KR20090008844A - 토양 오염물질의 정화장치 및 그 정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열탈착공법에 의한 고농도 유류오염지역 복원 실시 후 잔류하는 저농도 유류오염 대수층에 고온 및 중온의 공기를 주입하여 대수층내 생물학적 활성도 높이기 위한 유류오염물질의 정화장치 및 정화방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 정화장치는, 유류에 의해 오염된 토양층(1) 내에 매설되어 토양층(1)에 공기를 주입하는 주입정(11)과, 상기 주입정(11)의 입구에 연결되어 주입정(11)으로 공기를 공급하는 공기주입기(12)와, 상기 주입정(11)과 상기 주입기(12)사이에 설치되어, 상기 공기주입기(12)로부터 상기 주입정(11)으로 공급되는 공기를 가열하는 공기가열기(13)와, 토양층(1) 내에 매립되어 상기 가열된 공기에 의하여 휘발된 유류 오염물을 외부로 배출하는 추출정(21)과, 상기 추출정(21)의 출구에 연결되어 유류 오염물을 배출시키는 공기배출기(23)과, 유류로 오염된 토양층(1)과 지하수층(2)의 실시간 진단을 위한 토양진단측정부(31)와 상기 토양진단측정부(31)에서 측정된 실시간 데이터를 통하여 공기주입모드, 공기주입시간, 공기주입온도를 제어하는 실시간 제어평가부(32)를 포함하며, 이를 통하여, 유류로 오염된 토양층(1)의 토착미생물의 활성화를 통한 유류생분해능의 증진시킴으로써 디젤유와 같은 저휘발성 유류 등도 짧은 기간 내에 손쉽게 제거할 수 있다.

토양오염, 정화, 유류, 중/고온공기, 연속/간헐 공기주입, 공지주입정화법

Description

토양 오염물질의 정화장치 및 그 정화방법{Apparastus purificating Non Aqueous Phase Liquids of soil and thereof method}

본 발명은 가솔린이나 디젤과 같은 유류 등에 의해 고농도로 오염된 토양 및 지하수를 복원하기 위한 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고농도의 유류로 오염된 토양과 지하수를 20℃~150℃의 고온공기를 토양층 내에 주입 및 추출과 동시에 토양층 내 토착미생물 중 유류제거균주의 유류제거능을 증대시킴으로써 고농도의 유류에 의해 오염된 토양층과 지하수에서 오염물을 신속하게 제거함과 동시에 타 공법에 비하여 더 경제적이고 안정적인 결과를 얻을 수 있는 중온 및 고온 공기의 선택적 주입을 이용한 토양 오염물질의 정화장치 및 그 정화방법에 관한 것이다.

계속적인 경제발전과 소득수준이 향상되면서 에너지 소비량의 증가에 따른 환경오염이 심화될 것으로 예상되고 있다. 특히 산업 활동과 자동차 보급대수의 증가와 함께 유류사용량이 증대되면서 주유소를 비롯한 유류 저장시설의 수는 1980년대 이후 크게 증가하였다. 이에 따라 주유소와 유해화학물질을 저장하고 있는 산업시설에서의 지하저장탱크에서 오염물질(NAPLs; Non Aqueous Phase Liquids)로 분류 되는 유류 및 유해화학물질의 유출로 인한 토양층 및 지하수오염 문제가 부각되고 있다. 또한 국내의 경우 12,000여개의 주유소가 영업 중에 있으며, 토양오염을 유발하는 산업체까지 포함하면 그 숫자는 약 20,000여개 이상이 된다. 특히 주유소의 지하 유류저장탱크의 경우에는 준공 후 5년 미만의 시설은 약 1.8%, 11~25년이 된 시설의 경우에는 대부분 유류누출의 문제를 안고 있는 것으로 알려져 있으며, 이에 토양층이나 지하수의 오염사고가 증가하고 있는 추세에 있다.

토양은 물이나 공기와 달리 불균일(heterogeneous)하고 운반성이 나쁘며 중량이 크기 때문에 공정상 제어가 쉽지 않다. 또한 처리지역의 현장조건에 따른 변수로 인해 단기간의 연구로는 적절한 복원기술의 확립이라는 기대 효과를 얻기 힘들다. 대표적인 토양층ㆍ지하수 오염원인 유류오염물질은 어떤 한계 이하로 떨어지지 않는 잔존현상(tailing effect)으로 정화에 많은 시간이 소요된다. 오염된 토양층ㆍ지하수의 정화는 단일 기술에 의해서는 충분한 복원이 어려우므로, 여러 가지 종합적인 처리기술을 필요로 한다.

