서울特別市 保健環境硏究院報 第41號	(2005)

Report of S.I.H.E., 41:364～374	(2005)

서울지역 대기 중 다환방향족탄화수소류의 발생원별 기여도 평가

환경연구개발팀

박찬구․오달영․곽미애․윤중섭․신정식․김민영

Contributive Estimation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Emission Source in Seoul Area

Environment Research Development Team

Chan-koo Park , Dal-young Oh, Mi-ae Kwak,

Joong-sup Yun, Jung-sik Shin and Min-young Kim

Abstract

PAHs(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons), one of the carcinogenic materials in environment, were investigated in this study. It was tested in the standardized analysis conditions and then various factors which affect to the ambient PAHs concentration in Seoul were estimated. And we investigated emissions of PAHs from major stationary sources to determine the quantitative relationships between ambient PAHs concentrations and emission sources.

From the factor analysis, we found major three factors that affect to the ambient PAHs in Seoul. Factor 1 was related to the concentrations of chrysene, pyrene, indeno(1,2,3-cd)pyrene, benzo[b]fluoranthene, benzo[k]fluoranthene, and benzo prerylene which were mainly emitted from gasoline and diesel fueled cars. And factor 2 was about the concentrations of phenanthrene and anthracene which were due to LNG and BC oil combustion in industry and home. At last, factor 3 included dibenz(a, h)anthra-cene and acenaphthene which were emitted from open burning and municipal solid waste incineration.

Conclusively, all of three factors were consisted in 82% of total variance. The contribution of mobile sources in ambient air in Seoul was estimated at 64%, that of industrial and home sources at 17%, and that of open burning and municipal incineration at 1%.

Key words : PAHs, source profile, receptor model, factor analysis, emission factor

서  론

도시 대기 중의 다환방향족탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs 이하 PAHs)는 저 농도 수준으로 항시 대기 중에 체류하고 있으며, 최초로 발암가능성에 대한 평가가 진행되어 왔던 대기오염물질의 하나이기도 하다. 또한 현재 화학적 발암가능성이 있는 물질로 알려진 것 중 단일그룹으로는 가장 큰 부류로 알려지고 있다(1). PAHs가 인체에 미치는 이러한 영향 때문에 많은 연구자들이 지속적으로 대기 중 PAHs에 대한 관심을 가지고 있으나, 다양한 배출원에서 배출되는 PAHs가 대기 중에 미치는 영향과 이로 인해 나타나는 인체 영향을 파악하려는 시도는 매우 소수에 불과한 실정이다. 지난 수십 년 간의 연구에 의하면 PAHs는 연료와 연소방식의 차이에 따라 PAHs 구성비에 상당한 차이가 있다고 알려져 있다(2～3). 다양한 발생원에서 배출되는 PAHs 구성비에 대한 신뢰할 만한 자료가 충분히 확보되면, 화학질량수지모델(CMB receptor mo-del)이나 요인 분석(factor analysis)의 배출원 확인모델(source identification model)을 통해 각 발생원들에 대한 PAHs 배출특성(in-di-cator, fin-gerprint) 파악이 가능하게 된다. 배출원 확인모델에서 결정된 fingerprint를 요인분석이나, 화학질량수지모델에 적용하면 각 배출원에서 배출된 PAHs가 특정지역(수용체, receptor site) 대기 중에 미치는 기여도를 정량적으로 평가할 수 있게 된다(4～6). 본 연구에서는 이러한 이론들을 바탕으로 하여 서울시 대기 중 PAHs 농도에 영향을 주는 발생원들과 이의 영향을 받는 수용체 지역의 농도와의 관계를 요인분석을 통하여 알아보고자 하였다.

실험방법

1. 배출원 선정

도시 대기에 영향을 주는 PAHs 배출원은 매우 다양하다. 그러나 이러한 배출원 들에서 배출되는 PAHs 배출특성에 대한 자료는 매우 한정되어 있으며, 또한 이 자료들조차도 일부 국가로 제한되어 있다. 특히 국내에서는 이러한 배출원들에 대한 조사 자료를 찾아볼 수 없어 본 연구에서는 국외에서 연구된 자료들(6～7)과 서울시에서 년간 사용되는 연료사용량을 참조하여 다음과 같이 대상을 선정하였다. 이동오염원을 대표하는 자동차 배기가스의 영향을 알아보기 위하여 자동차 전용 터널을 선정하였으며, 고정 오염원은 소각시설 2지점과, 산업활동 시설 중 도시가스(liquefied na-tu--ral gas, 이하 LNG)와 중질유(heavy oil, 이하 B-C oil)를 사용하는 보일러 시설을 선정하였다. 이에 대한 상세한 내용은 기 연구된 논문에 이미 제시하였다(8).

