Various methods are used to remediate soil contaminated with heavy metals or petroleum. In recent years, harsh physical and chemical remediation methods are being used to increase remediation efficiency, however, such processes could affect soil properties and degrade the ecological functions of the...
Various methods are used to remediate soil contaminated with heavy metals or petroleum. In recent years, harsh physical and chemical remediation methods are being used to increase remediation efficiency, however, such processes could affect soil properties and degrade the ecological functions of the soil. Effects of soil washing, thermal desorption, and land farming, which are the most frequently used remediation methods, on the physicochemical properties of remediated soil were investigated in this study. For soils smaller than 2 mm, the soil texture were changed from sandy clay loam to sandy loam because of the decrease in the clay content after soil washing, and from loamy sand to sandy loam because of the decrease in the sand content and increase in silt content during thermal desorption, however, the soil texture remained unchanged after land farming process. The water-holding capacity, organic matter content, and total nitrogen concentration of the tested soil decreased after soil washing. A change in soil color and an increase in the available phosphate concentration were observed after thermal desorption. Exchangeable cations, total nitrogen, and available phosphate concentration were found to decrease after land farming; these components were probably used by microorganisms during as well as after the land farming process because microbial processes remain active even after land farming. A study of these changes can provide information useful for the reuse of remediated soil. However, it is insufficient to assess only soil physicochemical properties from the viewpoint of the reuse of remediated soil. Potential risks and ecological functions of remediated soil should also be considered to realize sustainable soil use.
Various methods are used to remediate soil contaminated with heavy metals or petroleum. In recent years, harsh physical and chemical remediation methods are being used to increase remediation efficiency, however, such processes could affect soil properties and degrade the ecological functions of the soil. Effects of soil washing, thermal desorption, and land farming, which are the most frequently used remediation methods, on the physicochemical properties of remediated soil were investigated in this study. For soils smaller than 2 mm, the soil texture were changed from sandy clay loam to sandy loam because of the decrease in the clay content after soil washing, and from loamy sand to sandy loam because of the decrease in the sand content and increase in silt content during thermal desorption, however, the soil texture remained unchanged after land farming process. The water-holding capacity, organic matter content, and total nitrogen concentration of the tested soil decreased after soil washing. A change in soil color and an increase in the available phosphate concentration were observed after thermal desorption. Exchangeable cations, total nitrogen, and available phosphate concentration were found to decrease after land farming; these components were probably used by microorganisms during as well as after the land farming process because microbial processes remain active even after land farming. A study of these changes can provide information useful for the reuse of remediated soil. However, it is insufficient to assess only soil physicochemical properties from the viewpoint of the reuse of remediated soil. Potential risks and ecological functions of remediated soil should also be considered to realize sustainable soil use.
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문제 정의
하지만 지금까지 국내·외에서 토양정화기술과 관련되어 수행된 대부분의 연구들은 정화기술이 대상오염물질의 제거효율을 평가한 연구나 효율 증진을 위한 처리공정개선에 관한 연구가 대부분이며 정화과정에 따른 토양 특성 변화나 기능열화 등에 관한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 기존의 토양 정화기술이 토양의 특성 중 주요 물리화학적 특성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 국내에서 토양정화방법으로 가장 많이 사용되고 있는 토양세척, 토양경작, 열탈착 등 주요 정화 공정 전·후 토양의 물리화학적 특성 변화를 분석하였으며 기존의 농업 및 조경기준과 비교하여 농업과 조경 등 잠재적 이용도에 미치는 영향을 조사하였다.
본 연구에서는 토양세척, 토양경작, 열탈착 공정에 의한 정화 토양의 물리적, 화학적 특성 변화를 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
국내에서 토양정화방법으로 가장 많이 사용되고 있는 토양세척, 토양경작, 열탈착 등 주요 정화 공정 전·후 토양의 물리화학적 특성 변화를 분석하였으며 기존의 농업 및 조경기준과 비교하여 농업과 조경 등 잠재적 이용도에 미치는 영향을 조사하였다.
