I.
서 론
세계보건기구(WHO)는 신종 코로나바이러스 감염증 에 대해 세계적 대유행을 의미하는 팬데믹(pandemic) 을 선언하였다(2020)1). 2022년 10월 기준, 전 세계 누 적 확진자는 약 6.26억 명이며 그 중 사망자는 657만 명으로 집계되었으며 누적 확진자는 전 세계 인구의 약 8%를 차지하였다2). 코로나 바이러스는 감염자로부 터 기침, 재채기, 비말 등에 의해 호흡기로 전파 및 감 염된다. 코로나 바이러스의 특성을 고려하여 의료기관 에서는 장갑, 고글, 방역복 등 개인 보호 장비(PPE, Personal Protective Equipment)의 착용이 필수적이다. 국제사회에서는 코로나바이러스 확산을 방지하기 위해 마스크 착용을 의무화하고 있으며 대량의 PPE 폐기물 배출이 예상되며 처리 방안 마련 등에 관심이 집중되 고 있다3).
코로나19에 취약한 아동, 신생아, 노인 등은 자가 회 복력이 상대적으로 낮아 의료시설의 입원을 통해 치료 받고 있다. 선행연구에 따르면 코로나19 확진자가 입 원하였을 때 발생되는 의료폐기물의 양은 다른 질병에 감염된 환자에 비하여 최대 2-4배 더 많은 양이 발생 되었다4). 마찬가지로 팬데믹 이전 기간에 비하여 최대 40% 이상의 PPE 제품 생산량이 증가한 것으로 보고되 었다5). 가구 당 PPE의 사용량 증가는 의료폐기물의 기 하급수적인 증가를 초래한다6). 중국 우한에서는 코로 나바이러스 확산세가 가장 강한 한 달 동안 의료폐기 물이 기존 대비 약 6배 이상 증가하였고4), 후베이성에 서는 폐기물 발생량이 약 4배 이상 증가되었다7). 우리 나라는 2020년 기준 관계법령의 개정으로 일회용 기저 귀가 일반폐기물로 분류되어 전국 의료폐기물이 전년 도 대비 약 17% 감소하였다8). 하지만, 격리의료폐기물 은 코로나바이러스의 확산으로 인하여 오히려 약 2배 증가하였으며 의료폐기물 외 자가 격리로 인하여 일반 폐기물 배출량 또한 급격히 증가되었다9). 그러므로 의 료폐기물의 적정한 처리 방안이 필요한 시점이며 다양 화된 의료폐기물의 성상과 노후 소각로 운영 시 대기 오염물질의 배출특성 변화와 주변 환경에 미칠 영향 등을 최소화하기 위한 대책이 요구된다.
2020년 2월 기준 국내 올바로 시스템을 통해 격리의 료폐기물 중 신종코로나를 신규 분류하여 실제 소각시 설에서 처리되는 양을 집계하고 있다. 격리의료폐기물 (신종코로나)은 코로나바이러스의 높은 확산성과 잔여 생존 가능성을 고려하여 의료폐기물로 분류하여 별도 처리되어야 한다. 대표적인 의료폐기물의 처리방법은 소각, 열분해 그리고 가스화를 통한 열처리가 있다. 하 지만, 각 폐기물의 발열량과 조성을 고려하였을 때 가 장 적절한 처리방법으로는 소각처리가 우선 적용되고 있다. 의료폐기물 소각 시 질소산화물(NOx), 염화수소 (HCl), 휘발성유기화합물(VOCs), 일산화탄소(CO), 이 산화탄소(CO2) 등의 오염물질이 대기 중으로 배출된다. 적절한 폐기물 소각을 위해 시설 운전 중 공기비, 온도, 연소공기의 유량 등이 중요하지만 투입되는 폐기물의 조성과 발열량 또한 대기오염물질 생성 및 환경 배출 에 큰 영향을 미친다.
