오염 원인 물질의 해양 내 거동에 대한 파악은 환경 변화에 따른 부영양화 등 해양 수질 오염에 대한 예측 및 대응 방안 선정을 위한 전제 조건이다. 본 연구에서는 부영양화 원인 물질인 인의 해양퇴적물에서 해수로의 용출 특성을 조사하였다. 검토된 환경 조건은 pH 7-9, 온도 10-$20^{\circ}C$, 용존 산소 농도(dissolved oxygen, DO) 0.7-7.0 mg/L 였다. 생물학적 요인을 배제한 조건에서 회분식 실험을 통해 구해진인 용출 자료는 1차 반응식으로 해석되었으며, 환경 조건의 영향은 통계학적 방법을 통해 정량화 되었다. 해양 퇴적물로부터 해수로의 인 용출은 pH와 온도가 높고 DO가 낮을수록 증가하였다. 1차 반응 평형 농도 기준으로 검토된 범위의 pH 증가, 온도 증가, DO 감소는 각각 인용출을 2-3배 증가시켰다.
오염 원인 물질의 해양 내 거동에 대한 파악은 환경 변화에 따른 부영양화 등 해양 수질 오염에 대한 예측 및 대응 방안 선정을 위한 전제 조건이다. 본 연구에서는 부영양화 원인 물질인 인의 해양퇴적물에서 해수로의 용출 특성을 조사하였다. 검토된 환경 조건은 pH 7-9, 온도 10-$20^{\circ}C$, 용존 산소 농도(dissolved oxygen, DO) 0.7-7.0 mg/L 였다. 생물학적 요인을 배제한 조건에서 회분식 실험을 통해 구해진인 용출 자료는 1차 반응식으로 해석되었으며, 환경 조건의 영향은 통계학적 방법을 통해 정량화 되었다. 해양 퇴적물로부터 해수로의 인 용출은 pH와 온도가 높고 DO가 낮을수록 증가하였다. 1차 반응 평형 농도 기준으로 검토된 범위의 pH 증가, 온도 증가, DO 감소는 각각 인용출을 2-3배 증가시켰다.
Understanding the behavior of pollutants in the marine environment is essential for coping with the marine pollution problems such as eutrophication. In this study, the effects of environmental parameters on phosphorus release from marine sediment to sea water were investigated. The environmental pa...
Understanding the behavior of pollutants in the marine environment is essential for coping with the marine pollution problems such as eutrophication. In this study, the effects of environmental parameters on phosphorus release from marine sediment to sea water were investigated. The environmental parameters such as pH in the range of 7 to 9, temperature from 10 to 20C and dissolved oxygen levels (DO) renging 0.7 to 7.0mg/L were examined. Phosphorus release data were taken from batch tests excluding biotic effects, and analyzed using a first-order kinetic model. The effects of environmental parameters were quantified using a statistical methodology. High pH, high temperature, and low DO increased phosphorus release from the sediment to sea water. pH from 7 to 9, temperature from 10 to $20^{\circ}C$, or DO from 7.0 to 0.7 mg/L magnified the equilibrium phosphorus concentration up to 2~3 times.
Understanding the behavior of pollutants in the marine environment is essential for coping with the marine pollution problems such as eutrophication. In this study, the effects of environmental parameters on phosphorus release from marine sediment to sea water were investigated. The environmental parameters such as pH in the range of 7 to 9, temperature from 10 to 20C and dissolved oxygen levels (DO) renging 0.7 to 7.0mg/L were examined. Phosphorus release data were taken from batch tests excluding biotic effects, and analyzed using a first-order kinetic model. The effects of environmental parameters were quantified using a statistical methodology. High pH, high temperature, and low DO increased phosphorus release from the sediment to sea water. pH from 7 to 9, temperature from 10 to $20^{\circ}C$, or DO from 7.0 to 0.7 mg/L magnified the equilibrium phosphorus concentration up to 2~3 times.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 pH, 온도, dissolved oxygen (DO) 등의 환경 조건이 연안 부영양화 유발 물질인 인의 퇴적물에서 해수로의 용출에 미치는 영향을 고찰하였다.
본 연구에서는 계절에 따른 수온 차이로 인해 용출 특성이 변화하는 것을 고찰하기 위해 10, 15, 20℃에서 인의 용출 특성을 파악하였다. pH의 경우 해당 해역에서 최소 6.
DO 등 환경 요인이 복합적으로 작용하는 것으로 알려져 있으나, 해양 퇴적물과 해수 간의 이동에 대한 과학적 정보는 극히 제한적이다. 본 연구에서는 생물학적 영향을 배제한 상태에서 해양 퇴적층의 pH, 온도, DO변화에 따른 부영양화 물질인 인의 해수로의 용출 특성을 고찰하였으며, 이를 동력학, 통계학적으로 해석하였다. 퇴적물에서의 인 용출은 1차 반응으로 해석되며, 평형 용출 농도는 pH, 온도, DO 농도에 따라 통계학적으로 선형적 정량관계에 있는 것으로 나타났다.
