출석수업자료 제8장 토양·지하수의 오염정화 및 복원 한국방송통신대학교 환경보건학과

학습내용 1. 지하수 이용 현황 1.1 우리나라 수자원 현황 1.2 우리나라 지하수 현황 2. 토양 및 지하수 관련 법규 2.1 지하수 관련법령 2.2 지하수 수질기준 2.3 토양오염 관련법령 및 기준

3. 토양 및 지하수 오염 개론 3.1 토양 및 지하수 오염의 현황 3.2 토양 및 지하수 오염의 특징 3.3 토양 및 지하수 오염농도의 표시 3.4 토양 및 지하수의 오염원 3.5 유류 오염 물질의 존재 형태 3.6 대표적인 오염물질

4. 토양·지하수 오염정화 및 복원(1/2) 4.1 토양·지하수 오염정화 및 복원의 개요 4.2 물리화학적 토양지하수 복원기법 (1) 고형화 및 안정화 (2) 토양증기 추출법 (3) 에어스파징 (4) 토양 세척법 (5) 토양 세정법 (6) 투수성 반응벽체 (7) 열처리 기술 (8) 자연저감기법

4. 토양 및 지하수 오염정화 및 복원(2/2) 4.3 생물학적 토양지하수 복원기법 (1) 생물학적 복원기법의 개요 (2) 바이오벤팅 (3) 토양 경작법 (4) 현장 지중 생물복원공정(In-situ Bioremediation) (5) 퇴비화법 (6) 식물복원공정 5. 오염부지 복원기술 평가

1. 지하수 이용현황

1.1 우리나라 수자원 현황 (단위: 억 m3/년)

1.2 우리나라 지하수 현황 (총: 1,304 천개소) 지하수 개발가능량 대비 현 이용량: 약 35%

2. 토양 및 지하수 관련 법규

2.1 지하수 관련법령

2.2 지하수 수질기준 이용목적별 항목 생활용수 농ㆍ어업용수 공업용수 일반 오염물질 (4개) 수소이온농도(pH) 5.8-8.5 6.0-8.5 5.0-9.0 총대장균군 (개수/100mL) 5,000 이하 - 질산성질소 (mg/L) 20 이하 40 이하 염소이온 (mg/L) 250 이하 500 이하 특정 유해물질 (15개) (mg/L) 카드뮴 0.01 이하 0.02 이하 비소 0.05 이하 0.1 이하 시안 0.2 이하 수은 0.001 이하 유기인 0.0005 이하 페놀 0.005 이하 납 6가크롬 트리클로로에틸렌(TCE) 0.03 이하 0.06 이하 테트라클로로에틸렌(PCE) 1.1.1-트리클로로에탄 0.15 이하 0.3 이하 0.5 이하 벤 젠 0.015 이하 톨 루 엔 1 이하 에틸벤젠 0.45 이하 크 실 렌 0.75 이하

2.3 토양오염 관련법령 및 기준 토양오염 관련법령: 토양환경보전법 토양오염 기준 토양오염 우려기준 사람의 건강, 재산이나 동식물의 생육에 지장을 초래할 우려가 있는 토양오염의 기준 토양오염 대책기준 우려기준을 초과하여 사람의 건강, 재산과 동식물의 생육에 지장을 초래하여 토양오염에 대한 대책을 필요로 하는 토양오염의 기준

(1) 토양오염 우려기준 (1,2,3지역의 구분 교재 p.230 참조) 물질(mg/kg) 1지역 2지역 3지역 카드뮴 구리 비소 수은 납 6가크롬 아연 니켈 불소 유기인화합물 폴리클로리네이티드비페닐 시안 페놀 벤젠 톨루엔 에틸벤젠 크실렌 석유계총탄화수소(TPH) 트리클로로에틸렌(TCE) 테트라클로로에틸렌(PCE) 벤조(a)피렌 4 150 25 200 5 300 100 400 10 1 2 20 50 15 500 8 0.7 600 800 60 2,000 700 40 30 12 120 3 340 45 7 사람의 건강·재산이나 동물·식물의 생육에 지장을 줄 우려가 있는 토양오염의 기준

