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http://dx.doi.org/10.15250/joie.2014.13.1.20 ISSN 2288-923X (Online)

Passive sampler를 이용한 하수처리시설에서 공정별 악취배출특성의 조사 연구

김한수·이석준·이용정·김선태*

대전대학교 환경공학과

The survey on odor emission characteristics in a sewage treatment plant by using passive samplers

Han-Soo Kim · Suk-Jun Lee · Yong-Jeong Lee · Sun-Tae Kim*

Department of Environmental Engineering, Daejeon University

(Received 28 December, 2013; Revised 14 March, 2014; Accepted 17 March, 2014) Abstract

This research is carried out to investigate the odor emission characteristics in a sewage treatment plant. The plant was divided into four areas (boundary areas, sewage treatment processes, sludge treatment processes and odor treatment plants), and measured around 27 sampling points. Odor characteristics from each areas were evaluated by air dilution olfactory method and NH3/SO2/VOCs passive sampler, mainly in terms of spatial distribution. The main odor emission sources were found out to be dewatering plant (S-4) of sludge, sludge transshipment place(S- 5), and the outlet of odor treatment plant (B-2, B-3). The correlation between dilution number (OU) and ammonia concentration of passive sampler appeared to be low; correlation coefficient 0.49, but correlation coefficient for the results of sulfur dioxide and toluene were very high, 0.95 and 0.93, respectively. These results indicate that odor compounds form sewage treatment facility are mainly due to sulfur compounds and volatile organic compounds.

Keywords : Odor, Sewage treatment facility, Passive sampler, Air dilution olfactory method

1. 서 론

최근 들어 국민의 삶의 질 향상에 따른 쾌적한 환경 에 대한 요구가 증대됨에 따라 악취관련 민원이 2001년 2,760건에서 2010년에는 7,247건으로 급증하고 있으며, 지방자치단체에서 운영 중인 환경기초시설에 대한 악취 민원도 2010년 176건으로 전년도 대비 15% (Ministry of Environment, 2012B) 증가하고 있는 추세이다.

일반적인 하수처리시설에서는 하수처리과정과 슬러 지처리과정에서 NH3, H2S, DMS, MeSH 등 여러 종류 의 악취물질을 배출시키고 있으며, 이로 인하여 하수처 리시설은 혐오시설의 하나로 인식되고 있다. 특히, 도시

지역의 주요 악취배출원으로 지목받는 환경기초시설 중 하수처리시설의 경우는 인근에 대규모 주거지역 및 공 공시설이 입지하고 있어 주변으로의 악취영향이 클 것 으로 예상되며 악취 민원의 대상이 되고 있다(Kim et al., 2006). 이러한 이유로 하수처리시설의 포기조를 제 외한 대부분의 악취유발시설을 덮개를 씌우고 배관을 통해 악취가스를 한 곳으로 이송 및 수집하여 생물여과 및 토양탈취방법 등의 미생물에 의한 처리방법으로 악 취방지시설을 운영하고 있으나, 악취방지법에서 규정한 악취물질의 제어만으로 주변 주민의 불편을 해소하기는 어려운 실정이다(Lee et al., 2009; Lee et al., 2012).

대규모 주거지역과 인접한 하수처리시설의 공정별 복합악취 농도를 조사한 Ko et al.(2012)의 연구결과에 서 슬러지 농축조가 5,291 OU/m3, 슬러지 저류조가 2,866 OU/m3, 최초침전지가 2,355 OU/m3, 슬러지 탈수

*Corresponding author

Tel : +82-42-280-2534 E-mail : [email protected]

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기동 1,829 OU/m3순으로 나타나 슬러지처리시설이 다른 공정에 비해 높은 농도의 악취가 발생되는 것으 로 조사되었다.

이러한 이유로 Seo et al.(2013)은 하수처리시설의 공정별 악취성분이 외부로의 확산을 최소화하기 위한 방법으로 개별 공정별 밀폐를 통한 악취포집설비의 설 치/운영의 필요성을 강조하고 있으며, 2011년 02월 개 정된 악취방지법으로 공공환경시설을 대상으로 기술진 단을 받도록 규정하고 있고 최근 도시지역에 위치하고 있는 대부분의 하수처리시설에선 악취물질이 다량으로 배출되는 공정에 대해 별도의 밀폐 및 악취포집설비를 갖추고 있는 실정이다.

