<지하수 및 토양오염 프로젝트>

구 진해화학부지 정화설계

과목명 : 지하수 및 토양오염

담당 : 남경필 교수님

제출일 : 2013.12.19. 목

공과대학 건설환경공학부

2011-12019

강민아

서론

연구 배경

경상남도 창원시 진해구의 옛 진해화학 부지 51만㎡를 아파트단지 건설용도로 사들인 회사의 정화작업이 부실하게 진행되고 있다는 의혹이 제기되었다. 이 부지는 1967년 충주비료회사가 진해 화확 공장을 지었으며 수요 감퇴와 비료 경쟁력 악화로 1999년도에 공장이 폐쇄되었다. 그 후 4천 가구 이상의 아파트를 짓겠다며 제안서를 제출한 회사가 처리계획을 제시하지 않아 거절당했고, 20년간 쌓인 석고 80만여톤을 제거하고 그 동안 이루어진 토양오염으로 정화하는데 수십억 원이 달할 것으로 예상하여 아무것도 안하고 방치하다가 2012년도부터 정화 중이다. 아파트 예정지 부지에는 현재 유류, 폐석고 등의 오염토 80여만㎥가 남아있어 이를 처리하는 데 수년이 소요될 전망이다. 또 이 부지 내 기준치를 초과하는 중금속이 함유된 것으로 추정되는 오염토 수십만㎥는 ‘유해성 여부’가 명확히 확인이 안 된 상태다. 이처럼 오염토 수십만㎥가 존재하는 상황에서 토양정화 ‘완료 검증’을 받지도 않은 채 지난달부터 외부의 양질12만㎥를 반입해 단지 내 되메우기작업을 하거나 공사장 곳곳에 쌓아두고 있다. 진해화학 부지에는 2011년 8월 창원시가 전문기관에 을 의뢰해 토양오염 정밀조사를 실시한 결과 전체 공장 터의 54% 이상이 니켈 등 중금속에 오염된 것으로 확인됐다. 또한, 해당부지의 21개 지점에서는 대책기준을 초과했으며, 불소는 공장부지 30% 이상이 오염된 것으로 나타났다. 특히, 석고부지는 전 지역에서 우려 기준을 초과한 것으로 나타났고, 이밖에 납, 불소, 비소, 카드뮴 함량이 공업용수 수질기준 이상 검출되었고, 26개 조사지점 중 오염지역이 23개소로  오염범위는 전체 부지의 89%에 해당하는 것으로 나타났다. 따라서 이 지역의 정화가 시급한 것으로 밝혀졌다.

연구 목적

진해 화학부지를 4천 세대 이상의 아파트 단지가 들어설 수 있게 중금속 등 다양한 오염물질을 정화하여 토양 오염 우려기준 이하로 맞추도록 한다. 최대한 친환경적이고 2차 오염물질이 발생하지 않으며 주변 환경을 보존하는 방법으로 이를 진행하도록 한다.

개황 조사

지리적 특성

경남 진해시 남쪽 해안에 있는 진해만은 진해시 해안도로와 인접해있다. 따라서 접근성이 좋아 오염물질이 사람에게 노출될 확률이 매우 높다. 바다와 매우 근접해 있어 지하수가 오염되는 것이 바다에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 오염물질에 대한 처리가 시급하며, 폐쇄된 공장 부지 한편에는 폐석고를 쌓아두어 미관상으로도 관리가 필요한 상태이다.

기상학적 특성

기상학적 특징은 크게 기온과 강수량 그리고 바람으로 나누어서 볼 수 있으며, 다음의 자료들은 최근 10년간 자료들을 분석한 결과이다. 경남 창원시 진해구는 내륙지방 고위도 지방에 비해 기온의 연교차가 비교적 작은 해양성기후이다. 기온은 연평균 15도 정도로 전형적인 온대해양성 기후이다. 대륙성 기후의 영향으로 9월부터는 급속한 저온현상을 보인다.  총 강수량은 1565.3mm로 많은 편이고, 여름에는 습도가 80%까지 올라가고, 겨울에는 51%까지 떨어진다. 여름에는 고온다습하고 겨울에는 한랭건조한 우리나라의 전형적인 기후특성을 보인다. 또한 현상일수는 강수 90일, 맑음 174일, 흐림 56일로 우리나라의 평균치보다 맑은 날이 많은 편이다. 바람은 대기확산과 관련한 바람이 전혀 불지 않은 정온상태(CALM)의 빈도가 연 평균 76%로 평균보다 낮게 나타난다. 최다풍향은 북풍이며 봄 ․ 여름에는 남풍이 우세하다.

