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ISSN : 1598-6616(Print)
ISSN : 2287-6731(Online)
Journal of Korean Society of Odor Research and Engineering Vol.12 No.1 pp.27-37
DOI : https://doi.org/10.11161/jkosore.2013.12.1.27

돈사(豚舍) 유형에 따른 악취 물질의 농도 분포 특성

김기연, 최정학1)*
부산가톨릭대학교 산업보건학과,
1)부산가톨릭대학교 환경공학과

Distribution characteristics of odorous compounds concentrations

Jeong Hak Choi1)*, Ki Youn Kim
1)Department of Environmental Engineering, Catholic University of Pusan
Department of Industrial Health, Catholic University of Pusan
Received 19 February 2013, revised 20 March 2013, accepted 25 March 2013

Abstract

An objectives of this study is to investigate indoor concentrations of 22 odorous compounds, which are regulated by the domestic act, emitted from pig buildings through on-site visit per month from July, 2011to June, 2012. Of 22 odorous compounds, the highest concentration was found in ammonia with ppm unit, followed by hydrogen sulfide, methyl ethyl ketone, propionic acid and butylic acid with ppb unit of approximate hundred level. The other odorous compounds were detected below ppb unit of approximate ten level. A remarkable finding is that there is no pig building which showed the airborne levels of five aldehyde-based odorous compounds (acetaldehyde, propionaldehyde, butyraldehyde, n-valeraldehyde and i-valeraldehyde). In general, indoor concentrations of odorous compounds in pig buildings were higher in scraper type than slurry type based on pig manure collection system and higher in enclosed type than winch-curtain type based on ventilation mode, respectively. In temporal distribution of odorous compounds, their concentrations in summer season (June to August) when ventilation rate in pig building decreased relatively were generally higher than those in winter season (December to February) when ventilation rate in pig building is relatively high. The seasons of spring (March to May) and autumn (September to November) showed middle levels of odorous compounds between summer and winter.

1. 서론

 양돈 사육형태가 집약적이고 대규모화되어 감에 따라 사양관리 및 환경제어가 용이한 밀폐형 돈사의 보급이 보편화되어 가고 있다. 하지만 밀폐되고 한정된 공간 내에 많은 수의 돼지가 사육됨으로 인해 사료와 분뇨가 돈사 내부에 집적되고, 그 결과 사람과 돼지에게 유해한 가스 및 악취의 발생이 야기되며, 외부로 배출되면 주변 정주민들에게 악취 민원의 소지를 제공하게 된다(Ni et al., 2000).

 악취는 자극성 있는 기체상 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새로 악취물질은 그 종류에 따라서 발생원이 다르며 발생량을 어느 정도 저감시킨다 할지라도 극미량으로도 취기를 유발시키므로 이에 대한 대책과 방지에는 많은 어려움이 따르고 있다. 대부분의 사람들은 악취의 질(quality)과 강도(intensity)를 감지할 수 있지만, 사람의 후각 감각은 개인마다 상이하기 때문에 이를 객관적으로 평가 분석하는 것은 쉽지 않으며, 악취 노출시 신체내 알러지 반응, 식욕 감퇴, 음수량 저하, 호흡기 장애, 설사와 구토, 정신적 스트레스 등의 심미적 환경 공해 요인으로 작용한다고 알려져 있다(Yasuhara et al., 1984).

 현재 축산농가에서 발생되는 다량의 가축분뇨 적정 처리와 악취문제에 대한 방지대책이 지속가능한 축산업을 영위하기 위한 필수적 선결과제로 대두되었다. 축산업의 가장 대표적 시설인 돈사(豚舍)의 경우 일반 다른 산업시설이나 생활시설에서 배출되는 악취에 비해 농도, 강도, 지속성 모두 상대적으로 높은 것으로 보고 되고 있다(Hartung and Phillips, 1994; Gustafsson, 1999). 하지만 돈사에서 발생되는 악취를 제어하기 위해 여러 방안들이 고안되어 적용되어 왔으나 처리 효율성, 경제성, 안전성 측면의 세 가지를 동시에 만족시킬 수 있는 방법은 아직까지 제안되지 못하고 있는 실정이다.

