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1. 서 론

 지속되는 산업화와 발전하는 경제성장에 따라, 보다 나은 삶의 질에 대한 욕구가 증대되면서 우리 주변의 환경문제에 대한 관심이 커져가고 있다. 그 중 악취는 삶의 질과 관련된 주요한 관심사로 떠오르고 있으며 2003년 이후 악취민원이 지속적으로 증가 (연평균 14.5%)하는 추세를 보이고 있다 (Copyrights Ministry of Environment, 2007). 이에 대응하여 우리나라에서도 2005년 악취방지법을 제정하여 이를 관리∙저감하고자 노력하고 있다. 악취 배출허용기준의 초과여부를 판정하기 위해서는 공기희석관능법에 의한 복합악취를 측정하는 것을 원칙으로 하며 악취물질배출여부를 확인할 필요가 있는 경우에는 기기분석법에 의해 지정 악취물질을 측정 한다. 또한 정부에서 발표한 악취오염관리 종합시책 (Copyrights Ministry of Environment, 2006)에 의하면 간이악취측정기(이하 악취센서)의 사용을 적극적으로 검토하여 악취판정인의 부족과 객관적인 데이터 수집을 위한 노력을 진행하고 있다.

 또한 악취는 물질별로 각각 특유의 냄새특성을 가지고 있으며 휘발성, 용해도, 기온 등의 물리적 인자가 성로 상관관계를 가지며 악취발생에 관여하는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 1993; Harold, 1998; No, 2001).

 본 연구에서는 인천광역시 N 공업단지를 중심으로 악취센서와 공기희석관능법을 활용하여 업종별 악취특성을 분석하는 한편, 공기희석관능법과 악취센서를 활용한 데이터를 해석하고 비교하여 도식화된 데이터를 관계식으로 산출하여 상관관계를 파악하는 것을 그 목적으로 하였다. 최종적으로는 공기희석관능법의 판정인이 수행하는 역할을 악취센서로 대체하였을 때, 악취센서가 현장 활용성이 낮은 공기희석관능법의 단점을 보완할 수 있는 현장측정 평가 방법으로서의 활용성 증대를 목표로 하였다.

2. 연구 방법

2. 1 시료채취

2.1.1 시료채취 배경

 본 연구의 대상지역인 인천광역시 N 공업단지의 위치를 Fig. 1에 나타내었다. 본 연구에서는 N 공업단지를 중심으로 70여개 지점의 배출구 전∙후단에서 측정을 실시하였다. 시료의 채취는 우천이나 강설을 피해 맑은 날 주간에 실시하였다. 측정 사업장은 가구 제조업, 도금업, 화학약품생산업, 금속제품 생산업을 비롯하여 도색업, 사료 제조업 등 다양한 업종분포를 나타내었다. 사업체의 규모 역시 5인 미만의 소규모 사업장에서부터 100인 이상의 사업장까지 다양한 분포를 보였다.

Fig. 1. Point of odor measurement.

2.1.2 채취방법

 시료주머니와 채취관은 취기 성분이 흡착, 투과 또는 상호반응에 의해 변질되지 않는 반응성이 낮은 물질로 이루어져 있는 것을 사용하며, 채취용기의 재질 중 실리콘이나 천연고무 같은 재질은 최소한의 접합부에서도 그 사용이 적합하지 않다. 본 조사에서는 위의 사항을 고려하여, 각종 가스유기용제에 뛰어난 내성을 가진 폴리플로린 비닐 재질의 Tedlar bag을 이용하여 채취를 실시하였다. Tedlar bag은 5L 용량의 것으로 공기정량펌프를 이용하여 시료를 채취하였다. 시료의 채취 전 시료주머니는 무취공기로 1회 이상 세척하고 후각을 통하여 무취상태를 확인하였으며 채취관 및 펌프도 사용 전 이물질을 제거하고 무취공기로 10분 이상 세척한 후 사용하였다. 시료의 채취 현장 사진을 아래의 Fig. 2에 나타내었다. 시료의 채취는 배출구의 전∙후단에서 실시되었으며, 채취 전 펌프와 시료관은 시료로 3분간 흘려보냄으로써 발생 가능한 오차값을 최소화 한 후 사용하였다. 시료주머니는 무취공기로 세척한 상태에서 시료를 1회 이상 채우고 배기한 후 채취하였다. 일정한 배출구로 배출되는 가스 중에 수분이나 먼지가 함유되어 있다고 판단될 경우에는 채취관 끝부분에 유리섬유(Glass Wool)를 채워 제거한 후 채취하였다.

Fig. 2. Photo of odor sampling.

