KR101429471B1 - 토양정화 방법 및 장치 - Google Patents

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KR101429471B1
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이종열
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김재영
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박영도
이주원
이애리
김다은
백승천
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이종열
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Abstract

본 발명에 따른 토양정화 방법은 다수의 분사 노즐을 구비한 로드를 포함하여 구성되는 토양정화 장치를 이용하여 직천공 방식으로 토양오염을 정화하는 방법으로서, (1) 천공지점에 토양정화 장치를 준비하는 제1단계; (2) 로드를 회전시켜 천공하면서 분사 노즐을 통해 공기와 제1액체를 분사시키는 제2단계; (3) 로드를 원하는 심도까지 천공한 후 분사 노즐을 통해 제2액체를 분사시키는 제3단계를 포함하며, 상기 제1액체와 제2액체는 물 또는 정화약액인 것을 특징으로 한다.

Description

토양정화 방법 및 장치{Method and apparatus for remediation of polluted soil}
본 발명은 TPH, BTEX, PAHs 등의 유류로 오염되어 있는 토양 및 지하수 오염부지 정화를 위하여 지중 천공 후 고압으로 정화약액을 분사주입시키는 토양정화 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 유류로 오염되어 있는 토양 및 지하수 오염부지 중 공장이나 도심지역과 같이 시설물들이 밀집되어 있어 굴착을 통한 정화 공법 적용이 어려운 지역과 같은 지중 처리가 필요한 부지에서 토양 조건에 따라 결정되는 반응범위를 고려하여 일정간격을 두어 이동하면서 천공 작업과 정화약액 고압분사주입을 연속적으로 수행하여 단시간에 효율적으로 처리할 수 있는 고효율 정화방법 및 이동식 토양정화 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 천공시 공기와 액체를 고압으로 분사시켜 천공 지점 주변 토양입자 간 결합력을 완화시켜, 토양을 절삭 및 파쇄시키고, 토양 공극을 확장시킴으로써 이후 고압 분사주입되는 정화약액의 확산범위 확장과 접촉반응면적 향상을 유도하며, 로드에 형성되어 있는 다수의 주입노즐을 통해 전방향으로 정화약액을 일시적으로 고압 분사주입하여 정화작업을 수행하는 토양정화 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 지하의 유류저장시설, 석유화학공장 관련 산업체, 기타 유류의 불법매립폐기 등에 의해 주로 발생하는 유류물질 유출은 인간을 포함한 모든 육상 생태계의 생존기반인 토양을 오염시킨다. 토양오염은 오랜 시간 동안 오염물질의 누출이 지속되어도 빠른 기간 내에 그 영향이 나타나지 않으나, 일단 오염이 되면 토양 자체의 사용 불능은 물론 지하수와 인근 하천에까지 오염이 확산되어 생태계에 악영향을 초래한다.
이러한 유류오염토양을 정화하기 위한 기술은 크게 생물학적 방법과 물리화학적 방법 등으로 구분할 수 있다.
물리화학적 방법은 오염물질의 물리적, 화학적 성질을 이용하여 정화하는 방법으로서, 토양 세척, 소각, 고형화, 안정화 및 용매 추출 등의 방법이 있는데, 복원 기간이 짧은 반면 처리 비용이 많이 들고 2차적인 환경오염을 유발할 수 있는 단점이 있다.
생물학적인 방법은 석유계 탄화수소 분해 균주인 미생물을 이용하여 유류를 분해하여 제거하는 방법으로서, 토양 경작, 콤포스팅(composting), 바이오벤팅(bioventing), 식물 복원 등의 방법이 있는데, 처리 비용이 상기 물리화학적 방법에 비하여 저렴하고 2차적인 환경오염을 유발하지 않으나 오염토양을 복원하는데 기간이 오래 걸린다.
한편, 상기와 같이 물리화학적 방법 및 생물학적 방법으로 분류되는 토양정화 기술은, 기술이 적용되는 방법에 따라 지상처리법(Ex-situ 법)과 지중처리법(In-situ 법)으로 구분될 수 있다.
지상처리법(Ex-situ 법)은 토양 내 오염물질의 분포 및 토양의 물리/화학적 특성을 파악하여 처리하고자 하는 범위의 오염된 토양을 굴착한 후, 적절한 세척액을 사용하여 굴착된 오염토양을 세척 장치가 있는 곳에서 세척하는 방법으로서, 굴착처리법이라고도 하며, 일반적으로 실시되는 토양 세척이 이에 속한다.
지중처리법(In-situ 법)은 지중에 관정을 삽입하여 약품, 산화제, 미생물 등을 주입하여 원위치에서 직접 처리하는 기술로서, 세척 용액 주입정, 세척 용액 배출정, 세척 유출수 처리시설, 펌프 및 휘발물질 처리 시설 등을 오염된 부지에 설치한 후 처리하고자 하는 오염토양 내에 세척수를 주입, 순환시키는 방식이다.
