토양복원 기술 및 사례집webbook.me.go.kr/DLi-File/F000/081/8154_1기술.pdf공장부지 토양 및 지하수 복원사례 )43 시스템에 의한 유류오염부지 복원

K오염토양 복원기술.hwp 1

토양복원 기술 및 사례집

2002. 3

환 경 부


발 간 사

사람은 흙을 밟고 살아야 합니다. 토양은 마치 사람 몸의 피부처럼 외부의 악영향으로부터 몸을 보호하는 정도의 기능만 하는 것 같지만, 실은 그보다 훨씬 더 복잡하고 중요한 기능을 떠맡고 있습니다. 요컨대 물․공기와 함께 환경의 3대 기본요소로서 모든 생태계를 떠받치는 생존기반이자 물질순환과 오염정화의 첨병 역할을 하고 있는 것입니다.

원래의 토양 생태계는 무생물과 생물 사이의 오묘한 평형을 유지하고 있었으나, 사람들이 도시화․산업화의 이름으로 자연계의 정화능력을 크게 초과하는 갖가지 유해물질을 쏟아내면서 원래의 기능 상실은 물론 오염의 피해까지 유발하고 있습니다.

그 동안 토양오염문제는 발현(發顯)되기까지 시간적으로 간극(間隙)이 있어 물․공기 등 보다 시급한 환경문제에 가려 온 것이 사실입니다. 그러나 우리가 그에 대한 대책을 소홀히 할 경우 미국의 러브 커넬(Love Canal)사건에서 보듯이 언제 어떤 형태의 재앙으로 나타날지 예측하기 어렵습니다.

최근 우리 나라에서도 폐금속광산 및 공단 주변지역, 폐기물매립지, 유류저장시설 등을 중심으로 토양오염사실이 드러나고 있고, 오염된 물로 인한 청색증 유발, 산업단지내의 지하수 오염이 현실로 나타나고 있어 효과적인 정책마련이 시급한 실정입니다.


다행히 1995년 토양환경보전법을 제정하여 토양오염문제에 체계적으로 대응할 수 있는 수단을 갖추었으며 작년에는 동법을 대폭 개정하여 토양환경평가제도를 도입하고 오염원인자 범위를 확대하는 등 한층 진전된 토양오염 관리체제를 갖추게 되었습니다.

이렇듯 토양오염문제가 가시화되고 토양복원을 위한 제도적 발판이 마련된 시점에서 다양한 토양복원기술과 복원사례를 소개한 이 책자가 토양복원에 대한 사회일반의 인식과 이해를 제고하고 토양복원이 활성화되는 계기가 되기를 바랍니다.

아울러 이 사례집이 토양복원업계에 종사하는 관계자 여러분과 토양 관련 업무를 담당하는 공무원은 물론 일반 국민에게 토양복원에 대한 이해를 증진시키고 업무수행에 따른 참고자료로 적극 활용될 수 있기를 기대합니다.

끝으로 어려운 여건 아래에서 국내외 토양복원사례와 복원기술에 관한 자료를 수집하여 보내주신 환경관리공단을 비롯한 다수의 토양 관련 전문기관 관계자 여러분에게 감사를 드립니다.

2002. 3

환 경 부 장 관 김 명 자


목 차

제1장 오염토양 복원기술 ························································································1

Ⅰ. 오염토양 복원기술 ·······································································································3 1. Ex-Situ 토양복원기술 ···························································································11 1.1 물리적 방법 ···········································································································11 1.1.1 열탈착법 ··········································································································11 1.1.2 증기추출법 ······································································································26 1.1.3 기타 복원기술 ································································································28 1.2 화학적 방법 ···········································································································29 1.2.1 토양세척법 ······································································································29 1.2.2 고형화 및 안정화 ··························································································36 1.2.3 탈할로겐화법 ··································································································39 1.2.4 용매추출법 ······································································································45 1.2.5 화학적 산화 및 환원법 ················································································48 1.2.6 기타 복원기술 ································································································51 1.3 생물학적 방법 ·······································································································53 1.3.1 슬러지상 처리 ································································································53 1.3.2 Biopile ··············································································································60

1.3.3 퇴비화 공법 ····································································································65 2. In-Situ 토양복원기술 ·····························································································72 2.1 물리적 방법 ···········································································································72 2.1.1 토양증기추출법 ······························································································72 2.1.2 가열토양증기 추출법 ····················································································77 2.1.3 기타 복원기술 ································································································79


2.2 화학적 방법 ···········································································································81 2.2.1 고형화 및 안정화 ··························································································81 2.2.2 기타 복원기술 ································································································84 2.3 생물학적 방법 ·······································································································87 2.3.1 Bioventing ·······································································································87

2.3.2 지중 생물복원법 ····························································································95 2.3.3 식물복원공정 ··································································································99

제2장 오염토양 복원사례 ····················································································107

1. 덕적도 유류누출지역에 대한 토양복원 사례 ·······················································109 2. 복합 유류오염지역에 대한 토양오염 조사 및 복원 사례 ·································127 3. 부산 문현지구 토양복원 사례 ·················································································151 4. 홍콩 카이탁공항 토양복원 사례 ·············································································175 5. 공장부지 토양 및 지하수 복원사례 ·······································································185 6. HSR 시스템에 의한 유류오염부지 복원 사례 ·····················································202 7. 토양증기추출․원위치미생물처리복합공법을 이용한 토양복원 사례 ·············217 8. 석유화학물질 오염지역(공장, 도로)에 대한 토양복원 사례 ·····························223 9. B-C유, Ethylbenzene, SM 사용 공장부지에 대한 토양복원 사례 ·················23510. 복합공법에 의한 주유소 토양복원 사례 ·······························································24111. 복합공법에 의한 공장부지 토양복원 사례 ···························································24712. 바이오벤팅법을 이용한 토양복원 사례 ·································································25213. 바이오슬러핑법을 이용한 토양복원 사례 ·····························································26414. 토양증기추출법에 의한 토양복원 사례 ·································································272


표 목 차

<표 1> 생물학적 처리기술에 필요한 인자특성 ······························································5<표 2> 열처리기술의 인자특성 ··························································································5<표 3> 물리/화학적 처리기술 인자 특성 ·········································································6<표 4> 고정화처리기술의 인자특성 ··················································································7<표 5> In-situ 처리기술의 인자특성 ·················································································8<표 6> 복원기술 선정시 고려하여야 할 토양의 특성 ··················································9<표 7> 오염된 토양의 복원 처리시 소용되는 처리비용 ············································10<표 8> 오염토양의 정화를 위한 선택가능 기술 ··························································13<표 9> 오염물질별 열적처리 효과 ··················································································14<표 10> 토양입경별 열적처리의 효과 ············································································14<표 11> 소각형태의 전형적 운전 조건 ··········································································16<표 12> 소각형태에 따른 상대적 성능비교 ··································································16<표 13> SITE 프로그램 프로젝트 ····················································································19<표 14> 오염물질별 증기추출법의 처리효과 ································································27<표 15> 토양 입경별 증기추출법의 처리효과 ····························································28<표 16> 오염물질별 토양세척법의 처리효과 ································································33<표 17> 토양입경별 토양세척법의 처리효과 ································································33<표 18> 네덜란드의 토양세척의 결과 ············································································35<표 19> 오염물질별 고형화 및 안정화법의 처리효과 ················································38<표 20> 토양입경별 고형화 및 안정화법의 처리효과 ················································38<표 21> 오염물질별 탈할로겐화법(BCD)의 처리효과 ··················································40<표 22> 토양입경별 탈할로겐화법(BCD)의 처리효과 ··················································41<표 23> 오염물질별 탈할로겐화법(APEG)의 처리효과 ·············································43<표 24> 토양입경별 탈할로겐화법(APEG)의 처리효과 ···············································43<표 25> 오염물질별 용매추출의 처리효과 ····································································47


<표 26> 토양입경별 용매추출의 처리효과 ····································································47<표 27> 오염물질별 화학적 산화 및 환원법의 처리효과 ··········································50<표 28> 오염물질별 슬러리처리공정의 처리효과 ························································59<표 29> 토양입경별 슬러리처리공정의 처리효과 ························································59<표 30> 오염물질별 Biopile공정의 처리효과 ·································································64<표 31> 토양입경별 Biopile 공정의 처리효과 ·······························································64<표 32> 오염물질별 퇴비화공정의 처리효과 ································································71<표 33 > 토양입경별 퇴비화공정의 처리효과 ······························································71<표 34> 오염물질별 토양증기추출법의 처리효과 ························································76<표 35> 토양 입경별 토양증기추출법의 처리효과 ······················································76<표 36> 오염물질별 가열토양증기추출법의 처리효과 ················································78<표 37> 토양입경별 가열토양증기추출법의 처리효과 ················································78<표 38> 오염물질별 고형화 및 안정화법의 처리효과 ················································82<표 39> 토양입경별 고형화 및 안정화법의 처리효과 ················································83<표 40> Typical blower specifications for bioventing evaluations ·······························91<표 41> 오염물질별 Bioventing 공정의 처리효과 ························································93<표 42> 토양입경별 Bioventing 공정의 처리효과 ························································94<표 43> 오염물질별 지중생물복원 공정의 처리효과 ··················································98<표 44> 토양입경별 지중생물복원 공정의 처리효과 ··················································99<표 45> 오염물질별 식물복원공정의 처리효과 ··························································104<표 46> 토양입경별 식물복원공정의 처리효과 ··························································104<표 47> 지중처리공정의 비용 비교 ··············································································105


그 림 목 차

<그림 1> 유해물질이 오염된 오염토양의 기본적 복원․정화처리 단계 ··················4<그림 2> 물리․화학적 특성에 따른 처리법 ······························································11<그림 3> 열탈착법의 처리공정도 ····················································································15<그림 4> Rotary kiln incinerator ························································································17<그림 5> Partial elevation of an incinerator ···································································18<그림 6> HRUBOUT process. ···························································································22<그림 7> Mobile (transport) incinerator ············································································23<그림 8> Ionizing wet scrubber.(countesy of Ceilcote Co.) ·········································24<그림 9> 전형적 증기추출 처리공정도 ··········································································27<그림 10> 토양세척법의 처리공정도 ··············································································30<그림 11> Ex-situ soil washing 흐름도 ··········································································31<그림 12> 전형적인 고형화 및 안정화 작업공정 ························································36<그림 13> 고형화 및 안정화법의 처리공정도 ······························································37<그림 14> 탈할로겐화법(BCD)의 처리공정도 ································································40<그림 15> 탈할로겐화법(APEG)의 처리공정도 ·····························································42<그림 16> 용매추출장치에 대한 기본 과정 ··································································46<그림 17> 용매추출법의 처리 공정도 ············································································46<그림 18> 화학적 산화 및 환원법의 처리공정도 ························································49<그림 20> Air Stripping unit ······························································································51<그림 21> Carbon Contactors ···························································································52<그림 22> Aerated lagoon 공정도 ···················································································55<그림 23> Low-shear airlift slurry-phase bioreactor ···················································55<그림 24> 일반적인 생물반응기 공정 ············································································56<그림 25> Biopile 공정도 ···································································································61<그림 26> Biopile 공정 단면도 ·························································································61


<그림 27> 퇴비화 공정의 공정도 ····················································································66<그림 28 > Windrow composting with an elevating face windrow turner ················67<그림 29> Aerated static pile for composting MSW ·····················································67<그림 30> Anaerobic digester with aerobic compost curing ·······································68<그림 31> Trailer-mounted SVE ·······················································································73<그림 32> SVE system ····································································································73<그림 33> 토양증기추출법 처리공정도 ··········································································73<그림 34> 가열토양증기추출법 처리공정도 ··································································77<그림 35> Pneumatic Fracturing schematic ····································································80<그림 36> Successive fracturing ·······················································································80<그림 37> Vitrification 처리의 공정도 ··············································································81<그림 38> 고형화 및 안정화 처리공정도 ······································································82<그림 39> Soil Flushing 처리공정도 ·············································································84<그림 40> Circumferential cutoff wall ···············································································85<그림 41> Electrokinetic remediation process ································································86<그림 42> Hydraulic fracturing ···························································································87<그림 43> SVE공정을 변형시킨 Bioventing 공정 ·························································88<그림 44> 전형적인 Bioventing 공정 ··············································································89<그림 45> 단일주입정에 의한 Bioventing 공정 ····························································89<그림 46> Air sparging과 결합된 Bioventing 공정 ·······················································90<그림 47> Infiltration Well을 이용한 지중 생물학적 복원공정 ··································96<그림 48> Injection Well을 이용한 전형적인 지중 생물학적 복원공정 ···················96<그림 49> 식물정화 공정중 유기물, 산소 등의 물질대사 반응 ·····························102


제1장 오염토양 복원기술


Ⅰ. 오염토양 복원기술오염된 토양에 대한 복원기술(Remediation Technology)은 오염원 관리․처리

체계를 통하여 오염된 토양 및 지하수를 자연상태로 환원하는 기술로서 미국을 비롯한 선진국가에서 복원기술의 연구 및 현장 처리가 활발히 진행 중에 있다. 복원기술은 폐기물 저장 및 매립지역, 지하 유류 저장고의 유류 유출지역, 지하수 오염 지역, 미관리된 유해물질 방출지역 등 매우 광범위하게 적용되고 있다.

오염토양의 복원기술은 크게 1) In situ 2) Prepared Bed 3) In tank와 같이 분류되어진다. In situ 복원처리 시스템은 오염 또는 축적된 토양을 굴착 이동하지 않고 오염물질을 제거, 분해하는 기술이다. 이 기술은 경제적으로 유리하여 미국의 경우 복원기술의 중점 지원 및 연구 과제로 되어 있다. In situ 복원기술은 휘발성 유해용해물질을 제거하는데 효과적인 증기추출 복원기술가 함께 현재 오염 현장에서 오염 토양 복원처리를 효과적으로 수행할 수 있는 기술로 인정받고 있다. 특히 In situ는 생물학적 복원기술에 대한 연구와 적용이 매우 활발하게 진행되고 있으며, 석유정제시 발생되는 폐기물, 가솔린, 제트엔진 연료 및 중금속 제거에 이용되고 있다.Prepared Bed 시스템은 오염된 토양을 파서 차단시설 및 처리시설이 설치된 새

로운 처리지역에 오염토양을 옮겨 처리한 후 원래 굴착지로 환원하는 시스템이다. 이 기술에는 물리, 화학 및 생물학적인 처리방법이 적용될 수 있다. 이 처리 시스템은 오염물질의 확산을 방지하고 오염물질의 분해능을 증진시킬 수 있으나 처리지역설치 등에 많은 경비가 드는 문제점이 있다. In tank 시스템은 굴착된 오염토양을 슬러리 또는 고형 상으로 반응기에 옮겨

최적 분해능상태로 오염물질을 처리하는 시스템이다 반응기에는 회분식, 연속식 또는 plug 흐름식 처리 반응조를 사용한다.

오염된 토양의 복원처리를 위한 기본적인 진행방법은 <그림 1>과 같다. 오염토양 복원시스템의 기본 단계는 오염토양지역의 지질학적 특성, 토양의 성상 및 오염물질의 성향을 조사한 후 오염지역의 문제점을 평가, 복원 관리체계 범위를 수립한다. 복원 정화처리범위가 수립되면 최적 정화처리방법을 도출하여 오염물질의 분해능을 증가할 수 있는 기술의 확립 및 오염물질과 토양 성상과의 상호관계를 정확히 파악하여 오염토양 복원기술에 필요한 설계인자 및 제한 인자들을 조사한다. 최종적으로 오염지역의 복원기술을 확립하고 복원기술의 상업화를 유도하여


국민건강과 복지에 기여할 수 있게 한다.

오염물질의 법적 또는 환경적 복원에

요구되는 오염물질 제거량 결정

상업적 복원기술

(Remediation Technologies)

Site/ Soil/ Waste system처리 및

관리체계

오염물질의 제거 및 복원평가

Site/ Soil/ Waste 특성

오염지역의 문제점 평가

1단계

2단계

4단계

3단계

5단계

6단계

오염토양 복원 관리체계 수립

기술적 기준

건강 및 위해성 기준

처리능 연구

방지․처리기술의 선정

감시

상업적 복원기술 확립

<그림 1> 유해물질이 오염된 오염토양의 기본적 복원․정화처리 단계

오염토양의 복원기술은 세부적으로 생물학적 처리 기술, 물리/화학적 처리 기술, 고정화 기술, 열처리 기술, 그리고 In-situ 복원기술로 분류할 수 있다. 이들 각각에 대한 내용을 아래 <표 1, 2, 3, 4, 5>에 처리기술, 처리기술에 관련된 인자특성 및 목적별로 요약을 하였다. 또한, <표 6>은 복원기술 선정시 고려하여야 할 토양의 특성에 대하여 자세히 나열하고 있다.


<표 1> 생물학적 처리기술에 필요한 인자특성처리기술 관련인자 목적 및 비고

일반처리

물리적： 수분 토양함수량 pH 온도 산소가용도

처리공정 방법의 선택과 처리능력

화학적： 총 유기탄소 산화․환원전위 C：N：P

처리공정 방법의 선택과 처리능력영양소 요구량

생물학적： 토양 부하 시험 전해도 시험 배양연구 미생물수 측정(평판배지법) 미생물 독성실험 및 성장 저해도 실험

오염물질의 생물학적 처리능 및 분해율산소 소비율 및 생분해능분해능의 효율 증가에 영향을 끼치는 미생물 조사미생물의 군집 밀도생물학적 활성도

<표 2> 열처리기술의 인자특성처리기술 인자특성 목적 및 비고

일반처리

물리적 특성： 수분 함량 회분 함량 회분 용융 온도

열처리 영향 및 폐기물의 처리Ash 처리고온처리시 녹는점, 무기물의 찌꺼기 문제

화학적 특성： 휘발성 유기물, 반휘발성 유기물 POHCs 총 황화합물, 총 질소 인화합물 PCBs, 다이옥신 금속류

주요 유기성 위해성분POHCs제거율대기오염 방지기술 선정슬래그 문제안정화VOC 금속, Ash 포함된 농도

로타리 킬른 물리적 특성： 입도 분포 처리 효율

유동층물리적 특성： 회분 온도 회분 함량 겉보기 밀도

유동상의 정체상의 막힘 현상(회분 >65%)열전달


<표 3> 물리/화학적 처리기술 인자 특성처리기술 인자 특성 목적 및 비고

일반처리물리적 특성： 유형, 파쇄물의 크기, 다이옥신/퓨란, 석면

예비 처리 시설특정 폐기물 처리 공정

추출 - 수용액상 - 용매 - 임계유체 - 증기

물리적 특성： 입경분포 점토 함량 수분 함량

예비처리, 고액 분리토양 흡착능토양 속의 공기 전도성

화학적 특성： 유기물 금속 추출가능 금속 오염물의 물성 - 증기압 - 용해도 - 헨리상수 - 분배계수 - 끓는점 - 비중 총유기탄소, 휴믹산 양이온 교환능력 pH

시안, 황화물, 플루오르화물

오염물질 성상, 농도, 추출물질 결정처리 물질 농도, 추출방법 결정오염물질의 이동성 조사추출 기술 선정

유기화합물 및 토양 흡착능 결정토양 흡착능력 평가추출 공정시 필요한 예비처리독성

화학적 탈염소화

물리적 특성： 수분함량 요구되는 시약 결정화학적 특성： 방향족 할로겐 화합물 금속, pH

오염물질 농도, 시약 결정시약 결정

Oxidation/

Reduction

물리적 특성： 총 부유물질 혼합장치 선정화학적 특성： COD

금속(Cr3+, Hg, Pb, Ag) pH

유기물 성상 및 시약 결정산화로 인화 독성 증가화학적 상호작용 조사


<표 4> 고정화처리기술의 인자특성처리 기술 인자 특성 목적 및 비고

안정화/고형화

물리적 특성： 재료 특성 입자 크기 분석 수분 함량

밀도 실험 강도 실험 - 과잉적재 강도 - 요철 강도 - 안정도 내구성 실험

폐기물 handling 방법 결정폐기물의 표면적 S/S공정에 필요한 폐기물총량 결정밀도 변화 결정

과잉 적재량 평가적재 높이안정도내구성 조사

화학적 특성： pH, 알칼리도, 방해 화합물 지시 화합물, 용출실험 수화열

침출 평가S/S 공정 평가공정중의 온도 변화

유리화

물리적 특성： 오염층과 지하수위의 깊이 토양 투수성 폐기물의 금속 함량 연소가능한 고액 함량 폐기물 중 잡석함량, 공극의 부피

불포화토양층의 복원기술포화 토양의 탈수처리공정 중 전극방해처리공정 방해


<표 5> In-situ 처리기술의 인자특성처리기술 인자특성 목적 및 비고

증기 추출 - 진공 추출 - 증기 포함시 - 가열공기 포함시

물리적 특성： 오염된 토양내 증기압 투수성, 공극률, 입도분포 오염물 및 대수층의 깊이

휘발화,유동물질의 이동불포화층에 기술의 적용

고형화/ 안정화(S/S) - 포졸란 - 폴리머화 - 침전

물리적 특성： 지층내 방어막의 유무 (드럼외 다수) 유압대수층까지의 깊이

S/S 혼화재 처리 요구 깊이 확보

토양 세척 - 증기/가열공기 - 세제 - 용매

물리적 특성： 지층내 방어막의 유무 투수계수 토양/물 분배계수 옥탄올/물 분배계수, CEO 알칼리도

세척 용액의 이동토양 투수능제거 효과

화학적 특성： 주요한 양이온 음이온 존재유무 오염의 세척 측정

침전량 측정다공질 내에 침전과 막힘측정

유리화 물리적 특성： 오염물 및 대수층의 깊이 불포화 토양

Radio-frequency

가열 및 직류 가열물리적 특성： 오염물 및 대수층의 깊이 금속물질의 유뮤

불포화 토양

동전기화(electrokinetics)

물리적 특성： 수리학적 전도도 오염물 및 대수층의 깊이

수리학적 전도도불포화 토양내 적용

화학적 특성： 용존 금속류의 유무 용존 금속류에 적용(유기물 및

비용해물질 제외)

미생물학적 분해 - 호기적 - 혐기적

물리적 특성： 토양의 투수성

영양물질 전달능계내 산소전달미생물의 이동

화학적 특성： 독성 및 오염물의 농도 오염지역내 미생물의 적응능


<표 6 > 복원기술 선정시 고려하여야 할 토양의 특성

특 성 처 리 기 술물리적처리 화학적처리 생물학적처리 열처리 고형화/안정화

입자 크기 ■ ▼ ▼ ■ ■

총밀도(Bulk density) ▼ ■

입자 밀도 ■

투수성 ■ ■

수분함량 ▼ ■ ● ●

pH 와 Eh ▼ ▼ ▼

부식물(humic) 함량 ● ● ● ▼ ●

총유기탄소(TOC) ▼ ■ ■ ▼

생물화학적 산소요구량(BOD) ■

화학적 산소요구량(COD) ■ ■

유류(동,식,광물성) ▼ ● ●

유기 오염물질휘발성 할로겐 ▼ ▼ ● ■ ●

반휘발성 할로겐 ▼ ▼ ● ■ ●

휘발성 비할로겐 ▼ ▼ ▼ ■ ●

반휘발성 비할로겐 ▼ ▼ ▼ ■ ●

PCBs ▼ ▼ ▼ ■ ●

농약 ▼ ▼ ▼ ■ ●

다이옥신/퓨란 ▼ ▼ ▼ ■ ●

유기 시안화합물 ▼ ▼ ▼ ■ ●

유기 부식물질 ▼ ▼ ▼ ● ●

LNAPL ▼ ▼ ■ ●

DNAPL ▼ ▼ ▼ ●

열량(Btu 함량) ■

무기 오염물질휘발성 금속 ▼ ●

비휘발성 금속 ■ ▼ ● ● ■

석면 ● ■

방사능 물질 ▼ ▼ ● ● ▼

무기 시안화합물 ▼ ▼ ▼

무기 부식물질 ▼ ● ▼

폭발성 물질 산화제 ▼

환원제 ▼

■ 기술선정에 최우선순위 ● 두 번째 순위 ▼ 기술에 따라 효력이 다름기타 기호가 없으면 이 특성은 큰 영향력이 없다.(출처：USEPA, 1990; NJDEPD, 1992)


오염된 토양의 복원을 위한 소요경비는 오염지역, 복원기술, 설치내용 및 재료, 작동과 감시기능 등에 따라 많은 차이를 보여주고 있고, 아직 복원기술의 상업화가 정착된 상태가 아니라 예측하기는 어려우나, 문헌상에 나타난 복원처리 소요경비(오염된 토양에 대한 오염지역의 조사 및 설치비용이 제외된 단순한 처리비용)를 <표 7>에 나타내었다.

