[논문]폐광산 토양개량‧복원사업 완료 농경지 안정화 효율 및 화학성 평가

고주인; 박미선; 박관인; 백승한; 고일하

doi:10.7857/jsge.2024.29.1.010

폐광산 토양개량‧복원사업 완료 농경지 안정화 효율 및 화학성 평가
Assessment of the Feasibility of the Hydrochloric Acid Extraction Method and the Chemical Properties of Agricultural Soils in reclaimed mines 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.29 no.1, 2024년, pp.10 - 17

고주인 (한국광해광업공단 기술연구원) , 박미선 (한국광해광업공단 기술연구원) , 박관인 (한국광해광업공단 기술연구원) , 백승한 (한국광해광업공단 기술연구원) , 고일하 (환경기술정책연구원 (NeLab))

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea, the common remedial process for reclamation of agricultural soils nearby abandoned mines involves chemical soil stabilization followed by covering with clean soil. This study investigated the chemical properties of cover soils and the validity of HCl extraction method in assessing the degree of As and heavy metal stabilization in stabilized soils collected from 14 plots where mine reclamation had been completed. The results revealed there were no major differences in contaminants extraction rate between the stabilized soils and contaminated soils, suggesting HCl extraction procedure is a less feasible method to determine the efficiency of the stabilization. Soil quality indicators including OM, SiO2, P2O5, etc. of the land-covering soils were generally lower than those of stabilized soils that used to be the cultivation layer before the stabilization. Nonetheless, the value of those indicators didn't meet the regulatry limits of agricultural soil. Therefore, future strategy for mine reclamation should concentrate not only on contaminant concentration but also on soil quality parameters for agricultural use of the reclaimed soil.

주제어

표/그림 (4)

표 Table 1. The studied mine and agricultural lands where mine reclamation took place
그림 Fig. 1. A schematic diagram of agricultural soil reclamation and the soil sample points.
그림 Fig. 2. The proportion of As and heavy metals extracted by 1 (0.1) N HCl in the soil samples (1 N for As and 0.1 N for Cd, Cu, and Pb; The number in the parentheses is the completion year of mine reclamation).
그림 Fig. 3. The chemical properties of the soils in each layer in agricultural land (The number in parentheses is the completion year of mine reclamation) (* a rice paddy; ** a farm).

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 광해방지를 위한 토양개량·복원사업에 적용하는 모니터링이 토양 질 관리가 포함되는 방안으로 전환할 수 있도록 개선하고자 폐광산지역 주변 사업 완료 농경지 토양의 화학적 특성을 파악하였다. 근본적으로는 복토층이 농작물의 생육에 적합한 수준을 유지하는지 확인하고자 하였다. 아울러 안정화층 즉, 복토층 하부 안정화 처리된 원지반층의 기능·성능 유지여부 확인을 위한 HCl 용출법의 적용성을 추가적으로 검토하였다.
본 연구에서는 폐광산지역 토양개량·복원사업이 완료된 9개 광산(10개 사업대상지)를 대상으로 토양 무기원소의 안정화효과 검증을 위한 HCl 분석법의 적용성과 농경지 토양 화학특성을 검토하였다
이에 본 연구에서는 광해방지를 위한 토양개량·복원사업에 적용하는 모니터링이 토양 질 관리가 포함되는 방안으로 전환할 수 있도록 개선하고자 폐광산지역 주변 사업 완료 농경지 토양의 화학적 특성을 파악하였다

