Earticle

금호강 유역은 경상북도에서 가장 넓은 평지로 경북 포항, 영천, 경산시 및 대구광역시를 관통하여 흐르고 있으며, 선행연구에서 낙동강의 오염물질 배출부하량을 검토한 결과 수질 개선을 위해 달성보 유역을 중심으로 유입 지천인 금호강에서의 오염원 관리가 필요하다고 평가하였다. 또한, 금호강 퇴적물(8지점)은 퇴적물오염평가기준으로 평가할 경우 최근 5년간 ‘약간 나쁨’ 및 ‘나쁨’ 등급에 해당하였다. 금호강 본류 및 본류로 유입되는 지류의 퇴적물 오염도를 정밀조사하였으며, 오염 퇴적물의 이동경향을 파악하기 위해 모델링(HSPF)연구를 함께 수행하였다. 오염도 평가 및 모델링을 위해 강우 전/후로 본류 19지점, 지류 18지점에서 시료 채취 후 중금속과 주요오염물질을 분석하였다. 유기물, 영양염류 및 중금속 8종의 경우 상류에서 하류로 갈수록 농도가 증가하는 양상을 나타냈었다. 유기물 및 영양염류의 경우 하반기(10월)에 비해 상반기(6월)의 오염도가 높은 경향성을 보인다. 모델링을 통한 오염물질의 거동 특성은 퇴적물오염도 조사결과와 유사하였다.

본 연구에서 국내 오염 퇴적물 관리체계를 기반으로 수행된 퇴적물 환경평가를 통해 생물독성평가, 적용 및 활용에 대해 고찰하였다. 오염된 퇴적물에 대한 생물독성 시험은 연구의 특정 목적에 따라 여러 가지 방법으로 활용될 수 있다. 생태계 및 인체의 위해성, 오염물질이나 독성 원인물질의 식별, 지점 및 지역퇴적물 간 비교 및 복원평가까지, 생물독성 평가는 오염의 특성과 정도를 완전히 이해하고 적절한 관리전략을 개발하기 위해 적용되고 있다. 하천‧호소나 항만 등 환경준설과 관련하여, 준설 할 지역의 퇴적물 독성평가로 준설 중 특별한 주의나 예방 조치가 필요할 수 있는 영역을 식별하거나, 수생생물과 생태계에 미치는 준설의 잠재적인 영향평가 및 영향 완화를 위해 취한 조치의 효과분석에 도움을 줄 수 있다. 그리고 생태적 영을 반영한 준설 공법의 직접 비교 등 준설 관행에 따른 환경영향평가, 영향완화조치 등 의사결정에 명확한 근거를 제시할 수 있는 유용한 도구가 될 수 있다.

A new electrochemical system aluminium- air reverse electrodialysis cell with metal anode and air cathode for producing electricity was approached. Previous studies with Al- air batteries was achieved for a stable power production of 146.7 mW/g and 2119.09 Wh/kg. The study aimed to evaluate the electricity production. The cell containing eleven pairs of high concentration (HC) and low concentration (LC) with the novel flow design where the HC (600 mM) and LC (12 mM) are directed serially into every cell of the stack. Anolyte and catholyte was used for different optimization with recirculation (R-0) and without recirculation (WR-10 and WR-598) to study the effective operation methods. The cell produced 0.698-1.449 W/m2 of maximum power density with 8 h of operation time for WR-10, WR-598 and R-0, respectively. The results hold good for electricity production with a new technique of Al-air reverse electrodialysis.

과황산 활성화를 통한 유류오염물질의 분해 효율을 머신러닝으로 비교하는 연구를 수행했다. 이 연구에서는 Bag of Words 머신러닝을 이용하여 단어의 사용빈도를 파악하고, 어떤 활성제가 가장 효과적으로 사용되는지 확인했다. 이를 위해 철, 카본, thermally, 영가철, 산, UV 등의 단어가 많이 나타났다. 문헌조사를 통해 이들 활성제의 분해 효율을 비지도학습 머신러닝으로 비교한 결과, UV, 철기반 공정, 산 또는 열 기반 공정이 순서대로 좋은 분해 효율을 보였다. 이러한 연구 결과는 환경오염 문제 해결을 위해 과황산 활성화를 활용하는데 유용한 지표로 활용될 수 있다. 따라서, 이 연구에서는 과황산 활성화를 통한 유류오염물질의 분해 효율을 머신러닝으로 비교하는 방법을 제시한다. 이러한 연구 결과는 환경 보호 및 오염물질 처리 기술 개발에 기여할 수 있을 것이다.