물리적화학적 방법 중 지중처리법(In-situ 법)에 적용 가능한 기술로는 화학적 산화(chemical oxidation), 토양증기추출(SVE, soil vapor extraction), 공기주입확산(air sparging), 토양세정(soil flushing), 바이오슬러핑(Bio-slurping) 등이 있고, 생물학적 방법 중 지중처리법(In-situ 법)에 적용 가능한 기술로는 토양경작(land farming), 바이오벤팅(bioventing), 바이오리액터(bioreactor) 등이 있다.
일반적으로 지중고압주입 방식을 이용하는 종래의 토양지중처리법(In-situ 법)은 주입정 설치를 통해 고정된 위치에서 정화약액을 주입하여 오염토양을 정화하므로 오염토양을 한 번에 처리할 수 있는 범위가 좁아 오염토양의 범위가 넓을 경우에는 적용하기 어려우며, 도 1에 도시된 바와 같이, 주입정을 회전 상승시키면서 정화약액을 주입하므로 지표면으로 스컴(scum)이 발생하게 되어 작업장 부근을 어지럽히고 오염시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 천공 작업과 정화약액 고압분사주입을 연속적으로 수행할 수 있는 토양정화 방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한 본 발명은 정화약액의 확산 범위 및 접촉면적을 향상시킬 수 있고, 천공부터 로드 제거까지의 공정 시간을 줄일 수 있으며, 천공 및 정화약액 주입시 발생하는 스컴을 동시에 처리할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 토양정화 방법은, 다수의 분사 노즐을 구비한 로드를 포함하는 토양정화 장치를 이용하여 오염된 토양을 정화하는 방법으로서, (1) 천공지점에 토양정화 장치를 준비하는 제1단계, (2) 로드를 회전시켜 천공하면서 분사 노즐을 통해 공기와 제1액체를 분사시키는 제2단계, (3) 로드를 원하는 심도까지 천공한 후 분사 노즐을 통해 제2액체를 분사시키는 제3단계를 포함하며, 상기 제1액체와 제2액체는 물 또는 정화약액인 것이 바람직하다.
이때, 상기 제3단계는 제2액체를 분사시키기 전에 로드를 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2단계 또는 제3단계는 지표면에 부상하는 스컴을 포집, 흡수 및 저장하는 스컴처리 단계를 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 토양정화 장치는 다수의 분사 노즐을 구비하여 로드에 결합 또는 분리되는 탈착분사부를 더 포함하여 구성되며, 이에 따라 상기 제1단계는 탈착분사부의 개수를 조절하여 로드에 결합시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1단계는 분사 노즐의 위치와 간격을 조절하여 탈착분사부를 로드에 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 정화약액은 계면활성제이거나 산화제이며, 상기 제1액체와 제2액체 중 적어도 어느 하나는 정화약액을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2단계는 로드를 회전시켜 천공하면서 분사 노즐을 통해 스팀과 가열된 제1액체를 분사시키는 단계일 수 있다. 이때, 상기 제2액체는 가열된 액체인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 토양정화 장치는, (1) 제1액체와 제2액체를 각각 저장하는 저장탱크, (2) 상기 저장탱크로부터 제1액체 및 제2액체 중 적어도 어느 하나를 이송시키는 고압펌프, (3) 공기를 주입하는 컴프레서, (4) 고압펌프, 컴프레서 및 분사 노즐과 각각 연결되는 배관을 구비하며 토양을 천공하는 로드, (5) 공기, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 분사하며 로드에 장착되는 다수의 분사 노즐을 포함하며, 상기 제1액체와 제2액체는 물 또는 정화약액인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 토양정화 장치는, (1) 지표면에 부상하는 스컴을 포집하는 스컴포집커버, (2) 상기 스컴포집커버에 포집된 스컴을 흡수하는 석션장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 토양정화 장치는 스팀을 공급하는 스팀공급부를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 배관은 상기 고압펌프, 스팀공급부 및 컴프레서와 각각 연결되며, 상기 분사 노즐은 공기, 스팀, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 분사하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 컴프레서는 공기나 열풍을 공급하고, 이에 따라 상기 분사 노즐은 공기, 열풍, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 분사하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스팀의 일부는 상기 저장탱크로 공급되어 제1액체 및 제2액체 중 적어도 어느 하나를 가열할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 토양정화 장치는 상기 분사 노즐을 장착하며, 상기 로드에 결합 또는 분리되는 탈착분사부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 분사 노즐의 개수와 배치 간격은 천공 깊이에 따라 조절되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 유류오염물질에 의해 오염된 부지에서 굴착 장비의 접근이 어렵거나 굴토가 불가능한 경우에도 토양정화 작업을 효과적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 고압의 공기와 액체를 측방 분사하면서 천공함으로써, 기존 지중 정화약액 주입공법에 비하여 주입약액의 영향반경을 넓힐 수 있고, 정화약액의 주입시간을 줄일 수 있어 신속하게 작업을 할 수 있을 뿐만 아니라, 작업 중에 발생하는 스컴을 효과적으로 포집할 수 있어 작업부지가 크게 흐트러지거나 오염되지 않아 토양정화 장치의 이동 및 작업을 용이하게 하며, 이에 따라 작업 효율이 크게 향상된다.
