KR100451976B1

KR100451976B1 - 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거장치 및 이를 이용한 오염물질 제거방법

Info

Publication number: KR100451976B1
Application number: KR10-2002-0066703A
Authority: KR
Inventors: 정승우
Original assignee: 정승우
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-10-08
Also published as: KR20040039061A

Abstract

본 발명은 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상 오염물질 제거장치 및 이를 이용한 오염물질 제거방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알콜류와 공기를 동시에 오염지하수층에 주입하여 알콜류로는 액상오염물질을 용해시켜 제거하고 공기는 지하수층 및 불포화 토양층에 존재하는 액상오염물질을 휘발시켜 제거하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상 오염물질 제거장치 및 이를 이용한 오염물질 제거방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 액상오염물질에 의해 오염된 불포화토양층과 및 지하수층에 알콜류와 공기의 혼합류를 지하수층에 분출하는 공급관과 혼합류중 알콜류와 공기를 취합하여 외부로 배출하는 액체상배출관과 기체상배출관을 각 각 설치하는 단계, 상기 공급관내에 공기와 알콜의 비율은 2:1 내지 6:1의 비율이고 알콜이 지하수로 주입후 부피비로 60%이상의 알콜농도를 유지하게금 주입하는 혼합류주입단계, 상기 혼합류주입단계와 동시에 상기 기체상배출관 및 액체상배출관에 진공력을 제공하여 상기 공급관을 통해 분출된 알콜류와 공기를 배출하는 배출단계로 이루어지는 특징이 있다.

Description

알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상 오염물질 제거장치 및 이를 이용한 오염물질 제거방법 {Remediation systems and method for soil and ground water contaminated by nonaqueous phase liquids using concurrent injection of cosolvent and air}

본 고안은 기름 (oil) 및 염소계 유기용매 (chlorinated solvents, 예 TCE(trichloroethylene), PCE(tetrachloroethylene))등 액상오염물질 (NAPL:non-aqueous phase liquid)로 오염된 토양과 지하수를 동시에 복원하기 위한 장치구성과 방법이다.

지하는 물이 차지않은 불포화 토양층과 지하수로 채워져 있는 지하수층으로 구분된다.

현대사회의 도시화와 산업발전으로 인해 기름의 사용과 염소계 유기용매제의 사용이 계속 증대되고 있다. 이러한 액상물질들은 지하 및 지상저장탱크에 저장되어 지속적으로 사용되는데 저장탱크의 노후와 관리소홀 등으로 유출사고가 빈번해지고 있으며 주변 토양 및 지하수가 이러한 유출 액상오염물질로 서서히 오염되고 있다. 토양으로 유출된 액상오염물질은 불포화 토양층을 거쳐 지하수층까지 도달하므로 토양과 지하수를 동시에 황폐화시키게 된다.

불포화 토양층 및 지하수층내 존재하는 액상오염물질은 토양입자들(soil)사이의 공극 모세관현상(capillary force)으로 인해 안정된 상태로 분포하게 된다.

오염된 토양 및 지하수의 복원을 위해서 많은 복원항법들이 제시되고 있지만 대부분의 복원방법은 토양 및 지하수를 각 각 개별적으로 복원하는 방안이다. 이중지하수와 섞이지 않고 존재 (free phase) 하는 기름 및 유기용매제로 인해 오염된 지하수의 복원방법으로 오염된 지하수를 계속 지상으로 펌핑하여 용존되어 있는 유기물질을 처리한 후 처리된 지하수는 다시 지하수층으로 주입하는 펌핑후처리(pump-and-treat) 방법이 가장 널리 사용되고 있다. 그렇지만 상기한 액상오염물질들의 용해도가 대체로 낮아 펌핑후 처리방법으로는 많은 시간과 경비를 소요하게된다.

또한, 지하수가 잘 흐르는 구역에 존재하는 액상물질은 지하수에 용해될 수 있는 기회가 있어서 언젠가는 처리될 수 있지만 지하수의 흐름이 원활하지 않은 지역의 액상오염물질은 장기간동안 지하수층에 존재하면서 용해되므로 계속적인 지하수 오염원이 되고 있다.

