농업잔재물 노천소각에 의한 대기오염물질의 배출특성을 파악하기 위한 시료는 설문조사와 현장 방문조사(Park et al., 2012)를 통하여 노천소각 품목을 선정하였으며, 대상 시료는 봄철, 여름철, 가을철에 수확하고 잔재물로 남는 보리대, 흰콩대, 참깨대, 들깨대, 고추대, 그리고 늦겨울 또는 이른 봄철 과수나무 가지치기의 잔재물로 사과나무, 포도나무, 복숭아나무, 배나무 가지로 선정하였다. 대상으로 한 농업잔재물의 시료는 원칙적으로 노천에서 소각하는 형태를 최대한 반영하기 위하여 보리대, 흰콩대, 참깨대, 들깨대, 고추대는 수집한 크기 그대로 연소 모형 챔버에 투입하여 연소 실험에 사용하였으며, 과수가지는 연소 모형 챔버의 내부 크기를 고려하여 70 cm 이하로 절단하여 실험에 사용하였다.

본 연구에서 사용한 연소 모형 챔버는 EPA Method 5G (U.S. EPA, 2007)를 기반으로 내부가 가로 1.0 m, 세로 1.0 m, 높이 1.0 m 크기의 황토 벽돌로 제작 하였다. 농업잔재물을 투입 할 수 있도록 전면 하부에 가로 0.6 m, 세로 0.3 m의 투입구가 설치된 반개방 구조로 하였다(그림 2). 연소 모형 챔버의 상부에는 배가스가 개방된 전면으로 배출되지 않고, 열부력에 의해 상부로 배출되도록 하기 위하여 가로, 세로 각각 1.0 m 크기의 후드를 설치하고, 이를 직경 0.25 m, 길이 6m 크기의 덕트에 연결하여 외부로 배출되도록 하였다. 시료 채취 지점은 후드 끝에서 4m 되는 지점으로 하였다. 그리고, 실험의 재현성을 확보하고, 외부의 바람 등에 의한 영향을 받지 않도록 가로 6 m, 세로 2.6 m, 폭 2.4 m 크기의 대형 챔버를 제작 하여 내부에 연소 모형 챔버를 설치하였다. 대형 챔버 내부의 온도는 약 20~27°C이었으며, 상대습도는 35~45%인 상태에서 연소 실험을 수행하였다.

Fig. 2. 
Experimental chamber for biomass burning.

선정된 시료의 연소는 개별 시료의 연소 특성을 고려하여 연소 모형 챔버 내에서 각각 15분에서 30분 동안 수행되었다(표 1). 농업잔재물의 연소과정에서 연소 시간과 연소 온도를 측정한 결과, 고추대과 들깨대의 연소는 약 7분에 최고온도에 도달한 후 완전연소까지 약 15분이 소요되었으며, 사과나무와 포도나무는 약 11분에 최고온도에 도달하여 20분 내외에서 완전연소 되었다. 모든 연소실험은 3회 반복 실시하였다.

선정된 농업잔재물의 발열량과 원소 조성은 표 3과 같다. 배나무의 발열량이 4,293 kcal/kg으로 가장 높게 나타났으며, 보리대가 3,620 kcal/kg으로 가장 낮은 발열량을 나타내었다. 원소조성으로는 모든 시료가 40% 내외의 탄소 함량을 나타내었으며, 수소와 질소는 각각 약 6%, 약 1%를 차지하였고, 황은 검출되지 않았다. 배나무와 복숭아나무 가지 등 과수 농업잔재물의 수분량은 7.5~11.1%로 상대적으로 높게 나타났다. 보리대의 수분량은 2.2%로 가장 낮은 값으로 나타났다. 농업잔재물의 수분함량은 계절에 따라 상이한 차이를 보이겠지만, 주로 봄과 초여름에 노천 소각되는 점을 고려하여 본 연구에서는 봄철과 초여름에 시료를 현장에서 수집하여 실험을 수행하였다.

농업잔재물의 노천소각에 따른 연소 과정은 크게 3단계로 구분할 수 있을 것이다. 1단계는 점화 및 착화가 시작되는 단계, 2단계는 연소가 활발히 진행되고 있는 단계, 3단계는 잔 불씨가 남아 완전하게 연소가 마무리 되는 단계이다. 그림 3은 농업잔재물 중고추대와 들깨대, 사과나무와 포도나무 가지의 연소과정의 온도 변화를 나타낸 것으로 고추대 및 들깨대의 연소는 약 7분에 최고온도에 도달하여 활발히 연소되는 시간이 15분 내외로 나타났으며, 사과 및 포도나무는 약 11분에 최고온도에 도달하였으며, 활발히 연소되는 시간이 30분 정도로 나타났다.

Fig. 3. 
Temperature variation during agricultural crop residue burning.

농업잔재물 연소 시 입자상 대기오염물질의 배출농도 및 배출계수는 표 4와 같으며, 농업잔재물 종류에 따라 입자상 대기오염물질의 농도는 293~724 mg/m³로 다양하게 나타났다. 특히, TSP는 참깨대와 보리대가 비교적 높게 나타났으며, PM_2.5의 경우에는 사과나무와 보리대에서 높게 나타냈다. 입자상 대기오염물질의 배출계수는 덕트를 통과한 배출가스 유량과 사용한 농업잔재물의 무게를 고려하여 다음의 식과 같이 산출하였다 (Park et al., 2013; Kim et al., 2010; U.S. EPA, 1997).