2. 수용체 지역 선정

분지형태를 띄지 않는 그리스 북쪽지역 6개 도시의 PAHs 농도를 Papageorgopoulou 등이 주성분 분석(Principle component analysis)을 통하여 분석한 결과 각 도시간과 도시내의 PAHs 농도 특성은 각 지역의 생활환경이 유사한 경우, 각 도시간의 농도특성에 차이가 나타나지 않았다고 보고하고 있으며(9), 또한 다른 연구자들의 결과에서도 같은 결과가 나타나고 있다(10～11). 서울 지역은 좁은 면적에 많은 인구가 밀집되어 있으며, 주변은 북한산, 도봉산, 인왕산, 관악산 등 500 m 내외의 산과 구릉이 자연성벽과 같이 둘러싸여 분지를 형성하고 있다. 또한 대기환경에 악영향을 미치는 다양한 산업시설과 많은 수의 자동차가 다량 혼재되어 있으며, 대도시 지역에서 나타나는 열섬효과 등에 의해 대기 중으로 배출된 가스상 물질의 확산과 이동이 제한을 받는 지역이라고 이미 규명된 바 있다. 분지 내에 존재하고 있어 기류의 이동이 더 제한적인 서울시 대기 중의 PAHs 농도특성도 이와 같은 특성을 나타내리라 추정되나, 실험을 통하여 외부 영향을 받지 않는 서울시 전체대기를 대표하는 정확한 지점(수용체 지역)을 선정하였다.

3. 시료 채취

PAHs는 상온에서 가스/입자상의 두 가지 형태의 상 분포로 존재하고 있어 터널과 대기 중의 시료를 채취하기 위하여 중 용량 공기채취기(Mi-ddle Volume Sampler, Grasby Andersen GMW PS 1, U.S.A.)를 사용하였다. 기체상 시료 채취를 위해서는 수 제작된 유리칼럼(ID : 6 cm × L : 9 cm)안에 polyurethane foam(PUF)을 사이에 두고 약 50 g의 XAD‐2(Sigma, 20/60 mesh) 수지를 가운데 충진 후 사용하였다. 이 흡착칼럼의 입구 부분에는 먼지에 흡착된 PAHs를 채취하기 위해 석영섬유여지(Whatman QMA, 4" )를 장착하였다. 필터상에서 공기시료가 통과하는 속도는 표준 하이볼륨 샘플러를 이용할 경우 필터상에서 공기시료가 통과하는 여과 속도인 약 2.25 cm /sec와 같은 수준으로 유지하도록 하기 위하여, 채취유량을 180 ℓ/min으로 조정하여, 시료 당 23∼24시간 연속 채취하였다. 산업체와 소각장에서의 시료채취는 CAE (clean air express) iso-kinetic stack sampling system 장비를 사용하여, 입자상 시료는 원통여지 (thimble filter: 88R 25× 90 Toyo Roshi Kaisha, Ltd.)에, 가스상 시료는 XAD‐2와 PUF에 흡착되도록 하였다. 배출구 측정공의 배출가스 유속은 연돌의 종류에 따라 8.7∼12.5 m/sec 범위를 나타내었다. 시료채취는 등속흡입 상태(약 10 ℓ/min)로 5∼6시간 동안 3∼4 ㎥ 정도의 시료를 채취하였다.

4. 분석대상물질 및 분석방법

본 연구에서는 1,896개의 이성체가 존재한다고 알려진(12) PAHs 중 EPA에서 환경학적으로 중요하며, 인체에 위해도가 크다고 선정한 16종을 대상으로 하였다. 시료 분석은 Hewlett Packard사의 HP 6890 series GC와 HP 5973 Mass Selective Detector가 직렬로 연결된 GC/MSD에 HP 6890 auto injector 및 controller가 연결된 시스템을 사용하였다. 필터와 PUF에 흡착된 PAHs 추출을 위하여 사용된 추출방법은 Dionex사의 ASE 200(Accelerated Solvent Extrac-tor 200)을 사용하였으나 XAD‐2 수지에 흡착된 PAHs 추출은 쏙시렛 방식을 적용하였다(13). PAHs를 분석하기 위하여 터널, 산업체 그리고 소각장에서 채취된 시료에 치환된 정량용 내부 표준물질 4종 acenaphthene‐d10, chrysene‐d12, phenanthrene d10, perylene‐d12(U.S.A. Su-pelco, EPA 525 PAHs Internal Std. Mix. 48242)을 첨가하여 실험을 하였다. 자세한 실험방법과 기기 분석 조건은 기 연구된 논문에 이미 제시하였다(14). 분석이 끝난 시료의 정량은 각 농도 단계 별 상대반응계수(relative response factor: RRF)를 이용한 내부표준법으로 정량하였으며, 분석기기의 검출한계(instru-mental detection limit : IDL)는 16종의 PAHs 모두에서 10 pg(GC/MS 주입량)에서 S/N(signal to noise) 비 5 이상이었다. 정량한계(method detection limit : MDL) 는 치환된 정량용 내부 표준물질 4종을 200 pg씩 실제 시료 (5회 반복)에 주입한 후 분석하였을 때, S/N 비는 80(acenaphthene‐d10)에서 160 (ch-ry---sene d12) 정도이었으며, 이때 각 물질의 상대표준편차는 10% 이하로 나타났다. 이 수준을 본 실험의 정량한계로 설정하였다. 이는 대기 중 PAHs 농도가 0.01 ng/㎥ 이상 존재할 때 분석할 수 있는 수준이다.

