1. 서 론
선박은 전 세계 배출량의 질소산화물(NOx) 중 20%, 황산 화물(SOx) 중 10%, 미세먼지(PM) 중 8%를 차지할 정도로 대 기오염에 큰 영향을 미치고 있다. 이는 해양 산성화, 해양 생태계 교란 등 여러 환경 문제를 일으키고 있으며, 이러한 영향을 완화하기 위해 국제해사기구(IMO)는 선박 배기가스 에 포함된 주요 환경 오염원인 황산화물 및 질소산화물의 규제를 시작하였다(Choi et al., 2017). 2012년부터 모든 선박 이 사용하는 연료의 황 함유량을 3.5%로 제한하였고, 2015년 부터는 황 배출 통제구역(SOx Emmision Control Area, SECA) 에서 사용하는 연료의 황 함유량을 0.1%로 제한하였다. 2020년 1월부터는 모든 선박이 사용하는 연료의 황 함유량 을 0.5% 이하로 규제하였다. 선박 배기가스 처리용 스크러 버는 해수 또는 알칼리성 물을 이용하는 습식 스크러버와 흡착제 등의 건조된 화학물질을 사용하는 건식 스크러버로 나눌 수 있다. 건식 스크러버는 주로 육상에서 사용되며, 선 박에서는 대부분 습식 스크러버를 채택해서 사용한다(Eom et al., 2019). 습식 스크러버 설비는 세정수를 처리하는 방식 에 따라 폐쇄형(Closed-loop)과 개방형(Open-loop)으로 나눠진 다(Yun and Kang, 2021). 2020년을 기준으로 선박에 설치된 스크러버의 형식은 개방형 스크러버가 약 85%로 가장 많 이 설치되었고, 폐쇄형 스크러버가 약 1% 설치되었으며, 개방형과 폐쇄형의 혼합형태인 하이브리드형 스크러버가 약 14% 설치되었다(Osipova et al., 2021). 폐쇄형의 경우는 스 크러버에서 발생한 슬러지를 별도 처리하여 해양에 방류되 지 않지만, 개방형의 경우 황산염 형태로 배출되어 물을 첨 가하여 세정수를 해양에 배출한다(Jung, 2020). IMO는 정지한 선박에서 배출하는 개방형 스크러버의 세정수는 배출지점 으로부터 4m 떨어진 곳에서 pH 6.5 이상이 되도록 규제하 였다(IMO, 2015). 하지만 2019년 해양환경보호위원회(Marine Environment Protection Committee, MEPC)에서 유럽은 세정수 유해성 검토가 필요하다고 제안하였으나 일본은 장단기 환 경영향 평가를 실시한 결과 위험성이 크지 않다고 반박하였 다. 해운국가 간의 분쟁을 해결하기 위해 IMO는 직접 세정 수의 해양 유해성을 검토하기로 하였으며, 이에 따라 해양 환경보호전문가그룹(Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Environment Protection, GESAMP) 내에 태스크포스 팀(T/F)을 구성하여 과학적 분석을 의뢰하였다. 스크러버는 황산화물과 미세먼지의 배출은 충분하게 감소시키지만, 질 소산화물을 전혀 감소시키지 못하며, CO2 배출은 증가시킨 다(MOF, 2019). CO2를 포함한 스크러버 세정수가 바다로 배 출되면 배경농도보다 낮은 pH의 혼합으로 인해 해양 산성화 와 해양 탄산염 순환에 영향을 준다. 해양 산성화는 산호, 석회조류(Coccosphaerales)와 같이 몸의 일부를 석회질로 구 성하는 생물들의 성장에 심각한 저해 영향을 미칠 수 있으 며(Lee et al., 2006b), 이러한 해양산성화 연구를 위해서는 총 알칼리도(Total Alkalinity), 용존무기탄소(Dissolved Inorganic Carbon, DIC), pH, 이산화탄소 분압(pCO2)의 4가지 해양 무기 탄소인자 가운데, 2가지 이상의 인자를 측정하는 것이 필수 적이다(Kim et al., 2022).
