[지하수 및 토양오염]

구 진해화학부지 정화 설계

2011-12067 정다운

<제목 차례>

1. 서론	3

1.1 대상지 선정	3

1.1.1 역사적 배경	3

1.1.2 지리적 배경	4

1.2 오염현황 및 오염지역 특징	4

1.2.1 토양오염 기준 및 오염물질 현황	4

1.2.2 오염지역의 기상학적 특징	5

1.2.3 오염지역의 지질/수질학적 특징	5

1.2.4 오염지역의 물리화학적 특징	5

1.2.5 오염지역의 토양 및 지하수 특성	6

2. 본론	7

2.1 정화방법 선정	7

2.2 식물정화법(Phytoremediation)	7

2.3 폐석고에 의한 불소 제거	8

2.4 동전기적 정화방법	9

2.5 Permeable Reactive Barrier(PRB)	9

3. 결론	10

3.1 소요 예산	10

3.2 의의 및 한계	11

<그림 차례>

그림 1 비료 공장 시절의 진해화학 부지	3

그림 2 진해화학 부지 부영아파트 조감도	3

그림 3 구 진해화학 부지의 입지	4

그림 4 오염물질 기준	5

그림 5 대상지 분할	6

그림 6 적용성 평가	7

그림 7 폐석고에 의한 불소 제거법의 경제성	8

그림 8 동전기적 정화방법의 모식도	9

그림 9 동전기적 정화법 예시 표	9

그림 10 동전기적 정화법 예시 그래프	9

그림 11 PRB 모식도	10

그림 12 PRB의 반응물질 선정	10

그림 13 식물정화법의 비용계산	11

그림 14 폐석고에 의한 불소제거법 비용 산정	11

그림 15 정화 총 정리	11

<표 차례>

표 1 주요 오염물질 현황	4

표 2 Site1의 물리화학적 특성	6

표 3 Site2의 물리화학적 특성	6

표 4 Site3의 물리화학적 특성	6

표 5 오염지역 토양특성	6

표 6 오염지역 지하수 특성	6

표 7 선정된 정화방법	7

표 8 정화 후 기대농도	8

1. 서론

1.1 대상지 선정

1.1.1 역사적 배경

이번 정화설계에서는 경상남도 창원시 진해구 풍호동의 구 진해화학 부지를 대상 부지로 삼았다. 이곳 부지의 역사는 1967부터 시작되는데, 바로 우리나라가 산업화를 겪는 과정에서 비료 생산을 늘리기 위해 충주비료회사가 그림 1과 같은 화학공장을 준공한 시기이다. 이후 약 51만㎡의 대규모 공장에서 비료를 생산해 전국에 공급하게 되었다. 하지만 진해화학공장 완공 후에도 여기저기에 많은 비료공장들이 지어졌고 국내수요·국제수요 감퇴와 우리나라 비료의 국제경쟁력 악화로 인해 공장 운영에 차질이 생겼다. 결국 이 공장은 1999년 폐쇄되었다.

그림  비료 공장 시절의 진해화학 부지

4년 후 2003년, 임대주택 전문 건설업체인 (주)부영이 진해화학 부지 전체를 매입했다. 그리고 2005년 11월 18일 4220가구의 아파트를 짓겠다며 당시 진해시(현 창원시 진해구)에 ‘진해장천2지구 도시개발구역 지정 제안서’를 제출하였다. 부영의 계획은 그림 2와 같이 전체 면적 514,820[eqn: m ^{2}]중 65.6%(337,508[eqn: m ^{2}])에 공동주택. 16.5%(84,750[eqn: m ^{2}])에 공원, 5.6%(28,930[eqn: m ^{2}])에 도로, 1.2%(5,910[eqn: m ^{2}])에 공공청사, 기타 준주거, 주차장, 그리고 복지시설을 건설하는 것이었다. 하지만 당시 진해시는 (주)부영이 석고 용량 분석 결과와 처리계획을 제시하지 않은 이유로 제안서를 되돌려보냈다. 폐석고는 비료를 제조하는 과정에서 발생하는 부산물이고 진해화학 부지에 엄청나게 쌓여있었지만 이에 대한 면밀한 대책을 제시하지 않았고 이곳의 오염문제가 조금씩 알려지기 시작했다. 2007년, 경상대 농업생명과학연구원은 부지 정밀조사를 벌였고 니켈, 카드뮴 등 중금속 오염을 확인했다. 그리고 같은 해 대한토양환경연구소는 토양환경평가를 실시하였는데 그 결과 기준치를 넘는 불소와 중금속이 검출됨을 확인하였다.

