[하일라이트] 유류 오염 토양 및 지하수 복원 기술

서론

토양은 물, 공기와 함께 환경의 기본적인 구성 요소 중 하나로 자연계 내의 다른 구성 요소들과 밀접한 관 계를 가지며 물질순환에서 아주 중요한 위치를 차지 하고 있다. 이러한 토양은 한 번 오염이 되면 수질 및 대기 오염에 비해 그 노출 속도가 느리고 전달경로가 복잡하며 눈이 보이지 않기 때문에 오염 정도의 파악 과 복원 그리고 모니터링 등에 어려움을 겪는다. 뿐만 아니라 일단 토양이 오염되면 지하수 오염을 유발시 켜 오염범위가 확산되고 음용수에까지 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 다양한 접근 방법을 통해 오염원과 수용체의 상관관계를 규명하고 그 오염원을 줄이거나 전달속도를 늦추거나 경로를 차단하는 등의 방법으로 대처하여야 한다. 선진국에서 토양 및 지하수 오염환 경을 복원하고 대처한 지는 그리 오래되지 않았으며 최근까지도 수많은 시행착오를 겪어왔다. 그러면서도, 여전히 토양과 지하수 오염에 대한 다양한 복원 기술 들을 개발하고 위해성을 모니터링하는 노력을 지속적 으로 진행시키고 있다. 우리나라의 경우 토양오염에 대해 본격적인 관심을 가지고 독립적인 분야로서 시 작된 것은 1996년 토양환경보전법이 제정되면서부터 라고 할 수 있다. 2001년 토양환경보전법이 개정 보완 됨으로써 보다 능동적으로 대처하고 토양오염 조사와 정화사업을 본격적으로 추진할 수 있는 기틀을 마련 하게 되었으며, 이후 본격적으로 정화 시장이 성장하 고 있는 단계라고 할 수 있다. 본 고에서는 오염토양 및 지하수 정화 시장 현황과 해외의 기술 동향, 주요

기술에 대해 간략하게 살펴보고자 한다.

오염 현황 및 정화 시장

토양 및 지하수 오염은 주로 유류 제조 및 저장시설 의 기름유출, 휴·폐광에서 발생한 중금속 오염, 쓰레 기 매립지 침출수, 유류 오염 사고, 군부대 토양의 유 류 오염 등에 의해 발생한다. 2001년 개정된 토양환경 보전법에 지정된 오염물질은 총 16개 항목으로 유류 관련 물질은 BTEX(benzene, toluene, ethylbenzene, xylene), TPH(total petroleum hydrocarbon), TCE (trichloroethylene), PCE(perchloroethylene)가 해당 된다. 특히 TCE, PCE는 물보다 밀도가 낮아 지하수 바닥으로 확산되어 처리가 매우 어려운 물질이다.

전국의 토양에 대한 오염현황을 종합적으로 파악하 여 토양오염방지대책과 오염토양에 대한 정화·복원 등 토양환경보전 정책수립을 위한 기초자료로 활용하 기 위하여 1987년부터 전국에 토양측정망을 설치·운 영하고 있다. 1987년 총 250개 지점을 조사한 이래 연 차적으로 확대하여 환경부소속 지방환경관서에서 운 영하여 왔으며, 1996년 토양환경보전법 제정, 시행과 더불어 측정지점수를 2,900여개를 대폭 확대하고, 전 국망과 지역망으로 구분하여 전국망은 지방환경관리 에서, 지역망은 각 지방자치단체에서 운영하게 되었 고 2002년 2월말 총 4,500지점을 운영하고 있다. 2002 년부터 2005년 사이 전국의 평균 토양오염도는 전반 적으로 2% 내외로 매년 조금씩 증가하는 경향을 보 이고 있으나 군부대나 산업단지 등의 오염은 평균치

를 크게 웃돌면서 심각한 것으로 집계되고 있다. 지하 수 수질 측정망 운영 결과에서도 약 5% 내외로 기준 치를 초과하는 것으로 조사되고 있다. 점점 가속화되 고 있는 산업화와 공업화로 인하여 토양 및 지하수의 평균적인 오염도가 매년 증가하고 있으며, 2015년과 2020년에는 오염도가 더욱 증가될 것으로 전망하고 있다[표 1].

