지하수 및 토양오염- 구 진해화학부지 정화 설계

건설환경공학부

2011-12051 심유록

<제목 차례>

1. Site 선정 및 배경	3

1.1 배경	3

1.2 Site 특성	3

1.3 지리적 특성	4

2. 오염현황 분석	4

2.1 개황조사	4

2.2 오염지역 기상학적 특징	5

2.2.1 기온	6

2.2.2 강수량	6

2.2.3 바람	6

2.3 오염지역 지질/수리학적 특징	6

2.4 오염지역 물리 화학적 특성	6

2.5 오염지역 지하수 특성	7

3. 정화방법 및 설계	7

3.1 오염현황 및 대안평가	7

3.2 정화설계	9

3.2.1 동전기적 정화방법	9

3.2.2 식물정화법(Phytoremediation)	10

3.2.2.1 기술개요	10

3.2.2.2 정화기법	10

3.2.2.3 정화 식물	11

3.2.3 폐석고에 의한 불소제거	12

3.2.3.1 폐석고와 생석회의 비교- 반응시간에 따른 불소의 제거효율 및 반응속도	12

3.2.3.2 혼합침전제에 따른 불소의 처리특성	13

3.2.3.3 pH와 우려기준을 고려한 적용	13

3.2.3.4 침전물 2차처리에 대한 판단	14

3.2.3.5 경제성 평가	14

3.2.4 PRB(Permeable Reactive Barrier)	14

3.2.4.1 기술 개요	14

3.2.4.2 반응제 선택	15

4. 결론	16

5. 참고문헌	17

<표 차례>

표 1 오염물질에 따른 오염현황	5

표 2 토양 오염기준	5

표 3 시추조사 결과표	6

표 4 수질현황 조사결과	6

표 5 Site에 따른 토양성분	7

표 6 토양특성	7

표 7 지하수 특성	7

표 8 실험 조건	9

표 9 식물별 중금속 축적비율 및 중금속 축적량	11

표 10 정화 후 기대농도	11

표 11 Gypsum과 Lime의 rate constant와 determination coefficient	12

표 12 Comparison of economical efficiency	14

표 13 PRB의 오염물질에 따른 반응물질	15

<그림 차례>

그림 1 진해화학 터	4

그림 2 진해화학 부지의 지리적 특성	4

그림 3 Site	6

그림 4 토양성분에 따른 분류-삼각형	6

그림 5 부지별 오염현황	8

그림 6 오염물질에 따른 정화방법	8

그림 7 동전기적 정화 원리	9

그림 8 Distribution of Ni after Electrokinetic Treatment	9

그림 9 Phytoremediation 원리	10

그림 10 Time course of the residual concentration of fluoride	12

그림 11 Variation in the residual concentration of fluoride and phosphate depending on the mixed precipitants.	13

그림 12 pH에 따른 precipitation dosage 및 removal efficiency	13

그림 13 Schematic illustrating how PRBs work	15

그림 14 식물정화법(Phytoremediation)을 이용한 site1의 예상 규모 및 비용	16

그림 15 site2의 예상 규모 및 비용	17

1. Site 선정 및 배경

1.1 배경

2013년 5월, 경남 창원시 진해구 옛 진해화학 터의 정화작업이 부실하게 진행되고 있다는 의혹이 제기됐다. 30일 경남 창원시와 환경단체 그린라이프 네트워크에 따르면 10년 전 진해화학 부지 51만㎡를 아파트단지 건설용도로 사들인 부영그룹은 지난해부터 계열사인 ㈜부영환경산업을 통해 토양정화작업에 돌입하였다고 한다. 그들은 지금까지 폐석고 등 오염토 20여만㎥를 울산 등지의 전문업체로 보내 처리했다. 아파트 예정지 부지에는 현재 중금속과 불소, 유류, 폐석고 등의 오염토 80여만㎥가 남아있어 이를 처리하는 데 수년이 소요될 전망이다. 또 이 부지 내 기준치를 초과하는 중금속 니켈이 함유된 것으로 추정되는 오염토 수십만㎥는 ‘유해성 여부’가 명확히 확인이 안 된 상태다.

