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ISSN : 1738-4125(Print)
ISSN : 2287-7509(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.9 No.3 pp.229-238
DOI :

국내 다중이용시설에서의 PM2.5와 PM10 농도분포 특성

원수란*, 임정연, 심인근, 김은주, 최아름, 한진석, 이우석
국립환경과학원 생활환경연구과

Characterization of PM2.5 and PM10 concentration distribution at public facilities in Korea

S.R Won*, J. Y. Lim, I.-K. Shim, E. J. Kim, A. R. Choi, J. S. Han, W. S. Lee
Indoor Environment & Noise Research Division, National Institute of Environmental Research
Received 31 May, 2012 ; Revised 30 August, 2012 ; Accepted 3 September, 2012

Abstract

The aim of this study is to analyze the distribution of particulate matters including PM2.5 which is knownfor severe adverse health effect than PM10 in public facilities. The total 40 public buildings are investigatedin this study and they are classified into 11 sub-groups as follows : child-care centers, medical centers, libraries,museums, bus terminals, ports, airports, railway terminals, subway stations, large-scale stores, andindoor parking lots. The mean concentration of PM10 was 38.6㎍/㎥ and that of PM10 in all studied facilitieswere lower than the Ministry of Environment's control standards. The average concentration of PM2.5 was27.2㎍/㎥ and that of PM2.5 in 18 facilities were exceed the guideline of WHO (24h average value : 25㎍/㎥).The subway stations had the highest indoor level of particulate matters and the waiting area in bus terminals,railway terminals, indoor parking lots had followed in order. When comparing mean value of I/O ratio ofPM10, the only I/O ratio of subway stations were greater than one. In the case of PM2.5, however, the averageconcentrations of PM2.5 in indoors of subway stations, bus terminals, and indoor parking lots were higher thanthose of PM2.5 in outdoors. The mean concentration of PM10 and PM2.5 were gradually increased between 6A.M and 10 A.M and after 6 P.M in most of target buildings with increasing the number of users in thestfacilities.

9권3호_원수란(229-238).pdf692.5KB

1. 서 론

최근 현대인들은 외부에서보다 각 가정이나 사무실, 학교 등의 실내공간에서 하루 중 약 80% 이상의 많은 시간을 보내면서 생활하고 있다. 또한, 산업이 발달과 함께 에너지 효율을 높이기 위해 건물이 밀폐화되고, 환기가 부족해짐에 따라 실내공기질(Indoor air quality)에 대한 관심이 높아지고 있다. 환경부에서는 2004년 5월에 다중이용시설등의 실내공기질관리법을 제정 시행하여 다수의 대중들이 이용하는 시설에 대한 실내공기질을 관리하고 있다. 관리대상 항목은 총휘발성 유기화합물과 폼알데하이드, 라돈, 석면, 미세먼지(PM10), 이산화탄소, 일산화탄소, 이산화질소, 총부유세균, 오존으로 총 10가지 물질이며, 유지기준과 권고기준으로 구분된다. 그 중 미세먼지(PM10)는 유지기준에 포함되며, 보육시설과 의료시설에서는 100 μg/m3 이하, 공항이나 항만, 버스터미널의 대합실, 도서관, 박물관, 지하역사와 대규모 점포에서는 150 μg/m3 이하, 실내주차장에서는 200 μg/m3 이하로 시설별 오염물질 발생특성에 따라 별도로 설정되어 있다. 

미세먼지는 공기역학적 직경(aerodynamic di-ameter)에 따라 10μm 이하인 입자는  PM10, 2.5μm 이하인 입자는 PM2.5라 지칭한다. 미세먼지의 구성성분은 배출원에서 직접 배출된 1차 생성물질과 화학반응에 의해 생성된 2차 생성물질로 나눌 수 있다(NARSTO, 2004). 대기 중 PM10의 경우, 주로 해염입자나 토양기원 성분, 꽃가루나 포자 등의 주로 자연적인 배출원을 통해 배출되며, PM2.5는 연소과정이나 휘발성 물질이 응축되면서 생성된다(김신도, 2002; 박영옥, 2002). PM10 PM2.5의 경우, 실내에서는 가스레인지와 같은 조리시설을 사용하거나 청소할 때 배출되며, 연료의 연소과정이나 자동차 배기가스, 산업공정과 같은 외기의 유입에 의한 영향이 대부분이다(Beak et al., 1997; Lee et al., 2002; See et al., 2008).

