21년 2회차

휴·폐금속광산 일대에서 발생하는 산성광산배수(AMD, Acid Mine Drainage)가 중성 환경과 만나면서 철 이온이 수산화철로 침전되어 강 바닥이나 암석이 적갈색을 띠는 현상이 옐로우보이 현상이다. 블루베이비 현상은 질산염 오염으로 인한 메트헤모글로빈혈증, 백화현상은 담수호의 부영양화로 인한 수질악화, 글레이화 현상은 환원 환경에서 철의 화학적 변화로 인한 회색화이므로 정답은 옐로우보이 현상이다.

식물 뿌리가 수분을 흡수하여 근주 토양의 함수량이 감소하면 토양이 수축하면서 입단이 더욱 치밀해지고 입단 형성이 촉진되지, 억제되지 않는다. 따라서 이 설명이 입단화 원리와 가장 거리가 멀다.

입단화는 토양의 입자들이 응집하여 집단(aggregates)을 형성하는 과정이며, 다양한 메커니즘에 의해 일어난다.

• 균류의 균사: 정확하다 — 균류의 균사와 미생물 분해산물(다당류 등)은 입자를 결합하는 주요 접착제 역할을 한다.
• 점토 간 인력: 정확하다 — 대전된 점토입자 간의 정전기 인력은 입단 형성의 중요 요인이다.
• 이온의 수화도: 정확하다 — 수화도가 작은 양이온(Ca², Mg²)이 입단화에 유리하고, 수화도가 큰 양이온(Na⁺)은 입단을 분산시킨다.

비산출률(specific yield)은 자유면 대수층에서 지하수면이 단위 면적당 단위 상승 또는 하강할 때 유입 또는 유출되는 물의 부피, 즉 중력에 의해 배수되는 물의 부피와 대수층 부피의 비로 정의된다.

• 비저류계수(비저류율): 피압대수층에서 수두 단위 변화당 단위 부피에서 방출·저장되는 물의 부피를 의미하므로 다르다.
• 수리전도도: 투수성을 나타내는 계수이다.
• 비보유율: 중력배수 후에도 암석·토양 공극에 남아있는 물의 비율로 비산출률과 반대 개념이다.

공기 제거와 음(-)압은 나트륨토양 개량과 직접적 관련이 없으며, 오히려 혐기 상태 유도로 토양 환원을 촉진하는 것으로 나트륨 제거 메커니즘과 무관하다.

나트륨토양 개량의 원리는 치환성 나트륨(Na⁺)을 제거하거나 감소시키는 것이다.

• 석회 자재 투입: Ca²⁺ 포화도를 높여 나트륨을 치환·제거하는 직접적 개량법이다.
• 배수로 지하수위 낮춤: 지하수의 염류(나트륨 포함)를 제거하는 간접적 개량법이다.
• 내알칼리·내침수성 식물 재배 후 유기질 잔사 환원: 유기질 개량으로 토양 구조를 개선하고 나트륨 용탈을 촉진하는 방법이다.

오염물질의 지하수를 통한 실제 이동 시간은 Darcy 법칙과 공극률을 고려하여 계산한다. 실제 유속(vs) = 다르시 유속(vd) / 공극률(n)이고, 다르시 유속은 $v_d = K \times i$ (K: 수리전도도, i: 동수경사)이다.
동수경사는 $i = \frac{\Delta h}{L} = \frac{65-50}{500} = \frac{15}{500} = 0.03$이다. 다르시 유속은 $v_d = 0.01 \text{ cm/s} \times 0.03 = 0.0003 \text{ cm/s} = 3 \times 10^{-6} \text{ m/s}$이다.
실제 유속은 $v_s = \frac{3 \times 10^{-6}}{0.40} = 7.5 \times 10^{-6} \text{ m/s}$이다. 이동 거리 500m을 이동하는 데 걸리는 시간은 $t = \frac{L}{v_s} = \frac{500}{7.5 \times 10^{-6}} = 66.67 \times 10^{6} \text{ s}$이고, 이를 일(day)로 환산하면 $t = \frac{66.67 \times 10^{6}}{86,400} \approx 771.8 \approx 772 \text{일}$이다.

리그닌(lignin)은 당류(탄수화물)에 비해 분해가 느리게 일어난다. 따라서 "리그린은 당류에 비해 분해가 빠르게 일어난다"는 토양 유기물 분해의 실제 메커니즘과 반대의 내용이므로 옳지 않다.

