서울시 생물성 연소부문 온실가스-대기오염 통합 인벤토리 및 배출원단위분석

1. 서 론

지구온난화는 인간의 활동에 의해 대기 중으로 배출된 온실가스가 주된 요인이며 배출이 멈춘다고 하더라도 기후변화의 영향은 향후 수백년 동안 지속될 것으로 보고된다 (IPCC, 2013). 또한 인간의 활동은 대기오염물질을 대량으로 방출시켜 대기의 질을 저하시키고 있으며, 주된 원인은 연소에 의한 것으로 화석연료에 의한 연소가 대부분을 차지하고 있다(Kim and Yeo, 2013).

생물성 연소(biomass burning)는 인간의 활동에 의한 인위적 또는 자연적으로 발화되는 바이오매스 연소를 의미하며, 생물성 연소 또한 연소하는 과정에서 많은 양의 오염물질이 발생하고 있다(GRI, 2011). 생물성 연소는 식물성 바이오매스 (plant biomass) 연소와 동물성 바이오매스 (animal biomass) 연소로 구분할 수 있으며, 연소되는 과정에서 불완전 연소를 수반하며 이때 대기오염물질 뿐만 아니라 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O) 등과 같은 온실가스도 배출되어 지구온난화의 중요한 원인이기도 하다(Lee, 2012). 특히, 생물성 연소 대부분은 산불과 같은 노천소각에서 상당부분 차지하고 있으며, 생물성 연소에 의한 배출량 평가 및 온실가스와 대기오염에 미치는 영향을 파악하는 것이 필요하다(Permadi and Oanh, 2013). 이에 따라 생물성 연소에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 미국 환경보호청(Environment Protection Agency, EPA)과 캘리포니아 대기보전국(California Air Resources Board, CARB)을 중심으로 생물성 연소의 배출목록(emission inventory) 작성과 배출계수 개발이 활발히 진행 중에 있으나, 국내의 경우에는 생물성 연소에 따른 미세먼지의 발생특성에 연구가 집중되어 있으며, 연구의 대부분은 직접적인 조사와 분석보다는 외국의 배출계수를 사용한 추정연구에 머물고 있다(Kim et al., 2014).

생물성 연소는 발생원이 불분명하며 연소 시 다양한 대기오염물질이 발생하는데, 발암물질인 다환방향족탄화수소류 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)와 같은 유해대기오염물질(Hazardous Air Pollutants, HAPs)은 인체에 해로운 영향을 미친다(Park et al., 2011). 특히, 도심 내에서 발생하는 생물성 연소의 경우 배출원의 확산이 어려운 구조적 조건으로 인하여 도시 거주자들에게 호흡기 질환 등의 직접적인 피해를 유발할 수 있다(Park et al., 2011). 하지만 생물성 연소는 대기지원정책시스템(CAPSS)에서도 누락되어 있어 배출원 관리가 거의 이루어지지 않고 있으며(Kim et al., 2013), 이에 생물성 연소에 대한 실태파악과 적절한 관리가 무엇보다 필요하다. 또한 현재 생물성 연소에 관한 연구는 대기오염물질 산정에 연구가 집중되어 있으며, 온실가스-대기오염 통합 관리를 위한 동시 산정이 미미한 실정이다. 따라서 생물성 연소에 의해 발생되는 온실가스-대기오염 통합 배출량 산정을 데이터베이스화하여, 생물성 연소에 의한 오염 기여도 평가 및 각 형태별 관리방안을 마련해야 한다.

따라서 본 연구는 2010년 서울시 생물성 연소에 의한 온실가스-대기오염 통합 배출량을 산정하고, 배출 정량화를 위한 배출원단위 분석을 수행하였다.

2. 연구 방법

2. 1 연구의 범위

본 연구의 공간적 범위는 서울시이며, 시간적 범위는 생물성 연소부문 활동도 자료수집 및 구축에 있어 국가기관에서 제공하는 자료의 확보가 용이한 2010년으로 하였다. 연구의 대상은 노천소각(폐기물, 농업 잔재물), 아궁이, 화목난로, 고기구이 (쇠고기, 돼지고기, 닭고기), 화재 (산림, 건물) 그리고 동물성 연소인 화장 (사람)으로 하였다. 활동도 자료는 국가통계연보를 이용하여 자료를 추출 및 구축하였으며(Statistics Korea, 2011; Seoul city, 2010-2011), 표 1에 구축된 생물성 연소부문 활동도를 나타내었다.

