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문제 정의
- 본 연구는 옥동천 지역을 대상으로 폐탄광 및 휴 · 폐 광된 금속광산에서 발생된 광폐재와 산성광산배수에 의한주변지역 농경지 토양에 함유된 중금속(Pb, Cd, Zn, Cu, Ni)의 존재형태의 특성을 구명하여 이동 가능성과 중금속 존재형태에 따른 오염판단기준 설정하여 사후관리대책이나 복원대책을 위한 기초적 자료를 제공하려고 한다.
- 본 연구에서는 옥동천 유역 경작지를 대상으로 주변 휴 · 폐금속광산에서 발생된 폐재에 의해 중금속에 대한 오염도를 평가하기 위해 연속추출법을 통한 경작지 토양 중 중금속의 존재형태 분석을 수행하였고, 이 결과를 이 하여 토양오염평가지수(SPAI)를 산출하였다. 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 토양오염평가지수는 중금속의 존재형태별 분석된 자료를 각 단계마다 분석치를 Interdepartmental Committee on the Redevelopment of Committee Land(ICRCL). 1987;Kelly12)와 Hobson13)의 논문에서 나타낸 오염판단기준의 수치로 나눈 후 분석된 원소인 Cd, Cu, Pb, Ni, Zn의 합을 원소의 수로 나눈 값을 토양오염평가지수(SoilPollution Assesment Index)로 결정하였다.
- 입도 분석은 체 분석(sieving)과 침강 분석(pipette method) 을 병행하여 실시하였다7). 64 ㎛ 이상의 입경을 갖는 입 자는 체로 걸러 내어 체 분석을 하고 그 이하는 침강 분석을 실시하였다. 토양의 토성 (texture)은 미국 농무부법에 따라 분류하였고, 입도 분석은 Shepard8), 평균 입도는 Folk9)의 분류 방법을 따랐다.
- 따라서 본 연구에서는 영국의 런던시의 오염판단기준을 토대로 하여 Non polluted, Weakly polluted, Moderately polluted, Heavily polluted로 분류하여 평가하였다.
- 토양 내 중금속의 존재 형태는 Tessier 등6)의 방법에 따라 adsorbed form, carbonate form, reducible form, organic form, residual form로 분류하여 추출하였으며, 중금속의 농도는 ICP (Perkin Elmer XL 3100, USA)를 이용하여 측정하였다. 조사 지역의 중금속 존재형태에 따른 오염판단기준은 런던시의 오염판단기준을 토대로 하여 Non polluted, Weakly polluted, Moderately polluted, Heavily polluted로 분류 하여 평가하였다(Table 2).
- 토양오염평가지수는 중금속의 존재형태별 분석된 자료를 각 step마다 분석치를 Interdepartmental Committee on the Redevelopment of Committee Land(ICRCL)12,13)에서 나타낸 오염판단기준의 수치로 나눈 후 분석된 원소인 Cd, Cu, Pb, Ni, Zn의 합을 원소의 수로 나눈 값을 토양 오염평가지수(Soil Pollution Assesment Index)로 결정하였으며, 토양오염 분류는 Non polluted, Weakly polluted, Moderately polluted, Heavily pollutedS로 나누었다.
대상 데이터
- 광미의 중금속 분획화를 수행하기 위해 시료를 40℃에서 건조시켜 망눈의 크기 63㎛인 비금속 체(nylon bolting cloth sieve)로 체질 하여 분석에 사용하였다 . 입도 분석은 체 분석(sieving)과 침강 분석(pipette method) 을 병행하여 실시하였다7).
- 본 연구에 사용된 시료는 강원도 영월군 상동읍을 관통 하여 흐르는 옥동천 주변지역의 농경지 토양을 채취한 것 이다. 조사지역의 농경지 토양 시료는 옥동천 상류지역의 폐탄광이 산재해 있는 지역과 상동광업소 주변지역 및 광 재댐지역의 농경지, 중류의 구광재댐과 신광재댐 지역의 농경지 및 하류의 산성광산배수의 영향을 받았을 것으로 예상되는 옥동 폐탄광 지역의 농경지를 대상으로 하여 표 층, 0~15 cm의 지점에서 시료를 채취하였다.
- 본 연구에 사용된 시료는 강원도 영월군 상동읍을 관통 하여 흐르는 옥동천 주변지역의 농경지 토양을 채취한 것 이다. 조사지역의 농경지 토양 시료는 옥동천 상류지역의 폐탄광이 산재해 있는 지역과 상동광업소 주변지역 및 광 재댐지역의 농경지, 중류의 구광재댐과 신광재댐 지역의 농경지 및 하류의 산성광산배수의 영향을 받았을 것으로 예상되는 옥동 폐탄광 지역의 농경지를 대상으로 하여 표 층, 0~15 cm의 지점에서 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 대표성을 유지하기 위하여 광재댐의 표층 단면을 l~2m 간격의 9개 지역으로 분리하여 각각의 토심에서 시료를 채취한 후 혼합하여 사용하였다.
