축산분뇨 악취유발물질에 관한 연구 서울시립대학교 김현욱 교수.

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1 축산분뇨 악취유발물질에 관한 연구 서울시립대학교 김현욱 교수

2 악취발생학 발생 방지 전략 심미적 접근, 과학적 접근? 악취에 대해 정의, 정량, 방지가 어려움. 시설물, 저장 구조
현재까지 심미적 요인으로 간주됨. 악취에 대해 정의, 정량, 방지가 어려움. 분뇨의 악취는 331 가지 성분에 의해 발생 돈분의 30 가지 성분이 가장 일반적임 발생 방지 전략 시설물, 저장 구조 농지살포 시스템

3 악취발생 발생원인 가축 시설물 & 부지 분뇨 처리 및 저장 농지살포 사일리지 (silage) 사료 공급 프로세스 사체 처리

4 악취발생과 건강 불쾌감 (삶의 질 문제) 건강에의 영향은 여전히 논란 독성 (H2S) 기능저하
악취발생학 악취발생과 건강 건강에의 영향은 여전히 논란 독성 (H2S) 기능저하 이비인후과 질환  확실한 걸까? 불쾌감 (삶의 질 문제) 광의적 측면 &자연환경적 측면에서 크게 중요한 문제가 아님. 오히려 지역적 문제 인접 거주지역 가장 큰 불만의 원인 돼지, 육계, 산란계, 소 도축장

5 악취 양돈농가 54%에 대해 불만 농지살포는 50% 많은 종류의 물질이 돼지의 악취와 연관 30 종이 가장 일반적인 악취 물질
악취발생학 악취 양돈농가 54%에 대해 불만 농지살포는 50% 많은 종류의 물질이 돼지의 악취와 연관 30 종이 가장 일반적인 악취 물질 NH3, 아민, H2S, VFA’s, 인돌, 스케이톨 , 페놀, 메르캅탄, 알콜, 카르보닐 등

6 악취 발생 물질 악취발생학 황 함유 물질 페놀류 물질 VFAs 인돌계 물질 주요 악취 원인 물질 악취 발생 기작 규명
효과적인 악취 방지

7 악취발생학 측정 냄새 vs. 가스 측정 후각이용 (Olfaction)

8 악취발생학 악취발생 가스 샘플 분석 방법 감지 방법 GC/MS 개별 성분 분석 냄새강도 역치 감지 정보 구술 Hedonic
Tone GC

9 가스측정법 지표튜브 (indicator tube) 암모니아 & H2S 미터 카세트 테이프 시스템
악취발생학 가스측정법 지표튜브 (indicator tube) 암모니아 & H2S 미터 카세트 테이프 시스템 전자 코 (electronic nose) 기체 크로마토그래피 (GC), GC/MS 장점 개별 가스 성분에 대해 정확한 분석 정량적 표준으로 인정됨 건강에 영향을 끼치는 가스 성분 측정에 유용함 제약사항 고가, 악취에 대해 정확한 예측을 하지 못함 분뇨 발생 악취는 한가지 물질에 의한 것이 아님

10 악취발생학

11 악취발생학

12 악취발생학

13 올팩토미터법: 숙달된 패널이 악취를 측정 측정장소 현장 호기오염분석기(Scentometer) 현장 냄새탐지기 실험실
악취발생학 올팩토미터법: 숙달된 패널이 악취를 측정 측정장소 현장 호기오염분석기(Scentometer) 현장 냄새탐지기 실험실 동적 올팩토미터, 삼각 강제 통풍 올팩토미터, Cotton Swatch

14 올팩토미터법 농도 강도 지속성 역치 감지 역치 인식 여러 농도의 n-부탄올과 관계 있는 상대적 냄새 강도를 기술
악취발생학 올팩토미터법 농도 역치 감지 대상 패널의 50%가 차이를 감지하는 지점에서 채취한 샘플의 냄새를 희석하기 위해 일정량의 일반 공기가 필요 역치 인식 패널이 대상 물질을 인식할 수 있는 지점에서 채취한 샘플의 냄새를 희석하기 위해 일정량의 일반 공기가 필요 강도 여러 농도의 n-부탄올과 관계 있는 상대적 냄새 강도를 기술 지속성 가축 단위 (livestock unit)의 공기를 희석하기 위해 냄새가 나지 않는 곳에서 나온 일정량의 공기가 필요

15 올팩토미터법 Hedonic Tone 특성 구술 특징 제약사항 악취에 의한 불쾌감 측정
악취발생학 올팩토미터법 Hedonic Tone 악취에 의한 불쾌감 측정 1 에서 10 등급으로 구분 (또는, -10에서 10, -10에서 0) 특성 구술 냄새를 기술 특징 악취와 후각과의 직접적 상관관계 혼합가스 측정 가능 제약사항 주관적 부정확 일반인과 패널의 후각을 규정하기 어려움 측정 전에 먼지를 걸러야 하는 경우도 있음. 훈련이 필요 고가

