미세먼지와 싸우는 전사들의 보고서

- 부산항만 지역에서 미세먼지 발생과 거동에 대한 모니터링 -

사진1: 왼쪽부터 김원년, 강정원, 박근하, 현상민 책임연구원

2017년 9월 관계부처 합동으로 국민 생활과 건강을 위협하는 미세먼지 문제를 근본적으로 해결하기 위해 미세먼지 관리 종합대책이 발표되었다. 2022년까지 미세먼지 국내 배출량 30% 감축을 목표로 한 로드맵을 담았다. 미세먼지는 ‘보이지 않는 살인자’로 불리며 그 유해성이 입증되었다. 세계보건기구에 따르면 대기오염으로 사망하는 인구는 연간 300만 명에 이른다. 현재 전 세계에서 미세먼지와 싸움을 벌이고 있다. KIOST에서도 부산항만의 미세먼지 대책을 마련하기 위해 노력하고 있는 이들을 만나보았다.

미세먼지와 항만 미세먼지

미세먼지의 유해성과 심각성은 수많은 뉴스 자료들로 알고 있겠지만, 우리 생활에 소리 없이 스며든 살인자와 같다. 미세먼지(Particulate Matter; PM)는 대기 중에 떠다니며 눈에 보이지 않을 정도로 작은 먼지를 말한다. 질산염(NO3-), 암모늄 이온(NH4+), 황산염(SO42-) 등의 이온 성분과 탄소 화합물과 금속 화합물 등으로 이루어져 있다. 자연적으로 발생하는 미세 흙먼지, 석탄·석유, 목재 등 화석연료를 태울 때 또는 공장·자동차 등에서 배출되는 미세먼지, 자동차 타이어가 마모되어 발생하는 미세먼지, 선박 굴뚝에서 배출되는 미세먼지 등 다양하다. 지름이 10μm 이하는 미세먼지로 불리며 세계 여러 국가에서 대기오염의 지표로 삼고 있다. 우리나라도 2014년부터 PM10을 기준으로 미세먼지 예보를 하고 있다. 지름이 2.5μm 이하의 먼지는 초미세먼지로 불리며 특히 신체에 매우 위험하다. 국내에서 배출되는 초미세먼지(2.5μm) 총량 가운데 선박 배출량이 차지하는 비율은 약 7% 정도다. 이러한 선박 배출 비율은 공장과 발전소, 경유 자동차 다음 3위의 위치다. 공장, 발전소, 경유 자동차에 비해 선박 배출 미세먼지(또는 항만 미세먼지)에 대한 국민적 관심은 크지 않다. 그러나 황 함유량 3%의 연료유를 사용하는 대형 컨테이너선 한 척이 내뿜는 황산화물은 디젤 승용차량 5,000만 대 분량과 맞먹고, 황 함유량 3.5%의 연료유를 사용하는 중대형 컨테이너선 한 척이 하루 동안 배출하는 초미세먼지(2.5μm)는 트럭 50만 대 분량이다.

부산항만 지역에서 발생하는
미세먼지 모니터링

항만 미세먼지의 공간적 범위를 도시 미세먼지 영역 등과 구분·설정하는 것은 쉽지 않다. 정박 중인 선박, 입출항하는 선박, 항만 컨테이너 하역·운반용 시설·차량, 항만 부대시설 등이 미세먼지를 항만 기인 미세먼지로 규정할 수 있다. 이 가운데 선박 미세먼지가 항만 미세먼지의 주요 공급원으로 고려될 수 있고, 항만 내 하역 및 운반용 차량에서도 미세먼지가 많이 발생할 수 있다. 그러나 계절·시간별 풍향·풍속 등 시시각각으로 변하는 기상 여건에 좌우되는 항만 미세먼지의 총량 평가, 나아가 공급원별 기여도 평가는 어려운 과제다. 이러한 문제를 해결하기 위해 KIOST의 현상민 책임연구원 외 25명의 연구원이 2020년 10월부터 ‘기후변화기술개발사업’의 일환으로 ‘현장 맞춤형 발생원별 미세먼지 원인 규명 고도화’의 3세부과제 ‘부산 항만 지역에서 미세먼지 발생과 거동에 대한 모니터링’을 실시하고 있다. 부산항 내 3지점 및 배후 지역 2곳에 대한 3차원 모니터링 시스템을 구축해 7차에 걸친 현장 조사까지 마쳤다. 공신력 있는 미세먼지 농도 평균 데이터가 필요하지만, 항만 지역은 연속 관측이 어려워 데이터 수집에 어려운 점이 많았다. 항만 지역의 정확한 미세먼지 데이터를 알기엔, 대기정책지원시스템 CAPSS(Clean Air Policy Support System)를 근거한 배출량 자료는 부정확한 면이 많았다. 보도자료에 따르면 항만 미세먼지가 부산 미세먼지 발생에 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었다. 부산의 경우 2차 생성 미세먼지가 부산 전체 미세먼지의 50%를 넘고 있는데, 같은 2차 미세먼지 생성의 원인이 되는 가스상 오염물질은 항만시설, 화물차량, 선박에서 다량 배출되고 있다. 항만 미세먼지를 줄여야 하는 당위성이 있는 것이다. 이러한 배경으로 정확한 데이터를 수집하기 위한 관측이 시작되었다.