이와 같이 토양 및 지하수 오염현황이 확대되면서 복원 시장이 점차 증가하고 있는데, 삼성경제연구소 에서는 2010년까지 토양오염복원시장이 1조원대로 커질 것으로 전망한 바 있다. 국립환경연구원 및 한국 건설산업연구원 등에서 발표한 자료에 따르면 1997년 부터 2006년까지의 토양오염 정화시장이 약 8,000억 원에서 2조 1,000억원에 이를 것으로 전망한 바 있으 나 이러한 예측 수치와 실제 시장의 규모와는 차이가 크고, 실제 시장 규모에 대한 통계자료가 부족한 실정 이다. 실제 2004년 및 2005년의 토양 및 지하수 조사 및 복원사업 공공부문의 경우 그 금액이 약 555억에 이르며, 민간부문을 고려한다면 약 800~1,000억원 정 도였던 것으로 보고 있다.

그러나 2008년부터 주한 미군 기지의 이전이 시작 되어 연합토지관리계획(LPP, land partnership plan) 을 통해 향후 2011년까지 주한미군의 총 사용 토지 약 7,400만평의 55%에 해당하는 59개 기지(4,100여 만 평)를 반환할 예정이다. 29개소의 주한 미군 기지를 조사한 결과 그 중 26개소가 장기간 군용 차량 운용

등에 의해 약 90%가 오염된 것으로 확인되었다. 관련 정부부처 및 산업체에 따르면, 향후 2011년까지 이전 되는 미군기지 부지 오염 토양 및 지하수 정화에 소요 되는 비용을 최소 5,000억에서 1조 5천억원으로 추산 하고 있다.

기술 적용 현황

미국은 1970년대 Love Canal 지역에서 토양오염으 로 인한 암 등의 질병 만연으로 재해지역으로 선포된 사건 이후 토양오염에 대한 문제점이 부각되기 시작 하였다. 대중들의 인식이 증가됨에 따라 미국정부는 토양 및 지하수 오염문제에 대한 해결방안으로서 1980년 Superfund를 조성하게 되었고 이 기금은 1995년 85억달러에 이르게 되었다. Superfund 프로 그램이 20년 동안 시행된 후 약 6,400개의 제거명령이 수행되었고, 757개의 사이트의 사업이 완료되었다.

1,450개의 NPL 리스트가 작성되었고, 이중 1,200여개 가 승인되어 복원사업이 시행되었다. 그동안 5년 이상 의 장기간 결과를 포함하는 보고서가 650여개에 달하 고 있고, 계속해서 장기간 모니터링이 진행되고 있다.

미국의 국가적 환경복원사업은 크게 Superfund, DOD(국방부), DOE(에너지부), UST(지하저장탱 크), RCRA Corrective Action, Federal Agencies(기 타 연방 부처), 주정부 사업 등 7개 분야로 나눌 수 있 다. 전체적으로 217,083개의 시설 또는 지역이 복원대 상으로 남아 있으며 비용은 인플레이션 없이 1,870억 달러에 이르는 것으로 추정하고 있다. 이 중에서 Superfund를 통해 1982년부터 2002년까지 수행된 546개 프로젝트에 대해 처리 위치와 대상으로 분류해 보면 오염원(주로 토양) 처리가 86%를 차지하고 그 중에서 부지 외(ex situ) 처리 방법이 63%로 가장 많 은 비율을 차지하고 있다[표 2]. 토양 및 지하수 복원 에 사용되는 주요 기술을 정리하면 [표 3]과 같다.

오염원 처리에 적용된 구체적 기술의 분포를 살펴 보면 [그림 1]과 같다. 주요 사용 기술은 SVE(토양 증기 추출법) 25%, 고정화/안정화 24%, 소각 17%,

토양 1.2 1.6 2.3 2.2 4.6 9.5

(실태조사)

지하수 3.7 3.6 5.5 3.9 4.3 5.1

(측정망)

자료：토양 오염도: 환경백서, 환경부, 2006.

