★..한국실내환경학회 KOSIE

http://dx.doi.org/10.15250/joie.2014.13.2.87 ISSN 2288-923X (Online)

대중교통시설 승강장에서 미세먼지내 중금속 특성

원수란·심인근*·권명희·이우석·권오상 국립환경과학원 생활환경연구과

Characteristics of metal components of particulate matters on public transportation platforms

Sooran Won · In-Keun Shim* · Myunghee Kwon · Wooseok Lee · Ohsang Kwon Indoor Environment & Noise Research Division, National Institute of Environmental Research

(Received 20 March, 2014; Revised 20 May, 2014; Accepted 20 June, 2014) Abstract

The indoor air quality in public facilities has been well maintained as consciousness of facility owners is improved.

However, the risk of PM_2.5 and heavy metals in particulate matters have not been highlighted until now. So we investigated the particulate matters on major public transportation facilities such as subway, port and bus terminals.

And we tried to figure out the characteristics of each facility groups by comparing the mass and metal concentration between PM_2.5 and PM₁₀. As a results, the correlation between concentration of indoor particulate matters and that of outdoor particulate matters shows higher strength in the case of bus terminals and port platforms than subway platforms. However the total concentration of particulate matters and heavy metals were much higher in subway platforms than that of terminals and port platforms.

Keywords : Indoor air quality (IAQ), Particulate matter, Metals, Transportation

1. 서 론

미세먼지는 하나의 물질로만 이뤄진 단순한 형태가 아닌 탄소나 이온성분, 수분 등이 합쳐진 복합체라고 할 수 있다. 이러한 미세먼지의 물리화학적 특성들은 입자의 독성과 인체에 미치는 영향을 파악하는데 중요 한 단서가 된다(Shin et al., 2002). 최근 먼지에 대한 국제적인 연구 추세는 물리적 의미보다 유해성분이 함 유된 먼지에 대한 연구로 집중되고 있다(Baek et al., 2008). 미세먼지의 구성 성분들을 조사하는 연구는 이 들이 어디서부터 기원되었는지에 대한 발생원에 관한 PMF(positive matrix factorization), CMB(chemical mass balance)와 같은 수용모델링 연구들의 중요한 자료가 되기도 한다.

미세먼지를 구성하고 있는 성분들은 배출원에서 직

접 발생되어 나온 1차 생성물질과 연소과정이나 휘발 성 물질이 응축되면서 생성된 입자들이 산화·환원과 정과 같은 화학반응을 거쳐 생성된 2차 생성물질로 크 게 나눌 수 있다(NARSTO, 2004). 1차 생성물질로는 해염입자(sea salt)나 토양기원 성분, 꽃가루나 포자 등 의 주로 자연적인 배출원이 주로 포함되며, 2차 생성물 질에는 황산염, 질산염, 암모늄, BC(black carbon), 중 금속 등 인위적인 물질들이 포함된다.

미세먼지는 동일한 농도라도 입경이 작을수록, 입자 의 수가 많아지고 총 표면적이 넓어지기 때문에 건강 에 미치는 영향이 커진다고 알려져 있다(Donaldson et al., 2001; Park et al., 2005). 미세먼지의 크기별로 인 체에 미치는 영향을 볼 때, 호흡을 통해 5 µm 이상의 먼지는 인후 또는 기관지 점막에 의해 걸러지지만, 2 µm 이하의 먼지의 경우는 폐포에 침착되며 혈관으로 침투하여 기관지 질환이나 심장질환을 유발한다고 알 려져 있다(Lippmann, 1999). PM10의 농도가 100 µg/

m³씩 증가할 때마다 사망률이 약 13% 증가한다는 연

*Corresponding author

Tel : +82-32-560-8324 E-mail : [email protected]

구 결과(Carlton et al., 1999; Choudhury et al., 1997) 와 PM2.5의 농도가 10 µg/m³씩 증가할 때 심폐질환과 간암의 위험성이 각각 6%와 8%가 늘어나는 연구 (Pope et al., 2002)가 이를 뒷받침 해준다.