부산신항은 2021년 세계 최대크기인 24,000TEU급의 극초 대형선들이 상시 입·출항하고 있으며, 2021년 1년간 GT 20만 톤급 이상의 극초대형선 130척이 입항하는(Choi et al., 2022) 국내에서 물동량이 제일 많은 항구로 2023년 24개 컨테이너 선석과 2개의 다목적 선석이 운영되고 있으며, 2040년까지 33개 선석이 추가될 예정이다(BPA, 2023). 많은 선박이 좁은 영역에 대해 밀집되어 부산신항을 출입하는 만큼 스크러버 가 설치된 선박에서 배출된 세정수의 영향이 클 것으로 판 단하였다. 따라서, 본 연구에서는 부산신항에서 스크러버 세 정수가 배출되었을 때 해역에 미치는 영향을 확인하기 위해 확산실험을 수행하였다. 스크러버 세정수의 배출에 따른 부 산신항의 영향을 pH와 용존무기탄소의 변화를 통해 분석하 였다.
2. 실험 방법
2.1 해수유동실험
스크러버 세정수의 배출 영향을 검토하기 위해 해수유동 및 확산실험에 용이한 Delft3D 모델을 선정하였다. Delft3D의 FLOW 모듈은 하천, 하구 및 연안 환경에서 발생하는 유동 과 물질수송, 수질 변화 등을 모의할 수 있는 수치 모형으로 수평 좌표계는 직교좌표계와 곡선좌표계를 자유롭게 사용 할 수 있다. 연직 좌표계는 σ-좌표계와 z-좌표계를 사용할 수 있으며, 금회 실험에서는 σ-좌표계를 사용하였다.
실험영역은 서쪽으로는 초리도를 기준으로 경계를 설정 하고, 동쪽은 부산신항만 외측 경계를 기준으로 설정하였다. 남쪽은 항 외측 확산 영향을 검토하기 위해 가덕도의 남측 하단까지 설정하였다(Fig. 1). 격자 크기는 항만 내측을 상세 하게 재현하기 위해 50m 등간격으로 설정하였다. 해안선 및 수심은 국립해양조사원에서 발행한 2021년 기준 수치해도 및 전자해도를 반영하였으며, 격자 크기에 맞게 보간하였 다(Fig. 2). 개방 경계조건의 조위는 Nao99jb를 사용하였다. Nao99jb는 20°N~65°N, 110°E~165°E 범위에 대해 1/12도 격자 간격의 해상도를 가지는 고해상도 해양조석모델로서, 일본 국립천문대(NAOJ)에서 TOPEX/POSEIDON 고도계 데이터와 일본 주변에 위치하는 219개소의 조석관측소 데이터를 유체 역학모델에 동화하여 개발한 모델이다(Matsumoto et al., 2000). 부산신항 위치에서 추출한 조화상수 값 중 진폭이 큰 순서대로 8개 분조(O1, P1, K1, 2N2, N2, M2, S2, K2)를 선정 하여 경계자료로 사용하였다. 조위 검증에 사용한 자료는 국립해양조사원의 부산항신항(T-1) 및 가덕도(T-2) 조위관측 소의 2021년 1시간 간격 관측자료이며(Table 1), 조류 검증에 사용한 자료는 국립해양조사원의 부산항신항(C-1) 해양관측 부이의 2021년 30분 간격 조류 관측 자료이다. 모델의 조위 시계열을 TIRA(Murray, 1964) 프로그램을 사용하여 조화 분 해한 뒤, 관측자료와 비교하였다(Fig. 3).
2.2 스크러버 세정수 배출 확산실험
확산실험에 사용한 Delft3D-WAQ는 사전 정의된 계산 영 역과 광범위한 물질에 대한 이류 확산 실험을 진행할 수 있 는 수질 모델이다. Delft3D-WAQ는 유동과 관련된 결과를 자 체적으로 계산하지 않기 때문에 관련된 수치모델 결과는 Delft3D-FLOW 모델 결과를 사용한다. Delft3D-WAQ는 개발사 가 제공하는 지정된 물질뿐만 아니라 미입력된 화학종 및 혼합물의 조합이 가능하여 뛰어난 유연성을 제공하며, 부유 사에 흡·탈착된 오염원의 물리·화학적 특성 또한 고려할 수 있다. 물질의 이송과 물리, 화학 및 생물학적 공정에 대해 분석을 수행하고 질량 균형, 이송, 분산에 대해서는 물리적 인 요인에 기인해 해석하며, 유입원의 영향 및 화학적인 반 응 등에 대해서도 고려할 수 있다. 또한, 탄소의 순환과정을 모의할 수 있어 탄산칼슘의 포화 상태 및 pH, 알칼리도와 총 무기탄소(Total Inorganic Carbon, TIC)를 고려하여 용존무기탄 소를 계산할 수 있다.
