05-황화합물.153913.pdf227.7KB

1. 서 론

국민들의 생활수준 향상과 쾌적한 환경에 대한 관심의 증대로 인하여 악취를 포함한 생활환경문제에 대한 관심과 민원이 증가하고 있다. 이에따라 환경부에서는 황화합물, 알데하이드류, 암모니아, 아민류, 그리고 휘발성유기화합물질(VOCs) 등 22종의 지정악취물질을 규제하고 있다.¹⁾ 일반적으로 악취의 세기 (강도)를 측정하는 관능시험법은 현장에서 측정하는 직접관능법과 현장에서 시료를 채취한 후 실험실에서 시료를 단계별로 희석하여 관능시험하는 공기희석관능법이 사용되고 있다.^2-9) 직접관능법은 주관적인 판단의 개입과 냄새에 대한 순응, 피로 등에 의해서 결과의 객관성에 대한 문제점이 지적되고 있어 많은 나라에서 주시험법으로 공기희석관능법을 활용하고 있는 실정이다.^6-10) 

현행 악취방지법에서 개별 악취물질의 농도기준을 적용하는 지정악취물질별 규제는 부지경계선에만 적용되지만 희석배수에 의한 복합악취 규제는 부지경계선 뿐만 아니라 배출구에도 적용된다.^1,9) 지자체의 실질적인 악취지도업무 역시 기기분석에 의한 물질농도 규제보다는 공기희석관능법에 의한 희석배수 규제가 더 실제적으로 활용되고 있다.¹⁰⁾ 

복합악취에 대한 악취강도와 희석배수간의 실험자료을 바탕으로한 상관관계에 대해서는 한 및 박 등^11-13)에 의해서 시험결과를 제시한 바 있다. 이에반하여 현행 악취방지법에 의해서 부지경계선에서 동시에 적용되고 있는 공기희석관능법에 의한 희석배수와 개별 물질별 물질농도와의 관계에 대한 보고는 매우 미흡한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 한국인의 후각을 이용하여 측정한 희석배수와 개별 물질별 물질농도간의 상관관계를 살펴보고자 하였다. 

2. 연구 방법

2. 1. 지정악취물질 농도 및 희석배수 실험방법

황화합물은 지정악취물질로 지정되어 있는 황화수소, 메틸멀캅탄 (methyl mercaptane), DMS (dimethyl sulfide), DMDS (dimethyl disulfide)를 선정하였고 암모니아와 트리메틸아민을 실험 대상으로 선정하였다. 물질 농도 수준별 희석배수를 측정하기 위하여, 악취공정시험방법에서 제시하는 악취판정인 선정절차에 따른 판정인 선정실험⁷⁾ 과 악취강도에 대한 절대지표를 보완하기 위해 개발한 한국의 악취강도대조군 (KOREA Odor Intensity Reference Scale, KOIRS)^10,14,15)  실험을 통과한 13명을 악취판정인으로 선발하였다. 악취공정시험기준의 공기희석방법은 3의 지수형태로 희석배수를 증가해가면서 악취판정인별로 감지할 수 있는 희석배수를 측정하는 3점 하강법을 사용하도록 되어있다.⁹⁾ 

지정악취물질 중 연구대상 항목인 황화합물 4종과 암모니아와 트리메틸아민은 표준물질(Rigas, Korea)을 이용하여 악취강도 0~5도의 범위에 해당하는 농도를 4~7 단계로 만들어 개별 물질별 농도 수준별로 공기희석관능법을 실시하여 각각의 희석배수를 산정하였다.^11-13) 

2. 2. 물질농도와 희석배수와의 관계

악취강도와 물질농도 사이에는 대수비례관계가 있는 것으로 알려져 있으며, 식(1)로 표현되며 이를 웨버-페히너(Weber-Fechner)법칙이라 한다. 

 I=A · log C+B                                            (1)

식 (1)에서 I는 악취강도, C는 개별물질의 물질농도, A는 개별 물질별 상수, B는 상수로 표현된다. 

