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문제 정의
- 본 연구에서는 생활폐기물 및 지정폐기물 소각 시 설을 대상으로 하였으며, 생활폐기물 소각로 3기, 지정폐기물 소각로 I기에 대하여 조사하였으며, 각 시 설의 일반현황에 대하여 표 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 수은을 많이 배출하는 것으로 알려 져 있는 폐기물소각시설에 대한 수은의 배출 형태와 농도 배출량 등을 조사하고 폐기물 소각시설에 설치 가동 중인 기존의 집진시설, 흡수시설 등의 수은 저감효과를 분석함으로서 향후 수은 배출 저감을 위한 정책 검 토시 활용할 수 있는 기초자료를 확보하고자 하였다.
- 기존에 설치 운영되고 있는 방지시설에서의 수은 제거 효과를 알게 되면 수은 저감 정책을 수립하는데 중요한 기초자료로 활용할 수 있다. 본 연구에서는 조사대상 시설 중 도시지역에 있으면서 지역 대기 질에 직접 영향을 줄 수 있는 생활폐기물 소각시설을 대상으로 저감효율을 조사하였다.
제안 방법
- 굴뚝에서 배출되는 총 수은 중 가스상 수은과 입자상 수은의 배출 특성을 분석하기 위하여 각 배출시설 별로 가스상 및 입자상 수은 측정 시료를 각각 분리하여 채취하였다. 시료 채취 및 분석은 대기오염 공정 시험 방법을 이용하였으며, 분석 결과를 표 7에 나타내었다.
- 대형 생활폐기물 소각시설 및 지정폐기물 소각 시 설을 대상으로 입자 및 가스상 수은의 분포, 방지 시 설의 수은제 거 효율 등 수은 배출 특성을 조사하여 수은의 배출계수 및 배출량을 산정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 조사대상 배출원에서 배출되는 수은 배출농도를 형태별로 분석하기 위하여, 대기오염 공정 시험 방법에 따라 배출구에서 시료를 채취하였으며, 시료는 가스상 및 입자상 수은을 동시에 채취하여 각각을 분석하고 총 수은 농도를 측정하였다. 또한 비산재 중의 수은 농도를 분석하기 위하여, 방지시설에서 포집된 fly-ash를 현장에서 1kg을 채취하였으며, 대기오염 공정 시험 법상의 입자상 수은 분석 방법과 동일하게 분석하였다.
- 본 연구에서 산정된 수은 배출계수를 이용하여 비교적 측정 데이터가 많은 생활폐기물 소각시설에서 배출되는 수은의 양을 추정하였다.
- 본 연구의 수은 측정 결과에 대한 신뢰성과 정확성을 판단하기 위하여 실험실 내에서 가스상 및 입자상 수은의 회수율 시험을 실시하였다. 본 회수율 시험은 대기오염 공정시험 방법에 따라 실시하되, 단지 불필요한 흡수액 양을 줄이기 위하여 회수율 시험의 총량은 250 ml로 하였으며, 가스상 수은과 입자상 수은에 대하여 각각을 분석하였다.
- 본 연구의 수은 측정 결과에 대한 신뢰성과 정확성을 판단하기 위하여 실험실 내에서 가스상 및 입자상 수은의 회수율 시험을 실시하였다. 본 회수율 시험은 대기오염 공정시험 방법에 따라 실시하되, 단지 불필요한 흡수액 양을 줄이기 위하여 회수율 시험의 총량은 250 ml로 하였으며, 가스상 수은과 입자상 수은에 대하여 각각을 분석하였다. 회수율 시험을 위해 가스상 수은의 경우에는 흡수액어】, 입자상 수은의 경우에는 여과지에 수은 표준용액을 각각 0ppb, 5ppb(1.
- 생활폐기물 소각시설에서 발생되는 수은 배출량을 추정하기 위하여 2001년도에 우리나라의 생활 폐기물 소각시설에서 처리되고 있는 소각현황을 조사하였다(표 1). 하루에 소각처리 되는 총 생활폐기물의 양은 5, 908.
