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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.20 No.1 pp.60-67
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2021.20.1.60

Estimation algorism of dilution factor from the concentrations of specified odor substances in environmental fundamental facilities

Kyoungchan Kim1, Chunsang Lee1, Sangwoo Han1, HungSoo Joo1, Jongmin Lee2, Jinseok Han1*
1Department of Environmental and Energy Engineering, Anyang University
2SENKO Co., Ltd.
*Corresponding author Tel : +82-31-463-1292 E-mail : nierhan@anyang.ac.kr
05/03/2021 21/03/2021 25/03/2021

Abstract


Environmental fundamental facilities have different odor emission characteristics depending on the type of treatment facilities. To overcome the limitations of the olfactometry method, research needs to be conducted on how to calculate the dilution factor from the individual odor concentrations. The aim of this study was to determine the air dilution factor estimated from manually measured concentration data of individual odor substances (22 specified odor species) in three environmental treatment facilities. In order to calculate the optimum algorism for each environmental fundamental facility, three types of facilities were selected, the concentration of odor substances in the exhaust gas was measured, and the contribution of the overall dilution factor was evaluated. To estimate the dilution factor, four to six algorism were induced and evaluated by correlation analysis between substance concentration and complex odor data. Dilution factors from O municipal water treatment (MWT) and Y livestock wastewater treatment (LWT) facilities showed high level of dilution factors, because concentration levels of hydrogen sulfide and methylmercaptan, which had low odor threshold concentrations, were high. In S food waste treatment (FWT) facility, the aldehyde group strongly influenced dilution the factor (dominant substance: acetaldehyde, i-valeraldhyde and methylmercaptan). In the evaluation of four to six algorism to estimate the dilution factor, the vector algorism (described in the text) was optimum for O MWT and Y LWT, while the algorism using the sum of the top-three dominant substances showed the best outcome for S FWT. In further studies, estimation of the dilution factor from simultaneously monitored data by odor sensors will be developed and integrated with the results in this study.



환경기초시설별 지정악취물질 농도로부터 공기희석배수 산정 알고리즘에 관한 연구

김경찬1, 이춘상1, 한상우1, 주흥수1, 이종민2, 한진석1*
1안양대학교 환경에너지공학과
2㈜센코

초록


    Korea Environmental Industry and Technology Insitute(KEITI)
    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    국내 악취 측정법은 크게 기기분석법과 공기희석관 능법으로 분류된다. 기기분석법은 흡광광도법, 분광분 석방법과 GC, LC, GC/MS 방법 등이 사용되며, 데이 터의 정확도 및 신뢰도가 높다는 장점이 있지만 환경 기초시설 등 악취배출 현장에 도입하기에는 장비의 가 격이 비싸다는 점과 장비 운전을 위해서 숙련된 측정 요원이 필요하다는 한계점이 존재한다. 공기희석관능 법은 악취판정인의 냄새감지 유무를 통해 복합악취의 공기희석배수를 도출하는 방법으로 악취공정시험기준 에 제시되어 있다(NIER, 2019). 복합악취의 세기를 공 기희석배수로서 측정하는 공기희석관능법은 기기분석 법에 비하여 경제적이라는 장점을 가지고 있지만 재현 성이 상대적으로 부족하고 복합악취 검사기관에 대한 복합악취 정도관리 방법이 체계화되지 않아 신뢰도가 비교적 낮은 단점이 존재한다(Lee et al., 2014;Lee et al., 2020).

