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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 하남산업단지의 토양오염물질 분포 실태를 종합적으로 판단하기 위해 토양환경보전법(MOE, 2017)에서 토양오염물질로 규정한 중금속 및 유기화합물질 등 17항목에 대해 사업장 내부와 외부에서의 농도분포특성을 조사하여, 토양오염지수(Soil Pollution Index, SPI)와 부하지수(Enrichment Factor, EF)를 통해 토양 중금속의 축적정도 및 토양오염등급을 통해 하남산업단지 토양의 오염실태를 연구하였다.
제안 방법
- 075 mm) 표준체로 체거름 하였다. Cr의 경우 Cr6+을 토양오염물질로 지정하여 기준을 정하고 있으나 토양오염실태조사결과에 의하면 Cr6+은 대부분 불검출로 나타나 그 의미를 찾기 어려워(MOE, 2014) 본 연구에서는 총Cr으로 분석하였다. 분석조건은 Table 1과 Table 2에 나타내었다(MOE, 2015).
- 광주광역시 최대 규모의 일반산업단지인 하남산업단지 토양에 대해서 사업장내부, 사업장주변, 녹지지역의 49개소 100개 지점의 토양오염물질 분포를 파악하고, 토양오염지수(SPI)와 부하지수(EF)를 이용하여 토양 오염도를 평가하였다.
- 연구대상은 공장지역으로 토양환경보전법에 따라 토양오염우려기준(3지역) 기준을 적용하면 모든 항목이 기준치 이내이며, 기준 농도의 0%~30%로 매우 낮은 수준을 보인다. 그런데 연구 대상지역의 경우 인근에 주거지역, 학교, 노인복지시설 등 주민들의 생활공간과 약 100 m 가까이 인접해있어 환경오염 발생 시 주민 건강에 직접적으로 영향을 미칠 가능성이 있으므로 1지역 기준과 비교 평가하였다. Cd을 제외한 전체 항목이 토양오염우려기준(1지역)의 1%~59% 수준으로 낮은 농도를 보이며, Yoon 등(2009)이 발표한 자연배경농도와 하남산업단지 인근 토양측정망 배경농도지점의 평균(MOE, 2014, 2016) 및 2015년 토양측정망 전국 평균(MOE, 2015)과 농도비 0.
- 콘크리트 하단에서 30 cm까지를 1심도, 30 cm에서 2 m까지를 2심도, 2 m에서 4 m까지를 3심도로 분류하였으며, 암반에 의하여 더 이상 채취가 불가능한 지점은 채취 가능한 지점까지만 시료를 채취하였다. 사업장주변과 녹지지역은 사업장으로부터의 오염물질비산가능성을 확인하기 위해 해당 지점의 중앙 1곳과 그 중앙을 중심으로 주위 3곳의 표토(0~10 cm)를 채취하여 시료의 대표성을 확보하였다.
- 시료채취는 토양오염공정시험기준에 따라 표면의 이물질층을 제거한 후 토양시료채취기를 이용하여 0.5 kg을 채취하였으며, 스테인리스 재질의 스코프를 이용하여 채취한 토양시료 중 약 300 g을 분취하여 폴리에틸렌봉투에, 유기물질 시험용 시료는 갈색 유리병에, 휘발성유기화합물 시험용 시료는 앞이 막혀있지 않은 주사기를 이용하여 3 g~5 g을 분취하여 미리 메틸알코올 10 mL를 넣어둔 바이알에 옮겨 담았다. 채취한 시료는 아이스팩과 아이스박스를 이용하여 0oC~4oC 냉암상태를 유지하며 실험실로 운반하여 토양오염우려기준 21개 항목 중 16개와 pH를 추가하여 총 17개 항목을 분석하였다.
- 연구대상 토양의 중금속 오염정도를 좀 더 효과적으로 파악하기 위해 중금속 7항목(Zn, Cu, Cd, Pb, Ni, Hg, As)의 부하지수를 산출하여 지각평균대비 중금속 축적정도를 알아보았으며, 그 결과는 Table 8에 나타내었다.
