[논문]도로터널 내 공기질 측정과 Bag Filter를 이용한 미세먼지 제거 성능평가

김범석; 박일건; 정동균; 이상돈; 홍민선

doi:10.9711/ktaj.2015.17.5.523

도로터널 내 공기질 측정과 Bag Filter를 이용한 미세먼지 제거 성능평가
Air quality monitoring and evaluation of bag filter performance for removal of fine particulates in roadway tunnels 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.17 no.5, 2015년, pp.523 - 531

김범석 (아주대학교 환경공학과 석박통합과정) , 박일건 (평화엔지니어링 기술연구원) , 정동균 (아주대학교 환경안전공학과) , 이상돈 (아주대학교 환경공학과) , 홍민선 (아주대학교 환경공학과)

초록
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수도권에 있는 4개 도로터널을 선정해 오전 7시부터 오전 9시까지 미세먼지와 벤젠을 측정한 결과 PM10은 $111{\sim}268{\mu}g/m^3$으로 연간 대기환경기준치인 $50{\mu}g/m^3$을 2~5배 이상 초과하였고 PM2.5는 $35{\sim}65{\mu}g/m^3$으로 대기환경기준치인 $25{\mu}g/m^3$을 1.5배~2.5배 초과 하였다. 벤젠의 경우 300~500 ppb로 나타나 대기환경기준치인 1.5 ppb의 200~330배 초과하였다. 국내 장대터널에서 4개월 연속 측정한 결과 PM10의 경우 $30{\sim}400{\mu}g/m^3$으로 나타났고 Bag filter를 이용한 PM10의 제거효율은 97% 이상으로 나타나 향후 터널 내 대기질 개선에 기여할 것으로 판단된다. 벤젠의 경우 250~350 ppb로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Air quality was monitored in four roadway tunnels located near Seoul metropolitan area from 7:00AM to 9:00AM. PM10 concentrations range $111{\sim}268{\mu}g/m^3$, which are 2~5 times higher than annual standard $50{\mu}g/m^3$, and PM2.5 concentrations range $35{\sim}65{\mu}g/m^3$, which are 1.5~2.5 times higher than annual standard $25{\mu}g/m^3$. Benzene concentrations range 300~500 ppb, which are 200~300 times higher than 1.5 ppb which is air quality standard. Four-month long term air quality monitoring and test results in one of long tunnels show that PM10 range $30{\sim}400{\mu}g/m^3$ and over 97% of them can be removed by bag filter, effectively. Finally, benzene concentrations range 250~350 ppb.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 도심터널에서 발생하는 미세먼지와 VOC(벤젠)의 농도 분포 특성을 조사하고, 실험실 규모에서의 오염물질 제거특성을 연구함과 동시에 실제 터널에서의 장기모니터링을 통한 적용성 평가를 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 동시 처리장치의 현장 성능 검증을 위하여 실제 운영중인 터널에 설치하여 모니터링을 실시하였다. 설치터널은 서울 외곽순환도로에 위치한 S1 터널로서, 길이 2,950 m, 폭 17.
본 연구에서는 터널 내 미세먼지 및 VOC(벤젠)의 특성을 조사하기 위하여 수도권에 설치되어있는 장대 터널 중 시가지와 인접하여 터널에서 발생하는 오염 물질이 인근 주민에게 영향을 끼칠 것으로 예상되는 N 터널, G 터널, W 터널, S 터널에 대하여 차량 통행이 가장 많은 시간대인 오전 7시~9시에 터널 내 오염물질을 측정하였다.
이에 본 연구에서는 서울 시내의 도시 장대 터널에 서의 미세먼지(PM10, PM2.5)와 VOC(벤젠)의 농도 분포에 대해 조사하고, Lab scale의 실험과 실제 터널에서의 장기 모니터링을 통해 이에 대한 저감 효율을 평가하였다.

