오염토양 정화기술(동전기법(Electrokinetic Separation)과 소각법(Incineration))

동전기법(Electrokinetic Separation)

(1) 기술개요

동전기 정화(electrokinetic remediation : ER)법은 투수계수가 낮은 포화토양에서 이온상태의 오염물(음이온, 양이온, 중금속 등)을 양극과 음극의 전기장에 의하여 이동속도를 촉진시켜 포화지역의 오염토양을 처리하는 방법이다. 동전기법은 지중처리(In-situ) 토양 정화 기술로서 오염지역에 전극을 연결하고 낮은 강도의 전류를 흐르게 함으로써 투수계수가 낮은 토양, 점토, 슬러지 그리고 해양준설토로부터 오염물질을 제거한다.

일반적으로 오염토양 처리기술 중 미세토양이 다량으로 혼합되어 투수계수가 낮은 토양의 경우 통기성 및 유체의 이동성이 낮아 토양오염 처리기술의 적용이 용이하지 않지만 동전기법은 투수계수가 낮은 토양의 경우에서도 높은 처리효율을 기대할 수 있다.

그러나 동전기법은 소요되는 전기량이 많아 운영비가 높게 소요되어 경제성이 낮고, 산화/환원 반응에 의해 불필요한 부산물이 생성될 수도 있으며, 토양내 수분함량이 10% 미만인 경우 오염물질 정화효율이 급격하게 감소하기 때문에 다시 수분을 공급해 주어야 하는 단점을 가지고 있다.

(2) 공정원리

동전기법은 오염지역의 토양에 양극과 음극의 세라믹 전극들을 설치하고 낮은 강도의 전류를 흐르게 함으로써 양이온은 음극방향으로 음이온은 양극방향으로의 이동을 촉진시켜 제거하는 방법이다. 일반적으로 중금속 이온, 암모니아 이온 그리고 양으로 대전된 유기물질은 음극을 향하여 움직이고 음이온인 염소이온, 시안, 불소이온, 질산, 그리고 음으로 대전된 유기물질은 양극을 향해 움직인다.

전류는 양극에서 산성극, 음극에서 염기성극을 생성하며, 이러한 산성 조건의 생성은 중금속의 이동성을 증가시키고 음극으로부터 오염물질 수집 장치로 중금속이 이동하는데 도움이 된다. [그림 3-10]은 대표적인 지중 동전기법 처리공정도이다.

(3) 처리물질 및 처리효율

동전기법은 점토질 지반 간극수의 중금속 이온이나 용존하고 있는 유기물질을 효과적으로 제거시킬 수 있으며, BTEX, TCE, 페놀 등의 오염물질 정화에도 유용한 것으로 보고되고 있다.

(4) 영향인자

동전기법을 적용하는데 있어서 고려해야할 영향인자를 [표 3-10]에 나타내었다.

 

동전기법의 적용 시 오염물질의 이동속도에 영향을 미치는 인자로는 토양입자 크기(grain size), 이온의 이동성(ionic mobility), 오염물질의 농도(contaminant concentration), 총 이온 농도(total ionic concentration) 및 토양 공극수의 전류밀도(soil pore water current density)라 할 수 있다.

전류밀도란 도체의 단위면적당 흐르는 전류의 양을 말한다. 특히, 동전기법의 처리효율은 투수성과 같은 유체의 흐름에 영향을 받기 보다는 공극수의 전기전도도(electrical conductivity)와 오염물질의 이동경로에 따라 달라지며, 위 두 가지 인자는 모두 토양의 수분함량에 따라 변화된다.

오염물질의 이동방향 및 이동량은 오염물질의 농도(음이온/양이온), 토양의 구조 및 토성, 계면화학(interfacial chemistry) 및 공극수의 전류밀도에 따라 달라진다. 동전기법은 불포화층 및 포화층에서 모두 적용이 가능하지만 전기이동이 일어날 수 있는 최소 수분함량이 필요하다.

일반적으로 토양의 수분함량이 10% 미만인 경우 오염물질 제거효율이 급격하게 감소하는 경향을 나타내며, 토양의 수분함량이 14~18%인 경우 효율이 가장 높게 나타난다.

또한 동전기법에 의한 오염물질 추출효율은 오염물질의 종류, 용해도, 전하, 다른 물질과의 농도차이, 토양유기물질로의 친화성에 따라 달라진다. 본 기술은 수리전도도가 매우 낮은 점토질 토양의 정화에도 적용이 가능하고 특히 양이온 교환능력(CEC)이나 염도가 낮은 지역에서 효과가 높다.

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소각법(Incineration)

(1) 기술개요

이 공정은 적당량의 산소를 공급하여 유기물질을 연소시켜 분해하는 열적 파괴공정이다. 오염토양의 유기물질을 871~1,204℃의 고온으로 토양내의 유기오염물질을 소각하여 이산화탄소, 수증기, 황화수소, 그리고 할로겐화 수소로 분해한다.

독성 유기오염물질은 고온 산화로 분해할 수 있지만 불완전 연소가 될 경우 중금속을 함유한 독성의 소각재가 생성될 수 있다.

일반적인 소각로의 오염물질 제거효율은 99.99% 이상이고, PCB나 다이옥신(dioxins)에 대해서는 99% 정도의 효율을 나타낸다. 보통 소각법은 오염토양 처리방법이라기 보다는 폐기물 처리에 주로 활용되고 있는 기술로서 다양한 오염물질을 매우 낮은 수준까지 효과적으로 정화할 수 있는 기술 중의 하나이다. 그러나 처리비용이 타기술에 비하여 매우 높고 중금속으로 오염된 토양을 소각하는 경우 중금속을 포함한 소각재가 발생되므로 소각 후 다시 처분해야 하는 단점을 가지고 있다.

또한 납, 카드뮴, 수은, 비소 등의 휘발성 중금속은 연소 시 유해성 가스를 발생시키며, 이외에 분진, 에어로졸, 염산, 화산화물, 기타 가스 등을 발생시키므로 이를 처리하기 배기가스처리장치를 설치하여야 한다.

소각법은 토양중의 오염물질 뿐 만 아니라 토양 미생물 및 유기물질까지 모두 분해시키기 때문에 향후 소각된 토양은 토양으로서의 기능을 상실하게 되므로 친환경적인 기술이라 할 수 없다.

(2) 공정원리

소각법은 염소계탄화수소, PCBs, 다이옥신으로 오염된 토양을 정화하는데 주로 이용되는 지상처리(Ex-situ)기술이다. 소각로를 이용하여 오염토양을 정화하는 경우 대기로 방출되는 유해성 가스를 고려해야 한다. 소각법의 전형적인 처리공정도는 아래 [그림 3-11]과 같으며, 상업용 공정은 일반적으로 후 연소버너와 배기가스처리장치가 장착된 대용량의 회전식 소각로로 이루어져 있다

(3) 처리물질 및 처리효율

소각법은 [표 3-11]의 무기물질 및 방사성 물질을 제외한 대부분의 유기오염물질 처리에 탁월한 효과를 나타낸다.

(4) 영향인자

소각법은 적용되는 온도 범위가 다를 뿐 열을 이용하여 오염토양을 처리하는 열적처리법이라는 점에서 열탈착법과 비슷한 공정이라 할 수 있다. 따라서 본 기술을 적용하는데 있어서 고려해야할 영향인자 또한 열탈착법 영향인자와 같다[표 3-11].

 

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