대기오염 및 제어
1. 서론
최근, 대기관련 지구환경 문제들인 온난화, 산성비, 오존층파괴, 사막화 등이 전세계적인 환경문제로 나타나고 있다. 그러나, 대기오염은 현대사회의 새로운 현상이 아니며 이미 14세기 영국에서는 석탄 매연에 의한 대기오염이 문제가 되어 석탄 사용이 금지된 때가 있었다. 또한 1952년 런던에서는 아황산가스에 의한 대기오염으로 약 4000명이상이 사망하였으며, 1954년 로스엔젤레스에서는 자동차 광화학스모그 사건이 발생하여 주민에 많은 건강상의 피해를 주었다.
일부 외국의 대기오염 사례를 위에 언급하였으나, 사실 대기오염은 화산폭발 및 산불등 자연 발생적 대기오염 물질에 의해 예로부터 존재하여 왔으며, 일시적으로 인간에 피해를 주는 지역적 문제이었다. 그러나 산업혁명 이후부터는 인위적 대기오염물질에 의한 피해가 인간, 동물, 식물, 재산 등에 서서히 증가하기 시작하였고 최근 지구규모의 관심사가 되기 시작하였다.
한편, 우리나라에서도 대도시에서는 자동차 증가로 인한 먼지, 오존 등의 오염도가 점점 증가되고 있으며, 산업단지 주변에서는 휘발성 유기화합물 등에 의한 인근 주민의피해사례가 나타나고 있다. 현대사회의 일련의 이러한 대기오염의 주요 원인은 수질오염이나 폐기물 문제 등의 경우와 같이, 인간의 욕구를 충족시키기 위해 사용되는 에너지와 자원의 사용에 따른 오염물질의 무분별한 배출에 있다고 볼 수 있다. 즉, 오늘날의 심각한 대기오염의 요인도 다른 환경오염 문제처럼 산업화, 도시화 및 인구 증가에 따른 것으로 요약될 수 있다.
대기오염을 최소화하고 효과적으로 대기의 질을 관리하여 위해서는 대기 자체의 성질 뿐 만 아니라, 대기오염의 원인 및 특성, 대기오염의 사례, 대기오염 물질, 대기오염이 인간 및 주변 동식물과 재산에 미치는 영향, 기상상태와 대기오염과의 연관성, 효과적 방지대책 기술 등에 대한 전반적인 이해가 필요할 것이다.
2 대기오염 및 사례
2.1 대기의 특성
대기는 지구 위에 존재하는 전체 기상 부분을 뜻하며, 일반적으로 대기라 함은 지구를 둘러싸고 있는 공기를 말한다. 공기로 구성된 대기권의 대기전체 질량은 약 5.2x10ton 이며, 이 양은 대기권을 구성하는 4가지 기본층인 대류권, 성층권, 중간권, 열권에 분포되어 있다. 대기권 전체의 고도에 따른 온도 변화의 양상은 그림 9.1에 나타나 있다.
우리의 관심사인 대기오염은 지구표면과 가장 가까운 대류권에서 주로 발생되며(산성비, 온난화 등) 인간 및 대부분의 생물이 이 층과 밀접한 관계를 갖고 있다. 대기오염방지 차원에서도 대류권에 우리의 관심이 가장 집중되고 있다. 한편, 대류권에서의 정상공기는 건조 부피기준으로 질소가 약 78.0%, 산소 20.95%, 아르곤 0.93%, 이산화탄소 0.03% 및 미량의 불활성기체 등으로 구성되어 있다(표 9.1).
2.2 대기오염 사례
일반적으로 대기오염이란 공장, 가옥 및 사무실 등의 실내 공기오염과는 구분되는 실외 공기(ambient air)의 오염을 뜻한다. 대기오염에 대한 정의는 학자 및 국가마다 조금씩 다르나, 정상적으로는 공기 중에 존재하지 않는 물질이 인위적이거나 자연적으로 대기 중에 배출되는 것을 의미한다. 즉, 대기 중에 먼지, 유해가스, 악취 등의 바람직하지 못한 오염 물질이 인간, 동식물, 재산 등에 유해한 영향을 끼칠 정도로 특정 지역에 다량으로 존재하는 것을 말한다. 여기서 유해한 영향을 끼친다는 것은 대기오염 물질이 어떤 지역에 일정 농도 및 일정 시간 이상으로 존재하여야 가능하다는 사실을 말한다.
