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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 팔당 경안천 하류의 정체된 호소퇴적물을 대상으로 수층으로 용출되는 인을 효과적으로 차단하기 위해 친환경소재인 모래로 capping을 하는 방법과 퇴적물 내 redox potential을 높이고, 인과의 binding partner로서 Ca 첨가를 위해 Gypsum(CaSO4 . 2H2O)을 산화제로 적용한 경우의 인 용출 제어 효과를 비교 , 평가하였다.
제안 방법
- 또한 복합층을 적용했을 때의 효과를 보기 위해 산화제인 granule-Gypsum을 먼저 도포하고, 그 위에 모래층 1 cm 를 적용하였다.' 이상의 4가지 소재로 capping(barrier)을 한 경우와 cappping을 하지 않은 control(no barrier) 1개 column 을 통해 총 5개를 비교 . 평가하였다(Fig.
- 1) 팔당호 경안천 하류 정체수역에서 퇴적물 인 용출 저감을 위한 capping 소재를 개발하고자 실험실 규모의 batch test 를 수행하였다. 조사지역 퇴적물 평균 입도는 7.
- 2) 인 용출 저감을 위한 capping 소재 개발을 위해 150 L 반웅기에 batch test를 45일간 수행하였다.
- 1 g으로 용해시켜 분석한 결과 SQj가 다음과 같은 반응식 (2)에 의해 Fe2(SO4)3로 반응하여 SO?' 농도가 감소하는 것을 알수 있었다. 본 실험을 통해 powder-Gypsum과 珏2。3을 혼합하여 Granule type 의 Fe-Gypsum을 제작하였다.
- 1 N HC1 로 탄산염을 제거하였다. 4 <|)(63 |im) 표준체로 습식 체질하여 4 O 이상의 세립퇴적물과 4 O 이하의 조립퇴적물로 분리한 후, 조립퇴적물은 1 간격으로 체진탕기 (Ro-tap sieve shaker)를 이용한 건식체질 방법으로, 세립퇴적물은 시료 3.5 g 당 0.1% (NaPO3)s 80 mL을 첨가하여 초음파 분쇄기와 자기 진동 기로 시료를 균일하게 분산시킨 후 X-선 자동입도분석기 Sedigraph- 5100(Micromeritics Instruments Corp.)으로 분석하여 입도 무게 백분율을 구하였다. 퇴적물 중 총 탄소의 함량은 분말화된 시료를 주석 캡슐에 넣어 CHN-분석기(CE Instrument; Flash- 1120)를 이용하여 측정하였으며, 무기탄소 함량은 시료를 H2SO4 를 첨가하여 유기탄소를 제거한 후, 같은 방법으로 측정하였다.
- Gypsum의 SO; 용해도를 줄이기 위해 FezCh과 natural-C如sum을 혼합하여 실험을 실시하였다(Fig. 10). powder-C^psum 1 g과 的2。3을 각각 1 g, 0.
- 이산화규소는 광물을 구성하고 있는 기본물질로 토양입자에 다량 함유되어 있고, Gypsum 및 기타 이온물질과 화학적 반응이 없으므로 선택하였다. powder-Gypsum과 Si®의 배합을 달리하여 100°C와 550°C에서 각각 소성한 소재를 비교 . 평가하였다.
- 따라서 상수원보호구역에 적합한 gypsum을 적용을 위해 SO;의 용해도를 저감시킨 Fe-gypsum과 SiOz-gypsum 을 개발하였다.
- " 모래에 의한 capping은 퇴적물에 함유된 영양분이 diffusion에 의해 수 체로 용출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있는 것으로 제시되었다. 또한 natural zeolite를 사용하여 ABS(active barrier- system)을 형성하여 Pb 등의 양이온 중금속을 제어하였다.劣 in-situ chemical treatment의 경우, 독일 Lake Dagowsee에 Depox®Fe(nitrate storage compound), Lake Epple에 Calcite를 적용하여 퇴적물로부터 인을 효과적으로 차단하였다.
- 3). 또한 복합층을 적용했을 때의 효과를 보기 위해 산화제인 granule-Gypsum을 먼저 도포하고, 그 위에 모래층 1 cm 를 적용하였다.' 이상의 4가지 소재로 capping(barrier)을 한 경우와 cappping을 하지 않은 control(no barrier) 1개 column 을 통해 총 5개를 비교 .
- SiCh와 혼합을 할 경우 550°C에서 1시간 소성시켰을 때 SO? 농도가 상당히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험을 통해 powder-Gypsum과 SiCh를 각각 10 : 1로 배합하여 550°C에서 소성한 granule SiCh-Gypsum을 제작하였다.
