[미세먼지 특집] 국내 고농도 미세먼지 발생원인

기후의 종말(에어포칼리스 Airpocalyse)을 과연 막을 수 있을까
문광주 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2019-05-30 10:50:21
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지난 2개월간 미세먼지 특집을 다뤘다. 이번호에서는 총론을 위해 미세먼지 문제의 어제와 오늘을 짚어보고, 내일을 위한 올바른 대비책이 무엇인지 대안을 제시하고자 한다. 이를 위해 해외 선진국들의 성공적인 미세먼지 저감대책 사례를 살펴보면서 방향성을 찾고자 한다.

 

수도권 미세먼지 3/2는 2차 생성 미세먼지
대기입자(PM, Particulate Matter)는 크기에 따라 PM10, PM2.5로 나뉘는데 최근에는 나노입자(<0.01㎛)까지 포함한다. 1차 배출 먼지보다 2차 생성 미세먼지에 집중하는 이유는 수도권 대기환경에서 전체 PM2.5 발생량의 2/3를 차지할 정도로 높기 때문이다.

 

 

초미세먼지는 대기 체류 시간이 미세먼지에 비해 길다. 배출원에서 나오는 것보다 대기에서 전구물질의 화학반응으로 생성되는 양이 훨씬 많아서 그 생성기작을 이해해야만 효과적인 저감대책 수립이 가능하다. 초미세먼지의 2차 유기탄소(OC)입자의 생성은 기체 반응, 입자상 반응, 기체/입자 평형 등 복잡한 화학 현상이 관여돼 있다. 이에 대한 정확한 과학적 이해가 아직도 많이 부족한 것이 현실이다.


대기에 떠다니는 입자가 소멸되는 것은 크게 습식침착(wet deposition)과 건성침착(dry deposition) 두 가지다. 전자는 작은 입자들이 구름 핵이 되거나 안개, 구름 입자 등과 반응한다. 구름 아래에 있는 입자들은 비나 눈이 내려올 때 지표면으로 제거된다.

 

건성침착은 대기 입자들이 공기역학적으로 이동하거나 대기층 사이의 경계면을 옮겨가고, 수용체에 의한 포착으로 제거된다. 건성침착의 프로세스를 따를 경우 큰 입자들은 관성에 의해 침착속도가 높고, 아주 작은 입자들은 응집으로 빠르게 성장한다. 그런 결과로 0.2-0.4㎛ 크기의 초미세 입자가 대기 중에 가장 오래 머문다.(자료 Ruiigro 1995 입자크기에 다른 건성침착 속도변화 그래프)

 

가솔린보다 디젤이 NOx 3배 이상 배출
국가 대기오염물질 배출량은 7개의 대기오염물질(CO2, NOx, SOx, TSP, PM10, VOC, NH3)을 대상으로 1999년부터 산정되고 있다. 2011년부터 PM2.5를 추가했다.


지난 수년간 디젤차의 수요가 폭증하는 현상이 일어나 수도권에서 경유차량은 대기가스 오염물질 배출원의 주범이라는 오명을 썼다. 2015년도에는 실제로 경유차량 등록대수가 휘발유차를 넘었다. 디젤차 판매비율이 44.7%까지 도달한 것이다. 당시 미국은 2.7%, 일본은 1% 그리고 유럽은 50% 이상이었다. 현재 독일의 경우 디젤연료를 사용하는 자동차의 도심운행에 관한 찬반여론이 도시별로 큰 차이를 보이며 대립돼 있다.


현재 독일의 자동차 제조사들은 디젤 배출에 상당한 압력을 받고 있다. ADAC(독일자동차모터클럽) 테스트 결과. 새로운 유로 6 디젤자동차 중에서 독일자동차기업이 시장에서 가장 깨끗한 것으로 나타났다.

 

지난 2017년 8월 독일 ADAC 자료에 따르면, 르노 Grand Scenic dCi(160)의 질소산화물 배출량은 도심지역에서 BMW의 520D모델과 비슷했다. 전체적으로 르노그룹 자동차는 BMW 모델의 다섯 배 많은 질소산화물을 배출했다. 독일자동차들은 이산화탄소 배출 스캔들이 있지만 질소산화물 배출 부분에서는 가장 좋은 결과를 보였다.


ADAC클럽은 188개 모델을 실제와 유사한 에코테스트(Ecotest)에서 정밀 촬영했다. ADAC EcoTest는 “거의 모든 제조업체들이 디젤 차량의 대규모 방출에 문제가 있음을 보여준다"고 ​토마스 버크하트, ADAC 기술담당 부사장이 말했다. 대형 독일 자동차 제조업체는 자사의 디젤 모델을 향상시키기 위해 8월 초 국제 디젤 포럼을 거부한 바 있다.


