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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.47 No.6 pp.193-201
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2013.47.6.193

개방한우사와 개방육계사에서의 암모니아 발생량 산정

이용복1, 이승주2, 장홍희1*
1경상대학교 농업생명과학연구원, 2충남대학교 바이오시스템기계공학과

Assessment of the Amount of Ammonia Emitted from Hanwoo Loose Barn and Winch-curtain Broiler House

Hong-Hee Chang1*, Yong Bok Lee1, Seung Joo Lee2
1Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju 660-701, Korea
2Department of Biosystems Machinery Engineering, College of Agriculture and Life Sciences, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea
Received: NOV. 8. 2013, Revised: NOV. 15. 2013, Accepted: NOV. 28. 2013

Abstract

Ammonia emission to the atmosphere is an environmental concern because it contributes toeutrophicaton of water body and impair air quality. In Korea, the major source of ammoniaemission is livestock agriculture. The purpose of this study was to compile the national ammoniaemission inventory. In Hanwoo loose barn, the seasonal difference in ammonia emission was thelowest in winter due to low temperature. there was no significant difference among spring, fall,and summer. The ammonia emission was estimated to 7.605 kg hd-1 yr-1 to those in cow. Theseasonal emission patterns in winch-curtain broiler house was similar with cow. The ammoniaemission was estimated to 0.191 kg hd-1 yr-1 in winch-curtain broiler house.

0090-01-0047-0006-21.pdf734.1KB

Ⅰ. 서론

 가축 중에서 한우와 육계는 대부분 윈치커튼식 개방축사에서 사육된다. 한우와 육계를 사육하는 과정에서 암모니아가 필수적으로 발생하며, 발생된 암모니아 가스는 자연환기에 의하여 대기 중으로 휘산된다. 이처럼 휘산된 암모니아는 다음과 같이 크게 세가지 측면에서 악영향을 미칠 수 있다.

 첫째, 대기 중으로 휘산된 암모니아와 NOx 또는 SOx 간의 결합에 의해 형성되는 미세먼지가 사람과 동물에게 호흡기 질환을 일으키고, 침적을 통해서 과량의 질소를 자연계 공급하여 생태계의 종 다변성을 파괴하며, 질산화 과정을 통해서 토양산성화를 초래할 수 있다( EPA, 2004-a; EPA, 2004-b; Finlayson-Pitts & Pitts, Jr., 2000; Wathes, 1994).

 둘째, 대기 중으로 휘산된 암모니아가 전환되어 형성이 되는 N2O는 CO2 에 비해 광 흡수량이 150배 높아 지구 온난화 기여도가 높은 분자로 알려져 있다. 이처럼 암모니아가 직접적으로 지구 온난화에 영향을 미치지는 않으나 N2O 로 전환되어 지구 온난화에 간접적으로 영향을 미칠 수 있다(EPA, 2004-a; EPA, 2004-b; Finlayson-Pitts & Pitts, Jr., 2000).

 셋째, 대기 중으로 휘산된 암모니아는 침적을 통해서 수계 부영양화의 원인 물질로 작용한다(EPA, 2004-a; EPA, 2004-b). 지중해지역과 걸프만에서 발생된 부영양화의 주원인은 농축산업에서 발생된 암모니아 휘산에 의한 질소 침적으로 밝혀졌다.

 전 세계에서 발생되는 암모니아 휘산량은 53.8 Mt N yr-1이며, 이 중 약 74%는 인간의 활동에 의해서 발생되는 것으로 추산되고 있다. 인간의 활동에 의해 발생되는 암모니아 중 50% 정도는 축산업에서 발생되고 있어(van Aardenne et al., 2001), 이를 효과적으로 관리하기 위한 발생원별 발생량 조사의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.

 축산업에서 발생되는 암모니아는 분뇨에 포함된 urea태 질소가 urease에 의해서 가수분해 된 후 NH3 형태로 휘산되어 발생된다. 우리나라의 경우 현재까지 축산관련 암모니아 휘산량 측정에 관한 연구는 2000년대 후반부터 농촌진흥청을 중심으로 가축분뇨 퇴액비 생산과정과 퇴액비 시비 후 과정에서 암모니아 휘산량을 측정하고 암모니아 발생량을 저감할 수 있는 방법에 관하여 제한적으로 수행되어오고 있다.

