구 진해화학부지 정화 설계

강  의  명:   지하수 및 토양오염

담당  교수:        남경필 교수님

제  출  일:    2013년 12월 17일

학      과:       건설환경공학부

학번  이름:   2011-12047 송정민

조      원:   2011-12019 강민아

2011-12042 박지혜

2011-12047 송정민

2011-12051 심유록

2011-12067 정다운

<목  차>

1. 서론

1.1 오염부지 선정 이유

1.2 오염부지의 역사

2. 본론

2.1 기초조사

2.1.1 오염지역 특성

2.1.1.1 오염지역 지리적 특성

2.1.1.2 오염지역 기상학적 특징

2.1.1.3 오염지역 지질/수질학적 특징

2.1.2 시료채취 지점 및 방법

2.2 현장조사

2.2.1 개황조사

2.2.2 정밀조사

2.2.3 지반특성 및 지하수 특성

2.3 오염물질 특성

2.3.1 니켈

2.3.2 불소

2.3.3 납

2.3.4 비소

2.3.5 카드뮴

2.3.6 정화기준

2.4 정화설계

2.4.1 위해성 평가

2.4.2 구간별 주요 오염물질

2.4.3 구간별 정화기법 선정

2.4.4 선정한 정화기법 조사

2.4.4.1 식물정화법(Phytoremediation)

2.4.4.2 폐석고에 의한 불소 제거

2.4.4.3 동전기적 정화

2.4.4.4 Permeable reactive barrier

2.4.5 상세 정화계획

2.4.5.1 식물정화법(Phytoremediation)

2.4.5.2 폐석고에 의한 불소 제거

2.4.5.3 동전기적 정화

2.4.5.4 Permeable reactive barrier

3. 결론

4. 참고문헌

<표목차>

표 1 시추조사결과표

표 2 수질현황 조사결과

표 3 주요 오염물질의 오염현황 및 오염수치

표 4 토양오염기준

표 5 site 1,2,3별 지반특성

표 6 site 1,2,3별 토양특성

표 7 site 1,2,3별 지하수 특성

표 9 오염지역 오염물질에 따른 정화기법 적합성

표 10 폐석고의 반응속도

표 11 생석회의 반응속도

표 12 폐석고, 생석회, 혼합물의 경제성평가

표 13 PRB의 오염물질에 따른 반응물질 구분

표 14 식물 부위별 축적비율

표 15 식물 종류별 정화 후 기대 농도

<그림목차>

그림 1 정화 완료검증을 받지 않은 진해만

그림 2 경상남도 창원시 진해구

그림 3 옛 진해화학 터

그림 4. 진해만의 임대 주택 계획 조감도

그림 5 진해 해안도로와 인접해있는 진해만

그림 6 site 1, 2, 3

그림 7 지반특성 다이어그램

그림 8 식물정화법 1

그림 9 식물정화법 2

그림 10 폐석고의 제거 효율

그림 11 생석회의 제거 효율

그림 12 폐석고, 생석회, 혼합물의 불소 정화효율

그림 13 pH을 고려한 폐석고의 정화능력

그림 14 동전기법1

그림 15 동전기법2

그림 16 Permeable reactive barrier

그림 17 식물 종류별 중금속 축적량

1. 서론

1.1 오염부지 선정 이유

과거에는 오염물질 그 자체가 가지는 유해성(Hazard)이 더 중요했다면 현재는 오염물질이 사람에게 영향을 미치는 정도, 즉 위해성(Risk)의 중요성이 커지고 있다. 따라서 오염물질이 얼마나 사람에게 노출되는가는 매우 중요하게 다루어져야 할 관심사이다. 특히 주거지역과 가까우면 위해성이 더욱 증가한다.

우리는 경상남도 창원시 진해구에 위치한 진해만에 대해 정화설계를 다루어보도록 한다. 진해만은 과거 화학공장이 위치했다가 폐거하고 부영회사가 매입하였고, 임대 주택 건설이 계획된 부지이다. 과거에 공장이 위치했었기 때문에 토양의 중금속 오염정도는 높게 측정되었으나 정화수준이 현저히 떨어져 부실 정화 의혹이 제기되는 지역이다. 주거 지역이 지어질 곳이기 때문에 사람에게 노출될 가능성이 매우 큰 곳이므로 확실한 정화가 더더욱 중요하다. 따라서 우리는 진해만을 정화대상 지역으로 선정하고 이곳에 존재하는 오염물질의 종류와 특징을 조사하여 그에 맞는 정화방법을 적용, 설계 해보려 한다.

