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1. 서 론

 우리나라 악취방지법(Korean Ministry of Environment, 2005)에서 악취는 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 그밖에 자극성이 있는 기체상태의 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감, 혐오감을 주는 냄새로 정의한다. 악취가 난다는 것은 공기를 따라 이동하는 화학종이 있다는 증거가 되며 그들 화학 종의 일부는 특정 농도에서 인체에 영향을 미친다(Bulsing et al., 2009). 악취가 인체에 미치는 영향은 생활 방해로부터 인체 질병 유발까지 다양하게 있다. 비록 악취 배출에 노출되는 집단에 대한 직접적인 질병이나 질환은 정확히 밝혀지지 않았지만 악취에 대한 민원 발생이 있으므로 분명히 정신적, 사회적, 신체적 영향은 있다고 할 수 있다. 게다가 악취에 장기간 노출되면 감정적 스트레스인 불편, 두통 그리고 육체적 증상인 눈의 따가움, 호흡곤란, 구역질, 구토를 유발하는 것으로 알려져 있다(Sironi et al., 2010).

 악취 수용체(민원인)는 악취가 있는 경우 지방 정부 (예를 들면, 도시의 행정 당국, 경찰, 소방 당국 등), 중앙 정부, 배출 업소를 대상으로 불만을 제기한다. 이러한 불만 문제는 과거 악취 관련 통계 자료에서 알 수 있다. 1994년 미국 규제당국의 분석에 따르면 대기오염 문제에 대한 25개 응답 자료 분석 결과 60% 이상이 악취 문제였다(Leonardos, 1995). 이들 불만을 야기하는 사업장 오염원은 농촌, 폐수처리, 페인트, 플라스틱, 수지, 화학물질 생산, 정제, 식물 처리, 제지, 매립 등으로 나타났다. 악취에 대한 불만 증가는 악취 물질을 배출하는 새로운 시설의 확장에 따른 악취 노출 인구수 증대 때문이다(Gostelow, 2001). Hudon et al. (2000)에 따르면 몇몇 유럽 국가들에서는 13~20%의 인구가 환경 악취에 방해를 받는다고 하였다. 따라서 이들 악취에 의한 피해 저감을 위하여 악취 배출원에서 배출되는 악취 물질의 주변 지역에 대해 미치는 영향평가는 중요한 과제이다.  

 악취 원인물질은 매우 다양하고 복합적이며 국지적, 순간적으로 발생하고 소멸되므로 알맞은 시기에 시료채취가 어렵고, 정확한 분석이 쉽지 않다. 그러나 악취는 삶의 질과 직접 연결된 환경문제이기 때문에 이를 일정한 원리에 따라 자세하게 평가할 별도 규정을 만들 필요가 있다.

 우리나라는 악취에 관한 규제법규는 있지만, 악취의 발생원에 배출되는 배출량과 피해 파악은 아직 완벽하게 되어있지 않다. 특히 현행 악취 배출에 대한 규제는 수용체의 피해와 직접 연관되지 않는 배출원 규제로 한정하고 있다.

 소각장 주변에서 발생하는 대기오염 민원 중 악취 문제는 종종 발생하는 문제이다. 그러나 현행 악취방지법에서 소각장의 악취 규제도 배출허용기준으로 되어 있어, 수용체의 악취체감도로 표현되는 악취 규제는 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 소각장 주변 수용체에서 악취 영향을 평가하기 위하여 문헌조사를 통한 수용체 체감 악취에 대한 외국의 규제를 조사를 하고, 다음 확산 모델을 사용하여 소각장 주변에서 발생되는 악취 농도를 계산한 후 소각장 주변 지역에서 체감 악취를 평가하고자 한다.