 그러나 미국과 유럽 같은 농업선진국은 2000년대 중반에 이미 국가단위 암모니아 인벤토리 작성과 더불어 휘산과 침적에 대한 모니터링을 실시하여 국가정책수립에 활용하고 있다. 이와 같이 우리나라도 미국과 유럽처럼 국가단위 암모니아 인벤토리 작성과 더불어 휘산과 침적에 대한 모니터링을 실시하여 국가 정책수립에 활용해야 할 것으로 판단된다.

 따라서 본 연구는 국가단위 암모니아 인벤토리 작성에 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 개방축사에서 한우와 육계를 사육할 때 암모니아가 연간 한 마리당 얼마가 발생되는지를 산정하기 위하여 수행되었다.

Ⅱ. 재료 및 방법

2.1 축사와 공시동물

 한우사와 육계사는 대부분 윈치커튼방식의 개방축사이다(NACF, 2008). 한우의 사육단계는 자우, 육성우, 비육우, 임신우 등으로 구분되며, 대략적인 평균체중은 400 kg 정도가 된다. 체중이 400 kg 정도 되는 비육우의 적정사육밀도는 7.0 m2hd-1이며 이들의 적정온도는 10∼20℃이다(Ko et al., 2006). 우리나라에서 주로 사육되는 육계의 품종은 Ross broiler이며, 이들은 보통 부화 후 5주령까지 사육된다. 육계의 적정사육밀도는 0.028 m2hd-1이며 이들의 적정온도는 부화 후 첫 주에는 35℃이고 이후부터 출하 때 까지 16∼25℃로 낮춘다(Oh, 2007). 육계는 일반적으로 입식 후 출하 때까지 한곳에서 사육되며, 육계의 대략적인 평균체중은 0.68kg (3주령)이다. 한우사와 육계사의 바닥은 보통 콘크리트로 되어 있으며, 이 콘크리트바닥 위에 톱밥이나 왕겨 등의 깔감을 깔아주어 분뇨를 처리하게 된다. 따라서 한우사와 육계사 모두 개방축사를 대상으로 실험하였으며, 공시동물인 한우와 육계의 평균체중은 각각 400 kg과 0.68 kg이었고 이들의 적정사육밀도는 7.0 m2h-1과 0.028 m2hd-1이었다.

2.2 샘플 채취

 한우 분에 대한 샘플은 평균체중이 400 kg 정도 되는 비육우가 사육되는 임의의 우방바닥 3점에서 층이 파괴되지 않은 상태로 채취되었다. 이렇게 채취한 샘플은 냉난방시설이 되어 있어 온도가 제어되는 실험공간으로 1시간 내에 옮겨져 실험에 사용되었다.

 육계 분에 대한 샘플은 평균체중이 0.68 kg 정도되는 육계가 사육되는 임의의 바닥 3점에서 층이 파괴되지 않은 상태로 채취되었다. 이렇게 채취한 샘플은 한우 분과 마찬가지로 냉난방시설이 되어 있어 온도가 제어되는 실험공간으로 1시간 내에 옮겨져 실험에 사용되었다.

 샘플은 계절적으로 겨울인 2월, 봄인 4월, 그리고 여름인 7월에 채취되었으며, 가을은 봄과 동일한 것으로 간주하여 실시하지 않았으며, 산정 시에는 봄 자료를 동일하게 가을 자료로 사용하였다.

