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문제 정의
- 본 연구의 최종 목적은 축산시설 지역과 인근 지역 간의 마찰 및 민원을 해결하기 위하여 다양한 기상조건에 따른 악취의 확산 현상을 정성적 및 정량 적으로 예측하는 공기유동학적 전산유체역학 모델을 개발하는데 있으며, 이에 앞서 본 연구에서는 현장 실험을 통하여 기상 조건 및 지형에 따른 축산 악취의 확산 데이터를 수집하였다. 이렇게 수집된 자료들은 향후 시뮬레이션 모델을 개발하고 검증하는데 사용될 것이며, 이를 이용하여 충분한 기초 자료가 확보된다면 웹 설계를 통한 민원대비용 악취확산 예경보시스템의 개발이 가능하며, 관련 정책수립이나 축산악취를 저감시키는 기술을 개발하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 대기 안정도는 악취의 전체적인 확산 경향을 결정 하는데 중요한 인자이므로, 본 연구에서는 현장에서의 대기 안정도를 정확히 추정하고자 하였다. 또한 축산 악취와 같은 복합취의 악취도 평가를 위하여 공기희석 관능법을 사용하였다.
- 축산악취는 대기 중의 일반 악취 성분과는 달리 수백 가지의 물질이 저농도로 상호작용하면서 발생하기 때문에 그 악취의 정도를 측정하고 정량화하기가 매우 어려운 특징이 있으므로 본 연구에서는 복합 취기물인 축산 악취의 악취도를 평가하기 위하여 관능 시험방법을 사용하였다. 그 중 여러 측정지점에서 동시적으로 악취도를 평가하기 위하여 악취 공기를 포집 후 평가하는 간접 공기희석 관능법을 적용하였다.
- 본 연구에서는 축산 시설로부터 발생되는 악취의 확산 현상을 모니터링하였다. 복합악취인 축산 악취를 여러 측점에서 동시적에 분석하기 위하여 공기희석 관능법을 이용하였다.
제안 방법
- 본 실험에서는 측정의 용이성과 향후 확산 모델링의 적용 가능성 등을 고려하여 기온의 연직 분포를 직접 측정하는 방법을 적용하였다. 이 방법은 Seinfeld (1986)가 대기층의 기온 감률로부터 대기 안정도를 산정한 방법으로 그 관계는 Table 1에 나타나 있으며, 우(1991) 등이 63빌딩의 상하부 온도차로부터 대기의 안정도를 산정한 바 있다.
- 이 방법은 Seinfeld (1986)가 대기층의 기온 감률로부터 대기 안정도를 산정한 방법으로 그 관계는 Table 1에 나타나 있으며, 우(1991) 등이 63빌딩의 상하부 온도차로부터 대기의 안정도를 산정한 바 있다. 본 실험의 대상 지역에서는 고층의 기온을 측정할 만한 높은 시설물이 없으므로 소형 기구를 이용하여 기온을 측정하였으며, 기온 연직분포를 직접 측정함으로써 실제 하층 대기의 상태를 파악할 수 있고, 향후의 확산 시뮬레이션에서도 경계 조건으로 직접 사용할 수 있는 데이터를 확보할 수 있었다. 그러나 연직 기온 측정 시 바람에 따라 기구가 기울어지므로, 풍속이 비교적 일정한 시점에서의 기구가 기울어진 정도를 고려하여 기온이 측정된 높이를 보정하였다.
- 본 실험의 대상 지역에서는 고층의 기온을 측정할 만한 높은 시설물이 없으므로 소형 기구를 이용하여 기온을 측정하였으며, 기온 연직분포를 직접 측정함으로써 실제 하층 대기의 상태를 파악할 수 있고, 향후의 확산 시뮬레이션에서도 경계 조건으로 직접 사용할 수 있는 데이터를 확보할 수 있었다. 그러나 연직 기온 측정 시 바람에 따라 기구가 기울어지므로, 풍속이 비교적 일정한 시점에서의 기구가 기울어진 정도를 고려하여 기온이 측정된 높이를 보정하였다.
- 실험의 절차 및 방법은 대기오염공정시험방법을 따라 진행하였으며, 제한된 시간 내에 평가할 시료의 수가 많고 악취의 정도가 비교적 낮은 범위에서 세밀하게 구분하여야 할 필요가 있기 때문에 세부적인 절차는 일부 변경하였고 시도할 희석배수들은 2, 4, 6, 8, 10, 12, 15 등 2~5배 간격으로 조밀하게 변경하여 적용하였다.