    그간 악취유발물질의 농도와 악취세기의 관계에 대 한 연구는 활발히 진행되었다. Wu et al. (2016)은 톨루 엔, 벤젠 등 석유화학단지에서 대표적으로 배출되는 7 종의 개별악취물질 및 악취혼합물질을 대상으로 물질농 도로부터 악취세기 산정 방법을 제시하였다. Gostelow et al. (2001)은 하수처리장에서 배출되는 황화수소에 대하여 악취세기와 물질농도의 관계를 도식화하고, 실 험적 상수를 수정하는 연구결과를 도출하였지만 이는 악취세기와 물질농도의 관계에 대한 연구이며 공기희 석배수와 물질농도와의 관계를 규명하는 연구는 아니 다. 최근 국내에서는 황화합물, 질소산화물, 알데히드 류의 물질농도로부터 복합악취의 공기희석배수의 상관 관계를 규명하는 연구가 진행된 바 있다(Han and Park, 2012(a);Han and Park, 2012(b);Han et al., 2018). 그러나 이는 악취유발 단일물질에 대한 물질농도, 악취 세기 및 공기희석배수에 대한 것으로, 환경기초시설과 같이 실제 현장에서 다수의 악취물질이 악취의 강도에 복합적으로 작용하는 경우에 대한 연구는 미흡한 실정 이다(Jeon et al., 2010;Park, 2012;Kim, 2018).

    따라서, 본 연구에서는 환경기초시설의 배출가스를 채취하고 악취공정시험기준에 준하는 방법으로 복합악 취와 함께 지정악취물질로 지정된 22종의 단일 물질농 도를 측정하고 3종의 환경기초시설에서 다양한 지정악 취물질의 농도 분포에 따라 결정되는 악취의 강도, 즉 공기희석배수를 산정하는 알고리즘을 평가하는 것을 목적으로 하였다.

    2. 연구 방법

    2.1 대상 환경기초시설 선정

    환경기초시설에는 크게 하·폐수종말처리시설, 폐기 물처리시설, 축산 및 분뇨처리시설 등이 있다. 본 연구 의 악취 모니터링 대상 시설은 여러 종류의 악취유발 물질이 복합적으로 배출되는 O 하수처리시설, Y 가축 분뇨 처리시설 및 S 음식물쓰레기 자원화시설로 총 3 종류의 환경기초시설을 선정하였다. O 하수처리시설의 경우 시설 내 소화조에서 악취물질이 주로 발생하였고 주요 악취물질은 황화합물이었으며(Park, 2012), 시설 에서 배출되는 악취물질 처리를 위해 세정탑과 바이오 필터를 최종배출구에 설치한 것으로 조사되었다. Y 가 축분뇨 처리시설의 경우 악취물질 배출구에 세정탑과 흡착탑을 설치하여 악취의 최종배출을 줄이는 것으로 나타났으며 주요 악취 배출공정은 가축분뇨 반입장(유 입부), 협잡물처리시설, 수처리시설 등으로 조사되었다. 또한 S 음식물쓰레기 자원화시설의 경우 발효조 및 저 류조가 주요 악취 배출공정이었으며 전체 악취배출의 약 73%를 차지하는 것으로 조사되었다(ME, 2020).

    2.2 배출가스의 개별물질농도 수동측정

    각 환경기초시설의 중간 배출구 및 최종 배출구에서 악취공정시험기준에 준하는 방법으로 시료를 채취하였 고, 채취한 시료는 지정악취물질 22종에 대한 측정분 석법을 따르는 방법으로 측정하였다. 황화합물 4종은 GC-PFPD법, VOCs 6종은 GC-MSD법, 알데하이드류 5종은 HPLC법을 사용하였으며, 유기산 5종은 GC-FID 법, 질소화합물 2종은 GC-NPD와 UV법을 사용하여 측정하였다. 복합악취의 공기희석배수는 악취공정시험 기준의 공기희석관능법에 따라 측정하였다(NIER, 2019). 자세한 시험방법은 기존에 보고된 연구에 자세 히 기술되어있다(Jeon et al., 2007;Jeon et al., 2010).

