Estimation of Pollutant Sources in Dangjin Coal-Fired Power Plant Using Carbon Isotopes

탄소 안정동위원소를 이용한 석탄화력발전소 인근 오염원 기원 추정 : 당진시를 중심으로

Abstract

Residents in Dangjin, South Chungcheong Province, in which large-scale emissions facilities such as coal-fired power plants and steel mills are concentrated, are very much concerned about their health despite the local government's aggressive efforts to improve air quality and reduce greenhouse gases. To understand the impact of coal-fired power plants and external factors on local air pollution, the origins of local pollutants were investigated using stable carbon isotopes that are generally used as tracers of the provenance of fine or ultrafine dust. The origins of the pollutants were analyzed with the data library, built using the seasonally measured data for the two separate locations selected considering the distance from the coal-fired power plant and the analysis of previous studies, and with the back trajectory analysis. As a result of analyzing stable isotope ratios, the tendency of high concentration was found in the order of winter > spring > fall > summer. According to the data matching with the library, the mobile pollutants and open-air incineration had a relatively higher impact on the local air pollution. It is believed that this study, as a pilot study, should focus on securing the reliability of the study results through continuous monitoring and data accumulation.

석탄화력발전소, 제철소 등 대규모 배출시설이 밀집되어 있는 충청남도 당진시는 지자체 차원에서 대기질 개선과 온실가스 감축 등을 위해 적극 노력하고 있음에도 불구하고 시민들의 건강에 대한 우려가 높다. 이에 본 연구에서는 석탄화력발전소와 외부요인 등이 지역 대기오염에 미치는 영향 파악을 위해 일반적으로 미세먼지 또는 초미세먼지 등의 기원 추적자로 이용하는 탄소 안정동위원소를 활용하여 지역 오염원의 기원을 추정하였다. 또한, 석탄화력발전소로부터의 이격거리를 고려하여 선정한 2지점에 대한 계절별 실측데이터와 선행연구 분석을 통해 구축한 라이브러리 및 역궤적 분석으로 오염원의 기원을 해석하였다. 탄소 안정동위원소비의 분석결과 겨울 > 봄 > 가을 > 여름 순으로 고농도 경향성을 보였으며, 라이브러리와의 매칭결과 이동오염원과 노천소각의 영향이 상대적으로 높은 것으로 분석되었다. 본 연구는 시범연구로 지속적인 모니터링과 데이터 축적을 통한 연구결과의 신뢰성 확보에 주력해야 할 것으로 판단된다.

Ⅰ. 서론

발전 및 산업·제조시설이 밀집되어 있는 충청남도는 전국 석탄화력발전소 60기 중 절반에 해당하는 30기가 위치하고 있어 온실가스 배출량과 지역 대기오염물질 배출 기여도가 높으며, 이로 인한 충남도민들의 건강, 주변 생태계 등이 위협받고 있다. 석탄화력발전소 관련 연구는 주변지역 주민들에 대한 건강·환경영향조사, 피해 비용 산정, 방지시설 개선에 따른 배출억제에 관한 연구가 대다수이다[1-7]. 석탄화력발전소 영향에 대한 다양한 연구가 진행되오고 있으나 오염기원과 피해에 대한 정량적 기여도 평가와 인과관계를 규명하는데는 한계가 있다.

이에 최근에는 국립환경과학원을 중심으로 안정동위원소를 활용한 오염원 소스에 대한 추정, 배출 영향 등에 대한 관계규명 연구가 추진되고 있다. 일반적으로 안정동위원소를 활용한 연구는 동위원소 분별 (Isotopic Fractionation)로 물질간의 동위원소 값이 달라지는 원리[8]를 이용하여 환경학, 지구과학, 수문학, 생명과학 등 다양한 분야에서 폭넓게 이용되고 있으며, 계절변화나 오염원 기원 분석을 통한 환경오염원 추적, 배출원의 라이브러리 구축, 원산지 추적, 범죄 수사 등에 주로 활용되고 있다[8-18].

본 연구에서는 (1) 미세먼지 또는 초미세먼지 등의 추적에 적합한 탄소 안정동위원소를 활용하여 라이브러리 구축과 매칭을 통해 계절별 기원차이를 확인하고, (2) HYSPLIT 모델을 이용한 역궤적 분석으로 매칭 결과를 검증하여 석탄화력발전소 주변지역의 오염원에 대한 과학적 실증자료 구축과 탄소 안정동위원소에 대한 오염원 추적자로써의 활용 가능성을 검토하고자 한다.

