퇴적물-물 환경에서 영양염류 용출에 미치는 환경학적 인자의 영향

강지원 전남대학교 대학원 2020 국내석사

In Korea, various pollutants flow into multipurpose dams from upstream lakes and rivers. It accumulate as sediments under the dams by physical, chemical and biological reactions. Among the accumulated pollutants, nutrients such as nitrogen and phosphorus are environmentally important. These nutrients are extracted into the water by oxidation and reduction potential of the water layer and oxygen concentration and metabolism of indigenous microorganisms in the sediments. Nutrients can be a source of algal bloom, which can negatively affect the use of water resources, so it is essential to control the extraction of nutrients from sediments. In this study, various environmental factors affecting the nutrients extraction were investigated and the trends of nutrients extraction were identified. Long-term column experiments were conducted to determine the effects of various environmental factors on the nutrients extraction using sediments collected from the Namgang and the downstream regions of the Deokcheon and Gyeongho rivers. Experiments were conducted under various conditions such as the presence or absence of indigenous microorganisms, sediment characteristics by inflow stream, aerobic/anaerobic, pH and water temperature. Solutions were periodically collected to observe changes in pH, Eh, total nitrogen and phosphorus. Influencing factors such as indigenous microorganisms, sediment properties, aerobic/anaerobic, pH and temperature showed a close relationship with the nutrients extraction. Indigenous microorganisms in sediments have reduced nutrients extraction. This is considered to be the result of a complex action of metabolism of various indigenous microorganisms. As a result of experiments with different sediments, different amounts of nutrient extracted from each sediments, but it was difficult to confirm the direct relationship between the sediment properties and nutrients extraction. Changes in the aerobic/anaerobic environment influenced the extraction of the total phosphorus. In the anaerobic environment, the extraction of total phosphorus showed a high positive correlation with the Fe and Mn extraction. It is considered phosphate bound to Fe and Mn was extracted due to the reductive dissolution of Fe and Mn occuring in the anaerobic condition. In addition, it was confirmed that the total nitrogen and phosphorus tended to increase as the pH and water temperature of the water layer increase. In this study, the direct and indirect effects of indigenous microorganisms, aerobic/anaerobic, pH and water temperature on the nutrients extraction, which are the main influence factors of algal bloom, were experimentally investigated. It is expected that the results of this study can be used as essential basic data in reducing nutrients extraction and controlling eutrophication. 국내의 다목적 댐은 상류의 호소 및 하천으로부터 각종 오염물질이 유입되며 물리·화학적 및 생물학적 반응에 의하여 댐 하부에 퇴적물로 축적되고 있다. 퇴적된 물질 중 환경학적으로 중요한 오염물질로는 질소, 인과 같은 영양염류 및 중금속 등이 있으며, 이들 물질은 수층 내 산화·환원 전위, 산소 농도, 퇴적물 내 토착미생물의 대사작용 등 다양한 영향인자에 의해 수중으로 용출된다. 특히 용출된 영양염류는 서식환경이 좋아지는 여름철에 조류의 대량 발생을 유도하여 해당 지역의 수자원 이용에 부정적 영향을 미치므로 용출 제어가 반드시 필요하다. 따라서 이 연구에서는 퇴적물-물 환경에서 주요 영양염류인 질소와 인의 용출에 미치는 다양한 환경학적 영향인자를 파악하고, 그에 따른 용출 양상을 확인하였다. 남강과 남강으로 유입되는 덕천강, 경호강의 하류 지역에서 채취한 퇴적물을 이용하여 질소 및 인의 용출에 미치는 다양한 환경인자의 영향을 확인하고자 장기간의 컬럼 실험을 수행하였다. 토착미생물 유무, 유입 지천별 퇴적물 특성, 호기/혐기, pH, 수온 등 다양한 조건에서 실험을 진행하였으며, 주기적으로 용액을 채취하여 pH, Eh, 총질소, 총인 등의 변화를 관찰하였다. 용출 실험의 결과 토착미생물, 퇴적물 특성, 호기/혐기, pH, 온도 등의 영향인자는 질소 및 인의 용출과 밀접한 관련을 나타내었다. 퇴적물 내 토착미생물은 총질소, 총인, 중금속의 용출을 저감하였으며, 이는 다양한 토착미생물의 대사작용이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다. 서로 다른 퇴적물을 이용한 실험 결과 총질소는 덕천강, 총인은 경호강 퇴적물에서 더 많은 양이 용출되었으나, 이 연구에서 확인한 퇴적물 특성과 영양염류 용출의 직접적 연관성은 확인하기 어려웠다. 호기/혐기성 환경의 변화는 퇴적물 내 총인의 용출에 영향을 미쳤으며, 혐기성 환경에서 더 많은 총인이 용출되었다. 특히 혐기성 환경에서 총인의 용출은 Fe 및 Mn의 용출 양상과 높은 양의 상관성을 나타내었으며, 이는 Fe 및 Mn과 결합하고 있던 인산염이 혐기성 환경에서 발생하는 Fe 및 Mn의 환원성 용해 반응 시 수층으로 용출되었기 때문으로 사료된다. 또한 수층의 pH가 높을수록 총질소와 총인의 용출이 증가하는 경향을 보였으며, 저온(4 oC) 시료에 비하여 상온(25 oC) 시료에서 더 많은 영양염류가 용출되었다. 이 연구에서는 국내의 호소, 하천, 저수지 등에서 발생하는 녹조의 주된 영향인자인 영양염류 용출에 미치는 토착미생물, 호기/혐기, pH 및 수온 등의 직·간접적 영향을 실험적으로 확인하였으며, 이 연구의 결과가 영양염류 용출 저감 및 이에 따른 부영양화 제어 시 필수적 기초자료로써 이용이 될 수 있을 것으로 기대한다.

