1. 서 론

환경부는 대기오염물질 배출시설 신규지정 및 배출 기준 평균 30% 강화, 특정대기유해물질 8종 기준 신설 등이 포함된 ‘대기환경보전법 시행규칙 개정안’을 확정하여 2019년 5월 2일 공포하였고 2020년 1월 1일부터 대기오염물질 배출사업장에 적용되었다(ME, 2020a). 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 1 ton 이상인 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, 2020b).

배출기준 강화의 핵심 목적은 소각시설에서 배출되는 먼지(Dust), 질소산화물(NO_X), 염화수소(HCl), 일산화탄소(CO) 등 주요 대기오염물질의 실질적 저감을 유도하는 데 있다. 그러나 정책적 규제 강화가 실제 배출량 감소로 이어졌는지에 대해서는 체계적인 평가가 필요하다. 또한, 배출기준 강화만으로 획기적인 대기오염도 개선을 기대하기 어렵기 때문에 대기환경 개선을 위해서는 종합적인 시책을 추진하고 사업장뿐만 아니라 다양한 대기 오염원의 관리가 필요하다(Lho, 2020). 일부 사업장들을 대상으로 배출기준 강화 전후의 대기 오염물질 배출량을 비교한 연구가 일부 진행되었으나 (Lho, 2020;Kwon et al., 2024), 배출기준 강화에 따른 대기오염물질 저감효과를 분석한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서, 본 연구는 굴뚝자동측정시스템(Tele-Monitoring System, TMS)의 장기 실측자료를 활용하여 배출기준 강화 전후의 배출특성을 정량적으로 비교하였다. 특히 배출원단위(Emission Factor)를 도출하여 시설 규모와 노후도별로 배출기준 강화전후의 오염물질 배출경향을 세부적으로 분석하고, 변동계수(CV) 및 연도별 추세 분석을 통해 정책 효과를 다각도로 검토하였다. 이를 통해 배출기준 강화 정책이 실제 배출 저감에 미친 영향을 항목별로 규명하고, 향후 소각시설의 관리 및 정책 방향에 대한 시사점을 제시하고자 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 오염물질 배출량 자료가 확보가능한 시설(97개소, 2023년 기준)로 제한하였다(KECO, 2024b).

2.2 배출원단위 및 배출기준 비교

소각시설별 오염물질 배출특성을 검토하기 위하여 대기오염물질 연간배출량을 소각시설별 연간 폐기물 처리량을 나누어 배출원단위(Emission factor, EF)를 산출하였다(Equation 1).

대기오염물질 연간배출량은 소각시설 굴뚝자동측정기기(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). 대기오염 물질 배출원단위는 TMS 측정항목 중 생활폐기물 소각시설에서 측정되어 배출량이 공개된 4개 오염물질(먼지, 질소산화물, 염화수소, 일산화탄소)에 대해 산출하였다.

대기환경보전법 시행규칙 [별표8] 대기오염물질의 배출허용기준에는 2019년 12월31일까지 적용되는 배출 허용기준과 2020년 1월1일부터 적용되는 배출허용기준으로 구분되어있으며 폐기물 소각처리시설 기준을 정리하면 Table 1과 같다(ME, 2022). 소각용량이 시간 당 2 ton 미만과 이상으로 구분하여 배출허용기준이 제시되어있으며, 먼지(Dust), 질소산화물(NO_X), 염화수소(HCl)는 약 20~33.3%로 강화되었으며, 일산화탄소(CO)는 변동이 없다.

2.3 데이터분석

본 연구에서는 외부 영향요인을 최소화하고 데이터 완전성을 극대화하기 위해, 다양한 출처의 데이터를 정해진 우선순위(폐기물 소각처리량, TMS 배출량, 배출 기준강화 전후연도)에 따라 선별하고, 공백, 이상치 등의 비정상 값을 전처리하였다. 배출기준 강화 전후의 오염물질 배출특성을 분석하기 위하여 배출기준 강화 전후(2015~2019년/2020~2023년) 연도를 구분하고 시간당 2 ton 미만과 이상으로 구분하여 분석하였다. 이상치는 배출기준 강화 전후 자료를 각각 2 ton 미만과 이상으로 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(Sancho et al., 2014;Joo et al., 2015). 또한, 그룹화된 데이터를 배출기준 강화 전후의 소각시설 특성별(시설규모, 노후도)로 세분화하여 오염물질 배출특성을 분석하였다.

