오염토양 정화기술 (바이오파일법(Biopile)과 식물재배 정화법(Phytoremediation))

바이오파일법(Biopile)

(1) 기술개요

바이오파일 공정은 Biocells, Bioheaps, Biomounds, Compost Piles 이라고도 불리우며, 생물학적 반응을 통해 토양의 유기성 오염물질을 처리하는 공정이다.

본 기술은 지상처리(Ex-situ)기술로서 오염된 지역의 토양을 굴착하여 파일(piles)을 쌓은 후 배관을 통하여 공기 및 영양물질 주입하고, 수분함량 등을 조절하여 미생물의 활성을 극대화시키는 과정을 포함한다.

바이오파일 공정은 토양경작법과 같이 지상처리기술로서 오염토양을 굴착, 이송하여 처리하며, 공기주입을 통해 미생물의 활성을 증대시켜 처리효율을 증가시키는 공정이라는 점에서 매우 유사하다.

그러나 토양경작법은 토양을 넓은 지역에 얇게 펴고 경작을 하거나 이랑을 만들어 통기시키는 과정을 거치지만 바이오파일법은 토양경작법보다 좁은 지역에 더미를 만들고 더미 안으로 통하는 배관을 통하여 강제적으로 공기를 주입하는 것이 특징이다.

바이오파일법은 토양경작법과 매우 유사하기 때문에 일반적으로 토양경작법

이 가지는 특징을 비교적 비슷하게 나타낸다. 예들 들어 생분해를 이용하기 때문에 처리비용이 적게 소요되고 넓은 범위의 오염물질을 처리할 수 있으며, 특히 유류로 오염된 지역의 경우 탁월한 효과를 나타낸다.

굴착 및 이송비용이 높을 경우 처리단가가 증가할 수 있고 발생되는 배가스의 처리를 위한 후처리 시설이 필요할 수 있으며, 강우를 배제하지 않거나 겨울철과 같이 온도가 낮을 경우 미생물의 활성이 감소하여 처리효율이 낮아질 수 있다.

(2) 공정원리

바이오파일법은 토양경작법과 마찬가지로 오염토양으로부터 유기화합물, 유류 물질의 농도를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 반면 공기를 주입하는 과정에서 유기물질이 대기중으로 휘발되지 않도록 적절한 전처리 및 후처리 시설을 설치하기도 한다.

예를 들어 휘발성이 강한 유류물질은 공기를 주입하는 과정에서 휘발되며, 일부분은 미생물 분해작용에 의해 처리된다. 반면 중간단계의 유류물질(예 : 경유, 등유)인 경우 휘발보다는 생물학적 분해에 의한 반응이 많다.

비휘발성 물질은 통기과정 중에 대기로 휘발되지 않고 대부분이 생물학적 반응을 통해 저분자 생성물로 변형되거나 처리되며, 고분자 형태의 오염물질이 많을수록 처리기간이 증가하게 된다. [그림 3-2]는 전형적인 바이오파일 공정을 보여준다.

바이오파일 공정은 오염토양을 적절한 높이까지 쌓아 배관을 통하여 공기를

비롯한 영양물질 등을 주입하는 과정으로서 바이오파일의 일반적인 높이는 1～3m 범위이고 부지 요구량은 파일의 높이에 대한 오염토양의 비에 따라 결정되어진다. 추가적인 부지 넓이는 파일면의 경사도, 접근용이성 등에 따라 달라진다.

바이오파일 설계시에는 부지정비, 공기주입/추출정 배열, 영양물질과 수분의주입관 배열, 침출수 수집 및 처리공정, 토양 전처리 공정, 덮개 및 배출가스 처리설비 등이 적절히 고려되어야한다.

(3) 처리물질 및 처리효과

바이오파일법은 비할로겐 및 할로겐 VOCs 및 유류로 오염된 지역의 정화에탁월한 효과를 나타내지만 할로겐 SVOCs와 같은 난분해성 물질 및 무기물질 또는 방사성물질의 경우 미생물에 의한 생분해가 어렵기 때문에 본 기술의 적용이 어렵다. 바이오파일법은 국외 및 국내에서 유류에 의해 발생하는 오염지역에 많이 적용되어 왔으며, 오염물질 제거효과는 오염물질의 형태와 농도, 토양의 형태, 온도, 수분, 오염물질의 휘발성 등에 따라 다르다.

