http://dx.doi.org/10.15250/joie.2015.14.4.263 ISSN 2288-923X (Online)
주유소 유증기회수설비에 의한 악취 및 휘발성유기화합물 저감효과
장태혁1·김태오1·송건범1·김형석2·정주영2*·정석현3
1
금오공과대학교 환경공학과,
2한국환경공단 대기환경처,
3광운대학교 환경공학과
Reduction of malodor and VOCs emission through vapor recovery system in gas station
Tae-Hyuk Jang1·Tae-Oh Kim1·Kwon-Bum Song1·Hyung-seok Kim2 Ju-Young Jeong2*·Seok-Hyun Chung3
1
Department of Environmental Engineering, Kumoh National Institute of Technology
2
Department of Air Monitoring, Korea Environment Corporation
3
Department of Environmental Engineering, Kwangwoon University
(Received 8 September, 2015; Revised 26 October, 2015; Accepted 4 November, 2015) Abstract
This study was carried out to investigate the effect of malodor and VOCs reduction that could be achieved through the installation of a vapor recovery system (VRS) in a gas station. It was revealed that the reduction efficiencies of malodor by running VRS were about 93% around the oil feeder, 32% in the office and 45% in the site boundary.
Specifically, it was remarkable that reduction efficiencies of BTEX over 90% were recorded through VRS operation. In addition, the results of continuous monitoring of THC around the oil feeder device provided good evidence of the inhibition of oil mist diffusion after running VRS.
Keywords : BTEX, Malodor, Vapor Recovery System (VRS), VOCs
1. 서 론
도시화에 따른 인구밀집과 국민소득의 향상으로 생 활주변의 악취로 인한 불쾌감을 호소하는 사례가 증가 되고 있다. 과거에는 국가산업단지나 공단지역을 대상 으로 한 악취 민원이 주류를 이루었지만, 최근에는 도 심내 주거지와 매우 근접한 생활악취 유발시설에 대한 사회적 관심이 급격히 증가되고 있다(Jeong and Jurng, 2014).
주유소에서 악취오염은 연료를 주유하는 과정에서 냄새를 유발하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, 이하 VOCs) 성분이 누출되어 주유종사자 및 운전자에게 매우 불쾌감을 준다(Kim et al., 2013).
또한 VOCs는 오존(O
3) 생성 전구물질로서 자동차 배 기가스 등에서 배출되는 질소산화물(NOx)과 반응하여 오존을 생성한다. 오존은 강력한 산화제로 오존의 농도 가 0.1 ppm을 넘어서면 건강에 유해한 영향을 미치게 된다(Derwent et al., 2007). US EPA (2009)는 benzene, butadiene, toluene 등을 포함한 많은 종류의 VOCs가 면역체계, 중추신경계, 피부, 호흡기계, 신상 및 간 등 에 유해한 영향을 미치며(Delfino et al., 2003; Wich- mann et al., 2009), 지속적으로 노출될 경우 암을 유발 할 수 있다고 보고하였다(Steinemann, 2008). VOCs의 주요 배출원은 발전시설, 유류취급 및 저장시설, 자동 차 등의 이동오염원, 페인트·도장 및 폐기물처리시설 등 매우 다양한데, 특별히 인구 밀집지역인 도심지에 있는 주유소에서 배출되는 VOCs가 도심 대기 중 오존 발생에 큰 영향을 미치고, 주유소 근로자와 주변 거주 민들에게 유해한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
*Corresponding author
Tel : +82-32-590-4680 E-mail : [email protected]
실제 1급 발암물질로 알려진 벤젠의 혈중 농도가 일반 인은 2.12 ± 0.51 ppb이지만, 주유원의 경우 5.18 ± 0.98 ppb로 보고되고 있다(Rekhadevi et al., 2010).
주유소 또는 저유소에 관련한 악취는 주로 복합악취 에 의한 것으로 악취방지법에서 정하는 22개 지정악취 물질 중 styrene, toluene 등은 VOCs 물질로도 관리되 고 있다. 2010년 11월에는 중앙환경조정위원회에서 주 유소에서 발생한 VOCs에 의한 일가족에 대한 피해 판 결을 내림으로써 주유소에서 배출되는 악취물질 및 VOCs 저감 또는 회수 등의 필요성이 증대되고 있다.