(2) 토양오염 대책기준 (1,2,3지역의 구분 교재 p.230 참조) 물질(mg/kg) 1지역 2지역 3지역 카드뮴 구리 비소 수은 납 6가크롬 아연 니켈 불소 유기인화합물 폴리클로리네이티드비페닐 시안 페놀 벤젠 톨루엔 에틸벤젠 크실렌 석유계총탄화수소(TPH) 트리클로로에틸렌(TCE) 테트라클로로에틸렌(PCE) 벤조(a)피렌 12 450 75 600 15 900 300 800 - 3 5 10 60 150 45 2,000 24 2 30 1,500 1,200 1,800 2,400 6 180 6,000 2,100 120 5,000 36 50 9 1,020 135 21 우려기준을 초과하여 사람의 건강 및 재산과 동물·식물의 생육에 지장을 주어서 토양오염에 대한 대책이 필요한 토양오염의 기준(이하 "대책기준"이라 한다)

3. 토양 및 지하수 오염 개론

3.1 토양 및 지하수 오염의 현황 유류저장시설을 비롯한 지하저장탱크의 증가 추세 지하저장탱크의 노후로 인한 누출 증가 설치 후 5년이 경과한 탱크: 50% 약 8,300개 주유소 중 약 3,000개에서 누유 추정 오염토양 및 지하수 정화비용 막대 외국: 수 조 – 수십 조 투입 우리나라: 1조 추정(2010년) 토양 및 지하수오염에 대한 법적, 기술적 준비 미비

3.2 토양 및 지하수오염의 특징 비 가시적 오염여부 및 진행상황 파악이 어려움 오염이 많이 진행된 후 오염 확인가능: 시차성 오염지역이나 오염물질에 따른 특이성 오염지역마다 지질의 특성이 다름 지하수 흐름의 다양성 오염물질마다 특성이 다양 지속성 및 잔류성: 완벽한 정화의 어려움 정화비용 막대

다매체와의 상호연관성 지표수오염/대기오염 토양오염 지하수오염

3.3 토양 및 지하수 오염농도의 표시 ng/kg

3.4 토양 및 지하수의 오염원 가장 대표적인 토양 및 지하수의 오염물질(미국) (1/2) (TCE) (PCE)

가장 대표적인 토양 및 지하수의 오염물질(미국) (2/2)

비수용성 액체(Non-Aqueous Phase Liquids, NAPLs) 정의: 토양 유출 시 물에 용해되지 않고 물과 분리된 형태로 별도의 상(phase)을 유지하면서 이동, 잔류하는 액체 종류 LNAPLs(Light Non-Aqueous Phase Liquids) 물보다 가벼운 물질(휘발유, BTEX 등) 지하수면에 부유 DNAPLs(Dense Non-Aqueous Phase Liquids) 물보다 무거운 물질(PCE, TCE 등) 지하수면 바닥 불투수층에 존재 LNAPL 보다 처리하기 매우 어려움

대표적인 물질과 밀도

3.5 유류 오염 물질의 존재 형태 오염물 형태 토양공극에 잔류하는 NAPL 토양공극에 포화된 NAPL 지하수에 용존된 유류성분

3.6 대표적인 오염물질

(1/2)

(2/2)

4. 토양·지하수 오염정화 및 복원

4.1 토양·지하수 오염정화 및 복원의 개요 처리장소에 따른 토양 및 지하수 오염정화 방법의 분류 현장 내(on site) 처리: 오염현장에서 직접 처리 In-situ(원위치,지중) 처리: 토양·지하수를 굴착이나 양수하지 않고 원위치에서 처리 Ex-situ(지상) 처리: 토양·지하수를 굴착이나 양수한 후 부지 내 처리시설을 통해 처리 현장 외(off site) 처리: 현장 이외 지역으로 이동 후 처리

다양한 기준에 따른 토양 및 지하수 오염정화 기술의 분류

<포화대 및 불포화대의 기본개념> 토양수분 모세관대 토양 지하수면 포화대 지하수 암반

<불포화대의 구성> 불포화대: 지표면아래 지층 중 공극이 공기와 물로 채워지는 부분 (통기대) 물(불포화수): 지하수는 아니며, 하부로 이동하여 지하수형성 → 외부유입 오염물에 노출되어 지하수질에 영향을 끼침