(4) 영향인자

바이오파일법은 소요되는 부지의 면적과 공기 주입방식만 다를 뿐 토양경작법과 매우 유사한 기술이며, 본 기술의 적용시 고려해야하는 영향인자 또한 토양경작법과 유사하다[표 3-2].

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식물재배 정화법(Phytoremediation)

(1) 기술개요

식물재배 정화법은 식물을 이용하여 오염토양 및 지하수를 포함한 수질을 정화시키는 새로운 자연친화적인 토양정화기술이다. 식물재배 정화법은 오염지역에 정화에 필요한 식물들을 식재 후 식물에 의해 발생되는 오염물질의 추출, 안정화 등의 원리를 이용하는 방법으로서 뿌리가 접촉하는 면에 한정되어 일어나기 때문에 오염원의 깊이가 중요한 고려요소이며, 식물종, 식물의 생장속도, 오염물질의 농도, 주변 생태계 및 환경과의 관계 등도 기본적으로 고려해야할 사항들이다.

식물재배 정화법은 기타 물리/화학적 기술에 비해 확실히 경제적인 방법이고, 2차 부산물 발생이 적은 자연친화적인 기술이라는 장점을 가지고 있다. 그러나 얕은 토양, 수변, 지하수에 한정적으로 적용 가능하고 고농도 유기물질인 경우 독성으로 인해 처리의 한계가 있으며, 기타 물리학적 처리공정에 비해 처리기간이 오래 소요된다. 또한 유기성 오염원인 경우 적절히 소수성인 오염원에만 효과적이며, 분해생성물의 독성여부 및 생분해도의 규명이 불명확하다는 단점을 가지고 있다. 식물재배 정화법은 아직 개척 분야에 속하지만 식물재배 정화법의 개발에 관한 많은 연구가 현재 국내외에서 진행되고 있는 상태이다.

(2) 공정원리

식물재배 정화법의 활용분야는 크게 하천, 토양 및 지하수의 오염정화이며 토양오염정화에는 식물추출(phytoextraction), 식물안정화(phytostabilization), 식물휘발화(phytovolatilization), 식물변형(phytotransformation) 등이 있고, 하천 및 지하수 오염정화에는 근권여과(rhizofiltration), 수리적 조절(hydraulic control), 인공습지(constructed wetlands) 등이 활용되고 있다.

식물재배 정화법에 활용되고 있는 식물들은 해바라기, 민들레 및 피를 비롯한 일부 1년생 초본류와 계피나무와 포플러, 미루나무, 버드나무 등 넓은 잎을 가지는 다양한 식물과 대상 지역의 고유한 토착 식물 등 매우 다양하고, 이러한 식물들을 오염지역에 식재하여 오염정화 후 수확하여 적절히 처리하는 과정을 거친다. [그림 3-3]은 일반적인 식물재배 정화법의 처리공정을 보여주고 있다.

 

① 식물추출(phytoextraction)

식물추출은 오염물질을 식물체내로 흡수, 농축시킨 후 식물체를 제거하는 방

법으로서 주로 토양, 퇴적층 및 폐기물을 대상으로 중금속, 비금속원소, 방사성 동위원소의 제거에 효과적으로 적용될 수 있다. 그러나 중금속을 고농도로 축적할 수 있는 식물은 대부분 생장이 느리며, 수확된 식물체는 고농도의 오염물을 함유하므로 이를 적절히 처리해야 하고, 중금속에 의하여 식물독성이 나타나는 경우에는 적용이 어려운 단점이 있다.

또한 실험실 규모에서의 자료를 실제 부지에 그대로 적용할 수 없는 경우가

많다. 일반적으로 식물추출 방법은 일차적으로 식물체의 뿌리를 통하여 오염물질이 흡수되어야 하므로 뿌리의 깊이에 따라 제거의 정도가 결정된다고 할 수 있다.

② 근권여과(rhizofiltration)

이는 수용성 오염물질이 생물 또는 비생물적인 과정에 의하여 뿌리 주변에 축적되거나 식물체로 흡수되어지는 과정을 말하며, 일반 토양보다는 포화대를 대상으로 한다.

적용대상 오염물질로는 납, 카드뮴 등의 중금속과 우라늄, 세슘 등의 방사성원소등이 포함된다. 이용 가능한 식물은 여러 종이 있으나 대개 수생식물보다는 육상식물이 더 효과적인 것으로 나타나고 있으며, 부유식물 및 습지식물도 이용될수 있다.