불특정 다수가 이용하는 다중이용시설에 대한 실내 공기질 관리법은 2004년 환경부에서 제정하여 현재 약 20여개 시설군에 대하여 관리하고 있다. 그러나 일부 소규모의 여객터미널(버스, 항만) 등의 경우 실내공기 질에 대한 연구조사가 미흡한 상태이다. 이들 시설은 주위의 교통량이 일반 주택가에 비해서 높은 편으로, Gauvin et al.(2002)의 연구에 따르면 교통량이 많으면 이를 이용하는 시간만큼 인체에 대한 미세먼지의 노 출량을 높인다고 하였다. 이들 대부분의 시설에서 유 지기준 항목인 PM10에 대한 관리는 환기나 환경의식 개선에 의하여 어느 정도 유지되는 반면, PM2.5혹은 미세먼지에 포함된 중금속에 관한 위해성은 아직까지 인식되지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 대중교 통수단인 지하역사의 승강장과 여객터미널의 대합실 등 유동인구가 많은 시설을 대상으로 미세먼지 내 금 속성분을 파악하고, 각 교통수단별 특징을 비교하고자 하였다.

2. 연구 방법

2.1 측정대상 시설 및 측정기간

본 연구에서는 지하역사의 승강장(n=10)과 버스터미 널의 대합실(n=7), 항만여객터미널의 대합실(n=7)을 대 상으로 PM2.5와 PM10을 측정하였다. 이 시설들은 많은 사람들이 이용하는 대중교통시설 중 하나로, 시설의 크 기 및 이용 승객수 등 시설현황에 대하여 조사하였다 (Table 1). 시설에 대한 환경조사 결과, 지하역사는 면 적대비 하루에 이용하는 인구수가 가장 많았으며, 지하 에 위치하여 있기 때문에 공조기를 통하여 환기를 하 는 시간이 가장 길었다. 마찬가지로 버스터미널도 면적 대비 인구수는 많은 편이었으며, 지하역사와 동일한 개 방시간을 보인 반면 자연환기가 빈번하게 이루어지기 때문에 공조기를 통한 환기시간은 적은 편이었다. 항만

여객터미널은 터미널의 특성상 화물이나 컨테이너 선 적 등으로 인하여 터미널의 면적은 큰 편이었지만 이 용하는 인구수는 적은 편이었다. 또한, 선박의 여객운 항 횟수가 수시로 있는 것이 아니었기 때문에 시설의 개방시간과 환기시간도 다른 시설에 비하여 적은 편 이었다. 측정지점은 유동인구가 많고, 시설에서 대표 되는 1지점을 선정하여 실내와 외부 각각 1지점씩 24 시간 동안 측정하였다. 측정기간은 2010년 7월부터 시작하여 2011년 10월까지로 계절별 특성은 고려하지 않았다.

2.2 측정 및 분석방법

측정은 소용량 공기포집기(Airmetrics, PAS-201, USA) 를 사용하여 분당 5 L의 유속으로 24시간동안 PTFE필 터(Pall Co., Zeflour^TM supported, 2.0µm, 47 mm)에 시료를 포집하는 방식을 이용하였다. 또한, 시료채취는 바닥으로부터 1.5 m, 벽으로부터 1 m 정도 떨어진 곳 에서 측정하였다(Won et al., 2012). 입경분리장치는 PM₁₀을 포집하기 위한 1단과 PM10보다 작은 입경의 PM_2.5를 포집하기 위한 2단 장치를 사용하였다. 입경분 리장치의 충돌판(impaction surface)의 효율을 높이기 위해서 헥산(Hexane) 30 mL에 그리스(grease) 1 inch 를 녹인 혼탁액을 충돌판 위에 피펫으로 1~2방울 떨어 뜨려 얇게 코팅한 후 사용하였다. 미세먼지 농도는 필 터무게의 차를 측정 당시의 온도와 압력으로 보정한 후 산출하였다(NIER, 2011).

시료가 포집된 필터는 약 7% 질산 15 mL 들어있는 직경 3.5 cm의 Teflon vessel에 넣고, microwave oven 에서 1200 W로 200^oC까지 단계적으로 온도를 상승, 유지하여 시료가 질산용액에 충분히 용출되도록 하였 다. 추출액은 5C 필터(Advantec, Toyo Lyd., Japan)를 사용하여 필터링 과정을 거친 후 ICP-MS(Perkin Elmer, Nexon 300D, USA)를 이용하여 금속성분을 분석하였 다(NIER, 2012). 측정항목 중 일부는 플라즈마를 통과 하기 전 암모니아 가스를 챔버에 주입하였으며, DRC- e 모드를 이용하여 분석대상물질과 유사한 질량을 가 지는 물질들의 간섭효과를 최소화하였다(NIER, 2009).

