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문제 정의
- 국내에 산재하는 군 사격장에 대한 토양오염 정밀조사의 사례가 많지 않기 때문에 군 사격장에서의 오염물질 분포와 거동에 대한 정보가 부족한 실정이며, 정보와 과학적 평가 부족은 막연한 불안감을 증폭하고 확대시킬 뿐 아니라, 정당한 군 사격훈련에 지장을 줄 수 있다. 이에 본 연구에서는 군 사격장 오염도 현황을 파악하고, 배출저감시설 설계 자료를 확보하기 위해 경기도 북부지역 ○○시 일대 전차포사 격장 3개소, 공용화기 사격장 1개소, 그리고 폭파훈련장 1개소 등 총 5개 군 훈련장에서 피탄지 및 인근 지역 토양과 수질 시료를 채취하고 화약물질 농도를 분석하여 화약물질 분포, 토양입경별 오염도, 이동 경로 및 총 오염량을 산정하였다. 또한 침전지에서 유출되는 화약물질량을 정량하기 위한 침강관 실험도 병행하였다.
제안 방법
- 토양시료 중의 화약류 추출 및 분석방법은 최근 본 연구실에서 개발한 “토양 중 화약류 분석방법에 관한 규격 개발”에 준하여 분석하였다(KATS, 2007). TNT, RDX 및 HMX의 정량은 Shiseido CAPCELL-PAK MG C-18 칼럼을 사용하여 HPLC로 분석하였다. HPLC system은 Varian Prostar Gradient System(240 solvent delivery module, 335 photodiode array detector, 410 autosampler, 500 column valve module)로 구성되어 있으며, 분석 조건은 유량 0.
- 45 um)로 여과하여 액상과 고체상으로 분리하고, 각각의 상에 있는 화약물질 농도를 측정하였다. 동시에 TSS를 측정하여 시간에 따라 배출되는 침강관 유출수에서 액상과 고상에 기인한 화약물질량을 산정하였다.
- 이에 본 연구에서는 군 사격장 오염도 현황을 파악하고, 배출저감시설 설계 자료를 확보하기 위해 경기도 북부지역 ○○시 일대 전차포사 격장 3개소, 공용화기 사격장 1개소, 그리고 폭파훈련장 1개소 등 총 5개 군 훈련장에서 피탄지 및 인근 지역 토양과 수질 시료를 채취하고 화약물질 농도를 분석하여 화약물질 분포, 토양입경별 오염도, 이동 경로 및 총 오염량을 산정하였다. 또한 침전지에서 유출되는 화약물질량을 정량하기 위한 침강관 실험도 병행하였다.
- 시료 채취범위를 결정하기 위해 EXPRAY Kit®로 토양 내 화약물질 흔적을 확인하고, 비오염지점과 오염지점이 혼재하도록 채취지점을 설정하고 GPS로 좌표를 기록하였다.
- 또한 비교를 위해 조사지역에서 약 1 km 떨어진 산 토양을 채취하였다. 시료채취지점 변경 시, 교차오염을 방지하기 위하여 채취기구를 아세토니트릴 : 탈이온수 50 : 50 용매와 종이 수건으로 세척하였다. 채취한 토양시료는 오염 우려가 없는 플라스틱 봉투에 넣고 밀봉한 다음 아이스박스에 보관하였고, 실험실로 이송 즉시 토양 pH를 측정하였다.
- 아크릴 재질의 침강관(H 100 cm × I.D.15 cm)에 사격장별 혼합토양과 탈이온수로 TSS(Total Suspended Solids)농도 50,000 mg/L의 시료를 제조하여 넣고 급속교반한 다음 침강실험을 시작하였다.
- 15 cm)에 사격장별 혼합토양과 탈이온수로 TSS(Total Suspended Solids)농도 50,000 mg/L의 시료를 제조하여 넣고 급속교반한 다음 침강실험을 시작하였다. 이후 일정 시간 간격으로 채취한 상징액을 Gelman glass filter(0.45 um)로 여과하여 액상과 고체상으로 분리하고, 각각의 상에 있는 화약물질 농도를 측정하였다. 동시에 TSS를 측정하여 시간에 따라 배출되는 침강관 유출수에서 액상과 고상에 기인한 화약물질량을 산정하였다.
