KR20070118380A - 수평배관을 이용한 감/가압 조절에 의한 토양과 지하수의 유류 및 유기물 오염의 동시 지중정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유류 및 유기화합물질들로 오염된 토양 및 지하수를 현장내 지중에서 동시에 처리하기 위한 것으로 수평 배관을 이용하여 감/가압에 의한 지중처리장치에 관한 것이다.

토양 내에 유류 및 유기오염물들을 처리하기 위해 종래에는 공기를 주입하여 오염물질을 휘발시키거나 호기성 미생물의 분해반응을 통해 처리하는 방법들이 사용되고 있으며, 일반적으로 대부분은 토양을 지상으로 높게 야적하여 토양층 내부로 산소를 공급시켜 줌으로써 미생물의 분해반응을 이용한 생물분해 방법을 사용하고 있다. 그러나 상기 방법은 처리 대상 부지의 확보가 어렵거나 유류 및 유기오염물들이 토양 하부로 이동하여 토양뿐만 아니라 지하수까지 오염되었을 경우에 적용의 한계점이 있어 토양과 지하수를 동시에 처리할 수 있는 방법의 필요성이 대두되었다.

따라서 본 발명은 유류 및 생분해성 유기물질로 오염된 토양과 지하수를 동시에 처리하기 위한 현장내 지중복원장치에 관한 것으로, 오염토양을 굴착하여 지하수위를 중심으로 하단과 상단에 각각 배관을 수평으로 설치한 후 원위치에 복토하여 하단배관에서는 공기 또는 고농도의 산소를 주입함으로써 토양 내 흡착되어 있는 저비중의 유동성 오염원을 상층부로 이동시키고, 상단에서는 브로워를 작동시켜 지중 토양으로 유동된 공기를 감압흡입 함으로써 휘발성유기오염물질을 지상으로 추출하며, 토양층 공극간에 산소의 유동성을 증가시켜 미생물 활성을 증진시키 고, 상부의 유동성 유기물질을 회수하여 유류 및 유기오염물을 효과적으로 제거할 수 있다. 특히 2단 수평배관 중 상단 배관에서의 감압과 가압을 교대로 운전함으로써 지중에서의 지하수 난류의 형성에 의한 흡착된 오염원의 거동 및 산소의 공급을 용이하게 하여 물리학적처리와 생물학적처리를 동시에 할 수 있는 장점이 있다. 또한 정화작업 과정 중 정화장치와 연결된 원거리 무인자동조절 시스템으로 지중에서 진행되는 유류분해 반응을 예측하고 조절을 가능하게 함으로써 효율적인 현장관리를 수행할 수 있다.

수평배관, 현장내처리법, 지중처리방법, 생물학적처리, 유류오염토양, 유기물오염토양, 지하수오염, 휘발성 오염원, 원격자동관리 시스템

Description

수평배관을 이용한 감/가압 조절에 의한 토양과 지하수의 유류 및 유기물 오염의 동시 지중처리 방법{Deep-site biopile system of soils and groundwater contaminated by petrobleum and organic matter using horizontal pipe with controlling pressure.}

도 1은 본 발명에 따른 수평배관 지중처리장치에 대한 전체구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 수평배관 지중처리장치에 대한 일부 상세도이다.

도 3은 수평배관이 지중에 설치된 상태를 나타낸 우측 단면도이다.

도 4는 수평배관이 지중에 설치된 상태를 나타낸 전면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 주입관 2 : 추출관

3 : 진공감압 에어 브로워 4 : 진공가압 에어 브로워

5 : 상단 유공관 6 : 하단 유공관

7 : 활성탄 흡착탑 8 : 에어필터

9 : 온도조절기 10 : 압력게이지

11 : PVC 수도관 12 : PVC T관

13 : PVC 엘보우 14 : PVC 볼밸브

15 : 자동측정센서 16 : 센서모니터링 시스템

17 : 원격통신 모뎀

본 발명은 지중 지하수가 다량 존재하는 유기성 오염토양을 효율적으로 처리하기 위한 지중복원장치에 관한 것으로서, 지중에 설치된 수평배관을 통하여 공기 또는 고농도의 산소를 주입하여 토양속 지하수내에 용존되어 있는 오염물과 토양 내 흡착되어 있는 오염물질을 동시에 제거하는 장치에 관한 것이다.

