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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.21 No.4 pp.225-236
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2022.21.4.225

A study on monitoring swine farm odor by PTR-TOF-MS

Kyungwon Lee, Keehong Kim, Gyutae Park, Jungmin Park, Buju Gong*
National Institute of Environmental Research
* Corresponding Author: Tel: +82-32-560-7333 E-mail: bjkong@korea.kr
01/07/2022 08/09/2022 02/12/2022

Abstract


The annual number of odor complaints increased about 10 times over 14 years from 4,302 in 2005 to 40,854 in 2019, in Korea. Especially, livestock facilities account for more than 50% of the odor complaints and the swine farms account for the most odor complaints among livestock. It is therefore necessary to manage swine farms as the major odor emission source. In this study, a real-time odor monitoring system equipped with PTR-TOF-MS (proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometric) was used to measure the odorous substances in two swine farms. Odorous substances emitted from outlets were sampled and measured at the two types of swine farms. In addition, the boundary spots were designated as measurement points. As a result, the rankings of the odorous substances in order, from highest to lowest, were ammonia, acetaldehyde, methyl mercaptan, fatty acids, etc. and the level of odor intensity was 0.8-4.4 at the outlet of the swine farms. The concentration at the boundary decreased between 1/100 ~ 1/10000 compared to the concentration emitted from outlets. Base on the results of evaluating odor activity values, Skatole and p-Cresol were estimated as major odor substances in swine farms.



PTR-TOF-MS를 활용한 돈사악취 모니터링 연구

이 경원 , 김 기홍, 박 규태, 박 정민, 공 부주 *
국립환경과학원 대기공학연구과

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    우리나라에서 2005년부터 시행된 악취방지법 은 악취가 심한 지역에 대해 ‘악취관리지역’으로 지정 하고 해당지역 배출시설에서의 복합악취 희석배수와 지정악취물질의 농도를 악취배출허용기준 이내로 관 리하는 것이 주된 목적이다. 사실상 악취관리지역 이 외의 배출시설에 대한 악취관리 규제는 상당히 취약 하다고 볼 수 있다(Kim, 2010). 국내의 악취관리지역 지정에 대한 실효성을 제고하기 위해 기존의 임의규 정에서 강제규정으로 개선하고 악취관리매뉴얼 및 악취방지계획 수립, 가이드북 배포 등 악취방지를 위 해 노력하고 있다. 그럼에도 불구하고 주거지역 확장, 쾌적한 환경에 대한 요구가 증대됨에 따라 악취민원 이 지속적으로 증가하고 있다.

    국내 악취민원은 2005년 4,302건, 2010년 7,247건, 2019년 40,854건으로 14년간 약 10배 증가하였으며, 악 취배출시설 설치사업장 45개 업종의 악취민원 중 축 산시설이 50% 이상이고 이 중 신고대상시설 이외에 서 악취민원의 대부분을 차지하였다. 축산 악취 중에 서는 돈사가 악취세기가 강하고 악취민원이 가장 많 은 부분을 차지하고 있어 특히 돈사의 악취관리가 필 요한 상황이다(NIER, 2017).

    축산악취시설의 경우, 다양한 형태의 배출구가 존 재하며 비연속적이고 유동적으로 배출되고 악취물질 간 상호작용으로 인해, 배출원 규명이 어렵다. 따라서 물질별 기여도를 산정하여 악취 원인물질을 추적하 는 것이 중요하다. 축산시설의 악취물질은 가축의 소 화, 배설과정에서 생성되며, 주로 탄수화물과 단백질 의 분해과정과 관련이 있다. 악취물질은 대부분 분뇨 의 수거, 저장 및 처리과정에서 미생물에 의한 불완 전 혐기분해의 산물로 강한 취기를 유발시키며, 이와 관련된 악취성분의 발생기작과 생화학적 특성에 관 한 연구도 보고되고 있다(Zhu, 2000, Rappert and Muller, 2005). 축산악취물질의 주요악취 물질은 화학 적 특징에 의해 질소화합물, 황화합물, Phenols (페놀 류), Indoles (인돌류), 휘발성 지방산류의 4그룹으로 구분된다(Mackie, 1994). 질소화합물은 요소와 질산의 아미노산이 탈 아미노화하는 과정에서 생성되며 (Spoelstra, 1980), 황화합물은 분뇨 중 황산염 환원 및 아미노산 대사과정에서 생성된다. 그 중 황화수소(H2S) 는 유독성가스로서 공기보다 무거워 돈사 내 피트(pit) 에 저장되어 있는 분뇨 표면에 주로 높은 농도를 나 타내는 경향이 있다(Hao et al., 1996;Shurson et al., 1997). 돈분 슬러리가 저장되는 동안 Butyric acid 등의 지방산류는 미생물 발효에 의해 생산되는 주요한 물 질이며(Duncan et al., 2007;Hwang et al., 2018), 돼지 분뇨에서 높은 농도로 존재하는 Indoles, Phenols는 액 상에서 기상으로 휘산이 잘되는 특징을 가지고 있다 (Iqbal et al., 2014;Hwang et al., 2018). 지방산은 탄수 화물, Phenols, Indoles는 단백질 발효에 의해 생성되 며(NIAS, 2017), 미생물에 의한 발효가 활성화 되면 지 방산 및 Phenols, Indoles의 농도는 낮아질 수 있다(Choi and Heo, 2019). 특히 Phenols, Indoles는 황화합물 및 지방산류에 비해 지극히 낮은 최소감지농도를 나타 내며(Nagata, 2003), 국내외의 많은 연구자들은 낮은 농도에도 높은 악취기여도를 나타낼 수 있는 물질임 을 밝히고 있다(Kuroda et al., 1996;Wright et al., 2005;Parker et al., 2013;Shin et al., 2016;Jang et al., 2020). 그럼에도 국내 지정악취물질로는 분류되어 있 지 않아 양돈시설의 악취관리를 위해 주요하게 연구 될 필요가 있다(NIER, 2017).

