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문제 정의
- 이번 연구에서는 질병에 감염된 개체에 의한 질병의 공기 중 확산을 축사 내 환기 형태에 따라 확인하기 위하여, 농림수산검역검사본부 실험 돈사에서 다양한 감염원의 위치에서 추적가스를 발생시켰다. 이를 돈사 내부의 여러 지점에서 실시간으로 농도 확산 추이를 모니터링 하였으며, 추적가스가 측정 지점에서 일정 농도에 도달하는 도달시간 (response time)과 각 측정 지점에서의 최대 농도 값이 발생하였을 때의 농도분포를 확인하여 질병의 공기 중 확산 형태를 예상하고 경향성을 비교해 보고자 하였다.
- 이번 연구에서는 질병에 감염된 개체에 의한 질병의 공기 중 확산을 축사 내 환기 형태에 따라 확인하기 위하여, 농림수산검역검사본부 실험 돈사에서 다양한 감염원의 위치에서 추적가스를 발생시켰다. 이를 돈사 내부의 여러 지점에서 실시간으로 농도 확산 추이를 모니터링 하였으며, 추적가스가 측정 지점에서 일정 농도에 도달하는 도달시간 (response time)과 각 측정 지점에서의 최대 농도 값이 발생하였을 때의 농도분포를 확인하여 질병의 공기 중 확산 형태를 예상하고 경향성을 비교해 보고자 하였다.
가설 설정
- 발생원의 위치가 배기구와 가까운 경우 내부로 확산 되지 않고 바로 배출되어 내부에 크게 영향을 미치지 않아 확산 경향 분석이 어려울 것으로 판단하여 확산 경향이 나타나도록 입기구 근처 및 배기구와 먼 쪽의 돈방에서 발생원을 설치하였다. 돼지의 호흡 높이와 작업 환경 높이로 가정한 0.5 m와 1.3 m 높이에서 측점을 설정하였으며, 돈사 전체 영역의 농도를 측정할 수 있도록 균등하게 배치하였다. 실험장소를 사용할 수 있는 실험 기간이 한정되어 있었으나 매 실험마다 소요되는 시간이 길었기 때문에 상대적 비교를 시도할 수 있는 순서대로 실험을 실시하였으며, 총 10개의 실험조건을 수행하였고, 실험을 수행한 구조는 다음 Table 1과 같다.
제안 방법
- 3 m 높이의 평면상에 나타낸 것이다. 2,000 ppm 이상의 값은 발생원이 위치한 돈방에서만 측정되었고 상대적으로 농도차가 크기 때문에 같은 기준을 이용하여 분석하기 곤란하여 2,000 ppm 이상의 값은 동일한 색상으로 설정하였고 2,000 ppm 이하의 값들을 10등분하여 내부 농도 분포를 비교하였다. 환기 구조와 관계없이 공통적으로 0.
- Fig. 1에 실험 설계 조건으로 실험 시 창문을 통한 입기 위치(도형 ⇨, A, B, C)와 이산화탄소 가스의 배출 위치 (도형 △, 1, 2, 3) 및 0.5 m 높이에서의 센서 위치 (검정 동그라미, 9 개)와 1.3 m 높이에서의 센서 위치(회색 동그라미, 8 개)를 도시하였다. 실험은 입기구 위치 3 가지 경우와 이산화탄소 발생원 위치에 따른 3 가지 경우 및 입기구의 입기 높이에 따른 2 가지(Upper, Lower) 경우를 조합하였다.
- 돈사 내에서의 추적가스 농도 분포는 추적가스 발생원의 높이, 추적가스의 밀도, 내부 환기 기류의 영향 등으로 생각해볼 수 있으며, 이를 상세히 비교해 보기 위하여 발생원 위치별로 시간에 따른 농도 변화를 살펴보았다(Fig. 4).
