1. 대기오염 배출원 오염원
대기를 오염시키는 가스상 및 입자상 물질의 오염원은 다양하며, 자연오염원과 인공오염원으로 나눌 수 있다. 자연오염원의 첫째 예는 화산폭발이며 이로부터 먼지, 이산화황, 황화수소, 메탄가스 등이 발생한다. 둘째, 산불로부터는 먼지, 매연, 탄화수소, 질소산화물 등이 발생되며, 셋째, 해양에서는 해염입자, 넷째, 식물로부터는 꽃가루, 탄화수소 들이 배출된다. 이외에도 황사현상 및 유기물의 혐기성 분해(황화수소 및 메탄가스 발생)와 같은 다양한 자연오염원들이 있다.
오늘날의 대기오염은 자연오염원 보다는 주로 인공오염원에 기인하며, 인공오염원은인간활동과 관련된 여러 종류의 모든 오염원을 말한다. 이 오염원은 다음과 같이 분류할 수 있다. 첫째, 수송(자동차, 항공기, 기차, 선박 등), 둘째, 고정오염원으로부터 연료연소(난방 및 전기용: 주택, 상업, 및 산업단지), 셋째, 산업공정(화학산업 및 석유정제시설 등), 넷째, 고체 폐기물 처리(가정 및 산업 쓰레기 등). 이러한 인공오염원으로부터배출되는 주요 대기오염물질들에는 총부유분진(TSP, total suspended particulates), 황산화물(SOx, sulfur oxides), 질소산화물(NOx, nitrogen oxides), 탄화수소(HC, hydrocarboms),일산화탄소가 있다.
한편, 대기오염원은 고정오염원(stationary source)과 이동오염원(mobile source)로 크게나눌 수 있으며, 고정된 위치에서 대기오염물질을 배출하는 고정오염원은 다시 점오염원(point source)과 면오염원(area source)으로 분류된다. 점오염원은 대형공장의 배출시설과 화력발전소 등을 말하며, 면오염원은 소규모 점오염원이 밀집되어 있는 곳(보일러나소각로를 사용하는 주택단지와 상업단지 등)을 의미한다. 이동오염원은 선오염원(linesource)이라고도 칭하며, 직선거리로 이동하면서 오염물질을 배출하는 자동차, 기차, 배,비행기 등이 포함된다.
2. 배출량
배출된 주요 오염물질을 총량적 관점에서 볼 때, 일반적으로 가장 큰 대기오염원은 수송이며, 다음은 연료연소, 산업공정, 고체폐기물 및 기타의 순서이다. 한편, 자연적 또는인공적으로 발생된 질소산화물 등이 태양으로부터 나오는 자외선과 반응하여 생성된 오존과 같은 2차 오염물질은 대기오염물질의 발생량 산출에서는 일반적으로 제외된다. 표9.2는 1990년 미국의 대기오염물질 배출 추정량을 오염원별로 나타내고 있다. 이동오염원인 수송부문에서 오염물질의 배출총량이 가장 많으며, 이 부문에서 미국내 총 질소산화물 배출량의 약 38% 와 총 일산화탄소 배출량의 63%가 배출되어 대기오염문제에서 자동차와 같은 이동오염원이 차지하는 비중이 높음을 알 수 있다.
최근 우리나라도 산업의 발달 및 생활 수준의 향상에 따른 소비증가로, 자동차 보유량이 2008년 5월 현재 1,700만대에 육박하고 있으며, 대도시에 집중되어 있어 대도시 대기오염이 점점 심화되어가고 있는 실정이다. 1998년도 환경부자료에 의하면, 전국의 자동차로부터 발생되는 대기오염물질(먼지. 황산화물, 질소산화물, 탄화수소 및 일산화탄소)의 총 배출량은 약 155만 톤이며, 이 중 일산화탄소가 57%, 질소산화물이 약 30%를 차지하였다.
