국내외 가축분뇨 퇴액비 이용 분야 암모니아 배출량 인벤토리 비교 연구 A comparative study on ammonia emission inventory in livestock manure compost application through a foreign case study원문보기
국내 발생 암모니아 중 가축분뇨의 기여율이 높은 것은 자명한 사실이다. 암모니아 배출량 산정 과정의 정확도와 신뢰도 향상을 위해서는, 가축분뇨 발생량의 정확한 집계, 가축분뇨의 퇴비화 및 액비화 과정에서 단계별 암모니아 전환량과 발생량 산출, 퇴액비의 저장 및 운송과정에서의 암모니아 발생량 산정 그리고 토양 살포 과정과 방법에 따른 암모니아 발생량 비교 연구가 반드시 수행되어야 할 것이다. 미국과 유럽과 비교해 볼 때, 특히 국내 배출계수가 상대적으로 매우 획일적이고 시공간적으로 세분화되지 못해 국내 실정을 충분히 반영하지 못하고 있다. 암모니아 배출계수 산정의 정확도와 전문성을 향상 시킬 수 있는 방안으로, 퇴액비의 특성, 토양의 특성 그리고 기후 특성의 복합적인 고려가 가능한 챔버시스템을 활용할 수 있을 것이다. 국내외 암모니아 배출과 관련한 자료의 검토와 비교를 통해 현재 국내 시스템의 부족한 점과 나아가야할 방향을 확인할 수 있었으며, 암모니아 배출유량 산정이 가능한 챔버 시스템을 제언하였다. 향후 누락배출원의 신규 배출계수 산정과 같은 실질적인 정책과의 연계를 위해서는 실내의 챔버 시스템에서 더 나아가 현장에서의 mesocosom 시스템의 방법론 구축 또한 필요할 것으로 판단된다.
국내 발생 암모니아 중 가축분뇨의 기여율이 높은 것은 자명한 사실이다. 암모니아 배출량 산정 과정의 정확도와 신뢰도 향상을 위해서는, 가축분뇨 발생량의 정확한 집계, 가축분뇨의 퇴비화 및 액비화 과정에서 단계별 암모니아 전환량과 발생량 산출, 퇴액비의 저장 및 운송과정에서의 암모니아 발생량 산정 그리고 토양 살포 과정과 방법에 따른 암모니아 발생량 비교 연구가 반드시 수행되어야 할 것이다. 미국과 유럽과 비교해 볼 때, 특히 국내 배출계수가 상대적으로 매우 획일적이고 시공간적으로 세분화되지 못해 국내 실정을 충분히 반영하지 못하고 있다. 암모니아 배출계수 산정의 정확도와 전문성을 향상 시킬 수 있는 방안으로, 퇴액비의 특성, 토양의 특성 그리고 기후 특성의 복합적인 고려가 가능한 챔버시스템을 활용할 수 있을 것이다. 국내외 암모니아 배출과 관련한 자료의 검토와 비교를 통해 현재 국내 시스템의 부족한 점과 나아가야할 방향을 확인할 수 있었으며, 암모니아 배출유량 산정이 가능한 챔버 시스템을 제언하였다. 향후 누락배출원의 신규 배출계수 산정과 같은 실질적인 정책과의 연계를 위해서는 실내의 챔버 시스템에서 더 나아가 현장에서의 mesocosom 시스템의 방법론 구축 또한 필요할 것으로 판단된다.
In Korea, more than 70% of the ammonia(NH3) released into the atmosphere is known to originate from livestock manure. The total emission (kg year-1) is calculated by multiplying the emission factor (kg head-1 yr-1) and the activity data (head). To improve the accuracy and reliability of the NH3 emis...
