2.1 KS C 9314 방법

KS C 9314 ｢공기청정기｣는 공기 중에 포함된 미세먼지 제거, 유해가스 제거 등의 기능을 수행하는 송풍기가 내장된 공기청정기의 안전성 및 성능 시험을 위한 KS 표준이다. 시험 입자는 다분산의 고체상 염화칼륨(KCl) 입자 사용하고, KCl 용액을 분무하여 서브마이크론 입자를 생성하도록 하며 입자의 중간지름은 0.3 ㎛ 이하가 되도록 한다. 시험 챔버는 (29.5±1) ㎥의 체적을 가진 직육면체 형상이어야 하고, 시험 중 챔버 내 온도는 (21±3) ℃로, 상대습도는 (40±5) %로 유지하여야 한다. 해당 표준에서는 자연저감 입자 농도 및 운전 감소 입자 농도를 측정하여 미세먼지 제거능력을 계산하도록 제시되어 있다.

시험에 사용하는 입자 계수기는 KS B 6336(광산란식 자동 입자계수기)에 제시된 광산란식 자동 입자계수기를 사용하여야 하고, 0.3 ㎛ 지름의 입자 농도를 측정 할 수 있는 측정 채널을 가져야 한다고 제시하였다. 또한, 해설 4.9 공기청정기에 의한 청정도 시험 설비의 예시에서는 본 연구에서 사용한 측정기기(GIRMM Model 1.109)와 동일한 기기가 명시되어 있다.

2.2 SPS-I KEAA 24-7236 방법

한국에너지기기산업진흥회에서 제정한 단체표준인 SPS-I KEAA 24-7236「광산란법을 이용한 화력발전소 주변 입자상 물질 측정 및 분석방법」에서는 화력발전소 주변에 존재하는 입자상 물질(PM)의 질량농도를 광산란법을 이용하여 측정하는 표준이다. 여기서 PM은 일반적으로 직경이 10 ㎛이하인 PM10과 지름이 2.5 ㎛보다 작은 PM2.5로 구분한다. 한편, 광산란법의 경우 습도에 따른 측정 값의 오차가 크기 때문에 습도 조건에 따라 온도를 자동으로 조절할 수 있는 히팅 시스템을 권장하고 있다.

또한, 광산란법 측정장비의 정확도 유지를 위해 1년에 2회이상 베타선흡수법 측정장비와 광산란법 측정장비를 동일한 측정위치에서 동일한 시간 동안 동시에 비교 측정하도록 하고 있다. 식 (1)에 따라 보정계수를 산정한 후 식 (2)에 따라 적용하도록 하고 있으며, 낮은 농도에서는 정확도의 상관성이 낮아지므로 측정농도가 50 ㎍/㎥ 이상으로 측정된 자료를 활용하도록 제시하고 있다.

여기에서, CF : 보정계수

Cref-mass : 베타선흡수법 측정농도(㎍/㎥)

Copt : 광산란법 측정농도(㎍/㎥)

여기에서, Ccor : 광산란법 보정농도(㎍/㎥)

CF : 보정계수

Copt : 광산란법 측정농도(㎍/㎥)

2.3 광학적 불투명도 모니터링 방법

현재 비산먼지 발생 사업장의 비산먼지를 측정하는 공정시험방법은 비산먼지의 무게를 측정(중량법)하는 고용량 공기시료 채취법이 있으나, 고가의 장비를 다루기가 힘들어 비산먼지 발생 사업장에 적용하기 어려운 실정이다. 고용량 공기시료 채취법은 사업장의 부지경계선에서 바람이 불어오는 위치(풍상방향) 1곳과 바람이 불어가는 위치(풍하방향) 3곳 등 총 4곳에 장비를 설치해야 하고, 1시간 이상의 시료채취 시간이 필요한 시험방법이다. 하지만 현장에서는 바람의 방향이 수시로 바뀌고, 4개 이상의 무거운 고가의 장비를 옮겨야 하는 문제점이 존재한다.

광학적 불투명도 측정기법은 이러한 측정상의 한계를 극복하고자 개발한 비산먼지 측정방법으로, 스마트폰, 카메라 등으로 촬영한 사진 또는 동영상만 있으면, 측정 소프트웨어를 활용하여 비산먼지와 같은 오염물질로 인한 대기의 가시(可視) 정도를 수치화하여 불투명도(0~100%)를 현장에서 실시간으로 정량적으로 산출하는 방법이다. 추후 국립환경과학원에서 대기오염공정시험기준으로 고시된 이후에 콘크리트 제조업 현장 비산먼지 측정방법 적용을 검토할 계획이다.