<토양, 지하수 시료채취>

<미국 오염토양 정화기술 적용 현황>

<국내 오염토양 정화기술 적용 현황>

<미국 지하수 정화용 적용기술 현황>

4.2 물리화학적 토양지하수 오염복원 기법

(1)고형화 및 안정화(Solidification/Stabilization) 개요 오염토양에 고화제 등을 첨가하여 오염물질을 고형화, 안정화 중금속 및 무기물질 처리에 적당 오염토양 처리기술 원위치(in-situ) 및 지상(ex-situ) 처리에 동시적용

공정원리 고형화: 슬러지와 같은 오염물질에 접합제를 첨가하여 고상의 형태로 만드는 것(오염물의 이동성 감소) 안정화: 오염물질을 불용성 물질, 무해성 물질로 변화 시키는 것 무기접합제 시멘트, 석회, 비산재(fly ash), 규산, 점토, 지올라이트 비용 저렴, 구입 용이, 장기적인 안정성, 독성이 없음 유기접합제 아스팔트, 폴리에틸렌, 에폭시, 폴리에스테르 용해도가 높은 폐기물이나 유기성 오염물질의 안정화에 효과적 비용이 고가(핵폐기물, 유독성의 산업폐기물 처리에 제한적 사용)

공급장치

공정의 종류 시멘트를 이용한 고형화 및 안정화 포틀랜드 시멘트 사용 시멘트 + 오염토양 + 물 → 용해도가 낮은 수산화철 형성 중금속(카드뮴, 크롬, 납, 니켈), PCBs, 폐오일 슬러지 처리 포졸란을 이용한 고형화 및 안정화 포졸란: 상온에서 석회 및 물과 반응 시 시멘트 화합물이 됨 발전소 비산재, 소각로 먼지, 고로슬래그 포틀랜드 시멘트와 유사한 반응이지만, 속도가 느림 폐오일 슬러지, 도금슬러지, 폐산 등의 처리

영향인자 토양의 입경, 수분함량 중금속의 농도, 황 함유량 유기물질의 농도 토양의 밀도, 투수성, 물리화학적 특성 cf. 투수성 지표 투수계수: 일정 단위의 단면적을 단위시간에 통과하는 수량(水量)으로 정의 (㎝/sec)

공정의 장점 공정의 단점 중금속 및 방사능 물질에 적합 오염토양의 부피 증가(약 2배) 준휘발성 유기물, 살충제 제거에는 부적합 오염물질이 혼합된 경우 처리시간 길어짐 장기적으로는 용출가능성 문제: 장기적인 용출특성 모니터링 필요

(2) 토양증기 추출법(Soil Vapor Extraction, SVE) 개요: 불포화대에 주입정/추출정을 설치하여 주입정에는 공기를 넣어주고 추출정은 진공상태로 만들어 휘발성이 큰 유기화합물을 제거 (진공추출이라고도 함) 휘발성 or 준휘발성 유기화합물질 처리에 적당 오염토양 처리기술 원위치(in-situ) 처리

공정원리

시스템 구성요소 공기주입정 및 추출정 투수성이 양호한 토양의 지하수위 상부에 설치 추출 관정 수: 처리구역의 면적, 추출정의 영향반경 (1.5m(점토)~30m(사질토))을 고려하여 결정 관경: 5~30 cm (보통 10 cm) 진공펌프 진공도: 760 ~ 25 mmHg 송풍기 유량: 10 ~ 100 ft3/min 기액 분리기: 진공펌프와 송풍기 보호하기 위함 배기가스 처리: 활성탄 흡착, 소각, 생물처리, 촉매산화 등

영향인자 오염물질의 농도 오염물질이 분포된 깊이와 면적 토양의 구성, 함수율, 입경, 투수성, 공극률 기름과 그리스(grease)의 존재여부 공기의 유량과 증기압 대수층의 깊이 적정 수분함량 20-30%

토질 및 휘발성에 따른 토양증기 추출법의 효율성

장단점

(3) 에어스파징(Air Sparging) 개요 포화대에 공기를 주입하여 오염물질을 휘발시켜 제거 휘발성 or 준휘발성 유기화합물질 처리에 적당 오염지하수 처리기술 원위치(in-situ) 처리

