Korean Chem. Eng. Res., Vol. 45, No. 4, August, 2007, pp. 311-318
총 설
국내 오염토양 복원 현황과 기술 동향
양지원†·이유진 한국과학기술원생명화학공학과
305-701 대전시유성구구성동 373-1 (2007년 6월 5일접수, 2007년 6월 6일채택)
Status of Soil Remediation and Technology Development in Korea
Ji-Won Yang† and You-Jin Lee
Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), 373-1, Guseong-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-701, Korea
(Received 5 June 2007; accepted 6 June 2007)
요 약
국내의평균적인토양오염도는매년증가하고있으며, 오염물질의지속성및잔류성이큰토양오염의특성상이를 복원하기위해서는막대한비용이소모될것으로추정된다. 우리나라에서는토양오염에대한사회적관심이증가함
에따라 1990년대중반부터토양환경관리와복원을위해정책적으로복원기술의개발과오염토양복원사업을추
진하고있다. 오염토양복원기술은처리위치별로원위치기술과비원위치기술로나뉘며, 오염원의제거방법에따라 생물학적, 물리화학적, 열적기술로분류할수있다. 국내에서는군부대및철도청부지, 소규모의유류오염지역에대 해복원사업을실시한사례가대부분이며석유화학단지내의오염등은회사자체에서내부적으로처리하고있어일 반에공개되지는않고있지만그규모는상당한것으로추산되고있다. 대부분의복원사업에는가장경제성이입증된 토양증기추출법, 생물학적통풍법과같은원위치정화기술이사용되었다. 최근에는첨단기술을도입하여환경친화적 토양복원기술을개발하려는연구가진행중이며, 이러한연구의예로서나노기술과분자생물학적기법을이용한 복원기술개발, 개별기술의한계를극복하기위한통합기술개발등이있다. 효율적인오염토양의복원을위해서는 오염물질과오염부지의특성을고려하여연구대상기술의현장적용성을높여야하며, 무엇보다토양에대한인식변 화와환경개선을위한지속적인노력이필요하다.
Abstract −Soil contamination in Korea has been accelerated every year. Because of their persistence and cumulative tendency in the environment, soil contaminants have potential long-term environmental and health concerns and it is estimated to cost enormous expense for clean-up. Korea government has legislated the law on conservation of soil envi- ronment in mid 1990s, and managed and treated hazardous wastes in contaminated sites as a remediation policy since then. Soil remediation technologies are classified into in-situ/ex-situ or biological/physico-chemical/thermal processes according to applied places or treatment methods, respectively. In Korea, clean-up of polluted sites has been mostly car- ried out at military areas, railroad-related sites and small-scale oil spilt sites. For these cases, in-situ remediation tech- nologies such as soil vapor extraction (SVE) and bioventing were mainly used. In recent days, an environmental-friendly soil remediation emerged as a new concept - for example, a new soil remediation process using nanotechnology or molecular biological study and an integrated process which can overcome the limitation of individual process. To have better applicability of remediation technologies, comprehensive understandings about the pollutants and soil character- istics and the suitable techniques are required to be investigated. Above all, development of environmental technologies based on the sustainability accompanied by public attention can improve soil environment in Korea.
Key words: Soil Contamination, Remediation Technology, Pollutant, Clean-up
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
1. 서 론
토양은인간및동식물이살아가는터전으로서생육에있어가장 기본이되며, 물질순환과정에서받아들인많은종류의유해성분
을흡착, 고정또는분해하는정화기능을갖고있다. 통상적으로는
평형상태를유지하고있지만그정화능력이초과될경우정화기 능이상실되어오염이진행된다. 특히토양에서의오염은초기단 계에서처리하지못하면광범위하게확산될수도있으며시간이경 과하면서지하수오염, 지표수오염, 공기오염등의 2차오염을야 기하여인체및생태계에지속적으로영향을미칠수있다.
토양은일단한번오염이진행되면정화과정이매우복잡하고 어려우며많은비용이소요되는특성을갖고있다. 따라서오염이일 어나지않도록예방하는것이가장중요하며, 일단오염된토양에대
해서는오염원의형태에따른통합된관리및효율적정화기술의 적용이중요하다. 또한토양은고상(토양입자), 액상(토양수분, 비수 용상액체), 기상(토양공기)의다양한매질로구성되어있으므로이 러한매질의특성을동시에고려하여토양오염을다루어야한다.