<표 7> 오염된 토양의 복원 처리시 소용되는 처리비용복원 처리 기술 처리비용($/ton)

Ex-situ

물리적 방법

열탈착법 (High Temperature Thermal Desorption)

100∼300

증기추출법 (Soil Vapor Extraction) 100

화학적 방법

토양세척법 (Soil Washing) 130∼220

고형화 및 안정화 (Solidification/Stabilization) 100

탈할로겐화법 (BCD) 270

탈할로겐화법 (Glycolate) 220∼550

용제추출법 (Solvent Extraction (Chemical extraction))

100∼400

화학적 산화 및 환원법(Chemical Reduction/Oxidation)

190∼660

In-situ

물리적 방법

토양증기추출법(Soil Vapor Extraction) 10∼50

가열토양증기추출법(Thermally Enhanced SVE) 30∼130

화학적 방법 고형화 및 안정화(Solidification/Stabilization) 50∼330

(출처：EPA, 1991. Chemical Oxidation Treatment, Engineering Bulletin)

<그림 2>는 기본적인 특성들(유기물의 함량과 수분의 함량)에 따라 사용해야 할 처리법의 선택에 대한 diagram을 보여 주고 있다.


<그림 2> 물리․화학적 특성에 따른 처리법

1. Ex-Situ 토양복원기술

1.1 물리적 방법본 장에서는 여러 가지 토양복원기술 중 열탈착법, 증기추출법에 관해 기술하였

으며, 이 밖에도 Hot Gas Decontamination, Open Burn/Open Detonation 등에 대해 간단히 소개하였다.

1.1.1 열탈착법 (High Temperature Thermal Desorption)1) 처리개요열적 처리과정은 통제된 환경에서 토양을 고온에 노출시켜 소각이나 열분해를

통해 토양 중에 함유되어 있는 유해물질을 분해시키도록 고안된 기술이다. 열적


처리는 물질의 직접 연소에 의한 열처리(소각)와 산소가 없는 혐기성 상태에서 열을 가해 유기물질을 분해시키는 간접연소에 의한 열처리(열분해)의 두 가지 형태로 구분된다.

이 공정은 오염물질을 직접가열하고 수분과 유기오염물질을 휘발시키는 열건조기, 입자와 용해성 가스를 제거하는 고에너지 스크러버, 유기물질과 용액을 농축시키는 열 교환기 등으로 구성되어있다. 오염물질의 제거효율은 건조기 온도, 건조기 체류기간에 의해 결정된다.

열적처리는 가장 높은 정화효율을 가지나 다른 정화기술에 비해 가장 높은 에너지 처리비용이 든다. 이 방법은 토양의 형태나 오염물질의 종류에 관계없이 적용범위가 넓기 때문에 이러한 문제를 가지고 있는 부지의 정화에 효과적으로 이용할 수 있다. 할로겐, 비할로겐 휘발성물질 및 준 휘발성물질, PCBs, 농약, 살충제 등 유기성 오염물질은 모두 처리가능하나 카드뮴이나 수은을 제외한 중금속은 일정온도에서 처리가 되지 않으며 온도를 높이면 유리화가 된다. 따라서 이 공정은 중금속, 콜타르, 나무찌꺼기, cresote, 탄화수소로 오염된 토양, 방사능물질이나 독성물질로 오염된 토양, 합성고무로 오염된 토양, 페인트 찌꺼기 등으로부터 유기물질을 분리하는데 적용할 수 있다. 열적처리는 독성제거와 함께 부피 감량이 가능하며 <표 8>에서는 오염토양의 정화를 선택가능 기술을 나타냈다.

소각장치는 보통 800∼1200℃에서 운전되며 열분해장치는 약 400∼800℃의 온도에서 운전된다. 열분해는 소각에 비해 장치가 복잡하고 고장요인도 많으나 소각을 하게되면 토양이 가지고 있는 성질을 잃게 되므로 유류 오염 토양의 경우 열적처리기술을 적용할 경우 열분해 방법을 많이 채택한다. 다음 <표 9, 10>에서는 오염물질적 및 토양입경별 열적처리 효율을 나타냈다.

열탈착법의 처리공정도는 <그림 3>과 같다.이 기술은 토양의 상태에 따라 종종 소각, 고형화/안정화, 혹은 탈염소화와 결

합되어 사용된다. 이 기술은 오염물질의 최종 농도를 5㎎/㎏ 이하로 처리할 수 있다.


<표 8> 오염토양의 정화를 위한 선택가능 기술

공법 공정기술 적용가능성발생가능 잔류물 및

부산물한계

회전식로기울어진 긴관의 높은 쪽으로 오염된 흙과 유류를 넣고 천천히 회전, 연소 효율증대

할로겐화 유기물비할로겐화 유기물, 무기시안

배기가스(불완전한 연소의 산물과 산성인 배기가스); 잔여물과 함께 처리된 물질들(비산재,세척수)

연소후의 배출입자가 큼, 입자크기에 제한이 큼

유동상소각

입자(모래, 오염된 흙)등의 유동상의 사용으로 열의 이동 증대, 유입된 공기는 이런 입자들과 함께 유동상처럼 떠서 이동하고 섞이게 되어 연소대상물질과 열의 접촉을 증가시키고 낮은 온도에서도 연소를 가능하게 함

긴지속시간, 폐기물의 크기와 균일도 제한, Na와 금속의 비율이 낮은 폐기물에 가능

적외선 소각

(Infrared)

적외선이 고형폐기물들을 열분해, 두 번째 연소실에서는 유입된 공기에 의해 배기가스가 연소됨

입자크기의 한계

열분해

산소없이 오염물질에 열을 주어 폐기물의 화학적으로 분해하는 것. 두 개의 연소실로 구성되어 첫째 연소실에서는 열을 주어 비휘발성 타르, 재와 휘발성 물질을 분리하고 두 번째에서는 휘발성물질을 태움.

절연성 폐기물을 태워버림: 휘발성 물질 또는 회수가능한 잔여물

비휘발성 타르, 재(금속, 염, 입자성 물질들)

효율이 낮음


<표 9> 오염물질별 열적처리 효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

광물성 석유류탄화수소다환성 방향족탄화수소(PAHs) BTEX

페놀화합물시안화합물염소화합물유기화합물(N, S, O, P함유)Hg, Cd, As, So, Zn

기타 중금속류

×

×

×

×

×

×

××

×

<표 10> 토양입경별 열적처리의 효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합

자갈중간모래가는모래미사점토

×

×

×

×

×

양토건축폐자재슬러지토양세정 잔류물

×

×

×

×


Air Emissions Control/ Condenser

Treated Air Emissions

Separator

Soil Treated for Contaminants

Clean

HeaterTreated Soil

Vapor

Contaminated

Soil

Organic Liquid Further

Treatment or Disposal

Water for Reuse

FurtherTreatment or Disposal

Soil Redeposited or

Reused

No

Yes

<그림 3> 열탈착법의 처리공정도

가. 소각과 열분해소각은 원칙적으로 모든 유기 오염물질을 처리 할 수 있으며, 특히 로터리 킬른

은 슬러지와 오염토양에 적합하다. 소각을 위해 별도의 시설을 사용할 경우 규모면에서는 유리하나 유해물질을 이송해야 한다는 부담이 있다. 소각은 보통 다량의 재와 함께 굴뚝으로부터 미연분을 포함한 대기오염물질, 세정장치 슬러지, 폐수들을 발생시킨다. 이들을 효과적으로 처리하지 못하는 한 토양오염에서 단지 오염의 형태만 바뀔 뿐이다. <표 11, 12>은 대표적인 소각로 형태의 적용성과 전형적인 온도 조건, 체류시간

들을 비교한 것이다.


<표 11> 소각형태의 전형적 운전 조건공정 온도 범위(℃) 체류시간

액상 주입 소각 650 ∼ 1,600 0.1∼ 2초로타리 킬른 820 ∼ 1,600 기액 및 2차 발생 물질에 따라 다름.유동상 소각 450 ∼ 980 기액 및 2차 발생 물질에 따라 다름.다단상 소각 320 ∼ 540(건조시)

760 ∼ 980(소각시) 0.25 ∼ 1.5시간

<표 12> 소각형태에 따른 상대적 성능비교액체주입소각 로타리킬른 유동층소각 다단상로

소음 B A B B

잔여물 연소 A A A B

입자배출 A B B B

위독가스배출 B B B C

부산물 회수 B C B B

부피 큰 폐기물 D A D D

유기성 슬러지 D A A A

액상 폐기물 A B A C

플라스틱, 타르 D A D D

무기염 A D B C

운연의 유연성 C A A B

적용성 C A B B

설계 및 시공 A C C B

A=preferable application, B=Capable application,

C=marginal performance, D=wrong application

<그림 4>의 로터리 킬른에서 다양한 원료를 동시에 연소할 수 있는 등 유연성이 뛰어나고 액상 분무는 가연성 액체를 효율적으로 처리할 수 있다. <그림 5>의 유동층은 온도가 낮고 장치가 콤팩트하며 다단화상은 장치와 조건의 결합에 따라 여러 형태의 운전이 가능하다.


연소가 과잉 산소조건에서 일어나는데 비하여 열분해는 산소가 부족한 상태에서 일어난다. 연소는 발열반응이지만 열분해는 흡열반응이므로 열을 공급하여야 한다. 열의 공급 방식에 따라 직접 가열과 간접 가열로 나뉘는데 직접 가열은 소량의 산소를 공급하며 불완전연소의 열을 분해 이용하는 방식이고 간접 가열은 밀폐된 분해로 외부에서 열을 공급하는 방식이다. 간접 가열은 원료물질의 독성이 강하여 외부와 차단된 가운데 처리하여야하는 경우나 연소반응을 배제함으로써 회수물을 이용하고자 할 때 선택될 수 있다.

직접가열은 연소와 간접가열의 중간범위에 위치한다. 직접가열시설은 보통 열분해와 가스 연소로 구성된다. 열분해 로에서는 낮은 온도에서 가능한 염화수소와 같은 무기 성분의 휘발을 억제하며 휘발성 유기물질과 CO를 생성시킨다. 이때 중금속 등 무기물질을 잔류물에 고형화 시킬 수 있다. 가스 연소로는 980∼1600℃로 유지하면서 열분해로에서 생성된 가연성 가스를 연소시킨다. 이같은 2단계 연소는 일반적으로 소각에 비하여 대기오염을 줄일 수 있고 잔류물도 비교적 안정된 형태로 발생되나 잔류물 보다 많은 염과 금속, 기타 불연성 물질들이 함유되기 쉬우므로 유의하여야한다.

<그림 4> Rotary kiln incinerator


<그림 5> Partial elevation of an incinerator

나. 열적 처리기술1980년 CERCLA(Comprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act)의 Superfund 프로그램과 1986년 SARA(Superfund Amendment and Reauthorization Act)에 의하여 미국 EPA는 유독 물질로 오염된 지역 즉, Superfund site를 평가하고 정화할 책임을 지고 있다. SARA이래 EPA에서는 새로운 대체 기술 개발을 위한 SITE(Superfund Innovation Technology Evaluation) 프로그램을 운영하고 있다. SITE 프로그램은 실증, 신기술, 감시 및 측정 기술, 기술 이전으로 나뉘어 있으며, 1994년 실증 프로그램에는 11개, 신기술에는 71개의 기술이 포함되어있다. <표 13>은 이들 기술 중 열적기술로 분류할 수 있는 11개의 실증기술과 9개의 신기술을 정리한 것이다.


<표 13> SITE 프로그램 프로젝트(USEPA, 1994)프로그램 진행상황 기 술 폐기물 매체 적용가능 폐기물

무기물 유기물

검증/ 완료

pyretron 열분해 토양, 슬러지, 고형폐기물 적용불가 비특정 유기물

사이클론 연소로 고상, 토양, 슬러지 비특정, 낮은 농도의 방사핵종 비특정 유기물

LTTA 저온 열송풍 고상, 슬러지, 퇴적물 적용불가VOCs, SVOCs, 염소계 살충제, 인산계 살충제, 석유계 탄화수소

HRUBOUT 공정 토양 적용불가 할로겐화합물, 비할로게화합물

무선주파수가열 토양 적용불가 준휘발성 화합물이동식 열탈착 공정 토양 시안 화합물 VOCs, SVOCs, PAH,

타르플라스마 방전 유리화 토양, 퇴적물, 슬러지 금속 비특정 유기물XTRAX 열탈착 토양, 퇴적물, 슬러지 중금속 VOCs, SVOCs, PCBs,

다이옥신혐기성 열공정 토양, 슬러지, 제련

폐기물 적용 불가 염소계 살충제, VOCs, SVOCs, PCBs

주파수 조율 맥동 연소 공정 토양, 의료 폐기물 비특정 무기물 대부분의 유기화합물

저온열처리 공정 토양, 슬러지 적용불가 VOCs, SVOCs, PAHs, 석유계 탄화수소

신기술/ 완료

PYROKILN 열 캡슐화 토양, 슬러지 금속화합물 할로겐 유기물, 비할로겐 유기물, 석유계 화합물

사이클론 소각 고형폐기물, 토양, 슬러지 방사성 핵폐기물 비특정 유기물

납함유 폐기물의 제련 납함유 폐기물 납 적용불가혼성 유동상 공정 토양, 슬러지 휘발성 무기물 비특정 유기물금속 고정기술, 고형폐기물 정화기술 토양, 슬러지, 퇴적물 휘발성 금속류 저농도 휘발 유기 금속

산화, 유리화 공정 토양, 슬러지, 퇴적물, 폐석 기타 비특정 무기물 비특정 유기물

신기술/ 개발중

유기물 분해 및 금속 안정화 토양, 퇴적물 중금속 비특정 유기물

유동상 싸이클론 소각 토양, 슬러지, 액상가스, 고형물 비휘발성 무기물 비특정 유기물

CCBA 물리화학적 처리

폐수, 토양, 슬러지, 퇴적물 중금속 비특정 혼합 유기물


다음은 SITE 실증 프로그램의 열적 처리기술을 처리 원리 중심으로 살펴본 것이다. 여기서는 In-situ와 Ex-situ를 따로 구분하지 않고 열적 처리기술을 전반적으로 살펴보았다.① PYRETRON 열분해 (American Combustion)

산소-공기-연료 버너 조절이 핵심기술로서, 휘발분의 갑작스러운 변화에도 1, 2차 연소실의 연소조건을 정밀하게 조절하여 화염을 안정시키고, 단위 부피당 열발생을 높인다. 액상, 고상 슬러지를 처리하기 위한 어떠한 형태의 기존 소각로에도 적용이 가능하다. 열량에 관계없이 급격히 휘발되는 물질 처리에는 적합하나, 수분이나 중금속을 함유한 폐기물이나 무기 폐기물의 처리에는 곤란하다.② 사이클론 연소로 (Babcock & Milcox)

오염된 원료를 무기질을 함유한 물질과 함께 나선모양의 흐름에서 연소시킴으로써 연소강도를 높이고 고온을 얻는다. 독성물질은 고온의 가스상에서 파괴되거나 무기물질이 녹은 슬래그에 갇혀 유리질로 고형화 된다. 고온이 필수적이므로 원료의 열량이 부족 할 때에는 보조 연료를 사용하여야 하며, 고희분의 석탄은 오히려 슬래그에 필요한 한 무기물질을 제공할 수 있으므로 보조연료로서 적합하다. 오염토양의 경우 토양에서 무기물질을 공급받을 수 있다. 배기가스와 함께 날아가는 일부 입자는 여과포로 포집하여 연소로에 재투입하여 무기물질의 재료로 이용할 수 있다. ③ LTTA 저온 열 송풍 (Canonie Environmental Services)Rotary dryer로 가열시킨 공기로 토양의 온도를 430℃까지 올려 수분과 유기

오염물질을 제거시킨다. 수분과 유기물질을 포함한 공기는 사이클론, 습식 세정기, 활성탄 흡착층을 거치는데 특히 탄화수소 농도가 높을 때에는 사이클론과 유기물질 처리를 위한 2차 연소를 거쳐 냉각탑, 여과 집진, 습식 세정장치를 통해 배출된다. 사이클론과 여과 집진기에서 포집된 먼지들은 처리된 토양과 함께 세정장치 용수로 냉각시켜 기준에 합당할 경우 그대로 방출된다.④ 열 탈착기 (Eli Eco Logic International)

오염된 토양을 수소 분위기의 600℃ 용융 주석(tin) 속에 투입하면 토양은 용융 주석의 표면으로 떠올라 내부의 수분과 유기물질을 분출하고, 정화된 토양은 급냉조의 물로 옮겨져 바깥으로 배출된다. 휘발된 유기물질은 반응기로 이송되어 850℃에서 수소와 반응하여 수소성분이 충분한 탄화수소와 염화수소 등으로 변한다. 이들은 세정장치를 거친 후 재순환되며 일부는 보조 연료로 이용된다. 주석을 사


용하는 이유는 주석이 수소와 반응하지 않고, 용융 주석의 비중이 토양을 뜨게 할만큼 크며, 열전달이 좋고, 무해하고, 판유리 제조에 매체로 사용되기 때문이다. 특히, 수분 함량이 높은 폐기물은 수분이 수소원이 될 수 있다는 점에서 유리하다.⑤ 순환 유동층 (General Atomics)

고속의 공기로 고체물질을 순화시킴으로써 연소로와 고온의 사이클론을 800∼900℃의 거의 균일한 연소상태로 유지시키면서 유독성 탄화수소 성분을 파괴한다. 혼합이 균일하고 연소 온도가 낮아 CO와 NOx 발생이 적고, 석회석을 투입하여 산성가스를 중화시킬 수 있다. 순환이 가능하여야 하므로 투입되는 고체물질의 입경은 1 inch 이하여야 한다. 원료 중에 중금속이 포함되어도 무방하며, 재속에 고정된 중금속은 침출성이 낮다. ⑥ 적외선 열분해 (Gruppo Italimpresse)

이동식 열처리 장치로, 실리콘 카바이드 봉을 전기로 가열하여 적외선을 발생시킨다. 원료는 벨트를 타고 이동하며 적절한 공기 공급과 함께 실리콘 카바이드 봉에서 조사되는 적외선에 의하여 약 1,000℃까지 가열된다. 재물질은 세정장치에서 급냉되어 저장소로 보내지고, 휘발분은 체류시간이 긴 고온의 2차 연소실에서 처리된다. 2차 연소실에서는 보조연료가 사용될 수 있다. 배기가스 중 먼지는 벤츄리 스크러버로 잡고 산성가스는 충전탑에서 중화된다. 최적연료 조건은 입도 0.5㎛∼2inch, 수분 50％이하, 비중 480∼2,100㎏/㎥, 열량 18,000 kcal/㎏이하, 연소 5％이하, 황 5％이하, 인 300ppm이하, pH 5∼9, 알칼리 금속 1％이하 등이다. ⑦ 화염 반응기 (Horsehead Resource Development)

탄화수소를 연소시켜 얻은 2,000℃ 이상의 고온의 가스를 원료와 순간 접촉시킴으로써 휘발분은 고온에서 파괴시키고 잔류분은 녹여 유리질의 슬래그에 고형화 시킨다. 주로 금속성분을 함유한 폐기물을 처리하기 위한 기술이며, 공기 이송이 가능하여야 하므로 원료의 수분 함량은 5%이하, 입도는 200mesh이하가 적합하다. ⑧ HRUBOUT 공정 (Hrubetz Environmental Service)<그림 6>의 HRUBOUT 공정은 오염지역에 오염층 아래까지 일정 간격으로 구

멍을 뚫고 650℃의 공기를 불어넣어 탄화수소를 휘발시킨다. 처음에는 수분이 주로 증발되나 수분이 빠져나가며 기공이 넓어지고 온도도 높아져 휘발분, 반 휘발분 순으로 휘발되며 산화반응도 진행된다. 지표에서는 음압으로 올라오는 가스를 포집하여 815℃ 가스 연소로에서 처리한다. 공기는 LNG나 프로판으로 가열하며 송풍기를 포함한 모든 장치는 차량에 장착될 수 있다.


Contaminated Zone

��

Water Table

Vent Gas

Collection

Channels

Vent Gas

Hot Air Injection Wells

T=250∼1200℉

psig=5∼22

Vadose

Zone

T=72℉

psig=0

Central

Collection

Point

IncineratorHot Compressed Air

(250∼1200℉)

Burner/Blower

To Atmosphere

<그림 6> HRUBOUT process.

⑨ 무선 주파수 가열 (IIT Research Institution/ KAI Technologies/Brown Root Environmental)

In-situ 상태에서 전자기 에너지로 토양을 가열하여 휘발분을 제거한다. IITRI에서는 수직 전극봉을 3열로 파묻은 후, 가운데 전극봉에 열을 공급하여 전극봉이 개설된 지역의 중앙위부터 가열이 시작되어 300℃이상으로 온도가 높아진다. KAI Techno-logies에서는 안테나 모양의 가열기를 이용하여 250℃이상 온도를 높인다. 건조와 함께 토양의 투과율이 높아지면서 오염물질이 효과적으로 휘발된다. 추출된 휘발분은 기존의 여러 방식으로 처리될 수 있다.⑩ 이동식 열 탈착 시스템 (Maxymillian Technologies)

이동식 로터리 킬른 시스템으로 30×43㎡의 면적이 필요하고 설치에 4∼6주가 필요하다. <그림 7>에서 보듯 시스템은 공급장치, 킬른, 사이클로, 재연소 버너, 급랭탑, 여과포 장치, 송풍기, 굴뚝, 다단 먼지 압축기, 제저실들로 구성된다. 킬른 내에서 기체와 고체는 같은 방향으로 움직이며, 315∼540℃에서 토양 중 오염물질이 휘발되고 정화된 토양은 다단 압축기에서 가습되어 배출된다. 휘발분은 공기와 함께 사이클론을 거쳐 870∼1,100℃의 재연소실에서 독성물질이 파괴된 후 급냉실, 여과포 집진장치를 통해 배출된다.


<그림 7> Mobile (transport) incinerator

⑪ 플라즈마 방전 유리화 (Retech)플라즈마 방전 원심 처리로의 용융조에서 원료물질의 독성을 제거한다. 원료가

밀폐된 원심분리기로 공급되면 플라즈마 방사에 의하여 고체는 약 1,800℃로 가열되고, 가스의 온도도 최소한 980℃로 유지되며, 유기물질을 증발시켜 파괴한다. 배기가스는 가스-슬래그 분리조를 거쳐 1,100℃사이의 2차 연소실에서 약 2초간 머문 후 정화 시스템을 통해 배출된다.

