[논문]축사가 밀집된 농촌지역 천부지하수의 질산염 오염특성

김연태; 우남칠

축사가 밀집된 농촌지역 천부지하수의 질산염 오염특성
Nitrate Contamination of Shallow Groundwater in an Agricultural area having Intensive Livestock Facilities 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.8 no.1, 2003년, pp.57 - 67

김연태 (연세대학교 지구시스템과학과) , 우남칠 (연세대학교 지구시스템과학과)

초록
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지하수 의존도가 큰 농촌지역에서 주로 사용하는 천부지하수는 오염에 민감하므로, 인간활동에 의한 질산성 질소 오염이 생활용수 공급에 큰 문제가 되고 있다. 농경활동과 함께 다양한 규모의 축사가 운영되고 있는 경기도 일죽지역 천부지하수에 대한 질산염 연구결과, 인위적 오염물질 유입이 예상되는 지점이 77%, 먹는물 수질기준을 초과하는 지점이 32～42%로 나타났다. 질소동위원소 분석 결과, 인위적 오염물질 유입이 예상되는 지점은 모두 $\delta^{15}$N-$NO_3$가 5$\textperthousand$ 이상으로 나타났으며, 59%지점이 동물분뇨에서 유래된 질소의 영향을 강하게 받고 있는 것으로 나타났다. 연구지역 천부지하수의 질산성 질소 주 오염 원인은 밀집된 축사로 밝혀졌으며, 운영이 종료된 축사라도 오랫동안 지하수질에 영향을 미치는 것으로 보인다. 축종에 따라 오염원의 화학적 특성이 다른데, 지표수게는 그 영향이 나타나지만, 지하로 유입되는 동안 반응에 의하여 일부 용질이 제거되므로 지하수에서는 오염원 차이에 의한 영향이 나타나지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nitrate contamination by human activities is a serious problem to water-supply in agricultural area. Shallow groundwater is the main source of water-supply, but it is very sensitive to contamination. Study area for nitrate contamination is a region of Iljuk, Kyunggi where is an agricultural area having many livestock facilities in various scales. As a result, the points having availability of incoming of external contaminant are 77%, and the ones over the Drinking Water Limit (DWL) are 32～42%. For a nitrogen isotope analysis, all the points having availability of incoming of external contaminant have $\delta$$^{15}$ N-NO$_3$ values over 5$\textperthousand$, and the points of 59% are strongly affected by nitrogen originated from animal wastes. The major source of nitrate in this area is intensive livestock facilities. Even though a livestock facility had enclosed, it affects groundwater quality for a long time. The chemical property of contaminant source is various according to animal species in surface water, but not in groundwater since some solutes are removed by reactions during an inflow to subsurface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대한 의존도는 매우 크다. 따라서 인간 활동에 의한 지하수 오염특성을 파악하고 오염가능성을 예측하여 사전에 오염을 예방할 수 있는 기법의 연구 . 개발이 필요하다.
개발이 필요하다. 이러한 연구의 시작단계로서, 질산성 질소의 배출원 중 하나인 축사가 많이 위치한 농촌지역, 경기도 안성시 일죽면 일대에서 지하수 수질특성과 오염원의 영향력을 알아보기 위해 이 연구를 수행하였다.