토양오염에대한사회적관심이증가하고오염토양의복원및관 리에대한필요성이증대됨에따라, 우리나라에서는 1995년토양환 경보전법을제정하고토양오염방지와오염토양복원에대한연구 와사업이정책적으로추진되어왔다. 현재 16종의토양오염물질이
지정·관리되고있는데, 이를추가하고토지이용형태에따른오염 기준을세분화하는것이검토되고있다. 또한전국적인오염실태파 악을위한토양측정망과토양오염유발시설관리도확대실시하는 방안이추진되고있다. 이밖에도토양관련전문기관등록제도를시
행하고오염토양신고제도와현장처리제도를도입하여토양의정 화처리에대한방법과절차를개선하고위해성평가를도입하여종
합적이고체계적인토양환경관리를위한노력이진행중이다[1].
이와같이토양환경보전법의제정과개정에따른노력을통해어 느정도제도적기반은마련되었으나, 수질이나대기오염처럼우 리에게직접적인피해를주지않고장기간에걸쳐간접적으로나타 나는토양오염의특성상오염도는점차증가하고있어이를복원하 는것이시급하다. 우리나라에서는 1994년부터정부차원에서토양 정화기술을개발하기시작하였으나, 1980년대부터대규모의복원사
업이시작된선진국에비해아직까지국내기술수준은크게뒤떨어 져있으며단순히선진국의기술을도입하기보다는국내지형과 오염특성에맞는기술개발이필요하다.
본고에서는우리나라의토양오염현황과복원사업의사례에대해 소개하고현재의복원기술개발동향에대해파악함으로써추가적 으로오염토양의복원을위해우리가나아갈방향에대해논의하고 자하였다.
2. 국내 토양오염 현황
주요토양오염원및오염물질은 Table 1과같다. 국내에서기존 의토양오염문제는광산지역의중금속오염이중심이었으나, 최근
에는첨단산업으로부터배출되는유기화합물에의한오염이문제가 되고있다. 토양내에서이들은물리화학적특성과이동성에따라 다른거동을보이는데, 중금속의경우는주로토양표토층에분포 하면서문제가되고있으며, 유기화합물은토양심층부및지하수
층에까지분포하면서토양및지하수를오염시키고있는것으로나 타났다[2].
우리나라에서는중금속 6종(카드뮴, 구리, 비소, 수은, 납, 6가크롬)과
유류성분(BTEX(bezene, toluene, ethylbenzene, xylene)을포함한 총석유계탄화수소인 TPH(total phetroleum hydrocarbons)), 유기인화합 물, PCB(polychlorinated biphenyls), 페놀류, 시안화합물의 11개항목이 최초로토양오염물질로서지정되었고그후몇차례의개정을거처 현재는니켈, 아연, 불소화합물, TCE(trichloroethylene), PCE(tetra- chloroethylene) 등을포함하여 16종이지정되어관리되고있다.
환경부에서는전국토양에대한오염추세를파악하고오염우려 지역에대한오염실태를조사하여토양오염을예방하고오염토양을 정화하는등토양보전대책을수립하기위한기초자료로활용하기 위하여토양측정망을운영하고토양오염실태조사를실시하고있
다. 2005년국내토양측정망및실태조사결과, 전반적으로전국평
균토양오염도는토양오염우려기준을초과하지않았으나, 2001년도
에신규로지정된 Ni, Zn, F가비교적높게나타났다. 특히, 조사지
점 3,902지점중, 56지점(1.4%)에서토양오염우려기준을초과하였
는데, 오염물질별로는 Ni 19지점, Cu 17지점, Zn 12지점, As 9지 점등중금속이차지하는비율이높은것으로나타났으며, 이밖에
도 TPH 3지점, BTEX 2지점이우려기준을초과하였다[3].
그러나토양오염은오염토양이지하수와접하지않는한이동성 이거의없어인근지역의오염도를측정하여도오염의개연성이확 인되지않는경우가많으므로실제토양오염도는더심각할것으로 추정된다. 토양오염을유발할가능성이있는시설및부지로서폐
기물매립지, 유류및유해화학물질저장시설, 광산지역, 과거군부 대주둔지역을들수있는데, 폐기물매립지의경우사용이종료된
매립지중 81.6%에서침출수가처리되고있지않으며, 지하저장유
류시설의경우에는세계적으로약 23%가부식에의한누출사고가
발생하는것으로알려져있다[4]. 또한현재까지조사된 29개소의
주한미군기지중 26개소(약 90%)가장기간군용차량운용등에
의해오염된것으로확인되었으며우리나라군부대의오염은이보
다더심각한것으로추정된다[5]. 이와같이각시설의평균적인토
양오염가능성을이용하여추정해볼때, 국내토양오염시설및지 역은 2,432~7,427개소이상이며, 이지역의면적은 7,649~7.958 ha
이상일것으로예상된다[4]. 그리고이수치에는산업시설지역의토
양오염은포함되지않고있어전국의토양오염도는이보다훨씬상 회할것으로보고있다.
