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제주도 가축시설 밀집지역의 토양 및 지하수 오염특성

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Abstract
가축시설에서 발생하는 가축분뇨는 공공처리시설에서 처리되기도 하지만 주변 임야지역에 살포됨으로써 주변 토양환경 및 지하수 수질에 영향을 줄 수 있다. 특히 가축분뇨 처리지역에서는 토양 내 오염부하량이 증가하게 되고 결국 토양특성에 영향을 줌은 물론 지하수 수질에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구는 가축시설 밀집지역에서 나타나는 토양오염과 지하수의 수질특성을 해석하고자 수행되었다. 제주도에서 한림지역은 축산활동으로 인한 오염부하량이 가장 높은 지역으로 축산농가가 밀집되어 있다. 특히 상류의 임야지대는 목장지역으로 액비가 주기적으로 살포되는 반면, 하류의 농경지에서는 야채작물이 주로 재배되고 있다.
본 연구의 시료는 토층을 삽으로 30cm까지 파고 20~30cm 사이의 토양을 채취하였다. 주로 액비가 살포되는 지역을 중심으로 모두 90개소에서 채취하여 풍건한 후 총질소, 인산염(P2O5), CEC(양이온치환용량), 음․양이온 및 유해 중금속을 측정하였다. 양이온값을 이용하여 염류집적영향을 평가하기 위해 SAR(Sodium Adsorption Ratio)값을 계산하고, 이들 값이 오염원과의 관계를 분석하였다. 이러한 토양오염 특성이 지하수에 미치는 영향을 평가하기 위하여 지역 내 대표적인 27개 지하수와 8개의 용천수를 채수하여 pH, 음․양이온, δ15N(질소안정동위원소비), 오염원 기원 미생물의 존재유무 등을 측정하였다. 지하수의 수질특성별로 δ15N에 의한 지하수 내 질소오염원을 구분하고, 오염원별 미생물분포 특성을 규명함으로써 가축시설밀집지역의 지하수 오염특성을 해석하였다.

1. 제주지역의 질소․인 오염부하량은 각각 12,820 ton-N/yr, 3,190 ton-P/yr 반면, 한림지역의 질소․인 오염부하량은 각각 2,881 ton-N/yr, 1,101 ton-P/yr로서 도전체의 22.0%와 34.5%를 차지하였다. 특히 축산계는 2,584 ton-N/yr로서 지역 내 질소오염부하량 2,881 ton-N/yr의 89.3%를 차지하여, 한림지역은 축산시설이 가장 밀집된 지역임을 나타내었다. 반면, 농지계와 생활계는 566ton-N/yr, 92ton-N/yr로서 축산계에 비해 20%이하에 불과하였다.

2. 지하수에 영향을 미칠 수 있는 질소부하량은 축산계에서는 부적정 처리율 10%, 농지계에서는 비료손실율 40%, 생활계에서는 공공처리시설 미회수율 40% 등을 적용했을 때, 축산계, 농지계, 생활계에서 각각 258ton-N/yr, 226 ton-N/yr, 18 ton-N/yr로서 축산계와 농지계는 비슷한 반면, 생활계는 10%이하를 나타내어 지역내 지하수 오염원은 가축분뇨와 화학비료에서 기인하는 것으로 예측되었다.

3. 총질소와 인산염(P2O5)의 농도분포는 상이한 특성을 나타냄은 물론 상류와 하류지역 간 큰 차이를 보였다. 총질소가 높은 상류지역은 목장지역으로서 액비가 주기적으로 살포되는 지역인 반면, 하류지역은 농경지역으로서 화학비료가 주로 살포되는 지역이다. 액비살포지역의 지표는 총질소인 반면, 화학비료 살포지역의 지표는 인산염(P2O5)으로 나타났다.