남해안 해양환경 현황 및 해저퇴적물 관리방안에 따른 연구

조소희 서울시립대학교 2010 국내석사

해저퇴적물은 전통적으로 선박의 통행이 용이하도록 유지준설 또는 토목 구조물의 안전을 위한 기초준설이 대부분이였다. 그러나 최근 환경적인 측면에서 관리가 필요하다는 의견이 국내외적으로 크게 대두되고 있다. 이는 퇴적물에 포함된 영양염류와 중금속 등에 의해 부영양화 또는 수질악화의 원인이 되고 유해물질로 오염된 퇴적물의 직・간접적인 노출경로를 통해 수생생물 및 더 나아가 국민건강에 악영향을 끼친다는 사실이 잘 알려져 있기 때문이다. 현재, 해저퇴적물의 현황 조사를 위한 지침과 오염된 퇴적토의 관리방안에 대해 국내에서 이루어지고 있는 연구는 일부 항목에 대한 연구가 대부분이며, 연구결과를 바탕으로 구체적인 해저퇴적물의 통합적인 관리방안이 제시되지 않은 실정이다. 실제로 해양환경의 화학적 지표인 해양수질의 경우 항목별 환경기준이 환경정책기본법에 제시되어 있지만, 해저퇴적물의 경우에는 연구 자체도 이루어지지 않은 상태이며, 호소나 하천의 퇴적물에 대한 연구가 대부분이다. 국내 해저퇴적물 제거 공사 현황을 살펴보면 1998년부터 2005년까지 국내에서 시행된 준설량은 154,226,147㎥으로서 부산이 43,459639㎥으로 가장 많았으며, 그 다음으로는 광양, 인천, 평택, 군산의 순서를 나타냈다. 광양 지역이 가장 넓은 면적이 준설된 것으로 조사되었다. 이처럼, 다양한 목적을 가지고 해저퇴적물 준설공사가 이행되고 있는 시점에서 무분별한 공사로 인하여 해양환경의 질이 저하되고, 해양 생태계에 심각한 영향을 미치고 있는 실정이다. 따라서 퇴적물에 서식하는 생물 뿐만 아니라 이를 포함하는 수생태계를 건강하게 유지・보전하기 위해서는 퇴적물을 단순한 수질오염원으로 보기보다는 물, 대기, 토양과 같이 적정한 질을 유지해야하는 독립적인 매체로 인식할 필요가 있으며, 육상부의 호소 또는 하천의 관리방안 뿐만 아니라 해저퇴적물 별도의 관리방안에 대한 구체적인 논의가 필요하다. 본 연구에서는 국내의 남해안의 광양, 고성, 여수, 포항 지역의 해양환경 파악을 위해서 해양수질 및 해저퇴적물 조사를 실시하였으며, 오염된 해역의 원인을 파악하기 위하여 조사지역의 각종 점오염원과 비점오염원에 대한 통계자료 조사 및 분석을 실시하였다. 또한, 각종 국내외에서 연구되어진 해저퇴적물 관리방안을 검토하여 해저퇴적물의 현황 조사방법, 오염원인 파악, 오염퇴적물의 관리방안 등에 대한 방안을 제시함으로써 실질적인 해양환경 관리방안을 제시하고자 한다. Most of sea bottom sediment dredging has been traditionally maintenance dredging for easy passage of ships or base dredging for the safety of the foundation of civil engineering structures. Recently, however, there is the opinion in Korea and other countries that sea bottom sediment should be managed in the environmental aspect. Such opinions are based on the well‐known fact that nutrients and heavy metals contained in sediment cause eutrophication and degenerate water quality, and sediment contaminated with harmful substances has adverse effects on aquatic organisms and people’s health through direct and indirect exposure routes. At present, guidelines for surveys of sea bottom sediment and domestic research on the management methods of polluted deposit soil are mostly focused on some specific items or viewpoints, and no integrated method has been suggested for the management of sea bottom sediment. In case of marine water quality, a chemical indicator of marine environment, environmental standards for each item is suggested in the Framework Act on Environmental Policy, but sea bottom sediment has not been even researched and most of related studies are about sediment in lakes, marshes and rivers. According to data on domestic sea bottom sediment removal works, the volume of dredging made in Korea during the period from 1998 to 2005 was 154,226,147㎥. By area, it was largest as 43,459639㎥ in Busan, which was followed by Gwangyang, Incheon, Pyeongtaek, and Gunsan. The area of dredging was largest in Gwangyang. In the current situation that sea bottom sediment is being dredged for various purposes, the quality of marine environment is being deteriorated and marine ecosystem is severely damaged by indiscreet dredging works. Accordingly, in order to maintain and preserve not only living things inhabiting sediment but also aquatic ecosystem healthily, we need to regard sediment not simply as a pollution source of water quality but as an independent medium like water, air and soil, the quality of which should be maintained adequately. Furthermore, detailed discussions are required not only on the management methods of lakes, marshes and rivers on land but also on separate management methods of sea bottom sediment. This study surveyed marine water quality and sea bottom sediment in order to examine marine environment in Gwangyang, Goseong, Pohang, and Yeosu on the southern coast of Korea, and collected and analyzed statistics on various point and non‐point pollution sources in the survey areas in order to identify the cause of marine pollution. What is more, we reviewed sea bottom sediment management methods suggested in previous domestic and foreign studies, and proposed practical marine environment management methods based on sea bottom sediment survey methods, identified causes of pollution, and contaminated sediment management methods.

Remediation of Contaminated Sediments Using the Sediment Washing and the In-Situ Capping Techniques : 퇴적물 세척법과 원위치 피복 기술들을 이용한 오염퇴적물의 정화

