부평 부영공원 혼합오염정화

- TPH 및 중금속 오염 -

건설환경공학부

2009-12081

최 혁 진

목차

1. 부지결정

2. 부지현황

3. 기초조사

4. 정밀조사

5. 적용성 평가 및 설계

6. 연구 한계점

1. 부지결정

(1) 토양오염이란?

토양오염이란 인간의 활동에 의해 만들어지는 여러 가지 물질이 토양에 들어감으로써 토양이 환경구성 요소로서의 기능을 상실하는 것으로 토양오염의 원인은 주로 다음과 같다. Cd, Zn 함유한 비료와 농약의 과다사용, 오니(sewage sludge)의 방출, 광산 및 제련 활동에 의해 발생된 광석 더미, 폐수방출, 도시 및 산업 폐기물, 쓰레기 매립, 화석 원료 소각, 지하 유류저장탱크 등이 있다.

(2) 혼합오염

혼합오염이란 단일 물질이 아닌 복합적인 물질로 인해 토양이나 지하수 등이 오염되는 현상으로 본 프로젝트에서는 오염 중에서도 일반적으로 발생할 확률이 높은 복합적인 물질로 오염된 토양 부지를 탐색하였다.

(3) 최종결정 : 부영공원

인천광역시 부평구에 위치, 2002년에 만들어졌다. 주변에 생활, 주거, 교육 시설이 밀집되어 있어 공원으로서 입지가 좋다. 한편 이곳은 과거 미군 부대의 군사기지로 쓰였던 탓에 미국의 국기인 야구 경기가 자주 열렸다. 지금도 공원 내 야구장은 물론 잔디 축구장이 잘 보존되어 있으며 매주 주말마다 인천 지역 사회인 야구팀들이 부영공원 야구장에서 자주 경기를 치르고 있다. 한편 이곳에는 맹꽁이가 많이 서식한다고 알려져 있다. 그러나 최근 토양 오염 등의 문제가 불거져 있다.

(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B6%80%EC%98%81%EA%B3%B5%EC%9B%90)

- 결정 이유

① 현재 아직 정화가 진행되지 않은 지역을 선정함으로써 학문적 접근과 연구적 목적을 위주로 정화지역을 분석 및 정화설계를 하는 목표를 설정하였다.

② 기존의 단순 정화가 아닌, 토양이 환경구성 요소로서의 기능을 수행하도록 토양의 적응력을 키워 재이용 할 수 있는 지속가능한 정화 방법을 모색해보고자 하였다.

2. 부지현황

(1) 부지개요

① 위치

- 인천광역시 부평구 산곡동 부영공원

② 면적

- 7만 1,700여 ㎡

③ 오염원인

- 수은폐기물, 배터리, 의약품, 용제, 슬러지, 석면, 트랜스포머 오일, 폴리염화비페닐            (PCBs) 등으로 오염되어있다.

④ 조사항목

- TPH (석유계 총 탄화수소), 벤젠, 크실렌, 납, 구리, 아연,  비소

[ 부영공원의 항공 사진]

(2) 과거 부지용도

과거 부지용도는 미 군사 기지로서 미군기지 내 유류탱크시설, 재활용 유통센터, 폐품 처리소가 기지 내에 위치하여 장기간 동안 폐기된 오염물로 인한 많은 양의 토양오염이 존재할 것으로 예상 가능하다.

[미 군사 기지 & 탱크시설 및 폐품 처리소]

(3)부지 위치 특성

부영공원은 아파트 단지 한가운데에 위치함으로써 접근성이 좋아 오염물질이 주변 주민들에게 영향을 미칠 가능성이 높은 지역에 위치하여있다.

[부영 공원의 위치]

(4)부지 이용 계획

미군기지 철수 후에 공원조성 추진 중이다.

[공원화 의견수렴 기사]

3. 기초조사

(1) 지형 및 지질

① 지질학적 특성 : 충적층으로 구성되어 있고 일반적인 충적층 토성은 아래와 같다.

[충적층의 일반적인 토성]

[부영공원 지질도]

② 지형학적 특성

1. 부영 공원의 지형은 일반적으로 남서 방향의 지형이 전반적으로 높고 북동 방향의 지형이 전반적으로 낮은 특성을 가지고 있다.

2. 수계 특징 역시 지형과 마찬가지로 일반적으로 남서에서 북동으로 흐르는 특성을 가지고 있다.  (굴포천 지류 ⇒ 한강수계 합류)

[지형경사도 및 수계]

③ 오염물의 예상 이동 경로

지형 및 수계를 고려할 때 오염물이 남서에서 북동 방향으로 확산될 가능성이 높다. 이에 따라 오염물이 북동쪽으로 확산되면서 굴포천 지류에 합류되고 한강수계에 합류하게 되면서 한강 주변 지역으로 2차 오염 가능성도 존재한다.

