‘오랫동안 꿈을 그리는 사람은 마침내 그 꿈을 닮아간다’-앙드레 말로- 1

토양 복원 공학

- 토양지하수의 오염정화 및 복원 (1) -

박 성 직

‘오랫동안 꿈을 그리는 사람은 마침내 그 꿈을 닮아간다’-앙드레 말로-

1. 물리·화학적 토양오염복원기법

1) 고형화 및 안정화(Solidification/Stabilization)

– 물리․화학적인 방법을 통해 독성물질과 오염물질의 유동성을 감소시키는 방법으로 중금속 등 무기물질을 고정하여 오염물질의 이동을 방지

– 포틀란드 시멘트, 석회 및 규화제 등을 사용

– 안정화란 물질을 불용해성으로 만드는 것이고, 고형화란 액상이나 슬러지와 같은 폐기물에 접합제를 첨가하여 고상의 형태로 만드는 것을 의미

– 사용 재료

• 유기성 접합제는 용해도가 높은 폐기물이나 유기성 오염물질을 화학적으로 접합시켜 안정화시키는 능력이 크지만, 무기 접합제보다 가격이 비싸기 때문에 핵폐기물이나 독성이 강한 산업폐기물 등의 처리에 국한되어 사용

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 처리공정도

– 영향인자 • ① 토양의 입경, 수분 함량

• ② 중금속 농도 및 황 함유량

• ③ 유기물질 농도, 밀도, 투수성, 물리․ 화학적 특성

• ④ 강도

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 제약조건 ① 일반적인 공정은 부피를 두 배까지 증가시킬 우려가 있다.

② 휘발성 유기물질은 고정화되지 않는다.

③ 여러 가지 오염물질이 혼합되면 처리 시간이 길어진다.

④ 장기간의 효용성 문제도 거론되고 있다.

– 오염물질 및 토양입경별 처리효과

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 처리효율

• 일반적인 오염물질로 오염된 토양에 적용가능하며, 대부분의 시약과 첨가제의 적용범위는 매우 넓고 가격 또한 저렴

• in-situ 고형과/안정화 공정은 오염물질의 유동을 95% 이상 감소시키고, ex-situ 고형화/안정화 공정은 오염물질에서 일어나는 화학반응에 따라 생성물질이 독성물질로 변화

• 장치의 형태와 크기, 토양의 성분에 따라 소요기간이 다르며, 20,000톤의 토양을 처리하는데 약 1개월 정도 소요

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

2) 토양증기추출법(Soil Vapor Extraction)

– 토양증기추출법(SVE)은 불포화 대수층위에 추출정(井)을 설치하여 토양을 진공상태로 만들어 줌으로서 토양으로부터 휘발성, 준휘발성 오염물질을 제거하는 정화방법

– 오염지역 외부에서 공기가 주입되어, 토양으로부터 추출되는 가스가 지상에서 처리

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 공정원리

• 추출정, 주입정 등을 오염지역에 설치. 주입정을 이용하여 지중 토양에서 공기를 유동

• 공기가 흡입될 때는 저항이 가장 적은 지역을 따라 흐르기 때문에 통기성이 가장 좋은 지역을 통해 공기가 유동

• 정은 오염지역까지 굴착, 블로어는 정을 통해서 오염된 지역의 공기를 빨아들임

• 과도한 수분을 제거한 후 휘발성 유기오염물질을 제거하고, 가스는 통풍장치를 통해서 대기 중으로 배출

• 부지가 넓은 경우에는 여러 개의 정을 설치하고, 활성탄소, 블로어 등 필요

• 지하수 펌핑처리 조작과 마찬가지로 다른 기술과 복합적으로 사용

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– SVE 시스템 구성요소

• 추출정 및 공기주입정: 일부가 열려있는 파이프를 사용하여 침투성이 좋은 굵은 모래나 자갈 위에 지하수층까지 도달하지 않도록 설치. 추출정이 영향을 미치는 범위는 진공도, 공기주입정의 존재 유무, 지반구조, 토양 특성층에 따라 결정. 공기주입정은 SVE에 필요한 유량을 유지하기 위해 설치하며 송풍기를 사용.

