GWP (Global Warming Potential)를 고려한 가시박 바이오차르의 토양 납 제거 효과 분석 A Study of Burcucumber Biochars to Remediate Soil Pb Considering GWP (Global Warming Potential)원문보기
유기물의 열분해로 생성되는 바이오차는 토양 탄소 저장량을 증가시킴으로써 기후변화를 완화할 수 있는 전략으로 소개되고 있다. 또한 바이오차는 토양의 흡착능을 증대시켜 중금속으로 오염된 토양을 정화할 수 있다고 보고된다. 본 연구는 두 종류 바이오차의 토양 중금속 제거 효과와 함께 기후변화 완화효과를 동시에 알아보기 위해 수행되었다. 두 종류의 바이오차는 가시박 및 차 찌꺼기 바이오매스를 열분해 하여 준비했다. 납으로 오염된 농경지 토양은 바이오차 및 바이오매스와 혼합되어 60일 동안 배양하였다. $CO_2$, $CH_4$, $N_2O$는 배양 기간 동안 주기적으로 측정되었고 토양 분석은 배양 종료 후 아세트산을 이용한 납 추출량을 비롯한 생화학적 요소에 대해 수행하였다. 그 결과, 배양 후 납의 양은 BC_Ch에서 71% 만큼 감소했다. 배양 중 $CO_2$와 $N_2O$ 발생은 BC_Ch, TW_Ch에서 각각 BC_Bm, TW_Bm 대비 약 24%, 34% 감소하였다. $CH_4$ 발생은 바이오차 처리에 의한 유의한 차이를 나타내지 않았다. GWP 계산 과정에서 온실가스($CO_2$, $CH_4$, $N_2O$), 토양에 처리한 가시박 및 차 찌꺼기 바이오매스와 바이오차, 토양 내 총 탄소량을 고려하였으며, 바이오차 투입으로 토양 내 납의 농도가 감소한 BC_Ch를 제외한 나머지 처리구와 대조구에 제올라이트를 투입하였다고 가정하여 GWP 계산을 수행하였다. BC_Ch가 GWP 측면에서 가장 유리한 것을 보였는데, 이는 가시박 바이오차가 높은 납 흡착과 토양 내 탄소 격리 효과를 나타냈기 때문으로 사료된다. 결론적으로, 가시박으로부터 생성한 바이오차를 투입하는 것이 토양 오염 저감과 기후변화 완화 효과를 동시에 기대할 수 있는 전략임을 시사한다.
유기물의 열분해로 생성되는 바이오차는 토양 탄소 저장량을 증가시킴으로써 기후변화를 완화할 수 있는 전략으로 소개되고 있다. 또한 바이오차는 토양의 흡착능을 증대시켜 중금속으로 오염된 토양을 정화할 수 있다고 보고된다. 본 연구는 두 종류 바이오차의 토양 중금속 제거 효과와 함께 기후변화 완화효과를 동시에 알아보기 위해 수행되었다. 두 종류의 바이오차는 가시박 및 차 찌꺼기 바이오매스를 열분해 하여 준비했다. 납으로 오염된 농경지 토양은 바이오차 및 바이오매스와 혼합되어 60일 동안 배양하였다. $CO_2$, $CH_4$, $N_2O$는 배양 기간 동안 주기적으로 측정되었고 토양 분석은 배양 종료 후 아세트산을 이용한 납 추출량을 비롯한 생화학적 요소에 대해 수행하였다. 그 결과, 배양 후 납의 양은 BC_Ch에서 71% 만큼 감소했다. 배양 중 $CO_2$와 $N_2O$ 발생은 BC_Ch, TW_Ch에서 각각 BC_Bm, TW_Bm 대비 약 24%, 34% 감소하였다. $CH_4$ 발생은 바이오차 처리에 의한 유의한 차이를 나타내지 않았다. GWP 계산 과정에서 온실가스($CO_2$, $CH_4$, $N_2O$), 토양에 처리한 가시박 및 차 찌꺼기 바이오매스와 바이오차, 토양 내 총 탄소량을 고려하였으며, 바이오차 투입으로 토양 내 납의 농도가 감소한 BC_Ch를 제외한 나머지 처리구와 대조구에 제올라이트를 투입하였다고 가정하여 GWP 계산을 수행하였다. BC_Ch가 GWP 측면에서 가장 유리한 것을 보였는데, 이는 가시박 바이오차가 높은 납 흡착과 토양 내 탄소 격리 효과를 나타냈기 때문으로 사료된다. 결론적으로, 가시박으로부터 생성한 바이오차를 투입하는 것이 토양 오염 저감과 기후변화 완화 효과를 동시에 기대할 수 있는 전략임을 시사한다.