결과 및 고찰

1. 수용체 지역

서울시 인접지역에서 유입되는 PAHs가 서울시 대기 중에 어떤 영향을 나타내는지를 파악하고자, 지역별 특성과 풍배 방향에 고려하여 9개 지점을 선정하였으며, 3회에 걸쳐 aerosol 시료를 동시에 채취하여 분석한 결과 남가좌와 구로 지역은 다른 7개 지역과 독립적으로 움직이고 있다는 사실이 확인되었다. 특히 남가좌 지역은 chry-sene을 제외한 15종의 물질이 다른 지역과 완전한 독립성을 나타내었다. 이 결과는 기 발표된 논문에 제시한바 있다(14).

국경을 초월한 오염물질의 이동이 서울시 대기 중 PAHs 농도에 미치는 영향을 규명하고자, 황사기간인 2000년 3월 28일부터 4월 24일에 걸쳐 aerosol 시료를 채취하여 분석한 결과, ben-zo (b)fl-uoran-thene, chrysene, benzo(k)fluo-ran-thene의 3종의 연소관련 물질이 비 황사기간과 비교하여 통계적으로 유의성의 차이가 크게 나타났다. 기상인자들을 포함하는 일반적인 대기질 상태변수들과 PAHs 농도와의 관계를 알아보기 위한 상관분석 결과에서도 연소관련 오염물질들과 PAHs의 상관관계가 높게 나타나 이는 현재 급격히 사용량이 증가하고 있는 중국의 화석연료 사용과도 무관하지 않다는 결론을 얻을 수 있었다. 이 결과는 기 발표된 논문에 이미 제시한바 있다(14). 이러한 점들을 고려하여 채취된 시료의 PAHs 농도가 평균값에 가장 근접한, 서울시 서초구 양재동을 선정하였다. 기간 중(2000년 3월 28일～4월 24일) 25회에 걸쳐 채취된 시료중에서 황사가 발현한 날, 강우, 강풍이 동반한 날 등의 자료는 이상 자료로 분류하여 이런 자료를 제외한 평균 결과를 표 1에 나타내었다.

2. 선정된 배출원에서의 PAHs source profile 특성

수용모델에 적용할 각 발생원들의 PAHs Sou-rce profile을 설정하기 위한 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

Table 1. PAHs average concentrations in the ambient air of receptor(n=19)

PAHs EPA No.	Compound(abbreviation)	Filter conc. ng/㎥	PUF conc. ng/㎥	Total conc. ng/㎥
55 77 1 80 81 78 39 84 72 76 74 75 73 79 82 83	Naphthalene(NAP) Acenaphthylene(ACY) Acenaphthene(ACN) Fluorene(FLN) Phenanthrene(PHE) Anthracene(ANT) Fluoranthene(FLU) Pyrene(PYE) Benzo(a)anthracene(BAA) Chrysene(CHR) Benzo(b)fluoranthene(BBF) Benzo(k)fluoranthene(BKF) Benzo(a)pyrene(BAP) Benzo(g,h,i)perylene(BGP) Dibenz(a,h)anthracene(DBA) Indeno(1,2,3-cd)pyrene(IND)	0.33±0.03 0.03±0.02 0.12±0.03 0.08±0.03 0.81±0.07 0.93±0.11 0.95±0.21 1.06±0.25 0.66±0.14 1.18±0.27 1.31±0.38 1.08±0.36 0.72±0.31 0.47±0.14 0.10±0.05 0.58±0.15	8.18±0.84 0.77±0.52 1.11±0.24 8.36±3.34 17.39±1.45 3.62±0.42 5.26±1.16 4.78±1.11 0.18±0.04 1.82±0.41 0.05±0.02 0.01±0.00 NA NA NA NA	8.51±0.87 0.81±0.55 1.23±0.26 8.44±3.37 18.20±1.52 4.55±0.53 6.21±1.37 5.84±1.36 0.85±0.18 3.00±0.68 1.37±0.40 1.10±0.37 0.73±0.31 0.47±0.14 0.10±0.05 0.58±0.15
NA：means compound was quantified

1) 이동오염원의 PAHs 배출특성을 파악한 결과 터널 내의 16종 ΣPAHs 농도는 391.41 ng/㎥ 이었으며, 각 물질들의 농도는 phe-nan-threne이 101.27 ng/㎥로 가장 높은 농도를 나타내었으며, pyrene, fluoranthene, anth-racene, naphtha-lene의 순으로  높은 농도를 나타내었다.

