KR100476064B1 - 지하수 정화용 반응 벽체의 형성 방법 및 시스템 - Google Patents

지하수 정화용 반응 벽체의 형성 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 지하 오염원에서 유출되는 오염물질을 여과하기 위한 지하수 정화용 반응벽체의 형성 방법 및 시스템에 따르면 지하 오염원으로부터 소정 거리 이격된 위치에서 지하수의 흐름이 발생할 수 있게 주입용 관정과 추출용 관정을 대수층 이하까지 설치하고, 추출용 관정을 통해 지하수의 유속을 조절하면서 지하매질과 침전 반응이 이루어질 수 있는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질을 주입용 관정에 주입하여 목표하는 크기의 정화용 반응벽체를 형성한다. 이러한 지하수 정화용 반응벽체의 형성 방법 및 시스템에 의하면, 복수의 관정을 설치하는 작업에 의해 반응 벽체를 설치할 수 있어 벽체 형성 공정이 단순해지고, 지하수의 흐름을 강제적으로 유도하여 반응벽체 형성용 물질을 이동거리 및 침전속도를 조절할 수 있어 원하는 크기의 반응벽체를 용이하게 형성할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

지하수 정화용 반응 벽체의 형성 방법 및 시스템{method of producing permeable reactive barrier for filtering underground water and system thereof }
본 발명은 지하수 정화용 반응 벽체의 형성 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 지하수의 흐름을 이용한 침전 거리 조정 방식에 의해 지하 오염원에서 유출되는 오염물질을 여과시킬 수 있는 구조의 반응 벽체를 형성하는 지하수 정화용 반응 벽체의 형성 방법 및 시스템에 관한 것이다.
지하에 매립된 산업 폐기물 또는 지하로 유출된 기름 등 각종 요인에 의해 지하가 오염되고 있다.
이와 같은 원인에 의해 지하에 생성된 지하오염원으로부터 유출된 오염물질에 의해 지하수가 오염되는 것을 억제하기 위해 지하 오염원으로부터의 오염물질의 유출을 차단하거나 정화시킬 수 있는 각종 방법이 시도되고 있다.
지하 오염물질의 지하수로의 유출을 차단하기 위한 방법으로서, 지하 오염원 주위에 형성하고자 하는 벽체에 대응되는 영역을 굴착한 다음 굴착된 영역에 비투수성 물질 예를 들면 시멘트로 충진시켜 벽체를 형성하는 방안이 있다.
그런데 이러한 대규모 굴착에 의한 벽체 형성 방식은 굴착에 소요되는 작업시간이 많이 소요되고, 많은 인력 및 장비가 투입되어야 하기 때문에 지하 오염원의 깊이가 깊고, 오염 영역이 넓은 경우 적용하기가 어려운 단점이 있다.
한편, 대규모 굴착방식을 이용하지 않고 지하에 관정을 뚫고 노즐을 통해 벽체 형성용 물질을 제트 분사방식에 의해 지하매질에 충진시켜 벽체를 형성하는 방안이 있다.
