1. 서 론

국민들의 생활수준 향상과 쾌적한 환경에 대한 관심의 증대로 인하여 악취를 포함한 생활환경문제에 대한 관심과 민원이 증가하고 있다. 이에따라 환경부에서는 황화합물, 알데하이드류, 암모니아, 아민류, 그리고 휘발성유기화합물질(VOCs)등 22종의 지정악취물질을 규제하고 있다(MOE, 2004). 일반적으로 악취의 세기(강도)를 측정하는 관능시험법은 현장에서 측정하는 직접관능법과 현장에서 시료를 채취한 후 실험실에서 시료를 단계별로 희석하여 관능시험하는 공기희석관능법이 사용되고 있다(ASTM, 1978, 2006; JMOE, 1989; MOE, 1998, 2005; Yang, 2002; AQBIDNR, 2005; KSORE, 2005). 직접관능법은 주관적인 판단의 개입과 냄새에 대한 순응, 피로 등에 의해서 결과의 객관성에 대한 문제점이 지적되고 있어 많은 나라에서 주시험법으로 공기희석관능법을 활용하고 있는 실정이다(ASTM, 1978; JMOE, 1989; MOE, 2005; KSORE, 2005b, 2006a).

 현행 악취방지법에서 개별 악취물질의 농도기준을 적용하는 지정악취물질별 규제는 부지경계선에서 적용되지만 희석배수에 의한 복합악취 규제는 부지경계선 뿐만 아니라 배출구에서도 적용된다(MOE, 2004, 2005). 지자체의 실질적인 악취지도업무 역시 기기분석에 의한 물질농도 규제보다는 공기희석관능법에 의한 희석배수 규제가 더 실제적으로 활용되고 있다(KSORE, 2006a).

 복합악취에 대한 악취강도와 희석배수간의 실험자료을 바탕으로한 상관관계 및 물질농도와 희석배수와의 상관관계에 대해서 시험결과가 보고된 바 있다(Park et al., 2009a, 2010; Han and Park, 2010, 2012a,b). 이에 반하여 현행 악취방지법에 의해서 부지경계선에서 적용되고 있는 물질별 농도와 악취강도와의 관계나 배출 허용기준으로 설정된 물질농도 수준의 적정성에 대한 검토보고는 매우 미흡한 상태이며, 4종의 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민에 대한 검토 결과가 보고된 바 있다(Han and Park, 2012d). 따라서 본 연구에서는 스타일렌과 5종 알데하이드에 대하여 한국인의 후각을 이용하여 측정한 악취강도와 개별 물질별 농도간의 상관관계를 살펴보고 배출허용기준으로 설정된 물질농도의 적정성을 검토하고자 하였다.

2. 연구 방법

2.1 지정악취물질 농도별 악취강도 실험방법

알데하이드화합물 가운데서 지정악취물질로 지정되어 있는 아세트알데하이드(Acetaldehyde : AA), 부틸알데하이드(Butylaldehyde: BA), 프로피온알데하이드 (Propionaldehyde: PA), 발레르알데하이드(n-Valeraldehyde:n-VA), 이소발레르알데하이드(i-Valeraldehyde: i-VA)를 선정하였고 스타일렌을 실험 대상으로 선정하였다. 물질농도 수준별 악취강도를 측정하기 위하여, 악취공정 시험기준에서 제시하는 악취판정인 선정절차에 따른 판정인 선정실험(ASTM, 1978)과 악취강도에 대한 절대 지표를 보완하기 위해 개발한 한국의 6단계 악취강도대조군(KOREA Odor Intensity Reference Scale, KOIRS) 실험(KSORE, 2006a; Park and Han , 2009b; Park et al., 2009c)을 통과한 13명을 악취판정인으로 선발하였다. 판정인들이 악취강도에 대한 기준을 표준화하고 정확히 인식할 수 있도록 공정시험기준(MOE, 2005)에서 규정하고 있는 강도별로 설정된 뷰탄놀 농도를 이용하여 사전 교육을 실시하였다.