- 시료채취지점 변경 시, 교차오염을 방지하기 위하여 채취기구를 아세토니트릴 : 탈이온수 50 : 50 용매와 종이 수건으로 세척하였다. 채취한 토양시료는 오염 우려가 없는 플라스틱 봉투에 넣고 밀봉한 다음 아이스박스에 보관하였고, 실험실로 이송 즉시 토양 pH를 측정하였다. 수질시료는 1.
- (Milford, MA, USA)의 Porapak RDX Sep-Pak Extraction Cartridge와 Extraction Manifold(Waters, 20 position, 13 × 75 mm test tube rack)를 사용하였다. 최종 추출물은 40배 농축된 시료로 토양추출물 분석과 동일한 방법으로 분석하였다.
대상 데이터
- (Milford, MA, USA)의 Porapak RDX Sep-Pak Extraction Cartridge와 Extraction Manifold(Waters, 20 position, 13 × 75 mm test tube rack)를 사용하였다.
- 2010년 10월에 현장 조사를 실시하고 토양 및 수질시료를 채취하였다. 시료 채취범위를 결정하기 위해 EXPRAY Kit®로 토양 내 화약물질 흔적을 확인하고, 비오염지점과 오염지점이 혼재하도록 채취지점을 설정하고 GPS로 좌표를 기록하였다.
- 심토는 더 깊이 채취할 수 있었으나, 불발탄 조사가 선행되지 않은 까닭에 심부 오염이 유력한 2개 지점에서만 채취하였다. 또한 비교를 위해 조사지역에서 약 1 km 떨어진 산 토양을 채취하였다. 시료채취지점 변경 시, 교차오염을 방지하기 위하여 채취기구를 아세토니트릴 : 탈이온수 50 : 50 용매와 종이 수건으로 세척하였다.
- 사격장 A는 가파른 경사면에 위치한 전차포사격장으로 총 3개 탄착점으로 구성되어 있으며, 맨 우측은 사용하지 않아 시료를 채취하지 않았고, 좌측과 우측 탄착점에서 총 17개 시료를 채취하였다. 사격장 A에서는 사격훈련이 있었던 듯 포연과 특유의 냄새가 가득하였고, low order detonation (저급폭발)으로 인하여 화약물질 덩어리가 토양에 노출되어 있었다(Fig.
- 레일이 설치된 피탄지에서 약 50 m 아래에 2개 일반 피탄지가 비포장도로 좌우로 있으며, 이 두 피탄지에는 배수로가 설치되어 있지 않고, 물이 도로 쪽으로 이동하였다. 사격장 B에서는 총 24개의 시료를 채취하였다.
- 실험에 사용한 화학물질은 모두 ACS grade이었으며 HPLC 분석용매는 HPLC grade를 사용하였고, 화약물질 표준물질은 AccuStandard(New Haven, CT, USA)에서 구입하였다.
- 심토시료는 auger로 20 cm 단위로 심도 60 cm까지 채취하였다. 심토는 더 깊이 채취할 수 있었으나, 불발탄 조사가 선행되지 않은 까닭에 심부 오염이 유력한 2개 지점에서만 채취하였다. 또한 비교를 위해 조사지역에서 약 1 km 떨어진 산 토양을 채취하였다.
- 이 방법은 채취지점을 중심으로 1～2 m 크기의 가상의 원 위에 있는 6개 지점과 원점에서 균등한 양의 토양시료를 채취하여 1개의 혼합시료로 구성하는 방법이다. 심토시료는 auger로 20 cm 단위로 심도 60 cm까지 채취하였다. 심토는 더 깊이 채취할 수 있었으나, 불발탄 조사가 선행되지 않은 까닭에 심부 오염이 유력한 2개 지점에서만 채취하였다.