Kim Pil-Geun 부경대학교 대학원 2009 국내박사

Applicability of washing process and in situ capping method to remediate contaminated ocean sediment were evaluated. Ocean sediment of the Bongam tidal flat, which is located in Masan, Korea, was collected, and contamination levels of heavy metals in the sediment in this area were determined. A sediment washing process was performed using different concentrations of hydrochloric acid (HCl) in the washing solution at different reaction times. In situ capping method was also performed through column-scale experiment to reduce the levels of contaminants that are released from contaminated sediment in ocean, and the application of red mud bauxite (RMB) and quicklime as a capping material were investigated, and this study used raw RMB and calcined RMB when subjected to heat treatment (700℃). The mean grain size (Mz) distribution of the surface sediments in the study area ranged from 0.24 to 5.16 Φ, and sand and silt-sized particles were found to the dominant contents throughout the study area, particularly around the ecological park and the junction of the Nam stream. Total organic carbon (TOC) contents ranged from 0.38 to 2.25 percent, and high levels were detected in the junction of the Nam stream (MS-09) and the ecological park (MS-04). High levels of heavy metals and redox-sensitive elements were also detected in the abovementioned areas. Pearson’s correlation coefficient between grain size and TOC and between TOC and the sum of the concentrations of 3 redox-sensitive elements (Cd, Mo, and U) is 0.86 and 0.80, respectively. The sediment quality in the present study area was estimated in accordance with the sediment quality guidelines from NOAA. Results show a high accumulation rate for Cu, Pb and Zn. These metals may have detrimental effects on the benthic environment, and study area will be affected by the establishment of anoxic conditions during the summer season by anthropogenic pollution. The EF values for Cr and As were less than 1.5 at all sites of the examined area. The level of Pollution with Cu is also not very high. In contrast, the EF values for Cd, Pb, and Zn were more than 1.5, indicating that the study area is polluted with these metals. In Particular, the junction of the Nam stream exhibited the highest I_(geo) values of Cd and Pb, the strongly polluted. The efficiency of the studied washing process for the removal of Cd, Cu, Pb, and Zn in the sediment of the study area was evaluated by employing different concentrations of HCl (0.1, 0.3, and 0.5N) and different reaction time (30, 60, and 180min). Removal efficiency by washing process ranged from 44.47 to 83.62 percent. The most effective concentration of HCl for the remova of heavy metals in the sediment form this area was found to be 0.3N. Further, the most effective washing efficiency was obtained at a reaction time of 180 minutes. The removal efficiency was 79.44 percent for Cd, 77.10 percent for Cu, 83.62 percent for Pb and 78.10 percent for Zn. The sediment washing capacity using HCl showed the highest washing efficiency for Pb, followed by Cd>Zn>Cu. A removed concentration by 0.3N HCl is similar to that for the sum of weaker bound metals, such as bound to exchangeable, carbonate and Fe and Mn oxides fraction, in sediment of study area. On the basis of the results of this study, it is suggested that the washing process using 0.3N HCl is very useful to remove the weaker bound metals that could act as a pollution source. Moreover, treatment by 0.3N of HCl with 180 minutes will be adequate for the reuse of contaminated sediments, because the crystal structure in the sediment will not be damaged by 0.3N HCl. In order to investigate the removal efficiency of phosphorus using RMB, batch-scale experiments were performed. In the case of adding 3.0 percent RMB, phosphorus removal efficiencies were above 98 percent at all pH conditions. When using only 1.0 percent RMB, phosphorus removal efficiencies at all pH conditions (pH 6, 8, and 10) were above 95 percent. Batch-scale test results showed that the RMB is an effective material to remove phosphorus from fresh water condition (pH 6) as well as seawater condition (pH 8). Furthermore, for the treatment of phosphorus in eutrophicated seawater, a usage of 1.0 percent RMB will be an adequate. Column-scale experiments were performed to investigate phosphorus and heavy metals capping efficiency of in situ capping method using RMB and quicklime. The phosphorus value of column A, which did not have a capping material, increased up to 44 percent that of background value (the concentration of initial seawater). On the other hand, phosphorus concentrations for all columns using capping material were lower than background value during the test period (capping efficiency=100%). Capping materials in all columns can also reduce the phosphorus concentration in seawater, and reducing rates of raw RMB, calcined RMB and the mixture of calcined RMB and quicklime were 94, 78, and 100 percent, respectively. The capping efficiency of Cd, Zn, and Pb by raw RMB showed 100 percent within 21 days after the beginning test and Cu capping efficiency was 99 percent at 21 days. The capping efficiency of calcined RMB is 84 percent for Cd, 100 percent for Zn, 100 percent for Cu, and 53 percent for Pb at the end of the test. Heavy metal capping efficiency of raw RMB is more effective than calcined RMB. However, capping efficiencies of the raw RMB for Pb and Cu were more unstable than calcined RMB. The experiments indicate that RMB may be suitable for use as a new capping material to limit the amount of heavy metals redistributed within the sediment. Moreover, calcined RMB may be more suitable because it is more stable than raw RMB. The mixture of calcined RMB and quicklime effectively prevented the release of heavy metals such as Cd, Zn, Pb, and Cu, from the sediment during the test period (capping efficiency = 100%), and it had the highest capping capacity for Cd, Pb, and Zn among the capping materials. From results of this investigation, it can be concluded that RMB is very useful to fix phosphorus released from contaminated sediment. In particular, RMB can fix 100 percent of phosphorus at the same time. Moreover, RMB is also useful to fix heavy metals, such as Cd, Cu, Pb and Zn. Furthermore, quicklime can enhance the fixing ability of RMB. 오염된 해양퇴적물을 정화하기 위한 토양세척법과 원위치피복법의 적용성을 평가하였다. 연구에 이용된 퇴적물은 마산에 위치한 봉암지역의 퇴적물로서, 이들 지역의 표층퇴적물의 중금속 오염 정도를 평가하였다. 퇴적물 세척법은 염산을 이용하였다. 또한, 산업부산물인 red mud bauxite (RMB)와 생석회를 피복재료로 적용하여 그 효과를 평가하고자 하였으며, 실험에 이용된 RMB는 원재료 RMB와 700℃에서 활성화한 RMB를 이용하였다. 연구지역 퇴적물의 평균입도는 0.24-5.16이며, sand와 silt가 우세하다. 총유기탄소 함량은 0.3-2.25%(평균 0.95%)로서, 남천의 합류지점(MS-04) 과 생태공원(MS-09)에서 높게 나타난다. 중금속과 redox-sensitive element의 분포 역시 이 지역에서 높게 나타난다. 총유기탄소와 평균입도의 Pearson 상관계수는 0.86이며, redox-sensitive element (Cd, Mo, 그리고 U)의 합과 총유기탄소의 상관계수는 0.80이다. 연구지역 퇴적물의 중금속 농도를 미국 해양 대기청의 sediment quality guideline과 비교한 결과, 구리, 납 및 아연의 부화정도가 높게 나타났으며, 이들 중금속들은 저서생물에 영향을 미칠 가능성이 있다. 또한, 연구지역은 인위적인 오염의 영향으로 하계에 혐기성환경이 조성될 수 있다. 연구지역 퇴적물의 크롬과 비소의 Enrichment factor (EF)는 1.5이하로 나타난 반면, 카드뮴, 납 및 아연 의 EF는 1.5 이상으로, 봉암지역의 퇴적물은 카드뮴, 납 및 아연으로 부화되어 있음을 알 수 있다. 또한 Geoaccumulation index (Igeo)에 의한 오염정도는 moderately to strongly polluted 또는 strongly polluted로 나타났다. 봉암 퇴적물의 카드뮴, 구리, 납 및 아연의 처리를 목적으로 퇴적물 세척 실험을 실시하였으며, 사용된 세척액은 염산으로 0.1, 0.3, 및 0.5N의 농도로 각각 30, 60, 180분간 처리하였다. 염산을 이용한 퇴적물 세척시험의 결과는 44.47-83.62%이다. 연구지역 내의 중금속들은 0.3N 염산을 이용하여 180 분 동안 반응하였을 경우 가장 높은 제거효율을 보였다. 0.3N 염산을 이용하여 180분 동안 세척한 경우, 연구지역 내에 오염된 중금속 중에서 Pb가 가장 효율이 좋으며, Cd>Zn>Cu로 나타났다. 0.3N 염산에 의해 제거된 중금속의 농도는 연구지역 퇴적물 내에 존재하는 weaker bound metals의 함량과 유사하다. 이 결과를 통하여 0.3N 염산을 이용한 세척이 퇴적물에서 중금속의 오염원으로 작용할 수 있는 weaker bound metals을 충분히 제거 할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 0.3N 염산의 적용은 퇴적물내의 결정구조를 파괴하지 않기 때문에 오염된 퇴적물의 재활용에 적절할 것으로 사료된다. RMB투여농도에 따른 수용액 내 인 제거능력을 평가하기 위하여 배치실험을 실시하였다. 3%의 RMB를 투여할 경우, 모든 pH (6, 8, 10) 조건에서 98%이상의 제거효율을 보인다. 또한, RMB를 1% 만 투여하여도 95% 이상의 제거효율을 보인다. 따라서, RMB는 담수조건(pH 6)뿐만 아니라 해수조건(pH 8)에서도 인을 충분히 제거할 수 있을 것이다. 또한 부영양화된 해수를 처리하기 위해서 1%의 RMB의 적용이 적절할 것이다. RMB와 생석회를 피복재료로 이용한 원위치 피복법의 인과 중금속 차단 효과를 컬럼 규모의 실험을 통하여 평가하였다. 피복재료를 사용하지 않은 컬럼 A는 배경값 (해수의 초기 농도)보다 인의 농도가 44% 증가하였다. 반면, 피복 재료를 사용한 컬럼에서는 실험기간 동안 인의 농도가 배경 값 이하로 나타났다(capping efficiency = 100%). 또한, 피복재료로 사용된 원재료 RMB, 활성화한 RMB 그리고 활성화한 RMB와 생석회를 혼합한 재료는 해수 내 인의 농도를 각각 94, 78, 100% 저감 하였다. 그리고, 원재료 RMB는 카드뮴, 아연 및 납을 21일 이내에 100% 차단하였으며, 구리는 99% 차단되었다. 반면, 활성화한 RMB는 실험종료 시에 카드뮴 84%, 납 53%, 그리고 구리와 아연을 100% 차단하였다. RMB를 피복재료로 적용할 경우, 원재료RMB는 활성화한 RMB보다 중금속을 차단하는 효과가 크다. 그러나, 원재료 RMB의 구리와 납의 차단효과는 활성화한 RMB보다 다소 불안정한 양상을 보인다. 이 연구결과들에 의해 RMB는 퇴적물로부터 용출되는 오염원을 차단할 수 있는 새로운 피복재료로서 아주 효과적인 것으로 판단된다. 그리고 활성화한 RMB가 원재료 RMB 보다 안정적이기 때문에 피복재료로서 더욱 적합 할 것이다. 생석회와 활성화한 RMB를 혼합한 재료는 실험기간 동안 중금속들을 효과적으로 차단하였을 뿐만 아니라, 그 효과가 원재료 RMB와 활성화한 RMB보다 높다. 이들 연구결과들을 통하여 RMB는 퇴적물로부터 용출되는 인을 즉시 100% 차단 할 뿐만 아니라, 중금속들도 차단하는데 효과적인 것으로 판단된다. 또한 생석회를 RMB의 보조제로 사용함에 따라 그 효과는 증대될 것으로 사료된다.

