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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.17 No.3 pp.250-256
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2018.17.3.250

A study on separation distance of a standard pig farm odor in Gyeonggi-do using the AERMOD model

Sang Jin Jeong*
Department of Environmental Energy Engineering, Kyonggi University
Corresponding author Tel : +82-31-249-9734 E-mail : sjjung@kyonggi.ac.kr
17/08/2018 12/09/2018 13/09/2018

Abstract


The annoyance potential for odor sources can be evaluated by separation distances. A separation distance between a standard pig farm and a residential area was investigated by the AERMOD model. The studied area comprised four sites in Korea. The study sites were Paju, Yangpyeong, Suwon, and Icheon, respectively. The separation distances criteria of the three reference Odor Impact Criteria (OIC) were used to evaluate the separation distance. Results show that separation distances for the four sites were calculated 20 m from the fence in the existing pig farm criteria case [exceedance probability P (%) = 2.0% and concentration = 6 OU] in Ireland. In the case of the new pig farm criteria [(exceedance probability P (%) = 2.0% and concentration = 3 OU) of Ireland, results show that the separation distances of the four locations were between 120 m and 145 m from the fence. These values were about 3.0~4.5 times larger than those of the existing pig farm criteria case. In the case of a concentration of 1 OU and the exceedance probability P (%) of a 2.0% criteria, the separation distances of the four sites ranged from 250 m to 290 m.



AERMOD 모델을 이용한 경기도 표준 돈사의 악취 이격거리에 대한 연구

정 상 진*
경기대학교 환경에너지공학과

초록


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

    1. 서 론

    인위적인 원인으로 발생하는 악취는 다양한 산업과 농업 활동에서 발생하며 이들 오염 발생 산업에는 폐 수처리장, 식품산업, 매립지, 축산처리, 축산농가, 제지, 펄프 등이 있다. 악취는 배출된 후 수용체에 부정적인 영향을 주며 이 영향은 민원을 야기하게 된다. 그러므 로 악취 물질 배출에 대한 규제는 악취 민원 해결을 위 하여 필수적인 것이다(Brancher et al., 2017).

    오늘날 육류 소비의 증가로 인한 축산 산업의 대규 모화, 기업화 및 지역집중 현상으로 축산악취 발생이 증대하고 있다(Hong and Lee, 2018). 축산시설은 가축 사육으로 인한 사육장 내부에서 분뇨의 축적, 가축분뇨 저장시설의 및 처리시설 등에서 발생하는 악취로 인하 여 인근 주민의 민원을 야기한다. 특히, 양돈시설에서 발생하는 악취물질의 농도는 다른 축사시설에서 배출 되는 악취물질의 농도보다 상대적으로 높고, 주요 성분 으로 암모니아와 황화수소가 있으며 그 외 다양한 성 분의 악취물질이 포함되어 있다(Lee et al., 2017). 따라 서 양돈 산업과 관련한 악취물질의 배출량 산정 및 대 기 중 확산에 관한 연구는 악취 관련 정책 수립을 위하 여 중요한 과제이다.

    악취물질이 배출원에서 배출되어 민원을 야기하기까 지의 과정은 다음의 4가지로 요약할 수 있다 (Pullen and Vawda, 2007). 이들 과정은 악취 배출량 평가, 악 취 노출 계산을 위한 확산 모델링, 예측된 악취 노출량 과 불평 유발과의 관계, 부정적인 대응 행동(불평과 소 란행위)과의 관계이다. Brancher et al. (2017)에 따르 면 오늘날 세계 각국의 악취 관리 당국(jurisdictions) 에서는 악취 영향 평가를 위하여 5가지 수단을 단일 또는 혼합하여 사용되고 있다. 이들 5가지 수단에는 1) 최대 영향 표준(maximum impact standard, 2) 이격거 리 표준(separation distance standard, 3) 최대 배출량 표준(maximum emission standard), 4) 최대 불평 표준 (Maximum annoyance standard), 5) 기술적 표준(Technology standard)이 있다. 한국에는 악취 관리를 위하여 최대영향 표준을 사용하고 있다(Brancher et al., 2017). 이격거리 표준은 미국, 캐나다, 유럽, 브라질, 호주, 홍 콩 등에서 축산 농가와 주거단지 사이의 민원 평가를 위한 방법으로 사용되고 있다. 한국에는 축산산업의 증 대에도 불구하고 축산 농가와 주거단지 사이의 이격거 리에 대한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 축산 농가 로 인한 악취 민원 해소를 위하여 이격거리에 대한 연 구는 긴요한 과제이다.