또한, 본 발명은 정화약액을 고압으로 분사 주입함에 따라, 영향반경 내 오염지역의 경우 고압에 의한 강한 물리적 마찰력과 정화약액의 화학 반응에 의한 탈착작용으로 오염토양을 정화시킬 수 있고, 투수성이 낮은 토양에서도 효과적으로 활용할 수 있으며, 주입제와 오염물질의 접촉을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 현장 조건에 따라 분사 노즐이 구비된 탈착분사부의 분사 노즐의 위치와 간격, 탈착분사부의 길이와 개수를 조절하여 로드에 설치할 수 있어, 정화약액의 주입 범위를 탄력적으로 조절할 수 있다.
도 1은 지중고압주입 방식을 이용하는 종래의 토양지중처리법에서 스컴이 발생하는 원리를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 토양정화 장치의 전체 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 토양정화 장치의 스컴포집커버의 구성 및 동작 방법을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 토양정화 방법의 순서도.
도 5(a) 내지 (e)는 본 발명에 따른 토양정화 방법을 상세히 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 토양정화 방법에 의한 절삭반경과 영향반경을 비교하여 나타낸 도면.
도 7(a), (b)는 본 발명에 따른 토양정화 장치 및 방법에 의해 산화제를 주입하기 전, 후의 유류오염물질 농도 변화를 나타낸 표.
도 8은 본 발명에 따른 토양정화 장치 및 방법에 의해 산화제를 주입하기 전, 후의 유류오염물질 농도 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프.
도 9(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 토양정화 장치 및 방법에 의해 산화제를 주입하기 전, 후의 유류오염물질 오염범위를 나타낸 분포도.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토양정화 장치 및 방법에 의한 정화약액 주입지점 간격 및 영향반경을 나타낸 도면.
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 2는 본 발명에 따른 토양정화 장치의 전체 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 토양정화 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 본체(10)와 저장탱크부(20), 고압펌프(30), 컴프레서(40), 로드(50) 및 탈착분사부(60)를 포함하여 구성된다.
상기 본체(10)는 상기 저장탱크부(20)를 포함한 기타 모든 구성 장비들을 작동시키는 구성으로서, 모든 구성 장비들을 운반할 수 있게 무한궤도방식으로 주행이 가능한 이동식일 수 있다.
상기 저장탱크부(20)는 제1액체와 제2액체를 저장하는 구성으로서, 제1저장탱크(21)와 제2액체를 저장하는 제2저장탱크(22)를 포함한다. 상기 제1액체와 제2액체는 서로 같거나 다른 액체일 수 있으며, 구체적으로 물 또는 정화약액이거나 이들의 혼합물일 수 있으며, 상기 제1액체와 제2액체 중 어느 하나는 정화약액인 것이 바람직하다. 이때, 상기 정화약액은 계면활성제 또는 산화제이거나 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 고압펌프(30)는 상기 저장탱크부(20)에 저장된 제1액체 및 제2액체 중 적어도 어느 하나를 상기 로드(50)에 고압으로 이송시키는 구성으로서, 토출압 100 내지 600 kgf/cm2의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 상기 컴프레서(40)는 상기 로드(50)에 고압의 공기를 주입하는 구성으로서, 토출압 7 kgf/cm2 이상, 토출량 10.3 m3/min 이상의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다. 특히 상기 고압펌프(30)는 제1액체 또는 제2액체 이송시 과도한 주입압이 걸리지 않도록 압력 완화 밸브(pressure release valve)를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 로드(50)는 일방향으로 연속 회전하거나 양방향으로 왕복 회전하여 토양을 천공하는 구성으로서, 상기 본체(10)에 장착되며, 천공 작업 외에도 유체를 지중으로 고압 분사할 수 있도록 내부에 고압펌프(30), 상기 컴프레서(40) 및 분사 노즐(61)과 각각 연결되는 배관(51)을 구비하며, 이에 따라 상기 고압펌프(30)로부터 제1액체 또는 제2액체를 공급받고, 상기 컴프레서(40)로부터 공기를 공급받아 분사 노즐(61)로 이들을 이송시킨다. 특히 상기 로드(50)는 천공 작업을 할 수 있도록 단부에 드릴비트(drill bit) 형상으로 형성된 굴착부(52)를 포함한다.