공정원리

제약조건 처리대상물질 불균질 기질에 대한 적용의 어려움 피압대수층에는 적용불가 공기 주입으로 지하수나 공기 이동 → 오염확산 가능성 휘발성이 작은 오염물질은 제거가 어려움 처리대상물질 휘발성이 큰 오염물질

(4) 토양 세척법(Soil Washing) 개요 오염토양을 굴착 후 세척제를 이용하여 토양입자에 결합되어 있는 유기물질이나 중금속을 분리시킨 후 처리하는 것 원리 오염물질이 주로 토양의 미세입자에 많이 분포되어 있기 때문에 이것만을 분리하여 부피를 감소시킨 후 처리 토양과 화학적으로 결합되지 않은 오염물질은 물리적으로 쉽게 분리 오염토양 처리기술 지상(ex-situ) 처리

처리 설비 파쇄기: 2-5cm 보다 큰 토양을 파쇄 (취급 용이 및 효율 증대) 선별기: 이물질 제거 세척제 오염물질과 토양의 계면성상을 변화시켜(표면장력 감소 등) 토양으로부터 오염물질을 분리, 용해시키는 물질 pH 조절제, 세제, 계면활성제, 착화제, 산화제 폐액 처리장치 세척 후 나오는 폐액 처리 중화, 응집칩전, 생물학적 처리, 흡착, 막분리, 여과 등 대기오염물질 방지장치: 휘발성 물질, 미립자 제거

처리물질 생분해가 어려운 유해물질, 석유계 탄화수소(유류) 준휘발성 유기화합물 중금속과 같은 무기물 처리 → 우리나라의 경우: 중금속으로 오염된 폐광산이나 기름으로 오염된 대형 오염토양의 정화에 주로 사용

영향인자 장점 단점 입경분포(적정 입도범위: 0.24~2.0 mm) 토양의 종류 토양의 물리적 형상 수분함유량 오염물질의 종류 및 농도 유기물 함량 양이온 교환 능력 pH와 완충력 장점 오염토양의 부피 감소 단점 복합 오염물질의 경우, 적용할 세척제를 제조하기 어려움 처리비용이 많이 소요

(5) 토양 세정법 (Soil Flushing) 개요 오염토양을 굴착하지 않고 세정제를 직접 토양에 주입 토양에 흡착된 오염물질이 세정제에 의해 분리가 되어 이동성이 증가함으로 오염물질을 추출·제거 세정제 계면활성제: 비이온성 제품(Tween-80 등)이 많이 사용 알코올: methanol, 1-pentanol, 1-hexanol 오염토양 처리기술 원위치(in-situ) 처리 고농도의 NAPL이나 잔류되어 있는 오염물질 등 장기적인 오염원 제거에 효과적임

처리공정도 세정용액

영향인자 투수성 투수계수가 높은 토양 (> 10-3 cm/s)에 적절 대수층의 불균일성 불균일한 토양에 세정제를 주입하면 효율 감소 점성 콜타르 등과 같은 점성이 매우 큰 오염물질의 경우 효율 감소 토양의 물리적 성상 표면적, 토양의 유기물함량 등 토양의 화학적성상 완충능력, 양이온교환능력 등 오염물의 용해도가 크고, 흡착성이 작을수록 효과적 경제성: 세정제의 재사용이 매우 중요

처리 대상물질 방사능오염물질 중금속 (준)휘발성 유기화학물질 살충제

장점 오염물질의 굴착이나 이동의 필요성 없음 중금속 오염토양에 매우 효과적 유류 등의 고농도 NAPLs 제거에 많이 사용 단점 세정제 자체비용과 분리시스템 운영 등으로 경제성이 떨어짐 세정제 자체에 의한 2차 오염 가능성 있음 오염물질의 이동성 증가로 오염물질의 확산 가능성 있음 차단벽 설치, 양수 등 수리학적 포획이 수반되어야 함

(6) 투수성 반응벽체(Permeable Reactive Barriers, PRBs) 개요 오염지하수를 처리하기 위해 투수성 반응벽체를 지하수에 설치 지하수 오염물질이 투수성 반응벽체를 통과하면서 처리 중금속, 방사능폐기물, 유류, PCE, TCE, 비료 등 처리가능 지하수오염 처리기술, 원위치(in-situ) 처리 공정 개념도