산업화와공업화가점점가속화됨에따라국내토양오염도는매
년증가하고있으며, 2002~2005 토양·지하수오염도자료를바탕
으로전망한결과 2015년과 2020년에는오염도가더욱증가될것
Table 1. Soil pollutants and pollution sources
Pollution sources Origin of pollution Pollutants
Refining and storage of petroleum
hydrocarbons Corrosion and leakage of pipes and
storage tanks BTEX, TPHs, PAHs, PCP etc.
Storage tanks of toxic chemicals Corrosion and leakage of pipes and
storage tanks VOCs, PAHs etc.
Industrial area Corrosion and leakage of pipes and
storage tanks TPHs, chlorinated organic compounds (TCE, PCE, 1,1,1-TCE etc.),
Raw chemicals (Toluene, Phenol etc.), heavy metals (Cd, Pb, Cr6+, As, Hg etc.)
Landfill site Landfill leakage Organic compounds, heavy metals, VOCs etc.
Incineration plant Exhaust gas, incineration ash Dioxin, PAHs heavy metals (Pb, Cd etc.)
Abandoned mines Mine tailing, mine water Mine tailing: heavy matals Mine water: heavy metals, acid wastewater Military site landfill, oil leakage, training field BTEX, PAHs, heavy metals etc.
으로예상된다[5]. 이를복원하기위해서는이전미군기지부지오
염토양및지하수정화에만최소 5,000억원의비용이소요될것으
로추산되는등[5] 최소 8,062억원~2조 1.395억원의비용이소요
될것으로예측된다[4]. 따라서이들을효과적으로관리·복원하기
위한정책적뒷받침과기술개발이시급한실정이다.
3. 복원기술의 종류 및 특성
오염토양복원기술의종류는매우다양하며, 대표적인오염토양
복원기술과분류는 Table 2와같다. 복원기술은크게오염토양의
처리위치에따라원위치(in-situ)와비원위치(ex-situ) 기술로나누어
지며, 단순히오염의확산을방지하기위한오염물질차폐기술과오 염물질을제거하는기술로구분된다.
비원위치정화기술은오염토양을굴착하여이동시켜처리하는기 술로서처리공정의관리및효율평가가용이하나, 굴착과이동에
많은비용이소요되며굴착과정에서지반환경교란을야기시켜오 염의확산을유발할가능성이있다. 이에비해원위치기술은오염 토양을현장에서직접처리하는기술로서주변환경으로오염물질이 노출될가능성이적고비용또한비원위치기술에비해저렴한편 이다. 그러나현장토양의불균질성에의해정화효율이제한될수 있으므로면밀한부지평가와모니터링기술이필요하다.
이들기술은오염원의제거방법에따라생물학적, 물리화학적, 열 적기술로분류할수있다. 열적처리기술은통제된환경에서토양
을고온에노출시켜소각이나열분해를통해토양중에함유되어
있는유해물질을분해시키도록고안된기술이다. 물질의직접연소 에의한열처리(소각, 800~1,200oC)와간접연소에의한열처리(열
분해, 400~800oC)의두가지형태로구분된다. 열적기술의처리효
율에영향을미치는인자로는수분함량, 회분함량등의물리적특 성과대상오염물질의화학적특성등이있다. 본기술은높은정화 효율을가지며적용범위가넓은장점이있으나, 에너지처리비용 이높고, 중금속의경우에는일정온도에서처리되지않으며고온
에서유리화되는단점이있다.
물리화학적처리기술로는물, 산및유기용매, 계면활성제등추 출용매나증기를이용하여추출하거나전기적방법에의해오염원 을토양과지하수에서다른매체로이동시키는방법, 화학적산화/
환원법에의해분해시키는방법, 흡착/침전등을통해별도로분리·
농축시키는방법이있다. 토양증기추출, 토양세정, 토양세척, 화학적 추출법등오염물의추출효율이제거율을결정하는경우에는대상 오염물의물성(증기압, 용해도, 헨리상수, 분배계수등)과토양의양
이온교환능력, pH, 총유기탄소함량, 입경분포, 점토함량, 수분
함량등이효율에영향을미친다. 고형화및안정화기술은오염물 질이이동하지못하도록물리적으로가두거나첨가제와오염물질의 화학반응에의해이동성을감소시키는방법으로서대상중금속과 고화제/안정화제의물리화학적인특성이고려되어야한다.
생물학적처리기술은토양미생물활성화또는적정화시키거나 특별히개발된미생물을첨가하고생존조건을최적화시켜유기화 합물의생분해를촉진시키는방법으로서다른기술에비해친환경 적이며경제적인방법이다. 최근들어각각의오염물을분해할수
있는미생물균주의발견과분해기작의규명이이루어지면서발전속 도가빨라지고있다. 그러나복원기간이길고, 고농도의독성오염 물에서는효율이제한되며환경조건의변화에민감한단점이있다.
