1. 서 론
우리나라는 2005년 악취방지법제정 이후 적극적인 악취관리를 시행했음에도 악취물질은 개인의 후각 차 이와 사람들에게 느끼는 피해 정도가 달라 악취 민원 은 지속적으로 증가하고 있다(Jeong, 2014). 공공환경 시설은 하수처리과정에서 NH3, H2S 등 다양한 악취물 질이 발생되고 있으며 최근에는 공공환경시설주변에 대규모로 주거지역이 개발되어 악취 민원대상시설로 부각되고 있다(Kim et al., 2014). 공공환경시설에서 악 취물질 포집은 대부분 국소배기형식으로 악취물질을 포집하는 후드(Hood)와 이송역할을 담당하는 덕트 (Duct), 공기정화장치(Air cleaning device), 송풍기(Fan), 굴뚝(Stack)등으로 구성된다. 이 중 후드는 악취물질을 포집하는 최초공정으로 포집효율이 낮으면 후단에 아 무리 훌륭한 설비가 적용되었다 하더라도 전체적인 운 전효율은 낮아진다(Kim and Oh, 2008).
대기환경보전법시행령 제11조(배출시설의 설치허가 및 신고) 및 악취방지법 시행규칙 제 10조(악취배출시 설의 변경신고)에서 배출시설을 운영하는 자는 대기 (악취)오염물질의 적정처리를 위해 방지시설 일반도(一般圖), 연간유지관리계획서 등을 감독기관에 제출토록 하고 있다. 법체계에 따른 국소배기장치 규제에서 산업 안전보건법은 작업자의 위해환경 노출예방 및 안전부 분까지 고려하고 있으나 대기환경보전법은 오염물질을 외부로 배출하는 분야만 규제하고 있어 부처별 심사체 계 및 설치기준이 달라 국소배기장치를 운영하는 산업 현장에서 많은 혼선이 유발되고 있다(Kim et al., 2018).
반면 공공환경시설은 악취방지법의 규제를 받는 악 취배출시설로 국소배기장치는 여타의 산업시설과 유사 하나, 일부시설에서 국소배기장치 설치기준 및 악취 포 집풍량 가이드라인 등을 적용하지 않아 악취물질의 확 산에 따른 민원이 발생되고 있다. 최근 2년간 공공환경 시설의 악취 민원은 ‘17년도 20개사업장 147건인 반면 ‘18년도는 50개사업장 805건으로 증가되었으며, 공공 환경시설에서 악취 민원발생의 주요 원인은 도심의 인 구집중에 따른 팽창으로 이격거리가 가까워지는 외적 요인과 국소배기장치의 설계가 미흡하거나 효율이 낮 아져 악취물질이 주변으로 확산되는 내적요인으로 구 분할 수 있다. 일부 지자체에서는 공공환경시설의 악취 민원예방을 위해 신규시설은 지하화를 추진하고 기존 시설은 개방발생원에 대하여 덮개를 설치하는 등 많은 예산을 투입하고 있다.
하수처리장에서 악취발생은 유입되는 하수의 종류, 하수처리장 규모와 형태, 하수처리장 운영현황과 주변 환경에 따라 다르게 나타난다(Jang et al., 2017). 대부 분의 공공환경시설은 하수도시설기준(2018, ME)에서 제시하는 수(水)면적, 공간체적, 개구면의 크기 등을 고 려하여 악취포집 풍량을 적용하고 있으나, Hwang (2015)의 연구에 따르면 S시 하수처리장의 최초침전지 는 국소배기장치를 설치하여 운영함에도 발생원의 악 취포집 풍량은 전체부하의 약 10%만 포집되어 누출된 악취물질의 영향으로 민원이 발생된다고 언급하였다.
본 연구는 하수처리시설의 단위공정(2-Group)에서 악취포집 풍량 산정 시 중요하게 다루어지는 악취발생 원의 특징(개구면 기류속도 등)을 적용한 기준 풍량을 바탕으로 설계 풍량과 운전 풍량을 비교하여 악취물질 의 누출량을 산정하였다.
