휘발성유기화합물(VOCs)은 발암성과 유전독성을 내포한 물질들이 다수로 환경 및 건강 영향 측면에서 중요한 물질이다. VOCs는 우리 주변에 다양한 인위적 배출원이 존재하여 수용지역의 오염영향에 대한 관계 규명이 어렵다. 현재까지의 VOCs 관리는 법적규제에 의한 사업장 배출원 위주의 관리가 이루어지고 있으나, 수용체에 영향을 미치는 위해성 측면의 중요 오염원을 정량적으로 평가하고 제시하였을 시 규제관리의 설득력을 더욱 높일 수 있을 것이다.
본 논문은 석유화학 산업단지 주변지역의 바람 영향을 고려한 VOCs 오염원에 관한 연구이다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.
첫 번째로, 측정지점의 전반적인 VOCs 출현특성을 파악코자 개별 및 그룹별 VOCs의 농도분포를 분석하였고, 교통 영향 및 외부 유입 시기를 평가하였다. VOCs 측정은 석유화학 산업단지 주변 지점을 선정하여 발암성 물질이 다수 포함된 68종을 6개월 동안 측정하였다. 측정된 84개 자료를 평가한 결과, 80% 이상의 검출빈도를 보인 VOC는 7종, 50% 이상은 17종, 10% 미만은 33종이며, 불검출은 19종이다. 고농도를 보인 VOC는 formaldehyde 2.87 ppb, acetaldehyde 1.81 ppb, acetone 1.19 ppb 순으로 OVOCs 그룹의 성분들 농도가 높았다. 그룹별로는 OVOCs의 기여도가 52.1 %(24.9 ㎍/㎥)로 가장 높았고, aromatics 그룹 27.1%(12.9 ㎍/㎥), halogenated 그룹 11.0%(5.2 ㎍/㎥), alkanes 그룹 9.5 %(4.5 ㎍/㎥), 그 외 그룹은 0.4%(0.2 ㎍/㎥)이다. 각 VOC 그룹과 TVOC와의 회귀분석 결과(R2 0.478∼0.584)에서 특정 그룹의 농도 증가가 TVOC 농도 증가에 절대적인 영향을 나타내지는 않았다. 교통(traffic) 영향 정도 및 외부 유입이 높은 시기를 추정하고자 진단비(diagnostic ratios)인 toluene/benzene 및 xylene/benzene의 비율을 활용하였고, 교통영향은 평균 29.8%, 외부 유입이 높은 시기는 7월로 나타났다.
두 번째로, 바람영향(풍향, 풍속)에 의한 VOC 농도변동을 평가할 수 있는 자료처리 방법을 제시하였고, 풍속으로 농도변동을 예측할 수 있는 회귀모형을 도출하였다.
바람영향에 의한 VOC 농도변동의 신뢰성 있는 평가를 위해서, VOC 측정 기준시간 보다 짧은 바람측정 기준시간에 VOC 측정값을 동일하게 할당하여 평가하는 자료처리 방법을 제시하였다. 본 연구의 VOC 측정 기준시간은 1시간이고, 바람측정 기준시간은 1분이다. 따라서 1시간 기준의 VOC 측정값 84개를 1분 기준의 바람 측정값 5,040개에 동일하게 할당하여 풍속 및 풍향 구간별로 평가하였다. 풍속 평가결과에서 본 연구의 측정지점은 풍속이 빠른 영역에 속할수록 VOC 농도가 감소하는 지점임을 입증하였다(t-test, p<0.01). 또한 풍속과 VOC 농도간의 회귀분석에서 결정계수(R2)가 1시간 기준 0.0806에서 1분 기준 0.8404로 증가하여, 풍속으로 농도변동을 예측할 수 있는 신뢰성이 높은 회귀모형이 도출되었다.
추가로 본 연구에서 제시한 자료처리 방법을 통한 회귀모형 도출이 다른 지역 측정자료를 통해서도 가능한지 검토코자, 여수와 광양지역 PAMS 측정자료와 울산 온산공단의 측정자료를 활용하여 농도와 풍속간의 회귀분석을 수행하였다. PAMS 자료에서는 풍속과 농도가 음의 상관관계로서 회귀식의 결정계수(R2)가 여수 0.8260, 광양 0.6957로 평가되었고, 울산 온산공단은 양의 상관관계로서 회귀식의 결정계수(R2)가 0.7242로 평가되었다. 따라서 본 연구의 방법은 풍속에 의한 VOC 농도가 감소하는 지역과 증가하는 지역을 파악할 수 있고, 풍속과 VOC 농도간의 회귀식을 이용하여 측정되지 않은 시기의 상대적인 농도 크기를 예측할 수 있는 적절한 방법이라 판단된다.
