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문제 정의
- 본 연구에서는 장항제련소 주변 지역을 대상으로 주 오염물질인 비소의 토양오염공정시험기준 개정에 따른 개정 전과 후의 토양오염분포도 변화를 확인하여 정화대상지역을 선정한 다음에 비소의 종분석을 통하여 토양세척기법의 종류를 결정하고, 시간과 비용효율적인 측면을 고려한 최소한의 토양특성분석을 실시하여 비소오염토양에 대한 토양세척공법 적용시 처리효율을 예측하고자 한다(Fig. 2).
제안 방법
- 1, 2위, 3, 4위 및 5, 6위로 평가된 지역을 각각 Effective zone, Limited zone과 Difficult zone으로 구분하여 대상지역 도면에 표시하여 최종적으로 토양세척 처리효율 예측지도를 작성하였다(Fig. 11).
- Step1~4에서 결정된 정화대상 오염토양 분포 범위, 토양세척 처리기법 및 토양특성별 처리효율을 종합하여 최종적으로 대상부지내 9개 지역에 대하여 처리효율이 높은 순서로 순위를 선정하고 대상부지 지도에 예측되는 처리 효율별 범위를 표시하였다.
- Tessier의 연속추출방법에 의해 준비된 단계별 시료는 수소화물생성장치가 설치된 ICP-AES(Genesis, SPECTRO Co.)로 분석하였다. 분석된 결과를 통하여 토양내 비소의주 존재형태에 따라 토양세척처리기법을 결정하였다.
- 각 항목별 시험결과와 토양세척처리효율과의 상관관계를 해석하여“Effective”, “Limited”, “Difficult”의 세 등급으로 처리효율을 구분하였다.
- 개정 전과 후의 토양오염공정시험기준에 의해 분석된 비소농도를 개정 전과 후의 법적 기준인 토양환경보전법 별표 3의 토양오염도 기준에 적용하여 토양오염여부를 평가하였으며, Surfer를 이용하여 개정 전과 후의 심도별 오염분포지도를 작성하였다. 그 결과 개정 전과 후의 오염 분포도 모두 오염원으로 추정되는 제련소 굴뚝과 멀어질 수록, 표토에서 심토로 갈수록 오염도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
- 대상부지내 오염분포현황을 시각화하고자 비소 오염도 분석 데이터 및 시료채취 좌표 등의 데이터를 3D 그래픽 프로그램인 Surfer(Golden Software INC.)에 적용하여 개정 전과 후의 오염분포지도를 각각 작성하였다(Fig. 5).
- 토양의 물리화학적 특성분석은 토양입경분포, 함수율, 양이온교환용량, 수소이온농도에 대하여 수행하였으며, 항목별 시험기준은 Table 4와 같다. 도출된 시험결과와 토양세척 처리효율과의 상관관계를 해석하여 Effective, Limited, Difficult의 세 등급으로 처리효율을 구분하여 정리하였다.
- 마지막으로 화학적 특성인 토양의 수소이온농도(pH)를 측정하여 토양세척처리효율과의 관계를 해석하였다. 대상 부지내 토양의 수소이온농도의 측정결과 토양심도, 부지 용도 등과 관계없이 4.
- 본 연구에서는 장항제련소 주변 지역을 대상으로 주 오염물질인 비소의 토양오염공정시험기준 개정에 따른 개정 전과 후의 토양오염분포도 변화를 확인하여 정화대상지역을 선정하였으며, 최소한의 토양특성분석을 통해 비소오염토양에 대한 토양세척공법 적용시 처리효율 예측 방안을 도출하였다. 따라서 개정 전과 후의 토양오염공정시험 기준에 따라 토양 중 비소분석을 수행하여 장항제련소 주변 부지의 토양오염분포 변화를 비교한 결과 개정 후의 기준 적용시 오염분포면적이 심도에 따라 1.
