1. 서 론
대한민국 서울특별시 기준 생물성 연소로 인해 발생하는 미세먼지 중 초미세먼지인 PM2.5의 분포는 약 89%(w/w)로 추정되고 있다(NAIR, 2020). PM2.5는 입자가 작아 폐까지 도달하기 쉬우며 대기 중에서 체류시 간과 이동 거리가 길어 인체 및 환경에 미치는 영향이 큰 것으로 알려져 있다(Oh et al., 2016). 수도권에서 발생되는 PM2.5는 약 12%가 생물성 연소에서 유래되며, 그중 고기구이 음식점에서 발생하는 양은 약 15% 정도이다(NAIR, 2020).
고기구이 과정은 미세먼지뿐 아니라 악취 발생도 큰 문제가 되고 있다. 서울시의 경우 전체 생활악취 민원 중 약 21%가 고기구이 음식점과 관련된 것이다(ME, 2018;Lee et al., 2019). 악취 민원의 주요 원인은 직화구이 시 암모니아, 황화합물, 알데하이드류 등의 악취 유발 물질이 발생하기 때문이다(Bong et al., 2009;Lee et al., 2019). 실제 2019년 전국 생활악취 업종별 민원 발생 현황을 살펴보면 음식점이 가장 큰 비율을 차지하였다(ME, 2017;Cho, 2021). 이러한 음식점에서 배출되는 오염물질에는 현재 규제나 배출기준, 저감 대책에 대한 방안이 없는 실정이므로 규제, 기준 및 저감 대책이 필요하다.
현재 음식점 발생 미세먼지와 악취에 적용할 수 있는 저감 기술은 다양하게 개발되어 있다. 미세먼지 처리장치의 경우 전기집진기, 필터, 세정탑, 사이클론 등 이 있다(Kyung, 2019). 악취 처리장치로는 세정법(Kim et al., 2009;Choi and Lee, 2011;Cho and Kim, 2015;Kang et al., 2019), 흡착법(Turk et al., 1989;Bashkova et al, 2002;Ivobe et al., 2004;Goyal et al. 2008;Le- Minh et al., 2018), 바이오필터(Devinny, et al., 1999;Jung et al., 2008;Vitko et al., 2022;Liu et al., 2021;Malakar, et al, 2017;De Sanctis et al, 2022;Lee, 2022) 등의 기술이 사용되고 있다. 고기구이 시 발생하는 가스는 미세먼지뿐 아니라 다량의 유분(유적)을 함유하고 있어 이러한 저감장치의 효율이 점진적으로 감소하거나 운전 비용 증가 등의 문제점들이 발생할 수 있다.
본 연구에서는 이에 대한 해결책을 제시하고자 미세먼지 저감 장치와 악취저감장치를 결합하여 고기구이 과정에서 배출되는 미세먼지와 악취를 동시에 처리하고자 하였다. 미세먼지 저감장치로 1) 세라믹 필터시스템과 2) 계면활성제 마이크로버블 플라즈마 시스템을 사용하였고, 악취 저감장치로는 1) 전기산화 시스템, 2) 오존활성 촉매산화 시스템, 3) 다중흡착필터 시스템을 사용하였다. 각각의 기술들을 조합하여 실제 고기구이 발생가스를 이용하여 융복합 기술에 의한 미세먼지와 악취의 동시처리효율을 평가하였고 융복합 기술의 최적 조건을 도출하였다.
2. 연구방법
2.1 미세먼지와 악취 동시처리를 위한 pilot-scale 장비
2.1.1 미세먼지 제거장치
(1) 세라믹 필터시스템
세라믹 필터 시스템(ceramic filter-system, 이하 CF)의 모식도와 장치는 Fig. 1과 같다. 장치의 부피는 50 L 이고, 가스의 체류시간은 약 1초이다. 배출가스가 스트레이너를 지나며 큰 입자들이 선제적 제거되고, 하부 트랩으로 나온 공기가 다공성 세라믹 필터를 통과하여 미세먼지가 최종적으로 제거되어 배출된다. 세라믹 필터는 cordierite 재질의 필터(Uniontech, Korea)이며 공극 사이즈는 10 μm이다.
(2) 계면활성제 마이크로버블 플라즈마 시스템
계면활성제 마이크로버블 플라즈마 시스템(surfactant micro-bubble plasma-system, 이하 SMP)의 모식도와 장치는 Fig. 2와 같다. 장치의 부피는 50 L이고, 가스의 체류시간은 1초이다. 이 장치는 bubble jet에서 발생하는 미세액적과 고기구이 가스가 혼합되어 습식 조건에서 유전체 방전을 통해 미세먼지를 정전기적으로 제거하는 원리이다. 마이크로버블에 계면활성제(Plasmatech, Korea)를 첨가하여 전극오염을 방지하고 전극의 효율을 극대화시켰다.