• 진공펌프 및 송풍기

• 격리층(Impermeable Caps): 표면으로부터 지하수가 나오는 것을 방지하고 오염물질의 제거효율을 높이기 위해 사용

• 기액 분리기: 진공펌프와 송풍기를 보호하고 배기가스 처리효율을 높이는데 사용

• 배가스 처리: 소각이나 촉매 산화 등과 같은 열적처리방법, 활성탄 흡착, 응축, 습윤 세정, 생물학적 처리 등 이용

• 적용범위: 주유소 부지, 산업기지, 공항, 군사기지 등이 있으며 이미 부지에 건물이 있어서 토양 굴착이 불가능한 곳, 오염된 토양부피가 너무 많은 곳,생물학적 처리속도를 빠르게 할 필요성이 있는 곳 등에도 적용

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– SVE 시스템의 장 ․단점

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 영향인자

① 오염물질의 농도

② 오염물질이 분포된 깊이와 면적

③ 토양의 특성과 성분(토양 내 구성, 수분 함유량, 입경의 크기, 투수성, 공극률)

④ 기름과 그리스의 존재여부

⑤ 공기의 유량과 증기압(공정의 운전상 필요한 요소)

⑥ 대수층의 깊이

– 제약조건

① 미세토양이나 수분함량이 높은(> 50%) 토양은 공기의 통과성을 감소시키므로 증기압을 높여야 한다(처리비용의 증가).

② 유기물 함량이 높거나 매우 건조한 토양은 VOCs의 흡착능력이 높아 결과적으로 제거율을 감소시킨다.

③ 방출된 공기는 인간이나 환경에 해가 되지 않도록 처리해야 한다.

④ 방출가스처리에 사용된 용액이나 활성탄소를 처리해야 한다.

⑤ 포화지역에는 효과가 없지만, 대수층을 낮춘다면 더 많은 부분에 적용할 수 있다.

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 오염물질 및 토양입경별 처리효과 • SVE를 이용하여 처리할 수 있는 오염물질은 휘발성 유기물질과 유류오염물질(이 기술은 헨리상수가 0.01 이상인 휘발성 오염물질과 증기압이 0.5 mmHg 이상인 물질에 적용이 가능하며, 수분 함유량, 유기물 함량, 토양의 통기성은 SVE의 효율에 큰 영향)

• 토양입경별

• 오염물질별

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 처리효율

• 실증 운전에서 SVE는 반연속식으로 운전을 하고 오염물질 제거 효율이 낮다면 생분해와 같은 후속처리 기법과 복합적으로 사용

• SVE는 약 18개월 정도 운전하여 오염물질을 제거

• SVE의 적용사례

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

3) 에어스파징(Air Sparging) – 포화 대수층 내에 공기를 강제 주입하여 오염물질을 휘발시킴으로써 제거하는 지중처리 기술

– 주입된 공기방울은 수평, 수직적으로 토양 공극을 통해 이동되며, 이 공기 방울은 증기추출 배관으로 오염물질을 이동

– 가스상의 오염물질을 제거하기 위해 공기분산기법을 결합시킨 방법

– 지하수와 토양 사이의 접촉을 증가시키기 위해 운전속도를 증가시켰으며, 공기분산에 의해 다량의 지하수가 정화

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– 영향인자

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 제약조건 ① 불균질 기질에의 적용이 어려움

- 오염확산의 위험, 균질한 공기분포를 방해

② 피압대수층에는 적용불가 : 오염확산의 위험

③ 낮은 투수도의 기질(K < 10-3 cm/s)에의 적용이 어려움

- 공기의 이동경로 생성 방해

④ 공기주입으로 인한 기질의 변화로 주변 구조물의 안정성에 영향을 줄 수 있음

⑤ 휘발성이 작거나 생분해의 가능성이 낮은 오염물질에는 정화효율이 낮음

⑥ 0.3 m 이상의 두께를 갖는 LNAPL층이나 자유상 DNAPL의 제거효율이 낮음

– 처리대상물질 ① 휘발성이 강하거나 호기성 생분해의 가능성이 높은 오염물질

② 예

Petroleum hydrocarbons(BTEX 등)