- )로 분석하였다. 분석된 결과를 통하여 토양내 비소의주 존재형태에 따라 토양세척처리기법을 결정하였다.
- 토양시료채취계획은 크게 토양 중 비소의 농도 분석을 위한 계획과 비소의 종분석 및 물리화학적 특성분석을 위한 계획으로 이원화하여 수립하였다. 시료채취지점 및 지점별 지표하 채취 심도의 선정시 오염원으로 추정되는 장항제련소 굴뚝을 중심으로 굴뚝으로부터의 이격거리, 기존 정밀조사보고서상 오염분포도 및 전, 답, 임 등의 부지용도를 고려하였다. 이때 시료채취 심도는 1심도(0~0.
- 앞서 토양세척 처리기법과 토양의 네 가지 물리화학적 특성별 처리효율의 개연성을 종합하여 지역별, 영향반경별 토양세척 처리기법 적용시 처리효율을 예측하여 순위를 평가하였다. 비소의 종분석을 통하여 결정된 입경분리에 의한 토양세척기법 적용시 본 연구에서 분석된 토양의 네 가지 물리화학적 중에서 가장 중요한 영향인자는 토양 입경분포이며, 토양의 수소이온농도의 경우 토양중 비소가 세척수로 용출될 가능성이 없는 범위에 속하기 때문에 영향인자에서 제외하였다.
- 시료채취지점 및 지점별 지표하 채취 심도의 선정시 오염원으로 추정되는 장항제련소 굴뚝을 중심으로 굴뚝으로부터의 이격거리, 기존 정밀조사보고서상 오염분포도 및 전, 답, 임 등의 부지용도를 고려하였다. 이때 시료채취 심도는 1심도(0~0.3 m), 2심도(0.3~0.6 m), 3심도(0.6~1.0 m), 4심도(1.0~1.5 m)로써 총 4심도로 구분하여 굴뚝으로부터 이격거리에 따라 차등 적용하였다. 이러한 기준으로 결정된 토양 중 비소의 농도분석을 위한 시료채취 지점 및 시료의 수는 96지점, 299개이며(Fig.
- 토양 중 비소의 농도분석을 위한 전처리 방법은 2009년 9월 이전의 개정 전 토양오염공정시험기준과 개정 후 방법을 모두 적용하였다. 비소 분석용 전처리 시료는 개정 전 토양오염공정시험기준의 경우에는 풍건 토양을 2 mm 이하로 체가름(10 mesh)을 실시하여 10 g을 준비하고 1N HCl 용액 50 mL를 주입하여 30분간 항온수평진탕(진폭 10 cm, 100회/분, 30℃) 후 5B 여과지로 여과한 용액을 사용하였다.
- 토양시료채취계획은 크게 토양 중 비소의 농도 분석을 위한 계획과 비소의 종분석 및 물리화학적 특성분석을 위한 계획으로 이원화하여 수립하였다. 시료채취지점 및 지점별 지표하 채취 심도의 선정시 오염원으로 추정되는 장항제련소 굴뚝을 중심으로 굴뚝으로부터의 이격거리, 기존 정밀조사보고서상 오염분포도 및 전, 답, 임 등의 부지용도를 고려하였다.
- 토양의 물리화학적 특성분석은 토양입경분포, 함수율, 양이온교환용량, 수소이온농도로 4가지 인자에 대하여 수행하였으며, 본 항목들은 USEPA(1990)에서 제시된 토양 세척처리공법의 적용성 평가를 위한 오염토양 특성 인자 중에서 정량이 가능한 항목이면서 무기오염물과 관계된 항목을 선정한 것이다. 시험항목 선정시 유기오염물과 관계된 항목 및 저니, 해양토와 연관성이 큰 항목 등 부지 특성과 맞지 않는 항목은 배제하였다.