상기 탈착분사부(60)는 상기 로드(50)에 결합 또는 분리되는 구성으로서, 상기 로드(50)의 배관(51)과 연결되어 공기, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 측방으로 분사시키는 다수의 분사 노즐(61)을 구비한다. 상기 탈착분사부(60)는 필요에 따라 상기 로드(50)에 다수가 결합될 수 있다. 특히, 상기 분사 노즐(61)은 고압의 분사 압력에도 견딜 수 있도록 강도를 갖는 세라믹 노즐로 구성하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 탈착분사부(60)는 현장 조건, 즉 천공 깊이에 따라 분사 노즐(61)의 개수와 배치 간격을 조절할 수 있다. 특히, 상기 탈착분사부(60)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외주연에 180°간격으로 배치된 1쌍의 분사 노즐(61)을 다수 구비하되, 인접한 노즐(61) 쌍 간에는 90°간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
그 실시예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 로드(50)에 길이가 1m인 탈착분사부(60) 2개가 나란히 연결되고, 각 탈착분사부(60)에는 2쌍, 즉 4개의 세라믹 노즐(61)이 90°간격마다 배치되어 지중에서 공기, 제1액체 및 제2액체를 사방으로 분사할 수 있게 된다. 이 경우, 상기 세라믹 노즐(61) 쌍 간에는 0.5m의 거리를 유지하며, 각 세라믹 노즐(61)의 분사홈 직경은 0.5 내지 10 mm인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 토양정화 장치는 오염된 토양의 수직 길이에 따라 상기 탈착분사부(60)의 개수나 길이를 조절하여 상기 로드(50)에 결합할 수 있다. 예를 들면, 정화하려는 토양의 수직방향 길이가 3 m 라면, 길이가 1 m인 탈착분사부(60) 3개를 상기 로드(50)에 설치하거나, 길이가 3 m인 탈착분사부(60) 1개를 상기 로드(50)에 설치하여, 상기 로드(50)의 상하 이동 없이도 오염토양에 정화약액을 주입할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 토양정화 장치는 스팀을 공급하는 스팀공급부를 더 포함할 수 있다. 상기 스팀공급부는 물공급부; 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하는 가열부; 상기 가열부에 의해 생성된 스팀을 외부로 배출하는 배출부를 포함하는 스팀공급장치로 구성될 수 있다. 이때, 로드(50)의 배관(51)은 상기 고압펌프(30), 스팀공급부 및 컴프레서(40)와 각각 연결되며, 이에 따라 상기 분사 노즐(61)은 공기, 스팀, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 분사한다. 또한, 상기 스팀공급부에 의해 배출되는 스팀의 일부는 상기 저장탱크부(20)로 공급되어 제1액체 및 제2액체 중 적어도 어느 하나를 가열할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 토양정화 장치는 스팀과 가열된 제1액체 또는 가열된 제2액체를 분사함으로써 토양정화 효율을 향상시킨다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양정화 장치는 상기 분사 노즐(61)가 열풍을 분사할 수 있도록, 상기 컴프레서(40)에서 배출되는 공기를 가열하는 가열 수단을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 컴프레서(40)에서 배출되는 공기는 상기 가열 수단을 거쳐 상기 배관(51)으로 공급되어, 최종적으로 상기 분사 노즐(61)을 통해 배출된다. 이에 따라 상기 분사 노즐(61)은 공기, 열풍, 스팀, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 분사한다. 또한, 열풍의 일부는 상기 저장탱크부(20)로 공급되어 제1액체 및 제2액체 중 적어도 어느 하나를 가열할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 토양정화 장치는 열풍과 가열된 제1액체 또는 가열된 제2액체를 분사함으로써 토양정화 효율을 향상시킨다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양정화 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 탈착분사부(60)의 세라믹 노즐(61)을 통해 공기, 스팀, 제1액체 및 제2액체를 지중으로 분사시 지표면에 부상하는 진탕된 스컴을 포집하는 스컴포집커버(70); 상기 스컴포집커버(70)에 포집된 스컴을 흡수하는 석션장치(80); 상기 석션장치(80)에 의해 흡수되는 스컴을 저장하는 스컴저장탱크(91)를 구비한 스컴수집차량(90)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
일반적으로 고압의 공기, 스팀, 제1액체 및 제2액체를 지중에 분사할 경우, 지표면, 즉 천공의 입구로 스컴이 부상하게 된다. 특히, 다수의 천공지점이 있어 천공 및 분사주입 작업을 이동하면서 연속적으로 해야 할 경우, 스컴에 의해 오염된 부지의 청소작업을 병행해야 하며, 이에 따라 전체 작업효율이 크게 저하되는 문제가 생긴다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 토양정화 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 스컴포집커버(70), 석션장치(80) 및 스컴수집차량(90)의 구성을 통해 천공 및 분사주입 작업시 발생되는 스컴을 동시에 처리할 수 있으므로 다수의 천공지점을 처리할 경우 작업 효율이 크게 향상된다.
