• 1. 서 론
• 2. 연구 내용 및 방법
• 2. 1. 악취 규제에 관한 고찰
• 2. 2. 악취영향모델
• 2. 3. 확산 모델
• 2. 4. 대상 영역 및 확산 모델 입력조건
• 3. 결과 및 고찰
• 4. 결 론

1. 서 론

 우리나라에서는 악취관리를 위하여 2004년 악취방지법을 제정하고 엄격한 악취배출기준을 적용하는 악취관리지역을 지정하여 지속적으로 관리하고 있다. 이에 따라 2011년 현재 전국 9개 시∙도에 26개의 악취 관리지역이 지정되어 있다. 이들 악취관리지역 대부분이 공단 또는 산단 지역이다.¹⁾ 그럼에도 불구하고 환경부 자료²⁾에 따르면 2006년 악취 관련 민원은 4796건이 발생하였고 이는 2005년 대비 11.5%가 증가된 값이다. 박찬진³⁾에 따르면 악취관리지역 내 민원은 2006년에서 2010년 사이 점진적으로 감소하였으나 악취관리지역이 아닌 지역에서 민원은 증가하고 있는 실정이다. 따라서 악취 민원 해소를 위한 악취 연구는 지속적으로 수행되어야 할 과제이다.

 유럽과 미국에서도 대기오염 관련 민원 중 대부분이 악취에 대한 지역주민의 불만을 유발하는 것으로 나타났다.⁴⁾ 몇몇 유럽 국가들에서는 환경 악취 때문에 13~20%의 인구가 방해를 받는 것으로 보고되고 있다.⁵⁾

 악취 배출에 노출되는 집단은 비록 악취로 인한 직접적인 질병이나 질환은 없지만 정신적, 사회적, 신체적으로 건강하지 못한 환경에 놓이게 된다. 게다가 악취에 계속 노출될 때 노출집단은 불편함, 두통과 같은 감정적 스트레스 또는 감각적 흥분, 두통, 호흡, 구토, 구역질을 유발한다. 또한 악취 노출은 생리학적 스트레스인 불면증, 식욕감퇴, 초조 등을 유도한다.⁶⁾

 악취 영향은 노출된 개개인의 냄새 기관을 작동시키기 충분히 높은 농도를 가진 단일 또는 그 이상의 화합물과 관련된 감각 작용이다. 일반적으로 상호작용의 결합으로 발생하는 악취 영향은 총괄적으로 FIDOL로 알려져 있다. FIDOL은 악취 관리를 위하여 일반적으로 필요한 파라미터인 Frequency, Intensity, Duration, Offensiveness, 그리고 Location에 의한 총괄적인 영향을 의미한다.⁷⁾ Nicell⁸⁾과 Henshow 등⁹⁾은 악취의 영향 평가를 위하여 FIDOL 개념을 이용한 악취영향모델(Odor Impact model, OIM)을 소개하였다. Nicell⁶⁾에 따르면 FIDOL 개념으로 악취에 대한 주민의 응답을 평가하기 위하여 오염원에서 배출량과 주변 지역의 농도 계산이 선행되어야 한다. 일반적으로 오염원 주변의 악취 농도는 확산 모델을 사용하여 수행한다. 다음으로 확산 모델로 평가된 농도와 지역주민의 응답을 나타내는 악취영향모델을 이용하여 주민의 응답을 산정한다.

