1. 서 론

서울시는 도시철도망이 가장 발달한 도시 중 하나 이며, 도시철도는 중요한 이동수단이다. 국토교통부 대중교통현황조사 자료에 따르면, 2019년을 기준으 로 1주간 대중교통 이용횟수는 서울에서 67.3%가 도 시철도를 이용하여 출퇴근을 하거나 등하교 등을 한 다. 2019년 서울교통공사의 월별 승객 승하차 인원정 보에 따르면 수도권 1~8호선 중 2호선은 전체의 23% 정도로 높은 비율로 이용하고 있었다.

도시철도 이용객의 안전 강화 및 공기질 관리를 위 해 수도권에서는 2007년부터 2009년까지 스크린도어 (Screen Door)가 설치되었다. 하지만 스크린도어 설치 후 터널 등의 오염물질 배출경로가 감소하면서, 오염 된 터널을 운행하는 도시철도 객차 내의 실내공기질 관리에 대한 우려 또한 존재하였다(Kim et al., 2017). 서울 도시철도는 대부분 지하에서 운행하기 때문에 자연환기가 어려우며, 밀폐된 공간에 많은 인원을 수 송하고 외부로부터 유입되는 배기가스, 이용객의 호 흡으로 인한 CO₂ 등으로 실내공기질이 악화될 수 있 다(Kim et al., 2020;Sakong et al., 2009). 특히 실외 대 기 또는 터널 내 레일 및 바퀴의 마모로 발생된 PM₁₀ 과 PM_2.5 같은 입자상 물질이 객차에 유입되어 이용 객들이 입자상 물질에 노출될 수 있다(Son et al., 2013;Lee et al., 2017).

이러한 입자상 물질은 입자의 직경에 따라 분류하 며 공기역학적 직경이 10 μm 이하를 PM₁₀, 2.5 μm 이 하를 PM_2.5로 정의한다. 입자상 물질의 크기, 성분 등 다양한 물리·화학적 조성은 인간의 건강영향과 관련 이 있으며, 10 μm 보다 큰 입자는 호흡기로 침투할 가 능성은 낮지만, 5 μm 보다 작은 입자는 기관지로 침 투하는 위험요인으로 알려져 있다. PM_2.5는 호흡기를 통해 혈관·림프관의 침투율이 높아 다양한 질환과 밀 접한 관련이 있다(Samet et al., 2000). 미국의 성인 500,000명을 대상으로 미세먼지와 심혈관질환의 관 련성을 조사한 연구에서, 미세먼지 농도가 증가할 때 질환의 발생 및 사망률이 비례적으로 증가한다고 보 고하였다(Pope III et al., 2002). 이러한 위험 때문에 2013년 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소 (IARC) 는 미세먼지를 1급 발암물질로 지정하였다(Loomis et al., 2014).

우리나라는 대중교통 내 실내공기질을 관리하기 위 하여 도시철도 및 철도, 시외버스에 한하여 실내 초 미세먼지(PM_2.5)와 이산화탄소(CO₂) 농도에 대해 권 고기준을 마련하였고 2020년 4월부터 연 1회 측정을 의무화하였다. 이와 더불어 2020년 서울 도시철도 중 일부 노선은 미세먼지의 노출을 줄이기 위해 객차 내 필터형 공기청정기가 설치된 신조 도시철도를 도입 하였다. 그러나, 신조 도시철도가 도입된 후 공기청정 기 사용으로 인한 미세먼지 저감효과에 대한 정보는 제한적이다. 따라서 본 연구는 공기청정기가 설치된 신조 도시철도를 대상으로 객차 내 공기청정기 가동 유무에 따른 PM₁₀과 PM_2.5의 농도 차이를 비교하고자 하였다.

2. 연구방법

2.1 연구 대상 및 기간

서울 도시철도 2호선의 본선 중 외선에서 운행되며 공기청정기가 설치된 신조 도시철도 1편성(subway train)을 대상으로 하였다. 서울 도시철도 2호선은 본 선과 지선으로 구분되며, 본선의 경우 노선이 순환하 는 형태로 구성되어 있다. 1편성은 10량(cabin)으로 이 루어져 있으며, 본선의 경우 총 86편성으로 평일 540 회, 휴일 435회 운행한다. 대상 신조 도시철도 1편성 은 10량으로 구성되어 있었고, 1량 당 좌석 상단에 공 기청정기 4대가 설치되어 있었다.