지질 ․ 수리학적 특성

지질학적 특성

이 지역의 기반암은 안산암 또는 석영 안산암으로 비교적 풍화에 강한 편이다. 이 지역의 시추조사 결과표는 다음과 같으며 대부분 실트질 모래층으로 이루어진 것을 알 수 있다. 또한 바닷가근처에서는 실트질 점토층으로 이루어진 것을 알 수 있다.

수질학적 특성

수질현황 조사 결과, pH는 중성이며, 다양한 중금속이 함유되어 있다. 이 자료는 진해구의 평균적인 자료로서 본 연구에서는 진해만의 특성을 더욱 살려 폐석고에 의해 pH는 더 높다고 가정하고, 화학단지의 영향으로 다양한 다른 중금속들이 더 많이 포함되어 있다고 가정할 것이다.

물리화학적 특성

오염 부지를 3곳으로 나누어 물리화학적 특징을 조사 및 가정하면 다음과 같다. 공장이 있던 1번 부지는 sand 와 silt 비율이 높으며 pH는 거의 중성을 띠고 있다. 함수량은 18.8%를 보이고 있다. 2번 부지 또한 sand와 silt의 비율이 높으며 1번 부지보다 clay의 함량도 높은 편이다. 폐석고의 영향으로 pH는 9.2로 약한 염기성을 띠고 있으며 함수량은 20.8%이다. 3번 부지는 바다와 가까이 있어 clay의 함량이 높은 편이며 함수량 또한 28.8%로 높다.

지하수 특성

지하수 특성은 크게 site 1,2와 site 3으로 나눌수 있다. site 1과 2는 포화수리전도도가 0.15~0.45(cm/hr)이고, 불투수층의 깊이는 100cm 보다 깊으며 지하수위도 100cm 보다 깊다. site 3은 포화수리전도도가 0.36(cm/hr)보다 작으며 불투수층의 깊이도 50cm 보다 작고 지하수위 또한 60cm보다 낮다.

오염 물질 조사

이 곳의 오염물질은 크게 5가지이다. 첫 번째는 니켈로 화학공장 부지에서 나온 주된 오염물질이며 공장부지의 24%를차지하고 있다. 니켈은 피부염이나 폐암을 일으킬 수 있으며 물에 잘 녹지 않는 불용성 화합물이다. 주로 호흡기와 피부를 통해 인체로 들어오며, 지속적으로 노출될 경우 접촉성 만성피부염 및 폐암 등 발생위험이 높아진다.

두 번째로 남은 오염우려기준 이상 검출되었으며 지하수 오염범위 전체부지의 89%가 오염되어 있다. 분진이나 증기상태로 체내에 흡수되기가 쉽고, 연소할 때 산화납과 같은 유독가스가 발생한다. 지속적으로 노출될 경우 말초신경마비. 뇌부종, 신장염 등을 유발하며 납중독이 발생할 수 있다.

세 번째는 불소로 site 2에 쌓여있어 오염 기준치의 2653배에 다다른다. 공장부지 30%이상을 차지하고 있다. 과다한 양의 불소는 뼈를 물렁물렁하게 하며 돌연변이와 암을 유발할 수 있다.

네 번째는 비소로 오염 대책 기준 이상 검출되었다. 무기비소 화합물은 환경 중에서 비교적 이동이 자유롭기 때문에 식품이나 음용수에 오염되는 경우가 있어 주의를 기울여야 하며 이는 발암성이 있는 것으로 알려졌다. 호흡기와 소화기, 피부를 통한 노출은 미미하지만, 일반인들이 비소에 오염된 물과 오염된 토양에서 재배된 농작물 및 어패류 등의 섭취를 통해 노출되고 있다. 무기비소는 피부암 발생을 야기할 수 있고, 호흡기에 유해한 영향을 줄 수 있다.

