토양 복원 공학
- 토양지하수의
오염정화 및 복원 (3) -
박 성 직
2. 생물학적 토양오염복원기법
1) Bioventing
– 기체상으로 존재하는 휘발성 유기물질을 추출하는 동시에(토양 증기추출법, Soil vapor extraction), 기존의 토착 미생물에 산소 및 영양분을 공급하고, 토양 내 증기흐름속도를 공학적으 로 조절함(지중생물학적처리, In-situ bioremediation)으로서 미생물의 지중 생분해능을 극대화하는데 중점을 둔 기술
– 석유화합물류의 유기화학물질 에 의해 오염된 토양의 정화에 성
공적으로 적용되어 왔으며, 처리효율, 경제성, 현장 적용성 측
면에서 매우 우수한 기술로 평가
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 공정원리
• 기존의 SVE 기술원리를 바탕으로 토양 내에 산소를 공급해 줌으로서 오염원에 대한 천연적인 현장 생분해 능력을 증진시키는 불포화 오염토 양 정화기술
• 진공압에 의한 휘발성 오염물질의 추출에 중점을 둔 SVE 공정과 비교 해 볼 때 미생물 활성을 유지하는 정도의 산소만 제공되므로 산소흐름 속도가 낮아도 된다는 장점
– 공정의 설계 인자
(A) 산소 소비율: 미생물에 의한 산소 소비율(oxygen uptake rate) (B) 전달공기량 산정: 공기주입 및 추출정 영향반경을 고려하여 산정 (C) 주입 및 추출정: 지하수면 상부까지 굴착된 보어홀 내에 직경 5~10
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 전형적인 Bioventing 공정
• 오염부지 내에 직접 공기를 주입하여 오염지역으로부터 일정 거리에 위 치한 추출정까지 공기흐름이 서서히 이동하도록 함으로서 생분해 촉진
• 배출가스 내 오염물 농도가 저감되므로 기존의 SVE 공정 변형방법에 비해 배출가스 처리비용이 감소되는 장점
• 깨끗한 토양을 인위적으로 오염시키게 되는 단점
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 기존 SVE 공정을 변형시킨 Bioventing 공정
• 오염지역 외부에서 공기가 주입되고, 내부에서 추출되는 방법으로 주입 및 추출정의 설치 위치는 기존의 SVE 공정과 같지만, 공기전달속도를 낮춰줌
• 휘발에 의한 오염 물질 제거보다는 주로 생분해에 의한 제거가 주요
2. 생물학적 토양오염복원기법
– Air Sparging 기술과 결합된 Bioventing 공정
• 일반적으로 Bioventing 기술은 불포화토양에서만 적용되므로 지하수면 하부의 오염 물질을 제거할 수 없다는 단점이 있어 이를 보완하기 위해 포화지대 내에 공기를 주입하는 Air sparging 기술을 Bioventing 기술과 결합시키는 공정이 개발
• 강제적 공기 주입에 의해 오염 대수층 내로 다량 공급된 공기가 포화되어 토양 내 에서 상부로 이동하면서 생분해 및 휘발
• 공급된 산소는 액상으로 전이되어 지하수 내 생분해 효율을 증진시키며, 포화토양 내의 VOCs는 공기흐름에 의해 기상으로 전이되어 상부의 불포화대로 운반되며, 지 상으로 배출되기 전까지 생분해
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 제약조건
• ① 대상 부지의 토양 투수성이 10-5 cm/sec 이상이 되어야 한다.
• ② 진공압이 높을수록 영향반경이 크고, 시간이 단축되며, 투수성이 낮 은 토양에서의 처리효율이 증대되는 한편, 진공정도가 낮을수록 시설비용 및 유지비가 낮아지고 보다 균일한 처리가 가능하다.
• ③ 본 공정과 같은 지중 처리공정의 잠재적인 단점 중의 하나는 오염부 지 주변의 공기 및 물의 이동에 의해 오염물질이 확산될 수 있다는 것 이다. 따라서 오염부지 주변에 대한 면밀한 모니터링이 요구된다.
• ④ 현장 지반구조 및 오염물 분포에 따른 처리기간의 변동이 심하므로 실험실 규모 또는 파일럿 규모 실험을 거친 후에도 일정한 처리시간을 보장하기 어렵다.
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 영향인자
1) 오염물질 특성: 휘발성 및 생분해성 오염물질. 용해도가 큰 오염물은 처리 효율 감소.
