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문제 정의
- 본 연구에서는 0.1 N HCl 용출법, 왕수추출법(Aqua regia), 5단계 연속추출법(5-step sequential extraction)을 사용하여 추출된 중금속 농도의 분석과 함께 생물학적 이용성을 가지는 중금속 농도를 비교해 보았다. (구)장항제련소 부지에서 현행 토양오염 공정시험기준인 왕수추출법으로 식물로의 전이가 가능한 중금속 형태 모두를 추출할 수 있었다.
제안 방법
- (구)장항제련소 부지 토양의 이화학적 특성을 알아보기 위해서 시료 채취 지점 중 대표 지점을 선정하여 표토와 중간토 시료를 가지고 토성, pH, 전기전도도, 함수율, 비중, 입도분석, 유기물 함량 등의 7개 항목에 대해 물성조사를 실시하였다. 전기전도도와 pH 분석은 토양오염 공정시험법을 따랐으며, 토성은 미국 농무성(USDA)법에 의거하여 분류하였고, 함수율, 비중, 입도분석은 각각 KS F2306, KS F2308, KS F2302의 방법으로 분석하고, 유기물 함량은 Walkley-Black법(Walkle and Black, 1934)을 사용하였다.
- (구)장항제련소 주변지역의 중금속 오염형태 및 범위를 파악하고자 토양 시료 채취 지점의 중금속(i.e., 구리, 카드뮴, 납, 비소) 함량을 0.1 N HCl 용출법(2010년 개정전 토양오염 공정시험기준)과 왕수추출법(2010년 개정 토양오염 공정시험기준) 그리고 5단계 연속추출법(Tessier et al., 1979)을 이용하여 분석하였고, Fig. 2에 각각 추출방법에 따른 중금속 농도를 표토와 중간토로 나누어 각각 도시하였다. 중금속의 종류와 상관없이 5단계 연속추출법으로 가장 많은 중금속을 추출할 수 있었고, 왕수추출법, 0.
- , 1979) 을 사용하였다. 0.1 N HCl 용출법에 의한 중금속 추출은 건조토양 10 g에 0.1 N HCl 50 mL를 가하여 1시간 동안 진탕한 부유액을 화학분석용으로 준비하였으며(환경부, 2001; 오창환 외, 2003), 왕수를 이용한 추출은 0.5 g의 건조토양에 HCl 1.8 mL와 HNO3 0.6 mL를 넣어 70oC에서 한 시간 용출한 용액을(정명채 외, 1998; Ure, 1990) 화학분석용으로 준비하여 유도결합 플라즈마 분광분석기(ICP-AES)를 이용하여 분석하였다. 5단계 연속추출법은 토양 내 중금속의 존재형태를 분석하기 위한 것으로 Tessier et al.
- 5단계 연속추출법에 의해 분류된 중금속의 존재형태 중 어떤 fraction까지가 왕수법에 의해 추출이 가능한지 알아보기 위해서, 왕수추출법에 의해 추출된 중금속 농도에 대해 5단계 연속추출법에 의해 추출된 농도 중 fraction 1부터 4에 해당하는 농도(검은색 점)와 fraction 1부터 5까지의 총 농도(흰색 점)를 각각 나타내 비교해 보았다(Fig. 4). 그림에서 검은색, 흰색 점들은 각 시료를 의미하며, 실선 위의 점은 왕수추출법에 의한 농도와 5단계 연속추출법에 의해 추출된 농도가 같아지는 시료를 의미한다.
- 본 연구를 위해 (구)장항제련소 굴뚝을 기준으로 반경 2 km 내 토양을 표토(표면 ~30 cm)와 중간토(30~60 cm)로 구분하여 각각 53, 22개 지점에서 토양 시료를 채취하였다. 각 지점에서 핸드 오거와 삽을 사용하여 5 kg의 토양을 채취하였고, 채취 지점을 GPS를 사용하여 좌표로 표기하였다(환경부, 2009).
- 한편, 2010년 중금속에 대한 토양오염 공정시험기준이 왕수추출법으로 개정되면서 토양환경보전법에 명시된 중금속에 대한 토양오염 우려기준과 대책기준 역시 개정되었다. 따라서 (구)장항제련소 주변 토양의 왕수추출법 결과와 토양오염 우려기준과 대책기준을 비교하여 대상 부지의 중금속 오염특성을 살펴보았다. 시료 채취 지점이 대부분 전, 답 등에 속하고 가장 보수적인 결과 분석을 위해 ‘1지역’에 해당하는 토양오염 우려기준과 대책기준을 사용하였고, 조사 지점 중 ‘1지역’의 우려기준과 대책기준을 초과한 지점을 알아보았다.
- , 2009). 본 연구에서는 (구)장항제련소 주변 토양을 대상으로 여러 가지 추출법을 사용하여 중금속(i.e., 구리, 카드뮴, 납, 비소)의 오염 특성을 파악하고, 특히 이러한 추출법의 생물학적 이용성 반영 정도를 식물체로의 전이 가능량과 비교, 평가하였다.