그림  정화 완료검증을 받지 않은 진해만

그림  경상남도 창원시 진해구

1.2 오염부지의 역사

1967년도 충주비료회사가 진해화학 공장을 짓고 수요 감퇴와 비료 경쟁력 악화로 1999년도에 폐쇄하였다. 이 부지를 ㈜ 부영에서 매입 4천 가구 이상의 아파트를 짓겠다며 제안서를 제출했지만 처리계획을 제시하지 않아 돌려보냈었다. 20년간 야적된 석고 80만 여톤을 제거하고 그동안 이루어진 토양오염을 정화하는데 수십억 원이 달할 것으로 예상하여 아무것도 안하고 방치하다가 2012년도부터 정화중인 부지이다.

그림  옛 진해화학 터

그림  진해만의 임대 주택 계획 조감도

2. 본론

2.1 기초조사

2.1.1 오염지역 특성

2.1.1.1 오염지역 지리적 특성

진해만은 경남 창원시 진해구(진해시) 남쪽 해안에 있는 만으로, 부지 면적은 514820[eqn: m ^{2}]이다. 과거 진해화학 공장이 위치했었고 공장이 폐거되고 지금은 공터로 존재하는 곳이다. 진해만은 진해 해안도로와 인접해있기 때문에 비교적 접근성이 좋아서 오염물질의 노출 확률이 높다고 볼 수 있다.

그림  진해 해안도로와 인접해있는 진해만

2.1.1.2 오염지역 기상학적 특징

진해만의 기온은 연평균 15도이고 바다 옆에 위치하기 때문에 온대해양성 기후를 가진다. 내륙과도 연결돼있으므로 대륙성기후에도 역시 영향을 받는다. 총 강수량은 1565.3mm로 여름에는 고온다습, 겨울에는 한랭건조한 지역이다. 또 봄과 여름에 북풍과 남풍이 불어 휘발성이 있는 오염물질이나 대기에 떠있는 미세먼지의 이동에 영향을 미친다. 정온상태(CALM)의 발생빈도는 연평균 76%에 이른다.

2.1.1.3 오염지역 지질/수질학적 특징

진해만의 토양은 기반암으로 안산암 또는 석영 안산암으로 이루어져있다. 또 pH는 8~10정도를 띈다. 심도 별로 시추하여서 토양을 구성하는 지층의 종류에 대해 조사한 결과 평균심도가 깊어지는 순으로 풍화암, 실트질 점토층, 실트질 모래층, 모래질 자갈층, 풍화토로 구성되어 있다. 진해만의 수질을 조사한 결과 pH는 7정도, 용존산소량은 7.67 mg/l이고 부유물질의 농도가 25mg/l로 높은 수치를 나타냈다. 대체적으로 중금속들은 농도가 0.001mg/l보다 낮은데 수은은 0.003mg/l정도로 꽤 높게 측정되었다.

표 1 시추조사결과표

표 2 수질현황 조사결과

주) 1 조사일 2000 9 8

2 N D 0 001mg/l 이하를 나타냄

2.1.2 시료채취 지점 및 방법

현재 진해만은 과거 진해공장으로 인해 중금속 오염이 심각한 지역이므로 주로 표토에 오염물질이 위치하였다고 판단하였다. 따라서 지표에서 2m까지 토양을 채취하였다. 또 진해만은 바다 옆에 위치하였기 때문에 지하수가 바다 쪽으로 흐르게 되므로 오염물질의 확산의 우려가 있다. 이에 따라 진해만을 크게 세 개의 site로 나누고 이 곳 모두의 토양을 채취하였다.

.

