4.1.1 등가성 평가

광산란법 미세먼지 측정기의 신뢰성을 검증하기 위하여 중량농도법 기준측정기, 베타선흡수법 기준측정기 및 광산란법 미세먼지측정기를 정상가동하여 등가성평가를 수행하였다. 중량농도법 기준측정기는 일 23시간 연속가동하며, 1시간동안 필터의 교체 및 측정기의 점검을 실시한다. 베타선흡수법 기준측정기는 중량농도법 기준측정기와 동일한 기간동안 연속 운전한다. 등가성평가는 최소 14일 동안 수행하여야 하며, 14일간 동안 중량농도법 기준측정기는 14개의 일평균자료(23시간), 베타선흡수법 기준측정기는 322개의 시간평균자료(14일 × 23시간)를 수집해야 한다.

베타선흡수법 기준측정기 측정 결과 322개 중 질량농도가 40 ㎍/㎥ 을 초과하는 고농도 결과가 최소 16개 이상 수집되어야 하며, 만약 14일의 시험 기간 동안 16개 이상의 40 ㎍/㎥ 질량농도가 수집되지 않았을 경우 시험 기간을 1회(14일) 연장하고, 전체 기간 중 40 ㎍/㎥ 초과하는 질량농도가 최소 8개 이상 수집 될 경우 시험을 종료한다.

또한 낮은 농도에서도 간이측정기의 인증 세부기준인 정확도와 결정계수 값이 영향을 받을 수 있으므로 중량농도법 기준측정기의 질량농도가 3 ㎍/㎥ 이하인 경우와 베타선흡수법 기준측정기의 질량농도가 5 ㎍/㎥ 이하인 경우에는 해당기간의 자료를 제외하고 평가할 수 있으나 총 시험일수는 최소 14일을 만족하여야 한다. 측정결과를 이용하여 상대정밀도, 자료획득률, 정확도, 결정계수를 구하여 광산란법 미세먼지측정기의 성능을 검증한다.

4.2.1 공기청정기 시험용 챔버

시험 챔버는 Fig. 1과 같이 KS C 9314 : 2019 ｢공기청정기｣시험 방법에 따른 (29.5 ± 1) ㎥ 체적을 가진 직육면체 형상으로 챔버 내부는 무정전 패널로 제작되어 있다. 시험 챔버에는 시험 입자의 배경 농도를 만족하는 공기를 공급할 수 있는 고성능 HEPA 필터 및 실내 과잉 공기를 자동으로 배출할 수 있는 댐퍼가 연결된 배출구가 있다. 시험 챔버 내의 온도는 (21 ± 3) ℃, 상대습도는 (40 ± 5) %로 설정하였다. 시험 챔버의 기밀도는 입자 크기가 0.3 ㎛ 입자 농도에 대해 20분 경과 후의 입자 농도가 초기 농도의 80 % 이상 확보하는 것을 만족하고 있으며, 챔버 상단에는 1,300 mm(W) × 280 mm(H) 크기의 날개 수 3개 수직 팬이 설치되어 있다.

Fig. 1 Air purifier test chamber

4.2.2 미세먼지 발생기

본 연구에서는 ASHRAE 52.2 및 ISO 16890-1의 시험 입자(test aerosol) 요구 사항을 만족하는 미세먼지 발생기(Aerosol Generator)를 사용하였다. 시험에 사용된 입자는 다분산의 고체상 염화칼륨(potassium chloride, KCl)으로 시험 챔버에 아토마이징(atomizing)하여 분사하였다. 4 % KCl 수용액(물 100 mL에 대하여 KCl 4 g의 비율로 혼합한 용액을 사용하여 직경 (0.1 ~ 10) ㎛ 시험 입자를 발생하였으며, 시험 입자는 챔버 중앙 바닥 위 50 cm 위치에서 분사하였다.

4.2.3 미세먼지 측정기(입자계수기)

입자 농도 측정을 위한 샘플링 위치는 시험 챔버 중앙 바닥 위 10, 80, 120, 210 cm 로 설정하였다. 실시간 모니터링이 초 단위로 가능한 광산란 방식의 입경 및 농도 분석기(Aerosol Spectrometer) GRIMM 1109 를 사용하여 PM10 및 PM2.5 질량농도(㎍/㎥)를 측정하였다.

4.2.4 실험 조건

밀폐된 챔버에 시험 입자를 600초간 동안 주입하고, 다시 600초간 대기하면서 챔버에 주입된 시험 입자의 위치 및 바람의 영향에 따른 질량농도를 측정하였다. 이후 배기 및 환기를 통해 미세먼지가 0에 수렴하는 것을 확인하고 실험을 종료하였다. 측정 단위는 6초 간격으로 설정하고 PM10 및 PM2.5 질량농도(㎍/㎥)를 측정하였다.