참고로, 미국의 플로리다주에서는 “대기오염은 사람의 건강이나 복지 및 재산과 동식물 등에 나쁜 영향을 주거나 인간의 생활을 방해하는 많은 양의 오염물질, 또는 1개 이상의 오염물질이 실외 대기에 존재하는 것”이라고 정의하고 있다. 한편, 우리나라의 경우, 대기오염의 정의에 대해서는 구체적으로 정의되어 있지 않고, 대기환경보존법에 다음과 같은 용어들에 대한 규정이 있다. 대기오염물질, 가스, 입자상 물질, 먼지, 매연, 악취, 특정 대기유해물질 등.
대기오염의 사례는 자연적인 발생에 의한 것과 인위적 발생에 의한 것으로 구분할 수 있으며, 전자에는 예로부터 지금까지도 존재하는 화산폭발과 자연발화에 의한 산불에 의한 연기, 가스, 재 및 폭풍에 의한 먼지 등을 보기로 들 수 있다. 후자의 경우, 인간이 불을 사용하기 시작하면서 나타난 고대 동굴의 연기 자국, 중세 영국의 석탄 사용에 의한 주민 및 건물 등에 대한 피해, 18세기말부터 시작된 산업혁명 이후의 대기오염에 의한 피해 및 특히 20세기 초 중반 중화학공업의 발달과 연관된 세계적으로 유명한 많은 대기오염 사건 등이 있다.
인위적 발생에 의한 대기오염의 사례를 시기적으로 구분하면, 중세까지는 사람들이 의식주를 해결하기 위해 불을 사용함으로서 발생한 연기가 그 지역의 기상조건과 결합하여 그 지역의 주민에 일시적 불편함을 주었으나 심각한 상태는 아니었다. 연기에 의한 불편함 때문에, 1307년 영국의 에드워드 2세는 석탄의 매연을 법으로 규제하였으며, 1578년 엘리자베스 여왕은 궁전 주변에서 석탄사용을 못하도록 법으로 금지하였다. 한편, 산업혁명 이후 석탄의사용이 증가함에 따라 대기오염에 의한 피해도 나타나기 시작하였으며, 런던에서는 연기와 안개가 합쳐 주민에 피해를 입힌 기록이 남아 있다. 20세기에 들어서서 대기오염은 다양한 오염 물질과 이상 기온현상 등이 복합되어 주민에 다음과 같은 큰 피해를 주었다.
1930년 12월, 벨기에의 Meuse Valley에서는 화력발전소, 제련소, 황산공장 등의 굴뚝으로부터 나온 오염물질이 무풍상태 및 복사역전으로 정체, 축적되어 63명이 사망하였으며, 수천명의 환자가 발생하였다. 이 스모그(smog: smoke와 fog의 합성어) 사건의 원인물질은 SO2 및 분진 등이며, 호흡기 질환을 야기하였다.
1948년 10월, 미국의 펜실베니아주 공업도시인 도노라시에서 고기압권내에 형성된 역전층과 무풍에 의해서 발생한 사건으로, 17명이 사망하고 약 13,000 명의 주민 중 6000 여명이 호흡기, 눈 등에 피해를 입었으며, 호흡기 질환이 있는 노년층의 피해가 컸다. 이 사건의 원인 물질은 SO, 및 황산 미스트 이었으며 이 도시에 있는 황산공장과 제련소 등에서 배출되었다.
1950년, 멕시코의 포자리카의 천연가스 처리공장에서 황화수소가 인근 마을로 누출되어난 사고로, 기온역전 상태였으며 약 300명이 중독되었고 이 중 22명이 사망
하였다. 1952년 12월, 런던시에 안개가 지속되고 무풍 및 복사역전 상태하에서 가정 및 공장의 석탄 연소로부터 배출된 SO2와 매연에 의해 4000명 이상이 호흡기 계통 질환으로 사망하였다. 이 사건이 그 유명한 런던 스모그 사건이며, 스모그란 합성어는 1905년 런던에서 개최된 공중위생회의에서부터 사용되기 시작하였다.