4. 양이온치환용량(CEC)은 목장과 사료작물 재배지에서 16.3~18.2cmol+/kg인 반면 말 방목지역을 포함한 그 외의 지역은 11.5~13.6cmol+/kg로서 상류지역인 목장과 사료작물 재배지역이 높은 특성을 나타내어 액비살포의 영향을 받고 있었다. 반면, pH는 5.6∼5.9로 토지이용 별 차가 크지 않았다.

5. Ca, Mg과 Na의 농도비에 의해서 계산된 SAR 값은 양이온치환용량과는 달리 말 방목지역이 0.19로서 가장 높고, 다음은 목장 및 사료작물재배지가 각각 0.17, 0.16로 나타난 반면, 과수원과 농경지는 0.12와 0.9로서 가장 낮은 값을 보였다. 이는 액비 살포로 인해 액비 중에 다량으로 함유된 Na의 축적에 의한 것으로 해석되었다.

6. 심도별 지하수의 수리지구화학적 특성은 알카리 금속(K, Na)과 알카리 토금속(Mg, Ca), 할로겐원소(Cl, Br)는 심부지하수로 갈수록 감소되는 경향을 보였고, 오염물질인 SO4와 NO3-N농도는 천부지하수로 갈수록 높게 나타나 표면의 영향을 받는 것으로 보여진다.

7. 지하수 수질유형은 옹포천 유역을 중심으로 동측은 Ca(Mg)-HCO3형태를 보인 반면, 서측은 Na-HCO3, Ca-SO4(NO3), Na-Cl 형태가 분포하는 것으로 나타났다. 특히 하류지역에 위치한 용천수는 Na-Cl형으로서 해수의 영향을 받고 있음을 나타내었다.

8. 지하수의 질산성질소 농도는 0.2~28.9 mg/L로 먹는물 수질기준 10 mg/L이상 초과비율은 22.2%이며, 수질유형별 Ca(Mg)-HCO3(옹포천 동측) 지역에서는 0.3~15.3 mg/L, 서측의 Ca-SO4(NO3)에서는 13.9~28.9 mg/L, Na-HCO3에서는 0.2~3.0 mg/L, 해안가 Na-Cl형 수질에서는 5.5~15.7 mg/L를 나타내었다.

9. 가축시설지역에서의 지하수의 이온성분은 강우기 전에 비해 후에 Na, K 값이 높아지는 경향을 보였다. 즉 강우기 전 Ca, Mg, Na, K의 농도(8.8, 10.5, 8.4, 4.1mg/L)는 강우기 후에는 7.7, 9.1, 15.1, 4.8로서 Ca, Mg은 낮아진 반면, Na, K은 높아지는 특성을 보여 유출영향이 있음을 시사하였다.

10. δ15N값은 44개 지하수 시료 중 12‰이상은 10개소로서 가축 및 생활하수의 영향, 8‰이하의 화학비료의 영향을 받는 지하수는 21개소, 대부분이 주변지역 토지이용도와 일치하였다. 12~8‰은 혼합영향으로서 13개소가 해당되었으며, 시기별로 가축분뇨와 화학비료의 영향을 달리하는 경향을 보였다. 가축시설 밀집도가 가장 높은 지역 지하수관정인 HS9, HD13, HD14의 경우는 생활하수 및 가축분뇨 기여율이 각각 91.0%, 83.5%, 92.5%로 높게 나타났다.

11. 미생물 분포 특성은 지표의 영향을 쉽게 받는 Ca(Mg)-HCO3형 지하수 관정에서 분변성 대장균군이 38개 시료 중 15개소(39.4%)가 검출된 반면, 심부지하수인 Na-HCO3의 수질특성 관정에서는 검출되지 않아 표층 영향에 취약한 지하수 일수록 미생물오염 가능성이 높은 것으로 나타났다.

