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문제 정의
- 7 국내에서는 소각재에서 배출되는 다이옥신에 관한 연구는 활발히 진행되고 있으나, 그외의 다양한 종류의 유기화학물질에 대한 연구는 규제중심적인 극히 일부의 유기화학물질에 대해서만 수행되고 있을 뿐 사전 예방적인 조사연구는 매우 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 현재 가동 중인 도시생활폐기물 소각시설에서 배출되는 바닥재 및 비산재에 함유되어 있는 유기화학물질을 정성적으로 확인하여, 소각재중 유기화합물질의 용출특성을 토대로 기 침출가능성을 확인하고 이에 대한 관리 방안을 마련하는데 기초자료로 활용하고자 한다.
- 본 연구에서는 생활폐기물 소각시설에서 배출되는 바닥재 및 비산재로부터 유해성 유기화학물질에 대한 용출특성을 정성확인 및 평가하기 위하여, 현재 가동중인 대형 생활폐기물 소각시설(250톤/일)의 바닥재 및 비산재를 대상으로 유기화학물질의 종류 및 용출 특성 등을 GC/MS(Gas chromatography/Mass selective Detector)로 정성분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- GC/MSD로 소각재의 바닥재 및 비산재를 정성분석한 결과 다양한 종류의 유기화합물질을 확인하였고, Library(NIST21, NIST107, WILEY229) 검색을 통하여 각 크로마토그램의 질량스펙트럼과 비교하였다. 유사지수가 90% 이상인 유기화학물질은 지방족 화합물과 방향족 화합물 그룹으로 분류하였으며, 이러한 유기화학물질에 대한 머무름 시간, 분자량 그리고 분자식은 Table 2 그리고 Table 3에 각각 나타내었다.
- 또한 총이온크로마토그램(Total Ion Chromatogram)의 각 피크에 대한 정성분석은 각 피크로부터 주어지는 background가 보정된 spectrum 정보를 Library(NIST21, NIST107, WILEY229)와 정성 비교 · 분석하여 일치도가 90% 이상인 유사지표(Similarity Index)에 의해 수행하였다.
- 4에 나타내었다. 바닥재, 용출액 그리고 용출잔사에서 각 피크에 대한 공통적으로 확인된 유기화합물은 Ethenylbenzene, Benzaldehyde, 1-Phenyl-Ethanone 그리고 1,4-Benzenedicarboxylic acid, dimethyl ester로 각각 피크 1, 2, 3, 그리고 15번에서 확인하였다.
- 소각재 중 바닥재와 비산재의 매립시 환경으로 용출되는 다양한 종류의 유기화학물질을 정성확인하기 위한 용출실험은 소각재를 속실렛 추출 한 뒤, 총 크로마토그램과 용출액 및 용출잔사에 대한 총 크로마토그램을 머무름 시간별로 비교하여 수행하였다. 바닥재의 경우 바닥재, 용출액 그리고 용출잔사의 총 이온크로마토그램에서 Library(NIST21, NIST107, WILEY229) 검색을 통한 일치도가 90% 이상인 유기화학물질의 각 피크에 대한 동일한 머무름 시간별 비교 · 분석한 결과를 Fig.
- 이와 같이 생성 메카니즘에서 규명된 바와 같은 전구물질에 해당하는 지방족화합물, 작용기가 없는 고리 방향족 화합물인 Naphthalene, Phenanthrene18-20을 확인하였고, 작용기를 포함한 고리 방향족 화합물인 Ethenylbenzene, Benzaldehyde, 1-Phenyl-ethanone, 4-Methyl-Phenol, Benzoic acid,methyl ester, Phthalic anhydride, Benzamide, 4-Cyanobenzoic acid methyl ester, Biphenyl, 1,4-Benzenedicarboxylic acid dimethyl ester, benzene, 1,1-(1,3-Propanediyl)Bis-ester, 1,1-Diphenyl-1-propene, 1,3-Diphenyl-2-propen-1-one, Phenol, 4,4'-(1-methylethylidene)Bis-, Di-n-octyl phthalate, 1,1:3,1-Terphenyl,5-phenyl-, Ethylbenzene, 1,4-Dimethylbenzene, 1,3-Dimethylbenzene, 1,3,5-Trimethylbenzene, 1,2,3-Trimethylbenzene 그리고 Phthalic anhydride를 확인하였고, 염소화된 방향족 화합물1,2,3,5-Tetrachlorobenzene, Pentachlorobenzene, Hexachlorobenzene을 검출하였다. 바닥재와 비산재로부터 정성 확인된 유기화학물질은 소각시설의 열처리과정 중에서 2차적으로 새롭게 생성된다고 밝혀진 다이옥신류 이외에도 향후 비의도적으로 생성되는 새로운 유해화학물질의 생성메카니즘을 규명하는데 중요한 자료가 될 뿐만 아니라 향후에 이러한 조사연구사업이 지속적이고 좀더 정밀하게 활성화 되는데 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
- 이처럼 용출 확인된 ethenylbenzene 등의 4종의 유기화학물질은 비발암물질로 용량-반응의 실험으로부터 악영향무관측수준(No Observed Adverse Effect, NOAEL) 및 유해영향 관찰 최저 농도 수준(Lowest Observed Adverse Effect, LOAEL) 값과 참고치(Referencr-Dose, RfD)값을 도출하고, 실측농도를 Monte-Corlo Simulation하여 노출평가를 실시하여 확률적인 비발암성 정도를 도출하게 된다.