3.1 비산먼지 측정방법 선정

대표적인 비산먼지 측정방법은 중량농도법, 베타선흡수법 및 광산란법이 있으며, 환경부의 대기오염 공정시험기준에는 베타선법과 중량농도법을 대기환경중 미세먼지 표준 측정방법으로써 제시하고 있다.

중량농도법(gravimetric method)은 일반적으로 가장 많이 사용되는 방법으로, 대기 중의 미세먼지를 직접 채취하여 채취 전ㆍ후 필터의 무게를 비교하여 질량농도로 계산하는 방법을 사용한다. 채취한 시료는 정확한 질량을 파악할 수 있고 이후에 물리적, 화학적 분석이 가능하나, 시료를 24시간 동안 채취한 후 분석이 가능하기 때문에 실시간 비산먼지 측정이 불가능하다.

베타선흡수법(β-ray absorption method)은 실시간 자동측정법으로서 베타선을 방출하는 베타선원으로부터 조사된 베타선이 필터 위에 채취된 미세먼지를 통과할 때 흡수되는 베타선의 세기를 상대적으로 측정하여 포집된 미세먼지의 질량농도를 산출하는 방법으로, 자동 측정이 가능하고 높은 정확도를 가진다. 하지만 베타선흡수법은 중량농도법에 비하여 짧은 시간 간격으로 질량농도를 측정할 수 있는 장점이 있으나 간접 측정법의 한계로 인해 정확한 질량농도를 도출해내기 위해서는 중량법과 비교 검증단계를 거쳐야 한다. 또한, 1시간 단위 이하의 측정은 불가능하고 정전기 및 온습도 등에 대한 간섭이 크며, PM10과 PM2.5를 동시에 측정하는 것이 불가능하다.

광산란법(light scattering method)은 대기 중의 입자상 물질에 빛을 조사하면 입자에 의해 빛이 산란하게 되며, 물리적 성질이 동일한 입자상 물질의 빛을 조사하면 산란광의 양은 질량농도에 비례하게 된다는 원리를 이용하여 입자상 물질의 양을 구하는 방법이다. 휴대가 용이하여 다양한 장소에서 미세먼지 농도를 측정할 수 있고 실시간 측정이 가능하지만 미세먼지를 포집한 후 질량 농도로 환산하는 과정에서 오차가 발생할 수 있는 단점이 있다. 중량농도법, 베타선흡수법 및 광산란법과의 비교는 Table 1에 나타내었다.

본 연구에서는 콘크리트 제조업 현장에서 발생하는 비산먼지를 측정해야 하기 때문에 휴대가 용이하고 실시간 측정이 가능한 측정방법이 필수적이므로, 광산란법 형식의 입경농도 분석기 GRIMM 1109를 측정장비로 선정하였다. 또한 측정방법의 현장적용을 위해 환경부 대기오염공정시험기준 미세먼지 표준 측정방법인 베타선법과의 비교를 통한 신뢰성 검증 및 정확도 보정 실험을 수행하였다.

3.2 광산란법 정확도 보정 및 신뢰성 검증 실험

광산란법 측정기의 정확도 보정 및 신뢰성 검증을 위해 베타선흡수법 기준측정기 및 광산란법 측정기를 Fig. 1과 같이 동시에 가동하여 비교 평가를 수행하였다. 베타선흡수법 기준측정기와 광산란법 측정기의 비교실험은 14일 이상 연속 운전하여야 하며, 최소 322개의 시간평균자료(14일 × 23시간)를 수집해야 한다. 베타선흡수법 기준측정기 측정 결과 322개 중 질량농도가 50 ㎍/㎥ 을 초과하는 고농도 결과가 최소 16개 이상 수집되어야 하며, 만약 14일의 시험 기간 동안 16개 이상의 50 ㎍/㎥ 질량농도가 수집되지 않았을 경우 실험 기간을 1회(14일) 연장하고, 연장 기간 중 50 ㎍/㎥ 초과하는 질량농도가 최소 8개 이상 수집 될 경우 실험을 종료하도록 하였다. 측정 결과 값을 이용하여 SPS-I KEAA 24-7236 ｢광산란법을 이용한 화력발전소 주변 입자상 물질 측정 및 분석방법｣에서 제시한 보정계수를 산출하고자 한다. 또한, 전체 비교측정 데이터 중에서 상온환경과 우천환경 데이터를 분리하여 기후환경(온·습도)에 따른 광산란법 측정기의 신뢰성을 검증하고자 하였다.