리그닌은 방향족 화합물로 이루어진 복잡한 고분자 물질이므로 미생물이 분해하기 어렵고 시간이 오래 걸리는 반면, 당류는 단순한 유기물로 미생물이 빠르게 이용할 수 있다.

• 호기성조건: 미생물 활성이 높아 분해가 빨라지는 것이 맞다.
• 탄질률이 큰 유기물: 탄소가 상대적으로 많아 에너지원이 풍부해도 질소 부족으로 미생물 증식이 제한되어 분해가 느려지는 것이 맞다.
• 공극의 약 60%가 물로 채워진 상태: 토양 수분 포장량(약 60% 공극 함수)이 호기성 미생물 활동과 필요한 수분을 동시에 만족하는 최적 조건으로 알려진 내용이 맞다.

2:1형 점토광물은 1개의 알루미나층(Al-O 층)을 2개의 실리카층(Si-O 층)이 위·아래에서 감싸는 구조를 가진다. Vermiculite는 2:1 구조의 층상 규산염광물로 마그네슘이나 철이 층간에 존재하며 흡수성과 팽창성이 우수하여 정답이다. Kaolinite, Halloysite, Nacrite는 모두 1:1형 점토광물로서 1개의 실리카층과 1개의 알루미나층이 1:1로 결합된 구조를 갖는다.

톨루엔은 벤젠계 방향족 탄화수소로 밀도가 약 0.87 g/cm³으로 물보다 작아 LNAPL(Light NAPL)에 분류되며 DNAPL이 아니다.

DNAPL(Dense Non-Aqueous Phase Liquid)은 물보다 밀도가 크고 물에 녹지 않는 액체를 의미한다. TCE(트리클로로에틸렌), 클로로페놀, 1,1,1-TCA(트리클로로에탄)는 모두 염소계 유기용제로서 밀도가 물(1.0 g/cm³)보다 크고(1.4~1.6 g/cm³) 물에 난용성이어서 DNAPL에 해당한다.

양이온교환용량(CEC)은 토양이 양분을 보유하는 능력과 정의 상관관계를 가진다. 1번은 정확한데, 점토광물과 유기물의 콜로이드 특성상 입자가 미세하고 표면적이 크므로 양이온교환용량이 높다. 3번도 맞으며, 모래와 미사는 표면적이 작아 양이온교환에 거의 기여하지 않는다. 4번도 올바른 정의다. 반면 2번은 양이온교환용량이 클수록 양분을 보유할 수 있는 능력이 증가하므로, "능력이 감소한다"는 표현이 역으로 잘못되었다.

토양의 수직단면 성층구조는 O층, A층, B층, C층, R층으로 구성된다. O층은 유기물층(낙엽·부식질), A층은 표토(부식질 혼합), B층은 심토(집적층), C층은 모질층(풍화된 모암), R층은 모암이다. D층은 토양층위 분류 체계에 존재하지 않으며, 따라서 토양 수직단면의 표준 성층구조에 해당하지 않는다.

토양공기는 토양의 공극을 통해 순환하는 공기로서 일반대기와 다른 조성을 가진다. 토양 중 미생물과 뿌리의 호흡작용으로 인해 산소는 소비되고 이산화탄소가 발생하므로, 1·2·4번은 모두 옳다. 반면 아르곤은 매우 불활성 가스로서 토양에서 소비되거나 발생하지 않으므로 일반대기와 동일한 약 0.93% 수준으로 유지되어 일반대기보다 낮지 않다. 따라서 3번이 옳지 않다.

공극률은 $e = \frac{V_v}{V_s}$ 또는 $n = \frac{V_v}{V} \times 100\%$로 구하며, 용적비중과 입자비중의 관계식 $\gamma_d = \frac{\gamma_s}{1+e}$를 이용한다. 주어진 값: 용적비중(건조단위중량) $\gamma_d = 1.17$ g/cm³, 입자비중 $G_s = 2.55$이다.
공극비 $e$를 먼저 구하면: $e = \frac{\gamma_s}{\gamma_d} - 1$인데, 여기서 $\gamma_s = G_s \times \gamma_w = 2.55 \times 1.0 = 2.55$ g/cm³이므로 $e = \frac{2.55}{1.17} - 1 = 2.179 - 1 = 1.179$이다.
공극률은 $n = \frac{e}{1+e} \times 100\% = \frac{1.179}{1+1.179} \times 100\% = \frac{1.179}{2.179} \times 100\% = 54.1\%$이다.