- 조사지역의 농경지 토양 시료는 옥동천 상류지역의 폐탄광이 산재해 있는 지역과 상동광업소 주변지역 및 광 재댐지역의 농경지, 중류의 구광재댐과 신광재댐 지역의 농경지 및 하류의 산성광산배수의 영향을 받았을 것으로 예상되는 옥동 폐탄광 지역의 농경지를 대상으로 하여 표 층, 0~15 cm의 지점에서 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 대표성을 유지하기 위하여 광재댐의 표층 단면을 l~2m 간격의 9개 지역으로 분리하여 각각의 토심에서 시료를 채취한 후 혼합하여 사용하였다. Table 1과 Fig.
이론/모형
- 토양의 토성 (texture)은 미국 농무부법에 따라 분류하였고, 입도 분석은 Shepard8), 평균 입도는 Folk9)의 분류 방법을 따랐다. 2 mm체를 통과한 광미 토양의 유기물 함량은 강열감량법을 사용하여 측정하였으며 , 총 유기 탄소 함량은 Gaudette 등10)의 방법에 따라 분석 하였다. 토양 유기물의 부식화도는 Kjeldahl법으로 측정한 총질소와 강열감량법으로 측정한 유기물의 비를 이용하여 결정하였으며, 총질소와 유기물의 비가 20이하일 경우는Oligohumic, 20~25일 경우는 Mesohumic, 25 이상일 때는 Polyhumic으로 구분하였다11).
- 이렇게 분류된 토양오염판단기준을 경작 방법이나 토양 주변 환경에 따라 존재형태에 의해 분석된 중금속의 농도를 오염토양분류기준에 의해 기준을 설정하였다.
- 광미의 중금속 분획화를 수행하기 위해 시료를 40℃에서 건조시켜 망눈의 크기 63㎛인 비금속 체(nylon bolting cloth sieve)로 체질 하여 분석에 사용하였다 . 입도 분석은 체 분석(sieving)과 침강 분석(pipette method) 을 병행하여 실시하였다7). 64 ㎛ 이상의 입경을 갖는 입 자는 체로 걸러 내어 체 분석을 하고 그 이하는 침강 분석을 실시하였다.
- 토양 유기물의 부식화도는 Kjeldahl법으로 측정한 총질소와 강열감량법으로 측정한 유기물의 비를 이용하여 결정하였으며, 총질소와 유기물의 비가 20이하일 경우는Oligohumic, 20~25일 경우는 Mesohumic, 25 이상일 때는 Polyhumic으로 구분하였다11). 토양 내 중금속의 존재 형태는 Tessier 등6)의 방법에 따라 adsorbed form, carbonate form, reducible form, organic form, residual form로 분류하여 추출하였으며, 중금속의 농도는 ICP (Perkin Elmer XL 3100, USA)를 이용하여 측정하였다. 조사 지역의 중금속 존재형태에 따른 오염판단기준은 런던시의 오염판단기준을 토대로 하여 Non polluted, Weakly polluted, Moderately polluted, Heavily polluted로 분류 하여 평가하였다(Table 2).
- 2 mm체를 통과한 광미 토양의 유기물 함량은 강열감량법을 사용하여 측정하였으며 , 총 유기 탄소 함량은 Gaudette 등10)의 방법에 따라 분석 하였다. 토양 유기물의 부식화도는 Kjeldahl법으로 측정한 총질소와 강열감량법으로 측정한 유기물의 비를 이용하여 결정하였으며, 총질소와 유기물의 비가 20이하일 경우는Oligohumic, 20~25일 경우는 Mesohumic, 25 이상일 때는 Polyhumic으로 구분하였다11). 토양 내 중금속의 존재 형태는 Tessier 등6)의 방법에 따라 adsorbed form, carbonate form, reducible form, organic form, residual form로 분류하여 추출하였으며, 중금속의 농도는 ICP (Perkin Elmer XL 3100, USA)를 이용하여 측정하였다.
- 64 ㎛ 이상의 입경을 갖는 입 자는 체로 걸러 내어 체 분석을 하고 그 이하는 침강 분석을 실시하였다. 토양의 토성 (texture)은 미국 농무부법에 따라 분류하였고, 입도 분석은 Shepard8), 평균 입도는 Folk9)의 분류 방법을 따랐다. 2 mm체를 통과한 광미 토양의 유기물 함량은 강열감량법을 사용하여 측정하였으며 , 총 유기 탄소 함량은 Gaudette 등10)의 방법에 따라 분석 하였다.
성능/효과
- 1. 경작지 토양의 pH는 대부분이 약산성으로 나타났으나 금속광산지역의 밭 토양에서는 지역 토양통과는 달리 알카리성으로 나타났다.