- 전체 49개소 100지점 중 사업장내부, 사업장주변, 녹지지역으로 구분하여 사업장내부 10개소에 대해 1개소당 오염이 우려되는 1개~3개 지점을 선정하여 타격식 시료채취장비(Geoprobe)를 이용하여 콘크리트 하단의 토양을 심도별로 채취를 하였다. 콘크리트 하단에서 30 cm까지를 1심도, 30 cm에서 2 m까지를 2심도, 2 m에서 4 m까지를 3심도로 분류하였으며, 암반에 의하여 더 이상 채취가 불가능한 지점은 채취 가능한 지점까지만 시료를 채취하였다.
- 조사대상 지역의 토양오염 정도를 파악하기 위하여 토양오염지수(SPI, Soil Pollution Index)를 산출하여 오염도를 평가하였다. 중금속 항목에 대하여 토양오염점수(SPS, Soil Pollution Score)를 산출하고, 이를 토대로 나온 토양오염지수(SPI)를 사용하여 토양오염도를 평가한다.
- 중금속 및 유기화합물질의 분석결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 토양오염공정시험기준에 따라 방법검출한계 등 재현성을 확인하였다.
- 조사대상 지역의 토양오염 정도를 파악하기 위하여 토양오염지수(SPI, Soil Pollution Index)를 산출하여 오염도를 평가하였다. 중금속 항목에 대하여 토양오염점수(SPS, Soil Pollution Score)를 산출하고, 이를 토대로 나온 토양오염지수(SPI)를 사용하여 토양오염도를 평가한다. 토양오염점수는 토양 중 중금속 분석농도에 각 중금속의 토양오염 우려기준(1지역)으로 나눈 값을 백분율하여 산출한다.
- 5 kg을 채취하였으며, 스테인리스 재질의 스코프를 이용하여 채취한 토양시료 중 약 300 g을 분취하여 폴리에틸렌봉투에, 유기물질 시험용 시료는 갈색 유리병에, 휘발성유기화합물 시험용 시료는 앞이 막혀있지 않은 주사기를 이용하여 3 g~5 g을 분취하여 미리 메틸알코올 10 mL를 넣어둔 바이알에 옮겨 담았다. 채취한 시료는 아이스팩과 아이스박스를 이용하여 0oC~4oC 냉암상태를 유지하며 실험실로 운반하여 토양오염우려기준 21개 항목 중 16개와 pH를 추가하여 총 17개 항목을 분석하였다. 2010년부터 2016년까지 광주지역 토양오염실태조사 결과 불검출항목인 Phenol, Cyanide, 유기인, PCBs, 벤조(a)피렌은 조사항목에서 제외하였다(MOE, 2010~2016).
- 전체 49개소 100지점 중 사업장내부, 사업장주변, 녹지지역으로 구분하여 사업장내부 10개소에 대해 1개소당 오염이 우려되는 1개~3개 지점을 선정하여 타격식 시료채취장비(Geoprobe)를 이용하여 콘크리트 하단의 토양을 심도별로 채취를 하였다. 콘크리트 하단에서 30 cm까지를 1심도, 30 cm에서 2 m까지를 2심도, 2 m에서 4 m까지를 3심도로 분류하였으며, 암반에 의하여 더 이상 채취가 불가능한 지점은 채취 가능한 지점까지만 시료를 채취하였다. 사업장주변과 녹지지역은 사업장으로부터의 오염물질비산가능성을 확인하기 위해 해당 지점의 중앙 1곳과 그 중앙을 중심으로 주위 3곳의 표토(0~10 cm)를 채취하여 시료의 대표성을 확보하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 2017년 3월부터 7월까지 5개월간 사업장에서 발생하는 오염물질의 토양오염에 대한 영향을 파악하기 위해 토지이용실태에 따라 3가지 용도로 구분하여 사업장내부 10개소, 사업장주변 26개소, 녹지지역 13개소 등 총 49개소 100개 지점을 대상으로 토양시료를 1회씩 채취하였으며, 조사지점을 Fig. 1에 나타내었다. 사업장내부 지점은 산단 업종 분포에 따라 주물업종이 4개소, 비철금속 수집 및 처리업종이 3개소, 금속가공업종이 2개소, 화학업종이 1개소로 산업활동으로 인해 토양오염의 가능성이 있는 사업장을 선정하였다.