그림 6 site 1, 2, 3

2.2 현장조사

2.2.1 개황조사

오염이 예상되는 지역을 지정하여 토양을 채취하였더니 니켈, 납과 같은 중금속과 불소, 폐석고으로 오염이 된 것을 알 수 있었다. 각 오염물질의 농도가 토양오염기준을 초과하였으므로 정밀조사를 실시하였다.

2.2.2 정밀조사

표 3 주요 오염물질의 오염현황 및 오염수치

아파트 예정지 부지에는 현재 중금속과 불소, 유류, 폐석고 등의 오염토 80여만㎥가 남아있다. 전체 공장 터의 54% 이상이 니켈 등 중금속에 오염되었다. 또한, 해당부지의 21개 지점에서는 대책기준을 초과했으며, 불소는 공장부지 30% 이상이 오염된 것으로 나타났다. 특히, 석고부지는 전 지역에서 우려 기준을 초과하였고, 이밖에 납, 불소, 비소, 카드뮴 함량이 공업용수 수질기준 이상 검출되었고, 지하수 오염범위는 전체 부지의 89%에 해당하는 것으로 나타났다. 오염수치는 위의 표 3처럼 니켈은 374mg/kg, 불소 1,061,200mg/kg, 납 312mg/kg, 비소 78mg/kg, 카드뮴 30mg/kg으로 측정되었다. 토양오염기준은 아래와 같다.

표 4 토양오염기준

2.2.3 지반특성 및 지하수 특성

진해만을 세 구역으로 나누어서 지반 특성을 조사한 결과 아래의 표와 같다. site 3이 바다와 가장 인접해있기 때문에 함수량이 가장 높은 것을 알 수 있고, clay 함량이 가장 많은 CL이다.

그림 6 site 1,2,3

그림 7 지반특성 다이어그램

표 5 site 1,2,3별 지반특성

오염부지를 특성에 따라 site1,2,3으로 나누었고, 각각의 site를 ‘토양에서 발생하는 침투와 투수의 측정과 해석’ (허승오, 하상건) 논문에 의거하여 수문학적 토양 유형 HSG (hydrologic soil group)으로 분류해보았다. site 3의 경우 바다와 가장 인접해 있기 때문에 clay 함량이 매우 높고 이에 따라 HSG D로 판단하였고 site 1, 2,는 내륙지역보다는 바다와 가까이 있지만 site3보단 비교적 안쪽에 위치하기 때문에 HSG C로 판단하였다. HSG C,D의 지하수 특성은 표6과 같다.

표 6 site 1,2,3별 토양특성

표 7 site 1,2,3별 지하수 특성

2.3 오염물질 특성

2.3.1 니켈

니켈(nickel) 은 원자번호 28번의 원소로, 원소기호는 Ni이다. 주기율표에서는 10족(8B족)에 속하는 전이금속의 하나로, 팔라듐(Pd), 백금(Pt)과 같은 족에 속한다. 니켈은 단단하고 금속 광택이 나는 은백색 금속이다. 연성과 전성이 크며, 철이나 코발트보다는 약하지만 강한 자석 성질을 갖는다. 화학 반응성은 비교적 작고 철보다 안정하며, 공기 중에서 산화물 보호 피막을 형성한다. 니켈 덩어리는 실온에서 산소, 물, 대부분의 묽은 산이나 알칼리와 아주 느리게 반응하기 때문에 내부식성 금속으로 여긴다. 그러나 가루 상태에서는 공기 중에서 가열하면 불이 붙을 수도 있다. 지구 표면에서 철 운석을 제외하고는 금속 상태로 발견되는 경우는 없고, 화합물로만 존재한다. 철과 함께 지구 내핵을 이루는 것으로 여겨지고 있다.