Table 1.

Status of biomass burning activities in Seoul, 2010.

2. 2 배출계수

본 연구에 이용된 배출계수는 EPA AP-42와 EEA (2013) EMEP/EEA emission inventory guidebook 2013, 그리고 NIER (2013)에서 발행한 대기오염산정방법편람을 기반으로 하였으며, 선행연구에서 개발한 배출계수를 선정 및 추출하여 적용하였다(EEA, 2013; NIER, 2013; KEC, 2012; GRI, 2011; Bong et al., 2011; NIER, 2010; SJVAPCD, 2009; CARB, 2006; IPCC, 2006; EIIP, 2001; EPA, 1995). 표 2에 본 연구에 적용된 배출계수를 제시하였으며, 온실가스 배출량은 CO₂, CH₄, N₂O를 개별적 산정 후 온난화지수(global warming potential, GWP)를 이용하여 CO_2eq로 하여 배출량을 산정하였다.

Table 2.

GHG-AP integrated emission factors in biomass burning sector.

3. 결 과

3. 1 생물성 연소부문별 온실가스-대기오염 통합 배출량

생물성 연소부문 온실가스-대기오염 통합 배출량 산정결과를 표 3에 나타내었으며, 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 각각 3,867 tonCO_2eq, 2,320 tonAP로 나타났다. 본 연구에서 tonAP는 대기오염 배출량(Air Pollution, AP)으로 정의하였으며, 대기오염 먼지 배출량 산정 시 PM_2.5의 입경크기는 PM₁₀에 포함되기 때문에 PM₁₀ 배출량을 적용하였다.

Table 3.

GHG-AP integrated emissions from biomass burning in Seoul, 2010. (unit: ton)

배출원별 연간 온실가스는 산림화재가 1,533 tonCO_2eq로 가장 많은 배출량을 보였으며, 다음으로 폐기물 노천소각이 1,466 tonCO_2eq로 산림화재와 폐기물 노천소각이 전체의 77.5%를 차지하였다. 그리고 연간 대기오염은 고기구이(meat cooking)에 의한 배출량이 1,240 tonAP로 가장 많았으며, 다음으로 건물화재가 907 tonAP로 나타났다. 미세먼지 배출량을 제외하면, 불완전 연소로 인해 발생되는 일산화탄소(CO)가 880 ton으로 가장 많은 배출량을 보였다.

발생부문별로 살펴보면, 폐기물 노천소각에 의한 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 각각 1,466 tonCO_2eq, 74 tonAP로 나타났다. 물질별로는 일산화탄소(CO)가 45 ton으로 60%의 가장 높은 비율을 차지하였다.

농업 잔재물 노천소각에 의한 대기오염 배출량은 작물별 재배면적을 이용하여 산정하였으며, 산정결과 연간 대기오염 배출량은 5 tonAP로 나타났고, 물질별로는 일산화탄소(CO)는 4.2 ton, 질소산화물(NO_x)은 0.33 ton, 황산화물(SO_x)은 0.01 ton, 미세먼지(PM₁₀)는 0.47 ton, 초미세먼지(PM_2.5)는 0.45 ton, 휘발성유기화합물(VOC)은 0.32 ton으로 나타났다.

아궁이에 의한 배출량은 농업인구 비율을 이용하여 산정하였으며, 아궁이 연료는 목재로 가정하여 목재연소에 의한 산정방법을 적용하여 산정하였다. 산정결과 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 각각 126 tonCO_2eq, 16 tonAP로 나타났으며, 물질별로는 일산화탄소(CO)는 7.75 ton, 질소산화물(NO_x)은 0.08 ton, 황산화물 (SO_x)은 0.01 ton, 미세먼지(PM₁₀)는 1.06 ton, 초미세먼지(PM_2.5)는 1.01 ton, 휘발성유기화합물(VOC)은 7.03 ton으로 나타났다.

화목난로에 의한 배출량도 아궁이와 동일한 산정방식을 적용하여 산정하였으며, 산정결과 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 각각 741 tonCO_2eq, 30 tonAP로 나타났으며, 물질별로는 일산화탄소(CO)는 25 ton, 질소산화물 (NO_x)은 0.36 ton, 황산화물 (SO_x)은 0.07 ton, 미세먼지(PM₁₀)는 3 ton, 초미세먼지(PM_2.5)는 3 ton, 휘발성유기화합물(VOC)은 2 ton으로 나타나, 일산화탄소(CO)가 75.75%로 가장 높은 비율을 차지하였다.