다섯 번째는 카드뮴으로 오염대책 기준 이상 검출되었고, 오염범위 전체부지의 89%이상이 카드뮴으로 오염되었다. 카드뮴은 금속열과 폐질환을 일으킬 수 있다. 카드뮴 분진이나 증기로 체내에 들어오며 폐질환, 빈혈, 간 기능 장해 및 폐암을 일으킨다.

이 지역을 공장이 있었던 site 1과 폐석고를 쌓아 두었던 site 2, 그리고 바다와 가까운 site 3으로 나누었을 때, site 1과 3에는 중금속(Ni, Cd, Pb, As)의 오염이 그리고 site 2에는 폐석고와 불소(F)의 오염이 주된 토양오염이라고 가정한다.

정화 공법 및 적용

동전기적 정화방법

개요

동전기적 기술(Electokinetics)은 Electroreclamation, Electrokinetic soil remediation 또는 Electrokinetic soil processing이라 불린다. mA/㎠ 수준의 직류 전류를 토양 내에 배열된 전극을 통해 흘려줌으로써 토양 입자 사이의 세공유체(pore fluid)에 동전기 현상(Electrokinetic phenomena)을 유도하는 방법이다. 동전기 현상은 전기삼투, 전기이동, 전기 영동 세가지의 메카니즘으로 이루어진다. 전기삼투는 전기경사에 의한 공극수의 이동으로 포화된 토양 내 전류가 가해지면 양이온들이 음극을 향하여 이동하면서 공극수를 함꼐 이동시킴으로써 물이 흐르는 현상으로 가해진 전기장과 토양 이중층에서의 제타 전위 사이의 상호작용 때문에 일어난다. 전기삼투는 낮은 수리전도도를 가진 토양 내에서 유체의 이동을 빠르게 하며 점토 내의 복원 작용에 상당히 기여한다. 전기이동은 전기경사에 의한 전하를 띤 화학물질의 이동으로 전기장에서의 토양 공극수 내 존재하는 전하를 띤 이온물질의 이동으로 자신의 전하특성에 따라 양이온은 음극으로 이동하고 반면에 음이온은 양극으로 이동하는 현상이다. 전기영동이란 전기경사에 의한 전하를 띤 입자의 이동으로 토양-액체 혼합물 내의 전하를 띤 콜로이드의 이동으로서 고체상태는 이동에 제한을 받기 때문에 치밀한 매질 내에서 전기영동에 의한 이동에는 한계가 있다.

특징

① 기존의 펌핑 기법보다 세립토에서 물과 오염물을 더욱 효과적으로 이동시킬 수 있다.

② 실트 및 점토가 많은 저 투수성 지반의 토양정화에 주로 적용된다.

③ 극성을 가진 오염물질의 제거에 매우 효과적이며, 중금속, 핵 물질, 페놀, TCE, 톨루엔 등 유기 및 무기물질의 제거가 가능하다.

④ 특별한 첨가제 등이 필요하지 않아 자연 친화적이다.

⑤ In-si tu, Ex-si tu 에 모두 적용 가능하다.

⑥ 운전 비용이 고가이고 알칼리화에 의한 침전현상이 일어난다.

⑦ 함수율 10% 미만부터 효율이 급격히 저하된다.

적용

동전기적 정화방법으로 site 1의 많은 양의 중금속을 정화한다. 지층 속에 전극을 설치하고 전극에 직류전기를 가해 동전기 현상을 발생시키다. 이 때 흙과 물의 전해질 시스템이 물리․화학․수리학적으로 변화하여 오염물질을 이동시키고 제거할 수 있다. 비교적 낮은 수리전도도를 가져서 동전기적 정화방법을 쓸 수 있으며, 이를 통해 남는 중금속은 친환경적인 식물정화법으로 정화하여 비용을 줄일 수 있다. 방법은 표에 나온 방법의 6번 경우를 적용했다. 3,4번이 효과는 좋으나 질산이나 황산으로 전처리를 해야 해서 토양이 다소 강한 산성으로 될 우려가 있다. 따라서 정화 기간을 늘리더라도 비슷한 효과를 얻을 수 있는 6번의 방법을 선택했다.