- 수은 배출원의 배출계수를 산정하기 위하여 측정한 실측 조사 결과를 토대로 배출원별 수은 배출계수를 산정하였다. 배출계수는 단위 연료 사용량 (ton) 당 배출량 (mg) 으로 제시하였으며, 배출계수 산정 방법은 다음 식과 같이 계산하였다.
- 수은 저감효율은 생활폐기물 소각시설 (MWI#2)의 방지시설 전단 및 후단에서의 수은 농도를 측정하여 조사하였다. 조사대상 MWI#2는 선택적 비촉매 반응 시설 (SNCR), 반건식 알카리 흡수탑 (SDR), 반응식 여 과집 진기 (FF) 순으로 방지 시 설을 설치하여 가스상 및 입자상 오염물질을 제거하고 있었으며, 본 연구에서의 방지시설 전단 측정 위치는 반건식알카리흡수탑 전단에서 측정을 하였고, 방지시설 후단 측정 위치는 굴뚝과 연결되는 최종 시설인 여과 집진기 후단에서 측정을 하였다.
- 시료 채취 관은 석영 유리관을 사용하여 채취 시 수 분 응축을 방지하기 위해 채취 관 출구에서의 가스 온도를 120±14°C로 유지하도록 가열하였다. 흡수액은 4% 과망간산칼륨/10% 황산을 사용하였고, 흡수액 50 ml를 넣은 흡수 병 1개와 흡수액 100 ml를 넣은 흡수 병 2개로 채취하였다.
- 굴뚝에서 배출되는 총 수은 중 가스상 수은과 입자상 수은의 배출 특성을 분석하기 위하여 각 배출시설 별로 가스상 및 입자상 수은 측정 시료를 각각 분리하여 채취하였다. 시료 채취 및 분석은 대기오염 공정 시험 방법을 이용하였으며, 분석 결과를 표 7에 나타내었다. 표에서 보는 것과 같이, 가스상으로 배출되는 수은의 비율은 99% 이상으로 대부분의 수은이 가스상으로 배출되고 있음을 알 수 있었다.
- 사용되는 모든 유리 기구는 미리 50% 질산, 물, 8N 염산, 물의 세척단계를 거친 후 최종적으로 증류수로 세척하여 건조시킨 것을 사용하였다. 시료 채취가 끝나면 3개의 흡수 병에서 채취된 흡수액을 넣은 다음 채취 관 노즐, 채취 관 연결관, 라이너, 여과지 홀더, 흡수 병 등의 세정액을 합하였다. 여과지는 여과지 흘더에서 분리한 다음 100 ml 유리 용기에 담고 20〜30 ml의 흡수액을 가하였다.
- 시료 흡수액의 전처리에 있어서는 갈색의 이산화 망간 입자를 제거하기 위해서 250 ml 용량 플라스크에 담긴 시료 흡수액을 Whatman No. 40 여과지로 여과한 다음 물로 표선을 맞추고, 여과 후 48시간 이 내에 분석하였다.
- 여과지와 시료 흡수액 각각에 대해 전처리를 행하였다. 100 ml 유리 용기에 담긴 여과지 및 흡수액의 내용물을 각각 250 ml 비이커에 넣고 수욕 상(steam bath)에서 액체의 대부분이 증발할 때까지 가열하였다.
- 이를 위해 배출가스의 우속, 온도 압력 (동압, 정 압), 수분량 등을 측정하여 즉시 등속 흡인 유량을 조절하였다. 이 경우 흡인 펌프의 흡인 능력을 감안해 최적의 노즐 직경을 선정하고, 필요 유량 확보를 위한 시료 채취 시간을 결정하였다.
- EPA Method 101A는 가스상 수은뿐만 아니라 입자상 수은도 함께 채취하므로 먼지 시료를 채취할 때와 마찬가지로 등속 흡인을 하였다. 이를 위해 배출가스의 우속, 온도 압력 (동압, 정 압), 수분량 등을 측정하여 즉시 등속 흡인 유량을 조절하였다. 이 경우 흡인 펌프의 흡인 능력을 감안해 최적의 노즐 직경을 선정하고, 필요 유량 확보를 위한 시료 채취 시간을 결정하였다.