Biochar, a by-product from pyrolysis of biomass, is a promising option to mitigate climate change by increasing soil carbon sequestration. This material is also considered to have potential to remediate a soil with heavy metal pollution by increasing the soil's adsorptive capacity. This study conduc...
Biochar, a by-product from pyrolysis of biomass, is a promising option to mitigate climate change by increasing soil carbon sequestration. This material is also considered to have potential to remediate a soil with heavy metal pollution by increasing the soil's adsorptive capacity. This study conducted the assessment of two biochars considering the climate change mitigation potential and heavy metal removal capacity at the same time. Two kinds of biochars (BC_Ch, TW_Ch) were prepared by pyrolyzing the biomass of burcucumber (BC_Bm) and tea waste (TW_Bm). The soils polluted with Pb were mixed with biochars or biomass and incubated for 60 d. During the incubation, $CO_2$, $CH_4$, and $N_2O$ were regularly measured and the soil before and after incubation was analyzed for chemical and biological parameters including the acetate extractable Pb. The results showed that only the BC_Ch treatment significantly reduced the amount of Pb after 60 d incubation. During the incubation, the $CO_2$ and $N_2O$ emissions from the BC_Ch and TW_Ch were decreased by 24% and 34% compared to the BC_Bm and TW_Bm, respectively. The $CH_4$ emissions were not significantly affected by biochar treatments. We calculated the GWP considering the production of amendment materials, application to the soils, removal of Pb, and soil carbon storage. The BC_Ch treatment had the most negative value because it had the higher Pb adsorption and soil carbon sequestration. Our results imply that if we apply biochar made from burcucumber, we could expect the pollution reduction and climate change mitigation at the same time.
Biochar, a by-product from pyrolysis of biomass, is a promising option to mitigate climate change by increasing soil carbon sequestration. This material is also considered to have potential to remediate a soil with heavy metal pollution by increasing the soil's adsorptive capacity. This study conducted the assessment of two biochars considering the climate change mitigation potential and heavy metal removal capacity at the same time. Two kinds of biochars (BC_Ch, TW_Ch) were prepared by pyrolyzing the biomass of burcucumber (BC_Bm) and tea waste (TW_Bm). The soils polluted with Pb were mixed with biochars or biomass and incubated for 60 d. During the incubation, $CO_2$, $CH_4$, and $N_2O$ were regularly measured and the soil before and after incubation was analyzed for chemical and biological parameters including the acetate extractable Pb. The results showed that only the BC_Ch treatment significantly reduced the amount of Pb after 60 d incubation. During the incubation, the $CO_2$ and $N_2O$ emissions from the BC_Ch and TW_Ch were decreased by 24% and 34% compared to the BC_Bm and TW_Bm, respectively. The $CH_4$ emissions were not significantly affected by biochar treatments. We calculated the GWP considering the production of amendment materials, application to the soils, removal of Pb, and soil carbon storage. The BC_Ch treatment had the most negative value because it had the higher Pb adsorption and soil carbon sequestration. Our results imply that if we apply biochar made from burcucumber, we could expect the pollution reduction and climate change mitigation at the same time.
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문제 정의
재활용되기 어려운 폐기물 중 국내 생태계 교란식물인 가시박과 해외 차 찌꺼기 바이오매스를 바이오차로 활용하여 납으로 오염된 농경토양의 정화에 활용 가능한지 확인하였다. 동시에 바이오차 투입에 따른 추가적 온실가스 배출 변화를 살펴봄으로써 각 처리구의 GWP를 계산하여 바이오차의 토양투입에 따른 다목적 활용의 가능성에 대해 평가하였다.
본 연구는 친환경적 바이오차 활용을 위해 바이오차의 기후변화 완화 잠재능과 중금속 흡착능을 동시에 고려한 평가를 진행하였다. 재활용되기 어려운 폐기물 중 국내 생태계 교란식물인 가시박과 해외 차 찌꺼기 바이오매스를 바이오차로 활용하여 납으로 오염된 농경토양의 정화에 활용 가능한지 확인하였다.
본 연구는 친환경적으로 처리가 필요한 생태계 교란 물질인 가시박과 차 찌꺼기를 원료로 만든 바이오차를 중금속으로 오염된 농경지 토양에 투입하여 중금속 제거 효과를 보고 동시에 이들 바이오차의 투입이 토양에서의 온실가스 발생을 감소시키는지를 알아보기 위해 수행되었다. 본 연구의 목적은 바이오차의 토양 내 중금속 흡착제로서의 활용 가능성 판단하고, 바이오차 투입이 바이오매스 투입에 비해 온실가스 배출을 효과적으로 저감시켜 지구 온난화 완화에 기여할 수 있는지를 GWP (Global Warming Potential) 산정을 통하여 알아보는 것에 있다.