[오염물의 예상 이동 경로]

④위해성 평가

1. 주변 아파트 단지 위치 ⇒ 오염물이 주민들에게 노출될 가능성 높다.

2. TPH & 중금속이 있는 복합오염 지역으로 인체에 매우 유해하다.

3. 맞은편에 있는 오염된 부평공원의 영향이 있다.

4. 충적층을 지나 지하수계를 따라 굴포천과 한강수계로 유입가능성 높다.

4. 정밀조사

(1) 조사절차

(2) 시료 채취 및 오염현황

기존 부평 미군기지 시설 내에서 폐기물을 처리한 지역에 대하여 시료를 채취하였다.

좌측 하단 지역은 폐기물 처리를 하지 않은 지역이므로 채취 지역에서 제외되었다.

[시료 채취 위치]

[오염현황]

(3) 오염물질에 따른 분포 현황

오염물질에 따라 오염물질이 분포한 지역이 다르고 다음과 같다.

(4) 오염물질에 따른 지역 구분

TPH, Cu, Pb, Zn로 오염된 지역 중에 몇 가지 오염물이 중복된 지역이 있고 단일물질로 오염된 지역도 있다. 정화설계를 위하여 오염물질에 근거하여 오염지역을 크게 4군데 지역

(A, B, C, D지역)으로 나누어보았으며 다음과 같다.

(5) 오염면적 & 오염토량

오염지역 정화설계를 위해 정화해야 되는 양을 파악하여 오염 토량에 따른 정화 공법을 정하기 위해 정화를 해야 하는 오염면적과 오염토량을 조사하였다.

[지역에 따른 오염 토량과 오염 면적]

(6) TPH 오염 조사결과

BP01과 같은 영문자와 숫자의 조합은 시료채취 위치를 나타내주는 표기이다. TPH로 오염된 지역은 총 13곳이며, 붉은 글씨가 TPH 우려기준농도 (500[eqn: mg/kg])를 초과한 지역과 깊이이다. 오염된 결과를 보면 주로 표층이 심층에 비해 오염농도가 높게 검출 되었고 많이 검출되기도 하였고 B.T.E.X.는 전 지점에서 검출되지 않았다.

(7) 중금속 오염 기준 초과 위치 & 결과

5. 적용성 평가 및 설계

(1) 처리공법 선정 기준

(2) 처리공법 선정

모든 지역에 soil washing으로 처리하는 것이 가능하나, 이번 정화의 목적은 단순 정화가 아닌, 토양이 환경구성 요소로서의 기능을 수행하도록 토양의 적응력을 키워 재이용 할 수 있는 지속가능한 정화이므로 공원 부지 재이용에 적합하게 지역에 따라 각각의 공법을 선택하였다.

(3) A지역 정화 - Washing을 통한 중금속 및 TPH 동시 제거

A 지역은 TPH, Pb, Zn가 오염된 지역으로 유기물과 무기물(중금속)이 복합적으로 오염된 지역이다. 무기물과 유기물을 동시에 대부분의 오염물질을 정화할 수 있고 A지역이 상대적으로 오염토량이 제일 많기 때문에, 정화효율이 높은 Soil washing (TPH 90% 이상, 중금속 70%의 제거효율)을 정화방법으로 선택하였다. Soil Washing의 장점과 단점은 아래와 같다.

장점	단점
토양세척은 유, 무기물을 모두 처리가능	정화 후 폐기물과 폐수발생
정화에 소요되는 시간이 짧음
토양을 영구 복원할 수 있음	장치설치와 공정운전에 자본이 많이 듬
2차오염의 문제가 상대적으로 적다

Soil washing 고려인자는 아래 와 같다.

복합오염토양 Washing Mechanism

※ 간단한 세척 과정

토양입자 크기별 선별 세척(1mm 이상)

↓

미세토양의 화학적, 물리적 세척(1mm이하)

↓

폐수처리 후 고액분리(0.02mm이하)

복합오염물인 유류와 중금속으로 오염된 토양을 Soil washing하기 위해서는 세척제로 산을 단독으로 사용하거나 산과 과산화수소를 혼용하여 처리하는 것이 더욱 효율적이다.

A지역의 TPH 최고농도는 2681 mg/kg이고 Soil washing을 통해 정화한 후에는 268.1mg/kg으로 우려기준농도인 500mg/kg 이하를 만족하고 Pb의 최고농도는 470 mg/kg이고 정화 후에는 141.2mg/kg으로 우려기준농도(200mg/kg) 이하를 만족한다. Zn의 최고농도는 737mg/kg로 정화후에는 221.1mg/kg로 우려기준농도(300mg/kg)을 만족한다. 따라서 A지역에는 Soil washing 이후에 추가적인 정화나 공정이 필요하지 않는다.