비산출률(Sy)은 총 공극률에서 비보유율을 뺀 값으로 정의된다. 공식: Sy = n - Sr (여기서 n은 총 공극률, Sr은 비보유율) 주어진 값을 대입하면 Sy = 30% - 20% = 10%이다. 비산출률은 중력에 의해 배수될 수 있는 공극의 비율을 나타내므로, 총 공극 중 물이 머물러 있는 부분(비보유율)을 제외한 나머지가 곧 산출 가능한 물의 양이다.

Montmorillonite는 2:1층상 구조(규산염층 2층 + 수산화알루미늄층 1층)에서 Al³⁺이 Mg²⁺로 치환되어 발생하는 음전하로 인해 CEC 80~150 mEq/100g의 매우 높은 값을 가진다. 따라서 Montmorillonite의 CEC가 가장 크다.

양이온교환용량(CEC, Cation Exchange Capacity)은 점토광물이 양이온을 흡착할 수 있는 능력을 나타내며, 주로 층상구조의 전하 결손에 의해 결정된다.

• Illite: 구조 내 K⁺ 고정으로 CEC 10~40 mEq/100g이다.
• Kaolinite: 1:1 층상구조로 구조 내 전하 결손이 거의 없어 CEC 3~15 mEq/100g으로 가장 낮다.
• Chlorite: CEC 10~40 mEq/100g 수준이다.

포화토양층에서 토양 질량과 지하수 부피를 먼저 구한다. 공극률이 20%이므로 고체 토양의 부피는 500 × (1 − 0.20) = 400 m³이고, 지하수의 부피는 500 × 0.20 = 100 m³이다. 입자밀도 2.75 g/cm³을 이용하여 토양 질량을 계산하면: 400 m³ = 4 × 10⁸ cm³이므로 토양 질량 = 4 × 10⁸ cm³ × 2.75 g/cm³ = 1.1 × 10⁹ g = 1.1 × 10⁶ kg이다.
토양에 흡착된 MTBE양은 농도 100 mg/kg에 토양 질량을 곱하면: 100 mg/kg × 1.1 × 10⁶ kg = 1.1 × 10⁸ mg = 110 kg이다.
지하수에 용해된 MTBE양은 농도 200 mg/L에 지하수 부피를 곱하면: 200 mg/L × 100 × 10³ L = 2 × 10⁷ mg = 20 kg이다. 따라서 토양 흡착량과 지하수 용해량은 순서대로 110 kg, 20 kg이다.

투수량계수(transmissivity)는 단위 폭당 수층을 통과하는 물의 유량으로, 물의 흐름 능력을 의미하므로 흐름특성에 해당한다.

저류특성(storage properties)은 포화대에서 단위 수두 강하에 따라 방출되는 물의 양을 나타내는 매개변수들이고, 흐름특성(flow properties)은 물의 이동 능력을 나타낸다.

• 공극률(porosity): 공극이 차지하는 부피 비율로 저류 가능성을 나타낸다.
• 비산출률(specific yield): 중력에 의해 배출되는 물의 비율로 실제 저류량을 나타낸다.
• 비저류계수(specific storage): 단위 수두 강하당 방출되는 물의 양으로 저류특성을 나타낸다.

SAR(나트륨흡착비, Sodium Adsorption Ratio)는 토양이나 관개용수 중 나트륨과 칼슘·마그네슘의 상대적 비율을 나타내는 지표로, 이 값을 통해 식물 생육에 대한 나트륨의 영향을 평가한다. CEC는 양이온교환용량, RSC는 잔류탄산나트륨량, TDS는 총용존고형물을 의미하므로 치환성 나트륨의 비율을 나타내는 지표와는 관련이 없다.

토양오염의 특징을 검토하면, 피해발현의 긴급성은 토양오염의 일반적 특징과 거리가 멀다. 토양오염은 오염물질이 토양에 축적되어 천천히 확산되고, 지하수 오염이나 식물 흡수를 통해 피해가 발현되므로 잠복기가 길고 피해가 즉시 드러나지 않는 특성을 가진다. 반면 오염경로의 다양성(대기강하, 지표유출, 침투 등), 오염영향의 국지성(오염이 국지적 범위에 한정), 지속성 및 잔류성(오염물질이 토양에 오래 남음)은 모두 토양오염의 전형적인 특징이다.