무기물질은 용융상태에서 균일하게 가열되며 혼합된다. 슬래그의 질을 조절하기 위하여 다른 물질을 첨가할 수도 있다. 원심분리기의 회전속도를 늦추면 균일한 비용출성 유리질의 슬래그가 저압조로 배출된다. 연소로의 압력이 일정 이상 올라가며 안전판이 열려 surge tank로 분출되며 분출된 가스는 연소로로 재순환 된다. ⑫ X

*TRAXTM 열탈착 (Rust Remedial Services)외부에서 가열되는 rotary dryer를 이용하여 원료 중의 수분과 유기 오염물질을

질소 흐름 속으로 휘발시킨다. 처리된 고체물질은 비산먼지를 막기 위해 물로 냉각하여 외부로 배출된다. 오염물질을 포함한 질소가스는 고에너지 세정기에서 먼지와 유기오염물질의 10∼30%가 제거되고, 2개의 응축기를 거치며 4℃이하로 냉


각된다. 대부분의 가스는 재가열하여 건조기로 되돌려진다. 5∼10%의 가스는 여과장치와 탄소 흡착장치를 거쳐 외부로 배출되는데, 배출된 양을 질소로 보충함으로써 전달가스중의 산소 농도를 대개 1%, 많아도 4%이하로 조절하며, 전체 시스템의 압력을 약간 대기압 이하로 유지하여 오염된 가스의 누출을 막는다. 이와 같은 가스 배출은 동일한 용량의 소각로의 1/700정도이다. ⑬ 혐기성 열공정 (SoilTech ATP System)

원래는 tar sand나 shale로부터 오일을 회수하기 위한 공정으로 로터리 킬른을 이용하여 원료로부터 오염물질을 탈착, 회수하여 응축시킨다. 고온에서 할로겐화 탄화수소를 화학적으로 파괴하는 할로겐 제거 공정과 함께 사용할 수도 있다. 킬른은 예열, 건류, 연소, 냉각의 4부분으로 나뉘어 진다. 예열부에서 수분과 휘발분이 증발되고 고온의 고체와 분자량이 큰 탄화수소는 모래벽(sand seal)을 통해 건류부로 이동한다. 이 때 모래벽은 고체를 통과시키거나 가스나 오염물질의 이동을 막는다. 이와 함께 연소부에서 고온 처리된 토양이 2차 모래벽을 통해 투입되어 무거운 탄화수소 성분이 탈착될 수 있도록 열을 공급한다. 탄화된 토양은 3차 모래벽을 통해 연소부로 이동하며 일부는 앞에서와 같이 건류부로 회송된다. 연소부를 통과한 토양은 예열부와 킬른 외벽사이 환상의 냉각부에서 예열부에 열을 빼앗기고 물로 급냉되어 저장된다.

<그림 8> Ionizing wet scrubber.(countesy of Ceilcote Co.)


예열부와 건류부의 휘발분은 약간의 음압조건에서 사이클론을 거친 후 냉각되어 물과 기름으로 분리된다. 연소부의 배기 가스는 사이클론과 여과장치, 습식세정기, 탄소흡착장치를 지나면서 먼지, 산성가스, 미량 유기화합물들이 제거된다. 할로겐 제거 공정이 있을 때에는 예열부에 투입되는 토양에 알칼리성 할로겐 제거를 포함한 오리 혼합물을 살포하여 킬른에서 PCB 등 할로겐화합물의 할로겐성분을 파괴시킨다<그림 8>.⑭ 주파수 조율 맥동 연소 시스템 (Sonotech)

연소로 내 진폭이 큰 공명 맥동을 일으킴으로써 소각로 효율을 높이기 위한 버너 시스템이다. 밀폐된 공간 내에 축방향이나 횡단면, 혹은 3차원의 음파 진동을 일으키며, 진폭은 170dB, 주파수는 50∼500Hz까지 가능하다. 이러한 고주파의 고속의 가스진동으로 연소로 내 가스혼합을 촉진시켜 농도 구배를 줄이거나 없앤다. 맥동연소는 기존의 연소로에 장착할 수도 있는데, 이 경우 2∼10%의 에너지가 필요하나 총 연료사용은 맥동 연소를 장착하기 전보다 작다. ⑮ 이류층 가스화 (Texaco)

촉매를 사용하지 않는 부분 산화공정으로, 탄소질의 원료를 20기압 정도의 고압과 1,200∼1,540℃ 고온에서 처리하여 CO와 수소가 주성분인 합성가스를 생산한다. 원료는 미세하게 분쇄되어 고체 40∼70%, 액체 30∼60% 비율의 슬러리 형태로 공급되며, 석탄과 같은 보조연료와 함께 부분 산화되어 가스를 발생시키고 연료중 금속성분과 회분은 녹아 유리질의 슬래그로 배출된다. 발생가스는 세정장치를 통해 먼지와 메탄이외의 탄화수소가 제거되며 제거된 물질은 다시 가스로 환송될 수 있다. ⒃ LT3 저온 열처리 시스템 (Roy F. Weston)

토양을 연소 온도까지 가열하지 않고 유기물질을 처리할 수 있는 이동식 시스템으로 토양처리, 배기가스처리, 수처리의 세부분으로 구성되며, 부대시설을 포함하여 460㎡의 부지가 필요하다. 열처리부는 열교환을 위하여 Jacket으로 둘러싸인 위, 아래 2개의 홈통으로 이루어진다. 홈통의 재킷에는 오일이 순환되며 토양을 200∼260℃으로 가열하여 오염물질을 제거한다. 정화된 토양은 조절조에서 물을 살포하여 온도를 낮추고 먼지발생을 억제한다. 열처리부에서 발생된 유기물질을 포함한 가스는 여과장치와 공랭식 응축기, 2차 냉각 응축기, 탄소 흡착기들을 거친다. 2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과<표 8, 9>에서 보듯 광물성 석유류탄화수소나 다환성 방향족탄화수소(PAHs),


염소계 화합물 등에 효과가 크며, 카드뮴 등 중금속에는 부분적으로 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 토양입경별로 보면 슬러지를 제외한 미사점토나 일반 폐건축자재, 토양 세정잔재물 등에도 처리효과가 크다.

소각비용은 처리 시스템의 능력, Feed stock의 형태 등 여러 요인에 따라 다양하나 상대적으로 높은 편이다.3) 제약조건- 토양의 입경이 2 inch이상일 때에는 적용성이나 비용에 영향을 미친다. - 공정상 가열하는데 필요한 에너지를 감소시키기 위해 탈수가 필요하다.- 큰 입경의 토양을 장기적으로 운전하면 시설을 손상시킬 수 있다. - 찰흙, 점토, 그리고 휴믹산을 많이 함유한 토양은 오염물질과 단단히 결합되

어 반응 시간이 길어진다. 4) 영향인자- 수분함유량 - 토양의 분류 - 오염물질의 끓는점- 열탈착의 효과5) 처리효율20,000ton의 토양을 복원하는데 약 4개월 정도의 기간이 소요된다.

1.1.2 증기추출법 (Soil Vapor Extraction) 1) 처리개요토양증기추출법은 토양진공추출법(soil vacuum extraction：SVE)으로도 알려져

있으며 가솔린, 용매, 휘발성 및 반 휘발성 유기오염물질을 처리하는데 이용되는 경제적인 처리기술이다. 토양증기추출법은 오염된 토양 내 공극을 통해 오염 공기를 뽑아내어 처리하는 단순 기술이며 토양 및 지하수로부터 지상으로 오염물질을 이동시키기 때문에 미생물처리 기술 등 다른 처리기술과 함께 이용되면 더욱 효과를 높일 수 있다. 이때 오염물질을 대기로 뽑아내는 효과는 오염물질의 화학적 특성, 불포화 지대를 통과하는 증기의 흐름정도 및 오염지역으로 이동되는 증기의 흐름도에 따라 크게 차이가 난다.

전형적인 증기추출 처리공정도는 <그림 9>와 같으며, 토양증기추출법은 1970년대부터 매립지에서 나오는 가스를 제거하는데 이용되어 왔고, 1980년대에는 지하


저장탱크에서 누출되는 오염토양을 정화하는데 폭넓게 이용되어 왔으며, 최근에는 유해 폐기물 오염지역을 정화하는데 사용되고 있다. 본 기술은 건물이나 고속도로 등지에도 사용 가능하다.

Blower

Emission control Excavated

Soil Pile

<그림 9> 전형적 증기추출 처리공정도

2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과<표 14>에서 보듯 BTEX 등 휘발성유기물질에는 효과가 크며, 준 휘발성 유기

물질에는 부분적인 효과가 있고 다환성 방향족탄화수소나 중금속류 등에는 효과가 없다. 또한 <표 15>에서는 토양입경별로 자갈, 모래, 세사 등에는 효과가 크며, 미사에는 부분적으로 효과가 있고 점토에는 효과가 없다.

<표 14> 오염물질별 증기추출법의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

휘발성 유기물질준휘발성 유기물질다환성 방향족탄화수소 (PAHs) 광물성 석유류탄화수소중금속

×

×

×

×

×


<표 15> 토양 입경별 증기추출법의 처리효과토양 입경 정도 적 합 부분적 적합 부적합

자 갈 중간모래 가는 모래 미 사점 토

×

×

×

×

×

3) 제약조건- 토양을 굴착하여 오염물질을 처리하는 과정에서 발생하는 배출가스를 처리

해야 한다.- 토양에 잔류하는 액체의 처리와 활성탄소의 소비로 인해 공정의 비용이 증

가한다.- 공정처리를 위한 공간이 많이 필요하다.4) 영향인자 - 오염물질의 농도- 토양의 형태와 성분 (토양내 구성성분, 수분 함유량, 입경의 크기, 투수성,

공극률, TOC)- 기름과 그리스의 존재여부- 공기의 유량과 증기압 (공정의 운전상 필요한 요소)5) 처리효율 토양을 굴착하는 과정에서 개인 보호장치가 필요하다. 지상 토양증기추출법을

이용하여 토양을 복원하는데 필요한 시간은 토양의 특성과 오염물질의 화학적 성분에 의해 좌우된다. 20,000ton의 오염된 토양을 복원하는데 필요한 기간은 대략 12∼36개월이다. 일반적으로 지상 토양증기추출법은 장시간 감시원이 없어도 무리없이 수행될 수 있다.

1.1.3 기타 복원기술1) Hot Gas Decontamination

오염된 장비 및 물질에 대하여 일정 시간동안 온도를 상승시켜 이로부터 발생


된 가스성분내의 모든 휘발성 오염물질을 후연소 시스템(afterburner system)내에서 처리한다. 폭발성 오염물질의 처리에 적용되며, 개방식 소각보다 비용이 높다. 2) Open Burn/Open Detonation(OB/OD)

폐 화약 및 폭약류 또는 이들 물질로 심하게 오염된 토양을 처리하는 기술로서 OB 시스템에서는 외부 점화 후 자체 소각열에 의해 연소되며, OD 시스템에서는 초기 폭발을 유도한 후 자체적인 연쇄폭발에 의해 처리된다.

1.2 화학적 방법본 장에서는 여러 가지 토양복원기술 중 토양세척법, 고형화 및 안정화, 탈할로겐화

법, 용제추출법, 화학적 산화 및 환원법에 관해 기술하고, 이 밖에도 Air Stripping, Filtration, Ion Exchange, Liquid Phase Carbon Adsorption, Precipitation, UV

Oxidation, 가수분해, 자외선/ 광분해 등에 대해 간단히 소개하였다.

1.2.1 토양세척법(Soil Washing) 1) 처리개요 토양세척기법은 적절한 세척제를 사용하여 토양입자에 결합되어 있는 유해한

유기오염물질의 표면장력을 약화시키거나 중금속을 액상으로 변화시켜 토양입자로부터 유해한 유기오염물질 및 중금속을 분리시켜 처리하는 기법이다. 토양세척기법에 이용되는 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 화학물질이다. 그리고 이렇게 분리된 폐액은 농축․처분하거나 재래식 폐수처리방법으로 처리하며, 페액 내의 중금속을 회수할 수도 있다. 이 기술로 광범위한 유기 및 무기오염물질을 제거할 수 있다.

토양세척법의 처리공정도는 <그림 10>과 같으며, 토양세척기술은 1970년대 후반 미국 EPA에서 기름누출사고로 오염된 해변을 정화하기 위해 처음으로 개발되었으나, 현재는 미국보다 유럽에서 더욱 발전시켜 사용되고 있다.

토양세척의 기본 원리는 다음의 2가지 가정에 근거를 두고 있다. 첫째는 오염물질이 입자가 작은 토양에 많이 분포되어 있어 이것만을 분리하여 부피를 감소시킨 후 처리할 수 있는 것이다. 둘째는 토양입자와 화학적으로 결합되지 않은 오염


물질이 물리적인 방법으로 쉽게 토양과 분리할 수 있다는 것이다. 따라서 토양세척의 주된 목적은 완전한 토양재생이 아니고 오염된 토양의 부피를 감소시키는 것이라고 하겠다.

Soil Washing

Process

-Washing

-Rinsing

-Size Separation

-Gravity Separation

-Scrubber

Soil

Homogenizing/

Screening

Wastewater

Treatment

Emission

Control

Contaminated

Soil

Volatiles

Makeup Water

Chemicals

Recycle Water

Treated

Water

Clean Soil

Contaminated

Sludges/ Free

Extracting Agents

(Surfactant, etc)

Oversized Repeats

Prepared Soil

Treated Air

Emissions

Blowdown

Water

<그림 10> 토양세척법의 처리공정도

또한, 물에 첨가제를 사용하여 토양에 수착되어 있는 오염물질의 제거 효율을 높이기도 한다. 이때 사용되는 첨가제로는 Triethylene Amine(TEA)과 같이 28℃이하에서는 물과 혼합되지만, 이 온도 이상에서는 두 충으로 분리되는 역혼화성 물질이 유리하다. 1) 토양세척공정 설비토양세척공정은 파쇄기, 크기 선별기, 분리장치, 혼합 및 추출 장치, 세척액 처리

장치, 대기오염 방지장치, 미세 토양의 2차 처리장치 등으로 구성되어 있다. 대표적인 토양세척 공정의 흐름을 <그림 11>에 나타내었다.


파쇄공정(Optional)

응집제, 중화제

세척액

혼합공정 첨가제 (Optional)

탈수

매립

탈수

폐기

Feed

선별공정

Oversize 토양

오염물 +

세척액 +

중간 미립토양

1차 분리공정

Coarse +

유기고형물

미립자 +

세척액

2차 분리공정

Coarse 입자 고형유기물

슬러지 탈수

여액오염된

Filter Cake

세척액 정화공정

정화수 오염슬러지재순환

배출

<그림 11> Ex-situ soil washing 흐름도

가) 파쇄기 (Size Reduction Equipment)파쇄기는 입자가 큰 토양을 분쇄하는 장치로 입자의 크기가 2∼5㎝보다 큰 토

양이 심하게 오염되어 있어 세척이 필요한 경우 토양취급과 세척효율을 높이기 위해 설치한다.

나) 선별기(Screening Equipment)선별기는 토양 중에서 세척처리가 불필요하고 입자크기가 큰 토양이나 나무, 금

속 등 이물질을 선택적으로 분리하는 장치이다. 선별기는 이물질을 제거하는 grizzy deck, 약 6mm이상 크기의 토양(대부분 표면오염)을 분리하는 회전 screen, shaker, 진동장치, sieve bend, 회전형체(trommel) 등이 있으며, 선별공정은 이들 중 몇 개의 조합으로 이루어진다. 입자의 크기가 약 6mm이상인 토양은 고압 스


프레이에서 나오는 물로 표면만 세척한 후 다시 원위치에 매립하고 6mm이하인 토양은 분리장치로 보낸다.

다) 분리장치(Separation Equipment)선별기에서 이송된 토양은 분리장치에서 다시 물에 의해 미립자와 중간크기의

입자로 분리된다. 이 분리장치는 고체와 액체를 분리하는 classifier, 고체입자를 분리하거나 침전속도를 이용하여 고체미립자와 부유 유기물을 분리하는 classifier 등으로 구분된다.Classifier는 중간크기의 입자를 분리하는 침전조, Lamella, Thickener, Inclined spiral classifier, 미립자를 분리하는 Hydrocyclone과 원심분리기 등이 있다. Hydrocyclone은 고압의 물이 분사되면서 발생시키는 원심력에 의해 부유하는 미립자를 분리하는 장치로서, 이 장치의 출구에서 나오는 고체의 오염물 농도는 토양의 형태, 초기 오염농도, 입자의 크기, 밀도, 유체의 점도 등에 따라 달라진다. Hydrocyclone은 원심분리기에 비해 분리효율은 낮지만 용량이 크고 에너지 사용량이 적으며 가격이 싸기 때문에 널리 사용되고 있다.

이 밖에도 upflow classifier인 Elutriator, 밀도차이를 이용하여 분리하는 부유선광장치, 미립자 탈수장치 등이 있다. 탈수법으로는 함수율 2∼15%의 고형물을 얻을 수 있는 thickening법과 함수율 20∼45%의 고형물을 얻을 수 있는 진공 여과장치, Filter Press 등의 여과법이 있다.

라) 혼합 및 추출장치이 장치는 토양과 세척액의 접촉효율을 높여주며 Impeller, Water knife(60 psig), 고압 jet pipe(5000 psig), 저주파 진동장치 등이 있다.

마) 세척액 처리장치세척 후 나오는 폐액은 오염물질을 함유하고 있어 외부로 배출하거나 재사용시

후처리가 필요하다. 폐수처리 기법은 중화, 급속침전, 응집, 생물학적 처리, 활성탄 흡착, 막분리, 여과 등 많은 방법이 있다.

바) 대기오염 방지장치토양의 굴착, 파쇄공정, 선별공정, 후처리공정 등에서 휘발성물질 및 미립자가

방출되므로 오염방지 장치가 필요하다. 굴착시에는 오염방지가 어렵지만 나머지 다른 공정에서는 포집하여 전기 집진, 활성탄 흡착, 스크러버 등으로 처리하여 배출한다.


2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과준휘발성 유기화합물질, 유류계 오염물질과 중금속에는 효과가 크며 특정 휘발

성 유기화합물질과 살충제에는 부분적인 효과가 있는 것으로 <표 16>에 나타나고 있으며, 토양입경별로는 자갈, 모래, 세사 등에 효과가 크고, 미사에는 부분적인 효과가 있으며, 점토에는 효과가 없는 것으로 <표 17>에 나타났다.

<표 16> 오염물질별 토양세척법의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

석유류탄화수소준휘발성 유기화합물Cd, Cu, As, Hg, Pb, Cr

+6, CN

PCB

유기물질을 포함한 중금속살충제

×

×

×

×

×

×

<표 17> 토양입경별 토양세척법의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합

자갈 중간모래 가는모래 미사 점토

×

×

×

×

×

슬러지 재

×

×

3) 제약조건- 세척유출수로부터 미세 토양입자(예를 들면 Silt, Clay)를 분리해 내기 위해

서는 응집제를 첨가해 주어야 할 경우도 있다. - 복합 오염물질(예를 들면 유기물질을 포함한 중금속)의 경우 적용하고자 하

는 세척제를 선별·제조하기가 어렵다.


- 토양 내에 휴믹질이 고농도로 존재하는 경우에는 전처리가 필요하다. 4) 영향인자 - 입경 분포(적정범위 0.24∼2mm) - 토양의 종류- 토양의 물리적 형상- 수분함유량- 오염물질의 종류 및 농도- 유기물 함량- 양이온 치환 능력 - pH와 완충력5) 처리효율 현재, 토양세척기법은 유럽에서는 일반적으로 사용되고 있지만 미국에서는 제한

적으로 사용되고 있다. 1986에서 1989년 사이에 이 기술은 여덟 개의 Superfund sites에서 오염물질 제거 방법 중 하나로 적용되었다.

토양세척기법은 일반적으로 생물학적 복원기술, 소각, 고형화/안정화와 같은 기술과 복합적으로 사용된다. 적용되는 기술에 따라 다르지만, 토양세척제나 미세 토양에 대해서는 후처리가 필요하다. 오염된 미세 입자를 분리하고 난 후 정화된 토양은 현장에 다시 되돌려진다. 토양세척의 예로 18,200㎥(약 20,000ton)의 오염토양 부지를 세척하기 위해 석 달 미만의 기간이 소요된 경우가 있다.6) 적용 예토양세척기술은 제거성능, 제거시간, 경제성 등을 비교하고 평가하여 최적의 방

법을 선택한다. 토양세척기술에 의한 오염물질의 제거효율은 다른 기술에 비해 높으며 어떤 성분은 99%이상 제거되기도 한다. 네덜란드에서는 이 기술을 이용하여 유기물과 중금속이 함께 오염되어 있는 토양을 재생하였으며, 이 결과를 <표 18>에 나타내었다. 시간당 토양의 처리용량은 설계용량에 따라 다르지만 대부분의 경우 1∼10톤 정도가 경제적이다. 토양세척기술에 의한 처리비용은 전체 처리용량에 따라 다르지만 약 ＄150∼300/ton으로 비교적 높은 편이다. 토양세척기술을 새로운 부지 개발시 병행하면 가격 경쟁력이 매우 높다. 또한 오염물질을 운반하여 매립할 때 경량화 기술로 효과적이며, 이 경우 오염된 토양의 부피가 10,000㎡ 이상일 때는 경제성이 있다.


<표 18> 네덜란드의 토양세척의 결과

오염물질 네덜란드 규격(㎎/㎏) 오염물질 농도(㎎/㎏)B Class C Class 처리 전 처리 후

Cr 250 800

100-2500

100-320

184

43-45

70-120

3

64

11-15

Ni 100 50025-890

100-600

40-70

50-80

Zn 500 3000

6040

460-720

160-170

150

140-200

50-80

Pb 150 600

11900

110-450

1450

110

20-70

20

Hg 2 1067

67

105

104

As 30 50135

180

19

3

Cd 5 203000-18000

4-18

20

0.5-1.4

Mineral oil 1000 50006000

273-933

<20

<20

CN(Total) 50 5000

75-300

400-1000

250-500

7-10

6-10

10-15

PCBs 1 10 2-4 0.1-0.2

Oil

19600

233

3000-18000

334

<20

20

PCAs(Total) 20 200

250-400

79

19

638

0.5-10

7.9

0.34

7.8

Chlorinated 1 10 20-30 <1

hydrocarbons 5.3 0.4


1.2.2 고형화 및 안정화(Solidification/Stabilization)1) 처리개요고형화 및 안정화법은 물리화학적인 방법을 통해 독성물질과 오염물질의 유동

성을 감소시키는 방법으로 중금속 등 무기물질을 고정시키는데 효과가 높다<그림 12>. 시멘트화에 의한 고형화 및 안정화 처리기술은 고형물질을 형성함으로써 오염물질의 이동을 방지하기 위한 기술로 Portland cement, 석회 및 Petrifix 등이 있고, 이중 Portland cement가 널리 사용되고 있다.

안정화란 물질을 불용해성으로 만드는 것이고, 고형화란 액상이나 슬러지와 같은 폐기물에 접합제를 첨가하여 고상의 형태로 만드는 것을 의미한다. 고형화 및 안정화 처리기술은 과거에 많이 연구되어왔으며 이 처리기술에 이용되는 접합제는 크게 두 가지로 구분된다.

가) 무기접합제：시멘트, 석회, Kiln dust, fly ash, 규산, 점토, 지올라이트나) 유기접합제：아스팔트, 폴리에틸렌, 레자, 에폭시, 우레아 포름알데하이드,

폴리에스테르

<그림 12> 전형적인 고형화 및 안정화 작업공정

유기성 접합제는 용해도가 높은 폐기물이나 유기성 오염물질을 화학적으로 접합시켜 안정화시키는 능력이 크다. 반면 무기 접합제보다 가격이 비싸기 때문에


핵폐기물이나 독성이 강한 산업폐기물 등의 처리에 국한되어 사용되고 있다.유리화(Vitrification) 기술도 고형화 및 안정화 처리기술에 포함될 수 있으며 본

방법은 대상물질을 유리화 시킴으로써 유기성 물질을 파괴하고 중금속 물질은 고정시키는 확실한 처리기술이지만 고가의 비용이 소요되므로 넓은 면적의 오염부지에 본 기술을 적용하기는 어렵다.

오염물질을 물리적으로 안정한 상태의 물질로 고형화시키거나 안정화제를 첨가하여 화학반응에 의해 오염물질의 유동성을 감소시킨다는 점에서는 In situ 고형화 및 안정화 처리기술과 비슷하다. Ex situ 고형화 및 안정화 처리기술은 일반적으로 처리 후 보조제의 사용으로 인하여 부피가 크게 증가하기 때문에 처리 후 물질에 대한 처분작업이 필요하다. 고형화 및 안정화법의 처리공정도는 <그림 13>과 같다.

ConveyorWaste Material

Chute to Truck Loading

Area

Hopper with Even Feeder

Homogenizer

Weight Feeder

Pug Mill

Liquid

Reagent

Storage

Water Supply (required)

Dry Reagent

Weight Feeder

Augar

<그림 13> 고형화 및 안정화법의 처리공정도

2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과<표 19, 20>에서는 오염물질 및 토양입경별 처리효과를 나타냈으며, Ex-situ 고

형화/안정화의 주된 처리대상물질은 방사능물질을 포함하는 무기물질이며, 준휘발성 유기물질과 살충제에 대해서는 효과적이지 못하다. 그러나 현재 유기물질에 대해서 효과가 높은 공정이 개발되어 시험중에 있다.