제안 방법
pH의 경우 해당 해역에서 최소 6.1, 최대 8.9로 보고됨에 따라, pH 7.0±0.5, 9.0±0.5 에서 용출 특성을 분석하였다.
따라서, 본 연구에서는 7±1 mg/L와 0.7±0.1 mg/L를 각각 호기와 혐기조건으로 설정하여 실험을 수행하였다.
샘플링은 실험 시작 후 1, 2, 6, 12, 24, 48, 72시간이 경과하여 실시하였으며, 모든 경우에 있어 직후 1분 이하의 시간 동안 알칼리 주입, 폭기, N2 sparging 등을 통해 pH, DO 농도를 원하는 수준으로 조절하였다. 채취한 시료는 즉시 2,000 rpm 조건에서 원심분리(hanil, 514R model) 후 분석하였다.
식(1)을 통해 도출된 동력학적 상수에 pH, 온도, DO가 미치는 영향은 독립 변수의 여러 조건에서 실험을 수행하여 자료를 얻은 후 Design-Expert 7.1 (Star-Ease, Inc.)을 사용하여 독립변수의 변화에 다른 반응변수의 변화 정도를 분석하여 반응변수를 최소화하는 독립변수의 수준조합을 찾아내어 다음과 같은 상호작용을 고려한 선형 회귀 분석식을 도출하였다. 식 (2)에서 y는 동력학 상수(Ceq 또는 k), x1은 pH, x2는 온도(ºC), x3는 DO (mg/L), β는 각 항에 대한 회귀분석 계수를 의미한다.
용출실험은 1 L LDPE bottle(Nalgene, USA)에 해수 800 mL, 오염퇴적물 200 g, chloroform 10 mL를 주입하고, 이를 shaking incubator(두리과학, DF-94F model)에서 100 rpm으로 교반하면서 실시하였다. 호기조건 실험에서는 12시간 air purging 한 해수를 사용하였으며, 혐기조건 실험은 해수를 4시간 N2 purging한 후 수행하였다.
용출실험은 1 L LDPE bottle(Nalgene, USA)에 해수 800 mL, 오염퇴적물 200 g, chloroform 10 mL를 주입하고, 이를 shaking incubator(두리과학, DF-94F model)에서 100 rpm으로 교반하면서 실시하였다. 호기조건 실험에서는 12시간 air purging 한 해수를 사용하였으며, 혐기조건 실험은 해수를 4시간 N2 purging한 후 수행하였다.
대상 데이터
퇴적물 및 해수는 서해 연안에서 채취하였으며, 퇴적물은 간조 시 표층 10 cm 이내, 해수는 만조 시 해수면 50 cm 이내에서 채취하였다. Table 1에 해수 및 퇴적물 특성을 나타내었다.
데이터처리
90이 넘어 1차식을 이용한 해석이 타당한 것으로 사료된다. 도출된 1차식 파라미터, 즉 평형 용출 농도와 반응 속도 상수에 미치는 해수 환경 조건 (pH, 온도, DO)의 영향을 다시 선형 회귀 분석을 통해 해석하였다. 먼저, 평형 용출 농도에 대해 고찰한 결과, Table 3에 도시한 바와 같이 본 연구에서 검토된 환경 조건과 유의미하게 연관이 있으며, 식 (2)와 같이 환경 조건들 간의 상호작용을 고려한 선형 모델(2FI)이 가장 적합한 것으로 나타났다.
이론/모형
해수 분석 항목은 pH, 온도, DO, 인산 인이며, pH는 thermo orion사 (USA)의 420 model을 사용하였고, DO는 Hanna사(Italia)의 HI 9828 model을 사용하였다. 인산 인은 해양환경공정시험법에 따라 측정하였다.
채취한 시료는 즉시 2,000 rpm 조건에서 원심분리(hanil, 514R model) 후 분석하였다. 해수 분석 항목은 pH, 온도, DO, 인산 인이며, pH는 thermo orion사 (USA)의 420 model을 사용하였고, DO는 Hanna사(Italia)의 HI 9828 model을 사용하였다. 인산 인은 해양환경공정시험법에 따라 측정하였다.
성능/효과
3에 도시하였다. DO가 낮고 온도와 pH가 높을수록, 평형 용출 농도가 확연히 증가하는 경향을 보였다. pH 증가 (7.
한편, 용출 속도는 회귀 분석 결과 상호작용을 고려하지 않은 선형회귀(Linear) 모델이 가장 적절한 것으로 나타났다. 그러나 도출된 모델의 p값과 R2값이 각각 0.0930, 0.5322로 유의성 기준을 만족하지 못하여, 본 연구에서 검토된 pH, 온도, DO 범위에서는 환경 조건과 특별한 상관관계를 갖지 않는 것으로 나타났다.
혐기조건에서의 인산 인 용출 특성은 호기 조건과 유사하게 온도와 pH가 높을수록 용출 농도가 높게 분석되었으며, pH 7 조건에서는 온도 변화에 따른 용출 특성 변화가 미미한 것으로 파악된다. 또한, 전체적으로 혐기 조건이 호기 조건에 비해 용출 농도가 0.2 mg/L 이상 높게 관찰되었다.
