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문제 정의
- 본 연구는 양돈분뇨를 이용하여 제조된 액비와 퇴비의 농지적용 시, 중금속과 항생물질의 토양과 지하수, 농지 인근 하천, 습지 등의 수계로의 거동을 살펴보기 위한 기초 실험을 수행한 것으로, 실험실에서 Jar Test와 칼럼 시험을 통해 양돈 퇴, 액비 내 중금속과 항생물질의 토양흡착과 유출 시험을 수행한 것이다.
제안 방법
- 1L 증류수를 담은 비이커에 고루 섞은 토양 50 g과 구리와 아연 표준물질을 0 ~ 5 mg/L 까지 5가지 농도로 혼입 후 교반실험(Jar-test)를 실시하였다. 급속교반(100rpm 3분)과 완속교반(40rpm 15분) 후 20분 간 정치한 뒤 상징액을 채취하여 Cu와 Zn의 농도별 흡착률을 분석한 후 Freundlich 등온 흡착식을 이용하여 해석하였다.
- 074㎜이하)로 각각 분류하고 증류수 1L에 각 10 g의 토양을 주입하고, 여기에 구리와 아연 표준물질을 5 mg/L로 오염시켰다. 각각의 비이커를 급속교반(100rpm 3분), 완속교반(40rpm 15분) 후 20분간 정치한 뒤상징액을 채취하여 구리와 아연의 입도별 흡착율을 분석하였다.
- 1L 증류수를 담은 비이커에 고루 섞은 토양 50 g과 구리와 아연 표준물질을 0 ~ 5 mg/L 까지 5가지 농도로 혼입 후 교반실험(Jar-test)를 실시하였다. 급속교반(100rpm 3분)과 완속교반(40rpm 15분) 후 20분 간 정치한 뒤 상징액을 채취하여 Cu와 Zn의 농도별 흡착률을 분석한 후 Freundlich 등온 흡착식을 이용하여 해석하였다.
- 2 와 같이 단면적 28 ㎠, 높이 40 ㎝인 아크 릴원통으로 3 set를 제작하였다. 삼각좌표분류법으로 나눈 조립토의 토양 1,000 g을 칼럼에 넣어 주고 다짐 없이 흔들어 수평을 만들어준 뒤 각 칼럼에 액비(Liquid Fertilizer, LF), 퇴비(Composted Materials, CM)를 각각 주입하였으며, 토양만을 주입한 대조구(Standard, ST)를 제작하여 비교 관찰 하였다. 칼럼에 주입된 퇴, 액비의 양은 질소함유량을 기준으로 주입량을 산정하였는데(어성욱, 2011), EU 의 질산염 관리령 기준인 210 kgN/ha/yr의 양을 근거로 하였다.
- 1절에 나타낸 토양의 중금속 분석과 동일한 방법을 사용하였다. 액비내 함유된 항생제 분석을 수행하였는데, 항생제는 tetracycline 계열의 OTC(Oxytetracycline)와 CTC(Cholortetracycline) 로 선별하여 동시분석 하였다(Agilent Technologies, Inc., 2008). 항생제 분석을 위해 시료를 원심분리하여 상징액을 취해 GF/C여과지로 여과하고, 고체상 추출법(Solid-phase extraction; SPE, Agilent, Part No.
- 양돈분뇨를 액비로 생산하는 공동자원화시설의 액비와 퇴비의 농지적용 시 중금속과 항생제의 토양 흡착과 유출 농도를 분석하여 토양과 지하수에 미치는 영향에 대하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 또한 이종팔 등(1996)은 중금속 오염지역에서 작물 내의 중금속함량은 Zn > As > Cd > Cu > Pb의 순으로 존재하는 것으로 보고하고 있다. 오, 남용으로 인한 식물체의 흡수 축적으로 인한 2차 피해를 경계해야 한다고 하였는데 칼럼 토양 내 잔류된 중금속 농도를 분석하여 퇴, 액비 적용 칼럼 층별 흡착률을 조사하였으며 그 결과를 Fig. 5.에 나타내었다. 액비 적용칼럼의 경우 구리와 아연 모두 상층부에 86 %, 69 %정도가 흡착됨을 확인할 수 있었으며(Fig.
