통합환경관리제도의 대기평가방법론 현황 및 개선방안

3. 1 국외 대기평가방법 비교

국내 통합허가제도의 대기평가방법 개선을 위해 비교를 진행한 미국, 독일, 영국의 개략적인 대기평가방법 내용을 정리하면 표 1과 같다.

Table 1.

Comparison of air pollutant discharge impact analysis methods in the United States, United Kingdom and Germany (US EPA, 2019; EA, 2016; BMU, 2002).

미국은 통합환경관리와 환경오염 원인물질의 관리를 위해 다매체적 접근방법을 채택하고 있으며 1984년 미국 환경보호청 (US EPA)과 환경보존재단이 공동주최한 ‘새로운 차원의 오염관리’에서부터 본격적인 논의가 시작되었다 (Park, 2008).

미국의 대기환경정책은 지역 구분, 배출규모, 배출오염물질 종류, 광화학 반응, 배출원 특성, 기후·대류 특성, 신규사업 등의 다양한 요소를 고려해 수립되며, 오염물질의 허가배출기준 산정은 기본적으로 대기오염 통제를 위해 설정된 미국의 연방법인 CAA (Clean Air Act), 미국 대기질 기준인 NAAQS (National Ambi ent Air Quality Standards) 및 NAAQS로 분류가 어려운 오염원에 대한 내용인 PSD (Prevention of Significant Deterioration)를 바탕으로 진행된다.

오염원의 평가는 미국 환경보호청이 규정한 신설 도장공에서의 용제 사용량의 규제를 의미하는 NSPS (New Source Performance Standards)와 오염물질 배출량과 에너지 소비를 효과적으로 저감 가능한 환경관리기술인 BACT (Best Available Control Technology), 기술로 달성 가능한 최저 배출 값에 근거한 배출기준을 의미하는 LAER (Lowest Achievable Emission Rate), 유해오염물질 (Hazardous Air Pollutants, HAPs) 제어 수준을 의미하는 MACT (Maximum Achievable Control Technology), 합리적으로 이용 가능하며 기술이나 경제적으로 실행 가능한 수준의 오염제어기술인 RACT (Reasonably Available Control Technology)로 구분하여 평가를 진행한다.

대기질 평가방법과 모델링은 오염물질의 종류나 사업장이 설치되어 있는 주 (州)에 따라 각각 다르게 적용되나, 대부분 가우시안 모델 (Gaussian Model)을 기반으로 발전된 형태의 모델링을 적용한다. 대표적인 모델로는 미국 환경청에서 개발 및 보급하는 ISC3 (Industrial Source Complex Model), AERMOD (American Meteorological Society and United States Environmental Protection Agency Regulatory Model), CALPUFF (California Puff Model) 등이 있으며, 각 모델의 특징은 다음과 같다.

ISC3 모델은 시간단위 기상정보를 기반으로 정상상태 (Steady-state)의 가우시안 확산 모델을 적용하는 단기 모델 (ISC Short-Term 3)과 기상 결합 빈도 함수를 가우시안 부분평균 (Gaussian sector-average) 확산 모델에 적용하는 장기 모델 (ISC Long-Term 3)로 구분되며, 일반적으로 사업장 오염물질의 확산을 평가할 때는 장기, 단기를 모두 모사 가능한 ISCST 모델이 주로 사용된다 (US EPA, 1987)

AERMOD 모델은 가우시안 플룸 함수 (Gaussian Plume Function)를 기반으로 하는 대표적인 배출영향분석 미시 분석모델로 시공간적 범위가 50 km 이하로 좁은 경우에 적용이 적합하며, 실제 지형과 대기 효과, 고도에 따른 연기확산계수, 풍속 변화를 대기경계층 상사이론 (Similarity Theory)에 적용하여 계산을 진행한다 (US EPA, 2019; KEI, 2005).

