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구연산/칼슘/인산염 용액을 이용한 토양 중금속 안정화: 토양 미생물이 미치는 영향
Stabilization of Heavy Metals using Ca-Citrate-Phosphate Solution: Effect of Soil Microorganisms 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.31 no.4, 2009년, pp.241 - 248  

송호철 (한국지질자원연구원) ,  송두섭 (충북대학교 지구환경과학과) ,  조동완 (연세대학교 환경공학부) ,  박성원 (한국지질자원연구원) ,  최상훈 (충북대학교 지구환경과학과) ,  전병훈 (연세대학교 환경공학부) ,  이장호 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  박준홍 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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거풍광산 주변 밭의 오염된 중금속을 토양오염공정시험법과 TCLP를 이용하여 분석한 결과 비소, 납, 카드뮴, 구리, 아연과 같은 중금속의 농도가 전국 토양 평균치를 초과하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 중금속 오염된 토양의 안정화를 위해서 구연산칼슘인산염 용액을 이용하는 방안에 대한 기초연구를 실험실 조건과 현장 조건에서 수행하였다. 실험실 조건에서 구연산칼슘인산염 용액을 투여한 실험 결과, 고압멸균처리한 반응조에 비해 토착미생물 군집이 존재하는 반응조에서 용존 인산염의 농도가 현격히 감소하였으며, 중금속 안정화율도 높다는 것을 확인하였다. 현장 실험에서도 구연산칼슘인산염 용액 투여가 용존 인산염 감소와 중금속 안정화 결과를 가져왔다. 이는 미생물의 인산염 사용이 중금속 안정화 향상에 도움이 되었음을 의미한다. 현장 실험에서 미생물군집을 분석한 결과, 구연산칼슘인산염 용액 투여로 다양성이 증대되었으며, Anaerofilum과 Treponema 같은 혐기성 미생물 개체가 우점종으로 발현되는 결과를 얻었다. 이러한 결과들을 살펴볼 때, 구연산칼슘인산염의 투여로 인한 토착미생물 신진대사 활성화를 통해서 토양 내 혐기성 환원 조건을 제공하거나 토양미생물이 인산염을 중금속 안정화에 이용되기 쉽게 도와주는 미지의 기작을 통해서 해당 현장의 중금속 안정화에 기여한 것으로 해석된다.

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A farming area located near an abandoned copper mine in GuPo-ri, Choongchung province is heavily contaminated with heavy metals such as As, Pb, Cd, Cu and Zn of which concentrations are higher than the values typically detected in Korean soil environment. In this work, laboratory and field studies w...

주제어

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문제 정의

  • 본 공정의 특징은 기존에 사용되고 있는 액상 인산염 용액과 달리 상대적으로 깊이 존재하는 오염토양까지 정화할 수 있고, 복합적인 화학반응으로 중금속의 안정화를 극대화 할 수 있으며, 광범위한 토양오염 지역에 적용할 수 있다는데 있다.1,7) 본 연구는 폐광산 주변의 오염토양을 이용한 실내실험과 현장실험을 통하여 하이드록시 아파타이트의 생성에 의한 중금속 안정화의 전체적인 효율성을 고찰하고 안정화 과정에서 토양 미생물이 미치는 영향에 대한 기초 연구에 그 목적이 있다.
  • 거풍지역의 오염된 토양내에 존재하는 중금속의 안정화를 위하여, 친환경 반응 매질인 구연산칼슘인산염 용액을 중금속으로 오염된 토양에 적용 시 토양미생물이 미치는 영향에 대해서 실험실 및 현장 조건의 실험을 본 연구에서 수행하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.
  • 본 연구에서 사용한 멸균방법에 의한 물리화학적 영향이 상기에 결론에 미칠 가능성에 대해서도 아래에서 고찰하여 보았다. 본 연구에서 사용한 고온가압(121℃, 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재까지 토양세척법의 한계는 무엇인가? 오염된 토양 내 중금속 정화를 위해 많은 연구가 진행되고 있으나, 토양 내 중금속 성분은 화학적으로 분해되지 않는 특성 때문에 효과적인 처리기술이 제시되지 않고 있다. 토양세척법(Soil Washing)은 중금속 정화에 비교적 효과적이나 비용이 높은 문제점을 가지고 있으며, 광범위한 오염부지에 적용할 수 없다는 단점이 있다. 현장에서 세정액을 주입하여 중금속을 제거하는 토양세정법(Soil Flushing)은 중금속 제거에 효과적이나 중금속을 함유하는 침출액을 처리해야하는 2차적 공정이 필요한 단점이 있다.
현재까지 토양세정법의 장점 및 한계는 무엇인가? 토양세척법(Soil Washing)은 중금속 정화에 비교적 효과적이나 비용이 높은 문제점을 가지고 있으며, 광범위한 오염부지에 적용할 수 없다는 단점이 있다. 현장에서 세정액을 주입하여 중금속을 제거하는 토양세정법(Soil Flushing)은 중금속 제거에 효과적이나 중금속을 함유하는 침출액을 처리해야하는 2차적 공정이 필요한 단점이 있다. 최근 대두되고 있는 동전기법(Electrokinetic Remediation) 및 식물정화법(Phytoremediation) 등은 기술의 현장적용에 있어서 그 효율성이 아직 입증되지 않은 상태이다.
거풍지역의 오염된 토양내에 존재하는 중금속의 안정화를 위하여, 친환경 반응 매질인 구연산칼슘인산염 용액을 중금속으로 오염된 토양에 적용 시 토양미생물이 미치는 영향에 대한 연구 결과는 어떠한가? 1) 본 연구의 실험실 결과, 용존 인산염 농도가 낮은 경우인 비멸균된 토양시료에서 중금속 안정화가 더 진행되었다. 이는 토양미생물이 아파타이트 생성을 통한 중금속 고정화에 영향을 준다는 것을 보여주는 결과이다. 미생물은 아파타이트 생성을 통한 중금속 고정화 및 공침에 순기능적이며, 직접적인 효과를 제공할 수도 있다. 또한, 기질인 구연산을 이용하여 신진대사를 하는 호기성 미생물에 의한 산소 소모가 토양환경을 혐기성 환원 환경으로 조성하여 중금속이 안정화되기 쉬운 화학적 형태로 전이하였을 가능성도 있다. 2) 심도별로 큰 차이 없이 중금속 농도가 감소하는 경향을 보인 현장 실험 결과를 통해 구연산칼슘인산염 용액은 천부에서 심부(∼30 cm)까지 중금속 안정화에 효과가 있다는 것을 확인하였다. 3) 현장실험에서 구연산칼슘인산염 용액을 투여한 토양시료내 미생물 군집을 분석한 결과 종의 다양성이 증대되었고, Anaerofilum이나 Treponema과 같은 절대 혐기성 미생물 개체들이 성장할 수 있는 환원적 혐기성 조건이 조성되었음을 알 수 있었다. 이러한 환원조건에서 중금속이 안정화되기 쉬운 화학적 형태로 전환되었을 것으로 판단된다. 4) 상기의 실험실 조건과 현장조건에서 도출된 결과에 의하면 구연산칼슘인산염 용액을 중금속으로 오염된 토양에 적용하는 경우, 토양미생물이 중금속 안정화에 순기능적인 영향을 주는 것으로 사료된다.
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참고문헌 (18)