Ⅱ. 연구방법

1. 시료채취 및 분석

연구대상지는 2016년 기준 석탄에 의한 전력시설용량 전국 50.1%를 담당하는 충청남도의 화력발전소 소재 4개 기초지자체(보령시, 당진시, 태안군, 서천군(가동중단)) 중 2017년 PM10, PM2.5 연평균농도가 가장 높은 당진시를 시범지역으로 선정하였다.

당진시 내 화력발전소 영향과 외부요인에 의한 오염물질의 영향 검토를 위해 도시대기측정소와 방재 기상관측소(Automatic Weather System), 화력발전소와의 이격거리(TM좌표), 풍향‧풍속, 대기오염 공정시험기준 등을 고려하여 2지점(석문면사무소(A), 당진시청(B))에서 대기샘플링을 실시하였다. 화력발전소로부터 남동 방향으로 직선거리 10.3km에 위치한 A지점은 3층 건물로 주변에 해당 건물보다 높은 건물 또는 지형지물이 없으며, 3층 옥상에 측정장비를 설치하였다. 도시대기측정소가 위치한 B지점은 A지점과 유사한 조건에 직선거리 21.4km에 위치한 지점으로 시료채취를 위하여 3 층 옥외공간에 측정장비를 설치하였다.

시료채취는 2018년 4월부터 2019년 1월까지 계절별로 총 4회 실시하였으며, 대기오염공정시험기준(ES 01115)에 따라 대용량 먼지 포집기(TE-5000, TISCH)를 사용하여 지상으로부터 1.2m 높이에서 1m³/min 유량으로 24시간 연속채취하였다. 측정기간은 2018년 4월~2019년 1월로 계절별 총 4회 실시하였고, 측정 기간의 기상조건은 인근 방재기상관측소 자료를 활용하였고 [표 1]과 같다.

표 1. 측정기간의 기상조건

측정기기를 통해 포집한 대기의 총 부유물질(total suspended particles, TSP) 중 유기탄소를 오염원 추적자로 선정하였으며, 탄소 안정동위원소비(δ¹³CVPDB) 파악을 위해 한국기초과학지원연구원에서 보유하고 있는 안정동위원소 질량분석기(IRMS, Isotope Ratio Mass Spectrometry, Isoprime 100, Elementar-GV Instrument, U.K)를 활용하였고, 국제원자력기구(IAEA)에서 공급하는 표준물질 Pee Dee Belemnite (PDB), USGS 24를 사용하였다[10]. 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)는 식(1)을 적용하여 산정하였고 여기서 R은 ¹³C/¹²C을 의미한다.

\(\delta^{13} C\left(\%_{0}\right)=\left(\frac{R_{\text {시료 }}-R_{\text {표준물질 }}}{R_{\text {표준물질 }}}\right) \times 1000\)       (1)

2. 라이브러리 구축

채취한 시료의 오염원 추적을 위하여 본 연구와 유사한 국내외 논문과 보고서 21편을 검토‧분석하여 [표 2] 와 같이 국가별 탄소 안정동위원소 통합 라이브러리를 구축하였다. 국외에서는 측정결과 기반의 오염원 기원규명 관련 정보구축 연구가 활발히 진행되고 있으며, 국내의 경우 국립환경과학원, 한국표준과학연구원 등을 중심으로 실측값과 확산모델을 통한 기여도 규명연구가 중점적으로 추진되고 있는 것으로 파악되었다.

표 2. 국가별 탄소 안정동위원소비(δ13C) 라이브러리

선행연구에 의하면, 대기 중 탄소성 입자의 동위원소비는 [표 3]과 같이 기원이 다양하고 지역 특성이 뚜렷하지 않으며, 실측데이터가 부족해 특정 오염원 추적에는 한계가 있다. 특히, 대기오염의 가장 많은 비중을 차지하는 석탄화력발전시설, 제철소 등 대규모 배출시설에 의한 오염원 규명에 관한 기초연구가 매우 미흡한 실정으로 장기적인 과학적 데이터 축적이 시급한 것으로 조사되었다.

