathes C. M , Holden M. R , Sneath R. W , White R. P , Philips V. R (1997) Concentrations and emission rates of aerial ammonia, nitrous oxide, methane, carbon dioxide, dust and endotoxin in UK broiler and layer houses , Br. Poult. Sci, Vol.38; pp.14-28
    22. Wheeler E. F , Casey K. D , Zajaczkowski J. S , Topper P. A , Gates R. S , Xin H , Liang Y , Tanaka A (2003) Ammonia emissions from US poultry houses: part III– broiler houses, ASAE, pp.159-166
    23. Xin H , Liang Y , Gates R. S , Wheeler E. F (2002) Measurement of ammonia emissions from laying hen houses,
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