최근 기후변화로 인한 극단적인 집중호우 현상이 잦아짐에 따라 전 세계가 홍수와 가뭄에 시달리고 있는 가운데 지하수 오염물질로 알려진 '질산성 질소'가 수질관리의 새로운 패러다임으로 제시됐다. 이를 통해 안정적 수자원 확보를 위한 인공함양(aquifer storage and recovery, ASR) 기법에 전환점을 될 것으로 보고 있다.
KIST(한국과학기술연구원, 원장 윤석진)은 19일 "물자원순환연구단 이승학, 정재식, 김상현 박사 연구팀이 오염물질로 알려진 '질산성 질소'에 의해 땅속 수질 자정효과가 향상되는 현상을 발견했다"면서 "인공함양기법을 실제로 적용하기 위해서는 함양된 물의 수질을 예측하고 관리하는 것이 매우 중요한데, 이번 연구성과를 통해 인공함양 시스템의 수질 관리전략은 전환점을 맞이할 것으로 기대된다"고 밝혔다.
'질산성 질소'는 단백질 등 질소 화합물이 부패, 발포, 산화하는 과정에서 자연스럽게 생성된다. 무기 영양염류가 증가해 조류 등의 식물성 플랑크톤이 급증하며, 이에 따라 수중 생태계 환경이 변화되는 현상인 '부영양화'를 유발해 녹조를 일으키며, 음용할 경우 인체에 유해한 영향을 끼쳐 지하수 수질 오염물질로 관리된다.
KIST는 "연중 안정적인 수자원을 확보하는 일은 '물안보'로 불리는 국가적 책무"라며 "수자원의 여유가 있을 때는 땅속에 지하수 형태로 보관하다가 필요한 시기에 뽑아서 쓰는 '인공함양(ASR)'이 효과적인 수자원 운영관리기법으로 주목받고 있다"고 관련 동향을 소개했다.
또한 KIST에 따르면, 인공함양 기법의 경우 수자원의 저장뿐만 아니라 땅속에서 다양한 반응을 거치면서 수질이 개선되는 부가적인 효과 또한 기대할 수 있다. 함양수에 포함된 유기 오염물질은 대수층(물을 충분히 함유, 방출하는, 경제적으로 개발 가능한 암석층 또는 토양층) 토양에 존재하는 미생물과 철산화 광물과의 상호작용에 의해 분해되는데, 일반적으로 분해과정에서 철산화광물 또한 점차 변이되고 유효표면적이 감소하면서 수질 자정작용이 중단된다.
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| ▲ 인공함양시 대수층 내 철산화물 환원용해에 따른 유기오염물질 자정작용 |
| ⓒ KIST 제공 | 관련사진보기 |
이에 연구팀은 함양수에 질산성 질소가 공존하는 경우, 이로 인해 새로운 형태의 철산화광물(nitrate dependent Fe(II) oxidation, NDFO)이 생성됨으로써 화학양론(화학 반응에서 양적 관계에 관한 이론. 즉, 반응에 관여한 양은 비례관계가 성립하는 것에서 화학 반응의 양적 관계를 설명하는 이론)적으로 예측되는 유기 오염물질 제거율보다 훨씬 높은 제거율을 보인다는 것을 발견했다.
또한 질산성 질소가 공존하는 환경에서는 유기 오염물 분해를 지속할 수 있는 새로운 종의 철산화광물이 생성되기 때문에 자정작용의 지속시간이 늘어나는 것이며, 게다가 오염물질인 질산성 질소는 연쇄반응 중에 스스로 분해되어 제거된다는 사실도 밝혀냈다.
이승학 KIST 박사는 "수질 오염물질로만 알려진 질산성 질소의 긍정적인 역할을 처음으로 확인한 연구결과"라며 "이를 토대로 인공함양 주입수 전처리 과정에 질산성 질소의 잔류 허용기준을 도입하는 등, 기존 수질관리 패러다임을 획기적으로 바꾸는 인공함양 수질관리기법 개발을 추진 중"이라고 전했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 '기후변화영향최소화기술개발사업'과 'KIST K-Lab 프로그램'으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 <Water Research> 2월호에 게재됐다.
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| ▲ 질산성 질소 공존시 새로운 철산화광물 생성에 의한 유기오염물 제거효율 상승효과 |
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