2. 2 분석방법

2.2.1 공기희석관능법

 악취 희석배수를 결정하는 실험은 환경부 악취공정시험법 (Copyrights Ministry of Environment, 2007)에 준하여 분석을 실시하였다. 판정인 선정 방법에 따라 5인의 악취 판정인을 선정하였고 선정된 5인의 악취 판정인은 관능시험 순서대로 희석배수가 낮은 시료부터 순차적으로 관능시험을 실시하였다. 관능시험 결과 무취로 판정된 희석배수의 바로 전 단계 희석배수를 각 판정인의 “냄새감지한계 희석배수”로 하였으며, 각 판정인의 냄새감지한계 희석배수 중 최대치와 최소치를 제외한 나머지를 기하평균한 값을 판정인 전체의 냄새감지한계 희석배수로 하였다.

2.2.2 악취센서

 본 연구에서는 공기희석관능법의 희석배수 결과와 악취센서 결과값과의 상관성을 도출하기 위해 악취센서를 이용한 분석을 실시하였다. 본 연구에서 사용한 악취센서는 Fig. 3에 나타낸 일본 COSMOS사의 XP-329N 모델이었으며, 금속산화물반도체 중 하나인 산화제이주석(SnO₂)으로 만든 센서소자가 내장되어 있는 모델이었다.

Fig. 3. Odor sensor (XP-329N model).

 악취센서는 악취물질의 종류에 따라 반응하는 감도의 차이를 보이기 때문에 그 종류 또한 다양하다. 대표적인 악취센서로서, XP-329는 냄새물질에 폭넓게 감응하며 높은 농도를 나타내고, XP-329S는 황화수소나 메틸메르캅탄 등 황계열 악취물질에 대하여 높은 감도를 나타낸다. 본 연구에서 사용한 XP-329N은 위의 두 기종으로 감지되기 어려운 암모니아에 대해 높은 감도를 나타낸다 (Yoshie Yasuki, 2002). 본 연구에서는 악취 측정 시 기기분석을 이용하여 업종별 악취물질 분석을 실시하였으며, 그 결과 황계열 물질에 비해 암모니아의 농도가 높게 검출되는 결과가 나타났다. 이에 따라 황 성분을 측정하는 센서가 아닌 질소 성분을 측정하는 센서를 선택하여 연구를 진행하였다.

 악취센서는 미량펌프에 의한 자동흡입방식으로 기체상 악취물질이 약 0.2 L/min의 유속으로 흡입되어 센서소자에서 반응하게 되며, 저항의 변화로 나타나는 감지성분의 수준이 0부터 2,000까지의 구체적인 수치로 나타나게 된다.

 시료의 분석은 사업장 배출구 전∙후단에서 직접 측정하였으며 센서의 수치가 일정하게 유지되었을 때까지 진행하였다. 측정 전∙후에는 무취공기를 이용하여 센서값을 보정하였으며 수집된 데이터에 보정값을 적용시켜 결과값을 산출하였다.

3. 연구 결과

 본 연구에서 측정한 N 공업단지의 70여개 지점의 업종 중 도금업 16개 지점의 주요 생산물 및 악취방지시설의 공정을 Table 1에 나타내었다. 도금업 사업장은 10명 이하의 소규모 사업장부터 50명 이상의 사업장까지 다양한 분포를 나타내었으며 규모에 따라 주요 생산물의 종류도 차이를 보였다.

Table 1. Outline of sampling point (Plating industry)

 도금업종 사업장은 알루미늄과 크롬 도금제품을 주로 생산하며 악취방지시설의 경우 대부분 흡수식 처리방법을 도입하여 운영되고 있었으며, 1개 사업장의 경우 활성탄 흡착법을 활용하는 것으로 나타났다.

 본 연구에서 측정한 N 공업단지의 70여개 지점의 업종 중 기계제조업 34개 지점의 주요 생산물 및 악취방지시설의 공정을 Table 2에 나타내었다. 기계제조업 사업장은 N 공업단지의 남쪽 구역에 밀집되어 위치하고 있었으며 주로 자동차 부품, 전자제품 부품 및 베어링 등의 부속품을 생산하고 있었다.

Table 2. Outline of sampling point (Equipment manufacturing)

 악취방지시설의 경우 흡수식 처리방법과 흡착식 처리방법을 약 4 : 1의 비율로 도입하여 운영되고 있었으며 용량은 사업장의 규모, 발생악취의 농도 및 사업장내의 악취방지시설 수에 따라서 50 m³/min 이하의 소규모부터 400 m³/min 이상의 규모까지 다양하게 조사되었다.

