인공 열극을 이용한 지하유류비축 공동 주변 클로깅 발생 모사 실험
김현철1)· 이종운1)* · 김건영2)· 오세중3)
Experimental Simulation on Clog Formation around Underground Hydrocarbon Storage Caverns Using Artificial Fractures
Hyun-Cheol Kim, Jong-Un Lee
*, Geon-Young Kim and Se-Joong Oh
Abstract : Fracture clogging which is a main threat to safe and stable operation of underground hydrocarbon storage caverns was investigated using experimental simulation. Three types of solutions - Fe2+ solution, nutrient for bacteria, and treated cavern water - were made to flow through artificial fractures in crystalline rock cores under constant pressure. All solutions led to decrease in effluent volume through the cores over time due to clogging development. For Fe2+ solution, the main cause of clogging was oxidative precipitation of Fe(III)-(hydr) oxides. Biofilms formed when nutrient provided and resulted in decrease of effluent volume over time. The rate of bioclogging formation was faster in natural groundwater than in industrial water. The use of bactericide was not effective to remove biofilm but only planktonic bacteria. When treated cavern water was used as injected water, clogging occurred as well likely due to precipitation of colloidal suspensions.
Key words : Underground hydrocarbon storage, Clogging, Fracture, Biofilm, Fe oxidation
요 약 : 암반 열극이 막히는 클로깅(clogging) 현상은 원활한 주입수 흐름을 저해함으로써 수장막 시스템을 채용한 지하 유류비축기지의 안정적 운영을 위협하는 요소이다. 이 연구에서는 결정질 암석 코어에 인위적으로 균열면을 형성하여 열극을 흐르는 주입수 흐름을 모사한 실험을 수행하였다. 2가철 용액, 미생물 영양액, 삼출수 처리수의 세 가지 원인 요소를 주입수에 제공한 후 발생하는 클로깅 현상을 관찰하였다. 실험 결과, 세 유형 모두 클로깅 현상에 의한 간극 폐색으로 인하여 시간이 경과하며 배출수량이 급격히 감소하였다. 2가철 주입수 의 경우, 산화에 의해 형성된 3가철 (수)산화물이 열극 표면에 침적되어 물의 흐름을 저해하였다. 미생물 영양분 을 주입한 경우, 바이오필름 형성이 클로깅의 주된 원인이었으며 자연 지하수가 공업용수에 비하여 더욱 급속하 게 클로깅을 유발하였다. 살균제 주입은 자유유영 세균의 살균에는 효과적이나 바이오필름 상태의 미생물 제거 에는 효과가 미약했다. 삼출수 처리수를 주입한 경우 나타나는 클로깅은 처리수 내 존재하는 탄소원으로 인한 미생물 성장 또는 처리수 내 부유물의 물리적 침전에 의한 것으로 보였다.
주요어 : 지하유류비축, 클로깅, 열극, 바이오필름, 철 산화
2011년 7월 11일 접수, 2011년 8월 8일 심사완료 2011년 8월 17일 게재확정
1) 전남대학교 에너지자원공학과
2) 한국원자력연구원 고준위폐기물처분연구부 3) 한국석유공사 석유비축처
*Corresponding Author(이종운) E-mail; [email protected]
Address; Department of Energy and Resources Engineering, Chonnam National University
서 론
정부는 1980년부터 국내 석유수급 및 가격안정과 국 가 경제발전을 위하여 정부석유비축사업을 공식 추진하 기 시작하였다. 국가비축사업은 2010년 12월말 현재 총
146백만 배럴 규모의 비축시설에 공동비축사업물량을 포함하여 127백만 배럴의 비축유를 확보하고 있으며 2013년까지 총 141백만 배럴의 비축유 확보를 목표로 제3차 정부석유비축계획을 추진 중에 있다(한국석유공 사, 2011). 특히 국내의 석유 지하비축사업은 그 비축 규 모 및 운전에 있어 국제적으로 선도적인 위치를 점하고 있다. 한국석유공사의 경우, 최근 새로 석유비축기지를 건설 및 운영하고자 하는 외국에 운영기술을 수출하려는 단계까지 이르고 있다. 국내의 SK가스 및 (주)E1 등 가 스회사들도 이미 80년대부터 대규모 지하 비축기지를 건설하고 가스비축사업을 성공적으로 수행 중에 있으며 특히 (주)E1의 경우, 세계 최초로 해저 지하암반 저장기 연구논문
지를 구축하여 기존의 내륙 지하저장 개념에서 한 단계 발전한 기술을 도입한 바 있다(SK가스, 2011; E1, 2011).