공기희석 관능법에 의해 시료를 희석하게 되면 시료의 물질농도는 희석배수에 따라 다음의 식(2)와 같이 표현된다. 

C=C_t  · D                                                    (2)

식(2)에서 D는 희석배수, C_t는 희석배수가 D일때 개별물질의 물질농도이다. 

식(2)의 양변에 log를 취하면 식(3)과 식(4)와 같이 표현된다. 

log C=log (C_t ∙ D)                                      (3)
log C=log C_t+log D                                    (4)

개별물질에 따라서 희석배수에 해당하는 감지농도 (C_t)는 일정한 농도라 할 수 있기 때문에 log C_t는 상수이며 log C_t=F라 하면 식 (4)는 식 (5)로 표현된다. 

 log C=log D+F                                          (5)

3. 결과 및 고찰

3. 1. 황화합물의 물질농도와 희석배수 실험결과

황화수소[Hydrogen Sulfide, H₂S]의 농도를 0.0099~8.00 ppm 범위의 5개 시료를 만들어 악취판정인 선정실험을 통과한 13인에 의하여 공기희석관능법에 의한 희석배수 측정결과를 Table 1에 정리하였다. 실험결과, 황화수소 농도 0.0099 ppm, 8.00 ppm에 해당하는 희석배수는 각각 46, 17,207를 나타내었다. 

Table 1. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Hydrogen Sulfide

메틸머캅탄 [Methyl Mercaptane, CH₃SH]의 농도를 0.00099~29.8 ppm 범위의 8개 시료를 만들어 악취판정인에 의해 구해진 희석배수 측정결과를 Table 2에 나타내었다. 실험결과, 물질농도 0.00298 ppm와 29.8 ppm에서 악취 희석배수는 각각 7, 215,767를 나타내었다. 이러한 실험결과로 볼 때, 환경대기 중에 존재하는 메틸머캅탄의 농도에 따라 복합악취 희석배수도 급격히 올라갈 수 있음을 판단할 수 있었다. 

Table 2. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Methyl Mercaptane (MM)

황화메틸[Dimethyl Sulfide, (CH₃)₂S] 농도는 0.00306~30.6 ppm 범위에서 6개의 시료를 만들어 희석배수를 구한결과를 Table 3에 나타내었다. 공정시험방법에서 제시하는 악취판정표 2도, “보통냄새 (Moderate)”수준에 해당하는 황화메틸의 농도는 0.0102 ppm 수준이었고, 희석배수는 20, 30.6 ppm에 대한 희석배수는 67,618로 나타났다.

Table 3. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Dimethyl Sulfide (DMS)

이황화메틸 [Dimethyl Disulfide, (CH₃)₂S₂] 희석배수산정을 위하여 이황화메틸 농도를 0.003~29.7 ppm 범위의 8개 시료를 만들어 측정한 결과를 Table 4에 나타내었다. 실험결과, 물질농도 0.0297 ppm에서 희석배수는 30으로 나타났고 이황화메틸의 농도가 10배 증가한 0.297 ppm 일 때 희석배수도 303으로 약 10배 증가하는 것으로 나타났다. 

Table 4. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Dimethyl Disulfide (DMDS)

3. 2. 암모니아와 트리메틸아민의 물질농도와 희석배수 실험결과

암모니아[Ammonia, NH₃] 농도를 16.59~4,976 ppm 범위의 5개 시료를 만들어 악취판정인 선정 실험을 통과한 13인에 의하여 물질농도별 희석배수 측정결과를 Table 5에 정리하였다. 실험결과, 암모니아 농도 16.59 ppm과 4,976 ppm에 해당하는 희석배수는 각각 9,1,867를 나타내었다. 

Table 5. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Ammonia

트리메틸아민 [Trimethylamine, (CH₃)₃N]의 농도를 0.001~29.4 ppm 범위의 8개 시료를 만들어 악취판정인에 의해 구해진 물질농도별 희석배수 측정결과를 Table 6에 나타내었다. 실험결과, 트리메틸아민 농도 0.0029 ppm과 29.4 ppm에 해당하는 희석배수는 5,188,021를 나타내었다.