 본 연구에서 측정한 N 공업단지의 70여개 지점의 업종 중 석유화학제품제조업 19개 지점의 주요 생산물 및 악취방지시설의 공정을 Table 3에 나타내었다. 석유화학제품제조업 사업장은 주로 화학약품과 합성수지, 플라스틱제품 및 접착제 등을 생산하였다. 대부분의 사업장에서 흡수식 처리방법을 활용하여 악취를 제거하는 것으로 조사되었다.

Table 3. Outline of sampling point (Petrochemicals manufacturing)

3. 1 공기희석관능법 결과

 공기희석관능법을 이용한 인천광역시 N 공업단지의 복합악취 조사결과를 업종별로 분류하여 Fig. 4에 나타내었다. 배출구의 경우 공기희석관능법 최초 희석배수를 300배로 규정하고 있으며, 판정인이 첫 희석배수인 300배에서 취기를 감지하지 못할 경우 100배수(배출구 최소악취)로 산정하도록 규정하고 있다. 또한 당해 희석배수에서 감지하지 못할 경우 한 단계 아래의 희석배수 값을 적용하도록 하고 있다(Copyrights Ministry of Environment, 2007).

Fig. 4. Measurement results by air dilution olfactory method.

 본 연구에서는 위와 같은 방법을 토대로 총 69개 지점의 배출구 전∙후단에 대하여 실험을 실시하였으며, 그 결과 몇몇 사업장에서 배출구 전단부의 희석배수가 공업지역의 엄격한 배출허용기준 500을 초과하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 배출구 후단부의 경우 희석배수 최대값은 도금 업종의 6지점 및 석유화학제품 제조업종의 62지점에서 각각 448을 나타내었으며, 최소값은 기계제조업종의 17지점 및 22지점에서 각각 100을 나타내어 모든 배출구에서 공업지역의 엄격한 배출허용기준 500을 하회하는 것으로 나타났다.

 공기희석관능법을 이용한 인천광역시 N 공업단지의 복합악취에 대한 업종별 평균값을 Table 4에 나타내었다. 측정지점 전체 69개 지점의 공기희석관능법 희석배수 평균값은 267로 나타났다. 업종별 평균값은 도금업이 336으로 가장 높은 결과값을 보였으며, 기계제조업과 석유화학제품제조업의 평균값은 각각 224 및 285로 나타났다.

Table 4. Measurement average according to industrial category (Air dilution olfactory method)

 배출구 전∙후단의 평균값을 구분하였을때 도금업의 전단부 평균값은 446, 후단부 평균값은 251로 나타났다. 기계제조업의 경우 전단부 평균값은 281이었으며 후단부의 경우 177로 나타났다. 석유화학제품제조업은 전단부 평균값 357, 후단부 평균값 232로 나타났다.

 전∙후단부 공기희석관능법 평균값을 통한 제거효율은 도금업이 44%로 가장 높게 나타났으며, 이어서 기계제조업 37%, 석유화학제품제조업 35% 순으로 나타났다.

3. 2 악취센서 결과

 본 연구는 악취센서를 이용하여 객관적인 결과값을 도출함으로써 최종적으로는 악취센서가 현장측정 평가 방법으로서 활용되는 것을 그 목적으로 하고 있다.

 인천광역시 N 공업단지의 악취센서 조사결과를 업종별로 분류하여 Fig. 5에 나타내었다. 악취센서를 이용하여 총 69개 지점의 악취를 측정한 결과 최대값은 기계제조업종의 49지점에서 1,595로 나타났으며 최소값은 기계제조업종의 18지점에서 430으로 나타났다.

Fig. 5. Measurement results by odor sensor.

 인천광역시 N 공업단지의 악취센서 결과에 대한 업종별 평균값을 Table 5에 나타내었다. 배출구의 전∙후단을 포함한 69개 사업장의 악취센서 측정 평균값은 878로 조사되었다. 업종별 평균값을 살펴보면 석유화학제조업의 경우 1,062로 가장 높은 측정값을 나타내었으며, 기계제조업과 도금업의 평균값은 각각 848 및 723으로 나타났다.

Table 5. Measurement average according to industrial category (Odor sensor)

 배출구 전∙후단의 평균값을 구분하였을때 도금업의 전단부 평균값은 820, 후단부 평균값은 647로 나타났다. 기계제조업의 경우 전단부 평균값은 940이었으며 후단부의 경우 783로 나타났다. 석유화학제품제조업은 전단부 평균값 1,095, 후단부 평균값 1,038로 나타났다.