미국의 경우 주유소에서 배출되는 VOCs를 저감하 기 위하여 1990년대 초반부터 주유소의 지하저장 탱크 에 유류를 공급하거나(Stage I), 자동차 급유과정에서 (Stage II) 발생하는 VOCs를 회수하기 위한 유증기 회 수 제도를 실시하고 있으며, 독일을 비롯한 18개국 EU 회원국과 호주 등 많은 선진 국가에서도 주유소 VOCs 저감을 위한 Stage II에서 유증기 회수제도를 실시하고 있다(KECO, 2011). 국내에서도 2005년 환경부에서 주 유소 VOCs 회수제도 도입을 위한 연구를 최초로 실시 한 이후 2008년부터 대기보전특별대책지역과 대기환 경규제지역내의 주유소를 대상으로 유증기회수설비 (Vapor Recovery Systems, 이하 VRS) 설치를 의무화 하고 있으며, 2016년부터는 인구 50만 이상 도시의 주 유소를 대상으로 회수설비 설치를 의무화하도록 규제 하고 있다. VRS의 원리는 주유기 노즐을 통하여 자동 차에 휘발유를 주유할 때 발생되는 유증기가 대기 중 으로 배출되지 못하도록 회수펌프와 연결된 노즐을 통 해 유증기를 회수하여 저장탱크로 반송하는 것이다 (Kim et al., 2013).
주유소에서 발생하는 VOCs 및 유증기회수설비 관 련 연구로는 주유소에서 발생되는 VOCs 배출특성 조 사연구(Kim et al., 2012), 주유소로부터 배출되는 VOCs가 주변에 미치는 영향을 평가할 수 있는 기법개 발(Morales Terrés et al., 2010), 주유소에서 발생하는 VOCs 가 주변지역 대기질에 미치는 영향 분석(Karakit- sios et. al., 2007) 등 다양한 분야에서 연구가 진행되어
오고 있다. 다만, 유증기회수설비 설치에 의한 악취물 질 측면에서의 배출저감 효과에 대한 관련 연구는 미 흡한 실정이다.
본 연구의 목적은 유증기 회수설비를 설치·운영 중 인 주유소를 대상으로 회수설비 가동 전·후에 주유기 주변 등에서 복합악취와 대표적 VOCs물질인 BTEX를 측정·분석하여 비교함으로써 회수설비에 의한 악취 및 VOCs 저감 효과를 평가하는 것이다.
2. 연구방법
2.1 대상주유소 선정
본 연구는 유증기회수설비 설치가 의무화된 수도권 지역(서울, 인천, 경기)의 5개 주유소를 대상으로 측정 을 실시하였다. 조사대상 주유소는 모두 Fig. 1과 같은 원리의 유증기회수설비를 설치·운영 중으로, 연간 휘 발유 판매량을 고려하여 선정하였으며, 사전에 유증기 회수설비의 회수율 검사를 통해 유증기 회수율이 적정 범위(88 ~ 120%)인지를 확인하였다. 또한 유증기회수 설비에 의해 회수된 유증기를 이송·저장하는 유류저 장탱크와 배관의 누출여부를 확인하는 압력감쇄와 누 설검사 결과가 기준에 적합하게 운영되는지를 확인하 였다. 또한 측정기간 중에는 주유소 대기질에 영향을 미칠 가능성이 있는 통기관 압력진공벤트(PV/V)의 유 류저장 탱크 맨홀(잣대 구멍) 개방을 최소화하도록 하 였다.
Table 1. Overview of the selected gas stations Gas stations
Conditions A B C D E
Area Gyeonggi Incheon Seoul Gyeonggi Incheon
Monitoring period ’14.08.18
~8.22
’14.08.25
~8.29
’14.10.13
~10.17
‘14.10.20
~10.24
‘14.10.27
~10.31 Stage I pressure and decrease test Normal Normal Normal Normal Normal Gasoline sales (m
3/year) 480 1,800 4,455 1,927 2,024
Fig. 1. A schematic diagram of VRS.