In Korea, more than 70% of the ammonia(NH3) released into the atmosphere is known to originate from livestock manure. The total emission (kg year-1) is calculated by multiplying the emission factor (kg head-1 yr-1) and the activity data (head). To improve the accuracy and reliability of the NH3 emission estimation process, an accurate account of livestock manure production, calculation of NH3 conversion and generation during the composting and liquefaction of manure, estimation of NH3 generation in the storage and transportation of manure and compost, and a comparative study of NH3 emission during the soil spreading process must be performed. Compared to the US and EU-28, in particular, the domestic emission factor is relatively even and the spatial/temporal scale is not broken down sufficiently to reflect the domestic situation. As a way to improve the accuracy and expertise of estimating NH3 emission factors, a 'dynamic chamber-capture system' can be utilized, which allows complex considerations of compost, liquid manure, soil, and climate characteristics. By reviewing and comparing the data related to domestic and foreign NH3 emission, we identified shortcomings in the current domestic system and the directions to be taken and suggested a chamber system that could estimate NH3 emission flux. It is also necessary to establish a methodology for mesocosm systems in the field, in addition to indoor chamber systems, to be linked with practical policies, such as the calculation of new emission factors for missing sources.
In Korea, more than 70% of the ammonia(NH3) released into the atmosphere is known to originate from livestock manure. The total emission (kg year-1) is calculated by multiplying the emission factor (kg head-1 yr-1) and the activity data (head). To improve the accuracy and reliability of the NH3 emission estimation process, an accurate account of livestock manure production, calculation of NH3 conversion and generation during the composting and liquefaction of manure, estimation of NH3 generation in the storage and transportation of manure and compost, and a comparative study of NH3 emission during the soil spreading process must be performed. Compared to the US and EU-28, in particular, the domestic emission factor is relatively even and the spatial/temporal scale is not broken down sufficiently to reflect the domestic situation. As a way to improve the accuracy and expertise of estimating NH3 emission factors, a 'dynamic chamber-capture system' can be utilized, which allows complex considerations of compost, liquid manure, soil, and climate characteristics. By reviewing and comparing the data related to domestic and foreign NH3 emission, we identified shortcomings in the current domestic system and the directions to be taken and suggested a chamber system that could estimate NH3 emission flux. It is also necessary to establish a methodology for mesocosm systems in the field, in addition to indoor chamber systems, to be linked with practical policies, such as the calculation of new emission factors for missing sources.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구의 목적은, 국내 가축분뇨 퇴액비 이용과정에서 발생하는 암모니아 인벤토리의 합리적인 구축을 위하여 국내외 인벤토리 자료를 비교 연구하고, 농경지 살포 시 암모니아 배출 과정 및 평가방법을 개선하는 데에 있다.
가설 설정
국립환경과학원의 대기정책지원시스템(Clean Air Policy Support System; CAPSS)에서 제공하는 8가지 대기오염물질 가운데 암모니아를 대상으로 그 배출량과 배출량산정을 위한 배출계수, 활동도 자료를 수집하였다. CAPSS에서는 대기오염물질의 배출원을 13개 대분류로 구분하고 있으며, 이 가운데 암모니아는 에너지산업 연소, 비산업 연소, 제조업 연소, 생산공정, 도로이동오염원, 비도로 이동오염원, 폐기물처리, 농업, 기타 면오염원, 그리고 생물성 연소 등 10개 부문에서만 배출되는 것으로 가정하고 있다. 농업부문은 다시 비료사용농경지와 분뇨관리의 두 개의 소분류로 나뉘는데, 본 연구에서는 분뇨관리 부문만을 연구범위로 한정하고, 2015년을 기준으로 하였다.
제안 방법
주요축종 이외의 기타 가축들의 경우 국내와 유럽의 차이가 상당히 크게 나타났는데, 이는 지역별 사육목적, 선호 품종 등에 차이가 있는 것에 기인한 것으로 판단된다. 암모니아 배출의 대부분을 차지하는 주요 축종(젖소, 일반소, 돼지, 가금류)을 대상으로 우리나라와 유럽 배출계수의 상관성을 확인하였다[Fig. 2]. 그 결과, r 값이 0.
우리나라의 현행 배출계수의 타당성과 적합성을 확인하기 위하여 배출계수의 시간적 단위가 1년으로 동일한 유럽의 Tier 1과 비교하였다[Table 4]. 우선 젖소의 경우 국내의 배출계수는 24.