 전∙후단부 공기희석관능법 평균값을 통한 제거효율은 도금업이 21%로 가장 높게 나타났으며, 이어서 기계제조업 17%, 석유화학제품제조업 2% 순으로 나타났다.

3. 3 공기희석관능법과 악취센서의 상관관계

 김 등(Kim et al., 2004)이 저술한 “확률과 통계 이론적 기초”에 따르면 상관계수는 두 변수간의 관련성을 구하기 위해 보편적으로 이용되며, 그 개념은 다음과 같다.

 위의 관계에서 상관계수 절대값은 0.25 이하일 때 무상관, 0.25~0.75 사이일 때 일정한 상관관계, 0.75 이상일 때 강한 상관관계를 가지고 있다.

 팽 등(Paeng et al. 2001)은 매립지, 산업단지 및 하수처리장 등의 악취가 집중적으로 발생하는 현장에서 직접관능법과 악취센서의 대수값과의 상관관계를 파악하였는데, 그 결과 회귀식은 Y=0.160 (X)+2.49, 상관계수 (R)는 0.953으로 ‘강한 상관관계’를 보이는 것으로 나타났다. 그러나 현행법령에서는 직접관능법이 규제대상에서 제외됨으로써, 악취측정법으로서의 현실성이 낮아졌다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 공기희석관능법과 악취센서의 측정값을 토대로 그 상관성을 파악하였다.

 인천광역시 N 공업단지의 69개 측정지점에서 측정한 공기희석관능법과 악취센서의 조사결과를 Fig. 6에 나타내었다. 공기희석관능법 희석배수(X)에 대한 악취센서 측정값(Y)의 결정계수(R²)는 0.316, 상관계수(R)는 0.562로 나타났다. 따라서 상관계수 절대값을 통한 69개 지점의 공기희석관능법과 악취센서는 ‘일정한 상관관계’를 가지고 있는 것으로 나타났다. 이는 공기희석관능법과 악취센서의 결과값이 상호 상관관계를 가지고 있음을 나타내고 있으나, 악취센서의 측정값이 공기희석관능법을 대체하기에는 낮은 수치로 판단된다.

Fig. 6. Comparison of odor sensor and the air dilution olfactory method (Total).

 인천광역시 N 공업단지의 경우 여러 업종의 사업장에서 악취물질을 발생시키고 있고, 그 특징 또한 다양하기 때문에 이를 명확히 분석하기 위해서는 N 공업단지의 사업장을 업종별로 분류하여 그에 따른 상관관계를 파악할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 조사대상 사업장을 도금업, 석유화학제품제조업 및 기계제조업의 3가지로 분류하여 공기희석관능법과 악취센서와의 상관관계를 조사하였다.

3. 4 악취센서와의 관계

 본 연구에서 사용된 악취센서의 경우 암모니아에 높은 감도를 나타내는 특징을 가지고 있다(Yoshie Yasuki, 2002). Table 6에 업종별 측정평균값과 상관계수(R)를 나타내었다.

Table 6. Measurement average of analysis data and correlation according to industrial category

 업종별로 암모니아 농도를 살펴보면 도금업에서 0.57 ppm으로 가장 높게 나타났으며, 기계제조업과 석유화학제품제조업에서 각 0.48 ppm 및 0.20 ppm으로 나타났다.

 공기희석관능법과 악취센서 측정값의 상관관계에서 도금업 및 석유화학제품제조업이 ‘강한 상관관계’로 확인되었는데, 이 때 상관계수 (R)은 도금업이 0.889, 석유화학제품제조업이 0.832로 도금업에서 약간 높은 수치를 나타내었다.

3. 5 질소측정센서를 이용한 악취 농도식

3.5.1 악취농도식의 구현 및 활용

 업종별로 공기희석관능법과 악취센서의 상관성이 높게 나타남에 따라 악취센서 측정값에 따른 공기희석관능법 희석배수를 구하는 식을 다음과 같이 구현하였다.

 도금업의 악취 농도식

 기계제조업의 악취 농도식

 석유화학제품제조업의 악취 농도식

 X=측정된 악취센서의 값
 Y=공기희석관능법 희석배수

 악취센서를 이용하여 악취를 측정할 경우에 업종에 따라 식(1)~(3)을 사용함으로써 대략적인 공기희석관능법 희석배수를 파악할 수 있다고 판단된다. 특히 종합적 상관관계를 통한 악취 농도식을 활용할 경우보다 각 업종별 악취 농도식을 활용할 경우 오차율을 현저히 줄일 수 있는 것으로 판단된다.

