KR101410466B1 - 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중 중금속 처리 시스템 및 지중 중금속 처리 방법에 관한 것으로, 원위치지중교반장치와 추출장치에 의해 오염토양을 교반하고, 교반된 오염토양에서 오염물질과 반응이 되도록 약품을 분사하며, 반응이 완료된 오염물질을 외부로 추출토록 하여 작업이 용이하고 토양정화 효율이 우수한 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 원위치(in-situ)에서 오염토양을 굴삭 및 교반하며, 교반된 오염토양에 반응물질이 투입이 가능하도록 하는 원위치지중교반장치; 상기 오염토양으로부터 오염물질을 추출하는 추출장치; 상기 원위치지중교반장치에 구동력을 부여하기 위한 구동수단; 및 상기 추출장치를 제어하기 위한 제어부;를 포함하는 것이 특징이다.

Description

원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템 및 그 방법{Treatment system and method for removing heavy metal in ground using in-situ agitating and extracting apparatus}

본 발명은 지중 중금속 처리 시스템 및 지중 중금속 처리 방법에 관한 것으로, 원위치지중교반장치와 추출장치에 의해 오염토양을 교반하고, 교반된 오염토양에서 오염물질과 반응이 되도록 약품을 분사하며, 반응이 완료된 오염물질을 외부로 추출토록 하여 작업이 용이하고 토양정화 효율이 우수한 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 전 세계적으로 인구증가 및 산업 발달로 발생되는 폐기물과 유해화학물질로 인하여 토양 및 지하수 오염의 심각성이 고조되어 개발사업으로 영향 받게 되는 토양환경에 대한 중요성이 대두되고 있다.

특히 지속적인 경제발전과 소득수준이 향상되면서 산업활동과 더불어 자동차 보급으로 인한 유류사용량이 크게 증가하였다. 이에 따라 주유소의 유류저장탱크, 화학물질을 저장하고 있는 산업시설의 지하저장탱크 등에서 비수용상액체(NAPLs)로 분류되는 유류 및 유해화학물질의 유출로 인한 토양 및 지하수 오염 문제가 부각되고 있다.

또한, 2000년대부터 휴ㅇ폐광산이나 산업단지에서의 중금속 오염토양으로 인한 문제가 지속적으로 제기되면서 중금속 오염토양의 정화가 새로운 분야로 각광받고 있다. 중금속 오염토양은 취기나 색 변화가 전혀 없어 육안으로 확인이 불가능하다. 국내에서 대부분의 오염토양정화 사업은 주로 유류오염토양을 대상으로 시행되었으며, 중금속오염토양 정화사업은 극소수에 지나지 않는다.

이와 관련 대한민국 특허등록 제10-0998969호에서는 오염된 토양지층의 필요한 위치에 교반천공기를 설치하고 상기 교반천공기를 구동시켜 정화하고자하는 깊이까지 교반공을 천공하고, 고압의 약액을 주입할 수 있는 장치를 천공된 교반공으로 삽입하여 오염이 발생한 부분에 초고압의 약액을 분사하도록 하는 기술을 제시하고 있다.

그러나 본 기술은 초고압으로 약액을 분사하도록 함으로써 토양의 간극 사이로 약액이 전달되도록 하고자 함인데, 이렇게 고압으로 약액을 분사하는 경우는 채널링이 발생되어 오히려 약액이 균일하게 분산되지 못하여 정화효율이 저하되는 문제가 있으며, 교반와 약액 분사를 별도의 장치로 수행토록 하고, 교반 및 약액분사에 의해 반응이 완료된 오염물질의 처리를 위해서 별도의 장비의 장착이 필요하여 작업이 번거로운 문제가 있다.

대한민국 특허등록 제10-0998969호

본 발명은, 오염토양에 교반 및 약품의 분사가 가능함은 물론 반응이 완료된 오염물질의 처리가 가능하도록 함으로써 작업이 효율적이며, 정화효율을 배가시킬 수 있는 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템 및 그 방법을 제공하고자 함이다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명인 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템은 원위치(in-situ)에서 오염토양을 굴삭 및 교반하며, 교반된 오염토양에 반응물질이 투입이 가능하도록 하는 원위치지중교반장치; 상기 오염토양으로부터 오염물질을 추출하는 추출장치; 상기 원위치지중교반장치에 구동력을 부여하기 위한 구동수단; 및 상기 추출장치를 제어하기 위한 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로서 상기 추출장치는, 상기 제어부에 전기적으로 연결되며 상기 오염토양에 삽입되는 하나 이상의 양극 및 하나 이상의 음극을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로서 상기 추출장치는, 상기 제어부와 연결되어 물을 오염토양으로 공급하도록 오염토양에 삽입된 하나 이상의 주입정과 상기 주입정에 의해 공급된 물과 함께 오염물질을 외부로 토출토록 하는 하나 이상의 추출정을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로써, 상기 원위치지중교반장치는, 하부에 가스흡입부가 형성된 관입관과; 상기 관입관의 끝단에서 직교하며 상, 하단부에 복수의 주입공이 형성된 장착관과; 상기 장착관의 양단에서 상기 구동수단으로부터 회전력을 전달받아 회전하는 한 쌍의 회전축이 구비되는 회전본체; 및 각 회전축에 결합되어 연동하며 상기 회전본체의 내측으로부터 외측을 향하여 또는 외측으로부터 내측을 향하여 굴곡진 형상으로 상부면에는 복수의 스파이크가 장착된 교반날개;를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 교반날개는 제 1회전날개와 제 2회전날개로 각 회전축에서 상호 대향하는 위치에서 구성되되, 상기 제 1회전날개는 상기 회전본체의 내측으로부터 외측을 향하도록 구성되며, 상기 제 2회전날개는 상기 회전본체의 외측으로부터 내측을 향하도록 구성될 수 있다.

