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문제 정의
- 이는 전동차의 운행시 열차바퀴 및 레일의 마모, 브레이크의 마용, 전력공급선의 마모 등에서 배출되는 것으로 추정되었다. 본 연구에서 PSD 설치 전∙후의 승강장에서 PM10기여도를 추정하기 위하여 시간에 따른 오염원의 기여도를 분석하였다(그림 5). 철 관련오염원이 승강장 PM10에 기여하는 정도는 PSD 설치 전∙후에 뚜렷한 차이를 보였으며, PSD 설치 전의 기여율은 59.
- 본 연구에서는 지하역사에서 PSD 설치 전∙후 PM10의 오염특성을 비교분석하기 위하여 지하 승강장에서 PM10의 농도를 심층적으로 조사하였다. 또한, PSD 설치 전∙후 지하역사 PM10 농도에 영향을 미치는 오염원을 확인하고 그 기여도를 평가하기 위하여 수용모델(receptor model)을 적용하였다.
제안 방법
- 또한, 추출된 수용성 이온성분의 농도를 분석하기 위해서는 이온크로마토그래피(Dionex사, Model DX-400)를 사용하였다. 5개의 양이온(Na+, K+, NH4+, Mg2+, Ca2+)의 경우 분리컬럼(separation column; Dionex Ionpac AS12A for anion and CS12 for cation)을 사용하였으며, 3개의 음이온(NO3-, SO42-, Cl-)은 가아드 컬럼(guard column; Dionex Ionpac AG 11 for anion and AG12A for cation)을 사용하여 분석하였다.
- PM10의 화학적 특성을 분석하기 위하여 PM10 중 무기원소와 이온성분을 분석하였다. 채취된 분진의 무기원소 분석을 위하여, 미국 EPA가 고시한 CWA (Clean Water Act)의 마이크로파 전처리법을 응용하였으며, Questron (Questron사, Model Q-15 MicroPrep)을 이용한 질산-염산 전처리 방법을 사용하였다.
- PMF 모델을 이용하여 서울시 지하철 7호선 J 역사 승강장의 PM10 농도에 영향을 미친 오염원을 확인하고 기여도를 정량적으로 추정하였다. PMF 모델링 수행 시 가장 중요한 단계는 인자(오염원)의 수를 결정하는 단계인데, 인자의 수가 너무 많으면 실제 존재하지 않는 오염원의 출현 가능성이 클 수 있고, 이와 반대로 인자의 수가 너무 적으면 여러 오염원이 중복되어 나타날 수 있다.
- USA)이며, 여지는 48시간 동안 항량한 후 마이크로밸런스(Mettler UTM-2)로 칭량하였다. 각 시료에서 칭량된 PM10의 중량을 샘플러에 유입된 공기유량으로 나누어 PM10의 중량농도를 산출하였다.
- 두 번째 오염원은 Si, Fe, SO42-, Na+ 등이 주로 기여하였기 때문에 외부로부터 유입된 토양에서 기안한다고 판단하여, 토양 및 도로비산먼지 관련오염원 (soil and road dust related source)으로 분류하였다(Li et al., 2004; Ramadan et al., 2000). 이 오염원의 EV 값의 경우 Ti, Si, Al의 값이 0.
- 분석된 화학종 중에는 결측자료와 검출한계 이하의 자료가 존재하였다. 본 연구에서는 검출한계 이하의 값에 대해서는 검출한계 값의 1/2로 대체하였으며, 결측치에 대해서는 해당 화학종의 기하평균으로 대체하는 방법을 사용하였다(Lee et al., 2002; Polissar et al., 1998). 한편, PMF 모델링을 수행하는 데 있어 2가지의 입력자료를 필요로 한다.
- 따라서 정확한 오염원 확인을 위해서는 관련문헌을 충분히 참고하여야 한다. 본 연구에서는 분류된 3개의 오염원에 대하여, 각 오염원 인자에 대한 화학종의 농도와 분율, 통계적 분석 등에 입각하여, 또한 각 오염원에 대한 특성 확인자(marker)를 바탕으로 오염원을 확인하였다. 미국 EPA의 Speciate 4.
- 8 μg/m3)를 보여 차이가 없었다. 승강장의 외기유입에 의한 토양 및 도로비산먼지 관련오염원의 기여도와 일반 도시대기 중의 기여도 결과와 비교하였다. Yoo et al.