토성은 토양의 물리적 특성 중에서 가장 기본이 되는 성질로서 투수성, 보수성, 통기성, 양분보유능 등에 영향을 끼치는 주요한 지표가 된다(김계훈 외, 2008). 농업이나 조경용의 경우 토성 분류에 2 mm 이하의 토양 입자만을 이용하므로 본 연구에서도 2 mm 이하의 토양을 분류하여 토성을 구분하였으며(NRCS, 1993), 2 mm 이상의 토양을 포함한 전체 토양의 입경 분포 또한 분석하여 정화공정이 전체 토양의 입경변화에 미치는 영향을 살펴보았다(Fig. 1). 전체토양의 입경분포의 변화는 토양세척의 경우 4 mm 이상의 대부분의 자갈과 0.
또한 정화토양의 활용도를 검토하기 위하여 농업용 토양기준과 조경용 식재기반의 토양기준을 참고하여 비교·분석하였다 (Table 2).
정화 전·후 토양의 물리화학적 특성 변화를 살펴보기 위해서 오염 및 정화토양의 입도, 수분보유력, 토색 등의 물리적 특성과 토양산도, 전기전도도, 치환성 나트륨·칼륨·칼슘 · 마그네슘 · 알루미늄, 양이온교환능력, 유기물 함량, 총질소, 유효인산 등의 화학적 특성을 분석하였다. 입도와 유기물함량을 제외한 전 항목에 대해서는 2 mm체를 통과한 풍건토양을 이용해 실험을 실시하였는데, 토양의 수분보유능은 여과지를 정착한 원통형 기구에 토양시료 20 g을 담고 증류수를 충분히 공급하여 포화 시킨 다음, 10시간 방치한 후 토양에 남아있는 수분량으로 측정하였다. 토색은 Munsell 토색장을 이용하여 명도, 채도, 색상의 변화를 구분하였으며, 토양산도와 전기전도도는 초자전극법으로, 치환성 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄 등의 양이온은 1M HN4OAc로 추출하여 ICP (Perkin elmer, USA)로 분석하였다.
정화 전·후 토양의 물리화학적 특성 변화를 살펴보기 위해서 오염 및 정화토양의 입도, 수분보유력, 토색 등의 물리적 특성과 토양산도, 전기전도도, 치환성 나트륨·칼륨·칼슘 · 마그네슘 · 알루미늄, 양이온교환능력, 유기물 함량, 총질소, 유효인산 등의 화학적 특성을 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 토양은 00기지 정화 현장 내 오염토양으로, 유류 또는 납으로 오염된 토양이다. 유류오염토양의 경우 석유계총탄화수소의 농도가 1000~3000 mg/kg인 지역은 토양경작법, 석유계총탄화수소의 농도가 5000 mg/kg 이상인 지역은 열탈착 공정으로 처리한 토양이며, 납 오염토양의 경우 650 mg/kg의 오염농도를 가진 토양을 토양세척법으로 처리한 토양이다(Table 1).
데이터처리
정화공정이 토양의 물리화학적 특성 변화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 처리공정별로 정화 전·후 토양에 대하여 t-test를 실시하였다.
정화공정이 토양의 물리화학적 특성 변화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 처리공정별로 정화 전·후 토양에 대하여 t-test를 실시하였다. 통계 분석은 SAS 프로그램을 이용하여 0.05% 유의수준으로 분석하였다. 또한 정화토양의 활용도를 검토하기 위하여 농업용 토양기준과 조경용 식재기반의 토양기준을 참고하여 비교·분석하였다 (Table 2).
이론/모형
토색은 Munsell 토색장을 이용하여 명도, 채도, 색상의 변화를 구분하였으며, 토양산도와 전기전도도는 초자전극법으로, 치환성 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄 등의 양이온은 1M HN4OAc로 추출하여 ICP (Perkin elmer, USA)로 분석하였다. 양이온교환능력은 IN Acetic acid 법을 이용하였으며, 총질소는 Micro Kjeldahl 법(농업기술연구소, 2000), 유효태인산은 Bray P2 법을 사용하여 분석하였다(Jones, 2001). 입도는 체분석과 피펫팅법을 병행하여 분석하였으며(Shepard, 1954), 국제토양학회법 기준에 따라 토성을 구분하였다(한국지하수토양환경학회, 2001).