원유, 제품유, LPG 등 유류를 지하공동(cavern)에 저 장할 경우, 지상저장방식에 비하여 지진 및 테러 등의 위 협에 보안성을 지니며 주변 환경피해를 최소화할 수 있 다는 장점이 있다. 그러나 지하 공동에 무복공 고압상온 식으로 저장되어 있는 LPG 또는 원유 등 유류는 그 증 기압에 의하여 열극이나 절리 등 암반 내 균열면을 따라 가스가 누출될 위험성이 상존한다. 따라서 유류 누출을 방지하고 공동의 기밀성을 유지하기 위하여 대부분의 지 하 유류비축기지에서는 수장막(water curtain) 시스템을 채용한다. 이는 공동 상부에 물을 주입함으로써 상온 상태 의 유류 증기압보다 높은 외부 압력(수압)을 가하여 균열 면을 따라 흐르게 함으로써 누유를 억제하는 시스템이다.
안정적인 수장막 시스템 운영을 위하여 가장 중요한 사항 중 하나는 주입수가 지하에서 균열면을 따라 원활 한 흐름을 유지하여 최종적으로 공동으로 배출되게 하는 것이다. 하지만 어떠한 원인으로 인하여 공동 상부 균열 면 상에서 주입수 흐름이 막히게 되면 그 지점에서 정수 압이 감소하여 증기압을 억제할 수 없게 되어 저장물이 누출될 위험이 발생한다.
이러한 주입수 흐름을 막는 현상, 즉 클로깅(clogging) 현상은 물리․화학적 원인과 미생물학적 원인에 의하여 발생할 수 있다. 물리․화학적 반응에 의한 원인은 매우 다양하며 과포화(oversaturated) 조건에 의한 수산화물, 탄산염, 황산염, 황화물 등의 침전, 일차 조암광물의 가 수분해(hydrolysis)에 의한 이차 광물(예를 들면 점토광 물) 형성으로 인한 부피 팽창, 철 및 망간산화물의 침전, 부유 물질의 침전 등을 들 수 있다. 특히 국내 많은 지하 유류비축기지의 경우, 공동 건설시 타설하였던 숏크리트 용해로 인하여 오랜 기간이 경과한 후에도 수장막 시스 템 내 지하수의 pH가 높은 알칼리성을 띠는 경우가 많 아 방해석(calcite) 등 탄산염 침전의 가능성이 높은 것으 로 보고되고 있다(전효택 등, 2009; 이종운과 전효택, 2010).
미생물학적 원인의 대표적인 것으로는 주입수 및 지하 수에 생존하는 세균(bacteria)에 의한 바이오필름(biofilm) 형성으로 인한 간극 폐색을 들 수 있다. 미생물학적 원인 에 의한 클로깅은 물리․화학적 클로깅에 비하여 단기간 에 다량의 바이오필름이 형성되어 주입수 흐름을 저해할 수 있다는 점에서 더욱 주입수질의 관리가 필요하다. 이 를 위하여 현재 지하 유류비축기지를 운영하는 대표적 회사인 한국석유공사에서는 매년 각 지점별 지하수 시료 채취 및 미생물 개체수 파악, 그리고 이에 근거한 살균제 농도(파괴점, break point) 결정 등을 수행하고 있다.
일본은 총 3 곳의 지하 유류비축기지를 운영하고 있으
며 최근 그 중 하나인 K 기지에서 망간산화물에 의한 클 로깅이 발생한 것으로 알려졌다(한국석유공사, 개인교신).
K 기지의 수질 분석 결과, 망간의 농도는 0.2～0.3 mg/L 로 자연 상태 지하수에 비해 크게 높지 않았으나 대표적 망간산화균인 Leptothrix discophora의 대사작용에 의한 결과인 것으로 추정하고 있다. 이를 처리하기 위하여 설치 한 주입수 여과탑의 연간 운영비만 해도 한화 약 14억원에 이르는 것으로 알려져 있다(한국석유공사, 개인교신).
수장막 시스템 내 클로깅 발생은 장기간에 걸친 지하 유류비축기지의 원활하고 안정적이며 경제적이고 효율 적인 운영을 저해하는 현상이기 때문에 물리화학적 및 미생물학적 클로깅의 발생 및 제거 등에 관한 체계적이 고 심도있는 연구가 필요한 실정이다. 그간 지하 유류비 축기지의 안정성에 관하여 수행된 연구는 현장 물 시료 의 화학적 및 미생물학적 분석 자료에 기초한 것이거나 (이진수 등, 2005) 또는 암반역학적 안정성 평가에 관하 여 수행된 사례(최영태 등, 2005)만이 보고되고 있다.