2. 연구 내용 및 방법

2.1 악취 규제에 관한 고찰

 국외에서 실외 대기 중 악취에 대한 일반적인 규제 기준은 부지경계선이나 실외 대기에서 측정되는 OU(Odor Unit) 농도, 평균시간 그리고 허용 빈도 등의 변수로 구성된다(Jeong, 2012). Table 1에서는 외국의 선택된 지역에서 악취 규제 기준에 대한 규제 방법과 규제치를 나타내었다. Table 1에 나타낸 바와 같이 악취 규제에 대한 외국의 규제기준은 다양한 평균시간(1 s~1 hr), 허용 빈도(98~99.9%) 그리고 농도(0.5~50 OU)의 조합으로 표시되고 있다. 이들 조합은 영향지역의 특성, 악취 농도 측정 시 평균시간, 오염원의 악취 특성 그리고 수용체가 견딜 수 있는 농도 지속기간 등을 고려하고 있다. 그러나 악취에 대한 이들 규제 기준은 대부분 지역별 특성, 오염원 그리고 응답자의 불만 상태 등을 고려한 케이스 별 규제이기 때문에 일반 규제 기준으로 정하기로는 무리가 있다. 기존 대기오염 확산 모델은 일반적으로 계산 농도의 평균시간이 1시간이다. 본 연구에서는 악취체감도 평가를 위한 악취 농도를 평균시간이 1시간인 확산 모델을 이용하여 계산하므로 Table 1에서 나타낸 규제기준 중 1시간 평균농도와 관련된 체감 악취 규제기준을 이용하여 소각장 주변 체감 악취를 평가하였다.

Table 1. Odor standards and regulations for selected locations (source: data from Nicell, 2009 and Bokowa, 2010)

2.2 악취영향모델

 본 연구에서는 Nicell(2003)이 제안하고 Henshaw 등(2006)이 재정리한 악취영향모델(Odor Impact Model, OIM)을 사용하였다. 악취영향모델은 한 세트의 특정 악취 오염원에 대한 희석-응답(Dilution-Response) 관계식으로 구성된다. 악취영향모델은 식(1)에서 나타낸 바와 같이 악취 농도의 희석 정도에 따라 악취 불만족 인구 비율(%)을 악취 농도와 악취의 지속시간으로 표시한다(Henshaw et al., 2006)

 여기서 P는 악취 불만족 인구 비율(%), D는 오염원 악취의 희석(Dilution of the source order, 즉 악취 가스 더하기 희석공기로 나눈 악취가스)이고, D₅₀은 응답 한계(희석 단위) 그리고 분모에서 지수 b는 악취의 지속성(Persistence of odor)을 나타낸다. Sikdar (2001)는 식(1)에서 지수 b는 주물공장 악취의 경우 0.3 ~ 0.4, 돈사 악취에 대해서는 0.28을 제안하였다. Nicell (2003) 은 순수화학 물질의 경우 0.21 ~  0.45 값을 가진다고 하였다. Henshaw et al. (2006)은 산업폐기물 악취에 대하여 b값으로 0.21을 제안하였다. 본 연구에서는 이들 연구와 Jeong (2012)를 참고로 b를 중간 값인 0.3으로 가정하였다. Nicell (2003)에 따르면 악취의 농도 C_OU는 무차원 비율인 D₅₀/D과 동일하며, 이는 악취 단위 (OU)로 대치될 수 있다. Nicell (2003)에 따르면 비율 D₅₀/D는 악취 농도 C_OU와 동일하기 때문에 식(1)은 다음 식(2)으로 수정할 수 있다. 식 (2)에서 악취농도(C_OU)가 1 OU 일 때 악취 불만족 인구 비율은 50%가 된다.

2.3 연구 방법 및 확산 모델

 본 연구에서 사용한 모델 계산과 결과 처리 과정을 Fig. 1에 나타내었다. 본 연구에서 결과 도출 과정은 지형 및 기상자료의 가공, 확산모델의 수행, 결과자료의 후처리 순으로 하였다. 지형 자료는 1/25,000 지형도를 사용하여 고도를 추출하였고, 기상 자료는 K-weather에서 가공한 AERMOD 입력 자료를 사용하였다. AERMOD 모델은 미국 EPA에서 추천하는 공식모델로 실외 대기오염물의 농도를 예측하는 가우시안 플륨 모델이다. 미국 EPA 에서는 대상영역이 단거리(50 km 이하)인 경우 AERMOD 모델을 사용할 것을 추천하고 있다. 본 연구는 대상영역이 가로×세로가 6 km × 6 km 이므로 AERMOD 모델을 사용하였다. 결과 자료가 방대하여 자료 정리는 Ultra Edit를 사용하여 후처리 하고 퍼센타일 농도는 본 연구에서 개발한 Fortran software인 Sorting 프로그램을 사용하여 구하였다.

Fig. 1. Flow chart of calculation procedure.