초음파와 오존 나노기포를 사용한 수중 유기물 산화 공정에서 활성산소종의 생성을 조사하였다. 다양한 초음파 주파수와 전력 조건에서 공정의 과산화수소 생성을 확인하였다. 초기 pH 4, 7, 10에서 실험을 수행하여 pH가 공정의 과산화수소 생성에 끼치는 영향을 확인하였다. 쿠마린을 화학 프로브로 사용하여 수산화라디칼 생성을 조사하였다. 라디칼 제거제를 투입하고 로다민 B 분해실험을 진행하여 공정의 유기물 산화에 과산화수소와 수산화라디칼이 끼치는 영향을 확인하였다. 초음파는 캐비테이션 효과를 통해 과산화수소를 생성하였다. 오존 나노기포는 산소를 공급하여 과산화수소 생성을 증가시켰다. 생성된 과산화수소는 오존과 함께 Peroxone 공정으로 작용하여 수산화라디칼 생성을 증가시켰다. 공정은 25분 반응에서 99% 이상의 로다민 B 분해를 달성하였으며 초음파와 나노기포의 결합으로 증가된 활성산소종 생성이 오존 공정의 유기물 분해를 개선하는 것을 확인하였다.

Human activites significantly increase the input of organic pollutants. Although dissolved organic matter (DOM) are fundamentally important to the fate of hydrophobic organic compounds (HOCs), deep understanding of the adsorption mechanism of HOCs on water and sediment under the influence of DOM input is needed. Moreover, how the chemodiversity and diverse fractions of DOM affect HOCs sorption still unclear. The current study investigated the effects of different DOM sources on the sorption of HOCs in water and sediment. The sorption experiments demonstrated that DOM increased HOCs sorption amount of sediment, with the greatest and lowest enhancement on Leonardite humic acid and Suwannee river natural organic mater, respectively. The average apparent sorption coefficient (KBC-water, mL/g) of Leonardite humic acid and Suwannee river natural organic mater were (2.5 x 108 mL/g) and (1.0 x 108 mL/g), respectively. Nevertheless, the mechanism was differentiated accordingly to the DOM fractions in term of increased humic and fulvic acid-like content and decreased protein-like content. Futhermore, the characteristic of DOM before and after sorption were figured out but SUVA254 and 3D fluorescence matrix EEM-FRI. The correlation between the reduction in total volume from EEM FIR results and the increasing of the apparent sorption coefficient (KBC-water, mL/g) was observed To apply this hypothesis to the real case, DOM from three water sources (groundwater, tap water and wastewater) and two DOM from two sediments (Andong dam and Hyeonsan river) were utilized to carry out the effect of DOM fractions on HOCs sorption.

수중 퇴적토 내 비소는 3가와 5가 형태로 존재할 수 있으며, 이 중 3가 형태의 비소가 위해성이 큰 것으로 알려져 있다. 비소는 다양한 요인에 의해 퇴적토로 유입될 수 있는데, 대표적으로 자연발생적인 오염과 광산 활동에 의한 인위적인 오염 가능성이 존재한다. 따라서, 국내 휴·폐광산 인근 하천, 호소 퇴적토의 비소 오염 사례가 보고되고 있다. 오염 퇴적토는 준설에 의한 정화가 지배적이었으나, 최근 안정화제를 펠렛 형태를 퇴적토에 분사하여 비소의 이동성을 저감시키는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 안정화 공법은 오염원을 영구적으로 제거하는 것이 아닌, 이동성 저감에 목적을 두므로 안정화제의 유효성 여부에 따라 재오염 발생 가능성이 있다. 따라서, 안정화 공법 적용과 더불어 유효성 평가를 통한 재오염 시기를 예측하는 것이 중요할 수 있다. 본 연구에서는 안정화제를 혼합한 퇴적토의 전기적인 물성과 강우 조건에서의 침출 실험을 통해 안정화제를 혼합한 퇴적토의 유효성을 평가하고자 하였다.

고령화 사회로 접어들면서 항생물질의 사용량이 점차 늘어나고 있다. 항생물질은 폐기된 후, 수계로 유입되어 바닥에 퇴적될 수 있으며, 독성으로 인해 수생태계 교란을 야기할 수 있다. 특히 항생물질은 토양이나 물에서 장기간 잔류하기 때문에 빠르고 효과적인 저감 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 항생물질인 ciprofloxacin를 흡착하기 위해 시트르산을 자성 덴드리머에 기능화 하였다. 자성 덴드리머는 자성 입자 표면에 유기가지가 형성된 나노물질로 말단 작용기를 통해 다양한 물질과 반응이 가능하며, 과일류에서 주로 발견되는 시트르산은 다수의 카복실기를 보유하고 있어 오염물질과의 반응성을 향상시킬 수 있다. 제조된 자성 덴드리머 복합체를 활용하여 수중에서의 ciprofloxacin의 흡착실험을 수행하였으며, 흡착효율은 29.44 mg/g로 나타났으며, 재사용 실험을 통하여 96%의 안정적인 재사용효율을 확인하였다. 또한, Bacillus subtili과 Escherichia coli에 대한 항균실험을 수행하였으며, 합성된 자성 덴드리머 복합체는 상대적으로 낮은 농도의 시트르산이 사용되어 박테리아에 독성이 없는 것으로 판단되었다. 따라서 자성 덴드리머는 말단 작용기의 기능화과 용이하고, 자력을 통한 회수가 가능하여, 환경흡착제로서 오염수 저감 연구에 활용될 수 있다고 판단된다.