제안 방법

)를 이용하였다. 교환성 칼슘이나 유효인산 등과 같은 무기원소와 관련한 토양화학성 분석 시에는 ICP-OES와 UV-VIS(model Lamda 25, Perkin-Elmer Inc.)를 이용하여 그 농도를 정량하였다.
또한 농경지 안정화층 기능·성능 발현여부 평가를 위해 동일 비율(5%, wt.)의 안정화제를 투여한 농경지 필지로 선정하였다
아울러 안정화층 즉, 복토층 하부 안정화 처리된 원지반층의 기능·성능 유지여부 확인을 위한 HCl 용출법의 적용성을 추가적으로 검토하였다
1 N HCl, As는 1 N HCl) 등 두 가지 방법을 활용하였다. 이를 통해 서로 다른 무기원소 추출률을 보이는 분석방법을 이용하여 안정화층 기능 유지 혹은 성능을 평가하고자 하였다. 이외 토양 화학성 분석항목은 토양화학분석법(NIAST, 2010)에 따른 전처리방식을 준용하였다.
해당 시료의 채취심도는 과거 토양개량·복원사업 시행내용를 바탕으로 하여 복토층 GL (-) 0 cm ~ 40 cm, 안정화층 GL (-) 40 cm ~ 60 cm 또는 40 cm ~ 70 cm, 원지반층 GL (-) 60 cm ~ 80 cm 또는 70 cm ~ 90 cm으로 구분하였다
현장에서 채취한 시료를 국내 토양환경보전법에 의한 전문분석기관(토양오염조사기관)에 이송하여 위탁분석하였다. 비소 및 중금속의 농도정량을 위한 전처리는 현재 국내에서 적용하고 있는 왕수추출방식인 토양오염공정시험기준(NIER, 2022)과 과거 적용되었던 용출방식(0.

대상 데이터

21보다 낮은 것으로 확인되었다. 대상 지역은 논으로 이용되고 있다. 작물생육의 적정 pH 범위는 pH 6~7이며, 특히 벼생육에는 6.
대상 지역은 한국광해광업공단에서 토양개량·복원사업을 완료한 농경지 중 경상도 지역의 광산주변 농경지 필지이었다
토양은 불균질성을 갖고 있으며, 지역마다 농경지의 토양 질 차이가 있는 것으로 알려져 있다(RDA, 2021). 따라서 복토재 수급지 등 지역적 차이에서 발생할 수 있는 오차를 최소화 하고자 사업완료 대상지역을 경북 전역과 이와 인접한 경남 합천군 지역으로 한정하였다. 또한 농경지 안정화층 기능·성능 발현여부 평가를 위해 동일 비율(5%, wt.
또한 안정화층의 안정화 효율 검토를 위해 「토양환경보전법」상 토양 오염물질에 포함되는 무기원소 중 광산 주변 농경지에 주로 확인되는 비소 및 중금속 오염물질 3종(Cd, Cu, Pb)을 검토 대상으로 선정하였다.
본 연구를 위해 토양개량·복원사업이 완료된 7개 사업 대상지, 6개 광산(울진, 붓든, 상주, 남경상, 야로, 보라)을 선정하였다(Table 1)
토양시료 채취를 2023년 3월부터 6월까지 3개월간 진행하였다. 시료채취 시 각 필지의 지표면으로부터 복토층(경작층, cover), 안정화층(stabilized), 원지반층(contaminated)의 수직층위를 구분하여 각 층의 토양 3개를 채취하였다(Fig. 1).
토양시료 채취를 2023년 3월부터 6월까지 3개월간 진행하였다. 시료채취 시 각 필지의 지표면으로부터 복토층(경작층, cover), 안정화층(stabilized), 원지반층(contaminated)의 수직층위를 구분하여 각 층의 토양 3개를 채취하였다(Fig.

이론/모형

비소 및 중금속의 농도정량은 ICP-OES(model 8300, Perkin-Elmer Inc.)를 이용하였다. 교환성 칼슘이나 유효인산 등과 같은 무기원소와 관련한 토양화학성 분석 시에는 ICP-OES와 UV-VIS(model Lamda 25, Perkin-Elmer Inc.
현장에서 채취한 시료를 국내 토양환경보전법에 의한 전문분석기관(토양오염조사기관)에 이송하여 위탁분석하였다. 비소 및 중금속의 농도정량을 위한 전처리는 현재 국내에서 적용하고 있는 왕수추출방식인 토양오염공정시험기준(NIER, 2022)과 과거 적용되었던 용출방식(0.1 N HCl, As는 1 N HCl) 등 두 가지 방법을 활용하였다. 이를 통해 서로 다른 무기원소 추출률을 보이는 분석방법을 이용하여 안정화층 기능 유지 혹은 성능을 평가하고자 하였다.
해당 시료의 채취심도는 과거 토양개량·복원사업 시행내용를 바탕으로 하여 복토층 GL (-) 0 cm ~ 40 cm, 안정화층 GL (-) 40 cm ~ 60 cm 또는 40 cm ~ 70 cm, 원지반층 GL (-) 60 cm ~ 80 cm 또는 70 cm ~ 90 cm으로 구분하였다. 시료채취 시 토양오염공정시험기준(NIER, 2022)에 따른 농경지 지역 시료채취 지점의 선정방식을 준용하였다.
이를 통해 서로 다른 무기원소 추출률을 보이는 분석방법을 이용하여 안정화층 기능 유지 혹은 성능을 평가하고자 하였다. 이외 토양 화학성 분석항목은 토양화학분석법(NIAST, 2010)에 따른 전처리방식을 준용하였다.