미국 특허 제 6,357,968호에는 지하에 홀을 뚫고 4개의 노즐을 갖는 주입기를 통해 시멘트 또는 슬러리를 제트 분사시켜 균일한 크기의 벽체를 형성하는 벽체 형성 장치 및 방법이 제안되어 있다. 그런데, 미국 특허 제 6,357,968호에 개시된 방식은 지하매질의 특성 예를 들면, 지하수의 유속, 지하수의 산도, 지하매질 입자의 크기 등을 고려하지 않음으로써, 지하매질의 특성에 따라 벽체의 형성 크기를 모니터링 하여 적절하게 조절하기가 어려운 단점이 있다. 또한, 제트 분사방식에 의해 벽체 형성용 물질을 분사시키기 때문에 하나의 관정을 통해 형성 가능한 벽체의 길이가 제트 분사에 의한 물질의 이송 거리로 제한되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 지하수의 흐름을 유도하여 심도가 깊은 대수층에까지 반응벽체를 용이하게 형성할 수 있는 지하수 정화용 반응 벽체의 형성방법 및 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 반응벽체를 형성하고자 하는 지하의 조건을 고려하여 원하는 크기의 반응벽체를 적절하게 형성할 수 있는 지하수 정화용 반응 벽체의 형성 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지하수 정화용 반응 벽체의 형성방법은 지하 오염원으로부터 소정 거리 이격된 위치에서 지하 대수층까지 반응벽체 형성용 물질을 주입하기 위한 주입용 관정을 설치하는 단계와; 상기 주입용 관정과 소정거리 이격된 위치에서 상기 대수층까지 추출용 관정을 설치하는 단계와; 상기 대수층에 있는 지하매질과 침전 반응이 이루어질 수 있는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질을 상기 주입용 관정에 주입하고, 상기 반응벽체 형성용 물질의 침전속도 및 이동거리를 제어하기 위해 상기 추출용 관정을 통해 상기 대수층의 지하수의 흐름을 제어하면서 소정 크기의 정화용 반응벽체를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 추출용 관정은 상기 주입용 관정에 대응되는 대수층에 대해 수두차를 갖는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질은 상기 지하매질과 반대 전하를 갖는 것이 적용된다.
상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질은 산화철을 용질로 적용한 산화철 콜로이드 용액인 것이 바람직하다.
또한, 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질은 침전속도 및 이동거리를 조절하기 위해 이온강도를 조정용 첨가제를 추가할 수 있다.
상기 반응벽체 형성단계는 상기 추출용 관정을 통해 상기 지하수의 산도, 상기 지하매질의 입자 크기를 포함하는 반응벽체 형성용 물질의 침전속도 결정용 파라미터에 대한 데이터를 취득하는 단계와; 상기 취득된 데이터를 이용하여 상기 관정 사이의 이격 방향을 따라 형성하고자 하는 상기 반응 벽체의 길이에 대응되는 상기 반응 벽체 형성용 물질의 침전속도 및 이동거리에 대응되는 상기 지하수의 유속을 결정하는 단계와; 결정된 상기 지하수의 유속에 대응되게 상기 추출용 관정에서의 상기 지하수의 유출속도를 제어하면서 상기 반응벽체 형성용 물질을 상기 주입용 관정을 통해 주입하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지하수 정화용 반응 벽체 형성 시스템은 지하 오염원으로부터 소정 거리 이격된 위치에서 지하 대수층까지 반응벽체 형성용 물질을 주입하기 위해 설치되는 주입용 관정과; 상기 주입용 관정과 소정거리 이격된 위치에서 상기 대수층까지 설치되는 추출용 관정과; 지하매질과 침전 반응이 이루어질 수 있도록 상기 주입용 관정을 통해 주입되는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 침전속도 및 이동거리를 제어하기 위해 상기 추출용 관정을 통해 상기 대수층의 지하수의 유출속도를 제어할 수 있게 설치된 펌프;를 구비한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지하수 정화용 반응 벽체의 형성 방법 및 시스템을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 지하수 정화용 반응 벽체의 형성 시스템이 설치된 지하구조의 예를 개략적으로 나타내 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, 지하수 정화용 반응 벽체 형성시스템은 주입용 관정(30)과, 추출용 관정(40) 및 펌프(P)를 구비한다.
주입용 관정(30)은 지하 오염원(20)으로부터 소정거리 이격된 위치에서 지표면(10)으로부터 대수층(16) 이하 소정 깊이까지 설치된다.
주입용 관정(30)은 지하 오염원(20)의 위치와, 깊이 및 폭을 고려하여 지하 오염원(20)으로부터 지하수가 흐르는 방향을 따라 소정 거리 전방에 설치한다. 주입용 관정(30)은 중공을 갖는 파이프 형태 등 다양한 구조가 적용되되, 주입하고자 하는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질을 분출할 수 있는 홀(31) 또는 노즐이 길이방향을 따라 적어도 하나 이상 형성된 것이 적용된다. 바람직하게는 주입용 관정(30)은 하방으로의 유출을 제한하여 측면에 형성된 홀(31)로만 유출이 이루어질 수 있도록 하단부가 막힌 구조가 적용된다.