CALPUFF 모델은 라그라지안 가우시안 퍼프 (Lagran gian Gaussian Puff) 모델로 굴뚝에서 연속 배출되는 오염물질이 여러 덩어리 (Puff)의 형태로 배출된다고 가정하였을 때, 물질들이 3차원 공간에서 바람장을 따라 이동 및 확산하면서 미치는 영향을 농도 형태로 나타내는 모델이다 (Koo et al., 2007). 이 모델은 점, 면 오염원에 대한 시간적 농도 변화의 계산이 가능하고, 오염원으로부터의 거리와 복잡한 지형을 반영 가능하다는 장점을 가진다 (Ha et al., 2017; Scire et al., 2000).

또한 미국의 경우, 오염물질의 영향을 평가하기 위한 모델링을 수행할 시에는 GEP (Good Engineering Practice) Stack Policy를 적용하여야 한다. GEP Stack Policy란 굴뚝의 물리적 높이에 따라 모델링에 적용하는 굴뚝 높이에 차이를 두는 방법으로 실제 굴뚝 높이가 GEP 굴뚝 높이보다 높은 경우, GEP 굴뚝 높이로 모델링을 수행하고 낮은 경우에는 기존의 실제 굴뚝 높이를 이용하여 모델링을 수행한다. 이러한 방법을 적용하는 이유는 downwash 현상 (굴뚝 또는 건물 후면의 부압으로 인해 일부 바람이 소용돌이 상태로 하강하는 현상) 때문이다. 만약 실제 굴뚝의 높이가 GEP 굴뚝 높이 이상인 경우, downwash 현상을 고려하게 되면 유효 굴뚝 높이의 감소로 인해 오염물질 농도가 기준치 농도를 초과하는 현상이 쉽게 발생할 수 있다.

모델링을 통해 산정된 오염물질의 활동도와 배출계수는 오염물질 배출량을 산정하는 데 반영되며, 산정된 배출량이 환경기준을 만족하는지 평가하고 평가 결과를 바탕으로 관련 정책의 수립 및 집행 (배출시설의 설치변경허가, 사업장 단위의 오염물질 배출 감시, 정책 집행에 따른 규제수준 및 편익 분석 등)이 이루어진다.

독일의 경우, 독일 연방 배출규제법 (Federal Immission Control Act, BlmSchG, Bundes-Immissionsschutzgesetz)의 하위법령인 대기오염방지 기술지침 (Technical Instructions on Air Quality Control, TA-Luft)에 따라 오염물질 평가와 허가배출기준 설정을 진행한다. 기술지침에는 정부가 배출시설 허가 시 매체통합적 측면에서 고려하여야 할 세부사항, 오염도를 고려한 허가배출기준의 설정 규정, 모든 대기오염물질에 대한 추가적인 배출제한 사항 등의 내용이 구체적으로 포함되어 있다.

오염물질 배출량이나 배경농도인 기존오염도 (BC), 사업장 설치·운영으로 인한 추가오염도 (PC)가 낮은 경우에는 허가배출기준을 설정하지 않는 경우도 존재하며, 표 1의 내용과 같이 기존오염도의 산출 면제가 가능한 경우도 있다 (BMU, 2002). 면제 대상을 제외하고는 발생한 오염물질에 대한 이미시온 (인간, 동·식물, 환경 등에 영향을 미치는 대기오염, Immission) 특성치 산정과 평가가 진행되어야 하며, 대기질 오염도는 라그라지안 (Lagrangian) 입자 확산 모델을 적용한 AUSTAL 2000을 이용하여 평가를 진행한다. 이미시온 특성치 산정과 허가배출기준 설정에 관련한 내용은 표 2와 같다.

Table 2.

Air quality assessment methods in Germany (BMU, 2002).

모델링에서 가스상 물질의 확산 계산을 진행할 때는 배출 당시의 조건이 반영되어야 하며, 암모니아와 가스상 수은에는 각각 0.010, 0.005의 침적속도 (V_d, m/s)를 적용하여 계산을 진행한다. 먼지의 경우는 입자크기에 따른 분포를 공기중력학적 직경으로 분류한 값을 침적속도 V_d, 침전속도 V_s로 산정하며, 입자 직경에 따른 V_d, V_s는 표 3과 같이 정리할 수 있다.

