지하철 터널 고농도 미세먼지는 지하철 공기질 악화의 주요원인
근본적 개선을 위해 터널 현장 유형별 저감기술 선정·도입과
미세먼지 측정망 구축을 통한 실제 저감효과 측정되어야
지하철 미세먼지 농도 21개 다중이용시설군 중 두 번째로 높아
2019년 1일 평균 이용객 수가 약 780만 명이며, 교통수단 부담률은 40%에 이르고 있다. 이렇듯 매일 수백만의 시민이 이용하는 지하철은 시민들의 생활공간으로써 깨끗한 실내공기질을 유지하여야 한다. 하지만 환경부의 조사결과에 의하면 21개 다중이용시설군(지하역사, 지하도 상가, 박물관, 의료기관, 어린이집, 실내주차장, 실내체육시설, 실내 공연장 등) 중 지하철 역사는 실내 주차장에 이어 두 번째로 미세먼지 농도가 높은 것으로 나타났다. 서울시 지하철 1~9호선 지하역사의 실내 미세먼지 평균 농도는 83.2μg/m3로 2018년 개정된 ｢실내공기질 관리법 시행규칙｣에서 지정한 지하역사의 미세먼지 기준 농도인 100μg/m3보다는 낮은 수준이다. 그러나 이는 전체 운행 시간 동안 측정된 평균값으로, 실제 승객들이 가장 몰리는 혼잡시간에는 여전히 높은 미세먼지 농도가 측정되고 있다.
지하철 공기질 개선의 근본적 대책을 위해 터널 미세먼지 저감 고려되어야
과거 3차례에 걸친 ‘지하역사 공기질 개선대책’에 포함된 다양한 지하철 미세먼지 저감 사업을 통해 지하철 역사의 미세먼지(PM10 기준) 농도는 꾸준히 감소하고 있다. 하지만 최근 이러한 감소추세가 둔화되면서 시민들이 지하철 공기질 개선 효과를 직접 체감하기 어려워졌고, 이로 인해 확실한 공기질 개선을 위한 근본적인 대책이 마련되어야 한다는 의견이 모아지고 있다. 최근 연구에 따르면 지하철 터널의 미세먼지 농도가 지하철 역사나 객차의 미세먼지 농도에 큰 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다. 터널의 미세먼지는 지하철 운행 시 레일이나 팬터그래프 등의 마모로 발생하거나 터널 환기시설을 통해 내부로 유입되어 터널에 축적되는데, 이렇게 고농도로 축적된 미세먼지는 열차 운행 시 열차풍에 의해 비산되고 승강장, 대합실, 객차 등으로 전파되어 지하역사의 공기질을 악화시키는 주요인이 된다. 과거 지하철 터널의 미세먼지를 줄이기 위한 노력이 다수 수행된 바 있으나 현재 지하철 터널의 미세먼지 농도는 과거 2010년 대비 약 11% 증가했으며 이 수치는 역사 미세먼지 농도 대비 2.3배 높은 수준으로 지하철 실내 공기질의 근본적 개선이 필요한 시점이다. 따라서 지하철 역사, 승강장, 객차의 공기질 개선의 노력과 함께 지하철 터널 미세먼지 저감과 같은 근본적인 개선책들이 적극적으로 검토되어야 한다.
미세먼지 저감기술 특성 제각각, 현장 환경과 특징에 따른 기술 도입되어야
지하철 환기설비는 미세먼지의 거동에 직접적인 영향을 미치기 때문에 환기설비를 활용한 다양한 미세먼지 저감기술이 개발되었다. 대표적으로 전기집진 방식과 여과집진 방식이 있는데, 전기집진 방식은 대용량의 미세먼지 저감이 가능하고 압력손실이 적으나 초기 설치비용이 높고 코로나 방전으로 인한 오존이 발생한다는 단점이 있다. 여과집진 방식은 미세먼지 차단효율 높고 집진 성능 대비 설치비 및 유지비가 낮으며 설비구조가 간단하다는 장점이 있으나 필터의 주기적 교체가 필요하고 필터에 의한 초기 압력손실이 높다는 단점이 있다. 또한 지하철 환기설비에 적용 시 집진설비 구성품의 내구성, 공기 유동 저항의 최소화, 동절기 낮은 기온 저항성, 집진설비 설치 공간 확보, 공기 통로의 기밀성, 최소 환기량 충족, 화재 시 기류 속도 등과 같은 각각의 현장 환경과 특징을 만족해야 한다. 과거 지하철 미세먼지 저감을 위해 지하역사에 저감기술을 도입하려는 시도가 있었지만 대부분 지하역사의 현장환경과 특징을 고려하지 않고 설치되었으며 이후 오작동 발생과 사후관리 문제로 현재 대부분 방치 혹은 가동 중지 상태에 있다. 앞서 언급했듯이 근본적 개선이 필요한 지하철 터널의 경우 미세먼지 저감기술 도입 시 지하역사의 환기설비에 도입된 과거 사례들의 문제를 투영하여 터널 환경 및 특성을 고려한 가장 적절한 기술이 선택적으로 도입되어야 한다.