Fig. 1 Comparative experiment between measurement methods

3.3 자동 비산먼지 저감시스템 적용

경기도에 위치한 A사의 콘크리트 제조업 현장에 비산먼지 저감기술을 적용하고, 비산먼지 저감기술 적용 유무에 따른 비산먼지 질량농도를 비교하고자 하였다. 본 콘크리트 제조업 현장에 적용한 비산먼지 저감기술은 자동 미스트 살수장치이며, Fig. 2와 같이 미스트 분사 노즐 18개(상부 8개, 좌/우 각 5개)로 3 Line, 총 54개의 미스트 분사 노즐을 설치하였다. 살수 및 공급 배관라인은 32A 백관파이프 사용하고, 살수 배관라인 하부 드레인용 볼밸브 6개를 설치하였다. 미스트 상시 가동으로 인한 골재 함수 상태 변화를 방지하기 않기 위해 골재 하역장 진입부에 근접센서를 설치하여 자동으로 미스트 살수를 제어할 수 있도록 구성하였다.

Fig. 2 Automatic fugitive dust reduction system

3.4 콘크리트 제조업 비산먼지 측정계획

대상 콘크리트 제조업 현장에서는 표면건조 상태의 밀도가 2.62 g/㎤인 25 mm 굵은 골재를 사용하고 있으며, 골재하역장 바닥에 호퍼 설비가 되어있어 골재가 떨어지면서 발생되는 비산먼지가 골재가 호퍼 설비에 닿으면서 발생되는 비산먼지에 비하여 클 것으로 판단되어 골재 트럭의 골재 내리기 높이인 2 m에 미세먼지 측정기(GRIMM 1109)를 설치하여 6초 간격으로 측정하였다.

Fig. 3과 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 골재 하역 범위의 좌측, 우측 및 중앙에 3개의 샘플 채취점(sampling point, SP)인 SP1, SP2, SP3에 비산먼지 측정 장비를 설치하여 하역 시 발생되는 비산먼지 질량농도를 저감시스템 작동 유무에 따라 비교·분석하고자 하였다. 또한, 골재 하역장 입구에는 통합기상관측기를 설치하여 온습도 및 풍속을 측정하였다.

Fig. 3 Sampling point of fugitive dust at the aggregate unloading site

Fig. 4 View of fugitive dust at the aggregate unloading site

4.1 광산란법 정확도 보정 및 신뢰성 검증 결과

광산란법 측정기의 정확도 보정 및 신뢰성 검증을 위해 베타선흡수법 기준측정기 및 광산란법 측정기를 동시에 가동하여 비교 평가를 수행하였다. 정확도 보정 및 신뢰성 검증 실험을 위해 형식승인된 베타선흡수법 기준측정기인 Mezus 610과 광산란법에 기반한 GRIMM 사의 1.109 OPC (optical particle counters)를 충북 청주시 오창읍에 위치한 한국건설생활환경시험연구원 종합건축환경시험장에서 2022년 9월 30일부터 2022년 10월 29일까지 1달 동안 대기 중 미세먼지를 동시 측정하였다.

베타선흡수법 기준측정기 특성상 최소 1시간 단위로 대기 중 미세먼지 측정이 가능하기 때문에 광산란법 측정기의 측정 단위를 1시간으로 동일하게 설정하여 총 720개의 비교 데이터가 수집하였다. 총 720개의 비교데이터 중에서 질량농도가 50 ㎍/㎥ 이상의 77개 데이터를 추출하여 Fig. 5와 Table 2에 나타낸 바와 같이 비교분석 한 결과, 정확도 95.1 %, 결정계수 0.88로 성능인증 1등급(정확도 80% 초과, 결정계수 0.8 초과)에 해당하는 결과가 도출되었다. 또한, SPS-I KEAA 24-7236에서 제시한 식 (1)을 사용하여 보정계수를 계산한 결과 1.019로 나타났으며, 산출된 보정계수는 광산란법 측정기를 사용한 현장 비산먼지 측정값에 대입해 활용할 계획이다.