입도는 체분석과 피펫팅법을 병행하여 분석하였으며(Shepard, 1954), 국제토양학회법 기준에 따라 토성을 구분하였다(한국지하수토양환경학회, 2001). 유기물 함량은 강열감량법을 이용하였다(박용안, 1983).
양이온교환능력은 IN Acetic acid 법을 이용하였으며, 총질소는 Micro Kjeldahl 법(농업기술연구소, 2000), 유효태인산은 Bray P2 법을 사용하여 분석하였다(Jones, 2001). 입도는 체분석과 피펫팅법을 병행하여 분석하였으며(Shepard, 1954), 국제토양학회법 기준에 따라 토성을 구분하였다(한국지하수토양환경학회, 2001). 유기물 함량은 강열감량법을 이용하였다(박용안, 1983).
입도와 유기물함량을 제외한 전 항목에 대해서는 2 mm체를 통과한 풍건토양을 이용해 실험을 실시하였는데, 토양의 수분보유능은 여과지를 정착한 원통형 기구에 토양시료 20 g을 담고 증류수를 충분히 공급하여 포화 시킨 다음, 10시간 방치한 후 토양에 남아있는 수분량으로 측정하였다. 토색은 Munsell 토색장을 이용하여 명도, 채도, 색상의 변화를 구분하였으며, 토양산도와 전기전도도는 초자전극법으로, 치환성 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄 등의 양이온은 1M HN4OAc로 추출하여 ICP (Perkin elmer, USA)로 분석하였다. 양이온교환능력은 IN Acetic acid 법을 이용하였으며, 총질소는 Micro Kjeldahl 법(농업기술연구소, 2000), 유효태인산은 Bray P2 법을 사용하여 분석하였다(Jones, 2001).
성능/효과
1. 물리적 특성 중 2 mm 이하 토양의 토성의 경우 토양세척에서는 점토함량 감소로 인하여 정화 전 사질식양토에서 사양토로, 열탈착에서는 모래함량 감소와 미사질 함량 증가로 인하여 양질사토에서 사양토로 변화되었고 토양경작의 경우 사양토로 유지되어 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.
토양경작에 있어서 전체적인 입경분포의 변화가 크게 나타나지 않았다. 2 mm 이하 토양의 토성의 경우 토양세척에서는 점토함량 감소로 인하여 정화 전 사질식양토에서 사양토로, 열탈착에서는 모래함량 감소와 미사질함량 증가로 인하여 양질사토에서 사양토로 변화되었고 토양경작의 경우 사양토로 유지되어 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.
2. 토색의 경우는 색상 및 채도의 변화가 관찰된 열탈착 공정에서 가장 변화가 큰 것으로 조사되었다.
3. 토양의 수분보유능은 토양세척에서 가장 감소폭이 큰 것으로 나타났는데 이는 상대적으로 수분을 많이 보유할 수 있는 미세토양의 함량 변화에 의한 것으로 판단된다.
4. 토양세척 후 유기물 함량과 질소 함량이 각각 43.9%와 57.6% 감소하였으며 유효인산은 72.4% 증가한 것으로 나타났다
5. 토양경작 처리 후 치환성 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 뿐만 아니라 총질소와 유효인산 등 미생물에 의하여 이용될 수 있는 양이온과 영양물질이 모두 감소하였다. 이는 정화과정 중에 이들 물질이 많이 사용되었으며 처리 공정 이후에도 생물학적 반응이 종료 된 것이 아니기 때문에 지속적인 반응이 일어나면서 미생물에 의한 영양물질의 소모가 계속적으로 일어났기 때문으로 판단된다.
6. 열탈착 공정의 경우에는 유효인산에 있어서 처리전에 비해 56.2%의 증가한 것 외에는 화학적 특성의 변화가 크지 않은 것으로 나타났다.
7. 정화 공정별로 토양의 물리화학적 특성 변화가 다양하게 나타났다. 이러한 토양의 변화 특성은 정화토양을 재이용하는데 중요한 정보를 제공할 수 있다.
