오염토양 정화기술(퇴비화법(Composting)과 자연저감법(Natural Attenuation))

퇴비화법(Composting)

(1) 기술개요

퇴비화법은 지상처리(Ex-situ)기술로서 폐슬러지 등의 폐기물 및 오염토양을

굴착하여 파일을 만들어 유기오염물질을 인위적으로 퇴적 분해시키는 방법을 말한다. 본 기술은 바이오파일과 같이 미생물에 의한 생분해를 이용하지만 오염물질을 물과 이산화탄소로 완전분해하지 않고 일부 무독성의 유기물로 안정화시켜 토양개량제 등으로 활용할 수 있다는 점이 다르다.

퇴비화법은 호기성 상태에서 미생물에 의해 분해 가능한 오염물질을 50～55℃의 온도에서 생물학적으로 분해․안정화시키고 병원균을 사멸시킨다. 퇴비화법에 있어서 온도를 적절히 조절하는 것은 매우 중요하기 때문에 호기성 상태의 유지를 위해 다량의 공기를 과잉으로 주입하는 것은 파일안의 온도를 낮출 수 있기 때문에 유의하여야 한다. 반면 유기물질이 분해될 때 발생하는 열을 이용하면 적절한 온도를 유지시킬 수 있다. 퇴비화법의 최대 처리 효율은 수분함량, pH, 산소, 온도, 그리고 탄소/질소비가 적절할 경우 얻을 수 있다.

퇴비화법은 일반적으로 하수슬러지의 처리와 같은 폐기물 처리에 주로 활용되어온 기술로서 폐기물 처리에 있어서는 경제성 및 적용성이 입증된 처리기술이라 할 수 있다. 그러나 본 기술은 팽화제의 첨가로 인해 처리해야 할 오염토양의 부피가 증가할 수 있고 악취 등이 발생될 수 있는 등의 단점으로 인하여 국내 오염토양 처리에는 거의 활용되지 못하고 있다.

(2) 공정원리

퇴비화 공정은 바이오파일 공정과 대체적으로 비슷하다. 다만, 바이오파일 공정의 최적온도는 약 30℃인 반면 퇴비화 공정의 경우 온도를 50～55℃로 유지해 주어야 한다는 점이 다르다.

퇴비화 공정을 적용하기 위한 전처리공정은 오염토양의 굴착, 선별 및 큰 입자를 작은 입자로 분쇄하는 과정이 필요하다. 작은 입자로 만드는 이유는 오염토양의 표면에 미생물에 의한 반응성을 높여주고 토양의 공극율, 투수성 및 용적비중을 높여주기 위함이다. 공정의 효율성을 향상시키기 위해 통기개량제(bulking agent) 또는 유기물질을 공급해줄 수도 있으며, 토착미생물의 활성도가 그리 높지 않은 경우에는 외부에서 배양된 미생물을 첨가하여 공정의 효율성을 높이기도 한다.

송풍시스템은 오염토양 퇴비화 공정의 효율적인 설계 및 운전에 있어 매우 중요하며, 적절한 양의 공기를 주입시켜 주어야 한다. 그러나 외부로부터의 강제적인 공기주입은 휘발성 유기화합물의 방출에 영향을 줄 수 있으므로 휘발성 오염물질의 수집과 처리를 할 수 있는 시설을 이용해야 한다.

적절한 수분함량을 유지하기 위해 물을 공급해야 하고, 영양원의 부족시에는

외부에서 질소 및 인을 추가 공급하여 처리효율을 높여야 한다. 퇴비화공정이 완료되면 퇴비화물질로부터 팽화제가 분리되고, 퇴비는 다른 토양의 접종에 이용될수 있다.

(3) 처리물질 및 처리효율

퇴비화 공정은 생분해가 가능한 물질로 오염된 토양에 효과적이다. 특히, 유류로 오염된 토양의 정화에 매우 효과적이며, 비할로겐 및 할로겐 VOCs, 비할로겐 SVOCs로 오염된 지역의 정화에도 대체적으로 적용이 가능하다. 또한 화약류와 같은 폭발성 물질로 오염된 토양의 처리에도 적합한 것으로 알려져 있다.

USACE (U.S. Army Corps of Engineers)와 UMDA (Umatilla Depot Activity)에 의해 수행된 현장실험에서 TNT(trinitrotoluene)는 운전을 시작한지 처음 20일 동안에 대부분 제거되었으며, 40일 후에는 99.7%가 감소된 것으로 보고되었다. 그러나 할로겐 SVOCs, 무기물질 및 방사성물질에는 적용이 불가능 하다.

(4) 영향인자

퇴비화법을 적용하는데 있어서 고려해야 할 영향인자를 [표 3-4]에 나타내었다.

