준설토는 건설재료, 서식지 조성, 농업용 토양 등 다양한 용도로 육상 환경에 유효활용 가능한 자원이다. 본 연구에서는 준설토의 육상 유효활용 용도를 크게 공학재료(Engineering materials)와 생태자원(Ecological resources)으로 구분하였다. 생태자원은 생물이 서식할 수 있는 환경을 조성하거나 농작물을 경작하는 것을 수확할 수 있는 주요 또는 보조 목적으로 활용하는, 즉 준설토의 토양으로서의 생태 기능을 활용하는 유효활용의 형태로 정의하였다. 준설토는 습지조성, 육상 및 수생태계를 위한 서식지 조성, 토양개량제, 농업용 토양 등으로 활용될 수 있다[8,20]. 공학재료는 준설토가 가지는 공학적 특성을 용도에 따라 적절하게 활용하되, 토양으로서의 생태기능을 직접적으로 활용하지는 않는 유효활용의 형태로 정의하였다. 이러한 활용방법으로는 성토재, 복토재, 간척지 조성, 도로기층재, 매립지 덮개 및 준설토 피복(Capping) 등을 들 수 있다[8,20]. 유효활용용도는 준설토 내 오염물질 농도 및 존재특성, 이화학적 특성, 공학 기능 등의 결정인자들을 종합적으로 분석 및 평가하여 결정하여야 한다[17,21].

국내에서 발생하는 준설토의 대부분은 투기장 투기 방법으로 처리되며 배후부지 매립 등 기타방법으로 활용되는 비율이 9.17%로 낮은 편이다[18]. 유효활용 시 적용되는 적절한 기준 및 가이드라인의 부재는 준설토 유효활용 비율 및 활용용도가 매우 제한적인 큰 원인이 되며[3] 준설토 유효활용에 대한 관심 및 인식 부족 또한 그 원인이 될 수 있다. 최근 국내에서도 준설토를 경량기포혼합토 및 지오튜브 등 다양한 건설재료로 유효활용하려는 연구가 활발해지고 있으나[22,23] 보다 유효활용을 활성화, 다변화하기 위하여서는 국가적 차원의 법적·제도적 정비 및 연구개발 지원이 필요하다. 국외의 경우 국내에 비해 준설토 유효활용 비율이 높고 단순 건설재료 뿐만 아니라 생태자원을 포함한 다양한 용도로 유효활용되고 있다[3]. 일본의 경우 90%의 높은 비율로 준설토가 유효활용되고 있으며 공항조성 건설재료, 해안양빈, 토지조성 등[18,24]의 용도로 유효활용 하거나 기존 오염된 갯벌을 제거하고 저서생태계가 서식할 수 있는 갯벌조성의 재료, 야생생물 서식지 조성 등의 목적으로 유효활용하고 있다[25]. 스페인도 76%의 높은 비율로 건설재료 및 해빈양빈의 용도로 유효활용하고 있으며[26] 미국의 경우 20% 이상의 준설토가 유효활용 되며 서식지 조성, 농업부지, 간척지 조성, 건설재료, 해수욕장 양빈 등 가장 다양한 용도로 유효활용한 사례가 있다[8,20]. 네덜란드는 23%의 준설토를 유효활용하며 그 중 15%를 육상에 매립지 지반조성, 도로건설, 댐건설 등의 건설재료 등의 용도로 활용한다[11,24].

