생물성연소에 의한 미세먼지 배출 특성과 대기질 영향 연구 : - 농업잔재물 소각을 중심으로 - Emission Characteristics of Fine Particulate Matter and Analysis of Air Quality Impact from Biomass burning원문보기
2013년 하반기부터 시작된 미세먼지 문제는 6년이 지났음에도 불구하고 해결 기미가 보이지 않는다. 2019년 3월 1~7일 동안 서울의 PM-2.5 농도는 평균 135 μg/m3로 서울에서 2015년 PM-2.5 관측을 시작한 이래 최고치를 기록했다. 같은 기간 서울, 인천, 경기, 세종, 충남, 충북지역은 7일 연속 고농도 미세먼지 비상저감 조치가 발령됐다. 정부는 미세먼지 문제 해결을 최우선 국정과제로 선정하고 2022년까지 국내 대기오염물질 배출량 35.8 % 감축을 목표로 하고 있다. 2022년까지 감축 목표를 달성하기 위해서는 에너지, 수송, 산업, 농업, 생활 등 전분야의 노력이 필요한 시점이다. 정부는 미세먼지 문제를 해결하기 위해 「미세먼지 관리 특별대책」(2016.06.03.), 「미세먼지 관리 종합대책」(2017.09.26.), 「미세먼지 관리 강화대책」(2018.11.08.) 등을 추진하고 있으나 여전히 미세먼지 문제는 해결되지 않고 있다. 미세먼지 문제 해결을 위한 단기적 대책으로는 고농도 미세먼지 발생 시, 미세먼지 주요 발생원인 노후 ...
2013년 하반기부터 시작된 미세먼지 문제는 6년이 지났음에도 불구하고 해결 기미가 보이지 않는다. 2019년 3월 1~7일 동안 서울의 PM-2.5 농도는 평균 135 μg/m3로 서울에서 2015년 PM-2.5 관측을 시작한 이래 최고치를 기록했다. 같은 기간 서울, 인천, 경기, 세종, 충남, 충북지역은 7일 연속 고농도 미세먼지 비상저감 조치가 발령됐다. 정부는 미세먼지 문제 해결을 최우선 국정과제로 선정하고 2022년까지 국내 대기오염물질 배출량 35.8 % 감축을 목표로 하고 있다. 2022년까지 감축 목표를 달성하기 위해서는 에너지, 수송, 산업, 농업, 생활 등 전분야의 노력이 필요한 시점이다. 정부는 미세먼지 문제를 해결하기 위해 「미세먼지 관리 특별대책」(2016.06.03.), 「미세먼지 관리 종합대책」(2017.09.26.), 「미세먼지 관리 강화대책」(2018.11.08.) 등을 추진하고 있으나 여전히 미세먼지 문제는 해결되지 않고 있다. 미세먼지 문제 해결을 위한 단기적 대책으로는 고농도 미세먼지 발생 시, 미세먼지 주요 발생원인 노후 석탄 화력발전소 가동을 일시 중단하고 공사장, 불법소각 등 주변 배출원을 집중적으로 점검하는 것들이 있다. 장기적 대책으로는 석탄화력발전소 9기 중 4기를 친환경 연료로 전환하고 5기는 최고 수준의 환경관리를 실시하여 미세먼지 발생을 최소화 할 계획을 가지고 있다. 또한, 정부는 30년 이상의 노후 석탄발전소는 2022년까지 모두 폐지하는 것을 목표로 갖고 있다. 생물성연소는 농업잔재물 소각, 노천소각, 고기 및 생선구이, 목재난로 및 보일러, 아궁이, 숯가마 등 으로 우리 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있다. 생물성연소는 비도로이동오염원, 비산먼지, 제조업 다음으로 많은 미세먼지를 배출하고 있다. 따라서, 미세먼지 감축 목표를 달성하기 위해서는 생물성연소 분야의 적절한 관리가 필요하다. 농작물 수확 후, 남는 농업잔재물 중 사료나 퇴비로 사용되지 못하는 것들은 노천에서 소각되는데 이를 농업잔재물 소각이라고 한다. 2015년 기준, 농업잔재물 소각에 따른 PM-10 배출량은 연간 약 9,183 톤으로 전체 생물성연소 미세먼지 배출량 14,552 톤의 약 63.1 % 수준으로 나타났다. PM-2.5 배출량은 연간 약 7,621 톤으로, 전체 생물성연소 미세먼지 배출량 12,060 톤의 약 63.2 % 수준으로 나타났다. 