Table 1. General description of sampling sites

Facilities N Area

(m²)

Number of users (person/day)

Open time (hour/day)

Ventilation time (hour/day)

Bus terminal 7 2,376 8,714 19.7 9.3

Port terminal 7 7,082 1,697 14.0 8.5

Subway station 10 9,972 103,600 19.7 16.0

Total 24

3. 결과 및 고찰

본 연구에서 측정한 버스터미널과 항만여객터미널 대합실, 지하역사 승강장에서 실내공기질 기준인 PM10

농도 100 µg/m³를 초과한 지점은 없었으나 PM10에서 PM_2.5가 차지하는 비율이 약 77%정도로, PM2.5가 PM₁₀의 대부분을 차지하는 것으로 나타났다(Table 2).

외부에서 측정한 PM2.5와 PM10 농도와의 상관성에서

는 지하역사보다 버스와 항만여객터미널에서 외기와의 상관성이 높게 나타났다(Table 3). 측정이 이루어진 시 설들의 경우 교통량이 많은 지역에 위치하고 있었기 때문에 PM2.5를 구성하는 물질들이 대부분 자동차에서 기인한 물질들이었을 것이라고 예측된다. Pereira et al.(2007)의 연구에서 버스나 항만여객터미널에서 측정 한 PM10의 농도(항만: 64.7, 71.7 µg/m³, 버스: 112 µg/

m³)에 비해 본 연구의 농도는 상대적으로 낮은 편이었 Table 2. Summary of measured PM_2.5 and PM₁₀ component concentrations on sampling sites (unit : µg/m³)

Indoor Outdoor

PM_2.5 PM₁₀ PM_2.5 PM₁₀

Subway (n=10)

Bus (n=7)

Port (n=7)

Subway (n=10)

Bus (n=7)

Port (n=7)

Subway (n=10)

Bus (n=7)

Port (n=7)

Subway (n=10)

Bus (n=7)

Port (n=7) Mass 41.2 35.5 22.6 60.1 44.3 27.4 38.9 36.7 23.1 41.7 50.2 32.9

As 0.002 0.002 0.001 0.003 0.002 0.001 0.003 0.002 0.001 0.002 0.002 0.002 Ba 0.113 0.014 0.002 0.265 0.028 0.003 0.032 0.011 0.002 0.055 0.039 0.008 Ag 0.001 0.001 0.001 0.002 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 Cs 0.000 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 Sr 0.003 0.001 0.001 0.005 0.002 0.001 0.002 0.001 0.001 0.002 0.003 0.002 Be 0.000 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 V 0.004 0.005 0.018 0.005 0.004 0.020 0.004 0.004 0.021 0.003 0.005 0.029 Cr 0.011 0.006 0.001 0.024 0.004 0.003 0.003 0.003 0.001 0.002 0.003 0.004 Mn 0.074 0.022 0.012 0.157 0.023 0.016 0.025 0.020 0.015 0.026 0.032 0.027 Fe 7.774 0.367 0.222 32.377 0.728 0.298 0.930 0.363 0.122 1.502 0.980 0.571 Co 0.001 0.001 0.001 0.002 0.002 0.001 0.000 0.001 0.001 0.001 0.003 0.001 Ni 0.004 0.013 0.006 0.013 0.002 0.011 0.006 0.008 0.009 0.006 0.003 0.011 Cu 0.090 0.007 0.010 0.208 0.010 0.008 0.049 0.004 0.019 0.054 0.016 0.019 Zn 0.086 0.094 0.135 0.126 0.275 0.084 0.076 0.064 0.070 0.059 0.083 0.093 Pb 0.092 0.039 0.014 0.116 0.027 0.020 0.038 0.030 0.023 0.032 0.037 0.033 Cd 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.000 0.001 0.001 Bi 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 Si 0.033 0.035 0.223 0.401 0.216 0.147 0.015 0.022 0.021 0.063 0.237 0.047 Al 0.113 0.109 0.073 0.199 0.198 0.153 0.102 0.071 0.131 0.138 0.377 0.247 Se 0.030 0.003 0.001 0.067 0.003 0.002 0.011 0.002 0.006 0.017 0.005 0.005 Ti 1.287 0.302 0.084 1.774 0.433 0.269 0.509 0.297 0.151 0.478 0.816 0.341 Table 3. Correlation of indoor and outdoor particulate matter at platforms of measured facilities