지정악취물질 중 연구대상 항목인 알데하이드 5종과 스타일렌은 표준물질(Rigas, Korea)을 이용하여 악취강도 0 ~ 5도의 범위에 해당하는 농도를 4 ~ 7 단계로 만들어 농도 수준별로 관능법을 실시하여 각각의 악취강도를 산정하였다(Park et al., 2009a, 2010; Han and Park, 2010).

2.2 물질농도와 악취강도와의 관계(식)

 악취강도와 물질농도 사이에는 대수비례관계가 있는 것으로 알려져 있으며, 식(1)로 표현되며 이를 웨버-페히너(Weber-Fechner)법칙이라 한다(Han and Park, 2012b).

식(1)에서 I는 악취강도, C는 개별물질의 물질농도, A는 물질별 상수, B는 상수로 표현된다.

 악취강도 0 ~ 5도의 범위에 해당하는 개별물질의 농도 수준별로 관능법을 실시하여 각각의 물질농도와 악취강도를 식(1)에 적용하면 물질별 농도와 악취강도의 관계식을 구할 수 있다.

3. 실험과 상관관계 결과

3.1 스타일렌의 물질농도와 악취강도 실험결과

스타일렌 농도를 0.279 ~ 9.3 ppm 범위에서 4개 시료를 만들어 악취판정인 선정 실험을 통과한 13인에 의하여 감지된 악취강도 측정결과를 Table 1에 정리하였다. 실험결과, 스타일렌 농도 0.279 ppm 과 2.79 ppm 에 해당하는 악취강도는 각각 2.2, 4.0 이며, 농도 0.93 ppm 과 9.3 ppm 에 해당하는 악취강도는 각각 3.0, 4.6 으로 나타났다. 물질농도가 10배 증가시에 악취강도는 각각 1.8, 1.6 만큼씩 증가하였다. 물질농도가 증가함에 따라 악취강도도 증가하지만 단순한 선형 비례관계로 증가하는 모습을 나타내지는 않았다.

Table 1.Measurement results of odor intensity according to the concentration of styrene

3.2 알데하이드 5종의 물질농도와 악취강도 실험결과

아세트알데하이드는 0.0059 ppm ~ 0.592 ppm 범위에서 5개 시료, 부틸알데하이드는 0.0029 ppm ~0.9567 ppm 범위에서 6개 시료, 프로피온알데하이드는 0.0203 ppm ~ 2.033 ppm 범위에서 5개 시료,, 발레르 알데하이드는 0.003 ppm ~ 0.267 ppm 범위에서 4개 시료, 이소발레르알데하이드는 0.003 ppm ~ 0.104 ppm 범위에서 4개 시료를 만들어 13인 악취판정인에 의해 관능실험한 악취강도 측정결과를 Table 2 ~ 6에 정리하였다. 실험결과, 아세트알데하이드는 0.0059 ppm 일때 악취강도의 산술평균은 0.9 이며 물질농도가 10배, 100배 증가시에 악취강도의 산술평균은 각각 2.0, 4.1로 각각 1.1, 3.2 만큼씩 증가하는 것으로 나타났다. 부틸알데하이드의 경우는 농도 0.0096 ppm 일 때 악취강도는 1.7이었으며, 농도가 약 10배, 100배 증가시에 각각의 악취강도는 3.4, 4.1 이며 악취강도가 각각 1.7, 2.4 만큼씩 증가하는 것으로 나타났다. 프로피온알데하이드의 경우는 농도 0.0203 ppm 일 때 악취강도는 1.8이었으며, 농도가 10배와 100배 증가시에 각각의 악취강도는 3.5, 4.8 이며 각각 1.7, 3.0 만큼씩 증가하고, 발레르알데하이드의 경우는 농도 100배 증가시에 악취강도가 2.4 만큼씩 증가하였다. 이소발레르알데하이드의 경우는 농도가 약 10배 증가시에 악취강도가 1.5만큼 증가하는 것으로 나타났다. 바꾸어 기술하면 5종의 알데하이드에 있어서 농도 1/10 과 1/100 감소시에 기대되는 악취강도의 감소는 각각 1.1 ~ 1.7, 2.4 ~ 3.2수준으로 나타났다. 동 농도범위내에서 농도 증가에 대한 악취강도의 증가는 비선형적인 관계로 악취강도와 물질농도와 관계는 식(1)과 같은 대수비례를 갖고 있음을 시사하고 있다.