지속적인 모니터링을 위한 현장 관측

연구의 목표는 부산항 지역의 미세먼지와 전구물질¹⁾ 발생·확산 영향도 규명 및 저감·관리 방안 도출을 위한 대기오염 성분 자료를 제공하는 것으로 시작했다. 세부 목표로는 총 세 개의 목표로 구성되었다. 대기오염물질 관측을 위한 3차원 모니터링 구축 및 집중관측 등을 통한 미세먼지 계절변화 등 거동 확인, 주요 선박 배출량 및 발생원별 영향도 관련 기반 자료 확보, 미세먼지 모델링 사업인 6세부 연구와 연계하여 항만의 주변 지역에 영향도 평가 및 미세먼지 저감 정책에 활용할 수 있는 방안 도출하는 것이다. 이을 위해 각 분야의 연구원들이 현장 조사에 참여했다.

사진2: 부산항 집중 관측 조사지역

관측 장소는 항만 지역과 항만 배후 지역으로 나누어 관측하고, 선박 배출량 계산을 위한 선박 관측과 개방경로 FTIR (OPS)²⁾을 활용한 원격 배출 측정, 간이대기질 관측 장비³⁾를 개발하여 부산항국제여객터미널과 KIOST 내 연구동에서 관측을 진행했다.

사진3: 2020년 11월 도입된 대기오염물질 농도 원격 측정 장비인 OPS 시스템

사진4: 간이 대기질 관측장비의 내부 모습(좌)과 외부 모습(우)

항만 및 배후 지역 미세먼지의 거동을 규명하기 위해 발생원별 특성을 파악하는 것이 중요했다. HR-ToF-AMS⁴⁾, SIFT-MS, AQMS와 같은 첨단 대기 모니터링 장비를 활용하여 항만에서 발생되는 미세먼지 및 전구물질의 물리 화학적 특성을 실시간으로 규명하였고, 이를 기상 데이터 및 다양한 모델링 기법과 결합하여 항만 지역의 대기오염 현황과 고농도 미세먼지 발생 특성을 규명하였다. 또한 선박 입출항 기록과 같은 항만 활동도 자료와 실제 관측 자료와의 비교를 통한 항만 활동도와 대기오염물질 발생과의 상관성도 확인하였다. 항만 기인 대기오염물질이 주변 지역 대기질에 미치는 영향에 대해서는 수리·통계적 분석법을 활용했으며, 오염원에 따른 대기오염물질 프로파일링을 위해서는, 필터 시료 분석을 통해 미세먼지 성분 (주요 이온, 중금속, 인공 방사능 등) 특성 및 거동 특성 (이동 경로, 확산 특성, 기원지 추적 등)을 파악했다. 그리고, 항만 노면 비산에 의한 인근지역 대기 미세먼지 오염에 대해서도 시료를 채취해 오염원 추적 및 분포 특성을 파악했다. 또한, 묘박지를 중심으로 부산항 미세먼지의 공간적 특성을 파악하기 위해 PM, NOx, SO2 농도 및 화학 특성도 분석하는 등 미세먼지 시료와 데이터 수집을 위한 연구원들의 열정은 대단했다.

사진5: 노면 먼지 시료채취

사진6: 항만 대기 필터 시료 채취

항만 미세먼지 분석을 위한
KIOST 연구원들의 노력

2년간 지속해서 이뤄진 관측과 분석을 바탕으로 지난 5월 항만 미세먼지 사전 워크숍과 총괄 워크숍이 이뤄졌다. 사전 워크숍에는 해양환경연구센터의 현상민 책임연구원과 심해저광물자원연구센터의 김원년, 관할해역지질연구단의 강정원, 해양환경연구센터의 박근하 책임연구원, 그리고 화상으로 남해연구소 위해성분석연구센터의 김동휘 선임연구원이 참석해 각자의 연구 자료를 발표했으며, 도출된 연구 결과를 공유했다.