    악취발생원에 대한 관리의 중요성이 높아짐에 따 라 배출오염물질을 별도의 시료채취와 전처리과정 없이 실시간으로 측정(real-time detection)할 수 있는 장비를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Huffel et al., 2012). 그 중에서도 Proton Transfer Reaction Time-of-flight Mass Spectrometric (PTR-TOF-MS)은 양자전이반응을 이용하여 실시간으로 휘발성유기화 합물 농도를 측정할 수 있다(Graus et al., 2010). 최근 에는 PTR-TOF-MS를 환경분야에 활용하기 위한 다양 한 연구가 시도되고 있다. Pedersen et al. (2021)은 시 간에 따라 가축분뇨퇴비(animal manure)에서 발생하 는 악취물질(VOCs, H2S)의 종류와 배출농도의 변화 를 실시간으로 관찰하는 연구를 진행하였다. 그 밖에 도 PTR-TOF-MS는 대기 중 휘발성유기화합물을 측정 하는 연구에 다양하게 활용되고 있다(Sarkar et al., 2016, Klein et al., 2016).

    본 연구에서는 축산시설의 악취관리 적정방안 마 련을 위한 기초자료 확보를 위하여 다수의 악취민원 을 야기하는 돈사시설 및 인근지역을 대상으로 악취 물질 농도를 측정하였다. 실시간으로 고해상도의 물 질농도를 측정할 수 있는 PTR-TOF-MS를 사용하여 배 출구 및 부지경계지점을 중심으로 알데하이드류, VOCs 물질과 함께 p-Cresol, Indole, Skatole을 측정하여 각 악 취 유발물질의 기여도를 산정하였다. 이를 통해 악취 기여도 측면에서 관리되어야 하는 축산분야 악취물 질과 PTR-TOF-MS를 이용한 실시간 악취모니터링 기 법을 제안하였다. 최종적으로 악취 민원해소를 위한 정책시행 뿐만 아니라 악취 영향범위 설정, 수용체 중 심의 악취원인물질 파악에 근거자료로 제시하고자 하였다.

    2. 연구 내용 및 방법

    2.1 조사 대상 농장

    조사 대상의 배출구 측정은 Table 1과 같이 다양한 규모의 H-양돈농장 돈사 1곳(H-1), C-양돈농장 돈사 6곳(C-1~6), 총 7곳을 대상으로 하였다. Fig. 1은 연구 대상 지역의 위치와 악취물질 시료 채취지점을 나타 낸 그림이다. 연구대상 지역은 충남지역에 위치한 양 돈농장이며, H-1, C-1~6은 배출구 측정지점을 나타 낸다. H-2, 3의 경우 퇴·액비 시설로 특정 배출구가 없어 배출구 측정에서 제외하였다. 부지경계 시료채 취 지점은 계절별 풍향을 조사하여 풍하방향을 중심 으로 H-양돈농장, C-양돈농장 각각 1곳을 선정하였 다. 기간은 2021년 7월부터 11월까지 각 3회에 걸쳐 악취물질을 측정·분석하였다. 사육두수는 최소 300 두, 최대 1300두로 조사되었다. H-양돈농장은 액비 장과 퇴비장을 보유, C-양돈농장은 슬러리돈사로 피 트구조를 가지고 있었다. 돈사의 환기시스템은 자연 환기방식의 양돈농장 1곳(H-1 ~ H-3), 자연환기와 강 제 환기방식을 갖춘 양돈농장 돈사 1곳(C-2)을 제외 하고 모두 강제 환기방식이었으며, 강제환기시 배출 구 유속은 1.33 m/s ~ 19.28 m/s로 다양하였다. 자연 환기방식에서의 유속은 각 배출구마다 균일하지 않 았다.