본 연구는 친환경적으로 처리가 필요한 생태계 교란 물질인 가시박과 차 찌꺼기를 원료로 만든 바이오차를 중금속으로 오염된 농경지 토양에 투입하여 중금속 제거 효과를 보고 동시에 이들 바이오차의 투입이 토양에서의 온실가스 발생을 감소시키는지를 알아보기 위해 수행되었다. 본 연구의 목적은 바이오차의 토양 내 중금속 흡착제로서의 활용 가능성 판단하고, 바이오차 투입이 바이오매스 투입에 비해 온실가스 배출을 효과적으로 저감시켜 지구 온난화 완화에 기여할 수 있는지를 GWP (Global Warming Potential) 산정을 통하여 알아보는 것에 있다.
가설 설정
Fawer의 연구에 따라 제올라이트 생성 시 26461 MJ ton-1의 에너지가 필요하며, 이는 emission intensity를 이용하여 GWP로 환산하였다.45,48)또한, 바이오매스, 바이오차와 제올라이트의 토양 투입에 따른 추가적 GWP 발생은 없다고 가정하였다.
46) 제올라이트는 골격구조가 튼튼하며 양이온 교환이 용이하므로 흡착제로써 널리 활용되고 있으므로, 제올라이트를 무게기준 3% 투여하여 토양 내 중금속을 안정화시켰다.47) GWP 계산에는 제올라이트 생성과정에서 소모된 에너지만을 고려하였다. Fawer의 연구에 따라 제올라이트 생성 시 26461 MJ ton-1의 에너지가 필요하며, 이는 emission intensity를 이용하여 GWP로 환산하였다.
여기서 계산된 에너지는 Moomaw45) 연구의 emission intensity인 1001g CO2 kWh-1를 고려하여 바이오매스 및 바이오차 생성에 소요되는 GWP를 산정하였다. 무처리구와 토양 내 중금속농도가 감소하지 않은 처리구에 대해서는 물리화학적 흡착제 투입이 필요하다 가정하였고, 물리화학적 흡착제로 제올라이트를 상정하였다.46) 제올라이트는 골격구조가 튼튼하며 양이온 교환이 용이하므로 흡착제로써 널리 활용되고 있으므로, 제올라이트를 무게기준 3% 투여하여 토양 내 중금속을 안정화시켰다.
제안 방법
43) 본 연구에서는 기체 분석에서 측정한 이산화탄소, 메탄 및 이산화질소의 총 배출량에 이산화탄소는 1배, 메탄은 25배, 아산화질소는 298배를 곱하여 처리구별 GWP를 산정하였다.43) 그리고 처리구에 따라 토양에 추가로 저장된 탄소는 온실가스 배출을 상쇄하는 것으로 보고 대조구와 대비 토양 탄소 증가량을 이산화탄소 양으로 환산하여 음의 GWP로 계산하였다. 가시박 및 차 찌꺼기 투입물의 투입농도가 다름으로 인해오는 토양 탄소량의 차이를 차 찌꺼기 투입률인 1.
43) 본 연구에서는 기체 분석에서 측정한 이산화탄소, 메탄 및 이산화질소의 총 배출량에 이산화탄소는 1배, 메탄은 25배, 아산화질소는 298배를 곱하여 처리구별 GWP를 산정하였다.43) 그리고 처리구에 따라 토양에 추가로 저장된 탄소는 온실가스 배출을 상쇄하는 것으로 보고 대조구와 대비 토양 탄소 증가량을 이산화탄소 양으로 환산하여 음의 GWP로 계산하였다.
GWP 계산 과정에서 세 가지 온실가스(이산화탄소, 메탄,아산화질소), 토양에 처리한 가시박 및 차 찌꺼기 바이오매스와 바이오차르, 토양 내 총 탄소량을 고려하였으며, 바이오차르 투입으로 토양 내 납의 농도가 감소한 처리구인 BC_Ch를 제외한 나머지 처리구와 대조구에 제올라이트를 투입하였다고 가정하고 GWP 계산을 수행하였다(Fig. 1).