준설토 내 오염물질 전함량은 준설토 유효활용 가능여부, 정화수준 및 처분방안을 결정하는데 필요한 인자이다. 국가별, 시험방법별 및 유효활용 목적별로 적용되는 오염물질 전함량 허용농도 수준이 달라질 수 있다. 우리나라는 준설토를 해안, 인공섬, 어장, 항만시설 등에 활용하는 경우 해양환경관리법에 의거한 수저준설토사 유효활용기준이 적용되며, 육상에 토양 또는 그 일부로 활용하는 경우 토양환경보전법의 토양오염우려기준을 판단의 근거로 사용할 필요가 있다[16]. 우리나라를 포함한 여러 국가에서는 부지용도, 인간 활동의 빈도 등에 따라 토양오염의 기준을 달리 설정해놓고 있고, 일부 국가에서는 준설토의 오염물질 함유농도에 따라 유효활용 용도 및 범위를 제한하고 있는 바[7], 오염물질 전함량 농도는 유효활용 가능 여부 판단뿐만 아니라 세부적인 유효활용용도 결정 시에도 중요한 결정인자 중 하나로 작용한다고 볼 수 있다.

오염물질 전함량 분석은 고온, 고압, 강산, 유기용매 등을 이용하여 퇴적토 내에 존재하는 오염물질을 최대한 추출하여 분석하는 방법으로, 중금속에 대해서는 미국의 microwave digestion 법(US EPA 3051A) [27], 우리나라 토양오염공정시험기준의 왕수추출법 등이 적용될 수 있다. 유기오염물질의 경우 US EPA 3540C [28] 및 우리나라 토양오염공정시험기준의 Soxhlet 법 또는 그와 동등한 추출효율을 보이는 것으로 검증된 방법(ex: US EPA 3545A, pressurized fluid extraction)을 적용할 수 있다.

단기용출 평가는 준설토 내 오염물질의 용출로 인한 잠재적 위해성을 평가하기 위해 수행된다[29]. 단기용출평가는 측정방법이 간단하고 실험기간이 짧으며 저렴한 비용으로 오염물질의 이동성을 평가하여[30] 인간, 동식물 및 주변 환경에 미치는 잠재적 위해성을 분석할 수 있다[31]. 단기용출평가에 사용되는 시험방법으로는 국내의 폐기물용출시험법과 US EPA의 TCLP (Toxicity Characteristics Leaching Procedure; US EPA, 1992) [32] 및 SPLP (Synthetic Precipitation Leaching Procedure; US EPA, 1994) [33] 시험법 등을 들 수 있다. 단기용출시험법은 폐기물의 잠재적 위해성 평가뿐만 아니라 폐기물 처리의 기준으로도 활용될 수 있다[29]. 유효활용이 적용되는 국가의 법·제도 및 유효활용방안에 따라 적합한 시험방법 및 기준이 달라질 수 있으며 해당 국가에 관련법규가 없는 경우 활용용도와 현장특성 등을 고려하여 적절한 시험방법 및 기준을 선택하여 단기용출평가를 수행한다.

주상시험을 통하여 단기용출시험에 비하여 보다 현장에 가까운 조건에서 유효활용된 준설토 함유물질의 장기 용출로 인한 주변 환경 및 생태계 영향을 평가할 수 있다[31]. ISO/TS 21268-3, CEN/TS 14405, DIN 19528 등에서 제시하는 주상시험[34]은 연속식 흐름으로 매체접촉형 산업부산물 재활용 및 준설토 유효활용을 통해 발생한 용출수 내 유기성 유해물질 및 중금속 등 무기성 유해물질을 정량화하여 오염물질의 용출이 주변 환경에 미치는 영향을 평가한다. 용출수의 pH, 염도, 탁도, COD, DOC 등 수질 측정[35]을 통해 특정 독성물질 이외의 오염요인들이 주변 환경에 미치는 영향도 함께 예측할 수 있다. 뿐만 아니라, 주상시험에서 발생된 용출수를 이용한 생태독성평가를 통해 용출수가 주변생태계에 미치는 독성영향을 보다 직접적으로 평가할 수 있다. 주상시험을 통해 얻은 용출시험의 고액비 별 오염물질 용출 결과는 세부적인 준설토 유효활용 용도결정 후 현장특성을 고려한 장기적인 오염물질 확산 예측 모델링평가[36,37]에 활용될 수 있다.