 과거 20여년전부터 축산 관련 선진국들에서는 돈사 악취에 대해 주로 산업환경 보건학적 측면에서 접근하였다. 특히 돈사 악취 형성의 주요 원인물질인 암모니아와 황화수소를 대상으로 작업환경 측정 평가를 통한 돈사 작업자의 노출수준의 정량화(Crook et al., 1991; Duchaineet al., 2000; Chang et al., 2001) 및 인근 주변 지역으로의 악취 휘산 정도를 예측하기 위해 필요한 기초자료인 돈사 악취물질 배출계수 산정 관련 연구들이 이미 수행된 상황이다(Koerkamp et al., 1998; Gay et al., 2003).

그 결과 돈사 악취 물질 관련 기초 DB의 구축이 거의 정립 단계로 도달한 상태에 있다. 국내의 경우 2004년도에 환경부 주관으로 돈사 악취 배출계수를 산정화하기 위한 연구가 수행되었으나, 악취 물질 중 암모니 아만을 대상으로 선정하였고 그것마저도 현장 조사를 통해 측정된 자료가 아닌 선행 연구된 국외 자료를 적용하여 돈사 유형에 따른 암모니아의 총 배출량만을 산정하는 것에 그친 연구의 한계성을 내포하고 있다(Ministry of Environment, 2004). 그러므로 국내 돈사에서 발생되어 외부로 배출되는 악취물질들의 정량화를 위해서는 우리나라만의 돈사 유형 및 기후적 조건을 반영한 독자적 배출계수의 산정이 필요한 시점이다(Kim et al., 2005).

 따라서 본 연구는 현재 국내 악취방지법에서 적용하고 있는 총 22가지 물질들에 대해 우리나라의 돈사 유형 및 기후적 조건을 반영한 농도 분포 특성을 현장조사 방법을 통해 산정하여 돈사 악취 관련 환경 정책수립을 위한 기초자료를 제공하는 데 목적을 두고 있다.

2. 연구 내용 및 방법

2.1. 연구 대상 시설

 제주 지역에 위치한 돈사를 대상으로 분뇨처리 및 환기방식에 따라 유형별로 4개소를 선정하였다. 제주지역에 위치한 돈사를 선정한 근거는 현장 조사 시기에 즈음하여 구제역이 전국적으로 발병하여 제주 지역 이외에는 외부인의 농장 출입이 전면 통제되었고, 청정지역인 제주 지역의 경우 외부 공기오염물질의 농도가 상대적으로 낮아 공기 흐름을 통해 돈사 내부로 유입되는 수준도 상당히 미미할 것으로 추정되어 외부 유입원이 배제된 본연의 데이터로 활용될 수 있다는 장점을 보유하고 있었기 때문이었다. 조사대상 돈사 유형별 제원은 <Table 1>과 같다.

Table 1. Details of the pig buildings investigated in this study

2.2. 측정 및 분석

현장 조사 기간은 2011년 7월부터 2012년 6월까지 총 1년 기간 동안 각 농장주와의 협조를 얻어 월별 현장 방문을 통해 악취 시료를 채취하였다. 월별 데이터의 객관성을 유지하기 위해 맑은 날 오전 시간대(10:00 AM~12:00 PM)로 모두 동일하게 적용하여 진행하였다. 악취 물질 분석을 위한 공기 시료 채취는 돈사 중앙 바닥으로부터 1m 상부 지점에서 지역시료의 형태로 수행되었다. 측정 대상 악취 물질은 현재 국내 악취방지법에서 규정하고 있는 악취 물질 22가지 모두를 대상으로 하였으며, 각 물질별 돈사 내부의 공기 시료 채취 및 분석 절차는 악취공정시험방법에 준하여 시행하였다(National Institute of Environmental Research, 2007). 

3. 결과

3.1. 돈사 유형별 현행 22가지 악취 규제물질의 월별 내부 농도 분포

<Fig. 1>은 돈사 유형에 따른 조사대상 4개 농가를 대상으로 2011년 7월에서 2012년 6월까지 1년 동안 매달 현장 방문하여 측정된 현행 22가지 악취 규제물질의 월별 내부 농도 수치를 제시하고 있다. 돈사 유형에 따른 악취 물질들의 월별 실내농도 분포 현황을 정리하면 다음과 같다.