이 연구에서는 클로깅 발생에 대한 현상을 관찰할 목적 으로 암석 코어시료에 인위적으로 균열면을 형성함으로 써 암반 내 열극을 모사한 모형 실험 장치를 제작하였다. 균열면에 물리화학적 및 미생물학적 클로깅의 원인 조건 을 형성한 주입수를 주입하고 시간에 따른 배출수량의 변화를 관찰함으로써 클로깅 발생 여부를 조사하였다.
이 때 주입수는 아래와 같이 구성하였다.
① 철 용존 주입수: 일본 K 기지에서 나타난 바와 같 이 용존 철 또는 망간이 산화되어 산화물을 형성하 면 침전하여 클로깅을 유발할 가능성이 있으므로 이를 실험적으로 확인하였다.
② 미생물 증식용 영양배지 주입수: 많은 지하비축기 지에서 주입수로 사용하는 공업용수 및 지하수에 미생물의 빠른 생장을 위하여 저농도의 영양분을 혼합하여 주입함으로써 미생물학적 클로깅 발생 여부를 확인하였다.
③ 삼출수 처리수: 각 비축기지에서는 막대한 주입수 량을 확보하기 위하여 경제적 부담이 큰 실정이다.
최근 삼출수, 즉 수장막 시스템을 거쳐 비축공동으 로 배출된 물을 처리하여 다시 주입수로 재활용하 는 방안에 관한 검토가 이루어지고 있으므로 이 경 우 발생할 수 있는 문제점 등을 관찰하고자 하였다.
실험방법
암석 코어(core) 성형
실험에 사용한 코어는 결정질 화강암을 선택하였다.
A
B
Fig. 1. Experimental setup to maintain solution flow through rock cores under constant pressure. Refer to the text for abbreviations A and B.
결정질 화강암의 경우 투수율이 매우 낮아 자연적인 주 입수의 흐름을 모사할 수 없으므로, 암석 코어에 인위적 인 균열을 형성하므로써 균열을 통한 주입수의 흐름을 가능하게 하였다. 코어는 일정한 크기로 절단한 후, 점재 하 강도 시험기를 이용하여 시료의 종(vertical) 방향으 로 인위적 균열을 발생시켰다(신승헌 등, 2000; 이종운, 2009). 코어의 직경과 길이를 측정한 결과 직경은 52.7 mm, 길이는 평균 93.6 mm로 나타났다.
실험장치 구성
컬럼 실험장치는 균열을 발생시킨 코어를 종 방향으로 배열하고 주입 용액이 담겨진 대형 수조를 코어 상부 일 정한 높이에 위치하여 수두차에 의한 일정한 압력에 의 하여 코어 균열면으로 흐르게 구성하였다(Fig. 1). 연동 식(peristaltic) 펌프를 이용하여 수조 A에 각각의 주입용 액을 지속적으로 주입하였으며 수조 내에서 일정 수두를 초과하면 물이 배출될 수 있도록 장치하여(B) 수두를 일 정하게 유지하였다. 코어 홀더(holder)의 길이는 9.5 cm, 코어 홀더 상단에서 수두까지의 높이는 30.18 ± 0.33 cm 를 유지하였다. 암석 코어의 균열 방향으로만 주입수가 흐르게 하기 위하여 성형된 코어 옆면을 실리콘으로 봉 합하여 코어 홀더와 결합하였다. 실험의 정확성을 위하 여 각각 2개의 코어를 이용하여 중복실험을 수행하였다.
암석 코어에 주입하는 주입수는 다음과 같이 3 종류로 구성하였다.
① 5 mg/L의 2가철(FeCl2)을 용해시킨 주입수.
② 공업용수 및 지하수에 미생물 영양분인 TSB(tryptic soy broth; Difco 사) 희석한 것을 혼합한 주입수.
미생물에 의한 바이오필름을 신속히 형성하기 위하
여 영양물질인 TSB를 혼합하였으며 이 때 희석액 을 사용한 것은 원액보다 저농도의 영양분을 공급 할 경우 미생물에 의한 바이오필름 형성을 촉진하 기 때문이다(Lee and Beveridge, 2001). 공업용수 에는 TSB 10% 희석액을 사용하였으며 지하수는 공업용수에 비하여 용존 성분이 풍부하므로 TSB 5% 희석액을 사용하였다. 공업용수는 일부 지하비 축기지의 수장막 시스템에 공급되는 물을 모사한 것으로서 수돗물을 사용하였으며, 지하수는 한국석 유공사 A 기지에서 실제로 주입수로 이용하는 것 을 사용하였다.
③ 삼출수 처리수: 한국석유공사 B 기지의 삼출수 처 리수.
