폐기물 수송관로를 이용한 실내 미세먼지 저감방안 연구

1. 서 론

최근 들어 미세먼지는 가장 큰 사회문제로 대두되고 있다. 미세머지로부터 안전한 삶을 위하여 유치원, 학교, 아파트의 현관, 승강기, 놀이방, 도서관, 관리실 등에 헤파필터를 장착한 청정 공기조화기 등을 도입하고 사물인터넷과 연계하여 대기질 개선에 노력하고 있다.

WHO는 미세먼지를 발암물질로 규정, 미세먼지에 장기간 노출될 경우 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 각종 질병에 노출될 수 있고 특히 초미세먼지는 인체 내 기관지 및 폐에 깊숙이 침투하여 각종 질환을 유발한다고 보고하였다.

정부에서는 미세먼지 관리 종합대책으로 2022년까지 국내배출량 30% 감축을 추진하고 있다. 이를 위하여 미세먼지 환경기준 강화, 봄철 미세먼지 비상저감 조치, 미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법 등을 제정하여 국가적 사회재난으로 관리한다.

미세먼지 저감을 위해 세계적으로도 다양한 노력이 이루어지고 있다. 중국, 네덜란드, 독일 등에서는 대형 공기정화 타워를 설치하여 운용하였으나 미세먼지 개선 효과는 비용대비 크지 않은 것으로 알려지고 있다.⁽¹⁾

미세먼지는 1차로 산불, 쓰레기 소각, 자동차 배출가스, 건설현장, 공장, 도로, 빈 집터 등에서 발생되고 2차로 SOx, NOx, NH₄⁺ 등의 화학반응에 의해 발생된다.⁽²⁾ 국외영향은 평상시 30∼50%, 고농도 시 60∼80% 추정되며 이중에서 중국 85∼90%, 북한 10∼15%가 원인으로 알려지고 있다.⁽³⁾

한중일이 측정한 결과 한국의 연평균 초미세먼지 기여도는 자체 기여가 51%, 중국이 32%, 일본이 2%였으며, 중국은 자체가 91%, 한국 2%, 일본 1%였고, 일본은 자체 55%, 한국 8%, 중국 25% 기여되고 있다고 보고되었다.⁽⁴⁾

즉 편서풍 영향으로 중국의 초미세먼지가 한국과 일본에 영향을 주고 있음을 시사한다. 정부에서는 미세먼지 저감을 위하여 도로에 살수차 운행, 경유차 운행정지, 화력발전소, 소각장 및 공장 등 미세먼지 배출시설의 가동 시간을 조정하고 있다. 또한 경유 자동차 저감장치 부착, 수소자동차 등 친환경 자동차 보급 확대, 배출총량제 실시, 대형보일러 저 NOx 버너 교체 등 사업장 대책, 주유소 유 증기 회수, 불법 소각 단속 등 생활 주변 대책 등을 제시하고 있다.⁽⁵⁾

본 연구에서는 건물 내에서 발생되는 초미세먼지(PM2.5) 및 미세먼지(PM10)를 효율적으로 저감시키고 경제적인 시스템을 개발하기 위하여 폐기물수송관로를 도입, 미세먼지 저감 특성을 분석하였다.

건물 내 폐기물수송관로를 이용, 건물의 하층, 중층, 고층의 미세먼지를 안정적으로 저감시키기 위하여 폐기물수송 관로를 이용하는 건물에서 미세먼지의 유입, 누적, 배출상태를 확인하고, 수송 관로로 실내오염도를 감소시키는 효과를 수치시뮬레이션과 함께 다음과 같이 고찰하였다.