2.2 측정항목 및 시료채취지점
본 연구에서 유증기 회수설비에 의한 악취물질 발생 저감효과를 평가하기 위해 복합악취와 VOCs 물질 중 benzene, toluene, ethylbenzene, xylene을 측정하였고, 또한 유증기 발생의 연속적인 변화를 관찰하기 위해 총탄화수소(THC)를 측정하였다.
복합악취 및 VOCs 측정을 위한 시료채취 지점으로
주유기 주변, 주유소의 직원 사무실 내부, 주유소 부지 경계 지점을 선정하였다. 주유기 주변에서는 Stage II VRS 가동 전과 후에 각각 8시간 후, 24시간 후, 32시 간 후, 48시간 후에 시료채취를 총 4회 하였고, 사무실 과 부지경계에서는 VRS 가동 전·후 각각 48시간 이 후에 1회씩 수행하였다. 주유기 주변에서의 시료채취 는 가급적 주유빈도가 가장 높은 곳을 선정하였으며, 주유과정 중인 자동차의 연료 주입구 주변에서 실시하 였다. 시료채취 시간은 하루 중 주유 판매량이 가장 많 은 오전 첨두시간(8:30~9:00)과 오후 첨두시간(17:30~
18:00) 사이에 실시하였다.
THC 측정기는 10초 단위로 연속측정이 가능하기 때 문에 주유소 내에서 VRS 가동 전·후의 오염물질 변 화를 보다 효과적으로 관찰할 수 있는 방법이다. 측정 기는 주유빈도가 높은 주유기 2곳을 선정하여 Fig. 3- B 와 같이 주유가 이루어지는 장소 근방에 설치하였고, 부지경계선은 도로변과 인접한 1지점에, 사무실 내부 는 작업자가 상주하는 사무공간 1지점에 각각 설치하 였다. 측정은 VRS 가동 전·후에 각각 48시간 동안 연 속적으로 이루어졌다.
2.3 측정 및 분석방법
주유기 주변에서 시료채취는 주유원 또는 운전자가 실제로 주유할 때 자동차 연료 주입구 앞에서 이루어 졌고, 모든 조건에서 동일지점 및 동일 거리에서 시료 채취를 수행하였다. 단, 바람의 영향을 최소화하기 위 해 주유기 주변에서 기상을 측정하여 모든 시료채취를 풍속이 1 m/s 이하의 조건에서만 실시하였다.
Fig. 2. Sampling sites and schedules for malodor, VOCs and THC measurements (V: VOCs; O: odor) V1: office, V2: around oil feeder, V3: site boundary, O1: office, O2:
around oil feeder, V3: site boundary.
Fig. 3. Photograph for each measurements at sampling sites.
복합악취 분석용 시료는 진공흡인상자를 이용한 간 접흡인 방식으로 폴리에스터 알루미늄 봉투(polyester aluminum bag)에 채취하였다. 시료채취 봉투는 모든시 료에 대해 신품을 사용하였고, 시료 채취 전에 고순도 질소로 3회 이상 세척하고, 잔류냄새의 유무와 누출 여 부를 확인 후 사용하였다. 채취된 시료는 직사광선을 피하여 저온상태로 보관하여 운반하였으며, 시료채취 후 24시간 이내에 분석을 수행하였다. 복합악취의 분 석은 악취오염공정시험법에서 정하는 공기희석관능법 절차에 의해 수행되었다.