  1. 이의상, 장영천, 이상봉, “중금속 오염토양에 대한 액상인산염 복원기술의 적용성 평가,” 한국폐기물학회지, 21(7), 677-683(2004) 

  2. Fernane, F., Mecherri, O. M., Sharrock, P., Hadioui, M., Lounici, H., and Fedoroff, M., “Sorption of cadmium and copper ions on natural and synthetic hydroxylapatite particles,” Mater Charact., 59(5), 554-559(2008) 

  3. Moore, R. C. and Sanchez, C., “Formation of hydroxyapatite in soil using calcium citrate and sodium phosphate for control of strontium migration,” Radiochim. Acta, 92(9-11), 719-723(2004) 

  4. Ma, Q. Y., Traina, S. J., Logan, T. J., and Ryan, J. A., “In situ lead immobilization by apatite,” Environ. Sci. Technol., 27(9), 1803-1810(1993) 

  5. Xu, Y. and Schwartz, F. W., “Lead immobilization by hydroxyapatite in aqueous solutions,” J. Contam. Hydrol., 15(3), 187-206(1994) 

  6. Xu, Y., Schwartz, F. W., and Traina, S. J., “Sorption of $Zn^{2+}$ and $Cd^{2+}$ on hydroxyapatite surface,” Environ. Sci. Technol., 28(8), 1472-1480(1994) 

  7. 강정후, 최태범, 선용호, 장윤영, “Phosphate를 이용한 중금속 오염토양의 안정화,” 대한환경공학회지, 25(5), 554(2003) 

  8. Andrew, V. O., Mark, L. M., James, B. H., Jeffrey, B., and Charles, A. P., “Effect of DNA polymer length on its Adsorption to soils,” Appl. Environ. Microbiol., 60(2), 393-396(1994) 

  9. Khanna, M. and Stotzky, G., “Transformation of Bacillus subtilis by DNA bound on montmorillonite and effect of DNase on the transforming ability of bound DNA,” Appl. Environ. Microbiol., 58(6), 1930-1939(1992) 

  10. Genc-fuhrman, H., Bregnhoj, H., McConchie, D., “Arsenate removal from water using sand-red mud columns,” Water Res., 39(13), 2944-2954(2005) 

  11. Bertocchi, A. F., Ghiani, M., Peretti, R., Zucca, A., “Red mud and fly ash for remediation of mine sites contaminated with As, Cd, Cu, Pb and Zn,” J. Hazard. Mater., 134(1-3), 112-119(2006) 

  12. 환경부, 토양오염공정 시험방법(환경부고시 제 2002-122호), 2002 

  13. U.S Environmental Protection Agency Home Page, http://www.epa.gov/sw-846 /pdfs/1311(1992) 

  14. 기동원, 박준홍, 이재진, 노백호, “현장 측정된 토양미생물 종 다양성과 생태자연도 등급 자료 간의 통계적 상관관계 평가와 토양생태의 질 산정방안 제안,” 대한토목학회논문집, 27(6B), 703-710(2007) 

  15. 환경부, 2007년 토양측정망 및 실태조사 결과, http://www.me.go.kr/depart/dev/info_menu_dept.jsp?depart_code0063(2007) 

  16. 환경부, 토양환경보전법 시행규칙 별표3 토양오염우려기준 

  17. Dupont, D. P., Duhamel, G. E., Carlson, M. P., and Mathiesen, M. R., “Effect of divalent cations on hemolysin synthesis by Serpulina (Treponema) hyodysenteriae: inhibition induced by zinc and copper,” Vet. Microbiol., 41(1-2), 63-73(1994) 

  18. Zellner, G., Stackebrandt, E., Nagel, D., Messner, P., Weiss, N., and Winter, J., “Anaerofilum pentosovorans gen. nov., sp. nov., and Anaerofilum agile sp. nov., two new, strictly anaerobic, mesophilic, acidogenic bacteria from anaerobic bioreactors,” Int. J. Syst. Bacteriol., 46(4), 871-875(1996) 

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