풍향을 고려한 풍속별 평가에서는 북서방향 풍향일 때 결정계수(R2)가 0.7028로 다른 풍향의 결정계수(0.0579∼0.5898)에 비해 가장 높아, 오염원의 위치를 특정할 수 있는 가장 신뢰할 만한 방향으로 평가되었다.
세 번째로, VOCs 오염원을 5개로 추정하고, 이중 배출량 자료가 있는 석유화학산업 오염원은 측정지점 영향의 배출 영향범위를 설정하여 범위 내 업종으로 오염원을 세분류하였으며, 바람 영향을 고려하여 오염원의 농도가 높은 풍속과 시기를 제시하였다.
VOCs 오염원의 추정 및 기여도 평가를 위해 PMF 모델을 수행하였다. 추정된 5개 오염원은 교통관련 오염원 29.6 %(9.32 µg/㎥), 배경농도+유기용매(2) 26.3%(8.26 µg/㎥), 석유화학산업 22.4%(7.05 µg/㎥), 유기용매(3) 12.5%(3.94 µg/㎥), 유기용매(1) 9.2%(2.88 µg/㎥)이다. 이중 석유화학산업 오염원은 업종으로 오염원을 세분류하기 위해, ethylbenzene/benzene(Ebz/Bz)의 질량농도 비와 배출량 비를 활용하였다. PMF로 추정된 석유화학산업 오염원의 Ebz/Bz 질량농도 비는 1.9이고, 질량농도 비에 근사한 배출량 비(2.1)가 나타나는 영향범위는 5 km 내로 추정되었다. 5 km 영향범위 내 배출량 자료가 존재하는 benzene, ethylbenzne, dichloromethane, styrene의 4개 VOC를 11개 업종의 오염원으로 세분류하였다.
바람영향 고려 시 2 m/s 미만 풍속에서 전체 오염원의 농도가 평균풍속(3.6 m/s) 대비 약 24% 증가하였다. 각 오염원들의 풍속과의 회귀분석에서 석유화학산업, 배경농도+유기용매(2), 유기용매(1)의 3개 오염원의 결정계수(R2)가 각 0.8891, 0.7469, 0.7252로서 비교적 높았다. 3개 오염원의 회귀식에 2021년도의 연간 풍속자료를 적용하여 오염원의 농도를 평가한 결과, 상대적으로 오염원 농도가 높은 시기는 6월과 10월이고, 낮은 시기는 2월과 9월로 예측되였다. 특히, 석유화학산업 오염원의 회귀식의 결정계수(R2)가 0.8891로 가장 양호하여, 본 연구에서 제안된 회귀모형은 산업단지와 같은 고정오염원에 의한 VOC 영향이 높은 지역에 적합한 방법이라 판단된다.
네 번째로, 5개 오염원의 관리 우선순위를 선별코자, 오염원의 건강 위해성 평가를 수행하였고, 바람영향을 고려하여 오염원의 위해도가 높은 풍향 및 풍속, 계절을 제시하였다.
교통관련 오염원은 발암 위해도가 5.8E-06로 가장 높았고, 배경농도+유기용매(1) 2.1E-06, 석유화학산업 9.1E-07, 유기용매(3) 4.1E-07, 유기용매(1) 1.2E-07의 순으로 산정되었다. 바람 영향 고려 시 위해도가 높은 풍향은 북동풍, 동풍, 남동풍, 남풍, 남남서풍이고, 풍속은 2 m/s 미만으로 나타났다. 또한, 계절별 위해도를 평가하기 위해 오염원의 연간 예측 농도로 위해도를 산정하였다. 위해도는 여름철이 가장 높고, 겨울철이 가장 낮은 시기로 평가되었다. 종합적으로 가장 우선적으로 관리가 필요한 오염원은 교통관련 오염원이며, 바람은 2 m/s 미만 풍속에서의 북동풍, 동풍, 남동풍, 남풍, 남남서풍의 풍향이고, 가장 집중적으로 오염원을 관리해야 할 시기는 여름철로 판단할 수 있다.