- 시료 채취 지점이 대부분 전, 답 등에 속하고 가장 보수적인 결과 분석을 위해 ‘1지역’에 해당하는 토양오염 우려기준과 대책기준을 사용하였고, 조사 지점 중 ‘1지역’의 우려기준과 대책기준을 초과한 지점을 알아보았다.
- 토양 시료 채취 시 표시한 GPS 좌표를 바탕으로 왕수추출법으로 추출된 중금속의 농도와 fraction 1과 2의 합으로 표현되는 식물 전이 가능성을 가지는 중금속 농도 를 가시적으로 비교해 보기 위해 각각을 Surfer 8.0®(Golden Software, Colorado, USA)을 사용하여 등고선 지도(contour map)로 표현해 보았다(Fig. 5).
대상 데이터
- 본 연구 대상지역인 (구)장항제련소는 충청남도 서천군 장항읍에 위치하며, 1936년 이후 오랜 제련활동으로 인해 주변 토양에 구리, 납, 카드뮴, 비소 등의 오염이 심각한 것으로 알려져 있다(Fig. 1). 현재 (구)장항제련소의 제련활동은 중지된 상태이지만, 정밀조사 대상 지역에만 약 2,700여 명이 거주하고 있고, 부지 총 면적의 41%가 농경지로 사용되고 있는 등 주변 토양의 이용도가 높은 편이다.
- 본 연구를 위해 (구)장항제련소 굴뚝을 기준으로 반경 2 km 내 토양을 표토(표면 ~30 cm)와 중간토(30~60 cm)로 구분하여 각각 53, 22개 지점에서 토양 시료를 채취하였다. 각 지점에서 핸드 오거와 삽을 사용하여 5 kg의 토양을 채취하였고, 채취 지점을 GPS를 사용하여 좌표로 표기하였다(환경부, 2009).
이론/모형
- 5단계 연속추출법은 토양 내 중금속의 존재형태를 분석하기 위한 것으로 Tessier et al.(1979)에 의해 고안된 방법을 사용하였다(Table 1).
- (구)장항제련소 부지의 토양 시료를 채취한 각 지점의 중금속 함량을 조사하기 위해 구리, 카드뮴, 납, 비소에 대하여 0.1 N HCl 용출법(2010년 개정 전 토양오염 공정시험기준)과 왕수추출법(2010년 개정 토양오염 공정시험기준) 그리고 5단계 연속추출법(Tessier et al., 1979) 을 사용하였다. 0.
- (구)장항제련소 부지 토양의 이화학적 특성을 알아보기 위해서 시료 채취 지점 중 대표 지점을 선정하여 표토와 중간토 시료를 가지고 토성, pH, 전기전도도, 함수율, 비중, 입도분석, 유기물 함량 등의 7개 항목에 대해 물성조사를 실시하였다. 전기전도도와 pH 분석은 토양오염 공정시험법을 따랐으며, 토성은 미국 농무성(USDA)법에 의거하여 분류하였고, 함수율, 비중, 입도분석은 각각 KS F2306, KS F2308, KS F2302의 방법으로 분석하고, 유기물 함량은 Walkley-Black법(Walkle and Black, 1934)을 사용하였다. 물성조사 분석 결과, 시료 채취 지점의 토성이 답은 대부분 sandy loam으로 나타났으며 전, 임야, 대지의 대부분이 sand로 분포하였다.
성능/효과
- 1 N HCl 용출법, 왕수추출법(Aqua regia), 5단계 연속추출법(5-step sequential extraction)을 사용하여 추출된 중금속 농도의 분석과 함께 생물학적 이용성을 가지는 중금속 농도를 비교해 보았다. (구)장항제련소 부지에서 현행 토양오염 공정시험기준인 왕수추출법으로 식물로의 전이가 가능한 중금속 형태 모두를 추출할 수 있었다. 하지만 5단계 연속추출법에 의한 중금속 오염특성과 비교해 볼 때, 카드뮴과 비소의 경우 왕수추출법으로는 fraction 5에 해당하는 형태는 대부분 추출되지 않았으며, 특히 비소의 대부분은 fraction 5의 형태로 존재하여 이동가능성이 작을 뿐 아니라 생물학적 이용성도 매우 낮았다.
- 결론적으로, 0.1 N HCl 용출법은 카드뮴과 납의 경우 식물로 전이가 가능한 형태의 중금속 농도보다 낮은 농도를 추출하였으며(각 26, 90%에 해당), 반면 비소, 구리의 경우 0.1 N HCl에 의한 추출량이 fraction 1과 2의 합 보다 더 많았다(i.e., 비소는 fraction 3의 약 79%, 구리는 fraction 4의 20%까지 추출됨). 현행 토양오염 공정시험기준인 왕수추출법으로는 식물 전이 가능성을 가지는 중금속 형태(fraction 1과 2)에 해당하는 농도보다 훨씬 많은 양을 추출할 수 있었으며, 구리, 카드뮴, 납, 비소의 왕수추출량 중 각각 약 9, 40, 39, 10% 만이 식물로의 전이가 가능한 부분에 해당되었다.
