심부 탄산수의 유업에 의한 울산시 삼동면 지하수의 높은 페리하이드라이트 탁도 High Ferrihydrite Turbidity in Groundwater of Samdong-Myeon (Ulsan) by Carbonate-Water Inflow of Deep Origin원문보기
울산시에 삼동면에 위치한 천부 관정 지하수들 중 일부는 탁도가 음용수 기준을 크게 초과한다. 광물학적 분석결과, 극미립 부유입자는 지름 $0.5\;{\mu}m$ 이하의 구상 페리하이드라이트(ferrihydrite), 페리하이드라이트로 교대된 나선형 철산화 박테리아 섬유, 그리고 이들의 집합체였다. 페리하이드라이트는 거의 비정질로서 2개의 전자회절환만 관찰되었고, Si와 P가 함유되어 있었다. 나선형 철산화 박테리아는 지하수의 용존 $Fe^{2+}$의 산화뿐만 아니라 페리하이드라이트의 침전 장소를 제공하였다. 주변의 보통 지하수와 비교하여 pH와 Eh가 낮고, Ca 함량과 알칼리도가 높아서 한국 탄산약수의 일반적 수질 특정과 잘 부합되어, 용존철이 풍부한 심부 기원 탄산수의 유입이 추정된다. 따라서 높은 페리하이드라이트 탁도는 pH, Eh, 알칼리도 등의 수질인자와 함께 천부 지하수 관정을 이용한 심부 기원 탄산지하수 추적의 지시자로 활용될 가능성이 있다.
울산시에 삼동면에 위치한 천부 관정 지하수들 중 일부는 탁도가 음용수 기준을 크게 초과한다. 광물학적 분석결과, 극미립 부유입자는 지름 $0.5\;{\mu}m$ 이하의 구상 페리하이드라이트(ferrihydrite), 페리하이드라이트로 교대된 나선형 철산화 박테리아 섬유, 그리고 이들의 집합체였다. 페리하이드라이트는 거의 비정질로서 2개의 전자회절환만 관찰되었고, Si와 P가 함유되어 있었다. 나선형 철산화 박테리아는 지하수의 용존 $Fe^{2+}$의 산화뿐만 아니라 페리하이드라이트의 침전 장소를 제공하였다. 주변의 보통 지하수와 비교하여 pH와 Eh가 낮고, Ca 함량과 알칼리도가 높아서 한국 탄산약수의 일반적 수질 특정과 잘 부합되어, 용존철이 풍부한 심부 기원 탄산수의 유입이 추정된다. 따라서 높은 페리하이드라이트 탁도는 pH, Eh, 알칼리도 등의 수질인자와 함께 천부 지하수 관정을 이용한 심부 기원 탄산지하수 추적의 지시자로 활용될 가능성이 있다.
The turbidity in several wells of Samdong-myeon, Ulsan, exceeded potable groundwater standard (1 NTU). Mineralogical analysis showed that the fine suspended particles are ferrihydrite spheres with a size of less than $0.5\;{\mu}m$ and helical iron-oxidizing bacterial filaments, and their ...
The turbidity in several wells of Samdong-myeon, Ulsan, exceeded potable groundwater standard (1 NTU). Mineralogical analysis showed that the fine suspended particles are ferrihydrite spheres with a size of less than $0.5\;{\mu}m$ and helical iron-oxidizing bacterial filaments, and their aggregates. Ferrihydrite was almost amorphous only showing two electron diffraction rings, and contained Si and P. Helical bacterial filaments were almost replaced by ferrihydrite. The helical bacteria have played an important role in the ferrihydrite formation by becoming the loci for ferrihydrite precipitation as well as oxidizing ferrous iron. The physicochemical conditions of low pH, low redox potential, high Ca concentration, and high alkalinity are consistent with the hydrogeochemical characteristics of carbonate groundwater, implicating that the inflow of deep ferriferous carbonate groundwater and its oxidation have caused the ferrihydrite turbidity in several wells of the study area.