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2.3 배출 특성별 수은 조사항옥
조사대상 배출원에서 배출되는 수은 배출농도를 형태별로 분석하기 위하여, 대기오염 공정 시험 방법에 따라 배출구에서 시료를 채취하였으며, 시료는 가스상 및 입자상 수은을 동시에 채취하여 각각을 분석하고 총 수은 농도를 측정하였다. 또한 비산재 중의 수은 농도를 분석하기 위하여, 방지시설에서 포집된 fly-ash를 현장에서 1kg을 채취하였으며, 대기오염 공정 시험 법상의 입자상 수은 분석 방법과 동일하게 분석하였다.
- 82로 산정되어서 지정폐기물을 소각하는 시설이 생활폐기물을 소각하는 시설보다 많은 양의 수은을 배출하는 것으로 나타났다. 표 10 에 배출원별로 배출시설 현황, 수은 농도 및 배출계수를 제시하였으며, 그림 2에서는 이들 생활폐기물 소각시설에 대한 개별 수은 배출계수, 계수의 평균, 표준 편차 등을 제시하였고, 표 11에서는 본 연구에서 산정된 폐기물 소각시설에 대한 수은 배출계수의 평균 자료를 제시하였다.
- 본 회수율 시험은 대기오염 공정시험 방법에 따라 실시하되, 단지 불필요한 흡수액 양을 줄이기 위하여 회수율 시험의 총량은 250 ml로 하였으며, 가스상 수은과 입자상 수은에 대하여 각각을 분석하였다. 회수율 시험을 위해 가스상 수은의 경우에는 흡수액어】, 입자상 수은의 경우에는 여과지에 수은 표준용액을 각각 0ppb, 5ppb(1.25 p.g/250 ml 상당), 10 ppb (2.5 gg/250 ml), 20 ppb (5 gg/250 ml), 40 ppb (10 pig/250 ml)를 첨가하였다.
- 대상배출원에 설치된 기존 집진시설 및 흡수시설의 수은 저감효과를 고찰하기 위하여, 생활폐기물 소각시설의 방지시설 전. 후단에서 대기오염 공정시험 방법에 따라 시료를 채취하여, 각각의 수은 농도를 비교 - 분석하였다.
대상 데이터
- 흡수액은 4% 과망간산칼륨/10% 황산을 사용하였고, 흡수액 50 ml를 넣은 흡수 병 1개와 흡수액 100 ml를 넣은 흡수 병 2개로 채취하였다. 사용되는 모든 유리 기구는 미리 50% 질산, 물, 8N 염산, 물의 세척단계를 거친 후 최종적으로 증류수로 세척하여 건조시킨 것을 사용하였다. 시료 채취가 끝나면 3개의 흡수 병에서 채취된 흡수액을 넣은 다음 채취 관 노즐, 채취 관 연결관, 라이너, 여과지 홀더, 흡수 병 등의 세정액을 합하였다.
- 시료 채취 장치는 먼지 채취 장치와 유사하여 흡인 노즐, 시료 채취 관, 피토관, 차압 게이지, 임핀저 트레 인, 가스 흡인 및 유량 측정부 등으로 구성된다(그림 1). EPA Method 101A는 가스상 수은뿐만 아니라 입자상 수은도 함께 채취하므로 먼지 시료를 채취할 때와 마찬가지로 등속 흡인을 하였다.
- 수은 저감효율은 생활폐기물 소각시설 (MWI#2)의 방지시설 전단 및 후단에서의 수은 농도를 측정하여 조사하였다. 조사대상 MWI#2는 선택적 비촉매 반응 시설 (SNCR), 반건식 알카리 흡수탑 (SDR), 반응식 여 과집 진기 (FF) 순으로 방지 시 설을 설치하여 가스상 및 입자상 오염물질을 제거하고 있었으며, 본 연구에서의 방지시설 전단 측정 위치는 반건식알카리흡수탑 전단에서 측정을 하였고, 방지시설 후단 측정 위치는 굴뚝과 연결되는 최종 시설인 여과 집진기 후단에서 측정을 하였다.