    2.2 기상조건

    Table 2와 같은 기상조건 하에서 각 지점별로 악취 측정 및 시료채취를 수행하였다. 여름과 가을에 걸치 는 기간에 각 시설별로 악취측정을 수행하였으며, 각 각의 악취물질 측정시간동안 기상요소를 현장측정 및 기상청 자료를 통해 조사하였다. 풍향은 주로 남 동, 남풍으로 조사되어 풍하방향인 돈사시설 북서쪽 에 부지경계선을 측정지점으로 선정하였다.

    2.3 PTR-TOF-MS 이용한 실시간 악취 측정

    실시간으로 고해상도의 농도를 측정할 수 있는 PTRTOF- MS를 사용하여 시료채취 후 분석 및 고정실시 간 측정을 진행하였다. PTR-TOF-MS (Proton tranfer reaction-Time of flight-Mass spectrometer) 장비는 대 기 시료가 electric fields에 의해 drift tube에 일정하게 공급되고 화학적 이온화(CI; Chemical ionization)에 따 라 발생한 hydronium ion (H3O+)을 reagent ion으로 하는 양자전이방식이다. PTR-TOF-MS의 이온환원에 서 발생한 H3O+는 H2O분자보다 더 큰 양자친화력 (Proton affinity)을 가지고 있는 VOCs와 쉽게 반응한 다(Romano and Hanna, 2018). 이러한 원리로 PTRTOF- MS를 이용하여 VOCs를 분석할 경우 수초이내 에 분석이 가능하며, 이동측정차량에 탑재해 비점오 염원과 주변을 실시간으로 측정하는데 활용할 수 있다.

    본 연구에서는 배출구에서 시료채취주머니에 채취 된 시료와 부지경계선에서의 대기 중 시료를 측정하 였다. 검교정과정에서 데이터가 정확히 분류되지 않 는 Methyl i-Butyl Ketone을 제외한 21종의 지정악취물 질과 Indole, Skatol, p-Cresol 총 24종의 악취물질을 측 정 대상물질로 선정하였으며, n-Valeraldehyde, i- Valeraldehyde와 i-Valeric acid, n-Valeric acid의 경우 질량에 따라 분류가 되지 않아 각 이성질체의 합으로 서 n+i Valeraldehyde, n+i-Valeric acid로 표기하였다. 이 경우 악취활성도 및 악취기여도 산정시 n- 물질의 최소감지농도를 기준으로 하였다.

    2.4 악취세기 및 악취기여도

    개별 악취물질의 농도값으로부터 실제 인체가 감 지하는 악취수준을 간접적으로 평가하기 위해, 부지 경계 및 배출구의 악취물질 분석결과는 2가지 방식 OAV (odor activity value)와 OI (odor intensity)를 동 시에 적용하여 비교분석하고자 하였다.

    OAV는 악취활성도라고 하며, 개별성분의 농도 수 치를 해당성분의 최소감지농도 값(OTV; odor threshold value)으로 나누어주는 방식으로 산출하였다. OAV 값 을 바탕으로 전체 OAV 합에 대한 퍼센트(%) 분율인 기여도(percentage (%) of total OAV, PO)를 산정하였 다(Feilberg et al., 2010;Parker et al., 2013;Shin et al., 2016;Do and Jung, 2020;Jang et al., 2020).

    O d o r A c t i v i t y V a l u e ( O A V ) = O d o r c o n c e n t r a t i o n ( p p b ) O d o r t h r e s h o l d v a l u e ( p p b )
    (1)

    P O ( p e r c e n t a g e o f t o t a l O A V ) = O A V i i = 1 n O A V i × 100
    (2)

    악취물질들은 각각의 다른 최소감지농도를 가지기 때문에 농도만으로는 실제 체감되는 악취세기를 판 단하기 어려운 점이 있다. 따라서 본 연구에서는 물 질별 악취세기 환산식을 통해 측정된 물질농도에 따 른 악취수준을 간접적으로 평가해 보았다. 악취세기 와 악취물질 농도사이에는 대체로 대수관계가 성립 하는데, 이를 웨버-페히너(Weber-Fechner) 법칙이라 하며, 지정악취물질의 농도 값을 환산함수식에 대입 하는 상관관계식은 다음과 같다(Nagata, 2003;Kim et al., 2017;Hansen et al., 2018).