본 연구에서는 농업잔재물 소각을 중심으로 생물성연소에 의한 미세먼지(PM-10, PM-2.5) 배출 특성과 대기질 영향 분석을 실시하였다. 농업잔재물 소각 부문에 단위면적 당 소각량이 가장 큰 고춧대, 들깻대, 참깻대를 연구대상으로 선정하였다. 농업잔재물 소각에 의한 배출 특성 파악은 발열량 분석, 원소분석, 공업분석, 수분함량 분석을 통해 확인하였다. 농업잔재물의 발열량 분석 결과, 고춧대와 참깻대의 발열량은 각각, 4,356 kcal/kg과 4,358 kcal/kg으로 비슷하게 나타났으며, 들깻대의 발열량은 3,902 kcal/kg으로 다소 낮게 나타났다. 농업잔재물의 원소분석 결과, 탄소 함량은 들깻대가 43.48 %로 가장 높았고, 고춧대가 40.58 %로 낮게 나타났다. 참깻대의 탄소 함량은 41.95 %로 나타났다. 수소 함량은 큰차이가 없었으나 들깻대가 4.88 %로 가장 높았고 고춧대가 4.51 %로 가장 낮게 나타났다. 질소 함량의 경우에 조금 차이를 보였다. 들깻대가 3.13 %로 가장 높았고, 참깻대는 1.15 %로 가장 낮게 나타났다. 황 함량의 경우에 들깻대 0.03 ％를 제외하고 최소검출한계 미만으로 나타났다. 농업잔재물의 공업분석 결과, 수분 함량은 고춧대 13.07 %, 들깻대 16.76 %, 참깻대 17.87 %로 분석되었다. 휘발분 함량은 고춧대가 70.87 %로 가장 높았고 들깻대는 66.15 %로 가장 낮게 나타났다. 참깻대 휘발분 함량의 경우 66.54 %로 들깻대 휘발분 함량과 비슷하게 나타났다. 회분 함량의 경우에 조금 차이를 보였다. 들깻대가 4.24 %로 가장 높았고, 고춧대는 1.46 %로 낮게 분석되었다. 참깻대의 회분 함량은 3.15 %로 나타났다. 고정탄소 함량의 경우에 고춧대가 14.60 %로 가장 높았고, 들깻대와 참깻대는 12.85 %, 12.44 %로 비슷한 수준으로 나타났다. 초미세먼지의 전구물질인 NOx, SOx, VOCs도 함께 분석하였다. 고춧대 소각 시 발생되는 NOx의 평균 농도는 110 ppm이며, SOx의 평균농도는 1 ppm으로 나타났다. VOCs 분석 결과, Benzene, Toluene, Ethylbenzene, mp-Xylene, Strene의 평균 농도는 각각 796.84 ppb, 494.42 ppb, 129.36 ppb, 67.72 ppb, 81.66 ppb로 나타났다. 들깻대 소각 시 발생되는 NOx의 평균 농도는 21 ppm이며, SOx의 평균농도는 4 ppm으로 나타났다. VOCs 분석 결과, Benzene, Toluene, Ethylbenzene, mp-Xylene, Strene의 평균 농도는 각각 708.01 ppb, 343.66 ppb, 64.04 ppb, 34.11 ppb, 17.54 ppb로 나타났다. 참깻대 소각 시 발생되는 NOx의 평균 농도는 60 ppm이며, SOx의 평균농도는 4 ppm을 나타났다. VOCs 분석 결과, Benzene, Toluene, Ethylbenzene, mp-Xylene, Strene의 평균 농도는 각각 486.85 ppb, 263.94 ppb, 43.16 ppb, 19.77 ppb, 6.01 ppb로 나타났다. 농업잔재물에 수분함량이 많을 경우, 불완전연소를 가중시켜 입자상오염물질이 상대적으로 많이 발생된다. 농업잔재물 소각 시 수분함량 차이에 따른 PM-10, PM-2.5의 농도 변화를 살펴본 결과, 수분함량이 높을수록 PM-10과 PM-2.5의 농도 간의 차이가 커지는 것을 확인 할 수 있었다. 농업잔재물 배출 특성 분석을 통해 농업잔재물 소각 부문의 미세먼지와 블랙카본 배출계수를 산정하였다. 