우리나라는 단기간에 이루어진 산업화와 자동차의 증가에 따라 국내 유류 사용량이 급격히 증가하여 선진국과는 달리 난분해성 유독물질들에 의한 오염보다는 상대적으로 유류오염이 토양 및 지하수의 가장 일반적인 오염원인으로 나타나고 있다. 국내에 산재한 주유소, 저유소 등의 석유류 저장시설 및 석유화학공장, 그리고 군사지역의 연료저장시설과 같이 토양환경보전법에서 토양오염유발시설로 지정된 시설들의 설비 노후화 및 취급 부주의 등으로 유출된 유류 및 유기오염물로 인한 토양오염은 간접적이고 만성적이며, 경제적으로나 시간적으로 완전복원이 어려운 특성을 가지고 있으며, 대부분의 저장연료는 복합성분의 석유계 탄화수소로 구성되어 있어 인체 및 토양생물에 유해한 성분들을 많이 함유하고 있기 때문에 이러한 오염토양에 대한 적절한 처리가 필요하다.

유류성분 및 유해화학 석유물질 등에 오염된 토양을 처리하기 위한 방법으로 종래에는 휘발유와 같이 휘발성이 강한 오염물질을 토양공극간의 압력차로 휘발을 자극하여 추출해 내는 토양증기추출방법(Soil Vapor Extraction)과 포화 대수층 내에 공기를 주입하여 오염물질을 휘발시킴으로써 제거하는 공기분산기법(Air Sparging)이 사용되고 있으며, 유류오염물질 중 휘발성물질의 함유량이 적은 고분자 형태의 오염물질은 통기과정 중에 대기로 휘발되지 않고 대부분이 생물학적 반응을 통해 저분자 생성물로 분해되므로 미생물과 영양염, 산소를 투입시켜 미생물의 활발한 분해반응을 통하여 처리하는 생물학적 통풍방법(Bioventing)이 사용되고 있다. 토양증기추출방법이나 공기분산기법은 토양의 특성상 발생하는 제한 요인이 다른 기술에 비해 적어 복원기간이 다소 짧고 소요되는 비용도 저렴하며 광범위하게 오염된 부지에 적합한 장점을 가지고 있지만 실트질이나 점토질의 비율이 높은 미세토양이나 매우 건조한 토양에서는 오염물들의 흡착능력이 높아 제거효율이 떨어지며, 생물학적 통풍방법은 지표아래 지하수가 분포되어 있는 경우에나 통기성이 낮은 토양에서는 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

지중 유류 및 유기오염원은 지중에서 처리하거나 오염토양을 굴착하여 지상으로 운반 후 정화하는 방안이 있는데, 오염부지가 낮은 깊이의 오염원일 경우에는 지상으로 굴착한 후 지표면에 낮은 높이로 야적하여 주기적으로 뒤집기를 실시함으로써 공기를 공급해주는 호기성 생분해 공정인 토양경작법(Landfarming)이 사용되어 왔다. 그러나 토양경작법은 낮은 높이로 넓게 야적하여 대기와의 접촉공간이 많아야 하므로 많은 처리공간이 필요하며, 휘발성 유기물질이 대기 중으로 비산되어 2차 오염을 일으키는 문제점이 있고 생분해 정화작업 시 미생물 활성에 필수적인 산소가 효율적으로 공급되도록 주기적으로 경작처리를 해야하는 단점이 있다. 이에 따라 좁은 부지에서 오염토양을 지상으로 높게 야적하고 토양층 내부로 관입한 유공관으로 산소를 공급시켜 줌으로써 미생물의 활발한 분해반응을 통하여 유류 및 유기오염물질을 처리할 수 있는 지상야적처리방법(Biopile)이 사용되고 있다.

지상야적처리방법은 오염토양을 굴착하여 지표면 바닥에 차수막과 배수로 등의 부지를 조성하여 부지 위에 오염토양을 상층부로 높게 쌓아 올린 후 오염토양 위로 차수막을 설치하고 토양층 내부에는 유공관을 설치하여 진공에 의한 감압 또는 가압의 공기를 공급하여 연속적인 공기흐름을 유도함으로써 토양의 기공에 잔류하는 유류 및 유기오염물의 증발을 촉진하여 제거한다. 이렇듯 좁은 부지에서의 적용이 가능하며 오염원을 기체상으로 변화시켜 처리함으로써 침출수 및 대기로 방출되는 휘발성 오염물질에 인한 제 2차 또는 3차 오염의 확산을 막을 수 있는 특징이 있지만 이 방법 역시 대상부지의 확보가 어렵고 지하수가 다량 포함된 토양의 경우 적용의 한계가 있으며, 정화토양의 양에 따라 장시간이 소요되는 문제점이 있다.