지하수 오염도: 지하수 수질측정망 운영결과, 환경부, 2005.

표 1. 연도별 토양/지하수 오염도 현황 및 전망 (단년치, 단위: %)

구분 2002 2003 2004 2005 2015 2020

생물복원이 12% 정도 사용되었다. 이외에도 토양 세 척, 열탈착, 유리화, 화학 처리 등의 기술이 적용되고 있다. Ex situ 기술 중에서 가장 많이 사용되는 기술 은 고정화/안정화와 소각 기술이다. In situ 기술로는 SVE 기술과 생물복원 기술이 가장 많이 사용되고 있 다. 1985년에는 in situ 기술이 약 30% 정도 사용되었 으나, 2002년에는 50% 정도로 증가하는 추세에 있다.

화학적 처리 기술은 경제성 문제로 과거에는 거의 사 용되지 않아 2% 정도만 적용되었다. 그러나 최근 신 속한 처리가 가능하고 부지내 적용이 가능함으로 인

그림 1. US EPA의 Superfund 프로그램에 의한 토양 복원 기술의 적용 현황 (A) 1982~2002년, (B) 2000~2002년.

자료 : Treatment Technologies for Site Cleanup: Annual Status Report(US EPA, 2004)

ex situ 오염원 처리 341 63

in situ 오염원 처리 123 23

ex situ 지하수 처리

63 11

(pump and treat)

in situ 지하수 처리 19 3

합계 546 100

자료：Treatment Technologies for Site Cleanup: Annual Status Report(US EPA, 2004).

표 2. US EPA의 Superfund 프로그램에 의해 수행된 프로젝트(1982~2002년)

분류 완료된 프로젝트 수 비율(%)

Biodegradation, Bioventing, Natural Attenuation, Pneumatic Fracturing, Soil Flushing, Soil Vapor Extraction, Solidification/Stabilization, Thermally Enhanced SVE, Vitrification, In situ Chemical Oxidation (ISCO)

Chemical Reduction/Oxidation, Composting, Controlled Solid Phase Biological Treatment, Dehalogenation, Retrieval and Off-site Disposal, High Temperature Thermal Desorption, Hot Gas Decontamination, Incineration, Landfarming, Low Temperature Thermal Desorption, Open Burn/Open Detonation, Pyrolysis, Slurry Phase Biological Treatment, Soil Vapor Extraction, Solidification/Stabilization, Solvent Extraction, Vitrification, Soil Washing

Air Sparging, Co-metabolic Processes, Directional Wells, Dual Phase Extraction, Free Product Recovery, Hot Water/

Steam Flushing/Stripping, Hydrofracturing, Natural Attenuation, Nitrate Enhancement, Oxygen Enhancement With Air Sparging, Oxygen Enhancement With Hydrogen peroxide, Vacuum Vapor Extraction, Permeable Reactive Barrier Air Stripping, Bioreactors, Filtration, Ion Exchange, Liquid Phase Carbon Adsorption, Precipitation, Ultraviolet Oxidation

Biofiltration, High Energy Corona, Membrane Separation, Oxidation, Vapor-Phase Carbon Adsorption

분류 처리 기술

토양 in situ

토양 ex situ

지하수 in situ

지하수

ex situ

배가스

해서 점차 적용 빈도가 증가하는 추세에 있다고 할 수 있다. [그림 1(B)]에서 보는 바와 같이 비교적 최근 인 2000~2002년 통계에서는 in situ 화학적 처리가 7%로 증가하였다. 2008년 5월에 개최되었던 제6회 Remediation of Chlorinated and Recalcitrant Compounds 학회에 참석하였던 경험으로는 현재 진 행되고 있는 프로젝트의 많은 수가 화학적 처리를 적 용하고 있었다. 국내에서는 최초의 대규모 복원 사업 이라 할 수 있는 2002년 부산 문현동 복원 사업에서 적용된 기술이 ex situ 생물복원과 열탈착이었다. 이 후 국내의 대부분의 복원 사업에서 생물복원 (landfarming, biopile)과 열탈착, 화학적 처리 기술이 적용되고 있다.