2) 보일러에서 배출되는 PAHs는 BC 유를 사용하는 시설에서 16종 ΣPAHs 농도는 11,056.61 ng/S㎥으로, LNG를 연료로 사용하는 시설(6,582.57 ng/S㎥) 보다 2배 이상의 높은 농도를 나타내었다. 두 시설 모두 주로 배출되는 물질은 고리 3개 이하의 PAHs로 질량분율로 계산하면 98%이상을 나타내었다. 특히 이 중에서도 고리 2개인 naphthalene이 차지하는 비중은 약 90% 정도였다. 각 물질별 배출특성은 BC 유를 사용하는 시설에서는 약 90%정도 배출된 naphthalene 다음으로 phenanthrene, anth--racene, acenaphthylene, pyrene 순으로 나타났다. LNG에서는 naphthalene, phe-nan-threne, anthracene, acenap-hthy-lene 까지는 BC 유를 사용하는 보일러와 동일한 양상을 나타내었으나,  pyrene은 거의 검출되지 않은 반면 fluorene은 크게 증가된 특성을 나타내었다.

3)   도시쓰레기(Municipal Solid Waste：MSW, 이하 MSW)를 소각하는 소각시설에서는 대기오염 방지시설(air pollution con-trol device : APCD 이하 APCD)을 통과한 시료와 통과하지 않은 시료에서의 PAHs 배출특성은 큰 차이를 나타내었다. 배출되는 ΣPAHs 양은 APCD를 통과한 시료가 통과하지 않은 시료에 비하여 3배 가량 높은 농도를 나타내었다. 그러나 고리 4개 이상의 물질들에서는 APCD를 통과하기 전에 채취된 시료에서의 농도가 benzo(α)pyrene은 3배, benzo(α) anth-racene은 4배 이상으로 APCD를 통과하기 전에 채취된 시료에서의 농도가 통과한 후의 시료보다 높은 농도를 나타내었다. 이러한 사실들에서 소각시설 연소과정에서 발생된 PAHs는 APCD에서 일부(입자상 물질에 흡착된 PAHs)물질이 제거되는 것으로 추정할 수 있었으며, 또한 연소과정에서 발생된 고리수가 적은 PAHs 와 그 전구물질(precur-sor)들도 이러한 과정에서 좀더 고리수가 많은 PAHs로 성장하는 것으로 판단되나, 이러한 현상에 대한 명확한 원인을 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료되었다. 이 상세한 결과는 기 발표된 논문에 제시한바 있다(8).