산업단지 인근 오염우심 하천 퇴적물에서 잠재적 오염가능 후보물질을 선정하였다. 이를 위해 산업단지 주변 수질모니터링자료와 화학물질 배출 및 이동량 조사결과를 활용하였다. 수질기준 및 후보항목(n=155)과 화학물질 배출 및 이동량 조사 대상 화학물질들(n=299, (2018년 기준)에 대해 퇴적물 잔류성을 평가하였다. 퇴적물 잔류성은 화학물질의 환경잔류성(안전성), 옥탄올-물 분배계수(Kow) 또는 용해도, 토양유기탄소-물 분배계수(Koc)로 평가하였으며, 환경잔류성이 크고 Kow와 Koc값이 큰 물질이 퇴적물에 잔류할 가능성이 큰 그룹으로 분류(1그룹)하고 전국규모 배출을 고려하여 모니터링 우선항목으로 제안하였다. 수질기준 및 후보항목과 화학물질 배출 및 이동량 조사 화학물질 중 퇴적물 잔류성 평가 가능한 물질은 각각 108개와 151개 였으며, 이중 1그룹에 속하며 배출규모를 고려했을 때 후보항목으로 제안한 것은 각각 9개와 13개 항목이었다. 다음으로 이 항목들에 대한 불확실성을 반영한 산업단지 인근 오염우심 하천에 대한 모니터링체계를 논의하였다.

Pb는 배터리 제조, 인쇄, 페인팅, 염색과 같은 많은 산업 활동에서 발생하는 폐수에 의해 오염되는 금속 물질 중 하나이다. 폐수에 존재하는 Pb는 해양, 호수, 강과 같은 수역에 유입되어 퇴적물 입자에 일시적으로 흡착된다. 수역의 온도, 산화 환원 전위, pH, 이온 강도와 같은 환경 변화로 인해 퇴적물 입자에 흡착된 Pb가 다시 수역으로 방출된다. 방출된 Pb는 생분해되지 않고 수생생물이나 인체에 축적되기 때문에 제거해야하는 물질이다. 따라서, Pb로 오염된 퇴적물을 안정적인 방법으로 정화하는 것이 중요하다. 오염된 퇴적물을 처리하는 일반적인 방법으로 준설 및 매립이 있다. 오염된 퇴적물을 준설하여 매립할 경우 준설하는 과정에서 발생하는 퇴적층의 교란과 매립지 선정과 같은 문제가 발생한다. 오염된 퇴적물의 표면을 깨끗한 모래나 퇴적토와 같은 소재로 덮어 퇴적물로부터 수층으로의 오염물질 용출을 막는 현장 피복 공법으로 기존의 준설 및 매립의 문제를 보완할 수 있다. 현장 피복 공법은 준설 및 매립에 비해 비용이 저렴하고, 퇴적물에 오염 물질을 고정시키는 효율적인 기술로 고려된다. 현장 피복 공법을 통해 Pb로 오염된 퇴적물을 처리할 경우 Pb에 대한 높은 제거 효율을 갖는 저비용의 흡착 소재가 필요하다. 흡착은 높은 제거 효율을 갖는 저렴한 흡착 소재를 사용하여 처리 비용을 낮출 수 있고, 설계 및 관리가 쉽고, 에너지 요구량 측면에서 가장 효율적인 기술로 여겨진다. biochar는 무산소 또는 혐기성 조건에서 biomass의 열분해를 통해 생산되는 탄소 기반의 물질이다. biochar는 공급 원료와 다양한 열분해 온도에 따라 높은 표면적, 산소 함유 작용기, 방향족 구조와 같은 물리 화학적 특성이 결정된다. 이러한 biochar의 특성은 오염물질 흡착에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서 사용된 cattle manure로 제조된 biochar는 cattle manure의 무해한 처리 및 재활용 방법으로 잠재적으로 가치가 있는 소재로 고려된다. Cattle manure biocahr의 흡착 소재로서의 잠재력과 가치를 평가하기 위해 Pb에 대한 제거 효율을 조사하였다. 0.1 g의 Cattle manure biocahr와 100-1000 mg/L의 Pb 용액을 48 h 반응시켰다. Cattle manure biocahr는 Pb로 오염된 퇴적물을 현장 피복 공법으로 처리하기 위한 피복 소재로 적용이 가능하다고 판단된다.