화학적 처리 기술

오염토양은 지속적으로 지하수를 오염시키고 있으 며, 오염된 지하수를 복원하기 위한 전통적인 기술인 pump and treat는 더 이상 효율적인 기술로 인식되 지 않고 있다. 화학적 산화제를 주입하여 유해물질을 산화시켜 제거하는 화학적 처리 기술은 수처리 등에 오랫동안 적용되어 온 전통적인 기술이다. 산화제 약 품의 비용이 과다하여 그 동안 토양오염 복원에는 많 이 적용되지 않았던 방법이다. 그러나 최근 오염된 토 양을 굴착하지 않고 현장에서 바로 적용하는 기술인 ISCO(in situ chemical oxidation) 기술의 경제성이 많이 개선되어 점차적으로 적용 빈도가 늘어나고 있 는 추세이다. ISCO 기술은 사실상 전통적인 화학적 산화제(peroxide, permanganate, Fenton’s reagent, ozone, persulfate 등)의 반응을 이용하고 있으나, 현 장에 적용한다는 측면에서 delivery 기술의 접목으로 인해 최신의 기술이라고 볼 수 있다.

ISCO 기술의 중요한 장점은 폐기물 발생이 적고 (일부 산화제 제외), 난분해성 물질의 처리가 가능하 며, 빠른 시간에 처리가 가능하기 때문에 모니터링이 나 운전비용, 재료비용 등이 적게 들 수 있다는 것이 다. 단점으로는 생물복원과 비교하여 경제성이 낮고,

안전성 문제, 낭비되는 화학약품(토양 유기물 산화), 침전물질에 의한 공극 막힘 현상 등이 있다.

토양의 화학적 산화 처리는 기본적으로 [표 4]에 있는 여러 산화제의 산화력에 기초하고 있다. 이들의 산화반응에 의해 오염물질은 궁극적으로 이산화탄소 와 물로 전환될 수 있다. 염소를 기준으로 상대적인 산화력의 세기를 나타낼 수 있으며, 이 표의 모든 화 학물질은 오염물질을 산화시킬 수 있는 능력을 가지 고 있다고 할 수 있다. 산화제의 standard oxidation potential 값은 이론적인 산화력의 세기를 나타내는 것이며 실제 토양에서 반드시 일치하지는 않는다. 실 제 토양 환경에서 산화 반응의 효과를 결정하는 인자 로는 온도, pH, 오염물질 농도, 촉매, 부산물, 토양 유 기물, scavenger 등이다. 실제 토양 환경에서 산화제 의 효과는 kinetics, thermodynamics, stoichiometry, delivery와 같이 크게 4가지 측면에서 검토되어져야 한다. 강력한 산화제를 사용할 경우 반응속도 측면에 서는 더 효과적일 수 있지만, 빠른 산화반응에 따른 소모로 인해 토양 심층부로의 전달이 어려울 수 있다.

이런 경우 오히려 반응성이 낮은 산화제가 delivery 측면에서는 더 효과적이 될 수 있다.

화학적 산화 기술의 장점은 저비용으로 신속하게 처리할 수 있다는 점이다. 그러나 토양 환경과 적용하 는 산화제, 그리고 오염물질의 특징에 따라 토양 환경 의 급격한 변화를 야기할 수 있다. 즉 심각한 가스와

Hydroxyl radical(OH-*) 2.8 2.0 Sulfate radical(SO

- *) 2.5 1.8

Ozone 2.1 1.5

Sodium persulfate 2.0 1.5

Hydrogen peroxide 1.8 1.3

Permanganate 1.7 1.2

Chlorine 1.4 1.0

Oxygen 1.2 0.9

표 4. 산화제의 산화력

Standard Relative Chemical species oxidation strength

potential (V) (chlorine =1)

열 발생, 액상의 오염물질의 종류와 농도의 급격한 변 화, 오염물질 분포의 변화와 확산에 따른 문제점이 발 생할 수 있다. 예를 들어 유기 염소계 용제의 경우는 BTEX보다 폭발에 대한 위험은 상대적으로 낮지만 염소 가스의 발생은 치명적이 될 수 있으므로 주의해 야 한다. 각 산화제를 적용시 고려해야 할 점을 [표 5]

에 정리하였다.

