미세먼지 등 대기오염이 일상화되고 국민 건강을 위협하면서 육상뿐만 아니라 해상 선박에서 발생하는 대기오염물질에 대한 관리 필요성이 대두되고 있다. 이에 본 연구는 선박 배출량 현황을 바탕으로 해양경찰 업무 중심의 선박 대기오염물질 점검 실태를 진단 하고 배출 저감을 위한 국가 관리 대책을 제안한다. 최근 국립환경과학원(NIER, 2018)에 따르면 선박에서 배출된 총량(CO, NOx, SOx, TSP, PM10, PM2.5, VOCs, NH3, BC)은 국내 전체 발생량의 6.4 %로 나타났고, 이 중 NOx는 13.1 %, SOx는 10.9 %, 미세먼지(PM10/PM2.5)는 9.6 %를 차지하고 있다. 선박 발생량 중에서는 국내외 입출항 화물선이 50.6 %로 가장 많은 배출을 보였고, 어선의 배출 비율도 42.6 %로 적지 않 음을 알 수 있었다. 지역적으로 해양경찰 관할 5개 권역을 기준으로는 부산항, 울산항을 포함한 남해권 44.1 %와 광양항, 여수항을 포함한 서해권 24.8 % 순으로 배출이 많았다. 해양경찰은 대기오염물질 관리를 위해 승선 점검을 통한 선박 배출 상황을 관리하고 있지만, 각종 배출 장치의 가동이나 연료유 기준 등의 실측에는 많은 시간과 노력이 필요하고, 또한 선박의 바쁜 운항스케줄에 따른 제약으로 대부분 서류상의 점검으로 진행됨으로써 관리에 한계가 있다. 따라서 선박 대기오염물질 관리를 위해서는 대기오염물질 발생을 실측 점검으로 바꾸도록 규제를 강화하고 해경 함정 등을 활용한 해역별 모니터링 시스템을 구축하여 실질적 현장 데이터에 기초한 관리가 이뤄지도록 하는 한편, 장단기적으로 환경친화적 선박 도입을 위한 기술 개발과 법·제도적 지원이 필요하다.

최근 지구 환경문제에 대한 논의가 활발해지면서 국제 운송의 큰 부분을 차지하고 있는 해상운송에서도 배출물질 규제를 위한 정책이 시행되고 있다. 이 연구에서는 선속 제한에 의한 배출량의 감축 효과를 검토하기 위하여 기관 부하율을 적용하여 선박의 배출물질을 수치계산하였다. 2017년 1월 1일부터 12월 31일까지 부산 북항의 입출항 선박을 대상으로 선속제한구역 20마일권역을 설정하고 해당 구간에서의 선종별, 선속별로 배출량을 계산하고 분석하였다. 항행, 접·이안, 정박 중일 때를 모두 포함하여 가장 많은 배출물질을 발생시키는 선박은 컨테이너선 76.1 %, 일반화물선 7.2 %, 여객선 6.8 %의 순으로 계산되었다. 항행 및 접·이안 모드일 때는 일반화물선이 여객선 보다 배출물질이 적었지만 정박 모드일 때는 여객선보다 많았다. 총 배출물질은 질소산화물, 황산화물, 입자상물질, 휘발성유기화합물의 순으로 각각 49.4 %, 45 %, 4 % 1.6 %로 구성되었다. 선속 제한이 없는 경우와 선박 속도를 12노트, 10노트, 8노트로 제한시킬 때 배출물질을 비교하면 속도 12노트 제한의 경우 질소산화물 39 %, 휘발성유기화합물 40 %, 입자상물질 42 %, 황산화물 38 %의 감소효과가 있고, 10노 트 제한일 때 질소산화물 52 %, 휘발성유기화합물 54 %, 황산화물 56 %, SOx 50 %의 감소효과가 있으며, 8노트 제한일 때 질소산화물 62 %, 휘발성유기화합물 64 %, 입자상물질 67%, 황산화물 59 %의 감소효과가 있었다. 이처럼 선박의 속도 감소에 따라 배출물질 역시 크게 감소 되는 연구결과를 확인할 수 있었으며, 향후 항만 배출물질 감소를 위해 선박의 속도를 제한하는 방안을 적극적으로 고려할 필요가 있다.