- 33 AER (Air Exchange Rate, min－1)의 환기량을 확보하였다. 또한 개방되어 있는 분뇨배출구로부터 외부 공기가 유입되고 기밀성의 부족으로 인하여 침기가 발생하는 등, 환기량 저하로 인하여 발생할 수 있는 실험 오차를 최소화하기 위하여 분뇨배출구의 슬롯을 합판과 비닐천을 이용하여 외기를 차단하고, 창문을 비닐천으로 막는 조치를 취하였다. 또한 입기구로 사용하는 창문의 경우 면적이 돈사의 체적대비 넓기 때문에 입기 되는 유속을 조절하기 위하여 창문의 1/4 넓이만을 이용한 입기구를 사용할 수 있도록 하였다(Fig.
- 실험을 통하여 얻은 실시간 농도 데이터를 이용하여 환기 구조에 따른 측정 높이별 농도를 확인하고 시간에 따른 변화를 확인하였다. 또한, 위치별 농도 분포를 통하여 돈사 내부의 추적가스의 확산 경향을 파악하고 각 위치별 위험도 분석을 실시하였다.
- 6은 각 위치에서 농도 변화량이 150 ppm에 도달하기까지 걸리는 시간을 나타낸 것으로, 이를 이용하여 질병의 발생 시 내부에서 확산되는 방향을 추정해 볼 수 있다. 발생원에서의 연속적인 배출과 20 분 이상 지속적으로 환기가 이루어진 환경에서 농도의 변화량이 적어지는 정상상태에 이른다고 볼 수 있으며, 각 구조에 대하여 평균 150 ppm에서 정상상태를 보여 이를 기준으로 도달시간을 선정하였다. 0.
- 입기구의 위치는 내부 구조의 대칭성을 고려하여 배기구와 일직선상에 놓인 위치, 대각 방향으로 가장 먼 위치, 동일면의 위치로 정하였다. 발생원의 위치가 배기구와 가까운 경우 내부로 확산 되지 않고 바로 배출되어 내부에 크게 영향을 미치지 않아 확산 경향 분석이 어려울 것으로 판단하여 확산 경향이 나타나도록 입기구 근처 및 배기구와 먼 쪽의 돈방에서 발생원을 설치하였다. 돼지의 호흡 높이와 작업 환경 높이로 가정한 0.
- 본 연구를 바탕으로 축사 내에서 에어로졸 형태로 존재하는 병원체를 추적가스의 농도 변화 및 분포로 가정하여 병원체 확산 경향을 살펴볼 수 있었다. 이러한 질병의 공기 중 확산을 저감할 수 있는 방법으로는 축사 내 적정 환기 구조 설계를 통한 적정 기류 형성, 포집을 통한 빠른 병원체 검출 및 대응 등을 고려할 수 있을 것으로 기대한다.
- 이산화탄소는 대기 중에 약 380 ppm 가량 존재하고 있어 배경농도를 제외하여 추적가스로 활용할 수 있다. 실험 시 유량계를 이용하여 순도 99.9 %의 이산화탄소 가스가 20 l min－1의 일정한 유량으로 14 분간 배출되도록 하였다(Fig. 3b). 이산화탄소 농도 측정기는 돼지의 호흡 높이인 0.
- 3 m 높이에서의 센서 위치(회색 동그라미, 8 개)를 도시하였다. 실험은 입기구 위치 3 가지 경우와 이산화탄소 발생원 위치에 따른 3 가지 경우 및 입기구의 입기 높이에 따른 2 가지(Upper, Lower) 경우를 조합하였다. 입기구의 위치는 내부 구조의 대칭성을 고려하여 배기구와 일직선상에 놓인 위치, 대각 방향으로 가장 먼 위치, 동일면의 위치로 정하였다.
- 3c). 실험을 통하여 얻은 실시간 농도 데이터를 이용하여 환기 구조에 따른 측정 높이별 농도를 확인하고 시간에 따른 변화를 확인하였다. 또한, 위치별 농도 분포를 통하여 돈사 내부의 추적가스의 확산 경향을 파악하고 각 위치별 위험도 분석을 실시하였다.
- 3 m 높이에서 측점을 설정하였으며, 돈사 전체 영역의 농도를 측정할 수 있도록 균등하게 배치하였다. 실험장소를 사용할 수 있는 실험 기간이 한정되어 있었으나 매 실험마다 소요되는 시간이 길었기 때문에 상대적 비교를 시도할 수 있는 순서대로 실험을 실시하였으며, 총 10개의 실험조건을 수행하였고, 실험을 수행한 구조는 다음 Table 1과 같다.