생물 복원 기술

생물 복원이란 미생물과 같은 생물체를 이용하여 토양 및 지하수 내의 오염물질을 분해 제거하거나 고 정화시키는 모든 방법을 의미한다. 미생물에 의한 오 염 물질의 제거 기작은 기본적으로 산화에 의한 분해 및 환원에 의한 독성 저감이라 할 수 있다. 많은 종류 의 유류 오염 물질은 탄화수소 계열로서 미생물이 이 물질의 산화 과정을 통해 궁극적으로 이산화탄소로 분해시켜 에너지나 탄소원을 얻게 된다. 이 때 미생물

들은 산소를 전자 수용체로 사용함으로써 열역학적 에너지를 확보한다. 그러나 자연계의 토양 환경에서 는 산소가 충분하지 않으므로 nitrate, sulfate, Fe(III), CO2 등 다른 다양한 전자 수용체에 의한 에 너지 생산 과정을 필요로 하게 된다. [표 6]에서 보는 바와 같이 전자 수용체의 종류에 따라 확보할 수 있는 에너지의 크기가 다르고 미생물 분해 효율이 달라진 다. 즉 산소가 풍부할 경우 분해 속도도 빠르고 미생 물 성장도 활발하게 되지만, 다른 전자 수용체를 사용 할 경우 분해 속도가 느리게 된다. 따라서 처리하고자 하는 환경의 전자 수용체 수준을 파악하여 산소가 부 족할 경우 산소를 첨가하는 기술을 적용하게 된다. 생 물 복원기술은 오염지역의 처해진 환경에 따라 자연 적인 분해를 가속화하기 위해서 다양한 기술을 적용 하게 되는데 주요 기술을 정리하면 다음과 같다.

토양경작(landfarming) 기술은 산소공급을 원활히 하기 위해서 주기적으로 경작하는 방식을 이용하고

불포화대 처리 적용 가능

전 범위의 pH, 전 범위의 pH, 전 범위의 pH,

PH/alkalinity carbonate carbonate 전 범위의 pH carbonate

alkalinity 고려 alkalinity 고려 alkalinity 고려

Persistence 쉽게 분해됨 쉽게 분해됨 안정적 안정적

주의 사항 가스 발생, 열 발생, 가스 발생, 부산물,

부산물, 중금속 용해 부산물, 중금속 용해

부산물, 중금속 용해 중금속 용해

산소 요구량 토양 특성에 따라 다름, 유기물 함량 고려, 흡착 및 용해된 유기물 오염물질 고려해야 함.

투수성, 불균일성 토양의 투수성이 낮거나 불균일할 경우 산화제 주입 시의 분포를 충분히 고려해야 함.

표 5. 각 산화제를 적용할 시 고려해야 할 사항

Peroxide Ozone Permanganate Persulfate

Aerobic oxidation O

1/4O

+ H

+ e

1/2H

O -83.5

Denitrification NO

1/5NO

+ 6/5H

+ e

1/10N

+ 3/5H

O -79.9

Fe reduction Fe

Fe(OH)

+ 3H

+ e

Fe

+ 3H

O -7.8

Sufate reduction SO

1/8SO

+19/16H

+ e

1/16H

S + 1/16HS

+ 1/2H

O 7.7

Methanogenesis CO

1/8CO

+ H

+ e

1/8CH

+ 1/4H

O 23.4

표 6. 토양 내 주요 전자 수용체의 환원 반응에 대한 1몰 전자 당량 당 깁스 자유 에너지 값

Electron acceptor Reaction ∆G

。(kJ)

있다. 미생물의 성장을 촉진하기 위해 질소와 인을 포 함한 영양분과 물을 첨가하고 pH를 조절하기 위해 석 회를 사용한다. 오염토양 내에 이미 존재하는 미생물 을 그대로 이용하면서 분해 속도를 증진시키기 위해 기타 영양분을 첨가하거나(biostimulation), 특정 오 염물질에 대한 분해능이 우수한 미생물을 외부에서 첨가하기도(bioaugmentation) 한다.