한편, 하수처리시설에서 발생되는 악취 특성에 대한 연구는 많은 연구자에 의해 수행되고 있으며, 국내에서 도 표준활성슬러지법에 의해 운전되는 하수처리장에서 침사지 및 농축조 등의 악취농도 조사, 하수처리공법에 따른 악취물질 배출특성 연구, 하수처리장에서 발생하 는 악취발생 현황 조사 및 슬러지처리시설에서 배출되 는 악취성분에 관한 연구 등 다양한 연구가 진행되었 으나, 하수처리시설의 개별 공정/시설을 대상으로 한 사례 연구가 대부분으로 그 연구결과가 제한적이며 하 수처리시설 전반에 관한 공간적인 악취 분포 특성에 대한 평가는 쉽지 않은 과제로 인식되어 왔다.

이에 본 연구에서는 서울소재 T하수처리시설의 악 취 성분의 공간분포특성을 고찰하기 위하여 하수처리 시설을 수처리계통(침전지, 반응조 등), 슬러지계통, 악 취방지시설부 및 부지경계부로 나누어 악취를 측정하 였다. 악취는 공기희석관능법에 의한 복합악취와 pas- sive sampler를 활용하여 NH3, SO2(H2S) 및 VOCs를 측정하였으며, 그 결과를 토대로 악취성분별 공간분포 특성에 관해 해석하고자 하였다.

2. 시료채취 및 분석 방법

2.1 연구대상 하수처리시설

본 연구대상 하수처리시설은 서울소재로 주거지역과 인접한 환경기초시설이며, 표준활성슬러지법에 의해 하루 490,000 m3과 410,000 m3을 처리할 수 있는 2개 의 처리장으로 구성되어 있다. 고도처리시설을 포함한 생물반응조, 유입부, 소화조 등으로 구성된 제1처리장 과 제2처리장으로 구분되며 슬러지처리계통과 악취방 지시설은 하나의 통합시스템으로 구성되어 있는 시설 이다. 또한 본 연구대상 하수처리시설은 하수처리과정 에서 발생되는 악취를 근원적으로 저감하기 위해 2012 년도에 약품(과산화수소) 및 미생물탈취제 투입을 통

한 악취저감시설을 구축하였고 하수처리시설 전체에 대한 밀폐 및 포집에 의한 악취확산방지를 위한 악취 저감시설을 설치·운영 중에 있다.

2.2 측정지점 및 항목

하수처리시설 전반에 관한 악취공간분포 특성을 고 찰하기 위하여 Table 1처럼 부지경계지역 8개, 수처리 계통 측정지점 8개, 슬러지처리계통 측정지점 8개 및 악취방지시설 배출구 3개 지점 등의 27개 측정지점에 대해서 복합악취 및 개별 악취성분에 대해서 측정을 진행하였다. 세부적인 공정별 악취 측정지점은 Fig. 1 에 나타내었고, 부지경계지역의 측정지점은 하수처리 시설과 인접한 주거지역의 경계부 8개 지점을 선정하 였다. 또한 수처리계통은 제1처리장과 제2처리장으로 구분하여 생물반응조와 2차침전지 주변지역에 8개의 측정지점을 선정하였고, 수처리과정에서 발생된 슬러 지를 처리하기 위한 소화조, 농축조, 탈수기동 및 슬러 지저장시설 등 슬러지처리계통의 8개 측정지점, 악취

Table 1. Sampling sites of odor samples in a sewage treatment facility

Sampling sites Number

Boundary area Boundary area (fence line)

PL-1 PL-2 PL-3 PL-4 PL-5 PL-6 PL-7 PL-8

Inside facility

1st sewage treatment plant 1-1 1-2 1-3 1-4

2nd sewage treatment plant 2-1 2-2 2-3 2-4

Sludge treatment plant

S-1 S-2 S-3 S-4 S-5 S-6 S-7 S-8 Odor treatment plant

B-1 B-2 B-3

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방지시설 배출구 3개 지점을 선정하였으며 개별 측정 지점에서 복합악취 농도평가와 passive sampler를 활용 하여 NH3, SO2(H2S) 및 VOCs 등을 측정하였다. 그리 고 본 연구에서는 H2S의 공간분포를 간접적으로 파악 하기 위한 목적으로 부득이 하게 SO2 passive sampler 를 활용하였다.