Soil washing의 정화설비 비용은 1,263,721,000 원으로 정화설비를 설치할 시 1일 처리할 수 있는 토량의 양은 100m3으로 A지역의 오염토량 1612m3을 처리할 시 약 17일정도가 소요될 것으로 예상된다.	정화설비를 하루 가동하는데 드는 비용은 6,432,000 원으로 17일을 가동한다고 가정하면 A지역의 soil washing 비용은 총 1,373,065,000원이다.

(4) B지역 정화 – 고형화/안정화를 통한 Pb, Zn, Cu 제거

B지역은 중금속인 Pb, Zn, Cu로 오염되어서 고형화를 이용한 방식을 택한다. 고형화/안정화는 중금속 등 무기물질 고정에 효과적이며 적용범위가 매우 높고 약 95%의 유동을 감소시킨다. 하지만 휘발성 유기물질이 고정이 안되는 단점이 있는데 B지역은 휘발성 유기물질이 없으므로 고형화에 적합하다. 고형화/안정화에 영향을 미치는 인자는 아래와 같다.

고형화/안정화는 크게 in-situ 방식과 ex-site 방식으로 나오는데 각각의 특성은 아래와 같다.

In-situ 방식은 공원 용지로 사용되는 것에 부적합하므로 Ex-situ 후처리로 매립하는 방식을 택한다. 고형화를 위해서는 물질을 접합하는 접합제가 필요한데, 무기접합제와 유기접합제가 있고 각각의 특성은 아래와 같다.

B지역을 고형화하는 과정에서 비용이 저렴하고 장기적인 안정성이 보장되는 무기접합제중 시멘트를 사용할 것이며 시멘트를 이용한 고형화의 공정가격 은 130,000원 / m3 이다. 총 정화해야하는 오염토량은 199 m3 으로 고형화의 총비용 (시멘트 양 150 kg/m3 )은 약 25,870,000원이다.

(5)C지역 정화 – 2차 처리 : Phytoremediation을 이용한 Pb 제거

Phytoremediation은 식물을 이용하여 정화하는 방법으로서, 비용이 적게 들고 2차 부산물 발생이 적고 환경의 교란을 최소화한다는 장점이 있지만, 한정적으로 적용 가능하고 고농도 처리에 한계적이고 처리기간이 길다는 단점도 존재한다. Phytoremediation을 위해서는 아래와 같은 요인을 고려해야 한다.

Phytoremediation의 각 처리 원리별 적용 가능한 오염물질 및 식물은 아래와 같다.

C 지역은 Pb으로 오염된 지역으로 임목을 이용하여 정화하는 방법은 초본류에 비해 수명이 월등히 길고 오염물질을 흡수할 수 있는 범위가 커서 정화 효과가 더 높을 것으로 기대되는 포플러와 박달나무를 이용한 Phytoremediation을 적용한다. 하지만, 현재 C 지역의 납 오염 최고농도는 683.49mg/kg이고 오염토량은 131㎥이고 토양밀도는 2650kg/㎥ 으로 총 납 오염량은 237kg이다. 정화 목표치에 도달하기 위해서 제거해야 하는 납의 양은 총 167kg으로  3년생 박달나무 3000본을 심어 정화할 시 우려기준농도 이하에 도달하기 위해서는 23년 이상이 걸린다. 따라서 1차 정화기술로 Soil washing을 이용해 처리한 후에 Phytoremediation을 적용한다. 1차 정화로 Soil washing을 사용할 시 중금속 제거 효율은 70%로 잔류 납 오염농도는 205.04mg/kg가 된다. 납 오염 우려기준인 200mg/kg에 근접하여 5mg/kg을 초과하므로 soil washing으로 2차 처리 시 가격 대비 정화 효율이 낮다. 따라서 가격이 저렴하고 자연 친화적인 Phytoremediation을 2차 처리 방법으로 도입하고 이에 따른 조경효과와 토양의 적응력 증진도 기대할 수 있다. C지역의 납 오염면적은 약 1500㎡으로 심을 수 있는 포플러는 약 250그루로 우려기준인 200mg/kg에 도달하기까지 걸리는 시간은 약 1년이고 포플러의 생장기간은 20년에서 40년이므로 정화 목표치까지 도달 이후 추가적인 납 제거 가능해 토양의 자체 적응력을 증진시킬 수 있다.

(6) D지역 정화 : Biodegradation을 통한 TPH 제거

D지역은 TPH 단일오염 지역으로 Biodegradation 정화법을 이용하였다. Remediation 시 고려인자로는 오염물질의 존재, Electron acceptor, 미생물, 토성, Nutrient availability, 함수율, pH, 토양온도, 산화 환원 전위 등이 있다.