TSB 혼합시 수조 내 미생물학적 오염을 고려하여 주 입 용액은 하루에 1～2회씩 교체하였으며 삼출수 처리 수의 경우는 계속 순환하여 이용하였다. 반응 시간은 철 용존 주입수 및 공업용수와 TSB 혼합 주입수는 304 시 간, 지하수와 TSB 혼합 주입수는 145 시간, 삼출수 처리 수는 383 시간이었다.
한편 대부분 유류비축기지에서 현재 주입수 처리용 살 균제로 사용하는 NaOCl의 효과를 확인하기 위하여 공 업용수 주입 실험에 대하여 188 시간 경과 후 중복 실험 중 1개의 코어를 개방하여 형성된 바이오필름을 관찰하 고, 나머지 1개의 코어에는 TSB 공급을 중단하고 살균 제인 NaOCl 5 mg/L을 계속 주입하여 추가 관찰하였다.
코어 균열면에 형성된 바이오필름 정량
코어 균열면에 형성된 바이오필름은 고명수 등(2010) 의 방법을 응용하여 정량하였다. 공업용수에 TSB를 혼
(a) Fe solution (b) Industrial water + TSB
(c) Groundwater + TSB (d) Treated cavern water
Fig. 2. Variation in effluent volume through fractured rock cores over time. The results of duplication (Exp1 and Exp2) are depicted in each graph.
합하여 주입한 실험에 대하여 188 시간 경과 후 한 개의 코어를 개방하였고, 실험이 종료된 304 시간 후 나머지 한 개의 코어를 개방하였다. 코어 홀더에서 분리한 코어 균열면을 멸균 증류수로 3회 세척한 후 1% crystal violet 용액에 담가 상온에서 45분 동안 반응시켜 균열면 표면 의 바이오필름을 보라색으로 염색하였다. 반응이 종료된 후 멸균 증류수를 이용하여 총 2회 세척한 후 95% ethyl alcohol 150 mL을 이용하여 바이오필름에 염색된 crystal violet을 완전히 탈색하였다. 탈색된 용액은 0.2 μm 필터 를 통과시켜 불순물을 제거하고 UV-vis spectrometer (Shimadzu UV mini 1204)를 이용하여 흡광도 595 nm 에서 탈색되어 나온 보라색을 측정하였다. 이러한 과정 을 통하여 보라색의 흡광도가 높을수록 많은 양의 바이 오필름이 균열면에 형성된 것으로 간주하였다. 이 과정 은 외부의 다른 세균의 간섭을 막기 위해 살균 상태가 유지되는 clean bench 내부에서 진행하였고, 염색에 이 용되는 모든 장비는 70% ethyl alcohol로 세척하거나 또 는 121℃에서 15분 동안 고압멸균하여 사용하였다.
측정항목
시간에 따라 코어를 통과한 배출수량을 측정하여 클로
깅 여부를 확인하였으며 이 때 배출수량이 감소하면 코 어 균열면 상에 클로깅이 발생한 것으로 판단하였다. 주 입수와 배출수 시료를 대상으로 수질종합측정기(YSI 556 MPS)를 이용하여 pH, 산화환원전위, 전기전도도, 용존 산소 등을 측정하였다. 또한 주입수와 배출수의 주 용존 성분인 Na, Mg, Ca, K, Fe, Si를 ICP-OES(Perkin Elmer 5300V)로 분석하여 배출수와 주입수 사이의 관계를 파 악하였다. 본문 중에는 주입수와 배출수 사이에 특별한 차이가 나타난 항목에 대해서만 기술하였다. 한편 2가철 용액을 주입한 실험 후에 코어를 개방하여 균열면 상에 존재하는 침전물을 대상으로 SEM(scanning electron micro- scope) 및 EDS(energy dispersive X-ray spectrometer) 분석을 수행하였다.
배출수 내에 존재하는 미생물 중 가장 많이 발견되는 호기성 미생물과 바이오필름 형성에 직접적으로 관여하 는 점액성 미생물의 집락(colony) 수를 확인하기 위하여, 희석한 시료 0.1 mL을 각각 nutrient agar와 SP(McCurdy) agar에 도말하고 25℃ 배양 조건에서 각각 3일과 5일간 배양한 후 나타난 집락을 평판계수하여 배출수 내의 미 생물량을 측정하였다. 이 때 nutrient agar의 조성은 beef extract 3.0 g/L, peptone 5.0 g/L, agar 15.0 g/L이며, SP
(a) pH (b) Ca
(c) K (d) Fe
Fig. 3. Variations in pH and the concentrations of Ca, K and Fe between injected Fe2+ solution and effluent through fractured rock cores over time. The results of duplication are depicted in each graph.
agra의 조성은 raffinose 1.0 g/L, sucrose 1.0 g/L, galactose 1.0 g/L, soluble starch 5.0 g/L, MgSO4․7H2O 0.5 g/L, KH2PO4 0.25 g/L, casitone 2.5 g/L, agar 15.0 g/L이었다.