이처럼 오염토 수십만㎥가 존재하는 상황에서 부영환경은 토양정화 ‘완료 검증’을 받지도 않은 채 지난달부터 외부의 양질사토 12만㎥를 반입해 단지 내 되메우기작업을 하거나 공사장 곳곳에 쌓아두고 있다. 부영환경은 앞으로도 외부 사토 40만㎥를 추가로 받을 예정이다. 토영정화 관련법에 규정돼 있는 완료검증을 받지도 않은 상태에서 외부의 양질 사토를 무더기로 반입하는 것은 제대로 된 정화과정이 아닌 오염토 잔재에 양질사토를 섞어서 희석시키기 위한 것이라고 볼 수밖에 없다.

진해화학 부지에는 2011년 8월 창원시가 전문기관에 용역을 의뢰해 토양오염 정밀조사를 실시한 결과 전체 공장 터의 54% 이상이 니켈 등 중금속에 오염된 것으로 확인됐다. 또한 이와 관련해 시민단체는 “해당부지에 있는 약 780,000㎥의 폐석고는 고농도의 불소가 검출되었다.”며 폐석고를 정제해 재활용하는 방안에 대해 반대의 뜻을 밝혔다. 폐석고를 매립하거나 재활용하는 경우, 토양오염물질인 불소로 오염된 석고, 블록, 매립제를 다시 사용하는 것으로, 이는 또 다른 지역에서의 오염을 발생하게 만든다는 것이다. 이 밖에 부지면적 중 83%의 지하수가 오염되었고, 불소는 기준치 2653배, 카드늄은 기준치의 952배가 검출되었다. 보고서에 따르면 공장부지에서는 니켈(Ni)이 주요 오염성분으로 나타났고, 공장부지 24% 이상, 석고부지의 일부 심토에서 우려기준을 초과한 것으로 나타났다. 또한, 해당부지의 21개 지점에서는 대책기준을 초과했으며, 불소는 공장부지 30% 이상이 오염된 것으로 나타났다. 특히, 석고부지는 전 지역에서 우려 기준을 초과한 것으로 나타났고, 납, 불소, 비소, 카드늄 함량이 공업용수 수질기준 이상 검출되었고, 26개 조사지점 중 오염지역이 23개소로 지하수 오염범위는 전체 부지의 89%에 해당하는 것으로 나타났다.

1.2 Site 특성

그림  진해화학 터

그림1에 나와 있듯이 경상남도 창원시 진해구 옛 진해화학 터이다. 충주 비료회사가 진해화학 공장을 67년도에 지었으나 수요감퇴와 비료 경쟁력 악화로 99년도에 폐쇄되었다. ㈜부영에서 매입 4천가구 이상의 아파트를 짓겠다며 제안서를 제출하였지만 처리계획을 제시하지 않아 돌려보냈다. 20년간 야적된 석고 80만여톤을 제거하고 그동안 이루어진 토양오염을 정화하는데 수십억원이 달할 것으로 예상하여 아무것도 안하고 방치하다가 12년도부터 정화중이다.

1.3 지리적 특성

그림  진해화학 부지의 지리적 특성

위 그림2에서 알 수 있듯이 진해화학 부지는 경남 창원시의 진해구(진해시) 남쪽에 위치한 만으로써 진해 해안도로에 인접하여있어 바다로의 오염물질 노출 확률이 매우 높다. 진해화학 부지의 상부쪽에 해당하는 부분이 과거의 공장이 위치하였던 곳으로 현재는 폐쇄되어 공터로 남아있다. 공장 아래쪽에 흰색으로 표시되는 부분은 현재 부영그룹에서 폐석고를 쌓아두어 방치하고 있는 곳이다. 오염부지의 면적은 약 514820㎡이다.

2. 오염현황 분석

2.1 개황조사

표  오염물질에 따른 오염현황

오염물질	오염현황	농도(mg/kg)
니켈	주된 오염물질, 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 대책기준 이상 검출 지하수 오염범위 전체 부지의 89%	78
카드뮴		30

표 1에서 나타나듯이 니켈은 진해화학부지의 주요 오염물질이며 공장부지의 24%가 니켈로 오염되어 있다. 그 농도는 374mg/kg이다. 불소의 경우 공장부지 30%이상이 오염되어 있으며 그 농도는 불소 농축으로 인하여 기준치의 2653배에 달하며 수치로 나타내면 1,061,200mg/kg이다. 납은 오염 우려기준(200mg/kg) 이상 검출되어 그 농도는 312mg/kg이고  지하수 오염범위 전체 부지의 89%가 오염되었다. 비소와 카드뮴은 납과 마찬가지로 지하수 오염범위 전체 부지의 89%가 오염되었으며 그 농도는 78mg/kg, 30mg/kg으로 각각의 대책기준인 75, 12mg/kg보다 높은 것을 알 수 있다.