해양에서 분포하는 탄소는 총무기탄소와 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)로 나눌 수 있다. 여기서, 총무기탄소는 입자성무기탄소(Particulate Inorganic Carbon, PIC)와 용존무기 탄소로 나눌 수 있다. 부산신항 인근 대기의 CO2 농도 및 해 양의 CO2(aq) 농도 관측자료가 존재하지 않기 때문에 본 실 험에서는 대기-해수 사이의 CO2 교환은 일정한 것으로 가정 하여 무시하였다. 또한, 용존무기탄소 농도에 따른 해역의 변화 양상을 보기 위해 입자성무기탄소는 일정한 비율로 존 재하는 것으로 가정하였다. 따라서, 모델의 총무기탄소 총량 은 용존무기탄소의 총량과 비례한다. 일반적으로 해양 탄산 염계의 평형은 온도, 염분, 압력에 의존하며, 총무기탄소의 상대적 비율은 해양의 pH를 결정한다. 이산화탄소가 물에 용해될 때 H2CO3(aq) 농도는 CO2(aq)에 비해 무시할 수 있을 정도이고, 탄산의 해리상수만으로는 이들을 구별하지 못하 기 때문에 모델 계산에서는 CO2(aq)와 H2CO3(aq)를 합쳐서 계 산하였다. 탄산염의 농도는 pH와 총알칼리도에 크게 의존하 는데, 해수의 총알칼리도는 수소 이온의 질량보존 상태로 결정되며 이는 Dickson(1981)에 정의된 수소이온의 몰 수로 표현한 총알칼리도 계산식을 따른다.
여기서 AT는 총알칼리도이며 …은 미확인 되거나 아주 적은 양의 산, 염기를 나타낸다. 수소이온농도([H+s])를 구하 는 식은 알칼리도와 총무기탄소의 평형방정식으로부터 유 도할 수 있다. 앞서 용존무기탄소는 총무기탄소의 양과 비 례하므로 용존무기탄소와 알칼리도의 평형방정식은 다음 식(2.2)과 같이 수소이온농도를 계산할 수 있다.
수소이온농도를 결정하면 다음과 같은 식들을 도출할 수 있다.
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K1, K2 : 해양 탄산의 결정 상수 (Roy et al., 1993;Millero et al., 2006)
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ρw : 물의 밀도(kg l-1)
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Tabs : 절대온도(K)
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: CO2의 도산성(fugacity, μatm)
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: 용존 CO2의 몰농도(mmolCO2 kg-1)
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: 수중에서의 CO2 분압(μatm)
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Bair : 기체상태의 CO2 비리얼계수(m3 mol-1)
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Bpure : 순수 CO2의 비리얼계수(m3 mol-1)
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R : 기체 상수(m3 Pa K-1 mol-1)
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φ : Porosity
K1과 K2는 수온과 염분으로 계산된 상수이며, 용존무기 탄소의 농도를 결정하기 위해 HCO3-, CO32-의 농도를 계산하 였다. 용존무기탄소의 농도는 다음과 같이 계산된다.
2.3 확산실험의 초기/경계조건
실험 대상 해역의 수온, 염분과 pH의 초기 및 경계조건 을 설정하기 위하여 국내 조위관측소, 해양관측부이, 파고 관측부이 관측자료와 미해군에서 운용하는 모델의 전지구 해양재분석자료(HYbrid Coordinate Ocean Model/Navy Coupled Ocean Data Assimilation, 이하 HYCOM)의 2021년 수온 및 염 분 자료를 사용하였다. 기상자료는 실험 대상 해역 인근에 있는 부산기상대의 기온, 강수량, 상대습도, 전운량, 일사량 관측자료를 사용하였다. 2021년 6월 1일부터 2021년 8월 31 일까지 관측 정점별 주요 성분에 대한 관측결과는 Table 2와 같으며, 해당 자료를 기반으로 수치모형의 초기조건 및 경 계조건을 설정하였다.
pH의 경우 해양환경공단의 어장환경모니터링 분기별 관 측자료를 참고하였다. 용존무기탄소의 경우 부산신항 인근 해역에서 관측값이 존재하지 않기 때문에 우선, 수온, 염분 을 사용해서 식(2.9)와 같이 총알칼리도를 계산하였다(Lee et al., 2006a).