WHO(세계보건기구)는 2012년 디젤차에서 나오는 1차 입자를 1급 발암물질로 지정했다. 디젤자동차의 배출기준 강화와 저감기술 발달로 유럽 자동차업계는 “현재는 유해물질이 거의 나오지 않는다”고 주장하고 있다. 2016년 환경부 산하 교통환경연구소의 자료에 따르면 미세먼지의 경우 가솔린엔진과 디젤엔진은 별 차이가 없으나 질소산화물의 경우에는 디젤엔진이 3배 이상 높게 측정됐다.

 

관리 안 되는 바이오매스 소각입자
주요 배출원인데도 관리가 잘 안 되는 것이 바이오매스 소각입자(Biomass Burning)이다. 바이오매스 소각은 배출가스의 연평균 5%를 차지하는 것으로 알려져 있다.(환경부 2013, 전구 및 수도권 PM2.5의 주요 배출원 별 기여도) 바이오매스 소각이 집중적으로 행해지는 계절에 그 기여도는 훨씬 크다. 도심에서 벗어나 농촌으로 들어가면 이른 봄이나 가을철에 들판에서 흰 연기가 치솟는 것을 자주 목격할 수 있다. 6월 보리 수확 후와 10~11월 벼 수확 후 노천에서 생체소각 기간에 PM10 농도가 급격히 증가했다.(Rye, 2004) 노천 소각은 불법이다.


▲ 바이오매스 소각
그러나 실제로 전국적으로 행해지기 때문에 배출원별 기여도에 포함시켜야 한다는 것이 학자들의 주장이다. 중국 농촌에서도 계절에 따라 노천 소각이 진행돼 이것이 국내로 유입되고 있다. 미세먼지의 농도가 극심한 인도의 경우 “인도의 각 가정에 스토브를 하나씩 나눠주면 인도의 공해문제는 해결된다”고 주장한 해외전문가도 있다. 즉, 화목으로 주거와 식생활이 이뤄지는 인도의 현실을 알기 때문이다. 율리아 콜(Julia Cole)은 “바이오매스 소각의 90%는 인간에게 책임이 있다고”고 말했다.(출처: www.earthobservatory.nasa.gov)

고농도 발생원인 “대기정체”
최근 발표된 자료는, 수도권에서의 미세먼지 고농도 발생은 약한 풍속, 따뜻한 기온, 낮은 혼합고도(Mixing Height), 안정된 대기, 높은 습도가 안개 형성에 매우 유리한 국지적 기상조건과 관계가 깊다고 보고하고 있다. 중국으로부터의 장거리 이동, 안개와 미세먼지를 포함한 스모그가 발생해 중국의 영향이 없을 때도 미세먼지 농도는 고농도(150 ㎍/㎥)로 상승할 수 있다. 고농도의 경우에는 대부분이 연무나 박무와 같은 기상 현상과 동반해 발생했고, 일부는 대기 정체가 유지돼 확산이 잘 이루어지지 않아 고농도 사례가 발생한 것으로 파악됐다.

  
우리나라에서 발생하는 고농도 현상은 크게 두 가지 경우로 분류할 수 있다. 첫째는 장거리 이동 유입이다. 중국에서 고농도가 발생한 후 강한 북서풍을 타고 오염물질이 이동해 오는 경우 즉, 중국의 베이징, 텐진, 허베이 지역으로부터 유입과 서풍/남서풍을 타고 상하이 등 남동 중국으로부터 오는 경우가 있다. 베이징, 텐진에서 오는 경우에는 황산염 같은 2차 생성 무기입자의 농도가 증가하고, 상하이 지역에서 오는 경우 2차 생성 유기 입자 농도가 증가하는 것으로 밝혀졌다.


둘째는 국지적 오염이 쌓이는 경우이다. 고기압이 정체돼 있을 때 대기가 정체되면서 국내 발생 오염물질이 확산-이동되지 못하고 쌓이면서 2차 생성 입자의 생성이 촉진된다. 특히 겨울철에 대기 역전층이 발달하고 낮은 풍속의 경우 1차 오염물질들이 축적된 위에 2차 생성 오염물질이 발달하면서 지표면 가까이 PM2.5 농도가 크게 증가한다. 때로는 수도권에 발생한 오염물질이 육풍과 해풍에 의해 서해상으로 이동했다가 다시 육지로 돌아오기도 한다. 이 경우에는 정체돼 있던 중국발 오염물질이 함께 유입되기도 한다.

