1. 서 론
국내 공공소각시설의 경우 1990년대 초부터 설치되어, 2023년 현재 약 179개소가 설치 운영 중에 있으며, 소각시설 절반 이상이 15년 넘게 가동 중이며, 이로 인해 성능저하와 대기오염물질 배출 증가가 발생하고 있다(KECO, 2024a). 국내 소각시설들은 100톤의 폐기물을 소각할 때 매립부피 338.7 m3 절감과 637.5 GJ 에너지 회수를 달성하여 자원순환에 크게 기여하고 있었다 (Kwon et al., 2024). 또한, 생활폐기물 소각은 폐기물 부피를 크게 줄이고 에너지 회수가 가능하다는 장점이 있지만, 동시에 다이옥신, 중금속, 미세먼지, 산성가스, 질소산화물 등 유해 대기오염물질 배출 위험을 수반한다(Rodrigues de Sousa et al., 2024).
선진국을 중심으로 소각시설의 배출관리를 위해 엄격한 배출허용기준이 설정되고 있으며, 일정 규모 이상의 배출 시설에는 배출구에 원격 모니터링 시스템 (TMS)을 설치하고 있다(Kwon et al., 2024). 우리나라에서는 소각용량이 시간당 1톤 이상인 연속식 또는 준 연속식 생활폐기물 소각시설의 경우, 배출되는 오염물질 중 먼지, 질소산화물, 염화수소, 일산화탄소 4개 항목을 연속 측정하고 있으며, 배출 기준 준수 여부를 실시간 모니터링하여 결과를 실시간으로 공개하고 있다 (ME, 2020).
폐기물소각시설은 친환경 처리와 에너지 생산을 동시에 추구하지만, 모든 규모의 시설이 동일하게 청정한 것은 아니라는 지적이 있다. 소규모 시설일수록 배출허용기준의 근접도가 높은 것으로 나타났으며, 시설규모가 커질수록 대기오염물질의 배출이 감소하는 경향을 나타내었다. 특히, 다양한 대기오염물질 중 질소산화물의 농도가 대부분의 소규모 시설에서 높게 배출되는 것으로 나타났다. 특히 환경오염물질 중 다이옥신의 배출 농도는 시설용량 20톤/일 이하 규모의 소각시설에서 대규모 소각시설의 약 62배에 이르고 있으며, 황산화물(약 5.1배), 일산화탄소(약 3.9배), 먼지(약 2.5배) 또한 대규모 시설에 비해 배출농도가 대단히 높게 나타나고 있으며, 이에 따른 단위 폐기물처리당 대기오염 배출 부담이 클 수 있다(Lee et al., 2019;Cui, 2025).
기존 연구에서는 오염물질의 발생량에 영향을 미치는 요소로 연료의 특성, 연소온도, 처리량, 방지시설 유무 등을 제시하였으며(Kim and Kim, 2024), 소각시설의 규모, 노후도, 소각방식 또한 주요 변수로 주목받고 있다. 일반적으로 소각규모가 증가할수록, 노후도가 낮을수록 오염물질 발생량이 줄어든다고 판단하고 있으나 이에대한 구체적인 연구논문이나 데이터가 제시된 사례가 드물다. 또한, 대부분의 관련 선행연구는 일부 소각시설을 대상으로 단일 오염물질별 배출특성연구나 운영효율 등을 분석한 경우가 많아(Hwang, 2009;Kim et al., 2010;Kim et al., 2013;Park and Lee, 2023) 광범위한 생활폐기물 소각시설을 대상으로 대기오염 배출특성 비교연구는 부족한 실정이다. 특히 소각시설 규모별, 노후도별, 방식별 운영특성에 따라 오염물질 배출특성이 크게 달라질 수 있으므로 데이터의 전반적인 경향이나 분포를 한눈에 파악할 수 있는 단순하고 직관적인 기술통계기반 분석을 통한 정책적 기초자료 확보가 필요하다.
