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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.19 No.2 pp.157-165
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2020.19.2.157

The characteristics of odor substances in sewer pipes in urban areas

Sang-Su An, Jeong-Won Jang, Min-Cheol Cho, Min-Jin Kim, Hwan-Gi Kim, Se-Il Park, Seok-Jin Bae, Gwang-yeob Seo*
Health and Environmental Research Institute of Gwangju
*Corresponding author Tel : +82-62-613-7515 E-mail : sky521@korea.kr
06/03/2020 26/03/2020 11/05/2020

Abstract


This study was conducted to analyze the characteristics of odorous components that have been generated from the downtown sewer system based on twenty-three survey items for complex odor and designated offensive odor. As a result of the research, the contribution rates for the causative materials of the odor indicated 73.5% of hydrogen sulfide, 26.0% of methyl mercaptan, 0.4% of dimethyl sulfide, and 0.1% of dimethyl disulfide. The occurrence for the odorous materials according to sampling site revealed data of which contribution rates showed 56.9% of hydrogen sulfide and 36.8% of methyl mercaptan from the combined sewer system in the business district; whereas the combined sewer system in the residential area showed 16.4% of dimethyl sulfide and 4.3% of dimethyl disulfide. The seasonal occurrence rate of the odor materials was observed higher in summer and lower in winter And, the combined sewer system in the business district recorded the highest concentration of 4.61 ppm of hydrogen sulfide among the sampling site. An hourly occurrence rate for the odor materials consistently showed the greatest increase between 11:00 and 14:00 at each location and showed a decreasing tendency afterward.



도심 하수관거에서 발생하는 악취물질 특성 연구

안 상수, 장 정원, 조 민철, 김 민진, 김 환기, 박 세일, 배 석진, 서 광엽*
광주광역시보건환경연구원

초록


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

    1. 서 론

    악취 문제는 국민들의 생활수준 향상과 쾌적한 환경 에 대한 요구가 증대됨에 따라 악취 등 생활환경 전반 에 대해 관심과 민원이 증가하고 있다. 악취 민원은 2003년 2,381건, 2010년 7,247건, 2018년 32,475건으 로 지난 15년간 약 15배 증가하였고, 특히, 하수도, 음 식점 등 악취 비규제 시설과 악취관리지역 외의 사업 장에서 증가한 것으로 나타났다(NIER, 2018;Gong et al., 2019).

    도로변 하수관거나 빗물받이 등에서 발생하는 악취 는 도심 생활환경에서 가장 쉽게 접할 수 있는 생활악 취라 할 수 있다. 하수관거는 오수를 수집 운반하고, 우수를 신속하게 배수하는 시설로 침수를 방지하고 쾌 적한 환경과 깨끗한 강을 유지하기 위한 필수 공공시 설이다(Song et al., 2013).

    도시하수와 우수를 분리하는 방법에는 합류식 하수 관거와 분류식 하수관거가 있다. 합류식 하수관거는 오 수와 우수를 동일 관거로 배출하는 방식이고, 분류식 하수관거는 우수관과 오수관을 각각 분리하여 배출하 는 방식이다. 합류식은 우수 배출을 위해 지형을 고려 한 관망이 필요하며 분류식은 오수를 정화한다는 점에 서 공공수역의 수질 보전 및 환경위생 측면에서 유리 하다. 일반적으로 오수와 우수를 분류하여 처리하는 분 류식보다 합류식 하수관거의 악취 강도가 높고 관리가 어려운 것으로 알려져 있다(Hannouche et al., 2011).

    하수관거는 하수를 하수처리장으로 수송하는 과정에 서 입자성 고형물질이 침전되기도 하고 하수관거 벽면 에 서식하는 미생물에 의한 오염물질 분해 등 일종의 반응기의 역할도 수행 한다(Kim et al., 2014;Song et al., 2015). 또한 하수관거를 흐르는 생활하수에는 유기 물과 질소화합물 그리고 인과 황화합물이 다량 함유되 어 처리장으로 이송되는 과정에서 부패하여 여러 가지 악취물질들을 발생한다(Ahn et al., 2011;Song et al., 2015). 이는 휘발성 황화합물, 휘발성 질소화합물 및 휘발성 지방산에 의해서 생성되는 것들이다. 황화합물 은 하수 악취의 대표적인 성분으로 황화수소는 하수관 조기 부식의 원인물질로도 지목되고 있다(Lee et al., 2008). 이러한 악취물질들로 인해 하수관거 관련 민원 은 매년 증가하고 있다. 지금까지 하수도 관련 연구의 경우 주로 수질 평가 및 하수처리장에 대한 분야에서 이루어진 반면 하수관거에서의 악취에 대한 연구는 미 흡한 실정이다.