- 또한 제조된 희석 공기 시료를 각 패널들에게 하나씩 제공할 경우, 상당한 시간이 소요되기 때문에 5 방 분배기를 제작하여 모든 패널들에게 일제히 공급 하고자 하였으며, 미리 제공한 무취공기와 비교하여 악취의 인지 여부를 평가하도록 하였다.
- 실험의 절차 및 방법은 대기오염공정시험방법을 따라 진행하였으며, 제한된 시간 내에 평가할 시료의 수가 많고 악취의 정도가 비교적 낮은 범위에서 세밀하게 구분하여야 할 필요가 있기 때문에 세부적인 절차는 일부 변경하였고 시도할 희석배수들은 2, 4, 6, 8, 10, 12, 15 등 2~5배 간격으로 조밀하게 변경하여 적용하였다. 악취도는 5명의 패널들을 대상으로 각 희석배수들로 제조된 희석공기를 평가하도록 하여 각 패널들의 냄새감지 한계 희석배수를 산정한 후, 이 중 최대값과 최소값을 제외한 나머지 세 값의 기하평균으로 계산하였다. 이렇게 산출된 악취 공기의 희석배수는 악취단위(OU, odor unit)로 표현 된다.
- 본 연구에서는 실험의 편리성을 위하여 김과 김 (2002), 정 등(2004)의 기존 사례와 대기오염공정시험방법 등을 참조하여 무취공기 제조기를 제작하였다. 무취공기는 활성탄과 실리카겔, 헤파필터 등을 통과 하여 생성되며, 장비 내의 모든 재질은 악취의 흡착을 최소화하기 위한 표면처리가 되어 있다.
- 연직 기온 측정용 소형 기구는 장애물이 적은 곳에서 약 30~50m 높이까지 띄우며, 높이별로 3~5개의 온습도 기록 센서(Hobo data logger, Onset computer corp., USA)를 매달아 측정하였다(Fig. 3).
- 현장 실험은 기상 환경의 측정과 악취 시료의 포집으로 나뉘어진다. 먼저 기상 측정은 간이형 기상대((Watchdog 2900ET, Spectrum Technologies Inc., USA)를 이용하여 1분 간격으로 온도, 습도, 일사, 풍향, 풍속 등을 측정하였다. 간이형 기상대는 설치 시 주변 장애물들에 의해 영향을 받지 않도록 해당 실험 지역에서 비교적 평탄한 곳에 설치하였다.
- 악취 시료의 포집은 축산 농가의 부지 경계로부터 포집이 가능한 최대거리까지 거리 별로 약 5~9개의 측정지점에서 포집하였으며, 측점 간의 이동이 편리하도록 농로 가에 포집 장비를 설치하였다. 타이머 기능이 가능한 소형 펌프(PCRX8, SKC Inc., USA)를 다수 이용하여 동시에 펌프가 작동되도록 설정하였고, 분당 약 5.5~6L의 유량으로 1분간 악취 공기를 흡입하여 6L의 테들러 백 (Tedlar bag, Japan)에 포집하였다. 소형 펌프와 테들러 백은 바람이나 주변의 영향으로부터 보호하기 위하여 보호 케이스 내에 보관하였으며, 펌프에 테플론 재질의 튜브를 연결하여 악취 공기의 흡입 높이를 지상 약 1m 높이로 상승시켰다(Fig.
- 4). 풍하측 부위에서 거리별 악취 포집 외에도 수직 악취 분포를 측정하기 위하여 악취가 감지되는 한 측정 지점 에서 1m, 2.4m, 4.3m의 세 높이에서 악취 공기를 포집하여 분석하였다. 악취도 분석은 시료의 포집 후약 24시간 내에 실험실에서 수행하였다.
- 3m의 세 높이에서 악취 공기를 포집하여 분석하였다. 악취도 분석은 시료의 포집 후약 24시간 내에 실험실에서 수행하였다. 또한 추가 적으로 악취 공기에 포함된 화학성분의 농도 분석을 위하여 풍하측의 거리별 4 지점에서 별도의 악취 시료를 포집하여 화학 분석을 실시하였다.
