The effect of blast oxygen furnace (BOF) slag used as filling materials on the soil environment was studied using column tests that simulated the flow of the BOF slag leachate through the soil layer. The Cu, Mn, Zn, Ni, and F contents of the leachate affected soil were similar to that of the control...
The effect of blast oxygen furnace (BOF) slag used as filling materials on the soil environment was studied using column tests that simulated the flow of the BOF slag leachate through the soil layer. The Cu, Mn, Zn, Ni, and F contents of the leachate affected soil were similar to that of the controls (i.e., soils that were not affected by the leachate). The As, Cd, and Pb contents were lower in the leachate affected soils than the controls. The changes in these contaminants contents can be attributed to the interactions between anions such as alkalinity generating anions (e.g., CO32−, HCO3−, OH−) or calcium ions with heavy metals or F, which consequently affected the fate of heavy metals and F in the leachate affected soils. The germination and growth of Spinapis alba in the soils affected by the leachate and the controls were also similar. However, the proportion of alkalophilic bacteria in the soils affected by the leachate significantly increased, and this can be explained by the increased soil pH due to the alkaline leachate. Overall, this study shows that the alkalinity of the BOF slag leachate, rather than the presence of heavy metals and F in the leachate, needs to be considered when the BOF slag is to be reused as structural filling materials.
The effect of blast oxygen furnace (BOF) slag used as filling materials on the soil environment was studied using column tests that simulated the flow of the BOF slag leachate through the soil layer. The Cu, Mn, Zn, Ni, and F contents of the leachate affected soil were similar to that of the controls (i.e., soils that were not affected by the leachate). The As, Cd, and Pb contents were lower in the leachate affected soils than the controls. The changes in these contaminants contents can be attributed to the interactions between anions such as alkalinity generating anions (e.g., CO32−, HCO3−, OH−) or calcium ions with heavy metals or F, which consequently affected the fate of heavy metals and F in the leachate affected soils. The germination and growth of Spinapis alba in the soils affected by the leachate and the controls were also similar. However, the proportion of alkalophilic bacteria in the soils affected by the leachate significantly increased, and this can be explained by the increased soil pH due to the alkaline leachate. Overall, this study shows that the alkalinity of the BOF slag leachate, rather than the presence of heavy metals and F in the leachate, needs to be considered when the BOF slag is to be reused as structural filling materials.
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문제 정의
하지만 오염물질의 토양축적, 용출수의 지속적인 유입에 의한 토양 생태환경변화 등 전로제강슬래그의 토양에서의 사용이 장기적으로 주변 토양 환경에 미치는 영향에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 철강 생산 중 발생하는 전로제강슬래그가 ‘토양 또는 그 일부’로 사용되었을 경우 전로제강슬래그 내 오염우려물질의 용출 정도와 용출수가 주변 토양 환경에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위해 전로제강슬래그 용출수가 토양에 지속적으로 유입되는 환경을 모사한 칼럼실험을 수행하여 원토양 대비 용출수의 영향을 받은 토양 내 오염우려물질 함량, 식물독성, 미생물 군집 변화를 통해 전로제강슬래그의 재사용이 토양 환경에 미치는 영향을 알아보았다.
본 연구에서는 전로제강슬래그에서 발생한 용출수가 주변 토양에 미치는 영향을 알아보았다. 중금속 및 불소의 토양 축적 측면에서 볼 때, 본 연구에 사용한 전로 제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양과 그렇지 않은 토양에서 유의적인 차이는 없었다.
제안 방법
추출액 내 중금속은 ICP-OES(ICAP 7400 Duo, Thermo Scientific, USA)를 사용하여 분석하였고, 불소는 토양오염공정시험기준(KMOE, 2009)에 따라 지르코니움 발색시약(zirconyl-SPADNS)과 추출액을 1:5(v/v) 비율로 혼합 후 570nm에서 흡광도를 측정하였다. 6가크롬은 디페닐카르바지드 (diphenylcarbazide) 용액(0.5%)과 추출액을 2:95(v/v) 비율로 혼합 후, 20% 황산으로 pH를 2.0으로 조정하여 540nm에서 흡광도를 측정하였다.
이는 ‘철강슬래그 및 석탄재 배출사업자의 재활용지침’에 따라 최소의 슬래그가 토양환경에 미치는 영향을 알아보기 위해 보수적으로 결정한 비율이다. 다짐 후 peristaltic tubing pumps(Masterflex#L/S#, Cole Parmer Instrument Company, USA)로 전로제강슬래그 층만 증류수로 채워 유출수의 pH가 일정(pH 변화≤0.5)하게 유지될 때까지 48h 동안 평형상태를 이루게 하였다. 이는 전로제강슬래그가 성·복토제로 사용된 후에 빗물 또는 외부의 표면 유출수(surface runoff)의 유입으로 포화된 후에 공극수로 용출되어 나오는 토양오염 우려 물질이 지하토양에 영향을 주는 상황을 묘사하기 위함이다.