Fig. 1. Monthly mean concentration of 22 odorous compounds according to type of pig building.

 강제환기(무창)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(J farm)의 경우 평균 농도와 범위가 ammonia는 17.66(2.30~34.10)ppm, hydrogen sulfide는 66.41(5.17~310.28) ppb, methyl mercaptan은 17.52(n.d.~63.07)ppb, dimethyl sulfide는 6.13(0.23~15.64)ppb, dimethyl disulfide는 0.26(n.d.~1.92)ppb, trimethyl amine은 31.36 (d) dimethyl sulfide(1.20~121.91)ppb, styrene은 7.75(1.28~14.59)ppb, toluene은 15.90(2.74~43.85)ppb, xylene은 18.29(2.08~78.14)ppb, methyl ethyl ketone은 125.58(34.18~327.20)ppb, methyl iso-butyl ketone은 10.87(3.89~25.17)ppb, butyl acetate는 6.74(1.31~12.60)ppb, i-butyl alcohol은 37.65(3.17~99.36)ppb, propionic acid는 468.88(91.19~951.50)ppb, n-butylic acid는 256.08(54.28~550.91)ppb, n-valeric acid는 6.16(n.d.~34.84)ppb, i-valeric acid는 20.23(n.d.~67.78)ppb로 분석되었다.

 자연환기(윈치)/스크레퍼 방식으로 운용되고 있는 돈사(K farm)의 경우 평균 농도와 범위가 ammonia는 6.79(4.03~11.37)ppm, hydrogen sulfide는 38.36(9.80~99.41)ppb, methyl mercaptan은 8.55(2.84~18.44)ppb, dimethyl sulfide는 1.86(n.d.~4.60)ppb, dimethyl disulfide는 0.04(n.d.~0.35)ppb, trimethyl amine은 15.10(2.17~32.39)ppb, styrene은 6.40(0.59~11.90)ppb, toluene은 32.53(1.85~116.25)ppb, xylene은 14.46(1.17~37.17)ppb, methyl ethyl ketone은 79.84(1.52~183.64)ppb, methyl iso-butyl ketone은 6.95(4.26~12.36)ppb, butyl acetate는 8.40(2.29~16.24)ppb, i-butyl alcohol은 24.86(2.48~50.21) ppb, propionic acid는 321.85(56.43~892.74)ppb, n-butylicacid는 150.75(34.81~397.40)ppb, n-valeric acid는 6.26(n.d.~27.90)ppb, i-valeric acid는 8.19(n.d.~33.53)ppb로 분석되었다.

강제환기(무창)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(N farm)의 경우 평균 농도와 범위가 ammonia는 14.98(2.60~37.55)ppm, hydrogen sulfide는 628.38(23.47~1,341.10)ppb, methyl mercaptan은 9.41(n.d.~21.70)ppb, dimethyl sulfide는 5.65(0.24~14.15)ppb, dimethyl disulfide는 0.19(n.d.~0.90)ppb, trimethyl amine은 17.15(1.48~72.69)ppb, styrene은 6.66(0.79~13.89)ppb, toluene은 12.10(1.01~41.15)ppb, xylene은 11.25(1.15~32.77) ppb, methyl ethyl ketone은 119.27(2.53~366.89)ppb, methyl iso-butyl ketone은 5.79(2.73~15.31)ppb, butylacetate는 5.66(1.42~10.54)ppb, i-butyl alcohol은 33.26(5.09~94.22)ppb, propionic acid는 302.25(23.55~1,026.43) ppb, n-butylic acid는 144.17(10.97~437.51)ppb, n-valericacid는 14.31(n.d.~52.80)ppb, i-valeric acid는 15.49(n.d.~60.23)ppb로 분석되었다. 

