부산 N항은 부산광역시 중구와 동구 일원으로 총면적은 1,532,419 m2이고 중심 위치는 35°07′13″N 129°03′52″E 이다. 1960년대 이후 경제개발 정책에 따라 부산항은 수출입 전진기지로서 1단계에서 4단계에 이르는 개발사업과 부산 신항 개발을 통해 북항, 남항, 감천항, 다대포항, 신항으로 구 분되어 있다. 지속적인 개발로 현대식 항만으로 발전하여 세 계 5위의 컨테이너 처리항으로 부상하였다. 부산 N항의 수 위는 12∼15 m를 유지하며 유속은 6∼7.5 cm/s로 비교적 완 만한 내항이다. 10년 및 50년 빈도 파고는 각 0.65 m, 1.00 m 로 나타났다. 부산 N항 표층 퇴적물의 중금속 오염 현황을 분석하기 위하여 Fig 1(b)와 같이 시료채취 지점을 선정하여 해양환경공정시험기준에 토대로 시료채취 및 분석을 수행하 였다.

부산 N항 오염퇴적물의 원위치 피복을 위한 피복소재로 는 국내에서 쉽게 공급받을 수 있으며 양이온교환능력을 통 해 중금속의 흡착 및 안정화에 효과적인 것으로 알려진 천연 제올라이트와 피복의 유실과 저서 생물의 활동성을 위한 보 호층 형성을 위해 해사를 사용하였다. 천연 제올라이트는 경 북 포항에 위치한 주식회사 렉셈에서 중간 입도(D50) 3.0 mm의 크기로 구입하였고, 해사는 부산 N항 인근의 준설 해 사를 사용하였다(D50=0.28 mm). 부산 N항 오염퇴적물의 원 위치 피복 형상은 오염 퇴적물 상층에 20 cm 두께의 반응성 피복(제올라이트)층과 30 cm 두께의 보호층을 형성하여 반 응성 피복층에 의한 화학적 고립 및 안정화와 보호층 형성으 로 유체 및 저서생물에 의한 피복소재의 유실을 방지하고자 하였다(Fig. 2).

부산 N항 오염퇴적물의 원위치 피복시공은 2015년과 2016년에 각각 수행하였다. 2015년에 수행한 시공에서는 위 치 이동을 비교적 정밀하게 제어하기 위하여 Fig 3과 같이 세팅바지(setting barge)에 원통관을 부착하여 25 m × 25 m 의 면적을 대상으로 피복재를 포설하였다. 이를 위하여 449 톤급 작업바지선과 414 톤급의 피복소재 운송용 바지선을 21 톤급의 예인선을 이용하여 작업구역에 이동시킨 후 작업 바지선에 고정밀위성항법장치 (differential global positioning system, DGPS)를 설치하여 투하지점에 정밀하 게 위치시켰다. 바지선의 선형이동을 정확하게 수행하기 위 하여 2개의 DGPS를 설치하여 바지선의 선형을 파악하였다. 바지선의 이동은 선미와 후미에 각각 2개의 앵커를 자동윈 치로 조절하여 예인선의 이동 없이 바지선의 이동이 가능하 게 하였다. 천연 제올라이트와 해사의 피복은 조류 등 해양 물리현상에 의한 영향을 최소화하기 위해 직경 70 cm의 원 통관을 해저면 7 m 수심까지 연장하여 해저에서 자유 낙하 하도록 하였고, 깔대기 형태의 호퍼 케이스와 원통관을 작업 바지선에 고정거치 시킨 후 시범 투하를 실시하여 해저면과 원통관 사이의 적절한 높이를 산출하였다. 피복 시공 간격은 1.5∼2.0 m로 소형 굴삭기(backhoe) 1버켓(용량 0.8 m3)씩을 투하하여 총 289지점에 대하여 반응성 피복소재인 천연 제 올라이트를 피복한 후 보호층으로 해사를 포설하였다. 이에 따른 피복시공은 5일간 수행하였다.