5%)을 이용한 흡광도법으로 분석하였고, 그 외 중금속은 ICP-OES를 사용하여 분석하였다. 대조군으로는 토양 층으로만 구성된 칼럼을 사용하였고, 유출수를 채취하여 중금속과 불소를 분석하였다.
45µm GHP 필터로 여과한 후 pH와 산화환원전위를 측정하였다. 또한 유출수 내 불소와 6가 크롬은 각각 지르코니움 발색시약과 디페닐카르바지드(diphenylcarbazide)용액(0.5%)을 이용한 흡광도법으로 분석하였고, 그 외 중금속은 ICP-OES를 사용하여 분석하였다. 대조군으로는 토양 층으로만 구성된 칼럼을 사용하였고, 유출수를 채취하여 중금속과 불소를 분석하였다.
또한, 전로제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양 내 미생물 군집 변화를 알아보기 위해 FastDNA SPIN Kit for soil(MP Biomedicals, USA)을 이용하여 0.5g 토양 내 DNA를 추출하였다. 프라이머로 9F(50-CCTATCCCC TGTGTGCCTTGGCAGTCTCAGACAGAGTTTGATCM-TGGCTCAG-30)와 541R(50-C CATCTCATCCCTGCGT GTCTCCGACTCAG-X-ACATTACCG-CGGCTGCTGG-30)을 사용하여 polymerase chain reactions(PCRs)을 수행하였다.
용출수의 영향을 받은 토양과 받지 않은 토양을 각각 30g씩 담은 petri dishes(Ø=14 cm)를 네 개씩 준비하여 각 petri dish에 10개의 적겨자 씨앗을 심어 네 번 반복 실험을 수행하였다. 발아시험은 생장상(growth chamber)을 이용하여 14일 동안 23oC에서 상대습도 90%를 유지하면서 수행하였다. 빛 주기는 16시간 낮과 8시간 밤으로 설정하였고(Adam and Duncan, 2002), 토양의 수분함량은 Water Holding Capacity의 70%를 유지하였다.
, 2001). 용출수의 영향을 받은 토양과 받지 않은 토양을 각각 30g씩 담은 petri dishes(Ø=14 cm)를 네 개씩 준비하여 각 petri dish에 10개의 적겨자 씨앗을 심어 네 번 반복 실험을 수행하였다. 발아시험은 생장상(growth chamber)을 이용하여 14일 동안 23oC에서 상대습도 90%를 유지하면서 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 철강 생산 중 발생하는 전로제강슬래그가 ‘토양 또는 그 일부’로 사용되었을 경우 전로제강슬래그 내 오염우려물질의 용출 정도와 용출수가 주변 토양 환경에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위해 전로제강슬래그 용출수가 토양에 지속적으로 유입되는 환경을 모사한 칼럼실험을 수행하여 원토양 대비 용출수의 영향을 받은 토양 내 오염우려물질 함량, 식물독성, 미생물 군집 변화를 통해 전로제강슬래그의 재사용이 토양 환경에 미치는 영향을 알아보았다.
전로재강슬래그 용출수가 토양층을 통과한 후 발생하는 칼럼 유출수가 주변 토양 또는 수계에 미치는 영향을 알아보기 위해 liquid-to-solid ratio(L/S)가 0.1, 0.2, 0.5, 1.4, 5.0, 8.3, 13.8, 34.6L kg−1 일 때 유출수 시료를 채취하여 0.45µm GHP 필터로 여과한 후 pH와 산화환원전위를 측정하였다. 또한 유출수 내 불소와 6가 크롬은 각각 지르코니움 발색시약과
5cm와 36cm이었다. 전로제강슬래그와 토양의 밀도는 각각 1.88g cm−3와 1.05g cm−3였고, 전로제강슬래그(아래층)와 토양(윗층)을 다짐하여 높이비 1:4 로 30cm의 칼럼을 채웠다. 이는 ‘철강슬래그 및 석탄재 배출사업자의 재활용지침’에 따라 최소의 슬래그가 토양환경에 미치는 영향을 알아보기 위해 보수적으로 결정한 비율이다.
5g 토양 내 DNA를 추출하였다. 프라이머로 9F(50-CCTATCCCC TGTGTGCCTTGGCAGTCTCAGACAGAGTTTGATCM-TGGCTCAG-30)와 541R(50-C CATCTCATCCCTGCGT GTCTCCGACTCAG-X-ACATTACCG-CGGCTGCTGG-30)을 사용하여 polymerase chain reactions(PCRs)을 수행하였다. PCR 반응은 95oC에서 5분 동안 초기 변성 후, 95oC에서 30초, 55oC에서 30초, 72oC에서 30초 반응을 30회 반복한 후 72oC에서 5분간 유지하였다.