<표 19> 오염물질별 고형화 및 안정화법의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

방사능물질Cd, Cu, As, Hg, Pb, Cr

+6, CN

준휘발성 유기물질살충제

×

×

×

×

<표 20> 토양입경별 고형화 및 안정화법의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합

자갈 중간모래 가는모래 미사 점토 슬러지 재

×

×

×

×

×

×

×

3) 제약조건- 일반적인 공정은 부피를 두배까지 증가시킬 우려가 있다.- 휘발성 유기물질은 고정화되지 않는다. - 여러 가지의 오염물질이 혼합되면 처리 시간이 길어진다. - 장기간의 효용성 문제도 거론되고 있다. 4) 영향인자- 토양의 입경, 수분 함량- 중금속 농도- 황 함유량- 유기물질 농도, 밀도, 투수성, 물리․화학적 특성5) 처리효율오염물질과 Ex-situ 고형화 및 안정화 공정에서 일어나는 화학반응에 따라 생

성물질은 독성물질로 변화될 수 있다. 또한 특정 방사능 오염물질로 오염된 토양


은 처리가 가능한 형태로 변화되어야 한다. 장치의 형태와 크기, 그리고 토양의 성분 (고형물의 함량과 입경의 크기)에 따라 다르며, 20,000ton의 토양을 처리하는데 약 1개월 정도가 소요된 경우가 있다.

1.2.3 탈할로겐화법 (Dehalogenation)탈할로겐화 공정은 화학약품을 오염토양에 직접 가하여 오염물질 분자로부터

한 개 또는 그 이상의 할로겐(염소, 취소, 불소 또는 요오드)원자를 제거하는 것이며 현재 화학적 처리기술 중 가장 널리 사용되고 있다. 이때 할로겐 원자는 대개 다른 원자나 기로 치환된다.

이 공정은 carbon tetrachloride, chloroform 등 휘발성 할로겐 화합물이나 살충제 등의 처리에 적합한 방법으로 기대되며, dieldrin과 같은 고리형 포화 탄화수소나 1,2-dichloroethane과 같은 직쇄상 포화 탄화수소의 탈염소화 반응에도 적용 가능할 것으로 보인다. 그 외에도 PCBs, PCDDs, PCDFs, chlorobenzenes 등을 들 수 있다. 이러한 공정으로는 Acurex, PPM, APEG, BCD공정 등이 있다. 1) BCD (Base Catalyzed Decomposition)공정

가) 처리개요BCD 공정은 염소계 화합물질, 다이옥신, 퓨란으로 오염된 토양과 퇴적물을 정화하

기 위해 개발되었다. 오염토양을 분류하여 분쇄한 후 NaHCO3(Sodium bicarbonate)와 혼합하여 오염물질을 휘발시키기 위해 330℃에서 가열한다. BCD 공정은 탄소-수소고리를 분해하여 할로겐 방향족 오염물질을 처리하는 산화/환원반응을 이용한다.

이 공정은 PCBs, PCDs에서 염소를 제거하는데 사용된다. 즉, 시약을 첨가해 환경을 변화시킴으로써 친핵성 대체작용을 일으키고, 이러한 반응에서 염소원자의 교환이 일어나게 된다. 교환반응으로 인해 유해 오염물질은 독성이 적은 오염물질로 변환되는데 이러한 물질들은 알칼리 금속 염소 염분이다. 이 기술은 오염물질을 다른 상으로 이동시키는 것이 아니라 오염물질을 재구성하는 것이다. EPA가 Guam 해군기지에서 토양중의 PCBs를 탈할로겐화하기 위해 실험한 결

과 2,779ppm에서 0.4ppm으로 오염량을 줄일 수 있었다.BCD 공정을 사용하면, 처리제의 사용량을 1∼5wt%로 줄일 수 있으며, 처리제

의 회수가 필요하지 않고, 연속식 공정과 회분식 공정이 모두 가능하며, 후처리를 위한 중화 공정이 필요하지 않는 등의 많은 장점이 있다.


탈할로겐화법(BCD)의 처리공정도는 <그림 14>와 같다.

Reactor Feed

Stockpile

Decontaminate

Sludge to off-Site

Disposal

Carbon

Filters

Screening

Crushing

Mixing with

H2CO3Soil

Conveyor

Vent to Atmosphere

Clean Soil

Stockpile

Rotary Reactor

644℉-1hr

Carbon

Filters

Treated Waste Tank

Excavated Soil

Stockpile

Cyclone

DustSettling

Tank

Mixing

Tank

Cernstar

Scrubber

Tank

∼70%

of PCBs

Stirred

Tank

Reactor

862℉-2hr

Catalyst

Spent

Carbon

Filter Cake

Filtrate

Heat

Exchange

Flow

Press

Baghouse

10Tons/hr Cyclone

Spent Carbon

<그림 14> 탈할로겐화법(BCD)의 처리공정도

나) 오염물질 및 토양입경별 처리효과<표 21, 22>에서는 오염물질 및 토양입경별 처리효과을 나타내었으며, BCD 공

정으로 처리 가능한 오염물질은 할로겐물질과 살충제이다. 이 기술은 할로겐 휘발성물질을 처리하는데 사용될 수 있지만 다른 기법에 비해 비용이 많이 소요된다.

<표 21> 오염물질별 탈할로겐화법(BCD)의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

PCB

기타 염소화합물살충제

×

×

×


<표 22> 토양입경별 탈할로겐화법(BCD)의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합

자갈 중간모래 가는모래 silt

점토 슬러지

×

×

×

×

×

×

다) 제약조건 - Silt, clay 함량이 많으면 처리비용이 많이 소요된다.

라) 영향인자- 토양에 포함되어 있는 물- 알칼리 금속 유무 - 부식토 함량- 총 유기할로겐화합물 함량

마) 처리효율NFESC와 EPA는 1990년부터 함께 BCD공정을 개발했다. North Caroline에 있는 Koppers Superfund 현장 결과는 분석의 어려움 때문에 수행한 기술에 비해 효과적이지 못했다. 그 당시에는 이 기술의 상업적인 적용이 없었다. PCB처리를 위한 Toxic Substances Control Act하에서 EPA의 Office of Toxic Substances는 BCD공정을 인정하였다. 이 기법은 NFESC가 완성하였으며, 공식적으로는 NCEL과 NEESA가 가능케 했다. 수행 전 실험은 1991년 11월에 Naval Communications Station Stockton에서 완성되었다. 1994년 2월에 PCB 15ton을 이용한 실험이 성공적으로 이루어졌다.2) APEG (Alkali Metal Polyethylene Glycolate)공정

가) 처리개요APEG공정은 할로겐 방향족 물질을 탈염소화 시키기 위해 Alkaline Polyethylene Glycol(APEG)을 이용하는 Full-scale 기술이며, Potassium polyethylene Glycol (KPEG)는 가장 일반적인 APEG시약이다. 오염된 토양과 시약을 혼합하고 반응기에 열을 가한다. APEG공정에서 Polyethylene glycol은 할로겐 분자를 치환하고 독


성물질의 독성을 약화시킨다. 위 공정(APEG/KPEG)은 독립적인 기술로 생각되고 있지만 다른 기술과 복합적으로 사용이 가능하다. 공정 중 발생하는 폐수는 화학적 산화, 생물학적분해, 탄소흡착, 침전 등으로 처리된다.KPEG를 만들기 위해 가장 일반적으로 이용되는 Metal Hydroxide는 Polyethylene Glycol(PEG)와 혼합된 Potassium Hydroxide(KOH)이다. 이 시약은 ATEG라는 Potassium Hydroxide혹은 Sodium Hydroxide/Tetraethylene Glycol을 이용하는데 이것은 할로겐 지방족 화합물질에 더 효과적이다. KPEG시약을 만들 때 방향족 화합물질의 추출율을 향상시켜 반응속도를 증가시키기 위해 Dimethyl Sulfoxide (DMSO)을 첨가한다. APEG공정은 다른 정화기술에 비해 몇 가지 장점을 지니고 있다. 이 기술은 토

양에 포함되어 있는 PCB의 농도에 상관없이 적용이 가능하지만, 생분해 기술은 오염물의 농도에 민감하며, 열적처리와 비교할 경우 에너지 소비가 적으며 처리해야 하는 방출가스의 양이 적다. 그러나 이 기술은 다량의 화학물질이 필요하고, 과도하게 주입된 시약을 처리해야 하는 단점이 있다.

Emissions Control

Condensor

ReactorExcavateWaste

PreparationSeparator Washer Dewasher

Treated

Emissions

Emissions

Screened

Soil

Water

Vapor

Treated

Material

Soil Soil

Water

Soil

Water

Reagent Recycle

<그림 15> 탈할로겐화법(APEG)의 처리공정도


Guam에서 실시된 Field-scale 시범 처리 설비에서 오염토양을 처리한 결과 PCB의 오염도를 3,430ppm으로부터 1.01∼13.9(평균 6.74, 제거율 99.5% 이상)으로 낮출 수 있었으며, Omaha에서는 2,3,7,8-TCDD, 2,4-dichlorophenoxy Acetic Acid 및 2,4,5-trichlorophenoxy Acetic Acid 등의 처리시험을 수행하여 이 방법이 효율적임을 보였다. 2,3,7,8-TCDD의 경우 초기 농도 1.3ppm에서 검출 한계인 2ppb이하로 저하시켰으며, 2,4-dichlorophenoxy Acetic Acid의 경우 17,800ppm에서 334ppm으로 2,4,5-trichlorophenoxy Acetic Acid의 경우 2,800ppm에서 55ppm으로 오염도를 낮출 수 있었다. 앞의 <그림 15>는 탈할로겐화법(APEG)의 처리공정도이다.

나) 오염물질 및 토양입경별 처리효과<표 23, 24>은 오염물질 및 토양입경별의 처리 효과를 나타냈으며, APEG공정

을 이용하여 처리 가능한 오염물질은 준휘발성 할로겐 유기물질과 살충제이다. 이 처리기술은 특정 휘발성 할로겐 유기물질에는 효과가 적다. APEG 탈염화기법은 현장의 PCB 정화에 있어서 소각보다 높은 효율을 나타내는 기법 중의 하나이다. 이 기법은 작은 규모로 수정이 가능하다.

<표 23> 오염물질별 탈할로겐화법(APEG)의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

PCB

염소계 준휘발성 유기물질살충제

×

×

×

<표 24> 토양입경별 탈할로겐화법(APEG)의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합

자갈 중간모래 가는모래 silt

점토 슬러지

×

×

×

×

×

×


다) 제약조건- 부지가 넓은 오염토양에 대해서는 경제적이지 못하다. - 토양의 수분함량이 20%이상일 경우 시약이 많이 필요하다. - 염소계 유기물질의 농도가 5%이상일 경우에는 시약이 많이 필요하다.

라) 영향인자- 토양에 들어있는 물- 알칼리 금속 유무- 부식토 유무- 총 할로겐화합물 함량

마) 처리효율APEG공정은 오염물질의 농도가 2ppm∼45,000ppm인 토양을 처리하는데 높은 효

율을 나타낸다. 본 공정은 PCB로 오염된 토양을 처리하기 위해 만들어진 Toxic Substances Control Act에 의해서 EPA의 Office of Toxic Substances가 개발한 것이다.APEG공정은 세군데의 Superfund site(New York의 Erie County에 있는 Wide Beach(1985년 9월), Massachusetts의 Re-Solve(1987년 9월), 그리고 Texas의 Sol Lynn(1988년 3월))에서 PCBs로 오염된 토양을 정화하기 위해 적용되었다. 이 기술은 규격에 맞는 장비를 사용하며, 반응조에서 토양과 시약을 혼합하고 열을 가한다. 지속적으로 오염토양을 투입할 수 있는 full-scale PCB 처리 장치가 Guam에서 완성되었는데, full-scale 장치를 약 6∼12개월 동안 운전한 것으로 보고되고 있다.APEG공정으로 45,000ppm정도의 PCBs 농도가 2ppm이하로 떨어졌으며, PCDDs와 PCDFs는 ppt(part per trillion)의 수준에서 감지할 수 없을 정도로 처리되었다. 따라서, 이 공정은 PCB로 오염된 PCDDs와 PCDFs를 효과적으로 처리할 수 있는 기술이이며, 오염된 활성탄소는 직접 처리하는 것보다는 먼저 용매로 추출한 후에 추출물질을 처리하면 PCDDs/PCDFs를 1ppb이하로 감소시킬 수 있다. 3) 화학적 탈할로겐화 공정의 주요변수

가) 반응시간：0.1∼24h, DMSO를 사용하거나 반응온도를 올리면 반응속도를 더욱 빠르게 할 수 있다.

나) pH：이 공정에서는 pH의 영향이 매우 크므로 주의하여야 한다. 특히, 오염물질이 2,4-dichlorophenoxy acetic acid 나 2,4,5-trichlorophenoxy acetic


acid 또는 n-butyl ester 등 유기에스테르인 경우에는 pH가 12이상이 되어야 하며, 먼저 토양을 염기로 치환한 후 APEG 처리제를 가해야한다.

다) 온도：탈염소화 반응에는 높은 온도가 필요하므로 in-situ 처리를 위해서는 오염물질에 따라 100∼150℃로 유지하여야 한다.

라) 습도：공정에 따라 수분함량이 4∼10%에 이르면 반응이 억제되기 시작하며 매우 높아지면 이 공정을 적용할 수 없다.

마) 혼합도(degree of mixing)：토양에 함유된 오염물질과 처리제 간의 접촉이 잘 되도록 충분히 혼합하여 주어야 한다.

바) APEG：토양：오염물질 비：이 비율은 APEG 시약의 종류, 오염물질의 초기농도, 용매, 토양의 특성 등에 따라 변하나 충분한 탈염소화 반응이 진행되기 위해서는 염소 원자수의 2.5배에 해당하는 APEG 시약이 필요하다.

사) 용매와 APEG의 회수：회수율은 공정의 경제성에 큰 영향을 미친다. 세척법에 의하면 90∼99%의 회수가 가능하다.

1.2.4 용매추출법 (Solvent Extraction (Chemical extraction))1) 처리개요용매추출법으로 오염물질을 분해하지는 못하지만, 토양, 슬러지, 퇴적물질로부터

오염물질을 분리시켜 부피를 감소시킬 수 있다. 이 기술은 용매로 유기화학물질을 이용하며, 물이나 계면활성제를 이용하는 토양세척과는 다르다. 주로 물, 산 및 유기용매를 이용하여 중금속이나 PAH, PCB를 처리한다. 용매추출법은 토양상태에 따라 고형화/안정화, 소각, 혹은 토양세척과 같은 다른 기술과 병합하여 사용된다.

추출장치에 있어서 기본과정은 (1)토양의 선별 (2)추출물질과 혼합 (3)액상과 고상의 분리 (4)정화된 토양의 처리 (5)물정화 및 슬러지 처리로 이루어져 있다.

본 기술은 실질적인 추출 이외에도 입자분리기술(입자의 크기나 밀도에 의한 분리), 화학적 처리(주로 산화) 및 부유기술 등 다른 여러 기술과 결합하여 이용되고 있다. 추출공정은 효율을 높이기 위해 오염토양과 용매의 접촉을 극대화 시켜야 하므로 주로 이용되는 추출용매는 triethylamine, kerosene, 그리고 탄화수소 용매이다. 접촉장치는 교반을 위한 회전 교반기가 사용된다. 오염물질이 혼합된 용매는 상분리에 의해 토양으로부터 분리된다. 오염된 용매는 휘발장치에서 휘발된 후 다시 응축시켜 공정에 재이용한다. 오염된 용매의 재이용이 불가능한 경우에는 매립하거나 다른 처리법을 이용하여 용매를 처분한다. 용매추출 장치에 대한


기본 과정과 처리공정도는 <그림 16, 17>과 같다.

전처리

정화된 토양

물, 화학물질 조잡물

추출용액

슬러지

세척 및 추출

상분리

후처리

오염토양

<그림 16> 용매추출장치에 대한 기본 과정

Emissions Control

ExtractorExcavateWaste

PreparationSeparator

Treated

Emissions

Oversized

Rejects

Solids

Solvent

with

Organic

Contaminants

Water

Recycled

Solvents

Concentrated

Contaminants

<그림 17> 용매추출법의 처리 공정도

2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과용매 추출법은 PCBs, 휘발성유기물질, 할로겐 용매, 유류와 같은 유기 오염물질


로 오염된 토양을 처리하는데 효과적인 것으로 나타났다. 이 기술은 무기물질(예를 들면 산, 염기, 염, 중금속)을 추출하는데는 효과가 낮다. 무기물질은 유기 오염물질을 추출하는데 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라, 중금속은 화학물질을 고형화 시킨다. 이 공정은 페인트 찌꺼기, 인조고무 오염토양, 타르 오염토양, 살충제 오염토양, 그리고 유류 정제 폐기물 등으로 오염된 토양의 유기오염물질을 분리하는데 적용할 수 있다. <표 25, 26>에서는 오염물질 및 토양입경별 처리효과를 나타내었다.

<표 25> 오염물질별 용매추출의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

PCBs

휘발성유기물질 할로겐 용매 유기화합물(ex: 유류) 무기화합물(ex: 산, 염기, 염) 중금속류 살충제 타르

×

×

×

×

×

×

×

×

<표 26> 토양입경별 용매추출의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합


×

×

×

×

×

양토 슬러지 재

×

×

×


3) 제약조건- 유기물질과 결합된 중금속은 유기물질과 함께 추출될 수 있다.- 청정제나 유화제가 존재한다면 추출반응에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. - 처리 후에 추출용매가 토양에 잔류하게 되므로 용매의 독성을 고려해야 한다.- 용매 추출은 일반적으로 고분자 유기물질과 친수성 물질에는 효과가 좋지

않고 수분 함량이 높으면 공정에 악영향을 미친다. 4) 영향인자- 토양의 입경- 토양내 pH- 유기물 함유량- 수분 함유량- 금속, 휘발성물질 유무- clay, 복합오염물질 유무- 토양 분배계수, 양이온 치환능력5) 처리효율농축된 기름 찌꺼기를 분리하는 RCC의 full-scale B.E.S.TTM공정의 효율이 1987년 Georgia, Savannah근처의 General Refining Superfund에서 EPA에 의해 측정되었다. 이 공정으로 처리된 토양은 다시 현장에 되돌려졌고, 재생된 기름은 혼합제로 재순환되어 사용되었으며, 재생된 물은 pH를 조절하여 산업폐수 처리시설로 이동시켜 처리한 예가 있다.

1.2.5 화학적 산화 및 환원법(Chemical Reduction/Oxidation)1) 처리개요산화/환원반응은 오염물질을 화학적으로 더 안정하고, 유동성이 없으며, 비활성

물질로 변화시키는 반응이다. 산화/환원반응은 한 물질로부터 다른 물질로 전자를 이동시키는 반응으로, 하나의 물질이 산화되면 다른 물질은 환원된다. 독성물질의 처리에 사용되는 가장 일반적인 시약은 오존, 과산화수소, 차아염소산염, 염소, 그리고 이산화염소이다. 화학적 산화는 음용수와 폐수의 제오염방지를 위해 사용되는 Full-scale기술이며, 시안으로 오염된 토양의 처리를 위한 가장 일반적인 방법이다. 화학적 산화 및 환원법의 처리공정도 <그림 18>와 같다.


Emissions Control

CondensorReactorExcavateWaste

PreparationSeparator Washer Dewasher

WaterWater

TreatmentReagent

Overaize

RejectsSludge

Disposal

Reagent

Recycling

<그림 18> 화학적 산화 및 환원법의 처리공정도

이 방법에 주로 적용되는 세 가지 메커니즘은 가수분해, 탈염소, 화학적 산화이다. 가수분해는 전형적인 ex-situ 과정으로, 화학적으로 수소-산소 결합을 깨뜨려 유기오염물질을 독성이 낮은 새로운 형태의 물질로 변환함으로써 유기오염물질을 분해한다. 가수분해에 영향을 미치는 중요한 인자로는 오염물질 형태, 토양의 입경, 용매의 용해력 등이 있다. 탈염소는 염소화된 분자에서 염소 원자를 제거하여 오염물질을 분해하는 과정으로 탈염소의 목적은 오염물질을 독성이 낮은 물질로 만드는 것이다. 화학적 산화는 여러 해동안 폐수의 처리 및 독성오염물질 처리에 적용되어 왔으며, 수처리에 적용되는 화학적 산화의 원리는 유해폐기물 처리에도 적용될 수 있다.

환원공정은 환원제를 이용하여 대상물질의 원자에 전자를 제공함으로써 진행된다. 이 공정은 염화 유기 화합물이나 불포화 방향족 또는 지방족 오염물질에 적용 가능하다. 토양중의 유기 오염물질은 sodium borohydride나 아연을 사용하여 환원시킬 수 있으나, 처리제의 비용이 상당히 높아 대규모의 적용은 어려울 것으로 보인다. 6가 크롬은 3가로 환원시킨 다음 수산화물로 침전시켜 제거할 수 있다.


유황 등의 산성화제(acidification agent)나 Fe2+등의 환원제는 Cr6+가 Cr3+로 환원되는 반응을 촉진시킨다. 산성 상태에서는 토양으로부터 Fe2+의 방출이 촉진되어 Cr6+을 환원시킨다.2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과<표 27>은 오염물질 및 토양입경별 처리효과를 나타냈으며, 화학적 산화는 오

염물질은 무기물질에 효과적이며 휘발성유기물질, 반휘발성 오염물질, 유류 탄화수소 등의 비할로겐물질에는 효과가 낮다.

<표 27> 오염물질별 화학적 산화 및 환원법의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

시안화합물 기타 무기물 유류 탄화수소 휘발성 유기물질 반휘발성 유기물질

×

×

×

×

×

3) 제약조건- 오염물질과 사용된 시약에 따라 불완전산화 혹은 중간물질이 형성될 수 있다. - 이 공정은 시약이 많이 필요하기 때문에 오염물질의 농도가 높을 경우에는

경제성이 떨어진다.- 처리할 토양 내에는 기름과 그리스 성분이 적어야 한다. 4) 영향인자- 토양에 포함되어 있는 물- 알칼리 금속 유무- 부식토 함량- 총 유기할로겐화합물 함량5) 처리효율화학적 산화는 음용수와 폐수의 재오염 방지를 위해 사용되는 full-scale의 기술

이며, 시안으로 오염된 토양의 처리에 가장 일반적인 방법이다.


1.2.6 기타 복원기술1) Air Stripping

양수된 오염 지하수를 Packed Tower, Diffused Aeration, Spray Aeration 등의 다양한 폭기법에 의해 공기를 주입하여 휘발성 오염물질과 공기간의 접촉면적을 증대시켜 줌으로써 휘발․제거하는 방법이다. Stripping효율은 공기와 물의 비율, 온도, 탑의 높이, 오염물의 휘발도 등에 영향을 받는다<그림 20>.

<그림 20> Air Stripping unit

2) 여과양수된 오염 지하수를 다공성 매체를 통과시킴으로써 고형물을 분리하는 기술

로, 중력 또는 여과매체 사이의 압력 차에 의해 구동력을 얻는다. 3) 이온교환오염물질과 교환매체(Exchange Media) 간의 양이온 및 음이온을 교환시켜줌으

로써 지하수내 이온물질은 제거하는 방법으로, 주로 용존 금속성물질과 방사성 물질 및 질산염, 암모니아, 질소, 규산염이 본 기술에 의해 제거된다.

예를 들어 Sodium-Saturated Resin에서의 Cd 이온교환은 아래과 같다.


XX-Na+

+Cd2+ → Cd2+ + 2Na+

X-Na+

X

4) Liquid Phase Carbon Adsorption

양수된 지하수를 활성탄을 충전한 일련의 칼럼 내로 통과시켜 용존 유기 오염물질을 흡착․제거하는 기술로서 포화된 탄소(Saturated Carbon)의 교체 및 재생이 주기적으로 수행되어야 한다<그림 21>.

<그림 21> Carbon Contactors

5) 침전용존 오염물질을 불용성 고형물로 변형, 침전시킨 다음 여과 등의 고액 분리 공

법에 의해 제거하는 방법으로서 대부분의 경우 pH 조절제 및 화학적 침전 응집제가 첨가된다.6) 자외선 산화양수된 지하수에 자외선을 조사함으로써 지하수 내 유기물 및 폭발성 물질을

제거하는 기술이다.