 자연환기(윈치)/슬러리 방식으로 운용되고 있는 돈사(S farm)의 경우 평균 농도와 범위가 ammonia는 16.35(3.20~38.92)ppm, hydrogen sulfide는 37.73(15.81~64.68) ppb, methyl mercaptan은 6.00(n.d.~13.63)ppb, dimethylsulfide는 6.22(0.12~18.62)ppb, dimethyl disulfide는 0.05(n.d.~0.49)ppb, trimethyl amine은 34.34(2.83~104.34) ppb, styrene은 6.00(1.08~11.92)ppb, toluene은 17.47(2.04~55.15)ppb, xylene은 12.54(2.57~31.87)ppb, methyl ethylketone은 123.43(2.45~393.46)ppb, methyl iso-butyl ketone은 8.64(5.82~16.23)ppb, butyl acetate는 5.13(1.82~9.45)ppb, i-butyl alcohol은 32.73(4.26~77.56)ppb, propionicacid는 301.13(41.86~652.76)ppb, n-butylic acid는 188.84(28.32~469.43)ppb, n-valeric acid는 14.00(n.d.~40.87)ppb, i-valeric acid는 19.09(n.d.~70.65)ppb로 분석되었다.

3.2. 돈사 유형별 현행 22가지 악취 규제물질의 계절별 내부 농도 분포

 <Fig. 2>는 돈사 유형에 따른 현행 22가지 악취 규제물질들의 계절별 내부 농도 수치를 제시하고 있다. 여기서 봄철은 3~5월, 여름철은 6~8월, 가을철은 9~11월, 겨울철은 12~2월로 구분한 것으로, 각 3개월 동안 측정된 월별 데이터를 종합하여 평균화한 것이다. 조사대상 돈사 4개소에서 측정된 계절별 악취 물질들의 실내 농도 수치를 모두 종합한 결과는 다음과 같다.

Fig. 2. Seasonal mean concentration of 22 odorous compounds according to type of pig building.

Ammonia의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 13.34(6.23~20.18)ppm, 여름은 4.56(3.38~5.73)ppm, 가을은 15.76(7.72~21.48)ppm, 겨울은 22.80(6.90~31.89)ppm으로 분석되었다. Hydrogen sulfide의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 139.12(39.97~338.30)ppb, 여름은 53.70(14.79~121.36)ppb, 가을은 283.73(27.33~1,026.51) ppb, 겨울은 307.15(30.25~1,096.74)ppb로 분석되었다. Methyl mercaptan의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 11.03(4.11~19.27)ppb, 여름은 4.37(1.81.~11.06)ppb, 가을은 9.214.46~13.37)ppb, 겨울은 18.07(5.65~40.94)ppb로 분석되었다. Dimethyl sulfide의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 4.70(1.39~7.41)ppb, 여름은 1.00(0.86~1.13)ppb, 가을은 4.73(1.55~8.12)ppb, 겨울은 8.21(1.57~12.36)ppb로 분석되었다. Dimethyl disulfide의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 n.d., 여름은 0.15(n.d.~0.30)ppb, 가을은 0.23(0.03~0.45)ppb, 겨울은 0.24(n.d.~0.96)ppb로 분석되었다. Trimethyl amine의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 21.18(8.01~33.81)ppb, 여름은 6.21(4.03~11.22)ppb, 가을은 22.29(15.25~27.99)ppb, 겨울은 52.30(20.49~84.71)ppb로 분석되었다. Styrene의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 6.98(5.56~8.15)ppb, 여름은 2.03( 1.60~2.42)ppb, 가을은 7.20(6.35~9.07)ppb, 겨울은 11.00(10.17~12.41)ppb로 분석되었다. Toluene의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 24.94(9.55~70.29)ppb, 여름은 5.22(2.67~11.81)ppb, 가을은 23.65(17.01~27.41) ppb, 겨울은 32.55(26.20~38.61)ppb로 분석되었다. Xylene의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 10.73(9.04~ 15.10)ppb, 여름은 3.76(3.23~4.28)ppb, 가을은 23.10(14.49~42.02)ppb, 겨울은 27.53(19.71~39.89)ppb로 분석되었다. Methylethyl ketone의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 101.56(63.69~118.65)ppb, 여름은 20.83(9.35~ 44.84)ppb, 가을은 116.52(77.05~170.63)ppb, 겨울은 222.23(122.15~290.56)ppb로 분석되었다. Methyl iso-butyl ketone의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 6.08(4.51~7.81)ppb, 여름은 4.25 (2.73~5.82)ppb, 가을은 11.17(7.18~18.11)ppb, 겨울은 13.54(10.53~19.40)ppb로 분석되었다. Butyl acetate의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 7.34(4.72~11.87) ppb, 여름은 3.25(2.15~5.79)ppb, 가을은 7.43(6.06~9.04)ppb, 겨울은 9.06(8.30~10.24)ppb로 분석되었다. i-Butyl alcohol의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 28.81(21.61~35.93)ppb, 여름은 9.08(8.07~10.43)ppb, 가을은 45.48(28.73~56.30)ppb, 겨울은 57.66(39.77~71.03)ppb로 분석되었다. Propionic acid의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 474.29(183.21~784.47)ppb, 여름은 123.40(53.80~202.64)ppb, 가을은 336.86(233.78~450.18) ppb, 겨울은 447.51(331.41~605.23)ppb로 분석되었다. n-Butylic acid의 경우 평균농도와 범위가 봄은 248.62(84.62~402.41)ppb, 여름은 (79.6832.37~120.26)ppb, 가을은 202.24(116.67~304.40)ppb, 겨울은 223.45 (118.17~349.09)ppb로 분석되었다. n-Valeric acid의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 4.82(n.d.~11.37)ppb, 여름은 n.d., 가을은 9.69(5.91~14.73)ppb, 겨울은 30.40(20.00~44.82)ppb로 분석되었다. i-Valeric acid의 경우 평균 농도와 범위가 봄은 18.99(12.81~25.46)ppb, 여름은 n.d., 가을은 15.15(7.26~23.55)ppb, 겨울은 31.44 (12.17~47.46)ppb로 분석되었다.