- 또한 특정 농도에 도달하기까지 걸리는 시간을 통하여 병원체의 돈사 내 전파속도를 분석할 수 있다. 이러한 가정을 토대로 돈사 내부의 바닥에서 0.5 m, 1.3 m 높이를 돈방 기준으로 15등분하여 평면에서의 위치별 최대 농도와 도달시간을 Fig. 5, 6과 같이 도시하였다.
- 3b). 이산화탄소 농도 측정기는 돼지의 호흡 높이인 0.5 m 높이에 9 대 (Fig. 1, black circle)를, 작업 환경 높이로 가정한 격벽의 위쪽 1.3 m 높이에 8 대 (Fig. 1, gray circle)를 설치하여 총 17 대가 실험에 사용되었으며, 시간은 1 초 간격으로 설정하여 돈사 내부에 확산되는 이산화탄소의 농도를 측정하였다 (Fig. 3c). 실험을 통하여 얻은 실시간 농도 데이터를 이용하여 환기 구조에 따른 측정 높이별 농도를 확인하고 시간에 따른 변화를 확인하였다.
- 환기 구조에 따른 축사 내부에서의 공기 중 질병 확산을 분석하기 위하여 추적가스 실험을 수행하였다. 농림수산검역검사본부 내 실험돈사에서 발생원의 위치와 환기 구조를 변경하여 시간별 농도 변화, 위치별 최대 농도 및 도달시간을 도출하였다.
대상 데이터
- 돈사에 설치된 환기장치로 총 6 대의 일반 건물용 환기팬과 지름 0.2 m 가량의 유입구가 존재하지만 팬의 풍량이 실험 설계 조건에 미치지 못하여 (대당 10 m3 min－1) 지름 0.4 m, 최대 풍량 45 m3 min－1의 팬 두 대를 창문에 설치하여 최대 0.33 AER (Air Exchange Rate, min－1)의 환기량을 확보하였다. 또한 개방되어 있는 분뇨배출구로부터 외부 공기가 유입되고 기밀성의 부족으로 인하여 침기가 발생하는 등, 환기량 저하로 인하여 발생할 수 있는 실험 오차를 최소화하기 위하여 분뇨배출구의 슬롯을 합판과 비닐천을 이용하여 외기를 차단하고, 창문을 비닐천으로 막는 조치를 취하였다.
- 축사 내에서의 공기 중 질병 확산 경향을 확인하기 위한 추적 가스 실험은 2011년 7월 19∼22일 농림수산검역검사본부 내의 실험돈사 (경기도 안양시 만안구 소재)에서 수행하였다. 돈사의 내부구조는 Fig. 1과 같으며, 크기는 폭 9.55 m, 길이 9.7 m, 높이 2.6 m이다. 중앙의 복도를 기준으로 양쪽에 각각 5 개씩 돈방이 존재하며, 돈방이 위치한 방향의 벽엔 1.
- 본 실험에서는 추적가스 실험법에서 많이 활용되고 있는 이산화탄소를 사용하였다. 이산화탄소는 대기 중에 약 380 ppm 가량 존재하고 있어 배경농도를 제외하여 추적가스로 활용할 수 있다.
- 축사 내에서의 공기 중 질병 확산 경향을 확인하기 위한 추적 가스 실험은 2011년 7월 19∼22일 농림수산검역검사본부 내의 실험돈사 (경기도 안양시 만안구 소재)에서 수행하였다.
성능/효과
- A1U 구조에 비하여 입기구가 낮은 A1L 구조는 발생원과 입기구와의 거리차가 1 m 가깝기 때문에 추적가스가 돈사내 주기류에 도달하여 빠르게 외부로 유출되는 것으로 판단할 수 있다. A1L, A2L, A3L 구조를 비교하면, 발생원이 입기구와 가까운 A1L과 비교하여 발생원이 입기구로부터 멀어질수록 내부 추적 가스 농도가 증가하였으며, 이는 정체구간이 더 많이 발생한다는 의미로 기류가 일부 구간에 제한적으로 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- A1U 구조는 입기구 바로 아래 발생원이 위치하며 0.5 m 높이에서 최대 농도가 측정되었고, 1.3 m 높이에서는 농도 증가량이 200 ppm으로 상대적으로 낮은 증가량을 보였다. 측정기간 동안 0.
