[지하수 및 토양오염]

부평 부영공원 혼합오염 정화

- TPH 및 중금속 오염 -

2조

건설환경공학부

2009-12037 김정곤

목    차

1. 부지결정

1.1 토양오염 원인

1.2 혼합오염

1.3 부영공원

2. 부지현황

2.1 부지개요

2.2 과거 미군기지

2.3 공원조성 추진

3. 기초조사

3.1 지형 및 지질

3.2 위해성 평가

4. 정밀조사

4.1 조사절차

4.2 시료채취 및 오염현황

4.3 오염물질에 따른 분포 현황

5. 적용성 평가 및 설계

5.1 처리공법 선정

5.2 A지역 정화(soil washing을 통한 중금속, TPH 제거)

5.3 B지역 정화(고형화/안정화를 통한 Pb, Cu, Zn 제거)

5.4 C지역 정화(Phytoremediation을 이용한 Pb 제거)

5.5 D지역 정화(Bioremediation을 통한 TPH 제거)

5.6 정화 비용

6. 연구 한계점

7. 결론

1. 부지결정

1.1 토양오염 원인

토양오염이란 인간의 활동에 의해 만들어지는 여러 가지 물질이 토양에 들어감으로써 토양이 환경구성 요소로서의 기능을 상실하는 것을 말한다. 최근 사회 전반적인 발전으로 인하여 인간의 여러 활동이 환경에 많은 영향을 끼치고 있다. 토양은 인간이 발 딛고 지내는 삶의 터전이기에 그 역할이 매우 중요하다. 이러한 토양을 오염시키는 인간의 활동으로는 비료와 농약의 과다사용, 오니(sewage sludge)의 방출, 광산 및 제련활동에 의해 발생된 광석 더미나 폐수의 방출, 산업 폐기물, 쓰레기 매립, 소각, 지하 유류저장탱크 등으로 오염의 원인은 매우 다양하다.

1.2 혼합오염

최근의 오염사고들을 보면 단순히 단일 종류의 오염물질에 의한 오염이 아니라 여러 오염원에 의한 복합적인 오염이 자주 발생한다. 이러한 혼합오염은 정화기술을 사용함에 있어 적합한 기술선택이 어려울 뿐만 아니라 경제적으로도 고비용이 소요된다. 이번 연구에서는 이 부분에 초점을 맞추어 진행하였다.

1.3 부영공원

부영공원은 인천광역시 부평구에 위치하고 있고 2002년에 만들어졌다. 주변에 생활, 주거, 교육 시설이 밀집되어 있어 공원으로서 입지는 좋으나, 과거 미군 부대의 군사기지로 쓰였기에 유류시설 및 기타자재들로 인한 토양오염의 가능성이 높아 주민들의 피해 위험성이 더욱 크다. 또한, 기형 맹꽁이가 발견되며 이 부지의 오염정도가 크게 의심되는 수준이다. 따라서 토양오염 문제 해결이 시급하고, 공원부지이기 때문에 토지 재이용을 고려한 정화기술 선정이 필요할 것으로 판단하였다.

2. 부지현황

2.1 부지개요

부영공원은 ‘인천광역시 부평구 산곡동 부영공원’이며 면적은 7만 1700여 m2이다. 이 부지의 오염 원인으로는 군부지 사용으로 인한 수은폐기물, 배터리, 의약품, 용제 슬러지, 석면, 트랜스포머 오일, 폴리염화비페닐(PCBs)등의 유출 및 매립이다. 따라서 조사항목으로는 TPH(석유계탄화수소), 벤젠, 크실렌, 납, 구리, 아연, 비소를 선정하였다.

[그림  부영공원]

2.2 과거 미군기지

과거 미군기지로 사용될 당시 부지 내에 유류탱크시설과 재활용 유통센터, 폐품 처리소가 위치하고 있었기 때문에 잠재적인 오염원이었고, 주기적인 관리의 부재로 인하여 장기간동안 많은 토양오염을 발생시켰다. 또한, 부지가 아파트 단지로 둘러싸여 있기 때문에 오염물질이 주민들에게 악영향을 미칠 가능성이 매우 높다.

2.3 공원조성 추진

부평미군기지(캠프마켓)를 ‘인천의 상징적 공원’으로 탈바꿈시키기 위한 논의가 진행 중이다. 시는 국방부로부터 부평미군기지 부지에 대한 관리권 이전 협약을 체결하였고, 향후 미군기지의 소유권이 미군에서 국방부로 넘어가면 시는 공원 및 공공용지 개발 등 토지 소유주에 준하는 권한을 행사할 예정이다. 그렇기 때문에 부지를 공원으로 탈바꿈하기 위해서는 정화 목표치를 높여야 하고 지속가능한 토양정화 방법을 필요로 한다.

