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문제 정의
- 따라서 양돈장 작업 근로자의 호흡기 관련 복지를 증진시키고 동물군의 적정 환경 조성을 통한 생산성 증대 및 동물 복지 달성을 위하여 양돈 시설 내부에서 발생하는 분진 발생 메커니즘을 이해하고 각 환경 변수간의 상관관계를 규명하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 기초 연구로서 국내 대표적인 윈치커튼 및 강제환기방식을 복합 적용한 비육돈사를 대상으로 시설 내부에서 발생하는 총분진, 미세분진 (PM10), 흡입성 분진 및 호흡성 분진을 측정하고 각 환경 조건에 따른 분진 농도간의 상관관계를 규명하고자 한다.
- 4 (a)). 농장 방문 시, 데이터로거 및 기상대로부터 기록된 돈사 내부 열환경 자료 및 외부 기상자료를 확보 후 이에 대한 분석을 실시하였다.
- 실험 종료 후 실험에 사용된 필터를 카세트에 밀봉하여 충분히 건조시킨 후 중량법을 이용하여 각 시료에 포집된 분진 농도를 계산하였다. 이때 공시료 (blank sample)의 실험 전후 무게 및 각 샘플러의 전후 유량을 측정하여 보정 작업을 실시하여 실험에 대한 오차를 최소화하고자 하였다. 흡입성 분진 및 호흡성 분진의 경우 Aerosol spectrometer를 이용하여 돼지의 활동 단계 및 사료 주입 형태 등에 따라 실시간으로 각 샘플당 5∼10분간 6초 간격으로 각 분진에 대한 농도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 양돈장 작업 근로자의 호흡기 복지와 관련하여 윈치커튼 및 강제환기방식을 적용한 비육돈사를 대상으로 시설 내부에서 발생하는 총분진, 미세분진, 흡입성 분진 및 호흡성 분진을 정기적으로 측정하고 환기량, 돼지활동단계, 사료 공급 조건 등 각 환경 변수와 분진 농도 간의 관계를 규명하고자 하였다. 소형 CAM을 이용하여 돼지의 움직임을 녹화하고 동시에 Aerosol spectrometer를 이용하여 실시간 분진 농도를 측정한 결과 돼지의 행동 패턴에 따른 돼지활동단계가 증가할수록 분진의 농도 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며 사료 공급 시 확연한 분진 농도 증가 추이를 관측하여 각 변수가 분진 발생에 기여하고 있음을 정량적으로 파악할 수 있었다.
제안 방법
- 총분진 및 미세분진의 포집에 사용된 필터는 충분히 건조된 37 mm PTFE 필터 (SKC. Inc., USA, pore size: 2.0 μm)로 총분진의 경우 3단 카세트 (SKC. Inc., USA)에 삽입하였고, 미세분진의 경우 Single-stage Impactor 방식의 PEM (Personal Environmental Monitor, SKC. Inc., USA)에 장착 후 Tygon tube로 소형 펌프 (AirChek XR500, SKC. Inc., USA)에 연결하여 실험을 실시하였다 (Fig.
- 비육돈사 내·외부 각 환경 변수에 따른 분진 발생 양상과의 상관관계 규명을 위하여 이에 대한 기초 자료 확보를 위한 열전대 (thermocouple, T-type) 및 데이터로거 (GL820, Graphtec Inc., USA)를 설치하였다.
- 또한 돈사 내부에 HOBO sensor (Onset Inc., USA) 를 설치하여 온·습도 데이터를 실시간으로 측정하였으며 외부 기상 자료 확보를 위하여 지상으로부터 5 m 높이에 간이기상대 (WatchDog, Spectrum Tech. Inc., USA)를 설치하여 풍향, 풍속, 일사량, 강우량, 온도, 습도 등을 기록하였다 (Fig.
- , USA)를 설치하였다. 열전대의 경우 바닥으로부터 1.5 m 높이에 외부 2지점, 내부 20지점 등 총 22개를 일정한 간격으로 설치하였으며 1분 간격으로 데이터로거에 온도 데이터를 기록하였다. 또한 돈사 내부에 HOBO sensor (Onset Inc.
- 비육돈사에 추가적으로 설치되어 있는 강제환기 시스템 즉, 길이방향 덕트 및 지붕 덕트에 대한 환기량 측정을 위하여 각각 간이 열선풍속계 (Testo Inc., USA), 자체 제작한 풍량계 및 마노미터 (TSI Inc., USA)를 사용하였다 (Fig. 4 (b)).