이화학적 특성은 준설토의 세부적인 용도결정 시 결정적인 역할을 한다[13,20]. Table 1에 각 이화학적 특성인자와 각 인자가 반드시 고려되어야 하는 유효활용 유형을 나타내었다. pH는 공학재료와 생태자원 유효활용 유형 모두에 대하여 고려가 필요한 요소이다. 생태자원의 경우 생태계가 서식할 수 있는 환경을 제공하기 때문에 적정범위(e.g. 6.0-8.5)의 pH를 유지해야 하며 공학재료로 활용될 경우 적용되는 환경에 따라 빗물, 지하수 등이 준설토와 접촉하여 생성된 유출수의 pH가 주변 환경에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 유효활용 시 반드시 분석이 필요하다. 적정 pH 범위를 벗어나는 경우 슬래그, ash 등의 산업부산물[38] 또는 석회 등의 중화제[8]를 이용하여 pH를 개선할 수 있다. 준설토의 입자크기 및 토성은 세부적인 유효활용 용도를 결정하는데 활용되는 인자이다. 입자크기는 투수성, 보수력, 공학기능 등에 영향을 미친다. 모래, 자갈과 같이 큰 입자의 비율이 높은 경우 보수력이 낮고 투수성이 높지만 하중을 지지하는 공학기능이 필요한 공학재료로서의 활용 가치가 높으며[11] 점토 등 작은 입자 크기의 비율이 높은 경우 투수성이 낮아 매립지 라이너 및 차수재 등으로 유효활용 될 수 있다. 뿐만 아니라, 생태자원으로 유효활용 시 보수력, 투수성, 영양분 전달 능력 등이 요구되기 때문에 적절한 토성(soil texture)을 확보할 필요가 있다[39]. 유효활용용도에 필요한 입자크기 비율이 부족한 경우 적절한 크기의 입자를 추가적으로 공급하여 개선 가능하다[8].

염분은 육상 생태수용체에 치명적인 생태독성영향을 미칠 수 있는 요소이다[8,11]. 특히, 준설토 내 염분농도가 매우 높은 경우(예: 해양 준설토) 육상 생태계가 서식할 수 있는 생태자원으로 활용하는 것은 부적절하므로 유효활용용도 결정 시 상당한 영향을 미친다. 뿐만 아니라, 공학재료로 활용 시에도 염분농도가 매우 높은 경우 주변 토양, 지표수, 지하수 등에 염분이 확산되어 피해를 끼칠 수 있으므로 육상 재활용 시 염분농도의 분석을 실시하고, 필요한 경우 저감 단계가 수행되어야 한다. 토양 내 염분을 측정하는 다양한 방법 중 전기전도도를 이용한 측정법이 간단하고 염분측정 시 널리 사용되는 방법이다[40]. 유효활용 시 염분농도를 본 논문에서는 식물의 서식 및 생육 여부에 따라 크게 세 단계로 구분하고자 한다. 첫 단계는 염분이 매우 높아 염분에 강한 식물도 자랄 수 없으며 공학재료로 사용 시에도 주변 환경에 악영향을 미칠 수 있는 단계이다. 이 단계는 준설토를 육상에 유효활용 할 경우 반드시 염분을 육상생물 생육 가능 또는 주변 환경에 영향을 미치지 않을 수 있는 수준까지 제거해야 한다. 하지만, 염분은 용해도가 높으며 물을 이용하여 비교적 쉽고 간단하게 제거 가능한 물질이다. 염분저감 방법으로는 물을 이용한 토양세척법이나[41,42] 야적한 준설토의 빗물을 이용한 자연세척[8,11] 등이 적용될 수 있다. 빗물을 이용한 염분 저감 시 효율을 높여주기 위해 투수성이 높은 굵은 입자를 혼합하거나 관개를 실시할 수 있다[11]. 다른 대안으로 염분을 제거하지 않고 육상환경이 아닌 해안습지 및 갯벌조성 등 해양 환경 조성 용도로 준설토를 재활용하는 것도 적극적으로 고려할 필요가 있다[8,43] 두 번째 단계는 염분에 강한 식물이 자랄 수 있거나 공학재료로 재활용 시 주변 환경에 영향을 크게 미치지 않는 수준이다. 육상에 생태자원으로 유효활용 시 염분에 내성이 강한 식물 위주로 생육을 시작하며 준설토 내 잔류염분은 빗물을 통해 낮아질 가능이 높으므로 추후 염분이 낮아졌을 때 다양한 종류의 식물을 재배할 수 있다. 마지막으로 염분에 대한 내성이 중간 또는 약한 정도의 식물이 생육할 수 있는 단계에서는 준설토 내 염분농도에 맞는 식물을 우선적으로 선정하여 재배할 수 있으며 추후 빗물로 염분농도가 낮아짐에 따라 염분농도와 관계없이 다양한 생물이 서식하는 환경을 조성할 수 있는 생태자원으로 유효활용가능하다. 이러한 염분농도에 따른 준설토의 분류를 위한 표준화된 기준은 아직까지 존재하지 않는 것으로 파악되나, 호주 New South Wales 주 등 일부 지역에서는 식물의 염분 내성에 따른 토양의 전기전도도 가이드라인[44]을 제공하고 있어 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한, 염분에 따른 생태독성 및 생장 평가, 염분 확산으로 인한 주변환경 영향 등에 대한 체계적인 연구를 통하여 적절한 준설토 염분농도 평가기준 마련을 위하여 노력할 필요가 있다.