이후, 총알칼리도, 수온, 염분, pH 값을 통해 용존무기탄소 농도 계산이 가능한 프로그램인 CO2SYS(Lewis and Wallace, 2006)를 사용하여 수치모형의 초기조건 및 경계조건에 사용 할 용존무기탄소 농도를 결정하였다. 계산에 사용한 총알칼 리도와 pH 값은 Fig. 4와 같다.
2.4 세정수 배출에 따른 확산 실험안
확산실험의 전체 모의기간은 모형의 초기 발달 시간과 대 조기와 소조기에 따른 변화를 함께 검토할 수 있도록 설정 하였으며, 시간에 따른 수온, 염분, pH의 변화 양상을 검증 할 수 있도록 2021년 6월부터 2021년 8월까지 설정하였다. 스크러버 배출수의 발생 위치는 부산항만공사에서 제공하 는 부산신항 개발계획의 선박 정박 위치를 참고하였으며, 실험 조건은 1대의 선박이 신항의 중심부에 위치한 1개소에 서 배출되는 경우(Case 1)와 선박 24대가 24개소에서 배출하 는 경우(Case 2)로 설정하였다(Fig. 5). 선박에서 배출하는 스 크러버 세정수의 pH는 배기가스정화시스템협회의 실측자료 와 문헌 자료(Teuchies et al., 2020)를 참고하였으며, 선박 스 크러버 세정수의 pH 분포는 3.0~8.0이었다. 본 실험에서는 선박에서 배출하는 세정수의 pH에 따른 영향을 검토하기 위 해 별도의 처리 없이 배출한 상태(pH 3.0), 완화된 처리 상태 (pH 6.1), 강화된 처리 상태(pH 7.0)로 구분하였다. 개방형 스 크러버의 표준 유량은 45t/MWh이고, 일반적으로 15MW로 선 박이 운항할 때, 해양에 배출하는 스크러버 세정수의 양은 720~1,800m3/hr이다(Teuchies et al., 2020). 본 실험에서는 선박 스크러버의 세정수 배출 유량을 1,240m3/hr로 설정하였다. 스 크러버 세정수의 배출 위치는 표층으로 고정하였고, 용존무 기탄소 농도는 선박 실증 실험 결과를 통해 얻은 76.61mg/L 로 설정하였다. 스크러버 세정수 배출 시기는 부산신항만 내에서 소조기(2021년 8월 17일)와 대조기(2021년 8월 24일) 를 기준으로 24시간 동안 방류하는 것으로 설정하였으며, 세 정수를 배출하지 않았을 경우와 대조하여 해양의 pH 및 용 존무기탄소 농도의 변화 양상을 비교하였다(Table 3).
3. 실험 결과
3.1 수치모형 검증
조위 검증 결과에서 주요 4대 분조의 진폭 합에 대한 오 차는 0.2% 이내로 계산되었고, 분조별 진폭 오차는 0.9% 이 내로 계산되었다. 조류 검증 결과, 동방성분 4대 분조의 합이 관측값과 0.7cm, 북방성분 4대 분조의 합이 관측값과 0.3cm 오차가 있는 것으로 나타나 해수유동 수치모형 결과가 실해 역과 유사하게 재현된 것으로 판단하였다.