현재까지 유류오염물질로 인한 토양층 및 지하수의 정화를 위해서 다양한 기술이 개발되어 적용하고 있다. 유류오염물질에 의한 지하수의 정화를 위해서 전통적으로 지상회수처리법(pump-and-treat)이 주로 사용되었으나, 이 처리방법만으로는 지하의 고정상(immobile phase)으로 존재하는 오염물질(NAPLs)을 완전히 제거하는 것이 불가능한 것으로 밝혀지고 있다. 따라서 최근에는 토양층 및 지하수내의 잔류 오염물질(NAPLs)을 제거하는 공법으로 토착미생물의 활성도를 증가시키는 생물 복원기술(bioremediation)이나 자연 정화기술(natural attenuation), 토양 세척 기술(soil flushing)이 많이 적용되고 있다.

대표적인 유류오염토양 정화방법으로 토양가스추출법(soil vapor extraction; SVE)이 운전의 용이함 및 경제적 효과측면에서 많이 사용되어 왔다. 그러나 이 방법은 고농도의 유류에 의한 토양오염에 적용할 경우 시간이 경과되면서 휘발성이 낮은 유류 성분비율이 증가함에 따라 아주 낮은 농도까지의 처리가 어렵고 추출가스의 2차처리가 필요하며, 포화층에는 적용하기 어려운 단점이 있다.

때문에 최근 유류오염물로 오염된 토양층 및 지하수의 정화를 위해서 공기주입 및 추출(air sparging/soil vapor extraction)시스템을 많이 이용하고 있다. 이 방법은 포화층에 공기를 주입하여 유류오염물질의 휘발을 증가시켜 불포화층에서 휘발가스를 추출하는 방법으로 SVE(Soil Vapor Extraction)에 의한 처리효율을 극대화시킬 수 있고, 휘발성이 높은 물질에 대해 빠른 기간 안에 처리가능하며. 포화층의 오염원에 대해서도 처리 가능한 정화기술이다. 그러나 전체 유류사용량의 25%에 이를 정도로 토양오염 물질로서 매우 중요한 부분을 차지하고 있는 디젤의 경우 대부분의 구성 물질이 비휘발성이므로 SVE로는 적절히 처리될 수 없다.

대표적 저휘발성 유류인 디젤은 토양오염을 유발하는 대표적인 유류 오염원중 하나로, 휘발성과 용해도가 낮아 오염물의 확산이 느리며 오염물질(NAPLs) 상태로 토양 불포화층을 통해 수직 이동하여 지하수면에 축적된다. 또한 불포화층 토양의 공극사이에 모세관현상에 의해 잔류하여 잔류포화(residual saturation) 상태로서 지하수의 장기적인 오염원으로 작용하게 된다. 디젤은 200여종의 유기화합물로 구성되어 있으며, 이중 약 70%이상이 파라핀계 물질로서 이들 물질들은 토양 미생 물에 의해 분해가 용이한 성분들로 알려져 있다.

따라서 미생물의 활성도를 유지시킬 수 있는 조건(온도, 영양물질, pH, DO 등)하에서 디젤의 생분해는 매우 효과적으로 알려져 있다. 최근 디젤이 잔류 포화된 토양 불포화층의 정화를 위해서 생물학적인 처리방법인 현장 생물 촉진법(in situ bioremediation)이 많이 이용되고 있다.

