서울시 암모니아 발생량 확연한 증가 추세,
2차 생성 초미세먼지 생성기작의 핵심물질로서
도심지역 주요 암모니아 발생원 관리 저감 · 대책
시급히 마련되어야…
서울시 초미세먼지 최근 감소 추세 정체되며 고농도 , 현상 빈도와 세기 높아져…
대기 중 부유하는 입자로 정의되는 미세먼지는 그 크기에 따라 미세먼지(PM10, 지름이 10㎛ 이하)와 초미세먼지(PM2.5, 지름이 2.5㎛ 이하)로 구분되며 장기간 노출될 경우 호흡기질환, 심혈관질환, 피부질환, 안구질환 등 인체에 치명적인 악영향을 줄 수 있다고 알려져 있다. 또한 시정(visibility)에 영향을 미치며 반도체, 전자제품 같은 정밀 기계의 고장 원인 중 한 가지로 알려져 있다. 미세먼지의 심각성과 국민적 관심이 고조됨에 따라 정부는 2017년 ‘미세먼지관리 종합대책’을 수립하고 미세먼지 배출량을 2022년까지 30% 감축하여 서울의 초미세먼지 농도를 18㎍/㎥까지 줄이겠다는 목표를 제시한 바 있다. 최근 서울시에서 발표한 서울비전2030에 따르면 대기오염물질로부터 안전하고 숨쉬기 편한 도시 서울을 만들기 위해 서울시 초미세먼지 농도를 2030년까지 13㎍/㎥로 줄이겠다는 방향성을 공표하였다. 이러한 목표를 달성하기 위한 정부 및 서울시는 다양한 개선 정책을 수립하고 있다. 이러한 노력의 결과로 실제 서울시 초미세먼지 농도는 2017년 25㎍/㎥에서 2020년 21㎍/㎥으로 줄었으며, 미세먼지 나쁨일수 또한 2017년 64일에서 2020년 46일로 감소하였다. 하지만 다년간 관측 결과를 살펴보았을 때 감소 추세의 정체가 다소 보이기 시작하였으며, 특히 초미세먼지의 고농도 현상 빈도와 세기가 증가함에 따라 미세먼지 저감 목표 달성을 위해 다시 한번 미세먼지 감축 관련 연구 현황 및 실태를 파악하고 관련 정책을 검토하고 보완할 필요가 있다.
서울시 고농도 초미세먼지 발생 시 2차 생성 초미세먼지 비율 증가
초미세먼지는 굴뚝이나 공사장, 자동차 배기구 같은 대기오염 배출원에서 직접적으로 발생하여 대기 중으로 배출되는 직접 배출물질(1차 미세먼지)과 대기 중 가스상 대기 오염물질이 다른 물질과 광화학반응을 일으켜 생성되는 2차 생성 미세먼지로 구분할 수 있다. 이러한 초미세먼지의 2차 생성에 관여하는 주요 전구물질은 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 휘발성유기화합물(VOCs), 암모니아(NH3) 등이며 이들은 오존이나 수산화기 등과 광화학반응을 일으켜 유기물질, 황산암모늄, 질산암모늄 같은 2차 생성 미세먼지 입자로 변환된다. 특히 서울시는 2차 생성 초미세먼지의 영향을 많이 받는 것으로 조사되었다. 2019년 서울시 초미세먼지 성분을 분석한 결과, 서울시 초미세먼지에서 가장 높은 비중을 차지하는 성분은 질산염이온으로 24%를 차지하고, 그다음 황산염이온 14%, 암모늄이온 12% 순으로 분석되었다. 질산염이온은 주로 자동차와 같은 도로이동오염원에서 기인하는 것으로 알려져 있다. 이러한 이온성분은 2019년 서울시 초미세먼지 전체 성분비의 50% 이상을 차지하였으며 황산암모늄과 질산암모늄 같은 2차생성 미세먼지와 관련이 있다. 서울시 초미세먼지 고농도 현상이 지속되면 초미세먼지 중 황산암모늄과 질산암모늄이 70% 이상의 비중을 차지하기도 한다.