7) 가수분해가수분해 반응은 Esters, Amides, Carbamates등과 Phosphoric Acid Ester 및

살충제 등의 In-Situ 분해에 적용할 수 있다. 이 반응에 영향을 미치는 인자로는 온도, 용매 조성, 촉매, pH 등이 있으나 그 중에서도 pH가 가장 중요하다. pH가 1 증가할 때마다 반응속도는 10배까지 빨라질 수 있다. Parathion의 가수분해 반응은 pH 9이상의 알칼리 용액에서 빠르게 진행되며, 유기인계 또는 Carbamate계 살충제들도 알칼리상태에서 잘 분해된다. 알칼리 금속이나 중금속 이온들은 이 반응에 촉매로 작용하여 반응속도를 빠르게 한다.

이 방법은 물이 주 반응물이며 비교적 낮은 비용으로 알칼리 상태를 얻을 수 있다는 점을 들 수 있는 장점이 있으나, 물질 전달에 제한이 있고 pH 조건에 의해 토양 중의 광물성분이 추출되어 나올 수 있다는 단점도 존재한다. 8) 자외선/ 광분해광분해 반응은 빛 에너지를 이용하여 화합물을 분해하는 것으로, 보통 일정한

파장의 빛이 유효하고 특히 자외선 범위(190∼300nm) 파장의 에너지는 화학결합을 끊기에 충분하다. 광분해 반응은 고체의 표면이나 액상에서 진행된다. 이 방법은 Dioxin이나 PCB으로 오염된 토양에 적용이 가능하며 환원분위기에서 자외선을 조사하면 PCB를 1.5∼2시간 내에 분해 할 수 있다.

이 반응에서는 각종 유해 화합물이 부산물로 생성될 수 있다. 즉, Aldrin으로부터 Dieldrin이 생성될 수 있으며, Parathion에서는 Para-Oxon이 생성되기도 한다. 또한 Chloropicrin으로부터는 Phosgene이, DDT에서는 PCB가 각각 부산물로 생성된다.

광분해 반응의 속도는 빛의 파장, 반응물의 흡수띠, 반응물의 농도, 반응 매개체 및 오염물질과 환경간의 상호작용 등 여러 요인에 의해 영향을 받는다.

1.3 생물학적 방법

1.3.1 슬러리상 처리(Slurry-phase Treatment)1) 기술 개요슬러리상 처리(Slurry-Phase Treatment)는 굴착된 오염토양을 생물반응기에 넣

고 오염토양물질(토양, 침전물 등), 미생물, 물 등이 일정 용기에서 접촉함으로써


처리하는 방법이다. 슬러리는 반응성을 높이기 위해 지속적으로 혼합시켜주며, 완전한 처리가 이루어진 후에는 슬러리는 탈수되고 처리된 토양은 제거되는 방식으로 운영된다. 2) 공정 원리굴착된 토양은 물리적으로 돌, 고무 등 반응기 운전에 방해를 미칠 수 있는 요

소를 제거한다. 그리고 오염토양은 반응기안에서 오염원 농도, 생분해 속도, 토양의 물리적 특성에 따라 적절한 비율로 물과 혼합하여 준다. 전처리 공정으로 입자가 큰 이물질을 제거하고 입자를 고르는 스크린 단계가 있고 슬러리를 준비하는 전혼합 단계가 있다. 깨끗한 모래는 제거시키고 오염된 작은 입자의 토양만을 반응기에 넣는다. 일반적으로 슬러리상에는 무게비로 고형물이 10%∼30% 정도 함유하게 유지한다. 그 외에 오염물질의 탈착을 돕는 계면활성제 처리 및 마찰, 진동 스크린 등의 토양 세척기술이 가해지기도 한다.

고형물은 반응기에서 영양물질과 산소를 첨가하고 기계적으로 일정한 속도로 혼합시켜줌으로써 처리가 이루어진다. 필요에 따라 pH조절이 이루어지고 토양 내에 충분한 개체의 미생물이 존재하지 않으면 배양된 외부의 미생물을 추가로 공급하기도 한다. 생분해가 완전하게 이루어지면 토양슬러리는 탈수과정을 거치게 된다. 탈수과정은 진공여과, 원심분리나 벨트프레스 등 기계적인 방법을 이용하거나 증발 등 자연적인 현상을 이용하기도 한다. 이때 처리된 토양은 그 최종 오염도에 따라 재사용이 결정되어 원래 오염지로 되돌려지거나 도로포장 공사시 Fill Materials, Thin Spread 등으로 이용된다.

현재 오염토양을 처리하기 위한 슬러리상 생물반응기는 적용범위에 따라 다음과 같이 구분된다.

가) Aerated Lagoons 소규모 도시의 폐수처리시설에 사용되는 <그림 22>의 Aerated Lagoons는 Lined Impoundment와 매우 유사한 장치로 슬러리상 생물학적 공정 중에서 가장 간단한 형태이며, 이는 반응기에 영양물질과 배양된 미생물을 넣고 폭기시키는 방법이다. 가장 일반적으로 사용되고 있으며 단일공정 또는 연계공정으로 오염토양이나 침전물의 전처리나 후처리에 이용된다.


<그림 22> Aerated lagoon 공정도

나) Low-Shear Airlift Reactors(LSARs)<그림 23>의 공정은 휘발성오염물질이 포함된 경우, 또는 공정제어가 어렵거나

높은 처리효율이 요구되어질 때 효과적으로 이용 가능한 공정이다. 밀폐된 형태의 반응기이므로 오염원이 외부로 유출되지 않으며 배출가스는 별도의 후처리 공정에 의해 처리된다. pH, 온도, 영양물질 첨가, 혼합, 산소전달 등의 공정 조절을 쉽게 할 수 있다는 장점이 있다.

<그림 23> Low-shear airlift slurry-phase bioreactor


현재 가장 일반적으로 이용되고 있는 생물반응기 공정은 다음 <그림 24>과 같이 전형적인 슬러리 생물반응기 공정과 드럼 생물반응기 공정으로 크게 구분된다.

Excavation Sceen Oversize

Sand Silt/Clay

Mill Mill

SoilWashingSystem

WaterRecycle

SlurryBioreactorSystem

DewaterBiological WaterTreatment System

Clean Soil

(a) slurry bioreactor process

ScreenExcavation Oversize

MobileSoilDrum

Bioreactor

Clean soil

Dewater

<그림 24> 일반적인 생물반응기 공정

슬러리 생물반응기 공정은 슬러리상을 이용하는 것으로 다량의 물을 사용하여야 하며 모래와 같이 부유하기 어려운 토양에는 적용할 수 없기 때문에, 경우에 따라 세척 및 폐수처리 공정을 추가해야 하기도 한다. 또한 슬러리 생물반응기를 장기간 또는 큰 규모로 운전하는 경우 Shaft 및 Impeller의 수명단축이 심각한 문제로 나타났기 때문에 이를 극복하기 위한 생물반응기 설계가 필요하며, 토양함량


을 70%까지 증가시키면서도 혼합이 원활한 impeller의 설계, 토양함량을 증가시키기 위해 Settler 형태의 생물반응기 사용, 두 개 이상의 impeller 사용 등이 대안이 될 수 있다.

드럼 생물반응기는 수평으로 회전하는 생물반응기내에서 오염토양을 처리하는 것으로, 고형상태의 발효 등에 사용되며 고체 혼합에 특히 효율적인 방식이라 할 수 있다. 드럼 생물반응기의 경우 고체 혼합의 장점을 살리기 위해 사용되었으나 수분 함량이 낮을 경우 토양의 consistency 때문에 혼합이 원활히 이루어지지 않을 수도 있다.3) 영향인자① pH

bioslurry 시스템에서 pH는 용해, 흡착/탈착, 생분해의 세가지 메카니즘에 의해 영향을 받는다. 생물학적 분해를 유지하기 위한 최적의 pH는 중성인 6.5∼7.5 범위이다. pH 범위가 5.5∼8.5에서는 낮은 생분해 반응은 기대할 수 있으나 이 범위 밖 일때는 생분해가 일어나지 않는다. 곰팡이류인 경우 pH가 3.5인 경우에도 생분해를 기대할 수 있으나 일반적으로 적정 pH를 유지해 주어야 한다.② 수분/고형물 비

토양수는 토양과 미생물의 물리화학적인 상호반응에 매개체 역할을 한다. 물은 영양물질, 유기 및 무기 이온 등을 미생물과 접촉할 수 있도록 운반하는 역할을 하며, 미생물반응의 부산물을 이동시키는 보조적인 역할도 한다. 포화되거나 과포화된 토양을 대상으로 하는 경우 수분함유량의 개념보다는 고형물/물의 비로 표현하는게 일반적이다. 일반적으로 고형물의 함량은 무게비로 5∼50% 범위를 유지하게 된다. 고형물 함량이 5% 미만인 경우 넓은 부피의 반응기가 요구되므로 경제적이지 못하다. 최적의 고형물 함량비는 약 10∼40% 정도이다. ③ 온도

온도는 슬러리 처리시 산소전달, 탈착, 생분해 등을 포함한 물리적, 화학적, 생물학적인 반응의 변수가 된다. 일반적으로 온도가 상승하면 처리효율 역시 증가된다. 생분해속도는 5∼30℃ 범위 내에서 온도가 10℃ 상승할 때마다 2배의 처리속도 증가를 보인다. 또한 온도는 밀도, 점도, 증기압, 용해도, 표면장력 등에 영향을 미치므로 슬러리상 생물학적 처리에서 중요하게 고려해야 한다. ④ 산소

슬러리상 생물학적 공정은 주로 미생물을 이용한 생물학적 반응에 의해 이루어


지므로 호기성 및 혐기성 두가지 반응이 모두 적용될 수 있으나, 호기성 미생물에 의한 반응이 반응속도가 빠르고 부산물 생성이 적으며 악취를 발생하지 않는 등 여러 가지 이점으로 인해 주로 이용되고 있다.

그러나 과포화 슬러리반응에서는 호기성 미생물의 반응을 유지하기 위해 외부에서 추가적인 산소공급이 이루어져야한다. 살포기 및 막을 장착한 폭기장치는 슬러리 반응조에 산소를 공급하며 기계적으로 혼합하여 토양의 균일한 조건을 유지하고 산소전달을 극대화하는데 도움을 준다. 주의할 점은 일반 수처리에 비해 오염원의 용해 및 산소전달에 있어서 제한적이다는 것이다. 산소농도는 2.0mg/L 이상 유지되어야 한다. ⑤ 교반

슬러리 생물학적 공정이 효율적으로 운전되기 위해서 교반장치의 설계 및 운전은 매우 중요한 요소이다. 임펠러의 회전속도는 20∼30rpm 수준을 유지해야 한다. ⑥ 영양물질

생물학적 공정이므로 질소와 인 등의 영양물질의 공급은 중요한 요소중의 하나이다. 토양내에도 충분한 영양물질이 존재하지만, 필요한 경우 또는 반응성을 향상시키기 위해 추가로 외부에서 공급해주기도 한다. 일반적으로 C:N:P는 100:10:1∼100:1:0.5의 범위를 유지하면 된다. ⑦ 미생물 개체수

지표의 토양은 자연계의 여러가지 미생물을 포함하고 있는데 호기성, 통기성, 혐기성 박테리아, 곰팡이, 프로토조아, 지렁이 등 다양하다. 일반 농지에는 토양 1g에 적어도 100만 이상의 미생물이 있다고 추정한다. 기타 생물학적 공정과 유사하게 토양 내에 존재하는 토착미생물 군집에 의해서도 충분히 원활한 생물학적 반응을 기대할 수 있고, 필요한 경우 외부에서 배양된 미생물을 추가 주입해 줌으로써 반응성 향상을 유도할 수 있다. ⑧ 체류시간

체류시간(HRT) 역시 만족할 만한 처리효율을 얻기 위해서 조절해주어야 할 요소이다. 체류시간은 오염원의 생분해율에 의해서 결정되어지며, 일반적으로 오염원의 특성과 토양의 특성에 따라 수일에서 수개월의 범위로 설정한다. ⑨ 오염원 특성

대부분의 유기오염원은 생분해, 휘발, 화학적 분해, 광분해와 같은 생물학적 및 무생물학적 메카니즘의 결합에 의해 변형이 지속적으로 일어난다. 이러한 오염원


의 변형은 오염원의 화학적 특성에 따라 달라지는데, 주로 저분자의 유류오염원 및 기타 유기오염원에서 많이 나타난다. 4) 오염물질 및 토양입경별 처리효과슬러리 처리 공정은 비할로겐 휘발성물질과 유류계 탄화수소류를 처리하는데

가장 효과적이다. 할로겐화합물과 살충제에도 적용할 수 있지만 효과가 적다. 토양입경별 처리효과를 <표 28, 29>에서 살펴보면 점토인 경우 토양입자가 작아 반응기내에서 교반 및 산소전달의 문제가 발생하고, 자갈 및 모래 등은 입자가 상대적으로 커서 생물학적 반응에는 적합하지 않다.

<표 28> 오염물질별 슬러리처리공정의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

휘발성 유기물질준휘발성 유기물질중유PCBs

중금속

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<표 29> 토양입경별 슬러리처리공정의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합


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5) 제약조건 - 오염토양을 굴착해야 한다.- 슬러리 반응기에 넣기 전에 토양을 선별해야 한다. 비균일 토양과 점토성

토양은 반응기 운전에서 심각한 문제를 초래할 수도 있다. - 처리후에 탈수과정이 필요하고 비용이 다소 고가이다.


- 처리후에 폐수처리문제가 요구될 수도 있다. 소요비용은 오염물질, 적용된 공정, 전․후처리 공정 배출가스 제어장치에 따라

달라진다. 공정의 운전에는 많은 인원이 필요하지 않다.

1.3.2 Biopile1) 기술 개요Biopile 공정은 Biocells, Bioheaps, Biomounds, Compost Piles 이라고도 불리우

며 생물학적 반응을 통해 굴착된 토양의 유기성 오염물질을 처리하는 공정이다. 이 기술은 piles안에 오염토양을 heaping하고 폭기, 영양물질 주입, 수분함유량 조절 등을 통해 미생물활성을 극대화시키는 과정을 포함한다.Biopile 공정은 landfarming 공정과 비교할 때 지상처리공정이며, 공기주입을 통

해 미생물의 활성을 증대시켜 처리효율을 증가시키는데서 공정의 유사함이 있다. 그러나 Landfarming은 토양을 갈거나 이랑을 만들어 통기시키는 과정을 거치지만 Biopile은 pile까지 통하는 관을 통하여 강제적 공기주입에 의해 통기시킨다는 점이 차이점이다.2) 적용원리Biopile은 Landfarming과 마찬가지로 오염토양으로부터 유기화합물, 유류물질의

농도를 효과적으로 제어할 수 있다. 그러나 유의해야 할 점은 공기를 주입하는 과정에서 유기물질이 대기중으로 휘발되므로 적절한 전처리 과정이 요구될 수도 있다는 점이다. 예를 들어 휘발성이 강한 유류물질은 공기를 주입하는 과정에서 휘발되며 일부분은 미생물 분해작용에 의해 처리된다.

중간단계의 생성물들(디젤, 등유)인 경우 휘발보다는 생물학적 분해에 의한 반응이 많다. 비휘발성 물질은 통기과정 중에 대기로 휘발되지 않고 대부분이 생물학적 반응을 통해 저분자 생성물로 변형되거나 처리된다. 휘발성물질의 함유량이 적은 고분자 형태의 오염물질은 장기간의 처리기간이 요구된다.<그림 25>는 전형적인 Biopile 공정을 보여준다. Biopile 공정의 운영에 있어 토

양특성, 오염원의 물리화학적 특성, 기후상태가 중요한 변수로 작용한다.Biopile 공정운영에 있어서 부지 요구량은 Biopile 공정 높이에 대한 오염토양의

비에 따라 결정되어진다. Biopile 공정의 일반적인 높이는 3∼10 feet 범위이고 추가적인 부지양은 pile면의 경사도, 접근용이성 등에 따라 달라진다. Biopile의 길이와 폭은 폭기 여부에 의해 크게 제한되지는 않는다.


<그림 25> Biopile 공정도

<그림 26>에서 보듯이 Biopile 건설은 부지정비, berms, 연결관, 덮개, 공기주입/추출정 배열, 영양물질과 수분의 주입관 배열, 침출수 수집 및 처리공정, 토양 전처리 공정, 덥개 및 배출가스 처리설비 등이 적절히 고려되어야한다.

<그림 26> Biopile 공정 단면도


3) 영향인자 ① 미생물

토양은 일반적으로 수많은 종류의 미생물이 존재한다. Biopile 공정이 적절한 토양에는 호기성 미생물이 주를 이룬다. 여러 종류의 미생물 중 박테리아는 가장 수가 많고 생화학적으로 활발하며 낮은 산소농도에서도 성장이 가능하다. 박테리아는 세포성장을 위한 탄소원과 물질대사 과정을 유지하기 위한 에너지원, 그리고 질소와 인 등의 영양염류를 필요로 한다. 최근에는 토양 내에 외부에서 배양된 미생물을 접종하여 처리효율을 향상시키기도 한다. 미생물이 유기화합물을 탄소원으로 이용하는 경우 종속영양미생물(heterotrophs)이라 하며, 무기탄소원을 이용하는 경우 독립영양미생물(autotrophs)이라고한다. 또한 전자수용체로 산소를 이용하는 경우 호기성미생물(aerobes)이라고 하며, 산소 이외의 화합물(질산염, 황산염)을 이용하는 경우 혐기성미생물(anaerobes)이라고 하는데, 오염원 특성에 따라 미생물의 역할이 달라질 수 있다.

일반적으로 biopile 공정을 적용하기 전에 토양내에 존재하는 미생물 군집수와 활성도를 분석해야 하며 토양내 미생물 개체수가 약 104∼107 CFU/g soil 인 경우 효과적인 처리를 기대할 수 있으나, 103 CFU/g soil 인 경우 외부에서 추가적인 미생물을 공급해주어야 한다. ② 토양 pH

원활한 미생물 성장을 위한 최적 pH 조건이 pH 7일 때이므로 토양 pH가 약 6∼8 범위내에서 유지되어야 한다. 일반적으로 토양 pH는 Biopile 공정 운전 이전에 최적의 조건으로 조절해 주어야 한다. ③ 함수율

토양 미생물은 적절한 성장을 유지하기 위해 습윤한 토양조건을 요구한다. 그러나 토양내 수분함유량의 과다하게 높은 경우 주입된 공기의 원활한 이동을 방해하여 오히려 처리효율이 감소된다. 일반적으로 토양내 함수율은 약 40%∼85%, 무게단위로 12%∼30%의 범위를 유지할 때 효과적인 결과를 기대할 수 있다. 그러나 40% 미만인 경우 주기적으로 수분을 공급해주어야 하고, 85% 이상으로 함수율이 높은 경우 침전이 발생하거나 원활한 배수가 이루어지지 않는다. ④ 토양 온도

온도는 미생물 성장에 있어서 중요한 작용을 한다. 토양 미생물 활동도는 10℃ 미만인 경우 급격하게 감소하며 5℃ 미만인 경우 활동도가 거의 없다. 또한 45℃


이상인 경우에도 특정 미생물을 제외하고는 활동도가 급격하게 떨어진다. 일반적으로 Biopile 공정에 있어서 10℃∼ 45℃ 범위를 유지해 주어야 하며, 최적의 조건은 약 30℃이다. 최적의 온도조건이 아닌 경우, 온도조절기를 통해 조절해주거나 더운 공기나 찬 공기의 주입을 통해 Biopile내 온도를 유지하기도 있다.⑤ 영양물질

미생물들은 일반적으로 생물학적 분해과정과 성장을 유지하기 위해 질소와 인 등의 무기영얌물질을 필요로 한다. 일반적으로 토양내에는 충분한 영양분이 존재하지만 Biopile내의 미생물 개체수를 유지시키기 위해 추가로 영양물질을 공급해준다. 그러나 과다한 양의 영양물질(인, 황산염)이 공급되는 경우 미생물의 물질대사를 위축시킬 수도 있다. 일반적으로 C:N:P는 100:10:1에서 100:1:0.5 범위를 유지해주어야 한다. ⑥ 토성

토성(Soil texture)은 투수성, 함수율, 용적비 등에 영향을 미친다. 그러므로 토양내에 공기주입 및 추출에 의한 산소공급, 영양물질 분배, 수분함유량을 적절하게 유지하기 위해서는 토성을 고려해야만 한다. 예를 들어 토양 내 점토성분이 높다면 산기과정이 어려워 충분한 산소농도를 유지하기 어려울 뿐만 아니라 양양물질의 균일한 분배가 어렵다. 또한 수분을 오래동안 보관하고 있어 유기물 침전 등의 문제점을 유발하기도 한다. 그러므로 점토보다 투수성이 좋은 토양과 적절히 혼합하여 문제점을 방지해야 한다.⑦ 오염원의 휘발성Biopile 공정의 적용에 있어 오염원의 휘발성은 중요한 변수이다. 왜냐하면 공기

주입 또는 추출하는 동안 생물학적인 분해보다는 휘발에 의한 감소가 크기 때문이다. 이러한 문제점을 방지하기 위해 Biopile 윗부분에 덮개를 설치하여 휘발된 오염원이 대기로 방출되는 것을 막거나 파이프를 통해 Biopile내로 재주입하여 2차 생분해가 될 수 있도록 유도해야 한다. 그러므로 적절한 통기율을 유지하는 것은 매우 중요하다. 또한 공기 주입 및 추출 속도를 낮추어 생분해 속도는 다소 감소되지만 오염원의 휘발을 줄이기도 한다.⑧ 오염원 특성

오염토양 내의 오염성분은 생분해율을 결정하기 때문에 중요하다. 저분자의 유류물질과 유기화합물인 경우에는 효과적인 처리를 기대할 수 있으나, 고분자의 유류물질과 유기화합물인 경우에는 충분한 처리효과를 기대할 수 없어 적절한 전처리 및 후처리 공정이 요구된다.


4) 오염물질 및 토양입경별 처리효과Bilpile 공정의 처리효과를 <표 30, 31>에서 보면, 저분자의 비할로겐 휘발성물

질과 유류계 탄화수소류를 처리하는데 가장 효과적이다. 분자량이 큰 비할로겐화합물, 할로겐 화합물, 디젤등에도 적용할 수는 있지만 효과가 적다. 토양입경별로 살펴보면 점토성인 경우 공기주입 등에 문제가 발생하여 적절하지 못하다.

<표 30> 오염물질별 Biopile공정의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

비할로겐 휘발성 유기물질할로겐 휘발성 유기물질비할로겐 준휘발성 유기물질할로겐 준휘발성 유기물질고분자 유류물질무기물폭발물

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<표 31> 토양입경별 Biopile 공정의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합


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5) 제약조건 - 오염물질의 95% 이상 제거 및 0.1ppm 이하의 잔류오염원 농도를 달성하기

가 매우 어렵다.- 유류오염원인 경우 50,000ppm 이상의 고농도에 비효율적이다.- 2,500ppm 이상의 중금속이 존재할 때 미생물 성장을 저해한다.- 휘발성 성분은 처리시 생물학적으로 분해되기보다 휘발되기 쉽다.


- Landfarming보다는 적은 부지가 요구되지만, 기타 지상처리공정에 비해 넓은 부지가 요구된다.

- 산기과정 중에 배출되는 오염원의 전처리가 요구되어진다.그러나 상대적으로 설계 및 보완이 간단하고, 처리시간이 짧으며(6개월∼2년)

경제적인 공정이다. Landfarming 공정보다 상대적으로 적은 부지가 요구되며 배출가스를 효율적으로 제어할 수 있다는 이점이 있다.

