국내 대기 중 Pentachlorobenzene(PeCB)의 현황 및 오염원 인벤토리 구축 연구 = A study for the status of Pentachlorobenzene(PeCB) and establishment of pollution inventory in the atmosphere in South Korea

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 스톡홀름협약에 따른 국제 보고대상물질인 잔류성유기오염물질 중 펜타클로로벤젠(Pentachlorobenzene(PeCB))에 대한 국내 대기 중 농도현황을 확인하고, 주요 배출원에 대한 배출량 산정 및 인벤토리를 구축하였다. 대기 중 PeCB 농도 확인을 위하여 잔류 성오염물질 측정망 데이터를 활용하였으며 대상 분석기간은 2015년~2021년으로 하였다. 한편, 주요 배출원에서의 2016년~2020년 PeCB 배출농도, 유량 실측자료를 기반으로 하여 5개 부문(폐기물 소각, 철강(전기로제강), 비철금속 제조, 비금속제조, 화장시설)의 14개 세부부문에 대한 배출계수를 산정하였다. 배출계수 산정 세부절차는 먼저 각 부문별 실측 배출계수를 산출하고, 실측 배출계수의 분포를 수치적으로 모형화할 수 있는 최적분포(Best fit)를 확인하였다. 이후 실측자료를 기반으로 하여 확인된 최적분포를 이용하여 해당 분포에서 임의의 10,000개의 값을 추출하는 몬테카를로 시뮬레이션을 시행하였으며, 총 10,000개의 배출계수에 대한 확률밀도함수(Probability Density Function)를 도출하였다. 최종적으로 몬테카를로 시뮬레이션을 통하여 도출된 확률변수(배출계수)의 대푯값을 산정하기 위하여 누적분포함수 (Cumulative Distribution Function)의 중앙값(median)을 최종 배출계수로 산정하였다.
배출계수 산정분야는 소각 및 비소각의 주요 스톡홀름협약 보고대상 배출부문이며, 분석결과 철강제조와 비철금속 동제련 부문의 PeCB 배출계수가 각 204.584 ㎍/ton Fe, 1,126.912 ㎍/ton Cu로서 타 부문대비 상대적으로 큰 것으로 확인되었으며, 또한 규모별 배출계수 산정결과 시설의 규모가 작아질수록 배출계수는 증가하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 도출된 14개 세부부문의 배출게수와 각 부문의 연간 활동자료를 이용하여 국내 대기 중 2016년~2020년 PeCB의 연간배출량을 산정함으로서 국내 대기 중 PeCB 배출 인벤토리를 구축하였다.
PeCB 인벤토리 산정결과, 5개 카테고리(14개 세부부문)에 대한 PeCB의 연간 배출량은 4,550.7~5,819.2g/yr로 산정되었으며, 철강(전기로제강) 부문의 연간 배출량이 2,905.5~ 3,595.2g/yr로 국내 PeCB 배출량 중 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 확인하였다.
또한 본 연구에서는 잔류성오염물질관리법에 의하여 배출시설의 허용 기준 준수가 요구되는 다이옥신 항목의 배출농도를 기준으로 PeCB 농도를 예측할 수 있는 가능성을 검토하였고, 그 결과 철강부문 중 전기로제강 부문의 다이옥신 대기배출농도(I-TEQ)와 PeCB 농도간 유의미한 상관관계를 확인하였으며, 또한 회귀식을 도출함으로서 다이옥신 농도를 활용하여 PeCB 농도예측의 가능성을 확인하였다.
본 연구에서의 학술적 기여는 연구방법 측면에서 통계적 방법에 의한 배출계수 산정방법을 적용한 것이다. 특히 현장 실측 및 분석의 난이도 등의 현실적 여건에 따라 다수의 실측자료 확보가 용이하지 않은 경우 한정된 실측자료를 이용하여 통계적 방식으로 해당 변수(배출계수 등)의 분포를 확인하고, 확률분포함수를 이용하여 몬테카 를로 시뮬레이션을 수행하여 해당 분포로부터 임의의 값을 추출하는 과정을 10,000회 반복함으로서 실측건수 부족이라는 현실적 한계를 보완하기 위한 대안을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 방법을 적용하여 향후 관련 연구수행시 현장의 실측자료 부족 등의 경우 통계적 방법에 의한 변수예측에 활용할 수 있을 것이다.
한편, 본 연구는 잔류성유기오염물질 중 주요 관리대상 오염물질인 다이옥신, PCB 외 물질로서 국내외 대기 중 지속적으로 농도가 검출되는 PeCB의 대기 중 농도현황과 주요 배출원을 확인하고, 연간 배출량을 확인함으로써 향후 대기 중 PeCB 관리를 위한 정책수립 기초 자료로서 활용될 수 있을 것이다.
또한 본 연구에서는 잔류성오염물질관리법에 따른 배출시설 규제대상 물질인 다이옥신 농도와 PeCB 농도간 상관관계 분석을 통하여 다이옥신 배출농도를 통한 PeCB 농도의 예측가능성을 검토하였다.