    확산 모델은 악취 배출원에서 배출된 악취 물질에 의한 수용체에서 악취에 대한 불평을 저감하기 위한 이격거리를 산정하기 위하여 일반적으로 사용되는 방 법이다(Piringer et al., 2015, Jeong, 2012). 본 연구에 서는 미국 환경청에서 제공하는 AERMOD 확산 모델 을 사용하여 한국 농림축산식품부에서 제공하는 표준 돈사(MAFRA, 2016)에서 배출되는 악취의 이격거리를 산출하고자 한다. 이를 달성하기 위하여 악취 배출량은 악취방지법에서 제공하는 부지경계선에서 농도를 사용 하고 표준 돈사를 면오염원으로 가정하여 면오염원의 악취 배출량을 산정한다. 산정된 악취 배출량을 이용하 여 3가지 악취 영향 기준에 따른 이격거리를 계산하고 결과를 제시하고자 한다.

    2. 연구 내용 및 방법

    2.1 대상영역 및 악취배출 오염원

    Fig. 1에서는 본 연구의 대상 지역을 나타내었다. 대 상영역은 경기도 지역으로 하고 기상자료가 가용한 파 주, 양평, 수원, 이천 지역으로 하였다.

    2016년 축사 표준설계도(MAFRA, 2016)에 따르면 표준 돈사의 설계기준은 모돈 303두의 일관사육이 가 능한 3단계 축사로 상재돈의 수는 3816두이다. Fig. 2 에 나타낸 바와 같이 표준 돈사는 번식돈사(Breeding Farm, 가로 ×세로 ×높이=15 m × 97.6 m ×6m), 육성 돈사(Upbringing Farm, 18.5 m × 77.3 m × 6.5 m), 비육 돈사(Fattening Farm, 23.6 m × 72 m × 7.26 m) 그리고 부대시설(주차시설, 조경시설, 분뇨처리시설 등)으로 구성되고 건물의 최대높이는 7.26 m이다. 농장경계선 과 축사간 이격거리는 1) 단지내 축사와 축사의 동간 거리는 10 m 측벽부간 거리는 5 m, 2) 건축선 및 인접 대지경계선에서 건축물 각 부분까지 6 m로 하고 있다. 돈사의 환기는 측면과 천정에 설치된 기계식 환기팬과 비상용 환기창을 사용한다. 따라서 표준 돈사는 악취방 지법에서 “사업장 안에 지면으로부터 높이 5 m 이상의 일정한 악취배출구와 다른 악취발생원이 섞여 있는 경 우에는 부지경계선 및 배출구에서 각각 채취한다” 에 해당하지만 본 연구에서는 돈사 전체를 평탄지에 설치 된 가로 ×세로 = 100m× 80 m 인 면오염원으로 가정 하고 확산해석을 하였다.

    2.2 기상 자료

    기상 자료는 Air Korea에서 제공하는 2014년 기상 자 료를 사용하였다. Fig. 3에서는 WRPLOT View (Lakes Environment, 2018)를 사용하여 구한 4개 대상지역의 2014년 바람장미를 나타내었다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 파주와 이천은 북동풍과 남서풍이 우세한 패턴을 나타내고 있으며 양평과 수원은 서풍과 남풍이 우세한 것으로 나타났다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 풍속의 크기는 4 지역 모두 0.5~2.1 ms−1 인 약한 바람 이 우세하고 다음으로 0.5 ms−1 이하인 무풍 상태가 우 세한 것으로 나타났으며 5.7 ms−1 이상의 바람은 거의 없는 것으로 나타났다. Fig. 5에 나타낸 대기안정도는 4개 지역 모두 F 계급이 가장 많고 다음으로 D, B, A 순으로 많이 나타났으며 파주에는 B, F 계급이 가장 많이 나타났다.