분석 대상 대기오염물질은 먼지(Dust), 질소산화물(NO_X), 염화수소(HCl), 일산화탄소(CO)이며, 데이터 분석에는 배출기준 강화 전후의 오염물질 농도 차이를 검증하기 위하여 독립표본 t-검정을 실시하였다. 그룹별로 평균(Mean), 표준편차(Standard Deviation), 변동계수(CV, Coefficient of Variation)를 산출하여 기술통계 값을 제시하였다. 배출기준 강화 전후의 평균값 차이가 유의한지 검정하기 위해 등분산 검정 후 등분산 가정 또는 이분산 가정을 적용하였다.

또한, 시설 규모와 노후도별로 배출기준 강화전후의 오염물질 배출경향을 세부적으로 분석하기 위하여 그룹별로 평균(Mean), 표준편차(Standard Deviation), 변동계수(CV, Coefficient of Variation)를 산출하여 기술통계 값을 제시하였다. 또한, 시설규모 및 노후도별로 배출기준 강화 전후의 연간배출량은 처리량에 배출원 단위 평균값을 곱하여 산출하였다. 이를 통해 연간 총 배출량 변화와 저감률을 분석하였다.

Table 2는 배출기준 강화전후, 시설규모, 노후도에 따라 그룹화된 데이터의 분류 기준을 정리한 것이다.

대기오염배출기준 강화전후는 대기오염물질 배출 기준 강화년도인 2019년말 기준으로 2015~2019년과 2020~2023년으로 구분하여 분석하였다. 생활폐기물 소각시설의 시설규모는 개별 소각시설의 1일 허가(승인)된 시설용량을 기준으로 48 ton 미만, 48 ton 이상 100 ton 미만, 100 ton 이상 300 ton 미만, 300 ton 이상으로 구분하여 분석하였다. 노후도는 굴뚝자동측정기기(TMS) 측정 결과값이 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.

3. 결과 및 고찰

3.1 오염물질별 배출기준 강화 효과 분석

2015년부터 2023년까지 전국 97개 공공소각시설의 굴뚝자동측정 데이터(TMS)를 이용하여 2019년 말 배출허용기준 강화 이전(2015~2019년)과 이후(2020~2023년)의 오염물질 배출원단위(Emission Factor, EF) 를 비교한 결과, 먼지(Dust)와 질소산화물(NO_X) 배출원단위 평균값이 정책 시행 이후 유의미하게 감소하였다(Table 3, Fig. 1). 구체적으로 먼지의 경우, 시설용량 48 ton/day 미만 시설에서는 강화 전 0.016 kg/ton에서 강화 후 0.012 kg/ton으로 약 25% 낮아졌고 (p<0.01), 48 ton/day 이상 시설에서도 0.013 → 0.010 kg/ton 으로 약 23% 감소하여 통계적으로 매우 유의하였다(p<0.001). 질소산화물 배출원단위 역시 48 ton 미만 시설에서 0.622 → 0.492 kg/ton으로 크게 감소하였으며 (p<0.001), 48 ton 이상 시설에서는 0.409 → 0.336 kg/ ton으로 줄어들었다(p<0.001). 이는 대략 18~21%의 질소산화물 저감을 의미하며, 강화된 기준 준수를 위해 집진설비와 탈질설비의 성능 향상 및 운영 관리 강화 조치가 현장에서 이루어진 결과로 해석된다. Ma et al. (2024)의 연구에 따르면, 본 연구와 유사하게 엄격한 배출기준 강화로 인해 대부분의 오염물질에서 배출 저감효과가 나타났으며, 배출저감장치의 고도화가 진행되었음을 보여준다. Fig. 1의 배출원단위 분포 비교에서도 정책 시행 후 먼지와 질소산화물의 분포 중앙값이 낮아지고 범위가 줄어드는 경향이 확인되어, 기준 강화가 실제 배출량 저감으로 이어졌음을 시사한다. 한편 염화수소(HCl)와 일산화탄소(CO) 항목에서는 배출 기준 강화 이후 뚜렷한 개선이 나타나지 않았다. 염화 수소 배출원단위 평균은 48 ton 미만 시설에서 강화 전 0.034 → 강화 후 0.037 kg/ton으로 오히려 소폭 증가했으나 통계적으로 유의하지 않았고(p=0.405), 48 ton 이상 시설도 0.024 → 0.024 kg/ton으로 변화가 없었다(p=0.945). 특히 일산화탄소의 경우 48 ton 미만 시설에서 배출원단위 평균이 0.190 → 0.279 kg/ton으로 크게 증가하여 통계적으로 유의한 상승을 보였고(p<0.01), 48 ton 이상 시설은 0.058 → 0.062 kg/ton으로 소폭 증가에 그쳐 유의하지 않았다. 즉, 먼지와 질소산화물과 달리 염화수소와 일산화탄소는 기준 강화만으로는 실질적 배출 감소 효과가 나타나지 않았으며, 일부 시설의 경우 오히려 일산화탄소 배출이 늘어나는 역효과도 확인되었다. 이러한 결과는 염화수소 및 일산화탄소 항목에서는 배출기준 강화 정책 효과의 한계가 있음을 보여준다. 요약하면, 2020년 시행된 배출기준 강화 정책은 주된 대상 오염물질이었던 먼지와 질소산화물의 실제 배출 농도 저감에 유의한 효과를 발휘하였으나, 염화수소와 일산화탄소에는 동일한 수준의 효과를 거두지 못하여 향후 오염물질별 차별화된 대응 전략의 필요성을 제기한다.

