우리나라 폐기물 소각시설은 소각량에 따라 대형(2,000 kg/hr 이상), 중형(200 ~ 2,000 kg/hr), 소형(200 kg/hr 이하) 사업장으로 구분하며, 소각방식에 따라서는 스토커방식, 유동상식, 회전로식 등으로 구분하고 있다. 또한, 일별 가동시간에 따라 연속식(24 hr/day), 준연속식(16 hr/day), 회분식(8 hr/day)으로 운영방식을 구분하며, 대형사업장으로 분류되는 소각시설에서는 대부분 연속연소방식을 사용하고 있다. 2017년 기준, 국내 폐기물 소각장 178개소 중 49%에 해당하는 87개소가 대형시설로 구분되며, 그 중 68%는 화격자 방식을 택하고 있다.

본 연구에서는 경기도 소재의 200 ton/day 규모의 대형 폐기물 소각시설을 대상으로 연구하였다. 대상시설은 24시간 가동하는 화격자 방식의 연속연소식 소각시설로 선택적무촉매환원설비(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR), 반건식반응흡수탑(Semi-Dry Absorber, SDA), 활성탄주입설비(Activated Carbon Reactor, A/C) 그리고 여과집진기(Bag Filter)의 네 단계 방지시설로 이루어져 있다.

대상시설에서 발생하는 미세먼지의 농도는 중량농도법을 사용하여 측정하였으며, 국제표준시험기준인 ISO 23210을 근거로 작성된 KS(한국산업표준) I ISO 23210 : 2012 방법에 준하여 Cascade Impactor (PM-10, PM-2.5 Impactor, Johnas, Paul Gothe GmbH)로 총 10회에 걸쳐 여과지에 시료를 채취하였다.

먼지 유입을 최소화한 상태에서 시료채취용 여과지를 제작하고 항온항습장치에서 안정화시킨 후, 분석용 저울로 여과지의 무게를 3회 반복 측정하였다. 이 여과지를 굴뚝시료채취장치(Stack sampler, CAB)를 이용하여 배기가스 유속에 적합한 크기의 노즐을 Cascade Impactor에 연결한 뒤 배가스 속도와 등속으로 흡인하여 여과지에 미세먼지를 입경별로 분리포집하였다. 포집한 미세먼지는 실험실로 이송하여 항온항습장치에서 안정화시킨 후 무게를 측정하였고, 시료채취 전후의 여과지 무게 차이를 이용하여 대상시설에서 발생하는 미세먼지 농도를 파악하였다.

생활폐기물 소각시설의 미세먼지(PM-10, PM-2.5) 배출계수는 식 (1)을 사용하여 산정하였다. 미세먼지 농도(mg/m³)는 실측에 의한 값이며, 1일 적산유량(Sm³/day)과 1일 소각량(ton-waste/day)은 대상시설의 TMS 자료를 제공받아 산정하였다.

여기서,

EF_PM : PM 배출계수(kg PM/ton-waste)
C_PM : PM 농도(mg/㎥)
Q_day : 1일 적산유랑(Sm³/day)
W  : 1일 소각량(ton-waste/day)

대상시설에서 발생되는 미세먼지(PM-10, PM-2.5)는 등속흡인 조건에서 총 10회 측정하였으며, TSP 및 미세먼지(PM-10, PM-2.5)의 농도 측정 결과를 Table 1에 나타내었다. 입경별 평균 농도는 TSP 6.483 (±0.965) mg/m³, PM-10 5.488(±1.123) mg/m³, PM-2.5 4.071 (±1.241) mg/m³으로 분석되었다.

일반적으로 미세먼지 배출계수는 굴뚝에 설치된 TMS의 TSP 농도에 입경분율을 곱하여 산정하고 있으므로 배출특성 및 배출계수 산정 시 중요한 자료로 이용된다.

대상시설에서 발생되는 미세먼지의 입경별 농도 측정 결과를 이용하여 PM-10/TSP, PM-2.5/TSP, PM-2.5/PM-10 세 종류의 입경분율을 살펴보았으며, 그 결과 평균 입경분율은 PM-10/TSP 84.1%, PM-2.5/TSP 61.8%, PM-2.5/PM-10 73.1%로 나타났다(Table 2 참조).

본 연구에서 산정한 입경분율을 기존 연구결과 및 CAPSS의 입경분율과 비교하여 Table 3에 제시하였다. 본 연구 결과, CAPSS의 입경분율보다 1.10배 높은 수준으로 나타났다. 또한, 본 연구와 동일한 방지시설이 설치된 소각시설을 대상으로 연구한 국립환경과학원(2013)의 Case 1과 비교하면, 본 연구의 입경분율이 PM-10/TSP은 1.33배, PM-2.5/TSP는 1.63배, PM-2.5/PM-10는 1.22배 크게 나타났다. 유사한 방지시설이 설치된 Case 2의 경우, 비교하면 본 연구의 입경분율이 PM-10/TSP은 2.21배, PM-2.5/TSP는 3.43배, PM-2.5/PM-10는 1.56배 크게 나타나며 그 차이가 Case 1보다 대체적으로 큰 경향을 보였다. 이와 같은 차이가 나타나는 이유는 소각되는 폐기물의 성상, 소각로 운전조건 등에 따라 차이를 보이는 것으로 사료된다.

생활폐기물 소각시설의 배출계수는 식 (1)을 이용하여 산정하였으며, 결과값은 Table 4에 나타내었다. PM-10 배출계수는 0.0266 kg/ton ~ 0.0648 kg/ton의 분포를 보였으며 평균값은 0.0441 kg/ton으로 나타났다. PM-2.5 배츨계수는 0.0198 kg/ton ~ 0.0536 kg/ton의 분포를 보였으며 평균값은 0.0330 kg/ton으로 나타났다.

본 연구에서 산정한 PM-10과 PM-2.5 배출계수를 기존 연구자료와 비교하여 Table 5에 제시하였다. 본 연구결과는 CAPSS에서 사용중인 배출계수와 비교 시 0.0362 kg/ton(PM-10), 0.0240 kg/ton(PM-2.5)보다 각각 1.22배, 1.37배 크게 산정되었다. 국립환경과학원(2013)의 Case 1과 비교하면 본 연구가 PM-10은 12.60배, PM-2.5 15.71배 크게 나타났으며, Case 2와 비교하면 PM-10은 0.94배 작고 PM-2.5는 1.49배 크게 산정되었다. 이와 같은 차이는 앞서 분율의 차이가 나는 이유와 유사하게 소각되는 폐기물의 성상, 소각로 운전조건 등에 따라 차이를 보이는 것으로 사료된다.