), 유기산의 손실에 의한 것으로 판단된다(Certini, 2005). 본 연구에서 열탈착 후 토양산도는 6.5에서 6.8로 큰 증가폭을 보이지는 않았지만 토양이용도를 결정하는데 영향을 미칠 수 있다. 왜냐하면 Table 2에서 보는 바와 같이 대부분 농업토양의 토양산도 기준과 조경식재 기준 중 상의 상한치가 6.
이는 세척으로 인한 직접적인 유기물의 제거와 점토질의 감소에 의한 것으로 판단된다. 열탈착 공정을 통해서는 유기물 함량이 5.26%에서 4.67% 감소하였으나 토양세척보다는 감소폭이 작은 것으로 나타났다. 반면 토양 경작 토양에서는 2.
열탈착 과정에서는 다른 공정보다 전체적인 토색의 변화가 다소 큰 것으로 나타났는데 light alive brown에서 yellow brown로 변화하였으며 색상 (2.5Y → 10YR)은 붉은색이 증가하였으며 채도(3 → 4)의 변화가 관찰되었으나 명도의 변화는 없었다(5 → 5).
075 mm 이하의 점토제거 공정에 의한 것으로 판단된다. 열탈착 처리 후 4 mm 이상의 자갈이 일부 제거되었는데 이는 파쇄나 균질화 등 전처리 공정 때문으로 판단되며, 0.02-0.002 mm 크기인 미사질 함량과 0.002 mm 이하의 점토함량은 각각 1.6%에서 9.0%로, 3.3%에서 4.9%로 공정 이후 다소 증가함을 볼 수 있었다. 토양경작에 있어서 전체적인 입경분포의 변화가 크게 나타나지 않았다.
이는 정화 후 미생물에 의하여 지속적으로 이용되었기 때문으로 판단된다. 열탈착의 경우에도 처리 후 치환성 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 알루미늄 모든 항목에 대한 토양농도가 감소하였으며 특히 치환성 칼슘의 경우 37.4%의 다소 크게 감소하였으며 그 외의 항목은 2.9~13.9% 감소한 것으로 나타났다. 하지만 식재기반 토양평가등급 기준과 비교시 등급의 하락은 나타나지 않았다(Table 2).
9% 증가한 치환성 알루미늄을 제외하고는 모두 큰 폭의 감소를 보였다. 치환성 칼륨, 칼슘, 마그네슘이 각각 처리 전에 비해서 70.0%, 65.9%, 63.7% 감소하였으며 치환성 나트륨은 이보다 작은 44.2 % 감소한 것으로 나타나 다른 공정에 비해 가장 큰 변화를 나타내었다(Table 3). 치환성 칼슘의 경우 식재기반 토양평가등급 기준 상(5 cmol/kg 이상)에서 하(2.
토양경작 과정에서 토양은 light alive brown에서 alive brown으로 명도가 감소한 반면 (5 → 4), 색상(2.5Y → 2.5Y)과 채도(3 → 3)는 변화가 없는 것으로 나타났다.
치환성 칼륨, 칼슘, 마그네슘은 식물영양소의 주된 공급원으로 식물의 생장에 영향을 미친다. 토양세척 후 토양은 치환성 칼륨, 치환성 칼슘, 치환성 마그네슘 함량이 각각 처리 전에 비해서 31.8%, 9.8%, 20.4% 감소하는 경향을 보여, 토양세척으로 인해서 토양의 치환성양이온의 일부가 제거되는 것으로 나타났다. 토양경작이 경우 2.
5). 토양세척 후 토양의 총질소 농도는 약 57.6% 감소한 반면에 유효인산 함유량은 59.92 mg/kg에서 103.28 mg/kg으로 오히려 72.4% 증가한 것으로 나타났다. Makino et al.
토양의 유기물 함량을 나타내는 강열감량은 토양세척 후 3.84%에서 2.15%로 토양세척 전 토양에 비해서 다소 감소한 것으로 나타나(p < 0.05), 본 연구에서 비교한 정화 공정 중에서 유기물 소실이 가장 큰 것으로 나타났다(Fig. 4a).