2.1.2 개별 악취 제거장치
(1) 전기산화 시스템
개별 악취 제거 장치 중 전기산화 시스템(electrolytic oxidizing system, 이하 EOS)의 모식도와 장치는 Fig. 3 과 같다. 장치의 부피는 150 L이고, 가스의 체류시간은 3초이다. 이 저감장치는 전기분해 장치가 생성한 전해 산화제가 악취물질과 반응하는 흡수 반응탑으로 구성되어 있다. 전극은 Ti/IrO2 양극 1개(70 mm (W) × 150 mm (L)), Ti 음극 2개(70 mm (W) × 150 mm (L)) (Ganatech, Korea)를 사용하였다. 이들 전극은 전류공급장치(PSU-20-76, GWINSTEK, Taiwan)로 전기를 공급하여 전해수를 전기분해 하였다(Yang et al., 2021;Lee, 2023).
(2) 오존활성 촉매산화 시스템
오존활성 촉매산화 시스템(ozone catalytic oxidation system, 이하 OCOS)의 모식도와 장치는 Fig. 4과 같다. 촉매산화는 기존 활성탄에 오존활성도와 VOCs 제거효율이 높은 것으로 알려진 망간산화물을 첨가한 것을 사용하였다(Dhandapani and Oyama; 1997;Cho and Song, 2022). 장치의 부피는 50 L이고 가스의 체류시간은 1초이다. 고기구이 시 발생하는 가스는 펠렛형태의 흡착소재층, 망간산화물 촉매층, 비드 형태의 흡착소재 층을 지나 배출된다. 사용 흡착소재 1 (유무기 흡착소 재)의 직경은 3~4 mm 범위이고, 길이는 20~30 mm로 제조하였다. 흡착소재 2 (상용 유무기 흡착소재)의 직경은 3~4 mm 범위이고 bead 타입의 소재로 제작하였다. 망간산화물 촉매의 직경은 6~8 mm이고, 밀도는 1.34 g/mL, 비표면적은 118.0 m2/g이다.
(3) 다중흡착 필터 시스템
탈취장치인 다중흡착 필터시스템(multiple adsorption filter system, 이하 MAFS)의 모식도와 장치는 Fig. 5와 같다. 장치의 부피는 150 L이고 가스의 체류시간은 3초이다. 나노구조체 적층 기술이 적용된 다중 흡착 필터 시스템은 다공성 유기지지체(폴리우레탄폼)에 분말을 첨가시키거나 숙성된 금속수산화물 용액을 침지나 분무를 통해 부착시키는 방법을 활용하여 악취를 제거하는 원리이다(Song et al., 2018;Lee, 2019).
2.1.3 고기구이 음식점 모사 실험실 구축
본 연구에서는 실제 고기구이 음식점을 모사하기 위해 고기구이 전용 실험실을 설계하고 구축하였다(Fig. 6). 고기구이가 가능한 로스트 테이블의 크기는 122 mm (W) × 75 mm (D) × 72 mm (H)이고, 총 8개의 테이블을 사용하였다. 각 고기구이 테이블은 후드를 달아 고기구이 연기를 포집할 수 있도록 덕트와 송풍기를 설치하였다. 덕트의 길이는 8 m이며, 입구와 출구에 댐퍼 를 설치하여 실험 조건에 따라 유속계를 통해 유량을 조절하였다. 덕트 중간에는 미세먼지와 악취 제거 장치를 연결할 수 있도록 다양한 관경 조절용 커넥터를 준비하여, 실험 장치에 따라 유동적으로 설치 및 운영하였다. 최종적으로, 제거 장치를 거친 배출 공기는 덕트를 통해 옥상 연돌로 배출되었다.
2.2 미세먼지와 악취의 동시처리를 위한 복합장치
미세먼지와 악취를 동시처리하기 위한 복합장치를 개발하기 위하여 미세먼지 저감장치는 CF와 SMP, 악취 저감장치는 EOS, OCOS, MAFS를 사용하였다. 복합장치는 Fig. 7과 같이 총 6개의 조합을 대상으로 각 조건에서 고기구이 시 발생하는 미세먼지와 악취의 제거 성능을 평가하였다.