VOCs 물질의 시료채취는 Stage II VRS 가동 전과 후의 조건에서 각각 48시간 동안 정해진 시간에 각 시 료채취 지점에서 이루어졌다. VOCs 분석용 시료는 고 체흡착관(Tenax TA, Supelco, USA)에 펌프(MP-Σ30H, Sibata, Japan) 를 연결하여 0.1 L/min의 유량으로 10분 간 채취하였다. 고체 흡착관은 시료를 채취하기 전에 300
oC에서 1시간 동안 정화시킨 후 사용하였다. 고체 흡착관에 흡착된 VOCs는 열탈착 장치(TurboMatrix ATD, Perkin Elmer, U.K) 에서 1차적으로 280
oC 에서 15 분간 열탈착 후 -10
oC 로 유지된 저온 농축관(cold trap) 에 농축한 후 300
oC 에서 15분간 열탈착하여 gas cromatography/mass spectrometry (GC/MS)로 주입하였 다. VOCs 분석에는 GC/MS-Clarus500 (Perkin Elmer, U.K) 을 이용하였으며, DF1 capillary column (60 mm length × 0.25 mm i.d. × 1.00 μm film thickness, Perkin
Elmer, U.K) 을 사용하였다. 오븐온도는 40
oC 에서 7분 간 머문 후 80
oC까지 3
oC/min 속도로 승온한 다음 3분 간 머문 후 다시 250
oC까지 10
oC/min 속도로 승온시 키면서 분석을 마친 후에 300
oC에서 5분 동안 머물도 록 하였다. VOCs 분석을 위하여 VOCs 62종이 혼합된 표준시료(TO-15/17 gas calibration mix, Sigma-Aldrich Co., USA) 를 이용하였다.
한편 THC 측정기(Ion Science Ltd. Fowlmere, Cambs., U.K)는 광이온화방식(Photoionization Detector, PID)으 로 검출농도는 0.001~20,000 ppm (± 5%)이며, THC 측정은 VRS 가동 전과 후의 조건에서 각각 48시간 동 안 이루어졌다. THC 측정기는 주유기 주변, 사무실, 도로변 부지경계에 각각 설치하여 조사기간 동안 연속 측정을 실시하였다.
데이터 분석을 위해 복합악취 및 VOCs는 주유기 지 점에서 측정한 분석값을 평균하였고, THC는 48시간 연속측정에 의해 얻어진 분석 값의 평균치를 각각 산 출하여, 유증기회수 설비 가동 전후의 농도를 비교를 통해 THC 저감효율을 구하였다.
3. 결과 및 고찰
Table 2는 VRS 가동 전·후에 주유기 주변에서 측정 된 복합악취와 BTEX 농도 변화 및 저감효율을 나타 낸 것이다. VRS 가동 전의 복합악취 희석배수는 주유 Table 2. Concentration of malodor and VOCs measured at around oil feeder before and after running VRS
VRS Gas stations
Malodor (dilution ratio)
VOCs (ppm)
Benzene Toluene Ethylbenzene Xylene (-o,-m,-p)
Off On Off On Off On Off On Off On
A 6,044
± 3,043 64
± 58
2.546
± 1.302
0.094
± 0.052
2.272
± 1.260
0.088
± 0.043
0.066
± 0.036
0.004
± 0.002
0.138
± 0.085
0.006
± 0.002 B 1,500
± 1,000 208
± 0
2.722
± 1.611
0.151
± 0.132
0.961
± 0.565
0.053
± 0.028
0.090
± 0.055
0.002
± 0.001
0.120
± 0.096
0.004
± 0.003 C 15,950
± 11,889 392
± 279
7.684
± 4.901
0.298
± 0.324
9.338
± 5.494
0.538
± 0.516
0.306
± 0.154
0.021
± 0.022
0.860
± 0.431
0.058
± 0.061 D 7,521
± 1,653 1,390
± 1,155 10.941
± 2.565 0.677
± 0.435 16.470
± 7.218 1.207
± 0.762 0.511
± 0.255 0.037
± 0.020 0.991
± 0.494 0.070
± 0.037 E 2,381
± 761
402
± 407
6.756
± 1.149
0.741
± 0.173
3.646
± 0.655
0.462
± 0.034
0.483
± 0.032
0.059
± 0.009
1.068
± 0.061
0.108
± 0.018 Mean
(n=5) 6,679 491 6.130 0.392 6.537 0.470 0.291 0.025 0.636 0.049 Standard
deviation 5,752 522 3.550 0.299 6.406 0.466 0.210 0.024 0.468 0.044 Reduction
efficiency (%)
92.6 93.6 92.8 91.6 92.2
소별로 1,500배~1,595배 범위이며, 평균 6,679배로 매 우 고농도를 나타냈다. 그러나 VRS를 가동 후에는 64 배~1,390배 범위로 평균 복합악취가 491배로 크게 낮 아져 복합악취 저감율이 약 92.6%로 확인되었다.