③ 식물안정화(phytostabilization)

식물안정화는 오염물질이 뿌리 주변에 비활성의 상태로 축적되거나 식물체에 의하여 이동이 차단되는 원리를 이용한 처리법이며, 뿌리주변에서의 미생물학적, 화학적 과정을 동반한다. 즉, 뿌리 주변 토양의 pH 변화 등에 의하여 중금속의 산화도가 바뀌어 불용성의 상태로 되는 원리에 기초하는 것이다.

이 방법은 토양, 퇴적층 및 폐기물 등을 대상으로 하며, 토양 및 식물체를 제거할 필요가 없고 저렴한 비용으로 처리가 가능하며, 생태계 정화가 비교적 쉬운 장점이 있으나 오염물질이 대상지역에 그대로 남아 있어 장기간 관리가 필요하고 식생을 돕기 위해 토양을 처리해야 할 필요가 있으며, 오염물질이 식물체로 흡수되거나 지상으로 운반, 확산되는 것에 대한 방지책을 마련해야 한다.

④ 근권분해(rhizodegradation)

뿌리부근에서 미생물 군집이 식물체의 도움으로 유기 오염물질을 분해하는 과정이다. 뿌리 분비물에는 다양한 영양분이 함유되어 있고 뿌리 자체가 서식처를 제공하고 있어 이 부근의 미생물의 활성은 크게 증가되며, 이에 따라 유기 오염물의 분해가 촉진되는 것이다.

이 방법은 오염물이 현장에서 분해되므로 따로 처리할 필요가 없으며, 다른 방법에 비하여 적은 경비가 소요되는 장점이 있으나 근권이 발달하기 위해 상당한 시간이 소요되고 비료의 투여가 필요하며 미생물간의 상호작용, 즉 오염물질의 분해에 관여하는 미생물군과 기타 미생물 군집과의 경쟁 등을 고려하여야 한다. 근권분해를 이용한 식물재배 정화법의 경우 보통 다른 정화 방법 이후에 최종 처리법으로 이용된다.

⑤ 식물분해(phytodegradation)

식물분해는 오염물질이 식물체에 흡수되어 그 안에서 대사에 의해 분해되거나 식물체 밖으로 분비되는 효소 등에 의하여 분해되는 과정을 말한다. 식물체가 직접 분해에 관여한다는 점에서 위의 근권분해와 구별이 된다.

오염물의 용해도 및 극성에 따라 흡수정도가 달라지는데, 예를 들어 적당한 소수성을 가진 물질은 비교적 흡수가 잘 되고 식물체내에서의 이동이 용이하지만, 수용성인 물질은 확산되기 쉬우므로 오히려 뿌리로부터 흡수되기가 쉽지 않다. 이 방법은 토양, 퇴적층, 폐기물 및 지하수 등의 처리에 이용 가능하며, 일반적으로오염의 깊이가 얕은 광범위한 지역에 적당하다

⑥ 식물휘발화(phytovolatilization)

식물휘발화는 오염물질이 식물체에 의하여 흡수, 대사되고 휘발성 산물로 변형되어 대기로 방출되는 과정이며, 특성상 식물분해와 같이 일어나는 경우가 많다. 대부분 지하수에 적용되고 있으나 토양, 퇴적층, 폐기물 등에도 이용될 수 있다. 생성된 휘발성 산물은 대개 독성이 약화되거나 없는 형태이지만 경우에 따라 유독한 산물이 생성되기도 하고 식물체에 축적되기도 한다.

⑦ 수리적 조절(hydraulic control)

이 방법은 식물에 의하여 환경의 물을 제거함으로서 수용성 오염물질의 이동 및 확산을 차단하는 원리에 기초한다. 따라서 지하수, 지표수 및 수분이 많은 토양을 대상으로 한다. 수분의 제거를 전적으로 식물체에 의존하므로 펌프 등 다른 장비를 필요로 하지 않으나 제거량 및 속도는 기후조건에 영향을 많이 받게 된다.

⑧ 완충수로(riparian corriders/buffer strips)

이 방법은 일반적으로 하천으로 유입되는 지표 및 지하수의 처리에 이용되며 수리적 조절, 식물분해, 근권분해, 식물증발 및 식물추출 등 여러 기작이 포함된다.