2016년에 수행한 시공은 100 m × 100 m의 면적을 대상으 로 클램쉘 공법으로 수행하였다(Fig. 4). 클램쉘 공법을 위해 상자형 버켓을 피복재 포설용 크레인에 설치하였고, 상자형 버켓 하단을 개패할 수 있도록 하였다. 바지선의 위치설정을 위해 DGPS를 이용하여 작업 바지선을 작업 장소에 정확하 게 유도하여 앵커링을 하였다. 이후 버켓이 설치된 해상 크 레인과 버켓 내 피복소재 충진을 위한 소형 크레인의 작업 위치를 확보한 후 해역의 특성을 고려하기 위하여 피복재 포 설 전 예비 투하 테스트를 실시하였다. 예비 투하 테스트의 경우 해저면으로부터 일정 높이 간격으로 제올라이트 및 해 사를 투하하여 형상 변화를 잠수 조사를 통해 확인하였고 이 에 따른 적절한 투하 높이는 해저면에서 2 m 높이로 판단하 였다. 이후 크레인 상부에 설치된 DGPS를 통해 포설위치 및 간격을 설정한 후 포설을 실시하였다. 작업간격은 3 m 단위 로 격자를 구성하여 포설하였다. 이에 따라 총 투하 지점은 1089지점으로 설정하였다.

피복시공 대상지역의 해저지형을 정밀하게 분석하여 시공 상태를 점검하고자 해저지형 조사를 실시하였다. 해저지형조 사는 국제 수로 기구(international hydrographic organization, IHO)의 특등급 멀티빔음향측심기(multibeam echo-sounder, sonic 2024, R2sonic, USA)를 이용하여 시공 대상 지역을 분석하였다. 해저지형조사는 자료의 품질향상을 위해 50% 이상 중첩조사가 되도록 설계하였고, 해상위치는 N71 GNSS(CHC)의 Network RTK-GPS를 이용하여 결정 하였다. GPS의 정보를 쉽게 가시화하기 위해서 수치지도와 연결하여 수치해도 및 GPS의 정확도를 확인하였다. 조사선 이 계획된 항적선을 정확하게 항해할 수 있도록 RTK-GPS 와 함께 네비게이션 프로그램인 Hypack을 사용하였다. 해저 지형조사는 피복 시공전과 피복 시공후로 나누어 총 2회씩 실시하였다.

2015년도 피복시공에 따른 퇴적물의 오염도 변화를 분석 하기 위하여 피복 시공 전인 2015년 2월과 피복 시공 3개월 후인 2015년 5월의 퇴적물을 분석하였다. 퇴적물의 시료 채 취 위치와 방법으로는 피복 시공 전인 2015년 2월에는 St. 5 지점(피복대상지)과 대조군으로 St. 10(미피복지)의 표층퇴 적물을 채니기를 이용하여 수층 아래 10 cm 깊이의 퇴적물 을 약 20 kg씩 채취하였고, 피복 시공 후인 2015년 5월에는 동일한 지점을 대상으로 전문 잠수사의 도움을 받아 피복층 을 제거한 후 표층 퇴적물을 소형 채니기로 채취하였다. 채 취된 시료는 고르게 교반 후, 협잡물을 제거한 후 실험에 사 용하였다. 퇴적물의 pH는 퇴적물과 증류수를 1:5 비율(w/v) 로 혼합 후 1시간 교반하여 pH 측정기(Sevenmulti S40, Mettler Toledo, Switzerland)로 측정하였다. 퇴적물의 유기 탄소(organic carbon)를 분석하기 위하여 건조 퇴적물을 HCl로 전처리 후 원소 분석기(Elemental Analyzer 2400 Series Ⅱ, Perken Elmer, USA)로 분석하였다. 강열감량 (ignition loss)은 550℃에서 2시간 동안 열처리 후 무게변화 를 통해 산출하였다. 퇴적물 내 중금속(Cu, Zn) 존재형태는 Tessier et al.(1979)의 연속추출법을 적용하여 이온교환 형 태(exchangeable fraction), 탄산염 형태(carbonate fraction), 산화물 형태(oxide fraction), 유기물 형태(organic fraction), 잔류물 형태(residual fraction)의 5단계로 분석하였다. 퇴적 물 내 중금속 총량은 중금속 연속추출법의 1∼5 단계의 농도 를 합하여 산정하였다. 추출된 용액은 0.45 ㎛ 여과지로 여과 후 ICP-OES(Perkin-Elmer, Optima 8300, USA)로 측정하였 다.

