충청남도의 지역별 오염 특성과 관리방안 연구: 농도 및 배출량 분석을 중심으로

2.1 공간범위 선정 및 자료수집

본 연구의 공간범위는 충남을 대상으로 하였다. 충남은 지리적으로 한반도의 정서쪽 중앙에 위치해 있으며 위쪽으로는 경기, 충북, 우측으로는 대전, 세종, 아래쪽으로는 전북과 인접해 있다. 석탄화력발전소, 제철소, 석유화학단지 등 대형배출시설이 다수 위치하며, 이들에 의한 대기오염물질 배출 기여도가 높은 것으로 알려져 있으며 (Choi et al., 2021; Lee et al., 2021, 2021년 CAPSS 기준 전국 4위의 배출량을 나타내고 있다 (NAIR, 2023b). 이와 더불어 온실가스 배출량 1위 (GIR, 2024), 화학물질 배출량 전국 2위 (NICS, 2022) 등 지역적으로 환경 관련 이슈가 큰 지역이다. 지역 내환경특성 분석을 위해 배출량 자료와 농도 자료를 활용하였다. 배출량 자료는 국가미세먼지정보센터에서 제공하고 있는 CAPSS 자료 (2016~2021)를 활용하였고, 농도 자료는 환경부 에어코리아에서 제공하는 확정 농도 자료 (2018~2022)를 분석에 활용하였다.

2.2 대상기간 선정

지역적 대기오염물질 배출특성 분석을 위해 사용된 CAPSS의 경우 1999년부터 자료를 제공하고 있고, 2020년도 배출량 산정과정에서 새로운 산정방식이 적용되었다. 본 연구의 대상기간은 새로운 산정방식이 적용되어 고시된 2016년부터 가장 최근 자료인 2021년 까지의 자료이다. 대기오염물질 농도 자료는 1999년부터 측정 자료를 제공하고 있다. 그러나 충남의 경우 2016년까지 15개 시·군에 단 6개소의 도시대 기측정망이 운영되었다. 충남의 경우 전체 면적이 8,229 km²로 서울의 605 km²보다 약 13.6배 큰 면적을 가지고 있다 (MOLIT, 2024). 서울의 경우 25개 구에 1개씩 측정망이 설치되어 있다. 이를 기준으로 공간적인 분포로 살펴보면, 1개 측정망이 담당해야 하는 면 적이 서울 24 km²/측정소, 충남 1,372 km²/측정소에 해당하며, 충남은 측정망이 매우 부족한 상황이었다. 하지만 2017년 이후 고농도 미세먼지 발생사례가 증가하면서 전국적으로 측정망 개소 수가 증가하였고, 2024년 기준 충남에는 40개소의 도시대기측정망이 운영되고 있다 (NIER, 2024). 본 연구에서는 장기적인 추이분석에는 2000년부터 2022년까지를 대상으로 선정하였고, 지역별 특성 분석에는 추가로 설치된 측정망의 자료가 안정적으로 제공되기 시작한 2018년부터 2022년까지를 대상으로 하였다.

2.3 지역 우선관리 부문과 물질 선정

Hwang et al. (2023b)은 선행 연구에서 CAPSS 배출량을 기준으로 충남의 시·군별 배출특성을 분석 후 15개 시·군의 배출특성을 고려해 3개 권역으로 제시하였다. 하지만 본 연구에서 제시된 시·군별 특성을 살펴보면 15개 시·군별로 서로 다른 배출특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 15개 시·군을 대상으로 배출량과 농도 기반 주요 배출원과 고농도 물질을 선정하였다. CAPSS 기반 부문별 배출특성을 분류하고 각 시·군별로 주요 배출원과 고배출물질을 선정하였다. 지역별 주요 배출원은 전체 대기오염물질 배출량 대비 기여율이 10% 이상인 분야를 대상으로 하였고, 동일한 조건으로 주요 배출물질을 선정하였다. 농도 자료의 경우 도시대기측정망에서 측정하고 있는 6개 환경기준물질을 대상으로 하였고, 각 물질별로 상위 5개 시·군을 고농도 물질로 선정하였다.