제안 방법

S1 터널 상행선 내 by-pass 터널 입구에 처리장치를 설치하였으며 미세먼지의 측정은 농도범위 0.001~20 mg/m3, 정확도 ± 0.001 mg/m3인 TSI사의 AM510을 사용하였고, 벤젠의 측정은 농도범위 1 pp b～10,000 ppm이며 정확도가 ± -5%인 ION사의 PhoCheck TIGER를 사용하였다.
VOC를 처리할 수 있는 기술은 흡착, 흡수, 연소와 촉매 산화 등이 있으나 본 연구에서는 복합장치에 적용 가능하고, 타 처리기술에 비해 기술 적용이 쉬운 흡착 기술을 적용하여 처리효율 성능평가 실험을 수행하였다. 흡착제는 제올라이트 5A를 이용하였고 흡착질인 벤젠은 현장 측정 결과와 비슷한 농도인 0.
또한 이 처리장치의 처리 효율을 확인하기 위하여 10 m3/min (W: 10 m × D: 1 m × H: 1 m) 규모의 모형터널을 제작하여 성능평가를 수행하였다.
미세먼지의 측정은 터널 출구부에서 4분간 10회 측정하여 평균값을 구하였고, 농도범위 0.001~20mg/m3, 정확도 ± 0.001 mg/m3인 TSI사의 AM510을 사용하였다.
벤젠의 측정은 차량의 창문을 개방한 상태에서 5회 왕복하며 측정하였고, 농도범위는 1 ppb～10,000 ppm이며 정확도가 ± -5%인 ION사의 PhoCheck TIGER를 사용하였다.
/min (W: 10 m × D: 1 m × H: 1 m) 규모의 모형터널을 제작하여 성능평가를 수행하였다. 성능평가 수행 시 현장 터널과 유사한 조건으로 실험을 수행하기 위해 발생 미세먼지 및 유해가스는 터널 현장조사 결과를 바탕으로 농도를 조절한 모사가스를 활용하였다.
입구 및 출구에서의 실시간으로 데이터를 측정하였으며, 오염물질의 측정은 현장 측정 시 사용된 측정 장비와 동일한 장비를 사용하여 데이터를 측정 및 분석하였다. Fig.
68 m) 규모의 처리 장치를 제작하였다. 장치는 앞단에서 1차적으로 미세먼지를 제거하고, 후단에서 2차적으로 유해가스를 제거하는 시스템으로 미세먼지 제거 모듈은 전기집진장치와 백필터 방식이 듀얼로 연결되어 있고, 유해가스 제거 모듈은 흡착 방식(VOC 처리)으로 구성하였다. 오염 물질 동시 처리 장치의 개략도는 Fig.
001 mg/m³인 TSI사의 AM510을 사용하였고, 벤젠의 측정은 농도범위 1 pp b～10,000 ppm이며 정확도가 ± -5%인 ION사의 PhoCheck TIGER를 사용하였다. 측정장비는 처리장치의 앞단과 후단에 설치하여 처리 효율을 확인하였으며 15분 단위로 data를 저장하여 24시간 동안 측정하였고 약 4달간 2주 간격으로 실시간 모니터링 data를 확보하였다.
터널 내 차량에 의해 발생되는 오염물질의 조건을 고려하여 온도 25°C, 상대습도 45 ± 5% 하에서 유입부를 통해 미세먼지와 VOC(벤젠) 가스를 유입하여 일차적으로 집진장치를 통해 미세먼지를 제거하였으며, 집진장치를 통과한 후 먼지가 제거된 가스는 흡착반응기를 통해 제거하였다.
터널 내에서 발생되는 미세먼지(PM10, PM2.5) 및 VOC(벤젠)을 동시에 처리하기 위하여 10 m3/min (W 2.15 m × D 2.10 m × H 0.68 m) 규모의 처리 장치를 제작하였다.

대상 데이터

, 1996). 교통량과 차량속도에 의한 대기질 변화는 대만에 위치한 12.9 km의 Hsueh-shan 터널에서 실험연구가 수행되었다(Ma et al., 2011). 이외에도 터널 내 공기질 개선을 위한 측정 연구가 유럽을 중심으로 수행되었다(Bon et al.
실험에 사용된 미세먼지는 터널 내 발생되는 미세 먼지의 특성과 유사한 조건인 입경크기 2~10 μm 이하, 입자밀도 1.95 g/cm3로 공급하기 위하여 한국 산업규격에서 10종(flyash)으로 규정한 Test Powder를 사용하였고, 먼지 발생장치를 이용하여 일정한 양으로 반응기에 공급하였다.
VOC를 처리할 수 있는 기술은 흡착, 흡수, 연소와 촉매 산화 등이 있으나 본 연구에서는 복합장치에 적용 가능하고, 타 처리기술에 비해 기술 적용이 쉬운 흡착 기술을 적용하여 처리효율 성능평가 실험을 수행하였다. 흡착제는 제올라이트 5A를 이용하였고 흡착질인 벤젠은 현장 측정 결과와 비슷한 농도인 0.7 ppm으로 조절하여 반응기에 주입하였다. 성능평가 결과는 Fig.