여러 가지 복원기술들은 각각 장단점을 가지고 있으며 오염토양의 정화를 위해서는 현장토양의 조건과 오염원의 특성에 적합한 정화기술을 적용하는 것이 무엇보다도 중요하다. 처리지역의 오염물의 농도가 고농도일 경우에는 물리ㆍ화학적인 처리방법을 먼저 적용한 후 생물학적 처리방법과 같은 다른 기술을 함께 병행하는 것이 복원에 있어서 더 경제적이고 안정적인 결과를 얻을 수 있을 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 복원방법의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 고농도의 유류로 오염된 토양층과 지하수를 20℃~150℃의 고온공기를 토양층 내에 주입 및 추출과 동시에 토양 내 토착미생물 중 유류제거균주의 유류제거능을 증대시킴으로써 고농도의 유류에 의해 오염된 토양층과 지하수에서 오염물을 신속하게 제거함과 동시에 타 공법에 비하여 더 경제적이고 안정적인 결과를 얻을 수 있는 중온 및 고온 공기의 선택적 주입을 이용한 토양 오염물질의 정화장치 및 그 정화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적으로는 유류오염토양을 보다 경제적이며, 안정 적인 유류오염물을 제거하기 위하여 토양층 내 설치된 토양진단측정부를 통하여 전송되는 데이터를 분석함으로써 실시간 제어평가부를 이용하여 주입공기의 온도 및 주입방법을 자동으로 제어함으로써 오염토양 내 반응상태에 따라 최적의 운전조건을 제시함으로써 고농도의 유류제거효율을 증대시킬 수 있으며, 더 나아가 전력사용량 및 관리인원을 감소시킬 수 있음으로 유류오염토양 복원사업의 운영비용을 절감시킬 수 있는 유류오염토양의 정화방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 유류오염토양의 정화장치는 유류로 오염된 토양층 내에 매설되어 토양층에 공기를 주입하는 주입정과, 상기 주입정의 입구에 연결되어 주입정으로 공기를 공급하는 공기주입기와, 상기 공기주입기와 상기 주입정의 사이에 설치되어 상기 주입정으로 흐르는 공기를 가열하는 공기가열기와, 상기 토양층 내에 매립되어 주입된 중, 고온 공기에 의하여 휘발된 유류 오염물을 외부로 추출하는 추출정과, 상기 추출정의 출구에 연결되어 유류 오염물을 배출시키는 공기배출기와, 유류로 오염된 토양층 내 정확한 처리 상황을 진단하고, 토양층 및 지하수를 복원할 경우 복원 과정 중 운영 진단을 위하여 총유류탄화수소(TPH), 용존산소(DO), 이산화탄소(CO₂)의 농도 및 온도, 및 주입공기유량을 측정하여 실시간 모니터링하도록 토양층과 지하수층에 걸쳐 매립된 토양진단측정부와, 상기 토양진단측정부로부터 얻어진 데이터를 분석함으로써 최적의 운전조건을 실시간 제어할 수 있는 제어평가부로 구성된 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 고농도의 유류로 오염된 토양층과 지하수를 20℃~150℃의 고온공기를 토양층 내에 주입 및 추출과 동시에 토양층 내 토착미생물 중 유류제거균주의 유류 제거능력을 증대시킴으로써, 고농도의 유류에 의해 오염된 토양층과 지하수에서 오염물을 신속하게 제거함과 동시에 타 공법에 비하여 더 경제적이고 안정적인 결과를 얻을 수 있는 정화장치를 제공하는 것으로서, 오염토양 부지 내 상황에 따라서 탄력적으로 운영이 가능함으로써 토양복원기간을 크게 단축시킬 수 있으며, 안정적이며, 경제적으로 오염물을 제거할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면, 연속 및 간헐 공기주입방식과, 중온 및 고온 공기주입방식을 오염토양 특성에 따라서 선택적 진단 및 제어함으로써 고농도의 유동성유류를 동시에 제거할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 하기의 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

[실시예 1]

도1은 본 발명에 따른 정화장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도2는 본 발명의 유류오염토양 정화방법의 개념도이다.

본 발명에 의한 유류오염토양의 정화장치는, 유류로 오염된 토양층(1) 내에 매설되어 토양층(1)에 공기를 주입하는 주입정(13)과, 상기 주입정(13)의 입구에 연결되어 주입정(13)으로 공기를 공급하는 공기주입기(11)와, 상기 공기주입기(11)와 상기 주입정(13)의 사이에 설치되어 상기 주입정(13)으로 흐르는 공기를 가열하 는 공기가열기(12)와, 상기 토양층(1) 내에 매립되어 주입된 중, 고온 공기에 의하여 휘발된 유류 오염물을 외부로 추출하는 추출정(21)과, 상기 추출정(21)의 출구에 연결되어 유류 오염물을 배출시키는 공기배출기(22)와, 유류로 오염된 토양의 정확한 처리 상황을 진단하고, 토양층(1) 및 지하수층(2)을 복원할 경우 복원 과정 중 운영 진단을 위하여 총유류탄화수소(TPH), 용존산소(DO), 이산화탄소(CO₂)의 농도 및 온도, 및 주입공기유량을 측정하여 실시간 모니터링하도록 토양층과 지하수층(2)에 걸쳐 매립된 토양진단측정부(31)와, 상기 토양진단측정부(31)로부터 얻어진 데이터를 분석함으로써 상기 공기주입기(11), 공기가열기(12) 및 공기배출기(22)의 최적의 운전조건을 실시간 제어하는 실시간 제어평가부(32)로 구성된다.

