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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.23 No.4 pp.437-444
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2024.23.4.437

Exploring indicators for managing PM2.5 sources at underground subway platforms in Incheon

Hyun-A Ji1, Jeonghoon Kim1*, In-Keun Shim1, Soo Ran Won2, Eun Seol Hwang1, Sujung Park1, Hong-Kyoung Kim1, Yujin Lee3, Namho Lee3, Jaeham Oh3, Jongchun Lee1
1Indoor Environment & Noise Research Division, National Institute of Environmental Research, Incheon
2Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans Univwesity, Seoul
3Inchen Transit Corporation, Incheon
* Corresponding Author: Tel: +82-32-560-8321 E-mail: kimxls88@korea.kr
24/12/2024 31/12/2024 31/12/2024

Abstract


Component-specific information is crucial for identifying sources of PM2.5 in indoor environments. However, profiles of PM2.5 at various locations, including subway tunnels are limited. This study aimed to evaluate the relationships between PM2.5 and its component across tunnels, platforms, and outdoor environments at underground subway stations in Incheon. The study was conducted at six underground subway stations in Incheon. PM2.5 concentrations were measured twice at each station, simultaneously covering the tunnel, platform, and outdoor areas. Carbon (two types), ion (eight types), and metal components (20 types) were analyzed using each analytical instruments. The mean PM2.5 concentration in the tunnel was 33.0±15.7 μg/m3, significantly higher than the concentrations observed on the platform (12.9±4.6 μg/m3) and outdoors (13.1±7.6 μg/m3). The proportion of total metal concentrations in PM2.5 was highest in the tunnel (57.8%), followed by the platform (22.2%) and outdoor areas (11.3%). Significant correlations between the platform and tunnel were observed for organic carbon, SO42–, NO3–, NH4+, Ba, Mn, Fe, and Se. Significant correlations between the platform and outdoor were observed for SO42–, NO3–, NH4+, and Ti, while the tunnel and outdoor showed correlations for SO42– and NH4+. PM2.5 concentrations and total metal concentrations were highest in the tunnel. While PM2.5 concentrations on the platform and outdoors were similar, total metal concentrations were higher on the platform than outdoors. From the platform’s perspective, the concentrations of Ba, Mn, Fe, and Se were only associated with the tunnel, while SO42–, NO3–, and NH4+ had tendency of correlations between both the tunnel and outdoors. The findings suggest that for platform PM2.5 concentrations, Ba, Mn, Fe, and Se may serve as indicators of tunnel-originating PM2.5, while SO42–, NO3–, and NH4+ may serve as indicators for outdoor sources.


Component , Indicator , PM2.5 , Subway station , Tunnel

인천 일부 지하역사 승강장의 PM2.5 오염원 관리를 위한 지표 탐색

지현아1, 김정훈1*, 심인근1, 원수란2, 황은설1, 박수정1, 김홍경1, 이유진3, 이남호3, 오재함3, 이종천1
1국립환경과학원 환경기반연구부 생활환경연구과
2이화여자대학교 환경공학과
3인천교통공사

초록

    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    지하철은 급격한 도시화에 따른 인구 과밀, 차량 증가 등의 원인을 보완하고자 개발된 대중교통 수단 중 하나이다. 우리나라는 1974년 서울 지하철 1호선의 첫 개통을 시작으로 수도권을 비롯하여 부산, 대구, 대전, 광주 등 전국 주요 대도시에서 운행되고 있었다(Lee et al., 2015). 2021년 기준 지하철 연간 수송 인원은 2,750,657천명이었고, 이 시기에 지상과 지하역사는 전국 총 1,049개가 운영되고 있었다(MOLIT·KORAIL, 2022).