제안 방법

음이온 (F, Cl, NO₂, NO* PO₄, SO₄)은 시료채취 후 2주 내에 연세대학교에서 이온 크로마토그래피 (Dionex-80)를 이용하여 분석하였으며, 염기성 양이온(Na, Ca, K, Mg, NH₄>은전북대학교에서 이온크로마토그래피 (Dionex-500)를 이용하여 분석하였다. Si, Mne ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry), Fe는 graphitefurnace AAS(Atomic Absorbtion Spectrometry), 미 량중금속(Cd, Pb, Zn)은 ASV(Anode Stripping Vbltametry)를 이용하여 한국기초과학지원연구원과 연세대학교에서 분석하였다 . 질소 동위원소는 서울대학교 농업생명과학대학 농업과학공동기 기센터에 의뢰하여 Continuous Flow Type으로 분석하였다.
기존 연구6'9에서 지하수 내의 질산염 기원을 판별하기 위하여 질산성 질소 동위원소 비를 이용하였다. 질소 동위원소 비는 다음과 같이 정의된다.
질소 동위원소는 서울대학교 농업생명과학대학 농업과학공동기 기센터에 의뢰하여 Continuous Flow Type으로 분석하였다. 시료분석 결과에 대한 품질관리(Quality Control)는 현장 공백 (field blank) 시료, 실험실 공백(lab. blank) 시료, 농도를 알고있는 spike sample을 사용하여 실시하였다. 화학 분석 시 반복측정의 상대표준 편차(RSD)를 5 이하로 유지하였으며, Hydrochem 프로그램을 이용하여 Charge-Balance를 확인하였다.
시료채취 시 현장에서 수온, pH, 전기전도도(EC), 산화환원전위 (Eh>를 측정하였으며(1차 시료는 휴대용 측정기를 사용, 2차 시료는 Hydrolab Multiprobe 측정기를 사용하였다), 지표수는 흐르는 싱태에서, 지하수는 flow-cell 을 이용하여 공기접촉을 차단한 상태에서 측정하였다. 모든 시료는 0.
음이온 분석을 위한 시료는 4℃ 이하로 냉장 보관하였으며, 양이온 분석을 위한 시료는 농황산을 첨가하여 pH 2 이하로 보존하였다. 알칼리도 측정을 위한 시료는 병에 공기가 들어가지 않도록 시료로 가득 채워 보관하였으며, 질소동위원소 분석을 위한 시료는 HgCL를 첨가하여 0.001M 이상으로 유지시켜 미생물을 치시, 시켰다.
01N-HC₁로 적정하여 측정하였다. 음이온 (F, Cl, NO₂, NO* PO₄, SO₄)은 시료채취 후 2주 내에 연세대학교에서 이온 크로마토그래피 (Dionex-80)를 이용하여 분석하였으며, 염기성 양이온(Na, Ca, K, Mg, NH₄>은전북대학교에서 이온크로마토그래피 (Dionex-500)를 이용하여 분석하였다. Si, Mne ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry), Fe는 graphitefurnace AAS(Atomic Absorbtion Spectrometry), 미 량중금속(Cd, Pb, Zn)은 ASV(Anode Stripping Vbltametry)를 이용하여 한국기초과학지원연구원과 연세대학교에서 분석하였다 .
45 卬n 멤브레인 여과지로 여과하여 폴리에틸렌 시료병에 담아 운송, 보관하였다. 음이온 분석을 위한 시료는 4℃ 이하로 냉장 보관하였으며, 양이온 분석을 위한 시료는 농황산을 첨가하여 pH 2 이하로 보존하였다. 알칼리도 측정을 위한 시료는 병에 공기가 들어가지 않도록 시료로 가득 채워 보관하였으며, 질소동위원소 분석을 위한 시료는 HgCL를 첨가하여 0.
따라서 화학비료, 시비, 축산폐수, 정화조 등 인위적 질산성 질소 유입 가능성이 남쪽 지역에 비해 높다. 이들 배출원 중 연구 지역의 질산염 오염에 가장 큰 영향력을 갖는 요인을 알아보기 위해 질소 동위원소 분석을 수행하였다. 분석을 위한 시료 채취는 4월 초에 이루어졌으며, 총 27개의 지하수와 지표수 시료의 질소동위원소 분석 결과는 Table 1에 나타내었다.
따라서 외부에서 유입된 질소는 MN-NCh이 낮은 화학비료보다는 &5N-NO₃이 높은 동물 및 사람의 분뇨에서 기원한다고 할 수 있다. 일부 지하수 시료에서 높은 815N-NO₃ 값에 비해 낮은 질산성 질소 농도를 나타내는데 이는 탈질작용이 일어나고 있기 때문으로 판단되며, 이에 대해서는 후술하였다.
주 오염원으로 추정되는 축산폐수의 화학적 특성에 대한 연구를 위해, 북쪽에 위치한 대형 양계장(Fig. 2의 P) 과 근처의 대형 돈사(Fig. 2의 S)에서 하수관을 통해 농수로와 하천으로 배출되는 오수를 직접 채취하여 분석하였다(Table 4). 계사에서 배출되는 오수(poultry house) 의용존 이온 농도가 돈사에서 배출되는 오수(pigpen)에 비해 전반적으로 높았으며, 특히, K, Ca, Na, Cl, PO₄ 의 농도는 현격한 차이를 나타내었다.
Si, Mne ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry), Fe는 graphitefurnace AAS(Atomic Absorbtion Spectrometry), 미 량중금속(Cd, Pb, Zn)은 ASV(Anode Stripping Vbltametry)를 이용하여 한국기초과학지원연구원과 연세대학교에서 분석하였다 . 질소 동위원소는 서울대학교 농업생명과학대학 농업과학공동기 기센터에 의뢰하여 Continuous Flow Type으로 분석하였다. 시료분석 결과에 대한 품질관리(Quality Control)는 현장 공백 (field blank) 시료, 실험실 공백(lab.
blank) 시료, 농도를 알고있는 spike sample을 사용하여 실시하였다. 화학 분석 시 반복측정의 상대표준 편차(RSD)를 5 이하로 유지하였으며, Hydrochem 프로그램을 이용하여 Charge-Balance를 확인하였다.

