충남 지역별 초미세먼지(PM2.5) 성분분석 조사

- 아산, 서산, 당진지역 -

대기평가과

최소연, 안정준, 정제길, 나은경, 박천웅, 황병윤, 정명상, 정금희

1. 조사개요

미세먼지는 생성기작에 따라 1차 생성 미세먼지(Primary Aerosols)와 2차 생성 미세먼지(Secondary Aerosols)로 구분된다. 발생원에서 직접 배출되는 미세먼지는 1차 미세먼지에 속하고 배출된 물질이 대기 중에 화학반응을 통해 생성된 미세먼지는 2차 미세먼지에 속한다.

2차 미세먼지는 대부분 초미세먼지(PM2.5)가 차지하며 주로 인간의 산업활동에 의해 발생된다. 초미세먼지는 입자가 미세하여 인체에서 거르지 못해 내부 깊숙이 침투하여 염증 반응을 일으키고 각종 질병을 유발한다고 보고되고 있다. 세계보건기구(WHO)는 미세먼지에 대한 대기질 가이드라인을 1987년부터 제시해 왔고, 2013년에는 국제암연구소(IARC)에서 대기오염과 미세먼지를 1군 발암물질(Group 1)으로 지정하였다.

이러한 대기오염물질의 효율적인 관리를 위해 미세먼지의 물리화학적 조성 및 특성 파악과 수용모델을 이용한 미세먼지의 발생원 규명 필요하다. 수용모델은 수용지점에서 샘플링한 오염물질의 특성을 바탕으로 배출원의 기여도를 추정하여 영향평가와 대기정책 수립·시행에 대한 보완자료로 활용된다.

본 연구에서는 배출량이 많은 서북부 지역의 세 지점을 선정하여 시료를 채취하여 이온, 탄소, 중금속성분을 분석하고, 이 분석자료를 바탕으로 수용체에 미치는 오염원을 파악하고자 PMF모델을 사용하여 분석하였다.

2. 조사방법

2.1 조사지점

충남 도내 미세먼지 성분 조사를 위하여 대기오염 배출량이 가장 많은 시·군인 당진시 송산면, 서산시 독곶리와 도시지역인 아산시 모종동 측정소를 조사지점으로 선정하였다.(그림 1)

표 . 조사지점

측정소	위치	용도지역
송산면	충남 당진시 송산면 유곡로 342-27	일반공업지역
독곶리	충남 서산시 대산읍 독곶리 1-2	보전녹지지역
모종동	충남 아산시 번영로224번길 20	제2종 일반주거지역

그림  . 측정소 위치

송산면 측정소는 일반공업지역에 위치하며, 대형제철소 등이 주변에 자리하고 있다. 또한 북서쪽으로 25Km 정도 떨어진 곳에 대형 화력발전소인 당진화력이 위치해 있어 북서풍이 불 경우 영향을 받을 가능성이 있다.

독곶리 측정소는 대산석유화학단지에 위치하고 있어 SOx, VOC, NH3 등의 배출이 많은 지역이다.

모종동 측정소는 제2종일반주거지역으로, 버스터미널과 거주지역 근처에 위치해 있어 도로이동오염원의 통행이 많은 지역이다.

2.2 채취시기 및 방법

채취시기는 2019년 4월부터 9월까지로, 매월 7일간 하루 23시간씩 Low Volume Sampler를 사용해 채취하였다. 샘플링 장비는 Sven Leckel의 SEQ 47/50을 사용하였다. 이온은 테프론 여지를 중금속과 탄소는 쿼츠 여지를 사용해 시료를 샘플링하였다.

2.3 분석항목 및 방법

분석항목은 질량농도, 이온성분 8종(Cl-, SO42-, NO3-, Na+, Mg2+, NH4+, K+, Ca2+), 탄소성분 2종(OC, EC), 중금속성분 17종(Be, Na, Mg, Al, K, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Cd, Pb) 이며 각 항목 분석에 사용된 장비는 표2와 같다.

표 2. 분석항목 별 분석장비

	분석장비	분석항목
이온	ICS-5000+, Thermo	Cl-, SO42-, NO3-, Na+, Mg2+, NH4+, K+, Ca2+
탄소	Lab OC/EC MODEL 5L, Sunset	OC, EC
중금속	Agilent 7900, Agilent	Be, Na, Mg, Al, K, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Cd, Pb

수용체에 영향을 미치는 대기오염 배출원추정은 PMF (Positive Matrix Factorization) 모델을 사용하였고 이는 수용모델의 일종이다. PMF는 오염원 분류표 정보가 없어 오염원에 대한 정보가 거의 확보되어 있지 않을 때 사용하는 모델이다.

모델을 수행할 때 입력자료로 분석한 농도파일과 불확도파일이 쓰인다. 분석농도가 방법검출한계보다 클 때 불확도는 (1)식으로 계산하고 분석농도가 방법검출한계 이하일 때 (2)식으로 계산하였으며, 결측값의 불확도는 기하평균에 4를 곱하였다.