산성화되면 pH에 따라 달라지는 음전하(pH 의존 전하)가 줄어 양이온교환용량이 감소한다. 동시에 H⁺·Al³⁺이 교환자리를 차지하고 Ca²⁺·Mg²⁺·K⁺ 등 교환성 염기가 용탈되어 염기포화도도 감소한다.

디젤유가 DNAPL층을 형성한다는 설명은 디젤유의 물리적 성질에 대한 오류이다. DNAPL(Dense Non-Aqueous Phase Liquid)은 물보다 밀도가 높은 비수성액체를 의미하며, 휘발유나 디젤유 같은 경유류는 물보다 밀도가 낮아 LNAPL(Light NAPL)에 해당하므로 지하대수층에 도달해도 DNAPL층을 형성하지 않는다.

• 휘발유의 생분해성: 휘발유가 디젤유보다 저분자 탄화수소로 구성되어 생분해성이 높다는 올바른 설명이다.
• 윤활유의 PAHs: 윤활유에 첨가제로서 PAHs가 포함되어 있다.
• 지하저장탱크 유류오염: 지하저장탱크 오염의 주요 원인을 정확히 기술하고 있다.

이 문제는 희석 공식 C₁V₁ = C₂V₂를 이용한 용액 희석 계산이다. C₁(진한 염산의 농도) = 12N, V₁(필요한 진한 염산의 부피) = ?, C₂(만들 염산의 농도) = 0.1N, V₂(만들 염산의 부피) = 250mL이므로, 12 × V₁ = 0.1 × 250에서 V₁ = 25 ÷ 12 = 2.083mL ≈ 2.1mL이다. 따라서 진한 염산 약 2.1mL를 취해 물로 희석하면 원하는 농도의 용액을 만들 수 있다.

토양 pH 측정 시 토양시료와 정제수(증류수)의 비율은 1 : 5로 혼합하여 사용한다. 이 현탁액을 유리전극과 기준전극으로 구성된 pH미터로 측정하는 것이 토양오염공정시험기준의 방법이다.

광산활동 지역의 오염토양 면적 산정은 채취 지점 수와 조사 격자 간격을 기준으로 결정된다. 토양오염조사 기준에서 상세조사 시 표토시료 채취 지점이 30개인 경우, 일반적으로 150m × 150m(22,500m²) 격자를 적용하며, 오염 판정 시 한 격자당 1.5배의 완충 거리를 고려하여 최대 오염면적을 산정한다. 따라서 최대 오염토양면적 = $22,500 \times 2 = 45,000\text{m}^2$이다.

아연은 비소 측정에서 화학적 간섭 물질로 보고되지 않으며, 오히려 분석 시스템에서 관리하는 간섭 원소 목록에 포함되지 않는다. 따라서 고농도 존재 시에도 비소 분석에 미치는 화학적 간섭이 상대적으로 무시할 수 있는 수준이다.

수소화물생성-유도결합플라스마-원자발광분광법(HG-ICP-AES)에서 비소 분석 시 화학적 간섭을 일으키는 물질은 비소와 유사한 수소화물 생성 특성을 가지거나 플라스마 내에서 비소의 여기·이온화에 영향을 주는 원소들이다. 니켈, 수은, 코발트는 모두 비소의 수소화물 생성을 억제하거나 플라스마 환경을 교란하여 고농도에서 심각한 화학적 간섭을 야기하는 것으로 알려져 있다.

유해성 결정은 위해성평가의 표준적 단계 명칭이 아니며, 정확한 용어는 위해도 결정 또는 위해성 특성화(hazard characterization)로 노출평가와 독성평가 결과를 통합하여 최종 위해도를 판정하는 과정이다.

토양오염 위해성평가는 위해도 결정, 노출평가, 독성평가, 위해도 결정의 단계로 진행된다.

• 노출평가: 오염물질에 노출되는 경로와 노출량을 산정하는 핵심 단계이다.
• 독성평가: 물질의 독성 정보를 수집·평가하는 단계이다.
• 오염범위 및 노출농도 결정: 현장조사를 통해 오염도를 파악하고 노출농도를 결정하는 단계에 해당한다.