이에 본 연구에서는 구조적 운영요인인 시설규모, 노후도, 소각방식이 실제 대기오염 배출량에 어떤 영향을 미치는지 실측자료인 TMS자료를 기반으로 대기오염물질의 배출특성을 기술통계만을 활용하여 비교 분석하였다. 이 과정을 통해 각 시설 유형별 대기오염 배출특성의 경향성을 제시하고, 향후 오염물질 관리 정책 수립에 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1 대상시설
국내 설치운영중인 공공소각시설 현황을 기준으로 대상시설을 선정(179개소, 2023년 기준)하였으며 (KECO, 2024a), 이 중에서 TMS가 설치되어 연간 오염 물질 배출량 자료가 확보가능한 시설(97개소, 2023년 기준)로 제한하였다(KECO, 2024b).
2.2 배출원단위
소각시설별 오염물질 배출특성을 검토하기 위하여 대기오염물질 연간배출량을 소각시설별 연간 폐기물 처리량을 나누어 배출원단위(Emission factor, EF)를 산출하였다(Equation 1).
대기오염물질 연간배출량은 소각시설 굴뚝자동측정 기기(TMS) 측정결과 공개자료 중 사업장별 2015년부터 2023년의 연간 배출량(kg/년) 자료를 활용하였다 (KECO, 2024b). 또한 연간 폐기물처리량은 전국폐기물발생 및 처리현황 자료 중 공공소각시설 현황의 연도별 처리량을 반영하였다(KECO, 2024a). 대기오염물질 배출원단위는 TMS 측정항목 중 생활폐기물 소각시설 모두에서 측정되어 배출량이 공개된 4개 오염물질(먼지, 질소산화물, 염화수소, 일산화탄소)에 대해 산출하였다.
2.3 데이터분석
본 연구에서는 외부 영향요인을 최소화하고 데이터 완전성을 극대화하기 위해, 다양한 출처의 데이터를 정해진 우선순위(생활폐기물소각시설 현황, 폐기물 소각 처리량, TMS 배출량)에 따라 선별하고, 공백, 이상치 등의 비정상 값을 전처리하였다. 소각시설의 구조적 특성에 따른 오염물질 배출특성을 분석하기 위하여 시설 규모, 노후도, 소각방식별로 데이터를 구분하였으며, 이상치는 시설규모, 노후도, 소각방식별로 그룹화된 데이터를 개별적으로 Interquartile range (IQR) 기준(Q1 – 1.5 × IQR, Q3 + 1.5 × IQR)으로 정의하여 제거하였고, 해당 기준을 충족한 정상 데이터만으로 분석을 수행하였다(Sanch et al., 2014;Joo et al., 2015). 분석 대상 대기오염물질은 먼지(Dust), 질소산화물(NOx), 염화수소(HCl), 일산화탄소(CO)이며 분석기간은 2015년 부터 2023년까지 전체기간을 대상으로 하였다. 데이터 분석에는 오염물질별 전체기간의 배출원단위(kg/ton)의 평균값, 표준편차, 변동계수(Coefficient of variation, CV)를 사용하였다. 변동계수는 평균 대비 변화 폭이 얼마나 되는지를 보여주기 때문에, 시설의 운전의 일관성 및 신뢰성을 정량적으로 평가할 수 있는 지표이다. Table 1은 소각시설 규모, 노후도, 소각방식에 따라 데이터를 분류한 기준을 정리한 것이다.
대상 생활폐기물 소각시설의 시설규모는 개별 소각 시설의 1일 허가(승인)된 시설용량을 기준으로 48톤 미만, 48톤 이상 100톤 미만, 100톤 이상 300톤 미만, 300톤 이상으로 구분하여 분석하였다. 노후도는 굴뚝자동 측정기기(TMS) 측정결과값이 제공되는 2015년부터 2023년의 중간연도인 2019년을 기준으로 개별 소각시설의 허가(승인)년도를 반영하여 10년 미만, 10년 이상 15년 미만, 15년 이상 20년 미만, 20년 이상으로 구분하여 분석하였다. 소각방식은 개별 소각시설의 허가(승인)된 소각방식을 기준으로 열분해/고온용융 방식과 일반소각 방식으로 구분하여 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 시설규모에 따른 오염물질 배출특성
2015년부터 2023년 전체 기간에 대한 데이터를 분석하였으며, 각 대기오염물질에 대해 시설규모별 평균, 표준편차, 변동계수를 비교하였다. 시설규모별 주요 대기오염물질(먼지, NOx, HCL, CO)의 배출원단위에 대한 분석 결과는 Table 2와 Fig. 1에 제시하였다. 먼지 배출 분석 결과, 시설 규모가 클수록 평균 먼지 배출원단위가 점진적으로 감소하여 300톤 이상의 가장 큰 규모 시설에서 0.014 → 0.010 kg/ton으로 낮아졌다. 특히 가장 큰 규모 시설에서 변동계수(CV = 0.426)가 가장 낮아 운영 안정성이 높은 것으로 나타났다.