의료폐기물과 격리폐기물의 비율이 달라짐에 따라서 발생하는 조성 변화가 발생된다. 격리의료폐기물(신종 코로나)은 PPE의 부피가 크고 용기가 플라스틱으로 구 성되어 상대적으로 겉보기 밀도가 낮다10). 또한, 관계 법령에 따르면 격리의료폐기물은 합성수지 전용용기를 이용하여 운반하도록 규정하고 있어 실제 운반 및 처 리되는 격리의료폐기물의 발열량이 크게 증가되었다. 이러한 변화는 의료폐기물의 처리 과정에 영향을 미치 며 소각처리 시 높은 온도로 인한 Thermal NOx 배출 량 증가를 야기할 것이다11). 뿐만 아니라 급격한 의료 폐기물 배출량 증가는 폐기물 관리체계에 문제를 야기 할 것이다. 최근 의료시설에서 발생된 격리폐기물은 당 일 위탁처리가 원칙이며 수집·운반된 폐기물 또한 의 료폐기물 소각시설에서 당일 소각 처리하도록 의무화 하고 있다. 그러나 코로나 폐기물은 높은 발열량으로 인해서 소각시설의 가동률을 현저히 저하시키는 문제 가 있으며 관계법령에 따라 의료폐기물의 개봉이 제한 되어 발열량을 사전에 미리 파악하는데 한계점이 존재 한다.
현행 관계 법령에 따라 에너지 보존법칙을 기반으로 소각로에 출입하는 에너지양을 토대로 저위발열량 산 정이 가능하다12). 본 연구에서는 코로나 19 팬데믹으 로 인한 의료폐기물의 발열량 증가와 변화로 인한 대 기오염물질의 배출특성과 의료폐기물의 발열량 증가 원인 등을 파악하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과를 활용하여 향후 제2의 팬데믹 시대를 대비하기 위한 개 선방안과 대기오염물질 배출량 저감 방안을 제시하고 자 한다.
II.
연구방법
1.
의료폐기물 소각시설
1.1.
20 ton/day 규모 의료폐기물 소각시설
조사대상 의료폐기물 소각시설은 20 ton/day와 40 ton/day의 스토커형 연속식 일반소각로를 대상으로 조 사를 실시하였다. 해당 시설은 각각 2008년도와 2019 년도 준설될 시설로 노후 및 신규 시설의 성능에 따른 대기오염물질 배출특성의 비교분석이 가능하다. 대기 오염방지시설은 선택적 무촉매환원, 원심집진기, 반건 식 반응탑, 여과집진기, 습식세정탑으로 구성되어 있다. 조사기간 중 연소실의 출구온도는 850°C 이상으로 유 지하였으며 설계용량의 130% 미만으로 운전하였다. 또한, 연소 가스는 시간 당 2 ton 이상의 폐기물을 소 각하는 시설이므로 충분히 혼합 및 연소될 수 있도록 2초 이상의 체류시간을 유지하였다.
2.
코로나 확진자 및 폐기물 발생량 현황
본 연구에서는 2020년 3월부터 2022년 9월까지 전 국 코로나 확진자 및 격리폐기물 발생량 현황을 조사 하였다. 코로나 확진자 통계자료는 질병관리청을 통해 집계된 자료를 월별로 정리하여 활용하였다13). 또한, 코로나 확진자 증가 추이와 의료폐기물 발생량과의 상 관관계를 도출하기 위하여 해당 의료폐기물 소각시설 로 유입되는 폐기물양은 국내 올바로 시스템 통계자료 를 활용하였다.
3.
