A Study on Estimation of Air Pollutants Emission from Traditional Fireplace in Korea

1. 서 론

우리나라에서 난방과 취사를 위해 전통적으로 사용되어 오던 아궁이는 이제 대부분 석유나 가스로 연료가 바뀌었지만, 농촌지역에서는 일부분 여전히 사용되고 있다. 아궁이에 사용되는 연료로는 전통적인 장작도 있지만 전지한 과수나 고춧대 같은 농업잔재물, 생활폐기물 등도 있다. 이들 역시 생물성연소의 한 부분으로 대기오염을 가중시키는 요소가 된다. 이같은 연소는 대부분 적절하게 관리되지 않기 때문에 불완전연소가 수반되면서 대기오염물질이 다량 배출되고, 다이옥신, 휘발성 유기물질 등과 같은 유해물질이 동시에 발생할 가능성도 높다. 특히 이와 같은 연소는 생활 주변 가까운 곳에서 배출되기 때문에 사람에게 직접적으로 위해를 끼치게 된다(Kim, 2011).

우리 생활 주변의 생물성연소로는 아궁이뿐만 아니라 농경지에서의 농업잔재물 소각, 화목난로, 고기구이, 숯가마에서의 숯 굽기, 산불 등이 있다. 국내의 다른 선행연구에서 생물성연소에 의한 대기오염물질 배출량 기여가 상당할 것으로 보고하고 있다(Kim et al., 2014; Lee et al., 2009a, b; Oh et al., 2009; Hwang et al., 2008). 그러나 이들 연구는 대부분 직접적인 조사와 분석보다는 외국의 배출계수를 사용한 추정 연구에 머무른 한계가 있다.

본 연구에서는 우리나라 현황을 직접 조사하여 아궁이 사용에 의한 대기오염물질 배출량을 산정하였다. 아궁이에 사용되는 연료의 종류, 연소 형태, 사용 시기 등 관련 활동도를 마을단위 설문 및 심층면담 조사를 통하여 조사하였다. 여기에 최근에 국내에서 직접 개발된 배출계수를 사용하여 배출량을 산출하고(Park et al., 2013), 그 결과를 국가 대기오염물질 배출량 통계 자료(CAPSS)와 비교 검토하였다.

2. 연구 방법

2. 2 활동도 조사

아궁이 사용 관련 활동도를 조사하기 위하여 전국을 6개 권역(수도권, 강원권, 충청권, 영남권, 호남권, 제주권)으로 나누고, 총 가구 대비 농업가구 비율이 높은 지역을 조사대상으로 선정하였다. 일반적으로 도시지역에서는 아궁이를 사용하지 않기 때문이다. 표 1은 통계청의 2010년 기준 각 권역별 농업가구 분포 특성을 나타낸 결과이다.

Table 1.

Characteristics of survey region for the collection of data on emission activities.

전국 읍면동 단위의 농업가구를 기준으로 설문 대상 지역을 선정하였다. 설문 지역을 선정할 때 지역 편차를 줄이기 위해 각 권역별로 총 가구 대비 농업가구 비율이 높은 시군을 선정하였으며, 100여 마을, 1,000건 이상의 조사목표를 설정하였다. 마을 단위, 가구단위로 심층 면담 조사를 실시한 결과 전국에 걸쳐 총 38개 시군, 88개 읍면동, 253개 부락을 직접 방문하여 전체 1,008개의 설문을 수행하였다. 또한 마을마다 그 지역의 특성을 잘 파악하고 있는 이장을 대상으로 전화 설문도 병행하여 보완하였다. 권역별 조사지역 및 조사건수는 표 2와 같다.

Table 2.

Numbers of sample by region.

주요 설문 내용은 아궁이에 대해 기본사항과 배출량 산정에 필요한 활동도에 대해 조사하였다. 기본사항은 응답자의 거주 지역, 주 업종, 가족 구성원, 조사 날짜, 성별, 나이 등이며, 배출량과 직접 관련된 활동도로 아궁이 수, 사용 용도, 연료 종류, 소각 횟수, 1일 연료량, 사용 시기, 마을에서의 보유 비율 등이다.

아궁이 부문 연료사용량에 대한 1,008개 표본의 통계분석 결과 다음 표 3과 같다. 난방 취사 겸용 아궁이 1대당 1일 평균 연료 사용량은 9.1 kg/day이며, 95% 신뢰수준에 ±1.4% 오차범위로 나타났다. 취사전용 아궁이의 1대당 1일 평균 연료 사용량은 7.1 kg/day이며, 95% 신뢰수준에 ±1.5% 오차범위로 나타났다.

Table 3.

Descriptive statistics of fuel loadings for traditional fireplace. (Unit: kg/day∙number)

월별 아궁이 사용 비율을 조사한 결과 난방 취사 겸용 아궁이와 취사 전용 아궁이의 사용패턴은 다르게 나타났다. 난방 취사 겸용 아궁이는 겨울철 11월부터 2월까지 가장 많이 사용하며 여름철인 6월부터 8월까지 사용 빈도가 현저히 줄어 들었다. 취사 전용 아궁이는 월별변화가 상대적으로 적었으나 역시 겨울철에 사용비율이 높았다. 현장에서는 명절 음식 준비, 마을 단위 행사로 인해 사용 비율이 여름보다는 높은 것으로 조사되었다. 표 4는 연료의 월별 사용량 변화를 조사한 결과이다.