    본 연구에서는 합류식 하수관거와 분류식 하수관거 내부에서 발생하는 악취물질의 배출특성을 파악하기 위하여 광주광역시 서구와 광산구에 위치한 주거지역 과 상업지역의 하수관거 4개 지점에서 복합악취와 지 정악취물질을 조사하였다. 또한 하수관거 악취의 시계 열적 특성을 파악하기 위하여 계절별 및 생활주기를 고려한 주요 시간대별로 나누어 복합악취와 지정악취 물질을 조사하였다. 하수관거에서 발생하는 복합악취 와 지정악취물질의 배출특성을 파악한 후 주요 악취물 질의 상대적 기여도를 분석함으로써 궁극적으로는 하 수관거 악취의 저감대책 수립을 위한 기초자료를 제시 하고자 한다.

    2. 연구 방법

    2.1 측정지점 선정 및 시료채취

    Table 1은 합류식과 분류식 하수관거의 종류에 따른 악취의 배출특성을 파악할 수 있도록 시료채취지점에 따른 위치정보와 시료채취가 이루어진 시점 및 지점별 시료수를 나타낸 것이다. 여기에서 A와 B는 주거지역 위치한 합류식 하수관거와 분류식 하수관거를 나타내 며, A는 단독주택이 밀집된 구도심 지역이고, B는 대 규모 아파트 단지가 조성된 신도심 지역이다. C와 D는 상업지역에 위치한 합류식 하수관거와 분류식 하수관 거를 나타낸다. C는 큰 대로변의 뒷골목에 위치하고 있으며, 역 주변 시장에서 발생하는 하수를 이송하는 하수관거이다. D는 아파트 단지와 상가로 이루어진 뒷 골목으로 음식점이 밀집해 있는 곳이다. 이들 지역의 지리적인 위치는 Fig. 1에 제시된 바와 같다.

    하수관거에서 발생하는 악취의 시계열적인 특성을 파악할 수 있도록 시료채취는 2019년 2월, 5월, 8월, 10월 중에 3~4회 실시하였으며, 주요 시간대별(09:00~ 10:00, 11:00~14:00, 17:00~18:00)로 나누어 시행하였다.

    하수관거에서 악취시료는 악취공정시험기준에 따라 복합악취와 22종의 지정악취물질을 측정 및 분석할 수 있도록 채취하였다. 복합악취는 테드라백(5 L)에 진공 흡입장치를 이용하여 1 L/min의 속도로 5분간 채취하 였다. 시료채취가 끝난 테드라백은 상온에서 차광막을 사용하여 보관 및 운반하였으며, 48시간 이내에 분석 하였다. 암모니아 시료채취는 직렬로 연결된 2개의 임 핀저에 0.5%-붕산용액 25mL, 트라이메틸아민은 황산, 지방산은 0.1 N NaOH의 흡수액을이용해 10 L/min 속 도로 15분간 채취하였다. 채취 후 시료는 분석 전까지 4°C 이하에서 냉장보관하였다. 알데하이드류 시료채취 는 2,4-DNPH 카트리지를 이용하여 2 L/min으로 15분 간 총 30 L를 채취하였으며, 측정이 끝난 시료는 용매 추출 전까지 4°C 이하에서 냉장보관 하였다. 알데하이 드류 측정 시 오존의 영향을 제거하기 위하여, 2,4- DNPH카트리지 전단에 요오드화칼륨(KI) 오존스크러 버를 설치하였다. 휘발성유기화합물 시료채취는 고체 흡착관을 이용하여 2 L/min으로 15분간 총 30 L를 채 취하였다. 또한 각각의 시료채취 시스템을 이용하여 Teflon 라인을 하수관거 내부로 삽입하여 시료를 채취 하였다.