2020년 2월 14일부터 2월 28일까지 도시철도 이용 자가 상대적으로 적은 비혼잡시간(15:00~17:00)과 이 용자가 많은 혼잡시간(18:00~20:00) 각 1회씩 총 14회 반복 측정하였다. 환경부^「실내공기질 관리를 위한 대중교통차량의 제작·운행 관리지침, 2020_」에서는 혼잡시간의 경우 출퇴근 시간인 07:30~09:30 또는 18:00~20:00을 말하며, 비혼잡시간은 혼잡시간을 제 외한 시간대를 말한다. 본 연구에서 1회 측정은 해당 편성이 홍대입구역에서 출발하여 순환 후 홍대입구 역으로 도착하는 시간까지였다.

해당 공기청정기의 규격은 크기 813(L) × 298(W) × 163(H) mm³, 중량 10 kg, 소비전력 120W± 10%, 풍량 250m³/h ± 10%, 소음 65 dB(A) 이하로 구성되어 있다. 설치된 공기청정기 내 필터의 규격은 480(L) × 140(W) ×30(H) mm³이었고 입자 0.3~10.0 μm 크기에서 98.4%~ 99.9% 포집효율(Initial fractional efficiency)을 가졌다. 객차를 전부(1~3량), 중부(4~7량), 후부(8~10량)로 총 세 구역으로 구분하여, 전부와 후부 객차는 공기청정 기 가동(On) 상태로, 중부 객차는 미가동(Off) 상태로 설정하였다(Fig. 1). 본 연구 측정시 해당 편성의 공기 청정기 가동 세기는 약으로 운행하였다. 하지만 객차 내 환기 가동 시스템(HVAC) 운영여부는 확인할 수 없 었다.

3량과 4량 사이, 5량과 6량 사이, 7량과 8량 사이의 격문이 설치되어 있었고 그 외 지점은 격문이 없었다. 편성 내 전부, 중부, 후부의 경계지점 격문은 이용객 이동시에만 열리도록 설정하였고, 현장 연구원 1명은 측정하는 동안 도시철도 안을 지속적으로 이동하며 격문이 열려있을 경우 닫히도록 하였다.

2.2 측정 방법 및 데이터 분석

홍대입구역에서 공기청정기가 설치된 신조차량의 편성이 들어오면 현장 연구원 3명이 전부, 중부, 후부 에 동시 탑승하여 1회 순환하는 동안 연속으로 측정 하였다. 객차 내 PM₁₀, PM_2.5 농도는 광산란방식의 휴 대용 장비인 에어로졸 측정기 11-A (Grimm, Germany) 를 사용하여 1분 기록 간격으로 측정하였다.

일반적으로 다중이용시설의 공기질을 평가할 때 중 량법이나 베타선흡수법으로 측정하도록 권고하고 있 다. 채취된 먼지의 무게를 직접 칭량하는 중량법은 정 확도가 매우 우수하지만 실시간 측정이 불가능하고, 빛의 감쇄계수를 질량으로 환산하는 자동측정법인 베타선흡수법은 장비가 크고 이동이 자유롭지 못하 다는 단점이 있다(Lee and Park, 2019). 본 연구에서는 도시철도 객차 내 공기질 측정을 위해 공간 확보의 어 려움 및 승객의 불편함을 최소화하여 시간별 거동을 파악하고자 광산란측정기를 사용하였다. 본 연구에 서 사용한 11-A는 간이측정기 성능인증 1등급을 받 은 장비이다. 도시철도 객차 내 입자상 물질의 농도 와 실외 대기와의 관계를 평가하기 위해 도시철도에 서 측정한 동일한 날짜의 비슷한 시간동안 서울시 25 개 지점의 대기 중 PM₁₀과 PM_2.5 평균 농도 자료를 에 어코리아(https://www.airkorea.or.kr)에서 제공받아 이 용하였다(Table 1).

총 14회 순환하며 측정된 자료 중 3개 자료는 분석 에서 제외하였다. 제외된 3개 자료 중 1개 자료는 도 시철도 구역 별 공기청정기 가동이 일관되지 않았고, 2개 자료는 객차 내 모든 객차의 공기청정기가 작동 되지 않았다. 따라서 총 11개의 자료를 이용하여 분석 하였다.