    2.3 확산 모델

    축사 이격거리 계산을 위하여 다양한 대기오염확산 모델이 사용되고 있다. 이들 모델은 대부분 1시간 평균 농도 산정을 위한 가우시안 모델이다. 가우시안 확산 모델 중에서 악취영향평가를 위하여 많이 사용되는 모 델에는 미국 환경부에서 추천 하는 모델인 CALPUFF, AERMOD 모델과 유럽에서 많이 사용되는 AODM (Piringer et al., 2007), AUSTAL2000 (Janicke et al., 2004) 등이 있다.

    미국 EPA에서 개발된 AERMOD 모델은 다양한 고 정 오염원(즉, 점, 면, 체적 오염원)에서 배출되는 대기 오염물의 농도를 단거리(<50 km)에서 확산을 계산하는 데 사용된다. AERMOD모델은 정상상태 플륨 모델로 수직 및 수평방향 농도분포를 가우시안 분포함수로 가 정하는 모델이다(U.S. EPA, 2004).

    AERMOD 모델은 두 가지 전처리 프로세스인 AERMET과 AERMAP 그리고 주 프로그램인AERMOD로 구성되어 있다. AERMET는 기상 자료를 전처리하여 AERMOD의 기상 입력자료를 생성하는 프로그램이다. AERMAP는 지형 전처리 프로그램으로 지형 입력자료 를 제공하는 프로그램이다. AERMOD 모델은 지형에 충돌하는 수평방향 플륨과 지형을 따라 이동하는 플륨 두 가지의 조합으로 모델을 만들었다. 따라서 수용체에 서 총 농도는 플륨의 이동 상태에 따라 결정된다. 안정 상태 대기에서 수평 및 수직방향 농도분포는 가우시안 분포를 한다. 대류상태(convective condition) 대기인 경우 수직방향 연기확산은 2중-가우시안 분포로 가정 하는 모델이다.

    2.4 악취 영향 기준(Odor Impact Criteria; OIC)

    Table 1에서는 오스트레일리아, 덴마크, 아일랜드, 네 덜란드, 독일, 벨기에 등의 축사에 대한 악취영향 기준 을 나타내었다. 이들 기준은 악취농도를 고정하고 초과 확률을 변화시키는 기준(예, 독일 기준) 과 초과 확률을 고정하고 악취농도를 변화시키는 기준(예, 네덜란드)으 로 나눌 수 있다. 악취 농도는 0.1 OU에서 35 OU의 범위에 있고 초과확률은 0.1에서 20%까지 다양한 범 위에 있다. 평균 시간은 1초에서 1시간 범위에 있으며 대부분의 나라에서 1시간 평균 농도를 채용하고 있다. 본 연구는 표준 돈사에 대한 이격거리에 대한 연구이 고 Table 1에 제시된 악취영향기준이 평균시간 1시간 그리고 초과확률이 2.0%가 일반적인 점을 감안하여 악취 영향 기준을 3 가지 case로 1) 신설 돈사에 대한 아일랜드의 기준인 초과확률 2.0%, 농도 3 OU 기준, 2) 기존 돈사에 대한 아일랜드의 기준인 초과확률 2.0%, 농도 6 OU 기준 그리고 3) 악취 검지한계 농도 인 1 OU, 초과확률 2.0%를 사용하는 경우에 대한 이 격거리를 구하고 결과를 비교 하였다.

    3. 계산 결과 및 고찰

    3.1 악취 배출량 계산 결과

    본 연구에서는 Wang et al. (2006)에 따라 면오염원에 서 배출된 악취의 부지경계선에서 농도를 구하는 식을 이용하였다. Wang et al. (2006)에 따르면 평균 면 오염 원 배출량(부지경계에서) Q2 (OU m s−1)는 하류에서 농 도 C2 (OU)가 주어지면 다음 식으로 구할 수 있다.

    Q 2 = Q 1 × C 2 C 1
    (1)

    여기서 Q1 (OU m s−1)은 초기 가정 모델 농도 C1 (OU)에 상응하는 배출량이고 는 실제배출량 이다. 본 연구에서는 양돈시설을 면오염원으로 가정하고 부지경 계선에서 배출허용기준 농도(C2)가 10 OU 되는 면오 염원 배출량을 산정한 결과 4 지역 모두에서 0.2 OU ms−1으로 나타났다.

