KR20130093772A - 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법에 관한 것으로, 실제 농경지에서 산성 토양 개량을 위해 사용되는 농용석회와 토착 미생물의 활성화를 이용하여 토양의 중금속(카드뮴, 납 등)을 원위치에서 안정화함으로써 현장 적용성이 우수하고 저비용으로 고효율의 안정화를 목적으로 한다.
본 발명에 의한 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법은, 오염 토양 100중량부에 대하여 농용석회 1~3중량부를 혼합하여 상기 오염 토양 내 중금속을 알킬화하는 제1단계와; 상기 제1단계 이후 상기 농용석회가 혼합된 오염 토양 1루베에 대하여 황산이온과 포도당을 혼합하여 30~50리터를 주입하는 제2단계를 포함하고, 상기 제2단계에서는, 상기 황산이온의 농도를 55~65mM로 하고, 상기 포도당의 농도를 18~22mM로 하여 각각 15~25리터씩 주입한다.

Description

농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법{METHOD FOR STABILIZING FARMLAND USING AGRICULTURAL LIME AND MICROBE}

본 발명은 카드뮴과 납 등의 중금속으로 오염된 농경지의 안정화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실제 농경지에서 산성 토양 개량을 위해 사용되는 농용석회와 토착 미생물의 활성화를 이용하여 토양의 중금속(카드뮴, 납 등)을 원위치에서 안정화할 수 있는 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법에 관한 것이다.

토양은 물, 대기와 같이 중요한 환경요소이지만 일단 오염되면 그 영향이 장기간 지속되는 축적성 오염이다.

오염된 토양은 주변의 토양들과 자연현상에 의해 섞이기 어렵기 때문에 오염이 쉽게 확산되지는 않지만 국소적인 오염현상의 심화로 토양 생태계에는 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 토양 중 존재하는 오염물질이 먹이사슬로 유입되어 생물농축현상을 통해 연속적인 피해를 가져오기 때문이다.

우리나라의 경우 환경오염에 대한 관심은 주로 수질, 대기 및 폐기물에 편중되어 왔다. 그러나 오염된 토양은 주변 환경생태계와의 균형을 파괴하고, 농산물의 안정성과 인체 건강에도 유해한 영향을 미치기 때문에 토양오염에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다.

특히 최근 몇 년간 광산 활동에 의한 중금속의 환경오염에 대한 관심이 증가하고 있는데, 광산의 운영, 이의 찌꺼기 및 폐수는 중금속 오염의 원인이 되고 있다. 증가된 중금속의 농도는 토양의 화학적, 생물학적 능력의 감소 원인이 되고 있다.

우리나라에서는 1980년대 이후 광산업의 급격한 침체로 1,000 개 이상의 금속 광산이 폐광되었다. 또한 대부분의 광산 찌꺼기들이 방치되고, 이러한 찌꺼기들이 바람이나 비에 의하여 토양에 흘러들어가 토양과 물을 오염시키는 원인이 되고 있다.

현재 실시되고 있는 오염된 토양의 정화방법은 여러 가지가 있다. 전기 영동을 이용하는 중금속 오염 토양의 정화는 토양 중의 간극에 물을 채우고, 직류 전류를 가함으로써 음이온의 중금속이 양극으로 이동하여, 양극 부에 농축된 금속을 회수하는 방법이다. 그러나 상기 방법은 원위치에서 추출할 수 있지만, 제거 속도가 느려 시간이 오래 걸리는 문제점이 있고, 토양 중에 염소 이온이 대량으로 함유되는 경우 염소 가스가 발생되는 문제점이 있다.

또한, 물리,화학적인 방법(고형화, 토양세척, 유리화 등)은 토양 질의 지속성을 감안하지 않은 것으로 중금속의 농도 저감에만 초점을 맞추고 있기 때문에 중금속의 농도를 낮출 수는 있지만 토양 본연의 기능인 지력이 손실되어 생태, 환경적으로 손실이 생기는 문제점이 있다. 아울러, 대형의 설비 등을 필요로 하기 때문에 많은 비용이 소모되는 문제점도 있다.

또한 농업적 견지에서 오염된 토양의 중금속 불용화를 위한 몇 가지 화학적 첨가제에 대한 연구가 있었다. 중금속의 불용화를 위하여 유기물질(이탄, 석회, 킬레이트)을 이용하거나, 석회(CaCO3) 같은 알칼리제를 사용하여 아연(Zn)의 식물흡수를 억제하는 방법, 토양에 인회암(phosphate rock)을 첨가하는 방법 등이 있었다.