서울시 2차 생성 초미세먼지 전구물질 저감 대책, 주로 황산화물과 질소산화물 발생량 감축에 집중되어 있어
서울시 초미세먼지 고농도 주요 발생 시기인 겨울철에 서울시 초미세먼지 발생에 영향을 미치는 주요 배출원은 난방 같은 연료연소(31%)와 자동차(26%), 비산먼지(22%) 등인 것으로 분석되었다. 이에 따라 서울시는 가정용 친환경보일러 및 저녹스 버너 보급, 노후경유차 저공해 사업 및 친환경 보급 등 자동차와 연료연소 분야 초미세먼지 감축 사업을 지속적으로 추진하고 있다. 이들 사업은 서울시 주요 초미세먼지 전구물질 배출원인 질소산화물을 저감·관리하고자 하는 노력의 일환이다. 최근 서울시 초미세먼지 저감 목표 달성에 박차를 가하기 위해 서울시 암모니아 배출원을 규명하고 관리해야 한다는 목소리가 높아지고 있지만, 현재까지 서울시 암모니아의 현황 파악 및 원인 규명과 관련된 연구는 매우 제한적으로 이뤄졌으며 특히 초미세먼지 감축 전략 차원에서 추진된 암모니아 저감·관리 정책은 전무하다고 할 수 있다.
서울시 암모니아 발생량 전국 평균 대비 약 90% 상회 수준, 2015년부터 급격한 증가 추세
초미세먼지 저감 측면에서 대기 중 암모니아의 정도 파악 및 관리의 중요성이 부각하면서 서울시 암모니아 발생 현황 파악을 위한 연구가 지속적으로 수행되었다. 하지만 대기 중 반응성이 크고 미량으로 존재하는 암모니아의 특성상 암모니아 측정은 매우 한정적으로 이루어졌으며 현재 규격화된 암모니아 관측 방법 또한 부재하여 서울시 암모니아 발생 현황 파악을 위한 중장기 관측 자료의 확보가 어려운 상황이다.
최근 위성 탑재 센서의 기술 발달과 위성관측 신호 분석 기법이 발전함에 따라 비교적 양호한 시공간 해상도를 갖춘 위성관측 암모니아 정보가 제공되고 있다. 본 연구에서는 는 위성관측 자료를 사용한 암모니아 공간분포 분석을 통해 서울시와 경기도권에서 암모니아 주요 발생 지역을 확인하였다.
한반도의 경우 주로 축산과 농경 지역이 주로 분포하는 경기도 남부와 충남, 전북 등의 지역에서 고농도 암모니아 배출을 확인할 수 있었으며, 서울시의 경우 서쪽 외곽 지역에서 비교적 높은 농도의 암모니아가 분포함을 확인할 수 있다.
또한 위성관측 자료를 이용하여 우리나라 시도별, 연도별 암모니아 발생 추이를 확인하기 위하여 연도별 평균값을 산출하였다. 우리나라에서 배출되는 암모니아의 배출 정도는 2008년 이후 전국적으로 모두 증가하고 있음을 알 수 있으며, 특히 서울시의 암모니아 발생량은 2010년에 다소 감소하였다가 점차 증가하는 추세를 보이며, 특히 2016년에는 급증하는 것으로 나타났다. 위성관측 자료로 분석된 서울시 암모니아 발생량은 전국 평균 농도 대비 약 90.0±11.6%로 다소 낮은 값을 보였으나 다른 시도와 비교하여 주요 암모니아 배출원인 농경 및 축산 관련 시설이 극히 적다는 점을 감안하면 상당량의 암모니아가 배출되는 것으로 나타나고 있다.
휘발유, LPG, 경유 등 내연기관 자동차, 도심 지역 고농도 암모니아의 주요 배출원으로 추정
경유 차량에서 발생하는 대기오염물질을 처리하기 위해 장착하는 선택적 촉매환원(SCR: Selective Catalytic Reduction) 기술의 제약사항 중 하나로 미반응 암모니아가 그대로 배출 또는 암모니아 누출이 일어날 수 있다는 것이 널리 알려진 사실이며 이 같은 이유로 노후 경유 차량은 도심 지역 암모니아 발생의 주요 원인으로 알려져 있다. 하지만 최근 휘발유 혹은 LPG 차량 등에서 발생하는 일산화질소와 일산화탄소, 탄화수소를 저감하기 위해 사용하는 삼원촉매장치(TWC: Three-Way Catalytic Converter)의 반응 과정에서 암모니아를 생성시킨다는 연구 결과도 보고되고 있다. 2019년 말 기준 서울시에 등록된 자동차는 약 312만 대이며 그중 휘발유, LPG 차량은 전체 서울시 등록차량의 약 60%를 차지하여 서울시는 암모니아의 잠재적 배출원을 상당량 보유한 것으로 보인다.
