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문제 정의
- HAPs는 고정오염원, 이동오염원 및 면오염원에 따라 배출 특성이 다르며 이러한 각 오염원별 특성을 고려하여 HAPs를 종합적으로 관리할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 유해화학물질인 HAPs의 효율적인 관리와 저감대책 수립에 필요한 기초자료 생성을 위해 고정오염원 중 폐기물소각시설을 대상으로 국내 특정 대기 유해물질 35종에 포함된 다환방향족탄화수소류 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons), 카드뮴, 납, 크롬, 구리, 니켈과 미국의 HAPs 관리물질인 베릴륨, 코발트, 아연의 배출특성을 소각되는 폐기물의 종류(지정폐기물 소각시설, 감염성폐기물 소각시설, 생활폐기물 소각시설)에 따라 조사하여 각 시설에서 배출되고 있는 HAPs 배출특성을 규명하고자 하였다.
제안 방법
- 표준물질은 16가지의 PAHs가 포함된 혼합표준용액 (s叩elco-4S8905, USA)을 사용하였으며 내부표준물질은 naphthalene-d10, acenaphthene -dl0, phenanthrene-d|0, chrysene-d10, perylene-d]。가 용해된 혼합시약。叩£1(:0-48902, ^0^)을 사용하였다. 검출한계는 최저농도 표준물질을 7회 분석한 후 얻어진 표준편차의 3배 값으로 하였으며 (검출한계 범위: 0Q3~0.95ppb) 시료분석에 있어서는 첨가된 내부표준물질의 회수율이 75% 이상일 때 그 분석 데이터를 인정하였다.
- 각 소각시설의 측정지점을 그림 I어】 나타내었다. 배출시설에서 배출되는 중금속 성분은 입자상오염물질과 함께 배출되는 특성이 있기 때문에 대기오염공정시험방법 중 먼지 시험방법에 따라 반자동식 시료채취기 (CAE, M-5 METER, USA) 로 먼지 시료채취 방법과 동일하게 등속흡인으로 채취하였다. 시료채취에 사용되어진 원통형 여과지 (Whatman 2814432)는 110±5℃ (배출가스 온도가 H0±5℃ 이상일 경우 배출가스온도와 동일)에서 비결합 수분을 완전히 제거하고 데시케이터에서 실온으로 방냉한 후 무게를 측정하여 중금속 분석용으로 사용하였다.
- 추출액은 회전 농축기를 사용하여 2~3mL로 농축하였으며 Hexane 으로 액-액 추출한 것과 XAD 수지의 추출액은 합하여 기체상 시료로 하였다. 시료의 정제는 실리카겔컬럼 크로마토그래피를 사용하여 정제하였다. 정제컬럼을 통과한 유출액은 최종적으로 질소 농축하여 1 mL로 농축한 후 표 4의 조건으로 GC/MSD를 이용하여 분석하였다.
- 시료의 정제는 실리카겔컬럼 크로마토그래피를 사용하여 정제하였다. 정제컬럼을 통과한 유출액은 최종적으로 질소 농축하여 1 mL로 농축한 후 표 4의 조건으로 GC/MSD를 이용하여 분석하였다. 표준물질은 16가지의 PAHs가 포함된 혼합표준용액 (s叩elco-4S8905, USA)을 사용하였으며 내부표준물질은 naphthalene-d10, acenaphthene -dl0, phenanthrene-d|0, chrysene-d10, perylene-d]。가 용해된 혼합시약。叩£1(:0-48902, ^0^)을 사용하였다.
- 따랐다(그림 2). 중금속 추출을 위하여 사용한 시약은 유해중금속분석 용 등급으로 HNS와 H2O2 (30 %) 등의 시 약을 사용하였으며 전처 리된 분석용 시료는 원자흡광광도계 (Spectra AA, Varian, USA)를 사용하여 분석하였고 분석조건은 표 3에 나타내었다.
- 일반현황에 대한 자료는 현장 측정 사업장을 방문하여 설문한 자료를 이용하였다. 측정항목은 폐기물 소각시설의 유해화학물질 배출실태를 파악하기 위하여 아연 등 8종의 중금속 물질, Benzo(a) anthracene을 포함한 16종의 다환방향족탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) 로 하였다. 다환방향족탄화수소류와 중금속류 8종 중 카드 유.
- 1999)에 준하여 전처리하였다. 흡수액은 액량의 10배에 해당하는 Hexane으로 두 번 액-액 추출하였으며 XAD 수지와 원통형 여지는 Dichloromethane 과 Hexane의 혼합용매 (50 : 50)로 24시간 이상 (4 cycles/hr 이상) 속실렛 추출하였다. 추출액은 회전 농축기를 사용하여 2~3mL로 농축하였으며 Hexane 으로 액-액 추출한 것과 XAD 수지의 추출액은 합하여 기체상 시료로 하였다.