    O I ( o d o r i n t e n s i t y ) = A × log C ( o d o r c o n c e n t r a t i o n ) + B
    (3)

    where; A : slope, C : odor concentration, B : intercept

    악취물질에 따라 A값이 달라지기 때문에 동일한 농 도감소에서도 물질별로 체감되는 악취세기는 다를 수 있음을 의미한다. 악취물질에 따른 A, B값은 국내 문헌을 참고하여 Table 3에 나타내었다(Han and Park, 2012;Han and Park, 2013;Han and Kim, 2015a;Han and Kim, 2015b). 국내에서의 악취세기는 일본의 6단 계 냄새표시법과 유사하며, 1도~5도의 범위로 구분한 다(1: 감지 냄새, 2: 보통 냄새, 3: 강한 냄새, 4: 극심한 냄새, 5: 참기 어려운 냄새). 데이터베이스가 부족한 p-Cresol, Indole, Skatole은 악취세기 분석항목에서 제 외하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 돈사시설의 농도 분포

    실제 축산시설을 대상으로 악취물질을 측정하여 국 내 축산농가의 악취물질 특성과 실태 등을 파악하고 자 하였다. 측정대상 항목은 복합악취와 지정악취물 질 21종, Indoles (Indole, Skatole) 및 Phenols (p- Cresol)이다. H-양돈농장과 C-양돈농장의 7개 돈사 배 출구의 악취물질 농도는 Table 4, 부지경계선에서의 악취물질 농도는 Table 5와 같다. 부지경계선의 경우 대기 확산이 거의 일어나지 않고 안정된 새벽시간의 농도변화를 확인하기 위해 17시에서 익일 9시까지 측 정하였다.

    주로 지정악취물질의 농도는 Ammonia, Acetaldehyde, Propionic acid 등의 순으로 높게 나타났고 비지정악 취 물질 중에서는 p-Cresol, Indole, Skatole 순으로 높 게 나타났다.

    측정된 악취물질 중 농도가 높은 Ammonia와 Toluene, Xylene, MEK의 농도를 살펴보면, 돈사 배출 구에서는 비육돈이 자돈에 비해 높게 나타났고, 동일 사육종에서는 사육두수에 따라 농도가 높게 나타났 다. 대체적으로 사육종의 크기가 큰 비육돈사가 자돈 에 비해 농도가 높게 나타났는데 이는 사료섭취와 배 설물의 양 등의 차이 때문일 것이라고 추정된다. 악 취물질 중 Ammonia 다음으로 높은 농도를 나타내는 Acetealdehyde는 사육종 보다는 사육두수에 따라 농 도가 높게 나타났다. Indoles, Phenols 중 가장 농도가 높게 측정된 p-Cresol 경우 사육종 및 사육두수에 따 른 농도변화는 거의 없었다. 그 외에 배출유량 및 환 기방식에서 따른 농도변화는 뚜렷하게 나타나지 않았다.

    부지경계에서의 악취물질별 농도분포를 살펴보면 배출구와 마찬가지로 Ammonia의 농도가 다른 악취 물질에 비해 높은 농도를 나타내었다. 대체적으로 i- Valeric acid, n-Valeric acid, n-Butyric acid의 유기산류, Propionic acid 등의 지방산류가 높은 비율을 차지하 였고 다음으로는 알데하이드류가 높은 농도로 측정 되었다. C-b 지점에서 주풍향이 대부분 남동풍이었 다는 점을 고려해 보면, C-3 ~ C-6 돈사에 비해 풍상 방향과 가장 근거리에 위치한 C-1, C-2에서 배출된 악 취물질이 부지경계 농도에 더 큰 영향을 주었을 가능 성이 있다. 배출구에서 고농도로 측정된 Ammonia, Acetaldehyde가 부지경계에서도 악취감지농도 이상 으로 측정되었고 Propionic acid와 Butyric acid의 경우 악취감지 미만의 농도로 측정되었다.

    H-b는 H-1 돈사 뿐만 아니라 H-2, 3 액비사에서 악 취물질이 비산되고, 측정지점이 배출구와 비교적 근 거리에 위치해 있어 풍향 변동에 의한 영향이 적게 나 타났을 가능성도 있다. H-b의 부지경계 측정결과에 서 C-b와 비교하면, Ammonia는 큰 차이를 보이지 않 았지만 알데하이드류, Propionic acid, Butyric acid 등 지방산 높은 농도로 측정된 것을 확인할 수 있다. 특 히, Propionic acid는 H-b가 C-b 보다 16.3배 높은 농도 를 보였다. 비지정 악취물질인 p-Cresol도 H-b가 C-b 보다 높게 측정되었다. 따라서 전반적으로 악취물질 의 농도가 높게 나타난 H-b에서 복합악취 희석배수 및 악취세기가 높게 나타날 것으로 예상된다. 돈사 피 트내 분뇨수거 주기, 돈사 내 온습도 등에 대해서는 모니터링하지 못함에 따라 분뇨수거 주기 및 돈사환 경에 따른 악취물질 농도간의 상관관계를 규명할 수 없었다.

    3.2 돈사시설의 물질별 악취세기 및 활성도

    악취물질의 농도를 평가하기 위해 배출구 및 부지 경계선에서의 각 물질 평균농도로 OAV와 OI 값을 산 정하였으며, 이를 모식화한 그래프는 Fig. 2 및 Fig. 3 과 같다. 역치값에 대한 수치는 Table 4에 나타낸 악취 세기를 참조하여 확인할 수 있다. 여기서 n+i Valeraldehyde, n+i-Valeric acid의 경우 악취세기 및 악취활성 도 산정시 각각 n-Valeraldehyde, n-Valeric acid의 악취 세기식 A, B 값, 최소감지농도를 사용하였다.