대상 데이터

두 차례에 걸쳐 시행되었다. 2월에는 지하수 17지점, 지표수 3지점, 오염원 2지점에 대하여 시료를 채취하였으며, 4월에는 위 지점들에 지하수 5지점, 지표수 2지점을 추가하였고 시료채취 직후에 내린 강수를 채취하였다. 오염원 시료는 돈사와 계사에서 인근 수계로 직접 유입되는 오수를 수집하였다.
계사에서 방출되는 오수가 약 150 m의 지천을 통해 흘러 하천과 유입된 지점에서 하류로 100 m 떨어진 지점, SW5에서 지표수 시료를 채취하였다. 이 지점에서는 유입된 지천의 물이 본류와 충분히 혼합되었으리라 예상된다.
이들 배출원 중 연구 지역의 질산염 오염에 가장 큰 영향력을 갖는 요인을 알아보기 위해 질소 동위원소 분석을 수행하였다. 분석을 위한 시료 채취는 4월 초에 이루어졌으며, 총 27개의 지하수와 지표수 시료의 질소동위원소 분석 결과는 Table 1에 나타내었다.
2월에는 지하수 17지점, 지표수 3지점, 오염원 2지점에 대하여 시료를 채취하였으며, 4월에는 위 지점들에 지하수 5지점, 지표수 2지점을 추가하였고 시료채취 직후에 내린 강수를 채취하였다. 오염원 시료는 돈사와 계사에서 인근 수계로 직접 유입되는 오수를 수집하였다. 지하수 시료는 가정용, 농업용 관정을이용하였으며, 약 10분 정도 양수하여 수온이 일정해진 다음 시료를 채취하였다.
이 지점(심도 30 m)의 영향 범위를 알아보기 위해 남쪽으로 50 m 떨어진 GW9 지점(심도 15 m)과 이 지점에서 남쪽으로 20 m 떨어진 GW10 지점(심도 15 m) 에서시료채취를 하였다. 2월과 4월 모두 GW8 지점의 질산성 질소 농도는 인근의 GW9 지점이나 GW10 지점에 비해 매우 높은 경향이 나타났다(Table 1).
오염원 시료는 돈사와 계사에서 인근 수계로 직접 유입되는 오수를 수집하였다. 지하수 시료는 가정용, 농업용 관정을이용하였으며, 약 10분 정도 양수하여 수온이 일정해진 다음 시료를 채취하였다. 관정의 깊이는 평균 22 m(표준편차 11 m, 최대 45 m, 최소 3 m)로서 천부지하수에 해당한다.
화학 분석을 위한 물 시료채취는 2002년 2월 초와 4월 초 두 차례에 걸쳐 시행되었다. 2월에는 지하수 17지점, 지표수 3지점, 오염원 2지점에 대하여 시료를 채취하였으며, 4월에는 위 지점들에 지하수 5지점, 지표수 2지점을 추가하였고 시료채취 직후에 내린 강수를 채취하였다.

데이터처리

SPSS 10.0 프로그램을 이용해 지하수 시료의 화학분석 결과에 대한 상관행렬(Table 2)을 구하였다. 이 연구에 사용된 2월 17개 시료의 경우 99% 신뢰도를 보이는 상관계수(r)는 0.