- 4 (b)). 또한 돼지의 활동 단계를 판별하기 위하여 돈방 복도에 소형 CAM을 설치하여 돼지의 움직임을 녹화하였다.
- 또한 농장 관리자의 협조를 얻어 실험 실시 당일 돈사 내 돼지의 일령, 마릿수, 환기출력 등을 기록하였다.
- 흡입성 분진 및 호흡성 분진의 경우 Aerosol spectrometer를 이용하여 돼지의 활동 단계 및 사료 주입 형태 등에 따라 실시간으로 각 샘플당 5∼10분간 6초 간격으로 각 분진에 대한 농도를 측정하였다.
- 실험 대상 비육돈사 내 분진 모니터링은 예비 실험을 포함하여 2012년 8월부터 2013년 4월까지 정기적으로 수행되었다. 총분진과 미세분진의 포집 및 분석은 NIOSH 공정 시험법에 의거 하여 실시하였으며 양 시료는 지역시료로써 포집 지역은 Fig. 5와 같이 출입문 기준 좌측 복도 2개 지점, 우측 복도 2개 지점, 사료통 주변 3개 지점, 돈방 내 2개 지점, 지붕 덕트 인근 1개 지점 등 총 10개 지점을 선정 후 6시간 이상 장시간 포집을 실시하였다. 포집 실험은 실험실에서 충분히 건조된 37 mm PTFE 필터를 카세트 (총분진), PEM (미세분진)에 장착 후 Tygon tube를 이용하여 소형 펌프에 연결하여 각각 2, 4 LPM의 유량으로 실시하였다.
- 5와 같이 출입문 기준 좌측 복도 2개 지점, 우측 복도 2개 지점, 사료통 주변 3개 지점, 돈방 내 2개 지점, 지붕 덕트 인근 1개 지점 등 총 10개 지점을 선정 후 6시간 이상 장시간 포집을 실시하였다. 포집 실험은 실험실에서 충분히 건조된 37 mm PTFE 필터를 카세트 (총분진), PEM (미세분진)에 장착 후 Tygon tube를 이용하여 소형 펌프에 연결하여 각각 2, 4 LPM의 유량으로 실시하였다. 포집 실험 세트는 작업자의 호흡기 높이를 고려하여 바닥으로부터 1.
- 포집 실험은 실험실에서 충분히 건조된 37 mm PTFE 필터를 카세트 (총분진), PEM (미세분진)에 장착 후 Tygon tube를 이용하여 소형 펌프에 연결하여 각각 2, 4 LPM의 유량으로 실시하였다. 포집 실험 세트는 작업자의 호흡기 높이를 고려하여 바닥으로부터 1.5 m 높이에 설치하였으며 돈사 내부 철골 구조 등을 활용하여 설치 작업을 실시하였다. 실험 종료 후 실험에 사용된 필터를 카세트에 밀봉하여 충분히 건조시킨 후 중량법을 이용하여 각 시료에 포집된 분진 농도를 계산하였다.
- 5 m 높이에 설치하였으며 돈사 내부 철골 구조 등을 활용하여 설치 작업을 실시하였다. 실험 종료 후 실험에 사용된 필터를 카세트에 밀봉하여 충분히 건조시킨 후 중량법을 이용하여 각 시료에 포집된 분진 농도를 계산하였다. 이때 공시료 (blank sample)의 실험 전후 무게 및 각 샘플러의 전후 유량을 측정하여 보정 작업을 실시하여 실험에 대한 오차를 최소화하고자 하였다.
- 흡입성 분진 및 호흡성 분진의 경우 Aerosol spectrometer를 이용하여 돼지의 활동 단계 및 사료 주입 형태 등에 따라 실시간으로 각 샘플당 5∼10분간 6초 간격으로 각 분진에 대한 농도를 측정하였다. 실험이 진행되는 동안 기기 내 메모리에 저장된 실시간 분진 농도 데이터를 토대로 시간에 따른 변화 추이를 분석하고 산술 평균을 취하여 해당 시기에 대한 분진 농도를 산출하였다. Fig.
- 실험 대상 돈사의 환경 변수 별 분진 발생 양상간의 관계 규명을 위하여 풍량계 및 마노미터를 이용하여 환기 출력에 따른 환기량 변화를 측정한 결과는 다음과 같다. 길이 방향 덕트의 경우 설치 높이로 인하여 풍량계를 이용한 실험이 용이하지 않아서 열선 풍속계를 이용하여 환기 출력별로 다수 측정하여 평균값을 취하여 환기량을 산정하였다.