 최근에 국외에서 악취 평가를 위하여 사용된 확산 모델의 예로는 Schauberger 등,¹⁰⁾ Chemel 등,¹¹⁾ Capelli 등,¹²⁾ Stellacci 등¹³⁾이 있다. Schauberger 등¹⁰⁾은 독일에서 축사와 주거단지 사이의 이격거리에 관한 경험식 유도를 위하여 AUSTAL2000 모델을 사용하였다. Chemel 등¹¹⁾은 이탈리아 중부에 있는 Terni시에서 악취 오염원의 영향 평가를 하기 위하여 CALPUFF 모델을 사용하고 허용빈도 (compliance frequency) 98%로 표시되는 영향 범위를 제시하였다. Capelli 등¹²⁾은 ADAMS 모델을 사용하여 프랑스 알프스에 있는 매립지 주변의 악취 농도를 계산하였다. Stellacci 등¹³⁾은 이탈리아에서 개발된 GIADA 모델을 사용하여 폐수처리장 주변의 악취 농도를 계산하였다. 국내에서 악취 물질의 배출량과 확산을 평가하기 위한 최근 연구는 정상진,¹⁴⁾ Jeong,¹⁵⁾ 김종보 등,¹⁶⁾ 구윤서와 윤희영¹⁷⁾의 연구가 있다. 정상진¹⁴⁾은 시화 공단에서 각 오염원 블록별 악취 배출량을 산정하고 악취의 영향 범위를 평가하기 위하여 AERMOD 모델을 사용하였다, Jeong¹⁵⁾은 인천 서부 산단 지역의 악취 배출량을 평가하기 위하여 CALPUFF와 AERMOD 모델을 사용하고 계산 결과를 비교하였다. 김종보 등¹⁶⁾은 CALPUFF 모델을 사용하여 시화 산단에서 악취 농도를 산정하고 악취 관리 방안을 제시하였다. 구윤서와 윤희영¹⁷⁾은 대전지역 산단에서 관능법으로 측정된 악취 농도를 이용하여 CALPUFF 모델의 적용성을 검증하였다. 그러나 이들 국내 연구에서는 악취 평가를 위한 허용빈도에 대한 언급은 부족한 실정이다.

FIDOL 개념을 사용하여 악취에 대한 응답을 평가하기 위해서는 일반적으로 3가지 인자, 즉 평균시간, 농도(OU) 그리고 허용빈도가 사용되고 있다. Nicell⁶⁾은 FIDOL 개념을 사용하여 악취를 규제하기 위한 응답한계를 평균시간 10분, 농도 1 OU 그리고 허용빈도 99.5%로 할 것을 제안하였다. 현재 악취에 대한 세계 각국의 규제치는 다양한 농도 범위, 평균시간 그리고 허용빈도를 사용하여 표시하고 있다. 그러나 우리나라 악취방지법에는 악취 농도에 대한 배출규제치와 부지 경계선에서 농도만 제시되어 있을 뿐 농도에 대한 평균시간이나 허용빈도 등에 대한 정보는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 산단 지역의 악취 영향을 농도 이외 평균시간과 허용빈도가 포함된 평가 방법을 사용하여 평가하고자 한다. 본 연구의 결과는 산단 지역 주변의 악취 영향 평가를 보다 과학적인 방법으로 할 수 있는 기초 자료로 활용될 것으로 생각된다. 

2. 연구 내용 및 방법

2. 1. 악취 규제에 관한 고찰

 해외에서 실외 대기 중 악취에 대한 가장 일반적인 규제 기준은 부지경계선이나 실외 대기에서 측정되는 OU (Odor Unit) 농도, 평균시간 그리고 허용빈도이다.

 Table 1에 나타낸 바와 같이 악취 규제에 대한 각국의 규제기준은 다양한 농도 (0.5~50 OU)와 다양한 평균시간 (1 s~1 hr) 그리고 다양한 허용빈도 (98~99.9%)의 조합으로 표시하고 있다. 이들 조합은 영향지역의 특성, 악취 농도 측정 방법에 따른 평균시간 그리고 오염원의 악취 특성 그리고 수용체가 감내할 수 있는 농도 지속기간 등을 고려하여 정해져 있다.