결과 및 해석
철 용존 주입수
암석 균열면에 클로깅이 발생하면 주입수의 흐름이 저 해되므로 배출수량의 증감은 클로깅 발생의 직접적인 지 표가 될 것이다. 종 방향으로 코어를 배열하고 균열면 간 극을 단단히 고정한 후 정압 조건에서 2가철을 용존시킨 용액을 주입하도록 설계한 결과, 시간이 경과하며 클로 깅 형성에 따른 배출수량 감소가 나타났다(Fig. 2(a)). 실 험 기간 내에 수두가 일정하게 유지된 정압 조건이었음 을 감안할 때, 이는 주입한 2가철이 3가철로 산화되며 철(수)산화물을 형성, 침전하며 간극을 막았기 때문으로 판단된다. 일반적으로 물리화학적 클로깅은 미생물학적 클로깅에 비하여 늦게 진행되는 것으로 추측되나 이는 2차 광물 형성 등 동역학적으로 오랜 시간이 필요한 반 응에 국한한 것이며, 이 실험에서 보듯이 철산화물 형성
에 의한 화학적 클로깅 발생의 속도는 매우 빠르게 진행 하였다.
실제 비축기지 내의 수질분석을 통한 용존 철의 농도 는 약 0.5 mg/L 이하로써(전효택 등, 2009; 이종운과 전 효택, 2010) 이 실험에서 빠른 효과를 보기 위해 설정한 5 mg/L에 비하여 1/10 이하의 낮은 값이다. 따라서 실제 현장에서 Fig. 2(a)와 같은 급속한 침전이 발생하리라고 예상하기는 어려우나 장기적이고 지속적인 산화물 침전 은 결국 클로깅을 유발할 가능성이 높다. 또한 미생물에 의해 망간 산화가 촉진된 결과 클로깅이 발생한 일본 K 기지 내의 용존 망간 농도는 0.2～0.3 mg/L로서 자연 상태 지하수에 비해 크게 높지 않은 점으로 미루어 산화 과정 중 미생물의 역할이 개입하면 그 침전 속도는 더욱 빨라질 것이다.
공동 주변 암반 환경은 환원상태로서 철 및 망간산화 물 발생이 불가능할 것이라는 예상도 가능하나 저장 공 동 내에 유류를 주입 및 출하하는 과정 중에 공동 및 주 변으로의 공기 유입이 필연적이므로 공동 주위가 항상 혐기적 조건을 유지하지는 않을 것이다. 이는 위에서 언 급한 일본 K 기지의 예에서도 나타난다. 따라서 주입수
(a) Experiment 1 (b) Experiment 2 Fig. 4. Iron (hydr)oxides precipitated on fracture surfaces of rock cores.
내 철 및 망간 등 산화물 형성이 용이한 성분 함량에 대 한 지속적인 관찰이 필요할 것으로 여겨진다.
시간에 따른 주입수와 배출수의 pH를 측정한 결과, 2 가철을 용해시킨 경우 주입수에 비해 배출수에서 pH가 다소 높게 관찰되었다(Fig. 3(a)). 주입수의 pH가 대부분 4.5～5.0의 범위를 보이므로 낮은 pH의 주입수가 암석 균열면의 광물을 용해하며 수소이온(H+)을 소모하며 배 출수의 pH가 높아진 것으로 보인다. 산화환원전위의 경 우 초기 주입수에서 약 540 mV의 높은 값을 나타내었 으며 시간이 경과하며 점차 감소하여 300 시간 경과 후 는 260 mV로 감소하였다. 이는 시간이 경과하며 용존 2가철이 산화하며 산화물을 형성하는 것을 지시한다. 산 화환원전위는 주입수와 배출수 사이에 뚜렷한 변화가 관 찰되지 않았다.
5 mg/L의 2가철을 용해시켜 주입한 컬럼에서는 주입 수에 비하여 배출수에서 Ca, Mg, K 농도가 높게 나타나 는 것이 관찰되었다(Fig. 3(b),(c)). 이는 주입수의 낮은 pH로 인하여 균열면 상의 Ca, Mg, K 등을 함유한 광물 이 용해되어 나온 것으로 판단된다. 특히 자연 상태에서 용해에 민감한 Ca의 경우 중복실험 중 한 실험에서 주입 수와 배출수 내 농도 차이는 최고 10 mg/L 이상으로 관 찰되었다(Fig. 3(b)). 한편 Fe의 경우 배출수가 주입수에 비하여 2~3 mg/L 낮은 용존 농도를 나타내었다(Fig.