2.3 실험 조건
실험에 사용된 고기는 삼겹살로, 2.1.3절에 언급된 고기구이 전용 테이블에서 구웠다. 고기구이 불판은 가스불 전용 스테인리스 불판을 사용하였으며, 열원으로는 부탄가스를 이용하였다. 고기구이는 10분 동안 200 g의 삼겹살을 구워 고기구이 가스를 발생시켰으며, 모든 실험은 3회 반복하였다.
2.4 분석 방법
삼겹살을 굽는 동안 배출되는 미세먼지 입자 분포는 Isokinetic sampling probe (1152, 1109A, GRIMM Aerosol Technik, Germany)가 장착된 Portable aerosol spectrometer (1109A, GRIMM Aerosol Technik, Germany)로 측정하였다. 악취 시료의 채취와 분석은 공정시험법에 목록된 22종의 대표적인 악취물질과 복합악취를 분석하였다(NIER, 2022). 이들 22종의 악취 물질들은 질소화합물, 황화합물, 알데하이드류, 지방산류, VOCs이며, 표준악취분석법을 기반으로 시료를 채취하고 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 전기산화장치(EOS)와 미세먼지 제거 복합저감 장치의 성능
고기구이 시 발생하는 유증기와 악취를 동시에 저감하기 위해 미세먼지 저감장치 2종(세라믹 필터 시스템(CF)과 계면활성제 마이크로버블 플라즈마 시스템(SMP)을 악취 저감장치인 전기산화장치(EOS)를 조합한 복합저감장치의 미세먼지와 악취저감 성능을 평가 하였다(Fig. 8). 고기구이 시 발생한 미세먼지 평균 농도(저감장치 유입농도)는 PM1.0 770 μg/m3(최대 농도: 2,696 μg/m3, 최소 농도: 9 μg/m3), PM2.5 2,188 μg/m3(최대 농도: 37,625 μg/m3, 최소 농도: 10 μg/m3), PM10.0 2,997 μg/m3(최대 농도: 51,769 μg/m3, 최소 농도: 10 μg/m3) 이었다. PM10.0 기준으로 복합저감장치의 미세 먼지 저감 효율은 SMP+EOS와 CF+EOS가 각각 약 88 와 80%, 출구 농도는 각각 352과 417 μg/m3으로 유사하였다. SMP+EOS 복합저감장치의 출구에서 PM1.0과 PM2.5는 각각 319와 351 μg/m3으로 PM1.0의 농도와 유사하였으며, 제거효율은 약 59%와 84%이었다. CF+EOS 복합저감장치의 출구에서 PM1.0과 PM2.5는 각각 407와 417 μg/m3으로 PM1.0 농도와 유사하였으며, 제거효율은 각각 약 47%와 81%이었다. SMP+EOS의 복합저감장치가 PM1.0부터 PM10까지 미세먼지 저감효율이 우수하였다. 이 복합장치들은 PM1.0의 제거율은 47-59%로 상대적으로 낮다.
SMP+EOS와 CF+EOS 복합저감장치의 복합악취 및 22종 지정악취의 저감 성능은 Fig. 9와 같다. 고기구이 시 발생한 유입구의 복합악취의 공기희석배수는 1,200 배였다. SMP+EOS와 CF+EOS 복합저감장치의 출구에서 악취 농도는 각각 558배와 228.5배이었다(Fig. 9a). SMP+EOS와 CF+EOS 복합저감장치는 암모니아를 각각 100%와 88%, TMA를 각각 89%와 98% 제거하였다(Fig. 9b). SMP+EOS는 황화계 악취물질 중 황화수소, 메틸머캅탄, 메틸설파이드는 100% 제거하였고, CF+EOS는 황화수소, 메틸머캅탄, 메틸설파이드를 각각 100%, 100%, 25% 제거하였다(Fig. 9c). 두 복합장치 모두 디메틸설파이드의 제거율은 낮았다.
두 복합장치 모두 전반적으로 알데하이드 제거 효율이 낮았으나(Fig. 9d), SMP+EOS 복합장치는 n-Valeraldehyde를 약 94% 제거하였다. VOCs는 전반적으로 낮은 수치를 배출하였으며, CF+EOS가 SMP+EOS보다 더 높은 제거 효율을 보였다(Fig. 9e). 지방산의 경우 모든 조건에서 배출 농도가 0.4 ppb 이하로 검출되었다(Fig. 9f).