오염심도는 약 2m까지이며 지하수를 거쳐 바다로 유입될 가능성이 높다.

표  토양 오염기준

따라서, 진해화학부지의 주요 오염물질인 니켈, 불소, 납, 비소, 카드뮴을 표 2에 나타난 토양오염우려기준을 목표로 삼아 정화를 시행할 것이다.

2.2 오염지역 기상학적 특징

2.2.1 기온

오염지역의 기온은 연평균 15도로써 바다 근처에 위치하여 온대해양성 기후를 띠고 있다. 그러나 대륙성 기후의 영향도 어느 정도 받는 것으로 나타났다.

2.2.2 강수량

총 강수량은 1565.3mm이고 여름에는 습도 80%의 고온다습한 환경이며 겨울에는 습도 51%의 한랭 건조한 날씨가 지속된다.

2.2.3 바람

바람이 불지 않는 정온상태(calm)의 발생빈도는 연평균 76%에 달하여 대기를 통한 오염물질의 이동은 무시하기로 하였다. 봄과 여름에는 북풍과 남풍이 발생한다.

2.3 오염지역 지질/수리학적 특징

오염부지의 기반암은 대체로 안산암 또는 석영 안산암으로 이루어져 있으며 평균 깊이에 따라 지층구성이 표 3과 같이 달라진다. 오염부지의 pH는 8~10으로 염기성을 띠고 있으며 지하수는 표4와 같은 수질 현황을 띠고 있다.

표  시추조사 결과표

표  수질현황 조사결과

2.4 오염지역 물리 화학적 특성

그림  Site

그림  토양성분에 따른 분류-삼각형

오염지역을 물리 화학적 특징으로 구분하면 그림3과 같이 총 3가지 site로 나눌 수 있으며 이는 그림4의 분류를 따른다. 각각의 토양성분은 다음 표와 같다. Site 1은 바다로부터 비교적 멀리 떨어져있고 sand와 silt가 많은 사질토라고 할 수 있다. Site 2는 Site1과 그 비율은 매우 유사하나 clay의 비율이 약간 더 높고 폐석고에 의하여 pH가 염기성을 띠는 것을 알 수 있다. 마지막으로 Site 3의 경우 바다와 인접하여 clay의 비율이 가장 높고 함수량 또한 높은 것을 알 수 있다. 또한 투수성이 양호하여 오염물의 이동가능성이 크다.

표  Site에 따른 토양성분

2.5 오염지역 지하수 특성

2.4에서 말한 Site 1,2,3을 HSG에 따라 분류해보면 site 1,2는 HSG중 C로 분류되어 불투수층의 깊이가 50~100cm이며 site 3dml 경우 HSG중 D로 분류되어 지하수위가 100cm 이내인 경우로 파악된다. 표 7은 HSG C, D 각각의 수리전도도에 대한 정보이다. 이를 통해 지하수가 바다 쪽으로 흘러들어가는 것을 알 수 있고, 지하수위가 전반적으로 높은 것을 알 수 있다.

표  토양특성

표  지하수 특성

3. 정화방법 및 설계

3.1 오염현황 및 대안평가

그림  부지별 오염현황

위의 그림5와 같이 site 1과 3의 경우에는 주 오염물질이 중금속이다. 중금속의 종류에는 Ni, Cd, Pb, As가 있다. 반면에 site2는 폐석고를 쌓아둔 장소이므로 주 오염물질은 폐석고와 불소(F)라 할 수 있다. 각 site에 맞게 정화방법에 대한 대안을 살펴보았다.