남강댐 퇴적물 영양염류 용출특성에 따른 수질 영향 연구

송대성 전남대학교 대학원 2020 국내박사

빈번한 조류경보 발령과 낙동강 하류 녹조감소 지연 요인으로 지목되는 남강댐 수질 문제 중 퇴적물로 인한 녹조 내부부하 기여도를 파악하기 위해 남강댐 유역 주요 지점에 대한 표층 퇴적물 조사, 퇴적물 용출률 조사, 산소소모율 및 저층 영양염 용출률 평가를 하였다. 또한 영양염류 용출 제어 평가 및 퇴적물 내 남조류의 활성화에 따른 잠재적인 수질 영향을 파악하였다. 연구 지역의 표층 퇴적물 조사 결과, 녹조 발생과 직접적 상관관계가 있는 총인, 총질소 및 완전연소가능량은 호소 퇴적물 오염평가 기준을 만족하여 영양염류와 유기물의 오염부하는 크지 않은 것으로 나타났으나, 남강댐 상류 지역에 넓 게 분포하고 있는 농업용 재배시설과 마을 하수관거 등의 비점오염원은 강우나 계절적 변화에 따라 남강댐 퇴적물 오염 부하량에 미치는 영향이 클 것으로 판단된다. 한편, 중금속류의 경우 대부분 호소 퇴적물 오염평가 Ⅰ기준을 만족하여 중금속류에 의한 오염영향이 적은 것으로 나타났다. 상류로부터 유입되는 입자성 물질의 단위 시간당 고형물량은 댐체 앞 지점이 10.89 g, 경호강 유입 지점이 27.60 g, 덕천강 유입 지점이 20.84 g으로 나타나 경호강에서 유입되는 부유물질량이 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 퇴적물에 존재하는 토착미생물 분류 결과 경호강과 덕천강 유입 지점은 proteobacteria와 nitrospirae 문이 우점하였으나, 댐체 앞 지점의 경우 cyanobacteria 문이 상대적으로 우점하여 상류로부터 cyanobacteria의 하류 이송이 이루어졌음을 시사한다. 퇴적물의 산화환원 및 온도 조건에 따른 영양염류 용출 특성 관찰 결과, 호기성 조건에서는 암모니아성 질소의 감소와 질성 질소의 증가가 발생하였으며, 혐기성 조건에서는 암모니아성 질소의 급증이 관찰되었다. 또한 인산염인의 경우 혐기성 건에서만 증가하는 경향을 보여, 혐기성 미생물의 활성화가 촉진되는 빈산소 조건과 고온 영향하에서는 영양염류의 용출 큰 것으로 확인되었다. 퇴적물에 의한 산소소모율을 평가하기 위한 실험에서는 댐체 앞 지점이 0.49 g/m2/d, 경호강 유입 지점은 0.21 g/m2/d, 덕천강 유입 지점은 0.26 g/m2/d으로 평가되어 댐체 앞 지점이 퇴적물 내 유기물 분해 등에 의한 일차생산자의 소모가 큰 것으로 나타났다. 저층 영양염류 용출률 평가 결과, 인산염 인과 암모니아성 질소는 각각 0.43 ~ 1.45 g/m2/d, 0.04 ~ 0.06 g/m2/d 범위로 수층으로 용출되었으며, 아질산성+질산성 질소는 0.07 ~ 0.10 g/m2/d 범위로 수층에서 퇴적층으로 유입되는 것으로 나타났다. 계산된 영양염류 용출률과 남강댐 수면적을 이용한 영양염류 일일 부하량은 인산염 인, 암모니아성 질소가 각각 1.0 ~ 3.3 kg/d, 80.2 ~ 143.0 kg/d 범위로 산정되었으며, 아질산성+질산성 질소는 160.8 ~ 219.5 kg/d의 범위로 퇴적물에 의해 소비되는 것으로 나타났다. 영양염류 용출 제어 실험 결과, 산소발생제 투입 시 저층에 충분한 산소공급이 이루어져 인산염 인 등의 영양염류 용출이 제되는 것으로 확인되었지만, 높은 pH 상승을 수반하여 저층 생태계에 악영향을 끼칠 가능성이 있는 것으로 나타났다. 황토 투입 시 가장 높은 영양염류 용출 제거율을 보였고 이는 공침과 퇴적층 표면 피복으로 인한 영향으로 판단된다. 미생물제제 투입은 영양염류 용출 억제 효과가 없는 것으로 관찰되었다. 남강댐 퇴적물 내 존재하는 cyanobacteria의 인위적 배양 실험 결과 성장에 알맞은 광량, 온도, 영양염류가 공급되면 휴지기 상태의 cyanobacteria도 대발생의 가능성을 확인하였으며, 특히 저층 혐기환경 조성에 따른 영양염류의 용출과 상류로부터 공급되는 영양염류가 결합되어 조류 및 냄새물질 문제를 가중시킬 수 있을 것으로 판단된다. 결론적으로 본 연구에서는 남강댐 퇴적물의 영양염 용출 특성 및 제어 가능성을 평가하였으며, 퇴적물로부터 남조류가 천이되어 수질에 영향을 끼치는 것을확인하였다. 또한 퇴적물의 저층 영양염 용출률과 일일 부하량은 향후 남강댐 물질수지를 평가하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다. This study evaluated the sediment characteristic investigation, release rate, sediment oxygen demand, and benthic nutrient flux at major sites to identify the contribution of internal loads due to sediment regarding water quality problems in Namgang Dam. In addition, dissolution characteristics were analyzed by dissolution factors and the potential water quality effects of activation of cyanobacteria in the sediments were also analyzed. The surface sediments of Namgang Dam were analyzed. TN, TP, and LOI met the sediment pollution valuation standard(Korea NIER), indicating that the contamination load of nutrients and organics was not large. However, non-point sources of many agricultural vinyl houses and village sewers, which are widely distributed in the upper part of Namgang Dam, are expected to increase pollution due to rainfall or seasonal changes. Most of the heavy metals met the sediment pollution evaluation standard(Korea NIER), but the copper exceeded the standard in the Yang Cheon River tributary. The suspended solid volume was the highest in the Kyungho river at 10.89g in front of the dam, 27.60g in the Kyungho river and 20.84g in the Deokcheon river. addition, as a result of classification of indigenous microorganisms in sediments, proteobacteria and nitrospirae dominated the Kyungho and Deokcheon rivers, but cyanobacteria dominated the dam front. This means that the downstream transport of cyanobacteria from upstream took place. Sediment leaching characteristics were observed to decrease ammonia and increase nitrate under aerobic conditions, and in anaerobic conditions, a large increase in ammonia was observed. In addition, phosphate tends to increase only under anaerobic conditions. This result suggests that the release of nutrients increases under anaerobic conditions and high temperature. As a result of evaluating sediment oxygen demand, the site in front of the dam was 0.49 g/m2·d, 0.21 g/m2·d in the Kyungho river and 0.26 g/m2·d in the Deokcheon river. In these results, the oxygen consumption by the primary producer was large in front of the dam. Benthic nutrient flux evaluation showed that phosphate and ammonia elutes into the water column in the range of 0.43 to 1.45 mg/m2/d, 0.04 to 0.06 g/m2/d respectively, and nitrate and nitrite enter the sediment in the range of 0.07 to 0.10 mg/m2/d. Daily loads were calculated using the nutrients leaching rate and the surface area of Namgang Dam. Phosphate and ammonia were estimated to range from 1.0 to 3.3 kg/d, 80.2 to 143.0 kg/d respectively, and nitrate and nitrite were estimated to be consumed by the sediment in the range of 160.8 to 219.5 kg/d. For sediment leaching reduction, the oxygen release compounds (CaO2) was added to the bottom layer, so that phosphate release did not occur. However, it is possible to create a high pH environment and adversely affect the lower ecosystem. The highest nutrient removal rate was observed when loess was injected, but it is considered to be a temporary effect due to co-precipitation and sediment surface coating. When the microbial agent(SUBION) was added, the microbial activation was changed according to the redox, so there was no inhibitory effect on nutrient release. As a result of the culture experiments of cyanobacteria existing in the sediment, given the appropriate amount of light, temperature, and nutrients for growth, it was confirmed that cyanobacteria in the resting state are blooms. In particular, the supply of nutrients from the sediments of the lower anaerobic environment and the supply of nutrients from upstream will cause algal bloom and odorous substances. In this study, nutrient leaching characteristics and controllability of Namgang Dam sediments were evaluated. In addition, It was confirmed that the cyanobacteria migrated from the sediment to the water column and affected the water quality. Furthermore, nutrient leaching rates and daily loads are expected to be useful for the assessment of the Namgang Dam mass balance.

