지하수 및 토양오염 복원기술에 대해 알아보자

지하수 및 토양오염 복원기술

 

토양 및 지하수가 오염되면 원상태로의 회복 및 복원은 매우 힘들게 되므로 토양 및 지하수의 오염을 억제하거나 방지하는 것이 무엇보다도 중요하다. 그러나 이미 오염이 된 토양 및 지하수는 소정의 오염도를 초과할 경우 복원을 실시하여야 한다. 지하수 및 토양오염은 별개의 것이 아니고 어느 한 가지가 오염되면 상호 영향을 주게 된다.

 

1. 오염된 지하수 및 대수층의 제어구분(Pollution control)

➀ 방지(prevention)

▪ 오염물질의 생성을 허용치 않는 수단(생성방지)

▪ 오염물질이 지하수계에 도달하는 것을 방지(도달방지)

➁ 중지(abatement)

▪ 지하수계로 이동하고 있는 오염물질을 중단시키거나 이미 지하수계를 오염시킨 오염물질의 이동을 저감시키는 수단

➂ 정화(clean-up)

▪ 오염운에서 오염물질을 채수-처리하거나 원위치에서 오염물질의 유동정지-처리과정을 통해 제거하는 수단(in-site, on-site treatment)

➃ 원상복구(restotation)

▪ 오염된 대수층을 원상태로 회복시키는 수단

 

2. 복원기술의 분류

이하, 『오염토양 복원에 관한 국내․외 기술동향』요약-편집정하익(한국건설기술연구원 토목연구부 수석연구원)

국내외적으로 오염토양 및 지하수의 복원기술에 대한 많은 연구 및 개발이 진행되고 있으며 적지 않은 기업들의 관심이 높아지는 등 향후 그 분야에 대한 사업성은 밝은 편이다. 다음은 오염 토양 및 지하수의 복원기술에 대한 국내외 기술동향을 간략히 설명한 것이다.

 

(1) 오염원 처리방법에 따른 분류

➀ 치환방법 : 오염토양을 굴착하여 오염되지 않은 양질토로 치환하는 것

▪ 장점 : 시공이 단순하고 용이하며 오염원을 완전히 제거하여 복원효과가 확실

▪ 단점 : 순성토양이 많아지고 치환용 토취장 개발이 필요하고 굴착된 오염토양의 처리가 필요하며 처리장의 거리가 먼 경우 운반비가 과다하게 소요

➁ 차단방법 : 오염물질의 이동모체인 지하수와 오염물질과의 접촉을 차단하는 방법

▪ 오염토와 비오염토와의 사이에 차수벽을 설치하는 방법

▪ 오염토의 상부에 불투수성 복토층을 설치하는 방법

▪ 시멘트 등을 주입하여 오염토를 고화시켜 오염수의 유출을 막는 방법

▪ 고압전류를 공급하여 오염토를 유리화 하는 방법

▪ 약재를 주입하여 오염물질을 불용성 화합물로 바꾸는 방법 등

➂ 제거방법 : 오염토양 내에서 오염물질을 제거하는 방법(오염현장에서 직접 제거하거나 오염된 토양을 굴착하여 지상에서 제거하는 방법)

▪ 물리화학적 방법 : 산화, 환원, 계면활성제, 세척수, 진공, 증기 등

▪ 생물학적 방법 : 미생물, 박테리아, 영양소 등

▪ 전기적 방법 : 전기삼투, 전기이동 등

▪ 열적 방법 : 고온, 저온, 동결 등을 이용

➃ 독성저하방법 : 오염물질의 독성을 저하시키는 방법

▪ 예를 들면 6가 크롬(Cr)에 환원제를 혼합하여 3가 크롬(Cr)으로 만들어 인체에 대한 독성을 저하시키는 방법 등

 

➄ 토지용도변경방법 : 오염토지의 용도와 형태를 변경하는 방법

▪ 여기에는 매립지에 복토를 시행하여 녹지대로 변경하거나 오염 지역을 주거지나 농공지로서의 이용을 금지하는 방법 등

 

(2) 오염원 복원위치에 따른 분류

➀ 현장내 처리방법(In-Situ) : 오염현장내 원위치에서 직접 오염토양 및 지하수를 처리하는 것

▪ 처리공정이 육안으로 학인 할 수 없어 처리효율을 확보하기 어려우므로 기술적용 이전 단계에서 면밀한 부지평가가 이루어 져야 함.