2) 오염부지의 지표면적 및 깊이: 부지의 면적은 20~75,000 m2이며, 오염물 제거 깊이는 3 ~ 10m 범위
3) 토양의 투수성: 10-5 cm/sec 이상
4) 지반 구조의 비균질성: 일반적으로 사질토일 경우에 가장 적절히 적용 5) 토양 함수율: 공기흐름 속도는 공기가 채워진 토양 공극률에 비례 6) 온도: 미생물의 대사작용에 영향
7) pH: 최적 pH 범위는 약 6~8
8) 토착미생물 개체수 및 영양물질 농도
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 오염물질별 Bioventing 공정의 처리효과
– 토양입경별 Bioventing 공정의 처리효과
2. 생물학적 토양오염복원기법
2) Land Farming
– 오염토양을 굴착하여 지표면에 깔아 놓고 정기적으로 뒤집어줌 으로서 공기를 공급해 주는 호기성 생분해 공정
– 오염토양 복원에 미치는 토양 특성
① 수분함유량
② 산소함유량
③ 양분, 질소, 황
④ pH
⑤ 토양 부피
2. 생물학적 토양오염복원기법
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 영향인자
• ① 오염물질의 형태와 농도
– 유류 등으로 오염된 토양은 충분한 탄소원이 있으나 상대적으로 N, P 등 의 영양물질의 함량이 낮으므로 인위적으로 부족한 영양물질을 보충 필요
• ② 오염물질의 분포깊이와 분산
• ③ 독성오염물질의 존재 여부
• ④ 휘발성유기물질의 존재 여부
• ⑤ 무기물질의 존재 여부
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 제한요소
① 많은 공간이 필요하다.
② 오염된 토양을 굴착시, 비용이 더 소요된다.
③ 오염물질의 분해를 위한 적절한 상태가 조성되지 않으므로 분해가 어 려운 물질을 완전하게 제거하기 위해서는 많은 시간이 소요된다.
④ 휘발성 유기물질의 농도는 생분해보다 휘발에 의해 감소된다.
⑤ 무기물질은 생물학적으로 분해되지 않는다.
⑥ 유기용매가 대기 중으로 방출되어 공기를 오염시키기 때문에 방출되기 전에 처리해야 한다.
⑦ 입자상 물질은 먼지가 될 수 있으므로 지속적으로 측정해야 한다.
2. 생물학적 토양오염복원기법
3) In-situ Bioremediation
– 지중(In-Situ) 생물복원 공정은 토양 및 지하수에 생존하는 토착미생물의 성 장과 재생산을 가속화하여 포화지역에 있는 유기성분의 분해를 촉진하는 현 장정화기술
– 지하에 용해되어 있거나 대수층에 흡착되어 있는 유기성 오염물질을 정화하 는데 효과, 특히 석유계탄화수소로 오염된 지역을 정화하는데 매우 유용.
– 지중 생물복원은 공기 분사와 같은 다른 포화지역에 쓰이는 복원기술이나 토양증기추출, Bioventing과 같은 불포화지역에 쓰이는 복원 기술과 결합되 어 이용 가능
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 영향인자
① 토양의 수리전도도: 대수층 내의 미생물의 원활한 증식을 위한 전자수용체 및 영양물질의 전달율을 조절
② 토양구조 및 stratification: 토양 구조 및 성층은 불포화대에서 공기의 주 입과 추출이 원활히 진행되는 것을 결정
③ 미생물: 여러 종류의 미생물들 중에 박테리아는 가장 많은 군집을 형성하 고 있으며, 특히 낮은 산소량의 조건에서도 원위치 생물복원 공정을 적용 가능
④ 전자수용체: 에너지를 생산하기 위해 박테리아에 의한 물질대사 과정은 전 자수용체(TEA)에 의해 탄소원을 이산화탄소로 산화시키는 과정이 필요
⑤ 영양물질: 미생물은 세포성장과 생물학적 분해공정을 유지하기 위해 질소,
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 제한요소
① 미생물의 성장과 침적에 의해 추출정이 막힐 수 있다.
② 용해도가 낮고 농도가 높은(TPH 50,000 ppm 이상) 오염원은 독성 이 강해 생물학적 분해가 불가능하다.
③ 투수성이 낮은 대수층에서는 적용하기 어렵다.
④ 공정 특성상 지속적인 유지와 관리가 필요하다.
⑤ 복원은 대수층 내에서도 투수성이 좋은 지역에서만 활발히 진행될 수 도 있다.