성능/효과

물시료의 주이온 화학분석 결과를 piper diagram")으로도시해 본 결과, 이 지역의 지하수와 지표수는 대부분 Ca- HCO₃형으로 밝혀졌다(Fig. 3). 2월과 4월에 채취한 시료는 전반적으로 약간의 농도 감소만 있었을 뿐 수질에 큰 차이를 나타내지 않았다.
1. 축사가 많이 운영되고 있는 경기도 안성시 일죽면 일대 천부지흐}수의 배경수질은 Ca-HCCh형이지만, 외부오염물질의 유입에 의해 Cl, SCU의 비율이 높아지는 경향성이 나타났다.
2. 시료채취 지점 중 77%가 인간 활동의 영향을 받아 질산성 질소의 농도가 높아졌으며, 32~42%가 먹는물 수질 기준을 초과한 것으로 나타났다.
2월과 4월 두 번에 걸쳐 채취한 시료에서 질산성 질소의 농도는 한 지점 (GW10)을 제외하고는 큰 변화 없이 유지되었다. 시료채취 시기별 질산성 질소 농도와 공간적 분포는 Fig.
이 지점(심도 30 m)의 영향 범위를 알아보기 위해 남쪽으로 50 m 떨어진 GW9 지점(심도 15 m)과 이 지점에서 남쪽으로 20 m 떨어진 GW10 지점(심도 15 m) 에서시료채취를 하였다. 2월과 4월 모두 GW8 지점의 질산성 질소 농도는 인근의 GW9 지점이나 GW10 지점에 비해 매우 높은 경향이 나타났다(Table 1). 이는 주 양이온 과음 이온의 농도에서도 같은 경향성을 나타내었다.
2월과 4월의 질산성 질소 농도에 차이가 거의 없었던 지하수와는 달리, 지표수는 4월 들어 농도가 감소하는 경향이 나타났다. 이 시기는 갈수기이므로 지표수의 흐름 속도가 느리며, 기온이 상승하면서 조류가 번성하게 된다.
4. 축산폐수와 지하수의 수질 분석 결과, 본 연구지역의 주 오염원인 축산폐수가 지하수질에 미치는 영향이 주성분 분석의 제 1 주성분과 일치하였으며, 상관행렬에 의해 분뇨 기원의 질산성 질소는 지하에서 Na, Ca, Cl, SO₄와함께 유동할 것으로 예상된다.
5. 현재에는 축사가 운영되고 있지 않은 지역이라도 과거에 운영되었던 적이 있는 지역은 그 영향력이 오랫동안 남아있어 높은 질산성 질소 농도, 부하된 515N-NO₃ 값을 갖는 것으로 나타났다.
등이 있다. Sufer 7.0 프로그램을 이용해 그린 지하수의 515N-NO₃ 등치선도(Fig. 5)에서 815N-NO₃ 값과 질산성 질소 농도는 북쪽에서 높게 나타났다. 시료 채취가 가정용 관정에서 이루어졌으므로, 정화조 유출에 의한 영향은 국지적으로 나타날 것으로 예상된다.
같은 프로그램을 이용하여 주성분분석법으로 요인추출을 해 본 결과(Table 3), 제 1 주성분에 속하는 원소들은 Na, Ca, Cl, NO₃-N, SO₄이며 , 제 1 주성분이 전체 자료를 설명할 수 있는 비율은 36~44%이다. 이 주성분은 인위적 오염을 지시하는 인자로 해석되며, 본 연구지역의 수질 특성에서 가장 많은 양의 자료를 설명한다.
이 지점은 다른 지표수 채취 지점에 비해 전기전도도가- 높으며, 산화환원 전위가 낮아 상대적인 환원환경을 지시한다. 결과적으로, 질소가 NO₃- 뿐만 아니라 NH₄+, NO₂-의 형태로도 존재함이 관찰되었다(Table 1). 또한 질소의 총량이 다른 지점의 두 배 이상이며, 8'5N-NO₃ 값이 19.
2의 S)에서 하수관을 통해 농수로와 하천으로 배출되는 오수를 직접 채취하여 분석하였다(Table 4). 계사에서 배출되는 오수(poultry house) 의용존 이온 농도가 돈사에서 배출되는 오수(pigpen)에 비해 전반적으로 높았으며, 특히, K, Ca, Na, Cl, PO₄ 의 농도는 현격한 차이를 나타내었다. 우사에서 유출되는 오수는 채취하지 못하였으나, 발표된 바에 의하면 우분뇨는 돈분뇨에 비해 N, PO₄ 성분의 함량이 낮고 K 함량이 높다고 한다.
수 없었다. 계사에서 유출되는 오수는 K의 농도가 매우 높았지만, 유입지점에서 250 m 떨어진 SW5 지점에서는 K의 농도가 4.4 mg/lS- 매우 크게 감소하였으며, PO₄ 농도는 검출한계보다 낮아졌다. 또한, 축사와의 거리가 10 m 이내로, 오염원이 축사임이 확실하고 그 영향력이 큰 GW13, GW27 지점에서 K와 PO₄ 농도는 다른 지점과 차이를 나타내지 않았다.