▪ 최근 들어 부지평가 및 모니터링 기술이 발달하고 처리대상매체를 먼 거리로 이송하지 않아도 되기 때문에 활발하게 적용

➁ 현장외 처리방법(Ex-Situ) : 오염토양 및 지하수를 지상으로 끌어 올려 오염원을 처리하는 것

▪ 장점 : 오염물질에 대한 처리공정 관리 및 처리효율 평가가 용이

▪ 단점 : 굴착 또는 양수, 이송 등에 대한 추가비용이 소요

 

(3) 오염원 제거방법에 따른 분류

➀ 물리적 방법 : 물리적 기법을 이용하여 오염원을 처리

▪ 표면복토, 굴착제거, 격리, 차폐, 공기세척, 증기세척, 진공추출, 지중고결, 수압파쇄 등

➁ 화학적 방법 : 화학적 기법을 이용하여 오염원을 처리하는 것

▪ 산화, 중화, 이온교환, 용매, 계면활성제 등

➂ 생물학적 방법 : 생물학적 기법을 이용하여 오염원을 처리하는 것

▪ 미생물, 슬러지, 영양소, 퇴비, 공기 등

➃ 열적 방법 : 열적 기법을 이용하여 오염원을 처리하는 것

▪ 저온, 고온, 열분해, 가열, 무선주파수 등

➄ 전기적 방법 : 전기적 기법을 이용하여 오염원을 처리하는 것

▪ 전기삼투, 동전기, 전기주입 등

3. 오염토양 복원기술

 

(1) Soil flushing 공법

➀ 개념 : 오염토양 내에 적정의 세척제를 주입하여 오염물질을 추출, 처리하는 것

➁ 세척제 : 물(친수성 오염물질0, 계면활성제(소수성 오염물질), 산․염기․착염제(금속물질) 등

➂ 토양으로부터 추출된 오염물질에 대한 처리 및 회수공정이 필요함

 

(2) Soil vapor extraction (SVE) 공법

➀ 개념 : 불포화지역 내의 오염토양에 대한 진공압을 걸어 공기압에 의하여 주로 휘발성 오염물질을 제거하는 것

➁ 주요 제거가능물질 : 휘발성유기화합물(VOCs), 준휘발성유기물질(Semi-VOCs)

➂ 토양으로부터 추출된 오염가스 내의 오염물질에 대한 처리 및 회수공정이 필요함

 

(3) Steam injection (혹은 Steam stripping) 공법

➀ 개념 : 오염지반 지중 내에 스팀을 주입하여 오염부지내의 온도를 상승시켜 오염물질의 휘발성을 증대시킴으로써 기존 SVE의 추출효율을 증진시킬 수 있는 공법

 

(4) Bioremediation 공법

➀ 개념 : 오염토양 내에 미생물, 박테리아 등을 주입하여 유기화합 오염물질을 분해하여 독성을 제거하는 방법

➁ 적용가능물질 : 가솔린, 디젤유, 원유, 크레오소트 등의 석유계탄화수소 및 살충제, 염소용제, 할로겐 방향족탄화수소, PCB 등

 

(5) Bioventing 공법

➀ 개념 : 오염토양 내에 산소를 공급하여 지중 내에 있는 토착 지중 미생물의 활성을 촉진시켜 생분해도를 최대화시키는 공법

 

(6) Bioslumping 공법

➀ 개념 : Bioventing 공법의 호기성 생분해 촉진기술과 Vaccum enhanced free-product recovery 공법의 NAPL 추출기술을 복합적으로 이용하는 것