근래 알콜류 (cosolvent = alcohol+water)를 지하수에 주입하여 액상오염물질의 용해도를 증대시켜 지하수층내 액상오염물질의 제거효율을 높이고자 하는 방안들이 제시되고 있다. 하지만 이 방법은 액상오염물질의 용해도는 높였지만 역시 지하수 흐름이 적은 구역까지는 알콜성분이 도달하지 않기 때문에 지하수 흐름이 적은 구역에 존재하는 액상오염물질의 제거에는 실효성이 적게 나타나고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 고안한 것으로 알콜류와 공기를 오염 지하수층에 동시에 주입하여 알콜류를 보다 많은 지역의 액상오염물질과 접촉하게끔 하므로서 액상오염물질의 제거효과를 높이고 이때 같이 주입한 공기로 인하여 지하수층 및 불포화 토양층에 존재하는 액상오염물질을 또한 휘발시키므로서 토양과 지하수에 존재하는 액상오염물질을 동시에 제거할 수 있게 하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거장치 및 이를 이용한 오염물질 제거방법을 제공함에 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 구성될 수 있는 토양 및 지하수 오염 복합 복원공정의 예를 도시한 도면.

도 2은 본 발명에 따라 구성될 수 있는 토양 및 지하수 오염 복합 복원공정의 다른 예를 도시한 도면.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1: 공급관 2: 압축공기 공급펌프

3: 알콜류 공급펌프 4: 불포화 토양층

5: 지하수층 6: 알콜과 공기의 혼합류

7: 불포화층의 액상오염물 8: 대수층의 액상오염물

9: 기체상배출관 10: 액체상배출관

11: 불투수층

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 액상오염물질에 의해 오염된 오염지역의 불포화토양층 및 지하수층에 삽입 설치되되 그 하단이 불포화토양층을 통과하여 지하수층에 도달하는 공급관과; 상기 공급관을 통해 지하수층 내부에 알콜류 및 공기로 이루어진 혼합류를 분출시키는 혼합류공급수단과; 상기 오염지역의 지하 수층에 그 하단이 도달하도록 삽입 설치되며 진공펌프에 의해 진공력을 제공받아 상기 공급관을 통해 분출하여 지하수층에 존재하던 액상오염물질을 용해시킨 상태의 알콜류를 흡입하여 외부로 배출하는 하나 이상의 액체상배출관(liquid extraction well)과; 상기 오염지역의 불포화토양층에 그 하단이 위치하도록 삽입 설치되며 진공펌프에 의해 진공력을 제공받아, 상기 공급관을 통해 분출하여 토양층의 공극내에 머물러 있는 액상오염물질을 휘발시켜 제거한 기체상 오염물질을 흡입하여 외부로 배출하는 하나 이상의 기체상배출관(gas extraction well)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액체상배출관 및 기체상배출관은 하나의 쌍을 이루며 상호 근접위치하고, 상기 액체상배출관 및 기체상배출관에 대해 공급관은 오염지역을 사이에 두고 반대측에 위치함으로써 공급관을 통해 공급된 알콜류와 공기의 혼합류가 액상오염물질을 통과하여 액체상배출관 및 기체상배출관으로 이동 배출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공급관은 오염지역의 중앙부를 관통하여 설치되고, 상기 액체상배출관은 상기 공급관과 더불어 오염지역의 중앙부에 설치되어 공급관으로부터 분출되는 혼합류중 알콜류 및 액체상 오염물질을 뽑아 배출하며, 상기 기체상배출관은 상기 공급관을 중앙으로 삼는 오염지역의 주변에 위치하여 상기 공급관을 통해 분출된 공기 및 기체상 오염물질을 외부로 배출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액체상배출관의 상단부는 공급관의 상단부에 연결되어 액체상배출관을 통해 회수된 알콜류를 다시 공급관으로 순환시켜 재활용하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