    2.2 분석 방법

    하수관거에서 발생하는 악취물질을 분석하기 위해 악취방지법에서 정하고 있는 복합악취와 지정악취물질 22항목에 대하여 악취공정시험기준에 따라 복합악취는 공기희석관능법으로, 지정악취물질은 기기분석법으로 분석하였다. 지정악취물질 중 암모니아는 인도페놀법 을 적용하여 흡광광도계를 이용하여 640 nm 파장에서 흡광도를 측정하였다. 황화합물은 PFPD (pulsed flame photometric detector) 검출기를 장착한 GC 시스템을 사용하였다. 황화합물이 비교적 넓은 범위의 농도대에 서 발생하는 점을 감안하여, 저농도대의 분석이 용이한 열탈착분석기를 GC/PFPD 시스템과 조합하여 저온농 축 방식으로 분석하였다. 트라이메틸아민은 GC NPD (Nitrogen Phosphorus Detector)를 이용하여 분석하였 다. 휘발성유기화합물은 열탈착분석기를 GC/MSD 시 스템과 조합하여 저온농축 방식으로 분석하였다, 알데 하이드류의 시료추출은 용매추출장치에 2,4-DNPH 카 트리지를 고정시키고 아세토니트릴 5 mL를 사용하여 1mL/min의 속도로 추출하였으며, 카보닐화합물과 DNPH와의 반응에 의해 생성된 DNPH 유도체는 UV 검출기를 이용하여 360 nm의 파장에서 HPLC로 분석 하였다. 지방산은 GC FID (Flame Ionization detector) 를 이용하여 분석하였다. 기기분석이 이루어진 지정악 취물질은 모두 악취공정시험기준에 따라 내부정도관리 를 실시하여 방법검출한계은 7.2~0.015 ppb이었으며, 상대표준편차 0.1~4.8%이었다. 또한 농도 정량을 위한 검정곡선의 결정계수 (R2)는 0.98 이상이었다.

    3. 연구결과 및 고찰

    3.1 하수관거의 지점별 악취물질의 특성 및 악취 기여도

    Table 2는 주거지역과 상업지역에서 합류식과 분류 식 하수관거로 나누어 측정한 복합악취와 지정악취물 질의 분석결과를 나타낸 것이다.

    하수관거에 따른 복합악취의 공기희석배수를 살펴보 면 주거지역의 분류식 하수관거에서 173배로 최소치를 기록하였으며, 주거지역의 합류식과 상업지역의 합류 식 및 분류식 하수관거에서 모두 3,000배로 최대치를 기록하였다. 또한 하수관로의 종류에 따른 공기희석배 수의 평균치는 상업지역 합류식 1,103배(208~3,000배) > 주거지역 합류식 1,047배(208~3,000배) > 상업지역 분류식1,044배(208~3,000배) > 주거지역 분류식 864배 (173~1,442배) 순으로 나타나 상대적으로 주거지역 분 류식의 경우 낮은 수준을 나타내었다.

    각 지점별 하수관거의 지정악취물질 중 황화합물 성 분이 가장 높은 농도를 보였으며, 황화수소의 평균농도 범위는 상업지역 합류식 500 ppb (14~4,610 ppb)로 가 장 높았으며, 주거지역 합류식 350 ppb (16~3,110 ppb), 상업지역 분류식 280 ppb (19~2,280 ppb), 주거지역 분 류식 110 ppb (4.5~240 ppb) 순으로 낮은 농도를 보였 다. 주거지역과 상업지역 합류식 하수관거에서 황화합 물의 농도가 높게 검출 되었다. 이는 선행 연구 자료 (Lee et al., 2008)에서와 같이 합류식 하수관거는 오수 와 우수가 함께 배출되며, 저지대에 위치해 있어 하수 배출이 원활하지 못한 영향이 큰 것으로 보인다. 각 지 점별 알데하이드류와 휘발성유기화합물은 미량 검출되 었고, 지방산은 검출되지 않았다.