따라서 향후 다양한 경우에 대한 추가 연구가 필요하다고 판단된다. 하지만 본 연구 결과만으로도 전체적으로 정화 후 토양의 물리화학적 특성의 변화가 일어나는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 정화토양을 재이용하는데 중요한 정보를 제공할 수 있다.
후속연구
본 연구에서는 각 처리공정에 대하여 한 종류의 토양과 오염물질만을 고려하였으므로 토양특성 이나 공정의 차이 또는 오염물질의 종류에 따라서도 토양의 물리적 특성변화 또한 다르게 나타날 가능성이 있다. 따라서 향후 다양한 경우에 대한 추가 연구가 필요하다고 판단된다. 하지만 본 연구 결과만으로도 전체적으로 정화 후 토양의 물리화학적 특성의 변화가 일어나는 것을 알 수 있었다.
정화토양 또한 토양자원으로서의 가치를 인식하고 이를 적극적으로 재이용하기 위해서는 오염토 정화를 통하여 토양 오염도를 감소시키는 것 외에도 정화과정 중에 발생할 수 있는 토양의 주요 특성변화를 충분히 고려하여야 한다. 유사한 정화효과를 갖는다면 토양의 특성 변화나 기능 감소가 적은 기술, 더 나아가 토양의 기능까지 개선할 수 있는 기술들이 선호될 수 있으며 기술개발 또한 이러한 방향으로 추진되어야 할 것이다. 하지만 지금까지 국내·외에서 토양정화기술과 관련되어 수행된 대부분의 연구들은 정화기술이 대상오염물질의 제거효율을 평가한 연구나 효율 증진을 위한 처리공정개선에 관한 연구가 대부분이며 정화과정에 따른 토양 특성 변화나 기능열화 등에 관한 연구는 거의 이루어지지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양 정화로 인한 토양 특성의 변화가 끼칠 수 있는 악영향은?
이러한 토양 특성의 변화는 토양의 생태적 기능 저하를 야기할 수 있다. 정화 과정 중에 기능이 약화 또는 기능이 상실된 토양은 처리 후 정화토양의 재이용과 재활용 범위가 제한적일 수밖에 없으며, 사용된다 할지라도 토양의 가장 기본적인 기능 중 하나인 지속가능한 생산이 어렵고 최근 이슈가 되고 있는 기후변화와 같은 외적 스트레스 변화에 적응능력이 매우 낮을 가능성이 있다. 정화토양 또한 토양자원으로서의 가치를 인식하고 이를 적극적으로 재이용하기 위해서는 오염토 정화를 통하여 토양 오염도를 감소시키는 것 외에도 정화과정 중에 발생할 수 있는 토양의 주요 특성변화를 충분히 고려하여야 한다.
국내·외에서 토양정화기술연구의 실정은 어떠한가?
유사한 정화효과를 갖는다면 토양의 특성 변화나 기능 감소가 적은 기술, 더 나아가 토양의 기능까지 개선할 수 있는 기술들이 선호될 수 있으며 기술개발 또한 이러한 방향으로 추진되어야 할 것이다. 하지만 지금까지 국내·외에서 토양정화기술과 관련되어 수행된 대부분의 연구들은 정화기술이 대상오염물질의 제거효율을 평가한 연구나 효율 증진을 위한 처리공정개선에 관한 연구가 대부분이며 정화과정에 따른 토양 특성 변화나 기능열화 등에 관한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 기존의 토양 정화기술이 토양의 특성 중 주요 물리화학적 특성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
중금속이 유기오염물질과 다른점은?
이 중 주유소와 같은 지하 유류저장시설 누출과 군부대에서의 부적절한 유류 관리로 인한 토양 및 지하수 오염 피해 범위가 계속적으로 확산되어 나가고 있다(홍선화 외, 2011). 중금속은 유기오염물질과는 달리 토양에서 분해되지 않고 언제든지 토양에서 다시 용출되며 식물에 흡수되고 먹이사슬을 통하여 직·간접적으로 사람에게 피해를 줄 수 있다. 특히 대상지역의 특성에 따라 지표수나 지하수로 이동되면서 주변 생태계에 광역적이고 치명적인 환경문제를 일으킬 수 있다(문덕현외, 2010; 이근영 외, 2011).
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