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문제 정의
- 본 연구에서는 서울 지하철 시스템 내 근로자 및 이용자의 건강에 영향을 미치는 PM의 농도 특성 및 거동을 분석하기 위하여 서울시 지하철 4호선 M역사를 선정하여 승강장, 터널, 외기 3개 지점에서 PM10과 PM2.5 농도를 2010년부터 2013년까지 총 60일간 측정하였다.
- 또한 본선터널의 미세먼지 저감시스템 설치 및 운전에 따른 PM 저감효율을 확인하기 위하여 저감시스템 운전 전·후 PM 농도 변화를 측정하였다. 본 자료는 서울시민의 가장 중요한 교통수단 중 하나인 지하철시스템의 공기질 관리 및 환경개선을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 모든 지점에서 PM 측정은 24시간 단위로 같은 시간에 진행되었으며, 2010년부터 2013년까지 실시하였다. 2010년은 4월 21일부터 28일까지(8일간), 7월 14일부터 21일까지(8일간), 10월 12일부터 18일까지(7일간), 2011년은 1월 11일부터 17일까지 (7일간), 2012년은 10월 12일에서 23일까지(10일간), 2013년은 5월 29일에서 6월 3일(6일간), 9월 25일에서 10월 27일까지 (14일간) 총 60일간 측정하였다. 특히, 2013년 9월 25일부터 10월 22일까지의 측정은 미세먼지 저감시스템 가동에 따른 PM 오염도 변화를 분석하기 위하여 저감시스템 가동 전은 9월 25일부터 29일까지 5일간 측정하였으며, 가동 후는 10월 3일부터 5일, 22일에서 27일까지 9일간 측정하여 비교 분석하였다.
- 각 지점에서 사용한 샘플러는 PM mini-vol portable sampler (Model 4.1, Airmetrics Co., USA)와 PM sequential sampler(PMS-103, APM Eng, Co., Korea)로 외기와 승강장은 PM10과 PM2.5 mini-vol portable sampler를 사용하였으며, 시료채취 유량은 5 L/min로 고정하여 24시간 가동하였다. 측정시간은 타이머를 사용하였고, 샘플러가 과부하 등으로 인하여 정지하는 경우에 대비하여 샘플러에 부착된 카운터의 수치와 가동시간을 기록하였다.
- 또한 본선터널의 미세먼지 저감시스템 설치 및 운전에 따른 PM 저감효율을 확인하기 위하여 저감시스템 운전 전·후 PM 농도 변화를 측정하였다.
- 모든 지점에서 PM 측정은 24시간 단위로 같은 시간에 진행되었으며, 2010년부터 2013년까지 실시하였다. 2010년은 4월 21일부터 28일까지(8일간), 7월 14일부터 21일까지(8일간), 10월 12일부터 18일까지(7일간), 2011년은 1월 11일부터 17일까지 (7일간), 2012년은 10월 12일에서 23일까지(10일간), 2013년은 5월 29일에서 6월 3일(6일간), 9월 25일에서 10월 27일까지 (14일간) 총 60일간 측정하였다.
- 본 연구에서는 2013년 9월 25일부터 10월 22일까지 미세먼지 저감시스템 설치 및 가동에 따른 PM 오염도 변화를 분석하기 위하여 저감시스템 가동 전(9월 25~29일)과 가동 후(10월 3~5일, 22~27일)의 PM10과 PM2.5를 측정하였다. 미세먼지 저감시스템은 터널 환기실 내 기존 환기설비를 이용하여 환기팬 후단에 연결 덕트와 고유속 전기집진기 (EP; Electrostatic Precipitator), 댐퍼를 설치한 후 터널 내부의 함진공기를 외부로 배출하지 않고 EP로 먼지를 처리하여 내부로 다시 유입시키는 시스템이다.
- 서울시 4호선 M역의 지하철 승강장과 외기에서의 PM10, PM2.5 농도와 세계 여러 지역에서 측정한 자료를 비교하였다. M역 승강장의 PM 농도는 멕시코시티, LA, 타이페이, 부다페스트, 프라하, 도쿄, 베를린의 농도와 유사했으나(Mugica-Alvarez et al.