추출용 관정(40)은 주입용 관정(30)과 소정거리 이격된 위치에 설치된다.
바람직하게는 추출용 관정(40)은 형성하고자 하는 반응 벽체(50)의 설치 목표 영역을 기준으로 주입용 관정(30) 맞은 편에 설치하되, 주입용 관정(30)으로부터 추출용 관정(40)으로의 지하수의 흐름을 유도 및 조절할 수 있게 주입용 관정(30)에 대해 수두차를 갖는 위치에서 대수층(16) 이하 소정 깊이 까지 설치한다. 여기서 수두차(hydraulic gradient)란 대수층(16)의 상단의 두 지점 즉, 지하수면 사이가 지하수의 흐름이 발생할 수 있는 높이 차를 갖는 것을 말한다. 도면에서 참조부호 15는 수두차에 대응하는 주입용 관정(30)과 추출용 관정(40)의 설치 위치를 쉽게 이해할 수 있도록 대수층(16)의 상단 즉, 지하수면을 일점쇄선으로 표시한 선이다.
추출용 관정(40)에도 지하수 또는 주입용 관정(30)을 통해 주입된 반응 벽체 형성용 물질이 유입될 수 있는 적어도 하나의 홀(41)이 측면에 형성되어 있다. 또한, 추출용 관정(40)도 하단부가 막힌 구조가 적용되는 것이 바람직하다.
추출용 관정(40)에는 주입용 관정(30)으로부터 추출용 관정(40)으로의 지하수의 흐름을 유도하고, 유속을 조절하기 위해 추출용 관정(40)을 통해 지하수를 유출하기 위한 펌프(P)가 설치되어 있다.
도면에서 참조부호 50은 이러한 주입용 관정(30)과 추출용 관정(40)을 이용하여 지하매질에 흡착되어 형성된 반응벽체이다.
이하에서는 이러한 관정(30)(40)을 이용하여 반응벽체를 형성하는 과정의 바람직한 실시예를 도 2를 함께 참조하여 설명한다.
먼저, 주입용 관정(30)을 지하에 삽입한다(단계 110).
다음은 추출용 관정(40)을 지하에 삽입한다(단계 120).
이렇게 주입용 관정(30)과 추출용 관정(40)이 설치된 다음에는 주입용 관정(30) 및/또는 추출용 관정(40)을 이용하여 지하조건 데이터를 산출한다(단계 130).
여기서, 지하조건 데이터는 지하매질의 종류, 지하매질의 입자크기, 지하매질의 이온 강도, 지하매질의 양이온 농도 등 반응벽체 형성에 영향을 미치는 각종 파라미터를 말한다.
이러한 지하조건 데이터를 산출하기 위한 일 예로서, 추출용 관정(40)을 통해 유출된 물질을 분석하거나, 주입용 관정(30)에 테스트용 물질 또는 적용하고자 하는 반응벽체 형성용 물질을 투입한 다음 펌프(P)의 구동에 의해 추출용 관정(40)을 통해 유출된 물질을 분석하는 방법이 적용될 수 있다.
지하조건 데이터는 대수층(16)의 높이에 따라 소정 간격으로 세분시켜 취득할 수 도 있다.
이 경우 하나의 홀(41)을 갖는 주입용 관정(30) 및/또는 추출용 관정(40)을 지하조건 데이터를 취득하고자 하는 높이에 따라 수직상으로 이송시키면서 지하매질을 추출하면 된다. 또한, 홀의 개폐가 가능한 구조의 주입용 및/또는 추출용 관정(30)(40)이 적용되는 경우 지하조건 데이터를 취득하고자 하는 높이에 대응되는 홀(41)만 열리게 한 상태에서 추출용 관정(40)을 통해 지하매질을 추출하여 데이터를 취득하면 된다.