- 실험 대상 돈사의 환경 변수 별 분진 발생 양상간의 관계 규명을 위하여 풍량계 및 마노미터를 이용하여 환기 출력에 따른 환기량 변화를 측정한 결과는 다음과 같다. 길이 방향 덕트의 경우 설치 높이로 인하여 풍량계를 이용한 실험이 용이하지 않아서 열선 풍속계를 이용하여 환기 출력별로 다수 측정하여 평균값을 취하여 환기량을 산정하였다. 지붕 굴뚝 덕트의 경우 지수함수 형태, 그리고 길이 방향 덕트의 경우 선형 함수 형태의 환기 출력 곡선 추이를 보이며 이때 각 출력 곡선에 대한 결정계수 (R2)는 약 0.
- Aerosol spectrometer를 이용한 돈사 내 흡입성, 호흡성 분진에 대한 실시간 농도 측정치 중 2012년 9∼12월 자료의 경우 기기 이상이 관찰되어 데이터의 신뢰성 문제로 인해 해당 기간의 자료는 파기 후 기기에 대한 검정 (calibration) 진행 후 실험을 진행하였다.
- 사료통 인근에서의 총분진 및 미세분진을 모니터링함과 동시에 사료통 상단부 평면을 기준으로 사료가 공급되는 파이프가 설치되어 있는 높이를 기록하였다. 사료 공급 파이프는 상단부가 주름관 형태로 농장 근로자가 임의로 그 높이를 조절하여 사료 공급량을 조절하고 있다.
- 돈사 내부 돼지 움직임 및 사료 공급에 따른 분진 농도 모니터링 실험 돈사 입구에 소형 CAM을 설치한 후 돈방 내 돼지의 움직임을 녹화하고 동시에 Aerosol spectrometer를 이용하여 흡입성, 흉곽성, 호흡성 분진의 실시간 농도 추이를 기록하였다. Fig.
- 이는 시설 내 동물군의 활동과 사료 공급이 분진 발생 양상에 큰 기여를 하고 있으며, 특히 사료가 공급되거나 작업자의 돈방 점검 시 분진 발생 정도가 급격하게 증가함에 따라 호흡기 건강에 대한 위험성 역시 증가된다고 판단할 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 8과 같이 동물군 대부분이 바닥에 누워있는 상태를 돼지의 활동 단계중 1단계로, 일부 돼지가 사료를 섭취하고 일부 돼지가 누워있는 상태를 2단계, 그리고 작업자 출입에 따라 모든 돼지의 활동성이 급격하게 증가되는 시기를 활동 단계 중 3단계로 정의하여 분진 모니터링을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험 대상 비육돈사는 경기도 여주군 가남면에 소재하며 사육 규모는 약 400두로 단위 면적당 0.9두의 비교적 낮은 사육밀도를 보이고 있다. 농장 크기는 폭 12 m, 총길이 45 m, 측고 2 m, 최고점 높이 3.
- 9두의 비교적 낮은 사육밀도를 보이고 있다. 농장 크기는 폭 12 m, 총길이 45 m, 측고 2 m, 최고점 높이 3.8 m이다. 분뇨 처리 방식은 슬러리식으로 1개 돈방 당 바닥 면적의 2/3는 콘크리트 바닥, 1/3은 플라스틱 슬러리 피트 형태로 구성되어 있다.
- 실험 대상 비육돈사 내 분진 모니터링은 예비 실험을 포함하여 2012년 8월부터 2013년 4월까지 정기적으로 수행되었다. 총분진과 미세분진의 포집 및 분석은 NIOSH 공정 시험법에 의거 하여 실시하였으며 양 시료는 지역시료로써 포집 지역은 Fig.
성능/효과
- 총분진의 경우 내·외부 온도 편차 등에 의해 결정되는 환기량에 대하여 환기량 수치가 증가할수록 농도가 감소하는 음의 선형관계를 보이는데 반하여 (R2＝0.88) 미세분진의 경우 환기량 증가와 농도 간의 특정 경향을 보이지 않는 것으로 나타났다.
- Fig. 10 (a) 결과 중 좌측복도 2번 지점, (b) 결과 중 좌측 복도 1번 지점에서 높은 미세분진 값을 보이는 것은 포집 샘플러 수거 과정에서 시료의 추락으로 인한 외부 먼지의 유입에 의한 결과로 판단되며 간혹 사료통 주변에서의 포집 시료의 경우 사료 입자가 PEM sampler에 직접적으로 유입됨에 따른 결과로 판단된다.