성능/효과
- 65 ]丄g) * /m이 었으 며, 후단에서의 농도는 2.09ug/n?(0.88〜3.49Hg/n?) 으로 나타나 반건식알카리흡수탑과 여과 집진기로 조합된 방지시설에서의 수은 제거효율은 95.54%로 조사되었다. 이는 다이옥신의 배출억제 등 소각시설에 대한 적극적인 방지시설의 운영에 의해 배출 수은의 상당부是이 제거되고 있음을 보여준다.
- 1) 폐기물 소각시설에서의 수은 농도를 조사한 결과 배출가스 중 수은 농도는 지정폐기물 소각시설이 2.5〜8.8 Hg/m% 생활폐기물 소각시설이 0.39〜5.96 lig/nr3로 조사되어, 지정폐기물 소각시설에서 수은 배출농도가 높은 것으로 나타나고 있다.
- 2) 배출가스 중 입자상 수은과 가스상 수은의 분포를 조사해 본 결과, 수은 배출원에서 배출된 수은은 99% 이상이 가스상으로 배출되고, 나머지가 입자상으로 배출되는 것으로 나타나 배출가스 중 수은의 대부분은 가스상으로 배출된다는 것을 알 수 있었다. 따라서 수은의 효과적인 제거를 위해서는 가스상 수은의 처리가 중요하다는 결론을 얻었다.
- 3) 생활폐기물 소각시설의 기존방지시설에 대한 수은 제거 효과를 분석한 결과, 방지시설 전단에서의 수은 농도는 46.87 ng/m3 (33.45-62.65 ]丄g) * /m이 었으 며, 후단에서의 농도는 2.09ug/n?(0.88〜3.
- 4) 생활폐기물 소각시설에 대한 수은 배출계수를 산정한 결과 여과 집진기가 설치된 시설은 3.7-11.7 mg/ton, 선택적 비 촉매 반응시 설, 반건식 알칼리 흡수탑, 여과 집진기가 설치된 시설은 2.6~24.5 mg/ton, 선택적 촉매 반응시 설과 여 과집 진기가 설치된 시 설은 4.2 〜22.0 mg/ton으로 나타났으며, 원심력, 여과, 세정 집 진기 및 흡수탑이 설치된 지정폐기물을 소각하는 시 설의 배출계수는 54.9〜 192.7mg/ton로 나타나 방지 시설의 종류에 따른 차이가 매우 큰 것으로 조사되었다.
- 5) 생활폐기물 소각시설에서 배출되는 수은의 양을 추정한 결과, 생활폐기물 소각시설로부터 대기로 배출되는 수은의 총량은 연간 평균 20.0kg/yr(6.0~33.9kg/yr)으로 조사되었다. 지역별로는 경기도가 7.
- 개별 소각로에 대한 수은 배출계수 산정 결과, 여과 집진기가 설치되어 있는 하루에 50ton의 생활폐기물을 소각하는 시설에서 1 ton의 폐기물을 소각할 경우 최소 3.67mg에서 최대 11.67mg의 수은이 대기중으 로 배출되는 것으로 나타났다. 선택적 비촉매 반응시설설, 반건식 알칼리흡수탑, 여과 집진기가 설치된 시설의 경우에는, 1 ton의 생활폐기물을 소각할 경우 최소 2.
- 2) 배출가스 중 입자상 수은과 가스상 수은의 분포를 조사해 본 결과, 수은 배출원에서 배출된 수은은 99% 이상이 가스상으로 배출되고, 나머지가 입자상으로 배출되는 것으로 나타나 배출가스 중 수은의 대부분은 가스상으로 배출된다는 것을 알 수 있었다. 따라서 수은의 효과적인 제거를 위해서는 가스상 수은의 처리가 중요하다는 결론을 얻었다.