마지막으로 VOCs 오염원의 관리 우선순위 선별 방법을 제시하였다. 수용체 지점에서 VOCs를 측정하여 오염 대기의 유입 특성을 파악하고, 오염원의 추정 및 기여도를 평가한 후, 추정된 오염원들에 대한 위해성 평가를 수행하여 관리 우선순위를 선별하였다. 또한, 풍속과 농도간의 회귀모형을 도출하여 오염원의 농도와 위해도가 더 높은 시기를 예측하였다. 특히, 본 연구의 오염원 농도 예측방법은 산업단지 오염원의 농도변동 예측 결과에서 가장 높은 신뢰성을 보여, 지속적인 오염물질을 배출하는 고정오염원이 존재하는 지역에 더 적합한 방법으로 판단된다.

Volatile organic compounds (VOCs) contain a large number of substances that include cancerogenic and genetic toxicity, which is the principal substance in terms of the impacts on environment and health. As the VOCs exist in the surroundings where diverse anthropogenic sources are omnipresent, it is intricate to prove certain relations with the influence of the contamination in the applicable areas. Although the current control of the VOCs has focused on controlling the emission sources in plants under the legal regulation, when some research evaluates and reveals the critical contamination sources with the quantitative analysis in terms of health risk that influences receptors, the restrictive control should be more convincing and sustainable.
This thesis is the research that a study on the VOCs source and wind effects in the vicinity of petrochemical industrial complex. The primary research results are as follows.
Firstly, to find out the overall features of the VOCs appearance at the measuring site, this thesis analyzed the distribution of the concentration for individual and by-group VOCs, and evaluated the traffic effects & the inflow period from outside. For the VOCs measurement, the paper has selected the site in the surroundings of the petrochemical industrial complexes and measured 68 kinds which include a wide variety of the harmful carcinogenic substances in great quantities, over 6 months. In the meaningful findings that evaluated 84 of the measured data, there were 7 VOCs for the detection frequency of more than 80%, 17 VOCs for more than 50%, 33 kinds for less than 10%, and 19 VOCs for none. Moreover, formaldehyde 2.87 ppb, acetaldehyde 1.81 ppb, and acetone 1.19 ppb showed the high concentration of the OVOCs group in the descending order. For the by-group contribution, OVOCs was 52.1%(24.9 ㎍/㎥), which is the highest one, aromatics group was 27.1%(12.9 ㎍/㎥), halogenated group was 11.0%(5.2 ㎍/㎥), alkanes group was 9.5%(4.5 ㎍/㎥), and the group for others was 0.4%(0.2 ㎍/㎥). In the regression analysis between each VOC group and TVOC (R2 0.478∼0.584), it is evidently revealed that an increase in concentration of a particular group does not affect an increase in TVOC concentration from a perspective of the absolute effect.
To estimate the period in which the traffic effects & the inflow from outside are high, the paper employed toluene/benzene & xylene/benzene ratio, which is the diagnostic ratios, and the traffic effect was 29.8% on average and the period of the high inflow from outside was none other than July.
Secondly, this paper presented data processing method to evaluate a change in VOC concentration under the varying wind directions and speed, and derived the regression model that can predict the change in concentration from the varying wind speed.
In order to reliably evaluate the change in VOC concentration by wind effect, a data processing method was presented to evaluate the VOC measurement by equally allocating the VOC measurement value to the wind measurement standard time shorter than the VOC measurement standard time. The standard time for VOC measurement in this study is 1 hour, and the standard time for wind measurement is 1 minute. Therefore, 84 VOC measurements based on 1 hour were equally assigned to 5,040 wind measurements based on 1 minute, and the wind speed and wind direction were evaluated for each section. From the wind speed evaluation results, it was proved that the measurement point of this study is the point where the VOC concentration decreases as the wind speed is faster (t-test, p<0.01). In addition, in the regression analysis between wind speed and VOC concentration, the coefficient of determination (R2) increased from 0.0806 per hour to 0.8404 per minute, resulting in a highly reliable regression model that can predict concentration fluctuations with wind speed.
In addition, in order to examine whether it is possible to derive a regression model through the data processing method presented in this study through measurement data in other regions, a regression analysis between concentration and wind speed was performed using PAMS measurement data in Yeosu and Gwangyang and measurement data in the Onsan Industrial Complex in Ulsan. it was evaluated that the wind speed and concentration were the negative correlation, and the coefficient of determination (R2) were 0.826 and 0.6957 respectively in the data collected from the Yeosoo & Kwangyang PAMS stations. It was evaluated that the measured data gained in Onsan industrial complex in Woolsan resulted in a positive correlation, and the coefficient of determination (R2) from the regression equation was 0.7242. It is, therefore, viable to pinpoint the locations where the VOC concentration decreases or increases according to the wind speed, and the research can predict the amount of the relative concentration during the period that has never been measured, by using the regression equation between the wind speed and the VOC concentration.