- 악취도 분석은 시료의 포집 후약 24시간 내에 실험실에서 수행하였다. 또한 추가 적으로 악취 공기에 포함된 화학성분의 농도 분석을 위하여 풍하측의 거리별 4 지점에서 별도의 악취 시료를 포집하여 화학 분석을 실시하였다. 화학 분석은 대표적인 악취 성분인 암모니아와 황화수소에 대하여 실시하였고, 각각 대기오염공정시험방법 상의 인도페놀법과 메틸렌블루법을 사용하였다.
- 화학 분석은 대표적인 악취 성분인 암모니아와 황화수소에 대하여 실시하였고, 각각 대기오염공정시험방법 상의 인도페놀법과 메틸렌블루법을 사용하였다. 각 반응 용액의 흡광도 측정은 UV 분광광도계(Helios Delta UV-Vis Spectrophotometer, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 사용하였다.
- 악취의 성분 분석을 위한 포집은 11월 16일 청양 지역(지역2)에서 실시하였다. 포집은 거리별로 4지점 에서 실시하였으며, 동시에 악취도 분석(실험7, 실험 8)을 실시하여 비교하였다. 당시의 기상은 실험이 진행되는 약 3~4시간 내내 평균 풍속이 약 0.
대상 데이터
- 또한 축산 악취와 같은 복합취의 악취도 평가를 위하여 공기희석 관능법을 사용하였다. 현장 실험은 2007년 4월부터 실험지역 선정을 위한 답사 및 장비 제작과 정을 거쳐 2007년 11월까지 수행되었다.
- 실험을 수행할 농장을 선정하는 과정은 매우 중요한 단계이므로 지형적 요건, 기상 환경적 요건, 사회적 요건 등을 고려하여 적합한 지역을 선정 하였다. 먼저 가장 중요하고 우선적으로 적용하여야 할 조건으로 일정한 기류가 형성되는 지역을 찾고자 하였다.
- 특히 골짜기 형태의 지형은 비교적 일정한 기류가 형성되므로 유효한 결과를 얻는데 용이할 것으로 판단되었다. 이외에도 농가의 협조가 원활한 곳, 주변에 다른 악취 발생원이 없는 곳, 풍하측의 실험환경이 용이한 곳, 충분한 정확도의 수치 지형정보를 확보할 수 있는 곳, 개발 및 자연재해에 의한 급격한 변화가 없는 곳 등의 요건을 적용하여 실험 지역을 선정 하였다.
- 본 연구에서는 두 지역의 농장을 실험 대상으로 선정하였으며, 각각 충청남도 예산군 광시면(지역1)과 충청남도 청양군 청양읍(지역2)에 위치하고 있다. 각 지역의 농장(원으로 표시)과 주변 지형은 Fig.
- 악취의 성분 분석을 위한 포집은 11월 16일 청양 지역(지역2)에서 실시하였다. 포집은 거리별로 4지점 에서 실시하였으며, 동시에 악취도 분석(실험7, 실험 8)을 실시하여 비교하였다.
이론/모형
- 대기 안정도는 악취의 전체적인 확산 경향을 결정 하는데 중요한 인자이므로, 본 연구에서는 현장에서의 대기 안정도를 정확히 추정하고자 하였다. 또한 축산 악취와 같은 복합취의 악취도 평가를 위하여 공기희석 관능법을 사용하였다. 현장 실험은 2007년 4월부터 실험지역 선정을 위한 답사 및 장비 제작과 정을 거쳐 2007년 11월까지 수행되었다.
- 축산악취는 대기 중의 일반 악취 성분과는 달리 수백 가지의 물질이 저농도로 상호작용하면서 발생하기 때문에 그 악취의 정도를 측정하고 정량화하기가 매우 어려운 특징이 있으므로 본 연구에서는 복합 취기물인 축산 악취의 악취도를 평가하기 위하여 관능 시험방법을 사용하였다. 그 중 여러 측정지점에서 동시적으로 악취도를 평가하기 위하여 악취 공기를 포집 후 평가하는 간접 공기희석 관능법을 적용하였다. 실험의 절차 및 방법은 대기오염공정시험방법을 따라 진행하였으며, 제한된 시간 내에 평가할 시료의 수가 많고 악취의 정도가 비교적 낮은 범위에서 세밀하게 구분하여야 할 필요가 있기 때문에 세부적인 절차는 일부 변경하였고 시도할 희석배수들은 2, 4, 6, 8, 10, 12, 15 등 2~5배 간격으로 조밀하게 변경하여 적용하였다.