Table 1. Odor standards and regulations for selected locations^6,18)

 그러나 악취에 대한 이들 규제 기준은 거의 모두 지역별 특성, 오염원 그리고 응답자의 불만 상태 등을 고려한 사안별 규제치이기 때문에 일반적인 규제 기준으로 적용하는 데는 무리가 있다. 따라서 본 연구에서는 Nicell⁶⁾이 제안한 FIDOL 개념을 사용한 악취영향모델을 소개하고 이를 사용한 악취영향 평가를 한다. 악취 영향모델을 이용하여 악취영향평가를 하기 위해서는 악취배출량, 확산모델로 계산된 주변지역 악취농도 등이 필요하다. 본 연구에서는 악취 배출량은 정상진¹⁵⁾의 연구 결과를 사용하고 농도 계산을 위하여 AERMOD 모델을 사용하였다. AERMOD 모델은 계산 결과 농도가 1시간 평균 농도이므로 Table 1에서 제시한 1시간 평균 농도와 허용빈도가 지정된 Massachusetts (5 OU, 1 hr @ 99.9%), Denmark (0.6~1.2 OU (평균 0.9), 1 hr @ 99%), New Zealand (2 OU, 1 hr @99.5%), the Netherlands (0.5 OU, 1 hr @ 98%, 기존 시설) 규제 기준을 사용하여 산단 지역의 악취 영향을 비교하였다.

2. 2. 악취영향모델

 악취영향모델은 한 세트의 특정 악취 오염원에 대한 희석-응답 관계식으로 구성된다.^6,8) 악취영향모델은 식(1)에서 나타낸 바와 같이 악취 농도의 희석 정도에 따라 악취에 응답하는 인구의 비율 (the percent of the population responding to the odor, %)을 악취 농도와 악취의 지속시간으로 표시한다.⁸⁾

 여기서 P는 악취에 응답하는 인구의 비율 (%), D는 오염원 악취의 희석(dilution of the source order, 즉 악취 가스로 나눈 악취가스 더하기 희석공기)이고, D₅₀ 은 응답 한계(희석 단위) 그리고 분모에서 지수 b는 악취의 지속성(persistence of odor)을 나타낸다. Sikdar¹⁹⁾ 는 식(1)의 b를 주물공장 악취의 경우 0.3~0.4, 돈사 악취에 대해서는 0.28로 제안하였다. Nicell⁸⁾은 순수화학 물질의 경우 0.21~0.45값을 가진다고 하였다. Henshaw 등⁹⁾은 산업폐기물 악취에 대하여 b값으로 0.21을 제안하였다. 본 연구에서는 이들 연구를 참고로 중간 값인 0.3으로 가정하였다. 악취의 농도 C_ou 는 무차원 비율인 D₅₀/D과 동일하며, 이는 편의상 악취 단위(OU)로 대치될 수 있다. Nicell⁸⁾이 기술한 바와 같이, 비율 D₅₀/D는 악취 농도 C_ou와 동일하기 때문에 식(1)은 다음 식으로 수정될 수 있다.⁹⁾

 식(2)에서 악취농도가 1 OU일 때 악취에 응답하는 인구의 비율은 50%가 된다. 본 연구에서는 악취의 응답 정도를 나타내기 위하여 식(2)를 사용하였다.

2. 3. 확산 모델

 미국 EPA에서 지정하는 공식 확산모델인 AERMOD 모델은 실외 대기오염물의 농도를 예측하는 가우시안플륨 모델이다. 미국 EPA에서는 대상영역이 단거리(50km 이하)인 경우 AERMOD 모델을 사용할 것을 추천하고 있다.²⁰⁾  본 연구는 대상영역이 가로×세로가 6.2km×6km이므로 AERMOD 모델을 사용하였다.

 AERMOD 모델 시스템은 주 프로그램(AERMOD)과 두 가지 전처리 프로세스인 AERMET과 AERMAP로 구성된다. AERMET는 기상 전처리 시스템으로 AERMOD의 기상 입력자료를 생성하는 프로그램이다.