가시박 및 차 찌꺼기의 바이오매스와 바이오차의 기초 성상 분석은 pH와 총 탄소 및 질소에 대해 진행하였으며, 그 방법은 토양 분석에서 사용한 것과 동일하다. 모든 투입 물질에 대해서 750℃로 가열 전 무게에 대한 가열 후의 무게의 비율을 통해서 수한 재(Ash) 함량을 계산하였으며, 가시박 및 차 찌꺼기의 바이오매스와 바이오차 내 수분, 휘발성 물질, 재의 함량을 제외한 Fixed matter의 함량을 구했다.
처리구는 토양에 가시박과 차 찌꺼기 각각의 바이오매스 및 바이오차를 투입하여 준비하였다. 가시박 처리구는 250 mL의 유리용기에 준비한 풍건 토양시료 80 g을 넣고 가시박 바이오매스 및 바이오차를 무게 기준으로 4%씩 투여하였으며, 차 찌꺼기 처리구는 동일한 유리용기에 토양시료 50 g을 넣고 차 찌꺼기 바이오매스 및 바이오차를 무게 기준으로 각각 1.6% 투여하였다. 두 바이오차의 투입 비율을 달리한 이유는 바이오차를 이용한 토양 배양 실험에서 널리 사용되는 농도 범위인 1~5% 내에서 보유한 바이오차의 가용량과 탄소 농도를 고려하였기 때문이다.
기체 포집은 배양 시작 후 10일까지는 2일 간격, 11~22일 동안은 3일 간격, 23~60일 동안에는 7일 간격으로 진행되었다. 기체 채취는 용기 뚜껑에 부착된 septum을 통해 용기의 headspace에서 10 mL 주사기를 이용하여 수행되었으며,이를 ECD와 FID가 장착된 가스 크로마토그래피(Agilent7890A GC)로 분석함으로써 배양 기간 동안 이산화탄소, 메탄 및 아산화질소의 변화량을 정량하였다. 기체의 양은 다음의 식을 이용하여 계산하였다.
기체 포집은 배양 시작 후 10일까지는 2일 간격, 11~22일 동안은 3일 간격, 23~60일 동안에는 7일 간격으로 진행되었다. 기체 채취는 용기 뚜껑에 부착된 septum을 통해 용기의 headspace에서 10 mL 주사기를 이용하여 수행되었으며,이를 ECD와 FID가 장착된 가스 크로마토그래피(Agilent7890A GC)로 분석함으로써 배양 기간 동안 이산화탄소, 메탄 및 아산화질소의 변화량을 정량하였다.
두 바이오차의 투입 비율을 달리한 이유는 바이오차를 이용한 토양 배양 실험에서 널리 사용되는 농도 범위인 1~5% 내에서 보유한 바이오차의 가용량과 탄소 농도를 고려하였기 때문이다. 대조구는 아무것도 넣지 않은 풍건 토양 시료를 준비하였고, 모든 처리구 및 대조구는 3회 반복하여 조성하였다(Table 1).
가시박 및 차 찌꺼기의 바이오매스와 바이오차의 기초 성상 분석은 pH와 총 탄소 및 질소에 대해 진행하였으며, 그 방법은 토양 분석에서 사용한 것과 동일하다. 모든 투입 물질에 대해서 750℃로 가열 전 무게에 대한 가열 후의 무게의 비율을 통해서 수한 재(Ash) 함량을 계산하였으며, 가시박 및 차 찌꺼기의 바이오매스와 바이오차 내 수분, 휘발성 물질, 재의 함량을 제외한 Fixed matter의 함량을 구했다.30)
배양이 종료된 후 모든 처리구를 대상으로 토양 분석을 실시하였다. 총 탄소량은 Carlo Erba NS 1500 C/N analyzer(Carlo Erba, Milan, Italy)을 이용하여 분석하였고, 토양 무기태 질소(NO3-, NH4+) 함량은 salicylate microplate 방법에 따라 측정하였다.
44)Kim의 연구는 볏짚을 원재료로 하여 300℃에서 열분해한 바이오차르에 대한 결과이고, 본 연구는 가시박 및 차 찌꺼기를 원재료로 하여 300℃에서 열분해하였다. 여기서 계산된 에너지는 Moomaw45) 연구의 emission intensity인 1001g CO2 kWh-1를 고려하여 바이오매스 및 바이오차 생성에 소요되는 GWP를 산정하였다. 무처리구와 토양 내 중금속농도가 감소하지 않은 처리구에 대해서는 물리화학적 흡착제 투입이 필요하다 가정하였고, 물리화학적 흡착제로 제올라이트를 상정하였다.