식물정화법

개요

식물을 이용하여 오염토양 및 지하수를 포함한 수질을 정화시키는 새로운 자연치화적인 환경복원기술이다. 미생물과 식물을 이용한 식물정화공법을 통하여 생태적 기능이 담보되며 2차 오염이 없는 생태친화적, 경제적 정화기술이 필요하게 되었다.

특징

① 에너지 요구량이 적어 자연광인 태양에너지를 이용하면 환경친화적이다.

② 물리적 처리공정의 10~20%의 비용으로 경제적이다.

③ 자연저감법(natural attenuation)보다 비교적 빠른 처리법이다.

④ 대기 중이나 수중으로 배출하는 오염물질이 적고, 천연자원을 보존할 수 있다.

⑤ 물리․화학적 처리법에 비해 처리속도가 느리고 표토에만 사용이 가능하다.

⑥ 분해산물 혹은 중간산물의 독성과 생물학적 이용 가능성에 대한 자료가 부족하다.

⑦ 처리부지 토양의 특성 및 기후조건에 영향을 받는다.

적용

진해만은 지하수 오염도 아주 큰 영향을 미칠 수 있으므로 동전기 정화 후 남은 중금속을 대기 중이나 수중으로 배출하는 오염물질이 적은 식물 정화법으로 정화한다. 이 때 정화 후 식물에는 농축된 중금속이 있어서 후처리가 필요하다. 이를 소각장에서 태워버리면 대기오염이 발생하므로, 이 식물체들을 추출해서 밀폐한 뒤 탄화수소와 기타 유기화합물로 구성된 오염물질의 구조를 파괴해서 더 이상 유해하지 않도록 분해시키도록 한다.

이 방법으로 크게 비소, 아연, 납 , 니켈을 정화한다. 먼저 비소는 쇠뜨기Equisetum arvense L.)를 통해 정화한다. 쇠뜨기는 우리나라에서 많이 자생하는 다년생 식물로서 생체량 생산이 많고 실험한 결과 Equisetum arvense L.는 1m2당 1080g의 생체량을 생산하며 이 때 식물체내 비소농도를 측정하였을 때 1176 mg kg-1로 나타났다.

이는 일반적인 중금속 고축적종으로서의 조건을 만족시키는 결과이다.

두 번째는 아연의 정화이다.  Zn 오염토에서는 유채 17.75mmg/m² > 해바라기 8.48mg/m² > 적겨자 6.92mg/m² 순으로 정화의 능률이 정해졌으며 유채를 통해 아연을 정화하기로 결정하였다. 유채는 지상부의 70%, 지하부의 30% 아연을 축적하는 것으로 보여졌다.

세 번째 납의 정화는 해바라기로 정하였다. Pb 오염토에서는 해바라기 6.09mg/m² > 유채 1.10mg/m² > 적겨자 0.88mg/m² 순으로 나타났다. 해바라기는 지상부 30%, 지하부 70%에 납을 축적하며, 여기에 EDTA를 더하게 되면 더 큰 효과를 볼 수 있다.

마지막으로 니켈은 Ni 오염토에서는 적겨자 6.31mg/m² > 해바라기 2.98mg/m² > 유채 0.88mg/m²로 적겨자를 통해 정화하였다. 적겨자는 지상부 90%, 지하부 10%에 니켈을 축적한다.

위 식물들은 최종적으로 현장 생육조건을 고려하여 단위 면적당 중금속 축적량이 우수한 식물들로 선정하였다. 진해만에 서식하는 동물(집쥐, 비둘기, 방울새 등)들은 대부분 꽃잎을 뜯어먹는 경향이 적은 동물들이기 때문에 이 방법이 적합하다고 생각하였다. 실제 토양 중금속 함량 분석결과 현장 실험의 경우 Ni 오염지역은 초기농도 대비 58%, Zn 오염지역은 76%, Pb 오염지역은 57%의 저감효율을 보였는데 특히, 유채가 파종된 Zn 오염지역의 아연 제거효율이 가장 높았다. 또한 연구결과, 적용식물의 경작 90일 후에 최대 생체량 및 최대 중금속 축적량을 보였고 그 이후에는 노화현상에 의해 중금속 축적량이 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 최적의 정화효율을 보이는 운영주기는 90일로 판단되었다.