3.1 충청남도 및 시·군별 대기오염물질 배출특성

정부의 장기적이고, 적극적인 대기질 개선정책 추진으로 대기오염물질의 배출량과 O₃을 제외한 대부분의 대기오염물질의 농도가 개선되고 있는 것으로 나타나고 있다 (Shim et al., 2023). 충남 지역도 전국적인 배출량 감소 추세와 같은 경향을 보인다. 그림 1a는 2016년부터 2021년까지 최근 6년간의 충남의 배출량을 시·군별로 누적하여 나타낸 것이다. 2016년 충남의 총 대기오염물질 배출량은 411,184 톤이었으나 2021년 320,637톤으로 90,548톤 (22.0%)이 감소한 것으로 나타났다. 시·군별로는 당진이 2016년 대비 2021년 배출량이 36,427톤 (38.5%) 감소하여 가장 큰 감축량을 보였으며 그 다음으로는 보령이 24,983톤 (52.1%), 태안이 18,617톤 (49.3%), 서천이 5,672톤 (46.3%) 감축된 것으로 나타났다. 보령과 서천의 경우 보령 1, 2호 기와 서천화력의 폐쇄로 인해 배출량이 급감한 것으로 판단되며, 태안과 당진의 경우 총량관리제도와 자발적 감축협약 추진, 최정방지기술 (best available technology, BAT)의 적용으로 배출량이 감소한 것으로 판단된다 (Kim et al., 2024; Nam et al., 2018). 그림 1b와 c는 각각 부문별과 오염물질별 기여도를 나타낸 것이다. 부문별로 살펴보면 2016년 배출기여도는 에너지산업연소 (Energy industry combustion)가 23.5%로 가장 높은 비중을 차지하였고, 생산공정 (Production process) 20.5%, 도로이동오염원 (Road mobile pollution sources) 12.0%, 생물성연소 (Biological combustion) 8.9% 등의 순서로 나타났다. 하지만 2021년 에너지 산업연소의 비중이 12.6%로 감소하면서 생산공정이 21.6%로 가장 높은 기여도를 보였고, 생물성연소 11.0%, 농업 (Agriculture) 10.1%로 농업관련 기여도가 높게 나타났다. 이는 충남의 지역적 특성상 에너지산업부문의 기여도가 높았으나 대기질 개선정책 추진으로 관련 분야의 배출량이 낮아지면서 상대적으로 에너지생산 외 주요산업인 농업부문의 기여도가 증가한 것으로 판단된다. 오염물질별로는 2016년 기준 NOx 31.2%, VOCs 17.6%, CO와 SOx가 각각 15.9%로 높은 비중을 차지하였으나 2021년의 경우 VOCs가 24.4%로 가장 높은 배출기여도를 보였고, 그 뒤를 이어 NOx 21.8%, CO 18.9%, NH₃13.6%로 나타났다. 대형배출시설에 대한 BAT 기술적용과 NOx, SOx, TSP를 대상으로 하는 총량관리제도가 추진되면서 NOx와 SOx의 배출기여도가 감소한 반면 VOCs의 경우 서산을 필두로 한 석유산업에서의 배출량 증가로 인해 기여도가 증가하였다. 또한 NH₃역시 증가 추세를 보이고 있는데 NH₃의 경우 충남 지역에 위치한 대규모 축산업단지로 인한 결과로 해석된다. NOx와 SOx의 경우 화력 발전소와 산업단지의 영향으로 대기오염물질 배출량이 타 지역보다 높아 2차 반응에 의한 PM_2.5에 생성에 영향을 미칠 수 있어, 향후 2차 미세먼지 생성에 대한 관리가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 1

Trends in air pollutant emissions in Chungcheongnam-do (2016~2021).

그림 2는 2021년도 배출량을 기준으로 충남 지역의 15개 시·군의 부문별 (a), 오염물질별 (b) 기여도를 충남 15개 시·군의 배출량 순으로 나타낸 것이다.

Fig. 2

Emission contribution of each region (2021): (a) by sectors, (b) by pollutants.

서산은 전국 3대 석유화학단지로 불리는 대산석유 화학단지가 있으며, 2021년 기준 충남 대기오염물질 배출량 1위 지역이다. 2020년 이전까지 석탄화력발전소와 제철소가 함께 위치하고 있는 당진이 도내 대기 오염물질 배출 1위의 지역이었다. 하지만 당진의 경우 꾸준히 배출량을 감소시켜온 반면, 서산의 경우 배출량 증감을 반복하고 있어 2020년 이후 2년 연속 지역 배출량 1위를 차지하고 있다. 2021년 기준 배출기여율은 24.1%로 충남 전체 배출량의 1/4 수준이다. 부문별로는 생산공정이 55%로 압도적으로 높은 비율을 보이며, 제조업연소 (Manufacturing combustion) 15%, 비도로이동오염원 (Non-road mobile pollution sources) 9%로 상위 3개 부문에서 전체 배출량의 79%를 차지하는 것으로 확인되었다. 오염물질별로는 VOCs 36%, NOx와 SOx 각각 21%, CO 11%로 상위 4개 물질이 전체 배출량의 89%를 차지하였다.

당진은 석탄화력발전소, 제철소 등 대형배출시설이 가장 많이 입지해 있어 중부권 내 주요 대기오염물질 배출지역으로 구분된다. 전국 석탄화력발전소 59기 중 17%에 해당하는 10기가 운영 중에 있으며, 현대제철을 비롯한 산업철강단지가 송산면에 분포하고 있다. 배출기여도 역시 2020년 전까지 부동의 1위를 차지하고 있었으나 다양한 환경개선정책과 기업들의 노력에 의해 지난 6년간 (2016~2021년) 38.5%의 감소율을 보였다. 2021년 기준 충남 내 배출기여율은 18.2%로 서산에 이어 2위이다. 부문별 배출기여율은 생산 공정 38%, 에너지산업연소 24%의 2개 부문에서 압도적으로 높은 기여율을 보였고, 그 뒤를 이어 비도로이동오염원 7%, 농업 6%, 도로이동오염원과 농업이 각각 5% 순으로 나타났다. 오염물질별로는 NOx 29%, CO와 SOx 각 18%, VOCs 16%였다.

천안은 충남 전체 인구 219만 명 중 67.7만 명이 거주하고 있는 충남 최다 인구 밀집지역으로 도시화가 가장 많이 진행된 곳이다. 2021년 기준 충남 전체 대기오염물질 배출량 중 12%를 차지한다. 부문별로는 유기용제 사용 (Using organic solvent) 24%, 도로이동오염원 18%, 농업 13%, 비산먼지 (Fugitive dust)와 생물성연소가 각각 12%를 차지하며, 상위 5개 부문에서 전체 배출량의 78%를 차지하는 것으로 나타났다. 오염물질별로는 VOCs가 34%로 가장 높은 배출기여도를 보였고, NOx 22%, CO 17%, NH₃13%로 상위 4개 물질이 전체 배출기여도의 86%를 차지하며, 도시배출과 농촌지역 배출이 혼재되어 있는 것을 확인할 수 있다.