고기구이에 의한 대기오염 배출량은 2010년 기준 고기구이의 경우 1인당 소비되는 쇠고기(12.9 kg/yr), 돼지고기 (31.3 kg/yr), 닭고기(15 kg/yr)의 인구비율과 고기를 소비하는 사업체의 비율로 할당하여 산정하였다(KMTA, 2012). 또한 고기구이에 의한 대기오염 배출량 산정은 연소에 의해 발생(고기구이에 의한 배출계수가 부재함)되는 일산화탄소 (CO), 질소산화물(NO_x), 황산화물(SO_x)은 제외하고, 미세먼지(PM₁₀), 초미세먼지(PM_2.5), 휘발성유기화합물 (VOC)에 대해서 산정하였다. 산정결과 연간 대기오염 배출량은 1,240 tonAP로 나타났으며, 물질별로는 미세먼지 (PM₁₀)는 1,157 ton, 초미세먼지 (PM_2.5)는 1,010 ton, 휘발성유기 화합물(VOC)은 83 ton으로 나타났다.

산림화재에 의한 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 각각 1,533 tonCO_2eq, 1 tonAP로 나타났으며, 물질별로는 일산화탄소(CO)가 0.61 ton으로 61%의 비율을 차지하였으며, 다음으로 휘발성유기화합물(VOC)이 0.104 ton으로 나타났다. 건물화재에 의한 연간 대기오염 배출량은 907 ton으로 나타났으며, 물질별로는 일산화탄소(CO)가 791 ton으로 87%의 비율을 차지하였다.

화장에 의한 연간 대기오염 배출량은 46 tonAP으로 나타났으며, 물질별로는 일산화탄소(CO)는 6 ton, 질소산화물(NO_x)은 33 ton, 이산화황(SO₂)은 5 ton, 미세먼지(PM₁₀)는 1 ton, 초미세먼지(PM_2.5)는 1 ton, 비메탄휘발성유기화합물(NMVOC)은 1 ton으로 나타났다. 단일물질로는 질소산화물(NO_x)이 72%의 가장 높은 비율을 차지하였으며, 화장은 동물성 연소로 황산화물(SO_x) 발생량이 이외의 생물성 연소 대비 많은 것으로 나타났다.

3. 2 행정구역별 부문별 온실가스-대기오염 통합 배출량 및 원단위분석

그림 1에 행정구역별 부문별 연간 온실가스-대기오염 통합 배출량 산정결과를 나타내었다. 폐기물 노천소각에 의한 연간 온실가스 배출량은 2~165 tonCO_2eq의 범위로 나타났으며, 서초구가 165 tonCO_2eq로 가장 많은 배출량을 보였으며, 다음으로 강서구가 158 tonCO_2eq로 나타났다. 반면 가장 적게 배출된 행정구역은 중구로 조사되었다. 그리고 연간 대기오염 배출량은 0.1~8.31 tonAP의 범위를 보였으며, 발생되는 경향성은 온실가스와 동일하였다. 농업 잔재물에 의한 연간 대기오염 배출량은 0.01~0.47 tonAP의 범위를 보였으며, 서초구가 가장 많은 배출량을 보였으며, 다음으로 강서구로 나타났다. 아궁이에 의한 연간 온실가스 배출량은 4~15 tonCO_2eq의 범위를 보였으며, 강서구, 서초구, 강동구가 15 tonCO_2eq으로 가장 많은 배출량을 보였으며, 다음으로 강남구와 송파구가 11 tonCO_2eq로 나타났다. 그리고 연간 대기오염 배출량은 0.47~1.87 tonAP의 범위로 발생되는 경향성은 온실가스와 동일하였다. 화목난로에 의한 연간 온실가스 배출량은 5~86 tonCO_2eq의 범위를 보였으며, 서초구가 가장 많은 배출량을 보였으며, 다음으로 강서구가 81 tonCO_2eq의 배출량을 보였다. 그리고 연간 대기오염 배출량은 0.2~3.34 tonAP의 범위를 보였으며, 배출되는 경향성은 온실가스와 동일하였다. 고기구이에 의한 연간 대기오염 배출량은 17~81 tonAP의 범위를 보였으며, 송파구가 가장 많은 발생량을 보였다. 산림화재는 연도별 또는 지역별 상당한 차이를 보이며 2010년 서울시에서 발생한 산림화재에 의한 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 관악구가 각각 568 tonCO_2eq, 0.29 tonAP로 가장 많은 배출량을 보였으며, 다음으로 서대문구가 188 tonCO_2eq, 0.1 tonAP의 배출량을 보였다. 건물화재에 의한 연간 대기오염 배출량은 20~64 tonAP의 범위로 나타났으며, 강남구가 64 tonAP로 가장 많은 배출량을 보였으며, 다음은 강서구로 44 tonAP의 배출량을 보였다. 화장에 의한 연간 대기오염 배출량은 0.75~2.62 tonAP의 범위를 보였으며, 노원구가 가장 많은 배출량을 보였다.