- 토양의 물리화학적 특성분석은 토양입경분포, 함수율, 양이온교환용량, 수소이온농도에 대하여 수행하였으며, 항목별 시험기준은 Table 4와 같다. 도출된 시험결과와 토양세척 처리효율과의 상관관계를 해석하여 Effective, Limited, Difficult의 세 등급으로 처리효율을 구분하여 정리하였다.
대상 데이터
- 5 m)로써 총 4심도로 구분하여 굴뚝으로부터 이격거리에 따라 차등 적용하였다. 이러한 기준으로 결정된 토양 중 비소의 농도분석을 위한 시료채취 지점 및 시료의 수는 96지점, 299개이며(Fig. 3), 비소의 종분석 및 물리화학적 특성분석을 위한 시료채취 지점 및 시료의 수는 9지점, 27개이다(Fig. 4). 이 때 비소의 종분석 및 물리화학적 특성분석을 위한 9개의 시료채취 지점에서 채취된 토양의 분석 결과는 Fig.
데이터처리
- 각 항목별 시험결과와 토양세척처리효율과의 상관관계를 해석하여“Effective”, “Limited”, “Difficult”의 세 등급으로 처리효율을 구분하였다. 시험된 4개 항목의 결과는 양이온교환 용량을 제외한 세 개 항목에 대하여 토양시료채취지점 별로 채취심도에 따른 결과 값이 경향성이나 차이점이 없었기 때문에 심도별 결과를 평균 내어 지점별 결과로 나타내었다. 첫 번째, 물리적 특성인자 중 토양입경분포 시험 결과 물리화학적 특성분석을 위해 9개 지역으로 구분된 대상부지내 토양은 세 그룹의 입경분포로 대별되었으며, 심도에 따른 차이점은 발견할 수 없었다(Fig.
이론/모형
- 비소의 종분석을 위한 단계별 용출절차는 풍건하여 0.175 mm 이하로 체가름(80 mesh)한 토양시료 1g을 대상으로 Tessier 등이 제시한 연속추출방법에 따라 수행하였다(Table 3).
성능/효과
- 개정 전과 후의 토양오염공정시험기준에 의해 분석된 비소농도를 개정 전과 후의 법적 기준인 토양환경보전법 별표 3의 토양오염도 기준에 적용하여 토양오염여부를 평가하였으며, Surfer를 이용하여 개정 전과 후의 심도별 오염분포지도를 작성하였다. 그 결과 개정 전과 후의 오염 분포도 모두 오염원으로 추정되는 제련소 굴뚝과 멀어질 수록, 표토에서 심토로 갈수록 오염도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 정밀조사보고서에서도 명시되었듯이 굴뚝으로부터 비산되는 오염물질에 의한 표층오염, 낙하거리에 따른 오염도 감소와 상관성이 있음을 보여준다.
- 마지막으로 화학적 특성인 토양의 수소이온농도(pH)를 측정하여 토양세척처리효율과의 관계를 해석하였다. 대상 부지내 토양의 수소이온농도의 측정결과 토양심도, 부지 용도 등과 관계없이 4.96~6.43의 범위를 나타내었다(Fig. 10). 대부분의 중금속은 중성이나 약알칼리성 토양보다 산성 토양에서 용해도가 커서 수용성의 농도가 높다.
- 대상부지에서 9개로 나눈 지역 중 “답”으로 이용되는 지역은 총 5지역(J001, J004, J006~8)이었으며, 본 지역의 경우 경작시 포화상태로 존재하기 때문에 토성과 관계없이 높은 함수율을 보일 것으로 예상됨에 따라 J006~008의 경우 40%에 가까운 높은 함수율을 보여 “Difficult” 등급으로 분류되었다.
- 대상지역을 9개 지역으로 나누어 각 지역에 대하여 심도별 토양의 물리화학적 특성 분석을 실시한 결과 토양입경 분포 > 함수율 > 양이온 교환용량 > 수소이온농도의 순으로 토양세척기법 적용성 판단시 영향력이 큰 순서를 나열할 수 있었다.