- 39개 시료를 분석하였다. 이 자료를 PMF 모델의 입력자료로 활용하여, 승강장의 PM10 오염원을 정성적으로 확인하고 정량적으로 기여도를 추정하였다. 연구 결과에 의하면 PSD 설치 전∙후의 승강장 PM10 평균 농도는 152.
- 채취된 분진의 무기원소 분석을 위하여, 미국 EPA가 고시한 CWA (Clean Water Act)의 마이크로파 전처리법을 응용하였으며, Questron (Questron사, Model Q-15 MicroPrep)을 이용한 질산-염산 전처리 방법을 사용하였다. 이를 위해 여지를 일정한 크기로 절취하여 PFA liner에 넣은 후 61% 질산 7 mL와 35% 염산 3 mL를 가한 후 출력 4와 3에서 각각 5분씩 가온하여 무기원소 성분을 추출하였다. 추출한 용액은 필터여지(No.
- 3 m 깊이의 지하 3층에 위치해 있다. 전체 PM10 시료 채취 기간은 2008년 6월 12일부터 2009년 1월 12일까지 215일간이며, 특히 PSD 설치 전∙후의 오염원 기여도 평가를 위하여 전체 시료 중 2008년 8월 26일부터 10월 23일까지 39개 시료에 대해 금속과 이온성분을 분석하였다.
- 중 무기원소와 이온성분을 분석하였다. 채취된 분진의 무기원소 분석을 위하여, 미국 EPA가 고시한 CWA (Clean Water Act)의 마이크로파 전처리법을 응용하였으며, Questron (Questron사, Model Q-15 MicroPrep)을 이용한 질산-염산 전처리 방법을 사용하였다. 이를 위해 여지를 일정한 크기로 절취하여 PFA liner에 넣은 후 61% 질산 7 mL와 35% 염산 3 mL를 가한 후 출력 4와 3에서 각각 5분씩 가온하여 무기원소 성분을 추출하였다.
- 의 주요 오염원은 철 관련, 토양 및 도로비산 관련, 2차분진 등 3가지 오염원으로 확인되었다. 첫 번째 오염원은 그림 4와 같이 Fe이 대부분이며, 각 오염원에 대한 각각의 화학종의 기여정도를 보여주는 EV 값의 경우, Fe, Cd, Cu, Cr, Mn 등 금속성분의 값이 0.5 이상의 높은 값을 보이는 것으로 조사되어 철 관련오염원(ferrous related source)으로 분류하였다. 이는 전동차의 운행시 열차바퀴 및 레일의 마모, 브레이크의 마용, 전력공급선의 마모 등에서 배출되는 것으로 추정되었다.
- 한편, 수용성 이온성분은 분진시료 여지를 30 mL 초순수에 침적시켜 초음파 추출기를 사용하여 이온 성분을 추출한 후, 미세공극 형태의 막여지(membrane filter: pore size, 0.45 μm; diameter, 25 mm)로 여과하는 전처리 방법을 이용하였다.
대상 데이터
- 시료를 채취하고 분석하였다. PM10 시료채취는 2008년 9월 24일에 PSD 설치가 완공된 서울시 7호선상의 J 지하철역 승강장에서 실시하였다. 해당 역사의 승강장은 지상으로부터 23.
- PMF 모델링에 사용된 자료는 표 2와 같이 무기원소 11종(Ba, Mn, Cr, Cd, Si, Fe, Ni, Al, Cu, Pb, Ti)과 이온성분 7종(Cl-, SO42-, Na+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+)으로 구성된 39×18 행렬자료이다.
- PSD 설치 전∙후 지하철 역사 승강장에서의 실내공기질의 변화를 비교분석하기 위하여, 서울시 지하철 7호선 J 역사 승장장에서 2008년 6월 12일부터 2009년 1월 12일까지 215일간 PM10 농도를 분석하였으며 결과는 표 1과 같다. PSD 설치 전∙후 시료 개수는 각각 104개와 111개이며, PSD 설치 전의 PM10 농도범위는 68.
- PSD 설치 전∙후의 승강장 실내공기질 개선효과를 평가하기 위하여 PM10 시료를 채취하고 분석하였다. PM10 시료채취는 2008년 9월 24일에 PSD 설치가 완공된 서울시 7호선상의 J 지하철역 승강장에서 실시하였다.