구체적으로 상기 스컴포집커버(70)는 로드(50)가 관통하도록 통형상으로 형성되어 제1액체 또는 제2액체의 주입에 의해 발생되어 부상되는 스컴을 포집하고, 상기 석션장치(80)의 동력을 통해 이송관을 따라 스컴을 이송시키며, 스컴저장탱크(91)가 구비된 스컴수집차량(90)에 스컴을 최종 저장시킨다. 특히, 상기 스컴포집커버(70)는 개폐가 가능하도록 힌지와 잠금장치를 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 토양정화 장치는 상기 고압펌프(30), 컴프레서(40) 및 로드의 배관(51)에 연결되어 분사 압력을 조절할 수 있는 밸브 또는 압력 조절기 등을 포함하며, 그 외에도 공기, 열풍, 스팀, 제1액체 및 제2액체의 분사 순서, 시간 및 압력을 조절할 수 있는 제어부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어부는 고압펌프(30), 컴프레서(40) 및 스팀공급부의 작동을 각각 제어하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 토양정화 방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 토양정화 방법의 순서도 및 상세도면을 도 4 및 도 5에 도시하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양정화 방법은 다수의 분사 노즐을 구비한 로드를 이용하는 직천공 방식으로서 이동식일 수 있다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 토양정화 방법은, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 천공지점에 토양정화 장치를 준비(설치)하는 단계(S10)(도 5(a) 참조); 상기 토양정화 장치의 로드를 회전시켜 천공하면서 분사 노즐을 통해 공기와 제1액체를 고압 분사시키는 단계(S20)(도 5(b) 참조); 상기 로드를 원하는 심도까지 천공한 후 분사 노즐을 통해 제2액체를 측방으로 분사시키는 단계(S30)(도 5(c) 참조); 제2액체 분사 완료 후 로드를 인발시키는 단계(S40)(도 5(d) 참조); 로드 인발 완료 후 다음 천공지점으로 이동하는 단계(S50)(도 5(e) 참조)를 포함하며 상기 S10 단계 내지 S50 단계를 반복한다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 토양정화 방법에서 사용되는 상기 토양정화 장치는 다수의 분사 노즐을 구비하여 로드에 결합 또는 분리되는 탈착분사부를 포함하여 구성될 수 있으며, 이에 따라 상기 S10단계는 현장 조건, 즉 천공 깊이에 따라 탈착분사부의 개수와 길이를 조절하여 로드에 결합시키는 단계(S11)와 분사 노즐의 위치와 간격을 조절하여 탈착분사부를 로드에 결합시키는 단계(S12)를 각각 더 포함할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 토양정화 방법은, 상기 S20 단계(도 5(b) 참조)를 통해 천공 작업과 함께 고압의 공기 및 제1액체를 분사함으로써, 토양입자 간의 결합력을 완화시켜 토양을 절삭 및 파쇄시킬 수 있고, 이에 따라 토양의 공극률을 증가시켜 추후 상기 단계 S30을 통해 분사 주입될 제2액체에 의한 영향반경 및 접촉반응면적을 향상시킬 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 S20 단계에서 회전 천공 및 고압기액분사 작업이 진행되면서 지중의 토양은 R1의 절삭반경을 이루며 절삭되고, 이어서 상기 S30 단계를 통해 지중에 정화약액이 주입되며, 이에 따라 정화약액이 주입되어 영향을 미치는 영향반경(R2)은 상기 절삭반경(R1)까지 도달한다. 또한, 정화약액의 추가적인 분사 압력과 정화약액의 확산 및 분산 현상에 의하여 상기 영향반경(R2)은 상기 절삭반경(R1)을 넘어 그 범위가 더 넓어질 수 있다.
한편, 상기 단계 S20에서 토양의 공극률이 증가됨에 따라, 상기 단계 S30에서는 로드를 상하로 이동시키거나 회전시킬 필요 없이, 제자리에 고정시킨 상태에서 제2액체를 분사시킬 수 있어, 스컴 발생량과 제2액체의 주입시간을 줄일 수 있으며, 이에 따라 전체 작업 효율이 향상된다.