의료폐기물 소각시설 대기오염물질 배출량
조사대상 의료폐기물 소각시설의 대기오염물질 배출 량 산정을 위하여 TMS 측정 자료를 30분 단위 수집하 여 일일 평균 농도 및 질량 기준 월간 총 배출량 자료 를 활용하였다. 조사기간은 2020년 3월부터 2022년 9 월까지이며 O2, NOx, HCl, CO, 황산화물(SOx), 총 먼 지(mg/Sm3) 유량(Sm3), 온도(°C) 항목을 조사하였다. 측정 결과값은 대기환경보전법 소각로 배출허용기준에 따라 O2농도 12%를 기준으로 보정하여 사용하였다.
4.
에너지회수율을 이용한 폐기물 발열량 산정
의료폐기물 소각로에 투입되는 격리폐기물(신종코로 나)의 저위발열량 산정을 위하여 환경부 고시 제2021-146호 에너지 회수효율 측정·산정 방법 및 절차 등에 관한 고시를 활용하였다. 에너지 회수율 산정 식을 이 용한 폐기물의 저위발열량 산정은 월별 데이터를 분석 하였다. 저위발열량 산정 식은 다음과 같다.
여기서,
LHVW : 대상 소각로에 투입되는 폐기물의 저위발열량(kcal/kg)
ΣQout : 모든 출열 항목의 총 출열량(Gcal/yr)
ΣQin : 폐기물 보유 열량을 제외한 모든 입열 항목의 총 입열량(Gcal/yr)
mw : 대상호기에 투입된 폐기물의 총 투입량(ton/yr)
III.
결과 및 고찰
1.
의료폐기물 소각시설 운영 현황
국내 의료폐기물 소각시설은 총 13개소가 운영되고 있으며 대부분 일반소각 및 연속식이며 일일 처리용량 은 5.0 t on/day부터 96.0 ton/day까지 다양한 규모로 조 사되었다. 2016년 이후 전국 의료폐기물 소각시설 허 가용량보다 의료폐기물 발생량이 더 많이 발생하여 추 월하는 현상이 발생되고 있다14). 그리고 2019년 10월 폐기물관리법 시행령의 개정으로 일회용기저귀 분류체 계가 개편됨에 따라 일반 의료폐기물에서 제외되어 감 염성이 있는 격리의료폐기물의 투입 비율이 증가하였 다. 이로 인하여 기존의 의료폐기물 발열량 자료를 기 반으로 설계된 노후 소각장의 경우 다양화된 성상과 더 높아진 발열량에 의한 소각로에 다음과 같은 다양 한 문제들이 발생되고 있다. 기존 산업 및 의료폐기물 소각로에서는 대부분 공기비 2.0의 수준으로 운영되고 있으나, 공기집중 연소와 국부과열로 인한 소각로 내부 의 클링커 생성이 증가하고 질소산화물이 급격히 증가 하는 등 악순환이 이어지게 된다15). 다양화된 폐기물의 성상과 발열량 등을 고려하여 노후 소각로의 개보수 및 연소성능 설계 변경이 필요한 시점이다.
기존의 소각로 효율 증대와 장수명화를 위한 기술로 서 초기 연소장 제어를 위한 연소가스재순환, 다단연소 기술, 그리고 선택적 무촉매환원법 등을 이용한 최적화 연소기법의 적용이 가능하다. 해당 기술을 적용함으로 써 연소장 안정화, 내화재 보호 및 화격자 내구성 향상 등의 효과가 기대되며 부가적으로 폐자원 열에너지 활 용시설로서의 전환이 가능할 것이다16).
2.