Biopile 기술은 토양더미를 쌓아 수분 조절, 공기 공 급, 영양분 및 미생물의 공급 등으로 생분해를 촉진하 는 방법이다. 토양경작에 들어가기 전 보관과 동시에 토양의 오염도를 어느 정도 떨어뜨리기 위한 목적으 로 적용될 수 있다. 이러한 토양경작이나 biopile은 ex situ 기술에 해당하고 적용이 쉽고 처리비용이 저렴하 다는 장점을 가지고 있어 국내의 많은 토양 복원에 적 용되고 있다.

토양오염 복구에 흔히 사용되고 있는 기술 중 하나 로서 토양증기추출법(SVE)이 있는데, 이는 휘발성 유기물질을 제거하기 위해 토양에 관정을 심어 진공 으로 오염물질을 탈착시키는 기술이다. SVE의 문제 점 중 하나가 준휘발성 유기물질의 경우 제거효율이 매우 낮다는 점인데, 이를 해결하기 위해 생물학적 분 해를 함께 접목시키는 기술이 bioventing이다.

Bioventing 기술은 불포화대에 적용하는 기술로 토양 내에 추출공을 설치하여 산소공급을 유도한다. 이때 오염물질이 기상으로 추출되기 전에 충분히 분해될 수 있도록 SVE보다 낮은 공기유량이 적용된다.

오염물질의 확산이 커서 지하수가 오염되었을 경우 SVE기술을 포화대로 확대한 것이 AS(air sparging) 이다. 이것은 지하수에 공기를 불어 넣어 오염물질을 추출하는 것으로 air stripping이라고도 한다. 이와 같 이 불포화대로 이동하는 기상 오염물질은 SVE를 적 용함으로써 효과적으로 추출 제거할 수 있다. 이러한 AS 기술에 생물학적 기술을 적용한 것이 biosparging 이다. In situ 공정의 설계에 있어서 중요한 인자는 토 양의 투과성, 함수량, 지하수면의 높이 등인데, 특히 bioventing과 biosparging은 오염물질의 분해가능성,

지하수 온도, pH, 전자수용체와 영양분의 함량 등을 고려해야 한다. 이때 설계 매개변수로서 가장 중요한 것은 ROI(radius of influence)인데 공정의 목적(예:

SVE의 경우 오염물질의 물질전달, bioventing의 경 우 미생물 분해)을 달성할 수 있는 반경을 말한다. 이 를 바탕으로 관정의 위치, 개수, 깊이, 펌프용량 등을 설계하여야 한다. 이러한 bioventing과 biosparging은 가솔린 등 휘발성뿐만 아니라 kerosene, jet fuel, diesel fuel 등 상대적으로 쉽게 휘발되지 않는 물질도 in situ로 처리할 수 있다.

석유화합물은 많은 오염지역에서 불포화대와 capillary fringe 사이에 자유 유동물질로 존재하게 된 다. 이들 NAPL(non-aqueous phase liquid)들은 우 선적으로 회수되는 것이 바람직한 방법이라 할 수 있 는데 기존의 회수장치는 이러한 물질의 수동적인 흐 름에 의존하기 때문에 효율이 높지 않았다. 이러한 문 제를 해결하기 위해 SVE 보다도 낮은 압력을 걸어주 고 NAPL뿐만 아니라, 지하수, 증기를 동시에 추출해 내는 기술을 적용하게 되었는데 이를 DPE(dual- phase extraction) 또는 vaccum-enhanced extraction 이라고 한다. 이러한 기술은 지하수면을 하강시킴으 로써 대기중의 산소를 불포화대내로 공급할 수 있다.