도시철도 측정데이터에 대한 통계분석은 SPSS (version 12.0)를 사용하여 평가하였다. 도시철도 편성 내 전부, 중부, 후부의 PM₁₀과 PM_2.5의 농도 및 각 구 역별 차이는 모두 정규분포(Normal distribution)화 하 였다. 전부, 중부, 후부의 PM₁₀과 PM_2.5 농도 차이 및 공기청정기 가동 구역과 미가동 구역의 PM₁₀과 PM_2.5 농도 차이는 paired-t-test를 이용하였다. 객차 내 PM₁₀ 농도와 PM_2.5 농도의 관계를 평가하기 위해 단순회귀 분석을 이용하였다. 통계분석 시 유의수준(p-value)은 0.05 이하로 하였다.

3. 결 과

3.1 측정구역간 입자상 물질 농도

11회 측정 자료 중 대표적인 1개 측정 자료를 이용 하여 신조 도시철도가 1회 순회하는 동안 측정된 객 차 내 PM₁₀과 PM_2.5의 실시간 농도를 나타내었다(Fig. 2). 일반적으로 서울 도시철도 2호선의 경우 1개 정거 장 이동 시 약 3분~4분 정도 소요되어, 4분 평균 농도 로 그래프를 나타내었다. 전반적으로 도시철도의 PM₁₀ 과 PM_2.5 농도는 공기청정기가 가동되고 있는 전부와 후부가 중부보다 낮은 경향을 보였다. 객차 내 PM₁₀ 농도는 전부의 경우 41.8 ± 12.5 μg/m³, 중부의 경우 51.4 ± 15.0 μg/m³, 후부의 경우 45.8 ± 11.9 μg/m³ 이었 다(Fig. 3). PM₁₀ 농도는 중부가 전부 및 후부보다 통 계적으로 유의하게 높았다(p<0.001). 전부와 후부의 PM₁₀ 농도는 통계적으로 유의한 차이가 있었지만 (p<0.001). 두 지점의 PM₁₀ 농도 값의 차이는 크지 않 았다.

객차 내 PM_2.5 농도는 전부의 경우 32.4 ± 12.6 μg/m³, 중부의 경우 39.2 ± 14.4 μg/m³, 후부의 경우 35.1 ± 11.9 μg/m³ 이었다(Fig. 3). PM_2.5 농도는 중부가 전부 및 후부보다 통계적으로 유의하게 높았다(p<0.001). 전 부와 후부의 PM_2.5 농도 또한 PM₁₀과 동일하게 통계 적으로 유의한 차이를 보였지만(p<0.001), 두 지점의 PM_2.5 농도 값의 차이는 크지 않았다.

3.2 공기청정기 가동 구역에 따른 입자상 물질 농도

도시철도 객차 내에서 공기청정기를 가동한 구역 간(전부와 후부) PM₁₀ 또는 PM_2.5 농도의 차이가 크지 않았기 때문에 두 구역의 PM₁₀ 또는 PM_2.5 평균값을 산출하여 공기청정기 가동 구역으로 정의하여 추가 분석하였다. 객차 내 PM₁₀ 농도는 공기청정기 가동 구 역의 경우 43.8 ± 12.1 μg/m³, 미가동 구역의 경우 51.4 ± 15.0 μg/m³ 이었고 두 구역 간 통계적으로 유의한 차 이가 있었다(Table 2, p<0.001). PM_2.5 농도는 공기청정 기 가동 구역의 경우 33.7 ± 12.2 μg/m³, 미가동 구역의 경우 39.2 ± 14.4 μg/m³ 이었고 두 구역 간에도 통계적 으로 유의한 차이를 보였다(p<0.001). 공기청정기가 가동되는 구역이 가동되지 않는 구역보다 PM₁₀의 경 우 평균 7.6 μg/m³ (감소율 14.8%), PM_2.5의 경우 평균 5.5 μg/m³ (감소율 14.0%) 감소하였다(Fig. 4).

공기청정기 가동여부에 따른 PM₁₀과 PM_2.5의 상관 관계를 Fig. 5에 나타내었다. 객차 내 PM₁₀과 PM_2.5는 공기청정기 가동구역(R²=0.88)과 미가동구역(R²=0.83) 에서 통계적으로 유의한 상관관계가 있었다. PM₁₀ 중 PM_2.5가 차지하는 비율은 공기청정기 가동 구역의 경 우 78%, 미가동구역의 경우 77%이었다.