    지하역사에는 입자상 물질(Particulate matter), 일산화탄소, 라돈, 휘발성유기화합물과 같이 다양한 실내 공기오염물질이 있다(Pang et al., 2020). 국제암연구소 (International Agency for Research on Cancer, IARC) 에 따르면 대기오염물질 중 입자상 물질을 그룹 1 발암물질로 지정하였다(IARC, 2016). 특히 공기역학적 직경이 2.5 μm 이하 입자인 PM2.5의 노출은 호흡기와 심혈관계 질환과 관련성이 높았다(Leiva et al., 2013;Kloog et al., 2014;Lu et al., 2015;Feng et al., 2016). 이에 환경부에서는 1996년 「지하생활공간 공기질 관리법」을 시작으로 현재는 「실내공기질관리법」에 따라 지하역사를 포함한 여러 다중이용시설에서 PM2.5 농도를 관리하고 있었다. 국내 총 40개의 다중이용시설에서 조사한 연구에 따르면 지하역사의 PM2.5 농도는 다른 다중이용시설의 농도보다 1.3~4.3배 더 높았다(Won et al., 2012;Won et al., 2014).

    지하역사의 입자상 물질 농도가 높은 원인은 여러 가지가 있다. 지하철 운행 시 차량의 바퀴, 브레이크 마모, 지하철 상단의 팬토그래프(Pantograph) 마모로부터 입자가 발생하거나 터널 바닥의 자갈이나 흙에서 발생한 입자, 환기 급기구 등 개구부를 통한 실외 대기오염물질(예, 자동차 배기가스 등)의 유입 등으로 인해 농도를 증가시킬 수 있다(Park et al., 2010;Son et al., 2022). 특히, 지하에 위치한 승강장의 경우 구조적으로 자연환 기가 불리하며, 제한된 공간에서 지하철이 운행 시 스크린도어 틈새나 스크린도어가 개방되면서 본선 터널 내 부유하는 입자상 물질이 승강장으로 유입될 수 있다 (Park et al., 2010;Kwon, 2023). 또한, 출퇴근 시간대와 같은 특정 시간대 이용객과 지하철 운행 차량이 늘어남에 따라 PM2.5 농도가 증가되며(Park et al., 2024) 이 때 다수의 사람들이 상당량의 PM2.5에 노출될 수 있다.

    지하역사 내 승강장에서 PM2.5의 농도를 관리하기 위해 오염원(source)을 규명하는 것은 중요하다. 오염원 을 파악하기 위해서는 PM2.5의 성분 정보를 활용할 수 있다. 하지만 기존의 대부분 연구는 승강장, 터널 등 특정 지점에서 PM10 또는 PM2.5 농도를 활용하였다(Lee et al., 2015;Kwon, 2023). 기존 일부 연구에서 승강장에서 입자상 물질의 성분 농도를 평가한 연구가 있었지만(Azad et al., 2023), 지하역사의 터널, 승강장, 그리고 실외와 같이 여러 지점에서 동시에 이온, 탄소, 금속 등 성분 농도를 측정하여 관계를 평가한 연구는 거의 없었다. 기존의 한 연구에서 지하역사 터널, 승강장, 실외에서 동시에 측정하여 PM10과 PM2.5 및 일부 금속 성분을 조사하여 공간별 금속 성분 비율을 평가한 연구가 있었다(Son et al., 2021).

    인천시 내 지하철의 수송인원이 2021년 133,709 천명에서 2023년에는 146,976천명으로 증가되었다 (KOSIS, 2022;KOSIS, 2023). 다중이용시설 중 상대적으로 PM2.5 농도가 높은 지하역사에서 인천지역의 지하철 이용객수가 증가됨에 따라 미세먼지 관리 방안 마련을 위하여 기초정보가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 인천시 내 일부 지하역사를 대상으로 터널, 승강장, 실외 대기 중 PM2.5 농도와 탄소, 이온, 금속 성분 농도를 평가하여 승강장 내 오염원을 평가하기 위한 지표로 활용 가능한 물질을 탐색하고자 하였다.

