본 연구에서는 개방형 축사에 추적가스법의 적용 가능성을 파악하기 위해 VERA test protocol에서 제시하고 있는 추적가스법의 축사의 측정 기준에 근거하여 계사를 선정하였다(International VERA Secretariat, 2018).

산란계사는 Table 1에서 보는 바와 같이 4,000마리의 규모의 사육 시설이며, 닭의 중량은 1.8 kg, 기존에 2주 이상 사용한 곳을 대상으로 하였다. 이는 VERA test protocol에서 제안하고 있는 최소 750마리 이상, 실측 전 축사의 사용 기간인 2개월을 충분히 충족하는 조건이다.

암모니아 배출계수 산정은 Vera test protocol에서 개방형 축사에 적용하고 있는 추적가스법을 이용하였다. 추적가스법은 주변의 영향을 받지 않는 안정한 기체를 추적가스로 이용하며, 추적가스와 측정 대상물질의 내·외부 농도 차이를 통해 환기율을 고려하여 배출계수를 산정한다.

추적가스로는 안정한 기체인 CO₂와 SF₆를 주로 사용한다. CO₂는 동물의 열과 호흡 등 대사과정에서 발생되는 이론적인 배출을 함께 고려하여 환기율을 산정한다. SF₆의 경우 실제 인공적인 추적가스를 주입하여 환기율을 산정하는 방법으로 SF₆는 직접적으로 가스를 투입하여야 하기 때문에, 농장의 협조가 어려운 점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 추적가스로 CO₂를 사용하였다. 배출계수 산정을 위한 절차는 다음과 같다.

먼저 축사의 환기율은 동물의 열과 호흡 기반 이론적 CO₂ 생성 농도를 이용한다. 따라서, 이론적인 닭의 HPU (Heat Production Unit)를 산정해야 한다. HPU는 동물의 대사과정에서 발생되는 CO₂ 배출을 고려하기 위해 산정해야 하는 개념으로 열생산량을 나타내며, 이를 이용해 열생산량 당 CO₂ 발생량을 산정할 수 있다. HPU와 환기율은 International Commission of Agricultural Engineering (CIGR)에서 제시된 계산식을 이용해 산정할 수 있다(ICAE, 2002). CO₂ 발생량은 식 (2)에서 설명되어 있듯 HPU 당 0.185 m³/h CO₂를 발생하는 것으로 CIGR에 제시되어 있으며 이 값은 여러 실험 결과를 기반으로 제안되었다고 설명되어 있다. 다음 식의 HPU 및 환기율은 CIGR에서 축종별로 충분한 이론적인 검증을 거쳐 제시한 식을 이용하였으며, 관련 상수는 계수의 형태로만 제시되어 있다.

CIGR에 따르면, 산란계의 HPU를 산정하기 위해서는 산란계사 내 닭의 총 사육두수(N)와, 닭의 무게(m^0.75), 일당 계란 생산량(Y²) 자료를 사용하여야 한다. HPU의 단위는 W로 표기하게 되는데, 이는 산란계사 내 닭 1 kg 당 일간 총 열생산량으로 설명된다.

산란계의 HPU는 식 (1)을 통해 계산된다.

• 여기에서,
• THP_L : 산란계의 총 열생산량(W)
• N : 산란계사 내 총 닭 사육 두수
• m^0.75 : 닭의 평균 무게(kg)
• Y² : 일당 계란 생산량(kg/day)

HPU를 이용한 환기율은 식 (2)를 통해 계산된다.

• 여기에서,
• VR : 환기율(m³/h)
• 0.185C : Convert coefficient (m³/h·HPU)
• HPU : 산란계사 내 닭 1 kg 당 일간 총 열생산량(W)
• CO_2Inside : 산란계사 내부의 추적가스 CO₂ 농도(ppm)
• CO_2Outside : 산란계사 외의 추적가스 CO₂ 농도(ppm)

암모니아 배출계수는 최종적으로 다음 식 (3)을 이용하여 산정한다. 암모니아 배출계수는 선행연구의 기준에 따라 연(Year) 기준으로 산정하였으며, 우리나라는 사육두수를 기준으로 해외는 AP (Animal Place)를 기준으로 하기 때문에 두 가지를 함께 고려하였다. AP의 경우 면적 당 허용가능 사육두수로 본 연구에서는 축산법 시행령에 제시되어 있는 산란계의 가축사육시설 단위면적당 적정 가축사육기준(0.075 m²/마리)을 이용하였다(Livestock Industry Act, 2018).

• 여기에서,
• E_NH3 : NH₃ 배출량(kgNH₃)
• VR : 환기율(m³/h)
• NH_3Inside : 시설 내부의 암모니아 농도(ppm)
• NH_3Outside : 시설 내부의 암모니아 농도(ppm)
• M_W : NH₃의 분자량(정수) = 17.031(g/mol)
• V_m : 이상기체 1 몰의 표준 상태에서의 체적(정수) = 22.4(10^-3 m³/mol)
• A : 산란계사 내 닭 사육 두수(마리 or AP (Animal Place))

본 연구에서 적용하기로 한 추적가스법은 동물의 이론적인 HPU를 이용하여 CO₂를 활용하는 방법이기 때문에 추적가스법을 활용한 암모니아 배출량을 산정하기 위해서는 추적가스로 사용되는 CO₂와 배출량 산정의 대상인 암모니아를 측정하여야 하며, 축사 내부와 외부의 CO₂와 암모니아 농도를 함께 측정해주어야 한다. 본 연구에서는 Vera test protocol에서 개방형 축사를 대상으로 추적가스법 적용시 사용되었던 OP-TDL (GasFinder3-op, boreal Canada)방법을 이용하여 축사 내부의 NH₃ 농도(4 ~ 6,500 ppm)와 CO₂ 농도(120 ~ 60,000 ppm)를 함께 측정하였다.