본 연구는 친환경적 바이오차 활용을 위해 바이오차의 기후변화 완화 잠재능과 중금속 흡착능을 동시에 고려한 평가를 진행하였다. 재활용되기 어려운 폐기물 중 국내 생태계 교란식물인 가시박과 해외 차 찌꺼기 바이오매스를 바이오차로 활용하여 납으로 오염된 농경토양의 정화에 활용 가능한지 확인하였다. 동시에 바이오차 투입에 따른 추가적 온실가스 배출 변화를 살펴봄으로써 각 처리구의 GWP를 계산하여 바이오차의 토양투입에 따른 다목적 활용의 가능성에 대해 평가하였다.
처리구는 토양에 가시박과 차 찌꺼기 각각의 바이오매스 및 바이오차를 투입하여 준비하였다. 가시박 처리구는 250 mL의 유리용기에 준비한 풍건 토양시료 80 g을 넣고 가시박 바이오매스 및 바이오차를 무게 기준으로 4%씩 투여하였으며, 차 찌꺼기 처리구는 동일한 유리용기에 토양시료 50 g을 넣고 차 찌꺼기 바이오매스 및 바이오차를 무게 기준으로 각각 1.
토양 내 유효 중금속 함량 변화는 납을 중심으로 결과를분석하였다(Fig. 1).
총 탄소 및 질소 함량은 Carlo Erba NS 1500 C/Nanalyzer (Carlo Erba, Milan, Italy)를 이용하여 분석하였고,유기물 함량은 토양을 550℃에서 1시간 동안 연소시키는 강열감량법을 통해 분석하였다. 토양 내 중금속의 총 함량 분석은 왕수 분해 과정 후 유도결합플라즈마발광도계(ICP-OES, Thermo iCAP6300, England)를 이용하여 수행하였다.35)
토양은 경상북도 봉화군에 위치한 폐광 인근의 농경지에서 표층 토양을 채취하였고, 실험실에서 일주일 간 풍건한후 2 mm 체에 걸러 준비하였다. 토양 분석은 토성, pH, 총 탄소 및 질소, 유기물 함량, 중금속에 대해 실시하였다. 토성은 비중계법에 따라 분석한 후 USDA의 기준에 따라 분류하였다.
대상 데이터
가시박 바이오차는 서울시 영등포구 안양천 일대에서 채취한 가시박 바이오매스의 지상부를 60℃에서 48 h 동안 건조하고 1 mm 이하로 분쇄하여 산소가 제한된 상황에서 열분해 하여 얻었다.34) 열분해는 산소가 제한된 조건 하에서 300℃로 약 3시간 진행하였고, 12시간 방냉한 후 가시박 바이오차를 수집하였다.
38) 이는 차 음료 생산 후 다량으로 발생하는 차 찌꺼기를 환경적으로 유익한 방법으로 처리해야 할 필요가 있음을 시사한다. 따라서 본 연구에서는 가시박과 차 찌꺼기의 바이오매스 및 바이오차를 실험 재료로 선정하였다.
본 연구에서는 가시박(BC) 및 차 찌꺼기(TW)의 바이오매스와 바이오차를 준비하였다. 가시박은 환경부에서 지정한 생태계교란생물 중 하나로, 주로 물가에 서식하므로 이를 제거할 때 제초제 등의 화학약품을 사용하지 못하여 직접 뽑아내는 방법으로 제거하고 있다.
토양은 경상북도 봉화군에 위치한 폐광 인근의 농경지에서 표층 토양을 채취하였고, 실험실에서 일주일 간 풍건한후 2 mm 체에 걸러 준비하였다. 토양 분석은 토성, pH, 총 탄소 및 질소, 유기물 함량, 중금속에 대해 실시하였다.
데이터처리
통계분석은 SAS 9.3의 MIXED과정을 이용하여 처리구별 95% 신뢰수준에서 분산분석을 수행하였다.49) 분석은 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 총 탄소량 및 질소량, 토양 무기태 질소 함량, FDA에 대해 실시하였다.
49) 분석은 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 총 탄소량 및 질소량, 토양 무기태 질소 함량, FDA에 대해 실시하였다. 한편, 토양 내 중금속 추출량에 대해서는 처리구별 99% 신뢰수준에서 분산분석을 하였다.
이론/모형
총 탄소량은 Carlo Erba NS 1500 C/N analyzer(Carlo Erba, Milan, Italy)을 이용하여 분석하였고, 토양 무기태 질소(NO3-, NH4+) 함량은 salicylate microplate 방법에 따라 측정하였다.40) 토양의 미생물 활성도는 Adam and Ducan의 Fluorescein diacetate (FDA) hydrolysis 법을 이용하여 알아보았다.41) 토양 내 유효 중금속 함량은 Mahtab의 방법에 따라 NH4OAc를 이용하여 추출 가능한 납의 농도를 이용하여 분석하였다.