 

(7) Solidification / Stabilization 공법

➀ 개념 : 오염토양에 약재를 혼합해서 그것의 물리적 성질을 개선 및 변경하여 유해물질을 고형화 및 안정화 하는 방법

➁ 고형화 및 안정화 약제

▪ 시멘트계 재료 : 석회, 플라이에쉬, 시멘트 등

▪ 유기계 재료 : 아크릴, 비닐에스테르, 에폭시, 폴리마 등

▪ 기타 : 유기점토광물계, 약액계 재료 등

 

(8) Electrokinetic 공법

➀ 개념 : 오염토양 내에 전기장을 가하여 오염물질의 전기적인 이동메카니즘에 의하여 오염물질을 추출하는 공법

➁ 점토질의 세립토와 같이 투수성이 낮은 토양의 경우에 기존의 양수, 토양세척, 공기추출 등의 방법을 적용하기 어려운 경우

➂ Bioelectrokinetic 공법 : 동전기기법을 이용하여 미생물을 토양내에 주입하여 오염된 토양을 복원하는 최신 기법

 

(9) Prefabricated vertical drain (PVD) 공법

➀ 개념 : 토목분야에서 연약지반 개량공법으로 사용되고 있는 연직배수공법(PVD : Prefabricated vertical drain)을 응용하여 오염토양 내에 연직배수재를 삽입하고 연직배수재를 통하여 오염물질을 제거하는 것

➁ 기존의 미생물복원공법, 진공추출공법, 토양세척공법과 병용하여 적용 가능함

 

(10) Ground fracturing 공법

➀ 개념 : 지반파쇄공법이란 지반내에 물 또는 공기를 고압으로 분사하여 기존의 간극을 확장시키거나 새로운 파쇄간극을 생성시켜줌으로써 토양의 투과성을 향상시켜 오염물질의 추출 및 처리를 용이하게 하는 것이다.

➁ 구분

▪ 수압파쇄공법(hydraulic fracturing) : 주입대상 매체에 따라 고압수 또는 슬러리를 주입

▪ 공기파쇄공법(peumatic fracturing) : 고압공기를 주입

 

(11) Vitrification 공법

➀ 개념 : 오염토양 내에 전극을 삽입하고 전기가열하여 오염토를 유리상(glass)으로 용융-고화하는 것

➁ 슬래그 생산 응용 : 이 공법을 하수슬러지의 처리에 적용하여 슬러지 중의 가연물은 소각하고 불연물은 1500℃ 이상의 코크스 고온가스로 용융시켜 슬래그 생산(콘크리트골재, 도로재로 사용)

 

(12) Electrical resistance heating 공법

➀ 개념 : 오염토양내 전기의 통과에 의해 발생되는 전기적 저항에 의한 열을 이용하여 토양을 수축, 건조시켜 균열을 발생시키고 오염물질을 휘발시킴으로써 오염물질의 추출을 용이하게 하는 것

 

(13) Radio frequency heating 공법

➀ 개념 : 오염토양 내에 무선주파수파를 공급하여 열을 발생시켜 오염물질의 분자운동을 증대시킴으로써 오염물질을 휘발시키는 것

➁ 이 방법은 다른 열처리공정에 비하여 비교적 끓는점이 높은 화합물까지 휘발이 가능하며 제거시간을 단축시킬 수가 있다.

➂ 오염부지 내에 전극이나 안테나를 지표면 또는 지중에 설치한 다음 이를 통하여 무선주파수 전류를 흘려보낸다.

 

(14) Soil washing 공법

➀ 개념 : 오염된 토양을 굴착하여 흙덩어리를 부순 다음 탱크에 넣고 물 또는 세척제로 세척하여 오염물질을 분리하는 것

➁ 이 공법은 다른 복원공법의 적용을 위한 전처리공정으로 사용되기도 한다.