성능/효과

Fig. 3은 7개 광해방지사업 완료 농경지 내 복토층과 안정화층, 안정화층 하부의 원지반층 토양을 대상으로 토양 화학특성을 분석한 결과이다. 일부 그래프의 경우 Yang et al.
5개 사업지(보라, 야로, 남경상, 상주, 붓든)의 안정화층의 유효인산 농도는 원지반 오염토층의 농도보다도 높은데, 이는 과거 안정화층이 개량·복원사업 이전에 경작지로 활용되어 인산질 비료의 투여가 있었음을 의미한다
즉, 극단적으로 낮은 용출 농도로 인해 필지 상하층간 용출율 차이가 확연하게 나타난 것으로 보인다. HCl 추출법에 따른 용출율은 불검출된 남경상광산을 제외하면 안정화층 0.2% ~ 19.6%, 원지반층 0.1% ~ 18.2%이었다. 아울러 다른 항목과 마찬가지로 안정화 경과년수에 따른 규칙적인 용출률 차이는 나타나지 않았다.
구리(Cu)는 2배 넘는 용출률 차이를 보인 붓든광산을 제외하면 역시 비소와 마친가지로 안정화 처리여부, 시간 경과 여부에 따른 큰 차이를 보이지 않았다. HCl 추출법에 따른 용출율은 붓든광산을 제외하면 안정화층 3.3% ~ 19.2%, 원지반층 3.4% ~ 21.0%이었다.
용출율이 유사하게 나타난 보라광산과 울진광산의 광해방지사업 완료시점이 각각 2020년과 2014년임을 볼 때 안정화 경과년수 역시 용출율에 영향을 미치는 인자는 아닌 것으로 확인되었다. HCl 추출법에 따른 용출율은 안정화층 2.3% ~ 25.0%, 원지반층 2.9% ~ 24.3%이었다.
pH는 4개 사업지역에서 안정화 처리에 따라 안정화층 토양에서 증가하는 경향이 확인되었다. 이 같은 결과는 알칼리 안정화제에 의한 영향으로 볼 수 있다.
아울러 사업완료 시점에서 사업수행 업체에 의해서 처리되었거나 토지주에 의해 지속적으로 경작층에 투여된 알칼리 비료의 영향도 있었을 것으로 판단된다. 남경상광산 농경지의 복토층 pH는 5.25로 원지반 토양의 7.21보다 낮은 것으로 확인되었다. 대상 지역은 논으로 이용되고 있다.
납은 2배 가까운 용출율 차이가 야로광산과 상주광산에서 확인되었다. 본 광산지역의 원지반 토양에서 전함량 농도대비 용출농도가 상당히 낮은 특성을 보였다.
이 같은 결과는 알칼리 안정화제에 의한 영향으로 볼 수 있다. 다만, 7개 사업대상 지역 모두 안정화층과 원지반층의 pH 차이가 크게 나타나지는 않았다. 이는 원지반 토양이 7 이상의 pH를 가지고 있을 정도로 해당 지역이 약알칼리의 특성을 가지고 있기 때문에 알칼리물질 추가 투여에 따른 급격한 pH 증가가 이루어지지 않았음을 의미한다.
본 광산지역은 광산별로 차이는 있겠으나 대체적으로 비소, 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(Zn)의 우려기준 초과로 토양개량·복원사업을 수행한 것으로 확인되었다. 다만, 본 연구에서의 대상 농경지의 비소, 카드뮴, 납 농도가 우려기준의 70% 수준인 것으로 나타나 토양 비균질성에 따른 차이를 보였다.
2에서 나타났듯이 이러한 경향을 확인할 수 없었다. 대부분의 필지 내 안정화층과 원지반층 토양의 중금속 용출율은 안정화 처리여부에 상관없이 유사한 비율을 나타내었다. 이는 다수의 연구(Lee et al.
대상 사업지 경작층 토양의 유기물 함량은 평균 1.4 ± 0.5%로 모두 적정 범위에 부족한 것으로 나타났다
(2008)에 의한 논밭의 적정 허용범위를 표기하여 나타내었다. 대체적으로 식물체 성장에 필요한 영양물질 함량은 복토층(경작층)이 안정화층보다 낮은 것으로 확인되었다.