3. 기여도 평가

1) PAHs 배출계수

배출계수는 단위 생산 당 또는 단위 원료당 배출되는 물질(조사하고자 하는)의 양이다. 배출계수는 대기오염 방출량을 추정하는데 좋은 지침이 되며, 최근까지도 대기오염대책에 사용되는 비용 파악, 국가 및 국제 환경정책, 환경보호 전략 및 규제를 세우는데 매우 중요한 자료로 이용되고 있다. 이러한 배출계수는 몇 가지 요소에 의해서 좌우된다. 즉 공정에 투입되는 연료, 첨가제, 제조공정, 대기오염 방지시설에 따라 같은 산업 공장인 경우에도 배출계수는 같지 않을 수가 있다. 이는 영향을 주는 요소가 다양하기 때문이며, 이러한 요소들 중에서도 연료가 가장 중요하다고 알려지고 있다. 과거에는 이러한 요소들의 변동이 그리 크지 않아 이러한 배출계수 값이 시간의 경과에 따라 큰 차이를 나타내지 않았다. 그러나 대기오염 방지시설과 생산공정이 급격히 변화하는 현재에는 일정시간이 지나면 배출계수를 계속 수정하여야 한다는 문제가 제기되고 있다. 특히 배출원에서 다양한 이성체 형태로 배출되며, 그 이성체간 구성비에 따라 배출원의 배출특성을 파악하는 PAHs같은 물질에 적용하기에는 더욱 많은 문제점을 내포하게 된다. 비록 최근의 연구들에서도 이를 바탕으로 각 배출원의 지표 특성을 나타내는 자료로 사용하고 있는 실정이지만, 고정 발생원에 비하여 비교적 많이 연구되고 있는 이동오염원에 대한 PAHs 배출계수조차도 현재에는 실제 배출의 변화를 반영할 수 없다고 알려지고 있다. EPA에서 각 발생원의 PAHs 배출계수 연구 결과들을 정리한 자료에서 자동차의 배출계수 신뢰도를 6단계 등급 중 4단계인 D(below average)급으로 평가하고 있다(15). 최근에 Linsey가 조사한 자료에서는 경유를 사용하는 자동차의 배출계수와 PAHs 농도간에는 아무런 상관관계가 나타나지 않았으며, 휘발유를 사용하는 자동차에 있어서는 일부물질 들에서 약한 상관관계가 있다는 연구결과에서도 이를 알 수 있다(16). 물론 특정 발생원에서 연속적으로 배출계수를 모니터링하거나 직접적으로 배출실험을 해서 얻은 자료는 배출원의 배출계수를 추정하는데 가장 이상적이다. 그러나 각 발생원에서 직접 측정한 자료를 항상 얻을 수가 있는 것이 아니며, 그럴지라도 그들이 시간에 따른 실제 배출의 변화를 반영할 수 없을 수도 있다. 이러한 문제점들 때문에 여기에서는 배출원들의 지표물질(Indicatory PAHs) 특성을 파악하기 위한 자료로 단위 생산 당 또는 단위 원료 당 배출되는 배출계수를 사용하지 않고, 각 배출원의 연돌에서 배출되는 S㎥당 PAHs 양(ng)을 사용하였다. 표 2에 나타난 결과들은 각 배출원을 대표하는 특성을 갖게 하기 위하여 List wise 소거방식(산술평균농도 ± 표준편차의 3배)을 사용하였다.

2) Indicatory PAHs

Table 2. Average concentration of individual (homologue) PAHs in sampled sources in Seoul

(Unit : ng/Sm3)

	Tunnel	Inc A	Inc B	LNG	B-C	YS	Atmosphere
Naphthalene	23.27	10513.57	3933.63	5951.73	9797.47	15.57	8.51
2-Ring Sum	23.27	10513.57	3933.63	5951.73	9797.47	15.57	8.51
Acenaphthylene	2.28	121.24	59.43	114.55	170.47	2.27	0.81
Acenaphthene	3.81	307.57	13.20	0.26	0.56	1.25	1.23
Fluorene	43.90	107.82	6.44	91.22	5.44	20.80	8.44
Phenanthrene	101.27	289.12	141.35	204.21	474.90	30.88	18.20
Anthracene	28.58	241.62	142.00	189.25	410.23	7.61	4.55
3-Ring Sum	179.84	1067.37	362.42	599.49	1061.60	62.81	33.23
Fluoranthene	69.13	0.32	0.96	0.17	0.22	9.34	6.21
Pyrene	81.49	60.93	27.97	2.87	139.24	7.39	5.84
Benzo(a)anthracene	12.46	5.59	19.79	9.50	10.76	1.02	0.85
Chrysene	13.54	1.25	1.48	1.35	1.72	5.97	3.00
4-Ring Sum	176.62	68.09	50.20	13.89	151.94	23.72	15.90
Benzo(b)fluoranthene	3.59	0.43	1.99	1.29	1.22	3.44	1.37
Benzo(k)fluoranthene	2.34	0.74	1.50	0.50	1.19	1.92	1.10
Benzo(a)pyrene	2.05	0.76	2.20	0.54	1.05	0.65	0.73
5-Ring Sum	7.98	1.93	5.69	2.33	3.46	6.01	3.20
Benzo(g,h,i)perylene	1.37	0.20	1.29	0.70	1.41	1.08	0.47
Dibenz(a,h)anthracene	0.05	0.06	0.86	0.04	0.23	0.25	0.10
Indeno(1,2,3-cd)pyrene	2.28	20.97	38.58	14.39	40.50	1.00	0.58
6-Ring Sum	3.70	21.23	40.73	15.13	42.14	2.33	1.15
Total	391.41	11672.19	4392.67	6582.57	11056.61	110.44	61.99
YS : Yellow Sand Phenomenon ; LNG : Factory using Liquefied Natural Gas Boiler ; B-C : Factory using B-C fule Inc A : Incinerator through APCD (Air pollution Control Device) ; Inc B : Incinerator before APCD.

