KR102387799B1 - 폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법 - Google Patents

폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법 Download PDF

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강성칠
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수도권매립지관리공사
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Abstract

본 발명은 저렴한 재료를 이용하여 탄산칼슘 생성반응 (Enzyme Induced Carbonate Precipitation, EICP)을 도모하고 탄산칼슘의 최적생성량 배합비를 산정, 이 반응을 이용하여 폐기물 매립시설의 차수층을 개선하는 기술에 대한 것으로, 효소를 이용한 탄산칼슘 생성 (Enzyme Induced Carbonate Precipitation, EICP) 반응을 이용하여 폐기물 매립시설 차수재의 투수계수 및 강성도 개량 향상시킬 수 있도록하며, 효소를 이용한 탄산칼슘 반응 시, 미생물과 콩에서 효소를 추출하는 과정을 거치지 않고 생콩가루를 적용하며, 현장적용이 가능한 재료(제설용 염화칼슘, 비료용 요소 등)를 사용하여 경제성과 현장적용성을 충족시킬 수 있으며, 침출수에서 다량 검출되는 황산염을 제거할 수 있게 된다.

Description

폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법{Environmentally benign method of landfill liner improvement}
본 발명은 저렴한 재료를 이용하여 탄산칼슘 생성반응 (Enzyme Induced Carbonate Precipitation, EICP)을 도모하고 탄산칼슘의 최적생성량 배합비를 산정, 이 반응을 이용하여 폐기물 매립시설의 차수층을 개선하는 기술에 대한 것이다.
최근 급속한 산업발전에 따른 국가 기간산업의 양적, 질적 확대로 인하여 부지의 확보가 용이하지 않은 실정이다. 이에 효율적인 토지 이용을 위하여 그동안 건설부지로 고려치 않았던 느슨한 사질토나 연약한 점성토로 구성된 연약지반의 개량에 대한 관심이 상당히 높아지고 있다.
국내에서는 연약지반 및 해안 준설 매립 지반을 기초지반으로 활용하여 시공하는 공사현장이 증가하고 있는 추세인데, 이러한 연약지반 및 준설 매립 지반은 초기 지지력이 낮고, 함수비가 높아 기초 지반으로 사용하는데 많은 어려움이 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해서 시공 전 지반의 표층을 처리하는 공법으로 Mat 공법, Drain 공법, 치환 공법 및 약액 주입 공법 등이 사용되고 있으나, 원자재 값 상승과 건설 재료의 부족으로 친환경적인 지반 개량 공법의 개발이 필요하다.
시멘트나 그라우팅 등은 지반을 개량하는데 주로 이용되는 고결 재료이다. 하지만 시멘트는 제조 과정에서 상당량의 이산화탄소를 배출하여 지구 온난화의 주범으로 뽑히고 있으며, 그라우팅은 지하수 오염 등의 환경오염 문제를 가지고 있다. 이에 대안으로, 탄산칼슘 침전법, 바이오 폴리머 등을 이용한 친환경 지반개량 공법이 대두되고 있는 실정이다. 하지만, 바이오폴리머는 물과 접촉시 팽창하여 강도가 감소하는 단점이 있어, 탄산칼슘 침전법을 통한 지반개량 연구가 활발히 진행중이다.
탄산칼슘 침전법은 염화칼슘 (CaCl2)과 요소 (CO(NH2)2) 용액에서 칼슘이온 (Ca2+)과 탄산염 이온 (CO3 2-)이 반응하여 탄산칼슘 (CaCO3)이 생성된다. 효소 (e.g., Urease) 또는 미생물 (e.g., Sporosarcina Pasteurii)이 매개가 되어 요소분해를 진행하게 되며, 탄산칼슘이 생성됨에 따라 흙 입자 사이의 공극을 채워줌으로써 지반을 보강하게 된다. 미생물을 이용할 시, 미생물을 지반 공극에 위치시킴으로써 염화칼슘과 요소 용액을 주입만으로 지속적으로 탄산칼슘 생성을 도모할 수 있으나, 미생물의 크기로 인해 세립토에는 적용이 불가능한 한계가 있다. 효소를 이용시, 박테리아 배양이 필요 없으며 흙의 입자 크기와는 상관없이 적용이 가능한 장점이 있지만, 탄산칼슘 생성을 지속적으로 도모할 수 없는 단점이 있다.
