1. 서 론

산업화 및 공업화에 의한 자동차 대수는 지속적으로 증가하고 있고 그에 따른 도로 및 터널의 건설도 함께 증가하고 있다. 최근에 건설되는 도로 사업은 고급화, 고속화를 목적으로 하여 산악지역 및 도심 통과구간 등에 터널의 건설이 점차 증가하고 있다. 또한 날로 증가되고 있는 도심지 교통량의 해소를 위한 방안으로 대도시 지하 교통시설이 증가하고 있으며, 국내의 경우 2011년 기준 1,465개소의 터널이 건설되었고, 연장길이는 1,053 km로 2001년 528개소에 비해 약 2.8배 이상 증가하였고, 그 중 1 km 이상의 장대터널은 17%인 254개소에 이르고 있다. 이처럼 터널 건설의 증가는 대도시의 교통 정체를 해결할 수 있고, 산악지역의 경우 대규모 절토를 피할 수 있으며 생태축 단절을 미연에 방지하는 등 생태계 보호 측면에서 많은 기여를 하고 있다. 하지만 대기오염 측면에서 살펴보면 터널 내부에서 차량에 의해 배출된 오염물질이 터널의 출구를 통하여 집중적으로 배출됨으로서 터널 출구 주변 지역에 고농도 오염에 의한 피해를 야기할 수 있다(Kang et al., 2003). 또한 전 세계적으로 장대터널 건설이 지속적으로 증가하고 있고, 차량정체에 따른 터널 내 운전자의 체재시간이 늘어남에 따라 오염물질에 의한 인체 건강에 미치는 영향이 클 것으로 보아 지속적인 대책 마련이 요구되고 있다.

현재 국토교통부는 도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙에서 터널 내부의 오염물질 기준을 일산화탄소(CO) 100 ppm 이하, 질소산화물(NOx) 25 ppm 이하로 설계 기준을 권고하고 있고, 자동차 배출가스 규제 강화에 따라 삼원촉매 등의 저감 기술 향상으로 터널 내 CO 및 NOx의 농도는 대부분 기준치 이하로 배출되고 있다. 이에 반해 최근 들어 이슈가 되고 있는 미세먼지와 VOC(휘발성 유기 화합물)에 대한 저감방안은 대부분 터널 내부에 초점이 맞추어져 환기의 개념에서 접근하고 있고, 저감시설의 설치는 극히 제한적으로 이루어져 있는 실정이다.

터널 내의 대기오염물질 농도를 대규모로 조사한 사례는 아직까지 없으나 일부 연구 사례에서 살펴보면 “부산시 터널 내 공기질조사”(B.I.H.E. 2003)에서는 2003년 부산시 터널 내 대기오염물질을 조사하였으며 그 결과 주로 NOx와 CO 및 SO₂가 검출되었으며, 특히 VOC가 터널 외부 대기질 보다 높게 검출되어 처리할 필요성이 있는 것으로 판단되었다. 또한 “서울시 터널 내 휘발성 유기화합물 방출특성(S.I.H.E. 2007)”에 따르면 남산 3호 터널과 홍지문 터널에서 VOC가 검출되었음을 알 수 있다. 그 외에 국내에서도 터널 내 대기질 측정과 터널 내 외부의 대기질을 비교·분석한 연구가 수행되었다(Jung, 2006; Kim et al., 1993; Park et al., 2013).

벨기에의 Craeybeckx 터널 내와 외부 공기질을 측정한 연구(Fre. R. De. et al., 1994)에서 벤젠의 농도가 터널 내부는 외부농도 1.3 ㎍/m³의 20배에 달하였다. 또한 보스턴시의 도시 설계 프로젝트인 CA/T (Central Artery/Tunnel)에서는 환기와 통행량, VMT (Vehicle Miles Traveled)를 기준으로 공기질 개선에 대한 연구가 수행되었다(A.W.M.A., 1996). 교통량과 차량속도에 의한 대기질 변화는 대만에 위치한 12.9 km의 Hsueh-shan 터널에서 실험연구가 수행되었다(Ma et al., 2011). 이외에도 터널 내 공기질 개선을 위한 측정 연구가 유럽을 중심으로 수행되었다(Bon et al., 2011; Chow et al., 2003).