2. 연구방법
2.1 연구대상
연구시설은 경남 C시에 위치한 공공하수처리시설로 처리용량은 24,000 m3/day, 처리계통은 하수유입 → 협 잡물처리기 → 분배공정(MBR공정과 BNR공정으로 구 분) → 총인처리 → 소독 → 방류공정으로 구성된다. 하수처리는 MBR공정(Membrane bioreactor) 및 BNR 공정(Biological nutrient removal)으로 구성되며 MBR 공정은 유량조정 조 → 미세협잡물 처리기 → 생물학 처리 → 처리 조로 구성되며 유량조정 조에서는 원활 한 하수처리를 위해 일정시간 저류하여 유량과 수질변 동에 대응하고 막 분리, 호기 조, 용존산소저감 조에서 인,유기물, 질소를 제거한다. BNR공정은 1차 침전지 → 무 산소 조 → 혐기 무 산소 조 → 호기 조 → 2차 침전지로 구성되며 1차 침전지에서 침강작용에 의해 고형물을 제거한다. 무 산소 조, 혐기 무 산소 조는 분 할주입을 통해 유입부하에 대응하고 인 섭취 및 탈질 등 유기물질 등을 처리하며 2차 침전지에서 중력침강 에 의해 슬러지와 상징수를 분리한다. MBR 및 BNR 공정에서 분리 처리된 하수는 총인처리공정과 소독공 정에 병합되어 최종 방류되며 하수처리계통과 연구범 위를 Fig. 1에 나타내었다.
본 연구는 악취발생원에 적용된 국소배기장치의 악 취물질 포집풍량 평가로 MBR공정은 230 m3/min, BNR공정은 145 m3/min로 설계되었으며 악취방지시설 은 모두 Bio-filter를 운영하고 있다. 국소배기장치, 설 계 풍량, 방지시설제원 등은 설계 도서를 참고하였고 개구면의 크기·수량, 악취포집 풍량은 현장조사 결과를 활용하였으며 연구시설의 국소배기장치, 설계 풍량 등 을 Fig. 2, 3과 Table 1, 2에 나타내었다.
2.2 연구방법
2.2.1 악취포집풍량 산정방법
국소배기장치는 전체 환기(General Ventilation)와 국 소배기(Local Ventilation)로 구분하며, 전체 환기는 발 생원에서 악취물질을 완전히 제거하기 보다는 희석 또 는 치환시켜 농도를 낮추는 방법으로 국소배기의 대안 으로 적용할 수 있으며, 소규모 악취발생원이 산재되거 나 저 농도 악취물질을 희석하기 위한 목적으로 사용 한다. 반면 국소배기는 악취물질이 발생원에서 작업장 등으로 확산되기 전에 포집하는 방법으로 장점은 발생 원에서 직접 포집하여 적은 유량으로 배기가 가능하나 장치에 의한 작업방해 및 이동작업이 어려운 단점이 있다.
하수도설계기준(2018, ME)에서는 악취물질의 누출 방지를 위해 발생원밀폐 또는 음압(-)유지를 권장하고 있다. 상기의 기준에서 제시하는 악취포집 풍량으로 일 차침전지는(밀폐식) 수면적당 2 m3/m2·hr, 침사호퍼 등 은 가능한 커버를 설치하고 7회/hr 환기 또는 악취물질 을 흡입하는 후드의 공기유속이 0.6 m/s가 되는 풍량 과 비교하여 적은 쪽으로 선택하고, 기계장비 및 이송 라인 등은 내부용적(m3) × (1 − 0.5) × 7회/hr, 악취발생 원에 개구면이 있는 경우는 개구면적(m2) × 0.6m/s, 호 기조는 인입공기량의 약 110% 범위를 권장하고 있다.
본 연구는 악취발생원에서 설계·기준·운전 풍량을 비 교하여 악취물질누출 량을 평가하였다. 설계 풍량은 앞 서 언급한 바와 같이 설계 도서를 참조하였고, 기준 풍 량은 밀폐발생원과 개구부가 있는 악취발생원으로 구 분하여 산정하였다. 밀폐발생원은 하수도 설계기준에 서 제시하는 수면적당 2 m3/m2·hr을 적용하였고 개구부 가 있는 발생원의 악취물질누출을 판단하기 위해 송풍 기를 이용하여 내부로 빨려 들어가는 기류속도 실험을 수행하였다(Fig. 4). 기류속도가 없는 조건은 악취물질 의 상당량이 누출되고 0.1~0.2 m/s 조건은 악취물질 일 부가 누출되는 반면 0.3 m/s 조건은 악취물질누출이 거 의 없는 것이 확인되어 개구부가 있는 악취발생원은 개구부에서 내부로 빨려 들어가는 기류속도(0.3 m/s)를 기준 풍량을 산정하였다. 연구시설의 악취발생원은 대 부분 조(漕)형식으로 MBR공정은 6개 중 5개소, BNR 공정은 7개 중 5개소에 개구부가 설치된 구조로 개구 부에서 유속을 측정하여(Testo454) 기류속도가 0.3 이 상은 ‘양호’, 0.1 이상~0.3 미만은 ‘보통’, 외부누출은 ‘불량’으로 구분하였다. 아울러 운전 풍량은 악취발생 원에 체결된 국소배기덕트에서 유속을 측정하여 산정 하였으며 기준 풍량과 운전 풍량의 차이를 누출 풍량 으로 가정하여 포집풍량 설계 및 운영 문제점 등에 대 한 결론을 추론하였다.