김동휘 선임연구원은 항만 지역에서 찾아보기 힘들었던 미세먼지 연구, 특히 2차 미세먼지 생성에 대한 고해상도 자료가 부족해 연구의 필요성을 느꼈다고 말하며 발표를 시작했다. 이어서 첨단 대기 분석장비를 통해 얻은 실시간 관측 자료에 기반한 항만지역의 대기오염 특성 및 고농도 미세먼지 발생 특성을 분석한 결과와 정박지 모니터링, 부산항 해상 실시간 측정 및 공간적인 특성 파악 내용을 발표했다.

김원년 책임연구원은 선박에 대한 분석을 주로 발표했다. 수십만 개의 데이터가 있어서 아직도 분석 중이라 입을 연 김원년 책임연구원은, OPS 시스템을 활용해 부산항을 지나는 선박들의 대기오염물질을 측정하고 배출계수를 계산해 통계자료를 작성한 내용을 발표하였다. 주로 중유를 사용하는 화물선에서 대기오염물질인 CO, NOx, SOx가 배출되고 있으며, 계산된 배출계수를 적용하였을 때 NOx, SOx의 배출량이 유의미한 수준으로 감소한 것으로 나타났다. 이는 선박 연료유 황 함량 규제에 의한 SOx 배출량 감소와 항만 내 선박 저속운항에 따른 NOx 배출량 감소 효과로 판단하여, 결과적으로 선박배출에 의한 부산시 대기오염 영향 또한 감소한 것으로 제시하였다.

사진7,8,9: 김원년, 박근하, 강정원 책임연구원이 워크숍에서 연구 결과를 발표하고 있다.

박근하 책임연구원은 화산 영향으로 인한 가스 농도에 대한 설명과 계절별 무기질소 농도, 미세먼지 내 인공기원 유해 방사능 기원 및 거동 연구 내용, 항만 미세먼지 중금속 특성 조사 내용 등을 발표했다. 특히 2020년 황 규제에 들어간 시기 이후 니켈이 감소하고 바나듐이 감소했다고 밝혔다. 강정원 책임연구원은 드론을 활용한 미세먼지 관측 내용을 발표하였는데, 기존의 측정 고도인 150m에서 300m로 높여 측정한 결과를 공유하였다. 고도 150m까지 선박 플룸에 의한 영향이 있고 150m 이상은 관측되지 않았다. 특정 고도에서 농도가 높아지는 현상은 항만에서 특징적으로 관찰되는 현상이며, 선박 종류에 따라 저감 대책을 가져야 할 필요성을 느낀다고 발표를 마쳤다. 선박 종류를 동일시하여 김원년 책임연구원의 선박 대기오염물질 측정 배출계수와 비교할 수 있는지에 대한 의견이 나오기도 했다.

연구에 참여한 연구원들은 현재 단계는 항만 지역에서 인위적 기원으로 방출된 미세먼지를 구분해 내고, 형성되는 과정을 살펴보는 단계라고 설명했다. 물론, 선박에서 배출되는 미세먼지가 어느 정도이며, 과거와 어떻게 다른지를 살펴보는 것도 포함이다. 그리고 이들의 환경 영향에 대한 연구도 진행하고 있다고 한다. 앞으로는 통합적 또는 다학제적 연구를 통해 미세먼지 예측이 가능하도록 연구를 진행할 예정이라는 말로 워크숍은 마쳤다.

사진10: 부산항 집중관측소와 주변 관측소에서 측정한 대기오염물질 비교

사진11: CASE 3(남서풍)에 대한 드론 현장 관측 정점도 및 풍향, KIOST와 BP1의 풍속, PM2.5, 미세먼지 수 농도의 연직 분포

항만 미세먼지 모니터링이 나아가야 할 길

오는 6월 30일이면 ‘부산 항만 지역에서 미세먼지 발생과 거동에 대한 모니터링’사업도 종료된다. 사업에 참여한 연구원들은 2년간 조사하고 분석한 내용을 하나라도 더 남기기 위해 고군분투하고 있다. 워크숍에서도 미세먼지 대책 방안 마련을 위해 데이터 활용을 어떻게 할 것인가에 대한 목소리와 차후 계획에 대한 이야기가 나오기도 했다. 항만 미세먼지, 대기오염물질 관측과 모니터링의 중요성을 묻는 말에 현상민 책임연구원은 간단한 질문이지만 중요한 포인트라 답했다.

사진12: 현상민 책임연구원이 인터뷰에 답 하고 있다

미세먼지의 원인을 규명하고 파악하고 정책에 반영하는 이유는 오로지 ‘사람’을 위해서이다. 오늘도 연구자들은 책임과 의무로 연구를 계속하고 있다고 말한다. 보이지 않는 살인자와 보이지 않는 곳에서 치열하게 싸우고 있던 전사들의 오늘과 내일을 응원하고 싶다.

* 본 기사는 코로나 방역 수칙을 지켜 안전하게 촬영하였습니다.