[eqn: Unc= sqrt {(Error`Fraction TIMES concentration) ^{2} +(0.5 TIMES MDL) ^{2}}]

식(1)

[eqn: Unc=5/6 TIMES MDL]

식(2)

모델을 수행하여 얻은 결과로 오염원 확인과 기여도를 파악할 수 있으며 이를 바탕으로 미세먼지를 생성시키는 오염원의 효율적인 제어 및 관리방안을 위한 기초자료로 활용이 가능하다.

3. 조사결과

3.1 성분농도

조사기간의 평균 질량농도는 독곶리, 송산면, 모종동이 각각 18.6 ㎍/㎥, 27.2 ㎍/㎥, 21.1 ㎍/㎥ 로 송산면이 가장 높고 모종동, 독곶리 순으로 높았다.

표의 막대 그래프는 분석기간동안 성분별 차지하는 농도값을 길이로 나타낸 것으로 4월부터 9월동안 질량농도, 이온농도, 중금속농도는 5월에 송산면(46.1㎍/㎥, 28.3540㎍/㎥, 1.2414㎍/㎥), 탄소농도는 5월에 모종동(6.8121㎍/㎥), 기타농도는 7월에 송산면(23.6475㎍/㎥)이 가장 높게 나타났다. 성분비율은 월별 각 측정소의 질량농도 중 성분이 차지하는 비율을 나타낸 것으로 이온농도 비율은 5월에 송산면(62%)와 7월의 송산면(62%), 탄소농도 비율은 9월의 모종동(37%), 중금속농도 비율은 6월 송산면(5%)와 9월 송산면(5%), 기타농도 비율은 9월 모종동(40%)로 가장 높게 나타났다.(그림 2)

이온 농도는 미세먼지 성분 비율 중 대체로 높게 차지하는 성분으로 질량농도와 경향이 비슷하게 나타나며 탄소, 중금속, 기타 성분들은 때에 따라 다르게 나타났다. 질량농도가 30㎍/㎥넘을 때 대체로 이온농도가 구성비율의 50%이상을 차지하였고 이때 이온농도 중에서도 황산이온, 질산이온, 암모늄이온의 농도가 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다.(그림 5) 그림 5는 전체 분석기간동안 성분별 농도 경향을 파악할 수 있도록 한 것으로 최대값(빨강색), 중간값(흰색), 최소값(파란색)으로 구분된다. 탄소농도는 이온농도가 50%이상일 때에 20% 전후를 차지하여 많게는 21%, 작게는 14%를 차지하였다. 이온농도가 50%미만일 경우 탄소가 차지하는 비율이 높아져 많게는 9월에 37%까지 차지하였는데 6월 송산은 중금속의 구성 비율이 5%를 차지하여 탄소농도는 18%만 차지하였다. 중금속농도는 독곶리와 모종동에 비해 송산면이 높게 나타났으며 5월에 1.2414㎍/㎥로 가장 높은 농도를 보였다.

9월은 각 측정소 지점에서 질량농도가 가장 낮은 달이며 9월 기타성분의 구성 비율이 제일 높게 나타났다. 이는 9월 이온성분 농도 값이 상당히 낮게 나타나고 기타성분 농도값은 다른 달과 비슷한 수준으로 나타나 기타성분의 구성 비율이 높게 나타났다.

그림 2. 성분분석 농도 및 비율

그림 3. 측정소 지점별 성분 구성 비율

	독곶리	송산면	모종동
4월
5월
6월
7월	―
8월
9월
평 균

그림 4. 일별 총 성분농도

질량농도

이온농도

탄소농도

중금속농도 (Na, K, Mg, Ca 제외)

그림 5. 일별 이온,탄소,중금속농도 (항목별)

이온성분, 탄소성분 (4월 ~ 9월)

중금속성분 (4월 ~ 9월)

그림 6. 측정소 지점별 PM2.5 오염원 프로파일

독곶리

송산면

모종동

3.2 PMF 모델 결과

배출원과 기여도 파악을 위해 이온성분  (8종), 탄소(2종), 중금속(17종)을 바탕으로 PMF모델을 수행하였고 지점별로 오염원 Factor를 총 5개로 분류하였다.(그림 6)

독곶리의 오염원 Factor1은 Cl-, SO42-, As, Cd, Pb, OC 성분으로 구성된 연소시설 오염원으로 판단되며 연소시설은 유해 중금속 성분을 배출하는 것으로 알려져 있다. 이는 독곶리 측정소 주변의 연소시설에  영향을 받을 가능성이 있으며 연소시설에는 산업시설의 연소, 소각 등이 포함 될 수 있다. 오염원 Factor2는 SO42-는 거의 존재하지 않고 NO3-, NH4+성분으로 이루어져 질산염으로 판단되고 오염원 Factor3은 황산염으로 판단된다. 황산이온, 질산이온, 암모니아가 존재할 때에 황산이온과 암모니아가 비가역 반응하여 1차적으로 황산염이 생성되고 이는 장거리이동물질에 해당된다. 이후 2차적으로 질산이온과 암모니아가 반응하여 질산염이 생성된다. 오염원 Factor4는 SO42-, Mn, Fe, Cu 성분으로 구성된 산업시설 오염원으로 판단되고, 오염원 Factor5는 V, Ni 성분으로 구성된 중유연소로 인한 오염원으로 판단되며, 이는 측정소 근처의 화학석유단지의 영향을 받는 것으로 보인다.

