Numerical Simulation of Ammonium Perfluorooctance (PFOA) in Gwangyang Bay

광양만 Ammonium Perfluorooctance (PFOA)의 거동 특성 시뮬레이션

Abstract

A three-dimensional ecological model (EMT-3D) was used to simulate the behavior of PFOA in Gwangyang Bay, Korea. The results of sensitivity analysis showed that partition rate, adsorption rate, and settling rate were important factors in the variation in PFOA in particulate organic matter. Bioconcentration was the most significant factor for PFOA in phytoplankton, with the largest effect size. These parameters must therefore be carefully considered when modeling PFOA behavior. In simulations, 30% and 50% reductions in loads from land-based sources of PFOA resulted in concentrations of dissolved PFOA lower than 4 ng/L and 2 ng/L, respectively, in the central part of the bay.

서 론

해양환경에 대한 POPs (persistent organic pollutants), EDCs (endocrine disrupting chemicals), PBTs (persistent bio-accumulative and toxic substance) 등과 같은 유해화학물질의 영향은 점점 복잡화, 다양화되고 있으며, 사람의 건강이나 생태계에 돌이킬 수 없는 피해를 가져올 우려가 증가하고 있다(Kim et al., 2004; Kim, 2011).

PBTs 물질군 중에서도 PFCs (perfluorinated compounds)의 물질에 대해서는 다른 유해화학물질들에 비해서 환경노출과 거동 및 위해성 평가에 관한 연구결과와 자료축적이 미국, 일본, 유럽 등과 같은 일부 선진국에서만 이루어지고 있을 뿐 국내에서는 아직까지 하천수계나 연안해역 및 주요 오염원의 PFCs와 관련된 농도자료에 대한 조사가 이루어 지지 않아 환경 중 분포특성에 대한 자료의 축적이 미비한 상태이다.

본 연구의 대상 물질인 PFOA (ammonium perfluorooctane)은 최근 많은 관심을 받고 있는 PFCs의 대표적인 최종 분해산물로서 동물내의 간세포독성과 치사율에 매우 큰 영향을 주는 물질로, 환경 중 잔류성이 강하고 먹이사슬을 통해 인간과 생태계에 농축되어 악영향을 미치는 독성이 강한 물질이다(OECD, 2002; U.S. EPA, 2001; U.S. EPA, 2003).

광양만은 남해안 중부에 위치해 있으며, 여수반도와 광양 및 남해도로 둘러싸여 있다. 동서의 길이는 약 17 km, 폭은 약 9 km이며 남측의 여수해만을 통해 남해와 연결이 되어 있고, 노량수로를 통해 인접한 진주만과 연결되어 있다. 광양만은 1960년대 후반부터 지역의 공업화와 도시화가 빠르게 진행되고 있는 지역이다. 우리나라의 대표적 석유화학단지인 여수국가산업단지가 만의 남측에 위치하고 있으며 북측에는 광양제철소가 위치하고 있고, 대규모 화력발전소가 하동 및 율촌산단지역을 비롯해서 곳곳에 위치해 있다. 광양만 유역은 상시 오염의 가능성이 상존하고 있는 지역이므로 이러한 문제를 관리하고자 해양수산부에서는 특별관리해역으로 지정하여 운영하고 있다. 이러한 산업지역에서 다양한 화학물질의 사용이 이루어지고 있으며, 그에 따른 화학물질의 환경중 유입이 우려되는 지역이다(ME, 2008). 현재까지 해역에 대한 PFOA의 농도 분포와 오염특성에 대한 연구는 일부 진행되어 오고 있으나, PFOA의 거동에 관한 연구는 드문 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 해양에서 유해화학물질에 대한 모의가 가능한 3차원 생태계 모델(EMT-3D)을 사용하여 광양만의 PFOA를 대상으로 그 적용성을 검토하였다. 그리고, 민감도 분석 및 오염부하 변동에 따른 해역의 응답성을 분석하여 영향인자를 판별하고 대안에 따른 영향을 평가하였다.

 

재료 및 방법

광양만 PFOA의 거동특성을 파악하기 위해 3차원 생태계 모델을 이용하여 해역내 PFOA의 분포를 계산하였다. 민감도 분석을 행하여 영향인자의 크기를 파악하였으며, 시나리오 분석을 통하여 오염부하에 따른 해역의 변동을 평가하였다.