3(d)). 이는 반응이 진행되며 2가철이 산화된 3가철이 암 석 균열면에 철(수)산화물을 형성하여 침전하며 클로깅 을 발생시켰기 때문이며 이로 인해 주입수에 비해 배출 수에서 Fe의 농도가 감소한 것이다.
이러한 결과는 실험 종료 후 암석을 개방하여 확인한
결과 상당히 많은 철(수)산화물이 암석의 균열면에 형성 된 것으로 확인되었다(Fig. 4). 암석 균열면에 침전된 철 (수)산화물은 주입구 부분에 주로 형성되거나(Fig. 4(a)), 또는 암석 균열면에 고르게 분포하며 형성되었다(Fig.
4(b)). 이는 암석 거칠기나 표면 상태, 주입수의 유로 등 과 같은 코어의 물리적 특성에 기인한 것으로 판단된다.
균열면에 형성된 철(수)산화물에 대해 일부를 채취하여 SEM-EDS로 분석한 결과 주성분은 Fe로 확인되었다.
균열면에 형성된 철(수)산화물은 표면의 시료를 얻기 위하여 단단한 기구로 압력을 가하여 제거하려고 하였으 나 쉽게 탈착되지 않을 정도로 매우 단단하게 고착된 형 태로 나타났다. 만약 지하비축기지 현장에 이러한 철(수) 산화물에 의한 클로깅이 발생할 경우, 제거에 어려움이 있을 뿐만 아니라 이로 인하여 수장막 시스템의 운영에 큰 장애를 일으킬 수 있으므로 이를 방지하기 위한 사전 대책이 필요할 것이다.
미생물 증식용 영양배지 주입수
인위적으로 미생물을 성장시킨 실험의 경우, 공업용수 및 지하수 모두 시간이 경과하며 클로깅 형성에 따른 배 출수량 감소가 나타났으며 이는 미생물 바이오필름에 의 한 간극폐색인 것으로 판단되었다(Fig. 2(b),(c)).
공업용수에 TSB를 주입한 경우, 실험 초기 중복 실험 간에 약간의 변이를 보였으나 약 50 시간이 경과하며 모 두 배출수량이 급격히 감소하였다(Fig. 2(b)). 실험 시작 90 시간 후에 다시 소량 증가하였으며, 이는 이 시기의 암석 표면에 형성된 바이오필름을 육안으로 직접 관찰할 수 없었으나, 암석 균열면 표면에 약하게 결합되어 있던
(a) Aerobic bacteria
(b) Slime bacteria
Fig. 5. The number of colony-forming units of (a) aerobic and (b) slime bacteria in effluent.
바이오필름이 주입수의 압력을 견디지 못하고 일시적으 로 탈착되었기 때문으로 추측된다.
188 시간 후 TSB 공급을 중단하고 살균제인 NaOCl 5 mg/L를 계속 첨가한 결과, 일시적으로 배출수량이 다 소 증가하였으며 이는 NaOCl이 균열면의 바이오필름을 일시적으로 제거했음을 의미한다. 그러나 이후 시간이 경과하며 다시 간극 폐색의 징후가 관찰되는 것으로 보 아 NaOCl의 효과는 자유유영 상태의(planktonic) 박테 리아를 살균하는 목적으로는 효과적일 수 있으나 이미 형성된 바이오필름을 제거하는 데에는 지속적이지 못한 것으로 보인다.
한편 주입수로 사용하는 현장 지하수에 TSB를 혼합한 경우에서도 배출수량의 감소가 뚜렷이 나타났다(Fig.
2(c)). 지하수의 경우 공업용수에 비하여 낮은 함량인 5%의 영양분만 주입했음에도 불구하고 상당히 빠른 시 간 내에 배출수량의 감소가 관찰되었다. 지하수 주입 컬 럼에서 이처럼 배출수량이 빠르게 감소한 원인으로 가장 유력한 것은 자연 지하수 내 미생물 수 및 종류가 공업 용수 내 미생물에 비하여 더 많기 때문인 것으로 판단된 다. 실험에 사용하였던 수돗물(공업용수)의 경우 미생물 이 존재하기는 하나 일차 소독을 거친 것이므로 자연 상 태에서 채취한 지하수에 비하여 월등히 낮은 미생물 수 및 다양성을 나타내기 때문이다.
공업용수를 주입수로 사용한 실험에 대하여 배출수 내 호기성 및 점액성세균의 평판계수 분석 결과, 배출수 내 자유유영 세균이 시간에 따라 점진적으로 증가하다가 NaOCl 투여에 의해 모두 살균됨이 관찰되었다(Fig. 5).