미세먼지는 호흡을 통해 인체에 침투하게 되는데 5μm 이상의 먼지는 인후 또는 기관지 점막에 의해 걸러지지만, 2μm 이하의 먼지의 경우는 폐포에 침착되고, 혈관으로 침투하여 기관지질환이나 심장질환을 유발한다고 알려져 있다 (Lippmann, 1999; 김윤신, 2002). Carlton et al. (1999)와 Choudhury et al. (1997)의 연구에서는  PM10의 농도가 100 μg/m3 씩 증가할 때마다 사망률이 약 13%증가한다는 결과가 도출되었다. 미세먼지의 경우 표면에 유해성분 및 중금속을 흡착시켜 유해물질을 체내에 전달하는 매개체 역할을 하기도 한다(Chow, 1995). 특히, PM2.5PM10에 비해 상대적으로 고농도의 발암성물질을 포함하는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2008).  

미세먼지를 크기별로 나누어 봤을 때, 동일한 농도라도 입경이 작을수록, 입자의 수가 많아지고 표면적이 커지기 때문에 건강에 미치는 영향이 커진다(Donaldson et al., 2001; Park et al., 2005). 이러한 부분들이 강조되면서 캐나다와 미국, 유럽 등 대부분의 나라에서 PM10이나 PM2.5에 대한 기준을 설정하여 관리하고 있다. 본 연구에서는 불특정 다수가 이용하는 다중이 Journal of Korean Society for Indoor Environment Vol. 9, No. 3용시설을 대상으로 실내공기질 관리기준에 포함된 PM10과 인체의 위해성이 큰 PM2.5의 농도 분포를 파악하여 실내공기 중 PM2.5 관리 필요성을 검토하고자 하였다.

2. 연구방법

2.1 조사대상 시설 및 조사기간

본 연구에서는 실내공기질 공정시험기준에서 명시한 다중이용시설을 보육시설 및 의료기관, 도서관, 박물관, 버스터미널이나 항만, 공항, 철도역사의 대합실, 지하역사, 대규모 점포 그리고 실내주차장으로 나누어 총 40개의 시설에서 PM10PM2.5를 조사하였다. 측정 지점은 시설의 대표성을 나타낼 수 있는 실내 1곳과 외기의 영향을 알아보기 위해 선정한 시설 근처의 실외 1곳에서 동시간대에 측정하였다. 기간은 2011년 5월 19일부터 2011년 11월 17일까지로, 계절적인 영향은 고려하지 않았고 한 시설에서 1회 측정을 실시하였다. 

2.2 측정방법

시료채취방법은 중량법과 실시간 모니터링을 위한 광산란법을 이용하였으며, 중량법과 광산란법 모두 바닥으로부터 약 1.5m의 높이에서 시료를 채취하였다. 중량법에 의한 측정은 입경 분리장치가 장착된 소용량 공기채취기인 PAS-201 (Airmetrics, USA)을 사용하였으며, 분당 5L의 유속으로 24시간동안 PTFE 필터(Pall Co., ZeflourTM  supported, 2.0μm , 47mm)에 포집하였다. 

 입경분리장치는 Fig. 1과 같이 PM10을 포집하기 위한 1단과 PM10보다 작은 입경의 PM2.5를 포집하기 위한 2단 장치를 사용하였다. 입경분리장치의 충돌판(impaction surface)의 효율을 높이기 위해서 헥산(Hexane) 30ml에 그리스(grease) 1inch
를 녹인 혼탁액을 충돌판 위에 피펫으로 1~2방울 떨어뜨려 얇게 코팅한 후 사용하였다. PTFE 필터는 시료 채취 전 후 무게를 측정하였으며, 무게 측정 전 24시간이상 데시케이터에서 항량시킨 후 0.0001mg까지 측정이 가능한 저울(Sartorius M2P, Goettingen, Germany)로, 한 시료에 대하여 3회 이상 반복 칭량하였다. 미세먼지 농도는 필터무게의 차를 측정 당시의 온도와 압력으로 보정한 후 산출하였다(NIER, 2011).