본 연구에서 적용된 생태계모델은 수환경으로 유입된 화학물질의 이류, 확산작용에 의한 이송현상과 생물, 화학적인 반응을 고려한 EMT-3D 모델로서, 여러 화학물질에 대하여 적용성 및 데이터 존재 상황에 따른 유연성을 가지는 3차원 생태계 모델이다(Kim et al., 2004; Kim, 2011).

본 연구에서 적용된 모델링 시스템의 구조와 EMT-3D 모델의 다이아그램은 Kim et al. (2004)의 연구에 자세히 기술되어 있다.

모델 내 구성요소의 시간에 따른 변화는 다음과 같이 기술된다.

이류에 의한 화학물질의 운반

난류확산에 의한 화학물질의 혼합

화학물질의 생물학적 및 화학적 과정

여기서 B는 대상 화학물질의 현존량을 나타내며, t는 시간, u, v, w는 각각 x, y, z방향의 유속성분, Kx, Ky, Kz는 각 방향의 확산계수를 나타낸다. dB/dt는 생물, 화학적 과정에 의한 단위시간당 구성요소의 변화량으로 입자상 유기물질에 대한 흡착과 탈착, 생물에 대한 섭취와 농축 및 분비, 대기로의 휘발, 퇴적물로의 침전 및 용출, 생분해, 광분해, 가수분해 등을 시뮬레이션 할 수 있다.

 

결 과

대상해역 및 모델의 적용

EMT-3D를 사용하여 광양만을 대상으로 PFOA의 해양중 거동을 시뮬레이션 하였다. 대상해역은 수평방향으로는 각 200 m, 연직방향으로는 5개의 층으로 구분하여 141×145×5(102,225개)의 격자로 구성 하였다. 대상해역 및 계산격자의 수평 배열을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.Model region and grid map.

생물, 화학적인 과정은 데이터의 존재 상황 등을 고려하여 흡탈착, 분비와 호흡, 침강 등을 고려하였다. 본 연구에 적용된 모델의 생물, 화학적 프로세스에 대하여는 Kim et al. (2004) 및 NIES (2003)의 연구에 기술되어 있다. 광양만의 유동장은 기존에 연구 발표한 자료(Lee et al., 2001; ME, 2008)를 바탕으로 이용하였으며, 확산계수는 Hong et al. (2007) 및 Lee et al. (2001) 의 자료를 바탕으로 적용하였다. 유입부하는 육상으로부터 광양만으로 유입되는 PFOA부하를 고려하였다(ME, 2008). 입자성 유기 물질에 대한 분배계수, 흡탈착 속도는 Kim et al. (2004), Kim (2007), Mackay et al. (2005)의 연구결과를 바탕으로 산정하여 적용하였다. 식물플랑크톤에 대한 농축계수, 섭취 및 호흡계수는 Jorgensen (2000), Jorgensen (1994), Kim et al. (2004), Martin et al. (2003), Willam (2000)의 연구결과를 바탕으로 적용하였다(Table 1).

Table 1.1Kim (2007), 2Hong et al. (2007), 3Mackay et al. (2005), 4Kim et al. (2004), 5Martin et al. (2003), 6Lee et al. (2001), 7Jorgensen (2000), 8Willam (2000), 9Jorgensen (1994).

Fig. 2에 시뮬레이션 된 용존 PFOA의 분포를 나타내었다. 용존 PFOA의 경우, 육상으로부터의 유입부하가 집중되어 있는 광양항 내측과 포스코 인근해역 및 여천공단 인근해역에서 높은 농도를 나타내었으며, 만 바깥쪽으로 갈수록 낮아졌다. 농도범위는 광양만 중앙부 및 남부해역의 경우 0.5 ng/L 이하의 값을 나타내었으며, 만 내측의 경우는 1.0 ng/L 이상의 높은 값을 나타내었다. 대상해역에서 2007년 실측한 용존 PFOA의 분포를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 2.The distribution of the simulated PFOA in the surface layer of model area; dissolved PFOA (ppt: ng/L).