반응 메커니즘 침전(Precipitation) 휘발 및 생분해(Volatilization and Biodegradation) 흡착(Sorption) 산화-환원(Oxidation-Reduction)

영향인자 투수성 반응벽체의 투수성 지하수의 흐름을 방해해서는 안 됨 투수성 반응벽체의 특성 반응에 따라 독성물질의 생성으로 2차오염을 유발 장기적인(수 년~수십 년) 반응성을 유지해야 함 적절한 유속과 깊이로 설계 경제적이어야 함

장점 단점 투수성 반응벽체의 대표적 반응매체인 영가 철을 이용하는 경우 유기염소계 화합물(PCE, TCE)의 탈염소화반응에 효과적 경제적, 반응성이 장기간 지속 자연흐름을 이용: 운영·유지비 저렴 단점 투수성 반응벽체의 장기적 반응성, 내구성에 대한 연구자료 부족 중간생성물, 부산물의 독성문제 가능성 30 m 이상 굴착 시 비경제적 복합 오염물질에는 부적합(특정 오염물질에 대해 특정 PRB를 꾸며야 함)

(7) 열처리 기술(Thermal Treatment) 개요 열처리 기술 소각 기술: 고온(800~1,200 0C) 에서 토양으로부터 오염물질을 휘발 및 소각 열탈착 기술: 500 0C 이하에서 토양으로부터 오염물질을 제거 오염토양 처리기술, 원위치 처리 특징 휘발성, 준휘발성 오염물질 제거에 적합 효율이 높고 처리시간이 매우 짦음 비용이 많이 소요, 대기오염물질 처리문제 원위치 처리시 폭발위험 등 안정성 문제

(8) 자연저감기법(Natural Attenuation) 개요 자연저감기법(NA) 토양 및 지하수에서 발생하는 자연적인 반응을 통해 오염물질의 부하, 유량, 독성 등이 저감되는 효과를 이용하는 것 관측자연저감기법 Monitored Natural Attenuation(MNA) 관측(모니터)를 하면서 자연저감 효과를 이용하는 것 ☞ 주위환경을 보호하고, 합리적 시간 안에 정화목적을 성취하는 속도로 진행될 수 있음이 증명되어야 함

공정도

장점 단점 처리대상물질 상대적으로 친환경적 처리비용이 적게 소요 자연공정을 이용 장기간 소요 장기간의 관측이 요구 탄화수소, 제초제, 중금속 등

4.3 생물학적 토양지하수 오염복원 기법

(1) 생물학적 복원기법의 개요 개요 자연에 존재하는 토양미생물을 활용하여 생물학적으로 유기성 오염물질을 이산화탄소와 물로 분해하는 방법 호기성 미생물, 혐기성 미생물 미생물에 필요한 전자수용체(산소), 영양소, 수분 등을 공급

장점 물리화학적 처리에 비해 경제적 자연친화적 기술, 토양 및 지하수 처리에 모두 적용 단점 복원에 장기간 소요 지역에 따라 미생물 농도의 차이가 있음 무기물 처리에는 적용이 어려움 난분해성 물질 처리에 어려움 오염물질이 고농도인 경우 다른 공정과 결합하여 운영해야 함

주요 영향인자 C:N:P = 100:10:1 미생물량 > 1,000 CFU/g 건조토양 : 높은 처리효율 여부에 따라 생물학적 복원 가능 cf. CFU는 colony forming unit의 약자이며, CFU/g은 세균을 세는 단위 예를 들어 1,000 CFU/g은 1 g당 1,000개의 세포 또는 균주가 있는지를 나타냄 수분함량: 20-30% pH: 중성(6-8) 투수계수 > 10-4 cm/sec 산소공급: 3 kg/kg HC

(2) 바이오벤팅(Bioventing) 개요 불포화대에 주입정과 추출정을 설치하여 공기를 주입함으로써 호기성 미생물을 이용하여 오염물질을 분해 전자수용체(산소), 영양소, 수분 등 공급 → 미생물 활성화 처리물질 휘발성이 적은 유류물질(경유, 등유 등) 비염소계 용매, 비할로겐 VOC 오염토양 처리 원위치 처리공정