성능/효과

2. 이러한 오염물질이 인근 주민에게 영향을 미칠 것으로 예상되는 도심터널 네 곳을 선정하여 현장 측정실험을 실시하였으며 측정 결과 PM10의 경우 24시간 평균 대기환경기준인 100 ㎍/m³, 연평균 기준인 50 ㎍/m³을 초과하는 것으로 나타났으며, PM2.5의 경우 최근 도입될 예정인 기준치 25 ㎍/m³을 초과한 것으로 나타났다. 또한 VOC(벤젠)의 경우 역시 마찬가지로 기준농도인 5 ㎍/m³(1.
3. 이러한 터널 내 대기오염물질 처리 효율을 도출하기 위하여 Lab scale 규모의 모형터널을 제작하여 저감 성능평가를 실시하였으며, 성능평가 결과 미세먼지의 처리효율은 백필터 가동시 97%이상, VOC의 처리효율은 90%이상 처리되는 것으로 나타났다.
9와 10은 실제 운영중인 S1 터널 내 바이패스구간에 미세먼지와 유해가스 동시처리 장치 설치하여 실시간 모니터링을 통한 오염물질의 농도 변화 및 특성을 분석한 것이다. 모니터링 결과, PM 10의 경우 불규칙한 패턴을 보이는데 이는 외부 오염도, 통행량, 기상 현상 등에 의해 야기된 것으로 판단되며 벤젠의 경우 비교적 일정한 패턴으로 농도 변화가 관측되었다.
모든 터널에서 출구 부분의 PM 10 평균 농도가 24시간 평균 대기환경기준인 100 ㎍/m3과 연평균 기준인 50 ㎍/m3을 넘는 것으로 나타났으며 벤젠농도 역시 기준농도인 5 ㎍/m3(1.4 × 10-3ppm)을 넘는 것으로 나타나 오염물질의 처리가 필요할 것으로 판단된다.
백필터 장치(10 m³/min)의 미세먼지 포집 결과는 Fig. 6, 7과 같으며, 포집 전 PM 2.5의 농도는 1,200㎍/m³, PM 10의 농도는 1,800 ㎍/m³으로 백필터에 의해 대부분 저감되는 것으로 나타났으며 포집효율은 PM 2.5가 97%, PM 10이 98%로 95% 이상의 포집효율을 보이고 있다.
자동차의 연소과정에서 발생하는 PM 2.5의 경우 통행량이 많고 빠른 속도로 주행하는 S 터널에서 가장 높은 값을 나타내었으며 VOC(벤젠)의 경우 특별한 상관관계 없이 비슷한 수준의 농도를 보이고 있는 것으로 나타났다.

후속연구

4. 위의 실험 결과를 토대로 실제 운영중인 장대 터널의 바이패스 구간에 처리장치를 설치하여 4개월간의 장기 모니터링을 실시하였으며 대부분의 미세 먼지와 VOC를 처리하는 것으로 확인 되었으나 터널 내부에서 발생되는 주행풍으로 인한 국소적인 저감과 장기 모니터링으로 인한 흡착재의 성능 저하는 향후 연구를 통해 해결해야할 과제로 판단된다.
S1 터널의 경우 현장조사를 수행했던 도심터널과는 달리 고속도로라는 특성과 왕복 8차선으로 이루어져 있어 통행량은 많으나 터널 내부에서의 차량정체가 발생하지 않고 차선이 넓어 차량이 대부분의 시간대에 고속주행을 하게 되는데, 이로 인해 발생하는 주행풍의 속도가 바이패스로 유입되는 속도보다 빠르기 때문에 불규칙한 농도변화를 보이는 것으로 판단된다. 보다 정밀한 데이터 분석을 위해서는 터널 입출구의 풍속, 외부 기상조건, 통행량 등의 데이터가 확보되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터널 건설 증가의 장점은 무엇인가?	8배 이상 증가하였고, 그 중 1 km 이상의 장대터널은 17%인 254개소에 이르고 있다. 이처럼 터널 건설의 증가는 대도시의 교통 정체를 해결할 수 있고, 산악지역의 경우 대규모 절토를 피할 수 있으며 생태축 단절을 미연에 방지하는 등 생태계 보호 측면에서 많은 기여를 하고 있다. 하지만 대기오염 측면에서 살펴보면 터널 내부에서 차량에 의해 배출된 오염물질이 터널의 출구를 통하여 집중적으로 배출됨으로서 터널 출구 주변 지역에 고농도 오염에 의한 피해를 야기할 수 있다(Kang et al.
	터널 건설 증가의 단점은 무엇인가?	이처럼 터널 건설의 증가는 대도시의 교통 정체를 해결할 수 있고, 산악지역의 경우 대규모 절토를 피할 수 있으며 생태축 단절을 미연에 방지하는 등 생태계 보호 측면에서 많은 기여를 하고 있다. 하지만 대기오염 측면에서 살펴보면 터널 내부에서 차량에 의해 배출된 오염물질이 터널의 출구를 통하여 집중적으로 배출됨으로서 터널 출구 주변 지역에 고농도 오염에 의한 피해를 야기할 수 있다(Kang et al., 2003).
	도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙에서 권고한 터널 내부 오염물질 기준은 어떠한가?	현재 국토교통부는 도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙에서 터널 내부의 오염물질 기준을 일산화탄소 (CO) 100 ppm 이하, 질소산화물(NOx) 25 ppm 이하로 설계 기준을 권고하고 있고, 자동차 배출가스 규제 강화에 따라 삼원촉매 등의 저감 기술 향상으로 터널 내 CO 및 NOx의 농도는 대부분 기준치 이하로 배출되고 있다. 이에 반해 최근 들어 이슈가 되고 있는 미세먼지와 VOC(휘발성 유기 화합물)에 대한 저감방안은 대부분 터널 내부에 초점이 맞추어져 환기의 개념에서 접근하고 있고, 저감시설의 설치는 극히 제한적으로 이루어져 있는 실정이다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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Park, J.A., Lee, W.Y., Kim, J.A., Kim, I.S., Kim, H.S., Jung, J.H., Yoon, J.S., Jung, K., Um, S.W. (2013), "Characteristics of hazardous air pollutant level in road tunnels in seoul.", Journal of Environmental Health Science, Vol. 39, No. 6, pp. 541-549.
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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