    물질별 악취세기는 0.8도 ~ 4.4도의 범위를 보였으 며 전체 배출구에서 Acetaldehyde의 악취세기가 3.5도 ~ 4.3도, Methylmercaptan의 악취세기가 3.4도 ~ 4.0도 로 높게 나타났고 Trimethylamine의 악취세기도 강한 냄새(3.8 ~ 4.4 도) 이상으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그 밖에 악취세기가 3 도 이상인 물질로는 Butylaldehyde, Propionaldehyde, Valeraldehyde, Xylene 의 악취세기가 강한 냄새에서 극심한 냄새 수준을 보 이고 있다. 가장 농도가 높았던 Ammonia의 경우에는 최소감지농도가 높아 악취세기는 2.3도 ~ 2.7도로 황 화합물, 지방산류와 알데하이드류보다 낮게 나타났 다. 부지경계선에서는 Trimethylamine, Hydrogen sulfide가 공통적으로 가장 높은 악취세기를 보이고 있 으나 모두 2.0도 미만으로 나타났다. Propionic acid, Butylaldehyde의 경우 H-b에서는 각각 1.6, 1.2로 가장 높게 나타났지만 C-b에서는 0.5 미만으로 무취 수준 의 악취세기를 보였다. 모든 배출구, 부지경계선에서 Ammonia 농도는 다른 악취물질에 비해 고농도로 측 정되었으나 높은 최소감지농도로 인해 악취세기가 낮은 수준으로 평가되어 복합악취에 거의 영향을 주 지 못 함을 알 수 있었다.

    역치값(최소감지농도) 기준으로 산정된 배출구의 OAV는 황화합물과 지방산류가 높게 나타났다. Indoles 와 Phenols의 OAV가 95.0 ~ 969.6으로 비교적 타 물질 보다 높게 나타났는데, 이는 p-Cresol, Skatole이 낮은 배출농도에도 불구하고 실질적으로 배출되는 악취물 질 중 사람 후각에 민감하게 작용하는 것을 알 수 있 다. 돈사 부지경계선에서의 OAV는 Indoles와 Phenols, 지방산류가 높게 나타났다. 배출구와 마찬가지로 이 들 물질이 복합악취에 영향을 주는 주요 원인물질임 을 확인할 수 있었다.

    3.3 돈사시설 악취물질의 악취기여도 평가

    Fig. 4 및 Fig. 5는 배출구와 부지경계선에서의 악취 활성값을 활용하여 Indoles와 Phenols를 포함한 악취 물질의 악취기여도를 나타낸 것이다. 배출구에서는 알데하이드류 중 Acetaldehyde와 n-Butyl aldehyde, i- Butyl aldehyde, 지방산류 중에는 Butyric acid가 높은 기 여도를 보였다. 부지경계선에서는 알데하이드류 중 Acetaldehyde, 지방산류 중 Propionic acid가 높은 기여 도를 보인 것으로 나타났는데, Acetaldehyde는 배출구 에서의 높은 기여도에도 부지경계선에서는 1/4 ~ 1/ 6로 축소되는 것으로 나타났다. 배출구 악취물질은 증 기압 및 물성에 따라 주변지역으로의 확산정도에 영 향을 주었을 가능성이 있으므로 이와 관련해서는 추 가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다. 부지경계 측 정지점은 본 연구 대상 배출구의 북서쪽에 위치한 지 점으로 악취물질들의 농도 수준을 고려할 때 풍향의 영향보다는 인근지역의 영향이 반영된 결과로 판단 된다. H-b는 C-b와 달리 Butylaldehyde, Butyric acid의 기여도가 가장 높았으나 그 외 항목들은 비슷한 기여 도 수준을 보이는 것으로 나타났다.

    양돈농장에서 악취물질 측정 및 분석에 관한 연구 들과 비교해 보면, 돈사에서 휘산되는 공기 중 악취 기여도가 높은 물질은 지방산류(Butyric acid와 i-Valeric acid), p-Cresol, Indole, Skatole로 평가하였고(Trabue et al., 2010), Parker et al. (2013)의 연구결과에서는 p- Cresol, Skatole이 80 %이상의 악취기여도를 차지하는 것으로 분석하였다. 국내 양돈농장의 경우, 휘발성지 방산류(Butyric acid, Valeric acid), p-Cresol, Skatole, 황화합물(Hydrogen sulfide와 Methylmercaptan) 및 아 민류(Trimethylamine)의 악취기여도가 높았다(Lee et al., 2017, Jang et al., 2020).