상기 주입정(13)은 상기 토양층(1)의 하측 지하수층(2)의 수면 아래까지 도달하는 깊이로 매립되고, 상기 추출정(21)은 상기 지하수층(2)의 지면의 상부에 배치되도록 함으로써, 기체 상태의 유류 뿐 아니라, 토양 공극에 액체 상태로 존재하는 유류와 지하수도 동시에 추출할 수 있도록 한다.

상기 토양진단측정부(31)는 상기 지하수층(1)의 수면 아래까지 도달하는 깊이로 매립되며, 상황에 따라서 상기 토양층(1) 및 지하수층(2)을 동시에 모니터링 할 수 있도록 한다.

또한, 유류로 오염된 부지가 넓을수록 신속하게 유류를 제거할 수 있도록 상기 주입정(13)과 추출정(21), 그리고 토양진단측정부(31)는 오염부지 내에 소정 간격을 두고 다수 개가 설치되도록 한다.

상기 공기주입기(11), 공기가열기(12), 공기배출기(22) 및 제어평가부(32)는 설치된 상기 주입정(13)과 추출정(21)을 원활한 제어를 위하여 오염부지 내 소정의 장소에 설치되도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 정화방법은, 공기가열기(12)로 공기를 가열하는 단계와, 상기 가열된 공기를 오염된 토양층 내에 매립된 주입정(13)을 통하여 주입하는 단계와, 상기 가열된 공기에 의해 휘발된 유류 오염물을 토양층 내에 매립된 추출정(21)을 통하여 추출하여 제거하는 단계로 이루어지며, 이를 보다 경제적이고 안정적으로 운전하기 위하여 실시간 제어평가부(32)를 통하여 제어한다. 여기서, 상기 공기가열기(12)에서 가열되는 공기의 온도는 열적탈착 및 생물반응을 증진시킬 목적일 경우 100℃~150℃로 가열하는 것이 바람직하며, 총유류탄화수소(TPH)를 토착미생물을 이용하여 생물학적 처리방법만을 이용할 경우 20℃~100℃로 가열하는 것이 바람직하다.

아울러, 상술한 단계들이 진행되면서, 토양진단측정부(31)로부터 전송되는 데이터를 분석함과 동시에 실시간 제어평가부(32)를 통하여 토양의 온도를 미생물들이 활동하기 적합한 온도인 20℃~40℃로 유지시킴과 동시에 생물반응 후, 토양층 및 지하수층에 부족한 용존산소를 상기 주입정(13)을 통하여 가열된 중, 고온의 공기를 공급함으로써 유류제거 토착미생물의 유류제거능을 증대시키는 최적의 조건을 만들어줌으로써 보다 신속하고 경제적이며, 안정적으로 유류를 처리할 수 있다.

상기 공기주입기(11), 공기가열기(12), 주입정(13), 추출정(21) 및 공기배출기(22)로 이루어진 운영부와 측정부인 상기 토양진단측정부(31)에서 측정된 데이터 를 제어부인 실시간 제어평가부(32)로 송출하게 되며, 송출된 데이터는 실시간 제어평가부(32)에서 기초 설계인자를 통하여 시뮬레이션한 후, 현재 토양층(1)의 상황을 진단함으로써 제어부를 통하여 운영부를 실시간 운전한다.

도3은 유류오염토양의 실시간 제어평가부의 구성도를 도시한 것으로, 다음 [표1]에서 보여주는 것과 같이 구성된다.