- 중금속의 경우 퇴·액비 살포칼럼의 유출수와 유출 후 토양 깊이 별 5구간으로 나누어 깊이별 중금속 잔류량을 조사하였으며, 항생제의 경우 토양에서의 분석법이 정립되지 않아 흡착량의 직접 분석이 곤란하여 유입, 유출수의 농도분석을 통해 흡착량을 간접적으로 구하였다.
- 토양 입도 크기를 모래질(0.05㎜ ~ 2㎜), 실트질(0.005㎜ ∼ 0.074㎜), 점토질(0.074㎜이하)로 각각 분류하고 증류수 1L에 각 10 g의 토양을 주입하고, 여기에 구리와 아연 표준물질을 5 mg/L로 오염시켰다.
- 퇴, 액비에 가장 고농도로 함유된 중금속 항목인 구리와 아연에 대한 흡착 실험을 수행 하였다. 흡착 효율을 파악하기 위해 입경별로 흡착실험을 수행한 결과를 Table 4에 나타내었다.
- 퇴, 액비의 농지 주입시 토양 잔류량을 분석하기 위해 칼럼 용출 시험을 실시하였다. 칼럼은 Fig.
대상 데이터
- 실험에 사용된 토양은 Table 2와 같이 모래분(sand) 84%, 실트분(silt) 13% 점토분(clay) 3%의 입도 분포로 삼각좌표 분류법에 의해 모래질 옥토(sandy loam)로 나타났다. 토양의 초기 중금속 농도는 비소가 1.
- 실험에 적용한 토양은 옥수수를 재배중인 밭에서 채취하였으며, 과거 양돈 퇴, 액비 적용 이력이 없는 토양을 채취하여 사용하였다. 토양 분석을 위해 토양 1,000 g을 삼각좌표분류법(조석희, 2011)에 의해 분류하여 흙의 성상을 파악하였으며, 토양의 중금속 분석은 자연 건조 후 0.
- 퇴, 액비의 농지 주입시 토양 잔류량을 분석하기 위해 칼럼 용출 시험을 실시하였다. 칼럼은 Fig. 2 와 같이 단면적 28 ㎠, 높이 40 ㎝인 아크 릴원통으로 3 set를 제작하였다. 삼각좌표분류법으로 나눈 조립토의 토양 1,000 g을 칼럼에 넣어 주고 다짐 없이 흔들어 수평을 만들어준 뒤 각 칼럼에 액비(Liquid Fertilizer, LF), 퇴비(Composted Materials, CM)를 각각 주입하였으며, 토양만을 주입한 대조구(Standard, ST)를 제작하여 비교 관찰 하였다.
이론/모형
- Freundlich 등온 흡착식(식 1)을 이용하여 실험에 적용된 토양의 중금속 흡착능력을 분석하였다. Fig.
- 충남 논산의 공동처리시설에서 생산된 퇴비와 액비는 수질오염공정시험기준(환경부, 2010)으로 총인(TP), 생물화학적산소요구량(BOD5), 부유물질(SS), 산도(pH)와 전기전도도(EC)(Thermo SCIENTIFIC사, ORION 5 STAR)를 분석하였으며, 액비의 CODcr, TKN은 Standard method(APHA, 1998), 퇴비의 TKN은 토양화학분석법으로(농촌진흥청, 1988) 분석하였다. 중금속은 2.
- 실험에 적용한 토양은 옥수수를 재배중인 밭에서 채취하였으며, 과거 양돈 퇴, 액비 적용 이력이 없는 토양을 채취하여 사용하였다. 토양 분석을 위해 토양 1,000 g을 삼각좌표분류법(조석희, 2011)에 의해 분류하여 흙의 성상을 파악하였으며, 토양의 중금속 분석은 자연 건조 후 0.15 mm이하로 사분하여 토양오염공정시험기준에 준하여 비소(As), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 납(Pb), 아연(Zn)에 대해 유도결합플라 즈마(SHIMADZU, ICPE-9000)를 이용하여 분석하였다(환경부, 2009).
- , 2008). 항생제 분석을 위해 시료를 원심분리하여 상징액을 취해 GF/C여과지로 여과하고, 고체상 추출법(Solid-phase extraction; SPE, Agilent, Part No.:12109206)을 실시하였다. 용출 한 후 질소 농축기로 완전증발 시킨 뒤 메탄올 : 10 m mol/L TFA solution(1 : 19) 0.