In the evaluation by wind speed considering the wind direction, when the northwesterly wind direction was the highest one as the coefficient of determination (R2) was 0.7028, it is by far the most reliable direction that can identify the locations of the VOC contamination source.
Thirdly, this paper estimates the 5 VOCs contamination sources. For the petrochemical industrial complex that provided the data of the emission amount, it set the range of the emission effects, and then subdivided into detailed contamination sources by business categories, and rendered the wind speed and periods of the high concentration in the contamination sources, depending on the wind effects.
To evaluate the estimation and contribution of the VOCs contamination sources, the paper implemented the PMF model. The estimated 5 contamination sources were 29.6 %(9.32 µg/㎥) for traffic-related source, 26.3%(8.26 µg/㎥) for background concentration+organicsolvent (2), 22.4%(7.05 µg/㎥) for the petrochemical industry, 12.5%(3.94 µg/㎥) for organic solvent (3), and 9.2%(2.88 µg/㎥) for organic solvent (1). Among these, For the petrochemical industry source, the mass concentration ratio and emission ratio of ethylbenzene/benzene (Ebz/Bz) were used to classify VOC sources by business categories. The Ebz/Bz mass concentration ratio of the petrochemical industry source estimated by PMF is 1.9, and the range effected where the emission ratio (2.1) close to the mass concentration ratio appears is estimated to be within 5 km. 4 VOCs(benzene, ethylbenzne, dichloromethane, and styrene) for which emission data exist within a 5 km area of influence, were classified into 11 business categories of source.
Considering the wind effects, under the wind speed of less than 2 m/s, the concentration of the entire contamination sources increased by about 24%, compared to the average wind speed. In the regression analysis with the wind speed of each contamination source, the coefficient of determination (R2 0.8891, 0.7469, 0.7252 each) of the 3 contamination sources which consist of the petrochemical industry, the background concentration+organicsolvent (2), and organic solvent (1) was high. Having applied the yearly wind speed of 2021 to the regression equation of the 3 contamination sources, the paper predicted that June and October would be the periods in which the concentration of the contamination source would be high, and February and September would be the periods in which the concentration of the contamination source would be relatively low. In particular, the coefficient of determination (R2 0.8891) of the regression equation of the petrochemical industrial contamination sources was the most favorable one, and therefore, The regression model proposed in this study is apposite in that it provides the accurate data from the zones of the high VOC influence by the stationary sources like the industrial complexes.
Fourthly, to select the salient control priority of the major 5 contamination sources, this paper performed the estimation of the health risk at the contamination sources and set forth the direction and speed of the wind and the seasons in which the health risk of the contamination sources was perilous, which has considered the wind effects.
The contamination source of the most hazardous health risk was the traffic-related source 5.8E-06, and then followed by the background concentration+organic solvent (1) 2.1E-06, the petrochemical industry 9.1E-07, the organic solvent (3) 4.1E-07, and the organic solvent (1) 1.2E-07 in the descending order. Taking into account the wind effects, it provided the wind directions of the hazardous health risk, including northeasterly wind, east wind, southeasterly wind, south wind, south southwesterly wind, and the wind speed less than 2 m/s. With the concentration of the yearly contamination sources developed from the regression equation between the wind speed and the concentration of the contamination sources, the paper estimated the by-season health risk. As a result, for the health risk, the summer was the most hazardous season and the winter was the safest season. Accordingly, it is unambiguously uncovered that the contamination source that requires the control first and foremost is the traffic-related source, the wind directions are northeasterly wind, east wind, southeasterly wind, south wind, and south southwesterly wind at wind speed of less than 2 m/s, and the season in which the contamination sources require the control under the intensive attention is the summer.
Finally, this paper summarized and specified the selection approach of the VOCs contamination sources. At the receptor sites, this research measured the VOCs, sought the inflow features of the contaminated air, evaluated the contribution & estimation of the contamination source, carried out the evaluation of the health risk for the estimated contamination source, and selected a priority list for the thorough control. In addition, it formed the regression model between the wind speed and the concentration, and then predicted the periods in which the concentration and the health risk of the contamination sources were more hazardous. To be specific, it is likewise identified that the prediction approach of the concentration at the contamination sources in this research is far and away the most trustworthy one in the predicted outcome of the changes in concentration of the contamination sources in the industrial complexes, and therefore it is a more momentous and pertinent method at the locations where the stationary sources that unremittingly emit the contaminated substances, exist.