Fig. 1.

GHG-AP emissions per km2 and capita in biomass burning by administrative districts; (a-1) total GHG emissions, (a-2) GHG emissions per km2, (a-3) GHG emissions per capita, (b-1) total AP, (b-2) AP emissions per km2, (b-3) AP emissions per capita.

원단위분석 결과로서, 행정구역별 및 식생부문별 온실가스-대기오염 통합 배출량을 합산 후 면적과 인구수를 이용하여 산정하였다. 분석결과 면적당 연간 온실가스 배출량은 0.2~21 tonCO_2eq/km²의 범위로 나타났으며, 대기오염 배출량은 2.3~6.1 tonAP/km²의 범위로 나타났다. 또한 인구 1명당 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 각각 0.01~1.14 kgCO_2eq/capita, 0.19~0.41 kgAP/capita로 조사되었다. 생물성 연소에 의한 배출원단위 분석은 온실가스가 대기오염 대비 단위면적과 인구 당 발생되는 평균 배출원단위가 높게 나타났다.

4. 결 론

본 연구는 2010년 서울시를 대상으로 생물성 연소에 의한 온실가스-대기오염 통합 배출량 산정과 배출원단위를 분석하여, 다음과 같은 결론을 얻었다. 생물성 연소에 의한 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 각각 3,867 tonCO_2eq, 2,320 tonAP로 산정되었으며, 배출원별로는 산림화재에서 온실가스 배출량이 가장 많았고, 고기구이부문에서 대기오염 배출량이 가장 많은 것으로 나타났다. 생물성 연소부문 배출원단위 분석결과 면적당 연간 온실가스 배출량은 0.2~21 tonCO_2eq/km²의 범위로 나타났으며, 연간 대기오염 배출량은 2.3~6.1 tonAP/km²의 범위로 나타났다. 또한 인구 1명당 연간 온실가스와 대기오염 배출량은 각각 0.01~1.14 kgCO_2eq/capita, 0.19~0.41 kgAP/capita로 조사되었다.

본 연구를 바탕으로 연구의 한계점과 시사점을 제시하면 첫째, 폐기물과 농업 잔재물 노천소각에 의한 온실가스와 대기오염 배출량을 제어하기 위해서는 발생량이 많은 행정구역을 우선적으로 관리해야 하며, 폐기물 노천소각은 농업에 종사하는 인구수에 비례하므로 농업에 종사하는 사람들에게 행정구역별 교육지원과 배출되는 폐기물 노천소각의 수집 및 처리하는 등의 지원이 필요한 것으로 사료된다. 둘째, 고기구이에 의한 배출량 산정은 대부분이 미세먼지이며, 고기구이를 위해 사용되는 연료 즉, 가스(천연가스, 부탄가스 등), 연탄, 숯 등으로 순수한 고기구이에 의해 발생되는 오염물질을 산정하기에는 어려움이 있으며, 또한 조리형태 (구이, 튀김, 볶음 등)와 부위별 등 세부적 산정이 이루어져야 고기구이별 발생되는 오염물질의 정량/정성적인 산정이 가능할 것이라고 사료된다. 셋째, 건물화재에 의한 온실가스-대기오염 통합 오염물질 배출은 고기구이를 제외하면 가장 높은 비율을 차지하고 있으며, 이는 서울시의 경우 고밀도로 집적된 인구와 건물로 인하여 건물화재에 대한 취약성이 있음을 의미한다. 따라서 집적된 건물화재에 의한 화재의 확장성이 크며 대형건물인 경우 대규모 잠재 오염물질 발생원이 되기 때문에 소방시설 확충 등과 같은 관리대책이 필요하다고 사료된다.

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