이 보고서는 미국의 고속도로 협력 연구프로그램인 "NCHRP 프로젝트 25-32: 매우 도시화된 지역의 우수에서 용존 금속을 측정하고 제거하기(Measuring and Removing Dissolved Metals from Stormwater in Highly Urbanized Areas)"의 결과를 제공함. 이 프로젝트는 고속도로 유출수의 용존 금속 측정을 개선하고, 고속도로 환경에서 용존 금속을 제거하기 위한 유망 기술을 파악하기 위해 설계되었음. 다양한 금속 -- 예를 들어, 구리, 아연 및 납 -- 이 고속도로 유출수와 연관되어 있는데, 왜냐 하면 브레이크 패드, 바퀴 무게, 그리고 표지판과 가드레일과 같은 아연 도금 구조물(galvanized structures) 때문임. 용존 금속의 특성 파악과 처리는 중요한 연구이슈인데, 왜냐하면 상당수의 물이 용존 금속 농도에 의해 수질이 악화되어 일일 전체 최대부하(Total Maximum Daily Loads, TMDLs)의 개발로 이어지거나, 멸종 위기종의 존재로 인해 더욱 엄격한 규제에 적용될 수 있음.

TMDLs는 종종 고속도로 환경에 적합한 기존의 우수 최적 관리 사례(Best Management Practices, BMPs)로 달성할 수 없는 수질 배출 요구사항을 가지고 있음. 국가 전체적으로, 구리, 아연 및 납에 의해 수질이 악화된 417개, 357개, 그리고 392개의 수체(waterbodies)가 현재 존재함. 이렇게 더럽혀진 수체의 상당수는 매우 도시화된 지역에 위치해 있는데, 이러한 지역에서는 우수 처리를 위한 공간이 제한적이고 기존의 우수 배수시스템의 수리학적 제약사항은 기술적으로 실현가능한 처리 방안을 제한함. 도시 지역에 위치하여 금속으로 오염된 수체의 사례에는, 캘리포니아 주의 로스앤젤레스 강(Los Angeles River), 와싱턴 주의 시애틀 대도시 지역에 위치한 디모인과 하일보스 하천(Des Moines and Hylebos Creeks)이 포함됨.

멸종위기종에 관한 법(Endangered Species Act)은 멸종 위기에 있거나 위협을 받고 있는 생물종을 보호하기 위해 통과되었음. 상당수의 연어가 위협 생물종 목록에 올라가 있고, 이는 태평양 북서부에서 특히 걱정거리임. 연어는 특히 용존 구리 -- 브레이크 패드가 주 배출원임 -- 에 대해 낮은 수용력을 가지고 있음. 결과적으로, 용존 구리에 대한 규제 한도는 독성 한계치보다 더 낮기도 함.

BMP의 효과성에 대한 평가뿐만 아니라 수체와 빗물 유출수의 특성 파악과 관련된 주요 어려움은 수질 기준을 맞추기 위해 달성되어야 하는 낮은 농도임. 예를 들어, 구리에 대한 기준은 일반적으로 3 ug/L임. 

이 연구는 두 단계로 나누어져 있음. 첫 번째 단계는 문헌 검토, 유출수에서 용존 금속의 표본을 추출하고 분석하기 위한 프로토콜의 개발, 실험실 테스트를 위한 후보 물질의 파악, 그리고 연구실 연구계획의 개발에 중점을 두었음. 두 번째 단계는 후보 물질에 대한 실험실 평가의 수행과, 매우 도시화된 지역에서 실행을 위한 모형 BMPs의 개발을 포함하였음. 

제 2장은 고속도로 유출수의 특성 파악에 대한 요약을 제공하는데, 여기에는 구성물질의 농도와 다양한 입자 크기 분포(particle size distribution, PSD)의 영향이 포함됨. 제 3장은 자연적 지표수에서 용존 금속의 이송과 운명에 대한 현재의 지식상태를 요약함. 제 4장은 빗물 유출수에서 용존 금속의 제거를 연구한 이전 사례에 대한 문헌을 검토하였음. 제 5장은 합성 우수 칵테일(synthetic stormwater cocktail)과, 유출수에서 용존 금속의 제거를 위한 후보 물질에 대한 연구실 평가를 서술함. 제 6장은 매우 도시화된 지역에서 용준 금속의 제거를 위해 개발된 3가지 개념의 BMPs를 제시함. 제 7장은 미래의 연구방향을 제안함. 제 8장은 이 연구 프로젝트에 대한 간략한 요약과 결론을 제공함. 부록 A와 B는 용존 금속 농도 분석을 위한 표본 수집에 대한 안내를 제공함.