전체 720개 비교데이터 중에서 상온에 가장 근접한 환경(평균온도 20.5 ℃, 평균습도 54.8 %)에서의 98개 데이터를 추출하여 광산란식 측정방법의 습도에 대한 데이터 신뢰성을 Fig. 6(a)와 Table 2에 나타낸 바와 같이 분석한 결과, 정확도 88.9 % 및 결정계수 0.96으로 나타났다. 또한, 우천환경(평균온도 14.6 ℃, 평균습도 75.5 %) 에서의 40개 데이터를 추출하여 Fig. 6(b)와 Table 2에 나타낸 바와 같이 분석한 결과, 정확도 80.4 % 및 결정계수 0.90으로 상온환경 실험 결과에 비하여 정확도 및 결정계수가 감소하는 것으로 나타났다.

우천환경에서의 질량농도 측정 결과는 상온환경에서의 측정결과에 비하여 정확도 및 결정계수가 감소하지만 성능인증 1등급(정확도 80% 초과, 결정계수 0.8 초과)에 해당하는 결과로, 베타선흡수법 및 광산란법 측정 방법의 상관성 분석을 통해 습도가 높은 환경에서의 광산란법 측정 방법의 신뢰성을 확인하였다. 본 실험 결과에서 우천환경에서도 측정값의 정확도에 큰 영향을 주지 않은 것은 하우징 장비의 히팅 시스템에서 습도변화에 대한 보정이 이루어졌기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 5 Accuracy calibration results

Fig. 6 Light scattering method accuracy correction

4.2 콘크리트 제조업 비산먼지 측정 결과

콘크리트 제조업 현장 비산먼지 측정은 2022년 9월 21일부터 9월 22일(평균온도는 22.4 ℃, 평균습도 44.8 %)까지 실시하여 25톤 골재 차량이 골재 하역장에 출입하는 동안 발생되는 총 비산먼지 질량농도를 저감시스템 작동 유무에 따라 비교 측정하였다.

골재 하역장은 차량 출입구를 제외한 모든 방향이 막혀있는 구조로 풍속 및 풍향의 영향을 받지 않아 순간적으로 폭발적으로 많은 양의 비산먼지가 측정되고 골재 하역장 내에서만 이동하며 소산되기 때문에 3기의 비산먼지 측정위치(SP1, SP2, SP3)에서 측정한 비산먼지 질량농도를 합하여 계산하였다. 또한, 비산먼지 질량농도 측정 값(광산란법 측정농도(Copt))에 광산란법 정확도 보정 실험에서 산출한 보정계수(CF) 1.019를 곱하여 광산란법 보정농도(Ccor)로 산출하였으며, 그 결과는 Fig. 7에 나타내었다.

자동 비산먼지 저감시스템를 작동시키지 않을 경우, 좌측(SP1) 및 우측(SP3) 비산먼지 질량농도가 중앙(SP2)에서의 비산먼지 질량농도보다 높게 측정되었다. 이는 좌측 및 우측 측정위치가 골재가 떨어지는 지점과 가장 인접해 있어 중앙에 비하여 비산먼지 질량농도가 크게 측정된 것이고, 좌측은 잔골재 호퍼 설비로 인해 개방되어 있어 우측 비산먼지 질량농도에 비해 작게 측정된 것으로 판단된다.

자동 비산먼지 저감시스템을 작동시켰을 경우에는 전체적으로 비산먼지 질량농도가 낮아졌고, 특히 중앙에서의 비산먼지 질량농도의 저감량이 가장 크게 나타났다. 골재하역장은 입구를 제외한 모든 면이 막혀있는 구조기 때문에 측정 중에 질량농도가 순간적으로 높게 튀는 현상이 나타났으나 6초이내로 소산되는 것으로 나타났다. 또한, 중앙에 위치한 비산먼지 측정 장비는 골재가 낙하되는 지점과 가장 멀리 위치하여 미스트와 비산먼지의 흡착되고 남은 비산먼지만 다소 이동하면서 측정된 것으로 판단된다.

각 측정위치에서 발생한 비산먼지 질량농도를 평균하여 Table 3과 같이 비교한 결과 콘크리트 제조업 골재 하역장에 자동 비산먼지 저감시스템 적용했을 경우, 비산먼지 총 저감율은 54.1 % 로 나타났다. PM10 이상은 58.9 % 저감되었고, PM10~PM2.5는 28.5 %, PM2.5 이하는 27.5 % 저감되었다. 콘크리트 제조업 골재 하역장의 자동 비산먼지 저감시스템을 적용할 경우, 분사되는 미스트가 PM10 이상의 비산먼지 저감에 효과적인 것으로 나타났다.

향후, 미스트 크기와 비산먼지 입자 크기가 제거 효율에 미치는 영향에 대해서는 추가적인 심층 연구가 필요하다고 판단된다.

Fig. 7 Fugitive dust measurement result