하나의 예로써, 상기 원위치지중교반장치는 일단 및 타단에 뾰족한 형상의 돌기부를 구비하고 상기 회전축에 결합되되, 상기 교반날개의 회전반경 끝단에서 상기 회전축과 직교하는 방향으로 장착되는 굴삭 플레이트를 더 포함하는 것이 특징이다.

이에 더하여 상기 굴삭 플레이트의 중심부로부터 일단 또는 타단에 근접하여 관통되며 상기 굴삭 플레이트를 회동 가능하도록 하는 회동핀과, 상기 굴삭 플레이트의 회동 범위를 제한하는 스토퍼를 더 포함하는 것이 특징이다.

한편 본 발명의 원위치 지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 방법은 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 오염토양에 대해 원위치(in-situ) 지중교반을 실시하는 단계(S10); 상기 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 교반되는 오염토양에 반응물질을 주입하는 단계(S20); 및 상기 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 반응이 완료된 오염물질울 추출하는 단계(S30);를 포함하는 것이 특징이다.

본 발명의 원위치 지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템 및 그 방법은 원위치지중교반장치와 추출장치에 의해 오염토양에 대한 원위치 교반, 약품투입 및 반응이 완료된 오염물질의 추출이 가능하도록 함으로써 작업이 용이하고 정화효율이 우수한 장점이 있다.

또한, 공극이 작은 점성토 지반은 물론 N값이 상대적으로 큰 단단한 모래 지반 내지 모래·자갈 지반 등 지반 환경에 따라 선택적으로 적용될 수 있으며, 굴삭 및 교반에 있어 토양의 전후좌우의 삼차원적 움직임으로 충분한 공극을 확보하는 등 교반 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 원위치 지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템을 나타내는 개략도.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 구성인 추출장치의 실시 예를 나타내는 개략도.
도 3은 본 발명의 일 구성인 원위치지중교반장치를 나타내는 사시도.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 교반 날개를 나타내는 정면도.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교반 날개를 나타내는 정면도.
도 5는 본 발명의 원위치지중교반장치의 작동상태를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 원위치지중교반장치의 성능을 나타내는 굴삭시간-굴삼심도 관계 그래프.
도 7은 본 발명의 원위치 지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 방법을 나타내는 블록도.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 중금속 처리 시스템은 도 1 등에서 보는 바와 같이 원위치(in-situ)에서 오염토양을 굴삭 및 교반하며, 교반된 오염토양에 반응물질이 투입이 가능하도록 하는 원위치지중교반장치(10) 및 상기 오염토양으로부터 오염물질을 추출하는 추출장치(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 중금속 처리 시스템은 상기 원위치지중교반장치(10)에 구동력을 부여하기 위한 구동수단과 상기 추출장치(20)를 제어하는 제어부(30)를 포함하는 바, 상기 구동수단은 자동 또는 수동 설정에 따라 원위치지중교반장치(10)를 조작하여 오염토양을 교반하거나 반응물질 분사를 인가하도록 하며, 상기 제어부(30)는 상기 추출장치(20)와 연동하여 상기 윈위치지중교반장치(10)의 교반 및 반응물질 분사 공정이 완료되면 반응물질에 의해 반응이 완료된 오염물질이 추출될 수 있도록 펌프 등을 가동시키도록 하는 것이다.

이러한 구동수단 및 제어부(30)는 별도로 구성되거나, 각각 상기 원위치지중교반장치(10) 및 추출장치(20)에 일체로 구성될 수도 있음은 당연하다.

한편, 상기 원위치지중교반장치(10)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 구동수단에 의해 제어되는 것으로, 오염토양을 교반하거나 반응물질을 제공하는 반응물질 저장조(미도시)와 연결되어 교반된 오염토양에 반응물질이 분사되도록 하는 구성으로 교반 및 반응물질 분사가 가능한 구조로 구성될 수 있으며, 이러한 원위치지중교반장치(10)의 실시 예는 별도로 이하에서 설명한다.

이렇게 원위치지중교반장치(10)가 구성됨에 의해 본 발명은 오염토양에 원위치(in-situ) 지중교반을 수행토록 함으로써 토양을 균일하게 하고, 공극을 증가시키게 되는 것이다. 즉 폐기물 매립조성부지 등 오염심도가 깊거나, 굴착이 어려운 지역, 점토 등 미립토에 의해 반응물질의 전달이 용이하지 않은 지역 등에 있어 원위치(in-situ) 지중교반을 수행토록 하여 오염토양에서 넓고 깊은 영역으로 반응물질의 전달이 가능하도록 하는 것이다.