그림  오염물질에 따른 정화방법

그림 6은 오염물질에 따라 가능한 정화방법 모두를 나타낸 표이다. 우리는 site의 오염물질과 특성에 맞게 알맞은 정화방법을 제시하여 보았다. 먼저 site1의 경우 중금속 중 가장 많은 비율을 차지하는 니켈(Ni)은 동전기적 정화방법을 실시한다. 동전기적 정화방법(Electrokinetic Separation)을 실시하고 남은 니켈과 나머지 중금속들의 경우 식물재배 정화법(Phytoremediation)을 사용하여 처리할 것이다. site2의 경우 화학적 산화/환원(Chemical oxidation/reduction)을 이용한 폐석고와 불소를 동시에 처리할 수 있는 방법을 설계할 것이며 site3의 경우 바다와 인접한 지역이므로 PRB(Permeable Reactive Barrier)를 이용하여 최종 처리를 할 것이다.

3.2 정화설계

3.2.1 동전기적 정화방법

그림  동전기적 정화 원리

그림7과 같이 지층 속에 전극을 설치하여 전극에 직류전류를 가하게 되면 동전기 현상이 발생하면서 흙과 물에 있는 전해질 시스템이 물리, 화학, 수리학적으로 변화하게 된다. 이를 통해 오염물질이 이동하게 되고 제거되는 현상을 말한다.

표  실험 조건

그림  Distribution of Ni after Electrokinetic Treatment

표8의 실험6번에서 알 수 있듯이 Voltage gradient 3V/cm인 환경에서 전처리물질 없이 Anode(양극)에는 MgSO4 0.1M을 Cathode(음극)에는 HNO3 1M을 넣으면 28일 후 니켈의 가 초기농도의 약 0.3배가 되는 것을 알 수 있다. 초기 니켈의 농도가 374mg/kg이었으므로 0.3에 해당하는 양은 112.2mg/kg이 된다. 니켈의 우려기준은 100mg/kg이므로 아직까지 우려기준을 만족시키지 못한다. 그러므로 식물재배정화법을 이용하여 니켈의 농도를 더 줄여줄 수 있다.

3.2.2 식물정화법(Phytoremediation)

그림  Phytoremediation 원리

3.2.2.1 기술개요

이 기술은 식물을 이용하여 토양과 지하수로부터 오염물질을 제거함으로써 부지를 정화시키거나 복원시키는 여러 가지 방법을 말하며, 식물은 유기성 오염물질을 제거 또는 분해하고, 여과, 집진 등의 기능을 통해 중금속 등의 오염물질을 밀폐하거나 안정화한다. 식물정화기술은 오염지역에서 오염물질 제거, 분해, 밀폐 등을 통해 오염된 토양 및 광산폐기물, 슬러지, 지하수에 대한 위험 저감을 위해 살아있는 식물을 직접 이용하는 것이다. 환경복원의 수단으로서 오염부지에 식물을 가꾸고 수확하는 과정은 환경친화적 기술이며, 식물정화기술은 다른 물리적 정화기술을 대체하여 활용되거나 이를 병행하여 활용할 수도 있다. 식물정화기술의 활용분야는 크게 토양과 지하수의 오염정화이다.

식물정화법을 요약하면 다음과 같다.

1) 기본적으로 큰 규모의 처리지역과 장기간의 처리 시간이 소용된다.

2) 식물 성장을 기본 메커니즘으로 하기 때문에 다른 처리방법에 비해 생태학적으로 안정적이다.

3) 처리에 이용한 식생을 이용하여 다른 경제적 부가가치를 생산함으로써, 처리비용의 감소를 가져올 수 있다.

4) 특정 식물 종은 각종 염류, 중금속 등의 오염물질을 포함하는 다양한 오염부지에서 생존하며 오염원을 동시에 감소시키다.

5) 식생이 토양의 구조와 구성성분을 유지시키는 작용을 하여 토양 침식을 방지한다.

6) 식생 뿌리지역의 미세 동식물을 보호함으로써 오염원 제거뿐만 아니라 건강한 토양을 유지할 수 있다.

3.2.2.2 정화기법

식물정화기술은 오염물질의 추출, 밀폐, 분해라는 세 가지 기본 메커니즘을 통해 이루어진다.