40) 토양의 미생물 활성도는 Adam and Ducan의 Fluorescein diacetate (FDA) hydrolysis 법을 이용하여 알아보았다.41) 토양 내 유효 중금속 함량은 Mahtab의 방법에 따라 NH4OAc를 이용하여 추출 가능한 납의 농도를 이용하여 분석하였다.42)
pH는 토양과 증류수를 1:1 (w/v)의 비율로 혼합하여 1시간 교반 후 pH meter (Orion 3star, Thermo, USA)로 측정하였다. 총 탄소 및 질소 함량은 Carlo Erba NS 1500 C/Nanalyzer (Carlo Erba, Milan, Italy)를 이용하여 분석하였고,유기물 함량은 토양을 550℃에서 1시간 동안 연소시키는 강열감량법을 통해 분석하였다. 토양 내 중금속의 총 함량 분석은 왕수 분해 과정 후 유도결합플라즈마발광도계(ICP-OES, Thermo iCAP6300, England)를 이용하여 수행하였다.
배양이 종료된 후 모든 처리구를 대상으로 토양 분석을 실시하였다. 총 탄소량은 Carlo Erba NS 1500 C/N analyzer(Carlo Erba, Milan, Italy)을 이용하여 분석하였고, 토양 무기태 질소(NO3-, NH4+) 함량은 salicylate microplate 방법에 따라 측정하였다.40) 토양의 미생물 활성도는 Adam and Ducan의 Fluorescein diacetate (FDA) hydrolysis 법을 이용하여 알아보았다.
토양 분석은 토성, pH, 총 탄소 및 질소, 유기물 함량, 중금속에 대해 실시하였다. 토성은 비중계법에 따라 분석한 후 USDA의 기준에 따라 분류하였다. pH는 토양과 증류수를 1:1 (w/v)의 비율로 혼합하여 1시간 교반 후 pH meter (Orion 3star, Thermo, USA)로 측정하였다.
성능/효과
8,9) 생물학적 처리방법은 비교적 친환경적인 처리방법으로 식물 및 미생물을 이용하여 토양 속 중금속을 제거 및 안정화하는 것이다.10) 이는 물리화학적 처리방법에 비해 2차 오염의 위험이 없으며 경관향상에도 긍정적인 효과를 나타낼 수 있다.11,12) 하지만, Shim13)은 식물체 내의 중금속 농도가 높을수록 낙엽의 분해 속도가 감소한다고 보고하였다.
무처리구와 토양 내 중금속농도가 감소하지 않은 처리구에 대해서는 물리화학적 흡착제 투입이 필요하다 가정하였고, 물리화학적 흡착제로 제올라이트를 상정하였다.46) 제올라이트는 골격구조가 튼튼하며 양이온 교환이 용이하므로 흡착제로써 널리 활용되고 있으므로, 제올라이트를 무게기준 3% 투여하여 토양 내 중금속을 안정화시켰다.47) GWP 계산에는 제올라이트 생성과정에서 소모된 에너지만을 고려하였다.
BC_Ch에서 적은 GWP 값을 보였는데, 이는 가시박 바이오차 생성에 소요되는 에너지에 따른 GWP를 고려하더라도 가시박 바이오차 처리구가 유리한 것을 보여준다. TW_Ch의 경우에는 토양 내 탄소저장량은 BC_Ch에 비해 적었지만, 가시박 및 차 찌꺼기 투입률을 고려한 결과로 TW_Ch는 GWP 측면에서 그 효과가 좋은 것으로 나타났다.
가시박과 차 찌꺼기 모두 pH, 총 탄소 및 질소량,C/N비, fixed matter가 바이오매스에 비해 바이오차에서 높게 나타났다. 특히, 총 탄소량은 바이오매스보다 바이오차에서 가시박은 약 46%, 차 찌꺼기는 약 35% 더 많았으며, fixed matter에서는 바이오매스를 기준으로 바이오차에서 가시박은 약 1.
2(b)로 제시하였다. 대조구 대비 메탄의 발생은 TW_Ch와 TW_Bm에서는 차이가 없었고, BC_Ch와 BC_Bm에서 각각 9%, 6% 많은 것을 볼 수 있었다. 가시박 처리구에서만 메탄 발생이 소폭 증가한 것은 가시박 바이오매스 및 바이오차가 차 찌꺼기에 비해 fixed matter 양이 적으므로 상대적으로 미생물이 대사할 수 있는 유기물의 양이 많기 때문인 것으로 파악된다.