니켈의 생물학적 역할은 1975년에 인도가 원산지인 잭콩(jack bean)의 요소가수분해효소(urease)에서 니켈이 중요한 역할을 하는 것이 밝혀지면서 처음 알려졌으며, 몇몇 미생물과 식물들에게 니켈이 필수 영양소임이 밝혀졌다. 그러나 니켈은 여러 사람들에게 알레르기성 접촉성 피부염의 요인이 되고 있어, 니켈이 들어있는 흰색 동전의 사용이나 귀걸이 등 장신구의 착용에 주의가 필요하다. 여러 가지 니켈 화합물들이 사람에게 암을 유발하는 것으로 알려져 있다. 이제는 작업 환경 개선으로 니켈 제련 공장 종사자들의 여러 건강상 위험이 상당히 줄어들었으나 여전히 주의를 필요로 한다. 니켈 제련에서 특히 위험한 물질은 아황화 니켈(nickel subsulfide: Ni3S2) 분진이다. 또한 몬드법으로 고순도의 니켈을 얻을 때 사용되는 중간 물질인 카르보닐 니켈(Ni(CO)4)도 아주 독성이 크며, 공기 중에서 폭발성이 있고, 또 약 1분 이내에 분해되어 유독한 일산화탄소 기체를 내어 놓는 위험물질이다. 30분 치사량(LC50)이 3ppm정도로 추정되며, 낮은 농도에서의 장기간 노출은 폐나 부비강 암의 원인이 될 수 있다.

2.3.2 불소

1기압, 상온에서 연한 황록색의 독특한 냄새가 나는 아주 유독한 기체이다.

플루오린(fluorine)은 원자번호 9번의 원소로, 원소기호는 F이다. 주기율표에 있는 할로겐 원소 (17족 또는 7A족 원소) 중에서 가장 가벼운 원소이다. 원소 상태의 플루오린은 이원자 분자인 F2로 존재하며, 독성과 부식성이 큰 연한 황록색 기체이다. 플루오린은 원소 중에서 가장 반응성이 크고, 가장 강한 산화제이며, 전기음성도가 가장 큰 원소이다. 헬륨(He)과 네온(Ne)을 제외한 모든 원소와 안정한 화합물을 만든다. 자연계에서는 형석(CaF2), 빙정석(Na3AlF6), 플루오린화인회석(CaF2∙3Ca3(PO4)2) 등의 광물에 주로 존재하며, 지구 껍질의 0.065%를 차지하는, 13번째로 풍부한 원소이다.

이들 광물들은 알루미늄 제련에서 전해질로 이용되며, 철의 야금에서 녹는점을 낮추는 융제로도 많이 사용된다. 충치 예방을 위해 수돗물과 치약에 플루오린 화합물을 첨가하기도 한다. 플루오린의 우라늄 화합물 UF6는 핵연료 생산을 위한 우라늄 동위원소 235U의 농축에 사용되며, 음식이 눌어 붙지 않는 주방기구, 방수-통기성 섬유인 고어-텍스, 냉매로 사용되었던 프레온 등에도 플루오린이 들어있다. 또한 다양한 플루오린 화합물들이 합성되어 의약품, 농약, 산업용 재료 등으로 사용되고 있다.

2.3.3 납

납(lead)1)은 원자번호 82번의 원소로, 원소기호는 Pb이다. 주기율표에서는 탄소(C), 규소(Si), 저마늄(Ge), 주석(Sn)과 함께 14족(4A 족)에 속하는 탄소족 원소의 하나이다. 갓 자른 납은 청백색의 금속성 광택을 내나, 습한 공기에 노출되면 표면이 흐려져 둔탁한 회색이 된다. 아주 무르고 연성과 전성이 커서 가공하기가 쉽다. 미량의 다른 금속과 합금을 만들면 단단해지는 등, 여러 성질들이 크게 변한다.

납은 사람을 비롯한 동물에 중독 증상을 나타내는 물질로, 헴(heme)의 생합성을 저해하여 빈혈을 초래하고 중추신경계를 손상시키며 뇌장애를 일으킨다고 알려져 있다. 납은 이로 오염된 식품과 음료, 대기를 통해 체내로 들어온다. 납이 들어간 페인트로 칠해진 가구, 장난감, 벽 등이 어린이들의 주요 납 중독원이었으며, 납이 들어간 유약을 바른 도기, 납 조리 기구 등도 옛날에는 주요 납 중독원이었다. 납 중독은 고대 그리스, 로마, 중국의 기록에도 나와있다.