가속화되는 산업화 활동에 의해 발생하는 폐수에는 각종 독성 중금속이 함유되어있다. 독성 중금속 중 아연(Zn)은 EPA(Environmental Protection Agency)에서 제안하는 우선 오염 물질 목록에 포함되어 있으며, 심각한 독성(중독)을 갖는다. 독성을 가진 Zn으로 오염된 폐수가 강과 호수로 유출될 경우 퇴적물과 Zn 이온이 결합하여 퇴적물에 Zn이 축적된다. Zn은 퇴적물과 결합하면서 일시적으로 수생 시스템에서 Zn이 감소하는 경향을 보일 수 있지만, Zn의 지속적인 축적으로 퇴적물 내 높은 수준의 농도에 도달할 경우 다시 수생 시스템으로 고농도의 Zn 이온이 방출되는 큰 위험을 초래한다. 이러한 퇴적물에서 수생 시스템으로의 Zn 방출을 막기 위한 처리 방법으로 현장 피복이 있다. 현장 피복은 오염된 퇴적물의 표면에 보호 장벽을 만들어 덮는 방법이다. 현장 피복의 처리 효율을 높이기 위해 오염물질에 대한 높은 제거 효율을 갖는 환경친화적인 흡착 소재가 필요하다. 흡착 소재로서 바이오차는 산소가 제한되거나 없는 조건에서 바이오매스의 열분해를 통해 얻은 탄소가 풍부한 소재이다. 바이오차는 많은 양의 탄소, 산소를 함유하는 풍부한 작용기, 다공성 구조로 인한 높은 표면적과 같은 특성을 가져 오염물을 제거하는 흡착 소재로 활발하게 연구가 진행되고 있다. 축분으로 제조된 바이오차는 쉽게 구할 수 있는 공급원료(축분)를 사용하고, 바이오차의 고유한 특성뿐만 아니라 환경 관리 작업의 전체 비용을 감소시키는데 도움이 될 수 있는 이점을 갖는다. 본 연구에서는 축분으로 제조된 바이오차에 대하여 Zn을 제거하기 위한 흡착 소재로의 활용 가능성을 평가하였다. 평형 흡착 실험을 수행하기 위해 0.1 g의 축분 바이오차와 50-1000 mg/L의 Zn 용액을 24 h 반응시켰다. 현장 피복 소재로 축분 바이오차의 사용은 가축 폐기물 양을 줄이고, 환경 오염 방지를 위한 Zn과 같은 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 소재라고 판단된다.

Anthropogenic activities led to the discharge of heavy metals into aquatic systems, which are eventually deposited in sediment. Physical disturbances and environmental changes can trigger the release of these heavy metals from sediment creating potential risks to both environment and human health. Biochar has been recognized as an excellent adsorbent for restoring heavy metal-contaminated sediment. In this study, we developed two rice husk biochar (RBC) composite pellets using hydroxyapatite (HAP), and magnesium oxide (MgO), as an additive. As formed biochar composites are called HAP@RBC-P and MgO@RBC-P. The physicochemical properties of the fabricated composites were evaluated by multiple characterization techniques. The composites HAP@RBC-P and MgO@RBC-P exhibited better adsorption performance for Pb(II), Cd(II), and Zn(II) compared to RBC. The efficiency of the composites in controlling the release of heavy metals from sediment was evaluated by mixing them with the sediment. After 28 days of cover, both HAP@RBC-P and MgO@RBC-P effectively inhibited the release of Pb(II), Cd(II), and Zn(II) from sediment to overlying water, with inhibition efficiencies ranging from 80.4% to 93.65%, 57.52% to 95.2%, and 46.55% to 84.0% for HAP@RBC-P, and 50.0% to 81.4%, 70.6% to 88.6%, and 67.1% to 88.2% for MgO@RBC-P. Both biochar composite pellets exhibited high inhibition efficiencies for the release of heavy metals from the sediment composite mix. The practical applicability of these composites was assessed through a toxicity test on sediment-dwelling organisms (Lumbriculus variegatus). After a 28-day experiment, the survival rate of the Lumbriculus variegates was over 90% for both types of biochar composite pellets. indicating that the biochar composite pellet was an environmentally friendly biochar material.