- 분석방법은 45 일 동안 수층의 수온(temperature), 용존산소 (dissolved oxygen), pH, 전기전도도(conductivity)는 YSI(MPS 556)로 측정하였다. 퇴적물 성상 분석 중 퇴적물의 입도 측정은 시료 5 g을 1 L 비이커에 넣고 일차적으로 10% H2O2 로 반응시켜 유기물을 제거한 후, 。.
- 본 batch 실험에 사용된 반응기는 150 L((50 cm(W)x50 cm(L)x60 cm(H)) 규모로 5개를 아크릴로 크게 제작하였으며, 45일 동안 인 용출 실험을 수행하였다. 퇴적물 10 cm, 호소수 75 L를 채워 퇴적물과 수층비를 1 : 3 으로 하여 조사지역(정체수역)의 수심 및 퇴적물 층을 최대한 반영하고자 하였다(Fig. 2, Table 1). 실험에 사용된 capping 소재는 친환경 소재인 모래층 1cm, powder-Gypsum 1 kg, 입경 0.
- )으로 분석하여 입도 무게 백분율을 구하였다. 퇴적물 중 총 탄소의 함량은 분말화된 시료를 주석 캡슐에 넣어 CHN-분석기(CE Instrument; Flash- 1120)를 이용하여 측정하였으며, 무기탄소 함량은 시료를 H2SO4 를 첨가하여 유기탄소를 제거한 후, 같은 방법으로 측정하였다. 유기탄소의 함량은 총 탄소의 함량에서 무기탄소의 함량을 뺀 값으로 하였다.
- 1). 퇴적물의 지화학적 성상과 공극 수 내 인의 농도를 파악하기 위해 내경 60-100 mm 아크릴 파이프가 장착된 소형 Gravity corer을 이용하여 채취하였다. 채취된 core 시료의 양 끝단은 완전 밀봉하여 공극 수의 배출을 차단하여 시료 원상태를 유지하도록 한 후 실험실로 냉장 운반하여 퇴적물의 물리 .
- 채취된 core 시료의 양 끝단은 완전 밀봉하여 공극 수의 배출을 차단하여 시료 원상태를 유지하도록 한 후 실험실로 냉장 운반하여 퇴적물의 물리 . 화학적 특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 1. Study area with sampling sites(N 37°28'616", E 127° 17'948”).
- 농도 감소를 위한 또 다른 소재로서 이산화규소(SiO2) 와 powder-Gypsum을 혼합하여 실험을 실시하였다(Fig. 11). 이산화규소는 광물을 구성하고 있는 기본물질로 토양입자에 다량 함유되어 있고, Gypsum 및 기타 이온물질과 화학적 반응이 없으므로 선택하였다.
- 1, 2에서 스쿠버 다이버가 잠수하여 약 200 kg을 채취하였다. 본 batch 실험에 사용된 반응기는 150 L((50 cm(W)x50 cm(L)x60 cm(H)) 규모로 5개를 아크릴로 크게 제작하였으며, 45일 동안 인 용출 실험을 수행하였다. 퇴적물 10 cm, 호소수 75 L를 채워 퇴적물과 수층비를 1 : 3 으로 하여 조사지역(정체수역)의 수심 및 퇴적물 층을 최대한 반영하고자 하였다(Fig.
- 2, Table 1). 실험에 사용된 capping 소재는 친환경 소재인 모래층 1cm, powder-Gypsum 1 kg, 입경 0.5 cm의 granule-Gypsum 1 kg을 제작 . 사용하였다(Fig.
- 인 용출 실험(batch test)에 사용된 퇴적물 시료 채취는 조사지역의 10개 site 증 메탄가스 발생이 심각하고 T-P가 상대적으로 높은 st. 1, 2에서 스쿠버 다이버가 잠수하여 약 200 kg을 채취하였다. 본 batch 실험에 사용된 반응기는 150 L((50 cm(W)x50 cm(L)x60 cm(H)) 규모로 5개를 아크릴로 크게 제작하였으며, 45일 동안 인 용출 실험을 수행하였다.
- 최적 capping 소재 실험에 사용된 퇴적물 시료 및 호소수는 2005년 8월 팔당호 경안천 하류(광주시, 오리)에 위치하고 있는 평균 수심 약 2.5-3 m의 정체수역을 대상으로 10 개 site로 구획화하였다(Fig. 1). 퇴적물의 지화학적 성상과 공극 수 내 인의 농도를 파악하기 위해 내경 60-100 mm 아크릴 파이프가 장착된 소형 Gravity corer을 이용하여 채취하였다.