    2. 연구 방법

    2.1 연구대상 및 기간

    2021년 인천시 내 역사는 1호선과 2호선을 포함한 57개 역사(1호선 30개, 2호선 27개)가 있었다. 이중 지하에 승강장이 위치하고 승강장 인근 터널 출입이 가능한 1호선 4개, 2호선 2개인 총 6개 지하역사를 대상으로 하였다. 2021년 8월부터 10월까지 지하역사 내 터널, 승강장, 실외에서 24시간씩 2회 반복 측정하였다. 터널은 지하철 운행이 종료된 후 출입이 가능했기 때문에 오후 11시부터 새벽 2시 사이에 터널, 승강장, 실외에 장비를 설치하여 동시에 세 지점에서 측정을 시작하였다.

    2.2 중량 및 성분농도

    PM2.5 측정기는 터널의 경우 승강장 끝 지점의 터널 내 공간 또는 터널 내 중간 공간에 설치하였다. 승강장의 경우 측정기는 가능한 한 승강장 가운데 지점에 위치시키고 환기장치, 공기청정기 등의 직접적인 기류의 영향을 받지 않으며, 바닥에서 1.2~1.5 m 높이에 설치하는 것을 원칙으로 하였다. 다만, 이용객들의 이동이나 안전에 방해가 되면 승강장 중간 지점에서 벗어나는 위치에 장비를 설치하였다. 실외의 경우 대상 지하역사의 지상 출입구 외부 주변에서 승강장과 동일한 기준으로 측정기를 위치시켰다. PM2.5 농도의 중량 농도와 성분 분석을 위해 지점별 측정기 2대에 PTFE 필터와 석영필터를 각각 장착하여 측정하였다.

    터널과 실외 지점에서 사용한 PM2.5 측정기는 TAS mini-vol portable sample (Airmetrics, USA)로 측정 유속은 6 L/min, 승강장에서는 KMS (KMS-4100, Kemik corporation)를 사용하였으며 측정 유속은 5 L/min였다. 두 장비는 실내공기질 분야에서 형식승인을 받은 장비로 해당 유량에서 입경이 2.5 μm인 입자에 대해 50%의 분리 효율을 가졌다. 탄소 분석에 사용된 석영필터 (Quartz fiber filter, WhatmanTM, 47 mm)는 시료채취 전 600°C에서 4시간 전처리 후 사용하였다. 중량농도 측정과 이온, 금속 성분 분석에 사용된 PTFE 필터(Pall Co., ZeflourTM supported, 2.0 μm, 47 mm)는 시료 채취 전과 후 항온, 항습이 유지되는 데시케이터에서 최소 24시간 이상 항량시키고 정전기 제거후 0.001 mg 감도를 갖는 전자저울(Sartorius, SE2-F)로 칭량하였다.

    시료채취가 끝난 석영필터는 미국의 국립직업안전 건강연구소(National institute of occupational safety & health, NIOSH) Method 5040을 이용하여 OCEC Analyzer (Model 5L, Sunset Lab., USA)로 분석하였다. 탄소의 검정곡선은 0.999 이상이었고 방법검출한계 (Method Detection Limit, MDL)은 유기탄소(Organic Carbon, OC)의 경우 0.37 μg/cm2, 원소탄소(Elemental Carbon, EC)의 경우는 0.06 μg/cm2이였다.

    시료채취가 끝난 PTFE 필터를 이용하여 이온 성분 분석을 위해 필터를 1/2로 나눴다. 이온 분석은 EPA Compendium Method IO-4.2에 따라 분석하였다. PTFE 필터에 초순수 20 mL을 침적시켜 120 rpm으로 120분 동안 교반(JEIO TECH, OS-4000)시켰다. 이후 실린지필터(CHMLAB, PTFE HYDROPHOBIC Syringe Filter)를 통해 필터링 하였고 추출된 용액은 이온크로마토그래피(Dionex, ICS-2000)를 이용하여 음이온(Cl–, NO3–, SO42–)과 양이온(Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+)을 분석하였다. 표준물질의 검정곡선은 0.99 이상이었으며, MDL은 0.001(SO42–)~0.008 μg/ mL(NO3–)였다.

