축산 현안의 멀티 솔루션을 위한 ICT 기반의 ‘공기재순환 환기시스템’

  ① 사육환경 개선 : 동절기에는 난방비 부담을 줄이고 호흡기 질병 발생 등에 대응하고자 최소환기로 운영하기 때문에 사육환경이 열악해질 수밖에 없다. 환절기에도 하루 온도 편차가 매우 크기 때문에 난방비 부담뿐만 아니라 사육환경의 안정성을 유지하는 것이 매우 중요하다. 이로 인하여 축사 내 습도, 분진, 다양한 가스, 복합악취 등이 열악해질 수밖에 없다. 
▪ 해결 방안 : 추운 날씨에도 추가적인 에너지 투입 없이 환기량을 늘릴 수 있다면 축사 내 사육환경이 크게 개선될 수 있다.

② 축산냄새 배출 : 축사 내 슬러리 분뇨로부터 지속적으로 복합악취와 다양한 가스 등이 발생하기 때문에 환기 배기구를 통하여 오염도가 높은 공기가 배출되게 된다. 이로 인하여 인근 지역에서 많은 민원과 법적 분쟁이 발생하고 있고 축산업에 대한 부정적 이미지가 증가하고 있는 실정이다.
▪ 해결 방안 : 세정장치의 효율성 향상을 위하여 다양한 인자들을 고려한 적정 설계가 중요하며, 지하수 및 토양 오염의 최소화를 위하여 세정수의 재순환 이용은 필수적이라고 할 수 있다. 또한 유지 관리에 많은 비용이나 노동력이 투여되는 것을 최소화하여야만 한다.

③ 질병 유출입 차단 : 축산 질병의 유입 및 유출은 직접적인 접촉이나 공기 중으로 이루어지는데, 축산시설에는 공기가 유입되는 많은 입기구와 배기구가 분산 배치되어 방역시스템 구축을 통한 질병의 유출입을 차단하기 매우 어렵다.
▪ 해결 방안 : 제한된 환기 입기구와 배기구를 설계 및 운영을 할 수 있다면 질병 방역 시스템의 설치와 운영이 매우 용이하고 방역 효율성을 극대화할 수 있다.

④ 에너지 부하 절감 : 축사 내부에서 지속적으로 발생하는 공기 중 다양한 오염물질들을 배출하기 위해서 환기가 이루어지게 되며, 이로 인하여 축사 내에 조성된 열에너지를 버리고 있는 실정이다.
▪ 해결 방안 : 동절기나 환절기에 환기를 통하여 배출되는 열에너지를 회수해서 축사 내로 재유입시킬 수 있다면 축사의 열에너지 부하를 줄일 수 있고 이를 통하여 환기량도 크게 증가시키고 축사 내에 사육환경도 크게 개선될 수 있다. 이는 에너지 절감 및 탄소배출 저감을 동시에 구현할 수 있음을 의미한다.

⑤ 센서의 내구성 : 축산 ICT를 구현하기 위하여 신뢰도 높은 다양한 데이터들이 지속적으로 구축되어야 하며, 이렇게 구축된 빅데이터를 활용하여 인공지능도 구현이 가능하게 된다. 하지만 축사 내의 열악한 공기질은 센서의 내구성 저하, 수시 교체 등을 발생시키고 있으며, 이로 인하여 농가에 경제적 부담 증가, 빅데이터 구축 부실 등을 야기하게 된다. 
▪ 해결 방안 : 축사 내 환기량 증가로 인하여 습도, 분진, 가스 등 사육환경의 공기질이 크게 향상된다면 센서 내구성은 자연스럽게 개선될 수 있다.

서울대학교 농업생명과학대학에 필자의 연구실인 A3EL(Aero-Environmental&Energy Engineering Laboratory)은 위에서 언급된 다양한 축산 현안들을 모두 동시에 해결을 하기 위하여 지난 5년 동안 과학기술정보통신부 사회문제해결형 사업을 통하여 ‘양돈시설 공기재순환 환기시스템(ASGT, Animal Samrtfarm Guardians Technology)’을 개발해 왔고, 작년 1월부터 계절별 검증 실증을 수행하고 있다.