첫째, 추출(Extraction)이란, 식재된 수목의 새싹과 잎에 오염물질이 이동해서 축적되는 것을 말한다. 오염물질은 매년 식물의 열매나 낙엽에 포함돼 수거할 수 있기 때문에 결과적으로 대상 부지에서 오염물질이 정화되는 것이다. 수거된 식물체는 안전하게 건조해서 소각되거나 퇴비화된다. 일부 경제성 있는 금속의 경우 실제 소각재에서 회수하여 산업계에서 재사용할 수도 있다.

둘재, 밀폐(Contaminant)란 식물이 오염물질을 이동하지 못하게 하는 것이다. 예를 들면 어떤 식물은 매우 높은 농도의 금속성분을 뿌리에서 흡수할 수 있다. 비록 오염부지의 모든 식물과 그 뿌리를 수거해서 안전하게 멀리 옮기는 것은 현실적으로 불가능하지만 적어도 오염물질이 환경 내에서 더 이상 순환하지 않게 할 수 있다.

셋째, 분해(Degradation)란 탄화수소와 기타 유기화합물로 구성된 오염물질의 구조를 파괴해서 더 이상 유해하지 않게 하는 과정이다. 이 같은 분해 작용은 식물의 뿌리부에서 공생하는 미생물이나 곰팡이, 뿌리의 화학작용과 뿌리의 효소에 의해 일어난다.

3.2.2.3 정화 식물

표  식물별 중금속 축적비율 및 중금속 축적량

Metal	Plant	지상	지하	중금속 축적량
As	쇠뜨기			1176mg/kg
Cd	유채	70%	30%	17.75mg/㎡
Pb	해바라기	30%	70%	6.09mg/㎡
Ni	적겨자	90%	10%	6.31mg/㎡

쇠뜨기(Equisetum arvense L.)를 이용한 비소오염토양의 정화가 능하다. 쇠뜨기는 우리나라에서 많이 자생하는 다년생 식물로서 생체량(biomass) 생산이 많고 비소를 체내에서 축적하는 것을 발견할 수 있었다. 실험한 결과 쇠뜨기는 1㎡당 1080g의 생체량을 생산하며 이 때 식물체내 비소농도를 측정하였을 때 1176mg/kg으로 나타났다. 이는 일반적인 중금속 고축적종으로서의 조건을 만족시키는 결과이다.

적겨자에서의 Ni의 부위별 축적비율은 지상부 90%, 지하부 10%였으며 해바라기에서의 Pb의 부위별 축적비율은 지상부 30%, 지하부 70%였다. 또한 유채에서의 Cd의 부위별 축적비율은 지상부 70%, 지하부 30%였다.

단위 면적당 중금속 축적량을 환산한 결과, Ni 오염토에서는 적겨자 6.31mg/㎡> 해바라기 2.98mg/㎡> 유채 0.88mg/㎡ 순이었고, Cd 오염토에서는 유채 17.75mg/㎡> 해바라기 8.48mg/㎡> 적겨자 6.92mg/㎡, Pb 오염토에서는 해바라기 6.09mg/㎡> 유채 1.10mg/㎡> 적겨자 0.88mg/㎡ 순으로 나타났다. 따라서 최종적으로 중금속 정화 식물은 현장 생육조건을 고려하여 단위 면적당 중금속 축적량이 우수한 Ni은 적겨자, Pb는 해바라기, Cd는 유채를 선정하였다.

표  정화 후 기대농도

토양 중금속 함량 분석결과 현장 실험의 경우 Ni 오염지역은 초기농도 대비 58%, Cd 오염지역은 76%, Pb 오염지역은 57%의 저감효율을 보였는데 특히, 유채가 파종된 Cd오염지역의 카드뮴 제거효율이 가장 높았다.

연구결과 적겨자, 해바라기, 유채 등 적용 식물의 경작 90일 후에 최대 생체량 및 최대 중금속 축적량을 보였으며 그 이후에는 노화현상에 의해 중금속 축적량이 감소하는 것으로 나타나 최적의 정화효율을 보이는 운영주기는 90일인 것으로 판단되었다.

3.2.3 폐석고에 의한 불소제거

site 2의 경우 불소와 폐석고 모두가 높은 수치를 나타내고 있다. 불소의 제거에는 실제로 생석회가 필요한데, 모델링 예측을 통하여 도출된 주요 실험인자를 바탕으로 폐석고와 생석회를 이용하여 합성폐수에 대한 처리실험을 실시하여 대상폐수에 대한 적정 처리조건을 도출 하였다.