CO(NH2)2 + 2H2O → CO3 2- + 2NH4 + (by enzyme or bacteria)
CaCl2 + CO3 2- → CaCO3 + 2Cl-
특히, 효소를 추출하기 위해, 미생물로부터 효소를 추출하는 방법은 정제된 효소를 구입하는 방법보다 크게 원가절감을 할 수 있는 대안이나, 효소를 추출하는 복잡한 과정이 추가되므로 현장적용성이 떨어지는 현실이다. 따라서 현장적용성이 있으려면 저렴한 비용과 단순한 제작과정으로 생성된 효소가 요구된다.
한국등록특허 제10-2076340호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 친환경 지반개량 공법인 EICP 용액을 이용하여 차수층을 조성하며, 경제성과 현장적용성이 고려된 콩가루, 제설용 염화칼슘, 비료용 요소 재료를 이용하여 최대 탄산칼슘이 생성될 수 있는 개량조성물을 적용하여 경제성 및 효율성을 극대화할 수 있도록 하며, 기존 차수층보다 높은 강성을 보이고, 차수층 기준에 부합하는 투수계수를 가짐과 동시에 황산염 유출 방지하는 차수층을 형성할 수 있도록 하는 기술을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에는, 폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법에 있어서, 차수층을 형성하기 위한 원지반을 굴착하여 대상지를 형성하고, 하부 기반층을 마련하는 1단계; 상기 대상지 상에 사질토층에 개량조성물을 도포하여 차수층을 형성하는 2단계; 상기 차수층 상에 상부 기반층을 형성하는 3단계;를 포함하며, 상기 개량조성물은, 요소, 염화칼슘, 콩가루를 각각 증류수와 혼합한 혼합물을 적용하는, 폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법을 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 친환경 지반개량 공법인 EICP 용액을 이용하여 차수층을 조성하며, 경제성과 현장적용성이 고려된 콩가루, 제설용 염화칼슘, 비료용 요소 재료를 이용하여 최대 탄산칼슘이 생성될 수 있는 개량조성물을 적용하여 경제성 및 효율성을 극대화할 수 있도록 한다.
또한, 기존 차수층보다 높은 강성을 보이고, 차수층 기준에 부합하는 투수계수를 가짐과 동시에 황산염 유출 방지하는 차수층을 형성할 수 있도록 하는 장점이 구현된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 효소를 이용한 탄산칼슘 생성 (Enzyme Induced Carbonate Precipitation, EICP) 반응을 이용하여 폐기물 매립시설 차수재의 투수계수 기준을 만족시킴과 동시에 강성도를 향상시킬 수 있도록하며, 효소를 이용한 탄산칼슘 반응 시, 미생물과 콩에서 효소를 추출하는 과정을 거치지 않고 생콩가루를 적용하며, 현장적용이 가능한 재료(제설용 염화칼슘, 비료용 요소 등)를 사용하여 경제성과 현장적용성을 충족시킬 수 있으며, 침출수에서 다량 검출되는 황산염을 제거할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법의 시공 순서를 도시한 순서도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 과정에 적용되는 바람직한 실험예의 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 위의 실험결과를 도시한 시간에 따른 전단파 속도 비교 결과 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법(이하, '본 발명'이라 한다.)의 시공 순서를 도시한 순서도이다.
본 발명은 해성점토를 원지반토로 하는 폐기물 매립시설의 차수층 형성방법을 제시한다.
폐기물 매립시설 차수층은 상부 침출수 용출을 최소화시키는 1×10-7 cm/s 이하의 투수계수를 도달시킬 수 있도록 하며, 이는 차수층을 통하여 침출수의 유출을 막을 뿐만 아니라, 침출수 속에 포함되어있는 중금속을 차수층에 흡착시켜 제거할 수 있도록 한다. 특히, 폐기물 매립시설에서 용출되는 침출수 성분 분석 결과 중금속 이온이 미량 존재하여 그 실용적인 의미를 찾지 못하고 있고 황산염(SO4 2-)이 다량 검출되고 있다. 고농도의 황산염은 자연 속 황 순환의 균형을 깨뜨릴 수 있고 강이나 호수에 오랜 시간 축적될 경우 독성을 지닌 황화물을 생성할 수 있다. 또한, 황산염은 폐기물 매립시설 내의 악취의 원인이며 제거하기 위해 적지 않은 비용이 들게 되는데, 본 발명에 따른 차수층 형성방법은 탄산칼슘 침전법을 기반으로 하는바, 칼슘이온이 용액 내 존재하며, 황산염과 반응하여 황산칼슘 결정 (CaSO4)을 생성시킬 수 있어, 황산을 제거할 수 있는 경제적인 방법을 제공한다.