대체로오염물질의농도가높고오염지역규모가작을경우에는 열적처리, 오염물질의농도가낮고오염지역규모가클경우는생 물학적처리가유리한것으로평가되며, 물리화학적처리는다양하 게적용되고있다.
이러한복원방법은오염물의종류와토질에따라적용되는기술 의종류가달라질수있으나, 대부분의오염부지가여러종류의오 염물질에의해복합적으로오염되어있고, 한가지의기술적용으 로는효율의한계가있다. 그러므로이들을단독으로사용하기보 다는복합적인사용이추천되며, 반드시오염물의성질과부지의특
성을고려하여복원기법을선정하여야한다.
4. 국내 오염토양 복원 현황
우리나라토양복원사례의대부분은소규모의유류오염지역으 로서주유소등특정토양오염방지시설에서경미한누출사건이발 생하여시정명령에따라복원한경우이다. 국내에서는오염토양의 복원을촉진하기위해민간부분의사업추진에앞서우선공공기관 의부지에대한오염조사와복원사업을활발히추진하고있으며 이에따라군부대및철도청그리고매립장등에대한복원사업이 진행되었다.
국내에서가장최초로대규모로수행되었던부지는부산정비창
(문현지구)으로 2000년초 150억원규모의정화사업이었다. 이와
더불어 2006년까지 H 사령부를비롯하여 50억원미만의사업들이
부분적으로발주되었으며 2007년초원주부지에대해 120억원규
Table 2. Soil remediation technologies [6]
Class Remediation technology
In-situ treatment technology
Biological treatment
Bioventing
Enhanced biodegradation Natural attenuation Phytoremediation Physical/chemical
treatment
Chemical oxidation Electrokinetic separation Fracturing
Soil flushing Soil vapor extraction Solidification/stabilization Thermal treatment Thermal treatment
Ex-situ treatment technology
Biological treatment
Biopiles Landfarming Composting
Slurry-phase biological treatment Physical/chemical
treatment
Chemical extraction Chemical reduction/oxidation Dehalogenation
Soil washing Separation
Solidification/stabilization Thermal treatment
Hot gas decontamination Incineration
Open burn/open detonation Pyrolysis
Thermal desorption
Containment Landfill cap
Landfill cap enhancement Cut-off wall
Other treatment technology Excavation Off-site disposal Retrieval
모의정화공사가발주되어진행되고있다. 철도청부지의경우에는
2003년부산역사에대해 65억원규모의사업을전자입찰로수행하
였으며 2005년에인근역사에대해서도 105억원규모의사업을발
주하여복원이진행되고있다[7].
그밖에폐금속광산주변지역의토양오염방지사업을 1995년부터 실시하고있으며, 민간부분의자율적인토양복원을추진하도록유 도하기위해 5대정유사와자발적인협약을체결하여저유소등의
부지에서복원이이루어지고있다.
4-1.부산문현지구토양복원사례[8, 9]
부산시남구문현동소재의구육군제2 정비창복원사업은국내
최초의공식적이고최대규모의정화사업으로서 2001년부터 2003
년까지 106,500 m2(약 32천평)의부지에대해 150억원규모의정 화사업이실시되었다(Fig. 1).
1996년문현금융단지조성을위한기반시설공사시행중, 토양오
염이확인되어건설공사를중지하고정밀조사가실시되었다. 오염원
인물질은유류로서 TPH에대해전체시료중 52.5%가토양오염우
려기준(2,000 mg/L)을초과한것으로나타났으며, BTEX에대해서도
7%가우려기준을초과하였다. 오염물질은지표로부터심도 5 m 이내
에분포하였으며특히 2~3 m 심도의토양이심하게오염되었다.
한편지하에매립된폐유및폐기물침출수의지하수계유입에
의해지하수면부근에일부부유기름층(free oil layer-LNAPL)이
형성되는등지하수시료에서도유분이검출되었으며, 지하수시료 의 80%에서납(Pb)이지하수수질기준은물론폐수배출허용기준
을크게초과하여검출되었다.
본현장에서는복원공법효율의극대화를위해오염토양/비오염토 양구분하여굴착/야적으로처리오염토양을극소화하고, 굴착/야적시 부터고농도/저농도별, 토양성상별로오염토양을구분하며, 야적기간
중바이오파일법으로사전저감후처리하는공법을적용하였다.
