Geochemical Behavior of Metals in the Contaminated Paddy Soils around Siheung and Deokeum Mines through Laboratory Microcosm Experiments

Seasonal variations in vertical distributions of metals were investigated in the contaminated paddy soils around Siheung Cu-Pb-Zn and Deokeum Au-Ag mines. Geochemical behavior of metals was also evaluated with respect to redox changes during the cultivation of rice. Two microcosms simulating the rice-growing paddy field were set up in the laboratory. The raw paddy soils from two sites showed differences in mineralogy, metal concentrations and gecochemical parameters, and it is suggested that high proportions of exchangeable fractions in metals may give high dissolution rates at Deokeum. In both microcosms of Siheung and Deokeum, redox differences between surface and subsurface of paddy soils were maintained during the flooded period of 18 weeks. Siheung soil had neutral to alkaline pH conditions, while strongly acidic conditions and high Eh values were found at the surface soil of Deokeum. The concentrations of dissolved Fe and Mn were higher in the subsurface pore waters than in interface and upper waters from both microcosms, indicating reductive dissolution under reducing conditions. On the contrary, dissolved Pb and Zn had high concentrations at the surface under oxidizing conditions. From the Siheung microcosm, release of dissolved metals into upper waters was decreased. presumably by the trap effect of Fe- and Mn-rich layers at the interface. However, in the Deokeum microcosm, significant amounts of Pb and Zn were released into upper water despite the relatively lower contents in raw paddy soil, and seasonal variations in the chemical fractionation of metals were observed between flooded and drained conditions. Under acidic conditions, rice may uptake high amounts of metals from the surface of paddy soils during the flooded periods, and increases of exchangeable phases may also increase the bioavailability of heavy metals in the drained conditions.

실내 microcosm실험에 의한 시흥광산 및 덕음광산 주변 오염 논토양내 중금속의 지구화학적 거동 연구

본 연구는 시흥 동연아연 및 나주 덕음 금은 폐광산 주변 오염 논토양을 대상으로 시기별 중금속의 수직적 분포 및 함량변화를 실내 microcosm실험을 통하여 조사하였으며 산화환원 환경 변화에 따른 중금속의 지구화학적 거동 양상을 평가하고자 하였다. 두 지역의 원 논토양은 광물학적 구성, 중금속 함량 및 pH와 같은 지구화학적 특성이 차이를 나타내었으며 특히 덕음에서 상대적으로 낮은 중금속 함량에 비해 높은 교환성 형태의 비율로 중금속 용출이 높을 것으로 예상되었다. 18주의 침수기간동안 microcosm토양 상하부는 산화환원 환경 차이를 유지하였으며 pH의 경우 시흥의 상하부 토양 및 덕음의 하부 토양에서는 중성-알칼리성을 유지하였으나 덕음 상부는 3.2-3.8의 강산성을 나타내었다. 용존 Fe, Mn은 상부에 비해 하부에서 높은 농도를 보여 환원성 용해현상에 의한 용출거동을 나타내었다. Pb 및 Zn는 산화환경인 상부에서 그 용출이 높게 나타나며 pH가 높은 시흥의 경우 상층수/토양 경계면에 철 및 망간이 풍부한 층이 형성되고 중금속의 이동을 억제하는 트랩역할을 하여 용출정도가 낮았다. 반면 pH가 낮은 덕읍에서는 원 토양의 상대적으로 낮은 중금속 함량에 비해 그 용출정도가 높았으며 침수 및 배수의 시기별 화학적 존재 형태의 변화도 나타났다. 강산성의 논토양에서는 침수기에 토양 상층부에서 벼작물의 중금속 흡수도가 증가할 수 있으며 배수후에는 교환성 형태의 증가로 역시 그 흡수도가 높아질 것으로 예상된다.