CaCl2 + SO4 2- → CaSO4↓ + 2Cl-
이를 위해, 본 발명에서는, 도 1에 도시된 것과 같이, 요소분해효소액과 염화칼슘 용액 및 요소용액을 준비하는 1단계와, 상기 요소분해효소액에 혼합되는 콩가루의 농도를 변화시켜 생성되는 탄산칼슘량을 통해 대상지 적용 요소분해효소용액의 농도를 산출 결정하고, 개량조성물을 형성하는 2단계, 한 쌍의 해상점토층 사이에 사질토층에 개량조성물을 도포한 샘플 차수층을 형성하는 3단계, 상기 샘플 차수층에 대한 투수계수 및 황산제거효율을 산출하여 대상지에 적용할 적용 차수층을 결정하는 4단계, 차수층을 형성하기 위한 원지반을 굴착하여 대상지를 형성하고, 하부 기반층을 마련하는 5단계, 상기 대상지 상에 상기 4단계에서 결정된 차수층을 형성하는 6단계, 상기 차수층 상에 상부 기반층을 형성하는 7단계를 포함하여 구성될 수 있다.
특히, 본 발명에서 상기 2단계에 적용되는 상기 개량조성물은, 요소, 염화칼슘, 콩가루를 각각 증류수와 혼합한 혼합물을 적용할 수 있도록 하며, 더욱 바람직하게는, 현장에서 바로 적용할 수 있는 비료용 요소, 제설용 염화칼슘, 생(生)콩가루를 적용할 수 있도록 한다.
이 경우, 상기 개량조성물은, 요소, 염화칼슘을 증류수에 용해한 혼합액과, 콩가루를 증류수에 혼합한 혼합액을 1:1의 부피비로 혼합한 것을 적용할 수 있도록 한다.
아울러, 상술한 차수층의 경우, 폐기물 매립시설의 원기반층이 해성점토층임을 감안하여, 해성점토층-사질점토층(차수층)-해성점토층의 3층 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 상부 기반층 및 하부 기반층은 해성점토층이며, 상기 차수층은 사질토에 상기 개량조성물을 상대밀도 70%의 1 공극 부피만큼 혼합되도록 한다.
이 경우, 본 발명에서 적용하는 상기 개량조성물은, 1M농도의 요소, 염화칼슘을 증류수에 용해한 혼합액 500ml에, 35g/L의 콩가루가 증류수 500ml에 혼합된 액을 1:1의 부피 비율로 혼합한 액상조성물을 적용할 수 있다. 상기 사질토층에 혼합되는 개량조성물의 경우, 사질토층에 위 액상조성물을 도포하여 혼합될 수 있도록 한다. 또한, 상기 차수층은, 투수계수 1×10-7cm/s 이하, 상부 및 하부 해성점토층의 함수비 15%로 조성하며, 3단계 이후, 전처리 압밀과정을 10~12kPa의 압력으로 수행할 수 있도록 한다.
이하에서는, 상술한 본 발명의 폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 형성에 적용되는 개량조성물의 형성방법과, 본 발명의 차수층 적용시 구현되는 바람직한 효과를 순차적으로 설명하기로 한다.
[실시예]
(1) 샘플 차수층의 형성 및 특성 분석을 통한 폐기물 매립시설 적용 최적 차수층 성분 산출과정
본 발명에서는, 폐기물 매립시설에 적용할 차수층의 특성을 샘플 차수층을 형성하여 분석한 후, 적용할 개량조성물의 최적 농도를 산출하여 폐기물 매립시설의 차수층에 적용할 수 있도록 하는 과정을 선행하여 수행될 수 있도록 한다.
시공전에 차수층을 적용할 폐기물 매립시설의 원기반층의 샘플을 이용하여 차수층의 기반층(이하, 보조층)으로 적용하여 샘플 차수층을 형성하여 샘플 차수층에 대한 투수계수 및 황산제거효율을 산출하여 대상지에 적용할 적용 차수층을 결정하고, 이를 실제 시공에 적용할 수 있도록 한다.