- 다른 나라의 지하철 터널 자료와는 비교하지 못했으나, 승강장의 PM 농도는 세계 주요 도시 중 지하철 승강장의 PM 농도가 낮은 국가들의 농도 수준을 보였으며, 이는 국내 지하철 시스템 내 공기질 관리가 잘 이루어지고 있음을 시사한다. 지하철 승강장과 터널의 PM 발생 특성을 파악하기 위하여 PM10과 PM2.5의 상관관계를 분석하였다. 터널의 PM10과 PM2.
- 5 mini-vol portable sampler를 사용하였으며, 시료채취 유량은 5 L/min로 고정하여 24시간 가동하였다. 측정시간은 타이머를 사용하였고, 샘플러가 과부하 등으로 인하여 정지하는 경우에 대비하여 샘플러에 부착된 카운터의 수치와 가동시간을 기록하였다. 역사 내 터널에는 PMS-103을 사용하여 시료를 채취하였다.
- 칭량 전·후의 무게차를 PM의 무게로 간주하였으며, 이를 유량으로 나누어 PM 농도를 계산하였다.
- 2010년은 4월 21일부터 28일까지(8일간), 7월 14일부터 21일까지(8일간), 10월 12일부터 18일까지(7일간), 2011년은 1월 11일부터 17일까지 (7일간), 2012년은 10월 12일에서 23일까지(10일간), 2013년은 5월 29일에서 6월 3일(6일간), 9월 25일에서 10월 27일까지 (14일간) 총 60일간 측정하였다. 특히, 2013년 9월 25일부터 10월 22일까지의 측정은 미세먼지 저감시스템 가동에 따른 PM 오염도 변화를 분석하기 위하여 저감시스템 가동 전은 9월 25일부터 29일까지 5일간 측정하였으며, 가동 후는 10월 3일부터 5일, 22일에서 27일까지 9일간 측정하여 비교 분석하였다.
- 표 2는 전기집진기 가동 전·후 각 측정지점의 PM10, PM2.5 농도 변화를 정리하였다.
대상 데이터
- 본 연구 결과 본선의 환기를 중단한 2013년 9월 25일부터 29일까지 5일간 자료를 제외한 터널의 PM10 측정자료 (시료수 55회) 중 200 μg/m3를 23회 초과하였다.
- 본 연구의 목적은 지하철 시스템 내 PM의 오염도 및 거동 특성을 평가하기 위하여 서울시 지하철 4호선 M역을 선정하여 2010년부터 2013년까지 외기, 승강장, 터널 등 세 지점에서 PM10, PM2.5를 동시에 측정하였다. 또한 본선터널의 미세먼지 저감시스템 설치 및 운전에 따른 PM 저감효율을 확인하기 위하여 저감시스템 운전 전·후 PM 농도 변화를 측정하였다.
- 5배의 농도 차이를 보였다. 본 연구의 측정대상인 M역이 포함된 서울 4호선의 22개 역사의 농도를 측정한 2004년 자료와 비교하였다(Kim et al., 2008). 2004년 서울 4호선 승강장의 PM10과 PM2.
- 시료포집에 사용한 필터는 직경 47 mm, pore size 2μm의 teflon filter (Zeflour, PAll Cor, USA)를 사용하였다.
- 측정시간은 타이머를 사용하였고, 샘플러가 과부하 등으로 인하여 정지하는 경우에 대비하여 샘플러에 부착된 카운터의 수치와 가동시간을 기록하였다. 역사 내 터널에는 PMS-103을 사용하여 시료를 채취하였다. 연구에 사용된 PMS 샘플러는 미국 EPA PM 측정방법에 적합하게 설계되었으며, 동시에 18개의 47 mm 필터의 장착이 가능한 기기이다.
- 역사 내 터널에는 PMS-103을 사용하여 시료를 채취하였다. 연구에 사용된 PMS 샘플러는 미국 EPA PM 측정방법에 적합하게 설계되었으며, 동시에 18개의 47 mm 필터의 장착이 가능한 기기이다. 설정된 주기 및 시간과 설정유량에 따라 각 필터에 분리해서 시료채취가 가능하며, 온도와 압력을 자동으로 보정하여 오차 ±1% 이내로 유량을 유지할 수 있다.