대상 데이터
농업부문은 다시 비료사용농경지와 분뇨관리의 두 개의 소분류로 나뉘는데, 본 연구에서는 분뇨관리 부문만을 연구범위로 한정하고, 2015년을 기준으로 하였다. 국내 암모니아 인벤토리와 비교를 위한 국외 현황을 확인하기 위하여 미국과 유럽연합을 대상으로 자료를 조사하였다. 미국의 경우 ‘2014 National Emissions Inventory, version1 Technical Support Document’를 중심으로 과거에 발간되었던 관련 문헌들을 함께 조사하였으며(EPA 2016), 유럽의 경우 ‘EMEP/EEA air pollution emission inventory guidebook 2016’ 자료를 활용하였다(EEA 2016).
국립환경과학원의 대기정책지원시스템(Clean Air Policy Support System; CAPSS)에서 제공하는 8가지 대기오염물질 가운데 암모니아를 대상으로 그 배출량과 배출량산정을 위한 배출계수, 활동도 자료를 수집하였다. CAPSS에서는 대기오염물질의 배출원을 13개 대분류로 구분하고 있으며, 이 가운데 암모니아는 에너지산업 연소, 비산업 연소, 제조업 연소, 생산공정, 도로이동오염원, 비도로 이동오염원, 폐기물처리, 농업, 기타 면오염원, 그리고 생물성 연소 등 10개 부문에서만 배출되는 것으로 가정하고 있다.
미국의 경우 ‘2014 National Emissions Inventory, version1 Technical Support Document’를 중심으로 과거에 발간되었던 관련 문헌들을 함께 조사하였으며(EPA 2016), 유럽의 경우 ‘EMEP/EEA air pollution emission inventory guidebook 2016’ 자료를 활용하였다(EEA 2016).
이론/모형
돼지돈사의 경우 그 분류체계를 라군을 이용하는 시설과 일반적인 deep-pit로 구분한다. 총 암모니아 배출량(kg year-1)은 Carnegie mellon university (CMU) 모델을 이용해 배출계수를 산정하고, 여기에 지역별 가축 두수(head)를 곱해 산정한다. 동일 축종일지라도 지역마다 개별적인 자체 배출계수를 산정하고 있으며, 주마다 일일(daily) 또는 월별(month) 단위로 시간적 스케일을 다르게 적용하고 있는 것이 특징이다.
성능/효과
우리나라, 미국, 유럽의 연간 암모니아 총 배출량 비교는 [Table 5]와 같다. 그 결과 분뇨관리에서 발생하는 총 배출량은 유럽이 약 340만 톤, 미국이 216만 톤으로, 우리나라 배출량에 비해 각각 16배, 10배 높게 나타났다. 그러나 단위면적당 배출량을 비교해보면 유럽에 비해 4배, 미국에 비해 10배 이상 높게 나타났다.
2]. 그 결과, r 값이 0.9042로 높은 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 회귀식의 기울기는 1.16으로 국내에 비해 유럽의 계수가 전반적으로 높게 나타났으나 기울기가 1에서 크게 벗어나지 않는 것을 미루어보아 타당한 수준의 배출계수를 이용하고 있는 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 국내 암모니아 배출량 산정의 정확도 향상을 위하여 배출계수 및 활동도 자료 또한 시공간적 스케일을 향상시켜야 할 것이며, 특히 가축으로부터의 배출 이후 과정에 대한 세분화 작업이 필요할 것이다.
1]과 같다. 돼지가 9만 5천 톤으로 분뇨관리 발생 암모니아의 45% 수준으로 가장 많은 암모니아를 배출하였으며, 닭(산란계, 육계), 일반소, 그리고 젖소 순으로 많이 배출하였다. 분뇨관리에서 발생한 21만 1천 톤의 암모니아(NH3)를 질소(N)를 기준으로 환산하면 17만 4천 톤의 질소가 대기 중으로 배출된 셈이다.