[표 1] 유류 오염 토양 실시간 제어평가부의 구성요소

Firewall Layer	인터넷망과 연결 및 외부운영자에게 Data제공 (Web Browser 형태로 제공), 외부접속자로부터 내부 시스템 및 자료 보호구축
PLC System	PLC System 각종 현장 수질분석계측기로부터 현장 운전값을 전송하며, 현장기기들을 감시제어
운전자 제어감시화면 (Operator's Console)	PLC로부터 실시간으로 입력되는 자료를 운영자에게 보고서를 출력하거나 화면으로 보여주며, 운영자가 화면을 통하여 현장기기들을 집적 제어하거나, 운전모드(PLC 단독운전 또는 DAIM 시스템에 의한 운전)절환
Web Server Layer	인터넷망을 이용하여 다수의 외부 접근 Client로부터 요구하는 정보를 제공하는 프로그램으로 구성
HMI Support Task Layer	Web을 통한 사용자 Interface를 제공하는 모듈로 Parameter의 설정, Data의 검색, 계측값 변화추이 Chart등의 Display기능 제공
Data Base Layer	현장에서 계측된 자료 및 내부 DAIM에서 처리된 자료의 보관
OPC Server Layer	표준 OPC Protocol 을 이용한 PLC와 통신담당
Comm. Task Layer	OPC Client기능을 담당하며 Application과 OPC Server의 중계역활
DAIM Solver Layer	DAIM의 알고리즘구현 모듈

또한, 도4는 본 발명의 유류오염토양의 정화방법의 제어평가부 개념도로서, 실험실 규모의 중, 고온 공기의 선택적 주입을 이용한 토양 오염정화장치 및 생물학적 정화방법의 개발 실험을 통한 기초설계인자를 이용하여 구성된 시뮬레이션을 통하여 공기주입모드 및 공기주입온도를 결정하게 되며, 이를 통하여 토양층(1) 내 유류의 열적탈착과 함께 토양층 내 적절한 용존산소(DO)를 공급함으로써, 토착미생물의 유류제거능을 극대화할 수 있도록 실시간 제어 평가할 수 있도록 한다.

[실시예 2]

도5는 중, 고온 공기의 선택적 주입을 이용한 토양 오염정화장치 및 생물학적 정화방법의 개발을 위한 디젤 제거 실험반응기(높이 50cm, 너비 80cm, 폭 15cm의 2D plexiglas box)의 구성도로서, 실험반응기는 주유소 부근 현장 오염토양에서 채취한 토양을 바닥에서 45cm 높이로 채운 후 용존산소를 제거한 증류수를 바닥에서 40cm 높이까지 채워 포화층을 구성하였다. 또한, 같은 부지 내 오염토양 내 토착미생물을 배양하기 위하여 BSM배지(1% Diesel)에 4주간 디젤 분해 미생물을 배양한 후 각각의 시료채취부에 5㎖씩 주입하였다.

또한, 실험반응기는, 도1에서 도시한 본 발명의 개념도와 같이 구성하였으며, 구성장치는 반응기 내 공기주입량을 조절할 수 있는 유량계, 주입공기의 온도를 조절할 수 있는 가열기, 그리고 공기배출부로 구성하였으며, 반응기 내 총석유탄화수소(TPH), 온도, 용존산소(DO), 이산화탄소(CO₂)의 농도를 측정할 수 있는 총 12개(상하 10cm, 좌우 20cm 간격)의 시료채취부로 구성되었다.

[연속/간헐 공기주입법에 따른 반응기 내 용존산소 분포변화에 관한 실험]

도6은 연속중온 공기주입법의 주입공기량에 따른 반응기 내 용존산소 분포도를 도시하였으며, 도7은 간헐중온 공기주입법의 주입시간에 따른 용존산소 분포도를 도시하였다.

유류오염토양 복원을 위한 본 발명의 공기주입법은 주입되는 공기는 용존산소의 직접적인 공급원으로 작용하고 유류오염물의 이동과 생물학적 활성도에 영향을 미친다.

하지만 과도한 공기주입량은 영향반경 내에서 한쪽 방향으로만 채널링(channeling) 현상을 유도하기 때문에 공기주입에 따른 유류의 휘발 효과를 저감시킬 수 있으며, 공기주입방식을 연속 혹은 간헐 공기주입으로 운전하는 것에 따라 대수층 전체의 오염원과 물의 혼합양상이 달라질 수 있다.

연속 공기주입법은 수리전도도를 저하시켜 영향반경내의 물질 간 혼합에 효과적이지 못할 수 있으며, 간헐 공기주입법에서의 채널(channel)은 공기주입이 중지된 기간 동안 붕괴, 소멸하게 되면서 외부의 지하수 혹은 오염원으로 channel 내부가 채워짐으로 정체된 공기는 용존산소의 전달원으로 작용할 수 있다.

