TREECS와 토조 실험 장치를 이용한 TNT와 중금속의 유출 특성 및 MKP/Bentonite의 유출 저감 효과 평가

Abstract

군 사격 훈련으로 사격장에는 다수의 불발탄들이 발생한다. 이런 불발탄들에 포함된 화약물인 2,4,6-trinitrotoluene (TNT)와 중금속(Cu, Zn, Cd과 Pb)은 풍화작용으로 탄 내부에서 외부로 유출되며 사격장 토양을 오염시킨다. 사격장 토양에 존재하는 TNT와 중금속의 오염의 문제는 비단 TNT와 중금속의 독성뿐만 아니라 이러한 오염물질들이 강우에 의해서 주변 환경으로 유출이 되어 주변 환경의 토양과 수계를 오염시킨다는 점이다(Cao et al., 2003

Lee et al., 2011). 현재 TNT는 USEPA에서 C급 발암물질로 지정되어있고(USEPA, 2012), 중금속의 독성은 이미 널리 알려져 있다(USDA, 2000). 사격장에서 주변 환경으로의 오염물질의 유출 문제를 해결하기 위해서는 사격장 내부 토양에 대한 적극적인 정화가 필요하다. 하지만 사격장은 산악지대에 위치하기 때문에 접근성이 낮고 지속적인 사격 훈련과 이 때 발생되는 불발탄의 안전문제로 사격장 내부 토양에 대한 적극적인 정화가 어렵다. 사격장 내부 토양의 오염에 대한 관리는 사격장 토양에 존재하는 오염물질이 주변 환경으로 유출을 저감시키는 방향으로 나아가야 한다. 이를 위해서는 사격장에서 주변 환경으로 유출되는 오염물질에 대한 평가가 필요하다. 사격장에서 오염물질의 유출 특성을 파악하기 위해 미 공병단에서 개발한 오염물질 이동해석 프로그램인 Training Range Environmental Evaluation and characterization System (TREECS)를 사용하였다. 연구 대상 사격장 부지의 지리학적⋅지질학적 특성과 사격장에서 발생한 강우 기록을 사용하여 부지 특이성을 반영한다. 이를 통해 강우에 의한 오염물질의 사격장에서 주변 환경으로 유출 특성을 평가한다. TREECS를 통해 토양침식(soil erosion), 표면유출(runoff)과 지하수유출(leaching)로 유출되는 화약류의 양을 구했다. 그 결과, 초기 오염농도에 무관하게 3가지 유출 경로 중, 토양침식을 통해 67%의 TNT가 유출이 되고, 이는 세 경로들 중에서 가장 높은 비율을 가진다. 지하수침투를 통해 초기 TNT 오염양의 20%가 유출되고, 표면유출을 통한 TNT의 유출은 13%로 가장 적은 비율을 차지했다. 특히, 전체 오염양의 80%는 지표면에서 발생하는 토양침식과 표면유출로 주변 환경으로 유출된다고 판단했다. 두 유출 경로를 통한 오염물질의 유출은 현행 법규상 오염확산방지시설의 설치로 유출되는 방류수와 퇴적토에 대해서 방류수의 수질 기준과 퇴적토의 농도 기준에 부합하도록 관리가 되고 있다. 반면 지하유출을 통한 오염물질의 유출에 대해서는 적절한 유출저감 대책이 없는 상황이다. 오염물질의 지하유출 감소하는 방법을 찾기 위해 실내에서 실험을 진행할 수 있는 pilot scale의 토조 실험 장치를 제작했다(Larson et al, 2004