대상 데이터
- 추출용매는 Wako사의 PCB잔류농약급 Dichloromethane 5,000을 사용하였고, 각각의 추출액을 감압 농축기(BUCHI, Rovapor R124)로 3~5 ml 정도로 농축한 후 질소가스를 불어 넣어 1 ml로 농축하여 검액으로 하였다. 검액은 Table 1의 조건에서 GC(HP 6890)/MSD(HP 5972 Mass selective Detector)로 분석하였다. 이러한 실험에 대한 전체적인 모식도는 Fig.
- 본 연구는 소각시설에서 배출되는 바닥재 및 비산재의 수세처리에 따른 유기화학물질의 용출특성을 평가하기 위하여, 대형 생활폐기물 소각시설(300톤/일)을 조사연구대상으로 선정하였다. 대상소각시설은 폐열회수를 위한 폐열보일러(Waste Heat Boiler)가 냉각설비로 부착되어있고, 배가스에 포함된 미세가스의 분진제거를 위해 전기집진기(Electrostatic Precipitator, EP)가, 배가스의 최종 정화장치로 물과 약품이 투입되어 잔여 유해가스를 제거하는 습식세정탑(Wet Scrubber) 그리고 NOX를 제거하기위한 선택적 환원촉매장치(Slective Catalytic Reduction)가 방지시설로 부착되어 있다. 실험에서 사용된 시료는 현재 가동 중인 생활폐기물 소각시설의 연소실에서 발생되는 바닥재와 방지시설인 전기집진기에서 포집된 비산재를 채취하였다.
- 본 연구는 소각시설에서 배출되는 바닥재 및 비산재의 수세처리에 따른 유기화학물질의 용출특성을 평가하기 위하여, 대형 생활폐기물 소각시설(300톤/일)을 조사연구대상으로 선정하였다. 대상소각시설은 폐열회수를 위한 폐열보일러(Waste Heat Boiler)가 냉각설비로 부착되어있고, 배가스에 포함된 미세가스의 분진제거를 위해 전기집진기(Electrostatic Precipitator, EP)가, 배가스의 최종 정화장치로 물과 약품이 투입되어 잔여 유해가스를 제거하는 습식세정탑(Wet Scrubber) 그리고 NOX를 제거하기위한 선택적 환원촉매장치(Slective Catalytic Reduction)가 방지시설로 부착되어 있다.
- 시료는 대형 스토커식의 생활폐기물 소각로에서 배출되는 소각재를 대상으로 선정하였다. 바닥재의 경우 화격자(grate)에 의해서 배출되는 재를 전체 혼합하여 5 mm이하의 바닥재로 분리하여 사용하였으며, 또한 비산재의 경우에서 산성가스를 제거하기 전에 설치된 전기집진기(EP)에서 발생하는 비산재를 폐기물공정시험방법에 따라 채취하였다.
- 대상소각시설은 폐열회수를 위한 폐열보일러(Waste Heat Boiler)가 냉각설비로 부착되어있고, 배가스에 포함된 미세가스의 분진제거를 위해 전기집진기(Electrostatic Precipitator, EP)가, 배가스의 최종 정화장치로 물과 약품이 투입되어 잔여 유해가스를 제거하는 습식세정탑(Wet Scrubber) 그리고 NOX를 제거하기위한 선택적 환원촉매장치(Slective Catalytic Reduction)가 방지시설로 부착되어 있다. 실험에서 사용된 시료는 현재 가동 중인 생활폐기물 소각시설의 연소실에서 발생되는 바닥재와 방지시설인 전기집진기에서 포집된 비산재를 채취하였다. 소각시설의 처리공정은 Fig.