BTEX의 경우를 살펴보면 VRS 가동 전 benzene의 평균농도가 6.130 ppm에서 VRS 가동 후 0.392 ppm으 로 낮아져 93.6%의 저감율을 나타냈다. Toluene의 평 균농도는 6.537 ppm에서 0.470 ppm으로 92.8% 감소되 었으며, ethylbenzene은 0.291 ppm에서 0.025 ppm으로 낮아져 저감효율이 91.6%, xylene은 0.636 ppm에서 0.049 ppm으로 낮아져 92.2%의 저감효율을 각각 나타 냈다. BTEX 측정결과에서 특히 발암물질로 알려진 benzene 이 10 ppm을 초과하는 주유소도 있었지만, VRS 가동에 의해 대부분 1 ppm 이하로 저감되는 것으 로 조사되었다. 이는 노즐을 통해 배출되는 유증기가 VRS 에 의해 회수됨으로써 복합악취 및 VOCs물질의 대기 중 확산이 억제되는 것으로 판단된다.
결과적으로 VRS 가동에 의해 복합악취 오염의 최소 화가 가능하고, 인체유해성이 있는 benzene 등의 VOCs 의 배출농도의 감소 등을 고려할 때 악취저감과 인체 유해성 감소 측면에서 VRS의 설치 및 가동이 매우 효 과적인 수단으로 판단된다.
주유소의 사무실과 부지경계에서 VRS 가동 전·후 에 측정한 복합악취 측정결과를 Table 3에 나타냈다.
사무실에서 측정된 복합악취 희석배수는 VRS 가동 전 3 배~30배 범위로 평균은 18배이고, VRS 가동 후에는 3 배~30배 범위로 평균은 12배로 나타나, 복합악취 저 감효율은 약 32% 수준으로 조사되었다. 다만, 주유소 별로 복합악취 저감율의 편차가 큰 것으로 나타났고, 사무실에는 주유원이 상주하는 공간으로 흡연과 방향 제 살포 등의 냄새 발생 요인이 상존하므로 순간 시점 의 측정으로 저감효율을 효과적으로 평가하는데 한계
가 있을 것으로 판단된다. 부지경계선 경우 VRS 가동 전 복합악취가 3배~30배로 평균은 15배였고, 가동 후 에는 3배~21배로 평균 7배로 조사되었으며, 저감효율 은 45% 수준으로 평가되었다. 단, 사무실과 유사하게 부지경계선 또한 도로변과 인접해 있어 주변을 통행하 는 자동차의 매연 등의 영향이 일부 있을 것으로 판단 된다.
Fig. 4는 D 주유소의 각 측정지점에서 VRS 가동 전·후에 THC 농도를 각각 48시간씩 연속 측정한 결 과를 나타낸 것이다. Fig. 4(a)는 주유기 주변에서의 THC 측정결과로써 THC 농도가 순간적으로 증가하는 Table 3. Concentration of malodor measured at office and site boundary before and after running VRS
Site Office Site boundary
VRS
Gas stations Off On Reduction
efficiency (%) Off On Reduction efficiency (%)
A gas station 14 10 29 8 4 50
B gas station 3 3 0 3 3 0
C gas station 14 3 79 30 3 90
D gas station 30 14 53 30 21 30
E gas station 30 30 0 7 3 57
Mean (n=5) 18 12 32 15 7 45
Standard deviation 12 11 - 13 8 -
* Malodor concentration : dilution ratio
Fig. 4. Continuous monitoring results of THC before and
after VRS at D gas station ((a) around of oil feeder; (b)
office; (c) site boundary).
