오염토양 정화기술 개요(생물학적 분해법 Biodegradation)

1. 생물학적 분해법(Biodegradation)

(1) 기술개요

생물학적 분해법이란 지중에 존재하는 미생물을 이용하여 유기성 오염물질을 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)과 같은 무독한 생성물로 만드는 자연친화적인 기술이다.

생물학적 분해법에서 오염물질을 분해하는 생분해 과정은 호기성 생분해 과정과 혐기성 생분해과정으로 구분되며, 일반적으로 호기성 생분해 과정이란 미생물이 대사작용에 산소를 전자수용체로 이용하여 유기오염물질을 이산화탄소, 물, 그리고 미생물세포 등으로 변화시키는 과정을 말하며, 이와는 달리 혐기성 생분해 과정이란 산소가 충분하지 않을 경우 산소 이외에 다른 물질을 미생물 대사작용의 전자수용체로 이용하여 메탄, 이산화탄소, 수소 등으로 변화시키는 과정을 말한다.

호기성 및 혐기성 생분해 과정이 오염물질의 분해를 위해 모두 사용될 수 있지만 보통 호기성 생분해 과정에 의한 오염물질의 처리가 용이하기 때문에 일반적으로 오염토양 정화에는 호기성 생분해를 이용한 생물학적 분해법이 대부분 활용된다. 따라서 지중의 오염물질의 분해속도를 높이기 위해서는 미생물의 호기성 생분해를 촉진시킬 필요가 있으며, 이를 위하여 필수적인 요건인 산소 및 영양물질을 적절히 공급해야 한다.

생물학적 분해법은 지중처리(In-situ)기술로서 지중에 관정을 삽입하여 산소

및 영양물질 등을 공급하기 때문에 굴착 및 이송 등에 비용이 소요되지 않고 오염된 토양 및 지하수를 동시에 처리할 수 있으며, 또한 생분해 과정에서 무독한 부산물을 생성시키기 때문에 후처리 시설이 필요치 않아 타기술에 비하여 비교적 경제적인 장점이 있다.

그러나 본 기술과 같이 생분해를 이용하는 기술은 물리/화학적인 기술에 비하여 처리기간이 긴 단점을 가지고 있기 때문에 긴급히 오염지역을 정화해야 하는 경우에는 적용이 용이하지 않다. 또한 미생물에 의한 분해가 가능한 유기물 외에 분해되지 않는 무기물질의 경우에는 본 기술을 사용할 수 없으며, 유기물이라도 난분해성인 물질인 경우 분해하는데 수년이 걸리거나 때때로 오염물질이 초기 오염물질보다 독성 및 이동성이 증가된 중간생성물질을 생성하여 지하수까지 오염을 확산시키기도 한다. 예를 들어 TCE(trichloroethylene)는 혐기성 생분해 과정에서에서 지속성과 독성이 강한 VC(vinylchloride) 같은 중간생성물을 생성한다. 따라서 본 기술의 효과적인 적용을 위해서는 오염물질 및 부지에 대한 정확한 이해가 필요하다.

(2) 공정원리

오염토양의 지중 생분해 공정은 오염부지에 적절한 수의 관정을 오염깊이까지 삽입, 설치 후 오염되지 않은 물에 산소 및 질소, 인과 같은 영양물질을 섞어 토양에 주입함으로써 이루어진다.

일반적인 생물학적 분해법은 지중에 존재하는 토착미생물의 활성을 증가시켜 오염물질의 분해를 촉진시키는 방법이지만 오염물질을 분해할 수 있는 토착미생물이 존재하지 않거나 그 수가 부족한 경우 산소, 영양분 이외에 인위적인 미생물을 동시에 공급함으로써 오염물질의 분해가 원활이 진행되도록 한다. 또한 효과적인 산소 공급을 위하여 공기를 주입하는 대신 순산소 또는 산소발생물질인 과산화수소, 오존 등을 주입하기도 한다. 산소의 농도와 오염물질 분해공정의 산화/환원력은 오염물질의 생분해에 많은 영향을 미치기 때문에 오염물질에 따라 호기성 혹은 혐기성 상태를 적절히 유지시켜 주어야 한다.