이 통합시스템의 주요 모듈은 통합 연계 환기시스템, 기계식 스크레버 세정장치, 재순환공기와 외부공기 혼합비 자동제어, 태양열 보조 열원, UV 살균 시스템, 운영 알고리즘 및 프로그램 등으로 구성되어 있다(그림 1).

이 개발 연구에는 한국전자통신연구원, 네덜란드 와게닝겐대학교 등이 참여하고 있다.
  이 공기재순환 환기시스템(ASGT)에 대한 운영 방법은 다음과 같다.  

① 축사로부터 환기를 통하여 배출되는 공기는 이번 연구를 통하여 개발된 기계식 스크레버 시스템을 통과하면서 공기 중에 다양한 오염물질들이 크게 저감되는데, 이 세정된 공기는 여전히 높은 열에너지가 보존된다. 

② 외부 기상, 축사 내 공기 환경(온도, 습도, 가스 등) 등을 실시간으로 모니터링하고, 이를 고려하여 기계식 스크레버 시스템을 통과한 공기 중에 일부를 외부로 배출하고 그 양만큼의 신선한 외부 공기가 유입되며, 이는 세정된 재순환 공기와 혼합되어 함께 축사 내로 공급된다. 실시간으로 모니터링되는 외부 기상, 축사 내 공기 환경, 세정 후 오염물질 농도 등을 고려하여 이러한 혼합비는 실시간 제어가 된다. 이를 통하여 축사 내로 유입되는 공기의 온도는 동절기에도 20℃ 이상으로 유지되기 때문에 동절기에도 환기량을 크게 높여 축사 내 다양한 오염물질들의 농도를 크게 감소시킬 수 있다. 외부로 배출되는 공기의 양도 매우 적어지는 동시에 기계식 스크레버 시스템의 효율성에 따라서 오염물질들의 배출 농도도 크게 낮출 수 있다. 이를 통하여 축산냄새와 관련된 민원 및 법적 분쟁을 크게 줄일 수 있다. 

③ 연중 제한된 기간에 외부 온도가 크게 낮아질 수 있는데, 이때 보조 열원으로 저가이면서 유지 관리가 매우 용이한 태양열 시스템을 이용하였다. 

④ 재순환되는 세정된 공기와 외부의 신선한 공기가 혼합되어 축사로 유입되는 입기덕트와 순환수 저장탱크 내에는 UV 살균 시스템들이 설치되어 다중으로 질병 차단이 이루어진다. 또한 살균 효율성 및 지속 시간이 충분히 긴 세정수를 선정하여 이용하였고, 세정수 교체 등 유지 및 관리는 센싱을 통하여 자동 배출 및 공급이 이루어지기 때문에 완전 자동 모니터링 및 운영을 구현하였다.

⑤ 이 시스템 개발에 있어 유지·관리적인 측면을 무엇보다 중요한 요소로 고려하였다. 이를 해결하고자 전체 완전 자동화를 구현하였으며, 유지·관리에도 문제가 없도록 설계되었다. 
  개발된 시스템은 전남 순천시에 위치한 에코팜 농장에 제작·설치되었고, 2020년 1월부터 1년 동안 계절별 검증 실험들이 수행되었다.

기존 동절기(2022년 1~2월) 현장 검증 실험의 결과는 다음과 같다(그림 2). 
동절기에 기존 환기시스템이 운영되는 ‘대조구’에서는 돈사 내 온도 유지를 위해 최대환기량에 6~12% 정도의 환기량이 운영되었지만, 공기재순환 환기시스템이 설치된 ‘실험구’에서는 추가적인 열에너지 공급 없이 40~80%의 환기량이 유지되었다. 

‘실험구’의 높은 환기량으로 인하여 자돈사 내 공기질(수분, 가스, 분진 등)이 크게 개선되었다. ‘대조구’의 암모니아 가스 농도는 최대 70ppm까지 도달하였으나, ‘실험구’에서는 동절기 사육기간 동안 20ppm 이하로 잘 유지되었다.

총 분진량(TSP)은 평균 약 8배 정도 ‘대조구’가 높게 나왔고, 미세분진(PM10)은 ‘대조구’에서 약 14배 높게 측정되었다. 