Table 4.

Monthly variation of fuel loadings for traditional fireplace.

난방 취사 겸용 아궁이는 농업가구의 1.68%, 취사 전용 아궁이는 0.62%를 사용하는 것으로 조사되었다. 이를 지역별 농업가구수에 적용하면 전국 난방 취사 겸용 아궁이와 취사 전용 아궁이의 사용 수를 추정할 수 있다. 전국 난방 취사 겸용 아궁이와 취사 전용 아궁이의 사용 대수는 각각 19,765대와 7,331대로 추정된다. 아궁이 용도별 사용 대수는 다음 표 5와 같다.

Table 5.

Estimated number of traditional fireplaces by region. (Unit: Number)

아궁이의 사용연료는 3종류로 장작, 농업잔재물 혼합소각, 생활폐기물 혼합소각이다. 아궁이에서 가장 많이 사용되는 연료는 장작이며, 장작을 사용하는 비율은 전체 아궁이 사용가구의 64.3%를 차지하였다. 장작 이외에 농업잔재물, 생활폐기물을 혼합하여 소각하는 비율은 각각 21.4%와 10.7%였다. 3종류 모두 혼합하여 사용하는 비율은 3.6%로 나타났다. 아궁이의 연료 사용 비율은 그림 1과 같다.

Fig. 1.

Type of fuel used in traditional fireplace.

3. 대기오염물질 배출계수

아궁이 사용에 의한 대기오염물질 배출량 산정을 위해 대기오염물질 배출계수는 국내에서 실측된 기존 연구(Park, 2013) 결과를 적용하였다. 배출계수 실험은 연소챔버를 사용하여 직접 연소실험을 실시한 결과이다. 실제 농업지역에서 사용하고 있는 아궁이에서 연소 실험을 실시하였으며, 아궁이 후단에 측정장비를 설치하고 3회 반복 실험을 통해 배출량을 직접 측정하여 결과를 도출하였다.

배출계수 측정항목은 국가 대기오염물질 배출량 통계 자료와 같은 항목으로 입자상 오염물질은 TSP, PM₁₀, PM_2.5, 가스상 오염물질은 CO, SOx, NOx, VOC, NH₃에 대하여 3회 반복 실험하여 도출하였다. 이 배출계수는 취사 난방 겸용 아궁이와 취사 전용 아궁이에 같이 적용된다. 연료종류별 배출계수는 표 6과 같다.

Table 6.

Emission factors of traditional fireplace. (Unit: g/kg)

4. 대기오염물질 배출량 산정

아궁이는 2종류(난방취사 겸용, 취사 전용)로 구분하고, 연료는 3종류(장작, 사과나무, 생활폐기물)로 나누어 대기오염물질 배출량을 각각 산출하였다.

2010년 기준 아궁이 사용에 따른 대기오염물질 배출량을 산출한 결과 CO 6,335.0, NOx 555.0, SOx 9.6, VOC 1,771.7, TSP 181.4, PM₁₀ 119.9, PM_2.5 96.2, NH₃ 1.4 ton으로 나타났다. PM₁₀ 배출량은 경북(20.5 ton/yr), 전남(17.3 ton/yr), 충남(15.4 ton/yr) 순서로 배출이 많은 것으로 나타났다. 표 7에 지역별 배출량을 나타내었으며, 그림 2에는 시∙군∙구별로 전국 배출량을 나타내었다.

Table 7.

Estimated emissions of air pollutants from traditional fireplace. (Unit: ton/yr)

Fig. 2.

Distribution of PM10 emission from traditional fireplace.

아궁이에 의해 많이 배출되는 대기오염물질은 CO, VOC, PM₁₀이었으며, SOx, NOx, NH₃ 등은 크게 중요하지 않은 것으로 나타났다. 연료의 성분에 의한 것 보다는 불완전연소에서 오염물질 배출특성이 결정되기 때문인 것으로 보인다.

지역적으로는 경북, 전남, 충남지역의 배출량이 특히 큰 것으로 나타나는데 이는 농촌지역의 인구와 밀접한 관련이 있다. 계절적으로는 난방취사겸용 아궁이는 겨울철에 높은 배출량을 보였으나, 취사전용아궁이는 변화가 크지 않은 것으로 나타났다. 이 역시 일상생활에서 아궁이의 사용 행태와 밀접한 연관이 있다.