우리나라도 수송, 연료연소, 산업공정 등의 오염원으로부터 배출되는 대표적 대기오염물질에 대해서 연간 화석연료의 사용량 및 배출계수를 이용하여 배출량을 추정하고 있다. 대기오염물질의 총량은 청정연료의 사용 등으로 인하여 감소 추세에 있으나 질소산화물은 자동차의 보유 확대로 증가하고 있다. 오염원별 대기오염물질(CO, NOx, SOX, TSP, PM10, VOC) 총량에 대한 추정은 표 9.3에 나타나 있으며, 도로이동오염원, 즉 수송 분야에서 가장 많은 오염물질이 배출되고 있음을 알 수 있다.
대기오염물질의 종류는 매우 다양하며, 모든 대기오염물질은 다음과 같이 분류 할 수 있다. 분류의 첫째 방법은 대기오염물질을 그 생성원(origin)에 따라서 일차오염물질(primary pollutant)과 이차오염물질(secondary pollutant)로 나눌 수 있다. 일차 오염물질의 정의는 ‘오염원으로부터 곧바로 배출되어, 대기중에 배출될 때의 상태 그대로 존재하는 물질’을 말하며, 먼지, 황산화물, 질소산화물, 탄화수소 등이 여기에 속한다. 이차 오염물질이란 일단 대기로 배출된 일차 오염물질 등이 대기중에서 광화학반응, 산화반응 등에 의해서 새롭게 생성된 물질을 말하며, 오존(O3; 질소산화물과 탄화수소가 자외선에 의한 광화학반응의 결과로 생성됨)과 PAN(peroxyacetyl nitrate) 등이 있다.
둘째, 분류방법은 대기오염물질을 기상오염물질(gaseous pollutant)와 입상오염물질(particulate pollutant)로 구분하는 것이다. 기상오염물질이란 일정한 온도 및 압력하(표준상태: 0C, I atm, 또는 대기오염학에서의 기준상태: 25℃, I atm)에서 가스 또는 증기로 존재하는 오염물질을 말하며, 황산화물, 질소산화물, 탄화수소, 옥시단트, 증기로 존재하는 휘발성 유기화합물 등이 여기에 속한다. 입자상 오염물질이란 매우 작은 크기의 액체
및 고체로서 먼지(dust), 연기(smoke), 액적(mist), 비산재(fly ash), 훈연(fume) 등이 있다. 셋째, 모든 오염물질을 화학 조성에 따라서 유기화합물과 무기화합물로 나눌 수 있다. 유기화합물에는 탄화수소, 알데하이드, 케톤 등이 있으며, 무기물에는 황산화물, 질소산화물, 탄소산화물(CO와 CO2) 등이 있다.
1. 기상오염물질
황산화물
황산화물(SOx)은 화산활동에 의해 자연적으로도 발생하나, 황을 포함하는 화석연료를 연소할 때 주로 발생되며, 종류에는 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 아황산(H2SO3), 황산(H2SO4), 황산염 등이 있다. 이 중에서 이산화황은 대기환경 기준 물질로서, 연소과정에서 생성되는 황산화물의 대부분을 차지한다.
S+ O2 → SO2
이산화황의 특성은 무색의 자극성이 강한 비가연성 기체이며, 환원성이 있으며 각종 색소를 표백시킨다. 또한, 이산화황은 물에 잘 녹아 대기중에서 쉽게 HSO로 생성되며, 대기중의 광화학반응에 의해 이산화황으로부터 생성된 삼산화황은 물과 다시 반응하여 부식성이 강한 황산 액적을 생성시킨다. 이러한 이산화황은 지구환경 문제인 산성비의 원인 물질이다.
SO2 + HO→ HSO SO+HOH_SO
이산화황이 인체에 미치는 영향은, 정상인이 Ippm 이상의 이산화황을 흡입하면 기관지가 수축되고 호흡수 및 맥박수가 증가할 수 있다. 10 ppm 이상에서는 눈, 코, 후두부가 자극되고 흉부의 압박감도 느낄 수 있다. 300~500ppm의 농도에 단시간 폭로되면 호흡곤란, 두통, 의식불명 등을 일으키고 그이상의 농도에서는 치명적 일 수 있다. 이산화황의 농도가 낮은 경우에 대한 인체의 피해는 아래와 같다. 이산화황의 만성적 영향으로는 만성기관지염 환자의 사망률을 높일 수 있다. 이산화황은 분진과 함께 대기 중에 존재할 때 인체에 치명적일 수 있으며 앞에서 소개한 세계적으로 유명한 대기오염 사건인 London 스모그 사건, Donora 사건, Meuse Valley 사건 등이 그 예이다.