폐석고에 의한 불소제거

개요

이 지역은 폐석고와 불소를 동시에 가지고 있는 지역으로 두 물질 모두 정화가 필요하다. 보통 불소의 정화는 동전기 정화를 사용한다. 하지만 이 지역을 동전기 정화로 불소를 정화한다면 수많은 비용이 들어서 비효율적이라고 생각하였다. 이 때, 폐석고를 통해 불소를 제거할 수 있는 연구를 찾아내어 이 둘의 화학적인 반응을 이용하여 두 물질 모두 동시에 정화할 수 있는 방안을 모색해보고자 한다.

처리방법

폐석고와 생석회의 비교

폐석고는 생석회에 비해 CaO의 함량이 적다. 따라서 생석회에 비해 얼마정도의 불소 제거 효율을 가지고 있는지 비교하고자 한다. 이는 반응시간에 따른 10mM의 불소의 제거효율 및 반응속도를 나타낸 그래프이다.

그림  폐석고를 이용한 정화

그림  생석회를 이용한 정화

그림 10과 11을 비교하면 별로 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있다. 이를 더욱 자세히 비교하기 위해 반응계수를 나타내면 다음과 같다.

그림  폐석고를 이용한 정화

그림  생석회를 이용한 정화

그림 12와 13을 비교하면 계수 또한 그리 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있다. 또한 실험적으로 CaO가 많을 때는 이차 반응에 흡사하게 일어나고 적을 때는 일차 반응과 흡사하게 일어난다. 따라서 이를 실제로 적용할 때는 폐석고를 이용하므로 일차 반응이라 가정하고 농도는 5%일 때의 계수를 이용하여 적용하였다.

pH와 우려기준을 고려한 적용

위 그림은 폐석고를 통한 불소의 제거 반응을 pH에 따라 나타낸 반응이다. 이를 기준으로 이 지역의 pH는 8~12 사이 이므로 그 사이 값을 생각해서 반응 효율을 결정할 것이다.

적용

이 그림은 실제로 불소로 오염된 토양에 이 방법을 이용한 것이다. 다양한 이온들과 반응은 대체로 큰 영향을 일으키지 않았다. 이 반응을 위해서는 폐석고의 특성상 반응조건에 맞는 pH를 유지하기 위하여 알칼리 보조제의 첨가가 필요하다. 따라서 증류수로 폐석고를 희석한 뒤 NaOH를 넣어 높은 pH를 유지하여 정화를 한다. 불소의 토양오염 우려기준은 400mg/kg 이므로 이를 실험값과 비교하여 대입하면 적정한 수준의 불소 정화를 할 수 있을 것이며, 또한 폐석고의 정화도 함께 이루어 낼 수 있을 것이다. 그리고 이 반응으로 나타나는 CaF₂는 2차 처리가 불필요하기 때문에 경제적이다. 폐석고에 함유된 불순물에 의한 새로운 침전물의 생성을 확인하여 침전물의 2차처리 적용 및 재활용 방안을 검토하기 위해 대상 오염 토양 처리 시 생성된 침전물에 대하여 XRD 분석을 통해 각 침전물의 성상 분석을 수행한 결과 생석회의 침전물 분석결과 CaF₂의 특성피크가 주로 확인되었고, 폐석고의 침전물 또한 동일한 것을 확인하였다.

투수성 반응벽체(Permeable Reactive Barrier, PRB)

개요

투수성 반응벽체는 오염지하수의 처리를 위해 상용화된 기술로서 국내에서는 위생매립장이나 폐광산 등과 같이 오염원에 대한 직접 처리가 어려운 경우 지하수 중의 오염성분만을 제거함으로써 주변으로의 오염 확산을 방지하기 위해 일부 적용되고 있는 공법이다.

특징

① 오염대가 존재하는 지표 하부에 반응물질층을 설치하여 지하수 오염대의 수리학적 흐름을 이용하여 반응매질과 오염물질의 화학적 반응을 유도시켜 오염원을 제거한다.

② 오염된 지하수의 흐름을 유지한 채로 그 위치에서 정화할 수 있으므로 부가적인 에너지 소비, 지표 처리시설, 매립 및 처분시설을 필요로 하지 않는다.