3.2 소각시설 규모별 배출기준 강화 효과 분석

소각시설의 규모별 배출기준 강화전후의 배출특성을 살펴보기 위해 일일 처리용량을 기준으로 소형(< 48 ton), 중소형(48~100 ton), 중대형(100~300 ton), 대형(≥ 300 ton) 그룹으로 구분하여 배출량 변화를 비교하였다(Table 4). 소각시설의 규모에 따른 배출특성을 분석한 결과, 모든 규모에서 먼지와 질소산화물 배출량이 감소하는 공통적인 경향을 보였지만 감소 폭에는 차이가 있었다. 소형 시설(< 48 ton/day)은 먼지 배출량 약 18.7% 감소, 질소산화물 배출량 18.7% 감소로 가장 낮은 개선율을 보였다. 이에 비해 중대형 시설(100~300 ton/day)에서는 먼지 배출량이 676 kg/year → 474 kg/year로 약 29.9% 감소하여 가장 큰 저감률을 보였으며, 질소산화물 배출량도 22,928 kg/year → 17,833 kg/year로 22.2% 줄어드는 등 개선 폭이 상대적으로 컸다. 대형 시설(≥ 300 ton/day)의 경우 먼지가 1,423 kg/year → 1,103 kg/year로 약 22.5% 감소, NO_X는 42,329 kg/year → 32,518 kg/year로 약 23.2% 감소하여 중대형 시설에 비해 약간 낮은 감소율을 보였으나, 배출수준은 모든 기간에 걸쳐 가장 양호하였다. 예를 들어 강화 이전 기준으로 먼지 배출원단위는 대형 시설(0.012 kg/ton)이 소형 시설(0.016 kg/ton)보다 낮았고, 질소산화물 배출원단위도 대형 시설(0.358 kg/ton)이 소형 시설(0.622 kg/ton)의 절반 수준으로 나타났다. 시설 규모별 배출 변동성도 큰 시설일수록 낮아지는 경향을 보였다. 먼지 배출원단위의 변동계수(CV)를 비교하면, 배출기준 강화 이후 300 ton/day 이상 대형 시설의 먼지 변동계수 35.4%로 가장 낮아 배출이 안정적인 반면, 48 ton/day 미만 소형 시설은 변동계수 61.1%로 상대적으로 변동 폭이 컸다. 배출기준강화 전과 비교하면 대형 시설의 먼지 변동계수는 46.8% → 35.4%로 개선된 반면, 소형 시설은 56.9% → 61.1%로 오히려 변동성이 증가하였다. 질소산화물의 경우 규모별 변동계수 변화는 크지 않았지만 중소형 시설에서 다소 개선이 확인되었다. 이러한 차이는 대형 소각시설일수록 대기오염방지설비의 규모가 크고 운영 효율이 높기 때문으로 판단되며, 실제로 대형 시설은 강화 후에도 가장 낮은 배출원단위를 유지하였다. Lee et al. (2019)의 연구에 따르면, 소규모 시설일수록 배출허용기준의 근접도가 높고, 시설규모가 커질수록 대기오염물질의 배출이 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 대규모 소각시설 조성으로 인한 폐기물처리시설의 집적화를 통해 폐기물 적정처리를 원활하게 할 수 있을 것으로 판단했다. 결과적으로 배출허용기준 강화 정책에 따른 감축 효과는 모든 시설 규모에서 일관되게 나타났지만, 시설규모가 클수록 배출 수준이 강화 전에도 낮고 강화 후에도 안정적으로 이루어졌다. 이는 향후 폐기물 소각시설의 대형화/광역화 정책이 전체 배출량을 효율적으로 관리하는 데 유리할 수 있음을 시사한다. 염화수소의 경우 규모별로 증감 양상이 엇갈려, 소형 시설에서 배출량이 상승(+12.6%)한 반면 중소형(–5.0%), 중대형(–12.9%) 시설에서는 감소하여 일률적인 감소 경향은 나타나지 않았다. 일산화탄소 배출량은 소규모 시설일수록 강화 후 오히려 크게 증가하였으며(< 48 ton/day: +38.9%, 48~100 ton/day: +18.2%), 중대형 시설에서는 변화가 미미하거나 감소(100~300 ton/day: –0.4%, ≥ 300 ton/day: –9.3%)하여 규모에 따른 상반된 변화를 보였다.

