오염토양 정화기술(토양세정법(Soil Flushing)과 토양세척법(Soil Washing))

토양세정법(Soil Flushing)

(1) 기술개요

토양세정법은 물 또는 오염물질 용해도를 증대시키기 위한 첨가제(계면활성제 등)가 함유된 물을 관정을 통하여 토양 공극 내에 주입함으로써 토양에 흡착된 오염물질을 탈착시켜 지상으로 추출하여 처리하는 지중처리(In-situ) 기술 중에 물리/화학적 처리기술에 속한다.

주입관정을 통하여 유입된 세정용액은 지하의 오염지역을 통과하면서 토양입자에 흡착된 오염물질의 용해도를 높여 토양입자로부터 탈착시키고 이를 추출정을 통하여 양수함으로써 오염지역의 토양을 정화한다. 본 기술은 처리과정에서 세정제로서 알코올, 착염물질 또는 계면활성제를 사용하기도 하며, 양수된 물은 지상에서 배출허용기준치까지 후처리하여 배출 또는 다시 지중으로 주입하는 등 재이용한다.

토양세정법은 생분해 과정이 불가능한 중금속의 경우 활용도가 높지만 살충

제, 휘발성 유기화합물, 준휘발성 유기화합물질의 처리시 높은 세정제 비용으로 인해 타공정에 비하여 경제성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 또한 투수성이 낮은 토양의 경우 세정용액의 이동에 제약을 받기 때문에 처리효율이 떨어지며 계면활성제와 같은 세정용액에 의해 2차 오염이 발생될 가능성이 있을 뿐 만 아니라 오염물질의 이동성을 증가시켜 비오염지역 특히 포화지역으로의 오염물질 확산을 초래하기도 한다.

(2) 공정원리

토양세정법은 세정용액을 주입 및 추출공정을 통해서 이동시킴으로써 수행되며, 추출된 세정액은 공공 하수처리장이나 저류조로 보내지기 전에 자체 폐수처리장치를 통하여 적절히 처리한다. 본 기술의 경제성에 가장 큰 영향을 주는 인자로는 세정제의 높은 비용을 들 수 있으므로 경제성을 최대한 증가시키기 위해 재생된 세정액은 세정공정에 재사용하게 된다.

따라서 세정액에 계면활성제를 첨가하였을 경우 처리수에서 계면활성제를 재생하는 과정은 토양세정공정의 비용을 절감하는 데 있어서 매우 중요한 요소이다.

미생물의 생분해를 활용하는 생물학적 처리방법과는 달리 토양세정법을 적용하는데 있어서 처리효율의 차이는 오염물질의 성분보다는 수리전도도, 고유투수계수, 공극률 등 토양의 수리지질학적인 요소에 더 많이 좌우된다. 즉, 토양세정법의 처리효율은 각각의 토양입자에 흡착된 유기오염물질과 세정용액의 접촉이 원활할수록 높아지기 때문에 점토가 많이 포함된 토양의 경우 세정용액의 이송을 방해할 뿐 만 아니라 편류현상(channeling)을 일으켜 오염물질의 처리효율을 감소시킨다.

실제 현장의 수리지질학적인 요소를 실험실에서 모두 모사하기 불가능하기 때문에 실험실 수준(lab-scale)의 연구에서는 제거효율이 높지만 실제 현장에서는 그렇지 않은 경우가 많다. 따라서 지중의 유체흐름을 정확히 이해하는 것이 매우 중요하다. 일반적인 토양세정의 처리공정도는 [그림 3-6]과 같다

(3) 처리물질 및 처리효율

토양세정법은 [표 3-6]의 오염물질 중 중금속을 비롯한 무기물로 오염된 지역의 정화에 매우 탁월한 효과를 나타낸다. 또한 비할로겐 및 할로겐 VOCs, 비할로겐 및 할로겐 SVOCs 및 유류로 오염된 지역의 정화에도 대체적으로 적용이 가능하지만 다른 기술보다는 경제성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 방사성물질 및 화약류에는 본 기술의 적용이 용이하지 않은 것으로 알려져 있다.

토양세정법은 현재 미국에서 사용되는 기술로서 현장의 수리지질학적 요인에 영향을 많이 받기 때문에 본 공정을 선택하기 전에 실험실과 현장에서 처리실험이 수행되어야 한다. 토양세정기법은 12개의 수퍼펀드 부지에서 정화기법의 하나로 사용되었으며, 국내의 경우 실험실 수준의 연구는 활발히 진행되었으나 토양세정법의 여러 가지 제한 요인으로 인하여 실제 현장 적용은 아직 이루어지지 않은 상태이다.