Table 2. Measurement results of odor intensity according to the concentration of acetaldehyde(AA)

Table 3. Measurement results of odor intensity according to the concentration of butylaldehyde(BA)

Table 4. Measurement results of odor intensity according to the concentration of propionaldehyde(PA)

Table 5. Measurement results of odor intensity according to the concentration of n-valeraldehyde(n-VA)

Table 6. Measurement results of odor intensity according to the concentration of i-valeraldehyde(i-VA)

3.3 스타일렌의 물질농도와 악취강도 상관관계

물질농도와 악취강도의 관계는 식(1)에서와 같이 악취강도와 물질농도의 log 값이 직선관계를 갖게된다. 따라서 스타일렌의 물질농도별로 악취강도의 실험결과와 물질농도에 log를 취한 값을 사용하여 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1. The Correlation with material concentration and odor intensity ; acetaldehyde : AA, butylaldehyde : BA, propionaldehyde : PA, n-valeraldehyde : n-VA, i-valeraldehyde : i-VA.

물질농도와 악취강도의 상관관계를 나타낸 식(1)의 물질별 상수(기울기)값은 스타일렌 1.5588로 나타났다. 기울기값이 1.5 이상의 값을 나타내고 있어 물질농도 증가에 대해 관능적으로 느끼는 냄새세기를 나타내는 악취강도의 증가율이 매우 큼을 알 수 있으며, 상관관계식의 결정계수가 약 0.97 이상으로 물질농도와 악취 강도와의 관계를 잘 설명하고 있는 것으로 판단된다.

3.4 알데하이드 5종의 물질농도와 악취강도 상관관계

 알데하이드 5종의 물질농도별로 관능법으로 측정한 악취강도의 실험결과를 이용하여 악취강도와 물질농도에 log를 취한 값과의 관계를 Fig. 1에 나타내었다. 식 (1)을 이용하여 물질별 농도와 악취강도의 관계식을 구하였고 그 결과는 Table 7과 같다.

Table 7. The correlation equation of concentration with odor intensity and the concentration change rate for the change of odor intensity 1

악취강도와 물질농도의 상관관계를 나타낸 식(1)의 물질별 상수(기울기)값은 아세트알데하이드 1.6462, 부틸알데하이드 1.2703, 프로피온알데하이드 1.400, 발레르알데하이드 1.260, 이소발레르알데하이드 1.720으로 나타났다. 물질별 상수(기울기) 값이 1.5를 상회하는 이소발레르알데하이드와 아세트알데하이드 경우는 물질 농도 증가에 대해 관능적으로 느끼는 냄새세기를 나타내는 악취강도의 증가율이 매우 큼을 알 수 있으며, 1.3 보다 낮은 값을 갖는 부틸알데하이드(1.2703), 발레르알데하이드(1.26) 경우는 물질농도 증가에 비하여 관능적으로 느끼는 냄새세기의 증가율이 상대적으로 작음을 시사하고 있다. 상관관계식의 결정계수는약 0.97 수준 이상으로 물질농도와 악취강도의 관계를 잘 설명하고 있는 것으로 판단된다.

 또한 Table 7에 Han and Park(2012d.)에 의해 보고된 4종의 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민에 대한 관계식을 나타내었다. 12종 지정악취물질의 물질농도와 악취강도에 대한 관계식에서 물질별 상수(기울기)값이 1.5보다 큰 지정악취물질은 암모니아(1.9352), 메틸머캅탄(1.8769), 트리메틸아민(1.7231), 이소발레르알데하이드(1.720), 아세트알데하이드(1.6462), 스타일렌(1.5588) 순서로 이들 6개 지정악취물질의 농도가 증가시에 관능적으로 느끼는 냄새세기의 증가율이 상대적으로 큼을 알 수 있다. 상대적으로 기울기값이 작은 이황화메틸(1.0176), 황화수소(0.8815), 황화메틸(0.7755)은 농도 증가에 따른 악취강도의 증가가 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 12종 지정악취물질의 물질별 상수(기울기)값의 범위는 0.7755 ~ 1.9352으로 물질별로 상수값이 다양한 분포를 보이고 있다.