Larson et al., 2005). 일반적인 사격장토양의 토양 특성과 유사한 마사토 미사와 주문진사로 토조 실험 장치를 채웠다. 불발탄에 의한 사격장 토양 오염은 대부분 표토 1cm에서 발생하였기에 토조 실험 장치도 동일하게 표면으로 부터 1 cm의 심도만을 사격장에서 발견된 최고 농도인 TNT (160 mg/kg-soil)와 중금속(Cu, Zn, Pb: 800 mg/kg-soil and Cd: 24 mg/kg-soil)으로 인공오염 시켰다(USEPA, 1988). 지하수로 유출되는 TNT와 중금속의 양을 저감시키기 위해서 사격장 토양표면에 Monpotassium Phosphate (MKP)와 Bentonite를 살포하는 방안이 연구가 되었다(Jung, 2014). 오염물질의 유출 저감을 위해 MKP와 Bentonite는 각각 토양 무게에 대해 5%와 10%를 사용했고, 인공오염토양과 혼합한 뒤 실험을 진행했다. pH 4.2의 SPLP (USEPA, 1994) 용액으로 40일 동안 18번의 강우 모사를 진행하였다. 이를 통해 발생하는 표면유출수과 지하유출수를 각각 채취하고, 각 유출수 내에 존재하는 TNT와 중금속의 농도를 분석하였다. 그리고 강우 모사가 완료된 후 토조 토양을 심도별로 3개의 구역으로 나눠 토양 시료를 채취하여, 토양에 잔존한 TNT와 중금속의 농도도 분석하였다. 18번의 강우 모사를 진행하는 동안 토조 실험 장치를 통해서는 지하유출만이 발생했다. MKP와 Bentonite를 살포한 경우 유출된 TNT의 총 양은 살포하지 않은 경우에 대해 58% 적은 것을 확인했다. 4 가지 중금속은 모두 MKP와 Bentonite의 살포에 관계없이 유출된 농도가 매우 낮았다. 토조 실험 장치 내의 토양에 존재하는 TNT의 농도를 분석한 결과 심도별 농도는 MKP와 Bentonite를 살포하지 않은 경우 살포한 경우에 비해 상대적으로 낮았다. 지하유출수와 토양에 존재하는 TNT의 총 양과 초기 오염양을 비교한 결과, MKP와 Bentonite를 살포한 경우 총양이 유지가 되었지만, 살포하지 않은 경우는 전체의 절반정도만이 확인이 되었다. MKP에 존재하는 phosphate에 의한 중금속의 안정화 효과를 확인하기 위해 Tessier 연속추출을 진행하였다. 그 결과 4 종류의 중금속에서 모두 5단계의 비율이 증가하였고, 상대적으로 이동성이 높은 1단계의 비율이 감소하였다. 선별적 수준의 생태위해성평가(Screening Level Ecological Risk Assessment)를 결과를 위해서 종민감도분포(Species Sensitivity Distribution, SSD)를 작성했다. 문헌적 조사를 통해 TNT에 대한 다양한 독성값을 누적분포함수로 표현한 후 통계적 외삽법을 통해 HC5와 HC50을 도출하였다. 이를 통새 수생태에 대한 TNT의 예측무영향농도(Predicted No Effect Concentration, PNEC)을 도출하였다. 그 결과 불확실도에 따라 예측무영향농도는 40-88 ㎍/L의 농도 범위를 가졌다. MKP와 Bentonite 살포하지 않았을 경우, 하천으로 유입되는 TNT의 농도는 0.415 mg/L이고 MKP와 Bentonite를 살포한 경우 0.031 mg/L으로 각 경우에 따른 환경예측농도(Predicted Environmental Concentration, PEC)을 도출하였다. 이를 바탕으로 각 경우의 유해지수(Hazardous Quotient, HQ)를 도출하면, MKP와 Bentonite를 살포하지 않은 경우 4.72-10.38의 범위로 분포하고 모두 1보다 큰 값을 나타냈기에 위해하다고 판단했다. MKP와 Bentonite를 살포한 경우 1보다 작은 0.35-0.78의 범위로 나타났다. 이를 통해, MKP와 Bentonite 살포를 통해서 TNT의 유출저감에 큰 효과가 있다고 판단되었다.