12. 대장균군을 분리 동정한 결과 가축분뇨 및 생활하수에 기인하는 미생물은 Escherichia coli 26.3%, Citrobacter spp. 15.8%, Enterobacter spp. 14.5%, Klebsiella pneumoniae 10.5%순으로 분리된 반면, 토양에서 유래한 Seratia spp. Aeromonas hydrophila Pseudomonas aeruginosa 등은 3.5~5.2%로 낮았다. 이는 대부분의 미생물오염은 주변 축산시설의 영향으로 해석되었다.

결론적으로 가축시설 밀집지역은 주변 토양에 CEC의 증가, 총질소의 증가 등 토지의 비옥도를 높이는 좋은 면도 있지만 염류집적현상(SAR) 등 악영향도 미치고 있음을 시사하였다. 축산시설에 기인한 지하수 오염부하량이 농지계의 화학비료보다 큼에도 불구하고 실제 지하수의 오염증상은 화학비료의 영향이 큰 것으로 나타났다. 이는 지하수 관정시설이 농경지와는 인접해 있으나, 축산시설은 관정시설보다는 상류지역에 위치하는데 기인하는 것으로 판단되었다. 하지만 상부지역 유출영향을 받기 쉬운 하천 및 그 유역에서는 하류지역임에도 불구하고 축산시설 밀집지역의 영향을 받고 있음을 시사하였다. 특히 표층 영향을 받기 쉬운 지하수는 축산시설에 기인한 미생물오염 증상이 나타나고 있어 오염경로에 대한 구체적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
Author(s)
현근탁
Issued Date
2011
Type
Dissertation
URI
http://dcoll.jejunu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000005289
Alternative Author(s)
Hyun, Geun-Tag
Affiliation
제주대학교
Department
대학원 식품공학과
Advisor
고영환
Table Of Contents
List of Figures ⅳ

List of Tables ⅵ

Abbreviations ⅷ

Summary 1

Ⅰ. 서 론 5

Ⅱ. 연구사 7
1. 제주 지하수의 수질특성 연구 7
2. 오염원분포가 지하수오염에 미치는 영향 8
3. 질산성질소에 의한 지하수오염 9
4. 지하수 오염원 규명방법 10
가. 헥사 다이아그램 및 파이퍼다이아그램 11
나. 오염원과 성분비교 13
다. 질소 안정동위체비(δ15N) 14

Ⅲ. 재료 및 방법 16
1. 대상지역 16
가. 연구지역 개요 16
나. 연구지역내 환경오염원 분포 19
다. 환경오염원 질소․인 발생부하량 20

2. 토양 21
가. 조사지점 21
나. 분석항목 및 분석방법 21
3. 지하수 및 용천수 23
가. 시료채수 지점 23
나. 지하수 및 용천수의 수질성분 분석 25
다. 질소안정동위체비(δ15N)분석 26
라. 수질특성 분석 27
마. 중금속 27
바. 미생물 27

Ⅳ. 결과 및 고찰 30
1. 오염물질 배출부하량의 산정 30
가. 질소 발생부하량 산정 30
1) 제주지역 30
2) 한림지역 35
나. 지역별 질소발생부하량 38
다. 지하수에 영향을 줄 수 있는 질소부하량 42
2. 토양오염 특성연구 44
가. 유기물(OM) 44
나 질소․인농도 46
다. 이온성분의 거동 49
라. 나트륨흡착비(SAR) 50
3. 용천수 수질특성 53
4. 지하수 수질특성 58
가. 질산성질소 농도 58
나. 지하수 수질특성 분류 60
다. 지하수의 수리 지화학적 특성 64
라. 이온성분간 상관분석 68
마. 양이온과 중금속 거동 69
바. 질소안정동위체비(δ15N)를 이용한 오염원추정 72
5. 가축시설 밀집지역의 미생물오염 특성 76

Ⅴ. 요 약 81

인용문헌 85

부 록 95
Degree
Doctor
Publisher
제주대학교 대학원
Citation
현근탁. (2011). 제주도 가축시설 밀집지역의 토양 및 지하수 오염특성
Appears in Collections:
General Graduate School > Food science and Engineering
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