- 본 연구에서는 지하철 역사의 PSD (스크린 도어) 설치 전∙후 승강장의 PM10 오염 기여도에 대한 평가를 비교분석하기 위하여 특정 역사를 선정하고, 2008년 8월 26일부터 10월 23일까지 채취한 39개의 PM1039개 시료를 분석하였다. 이 자료를 PMF 모델의 입력자료로 활용하여, 승강장의 PM10 오염원을 정성적으로 확인하고 정량적으로 기여도를 추정하였다.
- 서울시 지하철 7호선의 J 역사에서 스크린도어 설치 전∙후의 PM10 농도에 영향을 미치는 오염원을 확인하고 기여도를 평가하기 위하여, 2008년 8월 26일부터 10월 23일까지 총 39개 시료를 분석하였다. 이중 스크린도어 설치 전∙후의 자료는 각각 21개, 18개이었다.
- 승강장에서의 PM10 측정은 미국 Airmetric사의 저용량 시료채취 장치인 mini-volume portable sampler를 사용하였으며, 채취 유량은 5 L/min로 열차운행시간인 20시간 동안 연속하여 시료를 채취하였다. 시료 채취 여지는 직경 47 mm, 공극 0.
- 시료 채취 여지는 직경 47 mm, 공극 0.2 μm의 막여지(membrane filter: Pall Cor. USA)이며, 여지는 48시간 동안 항량한 후 마이크로밸런스(Mettler UTM-2)로 칭량하였다.
- 농도에 영향을 미치는 오염원을 확인하고 기여도를 평가하기 위하여, 2008년 8월 26일부터 10월 23일까지 총 39개 시료를 분석하였다. 이중 스크린도어 설치 전∙후의 자료는 각각 21개, 18개이었다. PMF 모델링에 사용된 자료는 표 2와 같이 무기원소 11종(Ba, Mn, Cr, Cd, Si, Fe, Ni, Al, Cu, Pb, Ti)과 이온성분 7종(Cl-, SO42-, Na+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+)으로 구성된 39×18 행렬자료이다.
데이터처리
- 다음 단계로 PMF 모델링 결과인 오염원 분류표와 오염원 기여도를 정량적으로 평가하기 위하여 시료의 PM10 질량농도와 추정된 오염원 기여도 값을 다중회귀분석(multiple linear regression; MLR)을 통해 얻은 scaling 상수를 이용하여 표준화시켰다. 이 회귀 분석 과정은 적정한 오염원의 수가 선택되었는지를 결정하는 중요한 지표로 활용될 수 있다.
이론/모형
- 의 농도를 심층적으로 조사하였다. 또한, PSD 설치 전∙후 지하역사 PM10 농도에 영향을 미치는 오염원을 확인하고 그 기여도를 평가하기 위하여 수용모델(receptor model)을 적용하였다. 수용모델은 외기뿐만 아니라 실내에서 측정 및 분석된 화학 성분 자료를 기반으로, 수용체에 영향을 미치는 오염원의 기여도를 정량적으로 평가하는 매우 유용한 방법으로, 실외 대기질 개선을 위한 관리 및 정책개발에 사용될 뿐만 아니라 실내공기질 관리를 위해서도 널리 이용되고 있다(Zhao et al.
- 본 연구에서는 분류된 3개의 오염원에 대하여, 각 오염원 인자에 대한 화학종의 농도와 분율, 통계적 분석 등에 입각하여, 또한 각 오염원에 대한 특성 확인자(marker)를 바탕으로 오염원을 확인하였다. 미국 EPA의 Speciate 4.0 source inventory (U.S. EPA, 2006)와 여러 관련문헌(Zhao and Hoke, 2006; Kim et al., 2004)을 참고하였다.
- , USA)에 담아 기기분석 때까지 4℃에서 보관하였다. 이와 같이 전처리가 끝난 시료용액은 ICP-AES 분석법(DRE ICP, Leeman Labs Inc)을 이용하여, Ba, Mn, Cr, Cd, Si, Fe, Ni, Al, Cu, Pb, Ti 등 11개의 무기원소 성분을 분석하였다.
- , 1994). 한편, 각종 수용모델 중 PMF (positive matrix factorization: 양행렬 인자화법) 모델은 오염원 자료(source inventory)의 확보가 어려운 경우 오염원 파악에 사용되고 있는 바, 본 연구에서는 PMF 모델을 지하철 역사에 적용하였다. 본 연구 결과는 PSD 설치로 인한 지하역사 내 공기질 개선 효과에 대한 평가자료로 활용할 수 있으며, 지하철역사 내의 PM10의 저감 및 환경기준 달성을 위한 합리적인 저감대책 강구에 도움을 줄 것으로 사료된다.
