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('20년 연구과제) 소규모 도장시설 배출 VOCs 관리방안

송민영, 최우석, 전혜준, 이기용 2021.03.26 193

소규모 도장시설 배출 VOCs 관리방안

연구책임 : 송민영 기후환경연구실 수석연구원

연구진 : 최우석 기후환경연구실 수석연구원, 전혜준 기후환경연구실 전임연구원, 이기용 기후환경연구실 전임연구원

발성유기화합물(VOCs) 저감 및 관리의 필요성은 증대되지만, 도심 내 소규모 사업장의 배출 및 관리를 위한 노력은 여전히 부족.

소규모 사업장 VOCs의 관리로 미세먼지(PM2.5)와 오존(O3) 문제 동시 대응 전략 마련을 위해 배출원 중심의 실효성 있는 대기오염 저감 정책 실현 및 관리 제도 활성화 필요.

휘발성유기화합물(VOCs)은 생활 주변에서 지속적으로 배출되는 유해물질이며, 초미세먼지(PM2.5)와 오존(O3​) 생성에 관여하는 물질

휘발성유기화합물(VOCs)은 가스상의 대기오염물질로 대규모 산업단지뿐만 아니라 세탁업, 인쇄업, 음식업, 자동차정비업, 도장업 등 생활환경 주변에서 지속적으로 배출되는 유해물질이며, 대기 중 화학반응의 영향으로 오존(O3)과 미세먼지(PM2.5) 생성의 원인이 되기도 한다. 또한 VOCs는 물질에 따라 독성을 띠며 일부 성분은 발암성 물질로 알려져 있고, 장기간 노출 시 신경계, 호흡계에 유해 영향을 미칠 수 있으므로 집중 관리가 필요하다. 미세먼지, 가스상 물질 등 대기오염물질 발생과 건강에 미치는 영향에 국민적 관심이 증가하고 있으며 관리 강화 요구도 증가하고 있다. 이에 따라 2020년도부터 환경부는 국내 유기용제 사용에 따른 VOCs 관리 배출허용 기준을 강화(비연속식 도장시설/탄화수소 THC 200ppm 110ppm 이하)하였다. 정부에서는 미세먼지 종합관리계획, 수도권 대기환경관리 기본계획, 국내 융기용제 사용 부문 VOCs 관리 대책등을 수립하였고, 서울시는 생활권 오염원의 그물망 관리대책마련을 통해 대기배출시설 관리 방안을 추진 중이며 VOCs 관리의 중요성 및 필요성을 강조하고 있다.

PM2.5 O3 저감을 위해 VOCs 대형 배출시설은 일부 관리하고 있으나, 도심 내 생활주변의 소규모 배출시설 관리는 미흡한 실정이다. 전국 대기배출사업장 56,584개소 중 소규모 사업장이 92%(52,221개소)를 차지하나 대부분 영세하여 방지시설 개선 및 대기 배출 관리에 어려움을 겪고 있다. 소규모 배출시설 사업장 대부분은 4, 5종 사업장으로 분류되어 VOCs 처리 및 관리의 실효성은 매우 낮은 실정이다.

국내 VOCs 배출량은 증가 추세로 유기용제 사용 부문 배출에서 도장시설 비율이 가장 높은 수준

최근 10년간(2008~2017) 유기용제 사용 부문의 VOCs 배출량을 분석한 결과, 지난 10년간 완만하게 증가하는 추세를 보였다. 2017년도 수도권(서울·경기·인천)의 연간 유기용제 사용 부문의 VOCs 배출량은 218,480톤으로 전국 배출량의 38.8%로 매우 높은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다.

[그림 1] 서울시 오염물질 배출량

2017년 기준, 서울시의 배출원별 VOCs 총 배출량은 66,948톤이며, 그중 유기용제 사용량에 따른 부분이 가장 많은 55,180kg으로 총 배출량의 82.4%를 차지하고 도로 이동오염원이 11.2%, 비도로 이동오염원이 3.5%를 차지했다. 유기용제 사용 부문에서 도장시설의 배출량은 17,523kg로 유기용제 총 배출량의 약 60.1%를 차지하여 VOCs 배출량 기여도가 가장 높은 것으로 나타났다.