, 2008). 따라서 농경지 이용형태가 논으로 확인되는 5개 사업지, 4개 광산(남경상, 상주, 울진, 붓든)을 보면 상주와 남경상과 울진광산 사업지의 복토층 농도는 적정수준에 부족한 것으로 확인되었다. 특히 남경상광산과 울진광산(2014)은 앞선 유기물 함량과 마찬가지로 사업추진 이후 경작층 내 농도가 오히려 감소하였는데 그 감소율은 각각 43%, 33%이었다.
카드뮴은 보라광산과 야로광산에서 HCl 용출법으로는 검출되지 않았고, 남경상 광산에서는 용출법과 왕수추출법 모두 검출되지 않았다. 따라서 상하층 용출비율의 검토가 가능한 상주, 울진광산만을 보면 안정화층 27.8% ~ 34.6%, 원지반층 14.2% ~ 29.2%이었다. 아울러 안정화 경과년수에 따른 용출률 차이를 확인할 수 없었다.
그러나 토양 내 주요 구성물질에 결합된 중금속을 추출할 수 있어 유사전함량 추출방식(pseudo total digestion)의 추출용매로 사용된다(Davison, 2013). 따라서 안정화 처리된 토양(stabilized)을 대상으로 한 비소 및 중금속의 왕수추출에 대한 HCl 용출 결과의 비율은 원토양(contaminated)의 비율과 비교했을 때 이론상 낮게 나타나야 할 것으로 추정할 수 있다. 이는 안정화처리를 통해 오염물질의 이동성이 낮아져 용출농도가 저감된 효과를 확인할 수 있음을 의미한다.
, 2015b)에서 확인된 바와 같이 알칼리 안정화제 통해 안정화층에서 탄산염이나 수산화물, 칼슘공침 형태로 침전된 무기원소라도 HCl 용출액의 산도로 충분히 추출될 수 있음을 나타낸 것이다. 따라서 현장규모의 본 연구에서는 토양 내 비소 및 중금속의 안정화 효과 검토를 위한 1 N 또는 0.1 N HCl 용출법의 적용성을 확인할 수 없었다. 다만, 여러 연구에서 HCl 용출방식으로 안정화 효과를 검토한 만큼(Islam et al.
또한 토양개량·복원사업 시행 이전에 경작층으로 사용된 안정화층의 농도보다 대체적으로 낮은 것으로 확인되는데, 특히 야로광산, 남경상광산, 울진광산 2개 사업지에서 두드러졌다.
복토층의 토양 화학특성 분석결과 유기물 함량, 유효규산, 유효인산 등은 관련 사업 이전에 경작층으로 사용된 안정화층에 비해 낮은 것으로 나타났다. 아울러, 대부분 적정 허용기준을 만족하지 못한 것으로 나타나, 관련 사업 시행 시 경작층 토양의 토양질도 고려해야 할 필요가 있는 것으로 확인되었다.
본 광산지역은 광산별로 차이는 있겠으나 대체적으로 비소, 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(Zn)의 우려기준 초과로 토양개량·복원사업을 수행한 것으로 확인되었다
납은 2배 가까운 용출율 차이가 야로광산과 상주광산에서 확인되었다. 본 광산지역의 원지반 토양에서 전함량 농도대비 용출농도가 상당히 낮은 특성을 보였다. 특히 야로광산은 토양자체의 풍화정도가 낮아서 추출효과 역시 낮게 나타난 것으로 판단된다.
비소는 안정화층 토양에서 원지반층 대비 2.6배의 용출율 차이를 보인 상주광산을 제외하면 대부분의 광산에서 상하층 모두 유사한 용출율을 보였다. 용출율이 유사하게 나타난 보라광산과 울진광산의 광해방지사업 완료시점이 각각 2020년과 2014년임을 볼 때 안정화 경과년수 역시 용출율에 영향을 미치는 인자는 아닌 것으로 확인되었다.
, 2008). 사업대상지 복토층 토양의 유효인산은 밭으로 사용되고 있는 야로광산에서만 평균 406.21 mg/kg의 적정수준을 보였고, 이외 모두 부족한 것으로 나타났다. 특히, 적정범위 만족여부에 상관없이 붓든광산을 제외하면 모두 안정화층의 농도 대비 33% ~ 93%의 감소율을 보였다.