    악취는 감각공해로 사람의 후각으로 감지할 수 있는 최소감지농도(Park et al., 2010;Choi et al., 2014)가 물질마다 다르기 때문에 개별 악취 성분들의 농도로 악취세기를 평가할 수 없다. 동일한 농도일지라도 사람 이 각각 느끼는 악취의 강도는 물질마다 다를 수 있다. 물질농도가 높다고 반드시 후각적으로 악취강도가 강 하게 느껴지는 것이 아니므로, 각 물질의 최소감지농도 를 고려하여 악취강도를 파악해야한다(Lee et al., 2019). 본 연구에서는 악취물질별 악취세기를 평가하기 위하여 각 지점별 복합악취 농도와 지정악취물질의 악 취농도지수와 기여도를 산출하였으며 악취농도지수 (odor quotient ratio: 기기분석의 측정농도를 그 물질의 최소감지농도로 나눈 값)와 각 악취물질별 악취기여도 (측정한 악취의 악취농도지수 X 100/측정한 모든 악취 의 악취농도지수의 합)를 Table 3에 나타냈다.

    하수관거의 종류에 따른 악취기여도를 살펴보면 주 거지역 합류식(A)은 황화수소와 메틸메르캅탄의 기여 도는 88.3%이었다. 분류식(B)은 황화수소와 메틸메르 캅탄의 기여도는 84.7%이었으며, 메틸메르캅탄이 58.4%로 가장 높게 나타났으나, 다른 지점에 비해 악 취농도지수가 낮았다. 이는 주거지역 분류식 하수관거 로 악취를 발생시킬 만한 대형빌딩이나 음식점 등이 적어 다른 지점에 비해 악취농도가 상대적으로 낮음을 알 수 있다.

    상업지역 합류식(C)은 다른 지점에 비해 황화수소와 메틸메르캅탄의 기여도가 93.7%로 특히 높게 나타났 다. 이는 음식점 등 밀집되어있으며 도심 시장에서 발 생하는 하수 유량이 많고, 저지대에 위치하여 악취 농 도가 4개 지점 중 가장 높게 나타난 것으로 생각된다.

    분류식(D)은 악취 농도지수로 환산한 기여도는 황화 수소(40.1%)와 메틸메르캅탄(39.2%)이 비슷한 수준으로 나타나 황화합물이 주요 악취원인물질로 확인되었다.

    3.2 복합악취와 지정악취 물질의 상관관계

    Table 4는 복합악취와 지정악취물질과의 유의성을 파악하기 위해 하수관거 4개 지점의 평균 농도를 구한 후 복합악취와 지정악취물질의 상관관계를 비교하였다. 상관관계를 비교한 결과 복합악취에 기여하는 물질들 이 황화수소와 메틸메르캅탄이라는 것을 알 수 있었으 며, 선행 연구과제(Jo et al., 2008)에서도 유사한 결과 를 보고한 바 있다. 악취 기여도가 가장 높게 나타난 황화수소와 메틸메르캅탄의 악취 농도지수를 구한 후 복합악취와의 상관성을 Fig. 2에 나타냈었다. 황화수소 상관계수 (R2)는 0.83, 메틸메르캅탄 상관계수 (R2)는 0.81로 나타나 복합악취와 지정악취물질인 황화합물과 의 상관성이 매우 큰 것으로 조사되었으며, 선행 연구 (Song et al., 2013;Kim et al., 2014)에서도 황화수소 와 메틸메르캅탄의 상관계수가 매우 높게 나타났다.

    3.3 성분별 악취물질 발생 경향 및 악취 기여도

    하수관거에서 발생하는 악취물질의 성분별 발생 경 향 및 상대적 기여도를 Table 5에 비교하였다.

    성분별로 보면 복합악취 평균값은 1,014배(173~3,000배)로 나타났으며, 지정악취물질의 평균값은 황화 수소 309.7 ppb (4~4,160 ppb), 메틸메르캅탄 56.6 ppb (0~601.0 ppb) 다이메틸설파이드 13.4 ppb (0~14 ppb), 다이메틸다이설파이드 12.5 ppb (0~290.0 ppb) 순으로 낮게 나타났으며, 그 외 악취물질은 미량 검출되거나 불검출 되었다. 악취원인물질의 상대적 기여도를 보면 황화합물 성분이 대부분을 차지하였다. 황화수소 73.5%, 메틸메르캅탄 26.0%, 다이메틸설파이드 0.4%, 다이메틸다이설파이드 0.1%로 황화수소와 메틸메르캅 탄이 96.5%를 나타내 악취원인물질에 대한 높은 기여 도를 나타냈다. 나머지 악취 물질들은 미량 검출되거나 불검출 되어 기여도는 매우 낮게 나타났다.