부유퇴적물이 해산 어류의 산소소비율에 미치는 영향

추승오 서울대학교 대학원 2019 국내석사

Suspended sediment (SS) often present in high concentration in coastal area due to natural disaster or human industrial activities. Several previous studies have mainly evaluated the effect of SS through chronic effect to salmonid fishes, while the acute effect to marine fishes has not been well documented. The purpose of this study was to investigate the acute respiratory effects of SS on various marine fishes. The three experiments were conducted 1) species-dependent, 2) age-dependent, 3) heavy metal contamination of sediment exposure to five marine fishes. The sediments used four in situ dredged sediments and one heavy metal contaminated sediment nearby industrial area. Four species of pelagic fishes (Sebastes schlegelii, Takifugu niphobles, Acanthopagrus schlegelii, and Oplegnathus fasciatus) and a benthic fish (Paralichthys olivaceus) were used for this study. At a result, oxygen consumption rate of Korean rockfish and Grass puffer decreased gradually when they were exposed to SS above 1000 mg L-1 (p<0.05). Rock bream and Black sea bream showed no significantly difference between seawater and SS treatment (p<0.05). The oxygen consumption rate of smaller size of flounder (6.8 ± 0.8cm) exposed to dredged sediment, were more changed than larger size (14.1 ± 0.8cm). The oxygen consumption rates of flounder exposed to heavy metal contaminated SS increased up to 240% compared with that exposure to same concentration of non- heavy metal contaminated SS (p<0.05). Oxygen consumption rate of flounder exposure to dissolved copper decreased compared to seawater treatment (p<0.05), and synergistic effect was not observed when copper spiked seawater and non- heavy metal contaminated SS mixture (p<0.05). Overall, the respiratory effect of SS depends on the species and life stage of fish and heavy metal contamination level of sediment. In conclusion, our results provide useful information about the effect of evaluated SS concentrations on marine fishes. 부유퇴적물 가운데 입자가 세립한 퇴적물은 해양생태계 내에 장기간 부유하며 높은 농도로 존재할 때 어류의 호흡부터 치사까지 영향을 미친다. 부유퇴적물 노출에 의한 어류 영향 연구는 1900년대 이후 꾸준하게 이루어졌고 특히 수산 어류를 중심으로 진행되었다. 국외의 경우 부유퇴적물 영향 연구는 주요 수산 종인 연어와 송어와 같은 담수 어류를 대상으로 진행되었다. 반면 국내에서는 해상 가두리에 양식되는 넙치와 조피볼락과 같은 해산 어류가 주요 수산 생물로서 이에 대한 연구가 진행되었다. 기존의 어류에 대한 부유퇴적물의 영향 연구들은 특히 장기간 동안의 성장 또는 치사 영향 연구에 편향되어 있고 단기간 내 영향을 확인할 수 있는 어류의 생리 대사 지표를 이용한 연구는 부족한 실정이다. 또한 중금속과 같은 대표적인 오염물질이 부유 퇴적물과 혼합 존재할 때 해양생물에 노출 됨으로 인해 일어날 수 있는 잠재적인 혼합 독성 등에 대한 연구 또한 필요하다. 본 연구는 부유퇴적물이 해산 어류에 미치는 영향에 대해 파악하기 위해 국내에서 주로 가두리 양식 대상인 해산 어류를 실험에 이용하였다. 부유퇴적물 어류 영향 파악의 지표로는 생리대사 측정치 가운데 하나인 산소소비율을 사용하였다. 실험 퇴적물은 국내의 준설 현장(인천 신항, 광양항, 부산 신항, 제주 애월항)에서 채취한 퇴적물과 산업단지 부근 하천(안산 신길천)에서 채취한 다량의 중금속에 오염된 퇴적물을 사용하였다. 실험 생물은 국내 양식어류 생산량의 80%를 차지하는 조피볼락, 복섬, 감성돔, 돌돔, 넙치를 이용하였다. 부유퇴적물의 노출 영향을 확인하기 위해 1) 종 간 비교, 2) 개체 연령 간 비교, 3) 부유퇴적 물 중금속 오염도 간 영향을 비교하고자 하였다. 부유퇴적물 노출 실험은 각각 1) 조피볼락-인천 신항 부유퇴적물, 복섬-광양항 부유퇴적물, 감성돔 -부산 신항 부유퇴적물, 돌돔-제주 애월항 부유퇴적물, 2) 2개월령 넙치, 6개월령 넙치-광양항 부유퇴적물, 부산 신항 부유퇴적물, 그리고 3) 넙치-안산 신길천 부유퇴적물, 구리해수 및 부유퇴적물 혼합 노출 실험을 실시하였다. 부유퇴적물에 노출된 어류는 종에 따라 민감도가 상이한 것으로 나타났다. 복섬과 조피볼락의 산소소비율은 부유퇴적물 농도에 따라 음의 상관관계를 보였다(p<0.05). 감성돔과 돌돔의 경우 모든 부유퇴적물 처리구에서 농도에 따른 상관관계를 보이지 않았다(p<0.05). 부유퇴적 물에 노출된 넙치의 산소소비율은 개체 연령에 따라 어릴수록 변화 폭이 큰 것으로 나타났다. 2개월령 넙치는 부유퇴적물의 농도와 노출시간에 따라 음의 상관관계를 보였고 6개월령 넙치는 특정 상관관계를 보이지 않는 것으로 나타났다(p<0.05). 중금속 6종(크롬, 카드뮴, 구리, 니켈, 납, 아연)의 농도가 퇴적물 중금속 관리기준 해양환경기준을 초과하는 안산 신길천 부유퇴적물에 노출된 넙치의 산소소비율은 상대적으로 오염도가 낮은 인천 준설 부유퇴적물에 노출 되었을 때에 비해 최대 2.4배 상승하였다(p<0.05). 부유퇴적물을 첨가하지 않고 구리를 용해시킨 해수 2 mg L-1 처리구에 노출된 넙치의 산소소비율은 해수 상태에서의 산소소비율에 비해 최대 67% 감소한 반면 구리와 부유퇴적 물을 혼합하여 노출시켰을 때는 구리와 부유퇴적물 단일 노출에 비해 유의한 차이를 나타내지 않았다(p<0.05). 부유퇴적물 노출에 대한 어류 산소소비율의 변화는 종에 따라 상이하고 동일한 종에 있어서는 개체의 크기가 작을수록 더 큰 영향을 받을 수 있음을 알 수 있었다. 구리의 경우 수 층에 용존 상태로 존재하는 경우 부유퇴적물과 혼합 노출 되었을 때보다 큰 영향이 나타날 수 있음을 확인하였다. 중금속 오염된 부유퇴적물에 노출된 넙치의 산소소비율은 오염되지 않은 퇴적물에 노출 되었을 때에 비해 산소소비 율이 급격하게 상승하였고 퇴적물의 중금속 오염도가 높아질수록 산소소 비율의 변화가 급격하게 커지는 것을 확인하였다. 따라서 향후 어류의 산소소비율을 비롯한 생리 대사에 영향을 줄 수 있는 다양한 노출 물질 에 대한 생물 영향 연구가 필요하다. 그리고 항만 공사나 준설과 같은 해상산업활동을 진행함에 있어서 현장의 퇴적물에 대한 오염도 조사가 반드시 필요할 것으로 판단된다. 마지막으로 니질 퇴적물 뿐만 아니라 사질 퇴적물 재 부유에 의한 영향평가 또한 고려하여 해양생물에 대한 부유퇴적물의 전반적인 영향에 대한 파악이 필요할 것이다. 본 연구의 결과는 부유퇴적물이 해산 어류에 미치는 영향에 대한 기초자료로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

하상퇴적물의 리화학적 특성 및 오염물질 용출에 관한 연구

박성진 전북대학교 대학원 2009 국내박사

Comparing to water at the base of river, riverbed deposit shows a small change in time and also shows a great quantity on the earth, which provides characteristics of a suitable geochemical medium in continuously evaluating the environment. This research is focused on developing important essential for studying the effect of long term internal pollution source when riverbed sediment at the entrance of Saemangeum Lake flows into the lake. Following researches were conducted in purpose of finding the characteristics of sediments as internal pollution source. Finding the qualities of sediments piled up at Dongjin River, Mankyung River and studying the pollutant elution due to environmental changes. Brief summary of the results gathered from this research activity will be discussed below. Water quality of Dongjin River and Mankyung River at all spots showed higher concentration rate at summer season compared to winter season. The reason is due to heavy rainfall concentrated during the summer season has increased the inflow of earth and farm water. For sediments, pollutant classified in depth showed similar concentration region in overall. Concentration difference between summer and winter season was little, however winter season had little higher sediment concentration compared to summer. The reason is during the summer season vast amount of pollutant inflow piled up on the riverbed slowly decomposed due to water temperature drop in the winter season and extended retention time, causing it as pollution source inside the sedimentary layer. From the experiment result of natural elution and forced elution, natural elution had no effect from thickness. And anaerobe status showed increased amount of pollutant elution compared to aerobic status. Forced elution formed less than one percent of the total pollutant concentration. Experiment result of adsorption and natural elution of the sediment due to phosphorus concentration demonstrated that water with less than 1.3ppm showed elution from the sediment while water higher than 1.3ppm showed adsorption from the sediment. From sediment particle size analysis result, Mankyung River was classified as silty loam, sandy loam and Dongjin River was classified as sand, loamy sand, silty loam and sandy loam. The sedimentation rate of the sediment was estimated around 9.2~30.0 cm/min for Mankyung river and 0.2~29.3 cm/min for Dongjin river. Considering the ratio of particle classified in size, pollutant concentration of the sediment of Dongjin River was higher compared to Mankyung River when it was lower than 75㎛. Pollutant concentration of sediment by particle size while considering weight ratio showed that more than 70 percent of the pollutant resided in the region where particle size was below 75㎛. Although COD of Dongjin River, Mankyung River sediment showed lower concentration rate compared to Han-river and other regions, it showed relatively high TN and TP values. This phenomenon is displayed because of higher inflow rate of nutrient salts by farm water into the Saemangeum valley compared to other regions. Therefore, result gathered from this research can be used as important base material for studying the long term internal pollutant effect when riverbed sediments flow into the lake hereafter. Also this research result can be used as base material for predicting improvement of the water quality by constructing sedimentation basin that can suppress the sediment inflow and determining validity of dredging the sediment after constructing sedimentation basin.