- 3). 측정은 기상대와 동일하게 실험 기간 중 계속 측정하였으며, Seinfeld(1986)의 안정도 기준에 따라 안정도를 산정하였다. 악취 시료의 포집은 축산 농가의 부지 경계로부터 포집이 가능한 최대거리까지 거리 별로 약 5~9개의 측정지점에서 포집하였으며, 측점 간의 이동이 편리하도록 농로 가에 포집 장비를 설치하였다.
- 또한 추가 적으로 악취 공기에 포함된 화학성분의 농도 분석을 위하여 풍하측의 거리별 4 지점에서 별도의 악취 시료를 포집하여 화학 분석을 실시하였다. 화학 분석은 대표적인 악취 성분인 암모니아와 황화수소에 대하여 실시하였고, 각각 대기오염공정시험방법 상의 인도페놀법과 메틸렌블루법을 사용하였다. 각 반응 용액의 흡광도 측정은 UV 분광광도계(Helios Delta UV-Vis Spectrophotometer, Thermo Fisher Scientific Inc.
- 본 연구에서는 축산 시설로부터 발생되는 악취의 확산 현상을 모니터링하였다. 복합악취인 축산 악취를 여러 측점에서 동시적에 분석하기 위하여 공기희석 관능법을 이용하였다. 또한 확산 현상의 중요 인자인 대기의 안정도를 산정하기 위하여 지표면으로 부터 높이별 기온 분포를 측정하는 방법을 사용하였으며, 이는 향후의 시뮬레이션 연구 시 입력 경계조건으로 적용할 수 있는 장점이 있을 것이다.
성능/효과
- 특히 골짜기 형태의 지형은 비교적 일정한 기류가 형성되므로 유효한 결과를 얻는데 용이할 것으로 판단되었다.
- 이는 낮의 불안정한 대기 안정도에 의하여 수직적으로 확산이 크게 일어났기 때문이다. 또한 지형적으로도 약 150m 부근에서는 낭떠러지처럼 지형고도가 약 4m 정도 크게 감소하는데, 여기서 부력을 크게 받고 있는 악취 성분들이 지형을 따라 하강하지 못하기 때문에 지표 근처에서 측정된 악취도는 매우 급감하는 것으로 나타났다. 반대로 밤의 경우는 부지 경계에서는 약 12 OU 정도로 나타났지만, 풍하측 방향으로 완만하게 감소하는 것으로 나타났으며, 약 200m 이상의 지점들에서는 낮의 경우와 비교하여 훨씬 더 높은 악취도를 보였다.
- 또한 지형적으로도 약 150m 부근에서는 낭떠러지처럼 지형고도가 약 4m 정도 크게 감소하는데, 여기서 부력을 크게 받고 있는 악취 성분들이 지형을 따라 하강하지 못하기 때문에 지표 근처에서 측정된 악취도는 매우 급감하는 것으로 나타났다. 반대로 밤의 경우는 부지 경계에서는 약 12 OU 정도로 나타났지만, 풍하측 방향으로 완만하게 감소하는 것으로 나타났으며, 약 200m 이상의 지점들에서는 낮의 경우와 비교하여 훨씬 더 높은 악취도를 보였다. Fig.
- 측정시간은 17:25, 17:28, 19:08, 19:13 이었으며, 기상 환경은 실험 1~4와 크게 차이는 없었다. 이 연직 악취 분포에서도 볼 수 있듯이 주간에는은 수직적인 확산에 의하여 상층이 하층보다 높은 악취도를 보였으며, 야간에는 상층보다는 중하층에서 높은 악취도를 나타내었다. 10월 26의 실험에서는 앞선 기상 측정결과와 같이 풍 환경이 안정되어 있지 못했고, 풍향도 반대 방향의 빈도가 높았기 때문에 확산현상이 명확히 나타나지는 않았다.
- 0005ppm이다(환경부, 2007). 측정 결과에 따르면 암모니아는 거의 감지가 되지 않을 것으로 예상되나, 황화수소는 830m 지점을 제외하고는 감지가 될 것으로 예상된다. 비록 두 성분의 농도가 매우 낮게 나타났지만, 축산 악취의 특성 상 전체적인 물질들의 결합은 악취를 유발할 가능성이 충분히 크다.