특히, 상기 단계 S20 및 S30 단계는 지표면에 부상하는 스컴을 포집, 흡수 및 저장하는 스컴처리 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 토양정화 방법은, 상기 단계 S20 및 S30 단계에서 발생되는 스컴을 동시에 처리할 수 있어, 다수의 천공지점이 있는 경우 작업 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 7의 (a), (b)는 본 발명에 따른 토양정화 장치 및 방법에 의한 산화제 주입 전후의 유류오염물질의 농도 변화를 모니터링한 결과를 나타내는 표로서, 상기 제1액체로 물을 사용하고, 상기 제2액체로 산화제를 사용하였다. 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 산화제를 주입한 후 전체적으로 유류오염물질인 석유계탄화수소(TPH), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene), 크실렌(Xylene)의 농도가 확연히 감소(증가한 지점은 고압의 산화제 주입에 의한 교란 현상에 의한 것)하는 것을 확인할 수 있다. 아래 표1은 토양정화 사업의 정화기준이 되는 토양환경보전법 시행규칙(환경부령 제463호)에 명시된 것으로서, 도 7에서 인용된 데이터가 도출된 토양정화사업에서는 정화기준을 토양오염우려기준 3지역의 90%로 설정되어 수행되었다.
(단위: mg/kg) 석유계탄화수소
(TPH)		 벤젠
(Benzene)		 톨루엔
(Toluene)		 에틸벤젠
(E-Benzene)		 크실렌
(Xylene)
토양오염
우려기준		 1지역 500 1 20 50 15
2지역 800 1 20 50 15
3지역 2,000 3 60 340 45
토양오염
대책기준		 1지역 2,000 3 60 150 45
2지역 2,400 3 60 150 45
3지역 6,000 9 180 1,020 135
※ 비고
1. 1지역: 「측량ㆍ수로조사 및 지적에 관한 법률」에 따른 지목이 전ㆍ답ㆍ과수원ㆍ목장용지ㆍ광천지ㆍ대(「측량ㆍ수로조사 및 지적에 관한 법률 시행령」 제58조제8호가목 중 주거의 용도로 사용되는 부지만 해당한다)ㆍ학교용지ㆍ구거(溝渠)ㆍ양어장ㆍ공원ㆍ사적지ㆍ묘지인 지역과 「어린이놀이시설 안전관리법」 제2조제2호에 따른 어린이 놀이시설(실외에 설치된 경우에만 적용한다) 부지
2. 2지역: 「측량ㆍ수로조사 및 지적에 관한 법률」에 따른 지목이 임야ㆍ염전ㆍ대(1지역에 해당하는 부지 외의 모든 대를 말한다)ㆍ창고용지ㆍ하천ㆍ유지ㆍ수도용지ㆍ체육용지ㆍ유원지ㆍ종교용지 및 잡종지(「측량ㆍ수로조사 및 지적에 관한 법률 시행령」 제58조제28호가목 또는 다목에 해당하는 부지만 해당한다)인 지역
3. 3지역: 「측량ㆍ수로조사 및 지적에 관한 법률」에 따른 지목이 공장용지ㆍ주차장ㆍ주유소용지ㆍ도로ㆍ철도용지ㆍ제방ㆍ잡종지(2지역에 해당하는 부지 외의 모든 잡종지를 말한다)인 지역과 「국방ㆍ군사시설 사업에 관한 법률」 제2조제1항제1호부터 제5호까지에서 규정한 국방ㆍ군사시설 부지
4. 「공익사업을 위한 토지 등의 취득 및 보상에 관한 법률」 제48조에 따라 취득한 토지를 반환하거나 「주한미군 공여구역 주변지역 등 지원 특별법」 제12조에 따라 반환공여구역의 토양 오염 등을 제거하는 경우에는 해당 토지의 반환 후 용도에 따른 지역 기준을 적용한다.
5. 벤조(a)피렌 항목은 유독물의 제조 및 저장시설과 폐침목을 사용한 지역(예: 철도용지, 공원, 공장용지 및 하천 등)에만 적용한다.