③ 비교적 20m 이내의 천부 오염원에 적용이 가능하며 현재까지 장기간의 검층결과와 처리수명에 대한 자료가 부족하다.

④ 국내에서도 폐금속광산의 침출수 등을 처리하기 위해 광미장 주변을 연직 차수벽 공법으로 적용하고, 지하수 흐름을 고려하여 일부 광미적치장 하부에 반응벽체를 적용한다.

처리방법

오염물질	오염원	구성요소	반응물질	반응기작
염화유기물	공단지역, 주유소, 정유공장 등의 산업시설 및 군사시설	TCE, PCE	Fe0, GP dust, HRM Sludge	탈염소화
		PCBs	Pd/Fe Bimetal, Nanoscale Fe	촉매적 탈염소화
영양염류	매립지 침출수, 축산폐수	T-N, Ammonia	Zeolite	이온교환, 흡착, 철에 의한 탈질
	축산폐수	T-P	Wastelime, SM Slag	흡착 및 침전
중금속	산업 및 군사시설, 폐광산 산성폐수	Cr6+	HRM Sludge, SM Slag	환원
		Cd, Hg, Mn, As, Cu, CN, Pb	Zeolite, SM Slag	이온교환, 흡착
황산염	폐광산 산성폐수	Sulfate	AlOH, SM Slag, Wastelime	침전, 중화

적용

앞서 동전기적 정화와 식물 정화법으로 정화한 중금속이 잔류하여 바다로 흘러들어가는 것을 막기 위해 Site 3에 이 공법을 적용한다. 만약 잔류 중금속이 바다에 유입될 경우 어패류에 축적되어 인간에게 농축 될 수 있기 때문이다.

결론

토양 오염은 지하수 오염, 하천오염, 대기오염 등 다른 매체로 오염물질이 이동하여 오염을  야기하는 원인으로써 다른 매체와의 상호연관성을 지닌다. 따라서 유해한 중금속이 다량으로 있어 토양에 흡착된 경우에는 환경에 대한 파급효과가 크므로 법적 기준 초과시 무조건적인 정화가 병행되어야 한다. 구 진해화학부지의 중금속 및 폐석고와 불소를 정화하는 방법에 대해 알아보았다. 이를 정리하면 먼저 site 1에 동전기적 정화방법으로 중금속을 대부분 정화한 뒤, 이 지역에 식물 정화법을 이용하여 긴 시간에 걸쳐 중금속을 처리하도록 한다. 이 때 동전기적 정화방법은 cathode에서 HNO₃1M, anode에서 MgSO₄0.1M로 28일 동안 정화하고, 식물 정화는 쇠뜨기, 해바라기, 유채, 적겨자를 이용하여 중금속 잔여물 처리를 진행한다. site 2에서는 폐석고와 불소를 한꺼번에 제거하는 화학반응을 이용하여 이 두가지 오염물질을 한꺼번에 정화한다. 이 때 NaOH로 적정 pH를 계속 유지하는 것이 중요하다. 마지막으로 site 3에서는 site 1에서 처리한 중금속들이 잔류하여 바다로 흘러들어가지 않도록 한번 더 투수성 반응벽체를 이용한 정화를 실시한다.

이 프로젝트 설계는 공법의 경제적인 측면을 정확하게 조명하지 못했다는 한계를 가지고 있다. 다양한 연구 논문을 찾아보았지만 핵심적인 물질과 처리비용만 겨우 찾을 수 있을 뿐 기타 부대시설비와 관리비 등 많은 비용을 추정하는 것이 사실상 불가능했다. 하지만 개념적인 측면에서 부지의 특성을 고려하여 정화를 진행하였다는 점에서 의의가 있다.

참고문헌

김국진 등 (2008), “유기성 영양분 첨가 및 화학적 산화 연계를 통한 유류오염 토양의 생물학적 정화효율 향상에 관한 연구”, 한국지하수 토양환경학회.

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문용수(2010), “인천지역의 토양오염 현황 분석 및 장래오염 예측”, 인천대학교 공학대학원 석사논문.

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마산 진해 지역 지하수 기초조사 보고서, 국토교통부 , 2005.

토양오염 정화방법 가이드라인, 환경부, 2007.

토양환경보전법, 2012 .