KR101285586B1

KR101285586B1 - Ｄｎａｐｌ 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템

Info

Publication number: KR101285586B1
Application number: KR1020120009909A
Authority: KR
Inventors: 이종열; 이석영; 서승원; 이건우; 박영도; 김지연
Original assignee: 아름다운 환경건설(주)
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-07-15

Abstract

본 발명은 TCE, PCE, CCl4, Chloroform, VC 등으로 오염되어 있는 DNAPL 오염부지 정화를 위하여 물리적, 화학적, 생물학적 처리공정을 유기적으로 결합시킨 복합 처리시스템으로서, 더욱 자세하게는, 일반 수처리만으로는 정화가 어려운 DNAPL 중 휘발성이 강한 VOCs의 특성을 고려하고 2차 오염원이 될 수 있는 부산물 발생을 최소화하기 위하여, 물리적, 화학적 처리시스템 내부에서 액상과 기상물질에 대한 처리공정을 구분하여 DNAPL을 처리하되, 특히 각 처리시스템에서 휘발된 기체상 오염물질을 곧바로 생물학적 시스템에서 포집하여 처리되도록 하는 상호 유기적 시스템으로서 친환경적인 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템을 제공한다.

Description

ＤＮＡＰＬ 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템 {Complex treatment system for purifying DNAPLcontaminated sites}

본 발명은 TCE, PCE, CCl4, Chloroform, VC 등으로 오염되어 있는 DNAPL 오염부지 정화를 위하여 물리적, 화학적, 생물학적 처리공정을 유기적으로 결합시킨 복합 처리시스템에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 일반 수처리만으로는 정화가 어려운 DNAPL 중 휘발성이 강한 VOCs의 특성을 고려하고 2차 오염원이 될 수 있는 부산물 발생을 최소화하기 위하여, 물리적, 화학적 처리시스템 내부에서 액상과 기상물질에 대한 처리공정을 구분하여 DNAPL을 처리하고 처리수를 방류하되, 특히 각 처리시스템에서 휘발된 기체상 오염물질을 생물학적 시스템에서 포집하여 처리하도록 하는 상호 유기적 시스템으로서 친환경적인 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템을 제공한다.

NAPL(비수용액상 액체; Nonaqueous-phase liquids)은 물의 밀도를 기준으로 하여 가벼운 LNAPL(light)과 무거운 DNAPL(dense)로 나눌 수 있는데, 이 중 DNAPL은 고밀도 성분인 염화유기오염물질로서 대표적인 물질로는 TCE(Trichloroethylene), PCE(Perchloroethylene) 등이 있다. DNAPL은 대체적으로 높은 휘발성과 낮은 인화성을 가지고 다양한 유기용매를 빠르게 용해시키는 성질이 있어 그동안 주로 금속물질의 탈지제, 전자부품 제조시 세척제, 도료나 접착제 제작, 커피에서 카페인 제거, 영화필름의 클리너, 냉매, 알코올의 탈수, 증유 첨가제, 마취제, 진정제로 사용되어 왔다. 이들은 제조 당시에는 순수한 물질로만 존재하지만 사용 후에는 오일(oils), 그리스(grease)와 같은 물질과 혼합되어 유출될 수도 있어 최근 국내에서도 TCE와 PCE에 의한 토양, 지하수 오염 문제가 빈번히 보고되고 있으며 특히 TCE와 PCE의 사용상의 특징 때문에 주로 공업지역의 토양과 지하수에서 많이 발견되고 있다.

DNAPL은 지하수와 접촉하게 될 때 수평이동보다 수직이동이 우세하여 수직적인 오염범위가 크고 토양 하부에 낮은 투수성을 가지는 층위경계면에 집적되는 특성이 있어 오염원의 잔류지역 및 이동경로 파악이 어려우며, 더욱이 석유화학공장이나 유류관, 탱크로부터 다량으로 유출되는 DNAPL이 아니면 대부분은 이동성이 있는 자유상 DNAPL 풀(free-phase DNAPL pools)로 존재하여 이동경로나 정도를 예측하기 어렵다. 또한 DNAPL은 지층의 구조에 의하여 유동성이 지배되는데 지층의 구조는 지상에서 쉽게 파악되지 않기 때문에 오염범위의 추정이 쉽지 않다. 따라서 이들을 완전히 제거하기에는 어려움이 따른다. 위와 같은 DNAPL의 특성을 고려하여 DNAPL 등으로 오염된 지하수나 토양을 정화시키는 방안이 요구되는 것이다.

또한 지하수 내에 오염된 많은 유기화합물질은 물에서 공기로 이동할 때 휘발성 유기화합물(VOCs; volatile organic compounds)의 형태로 배출되는데 배출된 VOCs는 주된 대기오염물질로 작용할 수 있으며 많은 성분들이 발암성 물질로 규명되어 있으므로 확실히 제거해야 한다. 이러한 VOCs에는 TCE, PCE, BTEX 등 휘발성이 강한 오염물질이 있다.