- A3U 구조는 발생원과 입기구의 거리가 가장 먼 구조이며 A1U 구조와 비교하여 0.5 m 높이에서 A1U 보다 48 % 높고, 1.3 m 높이에서는 30 % 낮은 농도 분포를 보였으며, 시간이 지남에 따라 0.5 m 높이에서 농도 값이 낮아지는 경향은 보이지 않았다. 이는 추적가스가 내부의 주기류를 만나지 못 하고 정체되어, 대각선 방향으로 형성되는 주기류를 기준으로 발생원 부근에 추적 가스가 정체되고, 반대 위치에서는 낮은 농도 분포가 형성되는 것으로 추정할 수 있다.
- 발생원이 일정하고 환기구조가 다른 경우 발생원 2의 위치에서 추적가스가 발생될 때 내부 농도가 전체 평균에 비하여 20 % 높은 추적가스 농도가 측정되어 발생원 2의 위치를 사양관리 시 중점적으로 확인해야 하는 지역으로 판단할 수 있었다. 공간적으로 분석하였을 때 농도가 높은 정체지역이 많이 발생하는 C2L, A3L, A3U 구조가 병원체가 머무르기 쉬운 취약한 조건으로 나타났으며, 도달시간을 고려하는 경우 AL 구조에서 전체적으로 빠르게 병원체가 퍼져 위험한 조건으로 판단되었다. 또한, 입기구, 발생원, 배기구의 위치뿐만 아니라, 지붕에 가로로 설치된 기둥, 콘크리트 격벽과 같은 내부의 구조물에 따라 변화하는 내부 기류로 인한 확산 경향의 차이를 확인할 수 있었다.
- 농림수산검역검사본부 내 실험돈사에서 발생원의 위치와 환기 구조를 변경하여 시간별 농도 변화, 위치별 최대 농도 및 도달시간을 도출하였다. 돈사 내부에 분포하는 추적가스의 농도에 따라 위치별 질병의 감염가능성을 예측할 수 있었고, 일정 농도에 도달하는데 걸리는 시간인 도달시간을 이용하여 내부 기류의 확산 방향 및 질병의 전파 가능성을 추정할 수 있었다. 환기구조가 일정하고 발생원의 위치가 다른 경우 발생원이 입기구로부터 멀어질수록 정체구간이 더 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 환기구 높이에 의하여 약 70 %의 농도 감소 효과가 나타났다.
- 환기 초기에 입기구로부터 유입된 기류의 상대적으로 높은 유속으로 인하여 천장 부근으로 직선 형태로 나아가는데 반하여, 바닥에서부터 분출된 추적가스가 주기류가 위치한 천장에 도달하지 못하여 상대적으로 농도의 저감 효과가 낮게 나타나는 것으로 판단된다. 또한 환기가 시작된 후 5 분 후부터 돈군 높이인 0.5 m 높이에서의 농도 값이 1.3 m 높이에 비하여 5 배 높은 농도를 보이다 점차 낮아지다가 13 분 가량에 농도가 같아지는 것을 확인할 수 있었는데 이는 기류를 안정시킨 이후로도 돈사 내부에서의 와류의 이동이 발생하여 상층과 하층의 공기 사이에 혼합이 발생한 것으로 판단된다.
- 공간적으로 분석하였을 때 농도가 높은 정체지역이 많이 발생하는 C2L, A3L, A3U 구조가 병원체가 머무르기 쉬운 취약한 조건으로 나타났으며, 도달시간을 고려하는 경우 AL 구조에서 전체적으로 빠르게 병원체가 퍼져 위험한 조건으로 판단되었다. 또한, 입기구, 발생원, 배기구의 위치뿐만 아니라, 지붕에 가로로 설치된 기둥, 콘크리트 격벽과 같은 내부의 구조물에 따라 변화하는 내부 기류로 인한 확산 경향의 차이를 확인할 수 있었다.