- 중앙을 가로질러 계곡부로 이어지는 물길은 강우에 의한 침식 정도를 알려주듯, 깊이가 1～2 m에 달하였다. 여기서는 21개의 토양 시료와 2지점에서 수질시료를 채취하였다(Fig. 2(c)).
- 시료 채취 수개월 전부터 사격훈련이 없었고, 불발탄이나 저급폭발탄이 발견되지 않았다. 이에 D11 지점에서는 표토 시료 11점과 Auger로 심토시료 2점을 채취하였다.
- 현장에서 채취한 시료는 Table 1에서와같이 A, B, D 사격장에서는 약 700 m2당, 공용화기 사격장(사격장 C)은 약 3,000 m2당, 폭파훈련장에서는 1,600 m2당 각각 토양시료 1점을 채취하였다. 이 기준은 토양환경보전법 정밀조사지침상의 현장채취 시료수를 상회하며, 현장 상황에 맞게 능동적으로 시료 채취 지점을 변경하였기 때문이다.
이론/모형
- 수중에 미량으로 존재하는 화약물질은 HPLC 분석 검량 한계 이하로 낮아서 농축이 필요하다. 미량화약물질은 미국 EPA SW-method No. 8330에서 공인된 방법인 SPE(Solid Phase Extraction)로 농축하고, 농축된 화약물질을 ACN으로 용출시켜 탈이온수로 희석한 다음, HPLC로 분석하였다. SPE 추출에는 Waters Co.
- 토성은 270 mesh 체로 모래를 먼저 거르고 침강 실린더로부터 1회에 미사와 점토를, 2회에 점토를 취하는 마이크로 피펫 법을 이용하였으며, 토성삼각표로 결정하였다(Gee & Bauder, 1986).
- 토양시료 중의 화약류 추출 및 분석방법은 최근 본 연구실에서 개발한 “토양 중 화약류 분석방법에 관한 규격 개발”에 준하여 분석하였다(KATS, 2007).
- 시료 채취범위를 결정하기 위해 EXPRAY Kit®로 토양 내 화약물질 흔적을 확인하고, 비오염지점과 오염지점이 혼재하도록 채취지점을 설정하고 GPS로 좌표를 기록하였다. 표툐시료는 입자상으로 배출되는 특성을 반영하기 위해 Wheel sampling technique로 채취하였다(Jenkins et al., 1996). 이 방법은 채취지점을 중심으로 1～2 m 크기의 가상의 원 위에 있는 6개 지점과 원점에서 균등한 양의 토양시료를 채취하여 1개의 혼합시료로 구성하는 방법이다.
성능/효과
- 03 mg/kg으로 오염도가 낮았다. B 지역 토양에서는 HMX는 0.075 mm 미만 에서만 검출되었고, RDX는 모든 토양입경에 걸쳐 전반적으로 균일하게 분포하고 있다. TNT도 입경에 따라 고른 분포를 보이나, 0.
- 현장시료 분석결과, 3종의 화약물질 이외에도 TNT 중 간산물인 2ADNT(2-amino-dinitrotoluene), 4ADNT(4-aminodinitrotoluene) 및 TNB(trinitrobenzene)도 검출되었다(data not shown). HMX가 타 지역에 비해 검출 농도와 빈도가 높았으며, 최고값은 고지대와 저지대에서 각각 2.74 mg/kg, 1.26 mg/kg으로 고지대에서 전반적으로 높았다. RDX는 중간값과 평균값이 각각 0.
- 3). HMX는 3개 지점에서 미량(0.04～ 0.07 mg/kg) 검출되었고, RDX는 중간값 및 평균값이 각각 1.95 및 10.79 mg/kg으로 피탄지 전 지역에서 검출되었다. 최고농도는 hot spot 인근의 128.
- TNT는 넓게 퍼져있지는 않으나, 고농도 지점이 다수 존재하였다. TNT 중간값과 평균값은 각각 0.12 및 27.55 mg/kg으로 전반적인 오염도는 높지 않으나, 다수의 고농도 지점(최고값 391.74 mg/kg) 으로 인해 평균값이 크게 높아졌다. 그러나 불발탄이 매우 많았고, 미발견된 hot spot을 고려하면 오염도도 매우 높을 것으로 판단된다.