(4) 영향인자

토양세정법을 적용하는데 있어서 고려해야 할 영향인자를 [표 3-6]에 나타내었다.

토양세정법은 지중처리기술로서 지중에서 세정액의 흐름을 유도하여 오염지역을 정화하는 기술이므로 다른 지중처리기술과 같이 지중에서의 유체, 특히 공기보다는 물의 흐름이 매우 중요하다. 따라서 토양 중의 물의 흐름을 나타내는 수리전도도는 토양세정법을 적용하는데 있어 중요한 인자이며, 토양 중 점토의 함량이 높을 경우 수리전도도가 매우 낮아져 물의 흐름이 방해를 받아 처리효율이 현저히 저하되므로 점토함량도 고려되어야 한다.

본 기술은 토양표면에 흡착되어 있는 오염물질을 세정제와의 접촉을 통하여 용출시켜 처리하는 공정이므로 세정제가 접촉할 수 있는 토양의 표면적도 중요한 인자중의 하나이며, 특히 토양 중 휴믹산과 같은 유기물 함량이 높을 경우 오염물질과 강하게 결합되어 있어 세정액을 통한 용출이 어렵기 때문에 유기물의 함량을 나타내는 탄소함량 또한 고려대상 인자에 해당된다.

뿐만 아니라 본 공정은 생물학적 처리법과는 달리 물리/화학적인 공정이기 때문에 온도, 영양분과 같은 생분해 인자보다는 완충능력, 양이온 교환능력과 같은 토양의 화학적 특성에 초점을 맞출 필요가 있으며, 이러한 특성에 따라 첨가해야 할 세정제의 종류, 농도 등이 달라질 수 있다.

이외에 용해도, 분배계수와 같은 오염물질의 특성을 충분히 고려하여 토양세정공정의 적용 가능성을 결정하여야 하며 적용 가능성을 효과적으로 검토하기 위해서는 처리효율 실험을 수행하는 것이 매우 중요하다.

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

 

토양세척법(Soil Washing)

(1) 기술개요

토양세척법은 적절한 세척제를 사용하여 토양입자에 결합되어 있는 유해한 유기오염물질의 표면장력을 약화시키거나 중금속을 액상으로 변화시켜 토양입자로부터 유해한 유기오염물질 및 중금속을 분리시켜 처리하는 지상처리(Ex-situ)기술이다. 기본적으로 토양세척법은 토양세정법(soil flushing)과 비슷한 공정원리를 활용한다. 즉, 토양세척법은 토양세정법과 같이 세정제를 활용하여 오염물질의 용해도를 높여 추출한 후 후처리를 통하여 오염물질을 제거하고 세정용액을 다시 재활용하는 기법을 사용하고 있다.

그러나 토양세정법은 지중처리기술로서 오염지역에 직접 관정을 설치하여 세정용액의 흐름을 유도하는 반면 토양세척법은 오염토양을 굴착 후 최적화된 토양세척장치를 통하여 처리하는 지상처리기술이라는 점이 다르다. 또한 토양세척법은 오염물질의 추출 이외에 선별과정을 통하여 오염된 토양의 부피를 효과적으로 감소시키는 기능을 한다는 점에서 토양세정법과는 다르다고 할 수 있다.

토양세척법에 이용되는 세척제는 오염물질을 토양으로부터 분리·용해시키는 역할을 하는 물질로 계면의 자유에너지를 낮추고 계면의 성질을 현격히 변화시켜 물에 대한 용해성이 적은 물질을 열역학적으로 안정한 상태로 용해시킬 수 있는 중요한 화학물질이다. 그리고 이렇게 분리된 폐액은 농축․처분하거나 폐수처리방법으로 처리하며, 페액 내의 중금속을 회수할 수도 있다.

토양세척법은 현재 미국 및 유럽 등지에서 활용도가 높은 기술로서 생물학적

분해가 어려운 유해화학물질이나 중금속을 빠른 시간 안에 처리할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 사용하는 세척제의 종류에 따라 광범위한 유기 및 무기오염물질을 제거할 수 있으며, 선별과정을 통하여 효과적으로 오염토양의 부피를 감소시킬 수 있기 때문에 타 공정과 복합적으로 사용할 경우 그 활용도가 더 높아질 수 있다.

