“여과·살균·센싱기술의 멀티 솔루션”

▶양돈농장의 통합시스템 필요

최근 축산업은 △사육환경의 열악으로 인한 생산성 정체, △축산악취로 인한 민원 및 법적분쟁 증가, △빈번한 질병발생, △기후변화 및 계절에 따른 냉난방 에너지 부하 및 탄소배출 증가, △센서 내구성 부족으로 인한 ICT 구현의 어려움, △지하수나 토양오염 등 다양한 문제에 당면하고 있다. 이러한 축산현안들 해결을 위해 수 많은 연구들을 통한 다양한 시스템들이 개발돼 왔지만 여전히 현장에서 환영을 받는 시스템은 그리 많지 않은 것이 현실이다.

이에 서울대학교 항공환경에너지공학연구소(A3EL: Aero-Environmental & Energy Enginee ring Laboratory)에서는 보다 적극적인 개선책을 찾기 위해지난 5년간 ‘양돈시설 공기재순환 환기시스템(ASGT: Animal Samrtfarm Guardians Technology)’을 개발해 왔다. 다양한 축산현안들을 동시에 해결하기 위한 ‘공기재순환 환기시스템(ASGT)’은 지난해 1월부터 실제 양돈장에서 계절별 검증실험을 수행하고 있다. 이 통합시스템의 주요 모듈은 다양한 축사 내외에 센싱 및 모니터링, 통합연계 환기 실시간 제어시스템, 기계식 스크레버 세정장치, 재순환공기와 외부공기 혼합비 실시간 자동제어, 태양열 보조열원, 3단계 살균시스템, 운영 알고리즘 및 프로그램 등으로 구성돼 있다(그림 1). ASGT 시스템 연구개발에는 한국전자통신연구원, 네덜란드 와게닝겐대학교, 한국전자통신연구원 등이 공동참여했다.

▶ ‘공기재순환 환기시스템(ASGT)’ 운영방법

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

△ 외부기상, 축사내 공기환경 등을 실시간으로 모니터링하고, 이를 고려해서 기계식 스크레버 시스템을 통과한 공기 중에 일부를 외부로 배출하고, 그 양만큼의 신선한 외부공기가 유입돼서 세정된 재순환 공기와 혼합돼 함께 축사내로 공급된다. 실시간으로 모니터링되는 외부기상, 축사내 공기환경 (온도·습도·암모니아 등), 세정 후 오염물질 농도 등을 고려해 이러한 혼합비는 실시간 제어된다. 이를 통해 축사내로 유입되는 공기의 온도는 동절기에도 20도 이상이 유지되기 때문에 동절기에 추가적인 열에너지 투입 없이 환기량을 크게 높여서 축사내 다양한 오염물질들의 농도들을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 외부로 배출되는 공기의 양은 매우 적으며, 동시에 기계식 스크레버 시스템의 풍부한 여과성으로 오염물질들의 배출농도도 크게 낮출 수 있다. 이를 통해 축산악취와 관련된 민원 및 법적분쟁을 크게 줄일 수 있다.

△ 연중 제한된 기간에 외부 온도가 크게 낮아질 수 있는데 이때, 보조 열원으로 저가이며 또한 유지 관리에 매우 용이한 태양열 시스템을 이용했다.

△ 재순환되는 세정된 공기와 외부의 신선한 공기가 혼합돼 축사로 유입되는 입기덕트와, 순환수 저장탱크 내에 UV 살균시스템들이 설치돼 다중으로 질병차단이 이뤄지도록 했다. 또한, 살균효율성 및 이의 지속시간이 충분히 긴 세정수를 선정해 이용했고, 세정수 교체 등 유지·관리는 센싱을 통해 자동배출 및 공급이 이뤄지도록 해 효과적인 완전 자동모니터링 및 운영시스템을 구현했다.

△ 이 시스템 개발에 있어, 유지·관리적인 측면을 무엇보다 중요한 요소로 고려했다. 이를 해결하고자 전체 완전 자동화를 구현했으며, 유지·관리에도 문제가 없도록 설계됐다.

축산현안의 멀티솔루션 위한 ‘축사 공기재순환 환기시스템(ASGT)’

순천시 소재 에코팜농장의 1000두 규모 자돈사에 설치된 ‘축사 공기재순환 환기시스템’ 현장 모습. 현재 계절별 검증실험이 진행중이다.

ASGT 적용 동절기 대조구·실험구 비교실험 검증결과

▶검증 비료실험 통한 효과입증

4년간 현장실험, 스케일업 실험, 다양한 컴퓨터 시뮬레이션 등을 통해 개발된 ‘공기재순환 환기시스템(ASGT)’은 순천시에 위치한 양돈농장에 제작 설치돼 지난해 1월부터 계절별 검증실험들이 수행된 바 있다. 공기재순환 환기시스템이 설치된 ‘실험구’ 자돈사와 기존 환기시스템으로 운영 중인 ‘대조구’ 자돈사에서 검증 비교실험이 진행돼 유의미한 결과도출을 통해 대기 오염물질의 감소, 질병차단 효과, 경제적 수익성 확보 등이 입증됐다. 각 돈방의 바닥면적은 약 100평, 자돈 사육두수는 각각 1000두의 조건으로 진행됐으며(그림 2), 여기서는 사육환경이 가장 열악한 동절기 현장 검증실험(2022년 1~2월)의 결과를 중심으로 ASGT 시스템의 효과에 대해 살펴본다(그림 3).