오염 퇴적물 정화 기술 중 하나인 원위치 안정화 공법(in-situ stabilization)은 기존의 준설(dredging), 원위치 피복(in-situ capping)에 비해 경제성이 뛰어나고 시공에 의한 퇴적물 수저(bathymetry) 변화가 없으며, 처리된 현장 퇴적물을 그대로 저서생물의 서식처로 활용한다는 점에서 보다 비용 효율적이고 자연 친화적인 기술로써 주목받고 있다. 본 연구에서는 오염퇴적물 원위치 안정화 공법에서 퇴적물 내 용존유기물(Dissolved organic matter; DOM)의 특성이 안정화 효율에 미칠 수 있는 영향을 조사하기 위해, 지리/환경적 조건이 다른 강의 상류 시료(Upstream of river; U-NRW)와 도시 및 공단지역 주변 하류 시료(Downstream of river; D-NRW)을 채취 후, TOC, UV-Vis, 형광 3D-EEMs(3-Dimensional Excitation Emission Matrix Spectroscopy), SEC-OCD(Size Exclusion Chromatography.Organic Carbon Detection) 분석을 통한DOM 특성화와 함께, 두 퇴적물 시료를 이용한 안정화 모사 실험(slurry phase test)을 통해 안정화 효율 평가를 수행하였다. 먼저, DOC농도와 UV254흡광도를 통해 계산한 SUVA254값의 경우 U-NRW와 D-NRW가 각각 15.27mg-C-1m-1L, 5.46mg-C-1m-1L로 U-NRW가 더 높은 유기물함량에 더해 방향족 탄소(aromatic carbon)를 많이 포함한 것을 확인하였다. 두번째로, 형광-EEM분석 결과 U-NRW는 휴믹 유사 형광 영역(peak A+C)이 우세하여 난분해성 유기물의 주요 구성성분인 외부생성(allochthonous) 유기물을 많이 포함하였고, D-NRW는 단백질 유사 형광 영역(peak B+T)이 우세하여 조류와 박테리아의 생물학적 분해에 의한 자체생성(autochthonous) 유기물이 주를 이루는 것을 확인하여 형광 분석 결과가 퇴적물의 발생 기원에 따른 유기물 특성을 잘 묘사하였다고 판단할 수 있었다. 마지막으로, SEC-OCD 분석 결과 U-NRW와 D-NRW에서 Humic substances(~1000Da)과 Building blocks(~500Da)으로 구성된 고분자물질의 비율이 각각 62%와 14%였고, Low molecular weight neutrals/acids(~350Da)과 같은 저분자물질의 비율은 U-NRW와 D-NRW에서 각각 31%와 83%를 차지했다. 따라서 U-NRW는 상대적으로 고분자 유기물의 분포가, D-NRW은 저분자 유기물의 분포가 우세한 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 강의 상류에 위치한 U-NRW의 경우 산림토양으로부터 방향족성 휴믹물질이 유입되어 휴믹화된 고분자의 유기물이 우세하며, 산업화 및 도시화에 따른 인간의 활동이 많은 강 하류에 위치한 D-NRW의 경우에는 높은 생물학적 생산성에 따라 상대적으로 저분자의 단백질계 유기물이 우세하게 나타나는 것으로 해석할 수 있다. 다음으로 두 퇴적물 시료를 우리나라의 대표적인 담수 퇴적물 오염물질인 중금속 3종(Zn, Cd, Pb)으로 인공오염시킨 후 분말활성탄을 안정화제로 사용하여 안정화 모사 실험을 수행한 결과, 3종의 중금속 모두 U-NRW에서의 안정화 효율이 D-NRW에서 보다 높은 것(최대 18%)을 확인하였다. 본 연구의 결과를 통해 퇴적물의 지리적 기원과 환경적 요인이 퇴적물 내 DOM의 특성에 반영되며, DOM의 특성은 안정화 공법이 적용된 퇴적물 내 오염물질의 독성 및 생물학적 이용성을 결정하는 중요한 요인이라는 것을 알 수 있다. 이는 안정화공법 적용 시 현장 퇴적물 내 DOM 특성 또한 고려해야 할 필요가 있음을 시사한다.

원위치 피복 공법(In-situ capping)은 오염 퇴적물 안정화 공법 중 하나로, 오염된 퇴적물을 직접 제거하지 않고 깨끗한 물질로 덮어 수계로의 오염물질 확산을 방지한다. 원위치 피복은 준설토, 모래, 자갈 등으로 오염토를 격리하고, 활성탄 등의 안정화제를 첨가하여 오염물질을 흡착한다. 원위치 피복은 타 공법 대비 비용 효율적이지만, 수리학적 힘으로 인한 피복재의 침식이 발생해 오염물질이 분산될 가능성이 있어 안정성 평가가 필요하다. 본 발표에서는 퇴적물의 임계전단응력 및 침식률 측정하기 위해 개발된 장비인 SEDflume에 대해 소개한다. SEDflume의 구성, 원리, 작동 방식을 설명하며, 피복재의 수력학적 안정성 평가를 어떻게 수행할 수 있는지 설명한다. 또한 SEDflume를 활용하여 수행된 퇴적토 침식에 관한 연구 사례를 소개하며 활용 방안에 대해 제시한다. 본 발표는 SEDflume을 활용한 원위치 피복의 수력학적 안정성 평가 방법 및 연구 사례를 소개함으로써, 지속 가능한 물환경 관리에 기여할 수 있는 가능성을 제시한다.