3.2.3.1 폐석고와 생석회의 비교- 반응시간에 따른 불소의 제거효율 및 반응속도

폐수처리에 있어서 시간은 공정의 적용 타당성을 판단할 수 있는 수치로 여겨지며 침전물의 형성이 단시간에 이루어지는 것이 공정의 효율적인 운영을 유도할 수 있다고 판단된다. 이에 따라서 생석회와 폐석고의 반응시간에 따른 불소의 제거율을 비교하였으며 그 결과를 바탕으로 침전반응에 대한 반응속도적인 측면을 관찰하였다.

시간에 따른 불소 농도의 변화를 살펴보기 위하여 초기 불소농도를 10mM로 고정하였으며 폐수 200mL를 기준으로 각각 3%, 5%, 13%의 비율로 침전제를 첨가한 후 시간에 따른 반응결과를 에 나타냈다. 폐석고와 생석회 모두 반응시작 약 3분 이내에 농도의 급격한 변화가 관찰되었으며 약 10분이 지난 후 농도의 변화가 미미하였고, 30분 이후 농도의 변화가 관찰 되지 않았다. 따라서 반응시간 30분 이내에 반응이 안정화된 것으로 판단하였다.

그림  Time course of the residual concentration of fluoride

depending on the precipitant rate. (a)gypsum(b)lime

표  Gypsum과 Lime의 rate constant와 determination coefficient

침전반응은 침전의 성장 속도식에 도출되어 있다. 그러나 본 실험에의 침전반응은 수분 내에 이루어지는 빠른 반응으로 일반적인 성장 속도 식으로는 표현할 수 없다. 이에 일반적인 반응식을 이용하여 속도식을 도출하여 각 침전제와 불소의 반응식을 도출하여 비교 하고자 하였다. 반응속도상수는 불소의 농도가 급격하게 감소하는 범위인 3분에 대하여 반응식을 적용하여 도출 하였다.

또한 반응속도상수 및 결정계수를 정리 하여 표11에 정리 하였다. 반응속도상수를 도출한 결과 침전반응의 초기 상태에서 결정계수를 비교하였을 1차 반응에 의하여 불소가 제거되는 것을 보여주었다. 하지만 침전제 농도의 증가에 따라서 2차 반응에 가깝게 진행되는 것을 알 수 있었다. 따라서 침전제의 농도증가에 의한 불소의 반응은 1차 반응에서 2차 반

응으로 진행된다. 또한 폐석고와 생석회의 반응시간 및 반응속도에서 차이를 보이지 않았으며 동일한 반응을 보이는 것으로 판단된다.

3.2.3.2 혼합침전제에 따른 불소의 처리특성

폐석고의 특성상 반응조건에 맞는 pH를 유지하기 위하여 알칼리 보조제의 첨가가 필요하다. 이에 알칼리 보조제의 성향을 가지고 있는 생석회를 폐석고에 일정비율로 혼합한 침전제에 대한 불소의 제거특성을 살펴보았다.

혼합침전제는 생석회를 기준으로 폐석고의 혼합량을 증가시켜 1:1, 1:2, 1:3의 비율로 분말상태로 혼합한 후 폐석고 용액과 동일한 농도로 용해하여 상위 실험의 첨가량과 동일한 조건으로 첨가하여 30분간 반응 시킨 결과가 그림 11이다. 실험결과 단일침전제에 의한 각 물질의 감소경향과 동일한 모습을 보이나 침전반응에 소요되는 투입량이 보다 낮게 투입되며 제거율은 높은 것으로 나타났다. 또한 폐석고의 혼합량의 증가에 따라서 각 물질의 감소량이 증가 하였다.

단일 폐석고에 비하여 각 물질에 대한 제거율이 높게 나타난 것은 생석회의 혼합에 의하여 침전제중 Ca(OH)2의 농도증가에 의한 결과로 판단된다. 결과에 따라서 효율적인 불소의 침전반응을 유도하기 위해서는 일정비율로 폐석고와 생석회를 혼합하여 적용하는 것이 처리효율을 높이고 침전제 사용량을 감소시킬 것으로 예상되었다.