- B. Chang e«L (1999) 등에 의하면 생석회 세정기 및 여과 집진기를 갖춘 폐기물 소각시설의 경우 방지시설 전단에서의 수은 농도가 196 屈血3, 후단이 119 Hg/n? 로 제거율이 29.6%로 나타났고, 전기집진기 및 습식세정기를 갖춘 생활폐기물 소각시설의 경우 방지시설 전단이 82.9jig/m% 후단이 44.8ng/m3로 처리 효율은 45.9%로 나타났다. 이는 우리나라의 경우 폐기물의 분리수거, 무수은 건전지의 보급 등으로 소각로에 유입되는 폐기물 중의 수은 함량이 감소한 결과 방지시설 전단의 수은 농도가 낮아진 것으로 판단되며, 후단의 경우 소각로에서의 다이옥신 집중관리 등으로 방지시설에 대한 개선 노력의 결과로 판단된다.
- 표 9에 방지시설 전단/후단에서 측정한 수은 농도 및 방지시설에 의한 수은 제거효율을 나타내었다. 방지시설 전단에서의 수은 농도는 평균 46.87 ^g/m3 (33.45〜62.65腿/n?)이었으며, 후단에서의 농도는 평균 2.09 Hg/nU (0.88〜3.49 jig/nF)으로써, 반건식알카 리 흡수탑과 여과 집진기에 의한 총괄 수은 제거효율은 95.54%로 비교적 높은 제거효율을 보이고 있다. 따라서 생활폐기물 소각시설 중 방지시설이 비교적 잘 갖추어 있는 시설의 경우에는 배출 수은의 상당 부분이 방지시설에서 제거될 수 있는 것으로 사료되나, 이는 대규모 소각시설에 국한하여 조사한 결과로써 향후 중소형 소각시설 등보다 많은 시설에 대한 조사를 통하여 확인해야 할 것으로 사료된다.
- 미국 EPA의 생활폐기물 소각로에 대한 수은 배출 계수는 방지시설이 없을 경우와 전기집진기가 설치된 시설의 경우는 2, 800mg/ton으로 수은에 대하여 는 전혀 방지효율이 없는 것으로, 반건식 세정기와 전기집진기가 설치된 경우 210mg/ton으로 약 93%의 제거효율을, 그리고 반건식 세정기와 여과 집진기가 설치된 경우에는 146mg/ton으로 약 95%의 제거 효율을 나타내고 있다고 보고하고 있다. 본 연구에서 산정한 배출계수와 비교하여 보면, 본연구결과가 EPA 배출계수보다 상당히 낮게 조사되었다. 이는 미국과 우리나라의 소각시설, 소각조건, 폐기물 성상 등 이 서로 다른 것에 기인한 것으로 사료되는데 특히, 우리나라의 경우 철저한 분리수거 및 수은함유 일반 생활용품의 생산이 줄었으며, 대형 생활폐기물 소각 시설의 경우 대부분 SDR, FF을 기본으로 채택하고 있으며, 여기에 SNCR 등을 추가로 설치했기 때문으로 사료된다.
- 본 연구팀이 2000년도에 조사한 생활폐기물 소각 시설에서의 수은 농도 결과를 보면 2002년에 조사한 결과에 비하여 상당히 높게 나오는 것을 알 수 있다(표 6). MWI-A와 MWI-B는 각각 겨울과 봄철에 조사한 결과를 나타내며, MWI-A의 경우는 25.
- 67mg의 수은이 대기중으 로 배출되는 것으로 나타났다. 선택적 비촉매 반응시설설, 반건식 알칼리흡수탑, 여과 집진기가 설치된 시설의 경우에는, 1 ton의 생활폐기물을 소각할 경우 최소 2.6mg에서 최대 24.5mg의 수은이 배출되며, 선택적 촉매 반응시설과 여과 집진기가 설치된 시설은 4.19-22.04 mg의 수은이 배출되는 것으로 조사되었다. 한 편, 원심력 집진기, 여과 집진기, 세정 집진기 및 흡수탑 이 설치된 지정폐기물을 소각하는 시설에서는 1 ton 의 폐기물을 소각할 경우 54.