Biodegradation 공법은 크게 In-situ ( Bioaugmentation, Bioventing, Bioslurping, Biosparge, Biopolymer shields ) 와 Ex-situ ( Land farming, Composting, Bioreactor, Biopile, Vacuum Heap Biostimulation )로 나눌 수 있다.

Liquid-phase hydrocarbon removal technology, Vadose zone treatment technology, Saturated zone treatment technology, Treatment technology for recovered  groundwater, Off-gas treatment technology 중 기술을 정하기 위해 아래와 같은 알고리즘을 적용한 결과 Vadose zone treatment technology를 사용할 수 있었다. Vadose zone treatment technology는 Vented in-situ percolation을 통하여 aerobic biodegradation을 하는 공법으로 환경에 가해지는 교란 최소화하고 토양의 자체 적응력을 높여준다는 장점이 있으나 완벽한 분해 불가능하고 분해를 극대화하기 위한 반응조절이 어렵고 중간생성물이 존재한다는 단점도 존재한다.

[알고리즘]

[Biostimulation vs Bioaugmentation]

(7) 정화 비용 내역서

모든 지역을 Soil Washing으로 정화하는 방법과 복합 공정 정화의 경제적 측면에서 비교해 볼 때는 약 14억 5천만 원으로 차이가 없다.

6. 연구 한계점

정화 및 조사가 진행되지 않은 지역을 선정하여 기초조사 및 정밀조사 자료 부족.

- 현재 진행하려는 정화사업이기 때문에 아직 부영공원에 지질 혹은 지형학적 특징에 대       한 자세한 기초조사와 오염물질의 정밀조사 자료가 부족하여 정확한 연구는 어려웠다.

Soil washing 시 2차 오염 발생

- 토양을 굴착하는 과정 중 오염물의 유출이나 화학과정에 의한 2차 오염 발생 가능성을      고려하지 않았다.

Soil washing 후 나오는 오염수의 사후처리 과정

- Soil washing 세척 후 나오는 오염수를 처리하는 공정을 고려하지 않았고 따라서

이에 따른 기기 설치나 지역 등을 고려하지 않았다.

고정화/안정화 후처리

- Ex-situ 시 화학반응에 의해 2차 오염으로 인한 독성 발생을 고려하지 않았다.

Biodegradation 한계

- 연구실조건과 다른 현장조건으로 인해 적용여부와 효율 예상이 어렵고 Biodegradation       의 현장적용에 대한 자료가 부족했다.

7. 결론

부영공원을 정화하는데 있어 단일공정(Soil Washing)과 복합공정이 경제적인 측면에서는  차이가 없고 오히려 Soil Washing이 비용 측면에서 더 저렴하다는 것을 확인할 수 있었다. 기업들이 정화를 할 때 확실하고 단기에 효과가 있고 비용도 적절한 Soil Washing을 주로 채택하는 이유 중에 하나이다.

하지만 본 프로젝트에서는 기존의 단순 정화가 아닌, 토양이 환경구성 요소로서의 기능을 수행하도록 하고자 하는 것이 가장 우선시 되는 목표로 삼았다. 따라서 토양의 적응력을 키워 재이용 할 수 있고 다양한 상황에 스스로 적응할 수 있게 하는 지속가능한 정화 방법을 모색하는 국내 적용 사례가 적은 신기술 도입 사례로서의 의의를 두었다.

8. 참고문헌

1. 토양오염 정화방법 가이드라인, 환경부, 2007

2. 토양환경보전법, 2012

3. 김수곤 등(2009), “복합오염토양 정화용 다기능성 토양세척시스템의 상용화 연구”, 환경부

4. 인천지역 지하수 기초조사, 건교부, 2005

5. 부평 캠프마켓 주변지역에 대한 1단계 환경기초조사 보고서, 2009

6. http://www.stanley.army.mil/Volume4/Stabilization/Section5.htm

7. http://www.hawaii.edu/abrp/Technologies/biodegr.html

8. Ward, F.P., Military Applications of Biodegradation, in Biotechnology and Biodegradation, Advances in Applied Biotechnology Series, Vol. 4, A. Chakrabarty, D. Kamely, and G. Omenn eds., Gulf Publishing, Houston, TX, pp. 147-154.

9. Kumar, R. and C.B. Sharma, 1992, Biodegradation of Carbamate Pesticide Propoxur in Soil, in Environment and Biodegradation, V.P. Agrawal and S.V.S. RanaIndia eds., Society of Biosciences, India, pp. 137-148.

10. 토양복원 기술 및 사례집, 환경부, 2002

11. http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B6%80%EC%98%81%EA%B3%B5%EC%9B%90