- 또한, 용출액은 EPA Method 3510C시험방법을9 따라 액체/액체 추출을 하였고, 용출잔사는 EPA Method 3540C시험방법에 따라 속실렛 추출을 하였다. 추출용매는 Wako사의 PCB잔류농약급 Dichloromethane 5,000을 사용하였고, 각각의 추출액을 감압 농축기(BUCHI, Rovapor R124)로 3~5 ml 정도로 농축한 후 질소가스를 불어 넣어 1 ml로 농축하여 검액으로 하였다. 검액은 Table 1의 조건에서 GC(HP 6890)/MSD(HP 5972 Mass selective Detector)로 분석하였다.
이론/모형
- 바닥재 및 비산재의 유기화학물질의 함량분석을 위하여 EPA Method 3540C시험방법에8 따라 속실렛 추출을 하였고, 용출액 및 용출 잔사의 특성을 파악하기 위해서 폐기물공정시험방법 제 5항의 용출시험방법에 따라 용출액과 용출잔사를 분리하였다. 또한, 용출액은 EPA Method 3510C시험방법을9 따라 액체/액체 추출을 하였고, 용출잔사는 EPA Method 3540C시험방법에 따라 속실렛 추출을 하였다. 추출용매는 Wako사의 PCB잔류농약급 Dichloromethane 5,000을 사용하였고, 각각의 추출액을 감압 농축기(BUCHI, Rovapor R124)로 3~5 ml 정도로 농축한 후 질소가스를 불어 넣어 1 ml로 농축하여 검액으로 하였다.
- 바닥재의 경우 화격자(grate)에 의해서 배출되는 재를 전체 혼합하여 5 mm이하의 바닥재로 분리하여 사용하였으며, 또한 비산재의 경우에서 산성가스를 제거하기 전에 설치된 전기집진기(EP)에서 발생하는 비산재를 폐기물공정시험방법에 따라 채취하였다. 바닥재 및 비산재의 유기화학물질의 함량분석을 위하여 EPA Method 3540C시험방법에8 따라 속실렛 추출을 하였고, 용출액 및 용출 잔사의 특성을 파악하기 위해서 폐기물공정시험방법 제 5항의 용출시험방법에 따라 용출액과 용출잔사를 분리하였다. 또한, 용출액은 EPA Method 3510C시험방법을9 따라 액체/액체 추출을 하였고, 용출잔사는 EPA Method 3540C시험방법에 따라 속실렛 추출을 하였다.
- 시료는 대형 스토커식의 생활폐기물 소각로에서 배출되는 소각재를 대상으로 선정하였다. 바닥재의 경우 화격자(grate)에 의해서 배출되는 재를 전체 혼합하여 5 mm이하의 바닥재로 분리하여 사용하였으며, 또한 비산재의 경우에서 산성가스를 제거하기 전에 설치된 전기집진기(EP)에서 발생하는 비산재를 폐기물공정시험방법에 따라 채취하였다. 바닥재 및 비산재의 유기화학물질의 함량분석을 위하여 EPA Method 3540C시험방법에8 따라 속실렛 추출을 하였고, 용출액 및 용출 잔사의 특성을 파악하기 위해서 폐기물공정시험방법 제 5항의 용출시험방법에 따라 용출액과 용출잔사를 분리하였다.
성능/효과
- 1. 소각재 중 바닥재의 유기화합물에 대한 정성분석 결과, 지방족 화합물로 Dodecane, 1,4:3,6-DianhydroAlpha-d-glucopyranose, Caprolactam, Dodecanoic acid, Tetradecane, Tridecanoic acid,methyl ester, hexahydropyrrolo[1,2-a]pyrazine-1,4-dione, Tetradecanoic acid, Hexadecanoic acid,methyl ester, 3,9-Diazatricyclo [7.3.0.0(3,7)]-dodecan-2,8-dione, Tetradecanoic acid, 9,12-Octadecadienoic acid,methyl ester, 9-Octadecenoic acid (Z), methyl ester, Octadecanoic acid,methyl ester, 9,12-Octadecadienoic acid (Z,Z)-, methyl ester, 9-Octadecenoic acid (E)-, Octadecanoic acid, Oleic acid, Docosane, Pentadecane, Tetracosane, Heptadecane, Hexacosane, Heptacosane, Octadecane, Nonacosane 등을 확인 하였고, 방향족 화합물인 Ethenyl-benzene, Benzaldehyde, 1-Phenyl-ethanone, 4-Methyl-Phenol, 4-Cyanobenzoic acid methyl ester, Naphthalene, Phthalic anhydride, Benzamide, 4-cyano-methyl ester, Biphenyl, 1,4-Benzenedicarboxylic acid dimethyl ester, Benzene,1,1'-(1,3-Propanediyl)-Bis-, Di-n-octyl phthalate, 1,1':3,1-Terphenyl, 5-phenyl-등이 확인되었다. 방향족 화합물에 비하여 다양한 지방족 화합물이 확인 되었으며 이는 불완전 연소에 기인 한 것으로 판단되었다.