- 중회귀 분석 결과 돼지활동단계가 증가함에 따라 돼지활동단계 (1) - 돼지활동단계 (2), 돼지활동단계 (1) - 돼지활동단계 (3) 간의 흡입성·호흡성 분진 농도 값이 유의성을 보이는 것으로 나타났다 (p＜0.05).
- 12, 13과 같다. 흡입성, 호흡성 분진 모두 대체적으로 돼지의 활동 단계가 높아질수록 분진의 농도 값 역시 증가하는 경향이 관측되었으며 이를 통해 돼지의 움직임과 분진 발생 간 양의 선형 관계를 보인다는 사실을 확인할 수 있었다. Donham et al.
- 05). 이를 통해 돼지의 움직임 정도가 돈사 내부에 발생되는 분진 농도에 기여하고 있음을 확인할 수 있으며 이때 흡입성 분진의 경우 결정계수 (R2)는 0.71, 호흡성 분진의 경우 0.61 수준으로 관측되었다.
- 또한 돼지의 활동단계를 순위척도로 간주하여 중회귀분석을 수행한 결과 흡입성 · 호흡성 분진 모두 돼지의 활동단계가 증가할수록 농도 값 또한 유의하다고 판단되었다.
- 본 연구에서는 양돈장 작업 근로자의 호흡기 복지와 관련하여 윈치커튼 및 강제환기방식을 적용한 비육돈사를 대상으로 시설 내부에서 발생하는 총분진, 미세분진, 흡입성 분진 및 호흡성 분진을 정기적으로 측정하고 환기량, 돼지활동단계, 사료 공급 조건 등 각 환경 변수와 분진 농도 간의 관계를 규명하고자 하였다. 소형 CAM을 이용하여 돼지의 움직임을 녹화하고 동시에 Aerosol spectrometer를 이용하여 실시간 분진 농도를 측정한 결과 돼지의 행동 패턴에 따른 돼지활동단계가 증가할수록 분진의 농도 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며 사료 공급 시 확연한 분진 농도 증가 추이를 관측하여 각 변수가 분진 발생에 기여하고 있음을 정량적으로 파악할 수 있었다. 또한 총분진의 경우 정기 모니터링 실험 당시 비육돈사 환기 출력량으로부터 산출한 환기량에 대하여 음의 선형관계를 보이는 것으로 관측되었으며 미세분진의 경우 환기량 증가와 농도 간의 특정 경향은 관측되지 않았다.
- 소형 CAM을 이용하여 돼지의 움직임을 녹화하고 동시에 Aerosol spectrometer를 이용하여 실시간 분진 농도를 측정한 결과 돼지의 행동 패턴에 따른 돼지활동단계가 증가할수록 분진의 농도 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며 사료 공급 시 확연한 분진 농도 증가 추이를 관측하여 각 변수가 분진 발생에 기여하고 있음을 정량적으로 파악할 수 있었다. 또한 총분진의 경우 정기 모니터링 실험 당시 비육돈사 환기 출력량으로부터 산출한 환기량에 대하여 음의 선형관계를 보이는 것으로 관측되었으며 미세분진의 경우 환기량 증가와 농도 간의 특정 경향은 관측되지 않았다. 이를 통해 상대적으로 분진의 입경이 큰 총분 진의 경우 미세분진과 비교하여 높은 환기량으로 인해 형성되는 내부 기류에 따라 그 농도값에 미치는 영향 정도가 크다고 판단된다.
- Aerosol spectrometer를 이용하여 측정한 비육돈사 내 흡입성, 호흡성 분진 농도를 분석한 결과, 작업자가 내부 작업 혹은 점검 등을 이유로 출입할 때 돼지 움직임이 활발해지는 경우 및 사료가 공급되는 시기에 선행연구에 따른 분진 상시 감시 기준 농도를 초과하는 것으로 나타나 작업자의 호흡기에 유해한 환경이 조성되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 돼지의 활동단계를 순위척도로 간주하여 중회귀분석을 수행한 결과 흡입성 · 호흡성 분진 모두 돼지의 활동단계가 증가할수록 농도 값 또한 유의하다고 판단되었다.