이러한 지하수나 토양의 폐수, 오염물질을 정화하는 방법으로 물리적, 화학적, 생물학적 처리 공정을 단순 연결하거나 일부 단계만을 사용하는 경우가 많았으며, '대기상 물질'을 제거할 경우 활성탄 등의 흡착을 통해 처리하는 경우가 일반적이었다. 그러나 이 경우 처리효율이 떨어지며 부산물 발생의 위험이 있다는 단점이 있었다. 또한 지하수 내 DNAPL 제거의 경우, 일반 수처리를 그대로 이용하는 것도 가능하며 LNAPL을 중점적으로 제거하는 시스템은 기존 특허에서도 찾아볼 수 있으나, 이 경우 DNAPL의 정화가 LNAPL에 비해 훨씬 어렵고 비용도 많이 들며, 오염지역에 대한 효과적인 정화방안도 개발되어 있지 않음을 고려할 때 DNAPL만을 국한하여 처리하는 시스템이 아니어서 효율성이 떨어지는 단점이 있었다.

본 출원인은 이러한 DNAPL 오염수 관리와 관련하여 일찍이 특허등록 제1059851호("디엔에이피엘 오염 지역에 대한 물리적 처리 시스템")에서, 지상회수처리방식(pump & treat)을 이용하여 DNAPL로 오염된 지하수를 추출하고, 지하수의 오염형태와 오염지역의 특성에 따라 물리적, 화학적 또는 생물학적으로 정화가 가능한, DNAPL 오염 지역에 대한 물리적 처리 시스템에 대해 제안한 바 있으나, 이 기술에 더하여 일반 수처리만으로는 정화가 어려운 DNAPL을 고효율로 처리할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 기존에 기체상 오염 물질을 흡착만으로 처리하는 것과 차별되도록, 물리적 처리시스템과 화학적 처리시스템을 통해 오염지하수를 정화한 후 그로부터 휘발된 기체상 오염 물질을 각각의 시스템에서 곧바로 생물학적 처리시스템으로 연계하여 처리하는 복합 처리시스템을 제안하기에 이르렀다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 현지 외(ex-situ) 처리방법에 의한 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 시스템에 있어서, 기존의 각 물리적, 화학적, 생물학적 처리공정을 단순 조합하는 것이 아니라 물리적, 화학적 처리단계에서 액상과 기상물질에 대한 처리공정을 구분하여 처리하고, 그 단계에서 휘발하는 2차 오염물질인 대기성 물질을 곧바로 생물학적 처리시스템에서 처리할 수 있도록 각 단계를 유기적으로 연계함으로써, 활성탄 흡착만으로 완벽한 처리가 어려운 휘발성이 강한 오염물질(VOCs) 및 특히 수직적 오염범위가 크고 오염범위의 추정이 어려운 DNAPL의 특성을 고려하여 오염된 지하수 및 토양을 고효율로 정화시킬 수 있는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 각 부지에 따라 오염농도의 범위가 상당히 차이가 있는 것을 고려할 때 물리적 정화 외에도 추가적인 분해 및 정화가 필요하므로, 이를 위한 화학적 처리시스템을 물리적 처리시스템에 이어 제공하며, 배출수 기준에 적합하지 않을 경우 다시 화학적 처리시스템으로 이송시키는 생물학적 처리시스템을 구비한 친환경적인 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 DNAPL 오염 부지를 정화하는 시스템에 있어서, DNAPL 오염수로부터 고형물질과 액상물질, 기체상물질을 분리하여 1차 처리하는 물리적 처리시스템; 상기 물리적 처리시스템에서 1차 처리된 DNAPL 오염수에 대한 산화, 환원반응을 통해 DNAPL을 제거한 후 처리수는 방류하고 기체상 오염물질을 분리하여 2차 처리하는 화학적 처리시스템; 상기 물리적 처리시스템과 화학적 처리시스템에서 분리처리되어 각 단계에서 포집된 기체상 오염물질을 이송받아 미생물 반응공정을 통하여 분해처리하는 생물학적 처리시스템으로 구성되는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템을 제공한다.

상기 생물학적 처리시스템(300)은 물리적 처리시스템(100)의 기액분리기(2), 탈기조(air stripping system)(6)에서 포집되어 1차 처리된 기체상 오염물질과 화학적 처리시스템(200)의 배출가스처리시스템(off gas treatment system)(33)에서 포집되어 2차 처리된 기체상 오염물질을 상기 물리적 처리시스템 및 화학적 처리시스템과 연결된 블로어를 통해 이송받아 저장하는 기체상 물질 수집시설(60), 미생물 배양조(61), 상기 기체상 오염물질을 미생물 분해하는 미생물반응조(62), 균슬러지를 원심분리하는 원심분리조(63), 및 최종 슬러지가 저장되는 슬러지 탱크(64)로 구성된다.