    나머지 1/2의 PTFE 필터는 중금속 분석을 위하여 EPA Compendium Method IO-3.5에 따라 분석하였다. PTFE 필터에 5% 질산 15 mL을 첨가하여 마이크로웨이브(CEM, MARS 230/60)로 1,200 W로 120°C까지 온도를 상승시켜 추출하였다. 추출한 용액은 필터(Toyo Lyd., 5C)로 여과시킨 후 증류수를 이용하여 50 mL 로 희석하였다. 전처리가 끝난 시료용액은 유도결합플라즈마분광분석기(Perkin-Elmer, Nexon 300D)를 이용하여 금속 20종(As, Ba, Ag, Cs, Sr, Be, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, Cd, Bi, Al, Se, Ti)을 분석하였다. 표준물질의 검정곡선은 0.99 이상을 만족하였으며 MDL은 0.002(Bi)~0.442 μg/L(Ti)였다.

    2.3 통계분석

    터널, 승강장, 실외 PM2.5 농도와 성분 중 총 탄소(탄소 2종의 합), 총 이온(이온 8종의 합), 총 금속(금속 20종의 합) 농도의 지점간 차이가 정규분포를 하는 경향이 보였기 때문에 두 지점 간 농도 차이는 paired t-test를 이용했다. PM2.5 농도와 개별 성분 농도에 대해 지점 간 상관관계는 피어슨 상관관계(Pearson’s Correlation Coefficient)를 이용했다. 모든 통계분석은 SPSS Version20을 사용하였고 p-value가 0.05 이하인 경우 통계적으로 유의하다고 판단하였다.

    3. 결 과

    3.1 PM2.5 농도

    6개 지하역사의 지점별 총 12개 시료의 PM2.5 평균 농도와 표준편차는 터널은 33.0±15.7 μg/m3, 승강장 12.9±4.6 μg/m3, 실외 13.1±7.6 μg/m3였다. 각 지점 간 채취된 농도의 분포는 Fig. 1에 나타내었다.

    PM2.5 농도는 터널이 승강장 또는 실외보다 통계적으로 유의하게 높았다. 하지만 승강장과 실외 간 PM2.5 농도는 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 피어슨 상관관계 분석 시 터널, 승강장, 실외 지점간 PM2.5 농도는 서로 통계적으로 유의한 관련성이 없었다.

    3.2 성분 농도

    PM2.5 농도 내 포함된 탄소, 이온, 금속 개별 농도 및 성분 농도별 합의 값을 Table 1에 나타냈었다. PM2.5의 총 탄소 농도는 승강장과 실외간 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p = 0.011). 하지만 터널과 승강장, 터널과 실외 간 농도는 차이가 없었다. 총 이온 농도의 경우 터널과 승강장(p = 0.010), 승강장과 실외(p = 0.030)간 통계적으로 유의한 차이가 있었지만, 터널과 실외 간 농도 차이는 없었다. 총 금속 농도의 경우 터널과 승강장(p<0.001), 터널과 실외(p<0.001), 승강장과 실외 간 (p = 0.007) 통계적으로 유의한 차이가 있었다.

    총 탄소, 총 이온, 총 금속 성분에 대한 지점별 비율은 Fig. 2와 같다. PM2.5 농도가 가장 높은 터널의 성분 농도는 총 금속이 57.8%로 가장 높았고, 승강장의 경우 22.2%, 실외의 경우 11.3%였다. 이온의 경우 실외 비율이 44.9%로 가장 높았고 탄소의 경우 승강장이 52.1% 로 가장 높았다.

    승강장 성분 농도를 기준으로 매우 미량인 성분을 제외하고 0.01 μg/m3 이상인 12종을 대상으로 상관관계 분석을 하였다(Table 2). 승강장과 터널의 경우 OC, SO42–, NO3–, NH4+, Ba, Mn, Fe, Se, 승강장과 실외는 SO42–, NO3–, NH4+, Ti, 터널과 실외는 SO42–, NH4+ 성분이 통계적으로 유의한 상관관계가 있었다.