SO의 농도변화와 인체에 미치는 영향
농도(ppm)0.03인체에 미치는 피해 만성 기관지염 환자증가 0.10.251찬 공기 마실 때는 천식 증세 발생운동시 천식 중세 발생 그 지역 주인의 약 1% 정도 천식 증세 발생
이산화황이 녹색식물에 미치는 영향은 표피세포의 조직 및 엽록소를 파괴하여 황백화현상(Chlorosis)을 일으킨다. 0.05 ppm 이하의 농도에서는 식물의 피해가 없으며, 급성 피해는 연간 최대 농도가 0.3 ppm을 초과하여야 일어난다. 식물피해에 대한 임계치는 0.3~0.4 ppm의 농도에서 8시간 노출되었을 때로 알려져 있다. 이산화황에 약한 식물에는 소나무, 고구마, 코스모스, 알팔파(alfalfa) 등이 있으며, 알팔파는 이산화황의 지표식물로 사용된다. 여기서 지표식물이란 사람보다 오염은 빨리 감지하여 환경파괴정도를 알려 주는 식물을 말한다. 감자, 옥수수, 글라디올러스 등은 이산화황에 비교적 강한 식물로 알려져 있다.
이산화황은 물질 및 재료에 대해서도 다음과 같은 피해를 입힌다. 철, 아연 및 구리같은 금속을 부식시키며 가죽과 종이에도 손상을 입힌다. 또한, 대기중에서 이산화황으로부터 생성된 황산 액적은 대리석이나 석회석으로 만들어진 건물이나 조각품의 표면을 손상시킨다.
질소산화물
질소산화물(NOx)은 번개, 박테리아에 의한 유기물의 분해, 성층권에서의 일산화질소생성과 같이 자연적으로 발생되기도 하며, 그 양은 인공배출원에서 발생되는 양보다 상당히 많으나 대기환경에 큰 영향을 미치지 않는다. 인공배출원에는 화석연료를 사용하는 고정배출원과 휘발유나 디젤 연료를 사용하는 자동차와 같은 이동배출원이 있다. 질소산화물의 종류에는 NO, NO2, N2O, N2O1, NO」 등이 있으며 대기오염 측면에서 중요한 질소산화물은 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)이며 일반적으로 이들을 NOx라 한다.
일산화질소는 무색 기체로서 물에 잘 용해되지 않으며 공기보다 약간 무겁다. 이기체는 고온연소시 주로 생성되며,
N2+ O2 → 2NO
대기로 배출된 NO는 산소에 의해 산화되어 NO2로 생성
NO+1/202 NO 2
된다.
이산화질소는 적갈색의 자극성 기체로서 물에 잘 용해아질산이나 질산으로 변하여, 비와 함께 떨어지며, 산성비
되는 성질이 있고 대기중에서의 원인물질중의 하나이다.
2NO2 + H₂O ・HNO3 + HNO2 3NO2 + H2O – HNO+NO
이산화질소가 인체에 미치는 영향은 급성피해와 만성피해로 나누어진다. 급성피해에는 눈과 코에 대한 강한 자극, 폐출혈, 폐쇄성 기관지염, 폐염 등이 있고, 만성피해에는 10~40ppm의 이산화질소를 장기간 흡입하면 나타나는 폐섬유화와 폐수종 등이 있다. 이산화질소의 농도변화에 대한 인체의 영향은 표 9.5에 나타나 있다.
NO2의 농도변화와 인체에 미치는 영향농도(ppm) 폭로시간 0.08-0.17-8140.111시간 1100-15040분 사망 인체에 미치는 영향아동의 급성호흡기 질환발생율 증가기도과민성 증가(기관지천식 환자)폐기능 검사상 폐환기 기능장애
이산화질소의 농도가 2.5 ppm 정도가 되면 식물의 잎을 흰색 또는 갈색으로 변화시키며, 25 ppm 정도의 농도에서 급성영향을 받으면 식물이 고사할 수 있다. 또한 고농도의 이산화질소는 직물의 색을 변화시키며 금속을 산화시킨다.
