[논문]유류 오염물질에 대한 불포화대 자연 저감능 등급화 기법 개발

우희수; 안성남; 김기범; 박새롬; 오성직; 김상현; 정재식; 이승학

doi:10.7857/jsge.2022.27.s.092

유류 오염물질에 대한 불포화대 자연 저감능 등급화 기법 개발
A New Evaluation Model for Natural Attenuation Capacity of a Vadose Zone Against Petroleum Contaminants 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.27 no.spc, 2022년, pp.92 - 98

우희수 (한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구단) , 안성남 (한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구단) , 김기범 ((주)청우환경) , 박새롬 (한국건설기술연구원(KICT) 환경연구본부) , 오성직 (한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구단) , 김상현 (한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구단) , 정재식 (한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구단) , 이승학 (한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

Although various methods have been proposed to assess groundwater vulnerability, most of the models merely consider the mobility of contaminants (i.e., intrinsic vulnerability), and the attenuation capacity of vadose zone is often neglected. This study proposed an evaluation model for the attenuation capacity of vadose zone to supplement the limitations of the existing index method models for assessing groundwater vulnerability. The evaluation equation for quantifying the attenuation capacity was developed from the combined linear regression and weighted scaling methods based on the lab-scale experiments using various vadose zone soils having different physical and biogeochemical properties. The proposed semi-quantifying model is expected to effectively assess the attenuation capacity of vadose zone by identifying the main influencing factors as input parameters together with proper weights derived from the coefficients of the regression results. The subsequent scoring and grading system has great versatility while securing the objectivity by effectively incorporating the experimental results.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of a batch reactor for simulating diesel contamination in an unsaturated zone.
표 Table 1. Major bio-chemical properties of soils used in this study
표 Table 2. Major physical properties of soils used in this study
그림 Fig. 2. (a) Attenuation rate constants of diesel in various soils under different saturation degrees and (b) measured k vs. calculated k based on multiple regression analysis using lab.-scale diesel removal experiments.
그림 Fig. 3. 5-level grading of different soil properties after data scaling.
표 Table 3. Coefficients and weights for selected diesel removal impact factors in vadose zone from multiple regression analysis with normalized scale
표 Table 4. Soil property rating ranges by influencing factors for diesel removal capability of vadose zone

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실내 실험 결과와 다중회귀분석을 기반으로 지수-중첩 방식의 불포화대 경유 저감능 평가기법을 제안하였다. 본 연구의 평가기법은 다중회귀분석에서 얻은 선형회귀식에 지수-중첩 방법에서 사용하는 등급화 및 점수화 방식을 도입해 평가의 편의성을 확보하였고, 실제 실내실험을 통해 확보한 데이터를 활용함으로써 기존 모델 대비 높은 신뢰도를 가진 기법으로 평가된다.
이에 본 연구에서는 지중환경 오염취약성 판정시 불포화대 오염 저감능을 합리적으로 반영할 수 있는 방안의일환으로, 유류오염물질에 대한 불포화대 자연 저감능을 등급화할 수 있는 기법을 개발하여 제안하였다. 이를 위해, 다양한 불포화대 토양을 채취하여 실내 실험을 통해 유류오염물에 대한 자연 저감능을 평가하고, 다중회귀분석을 통해 저감능에 영향을 미칠 수 있는 불포화대 특성치를 선별하였다.

제안 방법

경유 검량선 작성을 위해 DCM으로 희석한 경유 용액을 GC-FID로 분석하고 탄소번호 C8~27의 노말알칸(Normal alkanes) 영역 크로마토그램 면적값을 토양오염공정시험기준 TPH 정량법으로 구하였다. C8 및 C27 노말알칸의 머무름 시간(Retention time)을 구하기 위해 노말알칸 표준용액도 토양 추출 시료와 함께 분석하였다.
본 연구에서는 실내 실험 결과와 다중회귀분석을 기반으로 지수-중첩 방식의 불포화대 경유 저감능 평가기법을 제안하였다. 본 연구의 평가기법은 다중회귀분석에서 얻은 선형회귀식에 지수-중첩 방법에서 사용하는 등급화 및 점수화 방식을 도입해 평가의 편의성을 확보하였고, 실제 실내실험을 통해 확보한 데이터를 활용함으로써 기존 모델 대비 높은 신뢰도를 가진 기법으로 평가된다. 또한 해당 점수를 보이는 토양에 대한 정성적인 평가(예, 유류 자연저감 효율이 높은 지역, 비교적 높은 지역, 보통지역 등)가 합쳐진 자료가 축적될 경우, 임의 불포화대의 유류오염물 자연저감능을 등급화하는 모델로 확장될 수 있을 것으로 기대한다.
이를 위해, 다양한 불포화대 토양을 채취하여 실내 실험을 통해 유류오염물에 대한 자연 저감능을 평가하고, 다중회귀분석을 통해 저감능에 영향을 미칠 수 있는 불포화대 특성치를 선별하였다. 이를 바탕으로 특성치별 가중치를 도출하고, 각 특성치의 실제 분포범위를 점수화한 뒤, 가중치를 고려해 모든 특성치 점수를 중첩하여 임의 불포화대의 자연 저감능 등급을 산정하는 방식을 개발하였다.
이에 본 연구에서는 지중환경 오염취약성 판정시 불포화대 오염 저감능을 합리적으로 반영할 수 있는 방안의일환으로, 유류오염물질에 대한 불포화대 자연 저감능을 등급화할 수 있는 기법을 개발하여 제안하였다. 이를 위해, 다양한 불포화대 토양을 채취하여 실내 실험을 통해 유류오염물에 대한 자연 저감능을 평가하고, 다중회귀분석을 통해 저감능에 영향을 미칠 수 있는 불포화대 특성치를 선별하였다. 이를 바탕으로 특성치별 가중치를 도출하고, 각 특성치의 실제 분포범위를 점수화한 뒤, 가중치를 고려해 모든 특성치 점수를 중첩하여 임의 불포화대의 자연 저감능 등급을 산정하는 방식을 개발하였다.