송산면의 오염원 Factor1은 V, Ni 성분이 높아 중유연소로 인한 오염원으로 판단되며, 독곶리의 화학석유단지의 영향이 송산면의 측정소까지 미치는 것으로 보인다. 오염원 Factor2는 연소시설 오염원으로 판단되며 이는 측정소 북서쪽의 자원순환센터의 영향이 있을 것으로 보인다. 오염원 Factor3은 황산염, 오염원 Factor4는 질산염으로 판단된다. 오염원 Factor5는 Fe, Mn 성분이 특히 높은 산업시설 오염원으로 판단되며 이는 측정소 북서쪽의 제철산업단지의 영향으로 보인다.

모종동의 오염원 Factor1은 황산염이고 오염원 Factor2는 OC, EC가 높고 미량의 금속원소가 포함된 자동차 오염원으로 판단된다. 오염원 Factor3은 금속성분이 높은 산업시설 오염원으로 판단된다. 오염원 Facotr4는 질산염이며 오염원 Factor5는 중유연소로 인한 오염원으로 판단된다.

그림 7. 측정소 지점별 PM2.5 기여도

독곶리
송산면
모종동

다음은 질산염과 황산염을 2차 에어로졸로 묶어 오염원의 종류를 4종으로 추정하여 이를 바탕으로 측정소 지점별 PM2.5의 오염원 기여도를 분석하였다.(그림 7) 독곶리는 중유연소(73%), 연소시설(12%), 2차 에어로졸(11%), 산업시설(4%)를 차지하였다. 송산면은 연소시설(39%), 중유연소(27%), 2차 에어로졸(21%), 산업시설(13%)를 차지했으며 연소시설에는 산업시설에서 발생하는 연소도 포함될 수 있다. 모종동은 2차 에어로졸(54%), 이동오염원(31%), 산업시설(8%), 중유연소(7%)를 차지했다. 모종동은 이동오염원의 기여도가 상당부분 차지하기 때문에 2차 에어로졸에 비산먼지가 일정부분 포함될 수 있다.

4. 결  론

측정소 세 지점의 오염원을 확인하고 기여도를 파악하고자 이온, 탄소, 중금속성분을 분석하고 이를 바탕으로 PMF모델을 수행한 결과는 다음과 같다.

1. 측정소 세 지점의 질량농도는 송산면, 모종동, 독곶리 순으로 높게 나타났다. 질량농도에서 이온성분의 구성비율이 대체로 높게 나타났으며 서로 유사한 경향을 보였다. 다만, 질량농도가 매우 낮을 경우 이온농도가 낮아져 다른 성분이 차지하는 비율이 높아졌다.

2. 독곶리의 오염원은 중유연소, 연소시설, 질산염, 황산염, 산업시설로 구성되며 기여도는 중유연소(73%), 연소시설(12%), 2차 에어로졸(11%), 산업시설(4%)순으로 나타났다.

3. 송산면의 오염원은 연소시설, 중유연소, 황산염, 질산염, 산업시설로 구성되며 기여도는 송산면은 연소시설(39%), 중유연소(27%), 2차 에어로졸(21%), 산업시설(13%)순으로 나타났다. 특히, 송산면은 다른 측정소에 비해 중금속농도가 높게 나타났다.

4. 모종동의 오염원은 황산염, 질산염, 이동오염원, 산업시설, 중유연소로 구성되며 2차 에어로졸+비산먼지(54%),이동오염원(31%), 산업시설(8%), 중유연소(7%)순으로 나타났다.

위 결과에서는 배출원이 중복되어 나타나는 경우를 볼 수 있어 보다 상세한 오염원 분류를 위해서는 항목 대상지점 및 시료채취 일수를 단계적으로 늘려 지속적인 발생원 기여율 추정연구가 필요하다.

5. 활용방안 및 제언

활용방안

미세먼지(PM2.5) 저감을 위한 기초자료로 활용

제언

1. 미세먼지(PM2.5) 고농도 발생시 이온물질이 주요 구성성분이며 특히 황산이온, 질산이온, 암모늄이온의 배출저감 필요

2. 독곶리에 중유연소 배출원이, 송산면은 산업시설 배출원이 높아 화학석유단지와 산업단지의 대기 오염물질 배출시설에 대한 관리 강화 필요

3. 모종동에서 2차 에어로졸과 비산먼지, 이동오염원 영향이 커 도로·비도로 이동오염원 파악과 도로의 비산먼지 관리 요구