미세먼지는 기후변화에도 영향
대기 중에 있는 미세입자는 두 가지 프로세스로 대기복사에 영향을 준다. 첫째는 직접효과다. 종류에 따라 태양빛을 산란시키거나 흡수해 냉각효과와 온난효과를 일으킨다. 황산염, 질산염 입자는 비흡수성 입자로서 빛을 산란시킨다. 입자의 크기로 보아 황산염 입자가 더 가시광선을 산란시킨다. BC(블랙카본) 같은 초미세 입자는 태양빛을 흡수해 인근 대기 온도를 상승시킨다.


둘째는 간접효과다. 구름은 태양빛을 차단할 뿐 아니라 강수를 일으켜 대기복사에 가장 큰 역할을 한다. 대기오염 중에 미세먼지가 증가하면 구름의 입자크기가 변하고 반사도를 증가시켜 간접적으로 대기복사에 영향을 끼친다. 미세먼지는 구름입자의 응결핵으로 작용한다. 대기 중 미세입자 수 농도가 증가하면 더 많은 구름입자로 응결하게 돼 구름입자의 평균 크기가 작아진다. 구름입자의 크기가 작아지면 햇빛 반사도가 증가해 태양빛 차단효과가 커진다.


수적 농도의 증가는 구름의 광학 깊이를 증가시키며 구름 알베도(빛을 반사하는 정도를 수치로 나타낸 것으로 반사율이라고도 함)가 증가하여 구름이 더 희게 보이게 만든다. 인공위성 이미지는 종종 이 효과로 인해 해상 운송 뒤에 구름 또는 구름의 밝기가 증가하는 흔적을 보여준다. CCN 농도의 증가로 인한 일사량의 전 지구 평균 흡수 감소는 기후에 영향을 미친다.

국내·외 미세먼지 예보현황
미국: 2004년도에 환경청(EPA)와 국립해양대기부(NOAA)가 공동으로 대기질 예보시스템을 개발했다. 초기에 미국 동부지역을 대상으로 하다가 2007년부터 전 지역을 대상으로 예보를 수행하고 있다. 2009년부터는 NOAA단독으로 운영중이다. 미국은 오존에 대한 예보만 공개하며 12킬로미터 격자단위로 익일예보다.


캐나다: 2001년부터 대기질 예보를 수행. 초기에 주로 오존을 중심으로 2012년부터는 수평격자크기를 10km단위까지 낮춘 MACH10모델을 사용하고 있다. 캐나다는 48시간 대기질 예보를 하고 있다.


EU: EU는 대기에 관한 다양한 정보를 36개 기관이 협업을 통해 수행해 여러 가지 수치모델(CHIMERE, EMEP, EURAD, MATCH, MOCAGE, LOTOS-EURO, SILAM)을 활용하고 있다.


일본 : 3차원 온라인 지역규모의 화학수송모델을 기초로 운영, 주요 대상물질은 SO2, 황산염, 해염입자, PM, 블랙카본 등이며 매일 운영되는 예보 결과는 일본 표준시 09시에 게시하고 있다.


중국 : 중국은 양쯔강 델타지역의 PM2.5연무에 대한 모델링을 우해 RegAEMS를 이용하고 상하이와 난징지역에는 유해물질(SO2, NO2, O3, PM10) 에 관한 모델링을 위해 WRF-Chem을 사용해 예보자료로 활용하고 있다.

초미세먼지 저감기술의 진화
초미세먼지를 제거하는 기술은 대기로 확산하기 전 원천적으로 제거하는 것이 가장 경제적이며 효율적이다.


고정배출원 제거기술; 현재 미세먼지 다량 배출 발전소 및 사업장(예, 시멘트공장, 제철소, 폐기물소각장)에서는 전기집진기, 원심력집진기, 여과 집진기, 하이브리드 집진기, 살수설비, 방진벽, 방진 림 등이 제거기술로 활용되고 있다. 전기집진기는 국내 대부분의 화력발전소에 적용돼 있다. 그러나 미세먼지와 초미세먼지 제거효율에 한계가 있어 더 안정적인 필터 집진기로 대체되고 있다. 대형사업장은 높이가 높은 대형 고성능 백필터(Bag Filter)를 설치해 미세먼지를 제거할 수 있다.


이동 배출원 제거기술: 디젤자동차에서 배출된 입자를 줄이기 위한 기술은 1차 배출 초미세먼지뿐 아니라 2차 생성 초미세먼지에 기여하는 질소산화물을 동시에 저감시키는 것이 중요하다. 여기에 사용되는 기술은 필터트랩 방식의 DPF(Diesel Particulate Filter)가 가장 널리 활용되고 있다. 이밖에도 NOx를 줄이기 위한 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 방식도 DPF와 병행해 사용된다.