표 3. 주요 기원별 탄소 안정동위원소비(δ¹³C) 라이브러리

3. HYSPLIT 모델링

라이브러리를 활용한 채취시료의 오염원 기원 추정의 검증을 위해 미국의 NOAA/ARL(National Ocean and Atmospheric Administration/Air Resources Laboratory)에서 개발한 라그랑지안 입자확산모델 HYSPLIT(HYbrid Single Particle-Lagrangian Integrated Trajectory) 모델로 오염물질의 역방향 궤적을 추적하였다. HYSPLIT 모델은 오염물질의 농도뿐만 아니라 오염물질의 전방향 및 역방향으로의 궤적 추적이 가능하며[32], 분석영역 격자체적 내에서 연속적으로 배출되는 입자들을 주어진 시간농도에 대해 계산한다. 모델링을 위해서는 온도, 고도, 바람장, 해면 기압 등의 기상자료가 필요하며, 일반적으로 미국 NCEP(National Centers for Environmental Prediction) 자료를 사용한다. 본 연구에서는 동경 126.65°, 북위 36.89°를 도착지점으로 NCEP 기상예측모델 결과인 공간해상도 1°의 GDAS(Global Data Assimilation System) FNL(Final) 전구 재분석 자료를 적용하여 72시간으로 역궤적 경로를 모사하였다.

Ⅲ. 연구결과

1. 안정동위원소비 분포

측정기간 동안 두지점에서의 탄소 안정동위원소비 (δ¹³C)는 [표 4]와 같으며, 봄 –25.9~-25.1‰, 여름 – 27.9~-26.3‰, 가을 –26.4~-25.9‰, 겨울 – 25.6~-24.2‰ 범위의 값을 가지는 것으로 나타났다.

표 4. 탄소 안정동위원소비(δ¹³C) 분석결과

석탄화력발전소와의 이격거리에 의한 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)는 상대적으로 멀리 위치한 A지점에서 가벼운 값(봄철 제외)이 분포하고 가까운 B지점에 무거운 값이 분포하는 것으로 측정되었는데, 이는 오염 기원의 영향도 있지만, 측정기간의 풍향과 풍속에 의한 영향도 높은 것으로 판단된다.

계절별 농도패턴은 [그림 1]과 같이 겨울철의 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)가 가장 무거운 값을 보였고 봄, 가을, 여름 순으로 가벼운 값을 보이는 것으로 측정되었으며, 두지점은 유사한 계절 경향성을 보였다.

그림 1. 당진시 계절별 δ¹³C 분포도

2. 라이브러리 매칭을 통한 기원 추정

본연구에서의 실측값과 선행연구결과를 토대로 작성한 라이브러리값의 비교를 통해 계절별 기원을 추정하여 [그림 2]에 나타내었다. 계절별 주요 오염기원은 상이하나, 상대적으로 이동오염원과 노천소각이 당진시 대기오염에 상당한 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

그림 2. 라이브러리와 본연구의 δ¹³C 분포도

당진시 봄철 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)는 멕시코의 Avenida Chapultepec터널, 브라질 Rio de Janeiro 터널, 일본 아키타현, 국내 홍지문 터널과 서울 톨게이트, 남인천 톨게이트와 유사한 값을 보이는 것으로 조사되었다. 주요 오염기원은 이동오염원에 의한 배기가스, 중유(연료) 연소, 화석연료(액체), 바이오매스(농작물) 연소 등으로 추정된다.

비교적 가벼운 값을 보이는 여름철의 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)는 캐나다 Cassier터널과 유사한 것으로 분석되었다. 주로 바이오매스 중 C₃식물과 목재류의 연소, 이동오염원에 의한 배기가스, 자연계에 존재하는 C₃식물, 볏짚과 잣나무잎 연소 등에 의한 지역 대기오염 영향이 상대적으로 높은 것으로 추정된다.

가을철의 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)는 베이징(중국)과 유리혼조시(일본)에서의 측정값과 유사한 것으로 조사되었고 주 오염원은 석탄화력발전시설 비산재와 숯, 차콜 그리고 이동오염원에 의한 배기가스 등으로 분석되었다.

겨울철의 경우 멕시코 Avenida Chapultepec터널, 중국 베이징에서의 석탄과 자동차 연소 측정값, 일본 아키타현의 여름과 겨울철 부유입자물질(SPM)·PM10, 충청남도 태안군 파도리측정소에서 측정한 겨울시료, 보령화력발전 인근 1km에서 측정한 여름시료, 서울·남인천 톨게이트와 유사한 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)를 보이는 것으로 조사되었고 주요 오염기원은 이동오염원(대형차량 등)의 배기가스로 추정된다.