아울러 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, a. 액상오염물질에 의해 오염된 오염지역의 불포화토양층 및 지하수층에 삽입 설치되되 그 하단이 불포화토양층을 통과하여 지하수층에 도달하며 외부로부터 공급된 알콜류와 공기의 혼합류를 지하수층에 분출하는 하나 이상의 공급관과, 상기 오염지역의 지하수층에 그 하단이 도달하도록 삽입 설치되며 진공펌프에 의해 진공력을 제공받아 상기 공급관을 통해 분출하여 지하수층에 존재하던 액상오염물질을 용해시킨 상태의 알콜류를 흡입하여 외부로 배출하는 하나 이상의 액체상배출관과 상기 불포화토양층에 그 하단이 위치하도록 삽입 설치되며 진공펌프에 의해 진공력을 제공받아 상기 공급관을 통해 분출한 혼합류 중의 공기와 기체상 오염물질을 를 흡입하여 외부로 배출하는 하나 이상의 기체상배출관을 설치하는 준비단계와; b. 상기 공급관내에 공기와 알콜류로 이루어진 혼합류를 주입하되 공기와 알콜의 비율을 2:1 내지 6:1의 비율로 주입하는 혼합류주입단계와; c. 상기 혼합류주입단계와 동시에 이루어지는 것으로 상기 기체상배출관 및 액체상배출관에 진공력을 제공하여 상기 공급관을 통해 분출된 알콜류와 공기를 배출하는 배출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합류주입단계를 통해 주입되는 알콜의 양은 알콜이 해당 지하수층의 지하수에 용해된 상태로 60%(부피비) 내지 80%(부피비)의 비율이 되는 양인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 알콜류는 메탄올(methyl alcohol), 에탄올(ethyl alcohol), 부탄올(buthyl alcohol), 펜타올(pentanol), 헥산올(hexanol), 프로판올 (propanol) 등과 상기한 알콜을 기초로 한 합성 알콜화합물인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은, 본 발명이 적용된 토양 및 지하수 오염 복합 복원공정의 한 예를 개략적으로 도시한 도면이다. 지하로 침투한 액상오염물질은 불포화 토양층(4) 및 지하수층(5)에 고루 분포되어 불포화 토양층내 액상오염물질(7)과 지하수층의 액상오염물질(8)을 초래하게 된다. 분포된 액상오염물질지역을 중심으로 공급관(1)과 액체상배출관(10), 기체상배출관(9)을 각 각 도시한바와 같이 설치한다. 이때 액체상배출관과 기체상배출관은 근접하게 설치한다.

아울러, 압축공기펌프(2)와 알콜류 공급펌프(3)를 이용하여 공기와 알콜류를 동시에 공급관(1)을 통해 지하수층(5)으로 주입한다. 이때 알콜류와 공기의 주입부피비는 상기한 바와 같이 1:2 부터 1:6 범위가 되어야 하고 알콜류의 농도는 상기한 바와 같이 지하수와 혼합후 부피비로 60 내지 80% (60-80%알콜:40-20% 지하수)가 되도록 한다.

공기는 밀도와 점도가 낮기 때문에 토양내 우선경로를 통해서만 진행하게된다. 그리고 알콜류 역시 토양내 물이 잘 흐르는 우선경로를 통해서 우선 흘러간다. 그렇지만 알콜과 공기를 동시에 주입하였을 경우 공기와 알콜은 섞이지 않기 때문에 공기는 진행하면서 우선경로에 머물러있는 알콜을 밀어내게 되므로 유동성을 증대시킨다. 이때 공기에 의해서 유동성이 증대된 알콜은 다른경로를 통해서도 진행하게되므로 보다 많은 지역으로 흐를수 있게 되고 결국 그 지역내 존재하는 액상오염물질과 접촉하여 용해시키게 된다. 액상오염물질을 용해시켜 액상오염물질을 포함한 알콜류는 액체상배출관(10)을 통해서 지상으로 추출된다. 지상으로 추출된 액상오염물질을 포함한 알콜류는 지상처리장치에 의해서 처리되고 처리된 지하수는 다시 지하수층으로 주입될 수 있다.