 AERMOD 모델 시스템은 확산 계산 프로그램인 AERMOD와 두 가지 전처리 프로세스인 AERMET과 AERMAP으로 구성된다(US EPA, 2004). AERMET는 기상 전처리 시스템으로 AERMOD의 기상 입력자료를 생성하는 프로그램이다. AERMAP는 지형에 대한 전처리 프로그램이다. AERMOD 모델은 플륨을 수평방향 플륨(지형에 충돌하는 플륨)과 지형을 따라가는 플륨의 두 가지 조합으로 모델화 되어 있다. 그러므로 모든 상황에서 수용체에서 총 농도는 플륨의 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. AERMOD 모델(US EPA, 2004)에서 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 c 와 s는 각각 대류와 안정대기 상태를 나타낸다)이다. C_C,S{X_r, Y_r, Z_r}는 지형을 따라가는 상태의 기여 분을 나타내고, f는 플륨 상태에 따른 무게 함수(Weighting function), C_C,S{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 높이 이고, Z_t는 수용체의 지표면 고도를 나타낸다(Jeong, 2012).

2.4 대상 영역 및 확산 모델 입력조건

 본 연구에서는 소각장 주변 악취 영향 평가를 위하여 대상 지역을 수원에 위치하고 있는 수원 소각장 주변 지역으로 하였다. 계산 영역은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 수원 소각장 주변으로 X 방향 6.0 km, Y 방향으로 6.0 km로 설정하였으며 격자 간격은 100 m로 하였다, 따라서 계산 격자수는 61 × 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 Jeong (2011)의 연구를 참고로 소각장 부지 면적 전체를 면 오염원으로 가정하여 역추적 하였다. 역추적 평균 배출량을 구하기 위하여 먼저 초기 가정 배출농도(Q₁)를 사용하여 부지경계 농도(C₁)를 구하였다. 다음으로 식(4)를 이용하여 부지경계선에서 농도(C₂)를 15 OU로 두고 배출량(Q₂) 0.07 OU/s를 구하였다. 지표 부근 기상 자료는 2011년 수원지방 기상대 자료를 고공 기상은 오산 관측 자료를 사용하였다.

Fig. 2. Terrain configuration and location of Suwon solid waste incineration facility.

3. 연구 결과 및 고찰

 Fig. 3에서는 시뮬레이션 결과의 타당성을 검토하기 위하여 식 (2)로 표시되는 1 OU 등 농도 곡선과 악취 불만족 인구 비율(%) 50% 곡선을 비교하기 위하여 나타낸 것이다. 비교에 사용한 허용 빈도(compliance frequency)는 99.0% 이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 1 OU 등농도 곡선과 악취 불만족 인구 비율(%) 50% 곡선은 동일하며 이와 같은 결과는 Henshaw (2006), Nicell (2009), Jeong (2011)이 제시한 결과와 동일하다.

Fig. 3. Contours of 99.0% compliance frequency values at each receptor: (a) odor concentrations and (b) probability of response values.

 Fig. 4에서는 허용 빈도에 따른 악취 영향 범위의 분포를 비교해 보기 위하여 4가지 허용 빈도 (99.9, 99.5, 98.5, 98.0%)에 따른 농도(OU)의 등분포 곡선을 나타내었다. 허용 빈도는 연중 발생 농도(본 연구에서는 1시간 평균 농도로 계산하였으므로 8,760(365 × 24)시간에서 허용 빈도 상위 발생 빈도)를 나타낸다. 즉 허용 빈도 98.0%는 8,760시간 동안 공간적으로 3721개 수용체에서 175회 이상 발생한다는 의미이다. 동일하게 99.0%는 88회, 99.5%는 44회, 99.9%는 연간 9회 발생한다.

Fig. 4. Contours for probability of response values (%) at each receptor: (a) 99.9%, (b) 99.5%, (c) 98.5%, (d) 98% compliance frequency.

 허용 빈도에 따른 악취 불만족 인구 비율(%)은 허용 빈도 값이 클수록 전체 방향으로 고르게 분포하는 반면 허용 빈도 값이 작을수록 특정 방향으로 한정되어 나타났다. 이와 같은 경향은 Henshaw 등 (2006) 과 Jeong (2012)의 연구에서와 동일한 결과이다.