아산은 충남 제2의 도시로 542 km²의 면적에 35만명이 거주하고 있으며, 대기오염물질 배출량 기준 4위 (8.5%)의 지역이다. 천안과 아산의 경우 도시화가 충남에서 상대적으로 많이 진행된 지역으로 석탄화력발전소가 위치하고 있는 보령, 태안보다 높은 배출량을 보이고 있다. 부문별로는 유기용제사용이 33%로 가장 높은 비율을 보이며, 도로이동오염원 14%, 비산먼지 12%, 생물성연소 10%, 비도로이동오염원 9%로 상위 5개 부문에서 전체 배출량의 78%를 차지하는 것으로 나타났다. 오염물질별로는 VOCs 34%, NOx 22%, CO 17%, NH₃13%로 상위 4개 물질에서 86%의 기여율을 보였다.

보령의 경우 전국으로 운영 중인 59기 석탄화력발전기 중 8기가 운영 (보령 6기, 신보령 2기)되고 있으며, 전체 대기오염물질 배출량 중 7.2%로 충남 지역내 5위의 배출기여도를 보이고 있다. 부문별로는 에너지산업연소가 40%로 압도적인 비율을 보이며, 비도로이동오염원 18%, 생물성연소와 농업이 각각 8%, 생산공정 7%로 상위 5개 부문에서 전체 배출의 81%를 차지하고 있다. 오염물질별로는 CO 31%, NOx 19%, NH₃15%, SOx 14%, VOCs 13%로 상위 5개 물질이 전체 배출량의 92%를 차지하는 것으로 나타났다.

태안의 경우 보령, 당진과 함께 석탄화력발전소가 위치한 지역으로 총 10기의 화력발전기가 운영되고 있다. 2021년 기준 충남 내 대기오염물질 배출기여율은 6.0%이며, 2016년부터 2021년까지 꾸준한 감소를 보이고 있다. 부문별로는 에너지산업연소가 61%로 압도적으로 높은 비율을 차지하고 있으며, 생물성연소 11%, 생산공정 10%로 상위 3개 부문에서 전체 배출량의 81%를 차지하는 것으로 나타났다. 오염물질 별로는 NOx 28%, CO 26%, SOx 19%, NH₃12%로 화석연료 연소에 따른 배출특성을 뚜렷하게 보이고 있다. 하지만 제10차 전력수급 기본계획에 따르면 2025년 1, 2호기, 2028년 3호기, 2029년 4호기를 단계적 폐쇄할 계획을 고시하고 있어 향후 관련 배출량은 더욱 뚜렷하게 감소할 것으로 예측된다 (MOTIE, 2023).

홍성은 전체 배출량의 4.9%를 차지하며, 충남에서 가장 큰 축사 밀집지역이다. 농림축산식품부의 통계에 따르면 충남은 2022년 사육두수 기준 돼지 1위, 소 (한육우와 젖소)와 닭 3위로 나타났다 (MAFRA, 2023). 전체적인 대기오염물질 배출량은 2016년 14,578톤에서 2021년 15,774톤으로 꾸준히 증가하고 있는 것으로 확인되었다. 부문별 기여율은 농업이 47%로 가장 높은 기여율을 보였고, 그 뒤를 이어 생물성연소 19%, 비산먼지 14%로 농업관련 기여율이 타 시·군 대비 압도적으로 높은 것을 확인할 수 있다. 오염물질별로도 농업 기인의 NH₃가 47%로 가장 높게 나타났고, CO 17%, TSP와 VOCs가 각각 11%로 확인되었다.

공주는 인구 10만으로 전체 충남 주민 대비 많지 않은 인구가 거주하고 있으나 864 km²로 가장 큰 면적을 차지하고 있다. 충남 전체 대기오염물질 배출량 중기여도는 4%로 매우 낮은 수준이다. 부문별로는 도로이동오염원이 25%로 가장 높은 기여도를 보이며, 생물성연소 21%, 농업과 비산먼지 17%로 상위 4개 부문에서 전체 배출량의 81%를 차지하는 것으로 나타났다. 오염물질별로는 NOx와 CO가 각각 23%, NH₃18%, VOC 16%로 상위 4개 물질에서 80%의 배출기여도를 보였다.

예산은 대기오염물질 배출기여율 3.8%의 낮은 기여율을 보이고 있으며, 배출량 역시 지난 6년간 꾸준한 감소 추세를 보이고 있다. 부문별로는 생물성연소가 34%, 농업 24%, 비산먼지 13%, 비도로이동오염원 10%로 홍성, 서천, 청양과 같이 농업관련 배출기여도가 높은 것으로 나타났다. 오염물질별로는 NH₃25%, CO 24%, VOCs 22%, NOx 13%로 상위 4개 물질이 전체 배출량의 84%를 차지하는 것으로 확인되었다.

논산의 대기오염물질 배출기여율은 3.5%이며 지역내 큰 배출원이 없다. 지리적으로는 익산, 완주 등 전북 지역과 인접해 있는 지역이다. 부문별로는 비산먼지 20%, 도로이동오염원 19%, 농업과 생물성연소 각각 18%, 유기용제사용 11%로 상위 5개 부문에서 전체 배출의 86%를 차지하는 것으로 확인되었다. 오염물질별로는 CO와 NOx 21%, NH₃19%, VOCs 17%, TSP 16%로 다양한 오염물질이 혼재되어 배출되는 것으로 나타났으며, 다른 곳과 다르게 TSP의 기여율이 상대적으로 높게 나타났다.