Table 6. Measurement results of dilution factor according to the concentration of Trimethyl Amine (TMA)

3. 3. 황화합물의 물질농도와 희석배수 상관관계

물질농도와 희석배수의 관계는 식(5)에서와 같이 물질농도의 log 값과 희석배수의 log 값이 직선관계를 갖게된다. 따라서 황화합물의 물질농도별로 공기희석관능법으로 측정한 희석배수의 실험결과를 이용하여 물질농도와 희석배수에 log를 취한 값을 사용하여 Fig. 1에 나타내었다. 

Fig. 1. The Correlation of material concentration with dilution factor using equation (6).

우리나라 공정시험기준의 공기희석방법에서 3배수로 무취공기로 시험하는 방법을 채택하고 있어 시험에서 얻어지는 물질농도과 희석배수값의 관계가 식 (5)와 같이 log C와 log D의 관계식의 기울기가 1.0을 나타내지 못하게 된다. 따라서 시험 결과자료를 바탕으로한 경험적 관계식은 식 (6)으로 산정하여 구할 수 있다. 

log C=A_f ∙ log D+F                                       (6) 

A_f는 물질별 상수임. 

식 (6)을 이용하여 물질별 농도와 희석배수의 관계식을 구하였고 그 결과는 Table 7과 같다. 

Table 7. Correlation equation of concentration with dilution factor using equation (6)

물질농도와 희석배수의 상관관계를 나타낸 식 (6)의 물질별 상수 (기울기)값은 황화수소 1.2001, 메틸머캅탄 1.0228, 황화메틸 0.9873, 이황화메틸 1.0384로 나타났다. 물질별 상수 (기울기) 값이 1.0보다 큰 황화수소의 경우는 물질농도에 대한 희석배수가 약간 과소평가 되고, 1.0보다 낮은 값으로 나타난 황화메틸 경우는 희석배수가 약간 과대평가 되었을 가능성을 시사하고 있다. 메틸머캅탄과 이황화메틸의 경우는 1.0과 매우 유사한 값을 나타내고 있고, 상관관계식의 결정계수가 0.99 이상으로 물질농도와 희석배수의 관계를 잘 설명하고 있는 것으로 판단된다. 

3. 4. 암모니아와 트리메틸아민의 물질농도와 희석배수 상관관계

암모니아와 트리메틸아민의 물질농도별로 공기희석관능법으로 측정한 희석배수의 실험결과를 이용하여 물질농도와 희석배수에 log를 취한 값을 사용하여 Fig. 1에 나타내었다. 식 (6)을 이용하여 물질별 농도와 희석배수의 관계식을 구하였고 그 결과는 Table 7과 같다. 

물질농도와 희석배수의 상관관계를 나타낸 식 (6)의 물질별 상수 (기울기)값은 암모니아 1.055, 트리메틸아민 0.9691로 나타났다. 기울기값이 1.0과 비교적 유사한 값을 나타내고 있어 물질농도와 희석배수의 관계를 잘 설명하고 있는 것으로 판단된다. 

3. 5. 규제 희석배수와 지정악취물질 배출허용기준의 비교 검토

부지경계선에서 배출허용기준으로 규정하는 희석배수는 준공업지역 15, 공업지역 20이며, 지정악취물질로 규정된 4가지 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민의 물질농도 기준은 Table 8과 같다. 6개의 지정악취물질에 대하여 물질농도와 희석배수의 관계식을 산정한 결과는 Table 7에 나타난 바와 같다. 개별물질별 관계식으로부터 희석배수 15와 20에 해당하는 개별물질별 물질농도의 계산 결과는 Table 8과 같다. 또한 희석배수를 기반으로 계산한 농도와 현행기준농도와는 차이가 있으며 6가지 물질중 암모니아와 황화가스의 경우가 물질농도의 차이가 큰 것으로 나타났다. 희석배수 15의 경우보다는 20의 경우가 더욱 차이가 크게 나타났다. 지정악취물질의 설정 농도가 원래 낮은 농도 수준임으로 작은 농도 차이에도 두 개 농도의 비는 매우 큰 것처럼 보이며 0.5~2.0의 범위는 비교적 유사한 농도 수준으로 평가할 수 있다.