지하철 터널 미세먼지 농도는 터널 내 미세먼지 발생과 환기 조건에 크게 좌우
지하철 터널의 미세먼지 농도는 크게 두 가지 변수의 영향을 받는데, 첫 번째는 미세먼지 발생원 관련 변수이고 두 번째는 환기 조건 변수이다. 미세먼지 발생원 관련 변수로는 터널 길이와 최소곡선 반경이 있는데, 터널 길이가 길고 최소곡선 반경이 짧을수록 레일과 휠의 마찰로 인해 미세먼지 발생량이 증가한다. 터널 환기 환경 조건 변수로는 터널 심도, 환기량, 환기구 높이가 있으며, 터널 미세먼지 유출입에 영향을 미친다. 지하철 5~8호선의 미세먼지 발생원 및 터널 환기 환경과 관련된 변수는 아래 표와 같이 다양하게 분포한다.
지하철 터널 환경을 고려한 목적형 미세먼지 저감 적정기술 도입 촉구
지하철 터널 미세먼지 농도에 영향을 미치는 조건 변수들을 입력자료로 사용하여 군집분석을 실시한 결과, 서울시 5~8호선의 지하철 터널은 5개의 유형으로 군집 분류되었다. 형성된 유형에 대한 터널 길이, 최소 곡선 반경, 환기 용량, 환기구 평균 높이, 터널 최소 심도의 특성은 아래와 같이 분명히 구분되며, 각각의 유형에 따라 제안되는 미세먼지 저감기술이 다르다.
유형 1은 터널 길이가 가장 길고, 환기구 높이가 가장 높으며, 비교적 환기 용량이 작은 구간의 터널들이 속하였다. 유형 1의 터널 내부에서는 미세먼지가 다량 생성되고 축적될 뿐만 아니라 적은 환기량으로 터널에서 발생한 미세먼지가 외부로 배출되지 않고 내부에 정체되는 현상이 나타난다. 따라서 유형 1에 적합한 저감기술 선정을 위해 적은 환기량을 통한 미세먼지 배출 가능성을 파악한 뒤에, 터널 내부에서 발생한 미세먼지를 효과적으로 제거하는 전기집진기, 미세먼지 제거 차량, 미세먼지 제거 무동력 집진기 등의 저감기술이 도입되어야 한다. 유형 4의 경우 터널 길이가 짧고 심도가 깊으며 환기 용량이 높은 구간의 터널들이 속하는데, 이러한 유형 4의 특징은 터널 내부 미세먼지 발생량이 유형 1에 비해 적고 외기에 기원한 작은 대기 오염입자의 영향이 높아 초미세먼지와 같이 입자의 크기가 작은 오염입자의 포집이 가능한 집진기술이 도입되어야 한다.
지하철 터널 미세먼지 농도 연속 모니터링 시스템 확충 시급
지하철 터널 미세먼지 특성에 따른 적절한 미세먼지 저감기술 선택에 있어 신뢰도 높고 안정적인 지하철 터널 미세먼지 농도의 장기관측 자료는 필수이다. 그럼에도 불구하고 현재 지하철 터널 미세먼지 농도에 대해 신뢰 높은 관측망이 구축되어 있지 않아 터널 내부 미세먼지 농도와 각각의 터널 유형과의 상관관계를 분석하기에는 제한적인 현황이다. 뿐만 아니라 터널 미세먼지 저감기술 도입 이후 저감기술들의 실제 저감 효율을 측정하기 위해서 지하철 터널 미세먼지 농도의 연속 모니터링 시스템 도입이 시급하다. 지하철 터널의 환경 특성을 고려하였을 때 극한 환경에서 안정적인 미세먼지 농도 데이터의 측정이 가능한 미세먼지 측정기 성능이 요구되며, 미세먼지 측정기의 안정적인 관리를 위해 미세먼지 측정기의 규모와 작동에 필요한 공간의 확보, 상시전원 공급 가능 여부 등이 다각적으로 검토되어야 한다.