반면, 차 찌꺼기 바이오차의 표면작용기에 관한 정보는 Rajapaksha55)의 연구에 제시되어 있다. 두 바이오차 표면작용기의 직접적인 비교는 불가능 하지만, 차 찌꺼기 바이오차에 비해 가시박 바이오차가 산소를 포함한 작용기 및 기타 다양한 작용기를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 가시박 바이오차의 높은 납 흡착능은 이처럼 다양한 표면 작용기의 기인한 것으로 생각할 수 있다.
무기태 질소는 Control을 기준으로 BC_Bm에서 약 28% 증가되었으며, 미생물 활성도는 Conrol 대비 BC_Bm에서만 약 68% 만큼 더 높은 활성을 보였다. 이러한 결과는 가시박 바이오매스의 투입으로 질소 순환이 자극되어 그 결과 아산화질소 발생이 증가한 것으로 보인다.
이산화탄소 발생량은 Control과 비교하여 BC_Bm, BC_Ch, TW_Bm에서 많았으며, TW_Ch의 경우 유의한 차이가 없었다. 바이오차 처리구는 바이오매스 처리구에 비해 이산화탄소 발생량이 가시박의 경우 76%, 차 찌꺼기의 경우 85% 만큼 감소되었다. 이러한 감소는 바이 오차에 함유된 fixed matter 함량에 비해 매우 높기 때문으로 사료된다(Table 4).
2(c)에 정리하였다. 배양 기간 동안 누적 아산화질소 발생량은 대조구 대비 BC_Ch,TW_ Bm, TW_Ch에서 변화가 없었으며, BC_Bm에서만 큰 폭으로 증가하였다. 이 결과는 BC_Bm 처리구에서만 관찰된 높은 무기태 질소량 및 미생물 활성도로 설명할 수 있다(Fig.
3(a)). 이러한 결과는 Lehmann 및 Kim의 결과와 일치하며, 바이오매스 처리구에 비해 바이오차 처리구에 함유된 탄소는 안정한 형태이며 토양 속에서 비교적 오랜 시간 보존될 수 있음을 시사한다.56,57)
2(a)에 나타내었다. 이산화탄소 발생량은 Control과 비교하여 BC_Bm, BC_Ch, TW_Bm에서 많았으며, TW_Ch의 경우 유의한 차이가 없었다. 바이오차 처리구는 바이오매스 처리구에 비해 이산화탄소 발생량이 가시박의 경우 76%, 차 찌꺼기의 경우 85% 만큼 감소되었다.
이러한 감소는 바이 오차에 함유된 fixed matter 함량에 비해 매우 높기 때문으로 사료된다(Table 4). 처리구별 이산화탄소 배출량 결과는 배양 후 토양 내 총 탄소 분석 결과와도 일치하는데, BC_Ch는 BC_Bm 대비 약 22%, TW_Ch는 TW_Bm 대비 약 26%더 많은 양의 탄소를 토양 내에 저장하고 있었다(Fig. 3(a)).
가시박과 차 찌꺼기 모두 pH, 총 탄소 및 질소량,C/N비, fixed matter가 바이오매스에 비해 바이오차에서 높게 나타났다. 특히, 총 탄소량은 바이오매스보다 바이오차에서 가시박은 약 46%, 차 찌꺼기는 약 35% 더 많았으며, fixed matter에서는 바이오매스를 기준으로 바이오차에서 가시박은 약 1.10배, 차 찌꺼기는 1.44배 많았다. 한편, 가시박 바이오차는 차 찌꺼기 바이오차보다 높은 pH를 보였으며,Fixed matter의 경우는 가시박 바이오차 대비 차 찌꺼기 바이오차에서 약 321% 더 높은 것을 알 수 있었다.
44배 많았다. 한편, 가시박 바이오차는 차 찌꺼기 바이오차보다 높은 pH를 보였으며,Fixed matter의 경우는 가시박 바이오차 대비 차 찌꺼기 바이오차에서 약 321% 더 높은 것을 알 수 있었다.
