연구진, 하수처리장 악취 모니터링을 위한 '전자 코' 개발
스페인 연구진이 하수처리장의 악취를 맡는 데 거의 사람 코만큼 예민한 휴대용 전자 코(e-nose)를 설계했습니다. 가벼운 전자 코를 드론과 결합하면 다양한 냄새의 농도를 측정하고, 악취 강도를 예측하며, 관리를 위해 공장의 실시간 냄새 지도를 만들 수 있습니다.
보통 하수처리장의 악취는 동적 후각측정법으로 측정하는데, 사람들이 공장에서 채취한 공기 주머니의 냄새를 맡고 분석합니다. 이 방법은 골드 스탠더드로 여겨지지만 비용이 많이 들고 느리며 자주 시행하기 어려워, 운영자가 문제에 빠르게 대응하거나 악취의 원인을 찾아내기 어렵습니다.
“저는 하수처리장에서 2킬로미터 떨어진 곳에 살고 있는데, 가끔은 냄새가 너무 지독해서 창문조차 열 수 없습니다. 이런 시설 주변 주민들의 삶의 질에 미치는 영향을 과소평가해서는 안 되며, 불쾌한 냄새에 노출되면 신체적, 심리적 결과도 따릅니다”
하수처리장에서 나오는 악취를 더 잘 관리하기 위해 마르코와 연구팀은 인공지능을 활용해 데이터를 실시간으로 관찰하고 시각화하는 휴대용 전자 코를 개발했습니다. 연구팀은 식물에서 공기 주머니를 채취하고, 전자 코가 황화수소, 암모니아, 이산화황 같은 자극성 화학물질의 냄새를 “맡도록” 학습시켰습니다. 이 물질들은 냄새로 보면 각각 썩은 달걀, 소변, 타버린 성냥과 비슷합니다.
전자 코에는 이산화탄소 센서와 박테리아 활성 표시기도 장착되어 있습니다. 실험실 조건에서 전자 코는 사람의 코와 거의 비슷하게 잘 작동합니다. 이후 연구진은 무게 1.3kg의 전자 코를 드론에 달아 스페인 남부의 중간 규모 하수처리장 상공으로 1월부터 6월까지 날려 보냈습니다. 공장의 여러 시설 위를 날며 “코 달린 드론”은 10미터 길이의 관을 통해 공기를 빨아들이고 센서실에서 공기를 분석했습니다.
“냄새 측정이 어려운 이유는 그것이 인간의 지각에 달려 있고 그 기준이 완전히 명확하지 않기 때문입니다. 우리는 배출물의 개별 성분을 정량화하려는 것뿐 아니라 사람이 느끼는 냄새의 강도도 예측하려고 합니다”
결과는 드론에 달린 전자 코를 하수 악취 모니터링에 활용할 수 있음을 보여줬습니다. 같은 공기 샘플을 현장 시험에서 분석했을 때 전자 코의 13건 측정 중 10건이 사람 평가위원회의 평가와 일치했습니다. 드론의 기동성과 인공지능 알고리즘 덕분에 연구팀은 냄새 농도의 시간적·공간적 분포 지도를 작성했고, 드론 측정값을 바탕으로 냄새 강도를 처음으로 예측했습니다.
마르코는 “결과에 매우 만족하지만, 실제 공장에서 안정적으로 작동하도록 기기를 더 신뢰할 수 있게 만들려면 추가 검증이 필요합니다”라고 말했습니다. 연구팀은 전자 코의 불필요한 무게를 줄이고 이 방법을 위한 표준화된 절차를 개발할 계획입니다. 또한 정확도에 영향을 줄 수 있는 온도, 습도 및 기타 환경 조건의 영향을 줄이도록 기기를 더 최적화하려 합니다.
“이 연구는 쓰레기 매립지, 퇴비 공장, 또는 불쾌한 냄새를 내뿜는 것으로 알려진 소와 돼지를 키우는 대규모 농장 등 다른 시설에도 의미가 있을 수 있습니다”
“하수처리장의 악취 배출을 정량화하는 것은 주변 지역사회에 대한 악취 영향을 최소화하는 열쇠입니다. 하수처리장의 악취 측정은 보통 비싸고 간헐적인 후각측정 기반 황화수소 검출기나 고정식 전자 코로 이루어집니다. 우리는 소형 드론을 이용해 하수처리장의 악취를 실시간으로 모니터링하도록 특별히 설계된 휴대용 경량 전자 코를 제안합니다”라고 연구에 적혀 있습니다.
RHINOS라고 불리는 전자 코는 높은 공간 해상도로 냄새를 측정할 수 있으며, 정확도는 동적 후각측정법보다 약간 떨어질 뿐입니다. 이 기기는 스페인의 하수처리장에서 6개월간 채취한 냄새 샘플로 보정되었고, 보정 후 3주 뒤 같은 하수처리장에서 검증되었습니다.
유망한 결과는 제안된 도구가 가장 많은 배출을 내는 악취 원인을 식별하는 데 적합하다는 것을 확인해 주며, 이는 공장 관리자가 악취를 통제하고 제거하는 데 유용한 지침이 될 수 있습니다.
전자 코는 센서 어레이 또는 악취 모니터링 기기 시스템(IOMS)이라고도 불리며, 현재 환경 악취 모니터링에 가장 유망한 도구로 여겨집니다. 전자 코는 다수의 비특이적 화학 센서(보통 5~20개)를 기반으로 한 화학 측정 시스템으로, 광범위한 휘발성 유기 화합물과 무기 가스에 추가적인 민감도를 가집니다.
환경 모니터링 분야에서 가장 흔히 쓰이는 센서는 금속 산화물 반도체이지만, 기존 시스템에는 H2S(황화수소)나 NH3(암모니아)를 위한 준특이적 센서(예: 전기화학 셀)가 점점 더 많이 추가되고 있습니다. 개별 성분이 아니라 악취 혼합물 전체를 고려하면, 이 기기는 다른 어떤 기기 방법보다 악취 농도와 더 잘 상관될 수 있습니다.