- 경기도 지역 5개 군 사격장 피탄지를 대상으로 화약물질 오염 정밀조사를 실시한 결과, 피탄지는 두 종류의 화약물질(TNT 및 RDX)이 빈도와 농도에서 가장 높았다. 전반적으로 TNT와 RDX 오염도는 매우 높지 않았으나, 국부적으로 고농도의 ‘hot spot’이 다수 존재하였다.
- 075 mm 미만 입자의 분포백분율이 낮기 때문이다. 그러므로 침강제거가 가능한 0.075 mm 이상의 토양입자들만 제거하여도 강수로 유출되는 화약물질의 90 % 이상을 제어할 수 있을 것이다.
- 56 mg/kg이 검출되었다. 또한 우하단에 있는 일반피탄지 우측 사면 지점에서는 RDX가 검출되지는 않았으나, TNT는 58.22 mg/kg로 가장 높은 값이 나타났다. B 지역 경계면에 있는 개울에서 채취한 수질 시료에서는 RDX가 0.
- 075mm 이상의 입자들을 제거한다면 화약물질 유출을 90 % 이상을 제어할 수 있는 것으로 산정되었다. 또한 침강관 실험 결과, 오염토양을 침전제거 한 후에는 고상 유출보다 액상 유출에 의한 화약물질 유출기여도가 높았다. 본 연구에서는 침강한 입자 내 화약물질 제거에 대하여 연구하지 않았지만, 침전지 설치는 고상 입자에 의한 화약물질 유출저감에 경제적이고 효과적인 방안이라 평가되었다.
- 침강관에서 유출되는 액상 및 고상 화약 물질 유출기여도와 입자 내 화약물질 분포자료를 비교한 결과 유의적인 상관성은 발견되지 않았다. 반면에 사격장 화약물질 평균값과 액상 화약물질 유출기여도의 상관계수는 RDX와 TNT 모두 0.85로 매우 높은 상관성을 보였다 (data not shown). 이 결과는 용해된 화약물질은 균질하여 거동예측이 쉽지만, 입상화약물질은 사용되는 포탄 탄종과 현장 토양특성에 영향을 받는 부지 특이성이 있기에 침전지 설계를 위해서는 각 부지별로 침강실험이 필요함을 의미한다.
- 또한 침강관 실험 결과, 오염토양을 침전제거 한 후에는 고상 유출보다 액상 유출에 의한 화약물질 유출기여도가 높았다. 본 연구에서는 침강한 입자 내 화약물질 제거에 대하여 연구하지 않았지만, 침전지 설치는 고상 입자에 의한 화약물질 유출저감에 경제적이고 효과적인 방안이라 평가되었다. 그러나 침전지에서 유출되는 액상 내 화약물질 기여도가 높으므로 이를 처리할 수 있는 방안도 필요하다.
- 액상에서는 용해도가 낮은 HMX는 거의 검출되지 않았으며, 시간 경과에 따라 화약물질 농도 변화도 크지 않았다. 사격장 A 유출수에서 평균 0.13 mg-RDX/L와 0.07 mg-TNT/L가 유출 되었고, 사격장 B 토양에서는 평균 0.06 mg-RDX/L 및 0.01 mg-TNT/L가 유출되었다. 사격장 D에서는 RDX는 불검출된 반면, TNT는 평균 2.
- 사격장 A 지역토양은 입경 0.150～0.250 mm 및 0.250mm 이상에서 각각 RDX와 TNT 오염도가 가장 높았다. 예상과 달리 0.
- 11). 사격장 A 토양에서 평균 2.56 mg-RDX/kg과 1.38 mg-TNT/kg이 검출되었고, 사격장 C 토양에서는 RDX는 거의 검출되지 않았으나 TNT가 평균 7.88 mg/kg이 검출되었다. 사격장 C 토양은 오염도 조사에서 RDX가 거의 검출되지 않았으나, TNT가 매우 높았다.