상기 추출장치(20)는 상기 제어부(30)에 연결되어 오염토양으로부터 오염물질을 추출하도록 하는 구성으로, 여기서 오염물질이라 함은 상기 원위치지중교반장치(10)에 의해 오염토양에서 교반 및 반응물질 분사가 이루어진 후에 반응물질에 의해 반응이 완료된 오염물질을 정의하는 것이다.

이렇게 본 발명에서는 상기 원위치지중교반장치(10)에서 교반 및 반응물질을 분사하도록 하며, 상기 제어부(30)에서는 반응물질의 분사가 완료됨을 인지하고 이에 따라 연동되도록 작동하는 추출장치(20)에 의해 반응이 완료된 오염물질을 외부로 토출되도록 함으로써 교반, 반응물질 분사 및 마지막으로 반응이 완료된 오염물질을 외부로 토출시키도록 하는 일련의 공정이 용이하도록 하는 것이다.

도 2a에서 제시하는 추출장치(20a)는 상기 제어부(30)에 전기적으로 연결되며 오염토양에 삽입되는 하나 이상의 양극(200) 및 하나 이상의 음극(210)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이렇게 양극(200)과 음극(210)이 각각 하나 이상 삽입되어 상기 제어부(30)와 전기적으로 연결되도록 하고, 상기 원위치지중교반장치(10)에 의해 오염토양에 대한 교반과 반응물질의 분사가 완료되면 오염물질이 반응하게 되는데, 특히 중금속의 경우 이온형태로 존재하게 됨에 따라 이에 상기 제어부(30)가 상기 추출장치(20a)에 전기적 인가를 하면 이온형태로 존재하는 오염물질은 각각 양극(200)과 음극(210)으로 이동하여 흡착되어 외부로 추출되도록 하는 것이다.

또 다른 예로서 도 2b에서 제시하는 추출장치(20b)는 상기 제어부(30)와 연결되어 물을 오염토양으로 공급하도록 오염토양에 삽입된 하나 이상의 주입정(220)과 상기 제어부(30)와 연결되어 상기 주입정(220)에 의해 공급된 물과 함께 오염물질을 외부로 토출토록 하는 하나 이상의 추출정(230)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

여기서 상기 주입정(220)에 상기 제어부(30)가 연결된다고 함은 도면에 도시된 바는 없으나 상기 제어부(30)에 물저장조와 펌프가 구성되어 펌프의 가동으로 상기 물저장조로부터 물을 흡입하여 상기 주입정(220)을 통해 오염토양에 물이 분사되도록 하는 것이다.

또한, 상기 추출정(230)에 상기 제어부(30)가 연결된다고 함은 도면에 도시된 바는 없으나 상기 제어부(30)에 펌프가 구성되어 펌프의 가동으로 상기 주입정(220)에 의해 오염토양으로 분사된 물을 상기 추출정(230)으로 흡입하여 외부로 배출토록 하는 것으로, 상기 추출정(230)으로 흡입된 물에는 반응이 완료된 오염물질이 혼입되는 것이다.

이때 반응이 완료된 오염물질이라 함은 교반 및 반응물질 분사에 의해 토사로부터 분리된 입자, 플럭형태의 오염물질을 말하는 것으로 물의 유동에 의해 토사로부터 이러한 오염물질이 상기 추출정(230)을 통해 외부로 배출토록 하는 것이다.

한편 본 발명에서 일 실시예로써 제시하는 상기 원위치지중교반장치(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 구동수단, 관입관(110), 장착관(120), 회전본체(100) 및 교반날개(140)를 포함하여 구성된다.

상기 구동수단은 본 발명에 따른 원위치지중교반장치(10)의 각 구성에 대하여 구동력을 부여하는 것으로, 이러한 구동수단은 이하에서 설명하는 교반날개(140)의 회전축(101)을 회전시키기 위한 회전구동장치(40)와 공기를 주입하기 위한 공기주입장치(50) 및 반응물질을 주입하기 위한 반응물질주입장치(60)와 더불어 이들을 개별적 또는 상호 연계되도록 제어하는 구동제어부(미도시)를 포함하여 구성된다.

상기 관입관(110)은 그 하부에 가스흡입부(160)가 형성되어 있으며, 상기 장착관(120)은 상기 관입관(110)의 끝단에서 직교하며 상, 하단부에 복수의 주입공(130)이 형성되어 있다. 이러한 관입관(110) 및 장착관(120)은 상기 회전본체(100)와 함께 굴삭 및 교반 시 지반 내에 위치하여 가스를 흡입하거나 반응물질 등을 교반 토양으로 주입하도록 한다.

우선 상기 관입관(110)은 도면에 도시된 바 없으나 내부에 구동모터가 구성되어 상기 교반날개(140)로 회전력을 인가하는 회전구동장치(40)와 연결되며, 상기 회전구동장치(40)는 상기 공기주입장치(50)와 개폐밸브에 의해 연결되도록 하여 공기주입장치(50)의 개폐밸브를 ON시켜 회전구동장치(40)의 회전력 인가와 동시에 공기가 상기 장착관(120)의 주입공(130)을 통해 상, 하 방향으로 분사되도록 한다.