유기질, 농약 등 수용성 오염물질의 제거에 이용되며 포플러를 이용한 질산염 제거 사례가 많이 연구되고 있다. 충분한 넓이의 지면을 필요로 하며, 오염물의 농도 및 깊이 등이 고려되어야 한다.

완충수로를 이용한 식물재배 정화의 공정은 오염물질, 부지특성, 요구되는 정화시간 정도, 적용되는 식물의 조건에 따라 달라지며, 다음의 사항들을 충분히 고려하여 적용해야 한다.

❑ 오염원 및 이로 인한 문제점의 파악

❑ 적합한 식물의 선정

❑ 선정된 식물의 각 오염원에 대한 처리도

❑ 식물식종 방법

❑ 토양 및 지하수내의 포획구간(capture zone) 및 증산량

❑ 오염원 흡수율 및 정화기간

식물재배 정화법은 일반적으로 오염 대상지 내에서의 적용이 대부분을 차지하지만, 토양을 제거하거나 지하수 또는 지표수를 뽑아 올려 다른 장소에서 처리를 하는 경우도 있다. 식물재배 정화법의 적용에 있어서 대상 환경 및 오염물질에 적합한 식물종을 선택하는 것은 가장 중요한 문제로 오염원을 처리하기 위한 적합한 식물종, 고유한 종, 또는 대상 환경에 자생하는 식물들을 탐색하여 적절한 종류를 선택해야 한다. 특히 식물 종을 선택하기 위하여 다음의 항목 등을 검토하여야 한다.

❑ 식물정화방법 및 제거 대상 오염원의 선정

❑ 기후변화, 일조량, 오염원의 정도 등 부지에 대한 정보의 수집

❑ 식물종 선택기준 확립 : 일반적인 생장조건 및 식물정화관계 필요조건 등 고려

❑ 선택기준에 의하여 이용 가능한 식물종의 선정 일반적으로 목본류는 포플러, 미루나무, 버드나무 등이, 초본류는 페스큐 등이 이용된다. 그러나 식물에 의한 유기물의 처리시 설계조건은 식물의 성장이 빠르고, 환경에 적응성이 뛰어나고, 삽목이 수월하고, 유지관리가 용이해야한다는 점이다. 또한 지하수를 대상으로 할 때 증산작용에 많은 물을 제거할 수 있어야 하며, 오염원을 덜 유해하거나 무해한 물질로 변형시킬 수 있어야 한다.

 

(3) 처리물질 및 처리효율

식물재배 정화법은 비할로겐 및 할로겐 VOCs, 비할로겐 SVOCs, 유류 및 중

금속으로 오염된 지역의 정화에 대체적으로 적용이 가능하지만 방사성물질 등에 는 본 기술의 적용이 어렵다.

효과적으로 처리될 수 있는 대상오염 물질은 소수성을 가진 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 자일렌(xylene), 염소계 용제류(chlorinated solvents), 방향족 탄화수소(PAHs)와 암모늄(ammonium), 인(phosphate)과 같은 과잉의 영양염류 및 특히 중금속들을 제거하는데 효과적으로 이용된다.

토성도 처리효율에 많은 영향을 미치며 토양입경별 처리효율은 가는 모래나

미사의 토성을 가진 토양에서 처리효율이 높고 점토로 구성된 토양에도 적용가능하다.

 

(4) 영향인자

식물재배 정화법을 적용하는데 있어서 고려해야 할 영향인자를 [표 3-3]에 나타내었다.

 

식물재배 정화법은 식물을 이용하여 오염물질을 흡수, 추출하거나 안정화시켜 처리하는 기술이므로 부지특성, 물질특성 이외에 식물종의 특성 또한 매우 중요한 영향인자이다. 본 기술에 이용 가능한 식물종은 매우 다양하며 오염물질 또는 오염면적에 따라 적절한 식물종이 선택되어져야 한다.

특히 성장이 우수한 포플러나무 등은 가장 효율적으로 적용되고 있는 수종 중의 하나이다. 일반적으로 식물정화법에 이용되는 식물은 속성수이고, 환경에 적응력이 강해야 하며, 많은 양의 물을 증산할 수 있는 충분한 흡수력을 가져야 한다.