종류가 다른 연료 연소 시 배출되는 PAHs의 구성성분의 차이가 배출원 확인에 이용될 수 있다고 여러 문헌들에서 제안되고 있다(17). 이러한 PAHs의 특성이 밝혀짐에 따라 이들 구성성분의 차이를 배출원 규명을 위한 추적자로서 사용할 가능성도 제기되고 있으며, 이러한 연구들 중 몇몇 연구에서는 어떤 특정 PAHs 또는 각 PAHs의 비들을 이용하여 배출원 확인에 이용할 수 있음을 제안한 바 있다(18). 그러나 연소발생원 에서 배출되는 PAHs를 추적화합물로 사용 시 그 비는 대부분 변동이 매우 심하게 나타나며, 또한 같은 PAHs가 각각 다른 발생원으로부터 생성될 수도 있다. 본 논문에서는 각 발생원 간의 PAHs 패턴의 차이를 이용하여 발생원을 확인하였으며, 다음의 식을 indicatory PAHs를 정의하는데 적용하였다(19).

Ratioji =

여기에서 Xi는 i번째의 PAH(가스상+입자상) 농도, (Xi/ΣX)j는 emission source j에서의 i번째 PAH농도를 16 PAH 농도의 합으로 나눈 몫(비율), (Xi/ΣX)min은 모든 emission source중에서 16 PAH농도가 가장 낮은 것으로  i번째 PAH 농도를 나눈 값이다.

Ratioji의 값이 높아진다는 것은 emission source j에서부터의 i번째 PAH의 농도가 다른 soruce보다 더 높다는 것을 의미한다.

각각의 배출원에서 배출된 PAHs가 수용체 대기 중에 어느 정도 기여(할당) 하는지를 알아보기 위한 첫 번째 단계는 배출원에 따른 indicatory PAH를 결정하는 것이다. 표 3은 위 식을 적용하여 구한 각 발생원에 따른 indicatory PAHs이다.

3) 주요 PAHs가 수용대기에 미치는 영향

(기여도)평가

Table 3. Indicatory PAHs for various major sources

Category	Detail information	Indicatory PAHs
Stationary Sources	B-C fule Liguefied Natural Gas Incinerator(through AP CD) Incinerator(before AP CD)	PHE, ANT ANT, PHE, ACY ACN, FLN, DBA ACN, DBA
Mobile Sources	Tunnel	PYE, CHR, BGP, FLU, BKF, BBF, BAP

요인분석은 도출된 다양한 변수들을 묶어서 하나의 새로운 변수를 만드는 과정으로, 자료 행렬의 차원을 감소시키는데 사용할 수 있는 방법이다. 이와 같이 요인 분석은 소수의 실질적인 원인(fewer casual force)을 밝히고 이것을 해석하고자 하는 것이다.  이번 연구의 목적인 서울지역에 소재하는 다양한 배출원들 에서 나오는 PAHs 배출 농도와 PAHs 배출계수를 조사한 후 이를 이용하여 서울시 대기(수용체, receptor site)중 PAHs 농도에 가장 크게 영향을 주는 발생원이 무엇인지를 SAS의 통계도구(STAT)의 하나인 요인분석을 통하여 추정하였다. 먼저 각 자료(변수)들의 정규성을 파악하기 위하여 샤피로‐윌크 검정(Shapiro–Wilk Test)을 하였다. 도출된 자료를 검정한 결과 각 변수들의 정규성이 낮게 나타나 이를 지수변환 하였다. 이결과 대부분의 변수들이 Pr<0.05 이하로 나타나 정규분포를 나타내었다. 이는 대기 중 PAHs 농도와 배출원 에서 배출되는 PAHs 농도차이가 크며, 또한 대부분 증기상으로 존재하는 naphthalene등 고리 3개 이하 물질들과, 주로 입자상 영역만 주로 나타나는 benzo(a)pyrene등 고리 5개 이상인 고분자 물질 군들의 입자상과 가스상의 농도 차이가 크기 때문이라 생각된다. 이 지수변환된 자료들(직교인자모형)을 수용체의 농도를 종속 변수로 하고, 모든 배출원의 농도를 예측변수로 하여 회귀 분석을 한 결과 R2 값이 대부분 0～1사이에 존재하고 있어, 이 자료에서 어떤 요인의 산정이 가능하다 판단되었다. 이 자료를 바탕으로 주 성분분석을 수행하였으며, 이 결과 값(16종 PAHs 상관 계수행렬)을 표 4에 나타내었다. 표 4에서 16종 PAHs간에는 주로 LNG와 B-C oil 연소 시 생성되는 phenanthrene 과 anthracene이 높은 상관관계를 나타내었다. 또한 휘발유와 디젤 자동차 연소 시 주로 발생하는 fluoranthene, pyrene, chry-sene, benzo(b)fluoranthene, benzo(k)fluo-ran-thene benz(a)pyrene, indeno(1,2,3-cd) py-rene, benzo(g,h,i) perylene 들간에 비교적 높은 상관성이 나타남을 알 수 있었다.