2.3.4 비소

원자번호 33번 원소인 비소는 비상(砒霜)을 구성하는 원소이다. 비상은 삼산화 비소로, 예로부터 동서양 모두에서 사람을 독살하는 데 자주 사용된 독성이 아주 큰 물질이다. 임금이 죄인에게 내린 사약(賜藥)에도 비상이 들어간 것으로 여겨진다. 가끔은 왕을 비롯한 지배층을 독살하는 데 사용되었으므로, 비소는 ‘독약의 왕’ 또는 ‘왕의 독약’이라고도 불렸다. 비소는 원소 자체로보다는 황화물 상태로 여러 광물에 포함되어 있으며, 생물 생활권에도 비교적 높은 농도로 들어있어 세계적으로 심각한 환경 오염 문제를 야기시키는 원소이다. 중세 독일 광부들은 코발트와 니켈 광석을 은 광석과 구리 광석으로 잘못 알고 이들을 제련하던 과정에서 광석에 함께 들어있었던 비소에 노출되어 중독되고 죽기까지 하였다. 코발트의 어원이 도깨비 또는 악귀, 그리고 니켈의 어원이 악마 또는 귀신인 것은 이에서 연유된 것이다. 이처럼 비소와 비소 화합물이 독성이 매우 강하기는 하나 낮은 용량의 비상은 오래 전부터 암 등의 질병 치료제로 널리 사용되었으며, 최근에는 급성 골수성 백혈병 치료제로 허가되었다. 또한 최초의 화학요법제인 살바르산(salvarsan)은 유기 비소화합물로, 사회적으로 아주 심각했던 성병인 매독 치료 특효약으로 사용되었다. 이외에도 여러 비소 화합물들이 목재 방부제, 제초제, 살충제, 사료 첨가제 등으로 널리 사용되었으며, 자동차용 납 축전지의 납 전극에도 약간의 비소가 첨가되었다. 최근에는 비소가 n-형 반도체의 도판트(dopant)로, 그리고 비소화 갈륨(GaAs) 화합물 반도체에 중요하게 사용된다. 이처럼 독성이 크면서 다양한 용도를 가진 금속이다.

2.3.5 카드뮴

원자번호 48의 원소 카드뮴은 아주 독성이 큰 금속으로, 사람에게 이타이이타이병을 일으킨다. 이 병은 일본에서 처음 발견되었는데, 이 병에 걸리면 뼈가 물러져 조금만 움직여도 골절이 일어나서 환자가 ‘아프다, 아프다(일본말로 이타이, 이타이)’라고 신음했기 때문에 붙여진 이름이다. 카드뮴은 흡연, 음식물, 오염된 물 등을 통해 인체로 들어오게 되는데, 골절 외에도 아주 다양한 신체 조직의 손상과 질환을 유발하는 것으로 알려져 있다. 카드뮴은 아연 생산의 부산물로 주로 얻는데, 강철의 부식 방지를 위한 도금, 니켈-카드뮴 2차 전지, 다양한 색의 안료, 플라스틱 안정제, 브라운관 TV의 인광체 등의 재료로 오랫동안 요긴하게 사용되어 왔다. 새로운 기술과 대체품의 개발, 그리고 환경 오염 규제로 소비제품에서의 카드뮴 수요는 점차 줄어들고 있지만, 전력 저장 목적의 산업용 니켈-카드뮴 전지의 중요성은 더해지고 있다.

2.3.6 정화기준

오염물질의 농도를 아래의 표6 토양오염기준 중 토양오염우려기준보다 낮도록 정화한다.

표 4 토양오염기준

2.4 정화설계

2.4.1 위해성 평가

진해만은 바다 옆에 있기 때문에 오염물질이 지하수를 타고 바다로 흘러 들어갈 가능성이 크고, 해안도로와 인접해 있으므로 사람의 접근성이 크고 이에 따라 오염물질의 노출 확률이 커진다. 또 이곳은 주거 단지가 설립 예정된 부지이기 때문에 더더욱 위해성이 높은 지역이다. 하지만 정확한 위해도 값을 얻는 것은 어려움이 있다.