2.3 측정 및 분석방법

복합악취을 위한 공기시료의 채취는 펌프가 내장된 진공흡인상자로 약 10 l 테들러백에 시료를 채취하였다.

현장의 공기시료 채취 전에는 고순도 질소(99.999%)로 3회 이상 세척한 후 냄새와 파손여부를 확인하였으며, 현장 공기시료로 1회 세척한 후에 최종 측정지점별 시 료를 채취하였다.

NH3측정을 위한 passive sampler는 인산(H2PO4) 흡 수액이 함침된 여지를 뱃지형의 passive sampler로 제 작하여 24시간 동안 현장 측정지점에서 노출시키고, 이후 NH3 가스와 반응한 흡수여지에 발색시약(페놀 + 차아염소산나트륨)을 반응시켜 NH3노출농도에 따른 발색의 정도를 UV/VIS spectrophotometer로 측정하여 NH3농도를 산정하였다. 또한 H2S 농도 측정을 위한

대체 방법으로 SO2 passive sampler를 제작하였으며, 공기 중의 SO2와 반응하는 탄산나트륨(Na2CO3) 흡수 액이 함침된 여지를 과산화수소로 용출시켜 IC로 농도 를 정량하는 방법을 적용하였다. 마지막으로 공기 중의 VOCs 측정을 위해 활성탄소섬유로 구성된 3M VOC passive sampler로 24시간 현장의 악취성분을 흡착시키 고 이를 이황화탄소(CS2)로 용출하여 GC-FID로 분석 하여 개별 VOCs의 농도를 정량하는 방법으로 악취성 분을 측정하였다.

또한 하수처리시설의 다양한 측정지점에 passive sampler를 Fig. 1의 현장설치 사진처럼 고정용 고리에 실험실에서 제작되어 밀폐된 passive sampler의 커버를 제거하고 공기가 유입되는 부분을 아래로 유지하도록 설치하며, 자연확산에 의해 24시간 동안 현장에 존재 하는 악취성분을 채취하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 하수처리시설에서의 악취공간분포 특성

부지경계, 수처리계통, 슬러지처리계통 및 악취방지 시설 등으로 구분된 하수처리시설의 27 측정지점에서

Fig. 1. Spatial distribution of sampling sites of odor gas in a sewage treatment facilities.

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채취한 공기시료를 “악취공정시험법”에서 규정하고 있 는 복합악취평가방법으로 개별 시료에 대한 희석배수 를 산출하였고, 이에 대한 개별 측정지점의 측정결과를 지도상에 공간분포의 형태로 Fig. 3처럼 나타내었다.

복합악취농도에 대한 측정결과를 공간분포의 형태로 살펴보면, 악취방지시설의 배출구 지점인 B-2와 B-3지 점에서 상대적으로 높은 400~600 OU의 결과로 조사 되었고 슬러지농축기동(S-3, S-6 지점), 슬러지탈수기 동(S-4) 및 슬러지적환장(S-5) 지점이 100~300 OU의 비교적 강한 악취를 배출하고 있음을 확인할 수 있었 다. 그러나 주거지역과 인접한 부지경계 측정지점은 환 경기준(부지경계-배출허용기준)인 15 OU 이하로 측정 되어 하수처리시설에 의한 악취확산 현상은 미미하며, 복합악취농도에 대한 공간분포에서 하수처리시설에서 의 복합악취농도는 주로 슬러지처리계통 및 악취방지 시설 배출구 지점이 주요 악취배출원으로 파악되었다.

특히 100~300 OU의 높은 복합악취농도로 측정된 슬 러지처리계통의 측정지점은 대부분 내부시설에 해당되 므로 향후 출입문, 환기구 등을 통해 외부로 확산될 수 있는 가능성이 높을 것으로 예상되었다.