Fig. 3.The distribution of the observed PFOA in the Gwangyang Bay (ppt: ng/L).

시뮬레이션 된 입자상 유기물질내 PFOA 및 식물플랑크톤 체내의 PFOA 농도분포는 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. 입자상 유기물질내 PFOA의 경우, 만 대부분의 지역에서 3.0-8.0 μg/kg 정도의 농도를 나타내었으며, 광양항 인근 해역과 포스코 북측해역에서는 10.0 μg/kg 이상의 값을 나타내었다.

Fig. 4.The distribution of the simulated PFOA in the surface layer of model area; PFOA in particulate organic matter (ppb:μg/kg).

Fig. 5.The distribution of the simulated PFOA in the surface layer of model area; PFOA in phytoplankton (ppb:μg/kg).

식물플랑크톤 체내의 PFOA의 경우는 광양만 대부분의 해역에서 0.010 μg/kg 이하의 값을 나타내었으며, 광양항 및 포스코 북측해역에서 다소 높은 농도값을 나타내었다.

대상해역의 실측자료 중 ND로 분석된 지점이 다수 존재하는 점과 일본 도쿄만의 5-45 ng/L (Kim, 2007)보다 상대적으로 낮은 농도값을 가지는 점 등으로 인하여 실측치와 계산치의 통계분석은 어려웠다. 그러나 대상해역에서 실측된 용존 PFOA 농도 범위가 ND-1.9 ng/L (평균 0.2 ng/L)로 계산치의 범위와 유사하게 나타났으며, 농도분포 형태의 유사성 등을 고려하였을 때 초기 모델링 연구에 대한 적용은 가능한 것으로 판단된다. 국내 해양환경에 대한 PFCs물질의 모니터링과 육상부하량 등 시스템 외부로부터의 유입 부하에 대한 조사, 연구가 지속된다면 모델의 적용성 향상 및 해역 관리를 위한 대안 도출이 보다 용이해질 것으로 사료된다.

민감도 분석

모델 보정에 적용된 계수값에 대하여 각 계수값의 2배 및 1/2배에 해당하는 값으로 증감시켰을 때 나타나는 상태변수 결과값의 변동량으로 계수의 민감도를 분석하여 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 민감도 분석의 결과값이 큰 경우일수록 상태함수의 농도결정에 미치는 영향이 커지는 것을 나타낸다.

Table 2.Sensitivity analysis of Dioxins concentration by change of values of parameters

수층의 용존 PFOA의 경우 분배계수와 침강속도의 증감에 따른 농도변화가 다소 있는 것으로 나타났다. 분배계수를 1/2로 감소시킨 경우는 0.20% 증가하였으며, 2배로 증가시킨 경우는 0.44% 감소하였다. 입자상 유기물질중 PFOA의 경우는 분배계수, 흡착속도, 퇴적속도의 영향이 큰 것으로 나타났으며, 특히 분배계수를 1/2배 시킨 경우 약 47.90% 감소하였으며, 2배시킨 경우 약 83.72% 증가하였다. 식물플랑크톤 체내의 PFOA의 경우는 식물플랑크톤의 생물농축계수의 증감에 따른 농도변화가 가장 큰 것으로 나타났으며, 특히 생물농축계수를 2배 증가시킨 경우는 예측농도가 약 100%이상 증가하였다. 다음으로 섭취속도, 분배계수의 영향이 큰 것으로 나타났다.

따라서 추후의 PFOA에 대한 모델 적용 시에는 목적하는 상태변수에 따라 이들 계수에 대한 정밀한 고찰이 필요할 것으로 사료된다.

동경만 PFOA에 대하여 수행된 민감도 분석결과(Kim, 2007)와 비교하면 전반적인 영향인자의 수위나 크기는 유사한 것으로 나타났으나, 입자상 유기물질중 PFOA와 식물플랑크톤 체내의 PFOA의 경우는 입자의 침전 속도에 대한 영향이 광양만의 경우가 다소 큰 것으로 나타났다. 울산만 Dioxin에 대한 민감도 분석결과(Kim, 2011)와는 영향인자의 크기가 상이한 것으로 나타나 대상해역 보다는 화학물질간의 유사성이 클것으로 사료된다.