이와 같은 방법에 의해 지하조건에 대한 데이터가 산출되면, 산출된 데이터를 이용하여 반응 벽체 형성용 물질을 결정하고, 결정된 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질을 주입용 관정(30)에 주입한다(단계 140).
지하조건 데이터를 근거로 하여 결정되는 반응 벽체 형성용 물질은 지하매질과의 반응에 의해 침전 및 흡착이 이루어질 수 있으면서, 지하수의 유속 조절에 의해 침전 이동거리를 조절할 수 있는 것이 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 반응 벽체 형성용 물질은 무기성 오염물들과 화학적 반응에 의해 안정한 화합물을 생성하여 부차적인 오염을 발생시키지 않는 것이 적용된다.
이러한 조건을 갖는 반응 벽체 형성용 물질은 통상적인 대수층(16)의 지하매질이 모래인 점을 감안할 때 반응성이 좋고, 투수성을 갖는 물질 예를 들면 적철석(Fe2O3), 산화 수산화철(FeOOH:goethite)과 같은 산화철을 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 투수성 반응 벽체 형성용 물질로서 영가철(Fe), 고령토, 점토 등이 적용될 수 있음은 물론이다.
그 밖에 반응 벽체 형성용 물질의 침전속도 및 이동거리를 조절하기 위해 첨가제 예를 들면 양이온 함유 물질, 산도 조절물질 등이 첨가될 수 있음은 물론이다.
이러한 과정을 거쳐 결정된 벽체 형성용 물질을 주입용 관정(30)을 통해 주입함과 아울러 추출용 관정(40)을 통해 지하수의 유속을 조절하여 원하는 크기의 반응벽체를 형성한다(단계 150).
추출용 관정(40)을 통해 제어되는 지하수의 유속조절은 반응벽체 형성용 물질의 침전목표 이동거리에 대응되게 가변적으로 적용할 수 있음은 물론이다. 예를 들면, 반응벽체 형성용 물질의 주입 초기에는 주입용 관정부근에서 침전이 이루어지게 지하수의 유속을 낮추고, 이후 지하수의 유속을 점진적으로 증가시키면서 반응벽체 형성용 물질이 더 멀리 이동되어 목표하는 이동 거리에서 침전되도록 하면서 원하는 길이를 갖는 균일한 밀도의 반응벽체를 형성시킨다. 이와는 다르게 초기에는 지하수의 유속을 높여 주입용 관정(30)으로부터 형성하고자하는 반응 벽체의 영역 중 원거리 영역부터 침전에 의해 반응벽체가 형성되게 하고, 이후 점진적으로 유속을 낮추면서 근거리 영역에 반응벽체가 침전에 의해 형성되게 할 수 있음은 물론이다. 또한, 지하수의 유속을 일정하게 유지하면서 반응벽체 형성용 물질의 투입시간 및/또는 농도를 조절하여 반응벽체 형성길이를 조절할 수 있음은 물론이다.
이하에서는 주입용 관정(30)을 통해 투입된 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질을 추출용 관정(40)을 통해 추출하면서 산출된 지하조건 데이터를 이용하여 반응 벽체 형성용 물질의 침전속도 및 이동거리를 산출하는 방법을 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 지하조건 데이터가 산출되면, 산출된 데이터를 이용하여 적용하고자 하는 반응벽체 형성용 물질의 침전속도(k)를 이하의 수학식 1에 의해 산출한다.
여기서, q는 지하수의 유속, N0 는 주입용 관정(30)을 통해 투입된 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 농도, tP는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 관정(30)(40) 사이의 평균 이동시간, tf는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 주입 지속 시간, C(t) 지하매질을 통과하여 추출용 관정(40)을 통해 추출된 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 농도이다.
또한, 수학식 1에 의해 산출된 침전속도 값을 이용하여 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 이동 거리(LE)를 이하의 수학식 2에 의해 산출할 수 있다.
여기서, Co는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 초기 농도이고, C는 지하매질을 통과하여 추출용 관정(40)을 통해 추출된 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 농도이고, vp는 지하수의 평균유속이다.