- 대기오염 공정시험 방법에 준하여 2002년도에 조사한 폐기물 소각시설에서의 수은 농도 조사 결과를 표 5에 나타내었다. 지정폐기물 소각시설인 IW1#1의 경우, 총 수은 농도가 2.5 〜 8.8|ig/m3으로 나타났으며, 생활폐기물 소각시설의 경우에는, 총 수은 농도가 최소 0.39ng/m3에서 최대 5.96|ig/m3로 생활폐기물 소각시설의 평균 수은 농도값은 2.81 匪血3이었다 생활폐기물 소각시설에 비해 지정폐기물 소각시설에서의 조사 횟수가 적어 단적인 비교는 없으나 조사결 과만을 비교했을 때 생활폐기물 소각시설에 비해 지정폐기물 소각시설에서 좀 더 많은 수은이 배출되는 것으로 조사되었다. 일반적으로는 생활폐기물 소각 시 설의 수은 배출농도가 높게 나오는 것으로 보고되고 있는 바 본 연구의 조사 결과에서 비교적 낮은 농도를 보인 이유는 최근의 쓰레기 분리수거가 비교적 안정되게 이루어지고 있어 생활폐기물 소각시설에서 소각되는 폐기물에 수은이 과거에 비하여 적게 함유되어 있기 때문인 것으로 사료된다.
- 시료 채취 및 분석은 대기오염 공정 시험 방법을 이용하였으며, 분석 결과를 표 7에 나타내었다. 표에서 보는 것과 같이, 가스상으로 배출되는 수은의 비율은 99% 이상으로 대부분의 수은이 가스상으로 배출되고 있음을 알 수 있었다. 이는 99% 이 상이 가스상으로 배출된다고 보고한(M.
- 04 mg의 수은이 배출되는 것으로 조사되었다. 한 편, 원심력 집진기, 여과 집진기, 세정 집진기 및 흡수탑 이 설치된 지정폐기물을 소각하는 시설에서는 1 ton 의 폐기물을 소각할 경우 54.9〜 192.7mg의 수은이 배출되는 것으로 조사되었는바, 생활폐기물 및 지정 폐기물을 소각하는 시설의 평균적인 수은 배출계수는 각각 9.27과 112.82로 산정되어서 지정폐기물을 소각하는 시설이 생활폐기물을 소각하는 시설보다 많은 양의 수은을 배출하는 것으로 나타났다. 표 10 에 배출원별로 배출시설 현황, 수은 농도 및 배출계수를 제시하였으며, 그림 2에서는 이들 생활폐기물 소각시설에 대한 개별 수은 배출계수, 계수의 평균, 표준 편차 등을 제시하였고, 표 11에서는 본 연구에서 산정된 폐기물 소각시설에 대한 수은 배출계수의 평균 자료를 제시하였다.
- 회수율 시험의 결과를 보면, 가스상 수은의 회수율은 67-88.4% 범위로 나타났으며, 첨가한 수은의 양 이 적을 경우 대체적으로 낮은 회수율을 보였다. 이는 적은 양의 수은이 존재할 경우 분석과정에서 비교적 오차가 크게 나타날 수 있음을 의미한다.
후속연구
- 6) 본 연구는 생활폐기물 소각시설 3개 및 지정폐기물 소각시설 1기에서 조사한 결과로써, 향후보다 많은 시설에 대한 추가적인 조사를 통하여 측정 결과의 대표성을 확보할 필요가 있다. 또한, 향후 소각 시 설에서의 수은 종 구분 및 물질 수지 확인에 대한 연구 수행 이 필요할 것으로 사료된다.
- 54%로 비교적 높은 제거효율을 보이고 있다. 따라서 생활폐기물 소각시설 중 방지시설이 비교적 잘 갖추어 있는 시설의 경우에는 배출 수은의 상당 부분이 방지시설에서 제거될 수 있는 것으로 사료되나, 이는 대규모 소각시설에 국한하여 조사한 결과로써 향후 중소형 소각시설 등보다 많은 시설에 대한 조사를 통하여 확인해야 할 것으로 사료된다. M.
- 6) 본 연구는 생활폐기물 소각시설 3개 및 지정폐기물 소각시설 1기에서 조사한 결과로써, 향후보다 많은 시설에 대한 추가적인 조사를 통하여 측정 결과의 대표성을 확보할 필요가 있다. 또한, 향후 소각 시 설에서의 수은 종 구분 및 물질 수지 확인에 대한 연구 수행 이 필요할 것으로 사료된다.
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