- 2. 구리를 제외한 중금속 대부분이 휴 · 폐 금속광산지 역의 경작지보다는 산성광산배수의 유 입량이 많은 폐탄 광지역에서 높은 농도를 보였으며, 존재형태분류에 의한 이동 가능성도 높게 나타나 이 지역의 작물체 내의 중금 속 함유량이 높을 것으로 판단되었다.
- 3. 조사지역 내 경작지의 존재형태별 오염평가기준은 전 정점에서non polluted 범위를 초과 하였으며, 옥동 폐탄광 및 개갱 중인 석회광산 지역에서 moderately polluted을 상회하거 나 기준 점에 해당되는 값을 나타내어 이 지역이 우선적으로 경작지 복원 방안이 이루어 져야 할 것으로 판단된다.
- 4. 총량에 대한 토양오염판단기준이 농경지 환경의 영향을 받을 것으로 예상되는 존재형태 의 각 부분의 기준 수치보다 높게 평가되고 있다. 따라서 경작지의 토양의 특성이나 경작 방법에 따라 토양오염판단기준 산정 방법에 차이를 두어야 할 것으로 판단된다.
- Cu 총량은 154.7 mg/kg~455.8mg/kg로, Pb 총량은143.8 mg/kg~573.1 mg/kg, Ni 종량은 168.3 mg/kg~ 501.3 mgZkg, Zn 총량은 149.8mg/kg~1334.6mg/kg의 분포를나타내 대부분이 옥동 폐탄광 하류에 위치한 밭 토양에서 가장 높은 농도를 나타냈으며, 옥동천 중류로 비교적 오 염원에서 원거리에 위치한 녹전교 지역 밭 토양에서 가장 낮은 값으로 나타났다.
- Ignition loss의 함량은 1.9~12.9%로 가산교 지역의 밭 토양인 정점 F-9에서 가장 높은 값을 나타냈으며, 옥동 광산 지역의 밭 토양인 정점 F-16에서 가장 낮은 함유량으로 나타났으며, 총 질소의 함량은 0.6~2.5%로 폐탄광 지역의 밭 토양인 정점 F-1 에서 2.5%로 가장 높은 값을 나타냈으며 상동광업소 지역의 밭 토양인 정점 F-3에서 가장 낮은 값으로 나타났다.
- 각 중금속의 존재형태별 농도도 상동광업소 지역으로 광산활동에 의해 발생된 오염물질의 영향을 받을 것으로 예상되는 주변지역의 밭 토양에서 가장 높은 값을 나타내 었고, 비교적 오염원에서 멀리 위치한 논 토양에서 가장 낮은 값을 나타냈다.
- 농경지 토양게 함유된 구리 중 주변환경이나 생태계로 이동될 수 있는 labile한 부분은 19.3%~49.3%로 나타났다(Fig. 3).
- 농경지 토양에 함유된 카드뮴은 주변환경이나 생태계로 이동될 수 있는 labile한 부분이 12.2%~43.0%로 가산교 지역 논 토양인 정점 F-9에서 이동성이 가장 높은 것으로 나타났으며, 옥동천 상류지역에 위치한 상동읍내의 밭 토 양인 정점 F-4에서 가장 이동성이 낮게 나타났다(Fig. 2). 위에 나타난 결과는 일반적인 토양에서는 토양 공극내의 산소가 토양미생물의 활동에 의해 혐기적 상태를 보이기는 어려운 점을 들어 토양내 산소는 입자와 입자간의 공극에 포함된 산소에 의해 호기성 상태를 유지할 것으로 예상되나 경작지 토양의 경우 비료의 투입과 논 경지의 경우 경작의 특성상 토양표면이 물에 의해 대기층과 나누어지며 혐기적 상황을 만들게 되어 환원 상태를 유지하게 되어 실 제 철이나 망간의 산화물과 결합된 형태의 중금속이 환원 상태로 되면서 결합된 카드뮴이 용출되어 labile한 부분에 포함시켰다.
- Table 3은 채취한 광미 시료의 이화학적 특성을 나타낸 것이다. 농경지의 pH는 5.2~7.6으로 녹전교 지역의 밭 토 양에서 5.2로 우리나라의 주요 토양인 안용통, 안미통, 백구통, 반천통, 안덕통, 차항통, 천곡통, 이원통, 장원통 등 의 4.8~5.4와 비슷한 범위를 이 가지고 있는 약 산성을 나타내었고, 상동읍 지역의 밭 토양에서 7.62로 약 알카리성에 해당되는 값을 나타냈다.