Table 8. Comparison of material standards with concentrations calculated using equation (6) for odor dilution factor 15 and 20

본 연구결과는 황화합물 개별물질에 대한 희석배수를 산출한 결과이며, 실제로 악취물질들이 혼재한 복합악취의 경우는 온∙습도 등의 기상요소에 의한 영향과 물질별 결합∙중화∙상승∙상쇄효과 등에 의한 영향 때문에 개별물질에 대한 희석배수와는 다른 양상을 보일 수 있다.¹⁶⁾ 하지만, 지정악취물질의 농도 수준에 대한 희석배수를 실제 실험결과를 토대로 마련할 수 있었다는데 의미가 있으며, 향후 복합악취의 희석배수와 물질관계 및 악취강도와의 관계특성을 파악하는데 필수적인 연구자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

악취강도와 악취원인물질(지정악취물질)농도나 희석배수와의 관계에 대한 연구는 매우 미흡한 상황이며, 특히 관능적으로 나타내는 악취강도와 희석배수를 산출하기 위해 감지되는 최소감지농도는 민족이나, 성별, 직업 등의 주변환경 및 생활여건 등에 의해서 다른 특성을 나타내기도 하며 개인적인 차이를 나타내기도 한다.^11-13) 또한, 악취문제를 물질농도로 접근하는 국가가 매우 제한적이기 때문에 이에 대한 연구가 더욱 제한적이다. 악취문제에 대하여 우리나라와 비교적 유사한 접근방법과 관리제도를 갖고 있는 국가는 일본이며, 일본의 경우에도 우리나라의 희석배수가 갖는 의미와 산출방법이 박과 한 등^11-13) 이 기술한 바와 같이 약간의 차이가 있으며, 민족별 관능특성이 다름을 감안하여야 할 것이다.

4. 결 론

본 연구에서는 현재 악취공정시험방법에서 제시하고 있는 공기희석관능법에 의한 희석배수와 지정악취물질중 황화합물 4종과 암모니아, 트리메틸아민 총 6종의 각 개별적 물질농도와의 관계를 살펴보고자 하였다. 개별적 물질농도에 대하여 공기희석관능법에의한 희석배수를 측정하였고 물질농도와 희석배수간의 상관관계 특성 및 관계식을 산출하여 제시하였다. 

(1) 황화합물과 암모니아, 트리메틸아민의 물질농도에 따른 희석배수 측정을 위하여 악취공정시험기준에서 제시하는 판정인 선정실험을 통해 선발된 판정인에 의해 6종의 지정악취물질별 물질농도 수준별 희석배수를 산정하였다. 

(2) 지정악취물질농도와 희석배수의 상관관계는 log C=A_f ∙ log D+F (A_f: 물질별상수, F: 상수)에 의해 적합하게 표현되었으며, 각 물질의 물질별상수값을 제시하였다. 

(3) 지정악취물질농도와 희석배수의 상관관계식을 이용하여 부지경계선에서 배출허용기준으로 규정하는 희석배수 준공업지역 15, 공업지역 20에 해당하는 개별물질별 물질농도를 산정하여 제시하였다.

(4) 희석배수를 기반으로 계산한 농도와 현행물질별 기준농도를 비교한 결과 6가지 물질중 암모니아와 황화가스의 경우가 농도의 차이가 큰 것으로 나타났다. 지정악취물질의 설정 농도가 원래 낮은 농도 수준임으로 작은 농도 차이에도 두 개 농도의 비는 매우 큰 것처럼 보이며 0.5~2.0의 범위는 비교적 유사한 농도 수준으로 평가할 수 있다. 

본 연구결과는 현재 적용되고 있는 부지경계선에서의 복합악취 농도 규제기준에 대한 개선방안 및 지정 악취물질들의 물질농도, 희석배수간의 관계 및 특성연구 등의 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.