이를 위해 상기 공기주입장치(50)는 도면에 도시된 바 없으나 상기 관입관(110) 및 상기 장착관(120)의 내부에 공기주입라인과 연결되어 상기 주입공(130)을 통해 공기가 분사되도록 하는 것이다.

이에 더하여, 도 5에서 도시된 바와 같이 상기 회전구동장치(40)에 반응물질주입장치(60)가 개폐밸브에 의해 더 연결되도록 하여 반응물질주입장치(60)의 개폐밸브를 ON시켜 회전구동장치(40)의 회전력 인가와 동시에 반응물질이 상기 장착관(120)의 주입공(130)을 통해 교반되는 오염토양으로 분사되도록 할 수 있다.

한편, 상기 회전본체(100)는 상기 장착관(120)의 양단에서 상기 구동수단으로부터 회전력을 전달받아 회전하는 한 쌍의 회전축(101)이 구비되어 있다.

그리고, 상기 교반날개(140)는 각 회전축(101)에 결합되어 연동하며 상기 회전본체(100)의 내측으로부터 외측을 향하여 또는 외측으로부터 내측을 향하여 굴곡진 형상으로 상부면에는 복수의 스파이크(141)가 장착된 것으로, 이러한 교반날개(140)의 형상에 의해 토양의 교반 작용과 더불어 교반되는 토사의 흐름을 제어할 수 있게 된다.

즉, 상기 교반날개(140)는 도 4a에 도시된 바와 같이 회전본체(100)의 내측으로부터 외측을 향하는 형상을 가질 경우 토사(s)가 외부측 방향으로 흐름을 형성하게 되는 것이며, 반대의 경우 다시 말해 교반날개(140)가 회전본체(100)의 외측으로부터 내측을 향하는 형상일 경우 토사(s)는 내부측 방향으로 흐름을 형성하며 교반되는 것이다.

이때, 바람직하게는 상기 교반날개(140)는 도 5에 도시된 바와 같이 토사(s)의 교반 시 발생되는 가스(g)의 수평적 유동을 방지할 수 있도록 토사(s)가 외부측이 아니 내부측 방향으로의 흐름을 형성하도록 함이 타당하다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 교반날개(140)는 제 1회전날개(142)와 제 2회전날개(143)로 각 회전축(141)에서 상호 대향하는 위치에 구성되도록 하며, 이때 상기 제 1회전날개(142)는 상기 회전본체(100)의 내측으로부터 외측을 향하도록 구성하고, 상기 제 2회전날개(143)는 상기 회전본체(100)의 외측으로부터 내측을 향하도록 구성함으로써 2개의 회전날개(142, 143)가 연속적인 회전을 수행함에 의해 토사(s)가 내측 및 외측 즉, 좌우 방향으로 양방향 흐름을 형성할 수 있게 되는 것이다.

이 경우 상기 교반날개(100)의 회전 방향에 따른 전후 양방향 교반과 함께 좌우 양방향 교반을 동시에 실시하는 바, 입체적인 교반 성능을 제공함으로써 공극이 작고 투수계수가 상대적으로 낮은 점성토 지반에서도 반응물질이 토양 내로 균일하게 주입될 수 있는 충분한 공극을 확보할 수 있게 되는 것이다.

여기서 상술한 교반날개(100)는 탈부착 가능하도록 구성됨이 바람직하며, 이러한 교반날개(140)의 탈부착 구성에 의해 시공하고자 하는 대상 오염토양의 환경을 고려하여 상기 교반날개(140)의 방향을 선택적으로 적용함이 타당하다.

한편, 상술한 교반날개(140)의 형상에 따른 토사(s)의 흐름에 공기가 상기 주입공(130)을 통해 분사될 경우, 상기 주입공(130)이 장착관(120)의 상단부 및 하단부에 각각 구성됨에 따라 상,하방향으로 분사되도록 함으로써, 교반되는 토사(s)와 공기(a)가 상호 충돌하게 되고, 이러한 충돌에 의해 토사(s)에 포함된 고휘발성 유류가 휘발되어 가스(g)로 생성되는 것이다.

이에 본 발명에서는 앞서 설명한 바와 같이 토사(s)가 내측 방향의 흐름 또는 내측과 외측 양방향의 흐름이 형성되도록 상기 교반날개(140)를 구성하며, 이러한 교반날개(140)의 구조가 토양을 교반함과 동시에 쉴드막의 기능을 제공함에 따라 분사된 공기(a) 및 가스(g)가 대상 정화토양 외부로 수평적인 유동이 형성되는 것을 방지하는 것이다.

또한 이러한 작용에 의해 상기 교반날개(140)를 기준으로 내부에 수집되는 가스(g)는 상기 관입관(110)에 형성된 가스흡입부(160)를 통해 바로 흡입되어 외부로 유출되도록 한다.