수온과 염분은 모델 결과와 국립해양조사원의 부산항신 항 부이 관측자료, 해양환경공단의 해양 환경 측정망 중 진 해만1 분기별 관측자료를 비교하여 검증하였다(Table 4, Fig. 6). 수온의 경우 일교차에 따른 변화는 수치모형에서 더 크 게 나타났으나 평균 오차는 0.56°C로 큰 차이는 발생하지 않 았다. pH는 분기별 데이터만 취득되어 재현 및 검증에 어려 움이 있었으나 2021년 4월부터 10월까지 관측된 pH의 평균 이 8.29이며 시간에 따른 변화는 오차율이 0.3%로 유사하게 나타났으며, 평균 오차는 0.03로 나타났다. 염분의 경우 관측 최대 33.60psu, 수치모형에서 33.64psu로 유사하게 나타났으 나, 하계 낙동강 방류량 증가에 따른 염분 강하 현상에 의해 최소 염분값이 관측 위치에서 12.73psu로 감소하여 관측 기 간 내내 지역 평균 염분값보다 낮은 값을 유지하였다. 수치 모형의 경우 외부 조건 및 낙동강 영향을 고려하였으나 평 균 오차가 2.43psu로 나타났다.
3.2 배출수 확산실험 결과
선박 스크러버 세정수의 배출이 없는 상황에서의 pH 및 용존무기탄소 농도를 기준으로 Case 1과 Case 2의 결과를 비 교하였다. 배경농도와 수치모형 결과의 비교 위치는 Fig. 5의 Case 1 스크러버 배출점의 위치에서 비교하였다.
배경농도를 포함하여 실험 결과를 비교하면 Fig. 7과 같이 대조기와 소조기에 따른 변화와 각 실험에 따른 결과를 정 확히 비교할 수 없으므로 계산된 결과에 배경농도를 제거하 여 변화량을 계산하여 비교하였다. Case 1에서는 선박 스크 러버 세정수가 해양으로 배출된 후 pH 및 용존무기탄소 농 도가 배경농도의 90% 이상으로 회복하는데 대조기 기준으 로 4시간 40분, 소조기 기준으로 8시간 10분이 소요되었다 (Fig. 8, 9). 선박 스크러버 세정수의 pH 값이 3.0인 경우, 대 조기에는 pH가 최대 0.076 감소하였고, 소조기에는 최대 0.083 감소하였다. pH가 6.1인 경우, 대조기에 최대 0.061 감 소하였고, 소조기에 최대 0.067 감소하였다. pH가 7.0인 경우, 대조기에 최대 0.034 감소하였고, 소조기에 최대 0.037 감소 하였다. 용존무기탄소 농도는 대조기에 최대 0.561mg/L 증가 하였고, 소조기에는 최대 0.612mg/L 증가하였다. Case 2에서 는 선박 스크러버 세정수를 해양으로 방류한 후 pH 및 용존 무기탄소 농도가 배경농도의 90% 이상으로 회복하는데 대 조기 기준으로 52시간 50분, 소조기 기준으로 38시간 소요되 는 것으로 나타났다. 선박 스크러버 세정수의 pH 값이 3.0인 경우, 대조기에는 pH가 최대 0.200 감소하였고, 소조기에는 최대 0.545 감소하였다.
pH가 6.1인 경우, 대조기에 최대 0.160 감소하였고, 소조기 에 최대 0.410 감소하였다. pH가 7.0인 경우, 대조기에 최대 0.087 감소하였고, 소조기에 최대 0.204 감소하였다. 용존무 기탄소 농도는 대조기에 최대 1.464mg/L 증가하였고, 소조기 는 최대 3.629mg/L 증가하였다(Table 5).
대조기에는 24시간 연속 배출에도 빠르게 확산되어 항내 에 잔류가 적어 pH 기준 0.1 미만으로 감소하여 영향이 나타 나지 않는 것으로 판단하였다. 소조기에는 24시간 연속 배출 에 따른 누적 감소 영향이 두드러지는 것으로 앞서 판단하 였으므로, 표층 평면에서의 영향을 확인할 수 있었다. 선박 이 1대 정박하고 있을 때, 1개소에서 스크러버 세정수가 배 출되는 경우 확산영향이 항 내에 분포하였고 pH가 0.05 감소 한 거리가 84.9m였으며, 배출 위치의 연직 확산영향은 거의 나타나지 않았다. 세정수가 24개소에서 방류되는 경우 서측 에 위치한 방파제와 동측의 잔교 외부로 확산영향이 나타났 고 pH가 0.05 감소한 거리는 최대 4.09km까지 나타났다. 항 내에서 선박 스크러버의 영향이 강하게 나타난 소조기 때 수평 확산 범위 및 표층 pH 변화를 Fig. 10에 도시하였다. 연 직 확산영향은 대조기와 소조기는 모두 수심 4m까지 pH가 감소하였다.