이 결과를 통해 두 가지 사실을 유추할 수 있다. 첫째, NaOCl을 투입한 188 시간 이전까지를 살펴보면, 배출 수량이 감소한 경우, 즉 간극 내 바이오필름(고체 표면에 부착된 상태의 세균)이 활발히 형성된 경우에도 자유유 영 상태(물 속에 부유하는 상태의 세균)의 호기성 및 점 액성세균수는 여전히 높은 수치를 보이고 있다는 것이 다. 그간 일단 바이오필름이 형성되면 대부분의 미생물 이 바이오필름 내에 존재하고 자유유영 상태의 미생물은 감소할 가능성에 대한 의문이 있었다. 그러나 이 결과에 의하면 자유유영 상태의 미생물 수는 바이오필름 형성과 는 무관한 것으로 나타났다.
두 번째로 188 시간 경과하였을 때 살균제인 NaOCl 을 투여한 후 자유유영 상태의 세균 집락은 검출되지 않 았으므로 이는 주입수에 살균제를 투입하는 현행 지하 유류비축기지의 방식이 매우 효과적임을 나타낸다. 그러 나 위에서도 밝혔듯이 NaOCl 처리 후 일시적으로 배출 수량이 증가하였다가 점차 다시 감소하는 결과를 보인 것은(Fig. 2(b) 참조) 지속적으로 살균제를 투여하더라도
이미 바이오필름을 형성하고 있는 미생물 살균에는 효과 적이지 못하다는 것이다.
이러한 사실은 반응 후 188 시간과 304 시간 경과하였 을 때 각각 1 개씩의 코어를 개방하여 crystal violet으로 염색한 후 육안으로 확인한 결과, NaOCl 투입 여부에 관계없이 모두 단면 전체에 걸쳐 바이오필름이 분포한 것에서 확인되었다(Fig. 6). 또한 이를 보다 정량적으로 분석하기 위하여 에틸알콜로 탈색 후 UV-vis로 탈색 농 도를 측정한 결과에서도 NaOCl 투입 전후의 생물량에 서 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았다(Fig. 7).
살균제를 투입하면 자유유영 상태의 세균 제거에 매우 효과적인 반면, 장기적으로 볼 때 바이오필름 감소량은 미미한 것으로 나타났다. 이는 바이오필름을 형성하는 세포외 중합체(extracellular polymeric substances)가 외 부의 독성 물질로부터 내부의 세균 군집을 보호하는 역 할을 하므로 일종의 보호막 안에서 바이오필름이 보존되 기 때문인 것으로 판단된다(Costerton et al., 1995; Korber et al., 1995). 지하 유류비축기지에서 수장막 시스템을
Fig. 8. Suspended materials observed in the reservoir of treated cavern waters.
(a) Before NaOCl treatment (b) After NaOCl treatment
Fig. 6. Distribution of stained biofilm on the fracture surfaces.
Fig. 7. Optical density of violet color which indicates biofilm biomass.
운영하는 경우, 살균한 주입수만 시스템을 구성하는 것 은 아니며 공동 주변의 자연 지하수에 의한 세균 유입 및 이로 인한 바이오필름 형성의 가능성이 있으므로 이 에 대한 고려가 있어야 할 것이다.
삼출수 처리수
한국석유공사 B 기지의 삼출수 처리수를 주입수로 재 활용한 경우, 시간이 경과하며 배출수량의 감소가 나타 남으로써 간극 폐색이 발생하였음을 알 수 있었다(Fig.
2(d)). 이 실험에서 초기 배출수량이 약 1,500 mL/h로 다른 실험에 비하여 높은 것은 코어의 접합 간격이 상대
적으로 느슨했기 때문으로 판단된다.
이 연구에서는 클로깅 발생 원인에 관한 추가적인 고 려는 하지 않았으나, 클로깅 발생의 주된 원인은 ① 삼 출수 처리수에 여전히 높은 함량으로 존재하는 유기물질 이 탄소원으로 역할하여 미생물이 증식하였거나, ② 삼 출수 처리수에 원래 존재하거나 또는 화학적ㆍ미생물학 적 원인에 의하여 생성된 부유물질이 커져 균열면에 침 적되었기 때문으로 보인다. 실제 삼출수 처리수 수조에 시간이 경과하며 다량의 부유물질이 형성되어 침전하는 것이 관찰되었다(Fig. 8).
삼출수 재활용에 관한 논의가 활발한 시점에서 이처럼 방류 전 단계까지 처리한 삼출수를 주입수로 사용하였을 때 유로가 막히는 현상이 발생한 것은 시사하는 바가 크 다. 삼출수 처리수 내 원래 존재하던 부유물질이 원인인 경우, 현장에서 이를 다시 주입수로 사용하기 위해서는 일련의 여과 과정을 거치면 될 것이다. 그러나 미생물 증 식 또는 화학적 반응에 의한 부유물질의 지속적인 형성 이 원인이라면 삼출수 재활용 방안에 대한 재고가 필요 할 것으로 판단된다.