광화학 산화물
대기로 배출된 1차 오염물질들인 질소산화물과 탄화수소는 햇빛 존재하에 대기중에서 복잡한 반응을 거쳐 오존(O3)과 PAN(peroxy-acetyl nitrate), PBN(peroxy-butylnitrate) 등과 같은 광화학 산화물(2차 오염물질)로 생성된다. 이 중에서 오존은 광화학스모그로 생성된 산화물의 약 90%를 차지하며, LA 스모그 사건때 처음으로 확인되었다. 광화학스모그의 생성은 다음과 같이 간단히 표현할 수 있다.
NO + HC+ 태양광 광화학 스모그->
다른 광화학산화물처럼 오존이 인체에 미치는 영향은 주로 호흡기 계통이며, 눈, 코,목은 자극하기도 한다.(표 9.6) 오존은 식물의 대사작용을 방해하여 잎에 반점이 나타나며 농작물의 수확에 악영향을 미치기도 한다. 오존은 고무, 직물섬유, 페인트 등을 산화시켜 물질에 피해를 입힌다.
오존의 농도변화와 인체에 미치는 영향농도(ppm)폭로시간인체에 미치는 영향0.05 -0.1즉시불쾌한 냄새0.1-0.31시간호흡기 자극증상 증가, 기침, 눈자극, 숨찬증상,기존 호흡기 질환 증상 악화0.1-11시간기도 저항 증가0.25-0.752시간운동중 폐기능 감소0.941시간 30분기침, 호흡곤란
일산화탄소
일산화탄소(CO)는 산불, 화산폭발, 메탄의 산화 등 자연적으로 발생되기도 하며, 탄소를 포함하는 화석연료나 탄소화합물의 불완전 연소과정에서 인공적으로 생성되기도 한다.
C +1 02- CO
인공적으로 생성되는 일산화탄소의 대부분은 수송분야에서 배출되며, 특히 대도시에서 일산화탄소의 주배출원은 자동차이다.
일산화탄소는 물에 잘 녹지 않고, 대기 중에서 다른 물질과 화학반응도 잘 일으키지 않는 무색, 무취, 무미의 기체이다. 한편, 일산화탄소는 혈액 중의 헤모글로빈과의 결합력이 매우 강하며(산소와 결합력의 약 200배), 생성된 칼복시헤모글로빈(COHAcarboxy-hemoglobin)은 혈액의 산소 전달기능을 방해하여 일정 농도 이상에서는 인체 및 동물에 치명적이다일산화탄소의 식물에 대한 피해는 잘 알려져 있지 않다.
COHb의 농도와 인체에 미치는 영향
COHb 농도%
1.0이하
1.0-2.0
인체에 미치는 영향
2.0-5.0
5.0 이상
외견상 영향 없음거동에 다소 영향 중추신경 영향및 정신적 운동기능 장해심장 및 폐기능 변화두통, 혼수, 호흡곤란, 사망
10.0-80.0
탄화수소
탄화수소의 자연 발생원에는 식물, 토양, 습지 등이 있으며, 중요 탄화수소의 종류로는 식물에서 발생되는 테르펜과 습지에 있는 유기물이 분해되어 발생하는 메탄이 있다. 메탄은 대기중에서 체류시간이 긴 온실가스의 한 종류이다. 인공발생원에는 정유시설, 자동차 연료의 연소, 고형폐기물 처리 등이 있으며, 여러 종류의 지방족(포화 및 불포화 탄화수소) 및 방향족 탄화수소가 있다. 배출량적인 관점에서 보면, 자연적 배출량이 인공적 배출량 보다 매우 많다.
탄화수소는 탄소와 산소로 구성된 유기화합물을 말하며, 알켄(alkene)과 같은 불포화지방족 탄화수소는 대기중에서 질소산화물과 광화학반응을 잘 일으켜서 오존과 PAN과 같은 2차 오염물질을 생성한다. 벤조피렌은 발암성이 매우 강한 방향족 탄화수소로 알려져 있다.
지금까지 논의한 기상 오염물질에 대한 피해 및 발생원이 표 9.8에 요약되어 있고, 환경기준 측정법은 표 9.9에 나타나 있다.