• 1) 미세먼지와 초미세먼지의 4계절 동안 발생농도 조사
• 2) 건물 미세먼지 및 초미세먼지의 유입, 배출하는 과정의 시뮬레이션
• 3) 폐기물수송관로를 이용하여 미세먼지와 초미세먼지의 흡입 배출 효과분석
• 4) 경제성 분석 및 폐기물수송관로 운영방안 제안

2. 시스템 구성 및 건물 실내 유동특성

2.1 폐기물수송관로 시스템

폐기물수송관로^*는 벽, 천장, 도로 등에 매설된 관로를 통해 고속으로 폐기물이 공기와 함께 집하장 안으로 운반되어 폐기물의 종류에 따라 컨테이너에 자동 적재시키는 운송하는 시스템이다.⁽⁶⁾

Fig. 1에 쓰레기수송관로 흐름도를 나타낸다. 미세먼지 저감을 위해 설치된 폐기물수송관로의 가동시간은 2시간이며, 동력 및 진공압은 각각 15 kW 및 –2,650 mmAq이다. 층별로 설치한 폐기물수송관로의 총 길이는 4.38km이며, 공기 흡입구는 234개이다. 미세먼지를 포집하는 백 필터 구경은 200 mm이며, 19개 필터 내부 분진은 차압에 의한 자동진동으로 저감시킨다.

Fig. 1

Flow diagram of Waste pipeline system

2.2 건물의 공기조화기

건물은 계절별로 환기, 냉방, 난방을 위하여 송풍기로 공기를 공급, 배기하는 공기조화기가 사용되고 있다. 공기 공급 방법은 바닥이나 천장의 덕트에서 신선한 공기를 공급하고 다시 천장으로 사용한 공기를 배출시켜 사무공간에 쾌적한 근무 조건을 유지시킨다.⁽⁷⁾

Fig. 2에 공기조화기의 미세먼지 저감 프로세스를 나타낸다. 공조기에서 미세먼지와 초미세먼지를 저감하기 위한 프리 필터와 미디움 필터가 설치되어 있으며, 프리 필터는 1개월마다, 조밀한 미디움 필터는 최소 효율성(MERV^** 14, 평가방법 : ASHRAE 52.2)이상이며, 6개월마다 교체한다. 1일 가동 시간은 12시간이며, 동력 및 운영대수는 각각 643 kW 및 49대이다.

Fig. 2

Reduction process of fine dust in air conditioner

폐기물수송관로 진공흡입 2시간과 공기조화기 가동 12시간의 중복운전을 고려하여 공기조화기 가동 시간을 조절할 필요가 있다. 2시간 조절 시 에너지와 운전비용을 절감할 수 있다.

2.3 모델링을 이용한 미세먼지 처리

실내 공기질 유동해석 프로그램인 솔리드웍^*** 시뮬레이션 2018을 이용하였다. 미세먼지는 유입부분을 거쳐 모델 공간으로 들어와서 배출구로 나오는 유동특성을 시뮬레이션하였다.

건물의 모델 공간 크기는 가로, 세로 높이를 각각 34.69 m, 12.84 m, 2.7 m로 설정하였다.

유동흐름은 사무실 내에서 미세먼지의 유동상태를 나타내는 것으로서 바닥의 수송 관로로 흡입 저감 시 유출량이 증가함에 미세먼지가 양호하게 저감된다.⁽⁸⁾

Fig. 3 및 Fig. 4에 진공흡입 사용 전, 후의 미세먼지 분포를 유동과 함께 나타낸다. 폐기물수송관로를 이용하여 진공흡입한 후에 측정값이 적게 나타나는 것은 야간에 미세먼지 누적과 출근 시 유입되는 높은 농도의 미세먼지를 수송관로의 진공흡입과 공기조화기 가동으로 효율적으로 저감될 수 있음을 수치해석 결과로부터 알 수 있다.⁽⁹⁾ 그러나, 매일 다수의 유동인구와 컴퓨터와 복사기 등 기자재 사용이 많은 사무공간에서는 근본적으로 미세먼지가 없는 크린룸 개념까지 완벽한 저감은 어렵다.⁽¹⁰⁾

Fig. 3

Behavior of fine dust before the operation of vacuum suction using waste pipeline system

Fig. 4

Behavior of fine dust after the operation of vacuum suction using waste pipeline system

3. 실험 방법

미세먼지 발생량과 저감량을 분석하기 위하여 시료 채취는 옥외와 건물의 비업무공간과 사무공간을 구분하여 사계절을 내내 측정하였다. 옥외는 광장에서 측정하였고, 옥내는 사무실 2개 층과 비 사무실 3개 층을 대상으로 측정하였다. 건물은 지하층 포함 총 22층으로 유동인구가 많은 지하 1층, 1층, 7층, 14층, 19층에 각각 1지점으로 계획하였고 건물 폭이 100 m로 미세먼지 유동이 적은 각층 중간 지점을 선정하였으며, 초미세먼지와 미세먼지를 계절별, 월별, 일별로 6회 측정한다.⁽¹¹⁾