2%이었다. 아울러 다른 항목과 마찬가지로 안정화 경과년수에 따른 규칙적인 용출률 차이는 나타나지 않았다.
복토층의 토양 화학특성 분석결과 유기물 함량, 유효규산, 유효인산 등은 관련 사업 이전에 경작층으로 사용된 안정화층에 비해 낮은 것으로 나타났다. 아울러, 대부분 적정 허용기준을 만족하지 못한 것으로 나타나, 관련 사업 시행 시 경작층 토양의 토양질도 고려해야 할 필요가 있는 것으로 확인되었다. 알칼리 안정화제 투여로 인한 안정화층 내 허용기준 이상의 칼슘 존재는 오염물질의 이동성 저감과 토양질 확보 사이에 타협점이 필요함을 확인한 것이다.
이는 원지반 토양이 7 이상의 pH를 가지고 있을 정도로 해당 지역이 약알칼리의 특성을 가지고 있기 때문에 알칼리물질 추가 투여에 따른 급격한 pH 증가가 이루어지지 않았음을 의미한다. 외부로부터 반입된 토양으로 볼 수 있는 복토층의 pH 역시 1개 광산(남경상)을 제외하면 모두 7에 근접하거나 7을 넘는 수치를 보였다. 일반적으로 복토재의 수급지는 사업대상 인근지역이었을 가능성이 높다.
6배의 용출율 차이를 보인 상주광산을 제외하면 대부분의 광산에서 상하층 모두 유사한 용출율을 보였다. 용출율이 유사하게 나타난 보라광산과 울진광산의 광해방지사업 완료시점이 각각 2020년과 2014년임을 볼 때 안정화 경과년수 역시 용출율에 영향을 미치는 인자는 아닌 것으로 확인되었다. HCl 추출법에 따른 용출율은 안정화층 2.
따라서 안정화 처리된 토양(stabilized)을 대상으로 한 비소 및 중금속의 왕수추출에 대한 HCl 용출 결과의 비율은 원토양(contaminated)의 비율과 비교했을 때 이론상 낮게 나타나야 할 것으로 추정할 수 있다. 이는 안정화처리를 통해 오염물질의 이동성이 낮아져 용출농도가 저감된 효과를 확인할 수 있음을 의미한다.
)의 안정화제를 투여한 농경지 필지로 선정하였다. 즉 대상 필지의 안정화제는 안정화 처리대상 토양의 5% 무게비를 갖는 석회석 또는 석회석/제강슬래그 혼합물이었다.
특히 야로광산은 토양자체의 풍화정도가 낮아서 추출효과 역시 낮게 나타난 것으로 판단된다. 즉, 극단적으로 낮은 용출 농도로 인해 필지 상하층간 용출율 차이가 확연하게 나타난 것으로 보인다. HCl 추출법에 따른 용출율은 불검출된 남경상광산을 제외하면 안정화층 0.
최종적으로 선정된 광산지역 농경지는 Table 1에서 볼 수 있듯이 7개 사업이 실시된 6개 광산 내 총 14개 필지로 농경지 이용형태를 보면 논이 9개, 밭이 5개로 분포하였다. 대상 농경지의 사업완료 시기는 2010년부터 2020년까지 다양하게 나타났다.
카드뮴은 보라광산과 야로광산에서 HCl 용출법으로는 검출되지 않았고, 남경상 광산에서는 용출법과 왕수추출법 모두 검출되지 않았다. 따라서 상하층 용출비율의 검토가 가능한 상주, 울진광산만을 보면 안정화층 27.
토양 무기원소의 안정화 효율검증을 위한 HCl 용출법(구.공정시험기준)의 적용성을 검토한 결과 안정화 처리여부에 상관없이 유사한 오염물질 추출율을 보여 그 적용성이 낮은 것으로 확인되었다. 다만, 본 용출법을 이용한 안정화 연구사례가 다수 있는 만큼 적용성 확보를 위한 추가적인 검토가 필요할 것이다.
21 mg/kg의 적정수준을 보였고, 이외 모두 부족한 것으로 나타났다. 특히, 적정범위 만족여부에 상관없이 붓든광산을 제외하면 모두 안정화층의 농도 대비 33% ~ 93%의 감소율을 보였다. 5개 사업지(보라, 야로, 남경상, 상주, 붓든)의 안정화층의 유효인산 농도는 원지반 오염토층의 농도보다도 높은데, 이는 과거 안정화층이 개량·복원사업 이전에 경작지로 활용되어 인산질 비료의 투여가 있었음을 의미한다.