유기물함량, 양이온 교환능, 질소, 인, 칼륨 등의 영양분은 생물생장에 반드시 필요한 요소이므로 생태자원으로 유효활용 시 반드시 평가해야하는 인자이다[8]. 준설토 내 해당 인자들이 부족한 경우 공학재료로 유효활용하거나 필요한 인자를 추가로 공급하여[11] 개선 후 생태자원으로 유효활용할 필요가 있다.

공학기능 평가는 공학재료의 용도를 결정하는데 중요한 인자로 사용된다[8,20]. 공학재료로 유효활용 하고자 하는 경우 다짐시험, 압밀시험, 전단강도 등의 공학적 기능 분석을 통해 기초지반, 건설재료, 도로기층재 등 용도 별로 준설토의 공학재료로서의 적합성을 판단할 수 있다. 다짐시험을 통해 최적의 함수비를 구하고 다짐정도를 결정하여 필요한 전단강도, 간극비를 얻고 압축성 및 수축성을 줄일 수 있다. 압밀실험을 통해 지반의 침하량 및 침하속도를 조사하여 노상, 기초지반으로서의 적합성을 판단하고 전단시험을 통해 준설토의 직접전단, 하중지지력 및 사면안정을 분석하여 토목공사 자원으로의 적합성을 평가한다[8,20]. 준설토 자체의 하중 지지 기능이 충분하지 못할 경우 건설재료의 보조재로 활용하는 것을 검토하거나 입자크기가 작아 투수성이 낮은 경우 매립지 라이너, 차수층 등으로의 활용 방안을 모색할 필요가 있다.