The turbidity in several wells of Samdong-myeon, Ulsan, exceeded potable groundwater standard (1 NTU). Mineralogical analysis showed that the fine suspended particles are ferrihydrite spheres with a size of less than $0.5\;{\mu}m$ and helical iron-oxidizing bacterial filaments, and their aggregates. Ferrihydrite was almost amorphous only showing two electron diffraction rings, and contained Si and P. Helical bacterial filaments were almost replaced by ferrihydrite. The helical bacteria have played an important role in the ferrihydrite formation by becoming the loci for ferrihydrite precipitation as well as oxidizing ferrous iron. The physicochemical conditions of low pH, low redox potential, high Ca concentration, and high alkalinity are consistent with the hydrogeochemical characteristics of carbonate groundwater, implicating that the inflow of deep ferriferous carbonate groundwater and its oxidation have caused the ferrihydrite turbidity in several wells of the study area.
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문제 정의
본 연구에서는 경남 울산시 삼동면 작동리 126-5 (E35° 30, 48", N129° 11' 09，)에 위치한 답작용 농 업 관정(번호 JDJ26-5)에서 높은 탁도가 나타나는 원인을 광물학적 및 수문지구화학적으로 고찰하였다. JD-126-5관정의 심도는 100 m이고 하루 100톤 정도 취수 가능하다.
울산시 삼동면의 지하수 관정들의 일부는 탁도가 매우 높아서 음용 수 수질기준을 초과한다. 광물학적 분석결과, 페리 하이드라이트가 고탁도의 주요 원인 중의 하나임이 밝혀졌고, 그 원인으로 심부기원 탄산수의 유입 가능성이 제기되어 보고한다.
본 연구에서는 울산시 삼동면 작동리 지역에서 높은 탁도를 보이는 지하수의 성인에 대하여 고찰 하였다. 광물학적 연구를 통하여 탁도의 원인은 페 리하이드라이트의 침전에 의한 것으로 확인되었으 며, 지하수 수질자료는 철이 풍부한 탄산수가 심부 에서 천증부로 상승하면서 산소가 풍부한 천부지하수와 혼합되거나 관정으로 유입되어 산화된 결과로 높은 탁도가 발생되었음을 강하게 지시하였다.
가설 설정
EDS pattern shows a strong Fe peaks with weak Si, P, and Ca peaks, (c) The bacterial filament consisting of globular ferrihydrites. (d) Ferrihydrite spheres with no internal structures.
제안 방법
TEM 용 그리드를 바이알 내의 분산액에 조심스럽게 3~ 4차례 적신 후, 여지에 놓고 건조하여 TEM 분석용 시편을 준비하였다. 200 kV에서 작동하는 JEOL JEM 2010 장비를 이용하여 입자형태를 관찰하였으며, Oxford EDS 분석기로 개별 입자의 화학조성 을 분석하였다.
산화철부유물의 기원을 규명하기 위하여 탁도가 높은 관정의 알칼리도가 높은 점에 주목하였으며, 각 수질항목들과 알칼리도와의 관계를 고찰하였다 （그림 5）. JD-126-5관정의 알칼리도는 17.
해부칼로 조심스럽게 여지 표 면으로부터 긁어 낸 시료를 유리판 위에 적당한 크 기로 펼친 후, 초순수를 가하고 바늘로 휘저어 균 질화하였고, 상온에서 건조하여 X선회절분석(XRD) 용 시편을 준비하였다. 시추코어 암석 시료를 아게 이트 유발에서 분말화한 후, XRD 분석을 시행하였다. XRD 분석은 단색화 장치가 부착된 Rigaku DMAX-2000 장비를 이용하였으며, 40 kV와 30 mA 조건에서 발생한 Cu Ka선을 이용하였다.
SEM 관찰과 함께 에너지분산X선분광(EDS)기로 광물입 자의 화학조성을 정성분석하였다. 투과전자현미경 (TEM)분석을 위하여, 작은 크기로 자른 필터 조각 들을 유리 바이알에 넣고, 초순수를 가한 후에 초 음파로 5분간 처리하여 입자들을 분산시켰다. TEM 용 그리드를 바이알 내의 분산액에 조심스럽게 3~ 4차례 적신 후, 여지에 놓고 건조하여 TEM 분석용 시편을 준비하였다.
물 시료 1 L를 셀룰로스 여지에 여과하여 부유 물질을 분리하였다. 해부칼로 조심스럽게 여지 표 면으로부터 긁어 낸 시료를 유리판 위에 적당한 크 기로 펼친 후, 초순수를 가하고 바늘로 휘저어 균 질화하였고, 상온에서 건조하여 X선회절분석(XRD) 용 시편을 준비하였다. 시추코어 암석 시료를 아게 이트 유발에서 분말화한 후, XRD 분석을 시행하였다.