NOx의 경우, 시설규모 증가에 따라 배출원단위 평 균이 0.562 → 0.323 kg/ton으로 현저히 낮아졌다. 특 히 중간 규모 시설군(100~300톤)에서 CV가 가장 낮아 (0.256) 규모가 증가할수록 배출량의 상대적 변동성이 감소함을 보여주었다. HCl 또한 대규모 시설에서 가장 낮은 평균값을 보였는데(0.036 → 0.019 kg/ton), 소규모 시설에서 변동성이 가장 높았다(CV = 0.729). CO의 경우, 특히 소규모 시설에서 평균값과 변동성 모두 현저히 높게 나타났다. Choe et al., 2018에 따르면 연소조건 분석결과, 불완전연소에 의해 CO 농도가 높게 나타 났으며 Kim et al., 2010에 따르면 소각로의 정비 등 가동이 중지되었다가 다시 재가동시기에 일시적으로 불규칙한 농도가 나타나는 것으로 조사되었다. 이렇듯 소규모 시설에서 높은 평균값과 변동성을 보이는 것은 중 대형 시설보다 운전조건의 변동성 등 운영관리가 어려운 결과로 판단된다.
Fig. 2는 폐기물 일일 처리 용량과 대기오염물질간의 상관관계성을 나타낸다. 폐기물 처리용량이 커질수록 4개의 대기오염물질 모두 배출이 감소하는 명확한 경향을 나타내었다. 질소산화물과 일산화탄소는 로그함수 감소 경향을 보였고, 상관관계 계수가 0.66~0.70 범위를 보였다. 염화수소는 상관관계성이 가장 낮게 나타났고, 먼지의 경우에는 매우 높은 상관성을 보였다(R2 = 0.98). 먼지의 상관관계식을 해석하면 시설용량이 1톤 증가 시 먼지의 배출량은 8 × 10–6 kg이 감소하는 결과를 나타내었다. 이러한 사실은 향후 소각시설의 용량을 결정할 때 미세먼지 감소에 의한 사회적 비용 및 편익 등을 산정할 때 과학적인 기초자료로서 활용이 가능할 것으로 기대된다.
3.2 노후도에 따른 오염물질 배출특성
2015년부터 2023년 전체 기간에 대한 데이터를 분석 하였으며, 각 대기오염물질에 대해 노후도별 평균, 표준편차, 변동계수를 비교하였다. 노후도별 주요 대기오염물질(먼지, NOx, HCl, CO)의 배출원단위에 대한 분석 결과는 Table 3과 Fig. 3에 제시하였다. 노후도별 먼지 배출 분석결과, 시설 노후화에 따라 평균 배출원단위가 증가하다가 20년 이상 노후 시설에서 다시 감소하였다.
NOx의 경우, 10~15년 미만 노후 시설에서 배출원단위 평균이 가장 높았으며(0.464 kg/ton), 20년 이상 노후 시설에서는 평균값이 감소하고 변동성도 가장 낮아 안정적으로 관리되고 있음을 보여주었다(CV = 0.278). HCl의 경우, 10~15년 미만 시설군에서 평균값과 변동성이 모두 가장 높게 나타났으며, CO도 10~15년 미만 시설군에서 변동계수가 매우 높게 나타났다(CV = 0.992).
Fig. 4는 소각시설 노후도와 대기오염물질간의 상관 관계성을 나타낸다. 4개의 대기오염물질 모두 10~15년 미만의 기간에서 배출원단위가 가장 증가하다가 그 이후 노후도가 증가할수록 배출원단위가 감소하는 경향을 보였으나 상관관계성은 매우 낮게 나타났다.