- 두 번째, 물리적 특성인자 중 토양 함수율(%) 시험결과는 Fig. 8과 같으며, 각 지역이 함수율은 심도에 따른 결과 지역별 함수율의 차이를 보였다. 앞서 제시된 토양입경분포 시험결과 “Effective” 등급으로 분류된 4지역 중 답(J004)을 제외한 나머지 지역의 경우 낮은 함수율을 보여 “Effective” 등급으로 분류되었으며, 토양입경과 함수율의 상관관계가 높음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 장항제련소 주변 지역을 대상으로 주 오염물질인 비소의 토양오염공정시험기준 개정에 따른 개정 전과 후의 토양오염분포도 변화를 확인하여 정화대상지역을 선정하였으며, 최소한의 토양특성분석을 통해 비소오염토양에 대한 토양세척공법 적용시 처리효율 예측 방안을 도출하였다. 따라서 개정 전과 후의 토양오염공정시험 기준에 따라 토양 중 비소분석을 수행하여 장항제련소 주변 부지의 토양오염분포 변화를 비교한 결과 개정 후의 기준 적용시 오염분포면적이 심도에 따라 1.64~4.11배 범위가 확대됨을 확인하였으며, 본 결과는 비소의 종분석 결과 80% 이상이 광물 격자 내에 존재하는 잔류성형태 (Residual metal)로써 개정 전의 시험기준 적용시 용출되기 어려운 형태이기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 토양중 비소의 존재형태는 물로 전이될 가능성이 적으므로 입경분리(particle separation)에 의한 토양세척 기법 적용이 적합한 것으로 결정하였다.
- , 2001; Dixit and Hering 2003). 따라서 약산성에서 중성에 가까운 수소이온농도 범위를 갖는 본 지역의 경우 토양 중 비소가 물로 전이할 가능성이 희박할 것으로 보이므로 대상부지내 토양의 수소이온농도는 입경분리에 의한 토양세척 기법 적용시 영향인자에서 배제하여도 무방할 것으로 보인다.
- 연속추출에 의한 화학적 분포형태는 일반적으로 1단계 - 미립자의 표면에 흡착된 이온성교환형태(exchangeable fraction), 2단계 - 탄산염의 형태로 존재하는 탄산염형태(carbonate fraction), 3단계 - 금속산화물과 공침된 환원성형태(Fe/Mn oxide fraction), 4단계 - 유기물과 관련되거나 유화물 형태로 분류되는 산화성형태(organic/sulfide fraction), 5단계 - 퇴적물 자체의 구성성분과 관련된 잔류성형태(residual fraction)로 분류된다. 본 시험결과 오염토양이 이온교환이 가능한 형태 또는 약산에 용출 가능한 1~2단계 존재형태 비율이 높을 경우에는 토양세척 원리 중 세척방법이 적합할 것이며, 5단계인 Residual 한 형태의 존재비율이 높을 경우에는 입경분리방법이 적합할 것이다.
- 이는 정밀조사보고서에서도 명시되었듯이 굴뚝으로부터 비산되는 오염물질에 의한 표층오염, 낙하거리에 따른 오염도 감소와 상관성이 있음을 보여준다. 심도에 따라 개정 전보다 개정 후의 오염분포면적이 1.64~2.11배 넓은 특성을 보이며, 분석된 299개의 토양시료의 법적 기준치 초과율 또한 개정 전의 경우 우려기준 초과율 58.5%, 대책기준 초과율 12.0%이고 개정 후의 우려기준 초과율 58.9%, 대책기준 초과율 72.6%를 나타내어 개정 전보다는 개정 후의 기준 적용시 부지내 토양오염도가 증가됨을 확인할 수 있었다. 이는 토양세척 처리 기법 결정을 위하여 실시된 비소의 종분석 결과(Fig.