    3.2 이격거리 계산 결과 비교

    본 연구는 표준 돈사 이격거리에 대한 연구이므로 이격거리 계산을 위하여 Table 1에 나타낸 악취 영향 기준 중 돈사에 대한 기준인 아일랜드 기준을 사용하 였다. Fig. 6에서는 첫 번째 case인 아일랜드의 기존 돈 사에 대한 악취영향기준인 초과확률 2.0%이고 농도가 6 OU인 경우 등농도 분포를 나타내었다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 최대영향 거리는 오염원 중심에서 70 m로 나타났다. 이 거리는 부지경계선에서 20 m 거 리에 해당한다. 초과확율 2%에 대한 결과는 년간 8760시간의 2.0%에 해당하는 175시간 동안 20 m 떨어 진 곳에서 악취 발생이 허용된다는 의미이다.

    Fig. 7에서는 두 번째 case로 신설 돈사에 대한 아일 랜드의 악취영향 기준인 초과확률 2.0%이고 농도가 3 OU인 경우 등농도 분포 계산 결과를 나타내었다. 신설 돈사의 기준을 적용하는 경우 최대영향 거리는 오염원 중심에서 120 m~145 m로 나타났다. 이 거리는 부지경 계선에서 60 m~95 m 거리에 해당하여 기존 시설에 대 한 이격거리(6 OU) 인 경우보다 이격거리가 3~4.5배 먼 거리로 나타났다.

    Fig. 8에서는 세 번째 case로 악취영향 기준인 초과 확률 2.0%이고 농도가 1 OU인 경우 등농도 분포를 나 타내었다. 이 경우 최대영향 거리는 오염원 중심에서 300 m~340 m로 나타났다. 이 거리는 부지경계선에서 250 m~290 m 거리에 해당하여 부지경계에서 농도가 10 OU 일 때 표준 돈사에서 배출된 악취가 감지될 수 있는 최대영향 거리이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같 이 악취영향 거리는 방향에 따라 변화가 크므로 본 연 구에서 사용한 초과확률 2% 악취영향기준은 기상의 영향을 많이 받는 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    AERMOD 확산 모델을 사용하여 우리나라 농림축 산식품부에서 제공하는 표준 돈사에서 배출되는 악취 의 배출량과 이격거리를 산출하고 제시하였다. 이격거 리 계산을 위하여 악취방지법에서 제공하는 부지경계 선에서 농도를 악취배출량 산정에 사용하고 면오염원 으로 가정한 표준 돈사에서 3가지 악취 영향 기준에 따른 이격거리를 계산한 결과 다음의 결론을 얻었다.

    • 1) 아일랜드에서 사용하는 기존 돈사의 악취영향 기 준인 초과확률 2.0%이고 농도가 6 OU를 사용하여 산 정한 이격거리는 부지경계선에서 20 m로 나타났다.

    • 2) 아일랜드의 신설 돈사에 대한 악취영향 기준인 초 과확률 2.0%이고 농도가 3 OU인 경우 이격거리는 부 지경계선에서 중심에서 70 m~95 m로 나타났다. 이 거 리는 기존 돈사에 대한 아일랜드 악취영향 기준에서 구한 이격거리보다 3~4.5배 먼 거리이다.

    • 3) 악취영향 기준인 초과확률 2.0%이고 농도가 1 OU 인 경우 최대영향 거리는 부지경계선에서 250m~290m 이었으며 이 거리는 표준 돈사에서 배출된 악취가 감지 될 수 있는 최대영향 범위로 판단된다.

    • 4) 본 연구는 표준 돈사 이격거리에 대한 연구 결과 로 돈사 악취 관리에서 참고 자료로 활용될 수 있을 것 으로 판단된다.

    Figure

    JOIE-17-250_F1.gif

    Locations of investigated sites.

    JOIE-17-250_F2.gif

    Schematic diagram of standard pig farm in Korea (MAFRA, 2016).

    JOIE-17-250_F3.gif

    Relative frequency distribution of wind direction and wind speed for selected region.

    JOIE-17-250_F4.gif

    Wind class frequency distribution for selected region (PJ is Paju, YP is Yangpyeong, SW is Suwon and IC is Icheon).