- 88 mg/kg이 검출되었다. 사격장 C 토양은 오염도 조사에서 RDX가 거의 검출되지 않았으나, TNT가 매우 높았다. 이를 반영하듯 사격장 D 토양의 침강관 유출수 내 고체상 화약물질 농도가 평균 53.
- 01 mg-TNT/L가 유출되었다. 사격장 D에서는 RDX는 불검출된 반면, TNT는 평균 2.68 mg/L로 가장 높았다. 폭파 훈련장 E 토양에서는 평균 0.
- 사격장 오염분포와 오염물질의 종류는 사격훈련에 사용되는 포탄의 종류, 사격 훈련량, 그리고 지형 형태에 따라 다른 양상을 보였다. 그러므로 사격장 피탄지에 대한 오염 물질의 유출방지 및 복원공법을 설계하기 위해서는 먼저 사격장 특성에 맞는 적절한 조사가 진행되어야 한다.
- 각 지역에서 채취한 지점시료에서 일정량을 모아 지역을 대표하는 1개의 합성시료를 만들고, 그 시료에 대한 토성 분석결과는 Table 2와 같다. 사격장에서 약 1 km 거리에 있는 인근 야산에서 채취한 대조군 토양과 비교하면, 대조군 모래함량(60.5 %)과 점토함량(12.5 %)에 비해 사격장 토양 모래함량은 높고, 점토의 함량은 1.22～5.19 %로 낮았다. 점토 함량이 낮은 이유는 피탄지에 식물이 생육하지 못하여 강수로 인해 미세토가 먼저 유실되었기 때문이다.
- 그 상부에 피탄지가 양쪽으로 나뉘어 각각 2지점씩 모두 4개의 깊게 침식된 피탄지가 있었다. 시료 채취 수개월 전부터 사격훈련이 없었고, 불발탄이나 저급폭발탄이 발견되지 않았다. 이에 D11 지점에서는 표토 시료 11점과 Auger로 심토시료 2점을 채취하였다.
- 유출수 고체상에서 HMX 농도는 매우 낮아 표시하지 않았으며, 그 외 RDX와 TNT 농도는 전반적으로 액상 화약물질 농도에 비해 훨씬 높은 양상을 보였다(Fig. 11). 사격장 A 토양에서 평균 2.
- 30 mg이었다. 이 결과는 침전지를 경유한 유출수에서는 액상에 의한 화약물질 유출 기여도가 고상에 비해 훨씬 높다는 것을 정량적으로 보이고 있다. 침강관에서 유출되는 액상 및 고상 화약 물질 유출기여도와 입자 내 화약물질 분포자료를 비교한 결과 유의적인 상관성은 발견되지 않았다.
- 사격장 C 토양은 오염도 조사에서 RDX가 거의 검출되지 않았으나, TNT가 매우 높았다. 이를 반영하듯 사격장 D 토양의 침강관 유출수 내 고체상 화약물질 농도가 평균 53.69 mg/kg으로 훨씬 높았다.
- 흡착이 발생하더라도 본 연구결과에서와 같이 점토입자가 쉽게 유출되어 사격장 피탄지에 오래 머무를 수 없다. 이상과 같은 원인으로 사격장 피탄지 토양에서는 광분해 및 생물학적 분해에 의한 전환산물이 쉽게 발견되지 않았지만, 폭파훈련장은 평지에 위치하여 강수에 의해 점토 입자가 다량 유실되지 않았고 체류시간이 길어 생물학적 분해작용으로 다양한 분해산물이 관측된 것으로 판단된다.
- 이상의 분석 결과를 현장 조사에서 측정한 좌표에 대입하고 Surfer ver.6.0을 사용하여 화약물질의 분포도와 각 농도단계별 분포면적을 계산한 다음, 사격장별 오염물질농도를 추정할 수 있다. 이때 화약물질 오염토양심도는 현장 조사에서와 같이 0.
- 01 mg-TNT/L가유출되었다. 전반적으로 사격장 D 토양의 TNT를 제외하고 액상 내 화약물질 농도는 높지 않았으며, 일정한 농도를 유지하였다.