- PMF 모델링에 사용된 자료는 표 2와 같이 무기원소 11종(Ba, Mn, Cr, Cd, Si, Fe, Ni, Al, Cu, Pb, Ti)과 이온성분 7종(Cl-, SO42-, Na+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+)으로 구성된 39×18 행렬자료이다. 화학 종의 자료의 구성은 각 행(row)에 시료항목이 위치하고, 열(column)에 화학종의 농도값이 위치하도록 원자료를 정리하여 Q-mode 방법을 사용하였다. 표 2는 모델분석에 사용된 PM10 중 화학종의 통계치를 담고 있다.
성능/효과
- PMF 모델링 결과 J 역사의 PM10의 주요 오염원은 철 관련, 토양 및 도로비산 관련, 2차분진 등 3가지 오염원으로 확인되었다. 첫 번째 오염원은 그림 4와 같이 Fe이 대부분이며, 각 오염원에 대한 각각의 화학종의 기여정도를 보여주는 EV 값의 경우, Fe, Cd, Cu, Cr, Mn 등 금속성분의 값이 0.
- PSD 설치 전∙후 PM10의 평균농도는 그림 1과 같이 152.9±32.7 μg/m3과 121.5±27.5 μg/m3으로 PSD 설치에 따라 해당 역사의 PM10 농도가 20.5% 저감된 것으로 나타났다.
- 세 가지 오염원 중 최대 오염원인 철 관련오염원은 열차 운행으로 인한 지하 터널내부에서 방출된다고 판단되며, 레일, 바퀴, 브레이크의 마모 및 전력공급선의 마모 등을 통해 방출되고, 또한 지하철 운행 중 축적된 미세먼지가 열차풍에 의해 재비산된 것으로 사료된다. 결론적으로 PSD 설치로 승강장과 터널이 공간적으로 분리되어, 터널 및 지하철 내부발생 오염원인 철 관련오염원의 기여도는 59.1%에서 43.8%로 크게 감소하였으며, 지하철 외부발생 오염원인 미세 이차오염원의 기여도는 14.8%에서 29.9%로 크게 증가하였고, 토양 관련 비산먼지의 기여도는 변화가 거의 없었다. 따라서 PSD 설치로 지하철 승강장의 공기질은 다소간 개선되었으나, 외기 속에 함유된 미세분진의 오염도를 줄이기 위해서는 승강장에 공급되는 공기 중 미세분진 처리를 위한 방지설비의 개선과 환기시스템의 효율적 관리가 시급하다고 판단된다.
- PSD 설치 전에는 150~160 μg/m3 농도범위에서 가장 많은 빈도수(17개)를 보였으며, PSD 설치 후에는 130~140 μg/m3 농도범위에서 많은 빈도수(21개)를 보였다. 따라서 승강장에서 PSD 설치로 PM10 농도가 개선됨을 확인할수 있었다. 한편, PSD 설치에 따른 환경개선에 대한 타 연구결과에 의하면, 인천지하철의 경우 PSD 설치 전에는 PM10의 농도가 144.
- 본 연구에서는 일반적 이차분진 오염원의 주요 성분 중의 하나인 질산염(NO3-) 이온이 분석되지 않아 모델링 수행 시 입력자료로 활용되지 못하였다. 따라서 통계적으로 확인된 이 오염원 속에는 질산염 성분이 출현하지 않았지만, 본 미세 이차 분진은 외기 중 차량을 포함한 화석연료의 연소산물로 판단되었다. 이차분진이 승강장 PM10에 기여하는 정도는 그림 6과 같이 PSD 설치 전∙후에 각각 14.
- 6% 증가하였다. 본 연구결과 동일한 기간 동안 외기의 PM10 농도가 증가함에도 불구하고 PSD 설치영향으로 승강장의 PM10 농도는 저감되는 것으로 확인할 수 있다.