- 앞서 제시된 토양입경분포 시험결과 “Effective” 등급으로 분류된 4지역 중 답(J004)을 제외한 나머지 지역의 경우 낮은 함수율을 보여 “Effective” 등급으로 분류되었으며, 토양입경과 함수율의 상관관계가 높음을 확인하였다.
- 정밀조사보고서(한국환경공단, 광해관리공단, 2009)에 의하면 주 오염물질인 As 외에도 Pb, Cd, Ni, Zn, Cu의 중금속 오염토양이 제련소 굴뚝을 중심으로 반경 2km까지 분포하고 있으며, 수직적으로는 지표하 최대 1m까지 분포되어 있는 것으로 보고되고 있다. 이러한 토양오염 현황은 굴뚝으로부터 거리가 멀어질수록 오염물질의 종류, 농도, 심도가 점차 감소되는 경향을 보였다. 대상부지의 부지용도별 오염토양분포현황은 전, 답 등 농작물 재배지역이 46.
- 11배 범위가 확대됨을 확인하였으며, 본 결과는 비소의 종분석 결과 80% 이상이 광물 격자 내에 존재하는 잔류성형태 (Residual metal)로써 개정 전의 시험기준 적용시 용출되기 어려운 형태이기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 토양중 비소의 존재형태는 물로 전이될 가능성이 적으므로 입경분리(particle separation)에 의한 토양세척 기법 적용이 적합한 것으로 결정하였다. 대상지역을 9개 지역으로 나누어 각 지역에 대하여 심도별 토양의 물리화학적 특성 분석을 실시한 결과 토양입경 분포 > 함수율 > 양이온 교환용량 > 수소이온농도의 순으로 토양세척기법 적용성 판단시 영향력이 큰 순서를 나열할 수 있었다.
- 처리대상 부지의 토양입경이 0.063mm이하인 점토와 실트의 함량이 30~35% 이하일 경우 비용 효율적(cost effective)이라고 볼 수 있는데(CL:AIRE, 2007) 시험지역중 J002~ J004 및 J009의 경우 0.063 mm 이하가 0.83~21.9% 범위이므로 “Effective” 등급의 그룹이며, J005, J008지역의 경우에는 0.063 mm 이하가 33.3~40%이므로 “Limited”등급, J001, J006, J007지역의 경우 64~85%로 “Difficult”등급으로 구분할 수 있다.
- 시험된 4개 항목의 결과는 양이온교환 용량을 제외한 세 개 항목에 대하여 토양시료채취지점 별로 채취심도에 따른 결과 값이 경향성이나 차이점이 없었기 때문에 심도별 결과를 평균 내어 지점별 결과로 나타내었다. 첫 번째, 물리적 특성인자 중 토양입경분포 시험 결과 물리화학적 특성분석을 위해 9개 지역으로 구분된 대상부지내 토양은 세 그룹의 입경분포로 대별되었으며, 심도에 따른 차이점은 발견할 수 없었다(Fig. 7). 처리대상 부지의 토양입경이 0.
후속연구
- 대상지역을 9개 지역으로 나누어 각 지역에 대하여 심도별 토양의 물리화학적 특성 분석을 실시한 결과 토양입경 분포 > 함수율 > 양이온 교환용량 > 수소이온농도의 순으로 토양세척기법 적용성 판단시 영향력이 큰 순서를 나열할 수 있었다. 특히 본 지역의 경우 토양입경분포와 함수율이 토양세척 처리효율을 예측하는데 가장 중요한 인자로써 향후 정화를 위한 더욱 정밀한 처리효율 예측이 필요할 경우 두 가지 인자 분석만으로 실행 가능할 것으로 보인다. 이러한 연구결과는 토양특성이 상이한 광범위한 오염지역에 대한 정화공법 효율을 예측하는데 모든 영향인자 분석이 아닌 일부 인자분석으로도 가능함을 보여 경제성, 효율성 측면에 의의를 둘수 있겠다.
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