 Table 7에는 12개 지정악취물질별 물질농도와 악취강도 상관관계식의 이번 연구결과와 일본의 연구결과(Nagata, 2003)를 살펴볼 수 있다. 암모니아의 경우 우리나라와 일본의 최소감지농도가 다른 지정악취물질에 비하여 높은 농도를 갖고 있는 것으로 보고(Han et al., 2012c)되고 있으나 농도 증가에 따른 악취강도는 우리나라와 일본에서 모두 가장 예민하게 증가하는 물질중에 하나인 것으로 나타났다. 이번 연구결과에서 메틸머캅탄과 트리메틸아민, 그리고 아세트알데하이드의 경우는 기울기가 일본의 보고된 결과보다 모두 큰 수치로 나타났다. 이는 메틸머캅탄과 트리메틸아민, 그리고 아세트알데하이드의 농도 증가에 대하여 우리나라 사람들의 관능적 감지취기가 예민하게 반응함을 시사하는 것으로 판단된다. 이에반하여 황화수소와 황화메틸에 대해서는 일본인에 비하여 상대적으로 둔감하게 반응하며(Han and Park, 2012d), 이황화메틸, 스타일렌, 이소발레르알데하이드의 경우는 양국이 유사한 수준인 것으로 나타났다. 물질 종류에 따라서 우리나라와 일본사람의 후각의 예민한 정도의 차이는 예견된 결과의 하나이며, 인종에 따라서, 식이습관의 차이, 생활환경의 차이, 성별, 연령 등에 의해서 다른 후각 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다(MOE, 1998).

4. 고 찰

4.1 지정악취물질의 악취강도 변화에 따른 물질농도 변화

 악취강도 변화에 따른 물질농도 변화를 살펴보기 위하여 식(1)을 이용하여 식(2) ~ 식(4)을 나타내었다.

 식(2)에서 I_i 는 악취강도 i, I_i-j 는 악취강도 i-j, ΔI 는 악취강도 I_i 와 I_i-j 와의 악취강도차이, A는 지정악취물질의 물질상수(기울기), C_i 는 악취강도 i 일 때의 물질농도, C_i-j 은 악취강도 i-j일 때의 물질농도이다.

 ΔI = 1(j = 1)일 때,

 식(2)은 식(1)를 이용하여 악취강도 변화에 따른 물질농도 변화를 표현하였다. 식(2)에서 악취강도변화(ΔI)가 1 일 때 식(4)와 같이 표현할 수 있다. 위의 식(4)을 이용하여 지정악취 물질 12종에 대한 물질상수(기울기) 값을 이용하여 악취강도 변화에 따른 물질농도 변화를 Table 7에 나타내었다. 악취강도 1도의 변화를 유발하기 위해서는 황화메틸의 경우는 약 19.5배, 황화수소는 약 13.6배의 물질농도 변화가 필요한 것으로 나타났다. 암모니아, 메틸머캅탄, 트리메틸아민의 경우는 각각 3.3배, 3.4배, 3.8배 농도변화에 대하여 악취강도가 1도변화될 수 있는 것으로 나타나 이들물질의 작은 농도 증가에 대하여 악취강도의 증가폭이 크며, 관능적인 감지반응이 예민함을 알 수 있었다. 일본의 관계식에서 산정된 악취강도 1도 변화를 유발하는데 필요한 물질별 농도변화는 우리나라의 경우와 유사한 분포를 보이나 전반적으로 우리나라보다 약간 큰 값을 보이고 있다. 그러나 트리메틸아민의 경우는 1도 변화에 요구되는 농도변화배수가 일본인 경우 약 12.9배, 우리나라는 3.8배로 약 3.4배의 매우 큰 차이를 나타냈다. 이는 우리나라 사람들이 트리메틸 농도 증가시에 일본인에 비해 약 3.4배 이상으로 악취강도에 대하여 예민하게 반응함을 의미한다. 아세트알데하이드와 뷰틸알데하이드에 대해서도 일본인보다 예민하고 황화수소와 발레르알데하이드인 경우는 일본인보다 둔감한 것으로 나타났다.