- 1에 나타내었다. 사업장내부 지점은 산단 업종 분포에 따라 주물업종이 4개소, 비철금속 수집 및 처리업종이 3개소, 금속가공업종이 2개소, 화학업종이 1개소로 산업활동으로 인해 토양오염의 가능성이 있는 사업장을 선정하였다. 사업장은 모두 콘크리트로 포장되어 있고, 초지로 구성되어 있는 사업장주변 지점은 사업장 부지 경계로부터 3 m~5 m 거리의 지점을 대상으로 하였으며, 녹지지역은 빛고을산들길과 안청공원 등 하남산단 내부의 수목과 초지로 조성된 녹지지역을 선정하였다.
- 사업장내부 지점은 산단 업종 분포에 따라 주물업종이 4개소, 비철금속 수집 및 처리업종이 3개소, 금속가공업종이 2개소, 화학업종이 1개소로 산업활동으로 인해 토양오염의 가능성이 있는 사업장을 선정하였다. 사업장은 모두 콘크리트로 포장되어 있고, 초지로 구성되어 있는 사업장주변 지점은 사업장 부지 경계로부터 3 m~5 m 거리의 지점을 대상으로 하였으며, 녹지지역은 빛고을산들길과 안청공원 등 하남산단 내부의 수목과 초지로 조성된 녹지지역을 선정하였다.
- 시료는 폴리에틸렌 재질의 밧트(vat)에 균일한 두께로 하여 직사광선이 닳지 않는 장소에서 통풍이 잘 되도록 펼쳐놓고 7일간 풍건시킨 다음 분석항목에 적합하도록 토양pH용 시료는 10 mesh(2 mm), 중금속 분석용은 100 mesh(0.15 mm), F 분석용은 200 mesh(0.075 mm) 표준체로 체거름 하였다. Cr의 경우 Cr6+을 토양오염물질로 지정하여 기준을 정하고 있으나 토양오염실태조사결과에 의하면 Cr6+은 대부분 불검출로 나타나 그 의미를 찾기 어려워(MOE, 2014) 본 연구에서는 총Cr으로 분석하였다.
- 연구대상의 토양 중 중금속 및 유기화합물질 17종을 분석하여 평균값, 표준편차, 최소값 및 최대값을 Table 4에 나타내었으며, 조사 항목 중 As, Benzene, Toluene, Ethyl-benzene, Xylene, PCE, TCE는 검출한계 이하로 불검출로 나타났다. 연구대상은 공장지역으로 토양환경보전법에 따라 토양오염우려기준(3지역) 기준을 적용하면 모든 항목이 기준치 이내이며, 기준 농도의 0%~30%로 매우 낮은 수준을 보인다. 그런데 연구 대상지역의 경우 인근에 주거지역, 학교, 노인복지시설 등 주민들의 생활공간과 약 100 m 가까이 인접해있어 환경오염 발생 시 주민 건강에 직접적으로 영향을 미칠 가능성이 있으므로 1지역 기준과 비교 평가하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 하남산업단지의 토양오염물질을 조사지역별로 평균, 표준편차, 최소값, 최대값을 산출하였으며, 분산분석을 통해 조사지역별 오염농도가 통계학적으로 유의한 차이를 보이는지 SPSS(ver.20.0)를 활용하여 확인하였다.
- 심도별로 시료를 채취한 사업장내부 지점에 대하여 깊이에 따른 토양오염물질 농도의 차이를 보이는지 알아보기 위해 분산분석을 하였으며, 결과는 Fig 3와 같다. pH는 표층(0~30 cm)이 6.
이론/모형
- 부하지수(EF, Enrichment Factor)란 지각 보존성 원소의 농도 대비 연구대상 토양의 중금속 농도를 이용해서 중금속 축적정도를 평가할 수 있는 지수이다. 아래 계산식과 같이 연구대상 지역의 중금속 X의 농도와 보존성 원소인 Al의 농도비를 지각 평균 중금속 X 농도와 Al의 농도비로 나눈 값으로 계산할 수 있으며(Michael and Sheldon, 2000; Xinwei et al., 2016), 본 연구에서는 Mason과 Moore(1982)이 제시한 평균 지각 함량값을 사용하였다.