생태독성평가는 해당 매질에서 지표생물의 생존, 생장량 등을 측정하여 매질에 존재하는 유해인자가 미치는 독성 영향을 보다 직접적으로 평가할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 생태독성평가를 준설토를 현장에 유효활용하였을 때 용출수가 주변 생태계에 미치는 생태독성영향 평가(Ecotoxicological test I)와 준설토를 생태자원으로 유효활용 시 이에 서식하는 육상 생태수용체에 미치는 생태독성영향을 평가(Ecotoxicological test II)하는 두 단계로 구분하였다(Fig. 3). 첫 번째 생태독성평가단계(Ecotoxicological test I)에서는 주상시험에서 발생하는 용출수를 이용하여 생태자원 또는 공학재료로 유효활용 되었을 때 용출수로 인해 주변 지표수, 지하수, 토양 등에 서식하는 생태 수용체에 미치는 생태독성영향을 평가한다. 이 단계에서는 용출수의 유입으로 주변 수계 내 생태계에 미치는 독성영향과 주변 토양에 서식하는 육상 생태수용체에 미치는 독성영향을 평가할 필요가 있다. 수생태계에 미치는 독성영향을 평가하는 시험법의 예로는 녹조류(Pseudokirchneriella subcapitata)를 이용한 성장저해실험(ISO 8692, 2012) [45,46], 물벼룩(Daphnia magna)을 이용한 급성독성실험(ISO 6341, 1996) [46,47] 등이 있으며, 육상 생태수용체에 미치는 독성영향은 수경재배법을 이용한 쌀보리 뿌리길이 생장저해실험(ISO 11269-1, 1993) [48] 등을 활용할 수 있다. 두 번째 생태독성평가단계(Ecotoxicological test II)는 준설토를 생태자원으로 유효활용할 때 준설토 내 유해인자로 인한 생태독성영향을 평가하며, 여러 영양단계(trophic level)에 있는 생물을 대상으로 평가하여 생물독성의 존재여부를 명확하게 검증할 필요가 있다. 따라서, 미생물, 무척추동물, 식물 등 최소 3가지 이상의 다른 영양단계의 시험종을 이용하여 준설토 내 존재하는 잠재적 유해인자가 육상 생태수용체에 미치는 생태독성영향을 평가하는 것을 제안한다. 각 영양단계에서 사용되는 시험종은 각 종의 대표성을 띄어야 하며 해당 오염물질에 민감도가 높고 국제표준시험기준에 사용되는 종을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 생태독성시험에서 평가하는 독성학적 종말점(ecological endpoint)은 생물종의 치사율(mortality) 뿐만 아니라 유해물질 존재로 인한 생리학적 영향(physiological effect)을 포함할 필요가 있다. 예를 들어, 식물독성시험의 경우 옥수수, 밀, 귀리, 보리 등 국제표준시험 식물종 중 준설토 내 주요 유해인자에 민감한 종을 선택하고, 발아 및 생장뿐만 아니라 광합성, 호흡 증산, 엽록소 함량 등 식물의 생리학적 작용[49]을 분석할 수 있다. 미생물의 경우 탈수소효소활성도[50], Microtox 생물검정법[51] 및 기질 유도 미생물 활성(substrate induced respiration) [52] 등을 이용하여 오염물질의 생태독성 및 생리학적 영향을 평가하며 무척추동물은 가장 일반적인 시험종인 지렁이[53] 등을 이용하여 치사율, 생장율, 회피율 등을 평가할 수 있다.

유효활용 의사결정을 위하여 유효활용 시 준설토 내 오염물질의 확산으로 인한 주변지역 영향을 예측하고 그 결과를 반영할 필요가 있으며, 이를 위하여 오염물질 거동특성과 부지 특성을 반영한 모델링 평가를 실시할 필요가 있다. 모델링 평가를 통해 주요 오염물질의 확산 방향, 범위 등 이동경로를 예측[34]하고 오염물질의 탈착, 유출, 확산을 통해 주변 환경 및 생태계에 미치는 영향을 예측한다[37,54]. 오염물질 확산 모델링은 부지특이성을 반영하여야 하므로 세부적인 준설토 유효활용 용도 및 그 적용 시나리오가 일차적으로 결정된 후 수행되어야 한다.

우선적으로, 준설토 내 주요 오염물질 특성 및 부지 개황조사를 통하여 모델링 평가의 대상물질을 선정하고, 대상물질 별 주요 이동경로를 파악하여 현장개념모델(conceptual site model)을 구축할 필요가 있다. 이후에는 보다 상세한 현장조사를 통하여 현장의 토양특성, 지하수 흐름특성, 표면유출 특성 등을 파악한다.