    본 연구에서도 앞서 언급된 알데하이드류 및 지방 산류보다 실질적으로 사람 후각에 민감하게 작용하 는 p-Cresol이나 Skatole이 높은 악취기여율을 보였다. H-양돈농장에서 p-Cresol과 Skatole이 차지하는 비율 이 57.1%로 과반이상을 차지하였으며, C-양돈농장의 경우에도 40% 이상 높은 비율을 차지하는 것을 알 수 있었다. 주로 p-Cresol이 가장 큰 기여도를 보이고 그 다음으로 H돈사는 Valeric acid나 Butyric acid, C돈사 의 경우 Acetaldehyde, Butyric acid가 높은 악취 기여도 를 보였다.

    돈사시설 모두 배출구 보다 부지경계선에서 p-Cresol 이(10 ~ 20) % 증가하는 결과를 보였다. 악취기여도가 높은 물질은 비교적 최소감지농도가 낮고 대기확산 이 느린 물질이며, 주로 p-Cresol, Skatole이 여기에 해 당되는 물질인 것으로 분석되었다(Koziel et al., 2006, Borhan et al., 2012).

    4. 결 론

    돈사시설 및 인근지역은 악취민원이 가장 빈번하 게 발생하는 악취배출원이다. 이에 본 연구에서는 돈 사시설 대상으로 PTR-TOF-MS를 이용하여 악취물질 배출실태를 파악하고 물질별 악취기여도를 조사하였 다. 데이터가 정확히 분류되지 않는 Methyl i-Butyl Ketone을 제외한 21종의 지정악취물질과 Indole, Skatole, p-Cresol을 대상으로 주요 악취원인물질을 파 악해 보았다. 조사대상은 다양한 규모의 H-양돈농장 돈사 1곳, C-양돈농장 돈사 6곳, 부지경계 2개 지점 (각각 1개 지점)으로 하였다.

    돈사 배출구에서 지정악취물질 농도는 Ammonia, Acetaldehyde, Propionic acid 등의 순으로 높게 나타났 고 비지정악취 물질 중에는 p-Cresol, Indole, Skatole 순 으로 높게 나타났다. 돈사시설 배출구의 악취세기는 0.8 ~ 4.4 도 수준이었고, 부지경계선에서는 0.1도 ~ 1.6 도 수준으로 나타났다. 돈사시설 부지경계 지점의 실 시간 악취물질 농도는 배출구의 평균농도에 비해 1/ 100 ~ 1/10000의 수준이었으며, 지정악취물질 농도는 Ammonia, Acetaldehyde, Methylmercaptan, 지방산류 등의 순으로 높게 나타나 지속적인 관리가 필요할 것 으로 판단된다. 악취기여도는 p-Cresol, Skatole가(40 ~ 60) % 이상 차지하는 것으로 분석되었다.

    돈사시설과 같이 주요 악취원인 지역은 배출물질 이 쉽게 변화, 확산되기 때문에 대표성 있는 자료확 보가 어렵고 측정시간대에 따른 농도수준과 기상여 건 등에 따라 농도수준이 다르게 판별될 수 있다. 최 근의 기술발달과 연구역량 증진에 따라 활용되고 있 는 실시간 측정장비나 이동관측장비는 지역적 시공 간분포를 확인할 수 있어 지역적 오염특성 분석과 대 책 수립에 많은 도움을 줄 수 있다. 특히, 비정형, 비 산배출이 주를 이루고 있는 축산시설 악취물질을 모 니터링하는데 있어 고정측정뿐만 아니라 부지경계 이동측정을 통해 충분히 활용될 수 있다. 향후 돈사 시설 악취관리에서 PTR-TOF-MS의 활용성을 높이기 위해서는 장기간 측정을 통한 모니터링 연구가 중요 할 것으로 판단된다. 특히 분석장비 특성상 질량에 따 라 분류가 되지 않는 등의 오류를 보완하고 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 기존 공정시험기준과 비교 및 정도관리 방안 마련 등 실시간 측정방법에 대해 지 속적인 연구가 필요하다.

    감사의 글

    본 연구는 국립환경과학원의 조사연구사업인 “악 취 우심지역의 악취배출량 산정 및 실시간 악취 감시 연구(I) (과제번호 : NIER-RP2021-141)”의 일환으로 수 행되었습니다.

    Figure

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    Measurement point of site boundary and farm outlet.

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    Odor intensity and Odor Activity Value of odorous substances at swine farm outlet.

    JOIE-21-4-225_F3.gif

    Odor intensity and Odor Activity Value of odorous substances at site boundary.

    JOIE-21-4-225_F4.gif

    The Average odor contribution of odorous subsatances (H-1 swine farm, H-b).

    JOIE-21-4-225_F5.gif

    The Average odor contribution of odorous subsatances (C1~C6 swine farms, C-b).