4. 고찰

 측정 결과를 고찰해 보면, 돈사 유형 및 측정 시점에 상관없이 악취 물질별 실내 농도 수치는 ammonia가 ppm 수준으로 측정되어 가장 높은 것으로 나타났고, 다음으로 황계열 물질 중 hydrogen sulfide, 휘발성 유기화합물 중 methyl ethyl ketone, 지방산류 중 propionic acid와 butylic acid가 백단위 수준의 ppb로 측정 되었으며, 나머지 물질들은 십단위 수준의 ppb로 측정된 것으로 분석되었다. 22가 악취 물질 중 알데히드류 5가지 물질들(acetaldehyde, propionaldehyde, butyraldehyde, n-valeraldehyde, i-valeraldehyde)은 어떠한 측정 시점에서도 검출되지 않은 것으로 조사되었다.

 전반적인 악취 물질들의 돈사 유형별 분포 현황은 분뇨 처리 형태 측면에서는 스크레퍼>슬러리>컨베이어, 환기 방식 측면에서는 무창>윈치의 농도 분포 양상을 보이는 것으로 분석되었다. 월별 및 계절별 농도 추이 측면에서는 돈사 환기율이 감소하는 겨울철(12~1월)이 돈사 환기율이 상대적으로 높은 여름철(6~8월)보다 돈사 내부의 악취 물질 농도가 높게 형성됨을 알수 있었고, 봄철(3~5월)과 가을철(9~11월)은 유사한 수준인 것으로 조사되었다. 본 측정 결과에 근거를 두면 22가지 악취 물질들 모두 돈사 유형, 월별, 계절별 간농도 수치의 편차가 상당히 높은 것으로 분석되었는데, 이는 현장 조사 특성상 측정 당일의 다양한 주변 환경 요인들의 변화에 의한 결과로 추정된다.