격리의료폐기물(신종코로나) 관리체계 강화
2021년 10월 코로나19 바이러스 확산으로 인하여 격리의료폐기물의 안전관리 기준이 강화되었다. Fig. 1 을 통해 기존 및 강화된 규정을 나타내었다. 기존의 인 체 감염 및 해로운 영향을 미칠 가능성이 있는 의료폐 기물을 격리폐기물로 별도 분류하여 관리하였다. 병원 및 의료기관에서 발생된 격리폐기물은 최대 7일 동안 지정된 용기에 담아 임시보관 가능하였다17). 하지만 코 로나19 바이러스의 확산성과 특성을 고려하여 이중 포 장 및 밀폐 후 4°C 이하의 온도에서 냉장 보관 하도록 하며 최대 48시간 동안 임시보관 가능하도록 기준이 강화되었다. 의료기관에서 배출된 격리폐기물은 대부 분 소각 처리되며 운반의 과정에서 최대 48시간 냉장 보관이 가능하였다. 강화된 규정으로 격리의료폐기물 의 당일 운반 및 소각처리를 의무화함에 따라 임시보 관이 금지되었다. 또한, 운반차량은 운행 시 마다 방역 을 위한 소독이 의무화되었다. 기존의 격리의료폐기물 처리기준에 따라 운반된 폐기물은 지정된 창고에 저장 및 냉장 보관하며 48시간 이내에 소각처리를 하여야 한다. 현행 규정에 따르면 운반된 격리의료폐기물은 전 량 당일 소각처리를 의무화하며 관리기준을 강화하고 있다. 이러한 이유로 올바로 시스템을 통해 보고된 폐 기물은 전량 당일 위탁 및 소각 처리되므로 보다 정확 한 통계조사가 가능할 것으로 사료된다.
3.
코로나 확진자 및 폐기물 발생량 상관관계
본 연구를 통해 국내 코로나19 감염 확진자와 격리 의료폐기물(신종코로나) 발생량 현황 및 상관관계를 조사하였다. Fig. 2을 통해 2020년도부터 2022년도 9 월까지의 분석 결과를 나타내었다.
2020년도 기준 조사 대상 의료폐기물 소각시설에서 월간 처리된 평균 격리의료폐기물 양은 약 18.4 t on으 로 산정되었다. 코로나19 감염 확진자와 격리의료폐기 물 발생량은 10월 이후 연말 기간 동안 급격히 증가하 였고 특히 12월 기준 폐기물 처리량은 70 t on으로 약 4 배 이상의 폐기물이 발생 및 처리되었다. 전체적인 추 이는 월별 확진자와 폐기물 발생량은 비례하여 증가하 는 것으로 분석되었다.
2021년도 기준 월간 처리된 평균 격리의료폐기물 양 은 약 114 ton으로 전년도 대비 약 6배 이상 증가하였 다. 또한, 처리량이 가장 높은 여름 휴가철 기간 동안 약 226 ton의 의료폐기물이 소각 처리되었다. 이는 월 평균 처리량의 약 2배에 달하며 여름 휴가철인 7월부 터 9월까지 확진자가 증가할 뿐만 아니라 상당한 양의 폐기물이 의료폐기물 소각시설을 통해 처리되었다. 또 한, 2020년도와 동일하게 10월 이후 급격히 확진자와 폐기물량이 증가하였다.
2022년도 기준 월간 처리된 평균 격리의료폐기물 양 은 약 168 ton으로 코로나 19 팬데믹 이후 가장 많은 양의 폐기물이 처리되었다. 3월 폐기물 처리량은 약 345 ton으로 월평균 처리량의 약 2배에 달하였다. 코로 나19 팬데믹 이후 약 3년간의 코로나 확진자와 폐기물 처리량은 비례하여 증가하는 추이를 보이며 특히 여름 휴가철과 연말 기간 동안 급격하게 증가하는 것으로 나타났다.
4.
대기오염물질 배출특성
격리의료폐기물(신종코로나)의 특성 변화에 따른 소 각시설 대기오염물질 배출특성을 Fig. 3과 Table 1 ~ 4 을 통해 나타내었다. 코로나 팬데믹 이전인 2019년도 기준 연간 질소산화물 배출량은 약 125 t on이며 10월 부터 12월 기준 약 18톤으로 가장 높게 나타났다. 이 외 염화수소와 총 먼지의 연간 배출량은 각각 14 t on과 41 ton으로 산정되었다.
Table 1.
Medical waste disposal and air pollutant emissions in 2019
Table 2.