- Mason와 Moore(1982)는 부하지수가 1보다 높으면 해당 중금속이 지구적 평균농도에 비해 고농도로 존재하여 오염개연성이 다소 높다고 판단하였으며, Xinwei 등 (2016)은 부하지수가 5이하는 크게 오염되지 않은 것으로 판단하였다. 축적정도를 분류하거나 판단하는 명확한 기준은 없으나, 본 연구에서는 Table 7과 같이 Han 등(2006)의 5단계 분류방법을 사용하였다(Han et al. 2006; Kartal et al. 2006; Lu et al. 2010; 2014a and b).
성능/효과
- Cd은 사업장내부가 2.38 mg/kg로 사업장주변 1.84 mg/kg, 녹지지역 0.96 mg/kg에 비해 높았으며 통계학적 분석 결과 조사지역간 유의한 차이를 보였다(p<0.05).
- Cu, Ni, Hg, Cr의 부하지수(EF)는 2 이하로 중금속 축적정도가 낮았으나 Zn과 Pb의 부하지수는 각각 9.2과 15.6으로 지각 평균값인 1보다 약 10배 가량 높으며 Cd은 88.5로 매우 높은 축적정도를 보여 다른 중금속에 비해 오염개연성이 높은 것으로 판단된다.
- Cu, Ni, Hg, Cr의 부하지수는 2 이하로 지각평균에 비해 중금속 축적정도가 낮은 것으로 나타났다. Zn과 Pb의 부하지수는 각각 9.
- 022 mg/kg 등 정량한계 이하로 나타났다. TPH는 6개의 표준시료(170, 425, 850, 1700, 2550, 3400 mg/kg)로 결정계수(r2)가 0.994 이상이었으며, 표준편차가 2.0%, 방법검출한계가 6.3 mg/kg으로 정량한계 이하로 매우 양호하였다.
- 토지지용실태에 따라 토양오염물질의 분포특성에 차이를 보이는지 알아보기 위해 실시한 분산분석 결과를 Table 5에 나타내었다. Zn, Pb, Hg은 사업장주변지역의 농도가 사업장내부와 녹지지역보다 높았으며, Cu는 녹지지역이, Cd은 사업장내부의 농도가 높게 나타났다. 그 외 항목들은 p-value 값이 0.
- Cu, Ni, Hg, Cr의 부하지수는 2 이하로 지각평균에 비해 중금속 축적정도가 낮은 것으로 나타났다. Zn과 Pb의 부하지수는 각각 9.2과 15.6으로 지각 평균값인 1보다 약 10배가량 높으며, 5단계 분류방법에 따라 상당한 축적을 보이는 것으로 나타났다. 사업장내부의 Cd 평균 부하지수는 88.
- 본 연구결과 주물, 비철금속처리업 등으로 이루어진 하남산업단지의 경우 콘크리트로 포장된 사업장 내부보다는 초지로 이루어진 사업장 주변지역에서의 토양오염이 높게 나타나 사업장 주변지역의 정기적인 토양오염실태 모니터링이 필요하고, Cd의 경우는 사업장 내부에서 농도가 높아 배출단계에서부터 저감 노력이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구대상의 Cd과 Pb의 부하지수가 Jeong 등(2015)이 보고한 세 산업단지에 비해 높게 나타난 이유는 석유화학업종과 이와 관련된 운송업, 철근가공업 등이 주를 이루는 세 산업단지에 비해 하남산업단지는 주물업, 비철금속처리업 등의 금속가공업종의 비율이 높으며, 산업공정에 사용되는 페인트 및 산업폐수가 Cd과 Pb의 축적에 기인한 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 pH는 평균 6.3으로 2015년 전국 토양오염실태조사 평균 pH인 6.6보다 약간 낮은 것으로 나타났다(MOE, 2015). Jeong(2003)의 연구에 따르면 pH 6~8인 토양환경에서 Cd은 침전 또는 토양으로의 흡착이 증가하며 As나 Pb 등도 착화합물을 형성하거나 토양층에 유착하여 이동성이 비교적 낮은 상태로 존재하여 토양 pH가 중금속의 존재형태 및 거동에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
- 사업장내부 52개 지점 중 30지점(58%)이 1등급, 20지점(38%)이 2등급, 2지점(4%)이 3등급으로 전반적으로 사업장내부 토양이 양호하지만 42%가 오염이 우려되는 수준을 보였다. 사업장주변은 35개 지점 중 14지점(40%)이 1등급, 20지점(57%)이 2등급, 1지점(3%)이 3등급으로 나타났다.