퇴비화법은 바이오파일법과 비슷한 기술로서 적용성 및 처리효율에 영향을 줄 수 있는 영향인자 또한 매우 비슷하다.

성공적인 퇴비화반응을 위해서 필수적인 성분이 산소이다. 미생물이 에너지를 얻기 위하여 탄소를 산화시킴에 따라 산소는 사용되고 이산화탄소가 생성된다.

충분한 산소가 없다면 그 과정은 혐기성으로 되고 저급지방산, 황화수소 등의 심한 악취가 발생되게 된다. 계란 썩는 냄새가 나면 황화수소 가스가 발생하여 혐기성으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. 반대로 산소가 너무 많으면 미생물의 산화열이 냉각되어 퇴비화반응기 내의 온도가 올라가지 않으며, 저온에서의 분해속도는 고온보다도 상대적으로 느려지게 된다.

대기중의 산소농도는 21%이지만, 퇴비화에 있어서 유용한 호기성미생물은 5%보다 낮은 영역의 산소농도에서도 살아남을 수 있다. 가능한 내부온도의 냉각을 방지하면서 10% 이상의 산소 농도를 유지한다면, 호기성조건을 유지하는 것이 가능하다. 이러한 산소공급을 위하여 많은 장치에서 다양한 방법으로 접근하고 있다. 외부에서 송풍기를 통하여 공기를 공급하기도하고, 주기적으로 퇴비더미를 뒤집기도 한다.

하수오니, 식품폐기물 등과 같이 유기물이 점성을 유지할 경우 산소의 통기가 어려워 혐기성 반응이 일어나 반응속도에 영향을 줄 수 있다. 전처리 과정 중에 볏짚, 왕겨, 톱밥, 나무껍질 등의 통기개량제를 첨가하기도 한다.

퇴비화과정 중에 자연발생 하는 열에 의하여 온도가 적절하게 유지되나 온도가 높거나 낮을 때에는 분해율이 저하된다. 보통 대형 퇴비화시설에서는 온도제어를 하지 않지만 경우에 따라 제어가 요구된다. 퇴비화과정 중에 온도는 70℃ 이상까지도 유지되지만 일반적으로 제어 온도인 50℃～60℃에서 유지되며, 유기물 분해율에 좋은 온도는 60℃로 알려져 있다.

퇴비화의 초기에는 미생물에 의하여 분해되기 쉬운 당류, 단백질, 지방 등이

분해되어 발열반응에 의하여 온도가 상승한다. 온도가 상승되면 반응속도는 수배로 되며, 다시 온도상승을 가져온다. 온도가 높은 상태에서는 고열균이 우점종으로 나타나며, 유기물이 분해되고 수분이 저하되면 온도가 떨어지게 된다.

미생물은 활동에 알맞은 pH를 가지고 있다. 일반적으로 미생물은 pH가 5～9

범위에서 생육하며, 중성 부근에서 미생물의 활동이 전반적으로 높아진다. 퇴비화과정에서 관찰되는 pH 범위는 5.5～8.5 사이로서, 일반적으로 초기에는 낮은 값을 유지하지만 퇴비화반응이 진행됨에 따라 약알칼리성으로 변한다.

퇴비화반응의 초기에는 원료입자의 내부에 충분한 산소가 공급되지 않아서 내부물질이 혐기적으로 분해됨으로써 저급지방산 등이 발생하지만, 시간이 지남에 따라 공기공급이 원활하게 되면서 분해가 활발히 진행되어 질소성분중의 암모니아가 발생하게 된다. 이러한 암모니아의 발생이 활발해지면서 물질 내에 암모늄이온이 잔존되어 약 알칼리성을 띠어 pH 8이상을 유지하게 된다.

퇴비화과정 중 많이 일어나는 현상 중의 하나가 공기가 적게 공급될 때 pH가 4.5이하로 떨어지는 것으로 이러한 현상이 일어나면 공기공급을 원활하게 함과 동시에 소석회와 같은 중화제를 사용하여 pH를 높여주어야 한다.

많은 원소 중에서 탄소와 질소는 생물에게 매우 중요한 원소로 작용하며, 또한 분해정도를 가름하는 중요한 지표로 사용된다. 이들의 함량비를 C/N비로 나타내게 된다. 오염물질에 따라 최적의 값이 달라질 수 있으나 일반적으로 퇴비화에서 있어서 가장 이상적인 탄소와 질소의 무게비율은 50 이하로서 25～30:1이다. 만약에 비율이 25～30:1 이하일 경우에는 질소성분의 유실이 커지며, 암모니아 등의 악취가 심하게 발생되게 된다. 비율이 25～30:1이상에서는 미생물 성장에 필요한 질소원이 부족하여 미생물의 성장에 장애를 주어 퇴비화의 반응속도가 느려지게 된다

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

자연저감법(Natural Attenuation)

(1) 기술개요

자연저감법이란 자연적인 지중 프로세스, 즉 희석, 휘발, 생분해, 흡착 그리고 지중물질과의 화학반응 등에 의하여 불포화지역 및 포화지역의 오염물질 농도가 허용 가능한 수준으로 저감 되도록 유도하는 방법이다. 자연저감법은 다른 기술과는 달리 적극적인 오염토양 정화기술은 아니지만 현재 인체 및 생태계에 대한 위해도가 그리 높지 않고 부지활용이 제한되어 처리기간에 제한을 받지 않는 지역에서는 충분히 활용 가능한 경제적인 방법이라 할 수 있다.

