Pollution Characteristics and Health Risks of Heavy Metals in Groundwater of a Chemical Industrial Park

기술 요약: 화학 산업 단지 지하수의 중금속 오염 특성 및 건강 위해성

문제 제기
화학 산업 단지는 생산 및 저장 과정 중 중금속 누출 가능성으로 인해 지하수 자원과 인체 건강에 상당한 위험을 초래한다. 기존 연구들은 오염 특성과 기원을 분석하기 위해 다양한 통계적 방법을 활용해 왔으나, 전통적인 건강 위해성 평가는 고정된 노출 매개변수에 의존하는 경우가 많아 중금속의 복합 독성 효과나 노출 시나리오에 내재된 불확실성을 반영하지 못한다는 한계가 있다. 또한, 오염물의 동적 진화와 특정 지역 맥락에 따른 노출 매개변수의 적응성에 관한 국지적 데이터도 부족한 실정이다. 본 연구는 이러한 격차를 해소하기 위해 중국 남부의 한 화학 산업 단지를 조사하여 중금속 오염을 체계적으로 규명하고, 오염원을 식별하며, 불확실성을 고려한 견고한 건강 위해성 평가를 수행하였다.

연구 방법
본 연구는 상부 백악기 및 제4기 지층으로 구성되어 있으며 지하수가 서쪽에서 동쪽으로 흐르는 특성을 가진 중국 남부의 한 화학 산업 단지에서 수행되었다.

• 시료 채취 및 분석: 총 127개의 지하수 시료를 채취하여 11종의 중금속(Fe, Mn, Al, Zn, Co, Ni, Pb, Cu, Cd, As, Tl)을 분석하였다.
• 오염 평가: 단일 인자 오염 지수와 Nemerow 종합 오염 지수를 사용하여 GB/T 14848-2024의 Class III 기준에 따른 오염 수준을 평가하였다. 공간적 분포는 ArcGIS 10.8의 역거리 가중치(IDW) 보간법을 사용하여 매핑하였다.
• 오염원 식별: 피어슨 상관 분석을 사용하여 중금속 간의 내부 상관관계를 정량화함으로써 공통 오염원 또는 지질 화학적 친화성을 식별하였다.
• 건강 위해성 평가: 미국 환경보호청(USEPA) 모델에 몬테카를로 시뮬레이션을 결합하여 경구 섭취를 통한 비발암성 및 발암성 위해성을 평가하였다. 이 접근법은 노출 매개변수(예: 물 섭취량, 체중, 노출 기간)의 확률 분포를 구축하여 불확실성을 고려하였으며, 특히 성인과 소아 모두에 대한 위해성을 평가하였다.

주요 결과

• 오염 특성: 철(Fe)이 평균 농도 12.16 mg/L로 가장 높았으며, 망간(Mn)과 알루미늄(Al)이 그 뒤를 이었다. 구리(Cu)를 제외한 모든 분석된 중금속의 평균 농도가 Class III 음용수 기준을 초과하였다. 해당 지역의 Nemerow 종합 오염 지수는 42.78로, 전반적으로 심각한 오염 상태를 나타냈다. Fe, Al, Tl, Pb, Ni는 심각한 오염 단계로 분류되었으며, Cd와 Co는 경미한 오염을 보였다.
• 공간 분포: Fe, Mn, Al, Tl은 연구 지역 전반에 걸쳐 높은 농도로 분포하였다. 반면, Cd, Co, Ni, Pb는 북중부 지역에 국지적인 핫스팟을 형성하였으며, 남부와 동부 지역은 상대적으로 낮은 농도를 보였다. 동중부 지역은 여러 오염 물질의 중첩으로 인해 가장 심각한 오염이 발생하였다.
• 오염원 상관관계: 피어슨 상관 분석 결과, Zn, Al, Cd, Ni, Co가 강력한 양의 상관관계 그룹(상관계수 일반적으로 >0.8)을 형성하였으며, 이는 공통된 기원 또는 유사한 지질 화학적 친화성을 시사한다. Mn은 대부분의 원소와 유의미한 양의 상관관계를 보이며 이동 및 농축의 "연결" 요인 역할을 하였다. 납(Pb)은 다른 금속들과 약한 상관관고를 보여, 별도의 오염원 또는 농축 메커니즘을 가짐을 나타냈다.
• 건강 위해성 평가:
  • 비발암성 위해성: 성인의 평균 위해 지수(HI)는 5.39, 소아는 2.25로 모두 안전 임계값인 1을 초과하였다. 성인이 소아보다 높은 위험에 노리게 된다. 망간(Mn)과 코발트(Co)가 비발암성 위해의 주요 동인으로 확인되었다.
  • 발암성 위해성: 성인의 평균 총 발암 위해(TCR)는 0.501, 소아는 0.210이었다. 평균값은 "주의 필요" 범위(1×10⁻⁶ ~ 1×10⁻⁴)에 속했으나, 성인의 최대 TCR은 1.33에 달해 안전 임계값을 초과하였다. 알루미늄(Al)이 발암성 위해의 핵심 동인으로 식별되었다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 중금속에 의한 지역 지하수 오염의 표적 예방, 관리 및 복구를 위한 과학적 근거를 제공한다고 주장한다. 몬테카를로 시뮬레이션을 USEPA 모델과 통합함으로써, 본 연구는 동적 오염 모니터링 및 국지적 노출 매 매개변수 보정과 관련된 기존 평가의 결함을 해결하였다. 특정 동인(비발암성 위해의 Mn 및 Co, 발암성 위해의 Al)의 식별과 공간적 핫스팟의 묘사는 향면의 거버넌스를 위한 정밀한 목표를 제시한다. 또한, 상관관계 분석은 연구 지역 내 중금속의 오염원 특성을 명확히 하여, 화학 산업 단지 내에서 보다 효과적인 오염원 추적 및 오염 제어 전략을 지원한다.