부산 N항 표층 퇴적물의 중금속 오염 현황에 대한 분석 결과는 Table 2에 나타내었다. 부산 N항 표층퇴적물 내 As 농도는 평균 20.28±6.28 mg/kg이며 최대 29.79 mg/kg 최소 9.74 mg/kg으로 평균농도가 해양수산부 해양환경기준의 부 정적인 생태영향이 발현될 개연성이 매우 높은 범위 (probable effects level, PEL)과 미국해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)의 저영 향 범위(effects-range-low, ERL)를 초과하는 것으로 나타 났다. Cd는 0.61±0.24 mg/kg의 평균농도가 해양환경기준과 미국해양대기청의 기준농도를 초과하지는 않았다. Cr은 평 균농도는 47.11±16.56 mg/kg이며 최대 88.09 mg/kg, 최소 23.71 mg/kg으로 미국해양대기청의 ERL을 초과하는 지점이 있었지만 대체적으로 평균농도는 기준치 이하로 분석되었다. Ni과 Pb의 농도는 각 27.65±4.49와 52.47±32.86 mg/kg으로 다른 해양수산부 해양환경기준과 미국해양대기청의 기준농 도를 일부 초과하는 결과를 보였다. 반면 Cu와 Zn의 경우 평균농도가 79.86±12.30 mg/kg과 222.88±63.07 mg/kg으로 평균농도가 해양수산부의 해양환경기준과 미국해양대기청의 기준을 상당히 초과하여 관리가 시급한 것으로 판단된다.

2015년과 2016년에 적용한 원통관 공법과 클램쉘 공법의 특징을 Table 1에 나타내었다. 2015년과 2016년에 적용한 공 법의 적용면적은 각 625 m2과 10,000 m2이며 투하 지점은 원통관 공법은 289 지점이고 클램쉘 공법은 1089 지점으로 투하하였다. 원통관 공법과 클램쉘 공법의 투하간격은 각각 1.5 m와 3.0 m으로 클램쉘 공법을 적용하였을 때 투하간격 이 증가하였다. 원통관 공법의 반응성 피복소재 투하시간은 약 3분 정도 소요되고 보호층 소재 투하시간은 1.5분 정도 소요된 후 다음 지점까지 이동에 필요한 시간은 약 5분으로 1지점 투하와 이동까지 소요되는 시간은 총 9.5분 정도 된다. 원통관 공법은 강관을 이용하여 원하는 위치에 투하 가능한 장점이 있는 반면 투하위치와 원통관의 길이가 고정되어 있 어 1회 투하 후 이동으로 인해 기동성이 낮고, 지형변화에 취약한 단점을 가지고 있다. 반면 클램쉘 공법은 반응성 피 복소재 투하시간과 보호층 소재 투하시간이 각 3∼5분정도 소요되지만 해저 지형변화에 쉽게 대처할 수 있고 작업반경 이 넓어 별도의 이동 없이 많은 지점에 투하할 수 있는 장점 이 있다. 이는 클램쉘 장비인 크레인 길이의 조절과 각도조 절에 의한 것으로 판단된다. 단점으로는 기상에 민감하여 현 장의 파랑 및 풍속에 영향을 받는다.

원통관 공법과 클램쉘 공법 적용 전인 2015년 대상지역 의 해저지형을 Fig 5와 같이 조사하였다. 조사결과 부두가 근접하고 대형 컨테이너선이 수시로 이동하는 위치(0∼60 m 지점)는 수심확보를 위해 준설이 꾸준히 진행되어 약 15 m 의 수심을 유지하고 있다. 반면 소형어선 및 예인선이 주로 이용하는 곳은 준설이 이뤄지지 않고 있어 12∼14 m의 수심 을 형성하고 있다.