- 6으로 지각 평균값인 1보다 약 10배가량 높으며, 5단계 분류방법에 따라 상당한 축적을 보이는 것으로 나타났다. 사업장내부의 Cd 평균 부하지수는 88.5로 매우 높은 축적정도를 보이며 다른 중금속 항목에 비해 오염개연성이 높은 것으로 판단된다.
- 연구대상 지역의 Zn, Cu, Cd, As, Pb, Ni, Hg 등 중금속 7개 항목에 대하여 토양오염점수 및 토양오염지표를 구한 결과, Table 6와 같이 전체 100개 지점 중 54%가 1등급(양호), 43%가 2등급(오염우려), 3%가 3등급(오염우려)으로 비교적 양호한 것으로 나타났다.
- 연구대상 토양의 Zn, Pb, Cu, Ni, Hg, Cr, F, TPH, 토양pH는 자연배경농도와 2015년 토양측정망 평균과 농도비 0.3~1.5로 낮거나 유사한 수준을 보였으며, Cd은 주물, 도장 등 금속가공공정의 영향으로 자연배경농도와 농도비 6.9로 높은 수준으로 나타났다.
- 녹지지역은 13개 지점 중 10지점(77%)이 1등급, 3지점(23%)이 2등급으로 토양오염정도가 매우 낮은 것으로 나타났다. 오염이 우려되는 지점(2, 3등급)이 사업장내부와 녹지지역은 각각 42%와 23%인데 반해 사업장주변은 60%로 사업장내부와 녹지지역에 비해 토양 중 중금속 오염도가 높은 수준을 보였다.
- 999 이상으로 나타났다. 재현성 및 방법검출한계 평가결과 표준편차가 0.1% 이하, 방법검출한계가 Zn이 0.02 mg/kg 등 중금속 항목별 정량한계 이하로 나타났다.
- 토양오염지수(SPI) 평가결과, 토양오염이 우려되는 지점(2, 3등급)이 사업장내부와 녹지지역은 각각 42%, 23%인데 반해 사업장주변은 60%로 중금속 오염도가 1.4~2.6배 높게 나타났다.
- 토지이용실태별 토양오염물질의 농도 분포는 사업장주변의 Zn, Pb, Hg이 사업장내부와 녹지지역에 비해 1.3~5.5배 높아 콘크리트 포장되어 있는 사업장내부와 오염원가 거리가 먼 녹지지역에 비해 중금속이 침착될 여지가 있는 것으로 판단된다. Cu는 녹지지역이 1.
후속연구
- 5배 높아 콘크리트 포장되어 있는 사업장내부와 오염원가 거리가 먼 녹지지역에 비해 중금속이 침착될 여지가 있는 것으로 판단된다. Cu는 녹지지역이 1.4~2.9배 높게 나왔지만 자연배경농도와 유사한 수준으로 인위적 오염으로 보기 어려우며, 사업장내부의 Cd이 1.3~2.5배 높게 나타난 것은 Cd이 금속부식 방지를 위해 산업 전반에 사용되고 있는 영향으로 판단되나 명확한 오염원 및 오염경로에 대해서는 앞으로 추가 조사가 필요할 것으로 보인다.
- 또한, Golia 등(2008)은 금속가공업종이 주를 이루는 공업지역 중금속 중 Cd 농도가 가장 높다고 하였다. 이와 같이 Cd의 농도가 높게 나타난 것은 주물, 도장 등의 금속공정에서 발생하는 산업폐수의 영향으로 판단되나, 명확한 오염원 및 오염경로에 대해서는 앞으로 추가 조사가 필요할 것으로 보인다.
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