도 8은 본 발명에 따른 토양정화 장치 및 방법에 의한 산화제 주입 전과 주입 후 시간의 흐름에 따른 유류오염물질의 농도 변화를 나타내는 그래프로서, 상기 제1액체로 물을 사용하고, 상기 제2액체로 산화제를 사용하였다. 도 8을 참조하면, 유류오염물질들의 농도가 큰 폭으로 감소함을 확인할 수 있다. 석유계탄화수소(TPH)는 정화목표인 1,800 mg/kg 이하의 농도까지 감소하였고, 에틸벤젠(Ethylbenzene) 역시 정화목표인 306 mg/kg 이하의 농도까지 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 크실렌(Xylene)은 초기 농도에 비하여 각각 91%, 73%, 67% 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도 9의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 토양정화 장치 및 방법에 의한 산화제 주입 전(9(a) 참조), 후(9(b) 참조)의 유류오염물질인 석유계탄화수소(TPH), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene) 및 크실렌(Xylene)에 대한 오염도 분포도(9(c)는 범례)를 나타내는 도면으로서, 상기 제1액체로 물을 사용하고, 상기 제2액체로 산화제를 사용하였다. 도 9를 참조하면, 벤젠(Benzene) 이외의 유류오염물질은 거의 다 처리되었음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 토양정화 장치 및 방법에 의한 천공지정 간격 및 천공에 따른 제2액체 주입의 영향반경을 나타내는 도면으로서, 상기 제1액체로 물을 사용하고, 상기 제2액체로 산화제를 사용하였다. 도 10을 참조하면, 각 천공지점에서의 산화제 주입에 의한 영향반경은 0.95 m 이하로 나타났으며, 이에 따라 토양 내에 산화제가 주입되지 않는 부분이 생기지 않도록, 천공지점 별 간격은 약 1.5 m 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
표 2는 본 발명에 따른 토양정화 장치 및 방법에서 상기 제1액체 및 제2액체를 물, 산화제 및 계면활성제 중 어느 하나로 선택할 경우에 토양 내 유류오염물질이 저감되는 정도를 측정한 실험 분석결과를 나타낸다.
구체적으로, 10L 및 15.5㎏의 부피 및 질량을 갖는 토양을 총 5 구역에 각각 마련하고, 각 구역에 석유계탄화수소(TPH), 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene) 및 크실렌(Xylene) 중 어느 하나를 혼합하여 각 구역의 토양을 오염시켰다. 이때, 각 구역의 토양이 토양오염우려기준 3지역의 수준 이상으로 오염되도록 유류오염원을 주입하여 각 구역의 토양을 3일 동안 교반하였다. 이후, 본 발명에 따른 토양정화 장치 및 방법에 따라 상기 제1액체 및 제2액체를 물, 산화제 및 계면활성제 중 어느 하나로 선택하여 토양 정화 실험을 실시하였다.

목록		 TPH
(mg/kg)		 TPH
(%)		 Benzene
(mg/kg)		 Benzene
(%)		 Toluene
(mg/kg)		 Toluene (%) Ethylbenzene
(mg/kg)		 Ethylbenzene
(%)		 Xylene
(mg/kg)		 Xylene
(%)
원시료 10447 100 10 100 270 100 1758 100 274 100
[물/산화제] 4485 43 4 43 159 59 1358 77 219 80
[산화제/
산화제]		 9024 86 3 29 137 51 1200 68 215 78
[계면활성제/
산화제]		 3873 37 3 26 117 43 977 56 162 59
[계면활성제/물] 6041 58 4 40 23 9 905 51 51 19
3지역 우려기준 2000 3 60 340 45
3지역 대책기준 6000 9 180 1020 135
오염조제토양농도 12000 18 360 2040 270
조제토양율(%) 87 55 75 86 102
표 2의 목록에서 [물/산화제]는 상기 제1용액으로 물을 사용하고, 상기 제2용액으로 산화제를 사용한 경우를 나타내며, 기타의 경우도 동일한 방식으로 표시된다.
즉, 석유계탄화수소(TPH)로 오염된 토양의 경우, 정화효율은 [계면활성제/산화제] > [물/산화제] > [계면활성제/물] > [산화제/산화제] 순으로 나타났고, 벤젠(Benzene)으로 오염된 토양의 경우, 정화효율은 [계면활성제/산화제] > [산화제/산화제] > [계면활성제/물] > [물/산화제] 순으로 나타났다. 또한, 톨루엔(Toluene)으로 오염된 토양의 경우, 정화효율은 [계면활성제/물] > [계면활성제/산화제] > [산화제/산화제] > [물/산화제] 순으로 나타났고, 에틸벤젠(Ethylbenzene)으로 오염된 토양의 경우, 정화효율은 [계면활성제/물] > [계면활성제/산화제] > [산화제/산화제] > [물/산화제] 순으로 나타났으며, 크실렌(Xylene)으로 오염된 토양의 경우, 정화효율은 [계면활성제/물] > [계면활성제/산화제] > [산화제/산화제] > [물/산화제] 순으로 나타났다.
