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문제 정의
- 굴 패각이 전처리 조건에 따라 퇴적물의 환경 변화에 미치는 단기적 영향을 평가하기 위한 실내 실험을 수행하였다. 1L HDPE(High Density Polyethylene) 병에 퇴적물 800mL 을 채운 후, 해수 200mL를 퇴적물이 재부상되지 않도록 주입하여 대조구(Control, Con)로 설정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 연안 오염 퇴적물의 정화 및 복원을 위한 굴 패각의 활용 가능성을 평가하기 위해, 낮은 오염도의 연안 퇴적물에 다양한 입경 및 소성온도로 전처리한 굴 패각을 적용하여 저서환경의 변화를 조사하였다.
제안 방법
- 1L HDPE(High Density Polyethylene) 병에 퇴적물 800mL 을 채운 후, 해수 200mL를 퇴적물이 재부상되지 않도록 주입하여 대조구(Control, Con)로 설정하였다. 실험구는 1L HDPE 병에 퇴적물 400mL와 소성 온도 및 입경별로 분류된 굴 패각을 400mL를 균질하게 혼합하여 채운 후, 200mL의 해수를 주입하였다.
- 45μm)로 여과하여 직상수와 동일한 항목을 분석하였다. ICP(Inductively Plasma Mass Spectrometer, Perkin Elmer, NexION 300D) 분석기를 이용하여 대조구 및 P400, P500, P600, P800의 SD 간극수 내의 Ca2+농도를 분석하였다. 모든분석은 3회 반복 실시하였다.
- 후, 자연상태로 30일 동안 건조하였다. 건조된 굴 패각을 일부 채취하여 시차열중량분석(Thermo Gravimetric-Differential Thermal Analyzer, Shimadzu DTG-60H)을 수행하였다. 남은 굴 패각은 분쇄한 후 체를 이용하여 0~1mm(Small Diameter, SD), 1~2mm(Middle Diameter, MD), 그리고 2~5mm(Large Diameter, LD)의 입경으로 분류하였다.
- 건조된 굴 패각을 일부 채취하여 시차열중량분석(Thermo Gravimetric-Differential Thermal Analyzer, Shimadzu DTG-60H)을 수행하였다. 남은 굴 패각은 분쇄한 후 체를 이용하여 0~1mm(Small Diameter, SD), 1~2mm(Middle Diameter, MD), 그리고 2~5mm(Large Diameter, LD)의 입경으로 분류하였다. 입경별로 분류된 굴 패각은 다시 소성 온도별 분류를 통해 각각 400℃(P400), 500℃ (P500), 600℃(P600) 및 800℃(P800)로 1시간씩 소성하였다.
- 실험구는 1L HDPE 병에 퇴적물 400mL와 소성 온도 및 입경별로 분류된 굴 패각을 400mL를 균질하게 혼합하여 채운 후, 200mL의 해수를 주입하였다. 대조구 및 실험구는 각각 2개씩 제작하여 실험실에서 상온(약 18℃) 상태로 2주 간 보관 후, 직상수와 간극수 수질 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서 굴 패각을 입경(0~1, 1~2, 2~5mm) 및 소성온도(400, 500, 600, 800℃)에 따라 분류 후, 퇴적물과 혼합하여 연안 퇴적물의 성상변화를 조사하였다.
- 이 후, 퇴적물을 50ml 원심관에 담아 원심분리기(3800rpm)를 이용하여, 퇴적물과 간극수를 분리하였다. 분리된 간극수는 Syringe filter(0.45μm)로 여과하여 직상수와 동일한 항목을 분석하였다. ICP(Inductively Plasma Mass Spectrometer, Perkin Elmer, NexION 300D) 분석기를 이용하여 대조구 및 P400, P500, P600, P800의 SD 간극수 내의 Ca2+농도를 분석하였다.