비소는 독성을 갖는 발암성 준금속으로 광물 용해와 화산 폭발과 같은 자연에서의 유입과 광업, 제조, 석탄 연소, 농업과 임업으로 인해 인위적으로 유입되어 수생 시스템을 오염시킨다. 비소(As)는 IARC(International Agency for Research on Cancer)에서 1급 발암물질로 분류되어 있으며, 0.5 mg/L의 비소를 함유하는 식수를 장기간 섭취할 경우 폐암, 방광암, 피부암으로 사망까지 이른다고 보고된다. 비소로 오염된 지하수가 호수로 유입되어 호수 퇴적물에 상당한 양의 비소가 축적될 수 있다. 고농도로 축적된 비소는 다시 수계로 용출되어 인간이나 환경에 상당한 위협이 될 수 있다. 퇴적물에서 수계로의 오염물질 용출을 막는 방법으로 퇴적물의 준설 없이 현장에서 처리할 수 있는 현장 피복 방법이 있다. 현장 피복은 오염된 퇴적물을 안전하게 피복재로 덮어서 퇴적물 내의 오염물질이 수계로 용출되는 영향을 저감시키는 방법이다. 현장 피복 방법의 장점을 극대화시키기 위해서는 저비용 및 고효율의 흡착제가 필요하다. 흡착은 저렴한 비용과 간단한 설계로 작동이 가능하고, 유지 및 관리가 쉬우며 오염물질에 대한 높은 제거 효율을 갖는다. 폐기물인 목재 연소재의 재활용은 흡착 공정의 이점뿐만 아니라 경제적인 이점도 가진다. 목재 연소재는 다양한 중금속, 무기질 및 유기화합물 등을 제거할 수 있다고 보고된다. 본 연구는 현장 피복에 필요한 피복 소재로서 목재 연소재의 적용 가능성을 평가하였다. 목재 연소재의 비소(As) 제거 능력은 평형 흡착 실험을 통해 조사하였다. 평형 흡착 실험은 0.1 g의 목재 연소재와 100-1000 mg/L의 비소(As) 용액을 24 h 반응시켜 수행하였다. 목재 연소재는 폐기물의 재활용 측면에서 환경친화적인 소재이며 높은 비소 제거 효율을 갖기 때문에 현장 피복 소재로 활용하기에 적합하다고 판단된다.

오염 퇴적토에서 용출되는 중금속은 생물학적으로 분해되지 않고 축적되어 생태계에 악영향을 끼치며, 이러한 퇴적토 내 오염물질 저감을 위해서 활성탄이 주로 활용된다. 활성탄은 다공성 구조를 가지고 있어 높은 흡착효율을 가지고 있다. 또한, 활성탄을 질산으로 개질하면 활성탄 표면에 다수의 작용기가 형성되어 중금속 흡착능력이 개선된다. 따라서 본 연구에서는 질산으로 개질된 활성탄 펠렛과 분말활성탄의 중금속 흡착 효율을 비교하였다. 제조된 펠렛의 규격은 지름 0.5cm, 길이 1cm이며, 실제 환경과 유사한 환경을 소규모로 재현한 microcosm chamber(60mm * 55mm * 150mm)에서 실험을 진행하였다. Microcosm chamber에 카드뮴, 납, 아연으로 오염된 퇴적토와 담수 환경의 이온 농도에 맞춘 물을 혼합하고, diffusive gradients in thin films (DGT) 샘플러를 투입하여 흡착 실험을 진행하였다. 실험 후 회수된 DGT의 regin gel을 1cm 간격으로 잘라 오염퇴적토 깊이에 따른 중금속 농도를 측정하였으며, 펠렛 및 분말 활성탄의 흡착 효율을 비교하여 어떠한 활성탄이 중금속 흡착 효율이 더 높은지 확인하였다.