대상 데이터
- 각각의 대상 물질에 대해서 방지시설 전단 및 후단에서 시료를 채취하였으며 방지시설 후단의 채취지점은 모든 소각시설의 최종 배출시설인 굴뚝으로 하였다. 방지시설 전단은 각 소각시설별 공정의 차이로 동일한 지점에서 측정을 하지 못하였으나 대부분 대상 시설의 보일러 후단이나 열교환장치 후단을 측정지점으로 하였다.
- 본 연구의 대상시설은 폐기물 소각시설 중 지정폐기물 소각업체 3개 시설과 폐기물 소각량이 적지만 일부가 소각시설로 지정되어 있는 시멘트 소성로 2 개 시설, 생활폐기물 소각시설 2개 시설, 감염성 폐기물 소각시설 2개 시설, 총 9개의 소각시설이다.
- 대상 소각 시설의 소각용량, 방지시설, 보조연료의 일반현황 자료를 표 1에 나타내었다. 일반현황에 대한 자료는 현장 측정 사업장을 방문하여 설문한 자료를 이용하였다. 측정항목은 폐기물 소각시설의 유해화학물질 배출실태를 파악하기 위하여 아연 등 8종의 중금속 물질, Benzo(a) anthracene을 포함한 16종의 다환방향족탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) 로 하였다.
- 흡착제는 Amber- lite XAD-2수지 (S叩elco 1-0357)를 사용하였고 사용 전에 아세톤+증류수(1 + 1), 아세톤 톨루엔(2회), 아세톤을 이용하여 각각 30분간 초음파 세정 후 30℃ 이하의 진공건조기에서 건조한 후 사용하였다. 입자상 P사Is를 포집하기 위한 원통형여지는 유리섬유 재질의 Whatman 2814432을 사용하였고 850℃에서 2 시간 작열한 후 아세톤 및 톨루엔으로 각각 30분간 초음파 세정한 다음 진공건조 후 사용하였다.
이론/모형
- 소각시설의 방지시설 전단과 후단에서 포집한 원통형 여지, XAD 수지를 각각 US EPA TO-13A (US EPA, 1999)에 준하여 전처리하였다. 흡수액은 액량의 10배에 해당하는 Hexane으로 두 번 액-액 추출하였으며 XAD 수지와 원통형 여지는 Dichloromethane 과 Hexane의 혼합용매 (50 : 50)로 24시간 이상 (4 cycles/hr 이상) 속실렛 추출하였다.
- 중금속 분석은 대부분 대기오염공정시험법 (환경부, 2002)을 준수하였고 분석시료 전처리는 이산화납 등의 난용성 물질의 분해를 위해 질산-과산화수소 수법에 따랐다(그림 2). 중금속 추출을 위하여 사용한 시약은 유해중금속분석 용 등급으로 HNS와 H2O2 (30 %) 등의 시 약을 사용하였으며 전처 리된 분석용 시료는 원자흡광광도계 (Spectra AA, Varian, USA)를 사용하여 분석하였고 분석조건은 표 3에 나타내었다.
성능/효과
- 방지시설 전단에서의 농도를 살펴보면, 베릴륨의 경우 시멘트 소성로 전단과 지정폐기물 소각시설인 B1 에서만 미량 검출되었고 다른 시설에서는 전단에서 모두 불검출로 나타났다. 그리고 전체적으로 볼 때에 모든 소각시설의 전단에서 아연과 납, 구리가 비교적 높은 농도로 검출되었으며 특히, 지정폐기물 소각시설과 감염성폐기물 소각시설에서 높은 농도를 보였다. 방지시설을 거 친 후단에서의 조사결과, 모든 소각시설에서 검출되어진 아연은 감염성 폐기물소각시설인 C2에서의 농도가 0.
- 다환방향족탄화수소의 농도 조사결과, 전체 농도가 가스상으로 분포하는 PAHs에 의존적 이었으며, 특히, PAHs 중 분자 구조가 가장 간단한 naphthalene의 농도가 585.22~220.88 jig/n?였고, 후단에서는 20.56~ 3.
- LMW (Low Molecular Weight)은 고리수가 2~3개 인 PAHs의 합이며 MMW (Middle Molecular Weight)은 4개, HMW (High Mole- cular Weight)은 고리수 5 ~6개의 합이다. 대부분의 소각시설은 고리수가 2개 인 PAHs가 주로 높은 비율로 존재하였으나 지정폐기물을 소각하는 Bl, B2, B3 소각시설과 생활폐기물 소각시설인 이은 다른 시설에 비해 고리수가 2개인 PAHs가 차지하는 비율이 다른 시설들에 비해 상대적으로 적게 나타났다. 또한 본 연구에서 조사한 소각시설에서의 PAHs profilee 다른 다양한 산업시설에서의 PAHs profile(Hsi-Hsien et al.