3.3 소각시설 노후도별 배출기준 강화 효과 분석

소각시설의 노후도별 배출기준 강화전후의 배출특성을 살펴보기 위해 10년 미만, 10년 이상 15년 미만, 15년 이상 20년 미만, 20년 이상으로 구분하여 배출량을 비교하였다(Table 5). 전반적으로 모든 노후도의 시설에서 배출기준 강화 이후 먼지와 질소산화물 배출량이 감소하는 추이를 보였으나, 그 개선 정도는 노후도별로 상이하였다. 특히 가동 20년 이상된 노후 시설의 개선이 두드러졌는데, 먼지 배출량이 1,089 kg/year → 748 kg/year로 약 31.3% 감소하여 가장 높은 저감률을 보였고, 질소산화물도 약 22.3% 줄어들었다. 이는 오래된 시설이라도 법적 기준 강화에 대응하여 기술진단을 통한 대보수나 설비 교체 등을 추진한 경우 상당한 저감 효과를 얻을 수 있음을 보여준다. 반면 15년 이상 20년 미만 시설의 경우 먼지 배출량이 709 kg/ year → 668 kg/year로 5.8% 감소하는 데 그쳤고, 질소산화물도 약 10% 감소에 머물러 개선 폭이 작았다. 한편 10년 미만 시설은 먼지 배출량 419 kg/year → 311 kg/year로 약 25.8% 감소, 질소산화물 배출량14,723 kg/year → 10,570 kg/year로 약 28% 감소하여 상당한 개선을 보였다. 노후 시설과 최신 시설 모두에서 먼지와 질소산화물 저감 효과는 확인되었으나, 준노후기(15년 이상 20년 미만) 시설에서는 뚜렷한 변화가 없어 향후 이들에 대한 성능 개선 투자가 필요함을 알 수 있다. 시설 노후도에 따른 배출 안정성 역시 차이를 보였다. 노후 시설(20년 이상)은 강화 이후 먼지 변동계수가 50.7% → 40.5%로 크게 낮아지고 질소산화물 변동계수도 27.2% → 27.5% 수준으로 안정적인 배출을 달성한 반면, 15년 이상 20년 미만 시설은 질소산화물 변동계수가 37.7% → 41.1%로 오히려 악화되는 등 기준 강화 정책의 효과가 확실히 미치지 못한 모습이었다. 이러한 분석 결과는 소각시설의 주기적인 개·보수 및 노후 설비 교체가 배출저감에 필수적임을 보여준다. 실제로 Kim and Kim (2024)은 국내 소각시설의 주요 개보수 주기와 적정 기술진단 시점을 제시하면서 설비 개선의 중요성을 강조한 바 있다. 아울러 배출허용기준 강화 정책은 일부 오염물질(먼지, 질소산화물)에 대해서는 의미 있는 성과를 거두었지만 모든 항목에 동일한 효과를 발휘하지는 못하였으므로, 향후 정책 수립 시에는 오염물질별 특성과 시설 여건을 종합적으로 고려한 전략이 요구된다.