이에 본 연구에서는 서울 시내의 도시 장대 터널에서의 미세먼지(PM10, PM2.5)와 VOC(벤젠)의 농도 분포에 대해 조사하고, Lab scale의 실험과 실제 터널에서의 장기 모니터링을 통해 이에 대한 저감 효율을 평가하였다.

2. 실험방법

 2.1 현장측정

본 연구에서는 터널 내 미세먼지 및 VOC(벤젠)의 특성을 조사하기 위하여 수도권에 설치되어있는 장대터널 중 시가지와 인접하여 터널에서 발생하는 오염물질이 인근 주민에게 영향을 끼칠 것으로 예상되는 N 터널, G 터널, W 터널, S 터널에 대하여 차량 통행이 가장 많은 시간대인 오전 7시~9시에 터널 내 오염물질을 측정하였다.

미세먼지의 측정은 터널 출구부에서 4분간 10회 측정하여 평균값을 구하였고, 농도범위 0.001~20 mg/m³, 정확도 ± 0.001 mg/m³인 TSI사의 AM510을 사용하였다. 벤젠의 측정은 차량의 창문을 개방한 상태에서 5회 왕복하며 측정하였고, 농도범위는 1 ppb～10,000 ppm이며 정확도가 ± -5%인 ION사의 PhoCheck TIGER를 사용하였다. 각 터널들의 전경은 Fig. 1과 같다.

2.2 모형터널 성능평가

터널 내에서 발생되는 미세먼지(PM10, PM2.5) 및 VOC(벤젠)을 동시에 처리하기 위하여 10 m³/min (W 2.15 m × D 2.10 m × H 0.68 m) 규모의 처리 장치를 제작하였다. 장치는 앞단에서 1차적으로 미세먼지를 제거하고, 후단에서 2차적으로 유해가스를 제거하는 시스템으로 미세먼지 제거 모듈은 전기집진장치와 백필터 방식이 듀얼로 연결되어 있고, 유해가스 제거 모듈은 흡착 방식(VOC 처리)으로 구성하였다. 오염물질 동시 처리 장치의 개략도는 Fig. 2와 같다.

또한 이 처리장치의 처리 효율을 확인하기 위하여 10 m³/min (W: 10 m × D: 1 m × H: 1 m) 규모의 모형터널을 제작하여 성능평가를 수행하였다. 성능평가 수행 시 현장 터널과 유사한 조건으로 실험을 수행하기 위해 발생 미세먼지 및 유해가스는 터널 현장조사 결과를 바탕으로 농도를 조절한 모사가스를 활용하였다.

실험에 사용된 미세먼지는 터널 내 발생되는 미세먼지의 특성과 유사한 조건인 입경크기 2~10 μm 이하, 입자밀도 1.95 g/cm³로 공급하기 위하여 한국 산업규격에서 10종(flyash)으로 규정한 Test Powder를 사용하였고, 먼지 발생장치를 이용하여 일정한 양으로 반응기에 공급하였다. 표준 VOC(벤젠)가스는 질소가스를 balance로 하여 모형터널에 공급되기 전에 원하는 농도로 조절하였고, 유입 유량은 50 L/min 으로 설정하였다.

터널 내 차량에 의해 발생되는 오염물질의 조건을 고려하여 온도 25°C, 상대습도 45 ± 5% 하에서 유입부를 통해 미세먼지와 VOC(벤젠) 가스를 유입하여 일차적으로 집진장치를 통해 미세먼지를 제거하였으며, 집진장치를 통과한 후 먼지가 제거된 가스는 흡착 반응기를 통해 제거하였다.

입구 및 출구에서의 실시간으로 데이터를 측정하였으며, 오염물질의 측정은 현장 측정시 사용된 측정 장비와 동일한 장비를 사용하여 데이터를 측정 및 분석하였다. Fig. 3은 모형터널에서의 오염물질 동시처리 실험장치 개략도이다.