- 2. 소각재 중 비산재의 유기화학물질에 대한 정성분석 결과, 지방족화합물은 Decane, 1-methyl-4-cyclohexene, Undecane, Dodecane, Tridecane, Ttradecane, Hexadecane등을 확인하였고, 방향족 화합물은 Ethylbenzene, 1,4-Dimethyl-benzene, 1,3-Dimethyl- benzene, 1,3,5-Trimethyl-benzene, 1,2,3-Trimethyl-benzene, Naphthalene, Phthalic anhydride, 1,2,3,5-Tetrachlorobenzene, Pentachlorobenzene, Hexachlorobenzene등을 확인 하였다. 이는 휘발성 및 반휘발성 유기화합물이 보일러 후단 및 대기방지시설에서 재합성으로 인한 다량의 방향족 화합물들이 형성되었을 것으로 판단되었다.
- 3. 바닥재 및 비산재, 용출액 및 용출잔사로부터 용출되는 유기화학물질은 머무름시간별 비교 분석한 결과, 바닥재에서는 Ethenylbenzene, Benzaldehyde, 1-Pheny-Ethanone 그리고 1,4-Benzenedicarboxylic acid, dimethyl ester, 비산재에서는 Naphthalene, Dodecane, 1,2,3,5-Tetrachlorobenzene, Ttradecane, Hexadecane 그리고 Pentachloro- benzene등을 정성적으로 확인하였다. 이는 자연 용출과정 및 수세처리 과정에서 일부 유기화합물들이 수층으로 용출되는 것으로 확인 · 판단되었다.
- 즉 바닥재의 총 이온크로마토그램에서 231개의 피크 중 유사지수가 90%이상의 일치를 보인 유기화학물질은 26종의 지방족 화합물과 18종의 방향족 화합물인 총 44종의 유기화학물질을 확인하였다. 그 외에도 50%~90%사이의 일치를 보인 화합물 51종을 확인하였다. 비산재의 경우 총 이온크로마토그램 115개 피크중 유사지수가 90%이상의 일치를 보인 10종의 지방족 화합물과 7종의 방향족 화합물인 총 17종의 유기화합물을 확인하였다.
- 비산재의 경우 총 이온크로마토그램 115개 피크중 유사지수가 90%이상의 일치를 보인 10종의 지방족 화합물과 7종의 방향족 화합물인 총 17종의 유기화합물을 확인하였다. 또한 50%~90%사이의 일치를 보인 화합물 25종을 확인하였다. 바닥재 및 비산재의 총 이온크로마토그램을 머무름 시간에 따라 Fig.
- 비산재, 용출액, 용출잔사에서 유사지수가 90%이상인 유기화학물질의 총 크로마토그램을 비교한 결과, 용출액으로부터 용출된 유기화학물질은 Naphthalene, Dodecane, 1,2,3,5-Tetrachlorobenzene, Tetradecane, Hexadecane 그리고 Pentachlorobenzene로 각각 피크 9, 10, 13, 14, 15 그리고 16번에서 정성 확인되었다. 용출된 유기화합물질들에 대한 위해성을 평가하기 위한 독성 자료를 Table 5에 나타내었다.
- 그 외에도 50%~90%사이의 일치를 보인 화합물 51종을 확인하였다. 비산재의 경우 총 이온크로마토그램 115개 피크중 유사지수가 90%이상의 일치를 보인 10종의 지방족 화합물과 7종의 방향족 화합물인 총 17종의 유기화합물을 확인하였다. 또한 50%~90%사이의 일치를 보인 화합물 25종을 확인하였다.