본 연구대상 배출시설의 경우 개별 시설별 매우 다양한 배출 및 방지 시설 구성, 시설운영 특성 등에 따라 각 부문별 특성이 명확히 구분되지 않은 분석 기초자료의 한계가 존재하므로, 부문별 PeCB 발생경로를 명확히 파악하지 못한 한계점이 있으나, 향후 업종별 대표시설의 각 공정별 환경조건 변동에 따른 PeCB 농도 분석을 통하여 업종 별 PeCB 생성경로에 대하여 분석 및 정의가 가능할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we confirmed the current status of domestic atmospheric concentration of Pentachlorobenzene(PeCB) which is persistent organic pollutant subject to international reporting under the Stockholm Convention, and established an emission inventory in the atmosphere for major emission sources. To
confirm the atmospheric PeCB concentration, we used the persistent pollutant measurement data, and the target analysis period was 2015 to 2021. Meanwhile, based on the actual emission concentration and flow rate data from major emission sources from 2016 to 2020, emission factors for 14 sub-sectors in 5 sectors (waste incineration, iron and steel (electric furnace steelmaking), non-ferrous metal manufacturing, non-metal manufacturing, and cremation facilities) were calculated. The detailed procedure for calculating the emission factor was to first calculate the actual emission factor for each sub-sector, and then confirm the
optimal distribution(best fit) that can numerically model the distribution of the actual emission factor. Afterwards, a Monte Carlo simulation was conducted to extract 10,000 random values from the distribution using the optimal distribution confirmed based on the actual data, and the probability density function for a total of 10,000 emission factors was derived.
Finally, the median of the cumulative distribution function was calculated as the final emission factor in order to calculate the representative value of the probability variable (emission factor) derived through the Monte Carlo simulation.
The emission factor calculation sector is the main Stockholm Convention reporting emission sector of incineration and non-incineration, and the analysis results showed that the PeCB emission factors of the steel manufacturing and non-ferrous metal copper smelting sectors were 204.584 ㎍/ton Fe and 1,126.912 ㎍/ton Cu, respectively, which were relatively large compared to other sectors. In addition, the results of calculating the emission factor by facility size showed that the emission factor tended to increase as the size of the facility decreased.
The annual PeCB emissions from 2016 to 2020 were calculated using the emission factor of 14 sub-sectors derived from this study and the annual activity data of each sector to establish a Korean domestic PeCB emissions inventory in the atmosphere.
As a result of the PeCB inventory calculation, the annual PeCB emissions for five categories (14 sub-sectors) were estimated to be 4,550.7 to 5,819.2 g/yr, and the annual emissions from the steel (electric furnace steelmaking) sector were confirmed to account for the largest proportion of domestic PeCB emissions at 2,905.5 to 3,595.2 g/yr.
In addition, this study examined the possibility of predicting PeCB concentration based on the emission concentration of dioxin(PCDD/Fs) that are required to comply with the allowable standards of emission facilities under the Persistent Pollutant Control Act. And as a result, we confirmed a significant correlation between dioxin concentration(I-TEQ) and PeCB concentration in the electric furnace steelmaking sector which is the main PeCB emission source, And also we
confirmed the possibility of predicting PeCB concentration using dioxin concentration by deriving a regression equation.
The academic contribution of this study is, first, the application of the emission factor calculation method by statistical method in terms of research method. In particular, in cases where it is not easy to secure a large number of actual measurements due to realistic conditions such as the difficulty of on-site measurement and analysis, an alternative method was presented to supplement the realistic limitation of insufficient number of actual measurements by confirming the
distribution of the relevant variables (emission factors, etc.) statistically using limited actual measurements, performing Monte Carlo simulation using probability distribution functions, and extracting random values from the distribution, repeating the process 10,000 times. The method presented in this study can be used for predicting variables using statistical methods in cases such as insufficient on-site actual measurements when conducting related research in the future.
Meanwhile, in terms of utilization of the research results, the current status and major emission sources of non-dioxin substances among domestic persistent organic pollutants in the atmosphere can be confirmed, and the annual emission amount can be confirmed, so that it can be used as basic data for establishing policies for managing persistent pollutants in the atmosphere in the future.
In addition, this study examined the possibility of predicting PeCB concentration through dioxin emission concentration, which is a regulated substance for emission facilities according to the Persistent Pollutant Control Act, by analyzing the correlation between dioxin concentration and PeCB concentration.