한편 ‘실험구’에 설치된 공기재순환 시스템의 기계식 스크레버 시스템의 암모니아 세정효율은 평균 85.5%로 배기되는 공기의 암모니아 농도는 1~4ppm이 유지되었다. 이는 외부로 배출되는 공기의 암모니아 농도도 워낙 낮았지만, 배출되는 공기량도 크게 줄었기 때문에 축산냄새 배출 저감에 매우 긍정적인 결과로 나타났다.

400만원 정도의 태양열 시스템을 보조 열원으로 사용하였는데, 외기 온도가 영하 10℃ 미만으로 떨어진 날에도 효과적으로 운영되는 것을 확인할 수 있었다.

동절기(2022년 1~2월), 환절기(2022년 4~5월) 및 하절기(2022년 6~8월) 현장 검증 실험의 결과는 (표 1)과 같다. 


‘실험구’에서는 모든 내부 환경 인자들이 적정 수준을 유지하는 것으로 나타났으나, ‘대조구’는 적정 수준을 만족하지 못하였다. 특히 환기량은 ‘실험구’가 ‘대조구’에 비해 추가적인 열에너지 공급 없이 높게 유지되었다.

스크레버 시스템의 암모니아 세정효율은 동절기 평균 85.5%, 환절기 평균 86.7%, 하절기 평균 83.1%로 배출되는 암모니아의 농도는 1.0~4.0ppm으로 유지되었다. 

이번 연구를 통하여 개발한 스크레버 시스템은 기존 탈취 장치들에 비하여 탈취 효율성은 매우 높게 나온 것으로 나타났으며, 기계식 스크레버 시스템의 적정 설계(내부 볼륨 크기, 노즐, 충진재, 엘리미네이터 등의 적정 통합 설계)와 세정수 선정, 그리고 이들의 운영 알고리즘이 매우 중요함을 보여주고 있다.

동절기 실험 동안 실험구 및 대조구 돼지들의 타액을 샘플링하여 스트레스 지수를 나타내는 코르티솔과 항체 형성 정도를 나타내는 IgA를 검출하여 분석하였다. ‘실험구’는 평균 30.5㎍/mL로 적정 스트레스 수치인 약 20~30㎍/mL내로, ‘대조구’ 돼지는 평균 49.3㎍/mL에 최대 118㎍/mL로 위험 수준으로 나타났다.

항체 형성 결과를 살펴보면, ‘실험구’는 평균 261㎍/mL, ‘대조구’는 평균 167.5㎍/mL로 ‘실험구’의 돼지가 질병에 대한 면역력이 더 높은 것으로 나타났다.

또한 전남대학교 수의과대학의 이봉주 교수 연구실에서 동절기, 하절기 동안 지속적인 질병 및 시료 샘플링을 통하여 실험구 및 대조구의 질병 감염 및 오염도 평가를 수행하고 있다. 돼지 호흡기바이러스 4종 (PCV-2, PRRS, SIV, PPV) 진단 결과 실험구 및 대조구 모두 양성이 PRRS만 1건 검출되고 나머지는 검출되지 않았다.

또한 실험군에서 유익균인 Prevotella와 Lactobacillus의 증가가 있었으며, 유해균인 Campylobacter가 유의성 있게 감소하였다. 
  ‘축사 공기재순환 환기시스템’은 다양한 스케일업 연구 수행을 통하여 축적된 노하우, 경험, 기술을 바탕으로 설계, 제작 및 설치할 수 있었다.

지난해 7월 16일 농림축산식품부에서 축산업 허가 및 등록 요건에 ‘악취저감장비·시설’을 추가하여 축산법 시행령 일부 개정안을 공포하였다.

따라서 ‘축사 공기재순환 환기시스템’이 축산냄새 현안의 해결만이 아니라 사육환경 개선을 통한 복지축산, 질병 차단방역, 통합 ICT 자동화, 환경부하 저감, 에너지 비용 절감 등을 동시에 구현할 수 있을 것으로 판단된다. 

출처 : 피그앤포크 한돈
링크 : http://www.pignpork.com/news/articleView.html?idxno=9439