차수층을 형성할 개량조성물은 탄산칼슘 침전 반응을 구현할 수 있도록, 요소, 염화칼슘을 증류수에 용해한 혼합액과, 요소분해액으로 콩가루를 증류수에 혼합한 혼합액을 1:1의 부피비로 혼합한 것을 적용할 수 있도록 한다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, 요소분해효소 용액 (콩가루가 함유된 용액)과 염화칼슘/요소 용액을 준비하고, 이후, 요소분해효소 용액의 농도를 변화시켜, 생성된 탄산칼슘량을 통해 최적의 요소분해효소 용액의 농도를 산정한다.
이후, 폐기물 매립시설의 원지반 재질을 적용하여 샘플 차수층을 조성하여 시간에 따른 강성도의 변화를 측정하고, 탄산칼슘 반응 후, 침출수와 동일한 용액을 제작, 차수층에 투수를 진행하여 투수계수 및 황산제거 효율을 평가하여 최종 차수층을 결정하여 시공에 반영할 수 있도록 한다.
(2) 개량조성물 조성과정
본 발명의 일실시예에서는 탄산칼슘 침전을 위해 요소분해효소 (Urease)를 매개로 적용할 수 있도록 한다. 요소분해효소를 얻는 방법에는 백태 (e.g., Soybean)와 작두콩 (e.g., Jack bean) 등 콩에서 추출하는 방법과 미생물 (e.g., Sporosarcina Pasteurii)에서 추출하는 방법이 있다. 본 실시예에서는, 백태에 존재하는 효소를 이용하여 탄산칼슘을 침전시킬 수 있도록, 백태를 분말화한 콩카루를 적용하여였다.
탄산칼슘을 생성하기 위해서는 칼슘이온 (Ca2+)과 요소 (CO(NH2)2), 요소분해효소가 필요하다. 따라서 본 발명에서는 원가절감을 위해 현장에서 쉽게 적용할 수 있는 제설용 염화칼슘, 비료용 요소, 그리고 생 콩가루를 적용하였다. 생 콩가루를 이용함으로써, 효소를 따로 추출하는 번거로움을 없앴으며, 일반적으로 실험용도로 쓰이는 상용화한 효소제품(예, Sigma-Aldrich사의 제품)보다 저렴하게 도입하여 현장적용성을 높일 수 있도록 하였다.
또한, 다량의 탄산칼슘 생성을 위해, 1 M의 용액 농도를 설정하였다. 한 용기에 용액을 섞으면, 탄산칼슘의 생성반응이 즉시 진행되기 때문에 요소와 염화칼슘이 각 1 M 들어간 용액과 콩가루가 포함된 용액을 각각 준비하였다. 일예로 1 M의 용액을 총 1 L 준비한다고 가정하면, 염화칼슘 147 g, 요소 60 g을 넣은 비커에 증류수를 천천히 주입하여 총 500 ml의 염화칼슘/요소 용액을 형성하였다.
나아가, 요소분해효소액의 경우, 증류수에 생콩가루를 투입하여 혼합한 것을 적용하는데, 이는, 00 ml는 증류수로 채운다음, 다른 농도 (e.g., 15, 20, 25, 30, 35, 그리고 40 g/L)의 콩가루를 넣었다. 증류수에 생콩가루를 투입하여 500 ml 씩 만들어진 용액은 교반기 (MTOPS, HSD180)를 통하여 약 1분간 교반하여 형성하였다.
(3) 샘플 차수층의 형성과 최적 탄산칼슘 생성 농도의 산정
상술한 (2)의 과정에서 각각 준비한 염화칼슘/요소용액과, 요소분해효소액(콩가루)을 각각 분리 용이하게 보관하고, 요소분해효소액(콩가루)은 총 30개의 15 ml 튜브를 이용하여 탄산칼슘의 생성량을 확인하였다.
도 2에 도시된 것과 같이, 콩가루 농도 별 (6 케이스) 5개 동일 시료 조성 하여 샘플 차수층에 적용시, 탄산칼슘 생성농도의 최적율을 산출할 수 있도로 한다.