3.2 오존활성 촉매산화(OCOS)와 미세먼지 제거 복합저감 장치의 성능
고기구이 시 발생하는 유증기와 악취를 동시에 저감하기 위해 미세먼지 저감장치 2종(세라믹 필터 시스템(CF)과 계면활성제 마이크로버블 플라즈마 시스템 (SMP)을 악취 저감장치인 오존활성 촉매산화(OCOS) 를 조합한 복합저감장치의 미세먼지와 악취저감 성능을 평가하였다(Fig. 10). 이 조합의 실험에서 고기구이 시 발생한 미세먼지 평균 농도(저감장치 유입농도) 는 PM1.0 1,241 μg/m3(최대 농도: 3,281 μg/m3, 최소 농도: 3.7 μg/m3), PM2.5 5,985 μg/m3(최대 농도: 38,087 μg/m3, 최소 농도: 4.6 μg/m3), PM10.0 7,679 μg/m3(최대 농도: 57,676 μg/m3, 최소 농도: 4.6 μg/m3) 이었다. PM10.0 기준으로 복합저감장치의 미세먼지 저감 효율은 SMP+OCOS와 CF+OCOS가 각각 약 95%와 85%이었고, 출구 농도는 각각 356과 815 μg/m3이었다. SMP+OCOS 복합저감장치의 출구에서 PM1.0과 PM2.5는 각각 334와 355 μg/m3으로 PM1.0의 농도와 유사하였으며, 제거효율은 각각 73%와 94%이었다. CF+OCOS 복합저감장치의 출구에서 PM1.0과 PM2.5는 각각 670와 810 μg/m3으로 PM1.0의 농도 보다는 다소 낮았으며, 제거효율은 각각 약 46%와 86%이었다. SMP+OCOS의 복합저감장치가 PM1.0부터 PM10까지 미세먼지 저감효율이 우수하였다.
SMP+OCOS와 CF+OCOS 복합저감장치의 복합악취 및 22종 지정악취의 저감 성능은 Fig. 11과 같다. 고기 구이 시 발생한 유입구의 복합악취의 공기희석배수는 3,000배였다. SMP+OCOS와 CF+OCOS 복합저감장 치의 출구에서 악취 농도는 모두 30배이었다(Fig. 11a). SMP+OCOS와 CF+OCOS 복합저감장치는 암모니아, TMA, 및 4종의 황화계 악취물질 모두 100% 제거하였다(Fig. 11b-11c). 두 복합장치 모두 acetaldehyde, butyraldehyde, n-Valeraldehyde는 100% 제거하였고 (Fig. 11d), VOCs와 지방산의 제거율도 양호하였다((Fig. 11e와 Fig. 11f).
3.3 다중흡착필터(MAFS)와 미세먼지 제거 복합저감 장치의 성능
고기구이 시 발생하는 유증기와 악취를 동시에 저감하기 위해 미세먼지 저감장치 2종(세라믹 필터 시스템(CF)과 계면활성제 마이크로버블 플라즈마 시스템(OCOS)을 악취 저감장치인 다중흡착필터(MAFS)를 조합한 복합저감장치의 미세먼지와 악취저감 성능을 평가하였다(Fig. 12). PM10.0 기준으로 복합저감장치의 미세먼지 저감 효율은 SMP+MAFS와 CF+MAFS가 각각 약 97%와 86%이었고, 출구 농도는 각각 371과 1,691 μg/m3이었다. SMP+MAFS 복합저감장치의 출구에서 PM1.0과 PM2.5는 각각 366와 370 μg/m3으로 PM1.0의 농도와 유사하였으며, 제거효율은 각각 약 78와 83%이었다. CF+MAFS 복합저감장치의 출구에서 PM1.0과 PM2.5는 각각 1,337와 1,676 μg/m3으로 PM1.0 의 농도보다는 낮았으며, 제거효율은 각각 약 20%와 23%로 낮다. SMP+MAFS의 복합저감장치가 PM1.0부터 PM10까지 미세먼지 저감효율이 우수하였다.
SMP+MAFS와 CF+MAFS 복합저감장치의 복합악취 및 22종 지정악취의 저감 성능은 Fig. 11과 같다. 고기구이 시 발생한 유입구의 복합악취의 공기희석배수는 1,000배였다. SMP+MAFS와 CF+MAFS 복합저감 장치의 출구에서 악취 농도는 모두 173배이었다(Fig. 13a). SMP+MAFS와 CF+MAFS 복합저감장치는 암모니아와 TMA는 모두 제거하였고(Fig. 13b), 황화수소와 메틸머캅탄의 제거율은 각각 100%와 83~90%이었다(Fig. 13c). 알데하이드와 악취성 VOCs 제거율은 미미하였고(Fig. 13d & 13e). 반면에 지방산은 모두 제거되었다(Fig. 13f).