부여는 2021년 기준 전체 배출량의 2.2%의 낮은 배출기여율을 보이며, 2016년부터 2021년까지 15.6%의 감소율을 보이고 있다. 부문별로는 생물성연소 25%, 농업 21%, 비산먼지 17%, 도로이동오염원 12% 등 농업관련 배출원의 기여도가 높게 나타났다. 오염물질별 배출기여도는 CO 25%, NH₃21%, NOx 18%, VOCs 15%였다.

서천의 경우 2016년까지 서천화력발전이 운행되면서 에너지관련 배출량이 높았지만 2016년말 관련 시설이 폐쇄되면서 2017년부터 배출량이 급격히 감소하여, 2021년 기준 충남 배출량의 2.1%의 기여율을 보이고 있다. 부문별로는 생물성연소 22%, 비산먼지 13%, 도로 및 비도로이동오염원이 각각 12%, 농업 11% 등농촌지역의 전형적인 배출특성을 보이고 있다. 오염물질별로는 CO 30%, NOx 20%, NH₃와 VOCs가 각각15%로 상위 4개 물질이 전체 배출량의 80%를 차지하는 것으로 확인되었다. 하지만 2021년부터 신서천화력의 시운전이 시작되면서 향후 2022년부터는 에너지생산관련 배출 부문이 추가될 것으로 예상된다.

청양은 충남 정중앙 내륙지역에 위치하고 있으며, 특별한 대기배출원이 없어 충남 내 배출기여율 역시 1.8%로 계룡, 금산 다음으로 13위를 차지하고 있다. 2016년 대비 2021년 배출량도 약 7.5%의 감소한 것으로 확인되었다. 부문별 배출기여율은 생물성연소 39%, 농업 22%, 비산먼지 14%, 도로이동오염원 10%로 농업관련 배출기여도가 높게 나타났다. 오염물질별로는 CO 34%, NH₃22%, VOCs 14%, NOx 12%로 확인되었다.

금산은 충남 동남쪽 끝에 위치하고 있어 대전, 전북과 인접하고 있으며, 충남 중 유일하게 대기관리 지역에서 제외된 지역이다. 2021년 기준 배출기여율은 1.5%로 계룡보다는 높은 14위에 해당한다. 부문별 기여율은 생물성연소 28%, 도로이동오염원 18%, 유기용제사용 15%, 비산먼지 14%로 도시오염원과 농촌오염원이 혼재되어 나타나고 있다. 오염물질별로는 CO 30%, VOCs 23%, NOx 22%로 상위 3개 물질에서 전체 배출량의 74%를 차지하는 것으로 확인되었다.

계룡은 60 km²로 충남 내 가장 작은 면적을 가지며, 4.4만 명으로 가장 적은 인구가 거주하고 있다. 배출량 비율 역시 0.4%로 가장 낮은 기여를 하고 있다. 하지만 대전과 인접하고 있고, 주변 환경영향으로 관리가 필요할 것으로 판단되어 현재 중부권 내 대기환경 관리지역으로 설정되어 있다. 부문별 배출기여도는 도로이동오염원이 28%로 가장 높으며, 유기용제 사용 22%, 생물성연소와 비산먼지가 각각 12%, 비산업연소 (Non-industrial combustion) 10%, 비도로이동오염원 9%로 나타났다. 오염물질별로는 NOx 31%, VOCs 28%, CO 22% 등 상위 3개 물질에서 81%의 배출기여도를 보였다.

종합적으로 다시 정리하면 충남 서북부 지역의 서산, 당진, 천안, 아산에서 충남 전체 배출량의 62%를 배출하는 것으로 나타났다. 생산공정 부문은 서산과 당진에서 전체 배출량의 94%가 배출되었고, 제조업 연소 또한 서산과 당진에서 전체 배출량의 80%가 배출되었다. 에너지산업연소 부문은 석탄화력발전소가 위치한 서산, 당진, 보령, 태안에서 충남 전체의 98%가 배출되었으며, 도심 지역에서 주로 배출되는 것으로 알려진 유기용제 사용 부문은 천안과 아산에서 전체 배출의 58%가 배출되었다. 반면, 부여, 서천, 청양, 금산, 계룡의 경우 각각의 시군에서 충남 전체 배출량의 3% 미만을 배출하여 충남의 전체 배출량에 기여가 상대적으로 작은 것으로 분석되었다.

3.2 시·군별 대기오염물질 오염도 분석

대기 중 오염물질은 인근 배출원에서 배출되거나 장거리 이동에 의한 유입, 또는 대기 중 물리화학적 반응으로 생성되며, 주변 환경과 기상 조건을 통해 대기질에 영향을 준다. 노출 농도는 지역 주민의 건강과 환경피해를 발생시킬 수 있으므로 지속적인 모니터링이 중요하다 (Ho et al., 2005). 환경부는 1999년부터 전국을 대상으로 주요 대기오염물질에 대해 모니터링을 수행해오고 있다. 하지만 앞서 언급한 것처럼 충남의 경우 단 6개의 측정소가 운영되었으며, 이를 지역단위로 묶으면 4개 시 (천안, 아산, 서산, 당진)에 국한되게 된다. 이후 꾸준히 증가하여 2018년부터는 충남 지역 내 15개 시·군에 1개소 이상의 측정망이 설치되어 각 지역의 농도 자료를 확보할 수 있게 되었다. 그림 3은 1999년부터 가장 최근 확정자료인 2022년까지를 대상으로 각 시·군별 농도변화를 나타낸 것이다. 시·군별 평균자료는 측정망의 목적과 상관없이 지역내 모든 측정망의 자료를 대상으로 평균하여 나타낸 것이며, 이러한 이유로 측정소가 복수로 있는 천안, 아산, 서산과 같은 지역보다 1개소만이 운영 중인 계룡, 금산, 부여의 경우 자료의 해상도가 낮을 수밖에 없다. 하지만 현 시점에서 활용할 수 있는 자료의 한계를 감안하고 본 분석을 수행하였다.