그림  진해화학 부지 부영아파트 조감도

시민단체들도 이곳의 오염에 관심을 갖기 시작했지만 부영측은 오히려 조사결과를 은폐하는데 급급했고 토양정화도 지연되고 있다. 2011년 10월 13일 부영은 진해화학 현장사무실에서 시의원, 환경단체, 주민 등 70여 명을 대상으로 토양정화 설명회를 갖기도 했지만 구체적이지 못하고 주먹구구 식으로 진행돼 참가자들의 불신을 샀다. 결국 지금까지 오염토 20여만㎥를 울산 등지의 전문업체로 보내 처리한 것을 제외하면 제대로 정화가 이루어지지 않았다. 50만t이 넘는 폐석고를 처리할 방법을 찾고 있지 못해 애초 올해 10월 말까지 정화를 마무리해야 하지만 기한을 넘겼다.

박오주, 부영-창원시, 진해화학 토양정화 설명회 '왕초보', 뉴시스, 2011.10.13.

유은상, 한철 터 토양정화, 환경단체-부영 측 이견 좁혀, 경남도민일보, 2013.11.14.

1.1.2 지리적 배경

진해화학 부지가 위치한 곳은 그림 3과 같이 진해만 동측으로 해안에 바로 인접하고 있다. 동측은 산지로 둘러싸여 있어 동고서저형의 지형이다. 그림 3의 오른쪽 그림의 노란 선 내부가 공장 부지와 석고 적치장 부지를 포함한 전체 부지이고 그 면적은 514,820[eqn: m^2]이다. 진해만은 남해의 구불구불한 해안선에 의해 형성된 여러 만 중 하나로, 서측에는 마산만 동측에는 부산신항만이 위치하고 있고 남측으로는 거가대교가 있다. 인구밀집지역은 부지 북쪽으로 펼쳐져 있다. 진해화학 부지가 해안에 위치하고 있는 것은 비료공장이 가동되던 시절 생산된 비료를 바로 배에 싣고 수송하기 위함이다. 그림 3에서 빨간 선으로 표시된 것처럼 진해 해안도로가 대상지 바로 옆에 있어 오염물질의 노출 확률이 높다. 전체 부지 중 위쪽의 노란색 원 안이 공장터 이고 아래쪽의 노란색 원 안이 폐석고 적치장이다. 그리고 앞서 언급했듯 현재는 오염정화 문제로 개발사업의 착공이 지연되고 있다. 한편 노인요양병원이 부지 북측에 인접하고 있어 석고가 바람에 날려 호흡기 질환이 우려되고 있기도 하다.

그림  구 진해화학 부지의 입지

1.2 오염현황 및 오염지역 특징

1.2.1 토양오염 기준 및 오염물질 현황

표  주요 오염물질 현황

오염물질	오염현황	양(mg/kg)
니켈	주된 오염 물질. 공장부지 24%	374
불소	불소는 공장부지 30% 이상이 오염 기준치 2653배	1,061,200
납	오염 우려기준 이상 검출 지하수 오염범위 전체 부지의 89%	312
비소	오염 대책 기준 이상 검출	78
카드뮴	지하수 오염범위 전체 부지의 89%	30

구 진해화학 부지의 주요오염물질은 조사 결과 니켈, 불소, 납, 비소, 카드뮴이었다. 오염물질의 양을 조사한 과거의 보고서들은 공개되지 않아 언론에 조금씩 노출된 값들을 종합해 그림 4의 토양오염기준을 참고해 오염물질의 양을 산정했다. 그 양은 표 1과 같다.