- 지하철에서 PM10 농도에 영향을 미치는 요인은 내부발생원과 외부발생원으로 구분할 때, 토양 및 비산먼지 오염원과 미세 이차분진은 외부로 부터 유입된 것으로 판단되고, 철 관련오염원은 지하철 내부 오염원으로 판단된다. 세 가지 오염원 중 최대 오염원인 철 관련오염원은 열차 운행으로 인한 지하 터널내부에서 방출된다고 판단되며, 레일, 바퀴, 브레이크의 마모 및 전력공급선의 마모 등을 통해 방출되고, 또한 지하철 운행 중 축적된 미세먼지가 열차풍에 의해 재비산된 것으로 사료된다. 결론적으로 PSD 설치로 승강장과 터널이 공간적으로 분리되어, 터널 및 지하철 내부발생 오염원인 철 관련오염원의 기여도는 59.
- 수용모델링 결과에 의하면, 지하철 승강에서 PM10의 주요 오염원은 철 관련오염원, 토양 및 도로비산 먼지 관련오염원, 미세 이차분진 등 3가지 오염원으로 확인되었다. 지하철에서 PM10 농도에 영향을 미치는 요인은 내부발생원과 외부발생원으로 구분할 때, 토양 및 비산먼지 오염원과 미세 이차분진은 외부로 부터 유입된 것으로 판단되고, 철 관련오염원은 지하철 내부 오염원으로 판단된다.
- 연구 결과에 의하면 PSD 설치 전∙후의 승강장 PM10 평균 농도는 152.9±32.7 μg/m3에서 121.5±27.5 μg/m3으로 약 20.5%의 저감효과를 보이는 것으로 나타났다.
- 이차분진이 승강장 PM10에 기여하는 정도는 그림 6과 같이 PSD 설치 전∙후에 각각 14.8% (24.4 μg/m3)와 29.9% (36.3 μg/m3)로 나타나 PSD 설치 후에 기여율이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
- 종합하여 PSD 설치로 승강장과 터널이 분리된 상태에서, 터널 및 지하철 내부발생 오염원인 철 관련 오염원의 기여도는 상대적으로 크게 감소하였으며, 지하철 외부발생 오염원인 미세 이차오염원의 기여도는 크게 증가하였고, 토양관련 비산먼지의 기여도는 변화가 거의 없었다. 따라서 PSD 설치로 승강장내 전반적 공기질은 개선되었다고 판단되지만, 미세 2차분진의 영향을 줄이기 위해서는 환기 시 승강장에 공급되는 공기 중 미세분진 처리를 위한 시설개선과 환기시스템의 효율적 관리가 시급하다.
- 철 관련오염원이 승강장 PM10에 기여하는 정도는 PSD 설치 전∙후에 뚜렷한 차이를 보였으며, PSD 설치 전의 기여율은 59.1% (97.8 μg/m3)에서 설치 후 43.8% (52.1 μg/m3)로 크게 감소하였다(그림 6).
후속연구
- 본 연구 결과는 PSD 설치로 인한 지하역사 내 공기질 개선 효과에 대한 평가자료로 활용할 수 있으며, 지하철역사 내의 PM10의 저감 및 환경기준 달성을 위한 합리적인 저감대책 강구에 도움을 줄 것으로 사료된다. 나아가 지하철 이용 시민들의 건강 및 복지증진을 위한 쾌적한 실내공기질 개선 방안 도출에 도움이 될 것으로 판단된다.
- 한편, 각종 수용모델 중 PMF (positive matrix factorization: 양행렬 인자화법) 모델은 오염원 자료(source inventory)의 확보가 어려운 경우 오염원 파악에 사용되고 있는 바, 본 연구에서는 PMF 모델을 지하철 역사에 적용하였다. 본 연구 결과는 PSD 설치로 인한 지하역사 내 공기질 개선 효과에 대한 평가자료로 활용할 수 있으며, 지하철역사 내의 PM10의 저감 및 환경기준 달성을 위한 합리적인 저감대책 강구에 도움을 줄 것으로 사료된다. 나아가 지하철 이용 시민들의 건강 및 복지증진을 위한 쾌적한 실내공기질 개선 방안 도출에 도움이 될 것으로 판단된다.
- EPA, 1999; Pilinis and Farber, 1991). 본 연구에서는 일반적 이차분진 오염원의 주요 성분 중의 하나인 질산염(NO3-) 이온이 분석되지 않아 모델링 수행 시 입력자료로 활용되지 못하였다. 따라서 통계적으로 확인된 이 오염원 속에는 질산염 성분이 출현하지 않았지만, 본 미세 이차 분진은 외기 중 차량을 포함한 화석연료의 연소산물로 판단되었다.
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