한편, 공기는 액체보다 밀도가 낮기 때문에 지하수층을 거쳐 불포화 토양층으로 이동하게 된다. 대부분의 액상오염물질(벤젠, 톨루엔, 크실렌, 염소계 유기용매성분 등)은 공기에 휘발되는 성질이 있기 때문에 공급관(1)을 통해 주입된 공기는 지하수층과 불포화 토양층을 거쳐 이동하면서 액상오염물질을 휘발시키게 되므로 이때 또한 지하수층 및 불포화 토양층에 존재하는 액상오염물질들을 제거한다. 액상오염물질을 휘발시킨 공기층은 기체상배출관(9)을 통해서 배출된다. 배출된 오염물질을 함유한 공기층은 지상의 처리장치에 의해서 처리된 후 대기중으로 방출되게 된다.

그러므로 도 1과 같은 구성으로 불포화 토양층 및 지하수층에 존재하는 액상오염물질을 동시에 제거할 수 있을 뿐만 아니라 지하수층내 보다 넓은 지역에 분포되어있는 액상오염물질을 제거, 복원할 수 있다.

도 2는, 본 발명이 적용된 다른 실시 예를 개략적으로 도시한 것이다. 상기 공급관(1)은 도 2와 같이 오염지역의 중앙부를 관통하여 설치되고, 상기 액체상배출관(10)은 상기 공급관과 더불어 오염지역의 중앙부에 설치되어 공급관으로부터 분출되는 혼합류중 알콜류를 뽑아 배출하며, 상기 기체상배출관(10)은 상기 공급관을 중앙으로 삼는 오염지역의 주변에 위치하여 상기 공급관을 통해 분출된 공기 및 기체상 오염물질을 외부로 배출하게 된다. 또한, 상기 액체상배출관(10)의 상단부는 공급관(1)의 상단부에 연결되어 액체상배출관을 통해 회수된 알콜류를 다시 공급관(1)으로 순환시켜 재활용하도록 구성될 수 있다.

본 발명을 이용한 도 1과 도 2와 같은 구성에 따라 지하수 및 토양내 액상오염물질을 복원하는 과정중이나 또는 공정이 끝난후 생물학적 복원효과를 증대시킬 수 있는 장점을 또한 지니고 있다. 지하수층내 잔존하는 알콜류와 공기는 토착미생물의 발육을 촉진시키는 에너지원 역할을 하므로 미생물에 의한 잔여 액상오염물질의 분해를 촉진시킬 수 있다.

본 발명의 알콜류와 공기의 동시 주입에 의한 지하수내 오염물질의 제거효과증대를 확인하고자 본 발명자는 미국 환경청 (U.S. EPA) 산하 국립 토양지하수 복원연구소에서 2000년 4월 18일부터 2000년 7월 20일까지 실험을 수행하였고 그 결과는 표 1과 같았다.

[표 1] 에탄올주입시와 에탄올과 공기의 동시주입시 공극(porous media)사이에 존재하는 염소계 유기용매제, 테트라클로로에틸렌 (PCE)의 제거효율비교, (두 경우 동일한 에탄을 농도와 주입량 사용. 에탄올과 공기의 주입 부피비는 1:5 였음)

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 알콜류와 공기와 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상 오염물질 제거장치 및 이를 이용한 오염물질 제거방법은 불포화토양층과 지하수층에 존재하는 액상오염물질을 동시 처리할 수 있으므로 빠르고 신속한 복원이 이루어지게 할 수 있다. 특히 물 및 알콜류만으로서는 접촉이 되지 않아 처리가 되지 않았던 액상물질들을 알콜류와 공기의 동시주입으로 인해서 좀 더 많은 영역에 존재하는 액상오염물질을 효과적으로 처리하여 복원할 수 있다. 또한 본 발명을 이용한 복원 공정 중이나 또는 복원공정후 잔존하는 알콜류와 공기는 미생물의 활동을 촉진시키는 에너지 원으로 작용할 수 있기 때문에 생물학적 복원효과를 가져다 줄 수 있어 지속적인 복원효과를 기대할 수 있다.