16 악취발생학 올팩토미터법 올팩토미터법: 고가, 패널에 따라 달라짐, 편차가 큼

17 악취발생학 올팩토미터법 호기오염분석기: 간단하지만 부정확함, 사람의 감각에 따라 달라짐

18 악취발생학 올팩토미터법 전자코: 기술발전 단계  훈련필요, 민감하지 않음

19 먼지측정법 비중법 (필터 & 충격 장치) 입자계수 입자를 모으기 위해 페트리 접시에 병원균을 첨가하고 배양시킬 수 있음
악취발생학 먼지측정법 비중법 (필터 & 충격 장치) 입자계수 사이클론 효과 이용 입자를 모으기 위해 페트리 접시에 병원균을 첨가하고 배양시킬 수 있음

20 분해경로 악취발생학 NH3 H2S, TRSs 유기성 고분자 휘발성 지방산 유산염 에탄올 H2+CO2 아세테이트 CH4+CO2
메탄생성 가수분해 산 생성단계 유기산 발효 분해경로 NH3 H2S, TRSs VFAs 인돌, 페놀 유기성 고분자 단백질 단수화물 지방 휘발성 지방산 유산염 에탄올 H2+CO2 아세테이트 CH4+CO2 단량체 아미노산 당 지방산 악취물질

21 악취발생학 VOS의 발생과 분해경로 (Lomans, 2002; Gliderman et al, 2007; Sekyammah et al, 2008). Mechanism Reaction VOSs Production DMSP cleavage DMSP  acrylate + DMS MMPA demethiolation MMPA  acrylate + MT S-amino acid degradation S-AA  HS- / MT / DMS + AA DMSO reduction lactate (DMSO)  DMS + acetate Sulfide methylation Detoxification HS- + R-CH3  Ra + MT MA degradation HS- + R-CH3  Rb + MT MT + R-CH3  Rb + DMS DMDS oxidation/reduction DMDS  2 MT Note: MA, methoxylated aromatic compounds; DMSP, dimethylsulfoniopropionate; MMPA, methylmercapto-propionate; S-AA, sulfur-containing amino acids; AA, amino acids; MA, methoxylated aromatic compounds; DMSO, dimethylsulfoniopropionate; R, variable residue, group or compound; DMS, dimethyl sulfide;p MT, methionine.

22 악취발생학 VOS의 발생과 분해경로 (Lomans, 2002; Gliderman et al, 2007; Sekyammah et al, 2008). Mechanism Reaction VOSs Degradation Oxidation DMS / MT + O2  MT + CH2O  CO2 + SO42- DMS / MT + O2  MT + CH2O  CO2 + SO42- Phototrophic oxidation DMS / MT + H2O  DMSO Oxidation to DMSO DMS + O2  DMSO Denitrification DMS / MT + NO3-  N2 + CO2 +SO42- Methanogenesis DMS / MT  CH4 + CO2 + HS- Sulfate reduction DMS / MT + SO42-  CO2 + HS- Note: MA, methoxylated aromatic compounds; DMSP, dimethylsulfoniopropionate; MMPA, methylmercapto-propionate; S-AA, sulfur-containing amino acids; AA, amino acids; MA, methoxylated aromatic compounds; DMSO, dimethylsulfoniopropionate; R, variable residue, group or compound; DMS, dimethyl sulfide;p MT, methionine.

23 악취발생학 타이로신 수산화페닐 피루빈산염 유산염 아세테이트 p-크레졸 트립토판 인돌 피루빈산염 인돌 유산염 인돌 아세테이트
3-메틸 인돌 인돌 61 22 22

24 악취발생학 순서 물질 악취 역치 (ppmv) 악취지수 (0.1ppmv) 악취지수(0.1ppmv) 1 암모니아 5.75 0.0
14 p-자일렌 0.49 0.2 2 메틸 메르캅탄 95.2 m-자일렌 - 3 황화수소 0.0178 5.6 o-자일렌 0.851 0.1 4 디메틸 황 44.6 15 메틸 에틸 케톤 7.76 5 디메틸 다이설파이드 0.0123 8.1 16 메틸 이소부틸 케톤 0.537 6 트리메틸아민 0.0024 41.7 17 부틸 아세테이트 0.195 0.5 7 아세트알데히드 0.186 18 프로피온산 0.0355 2.8 8 스티렌 0.099 1.0 19 n-부틸산 25.7 9 프로피온알데하이드 0.0086 11.6 20 n-발레르 산 20.9 10 n-부틸알데하이드 11.2 21 이소 발레르 산 40.7 11 n-발레르알데하이드 0.0023 43.5 22 이소부틸알콜 0.832 12 i-발레르알데하ㅣ드 23 p-크레졸 53.8 13 톨루엔 1.55 24 인돌 3164.6 25 스케이톨 177.9