    Table

    General information on the swine farms in this study

    Meterological conditions at each sampling date

    Comparison of concentration level of odor substances (Swine farm outlet)

    Comparison of concentration level of odor substances (Swine farm outlet) (unit : ppb)

    Comparison of concentration level of odor substances (Site boundary) (unit : ppb)

    Reference

    1. Borhan, M. S. , Capareda, S. , Mukhtar, S. , Faulkner, W.B. , McGee R. , Parnell Jr. C.B. ,2012. Comparison of seasonal phenol and p-Cresol emissions from ground-level area sources in a dairy operation in central Texas. Journal of the Air & Waste Management Association 62(4), 381-392.
    2. Choi, Y. J. , Heo, J. Y. ,2019. Odor reductuiion in swine farms during fattening period using probiotics. Journal of Odor and Indoor Environment. 18(2), 167-176. (in Korean with English abstract)
    3. Do, W. G. , Jung, W. S. ,2020. Comtribution analysis by malodor substances from complex odor emission sources in urban industrial area. Journal of Korean Society for Atmospheric Environment 36, 360-374. (in Korean with English abstract)
    4. Duncan, S. H. , Belenguer, A. , Hotrop, G. , Johnstone, A. M. , Flint, H. J. , Lobley, G. E. ,2007. Reduced dietary intake of carbohydrates by obeses subjects results in decreased concentrations of butyrate and butyrate-producing bacteria in feces. Applied and Environmental Microbiology 73(4), 1073-1078.
    5. Feilberg, A. , Liu, D. , Adamsen, A. P. S. , Hansen, M. J. , Jonassen, K. E. ,2010. Odorant emissions from intensive pig production measured by online proton-transfer reaction mass spectrometry. Environmental Science and Technology 44, 5894-5900.
    6. Graus, M. , Müller, M. , Hansel, A. ,2010. High resolution PTR-TOF: Quantification and formula confirmation of VOC in real time. American Society for Mass Spectrometry 21, 1037-1044.
    7. Han, J. S. , Park, S. J. ,2012. A study of the correlation between odor intensity and the concentration of sulfur compounds, NH3 and TMA. Korean Journal of Odor Research and Engineering 11(4), 167-173. (in Korean with English abstract)
    8. Han, J. S. , Park, S. J. ,2013. A study of the correlation between odor intensity for the Korean and the concentration of aldehyde compounds and styrene. Korean Journal of Odor Research and Engineering 12(1), 8-16. (in Korean with English abstract)
    9. Han, J. S. , Kim, S. T. ,2015a. A study of the correlation between odor intensity and the concentration of Aromatic Hydrocarbon, Ketone and Ester Compounds. Journal of Korea Society of Urban Environment 15(3), 227-234. (in Korean with English abstract)
    10. Han, J. S. , Kim, S. T. ,2015b. A study on the adequacy of the regulation standards and the correlation between odor intensity and the concentration of fatty acids, i-butyl alcohol. Journal of Odor and Indoor Environment 14(4), 315-322. (in Korean with English abstract)
    11. Hansen, M. J. , Kasper, P. L. , Adamsen, A. P. S. , Feilberg, A. ,2018. Key odorants from pig production based on improved measurements of odor threshold values combining olfactometry and proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTRMS). Sensor 18(3), 788.
    12. Hao, O. J. , Chen, J. M. , Huang, L. , Buglass, R. L. ,1996. Sulfate-reducing bacteria. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 26(2), 155-187.
    13. Huffel, K. V. , Heynderickx, P. M. , Dewulf, J. , Langenhove, H. V. ,2012. Measurment of Odorants in Livestock Builidings: SIFT-MS and TD-GC-MS. Chemical Engineering Transactions 30, 67-72.
    14. Hwang, O. H. , Park, S. K. , Jung, M. W. , Han, D. W. , Nho, W. G. , Cho, S. B. ,2018. Effects of pH modulation on the concentrations of odorous compounds from pit slurry of a pig operation building. Journal of Odor and Indoor Environment 17(1), 1-10. (in Korean with English abstract)
    15. Iqbal, M. A. , Kim, K. H. , Szulejko, J. E. , Cho, J. W. ,2014. An assessment of the liquid-gas partitioning behavior of major wastewater odorants using two comparative experimental approaches: liquid sample-based vaporization vs. impingebased dynamic headspace extraction into sorbent tubes. Analytical and Bioanalytical Chemistry 406(2), 643-655.
    16. Jang, Y. N. , Jo, G. G. , Seo, S. Y. , Jung, M. Y. ,2020. A comparison study of odor characteristics according to swine facilities. Journal of Odor and Indoor Environment 19(1), 74-84. (in Korean with English abstract)
    17. Kim, D. Y. ,2010. Achievement and prospect of odor control. Seoul National University Graduate School of Environment Studies 49, 179-192.