    하수관거에서 발생하는 악취 중 황화합물의 기여도 는 다수의 문헌을 통해 조사되었다(Lee et al., 2008). 선행 연구에서 보면 황화합물의 악취 기여도는 60~90% 이상으로 이들 연구결과는 생활하수 및 산업 폐수에 포함된 다량의 황산염이 분해되어 박테리아 등 의 특정 매커니즘에 의해 환원되는 과정에서 황화수소 가 다량 발생하는 것으로 알려져 있으며, 하수관거에서 는 황 함유 아미노산이 분해되면서 메틸메르캅탄, 다이 메틸설파이드, 다이메틸다이설파이드 등의 생성을 촉 진할 수도 있다고 보고한 바 있다(Hong et al., 2010). 이는 악취발생 주성분인 황화합물 생성을 억제하는 방 안으로 하수관거 내부의 호기성 유지, 저지대 지역의 최소유속 확보, 냄새 차단시설 설치 등 악취 저감대책 이 이루어져야 할 것으로 생각된다.

    3.4 계절별 악취 물질의 발생 경향

    하수관거에서 발생하는 악취의 계절별 변화특성을 파악하기 위해 2월, 5월, 8월, 10월에 악취시료를 채취 하였다. 지점별 복합악취의 평균 농도를 이용하여 계절 에 따른 악취농도를 비교한 결과는 Fig. 3과 같다.

    복합악취와 지정악취물질 모두 여름철이 높고 겨울 철에 낮게 검출되었으며, 지정악취물질 중 황화합물의 계절별 악취세기는 8월 > 10월 > 5월 > 2월 순으로 나 타났다(Fig. 4). 상업지역 합류식 하수관거의 경우 여름 철에 황화수소의 농도가 4,610 ppb으로 가장 높게 검 출되었으며, 복합악취 또한 3,000 배로 최대치를 나타 냈다. 이는 주변에 시장, 단독주택, 아파트가 혼재되어 있는 합류식 하수관거로 오수와 하수가 함께 배출되고, 건조한 상태의 하수관거 영향으로 황화수소가 높게 검 출된 것으로 보이며, 선행 연구(Jo et al., 2008)와 유사 한 결과이다. 또한 악취의 계절별 변화는 온·습도의 영 향이 클 것으로 생각되어 전체 지점의 온·습도를 측정 한 결과 온도는 평균 33.5°C 습도는 66.7% 일 때 황화 수소 760 ppb, 메틸메르캅탄 98 ppb로 검출되어 무덥 고 습도가 높은 시기에 하수관거의 악취발생이 심하다 는 것을 알 수 있었다.

    3.5 시간대별 악취 물질 발생경향

    본 연구에서는 악취의 시계열적 특성을 파악하기 위 하여 생활주기를 고려한 주요 시간대(09:00~10:00, 11:00~14:00, 17:00~18:00) 별 차이에 따른 악취물질의 배출특성을 파악하였다. 악취기여도가 높은 황화수소 와 메틸메르캅탄에 대한 농도 변화를 Fig. 5, 6에 비교 하였다. 황화합물의 경우 다이메틸다이설파이드를 제 외한 황화수소, 메틸메르캅탄, 다이메틸설파이드는 모 두 유사하게 11:00~14:00시대에 가장 높은 배출경향을 보였다.

    지점별로 보면 상업지역 합류식 하수관거에서 황화 수소 960 ppb, 메틸메르캅탄 120 ppb로 가장 높게 검 출되었으며, 주거지역 합류식 하수관거에서도 황화수 소 700 ppb, 메틸메르캅탄 100 ppb를 나타내 합류식 하수관거에서 특히 높은 농도를 나타냈다. 또한 4개 지 점 모두 일관성 있게 아침부터 정오까지 배출농도가 증가하였다가 저녁 시점에 감소하는 경향을 보였다. 대 표적인 예로 상업지역 합류식 하수관거의 황화수소와 메틸메르캅탄의 배출농도가 하루 중 가파르게 변하는 모습을 보였다. 이 지역은 역 주변 시장으로 주변 상권 이 활발해지는 12:00~14:00시간대에 배출되는 하수량 의 영향을 받은 것으로 생각된다. 이는 선행 연구 (Song et al., 2015;Hong et al., 2010)에서도 유사한 결과를 나타냈다.