요소분해효소액(콩가루)을 통해 주입되는 효소의 농도는 동일한 시료에 대해 5개씩 조성하였다. 총 450 ml의 용액이 요구되며, 요소/염화칼슘 1M 용액 225ml, 요소분해효소액(콩가루) 50 ml씩 총 6개의 콩가루 용액을 준비하였다.
각 필요한 재료의 양은 염화칼슘 66.15g, 요소 27g, 콩가루 각 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 그리고 4.0 g이다. 1단계에서 제시한 방법을 이용하여 각 용액을 제작하였다. 요소/염화칼슘 각 1 M이 첨가된 용액은 튜브에 7.5 ml 주입하였고 나머지 7.5 ml는 해당되는 콩가루 농도의 용액을 주입하였다. 두 용액의 혼합을 위해, 상하로 약 5회 천천히 흔들어주었으며, 총 2일간 상온 (20 ± 1.5 ℃)에서 반응을 진행하였다.
도 3은 위 개량조성물의 특성 실험의 결과를 도시한 그래프이다.
도 3 그래프의 x축은 콩가루 농도 (g/L), y축은 해당 콩가루에서 생성된 탄산칼슘의 양을 이론적으로 생성될 수 있는 탄산칼슘 생성량 1.5 g(=최대 탄산칼슘 생성량)으로 나눈 값을 백분율(%) 로 표현하였다.
각 포인트는 콩가루 농도별 5개의 동일 시료에서 생성된 탄산칼슘 양의 평균값을 사용하였고 각 값들의 오차율은 다음과 같다. 효소의 농도에 따라 생성된 탄산칼슘의 양은 서서히 증가하였고, 35 g/L의 콩가루 농도에서 가장 많은 생성량을 보였으며 이를 기점으로 농도 증가에 영향을 받지 않았다. 이에, 본 발명에서의 개량조성*개량조성물은, 1M농도의 요소, 염화칼슘을 증류수에 용해한 혼합액 500ml에, 35g/L의 콩가루가 증류수 500ml에 혼합된 액을 1:1의 부피 비율로 혼합한 액상조성물을 적용하는 것으로 결정할 수 있다.
(4) 샘플 차수층의 조성 및 강성도 특성 산출
본 발명의 실시예에서 폐기물 매립시설의 원지반의 토성을 해성점토층으로 하여 차수층을 해성점토층, EICP 사질토층, 그리고 해성점토층으로 총 3개의 층으로 샘플 차수층을 형성하였다.
상기 샘플 차수층의 각 층의 높이는 각각의 해성점토층과 사질토층이 1대1이 되도록 형성하였다. 상층 및 하층의 해성점토층은 물로 조성되었으며, 점토층 사이에 사질토에 본 발명의 개량조성물(EICP용액)을 처리한 층을 생성하여, 황산염을 황산칼슘으로 침전시킴과 동시에 차수층의 강성을 높였다.
상술한 것과 같이, 해성점토를 이용해 샘플 차수층을 조성한다. 기존 차수층과 동일하게 투수계수 1×10-7 cm/s 이하를 만족하도록 상부 및 하부 해성점토는 함수비를 15 %로 만들고 탬핑 (Tamping) 방법을 통하여 다짐을 실시하였다.
개량조성물을 처리한 사질토층은 주문진 표준사에 1 공극에 해당하는 개량조성*개량조성물(EICP용액)을 첨가하고 상대밀도 70 %로 조성하였다. 나아가 폐기물 매립시설 시공과정에서 차수층 시공 후 상부에 18.65 kN/m3의 자갈이 30 cm의 두께로 설치되기에 약 10 kPa의 압력으로 압밀을 진행하였다.
이후, 제시한 샘플 차수층의 전단 강성도를 확인하기위해 전단파 속도를 측정하였다.
전단파 속도는 입자 간의 접촉 면적이 얼마나 넓은지, 잘 맞물려 있는지를 확인하기 위해 주로 사용되는 비파괴 측정방법이며,여기에 측정된 전단파 속도를 이용하여 강성도 G를 구할 수 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 샘플 차수층(40)의 전단파 속도를 측정하기 위해 전단파 속도와 투수계수를 측정할 수 있는 지름 8 cm, 높이 7 cm의 원형 셀(10)과 Top cap(20), Bottom cap(30)을 제작하였다.