결 론
지하 유류비축기지의 효과적이고 안정적인 운영을 위 해서는 저장 유종의 증기압을 억제하는 수압이 유지되어 야 한다. 이를 위해서는 수장막의 주 요소인 주입수의 원 활한 흐름이 유지되어야 한다. 따라서 저장 공동으로 배 출되는 삼출수량이 감소하는 것은 주입수가 안정적으로 흐르지 못한다는 것을 의미한다. 이는 주입수 유동을 국 부적으로 제한하는 클로깅 현상이 발생하여 설계 압력으로 저장 유류의 누출을 방지할 수 없게 함으로서 수장막 시스 템을 안정적으로 운영하는데 문제 요인으로 작용한다.
이 연구에서는 모형 제작을 통하여 암반 균열면을 흐 르는 주입수 흐름을 모사한 실험을 수행하였으며 이 때 물리화학적 및 미생물학적 클로깅 원인 요소를 주입수에 제공함으로써 발생하는 클로깅 현상을 관찰하였다. 이 때 주입수는 5 mg/L의 2가철을 용해시킨 물, 공업용수 및 지하수에 미생물 영양분인 TSB 희석액을 혼합한 물, 삼출수 처리수의 세 가지 유형을 이용하였다.
실험 결과, 세 유형에서 모두 시간이 경과하며 배출수 량이 급격히 감소하는 것이 관찰되었으며 이는 물리화학 적 및 미생물학적 클로깅 현상에 의한 간극 폐색이 원인 인 것으로 판단되었다. 2가철을 용해한 주입수를 사용한 경우, 2가철이 산화되어 형성된 3가철 (수)산화물이 열 극 표면에 단단히 침전되어 물의 흐름을 저해하였다.
TSB를 주입한 경우, 미생물의 생장에 의한 바이오필름 형성이 클로깅의 주된 원인으로 작용하였으며 이 때 미 생물의 수 및 종류가 많은 자연 지하수가 공업용수에 비 하여 더욱 급속하게 클로깅을 유발하였다. 특히 현재 대 부분의 지하 유류비축기지에서 사용하는 살균제의 경우 물 속의 자유유영 상태의 세균 살균에는 매우 효과적이 나 이미 바이오필름을 형성한 상태의 미생물 제거에는 그리 두드러진 효과를 보이지 못 했다. 삼출수 처리수를 주입한 결과 별도의 영양분을 투입하지 않았음에도 불구 하고 시간에 따른 배출수량의 감소가 두드러졌으며 이는
처리수 내 존재하는 탄소원으로 인한 미생물의 성장 또 는 처리수에서 관찰되는 부유물의 물리적 침전에 의한 것으로 보였다.
이 연구에서 사용된 인공 열극은 다양한 원인 요소에 의한 클로깅 발생을 효과적으로 확인가능하게 하였으나 유로 길이 및 표면 거칠기 등에 있어 시료 간 동일성이 확보되지 않았으므로 실험 결과의 정량적인 비교는 어려 운 실정이다. 향후 열극면의 물리적 특성이 클로깅 발생 에 미치는 영향을 파악하는 연구가 필요할 것으로 여겨 진다.
각 비축기지에서 주입수와 저장 공동 사이의 암반층에 서 발생 또는 진행하는 클로깅 현상을 직접 관찰할 수 없는 실정인 현재로서는 공동으로 배출되는 삼출수량의 계속적인 모니터링을 통해서만 클로깅 발생 여부를 유추 할 수 있다. 안정적인 수장막 시스템 유지를 위해서는 수 리수문학적 물수지 관찰, 주기적인 물 시료의 채취 및 물 리화학적ㆍ미생물학적 분석을 통한 수질 모니터링, 주 입수의 충분한 살균 등 현재 가동되고 있는 방법을 유지 하는 동시에 클로깅 발생 및 제거를 위한 추가적인 연구 가 지속적으로 수행되어야 할 것이다.
사 사
이 연구는 한국석유공사, (주)E1, SK가스에서 공동으 로 발주한 ‘지하공동 내용연수 극대화를 위한 산학연 공 동연구’ 수행기관인 한국원자력연구원으로부터 지원받 았으며 이에 감사드립니다.
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김 현 철
2009년 전남대학교 에너지자원공학과 공학사
2011년 전남대학교 에너지자원공학과 공학석사
현재 (주)에코덤 연구원 (E-mail; [email protected])
김 건 영
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현재 한국원자력연구원 방사성폐기물 기술개발부 (E-mail; [email protected])
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