배출특성(수분함량)을 고려한 고춧대, 들깻대, 참깻대 소각 시 발생되는 미세먼지(PM-10, PM-2.5) 배출계수는 다음과 같다. 고춧대 소각 시 발생되는 PM-10 배출계수 범위는 7.64~27.05 g/kg, PM-2.5 배출계수 범위는 5.82~22.21 g/kg으로 나타났다. 들깻대 소각 시 발생되는 PM-10 배출계수 범위는 14.07~58.37 g/kg, PM-2.5 배출계수 범위는 8.1~53.05 g/kg으로 나타났다. 참깻대의 PM-10 배출계수 범위는 7.97~105.75 g/kg으로 나타났으며 PM-2.5 배출계수 범위는 6.60~79.89 g/kg으로 나타났다. 블랙카본 배출계수 산정 결과, 고춧대의 PM-10, PM-2.5의 블랙카본 배출계수 평균은 각각 17.17 g/kg, 11.46 g/kg으로 나타났다. 들깻대는 각각 4.66 g/kg, 4.37 g/kg 그리고 참깻대는 각각 5.21 g/kg, 5.02 g/kg으로 나타났다. 산정 된 PM-10, PM-2.5 배출계수는 비모수적 분석 방법인 Monte Carlo Simulation을 이용하여 미세먼지 배출계수의 불확도를 산정하였다. 추가적으로 소각 전 노지에 방치된 농업잔재물이 시간경과의 따라 변동하는 수분함량을 측정하여, 현장여건을 고려한 미세먼지 및 초미세먼지의 배출계수를 제시하였다. 미세먼지(PM-10, PM-2.5)와 블랙카본 배출계수를 이용하여 고춧대, 들깻대, 참깻대 소각에 의한 배출량을 산정하였다. 2018년도 기준으로 PM-10 배출량은 각각 약 1,297.93 ton/year, 2,569.45 ton/year, 1,190.79 ton/year으로 나타났으며, PM-2.5 배출량 경우 각각 약 960.25 ton/year, 2,178.25 ton/year, 978.09 ton/year으로 나타났다. 블랙카본의 배출량은 2018년도 기준으로 PM-10 블랙카본 배출량은 각각 약 1,438.7 ton/year, 427.9 ton/year, 183.2 ton/year으로 나타났으며, PM-2.5 블랙카본 배출량은 각각 약 1,411.9 ton/year, 401.3 ton/year, 153.6 ton/year으로 나타났다. 추가적으로 지리정보시스템(GIS, Geographic Information System)을 이용하여 전국 배출분포도 파악하였다. 연구의 결과를 종합하면, 농업잔재물 소각 부문의 미세먼지 인벤토리 정확도 및 신뢰성을 향상 시켰으며, 농업잔재물 소각 부문의 미세먼지 배출량 산정 시 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.
2013년 하반기부터 시작된 미세먼지 문제는 6년이 지났음에도 불구하고 해결 기미가 보이지 않는다. 2019년 3월 1~7일 동안 서울의 PM-2.5 농도는 평균 135 μg/m3로 서울에서 2015년 PM-2.5 관측을 시작한 이래 최고치를 기록했다. 같은 기간 서울, 인천, 경기, 세종, 충남, 충북지역은 7일 연속 고농도 미세먼지 비상저감 조치가 발령됐다. 정부는 미세먼지 문제 해결을 최우선 국정과제로 선정하고 2022년까지 국내 대기오염물질 배출량 35.8 % 감축을 목표로 하고 있다. 2022년까지 감축 목표를 달성하기 위해서는 에너지, 수송, 산업, 농업, 생활 등 전분야의 노력이 필요한 시점이다. 정부는 미세먼지 문제를 해결하기 위해 「미세먼지 관리 특별대책」(2016.06.03.), 「미세먼지 관리 종합대책」(2017.09.26.), 「미세먼지 관리 강화대책」(2018.11.08.) 등을 추진하고 있으나 여전히 미세먼지 문제는 해결되지 않고 있다. 미세먼지 문제 해결을 위한 단기적 대책으로는 고농도 미세먼지 발생 시, 미세먼지 주요 발생원인 노후 석탄 화력발전소 가동을 일시 중단하고 공사장, 불법소각 등 주변 배출원을 집중적으로 점검하는 것들이 있다. 