시료측정 위치는 벽에서 1.5 m 이상, 높이는 1.0∼1.5 m 범위로 하였다. 측정한 결과 미세먼지는 겨울철과 봄철에 많이 발생되고 있으며 환경기준 이내나 연중 내내 발생되고 있다.

미세먼지 측정방법은 베타선 흡수법, 중량 농도법, 자동측정법이 있다. 베타선 흡수법은 미세먼지 점성과 기상 조건에 한계성이 있고, 중량 농도법은 질산염, 황산염 등 대기오염물질 농도로 인한 오차의 영향은 있지만 대학 및 연구기관의 대기 질 자료수집 등으로 활용범위가 광범위하고 배출원 감시와 다양한 분야에서 측정되는 값들이 실시간으로 필요한 장소에서 사용된다.^(12,13) 자동측정법은 광 산란 방식으로 입자가 빛에 노출되면 산란, 굴절, 반사, 흡수 등 광학적 특성을 이용하여 입자를 일정한 유량으로 흐르게 하여 입자가 흘러가는 위치에 빛을 쏘이면 입자는 빛을 산란시켜 전기적 신호로 변환시켜 미세먼지 및 초미세먼지 농도를 측정한다.

대기 중 미세먼지의 생성과정은 매우 복잡한 물리, 화학적인 메커니즘에 의해 진행되는 것으로 알려져 있으며, 미세먼지를 구성하고 있는 성분들은 하루에도 시시각각 다양한 농도를 보이고 있다.

측정 장치는 공기 흡입구, 분립 장치, 감지부, 연산장치 등으로 구성되어 있다. 측정 결과는 상온상태(20℃, 1기압)로 환산된 단위로 날짜, 시간, 온도, 습도, PM2.5, PM10을 나타내며, 국제단위인 ㎍/㎥를 사용한다. 측정농도는 최소 2.5 ㎍/㎥ 이하, 10 ㎍/㎥ 이하이며, 측정범위는 0∼500 ㎍/㎥이다. 비교 군을 H 도시의 수송관로 집하장의 배출구 미세먼지와 초미세먼지로 하였으며, 대기오염 공정시험 기준의 중량 농도 법으로 배출구에서 관측한 측정데이터와 비교하였다.

4. 결과 및 고찰

4.1 계절별 미세먼지 농도특성

미세먼지 및 초미세먼지를 월간 측정한 결과를 Table 1에 나타낸다.

Table 1

Monthly average concentration of fine dust and ultrafine dust

표에서와 같이 미세먼지 및 초미세먼지는 사계절 발생되고 있었으며, 특히 겨울철과 봄철에 많이 발생되고 있다. 본 연구를 통해서 대기 환경기준을 초과한 날을 살펴보면 겨울철과 봄철에 많이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 3월에 가장 많이 대기 환경기준을 초과 발생하였으며 봄철에 남서풍, 서풍의 영향을 많이 받은 것으로 사료된다.

측정한 결과 미세먼지는 겨울철과 봄철에 많이 발생 되고 있으며 환경기준 이내나 연중 내내 발생되고 있다. 초미세먼지도 미세먼지와 같은 유동 흐름이 나타나고 있고 미세먼지를 줄이는 방법이 필요하였다.

Fig. 5 및 Fig. 6은 연간 초미세먼지 및 미세먼지 농도분포를 나타낸다. 그림에서와 같이 미세먼지는 보통 이상이 87.3%가 발생되었으며 매우 나쁨은 1.6% 정도 발생되었다. 연구 기간 중 213일이 보통이상이고 나쁨과 매우 나쁨이 31일 발생되었다. 미세먼지 발생일보다 초미세먼지 농도가 환경기준을 초과한 일수 7일 많았다. 미세먼지 농도는 3월 중에 최대 190 ㎍/㎥로 높게 발생되었으나 실내에서는 대기오염 기준의 보통 기준보다 낮게 처리하였다.