시험 요인 및 수준은 Table 1과 같으며, 미세먼지의 바람에 대한 영향을 평가하기 위하여 수직 팬의 속도를 0, 3.4 및 6.8 m/s로 변경하면서 실험을 수행하였고, 측정 높이는 챔버 중앙 바닥에서부터 높이 10, 80, 120 및 210 cm로 설정하였다.

4.3.1 등가성 평가

등가성 평가는 국내 대기오염공정시험기준에 따른 대기환경 미세먼지 표준 측정방법인 베타선법(ES 01605.1)과 광산란법 미세먼지 측정기를 동일한 기간동안 연속운전을 통하여 도출된 결과이다. 본 실험에 사용된 광산란법 미세먼지 측정기 GRIMM 1109 장비의 등가성 실험 결과, 상대정밀도 99 %, 정확도 91% 및 결정계수($r^{2}$) 0.92로 나타났으며, 이는 성능인증 1등급(상대정밀도 80%초과, 정확도 80% 초과, 결정계수 0.8 초과)에 해당된다고 볼 수 있다.

본 실험 결과를 통해 광산란법 미세먼지 측정기의 측정값을 신뢰할 수 있으며, 실시간 측정이 필수적인 레미콘 플랜트 비산먼지의 모니터링을 위한 측정법으로 광산란 방식의 입경 및 농도 분석기(Aerosol Spectrometer) GRIMM 1109가 적합하다고 판단하였다.

4.3.2 실내챔버 실험

본 연구에서는 레미콘 현장 비산먼지 모니터링 방법을 수립하기 위하여 실내챔버에서의 미세먼지 발생 경향 실험을 수행하였다. 레미콘 플랜트 골재하차장의 특성상 비산먼지가 골재가 지면에 닿는 순간에 주로 발생하기 때문에 실내챔버에서 입자를 분사할 수 있는 가장 낮은 높이인 50 cm에서 시험 입자(test aerosol)를 분사하였다. 레미콘 플랜트 골재하차장은 차량 출입구만 열려있는 5면이 막혀있는 격벽 구조로 바람의 영향을 크게 받지 않고, 바람이 유입될 경우에는 격벽구조 안에서 순환하는 구조일 것으로 예상되어 수직 팬을 이용하여 바람의 속도(0, 3.4, 6.8 m/s)를 변경하면서 챔버내 미세먼지를 모니터링 하였다.

실험 결과, 바람의 영향이 없는 경우(0 m/s)에는 미세먼지를 분사 높이 50 cm 위치와 근접한 높이인 10 및 80 cm 모니터링 위치에서 미세먼지 질량농도(㎍/㎥)가 높이 120 cm 및 210 cm 에 비하여 2.4배 이상 크게 측정되었다. 또한, 미세먼지 질량농도가 순간적으로 급격하게 증가하여 PM10은 최대 6809.1 ㎍/㎥, PM2.5는 최대 3831.6 ㎍/㎥ 까지 모니터링되었고, 시간에 따른 질량농도의 변동 폭이 크게 나타났다.

바람의 영향이 있을 경우(3.4, 6.8 m/s)에는 바람의 속도가 높아질수록 모니터링 위치(10,80,120,210 cm)별 비산먼지 측정값(PM10, PM2.5)의 차이가 감소하는 경향이 나타났다. 미세먼지 분사 높이 50 cm와 근접한 높이 10 cm 및 80 cm 모니터링 위치에서 높이 120 및 210 cm 모니터링 위치에 비해 상대적으로 가장 큰 값으로 모니터링 되었으며, 210 cm 위치에서 가장 작은 값이 측정되었다. 높이 10 cm 모니터링 위치에서는 챔버 바닥에 침전되어 있던 미세먼지가 바람의 영향으로 상하로 튀면서 모니터링 값이 크게 변동성을 보이나 풍속이 올라갈수록 변동 폭은 작아지는 경향을 나타냈다.

레미콘 플랜트 현장의 골재하차장은 바람의 영향을 크게 받지 않는 격벽구조이므로 실내챔버에서 바람영향이 없는 실험조건과 같이 비산먼지 질량농도가 순간적으로 증가하고 감소하는 경향이 나타날 것으로 판단되며, 실내챔버 실험 결과를 바탕으로 현장 실험 계획을 수립하였다.