장기적 대책으로는 석탄화력발전소 9기 중 4기를 친환경 연료로 전환하고 5기는 최고 수준의 환경관리를 실시하여 미세먼지 발생을 최소화 할 계획을 가지고 있다. 또한, 정부는 30년 이상의 노후 석탄발전소는 2022년까지 모두 폐지하는 것을 목표로 갖고 있다. 생물성연소는 농업잔재물 소각, 노천소각, 고기 및 생선구이, 목재난로 및 보일러, 아궁이, 숯가마 등 으로 우리 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있다. 생물성연소는 비도로이동오염원, 비산먼지, 제조업 다음으로 많은 미세먼지를 배출하고 있다. 따라서, 미세먼지 감축 목표를 달성하기 위해서는 생물성연소 분야의 적절한 관리가 필요하다. 농작물 수확 후, 남는 농업잔재물 중 사료나 퇴비로 사용되지 못하는 것들은 노천에서 소각되는데 이를 농업잔재물 소각이라고 한다. 2015년 기준, 농업잔재물 소각에 따른 PM-10 배출량은 연간 약 9,183 톤으로 전체 생물성연소 미세먼지 배출량 14,552 톤의 약 63.1 % 수준으로 나타났다. PM-2.5 배출량은 연간 약 7,621 톤으로, 전체 생물성연소 미세먼지 배출량 12,060 톤의 약 63.2 % 수준으로 나타났다. 본 연구에서는 농업잔재물 소각을 중심으로 생물성연소에 의한 미세먼지(PM-10, PM-2.5) 배출 특성과 대기질 영향 분석을 실시하였다. 농업잔재물 소각 부문에 단위면적 당 소각량이 가장 큰 고춧대, 들깻대, 참깻대를 연구대상으로 선정하였다. 농업잔재물 소각에 의한 배출 특성 파악은 발열량 분석, 원소분석, 공업분석, 수분함량 분석을 통해 확인하였다. 농업잔재물의 발열량 분석 결과, 고춧대와 참깻대의 발열량은 각각, 4,356 kcal/kg과 4,358 kcal/kg으로 비슷하게 나타났으며, 들깻대의 발열량은 3,902 kcal/kg으로 다소 낮게 나타났다. 농업잔재물의 원소분석 결과, 탄소 함량은 들깻대가 43.48 %로 가장 높았고, 고춧대가 40.58 %로 낮게 나타났다. 참깻대의 탄소 함량은 41.95 %로 나타났다. 수소 함량은 큰차이가 없었으나 들깻대가 4.88 %로 가장 높았고 고춧대가 4.51 %로 가장 낮게 나타났다. 질소 함량의 경우에 조금 차이를 보였다. 들깻대가 3.13 %로 가장 높았고, 참깻대는 1.15 %로 가장 낮게 나타났다. 황 함량의 경우에 들깻대 0.03 ％를 제외하고 최소검출한계 미만으로 나타났다. 농업잔재물의 공업분석 결과, 수분 함량은 고춧대 13.07 %, 들깻대 16.76 %, 참깻대 17.87 %로 분석되었다. 휘발분 함량은 고춧대가 70.87 %로 가장 높았고 들깻대는 66.15 %로 가장 낮게 나타났다. 참깻대 휘발분 함량의 경우 66.54 %로 들깻대 휘발분 함량과 비슷하게 나타났다. 회분 함량의 경우에 조금 차이를 보였다. 들깻대가 4.24 %로 가장 높았고, 고춧대는 1.46 %로 낮게 분석되었다. 참깻대의 회분 함량은 3.15 %로 나타났다. 고정탄소 함량의 경우에 고춧대가 14.60 %로 가장 높았고, 들깻대와 참깻대는 12.85 %, 12.44 %로 비슷한 수준으로 나타났다. 초미세먼지의 전구물질인 NOx, SOx, VOCs도 함께 분석하였다. 고춧대 소각 시 발생되는 NOx의 평균 농도는 110 ppm이며, SOx의 평균농도는 1 ppm으로 나타났다. VOCs 분석 결과, Benzene, Toluene, Ethylbenzene, mp-Xylene, Strene의 평균 농도는 각각 796.84 ppb, 494.42 ppb, 129.36 ppb, 67.72 ppb, 81.66 ppb로 나타났다. 