- 풍하측에서 거리에 따른 악취도는 대체로 감소하는 경향을 보였으나, 부분적으로 변동이 큰 경우도 있었다. 기상 환경이 안정화된 상태에서 확산의 정도는 대기 안정도에 가장 큰 영향을 받았으며, 대기가 안정된 상태에서 더 멀리 확산되는 결과를 보였다. 지형적인 특성에 따라서도 악취도의 차이를 보였으며, 이는 예산 지역의 180m 지점이나 청양 지역의 150m 지점과 같이 지형에 따른 공기 유동의 변화가 악취 분포에 영향을 미치는 것으로 추정할 수 있었다.
- 지형적인 특성에 따라서도 악취도의 차이를 보였으며, 이는 예산 지역의 180m 지점이나 청양 지역의 150m 지점과 같이 지형에 따른 공기 유동의 변화가 악취 분포에 영향을 미치는 것으로 추정할 수 있었다. 빠른 풍속 하에서는 전반적으로 악취도가 낮았으며, 청양지역의 풍하측으로 200m 이상 떨어진 지점 에서 4~8 OU 정도의 악취도를 보였으나, 비교적 빠른 풍속에서는 4 OU 이하로 감소하였다.
후속연구
- 이에 최근 전산유체역학을 이용한 확산 모델링 연구가 진행되고 있으며, 다양한 지형과 비정상적인 환경 조건에 따른 공기의 유동 및 악취의 확산을 예측하고자 하는 시도가 이루어지고 있다(Li와 Guo, 2006, 2008). 그러나 외국과 달리 축산시설이 산재되어 있고 지형 조건이 복잡한 국내에 적용하기 위하여 더 많은 연구가 필요할 것이다.
- 본 연구의 최종 목적은 축산시설 지역과 인근 지역 간의 마찰 및 민원을 해결하기 위하여 다양한 기상조건에 따른 악취의 확산 현상을 정성적 및 정량 적으로 예측하는 공기유동학적 전산유체역학 모델을 개발하는데 있으며, 이에 앞서 본 연구에서는 현장 실험을 통하여 기상 조건 및 지형에 따른 축산 악취의 확산 데이터를 수집하였다. 이렇게 수집된 자료들은 향후 시뮬레이션 모델을 개발하고 검증하는데 사용될 것이며, 이를 이용하여 충분한 기초 자료가 확보된다면 웹 설계를 통한 민원대비용 악취확산 예경보시스템의 개발이 가능하며, 관련 정책수립이나 축산악취를 저감시키는 기술을 개발하는데 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 비록 두 성분의 농도가 매우 낮게 나타났지만, 축산 악취의 특성 상 전체적인 물질들의 결합은 악취를 유발할 가능성이 충분히 크다. 또한 이러한 분석 자료들은 향후에 시뮬레이션에서 악취 공기를 모델링하는 과정에서 악취 공기의 특성 값을 설계하는데 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
- 복합악취인 축산 악취를 여러 측점에서 동시적에 분석하기 위하여 공기희석 관능법을 이용하였다. 또한 확산 현상의 중요 인자인 대기의 안정도를 산정하기 위하여 지표면으로 부터 높이별 기온 분포를 측정하는 방법을 사용하였으며, 이는 향후의 시뮬레이션 연구 시 입력 경계조건으로 적용할 수 있는 장점이 있을 것이다.
- 이를 보완하기 위하여 반복 실험을 통하여 이를 보정할 필요가 있으며, 충분한 실험 자료가 확보된다면 악취의 빈도와 농도를 확률적 의미로 재해석하는 방안도 효과적일 것으로 사료된다.
- 이를 보완하기 위하여 반복 실험을 통하여 이를 보정할 필요가 있으며, 충분한 실험 자료가 확보된다면 악취의 빈도와 농도를 확률적 의미로 재해석하는 방안도 효과적일 것으로 사료된다. 본 연구에서는 공기유동학적 시뮬레이션을 통하여 이를 보완할 예정이며, 현장에서 얻어진 많은 데이터들은 전산유체역학 모델을 개발하고 검증하는데 사용될 것이다. 또한 이로부터 많은 현장실험의 한계를 극복하고 악취의 확산 현상과 메커니즘에 대하여 체계적이고 분석적으로 접근하는 것이 가능할 것이다.
- 본 연구에서는 공기유동학적 시뮬레이션을 통하여 이를 보완할 예정이며, 현장에서 얻어진 많은 데이터들은 전산유체역학 모델을 개발하고 검증하는데 사용될 것이다. 또한 이로부터 많은 현장실험의 한계를 극복하고 악취의 확산 현상과 메커니즘에 대하여 체계적이고 분석적으로 접근하는 것이 가능할 것이다.
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