대상 데이터

주입구(Injector)와 검출기(Detector) 온도는 모두 320℃로 유지하였다. 이동상으로 고순도(99.999%) 헬륨을 사용했고 칼럼 유량은 1 mL/min으로 설정하였다.

데이터처리

5의 값으로 정규화(normalize)하고 이를 균등하게 5등급으로 배분해 점수 체계화하였다. 이후, 다중회귀분석을 수행해 인자별 계수를 획득한 뒤 이를 지수 방법의 가중치로 적용하였다. 계산의 편의를 위해 OM의 계수 값을 기준으로 나머지 인자의 계수를 정규화해 가중치를 조정하였다(Table 3).

이론/모형

경유의 농도는 석유계총탄화수소(Total petroleum hydrocarbons, TPH) 기준으로 환산하였다. 경유 검량선 작성을 위해 DCM으로 희석한 경유 용액을 GC-FID로 분석하고 탄소번호 C8~27의 노말알칸(Normal alkanes) 영역 크로마토그램 면적값을 토양오염공정시험기준 TPH 정량법으로 구하였다. C8 및 C27 노말알칸의 머무름 시간(Retention time)을 구하기 위해 노말알칸 표준용액도 토양 추출 시료와 함께 분석하였다.
토양에 잔류한 경유는 디클로로메탄(Dichloromethane, DCM)을 용매로 쓰는 회전교반 추출법(Park et al., 2011)으로 추출하였다. 먼저 약 5~6 g의 토양에 무수황산나트륨 5 g을 섞어 수분을 제거한 후 유리 바이알(Vial)에 옮기고 20 mL DCM과 혼합하였다.

성능/효과

본 연구에 사용한 9개 토양의 생화학적 특성치는 Fe를 제외하고 최댓값이 최솟값의 10배 이상 클 정도로 넓은 범위에 걸쳐 분포함을 확인하였다. 토성(Soil texture) 역시 Sand, Loamy sand, Sandy loam, Clay loam 등 국내 불포화대에서 흔하게 관찰되는 다양한 토성을 아우르고 있어 불포화대 유류오염 저감능을 평가하기에 적절한 대표성을 가지는 것으로 판단하였다.
본 연구에 사용한 9개 토양의 생화학적 특성치는 Fe를 제외하고 최댓값이 최솟값의 10배 이상 클 정도로 넓은 범위에 걸쳐 분포함을 확인하였다. 토성(Soil texture) 역시 Sand, Loamy sand, Sandy loam, Clay loam 등 국내 불포화대에서 흔하게 관찰되는 다양한 토성을 아우르고 있어 불포화대 유류오염 저감능을 평가하기에 적절한 대표성을 가지는 것으로 판단하였다.

후속연구

본 연구의 평가기법은 다중회귀분석에서 얻은 선형회귀식에 지수-중첩 방법에서 사용하는 등급화 및 점수화 방식을 도입해 평가의 편의성을 확보하였고, 실제 실내실험을 통해 확보한 데이터를 활용함으로써 기존 모델 대비 높은 신뢰도를 가진 기법으로 평가된다. 또한 해당 점수를 보이는 토양에 대한 정성적인 평가(예, 유류 자연저감 효율이 높은 지역, 비교적 높은 지역, 보통지역 등)가 합쳐진 자료가 축적될 경우, 임의 불포화대의 유류오염물 자연저감능을 등급화하는 모델로 확장될 수 있을 것으로 기대한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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