 본 측정 결과에 있어 주목할만한 사항은 돈사 악취의 주요 원인 물질로 국외 여러 연구자들이 제기한 지방산류 물질들의 측정 농도값이 국외 선행 연구 결과들(Yasuhara et al., 1984; Tanaka et al., 1991; Zang et al., 1992)과 비교시 상대적으로 낮게 검출된 사실이다. 일반적으로 악취 발생에 크게 기여하는 휘발성 지방산은 짝수 탄소로만 이루어진 탄소사슬을 가진 기름이나 지방으로 이루어져 있으며 보통 12, 14 및 18의 탄소 사슬을 갖는다. Hartung and Hilliger(1984)의 선행 연구 결과에 따르면 돈분(豚糞)에서 주로 검출되는 저급 지방산(C1-C4 계열)은 탄소수가 적어 실질적으로 악취 형성에 크게 기여하지 못하며 탄소수가 많은 고급 지방산이 주요 악취원인이라 하였는데, 이는 탄소수가 많을수록 분해시 악취형성에 크게 영향을 미칠 수 있다는 판단에서 비롯된 듯하다. 따라서 현재 국내 악취방지법에서 규제하고 있는 저급 지방산류 4가지 물질들은 돈사에서 발생되는 악취 기여도가 상대적으로 낮을 수 있어 돈사 악취 기여도가 높을 것이라 추정되는 C5이상의 고급 지방산류 물질들을 대상으로 측정하는 것이 지방산류에 의한 돈사 악취 패턴을 객관적으로 평가할 수 있는 방안이라 사료된다.

 페놀 계열 물질들 중 악취 발생 기여도가 높은 p-cresol, skatole, indole 등도 돈사 내부에서 대량 배출되는 악취원인 물질로 많은 국외 연구자들에 의해 밝혀졌고, 이러한 물질들이 돈사에서 사육되고 있는 돼지나 양돈업 종사자에게 심각한 수준으로 노출시에는 각각 생산성 감소와 호흡기계 질환을 유발할 수 있으며, 돈사 주변에 거주하고 있는 주민들에게는 악취로 인한 심미적 피해를 주는 것으로 보고되고 있다(Hartung and Rokicki, 1984; Kuroda et al., 1995; Kulik, 1996). 하지만 현행 국내 악취방지법 규제 물질 항목에는 포함되어 있지 않기 때문에 객관적인 돈사 악취의 정성 분석 결과를 반영하기 위해서는 돈사 악취 기준 합리화에 대한 신중한 검토가 필요한 시점이라 할 수 있다.

본 연구의 제한점으로는 돈사 악취 발생 강도를 결정하는 주요 인자인 온도와 상대습도를 동시에 모니터링하지 못한 점이고, 이로 인해 돈사 실내의 온/습도와 악취 물질 농도간의 통계적 상관관계를 본 연구에서는 규명할 수 없었다. 따라서 향후에는 돈사 악취 원인 물질들의 발생 농도와 돈사 내부의 온도 및 상대습도 간상관성을 파악하기 위한 추가 연구가 요구되는 바이다. 

5. 결론

 조사대상 돈사 유형 및 측정 시점에 상관없이 악취 물질별 실내 농도 수치는 ammonia가 ppm 수준으로 측정되어 가장 높은 것으로 나타났고, 다음으로 황계열 물질 중 hydrogen sulfide, 휘발성 유기화합물 중 methyl ethyl ketone, 지방산류 중 ropionic acid와 butylicacid가 백단위 수준의 ppb로 측정되었으며, 나머지 물질들은 십단위 수준의 ppb로 측정된 것으로 분석되었다. 22가지 악취 물질 중 알데히드류 5가지 물질들 (acetaldehyde, propionaldehyde, butyraldehyde, n-valeraldehyde, i-valeraldehyde)은 어떠한 측정 시점에서도 검출되지 않은 것으로 조사되었다. 전반적인 악취 물질들의 돈사 유형별 분포 현황은 분뇨 처리 형태 측면에서는 스크레퍼>슬러리>컨베이어, 환기 방식 측면에서는 무창>윈치의 농도 분포 양상을 보이는 것으로 분석되었다. 월별 및 계절별 농도 추이 측면에서는 돈사 환기율이 감소하는 겨울철(12~1월)이 돈사 환기율이 상대적으로 높은 여름철(6~8월)보다 돈사 내부의 악취 물질 농도가 높게 형성됨을 알 수 있었고, 봄철(3~5월)과 가을철(9~11월)은 유사한 수준인 것으로 조사되었다.

6. 사사

 본 논문은 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호:PJ907172)의 지원에 의해 이루어진 것임

Reference

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