    2.3 개별 물질농도와 공기희석배수의 관계식

    본 연구에서는 다수의 악취유발물질들이 복합적으로 작용하여 악취의 세기를 결정하는 알고리즘을 검토하기 위하여 개별물질농도를 복합악취의 공기희석배수로 환 산하고자 하였다. 첫 번째 단계로 과거 연구에서 개발 된 개별 악취유발물질과 복합악취(공기희석배수) 간 상 관관계식을 이용하였다(Han et al., 2018). 웨버-페히너 (Weber-Fechner) 법칙을 통해 악취 강도와 물질농도 사 이의 대수비례 관계를 확인할 수 있으며 그 형태는 식 (1)과 같이 표현된다. 또한, 식 (1)에 대해 공기희석배수 와 물질농도의 관계를 식 (2) - (3)과 같이 간단한 산정 식으로 표현할 수 있으며 자세한 도출 방법은 기존 연 구에 제시되어 있다(Han et al., 2018). Table 1은 LogC 가 y, LogD가 x일 때의 22개의 지정 악취물질 관계식 및 R2 값이며, Table 1의 관계식을 이용하여 각 악취유 발물질의 농도로부터 물질별 희석배수를 산정하였다.

    I = A L o g C + B
    (1)

    • C: concentration of odor

    • D: dilution factor

    • Af, F: coefficient

    L o g C = A f L o g D + F
    (2)

    D = ( C 10 F ) 1 A f
    (3)

    2.4 혼합 악취유발물질의 공기희석배수 추정 알고리즘

    두 가지 이상의 개별 악취물질이 혼합되어 악취의 세기를 결정하는 경우에 대한 공기희석배수 산정 알고 리즘 중 몇 가지를 선정하여 공기희석배수를 산정한 후 공기희석관능법에 의해 측정된 공기희석배수와 비 교하고자 하였다. Wu et al. (2016)은 물질농도로부터 얻어진 개별악취물질의 악취세기의 총합을 전체 혼합 물의 악취세기로 판단한 바 있다. 하지만 악취유발물질 은 여러 물질이 혼합되면 악취세기의 상승, 상쇄, 감쇄 작용 등이 발생할 가능성이 있고, 일부 악취물질의 악 취강도가 지배적으로 작용하면 다른 물질의 영향은 전 체 악취세기에 큰 영향을 미치지 않는 특징이 있다 (Thomas-Danguin et al., 2014). 이에 Thomas-Danguin et al. (2014)은 악취세기에 지배적인 영향을 주는 물질 을 선정하고, 혼합 시 다른 물질과의 상호작용에 따른 상승, 감쇄작용을 연구하였고, 지배적인 물질의 악취세 기의 단순 합에서 감쇄작용이 발생하는 것을 확인하였 다. 이러한 접근방법을 기반으로 본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 네 단계의 알고리즘을 검토하였다.

    (a) 단계에서 실제 환경기초시설에서 채취한 개별악 취물질의 농도(Ci)를 측정하고 농도와 공기희석배수의 관계식을 이용하여 공기희석배수(Di)를 계산한다. (b) 단계에서 복합 악취물질에 대한 공기희석배수의 총합 을 계산하고 (c) 단계에서 개별 악취물질별 악취 유발 기여율을 산정한다. 기여율의 합에 대하여 지배적인 물 질들의 합이 약 70 - 90% 이상이 될 수 있도록 하여, 순위가 높은(지배적인) 물질들을 선정한다. (d) 단계에 서 선정된 지배적인 물질들을 중심으로 복합작용에 의 한 악취세기(공기희석배수)를 추정하는 합이나 벡터 계산 과정을 검토하였다. 주로 사용되는 산정방법은 전 체 악취세기의 총합 또는 지배적인 두 물질의 악취세 기의 합이지만(Thomas-Danguin et al., 2014;Wu et al., 2016), 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 기여도가 가장 큰 단일악취물질의 공기희석배수를 사용하는 계산식 (Fig. 1d-iii)과 지배적인 두 물질의 악취세기의 벡터값 을 선택하는 계산식(Fig. 1d-iv)을 추가 평가하여 감쇄 작용을 보완하고자 하였다. 또한, 지배물질이 세 종류 인 경우를 고려하여 Fig. 1d-v와 Fig. 1d-vi를 추가적으 로 평가하였다.