1.3.3 퇴비화 공법(Composting)1) 기술개요퇴비화 공법(Composting)은 유기오염물질을 인위적으로 퇴적 분해시키는 것을

의미하고, 미생물에 의해 분해 가능한 오염물질을 50∼55℃의 온도에서 생물학적으로 분해․안정화하는 것이다. 오염토양의 유기물질이 분해될 때 발생하는 열을 이용하면 온도를 증가시킬 수 있다. 최대 처리 효율은 수분함량, pH, 산소, 온도, 그리고 탄소/질소비가 적절할 경우 얻을 수 있다.2) 공정 원리퇴비화공정을 적용하기 위한 전처리공정은 오염토양의 굴착, 스크린, 큰 입자를

작은 입자로 shreding하는 과정을 포함한다. 작은 입자로 만드는 이유는 오염토양의 표면에 미생물에 의한 반응성을 높여주고 토양의 공극율, 투수성 및 용적비중을 높여주기 위함이다. 공정의 효율성을 향상시키기 위해 통기개량제(bulking agent) 또는 유기물질을 공급해줄 수도 있다. 토착미생물의 활성도가 그리 높지 않다면 외부에서 배양된 미생물을 첨가하여 공정의 효율성을 높이기도 한다. vessle, windrow, static pile 형태의 퇴비화과정을 거친다. 공기는 static pile 또는 in-vessel 시스템에서는 강제송풍에 의해 공급되고, windrow 시스템에서는 교반 또는 강한 분산에 의해 공급된다. 송풍시스템은 오염토양 퇴비화 공정의 효율적인 설계 및 운전에 있어 중요하다. 기계적인 송풍에 있어서 송풍기는 pile내에 압력의 점진 증가에 의해 공기를 주입하거나, 진공상태에서 공기를 주입하기도 한다. 그러나 이러한 방법은 휘발성 유기화합물의 방출에 영향을 줄 수 있으므로, 휘발성 오염물질의 수집과 처리를 할 수 있는 induced aeration 방법이 퇴비화 공정에 가장 보편적으로 이용되고 있다. 적절한 수분함량을 유지하기 위해 물을 공급할 수 있고, 영양원 부족시에는 외부에서 질소 및 인을 추가 공급하여 처리효율을 높인다. 퇴비화공정이 완료되면 퇴비화물질로부터 팽화제가 분리되고, 퇴비는 다른


토양의 접종에 이용된다. 스크린 장비로는 vibrating decks, 회전 스크린, trommel 스크린 등이 있다.

Further treatment

Curing

Ultimatedisposal

Excavated andPreprocessed

SoilComposting

CompostedMaterial

Bulking Agent/Organic material

SeedingMaterials

Indicates OptionalSteps

Oxygen N/P

Water

Recycled Bulking Agent

<그림 27> 퇴비화 공정의 공정도

일반적으로 이용되는 퇴비화공정은 <그림 27>와 같이 windrow, aeratic static pile, in-vessel composting, anaerobic processing으로 나뉘어진다. 위 공정들은 공기주입방법, 온도조절, 혼합/교반, 요구되는 시간등에 따라 달라지며 각 공정에 대한 원리 및 차이점은 다음과 같다.(1) windrow composting

Windrow는 대각선으로 삼각형이고, 폭이 높이를 초과하는 형태의 pile이다. 일반적으로 폭은 높이의 2배이며, 일반적인 pile의 높이는 4∼8 ft, 폭은 14∼16ft 범위이다.Windrow composting의 전형적인 예는 <그림 28>과 같다. 위에서 언급했듯이 Windrow의 크기는 퇴비화공정동안 충분한 열이 발생할 수 있어야하고 pile의 깊은 부분까지 공기가 주입되어져야 한다. Windrow는 고정된 지표면에 설치되어지는데, 이는 pile을 쉽게 뒤집게 하기 위해서이다. Pile turner 장치는 auger, paddle, tine이 결합되어 있으며, pile을 뒤집을 때 주

기적으로 물을 보충해 주기도 하는데, 이때 pile 내의 열이 대기중으로 방출되기도 한다. 만약 pile 내부에 산소농도가 낮으면 pile을 뒤집는 동안 심한 악취가 발생할 수도 있다. 주의해야 할 사항으로 퇴비화 과정 중 발생하는 침출수 등은 재처리되어져야 한다.


<그림 28 > Windrow composting with an elevating face windrow turner(On Farm Composting Handbook, 1992)

(2) Aerated Static Pile Composting

Aerated static pile composting 공정은 pile내에 전처리된 오염토양 혼합물질을 기계적으로 통기시키는 확산방지기술이다. pile은 퇴비화공정중에 공기를 주입하기 위해 송풍기를 통해 pile내부에 연결시킨다. 공기주입은 강제송풍에 의해 주입되고 pile내부에 공기를 주입하는 동안은 양압이 형성되고, 외부로 공기를 배출하는 동안 음압의 상태가 된다. 퇴비화공정 pile에서의 공기순환은 미생물의 활성도를 유지해주며 pile내부의 열을 조절하게 한다. Pile내의 초과열을 제거하는 것은 최적의 온도를 유지하기 위해서이다. Aerated static pile composting은 MSW, yard trimming, 생고형물, 산업폐기물 퇴비화에 주로 이용되며, windrow composting에 비해 적은 부지를 필요로 한다. <그림 29> 공정은 개폐형으로 이용 가능하다.

<그림 29> Aerated static pile for composting MSW(Waste age correspondence course, 1990)


(3) In-Vessel Composting System

In-vessel composting system은 적절한 교반, 통기, 습도를 유지하기 위해 chamber 또는 vessel에서 오염토양을 처리하는 공정이다. Drum, silo, digester bin, tunnel은 대표적인 In-vessel systmem의 형태이며 단일 또는 다단 공정단위로 구성될 수 있다. Vessel 자체가 회전되거나, 그렇지 않은 경우 기계적인 혼합/교반으로 처리하고자 하는 오염토양을 이동시킨다. In-vessel system은 회분식으로도 이용되나 대부분이 연속 주입공정이다. 모든 in-vessel system은 vessel에서 배출한 후에도 2차 퇴비화공정이 요구된다. 이 공정은 대부분의 환경에서도 적용가능하며 빠른 퇴비화가 가능하다는 장점이 있다. (4) Anaerobic processing

Anaerobic processing은 하수처리장에서 생고형물을 생물학적으로 안정화시키기 위해 많이 이용되어왔다. 혐기성 공정에서는 통기성 미생물이 무산소조건에서 유기물질을 메탄과 이산화탄소로 분해한다. 공정이 효과적으로 운전된다면, 이 공정은 메탄형태의 충분한 에너지원을 생산할 수 있으며 산업적으로 이용 가능하다. 이 공정은 단일 또는 다단계 반응조 형태로 이용가능한데, <그림 30>은 anerobic processing을 간략하게 보여준다.

<그림 30> Anaerobic digester with aerobic compost curing(Tchobanoglous, 1994)

3) 영향 인자① 통기량(공기량, aeration)

성공적인 퇴비화반응을 위해서 필수적인 성분이 산소이다. 미생물이 에너지를 얻기 위하여 탄소를 산화시킴에 따라, 산소는 사용되고 이산화탄소가 생성된다.


충분한 산소가 없다면, 그 과정은 혐기성으로 되고 저급지방산, 황화수소 등의 심한 악취가 발생되게 된다. 계란 썩는 냄새가 나면 황화수소 가스가 발생하여 혐기성으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. 반대로 산소가 너무 많으면 미생물의 산화열이 냉각되어 퇴비화반응기 내의 온도가 올라가지 않으며, 저온에서의 분해속도는 고온보다도 상대적으로 느려지게 된다.

대기중의 산소농도가 21%이지만, 퇴비화에 있어서 유용한 호기성미생물은 5%보다 낮은 영역의 산소농도에서도 살아남을 수 있다. 가능한 내부온도의 냉각을 방지하면서 10% 이상의 산소 농도를 유지한다면, 호기성조건을 유지하는 것이 가능하다. 이러한 산소공급을 위하여 많은 장치에서 다양한 방법으로 접근하고 있다. 외부에서 송풍기를 통하여 공기를 공급하기도하고, 주기적으로 퇴비더미를 뒤집기도 한다.② 통기개량제(bulking agent)

하수오니, 식품폐기물 등과 같이 유기물이 점성을 유지할 경우, 산소의 통기가 어려워 혐기성 반응이 일어나 반응속도에 영향을 줄 수 있다. 전처리 과정 중에 볏짚, 왕겨, 톱밥, 나무껍질 등의 통기개량제를 첨가하기도 한다. ③ 온도

퇴비화과정 중에 자연발생하는 열에 의하여 온도가 적절하게 유지되나, 온도가 높거나 낮을 때에는 분해율이 저하된다. 보통 대형 퇴비화시설에서는 온도제어를 하지 않지만 경우에 따라 제어가 요구된다. 퇴비화과정 중에 온도는 70℃ 이상까지도 유지되지만 일반적으로 제어 온도인 50℃∼60℃에서 유지되며, 유기물 분해율에 좋은 온도는 60℃로 알려져 있다.

퇴비화의 초기에는 미생물에 의하여 분해되기 쉬운 당류, 단백질, 지방 등이 분해되어 발열반응에 의하여 온도가 상승한다. 온도가 상승되면 반응속도는 수배로 되며 다시 온도상승을 가져온다. 온도가 높은 상태에서는 고열균이 우점종으로 나타나며, 유기물이 분해되고 수분이 저하되면 온도가 떨어지게 된다.④ 함수율

물은 미생물의 세포구성인자로서, 미생물은 양분을 유동상태에서만 흡수할 수 있다. 유기물의 함수율이 30% 미만일 경우 미생물의 활동에 지장을 주게 된다. 또한 함수율이 높을 경우, 산소의 확산을 저해하고 공기의 통기성을 저하시켜 반응속도가 저하된다. 보통 초기 제어 함수율은 40∼60%, 하수오니의 경우에는 60%가 최적이다.


⑤ 수소이온농도(pH)미생물은 생육에 알맞은 pH를 가지고 있다. 일반적으로 미생물은 pH가 5∼9범

위에서 생육되며, 중성 부근에서 미생물의 활동이 전반적으로 높아진다.퇴비화과정에서 관찰되는 pH범위는 5.5∼8.5 사이로서, 일반적으로 초기에는 낮

은 값을 유지하지만 퇴비화반응이 진행됨에 따라 약알칼리성으로 변한다. 퇴비화반응의 초기에는 원료입자의 내부에 충분한 산소가 공급되지 않아서 내부물질이 혐기적으로 분해됨으로써 저급지방산등이 발생하지만, 시간이 지남에 따라 공기공급이 원활하게 되면서 분해가 활발히 진행되어 질소성분중의 암모니아가 발생하게 된다. 이러한 암모니아의 발생이 활발화되면서 물질 내에 암모늄이온이 잔존되어 약알카리성을 띠어 pH 8이상을 유지하게된다.

퇴비화과정 중 많이 일어나는 현상 중의 하나가 공기가 적게 공급될 때 pH가 4.5이하로 떨어지는 것으로 이러한 현상이 일어나면 공기공급을 원할하게함과 동시에 소석회와 같은 중화제를 사용하여 pH를 높여주어야 한다.⑥ 영양물질(C/N비)많은 원소 중에서 탄소와 질소는 생물에게 매우 중요한 원소로 작용하며, 또한

분해정도를 가름하는 중요한 지표로 사용된다. 이들의 함량비를 C/N비로 나타내게 된다. 오염물질에 따라 최적의 값이 달라질 수 있으나, 일반적으로 퇴비화에서 있어서 가장 이상적인 탄소와 질소의 무게비율은 50 이하로서, 25∼30:1이다. 만약에 비율이 25∼30:1 이하일 경우에는 질소성분의 유실이 커지며, 암모니아 등의 악취가 심하게 발생되게 된다. 비율이 25∼30:1이상에서는 미생물 성장에 필요한 질소원이 부족하여 미생물의 성장에 장애를 주어 퇴비화의 반응속도가 느려지게 된다.4) 오염물질 및 토양입경별 처리효과퇴비화 공정은 저분자 비할로겐 휘발성물질과 유류계 탄화수소류를 처리하는데

가장 효과적이다. 분자량이 큰 비할로겐화합물, 할로겐 화합물, 디젤등에도 적용할 수 있지만 효과가 적다. 토양입경별 처리효과는 Biopile, landfarming 등과 같은 지상처리 공정과 유사하다. <표 32, 33>에서는 퇴비화 공정의 효과를 나타냈다.


<표 32> 오염물질별 퇴비화공정의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

비할로겐 휘발성 유기물질할로겐 휘발성 유기물질비할로겐 준휘발성 유기물질할로겐 준휘발성 유기물질고분자 유류물질무기물폭발물

×

×

×

×

×

×

×

<표 33 > 토양입경별 퇴비화공정의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합


×

×

×

×

×

5) 제약조건 - 퇴비화를 위해서는 넓은 공간이 필요하다.- 오염된 토양을 굴착해야 하고 제어되지 않은 휘발성 유기물질이 방출될 수

있다.- 팽화제의 첨가로 인해 처리해야할 오염토양의 부피가 증가한다.- 이 방법에 의해 중금속은 처리될 수 없으며 미생물에게 독성으로 작용한다.

그러나 기타 지상처리공정에 비해 미생물활성의 조절로 인해 처리시간을 단축시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 공기주입, 온도, 교반 등의 운전인자 조절이 가능하여 공정효율 향상을 기대할 수 있고 배출가스의 조절이 가능하다. 퇴비화는 열적처리를 이용하지 않은 가장 경제적인 방법이 되고 있다.


2. In-Situ 토양복원기술

2.1 물리적 방법본 장에서는 여러 가지 토양복원기술 중 토양증기추출법, 가열토양증기추출법에

관해 기술하였으며, 이 밖에도 Pheumatic Fracturing, Vitrification등에 대해 간단히 소개하였다.

2.1.1 토양증기추출법(Soil Vapor Extraction)1) 처리개요토양증기추출법은 불포화 대수층위에 추출정(井)을 설치하여 토양을 진공상태로

만들어 줌으로써 토양으로부터 휘발성, 준 휘발성 오염물질을 제거하는 In-situ 기술이다. 오염지역 외부에서 공기가 주입되어, 내부에서 추출되는 방법으로서 토양으로부터 제거되는 가스는 지상에서 처리해야 한다.

토양증기추출법의 개념은 매우 간단하다. 추출정, 주입정 등을 오염지 역에 설치하고 정을 이용하여 지중 토양에서 공기를 유동시킨다. 공기가 흡입될 때 저항이 가장 적은 지역을 따라 흐르기 때문에 통기성이 가장 좋은 지역을 통해 공기가 흐르게 된다. 정은 오염지역까지 굴착되고, 블로우어는 정을 통해서 오염된 지역으로부터 공기를 빨아들인다. 과도한 수분을 제거한 후 휘발성유기오염물질을 제거하고, 가스는 통풍장치를 통해서 대기 중으로 배출된다. 부지가 넓은 경우에는 여러 개의 정이 설치되어야 하며 활성탄소, 블로우어 등이 필요하다.

이 기술을 이용하는데 있어서 부작용은 거의 없고, 토양의 특성상 발생하는 제한요인은 다른 기술에 비해 적은 편이며, 소요비용이 저렴하고, 광범위하게 오염된 토양의 복원에 적합한 기법이다. 토양증기추출법은 상대적으로 설치가 용이하며, 다른 미생물 공정에 비해 소요 시간이 짧고 독성물질은 분리되어 토양으로부터 완전히 제거되어 분해된다. 이 기법은 지하수 펌핑처리 조작과 마찬가지로 다른 기술과 복합적으로 사용될 수 있다. 이러한 이점 때문에 SVE를 이용한 토양세정방법은 많은 현장에서 적용되고 있다. <그림 31, 32, 33>은 여러 SVE 공정들이다.


<그림 31> Trailer-mounted SVE

<그림 32> SVE system

��

O f f - G a s T r e a t m e n t

F u m e I n c i n e r a t i o n

C a r b o n T r e a t m e n t

C a t a l y t i c O x i d a t i o n

G a s D i s c h a r g e

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C o n t a m i n a t e d Z o n e

M o i s t u r e D r a i n

H i g h L e v e l I n l e t A i r S h u t - O f f F l o a t

M o i s t u r e S e p a r a t o r

S t e e l S k i d

M o i s t u r e S e p a r a t o r I n l e t

V a c u u m R e l i e f V a l v e C o n t a m i n a t e d Z o n e

M a n u a l S l a n d e r

F o r H a z a r d o u s L o c a t i o n

V a c u u m B r o w e r

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O f f - G a s T r e a t m e n t









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C o n t a m i n a t e d Z o n e

M o i s t u r e D r a i n

H i g h L e v e l I n l e t A i r S h u t - O f f F l o a t

M o i s t u r e S e p a r a t o r

S t e e l S k i d

M o i s t u r e S e p a r a t o r I n l e t

V a c u u m R e l i e f V a l v e C o n t a m i n a t e d Z o n e

M a n u a l S l a n d e r

F o r H a z a r d o u s L o c a t i o n

V a c u u m B r o w e r

<그림 33> 토양증기추출법 처리공정도


가) 추출정 및 공기주입정추출정은 일부가 open 되어 있는 파이프를 사용하여 침투성이 좋은 굵은 모래

나 자갈 위에 설치한다. 추출정은 지하수 층까지 도달하지 않도록 하고, 추출정의 개수는 공기 침투실험결과를 토대로 선정하며, 추출정이 영향을 미치는 범위는 진공도, 공기주입정의 존재 유무, 지반구조, 토양 특성층에 의해 결정된다. 또한 추출정 내부의 압력 구배를 측정하여 일정한 공기흐름 여부를 관찰한다. 공기주입정은 SVE에 필요한 유량을 보장하기 위해 설치하며 송풍기를 사용할 수도 있다.

나) 진공펌프 및 송풍기SVE에 사용되는 진공펌프는 진공도가 760∼25torr, 유량이 10∼100cfm인 Ring

펌프, 공기의 침투시험용인 Rotor Lobe 펌프, 윤활유가 없는 Rotary Vane 펌프 등이 있다. 송풍기는 토양 재생 용량이 큰 경우 효율을 높이기 위해 사용한다.

다) 격리층(Impermeable Caps)격리층은 표면으로 지하수가 나오는 것을 방지하고 오염물질의 제거효율을 높

이기 위해 사용된다.라) 기액 분리기

기액 분리기는 진공펌프와 송풍기를 보호하고 배기 가스 처리효율을 높이는데 사용된다. 추출정에서 기체와 함께 나온 지하수의 응출액도 오염되어 있으므로 후처리가 필요하다. 특히 배가스 처리방법으로 열적 처리기술이 사용될 경우에는 기액분리기를 설치하는 것이 필요하다.

마) 배가스 처리SVE의 배가스 처리에 사용되는 기술로는 소각이나 촉매 산화 등과 같은 열적

처리방법, 활성탄 흡착, 응축, Wet scrubbing, 생물학적 처리 등이 있다.바) 적용범위SVE가 사용될 수 있는 부지로는 주유소 부지, 산업기지, 공항, 군사기지 등이 있

으며 이미 주지에 건물이 있어서 토양굴착이 불가능한 곳, 오염된 토양부피가 너무 많은 곳, 생물학적 처리속도를 빠르게 할 필요성이 있는 곳 등에도 적용한다.

일반적인 SVE의 장점은 다음과 같다. - 비교적 기계 및 장치가 간단하다.- 유지 및 관리비가 싸다. - 일반적으로 널리 쓰이는 장치, 재료로 충분하다. - 짧은 기간에 설치할 수 있다.


- 즉시 결과를 얻을 수 있다. - 다른 시약이 필요 없다.- 영구적인 재생이 가능하다.- 지하수의 깊이에 제한을 받지 않는다.(얕게는 7.5㎝에서 깊게는 90㎝까지 성

공적으로 적용한 사례가 있다.) - 굴착이 필요 없다.- 인간의 일상생활을 방해하지 않는다.- 빌딩이나 다른 구조물 밑의 토양도 재생할 수 있다.- 생물학적 처리효율을 높여준다.- 가장 많은 적용사례를 보여주고 있다.

반면 SVE의 사용에는 다음과 같은 제한이 있다.- 증기압이 낮은 오염물질에는 제거효율이 낮다.- 토양의 침투성이 좋고 균일하여야 한다. 따라서 토양층이 치밀하여 기체흐

름이 어려운 곳에서는 사용이 곤란하다.- 추출된 기체는 대기오염방지를 위해 후처리가 필요하다.- 오염물질의 독성은 변화가 없다.- 지반구조의 복잡성으로 총 처리시간을 예측하기가 어렵다.2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과토양증기추출법을 이용하여 처리할 수 있는 오염물질은 휘발성유기물질과 유류

오염 물질이다. 이 기술은 Henry상수가 0.01이상인 휘발성 오염물질과 증기압이 0.5mmHg(0.02 inches Hg) 이상인 물질에 적용이 가능하다. <표 34, 35>에서 보듯 수분 함유량, 유기물 함량, 토양의 통기성은 토양증기추출법의 효율에 큰 영향을 미친다. 토양입경별로 보면 자갈, 모래, 세사 등에는 효과가 크며 미사에는 부분적인 효과가 있고, 점토에는 효과가 없다. 토양증기추출법은 heavy oil, 중금속, PCBs, dioxins의 정화에는 부적합하다. 이 공정은 토양 내부로 지속적으로 공기를 주입하기 때문에 휘발성이 낮은 유기물질의 생분해를 증진시킨다.

토양증기추출법의 비용은 대상부지의 크기, 부지의 특성 및 오염범위, 부지의 정화기준, 입자의 크기, 오염물질의 특성과 농도에 따라 다르다. 이들 요소들은 정의 수, 송풍기 용량, 요구되는 증기의 수준, 세정시간에 영향을 미친다. 방출가스 처리에도 상당한 비용이 요구된다. 물은 처리과정 중에 추출되며 처분 전에 또 다른 처리가 필요하다.


<표 34> 오염물질별 토양증기추출법의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

휘발성 유기물질준휘발성 유기물질heavy oil

PCBs

중금속dioxins

×

××

×

×

×

<표 35> 토양 입경별 토양증기추출법의 처리효과토양 입경 정도 적 합 부분적합 부적합

자 갈중간모래가는 모래미 사점 토

×

×

×

×

×

4) 제약조건- 미세토양이나 수분함량이 높은(>50%) 토양은 공기의 통과성을 감소시킨다.

그러므로 증기압을 높여야 한다(처리비용의 증가). - 유기물 함량이 높거나 매우 건조한 토양은 VOCs의 흡착능력이 높아 결과

적으로 제거율을 감소시킨다. - 방출된 공기는 인간이나 환경에 해가 되지 않도록 처리해야 한다.- 방출가스처리에 사용된 용액이나 활성탄소를 처리해야 한다. - 포화지역에는 효과가 없다. 그러나 대수층을 낮춘다면 더 많은 부분에 적용

할 수 있다. 5) 영향인자 - 오염물질의 농도- 오염물질이 분포된 깊이와 면적- 토양의 특성과 성분(토양내 구성, 수분 함유량, 입경의 크기, 투수성, 공극률, TOC)


- 기름과 그리스의 존재여부- 공기의 유량과 증기압(공정의 운전상 필요한 요소) - 대수층의 깊이6) 처리효율 Pilot 실험은 장치를 고안하고 설치하는데 필요한 정보와 적용성을 향상시키는

데 필요한 정보를 얻기 위해 필요하다. Full-scale 운전에서 토양증기추출법은 반연속식으로 운전한다. 토양증기추출법에 의한 오염물질이 제거 효율이 낮다면 생분해와 같은 후속처리 기법과 복합적으로 사용하여야 한다. 토양증기추출법은 약 18개월 정도 운전하여 오염물질을 제거한다.

2.1.2 가열토양증기추출법(Thermally Enhanced SVE)1) 처리개요열을 이용한 토양증기추출법은 준휘발물질의 유동을 증가시키며, 추출을 용이하

게 하기 위해 증기 혹은 뜨거운 공기를 주입하거나, 전기나 무선주파수(radio frequency) 열을 이용하는 기술이다. <그림 34>은 가열토양증기추출법 처리공정이며, 기본적인 토양증기추출법(SVE)과 유사하다.

Vent Gas

Collection

Channels

Burner/BlowerOff Gas

Collection

Contaminated Zone

Hot Air/Stream

Injection Wells

<그림 34> 가열토양증기추출법 처리공정도


2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과<표 36, 37>은 가열토양증기 추출법의 처리효과를 나타냈으며, 이 공정은 준휘

발성 유기물질을 처리하기 위해 개발되었지만 휘발성유기물질의 처리도 가능하다. 열을 이용하는 발전된 토양증기추출법은 온도에 따라 살충제나 유류오염물질을 처리하는데 효율적이다. 이 공정을 적용한 후, 잔류하는 오염물질의 생분해에 적합한 상태가 된다.