3.3 객차 내 입자상 물질 농도와 관련 요인

객차 내 PM₁₀과 PM_2.5 농도와 실외 대기 중 PM₁₀과 PM_2.5 농도를 비교 분석하였다(Fig. 6). 객차 농도는 실 외 대기 중 PM₁₀ 농도(R²=0.57)와, PM_2.5 농도(R²=0.88) 로 통계적으로 유의한 상관관계가 있었다. 하지만 객 차 내 PM₁₀과 PM_2.5 농도는 혼잡시간 여부와 관련이 없었다.

4. 고 찰

현재^「실내공기질관리법 시행규칙_」으로 규정하 고 있는 대중교통객차 내 PM_2.5 농도는 혼잡시간 여 부에 관계없이 1회 운행 시 50 μg/m³로 권고하고 있 다. 본 연구에서 측정된 PM_2.5 농도는 권고기준과 비 교시 공기청정기 가동 구역의 경우 권고기준과 비교 하면 32.5%, 미가동 구역의 경우 21.6%로 낮은 수준이 었다. 공기청정기 가동 여부와 관계없이 기준보다 낮 았지만 공기청정기를 가동한 구역의 감소율이 더 높 게 나타났다.

서울 도시철도 2호선의 입자상 물질의 농도는 공기 청정기가 가동되지 않은 구역의 PM_2.5 농도(범위: 20.6~68.4 μg/m³)와 기존 연구와 비슷한 수준이었다. 2013년 서울 도시철도 2호선을 대상으로 객차 내부에 서 PM₁₀ 농도를 측정했을 때 객차 농도는 124.7 μg/m³ 이었다(Lee et al., 2014). 2018년 동일한 2호선을 대상 으로 정차하는 역사별 객차 내 농도를 측정했을 때 객 차 내 PM_2.5 농도의 범위는 7.5~66.9 μg/m³로 나타났다 (Shin et al., 2019).

기존에 도시철도 객차의 롤필터 집진장치를 이용 하여 입자상 물질의 저감 효과를 평가한 연구가 있었 다(Kim et al., 2014). 2011년에서 2013년 서울 2호선 객 차에서 진행된 이 연구는 롤필터 집진장치를 가동한 객차와 가동하지 않은 객차의 농도를 비교하였는데, PM₁₀ 경우 각각 112.2 μg/m³, 132.8 μg/m³ 이었고, PM_2.5 경우 각각 73.9 μg/m³, 81.4 μg/m³ 이었다. PM₁₀은 15.5%, PM_2.5는 26.0%의 저감효율을 보였으며, 집진장 치는 입자가 작은 PM_2.5의 제거에 효율적임을 알 수 있었다. 본 연구와 비교하여 입자상 물질이 고농도인 점을 고려해보면 상대적으로 저감효율이 본 연구보 다 높은 것으로 생각된다. 또 사전연구는 공기를 이 온화시킨 입자를 집진장치로 여과하는 방식이었고 본 연구는 필터형 공기청정기를 대상으로 하여 가동 방법이 상이하였다.

객차 내 환기시스템(HVAC)의 사양과 구체적인 가 동여부는 확인할 수 없었지만, 본 연구 측정 당시 평 소의 환기시스템 운영방식대로 가동했으리라 판단하 고 분석하였다. 따라서 환기시스템으로 인한 농도 분 포 영향은 적었을 것으로 사료된다.

본 연구에서 실외 대기와 객차 내 PM₁₀과 PM_2.5 농 도와 관련이 있었다. 특히 객차 내 PM₁₀ 농도보다 PM_2.5 농도가 실외 대기 중 농도와 상관관계가 더 높았다. 이러한 결과는 PM_2.5가 PM₁₀보다 대기의 영향을 더 받 는다는 것을 보여준다. 대기 중 입자상 물질 농도는 도시철도 객차 내 입자상물질 농도와 관련이 있었기 때문에 대기의 입자상 물질 농도가 높을 때는 객차 내 공기청정기의 풍량 또는 가동 시간을 늘릴 필요가 있 을 것이다.