[그림 2] 서울시 VOCs 배출원별 배출 비율 [그림 3] 서울시 유기용제 사용 VOCs 비율

도심 내 소규모 배출시설 사업장의 대기오염물질 배출 관리 필요성 대두

대기환경보전법에 따른 사업장 분류를 기준으로 현재까지 1~3종의 대형 사업장을 중심으로(대기오염물질 발생량의 합계가 연간 10톤 이상) 배출량 산정 및 배출 저감에 관한 연구가 집중적으로 이루어졌다. 4, 5종의 소규모 사업장(대기오염물질 발생량의 합계가 연간 10톤 미만)은 대형 사업장과 달리 별도의 방지시설 없이 대기 중으로 오염물질이 배출되는 경우도 있으며, 특정 화학물질 혹은 배출원에 따른 발생이 아니므로 관리에 어려움이 많은 실정이다. 또한 전문 환경기술인 인력 확보가 어렵고 자체 방지시설 설치 및 유지관리 등 배출원과 저감 대응 관리가 미흡하다.

특히 4, 5종 사업장은 도심 내 밀집 주거지역에 위치하고 있어 오염물질 노출, 악취 등 시민 피해를 가중시킬 위험이 있기 때문에 소규모 대기배출 사업장의 배출원 조사, 배출 특성 분석, 방지시설 효율 파악 등을 통해 방지시설의 관리와 지속적인 유지관리 방안 마련이 필수적이다.

소규모 도장시설 VOCs 성분별 특성 분석 결과 Toluene, Butyl Acetate, Ethylbenzene 성분 등이 상위 검출. THC 농도는 160~500ppm 수준

4, 5종 사업장인 소규모 도장시설의 VOCs 배출 특성을 확인하고 방지시설 운영 현황을 파악하기 위하여, 자동차 수리업체 3개 업소(기존 방지시설 설치업소 1개소, 신규 방지시설 설치업소 2개소)를 대상으로 도장 작업 시 발생한 총탄화수소(THC) 농도를 측정하고 VOCs 성분별 분석을 진행하였다. 프라이머, 실러, 상도, 열처리 건조 공정을 진행하는 동안 방지시설 전단인 도장부스 내 방지시설 유입구와 방지시설 후단인 방지시설 배출구에서 THC 측정과 공정별로 VOCs 시료를 채취하였다.

THC 농도의 경우 유색도료를 사용하는 상도 공정에서 보통 측정값이 가장 높은 수준을 기록하였으며 최고치는 160~500ppm 수준이었으며, 이후 열처리 공정에서 THC 농도가 점진적으로 낮아지는 특성을 나타냈다. 일반적으로 유입구의 농도보다 배출구의 농도가 낮게 나타나는 추이를 보였으며, 방지시설을 통과하며 오염물질의 농도가 낮아진 것으로 판단된다.

[그림 4] THC 농도 변화 추이 분석

VOCs를 독성물질 42, 오존전구물질 50, 악취영향물질(CHEM) 10종을 성분별로 분석한 결과 오존전구물질의 총 합계 농도가 가장 높게 나타났으며. 전 공정에서 Toluene, Butyl Acetate, Ethylbenzene, m,p-Xylene 성분 등이 상위 검출 항목으로 분석되었다. VOCs 농도 합계를 분석한 결과 각 공정에서 유입구의 VOCs 농도 합계보다 배출구의 VOCs 농도 합계가 더 낮은 경우가 대부분이었으나, 일부 공정에서는 유입구보다 배출구의 농도가 더 높게 측정된 경우도 확인되었다.

[그림 5] 상위 검출 VOCs 물질농도 [그림 6] VOCs 성분별 분석

소규모 도장시설의 방지시설 운영 현황 파악 및 방지효율 측정 결과, 방지시설은 설계 풍량 대비 낮은 풍량으로 운전되고, 활성탄 충전량 대비 방지효율 낮음

위의 THC 농도 측정값을 기반으로 3개 업소(기존 방지시설 설치업소 1개소, 신규 방지시설 설치업소 2개소)의 방지효율을 계산하였다. 신규 방지시설 설치업소는 정부 및 지자체에서 추진한 소규모 방지시설 설치 지원사업으로 2020년에 방지시설을 신규로 설치한 업체이다. 그 외에도 방지시설 규격, 풍량, 활성탄 두께, 부피, 충전량, 단면적 등 방지시설 운영 현황 파악을 위해 현장 방문 조사를 진행하였다.