2.2.2 복합악취 측정·분석방법
악취물질 누출평가를 위해 연구시설의 각각 악취발 생원에서 복합악취시료를 채취한 후 공기희석관능법으 로 분석하였다. 시료채취는 흡인펌프가 내장된 진공흡 인상자(Odor design, Korea)와 polyester aluminum bag (5 Liter)을 이용하였다. 복합악취 포집에 사용한 polyester aluminum bag은 고 순도 질소(99.999%)로 3회 이상 세척하여 냄새의 유·무와 누출 여부를 확인하였고 polyester aluminum bag은 현장시료로 1회 이상 채우 고 배기한 후 1ℓ/min으로 5분간 시료를 채취하였다. 시료채취가 완료된 polyester aluminum bag은 상온 (15~25°C)유지 및 직사광선을 피하여 보관 및 운반하 였고, 판정은 시료채취 후 24시간 이내에 수행하였다.
공기희석관능법을 이용한 판정요원은 판정시험 전에 악취강도에 대한 정도를 인식 시켜주기 위하여 nbutanol로 제조된 냄새를 인식시켰으며 인식시험액인 n-butanol (순도 99.5%)은 증류수를 사용하여 Table 3 및 Table 4와 같이 희석하여 제조한 후 악취강도 인식 시험액 1도의 시험액을 예비판정요원 모두에게 냄새를 맡게 하여 인식여부를 확인하였으며, 예비판정요원이 냄새를 인식하지 못하면 판정요원에서 제외하였다. 악 취판정요원 선정은 4종류의 판정요원선정 시험액을 이 용하였으며 선정방법은 냄새가 없는 거름종이(길이 14 cm, 폭 7 mm) 6매를 1조로, 그 중 4매는 시험액에 그리고 나머지 2매는 증류수와 유동파라핀에 각각 1 cm 정도 길이를 시험액에 5분 동안 담가두었다가 꺼 내어 약 2~3분 경과 후 시험에 사용하였다. 악취판정 요원 선정은 위의 6매 1조의 거름종이를 건강한 피검 자에게 나누어 주어 냄새가 나는 거름종이 4매를 선택 하게 하여 4종류의 시험액에 대한 냄새의 종류와 냄새 나는 거름종이를 모두 맞추고 악취도가 3, 4도인 사람 을 판정요원으로 선정하였다.
공기희석배율은 무취공기제조 장치와 활성탄을 채운 6방 분배기를 통해 제조된 무취공기를 무취주머니에 담고 시료를 주입하여 단계별로 희석하여 패널 들이 직접 평가하였으며 전체 판정요원의 시료희석 배수 중 최대값과 최소값을 제외한 나머지를 기하 평균하여 판 정요원 전체의 희석배수로 산정하였다.
3. 연구결과
3.1 MBR공정 vs BNR공정의 악취포집 풍량 비교
Table 5에 MBR 및 BNR공정의 악취발생원별 기준/ 설계/운전 풍량을 제시하였다. MBR공정의 악취발생원 별 기준/설계/운전 풍량은 각각 226.3/230.0/228.9 m3/ min이며, 해당 자료를 바탕으로 포집 풍량의 적정성을 비교하였다. 국소배기장치의 악취물질 반송속도는 3.3~10.0 m/s 범위로 발생원별 편차를 보이나, 평균반 송속도는 약 6.5 m/s를 유지하여 오염물질 성상(가스, 증기 등)에 따른 적정반송속도 범위(5~10 m/s)를 충족 하는 것으로 나타났다. 유량조정 조 2지, 스크린실 등 은 기준 풍량 대비 운전 풍량이 작아 일부공정에서 악 취물질이 누출될 수 있으나 혐기조의 운전 풍량이 기 준 풍량 보다 많아 댐퍼(Damper)로 유량제어 시 악취 물질 누출방지가 가능한 여건으로 판단되었다.