퇴액비의 특성은 그 원료가 되는 분뇨의 축종에 따라 조금씩 상이하지만, 토양 살포 후 퇴액비 내 질소는 살포 이후 지표면에서 암모니아 형태로 가장 쉽고 빠르고 많이 대기 중으로 휘발되며 또는 아질산염, 질산염, 암모늄 이온의 형태로 지하수로 침출·유실되기 쉽다(Sommer 2001). 종합해보면 퇴액비 중 질소는, ① 토양에 살포 및 살포된 후 표면에서 암모니아로 휘발되거나, ② 이온형태로 식물뿌리를 통해 흡수되고 ③ 심토로 침출되거나 ④ 나머지는 토양 교질 입자표면에 흡착될 것이다. 따라서 국내 암모니아 인벤토리의 배출계수의 정확도 향상과 세분화를 위해서는 위의 여러 과정들 가운데 특히 국내 실정에 영향을 많이 받는 ① 과정과 관련한 심도 있는 배출계수 연구가 수행되어야 할 것이다.
종합해보면, 국내의 지리적, 환경적 한계로 인해 축산업시스템이 국외와 달라 분류체계가 다양화되지 못한 까닭에 미국은 50개, 유럽은 151개의 암모니아 배출 분류체계를 갖고 있는 반면, 국내 현행 분류체계는 24개로 구분하고 있어 미국의 절반수준, 유럽의 1/6 수준의 배출원 분류체계를 갖고 있는 것으로 나타났다. 따라서 국내 실정에 맞는 수준에서 분류체계를 다양화함으로써 누락 배출원을 최소화하는 작업이 필요할 것이다.
후속연구
암모니아 배출계수 산정의 정확도와 전문성을 향상 시킬 수 있는 방안으로, 퇴액비의 특성, 토양의 특성 그리고 기후 특성의 복합적인 고려가 가능한 챔버시스템을 활용할 수 있을 것이다. 국내외 암모니아 배출과 관련한 자료의 검토와 비교를 통해 현재 국내 시스템의 부족한 점과 나아가야할 방향을 확인할 수 있었으며, 암모니아 배출유량 산정이 가능한 챔버 시스템을 제언하였다. 향후 누락배출원의 신규 배출계수 산정과 같은 실질적인 정책과의 연계를 위해서는 실내의 챔버 시스템에서 더 나아가 현장에서의 mesocosom 시스템의 방법론 구축 또한 필요할 것으로 판단된다.
이와 관련하여 Lee and Yoon(2019)은 도 단위 양분부하와 양분수지 지표를 산출하고 비교를 하였으며, 그 결과 대기를 통해 연간 3만 6천 톤의 질소가 토양으로 유입되고, 4만 9천 톤의 질소가 토양에서 대기로 배출되는 것으로 나타났다. 그러나 생물학적 탈질과정을 통한 N2O의 유출을 중점으로 산출하여, 향후 암모니아 거동을 고려한 양분부하 및 양분수지 분석이 수행되어야 할 것이다.
종합해보면 퇴액비 중 질소는, ① 토양에 살포 및 살포된 후 표면에서 암모니아로 휘발되거나, ② 이온형태로 식물뿌리를 통해 흡수되고 ③ 심토로 침출되거나 ④ 나머지는 토양 교질 입자표면에 흡착될 것이다. 따라서 국내 암모니아 인벤토리의 배출계수의 정확도 향상과 세분화를 위해서는 위의 여러 과정들 가운데 특히 국내 실정에 영향을 많이 받는 ① 과정과 관련한 심도 있는 배출계수 연구가 수행되어야 할 것이다.