유류 및 유기오염물들은 발생초기 단계에 토양공극 사이에 잔류하나 오랜기간에 걸쳐 중력에 의하여 하부로 이동하여 장기적으로 토양뿐만 아니라 지하수 오염에 이르게 된다. 이러한 오염물이 암반층이나 지하수층에 퍼져 지하수 상부에서 거동되는 형태가 아닌 지하수 및 토양간극수에 용해되어 수용액상태로 존재하거나 토양 내 고체상태로 흡착되는 오염물 지연현상이 나타나게 된다.

이와 같은 지하수층의 오염원을 제거하기 위해 지상에 야적하여 처리하는 방법에는 한계가 있어 지하수를 대수층 밖으로 펌핑하여 지상에서 처리하는 방법이 사용되고 있으나, 유동성 오일만을 선택적으로 회수하고 지하수 중에 용존되어 있 는 오염원을 회수하거나 처리하기에는 한계점이 있었다.

이에 대상부지의 확보가 어려울 경우와 지하수 대수층 내에 용존되어 수용액상태로 존재하는 오염원을 직접 처리함과 동시에 토양에 흡착된 오염원을 동시에 제거하기 위한 지중처리방안이 필요하게 되었다.

본 고안은 정화부지 내에 유류 및 유기오염물로 오염된 지중에 지하수가 존재하여 지하수에 용해되어 있는 오염물을 직접 처리함과 동시에 토양 내에 흡착된 고체상태의 오염원을 제거하기 위해 부지 내 지중으로 직접 산소를 공급하여 지하수 중의 유기오염물을 미생물에 의해 생물학적으로 분해하는 담체형 생물학적 처리공법이다.

오염토를 굴착하여 원위치에 복토하기 전에 기존에 쓰이던 수직 유공관이 아닌 수평 유공관을 2단으로 설치하여 공기의 주입방법을 효과적으로 하는 동시에 유공관 설치 작업 시 오염된 토양층의 굴착에 따른 뒤집기가 수행되어 오염원의 균질한 배분과 영양분이나 미생물의 균등한 혼합이 가능하게 되어 처리효율이 증가하게 된다. 지중에 설치된 수평배관 중 하단배관에서는 공기를 주입함으로써 지하수내에 용존 되어 있는 오염원과 토양 내 흡착되어 있는 고체상태의 오염물질을 기체상태로 휘발시키며, 상단배관은 주입한 공기에 의해 휘발된 가스를 진공펌프를 이용하여 지상으로 추출하여 처리하는 기법으로 다량의 지하수와 함께 오염토양의 동시처리에 그 목적이 있다. 본 처리장치는 기존 지상야적처리방법을 지상부가 아닌 지중에 적용함으로써 공기의 주입/추출을 상황에 따라 병행하여 수행할 수 있으며, 공 기주입시 지하수 유체거동에 변화를 주어 산소가 효율적으로 전달되어 미생물의 활성을 촉진시킨다. 특히 적용부지의 토양공극이 클 경우, 공기주입시 지하수가 순환됨으로써 감압을 통한 추출이 효과적이며 대기로 방출되는 휘발성 오염물에 의한 2차 오염이 유발되지 않도록 처리할 수 있는 특징을 갖고 있다.

본 발명에 의한 수평배관 지중처리장치의 구성을 이하 첨부된 도면에 의해 설명하면 다음과 같다.

상기 전술한 바와 같이 본 발명 장치는 크게 토양 및 지하수가 오염된 부지의 지중에 설치된 파이프상의 주입관(1)과 추출관(2), 주입관을 통하여 산소를 공급하는 진공 가압 에어브로워(3)와 추출관을 통하여 가스를 추출하는 진공 감압 에어 브로워(4), 토양속으로 주입된 공기흐름이 토양의 일부분에서만이 아닌 전체적으로 원활히 확산되도록 하기 위하여 주입관과 추출관에 각각 연결되어 수평으로 설치된 하단 유공관(5)과 상단 유공관(6), 감압추출 브로워에 의해 대기 중으로 방출되는 휘발성(VOC) 물질을 포집하여 처리하기 위한 입상활성탄 흡착탑 장치(7), 현장장치 및 구조물에 영향을 미치는 환경 인자를 측정하기 위한 자동측정센서(15), 자동측정센서를 이용하여 토양의 상태를 감시하고 관리하기 위한 원격 자동감시 관리 장비인 원격통신모뎀(16)과 센서모니터링 시스템(17)으로 구성된다.