    3. 연구 결과 및 고찰

    3.1 개별물질 측정농도 및 희석배수

    환경기초시설에서의 채취 시료에 대한 개별 악취 유 발물질의 농도 및 복합악취의 희석배수를 Table 2에 나타냈다. 하수처리시설과 축산분뇨 처리시설은 황화 합물, 암모니아, 아세트알데하이드 등이 주로 배출되어 기존 수행된 연구와 유사했다(Seo, 2013;Kim, 2018). 음식물처리시설의 경우 다른 두 시설과 다르게 알데하 이드류가 크게 발생하는 특성을 보였다. O 하수처리장 배출가스 내의 황화수소 평균 농도는 1,193 ppb로 가 장 높은 농도를 나타냈고 암모니아의 평균 농도는 141 ppb로 나타났다. Y 축산분뇨 처리시설도 황화수소가 650 ppb로 가장 높은 농도를 나타냈으며 암모니아의 농도가 524 ppb로 비교적 크게 나타났다. S 음식물 자 원화시설의 경우 암모니아의 평균 농도가 21,844 ppb 로 매우 큰 수준으로 나타났으며 아세트알데하이드가 958 ppb로 측정되어 다른 환경기초시설과 달리 알데하 이드류 물질이 다량 측정되는 특성을 나타냈다.

    3.2 개별물질 농도로부터 공기희석배수 산정

    각 환경기초시설에서 배출된 단일악취물질의 농도를 공기희석배수 산정식을 통해 공기희석배수 값으로 계 산하였다. 또한, 시설별 배출가스의 복합악취 공기희석 배수에 대한 기여도가 높은 물질을 선정하기 위해 복 합악취 유발에 대한 기여율을 산정하였으며 그 결과를 Table 3에 나타냈다.

    물질별 수동측정 농도를 통해 계산한 공기희석배수 의 경우 O 하수처리시설의 물질별 평균 공기희석배수 는 황화수소 2,536배, 메틸머캅탄 605배로 각각 전체 공기희석배수의 79.7%, 19%를 차지하였다. Y 가축분 뇨 처리시설의 물질별 평균 공기희석배수는 황화수소 가 1,529배(98.8%)로 복합악취에 매우 큰 기여를 하는 것으로 나타났다. S 음식물 자원화시설에서는 메틸머 캅단이 624배(61.9%), 황화수소가 6배(0.6%)로, 황화 합물 중 황화수소보다는 메틸머캅탄이 악취 발생에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, I-발레르알데하 이드의 공기희석배수가 91배(9%), 아세트알데하이드 의 공기희석배수가 209배(20.7%)로 다른 시설보다 비 교적 크게 계산되었다. Table 3의 결과와 비교하였을 때, 각 기초시설에서 암모니아의 농도가 큰 수준으로 측정되었으나 계산된 공기희석배수에서는 암모니아의 공기희석배수와 악취유발 기여율이 현저히 작은 수준 으로 나타나는 특성을 보였다.

    공기희석관능법에 의해 측정된 복합악취의 공기희석 배수는 하수처리장과 축산분뇨 처리장에 비해 음식물 처리시설이 약 2~3배 높게 분석되었다. O 하수처리시 설은 황화수소 및 메틸머캅탄의 공기희석배수 합이 전 체 공기희석배수의 98.7%로 나타났다. S 음식물쓰레기 자원화시설의 경우 메틸머캅탄, 아세트알데하이드 및 I-발레르알데하이드의 공기희석배수의 합이 혼합 공기 희석배수의 91.6% 수준으로 나타나 비교적 여러 가지 물질이 복합악취 공기희석배수에 지배적인 영향을 주 는 것으로 판단되었다.