본부지에는토양경작법, 열탈착공법, 바이오파일법의 3가지복 원기술이적용되었다. 토양경작법의경우오염농도가낮고, 점토 성분이적은토양을대상으로하였다. 일반적인토양경작법의적용
을위해서는탄화수소분해균이 106 CFU/g 이상, 토양 pH는 6~8
범위이나, 본현장은 9.8×103~6.0×105 CFU/g, pH 5.3~6.5로서처 리속도를향상시키기위해 pH 조절제와미생물을투여하고자동 화온실을이용하여온도와수분함량등을조절하였다.
윤활유등으로오염되어토양경작법으로처리효율이낮은토양과 상대적으로고농도로오염된토양에대해서는열탈착공법이적용되 었다. 사용된열탈착장비는시간당 7~20 톤(평균 18 톤)의토양이
처리가능하며, 열탈착기와열산화기의온도는각각 800, 900oC로
서탄소 40(C40)까지범위의유류에대해 55,000 ppm까지처리할
수있었다.
야적기간(평균 8개월) 중에도저감효과극대화하기위해바이 오파일법이 적용되었는데, 미생물, 영양분, pH 조절제, 수분투 여로최대효율유지하고야적장내배출가스의 2차오염최소화 를위해방수덮개, 발생가스포집처리, 침출수집수처리시스템이
설치되었다.
이와같은복원기술의적용결과, 2003년 6월기준으로행정권
고기준대비 TPH 평균잔류는 33.9%(271/800 mg/kg), 토양환경보
전법의규제대상우려기준대비약 13.5%(271/2,000 mg/kg)로서행
정권고목표기준을달성하였으며지하수조사결과에서도자연수 수준으로정화되어성공적성과를나타내었다.
4-2. 폐광주변중금속 오염토양처리
폐금속광산주변지역은주로 1920~1930년대이후개발되어대 부분방치된상태이며제련과정에서발생되는광미의유실, 갱내수 유출등으로주변농경지등토양이중금속에오염되고있다. 이에 대응하기위해환경부에서는오염우려가큰 158개광산을중점관
리하고있으며오염도가높은광산에대해우선적으로폐금속광산 주변지역토양오염방지사업을실시하고있다. 1995년이후 2003년 말까지 25개광산에대해총사업비 360억원규모의방지사업을추 진하였다. 그러나전체폐광산의수에비해복원사업이진행비율 은비교적낮은실정이다[4].
가학광산은경기광명시에위치한총연장 7.83 km의광산으로서
1995년부터 3,841백만원을투입하여시범적으로복원사업을실시
하였다. 주변지역에서카드뮴, 아연, 납, 수은등의중금속오염이 심각한것으로나타났는데, 특히카드뮴과아연은각각우려기준의
최고 17배와 8배에달하는것으로조사되었다. 이에대해오염원의 유실을방지하는시설의설치, 하천저질토의준설, 농경지에대한 객토, 토양개량제사용등오염된토양을개선하여폐광주변지역 의농산물과인체피해를예방하는사전효과를가져왔다[9].
그러나이러한폐광주변지역의오염방지사업의내용을살펴보 면, 갱도폐쇄, 매립처리장조성, 차수공사, 광재, 오염토양및건축 폐기물처리, 유출수처리시설설치, 사면보호공사, 우수배제공사, 농 수로정비, 오염토양처리, 도로공사, 식재, 조경공사, 준설공사등
으로[10] 오염원인물질의근본적인처리보다는단순토목공사차
원의작업만행해지고있어서지하수로중금속이용출될가능성이 여전히존재하는등문제점이지적되고있다.
국내에서중금속오염토양을처리하기위해시멘트, 황화나트륨,
황화수소나트륨등을이용한고형화/안정화기법, 염화제2 철과 과산화수소수를이용한비소의불용화, 투수성반응벽체기술, 동전 기공법등이실험실수준또는파일럿규모로시도되고있으나[11]
아직이들을적용한복원사례는없으며, 현장적용을위해서는더
많은실증연구가진행되어야할것으로보인다.
5. 오염토양 복원기술의 최신 연구 동향
우리나라에서 2000년이후토양정화를실시한 434개의부지에 대해적용한복원기술의현황은 Fig. 2와같다. 주로토양증기추출 법과생물학적통풍법과같은원위치정화기술이대부분을차지하
Fig. 1. MoonHyun remediation site in Busan.
고있는데(83.3%), 이는정화비용이상대적으로저렴한원위치기 술이선호되는경향을보여주는것이다. 그러나원위치공법의효
율이제한되는점토질토양에대해서는비원위치기술을적용하려
는경향도나타나며[7], 이를해결하기위해저투수성토양과불균
질한토질에대한효율향상대책이요구되는실정이다.