도 1은 본 발명인 수평배관 지중처리에 관한 전체 구성도를 나타낸 것이며 도 2는 일부상세도를 나타낸 예시도로서 지중에 공기 또는 산소를 주입 후 압력구배를 형성하여 토양에 존재하는 액상의 오염물질을 기체화 하여 추출하기 위한 진 공감압 에어 브로워(4)와 진공가압 에어 브로워(3)에 PVC 재질의 수도관(11)을 PVC T관(12)과 PVC 엘보우(13)를 사용하여 연결하고 PVC 볼밸브(14)를 체결하여 압력을 조절할 수 있게 하였으며 감압 브로워와 가압브로워 각각에 압력게이지(10)와 온도조절기(9)를 설치한다. 그리고 감압블로워에 에어필터(8)와 VOC 분해장치인 활성탄 흡착탑(7)을 배관으로 연결하였다. 진공감압 에어 브로워에는 상단 유공관을 진공가압 에어 브로워에는 하단 유공관을 연결하며 이들 유공관은 미세토양의 투입으로 인한 막힘현상을 최대한 줄이기 위하여 부직포로 전체를 감싸 수분과 기체만을 선택적으로 흡수하도록 제작하였다. 또한 브로워는 감압 및 가압을 교대로 운전할 수 있으며, 활성탄흡착탑은 기타 바이오필터 등의 다름 휘발성유기오염물 처리장치로 대체할 수 있다.

우선 지하수가 존재하고 있는 깊이 아래 오염원이 존재하는 근처까지 토양을 굴착하여 지중 지하수 내에 용존되어 있는 유류오염물을 처리하기 위한 하단 유공관을 지하수위 수면에 잠기도록 하층부 하단에 설치하고 지중 토양층내에 추출정을 하단의 주입정과 엇각으로 설치한다.

복토한 토양 상부에는 인력중심의 관리체계로 인하여 발생되는 고비용, 저효율적인 감시체계의 문제점을 보완하기 위하여 정화작업 현장에 설치한 장치 및 구성구조물에 영향을 미치는 여러 환경 인자와 토양의 상태 및 장치시설의 상태에 관한 정보를 수시로 측정. 조절하여 수집된 정보를 원격으로 중앙통제 센터에서 수신함으로서 오염부지 현장에서 발생하는 온도, 압력, 오염배출물질을 감시하고 관리하는 원격 자동감시 관리 장비를 설치할 수 있다. 이는 산소감지센서, 압력감지센 서, 온도감지센서, VOC 감지센서, 수분감지센서, 산소농도감지센서, pH감지센서 등이 장착되어 있는 자동측정센서를 오염부지내로 다수 관입하여 설치한 후 원격통신 모뎀과 센서모니터링 시스템으로 결합된 관리통신망에 무선 또는 유선으로 연결하여 토양의 정화상태와 장치의 운전상태를 원거리에서 자동감시 및 조절을 할 수 있도록 하였다.

상기와 같이 구성된 수평배관 지중처리장치는 하단 배관을 통하여 공기의 공급을 개폐밸브인 PVC 볼밸브를 조절하여 주입함으로서 지하수면 상층부에서부터 토양층에 이르기까지 휘발성 유기화합물들의 기체화를 촉진시키며 공기의 흐름이 원활히 유지되어 처리장치 내에 유류 및 유기물 분해 미생물의 활성효율을 최적상태로 유지하도록 구성되고 호기성 미생물의 활성유지를 위한 산소의 공급도 하단수평배관을 통해 공급시켜 준다.

또한, 통기성에 영향을 주는 함수율은 공기에 포화된 수분으로서 미생물 활성에 최적상태로 낮춰주기 위해 일반적으로 약 30 - 60 ％ 정도로 높은 압력의 공기를 주입함으로써 함수율의 양을 조절하며, 미생물 활성에 필수적 영양소인 질소와 인이 함유되어 있는 퇴비 및 화학약품을 처리장치의 설치 후 복토하기 전에 토양에 혼합하여 투입함으로써 지하수 및 토양층간의 오염원 분해를 가속화시키도록 한다.

상단 유공관을 통한 유류오염물 및 휘발성 물질 감압추출 작업은 지하수면과 토양 하층부에서부터 상층부로 이어지는 중간부분에 설치되어 작동되며 토출압에 의한 상층 압밀도를 증가시켜 진공 감압 에어 브로워의 감압속도를 떨어뜨리게 됨 으로써 토양 내의 통기도에 영향을 주지 않게 하기 위한 방안으로 압력계측 센서를 이용하여 측정되는 토양 공극층의 미세압력 변화치를 전송하여 압력계측기의 측정값을 지정된 값 이하로 떨어지지 않도록 자동 조절하였으며 일정한 값으로 조절된 기본값의 범위 내에 조정된 값이 아닐 경우 경보를 발생하게 하였다. 이러한 작업감시조건으로 가압 및 감압에어 브로워의 전력소비를 최대한 줄이는 효과를 가능하게 함과 동시에 기록된 자동측정값으로 토양내의 공극압을 설정하여 적절한 압력범위 내에서 일정시간을 두어 가압에어 브로워를 작동시켜 토양 하층부에서 상층부로 운전되도록 하며 가압브로워와 감압브로워를 교대로 작동시켜 토양의 공극압을 높임으로써 토양층의 통기성을 증가시켜 오염원의 분해 및 휘발성을 촉진시키도록 한다.