즉 상기 교반날개(140)를 기준으로 내부에 모아지는 가스(g)를 바로 흡입하지 않을 경우 비중에 의해 상기 가스(g)가 상방향으로 유도되다가 채널링 등에 의해 수평적 유동이 발생하여 대상 정화토양 외부로 유출되는 것을 방지하기 위해 상기 교반날개(140)의 유동 작용에 따라 상기 가스(g)를 내부 방향으로 포집하도록 하고, 내부로 포집되는 가스(g)를 바로 흡입하도록 하는 것이다.

이를 위해 상기 가스흡입부(160)는 상기 교반날개(140)에서 상방향으로 조금 이격된 위치에 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 도면에 도시된 바는 없으나, 상기 가스흡입부(160)를 통해 흡입된 가스(g)는 상기 관입관(110) 내부의 가스토출라인을 타고 상기 구동수단을 통해 활성탄흡착탑 등 여과시설로 배출되도록 한다.

이러한 작용을 위해 앞서 설명한 바와 같이 각 회전축(101)에 결합된 교반날개(140)는 상기 회전본체(100)의 내측으로부터 외측을 향하는 형상을 갖는 것이 바람직하며, 특히, 각 교반날개(140)가 2개로 구성될 경우에는 상호 대칭형을 이루도록 함으로써 교반된 토사(s)가 양 교반날개(142, 143)의 의해 형성되는 흐름에 따라 내부공간으로 유입되도록 하는 것이다.

이와 더불어 상기 주입공(130)을 통해 분사된 공기도 양 교반날개(142, 143)가 형성하는 내부공간으로 유입되도록 하여 교반된 토사(s)와 분사된 공기(a)가 양 교반날개(142, 143)가 형성하는 내부공간에서 충돌하도록 하는 것이다. 이러한 과정에서 고휘발성 유류가 양 교반날개(142, 143)가 형성하는 내부공간에서 교반된 토양의 공극을 타고 상방향으로 유동하도록 하는 것이며, 이때 가스의 유동 및 분사된 공기는 양 교반날개(142, 143)에 의해 형성되는 쉴드에 의해 내부공간 외측으로 유도되는 것이 방지되는 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 원위치지중교반장치(10)는 도 3 등에서 도시된 바와 같이 일반 점성토 지반보다 상대적으로 N값이 큰 밀집된 모래지반 내지 모래·자갈지반에서도 굴삭과 교반이 가능하도록 하는 굴삭 플레이트(150)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 상기 'N값[N-value]'이라 함은 지반의 단단함과 다짐 정도의 상대값을 표시하는 지표로서 표준관입시험에서 셈플러를 30㎝ 관입시키는데 필요한 해머의 타격횟수로 정의되며, 이러한 N값은 통상 설계 또는 시공에 가장 보편적인 자료로 사용된다.

상기 굴삭 플레이트(150)는 일단 및 타단에 뾰족한 형상의 돌기부(151)를 구비하고 상기 회전축(101)에 결합되는 것으로, 상기 교반날개(140)의 회전 반경 끝단에서 상기 회전축(101)과 직교하는 방향으로 장착된다.

즉, 상기 굴삭 플레이트(150)는 상술한 교반날개(140)의 회전반경과 동일한 위치에 설치되도록 하며, 돌기부(151)가 회전축(101)과 직교하는 방향으로 장착되어 회전축(101)의 회전 시 상기 교반날개(140)와 함께 회전하면서 돌기부(151)에 의해 단단한 지반을 굴착하게 되는 것이며, 이러한 연속적인 교반날개(140)와 굴삭 플레이트(150)의 작용에 의해 굴삭과 교반이 동시에 이루어질 수 있게 되는 것이다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 굴삭 플레이트(150)는 연속적인 굴삭 과정에서 부하를 최소화하기 위하여 고정형보다는 위치제어형으로 구성됨이 바람직하다.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 굴삭 플레이트(150)의 중심부로부터 일단 또는 타단에 근접하여 관통되며 상기 굴삭 플레이트(150)를 회동 가능하도록 하는 회동핀(170)과 상기 굴삭 플레이트(150)의 회동 범위를 제한하는 스토퍼(180)를 더 포함한다.

이에 의하면 상기 굴삭 플레이트(150)는 상기 회전축(101)의 회전에 따라 연동하여 회전하게 되는 것으로, 회동 경로에 있어 상부 위치에서 하부 위치로 회동되는 경우 중심부로부터 치우치도록 회동핀이 결합됨에 따라 무게 중심이 큰 측 일단 또는 타단 방향으로 굴삭 플레이트(150)가 회동하게 된다.

그리고 상기 스토퍼(180)에 의해 기설정된 위치에서 굴삭 플레이트(150)는 위치가 제한되는데 이때의 스토퍼(180)는 상기 굴삭 플레이트(150)가 상기 회전축(101)의 축방향으로부터 직교하는 방향으로 설정되도록 설치되는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 굴삭 플레이트(150)는 지반 토양과 접하는 순간에는 무게 중심에 의해 수직상태를 유지하면서 토양을 굴삭하도록 하며, 지반 내에서는 토양의 움직임에 대응하여 유동적으로 회동될 수 있도록 함으로써 굴삭 플레이트(150)가 굴삭 과정에서 부여받게 되는 부하를 최소화하게 되며, 지반을 벗어난 위치에서는 다시 무게 중심에 따라 회동되어 원위치될 수 있도록 하는 것이다.