따라서 오염토양 부지 내 수리전도도 및 상황에 따라서 주입공기의 주입방식의 변화가 필요하며, 이를 확인하기 500~3000㎖/min의 공기주입량에서 공기주입방식(air injection mode)을 달리 적용하였을 때의 용존산소의 분포를 알아보았다.

도6에서 도시한 바와 같이 1000㎖/min의 공기량으로 연속 주입하였을 때 센터 포트(C5, C15, C25, C35)의 용존산소(DO)농도는 6.3~6.8ppm으로 가장 높게 측정되었고, 1500㎖/min 이상으로 공기주입량을 증가시켰을 때는 1000㎖/min 보다 용존산소(DO)농도가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 과도한 공기주입으로 인해 channel이 토양층에 고르게 분포하지 못하고 직경이 큰 규모의 channel이 한 방향으로 형성, 산소전달 효율이 감소되어 나타난 현상이다.

도7은 연속 주입방식에서 가장 큰 용존산소(DO)농도의 증가를 나타낸 1000㎖/min의 공기주입량에서 공기주입방식을 간헐 공기주입 조건으로 변화시켜 실험한 결과, 1000㎖/min(15min on, 15min off)조건에서 센터 포트의 용존산소(DO) 농도가 6.8~8ppm으로 1000㎖/min의 공기량으로 연속 주입하였을 때보다 높게 측정되어 간헐 공기주입이 연속 공기주입보다 포화층의 용존산소(DO) 농도를 증가시키는데 더 효과적으로 나타났다. 이는 간헐 공기주입 조건에서 공기주입이 중지된 기간 동안, channel이 붕괴될 때 channel의 영향이 덜 미치는 지역에서의 오염원과 지하수가 channel로 이동하는 효과와 channel을 통과하는 공기입자가 기체 액체 평형을 이루기에 충분한 체류시간으로 channel 내에 정체하여 산소전달원으로 작용하기 때문이다.

따라서 유류오염토양의 복원을 위한 본 발명의 대부분의 운전비가 공기주입와 배출가스처리에 이용되는 전력비임을 감안할 때, 본 발명의 현장적용 시 최적의 공기주입량과 간헐 공기주입은 운전비 절감의 효과를 가져다 줄 것으로 예상된다.

[공기주입 방법 및 공기주입 온도에 따른 반응기 내 온도 경향]

도8은 공기주입방법 및 공기주입 온도에 따른 반응기 내 온도경향을 도시하였다. 공기주입방법은 상기한 연속주입법(공기유량 1000㎖/min)과 간헐주입법(공기유량 1000㎖/min : 10분 주입, 10분 미주입)과 동일하였다.

공기주입 온도는 공기가열기를 통하여 80℃의 공기를 주입한 고온공기주입법과 공기를 가열하지 않은 20℃의 공기를 주입한 중온공기주입법으로 공기를 반응기 내 주입하였다.

도8에서 보여주듯이 간헐고온공기주입법으로 공기를 주입한 결과 반응기 내 channel을 통과하는 고온의 공기입자가 기-액 평형을 이루기에 충분한 체류시간으로 channel 내에 정체하여 산소전달원으로 작용하고 때문에 간헐저온공기주입법에 비하여 토양층 내 미생물들이 활동하기 적합한 온도인 25℃~35℃로 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 연속고온주입법에 비하여 실험반응기 내 토양의 온도가 전체적으로 분산되는 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 3]

탄화수소류의 생물학적 분해량과 분해속도는 전자수용체와 영양분의 양과 질, 미생물의 종류와 물질 대사능력 그리고 유기 오염물 (탄화수소류)의 양과 구성의 영향을 받는다. 낮은 분자량 (C₁₀∼C₂₄)을 가지는 지방족, 올레핀 그리고 방향족계열의 물질이 생물학적 분해율이 매우 높으며, 석유계 탄화수소류의 생물학적 분해정도는 오염물의 분자량과 농도 그리고 분포도에 따라 영향을 받게 된다. 따라서 간헐공기주입방식과 공기주입온도에 따른 디젤 생분해 실험을 실시하였으며, 43일간의 운전기간 중 용존산소(DO)농도와 일산화탄소(CO₂)발생량, 총석유탄화수소(TPH)농도 저감 및 미생물량을 측정하였다.