Fig. 3

The trend of annual average concentration change by each region (1999~2022).

CO의 경우 연소과정에서 불완전연소에 의해 발생하며, 연소가 발생하는 모든 장소에서 배출된다. 측정 초기인 1999년 충남의 CO 농도는 0.913 ppm이었고, 이후 지속적으로 감소하여 2022년에는 0.378 ppm으로 감소하였다. 환경기준물질인 CO에 대한 기준은 8시간과 1시간 평균 기준이 있는데 8시간 평균농도 기준이 9 ppm인 것을 감안한다면 매우 낮은 수치이다. 모든 측정망이 설치된 2018년부터 2022년까지의 평균으로 보면 충남 내 평균농도는 0.437 ppm 수준이고, 천안, 서산, 논산, 계룡, 당진, 부여, 태안 등 7개 지역에서 0.500 ppm으로 평균 이상의 농도를 보였다. 하지만 환경기준을 감안했을 때 관리가 필요한 수준의 농도는 아닌 것으로 판단된다.

NO₂는 대기 중 연소과정에서 발생하며, 연소과정에서 생성된 NO가 급격히 산화되어 NO₂로 전환된다. 1999년 충남의 NO₂ 농도는 0.022 ppm 수준이었고, 이 농도는 NO₂의 연평균 기준인 0.030 ppm보다 낮은 수치이다. 이후 지속적으로 감소하여 2022년에는 충남 전체 평균 0.011 ppm으로 1999년 대비 절반수준으로 감소한 것으로 나타났다. 최근 5년간 평균으로 봤을 때 충남의 평균 농도는 0.012 ppm으로 확인되었고, 지역 내 평균보다 높은 곳은 천안이 0.020 ppm으로 가장 높은 농도를 보였고, 그 뒤를 이어 아산 0.015 ppm, 서산, 논산, 계룡, 당진이 각각 0.014 ppm 순으로 나타났다.

O₃은 VOCs와 NOx의 광화학 반응으로 생성되는 2차 생성물질이며, “제3차 대기환경개선 종합계획 (2023~2032년)”에서 PM_2.5와 함께 관리물질로 선정되었다 (MOE, 2022b). 1999년 충남의 평균농도는 0.023 ppm이었다. O₃ 역시 연평균 기준이 없고, 1시간 및 8시간 평균 기준이 있는데 8시간 평균 기준이 0.060 ppm으로 환경기준의 절반 수준의 농도이다. 하지만 꾸준히 증가하여 2022년에는 0.036 ppm으로 36% 증가하였다. O₃의 경우 앞서 언급한 것처럼 VOCs와 NOx의 반응에 의해 순간적으로 생성되었다가 급격히 사라지는 특성을 가지며, 특히 여름철 복사강제력이 높은 기간에 가장 높은 농도를 보인다. 2016~2022년까지 측정소별 환경기준 달성률은 1시간의 경우 12.0~41.1%, 8시간은 0~0.7%로 매우 낮다 (NIER, 2023). 기준 달성률이 낮다는 문제점과 더불어 중요한 점은 지속적인 증가 추세에 있어 이에 대한 대책 마련이 시급한 것으로 나타났다. 2022년 기준 충남의 O₃ 평균농도는 0.033 ppm으로 확인되었고, 보령, 서산, 서천의 경우 0.037 ppm, 태안 0.034 ppm으로 기준 이상인 농도를 나타냈다.

SO₂는 화석연료에 포함되어 있는 황성분이 연소과정을 통해 배출되는데, 전 세계적으로 환경관리가 시작되게 된 대표 대기오염물질이다. 1990년대 이후 꾸준히 황 성분 감소를 위한 정책과 기술이 적용되었고, 최근에는 가장 높은 개선효과를 보이고 있다. SO₂에 대한 환경기준은 연평균 0.020 ppm이나 2022년 연평균 농도는 0.003 ppm으로 나타났으며, 최근 5년 평균 역시 0.004 ppm으로 매우 낮은 농도를 보이고 있다. 현재 대기환경측정망에 설치·운영 중인 측정장비의 검출한계 (limit of detection, LOD)가 0.001 ppm임을 감안한다면 향후 중장기 모니터링 필요성에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

PM₁₀은 1983년부터 측정해오던 TSP를 대신하여 1993년 추가되었다. 1999년 충남의 농도는 54 μg/m³였고, 이후 지속적인 저감 정책으로 인해 2022년 농도는 34 μg/m³까지 감소하였다. 최근 5년간 충남의 연평균 농도는 39 μg/m³이고, 당진 48 μg/m³, 아산 46 μg/m³, 천안 42 μg/m³로 3개 지역에서 평균보다 높은 수치를 보였다. 현재 PM₁₀에 대한 연평균 기준이 50 μg/m³인 것을 감안하면 낮은 수치이다. 하지만 해외 선진국들의 연평균 기준이 영국과 EU 40 μg/m³, 호주 25 μg/m³, WHO 15 μg/m³로 강화되면서 내외부적으로 기준 강화에 대한 요구가 증가하고 있다.