 Fig. 5에서는 Table 1에서 제시한 악취 규제인 1시간 평균 농도와 허용 빈도가 지정된 6 개 지역의 규제 기준, 즉 Massachusetts (5 OU, 1 hr @ 99.9%), New Zealand (2 OU, 1 hr @ 99.5%), Denmark (0.6-1.2 OU (평균 0.9 OU), 1 hr @ 99%), Western Australia (2 OU, 1 hr @ 99.9%), The Netherlands (0.5 OU, 1 hr @ 99.5%), Taiwan (4 OU, 1 hr @ 99.5%)을 사용하여 구한 각 규제 농도의 공간적 영향 범위를 나타내었다.

Fig. 5. Odor impact area contours for six different regulations: (a) Massachusetts (USA); (b) New Zealand; (c) Denmark; (d) Western Australia; (e) The Netherlands; (f) Taiwan.

 Fig. 6에는 Fig. 5의 결과를 자세히 비교하기 위하여 부지경계선에서 동서남북 4 방향으로 나타난 최대 거리를 산술 평균하여 나타내었다. Fig. 6에서 알 수 있는 바와 같이 6개 지역에서 악취규제 방법에 따른 영향 범위는 0.5에서 1.4 km의 범위로 나타났다. 최소 영향 거리는 Massachusetts (USA) 규제에 따른 영향거리로 평균거리가 0.5 km (0~1 km) 이었다. 최대 영향 거리를 나타낸 것은 The Netherlands로 1.4 km (1~2 km)이었다. 예상할 수 있는 바와 같이 동일 규제 농도 (2 OU)를 가지는 New Zealand(허용 빈도 99.5%)와 Western Australia(허용 빈도 99.9%)를 비교하면 허용 빈도가 높은 Western Australia의 영향 범위가 큰 것으로 나타났다. 또한 동일 허용 빈도(99.5%)를 가지는 The Netherlands(규제농도 0.5 OU)와 Taiwan(규제농도 4 OU)을 비교하면 규제 농도가 높은 Taiwan의 영향 범위가 작은 것으로 나타났다. 이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 악취 영향 거리는 농도와 허용 빈도의 조합으로 표시되므로 악취규제를 수용체 중심으로 보다 과학적으로 하기 위하여 농도 이외 허용 빈도 등 다른 변수를 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 6. Odor impact distances of various locations.

4. 결 론

 소각장에서 현행 악취 배출허용기준 농도에 따라 악취가 배출될 때 소각장 주변 지역 체감악취를 악취영향모델을 이용하여 평가하였다. 악취 농도 계산은 AERMOD 모델을 사용하고 규제기준 1시간 평균 농도로 정해진 농도와 허용빈도 즉 Massachusetts (5 OU, 99.9%), New Zealand (2 OU, 99.5%), Denmark (평균 0.9 OU, 99%), Western Australia (2 OU, 99.9%), The Netherlands (0.5 OU, 99.5%), Taiwan (4 OU, 99.5%)를 이용하여 악취 불만족 영향 범위를 평가한 결과 다음의 결론을 얻었다.

 전체적으로 악취의 영향 범위는 허용 빈도 값이 클수록 전체 방향으로 고르게 분포하는 반면 허용 빈도 값이 작을수록 특정 방향으로 한정되어 나타났다.

 6개 지역에서 악취규제 방법에 따른 영향 범위는 0.5에서 1.4 km의 범위로 나타났으며 Massachusetts(USA) 규제는 평균거리가 0.5 km로 가장 작게 나타나고 The Netherlands는 1.4 km로 가장 크게 나타났다.

 규제 농도 (2 OU)를 고정하고 허용 빈도를 변화시키는 경우 허용 빈도가 높을수록 영향 범위가 큰 것으로 나타났고, 허용 빈도(99.5%)를 고정하고 규제농도를 변화시키는 경우 낮은 규제 농도 값에서 영향 범위가 큰 것으로 나타났다.

 결론적으로 악취영향모델을 사용하여 악취 영향범위를 평가하는 경우 농도와 허용빈도에 따라 6개 지역의 영향 범위는 다양하게 나타났다. 따라서 효율적인 악취 규제치를 정하기 위해서는 지역실정에 맞는 악취 농도와 허용빈도를 결정하는 장래연구가 필요한 것으로 판단된다.

사 사

 본 연구는 2013학년도 경기대학교 대학원 연구원장학생 장학금 지원에 의하여 수행되었음.