이러한 사실은 Kim and Kim, 2024에 따르면 시설 노후화에 따라 운영 초기 소각시설은 소각 효율이 94.7%, 운영 중기 시설에서는 92.3%, 운영 노후기 시설에서는 96.0%로 나타났으며, 시설의 노후화에 따라 소각 능력의 안정성과 운영 안정성이 운영기간과 비례하여 감소하지는 않았지만 11년을 초과한 시점에서 성능저하와 오염물질 제거효율 감소가 명확하게 나타났으며 14~15년 차 시점에서 기술진단을 통해 설비성능 점검 및 설비 교체를 통해 시설의 장기적 효율성을 유지하고 있는 것으로 파악되었다.
3.3 소각방식에 따른 오염물질 배출특성
2015년부터 2023년 전체 기간에 대한 데이터를 분석하였으며, 각 대기오염물질에 대해 소각방식별 평균, 표준편차, 변동계수를 비교하였다. 소각방식별 주요 대기오염물질(먼지, NOx, HCl, CO)의 배출원단위에 대한 분석 결과는 Table 4와 Fig. 5에 제시하였다. 먼지의 경우 열분해/고온용융 방식에서 평균 배출원단위가 일반소각 대비 약간 낮게 나타났다(0.011 kg/ton vs 0.012 kg/ton).
NOx는 열분해 방식에서 평균 배출원단위가 다소 낮았고(0.364 vs 0.426 kg/ton), 변동성 역시 일반소각보다 낮았다(CV: 0.341 vs 0.379). HCL은 열분해 방식에서 유의미하게 낮은 평균값을 기록했으나 변동성은 오히려 높았다(CV = 0.782). CO는 열분해 방식에서 평균 값과 변동성이 모두 크게 나타났다. Vinnichenko et al., 2023에 따르면 생활 폐기물의 열분해 방식은 일반소각 방식에 비해 대기오염물 배출량이 훨씬 적다고 제시하였으며, 배출원단위가 낮은 결과를 뒷받침한다.
4. 결 론
본 연구는 소각시설의 주요 운영 특성인 시설규모, 노후도, 소각방식이 대기오염물질 배출에 미치는 영향을 기술통계적으로 분석하였다. 시설규모별 분석결과, 먼지와 NOx에서 시설 규모가 클수록 평균 배출원단위가 점진적으로 감소하는 것으로 나타났다(0.014 → 0.010 kg/ton, 0.562 → 0.323 kg/ton). 또한, 시설규모가 클수록 변동계수가 낮아 운영 안정성이 높은 것으로 나타났다. 노후도별 분석결과, NOx, HCL에서 10~15년 미만 노후 시설에서 배출원단위 평균이 가장 높게 나타났다(0.464 kg/ton, 0.031 kg/ton). 소각방식별 분석결과, 먼지, NOx, HCl에서 열분해/고온용융 방식이 일반소각 대비 낮은 값을 나타났다((0.011 kg/ton vs 0.012 kg/ ton, 0.364 vs 0.426 kg/ton, 0.012 vs 0.027 kg/ton ).
시설규모가 커질수록 모든 오염물질 배출이 현저히 감소하는 것으로 나타났으며, 소규모 시설에서 높은 평균값과 변동성을 보이는 것은 중대형 시설보다 운전조건의 변동성 등 운영관리가 어려운 결과로 판단된다. 시설의 대형화, 광역화를 통해 대기환경 개선에 기여할 수 있을 것으로 판단한다. 노후 시설에서는 특히 10~15 년의 시설군에서 높은 배출량과 변동성이 관찰되었으며, 이는 선행연구에서 알려진 바와같이 성능저하와 오염물질 제거효율 감소가 명확하게 나타난 결과로 보인다. 소각방식에 있어서 열분해 방식은 NOx와 HCl의 배출원단위가 낮게 나타났으며, 이는 대기오염물질 배출량의 저하로 인한 결과로 판단된다. 본 연구의 결과는 광역화 정책, 대보수 주기, 소각방식결정 등 소각시설 운영 효율화 방안 마련과 환경정책 수립 시 구체적이고 실질적인 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