상기 물리적 처리시스템(100)은 추출/주입 시스템(1); 기액분리기(2); 부유물질을 중력에 의해 자연 침강시켜 제거하는 침전조(3); 기상물질에 포함된 이물질을 제거하는 기상처리 싸이클론(4); 물과 흙, 기름, 유압액, LNAPL, DNAPL을 분리하는 유수분리기(DNAPL/water separator)(5); 지하수 내 기름이나 용제(solvent) 오염물질을 기상으로 휘발시켜 제거하는 탈기조(air stripping system)(6); 상기 탈기조(6)에서 탈기된 오염수를 저장하는 집수조(7); 최종 배출되는 정화수의 pH를 조정하는 pH조정조(9); 사층 표면에서 불순물 등을 제거하는 모래여과조(10); 및 처리수 방류 전 최종적으로 흡착처리 하기 위한 활성탄 흡착탑(11)으로 구성된다.

상기 화학적 처리시스템(200)은 1차 처리수가 이송되어 저장되는 탱크인 집수조(30); 고도 산화, 환원처리하는 주반응조(Main reactor)(31); 주반응조(Main reactor)에 주입되는 산화제와 환원제, 산과 염기 등의 약품들을 저장하는 약품탱크(32); 기체상 물질을 처리하기 위한 배출가스처리시스템(off gas treatment system)(33); 최종 배출되는 정화수의 pH를 조정하는 pH조정조(34); 및 방류조(35)로 구성되어 있다.

이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템은 오염범위가 크고 그 오염 특성상 오염원의 잔류지역, 이동경로 파악이 어려운 DNAPL에 의한 오염을 집중적으로 제거할 수 있도록 한다.

특히, 복합처리 시스템을 세단계로 구성하되, 물리적, 화학적 처리시스템에서 휘발되는 기체상 오염 물질이 미처리된 채 유출되지 않도록 하고, 또한 흡착에 더해 미생물 분해를 통하여 생물학적 처리시스템에서 기체상 오염물질을 추가로 포집, 처리할 수 있도록 함으로써 각 단계를 유기적으로 연계하여 기체상 오염물질의 처리효율을 높일 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템은 종래기술에서 휘발성 오염물질을 흡착만으로 처리하는 시스템보다 부산물 발생을 최소화하여 2차 오염을 막는 효과를 제공한다. 또한 생태계를 보호함과 동시에 오염물질이 생태계로 유출될 경우 발생하게 될 막대한 정화비용을 절감하는 효과를 갖는다. 따라서 기존 ex-situ의 처리방법 중 가장 친환경적인 방법을 제공한다.

나아가, 물리적 정화 외에도 추가적인 분해 및 정화를 가능하게 하는 화학적 처리시스템을 물리적 처리시스템에 이어 제공함으로써, 오염농도가 높거나 정확한 오염농도를 알 수 없는 경우에도 이를 추가로 정화하여 보다 안정적으로 배출수를 방류할 수 있다.

또한, 휘발성 기체상 물질을 처리하는 생물학적 처리시스템에서는 배출수 기준에 적합하지 않을 경우 다시 화학적 처리시스템으로 이송시켜 처리하도록 하여 정화효율을 높인다.

도 1은 본 발명에 따른 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템의 전체 구성도.
도 2의 (a), (b)는 본 발명에 따른 물리적 처리시스템 전 후 지하수의 시간경과에 따른 DNAPL 농도 변화표와 그래프
도 3은 화학적 처리시스템의 처리효율에 대한 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 생물학적 처리시스템의 전체 처리도.
도 5의 (a), (b)는 톨루엔 주입에 따른 TCE 제거효과 그래프 및 톨루엔 주입에 따른 균주 성장 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 명칭에는 동일 부호를 사용하기로 한다.

또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 발명의 기타 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템의 전체적인 처리 구성도이다. 상기 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명은 DNAPL 오염 부지를 정화하는 시스템에 있어서, DNAPL 오염수로부터 고형물질과 액상물질, 기체상물질을 분리하여 1차 처리하는 물리적 처리시스템(100); 상기 물리적 처리시스템에서 1차 처리된 DNAPL 오염수에 대한 산화, 환원반응을 통해 DNAPL을 제거한 후 처리수는 방류하고 기체상 오염물질을 분리하여 2차 처리하는 화학적 처리시스템(200); 및 상기 물리적 처리시스템과 화학적 처리시스템에서 분리처리되어 각 단계에서 포집된 기체상 오염물질을 이송받아 미생물 반응공정을 통하여 추가로 분해처리하는 생물학적 처리시스템(300)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템을 제공한다.