수학식 1 및 수학식 2를 통해 알 수 있는 바와 같이 지하수의 유속을 강제적으로 조절하면, 지하수의 흐름 방향에 대해 목표하는 길이를 갖는 반응 벽체를 형성할 수 있다.
따라서, 설정된 농도의 콜로이드 물질을 주입용 관정(30)을 통해 주입하면서 추출용 관정(40)의 펌프(P)를 이용하여 지하수의 유속을 조절하면 목표하는 크기의 투수성 반응벽체를 형성할 수 있다.
이러한 반응벽체 형성 방식에 대해 지하매질의 조건데이터가 반응벽체의 형성에 미치는 영향을 알아보기 위해 실험한 결과를 설명한다.
먼저, 본 실험에서는 도 3에 도시된 구조의 실험용 용기(80)에 지하매질의 예로서 모래(83)를 채워넣고 지하매질의 조건을 가변시키면서 적용하고자 하는 콜로이드 용액을 주입하였다. 여기서 실험용 용기(80)는 주입 용액이 통과할 수 있도록 바닥면(81)이 망사형태로 된 구조가 적용되었으며, 수직상으로 설치하여 지하수의 흐름에 대응되는 콜로이드 용액의 흐름을 유도한 방식으로 실험하였다. 따라서, 실험용 용기(80) 상면으로부터 수직상으로 이동하는 콜로이드 물질의 이동거리는 현장에서의 관정 (30)(40)설치 구조에서는 지하수의 흐름을 따라 이동하는 거리에 대응된다.
이하에서는 반응벽체 형성용 물질로서 산화철의 일 예인 적철석 콜로이드를 적용한 경우의 실험예를 설명한다.
먼저, 적철석 콜로이드는 수산화나트륨(NaOH)과 염화철(FeCl3)을 약 3대 1로 혼합하여 생성된 용액을 적용하였다.
본 실험에서 적용된 적철석 콜로이드는 표 1과 같은 특성을 갖고 있다.
특성 측정값 측정방법
입자 직경(nm) 765±110 electrophoresis measurement
표면적(m2/g) 17 multipoint BET analysis
산도에 대한 영전하 포인트(PH) 9.2 acid-base titration
표 1에 도시된 바와 같이 적철석 콜로이드 입자는 1마이크로미터(㎛) 이하의 나노미터(㎚) 크기이며, 산도에 따른 표면 전하의 극성을 결정하는 영전하 포인트(point of zero charge)가 9.2 정도이므로 지하매질의 산도가 9.2 보다 작을 때 적철석 콜로이드는 표면 양전하를 띠게 되어 지하매질과의 결합 반응력이 높아져 반응 벽체 형성을 위한 침전이 용이한 특성을 제공한다.
이러한 특성을 갖고 있는 적철석 콜로이드는 열역학적으로 안정하며, 무기성 오염물들과 화학적 반응에 의해 안정한 화합물을 생성하여 부차적인 오염을 발생시키지 않는 장점을 제공한다. 특히, 적철석은 지하수의 물성을 변화시키기 않기 때문에 적철석 콜로이드로 형성된 반응 벽체는 2차적인 오염을 야기시키지 않는 장점을 제공한다. 또한, 적철석과 대부분의 오염물질 예를 들면 중금속 오염물질인 As, Pb, Cu, Cd, Zn 등과의 반응은 잘 알려져 있기 때문에 중금속 오염물질을 제거할 수 있다. 그 밖에도 토양 및 대수층의 지질매체는 통상적으로 음전하를 띠고 있기 때문에 표면 양전하를 띠는 적철석 콜로이드는 용이하게 침전 및 흡착될 수 있고, 주입용 관정(30)의 깊이에 따라 심도가 깊은 위치에도 반응 벽체를 형성할 수 있는 장점을 제공한다.