<표 36> 오염물질별 가열토양증기추출법의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

휘발성 유기물질준휘발성 유기물질유류오염물질살충제중금속

×

×

×

×

×

<표 37> 토양입경별 가열토양증기추출법의 처리효과토양 입경 정도 적 합 부분적합 부적합

자 갈중간모래가는 모래미 사점 토

×

×

×

×

×

가열토양증기추출법의 비용은 대상부지의 크기, 부지의 특성 및 오염범위, 부지의 정화기준, 입자의 크기, 오염물질의 특성과 농도에 따라 다르다. 4) 제약조건- 돌조각이나 토양 속에 불순물이 많이 섞여 있는 경우 운전상 어려움이 나타

난다. - 공정 중 발생하는 최고 온도에 따라 추출되는 오염물질의 종류가 결정된다.- 토양이 미세하고 수분함유량이 높을 경우 통기성이 감소되고 열을 이용한


토양 증기추출법의 운전효율이 떨어지며 증기와 온도를 높이기 위해 더 많은 에너지가 소요된다.

- 통기성이 높은 토양은 오염지역에 뜻하지 않은 가스의 유동을 야기시킨다. - 유기물질의 함유량이 높은 토양은 휘발성유기물질의 흡착력이 높아 오염물

질의 제거율이 감소된다. - 환경에 해가 되지 않도록 배기가스를 처리해야 하며, 이러한 과정은 처리비

용을 증가시킨다.- 남아있는 처리액과 사용된 활성탄을 후 처리해야 한다.- 열을 이용한 토양증기추출법은 물로 포화된 지역에서는 효과가 낮다. 그러

나 대수층을 낮춘다면 효과적일 것이다. 5) 영향인자- 오염물질이 분포되어 있는 깊이와 넓이- 오염물질의 농도- 대수층의 깊이- 토양의 형태와 특성 6) 처리효율열을 이용한 가열토양증기추출법에서 모든 오염물질은 증기상태로 운전되며 토

양의 특성과 오염물질의 화학적 특성에 따라 운전방식에 약간의 차이가 있다. 오염된 20,000ton의 토양을 처리하는 기간은 약 9개월 정도 소요된다. U.S. Department of Energy(DOE)는 열을 이용한 토양증기추출법공정을 개발·실험 중에 있다.

2.1.3 기타 복원기술1) Pneumatic Fracturing

투수계수가 낮고 압밀된 오염지반에 압축공기를 주입하여 여타 지중 정화기술 적용시 오염물질 처리 및 추출효율을 증대시키기 위한 보조적 기술이다. 즉, 직접 특정 오염물질을 처리하는 것이 아니고 미사, 점토층 및 저반의 균열을 증가시켜 통기성을 높이고 오염정화 효율을 향상시키는 기술이다<그림 35, 36>.


��

��

��

��

��

��

��

Compressed Gas

Ground Surface

Inflatable Packers

Gas Release Interval

Open Borehole

Fractured

Propagation

<그림 35> Pneumatic Fracturing schematic

<그림 36> Successive fracturing2) Vitrification

<그림 37>은 전기적으로 오염토양 및 슬러지를 용출시킴으로써 용출 특성이 매우 적은 결정구조로 만드는 방법이다. 처리물질은 준휘발성 유기물질, 휘발성 유기


물질과 dioxins, PCBs 등이며 토양 중 자갈의 중량비가 20%가 넘는 경우 처리가 어렵다. 또한 지하대수면 아래에 분포한 오염물질의 경우 재오염 방지를 해야 한다.

glycol

coolingpower

conditioning

dewater scrub quanch

heat filter carbon

absorb

thermal

oxidizer

backup

off-gas

treatment

system

utility or

diesel

generated

power

to

atmosphere

natural

gas

gas flow

off-gas treated

system

off-gas hood

scrubber water flow

power to electrodes

electrode location

<그림 37> Vitrification 처리의 공정도

2.2 화학적 방법본 장에서는 여러 가지 토양복원기술 중 고형화 및 안정화법에 관해 기술하였

으며, 이 밖에도 Soil Flushing, Directional Wells, Dual Phase Extraction, Free Product Recovery, Hot Water/steam Flushing/stripping, Hydrofracturing,

Passive Treatment Walls, Slurry Wall등의 복원기술에 대해 간단히 소개하였다.

2.2.1 고형화 및 안정화 (Solidification/Stabilization)1) 처리개요고형화/안정화는 물리적, 화학적인 방법을 통해 독성물질과 오염물질의 유동성

을 감소시키는 것이다. 화학적, 물리적인 처리를 통해서 제거하는 다른 재생기술과 달리 S/S는 오염물질을 가두거나 유동성을 감소시킨다. 오염물질의 비유동성을 측정하기 위해 침출 실험을 수행해야 한다.

고형화 단계에서는 오염물질을 고형화 시키기 위해 약품을 첨가한다. 오염물질이 액상으로 존재할 경우에는 처리가 용이하도록 약품을 주입하여 고형화 시킨다. 안정


화 단계에서는 오염물질의 독성을 감소시키기 위해 약품을 첨가한다. 중금속이나 특정 오염물질이 용출되는 오염토양은 독성물질의 이동성을 제한하여 안정화시킨다.

고형화/안정화는 다른 처리법과 결합하여 사용하거나 단독으로 사용될 수 있다. 위 <그림 38>의 기술은 최종, 혹은 중간 처리기법으로 사용된다.

Reagentand/orBinder

EmissionsDust

and VOCControl

Auger

CaissonInjectorHead

Reagentand/orBinder

EmissionsDust

and VOCControl

Auger

CaissonInjectorHead

<그림 38> 고형화 및 안정화 처리공정도

2) 오염물질 및 토양입경별 처리효과<표 38, 39>에서는 고형화 및 안정화법의 처리효과를 나타냈으며, 지중 고형화/

안정화의 대상 오염물질은 무기물(방사능물질 포함)이다. 이 기술은 휘발성유기물질, 준휘발성유기물질, 살충제에는 효과를 기대할 수 없었다. 그러나 현재 유기물질을 처리할 수 있는 장치가 개발되고 있다.

<표 38> 오염물질별 고형화 및 안정화법의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

방사능물질Cd, Cu, As, Hg, Pb, Cr+6, CN

준휘발성 유기물질살충제

×

×

×

×


<표 39> 토양입경별 고형화 및 안정화법의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합

자갈 중간모래 가는모래 미사 점토 슬러지 재

×

×

×

×

×

×

×

본 기법의 소요비용은 사용된 물질이나 시약, 부지 크기 그리고 오염물질의 화학적 성질에 따라 다르다.

오염물질의 분포가 깊지 않은 토양은 시간당 평균 40∼80ton을 처리할 수 있으며, 오염물질의 분포가 깊은 토양은 시간당 평균 20∼50ton을 처리할 수 있다.

선택된 공정의 적용성을 극대화하기 위해서는 적절한 시약을 선택해야 한다. 고형화/안정화공정을 위해서는 많은 양의 시약과 첨가제를 현장으로 옮겨야 한다. 시약과 첨가제를 이동시키는데 소요되는 비용은 전체 소요비용 중 많은 부분을 차지하고, 따라서 부지가 멀리 떨어진 경우에는 경제성이 떨어진다. 4) 제약조건- 오염물질이 분포하고 있는 깊이에 따라 특정 장치를 설치해야 한다. - 지상공정보다 시약의 주입과 효과적인 혼합이 어렵다.- 모든 지중 처리와 마찬가지로 처리효율 확인이 어렵다. 5) 영향인자- 입자의 크기 - 수분 함유량- 중금속의 농도- 황의 농도- 유기물 함량- 압축 강도 6) 처리효율고형화/안정화 기법은 많이 알려진 오염토양 정화기법이며, 일반적인 오염물질


로 오염된 토양에 적용 가능하다. 대부분의 시약과 첨가제는 넓은 적용범위를 가지며 가격 또한 저렴하다. 지중 고형화/안정화 공정은 오염물질의 유동을 95%이상 감소시킨다.

2.2.2 기타 복원기술1) Soil Flushing

물 또는 오염물질 용해도를 증대시키기 위해 첨가제가 함유된 물을 토양 공극 내에 주입함으로써 오염물질을 추출하여 처리하는 기술로써 <그림 39>는 Soil Flushing 처리공정도이다. 처리과정에서 계면활성제를 첨가하여 용해도를 증가시킬 수 있으며, 양수된 물은 지상에서 후처리과정을 거친다. 방사능오염물질, 무기물질, 살충제, 휘발성 유기화합물질, 준휘발성 유기화합물질의 처리에 적용되며 중금속 오염토양의 처리에 뛰어난 효과를 보인다. 살충제, 휘발성유기화합물질, 준휘발성 유기화합물질의 처리시 경제성이 떨어지며 세정용액에 의해 2차 오염이 유발될 수도 있고 투수성이 낮은 토양에서는 처리하기가 어렵다는 단점이 있다.

contamination

washing

solution

injection

well

washing solution/

contaminant mixture

extraction

well

treated water(either recycled for use in washing

solution or discharged in another acceptable manner)

washing solution

concentrated

residuals

(further treatment

or disposal)

treated

emissions

contaminant

treamentseparator

washing

solution

air

emissions

control

<그림 39> Soil Flushing 처리공정도


2) Dual Phase Extraction

투수계수가 낮거나, 불균일한 지반 내에 고도의 진동을 걸어주어 액상 및 가스상 오염물질을 동시에 추출하는 기술이다. 지상에서 액체와 가스를 분리시켜 처리한다.3) Hot Water/Steam Flushing/Stripping

휘발성 및 준휘발성 오염물질을 기체화하기 위하여 주입정을 이용하여 대수층내로 스팀을 강제 주입하는 기술이다. 대수층 상부의 불포화 토양으로 이동된 증기화된 오염물질은 증기추출법으로 제거․처리된다. 4) Directional Wells

수직 굴착으로 오염물질에 대한 접근이 용이하지 않은 지반구조이거나 오염물질이 수평으로 퍼져있는 경우 주입정과 추출정을 수평 또는 일정 각도를 가지도록 배치하여 처리하는 기술을 말한다. Directional Well기법은 다른 지중 기법보다 향상된 기술이다. 생분해, 토양증기추출법, 토양세정, 그리고 공기분산 기법은 부분적으로 Directional Wells의 개념을 이용한다<그림 40>.

<그림 40> Circumferential cutoff wall


5) Passive Treatment Walls

Chelators, 흡착제, 미생물 등이 포함된 다공성 매체를 지닌 반응성 벽을 부지 내에 수직으로 설치하여 물은 통과시키고 지하수내 오염물질은 차단하는 기술을 말한다. 6) Slurry Wall

슬러리로 채워진 수직 차수벽을 설치하여 오염된 지하수를 상수원 또는 비오염 지하수와 단절시키는 방법이다. 7) Electrochemical remediation process.

Electrochemical remediation(ECR)은 electrokinetics 나 elecroosmosis로도 알려져 있고, <그림 41>에서 보듯 낮은 전류를 직접적으로 흘려주어 중금속과 용해성 유기오염물, 방사성 핵종 등을 회수하는 공정이다.

Process Control System

Extraction/

ExchangeExtraction/

Exchange

Processing Processing

AC/DC

Converter

OH-

F-

Cl-

PO43-

Anode+

Cathode-

NO3- CN

Contaminated Soil

H3O+

Ca2+N

Ca2+ Pb2+

Pb2+

CU2+

Zn2+

<그림 41> Electrokinetic remediation process

8) Hydraulic fracturing

투수성이 낮거나, 과잉 압밀된 지반에서 주입정을 통하여 물을 고압으로 주입함으


로써 균열을 발생시키고, 생성된 균열은 다공성 매체로 채움으로써 bioremediation 기술 및 양수기술을 적용할 때 운영효율을 증진시키도록 하는 기술이며, <그림 42>와 같다.

Extension Rod Sand 1 2 3 Removal 4 Water 5 Slurry Cap of Lance

Casing Pressure

Rod From Soil Seal Casing

LanceTip Cutting

Jet Notch

<그림 42> Hydraulic fracturing

2.3 생물학적 방법 2.3.1 Bioventing1) 기술개요Bioventing기술은 기체상으로 존재하는 휘발성 유기물질을 추출해내는 동시에

기존의 토착 미생물에 산소 및 영양분을 공급하고, 토양내 증기흐름속도를 공학적으로 조절함으로써 미생물의 지중 생분해능을 극대화하는데 중점을 둔 기술로서 물리적 정화기술중의 대표적인 기술인 토양증기추출법(soil vapor extraction, SVE)과 지중생물학적처리(in-situ bioremediation) 기술을 결합한 형태라고 볼 수 있다. 본 기술은 석유화합물류의 유기화학물질에 의해 오염된 토양의 정화에 성공적으로 적용되어 왔으며, 처리효율, 경제성, 현장적용성 측면에서 매우 우수한 기술로 평가받고 있다.


2) 공정의 원리Bioventing 공정은 기존의 SVE 기술원리를 바탕으로 토양내에 산소를 공급해

줌으로써 오염원에 대한 천연적인 현장 생분해 능력을 증진시키는 불포화 오염토양 정화기술이다. 본 기술은 진공압에 의한 휘발성 오염물질의 추출에 중점을 둔 SVE 공정과 비교해 볼 때 미생물 활성을 유지하는 정도의 산소만 제공되므로 산소흐름 속도가 낮아도 된다는 장점이 있으며, 필요할 경우 토착미생물의 생분해능을 증진시키기 위하여 영양물질을 첨가할수도 있다. 산소는 <그림 43>과 같이 토양내 잔류오염물질에 대해 직접 주입되며, 토양에 흡착된 잔류물의 생분해와 함께 증기가 생물학적으로 활성화된 토양을 통하여 느린 속도로 이동함에 따라 휘발성 화합물이 생분해된다. 최근에는 불포화지대에만 적용되는 본 기술을 포화지하수대까지 동시에 적용할 수 있도록 하기 위하여 air sparging 기술과 결합된 형태의 bioventing 기술이 개발․적용되고 있다.① 기존 SVE 공정을 변형시킨 bioventing 공정

오염지역 외부에서 공기가 주입되고, 내부에서 추출되는 방법으로 주입 및 추출정의 설치 위치는 기존의 SVE 공정과 같지만, 공기전달속도를 낮춰줌으로써 휘발에 의한 오염물질 제거보다는 주로 생분해에 의한 제거가 이루어진다.

<그림 43> SVE공정을 변형시킨 Bioventing 공정(Baker and Herson, 1994)

② 전형적인 bioventing 공정오염부지 내에 직접 공기를 주입하여 오염지역으로부터 일정 거리에 위치한 추

출정까지 공기흐름이 서서히 이동하도록 함으로써 생분해가 충분히 이루어진다.


이에 따라 배출가스내 오염물 농도가 저감되므로 기존의 SVE 공정 변형방법에 비해 배출가스 처리비용이 감소되는 장점이 있으나 깨끗한 토양을 인위적으로 오염시키게 되는 단점도 있다. <그림 44>은 전형적인 bioventing 공정을 나타내었다.

<그림 44> 전형적인 Bioventing 공정(Baker and Herson, 1994)

③ 단일 주입정에 의한 Bioventing 공정오염부지 내부에서 공기를 주입하는 것은 전형적인 bioventing 공정과 같으나,

추출정을 통한 인위적인 추출조작을 수행하지 않음으로써 생분해에 의한 오염물질의 분해를 극대화시킨 공정이며, <그림 45>과 같다.

<그림 45> 단일주입정에 의한 Bioventing 공정(Baker and Herson, 1994)


④ Air Sparging 기술과 결합된 Bioventing 공정일반적으로 bioventing 기술은 불포화토양에서만 적용되므로 지하수면 하부의

오염물질을 제거할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 이를 보완하기 위해 포화지대 내에 공기를 주입하는 air sparging 기술을 bioventing 기술과 결합시키는 공정이 개발되었다. 강제적 공기 주입에 의해 오염 대수층내로 다량 공급된 공기가 포화토양내에서 상부로 이동하면서 생분해 및 휘발작용을 일으키도록 되어 있다. 즉 공급된 산소는 액상으로 전이되어 지하수내 생분해 효율을 증진시키며, 포화토양내의 VOCs는 공기흐름에 의해 기상으로 전이되어 상부의 불포화대로 운반되며, 지상으로 배출되기 전까지 생분해가 이루어진다. 불포화대내의 증기 추출정 설치 여부는 오염물질의 휘발성 및 생분해도에 의해 결정되므로, 만약 미생물의 활성도가 최적상태로 유지될 경우 지하수면에서 지표면까지의 구간은 biological vapor trap의 역할을 수행할 수 있기 때문에 인위적인 증기 추출 공정은 불필요하게 될 것이다. <그림 46>는 Air sparging과 결합된 Bioventing 공정이다.

<그림 46> Air sparging과 결합된 Bioventing 공정(Macdonald and Rittmann, 1993)

Bioventing 공정 설계는 오염부지의 산소소요량 및 산소전달능력에 기초하여 수행되며 주요 설계인자들은 다음과 같다.① 산소 소비율

미생물에 의한 산소소비율(oxygen uptake rate)은 in-situ respirstion test를 통


하여 결정된다. 오염물질의 종류가 같더라도 토양 특성에 따라 현저히 다른 값을 나타내므로 개개의 대상 오염부지별로 예비실험을 통하여 결정하여야 한다.② 산소 전달반경

산소 전달반경은 공기 주입 및 추출정의 간격을 결정짓는 중요한 인자로서 토양내 기체압, 산소 농도, 기체 흐름 형태를 고려하여 예비 산정되며, 현장에서 공기투과성 시험을 통해 최종 결정된다.

공기투과성에 대한 현장실험방법으로서는 미 공군성에서는 모니터링 지점을 일정 간격으로 설치한 다음 주입/추출정으로부터 약 8시간동안 공기를 지속적으로 주입/추출시킴으로서 각 지점에서의 압력변화를 관찰하는 방법을 권장하고 있다.③ 주입 및 추출정

일반적으로 공기 주입정 및 증기 추출정은 지하수면 상부까지 굴착된 보어홀내에 직경 2∼4 inch인 PVC 재질의 관이 관입되도록 설계한다.④ 소요공기량

소요 공기량은 performance curve와 함께 적정 blower를 선정하는데 필요한 기초적 자료를 제공한다. 만약 과대한 용량의 blower를 선정하였을 경우 오염물질의 과도한 휘발 및 불필요한 에너지 소비를 야기시키게 된다. 일반적으로 1∼5 HP가 적절한 것으로 보고되고 있다. 미 공군성에서는 다음<표 40>와 같이 사질토양과 미사질 및 점토질 토양으로 구분하여 각각에 대한 적정 송풍기 사양을 제시하고 있다.

<표 40> Typical blower specifications for bioventing evaluationsSoil Type Specification of Blowers

Sandy soils

Explosion-proof regeneration blower

20 to 90 surface ft3/min at 20 to 100 in H2O, respectively

3-HP explosion-proof motor

Single-phase 230-V power source

Silt and clay soils

Explosion-proof pneumatic blower

50 surface ft3/min at 130 in H2O

5-HP explosion-proof motor

Single-phase 230-V power source


산소공기량을 산정하기 위해서는 산소전달량이 필요하다. 산소전달량을 구하기 위해서는 생분해속도와 오염물 단위 중량당 분해시 필요한 산소요구량의 중량비, 오염부지 면적 및 토양의 밀도, 공기 밀도 및 산소 함량에 대한 자료가 필요하다.3) 영향 인자① 오염물질 특성

진술한 바와 같이 적용되는 오염물질은 휘발성 및 생분해성을 가지고 있어야 한다. 용해도가 큰 오염물질은 많은 양이 토양수분내에 용해상태로 존재하게 되어 처리효율이 떨어진다. 탄화수소류 경우 포함된 성분 중 밀도가 낮은 부분은 주로 휘발에 의해, 밀도가 높은 부분은 생분해에 의해 처리된다.② 오염부지의 지표면적 및 깊이

오염부지의 지표면적 및 깊이는 bioventing 비용을 평가함에 있어 중요한 요소로서 일반적으로 부지의 면적은 20∼75,000㎡이며, 오염물 제거깊이는 3∼10m 범위이다.③ 토양의 투수성

토양의 투수성은 공기를 토양내에 강제 순환시킬 때 매우 중요한 영향인자이다. 대체로 flux의 현저한 저하는 토양의 투수성이 10-4㎝/sec 범위이며, 평균적으로 10-1m/sec으로 나타났다. 또한 10-5㎝/sec이 bioventing 기술을 효과적으로 적용하기 위한 하한치로 간주되고 있다.④ 지반 구조의 비균질성Bioventing 기술은 일반적으로 사질토일 경우에 가장 적절히 적용되며, 일부 부

지에서 점토질 렌즈를 포함하는 경우도 있다. 드문 경우지만 과압밀 점토층 또는 fracture bedrock으로 이루어진 오염부지에 본 기술이 적용된 사례도 있다. 지반구조는 투수성이 낮은 토양 사이에 투수성이 높은 토양이 발달한 형태로 존재하며, 오염물질은 투수성이 높은 토양을 통해 확산되어 투수성이 낮은 토양 상부에 축적된다. 따라서 투수성이 높은 토양내의 적절한 지점까지 트렌치 및 진공관을 설치하는 것이 핵심이라 할 수 있다.⑤ 토양 함수율

공기흐름 속도는 공기가 채워진 토양 공극율에 비례하므로 토양 함수율은 대단히 중요한 영향인자이다. 토양을 건조시키는 경향을 가진 bioventing 기술을 토양내 함수율이 낮은 부지에 적용할 경우 생분해도가 저하되므로 처리 효율이 감소될 수 있다. 최적 함수율은 부지마다 다르게 적용되지만, 대체로 함수율이 너


무 높은 경우 공기투과성이 감소되며, 너무 낮은 경우에는 미생물의 활성이 저하된다. ⑥ 온도

온도 또한 미생물의 대사작용에 영향을 주며, 일반적으로 10m 깊이까지는 온도가 계절별로 변한다. 온도는 특히 frost line(일반적으로 2m 깊이)까지 중대한 영향을 미친다.⑦ pH

토양의 pH는 토양내 미생물의 종류를 제한함과 동시에 이온화가 가능한 화합물의 흡착에 영향을 미친다. 일반적으로 최적 pH 범위는 약 6∼8에 해당한다.⑧ 토착미생물 개체수 및 영양물질 농도

양호한 생분해 속도를 얻기 위해서는 탄화수소류 분해 토착미생물 개체수가 충분한 정도로 존재해야 한다. 또한 미생물 대사에 필수 영양소로 작용한 질소, 인과 같은 무기성 영양염류는 C/N/P 비가 부적합할 때 제한인자로 작용할 수 있다. 4) 오염물질 및 토양입경별 처리효과Bioventing 공정의 처리효과는 <표 41, 42>에서 보듯 대부분의 휘발성 유기화

합물에 효과적이다. 또한 준휘발성 유기화합물 처리에도 부분적으로 효과적이나, 무기화합물, 폭발물 등에 비효과적이다. 토양입경별 처리효과를 살펴보면 적절한 투수성이 유지되어야 하므로 점토질인 경우 적용이 어려우며, 자갈층인 경우 미생물성장이 불가능하고 실제 적용이 불가능하다.

<표 41> 오염물질별 Bioventing 공정의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합

비할로겐 휘발성 유기물질할로겐 휘발성 유기물질비할로겐 준휘발성 유기물질할로겐 준휘발성 유기물질유류물질무기물폭발물

×

×

×

×

×

×

×


<표 42> 토양입경별 Bioventing 공정의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합


×

×

×

×

×

5) 제약조건- 대상부지의 토양 투수성이 10-5㎝/sec 이상이 되어야 한다.- 진공압이 높을수록 영향반경이 크고, 시간이 단축되며, 투수성이 낮은 토양

에서의 처리효율이 증대되는 한편, 진공정도가 낮을수록 시설비용 및 유지비가 낮아지고 보다 균일한 처리가 가능하게 된다.

- 본 공정과 같은 지중 처리공정의 잠재적인 단점중의 하나는 오염부지 주변의 공기 및 물의 이동에 의해 오염물질이 확산될 수 있다는 것이다. 따라서 오염 부지 주변에 대한 면밀한 모니터링이 요구된다.