셀에 위의 차수층을 조성하고 Top cap과 Bottom cap에 한 쌍의 벤더 엘리먼트 (bender element)를 삽입하였는데 벤더 엘리먼트는 피에조 엘리먼트 (piezo element)로 구성되어 전기 신호와 기계적 반응을 서로 호환시킬 수 있는 센서이다. Waveform generator(Agilent 33220A)를 통해 생성된 전기 신호는 bottom cap 벤더 엘리먼트에서 떨림(기계적 반응)을 만들고 해당 떨림은 시료를 통과하여 top cap의 벤더 엘리먼트에서 전기적 신호로 바뀌게 된다. 이후 signal amplification and band-pass filtering (Krohn-hite 3944, low-pass filter at f = 250 kHz, high-pass filter at f = 100 Hz)을 거쳐 oscilloscope (Agilent DSO5014)를 통해 파형을 확인한다. 전단파 속도는 oscilloscope를 통해 확인된 파형이 시점에서 처음으로 변하는 지점 간의 시간을 시료의 높이로 나누어 측정하게 되며 EICP의 반응 시간에 따른 전단파 속도 변화를 확인하기 위해 시간 별로 데이터를 획득한다. 전단파 속도가 일정해지는 순간 EICP 반응이 종결된 것으로 판단한다.
도 5는 위의 실험결과를 도시한 시간에 따른 전단파 속도 비교 결과 그래프이다. MC는 해성 점토(Marine clay)를 뜻하고 EICP+MC는 본 발명의 실시예에 따른 설계 차수층을 의미한다. 도시된 그래프의 결과를 살펴보면, 시간에 따라 해성 점토의 전단파 속도는 일정한 반면, 본 발명의 실시예에 따른 설계 차수층의 경우 점점 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다(EICP용액의 반응 시간인 2일에 맞춰 관찰 진행).이는, 해성점토로만 이루어진 차수층에 비해 강성도가 증가하는 것을 보여주는 것이다.
{식 1}
Figure 112021113493750-pat00001
전단 강성도는 위의 식 (1)로 도출되며 여기서 G는 전단강성도(MPa),
Figure 112021113493750-pat00002
는 밀도(kg/m3),
Figure 112021113493750-pat00003
는 전단파 속도(m/s)이다. 실험결과, 해성 점토(MC)로만 구성된 차수층의 강성도는 188.61MPa, 설계 차수층(EICP+MC)의 강성도는 337.62MPa로 약 2배 가량 증가하였다.
(5) 샘플 차수층의 투수계수 및 황산염 침전 효율측정
본 발명에서 상술한 것과 같이, 샘플 차수층의 강성도 증가의 특성을 확인하였으며, 이후, 샘플 차수층의 투수계수 및 황산염 침번 효율을 측정하여, 최종 차수층을 결정할 수 있도록 한다.
샘플 차수층의 투수계수는 ASTM D 5856에 근거한 변수위 투수계수 실험을 통해 측정되었다. 외경 10cm, 내경 8cm, 높이 5cm로 제작된 투수계수 몰드에 시편을 넣고 해당 몰드를 증류수에 1주일간 담가 포화를 유도하였으며 이후 동수구배를 20으로 유지하여 수두차를 측정하였다. 시점이후 최소 4개의 투수계수가 안정적으로 측정될 때까지 실험을 진행하였으며 투수계수는 다음의 수학식 1을 이용하여 계산하였다.
Figure 112021113493750-pat00004
수학식 1에서, k는 투수계수, a는 투과한 용액을 포함하고 있는 관의 단면적, L은 시편의 높이, A는 시편의 단면적, h1과 h2는 각각 시간 t1, t2 에서의 수두, t는 시간 t1, t2 사이의 간격이다. 또한, 황산염의 침전 효율을 보기 위해 시료를 처음 통과하여 나온 용액의 황산이온 농도를 측정하였다. 농도는 UV/VIS spectrophotometer(V-650)를 이용하였으며 시간 별 측정된 농도로 곡선을 획득하여 제거 효율을 확인하였다.
확인결과, 해상점토층(비교군)으로만 구성된 차수층에 비해, 황산염의 침전효율이 매우 높은 특성을 나타내는 것을 확인되었으며 측정된 투수계수는 약 0.7ⅹ10-7 cm/s으로 차수층 설계 기준인 1ⅹ10-7 cm/s 이하를 만족하였다.