독도와 울릉분지 북부 대륙사면 지역의 퇴적물 산소요구량과 탈질소화 연구

정진현 부산대학교 2009 국내석사

The rates of sediment oxygen demand (SOD) and denitrification (DNF) were measured using 15N isotope pairing technique in intact sediment cores in the continental shelf of Dok Island and northern Ulleung Basin, and hereupon estimated primary factors. The SOD and DNF in the continental shelf of Dok Island and northern Ulleung Basin were ranged from 1.04 to 9.08 mmol m-2 d-1 and from 6.05 to 124.02 μmol m-2 d-1, respectively. The SOD and DNF showed large differences between Dok Island and northern Ulleung Basin. Quality and quantity of organic matter of the sediment seems to be the main factors influencing the SOD and DNF dynamics in East sea basin. Organic carbon contents in surface sediment ranged from 1.8 to 2.4 %, which is higher than typical deep sea sediments and could be a result of high primary production in euphotic zone and efficient export production in the Ulleung Basin. The SOD and DNF values in this study are also higher than typical deep sea sediment and the efficient export production seems to be the main reason. We could not observed the decreasing SOD and DNF trends with depth that is typical in deep sea sediment at the station over 1500 m depth. Moreover, the organic carbon content of the surface sediment did not show decreasing trend with depth at the station over 1500 m depth. Therefore we conclude that the organic matter content in surface sediment is determined by the nature of the export production not the water depth in East sea sediment and the nature of the export production also determines remineralization processes such as SOD and DNF in East sea/Ulleung Basin sediment. 본 연구에서는 퇴적물 선상 배양과 15N isotope pairing technique를 이용하여 독도와 울릉분지 주변의 대륙 사면에서 퇴적물 산소요구량과 탈질소화율을 직접 측정하였으며, 이에 영향을 미치는 요인들을 추정하여 보았다. 각 조사 정점에서 시간에 따른 용존산소 농도의 감소율로부터 측정한 퇴적물 산소요구량은 1.04 ~ 9.08 mmol m-2 d-1 범위를 나타내었으며, 시간에 따른 29N2와 30N2 농도 증가율을 이용하여 계산한 탈질소화율은 6.05 ~ 124.02 μmol m-2 d-1의 범위를 나타내었다. 퇴적물로부터의 암모늄 플럭스는 + 0.01 ~ + 0.63 mmol m-2 d-1로, 퇴적층에서 수층으로 용출되었다. 질산염 플럭스는 - 0.88 ~ -0.01 mmol m-2 d-1로, 수층에서 퇴적층으로 유입되어 소비되었는데 대부분 탈질소화 과정에 사용되었을 것으로 추정된다동해에서 퇴적물 산소요구량과 탈질소화율은 지역적인 차이가 두드러져 독도 주변 정점들과 울릉분지 북부 정점들 사이에서 매우 큰 차이를 보였다. 하지만 울릉분지 북부 지역의 조사 정점(E1, E2)은 한 차례만 조사되어 울릉분지 전체를 대표하기는 힘들고, 따라서 이러한 지역적인 차이의 원인은 향후 연구에서 밝혀야 할 것이다.본 연구에서 퇴적물 산소요구량과 탈질소화율은 표층 퇴적물 내 유기 탄소 함량이 높고, 육지에서 가장 멀리 떨어진 정점에서 높게 측정되었다. 또한 표층 퇴적물의 유기물 농도는 Dn(질산화 과정에 의해 생성된 질산염을 이용하는 탈질소화 과정)을 촉진시키는 것으로 나타났으며, 대부분의 조사 정점에서 Dn이 우세하게 나타났다. 이러한 결과들을 바탕으로 할 때, 본 조사 지역에서 퇴적물 산소요구량과 탈질소화율은 표층 퇴적물의 유기물의 종류와 양에 가장 큰 영향을 받는 것으로 추정된다. 2007년 11월 조사 정점에서 측정한 표층 퇴적물 내 유기 탄소 함량은 1.8 ~ 2.4 %로, 다른 심해 지역에 비해 매우 높게 측정되었다. 이는 울릉분지 지역의 유기 탄소 플럭스가 다른 심해 지역에 비해 높게 나타나는 것을 볼 때, 울릉분지 지역에서 내보내기 생산이 높기 때문으로 추정되며, 본 연구에서 동해 퇴적물이 다른 심해 지역에 비해 퇴적물 산소요구량 및 탈질소화율이 높게 나타나는 원인인 것으로 추정된다.본 연구에서 측정한 퇴적물 산소요구량과 탈질소화율은 전반적으로 수심에 따라 감소하는 경향에 잘 일치하였지만, 수심 1500 m 이상에서는 수심에 따른 감소 경향이 뚜렷하지 않았다. 이는 퇴적물 산소요구량과 탈질소화율에 가장 큰 영향을 주는 것으로 추정되는 표층 퇴적물의 유기물 농도가 일정 수심 이상에서 수심에 따른 감소 경향을 나타내지 않기 때문으로 추정된다.