- 지하철 시스템의 PM 특성을 파악하기 위한 시료포집 위치는 그림 1과 같이 승강장, 터널, 외기 3지점으로, 외기는 M역에 인접한 치안센터 2층 건물 옥상에서 측정하였으며, 승강장은 M역에서 K역 방향의 승강장에서 측정하였다. 터널은 M역에서 K역 방향으로 약 70 m 정도 들어간 지점에서 측정하였으며, 터널 내 시료채취는 안전성을 고려하여 샘플러를 중앙기둥에 고정하여 설치하였다.
- 최근 조사한 4호선 M역 승강장의 낮은 PM 농도는 서울 지하철의 지속적인 공기질 관리의 결과로 사료된다. 터널 PM 농도는 2008년 서울 3호선 대청역의 터널에서 측정한 자료와 비교하였다 (Son et al., 2013). 대청역을 중심으로 학여울 방향과 일원 방향터널의 PM10 농도는 각각 111 μg/m3, 177 μg/m3으로 4호선 M역사 터널 202 μg/m3보다 다소 낮았다.
- 지하철 시스템의 PM 특성을 파악하기 위한 시료포집 위치는 그림 1과 같이 승강장, 터널, 외기 3지점으로, 외기는 M역에 인접한 치안센터 2층 건물 옥상에서 측정하였으며, 승강장은 M역에서 K역 방향의 승강장에서 측정하였다. 터널은 M역에서 K역 방향으로 약 70 m 정도 들어간 지점에서 측정하였으며, 터널 내 시료채취는 안전성을 고려하여 샘플러를 중앙기둥에 고정하여 설치하였다. 4호선 M역은 지하 2층으로 구성되어 있으며, 정거장 형태는 정거식, 총 승강장 길이는 205 m로 이루어져 있다.
성능/효과
- 5에 대한 측정지점별 상관관계를 분석하여 그림 5에 제시하였다. 그림 5(a)는 외기와 지하철 터널의 상관관계를 나타낸 것으로 PM10의 상관계수(R2)는 0.18, PM2.5는 0.42로 지하철 터널의 PM2.5는 외기와 비교적 높은 상관을 보였으나,PM10은 외기의 농도와 거의 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 이는 지하철 터널의 PM2.
- 7 μg/m3이었다. 각 지점별 PM10의 농도는 터널이 외기의 4.2배, 승강장의 2.4배로 높았으며, 승강장이 외기의 1.7배이상의 농도를 보였다. PM2.
- 7 μg/m3이었다. 각 지점별 PM2.5의 농도는 터널이 외기의 2.4배, 승강장의 1.7배로 높았으며, 승강장이 외기의 1.2배 농도수준을 보였다.
- 5% 증가하였다. 그러나 승강장과 터널에서의 PM10, PM2.5 농도는 미세먼지 저감시스템 가동에 따라 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 승강장의 PM10 농도는 저감시스템 가동 전 84.
- 일반적인 지하철 환기시스템을 적용하는 경우 지하철 터널 및 승강장의 오염농도는 외기의 오염도에 영향을 받는 것으로 보고되고 있다. 그러나 지하철 본선터널에 전기집진기를 설치 운영한 후 오염도를 분석한 결과, 전기집진기 가동 시 외기의 오염도에 영향을 받지않았으며, 내부 오염도가 크게 감소하는 것을 확인할수 있었다. 따라서 지하철 터널에 미세먼지 저감장치 설치 및 운전은 터널 내부에서 발생하는 미세먼지의 농도를 효과적으로 저감할 뿐만 아니라, 외기에서 유입되는 미세먼지의 오염도 역시 효과적으로 감소시킬 수 있는 것으로 확인할 수 있었다.
- 따라서 지하철 터널에 미세먼지 저감장치 설치 및 운전은 터널 내부에서 발생하는 미세먼지의 농도를 효과적으로 저감할 뿐만 아니라, 외기에서 유입되는 미세먼지의 오염도 역시 효과적으로 감소시킬 수 있는 것으로 확인할 수 있었다.
- 마지막으로 미세먼지 저감시스템 가동에 의한 PM 저감효과를 분석한 결과 외기의 PM 농도는 증가하였으나, 승강장과 터널의 PM10 농도는 18.4%, 31.2% 개선되었으며, PM2.5 역시 22.2%, 32.3% 저감효율을 보였다. 특히 외기의 농도가 높은 날에도 지하철 시스템 내 일정 수준의 PM 농도를 유지하고 있어, 적정한 공기질 관리를 위해서는 환기시스템과 함께 지하철 내부에서 발생하는 PM을 저감할 수 있는 저감시스템의 설치 및 운영이 필요할 것으로 판단된다.