이와 같이 DPE와 함께 bioventing 기술을 접목함으 로써 복원효과를 극대화할 수 있는데 이러한 기술을 bioslurping이라고 한다. 추출된 석유류는 회수해서 재 사용하기도 하며 그렇지 않은 경우 2차오염을 유발시 킬 수 있으므로 증기나 지하수와 함께 적절한 처리가 필요하다.

고농도로 오염되어 있는 지역, 갑작스런 사고지역 및 미생물의 생장에 적합하지 않은 한랭 또는 건조지 역 등은 오염지역으로부터 토양을 굴착한 후 생물반 응기 등의 외부시설을 이용하여 처리할 때가 더욱 효 율적인 경우가 있다. 이러한 기술은 생물반응기 내에 서 pH, 온도, 영양분, 산소공급, 미생물 균체량 등을 손쉽게 조절할 수 있으며 처리기간이 짧다는 장점이 있다. 또한 in situ 기술과는 달리 토양의 지질학적 구

조를 중요한 변수로 고려할 필요가 없다. 즉 토양의 공극률, 투과성, 물함량 이외에도 온도, pH 등에 크게 구애받지 않는다. 그러나, 토양 굴착 비용, 반응기 설 치 및 운전 비용 등 전체 처리 비용이 상대적으로 높 아 최근에는 대규모로는 거의 적용되지 않고 있다.

현재까지 수행된 많은 현장 결과들은 예상만큼 좋 은 결과들을 얻지 못한 경우가 많았다. 다양한 석유화 합물들이 자연적인 상태에서도 제거될 수 있다는 결 과들이 계속해서 보고됨에 따라, 최근에는 능동적 복 원기술의 경제적 부담으로 인해 자연정화(natural attenuation) 기술이 많이 적용되고 있다. 자연정화의 관점에서 오염물질이 제거되는 기작은 혐기적, 호기 적 생물분해, 광분해, 화학적 분해, 이류, 확산, 흡착, 휘발 등이 있다. 생물학적 자연정화의 기본개념은 지 하로 유출된 오염물질을 자연적으로 발생하는 토양 미생물로 하여금 분해하도록 하는 것으로, 동시에 공 공의 건강과 환경에 대한 위해성을 최소화시키는 것 을 말한다. 이러한 접근방식을 취하기 위해서는 생물 학적 분해에 영향을 미치는 각종 요소들과 인간과 환 경에 대한 잠재적인 위해성을 평가하는 작업이 우선 되어져야 한다.

자연정화 기술은 우선 지하수내 오염물질의 거동을 파악하고 이에 따라 가능 수혜자에 미치는 영향을 평 가하는 것을 주요 내용으로 하고 있다. 최근에 미국 공군에서(USAF) 연료 탄화수소류에 대한 자연정화 표준방법을 확립하여 제시한 바 있다. 이 내용에 따르 면 우선 오염지역의 토양과 지하수 시료들로부터 오 염물질의 공간적 분포자료를 확보하고 미생물 활성, 산소, nitrate, sulfate, Fe(II), CO2, methane, pH, alkalinity 등을 측정한다. 이러한 자료들로부터 오염 물질의 분해를 인지할 수 있는 현상을 파악한다. 예를 들면 오염물질이 분포하고 있는 곳 중에서 산소 또는 전자 수용체가 배경농도보다 낮은 지역에서는 미생물 의 분해가 일어나고 있는 것으로 해석되고 이를 바탕 으로 분해속도를 예측한다. 이와 같이 미생물에 의한 자연감소가 오염물질의 농도에 비해 충분하지 못할

경우 능동적인 복원기술이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 그 반대로 자연감소로 충분하다고 판단될 경우 장기 모니터링을 수행하게 된다. 이 표준방법의 단점 은 초기의 오염물질 분포에서 정상 분해상태에 도달 하는 시간을 과소평가하고 있다는 것이다. 현재 사용 하는 시뮬레이터의 하나인 BIOPLUME II에서는 plume내의 다양한 분해속도를 고려하지 않고 있으며 혐기적 분해현상을 고려하지 않았으나 BIOPLUME III에서는 전자수용체의 단계적 이용을 포함하고 있다.