또한, 오염원을 무독성 또는 약한 독성의 산물로 전환시킬 수 있는 내성도 지니고 있어야 한다. 척박한 환경일 경우에는 그 주변에서 자생하는 식물을 이용하는 것이 유리하며, 이를 위해서는 자생식물 종의 분포조사와 오염원에 대한 내성 등을 시험하여 적합한 식물을 선정하는 것이 바람직하다.

식물재배 정화법은 유기오염물질 및 무기오염물질을 광범위하게 처리할 수 있는 기술이지만 오염물질의 특성에 따라 식물종의 종류, 처리효율 등이 달라지기 때문에 오염물질의 특성을 신중히 고려해야 한다. 특히, 유기물인 경우에는 적당히 소수성인 오염물질(log Kow= 1～3)에 대해서만 효율적으로 적용 가능하며, 유기물과 무기물 모두 오염물질의 농도가 높은 경우 오염물질 자체의 독성으로 인하여 처리효율이 감소할 수 있다.

일반적으로 식물재배 정화법은 식물의 뿌리가 뻗을 수 있는 1～3m 범위에서 적용 가능하기 때문에 오염부지의 깊이가 본 기술의 적용 여부를 결정하는데 매우 중요하다. 또한 식물이 원활히 생장하는데 큰 영향을 미치는 수분, pH, 온도, 무기 영양분 등의 토양특성에 대한 조사 및 평가가 필수적이다.

식물의 생장에 있어서 가장 결정적인 요인은 수분이다. 물은 영양분 운반체의 기능을 하며, 기체교환을 통제하고, 온도변화를 조절한다. 특히 뿌리의 성장속도는 길이 생장하는 뿌리세포와 세포벽을 만드는 대사물질, 세포벽 구조내의 결합을 끓어주는 성장호르몬내의 유체정압을 유지시켜 주는 물의 지속적인 공급에 의해 결정된다.

또한 뿌리와 토양미생물은 연쇄적인 효소촉매반응에 의해 유기물질을 산화시켜 에너지를 얻는다. 식물은 탄수화물을 이산화탄소와 물로 전환시키거나 호흡하는 데 산소를 요구한다. 토양내 산소가 부족할 경우에는 환원성 금속이온, 유기산, 휘발산 등을 축적시킴으로써 식물의 뿌리에 유해하고, 고농도의 에틸렌을 함유할수 있다. 에틸렌의 농도가 증가하면 뿌리의 길이생장, 형성층 활성 등을 방해하는 데, 0.4ppm의 에틸렌은 콩과식물에 있어서 뿌리혹의 발달을 억제하기도 한다.

토양내 낮은 온도는 물의 점성을 높임으로써 수분흡수를 감소시키고, 세포막

의 투과성을 감소시킨다. 또한, 물질대사 활동이나 뿌리의 생장 역시 낮은 온도에서 감소된다.

pH 4.0 이하에서의 식물의 뿌리는 짧아지고 두꺼워지며, 수가 적어지고 색상

은 밤회색이 된다. 뿌리털의 길이 역시 pH가 7.2에서 5.5로 낮아질수록 짧아지며, 고농도의 수소이온은 흡착지에서 양이온과 경쟁하여 이온수송에도 방해가 되며 뿌리막도 느슨해지게 한다.

염도 역시 식물재배 정화법에 영향을 미치는데, 고농도의 토양염도는 식물의

막투과성, 세포벽의 탄력성, 증산속도 등을 통제하는 호르몬의 균형을 파괴할 수 있으며, 토양내 이온조성을 변환시킴으로써 식물의 영양상의 불균형을 초래할 수 있다. 따라서 오염된 토양의 pH 측정을 통해 그 범위내에서 잘 자라는 식물을 선별할 필요가 있고, pH 교정을 목적으로 석회나 석고 등을 넣어 주는 방법도 있다.

식물은 필요한 무기영양분을 대부분 이온형태로 뿌리를 통해서 흡수한다. 적

절한 영양분은 식물의 최적 생체량생산에 필수적이다. 식물의 생장에 요구되는 원소는 탄소, 산소, 질소, 인, 칼슘, 마그네슘, 철, 황, 망간, 아연, 붕소, 구리, 몰리브덴, 염소 등 16가지이다. 무기영양분은 미생물에 의한 부패, 이온교환, 용해, 탈착 등에 의하여 토양이 고상에서 액상으로 분비되어 식물이 적절히 이용하게 된다.

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