Table 3.

Dust deposition and sedimentation velocity (BMU, 2002).

먼지 중에서 총 먼지의 침적 값은 각 등급 침적 값의 합으로 산정하며, PM-10 (공기중력학적 직경 10 μm 미만의 먼지 입자)은 입자크기 등급 1, 2의 합을 침적 값으로 산정한다. 입자크기 분포가 부정확한 경우, PM-10은 등급 2로 처리하고 직경 10 μm 이상의 먼지는 V_d 0.07 m/s, V_s 0.06 m/s를 적용하며, 침적에 대한 이미시온 기준이 정해져 있지 않은 물질은 이를 제외하고 계산을 진행한다. 만약 오염물질의 이미시온 기준치가 정해지지 않았거나 이미시온 기준치가 연간, 일일, 시간 기준치를 만족시키지 못하는 물질에 대해서는 특례심사를 통하여 허가배출기준 설정이 가능하다. 이때, 이미시온 물질에 대한 5년 이내의 측정 자료를 증빙으로 제출하여야 한다 (BMU, 2002).

영국은 1990년 매체별 환경법규를 통합한 환경보호법을 제정하여 통합적 환경관리체계 (Integrated Pollution Control, IPC)라는 새로운 산업체 환경규제 구조를 확립하였다. 이 규제방식은 환경오염에 대한 수치를 합하여 제시하던 예전의 방식과 달리 근본적인 오염 예방을 강조하는 방식이며, 허가절차 간소화를 통해 사업장 부담을 경감한다는 목적을 가지고 있다 (EA, 2016).

영국의 경우, 대기평가방법과 오염물질 관리 및 허가는 기본적으로는 영국환경청의 수평적 지침서 (Horizontal Guidance Note) H1을 따라 이루어진다. 오염물질을 배출하는 사업장이 설치되는 경우, H1 가이드라인에 따라 오염물질의 희석 및 확산이 환경에 미치는 영향을 정량화하고, 발생된 오염물질의 수용가능한 수준여부에 대한 평가를 진행한다. 오염물질이 다양하게 배출되는 소각시설 등의 연소사업장이나 오염물질 배출량이 미미한 사업장에 대해서는 ADMS (V_sspheric Dispersion Model System) 모델 등을 별도로 적용하여 평가를 진행하고 있다. 또한, 사전스크리닝을 통해 사업장에서 발생하는 오염물질이 환경에 미치는 영향이 미미한 것으로 확인된 경우, 해당 물질에 대한 평가를 제외하는 것이 가능하다. 허가 종류는 일반 표준허가 (Standard Rules Permits)와 추가 검토가 필요한 경우 혹은 환경청에서 배출영향분석 수행을 요청하는 경우에 시행하게 되는 맞춤형 허가 (Bespoke Permitting)로 나누어진다.

대기질 평가를 위한 사업장의 오염도 산정 및 허가배출기준 설정에 대한 자세한 내용은 표 4와 같으며, 오염물질의 확산 평가를 위해 배출영향분석 및 모델링에서 사용되는 확산계수는 표 5와 같다. 확산계수는 유효 굴뚝 높이를 바탕으로 적용하며, 굴뚝 높이가 200 m 이상인 경우는 장기 확산계수 0.023, 단기 확산계수 2.3을 적용하여 평가를 진행한다.

Table 4.

Air quality assessment methods in United Kingdom (EA, 2016).

Table 5.

Dispersion coefficient of air pollutants (EA, 2016).

배출영향분석을 통해 사업장에서 제시한 허가조건이 Environmental Permitting Regulation (EPR) 지침과 H1 Annex F-Air Emission을 만족하면 허가가 진행되며, 배출영향분석의 결과 값이 높은 경우는 허가가 거부될 가능성도 있다. 허가가 거부될 경우, 공정이나 연료 변경 및 개선 등의 오염저감 방안을 수립하여 다시 환경청에 제출하여야 하며, 환경의 질 목표수준이 최적가용기법 (Best Available Technique, BAT)을 통해 달성 가능한 수준보다 엄격한 배출기준을 요구할 때는 Article 18 (Directives 2010/75/EU)에 의거하여 규제기관이 더 엄격한 기준을 부과하는 것이 가능하다 (EA, 2016).