지중에 매설된 정화장치 구조물에 습도, 온도, 산소농도, VOC 농도, 압력을 측정할 수 있는 자동측정센서를 오염부지 내에 상부 유공관과 하부유공관의 교차점에 해당하는 곳에 관입 설치하고 복토한 토양 상부의 중앙 위치로 연결되는 원격통신 모뎀과 센서모니터링 시스템 장치에 부착하여 미생물 활성에 최적조건의 데이터 값을 측정하여 24시간을 평균으로 수신된 값을 초기값으로 자동기록하여 토양 내 형성되는 미세압력 또는 유효압력과의 상태를 자동으로 감시하고 조절함으로써 미생물의 유류분해활동을 유지하게 한다. 이에 따라, 수평배관 지중처리장치는 오염토양 및 지하수를 지중에서 수평으로 설치된 유공배관을 이용하여 토양내의 통기도를 향상시켜 미생물의 활성도를 최적화하여 오염물의 분해효율을 증진시켜 지하수면 상층부 및 토양층내에 흡착되어 있는 유류 및 유기성 오염물을 동시에 제거하기 위한 장치이며 가압 및 감압장치를 이용하여 정화 시 토양 공극층 압력변화를 측정하고 자동 제어하는 원거리 자동시스템으로 관리함으로써 보다 효과적인 현장 작업운전을 가능하게 하였다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 정화장치를 지상이 아닌 지중에 설치하여 처리함으로써 오염토양을 처리하기 위한 별도의 대지가 확보되지 않은 경우에도 처리가능하며, 부지 내 토양뿐만 아니라 지하수도 동시에 처리할 수 있도록 한 장치이다.

따라서, 실트나 점토질과 같이 미세토양으로 된 부지에서 가장 문제시 되는 공기 주입의 효과 면에서 수직 배관이 아닌 수평 배관을 상부과 하부에 2단으로 설치하여 적용함으로써 산소의 전달효율을 높이며, 수평배관을 설치하기에 앞서 토양 굴착 시 수행되는 뒤집기로 인한 혼합효과 및 공극율을 향상시키고 오염범위를 직접 확인하며 설치할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 또한, 자갈층과 같이 토양 공극이 큰 적용부지의 경우에는 공기주입시 지하수가 순환됨으로써 감압을 통한 추출이 효과적이며 동시에 추출된 휘발성 오염물을 부수적으로 처리함으로서 대기방출에 의한 2차 오염이 유발되지 않도록 하는 특징을 갖고 있다.

그리고, 부지 내 정화장치와 연결된 무인자동조절 시스템으로 지중에서 진행되는 유류분해 반응을 예측 가능하게 함으로써 효율적인 현장관리를 수행하게 하였다.

Claims (4)

1. 상기 정화장치를 지상이 아닌 지중에 설치함으로써 오염토 굴착에 따른 뒤집기가 수행되어 오염원의 균질한 배분과 영양분이나 미생물의 균등한 혼합이 가능하게 되어 처리효율이 증가하게 되는 지중처리장치
2. 토양 속으로 주입된 공기흐름이 토양의 일부분에서만이 아닌 전체적으로 원활히 확산되도록 하기 위하여 유공관을 수직이 아닌 수평으로 상단과 하단에 2단으로 설치하여 하단배관에서 공기를 주입하여 지하수내에 용존 되어 있는 오염원과 토양 내 흡착되어 있는 고체상태의 오염물질을 기체상태로 휘발시키며, 상단배관에서는 주입한 공기에 의해 휘발된 가스를 지상으로 추출하여 처리함으로써 오염된 지하수와 함께 토양의 동시에 효과적으로 처리하는 지중처리장치.
3. 상기 수평 유공관 외부를 부직포를 이용하여 전체적으로 감쌈으로써 수분과 기체만을 선택적으로 흡수하도록 제작하여 미세토양으로 인한 막힘 현상을 생기지 않도록 한 지중 수평배관 지중정화장치.
4. 정화작업 과정 중 정화장치와 연결된 원거리 무인자동조절 시스템으로 지중에서 진행되는 유류분해 반응을 예측하고 조절을 가능하게 함으로써 효율적인 현장관리를 수행할 수 있는 자동감시장치.

Images