이러한 상관행렬을 바탕으로 기초요인행렬을 작성하였다. 이 기초요인 행렬은 직각구조로 이루어져 있고, 앞에 있는 요인이 뒤에 오는 요인보다 항상 많은 분산(상관행렬의 고유치)이 나타난다. 또한 이 구조에서는 요인이 어떤 변수들을 요약하는지 또는 변수들이 어떤 요인들을 주로 나타내는가의 정보가 아직 분명하게 나타나고 있지 않아, 단순구조를 통하여 여러 개의 요인을 해석할 수 있는 Varimax 회전방법을 사용하였다. 이 결과 값에서 분산치(varian

Table 4. Result of correlation analysis between PAHs

	NAP	ACY	ACN	FLN	PHE	ANT	FLU	PYE	BAA	CHR	BBF	BKF	BAP	IND	DBA	BGP
NAP	1.00
ACY	-0.09	1.00
ACN	0.42	0.00	1.00
FLN	0.68	-0.21	0.27	1.00
PHE	-0.16	0.45	-0.06	-0.74	1.00
ANT	0.09	0.34	-0.05	-0.61	0.96*	1.00
FLU	-0.55	0.77	0.03	-0.78	0.71	0.53	1.00
PYE	-0.86*	0.56	-0.06	-0.69	0.33	0.08	0.85*	1.00
BAA	0.19	-0.42	-0.44	0.57	-0.35	-0.31	-0.66	-0.48	1.00
CHR	-0.87*	0.56	-0.08	-0.69	0.33	0.08	0.85*	1.00*	-0.46	1.00
BBF	-0.69	0.73	0.16	-0.72	0.49	0.28	0.96*	0.95*	-0.65	0.95*	1.00
BKF	-0.75	0.66	-0.02	-0.80	0.55	0.34	0.96*	0.96*	-0.62	0.96*	0.99*	1.00
BAP	-0.69	0.61	-0.10	-0.89*	0.69	0.50	0.97*	0.89*	-0.67	0.88*	0.95*	0.98*	1.00
IND	-0.78	0.58	0.12	-0.44	0.05	-0.19	0.72	0.95*	-0.44	0.95*	0.89*	0.85*	0.73	1.00
DBA	-0.33	-0.82*	-0.07	-0.23	-0.04	-0.04	-0.39	-0.17	0.45	-0.16	-0.37	-0.25	-0.19	-0.32	1.00
BGP	-0.73	0.65	0.21	-0.46	0.12	-0.12	0.77	0.95*	-0.51	0.95*	0.92*	0.88*	0.76	0.99*	-0.40	1.00
Note : Printed values are multiplied by 100 and rounded to the nearest integer. Values greater than 0.8 have been flagged by an '*'.

ce, eigenvalue)가 1 이상인 것을 가진 것을 실행(retaining)하여 요인 적재량(factor loading)을 구하였으며, 요인 적재량이 0.80이상인 것을 하나의 집단으로 만든 후에 이것을 주요 PAH로 선정하였다. 이 결과를 표 5에 나타내었다.

표 5의 결과는 다음과 같은 3가지 특성이 도출되었다. Factor 1의 주요 PAHs는 chrysene, pyrene, indeno(1,2,3-cd)pyrene, benzo(b) fluo-ran-the-ne, benzo (k)fluo-ranthene, benzo(g,h,i) per-y-lene으로 나타났다.

이러한 요인분석에서 첫째와 둘째의 주성분이 구분되어 나타나는 것은 그 발생원 차이에서 오는 경우도 있지만, Raat등에 의하면 첫째와 둘째의 주성분들이 각각 분리되어 나타나는 것은 상대적인 반응성의 차이에 의한 것으로 제기하고 있다(20).

측정된 자료들과 각 배출원에서의 PAHs 배출계수와 농도특성에 관한 문헌들(4,6,7,21)을 비교해 볼 때 조사된 결과가 정확히 배출원에서만 배출되는 것으로는 단정하기는 어렵지만, factor 1에는 주로 휘발유 차량과 디젤차량에 의한 배출관련 물질인 chrysene, pyrene, indeno(1,2,3‐cd) pyrene, benzo(b)fluoranthene, benzo(k) fluoran-thene,