2.4.2 구간별 주요 오염물질

기초조사와 현장조사 결과 구간별 주요 오염물질이 다른 것을 알 수 있었다. site 1,3은 니켈, 카드뮴, 납, 비소와 같은 카드뮴의 농도가 높게 측정되었고 site 2의 경우 폐석고, 불소의 농도가 높게 측정되었다.

2.4.3 구간별 정화기법 선정

정화기법 선정 시 오염물질과 정화구역의 성격을 각각 고려하였고, 이에 따라 구간별 정화기법이 다르게 적용되었다. 중금속이 오염된 site1의 경우 식물정화법과 동전기적 정화법을 선정하였고, site2의 경우 폐석고와 불소의 오염이 크게 관측되었으므로 신기술인 폐석고에 의한 불소 제거법을 적용하였다. site3은 중금속으로 오염되었고 바다와 인접한 지역이기 때문에 Permeable reactive barrier를 실시하였다.

2.4.3.1 선정이유

site1,2의 경우 불포화 지역이다. 중금속은 무기물질이므로 식물재배 정화법이 적합하고, 그 중 니켈은 진해만에 가장 높은 오염농도를 띄므로 무기물질에 매우 적합한 동전기법으로 집중적으로 처리할 것이다. 불소는 화학적 산화/환원법을 이용한 ‘폐석고에 의한 불소 제거’방법을 적용할 것이다.

표 8 오염지역 오염물질에 따른 정화기법 적합성

2.4.4 선정한 정화기법 조사

2.4.4.1 식물정화법(Phytoremediation)

그림 8 식물정화법 1

그림 9 식물정화법 2

식물 정화법은 식물을 이용하여 오염물질을 정화하는 방법으로 토양과 지하수로부터 오염물질을 제거하고, 유기성 오염물질을 제거 또는 분해한다. 여과, 집진 등의 기능을 통해 중금속의 오염물질을 안정화시키고 오염된 토양 및 광산폐기물, 슬러지, 지하수에 대한 위험 저감을 위해 살아있는 식물을 직접 이용한다는 특징을 가지고 있다. 표토에만 사용가능하므로 표토에 오염물질이 집중된 진해만에 적합하다. 에너지 요구량이 적어 자연광인 태양에너지를 이용하므로 환경 친화적이고 물리적 처리공정의 10-20% 비용으로 경제적이다. 또 자연 저감법(natural attenuation)보다 비교적 빠르고, 대기 중이나 수중으로 배출하는 오염물질이 적기 때문에 바다와 인접해있어서 바다로 오염물질이 유출될 가능성이 큰 진해만에 적합한 방법이다. 식물정화법의 큰 특징 세 가지를 추출, 밀폐, 분해로 나타낼 수 있다. 추출이란 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 퇴비된다. 밀폐란 식물이 오염물질을 이동하지 못하게 하는 것을 말한다. 마지막으로 분해란 탄화수소와 기타 유기화합물로 구성된 오염물질의 구조를 파괴해서 더 이상 유해하지 않게 하는 과정이다.

2.4.4.2 폐석고에 의한 불소 제거

기존의 침전제로 사용되는 석회를 대체하여 인산 제조공정에서 발생되는 폐석고를 이용하여 불소의 침전반응을 유도하는 방법이다. 진해만에는 화학공장의 잔해 물로 폐석고의 양이 매우 많아 문제가 된다. 불소의 농도 역시 높기 때문에 폐석고를 이용하여 불소를 제거하면 두 가지 오염물질을 모두 처리할 수 있는 매우 효과적인 방법이라고 할 수 있다. 폐석고와 생석회의 반응시간에 따른 불소의 제거 효율과 반응속도를 보면 아래와 같다.

그림 10 폐석고의 제거 효율

그림 11 생석회의 제거 효율

표 10 폐석고의 반응속도

표 11 생석회의 반응속도

불소의 분해 과정이 1차 반응이라고 가정하였을 때 폐석과 생석회의 반응속도가 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있다. 이는 폐석고를 사용하여도 효율이 크게 떨어지지 않음을 뜻한다. 생석회, 폐석고, 혼합물의 불소 정화능력을 보면 혼합물의 정화능력이 가장 뛰어나다. 따라서 진해만에 존재하는 폐석고에 생석회를 조금 섞었을 때의 정화비용과 폐석고만으로 불소를 정화하였을 때의 정화비용을 비교하여 더욱 경제성이 높은 방법을 선택한다. 또 페석고로 불소를 처리할 경우 반응결과물로 CaF2가 생성되는데 이는 물에 대한 용해도가 매우 낮아서 사람의 몸에 들어가도 큰 위험성을 띄지 않아 2차적 처리가 필요없는 방법이다. 석회와 비교하여 90%이상의 제거효율을 보였으며 운영비용면에서도 70%이상의 절감 효과를 얻을 수 있었다.