본 연구 결과 객차 내 PM₁₀과 PM_2.5 농도는 비혼잡 시간보다 혼잡시간에 높은 경향을 보였지만 통계적 인 차이는 없었다. 국내에서 2005년부터 2013년까지 도시철도 객차 내 PM₁₀을 대상으로 한 사전 연구 또 한 혼잡시간 135.1 ± 67.6 μg/m³, 비혼잡시간 127.1 ± 82.7 μg/m³ 으로 혼잡시간에 높은 농도를 보였지만 통 계적으로 유의한 차이는 없었고(p=0.261) (Jung et al., 2015), 서울 7호선 객차에서 측정한 또 다른 사전 연 구의 PM₁₀ 농도는 혼잡시간 152.8 μg/m³, 비혼잡시간 90.2 μg/m³ 으로 혼잡시간에 30% 정도 높은 수준을 보 였으나 통계적인 차이는 없었다(Oh et al., 2011).

하지만 국외 연구에 따르면 도시철도 내 입자상 물 질의 농도는 혼잡여부와 관련이 있었다. 중국 상하이 의 도시철도 내 이용객의 수로 혼잡여부를 비교했을 때 도시철도 이용객 수와 PM_2.5 농도가 통계적으로 유 의한 양의 관계가 있었다(R²=0.859) (Gong et al., 2019). 상하이의 5개 정거장에서 비교한 또 다른 연구 에서는 도시철도 이용객과 PM_2.5 농도가 양의 상관관 계가 있었다(R²=0.999) (Xu et al., 2016). 본 연구에서는 시료채취 수가 상대적으로 적었고(혼잡시간=6회, 비 혼잡시간=5회) 코로나바이러스감염증 팬데믹으로 인 한 이용객수가 평소보다 적었기 때문에 혼잡시간 여 부에 따른 입자상 물질과의 관련성이 관측되지 않았 던 것 같다.

현재 지하역사, 지하도상가 등의 시설은^「실내공 기질관리법_」에 따라 관리되며 시설규모, 냉난방기 가동 여부, 계절변화, 외기와의 상관성 등 영향 요인 에 대한 연구들이 많이 진행되었지만, 대중교통수단 인 도시철도의 경우 밀폐된 공간이라는 독특한 특징 을 가지고 있으나 공기질에 대한 조사나 객차 실내 농 도에 영향을 미치는 요인에 대한 평가는 부족한 실정 이다.

본 연구는 몇 가지 제한점이 있었다. 공기청정기가 설치된 신조 객차 1대를 대상으로 조사했기 때문에 공기청정기 가동 효과에 대해서 서울시 전체 도시철 도를 대표할 수 없다. 또, 공기청정기 가동으로 인한 효과평가를 위해 구역별로 현장 연구원이 가능한 격 문을 닫은 상태로 유지하도록 했으나, 그럼에도 승객 의 이동에 따라 격문이 간헐적으로 짧은 순간 열렸기 때문에 구역별 실내 입자상 물질의 농도에 영향을 주 었을 가능성이 있다. 그 외에도 도시철도 이용객의 이 동, 운행과정, 공조시스템과 같은 외부 공기의 도입 등 과 같이 다양한 변수들이 복합적으로 작용하여 객차 내 미세먼지 농도에 영향을 줄 수 있었다(Yu et al., 2015). 하지만 같은 편성을 대상으로 3개 구역에서 동 시에 측정했기 때문에 이러한 요인의 영향은 적었을 것이다.

5. 결 론

본 연구는 이용객이 많은 서울 2호선의 공기청정기 가 설치된 신조 도시철도를 대상으로 공기청정기 가 동유무에 따른 입자상 물질의 차이를 비교하였다. 공 기청정기 가동구역과 미가동구역을 격벽으로 구분하 여 순환하는 동안 측정하였다. 공기청정기 가동 구역 이 미가동 구역보다 PM₁₀과 PM_2.5 농도가 낮았으며, 두 구역의 감소율은 PM₁₀의 경우 14.8%, PM_2.5의 경우 14.0%로 차이를 보였다. 객차 내 PM₁₀과 PM_2.5는 실외 대기 중 PM₁₀과 PM_2.5 농도와 관련이 있었지만 혼잡 시간 여부에 따른 차이는 없었다. 본 연구는 공기청 정기가 설치된 1대의 신조 도시철도를 대상으로 하 였기 때문에 향후에는 다수의 도시철도 편성 및 노선 을 이용하여 공기청정기 설치로 인한 효과평가가 필 요할 것이다. 또한 객차 내 입자상 물질의 농도에 영 향을 미칠 수 있는 지상/지하구간 비교, 지하역사의 깊이, 환승역의 여부 등 다양한 변수들을 파악하여 객 차 내 입자상 물질 관리 개선에 대한 검토가 필요할 것이다.