슬러리피트 구조변경를 통한 암모니아 배출 저감 효능 평가

이태구1 · Riuh Wardhani2 · Abera Jabessa2 · 장명훈1, 안희권1,2,3

1충남대학교 축산환경특성화대학원 석사과정

2 충남대학교 낙농학과 박사과정

3충남대학교 동물바이오시스템과학과 교수

1. 서 론

현대 돼지 사육 방식에서 돈사 하부에 위치한 슬러리 피트는 분뇨를 효율적으로 수집하고 저장하기 위한 필수적인 시설이다. 그러나 이 저장 과정에서 다량의 암모니아(NH3) 및 다양한 휘발성 유기화합물 등 악취 물질이 지속적으로 발생하게 된다. 특히 암모니아는 축사 내 작업자와 돼지의 호흡기 점막을 자극하여 건강과 생산성에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 대기 중으로 배출될 경우 미세먼지(PM2.5)를 유발하는 2차 생성 전구물질로 작용하며 주변 토양 및 수계의 산성화를 초래하는 주요 환경 오염원이다. 따라서 돈사 내 슬러리 피트에서 발생하는 암모니아 배출을 선제적으로 저감하기 위한 실효성 있는 기술 개발이 매우 시급한 실정이다.

최근 슬러리 표면에서 발생하는 가스 배출을 억제하기 위해 부유식 덮개(Floating cover)나 물리적 차단막을 활용하는 연구가 다수 진행되어 왔다. 기존 연구들에 따르면 슬러리 표면을 물리적으로 덮어 대기와의 접촉 면적을 줄이는 방식은 암모니아 물질 전달계수를 현저히 감소시켜 가스의 휘발을 억제하는 데 높은 효율을 보인다.

본 연구는 지속적인 분뇨 배설 환경에서도 무리 없이 적용 가능한 '바닥 구조 변경(Modified floor structure)' 방식을 제안하였다. 본 연구의 목적은 실험실 규모(Lab-scale)로 구축된 돼지 슬러리 피트 모형을 통해 이러한 바닥 구조 변경 기술이 암모니아 배출에 미치는 저감 효과를 정량적으로 평가하고, 그 핵심 기작을 규명하는 데 있다.

2. 연구 방법

본 연구는 바닥 구조 변경에 따른 암모니아 배출 저감 효과를 객관적으로 평가하기 위해 총 6개의 실험실 규모 돼지 슬러리 피트를 모사하여 대조군과 처리군으로 각각 할당하였다. 실험의 신뢰성을 높이기 위해 실제 돈사 슬러리 피트 내부와 유사한 환기율 및 온도 등의 환경 조건을 엄격하게 모사하였으며, 이 상태에서 약 8주간 지속적인 모니터링을 진행하였다.

처리군의 경우, 분뇨 표면과 돈사 바닥 사이에 표면 피복률이 약 87%에 달하는 다공성 패널을 새롭게 설치하여 기존 바닥 구조를 변경하였다. 이 다공성 패널은 분뇨 중 액상은 하부의 슬러리 피트로 원활하게 통과시키되, 상대적으로 부피가 큰 분은 패널 상단 표면에 체류하도록 고안되었다. 실험 기간 동안 실제 사육 환경의 분뇨 배출 패턴을 모사하기 위해 일정 주기로 신선한 돼지 분뇨를 모의 피트에 투입하였다.

암모니아 배출 저감 효율을 평가하기 위해, 실험 기간 내내 각 모의 피트의 배기구에서 배출되는 가스를 포집하여 암모니아 농도와 배출률을 주기적으로 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

바닥 구조 변경을 적용한 처리군의 암모니아 배출량을 대조군과 비교 분석한 결과, 8주간의 실험기간 동안 처리군에서 매우 유의미하고 안정적인 암모니아 배출량이 54.4%저감되었음을 확인하였다(p<0.05). 이러한 뛰어난 배출 저감 효율은 크게 두 가지 핵심 기작에 의해 달성된 것으로 분석된다.

첫째, 다공성 패널이 제공하는 강력한 물리적 장벽 효과이다. 처리군에 설치된 패널은 슬러리 표면의 약 87%를 덮고 있어, 액상 슬러리가 대기와 직접 맞닿는 노출 표면적을 급격히 감소시켰다. 암모니아 휘발은 슬러리 표면적과 대기 경계층의 물질 전달 계수에 크게 의존하므로, 87%의 높은 표면 피복률은 액상에서 대기로의 암모니아 물질 전달을 효과적으로 차단하여 전체 배출량을 최소화하는 결정적인 역할을 수행하였다.

둘째, 고액 분리를 통한 하부 슬러리의 선제적 질소 부하 감소 기작이다. 패널의 다공성 구조로 인해 고형 분은 패널 상층에 축적되고, 액상 유분만 하부 피트로 유입됨으로써 투입 초기부터 효과적인 고액 분리가 이루어졌다. 이를 통해 하부 액상 슬러리로 직접 유입되는 질소 부하와 유기물량이 대폭 감소하였으며, 결과적으로 미생물 분해 작용에 의해 생성되는 암모니아의 원천적인 발생량 자체가 억제되는 시너지 효과를 가져왔다.

일반적으로 슬러리는 저장 기간이 길어질수록 유기물의 미생물 분해가 가속화되고 pH가 상승하여, 이온화된 암모늄(NH4+)이 휘발성이 강한 유리 암모니아로 전환되며 배출량이 급증하는 경향이 있다. 대조군에서는 이러한 시간 경과에 따른 배출 급증 현상이 뚜렷하게 관찰되었으나, 처리군의 경우 다공성 패널의 고액 분리 기능과 물리적 장벽 유지 기능을 통해 이러한 배출 증가폭을 저감시키는 긍정적인 결과를 얻었다.

4. 결 론

본 연구는 실험실 규모의 돼지 슬러리 피트 모사 환경에서 다공성 패널을 활용한 바닥 구조 변경이 암모니아 배출 억제에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, 그 저감 기작을 규명하였다. 87%의 표면 피복률을 제공하는 다공성 패널 구조는 슬러리 표면과 대기 사이의 암모니아 물질 전달을 차단하는 강력한 물리적 장벽 역할을 수행함과 동시에, 패널 상단에서의 효과적인 고액 분리를 통해 하부 슬러리로의 질소 부하를 원천적으로 감소시키는 우수한 이중 저감 효과를 나타냈다.

결론적으로, 상대적으로 설치 및 유지관리가 용이하며 비용 효율적인 바닥 구조 변경기술은 축산 현장의 주요 민원 대상인 악취를 효과적으로 완화하고, 나아가 축산업계에 친환경적이고 지속 가능한 분뇨 관리 방안을 제공하는 데 매우 높은 잠재력과 실용성을 지니고 있음을 입증하였다.

5. 사 사

본 연구는 대한민국 농촌진흥청(RDA) 연구과제(RS-2022-RD010374)의 지원을 받아 수행되었다.