- 7 L/min의 채취 유량으로 24시간 채취하였다. 본 연구에 사용한 모든 측정 장비는 측정 시작 전에 상호 비교를 통한 오차를 최소화하였다.
- 승강장의 PM10 농도는 저감시스템 가동 전 84.4μg/m3에서 가동 후 68.8μg/m3로 18.4% 감소하였으며, PM2.5 농도는 47.2 μg/m3에서 36.8 μg/m3로 22.2% 감소하였다.
- 5의 상관관계를 분석하여 그림 2에 제시하였다. 외기에서 PM10과 PM2.5의 상관계수(R2)는 0.88로 높은 상관관계를 보였으나, 터널에서의 PM10과 PM2.5의 R2는 0.5로 비교적 낮은 상관관계로 터널 내 거대입자와 미세입자의 오염원이 다른 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제시한 자료를 통해 PM의 정확한 오염원을 확인할 수는 없었으나, 기존 연구결과에 의하면 터널의 거대입자 발생은 레일과 바퀴의 마찰과 브레이크 마모(Park et al.
- 외기의 평균 PM10 농도는 미세먼지 저감시스템을 가동하지 않은 기간 동안 43.4 μg/m3에서 가동 기간 동안 48.8 μg/m3로 12.5% 증가하였으며, PM2.5 농도는 28.1 μg/m3에서 32.2 μg/m3으로 14.5% 증가하였다.
- 7배 수준으로 터널과 승강장의 높은 PM 농도는 미세입자보다는 거대입자에 의한 영향임을 알 수 있었다. 이러한 결과는 각 지점별 PM10 중 PM2.5의 비율(FR: fine ratio)이 외기는 0.71이나, 승강장과 터널은 각각 0.59, 0.41로 특히, 터널의 경우 PM10의 높은 농도가 거대입자의 영향임을 확인할 수 있었다. 지하철 터널의 높은 PM 농도는 외기의 유입보다는 내부의 열차운행에 따른 레일이나 전선, 브레이크의 마모에 의한 거대 입자의 영향으로 확인된다.
- 저감시스템 가동 후 9일 동안의 측정자료를 분석해 보면, 해당기간 동안 터널의 농도는 모두 200 μg/m3 이하의 일정한 농도수준을 보였다.
- 5와 PM10이 유사한 기원에 의한 영향을 확인할 수 있었다. 지하철 내부 오염도와 외기의 영향 요인을 파악하기 위하여 측정지점 별 상관관계를 분석한 결과 외기와 터널의 R2는 PM10 0.18, PM2.5 0.42로 지하철 터널의 미세입자는 외기와 비교적 높은 상관을 보였으나, 거대입자는 외기의 농도와 거의 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 이는 터널의 거대입자는 외부 오염도의 영향보다는 내부 발생원의 영향으로 확인할 수 있었다.
- 지하철 터널과 승강장의 농도는 외기 농도보다 PM10은 4.2배, 2.4배 높았으나, PM2.5은 2.4배, 1.7배 수준으로 터널과 승강장의 높은 PM 농도는 미세입자보다는 거대입자에 의한 영향임을 알 수 있었다. 이러한 결과는 각 지점별 PM10 중 PM2.
- 7 μg/m3로 가장 높은 농도를 보였다. 측정기간 동안 겨울철 외기의 PM 농도는 가장 낮았으나 지하철 시스템 내의 높은 PM 농도는 겨울철 낮은 기온에 의해 환기가동 시간의 감소로 지하철 내부 오염물질 축적에 따른 PM 농도가 크게 증가함을 알 수 있었다.
- 터널 PM10 농도는 저감시스템 가동 전 255.0 μg/m3에서 가동 후 175.5 μg/m3로 31.2% 감소하였으며, PM2.5 농도는 106.1 μg/m3보다 가동 후 71.9 μg/m3로 32.3% 감소하였다.
- 5의 상관관계를 분석하였다. 터널의 PM10과 PM2.5의 R2=0.5로 비교적 낮은 상관관계로 터널 내 거대입자와 미세입자의 발생원이 다른 것을 확인할 수 있었다. 반면 승강장은 R2 =0.
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