만약 계산된 최대 침적 비율에 따른 추가오염도가 기준치의 1%를 초과하는 경우나 사업장 중심으로 10 km 이내에 민감한 영향을 줄 수 있는 배출물질이 발생하는 경우에는 추가조사 여부를 고려하여야 한다.

3. 2 국내 통합환경관리제도

통합환경관리제도 (통합허가제도)는 통합법을 기반으로 오염물질 배출시설에 대한 허가를 진행하고 이를 통한 효과적인 사업장 환경관리와 맞춤형 허가배출기준 설정을 목적으로 한다. 사업 계획과 사업 운영이 환경에 미치는 영향을 사전에 예측, 평가하고 그로 인해 발생 가능한 문제를 최소화하여 국민의 건강과 환경을 보호한다는 목적은 기존의 환경영향평가제도 (Environmental impact assessment, EIA)와 비슷하지만 사업장의 허가배출기준 설정을 위해 최적가용기법 및 배출영향분석을 개발하고 이를 적용한다는 점에서 목적 달성의 구체성 부분을 차이점으로 볼 수 있다(KEI, 2016).

통합법상에서 대기오염물질에 대한 평가는 표준모델링 (배출영향분석)을 통해 이루어지며, 표준모델링 프로그램과 평가방법은 영국의 H1, 독일의 TA-Luft, 미국의 AERMOD 모델링을 기반으로 연구 개발이 진행되었다.

배출영향분석은 간이분석과 상세분석으로 구분되며, 이 중 간이분석은 식 (7)과 같이 영국의 H1 방법을 적용하여 오염물질의 추가오염도를 계산하고 계산한 추가오염도는 식 (11), (12)를 통해 평가하게 된다. 유효 분산 모델링 데이터가 있는 경우에는 이를 H1 방법 대신 적용 가능하다.

간이분석을 이용하여 평가를 진행할 경우는 허가기관과 협의가 필요하며, 현재 국내 간이분석은 모멘텀 (토출 속도에 의한 부력, 외부 공기 온도 등)이 고려되지 않는다는 한계점이 있어 대부분의 통합 허가 대상 사업장은 상세분석을 이용하여 대기오염물질에 대한 평가를 진행한다.

배출영향분석 중 상세분석은 표 6의 내용을 기준으로 오염물질이 환경에 미치는 영향을 평가하며, 2단계로 이루어진 배출영향분석을 통과하지 못하는 경우에는 사업장에서 발생되는 오염물질의 배출량을 저감하여야 한다. 이때, 저감된 배출량을 이용하여 진행한 재분석 결과 값은 평가기준을 만족해야 한다.

Table 6.

Analysis stage and criteria of assessment for Korean type discharge impact analysis program (MOE, 2021).

최종적으로 산정된 값이 평가기준을 통과한다면 사업장의 대기오염물질 허가배출기준은 최대배출기준 혹은 사업장이 제시한 배출기준으로 설정하게 되며, 그렇지 않은 경우에는 주변 환경기준 또는 환경의 질 목표수준 (EQS)과 비교하여 환경영향이 없는 범위 내에서 허가배출기준을 도출하게 된다.

상세분석을 위한 입력자료와 허가배출기준의 설정 과정을 그림으로 표현하면 그림 1과 같다.

Fig. 1.

Establishment of permissible discharge standards through discharge impact analysis.