PM 저감기술: PM을 저감시키는 기술로는 DPF, DOC(Diesel Oxidation Catalyst)가 있다. DOC는 디젤산화촉매장치다. 경유차에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, PM중 용해성 유기물질을 산화시켜 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 정화시킨다. DPF는 매연여과장치다. 경유차량의 엔진에서 발생되는 배기가스 중 PM을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거하는 장치이다. DPF가 없는 디젤엔진은 검댕이가 그대로 배출된다.


NOx 저감기술; NOX 배출량 현황은 대형화물이 가장 높고(37.5%), 중형화물, 버스, 소형화물, 경우RV 순이다. 환경부가 2016년도 5월 16일 발표한 자료에 따르면, 18개 차종이 실제 도로주행 상태에서 기준치에 비해 평균 6배 초과했다. NOx를 저감시키는 기술에는 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기가스 재순환)과 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매환원)기술이 있다.


지구공학기술: 인공강우는 1960년대부터 미국 일부지역에 가뭄 해소 및 적설량을 늘리기 위해 인공강우기술이 사용됐다. 인공강우 기법은 CCS(Cold Cloud Seeding) 과 WCS(Warm Cloud Seeding) 두 가지로 나눌 수 있다. CCS는 과냉각 수분이 있는 곳에 드라이아이스나 요오드화은(AgI) 연소탄을 이용해 인공적인 구름 핵을 뿌려 구름이 생성되고 더 발달해 눈, 비가 내리게 하는 기술이다. WCS는 더운 지방이나 여름에 적운(Cumulus Cloud) 밑에 소금 형태의 입자를 뿌려 상승기류를 타고 구름 속으로 들어가 구름 입자가 커져서 비를 내리게 한다. 중국은 미세먼지 제거에 인공강우 방법을 활발히 활용한다.

 
대형 스프링클러와 물대포: 인구가 밀집된 도심지역의 미세먼지를 씻어내는 목적으로 제안된 것이다. 도심 대형 건물 위에 스프링쿨러를 설치해 짧은 시간 내에 PM2.5 농도를 35㎍/㎥ 수준까지 낮출 수 있다고 분석됐다. 물대포(water cannon)를 이용해 세정하는 방법은 중국 일부 도시에서 이미 시도됐다.


야외용 대형공기청정기: 2016년 세계 최초로 7m 높이 대형공기청정기(Smog Free Tower) 프로토타입이 네덜란드 로테르담에 설치됐다. 축구장 크기의 지역 미세먼지 70~80%를 36시간 이내에 제거할 수 있다고 주장했다.

패러다임의 전환 필요
현재 모든 나라의 PM 외부 대기환경 기준은 24시간 중량농도 기준과 연평균 중량농도 기준을 정해놓고 관리하고 있다. 초미세먼지는 단일 물질이 아니다. 아직까지 입자 성분별, 측정자료 축적, 성분별 건강에 미치는 영향에 관한 통계가 절대적으로 부족하다.

 

이에 대해 전문가들은 “현재는 지역별로 PM2.5 입자 성분에 대한 데이터와 구성 성분의 건강위해성이 과학적으로 밝혀지고 있다. 예를 들어 중량밀도가 같을 경우 0.25㎛ 입자 1,000개의 중량과 2.5㎛ 먼지 입자 1개의 중량은 같다. 크기가 큰 것이 기술이나 경제적으로 저감하기 쉽다. 즉 환경기준 제정에는 중량농도를 줄이는 것이 아니라 국민건강 보호를 우선시하여 위해성분을 기준으로 제정돼야 한다”고  주장하고 있다.


전국의 초미세먼지 농도를 WHO 가이드라인으로 낮추는 장기적 국가목표를 수립하고 단계별 실행계획을 집행, 평가, 보완하는 체계를 갖춰야 한다. 초미세먼지 오염의 대부분은 국내 오염원에 의한 것이고, 에너지 사용과 직접적인 연관이 있다. 과학적 이해에 근거한 정확한 정보를 제공하는 대국민 홍보도 강화해야 한다. 동북아 지역 초미세먼지 오염저감을 위해서 구속력을 갖는 합의가 필요하다. 이를 위해 배출원 자료, 지상 및 입체관측자료, 모델링 결과 등을 공유할 수 있는 시스템 도입도 필요하다. <본 기획 취재는 국내 콘텐츠 발전을 위하여 (사)한국잡지협회와 공동 진행되었음>

[문광주 편집위원]

 

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