또한열적처리보다는물리화학적처리기술의사용빈도가점차 많아지고있는추세이며, 고화처리, 열탈착처리, 소각처리기술등에 너지소모가많고 2차대기오염을유발할가능성이있는기술의이 용도는낮아지거나정체되고있다. 굴착처리, 차폐처리, 고화처리기 술등의점유율이낮아지고있는데, 이는가능한한오염물을완전
히제거하여잔재물을줄이는방향으로토양정화기술이발전하고
있음을의미한다[12].
최근유럽및미국등의선진국에서는 2차오염을최소화하는청정
기술의개발과개발기술의현장적용에초점을맞추는추세이다 [14].
이는우리나라에서도마찬가지로서오염의확산이나부가적인환 경훼손이없는환경친화적토양복원기술개발에대한연구가진
행중이다. 또한나노기술(NT)과생물기술 (BT) 등의첨단기술
을환경기술에도입하여융합기술을개발하려는시도가활발히진 행되고있다. 대상오염물질로는기존의중금속과유류외에새로 운토양오염의규제항목으로추가된유기성화합물인 PCE 및 TCE
와중금속의일부항목등에대해다양한복원기술개발이시도되 고있다. 여기서는최근의연구동향을이해할수있는대표적인복
원기술들에대해소개하고자한다.
5-1. 나노기술을 적용한토양/지하수오염물질제거
1~100 nm 크기의단일나노입자는같은물질의벌크재료와다
른특이한전자적, 화학적, 기계적특성을가진다. 이러한나노입
자를조작, 분석하고제어하는나노기술은최근다양한산업분야 에서응용되어기존의기술을획기적으로향상시킬수있는기술로 서주목받고있다.
나노입자나나노구조의물질은기존의마이크로크기의물질에 비해표면적이증대되어오염물질에대한흡착성능과반응성이크 게향상되므로, 환경분야에서도이를이용하여토양및지하수내 오염물질을효율적으로제거하고기존복원기술의효율을높이려 는연구가진행되고있다. 이들을원위치토양정화에적용할때는
나노입자를포함한반응구역(reactive zone)을설치하고상대적으
로고정시켜적용하거나, 토양공극을통해나노입자가오염지역 을이동하도록흐름을형성시키는방법이이용된다. 대표적인나노
입자로는나노영가철, 비이온성양친성폴리우레탄, alumina-
suppoted noble metal 등이있으며이중나노영가철을이용한연
구가가장활발히이루어지고있다[15].
나노영가철은화학적으로다음과같은메커니즘에의해제조된 다[16].
4Fe3++ 3BH4−+ 9H2O→4Fe0↓+ 3H2BO3−+12H++6H2
나노영가철의높은반응성은할로겐화유기용제를효과적으로 제거할수있는것으로보고되고있다. TCE, 1,1,1-trichloroethane
등의할로겐화유기용제는나노영가철로부터전자를공급받아 α-elimination, β-elimination, hydrogenolysis, hydrogenation 등의경
로를통해탈염소화반응이일어나 ethane 등과같은무해한물질
로최종분해된다[17].
최근에는영가철을이용한다양한중금속의제거에대한연구가 수행되고있다. Cr(VI)와 Pb(II)는영가철과반응하여각각 Cr(III)과
Pb(0)로환원되는데, 이는마이크로사이즈의영가철에비해나노
영가철을이용할경우 30배이상우수한제거효율을보이는것으
로보고되었다[18]. 국내에서도지하수중에포함되어있는 As(III)
와 As(V)에대해나노영가철을이용하여흡착, 제거하는연구를진
행하여기존의영가철에비해 1,000배이상높은반응속도를확인
하였다. 이러한반응은 pH 4~9의범위에서효과적이며, HCO3−,
H4SiO40, H2PO42−가경쟁이온으로존재할경우에는반응속도가저 하될수도있음을발견하였다[19].
또한나노영가철의할로겐화유기용제와의반응성향상을위한 촉매금속의코팅, 토양매질내에서의이동성과분산성향상을위
한고분자, 생분해성계면활성제를이용한표면특성변화등다양
한표면개질방법이시도되고있다[19].
본연구실에서는나노영가철이쉽게산화되고반응후회수가 어려운단점을보완하기위해담체에고정화된나노영가철을제조 하고담체의재활용가능성을시험하였다. 담체로서양이온교환막
과알지네이트비드가이용되었는데고정화된나노영가철에서도 높은반응성을보였으며고정화담체를재사용할때에도처음과비
슷한분해효율을얻을수있었다(Fig. 3, 4). 따라서고정화담체의
형태를용도에맞게제작함으로써토양및지하수내의오염물질을 나노영가철을이용하여경제적이고효과적으로분해할수있을것 으로기대된다.