Fig. 4는 대기 중에 존재하는 악취성분을 선택적으로

흡수/흡착할 수 있도록 고안된 NH3 passive sampler에 의해 측정되어진 하수처리시설의 NH3농도 공간분포 결과를 나타내고 있으며, 펌프 및 유량측정장치와 같은 부수적인 설비와 전원이 필요하지 않은 이유로 Fig. 2 처럼 동시에 27개 현장 측정지점에 노출(24시간)시키 는 방식으로 passive sampler를 설치하였다. 부지경계 측정지점의 경우는 10~20 ppb의 낮은 NH3농도 측정 결과를 확인할 수 있었으며, 악취방지시설의 배출구 측 정지점(B-2, B-3)에서는 140~240 ppb 수준으로 슬러지 처리계통을 제외한 다른 측정지점보다는 높은 결과를 보였으나, 탈수기동(S-4) 및 슬러지적환장(S-5)은 약 800 ppb 수준으로 측정되었다. 하수처리시설에 대한 NH3 농도 공간분포 특성에서도 복합악취농도 분포와 같이 전반적으로 악취방지시설과 슬러지처리계통의 내 부시설에서 악취성분이 배출되는 특성을 보여주고 있 었다.

또한 황화합물에 대한 농도를 측정하기 위해 SO2성 분을 선택적으로 흡수 및 흡착할 수 있는 SO2 passive sampler를 동일한 방법으로 27개 측정지점에 설치하고 24시간 동안 현장에 노출시킨 결과를 Fig. 5에 나타내 었다. 복합악취 및 NH3농도 공간분포 결과에서처럼 Fig. 2. Passive sampler for odor measurement and the photo of passive samplers installed at the plant.

Fig. 3. Characteristics of spatial distribution of odor concentration (OU) in the sewage treatment facility.

Fig. 4. Characteristics of spatial distribution of ammonia concentration (ppb) in the sewage treatment facility.

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SO2농도도 악취방지시설의 배출구 측정지점(B-2, B- 3)에서 상대적으로 높은 약 250 ppb 수준으로 측정되 어 악취방지시설의 배출구가 주요한 배출원으로 확인 되었다. 특히 공간분포 특성의 결과만으로 슬러지처리 계통(S-4, S-5) 측정지점은 주로 NH3성분이 높게 측 정되며, 악취방지설의 배출구 측정지점은 SO2등의 황 성분이 높게 측정되는 차이를 확인할 수 있었으며, 복 합악취농도가 높았던 악취방지시설의 배출구 측정지점 은 배출되는 악취성분 중에서 황성분이 공기희석관능 평가에 큰 영향을 미칠 것으로 추정할 수 있었다.

VOCs passive sampler에 의해 측정되어지는 성분은 Toluene, Benzene, Ethylbenzene, m,p-Xylene, Sty- rene(Chlorobenzene, o-Xylene, Dichlorobenzene 류 등 은 검출한계 이하로 측정되어 결과해석에서 제외) 등 이지만 주로 본 연구에서는 Toluene 성분이 검출되어 Toluene을 VOCs의 대표물질로 선정하고 하수처리시 설에 대한 농도 공간분포 특성을 Fig. 6에 나타내었다.

Toluene의 농도 공간분포 특성 결과에서도 슬러지처리 계통 중에서 탈수기동(S-4)와 슬러지적환장(S-5) 측정 지점, 악취방지시설의 배출구 측정지점(B-2, B-3)이 약 100 ppb 이상으로 다른 측정지점에 비해서 매우 높게 측정되었다.

따라서 하수처리시설 공정별 악취성분의 배출특성을 고찰한 본 연구에서 공기희석관능법에 의한 복합악취 농도와 passive sampler에 의한 NH3, SO2, Toluene 등 의 결과를 공간분포로 특성을 분석하니 쉽게 하수처리 시설 전반에 대한 배출특성을 확인할 수 있었으며, Jeon et al.(2010) 및 Nam et al.(2010) 등의 연구에서처 럼 슬러지처리계통과 악취방지시설의 배출구 부분에서 악취배출의 주요 배출원으로 추정할 수 있었다.