- 대부분의 소각시설은 고리수가 2개 인 PAHs가 주로 높은 비율로 존재하였으나 지정폐기물을 소각하는 Bl, B2, B3 소각시설과 생활폐기물 소각시설인 이은 다른 시설에 비해 고리수가 2개인 PAHs가 차지하는 비율이 다른 시설들에 비해 상대적으로 적게 나타났다. 또한 본 연구에서 조사한 소각시설에서의 PAHs profilee 다른 다양한 산업시설에서의 PAHs profile(Hsi-Hsien et al., 1998)에 비해 저분자의 PAHs가 고분자 PAHs 에 비해 높은 비율로 존재함을 알 수 있었다.
- 방지시설을 거 친 후단에서의 조사결과, 모든 소각시설에서 검출되어진 아연은 감염성 폐기물소각시설인 C2에서의 농도가 0.246 mg/n?로 다른 소각시설에 비해 높은 값을 보였으나 배출허용기준을 만족하였으며, 그 외 배출허용기준이 있는 물질인 카드뮴, 납, 크롬, 니켈, 구리의 경우도 모든 시설에서 배출허용기준을 만족하는 것으로 나타났다. 구리와 카드뮴의 경우 지정폐기물 소각시설에서만 검출되었으며 검출범위는 각각 0.
- 카드뮴, 납, 크롬, 니켈, 베릴륨, 코발트, 아연, 구리 등 8종의 중금속 물질 조사결과 아연이 가장 높은 값을 보였으며, 배출허용기준이 있는 물질인 카드뮴, 납, 크롬, 구리, 니켈, 아연의 배출 농도는 모든 시설에서 배출허용 기준보다 낮은 농도로 배출하고 있는 것으로 조사되었다. 방지시설 전단에서의 중금속 측정농도를 보면, 시멘트 소성로에서 아연과 납이 높은 농도로 조사되었으며 지정폐기물 소각시시설에서는 아연과 구리가 각각 높은 농도로 조사되었다. 그리고 베릴륨은 시멘트 소성로를 제외한 모든 시설의 전 .
- 004mg/m, 이었다. 베릴륨은 모든 시설에서 불검출로 나타났으며 납과 크롬은 생활폐기물 소각시설 2곳에서는 검출되지 않았으나 다른 소각시설에서는 검출되는 것으로 나타났다. 전단에서 높은 농도로 검출되었던 중금 속류가 후단에서 배출허용기준 미만으로 검출된 것은 대부분의 중금속들이 입자상 형태로 배출되는 물질들로서 제거효율은 입자상물질 제어시설과 밀접한 관계가 있기 때문에 (김기헌 등, 2003) 입자상물질을 제어하기 위하여 전기집진기나 여과집진기를 거치면서 제거되었기 때문이다.
- 전단에서 높은 농도로 검출되었던 중금 속류가 후단에서 배출허용기준 미만으로 검출된 것은 대부분의 중금속들이 입자상 형태로 배출되는 물질들로서 제거효율은 입자상물질 제어시설과 밀접한 관계가 있기 때문에 (김기헌 등, 2003) 입자상물질을 제어하기 위하여 전기집진기나 여과집진기를 거치면서 제거되었기 때문이다. 측정결과 이 방지 시설들의 집진 효율은 95% 이상으로 나타났다. 또한 Bl, B2, C1, C2, D1, D2 등 대부분의 소각시설에서 수분량이 14% 이상으로 높게 나타났는데 소각성분에도 수분이 많지만 B1, B2, C2의 경우에는 습식 방지시설을 설치하고 있어 이도 먼지 속에 있는 중금속의 농도를 제거하는데 기여한 것으로 사료된다.
- 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 카드뮴, 납, 크롬, 니켈, 베릴륨, 코발트, 아연, 구리 등 8종의 중금속 물질 조사결과 아연이 가장 높은 값을 보였으며, 배출허용기준이 있는 물질인 카드뮴, 납, 크롬, 구리, 니켈, 아연의 배출 농도는 모든 시설에서 배출허용 기준보다 낮은 농도로 배출하고 있는 것으로 조사되었다. 방지시설 전단에서의 중금속 측정농도를 보면, 시멘트 소성로에서 아연과 납이 높은 농도로 조사되었으며 지정폐기물 소각시시설에서는 아연과 구리가 각각 높은 농도로 조사되었다.
후속연구
- (2B)5- 지정되어 있는 benzo(a)pyrene, benzo(k) flouranthene, benzo(b)flouranthene의 농도가 많은 배출시설에서 검출되었는데 저분자 구조로 기체상으로 존재하는 PAHs의 농도보다는 훨씬 작은 수치이나 그 유해성을 고려한다면 앞으로 체계적이고 집중적인 조사가 필요하다.
- 이는 연소과정에서 생성된 PAHs가 냉각시설, 방지시설 등을 거치면서 변화되었기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 소각과정에서 새로이 생성되는 PAHs와 같은 유기물질에 대해서는 폐기물 소각시설에 대한 정확한 규명을 통하여 일반대기오염물질의 저감을 위한 방지시설 뿐만 아니라 미규제오염물질에 대한 적절한 대처방안이 마련되어야 한다고 판단된다.
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