대상 데이터
투과전자현미경 (TEM)분석을 위하여, 작은 크기로 자른 필터 조각 들을 유리 바이알에 넣고, 초순수를 가한 후에 초 음파로 5분간 처리하여 입자들을 분산시켰다. TEM 용 그리드를 바이알 내의 분산액에 조심스럽게 3~ 4차례 적신 후, 여지에 놓고 건조하여 TEM 분석용 시편을 준비하였다. 200 kV에서 작동하는 JEOL JEM 2010 장비를 이용하여 입자형태를 관찰하였으며, Oxford EDS 분석기로 개별 입자의 화학조성 을 분석하였다.
지하수 수질 관측망 자료에 의하면, 당 관정은 관측을 시작한 이래 지속적으로 탁도에 대한 먹는물 기준치 (1 NTU)를 10배 이상 초과하는 것으로 나타났다. 본 연구를 위하여 2009년 6월에 JD-126-5관정 및 인근 관정에 대한 수질조사를 수행하였다(그림 1). 조사대상관정은 심도가 확인된 관정을 대상으로 볼 때 모두 100 m 이상으로 암반관정에 해당한다.
이론/모형
조사대상관정은 심도가 확인된 관정을 대상으로 볼 때 모두 100 m 이상으로 암반관정에 해당한다. 지 하수 시료채취 및 분석은 표준방법 및 수질오염공 정시험법을 따랐다. 현장 수질 및 주요이온 분석결과는 표 1과 같다.
성능/효과
현장 수질 및 주요이온 분석결과는 표 1과 같다. JD-126-5관정 지하수는 24.3 NTU의 탁도를 보여 가장 높았으며, 다른 어떤 조 사관정보다 낮은 pH, ORP, DO값과 가장 높은 EC, 알칼리도(alkalinity), Ca농도를 보였다. JD-126-5관 정을 제외한 조사관정 11개 중 먹는물 기준치를 초 과한 관정은 8개로, 관찰된 탁도값은 0.
여지의 SEM 관찰결과, 부유물질은 주로 수십 网 길이의 섬유상 입자들이여, 여기에 1 gm 이하의 구상 입 자 집합체들이 붙어 있다（그림 2）. TEM 관찰 결과, 부유물질들은 마치 DNA처럼 나선형 （helical）으로 꼬인 단일 섬유 또는 섬유쌍과 여기에 붙어 있는 0.5 μm 이하 크기의 구상 입자의 집합체들이었다 （그림 3a, 3b）. 그러나 고배율에서 관찰하면 나선형 섬유도 구상 또는 반구상 영역들로 구성되어 있다.
, 2008）, 조사대상 관정들은 모두 심도 100 m 이상으로 유기물 함량이 거의 없는 사 암대수층에 설치되어 있어, 연구지역의 지하수와는 상관이 없는 것으로 판단된다. 아울러, 용존유기물 의 양을 지시하는 과망산산칼륨 소비량도 1개 관정 에서만 유효한 값으로 검출되었으며, 탁도와는 상 관이 없었다. 시추 코어의 XRD 분석에 의하면 작 동 지역 경상계 퇴적암은 주로 석영, 사장석, 녹니 석, 일라이트（견운모）, 방해석으로 구성되어 있으며, SEM-BSE 관찰에 의하면 석영, 사장석, 암편 사이를 녹니석과 일라이트（견운모） 등의 점토광물 과 방해석이 충전한 장석질 사암 또는 실트암이다 （그림 4）.
연구지역 지하수의 알칼리도는 탁도, EC, Ca, Mg, Na, K, pCOz (log CO2 분압) 등의 값이 높고, pH, ORP, NCg가 낮을수록 낮은 값을 보였다(그림 5). 알칼리도와 탁도가 높은 지하수가 낮은 NO-값을 보인 것은 오랜 기간 대수층에 체류하여 물-광 물반응을 거쳤음을 다시 확인시켜준다.
이와 같은 정보를 종합할 때, JDT26-5관정의 높은 산화철 부유물질농도는 용존 철의 농도가 높은 지하수가 깊은 곳에서 상승하면서 산소가 풍부한 천부지하수와 혼합되면서 용존 철이 산화, 침전되어 나타난 현상으로 판단된다. 연구지역의 고탁도 지하수가 일반적인 탄산지 하수보다 높은 pH값(JD126-5의 경우 6.
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