이 장의 목적은 이 연구 프로젝트 동안에 달성된 결과에 대한 간략한 요약을 제공하는 것임. 다음과 같은 다양한 주제가 연구되었음:

- 고속도로 유출수의 특성 파악

- 자연적 지표수에서의 용존 금속에 대한 환경 화학

- 유출수에서 용존 금속의 제거에 대한 이전 연구

- 선택된 물질에 대한 용존 금속 제거의 실험실 평가

- 가장 유망한 물질에 대한 개념적 BMP 설계 개발

- 미래의 연구 니즈 파악

고속도로 유출수에서 금속의 농도는 일반적으로 자연적 수체에서 관측된 것보다 더 높은데, 이는 잠재적 독성에 대한 우려로 이어짐. 사실상, 여러 연구는 수상 생태계에 대한 급성 및 만성적인 독성을 검증하였고, 금속은 미국에서 수체의 오염에 대한 원인 중 하나임. 종종 간과되는 사실은, 용존 금속과 입자 금속의 분간은 화학적이라기 보다는 운영상으로 이루어진 것임. 용존 단계에 있는 금속의 비율을 결정하기 위한 실험실의 방법은 0.45 um 필터를 통과시키는 것임. 많은 입자들이 이 임계치보다 작을 수 있기 때문에, 이 방법은 다소 작위적임. 더구나, 금속 이온은 자유 이온처럼 존재하기 보다는 유기성 및 비유기성 리간드(ligands)과 결합될 수 있음. 그 결과, 용존 상태와 이온 상태는 같은 뜻이 아님. 새크라멘토 강(Sacramento River)에서의 금속 이송에 대한 연구에 의하면, 금속의 70%까지 용존 상태로 특성지어질 수 있음.

고속도로 유출수에서 유기성 구성물질도 용존 금속의 생체이용률(bioavailability)과 다양한 처리 절차의 효과성을 결정하는데 중요한 역할을 할 수 있음. 이러한 구성물질에는 오일, 윤활유, 부식산(humic acid), 플래스틱, 타이어 고무, 배변 물질, 파라아미노마뇨산(para-aminohippuric acid, PAH), 프탈산(phthalates), 살충제 및 제초제 등이 포함됨. 

빗물 유출수는 또한 상당한 부하의 용존, 콜로이드, 부상 상태의 입자들을 이송하는데, 여기에는 금속과 유기성 및 비유기성 화합물이 포함됨. 고속도로 유출수에서 금속의 농도를 낮추기 위한 효과적인 시스템을 설계하는 데에는 다양한 크기 비율을 가진 금속 간의 결합과 PSD에 대한 지식이 필요함. 작은 입자는 상대적으로 높은 표면적(surface area, SA)을 가지고 있지만, 흡착 금속의 질량 대부분은 더 큰 입자와 결합되어 발견됨. 이는 큰 입자의 상당히 더 큰 질량 때문임.

우수에서 용존 금속의 특성을 정확히 파악하기 위해서, 표본 추출과 분석 모두에 엄밀한 프로토콜이 필요함. 왜냐하면, 금속의 매우 낮은 농도도 수생 생물에게 영향을 미칠 수 있기 때문임. 이러한 노력의 일환으로 프로토콜이 개발되었고, 첨부 A에 독립된 문서로 포함되어 있음.

천연수에서 화학적 종 분화(chemical speciation)는 물에서 금속의 이동성, 독성, 및 생체이용률을 제어하는데 상당한 의미를 가지고 있음. 금속 이온의 성질과 용액의 화학은 종 분화를 제어하고, 비유기성, 유기성 및 생물학적 입자물질에 대한 흡착 정도를 결정함. 금속 이온의 종 분화를 예측하는데 고려되어야 할 핵심적인 절차는 산/알칼리 화학, 비유기성 리간드(예를 들어, 탄산과 황산)와의 복합체 형성, 천연 유기성 물질(Natural Organic Matter, NOM)과의 복합체 형성, 산화/환원 반응, 강우 및 흡착 등을 포함함.