- 현장 지반구조 및 오염물 분포에 따른 처리기간의 변동이 심하므로 실험실 규모 또는 pilot 규모 실험을 거친 후에도 일정한 처리시간을 보장하기가 어렵다.

본 기술은 비교적 신기술이기 때문에 홍보에 많은 노력을 기울여야 한다. 그러나 위의 제약조건에도 불구하고 bioventing 공정은 유기화합물의 추출 및 생분해가 동시에 가능하고, 휘발성 물질 이외에 준휘발성 물질도 처리되므로 보다 광범위한 종류의 오염물질을 제거할 수 있다. 추출증기에 대한 후처리 공정이 적거나 필요하지 않으며 처리 대상 구역내에서 인체의 최소 노출을 기대할 수 있다.Bioventing 기술에 대한 소요비용은 대상 부지별로 상이하므로 특히 오염물의

종류 및 오염정도, 토양의 투수성, 굴착 추출정의 수 및 크기 그리고 배출가스 처리 여부 등에 따라 달라진다.


2.3.2 지중 생물복원법1) 기술개요지중(In-Situ) 생물복원 공정은 토양 및 지하수에 생존하는 토착미생물의 성장

과 재생산을 가속화하여 포화지역에 있는 유기성분의 분해를 촉진하는 현장정화기술이다. 원위치 생물복원 공정은 지하에 용해되어 있거나 대수층에 흡착되어 있는 유기성 오염물질을 정화하는데 효과가 있다. 특히 석유계 탄화수소로 오염된 지역을 정화하는데 매우 유용하게 이용된다. MTBE를 제외한 단일고리, 저분자량, 수용성분은 다중고리, 고분자량, 불용성분 보다 더 빨리 제거된다. 회복 가능한 나머지 생산물은 지하수 생물복원시스템 이전에 표면 밑에서 제거되어야 한다. 이것은 고농도 오염물질을 흩트리거나 퍼트림으로써 오염 가능성을 줄여 주오염원을 경감시키는 것이다.

지중 생물복원은 공기 분사와 같은 다른 포화지역에 쓰이는 복원기술이나 토양증기추출, bioventing과 같은 불포화지역에 쓰이는 복원 기술과 결합되어 이용 가능하다.2) 적용원리 지중 생물복원 공정은 일반적으로 대수층에 존재하는 토착 미생물들을 활성화

시키고 유지시킴시켜서 오염원을 효율적으로 제어하기 때문에 미생물의 효율적인 이용이 중요한 변수이다.

지중 생물복원 공정은 호기반응(산소 호흡), 무산소반응(질산염 호흡 등), 혐기반응(혐기 호흡), 공대사를 포함한 반응들이다. 호기공정은 주로 휘발유, 디젤연료에 함유된 지방족 및 방향족 석유계 탄화수소를 포함한 오염물질을 감소시키는데 가장 효과적이다. 호기성 처리공정에서 토양/지하수는 다음 세 가지 과정 중 한 가지 반응에 의해 산소와 결합한다. 이는 공기 직접분사 또는 주입우물을 통한 산소 분사, 반입전 공기나 산소에 의한 물의 응축, 주입 우물이나 반입된 물에 직접 과산화수소 첨가이며, 산소결합이 사용되는 과정은 무엇이든 오염지역에 전체적으로 산소가 분배되는 것이 중요하다. 무산소, 혐기, 공대사 공정은 때로 염화유기용매와 화합물을 정화하는데 이용된다. 그러나 일반적으로 이 반응은 석유계 탄화수소를 분해하는 호기성 호흡보다 느리다.

지중 생물학적 복원공정은 생물학적 유기물 분해 원리를 바탕으로 적용되며 다음의 <그림 47, 48>에서는 전형적인 원위치 생물학적 공정을 보여준다. 전형적인 토양/지하수 원위치 생물복원공정에서 지하수는 하나 이상의 우물을 이용해서 추


출되며, 필요에 따라 잔여 용존물질을 제거하는 처리를 한다. 처리된 지하수는 전자수용체, 영양물질, 또 필요한 다른 성분들과 혼합되어 오염원 내에 반입된다. 침투 지하로나 주입 우물은 처리수를 반입하는데 쓰인다. 이상적인 지형에서는 모든 추출된 물은 아무 처리없이 반입되고, 모든 복원은 지하에서 일어난다. 이런 이상적인 시스템은 처리수가 청정한 단계에 이르기까지 계속적으로 재순환한다. 만약 추출된 지하수를 반입할 상태가 안된다면 대신에 전자수용체와 영양물질을 깨끗한 물과 섞는 것이 더 합리적이다. 반입되지 않는 추출수는 폐기되어 일반적으로 지표수나 공공처리장으로 간다.

<그림 47> Infiltration Well을 이용한 지중 생물학적 복원공정

<그림 48> Injection Well을 이용한 전형적인 지중 생물학적 복원공정


3) 영향인자① 토양의 수리전도도

대수층에서의 물의 이동의 척도인 토양의 투수성은 원위치 생물학적 복원공정의 효율성을 결정하는데 있어서 가장 중요한 요소중의 하나이며, 대수층 내의 미생물의 원활한 증식을 위한 전자수용체 및 영양물질의 전달율을 조절한다. 투수성은 slug test, pumping을 포함한 aquifer test를 통해 결정되어진다. 일반적으로 대수층 매질은 토양의 투수성을 결정한다. 입자의 크기가 작은 매질(e,g,. 점토, 실트)는 굵은 입자 매질(e.g., 모래, 자갈)보다 낮은 투수성을 가진다. 지중 생물복원은 투수성이 있는 대수층 매질에 효과적이다. 그러나 오염원의 범위에 따라 생물학적 복원은 투수성이 낮은 실트 또는 점토 매질에서도 효과적일 수 있다. 일반적으로 낮은 투수성을 갖는 대수층 매질은 높은 투수성의 매질에 비해 정화시간이 더 소요된다. 일반적으로 투수계수(수리전도도)가 10-4㎝/sec 이상인 대수층에서 지중 생물복원 공정이 효과적이며, 낮은 투수계수 지역(e.g., 10-4∼10-6㎝/sec)에도 적용 가능하나 세밀한 조사 및 공정 설계가 요구되어진다.② 토양구조 및 stratification

토양 구조 및 stratification은 불포화대에서 공기의 주입과 추출이 원활히 진행되는 것을 결정하기 때문에 원위치 생물복원 공정에서 중요하다. microfracturing 같은 토양의 특성은 특정 토양보다 높은 투수성을 나타낼 수 있다. ③ 미생물

토양은 일반적으로 박테리아, 곰팡이, 조류 등 다양한 종류의 미생물을 함유하고 있다. 여러 종류의 미생물들 중에 박테리아는 가장 많은 군집을 형성하고 있으며, 특히 낮은 산소량의 조건에서도 원위치 생물복원 공정을 적용 가능하게 한다.

오염지역에서 토착미생물은 일반적으로 다음의 반응과정을 거친다. 첫째, 새로운 환경에 적응한다. 둘째, 적응 후에는 영양물질의 공급과 더불어 빠르게 성장한다. 셋째, 환경조건과 탄소원의 공급 조건의 변화에 따라 미생물 군집이 변화한다. 이렇게 변화하는 환경의 조건에 견디는 미생물들은 특정 오염지역의 생물학적 복원에 효율적으로 작용한다. 일반적으로 토양내의 미생물수가 1,000 CFU/gram dry soil인 경우에는 높은 처리효율을 기대할 수 있다. 그러나 미생물수가 100∼1,000 CFU/gram dry soil인 경우에도 오염원의 독성여부, 전자수용체 및 영양물질의 추가 공급에 따른 미생물활성이 가능하다면 지중 생물학적 복원이 가능하다.


④ 전자수용체미생물은 성장과 재생산을 포함한 물질대사 기능을 유지하기 위해 에너지원으

로 탄소를 필요로 한다. 에너지를 생산하기 위해 박테리아에 의한 물질대사 과정은 전자수용체(TEA)에 의해 탄소원을 이산화탄소로 산화시키는 과정이 필요하다. ⑤ 영양물질

미생물은 세포성장과 생물학적 분해공정을 유지하기 위해 질소, 인 등의 무기성 염양물질을 필요로 한다. 영양물질은 지하 대수층에도 충분하게 존재하지만 충분한 미생물 수를 유지하기 위해 추가로 주입되어지기도 한다. 일반적으로 대수층에 존재하는 영양물질을 파악하기 위해 토양시료 및 지하수 분석을 통해 질소와 인의 양을 검증하고 이를 바탕으로 추가 주입양을 결정한다. ⑥ 오염원의 농도 및 독성

오염지역에 존재하는 고농도의 유기화합물 및 중금속은 생물학적 분해에 필수적인 미생물의 성장 및 재생산을 저해하거나 독성을 줄 수 있다.

일반적으로 대수층에서의 석유화합물, 유기용매, 중금속의 농도가 각각 50,000ppm(TPH), 60,000ppm, 2,500ppm을 초과하는 경우에는 호기성 미생물에 방해작용을 하거나 독성을 미치는 것으로 고려된다. 결론적으로 위의 농도 미만으로 오염된 경우에는 생물학적으로 충분히 복원 가능하다고 볼 수 있다. 4) 오염물질 및 토양입경별 처리효과다음 <표 43, 44>에서는 오염물질 및 토양입경별 처리효과를 나타냈으며, 지중

생물복원 기술은 대부분의 휘발성 유기화합물에 효과적이다. 또한 준휘발성 유기화합물 처리에도 부분적으로 효과적이나, 무기화합물, 폭발물 등에 비효과적이다.

<표 43> 오염물질별 지중생물복원 공정의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합


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<표 44> 토양입경별 지중생물복원 공정의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합


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5) 제약조건 - 미생물의 성장과 침적에 의해 추출정이 막힐 수 있다. - 용해도가 낮고 농도가 높은(TPH 50,000ppm 이상) 오염원은 독성이 강해

생물학적 분해가 불가능하다. - 투수성이 낮은 대수층에서는 적용하기 어렵다.- 공정 특성상 지속적인 유지와 관리가 필요하다.- 복원은 대수층 내에서도 투수성이 좋은 지역에서만 활발히 진행될 수도 있다.

소요비용에 영향을 미칠 수 있는 요소는 오염물질의 특성과 분포된 깊이, 미생물과 과산화수소의 첨가, 그리고 지하수 양수율 등이 있다.

2.3.3 식물복원공정(Phytoremediation)1) 기술개요식물정화공법은 식물을 이용하여 오염토양 및 지하수를 포함한 수질을 정화시

키는 새로운 자연친화적인 환경복원기술이다. 식물정화는 뿌리가 접촉하는 면에 한정되어 일어나기 때문에 오염원의 깊이가 중요한 고려요소이며, 식물종, 식물의 생장속도, 오염물질의 농도, 주변 생태계 및 환경과의 관계 등도 기본적으로 고려해야할 사항들이다. 그러나 기타 물리화학적 공법에 비해 확실히 경제적인 방법이고, 2차 부산물 발생이 적다는 이점이 있다. 식물정화공법은 아직 개척 분야에 속하지만 식물정화공법 개발에 관한 많은 연구가 진행되어지고 있다. 2) 공정의 원리식물정화공정 기술의 활용분야는 크게 하천, 토양 및 지하수의 오염정화이며 토

양 오염정화에는 phytoextraction, phytostabilization, phytostimulation, phytov


-olatilization, phytotransformation 등이 있고, 하천 및 지하수 오염정화에는 rhizofiltration, hydraulic barriers, vegetative caps, constructed wetlands 등이 활용되고 있다.

식물정화공정에 활용되고 있는 식물들은 해바라기를 비롯한 일부 1년생 초본류와 계피나무와 포플러, 미루나무, 버드나무 및 넓은 잎을 가지는 다양한 식물과 대상 지역의 고유한 토착 식물 등 매우 다양하고, 효과적으로 처리될 수 있는 대상오염 물질은 소수성을 가진 benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, chlorinated solventes, PAHs, nitrotoluene, ammunition waste와 ammonium, phosphate와 같은 과잉의 영양염류 그리고 중금속들을 제거하는데 효과적으로 이용된다. ① 식물추출(phytoextraction)

식물추출은 오염물질을 식물체내로 흡수, 농축시킨 후 식물체를 제거하는 방법이며, 주로 토양, 퇴적층 및 폐기물을 대상으로 중금속, 비금속원소, 방사성 동위원소의 제거에 적용될 수 잇다. 수확된 식물체는 경우에 따라 유용한 자원이 될 수도 있다. 어려운 점으로는 중금속을 고농도로 축적할 수 있는 식물은 대부분 생장이 느리며, 수확된 식물체는 고농도의 오염물을 함유하므로 이를 적절히 처리해야 하고, 중금속은 식물독성이 있으며, 실험실 규모에서의 자료를 실제 부지에 그대로 적용할 수 없는 경우가 많다는 점이다.

식물추출 방법은 일차적으로 식물체의 뿌리를 통하여 오염물질이 흡수되어야 하므로 뿌리의 깊이에 따라 제거의 정도가 결정된다고 할 수 있다.② 근권여과(rhizofiltration)

이는 수용성 오염물질이 생물 또는 비생물적인 과정에 의하여 뿌리 주변에 축적되거나 식물체로 흡수되어지는 과정을 말하며, 일반 토양보다는 수 환경을 대상으로 한다. 방법의 특성상 처리시설은 다른 장소에 설치해도 무방하며, 육상식물이나 수생식물이 모두 이용될 수 있으나, 육상식물을 이용하는 경우에는 이의 생장을 뒷받침할 수 있는 구조가 필요하다.

적용대상 오염물질로는 납, 카드뮴 등의 중금속과 우라늄, 세슘 등의 방사성원소등이 포함된다. 이용가능식물은 여러 종이 있으나 대개 수생식물보다는 육상식물이 더 효과적인 것으로 나타나고 있으며 부유식물 및 습지식물도 이용될 수 있다.③ 식물안정화(phytostabilization)

식물안정화는 오염물질이 뿌리 주변에 비활성의 상태로 축적되거나 식물체에 의하여 이동이 차단되는 원리를 이용한 처리법이며, 뿌리주변에서의 미생물학적,


화학적 과정을 동반한다. 즉, 뿌리 주변 토양의 pH 변화 등에 의하여 중금속의 산화도가 바뀌어져서 불용성의 상태로 되는 원리에 기초하는 것이다. 이 방법은 토양, 퇴적층 및 폐기물 등을 대상으로 하며, 토양 및 식물체를 제거할 필요가 없고 저렴한 비용으로 처리가 가능하며 생태계 복원이 비교적 쉬운 장점이 있으나, 오염물질이 대상지역에 그대로 남아 있어 장기간 관리가 필요하고 식생을 돕기 위해 토양을 처리해야 할 필요가 있으며 오염물질이 식물체로 흡수되거나 지상으로 운반, 확산되는 것에 대한 방지책을 마련해야 한다.④ 근권분해(rhizodegradation)

뿌리부근에서 미생물 군집이 식물체의 도움으로 유기 오염물질을 분해하는 과정이다. 뿌리 분비물에는 다양한 영양분이 함유되어 있고 뿌리 자체가 서식처를 제공하고 있어 이 부근의 미생물의 활성은 크게 증가되며 이에 따라 유기 오염물의 분해가 촉진되는 것이다.

이 방법은 오염물이 현장에서 분해되므로 따로 처리할 필요가 없으며 다른 방법에 비하여 적은 경비가 소요되는 장점이 있으나, 근권이 발달하기 위해 상당한 시간이 소요되고 비료의 투여가 필요하며 미생물간의 상호작용, 즉 오염물질의 분해에 관여하는 미생물군과 기타 군집과의 경쟁 등에 대해 고려할 필요가 있다. 오염물 농도가 높은 지역에서는 우선 토양의 제거, 또는 매립 등의 방법에 이어서 효과적으로 쓰일 수 있는 방법이며, 다른 정화 방법 이후에 최종 처리법으로 이용될 수도 있다.⑤ 식물분해(phytodegradation)

식물분해는 오염물질이 식물체에 흡수되어 그 안에서 대사에 의해 분해되거나 식물체 밖으로 분비되는 효소 등에 의하여 분해되는 과정을 말한다. 식물체가 직접 분해에 관여한다는 점에서 위의 근권분해와 구별이 된다. 오염물의 용해도 및 극성에 따라 흡수정도가 달라지는데, 예를 들어 적당한 소수성을 가진 물질은 비교적 흡수가 잘 되고 식물체내에서의 이동이 용이하지만, 수용성인 물질은 확산되기 쉬우므로 오히려 뿌리로부터 흡수되기가 쉽지 않다.

이 방법은 토양, 퇴적층, 폐기물, 지하수 등의 처리에 이용 가능하다. 일반적으로 오염의 깊이가 얕은 광범위한 지역에 적당하다⑥ 식물휘발화(phytovolatilization)

식물휘발화는 오염물질이 식물체에 의하여 흡수, 대사되고 휘발성 산물로 변형되어 대기로 방출되는 과정이며, 특성상 식물분해와 같이 일어나는 경우가 많다.


대부분 지하수에 적용되고 있으나, 토양, 퇴적층, 폐기물 등에도 이용될 수 있다. 생성된 휘발성 산물은 대개 독성이 약화되거나 없는 형태이지만 경우에 따라 유독한 산물이 생성되기도 하고, 식물체에 축적되기도 한다.⑦ 수리적 조절(hydraulic control)

이 방법은 식물에 의하여 환경의 물을 제거함으로서 수용성 오염물질의 이동 및 확산을 차단하는 원리에 기초한다. 따라서 지하수, 지표수 및 수분이 많은 토양을 대상으로 한다. 수분의 제거를 전적으로 식물체에 의존하므로 펌프 등 다른 장비를 필요로 하지 않으나, 제거량 및 속도는 기후조건에 영향을 많이 받게 된다.⑧ 완충수로(riparian corriders/buffer strips)

이 방법은 일반적으로 하천으로 유입되는 지표 및 지하수의 처리에 이용되며 수리적 조절, 식물분해, 근권분해, 식물증발 및 식물추출 등 여러 기작이 포함된다. 유기질, 농약 등 수용성 오염물질의 제거에 이용되며 포플러를 이용한 질산염 제거 사례가 많이 연구되고 있다. 충분한 넓이의 지면을 필요로 하며, 오염물의 농도 및 깊이 등이 고려되어야 한다. 식물학적 복원공법 설계는 오염물질, 부지특성, 요구되는 정화시간 정도, 적용

되는 식물의 조건에 따라 달라진다. 자세한 설계인자는 다음과 같다.- 오염원 및 그로 인한 문제점의 파악- 적합한 식물의 선정- 선정된 식물의 각 오염원에 대한 처리도- 식물식종 방법 - 토양 및 지하수내의 capture zone 및 증산량- 오염원 흡수율 및 정화기간

<그림 49> 식물정화 공정중 유기물, 산소 등의 물질대사 반응


대상지 내에서의 적용이 대부분을 차지하지만, 토양을 제거하거나 지하 또는 지표수를 뽑아 올려 다른 장소에서 처리를 하는 경우도 있다. 환경별로 보면 토양, 퇴적층 및 폐기물에서는 식물추출, 식물안정화, 식물분해, 근권분해, 식물휘발화 등의 방법이, 지표, 지하수 및 폐수에는 식물분해, 식물휘발화, 근권여과, 수리적 조절, 완충수로 등의 방법이 적용될 수 있다.

대상 환경 및 오염물질에 적합한 식물종을 선택하는 것은 가장 중요한 문제로 오염원을 처리하기 위한 적합한 식물종, 고유한 종, 또는 대상 환경에 자생하는 식물들을 탐색하여 적절한 종류를 선택해야 한다. 특히 식물종을 선택하는 것은 다음의 절차를 거치는 것이 바람직하다.- 식물정화방법 및 제거 대상 오염원의 선정- 기후, 변화량, 일조량, 오염원의 정도 등 부지에 대한 정보의 수집- 식물종 선택기준 확립 : 일반적인 생장조건 및 식물정화관계 필요조건 등

고려- 선택기준에 의하여 이용 가능한 식물종의 선정

일반적으로 목본류는 포플러, 미루나무, 버드나무 등이, 초본류는 페스큐 등이 이용된다. 그러나, 식물에 의한 유기물의 처리 시 설계조건은 식물이 성장이 빠르고, 환경에 적응성이 뛰어나고, 삽목이 수월하고, 유지관리가 용이해야한다는 점이다. 또한 지하수를 대상으로 할 때 증산작용에 많은 물을 제거할 수 있어야 하며 오염원을 덜 유해하거나 무해한 물질로 변형시킬 수 있어야 한다.

최적의 식물복원공법을 설계운전하기 위해서는 오염원의 기초 처리특성을 파악하는 것이 중요하다. 처리특성실험에서는 독성 여부와 처리결과를 얻을 수 있다.

식물종의 종류 또는 부지에 따라 독성 및 처리율의 변화가 생긴다. 아연, 보론, 암모늄, 중금속, 기타 유기성 오염원은 정도의 차이는 있지만 식물에 독성을 미친다. 그러므로 식물의 오염원에 대한 정보가 충분하지 않다면, 실험실 또는 온실에서 처리특성을 파악해야 한다. 3) 영향 인자① 오염물질 특성

이 공법에 의해 처리 가능한 오염물질은 유기물과 무기물 모두 광범위하게 포함된다. 특히 유기물인 경우에는 적당히 소수성인 오염물질(log Kow=1∼3)에 대해서만 효율적으로 적용 가능하다. 또한 유기물과 무기물 모두 오염물질의 농도가 높은 경우 오염물질 자체의 독성으로 인하여 효율적이지 못하다.


② 오염부지의 깊이오염부지의 깊이는 식물복원공법의 적용성을 평가함에 있어 중요한 요소로서

일반적으로 오염물 제거깊이는 식물의 뿌리가 뻗을 수 있는 3∼10ft 범위이다.③ 식물종

토양오염물질 제거에 이용 가능한 식물종은 매우 다양하다. 그러나 오염원, 오염면적에 따라 적절한 식물종이 선택되어져야 한다. 특히 성장이 우수한 포플러나무 등은 가장 효율적으로 적용되고 있는 수종중의 하나이다. 4) 오염물질 및 토양입경별 처리효과다음 <표 45, 46>에서는 오염물질 및 토양입경별 처리효과를 나타냈으며, 식물

정화 공정은 대부분의 휘발성 유기화합물에 효과적이다. 또한 준휘발성 유기화합물 처리에도 부분적으로 효과적이다.

<표 45> 오염물질별 식물복원공정의 처리효과오염물질 종류 적 합 부분적 적합 부적합


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<표 46> 토양입경별 식물복원공정의 처리효과토양입경정도 적합 부분적 적합 부적합


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5) 제약조건- 얕은 토양, 수변, 지하수에 한정적으로 적용 가능하다.- 고농도 유기물질의 독성으로 인해 처리의 한계가 있다.- 생물학적 처리와 더불어 물질전달의 한계가 있다.- 기타 물리화학적 공정에 비해 처리속도가 늦다.- 유기성 오염원인 경우 적절히 소수성인 오염원에만 효과적이다.- 분해생성물의 독성여부 및 생분해도의 규명이 불명확하다.

그러나 식물복원공법은 현장 적용성이 우수하고 기타 생물학적 공정에 비해서 20% 이상 경제적이다. 또한 부산물 생성이 적으며 환경친화적 공정이라는 이점을 가지고 있다. 6) 비용 평가식물학적 복원공법은 다른 처리공법에 비해 비용면에서 매우 경제적이다. 이와 비교

가능한 공정은 원위치 생물학적 공정 및 자연정화 방법 정도이다. 다음의 <표 47>는 기타 공정과의 비용을 비교하고 있다.

<표 47> 지중처리공정의 비용 비교(Technology evaluation, Jerald Schnoor, 1997)처리 방법 비용의 범위 ($/ton)

Phytoremediation $10∼35

In-situ bioremediation $50∼150

Soil venting $20∼220

Soil washing $80∼220

Solidification/Stabilization $240∼340

Solvent extraction $360∼440

Incineration $200∼1,500

Documents

토양복원 기술 및 사례집webbook.me.go.kr/DLi-File/F000/081/8154_1기술.pdf공장부지 토양 및 지하수 복원사례 )43 시스템에 의한 유류오염부지 복원