이유는 차량에 주유하는 과정에서 고농도의 유증기가 THC 측정기까지 확산되어 계측되었기 때문으로 판단 된다. VRS 가동 전에는 상대적으로 고농도 THC 농도 를 기록하는 빈도가 많지만, VRS 가동 후에는 고농도 THC 검출 빈도가 상대적으로 적어진 것이 관찰되었는 데, 이는 유증기 누출이 억제된 효과인 것으로 판단된 다. Fig. 4(b)는 사무실에서 측정한 THC 결과를 나타낸 것으로 VRS 가동 후에 일시적으로 5 ppm 이상을 기록 한 것을 제외하고, 전반적으로 VRS 가동 전과 비교해 THC 농도가 낮아진 것으로 확인되었다. 사무실에서 일 시적인 THC 농도 증가는 바람의 영향으로 주유구에서 누출된 VOCs가 사무실로 유입되어 일정시간 체류했거 나 사무실에서 작업자의 흡연 또는 방향제 살포 등의 외부요인에 의한 것으로 추정된다. 한편 Fig 4(c)와 같 이 부지경계선에서 THC 농도변화는 VRS 가동 전·후 가 비교적 유사한 경향을 나타낸 것으로 나타났다.
Fig. 5 는 주유소 측정지점에서 연속 측정한 THC 측 정 데이터의 평균값에 의해 VRS 가동 전·후의 저감 효율을 나타낸 것이다. 주유구 주변의 THC 저감효율 은 주유소별로 77%~88% 범위로 평균은 84%로 나타 났고, 사무실은 42~76%로 평균 56%, 부지경계는 50~92% 로 평균 저감효율은 70%로 조사되었다. THC 측정결과는 조사지점에서 5초 단위로 연속측정이 가능 하므로 VRS의 설치·운영 효과를 가장 효과적으로 관 찰할 수 있는 방법이므로, 본 측정결과를 종합적으로 고려할 때 VRS의 가동에 의해 주유 과정에서 유증기 누출을 저감하여 악취오염과 VOCs 발생을 효과적으 로 제어할 수 방법으로 생각된다.
4. 결 론
본 연구는 주유소에서 VRS의 유증기 누출 방지효과 실험적으로 확인하기 위해 VRS 가동 전·후에 주유기
주변, 사무실 및 부지경계에서 악취 및 VOCs 측정을 실시하였고, 동시에 THC 연속측정을 실시하여 오염물 질의 실시간 변화를 조사하였다.
VRS 가동에 의한 주유기 주변에서 복합악취 저감 효율은 약 92.6%로 조사되었고, 대표적 VOCs 물질 인 BTEX의 경우 benzene은 93.6%, toluene은 92.8%, ethylbenzene은 91.6%, xylene은 92.2%의 저감효율을 나타내고 있으며, 사무실과 부지경계의 경우 복합악취 저감율을 각각 32%와 45% 정도로 조사되었다. 다만, 사무실과 주유소 부지경계는 유증기 확산 외에 흡연과 자동차 배기가스 등의 외부 영향이 다소 관여했을 것 으로 판단된다.
주유기 주변에서 THC 농도를 연속 측정한 결과, VRS 가동 전에는 THC 농도가 일시적으로 증가한 빈 도가 많았지만, VRS 가동 후에는 THC 농도의 증가 빈도가 현저히 감소되는 것이 관찰되었다. 따라서 이를 통해 VRS에 의한 유증기의 확산 방지효과를 효과적으 로 확인되었다. 한편, THC 연속측정 결과를 평균하여 THC 저감효율을 산출한 결과 주유기 주변이 84%, 사 무실이 56%, 부지경계가 70% 수준으로 평가되었다.
본 연구결과를 종합적으로 고려할 때 VRS는 주유 과 정에서 유증기 누출을 억제하여 악취오염과 VOCs 발 생을 효과적으로 저감할 수 방법으로 생각되고, 동시에 향후 유증기회수설비의 확대 설치를 유도할 수 있는 효과적인 홍보자료 또는 정책 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2014년도 정부(환경부) 지원에 의해 연구 되었습니다.
References