그러나 오염토양의 굴착 및 이송 비용, 토양세척장치의 제작비용, 세척제 비용 및 폐수/폐기물 처리비용 등이 높게 소요될 수 있기 때문에 타공정에 비하여 비교적 경제성이 낮고, 오염물질이 복합적으로 존재할 경우 적정한 세척제의 선정 및 제조하기가 용이하지 않은 단점이 있다. 따라서 토양세척법은 중금속 오염과 같이 타공정의 적용이 어려운 오염지역일 경우, 빠른 시간 안에 긴급히 처리해야 할 경우에 유용하게 사용될 수 있는 기술이라 할 수 있다.

(2) 공정원리

토양세척의 기본 원리는 다음의 가정에 근거를 두고 있다. 첫째, 오염물질은 입자가 작은 미세토양에 많이 흡착되어 있기 때문에 미세토양 만을 분리하면 오염토양의 부피가 현저히 감소된다는 점과 둘째, 토양입자와 화학적으로 강하게 결합되지 않은 오염물질은 물리적인 방법으로 쉽게 분리될 수 있다는 점이다.

따라서 토양세척법은 물리적인 선별 및 마찰작용을 활용하여 미세토양의 원토양으로부터 분리시키는 기능과 필요할 경우 적절한 세척제를 이용하여 화학적으로 결합된 오염물질을 용출시키는 기능을 목적으로 하고 있다. 토양세척법의 일반적인 처리공정도는 [그림 3-7]과 같다.

토양세척장치는 처리하고자 하는 오염물질의 종류 및 오염토양의 특성에 따라 최적의 장치를 구성해야 하지만 일반적으로 파쇄기, 선별기, 분리장치, 혼합 및 추출 장치, 세척액 처리장치, 미세토양의 2차 처리장치 등으로 구성되어 있다.

① 파쇄기(size reduction equipment)

파쇄기는 입도가 큰 토양을 분쇄하는 장치로 입도의 크기가 2～5㎝보다 큰 토양이 심하게 오염되어 있어 세척이 필요한 경우 토양취급과 세척효율을 높이기 위해 설치한다.

② 선별기(screening equipment)

선별기는 토양 중에서 세척처리가 불필요하고 입자크기가 큰 자갈이나 나무, 금속 등 이물질을 선택적으로 분리하는 장치이다. 입자의 크기가 큰 자갈의 표면에는 오염농도가 높은 미세토양이 부착되어 있기 때문에 이를 제거하기 위하여 고압 스프레이에서 나오는 물로 표면을 세척한 후 다시 원위치에 매립하고 선별된 토양은 분리장치로 보낸다.

③ 분리장치(separation equipment)

선별기에서 이송된 토양은 습식 분리장치를 통하여 다시 미세입자와 중간크기의 입자로 분리되며, 분리장치를 통하여 분리된 중간크기의 모래질 토양은 일반적으로 오염도가 낮기 때문에 바로 되메움하거나 오염농도가 높을 경우에는 혼합 및 추출장치로 이송하여 2차 처리를 수행한다. 분리된 고농도의 미세토양은 2차 처리과정을 거치거나 탈수과정을 거친 후 폐기물로 처리된다.

④ 혼합 및 추출장치

혼합 및 추출장치는 선별과정만으로 오염토양의 농도가 목표치까지 감소되지 않을 경우 계면활성제와 같은 세척제를 활용하여 오염물질을 화학적으로 추출함으로써 정화하는 장치이다. 혼합 및 추출장치는 반드시 포함되어야 하는 장치는 아니며, 현장적용전 처리시험을 통하여 이 장치의 포함 유무를 결정할 필요가 있다.

⑤ 세척액 처리장치

세척 후 나오는 폐액은 오염물질을 함유하고 있어 외부로 배출하거나 재사용시 후처리가 필요하다. 특히, 계면활성제와 같은 세척제를 사용할 경우 세척제를 재생하여 다시 재활용하는 것이 경제성에 중요한 영향을 미칠 수 있기 때문에 세척액 처리장치에 대한 고려가 필수적이다. 폐수처리 기법은 중화, 급속침전, 응집, 생물학적 처리, 활성탄 흡착, 막분리, 여과 등 많은 방법이 있다.

⑥ 대기오염 방지장치

토양의 굴착, 파쇄공정, 선별공정, 후처리공정 등에서 휘발성물질 및 미립자가 방출되므로 오염방지 장치가 필요하다. 굴착시에는 오염방지가 어렵지만 나머지 다른 공정에서는 포집하여 전기 집진, 활성탄 흡착, 스크러버 등으로 처리하여 배출한다.

(3) 처리물질 및 처리효율

토양세척법은 유기오염물질, 유류 및 중금속과 같은 무기물질로 오염된 지역

의 정화에 대체적으로 적용이 가능하지만 방사성물질 및 화약류로 오염된 지역의 정화에는 본 기술의 적용이 쉽지 않다. 토양입경별로는 자갈, 모래, 미사 등에 효과가 크고 미사에는 부분적인 효과가 있으며, 점토에는 효과가 없는 것으로 알려져 있다.