동절기에 기존 환기시스템이 운영되는 대조구에서는 돈사 내 온도유지를 위해 6~12% 정도만의 환기량이 운영됐지만, 공기재순환 환기시스템이 설치된 실험구에서는 추가적인 열에너지 공급 없이 40~80%의 환기량이 유지됐다. 실험구의 높은 환기량으로 인해 자돈사 내 공기질(수분·가스·분진 등)이 크게 개선될 수 있었다.

대조구의 암모니아 가스농도는 최대 70ppm까지 측정된 반면 실험구에서는 동절기 사육기간 동안 20ppm 이하로 유지될 수 있었다. 총 분진량(TSP)은 대조구에 비해 평균 약 12.5% 정도로 낮게 나왔고, 미세분진(PM10) 또한 대조구에 비해 약 7% 정도로 낮게 측정됐다.

한편, 실험구에 설치된 공기재순환시스템의 기계식 스크레버 시스템의 암모니아 세정효율은 약 85~90% 정도로 측정됐으며, 배기되는 공기의 암모니아 농도는 1~4ppm이 유지됐다. 이는 외부로 배출되는 공기의 암모니아 농도가 거의 측정되지 않을 정도로 효과적인 제어는 물론 배출되는 공기의 양도 크게 줄었기 때문인 것으로 나타났다.

외부 온도가 크게 낮아질 경우를 대비한 보조열원으로는 시중가 400만원 내외의 태양열 시스템을 사용했는데, 외기 온도가 영하 10도 미만으로 떨어진 날에도 효과적으로 운영되는 것을 확인할 수 있었다.

실험구와 대조구 돼지들의 타액을 분석해 동절기의 스트레스 지수를 평가한 결과, 실험구의 돼지들은 적정수준(평균 코티졸 30.5㎍/mL), 대조구 돼지는 위험수준(평균 코티졸 49.3㎍/mL, 최대 118㎍/mL)이 측정됐다. 항체형성결과를 살펴보면, 실험구는 IgA의 농도가 더 높게 측정돼 질병에 대한 면역력이 더 높은 것으로 나타났다.

또한, 전남대학교 수의과대학의 이봉주 교수 연구팀은 계절별 질병감염 및 오염도 평가를 수행했으며, 돼지 호흡기 바이러스 4종(PCV-2, PRRSV, SIV, PPV) 진단결과, 실험구 및 대조구 모두 PRRSV만 1건 양성으로 검출되고 나머지는 검출되지 않았다. 이와 함께 실험구에서 유익균인 Prevotella와 Lactobacillus의 증가가 있었으며, 유해균인 Campylobactoer가 유의성 있게 감소했다.

▶사육환경 개선 위한 멀티 솔루션

동절기뿐만 아니라, 환절기, 하절기에도 대조구에 비해 실험구에 더 좋은 축사내 환경이 유지됐으며, 이를 통해 연중 안정되게 복지축산이 구현될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

검증 비교실험이 진행된 양돈농장의 1년간 데이터를 비교한 결과, 50일 성장 후 출하되는 대조구와 실험구의 자돈 체중 비교를 통해 실험구의 자돈 체중이 대조구에 비해 평균 1.8kg 증체가 확인됐으며, 출하시기에 있어서도 실험구에서 약 7일 정도 앞당길 수 있었다.

일반적으로 고가의 국내외 탈취시스템을 설치해도 복지축산 구현 및 생산성 향상에 큰 효과를 보지 못하는데 반해 ‘공기재순환 환기시스템(ASGT)’은 해외에서 수입되는 컨테이너 타입 습식 스크레버 시스템의 구입 가격 정도로도 다른 많은 축산현안들을 함께 해결할 수 있고, 이에 더해 높은 경제적 수익(BC Ratio: 1.39)이 수반되는 강점이 있다.

농식품부는 지난해 7월16일 축산업 허가 및 등록요건을 강화해 ‘악취저감 장비·시설’을 추가하는 ‘축산법시행령 일부개정안’을 공포한 바 있다. 축산 현안문제들이 산적한 가운데 ‘축사 공기재순환 환기시스템(ASGT)’이 축산악취 해결뿐만 아니라 사육환경 개선을 통한 복지축산, 질병 차단방역, 통합 ICT 자동화, 환경부하 저감, 에너지비용 절감 등을 동시에 구현할 수 있는 새로운 대안이 되길 기대해 본다.

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