그림  오염물질 기준

1.2.2 오염지역의 기상학적 특징

기온은 연평균 15도로 온대해양성 기후이고 대륙성기후의 영향도 받고 있다. 강수량은 1년간 1565.3mm이고 한국의 여느 지역처럼 여름에는 고온다습하고 겨울에는 한랭건조하다. 바람의 경우 정온상태(Calm)의 발생빈도가 연평균 76%이다.

1.2.3 오염지역의 지질/수질학적 특징

기반암은 안산암 또는 석영 안산암으로 이루어져있고 토양의 pH는 8~10으로 약염기성을 띄고 있다.

1.2.4 오염지역의 물리화학적 특징

표  Site1의 물리화학적 특성

Site 1
입도 분석	sand(%)	40
	silt(%)	40
	clay(%)	20
	토성	Loam
pH		7.7
함수량(%)		18.8
유기물(%)		0.53
양이온치환용량 (cmol/kg)		15.7
치환성 양이온 (cmol/kg)	K+	0.11
	Na+	0.15
	Ca2+	2.41
	Mg2+	2.15

표  Site2의 물리화학적 특성

Site 2
입도 분석	sand(%)	35
	silt(%)	40
	clay(%)	25
	토성	Loam
pH		9.2
함수량(%)		20.8
유기물(%)		0.13
양이온치환용량 (cmol/kg)		15.7
치환성 양이온 (cmol/kg)	K+	0.11
	Na+	0.15
	Ca2+	2.41
	Mg2+	2.15

표  Site3의 물리화학적 특성

Site 3
입도 분석	sand(%)	30
	silt(%)	40
	clay(%)	30
	토성	CL
pH		8.4
함수량(%)		28.8
유기물(%)		0.73
양이온치환용량 (cmol/kg)		15.7
치환성 양이온 (cmol/kg)	K+	0.11
	Na+	0.15
	Ca2+	2.41
	Mg2+	2.15

그림  대상지 분할

전체 부지를 그림 5와 같이 공장 터였던 1번 지역과 석고 적치장인 2번 지역, 그리고 해안과 인접한 3번 지역으로 분할해보았다. 세 site의 물리화학적 특징은 표 2~4와 같다. Site 1과 3는 니켈, 카드뮴, 납, 비소와 같은 중금속으로 오염되어 있고 2번지역은 폐석고와 불소로 오염되어있다.

1.2.5 오염지역의 토양 및 지하수 특성

지하수 특성은 표 5와 표 6과 같다. 투수성이 양호하며 오염물질이 이동가능함을 추측할 수 있다.

표  오염지역 토양특성

HSG	토양특성
C(site 1,2)	Clay:20-30%, sand<50%: L, SiL, SCL, CL, SiC, SC: C, SiC, SC- 입단화, 낮은 용적밀도, 35%(rock fragment)
D(site 3)	Clay>40%, sand<50%; Clayey; high shrink-swell potential(일부) (Type D이면서 배수가 잘 되는 경우

표  오염지역 지하수 특성

시료번호	C(지하수위 100cm이상)	D(지하수위 100cm이내)
포화수리전도도(cm/hr)	0.15~1.45	0.36>
불투수층 깊이(cm)	>100	50>
지하수위(cm)	>100	60>

2. 본론

2.1 정화방법 선정

Site 1과 3는 중금속 오염이 심각하고 Site 2는 폐석고와 불소 오염이 주된 오염이다. 이들 오염물질을 정화하기 위한 대안들을 선정했다. Site 3은 바닷가라는 점도 고려대상이었다.