하천 퇴적물은 유기물과 영양염류가 용출되며 산소를 소비하거나, 식물성 플랑크톤 등을 통해 간접적으로 산소를 소비한다. 퇴적물에서의 산소 소모는 수질에 영향을 미칠 수 있으므로, 퇴적물이 수층에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 퇴적물 산소소모율을 모니터링 할 필요가 있다. 퇴적물 산소소모율을 측정하기 위해 배양실험, 현장 측정 등의 방법이 사용되고 있다. 하지만 실험 방법이 복잡하고, 분석 장비 제작에 많은 비용이 요구되는 등 퇴적물 산소소모율 측정에는 여러 제한 요소가 있다. 따라서 이번 연구에서는 머신러닝 알고리즘 중 extreme gradient boosting(XGBoost)을 이용하여 수계별 퇴적물 산소소모율 예측 모델을 구축하였으며, 퇴적물 산소소모율에 더 많은 영향을 미치는 요인을 선정하였다. 머신러닝 모델 구축을 위한 입력 자료로 2016년부터 2022년까지 낙동강, 금강 영산강에서 측정한 퇴적물 산소소모율과 퇴적물 및 수층의 물리화학적 특성 자료, 수질측정망 자료를 사용하였다. 구축한 수계별 퇴적물 산소소모율 예측 모델은 훈련, 보정, 검정에서 R2가 0.8 이상으로 우수한 성능을 보였다. 낙동강, 금강, 영산강에서 퇴적물 산소소모율 예측모델 기여도가 가장 높은 인자는 각각 암모니아성 질소 용출률, 수층 COD, 저층 DO였다.

국내 하천과 같이 강우에 의한 유량 변동이 큰 수계의 경우, 집중 강우 시 많은 양의 퇴적물이 하천 하류나 호소 바닥으로 이동하여 쌓이게 되고, 쌓인 퇴적물은 재부유, 침식, 교란 등의 활동에 의해 오염물질이 용출되어 하천 및 호소의 수질에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 낙동강은 수심 및 수량 증가 등의 물리적인 변화로 인해 유역의 특성이 유수형 하천에서 정수형 호소로 전환되었으며, 하천의 흐름 정체는 보 상류의 유사거동에 많은 영향을 미친다. 이러한 퇴적환경의 변화는 오염된 퇴적물이 수층과 물리, 화학적인 상호작용에 의해 오염물질의 용출을 발생시켜 지속적으로 수질을 저하시키는 내부 오염물질로 작용하게 한다. 따라서 낙동강의 변화된 환경에 따른 퇴적물이 수층에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 퇴적물에서 발생된 오염물질의 용출특성에 관한 연구가 필요하다. 낙동강 퇴적물을 대상으로 퇴적물과 수층의 물리·화학적 자료를 이용하여 XGBoost모델을 구축하였다. 본 연구에서는 홍수기를 기준으로 홍수전, 중, 후로 나누어 모델을 구축하였고, 모든 시기에서 훈련, 보정, 검정의 R2가 0.8 이상으로 우수한 성능을 보였다. 이후, 머신러닝 모델 예측 시 가장 중요한 주요 변수를 도출하였다. 낙동강에서 NH3 예측 모델 기여도가 높은 인자는 홍수 전, 중, 전체는 ssChl-a이 가장 높고, 홍수 후에는 ssTOC가 가장 높은 것으로 나타났다.

하천 퇴적토는 담수 생태계를 구성하는 기본 요소 중 하나로, 수층과의 유기적 연결성으로 인하여 경계면에서 끊임없이 상호작용이 발생한다. 하천 주변의 다양한 공급원으로부터 유입되는 영양염(nutrients)과 유기물(organic materials) 등은 퇴적토에 축적되어 있다가 특정 환경 조건에서 다시 수층으로 용출될 수 있다. 일반적으로 하천에서는 유역으로부터 유기물이 퇴적토로 유입되고 이는 미생물에 의하여 연속적으로 분해된다. 이때, 유기물이 퇴적토에 더 많이 유입될수록 분해 산물인 PO43--P가 증가하게 된다. 이에 본 연구에서는 대표적인 우리나라의 주요 상수원인 낙동강을 연구대상지로 선정하여, 퇴적토 및 수층의 물리·화학적 특성자료를 이용하여 XGBoost모델을 구축하였다. 특히, 우리나라의 경우 강우의 계절적 편차가 심하여 홍수기를 기준으로 홍수전, 중, 후로 나누어 모델을 구축하였다. XGBoost모델은 머신러닝 모델 중에서도 성능이 우수한 것으로 알려져 있는데, 본 연구에서도 모든 시기에서 훈련, 보정, 검정의 R2가 0.8 이상으로 우수한 성능을 보였다. 이후, 머신러닝 모델 예측 시 가장 중요한 주요 변수를 도출하였다.