들깻대 소각 시 발생되는 NOx의 평균 농도는 21 ppm이며, SOx의 평균농도는 4 ppm으로 나타났다. VOCs 분석 결과, Benzene, Toluene, Ethylbenzene, mp-Xylene, Strene의 평균 농도는 각각 708.01 ppb, 343.66 ppb, 64.04 ppb, 34.11 ppb, 17.54 ppb로 나타났다. 참깻대 소각 시 발생되는 NOx의 평균 농도는 60 ppm이며, SOx의 평균농도는 4 ppm을 나타났다. VOCs 분석 결과, Benzene, Toluene, Ethylbenzene, mp-Xylene, Strene의 평균 농도는 각각 486.85 ppb, 263.94 ppb, 43.16 ppb, 19.77 ppb, 6.01 ppb로 나타났다. 농업잔재물에 수분함량이 많을 경우, 불완전연소를 가중시켜 입자상오염물질이 상대적으로 많이 발생된다. 농업잔재물 소각 시 수분함량 차이에 따른 PM-10, PM-2.5의 농도 변화를 살펴본 결과, 수분함량이 높을수록 PM-10과 PM-2.5의 농도 간의 차이가 커지는 것을 확인 할 수 있었다. 농업잔재물 배출 특성 분석을 통해 농업잔재물 소각 부문의 미세먼지와 블랙카본 배출계수를 산정하였다. 배출특성(수분함량)을 고려한 고춧대, 들깻대, 참깻대 소각 시 발생되는 미세먼지(PM-10, PM-2.5) 배출계수는 다음과 같다. 고춧대 소각 시 발생되는 PM-10 배출계수 범위는 7.64~27.05 g/kg, PM-2.5 배출계수 범위는 5.82~22.21 g/kg으로 나타났다. 들깻대 소각 시 발생되는 PM-10 배출계수 범위는 14.07~58.37 g/kg, PM-2.5 배출계수 범위는 8.1~53.05 g/kg으로 나타났다. 참깻대의 PM-10 배출계수 범위는 7.97~105.75 g/kg으로 나타났으며 PM-2.5 배출계수 범위는 6.60~79.89 g/kg으로 나타났다. 블랙카본 배출계수 산정 결과, 고춧대의 PM-10, PM-2.5의 블랙카본 배출계수 평균은 각각 17.17 g/kg, 11.46 g/kg으로 나타났다. 들깻대는 각각 4.66 g/kg, 4.37 g/kg 그리고 참깻대는 각각 5.21 g/kg, 5.02 g/kg으로 나타났다. 산정 된 PM-10, PM-2.5 배출계수는 비모수적 분석 방법인 Monte Carlo Simulation을 이용하여 미세먼지 배출계수의 불확도를 산정하였다. 추가적으로 소각 전 노지에 방치된 농업잔재물이 시간경과의 따라 변동하는 수분함량을 측정하여, 현장여건을 고려한 미세먼지 및 초미세먼지의 배출계수를 제시하였다. 미세먼지(PM-10, PM-2.5)와 블랙카본 배출계수를 이용하여 고춧대, 들깻대, 참깻대 소각에 의한 배출량을 산정하였다. 2018년도 기준으로 PM-10 배출량은 각각 약 1,297.93 ton/year, 2,569.45 ton/year, 1,190.79 ton/year으로 나타났으며, PM-2.5 배출량 경우 각각 약 960.25 ton/year, 2,178.25 ton/year, 978.09 ton/year으로 나타났다. 블랙카본의 배출량은 2018년도 기준으로 PM-10 블랙카본 배출량은 각각 약 1,438.7 ton/year, 427.9 ton/year, 183.2 ton/year으로 나타났으며, PM-2.5 블랙카본 배출량은 각각 약 1,411.9 ton/year, 401.3 ton/year, 153.6 ton/year으로 나타났다. 추가적으로 지리정보시스템(GIS, Geographic Information System)을 이용하여 전국 배출분포도 파악하였다. 연구의 결과를 종합하면, 농업잔재물 소각 부문의 미세먼지 인벤토리 정확도 및 신뢰성을 향상 시켰으며, 농업잔재물 소각 부문의 미세먼지 배출량 산정 시 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.