- 토양 pH는 식물 성장에 큰 영향을 주는데 산성토양에서는 영양염류 용탈, Al3+ 용해로 인한 식물성장저해 및 백화현상 등이 발생할 수 있다. 조사 결과 모든 지역의 pH는 식물성장에 지장을 주지 않는 범위로 나타났다.
- 사격장 B 지역 화약물질 오염도는 전반적으로 높지 않았다. 측정값의 median으로 비교하면 RDX 0.21 mg/kg, TNT 와 HMX는 불검출되었다. 이 지역은 현장시료 채취 시에도 사격훈련 흔적을 찾기 어려웠다.
- 9와 같다. 침강 3시간 후, 약 90 %의 TSS가 제거되었는데, 점토 함량이 높은 D 및 E 토양의 제거율이 상대적으로 낮았다. 그러나 전반적으로 침강 4시간 후에는 모든 토양에서 유출수 TSS가 500 mg/L이하로 감소하여 99 % 이상 제거되었다.
- 침강관에서 유출되는 액상 및 고상 화약 물질 유출기여도와 입자 내 화약물질 분포자료를 비교한 결과 유의적인 상관성은 발견되지 않았다.
- 토성 분석 결과와 입경별 오염물질 분포 결과를 바탕으로 검토한 결과, 강수로 표면 유출되는 입자들 가운데 0.075mm 이상의 입자들을 제거한다면 화약물질 유출을 90 % 이상을 제어할 수 있는 것으로 산정되었다. 또한 침강관 실험 결과, 오염토양을 침전제거 한 후에는 고상 유출보다 액상 유출에 의한 화약물질 유출기여도가 높았다.
- 토양 pH는 전체 지역이 약산성으로 나타났으며, 평균값은 사격장 A 토양 6.63, 사격장 B 토양 6.64, 사격장 C 토양 6.47, 사격장 D 토양 6.41, 사격장 E 토양 6.92이다. 그러나 훈련장 E06 지점에서 pH가 10.
- 화약물질 분석결과는 Table 3과 같다. 토양 내 화약물질 농도를 중간값으로 비교하면, 전체 사격장에서 HMX는 0.02mg/kg, RDX는 1.95 mg/kg, TNT는 0.34 mg/kg이 가장 높은 값으로 전반적으로 오염도는 높지 않았다. 평균값으로 보아도 HMX는 0.
- 34 mg/kg이 가장 높은 값으로 전반적으로 오염도는 높지 않았다. 평균값으로 보아도 HMX는 0.29 mg/kg 이하, RDX는 10.79 mg/kg 이하, TNT는 48.83 mg/kg이 가장 높은 값이었다. 이 결과는 미국 EPA Region III 주거지역 토양선별기준인 21 mg-TNT/kg 혹은 5.
- 심토시료를 채취한 지점도 물이 지하로 스며드는 곳으로 표토에 점토 성분이 많은 지점이다. 현장 조사와 분석 결과를 종합하면 RDX 전체 오염도는 낮으나 광범위하게 분포하고 있으며, TNT는 국부적 오염도가 높고 좁게 분포하였다. 화약류가 지하부로 유입되는 지점들이 있어 지중에 오염운(plume)이 있는 것으로 판단할 수 있다.
- 훈련장 E는 다양한 화약물질이 사용되는 폭파훈련장이다. 현장시료 분석결과, 3종의 화약물질 이외에도 TNT 중 간산물인 2ADNT(2-amino-dinitrotoluene), 4ADNT(4-aminodinitrotoluene) 및 TNB(trinitrobenzene)도 검출되었다(data not shown). HMX가 타 지역에 비해 검출 농도와 빈도가 높았으며, 최고값은 고지대와 저지대에서 각각 2.
후속연구
- 사격장 오염분포와 오염물질의 종류는 사격훈련에 사용되는 포탄의 종류, 사격 훈련량, 그리고 지형 형태에 따라 다른 양상을 보였다. 그러므로 사격장 피탄지에 대한 오염 물질의 유출방지 및 복원공법을 설계하기 위해서는 먼저 사격장 특성에 맞는 적절한 조사가 진행되어야 한다.
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