4.2 지정악취물질 배출허용기준농도별 추정 악취강도의 비교 검토

부지경계선에서 배출허용기준으로 규정하는 희석배수는 준공업지역 15, 공업지역 20 이며, 이는 과거 악취강도 6단계 표시법에서 악취강도 2.5와 3에 해당하는 희석배수값이 설정된 것이다. 또한 준공업지역과 공업지역에서 지정악취물질로 규정된 스타일렌, 5종의 알데하이드, 4종의 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민 등 총12종의 물질농도 각각의 배출허용기준은 Table 8과 같다. 이번연구에서 산출한 스타일렌과 5종의 알데하이드의 물질농도와 악취강도의 관계식을 이용하여 배출허용기준 물질농도에 대하여 산정한 악취강도 결과와 Han and Park(2012d)에 의해 보고된 4종의 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민에 대한 악취강도를 Table 8에 정리하여 나타내었다.

Table 8. Odor intensity calculated using equation (1) for material standards

배출허용기준을 기반으로 계산한 악취강도와 과거 악취강도기준 설정 근거치인 준공업지역 2.5, 공업지역 3 값과는 차이가 있음을 볼 수 있다. 이소발레르알데하이드의 경우는 준공업지역 1.57, 공업지역 2.09로 2.5와 3에 비해서 약 1 정도 낮은 값으로 이소발레르알데하이드의 배출허용기준이 엄격한 농도기준으로 설정되어 있는 것으로 판단되며, 기타 4종의 알데하이드와 스타일렌의 배출허용기준은 악취강도 2.5와 3.0에 유사한 악취강도를 나타내는 물질농도로 판단된다. Han and Park(2012d)의 보고와 마찬가지로 12가지 물질 중 암모니아의 경우는 준공업지역 0.19, 공업지역0.78으로 2.5와 3에 비해서 매우 낮은 값으로 암모니아의 배출허용기준이 너무 엄격한 농도기준으로 설정되어 있는 것으로 판단된다. 이소발레르알데하이드와이황화메틸의 경우도 기준농도가 약간 낮은 수준이며, 트리메틸의 경우는 준공업지역 2.95, 공업지역 3.99 로 기준농도가 높은 수준이고 다른 8가지 물질들의 기준농도는 악취강도 2.5와 3 수준으로 적정하게 설정되어 있는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 희석배수와 물질농도의 상관관계 연구에서 지적한 희석배수 15와 20에 해당하는 배출허용기준의 설정농도가 관계식으로부터 계산된 물질농도를 검토한 결과 암모니아의 경우 매우 차이가 크고, 암모니아와 이소발레르알데하이드, 이황화메틸의 기준농도는 낮게, 트리메틸의 경우는 높게 설정되어 있다는 보고(Han and Park, 2012a,b)와 일맥상통하는 결과이다. 현행 지정악취물질에 대한 농도 기준치는 악취문제에 대하여 우리나라와 비교적 유사한 접근방법과 관리제도를 갖고 있는 일본의 자료를 근거로하여 도출된 자료이며, 우리나라 국민들의 후각 특성자료를 기초로 설정되지 못하였다는 제한점을 갖고 있다(KSORE, 2006b). 우리나라와 일본을 제외한 미국이나 유럽, 호주 등에서는 개별 악취원인물질의 농도에 대한 규제방식을 채택하지 않고 있으며, 뷰탄올 농도 수준을 근거로한 7단계나, 10단계, 12단계 악취강도 표시법과 최소감지농도에 도달하기에 요구되는 희석배수를 나타내는 무차원의 OU(odor units)를 이용하여 OU/m³ 를 단위로 사용하는 악취농도를 측정수단으로 채택하고 있다(CEN, 1996; DEP, 2002; ASTM, 2004). 악취농도는 복합악취의 세기를 표현하는데 적당하며 우리나라에서 채택하고 있는 희석배수와 같은 의미로 사용되고 있다. 이와관련한 대부분의 국외연구는 악취강도와 악취농도와의 관련성에 대한 연구에 집중되어 있는 상황이므로(Guichard et al., 1995; van Ruth and O'Connor, 2001; Kosmider and Krajewska, 2006) 본 연구결과와 직접적인 비교가 불가능하였다. 단, 이번 연구를 포함한 한 등의 결과(Han and Park, 2010, 2012a,b,c,d; Park et al., 2010)는 향후 배출허용기준에 대한 재검토시에 귀중한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 본 연구결과는 12개지정악취물질 개별물질의 농도에 대한 악취강도를 산출한 결과이며, 실제로 악취물질들이 혼재한 복합악취의 경우는 온․습도 등의 기상요소에 의한 영향과 물질별 결합․중화․상승․상쇄효과 등에 의한 영향 때문에 개별물질의 물질농도에 대한 악취강도와는 다른 양상을 보일 수 있다(Kim et al., 2010). 하지만, 우리나라 국민의 후각 특성을 반영하여 지정악취물질의 농도에 대한 악취강도를 실제 실험결과를 토대로 마련할 수 있었다는데 의미가 있으며, 향후 복합악취의 희석배수와 물질농도와의 관계 및 악취강도와의 관계특성을 파악하는데 필수적인 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