(a) subway (b) bus and port

　 IN PM_2.5 IN PM₁₀ OUT PM_2.5OUT PM₁₀ 　 IN PM_2.5 IN PM₁₀ OUT PM_2.5OUT PM₁₀ IN PM_2.5 1.000 0.818 0.842 0.673 IN PM_2.5 1.000 0.950 0.899 0.873 IN PM₁₀ 0.818 1.000 0.903 0.806 IN PM₁₀ 0.950 1.000 0.865 0.845 OUT PM_2.5 0.842 0.903 1.000 0.903 OUT PM_2.5 0.899 0.865 1.000 0.943 OUT PM₁₀ 0.673 0.806 0.903 1.000 OUT PM₁₀ 0.873 0.845 0.943 1.000 p<0.05

다. 마찬가지로 지하역사 승강장의 경우 본 연구에서 측정한 PM2.5와 PM10의 농도는 다른 나라에 비해 매우 낮은 편이었다(Table 4).

시설별로 나누어 봤을 때, PM2.5와 PM10의 농도는 지하역사 승강장, 버스터미널 대합실, 항만여객터미널 대합실 순이었다. 버스터미널과 항만여객터미널 대합 실은 지상에 위치하고 있어 자연환기가 잘 이루어지는 편인 반면, 지하역사의 승강장은 상대적으로 자연환기 가 어렵기 때문에 환기시설에 의하여 환기가 이루어진 다. 또한, Table 1에서 나타난 것과 같이 두 시설에 비 해 상대적으로 유동인구가 많은 편으로 이에 의해 재 비산 되거나 실내에 축적되는 양이 많은 것으로 사료 된다. 통계적으로도 시설의 면적과 개방시간보다 유동 인구에 대해서 미세먼지의 농도 변화가 유의성을 나타 내었다(p < 0.05).

지하역사의 승강장에서는 버스터미널과 여객터미널 의 대합실에 비해 중금속이 차지하는 비율이 높은 것 을 볼 수 있었다(Fig. 1). Chow(1995)의 연구에서 미세 먼지는 중금속을 표면에 흡착시켜 유해물질을 체내에 전달하는 매개체 역할을 하므로 인체의 위해도를 증가 시킬 수 있다고 하였다. 버스터미널과 항만여객터미널 은 PM2.5와 PM10의 질량대비 금속성분이 차지하는 비 율은 약 4% 정도였으나, 지하역사의 경우는 약 24%정 도의 중금속이 존재하는 것으로 나타나 다른 시설에 비하여 중금속에 의한 인체 영향이 상대적으로 클 것 으로 사료된다.

미세먼지 내 포함된 금속성분들의 농도를 볼 때, 지 하역사의 PM10에 포함된 Fe 성분은 총 중금속 농도의 반 이상을 차지하는 것을 확인할 수 있었다(Table 2).

이러한 PM10에 포함된 높은 Fe 성분비는 국외 다른 연 구에서도 보고되고 있다(Colombi et al., 2013). 또한, EPA에서 지정한 발암물질 B등급 이상인 성분(As, Cd, Cr, Pb) 중 Cr, Pb 성분은 다른 대중교통시설의 대합실 과는 달리 지하역사의 승강장에서 측정한 PM2.5와 PM₁₀에서 2~4배까지 높은 편으로 나타났다(Fig. 2). Cr

과 Pb, Fe 성분을 포함하여 Ba, Cu, Mn, Ti 등의 성분 들도 지하역사에서 농도가 뚜렷하게 높은 것을 볼 수 있었다. Fe이나 Cu, Mn과 같은 물질들은 지하철 철로 와 바퀴 및 전선 등을 발생원으로 하며(Kim and Paik, 2004), PM_2.5에서보다 PM10에서 상대적으로 높은 농도 를 보이는데 이는 기계적 마모에 의한 1차 생성물질이 기 때문이다(Colombi et al., 2013). Ba의 경우는 S와 반응하여 BaSO4의 형태로 철로의 브레이크 패드를 구 성하는 성분으로 알려져 있으며(Furuya et al., 2001), 버스터미널과 항만여객터미널 대합실에 비해 약 10배 정도 높게 측정되었다. Jung et al.(2010)에 따르면 Ti 의 경우는 Cu, Ba 성분과 함께 운송수단에서는 의미 가 있는 성분으로 Fe처럼 철로, 바퀴, 브레이크 패드로 인한 영향은 없지만, 페인트의 부식으로 인하여 생성 된 것으로 지하역사의 미세먼지를 구성하고 있다고 하 였다.