Fig. 2 Equivalent evaluation test result

Fig. 3 Fugitive dust monitering simulation test

5.2.1 비산먼지 모니터링 결과

비산먼지 모니터링은 2021년 6월 16일 오후 1시부터 오후 4시(평균온도 29.8 ℃, 평균습도 47 %, 평균풍속 1.7 m/s)까지 실시하여 25톤 골재 차량이 골재하차장에 출입하는 동안 발생되는 대표적인 비산먼지 10회 데이터를 취득하였다.

실험 결과, Sampling point(SP) 1, 2, 3 별로 시간차가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 골재 트럭이 SP1, 2 부근에서 골재를 내리면서 동일 시간에 비산먼지가 발생하고, SP 3는 골재 하차로 발생된 비산먼지가 입구쪽으로 이동하면서 미세먼지 측정기의 측정간격인 6초 뒤에 최대 값이 측정되었다. 한 트럭당 골재를 내리는 시간은 4~6분 정도이며 골재가 트럭에서 떨어지는 시점에 비산먼지 질량농도가 순간적으로 급증하는 것으로 나타났다.

PM10 및 PM2.5의 질량농도를 분류한 결과, Fig. 4와 같이 PM2.5는 PM10의 1/10 수준으로 나타났다. SP1에서 SP3로 비산먼지가 이동하면서 점차 감소하는 경향이 나타났으며, 이를 바탕으로 Sampling point 별로 비산먼지를 정의할 수 있다. SP1에서 측정된 값은 트럭에서 골재 하차로 인하여 발생하는 비산먼지 양(발생량)이고, SP3에서 측정된 값은 골재하차장 밖으로 노출되는 비산먼지 양 (노출량)이라고 볼 수 있다. 또한, SP2에서 측정된 값은 발생원에서 골재하차장 입구로 대기중에서 이동하는 Transition zone (발생량 – 노출량= 골재하차장 가림막으로 인한 감소량)으로 볼 수 있다.

Fig. 4 Fugitive dust monitoring result

5.2.2 비산먼지 발생 경향

골재하차장 비산먼지 발생 경향을 분석한 결과, 비산먼지는 Fig. 7과 같이 2 cycles(1차 및 2차 비산)의 형태를 보이는 것으로 나타났다. 1차 비산은 골재 트럭에서 골재가 떨어질 때 발생하였고, 2차 비산은 1차비산이 일어난지 약 3분 뒤에 골재가 전부 떨어지고 트럭의 후방 적재함의 개폐구가 부딪히며 트럭 바닥에 남아있던 분진이 날리면서 발생하였다. TSP의 경우 입자의 크기 및 자중으로 인하여 PM10, PM2.5와 다르게 2차 비산이 발생하지 않았다.

또한, 레미콘 플랜트 골재하차장 비산먼지는 실내챔버 실험의 바람의 영향이 없는 조건과 비슷한 경향으로 나타났다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 레미콘 플랜트 골재하차장이 5면이 막힌 격벽 구조인 관계로 바람의 영향을 받지 않아 순간적으로 많은 양의 비산먼지가 발생하고 골재하차장 내에서만 다소 이동하며 소산되는 것으로 보인다.

Table 3는 총 10회의 골재 내리기 공정에서 배출된 비산먼지의 최대 질량농도와 분포율을 나타낸 것으로 TSP~PM10은 (82.1~83.7) %, PM10~PM2.5는 (15.0~16.1) %, PM2.5 이하는 (1.3~1.4) %로 골재 내리기 공정에서 배출된 비산먼지는 대부분이 TSP임을 확인하였다. 또한, SP2 및 3에서의 PM10~PM2.5 비산먼지 분포율이 SP1보다 다소 증가하는 경향이 나타났다. 이는 SP1에서 발생된 TSP가 SP3가 위치한 입구쪽으로 이동하면서 자중으로 인해 감소되어 PM10의 분포율이 증가한 것으로 판단된다.

비산먼지 최대 질량농도는 SP1에서 SP3로 이동하면서 (34.3~64.2) % 감소하였다. 이는 레미콘 플랜트 골재하차장에서 발생된 비산먼지의 대부분이 TSP인 관계로 발생원에서 Transition zone을 통해 골재하차장 입구로 이동하면서 소산된 것으로 판단된다. 하지만 골재하차장 입구에서 측정된 PM10의 최대 질량농도는 212,264 ㎍/㎥로 대기환경기준치(24시간 평균치 100 ㎍/㎥ 이하)보다 상회하는 것으로 나타나 골재 하차 후 4~6분 동안의 골재하차장 인근 작업에는 주의가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 7 Tendency of emission generated fugitive dust