Fig. 5

Dust concentration of PM2.5

Fig. 6

Dust concentration of PM10

초미세먼지는 83.6%가 보통 이상으로 발생되었고, 매우 나쁨이 1% 이하로 발생되었다. 연구 기간 중 보통 이상이고 204일이고 나쁨이 40일 발생되었다.

Fig. 7은 연간 미세먼지 및 초미세먼지 농도변화를 나타낸다. 그림에서와 같이 초미세먼지 농도는 3월에 가장 높게 발생되었으나 실내에서는 수송관로의 진공흡입과 공기조화기의 필터(MERV 14)영향으로 대기오염 기준의 보통 기준보다 낮게 처리되었다. 대기기준 초과는 맑은 날에 많이 발생 되었으며, 습도가 높은 날에 초미세먼지가 적어진 것은 초미세먼지가 에어로졸의 전구물질로 일부 흡수되어 빗물을 만드는 역할을 한다.⁽¹¹⁾ 또한 봄철의 계절풍인 서풍의 영향으로 남서해안의 석탄화력 발전소와 인근 외국의 영향을 많이 받는 것으로 추정된다. 전구물질에 의한 2차 생성 PM2.5 생성 화학식은 다음과 같다.

Fig. 7

Annual dust concentration of PM2.5 and PM10

$\[ \mathrm{N}\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_3=\text{N}{\text{O}}_{\text{2}}+{\text{O}}_{\text{2}} \]$

(1)

$\[ \text{N}{\text{O}}_{\text{2}}\left(\text{g}\right)+\text{O}{\text{H}}^{-}+{\text{O}}_{\text{3}}\to \text{HN}{\text{O}}_{\text{3}}+\text{N}{{\text{H}}_{\text{4}}}^{+}\to \text{N}{\text{H}}_{\text{4}}\text{N}{\text{O}}_{\text{3}} \]$

(2)

$\[ \text{S}{\text{O}}_{\text{2}}\left(\text{g}\right)+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}+{\text{O}}_{\text{3}}\to {\text{H}}_{\text{2}}\text{S}{\text{O}}_{\text{4}}+\text{N}{{\text{H}}_{\text{4}}}^{+}\to {\left(\text{N}{\text{H}}_{\text{4}}\right)}_{\text{2}}\text{S}{\text{O}}_{\text{4}} \]$

(3)

본 실험에서 계절별, 월별 측정한 결과 연평균 초미세먼지는 19.8 ㎍/㎥와 미세먼지는 43.5 ㎍/㎥로 나타났다. 동일시권역의 비교대상 시료인 J시 S 주민센터에서 연평균 관측한 초미세먼지 농도(16.2 ㎍/㎥)와 미세먼지 농도(42.9 ㎍/㎥)는 본 실험결과와 유사함을 알 수 있다. 또한 한중일 공동으로 측정한 연평균 초미세먼지 농도(20.1 ㎍/㎥)와 미세먼지 농도(40.6 ㎍/㎥)와도 유사⁽¹¹⁾하다. 지역에서 측정한 미세먼지 및 초미세먼지의 측정기의 값과 본 실험의 자동측정기로 측정한 값이 유사하며 본 실험 장비의 신뢰성이 있었음을 확인하였다.

초미세먼지와 미세먼지 농도는 겨울＞ 봄＞ 여름＞ 가을 순으로 발생되었다. 연중 겨울철이 가장 많은 총량이 발생되고 있으며, 그 중에서도 3월에 가장 높은 농도가 발생되고 있었다. 3월 평균 농도는 39.5 ㎍/㎥로 높게 발생되어 환경기준인 보통 이상의 기준을 초과하였으나, 연평균 농도는 9.1 ㎍/㎥로 낮았다. 3월의 미세먼지 농도는 1,704 ㎍/㎥. 초미세먼지 농도는 789 ㎍/㎥로 가장 높게 관측되었다. 폐기물수송관로와 공기조화기를 운용하였을 때 미세먼지 농도가 사무공간에서는 12.9 ㎍/㎥, 비업무공간에는 19.1 ㎍/㎥로 관측된 것으로 보아 남해안의 화력발전소의 미세먼지와 해외에서 발생된 미세먼지의 영향이 큰 것으로 판단된다. 환경부에서도 계절 관리제를 도입하여 12∼3월 특별 관리를 도입하는데 본 실험에서 많이 발생된 시점과 유사하였다.