    3.3 복합악취의 공기희석배수 산정 알고리즘 평가

    환경기초시설에서 배출되는 단일악취물질의 농도와 혼합 악취물질의 농도는 선형적 관계를 나타내지 못하 게 된다. 따라서 공기희석배수로의 환산을 통해 단일악 취물질과 복합악취의 관계를 규명할 필요가 있다. 본 연구에서는 Table 3에 나타난 악취유발 기여율을 기준 으로 악취 유발 순위를 부여하고, 각 개별물질의 공기 희석배수로부터 혼합 복합악취의 공기희석배수를 최적 으로 표현할 수 있는 산정식을 평가하고자 하였다. 평 가에는 Table 3의 데이터를 사용하였으며 D1D2, D3는 각각 악취기여도 1, 2, 3순위 물질의 공기희석배 수를 의미하고 Vector는 악취기여도 1순위 및 2순위 물 질에 대한 공기희석배수의 벡터값( D 1 2 + D 2 2 )을 의미한 다. 공기희석관능법으로 측정된 공기희석배수와 산정 식에 의해 계산된 공기희석배수에 각 산정식을 적용한 결과를 Fig. 2에 나타냈다.

    O 하수처리시설의 경우 각 데이터로 얻은 회귀식의 기울기가 y=x 직선의 기울기보다 완만한 경향을 나타 냈다. 알고리즘 중 악취 기여율이 가장 큰 물질의 희석 배수를 전체 공기희석배수로 선택했을 때 회귀선의 기 울기가 0.902로 1.0에 가장 근접했다. Y 가축분뇨 처리 시설의 경우 각 산정식을 적용한 결과, 하수처리시설에 비해 회귀선의 기울기가 대부분 0.92 이상으로 양호하 게 나타났다. 하수처리장과 마찬가지로 악취를 유발하 는 최대 기여물질의 희석배수를 전체 공기희석배수로 적용했을 때의 회귀선 기울기가 0.933으로 가장 준수 한 결과를 나타냈다. S 음식물쓰레기 자원화시설의 경 우, 악취유발에 비교적 크게 기여하는 물질이 3개 이상 의 종류로 나타나, 해당 물질을 모두 고려하는 알고리 즘을 추가하여 평가하였다. 전체적으로 회귀선의 기울 기가 y=x 직선보다 가파른 기울기를 나타냈으며. SUM 알고리즘을 선택하는 경우 회귀직선의 기울기가 1.072 (R2=0.989)로 1.0에 가장 근접하게 나타났고, 기여도 순위 1, 2, 3위를 합한 값을 선택하는 경우 기울기가 1.092 (R2=0.991)로 평가되었다. O 하수처리시설과 Y 가축분뇨 처리시설의 경우 계산된 공기희석배수가 측 정된 공기희석배수 보다 과대평가 되는 경향이 나타났 지만, S 음식물쓰레기 자원화시설에서는 계산 결과가 과소평가되는 경향을 나타냈다.

    O 하수처리시설과 Y 축산분뇨 처리시설의 경우 악 취유발 기여율이 황화수소에 집중되어있는 특성이 있 으나, 황화수소 외에 메틸머캅탄 또한 배출 가능성이 있고 기여도가 비교적 높으므로 두 가지 물질을 지배 적인 물질로 판단하였다. 또한, 회귀선의 기울기는 D1 산정식이 비교적 양호한 수준으로 나타났으나 두 가지 지배적인 물질을 고려할 수 있다는 점과 악취 감쇄작 용을 보완한다는 점에서 D 1 2 + D 2 2 식을 선택하는 것 이 바람직할 것으로 판단되었다. S 음식물쓰레기 자원 화시설의 경우 악취 유발 기여도에 비교적 큰 영향을 미치는 물질인 메틸머캅탄, 아세트알데하이드, I-발레 르알데하이드에 대해 D1+D2+D3 식을 선택하는 경우 더 많은 물질을 고려할 수 있고, D 1 2 + D 2 2 + D 3 2 식을 선택하면 계산 공기희석배수가 더욱 과소평가(감쇄)되 는 문제가 있으므로 D1+D2+D3 식을 복합 공기희석배 수로 선택하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다. 공기 희석관능시험방법에 의한 복합악취 공기희석배수와 악 취물질 농도를 기반으로 한 복합악취 공기희석배수 산 정식의 검토 결과, 하수처리시설과 축산분뇨처리시설 의 경우 황화수소와 메틸머캅탄에 대해 D 1 2 + D 2 2 , 음 식물쓰레기 자원화시설의 경우 메틸머캅탄, 아세트알 데하이드, I-발레르알데하이드에 대해 D1+D2+D3 식을 적용하는 것이 바람직한 것으로 사료되었다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 환경기초시설에서 배출되는 개별 악 취물질의 농도를 측정한 자료를 바탕으로 복합악취의 공기희석배수에 대한 기여도를 산정하였다. 또한, 공기 희석관능법으로 측정한 공기희석배수와의 관계를 분석 하여 환경기초시설에서 배출되는 다수의 악취유발물질 의 농도로부터 다수의 악취유발물질에 의한 복합악취 의 공기희석배수를 산정하는 최적 알고리즘을 제시하 였다.