이와 같은 굴삭 플레이트(150)의 구성에 따라 본 발명의 원위치지중교반장치(10)는 도 6에 도시된 그래프에서와 같이 기존 교반 굴삭 장치를 사용한 경우의 한계 심도 이상으로 굴삭 가능함과 더불어 굴삭 시간을 더욱 단축할 수 있는 효과가 발생한다.

뿐만 아니라, 상기 굴삭 플레이트(150)의 굴삭 작용에 의해 일반 점성토 지반은 물론 N값이 30 이상의 단단한 모래 지반 내지 모래·자갈 지반 환경에서도 굴삭 작업을 원활하게 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.

한편 본 발명에서는 본 발명의 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용한 중금속 처리 방법에 대해서도 제시하고 있는 바, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 중금속 처리 방법은 오염토양에 대해 상술한 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 오염토양에 대해 원위치(in-situ) 지중교반을 실시하는 단계(S10)와, 상기 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 교반되는 오염토양에 반응물질을 주입하는 단계(S20) 및 상기 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 반응이 완료된 오염물질울 추출하는 단계(S30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 상술한 본 발명의 원위치지중교반장치(10)를 이용하여 대상 오염토양에 대하여 원위치(in-situ) 지중교반을 실시하게 된다(S10). 이렇게 오염토양에 원위치(in-situ) 지중교반을 수행함에 있어 상기 교반날개의 형상에 따른 전후, 좌우 방향의 삼차원적 토양의 움직임을 통한 교반을 실시함으로써 토양을 균일하게 하고, 공극을 증가시키게 되는 것이다.

즉 폐기물 매립조성부지 등 오염심도가 깊거나, 굴삭이 어려운 지역, 점토 등 미립토에 의해 반응물질의 전달이 용이하지 않은 지역 등에 있어 원위치(in-situ) 지중교반을 수행토록 하여 오염토양에서 넓고 깊은 영역으로 반응물질의 전달이 가능하도록 하는 것이다.

그 다음으로 원위치지중교반장치(10)를 이용하여 교반된 오염토양에 반응물질을 투입하는 단계(S20)를 갖는다. 이때, 상기 반응물질의 투입량은 앞서 설명한 바와 같이 오염토양에 대한 사전 분석을 통해 산출되는 적정 반응물질량이 될 수도 있으며, 사용자가 직접 수동으로 임의의 반응물질량을 설정하여 투입할 수도 있다.

본 단계(S20)는 상기 단계(S10)와 동시 또는 상기 단계(S10) 직후에 수행되는 공정으로 교반되어 균일화되고, 공극이 커진 오염토양으로 반응물질을 투입함으로써 오염토양에서 넓은 영역으로 반응물질이 전달되어 오염물질과 반응시키도록 하는 것이다.

이 경우 반응물질을 투입함에 있어 전 단계(S10)에서 교반에 의해 균일화가 되고 공극이 커진 상태이므로 기존 고압주입방식(FRACTUREING)과 같이 고압으로 주입할 필요가 없어 에너지면에서 유리할 수 있으며, 채널링의 발생을 방지할 수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기 반응물질은 과산화수소, 퍼설페이트, 유기산을 포함하도록 하여 유류 및 중금속을 동시에 정화할 수 있도록 한다.

상기 반응물질의 일 예에 따른 과산화수소는 수소와 산소의 화합물로 강한 산화력을 가진 물질로서 수용액에서 수소이온이 일부 해리되어 약한 산성을 띠는 성질을 가지고 있다. 강력한 산화제이며 동시에 약한 환원제의 기능을 동시에 가진다. 과산화수소는 중성이나 산성에서 낮은 산화 상태의 금속 이온이 존재할 때 자유 라디칼을 생성시키는 특성을 갖는다. 과산화수소를 이용한 산화공정은 고급산화법(AOP. Advanced Oxidation Process)의 일종으로 과산화수소가 활성화되면 OH 라디칼이 생성되고 이들은 산화환원 전위가 매우 높아 난분해성 유기물을 산화시킬 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기 퍼설페이트(persulfate)는 황산(H2SO4), 과염소산 (HClO4), 차아염소산(HClO), 과망간산(HMnO4), 크롬산(H2CrO4), 차아염소산나트륨(NaOCl), 차아염소산칼슘(Ca(OCl)2), 과황산나트륨(Na2S2O8) 또는 과황산칼륨(K2S2O8) 등으로 열 이외에 빛, 금속 등에 의해 강한 산화력을 가진 SO4라디칼을 생성할 수 있어 유류를 산화시키도록 하는 것이다.

또한 상기 유기산은 EDTA(Ethylenediamine TetraaceticAcid)가 바람직한 바, EDTA는 고 분자량으로 용해도가 높기 때문에 토양에 잔류하는 중금속과 결합 후 용이하게 제거될 수 있다. 특히 EDTA는 다른 유기산과 비교해서 중금속과 결합력이 강하며, 생성된 착물의 용해도가 높기 때문에 중금속의 제거효율이 높다.