그러나 이러한 화학물질(석회 등)과 황산염 환원 미생물을 이용하여 토양 중 오염물질을 낮추는데 주력할 경우 토양이 지닌 고유의 물리화학적, 생물학적 기능이 상실되어 식물생장과 미생물 생태에 악영향을 줄 수 있다. 따라서, 비용이 적게 들고, 환경을 파괴하지 않으며, 2차 오염의 발생이 문제되지 않는 중금속으로 오염된 농경지에 적용할 수 있는 기술의 개발이 시급한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1039835호 대한민국 등록특허공보 제10-0183360호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실제 농경지에서 산성 토양 개량을 위해 사용되는 농용석회와 토착 미생물의 활성화를 이용하여 토양의 중금속(카드뮴, 납 등)을 원위치에서 안정화함으로써 현장 적용성이 우수하고 저비용으로 고효율의 안정화를 기대할 수 있는 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법은, 오염 토양을 알킬화하여 중금속의 유동성을 억제하는 농용석회와 오염 토양 내에 서식하는 토착 미생물인 황산염 환원 미생물의 먹이로 황산이온과 포도당 중 하나 이상을 상기 오염 토양에 주입하여 상기 황산염 환원 미생물을 활성화시켜 상기 오염 토양 내 중금속을 제거하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법에 의하면, 농경지에 사용되는 농용석회 즉, 농경지의 특성을 해치지 않으면서 알킬화하는 농용석회를 이용하여 토양의 중화와 중금속의 유동성을 억제하고, 아울러 농경지에 서식하는 토착 미생물인 황산염 환원 미생물에 영양분(황산 이온, 포도당)을 제공하여 황산염 환원 미생물이 활발하게 활성화되도록 함으로써 황산염 환원 미생물에 의한 중금속 제거 효율을 증대하므로 농경지를 안정화할 수 있고, 안정화 작업을 농경지의 원위치에서 수행하고 농용석회와 황산 이온 및 포도당의 구입비용이 저렴하므로 저렴한 비용으로 농경지를 안정화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법의 공정도.
도 2와 도 3은 각각 본 발명의 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법에 의한 카드뮴과 납의 농도 변화를 보인 그래프.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법은, 중금속 오염 농경지(S10)에 농용석회 혼합(S20) - 황산염 환원 미생물의 영양원(황산 이온, 포도당) 주입(S30)의 공정으로 이루어진다.

(S10) 중금속 오염 농경지.

카드뮴, 납 등의 중금속으로 오염된 토양 예컨대 농경지는, 중금속에 의한 오염으로 인하여 작물을 재배할 수 없으며, 본 발명을 통해 안정화한다.

(S20) 농용석회 혼합.

농용석회는 석회 또는 석회와 마그네슘의 화합물로서, 식물생육을 저해하는 산성 토양을 알칼리로 교정하는 것이며, 탄산석회(CaCO3) 등이 있다.

농용석회는 농경지의 산성 성분을 알킬화하는 것으로 알려져 있으며, 농경지 100중량부에 대하여 1~3중량부가 혼합된다. 농용석회는 시중에서 판매되는 별도의 가공없이 제품이 사용되며 1중량부 이하로 혼합되면 알킬화를 기대할 수 없고, 3중량부 이상 혼합되면 알킬화에 큰 변화가 없다.

(S30) 황산염 환원 미생물의 영양원 공급.

농경지에는 토착미생물로서 황산염 환원 미생물이 서식하고 있으며, 황산염 환원 미생물은 중금속을 제거하는 특성이 있고, 이러한 특성을 이용하여 별도의 중금속 제거제를 사용하지 않아도 중금속의 농도를 낮게 하기 위하여 황산염 환원 미생물에 영양분을 공급하는 것이다.

황산염 환원 미생물은 황산이온을 먹이로 하고 포도당으로부터 영양분을 공급받는다. 황산이온과 포도당은 어느 하나가 단독으로 사용될 수도 있지만, 서로의 특성이 다르기 때문에 함께 사용되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 농용석회가 혼합된 농경지 토양 1루베(약 2톤)에 대하여 55~65mM 농도의 황산이온 15~25리터, 18~22mM 농도의 포도당 15~25리터가 사용되며, 바람직하게, 60mM 농도의 황산이온 20리터, 20mM 농도의 포도당 20리터가 사용된다. 황산이온과 포도당은 농도와 혼합비율이 서로 관련있는 것으로, 상기 농도에서 상기 혼합비율을 벗어나면, 황산염 환원 미생물의 활성화가 약하거나 부영양화에 의한 토양의 변질 등이 발생될 수 있다.