따라서 전자의 가능성이 더 높다고 할 수 있다. 돈사에 비해 계사에서 유줄되는 오수에서 농도가 매우 높게 나타난 Na, Ca, Cl 성분 역시 SW3, 4 지점에 비해 농도가 높게 나타났으며, 식물에 의한 흡수율이 높은 P024는 SW5 지점에서도 검출되지 않았다.
2), 분뇨 기원의 질산염 배출원 중에서 분포특성이 지하수질 특성과 가장 일치하는 것은 축산폐수이다. 따라서 연구 지역의 질산염 오염에 가장 큰 영향력을 갖는 요인은 축산폐수라 할 수 있다.
본 연구에서 1차 17지점, 2차 22지점에서 채취한 지하수 시료 중 77%에 해당하는 지점이 3 mg/1 이상의 농도를 나타내 인위적 오염물질의 유입가능성이 있는 것으로 드러났다. 또한 32- 42%에서 질산성 질소 성분이 먹는물 수질기준(10 mg/1) 을 초과하여, 질산성 질소에 의한 오염이 심각한 상태임이 드러났다.
-N) 농도를 나타낸다2。21). 본 연구에서 1차 17지점, 2차 22지점에서 채취한 지하수 시료 중 77%에 해당하는 지점이 3 mg/1 이상의 농도를 나타내 인위적 오염물질의 유입가능성이 있는 것으로 드러났다. 또한 32- 42%에서 질산성 질소 성분이 먹는물 수질기준(10 mg/1) 을 초과하여, 질산성 질소에 의한 오염이 심각한 상태임이 드러났다.
또한, 시료의 59%가 분뇨 기원의 8i5N-NO3 값을 갖는다. 본 연구지역에서 축사의 분포와 질산성 질소 농도 분포, 8I5N-NO₃ 등치선도가 일치하는 경향이 나타나므로, 지하수 내의 질산염은 주로 축산폐수 기원임을 알 수 있다.
오염원의 화학분석 결과 오염되지 않은 지하수에 비해 매우 높은 농도를 나타낸 K, PO₄, Na, Ca, Cl, SO₄ 와 환원형태의 질소 성분은 축산폐수가 지하로 유입되는 과정 동안, K, PO₄ 등이 식물에 이용, 흡착, 교환, 침전 등의 반응을 통해 제거되고, 질소성분은 질화작용을 거쳐 질산성 질소로 변형된다. 따라서 이 오염원에서 지하로 쉽게 유입될 수 있는 화학종은 Na, Ca, Cl, NO₃-N, SO₄이다.
이상의 통계분석 결과는 연구를 통해 이 지역의 주 오염원으로 밝혀진 축산폐수의 화학분석 결과와 일치되는 결과를 나타내었으며, 이는 이후에 기술하겠다.
화학분석 결과 다른 지점과 차이를 나타내었던 GW8 지점은 Table 1에 나타난 바와 같이 다른 지점에 비해 상대적으로 높은 전기전도도를 나타내었으며 , 산화환원전위도 이상치를 나타내었다. 질산성 질소의 농도 역시 30 mg/1 이상을 나타내었다.
화학분석 결과, 이동을 잘 하는 용질 SO₄의 SW5 지점 농도가 SW3, 4 지점과 별다른 차이를 나타내지는 않는 반면에, 식물에 의한 흡수 . 이용율이 높아 이동 거리가 짧은 K꽈)의 농도가 다른 지점에 비해 2배 가량 높게 나타났다.

후속연구

따라서, GW8 지점은 독립적 오염원의 영향을 받고 있는 것으로 판단되며, 생활 형태를 살펴볼 때 정화조 파손에 의한 영향으로 유추된다. 그러나, 이는 유추일 뿐이며, 이 지점의 정확한 오염원 추적을 위해서는 전기 비저항 탐사 또는 미생물 분석 등의 추가적 조사가 필요할 것으로 생각된다.
인근에 위치한 충적층 지하수 관측지점(안성 삼죽)의 2001년과 2002년 관측연보17,18)에 의하면, 겨울과 봄에는 지하수위와 전기전도도가 어느 정도 일정하게 유지되다가 강수가 집중되는 장마철이 되어야 지하 수위 및 전기전도도의 상승이 관찰된다. 본 연구지역의 함양특성이 위 지역과 비슷하다고 가정한다면, 이러한 배경 수질은 장마철 이전까지 지속될 것으로 예상된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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