- 옥동천 중류의 녹전교 지역은 탄광 및 금속광산활동 지역에서 멀리 떨어져 있으나 하천수를 이용하여 경작활동을 하였을 것으로 예상되는 논 토양인 정점 F-12에서 이동성이 가장 높을 것으로 나타났다. 따라서 이 지역에서 생산되는 농작물도 구리의 농도가 높을 것으로 사료되며 , 약84.9 mg/kg 정도의 구리가 주변 생태계로 이동될 것으로 사료된다.
- 아연은 존재형태의 특성상 residual fraction을 제외하고 organic fraction 이 가장 높은 농도로 나타났으며, 일부지역의 논 토양에서는 organic fraction 보다는 redcible fraction이 높은 값을 보였다. 특히 폐탄광의 산성광산배수가 유입되는 지역의 밭 토양에서는 다른 지역과는 달리organic fraction과 reducible fraction 비율이 상당히 낮은값을 나타내 경작 활동 시 주변 하천을 이용하여 농경수로 사용되었을 것으로 예상된다.
- 양이온치환용량은 7.4~12.4cmol(+)/kg으로 나타났으며, 총 질소의 함량은 0.6~2.5%로 폐탄광 지역의 밭 토양인 정점 F-1 에서 2.5%로 가장 높은 값을 나타냈으며 상동광 업소 지역의 밭 토양인 정점 F-3에서 가장 낮은 값을 나타냈다.
- 연구지역인 경작지 토양의 Cd 총량은 가산교 지역의 논 토양인 정점 F-10에서 22.3 mg/kg-2로 가장 높은 농도를 나타냈으며, 녹전교 지역 밭 토양인 정점 F-11 에서10.2mg/kg으로 가장 낮은 값으로 나타났다.
- 옥동천 중류의 녹전교 지역은 탄광 및 금속광산활동 지역에서 멀리 떨어져 있으나 하천수를 이용하여 경작활동을 하였을 것으로 예상되는 논 토양인 정점 F-12에서 이동성이 가장 높을 것으로 나타났다. 따라서 이 지역에서 생산되는 농작물도 구리의 농도가 높을 것으로 사료되며 , 약84.
- 존재형태에 따른 총량에 대한 중금속 토양오염판단기준은 전지역에서 non polluted와 weakly polluted 범위를 전부 초과하였으며, moderately polluted는 상동광업소 지역과 광재댐 지역의 농경지인 정점 F-5, F-7과 석회광산 지역의 밭 토양인 정점 F-15와 옥동 페탄광 지역으로 그 지역에서 발생된 폐재와 산성광산배수의 영향을 받았을 것으로 예상되는 밭 토양과 논 토양인 정점 F-15, F-16, F-17에서 초과하는 값으로 나타났다.
- 토양의 유기물의 분해로 인하여 이동성이 가중될 것으로 예상되는 labile한 형태의 토양오염판단기준은 옥동천 상류에 위치한 폐 탄광지역의 밭 토양인 정점 F-1 을 제외 한 전지역에서 non polluted 범위를 초과하였으며, weakly pollutecfe 석회광산이 개갱 중인 지역의 밭 토양인 정점 F-15와 옥동 폐탄광 지역으로 그 지역에서 발생된 폐재와 산성광산배수의 영향을 받았을 것으로 예상되는 밭 토양과 논 토양인 정점 F-15, F-16에서 초과하는 값으로 나타났다. 그러나 moderately polluted와 heavily polluted는 토양오염판단기준 이하로 나타났다.
후속연구
- 위와 같은 결과는 존재형태에서 분석된 총량에 대한 중금속의 토양 오염판단기준이 농경지 환경의 영향을 받을 것으로 예상 되는 존재형태의 각 부분의 기준수치보다 상대적으로 용출 되거나 다른 계로의 이동으로 인한 생태계에 오염물질 의 축적 혹은 치명적 유해를 주게 될 것으로 사료되는 농도보다 높게 평가되고 있다. 이러한 평가 이상의 수치는 오염된 지역을 화학적 방법에 의해 복원 방법인 토양의 불용화인 토양의 환원화 촉진(Eh의 저하)이나 토양의 pH 상승(precipitation) 또는 인산염 등의 생성촉진 등과흡착화에 이용하는 점토광물재료의 이용 혹은 토양개량재료의 이용과 토양내 포함된 중금속의 용탈 방법인 토양세 정에 의한 제거(washing}와 생물학적 방법인 중금속을 선택적으로 흡수하는 식물의 이용(Phytoremediation)19)과 농업토목학적방법인 반전심경, 객토, 배토, 배토객토 등과 같은 방법에 적절히 복원 방안을 제시하기 어렵거나 지나친 높은 토양오염판단기준 제시로 인하여 발생되는 경제적 문제나 환경 문제가 필요이상으로 나타나게 될 것으로 사료된다. 따라서 경작지의 토양의 특성이나 경작방법에 따라 토양오염판단기준 산정 방법에 차이를 두어야 할 것으로 사료된다.
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