    4. 고 찰

    인천시 내 지하역사의 PM2.5 농도는 터널이 가장 높았다. 지하역사 터널은 지하에 존재하여 구조적으로 환기가 어렵고 지하철 운행으로 입자가 발생하기 쉬운 환경이다. 또한 지하철 운행 시 발생한 입자나 기존에 축적된 입자가 재비산될 수 있기 때문에 터널의 PM2.5 농도가 높았던 것으로 판단된다(Raut et al., 2009;Lee et al., 2010;Park et al., 2013;Kim et al., 2022). 일반적으로 PM2.5 농도는 지하에 위치하는 승강장이 실외보다 높지만(Lee et al., 2022;Son et al., 2022), 본 연구에서는 그러한 경향이 관측되지 않았다. 두 지점과 농도가 비슷한 원인은 상대적으로 실내·외 농도가 낮은 여름철에 측정하였고, 해당 기간 동안 대합실의 공기청정기 운영 등 때문이었을 가능성이 있다.

    PM2.5 농도가 가장 높은 터널의 경우 다른 성분보다 총 금속 농도의 비율이 가장 높았다. 기존 연구에서도 터널 내 PM2.5의 이온, 탄소, 금속 성분을 조사했을 때 금속 성분이 38.2%로 가장 높은 비율을 보였다(Lee et al., 2018). 지하철 운행으로 터널 내 발생할 수 있는 금속 성분은 Fe, Cu, Mn, V, Sr, As, Co, Sn, Ba, Ni로 보고된 바 있었다(Ji et al., 2021). 승강장과 실외의 경우 PM2.5 농도는 비슷했지만, 총 금속 성분 비율은 승강장이 실외보다 2배 더 높았다. 이러한 결과는 승강장과 실외의 농도가 비슷하더라도 승강장의 PM2.5 농도에 영향을 준 오염원은 다를 수 있음을 보여준다. 총 이온 농도의 경우 실외가 가장 높았는데, SO42–, NO3–, NH4+ 등 이온 성분은 주로 산업공정, 자동차에서 배출되어 대기 중에 존재했기 때문인 것으로 생각된다(NIER, 2022). 총 탄소 농도는 승강장이 실외보다 높았지만, 그 차이는 2 μg/m3 수준이었다. 이 연구에 조사된 지하역사 6곳 중 3곳에 지하도상가가 있었고, 이 공간에서 조리 등 발생한 입자의 영향이 있었을 가능성이 있다. 지하역사 승강장과 연결된 지하도상가가 있는 곳의 총 탄소 성분 농도는 7.5±1.2 μg/m3, 없는 곳은 6.9±1.7 μg/m3였다.

    승강장을 기준으로 PM2.5에 포함된 OC, Ba, Mn, Fe, Se의 농도는 오직 터널과 양의 상관관계가 있었다. 3개 지점 중 승강장에서 농도가 가장 높은 OC를 제외한, Ba, Mn, Fe, Se 성분은 승강장 내 터널 영향에 대한 지표로 고려해 볼 수 있을 것이다. SO42–, NO3–, NH4+ 성분의 경우 모든 지점과 양의 상관관계가 있었고, 주로 실외에서 발생된 오염원일 가능성이 높으므로 실외 오염원에 대한 지표로 고려할 수 있을 것으로 생각된다.