1, 2에 온도, pH , DO 변화에 따른 pH, DO, 인산 인 농도 변화를 나타내었다. 모든 실험 조건에서 샘플링 직후 1분이내의 조절 과정을 통해 pH와 DO가 원하는 수준으로 유지되었다.
일반적으로 인의 용출은 생물학적, 또는 비생물학적 요인에 의해 영향을 받는다(조 등, 2011). 본 연구에서는 해수 내 chloroform 주입으로 미생물 활동이 배제되었으므로, pH, 온도, DO의 변화가 비생물학적 요인으로 인 용출에 영향을 미친 것으로 판단된다. 환경 조건에 따른 퇴적물 내 인의 비생물학적인 용출 변화는 일반적으로 퇴적물과 결합한 인의 용출 특성 변화로 설명된다(Bostrom et al.
본 연구에서는 생물학적 영향을 배제한 상태에서 해양 퇴적층의 pH, 온도, DO변화에 따른 부영양화 물질인 인의 해수로의 용출 특성을 고찰하였으며, 이를 동력학, 통계학적으로 해석하였다. 퇴적물에서의 인 용출은 1차 반응으로 해석되며, 평형 용출 농도는 pH, 온도, DO 농도에 따라 통계학적으로 선형적 정량관계에 있는 것으로 나타났다. pH 증가 (7.
한편, 용출 속도는 회귀 분석 결과 상호작용을 고려하지 않은 선형회귀(Linear) 모델이 가장 적절한 것으로 나타났다. 그러나 도출된 모델의 p값과 R2값이 각각 0.
혐기조건에서의 인산 인 용출 특성은 호기 조건과 유사하게 온도와 pH가 높을수록 용출 농도가 높게 분석되었으며, pH 7 조건에서는 온도 변화에 따른 용출 특성 변화가 미미한 것으로 파악된다. 또한, 전체적으로 혐기 조건이 호기 조건에 비해 용출 농도가 0.
호기 조건에서는 온도가 높아질수록 인산 인 용출이 많이 진행되는 것으로 나타났다. pH에 따라서는 pH 9 조건이 pH 7에 비해 용출이 용이하게 진행되었다.
후속연구
7 mg/L) 는 각각 인산 인 평형 용출 농도를 2-3 배 증가시켰다. 해역 내 환경 조건 변동에 따른 해양퇴적물의 부영양화 유발 특성에 대한 본 연구의 결과는 향후 해역 수질 개선 방안 수립, 해양 퇴적물 정화 필요성 평가, 해양 퇴적물 정화 기술 선정/설계/시공에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유기인의 역할은?
해양퇴적물은 이러한 해양의 인의 가장 중요한 저장소의 역할을 하며 많은 인들이 해양퇴적물의 광물들과 함께 유기인 및 무기인의 형태로 공존하고 있다. 특히 유기인의 경우 어느 정도의 속성작용이 일어나는 동안에도 분해에 저항력이 있으며 이러한 유기화합물의 매장이 인의 저장소로서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 왔다(Ingall et al., 1990).
연안이란?
연안은 바다와 육지가 접하고 있는 해역공간이자 내륙과 해양을 잇는 완충지역으로서 해역과 육역의 환경이 상호의존적으로 미치는 특수한 환경대를 이루고 있고, 해양오염정화, 수산물의 산란장과 서식지 제공 등 다양한 생태적 순환이 이루어지는 곳이다(조와 강, 2011). 최근에는 도시화와 산업화로 인해 육상 기원의 오염물질들이 하천이나 대기 등 다양한 경로를 통해 연안으로 과도하게 유입되고, 연안의 폐쇄적인 특성으로 해수교환에 제한을 받아 연안 인근 해역에 부영영화 등의 환경 문제가 발생하고 있다(김과 박, 1998; 김 등, 2002; 김 등 2006; 이 등 2009).
해역과 육역의 환경이 상호의존적으로 미치는 특수한 환경대인 연안에 최근 나타나는 문제는?
연안은 바다와 육지가 접하고 있는 해역공간이자 내륙과 해양을 잇는 완충지역으로서 해역과 육역의 환경이 상호의존적으로 미치는 특수한 환경대를 이루고 있고, 해양오염정화, 수산물의 산란장과 서식지 제공 등 다양한 생태적 순환이 이루어지는 곳이다(조와 강, 2011). 최근에는 도시화와 산업화로 인해 육상 기원의 오염물질들이 하천이나 대기 등 다양한 경로를 통해 연안으로 과도하게 유입되고, 연안의 폐쇄적인 특성으로 해수교환에 제한을 받아 연안 인근 해역에 부영영화 등의 환경 문제가 발생하고 있다(김과 박, 1998; 김 등, 2002; 김 등 2006; 이 등 2009). 또한 육상에서 유입되거나 부영영화 과정에서 생성된 오염물질이 해저에 침전하여 형성된 오염 퇴적물은 저서생물 등 해양생물에 만성 또는 급성 독성을 포함한 악영향을 미치며, 먹이사슬에 따라 상위 생태계파괴, 생물농축 등 해양환경에 문제를 유발하고 있다(이 등, 2008; 나, 2004).
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