Biomass burning is largely divided into six types: open burning, agricultural waste burning, meat and fish roasts, wood stoves and boilers, furnaces, and charcoal burners. Biomass burning is largely characterized by incomplete combustion due to the difficulty of appropriate control, which results in...
Biomass burning is largely divided into six types: open burning, agricultural waste burning, meat and fish roasts, wood stoves and boilers, furnaces, and charcoal burners. Biomass burning is largely characterized by incomplete combustion due to the difficulty of appropriate control, which results in the emission of a large amount of air pollutants and the generation of harmful substances such as volatile organic compounds (National Institute of Environmental Research, 2014). As of 2015, emissions from biomass burning have accounted for 6.24 % for PM-10 and 12.2 % for PM-2.5 of the total particulate matter (PM) emissions in South Korea, which was the fourth largest source after non-road mobiles, fugitive dust, and manufacturing industry. In biomass burning, the agricultural waste burning category accounted for the largest proportion of emissions for particulate matter. Most agricultural wastes, except rice straws, are subjected to insituburning(GyeonggiResearchInstitute,2012). Rice straws are use d as feedstuffs for live stock after being processed by around straw baler. The other crop wastes such as orchard pruning wastes, corn, chili, perilla, and sesame are burned in situ without further treatments. Since in situ agricultural waste burning directly emits PM (PM-10 and PM-2.5) into the air, it is important to accurately identify the characteristics of PM emissions. Agricultural wastes are frequently burned in situ without complete drying. In case of high moisture content in the wastes, incomplete combustion is enhanced, leading to relatively higher emissions of particulate matter. Thus, moisture content in the samples is one of the important characteristics that should be studied in the context of PM emissions. Particulate air pollution is a serious problem and has received extensive attention in rural area(Zhihua Xu, 2018, Dunguo Mou, 2016). Previous studies analyzed the characteristics of PM emissions generated during agricultural waste burning without considering moisture content. To determine the characteristics of PM emissions from agricultural waste burning and reliability of emission factors, the present study investigated emission characteristics (mass concentration, mass concentration by particle size, distribution rate by particle size, and change in mass concentration) with the consideration of sample characteristics (particularly moisture content). As of 2015, annual PM-10 emission due to agricultural waste burning in South Korea was approximately 9,183 tons, corresponding to approximately 63.1% of the total PM-10 emissions due to biomass burning (14,552 tons), while annual PM-2.5 emissions were about 7,621 tons, (approximately 63.2% of the total PM-2.5 emissions (12,060 tons)). In biomass burning, burning of agricultural waste accounts for the largest proportion of PM emissions, which is again dependent on the crop. Chili stalks and perilla stalks were selected as the test materials, that accounted for the largest amount of crop burning by unit area among agricultural wastes. Crop burning amounts of chili stalks and perilla stalks per unit area were 290.7 g/m2 and 263.4 g/m2,respectively. Burner used for the characterization of PM emissions, which was generated during agricultural waste burning. The experimental chamber was designed based on the EPA Method 5G method. The chamber dimensions were 6 m in width, 2.6 m in length, and 2.4 m in breadth. The size of the hood for collecting smoke (generated during agricultural waste burning) was 1.5 m in both width and length, and the diameter of the duct was 250 mm. The characteristics of PM emissions due to agricultural waste burning were investigated in situ as follows (refer to Figure2):after collection of chili stalks and perilla stalk samples from the fields, sufficient quantity of samples were stored for agricultural waste burning. The obtained samples were produced in 1 kg unit considering the chamber volume of the burner and burning time. To identify emission characteristics depending on moisture content in the sample, moisture content was measured using a high-performance moisture analyzer. Thereafter, the samples were added to the burning chamber. The samples were ignited with a gas torch. The air pollutants generated upon sample burning were collected in a Cascade Impactor (PM-10 and PM-2.5 Impactor, Johnas, Paul Gothe GmbH) through isokinetic sampling using a dust suction apparatus (Stack sampler, CAE). The present study calculated emission factors of PM-10 and PM-2.5 generated during agricultural waste burning in South Korea. For measurements, PM was collected on filter papers (Glass Fiber Filter, Pall) under isokinetic sampling condition using a Cascade Impactor (PM-10 and PM-2.5 Impactor, Johnas, Paul Gothe GmbH) and a dust suction apparatus (Stack sampler, CAE).