2015년 25 m × 25 m 면적에 원통관 공법을 적용한 후의 지형분석 결과를 나타내었다. 지형분석 결과 적용지역의 지 형이 주변지역과 달리 변화된 결과를 확인할 수 있었지만 적 절한 피복 두께의 확보는 확인하기 어려웠다. 이에 천연제올 라이트와 해사를 피복한 후의 수심변화를 측정하여 피복 전 과 후의 수심변화로 피복 두께를 산출한 결과 목표 두께인 50 cm를 평균적으로는 만족하였지만 피복형상이 해저지형 에 따라 차이를 나타내었는데 이는 원통관의 길이가 고정된 상태로 피복소재를 투하하여 해저 지형 변화에 대처하지 못 하였기 때문으로 판단된다(Fig 6). 2016년에 수행한 피복시 공(100 m × 100 m) 결과 반응성 소재인 천연 제올라이트의 피복 두께는 비교적 균일한 형상을 보였다. 반면 보호층 소 재인 해사의 경우 투하 지점별로 언덕이 형성되는 결과를 나 타내었는데 이는 천연 제올라이트와 해사의 입도 크기 차이 에 의한 것으로 판단된다. 천연 제올라이트와 해사의 평균 피복 두께는 각 20±4 cm와 30±4 cm로 나타났다.

원위치 피복 시공 전(2015년 2월)과 시공 후(2015년 5월) 의 피복지(St. 5), 미피복지(St. 10)의 pH, 유기탄소, 강열감 량 분석결과를 Fig 8에 나타내었다. pH 분석결과 피복 시공 전의 St. 5와 St. 10은 각 8.56, 8.77로 해양환경관리법 해양 환경기준의 해수수질 기준을 미미하게 초과하였으며, 피복 3 개월 후의 pH도 각 8.58(St. 5), 8.70(St. 10)으로 큰 변화가 없는 것으로 나타났다(Fig. 8(a)). 유기탄소의 경우 피복 시 공 전 St. 5는 1.80%, St. 10은 1.86%로 나타났다. 피복 시공 전의 유기탄소 함량은 선행연구인 Shim et al. (2014)의 N 해역 퇴적물의 유기탄소 함량인 2.8% 보다 낮은 것으로 나 타났다. 피복 시공 3개월 후의 유기탄소를 분석한 결과 St. 5 는 0.04%로 피복 시공 전에 비해 매우 낮게 나타났고, 미피 복지인 St. 10은 1.35%로 3개월 전에 비해 유기탄소 함량은 감소하였지만 St. 5에 비해 감소비율이 현저히 낮았다(Fig. 8(b)). 피복 시공 전 강열감량을 분석한 결과 St. 5와 St. 10 은 각 6.74%와 7.36%였고, 피복 시공 3개월 경과 후 피복지 (St. 5)의 강열감량은 5.16%로 감소한 반면, 미피복지(St. 10) 는 7.98%로 피복 시공 전과 비교하여 미미하게 증가하였다 (Fig. 8(c)).