이론/모형
- 유기탄소의 함량은 총 탄소의 함량에서 무기탄소의 함량을 뺀 값으로 하였다. 영양염류 측정에 있어서 PQ3-는 Hieltje and Liklema(1980) 시험법에 의해 측정하였으며, ⑵ SO:는 standard methods 방법으로 분석하였다.
성능/효과
- in-situ capping의 현장 적용 사례는 캐나다 Hamilton harbour에 모래(100x100 m)로 cappjng을 한 사례가 있으며, 일본의 경우 모래를 이용한 ca pping 처리법이 히로시마만에 적용된 버} 있다." 모래에 의한 capping은 퇴적물에 함유된 영양분이 diffusion에 의해 수 체로 용출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있는 것으로 제시되었다. 또한 natural zeolite를 사용하여 ABS(active barrier- system)을 형성하여 Pb 등의 양이온 중금속을 제어하였다.
- Temp., DO, pH, conductivity의 변화를 보면, 수온은 모두 평균 18〜 19°C를 유지하였다(Fig. 3). DO 농도는 contr어과 모래층 1 cm로 capping 한 column에서 평균 DO 농도가 3 mg/L로 낮게 나타났다(Fig.
- 화학적 작용에 의해 수층으로 용출되어 부영양화현상을가속시키는 것으로 알려져 있다.2)수체의 정체가 심한 지역은 혐기성 조건이 형성되어 철이나 망간 등이 환원되어 용 존 됨에 따라 이들과 결합되어 있는 인산염이 유리되어 수층으로 이동하게 된다.” 또한 수괴의 수직 혼합 즉 전도 현상은 퇴적물층의 고형물질과 유기물질 그리고 퇴적물로부터 용출된 영 양염 류 등을 표층으로 부상시 켜 호소내 부영양화 현상에 중요한 영향을 미치며, 이러한 현상은 수심이 낮은 혐기성 조건이 형성되는 호소에서 특히 중요하다.
- 3) 모래로 capping할 경우, 퇴적물로부터 용출되는 인을 약 50% 차단 가능한 것으로 나타났다. 그러나 모래충 1 cm로는 CH4 gas 발생으로 인한 퇴적물의 재부유(resuspension)와유기물 분해 (organic decomposition)에 의한 수층 용존산소 감소(3 mg/L 이하)를 초래하는 것으로 나타났다.
- 4) Gypsum(CaSO4 . 2HQ)으로 capping을 할 경우, SO?' 농도가 퇴적물내 충분히 공급되어 SRB(sulfate reducing bac- teria)의 활성이 높아지고 빠른 초기속성작용으로 인해 apatite-P 분율이 중가되어 광물화가 촉진되는 것으로 나타났다.
- 4). 60일 경과 후, control과 sand에 비하여 gypsum 이 추가된 퇴적물내 SRB의 개체수가 훨씬 높은 것을 알 수 있으며, 특히 powder-gypsum의 경우 2.4><H)6 celis/M로 가장 높은 개체수를 보였다(Table 4).
- 3). DO 농도는 contr어과 모래층 1 cm로 capping 한 column에서 평균 DO 농도가 3 mg/L로 낮게 나타났다(Fig. 4). gypsum으로 capping을 한 경우 보다 약 3 mg/L 낮다.
- ® in-situ treatment는 in-situ chemical treatment 와 in-situ biological treat ment 방법이 있다. in-situ biological treatment는 퇴적물의 입도가 세립할 경우 미생물 성장에 필요한 요소의 이동이 어려워 적용에 어려움이 있으나, 퇴적물 내 입도가 조립할 경우에는 적용이 가능한 것으로 나타났다. in-situ capping의 현장 적용 사례는 캐나다 Hamilton harbour에 모래(100x100 m)로 cappjng을 한 사례가 있으며, 일본의 경우 모래를 이용한 ca pping 처리법이 히로시마만에 적용된 버} 있다.
- powder-Gypsum의 경우, 인 용출 차단 효과가 90% 이상으로 가장 높게 나타났다. 그러나 수층 scX-의 농도가 매우 높아 해수퇴적물의 용출 차단에는 적용 가능하나, 본 상수원보호지역에는 SQj 농도를 저감시키지 않고는 적용하기 어려운 것으로 나타났다. 또한 powder-Gypsum은 현장 도포시 일정한 두께의 층(layer) 을 만들기도 어렵고, 상당부분 부유되어 있다가 가라앉기 때문에 현장적용성에 용이하지 않은 것으로 나타났다.