- 1L HDPE(High Density Polyethylene) 병에 퇴적물 800mL 을 채운 후, 해수 200mL를 퇴적물이 재부상되지 않도록 주입하여 대조구(Control, Con)로 설정하였다. 실험구는 1L HDPE 병에 퇴적물 400mL와 소성 온도 및 입경별로 분류된 굴 패각을 400mL를 균질하게 혼합하여 채운 후, 200mL의 해수를 주입하였다. 대조구 및 실험구는 각각 2개씩 제작하여 실험실에서 상온(약 18℃) 상태로 2주 간 보관 후, 직상수와 간극수 수질 분석을 실시하였다.
- 직상수를 제거한 후, 퇴적물의 pH를 pH meter(D-53, Horiba)로 측정하였다. 이 후, 퇴적물을 50ml 원심관에 담아 원심분리기(3800rpm)를 이용하여, 퇴적물과 간극수를 분리하였다. 분리된 간극수는 Syringe filter(0.
- 남은 굴 패각은 분쇄한 후 체를 이용하여 0~1mm(Small Diameter, SD), 1~2mm(Middle Diameter, MD), 그리고 2~5mm(Large Diameter, LD)의 입경으로 분류하였다. 입경별로 분류된 굴 패각은 다시 소성 온도별 분류를 통해 각각 400℃(P400), 500℃ (P500), 600℃(P600) 및 800℃(P800)로 1시간씩 소성하였다.
- 45μm)로 여과하여 분석에 사용하였다. 직상수 분석항목으로는 pH, DIN(Dissolved Inorganic Nitrogen(NH3-N, NO2-N, NO3-N)), 그리고 PO4-P이며, pH meter (LAQUA F-53, Horiba)와 영양염 자동 분석장치(DR 3900, Hach)를 이용하여 분석하였다. 직상수를 제거한 후, 퇴적물의 pH를 pH meter(D-53, Horiba)로 측정하였다.
- 직상수 분석항목으로는 pH, DIN(Dissolved Inorganic Nitrogen(NH3-N, NO2-N, NO3-N)), 그리고 PO4-P이며, pH meter (LAQUA F-53, Horiba)와 영양염 자동 분석장치(DR 3900, Hach)를 이용하여 분석하였다. 직상수를 제거한 후, 퇴적물의 pH를 pH meter(D-53, Horiba)로 측정하였다. 이 후, 퇴적물을 50ml 원심관에 담아 원심분리기(3800rpm)를 이용하여, 퇴적물과 간극수를 분리하였다.
대상 데이터
- 굴 패각은 경남 통영의 박신장에서 채취하여 실험실로 운반 후, 자연상태로 30일 동안 건조하였다. 건조된 굴 패각을 일부 채취하여 시차열중량분석(Thermo Gravimetric-Differential Thermal Analyzer, Shimadzu DTG-60H)을 수행하였다.
- 실험에는 경남 남해안에서 채취한 퇴적물(D50: 약 0.005mm, Cu(균등계수): 약 19.9)이 사용되었다. 퇴적물은 이물질을 제거한 후 균질하게 혼합하여 실험에 이용하였다.
- , 2015). 해수는 부산 용호만에서 채취하였으며, 유리 섬유여과지(GF/C-47, Whatman)로 여과한 후, 실험에 이용하였다.
성능/효과
- P500과 P600의 직상수와 간극수 중 NO2-N 및 NO3-N의 비율이 다른 실험구에 비해 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. Whittinghill and Hobbie(2012)에 따르면 높은 Ca2+농도는 미생물의 호흡율을 저해하는 것으로 보고되어 있다.
- 간극수 내 DIN에서 NH3-N는 약 90% 이상의 비율을 차지하는 것으로 나타났으며, NH3-N 농도는 대조구보다 약 2.2~ 7.6mg/L의 범위로 높게 나타났다. 이는 퇴적물 내의 유기물분해, 가수분해를 통한 퇴적물 내 온도 상승, 그리고 굴 패각에서 용출된 Ca2+에 의한 미생물 분해 활동 억제 등이 복합적으로 작용한 영향으로 판단된다.
- 간극수에서 대조구 NH3-N 농도는 3.67mg/L로 측정되었으며, 굴 패각이 혼합된 실험구의 NH3-N 농도는 대조 구보다 높은 4.73~13.25mg/L의 범위로 나타났다. 혼합된 굴 패각의소성 온도가 증가할수록 간극수 내 NH3-N 농도가 낮아지는 경향이 나타났다.