오염 토양은 중금속이 황화염의 형태로 포함되어 있는데 황화염이 공기 중에 노출되면 이를 에너지원으로 하여 생장하는 자력 영양 세균인 싸이오바실러스(Thiobacillus)속 등의 세균에 의해 황화염이 황산으로 산화되면서 중금속이 쉽게 용출된다. 그러므로, 오염 토양은 수소 이온 농도가 높고 많은 양의 중금속을 함유하고 있는 것이다.

황산염 환원 미생물은 황산염을 전자 수용체로 하여 젖산과 같은 유기물(기질, 전자 공여체)을 산화하여 얻은 에너지로 자란다. 유기물이 산화되는 과정에서 황화수소와 중탄산염이 발생된다. 이 때 발생하는 황화수소는 폐수 중의 중금속과 결합하여 물에 불용성의 침전물을 형성하는데, 이 과정에서 중금속(카드뮴, 납, 니켈, 아연을 포함하는 대부분의 중금속)을 제거한다.

<실시예>

1. 재료 준비.

농경지의 오염 토양, 농용석회, 60mM 황산이온, 20mM 포도당을 각각 준비하고, 농경지 오염 토양의 카드뮴과 납의 농도를 검출하였으며, 카드뮴과 납의 농도는 도 2의 무처리로 기재된 것이다.

2. 농용석회 혼합.

농경지의 오염 토양 100kg에 대해 농용석회 2kg을 혼합하여 골고루 교반하였다.

3. 영양분 공급.

농용석회가 혼합된 오염 토양 1/10 루베(200kg)에 대하여 60mM 황산이온 2리터, 20mM 포도당 2리터를 주입하였다. 예를 들어, 농용석회가 혼합된 오염 토양을 20cm 두께로 평평하게 깔아 준비하고, 주입 건에 황산이온과 포도당을 혼합하여 넣은 후 상기 주입 건을 통해 영양분을 오염 토양의 여러 곳에 나누어 주입하였다. 주입 후 영양분이 골고루 분산되도록 교반할 수도 있다.

4. 중금속 농도 변화 비교.

본 실시예의 특성을 위한 비교군으로 안정화 처리가 되지 않은 오염 토양(무처리), 석회로 처리된 오염 토양(석회)을 준비하였다. 석회로 처리된 오염 토양은 오염 토양 100중량부에 대하여 석회 2중량부가 혼합되어 처리된 것이다.

비교군과 본 실시예(석회+미생물)를 처리로부터 일정 기간(64주와 90주) 경과 후에 토양오염공정시험방법(01.N-HCL, 1시간 교반)으로 분석한 결과는 도 2와 도 3과 같다.

도 2와 도 3의 그래프에서 보이는 바와 같이, 석회만으로 처리된 비교군이 무처리된 비교군보다 카드뮴과 납의 농도보다 낮은 것으로 확인되었지만, 본 실시예는 시간이 흐를수록 무처리는 물론 석회만으로 처리된 것보다 카드뮴과 납 농도 모두 낮은 것으로 확인되었다(참고 카드뮴과 납의 우려 기준 1.5, 100ppm)

Claims (3)

1. 오염 토양을 알킬화하여 중금속의 유동성을 억제하는 농용석회와, 오염 토양 내에 서식하는 토착 미생물인 황산염 환원 미생물의 먹이로 황산이온과 포도당 중 하나 이상을 상기 오염 토양에 주입하여 상기 황산염 환원 미생물의 활성화를 통해 상기 오염 토양 내 중금속을 제거하도록 하는 것을 특징으로 하는 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 오염 토양 100중량부에 대하여 농용석회 1~3중량부를 혼합하여 상기 오염 토양 내 중금속을 알킬화하는 제1단계와;
   상기 제1단계 이후 상기 농용석회가 혼합된 오염 토양 1루베에 대하여 황산이온과 포도당을 혼합하여 30~50리터를 주입하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 제2단계에서는, 상기 황산이온의 농도를 55~65mM로 하고, 상기 포도당의 농도를 18~22mM로 하여 각각 15~25리터씩 주입하는 것을 특징으로 하는 농용석회와 토착 미생물을 이용한 중금속 오염 농경지 안정화 방법.

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