Chlorinated solvent(PCE, TCE 등)

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

4) 토양세척법(Soil Washing)

– 적절한 세척제를 사용하여 토양입자에 결합되어 있는 유해한 유기오염 물질의 표면장력을 약화시키거나 중금속을 액상으로 변화시켜 토양입자로부터 유해한 유기오염물질 및 중금속을 분리시켜 처리하는 기법

– 세척제는 오염물질을 토양으로부터 분리․용해시키는 역할을 하는 물질로, 계면의 자유에너지를 낮추고 계면의 성질을 현격히 변화시켜 물에 대해 용해성이 적은 물질을 열역학적으로 안정한 상태로 용해시킬 수 있는 중요한 화학물질

– 분리된 폐액은 농축․처분하거나 재래식 폐수처리방법으로 처리하며, 폐액 내의 중금속을 회수

– 광범위한 유기 및 무기오염물질을 제거 가능

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 공정원리

• 토양세척기술은 1970년대 후반 미국 EPA에서 기름누출사고로 오염된 해변을 정화하기 위해 처음으로 개발되었으나, 현재는 미국보다 유럽에서 더욱 발전시켜 사용

• 토양세척의 기본 원리

– 오염물질이 입자가 작은 토양에 많이 분포되어 있어 이것만을 분리하여 부피를 감소시킨 후 처리

– 토양입자와 화학적으로 결합되지 않은 오염물질이 물리적인 방법으로 쉽게 토양과 분리

– 토양세척의 주된 목적은 완전한 토양 재생이 아니고 오염된 토양의 부피를 감소

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 토양세척공정 설비

• 파쇄기(Size Reduction Equipment): 토양취급과 세척효율을 높이기 위해

설치

• 선별기(Screening Equipment): 토양 중에서 세척처리가 불필요하고 입자

크기가 큰 토양이나 나무, 금속 등 이물질을 선택적으로 분리하는 장치

• 분리장치(Separation Equipment): 선별기에서 이송된 토양은 분리장치에

서 다시 물에 의해 미립자와 중간크기의 입자로 분리. 고체와 액체를 분리

하는 분별기, 고체입자를 분리하거나 침전속도를 이용하여 고체미립자와 부

유 유기물을 분리.

• 혼합 및 추출장치: 토양과 세척액의 접촉효율을 높임

• 세척액 처리장치: 세척 후 나오는 폐액 처리

• 대기오염 방지장치: 휘발성물질 및 미립자가 방출되므로 설치된 오염방지 장

치

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– 영향인자

• ① 입경 분포(적정범위 0.24 ~ 2 mm)

• ② 토양의 종류

• ③ 토양의 물리적 형상

• ④ 수분함유량

• ⑤ 오염물질의 종류 및 농도

• ⑥ 유기물 함량

• ⑦ 양이온 치환 능력

• ⑧ pH와 완충력

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 제약조건

① 세척유출수로부터 미세 토양입자(예를 들면 미사, 점토)를 분리해 내기 위해서는 응집제를 첨가해 주어야 하는 경우도 있다.

② 복합 오염물질(예를 들면 유기물질을 포함한 중금속)의 경우 적용하고자 하는 세척제를 선별․제조하기가 어렵다.

③ 토양 내에 휴믹질이 고농도로 존재하는 경우에는 전처리가 필요하다.

– 처리효율

• 토양세척기술에 의한 오염물질의 제거효율은 다른 기술에 비해 높으며 어떤 성분은 99% 이상 제거

• 토양세척기법은 일반적으로 생물학적 복원기술, 소각, 고형화/안정화와 같은 기술과 복합적으로 사용

• 토양 세척제나 미세 토양에 대해서는 후처리가 필요

• 오염된 미세 입자를 분리하고 난 후 정화된 토양은 현장에 다시 보냄

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1. 물리·화학적 토양오염복원기법

– 오염물질별 토양세척법의 처리효과

– 토양입경별 토양세척법의 처리효과

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