    하수처리시설과 분뇨처리시설에서 배출되는 악취물 질 중 지배적인 2개의 지정악취물질에 의해서 혼합 악 취물질의 공기희석배수가 좌우되는 것으로 나타났다. O 하수처리시설의 배출가스 중 지정악취물질 측정 결 과 황화수소, 암모니아, 메틸머캅탄이 비교적 높은 농 도로 측정되었다. 각 단일악취물질에 대한 산정식에 따 라 계산한 공기희석배수는 황화수소, 메틸머캅탄이 전 체의 90% 이상으로 나타났고, 측정된 공기희석배수와 비교 결과, 환산된 개별 공기희석배수의 벡터값 ( D 1 2 + D 2 2 )을 복합악취의 공기희석배수로 산정하는 것 이 바람직할 것으로 판단하였다.

    Y 축산분뇨 처리시설의 경우 배출가스 수동측정 결 과, 황화수소, 암모니아 두 가지 물질이 높은 수준으로 나타났다. 단일악취물질별 산정식에 따른 공기희석배 수는 황화수소가 가장 크게 나타났다. 축산분뇨 처리시 설도 하수처리시설과 마찬가지로 공기희석배수 산정식 중 황화수소와 메틸머캅탄의 공기희석배수의 벡터값 ( D 1 2 + D 2 2 )이 전체 공기희석배수 산정에 적합한 것으 로 판단되었다.

    S 음식물쓰레기 자원화시설의 경우 배출가스의 22종 지정악취물질 중 메틸머캅탄, 아세트알데하이드, I-발 레르알데하이드의 평균 공기희석배수 측정결과 3개 이 상의 물질이 다양하게 악취유발에 영향을 미치는 것으 로 평가되었다. 음식물쓰레기 자원화시설의 경우 세 가 지 지배적인 물질을 고려하기 위해 1 - 3순위 물질의 공기희석배수의 합을 전체 공기희석배수로 선택하는 경우가 최적 알고리즘인 것으로 판단되었다. 추후 복합 적인 악취물질이 배출되는 환경기초시설 현장에서 개 별물질의 측정센서로 측정된 개별물질의 농도 데이터 에 본 연구의 복합악취(공기희석배수) 산정 알고리즘 을 적용하여 복합악취의 공기희석배수를 산정하는 데 에 활용될 수 있을 것으로 사료되었다.

    감사의 글

    본 연구는 한국환경산업기술원 환경산업선진화기술 개발사업 “환경기초시설의 악취모니터링 및 능동제어 기술 개발”에서 수행된 연구이며 연구비 지원에 감사 드립니다.

    Figure

    JOIE-20-1-60_F1.gif

    Estimation algorism of dilution factor.

    Ci: Concentration of individual odorants, Di: Dilution factor of individual odoranti, D1, D2, D3: dilution factor of 1st, 2nd, and 3rd rank odorant.

    JOIE-20-1-60_F2.gif

    Algorism of the calculated dilution factor in environmental fundamental facilities.

    SUM: sum of odor dilution factor, D1, D2, D3: dilution factor of 1st, 2nd, and 3rd rank odorant

    Table

    Calibration equation between the concentrations and the dilution factor (Han et al., 2018)

    The concentration (ppb) of the specified odor substances

    Dilution factor (times) calculated with the calibration equation and contribution (%) of complex odor

    Reference

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