실제 이동측정 차량을 이용하여 서울시 주요 지점 14곳에서 암모니아 농도를 측정한 결과 서울시 암모니아 농도 평균은 약 50ppb로 상당한 수준을 보였으며, 강변북로와 올림픽대로에서 측정된 암모니아 농도가 기타 일반 주거 및 상업지역에서 측정된 결과보다 훨씬 높은 수치를 보여 암모니아가 차량으로부터 주요하게 발생함을 유추할 수 있다. 그뿐만 아니라 서울 생활도로 주변에서 약 3개월 동안 암모니아 농도를 측정 결과 암모니아는 주로 출근시간(오전 8시)에 가장 높은 농도를 기록하였다가 점진적으로 줄어들고 다시 퇴근시간 무렵 증가하는 경향을 보였다.
초미세먼지 감축을 위한 서울시 자동차 배출 암모니아 기술적·정책적 관리 및 저감을 위한 제언
서울시는 암모니아 발생량이 증가하고 있는 추세를 보이고 있으며 이러한 암모니아 배출은 주로 자동차 등 도로이동오염원에서 기인하는 것으로 판단된다. 서울시 초미세먼지 저감 목표 달성을 위해서 암모니아 저감 및 관리를 위한 다음과 같은 기술적·정책적 방안을 제안한다.
[차량배출 암모니아 저감기술 도입]
· 암모니아 저감을 위한 암모니아산화촉매(AOC: Ammonia Oxidation Catalysis) 장치 부착을 통해 차량에서 암모니아 슬립 현상으로 발생되는 암모니아를 정화할 수 있다. 삼원촉매 또는 선택적 촉매로 산화시키지 못한 반응을 AOC를 이용하여 추가 산화시켜 암모니아 발생을 저감한다.
· 정부출연 연구기관에서 삼원촉매장치에 추가로 코팅하여 차량 배출 암모니아 저감 효과의 극대화를 기대할 수 있는 물질을 개발 진행중에 있다.
[차량 배출 암모니아 관측 체계 구축]
· 서울시 주요 암모니아 배출원으로 판단되는 이동오염원에서 발생하는 암모니아의 배출량과 특성을 파악하기 위해서 측정을 통한 기초차료의 확보가 시급함에 따라 서울시 주요 대기오염물질 측정망에 암모니아를 관측 항목으로 추가하여 장기간 연속 관측된 자료를 확보할 필요가 있다.
· 서울시 암모니아 관측 체계 구축을 위해서 능동적(Active) 관측 방법과 수동적(Passive) 관측 방법이 각각의 지역별 특성에 따라 혼용되어 사용될 수 있으며, 암모니아 농도 정보의 신뢰도 향상을 위해 규격화된 관측 프로토콜에 따른 측정 및 검·보정이 수행되어야 할 것이다.
· 서울시 암모니아 관련 위성관측 자료의 확보가 가능하고 관측 정보 분석 기법이 발달함에 따라 향후 지상관측 자료의 보완자료로 활용하여 서울시 암모니아 모니터링 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것이다.
[서울시 차량배출 암모니아 저감을 위한 정책사업 제언]
· 현재 서울시에서 초미세먼지 감축 방안의 일환으로 시행하고 있는 차량 관련 대기오염물질 저감 사업은 노후 경유 차량 통행 제한 및 저감장치, 폐차 지원 등에 집중되어 있으며, 이들 사업은 1차 배출 초미세먼지와 차량 배출 질소산화물을 감축하여 서울시 초미세먼지 저감에 일부 효과적인 것으로 보인다. 하지만 서울시 초미세먼지 감축 목표 조기 달성을 위해서는 차량에서 배출되는 암모니아 배출 저감을 위한 대책이 필요한 상황이며 다음과 같은 정책과 사업이 고려될 수 있을 것이다.
· 노후 경유 차량의 선택적촉매장치 교체 혹은 암모니아 저감장치 부착 지원 사업
· 노후 휘발유·LPG 차량의 삼원촉매장치 교체 혹은 암모니아 저감장치 부착 지원 사업
· 차량 배출 암모니아 규제 적용 차종의 확대 및 노후 경유 차량 중심의 차량 제한 정책 개선
· 암모니아 배출기준 초과 노후 차량 조기 폐차 지원 사업