1954년 미국 LA시에서는 약 400만대의 자동차와 공장에서 배출한 질소산화물(NOx)과 탄화수소(HC)가 태양으로부터 나오는 자외선의 존재 하에 대기 중에서 반응하여 오존 등을 포함한 광화학스모그를 발생시켜 인체의 눈, 코를 자극하고 호흡기계통에 피해를 주었다. 이러한 광화학 스모그는 가시도도 약화 시켰고, 식물 및 고무제품에도 피해를 주었다. 즉, 화석연료의 연소때 대기로 방출된 1차 오염물질이 태양빛 아래서 오존(O)과 같은 2차 오염물질을 생성하여 일으킨 사건이다. 이와 같은 형태의 스모그를 LA형 스모그라 한다.
한편, 비교적 최근의 유해물질의 방출사고 사례에는 다음과 같은 것 들이 있다. 1976년 이탈리아의 세베소에 있는 화학공장에서는 다이옥신이 방출되어 인근 주민이 기형아를 출산 하였으며, 1984년 인디아의 보팔에서는 농약공장에서 화학물질이 누출되어 수천명이 사망하였다. 1986년 러시아 체르노빌에 있는 원자력발전소에서 방사성물질이 누출되어 28명이 사망하였고, 많은 인근 주민이 대피하였다.
2.3 오염물질의 농도 표시
대기오염물질은 입자상 오염물질(particulate pollutant)과 가스상 오염물질(gaseouspollutant)로 구별될 수 있으며 이들에 대한 농도 표시 방법은 각각 다르다. 일반적으로 입자상 오염물질은 단위 부피 당의 질량 (예: mg/m² 또는 g/m²)으로 표시되며, 가스상 오염물질은 부피 기준으로 다음처럼 표시된다.
ppm (part per million) : 백만분율, 10-6 pphm(part per hundred million) : 일억분율, 10-8 ppb (part per billion) : 십억분율, 10-9 : 일조분율, 10-12 ppt (part per trillion)
위의 표현은 모두 무차원의 부피비율이며 이 중 ppm이 가장 많이 쓰인다. 예로써, 어떤 기상오염물질의 농도가 1ppm 이라는 것은 공기 1m² 중 1mL(또는 1L중 14L)의 오염물질이 존재하는 것을 의미한다.
한편, 대기오염물질의 농도표시 방법이 국가마다 다른 단위계가 사용되거나 같은 종류의 대기오염물질이라도 이에 대한 농도단위의 표시 방법이 서로 달라 혼돈 되어 왔으므로 이의 통일을 위해 미국의 EPA는 미터 단위계에 의한 표준단위를 전 세계가 공동으로 사용하도록 다음과 같이 권장하고 있다. 즉, 가스상 오염물질과 부유입자상(suspended particulate)오염물질은 단위 부피 당의 질량(예: mg/m² 또는 4g/m²)으로 나타내고, 입자상 낙하물(particulate fallout)은 단위 면적 및 단위 시간 당의 질량(예: mg/cm²day)으로 표시한다. 그러나, 가스상 오염물질의 경우 아직도 부피비 ppm이 많이 사용되프로, ppm을 4g/m²로 환산하는 다음과 같은 단위 환산식을 알아둘 필요가 있다.
위 식에서 기체 Imol이 차지하는 부피는 기체의 온도와 압력에 따라 변하므로, 표준상태(0℃, I atm: 22.4Lmol)가 아닌 경우 이상기체법칙을 이용하여 해당 조건에서 기체 1mol이 차지하는 부피를 구해야 한다. 일반적으로 대기질 관련 법규에서는 25℃. 1atm을 기준으로 한다. 이상기체법칙은 다음과 같고,
PV = nRT 여기서, P: 절대압력 (atm)V: 부피 (L): 몰수 (mol)R: 이상기체상수(0.08206 L. atm/mol.K)T: 절대온도(K)