 이를 확인하기 위해 각 업종별로 측정된 악취센서값을 업종별 악취 농도식에 대입하여 공기희석관능법 희석배수를 역산하고 실제 측정된 희석배수와 비교하여 오차율을 산정하였다. Table 7에 업종별 측정평균값, 계산값 및 오차율을 나타내었다.

Table 7. Measurement average of analysis data, calculate data and error rate according to industrial category

 악취농도식을 통해 공기희석관능법 희석배수를 구하였을 때 오차율은 도금업 0.59%, 기계제조업 0.09% 및 석유화학제품제조업 0.02%로 나타났다. 이를 통해 악취농도식을 통한 희석배수값이 상당한 신뢰성을 가지고 있음을 확인 할 수 있다. 이러한 악취센서 측정값을 활용한 공기희석관능법 희석배수는 계산식에 의한 대략적인 값이므로 평가 자료로 활용하기에는 한계가 존재하나, 현장에서 바로 측정하여 대략적인 악취정도를 파악할 수 있는 현장 선행 측정의 개념에서 활용가능성이 높을 것으로 판단된다.

3.5.2 악취농도식의 비교

 김 등(Kim et al., 2004)의 연구에 따르면, 일부 지정악취물질 농도의 지수값과 악취센서 사이에는 일정한 관계를 가지고 있으며, 지정악취물질의 농도가 증가함에 따라 악취센서도 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 이 중 암모니아 농도와 악취센서 사이에는 Y=34.773 (X)+86.57의 상관식을 따르며 결정계수(R²)은 0.347, 상관계수(R)은 0.590로 조사되었다.

 대표적으로 도금업 7지점에서 조사된 암모니아 농도의 지수값과 악취센서 사이의 조사결과를 Fig. 7에 나타내었다. 도금업 7지점에 대하여 암모니아 농도와 악취센서 사이의 상관성을 조사한 결과, 암모니아 농도와 악취센서 사이에는 Y=709.28 (X)+314.99의 상관식을 따르며 결정계수 (R²)은 0.567, 상관계수 (R)은 0.753으로 조사되었다.

Fig. 7. Comparison of odor sensor and concentration of ammonia.

 선행 연구된 김 등(Kim et al., 2004)의 연구와 비교하여 보면, 시료 종류에 차이가 존재함으로써 상관식은 서로 다른 경향을 나타내고 있으나, 본 연구에서 조사한 도금업의 경우 암모니아 농도와 악취센서 사이에 상관계수 0.75 이상의 ‘강한 상관관계’를 나타내는 것으로 확인되었다.

4. 결 론

 인천광역시 N 공업단지를 중심으로 악취센서와 공기희석관능법을 활용하여 업종별 악취의 특성을 분석하였다. 또한 이를 악취농도식으로 구현하어 악취센서가 현장측정 평가 방법으로서 활용할 수 있는 방법을 연구하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 인천광역시 N 공업단지의 공기희석관능법 측정결과 모든 사업장의 배출구 후단부에서 엄격한 배출허용기준을 하회
      하는 것으로 나타났으며 일부 전단부에서 배출허용기준을 상회하는 경우가 존재하였으나 방지시설을 거친 후단부
      의 경우 배출허용 기준 이하로 감소하여 배출되는 것으로 조사되었다.
(2) 공기희석관능법과 악취센서 사이의 비교결과 두 측정방법 사이의 업종별 상관성을 파악할 수 있었으며, 업종에 따라
      악취의 성분이 상이하기 때문에 상관계수에 따른 상관관계에 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
(3) 기기분석을 통하여 측정한 지정악취물질의 측정에서 암모니아는 도금업의 경우 타 업종에 비해 높은농도를 나타내
      었다. 암모니아에 대해 민감도가 좋은 악취센서의 특성상 본 기기분석의 결과를 통하여 악취센서의 반응성을 증명
      할 수 있었으며, 공기희석관능법과 악취센서와의 상관관계에 대한 신뢰성도 확인할 수 있었다.
(4) 각 업종별 악취농도식을 구현하고, 구현된 악취농도식을 통해 공기희석관능법 희석배수를 구하였을 때 오차율은 도
      금업 0.59%, 기계제조업 0.09% 및 석유화학제품제조업 0.02%로 나타났다. 이를 통해 악취농도식을 통한 희석배수값
      이 상당한 신뢰성을 가지고 있음을 확인 할 수 있다. 최종적으로, 악취농도식을 활용할 경우 도금업에 대하여 현장에
      서 측정하여 대략적인 공기희석관능법 희석배수를 파악할 수 있는 현장 선행 평가방법의 개념에서 활용이 가능할
      것으로 판단된다.