성능/효과
- 5. (a)), 퇴비의 경우 구리와 아연이 각각 2 ~ 24 %, 6 ~ 41 % 분포로 골고루 흡착 됨 을 확인할 수 있었다(Fig. 5.
- 1) 양돈 퇴, 액비 내 중금속 성분은 구리와 아연을 가장 많이 함유하고 있으며, 항생제는 OTC가 2.8 mg/L, CTC 는 2.2 mg/L 농도로 액비에서 분석되었다.
- 2) 토양의 중금속 흡착실험 결과 Freundlich 흡착식 상수 1/n이 구리 0.38, 아연 0.15로 양호한 흡착재의 값을 나타내고 있다.
- 3) 칼럼 용출 시험 결과 액비 주입 칼럼은 주입된 구리의 86.3 %가 토양에 흡착되었으며 아연은 68 %가 흡착되었다. 퇴비 주입 칼럼에서는 주입된 구리 성분의 93.
- 4) 항생제 경우 OTC는 주입량의 67 %가 유출 되었으며, CTC의 경우 68 %가 유출되었다. 항생제는 단시간에 유출되는 특성으로 분석되어 토양 살포 후 빠른 시간 안에 지하수 및 인근 수계로 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다.
- 흡착 효율을 파악하기 위해 입경별로 흡착실험을 수행한 결과를 Table 4에 나타내었다. 구리의 흡착률은 모래질에서 30.3%, 점토질에서 68.3%로 나타나 입경이 작아질수록 흡착률이 커지는 것으로 나타났다. 아연의 경우는 점토질 보다 실트질에서 64.
- 에 나타내었다. 액비 적용칼럼의 경우 구리와 아연 모두 상층부에 86 %, 69 %정도가 흡착됨을 확인할 수 있었으며(Fig. 5.
- 액비내의 항생제 경우 OTC는 0.67 mg이 살포되어 토양에 총 0.22 mg인 32.84 %가 잔류되어 있고 1, 2회에 걸쳐 0.45 mg, 67.16 %가 유출되었으며, CTC의 경우 토양에 0.15 mg이 살포되어 0.05 mg인 32.16 %가량이 토양에 잔류되고, 1회에 걸쳐 0.1 mg인 67.84 %가 유출수로 나왔다. 항생제의 경우 67%이상이 유출되어 지하수에 대한 모니터링이 필요할 것으로 사료된다(Fig.
- 이를 토대로 토양 내에 잔류 및 흡착 될 수 있는 중금속의 평균 최대 함유량을 계산하면 각각 구리가 15.2 mg/kg이고 아연은 19.1 mg/kg로 나타나는데, 전체적으로 구리보다 아연이 흡착률이 더 높은 것으로 나타났다. 이는 아연이 구리보다 토양 친화도가 강하기 때문인 것으로 설명되며 또한 토양의 성상에 의해 이 둘 간의 흡착형태가 바뀌는 것으로 알려져 있다(박진식 등, 1997, 김보정 등, 2008).
- 퇴, 액비 각 칼럼에 주입한 퇴비 내 구리와 아연의 농도는 276 mg/kg과 632 mg/kg 로 주입된 양은 각각 13.8 mg, 31.6 mg이며, 액비의 구리와 아연의 농도는 60.0 mg/L, 55.2 mg/L로 주입된 양은 각각 4.02 mg, 3.69 mg이다. 액비의 경우 6회(1000 mL/회) 유출수 중 구리의 농도는 0.
- 4%가 유출수로 유출되었다. 퇴비의 경우 구리와 아연 모두 주입량의 6%만이 유출되었고 대부분이 토양에 잔류하는 것으로 나타났다. 양돈 퇴, 액비를 토양에 적용할 경우 퇴, 액비 내 중금속 성분은 대부분이 토양에 흡착되는 것으로 나타나 식물체 내 중금속 축적의 문제와 토양에 대한 중금속 축적을 모니터링 해야 할 필요성을 제시하고 있다.
- 2 mg/L 정도로 다른 중금속 성분보다 높게 나타나고 있었다. 퇴비의 경우 비소가 4.7 mg/kg, 납이 66 mg/kg, 구리가 276 mg/kg이며 아연은 632 mg/kg로 액비의 경우와 마찬가지로 구리와 아연 성분이 고농도로 함유되어 있는 것으로 나타났다. 액비 내 항생제는 OTC 2.
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