입자상 오염물질의 경우 크기가 중요한 변수로 작용하는 만큼 좀 더 미세한 크기의 입자에 대한 관측과 관리가 요구되면서 2015년 PM_2.5가 환경기준물질로 추가되었다. 이후 2018년 미세먼지에 대한 이슈가 증가하면서 기준 강화가 추진되었는데 그 결과 연평균 기준이 15 μg/m³로 설정되었다. 2015년 충남의 PM_2.5 농도는 31 μg/m³였고, 2022년의 경우 19 μg/m³로 39% 감소하였으나 아직까지 2018년 개정된 환경기준에 만족하는 수준에는 도달하지 못하고 있다. 최근 5년간 충남의 PM_2.5 평균농도는 21 μg/m³이고, 가장 높은 아산 (26 μg/m³)을 비롯하여 당진 (26 μg/m³), 천안 (24 μg/m³), 홍성, 예산 (23 μg/m³), 공주, 청양 (22 μg/m³) 등 많은 시·군에서 평균치 이상의 농도를 보이고 있다.

표 1은 최근 5년 (2018~2022년)간 각 지역별로 측정된 오염물질별 평균농도와 표준편차를 나타낸 것이며, 충남 평균농도 대비 높은 수준을 보이는 곳을 음영으로 표시하였다. SO₂와 CO의 경우 환경기준보다 매우 낮아 평균 이상 여부 확인이 불필요하여 제외하였다. 분석 결과 충남 전체 평균농도 대비 높은 지역은 O₃은 4개 지역 (보령, 서산, 태안, 서천), NO₂ 6개 지역 (서산, 당진, 논산, 천안, 아산, 계룡), PM₁₀ 3개 지역 (당진, 천안, 아산), PM_2.5 7개 지역 (당진, 예산, 홍성, 청양, 공주, 천안, 아산)이 평균농도 이상인 것으로 확인되었다.

Table 1.

Annual average and standard deviation concentrations of environmental standard pollutants by region (2018~2022), with shaded areas indicating above-average levels.

3.3 시·군별 농도 및 배출량 분포 특성

충남은 현재 중부권 내 포함되어 “중부권 대기환경 관리 기본계획”의 목표달성을 위해 “충청남도 대기환경관리 시행계획”을 수립하여 추진 중에 있으며, 금산을 제외한 14개 시·군이 해당 권역으로 포함되어 동일 정책을 추진 중에 있다. 허나 앞서 선행연구 및 앞서 분석된 연구결과에서 충남 내 15개 시·군은 다양한 배출특성을 가지며, 농도 또한 균일한 분포를 가지지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 이에 본 연구에서는 앞서 분석된 배출량과 농도 자료를 기반으로 충남도 내 오염도 분포특성을 검토하였다. 그림 4는 분석 당시 가장 최근 자료인 2021년의 배출량 자료 중 TSP를 제외한 8종을 대상으로 분석한 결과이다. 그림5도 마찬가지로 분석 당시 가장 최근 자료인 2022년의 확정자료를 대상으로 각 시·군의 모든 측정소 평균농도를 가시화하여 나타낸 것이며, 대상은 환경기준물질 6종으로 하였다. 배출량과 농도 간의 연도 차이가 존재하나, 본 연구에서는 지역 현안에 적용하기 위해 분석 당시 획득 가능한 가장 최신의 자료를 활용하였다. 배출량 및 농도 연도별 추이 분석을 통해 1, 2년 사이에 주요 배출원과 배출형태 등이 달라지지 않음을 확인하였다 (그림 1, 3). 시·군별 배출량과 농도 자료의 결과는 우선관리 물질의 단계별 선정을 위해 자료를 정규화한 후 이용하였다. 이후 단계 구분은 정규화된 값을 기준으로 1군 (0.7~1), 2군 (0.4~0.7), 3군 (0.1~0.4), 4군 (0~0.1)으로 구분하였으며, 1군 지역은 충남 내에서 해당 물질에 대한 상대적인 기여도가 높은 지역이고 4군 지역은 해당 물질에 대한 상대적인 기여도가 낮은 지역이다.

Fig. 4

Spatial distribution of normalized air pollutant emissions by region (2021).

Fig. 5

Spatial distribution of normalized air pollutant concentration by region (2022).

PM₁₀ 배출량의 경우 (그림 4a) 당진의 배출량이 압도적으로 높아 1군으로 분류되었고, 그 뒤를 이어 천안, 아산, 서산, 보령, 태안, 홍성, 공주, 예산이 3군으로 분류되었다. 4군으로는 부여, 서천, 청양, 금산, 계룡으로 상대적으로 낮은 배출량을 보였다. PM₁₀ 배출량은 2군이 따로 나타나지 않았으며, 이는 당진의 PM₁₀ 배출량이 충남 내에서 지배적인 것으로 분석된다. PM₁₀ 농도 자료 (그림 5a)에서도 당진이 기여도가 높은 지역으로 나타났고, 당진과 함께 서산, 천안이 1군으로 분류되었다. 2군 지역은 계룡, 예산, 논산, 보령이었으며, 이외에 부여군을 제외한 시·군이 3군으로 분류되었다. 앞서 배출량이 가장 높아 유일하게 1군으로 분류된 당진의 경우 농도 역시 1군으로 분류되었고, 앞서 배출량 부분에서는 3군으로 분류되었던 아산, 천안의 경우 농도에서 당진과 같은 1군으로 분류되었다. 배출 부문에서 가장 낮은 군으로 분류되었던 청양, 부여, 서천, 금산의 경우 농도 역시 낮은 군으로 분류되었으나 배출량에서 가장 낮은 군으로 분류되었던 계룡의 경우 농도 부문에서는 인접한 논산과 같이 3군으로 분류되어 지역 내에서 배출되는 PM₁₀ 외 논산이나 주변 지역의 영향이 작용하고 있다는 것을 예측 할 수 있었다.