- 돈사 내부 돼지 움직임 및 사료 공급에 따른 분진 농도 모니터링 실험 돈사 입구에 소형 CAM을 설치한 후 돈방 내 돼지의 움직임을 녹화하고 동시에 Aerosol spectrometer를 이용하여 흡입성, 흉곽성, 호흡성 분진의 실시간 농도 추이를 기록하였다. Fig. 8에서 확인할 수 있듯이, 돼지 대부분이 바닥에 누워 있는 경우 흡입성, 흉곽성, 호흡성 분진 모두 낮은 농도 분포 추이를 보이는 것으로 나타났으며 일부 돼지가 사료를 먹거나 일부 돼지가 누워 있는 상태의 경우 약간의 농도 증가 추이가 관측되었고, 작업자가 돈방에 출입함에 따라 모든 돼지가 극심한 움직임을 보이는 경우 특히 흡입성 분진의 급격한 증가가 관측되었다. 또한 사료가 공급되는 약 2시간 동안 전체적으로 각 분진의 농도 추이 기울기가 심하게 변동하는 것으로 나타났다.
- 8에서 확인할 수 있듯이, 돼지 대부분이 바닥에 누워 있는 경우 흡입성, 흉곽성, 호흡성 분진 모두 낮은 농도 분포 추이를 보이는 것으로 나타났으며 일부 돼지가 사료를 먹거나 일부 돼지가 누워 있는 상태의 경우 약간의 농도 증가 추이가 관측되었고, 작업자가 돈방에 출입함에 따라 모든 돼지가 극심한 움직임을 보이는 경우 특히 흡입성 분진의 급격한 증가가 관측되었다. 또한 사료가 공급되는 약 2시간 동안 전체적으로 각 분진의 농도 추이 기울기가 심하게 변동하는 것으로 나타났다. 이는 시설 내 동물군의 활동과 사료 공급이 분진 발생 양상에 큰 기여를 하고 있으며, 특히 사료가 공급되거나 작업자의 돈방 점검 시 분진 발생 정도가 급격하게 증가함에 따라 호흡기 건강에 대한 위험성 역시 증가된다고 판단할 수 있다.
후속연구
- 73) 이 관측되었다. 대부분의 축산 농가에서는 사료통의 상단부 덮개가 존재함에도 불구하고 농장 근로자들이 사료통 내부의 잔여 분량 확인 등과 관련한 작업 편의성을 이유로 덮개를 사용하지 않고 있는 상황을 비추어 볼 때 본 실험 결과를 토대로 사료 공급 파이프의 설치 높이를 조절함으로써 주변으로 비산되는 총분진 농도를 조절할 수 있을 것이라 판단된다. 그러나 미세분진의 경우 앞선 환기량 대비 미세분진 결과와 마찬가지로 사료 공급 파이프 설치 높이와 농도 치 간의 특이 관계는 관측되지 않았다(R2＝0.
- 또한 사료통 주변에 설치한 총분진, 미세분진 농도 값과 사료 공급 파이프의 설치 높이 간 분석을 토대로 총분진의 경우 설치 높이가 커질수록 분진 농도 또한 선형적으로 증가하며 이를 토대로 사료 공급 파이프 높이를 조절함으로써 주변으로 비산되는 총분진량을 조절할 수 있을 것이라 예상되며 이를 위해 자료의 축적 및 후속 실험 등이 추가적으로 필요할 것이라 판단된다.
- 본 논문에서는 실험 비육돈사 내부에서 발생되는 총분진, 미세분진, 흡입성 분진 및 호흡성 분진의 환경 조건 별 발생 양상에 대한 분석을 수행하였으며 보다 높은 신뢰성 확보를 위하여 추가 모니터링 실험을 통한 기초 자료 축적이 필요하며 시설 유형별에 따른 분석 또한 필요할 것이라 판단된다. 또한 각 환경 변수와 분진 농도 간의 상관관계 규명을 토대로 향후 분진 저감 방안 도출을 위한 연구와 관련하여 다양한 방법론 제시가 가능할 것이라 예상되며 특히 최근 농업 시설의 환기 연구에 활발히 적용되고 있는 전산유체역학 기법을 적용하는 데 있어 분진 발생 양상을 경계 조건으로써 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
- 본 논문에서는 실험 비육돈사 내부에서 발생되는 총분진, 미세분진, 흡입성 분진 및 호흡성 분진의 환경 조건 별 발생 양상에 대한 분석을 수행하였으며 보다 높은 신뢰성 확보를 위하여 추가 모니터링 실험을 통한 기초 자료 축적이 필요하며 시설 유형별에 따른 분석 또한 필요할 것이라 판단된다. 또한 각 환경 변수와 분진 농도 간의 상관관계 규명을 토대로 향후 분진 저감 방안 도출을 위한 연구와 관련하여 다양한 방법론 제시가 가능할 것이라 예상되며 특히 최근 농업 시설의 환기 연구에 활발히 적용되고 있는 전산유체역학 기법을 적용하는 데 있어 분진 발생 양상을 경계 조건으로써 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
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