5-2. 생물학적복원의 효율향상을위한 분자생물학적연구 오염토양의생물학적처리기술은토양미생물을이용하여오염 물질을분해시킨다는점에서가장환경친화적인근원기술로서, 토 양미생물의유전적, 생리화학적정화능력에의해이루어진다. 생물
Fig. 2. Soil remediation technologies applied in Korea (2000~2006).
Fig. 3. SEM images of the surface of membrane w/o (a) and w/immobi- lized nanoscale zero-valent irons (b).
학적정화가진행되는동안환경요인의변화에따른분해미생물의 군집및분해유전자발현양상변화에대한연구는생물학적복원 속도와정도를설명, 예측하게하며, 복원비용과소요시간등을고 려하여최적의운전조건을결정하는기초가된다. 이에토양/지하
수유기오염물질의미생물학적분해기작의총체적규명을통해생 물학적환경정화기술을개발하려는시도가분자생물학적방법을도 입하여진행되고있다(Fig. 5)[20].
최근에는다양한분자생물학적방법을이용해미생물의군집분
석하려는연구가진행되고있다. Biofilm에있는질소제거관여미
생물군집을 FISH(fluorescent in situ hybridization)를이용해분석 한결과, 배양을통한군집분석의한계를넘어각미생물군집간 의상호작용및질소처리능력이있는미생물간의경쟁관계를알 아내는것이가능하였다[21]. 또한 T-RFLP(terminal restriction fragment
length polymorphism)를이용해비소로오염된지하수속의미생물
군집분석을통해여러미생물군집중 3가비소에서 5가비소로 산화에관련된균주에대해알아냈으며, 기존의연구에서짐작했던
것과 다른 균주가 실제로이용됨을 밝혀냈다[22]. 뿐만 아니라
biostimulation, bioaugmentation 등다양한생물학적토양복원방법의
효율성을적용전후의미생물군집을 DGGE(denaturing gradient gel
electrophoresis)를통해관찰함으로써평가할수있었다[23].
본연구실에서는유류오염토양에대해오염물을분해하는균주 를분리하고, 오염토양의생물학적복원에서토착미생물과외부미 생물의복원효율을비교하며, 토양복원과정에서미생물의군집
변화를관찰하는연구를진행하고있다. PCR(polymerase chain
reaction)과 DNA 서열분석과같은분자생물학적방법을이용해경
유로오염된토양에서 경유를유일탄소원으로사용할수있는
Rhodococcus erythropolis종에속하는균주를비롯한 4종의미생물을 분리하였으며, 이렇게분리된미생물들을오염토양에 bioaugmentation
방법으로첨가하여일반적으로경유분해능이우수하다고알려진외 부균주를첨가한경우와복원효율을비교하였다. 그결과복원초 기에는외부균주를첨가한오염토양의경유제거율이높았으나시 간이지날수록토착미생물을첨가한토양의경유제거율이좋아져 결과적으로는더좋은복원효율을나타내었다. 또한이실험과동
시에진행된 DGGE를이용한토양내미생물군집의변화를관찰
한결과시간이지날수록다양한밴드패턴이나타났는데(Fig. 6),
이로부터복원이진행되어오염물의농도가낮아짐에따라전체적 인미생물의수가증가했음을알수있었다. 두결과를종합하여볼 때, 외부균주를첨가한경우초기에는오염물의제거가활발히일 어났으나이후토착미생물들의활동이활발해짐에따라외부미생 물의농도가줄어들었으며 DGGE 패턴상의뚜렷하게나타나는밴 Fig. 4. Degradation of TCE using immobilized nanoscale zero-valent iron on cation-exchange membrane (a) and reuse of the membrane (b).
Fig. 5. Molecular biological study for the analysis of microbial behavior and biodegradation mechanism for organic contaminants.
드들은이미분리된 4종의미생물외에도유류오염환경에서활발 히생장할수있는다른토착미생물이있음을의미한다고할수있다.
이와같이분자생물학적군집분석을통해서토양및지하수속의 미생물들의상호작용에대한이해를늘릴수있을뿐만아니라, 이를 조절하고강화시킴으로써생물학적복원효과를증대시킬수있다.
5-3. 오염부지복원을위한통합기술개발
다매체오염원인토양과지하수의정화는물리적, 화학적, 생물학 적복원기술의개별적인적용만으로는효율적이고도완벽한복원이 이루어질수없다. 따라서이들의한계를극복하고복합오염물로 오염된토양의효율적인정화를위해요소기술들을복합적으로적 용하는통합기술의개발에대한연구가진행되고있다.
이러한통합기술은오염부지의특성에따른개별기술의복합적 적용과모니터링기술, 위해성평가등이포함된통합시스템의개 발과개별요소기술의특성을결합한향상기법의개발을모두포함 한다.