대상 데이터
국내에서 숙성된 전로제강슬래그 시료를 채취하여 2mm 체로 거른 후 사용하였다. 실험에 사용한 토양은 sand 30.
, 2002). 대조군으로는 전로재강슬래그 용출수의 영향을 받지 않은 원토양을 사용하였다. 전로재강슬래그 용출수 발생을 위해 3차 증류수(0.
거른 후 사용하였다. 실험에 사용한 토양은 sand 30.5%, silt 61.3%, clay 9.1%를 함유한 silt loam이었고, 토양의 pH와 유기물 함량은 각각 5.3과 1.8%이었다. 전로제강슬래그와 토양 내 중금속과 불소의 함량은 ‘토양오염공정시험기준’에 따라 분석하였고(KMOE, 2009), 함량은 Table 2와 같다.
칼럼 실험 종료 후, 칼럼을 해체하여 전로제강슬래그 용출수의 직접적인 영향을 받은 토양 시료를 채취하기 위해 전로제강슬래그와 직접 접촉하고 있는 토양(두께 6cm)을 채취하였다. 채취한 토양 시료는 건조 후 토양오염공정시험기준(KMOE, 2009)에 따라 pH(OrionTM 815600 ROSSTM, Thermo Scientific, USA)를 측정하고, 전로제강슬래그 용출수가 토양 내 오염우려물질 함량 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 전로제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양과 받지 않은 원토양(대조군) 내 오염우려물질 함량을 토양오염공정시험기준에 따라 추출하여 분석하였다.
이론/모형
전로재강슬래그 용출수 영향을 받은 토양을 준비하기 위해 up-flow percolation test 방법을 이용한 칼럼 실험을 수행하였다(ISO, 2007). 칼럼시험에 사용한 칼럼의 직경과 길이는 각각 4.
전로제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양의 독성변화를 알아보기 위해 OECD 208 방법에 따라 적겨자 씨앗 (Spinapis alba)을 사용해 발아시험을 수행하였다(Czernia-wska-Kusaza et al., 2006; OECD, 2006). 적겨자 씨앗은 OECD 208 방법에 제시되어 있는 식물종으로 높은 중금속 오염토양에서도 생존가능한 식물로 알려져 있다.
8%이었다. 전로제강슬래그와 토양 내 중금속과 불소의 함량은 ‘토양오염공정시험기준’에 따라 분석하였고(KMOE, 2009), 함량은 Table 2와 같다. 전로제강슬래그와 토양 시료 모두에서 Cr6+와 Hg는 검출되지 않았다.
채취한 토양 시료는 건조 후 토양오염공정시험기준(KMOE, 2009)에 따라 pH(OrionTM 815600 ROSSTM, Thermo Scientific, USA)를 측정하고, 전로제강슬래그 용출수가 토양 내 오염우려물질 함량 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 전로제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양과 받지 않은 원토양(대조군) 내 오염우려물질 함량을 토양오염공정시험기준에 따라 추출하여 분석하였다. 추출액 내 중금속은 ICP-OES(ICAP 7400 Duo, Thermo Scientific, USA)를 사용하여 분석하였고, 불소는 토양오염공정시험기준(KMOE, 2009)에 따라 지르코니움 발색시약(zirconyl-SPADNS)과 추출액을 1:5(v/v) 비율로 혼합 후 570nm에서 흡광도를 측정하였다.
채취한 토양 시료는 건조 후 토양오염공정시험기준(KMOE, 2009)에 따라 pH(OrionTM 815600 ROSSTM, Thermo Scientific, USA)를 측정하고, 전로제강슬래그 용출수가 토양 내 오염우려물질 함량 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해 전로제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양과 받지 않은 원토양(대조군) 내 오염우려물질 함량을 토양오염공정시험기준에 따라 추출하여 분석하였다. 추출액 내 중금속은 ICP-OES(ICAP 7400 Duo, Thermo Scientific, USA)를 사용하여 분석하였고, 불소는 토양오염공정시험기준(KMOE, 2009)에 따라 지르코니움 발색시약(zirconyl-SPADNS)과 추출액을 1:5(v/v) 비율로 혼합 후 570nm에서 흡광도를 측정하였다. 6가크롬은 디페닐카르바지드 (diphenylcarbazide) 용액(0.
성능/효과
평균값을 비교해 볼 때, 용출수의 영향을 받은 토양에서의 발아율과 식물성장이 다소 감소한 경향을 보이는데, Table 3에서 토양 내 중금속함량이 As, Cd, Pb의 경우는 감소하는 경향을 보이고 나머지는 유의한 변화를 보이지 않은 것으로 보아, 이는 토양 내 중금속 함량 보다는 pH 변화에 식물 발아와 성장이 영향을 받은 것이라고 볼 수 있다. 대조군 토양의 pH는 5.3인 반면 전로제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양의 pH는 10.9로 증가하였다. 이러한 토양 pH의 증가는 32% 정도의 free CaO를 함유하고 있는 전로제강슬래그가 고알칼리 용출수를 발생하여(Kim, 2014; Choi et al.