- 동일한 현장 토양 시료를 0.1 N HCl 용출법, 왕수추출법(Aqua regia), 5단계 연속추출법(5-step sequential extraction)으로 중금속을 추출한 결과, 각 추출방법에 의해 추출된 중금속의 농도에 비교적 많은 차이가 있었다. 카드뮴의 경우, 5단계 연속추출법에 의한 오염도가 0.
- 또한 중금속 종류에 따른 추출량은 카드뮴이 0.1 N HCl 용출법과 왕수추출법 각각 평균 0.17(± 0.126) mg/kg, 1.60(± 0.94) mg/kg으로 가장 낮은 함량을 보였고, 그 다음으로 구리가 0.1 N HCl 용출법과 왕수추출법 각각 평균 14.0(± 10.36) mg/kg, 34.4(± 25.08) mg/kg으로 나타났으며, 납의 경우, 0.1N HCl 용출법으로 평균 19.7(± 17.85) mg/kg, 왕수추출법에 의해서는 평균 51.9(± 40.79) mg/kg이 추출되었다.
- 또한, 비소는 0.1 N HCl 용출법과 왕수추출법으로 각각 평균 11.3(± 5.85) mg/kg과 67.2(± 28.66) mg/kg이 추출되어 가장 고농도로 오염되어 있었다.
- 78%를 나타냈다. 또한, 지목은 표토의 경우, 가장 많은 32개 지점이 답으로 나타났으며 전, 임야, 대지 순으로 나타났다. 중간토의 경우에도 역시 답에 해당되는 지점이 14개 지점으로 가장 많았고, 전에 해당하는 지점이 5개, 3개의 지점이 임야로 사용되고 있었다(환경부, 2009).
- 전기전도도와 pH 분석은 토양오염 공정시험법을 따랐으며, 토성은 미국 농무성(USDA)법에 의거하여 분류하였고, 함수율, 비중, 입도분석은 각각 KS F2306, KS F2308, KS F2302의 방법으로 분석하고, 유기물 함량은 Walkley-Black법(Walkle and Black, 1934)을 사용하였다. 물성조사 분석 결과, 시료 채취 지점의 토성이 답은 대부분 sandy loam으로 나타났으며 전, 임야, 대지의 대부분이 sand로 분포하였다. 함수율은 답, 전, 임야에서는 5.
- 9%에 불과했고, 중간토의 경우에는 우려기준 초과지점은 없었다. 반면, 비소의 경우 표토에서 98.1%, 중간토에서 90.9%가 우려기준을 초과하는 것으로 나타났으며, 이 중 표토와 중간토에서 약 30%의 지점에서는 대책기준 역시 초과하여 (구)장항제련소 주변 토양의 비소의 오염이 심각한 것으로 나타났다. 구리, 카드뮴, 납의 경우 오염농도가 현행 대책기준보다 현저히 낮아 그림에 표시하지 않았다.
- 2에 각각 추출방법에 따른 중금속 농도를 표토와 중간토로 나누어 각각 도시하였다. 중금속의 종류와 상관없이 5단계 연속추출법으로 가장 많은 중금속을 추출할 수 있었고, 왕수추출법, 0.1 N HCl 용출법 순으로 나타났다. 또한 중금속 종류에 따른 추출량은 카드뮴이 0.
- 토양의 비중은 1.94~2.82로 나타났으며, 평균 2.6(± 0.18)로 나타났고, 표토보다 중간토의 비중이 더 큰 것으로 나타났다.
- (구)장항제련소 부지에서 현행 토양오염 공정시험기준인 왕수추출법으로 식물로의 전이가 가능한 중금속 형태 모두를 추출할 수 있었다. 하지만 5단계 연속추출법에 의한 중금속 오염특성과 비교해 볼 때, 카드뮴과 비소의 경우 왕수추출법으로는 fraction 5에 해당하는 형태는 대부분 추출되지 않았으며, 특히 비소의 대부분은 fraction 5의 형태로 존재하여 이동가능성이 작을 뿐 아니라 생물학적 이용성도 매우 낮았다. 다시 말해, 추출방법에 따라 추출되는 중금속농도가 다르며, 중금속의 존재형태에 따라 생물학적 이용성이 달라지므로 이는 대상 부지 정화 수준과 방법의 결정에 있어서 중요한 요소로 작용하며 반드시 고려되어야 한다.
- , 비소는 fraction 3의 약 79%, 구리는 fraction 4의 20%까지 추출됨). 현행 토양오염 공정시험기준인 왕수추출법으로는 식물 전이 가능성을 가지는 중금속 형태(fraction 1과 2)에 해당하는 농도보다 훨씬 많은 양을 추출할 수 있었으며, 구리, 카드뮴, 납, 비소의 왕수추출량 중 각각 약 9, 40, 39, 10% 만이 식물로의 전이가 가능한 부분에 해당되었다. (구)장항제련소 부지의 비소 오염으로 한정할 경우, 왕수추출법으로는 5단계 연속추출법의 fraction 5에 해당하는 비소는 추출되지 않았다.
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