Fig. 1. Inlets used for separation of particles by impaction surface and collection filter : (a) PM10, (b) PM2.5

광산란법에 사용된 기기는 SidePak AM510 Aerosol Monitor(TSI, USA)였으며, 측정 조건과 시료채취지점은 중량법과 동일하였다. 측정범위는 0.001~20mg/m3 이며, 유속 1.7L/min으로 데이터는 10분 간격으로 24시간 동안 저장하였다. 측정 전후에 영점보정과 유량보정을 실시하였으며, PM10PM2.5 inlet은 초음파세척기를 이용하여 세척한 후 그리스(grease)와 헥산(Hexane)을 혼합한 용액으로 코팅하였다.

3. 결과 및 고찰

국내 다중이용시설 총 40개 시설에서 PM10PM2.5를 측정한 결과(Table 1), 실내 PM10의 평균농도는 38.6 μg/m3 로 조사되었으며 모든 시설에서 실내공기질 유지기준 이하로 나타났다. 시설별로 구분하여 보았을 때, 지하역사에서 가장 높았고 버스터미널의 대합실, 철도역사의 대합실, 실내주차장 순으로 높게 나타났다. PM2.5는 40개 시설에 대하여 평균 농도 27.2 μg/m3 로 측정되었으며, 시설에 따른 농도는 PM10과 동일하게 지하역사, 버스터미널의 대합실, 실내주차장순으로 나타났다. 현재 우리나라에서는 실내공기 중 PM2.5에 대한 관리기준이 부재하기 때문에 WHO의 가이드라인(24시간 평균농도 25 μg/m3 이하)과 비교한 결과, 총 40개의 시설 중 18개의 시설(45%)에서 기준을 초과한 것으로 나타났다. 본 연구에서 측정된 농도는 국내를 비롯하여 국외연구에서 조사된 실내 PM2.5 결과와도 유사한 수준인 것으로 파악되었다(Kwag et al., 2005; Gomez-Peralesa, 2004; Cheng, 2011). 다중이용시설 주변의 대기 중 PM10 농도는 44.1 μg/m3 , PM2.5 농도는 32.1 μg/m3 로 측정되었다. 현재는 일반대기 중 미세먼지 관리기준이 PM10으로 국한되어있지만, 2015년부터 시행될 대기환경기준에 따르면 PM2.5의 24시간 평균 농도는 50 μg/m3 이하로 유지하여야 하므로 본 연구결과와 비교하였을 때, PM10PM2.5 모두 기준을 초과하는 시설은 없는 것으로 나타났다. 

Table 1. Mass concentration of particulate matter and PM2.5/PM10 ratio in public facilities.

PM10에 포함된 PM2.5의 비율은 실내와 실외에 서 각각 72%, 73%로 PM2.5의 비율이 높은 편으로 나타났다. 시설별로 살펴보면 PM10PM2.5가 차지하는 비율이 항만 대합실, 대규모 점포와 버스터미널의 대합실에서 80% 이상으로 높았으며, 도서관에서 45%로 가장 낮은 것으로 나타났다. 외기의 경우 모든 시설이 비슷한 수준을 유지하는 것으로 나타났는데, 다중이용시설의 특성상 시설 주변의 교통량과 유동인구가 많기 때문에 시설별 특성이 크게 나타나지 않은 것으로 판단된다. 실내공기 중 미세먼지의 경우 실외에서 유입되거나 실내 자체에서 발생하는 양이 환풍기나 출입문의 개 폐를 통해 실외로 배출되는 양보다 적기 때문에 실내에서 오랜 시간동안 머물게 되면서 축척되어 농도가 높아진다. 실내에서 PM10PM2.5 비율이 높은 시설의 경우, 항시 창문을 개방한 채로 운영하거나 출입구의 개 폐가 잦았으며, 이들 시설을 이용하는 이용객수가 많았다. 또한, 다른 시설들에 비해 시설 내에 가스레인지를 사용하거나 요리를 하는 점포가 다수 입점해 있기 때문에 외기의 유입 뿐 아니라 별도의 실내에서 PM2.5의 오염원이 존재하는 것으로 파악되며 이러한 결과는 Wang (2006)의 연구 결과와 유사하게 나타났다.