그림 12 폐석고, 생석회, 혼합물의

불소 정화효율

표 12 폐석고, 생석회, 혼합물의

경제성평가

pH와 우려기준을 고려하여 적용해보면 아래의 그림과 같다. 진해만의 토양은 pH가 8~10에서 해당하므로 빨간 선으로 표시해보면 아래와 같다.

그림 13 pH을 고려한 폐석고의 정화능력

2.4.4.3 동전기적 정화

그림 14 동전기법 1

그림 15 동전기법2

지층 속에 전극을 설치하면 전극에 직류전기가 가해지고 동전기 현상이 발생한다. 흙/물 전해질 시스템이 물리, 화학, 수리학적으로 변화하고 따라서 오염물질이 이동되고 제거되는 방법이다.

2.4.4.4 Permeable reactive barrier

그림 16 Permeable reactive barrier

site 3의 경우 바다와 인접해 있기 때문에 오염물질이 지하수를 타고 바다로 유입되는 것을 방지하기 위해 PRB를 설치하여 오염물질을 최종적으로 정화한다.

PRB는 지하수 오염대의 수리학적 흐름을 이용하여 오염원을 제거하는 방법으로 부가적인 에너지 소비, 지표 처리시설, 매립 및 처분시설 필요로 하지 않는다는 장점이 있다. 물질에 대한 반응제를 각각 다르게 선택해야 하고 barrier의 성능 저하 시 교체가 필요하다.

이 공법의 장점은 저가의 비용으로 설치가 가능하고 설치비용 및 유지관리비용이 적게 든다. 또 오염원이 뚜렷하나 오염원의 이전 및 오염원에 대한 직접처리가 곤란한 경우에 효과적으로 사용될 수 있다. PRB는 오염물질에 따라 반응물질을 각각 다르게 적용해야 하는데 진해만에 주 오염물질인 니켈, 납, 카드뮴, 비소는 아래의 표처럼 하나의 반응물질로 모두 처리 가능하므로 PRB의 적합성이 더욱 높다는 것을 알 수 있다.

표 13 PRB의 오염물질에 따른 반응물질 구분

출처) 투수성 반응벽을 위한 자연재료의 중금속 오염 지하수 처리 능력에 관한 연구

2.4.5 상세 정화계획

2.4.5.1 식물정화법(Phytoremediation)

표 14 식물 부위별 축적비율

그림 17 식물 종류별 중금속 축적량

비소오염토양은 쇠뜨기를 이용하여 정화하는데 쇠뜨기는 우리나라에서 많이 자생하는 다년생 식물로서 생체량(biomass) 생산이 많고 비소를 체내에 축적하는 것을 발견할 수 있었다. 실험한 결과 쇠뜨기는 1m2당 1080g의 생체량을 생산하며 이 때 식물체내 비소농도를 측정하였을 때 1176 mg kg-1로 나타났다. 이는 일반적인 중금속 고축적종으로서의 조건을 만족시키는 결과이다.