또한 자연저감법은 단일 공정 뿐만 아니라 다른 기술과 함께 후속공정으로서 활용가치가 높은 기술로서 이 공정을 적용하기 위해서는 지중에서 발생되는 각종 물리/화학/생물학적인 반응에 대한 평가가 필수적이며, 따라서 지속적인 모니터링이 진행되어야 한다.

제한요인으로는 지중에 오염원이 존재하여 지속적인 오염이 일어나는 경우에는 우선적으로 오염원을 제거해야 하고 지중에서 발생되는 여러 기작에 의하여 본래 물질보다 유동성이나 독성이 강한 중간 분해 산물이 발생되어 비오염지역으로 확산될 수 있다. 따라서 자연저감법의 효과적인 적용을 위해서는 각종 모델링을 통한 처리효율 및 처리기간의 정확한 산정이 매우 필요하다.

(2) 공정원리

자연저감법은 오염물질의 정화를 위해서 아무런 조치를 취하지 않는다는 것이 아니라 처리대상 부지의 환경조건 하에서는 자연정화법의 적용만으로도 법적 요구조건을 만족시킬 수 있는 경우를 말한다. 자연저감법을 채택하는 경우에는 현부지의 상태, 용도, 오염물질, 처리기간, 경제성 등을 다른 채택 가능한 방법과 면밀히 비교 평가하여 채택되어야 한다.

예를 들어 PCBs와 같은 고밀도비수용액체상(Dense Non-Aqeous Phase

Liquids : DNAPLs)이 지하 깊은 곳에 흡착되어 유동성이 없다면 이를 제거하여 처리하는 공정은 비용이 많이 소요되고 오염물질의 농도를 효과적으로 감소시키지 못하기 때문에 기술적으로 현실성이 떨어진다.

이러한 경우 자연적으로 오염물질이 분해되도록 유도함으로써 오염물질을 정화할 수 있으며, 자연적인 정화를 돕기 위해 인위적인 조작을 가하여 자연정화의 시간을 줄일 수도 있다. 면밀한 검토과정을 통하여 자연저감법이 채택될 경우 종합적인 부지특성 조사, 위해성평가, 오염원을 제어할 조치, 모니터링 계획 등이 마련되어야 한다. 이 공정은 미국의 수퍼펀드 부지(Superfund site)에서 다수 적용되었으며, 전형적인 자연분해법의 모니터링 관정 시공도는 [그림 3-5]와 같다.

(3) 처리물질 및 처리효율

자연저감법은 비할로겐 VOCs 및 유류로 오염된 지역의 정화에 매우 탁월한

효과를 나타내며, 할로겐 VOCs, 비할로겐 SVOCs 및 할로겐 SVOCs로 오염된 지역의 정화에도 대체적으로 적용이 가능하지만 살충제의 경우 정화효율이 낮은 것으로 보고되고 있다. 또한 무기물질, 방사성물질 및 화약류에는 본 기술의 적용이 용이하지 않다.

 

(4) 영향인자

자연저감법을 적용하는데 있어서 고려해야 할 영향인자를 [표 3-5]에 나타내었다.

자연저감법이 적용 가능한 지역은 다른 처리방법으로 처리하는 것과 비교하여 유사한 효과를 얻을 수 있는 지역에 한하여 적용 가능하다. 통상적으로 자연저감법은 오염부지에 대하여 초기에 적극적인 정화방법을 적용하여 오염물질의 농도가 상당히 저감되어 더 이상 적극적인 정화방법을 적용하기에는 기술적, 경제적으로 효용성이 떨어지지만 인간이나 다른 동식물에 어느 정도 유해성을 갖는 경우에 이용할 수 있는 방법이다.

즉 자연정화법은 현저한 오염물의 확산이 이루어지거나 인간 및 동식물에 악영향을 줄 것으로 예측된다면 이용해서는 안 되는 방법이다. 자연저감법은 기본적으로 지중미생물의 분해과정을 통하여 정화하므로 온도, 수분 등 미생물의 생육조건은 중요한 인자가 된다.

 

----  잘 보셨으면  "좋아요" 부탁해요?  010-3816-1998. 감사함다. -----