COVID-19 waste disposal and air pollutant emissions in 2020
Table 3.
COVID-19 waste disposal and air pollutant emissions in 2021
Table 4.
COVID-19 waste disposal and air pollutant emissions in 2022
코로나19 팬데믹 이후 2020년도 기준 연간 질소산 화물 배출량은 약 137 ton으로 전년도 대비 약 10% 이 상 증가하였다. 특히 염화수소와 총 먼지의 연간 배출 량은 각각 약 23 t on과 49 t on으로 약 30% 증가하였다.
2021년도 기준 연간 질소산화물 배출량은 약 159 ton 으로 2019년도 대비 약 30% 증가하였다. 또한, 염화수 소와 총 먼지의 연간 배출량은 각각 약 26 ton과 28 ton 으로 산정되었다. 해당 연도에는 질소산화물 배출량이 크게 증가하였으나, 총 먼지는 절반 수준으로 감소하였 다. 질소산화물 배출량의 증가는 투입된 의료폐기물의 발열량 증가와 소각로 내 공기의 집중으로 인하여 국 부가열로 인한 Thermal-NOx 증가가 원인으로 예상된 다18). 총 먼지의 감소는 폐기물 발열량의 증가로 인하 여 간헐적인 투입으로 인한 대기오염방지시설 부하 감 소와 제어효율의 증가가 원인으로 사료된다.
2022년도 8월까지를 기준으로 질소산화물 배출량은 약 89 ton으로 산정되었다. 또한, 염화수소와 총 먼지는 각각 9 ton과 20 ton으로 확인되었다.
선행연구에 따르면 의료폐기물 운반 용기는 합성수 지로 제조되어 염소(Cl) 성분이 함유되어 있다19). 합성 수지 용기는 높은 발열량을 가지고 있어 소각 시 급격 한 온도 상승과 이를 유지함에 따라 NOx뿐만 아니라 HCl 배출량 증가를 야기할 것이다20). 이러한 영향으로 NOx와 HCl의 배출 특성이 유사하게 나타난다.
Fig. 4를 통해 조사대상 의료폐기물 소각시설로부터 배출된 주요 대기오염물질 질소산화물, 염화수소, 총 먼지의 배출량 비율을 나타내었다. 코로나 팬데믹 이전 인 2019년도 기준 질소산화물 69%, 염화수소 8%, 총 먼지 23%를 차지하였다. 2021년도 기준 질소산화물 75%, 염화수소 12%, 총 먼지가 13%로 산정되었다. 질 소산화물의 비율이 6% 증가함과 동시에 염화수소 또 한 약 4% 증가하였다. 이와 반면 총 먼지의 경우 약 10% 감소되었다. 앞서 언급한 바와 같이 격리의료폐기 물 운반 용기를 통해 다량의 합성수지가 소각로로 유 입되어 염화수소뿐만 아니라 높은 온도로 인하여 질소 산화물이 증가하였을 것으로 사료된다.
5.
격리의료폐기물 저위발열량 산정
폐기물의 발열량은 소각로 운전 상태와 대기오염물 질 배출특성에 직접적인 영향을 미친다. 폐기물의 투입 단계에서 사전에 발열량을 파악한다면 연료 및 폐기물 투입량과 공기비 등을 적절하게 조절하여 효율적인 운 전이 가능할 것이다. 그러나 의료폐기물은 현행 관계법 령에 따라 수집·운반 단계부터 최종처분까지 개봉이 불가능하다. 이러한 이유로 격리의료폐기물의 발열량 을 산정하는데 한계가 있으므로, 에너지 보존법칙 기반 에너지 회수효율 산정 식을 이용하여 투입된 폐기물의 저위발열량을 산정하였다. Table 5을 통해 저위발열량 산정 계산 결과를 나타내었다.
Table 5.