This study has limitations in that it cannot clearly identify the concentration changes in each detailed process and the PeCB generation path within the process due to the limitations of the analysis data and the lack of clear distinction between the characteristics of each industry sector and multiple facilities as samples. However, it is believed that in the future, it will be possible to analyze and define the principles and conditions of PeCB generation by industry through analysis of PeCB concentration according to changes in environmental conditions by process of representative facilities by industry.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구의 배경 1
• 제2절 연구목적 3
• 제3절 논문구성 3
• 제2장 이론적 배경 및 문헌고찰 5
• 제1절 PeCB의 물리화학적 특성 5
• 제2절 PeCB의 독성 및 건강유해성 6
• 제3절 대기 중 PeCB 오염원 8
• 1. 연소과정 형성 10
• 2. 산업공정 배출 11
• 제4절 대기 중 PeCB 농도 현황 12
• 제5절 대기 중 PeCB 배출량 및 PeCB 배출계수 15
• 1. PeCB 배출량 15
• 2. PeCB 배출계수 16
• 제6절 대기 중 PeCB 오염저감방법 및 관리기술 18
• 제3장 연구방법 19
• 제1절 연구체계 및 연구범위 19
• 제2절 시료채취 및 분석 22
• 1. 환경대기 시료채취 및 분석방법 22
• 2. 대기배출시설 시료채취 및 분석방법 27
• 제3절 실측 배출계수 산정 31
• 제4절 몬테카를로 시뮬레이션 33
• 제5절 확률분포 35
• 1. 확률분포의 개념 및 종류 35
• 제6절 확률분포 활용 PeCB 배출계수 산정방법 43
• 제7절 배출량 산정 및 인벤토리 구축 49
• 제4장 국내 대기 중 PeCB의 공간적 분포 50
• 제1절 연도별 PeCB 농도 50
• 제2절 국내 대기중 용도지역별 PeCB 농도 52
• 제3절 PeCB 장거리 이동분석 62
• 제5장 오염원별 PeCB 배출농도 분석 70
• 제1절 국내 PeCB 오염원별 배출농도 현황 70
• 1. 생활폐기물소각시설 PeCB 배출농도 분석 72
• 2. 사업장폐기물소각시설 PeCB 배출농도 분석 75
• 3. 철강제조시설 PeCB 배출농도 분석 78
• 4. 비철금속산업 PeCB 배출농도 분석 81
• 5. 비금속광물제품 제조시설 PeCB 배출농도 분석 91
• 6. 화장시설 PeCB 배출농도 분석 94
• 제2절 국내 PeCB 오염원별 배출농도 소결 97
• 제6장 오염원별 PeCB 배출계수 산정 101
• 제1절 생활폐기물 소각시설 배출계수산정 101
• 1. 실측기준 생활폐기물 소각시설 PeCB 배출계수 산정 101
• 2. 확률분포활용 생활폐기물 소각시설 PeCB배출계수 산정 104
• 제2절 사업장폐기물 소각시설 배출계수산정 106
• 1. 실측기준 사업장폐기물 소각시설 PeCB 배출계수 산정 106
• 2. 확률분포활용 사업장폐기물 소각시설 PeCB배출계수 산정 110
• 제3절 철강제조시설 배출계수산정 115
• 1. 실측기준 철강제조시설(전기로제강) PeCB 배출계수 산정 115
• 2. 확률분포활용 철강제조시설(전기로제강) PeCB배출계수 산정 116
• 제4절 비철금속제조시설 배출계수산정 117
• 1. 실측기준 비철금속제조시설 PeCB 배출계수 산정 117
• 2. 확률분포활용 비철금속제조시설 PeCB배출계수 산정 120
• 제5절 비금속광물제조시설 배출계수산정 124
• 1. 실측기준 비금속광물제조시설 PeCB 배출계수 산정 124
• 2. 확률분포활용 비금속광물제조시설 PeCB 배출계수 산정 125
• 제6절 화장시설 배출계수산정 126
• 1. 실측기준 화장시설 PeCB 배출계수 산정 126
• 2. 확률분포활용 화장시설 PeCB 배출계수 산정 127
• 제7절 PeCB 배출농도 및 배출계수산정 결과 소결 128
• 1. 생활폐기물 소각시설 배출계수 산정결과 128
• 2. 사업장일반 및 지정폐기물 소각시설 배출계수 산정결과 129
• 3. 제철 및 비철금속분야 배출계수 산정결과 130
• 4. 석회제조시설 배출계수 산정결과 131
• 5. 화장시설 배출계수 산정결과 132
• 제8절 PeCB 배출농도 및 배출계수산정 결과 고찰 136
• 제7장 국내 PeCB 배출량 산정 및 인벤토리 구축 138
• 제8장 다이옥신-PeCB 농도간 상관관계 분석 143
• 제1절 다이옥신 농도와 PeCB 농도간 상관관계 분석 143
• 1. 철강 전기아크로 다이옥신-PeCB 농도간 선형회귀식 산정 151
• 2. 알루미늄 제련정련시설 다이옥신-PeCB 농도간 선형회귀식 산정 152
• 3. 석회제조시설 다이옥신-PeCB 농도간 선형회귀식 산정 154
• 제9장 결론 155
• 참고문헌 159
• 부록A : 시뮬레이션 실행코드 예시(MSW-A) 175
• 부록B : 몬테카를로 시뮬레이션 결과 178
• 부록C : 잔류성오염물질 측정망 조사지점(환경대기측정망) 192
• Abstract 196