25 각종 시설에서 발생하는 주요악취물질 악취발생학 악취물질 음식쓰레기 폐수 가축분뇨 폐기물처리장 도살장 암모니아 O 황화수소
MeSH DMS DMDS TMA VFAs 인돌 크레졸 63

26 건강에의 영향 건물 내부 50 ppm 노출 시 냄새 악취발생학 2 종의 독성물질 암모니아 황화수소
질병저항성 감소 < 1 day 눈, 목 발광 심한 기침 weeks 폐기능 장애 < < 1 day 상하부 호흡기관 상처 min 눈과 목에 염증 < 상부호흡계 발광 > 상하부 호흡계의 심한 손상 < 30 min 사망 50 ppm 노출 시 냄새

27 황화수소 악취발생학 무색 1 ppm 농도에서 감지 가능하지만 150 ppm 이상에서는 간섭 공기보다 무거움 급성 독성
구덩이와 홀딩 탱크에서 농축됨 흔들면 위험함 급성 독성 농도, ppm 노출시간 인간에의 영향 돼지에의 영향 > 1 hr 눈 및 목 발광 없음 hr 두통, 현기증 hr 폐부종 min 구역질, 흥분, 불면증 > 심한 폐부종 의식불명, 경련, 발작 사망 청색증, 사망 만성 독성 300 ppm 농도에서 장기간 노출시 발생 증상: 천식, 기관지염, 정맥동염, 건초열, 점차적 폐기능 상실, 만성 폐색성 폐부종 작업장 규정: 10 ppm H2S

28 악취발생학 기존 연구

29 호기성 조건에서 가축분뇨 유래의 인돌과 크레졸의 농도 변화
악취발생학 호기성 조건에서 가축분뇨 유래의 인돌과 크레졸의 농도 변화 25 50 75 100 Time, days P-cresol Skatol Indole 1.0 1.8 Sudden Drop  Microbial Reaction? Concentration, ppm 62

30 악취발생학 온실가스 CO2, 메탄 산성비 (암모니아) 먼지 병원균 날벌레

31 이동과 확산 여러 가지 모델이 사용됨 밤과 이른 아침이 가장 문제
악취발생학 이동과 확산 여러 가지 모델이 사용됨 밤과 이른 아침이 가장 문제 낮은 공기 유속 일반풍 (prevailing wind)은 항상 본 효과를 예측할 수 없음 역전은 주요 규정 수단 역전을 규정하는 정확한 과학적 근거가 없음

32 일반적 관리 전략 사육장의 적절한 정비 보다 효율적인 사육장 이용 분뇨 및 이용 시설 표면을 청결하게 유지
발생 방지 전략 일반적 관리 전략 사육장의 적절한 정비 보다 효율적인 사육장 이용 분뇨 및 이용 시설 표면을 청결하게 유지 송풍기와 개폐기의 청결(“악취 에피소드”)

33 먼지와 악취 시설물 지정 먼지가 흡착되어 악취를 증가시킴 악취를 갖는 먼지는 이동할 수 있음 모델 이른 아침 바람의 방향 완충
발생 방지 전략 먼지와 악취 먼지가 흡착되어 악취를 증가시킴 악취를 갖는 먼지는 이동할 수 있음 시설물 지정 모델 이른 아침 바람의 방향 완충

34 악취저감을 위한 가축 관리 과도한 단백질 사육을 줄임
발생 방지 전략 악취저감을 위한 가축 관리 과도한 단백질 사육을 줄임 돼지 단백질 사료를 18%에서 14%로 줄이면 악취는 40%에서 86%로 저감 비반추동물 결정성 아미노산을 단백질 사료로서 필수아미노산과 균형을 맞춤 다상 및 split-gender 사료의 사용 단백질 사료의 안정적 수익을 피함 유전학적으로 지방이 적은 돼지 이용 성장 조촉매제 사용 사료 낭비를 줄임

35 무기물 공급을 위한 황 사용을 줄임 반추동물 악취를 40%까지 줄일 수 있음
발생 방지 전략 반추동물 암모니아와 만나 유위 박테리아에 의해 충분히 분해되는 단백질을 사용 미생물학적 암모니아 외에 가축 신진대사가 가능한 단백질 필요함 (반추시 분해되지 않는 단백질, 결정성 아미노산 등) 소 도축장이나 착유우의 단계별 사양 공급 배설물 (feed wastes) 조절 무기물 공급을 위한 황 사용을 줄임 악취를 40%까지 줄일 수 있음 소량 무기물 공급을 위해 황산염이나 황화물 대신 염 (salts)를 사용

