노천소각과 같은 비관리형 연소에서 배출되는 대기오염물질 배출 특성을 파악하기 위해 모의 소각장치를 설치하고, 소각물질별로 발생하는 대기오염물질을 실측 조사하였다. 미국 EPA에서 시험용으로 사용한(Christopher et al., 1996) 장치를 참고하여〈그림 1〉과 같이 제작하였다. 시료의 점화는 챔버 안쪽에서 자동점화장치로 이루어지며, 배출가스는 방지시설(사이클론)을 거쳐 굴뚝으로 배출 되기 전 600^oC의 열을 가해준다.

Fig. 1. 
Diagram of open burning simulation chamber and samples.

본 연구에서의 소각 대상물질은 곡식 수확 후 발생된 볏짚, 보릿짚 및 옥수숫대 등 농업잔재물과 난로나 아궁이 등에서 주로 사용되는 생목을 시료로 선정하였다. 생목은 건설 폐기물과 같은 폐목과 달리 가공되지 않은 목재로, 시판되는 참나무 장작을 사용하였다.

소각물질에 따른 항목별 배출계수는 식(1)과 같이 산정하였다. 각 오염물질의 농도(mg/Sm³)는 실측값이며, 유량은 덕트의 내경(m)과 유속(m/sec)으로 계산하였다. 연료사용량 (kg/min)은 소각시간 (min) 당소각량(kg)으로 하였다.

노천소각에서의 오염물질 배출량 산정은 CARB(2006)에서 제시한 식(2)와 같다. 식(2)는 본 연구를 통하여 개발 된 배출계수(g/kg)와 연간 총 소각되는 활동도(ton/yr)를 적용하여 산정하였다. 활동도는(Statistics Korea, 2013)의 전국 경작지 면적(m²)과 Kim and Choi (2011)의 설문조사를 바탕으로 제시한 연간단위작물면적 당 소각량(ton/m²∙yr)으로 계산하였다.

시료의 연소과정은 3단계로 구분할 수 있다. 1단계는 점화가 시작되어 연소가 활발하게 일어나기까지의 단계이고, 2단계는 연소가 활발히 진행되고 있는 단계, 3단계는 잔 불씨가 남아 완전하게 연소가 마무리되는 단계이다. 점화가 시작되면 1단계에서 온도가 점점 상승하고, 2단계에서 소각 물질별로 연소실 온도가 최고 127^oC에서 628^oC까지 큰 차이를 보이고 점차 감소하였다. 연소실 상부와 연결된 덕트에 1개, 편향판 좌, 우에 각 1개씩 총 3개의 온도센서를 설치하여 연소실 내부의 공기 혼합을 관찰하였다. 편향판 좌, 우에 설치된 온도는 거의 유사한 값을 보여, 연소실 내부 혼합이 원활하게 진행된 것으로 판단된다. 연소실 상부에 연결된 덕트에서 측정한 온도는 편향판 좌, 우지점보다 다소 높았으며〈그림 4〉와 같다.

Fig. 4. 
Temperature variation in combustion time.

연소가 진행되는 동안 시간대별로 CO 농도 특성은〈그림 5〉와 같다. 연소가 가장 활발하게 일어나는 2단계에서 대상 시료 모두 CO의 배출이 높게 나타났고, 연소가 마무리되는 3단계에서는 배출 농도가 현저하게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 또한 완전 연소가 일어날수록 CO의 최고 생성 농도에 도달하는 시간이 지연되는데(Park et al. (2005)), 생목의 경우 같은 무게의 농업잔재물에 비해 CO 최고 생성 농도도달 시간이 가장 늦은 경향을 보였다. 부피와 표면적이 작아, 연소 속도가 상대적으로 느린 생목의 연소는〈표 1〉에서와 같이 측정이 진행되는 동안 충분한 산소가 꾸준히 공급되어 상대적으로 불완전연소가 적게 일어난다. 이와 같은 이유로 볏짚, 보릿짚, 옥수숫대에서의 CO는 생목의 CO 평균농도(430 ppm)보다 약 5~6배 높게 배출된다.

볏짚, 보릿짚, 옥수숫대에서 CO 농도는 분석시 측정기(BACHARACH, 모델 ECA450)의 측정범위를 초과하여 최대 측정한계 4000 ppm으로 나타냈으며(표 2), 이러한 측정기기 상의 한계로 본 연구결과의 CO값은 실제 농도보다 과소평가 되었다. 그럼에도 불구하고 본 연구의 CO값은 다른 연구결과보다 높게 나타났다. 또한 최소값이 0.1인 이유는 산소가 20.5%까지 도달하고 거의 소화가 되는 시점까지 시료를 채취하였기 때문이다.

Fig. 5. 
Emission characteristics CO, NO_X and SO_X in time.

〈그림 6〉과〈표 3〉은 본 실험에서 산정한 배출계수와 타 문헌의 배출계수를 비교한 것이다. SOX와 NOX는 본 연구와 타 문헌에서 전체적으로 미량이 검출되었다. CO의 경우 볏짚이 136.9 g/kg으로 Nguyen et al. (2011) 및 EPA에서 조사한 값보다 다소 높았고, 보릿짚과 옥수숫대, 생목에서 각각 107.1, 102.0, 47.4g/kg으로 검출되었다. 불완전 연소 생성물인 CO는 수분이 많은 볏짚, 보릿짚, 옥수숫대가 상대적으로 건조한 생목보다 높은 양이 배출되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6. 
Emission factors of CO, SO_X, NO_X in reference.