하지만 소조기의 경우 표층의 pH가 0.2 이상 감소하였으 며, 낮은 pH의 세정수가 표층에 장시간 체류하였다. 이는 항 내측의 pH를 지속적으로 감소시키고 연직 4m까지 그 영향 이 지속되었다. 그러나 4m 이상에서는 배출에 따른 영향이 크지 않았으며, 대·소조기에 따른 유속 변화에 따른 영향이 더 크게 나타났다. 세정수를 배출하지 않은 Fig. 11의 (a), (b) 의 같은 시점을 비교하였을 때, 1개소에서 세정수가 배출된 (c), (d)에서는 저층과 표층의 혼합이 잘 이루어지고 있지만, 24개소에서 세정수를 배출한 (e), (f)에서는 수심 4m를 기준 으로 성층화가 두드러지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 변 화가 24시간 연속 방류로 상정한 이번 실험에서도 확인할 수 있는 것으로 볼 때 정확한 배출 규모와 시기를 특정하여 장기간으로 평가할 경우 표층과 저층의 환경변화를 더욱 세 분화하여 검토할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결론 및 고찰
부산신항 내에서 선박 1대에서 24시간동안 연속 배출하는 세정수에 의한 pH 영향범위는 항 내측으로 한정되어 나타나 는 것으로 판단하였으며, 배출 후 pH는 최대 8시간 10분 후 에 배경농도의 90%로 회복되었다. 선박 24대에서 24시간동 안 연속해서 세정수를 배출한 실험에서는 부산신항 서방파 제와 다목적터미널 잔교 외측까지 확산되었으며, 대조기에 는 영향범위가 외해까지 확산되는 것으로 나타났다. 이때 pH의 경우 배경농도의 90%까지 회복되는데 최대 52시간 50 분이 걸렸으나, IMO 기준인 4m 이내 범위에서 pH 6.5 이하 배출기준을 초과하는 수치는 나타나지 않았다. 1개소에서 배출되는 조건에서는 연직방향 영향은 거의 나타나지 않았 다. 24개소에서 배출되는 조건에서는 표층으로 국한되었으 나 대조기와 소조기 모두 성층화를 유발하는 것으로 모의되 었으며, 수심 4m까지 영향을 주었다.
기후 변화로 인해 나타나는 해양 산성화는 전 지구 대양 표층에서 연간 pH 감소량이 0.0017~0.0027로 추정되고(Kim et al., 2022), 우리나라 연근해의 해양 산성화는 연간 pH가 0.0019 감소하는 것으로 추정된다(NIFS, 2022). 1대의 선박에 서 pH 6.1의 스크러버 세정수가 24시간 동안 배출한다면, 배 출 위치의 pH는 최근 우리나라 연근해의 연간 pH 변화량보 다 약 32~35배 더 큰 폭으로 감소하였다. 이 변화는 8시간 이내로 빠르게 회복되며, 현 IMO 기준을 충족하는 것으로 나타났으나, 연안환경의 환경변화를 검토한 관점에서는 우 리나라 연근해의 일반적인 pH 감소 속도보다 빠르며 해양이 급격한 변화에 노출되는 문제가 있다. pH 감소영향은 산업 화된 항만 인근에서 지속적으로 나타나고 있으나, 최근 LNG 선의 사용과 더불어 스크러버의 장착과 노후화된 선박의 해 체로 인해 pH에 영향을 주는 선박이 감소하는 추세이다. 그 러나 금회 실험에서 pH나 DIC 해역 모니터링 결과 등을 수 집하기 어려운 실정과 함께 선박 배출에 따른 기록 및 관리 가 대형선박 위주로 이루어져 자료가 현저하게 적은 점 등 확산예측에 많은 어려움이 있음을 확인하였다. 항만 구조상 폐쇄된 환경에서 급격한 변화에 지속적으로 노출되는 만큼 부산신항 해양환경의 지속적인 모니터링이 필요하며, 인근 해역에서의 어로활동과 양식업이 활발하게 진행되는 만큼 많은 관심이 필요할 것으로 사료된다.