- 굴 패각의 소성 온도에 따라 퇴적물 내의 DIN 농도변화는 크지만, 소성온도가 높아짐에 따라 퇴적물에서의 PO4-P가 안정화되어 용출량은 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 입경에 따른 유의미한 영양염 농도변화는 나타나지 않았다.
- 굴 패각의 주요 구성성분인 CaCO3는 소성 온도가 600℃ 이상에서 CaO로 열분해 되는 것으로 나타났으며, 800℃로 소성된 굴 패각이 혼합된 실험구의 간극수에서 Ca2+농도가 790mg/L으로 가장 높은 것을 확인하였다.
- 88의 범위로 나타났다. 대조구 및 실험구 pH는 해수 초기값 8.54에 비해 낮아졌으며, 간극수 내 pH는 간극수의 초기 값에 비해 높아진 것으로 나타났다.
- , 1998). 따라서 600℃이상에서 소성된 굴 패각에서 상대적으로 높은 pH가 나타났으며, 800℃소성 굴 패각에서 가장 높은 pH가 관측된 것으로 판단된다. 반면 입경에 따른 간극 수 내 pH 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 소성 굴 패각에 존재하는 CaO의 가수분해로 인해 P600 및 P800의 간극수 내 pH는 대조구보다 0.1~0.5의 범위로 높게 나타났다. 이를 통해 소성 굴 패각은 산성화 된 오염 퇴적물을 중화시킬 것으로 판단된다.
- 5에 직상수 및 간극수의 PO4-P 농도를 나타냈다. 소성 온도가 높아질수록 PO4-P 농도는 낮아졌으며, 입경이 클수록 PO4-P 농도도 낮아지는 경향이 관찰되었다.
- 소성 온도가 높을수록 직상수와 간극수의 PO4-P 농도가 감소하는 경향이 나타났으며, 500℃이상 소성 패각에서 감소량이 매우 컸다. 이는 높은 온도에서 소성한 굴 패각의 CaO 함량이 높기 때문이며, CaO의 가수분해로부터 생성된 Ca2+(Eq.
- 반면, 입경에 따른 유의미한 영양염 농도변화는 나타나지 않았다. 이상의 결과를 통해 오염된 퇴적물을 대상으로 한 소성 굴 패각의 피복은 연안해역의 부영양화를 억제하고 저서 환경을 개선시키는데 효과적인 방법임을 의미한다.
- 상승온도 약 680℃까지 굴 패각의 중량 손실은 약 5%로 나타났다. 이후 굴 패각의 중량은 급격하게 감소하여, 800℃부근에서 굴 패각의 중량 약 45%가 감소하는 것으로 나타났다. 굴 패각은 주로 Calcite(CaCO3)의 형태로 존재하나 약 600℃이상의 소성 온도에서 Calcium oxide(CaO)로 열분해(Eq.
- Whittinghill and Hobbie(2012)에 따르면 높은 Ca2+농도는 미생물의 호흡율을 저해하는 것으로 보고되어 있다. 즉, P800의경우 높은 CaO 함량의 굴 패각에 의해 간극수 중의 Ca2+ 농도가 높아져, 질산화균의 활동이 억제된 결과로 NO2-N 및 NO3-N의 비율이 가장 낮아진 것으로 추측된다.
- 직상수 및 간극수에서 P400 및 P500의 PO4-P 농도는 대조 구보다 0.1~3.5mg/L 높게 나타났으며, P600 및 P800은 약 0.1~0.2mg/L 낮게 나타났다. 고온 소성 된 굴 패각에서 용출된 CaO가 pH를 증가시키고, Ca2+가 PO4-P와 반응하면서 PO4-P의 용출이 억제된 것으로 판단된다.
- 25mg/L의 범위로 나타났다. 혼합된 굴 패각의소성 온도가 증가할수록 간극수 내 NH3-N 농도가 낮아지는 경향이 나타났다. 이는 소성 온도에 따라 증가한 Ca2+농도에 의해 미생물에 의한 유기물 분해활동이 저하되었기 때문으로 판단된다(Whittinghill and Hobbie, 2012).
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