그 결과 표 7과 같이 네 가지 정화방법을 선정했고 그 근거는 그림 6과 같다.

표  선정된 정화방법

정화방법	적용 대상지
식물정화법(Phytoremediation)	Site 1
폐석고에 의한 불소 제거	Site 2
동전기적 정화	Site 1
Permeable Reacticve Barrier	Site 3

그림  적용성 평가

2.2 식물정화법(Phytoremediation)

식물정화법은 식물을 심어 토양과 지하수로부터 오염물질을 제거하는 방법이다. 즉 오염된 토양 및 광산폐기물, 슬러지, 지하수에 대한 위험 저감을 위해 살아있는 식물을 직접 이용하는 것이다. 유기성 오염물질을 제거 또는 분해할 수 있으며 여과, 집진 등의 기능을 통해 중금속 등의 오염물질을 안정화시킬 수 있다. 에너지 요구량이 적어 물리적 처리공정의 10~20%의 비용이 들어 경제적이다. 식물에 모아진 오염물질은 식물 사후에 추출, 분해해서 밀폐해서 처리한다. 추출은 식재된 수목의 새싹과 잎에 오염물질이 축적된 것을 뽑아내는 것을 의미한다. 밀폐란 식물의 오염물질을 이동하지 못하게 하는 것이고 분해란 오염물질의 구조를 파괴해서 더 이상 유해하지 않게 하는 과정을 말한다. 식물정화법은 단점도 있다. 지표에 식물을 심다보니 표토에만 적용가능하다는 것이 바로 그것이다.

가장 많은 중금속인 니켈, 카드뮴, 납, 비소를 정화하기 위한 식물 종을 선정했다. 비소를 정화할 식물로는 쇠뜨기를 선정하였는데 식물체내 비소농도를 1176mg/kg으로 축적시키는 것이 관찰되어 이는 중금속 고축적종으로서의 조건을 만족시키기 때문이다. 니켈, 카드뮴, 납을 정화하기 위한 식물로는 각각 적겨자, 유채, 해바라기를 선정하였다. 이는 각 오염물질을 세가지 식물 모두를 사용해 정화한 결과 가장 우수한 결과를 나타낸 종을 선정한 결과이다. 이를 바탕으로 아래 표 8과 같이 정화 후의 기대농도를 산정해보았다.

표  정화 후 기대농도

Metal	Plant	단위면적당 중금속 축적량	제거효율	정화 후 기대농도
As	쇠뜨기	2014[eqn: mg/m^2]	63%	2014[eqn: mg/m^2]*0.37=745.18[eqn: mg/m^2]
Cd	유채	795[eqn: mg/m^2]	76%	795[eqn: mg/m^2]*0.24=190.8[eqn: mg/m^2]
Pb	해바라기	8268[eqn: mg/m^2]	57%	8268[eqn: mg/m^2]*0.43=3555.24[eqn: mg/m^2]
Ni	적겨자	9911[eqn: mg/m^2]	58%	9911[eqn: mg/m^2]*0.42=4162[eqn: mg/m^2]

토양 중금속 함량 분석결과 현장 실험의 경우 Ni 오염지역은 초기농도 대비 58%, Zn 오염지역은 76%, Pb 오염지역은 57%의 저감효율을 보였는데 특히, 유채가 파종된 Cd오염지역의 아연 제거효율이 가장 높았다. 적겨자, 해바라기, 유채 등 적용 식물의 경작 90일 후에 최대 생체량 및 최대 중금속 축적량을 보였고 그 이후에는 노화현상에 의해 중금속 축적량이 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 최적의 정화효율을 보이는 운영주기는 90일인 것으로 판단되었다.