3. 기초조사

3.1 지형 및 지질

부영공원의 지질은 충적층으로 확인되었고, 충적층의 깊이에 따른 토성을 보면 아래와 같다. 경사는 남서쪽이 높고 북동쪽이 낮은 형태의 지형이다. 따라서 지하수의 흐름이 남서에서 북동쪽으로 흐를 것으로 예상된다. 그런데 부지의 북동쪽에 굴포천이 위치해 있는데, 굴포천은 한강수계와 합류하는 지류이기에 만약 부지의 토양오염이 지하수를 따라 굴포천으로 흘러갈 경우 큰 피해가 예상된다.

[그림 . 충적층 깊이에 따른 토성]

3.2 위해성 평가

부영공원은 주변에 아파트 단지가 위치하여 노출 가능성이 높고, TPH이외에도 다양한 중금속의 오염이 있어 인체에 매우 유해하다. 또한 맞은편에 있는 오염된 부평공원의 영향을 받을 가능성이 있고, 오염물질이 충적층을 지나 지하수계를 따라 굴포천으로의 유입가능성이 높았다.

4. 정밀조사

4.1 조사절차

정밀조사의 절차는 우선 개황조사 실시 후 기초자료조사 및 현황조사, 주민 청취조사를 실시한다. 그다음 1차 시료채취 및 분석을 통해 토양오염의 원인 물질을 파악한다. 오염개연성을 파악한 이후 2차 조사를 계획하고 2차 시료채취 및 분석을 시행한다. 최종적으로 오염도 종합평가를 하고 완료보고를 한다.

4.2 시료채취 및 오염현황

부지가 미군기지로 사용되었을 때 폐기물 처리 지역이 따로 존재하였다. 따라서 이 지역의 시료를 채취하였다. 오염의 현황은 아래와 같다.

[그림 . 부영공원 오염현황]

부지의 오염 깊이가 0~4m 내로 표토에 집중해 있음을 확인할 수 있었다. 이는 지하수계로의 확산가능성이 상대적으로 낮아 위험성이 적음을 알 수 있다. 또한 정화 시 좀 더 수월하게 오염물질을 처리할 수 있을 것이다.

4.3 오염물질에 따른 분포 현황

오염물질은 크게 4종류로 TPH, Pb Cu, Zn 으로 확인되었다. 이에 따른 부지 내에서의 분포 현황은 아래와 같다.

[그림 . TPH 분포]

[그림 . Pb 분포]

[그림 . Cu 분포]

[그림 . Zn 분포]

위와 같은 현황을 토대로 오염물질에 따른 지역 구분을 크게 4개로 나누었다.

[그림 . 오염물질에 따른 지역구분]

A 지역 – 중금속, TPH (혼합오염)

B 지역 – Pb, Cu, Zn (중금속오염)

C 지역 – Pb (단일오염)

D 지역 – TPH (단일오염)

각 지역의 오염면적 및 오염토량은 아래와 같다.

[그림 . 오염면적 및 오염토량]

TPH 조사결과 표층이 심층보다 오염농도가 높게 검출되었고 오염기준농도인 500mg/kg을 초과 하였다. 또한 B.T.E.X.는 전 지점에서 검출되지 않았다.

[그림 . TPH 오염농도]

A지역은 BP49, B지역은 BP67, C지역은 BP27, BP26, BP23이고 D지역은 중금속이 검출되지 않았다.

[그림 . 중금속 오염농도]

5. 적용성 평가 및 설계

5.1 처리공법 선정

각 지역의 오염물질에 따른 가능한 정화공법을 나열해보면 아래와 같다. 모든 지역에서 soil washing이 가능하나 이중 좀 더 경제적이고 공원 부지로의 재이용에 알맞은 공법을 선택하였다. 각 공법선택의 적절성의 뒤에서 논의하였다.

[그림 . 처리공법 선정]

5.2  A지역 정화(soil washing을 통한 중금속, TPH 제거)

Soil washing의 장점은 유, 무기물을 모두 처리가능하고, 토양을 영구 복원할 수 있으며, 정화에 소요되는 시간이 짧고, 2차오염의 문제가 적어 성공 시 추가공정이 필요 없다는 것이다. 하지만 정화 후 폐기물과 폐수가 발생하고, 장비설치와 공정운전에 자본이 많이 든다는 단점이 있다.

Soil washing의 고려인자는 아래와 같다. pH와 CEC, 유기물 함량이 적을수록 토양세척효율이 높다. 그런데 수분함량이 낮을 경우 물리적인 취급 문제를 야기시킨다. 또한 입경분포가 토양세척시스템 구성에 영향을 주고 30~50%의 미사/점토 함량의 토양에는 추가비용이 발생한다.