PM10PM2.5에 대한 평균 실내․외 농도비 (I/O ratio)는 각각 0.92와 0.90으로 나타났으며, PM10의 실내․ 외 농도비는 지하역사에서 가장 높았으나, PM2.5의 경우는 지하역사 뿐만 아니라 버스터미널의 대합실, 실내주차장에서도 실내농도가 실외농도에 비하여 높은 것으로 조사 되었다(Fig. 2). 지하역사의 경우 스크린도어가 설치되어 있지만, 지하철의 운행으로 인해 발생된 비산먼지가 스크린도어 개방 시 승강장으로 유입되기 때문에 실내의 미세먼지 농도가 높아 진다고 판단된다. 또한, 사람의 활동에 의해서 바닥에 쌓여있던 먼지가 재비산되거나 지하역사의 특성상 유동인구가 많기 때문에, 실외 먼지가 신발이나 의복에 붙어 사람과 함께 이동함에 따라 농도가 증가하는 영향도 무시할 수 없다고 보여진다. 실내주차장의 경우도 지하역사와 마찬가지로 지하 공간이라는 특성과 환기 횟수 및 청소횟수가 다른 시설들에 비해 적고 차량에 의해 유입된 먼지가 순환되지 못하고 축적되기 때문에 실내에서 PM2.5의 농도가 높게 나타났다. 버스터미널 대합실의 경우 실내에서 PM2.5PM10의 농도는 실내주차장에 비해 높은편이었지만 대기 중 PM2.5PM10 농도가 높은편이었기 때문에 상대적으로 실내 외 농도비는 낮은 것으로 나타났다. 버스터미널 대합실의 출입문은 승강장과 터미널 바깥쪽으로 위치하여 항시 개방되어 있었으며, 하루 약 200여대의 버스의 유 출입이 이루어지고, 그 밖에 택시나 오토바이, 승용차 등 교통량이 많았기 때문에 재비산이나 자동차에 의한 영향을 받을 확률이 큰 것으로 조사되었다.

Fig. 2. The comparison of (a) PM2.5, (b) PM10 concentration and I/O ratio.

본 연구에서는 중량법 뿐만 아니라 광산란법을 이용하여  PM2.5PM10의 농도를 측정하였다. 중량법은 광산란법에 비해 측정값의 정확도가 높지만, 시료의 채취시간이 길기 때문에 시간 정확변화하는 농도를 측정하기는 쉽지 않다. 그렇기 때문에 광산란법이나 β선 흡수법 등 여러 방법이 사용되게 되는데, 이들의 방법은 정확한 농도를 측정하기보다 실시간으로 변화하는 미세먼지 농도를 파악할 수 있는 보조적인 수단으로 이용된다. 본 연구결과 중량법으로 측정된 PM10 PM2.5 비율이 0.72로 나타난 것에 비해 광산란법을 이용하였을 때는 약 1정도로 측정되어 중량법과 비교하였을 때 다소 차이가 있는 것을 확인하였다. Fig. 3은 중량법과 광산란법으로 측정한 값을 비교한 그래프로, 중량법에 비해 광산란법으로 측정한 PM10의 농도는 과소평가되었고,  PM2.5의 농도는 과대평가 되는 경향을 볼 수 있었다. 따라서 광산란법으로 측정된  PM2.5PM10의 농도를 시간대별 변화양상을 파악하기 위해 사용하는 것은 부적합하다고 판단되어 Fig. 3에 표시된 추세선 방정식에 따라 중량법에 부합되는 질량농도로 환산하였다. 그 결과 광산란법으로 측정한 PM10중  PM2.5 비율은 0.71로 나타났으며, 중량법으로 측정한 값과 크게 차이가 없기 때문에 보정된 값을 이용하여 시간대별  PM2.5PM10의 농도변화를 살펴보았다.

Fig. 3. The comparison of gravimetric method and light scattering method.