더욱 상세하게는, 상기 물리적 처리시스템(100)은 추출/주입 시스템(1)에서 추출된 DNAPL 오염 지하수를 기액분리기(2), 침전조(3), 기상처리 싸이클론(4), 유수분리기(DNAPL/water separator system)(5), 탈기조(air stripping system)(6), 집수조(7), pH조정조(9), 모래여과조(10), 활성탄 흡착탑(11)을 차례로 거쳐 1차 처리하고, 화학적 처리시스템(200)은 상기 물리적 처리시스템에서 1차 처리된 오염수를 집수조(30)에서 받아, 주반응조(Main reactor)(31)에서 산화환원 처리하고, 그 과정 중 휘발된 기체상 오염물질을 처리하는 배출가스처리시스템(off gas treatment system)(33), pH조정조(34) 및 방류조(35)가 차례로 연결되어 액상과 기상 오염물질을 공정을 달리하여 처리한 후 그 처리수는 방류하며, 상기 생물학적 처리시스템(300)은 물리적, 화학적 처리시스템에서 휘발된 기체상 오염물질을 포집하여 블로어를 통해 이송받아 저장하는 기체상 물질 수집시설(60)과 미생물배양조(61)에서 배양된 미생물에 의해 기체상 오염물질을 분해하는 미생물반응조(62), 미생물슬러지를 분리하는 원심분리조(63), 분리된 미생물 슬러지를 저장하는 슬러지 탱크(64)로 구성된다. 상기 생물학적 처리시스템(300)은 처리된 기체상 물질을 방출하며, 액상 물질은 오염 농도를 확인하여 배출수 기준에 적합하면 방류하고, 만일 적합하지 않다면 화학적 처리시스템(200)으로 반송하여 처리하는 반송시스템(65)을 구비한다.

이하 각 시스템의 작동 과정에 대하여 상세히 설명한다. 상기 물리적 처리시스템(100)은 관정에서 추출/주입 시스템(1)이 지하수를 추출하면, 액상물질과 기상물질을 분리시키는 기액분리기(2)와, 부유물질을 중력에 의해 자연 침강시켜 고액을 분리 제거하는 침전조(3), 물과 흙, 기름, 유압액, LNAPL, DNAPL을 분리하는 유수분리기(DNAPL/water separator system)(5)를 거쳐, 오염 지하수 내 기름이나 용제 오염물질을 휘발시켜 제거하는 탈기조(air stripping system)(6)로 이동하여 오염수를 1차 처리한다.

그리고, 상기 추출/주입시스템(1)은 다지관으로 구성된 추출용 분배관을 통해 관정에서 지하수를 추출한다. 각 다지관은 추출정 별 유량과 속도를 조절하는 가스(gas) 유량조절 밸브와 유량계를 구비한다. 각각의 다지관은 고압용 호스로 추출정과 연결되며, 호스는 커플링으로 연결할 수 있어 다지관과 호스의 부착 및 탈착이 용이하다. 추출/주입시스템(1)에 의해 추출된 지하수가 유입되는 기액분리기(2)는 감압장치; 액상 저류조; 수위감지 센서; 이송펌프; 및 청소구로 구성된다. 기액분리기의 액상 저류조는 회전자에 의해 진공압을 발생시키는 감압장치(roots blower)를 이용하여 하부에서는 액상, 상부에서는 기상 물질을 포집한다. 수위감지 센서는 오염수가 일정량 이상 축적되면 하단에 설치된 이송펌프를 작동시켜 오염수를 침전조로 분리 이송시킨다. 기액분리기 하단에는 청소구가 구비되어 기액분리기에 있는 슬러지 및 찌꺼기 등을 제거한다. 포집된 액상물질은 침전조(3)로, 기상물질은 기상처리 싸이클론(4)을 통해 생물학적 처리시스템(200)의 기체상 물질 수집시설(60)로 보내진다.

침전조(3)는 부유물질을 중력에 의해 자연 침강시켜 분리 제거하며, 자동 유량 조절계, 이송펌프 및 이와 연결된 수위조절계를 추가로 구비할 수 있다. 침전조 내 유입된 오염지하수는 일정량 저류한 후 이송펌프에 의해 후단의 유수분리기(DNAPL/water separator)(5)로 이송된다. 침전조의 이송펌프와 연결된 수위조절계를 조절하여 후단 공정의 처리용량 조절이 가능하다.

유수분리기(5)는 내부가 크게 3단으로 분리되고 플레이트 팩(plate pack) 및 하단에 유류배출구를 구비하며, 물과 흙, 기름, 유압액, LNAPL, DNAPL을 분리한다. 1단에서는 유입된 오염수가 일정속도의 유량과 유속을 유지하게 하면서 다음 단계로 넘어가게 한다. 2단에 구비된 플레이트팩(plate pack)에 의해 가라앉는 DNAPL 성분과 함께 중간에 부유하는 성분 및 남아있는 LNAPL성분이 침강되며 하단에 구비된 유류 배출구에 의해 가라앉는 DNAPL, LNAPL은 제거된다. 유수분리기(5) 내 유입되는 지하수에 오염되어 있는 DNAPLs 중 대표적인 TCE의 경우 밀도가 1.46, PCE의 경우 1.62이다. 물에 비해 무거운 성질을 가지고 있는 오염물질들은 stoke's 법칙에 따른 침강속도에 의해 하단에 가라앉는다. stoke's 법칙은 g(es-ew)d²/18μ의 공식에 의해 침강속도를 구할 수 있다. 본 공식에서 es, ew는 입자의 밀도, 액체의 밀도를 나타낸다. DNAPLs의 밀도는 물의 밀도 1에 비해 크기 때문에 물과 분리되어 침강하게 되어 하단에 구비된 배출구로 DNAPLs를 제거한다.