- 유사지수가 90% 이상인 유기화학물질은 지방족 화합물과 방향족 화합물 그룹으로 분류하였으며, 이러한 유기화학물질에 대한 머무름 시간, 분자량 그리고 분자식은 Table 2 그리고 Table 3에 각각 나타내었다. 즉 바닥재의 총 이온크로마토그램에서 231개의 피크 중 유사지수가 90%이상의 일치를 보인 유기화학물질은 26종의 지방족 화합물과 18종의 방향족 화합물인 총 44종의 유기화학물질을 확인하였다. 그 외에도 50%~90%사이의 일치를 보인 화합물 51종을 확인하였다.
후속연구
- 바닥재와 비산재로부터 정성 확인된 유기화학물질은 소각시설의 열처리과정 중에서 2차적으로 새롭게 생성된다고 밝혀진 다이옥신류 이외에도 향후 비의도적으로 생성되는 새로운 유해화학물질의 생성메카니즘을 규명하는데 중요한 자료가 될 뿐만 아니라 향후에 이러한 조사연구사업이 지속적이고 좀더 정밀하게 활성화 되는데 많은 도움이 될 것으로 판단된다. 또한 국제적으로 새롭게 대두되는 POPs와 같은 독성이 강한 새로운 유해화학물질 관리에 커다란 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
- 을 확인하였고, 작용기를 포함한 고리 방향족 화합물인 Ethenylbenzene, Benzaldehyde, 1-Phenyl-ethanone, 4-Methyl-Phenol, Benzoic acid,methyl ester, Phthalic anhydride, Benzamide, 4-Cyanobenzoic acid methyl ester, Biphenyl, 1,4-Benzenedicarboxylic acid dimethyl ester, benzene, 1,1-(1,3-Propanediyl)Bis-ester, 1,1-Diphenyl-1-propene, 1,3-Diphenyl-2-propen-1-one, Phenol, 4,4'-(1-methylethylidene)Bis-, Di-n-octyl phthalate, 1,1:3,1-Terphenyl,5-phenyl-, Ethylbenzene, 1,4-Dimethylbenzene, 1,3-Dimethylbenzene, 1,3,5-Trimethylbenzene, 1,2,3-Trimethylbenzene 그리고 Phthalic anhydride를 확인하였고, 염소화된 방향족 화합물1,2,3,5-Tetrachlorobenzene, Pentachlorobenzene, Hexachlorobenzene을 검출하였다. 바닥재와 비산재로부터 정성 확인된 유기화학물질은 소각시설의 열처리과정 중에서 2차적으로 새롭게 생성된다고 밝혀진 다이옥신류 이외에도 향후 비의도적으로 생성되는 새로운 유해화학물질의 생성메카니즘을 규명하는데 중요한 자료가 될 뿐만 아니라 향후에 이러한 조사연구사업이 지속적이고 좀더 정밀하게 활성화 되는데 많은 도움이 될 것으로 판단된다. 또한 국제적으로 새롭게 대두되는 POPs와 같은 독성이 강한 새로운 유해화학물질 관리에 커다란 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
- 본 논문은 정성분석을 통하여 유기화학물질에 대한 정확한 실태를 파악함으로서 소각시설에서 발생되는 비산재 및 바닥재에 대한 보다 효과적인 관리방안을 강구하는데 활용될 것이라 판단되므로 추후 이러한 다양한 종류의 유기화학물질에 대한 정확한 정량분석 을 위한 조사연구를 수행할 것이다.
- 이상에서와 같이 폐기물 소각시설로부터 발생되는 비산재와 바닥재를 매립 등으로 처리하였을때 자연적인 조건하에서 매립장 등에서 용출될 수 있는 유해성 유기화학물질에 대한 정성분석은 주변환경에 어떤 종류의 유기화학물질로 인한 오염의 예측과 이들을 보다 효과적이며 적절히게 처리할 수 있는 방안을 강구할 수 있을 뿐만아니라 사전예방 중심적인 환경오염물질 관리에 커다란 기여를 할 것으로 판단된다.
- 이상의 연구결과는 소각시설에서 발생되는 비산재 및 바닥재를 단순 매립할 경우 우수로 인한 침출수로 인하여 인근 지하 및 토양 등이 유해성 유기화학물질에 의한 영향을 받을 수 있을 것으로 판단되었으며, 이로 인한 2차 오염을 방지하기 위하여 소각재에 함유되어 있는 유해화학물질을 안정적으로 처리 · 처분할 수 있는 조사연구가 필요한 것으로 사료된다.
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