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 오염물질별 지중생물복원 공정의 처리효과
– 토양입경별 지중생물복원 공정의 처리효과
2. 생물학적 토양오염복원기법
4) 퇴비화 공법(Composting)
– 유기오염물질을 인위적으로 퇴적 분해시키는 것을 의미하고, 미 생물에 의해 분해 가능한 오염물질을 50 ~ 55°C의 온도에서 생물학적으로 분해 및 안정화하는 것
– 오염토양의 유기물질이 분해될 때 발생하는 열을 이용하면 온 도를 증가
– 최대 처리 효율은 수분함량, pH, 산소, 온도, 그리고 탄소/질소
비(C/N비)에 의해 결정
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 공정원리
• 퇴비화공정을 적용하기 위한 전처리 공정은 오염토양의 굴착, 스크린, 큰 입자를 작은 입자로 파쇄하는 과정을 포함
• 작은 입자로 만드는 이유는 오염토양의 표면에 미생물에 의한 반응성을 높여주기 위함
• 토착미생물의 활성도가 그리 높지 않다면 외부에서 배양된 미생물을 첨 가하여 공정의 효율성을 높임
• 송풍시스템은 오염토양 퇴비화 공정의 효율적인 설계 및 운전에 있어 중 요
• 적절한 수분함량을 유지하기 위해 물을 공급할 수 있고, 영양원 부족시 에는 외부에서 질소 및 인을 추가 공급하여 처리효율을 높여줌
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 영향인자
①통기량(공기량, aeration): 성공적인 퇴비화반응을 위한 필수적인 성분은 산 소. 충분한 산소가 없다면, 그 과정은 혐기성으로 되고 저급지방산, 황화수 소 등의 심한 악취가 발생
②통기개량제(bulking agent): 하수슬러지, 식품폐기물 등과 같이 유기물이 점성을 유지할 경우, 산소의 통기가 어려워혐기성 반응이 일어나 반응속도에 영향. 전처리 과정 중에 볏짚, 왕겨, 톱밥, 나무껍질 등의 통기 개량제를 첨가
③온도: 일반적으로 제어 온도인 50℃~ 60℃에서 유지되며, 유기물 분해율 에 좋은 온도는 60℃
④함수율: 유기물의 함수율이 30% 미만일 경우 미생물의 활동에 지장
⑤수소이온농도(pH): 퇴비화과정에서 관찰되는 pH범위는 5.5 ~ 8.5 사이
⑥영양물질(C/N비):이상적인 탄소와 질소의 무게비율은 50 이하로서, 25 ~
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 제약조건
① 퇴비화를 위해서는 넓은 공간이 필요하다.
② 오염된 토양을 굴착해야 하고 제어되지 않은 휘발성 유기물질이 방출 될 수 있다.
③ 팽화제의 첨가로 인해 처리해야할 오염토양의 부피가 증가한다.
④ 이 방법에 의해 중금속은 처리될 수 없으며 미생물에게 독성으로 작용 한다.
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 토양입경별 퇴비화공정의 처리효과
– 오염물질별 퇴비화공정의 처리효과
2. 생물학적 토양오염복원기법
• 5) 식물복원공정(Phytoremediation)
– 식물을 이용하여 오염토양 및 지하수를 포함한 수질을 정화 – 식물정화는 뿌리가 접촉하는 면에 한정되어 일어나기 때문에 오
염원의 깊이가 중요한 고려요소이며, 식물종, 식물의 생장속도, 오염물질의 농도, 주변 생태계 및 환경과의 관계 등을 고려 – 기타 물리화학적 공법에 비해 확실히 경제적인 방법이고, 2차
부산물 발생이 적다는 이점
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 공정원리
• 토양 및 지하수의 오염정화
– 식물추출(phytoextraction), 식물안정화(phytostabilization), 식물촉진 (phytostimulation), 식물휘발화(phytovolatilization), 식물변환
(phytotransformation) 등
• 하천 및 지하수 오염정화
– 근권여과(rhizofiltration), 수리학적 벽체(hydraulic barriers), 식물정제 (vegetative caps), 구조적 습지대(constructed wetlands) 등
• 식물정화공정에 활용되고 있는 식물
– 해바라기를 비롯한 일부 1년생 초본류와 계피나무와 포플러, 미루나무, 버드나 무 및 넓은 잎을 가지는 다양한 식물과 대상 지역의 고유한 토착 식물 등 매 우 다양
• 대상오염 물질
– 소수성을 가진 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 염화용매, PAHs, 니트로톨루엔,
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 영향인자
1) 오염물질 특성
– 유기물과 무기물 모두 광범위하게 포함. 유기물인 경우에는 적당히 소수성 인 오염물질에 대해서만 효율적
2) 오염부지의 깊이
– 오염부지의 깊이는 식물복원공법의 적용성을 평가함에 있어 중요한 요소로 서 일반적으로 오염물 제거 깊이는 식물의 뿌리가 뻗을 수 있는 0.9 ~ 3 m 범위
3) 식물종
– 토양오염물질 제거에 이용 가능한 식물종은 매우 다양
2. 생물학적 토양오염복원기법
– 제약조건
① 얕은 토양, 수변, 지하수에 한정적으로 적용 가능하다.
② 고농도 유기물질의 독성으로 인해 처리의 한계가 있다.
③ 생물학적 처리와 더불어 물질전달의 한계가 있다.
④ 기타 물리화학적 공정에 비해 처리속도가 늦다.
⑤ 유기성 오염원인 경우 적절히 소수성인 오염원에만 효과적이다.
⑥ 분해생성물의 독성여부 및 생분해도의 규명이 불명확하다.