유수분리기를 거치고 난 처리수가 이동되는 탈기조(6)는 탱크 형태로 구성되고 하부에 노즐이 구비된 2 개의 분기관, 하부의 블로어, 상부의 이중 안내날개(guide vane) 배관 및 이에 설치된 김서림 방지장치(demister)를 구비한다. 상기 2개의 분기관을 통해 오염수가 탈기조 내로 이동되고, 각 분기관 끝은 중공의 원형 노즐이 서로 마주보도록 하며, 중공 원형 노즐에서 분출되는 오염수는 반대편 중공 원형 노즐에서 분사되는 오염수로 인하여 평면으로 넓게 펼쳐진 후 탈기조의 탱크 하부로 떨어지게 된다. 탈기조 하단에서 블로어를 통해 유입되는 공기는 오염수와 접촉하여 오염수의 용존 VOCs를 분리 제거하게 된다. 이 때, 유입된 공기는 탱크 벽면을 타고 위로 이동하게 함으로써 공기 흐름이 없거나 적은 사공간을 최대한 줄이도록 한다. 이로써 휘발성이 강한 오염물질인 TCE, PCE, DCE, BTEX, chloroform, carbon tetrachloride 등 헨리 상수가 0.01㎥/mol 이상인 유기물질의 성공적 처리가 가능하다.

탈기조에서 나온 처리수는 탈기조 하단의 집수조(7)로 집수한다.

상기 집수조(7)를 거친 처리수는 pH조정을 위하여 pH 조정조(9)로 유입된다. 이 때 약품조(8)에 저장된 NaOH와 황산이 pH조정조로 유입되어 정화수의 pH를 수질오염 물질의 배출 허용 기준인 5.8～8.5 사이로 조정되도록 하며, 이를 위해 pH 측정 자동 센서와 약품 자동 조절 주입장치를 구비한다.

pH가 조정된 처리수는 노즐의 펌프 가압에 의해 모래여과조(10)로 유입되고, 처리수가 모래여과층을 통과하면 사층 표면 5mm정도의 부분에서 증식하는 미생물에 의해 저속모래여과법으로 불순물을 제거한다. 이러한 미생물은 호기성 상태에서 광합성작용을 하는 조류나 유기물을 분해하거나 암모니아를 산화하는 혼합 미생물로 구성되어 있다. 모래여과층은 유입되는 용수의 부유물질 농도 및 유량에 따라 운영효율이 결정되며, 배출수 수질 및 모래여과층의 막힘 현상을 관찰하여 교체시기를 결정할 수 있도록 하는 투명창을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 활성탄 흡착탑(11)은 수처리용 입상 활성탄(직경 0.5 내지 1.5 m)을 이용하여 구축하는 것이 바람직하다.

도 2의 (a), (b)는 본 발명의 물리적 처리시스템 전 후 지하수의 시간경과에 따른 농도 변화표와 그래프이다. 기본적으로 본 발명에 따른 복합 처리시스템은 TCE 오염기준으로 약 1~10ppm정도로 오염된 지하수를 처리하는 것이 목적이며, 본 처리효율 평가는 약 1ppm으로 오염된 실제 지하수를 적용한 것이다. 상기 도 2(a)의 표와 이를 도표화한 (b)의 그래프에 따르면, 양수한 지하수의 초기 DNAPL 농도는 TCE의 경우 시간에 따라 약간의 변화가 있지만 최소 1.039에서 최대 1.157ppm(30분 후)으로 측정되나, 본 발명에 따른 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 물리적 처리시스템을 통하여 단독처리할 경우 최초 배출수의 TCE 농도는 0.031로 DNAPL의 농도가 상당히 감소한 것을 알 수 있다. CCl₄와 클로로포름(Chloroform)의 경우도 각각 0.179에서 0.014로, 0.14에서 0.027로 상당히 감소한 것으로 분석되었다.

또한 도 1에 따르면 본 발명에 따른 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템의 화학적 처리시스템(200)은 상기 물리적 처리시스템(100)에서 1차 처리 및 부유물질 등의 제거를 거친 오염지하수를 최종 처리하기 위하여 집수조(30)에 저장하고, 약품탱크(32)에 저장된 약품에 의해 산화 환원 반응으로 오염수를 처리하는 주반응조(Main reactor)(31)를 거쳐 휘발된 가스는 배출가스처리시스템(Off gas treatment system)(33)에서 처리한 후 생물학적 처리시스템(300)으로 이송하고, 액상 물질은 pH조정조(34)와 방류조(35)를 거쳐 방류하도록 구성되어 있다.