3.4 기존 악취/미세먼지 저감장치와 비교
본 연구에서는 다양한 조합의 복합 저감 장치의 미세 먼지와 악취 저감 성능을 문헌에 보고된 저감 장치와 비교하여 Table 1에 분석하였다. 문헌에서 보고된 단독 저감 장치들의 미세먼지 저감 성능은 PM10.0 기준으로 습식세정기 99% (Cho et al., 2020), cyclone 86% (Park et al., 2009), 전기집진기 64~89% (Park et al., 2009;Seo et al., 2021), oil filter 79% (Park et al., 2009) 순으로 습식세정기가 가장 우수하였다. 본 연구에서는 6개 조합의 저감장치 미세먼지 저감성능은 80~97%로 단독 저감장치들보다 우수하거나 유사하였다. 미세먼지 저감 효율이 95% 이상인 조합은 OCOS + SMP, MAFS + SMP의 2가지 조합이었으며, 나머지 4개의 조합은 단독으로 사용하는 전기집진기, cyclone, oil filter보다 더 나은 미세먼지 저감 성능을 보였다. 이는 단독 저감 기술보다 복합기술을 사용하는 것이 더 효과적임을 의미한다. 마찬가지로 기존 단독 저감장치의 복합악취 저감 효율은 전기집진기가 50%였다. 본 연구에서는 6개 조합의 복합 저감장치가 복합악취를 54%에서 99%까지 저감할 수 있었으며, 단독 저감장치보다 우수한 성능을 보였습니다. 특히, 복합악취를 100배 이하로 저감하는 조합으로는 CF + OCOS, SMP + OCOS가 있으며, 이는 OCOS가 악취 저감 성능에서 뛰어난 결과를 보여준다. 결론적으로, 미세먼지 저감장치와 악취 저감장치를 복합적으로 사용하는 것이 고기구이 배출 가스를 제거하는 데 효과적임을 알 수 있다.
Table 2는 본 연구에서 평가한 저감장치들의 경제성, 안전성 등을 종합적으로 정리한 내용이다. 장치의 안전성은 화재 발생 가능성에 따라 3단계로 나누어 평가하였으며, 화재 발생 가능성이 낮은 경우를 ‘high’, 높은 경우를 ‘low’로 구분하였다. 운전 용이성은 오염도와 차압에 따라 3단계로 나누어 평가하였으며, 오염도와 차압에 크게 영향을 받는 경우를 ‘low’, 적게 받는 경우를 ‘high’로 구분하였다. 운전비용은 설치 비용과 유지관리 비용을 기준으로 평가하였다(KOSORE, 2022). 종합적으로 보면 CF와 SMP는 각각 화재 안전성과 운전 용이성을 개선할 경우, 현장 적용에 적합할 것으로 보인다.
4. 결 론
본 연구에서는 고기구이 시 발생하는 악취와 미세먼지를 동시 제거하기 위하여 다양한 악취제거 기술과 미세먼지 제거기술을 융합한 복합기술을 개발하였고 이에 대한 동시제거 성능을 평가하여 최적 조건을 설립하였다.
복합기술을 적용한 3 m3/min 규모의 pilot 장치를 실제 직화구이 발생가스에 적용한 결과 효과적인 미세먼지/악취 제거성능을 보였다. 먼저 EOS와 결합한 미세먼지 장치들의 미세먼지 제거효율은 모두 80% 이상 제거된 것으로 확인되었다. OCOS와 결합한 미세먼지 장치들의 경우 복합악취 제거에 뛰어난 성능을 보였으며 outlet 기준 모두 복합악취 100배 이하의 결과가 나왔다. MAFS와 결합한 미세먼지 장치들의 경우도 역시 복합악취와 미세먼지 제거에 안정적인 성능을 보여 주었다. 또한 22종 지정악취에 대한 제거효율은 악취저 감장치와 상관없이 질소화합물과 황화합물은 모두 제거된 것을 확인할 수 있었다. 지방산의 경우 OCOS와 MAFS는 모두 제거되었으며 EOS는 부분적으로 제거된 것을 확인할 수 있었다. 알데하이드류의 경우 OCOS는 모두 제거하였으며 EOS와 MAFS는 부분적으로 제거됨을 확인하였다. 이에 현장 적용 시 지방산과 알데 하이드류의 농도가 높은 발생원에는 OCOS의 장치를 설치하는 것에 유리하며 이들의 조합을 이용하여 악취 제거에 효율적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
최종적으로 고기구이 음식점에 적용 시에는 본 연구의 성능 결과를 토대로 각각의 장치들의 조합을 이용하여 다방면으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 더불어 장기운전 시 발생하는 유지관리비, 초기 장치비용 등의 경제성도 함께 고려되어야 할 것으로 보인다.