위의 내용과 같이 통합환경관리제도에서는 배출영향분석을 통한 결과에 따라 사업장의 허가배출기준이 산정되기 때문에 불확실성을 줄이는 것이 중요하다. 따라서 허가기관에서는 평가방법 및 모델링 프로그램과 프로그램에 반영되어야 하는 기상, 지형, 기존오염도 자료 등을 제공할 필요성이 있다. 이를 위해 허가기관에서는 사업장 주변지역의 기상 자료와 기존오염도 자료를 제공하고 있으며 (Seok et al., 2020), 기상 자료는 종관기상관측 (Automated Synoptic Observing System, ASOS) 78개소와 상층기상관측 7개소의 자료를 기반으로 기상관측망에서 측정된 최근 1년간의 자료를 활용한다. 기존오염도는 국가 대기질 측정망에서 측정된 최근 3년간의 자료를 제공하며, 국가측정망에서 측정하지 않는 물질에 대해서는 0.0의 값을 기존오염도로 설정하도록 하고 있다. 만약 기상 자료 혹은 기존오염도 자료를 직접 산정하여 사용하고자 할 경우는 공인된 측정법으로 측정한 자료를 사용하여야 하며, 관련 서류를 증빙자료로 제출하여야 한다(MOE, 2017).

오염물질의 배출영향분석을 위해서는 허가기관에서 제공하는 기상 자료와 기존오염도 자료 외에도 사업장 주소 및 위경도, 지형자료, 지표면상에서 굴뚝의 위치를 X, Y좌표로 표시한 굴뚝 위치와 굴뚝 내경과 높이 등의 굴뚝 정보, 오염물질의 배출농도·배출량, 시설·공정·사용 원료의 특성을 고려하여 산정한 배가스 유속, 유량, 온도 등의 자료가 필요하며, 허가기관에서 제공되지 않는 자료는 사업장에서 직접 입력하여 대기오염물질에 대한 평가를 진행한다.

입력한 사업장의 자료를 기반으로 사업장 내부를 제외한 경계부터 수용점을 설정하며, 오염물질 농도가 고농도로 측정되는 위치는 대부분 사업장 주변이므로 사업장과 가까운 영역일수록 수용점을 조밀하게 설정하고 멀수록 넓은 간격으로 설정하여 오염물질의 확산 평가를 진행하게 된다.

사업장의 설치 및 운영으로 인해 발생하는 추가오염도는 분석 대상 연도의 1월 1일 0시부터 12월 31일 23시까지 시간대별로 산출된 추가오염도를 산술 평균한 연간 평균치, 매 0시부터 23시까지 산출된 추가오염도를 산술 평균한 24시간 평균치, 매 0시부터 7시, 8시부터 15시, 16시부터 23시까지의 추가오염도를 산술 평균한 8시간 평균치, 시간대별 추가 오염도의 999천분위수의 값을 통해 산출하는 1시간 평균치, 30분 평균치를 이용하여 산정이 가능하다 (MOE, 2017).

앞에서 언급한 수용점의 설정 간격과 추가오염도 계산식은 표 7의 내용과 같으며, 표 7은 통합법상의 대기평가방법과 관련 계산식을 정리한 내용이다.

Table 7.

Air quality assessment method in Korea (MOE, 2021).

결과적으로 통합허가제도의 대기오염물질 평가는 사업장의 지역적, 환경적 특성을 반영하여 배출영향분석을 수행하므로 이를 통해 설정된 허가배출기준은 환경에 대한 영향을 최소화하면서도 사업장도 수용 가능한 수준이라는 장점이 있다.

그러나 현재 설정된 배출영향분석은 우리나라 지형 및 날씨, 환경 등의 특성을 반영하고는 있지만 기존오염도가 시간 단위가 아닌 연평균 단위로 제공되기 때문에 결과의 오차가 발생할 수 있으며, 모든 업종이나 오염물질에 대해 일괄적으로 같은 모델링 방법을 적용하여 평가를 진행하고 있어 업종이나 물질, 주변환경 등에 따른 상호작용을 모사하기에는 한계점이 있다. 또한, 초미세먼지 (PM-2.5)나 광화학반응 등으로 발생하는 오존과 같은 2차오염물질에 관한 평가방법과 허가배출기준이 구체적으로 명시되어 있지 않기 때문에 이러한 한계점에 대해서는 국외의 평가방법이나 환경영향평가제도의 평가법을 참고하여 평가방법 및 모델링의 고도화를 진행하는 방법 등을 고려할 필요성이 있을 것으로 판단된다.