2.3 실험실 방 온도

 기상청에 의하면 우리나라의 평균온도가 겨울에는 –0.7℃, 봄과 가을에는 16.0℃, 그리고 여름에는 25.6℃이다. 개방한우사의 내부온도는 윈치커튼이 4계절 동안 거의 대부분 일부 또는 전체가 개방되기 때문에 외부온도와 거의 동일하게 유지된다. 이에따라 한우 분의 암모니아 휘산량을 측정하기 위한 실험실의 방 온도를 계절별 외부 평균온도에 가깝게 겨울에는 2.0±1.5℃, 봄에는 16.0±1.5℃ 및 여름에는 25.0±1.5℃로 유지하였다. 그러나 개방육계사는 육계가 온도에 매우 민감하게 반응하기 때문에 윈치커튼의 개폐량을 조절하여 계사 내부 온도를 조절하게 된다. 이로 인하여 평균체중이 0.68 kg 정도 되는 육계가 사육되는 개방육계사의 온도는 여름에는 30℃ 내외, 봄과 가을에는 24℃ 내외, 겨울에는 18℃ 내외로 조사되었다. 이에 따라 육계 분의 암모니아 휘산량을 측정하기 위한 실험실의 방 온도를 계절별 육계사 내부 평균온도에 가깝게 겨울에는 18.0±1.5℃, 봄에는 24.0±1.5℃ 및 여름에는 30.0±1.5℃로 유지하였다.

2.4 암모니아 휘산량 측정 장치 및 방법

 온도에 따른 암모니아 휘산량은 밀폐형 챔버법을 이용하였다(Fig. 1). 각각의 가축분을 챔버(27×20.5×19 cm)에 샘플해온 그대로의 높이로 채우고, 공기펌프와 flow meter (2L sec-1)를 이용하여 휘산되는 암모니아를 포집용 0.05N-H2SO4 용액에 통과 시켰다. 이때 포집용기의 암모니아 농도는 Automatic ion analyzer (BRANTable RUEBBE. CO)를 이용하여 분석하였다.

Fig 1. Equipment for the measurement of ammonia emissions.

2.5 통계처리

 모든 자료에 대한 통계처리는 SAS(1998)의 GLM procedure를 이용하여 실시하였으며, 평균 간의 유의성은 Duncan’s multiple range test로 검정하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

 평균체중이 대략 400 kg이 되는 한우가 사육되는 개방한우사 우방에서 채취한 우분을 대상으로 측정한 계절별 한우사 내 온도, 깔감의 pH 및 수분함량 그리고 1일 암모니아 발생량은 Table 1과 같았다.

Table 1. Amount of daily ammonia emissions from Hanwoo loose barn

 개방한우사에 있어서 계절이 암모니아 발생량에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다(p>0.05). 그러나 미국에서 여름철에 개방유우사를 대상으로 암모니아 발생량을 조사한 결과에 의하며, 암모니아 농도는 환기량이 적을수록 높고 암모니아 발생량은 환기량이 증가함에 따라 증가한다(Simsek et al., 2012). 개방축사의 환기량에 가장 영향을 미치는 인자는 풍속이다(Choi, 1983). 즉 바람이 강하면 강할수록 환기량이 많아지며 반대로 바람이 약하면 약할수록 환기량이 적어진다. 우리나라의 기후특성을 보면, 주로 겨울에는 바람이 강하고 그 외의 계절에는 바람이 강하지 않은 특성을 나타낸다. 그러나 겨울에는 온도가 낮아지기 때문에 한우의 추위 스트레스를 방지하기 위하여 윈치커튼을 최소 환기만을 위해 극히 일부분만 개방하고 대부분 폐쇄하기 때문에, 실질적으로 계절별로 환기량을 비교해보면 한우사의 경우 거의 차이가 없다. 이러한 점이 한우사에 있어서 계절이 암모니아 발생량에 영향을 미치지 않도록 하는데 기여한 것으로 판단된다. 깔감에서 발생되는 암모니아 량은 깔감의 pH와 수분함량에 의해 영향을 받을 수 있으며, 특히 깔감 표면의 수분함량에 영향을 받을 수 있다(Visek, 1968). 그러나 우리나라의 한우농가에서는 깔감의 상태를 상시 확인하여 상태가 불량하면 바로바로 교체해주기 때문에 계절별로 깔감의 pH와 수분함량은 Table 1과 같이 차이가 없다(p>0.05). 이러한 점도 한우사에 있어서 계절이 암모니아 발생량에 영향을 미치지 않도록 하는데 기여한 것으로 판단된다. 개방한우사 내부의 온도(계절)이 암모니아의 발생량에 영향을 미칠 가능성도 있을 수 있으나(Visek, 1968), 실질적으로 깔감을 사용하는 개방한우사에서는 Table 1과 같이 온도가 암모니아의 발생량에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다(p>0.05).