부유퇴적물이 전복 가두리양식장 어장환경에 미치는 영향

박성진 전남대학교 대학원 2020 국내석사

본 연구는 부유퇴적물이 전복 가두리양식장 어장환경에 미치는 영향을 알아보기 위해 완도군 보길도 해역을 대상으로 해수유동, 수질환경, 부유퇴적물, 표층퇴적물 특성을 조사 분석하였다. 연구해역 표층퇴적물 조사결과, 보길도 연안과 외측해역에서 자갈과 모래를 포함한 사질니, 함력사질니 퇴적상을 보였고, 중앙해역에서는 점토를 다량 포함하는 니질의 퇴적상을 보였다. 해수유동 및 조류소통이 상대적으로 원할한 보길도 연안과 외측해역은 관측시기별 입도조성의 변화가 크게 나타난 반면, 가두리 시설물이 밀집된 중앙해역은 입도조성의 변화를 보이지 않았다. 퇴적물 환경특성 또한 보길도 연안, 외측해역에서 유기물함량은 낮았고, 중앙해역에서 유기물함량이 높았다. 부유퇴적물 입도 조성은 가두리 퇴적물에서 모래 0.39%, 실트 39.18%, 점토 60.42%의 함량으로 나타났다. 해저면 퇴적물에서 모래 6.41%, 실트 43.08%, 점토 50.51%의 함량으로 나타났다. 가두리와 해저면 퇴적물에서 자갈은 포함되지 않고 약간의 모래함량이 함유된 니질(Mud) 퇴적상을 보였다. 가두리 퇴적물 (평균입도: 8.65 Φ)은 해저면 퇴적물(평균입도 : 7.99 Φ) 보다 세립 한 것으로 나타났다. 부유퇴적물의 건중량은 가두리 3.27 dry.w, 해저면 92.76 dry.w으로 상당한 차이가 있는 것으로 나타났다. 연구해역은 조석에 의한 해수유동이 지배적인 곳으로 일조부등과 반일주조 특성이 우세하다. 표층의 가두리 수온은 일조량 변화에 따른 일주기 특성을 보였으며, 저층의 해저면 수온은 조류의 영향으로 반일주기 특성을 보였다. 부유퇴적물의 농도는 관측기간 비교적 강한 바람과 파랑이 발생했던 시기에 높은 탁도의 변화로 관측되었다. 해수유동 변화에 따른 부유퇴적물의 변화와 영향을 분석한 결과, 해저면의 퇴적물보다 가두리 내측으로 유입된 퇴적물이 더 세립하고 유기물 함량도 높은 것으로 나타났다. 용존산소 관측 결과, 표층에 위치한 가두리 내 용존산소 농도는 저층의 해저면보다 낮았으며, 용존산소 변화는 가두리 내에서 급격한 변화를 보였다. 연구해역은 해수유동과 얕은 수심으로 인해 퇴적물 재부유가 빈번하게 일어날 수 있는 어장환경적인 특징을 지니고 있다. 재부유 퇴적물이 전복 가두리양식장 내부로 유입되었을 때 해수유동 및 조류소통이 활발한 해역임에도 불구하고 해저면에 비해 유기물함량이 높은 것으로 나타났다. 높은 함량의 유기물은 산화 과정을 통해 가두리 내부의 용존산소 농도를 급격히 감소시키게 된다. 해수유동 및 조류소통이 불량한 해역에서는 이러한 현상이 더 심각할 것으로 예상되며, 전복 가두리양식장의 생산성 저하에 직접적인 원인이 될 수 있을 것으로 판단된다. 향후 해수유동 특성 변화에 따른 부유 퇴적물의 변화, 재부유 퇴적물의 유기물 변화 및 수질환경에 미치는 영향 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. This study investigated and analyzed the characteristics of seawater movement, water quality environment, suspended sediment, and surface sediment in the Bogildo area of Wando to investigate the effect of suspended sediment on environment of abalone cage farm. As a result of surface sediment investigation in the study area, sandy mud and slightly gravelly sandy mud sediment type including gravel and sand were found on the coastal and offshore of Bogildo, and mud sediment type containing a large amount of clay were found in the central area. The seawater movement and tidal current were smooth in the coastal and offshore while the grain size of the waters was significantly changed by observation time, while the central area where the cage facilities were concentrated did not show changes in the size of grain. Sediment environmental characteristics also showed low organic matter contents in the coastal and offshore of Bogildo and high organic matter contents in the central area. The grain size of suspended sediments was content of sand 0.39%, silt 39.18%, clay 60.42% were in the cage sediments. The content of sand 6.41%, silt 43.08% and clay 50.51% were in seabed sediments. In the cage and seabed sediments, the mud type containing a little sand content were shown without gravel. The grain size of cage sediment (mean grain size: 8.65 Φ) was more fine than that of the seabed sediment (mean grain size: 7.99 Φ). The dry weight of suspended sediments was 3.27 dry.w in the cage and 92.76 dry.w in the seabed. The study area was the region with the dominant diurnal inequality and semidiurnal tide casting characteristics. The surface water temperature of the cage showed a circadian characteristic according to the change of diurnal cycle, and the seabed water temperature of the bottom layer showed a semidiurnal tide cycle characteristic due to the influence of tidal current. As a result of analyzing the change and effect of suspended sediments according to the change of seawater movent, sediments introduced into the cage were more fine and organic matter contents were higher than sediments on the seabed. As a result of the dissolved oxygen observation, the dissolved oxygen concentration in the cage at the surface was lower than the seabed at the bottom, and the change of dissolved oxygen showed a sharp change in the cage. The study area is characterized by a environment in which sediment resuspension can occur frequently due to seawater movement and shallow depths.When resuspended sediments were introduced into the abalone cages, they showed higher organic matter contents than seabeds despite seawater flow and tidal current activity. High organic content rapidly reduces dissolved oxygen concentration in cages through oxidation process. This phenomenon is expected to be more severe in the seas with poor seawater movement and tidal current, which may be a direct cause of the decrease in productivity of abalone cages. Further studies on the changes in suspended sediment, the change of organic matter in resuspension sediments and the effects on the water quality will be needed.

퇴적물 내 용존 유기물 특성이 활성탄을 이용한 중금속의 안정화 효율에 미치는 영향에 관한 연구: 안정화 시스템 내 3상 결합 메커니즘을 중심으로 : 안정화 시스템 내 3상 결합 메커니즘을 중심으로

박서연 서울대학교 대학원 2024 국내석사

오염 퇴적물 정화 기술 중 하나인 원위치 안정화 공법(in-situ stabilization)은 기존의 준설 및 원위치 피복에 비해 경제성이 뛰어나고 시공에 의한 퇴적물 수저(bathymetry) 변화가 없으며, 처리된 현장 퇴적물을 그대로 저서생물의 서식처로 활용 가능하다는 점에서, 보다 비용효율적이고 자연 친화적인 기술로써 주목받고 있다. 본 연구에서는 활성탄을 이용한 오염 퇴적물 원위치 안정화 공법에서 퇴적물 유기물(Sediment organic matter; SeOM)의 특성이 중금속(Zn2+, Cd2+, Pb2+)의 안정화에 미칠 수 있는 영향을 조사하기 위해, 지리적∙환경적 조건이 다른 두 종류의 퇴적물 시료(Forested lake, Urban industrial)를 채취한 후 TOC, UV-Vis, 형광 3D-EEMs, 13C-NMR, 원소분석 등을 통한 퇴적물 내 DOM 특성화를 수행하였다. 또한 안정화 시스템 내에 존재하는 3상(활성탄, DOM, 중금속) 간의 결합 메커니즘을 확인하고, 안정화 모사 실험(slurry phase test)을 수행하여 이를 토대로 퇴적물 내 유기물 특성이 중금속 안정화 효율에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 먼저 DOC 농도와 UV254 흡광도 값을 통해 계산한 SUVA254 값과 형광-EEM 분석을 통해 Forested lake(FL)는 높은 SUVA254값 (15.3 mg-C-1m-1L)과 함께 휴믹 유사 형광 강도(peak A+C) 및 휴믹화 지수(HIX)가 높고, Urban industrial(UI)는 상대적으로 낮은 SUVA254값 (5.5 mg-C-1m-1L)과 함께 단백질 유사 형광 강도(peak B+T) 및 생물 지수(BIX)가 높은 것으로 나타났다. 또한 13C-NMR, FT-IR, 원소분석을 통해 FL에는 aromatic, phenolic, carboxylic carbon의 함량이 우세하고, C:N 비는 14.9로 일반적인 토양 기원의 유기물질의 값과 유사한 것으로 나타났다. 따라서 FL의 경우 산림토양의 영향으로 방향족성 휴믹 물질이 유입되어 휴믹화된 외부생성(allochthonous) 유기물로, 산업화 및 도시화에 따른 인간의 활동이 많은 지역에 위치한 UI의 경우에는 높은 생물학적 생산성에 따라 단백질계 자체생성(autochthonous) 유기물로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 퇴적물 내 유기물이 존재하는 조건에서 안정화 메커니즘을 확인하기 위해 전체 안정화 시스템을 1) 활성탄-SeOM, 2) SeOM-중금속, 3) 활성탄-SeOM-중금속으로 세분화하여 각 시스템 내에서의 결합 특성을 확인하는 실험을 수행하였다. 그 결과, FL의 휴믹계 유기물이 활성탄에 더 잘 흡착되고, 중금속과 결합능 또한 높았다. 이로 인해 3상이 모두 존재할 때 활성탄에 흡착된 SeOM에 의해 중금속 흡착능이 증가하였고, 그 정도는 FL 시료에서 더 큰 것을 알 수 있었다. 이는 중금속이 활성탄으로 흡착하는 일련의 과정에 있어 유기물의 가교 효과(Bridging effect)를 시사하는 결과라고 할 수 있다. 마지막으로 두 종류의 퇴적물 시료를 사용하여 안정화 모사 실험을 수행했다. 실험은 각 시료에서 유기물을 제거한 경우(FL OM-removed와 UI OM-removed)와 제거하지 않은 경우(FL raw와 UI raw)로 구분하여 진행하였다. 그 결과 3종의 중금속의 안정화 효율 모두 FL 시료에서 더 높은 것으로 나타났으며, 특히 각 퇴적물 시료의 유기물이 존재할 때 그 효율이 더 높았다. 따라서 퇴적물 유기물이 존재할 때, 그 유기물이 휴믹계 유기물 특성과 유사할수록, 또 중금속 흡착에 유리한 탄소 구조를 가질수록 중금속의 안정화 효율이 더 높게 나타나는 것으로 해석할 수 있다. 본 연구의 결과를 통해 퇴적물의 지리적 기원과 환경적 요인이 SeOM의 특성에 반영되며, SeOM의 특성은 퇴적물 내 오염물질의 안정화(stabilization)에 있어 중요한 요인인 것을 알 수 있다. 이는 안정화 공법 적용 시 현장 퇴적물의 유기물 특성 또한 고려해야 할 필요가 있음을 시사한다. In-situ stabilization(or in-situ sorbent amendment) is a promising sediment remediation technology. It can be applied at relatively lower cost than other remediation alternatives and with minimal disruption to the benthic habitat. This technology, primarily focused on treating sediments contaminated by hydrophobic organic pollutants, is also showing promising potential for mitigating heavy metal contamination. The versatility of this approach is underlined by the use of various adsorbents, such as activated carbon, which have demonstrated significant capacity for heavy metal adsorption in water treatment scenarios. When considering the application of these adsorbents to sediment remediation, it is essential to understand their interaction with heavy metals in the presence of sediment organic matter. Organic matter in sediment can interact with heavy metals and adsorbents in multiple ways – it may obstruct the adsorption process by clogging the pores of the adsorbent, form complexes with heavy metals, or even facilitate adsorption by acting as a connecting agent between heavy metals and the adsorbent. This study delves into how sediment organic matter influences the heavy metal adsorption characteristics of activated carbon, a widely used adsorbent in in-situ stabilization. To investigate this, two distinct sediment samples were collected from different river locations—one from a forested lake (FL) and one from an urban industrial area (UI). The organic matter extracted from these sediments, labeled FL-OM and UI-OM, displayed contrasting characteristics. Detailed qualitative and quantitative analysis revealed that FL-OM was rich in humic substances, whereas UI-OM had a higher concentration of proteinaceous substances. The study further explored the binding affinities of certain heavy metals (Zn, Cd, and Pb) to these organic matters. It was found that FL-OM exhibited a stronger affinity for both heavy metals and activated carbon compared to UI-OM. In adsorption experiments conducted with these organic matters, the activated carbon demonstrated a higher adsorption capacity in the presence of FL-OM. This pattern was consistent across all the heavy metals tested. The findings of this research suggest that the presence of sediment organic matter significantly impacts the adsorption of heavy metals onto activated carbon. Specifically, organic matter with humic properties, such as FL-OM, seems to act more effectively as a mediator in this adsorption process compared to protein-rich organic matter like UI-OM. This study thereby sheds light on the intricate dynamics between heavy metals, organic matter, and adsorbents in sediment environments, highlighting the nuanced factors that influence the efficacy of in-situ stabilization for sediment remediation.