이에 더하여 상기 반응물질에는 프로필렌 카르보네이트가 더 배합됨이 타당한 바, 이는 상기 과산화수소, 퍼설페이트, 유기산이 토양에서 균일하게 분산되도록 하는 것으로 각각의 조성이 균일한 분산을 통해 교반된 토양에서 균일하게 유류 및 중금속을 제거할 수 있도록 하기 위함이다.

특히 세립질토의 경우 교반에 의하더라도 과산화수소, 퍼설페이트, 유기산만에 의한 반응물질의 경우는 균일한 분산이 어려우며 경우에 따라 채널링에 의해 정화대상토양 외로 반응물질이 오염물질과 전달되어 제 2의 오염을 유발시킬 수 있는 바, 본 발명의 반응물질은 프로필렌 카르보네이트가 배합되도록 하여 균일한 분산이 유도되도록 한다. 이러한 반응물질의 조성에 의해 교반된 토양에서 유류에 대해서 주로 산화에 의하고, 중금속에 대해서 주로 흡착, 분리 등에 의해 동시에 균일하게 제거하는 공정이 하이브리드되어 수행되는 것이다.

상기 반응물질의 바람직한 조성은 과산화수소 100중량부에 대해 퍼설페이트 50 내지 100중량부, 유기산 50 내지 100중량부, 프로필렌 카르보네이트 1 내지 5중량부가 배합되도록 하는 것이 타당하다.

한편 과산화수소 및 퍼설페이트의 계속적인 작용에 의해 토양의 수분에는 수산화 라디칼(hydroxyl radical ;ㆍOH)이 지속적으로 방출되어 pH가 상승하게 된다.

이에 본 발명에서는 반응물질에 스코리아(scoria) 분말을 더 첨가함으로써 pH 상승으로 인한 유효표면적 감소현상을 방지한다. 즉 유효표면적 감소에 의한 유기 오염물질의 제거효율이 저하되는 것을 방지하는 것이다.

상기에서 제시되는 스코리아의 형태는 다공질이며, 물리화학적 및 생물학적으로 안정하고 기계적 강도와 내구성이 크며, 천연의 재료를 채취하여 사용할 수 있는 경제적인 장점이 있다.

이와 같이 본 발명의 반응물질로 스코리아를 더 첨가함으로써 pH 상승으로 인한 퍼설페이트 등의 유효표면적 감소현상을 방지하여 퍼설페이트의 유기 오염물질의 제거효율이 저하되는 것을 방지하게 되는 것이며, 이와 더불어 스코리아의 다공성에 의해 기타 유기물이 흡착이 가능하게 되는 것이다.

또한, 스코리아는 pH가 6 내지 7정도로서 과산화수소의 반응에 의한 pH 상승을 적정선에서 억제함에 특징이 있다. 즉 유기산의 작용에 있어 중금속인 Cd2+ 등의 경우 낮은 pH에서 낮은 흡착율을 보이므로 타 중화제의 사용에 의해 과도하게 pH를 저하시키는 경우 오히려 유기산의 작용을 저해하므로 스코리아를 첨가하여 과산화수소의 반응에 의한 pH 상승을 적정선에서 억제하도록 하여 유기산의 작용을 방해하지 않도록 하는 것이다.

한편, 상기 반응물질을 주입하는 단계(S20) 이후 반응이 완료된 오염 물질을 상기 추출장치(20)를 이용하여 추출하는 단계(S30)를 갖는다.

상기 단계(S20)에서 반응물질이 교반된 오염토양에 투입된 후에는 충분한 반응시간을 확보한 후에 반응이 완료된 오염물질을 추출하는 단계(S30)를 갖게 되는 것이다.

이와 같이 오염물질을 추출함에 있어서도 상기 단계(S10)에서 오염토양을 교반하여 토양균일화, 공극확대에 의해 반응물질과 반응한 오염물질이 용이하고, 균일하게 추출이 되는 것이며, 이러한 균일한 추출에 의해 결국 토양정화 효율이 증대되는 것이다.

또한, 종래 추출이 용이하지 않았던 비교적 세립질의 토양의 경우도 상기 단계(S10)에서 교반을 통해 공극을 확대시킴에 따라 추출공정의 적용성을 확대할 수 있게 된 것이다.

오염물질을 추출하는 단계(S30)에 있어, 추출 공정은 앞서 설명한 실시 예들에 따른 추출장치(20a, 20b)을 이용하게 되는 바, 먼저 첫 번째 실시 예를 설명하면 지중에 동전기를 관입하여 전기적으로 오염물질을 추출하는 방법을 통해 오염물질을 추출하게 된다.

상기 동전기의 지중관입에 의해 상기 제어부(30)로부터 전기적 신호가 인가되는 경우 반응물질과 반응한 이온상태의 오염물질이 추출장치(20a)의 양극(200)과 음극(210)에 의해 전기적 유동을 발생시켜 오염물질을 추출하게 되는 것이다. 본 실시 예의 경우는 주로 점토 등 미립토로 구성되어 투수도가 낮은 포화토양에 적용될 수 있을 것이다.