PM_2.5 배출량 부분 (그림 4b)에서도 당진이 유일하게 1군으로 나타났고, 2군은 분류되지 않았다. 이는 PM₁₀과 유사하게 당진 지역의 PM_2.5 배출이 충남 내에서 지배적인 것으로 분석된다. 이외에 태안, 천안, 보령, 서산, 아산이 3군으로 분류되었고, 나머지 지역은 4군으로 분류되었다. PM_2.5 농도 (그림 5b)에서는 인접해 있는 당진, 아산, 천안, 예산, 공주가 1군으로 분류되었고, 보령, 홍성, 청양, 금산, 논산이 2군으로, 부여와 계룡이 3군으로 분류되었다. PM_2.5의 배출량의 경우 앞서 PM₁₀과 유사한 패턴을 보이고 있으나 PM_2.5의 경우 배출량과 상이한 분포도를 보이고 있다. 농도의 경우 1군으로 분류되는 당진, 아산, 천안과 인접해 있고 동북쪽에서 남서쪽으로 인접 지역을 기점으로 점차 농도가 낮아지는 형태를 보이고 있다. 이는 PM_2.5의 경우 배출량에 의한 직접적인 영향보다는 주변 지역의 농도와 환경 조건에 의한 지역 내 2차 생성이 PM_2.5 농도에 더 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다.

NOx 배출량의 경우 (그림 4c) 당진과 서산이 1군으로 분류되었고, 천안이 단독으로 2군, 아산, 태안, 보령, 공주, 논산이 3군으로 분류되었다. 이외 지역은 4군으로 분류되었다. 농도 (그림 5c)의 경우 NO₂로 산정되기 때문에 NOx 배출량과 동일한 지표로 볼 수는 없지만 천안이 단독으로 1군으로 분류되었고, 아산, 당진, 부여, 논산, 계룡이 2군으로 분류되었다. 최저 농도값이 나타난 청양은 4군으로 분류되었고, 이외 지역은 모두 3군으로 분류되었다. 앞서 입자상 오염물 질인 PM₁₀과 PM_2.5의 경우 어느 정도 배출량과 농도의 분포가 일치하는 경향을 보였으나 NOx와 NO₂의 경우 상관성이 높지 않은 것으로 나타났다. 당진과 서산에서 배출량이 가장 높은 반면 농도가 가장 높은 지역은 천안으로 확인되었고, 배출량에서 4군으로 나타났던 부여, 논산, 계룡이 농도에서는 2군 지역으로 확인되었다. 다만 배출량에서 가장 낮은 4군으로 분류된 청양의 경우 농도에서도 가장 낮은 등급으로 분류되었다.

SOx 배출량의 경우 (그림 4d) 서산이 단독으로 1군으로 분류되었으며, 당진이 2군, 태안과 보령이 3군으로 분류되었다. 이외 지역은 4군으로 분류되었다. SO₂ 농도의 경우 (그림 5d) 당진이 배출량과 동일하게 단독으로 1군으로 나타났으며, 인접 지역인 아산이 2군으로 분류되었다. SOx와 SO₂ 역시 NOx와 NO₂의 관계처럼 직접적으로 같다고 볼 수는 없지만, 당진 지역이 지배적으로 농도와 배출량 모두에서 1군으로 나타났다. 배출량의 경우 지역 내 산업 특성이 반영되는 반면 농도는 배출량 외 주변 환경 (지형, 기상 등)이 변수로 작용하기 때문에 SO₂ 농도 역시 배출량보다는 농도가 높은 지역의 주변 지역의 농도가 희석·확산되면서 퍼지는 형태가 나타난다. 앞서 PM_2.5의 경우 동북에서 서남쪽으로 확산되어 희석되는 농도분포를 보였다면, SO₂의 경우 북쪽에서 남쪽으로 희석되어 농도가 낮아지는 분포를 보이고 있다.

환경기준물질과 배출량 간 비교가 가능한 마지막 물질인 CO의 경우 배출량 (그림 4e)에서 당진과 서산이 1군으로 분류되었고, 보령, 천안, 태안, 아산이 2군으로 분류되었으며, 배출이 거의 확인되지 않은 계룡시를 제외한 시·군은 모두 3군으로 나타났다. CO 농도의 경우 (그림 5e), 당진, 보령 천안, 계룡이 1군으로 분류되었고, 태안, 논산, 서천, 서산, 아산, 보령이 2군으로, 예산, 홍성이 3군으로 나타났다. 배출량이 높은 당진의 경우 농도에서도 1군으로 분류되긴 하였으나 배출량에서 4군으로 계룡 또한 농도에서는 1군으로 분류되어 상이한 결과를 보였다. 인접 지역에 배출량이 평균보다 높은 지역이 위치하지 않아 이 지역에 대한 고농도 발생 이유에 대해서는 추가적인 검토가 필요해 보인다.

VOCs 배출량의 경우 (그림 4f) 서산이 압도적으로 높은 1군으로 나타났고, 천안 2군, 아산과 당진이 3군으로 확인되었다. 서산의 경우 대규모 석유화학단지가 위치하고 있어 VOCs의 배출량이 많은 지역으로 최근 수년간 지속적으로 배출량이 증가하면서 고농도 배출지역으로 선정되었다. 천안과 아산, 당진의 경우도 도장시설을 비롯한 소규모 배출시설과 생활배출이 집중되면서 높은 배출특성을 보이는 것으로 판단된다.