초미세먼지와 미세먼지의 최소감지 농도를 통해 먼지지수를 산출하였다. 기여도는 비업무용공간이 58%로 높았고, 초미세먼지보다 미세먼지가 52%로 약간 높은 것으로 나타났으며 사무 공간 48%로 상대적으로 적게 나타났다. 기여도는 초미세먼지보다 미세먼지가 9% 높게 나타났다. 폐기물수송관로가 없는 곳은 초미세먼지와 미세먼지 농도가 높았다. 이로서 정부의 국내배출량 30%를 감축 목표를 충분히 달성가능하리라 사료된다.

4.2 폐기물수송관로의 미세먼지 효과

실험기간에 건물 내의 초미세먼지는 보통이 37일, 좋은 날이 201일, 나쁨이 1일 각각 발생되었다. 건물 연평균 농도는 9.2 ㎍/㎥로 대기 환경기준 35 ㎍/㎥보다 74% 낮은 농도를 유지하고 있었다. 초미세먼지 농도가 높은 옥외광장에서 초과된 경우에도 사무공간은 대기 환경기준 이내로 초미세먼지를 저감하였다. 사무공간은 더 낮은 평균 초미세먼지는 7.5 ㎍/㎥ 이하로 처리하고 있었으며, 비 사무실은 평균 10.4 ㎍/㎥로 관리하였다. 사무공간의 농도가 더 낮아진 것은 바닥에 쌓인 초미세먼지 및 미세먼지가 스마트 폐기물수송관로에 의해 저감된 것으로 추정된다.

사무실에서 발생 된 초미세먼지와 미세먼지는 폐기물수송관로로 흡입하여 집하장 송풍기의 백 필터로 안전하게 처리되고 있으며 필터의 압력이 높으면 자동으로 백(bag)을 진동시켜 부착된 미세먼지를 제거한다.

Table 2에 폐기물수송관로와 공기조화기에 의한 저감효과를 나타낸다. 표에서와 같이 폐기물수송관로와 공기조화기를 함께 사용하여 저감한 초미세먼지(PM2.5) 처리효율은 63.2%로 높으며, 공기조화기만 사용할 경우 48.9% 정도로 저감됨을 알 수 있다. 미세먼지(PM10)도 두 시스템을 사용한 경우의 처리효율이 62.8%이고 공기조화기만 사용 시에는 49.2%를 처리하고 있었다. 폐기물수송관로에 의한 초미세먼지 및 미세먼지 저감능력은 각각 14.3% 및 13.6% 이다.

Table 2

Processing efficiency of ultrafine dust and fine dust

Fig. 8 및 Fig. 9는 옥외와 옥내의 초미세먼지와 미세먼지 농도의 상관관계를 나타낸다. 그림에서와 같이 초미세먼지와 미세먼지의 옥외농도와 사무실 농도의 상관관계를 회귀 분석한 결과, 초미세먼지 및 미세먼지의 상관도(R²)는 각각 0.9014 및 0.8679로 높게 나타났다. 각각의 상관관계식은 다음과 같다.

Fig. 8

Correlation between indoor and outdoor concentration of PM2.5

Fig. 9

Correlation between indoor and outdoor concentration of PM10

$\[ {\mathrm{Y}}_1=0.393 \text{X}+1.231 \]$

(4)

$\[ {\mathrm{Y}}_2=0.375 \text{X}+3.428 \]$

(5)

여기서 Y₁, Y₂, X는 각각 초미세먼지 옥내농도, 미세먼지 옥내농도 및 옥외 측정 농도값이다.