이 방법은 토양, 식물, 식품분야에서 질소 정량에 사용하는 kjeldahl 적정방법을 인용한 것으로, 기존 대기오염공정시험법 또는 악취측정법에서 사용하는 암모니아 분석방법에 비해 사용되는 시약의 종류와 양이 상대적으로 적고, 실험과정이 비교적 빠르고 용이하기 때문에 인력의 소요 또한 적은 것이 장점이다. 따라서 챔버 시스템을 활용하면 정확한 시간 조절이 가능하기 때문에, 단위 시간 당 단위 면적(챔버 내부 면적)에서 발생하는 암모니아의 총량(mg m-2 hr-1), 즉 배출 유량(flux)을 산정할 수 있으며, 결과 자료의 축적과 데이터베이스화 구축은 향후 배출계수 산정 연구에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
미국과 유럽과 비교해 볼 때, 특히 국내 배출계수가 상대적으로 매우 획일적이고 시공간적으로 세분화되지 못해 국내 실정을 충분히 반영하지 못하고 있다. 암모니아 배출계수 산정의 정확도와 전문성을 향상 시킬 수 있는 방안으로, 퇴액비의 특성, 토양의 특성 그리고 기후 특성의 복합적인 고려가 가능한 챔버시스템을 활용할 수 있을 것이다. 국내외 암모니아 배출과 관련한 자료의 검토와 비교를 통해 현재 국내 시스템의 부족한 점과 나아가야할 방향을 확인할 수 있었으며, 암모니아 배출유량 산정이 가능한 챔버 시스템을 제언하였다.
국내 발생 암모니아 중 가축분뇨의 기여율이 높은 것은 자명한 사실이다. 암모니아 배출량 산정 과정의 정확도와 신뢰도 향상을 위해서는, 가축분뇨 발생량의 정확한 집계, 가축분뇨의 퇴비화 및 액비화 과정에서 단계별 암모니아 전환량과 발생량 산출, 퇴액비의 저장 및 운송과정에서의 암모니아 발생량 산정 그리고 토양 살포 과정과 방법에 따른 암모니아 발생량 비교 연구가 반드시 수행되어야 할 것이다. 미국과 유럽과 비교해 볼 때, 특히 국내 배출계수가 상대적으로 매우 획일적이고 시공간적으로 세분화되지 못해 국내 실정을 충분히 반영하지 못하고 있다.
국내외 암모니아 배출과 관련한 자료의 검토와 비교를 통해 현재 국내 시스템의 부족한 점과 나아가야할 방향을 확인할 수 있었으며, 암모니아 배출유량 산정이 가능한 챔버 시스템을 제언하였다. 향후 누락배출원의 신규 배출계수 산정과 같은 실질적인 정책과의 연계를 위해서는 실내의 챔버 시스템에서 더 나아가 현장에서의 mesocosom 시스템의 방법론 구축 또한 필요할 것으로 판단된다.
참고문헌 (32)
Ahn JH, IH Song and MS Kang. 2013. Correlation between raw materials and chemical contents of livestock compost. J. Korean Soc. Agric. Eng. 55:37-45.
Behera SN, M Sharma, VP Aneja and R Balasubramanian. 2013. Ammonia in the atmosphere: a review on emission sources, atmospheric chemistry and deposition on terrestrial bodies. Environ. Sci. Pollut. Res. 20:8092-8131.
EEA. 2007. EMEP/EEA Air Pollutant Emission Inventory Guidebook 2007. European Environment Agency. Copenhagen, Denmark.
EEA. 2016. EMEP/EEA Air Pollutant Emission Inventory Guidebook 2016. European Environment Agency. Copenhagen, Denmark.
EPA. 1994. Development and Selection of Ammonia Emission Factors (final report). Environmental Protection Agency. Washington, D.C., USA.
EPA. 2016. 2014 National Emissions Inventory, Version 1. Environmental Protection Agency. Washington, D.C., USA.
Hodan WB and WR Barnard. 2004. Evaluating the contribution of $PM_{2.5}$ precursor gases and re-entrained road emissions to mobile source $PM_{2.5}$ particulate matter emissions. MACTEC Federal Programs, Research Triangle Park, NC.
Hristov AN. 2011. Contribution of ammonia emitted from livestock to atmospheric fine particulate matter ( $PM_{2.5}$ ) in the United States. J. Dairy Sci. 94:3130-3136.
Hwang OH, SK Park, MW Jung, DW Han, WG Nho and SB Cho. 2018. Effects of pH modulation on the concentrations of odorous compounds from pit slurry of a pig operation building. J. Odor Indoor Environ. 17:1-10.