 조사대상 다중이용시설에서의 24시간동안 PM2.5PM10의 농도변화 양상을 살펴보면(Fig. 4), 대부분의 시설에서 오전 6시부터 10시까지 농도가 증가하는 추세를 보였다. 이는 시설들의 특성상 개방시간 혹은 출근시간에 시설을 이용하는 이용객 수가 증가하기 때문인 것으로 판단되었다. 특히, 버스터미널의 대합실과 지하역사에서 이러한 경향은 뚜렷하게 나타났다. 아침시간에 비해 오후 12시 이후의 미세먼지 농도는 점차 감소되는 추세를 보이고 있었다. 이는 유동인구의 감소 뿐 아니라 아침보다 낮시간에 대기의 혼합고가 높아지면서 상대적으로 미세먼지 농도가 낮아지게 되는데(Kim, 2006; Lee et al., 2005), 본 연구와 같은 경우, 외기의 영향을 직 간접적으로 받는 실내에서 미세먼지 농도 또한 낮시간에 감소하는 것을 볼 수 있었다. 오후 6시경부터는 대규모점포를 포함한 지하역사와 몇몇 시설들에서 유동인구의 수가 증가하면서 농도가 다시 높아지는 경향을 보였다. 광산란법으로 측정한 시설별 PM2.5PM10의 농도는 버스터미널의 대합실, 지하역사, 여객터미널의 대합실, 실내주차장, 대규모 점포의 순으로 높았으며, 이들 시설들은 다른 시설들에 비해 시간대별로 농도가 큰 폭으로 변화하는 양상을 보였다. 일반적으로 미세먼지는 사람들이 활동하는 주간시간에 공기중에 부유하다가 사람들의 활동이 적고, 시설운영이 마감되는 야간시간에 공기의 흐름이 서서히 멈추면서 침강하는 것으로 알려져 있다.그러나 본 연구에서는 야간시간에도 농도가 크게 낮아지는 경향이 보이지 않았으며, 출 퇴근시간을 제외하고는 주 야간 농도 변화에 따른 폭이 적게 나타났다. 이는 지하역사나 대규모 점포 등 유동인구가 많은 시설의 경우, 주간시간대에 하지 못한 유지보수나 청소 등이 주로 시설의 운영을 끝마친 이후에 이루어지기 때문에 미세먼지의 농도가 야간시간에 크게 감소되지 않는 것으로 조사되었다.

Fig. 4. Daily variation for (a) PM2.5 and (b) PM10 concentration of indoor air by light scattering method.

4. 결 론

본 연구에서는 국내 다중이용시설 40곳을 대상으로 법적 관리대상 실내공기 오염물질인 PM10과 위해성이 큰 것으로 알려진 PM2.5의 농도분포를 파악하고자 하였다. 조사대상 다중이 용시설에서의 평균 PM10 농도는 18.0~71.2 μg/m3 , PM2.5 농도는 12.8 ~ 49.4 μg/m3 로 나타났으며, 의료시설에서 가장 낮고 지하역사에서 가장 높은 농도로 조사되었다. PM10의 경우는 다중이용시설등의 실내공기질관리법 에서 규정하고 있는 관리기준을 만족하는 수준이었지만, PM2.5의 경우 WHO 권고기준과 비교하였을 때 전체 중 약 45%의 시설에서 기준을 초과한 것으로 나타났다. 실내와 실외에서 모두 PM2.5/PM10은 약 0.7 정도였으며, 버스터미널의 대합실과 실내주차장, 지하역사에서 실내 외 농도비가 1 이상으로 실내에 존재하는 오염원과 외부로부터 유입된 미세먼지가 실내에 축척되는 영향이 큰 것으로 조사되었다. 시간대별 PM10PM2.5의 농도 변화양상을 파악하였을 때, 시설을 이용하는 유동인구에 의하여 출근시간 대인 오전에 농도가 증가하였으며, 퇴근시간을 전후하여 또 다시 농도가 높아지는 경향을 보임을 확인할 수 있었다. 

 이처럼 PM10PM2.5가 차지하는 비율이 높다는 점과 PM2.5의 WHO 권고기준 초과, 외기의 영향뿐 아니라 실내 자체에서 발생하는 오염원의 존재, 시설별로 상이한 농도 값의 변화양상 등으로 볼 때, 실내에서 PM10 뿐 아니라 PM2.5에 대한 관리는 필요한 것으로 판단된다. 또한, 최근 세계적으로 PM2.5의 위해성 문제로 인해 관리기준을 강화하는 추세로, 우리나라에서도 실내공기 중 PM2.5 관리 기준설정을 위한 준비가 필요하며 이를 위해서는 향후 객관적인 실태조사 및 오염원 규명 연구를 통한 기초자료의 확보가 시급하다고 생각된다.

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