두 종류 바이오차 중 표면적이 더 적은 가시박 바이오차가 납의 흡착에 더 효과적이었던 이유는 가시박 바이오차의 높은 재 함량 때문인 것으로 판단되며, 또한 산소를 포함한 작용기를 포함한 다양한 작용기를 더 많이 포함하고 있기 때문으로 추측할 수 있었다. 한편, 토양 투입 후 발생된 온실 가스는 가시박 및 차 찌꺼기를 바이오매스의 형태로 투입한 경우에 비하여 바이오차 형태로 투입한 경우, 이산화탄소는 평균 24%, 아산화질소의 경우는 34% 적게 배출되었다. 본 연구 결과를 종합하면, 생태계 교란식물인 가시박 바이오매스를 바이오차로 전환하여 중금속 오염 토양에 투입한 경우, 바이오차 생산에 추가적으로 투입된 에너지를 감안한다 하더라도 온실가스 배출 저감과 중금속 오염 정화라는 편익을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
한편, 토양 투입 후 발생된 온실 가스는 가시박 및 차 찌꺼기를 바이오매스의 형태로 투입한 경우에 비하여 바이오차 형태로 투입한 경우, 이산화탄소는 평균 24%, 아산화질소의 경우는 34% 적게 배출되었다. 본 연구 결과를 종합하면, 생태계 교란식물인 가시박 바이오매스를 바이오차로 전환하여 중금속 오염 토양에 투입한 경우, 바이오차 생산에 추가적으로 투입된 에너지를 감안한다 하더라도 온실가스 배출 저감과 중금속 오염 정화라는 편익을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 차 찌꺼기 바이오차는 납 제거에 효과를 보이지 않았으나 토양 탄소 저장 증대 및 토양 물리화학적 특성에 긍정적인 영향을 보였으므로 기후변화 완화 전략 및 토양개량제로써 제안할 수 있을 것이다.
가시박 바이오차의 높은 납 흡착능은 이처럼 다양한 표면 작용기의 기인한 것으로 생각할 수 있다. 비록 본 연구에서 바이오차 투입에 따른 납의 형태별 제거 가능성 및 형태 변화를 분석하지는 않았으나 향후 바이오차의 현장 적용을 위해서는 중금속 형태별 제거 관찰이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구 결과를 종합하면, 생태계 교란식물인 가시박 바이오매스를 바이오차로 전환하여 중금속 오염 토양에 투입한 경우, 바이오차 생산에 추가적으로 투입된 에너지를 감안한다 하더라도 온실가스 배출 저감과 중금속 오염 정화라는 편익을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 차 찌꺼기 바이오차는 납 제거에 효과를 보이지 않았으나 토양 탄소 저장 증대 및 토양 물리화학적 특성에 긍정적인 영향을 보였으므로 기후변화 완화 전략 및 토양개량제로써 제안할 수 있을 것이다.
)의 바이오매스를 열분해하여 얻은 바이오차의 항생물질 흡착제로서의 활용가능성을 평가하였고, 바이오차가 폐기물 감량 및 토양 오염 저감을 동시에 달성하는 매우 유익한 방법임을 제안하였다. 한편, 식품산업부분에서 다량으로 배출되는 차 찌꺼기와 같은 유기물질도 친환경적 처리가 필요한테, 이를 바이오차 원료물질로 활용하여 토양 중금속 오염저감 가능성을 기대할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물리화학적 처리방법의 장단점은 무엇인가?
물리화학적 처리방법은 다량의 토양을 정화하는데 드는 시간이 짧다는 장점이 있지만, 처리 과정 중 또는 후의 토양으로부터 중금속의 재용출 및 투입제로 인한 2차 오염 등의 위험성이 있어 후처리가 필요하다는 단점이 있다.8,9) 생물학적 처리방법은 비교적 친환경적인 처리방법으로 식물 및 미생물을 이용하여 토양 속 중금속을 제거 및 안정화하는 것이다.
생물학적 처리방법의 장점은 무엇인가?
8,9) 생물학적 처리방법은 비교적 친환경적인 처리방법으로 식물 및 미생물을 이용하여 토양 속 중금속을 제거 및 안정화하는 것이다.10) 이는 물리화학적 처리방법에 비해 2차 오염의 위험이 없으며 경관향상에도 긍정적인 효과를 나타낼 수 있다.11,12) 하지만, Shim13)은 식물체 내의 중금속 농도가 높을수록 낙엽의 분해 속도가 감소한다고 보고하였다.
생물학적 처리방법은 무엇인가?
물리화학적 처리방법은 다량의 토양을 정화하는데 드는 시간이 짧다는 장점이 있지만, 처리 과정 중 또는 후의 토양으로부터 중금속의 재용출 및 투입제로 인한 2차 오염 등의 위험성이 있어 후처리가 필요하다는 단점이 있다.8,9) 생물학적 처리방법은 비교적 친환경적인 처리방법으로 식물 및 미생물을 이용하여 토양 속 중금속을 제거 및 안정화하는 것이다.10) 이는 물리화학적 처리방법에 비해 2차 오염의 위험이 없으며 경관향상에도 긍정적인 효과를 나타낼 수 있다.
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