영향 인자 적용지역 지하수위가 최소 1 m 이상이어야 함 추출정 사용시: 지하수위 3 m 이상 적당 오염물 특성 적당한 휘발성과 생분해성을 가져야 함 가벼울수록 생분해가 잘 됨 오염물의 농도가 너무 높으면 미생물에 독성 오염부지 깊이: 3-10 m가 적당 투수계수가 10-5 cm/s보다 커야 함 그 외 인자: 지반의 불균일성, 함수율, 온도, pH, 미생물농도, 영양분 등

공정도(전형적인 경우) 공기흐름: 주입정(오염지역내) -> 추출정(오염지역외)

공정도(SVE 공정 변형) 공기흐름 : 주입정(오염지역외) → 추출정(오염지역내)

공정도(단일 주입정 활용) 공기흐름 : 주입정(오염지역 내), 인위적 추출없음

(3) 토양 경작법(Land Farming) 개요 오염토양을 굴착한 후 지표에 깔아 놓고 정기적으로 갈아주거나 뒤집어 줌으로써 공기를 공급하여 호기성 분해 및 휘발 촉진 설계와 운전 용이, 정화기간 짧음 충분한 부지 필요, 굴착 시 비용 소모 오염토양 처리기술 지상처리

(4) 현장 지중 생물복원공정(In-situ Bioremediation) 개요 포화대에 주입정으로 산소, 영양물질 등을 공급하여 유기오염물의 호기성 생분해를 도모하는 것 오염물질의 농도가 고농도인 경우 미생물에 독성을 나타내 직접 적용 어려움 다른 공정과 결합하여 운영해야 함 미생물의 성장에 의한 지하수흐름의 방해, 추출정의 폐색 문제 경제성이 큼 오염지하수 처리기술 원위치 공정

공정도

(5) 퇴비화법(Composting) 개요 오염토양을 굴착한 후 퇴비화시켜 분해·안정화 시킴 퇴비화 공정 이용하여 생물분해 함 장점: 처리시간 단축, 적절한 운전으로 효율 향상,경제적 단점: 넓은 공간 필요, 오염토양 부피 증가(팽화제) 처리대상 물질: 저분자 비할로겐 휘발성 물질, 유류처리에 적절 오염토양 정화기술 지상처리공정

운전인자 공기공급: 교반이나 직접적인 공기주입 통기 개량제(팽화제, bulking agent): 볏집, 왕겨, 통밥 등 온도: 최적인 약 60 0C 유지 함수율: 약 60% C/N 비: 25~30

종류 <야적식 퇴비화 방법> <통기식 정치 더미식 퇴비화>

(6) 식물복원공정(Phytoremediation) 개요 식물을 이용하여 오염토양이나 지하수를 정화하는 기술 적용식물: 해바라기, 포플러, 계피나무, 미루나무, 버드나무, 습지식물 등 대상물질: 휘발성 유기화합물, 준휘발성 유기화합물

공정 메커니즘(1/2) 식물추출 오염물을 뿌리 등을 통해 식물로 흡수, 농축시킨 후 식물체 자체를 제거함으로 오염물을 제거 근권여과 수용성 물질이 뿌리 주변에 축적되거나 식물체로 흡수되는 것 식물안정화 오염물질이 뿌리주변에 비활성 상태로 축적되거나 식물체에 의해서 이동이 차단되는 것 근권분해 뿌리부근에서 미생물이 식물체의 도움으로 오염물을 분해하는 것

공정 메커니즘(2/2) 식물분해 식물체에 흡수된 오염물질이 체내에서 분해되거나 또는 식물체 밖으로 분비되는 효소 등에 의해 분해되는 것 식물휘발화 식물체에 흡수된 오염물질이 체내에서 휘발성 물질로 변형되어 대기로 방출되는 것 수리적 조절 식물이 물을 제거함으로써 수용성 오염물의 이동 확산을 차단하는 것 완충수로 하천으로 유입되는 지표수 및 지하수 처리에 이용되는 것 앞서 설명한 다양한 기작의 복합작용으로 오염물질이 제거

장점 단점 경제적 자연친화적 2차 부산물이 적음 얕은 토양 및 지하수에만 적용가능(0.9-3m) 고농도 유기물 처리에 한계(독성) 처리기간이 많이 소요 수확 식물체의 처리문제

정화식물 예

5. 오염부지 복원기술 평가 X

X