한편 두 번째 실시 예로서 상기 추출장치(20b)의 주입정(220) 및 추출정(230)을 지중에 관입하는 방법으로, 반응이 완료된 오염토양에 하나 이상의 주입정(220)과 추출정(230)을 관입하고, 상기 추출정(230)을 통해 반응물질과 반응한 오염물질을 흡입하여 외부로 추출하도록 하는 것이다.

이를 위해 상기 추출정(230)에는 도면에 도시된 바 없으나 복수의 흡입공이 구성되어 흡입공을 통해 반응물질과 반응한 오염물질을 흡입하여 외부로 추출되도록 하며 필요에 따라 주입정(220)을 통해 주입재로 물 또는 증기를 주입하여 추출정(230)에서 물 또는 증기와 함께 반응물질과 반응한 오염물질을 흡입하여 외부로 추출토록 할 수 있다.

한편 본 발명에서는 상술한 실시 예와 같이 추출장치(20a, 20b)를 이용하는 방법 외에도 반응이 완료된 오염물질을 추출하는 방법이 제시될 수 있다.

그 일 예로, 오염토양에 후드를 덮어 오염토양으로부터 반응가스를 추출토록 하는 방법이 적용될 수 있다. 여기서 후드는 도면에 도시된 바는 없으나, 공지 기술 등을 통해 다양하게 구성될 수 있는 바, 도 5 등에서 도시된 원위치지중교반장치(10)와 일체로 형성되어 교반 및 반응물질의 투입에 의해 반응물질과 오염물질의 화학적 반응에 의해 발생되는 폐가스를 후드를 통해 오염토양에서 외부로 배출토록 하는 것도 가능하며, 원위치지중교반장치(10)와 별도로 형성되어 상기와 같은 작용이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 이러한 후드는 원위치지중교반장치(10)를 사용하여 오염토양에 교반 및 공기주입을 동시에 수행하는 경우 공기주입에 의한 휘발성 유류의 포집 및 추출도 가능하게 되는 것이다. 이에 더하여 본 실시 예에서는 도면에 도시된 바는 없으나, 활성탄흡착탑을 더 구성하여 휘발성유기화합물(VOCS)의 흡착에 의한 처리단계가 더 추가될 수 있다.

상기에서 언급한 3가지 실시 예는 별도로 적용될 수 있음은 물론 각각의 실시 예를 혼합하여 적용될 수 있음은 당연하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

10 : 원위치지중교반장치 20 : 추출장치
30 : 제어부 40 : 회전구동장치
50 : 공기주입장치 60 : 반응물질주입장치

Claims (8)

1. 원위치(in-situ)에서 오염토양을 굴삭 및 교반하며, 교반된 오염토양에 오염토양과 반응하여 정화하는 반응물질을 투입하는 원위치지중교반장치;
   상기 오염토양으로부터 오염물질을 추출하는 추출장치;
   상기 원위치지중교반장치에 구동력을 부여하기 위한 구동수단; 및
   상기 추출장치를 제어하기 위한 제어부;를 포함하되,
   상기 원위치지중교반장치는,
   하부에 가스흡입부가 형성된 관입관과;
   상기 관입관의 끝단에서 직교하며 상, 하단부에 복수의 주입공이 형성된 장착관과;
   상기 장착관의 양단에서 상기 구동수단으로부터 회전력을 전달받아 회전하는 한 쌍의 회전축이 구비되는 회전본체; 및
   각 회전축에 결합되어 연동하며 상기 회전본체의 내측으로부터 외측을 향하여 또는 외측으로부터 내측을 향하여 굴곡진 형상으로 상부면에는 복수의 스파이크가 장착된 교반날개;를 포함하며,
   상기 교반날개는 제 1회전날개와 제 2회전날개로 각 회전축에서 상호 대향하는 위치에서 구성되되,
   상기 제 1회전날개는 상기 회전본체의 내측으로부터 외측을 향하도록 구성되며, 상기 제 2회전날개는 상기 회전본체의 외측으로부터 내측을 향하도록 구성되는 지중 중금속 처리 시스템에 있어서,
   상기 원위치지중교반장치는
   일단 및 타단에 뾰족한 형상의 돌기부를 구비하고 상기 회전축에 결합되며, 상기 교반날개의 회전반경 끝단에서 상기 회전축과 직교하는 방향으로 장착되는 굴삭 플레이트를 더 포함하되,
   상기 원위치지중교반장치는
   상기 굴삭 플레이트의 중심부로부터 일단 또는 타단에 근접하여 관통되며 상기 굴삭 플레이트를 회동 가능하도록 하는 회동핀과, 상기 굴삭 플레이트의 회동 범위를 제한하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원위치 지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 시스템.
   
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8. 오염토양에 대해 제 1항의 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 오염토양에 대해 원위치(in-situ) 지중교반을 실시하는 단계(S10);
   상기 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 교반되는 오염토양에 오염토양과 반응하여 정화하는 반응물질을 주입하는 단계(S20); 및
   상기 원위치지중교반 및 추출 장치를 이용하여 반응이 완료된 오염물질을 추출하는 단계(S30);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 원위치 지중교반 및 추출 장치를 이용한 지중 중금속 처리 방법.

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