위 실험 결과, 산화제를 상기 제1액체 및 제2액체로 계속 사용하는 경우보다, 상기 제1액체로 계면활성제나 물을 사용하여 토양 내의 오염원을 분산시킨 후, 상기 제2액체로 산화제를 사용하여 토양 내에 주입하는 경우가 더 높은 정화효율을 보이고 있다. 구체적으로, 오염원에 따라 차이는 있으나, 상기 제1액체로 계면활성제를 사용할 때 정화효율이 가장 높고, 석유계탄화수소(TPH) 및 벤젠(Benzene)의 경우, 상기 제2액체로 산화제를 사용할 때 정화효율이 가장 높으며, 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene) 및 크실렌(Xylene)의 경우, 상기 제2액체로 물을 사용할 때 정화효율이 가장 높았다. 따라서, 오염 토양의 오염원의 종류에 따라 상기 제1액체 및 제2액체를 선택하여 사용하여 정화효율을 향상시키는 것이 바람직하다.
10 : 이동식 본체 20 : 저장탱크부
21 : 제1저장탱크 22 : 제2저장탱크
30 : 고압펌프 40 : 컴프레서
50 : 로드 51 : 배관
60 : 탈착분사부 61 : 분사 노즐
70 : 스컴포집커버 80 : 석션장치
90 : 스컴수집차량 91 : 스컴저장탱크

Claims (18)

  1. 토양정화 장치를 이용하여 오염된 토양을 정화하는 방법으로서,
    천공지점에 로드와, 다수의 분사 노즐을 구비하여 로드에 결합 또는 분리되는 탈착분사부를 포함하는 토양정화 장치를 준비하되, 오염된 토양의 수직 길이에 따라 로드에 탈착분사부의 개수를 조절하여 결합시키는 제1단계;
    로드를 회전시켜 천공하면서 분사 노즐을 통해 공기와 제1액체를 분사시키는 제2단계;
    로드를 원하는 심도까지 천공한 후 분사 노즐을 통해 제2액체를 분사시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  2. 토양정화 장치를 이용하여 오염된 토양을 정화하는 방법으로서,
    천공지점에 로드와, 다수의 분사 노즐을 구비하여 로드에 결합 또는 분리되는 탈착분사부를 포함하는 토양정화 장치를 준비하되, 분사 노즐의 위치와 간격을 조절하여 탈착분사부를 로드에 결합시키는 제1단계;
    로드를 회전시켜 천공하면서 분사 노즐을 통해 공기와 제1액체를 분사시키는 제2단계;
    로드를 원하는 심도까지 천공한 후 분사 노즐을 통해 제2액체를 분사시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2단계나 제3단계는,
    지표면에 부상하는 스컴을 포집, 흡수 및 저장하는 스컴처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    제2액체를 분사시키기 전에 로드를 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1액체와 제2액체는 물 또는 정화약액인 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정화약액은 계면활성제이거나 산화제인 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1액체와 제2액체 중 적어도 어느 하나는 정화약액을 포함하는 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2단계는 로드를 회전시켜 천공하면서 분사 노즐을 통해 열풍과 가열된 제1액체를 분사시키거나 스팀과 가열된 제1액체를 분사시키는 단계인 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2액체는 가열된 액체인 것을 특징으로 하는 토양정화 방법.
  10. 제1액체와 제2액체를 각각 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 제1액체 및 제2액체 중 적어도 어느 하나를 이송시키는 고압펌프;
    공기를 주입하는 컴프레서;
    고압펌프, 컴프레서 및 배관과 각각 연결되는 배관을 구비하며 토양을 천공하는 로드;
    공기, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 분사하는 다수의 분사 노즐; 및
    상기 분사 노즐을 장착하며, 상기 로드에 결합 또는 분리되는 탈착분사부를 포함하되,
    상기 분사 노즐은 개수와 배치 간격이 천공 깊이에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 토양정화 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    지표면에 부상하는 스컴을 포집하는 스컴포집커버; 및
    상기 스컴포집커버에 포집된 스컴을 흡수하는 석션장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양정화 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    스팀을 공급하는 스팀공급부를 더 포함하고,
    상기 배관은 상기 고압펌프, 스팀공급부 및 컴프레서와 각각 연결되며,
    상기 분사 노즐은 공기, 스팀, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 분사하는 것을 특징으로 하는 토양정화 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 컴프레서는 공기나 열풍을 공급하고,
    상기 분사 노즐은 공기, 열풍, 제1액체 및 제2액체 중 어느 하나 이상을 분사하는 것을 특징으로 하는 토양정화 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 스팀의 일부는 상기 저장탱크로 공급되어 제1액체 및 제2액체 중 적어도 어느 하나를 가열하는 것을 특징으로 하는 토양정화 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1액체와 제2액체는 물 또는 정화약액인 것을 특징으로 하는 토양정화 장치.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서,
    상기 정화약액은 계면활성제이거나 산화제인 것을 특징으로 하는 토양정화 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 제1액체와 제2액체 중 적어도 어느 하나는 정화약액을 포함하는 것을 특징으로 하는 토양정화 장치.
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