문헌 검토는 이러한 절차의 각각에 대한 간략한 서술을 제시하고, 이들이 금속 이온의 종 분화에 미치는 영향을 파악하였음. 또한 문헌 검토는 이러한 절차의 각각에 대한 금속 이온 종 분화를 예측하기 위해 사용된 최신 접근방법을 파악하였고, 금속 이온의 종 분화에 영향을 미치는 이러한 절차들 간의 상호작용을 강조하였음. 천연수 화학의 복잡성은 문헌 검토 내내 강조되었는데, 특히 NOM의 이질성과 NOM을 종 분화 예측 모델에 포함하기 위한 접근방법에 대해 강조하였음. 

마지막으로, 금속 이온 종 분화가 생체이용률에 미치는 영향이 다루어졌고, 생물 리간드 모델(biotic ligand model, BLM)에 대한 서술이 제공되었음. BLM은 금속 이온의 종 분화에 영향을 미치는 모든 절차를, 금속 이온이 목표 생물체(즉, 생물 리간드)에 미치는 영향을 예측하기 위한 독성 모델에 포함하기 위한 접근방법을 제시함. 금속 이온의 생체이용률은 용액에서의 종 분화, 금속 종의 친밀성, 생물학적 막을 통한 이송수단, 그리고 금속 이온의 독성에 달려있음. BLM은 생물체 내의 특정 수용지역과 금속 이온의 결합을 예측함. 이 모델은 천연수에서 금속 이온의 독성을 예측하는 것에 있어서 최신의 기술이며, 규제 도구로써 상당한 잠재력을 가지고 있음.

용존 금속의 제거, 평가를 위한 후보 물질의 파악, 그리고 이러한 물질이 우수 처리시스템에 어떻게 포함될 수 있는지에 대한 이전의 연구가 검토되었음. 유출수가 이송하는 입자 금속에 대한 처리는 일반적으로 퇴적, 응집, 여과 또는 이들의 결합을 필요로 함. 반대로 용존 금속과 금속 이온은 흡착, 이온 교환 또는 표면 결합 매커니즘을 사용하여 더 효과적으로 제거될 수 있음.

주변 토양에 대한 침투을 위해 설계된 현장의 다양한 구조적 BMPs가 금속을 제거하기 위해 개발되어 왔음. 침투 시스템은 용존 및 입자 상태의 구성물질을 제거할 수 있음. 이러한 침투 BMPs의 혜택은 평균 체류시간의 증가임. 더 낮은 수리학적 전도도를 가진 토양에서의 침투 BMPs는 도시 및 고속도로 유출수에서 오염 부하의 증가로부터 야기되는 토양 및 지하수 오염에 대한 리스크를 낮춤.

자연 및 인공 여재 -- 예를 들어, 모래, 활성탄, 산화물 코팅 여재 -- 에 대한 금속의 흡착은 많은 연구자들에 의해 연구되어 왔음. 이전 연구에서의 결과에 의하면, 순수 모래나 자갈 여재는 충분한 SA를 가지고 있지 않아 빗물의 용존 금속을 제거하는데 효과적이지 않음. 그 결과, 연구자들은 종종 유기성 물질, 펄라이트(perlite), 지올라이트(zeolite)로 모래 필터 여재를 보강하였는데, 이들 모두 용존 금속의 제거에 보통 수준의 효과성을 보였음.

산화물 코팅 금속은 용존 금속 흡착에 오랫동안 사용되어 왔음. 이러한 광물 표면은 양쪽성(amphoteric)임. 우수 필터 여재 상에 양쪽성 산화물 코팅 표면은 흡착에 대한 커다란 표면적을 가질 수있음.

콘크리트, 벽돌과 같은 시멘트 여재는 산화물로 코팅될 때 금속 제거에 효과적일 수 있음. 시멘트 인프라 물질 또는 재생 시멘트 물질을 사용하는 아이디어는 세가지 이점을 가지고 있음. 첫째, 시멘트 물질은 알칼리도를 증가시켜 금속 제거 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 산화물과 용존 금속의 양이온 간의 정전기 작용으로부터 혜택을 얻을 수 있음. 

최근의 연구 상당수는 저비용의 금속 이온 흡착제를 평가하였음. 우수 처리에 대한 한가지 활용사례로 게 껍질 폐기물(crab-shell waste)을 들 수 있음. 키틴(chitin)과 칼슘 카보네이트의 결합은 이상적인 여재로 제안되어왔음. 

이러한 문헌 검토에 근거하여, 다음의 물질이 고속도로 유출수에서의 용존 금속 제거를 위한 평가로 고려되었음: 철과 산화망간(Manganese oxides, MO); 콘크리트 물질과 방해석(calcite); 그리고 게 껍질.