그림  Variation in the residual concentration of fluoride and phosphate depending on the mixed precipitants.

3.2.3.3 pH와 우려기준을 고려한 적용

그림  pH에 따른 precipitation dosage 및 removal efficiency

site 2에서 제시한 pH인 9.2를 예상하여 보면 그림 12에 나타난 빨간색 선과 같다고 할 수 있다. 이를 기준으로 볼 때 removal efficiency는 약 80%로 나타난다.

3.2.3.4 침전물 2차처리에 대한 판단

폐석고를 침전제로 적용함에 따라 생석회에 의하여 생성된 침전물과 비교함으로서 폐석고에 함유된 불순물에 의한 새로운 침전물의 생성을 확인하여 침전물의 2차처리 적용 및 재활용 방안을 검토하기 위하여 대상폐수 처리시 생성된 침전물에 대하여 XRD 분석을 통하여 각 침전물의 성상분석을 수행하였다.

생석회의 침전물 분석결과 CaF2의 특성피크가 주로 확인되었고 폐석고 및 혼합침전제의 침전물 또한 동일한 것을 확인하였으며 불순물과 반응하여 다른 침전물은 생성되지 않은 것으로 확인하였다. 따라서 폐석고의 침전제 적용에 따라 생성된 침전물에 대한 2차적인 처리는 필요하지 않는 것으로 판단된다.

3.2.3.5 경제성 평가

표  Comparison of economical efficiency

본 연구에서는 기존의 침전제로 사용되는 석회를 대체하여 인산제조공정에서 발생되는 폐석고를 이용하여 불소의 침전반응을 유도하여 대체 침전제로서의 폐석고의 가능성을 검토하여 건축자제로 국한되어 있는 폐석고의 다른 활용방안에 대하여 연구하였다. 또한 다양한 농도의 폐수에 대하여 석회와 비교 실험을 통하여 적용가능성을 검토한 결과 석회와 비교하여 90% 이상의 제거효율을 보였으며 운영비용면에서도 70%이상의 절감 효과를 얻을 수 있었다.

3.2.4 PRB(Permeable Reactive Barrier)

PRB는 site 4에 설치함으로써 최종적으로 오염물질의 바다로의 유입을 차단하는 것이다.

3.2.4.1 기술 개요

그림  Schematic illustrating how PRBs work

PRB의 장점으로는 저가의 비용으로 설치 가능하며, operation&maintenance의 비용이 적게 든다. 또한 오염된 지반을 효과적으로 정화 가능하고 오염원이 뚜렷하나 오염원의 이전 및 오염원에 대한 직접처리가 곤란한 경우 쓰인다. PRB에 사용되는 반응물질은 특정 오염물질에만 적용되며 유기화합물, 염화유기화합물, 중금속(크롬, 니켈, 납, 비소, 우라늄) 정화에 효과적이다. 필터형으로 시공하면 유지관리가 쉬워지며 Reactive media 반응물질 cell 형태의 PRB의 경우 충분한 반응시간이 확보된다. 또한 부가적인 에너지 소비, 지표처리시설, 매립 및 처분시설을 필요로 하지 않는다. 그러나 오염물질에 대한 반응제 선택과 함께 성능 저하시 교체가 필요하다.

3.2.4.2 반응제 선택

표  PRB의 오염물질에 따른 반응물질

(1) 침전(Precipitation)

용해염류와 황산염환원박테리아(Sulfate Reducing Bacteria:SRB)를 포함하는 기질로 구성된 반응매질은 지하수 내 중금속 제거에 효과적인 것으로 보고되고 있다. 이러한 반응벽체 또는 박테리아로부터 생성되는 염은 지하수에 녹아 수용액상태의 중금속과 결합하며 이러한 화합물은 철보다 낮은 용해도를 가지는 경향이 있으며 환원되어 PRB 내에서 지하수로부터 침전되거나 저감된다.