기상오염물질의 발생원과 피해항발생원이산화황(SO) B-C유 또는 석탄의 연소과정이산화질소(NO2) 자동차 배기가스, 질산을 사용하는 표면 처리공정피인체 호흡기질환식물의 성장피해코와 인후 자극.호흡기에 악영향오존(O3)자동차 배출가스중 이산화질소와탄화수소가 햇빛과 반응하여 생성일산화탄소(CO) 산소가 부족한 상태에서 연료가연소할 때 발생탄화수소(HC)휘발유가 연소되지 않은 상태에서배출되거나 연소에 의하여 크랙킹을 일으킬 때 주로 발생HC와 함께 광화학 스모그 생성눈자극, 농작물 피해혈중의 헤모글로빈과 결합하여산소공기저해, 두통, 현기증유발NO2와 혼합될 경우 강렬한 햇빛에 의하여 광화학스모그 생성
표 9.9 기상오염물질의 환경기준측정법분석법환경기준 측정법항목이산화황(SO2)수동 및 반자동 측정법자동연속 측정법파라로 잘린법산정량 수동법산정량 반자동법용액전도율법불꽃 광도법자외선 형광법이산화질소(NO2)흡광광도법(살츠만 시약)흡광광도법(살츠만법)화학발광법일산화탄소(CO)광화학 산화물비분산 적외선법비분산 적외선법중성요오드화칼륨법자외선광도법알칼리성 요오드화칼륨법화학발광법자외선 광도법
2. 입상오염물질
입상오염물질 또는 입상물질이란 대기중에서 액상(liquid state)이나 고상(solid state)으로 분산되어 존재하는 물질로 정의되며, 액상물질에는 미스트, 분무가 있고, 고상물질의종류에는 먼지, 연기, 연무, 플라이애쉬 등이 있다.
입상물질의 일반적 크기는 0.002-500m 이며, 대기오염 측면에서 관심을 갖는 크기의 범위는 0.01~100cm이다. 위에서 예를 든 6종류의 오염물질은 이 크기의 범위에속한다.
입상물질은 그 크기에 따른 물리적 특성인 부유성 및 침강성에 따라 부유성 입자와침강성 입자로 분류될 수 있다. 부유성입자의 크기는 보통 10m미만이며 대기 중에서비교적 장기간 부유한다. 침강성 입자는 10m 이상의 것을 말한다. 또한, 입상물질은빛을 산란시키는 물리적 성질이 있어 일정 농도이상으로 존재하면 시계를 감소시킨다.한편, 입상물질은 대기중으로 직접 배출된 상태로 존재하는 1차 입자 및 광화학반응등으로 생성된 황산염, 질산염과 같은 2차 입자로 분류될 수도 있다. 입상물질은 발생원으로 분류될 수도 있으며, 인공배출물에는 화산재, 꽃가루, 박테리아 등이 있으며, 자연배출물에는 먼지, 연기, 플라이애쉬, 금속염, 연무 등이 있다.
입상물질이 인체에 미치는 영향으로 부유입상물질에 의한 호흡기 질병을 예로 들 수있다. 이 질병은 부유입상물질의 농도, 동반물질의 존재, 노출시간에 좌우된다. 식물에는 큰 피해를 입히지 않으며, 물질에 대한 피해로 옷을 더럽히고 금속을 부식시킬 수있다. 일부 입상물질의 발생원 및 인체에 미치는 피해가 표 9.10 에 있고, 부유입자상 물질의 환경기준측정법
입상물질의 발생원 및 인체에 미치는 피해
항 목발생원피 해총부유분진(TSP)연료연소, 시멘트공장, 도로에서비산아황산가스와 결합하여호흡기질환 유발납(Pb)자동차 배기가스(유연휘발유 사용)및 납 사용 용해시설・중독시 신경염 및 두통,현기증 등환경기준 측정법자동연속 측정법표 9.11 부유입자상 물질의 환경기준측정법분석법항목부유입자상 물질수동 및 반자동 측정법고용량에어 샘플러법저용량에어 샘플러법광산란법에어 샘플러법광투과법에어 샘플러법베타선법