Biomass burning is largely divided into six types: open burning, agricultural waste burning, meat and fish roasts, wood stoves and boilers, furnaces, and charcoal burners. Biomass burning is largely characterized by incomplete combustion due to the difficulty of appropriate control, which results in the emission of a large amount of air pollutants and the generation of harmful substances such as volatile organic compounds (National Institute of Environmental Research, 2014). As of 2015, emissions from biomass burning have accounted for 6.24 % for PM-10 and 12.2 % for PM-2.5 of the total particulate matter (PM) emissions in South Korea, which was the fourth largest source after non-road mobiles, fugitive dust, and manufacturing industry. In biomass burning, the agricultural waste burning category accounted for the largest proportion of emissions for particulate matter. Most agricultural wastes, except rice straws, are subjected to insituburning(GyeonggiResearchInstitute,2012). Rice straws are use d as feedstuffs for live stock after being processed by around straw baler. The other crop wastes such as orchard pruning wastes, corn, chili, perilla, and sesame are burned in situ without further treatments. Since in situ agricultural waste burning directly emits PM (PM-10 and PM-2.5) into the air, it is important to accurately identify the characteristics of PM emissions. Agricultural wastes are frequently burned in situ without complete drying. In case of high moisture content in the wastes, incomplete combustion is enhanced, leading to relatively higher emissions of particulate matter. Thus, moisture content in the samples is one of the important characteristics that should be studied in the context of PM emissions. Particulate air pollution is a serious problem and has received extensive attention in rural area(Zhihua Xu, 2018, Dunguo Mou, 2016). Previous studies analyzed the characteristics of PM emissions generated during agricultural waste burning without considering moisture content. To determine the characteristics of PM emissions from agricultural waste burning and reliability of emission factors, the present study investigated emission characteristics (mass concentration, mass concentration by particle size, distribution rate by particle size, and change in mass concentration) with the consideration of sample characteristics (particularly moisture content). As of 2015, annual PM-10 emission due to agricultural waste burning in South Korea was approximately 9,183 tons, corresponding to approximately 63.1% of the total PM-10 emissions due to biomass burning (14,552 tons), while annual PM-2.5 emissions were about 7,621 tons, (approximately 63.2% of the total PM-2.5 emissions (12,060 tons)). In biomass burning, burning of agricultural waste accounts for the largest proportion of PM emissions, which is again dependent on the crop. Chili stalks and perilla stalks were selected as the test materials, that accounted for the largest amount of crop burning by unit area among agricultural wastes. Crop burning amounts of chili stalks and perilla stalks per unit area were 290.7 g/m2 and 263.4 g/m2,respectively. Burner used for the characterization of PM emissions, which was generated during agricultural waste burning. The experimental chamber was designed based on the EPA Method 5G method. The chamber dimensions were 6 m in width, 2.6 m in length, and 2.4 m in breadth. The size of the hood for collecting smoke (generated during agricultural waste burning) was 1.5 m in both width and length, and the diameter of the duct was 250 mm. The characteristics of PM emissions due to agricultural waste burning were investigated in situ as follows (refer to Figure2):after collection of chili stalks and perilla stalk samples from the fields, sufficient quantity of samples were stored for agricultural waste burning. The obtained samples were produced in 1 kg unit considering the chamber volume of the burner and burning time. To identify emission characteristics depending on moisture content in the sample, moisture content was measured using a high-performance moisture analyzer. Thereafter, the samples were added to the burning chamber. The samples were ignited with a gas torch. The air pollutants generated upon sample burning were collected in a Cascade Impactor (PM-10 and PM-2.5 Impactor, Johnas, Paul Gothe GmbH) through isokinetic sampling using a dust suction apparatus (Stack sampler, CAE). The present study calculated emission factors of PM-10 and PM-2.5 generated during agricultural waste burning in South Korea. For measurements, PM was collected on filter papers (Glass Fiber Filter, Pall) under isokinetic sampling condition using a Cascade Impactor (PM-10 and PM-2.5 Impactor, Johnas, Paul Gothe GmbH) and a dust suction apparatus (Stack sampler, CAE).
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