[그림 . Soil washing 고려인자]

Soil washing이 A지역에 적합한 이유는 중금속과 유기물질이 공존하고 있어 두 물질을 동시에 처리하는 공법이 필요하였고, 그 중 soil washing은 대부분의 오염물질을 제거가능하고 TPH는 90%이상, 중금속은 70%의 제거효율을 보여 A지역에 적절하다고 판단하였다. 이 공법의 mechanism은 아래와 같다.

[그림 . Soil washing mechanism]

A지역의 정화 후 오염물질의 농도는 각가 TPH 2,681mg/kg에서 268.1mg/kg으로 90% 감소, Pb 470mg/kg에서 141.2mg/kg으로 70% 감소, Zn 737mg/kg에서 221.1mg/kg으로 70% 감소할 것으로 예상된다. 1일 처리량이 100m3/day인데 오염토량 1621m3을 처리하게 되면 17일이 소요될 것이다. 또한 정화설비 자본비용은 1,263,721,000원이고 일간 가동비가 6,432,000원 이므로 총비용은 1,373,065,000원이다.

5.3 B지역 정화(고형화/안정화를 통한 Pb, Cu, Zn 제거)

고형화/안정화 공법의 장점은 가격이 비교적 저렴하고, 중금속 등 무기물질 고정에 효과적이며, 시약과 첨가제 적용범위가 매우 넓고, 오염물질의 유동을 95%이상 감소시킬 수 있다는 점이다. 반면 휘발성 유기물질은 고정화가 안 되고, 장치의 형태, 크기, 토양의 성분에 따라 소요기간이 다르며, 중·장기간 효용성의 문제가 있다.

고형화/안정화 공법에는 In-Situ와 Ex-Situ가 있는데, 공원 부지로의 재이용을 하기 위하여 Ex-Situ 방법을 선택하였다. 정화 후처리로는 매립을 진행할 예정이다.

이 공법의 영향인자는 아래와 같다. 첨가제의 종류에는 무기접합제와 유기접합제가 있는데 부영공원 정화 시에는 무기접합제인 Portland cement를 사용할 것이다. 시멘트는 비용이 저렴하고, 장기적인 안정성이 있으며, 구입이 용이하고, 독성이 없는 장점이 있다.

[그림 . 고형화/안정화법 영향인자]

공정가격은 단위 부피당 130,000원/m3 인데 오염토량이 199m3이므로 25,870,000원이 소요될 것이다.

5.4 C지역 정화(Phytoremediation을 이용한 Pb 제거)

식물정화법의 장점은 비용이 적게 들고, 2차 부산물 발생이 적으며, 환경의 교란을 최소화 한다는 것이다. 반면 공법의 적용이 한정적이고, 고농도의 오염물질의 처리에는 한계가 있으며, 처리기간이 길다는 단점이 있다.

식물정화법의 고려인자는 아래와 같다. 식물의 뿌리가 뻗을 수 있는 범위는 3m인데 대상 부지는 0~2m이고, 토양의 pH는 7.2이상이 적절한데 이는 석회나 석고로 교정이 가능하다.

또한 부지의 Pb 최고 농도가 683.49mg/kg인데, 1500mg/kg의 Pb 농도에 대해서도 적응능력을 보이므로 생장이 가능할 것이다.

[그림 . Phytoremediation 고려인자]

식물정화법의 처리 원리별 적용 가능한 오염물질과 식물의 종류는 아래와 같다. 부영공원 정화에는 임목을 이용하여 Pb을 흡수하여 처리할 것이다. Pb로 오염된 1acre의 면적에 이 공법을 사용하여 정화할 경우 일반적인 정화방법의 약 35~50%인 15만~25만 달러가 소요된다. 임목을 이용한 방법은 초본류에 비해 수명이 월등히 길고 오염물질을 흡수할 수 있는 범위가 커서 정화효과가 더 높을 것으로 기대된다. 임목의 종류로는 포플러와 박달나무를 사용할 예정이다. 1년생 현사시와 박달나무는 뿌리조직 1kg당 각각 32g, 30g의 Pb를 흡수할 수 있다. 3년생 현사시 1,000본은 토양으로부터 매년 약 7kg 이상의 Pb를 흡수, 제거할 수 있고, 수령이 증가함에 따라 흡수할 수 있는 납의 양도 대폭 증가할 것으로 예상된다.