5. 결 론

 본 연구에서는 악취방지법에서 제시하고 있는 지정악취물질의 배출허용기준중 알데하이드 5종과 스타일렌, 총 6종의 각 개별적 물질농도와 6단계 악취강도와의 관계를 살펴보고자 하였다. 개별적 물질농도에 대하여 관능법에의한 악취강도를 측정하였고 물질농도와 악취강도의 상관관계 특성 및 관계식을 산출하여 제시하였다.

 (1) 스타일렌과 알데하이드 5종의 물질농도에 대한 악취강도 측정을 위하여 악취공정시험기준에서 제시하는 판정인 선정실험을 통해 선발된 판정인에 의해 6종의 지정악취물질의 물질농도 수준별 악취강도를 측정하였다.

 (2) 지정악취물질농도와 악취강도의 상관관계는 I = A․ log C + B ( I : 악취강도, C : 개별물질의 물질농도, A : 물질별 상수, B : 상수) 에 의해 적합하게 표현되었으며, 각 물질의 물질별 상수값을 제시하였다. 이소발레르알데하이드와 아세트알데하이드는 농도 증가에 대한 악취강도 증가율이 상대적으로 큼을 알수 있었고, 특히 트리메틸아민과 아세트알데하이드의 경우 농도 증가에 대하여 우리나라 사람들의 관능적 감지취기가 일본에 비하여 예민하게 반응하는 것으로 나타났다.

 (3) 악취강도 1도의 변화를 유발하기 위해서는 황화메틸의 경우는 약 19.5배, 황화수소는 약 13.6배의 물질농도 변화가 필요한 반면, 암모니아, 메틸머캅탄, 트리메틸아민의 경우는 각각 3.3배, 3.4배, 3.8배 농도변화가 필요하여 작은 농도증가에 대하여 악취강도의 증가폭이 크며, 관능적인 감지반응이 예민함을 알 수 있었다.

 (4) 배출허용물질농도를 기반으로 계산한 악취강도와 과거 관능법을 기반으로 설정한 악취강도와 비교한 결과, 6가지 물질중 이소발레르알데하이드의 경우는 준공업지역 1.57, 공업지역 2.09로 2.5와 3 보다 약 1 정도 낮은 값으로 나타났으며 기타 4종의 알데하이드와 스타일렌의 배출허용기준은 악취강도 2.5와 3.0에 유사한 악취강도로 나타났다. 총 12종의 물질 중에서 암모니아와 이소발레르알데하이드, 이황화메틸의 경우는 기준농도가 낮은 수준으로 배출허용기준이 엄격하고, 트리메틸의 경우는 기준농도가 높아 배출허용기준이 완화된 수준으로 설정되어 있는 것으로 나타났다.

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