[공기주입방식과 공기주입온도에 따른 디젤 생분해 실험]

도9는 간헐 중, 고온 공기주입에 따른 반응기 내 총석유탄화수소(TPH) 농도 변화를 도시하였으며, 도9에서 도시하였듯이 초기 약 0.590㎎(590㎎/ℓ)인 C15 포트의 총 석유탄화수소(TPH) 농도는 시간이 지남에 따라 감소, 간헐중온공기주입법의 경우 43일 후 0.012㎎(12㎎/ℓ)으로 분석되었으며, 간헐고온공기주입법의 경우 5일 후 급격히 감소한 후 43일 후 0.001㎎(1㎎/ℓ)으로 분석되었다. 이는 간헐고온공기법의 경우 고온의 공기로 인하여 총 석유탄화수소(TPH)의 증기압을 증가시킴으 로써 휘발에 의한 총 석유탄화수소(TPH)의 제거뿐만 아니라 반응기를 미생물이 활동하기 좋은 25℃~35℃로 유지할 수 있음으로 유류의 생물학적 제거능이 증대된 것으로 사료되며, 미생물의 유류 제거능의 증대를 간접적으로 알아볼 수 있는 지표로써 용존산소의 저감과 이산화탄소(CO₂)의 생성량을 비교하여 보았으며, 그 결과는 도10과 도11과 같다.

도10은 간헐 중, 고온 공기주입에 따른 반응기 내 용존산소농도 변화를 도시하였으며, 도11은 간헐 중, 고온 공기주입에 따른 반응기 내 일산화탄소(CO₂)농도 변화를 도시하였다. 도10과 도11은 스파징(sparging)을 중지하였을 때 용존산소의 감소와 이산화탄소(CO₂)발생량의 증가를 나타내고 있다. 간헐중온공기주입법에 비하여 간헐고온공기주입법의 용존산소 농도 감소와 이산화탄소(CO₂) 농도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.

공기주입을 중지하였을 때의 용존산소(DO) 농도의 감소와 이산화탄소(CO₂) 발생량의 증가는 석유계탄화수소의 생물학적 분해의 증거로 볼 수 있으며, 용존산소(DO)농도의 감소는 미생물이 디젤을 생분해하는 과정에서 용존산소를 전자수용체로 사용하기 때문으로 사료되며, 석유계탄화수소 1g을 호기적 조건에서 생분해하기 위해서는 산소 3.53g이 필요한 것으로 알려져 있다.

도12는 간헐 중, 고온 공기주입에 따른 반응기 토양층 내 잔류 총 석유탄화수소(TPH)농도를 도시하였으며, 도13은 간헐중온공기주입에 따른 반응기 수용액 내 총 석유탄화수소(TPH) 농도를 도시하였다. 또한 도14는 간헐고온공기주입에 따른 반응기 수용액 내 총 석유탄화수소(TPH) 농도를 도시하였다.

도12에서 도시하듯이, 간헐 중, 고온 공기주입법에 의하여 디젤이 상향류 공기흐름에 의해 상부로 이동한 것을 알 수 있다. 이는 디젤의 경우 물보다 비중이 작은 LNAPLs(Light Non Aqueous Phase Liquids)이고, 간헐 중, 고온 공기주입법에 의해 주입된 공기는 부력에 의해 상향류의 흐름을 가지기 때문에 C15 포트보다 하부에 위치한 C5 포트로의 디젤의 이동은 크게 나타나지 않았다.

또한, 도13과 도14에서 도시하였듯이, 43일 후 C5 포트의 총 석유탄화수소(TPH) 농도는 간헐중온공기주입법에 비하여 간헐고온공기주입법의 농도가 크게 저감된 것을 확인할 수 있는 데, 이는 간헐고온공기주입법을 적용할 시 복원기간의 단축 및 디젤과 같은 저휘발성 오염물의 제거율 향상을 보여주는 결과로써 고온공기를 주입함으로써 휘발에 의한 효과증대 이외에 미생물에 의한 분해를 기대할 수 있다.