농업잔재물의 TSP 배출계수는 보리대가 85.8 g/kg로 가장 높게 나타났으며, 사과나무 가지가 22.9 g/kg로 가장 낮게 나타났다. PM₁₀과 PM_2.5에서는 보리대가 각각 53.1 g/kg과 35.2 g/kg로 가장 높은 수준을, 고추대가 각각 9.7 g/kg과 7.9 g/kg로 가장 낮은 수준을 나타내었다.

농업잔재물의 종류에 따른 미세먼지의 배출 특성은 농업잔재물에 포함된 수분 함유량과 불완전연소 특성을 나타낼 수 있는 CO와 TVOC에 따른 상관성은 크게 나타나지 않았다. 농업잔재물 노천소각에 따른 미세먼지의 배출 특성으로 포도나무, 배나무, 복숭아나무, 사과나무 가지와 같은 과수가지와 비과수가지로 구분되어 나타났다. 과수과지는 상대적으로 TSP의 배출계수의 편차가 작게 나타났고, 비과수가지의 TSP 배출계수의 편차는 매우 크게 나타났다. 특히, 보릿대와 들께대는 수분 함유량도 2.2~2.6%로 매우 낮았고, 연소시간도 짧으면서 TSP의 배출계수는 제일 높게 나타났다. 농업잔재물의 노천소각에 따른 먼지의 배출 특성은 연료의 수분 함유량, 발열량, 원소조성, 밀도에 따라 매우 상이하게 나타나는 것으로 보이며, 수분 함유량에 따른 배출 특성은 동일한 농업잔재물에서의 비교가 더 의미가 있을 것으로 보인다.

그림 4는 농업잔재물의 연소 배가스 내 먼지의 입경분포 특성을 보여주고 있다. 먼지의 개수 분포는 1 μm 이하의 입자에 의해 좌우되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 입자의 질량 분포는 모든 입경 범위에서 상대적으로 균일하게 분포되어 나타났다. 또한, 표 4에 제시된 중량농도의 측정값을 토대로 산정된 입경분율을 살펴보면, 총먼지 중 PM_2.5가 차지하는 비율이 참깨대가 23.2%로 가장 낮았으며 73.4%를 보인 사과나무가 가장 큰 값을 보였다. 바이오매스 연소시 PM_2.5의 비율이 상대적으로 높게 나타나는 경향은 많은 연구자들에 의해 보고되고 있다 (Sanchis et al., 2014)

Fig. 4. 
4. Particle size distribution from biomass burning: particulate number (top) and concentration (bottom).

본 연구의 농업잔재물 연소에서 발생되는 입자상물질은 미세입자(fine particle) 또는 극미세입자(ultrafine particle)로 볼 수 있으며, 조대입자 (coarse particle)에 비해 질량당 위해도가 높다는 점을 고려해 볼 때 대기질 관리 차원에서 매우 주요한 오염물질이라 할 수 있겠다.

농업잔재물 연소에서 배출되는 가스상 대기오염물질에서는 CO, NO, VOCs 등이 검출되었으나 NO₂ 및 SO₂는 검출되지 않았다. 농업잔재물에서 CO, NO, TVOC의 배출계수는 각각 146~305 g/kg, 4.81~15.02 g/kg, 27~353 g/kg으로 산출되었다(표 5). 바이오매스의 연소는 착화 (ignition), 불꽃연소 (flaming), 훈소 (smoldering)과정으로 구분된다. 훈소과정은 연소조건이 취약한 마지막 연소단계로서 연소온도가 낮고, 연소공기와 바이오매스와의 혼합이 불충분하고, 연소가스의 체류시간이 짧은 특징이 있다. 따라서 훈소과정에서 불완전 연소물인 CO, 암모니아, 비메탄계 탄화수소 등이 발생될 가능성이 매우 높다(Khan et al., 2009). 본 연구의 실험접근법상에서 연소시간에 따른 연소가스 발생경향을 파악하지는 못했지만, 표 5에서 볼 수 있듯이 높은 일산화탄소 발생을 확인할 수 있었다.

표 6은 비메탄계 휘발성유기화합물의 배출계수를 나타내고 있다. 벤젠의 경우 배나무 가지 연소에 의한 배출계수는 10.41 g/kg으로 가장 높은 수준으로 나타났으며, 톨루엔은 4.07 g/kg으로 보리대에서 가장 높은 수준으로 나타났다. 고추대 연소 시 1,3-dichlorobenzene의 배출계수는 3.78 g/kg이었으며, 포도나무 가지 연소 시에는 dichlorobenzene 이성질체의 배출계수가 1.92~1.98 g/kg로 나타났다. 특히, 농업잔재물의 연소 시에는 PAHs와 다이옥신과 같은 오염물질이 발생될 수 있다. Sanchis et al. (2014)은 볏짚연소 시 다이옥신의 배출계수를 87~156 pg TEQ/kg로 보고 하였고, PAHs는 물질에 따라 상이하나 플루오란텐 (fluoranthene)은 1,086~6925 μg/kg으로 가장 높은 배출계수를 보였다. Minomo et al. (2011)과 Kim(2008)은 제조체와 농약 등에 노출된 바이오매스의 연소 시 다이옥신과 같은 물질이 대기 중으로 배출될 수 있다고 보고하고 있다.