3.4 배출기준 강화율에 따른 저감량 비교

소각시설의 배출기준 강화율에 따른 오염물질별 저감량을 비교하였다(Table 5, Fig. 2). 48 ton 미만의 소각시설은 먼지의 배출허용기준이 33.3% 강화된 이후, 실제 배출량은 연간 25 kg 감소하였고, 질소산화물의 배출허용기준이 22.2% 강화된 이후, 실제 배출량은 연간 1,005 kg 감소하였으며, 이는 기준 1% 강화당 약 45 kg/year의 저감 효과에 해당한다. 소각시설의 규모가 클수록 먼지와 질소산화물의 저감량도 커지는 경향을 보였다. 300 ton 이상 소각시설은 48 ton 미만의 소각시설에 비해 상대적으로 먼지는 약 12.8배, 질소산화물은 약 9.8배 높았다.

먼지와 질소산화물의 경우에는 매우 높은 상관성을 보였다(R² = 0.92~0.98). 상관관계식을 해석하면 배출 기준 강화율이 1% 증가시, 시설용량이 1 ton 증가할 때 마다 연간 배출량이 먼지 0.02 kg, 질소산화물 0.7 kg 이 감소하는 결과를 나타내었다. 이러한 사실은 향후배출기준강화와 소각시설의 용량을 결정할 때 미세먼지 및 질소산화물 감소에 의한 사회적 비용 및 편익 등을 산정할 때 과학적인 기초자료로서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

4. 결 론

본 연구는 국내 생활폐기물 공공소각시설 97개소의 굴뚝자동측정(TMS) 데이터를 활용하여 생활폐기물 소각시설 특성별 대기오염물질 배출기준 강화효과를 비교·분석하였다.

오염물질별 배출기준 강화 효과분석에서 먼지(Dust)와 질소산화물(NO_X) 배출원단위 평균값이 정책 시행 이후 유의미하게 감소하였다. 한편 염화수소(HCl)와 일산화탄소(CO) 항목에서는 배출기준 강화 이후 뚜렷한 개선이 나타나지 않았다.

소각시설 규모별 배출기준 강화효과 분석 결과, 모든 규모에서 먼지와 질소산화물 배출량이 감소하는 공통적인 경향을 보였지만 감소 폭에는 차이가 있었다. 또한, 노후도에 따라 구분한 모든 시설에서 배출기준 강화 이후 먼지와 질소산화물 배출량이 감소하는 추이를 보였으나, 그 개선 정도는 노후도별로 상이하였다.

이러한 결과는 배출기준 강화에 대비하여 소각시설별 방지시설 강화 또는 유지관리 효율성에 기인한 것으로 보인다. Traven (2023)에 따르면 유럽에서도 매우 엄격한 배출 기준 강화 및 최적이용기술(BAT) 기준 문서 발표 등으로 인해 고도화된 굴뚝가스 정화 및 모니터링 시스템을 갖추고 있다. 종합하면, 먼지와 질소산화물의 배출원단위는 정책 시행 이후 모든 시설 규모와 노후도에서 통계적으로 유의하게 감소하여, 배출기준 강화가 이들 오염물질 저감에 실질적인 효과가 있었음을 확인하였다. 염화수소와 일산화탄소는 강화 이후 평균 배출 수준의 뚜렷한 개선이 없거나 일부 악화되는 경향을 보여, 해당 항목에서는 정책 효과가 제한적임을 알 수 있었다. 따라서 정책 수립 시 오염물질별 특성을 고려한 접근이 필요하다.

본 연구에서 대형 시설이 상대적으로 낮은 배출계수를 보이고 배출 안정성도 높은 것으로 나타난 만큼, 향후 소각시설 대형화 정책을 통해 전체 배출량을 효율적으로 관리할 수 있을 것이다. 또한 노후 시설의 개·보수 주기를 과학적으로 설정하고 주기적인 노후 설비를 교체함으로써 지속적인 배출 저감이 가능하다. 실제로 Kim and Kim (2024)의 연구에서는 소각시설의 주요 개보수 주기와 기술진단 시점을 도출하여 설비 개선의 중요성을 강조한 바 있으며, 정책적으로 이러한 주기적인 투자와 관리를 지원해야 할 것이다. 마지막으로, 본 연구는 배출 변동성 지표(CV)와 장기 추세를 병행 분석함으로써 기존 연구들과 차별성을 두었다. 이를 통해 단순 평균치 비교를 넘어 정책 효과의 안정성과 지속성을 평가하였다는 점에서 의의가 있다. 다만, 본 연구는 개별 소각시설의 방지시설 구성 및 유지관리 수준의 차이를 반영하지 못한 한계가 있다. 향후 연구에서는 시설별 방지시설의 성능, 운영 효율성, 유지보수 이력 등을 고려한 세부 분석이 추가적으로 수행될 필요가 있다.