 AERMAP는 지형에 대한 전처리 프로그램이다. 일반적으로 AERMOD 모델은 플륨을 수평방향 플륨 (지형에 충돌하는 플륨)과 지형을 따라가는 플륨의 두 가지 조합으로 모델화했다. 그러므로 모든 상황에서 수용체에서 총 농도는 이들 상태에 따라 예측된다. 평지에서는 두 상태가 동일하지만 높은 지형이 있는 경우 AERMOD에서는 유선 분리고도 (dividing streamline height) 개념을 도입하고 있다. 따라서 총 농도는 이들 두 가지의 한계 경우 또는 플륨의 상태를 고려하여 계산한다.²¹⁾ AERMOD 모델에서 대기상태가 안정 또는 대류상태 (convective condition)인 경우 농도를 구하는 식은 다음과 같다.

 여기서 C_T {x_r,y_r,z_r}는 총 농도이고, C_c,_s{x_r ,y_r,z_r}는 수평 플륨 상태의 기여 분(첨자 c와 s는 각각 대류 상태와 안정 대기를 나타낸다). C_c,_s{x_r ,y_r,z_p}는 지형을 따라가는 상태의 기여 분을 나타내고, f는 플륨 상태에 따른 무게함수 (weighting function), {x_r ,y_r,z_r}는 수용체 좌표이고 z_r은 굴뚝 바닥으로부터 참조 지점까지 높이이다. z_p=z_r-z_t은 국소 지표 높이에서 수용체까지 높이이고 z_t는 수용체의 지표면 고도를 나타낸다.

2. 4. 대상 영역 및 확산 모델 입력조건

 본 연구에서는 대상 지역을 인천에 위치하고 있는 서부 산단으로 하였다. 서부 산단 지형은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 북쪽, 서남, 동남 쪽으로 낮은 구릉(최대 100 m 정도)이 있는 것을 제외하고 전체적으로 평탄한 지형이다.

Fig. 1. Schematic diagram of computational domain.

 계산 영역은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 X방향 6.2km, Y방향으로 6.0 km로 설정하였으며 격자 간격은 100m로 하였다. 따라서 계산 격자 수는 63×61=3721개이다. AERMOD 모델의 입력 파일은 6개의 Pathway로 구성되며 각 Pathway는 모델 제어인자, 오염원, 지형, 기상, 출력조건 등으로 구성된다. 본 연구에서는 제어인자로 MODELOPT은 CONC로 하였다. 오염원 입력자료는 정상진¹⁵⁾ 의 연구를 참고로 면 오염원으로 하고 평균 배출량을 0.02OUm²/s, 배출고도를 1m로 하였다. 기상 자료는 지표 부근 기상 자료로 2006년 인천지방 기상대 자료를, 고공 기상은 오산 관측 자료를 사용하여 AERMET로 가공한 기상 입력 파일을 사용하였다.

3. 결과 및 고찰

 Fig. 2는 본 연구 결과의 타당성을 검토하기 위하여 식(2)로 표시되는 1 OU 등농도 곡선과 악취에 응답하는 인구의 비율 50%에 해당하는 곡선을 비교하기 위하여 나타낸 것이다. 비교에 사용한 허용빈도는 98.5%이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 1 OU 등농도 곡선과 악취에 응답하는 인구의 비율 50% 곡선은 일치하며 이와 같은 결과는 Henshaw 등⁹⁾과 Nicell⁶⁾이 제시한 결과와 동일하다.

Fig. 2. Contours of 98.5% regulation compliance frequency values at each receptor: (a) odor concentrations and (b) probability of response values.

 Fig. 3에서는 허용빈도에 따른 영향 범위의 분포를 비교해 보기 위하여 4가지 허용빈도 (99.9, 99.5, 99.0, 98.0%)에 따른 악취에 응답하는 인구의 비율(%)의 등 분포 곡선을 나타내었다. 허용빈도는 연중 발생 농도 (본 연구에서는 1시간 평균 농도로 계산하였으므로 8760회 임)에서 상위 발생 빈도를 나타낸다. 즉 허용 빈도 99.9%는 8760시간 동안 공간적으로 3843개 수용체 중에서 9회 발생한다는 의미이다. 그리고 이와 같은 횟수는 모든 수용체에서 출현하는 것이 아니라 3834개 수용체 중에서 9곳에서만 발생한다는 의미이다. 동일하게 99.5%는 44회, 99.0%는 88회, 98.0%는 175회 발생한다는 의미이다.