토양세척법은 미국에서 개발된 기술이지만 현재 미국보다는 유럽지역에서 일반적으로 많이 사용되고 있다. 토양세척법은 1986에서 1989년 사이에 미국의 여덟 개의 수퍼펀드 부지에서 오염물질 제거 방법 중 하나로 적용되었다. 국내의 경우 토양세척법을 이용한 오염물질 처리비용이 높은 이유로 현장 적용이 많지 않았으나 최근 폐광산과 같은 중금속으로 인한 오염문제가 대두되면서 중금속 오염 처리 및 대형 유류오염토양 정화현장에서 주로 적용되고 있다.

(4) 영향인자

토양세척법을 적용하는데 있어서 고려해야 할 영향인자를 [표 3-7]에 나타내었다.

 

토양세척법은 오염토양을 굴착 후 세척을 통하여 오염농도를 저감시키고 고농도로 오염된 미세토양을 제거함으로써 오염토량을 감소시키는 기술이다. 미세토양은 비표면적 매우 크기 때문에 흡착되어 있는 오염물질의 함량이 높고 점착성이 커서 큰 입도의 토양을 서로 붙여 큰 덩어리를 만들기도 한다.

또한 토양 중의 휴믹산과 같은 유기물(부식질)도 오염물질을 강하게 흡착(흡

수)하는 특성을 가지고 있다. 이러한 미세토양 및 유기물의 함량에 따라 토양세척법의 처리효율 및 경제성이 달라지기 때문에 토양의 입도분포, 점토함량 및 유기물 함량은 토양세척법의 적용 가능성을 검토하는데 있어서 가장 중요한 인자라 할 수 있다.

토양성상에 따른 토양세척법의 적용 한계는 미세토양과 유기물의 혼합률에 의하여 결정된다. 최근에 들어서는 미세토양의 혼합률을 50% 까지도 경제성의 한계내로 설정하는 기술도 있으나, 일반적으로 혼합률 30% 이하를 토양세척의 경제적 한계로 보고 있다. 토양세척이 적정 입도 범위는 0.24～2.0mm이다.

토양세척법 적용시 고려해야할 토양특성으로 pH 및 완충능력을 들 수 있다. pH 값은 오염물질의 세척액으로의 용해와 밀접한 관계를 가지고 있으며, 완충능력은 pH를 변화시키기 위해 필요한 세척제의 양을 결정하는데 중요한 요소로 작용한다. 즉, 오염물질의 용해도를 증가시키기 위하여 필요한 경우 pH 값을 조절해야 하며, 특히 중금속의 경우 pH의 변화에 따라 산화형태가 달라지고 이에 따라 용해도가 영향을 받기 때문에 토양의 pH 및 완충능력에 따라 처리공정이 영향을 받을 수 있다.

또한 토양세척법은 오염물질의 물리/화학적 특성에 따라 처리효율이 달라질 수 있는데 오염물질의 물에 대한 용해도가 높을수록, 휘발성 강할수록 토양세척효율을 높아지는 경향이 있다. 다만, 휘발성이 강한 오염물질의 경우 처리공정 중 휘발되어 대기로 방출될 수 있기 때문에 공정 중 발생되는 배기가스를 포집하여 처리하기 위한 시설이 필요할 수도 있다.

세척수의 경우 세척효율을 높이기 위하여 여러 가지 첨가물이 물과 함께 사용되는데, 용출시험 등을 이용한 처리성능시험을 통하여 오염특성에 맞는 세척제를 선택을 해야 한다. 자주 쓰이는 첨가제로는 pH 조절제, 세제, 계면활성제, 착화제, 산화제, 응집제 등이 있다. 일반적으로 토양세척용 첨가제로는 계면활성제를 주로 사용한다. 이는 표면에 흡착되어 계면의 활성을 크게 하고 표면장력을 현저히 떨어뜨리는 효과를 이용하는 것이다.

효율적인 토양세척용 계면활성제는 활성제 자체의 용해도, 대상 오염물에 대한 용해도, 흡착성, 생분해성 및 생물학적 독성 등의 성질과 비용 등의 여러 면에서 선택되어야 한다. 토양세척에는 표면장력이 작은 계면활성제를 선택하는 것이 바람직한데, 이는 토양과 계면활성제 용액의 혼합물에서 중력에 의한 고액분리가 용이하기 때문이다

 

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