건물에서의 초미세먼지 농도는 “1층＞ 19층＞ B 1층＞ 7층＞ 14층” 순으로 높게 발생되며, 비업무공간은 겨울철과 봄철에 환경기준보다 일부 초과되었다. 1층은 유동인구가 가장 많이 발생 되고 있어 농도가 높은 것으로 추정되고, 14층은 외기차단과 유동인구가 작은 것으로 추정된다. 초미세먼지가 실내에서 일부 높은 원인은 불특정 다수의 출입자가 출입문을 개방 출입하고 헬스장은 창문을 열고 운동을 하고 있어서 농도가 높아진 것으로 생각된다.

Fig. 10에 폐기물수송관로 백필터와 공기조화기 배출구 농도를 나타낸다. 그림과 같이 공조기 배출구의 초미세먼지 농도 및 미세먼지 농도는 각각 7.5 ㎍/㎥ 및 17.3 ㎍/㎥이다. 집하장 배출구에서의 초미세먼지 농도 및 미세먼지 농도는 각각 4.8 ㎍/㎥ 및 11.3 ㎍/㎥로 나타났다.

Fig. 10

Outlet concentration of bag filter and air conditioner

본 연구에서 실증조건으로 실험한 건물 공기조화기의 초미세먼지와 미세먼지는 약 49% 정도 저감됨을 알 수 있었다. 기기분석을 통해 조사된 공기조화기의 초미세먼지 및 미세먼지 저감율은 각각 44% 및 42%로 유사한 성능을 나타낸다. 실험에서는 공기조화기 1차 필터는 매월 세척하고 2차 필터는 6개월마다 교체하여 사용하였다.

5. 결 론

본 연구를 통해 건물 내 폐기물수송관로로 초미세먼지와 미세먼지가 효과적으로 저감됨을 고찰하였으며, 실증연구를 통하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.

• 1) 본 실험에서 4계절별, 월별 측정한 결과 연평균 초미세먼지 및 미세먼지 농도는 각각 19.8 ㎍/㎥ 및 43.5 ㎍/㎥이며, 비교 대상 S 주민 센터에서 계절별, 월별 측정한 결과 연평균 초미세먼지 및 미세먼지 농도는 각각 16.2 ㎍/㎥ 및 42.9 ㎍/㎥로 본 실험 치와 유사함을 알 수 있었다.
• 2) 업무시설인 건물의 공기조화기는 외부의 초미세먼지와 미세먼지를 약 49% 저감할 수 있으며, 폐기물수송관로의 2시간 진공흡입으로 초미세먼지는 63.2%, 미세먼지는 62.8%로 저감할 수 있었다.
• 3) 미세먼지 기여도를 분석한 결과 초미세먼지보다 미세먼지가 기여도가 크며, 미세먼지 민감도 분석을 위한 최소감지 농도를 초미세먼지는 1.5 ㎍/㎥, 미세먼지는 3 ㎍/㎥로 선정하였다.
• 4) 폐기물수송관로 진공흡입 2시간과 공기조화기 가동 12시간이 중복운전이 되므로 공기조화기 가동시간을 조절할 경우 연간 전력 에너지 314,000 kW와 운전비용 31,390,000원을 절감할 수 있음을 알 수 있었다.
• 5) 수치 시뮬레이션을 통해 공기의 유입과 유출시간 유동 흐름과 미세먼지 입자의 유동상태를 확인하였으며, 폐기물수송관로 진공흡입 시 초미세먼지 및 미세먼지의 농도가 낮아지며. 동일한 시간대에 공기조화기를 함께 가동하면 공간에서 난류가 발생되어 미세먼지와 초미세먼지 저감효율이 낮아짐을 알 수 있었다.
• 6) 고농도의 초미세먼지가 자주 발생 시 필터성능을 강화하기 위하여 공조기의 2차 필터를 고성능 헤파필터 수준으로 교체하는 것이 요구됨을 알 수 있었다.

본 연구는 초미세먼지로 인한 사무실 환경 개선방안을 결정하는데 기초자료로서 폐기물수송관로의 진공흡입 시스템의 다양한 분야에서 활용되는데 도움이 되고자 하며, 행복 도시 등 도시형 폐기물수송관로의 공기흡입기를 활용하여 투입구 주변 초미세먼지를 흡입, 저감하는 공기산업 발전을 위해서는 앞으로 많은 연구가 필요하다.

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