Hyun J, SY Yoo, XY Yang, JE Lee and GY Yoo. 2017. Annual variability in nitrous oxide emission from agricultural field soils. J. Climate Chang. Res. 8:305-312.
Jeon EC, JH Sa and JH Park. 2005. Development of NH3 emission factors using a dynamic flux chamber in a sewage treatment plant. J. Environ. Impact Assess. 14:263-273.
Jeong YG and JS Kim. 2000. An assessment on the behavior of nitrogenous materials during the first high rate phase in composting process. J. Kor. Org. Resour. Recyc. Assoc. 8:81-88.
Kang TW, JN Halder, SR Kim, YM Yoon and MG Lee. 2017. Nutrient composition and heavy metal contents of matured livestock liquid fertilizer in Korea. J. Kor. Org. Resour. Recyc. Assoc. 25:31-39.
Kim DH. 2017. Improving livestock environment for sustainable livestock production. World Agric. 204:1-19.
Kim CG and TY Kim. 2006. Scheme for implementing regionally based maximum nutrients loading system. Korean J. Agric. Manage. Policy 33:326-350.
Kim MS, WK Oh and DH Kwak. 2017. Behavior characteristics analysis of animal liquid manure and urea in the rice field using an fugacity-based multimedia environmental fate model. J. Kor. Soc. Environ. Technol. 18:546-562.
Kim MS, YS Lee, HG Min and JG Kim. 2020. Applicability of the dynamic chamber-capture system (DCS) for estimating the flux of ammonia emission during liquid fertilizer spreading. Atmos. Pollut. Res. In press. DOI:10.1016/j.apr.2020.01.001.
Kim TY, AR Daquiado, F Alam and YB Lee. 2012. Effect of application ratge of hairy vetch on ammonia emission from paddy soil. Korean J. Environ. Agric. 31:375-377.
Lee JH and YM Yoon. 2019. Comparison of nutrient balance and nutrient loading index for cultivated land nutrient management. Korean J. Environ. Biol. 37:554-567.
MAFRA. 2018. Agriculture, Food and Rural Affairs Statistic Yearbook. Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs. Sejong, Korea.
ME. 2018. White Paper of Environment 2018. Ministry of Environment. Sejong, Korea.
NIER. 2008. National Air Pollutant Emission Estimation Manual (III). National Institute of Environmental Research. Incheon, Korea.
Nyord T, KM Schelde, HT Sogaard, LS Jensen and SG Sommer. 2008. A simple model for assessing ammonia emission from ammoniacal fertilisers as affected by pH and injection into soil. Atmos. Environ. 42:4656-4664.
Sa JH and EC Jeon. 2010. Estimation of ammonia flux and emission factor from cattle housing using dynamic flux chamber. J. Environ. Health Sci. 36:33-43.
Shim HY, KS Lee, DS Lee, DS Jeon, MS Park, JS Shin, YK Lee, JW Goo, SB Kim, SG Song and DY Chung. 2014. Infiltration rates of liquid pig manure with various dilution ratios in three different soil. Korean J. Environ. Agric. 33:164-168.
Shin DW, HS Joo, E Seo and CY Kim. 2017. Management Strategies to Reduce PM-2.5 Emission: Emphasis-Ammonia. Korea Environment Institute. Sejong, Korea.
Sommer SG, JE Olesen and BT Christensen. 1991. Effects of temperature, wind speed and air humidity on ammonia volatilization from surface applied cattle slurry. J. Agric. Sci. 117:91-100.
Sommer SG, S Genermont, P Cellier, NJ Hutchings, JE Oleson and T Morvan. 2003. Processes controlling ammonia emission from livestock slurry in the field. Eur. J. Agron. 19:465-486.
Sung KI, BW Kim and CW Chung. 2000. Development trend in sustainable and low input system for livestock production. Ann. Ani. Resour. Sci. 11:188-194.
Yoon YM, SE Lee, DY Chung, GY Cho, JD Kim and CH Kim. 2008. The analysis of environmental loads and material recycling of the nutrients by the livestock wastewater originating from imported feeds. J. Korean Soc. Grassl. Forage Sci. 28:139-154.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.