    이 연구는 몇 가지 제한점이 있었다. 지하역사 터널 출입의 제한점으로 인해 인천지역 일부 역사를 대상으로 조사하였다. 이러한 결과는 인천에 위치한 지하역사 전체나 다른 지역의 지하역사 농도를 대표할 수 없었다. 터널과 승강장의 측정기 위치 선정 시 지하철의 운행 방향을 고려하지 못했으며, 승강장 내 가능한 한 가운데 지점에 설치하였으나 불가피하게 이용객의 이동이나 안전에 문제되는 경우에는 가운데 지점에 위치시키지 못해 결과의 차이가 있었을 가능성이 있었다. 기존 연구에 따르면 승강장 내 지하철 진입 방향과 가까운 승강장의 입자상 물질 농도가 중앙 지점보다 높다는 결과가 있었다(He et al., 2022). 터널의 경우 열차풍에 의해 강한 유속이 발생하기 때문에 측정기의 흡입유량이 이보다 낮아 농도에 영향을 줬을 가능성이 있었다.

    일부 PM2.5 장비의 모델 및 채취 유속의 차이가 있었지만 두 장비는 해당 유속에서 2.5 μm에 대해 50%의 분리효율을 가졌다. 농도 산출 식에 따라 포집된 공기 체적을 나누어 주기 때문에 두 장비 간 차이는 거의 없었을 것이다. 터널의 경우 설치 환경에 따라 승강장 끝 지점의 바깥 터널 공간을 활용하거나 터널 내 중간 지점에 장비를 설치하여 측정하였다. 두 지점은 터널에 위치하지만 측정 높이 또는 지하철 레일과의 거리 등이 달랐다. 또한, ‘실내공기질공정시험기준’에 따라 중량법으로 1회 측정 시 24시간 동안 측정했어야 했기 때문에 지하철이 운행되지 않는 새벽 시간이 포함되었다. 이러한 차이들이 연구 결과에 영향을 줄 수 있었다. 하지만 이 연구는 기존에 부재했던 지하역사의 터널 공간에서 PM2.5 농도 및 여러 성분 농도 측정하여 정보를 확보하여 승강장의 PM2.5 오염원 규명을 위한 물질을 탐색했다는 점에서 의의가 있었다.

    5. 결 론

    이 연구는 인천시 일부 지하역사를 대상으로 터널, 승강장, 실외에서 측정을 하였다. PM2.5 농도는 터널이 가장 높았고 승강장과 실외 농도는 비슷하였다. PM2.5 농도가 가장 높은 터널은 총 금속 성분의 비율이 가장 높았고, 승강장, 실외 순이였다. 승강장을 기준으로 Ba, Mn, Fe, Se의 농도는 오직 터널과 양의 상관관계가 있었다. SO42–, NO3–, NH4+ 농도는 3개 지점간 모두 양의 상관관계가 있었다. 이러한 결과는 승강장에서 PM2.5 의 오염원을 평가하기 위해 승강장 인근 터널의 영향은 Ba, Mn, Fe, Se 성분, 실외 영향은 SO42–, NO3–, NH4+ 성분을 지표로 활용 가능성이 있음을 보여준다. 이 연구에서 확인된 결과는 인천지역 지하역사 내 승강장 PM2.5의 오염원 규명 및 기여도를 평가하는 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.

    감사의 글

    본 연구는 환경부의 재원으로 국립환경과학원의 지원을 받아 수행하였습니다(NIER-2021-01-01-081).

    <저자정보>

    지현아(전문연구원), 김정훈(연구사), 심인근(과장), 원수란(연구교수), 황은설(연구사), 박수정(전문연구원), 김홍경(전문연구원), 이유진(대리), 이남호(과장), 오재함(팀장), 이종천(부장)

    Figure

    JOIE-23-4-437_F1.gif

    Distribution of PM2.5 concentrations in tunnel, platform, and outdoor at underground subway stations. *Paired t-test.

    JOIE-23-4-437_F2.gif

    Proportions of total carbon, ion, and metal in tunnel, platform, and outdoor at underground subway station.

    Table

    Mass and substance concentrations of PM2.5 (μg/m3) in tunnel, platform, and outdoor at underground subway stations (no. of sample = 12 at each area)

    SD = standard deviation, OC = organic carbon, EC = elemental carbon, MDL = method detection limit

    Pearson’s correlations among 12 substance of PM2.5 concentrations in subway stations

    Bold font indicates statistical significance

    Reference

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