상기 집수조(30)는 물리적 처리시스템으로부터 1차 처리된 지하수가 저류되는 탱크이며, pH 탐침기(probe)를 구비하고 일정 유량이 되면 정량펌프에 의해 다음 처리 과정인 주반응조(Main reactor)(31)로 이송한다.

주반응조(31)는 화학적 고도산화처리가 수행되는 반응조로, 산화반응조, 환원반응조, 높이별로 세 단계로 나누어 시료를 채취할 수 있도록 하는 port, 하단의 오염 지하수 주입구 및 산화제/환원제 주입구로 구성된다. 기본적으로 1차, 2차 주반응조(Main reactor)의 역할은 산화제와 UV, 환원제와 UV를 통한 DNAPL 오염물질 제거로서 동일하지만 1차 반응조(31-1)인 산화반응조는 주로 TCE와 PCE, Chloroform을 제거하고, 2차 반응조(31-2)인 환원반응조는 사염화탄소(CCl4)를 제거한다. 1차 반응조와 2차 반응조에서 제거하는 주요 오염물질은 상기 물질 외 산화 및 환원에 의해 제거할 수 있는 DNAPLs 물질은 모두 처리가능하다. 1차 반응조(31-1)에 주입되는 산화제인 과황산(Persulfate), 2차 반응조(31-2)에 주입되는 환원제인 에탄올, pH를 조정하기 위한 산, 염기는 각각 약품탱크(32) 4개에 보관된다. 상기 4개의 약품은 정량펌프에 의해 반응조 및 pH조정조에 투입된다.

주반응조(31) 하단의 오염 지하수 주입구를 통해 오염수가 유입되면, 1차 반응조(31-1)에 주입되는 산화제인 과황산과 2차 반응조(31-2)에 주입되는 환원제인 에탄올이 반응조(Reactor) 내에서 최소 10분에서 최대 30분까지 체류하여, 지속적인 교반을 통해 반응이 이루어진다. 반응에 필요한 체류 시간 등을 고려하여 주반응조의 규격을 설계한다. 각 반응조에 구비된 UV 램프는 산화/환원제에 의한 분해 과정의 활성제 역할을 한다. UV가 조사되는 상태에서 1차 반응조(31-1)에서는 산화제인 과황산용액이 주입되고, 2차 반응조(31-2)에서는 환원제인 에탄올이 주입되어 타겟물질인 염소계유기화합물을 분해한다. TCE, PCE, CCl₄, Chloroform의 잔류상 기체와 함께 이 물질들이 분해되어 발생되는 부산물인 cis-DCE, VC 등의 물질들에서도 기체상 물질이 발생할 수 있기 때문에, 발생한 기체상 오염물질 및 부산물들을 포집하여 배관을 통해 배출가스처리시스템(Off gas treatment system)(33)으로 이송시켜서 기체상 물질을 처리한다. 상기 배출가스처리시스템(33)은 활성탄 흡착탑으로서 대기상 오염물질을 제거하도록 구축되어 있으며, 1차 처리된 대기상 오염물질은 생물학적처리시스템(300) 내 기체상 물질 수집시설(60)로 이송된다.

상기 단계들에서 처리된 처리수는 pH조정조(34)로 이동하고, 일정 범위 내의 pH로 조절되도록 자동 조절 주입장치 및 체크 밸브를 통해 황산과 수산화나트륨이 주입된다. pH가 조정된 지하수는 방류조(35)를 거쳐 방류된다. 방류조는 수질 기준 이하의 농도를 확인하기 위해 시료를 채취할 수 있도록 하는 시료채취구를 구비한다.

도 3은 상기 본 발명에 따른 화학적 처리시스템(200)의 처리효율을 나타내는 표로, 두 개의 막대 그래프 중 왼쪽 그래프는 화학적처리시스템에 유입되는 지하수의 물질 농도, 오른쪽 그래프는 화학적처리시스템을 통해 처리된 후 배출되는 지하수의 물질 농도를 나타내는 것이다. TCE의 경우 98.6%, CCl4의 경우 92%, Chloroform은 72.6%의 처리효율을 보인다.

도4는 본 발명에 따른 생물학적 처리시스템(300)의 전체 처리도를 도시한 것으로, 각 설비와 연결되어 있는 센서와 계기판을 통해 시스템 작동을 쉽게 확인할 수 있는 주제어부(Main control panel)를 구비하여 전 공정을 자동화한다. 운전을 위해 필요한 전원은 발전기 및 외부 전원 공급 장치를 이용한다. 그리고 기체상 물질 수집시설(60); 미생물반응조(62); 원심분리조(63); 슬러지 탱크(64)가 차례로 배열된 구성으로, 미생물배양조(61)를 추가로 구비한다.

상기 기체상 물질 수집시설(60)은 물리적 처리시스템(100)에서의 기액분리기(2), 탈기조(6)와 화학적 처리시스템(200)에서의 배출가스처리시스템(32)에서 발생하는 기체상 물질을 이송하는 블로어를 구비한다.