후속연구

공정시험기준)의 적용성을 검토한 결과 안정화 처리여부에 상관없이 유사한 오염물질 추출율을 보여 그 적용성이 낮은 것으로 확인되었다. 다만, 본 용출법을 이용한 안정화 연구사례가 다수 있는 만큼 적용성 확보를 위한 추가적인 검토가 필요할 것이다.
1 N HCl 용출법의 적용성을 확인할 수 없었다. 다만, 여러 연구에서 HCl 용출방식으로 안정화 효과를 검토한 만큼(Islam et al., 2017; Ok et al., 2011; Yoon et al., 2010), 토양 내 오염수준의 차이에 따른 안정화 효과 등 여러 조건에 대한 사례검토가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
, 2008). 따라서 농작물 생육을 위해서는 적정 pH의 유지가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서 유의미한 결과가 확인된다면 향후 토양개량·복원 사업의 발전방향 검토에 있어서 주요 자료로 활용될 수 있을 것이다.
아울러, 대부분 적정 허용기준을 만족하지 못한 것으로 나타나, 관련 사업 시행 시 경작층 토양의 토양질도 고려해야 할 필요가 있는 것으로 확인되었다. 알칼리 안정화제 투여로 인한 안정화층 내 허용기준 이상의 칼슘 존재는 오염물질의 이동성 저감과 토양질 확보 사이에 타협점이 필요함을 확인한 것이다.
공정시험기준으로 알려진 HCl 용출법으로 토양 중금속의 식물체 흡수이행 정도를 검토한 바 있다. 이는 곧 HCl 용출법이 안정화 효과검증에 활용될 수 있음을 의미한다.
향후 폐광산 광해방지사업의 일환으로 추진되는 농경지 토양개량·복원사업은 오염물질의 안정화제 효율 검증을 위한 적정 시험법의 발굴, 오염물질의 이동성 저감 이외에 농경지 토양의 생산성을 고려한 토양질 관리가 포함된 방향으로 진행되어야 할 것이다.

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Kang, S.S., Roh, A.S., Choi, S.C., Kim, Y.S., Kim, H.J., Choi,？M.T., Ahn, B.K., Kim, H.W., Kim, H.K., Park, J.H., Lee, Y.H.,？Yang, S.H., Ryu, J.S., Jang, Y.S., Kim, M.S., Sonn, Y.K., Lee,？C.H., Ha, S.G., Lee, D.B. and Kim, Y.H., 2012, Status and？changes in chemical properties of paddy soil in Korea, Korean J.？Soil Sci. Fert., 45(6), 968-972.
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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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