OP-TDL은 송 · 수신부와 반사판으로 구성되어 있다. 측정 방법은 송신부에서 특정 파장의 IR (Infared Ray)을 방출하고 일정 거리에 설치된 반사판으로부터 반사된 IR을 다시 수신부의 검출기로 검출하여 IR이 송수신된 경로 내의 거리와 파장의 흡수 정도를 고려하여 측정물질의 농도를 정량하는 방법으로 NH₃와 CO₂ 농도를 함께 측정할 수 있다.

Fig. 1. 
Schematic of NH₃ and CO₂ measurement positions at open Laying hens house

암모니아 농도는 주풍향 방향을 함께 고려하였으며, 계사 내부의 전체 농도를 대표할 수 있도록 계사 중앙부 양 끝에 송 · 수신기와 반사판을 설치하였다.

외부 농도는 Vera teat protocol에서 내부 영향을 줄일 수 있는 거리로 권고하는 5 m 이상되는 지점에서 측정하였다. 외부 CO₂ 농도 측정은 비분산적외선법(NDIR, TSI7525, USA)을 이용하였으며, 외부 NH₃ 농도 측정은 인도페놀법을 이용하였다. 암모니아 시료채취는 2개의 50 ml 용량플라스크에 암모니아 흡수액(붕산용액 총 50 mL로 흡수)을 넣고 미니펌프(SIBATA MP-ΣNⅡ, Japan)를 이용하여 4 L/min으로 약 19분간 총 50 L의 배기가스를 흡입하였다(NIER, 2021). 암모니아를 포집한 흡수액은 640 nm 파장에서 흡광도를 측정하였으며 측정 기계는 분광광도계(Shimadzu 17A, Japan)를 이용하였다.

암모니아 배출계수 산정을 위한 암모니아 농도 및 CO₂ 농도를 측정하기 위해 현장을 총 3회 방문하였으며, 총 42개의 자료를 확보할 수 있었다.

암모니아 농도 측정 결과를 Table 2에 나타내었다. 암모니아 농도 측정 결과, 개방형 산란계사 내부는 최대 9.59 ppm에서 최소 3.22 ppm 범위로 나타났으며, 평균 5.60 ppm, 표준편차 1.59 ppm으로 측정되었다. 암모니아 외부 농도는 최대 0.49 ppm에서 최소 0.24 ppm 범위로 나타났으며, 평균 0.46 ppm, 표준편차 0.06 ppm으로 측정되었다. 암모니아 외부 농도는 도시의 대기 중 암모니아 농도 범위 0.001 ~ 0.02 ppm 보다 다소 높게 나타났는데, 이는 축사에서 5 m 떨어진 곳이어서 축사의 영향을 받을 수 있기 때문인 것으로 판단된다(Park et al., 2020). 축사 주변 부지경계의 악취배출허용 기준은 1 ppm 미만이기 때문에 충분히 도시의 대기 중 암모니아 농도 범위보다 높을 수 있다고 판단된다(Malodor Prevention ACT, 2011).

CO₂ 농도 측정 결과를 Table 3에 나타내었다. CO₂ 농도 측정 결과, 개방형 산란계사 내부는 최대 967.47 ppm에서 최소 534.60 ppm 범위로 나타났으며, 평균 746.10 ppm, 표준편차 100.56 ppm으로 측정되었다. 외부농도는 최대 471.65 ppm에서 최소 438.25 ppm 범위로 나타났으며, 평균 457.66 ppm, 표준편차 10.31 ppm으로 측정되었다. CO₂ 외부 농도는 도심의 대기 중 농도 범위 424.11 ppm ~ 449.76 ppm 보다 다소 높게 나타났다(Park et al., 2021). CO₂ 농도 또한 NH₃와 유사하게 축사에서 5 m 떨어져 있는 지역이기 때문에 축사에 대한 영향을 받을 수 있을 것이라고 판단된다.

개방형 산란계사를 대상으로 추적가스법을 이용하여 암모니아 배출계수를 산정한 결과를 Table 4에 나타내었다. 배출계수 산정결과, 두수 기준은 0.36 kgNH₃/year/head, AP 기준은 0.39 kgNH₃/year/AP로 나타나 AP 기준의 배출계수가 더 높은 것으로 분석되었다. 이러한 차이는, 우리나라의 경우 적정 사육두수보다 다소 많은 가축을 기르고 있기 때문에, 실제 사육두수 기준으로 하였을 때의 배출계수가 더 높은 것으로 분석되었다.

선행연구와의 암모니아 배출계수 비교 결과, 두수기준으로 비교할 때, 현재 CAPSS에서 적용하고 있는 산란계 닭의 배출계수 0.37 kgNH₃/year/head와는 약 3% 낮게, AP기준으로 비교할 때, 덴마크, 네덜란드, 유럽과는 약 22% 높게 나타났다. 하지만 이러한 수치는 EMEP/EEA (2019)에서 제시하고 있는 분뇨 분야의 배출계수 95% 신뢰구간의 상한과 하한 범위인 ±25%보다 낮기 때문에, 해외 배출계수와도 큰 차이를 보이지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.