특성 분석 결과, 폐기물 매립시설에 적용할 차수층의 특성을 산출하여 최종 차수층의 적용 파라미터를 확정한 후, 폐기물 매립시설에 적용할 수 있도록 한다.
즉, 실제 폐기물 매립시설에 대하여, 샘플 차수층에 대한 투수계수 및 황산제거효율을 산출하여 대상지에 적용할 차수층을 결정한 재료와 농도를 반영하여 차수층을 형성한다.
즉, 이후, 차수층을 형성하기 위한 원지반을 굴착하여 대상지를 형성하고, 하부 기반층을 마련하는 5단계와, 상기 대상지 상에 상기 4단계에서 결정된 차수층을 형성하는 6단계, 상기 차수층 상에 상부 기반층을 형성하는 7단계가 수행될 수 있게 된다.
이상의 과정을 통해, 친환경 지반개량 공법인 EICP 용액을 이용하여 차수층을 조성하며, 경제성과 현장적용성이 고려된 재료를 이용하여 최대 탄산칼슘이 생성될 수 있는 최적 용액 배합비를 사전 산출하여 시공과정에 적용할 수 있게 한다. 이러한 샘플 차수층의 특성 분석을 통해, 존 차수층보다 높은 강성을 보이고, 차수층 기준에 부합하는 투수계수를 가짐과 동시에 황산염 유출 방지하는 차수층을 구현할 수 있게 된다.
특히, 상술한 과정에서, 개량조성물의 경우, 차수층 조성 후, 용액이 추가될 수 없는 상황을 고려하였을 때, 미생물보다는 효소를 이용한 탄산칼슘 생성법이 적합하며, 본 발명의 요소분해효소 용액은 시중에 판매되는 콩가루를 그대로 이용하여 요소를 분해시키는 것으로, 효소를 추출하는 과정이 소요되지 않으며, 경제적으로 용이하다. 또한, 황산염을 침전반응을 통해 고형화시킴과 동시에 강성이 향상되고 투수계수는 차수층 기준에 만족할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

  1. 폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법에 있어서,
    상부 기반층으로 해성점토층, 하부 기반층으로 해성점토층, 상기 상부 및 하부 기반층 사이에 사질토층이 적층되는 구조의 친환경 차수층을 형성하되,
    증류수에 생콩가루를 투입하여 혼합한 요소분해효소액과 제설용 염화칼슘 용액 및 비료용 요소용액을 준비하는 1단계;
    상기 요소분해효소액에 혼합되는 생콩가루의 농도를 변화시켜 생성되는 탄산칼슘량을 통해 대상지 적용 요소분해효소용액의 농도를 산출 결정하고, 개량조성물을 형성하는 2단계;
    상기 해성점토층들 사이에 배치되는 상기 사질토층에, 액상의 상기 개량조성물을 도포한 샘플 차수층을 형성하는 3단계;
    상기 샘플 차수층에 대한 투수계수, 황산제거효율 및 전단 강성도를 산출하여 대상지에 적용할 차수층을 결정하는 4단계;
    차수층을 형성하기 위한 원지반을 굴착하여 대상지를 형성하고, 상기 해성점토층으로 이루어지는 상기 하부 기반층을 마련하는 5단계;
    상기 대상지 상에 상기 사질토층 상에 상기 개량조성물을 도포한 상기 4단계에서 결정된 차수층을 형성하는 6단계;
    상기 형성된 차수층 상에 상기 해성점토층으로 이루어지는 상기 상부 기반층을 형성하는 7단계;를 포함하는,
    폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 형성된 차수층은 사질토층에 상기 개량조성물을 상대밀도 70%의 1 공극 부피만큼 혼합되도록 하는,
    폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 개량조성물은,
    1M농도의 요소, 염화칼슘을 증류수에 용해한 혼합액 500ml에, 35g/L의 생콩가루가 증류수 500ml에 혼합된 액을 1:1의 부피 비율로 혼합한 액상조성물인,
    폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 3단계의 샘플 차수층의 형성단계는,
    투수계수 1×10-7cm/s 이하, 상부 및 하부 해성점토층의 함수비 15%로 조성하며,
    상기 3단계 이후, 전처리 압밀과정을 10~12kPa의 압력으로 수행하는,
    폐기물 매립시설의 친환경 차수층의 조성방법.
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