이러한 특성을 갖는 적철석 콜로이드에 대해 지하매질의 산도, 입자의 크기, 지하수의 유속 등의 조절인자가 적철석 콜로이드의 침전에 미치는 영향을 알아보기 위해 먼저 1차로 높이(H) 10cm, 직경(D)2.5cm을 갖는 도 3에 도시된 바와 같은 구조의 실험 용기(80)에 지하매질의 예로서 적용된 모래(83)를 채워 넣은 다음, 반응물질의 침전속도에 영향을 미칠 수 있는 조절인자를 변화시키면서 침전율의 변화를 관찰하였다. 조절인자의 조절에 의한 침전속도에 대한 실험결과가 이하의 표 2에 도시되어 있다.
조절인자 침전속도(S-1) 조건
PH 2 7.00E-04 0.1mm 모래,320 cm/day
4 1.80E-03
6 2.40E-03
8 3.00E-03
10 1.00E-02
평균입자크기(mm) 0.1 2.60E-03 320 cm/day
0.4 2.00E-03
2.0 1.40E-03
유속(cm/day) 224 4.00E-04 PH=5.9
272 1.00E-03
321 1.20E-03
466 2.60E-03
611 2.80E-03
이하에서는 지하매질의 조건이 적철석 콜로이드의 침전속도에 미치는 영향에 대해 시각적으로 보다 용이하게 이해 될 수 있게 실험결과 데이터를 그래프로 표시한 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 4는 표 2에 기재된 실험결과 데이터 중 지하매질의 산도가 적철석 콜로이드의 침전속도에 미치는 영향에 대한 실험결과 데이터와 투명한 실험용 용기(80)를 통해 확인할 수 있는 반응벽체 형성용 물질의 가시적 이동거리 데이터를 함께 기재한 그래프이다.
참고적으로 지하매질의 산도 가변은 지하매질의 산도 조절을 위해 주입할 물질을 적철석 콜로이드 용액에 함께 혼합한 다음 실험용 용기(80)에 주입하는 방식을 적용하였다. 이와는 다르게 지하매질에 먼저, 산도 조절용 물질을 주입한 이후 산도가 목표하는 값으로 안정화되면 적철석 콜로이드 용액을 주입하는 방식을 적용할 수 있음은 물론이다.
이러한 방식에 의해 실험한 결과의 적철석의 침전속도 및 가시적인 반응 벽체의 길이에 관한 실험결과 데이터가 도시된 도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 통상 영전하 포인트에 대응되는 산도가 2 정도인 모래재질의 특성에 의해 산도가 2 이하로 낮아질 경우 모래(83)와 적철석 콜로이드가 모두 양의 전하를 띠고 있어 상호 반발력에 의해 침전속도가 떨어진다. 또한, 모래재질의 산도가 2 이상으로 상승하면 산화철 콜로이드는 양전하를 띠고 모래재질은 음전하를 띄어 상호 정전기적인 인력에 의해 콜로이드의 침전율이 높아진다.
이러한 결과를 통해 알 수 있는 바와 같이 반응벽체 형성용 물질의 산도를 조정함으로써, 침전속도 및 이동거리를 조절할 수 있다.
한편, 지하수의 유속이 산화철 콜로이드의 침전속도에 미치는 영향을 알아보기 위해 실험한 결과가 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이 유속이 증가할 수록 침전속도가 낮아지다가 특정 유속 이상에서는 침전속도가 더 이상 하강하지 않고 일정하게 유지되는 특성을 보여준다. 이러한 결과로부터 평형점에 해당하는 유속 이하에서는 유속의 증가에 따라 침전속도가 감소하고, 평형점에 해당하는 유속 이상에서는 유속의 증가와 관계없이 콜로이드의 중력 침강과 표면흡착에 의한 침전속도가 일정하게 유지되기 때문에 평형점 이하의 범위에서 유속을 제어하면 반응벽체 물질의 이동거리를 제어할 수 있다.
또한, 도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이 지하매질로 적용된 모래(83)의 입자 크기가 증가하면 공극 크기가 증가되어 콜로이드 물질의 중력침강이 감소하여 침전속도가 감소함을 보여주고 있다.