비할로겐 방향족물질, 다환 방향족물질 그리고 비할로겐 유기물질과 같은 수

많은 유기 오염물질은 혐기성 상태보다 호기성 상태에서 빠르게 분해되지만 일부 할로겐 지방족 물질이나 할로겐 방향족물질들(특히 할로겐화가 심하게 되어 있는 경우)은 호기성보다는 혐기성 상태에서 더 잘 분해되는 경우도 있다. 전형적인 생물학적 분해법의 공정원리는 [그림 3-1]과 같다

(3) 처리물질 및 효율

생물학적 분해법은 위에서 설명한 바와 같이 미생물에 의하여 분해가 가능한 할로겐 및 비할로겐 VOCs, 비할로겐 SVOCs, 유류 등으로 오염된 토양을 처리할 수 있으나 클로로포름, 살충제와 같은 할로겐 SVOCs, 금속과 같은 무기물질 및 방사성 물질은 분해가 전혀 이루어지지 않기 때문에 적용이 용이하지 않다.

반면 생분해 기법은 무기물질 자체를 분해할 수는 없지만, 물질의 평형상태를 변화시켜 오염물질을 흡착, 응집, 농축시키고자 하는 연구가 광범위하게 진행 중이며, 이는 토양으로부터 무기물질을 제거하여 안정화시키는데 효과가 높다

(4) 영향인자

오염토양 정화기술을 오염부지에 적용하는데 있어서는 정화효율에 영향을 미칠 수 있는 인자를 정확히 이해하고 각 부지의 정화에 적합한 최적의 조건을 구성하는 것이 매우 중요하다. 따라서 생물학적 분해법을 적용하는데 있어서 영향을 미칠 수 있는 인자를 [표 3-1]에 나타내었으며 아래 표에서와 같이 영향인자는 오염부지특성과 오염물질특성 별로 각각 나누어 볼 수 있다

대부분의 영향인자는 본 기술의 공정원리인 미생물에 의한 생분해에 영향을 주는 인자들이며, 대표적으로 산소공급을 들 수 있다. 호기성 분해과정은 산소가 충분하지 않을 경우 일어날 수 없기 때문에 오염지역으로의 충분한 산소공급은 필수적인 요건이라 할 수 있다.

따라서 오염된 부지에 존재하는 오염물질의 양 및 지중에 존재하는 유기물질의 양을 고려하여 생분해가 일어나는데 충분한 산소량을 계산하고 이를 적절히 공급해야 하며, 이러한 산소를 원활히 공급하기 위해서는 투수성 및 수리전도도와 같은 토양 중의 물질이송특성에 대한 정보도 필요하다. 또한 지중에 생분해가 일어나기에 충분한 양의 미생물 및 영양물질 존재여부, 수분함량, pH 등도 조사하여 생분해 과정의 최적 조건을 유지해 줄 필요가 있다. 일반적으로 미생물에 의한 분해작용이 효과적으로 일어나기 위해서는 1,000 CFU/g 건조토양 (colony forming unit/g dry soil) 이상의 미생물이 존재해야 하고, 온도는 10~45℃, 수분함량은 약 12~30%(무게비), pH는 6~8, 영양물질은 C;N:P 비율이 약 100:10:1~100:1:0.5를 유지할 필요가 있다.

오염물질 중 다음과 같은 구조를 가진 대상 오염물질은 일반적으로 난분해성을 띠는 경향이 있기 때문에 오염물질의 생물이용특성을 충분히 고려해야 하며, 오염물질의 농도가 높을 경우 또는 중금속과 같은 독성물질이 존재할 경우 미생물의 대사작용에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

❑ 할로겐화된 화합물

❑ 분자내에 많은 수의 할로겐원소를 함유하는 화합물

❑ 가지구조가 많은 화합물

❑ 물에 대한 용해도가 낮은 화합물

❑ 원자의 전하차가 큰 화합물

 

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