 평균체중이 대략 400 kg이 되는 한우의 암모니아 발생량은 Table 1과 같이 4계절 평균 21.0 g hd-1d-1으로 나타났다. 외국에서 조사한 비육우의 암모니아 발생량은 한우 비육우의 암모니아 발생량보다 높은 48∼318 g hd-1d-1였으며(Fiedler & Muller, 2011; Hristov et al., 2011; van Haarlem et al., 2008), 젖소의 암모니아 발생량은 2.6∼59.0 g hd-1d-1였다(Amon et al., 2001; Brose et al., 1998; Hristov et al., 2011; Misselbrook et al., 2000; Mutlu et al., 2004; Pindera et al., 2004; Simsek et al., 2012). 이처럼 외국에서 조산된 값들이 높고 편차가 심한 것은 비육우의 품종, 체중 및 급여사료, 기후특성, 우사의 형태 및 관리, 깔감의 사용여부와 교체주기, 그리고 측정방법 등의 영향 때문인 것으로 추측된다. 따라서 이에 대한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.

 평균체중이 0.68 kg 정도 되는 육계가 사육되는 개방육계사 바닥에서 채취한 계분을 대상으로 측정한 계절별 육계사 내 온도, 깔감의 pH 및 수분함량 그리고 1일 암모니아 발생량은 Table 2와 같았다. 육계사 내부의 온도는 계절별로 다르게 나타났으나, 깔감의 pH와 수분함량은 계절 간에 차이가 없었다(p>0.05).

Table 2. Amount of daily ammonia emissions from winch-curtain broiler house

 육계에 있어서 질소는 요산과 미소화 단백질 형태로 배설된다. 신선한 분에 포함되어 있는 질소 중에서 약 50%가 요산형태이다. 이렇게 요산속에 포함되어 있는 질소는 가수분해, 광화작용 및 휘발에 의해 암모니아로 매우 빠르게 전환되나(Oenema et al., 2001), 분속에 미소화 단백질 형태로 포함되어있는 질소는 조금 느리게 전환된다. 미생물이 분속에 있는 유기성 질소화합물과 요산을 분해함으로써 암모니아 가스가 발생된다. 요산을 분해하는 주요 미생물은 요산분해 박테리아 중의 하나인 Bacillus pasteurii이다(Bacharach, 1957; Schefferle, 1965).

 요산을 분해하는 박테리아들은 약 8.5의 pH에서 최적으로 성장한다(Elliott & Collins, 1982). 그러나 일반적으로 계분과 깔감의 pH는 7.5∼8.5 범위가 된다. 계분 또는 깔감의 pH가 7 미만일 때는 암모니아가 거의 생성되지 않으며, 7 가까이 될 때는 암모니아 발생량이 증가하며, 8 또는 그 이상일 때는 많이 생성된다(Carr et al., 1990; Reece et al., 1979).

 그러나 본 연구에서는 양계농가가 육계를 입식시킬 때 계절에 상관없이 충분히 깔감을 깔아주어 깔감의 pH가 계절별 암모니아 발생량에는 영향을 미치지 않고 총 암모니아 발생량에 영향을 미쳤을 것으로 판단되었다.

  pH 외에 암모니아 생성에 기여하는 인자는 온도, 분의 수분함량 및 질소함량 등이다. 온도, 수분함량, 그리고 pH가 요산이 암모니아로 쉽게 전환되도록 하는 미생물의 생활환경에 직접적으로 영향을 미치며, 특히 높은 온도는 박테리아 활성과 암모니아 생성을 증가시킨다(Carlile, 1984; Visek, 1968). 또한 상대습도가 깔감의 수분함량에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다(Weaver & Meijerhof, 1991). 따라서 온도, 분의 수분함량 및 질소함량 등이 낮으면 낮을수록 암모니아 발생량이 줄어든다(Gates, 2001; Gates et al., 2002; Ferguson et al., 1998). 이밖에 육계의 일령이 증가함에 따라 암모니아 발생량이 증가한다(Jiang & Sands, 2000).