또한 토양층을 통과한 전로제강슬래그 유출수의 pH 증가는 토양층의 완충작용보다 OH−에 의한 영향이 더 컸음을 의미한다. 따라서 본 결과는 전로제강슬래그 재사용시 토양 환경의 pH 변화를 고려해야 함을 보여준다.
중금속 및 불소의 토양 축적 측면에서 볼 때, 본 연구에 사용한 전로 제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양과 그렇지 않은 토양에서 유의적인 차이는 없었다. 또한, 적겨자를 이용한 식물 독성시험 결과에서도 유의한 용출수 영향이 확인되지 않았으나, 전반적으로 성장이 저해되는 현상이 관찰되었다. 이는 용출수 영향을 받은 토양의 pH 상승 때문으로 볼 수 있다.
3는 전로제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양과 그렇지 않은 토양에서의 식물 발아 및 성장을 비교하고 있다. 용출수의 영향을 받은 토양과 대조군 토양에서 적겨자 씨앗의 발아율과 성장 정도는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다(Fig. 3). 평균값을 비교해 볼 때, 용출수의 영향을 받은 토양에서의 발아율과 식물성장이 다소 감소한 경향을 보이는데, Table 3에서 토양 내 중금속함량이 As, Cd, Pb의 경우는 감소하는 경향을 보이고 나머지는 유의한 변화를 보이지 않은 것으로 보아, 이는 토양 내 중금속 함량 보다는 pH 변화에 식물 발아와 성장이 영향을 받은 것이라고 볼 수 있다.
함량과 비교하고 있다. 전로제강슬래그 용출수, 즉, 전로제강슬래그 층을 통과한 용출수의 영향을 받은 토양층의 As, Cd, Pb 농도는 대조군과 비교하여 감소하였으나(p-value<0.05), 나머지 물질(Cu, F, Mn, Ni, Zn)의 함량은 유의한 차이를 보이지 않았다(p-value>0.05).
불소의 경우 유의한 차이는 없었으나 평균값이 증가하였는데, 이는 전로제강슬래그 용출수 또는 토양 내 칼슘이온과 불소 이온이 결합하여 알칼리 환경에서 CaF2를 형성하여 토양에 침전되었기 때문이라고 할 수 있다(Peek and Volk, 1985). 전반적으로 전로제강슬래그의 영향을 받은 토양 내 오염 우려 물질 함량은 대체적으로 유의한 큰 변화는 없었지만, Fig. 2에서 보는 것과 같이 중금속마다 시간에 따른 변화 양상은 달랐으나 시간에 따라 슬래그 층과 토양층을 통과한 유출수의 누적 As, Ni, Pb, Zn 농도가 증가하였다. 반면, 토양 층만 사용한 칼럼의 유출수 내 중금속 누적 농도는 슬래그 층과 토양 층이 있는 칼럼의 유출수에 비해 낮았고, 시간에 따른 변화도 크지 않았다(Fig.
토양에 미치는 영향을 알아보았다. 중금속 및 불소의 토양 축적 측면에서 볼 때, 본 연구에 사용한 전로 제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양과 그렇지 않은 토양에서 유의적인 차이는 없었다. 또한, 적겨자를 이용한 식물 독성시험 결과에서도 유의한 용출수 영향이 확인되지 않았으나, 전반적으로 성장이 저해되는 현상이 관찰되었다.
3). 평균값을 비교해 볼 때, 용출수의 영향을 받은 토양에서의 발아율과 식물성장이 다소 감소한 경향을 보이는데, Table 3에서 토양 내 중금속함량이 As, Cd, Pb의 경우는 감소하는 경향을 보이고 나머지는 유의한 변화를 보이지 않은 것으로 보아, 이는 토양 내 중금속 함량 보다는 pH 변화에 식물 발아와 성장이 영향을 받은 것이라고 볼 수 있다. 대조군 토양의 pH는 5.
후속연구
이는 전로제강슬래그 용출수의 영향을 받은 토양에서 호알칼리균들이 우점하는 현상으로 뒷밤침 할 수 있다. 따라서 본 연구 결과는 전로제강슬래그를 토양 또는 그 일부로 사용하는 경우, 토양의 중금속 및 불소 농도 영향보다는 고알칼리 용출수에 의한 영향에 유의하여야 한다는 것을 시사하며, 전로제강슬래그의 재사용 시 주변 토양 환경에 미치는 영향을 평가할 필요성이 있음을 보여준다.
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