Claims

액상오염물질에 의해 오염된 오염지역의 불포화토양층 및 지하수층에 삽입 설치되되 그 하단이 불포화토양층을 통과하여 지하수층에 도달하는 공급관과;

상기 공급관을 통해 지하수층 내부에 알콜류 및 공기로 이루어진 혼합류를 분출시키는 혼합류공급수단과;

상기 오염지역의 지하수층에 그 하단이 도달하도록 삽입 설치되며 진공펌프에 의해 진공력을 제공받아 상기 공급관을 통해 분출하여 지하수층에 존재하던 액상오염물질을 용해시킨 상태의 알콜류를 흡입하여 외부로 배출하는 하나 이상의 액체상배출관과;

상기 오염지역의 불포화토양층에 그 하단이 위치하도록 삽입 설치되며 진공펌프에 의해 진공력을 제공받아, 상기 공급관을 통해 분출하여 토양층의 공극내에 머물러 있는 액상오염물질을 휘발시켜 제거한 기체상 오염물질을 흡입하여 외부로 배출하는 하나이상의 기체상배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거장치.
제 1항에 있어서,

상기 기체상배출관 및 액체상배출관은 하나의 쌍을 이루며 상호 근접 위치하고,

상기 기체상배출관 및 액체상배출관에 대해 공급관은 오염지역을 사이에 두고 반대측에 위치함으로써 공급관을 통해 공급된 혼합류가 액상오염물질을 통과하여 기체상배출관 및 액체상배출관으로 이동 배출되는 것을 특징으로 하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거장치.
제 1항에 있어서,

상기 공급관은 오염지역의 중앙부를 관통하여 설치되고,

상기 액체상배출관은 상기 공급관과 더불어 오염지역의 중앙부에 설치되어 공급관으로부터 분출되는 혼합류의 일부를 외부로 뽑아 배출하며,

상기 기체상배출관은 상기 공급관을 중앙으로 삼는 오염지역의 주변에 위치하여 상기 공급관을 통해 분출된 공기 및 기상 오염물질을 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거장치.
제 3항에 있어서,

상기 액체상배출관의 상단부는 공급관의 상단부에 연결되어 액체상배출관을 통해 회수된 알콜류를 다시 공급관으로 순환시켜 재활용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거장치.
a. 액상오염물질에 의해 오염된 오염지역의 불포화토양층 및 지하수층에 삽입 설치되되 그 하단이 불포화토양층을 통과하여 지하수층에 도달하며 외부로부터 공급된 알콜류와 공기의 혼합류를 지하수층에 분출하는 하나 이상의 공급관과, 상기 오염지역의 지하수층에 그 하단이 도달하도록 삽입 설치되며 진공펌프에 의해 진공력을 제공받아 상기 공급관을 통해 분출하여 지하수층에 존재하던 액상오염물질을 용해시킨 상태의 알콜류를 흡입하여 외부로 배출하는 하나 이상의 액체상배출관과, 상기 불포화토양층에 그 하단이 위치하도록 삽입 설치되며 진공펌프에 의해 진공력을 제공받아 상기 공급관을 통해 분출한 혼합류 중의 공기를 흡입하여 외부로 배출하는 하나 이상의 기체상배출관을 설치하는 준비단계와;

b. 상기 공급관내에 공기와 알콜류로 이루어진 혼합류를 주입하되 공기와 알콜의 비율을 2:1 내지 6:1의 비율로 주입하는 혼합류주입단계와;

c. 상기 혼합류주입단계와 동시에 이루어지는 것으로 상기 기체상배출관 및 액체상배출관에 진공력을 제공하여 상기 공급관을 통해 분출된 알콜류와 공기를 배출하는 배출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거방법.
제 5항에 있어서,

상기 혼합류주입단계를 통해 주입되는 알콜의 양은 알콜이 해당 지하수층의 지하수에 용해된 상태로 60% 내지 80%(부피비) 비율이 되는 것을 특징으로 하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거방법.
제 6항에 있어서 상기 알콜류는 메탄올(methyl alcohol), 에탄올(ethyl alcohol), 부탄올(buthyl alcohol), 펜타올(pentanol), 헥산올(hexanol), 프로판올(propanol) 등과 상기한 알콜을 기초로 한 합성 알콜화합물인 것을 특징으로 하는 알콜류와 공기의 혼합류를 이용한 토양 및 지하수의 액상오염물질 제거방법.