현장 조사 대상 자동차 수리 도장 3개 업소의 방지시설 VOCs 제거 기술은 활성탄 흡착탑을 활용한 시설이다. THC 기준으로 기존 방지시설 설치업소의 방지시설 제거효율은 27.1%였으며 신규 방지시설 설치업소의 방지시설 제거효율은 41.0%, 40.5%로 나타났다.

3개 업소의 방지시설 운영 현황을 살펴본 결과, 기존 설계 풍량과 비교해 낮은 풍량으로 운전되고 있었다. 또한 활성탄이 적은 양으로 충전되어 있거나, 이론적 활성탄 교체 주기에 맞는 활성탄 교체 등이 이루어지지 않아 방지시설 유지관리가 원활하게 이루어지지 않는 것으로 보인다. 비교적 낮은 방지효율의 원인은 이전 작업 과정에서 활성탄 흡착제에 유입되었던 물질의 탈착 혹은 설계 인자에 비해 실측 풍량이 현저하게 낮아 방지시설 외에 도장부스 외부로 오염물질이 비산 배출되거나 도장부스 내부에 잔여 물질이 상당히 많을 것으로 예상된다.

[1] 본 연구 현장 조사 대상 업체별 방지시설 현황 및 측정 결과

구분

연구진 측정 결과

설계 풍량

활성탄 두께

활성탄 부피

활성탄

충전량

활성탄

교체 주기

(이론적 계산)

방지시설 효율

풍량

%

Sm3/min

m3/min

m/s

mm

m3

kg

day

AA 사업장

27.1%

225

380

6.3

50

0.24

120

7.4

BB 사업장

41.0%

212

380

6.7

90

0.68

340

20.9

CC 사업장

40.5%

45

400

6.7

100

1.02

510

31.4

현장조사 및 VOCs 배출 특성 파악을 통한 소규모 도장시설의 배출 VOCs 처리 문제점 분석

소규모 도장시설 중 자동차 수리 정비업체의 방지시설 현황조사와 VOCs 특성 분석을 파악한 결과를 바탕으로 배출 VOCs를 처리하는 과정에서 몇 가지 문제점을 분석하였다. 적은 도료사용량, 분무량 및 운전시간 설정의 문제이다. 방지시설의 도료 사용량을 산정할 때 실제 작업량(과다사용)을 고려하지 않고 사용량을 산정하는 경우가 많은 실정이며, 도료 휘발분 함량이 불명확하고, 희석액 사용량이 작업자에 따라 매우 다양하여 분무량을 근거로 계산되는 VOCs 발생량 또한 설계값과 매우 큰 차이를 보인다. 또한 정확한 운전시간의 산출이 어렵다는 문제점이 있었다. 실제 현장에서 사용되는 도료에 함유된 VOCs 종류는 최소 50종으로 모든 성분의 구성비와 농도를 반영하여 방지시설 설계가 어렵고 도장 부스 내에서는 도장공정(실온)과 건조공정(60oC)이 비연속적으로 교대로 진행되고 공정별 온도 변화(실온 60oC)에 따라 흡착탑의 성능을 일정하게 유지하기가 어려워 고온 및 고유량 조건에서 열탈착 배출 우려가 있다. 일반적으로 현재 흡착능이 낮은 불량 활성탄이 만들어져 국내에 유통되고 있으며, 활성탄 흡착능에 관한 규격 및 규정이 없는 상황이다. 또한 흡착능 과잉 산정의 문제로 교체주기(6개월) 이전에도 오염물질의 배출 농도가 매우 높을 수 있어 방지시설의 성능 확보에 매우 큰 문제를 야기한다.