3.2 하수처리시설 공정별 악취성분의 배출패턴 고찰 하수처리시설의 공정별 악취측정결과를 기초로 주요 악취배출원으로 추정된 슬러지처리계통의 농축기동(S- 3, S-6), 탈수기동(S-4), 슬러지적환장(S-5) 측정지점과 악취방지시설의 배출구 측정지점(B-2, B-3)의 복합악 취농도, NH3, SO2, Toluene, Ethylbenzene, m,p-Xylene 성분에 대한 방사형 패턴그래프를 분석해 보았다. Fig.

7에서처럼 공정별 유사한 악취성분의 배출패턴을 확인 할 수 있었고, 대분류로 같은 슬러지처리계통이라도 공 정별 악취성분의 배출특성이 다름을 보여주고 있다. 특 히 농축기동(S-3, S-6) 측정지점의 경우는 복합악취농 도가 상대적으로 높게 측정되어 복합악취농도에 기여 한 악취성분이 본 연구에서 측정되지 않은 성분이거나 여러 악취성분이 존재하는 혼합 악취성분의 특성을 유 추할 수 있을 것이다. 또한 탈수기동(S-4)과 슬러지적 환장(S-5) 측정지점은 다른 악취성분에 비해 NH3성분 이 월등히 많이 배출되고 있는 특성의 패턴결과를 보 여주고 있으며, 악취방지시설의 배출구에서는 NH3 및 Toluene 성분이 주로 배출되는 특성을 간단한 패턴분 석으로 확인할 수 있었으며, 공정별 악취배출특성을 비 교하는 방법으로 향후 방사형 패턴그래프의 활용이 가 능할 것으로 판단된다.

또한 Weber-Fechner 식에 의해 일본환경청산하 위생 센터에서 측정한 악취물질의 농도(X, ppm)와 냄새세 기(Y)를 나타낸 관계식에서 악취유발물질의 대기 중에 서 확산가능성을 나타내는 H2S, NH3및 Toluene 성분 에 대한 기울기가 각각 0.95(Y = 0.950 log(X) + 4.14), 1.67(Y = 1.670 log(X) + 2.38) 및 1.40(Y = 1.400 log(X) + 1.05)으로 보고하고 있어, 상대적으로 H2S 성분이 공 기 중에서 쉽게 희석되지 않고 주변지역에 악취를 유 Fig. 5. Characteristics of spatial distribution of sulfur

dioxide concentration (ppb) in the sewage treatment facility.

Fig. 6. Characteristics of spatial distribution of toluene concentration (ppb) in the sewage treatment facility.

(6)

발할 가능성이 큼을 보여주고 있다. 비록 본 연구조사 의 하수처리시설에서는 주로 NH3와 Toluene 성분들로 나타나고 있지만, 미량의 황화물질에 의한 악취확산도 충분한 가능성이 있을 것으로 사료된다.

3.3 복합악취농도와 passive sampler 측정결과의 상관성 고찰

Fig. 8는 하수처리시설 공정별 NH3농도 측정결과와 복합악취농도와의 상관성 고찰을 위하여 분석한 결과 그래프이며, 공정별 NH3 농도와 복합악취농도와의 상 관성(R)은 0.49로 매우 낮게 분석되었다. 이는 공정별 복합악취농도에 미치는 악취원인성분이 NH3 성분이

아닌 다른 성분인 것으로 추정되며, 슬러지처리계통(S- Fig. 8. The relationship between odor unit concentration (OU) and ammonia concentration.

Fig. 7. The pattern of odor emission with sewage treatment processes (unit:ppb).

(7)

4, S-5) 및 악취방지시설의 배출구(B-2, B-3)의 고농도 NH3배출지점의 결과들은 역상관관계를 보였다. 특히 복합악취농도가 높은 악취방지시설 배출구 측정지점 (S-3)에서는 NH3 이외의 다른 악취성분이 복합악취농 도에 큰 영향을 미치고 있음을 간접적으로 추정할 수 있었다. 또한 Fig. 9과 Fig. 10은 SO2및 Toluene 성분 과 복합악취농도와의 상관성을 고찰할 결과이며, SO2

성분에 대한 상관성(R)은 0.95, Toluene 성분에 대한 상관성(R)은 0.93으로 하수처리시설의 복합악취농도가 SO2및 Toluene 성분의 농도와 상관성이 매우 높음을 보여주고 있다. 따라서 본 상관성 분석의 결과로부터 하수처리시설에서 배출되는 악취원인물질로는 NH3, H2S, Toluene 등의 다양한 악취성분이 복합적으로 영 향을 미치겠지만, NH3 보다는 황화합물 계열과 Tolu- ene 성분이 주변으로 확산되는 복합악취농도에 상대적

으로 큰 기여를 하고 있는 것으로 생각된다.