36 셀룰로오스나 비전분성 다당류계의 돼지 사료 증가
발생 방지 전략 셀룰로오스나 비전분성 다당류계의 돼지 사료 증가 대장 내 암모니아를 미생물 단백질로 결합시키는 박테리아를 유발 35% 암모니아가스 감소 부가성분: 콩 껍질 사탕무 펄프 증류 후 나온 찌꺼기 위장 냄새 (Mask odor) 가축 냄새를 위장하기 위해 마늘 가루를 사용

37 사사포닌 (sarsaponin)사육 제올라이트 이용 가축 피부의 먼지를 줄임 유카 (yucca) 식물에서 추출
발생 방지 전략 사사포닌 (sarsaponin)사육 유카 (yucca) 식물에서 추출 요소분해효소 (urease) 저해 제올라이트 이용 양이온 교환능을 지닌 매체 악취 물질과 결합 가축 피부의 먼지를 줄임 식이지방의 질을 높임 충분한 아연 공급

38 물리적 처리 화학적 처리 생물학적 처리 기타 흡착 흡광 응축 소각 촉매 소각 오존 산화 플라즈마 산화 생물학적 여과
발생 방지 전략 물리적 처리 흡착 흡광 응축 화학적 처리 소각 촉매 소각 오존 산화 플라즈마 산화 생물학적 처리 생물학적 여과 생물체 첨가 기타 방취제 분무 위장제 사용 64

39 라군 시작 전에 물을 채움 충분히 공급 수면 아래에 파이프 매설 두 번째 단계로 배수 & 최소 수면 1피트 아래로 급수
발생 방지 전략 라군 시작 전에 물을 채움 충분히 공급 수면 아래에 파이프 매설 두 번째 단계로 배수 & 최소 수면 1피트 아래로 급수

40 발생 방지 전략 분뇨 슬러리 보관 구조물 덮개 자연적 외피 볏짚 가공 덮개 오존처리

41 건 분뇨 시스템 후프형 하우스나 계사형 건축물 냄새가 일반적으로 논란거리는 아님 지층이 바이오필터 역할을 할 것임
발생 방지 전략 건 분뇨 시스템 후프형 하우스나 계사형 건축물 냄새가 일반적으로 논란거리는 아님 지층이 바이오필터 역할을 할 것임

42 발생 방지 전략 바이오필터 추출을 통한 악취의 생물학적 처리 접촉 시간이 매우 중요하며 달성이 어려움

43 바람막이 벽 (wind break walls)
발생 방지 전략 바람막이 벽 (wind break walls) 배기열의 확산 약간의 먼지 제거

44 자연 풍벽(natural wind breaks)
발생 방지 전략 자연 풍벽(natural wind breaks) 저장 못 주변에 줄지은 나무 악취 흡착 악취 분산 시야 차단 다층 덮개가 가장 좋은 보호막

45 발생 방지 전략 세정벽 느린 유속에서 잘 작동하는 모델 빠른 공기흐름에서는 적당하지 않음

46 바이오매스 필터 세정벽 (washing wall)과 비슷 먼지 제거가 주된 기능 느린 유속에서 잘 작동함
발생 방지 전략 바이오매스 필터 세정벽 (washing wall)과 비슷 먼지 제거가 주된 기능 느린 유속에서 잘 작동함 빠른 유속에서는 검증되지 않음

47 야채오일 분사 (vegetable oil sprinkling)
발생 방지 전략 야채오일 분사 (vegetable oil sprinkling) 대기중 먼지 유지 배기공기 뿐 아니라 시설물 내부의 공기도 개선 청결문제

48 발생 방지 전략 오존산화법 악취물질을 산화 내부가스를 개선 오존 레벨 현재는 고가

49 발생 방지 전략 화학 및 생물 첨가제 일부는 도움이 됨 정량이 어려움 반복되는 결과를 얻기 힘듬

50 발생 방지 전략

51 발생 방지 전략 스프 레 이 방식 큰 방울 크기 물로 희석 중심축에서 분사 분사시간 유의

52 발생 방지 전략 주입과 혼입

53 발생 방지 전략

54 발생 방지 전략 건 분뇨 이용 전에 퇴비화 (균질 혼화) 화학적 전처리 가능 시간에 유의 최종 산물에 중점

55 발생 방지 전략 증발.. 한국에서는 불가능 할 것임…

56 악취는 측정이 어렵고 가스 측정에 의해 예측이 힘들다. 올팩토미터법은 사람의 코나 이의 시뮬레이션을 이용한다.
요약 악취는 실제적인 문제이다. 악취는 측정이 어렵고 가스 측정에 의해 예측이 힘들다. 올팩토미터법은 사람의 코나 이의 시뮬레이션을 이용한다. 약 200 종의 물질이 돼지 악취에서 확인되었다. 그러나, 중요한 것이 있다. 과학적 접근이 필요하다.

57 감사합니다.