미생물배양조(61)는 호기성 균주의 성장시설, 폭기시설, pH조정시설, 균주성장기질의 주입설비를 구비하며, 호기성 균주의 성장기질로 톨루엔을 사용한다. 생물학적 처리시스템 내에 주입되는 미생물은 TCE, PCE 등을 분해할 수 있는 미생물로서 국내 토착미생물을 적용한다. 주요 토착미생물은 Delftia acidovorans EK2, Pseudomonas putida PCH225으로서 UI-mix로 명할 수 있다. 복합 오염 시 성장기질로 사용한 톨루엔은 약 100mg/L 주입하고 pH7, 온도 20℃에서 배양하여 적용한다. 도 5의 (a), (b)는 이와 연관된 것으로서 (a)는 성장기질인 톨루엔을 주입할 때 마다 TCE가 제거되는 것이며, (b)는 톨루엔을 주입할 때 균주가 성장하는 것을 나타낸다. 따라서 톨루엔을 주입할 때 균주가 성장하고 성장한 균주는 TCE를 제거한다. 배양조에서 배양된 호기성 균주는 미생물반응조(62)에서 오염물질과 반응한다.

도 5의 (a), (b)는 톨루엔 주입에 따른 TCE 제거 및 균주 성장 효과를 나타내는 그래프이다. 상기 도 5의 (a)에 따르면, TCE가 약 2ppm으로 오염되어 있는 지하수에 호기성 균주의 성장기질로 사용하는 톨루엔이 3차례 주입되면서 TCE가 제거되는 것을 나타낸다. TCE의 배출수기준이 0.3ppm임에 따라 24시간 내에 제거되는 것을 볼 수 있다. 또한 톨루엔은 균주를 성장시키면서 약 2시간 내에 모두 소멸되어 2차 오염을 발생시키지 않는다. 상기 도 5의 (b)에 따르면, 톨루엔을 주입하면 점차 균주의 성장이 증가하는 것을 볼 수 있다.

미생물배양조(61)에서 성장한 균주는 자동시스템에 의해 미생물반응조(62)로 유입되며, 미생물반응조(62)는 블로어를 통해 유입된 기체상 오염물질을 액체상으로 녹여내어 고농도로 농축시킨다. 기체상에서 액상으로 녹여내기 위해 미생물반응조 내 액체와 기체의 부피비율을 약 1 : 3~5로 한다. 또한 미생물반응조 내 압력이 상압보다 높도록 조절하여 기체상 오염물질이 액체상으로 잘 녹아들어갈 수 있도록 한다. 미생물반응조(62)는 동일한 규모 및 설비의 2개의 세트로 구성된다. 1차 미생물반응조에 블로어로 1atm보다 높은 압력으로 기체상 오염물질을 주입시키고, 1차 미생물반응조에서 녹아들지 않고 잔존하는 기체상 물질은 2차 미생물반응조로 이송된다. 2차 미생물반응조에서도 잔존하는 기체상 물질은 배관을 통해 다시 1차 미생물반응조로 주입된다. 이러한 반복 처리에 의해 24시간, 실온에서 주입되어 오염물질을 제거한다. 각 미생물반응조 내 액체상물질의 부피는 약 0.24~0.41m³이며, 임펠러 교반설비로 24시간교반하면서 분해한다. 복합균주인 UI-mix는 TCE 2ppm으로 오염된 지하수에서 오염물질을 100% 제거한다. 반응조에서 제거하고 난 이후 균 슬러지는 공업용 원심분리조로 이송된다.

원심분리조(63)로 이송된 균 슬러지 등은 원심분리되어 반송가능한 균주는 바로 반응조(62)로 반송시키고 최종 슬러지는 슬러지 탱크(64)에 저장한다. 반응 후 남는 액상 물질은 오염 물질 농도를 확인하여 배출수 기준에 적합하면 방류하고, 만일 적합하지 않는다면 화학적 처리시스템(200)의 집수조(30)로 이송시켜 재처리하도록 하는 반송시스템(65)을 구비한다.

100 : 물리적 처리시스템 200 : 화학적 처리시스템
300 : 생물학적 처리시스템
1 : 추출/주입시스템 2 : 기액분리기
3 : 침전조 4 : 기상처리 싸이클론
5 : 유수분리기(DNAPL/water separator)
6 : 탈기조(air stripping system) 7 : 집수조
8 : 약품조 9 : pH 조정조
10 : 모래여과조 11 : 활성탄 흡착탑
30 : 집수조 31 : 주반응조
31-1 : 산화반응조 31-2 : 환원반응조
32 : 약품탱크
33 : 배출가스처리시스템(Off gas treatment system)
34 : pH조정조 35 : 방류조
60 : 기체상 물질 수집시설 61 : 배양조
62 : 미생물반응조 63 : 원심분리조
64 : 슬러지 탱크 65 : 반송시스템