한반도 주변 해양표층퇴적물의 광물학적 연구

문동혁 경상대학교 대학원 2010 국내석사

Clay minerals are importatnt components of most modern marine sediments and generally dominate the fine-grained marine sediments. The clay mineral types and the proportions of the individual clay minerals in sedimentary environments depend mainly on the terrigenous sediment production, on the nature of the parent rocks and on the weathering conditions on land. There are four main mudbelt deposits around the Korean peninsula; NWMD (Northwest Mudbelt deposit), HSMD (Hucksan Mudbelt deposit), SSKMD (South Sea of Korea Mudbelt deposit), and JJMD (Jeju Mudbelt deposit). Although sediment provenance of these area were studied by many researcher using sedimentological, mineralogical, and geochemical approach, there are quite controversial opinions (Yang et al. 2003). Whole mineral composition and content of surface sediments around the Korean Peninsula were determined using the high resolution X-ray diffractometer and Siroquant v. 3.0 program. And we determined the crystallinity and intensity ratio of illite which reported the most abundant clay mineral in the study area. Surface sediments in the study area are composed of clay minerals [illite (0.5%~53.5%, on the average 17.6%), chlorite (0%~11.9%, on the average 3.7%), kaolinite (0%~8.6%, on the average 1.5%)], rock forming minerals [quartz (21%~66.1%, on the average 40.9%), plagioclase (5.3%~23%, average on the 13.5%), alkali feldspar (0%~31.5%, on the average 8.8%), amphibole (0%~40.6%, on the average 3.0%)], and carbonates [calcite (0%~40.6%, on the average 6.7%) and aragonite (0%~21.2%, on the average 2.2%)]. Distribution patterns of three clay minerals are similarly high in the southeastern part of Sandong Peninsula, southern part of Korean Peninsula, and southern part of Jeju Island. Such distribution patterns are very similar to those of fine-grained sediments (clay-silt) in the study area. Disrtibution patterns of four rock forming minerals are commonly high in the western part of Korean Peninsula, western part of study area, and eastern part of Jeju Island. It has similar distribution pattern with that of coarse sediments (sand) and opposite to those of clay minerals. At the NWMD, crystallinity index (CI) values show wide range (from 0.34 to 0.58), and they are belong to various metamorphic zone (diagenesis, low anchizone, high anchizone). At SSKMD and HSMD, CI values show relatively narrow range (from 0,32 to 0.44) than those at NWMD, and they are belong to anchizone except for one SSKMD sample (sample 00-S01 has 0.44 CI value and its metamorphic zone is diagenesis). At the JJMD, CI values show limited range (from 0.14 to 0.16), and they are belong to epizone. Intensity ratio (IR) at NWMD and JJMD have wide range (from 1.08 to 1.65), but at SSKMD and HSMD have relative higher IR value than those of NWMD and JJMD (over 1.40). SSKMD [83.7%(80.8%~85.3%)] and HSMD [84.8%(81.6%~87.9%)] has relatively higher average relative illite contents and low variations than those of NWMD [80.6%(67.2%~89.9%)] and JJMD [75.9%(69.4%~80.7%)]. Therefore it can be suggested that fine sedimets in the SSKMD and HSMD derived from same or similar provenance. And fine sediments in the NWMD has complex origins. However, JJMD have consistent origin or has complex origins that different from NWMD. 한반도 주변해역 해양표층퇴적물을 채취하여 Siroquant Ver. 3.0프로그램을 이용하여 정량분석하고, 일라이트에 대한 광물학적 연구를 수행한 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 연구해역의 표층퇴적물은 일라이트(0.5%~53.5%, 평균 17.6%), 녹니석(0%~11.9%, 평균 3.7%), 카올리나이트(0%~8.6%, 평균 1.5%) 등의 점토광물과 석영(21%~66.1%, 평균 40.9%), 사장석(5.3%~23%, 평균 13.5%), 알칼리장석(0%~31.5%, 평균 8.8%) 및 각섬석(0%~9.6%, 평균 3.0%)과 같은 조암광물, 그리고 방해석(0%~40.6%, 평균 6.7%)과 아라고나이트(0%~21.2%, 평균 2.2%) 등의 탄산염광물로 구성되어 있다. (2) 일라이트 등의 점토광물 분포는 실트에서 점토입자를 가지는 세립질 퇴적물의 분포 양상과 거의 비슷하다. 그리고 석영 등의 조암광물 분포는 역에서 모래입자의 조립질 퇴적물의 분포 양상과 비슷한데, 이는 세립질 퇴적물의 그것과 상반된다. 그러므로 점토광물은 주로 세립질 퇴적물에, 조암광물은 조립질퇴적물에 각각 많이 분포한다. (3) 일라이트 결정도를 K&uuml;bler index와 비교한 결과, 북서니질대에서는 deep diagenesis, low anchizone, high anchizone, 등의 다양한 변성대에서 생성된 일라이트가 분포하며, 남해니질대와 흑산니질대는 모두 low anchizone에 속하거나 그와 가까운 환경에서 생성된 일라이트가 분포하는 것으로 판단된다. 그리고 제주니질대에는 모두 epizone에 속하는 환경에서 생성된 일라이트가 분포하는 것으로 판단된다. (4) 북서니질대와 제주니질대에 분포하는 일라이트의 회절강도 비는 넓은 범위를 보이는 반면, 남해니질대와 흑산니질대의 경우는 회절강도 비가 모두 1.4 이상의 높은 값을 가진다. 이를 통해 북서니질대와 제주니질대에는 팽창성층의 함량이 낮은 것에서부터 높은 것 까지 다양한 일라이트가 분포하며, 남해니질대와 흑산니질대에서는 팽창성층의 함량이 다소 높은 일라이트가 분포하는 것으로 판단된다. (5) 연구해역 내 니질대에 포함되는 정점의 일라이트 상대함량, 결정도, 회절강도 비 등의 연구결과를 종합해본 결과, 남해니질대와 흑산니질대에 퇴적된 세립질 퇴적물은 비슷하거나 같은 근원지를 가질 가능성이 높으며, 북서니질대에 퇴적된 그것은 다양하고 복합적인 근원지를 가지는 것으로 판단된다. 반면 제주니질대의 세립질 퇴적물은 일관성 있는 근원지를 가지거나, 다양한 근원지를 가지지만 북서니질대와는 다른 근원지를 가질 가능성이 높은 것으로 사료된다.