 

(15) Land farming 공법

➀ 개념 : 오염토양을 지상에 일정한 두께로 포설한 후에 포크레인 등의 장비를 이용하여 교반시켜 호기성조건으로 하여 오염물질의 생화학적 분해를 유도하는 공법이다.

➁ 영양물질로는 질소, 인, 비료 등을 사용하고 필요에 따라 첨가제를 주입한다.

 

(16) Biopile 공법

➀ 개념 : 오염토양과 토양개량물질을 혼합한 후 침출수 집배수시설 및 유공관을 설치한 기초 위에 일정한 높이고 쌓아 놓고 강제주입식 또는 흡인식으로 공기를 공급하여 호기성조건을 형성함으로써 오염물질의 행화학적 분해를 유도하는 공법

➁ 영양물질 : 질소, 인, 비료 등을 사용하고 유기물질로는 분뇨, 슬러지 등을 이용

 

(17) Composting 공법

➀ 개념 : 오염토양을 굴착하여 첨가제, 나무조각, 짚, 분뇨, 실물성 잔재물 등과 같은 유기성 물질을 혼합하여 미생물의 활성을 증진시킴으로써 오염물질을 제거하는 것

 

(18) Bioreactor

➀ 개념 : 굴착된 오염토양 내에 물 및 첨가제를 적절히 혼합하여 슬러리상태로 만든 다음 반응기 내에서 생물학적 방법으로 처리하여 탈수시킨 후에 처분하는 것

 

(19) Plazama 공법

➀ 개념 : 프라즈마라는 4000℃ 이상의 고온에서 이온화된 기체를 이용하여 오염토양을 용융시켜 원소화하는 것

➁ 적용 : 다양한 오염물질로 오염된 토양을 복원하는 데 사용

✎ 지하수 및 토양오염 복원은 우선 물리화학적 방법을 이용해 대량으로 오염물질을 제거한 후 생물학적 방법 등을 이용해 잔류 오염물질을 제거해 나가는 것이 일반적임. 물리화학적 방법에 의한 완벽한 정화는 쉽지 않으며 오랜 시간 미생물 활성화 등에 의한 잔류 오염물질의 자연적 분해를 유도해 줌. 지하수 및 토양오염 복원에 대한 상기 설명이 다소 어려울 수 있으므로 처리과정 및 그림은 각자 확인해 보기 바람.

✎ 과제 : 지하수 및 토양오염 복원기술은 현재 말 그대로 표토 혹은 천층 대수층에 국한되어 있는 경우가 대부분임. 우리나라의 지질여건상 암반대수층의 지하공간개발 및 지하수의 이용이 높으므로 암반대수층의 오염복원기술 역시 고려해 보기 바람.

[표] 정리 : 지하수 및 오염토양 복원기술의 종류

분류		복원기술의 종류
In-Situ 기술	생물학적기술	․ Bioventing ․ Bioremediation ․ Land treatment ․ Natural Attenuation ․ Phytoremedation
	물리화학적기술	․ Electrokinetic Separation ․ Fracturing ․ Soil flushing ․ Soil vapor extraction ․ Solidification / Stabilization
	열적기술	․ Thermally enhanced Soil vapor extraction
Ex-Situ 기술	생물학적기술	․ Biopile ․ Composting ․ Land farming ․ Fungal Biodegradation ․ Slurry-Phase biological treatment
	물리화학적기술	․ Chemical extraction ․ Chemical Reduction / Oxidation ․ Dehalogenation ․ Separation ․ Soil washing ․ Soil vapor extraction ․ Solar Detoxification ․ Solidification / Stabilization
	열적기술	․ Hot Gas Decontamination ․ Incineration ․ Open burn / Open Detoxination ․ Pyrolysis ․ Thermal desorption
차단기술	차단기술	․ Landfill Cap ․ Landfill Cap Enhancement ․ Cut-off wall
기타처리기술	기타처리기술	․ Excavation ․ Retrieval ․ Off-site disposal