지하수 내의 PCE, TCE 오염은 가장 중요한 문제 중 하나인데, 미생물에 의한 분해 과정은 염소를 포함 하지 않은 탄화수소계와는 달리 환원 과정에 의해 제 거된다. 이때 PCE로부터 염소기가 하나씩 수소로 치 환되어 결국에는 ethene으로 환원되게 된다.

[그림 2]에서는 지하수 내에서 이들 오염물질 및 중간체의 농도가 변화하는 과정과 주위의 전자 수용 체의 농도 변화의 전형적인 형태를 보여주는 것이다.

그림 2. 지하수 내 PCE 환원 분해 산물의 생성 및 각종

환경 조건의 변화.

산화를 통한 유류 오염물질의 분해 과정에서는 보통 전자 수용체가 제한 인자가 되므로 공기로 산소를 공 급하거나 ORC(oxygen release compound)를 첨가 하게 된다. ORC는 MgO2 및 CaO2를 가공한 형태로 사용함으로써 산소 발생 속도를 완화시켜 장기간 효 능이 있도록 만든 제품이 판매되고 있다. 반면, 환원을 통한 염소계 유기 용매의 처리를 위해서는 전자 공여 체가 제한 인자가 되므로 에너지원 또는 탄소원을 공 급하게 된다. 이를 일반적으로 HRC(hydrogen release compound)라고 하는데 주로 사용되는 것은 acetate, propionate, ethanol, lactate, molasses, vegetable oil 등이다. 초기에는 lactate를 주로 많이 사용하였으나 최근에는 vegetable oil을 첨가하는 사례가 점차 증가 하고 있다. Vegetable oil은 친환경적이며 가격이 저 렴하고 분해가 용이하며 오염물질의 추출 효과도 기 대할 수 있다는 장점이 있다.

결론

유류 오염 토양 및 지하수의 복원 문제는 해외에서 는 약 30년, 국내에서는 약 15년의 역사를 가지고 있다.

미국의 복원 시장은 2000년을 기점으로 더 이상 확대 되지 않고 있는 것으로 볼 수 있으나 한 번 프로젝트가 시작되면 10년 이상 지속되는 경우가 많아 앞으로도

꾸준히 수요가 존재하는 시장이라고 할 수 있다. 우리 나라는 지난 5년간 시장이 지속적으로 증가하고 있으 며, 최근 미군 부대 이전으로 인해 급격하게 팽창하고 있다고 할 수 있다. 그 동안 선진국에서는 수많은 기술 이 시도되어 일부는 인정을 받기도 하고 일부는 사라 지기도 하였다. 우리나라는 선진국의 시행착오를 통해 효과적으로 기술이 선별되어 사용되고 있다는 장점이 있으나, 현재 사용되고 있는 기술은 다소 획일적이라 는 측면이 있다. 토양 및 지하수 복원은 유기물/무기 물, 고체/액체/기체, 미생물 등을 포함하는 매우 복잡 한 시스템이면서도 손이 닿지 않는 지하 심층부를 대 상으로 한다는 점에서 매우 어려운 과제 중의 하나이 다. 이를 성공적으로 해결하기 위해서는 환경공학, 지 질학, 화학공학 등 많은 관련 학문 분야가 종합적으로 기여할 필요가 있다. 예를 들어 최근에는 in situ 기술 의 효율을 증대시키기 위해 영가철 나노입자, 화학적 산화제, HRC 등의 사용 사례가 증가하고 있는데 이러 한 물질의 토양 내에서의 전달 및 확산 등에서는 화학 공학적 지식만이 문제를 해결해 줄 수 있을 것이다. 이 와 같이 복원 사업체에서는 획일된 기술의 적용을 탈 피하여 효율 개선을 위한 기술 개발에 보다 적극적으 로 관심을 가져야 하며, 이러한 문제 해결에 화학공학 자들의 중요한 역할이 있을 것으로 기대하고 있다.