PM_2.5 시료는 등속흡인조건에서 소각 시료별로 각 3회 시료를 채취하여 분석하였으며 결과는〈그림 7〉에 정리하였다. 배출 계수는 볏짚과 보릿짚이 각각 60.44, 81.81 g/kg으로 옥수숫대와 생목에 비해 많은 양의 오염물질을 배출하였다. 이러한 결과는 표면적이 작은 생목의 연소가 농업잔재물 소각에 비하여 속도가 느려, 소각 주변의 산소농도가 거의 20%를 유지하여 상대적으로 완전 연소가 일어났기 때문이다. 옥수숫대의 연소는 ‘잎’ 부분에서 시작하여 ‘대’ 부분으로 진행된다. ‘대’의 표면은 그을음을 생성하지만 연소가 종료된 후에도 그 모양을 유지하고 있다. 이와 같은 이유로, 같은 무게를 칭량하여 소각을 하였을 경우 옥수숫대의 소각 시간이 다른 생물성 연소시료에 비해 짧고 배출계수가 낮다. Jung et al. (2012)에서 산정한 생활폐기물의 PM_2.5 배출계수는 본 연구에 비해 확연히 낮아 생물성 연소에서 다량의 미세 먼지가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

PM_2.5에서 측정한 OC와 EC 성분비는〈그림 8〉에 나타내었다. 시료채취가 끝난 PM_2.5 여과지는 밀봉하여 분석을 실시할 때까지 냉장 보관하였다. 농업잔재물과 생목의 소각에서 OC가 전체 함량의 34~44%로 높은 비율을 차지하고, EC는 2~7%로 OC에 비해 상대적으로 낮게 나타났다.

Fig. 7. 
Comparison on of PM_2.5 emission factors.

Fig. 8. 
OC/EC profiles for biomass burning.

본 실험의 농업잔재물에서 발생된 OC의 함량은〈표 4〉의 EPA (2006)의 field burning의 OC 함량과 유사한 값을 보였고, EC의 경우는 다소 낮게 나타났다. 생목은 OC 함량이 42%로 Schmidl et al. (2008)과 유사하게 조사되었다.

현재 국내ㆍ외에서 대기 중 PM_2.5의 배출원을 파악하기 위한 방법으로 사용되고 있는 CMB (Chemical Mass Balance) 모델은 해당 지역 대기 먼지 시료 중의 화학적 구성성분과 주요 미세입자 배출원의 화학적 구성성분비 간의 최적선형결합이 되도록 계산하는 것이며, 이 경우에 모델의 중요한 입력 자료로서 주요 배출원에 대한 배출원 구성물질 성분비(source profile) 자료는 배출원 기여도 추정에 필수적이다(Kang and Lee, 2012). 본 연구에서 제시한 PM_2.5에서의 OC/EC 성분비는 이러한 모델의 기초 자료로 이용될 수 있다.

본 연구에서 도출한 CO 배출계수를 이용하여 옥수숫대, 아궁이, 화목난로에 대한 전국 배출량을 산정하였다. 배출량 산정을 위해 각 물질별 활동도를 조사하였다. 옥수숫대는 전국 경작지 면적 15,823 ha (Statistics Korea, 2010)과 단위 작물 당 소각량 39 g/m³ (Kim and Choi, 2011)을 고려해 활동도를 연간 6,174ton으로 추정하였고, 추정한 활동도에 배출계수 102.0g/kg을 적용하면 CO의 배출량은 630 ton/yr이었다. 생목은 아궁이에서 배출되는 배출량과 화목난로 사용시 배출되는 배출량 두 가지 경우를 조사하였다. 난방시설 별 가구 통계에 따르면 39,052 가구가 재래식 아궁이를 사용한다. 한 가구당 하나의 아궁이를 사용한다고 가정하였을 때, 아궁이 하나당 연간 연료 사용량 1,989.66 kg/yr을 이용해 활동도를 77,700 ton/yr로 추정하였다. 추정한 활동도에 생목 배출계수 48 g/kg을 적용하면 아궁이에서의 CO 배출량은 3,699 ton/yr이다(Kim and Choi, 2011)의 설문조사에 따르면 농가의 3.78 %가 화목난로를 사용하고, 화목난로 하나당 연간 연료 사용량 2,548.48 kg이다. 농림어업총조사(Statistics Korea, 2010)의 전국 농가수를 이용하여 화목난로의 활동도를 구하고, 본 연구에서 개발한 배출계수에 적용하면 화목난로에서 CO 배출량은 5,527ton/yr이다〈표 5〉

이들 비관리형 연소는 전국 각지에서 산발적으로 이루어지고 있어 활동도 추정에 어려움이 있다. 통계 자료와 선행연구의 설문조사를 바탕으로 활동도를 조사한 CO 배출량은 화목난로, 아궁이, 옥수숫대 순으로 높게 나타났다. 특히, 불완전연소 생성물인 CO가 가장 많이 배출되는 것으로 파악된 화목난로는 에너지 가격의 급상승으로 주거 및 난방용으로 사용이 늘고 있어 주거지역 대기질 개선을 위해 그 관리가 필요한 실정이다. 그러나 본 연구에서 산정한 활동도는 농촌가구만을 대상으로 하였기 때문에 배출량이 과소평가 되었을 것으로 판단된다. 배출량의 신뢰도를 높이기 위해서 향후 추가적으로 비관리형 연소 배출원의 활동도를 파악할 필요가 있다.