버스터미널에서는 PM2.5중 Ni이, PM10에서는 Zn이 다른 두 시설보다 약 2배 정도 높은 편이었다. 또한 항 만여객터미널에서는 PM2.5 중 Zn, Si가 높은 편이었으 며, V는 PM2.5와 PM10 모두 타 시설에 비해 약 5배정 도 높은 농도를 보이고 있었다(Fig. 2). Si는 토양 오염 원의 성분(Kim et al., 2008)으로 외부에서 유입되었을 Table 4. Compare of PM_2.5 and PM₁₀ concentrations at subway platforms in other countries

City/Country PM_2.5 PM₁₀ Reference

Seoul, Korea 41 60 This study

Stockholm, Sweden 260 470 Johansson and Johansson (2003)

Rome, Italy 407 Ripanucci et al. (2006)

Prague, Czech 103 Branis(2006)

Helsinki, Finland 61 Gomez-Perales et al. (2004)

New York, USA 56 Grass et al. (2010)

London, England 270-480 Seaton et al. (2005)

Fig. 1. Metals and other components ratio in particulate matter.

Fig. 2. Concentration of metal components in indoor PM_2.5 on public transportation platform.

것이라고 사료된다. Ni, V, Zn은 Pb과 더불어 자동차 에서 배출되는 인위적 오염물질로 알려져 있으며, 타이 어의 마모, 연료유 연소 등에 의한 영향이 큰 편이다 (Beak et al., 1998; Kiss et al., 1996). Pagan et al.(2003)에 의하면 Zn를 포함한 중금속 성분들은 개별 적으로 노출되었을 때보다 금속 화합물의 형태로 노출 되었을 때 독성이 훨씬 크다는 연구결과도 있다. 버스 터미널과 여객터미널에서 Ni, V, Zn의 농도가 높았던 것은 버스나 화물차와 같은 대형차들은 소형차와 달리 상대적으로 재생타이어를 사용하거나 타이어의 교체기 간이 길기 때문에 그로 인한 타이어의 마모가 빈번히 이루어졌을 것이라고 예상된다.

4. 결 론

본 연구에서는 불특정 다수가 이용하는 대중교통 수 단 중 대표적인 버스터미널과 항만 여객터미널, 지하역 사의 대합실에서 미세먼지(PM2.5, PM₁₀)를 측정하고 미세먼지에 포함된 중금속의 특성을 파악하였다. 측정 이 이루어진 모든 시설에서 실내공기질 기준 PM10농 도 100 µg/m³를 초과한 지점은 없었지만, 인체의 위해 성이 큰 PM2.5 농도가 PM10에 약 80%정도로 높게 나 타났기 때문에 PM2.5에 대한 관리 및 기준설정이 특정 다중이용시설군에 한해서는 필요하다고 판단된다.

지하역사 승강장은 버스터미널과 항만 여객터미널 승강장에 비해 미세먼지의 질량 농도뿐만 아니라 질량 대비 금속성분이 차지하는 비율이 상대적으로 높은 것 으로 조사되었다. 지하역사의 경우, 지하철 선로나 바 퀴, 브레이크 패드에서 기인한 Fe, Cu, Mn, Ba 성분들 뿐 아니라 발암물질인 Cr과 Pb의 농도도 2~4배 정도 높은 것으로 나타났다. 환경조사에 의하면 지하역사 승 강장에서는 자연환기가 어려워 대부분 기계 환기로만 오염물질을 배출하며, 타 시설에 비해 이용 승객수가 많기 때문에 미세먼지의 농도가 높게 나타났을 것이라 사료된다. 따라서 대중교통 승강장내 미세먼지의 중금 속 인체 노출량에 대한 연구도 추가적으로 필요하다.

버스터미널과 항만 여객터미널 대합실에서 측정한 PM_2.5와 PM10은 외부에서 측정한 PM2.5와 PM10과의 상 관성이 높게 나타났다. 또한, 이들 시설군의 경우 버스 나 화물차 등 대형자동차의 교통량이 많고, 타이어 마 모 등으로 인하여 Ni, Zn, V의 농도가 지하역사에 비해 높게 측정되었다. 이 두 시설군의 PM2.5와 PM10은 외부 에서 실내로 유입된 것으로 파악되며, 실내에서 환기와 청소, 공기청정기의 사용 등을 주기적으로 해주는 것이 좋은 실내공기질 유지에 도움이 될 것으로 판단된다.

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