한편, 지하매질에 함유된 모래(83) 이외의 양이온 성분의 농도 즉, 지하매질의 이온강도가 반응벽체 형성용 물질의 침전속도에 미치는 영향을 살펴보기 위해 1가 양이온 물질의 일 예로서 칼륨을 함유한 질산칼륨(KNO3)을 적철석 콜로이드 용액과 함께 실험용 용기(80)에 주입하되 칼륨 화합물의 농도를 가변시키는 방법에 의해 이온강도를 조절한 결과의 침전속도 변화 그래프가 도 7에 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 이온강도가 높을 수록 산화철 콜로이드와 모래(83)의 표면 전하 감소로 침전속도와 이동 거리가 감소함을 알 수 있다. 또한, 2가 양이온의 영향도를 살펴보기 위해 칼슘을 함유한 염화칼슘(CaCl2)으로 이온 강도를 조절했을 때 적철석 콜로이드의 이동거리가 1가 양이온에서 보다 더 급격히 감소함을 알 수 있다.
이러한 실험결과를 토대로 2차로 직경(D) 10cm, 높이(H) 150cm 크기의 실험용 용기(80)에 지하매질로서 모래(83)를 넣고 적철석 콜로이드를 620cm/day의 유속으로 연속적으로 주입하였다. 이때 이온 강도는 0.0001몰(M)의 칼슘이온으로 조절했고, 산도는 중성인 6으로 조절하였으며, 산화철 콜로이드의 농도는 10mg/L를 적용하였다. 적철석 콜로이드의 주입을 48시간 동안 진행한 후 실험용 용기(80)의 상면으로부터 하방으로 10cm 간격으로 흡착된 적철석을 염산 0.1M로 탈착시켜서 유도 플라즈마 원자흡광분석기(기기명 ICP-AES)로 측정한 성분 분석 결과에 대한 데이터가 도 9에 도시되어 있다.
적철석 콜로이드의 이동 거리에 따른 적철석의 분포 결과가 도시된 도 9를 통해 알 수 있는 바와 같이 지하수의 흐름방향에 대응되는 실험용 용기(80)의 깊이에 따라 거의 균일한 농도를 보여주고 있다. 이로부터 오염물을 제거하기 위한 콜로이드 반응 벽체의 설치를 이동거리에 따라 균일한 밀도로 형성할 수 있음을 알 수 있다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 지하수 정화용 반응 벽체의 형성방법 및 시스템에 의하면, 복수의 관정을 설치하는 작업에 의해 반응 벽체를 설치할 수 있어 벽체 형성 공정이 단순해지고, 지하수의 흐름을 강제적으로 유도하여 반응벽체 형성용 물질을 이동거리 및 침전속도를 조절할 수 있어 원하는 크기의 반응벽체를 용이하게 형성할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 지하수 정화용 반응 벽체의 형성 시스템이 설치된 지하구조의 일 예를 개략적으로 나타내 보인 단면도 이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지하수 정화용 반응 벽체의 형성과정을 나타내 보인 플로우도 이고,
도 3은 본 발명에 따른 반응 벽체의 형성에 영향을 미치는 파라미터의 특성을 알아보기 위해 지하매질의 예로서 적용한 모래가 채워진 실험용 용기를 나타내 보인 사시도 이고,
도 4는 지하수의 산도에 따른 적철석 콜로이드의 침전 속도에 대한 실험결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 지하수의 유속에 따른 적철석 콜로이드의 침전 속도에 대한 실험결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 지하매질의 입자 크기에 따른 적철석 콜로이드의 침전 속도에 대한 실험결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 적철석 콜로이드에 첨가제로 첨가한 1가 양이온의 이온 강도에 따른 적철석 콜로이드의 침전 속도에 대한 실험결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 적철석 콜로이드에 첨가제로 첨가한 2가 양이온의 이온 강도에 따른 적철석 콜로이드의 침전 속도에 대한 실험결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 9는 적철석 콜로이드의 이동 거리에 따른 흡착 율에 대한 실험결과를 나타내 보인 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10: 지표면 15: 대수층의 수두면
16: 대수층 20: 지하 오염원
30: 주입용 관정 40: 추출용 관정

Claims (10)

  1. 지하 오염원에서 유출되는 오염물질을 여과하기 위한 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법에 있어서,
    상기 지하 오염원으로부터 소정 거리 이격된 위치에서 지하 대수층까지 반응벽체 형성용 물질을 주입하기 위한 주입용 관정을 설치하는 단계와;
    상기 주입용 관정과 소정거리 이격된 위치에서 상기 대수층까지 추출용 관정을 설치하는 단계와;