개별기술의한계를극복하기위해 2가지이상의요소기술을결합 한통합공정은생물학적처리기술의한계를극복하기위해물리화 학적처리방법을결합하거나, 오염물의탈착이나생분해효율을향
상시키기위해열적처리기술을함께적용하는등의방법이이용 되고있다.
결합기술의한예로는동전기정화기술을이용한향상공정이있 다. 동전기공정(electrokinetics, EK)은비교적최근에연구되기시
작한원위치토양정화기술로서토양에전극을설치하고전류를공 급함으로써전기장하에서공극내의공극수와이온성물질의이동
을유발시켜오염물을제거하는기술이다(Fig. 7). 이는저투수성토
양에매우효과적인기술로알려져있으며각종중금속, 방사성원 소와같은이온성오염물질에대해서주로적용되어왔다[24].
이를토양세척/세정법과결합하여소수성유기오염물에대한처 리효율을향상시키거나[25], 화학적산화법과결합하여저투수성 토양내에서오염물질의산화분해반응을촉진시키며[26], 동전기 현상을이용하여토양내미생물과영양분의분포를조절하여생물
학적처리의효율을높이는등[27] 다양한결합공정에대한연구
가진행되었다. 또한본연구실에서는최근동전기공정의전극부 식문제를해결하고전극표면에서전기화학산화반응이일어날
수있는전극재료를사용하여오염물의분해를유도하는동전기-전 기화학산화통합공정에대한연구도진행중이다.
오염부지의통합복원시스템개발의예로서본연구실에서 2002
년부터국가지정연구실사업의일환으로수행한미세계면현상을응 용한지하환경통합복원공정개발에대한연구를들수있다. 유 류및할로겐화유기화합물로오염된토양/지하수를대상으로고상
-액상, 기상-고상, 고상-기상사이의계면에서일어나는다양한현상
들을이용하는요소기술들을복합적으로적용함으로써오염물질의 제거효율을향상시키고사용된계면활성제의회수공정과미생물 군집변화관찰을통한모니터링기술등을결합하여통합공정을 제시하였다.
특히 TCE로오염된토양의 정화를위해토양세정법/MEUF (micellar-enhanced ultrafiltration) 공정/투과증발막공정(pervaporation)
의통합공정을제시하고이들의적용가능성을확인하였다(Fig. 8).
원위치정화기술인토양세정법에는계면활성제 M-TWO1030 5%와
isopropyl alcohol 5%를혼합하여이용하였는데, 10 Pore volume으
로 90% 이상의제거율을달성하였다. 사용된계면활성제의회수를
목적으로수용액으로부터오염물을제거하기위해투과증발막공정 이적용되었는데, 이는 5 g/L 이하의농도의계면활성제용액에대
해 90% 이상의제거효율을얻을수있으며함께존재하는염과알
Fig. 6. Change of microbial diversity by bioaugmentation of (N) indige- nous and (G) foreign microorganisms.
Fig. 7. Schematic diagram of electrokinetic remediation.
Fig. 8. Schematic diagram of integrated remediation process for TCE- contaminated soil.
코올의영향은거의없었다. 또한 MEUF 공정은회수된계면활성 제를효과적으로농축할수있는공정으로평가되었다[28].
6. 결론 및 제언
국내오염토양복원은 2001년부산문현지구의복원사업을시
작으로점차확대되고있으며, 오염토양복원기술에대한연구도
활발히진행되고있다. 세계적으로복원기술의개발은점차저비 용의친환경적정화방법을추구하는방향으로발전하고있으며, 국 내에서도이러한동향에발맞추어나노기술과분자생물학적기술 등의첨단기술을응용한기술개발과개별기술의한계를극복하기 위한통합기술개발이시도되고있다.
그러나관련된복원기술에대한연구가실험실수준에머무르고 있어실제현장에서는몇가지의기술만이제한적으로적용되고있 다. 이러한연구대상기술의현장적용성을높이기위해서는오염
부지에대한지형적특성과오염특성을반영하여기술개발을진 행하고경제성을검토할필요성이있다. 이밖에도오염도조사기 법의개발과복원기술선정체계의확립을통해보다효율적인복 원이이루어지도록노력해야할것이다.
무엇보다토양을생태계의근원으로생각하고이를반드시복원 해야한다는인식의변화가중요하며토양환경을개선하려는지속 적인노력이필요하다.
감 사
이논문은과학기술부국가지정연구실사업의연구개발비지원에 의해연구되었습니다(M1-0412-00-0001).
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![Table 2. Soil remediation technologies [6]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5408131.220430/3.918.77.444.613.1132/table-soil-remediation-technologies.webp)