소규모 도장시설 VOCs 배출 저감을 위해 사용 도료의 VOCs 배출 관리와 방지기술 효율 향상을 고려한 관리 방안 마련

소규모 도장시설의 사용 도료의 VOCs 배출 저감을 위한 관리 방안을 마련하였다. 도료의 VOCs 배출을 저감하기 위하여 도료 보관 및 관리 방법의 개선이 필요하다. 국소배기시스템 및 보관함을 이용하여 도료통마다 VOCs가 휘발되지 않도록 밀폐가 되도록 하고 밀폐 세척 장비를 이용하여 세척 시에 방출되는 VOCs를 저감하도록 한다. 가능한 한 수성도료를 사용하여 VOCs 배출량을 줄이고 도장부스 내부에서 모든 작업별 공정을 진행하도록 하여 VOCs가 외부로 비산 배출되지 않도록 한다.

방지기술 효율의 향상을 위해 도장시설의 대기오염물질 배출 공정의 특성을 검토하고 가스 유량, 온도 및 압력 범위 등 설계 인자들을 고려하여 최적 방지기술을 선정해야 한다. 하지만 도장시설 운영 업체 또한 방지시설 설치 및 시공 비용, 운전 및 관리 비용, 설치면적, 방지시설의 효율 등을 함께 고려함으로써 현실적으로 활성탄 흡착탑을 가장 많이 설치하고 있는 상황이다.

따라서 활성탄 흡착탑 성능 향상 및 관리를 위해 활성탄 흡착탑 설계 시 공탑 속도, 체류시간, 유효흡착량, 활성탄 충전량, 활성탄 흡착층 두께, 적용 가능 온습도, 전처리 설비 구축 등 다양한 요소를 고려하여 설계하고, 유지관리를 위하여 배출 농도, 재생 유무, 흡착량 등을 고려하여 적정 교체주기를 준수하고 품질 관련 인자를 확인하여 고효율의 활성탄을 구매하는 노력이 필요하다.

소규모 도장시설 VOCs 배출 저감, 관리를 위한 기술적·정책적 개선 방안 제안

앞서 설명한 소규모 도장시설 VOCs 배출의 문제점과 개선점 도출을 기반으로 기술적, 정책적으로 개선되어야 할 방안을 제안한다.

기술적 개선을 위한 방안으로 소규모 도장시설에서 배출되는 VOCs를 단순 THC 농도뿐만 아니라 신규 배출물질 및 오존전구물질 등 관리 목적에 부합하는 물질별 오존전구물질 조사(배출량, 주변농도 조사)가 필요하며 이를 반영한 정책 추진을 위해 VOCs 개별 물질에 대한 시공간 배출 특성 자료 확보가 필요하다. , 도료 성분 변화에 따른 배출 물질종(speciation) 자료 확보가 필요하다. 또 지금까지 중앙정부 및 지자체의 R&D 사업으로 다양한 환경기술 및 방지기술이 상용화되었으나, 대부분이 대규모 배출원에 적용 가능한 최고 성능을 목적으로 개발되어 소규모 시설 적용이 어렵고 유지관리가 쉽지 않다. 따라서 소규모 사업장에 적용 가능한 맞춤형 고효율 VOCs 처리장치 개발과 고성능 흡착제의 개발이 필요하고 IoT 기반 상시모니터링 시스템 구축과 관리가 필요하다. 이는 VOCs 센서를 이용하여 실시간으로 농도를 측정하고 그 결과를 웹기반에 데이터화하여 모니터링 할 수 있는 IoT 기반 상시모니터링 구축을 통해 방지시설의 운전 상태 및 흡착제의 성능 저하, 교체주기 산정에 효율적으로 활용하고, 소규모 방지시설의 운전 상태 파악, 흡착제 교체주기 및 유지관리 필요 시점을 예측하고 대응할 수 있다.

정책적 개선을 위한 방안으로는 도료 보관 및 도장 전처리에서 VOCs 비산 대책과 방지시설 설계 및 유지관리 기준 마련 활성탄 흡착능 기준 설정 및 평가가 필요하다. 또한 현장 환경관리 지도 지침, 관련 규정의 개선과 방지시설 설계·설치 유지관리를 위한 IoT 기술 도입과 관련 지침서 마련 정부 및 지자체의 VOCs 방지효율 유지 및 향상을 위한 활성탄 교체 지원 혹은 인센티브제도 마련 등을 통한 실효성 있는 지원 사업 추진되어야 한다.