[그림 . 처리원리별 적용가능 오염물질 및 식물]

Phytoremediation이 C지역에 적합한 이유는 Pb에 대해서만 오염되었고 부지 특성이 식물 생장 조건에 부합하였기 때문이다. 또한 적은 비용으로도 환경의 교란을 최소화시킬 수 있고, 이후 공원 부지로 이용될 경우 가장 적합한 공법으로 판단되었다. 하지만 식물정화법만으로는 오염물질 전부를 정화하기에 너무 많은 시간이 소요되므로 1차 처리법으로 soil washing을 실행한 뒤 2차 처리법으로 사용될 예정이다.

C지역의 Pb 최고농도는 683.49mg/kg이고, 오염토량이 131m3, 토양밀도는 2650kg/m3 이므로 총 오염된 Pb의 양은 237kg이다. Pb 오염 우려기준은 200mg/kg으로 목표치에 도달하기 위해서는 167kg의 Pb를 제거해야 한다. 식물정화법만 사용할 시 정화에 걸리는 시간이 3년생 현사시 나무 3000본 기준으로 무려 23년 이상이 된다. 따라서 Soil washing을 통해 Pb 농도를 683.49mg/kg에서 205.04mg/kg(70% 감소)으로 감소시키고 우려기준인 200mg/kg까지 식물정화법을 사용하도록 설계하였다. Pb 오염면적이 약 1500m2 이므로 약 250본을 심을 수 있다. 우려기준까지 도달하는데 걸리는 시간은 3년생 현사시나무 250본으로 약 1년이 예상된다.

5.5 D지역 정화(Bioremediation을 통한 TPH 제거)

Bioremediation은 비용이 적게들고, 후처리 시설이 불필요하며, 환경의 교란을 최소화한다는 장점이 있다. 하지만 처리기간이 길고, 난분해성 물질은 제거하지 못하며, 중간생성물이 발생할 수도 있다. Bioremediation 고려인자로는 토성, nutrient availability, 함수율, pH, 토양온도, 미생물, 산화환원전위 등이 있다.

In-Situ 방법에는 Bioaugmentation, Bioventing, Bioslurping, Biosparge, Biopolymer shields이 있으며, Ex-Situ 방법에는 Land farming, Composting, Bioreactor, Biopile, Vacuum Heap Biostimulation 등이 있다.

Bioremediation 기술에는 1. Liquid-phase hydrocarbon removal technology, 2. Vadose zone treatment technology, 3. Saturated zone treatment technology, 4. Treatment technology for recovered groundwater, 5. Off-gas treatment technology이 있는데 우리는 2. Vadose zone treatment technology를 사용할 것이다.

5.6 정화 비용

각 지역에 설계한 각각의 공법을 사용할 때 소요되는 비용을 계산한 결과는 아래와 같다. C지역에서는 1차 처리공법으로 soil washing을 사용하기에 이에 대한 계산도 포함하였다. 그런데 4지역을 모두 soil washing으로 처리하였을 때 드는 비용을 계산해 본 결과 지역별로 다른 공법을 사용하는 경우보다 더 적은 비용이 들었다. 경제적인 측면에서는 크게 차이가 없으나 공원 부지로의 재이용과 토양의 적응력을 증진시키기에는 본 연구의 설계과정이 타당할 것으로 생각된다.

[그림 . 공법별 비용 및 Soil washing으로만 시행 시 비용]

6. 연구 한계점 및 개선방안

본 연구는 다음과 같은 한계점을 지닌다. Soil washing은 비용이 비싸고 장치사용공간이 필요하여 사용지역을 최소화하였으나 A와 C지역의 동시 처리 시 기기 설치 공간이 추가로 필요할 것으로 예상된다. 또한 soil washing 후 발생하는 오염수의 사후처리에 대한 방안이 강구되어야 할 것이다. 고형화/안정화 공법은 Ex-situ 시 화학반응에 의해 오염물질이 독성을 가질 수 있는 가능성이 있고, 후처리에 대한 개선방안이 필요하다. Bioremediation은 연구실조건과 현장조건이 다름으로 인해 효율적인 예측이 어렵다.

7. 결론

부영공원의 정화에 본 연구의 설계가 적용된다면 동시적인 처리공정으로 효율성이 증대되고, Phytoremediation과 Bioremediation 공법으로 인해 토양의 적응력을 증진시켜 지속 가능한 정화방법이 될 것으로 예상된다. 또한 국내 적용사례가 적은 신기술을 도입해봄으로써 선행 사례로서의 의의를 가질 수 있다. 반면 soil washing만으로 하는 단일공정과 경제적인 측면에서 큰 차이가 없는 것으로 보아 현행 정화사업에서 다양한 공법이 같이 적용되지 않는 이유도 예측해 볼 수 있었다.