- 이를 통하여 발생원이 입기구의 근처에 위치한다 하더라도 입구에서의 유속, 방향 및 구조적 특성에 의하여 영향을 받는 가능성이 현저히 낮아질 수 있다고 판단할 수 있다. 발생원 2의 위치에서 추적가스를 발생시킨 A2L, B2L, C2L 구조에서 전체 평균에 비하여 20 % 가량 추적가스의 농도가 높게 나타났다. 앞서 언급한 바와 같이 주기류의 영향을 받지 못하여 정체되는 구간이 발생한 것으로 실험에서 수행한 환기구조에서는 발생원 2의 위치가 가장 영향을 적게 받는 영역이라고 판단할 수 있다.
- 발생원은 3의 위치로 동일하고 입기구의 위치가 다른 A3L, B3L C3L 구조 비교 시 발생원과 입기구의 거리는 C3L＜A3L＜B3L 구조 순으로 멀지만 추적가스의 농도는 B3L＜C3L＜A3L 구조 순으로 높았다. B3L 구조의 경우 거리상으로는 발생원과 입기구간의 거리가 가장 멀지만 내부에 발생한 기류가 전체 돈방을 통과하기 때문에 농도가 낮게 나타났다고 판단할 수 있다.
- 환기구조가 일정하고 발생원의 위치가 다른 경우 발생원이 입기구로부터 멀어질수록 정체구간이 더 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 환기구 높이에 의하여 약 70 %의 농도 감소 효과가 나타났다. 발생원이 일정하고 환기구조가 다른 경우 발생원 2의 위치에서 추적가스가 발생될 때 내부 농도가 전체 평균에 비하여 20 % 높은 추적가스 농도가 측정되어 발생원 2의 위치를 사양관리 시 중점적으로 확인해야 하는 지역으로 판단할 수 있었다. 공간적으로 분석하였을 때 농도가 높은 정체지역이 많이 발생하는 C2L, A3L, A3U 구조가 병원체가 머무르기 쉬운 취약한 조건으로 나타났으며, 도달시간을 고려하는 경우 AL 구조에서 전체적으로 빠르게 병원체가 퍼져 위험한 조건으로 판단되었다.
- 이산화탄소 농도가 높은 경우를 질병 감염 가능성이 높다고 하면, 높은 농도를 보이는 환기구조에서 질병이 전염될 가능성이 높다고 할 수 있다. 이와 같은 가정을 바탕으로 Fig. 5에서 어두운 영역이 많이 보이는 C2L, A3L, A3U 구조에서 질병 감염 가능성이 높았고, 반대로 감염 가능성이 낮은 구조는 밝은 영역이 많이 있는 B3L, C3L, A1L 구조였다.
- 하지만 공기 중 질병 확산 연구를 진행하기 위하여 병원체를 이용할 경우 다음과 같은 제한 사항이 따른다. 첫째, 동물에 병원체를 감염시켜 배출되기까지 시간을 조절하기 어렵고, 둘째, 개체별로 면역력의 차이로 병원체의 배출량, 속도 등을 일정하게 조절할 수 없으며, 셋째, 방역문제로 병원체를 이용한 실험을 위한 실험 장소의 확보가 어렵고, 넷째, 실시간으로 병원체의 유무 결과를 판단하기 어렵다. 이와 같은 한계를 극복하기 위하여 질병의 전파 및 확산이 에어로졸을 매개체로 이루어지므로, Gao et al.
- 돈사 내부에 분포하는 추적가스의 농도에 따라 위치별 질병의 감염가능성을 예측할 수 있었고, 일정 농도에 도달하는데 걸리는 시간인 도달시간을 이용하여 내부 기류의 확산 방향 및 질병의 전파 가능성을 추정할 수 있었다. 환기구조가 일정하고 발생원의 위치가 다른 경우 발생원이 입기구로부터 멀어질수록 정체구간이 더 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 환기구 높이에 의하여 약 70 %의 농도 감소 효과가 나타났다. 발생원이 일정하고 환기구조가 다른 경우 발생원 2의 위치에서 추적가스가 발생될 때 내부 농도가 전체 평균에 비하여 20 % 높은 추적가스 농도가 측정되어 발생원 2의 위치를 사양관리 시 중점적으로 확인해야 하는 지역으로 판단할 수 있었다.