또한 시/공간적으로 변화하는 악취의 특성을 공간분 포 특성으로 좀 더 쉽게 접근할 수 있도록 하는 pas- sive sampler 측정방법은 향후 다양한 활용의 가치가 기대되며, 향후 H2S를 선택적으로 측정할 수 있는 pas- sive sampler를 활용한다면 하수처리시설 공정별 H2S 농도 분포특성을 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

4. 결 론

하수처리시설의 공정별 악취배출특성 조사를 위하여 하수처리시설을 수처리계통, 슬러지처리계통, 악취방 지시설 및 부지경계부 등의 4개로 구분하여 악취배출 특성을 조사하였고, 공기희석관능법에 의한 복합악취 평가, passive sampler에 의한 악취농도 공간분포평가 를 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 펌프 및 유량측정장치와 같은 부수적인 설비와 전 원이 필요하지 않는 passive sampler는 악취성분의 공 간분포 특성 해석을 위한 도구로 활용이 가능하며, 간단 히 지도에 측정결과를 맵핑하여 악취의 농도분포 특성 을 수치화 및 시각화할 수 있는 도구임을 확인하였다.

2. 하수처리시설의 공정별 악취배출특성 고찰을 위 하여 공기희석관능법에 의한 복합악취평가, passive sampler에 의한 악취농도 공간분포평가 진행하였고, 주 로 하수처리시설의 슬러지처리계통의 탈수기동(S-4) 및 슬러지적환장(S-5)에서는 주로 800 ppb 이상의 상 대적으로 높은 NH3 배출특성을 보이며, 특히 악취방지 시설의 배출구(B-2, B-3)에서는 SO2 및 VOCs 성분들 이 다른 측정지점보다 상대적으로 높게 배출되고 있었 으며, 복합악취농도는 약 400~600 OU로 배출됨을 확 인할 수 있었다.

3. 하수처리시설의 공정별 NH3, SO2 및 VOCs 농도 측정에 활용된 passive sampler 분석결과와 복합악취농 도와의 상관성을 분석한 결과에서 하수처리시설에서 발생되는 복합악취농도와 SO2, VOCs passive sampler 결과의 상관성(R)은 각각 0.95 및 0.93으로 높은 상관 관계를 확인하였으나, NH3 passive sampler 결과는 일 부 고농도 측정지점에서는 역상관관계를 보이나 전체 적으로 복합악취농도와의 상관성(R)은 0.49로 낮게 분 석되었다. 이는 하수처리시설에서 발생되는 악취성분 중에서 복합악취농도에 영향을 미치는 정도가 NH3 성 분이 다른 성분에 비해 크지 않음을 보여주는 결과를 얻었다.

4. 향후 하수처리시설 건설 시에 주요 악취배출공정 을 부지의 중심부 또는 지역의 기상 등을 고려하여 민 Fig. 9. The relationship between odor unit concentration

(OU) and sulfur dioxide concentration.

Fig. 10. The relationship between odor unit concentration (OU) and toluene concentration.

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원발생지점과는 멀리 떨어질 수 있도록 설계하거나 주 요 악취배출공정을 지하화 하여 악취확산에 대한 저감 계획을 수립하는 등의 노력이 필요할 것으로 판단된다.

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수치

Table 1. Sampling sites of odor samples in a sewage treatment facility
Fig. 1. Spatial distribution of sampling sites of odor gas in a sewage treatment facilities.
Fig. 4. Characteristics of spatial distribution of ammonia concentration (ppb) in the sewage treatment facility.
Fig. 6. Characteristics of spatial distribution of toluene concentration (ppb) in the sewage treatment facility.
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참조

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