3. HYSPLIT 모델을 이용한 역궤적 분석

HYSPLIT 모델을 통한 측정기간 동안의 역궤적 분석 결과를 [그림 3]-[그림 6]에 나타내었다.

그림 3. 봄철 역궤적 분석 결과

그림 4. 여름철 역궤적 분석 결과

그림 5. 가을철 역궤적 분석 결과

그림 6. 겨울철 역궤적 분석 결과

봄철 측정기간은 2018.04.09.~12.이며, 중국동북지역 및 동남지역 기원의 장거리 오염물질이 서해와 남해상을 거쳐 당진시로 유입된 것으로 분석되었다.

한편, 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)가 가장 낮은 여름철의 측정기간은 2018.07.11.~13.로 남동풍에 의한 태평양 기원 장거리 오염물질이 일본을 거쳐 유입된 것을 확인할 수 있었다.

가을의 경우 2018.10.17.~19.에 측정하였으며, 중국, 몽골, 러시아에서 발생한 장거리 오염물질이 북한을 통과하여 측정지점에 유입됨으로써 대기오염에 영향을 주는 것으로 나타났다.

겨울시료는 2019.01.16.~18. 기간동안 측정하였고 러시아와 중국 기원의 장거리 오염물질이 북서풍에 의해 국내에 유입되어 고농도 사례일이 관측된 당진시에 상당한 영향을 미친 것으로 확인되었다.

Ⅳ. 결론

본 논문은 석탄화력발전소 주변지역 대기오염원의 기원 추적에 관한 연구로 과학적 실증자료 구축과 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)의 환경오염원 추적자로써의 활용 가능성 검토를 위해 라이브러리와 HYSPLIT 모델을 이용하여 결과를 비교·검증하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1. 실측값은 석탄화력발전소와의 인접도와 계절적 요인에 의한 영향이 큰 것으로 분석되었으며, 이격거리가 멀수록 가벼운 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)가 분포하는 것을 확인할 수 있고, 겨울과 봄철에 상대적으로 무거운 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)가 주로 관측되었다.

2. 라이브러리와의 매칭결과에 의하면, 봄에는 국내외 터널에서의 측정값과 유사한 수준을 보이고 여름의 경우 자연계에 존재하는 측정값과 유사한 것으로 분석되었다. 가을에는 인접국가인 중국, 베이징의 일부 도시와 유사한 값을 보이는 것으로 조사되었으며, 겨울은 국내외 터널과 석탄화력발전시설, 차량 배기가스와 값이 유사한 것으로 분석되었다.

3. 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)의 추적기법 적용을 위해 라이브러리와의 매칭 방법론을 HYSPLIT 모델로 검증하였으며, 봄과 여름을 제외한 가을(중국 기원의 석탄화력발전시설 장거리 오염물질 유입), 겨울(중국과 국내 기원의 석탄화력발전시설과 차량 배기가스 장거리 오염물질 유입)의 유입기류 경로와 매칭결과가 유사한 것을 확인할 수 있었다.

결과적으로 탄소 안정동위원소비(δ¹³C)는 환경오염원 추적자로 내외부 유입-유출 기여도 파악, 오염 기원에 따른 맞춤형 저감정책 수립, 국내외 저감협력을 위한 근거자료로의 활용도가 높을 것으로 기대된다.

본 연구에서 도입한 기법은 선행연구 라이브러리에 의존하는 방법으로 비교 DB가 누락되거나 미흡한 경우 원인자 추적에 한계가 있다. 즉, 보유하고 있는 DB 범위에서 제한적 기원 추정이 가능하다.

이에 결과의 신뢰성을 확보하기 위해서는 첫째, 측정지점, 횟수 등을 확대하여 조사지점에 대한 장기적인 실측데이터를 누적시켜야 한다. 둘째, 비교 대상인 오염원에 대한 동일 추적자의 실측데이터가 구축되어 있어야 하며, 영향을 줄 수 있는 주변 환경매체를 고려하고 해당 데이터를 확보해야 한다.

후속연구로 탄소 안정동위원소비(δ¹³C) 이외의 원소를 적용한 추적연구가 필요하며, 활발한 연구를 통한 장기 모니터링 DB가 누적되고 대기확산모델의 예측·검증과정이 수반된다면, 석탄화력발전소가 주변지역에 미치는 영향에 대하여 보다 명확히 규명할 수 있을 것으로 판단된다.