    4. 결 론

    본 연구는 도심 하수관거에서 발생하는 악취물질의 배출경향 및 악취기여도를 파악하기 위하여 광주광역 시 서구와 광산구에 위치한 하수관거 4개 지점에 대하 여 악취공정시험기준에 준하여 복합악취와 지정악취물 질에 대하여 악취물질 배출특성을 조사 연구하였다.

    지점별 지정악취물질의 특성은 주거지역 합류식, 분 류식, 상업지역 합류식, 분류식이 모두 다른 특성을 나 타냈다. 특히 상업지역 합류식 하수관거의 황화수소와 메틸메르캅탄의 기여도가 93.7%로 가장 높게 나타났다.

    복합악취와 악취원인물질간의 상관관계(R2)는 황화 수소 0.83, 메틸메르캅탄 0.81로 나타나 복합악취와 지 정악취물질인 황화합물과의 상관성이 매우 큰 것으로 조사되었다.

    성분별 악취물질의 발생경향 및 악취기여도는 황화 수소 73.5%, 메틸메르캅탄 26.0%, 다이메틸설파이드 0.4%, 다이메틸다이설파이드 0.1%로 황화수소와 메틸 메르캅탄이 96.5%를 나타내 악취원인물질에 대한 높 은 기여도를 나타냈다.

    계절별 악취물질 발생경향은 여름철이 높고 겨울철 에 낮게 나타났으며, 계절별 악취 강도는 8월 > 10월 > 5월 > 2월 순으로 나타났다.

    시간대별 악취물질 발생경향 및 악취강도를 비교한 결과 각 지점에서 모두 시간의 흐름에 따라 증가 후 감 소하는 경향을 보였으며, 황화수소와 메틸메르캅탄 성 분이 하수관거에서 발생하는 악취에 높은 기여도를 보 인다는 것을 알 수 있었다.

    연구결과 하수관거의 악취 저감을 위하여 분류식 차 집관거 설치가 필요하며, 합류식 하수관거의 악취를 저 감하기 위해 악취의 주성분인 황화합물 생성을 억제하 는 방안으로 하수관거 내부의 호기성 유지, 저지대 지 역의 최소유속 확보, 냄새 차단시설 설치와 하수관거에 서 발생하는 가스의 배기 및 차단시스템 설치가 필요 할 것으로 생각된다.

    감사의 글

    본 연구는 2019년 환경부 환경분야 시험검사의 국제 적 적합성 기반구축사업과 광주광역시보건환경연구원 연구역량강화 사업의 지원으로 수행하였습니다.

    Figure

    JOIE-19-2-157_F1.gif

    Geographical location of four sampling points of sewer pipe for malodor measurement according to the type of sewer pipe. A and B refer to the sampling points of the combined sewer pipe and the separated sewer pipe located in the residential area, respectively. C and D denote the sampling points of the combined sewer pipe and the separated sewer pipe located in the commercial area, respectively.

    JOIE-19-2-157_F2.gif

    Correlation of complex odors and hydrogen sulfide (A), methyl mercaptan (B).

    JOIE-19-2-157_F3.gif

    Complex odor dilution to the threshold ratio by season.

    JOIE-19-2-157_F4.gif

    Sulfur compounds concentration by season.

    JOIE-19-2-157_F5.gif

    Hydrogen sulfide concentration at sampling site by sampling time.

    JOIE-19-2-157_F6.gif

    Methyl mercatpan concentration at sampling site by sampling time.

    Table

    Location information and sampling period of sampling points according to the type of sewer pipe

    Odor compounds concentration at sampling sites

    Odor quotient ratio and contribution (%) about 6 major odorants at four sampling sites

    Correlation analysis of each odorous substances in four sampling sites

    Overall summary of emission concentration of odorous pollutants in sewer pipes

    Reference

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