2010년 국가 대기오염물질 배출량 통계 자료와 본 연구에서 산정한 배출량을 비교한 결과는 표 8과 같다. 2010년 CAPSS에서 CO 배출량은 총 766,269 ton인데, 본 연구에서 대상으로 한 아궁이의 배출량은 6,335 ton으로 0.8%에 해당하는 것으로 나타났다. 2010년 CAPSS의 NOx 배출량은 1,061,210 ton이었으며, 본 연구의 아궁이 배출량은 555 ton으로 0.1%에 해당되는 것으로 나타났다. 2010년 CAPSS의 SOx 배출량은 401,742 ton이며, 본 연구의 아궁이의 배출량은 10 ton으로 비중은 미미한 것으로 나타났다. 2010년 CAPSS의 PM₁₀ 배출량은 116,808 ton이며, 본 연구의 아궁이 배출량은 120 ton으로 0.1%에 해당되었다. 2010년 CAPSS의 VOC 배출량이 866,358 ton이며, 본 연구의 아궁이 배출량은 1,772 ton으로 0.2%에 해당되었다.

Table 8.

Comparison emission estimates of this study with CAPSS data.

5. 결 론

본 연구에서는 생물성연소 중 아궁이(사과나무, 생활폐기물, 장작) 사용에 따른 대기오염물질 배출량을 산정하였다. 이를 위해 배출량 산정방법을 검토하고, 배출원별 활동도를 도출하기 위해 지역마다 심층 설문 조사를 실시하였다. 또한 국내에서 직접 실험을 통해 개발된 대기오염물질 배출계수를 사용하여 대기오염물질 배출량을 산정하였다. 산출된 배출량은 국가 대기오염물질 배출량 통계 자료와 비교하였다.

2010년 기준 아궁이 사용에 따른 대기오염물질 배출량은 CO 6,335.0, NOx 555.0, SOx 9.6, VOC 1,771.7, TSP 181.4, PM₁₀ 119.9, PM_2.5 96.2, NH₃ 1.4 ton으로 산출되었다. PM₁₀ 배출량은 경북(20.5 ton/yr), 전남(17.3 ton/yr), 충남(15.4 ton/yr) 순으로 많이 배출되는 것으로 나타났다. 2010년 국가 대기오염물질 배출량 통계와 비교한 결과, CO 0.8%, PM₁₀ 0.1%를 차지하는 것으로 나타났다.

본 연구에서 산정한 아궁이 부문의 배출량은 전체 대기오염물질 배출량에 견주어 볼 때, 그 기여도는 미미한 것으로 나타났다. 그러나 지금까지 국내에서 확인하지 못하고 있던 배출원에 대해 관련된 활동도를 조사하고, 그에 따른 배출량을 도출하여 향후 대기오염관리 활용할 수 있도록 제시한 것에는 나름 의의가 있다고 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 환경부의 2012년 차세대 에코이노베이션 기술개발사업(411-113-011)의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

References

• Hwang, I.J., Y.H. Cho, W.G. Choi, H.M. Lee, and T.O. Kim, (2008), Quantitative estimation of PM-10 source contribution in Gumi city by the positive matrix factorization model, Journal of Korean Society for Atmos. Environ, 24(1), p100-107, (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.5572/KOSAE.2008.24.1.100]
• Kim, D.Y., (2011), Analysis of Air Pollutants Emissions from Biomass Burning in Seoul Metropolitan Area, Gyeonggi Research Institute, 2011.
• Kim, D.Y., Y.H. Han, M.A. Choi, S.K. Park, and Y.K. Jang, (2014), A Study on Estimation of Air Pollutants Emission from Wood Stove and Boiler, Wood-pellet Stove and Boiler, Journal of Korean Society for Atmos. Environ, 30(3), p251-260, (in Korean with English abstract).
• Lee, H.W., T.J. Lee, and D.S. Kim, (2009a), Identifying ambient PM_2.5 sources and estimating their contributions by using PMF : Separation of gasoline and diesel automobile sources by analyzing ECs and OCs, Journal of Korean Society for Atmos. Environ, 25(1), p75-89, (in Korean with English abstract).
• Lee, T.J., J.B. Huh, S.M. Yi, S.D. Kim, and D.S. Kim, (2009b), Estimation of PM₁₀ source contributions on three cities in the metropolitan area by using PMF model, Journal of Korean Society for Atmos. Environ, 25(4), p275-288, (in Korean with English abstract).
• NIER, National Institute of Environment Research, (2010), CAPSS (Clean Air Policy Support System).
• Oh, M.S., T.J. Lee, and D.S. Kim, (2009), Source identification of ambient size-by-size particulate using the positive matrix factorization model on the border of yongin and suwon, Journal of Korean Society for Atmos. Environ, 25(2), p108-122, (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.5572/KOSAE.2009.25.2.108]
• Park, S.K., S.J. Choi, G.J. Ryu, J.Y. Kim, D.Y. Kim, and Y.K. Jang, (2013), Development of Emission Factors on Black Carbon from Fireplace, Proceeding of the 2^nd meeting of The Korean Society of Climate Change Research, p312.
• Statistics Korea, (2010), Agricultural Census Report.
• U.S. EPA, (2001), Emission Inventory Improvement Program Volume III : Chapter 2-Residential wood combustion.
• U.S. EPA, (2000), Method 5G-Determination of particulate matter emissions from wood heaters (Dilution tunnel sampling location).