    18. Kim, K. H. , Adelodun, A. A. , Deep, A. , Kwon, E. E. , Jeon, E. C. , Kim, Y. H. , Jo, S. H. , Lee, M. H. , Cho, S. B. , Hwang, O. H. ,2017. Performance of air fresher system for the removal of various odorants released from foodstuffs. Asian Journal of Atmospheric Environment 11(1), 37-53.
    19. Klein, F. , Platt, S. M. , Ferren, N. J. , Detournay, A. , Bruns, E. A. , Bozzetti C. , Daellenbach, K. R. , Kilic, D. , Kumar, N. K. , Pieber, S.. M. , Slowik J. G. , Temime-Roussel, B. , Marchand, N. , Hamilton, J. F. , Baltensperger, U. , Prévôt, A. S. H. , Haddad, I. E. ,2016. Characterization of gas-phase organics using Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry: Cooking emissions. Environmental Science & Technology 50, 1243-1250.
    20. Koziel, J. A. , Cai, L. , Wright, D. W. , Hoff, S. J ,,2006. Solid phase microextraction as a novel air sampling technology for improved, GC-olfactometry-based, assessment of livestock odors. Chromatography Science 44, 451-457.
    21. Kuroda, K. , Osada, T. , Yonaga, M. , Kanematu, A. , Nitta T. , Mouri, S. , Kojima, T. ,1996. Emissions of malodorous compounds and greenhouse gases from composting swine feces. Bioresource Technology 56(2-3), 265-271.
    22. Lee, M. H. , Kim, K. H. , Jeon, B. H. , Jo, S. H. , Kim, Y. H. , Kim, B. W. , Cho, S. B. , Hwang, O. H. , Bhattacharya, S. S. ,2017. Effect of slurry treatment approaches on the reduction of major odorant emissions at a hog barn facility in South Korea. Environmental Technology 38(4), 506-516.
    23. Mackie, R. I. ,1994. Microbial production of odor components. In: Proc. of international round table on swine odor control. 13-15 June at Ames, IA, USA, 18-19.
    24. Nagata, Y. ,2003. Odor intensity and odor threshold value. Journal of Japan Air Cleaning Association 41(2), 17-25.
    25. National Institute of Animal Science (NIAS),2017. Study on model development to control odor from pigpen. 1-3.
    26. National Institute of Environment Research (NIER),2017. A study on management method based on characteristics of livestock odor. 4-9.
    27. Parker, D. B. , Gilley, J. , Woodbury, B. , Kim, K. H. , Galvin, G. , Bartelt, S. L. , Li, X. , Snow, D. D. ,2013. Odorous VOC emission following land application of swine manure slurry. Atmospheric Environment 66, 91-100.
    28. Pedersen, J. , Nyord, T. , Hansen, M. J. , Feilberg, A. ,2021. Emissions of NMVOC and H2S from field-applied manure measured by PTR-TOF-MS and wind tunnels. Science of the Total Environment 767, 144175.
    29. Rappert, S. , Muller, R. ,2005. Odor compounds in waste gas emissions from agricultural operations and food industries. Waste Management 25(9), 887-907.
    30. Romano, A. , Hanna, G. B. ,2018. Identification and quantification of VOCs by proton transfer reaction time of flight mass spectrometry: An experimental workflow for the optimization of specificity, sensitivity, and accuracy. Journal of Mass Spectrometry 53(4), 287-295.
    31. Sarkar, C. , Sinha, V. , Kumar, V. , Rupakheti, M. , Panday, A. , Mahata, K. S. , Rupakheti, D. , Kathayat, B. , Lawrence, M. G. ,2016. Overview of VOC emissions and Chemistry from PTR-TOF-MS measurements during the SusKat-ABC campaign: high acetaldehyde, isoprene and isocyanic acid in wintertime air of the Kathmandu Valley. Atmospheric Chemistry and Physics 16, 3979-4003.
    32. Shin, H. S. , Chae, J. S. , Han, J. S. , Park, S. S. , Jeon, J. M. ,2016. Study on sampling methods and emission characteristics of odor in swine and cattle facilities. Journal of Odor and Indoor Environment 15(4), 352-367. (in Korean with English abstract)
    33. Shurson, J. , Whitney, M. , Nicolai., R. ,1997. Nutritional manipulation of swine diets to reduce hydrogen sulfide emissions. Extension service, University of Minnesota.
    34. Spoelstra, S. F. ,1980. Origin of objectionable odorous components in piggery wastes and the possibility of applying indicator components for studying odour development. Agriculture and Environment 5(3), 241-260.
    35. Trabue, S. , Scoggin, K. , Li, H. , Burns, R. , Xin, H. , Hatfield, J. ,2010. Speciation of volatile organic compounds from poultry production. Atomospheric Environment 44, 3538- 3546.
    36. Wright, D. W. , Eaton, D. K. , Nielsen, L. T. , Kuhrt, F. W. , Koziel, J. A. , Spinhirne, J. P. , Parker, D. B. ,2005. Multidimensional gas chromatography-olfactometry for the identification and prioritization of malodors from confined animal feeding operations. Journal of Agricultural and food Chemistry 53(22), 8663-8672.
    37. Zhu, J. ,2000. A review of microbiology in swine manure odour control. Agrigoculture, Ecosystems and Environment 78(2), 93-106.