 그러나 깔감의 pH와 마찬가지로 양계농가가 육계를 입식시킬 때 계절에 상관없이 충분히 깔감을 깔아주어 깔감의 함수량이 계절별로 다르게 나타나지 않았기 때문에 깔감의 pH가 계절별 암모니아 발생량에는 영향을 미치지 않고 총 암모니아 발생량에 영향을 미쳤을 것으로 판단되었다.

 또한 온도가 증가함에 따라 암모니아 발생량이 증가하는 약간의 경향이 나타났으나 통계적인 유의차는 없었다(p>0.05).

 평균체중이 대략 0.68 kg이 되는 육계의 암모니아 발생량은 Table 2와 같이 4계절 평균 0.524 g hd-1d-1으로 나타났다. 이러한 본 연구의 결과는 외국의 연구결과인 0.045∼0.632 g hd-1d-1(Battye et al., 1994; Burns et al., 2003; Demmers et al., 1999; Groot Koerkamp et al., 1998; Kroodsma et al., 1988; Lacey et al., 2003; Lima et al., 2011; Misselbrook et al., 2000; Pescatore et al., 2005; Phillips et al., 1995; Redwine et al., 2002; Van der Hoek, 1998; Wathes et al., 1997; Wheeler et al., 2003; Zhu et al., 2000)의 범위 내에 포함되었다. 이처럼 외국에서 조산된 값들 간에 편차가 심한 것은 육계의 품종, 체중 및 급여사료(Liang et al., 2003), 기후특성, 계사의 형태 및 관리, 깔감의 사용여부와 교체주기, 그리고 측정방법 등의 영향 때문인 것으로 추측된다. 따라서 이에 대한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.

 개방한우사와 개방육계사로부터의 연간 두당 암모니아 발생량은 Table 3과 같이 7.6 kg hd-1yr-1과 0.191 kg hd-1yr-1으로 각각 나타났다.

Table 3. Amount of yearly ammonia emissions from Hanwoo and Ross broiler

 깔감을 제공하는 비육우에 대한 암모니아 발생량은 앞에서 설명한 바와 같이 외국에서 조사한 비육우의 암모니아 발생량(Fiedler & Muller, 2011; Hristov et al., 2011; van Haarlem et al., 2008)보다 낮게 나타났으며, 이러한 결과의 원인은 비육우의 품종, 체중 및 급여사료, 기후특성, 우사의 형태 및 관리, 깔감의 사용여부와 교체주기, 그리고 측정방법 등인 것으로 추측된다. 따라서 이에 대한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.

 깔감을 제공하는 육계에 대한 암모니아 발생량은 영국의 경우 0.078∼0.174 kg hd-1yr-1(Groot Koerkamp et al., 1998)이고 미국의 경우 0∼0.336 kg hd-1yr-1(Asman, 1992; Wheeler et al., 2003) 이다. 본 연구결과의 값과 영국 및 미국의 Ammonia emission factor를 비교해 볼 때, 본 연구결과의 값이 영국의 상한치보다는 다소 높으나 미국의 범위 내에 포함되기 때문에 본 연구결과가 적절하게 나온 것으로 판단된다.

 본 연구의 결과에는 분뇨처리과정과 시비 후의 암모니아 발생량이 포함되어 있지 않기 때문에 분뇨처리과정과 시비 후의 암모니아 발생량을 조사한 후 그들 값을 본 연구결과 값에 합하여 우리나라의 Ammonia emission factor를 산정해야 함으로 이에대한 연구가 추가적으로 요구된다.

Ⅵ. 감사의 글

본 연구는 농촌진흥청(과제번호 PJ008277) 지원으로 수행되었다. 

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