Fig. 3. Contours for probability of response values (%) at each receptor: (a) 99.9, (b) 99.5, (c) 99.0, (d) 98.0 regulation compliance frequency.

 Fig. 3에서 보는 바와 같이 허용빈도 값이 클수록 악취에 응답하는 인구의 비율의 영향범위가 전체 방향으로 고르게 분포하는 반면 허용빈도 값이 작을수록 특정 방향으로 한정되어 나타났다. 이와 같은 결과는 Henshaw 등⁹⁾의 연구에서와 마찬가지로 허용빈도가 높아질수록 발생 빈도가 공간적으로 균일하게 분포하는 것과 동일한 결과이다.

Fig. 4에서는 Fig. 3의 결과를 자세히 보기 위하여 3OU에서 5OU로 농도를 변화시키는 경우 허용빈도 변화에 따른 영향 면적과 최대 영향 거리의 변화를 나타내었다. Fig. 4에서 나타낸 바와 같이 영향 면적은 농도(OU)가 작을수록 커지고 영향 거리도 OU가 작을 수록 큰 값을 나타낸다. 이는 오염원에서 거리가 멀어질수록 수용체의 농도가 감소하기 때문이다. 허용빈도 변화에 따른 영향 면적과 영향 거리의 크기는 허용빈도가 증가할수록 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 허용빈도가 증가할수록 전체적인 영향 범위가 확대되어 영향 면적도 함께 증가하기 때문으로 생각된다.

Fig. 4. Odor impact area and maximum impact distance as a function of compliance frequency.

 Fig. 5는 1시간 평균 농도로 규정된 선별된 각 나라의 악취 규제치에 따른 영향 범위를 비교하기 위하여 나타낸 것이다. 규제치는 Table 1에 나타낸 미국의 Massachusetts (5 OU, 1 hr @ 99.9%), New Zealand (2 OU, 1 hr @ 99.5%), Denmark (0.9 OU, 1 hr @ 99%), the Netherlands (0.5 OU, 1 hr @ 98%, 기존 시설)를 사용하였다. 전체적으로 허용빈도가 높을수록 영향범위가 여러 방향으로 균일하게 분포되며 허용빈도가 낮을수록 특정방향으로 영향범위가 쏠리는 결과가 나타난 것은 Fig. 3에서 나타낸 것과 유사한 결과이다. 또한 농도(OU)가 높을수록 영향범위가 줄어드는 것은 오염원 주변에서 농도가 오염원에서 떨어진 지점에서 농도보다 높기 때문이다. 악취 영향범위가 가장 좁은 것은 Massachusetts의 기준으로 나타났으며 가장 넓은 것은 Denmark 기준으로 나타났다.

Fig. 5. Odor impact area contours for four different regulations: (a) Massachusetts (USA); (b) New Zealand; (c) Denmark; (d) the Netherlands.

4. 결 론

 FIDOL 개념에 따른 악취 영향평가방법을 서부 산단 지역의 악취영향 평가에 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

 1) 악취의 영향범위는 허용빈도 값이 클수록 전체 방향으로 고르게 분포하는 반면 허용빈도 값이 작을수록 특정 방향으로 한정되어 나타났다. 따라서 허용빈도는 악취 영향범위를 평가하는 데 중요한 파라미터로 생각된다.

 2) 영향 면적과 영향 거리는 농도(OU)를 작게 설정 할수록 큰 값을 나타낸다. 이는 오염원에서 거리가 멀어질수록 수용체의 농도가 감소하기 때문이다.

 3) 허용빈도 규제치가 증가할수록 악취영향 면적과 영향 거리는 급격히 증가하는 것으로 나타났다.

 4) Massachusetts (USA), New Zealand, Denmark, the Netherlands 규제 중에서 Massachusetts 규제가 가장 좁은 악취 영향 면적을 나타내었다. 반면 Denmark 규제는 가장 넓은 영향 면적을 나타내었다.