위 4.3절에 기술한 주상실험을 통해 얻은 준설토의 고액비에 따른 오염물질 용출 특성 결과는 수학적 모델로 표현하여 준설토 유효활용 시나리오에 따른 현장에서의 오염물질 장기용출을 예측하는 데 활용할 수 있다[37]. 준설토가 성복토재, 또는 생태서식지 조성 등의 용도로 유효활용 되어 투수성의 토양층을 형성하는 경우(percolation controlled scenario) 강우 침투로 인해 오염물질이 탈착 또는 용해되어 하부토양층 또는 지하수로의 유입되는 농도를 예측할 수 있다[55]. 한편, 준설토가 도로기층재 또는 매립지 라이너 등 투수성이 낮은 재료로 유효활용되었을 때에는(diffusion controlled scenario) tank leaching 시험 등 표면에서의 오염물질 확산 기작을 모사하는 시험을 실시하여 강우가 매립층 주변을 따라 흐르면서 확산을 통하여 주변지역으로 전달되는 오염물질의 농도를 예측할 수 있다[55]. 유효활용된 준설토와 접촉한 강우의 오염물질 농도가 예측되면, 그 오염물질의 주변환경에서의 이동을 통한 확산을 부지특이적 인자를 적용한 오염물질 거동 수치해석 모의를 통해 예측가능하다.

우리나라는 토양 생태계를 고려한 생태위해성평가에 대한 정립된 기준이 없지만 미국, 캐나다(Canadian Council of Ministers of the Environment, CCME), 네덜란드(National Institute for Public Health and the Environment, RIVM) 및 유럽연합 등 선진국에서는 토양 및 생태계 보호를 위해 생태위해성평가를 환경기준에 포함하여 수행하고 있다[4,56,57]. 유럽연합에서는 생물독성시험 데이터베이스를 통하여 통계적으로 생태독성영향이 거의 나타나지 않는다고 예측되는 농도인 예측무영향농도(Predicted No Effect Concentration, PNEC)를 기준값으로 사용하며 네덜란드, 호주, 영국 등 선진국에서는 나라별로 생태허용농도를 정하여 사용하고 있다[4,58]. 최근 국내에서도 토양 생태계의 독성영향에 대한 중요성이 대두되고 있으며 토양 생태위해성평가 기준을 개발하는 연구가 점차 활발해지고 있다[4,58]. 실제 현장에서 부지 특이적인 지표종(receptor)을 선정하고, 그 지표종의 각 오염물질 노출경로와 생태학적 특성을 반영하여 생태위해성평가를 실시하는 작업은 상당한 노력과 시간, 전문적 지식, 충분한 데이터베이스가 요구되므로 현실적인 제약이 크다고 볼 수 있다. 따라서, 간단한 선별수준(screening level)의 생태위해성 평가를 실시하고, 여기에서 충분히 고려되지 못하는 위해우려를 위 4.6절에서 서술한 생태독성평가를 통하여 보완하는 것이 보다 현실적인 것으로 판단된다. 이 방법은 각 오염물질에 대하여 독성시험 문헌자료를 통하여 통계적으로 도출한 PNEC 값을 현장의 대표농도(Predicted Environmental Concentration, PEC), 즉 준설토의 오염물질 농도와 비교하여 다음과 같이 위해도(Hazard Quotient, HQ)를 계산한다[4].

계산된 HQ의 값이 1 이상인 경우 대상 오염물질이 생태학적으로 위해가 우려되는 수준으로 존재한다고 판단할 수 있다. 선별 수준 생태위해성 평가에서 사용하는 PNEC 값은 일반적으로 상당히 보수적인 농도가 산출되며[4,51] 전함량 기준으로 인체위해도 및 농업용 토양의 기준을 만족하더라도 생태위해도가 있는 것으로 평가될 가능성이 상당하다.