(2) 흡착(Sorption)

흡착은 지하수 내의 유기물질과 금속의 이동성을 줄일 때 사용될 수 있는 물리화학적 제거기작 중 하나이다. 이 때 사용가능한 기질은 활성탄, 밀짚, 나뭇조각, 석탄, 혈암, 제지슬러지, 폐타이어 등이 있다. 이러한 물질들로 채워진 PRB에 유입되는 유기화합물과 금속의 이동성은 반응기질에 오염물질들이 흡착되면서 감소된다. 흡착된 오염물의 최종처분은 벽체 내에서 자연적 또는 인위적으로 저감시키거나, 복원 후에 PRB를 굴착하여 폐기시키는 방법으로 처리할 수 있다.

(3) 분해능이 좋은 영가금속으로의 영가철

영가철의 반응성은 Zn과 Mg의 중간정도이고 경제적인 가격에 대량 생산이 가능하며 내구성 또한 약 10~15년 정도로 PRB의 반응물질로서 활발히 적용 및 연구되고 있다. 오염물과 반응물질 사이의 반응으로 생성된 침전물이 반응물질에 흡착되어 반응물질의 수명을 단축히켜 반응효율이 저하될 수 있으므로 이를 막기 위한 흡착제로 유기점토나 제올라이트, 활성탄 등이 사용되고 있으며, 또한 반응물질의 반응성을 증가시키기 위해서 반응물질의 비표면적을 증가시키거나 팔라듐이나 니켈과 같은 촉매로 반응성을 높이는 예가 있다.

4. 결론

그림  식물정화법(Phytoremediation)을 이용한 site1의 예상 규모 및 비용

결론적으로 site1에 필요한 각각의 식물의 양은 그림 14와 같다. 각각에 해당되는 설치 및 유지관리비를 종합적으로 계산하여 보면 site1의 총면적 210116.1㎡에는 총 비용 169,910,450원이 필요한 것으로 나타났다.  니켈의 경우 동전기적 정화방법의 112.2mg 중 58%가 식물정화법에 의해 정화되므로 최종 양은 약 53.86으로 토양오염우려기준보다 아래의 값을 나타낸다. 마찬가지로 다른 식물들도 3.2.3의 표 10과 같이 63%, 76%, 57%의 높은 효율을 보이고 있어 결과적으로 우려기준을 만족하는 것을 알 수 있었다.

그림  site2의 예상 규모 및 비용

site 2의 부지는 92223.100㎡로써 농축되어 있는 불소의 양은 1061200mg/kg이다. 토양의 밀도는 2650kg/㎡ 이며 오염된 표토의 깊이는 15cm로 나타났다. 오염 정화에 필요한 물질은 NaOH와 증류수로써 이 때 정화에 필요한 비용은 17,289,700원인 것으로 예상된다. 이는 1차증류수를 쓴 값인데 필요에 따라 3차 증류수를 쓸 경우 총 비용이 증가할 것으로 예상된다. 불소반응의 경우 30분 이내에 반응이 안정화되었고 그 효율이 80%라 하였으므로 불소에 대한 적정기준 마련이 정확히 되면 그에 따라 폐석고 첨가를 반복하며 반응시간을 지속하면 적정 우려기준에 도달할 수 있을 것이다.

5. 참고문헌

[1] 전상후, 중금속 오염 옛 진해화학터 부실 정화 의혹, 2013.05.31

[2] 김도형 외 4명, 토양 및 지하수 오염 복원: 아연과 니켈로 오염된 토양의 동전기적 정화 타당성 연구, 대한환경공학회, 2007

[3] 박성우 외 4명, Zn와 Ni로 오염된 토양의 산을 이용한 전처리 및 산순환 동전기 정화의 타당성 연구, 한국지하수토양환경학회, 2008

[4] 2차 광해방지기술 단기교육 심화과정, 한국지구시스템공학회, 2007

[5] 박상현, 고축적종 식물을 이용한 중금속 오염토양의 정화연구, 광운대학교, 2011

[6] 전용태, 폐석고를 이용한 고농도 불소 및 인산폐수 처리에 관한 연구, 전북대학교, 2010

[7] 김성준, 전용태, 원찬희, 폐석고 침전제를 이용한 불소폐수 처리특성, 한국물환경학회지 제 26권 제 6호, 2010년 11월

[8] 권민석, 투수성반응벽을 위한 자연재료의 중금속 오염 지하수 처리 능력에 관한 연구, 경희대학교, 2013