2.3 폐석고에 의한 불소 제거

Site 2에는 비료 생산 후 부산물인 폐석고와 불소가 적치되어 있는데 이를 효과적으로 제거하기 위해 폐석고와 불소를 반응시켜 2차 처리가 불필요한 [eqn: CaF_2]를 발생하는 방법을 적용하기로 했다. 이 방법은 아래의 그림 7에서 보는 바와 같이 생석회를 단독으로 처리할 때보다 경제적이기도 하다.

그림  폐석고에 의한 불소 제거법의 경제성

2.4 동전기적 정화방법

동전기적 정화방법이란 지층 속에 전극을 설치해 전극에 직류전기가 가해지면 동전기 현상이 발생해, 흙/물-전해질 시스템이 물리,화학,수리학적으로 변화하면서 오염물질이 제거되는 방법이다.

그림  동전기적 정화방법의 모식도

동전기적 정화법으로 중금속(ex Ni)을 제거하는 실험의 예시는 다음 그림 9와 10과 같다.

그림  동전기적 정화법 예시 표

그림  동전기적 정화법 예시 그래프

2.5 Permeable Reactive Barrier(PRB)

지하수가 한 방향으로 계속흐르는 경우에는 지중에 투수성 방벽을 설치해 오염물질을 정화하기도 하는데 이것이 그림 11과 같은 PRBs이다.

그림  PRB 모식도

지하수 오염대의 수리학적 흐름을 이용하여 오염원을 제거 가능하고 부가적인 에너지 소비, 지표 처리시설, 매립 및 처분시설도 필요없다. 이처럼 운영과 유지 비용이 적게드는 장점도 있지만 상대적으로 설치 비용이 저가라는 장점과 오염된 지반을 효과적으로 정화 가능하다는 장점도 있다. 특히 중금속 정화에 효과적이라 해안으로 중금속이 퍼져나가지 않도록 Site 3에 설치하기로 했다. 앞에서 phytoremediation과 동전기적 정화로 중금속을 정화하긴 했지만 잔류 중금속이 남을 수 있고, 이것이 바다로 흘러들어가면 해양생물들에 축적이 된다. 그리고 축적된 오염물질은 수산물을 먹는 인간의 건강을 위협할 수 있으므로 반드시 해안에 barrier가 필요하다고 판단하였다. 단, PRB법의 경우 오염물질에 대한 반응제를 잘 선택해야 하고 많이 축적되어 성능이 저하되면 교체해야 할 필요도 있다. 중금속을 정화하기 위한 반응물질로는 아래의 그림 12를 참고해 중금속을 잘 정화하고 field 규모에서 적용가능한 compost와 woodchip을 선정했다.

그림  PRB의 반응물질 선정

3. 결론

3.1 소요 예산

현실적으로 비용 계산이 가능한 식물정화법(Phytoremediation)과 폐석고에 의한 불소 제거법의 비용을 계산해보았다. 식물정화법의 경우 각각의 식물을 면적당 (1[eqn: m^2])심어야 하는 양을 산정하였고 현재 식물 가격을 적용해 총 비용을 산정했다. 폐석고에 의한 불소제거법은 불소의 양과 토양의 밀도, 오염된 표토의 깊이, 필요한 물질을 고려해 총 비용을 계산할 수 있었다. 그 결과는 그림 13과 그림 14와 같다.

그림  식물정화법의 비용계산

그림  폐석고에 의한 불소제거법 비용 산정

3.2 의의 및 한계

본 정화설계는 오염이 심각해 10년째 이렇다할 개발사업이 이루어지지 않고 버려져있던 구 진해화학 부지의 오염물질을 조사하고 해당 부지를 세 개의 site로 나누어 정화설계를 한 것에 의의가 있다. 그 결과 아래 그림 15와 같이 각 부지에 알맞은 정화방법을 적용해보았다.

한계점으로는 비용산정과정에서 동전기적 정화방법과 PRB의 가격을 제대로 산정하지 못한 점을 들 수 있다. 이것은 앞으로 연구를 확장할 때 재고려될 수 있을 것이다.

그림  정화 총 정리