- 평가하였다. SiCh와 혼합을 할 경우 550°C에서 1시간 소성시켰을 때 SO? 농도가 상당히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험을 통해 powder-Gypsum과 SiCh를 각각 10 : 1로 배합하여 550°C에서 소성한 granule SiCh-Gypsum을 제작하였다.
- SO? 농도가 퇴적물내 충분히 공급되어 SRB (sulfate reducing bacteria)2] 활성이 높아지는 것으로 나타났다(Table 4). 60일 경과 후, control과 sand에 비하여 gypsum 이 추가된 퇴적물내 SRB의 개체수가 훨씬 높은 것을 알 수 있으며, 특히 powder-gypsum의 경우 2.
- 그러나 수층 scX-의 농도가 매우 높아 해수퇴적물의 용출 차단에는 적용 가능하나, 본 상수원보호지역에는 SQj 농도를 저감시키지 않고는 적용하기 어려운 것으로 나타났다. 또한 powder-Gypsum은 현장 도포시 일정한 두께의 층(layer) 을 만들기도 어렵고, 상당부분 부유되어 있다가 가라앉기 때문에 현장적용성에 용이하지 않은 것으로 나타났다. 특히 powder-Gypsum은 물과 결합시 경화되어 퇴적물 층위에 공극이 전혀없는 차단막을 만들기 때문에 gypsum 층에 crack이 생길 경우 CH4 gas 발생으로 인한 인 용출이 한꺼번에 일어나 오히려 문제 될 수 있는 것으로 사료된다.
- 또한, T-P의 fractionated-P 분석 결과, 퇴적물내 apatite-P 의 분율이 g&psum이 추가된 부분의 경우, 70〜80%로 control, sand 보다 30% 이상 높아진 것을 확인할 수 있다(Fig. 12). 즉 퇴적물내 빠른 초기속성화작용(early diagenesis)으로 인해 광물화(mineTalization rate)가 빠르게 진행되어 인회석과 같은 광물질로 변화되어 인 용출이 저감되는 것을 알 수 있다.
- gypsum으로 capping을 한 경우 보다 약 3 mg/L 낮다. 복합층(granule-Gypsum + sand 1 cm), granule-Gypsum, powder-Gypsum은 모두 평균 DO 농도의 범위가 5.5〜5.8 mg/L로 높게 나타났다(Fig. 4). pH는 평균 7.
- 용출 실험을 위해 YSI 556으로 측정한 가을철 표층 호소수의 수온은 19°C를 나타내었으며, DO 농도는 약 6 mg/L, pH는 7.0을 나타내었다(Table 3). P。/ 농도는 표층수에서 0.
- 수층에서 문제 되지 않는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 수층으로 용해되는 Gypsum의 SO42' 농도를 저감시킬 수 있다면, Gypsum은 퇴적물로부터 인 용출 차단을 위한 좋은 소재로 나타났다.
- 조사지역 10 site의 퇴적물의 시료 분석 결과를 보면, 평균 입도(Mean grain size, 4))는 7.7로 세립한 Mud질로 구성되어 있으며 유기물 함량(Loss on Ignition)은 평균 8.6%로 나타났다(Table 2). 유기탄소(Corg)는 평균 2.
- 수행하였다. 조사지역 퇴적물 평균 입도는 7.7(I)로 매우 세립하고, 유기탄소 함량은 2.4%로 매우 높게 나타났다
- 5 mg/L로 매우 높은 것을 알 수 있다. 조사지역의 퇴적물 내 금속의 함량은 평균 Al(7%), Fe(4%), Cr(106 ug/g), Cu (48 pg/g), Zn(164 ug/g), Cd(0.75 ug/g), Pb(38 ug/g)의 값을 보였다(Table 3). Al, Fe의 경우, 일반 호소퇴적물과 유사한 값을 보였으며, Cd, Cu, Zn, Pb 등 친유기성 금속 등은 높은 값을 보였다.
후속연구
- 복합층으로 capping을 한 granule-Gypsum + sand(l cm) 의 경우, 인 용출 저감뿐만 아니라, SO42' 농도가 powder-Gypsum 이나 granule-Gypsum 보다 반 정도 적은 550 mg/L로 나타났다. 본 소재 적용은 오염이 심각한 정체수역 퇴적물에 국한적으로 적용 가능하므로 희석 등을 고려한다면 상수원보호구역(먹는 물 수질 기준, SO42': 200 mg/L)에 충분히 적용 가능할 것으로 보인다.
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