본 연구에서는 선박용 엔진을 활용하여 E2, E3 사이클 시험 결과로부터 연료 내 황 함유량 변화에 따른 대기오염물질 배출 특성을 조사하였다. 테스트를 위해 사용된 엔진은 360 PS의 엔진(Doosan L126TIH engine)을 활용하였고, 동력계로는 Horiba-Schenck사의 400㎾급 동력계인 W400을 사용하였다. 엔진에서 발생되는 대기오염물질 계측을 위해서는 오스트리아 AVL사의 FTIR과 SPC 장비를 배기라인 후단에 장착해서 사용하였다. 실험 결과로는 E2, E3 사이클 모두에서 연료 내 황 함유량이 증가할수록 THC와 CO의 단위 출력 당 배출량은 감소하고 입자상물질은 증가하였다. 연료의 황 함유량이 증가할수록 동점도가 증가되어 엔진의 연료소모율이 좋아지는 것을 확인하였다. 이는 본 연구에 사용된 엔진의 경우 연료 분사압력이 일정한 상태에서 동점도 증가에 따른 분무입자의 평균입경이 커짐에 따른 연소 상태가 개선되었기 때문이라 생각되어진다. 질소산화물의 경우 이번 연구에서는 황함유량의 변화에도 배출량에서는 큰 변화를 보이지 않았다.

선박의 오염물질 배출에 대한 규제는 최근 IMO/MEPC(국제해사기구/해양환경보호위원회)를 통해서 진행 중이다. 선박오염원 에서 배출된 오염물질은 국지적인 요인에 의해서 연안지역을 비롯하여 육지로 확산될 수 있다. 인천과 같이 선박 배출 오염물질에 노출 되어 있는 항구 도시에서 선박오염원 조절은 연안지역의 대기질 관리정책을 효율적으로 고안하기 위해서 반드시 필요하다. 연안지역의 대기오염물질 중 선박에 의한 NOx와 SOx의 농도는 전체 NOx와 SOx 농도의 각각 14 %와 10 %를 차지한다(NIER, 2008). 연안도시지역의 대기질은 국지적인 순환에 의존하는 오염물질의 확산 경향과 선박의 수에 영향을 받는다. 선박오염원으로부터 배출된 오염물질의 확산 을 WRF(Weather Research and Forecasting model)의 기상장을 기초로 CALPUFF(California Puff model)를 사용하여 분석하였다. 그리고 연안도 시지역의 대기확산모델은 정박한 선박과 입·출항하는 선박으로 나누어 각각 점오염원과 선오염원으로 구분하여 모의하였다. 선박척수 82~84척을 기준으로 NOx의 총 평균 배출량은 입·출항시 각각 6.2 g/s, 6.8 g/s이었고, SOx의 총 평균 배출량은 입·출항시 각각 3.6 g/s, 5.1 g/s 이었다. 정박 중인 선박의 NOx와 SOx에 대한 총 평균 배출량은 각각 0.77 g/s, 1.93 g/s이었다. 육풍의 영향으로 인하여 인천항으로부터 내 륙으로 진행되는 오염물질의 수송이 억제되었고, 내륙의 SOx와 NOx 농도가 일시적으로 감소하는 원인이 되었다. 해풍에 의해 NOx와 SOx가 내륙으로 확산되었고, 내륙의 NOx와 SOx의 농도가 점차 증가하였다. 인천항과 인접한 지역의 오염물질의 농도는 해륙풍의 영향 보다 인천항에 정박 중인 선박오염원에 의한 영향이 더욱 크게 반영되었다. 본 연구는 연안도시지역의 대기질 정책고안과 배출기준을 정하는 것에 유용할 것으로 기대된다.

Air quality modeling about coastal urban region such as Pusan shoud be consider shipping source emmited from ships anchoraging and running. It has been proved at our previous studies that the ratios of air pollutants emission amount in coastal area to inland are 12.2% for NO2 and 11.7% for SO2 and the air quality of coastal urban area consierably counts on ships. Also the dispersion pattern of the air pollutants followed local circulation system in this region. Therefore this study has been developed air quality model which can describe the formation, transport, transformation and deposition processes of air pollutants considering shipping source. Currently, restriction for emission amount of ships does not exist, so our study will be useful to set the emission standard and for devising air quality policy in coastal urban region.