피복 시공 전과 후의 퇴적물 내 중금속 총량과 존재형태 분석 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 피복 시공 전 St. 5와 St. 10의 As 총량은 각 4.93 mg/kg, 23.47 mg/kg에서 피복 시공 3개월 후에는 각 2.57 mg/kg(St. 5), 6.01 mg/kg(St. 10)으로 감소하였다. As의 존재형태를 분석한 결과 St. 5 지점은 피 복 시공 전 이온교환(exchangeable), 탄산염(carbonated), 산 화물(oxide) 형태가 각 5.15, 1.12, 9.90%에서 피복 시공 후에 는 이온교환, 탄산염, 산화물 형태에서 As의 비율이 0%로 나타났다. 대조군인 St. 10 지점도 피복 시공 전 3.99%(이온 교환), 1.56%(탄산염), 2.62%(산화물)에서 피복 시공 후에는 St. 5 지점과 동일하게 이온교환, 탄산염, 산화물 형태에서 As의 비율이 측정되지 않았다(Fig. 9(a)). 일반적으로 이온교 환, 탄산염, 산화물 형태는 온도, pH 등과 같은 외부 환경변 화에 민감하게 반응하여 유기물(organic) 및 잔류물 (residual) 형태에 비해 용출이 쉬운 것으로 알려져 있다 (Bacon and Davidson, 2008). 2015년 2월 St. 5와 St. 10 지 점의 Cd 함량은 각 0.80, 0.42 mg/kg에서 2015년 5월 St. 5는 0.37 mg/kg으로 피복 시공 전과 비교하여 2배 이상 낮아진 반면, St. 10 지점은 1.29 mg/kg으로 피복 시공 전에 비해 3 배 이상 증가 하였다. 피복 시공 전 St. 5와 St. 10 지점의 Cd 존재형태를 분석한 결과 비교적 안정적인 형태(유기물+ 잔류물)의 비율이 유기물과 잔류물 비율이 각 38.39%(St. 5), 50.37%(St. 10)에서 피복 시공 3개월 후에는 St. 5와 St. 10 지점 모두 안정적인 형태의 비율이 100%로 분석되었다(Fig. 9(b)). Cr의 경우 피복 시공 전 45.44 mg/kg(St. 5)과 48.23 mg/kg(St. 10)의 농도에서 시공 후 St. 5와 St. 10 지점 모두 농도가 감소하는 추세를 나타내었다. 반면 존재형태 분석결 과 St. 5 지점의 이온교환 형태의 비율이 6.09%에서 60.96% 로 급격하게 증가하였다. 퇴적물 내 Ni과 Pb의 총량은 피복 대상지인 St. 5 지점이 피복 시공 전에 비해 피복 시공 후 농 도가 급격하게 감소되었지만 미피복 대상지인 St. 10 지점은 피복 시공 전에 비해 시공 3개월 후에는 농도가 증가한 경향 을 나타내었다. 반면, St. 5 지점 Ni 존재형태는 피복 시공 3 개월 후 100% 잔류물 형태로 전환된 것이 확인 되었지만 Pb 의 경우 유기물 형태와 잔류물 형태가 시공 3개월 후에는 비 율이 나타나지 않았다(Fig. 9(e)(f)). 피복 시공 전인 2015년 2월 St. 5와 St. 10의 Cu 농도를 분석한 결과 각 94.00 mg/kg과 88.46 mg/kg으로 해양환경기준의 관리기준(PEL) 인 64.4 mg/kg을 초과하였지만 피복 시공 3개월 후 St. 5 지 점의 Cu 농도는 10.53 mg/kg으로 급격한 감소를 보였다. 반 면, 미피복지인 St. 10 지점의 Cu 농도는 93.92 mg/kg으로 피복 시공 전에 비해 농도 증가의 경향을 나타내었다. 이는 해류 이동에 따른 오염원의 유입에 따른 것으로 판단된다. 피복 시공 후 높은 농도 감소 경향을 보인 St. 5 지점의 Cu 의 존재형태를 분석한 결과 용출 가능성이 비교적 높은 탄산 염 형태와 산화물 형태의 비율이 피복 시공 전과 비교하여 미미하게 증가하였지만 피복 시공 전과 후의 이온교환, 탄산 염, 산화물 형태의 농도는 4.20 mg.kg에서 2.01 mg/kg으로 감소된 것으로 나타났다. St. 10 지점의 이온교환, 탄산염, 산 화물 형태의 농도 또한 피복 시공 전 6.46 mg/kg에서 피복 시공 후 1.42 mg/kg으로 감소되었다(Fig. 9(d)). 피복 시공 전 St. 5, St. 10 지점의 퇴적물 Zn 농도는 191.83 mg/kg과 211.44 mg/kg으로 해양환경기준의 관리기준(PEL)을 초과하 여 오염도가 높은 것으로 분석되었다. 피복 대상지점인 St. 5 의 피복 3개월 후 농도는 47.80 mg/kg으로 피복 전에 비해 144.03 mg/kg의 농도가 감소하였고, St. 10 지점은 199.28 mg/kg으로 2015년 2월에 비해 12.17 mg/kg의 미미한 감소 경향을 나타내었다. Zn의 존재형태를 분석한 결과 St. 5 지 점의 경우 용출 가능성이 높은 이온교환, 탄산염, 산화물 형 태의 비율이 감소하였고, 잔류물 형태의 비율이 급격히 증가 한 결과를 나타내었다. 이에 따라 용출 가능성이 높은 농도 가 89.85 mg/kg에서 3.62 mg/kg으로 약 24배 이상 감소되는 결과를 보였다. 미 피복 지점인 St. 10의 이온교환, 탄산염 형태 비율은 미미하게 감소하거나 비슷한 수치를 나타내었 지만, 산화물, 유기물, 잔류물 형태의 비율은 급격하게 증가 하는 경향을 보였다(Fig. 9(g)). 이에 따라 제올라이트 피복 에 따른 중금속의 농도가 감소하는 것으로 나타났으며, 반응 기간이 상대적으로 짧았지만 Cu, Zn 등 일부 중금속에 대하 여 안정화 반응이 효과적으로 이뤄지는 것으로 판단된다. 부 산 N항의 실험결과는 인천북항 오염퇴적물의 중금속 용출차 단과 안정화 연구와 동일한 결과를 나타내었는데 (Kang et al., 2016), 제올라이트에 의한 안정화 반응은 높은 알칼리화 특성을 지닌 물질보다 중금속의 이동성 증대에 대한 위험 부 담이 적고, 퇴적물의 pH 감소 경향을 낮춰 산성화에 따른 가 용성 중금속 함량을 낮출 수 있다. 이와 더불어 양이온교환 능력(cation exchange capacity)과 텍토규산염 격자 (tectosilicate lattice)에 의해 용해성 중금속을 흡착하여 농도 감소와 더불어 안정화에 효과적인 것으로 판단된다(Querol et al., 2006; Garau et al., 2007).