    JOIE-17-250_F5.gif

    Atmospheric stability distribution for selected region (PJ is Paju, YP is Yangpyeong, SW is Suwon and IC is Icheon).

    JOIE-17-250_F6.gif

    Separation distances for the four locations (Contour of exceedance probability P (%) = 2.0% and concentration = 6 OU).

    JOIE-17-250_F7.gif

    Separation distances for the four locations (Contour of exceedance probability P (%) = 2.0% and concentration = 3 OU).

    JOIE-17-250_F8.gif

    Separation distances for the four locations (Contour of exceedance probability P (%) = 2.0% and concentration = 1 OU).

    Table

    Selected regulatory framework on odor impact criteria (maximum impact standard) for pig farm facility

    Reference

    1. Brancher, M. , Griffiths, K. D. , Franco, D. , Lisboa, H. M. , 2017. A review of odour impact criteria in selected countries around the World . Chemosphere, 168, 1531-1570.
    2. Danish Environmental Protection Agency (DEPA), 2009. Order Amending the Order on Permits and Approvals Etc.For Livestock Farms. 294(31), Danish Environmental Protection Agency.
    3. Environmental Protection Agency (EPA) Ireland, 2001. Odour Impacts and Odour Emission Control Measures for Intensive Agriculture. R&D Report Series No. 14. Environmental Protection Agency, Wexford, Ireland, p. 104.
    4. Environmental Protection Agency (EPA) Victoria, 2001. State Environment Protection Policy (Air Quality Management). Environment Protection Act 1970. Victoria Government Gazette. 240. Environmental Protection Authority of Victoria, Melbourne, p. 52.
    5. Guideline on Odour in Ambient Air (GOAA), 2008. Detection and Assessment of Odour in Ambient Air. Second Version, Berlin, Germany.
    6. Hong, S. H. , Lee, E. Y. , 2018. Study on the reduction of livestock malodor using microbial agents-focusing on swine facilities . Journal of Odor and Indoor Environment, 17(2), 85-94. (in Korean with English abstract)
    7. Janicke, L. , Janicke, U. , Ahrens, D. , Hartmann, U. , M ller, W.J. , 2004. Development of the odor dispersion model AUSTAL2000G in Germany. In: Environmental Odor Management. Verein Deutscher Ingenieure, Cologne VDI Berichte 1850.
    8. Jeong, S. J. , 2012. A Study on Odor impacts around Industrial Complex using FIDOL Concept , Korean Journal of Odor Research and Engineering, 11(3), 134-142. (inKorean with English abstract)
    9. Lakes Environment, 2018. WRPLOW - View [cited 2018 Mar 20]; Available from: URL: https://www.weblakes.com/products/wrplot/index.html.
    10. Lee, S. W. , Lee, J. K , Kim, D. K. , 2017, Estimation of odor emission rate from swine nursery facilities using probability distribution . Journal of Odor and Indoor Environment16(1), 42-46. (in Korean with English abstract)
    11. Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (MAFRA), 2016. 2016 standard design book of livestock facility. (in Korean)
    12. Nicolas, J. , Delva, J. , Cobut, P. , Romain, A. C. , 2008. Development and validating procedure of a formula to calculatea minimum separation distance from piggeries and poultry facilities to sensitive receptors . Atmospheric. Environment.42, 7087-7095.
    13. Piringer, M. , Knauder,W. , Petz, E. , Schauberger, G. , 2015. A comparison of separation distances against odour annoyance calculated with two models . Atmospheric. Environment.116, 22-35.
    14. Piringer, M. , Petz, E. , Groehn, I. , Schauberger, G. , 2007. A sensitivity study of separation distances calculated with the Austrian Odour Dispersion Model (AODM) . Atmospheric Environment41(8), 1725-1735.
    15. Pullen, J. , Vawda, Y. , 2007. Review of Dispersion Modelling for Odour Predictions. Technical Report. UK Environment Agency, Bristol, p. 131.
    16. United States Environmental Protection Agency (U.S. EPA), 2004. AERMOD: Description of Model Formulation.
    17. Wang, L. , Parker, D. B. , Parnell, C. B. , Lacey, R. E. , Shaw, B. W. , 2006. Comparison of CALPUFF and ISCST3models for predicting downwind odor and source emission rates ,Atmospheric Environment, 40(25), 4663-4669.