카드뮴(Cd)은 독성 중금속으로 자연에서 분해되지 않아 먹이사슬을 통해 인체에 유입될 수 있다. Cd이 인체에 축적될 경우 면역계와 호흡계 등에 손상을 유발한다. Cd은 많은 산업 공정 및 작업에서 사용된다. 산업 활동에 의해 발생된 폐수에는 고농도의 Cd이 포함되어 있다. 고농도의 Cd 폐수는 수역에 유입되어 퇴적물 공극수에 축적된다. 퇴적물 내에 축적된 Cd은 자연이나 인위적 활동에 의해 교란될 때 다시 수계로 방출되는 경향을 가진다. Cd의 방출을 막기 위한 처리 방법으로는 현장 피복 처리 방법이 있다. 현장 피복 처리 방법은 오염된 퇴적물의 표면을 피복재로 덮어서 처리하는 방법이다. 퇴적물과 수층 사이의 피복재를 통해 저서 유기체와 퇴적물을 격리시키고, 퇴적물의 재부유를 방지하여 퇴적물을 안정화하는 이점이 있다. 또한, 퇴적물의 이동이 불필요하여 준설에 대한 비용이 요구되지 않아 적은 비용으로도 중금속으로 오염된 퇴적물 정화가 가능하다. 현장 피복 방법의 더 높은 처리효율을 위해 흡착 소재를 함께 사용하기도 한다. 흡착은 저렴한 비용, 높은 제거 효율, 쉬운 유지 관리, 간단한 설계를 장점으로 하는 오염물질 제거 공정이다. 바이오차는 다공성 구조를 특징으로 하여 높은 표면적을 가지며, 저비용의 공급원료를 사용할 수 있어 많은 관심을 받는 흡착 소재이다. 우분을 활용한 바이오차는 폐기물을 활용하기 때문에 경제적이고, 높은 회분 함량과 양이온 교환 용량을 갖는 것이 특징이다. 본 연구에서는 Cd으로 오염된 퇴적물을 효과적으로 처리하기 위한 피복 소재로 우분 바이오차의 사용 가능성을 평가하였다. 우분 바이오차는 Cd 제거에 효과적인 흡착 성능을 보이며, 피복 소재로써 적합한 것으로 판단된다.

This study explores the catalytic performance of simple physically modified ball-milled kelp-seaweed (Laminaria japonica) biochar (KBCBM) for CIP-contaminated soil (CIPsoil) with peroxymonosulfate (PMS) and the phytotoxicity of the intermediates in the treated soil. The surface characterization of the KBCBM catalyst was investigated using different instrumental analyses. The CIPsoil/KBCBM/PMS system showed excellent performance in CIP degradation (96.06%, C0 = 126.15 ± 0.7 mg kg−1) under the conditions of 1.0 mM PMS, 1.5 mg g−1 of KBCBM and unadjusted pH (6.3) condition. The co-existing anions: such as Cl−, HCO3−, and HPO42− enhanced the CIP degradation in the CIPsoil/KBCBM-800/PMS system. Reactive oxygen species (ROS) formation was confirmed by chemical scavengers and electron spin resonance spectroscopy (ESR) analysis. The non-radical reaction pathway was verified by electrochemical analysis of linear sweep voltammetry (LSV) and potentiodynamic testing (i-t curve) methods in the KBCBM/PMS. In addition, the phytotoxicity analysis was evaluated by the germination percentage of cucumber seeds with and without remediated soil. The KBCBM/PMS system demonstrated encouraging capabilities in the treatment of CIP-contaminated soil.

폐광산으로부터의 오염원 침출과 제련소 등의 산업활동으로 인해 국내 수계 중금속 오염에 대한 경각심이 높아지고 있으며, 최근 경북녹생환경지원센터를 비롯한 다양한 기관으로부터 조사 보고서가 발간되었다. 하천 및 호소의 오염원을 제거하기 위한 대표 공법으로 준설 공법이 적용되고 있는 실정이나, 준설 공법은 비용과 재오염 가능성으로 인해 대안으로 안정화 공법이 주목받고 있다. 안정화 공법은 친환경 소재를 통한 오염원 흡착으로 수계에 환경부하를 최소화할 수 있으며, 비용 부담이 적다는 측면에서 환경성과 경제성을 확보한 공법이다. 안정화 공법의 대표적인 흡착제로는 스멕타이트 구조를 가져 팽윤성, 이온교환성 등의 성질로 중금속을 제거하는 벤토나이트가 있다. 본 연구에서는 벤토나이트의 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 납(Pb)의 제거 효율을 확인하였고, 펠렛의 현장 적용성을 향상시키기 위해 모래와 구아검을 적정비로 혼합하여 안정화 펠렛을 제작하였다. 구아검은 점성을 부여하여 펠렛의 균열을 방지하고, 일정 비율의 모래는 펠렛의 비중을 높여 쉽게 가라앉힌다는 이전 연구를 바탕으로 이러한 혼합 재료를 선정하였다. 이에 더해 비소를 제거하기 위하여 모래에 철코팅을 진행하였다. 연구 결과, 벤토나이트는 카드뮴, 아연, 납에 대해 각각 72%, 73%, 71%의 안정화 효율을 보였으며, 이를 통해 본 안정화 펠렛이 국내 수계 중금속 오염지에 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.