    상기 대수층에 있는 지하매질과 침전 반응이 이루어질 수 있는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질을 상기 주입용 관정에 주입하고, 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 침전속도 및 이동거리를 제어하기 위해 상기 추출용 관정을 통해 상기 대수층의 지하수의 흐름을 제어하면서 소정 크기의 정화용 반응벽체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 추출용 관정은 상기 주입용 관정에 대응되는 대수층에 대해 수두차를 갖는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질은 상기 지하매질과 반대 전하를 갖는 것이 적용되는 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질은 산화철을 용질로 적용한 산화철 콜로이드 용액인 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 콜로이드 상태의 반응 벽체 형성용 물질은 철, 점토, 고령토, 비석 중 적어도 하나를 용질로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 반응벽체 형성단계는
    상기 추출용 관정을 통해 상기 지하수의 산도, 상기 지하매질의 입자 크기를 포함하는 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 침전속도 결정용 파라미터에 대한 데이터를 취득하는 단계와;
    상기 취득된 데이터를 이용하여 상기 관정 사이의 이격 방향을 따라 형성하고자 하는 상기 반응 벽체의 길이에 대응되는 상기 콜로이드 상태의 반응 벽체 형성용 물질의 침전속도 및 이동거리에 대응되는 상기 지하수의 유속을 결정하는 단계와;
    결정된 상기 지하수의 유속에 대응되게 상기 추출용 관정에서의 상기 지하수의 유출속도를 제어하면서 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질을 상기 주입용 관정을 통해 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징을 하는 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 침전속도(k)는
    인 수식에 의해 산출하고,
    상기 수식에서 q는 지하수의 유속, N0 는 상기 주입용 관정을 통해 주입된 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 농도, tP는 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 상기 관정 사이의 평균 이동시간, tf는 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 주입 지속 시간, C(t) 상기 지하매질을 통과하여 상기 추출용 관정을 통해 추출된 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 농도인 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 이동거리(LE)는
    인 수식에 의해 산출하고,
    상기 수식에서 Co는 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 초기 농도이고, C는 상기 지하매질을 통과하여 상기 추출용 관정을 통해 추출된 상기 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 농도이고, vp는 상기 지하수의 평균유속인 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체의 형성방법.
  9. 지하 오염원에서 유출되는 오염물질을 여과하기 위한 지하수 정화용 반응벽체 형성 시스템에 있어서,
    상기 지하 오염원으로부터 소정 거리 이격된 위치에서 지하 대수층까지 반응벽체 형성용 물질을 주입하기 위해 설치되는 주입용 관정과;
    상기 주입용 관정과 소정거리 이격된 위치에서 상기 대수층까지 설치되는 추출용 관정과;
    지하매질과 침전 반응이 이루어질 수 있도록 상기 주입용 관정을 통해 주입되는 콜로이드 상태의 반응벽체 형성용 물질의 침전속도 및 이동거리를 제어하기 위해 상기 추출용 관정을 통해 상기 대수층의 지하수의 유출속도를 제어할 수 있게 설치된 펌프;를 구비하는 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체 형성시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 주입용 관정과 추출용 관정 각각은 하단부가 막힌 중공을 갖는 갖되 길이방향을 따라 적어도 하나 이상의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 지하수 정화용 반응벽체 형성시스템.
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