Claims

DNAPL 오염 부지를 정화하는 시스템에 있어서,
DNAPL 오염수로부터 고형물질과 액상물질, 기체상물질을 분리하여 1차 처리하는 물리적 처리시스템(100);
상기 물리적 처리시스템에서 1차 처리된 DNAPL 오염수에 대한 산화, 환원반응을 통해 DNAPL을 제거한 후 처리수는 방류하고 기체상 오염물질을 분리하여 2차 처리하는 화학적 처리시스템(200); 및
상기 물리적 처리시스템과 화학적 처리시스템에서 분리처리된 후 포집된 기체상 오염물질을 받아 미생물 반응공정을 통하여 추가로 분해처리하는 생물학적 처리시스템(300)을 포함하되,
상기 생물학적 처리시스템(300)은,
물리적 처리시스템(100)의 기액분리기(2) 및 탈기조(6)에서 포집된 기체상 오염물질과 상기 화학적 처리시스템(200)의 배출가스처리시스템(33)에서 휘발하는 기체상 오염물질을 블로어를 통해 이송받아 저장하는 기체상 물질 수집시설(60); 미생물을 배양하는 미생물배양조(61); 상기 기체상 오염물질을 액화하여 미생물 분해하는 미생물반응조(62); 반송가능한 균주, 최종 슬러지 및 액상 물질을 원심분리하는 원심분리조(63); 원심분리된 최종 슬러지를 저장하는 슬러지 탱크(64); 원심분리된 액상 물질의 오염 물질 농도를 확인하여 배출수 기준에 적합하면 방류하고, 만일 적합하지 않다면 화학적 처리시스템(200)으로 반송하는 반송시스템(65)을 포함하여 구성되고,
상기 생물학적 처리시스템(300)의 미생물반응조(62)는,
유입된 기체상 오염물질을 액체상 균주와 반응시켜 분해하는 1차 반응조; 상기 1차 반응조를 거치고 잔존하는 기체상 오염물질을 액체상 균주와 반응시켜 분해하는 2차 반응조; 및 상기 2차 반응조를 거치고도 잔존하는 기체상 오염물질을 상기 1차 반응조로 주입하기 위해 연결하는 배관을 포함하여 구성되며,
상기 2차 반응조에서의 반응 후 기체상 물질은 방출되고, 상기 원심분리조(63)에서 원심분리된 반송가능한 균주는 미생물반응조(62)로 반송되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 생물학적 처리시스템(300)은 시스템의 운영을 제어하는 주제어부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 물리적 처리시스템(100)은,
오염 지하수를 추출하는 추출/주입 시스템(1);
상기 추출/주입 시스템에서 유입된 오염수의 기액을 분리하는 기액분리기(2);
상기 기액 분리된 오염수 중 액상물질에서 중력에 의해 고액을 분리 제거하는 침전조(3);
상기 기액분리된 기상물질에 포함된 이물질이나 먼지를 원심력에 의해 제거하는 기상처리 싸이클론(4);
상기 침전조를 거친 오염수에서 물과 기름, 유압액, LNAPL, DNAPL을 분리하는 유수분리기(5);
유수분리기를 거친 오염수 내 기름이나 용제 오염물질을 휘발시켜 제거하는 탈기조(6);
상기 탈기조에서 탈기된 오염수를 저장하는 집수조(7);
집수조를 통과한 후 최종 배출되는 정화수의 pH를 조정하는 pH조정조(9);
pH조정조로 투입되는 산과 염기를 저장하는 약품조(8);
사층 표면에서 불순물을 제거하는 모래여과조(10); 및
모래여과조(10)를 거친 후 지하수 방류 전에 최종적으로 오염물질을 흡착처리 하기 위한 활성탄 흡착탑(11)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 화학적 처리시스템(200)은,
상기 물리적 처리시스템에서 1차 처리수가 이송되어 저장되는 탱크인 집수조(30); 오염수를 고도 산화 및 환원 처리하는 주반응조(31); 주반응조(31) 내에서 발생되는 기체상 물질을 처리하기 위한 배출가스처리시스템(33); 및 방류조(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템.
제6항에 있어서,
상기 화학적 처리시스템(200)은 주반응조에 투입되는 과황산용액과 에탄올, 산/염기를 저장하는 약품 탱크(32); 처리수의 pH를 조정하는 pH조정조(34)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템.
제6항에 있어서,
상기 주반응조(31)는 산화반응조(31-1)를 포함하며, 산화반응조는 과황산(Persulfate)을 이용하여 TCE와 PCE, Chloroform를 제거하는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템.
제6항에 있어서,
상기 주반응조(31)는 환원반응조(31-2)를 포함하며, 환원반응조는 에탄올을 이용하여 CCl₄를 제거하는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 생물학적 처리시스템(300)은 미생물로서 호기성 균주, 그 성장기질로서 톨루엔을 이용하는 것을 특징으로 하는 DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템.