2.3 현장 적용 장기 모니터링

본 연구에서는 동시 처리장치의 현장 성능 검증을 위하여 실제 운영중인 터널에 설치하여 모니터링을 실시하였다. 설치터널은 서울 외곽순환도로에 위치한 S1 터널로서, 길이 2,950 m, 폭 17.6 m, 높이 9.1 m, 왕복 8차선, 일 평균 교통량은 약 94,900대이다. Fig. 4는 장기 모니터링 사이트와 터널 내·외부의 전경을 보여준다. S1 터널 상행선 내 by-pass 터널 입구에 처리장치를 설치하였으며 미세먼지의 측정은 농도범위 0.001~20 mg/m³, 정확도 ± 0.001 mg/m³인 TSI사의 AM510을 사용하였고, 벤젠의 측정은 농도범위 1 ppb～10,000 ppm이며 정확도가 ± -5%인 ION사의 PhoCheck TIGER를 사용하였다. 측정장비는 처리장치의 앞단과 후단에 설치하여 처리 효율을 확인하였으며 15분 단위로 data를 저장하여 24시간 동안 측정하였고 약 4달간 2주간격으로 실시간 모니터링 data를 확보하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 터널 현장측정결과

서울 시내 도심 터널에서의 현장 측정결과는 Fig. 5와 같다. 모든 터널에서 출구 부분의 PM 10 평균 농도가 24시간 평균 대기환경기준인 100 ㎍/m³과 연평균 기준인 50 ㎍/m³을 넘는 것으로 나타났으며 벤젠 농도 역시 기준농도인 5 ㎍/m³ (1.4 × 10^-3 ppm)을 넘는 것으로 나타나 오염물질의 처리가 필요할 것으로 판단된다.

Table 1은 4곳의 터널에서 측정된 오염물질의 농도, 오전 7시부터 9시까지의 평균 교통량과 통행속도, 터널의 길이와 환기 방식을 정리해 놓은 것이다. N 터널과 G 터널은 교통량과 통행속도 및 길이가 비슷하며 오염물질의 농도 또한 비슷한 수치를 나타내었으나 W터널의 경우 PM 10의 농도가 다른 터널 보다 두 배 이상 높지만 오히려 평균 교통량이 다른 터널에 비해 적으며 통행 속도가 빠른 것을 알 수 있다. S터널은 도시고속도로 상에 위치한 터널로서 다른 터널에 비해 통행속도가 가장 빠르며 통행량이 많으나 미세먼지의 농도는 오히려 W터널에 비해 낮고 N, G 터널과 비슷한 수준인 것을 알 수 있다. 이는 터널 내 통행량과 통행 속도보다는 환기방식에 기인한 차이 때문으로 판단된다. N, G, S 터널의 환기 방식인 반횡류방식은 터널 입구에 설치된 환기소에서 터널단면에 설치된 별도의 환기덕트에 깨끗한 공기를 송기하여 환기시키는 방법으로서 통상적으로 배기식 보다 에너지 효율 및 환기면에서 뛰어난 것으로 알려져 있다. 반면 W 터널에 적용 중인 by-pass 방식은 피스톤 효과로 출구부 쪽에 축적되는 오염물질을 배기를 통해 대량으로 처리할 수 있다는 장점이 있으나 에너지 효율이 떨어져 상시 가동할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 환기 방식의 차이 때문에 W 터널의 미세먼지 농도가 통행량 및 통행 속도와는 상관없이 다른 터널에 비해 높은 미세먼지(PM 10) 농도를 나타낸다고 판단된다.

자동차의 연소과정에서 발생하는 PM 2.5의 경우 통행량이 많고 빠른 속도로 주행하는 S 터널에서 가장 높은 값을 나타내었으며 VOC(벤젠)의 경우 특별한 상관관계 없이 비슷한 수준의 농도를 보이고 있는 것으로 나타났다.

3.2 모형터널 성능평가

백필터 장치(10 m³/min)의 미세먼지 포집 결과는 Fig. 6, 7과 같으며, 포집 전 PM 2.5의 농도는 1,200 ㎍/m³, PM 10의 농도는 1,800 ㎍/m³으로 백필터에 의해 대부분 저감되는 것으로 나타났으며 포집효율은 PM 2.5가 97%, PM 10이 98%로 95% 이상의 포집효율을 보이고 있다.