Estimation of energy recovery efficiency of medical waste incinerator
저위발열량 산정 기간으로 질소산화물 배출량이 가 장 많은 2022년 4월과 가장 적은 7월을 선정하였다. 산정 식에 따르면 4월과 7월 소각로에 투입된 격리의 료폐기물의 평균 저위발열량은 각각 5,248 kcal/kg와 4,760 kcal/kg으로 산정되었다. 저위발열량을 기준으로 약 10%의 차이가 발생되었으며 이는 의료폐기물 운반 용기뿐만 아니라 주사기, 거즈, 마스크, 수액라인 등의 발열량 차이가 크기 때문으로 판단된다. 실제 의료기관 에서 폐기물로 배출되는 제품의 발열량 및 원소분석과 더불어 염소분석을 진행한 결과 의료폐기물 전용용기 가 10,870 kcal/kg으로 가장 높았으며 거즈 및 수술복 이외의 물품이 약 4,336 kcal/kg으로 분석되었다. 염소 함량의 경우 수액라인이 18%에서 20%까지 가장 높았 으며 폐기물 운반용기는 0.13%로 분석되었다. 이와 같 이 의료폐기물 운반용기를 통해 소각로로 투입되는 의 료폐기물의 발열량과 염소농도의 범위가 매우 폭 넓게 나타나므로 소각로의 운전 시 많은 어려움이 존재한다. 투입되는 폐기물의 종류와 성상을 제어하는데 한계가 있으므로 안정적인 연소 분위기를 조성하기 위한 연소 가스 재순환 또는 다단연소 등의 기술적용과 O2 농도 제어를 통한 국부가열과 급격한 질소산화물 농도 증가 를 방지하여야 한다. 연소가스 재순환은 연소기 내부의 산소농도를 낮춤으로써 Fuel rich 분위기를 조성하며 NO의 생성을 저감하거나 N2로의 환원을 가능하게 한 다. 또한, 배출가스 중 CO를 재순환하여 대기오염물질 저감효과를 가져온다. 이러한 기술의 구현을 위해서는 정확한 산소농도의 계측이 요구되며 수분 함량이 높을 경우 기술적용에 어려움이 있다21-22). 다단연소는 연소 공기를 분할 주입하여 연소농도를 조절하는 연소기법 이다. 이를 통해 화염온도를 낮추고 고온에서의 체류시 간을 조절하는 등 NO의 생성을 저감가능한 분위기 조 성이 가능하다. 그러므로 해당기술을 노후화 소각시설 에 적용한다면 효과적인 NOx 저감이 가능할 것으로 사료된다23).
IV.
결 론
코로나19 팬데믹에 의한 의료폐기물의 성상 변화와 발열량 증가로 인한 의료폐기물 소각시설의 대기오염물 질 배출 특성 조사를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
코로나19 확진자와 격리의료폐기물(신종코로나) 배 출량은 비례하며 주로 여름철 휴가 및 연말기간 에 2 배에서 최대 6배 이상 급격히 증가하였다. 대부분의 격 리의료폐기물은 합성수지 용기에 보관 및 운반되어 높 은 발열량을 가지며 소각로 투입 시 국부적인 가열과 급격한 질소산화물의 생성을 야기할 것이다. 팬데믹 이 전인 2019년도 대비 월간 평균 질소산화물 배출량이 30% 증가하였고 최대 약 2배 이상의 질소산화물이 배 출되었다. 이 외 염화수소의 월간 평균 배출량은 약 2 배 이상 증가였고 최대 약 4배 이상 높게 배출되는 것 을 확인하였다.
향후 코로나19 외 전염성이 높은 바이러스 확산으로 제3의 팬데믹이 발생될 가능성이 있으며 폐기물과 대 기오염물질 배출량이 증가될 수 있음을 확인하였다. 이 를 저감하기 위하여 연소가스 재순환장치 및 다단연소 기술의 적용이 효과적일 것으로 사료된다.