BNR공정의 기준/설계/운전 풍량은 각각 218.0/ 145.0/72.2 m3/min이고, 악취발생원의 개구부에서 악취 물질이 누출되고 있으며, 국소배기장치의 평균 반송속 도는 약 2.5 m/s로 낮고 기준:설계 풍량 차이는 73.0 m3/min, 기준:운전 풍량 차이는 145.8 m3/min로 조사되 었다. BNR공정은 개구부가 없는 혐기 조를 제외한 악 취 누출 풍량은 기준:설계 풍량과 기준:운전 풍량에서 각각 72.8 m3/min, 145.8 m3/min로 추정되었다.
아울러 Table 6의 공정별 풍량비(설계:기준, 실측:기 준, 실측:설계)에서 MBR공정은 각각의 평균결과가 0.95~0.99, BNR공정은 0.29~0.68로, 이는 풍량비가 평 균 1.0에 가까울수록 기준:설계:운전 풍량이 동일하다 는 의미로, MBR공정이 BNR공정 대비 최소 1.5배~최 대 3.3배로 양호한 운전 조건임을 알 수 있다.
3.2 악취물질 누출량 추정
Table 7에 MBR 및 BNR공정의 악취누출량 추정결 과를 제시하였다. 악취 포집 풍량 산정결과에서 악취물 질누출은 대부분 BNR공정으로 악취물질 누출량 산정 방법은 ‘악취배출총량(Total odor emission rate) = 가 스량(m3/min) × 복합악취희석배수를 적용하였다.
Total odor emission rate = 가스량(m3/min) × 복합악 취희석배수(OU/m3) (UOU FIC, 2008)
악취 누출량은 기준 풍량 보다 운전 풍량이 작은 악 취발생원으로, MBR공정은 19,838 m3/min, BNR공정 은 192,732 m3/min으로, BNR공정이 약 9.7배 많은 결 과를 보이고 있다(Table 6). 악취배출량에 따른 거리별 예상 악취세기로 악취배출량이 104~5m3/min의 경우 발 생원을 중심으로 100 m 이내에서 복합악취희석배수는 10배~30배로 제시하고 있어(UOU FIC, 2008), 악취 누 출로 인해 주변에서 악취 민원발생 가능성이 있을 것 으로 판단된다.
3.3 포집효율 평가
3.3.1 시설설계의 관점
공공환경시설의 종류는 다양할 뿐만 아니라 하수처 리공법 및 규모 등에 따라 악취발생원도 장방형, 원형 등 다양한 형태로 존재한다. 악취 포집량 설계는 하수 의 종류 및 상태, 하수처리공정, 온도 등에 영향을 받 기 때문에 발생량의 변동 폭이 큰 특징이 있다. 악취 포집량 산정에서 모든 요인을 설계에 반영하기는 어려 우나 악취발생원에 개구면 존재여부와 온도는 악취발 생량을 좌우하는 가장 큰 변수로 악취포집 풍량 설계 에서 중요한 인자라 할 수 있다.
Hwang (2015)의 연구에 따르면 악취포집 풍량 산정 방법에서 설계치가 제시된 10개의 하수처리장 최초침 전지의 환기횟수는 평균 7.9회/hr인 반면 16개의 하수 처리장에서 실측한 환기횟수는 평균 4.8회/hr로 설계용 량의 61% 정도만 포집되어 공간체적 기준의 환기횟수 를 7회/hr로 제안하고 있으며, 하수도설계기준에서도 공공환경시설의 악취발생원에 대한 악취 포집풍량을 비교적 구체적으로 제시하고 있다. 반면 하수도설계기 준 등을 참고하여 악취포집 풍량을 적정하게 산정하였 음에도 국소배기장치와의 상관관계에 따라 포집효율이 낮은 사례가 빈번한데 그 예로, 국소배기장치에서 송풍 기와 멀어질수록 관경을 작게 설치한 경우로 정압이 충분함에도 관경이 작으면 풍량 증가가 어렵고 국소배 기장치에 소요되는 압력손실을 고려하지 않은 송풍기 를 적용한 경우 포집효율이 낮아지는 원인으로 작용하 고 있다. 또한 국소·전체 포집 후드가 메인덕트에 연접 되어 체결한 경우 악취물질은 대부분 압력손실이 낮은 전체 포집후드에서 유입되고 국소포집후드는 상대적으 로 포집량이 낮아지는 결과를 초래한다. 국소배기장치 를 부적절하게 설치하면 시설개선이 어렵기 때문에 악 취발생원에서 정확한 악취포집 풍량을 산정하고 포집 방법 선택(국소 vs 전체), 후드형식과 설치위치 등을 바탕으로 국소배기장치의 설계 및 설치가 중요하다.