적겨자는 니켈의 부위별 축적비율은 지상부 90%, 지하부 10%였으며 해바라기에서의 납의 부위별 축적비율은 지상부 30%, 지하부 70%였다. 또한, 유채에서의 Zn의 부위별 축적비율은 지상부 70%, 지하부 30%였다. 또한, 단위 면적당 중금속 축적량을 환산한 결과, 니켈 오염토에서는 적겨자 6.31mg/m > 해바라기 2.98mg/m > 유채 0.88mg/m순이었고, 아연 오염토에서는 17.75mmg/m² > 해바라기 8.48mg/m² > 적겨자 6.92mg/m² , 납 오염토에서는 해바라기 6.09mg/m > 유채 1.10mg/m > 적겨자 0.88mg/m순으로 나타났다. 따라서, 최종적으로 중금속 정화 식물은 현장 생육조건을 고려하여 단위 면적당 중금속 축적량이 우수한 니켈은 적겨자, 납는 해바라기, 아연은 유채를 선정하였다. 토양 중금속 함량 분석결과 현장 실험의 경우 Ni 오염지역은 초기농도 대비 58%, Zn 오염지역은 76%, Pb 오염지역은 57%의 저감효율을 보였다.

표 15 식물 종류별 정화 후 기대 농도

실험결과 경작 90일 후에 최대 생체량 및 최대 중금속 축적량을 보였는데 최적의 정화효율을 보이는 운영주기는 90일인 것으로 판단되었다

식물정화법은 site1에 적용하는데 경제성을 평가해보면 site1의 면적은 210116.1[eqn: m ^{2}]이고,  1[eqn: m ^{2}]당 각각 해바라기는 50g, 쇠뜨기는 15g, 적겨자는 5g, 유채는 30g을 차지하므로 총 비용은 169,910,450원이 요구된다.

2.4.5.2 폐석고에 의한 불소 제거

폐석고에 의한 불소 제거법은 site2에 적용하는데 site2 의 부지 면적은 92223.100[eqn: m ^{2}]이고 이 곳의 불소의 양은 1,061,200mg/kg이고, 토양의 밀도는 2650kg/[eqn: m ^{3}], 오염된 표토의 깊이는 15cm라고 하면 총 비용은 17,289,700원이 요구된다.

2.4.5.3 동전기적 정화

식물정화법은 환경 친화적인 장점을 가진 반면 오염물질을 완전히 제거하는데 한계가 있기 때문에 중금속의 오염 농도가 큰 site 1에 식물정화법에 추가적으로 동전기법을 적용한다. 우선적으로 동전기법으로 어느 정도 오염물질의 농도를 많이 낮춘 후 남은 농도를 식물정화법으로 장기적으로 정화한다.

2.4.5.4 Permeable reactive barrier

site 3의 경우 바다와 인접해 있기 때문에 오염물질이 지하수를 타고 바다로 유입되는 것을 방지하기 위해 PRB를 설치하여 오염물질을 최종적으로 정화한다.

3. 결론

진해만은 과거 화학공장이 위치했었기 때문에 토양에 중금속의 오염농도가 토양기준농도를 초과하였지만 제대로 된 정화가 이루어지지 않았다. 게다가 주거 지역이 계획된 부지이므로 정화가 매우 시급한 지역이라 할 수 있다. 이에 따라 진해만의 정화과정을 진행하였다.

진해만을 부지 특성에 따라 site 1,2,3으로 나누었고 주 오염물질인 중금속이 표토에 집중되어있다고 판단하였다. 지반 특성과 오염물질의 특성을 고려하여 구역별로 적합한 정화공법을 선정하였다. site 1은 식물정화법과 동전기적 정화법을 적용하였고, 폐석고와 불소의 양이 많은 site 2는 폐석고에 의한 불소 제거법, 바다와 인접한 site 3은 오염물질의 지하수를 통한 유출을 막기 위해 최종적으로 PRB(Permeable reactive barrier)를 적용하였다.

4. 참고문헌

1. 토양지하수정보시스템, (http://sgis.nier.go.kr/newsgis/do?C=SoSiSp)

2. 토양환경기술센터, (http://www.sec.re.kr/main.do)

3. 오염토양 정화방법 가이드라인, 환경부, 2007

4. 진해 석동 2BL(T K)지구 지반조사보고서, 2000 5, 대한주택공사

5. 토양에서 발생하는 침투와 투수의 측정과 해석, 허승오, 하상건

(http://www.kwra.or.kr/data/200907/04.PDF)

6. 네이버 지식백과

7. Environmental and pollution science, Pepper, Gerba, Brusseau, 2006, Academic Press

8. Hazardous Wastes-Sources, Pathways, Receptors, Watts, 1998, John Wiley&Sons