후속연구
- 그러나 이들 연구는 공기에 의한 질병의 전파를 확인하였으나 환기에 따른 돈사 내부의 질병 확산 경로 등은 파악하지 못 하였다. 가령 축사 내 공기 중으로 전파가 가능한 질병이 유행하는 경우 어느 위치에서 병원체의 유무를 조사할 것인지, 어느 구역이 질병의 감염 발생률이 높은지에 대한 분석을 통하여 빠른 질병 대응 마련 및 적정 환기 구조 설계를 통하여 질병이 내부에 퍼지지 않는 기류 형성 등이 가능할 것이다. 또한 질병이 발생하지 않더라도 질병 발생 확률이 높은 곳의 집중적인 사양관리를 통하여 높은 생산성을 꾀할 수 있다.
- 농도가 높게 나타났던 C2L, A3L, A3U 구조의 경우 정체지역이 많이 발생하는 구조로 병원체가 머무르기 쉬운 조건이므로 질병의 감염률이 높게 나타날 것으로 예상할 수 있으며, 추후 공기 중 포집 또는 센서를 통한 병원체 검출 확률이 높을 것이다. 도달시간이 빠르게 나타났던 AL 구조의 경우 돈사 내부에 전체적으로 기류가 활발하기 때문에 질병이 특정 지역에서만 영향을 미치지 않고 돈사 전체로 퍼질 위험이 높을 것으로 예상할 수 있다.
- 이러한 질병의 공기 중 확산을 저감할 수 있는 방법으로는 축사 내 적정 환기 구조 설계를 통한 적정 기류 형성, 포집을 통한 빠른 병원체 검출 및 대응 등을 고려할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 실제 농장에서는 감염된 개체의 위치를 특정할 수 없기 때문에 향후 추적가스 실험을 통하여 시뮬레이션 모델을 설계 및 검증하고 실험을 확장하는 등의 보완이 필요할 것으로 생각된다. 이를 통하여 환기 구조에 따른 질병의 확산 경로를 정밀하게 확인하고, 차후 개발 가능한 병원체 검출 센서 등을 이용하여 축사 내 질병의 확산을 신속하게 파악하고, 질병 발생 위험지역을 분석함으로써 질병 발생의 저감을 위한 대응 마련 및 경제적 피해 절감에 도움이 될 것으로 기대한다.
- 본 연구를 바탕으로 축사 내에서 에어로졸 형태로 존재하는 병원체를 추적가스의 농도 변화 및 분포로 가정하여 병원체 확산 경향을 살펴볼 수 있었다. 이러한 질병의 공기 중 확산을 저감할 수 있는 방법으로는 축사 내 적정 환기 구조 설계를 통한 적정 기류 형성, 포집을 통한 빠른 병원체 검출 및 대응 등을 고려할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 실제 농장에서는 감염된 개체의 위치를 특정할 수 없기 때문에 향후 추적가스 실험을 통하여 시뮬레이션 모델을 설계 및 검증하고 실험을 확장하는 등의 보완이 필요할 것으로 생각된다.
- 또한 실제 농장에서는 감염된 개체의 위치를 특정할 수 없기 때문에 향후 추적가스 실험을 통하여 시뮬레이션 모델을 설계 및 검증하고 실험을 확장하는 등의 보완이 필요할 것으로 생각된다. 이를 통하여 환기 구조에 따른 질병의 확산 경로를 정밀하게 확인하고, 차후 개발 가능한 병원체 검출 센서 등을 이용하여 축사 내 질병의 확산을 신속하게 파악하고, 질병 발생 위험지역을 분석함으로써 질병 발생의 저감을 위한 대응 마련 및 경제적 피해 절감에 도움이 될 것으로 기대한다.
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