2015년과 2016년에 수행한 원통관 공법과 클램쉘 공법의 공정소요기간 및 소요비용을 산출하여 상호 비교하기 위해 서 본 연구진에서는 동일한 작업 면적을 적용하고자 하였고 소요비용의 기초자료는 시공사의 자료를 참조하여 산출하였 다(Table 3). 15,000 m2의 동일한 작업면적을 가정하였을 때 소요되는 작업기간의 경우 원통관 공법은 약 4.8개월이며, 클램쉘 공법은 1.05개월이 소요되는 것으로 나타났다. 일 평 균 작업면적은 각각 104.2 m2/day와 476.2 m2/day이다. 이 를 피복 공법별 장비 임대료와 대입하였을 때 작업 바지선 (setting barge) 비용은 원통관 공법은 134,357,006 원이고 클 램쉘 공법은 29,399,412 원으로 산출되었다. 예인선(tugboat) 은 191,938,580원(원통관 공법)과 41,999,160 원(클램쉘 공법) 으로 클램쉘 공법이 저렴하였고 마찬가지로 굴삭기, GPS, 인력비 모두 클램쉘 공법이 원통관 공법에 비해 저렴하게 산 출되었다. 피복소재인 천연 제올라이트와 해사의 구입비용은 원통관 공법과 클램쉘 공법 모두 동일하게 적용하였다. 본 연구에서 적용한 원통관 공법과 클램쉘 공법을 15,000 m2의 면적에 적용하였을 때 원통관 공법은 약 829,787,985 원이 소 요된 반면 클램쉘 공법은 477,597,543 원이 소요되어 클램쉘 공법이 원통관 공법에 비해 약 40%의 소요비용을 경감시킬 수 있을 것으로 판단된다.