Table 5. Result of factor analysis for receptor

PAHs	Factor number
	Factor 1	Factor 2	Factor 3
PYE	0.993 *	0.111	-0.001
CHR	0.992 *	0.101	-0.027
BGP	0.946 *	-0.212	0.237
IND	0.945 *	-0.292	0.135
FLU	0.944 *	0.289	0.086
BBF	0.893 *	0.374	0.24
BKF	0.871 *	0.484	0.078
BAP	0.741 *	0.668 *	0.019
FLN	-0.706 *	-0.666 *	0.135
NAP	-0.927 *	0.029	0.360
ANT	0.021	0.982 *	0.005
PHE	0.237	0.937 *	-0.010
DBA	0.544	-0.818 *	0.843 *
ACN	-0.056	-0.091	0.971 *
BAA	-0.486	-0.398	-0.621*
ACY	0.382	0.274	-0.841*
Eigenvalue	9.7063	2.5515	2.0681
Difference	7.1548	0.4834	1.3894
Proportion(%)	0.6471	0.1701	0.1379
Major PAH	CHR,PYE,IND,BGP,BKF,BBF,FLU	ANT,PHE	ACN,DBA
Pollution Sources	Mobile sources	B-C fule, LNG	Incinerator A & B
Note : Printed values are multiplied by 100 and rounded to the nearest integer. Values greater than 0.6 have been flagged by an '*'. Incinerator A : through APCD, Incinerator B :before APCD

benzo(g,h,i)perylene 등에 대해서 높은 인자 부하량을 가지고 있는 것으로 파악되었다. factor 2에는 phenanthrene 과 Anth-racene 이 높은 인자 부하량을 나타내었는데, 이는 LNG및 B-C oil등 주로 화석연료를 사용하는 산업체등에서 나타나는 복합적인 배출원의 영향으로 판단되었다. factor 3은 주로 도시쓰레기를 소각하는 도시소각시설이나, 노천소각(불법소각)등에서 주로 발생하는 dibenz(a,h) anthrcene 과 acena--phthene이 높은 인자 부하량을 나타내었다. 이러한 결과를 종합하여 보면 서울시 대기 중 PAHs농도에 영향을 주는 요인들은 이동오염원인 자동차에 기인된 기여도가 약 64%, 화석연료 연소(산업체)에 기인하여 17%, 도시쓰레기 소각과 노천소각에 기인한 영향이 1% 전후로 이 3가지의 요인이 총 분산의 82% 를 설명하였다. 이는 다른 연구자들과 기관(EPA, IARC)등에서 조사된 결과(4,6,7,22)들과 상당부분 일치하고 있어, 이번 연구에서 나타난 결과는 어느 정도 적절하다는 것을 알 수 있었다.

결  론

서울시에 위치한 발생원에서 배출된 PAHs가 서울시 대기에 미치는 영향을 파악하고자 SAS의 요인분석 통계프로그램을 통하여 알아본 결과 다음과 같은 3가지 요인을 얻을 수 있었다. factor 1의 주요 PAHs는 chrysene, pyrene, indeno (1,2,3-cd)pyrene, benzo(b)fluoran-thene, ben-zo(k)fl-uor-an-thene, benzo(g,h,i) perylene으로 나타났으며 이는 주로 휘발유 차량과 디젤차량에 의한 배출관련 PAHs에 대해서 높은 인자 부하량을 가지고 있는 것으로 나타났다. factor 2에는 phenanthrene 과 anthracene 이 높은 인자 부하량을 나타나고 있어, LNG 및 B-C oil을 주로 사용하는 화석연료를 연소하는 산업체등과 관련된 복합적인 배출원의 영향을 받고 있는 것으로 판단되었다. factor 3은 주로 도시쓰레기를 소각하는 도시소각시설이나, 노천소각(불법소각)에서 주로 많이 발생하는 di-ben-z(a,h) anthrcene 과 ace-na-p-h--thene이 높은 인자 부하량을 나타내었다. 이러한 결과를 종합하여 보면 서울시 대기 중 PAHs농도에 영향을 주는 요인들은 이동오염원인 자동차에 기인된 기여도가 약 64%, 화석연료 연소에 기인하여 17% , 도시쓰레기 소각과 노천소각에 기인한 영향이 1% 전후로 이 세 개의 Factor 가 총 분산의 82% 를 설명하였다. 이러한 결과들에서 이번 연구 결과는 유사한 환경에서 분석한 다른 문헌들과 비교할 때 상당히 근접하고 있어, 본 연구결과가 큰 무리가 따르지 않음을 확인할 수 있었다. 그러나 좀더 다양한 배출원(가정난방 등)들에 대한 장기간에 걸쳐 관측된 연구결과와 그리고 대기 중에서의 PAHs 의 생성, 변환, 소멸 및 반응기구에 대한 연구가 충분히 뒷받침되지 않은 상태에서 나타난 결과이므로 본 논문의 연구결과는 실제상황에 대한 추정치 정도로 생각하는 것이 좋을 것으로 판단된다.

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