3.3.2 시설운전의 관점
공공환경시설의 악취발생원은 대부분 조(漕)형태로 악취발생원 특성을 고려한 발생량을 산정하고 악취물 질의 누출을 최소화 할 수 있는 포집량과 악취물질을 방지시설로 유도하기 위한 관경설계 및 압력손실 등이 중요하게 고려되어야 하며 시설운전의 문제점 파악을 위해 각 공정의 송풍기사양 및 운전효율 등을 조사하 였다.
국소배기장치에서 송풍기는 후드(Hood)부터 배출구 (Stack)까지 악취물질을 이송하는 역할로, 송풍기를 기 준으로 전단은 음압(-) 후단은 양압(+)이 형성되는데 압력손실은 후드형식, 덕트 길이·관경, 반송속도 방지 시설 등의 영향을 받는다. MBR공정은 송풍기 설계제 원 대비 운전 풍량과 정압효율은 각각 99.5%와 95%, BNR공정은 각각 50.0%와 89.2%의 운전효율을 보이 고 있다. 송풍기 정압효율은 각각 95.0%, 89.2%로 유 사한 조건에서 MBR공정은 입구정압이 높고 출구정압 이 낮은 반면, BNR공정은 MBR공정과 상반된 결과를 보이고 있다(Table 8). 앞서 언급한 바와 같이 공정에 적용된 악취방지시설은 모두 Bio-filter로, BNR공정에 서 충진 담체의 압밀을 확인하였고(폐색에 따른 정압 손실 유발), 이는 송풍기 전단에서 정압분포가 낮아져 악취물질포집 효율이 낮아지는 원인으로 작용하고 있 다. Bio-filter의 압력손실은 충진재 1 m 높이 당 2~10 mmAq 범위를 제시하여(Deshusses, 1994), 담체의 압 밀이 설계 풍량 보다 운전 풍량이 낮은 원인임을 알 수 있었다.
4. 결 론
공공환경시설에서 악취물질은 대부분 국소포집장치 를 이용하여 악취방지시설로 연계 처리한다. 본 연구는 국소포집장치가 적용된 악취발생원의 악취물질 누출량 평가로서 개구부가 있는 경우는 기류속도(0.3 m/s)를 기준으로 개구부가 없는 경우는 하수도 설계기준에서 제시하는 수면적당 2 m3/m2·hr를 적용하여 기준 풍량을 산정하였다. 기준/설계/운전 풍량비가 1.0에 가까울수 록 기준:설계:운전 풍량이 동일하다는 의미로, MBR공 정의 풍량비는 평균 0.95~0.99로, BNR공정의 풍량비(평 균 0.29~0.68)보다 높아 양호한 운전조건임을 알 수 있 었다. BNR공정에서 풍량 평균비가 낮은 원인은 설계 관점으로 악취발생원 특징을 고려한 기준 풍량 대비 설계 풍량이 낮고(66.5%), 운전관점으로 방지시설에서 압력손실이 상대적으로 높아 기준 풍량 대비 운전 풍 량이 낮은(33.1%)원인이 복합적으로 작용하여 개구부 를 통해 악취물질이 누출되는 결과를 알 수 있었다.
현행 공공환경시설에 적용된 국소배기장치는 송풍기 에서 멀어질수록 관경이 작아지는 경우로 국소배기장 치만의 관점에서는 적정한 설계로 판단되나, 악취발생 원의 특징(개구부 유·무, 온도, 악취발생조건 등)을 고 려한 포집 풍량 산정과 국소배기장치설계 및 운전이 병행되어야 악취물질의 누출을 최소화할 수 있을 것으 로 판단된다. 아울러 악취발생원에 개구부가 설치된 경 우는 가급적 밀폐를 권장하고 부득이 밀폐가 어려운 점검구 등은 크기를 최소화하고 개구부에서 내부로 빨 려 들어가는 기류속도가 0.3 m/s 이상 유지할 수 있는 악취포집 풍량 산정이 악취발생원에서 악취물질 누출 을 최소화할 수 있는 운전수단으로 사료된다.