현재 BC에 대한 배출량 산정이 일부 생산공정이나 제조업/비산업 연소나 폐기물처리 (Waste disposal)에서 기인하는 것으로 집계되고 있으나 대부분 도로이 동오염원과 생물성연소에서 배출되는 것으로 산정되고 있다. BC의 경우 자동차 배기가스의 주요 지표물질로 활용되고 있으며 (Han and Naeher, 2005), 최근에는 기후변화에 기인하는 물질로 여러 연구가 수행되고 있다 (Ramanathan and Carmichael, 2008). 배출량을 기반으로 봤을 때 (그림 4g), 인구밀집도가 가장 높은 천안, 아산, 당진이 1군으로 분류되었고, 이후 서산이 2군으로 분류되었다.

마지막으로 NH₃배출량의 경우 (그림 4h) 일부 산업공정에서 배출되는 것으로 알려져 있으나 충남의 경우 대부분 농업, 특히 축산분야에서도 많은 부분 기인하는 것으로 나타나고 있다. 앞서 언급한 것처럼 충남은 전국 최대 축산업 지역이다. 배출량에서는 홍성, 당진, 서산이 1군으로 분류되고 있으며, 천안, 보령, 예산이 2군으로 분류되었다.

3.4 시·군별 주요 관리분야 선정

배출량과 농도 자료 기반으로 충남 및 각 시·군별 배출특성 및 분포를 확인 후 이를 기반으로 각 시·군별 우선관리 분야와 물질을 선정하였다 (표 2). 주요 물질은 3.3절의 분석 결과에서 4군을 제외한 상위 3개 물질로 선정하였다.

Table 2.

Region-specific priority management items for air quality improvement.

CO와 SO₂의 경우 시계열 분석 결과 (그림 3)에서 연평균 기준치에 비해 현재 농도가 매우 낮은 기저 수준을 보이고 있어 현재 상태를 유지하되 추가적인 개선정책은 필요하지 않을 것으로 판단되어 주요 관리 물질에서 제외하였다.

앞서 Hwang et al. (2023b)에서 2020년 배출량을 기반으로 충남 지역을 3개 지역으로 구분하였고, 본 연구에서는 2021년을 기반으로 재산정하였다. 그 결과 동일한 3개 권역으로 선정하되 도·농복합형으로 구분되었던 7개 시·군에 대해 좀 더 세부적으로 구분하였다. 도·농복합형으로 구분되는 7개 시·군 중 공주, 서천, 논산의 경우 농촌형 특성을 좀 더 크게 나타내는 반면, 천안, 아산, 계룡, 금산의 경우 도시형 배출특성에 더 가깝다. 이에 관련 정책을 수립하여 추진할 경우에도 앞선 3개 시·군에는 농촌형 개선 정책을, 그 외 4개 시·군에는 도시형 개선 정책을 우선적으로 추진해야 한다.

에너지산업형으로 분류되는 보령, 서산, 당진, 태안의 경우 에너지산업연소, 비도로이동오염원, 생산공정, 제조업 연소에 대한 관리 정책이 집중되어야 하며, 주요 관리물질로는 VOCs와 NOx, SOx, CO가 선정되었다. 다만 4개 시·군 중 보령, 서산, 태안에서 농도관리 측면에서 O₃이 주요 관리물질로 선정되었다. O₃의 경우 배출원에 대한 문제도 중요하지만 도·농복합형으로 분류되는 서천과 함께 해안가에 위치한 지역의 특성으로 판단되며, 향후 이에 대한 원인 분석과 개선방안 마련을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

농촌형으로 분류되는 예산, 홍성, 청양, 부여의 경우 농업, 비산먼지, 생물성연소에 대한 중점관리가 필요하며, 주요 관리물질로는 NH₃와 BC, CO가 선정되었다. 최근 NH₃가 SOx 및 NOx와 반응하여 2차 PM_2.5를 생성하는 것으로 알려지면서 전 세계적으로 관심이 증가하고 있는데 (Cheng and Wang-Li, 2019; Feng et al., 2012; Behera and Sharma, 2010), 충남의 경우 다수의 대형배출시설로 인해 타 지역 대비 전구물질이 풍부하게 존재하고 있어 이에 대한 영향이 더 클 것으로 예상된다. 농도 기반 주요 관리물질 또한 4개 시·군 모두에서 PM_2.5가 선정되어 이를 뒷받침해주고 있다.

마지막으로 도·농복합형으로 구분되는 7개 시·군에 대해서는 도시형과 농업형으로 세분화하였다. 도시와 농촌의 특징이 혼재되어 나타나지만 주요 배출원과 오염물질 분석 결과, 우선 관리정책이 확연히 다른 지역이다. 앞서 제시한 것처럼 농촌형 특징을 가지는 3개 지역에서는 생물성연소, 농업, 비도로이동오염원, 비산먼지에 대한 개선정책 추진이 필요하며, 도시형 특징을 가지는 4개 시·군에서는 유기용제 사용, 도로이동오염원, 비산먼지 부문을 개선할 수 있는 정책이 우선적으로 추진될 필요가 있다. 농촌형 지역에서는 NH₃와 더불어 BC, CO가 주요 관리물질로 선정되었고, 도시형 지역에서는 VOCs와 BC, CO가 선정되었다. 결과적으로 BC와 CO가 공통 관리물질이라고 봤을 때 농촌지역은 NH₃에, 도시지역은 VOCs에 초점을 맞춘 정책 수립과 추진이 필요한 것으로 나타났다. 농도 부문에서는 아무래도 배출량이 상대적으로 높은 도시지역에서 PM_2.5를 비롯하여 PM₁₀, NO₂가 관리 필요물질로 선정되었다. 이는 도 차원의 정책 추진 시 도·농복합지역의 경우 농촌형 지역보다는 도시형 지역에 우선적으로 개선정책이 추진되어야 한다는 것을 의미한다.