시나리오 분석

유입부하의 변화가 대상해역의 용존 PFOA에 미치는 영향을 시뮬레이션 하기 위하여 시나리오를 구성하여 해역의 응답성을 분석하였다.

해역관리에 대한 농도 기준이 있는 경우 시나리오 분석은 기준을 근거로 한 목표수질을 달성하기 위하여 행해지는 경우가 많으나, POPs, EDCs, PBTs 등의 유해화학물질의 경우 해역내 농도에 대한 기준이 설정되어 있지 않은 경우가 많다. 본 연구의 시나리오 분석은 육상으로부터의 유입부하에 대하여 저감율 30%, 50%, 90%를 각각 적용하였을 경우를 설정하였다.

Table 3.Composition of scenario

먼저 유입부하 30% 감소의 경우를 살펴보면(Case 1), 용존 PFOA의 농도가 0.4 ng/L 이하인 지역이 만 중앙부까지 확장되어 나타났으며, 만의 동부 및 서부해역에서도 0.4 ng/L 이하의 값을 나타내었다.

유입부하 50% 감소시(Case 2) 용존 PFOA 농도는 광양만 중앙부 및 남부지역의 농도가 약 0.25 ng/L 정도 낮아지는 것으로 나타났으며, 현재 상대적으로 높은 농도인 광양항 및 포스코 북부 인근 해역으로 갈수록 감소폭이 작아지는 경향을 나타내었다.

유입부하 90% 감소시의 경우(Case 3), 육상으로부터 오염 부하가 유입되는 유입점 인근을 제외한 만의 대부분의 지역에서 용존 PFOA의 농도가 0.2 ng/L 이하의 농도를 나타내었다.

 

고 찰

3차원 생태계 모델을 이용하여 광양만에 대한 PFOA의 거동특성을 시뮬레이션 하였다.

Fig. 6.The result of the simulation for 30% reduced loads from the Land-Based Sources (ppt: ng/L).

Fig. 7.The result of the simulation for 50% reduced loads from the Land-Based Sources (ppt: ng/L).

Fig. 8.The result of the simulation for 90% reduced loads from the Land-Based Sources (ppt: ng/L).

 

고 찰

3차원 생태계 모델을 이용하여 광양만에 대한 PFOA의 거동특성을 시뮬레이션 하였다.

시뮬레이션 된 용존 PFOA의 분포는, 육상으로부터의 유입부하가 집중되어 있는 광양항 내측과 포스코 인근해역 및 여천공단 인근해역에서 높은 농도를 나타내었다. 대상해역에서 실측된 용존 PFOA 농도 범위와 분포 형태의 유사성 등을 고려하였을때 초기 모델링 연구에 적용은 가능한 것으로 판단된다.

민감도 분석결과 용존 PFOA의 경우 분배계수와 침강속도의 증감에 따른 농도변화가 다소 나타났다. 입자상 유기물질중 PFOA의 경우는, 분배계수, 흡착속도, 퇴적속도의 영향이 큰 것으로 나타났으며, 식물플랑크톤 체내의 PFOA의 경우는 식물플랑크톤의 생물농축계수의 영향이 가장 큰 것으로 나타났다. 따라서 추후의 PFOA에 대한 모델 적용 시에는 목적하는 상태변수에 따라 이들 계수에 대한 정밀한 고찰이 필요할 것으로 사료된다.

또한, 동경만 PFOA에 대하여 수행된 민감도 분석결과 및 울산만 Dioxin에 대한 민감도 분석결과와 비교해 보면, 영향인자의 크기 및 형태가 대상해역 보다는 화학물질간의 유사성에 의한 작용이 더 큰 것으로 판단되었다.

시나리오 분석 결과 육상으로부터의 부하를 30% 및 50% 감소시킨 경우 용존 PFOA농도가 만 중앙부에서 각각 0.4 ng/L 및 0.25 ng/L 이하로 나타났으며, 90% 감소의 경우 만의 대부분의 지역에서 용존 PFOA의 농도가 0.2 ng/L 이하의 농도를 나타내었다.

해양 생태계의 PFOA 거동특성 파악과 관리를 위해서는 시스템 외부로부터의 유입부하에 대한 조사가 지속되어야 할 것으로 사료된다.