VOC를 처리할 수 있는 기술은 흡착, 흡수, 연소와 촉매 산화 등이 있으나 본 연구에서는 복합장치에 적용 가능하고, 타 처리기술에 비해 기술 적용이 쉬운 흡착 기술을 적용하여 처리효율 성능평가 실험을 수행하였다. 흡착제는 제올라이트 5A를 이용하였고 흡착질인 벤젠은 현장 측정 결과와 비슷한 농도인 0.7 ppm으로 조절하여 반응기에 주입하였다. 성능평가 결과는 Fig. 8과 같으며 처리 효율은 99% 이상으로 출구 부분에서 대부분 처리되는 것을 알 수 있다.

3.3 현장 적용 장기 모니터링

Fig. 9와 10은 실제 운영중인 S1 터널 내 바이패스 구간에 미세먼지와 유해가스 동시처리 장치설치하여 실시간 모니터링을 통한 오염물질의 농도 변화 및 특성을 분석한 것이다. 모니터링 결과, PM 10의 경우 불규칙한 패턴을 보이는데 이는 외부 오염도, 통행량, 기상 현상 등에 의해 야기된 것으로 판단되며 벤젠의 경우 비교적 일정한 패턴으로 농도 변화가 관측되었다.

S1 터널의 경우 현장조사를 수행했던 도심터널과는 달리 고속도로라는 특성과 왕복 8차선으로 이루어져 있어 통행량은 많으나 터널 내부에서의 차량정체가 발생하지 않고 차선이 넓어 차량이 대부분의 시간대에 고속주행을 하게 되는데, 이로 인해 발생하는 주행풍의 속도가 바이패스로 유입되는 속도보다 빠르기 때문에 불규칙한 농도변화를 보이는 것으로 판단된다. 보다 정밀한 데이터 분석을 위해서는 터널 입출구의 풍속, 외부 기상조건, 통행량 등의 데이터가 확보되어야 할 것으로 판단된다.

대부분의 오염물질은 모니터링 기간 동안 처리효율이 90% 이상인 것을 알 수 있으나 다만 초기 설치 이후 장기 모니터링으로 인한 필터 및 흡착제의 성능이 다소 낮아지는 경향을 보이는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 도심터널에서 발생하는 미세먼지와 VOC(벤젠)의 농도 분포 특성을 조사하고, 실험실 규모에서의 오염물질 제거특성을 연구함과 동시에 실제 터널에서의 장기모니터링을 통한 적용성 평가를 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1.도심터널 내부에서 발생하는 미세먼지 및 유해가스의 저감방안은 현재 환기의 개념에서만 접근하고 있으며 이는 터널 내부 뿐만 아니라 터널 주변의 대기 환경에 직간접적으로 영향을 미치게 되므로 이에 대한 저감방안이 필요한 실정이다.

2.이러한 오염물질이 인근 주민에게 영향을 미칠 것으로 예상되는 도심터널 네곳을 선정하여 현장 측정실험을 실시하였으며 측정 결과 PM10의 경우 24시간 평균 대기환경기준인 100 ㎍/m³, 연평균 기준인 50 ㎍/m³을 초과하는 것으로 나타났으며, PM2.5의 경우 최근 도입될 예정인 기준치 25 ㎍/m³을 초과한 것으로 나타났다. 또한 VOC(벤젠)의 경우 역시 마찬가지로 기준농도인 5 ㎍/m³ (1.4 × 10^-3 ppm)을 넘는 것으로 나타나 터널 내부에서 발생하는 오염물질의 처리가 요구된다고 할 수 있다.

3.이러한 터널 내 대기오염물질 처리 효율을 도출하기 위하여 Lab scale 규모의 모형터널을 제작하여 저감 성능평가를 실시하였으며, 성능평가 결과 미세먼지의 처리효율은 백필터 가동시 97%이상, VOC의 처리효율은 90%이상 처리되는 것으로 나타났다.

4.위의 실험 결과를 토대로 실제 운영중인 장대 터널의 바이패스 구간에 처리장치를 설치하여 4개월간의 장기 모니터링을 실시하였으며 대부분의 미세먼지와 VOC를 처리하는 것으로 확인 되었으나 터널 내부에서 발생되는 주행풍으로 인한 국소적인 저감과 장기 모니터링으로 인한 흡착재의 성능 저하는 향후 연구를 통해 해결해야할 과제로 판단된다.