도15는 간헐 중, 고온 공기주입에 따른 총 석유탄화수소(TPH) 저감속도를 도시하였으며, 실험기간 43일 동안의 총석유탄화수소(TPH)의 농도 감소를 비선형회귀분석을 통하여 감소곡선으로 계산한 결과이다. 실험반응기 C15 포트에서 수용액상 총 석유탄화수소(TPH) 농도의 급격한 감소는 간헐 중, 고온 공기주입법의 상향류 공기이동에 의한 디젤의 확산과 토양층 내 흡착 효과로 볼 수 있으며, 하기의 [식 1]과 [식 2]는 각각 간헐중온포기법과 간헐고온포기법일 때의 저감속도를 나타낸다.

[식 1]

Y = 0.6598 × exp(-0.1310X) R² = 0.9963

[식 2]

Y = 0.8458 × exp(-0.3486X) R² = 0.9920

도16은 간헐 중, 고온 공기주입에 따른 반응기 토양층 내 미생물량을 나타낸 것으로 간헐 중/고온 공기주입법 실험종료 후, 각각의 샘플 포트에서의 채취한 토양을 Standard total plate count methods를 이용하여 화석군(colony)을 계수, colony/g soil로 환산한 결과이다. 도16에서 보는 바와 같이, 간헐 중온공기주입법에 비하여 간헐고온공기주입법이 상대적으로 미생물의 계체수가 많은 것으로 보아 미생물의 활성도가 더 높은 것으로 나타났다.

도 1은 본 발명의 유류오염토양 정화장치의 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명의 유류오염토양 정화방법의 개념도,

도 3은 본 발명의 유류오염토양 실시간 제어진단부의 구성도,

도 4는 본 발명의 유류오염토양 정화방법의 평가부 개념도,

도 5는 디젤 제거 실험반응기 구성도,

도 6은 연속중온공기주입법의 주입공기량에 따른 반응기 내 용존산소 분포도,

도 7은 간헐중온공기주입법의 주입시간에 따른 반응기 내 용존산소 분포도,

도 8은 공기주입 방법 및 공기주입 온도에 따른 반응기 내 온도경향 그래프,

도 9는 간헐 중/고온 공기주입에 따른 반응기 내 TPH농도 변화 그래프,

도 10은 간헐 중/고온 공기주입에 따른 반응기 내 용존산소농도 변화 그래프,

도 11은 간헐 중/고온 공기주입에 따른 반응기 내 CO₂농도 변화 그래프,

도 12는 간헐 중/고온 공기주입에 따른 반응기 토양층 내 잔류 TPH 그래프,

도 13은 간헐중온공기주입에 따른 반응기 수용액 내 TPH 그래프,

도 14는 간헐고온공기주입에 따른 반응기 수용액 내 TPH 그래프,

도 15는 간헐 중/고온 공기주입에 따른 TPH 저감속도 그래프,

도 16은 간헐 중/고온 공기주입에 따른 반응기 토양층 내 미생물 분포 그래 프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 주입정 12 : 공기주입기

13 : 공기 가열기 21 : 추출정

22 : 공기배출기 31 : 토양진단측정부

32 : 실시간 제어평가부

Claims (6)

1. 유류로 오염된 토양층(1) 내에 매설되어 토양층(1)에 공기를 주입하는 주입정(13)과;

   상기 주입정(13)의 입구에 연결되어 주입정(13)으로 공기를 공급하는 공기주입기(11)와;

   상기 공기주입기(11)와 상기 주입정(13)의 사이에 설치되어 상기 주입정(13)으로 흐르는 공기를 가열하는 공기가열기(12)와;

   상기 토양층(1) 내에 매립되어 주입된 중, 고온 공기에 의하여 휘발된 유류 오염물을 외부로 추출하는 추출정(21)과;

   상기 추출정(21)의 출구에 연결되어 유류 오염물을 배출시키는 공기배출기(22)와;

   유류로 오염된 토양층의 정확한 처리 상황을 진단하고, 토양층(1) 및 지하수층(2)을 복원할 경우 복원 과정 중 운영 진단을 위하여 총유류탄화수소(TPH), 용존산소(DO), 이산화탄소(CO₂)의 농도 및 온도, 및 주입공기유량을 측정하여 실시간 모니터링하도록 토양층(1)과 지하수층(2)에 걸쳐 매립된 토양진단측정부(31)와;

   상기 토양진단측정부(31)로부터 얻어진 데이터를 분석함으로써 상기 공기주입기(11), 공기가열기(12) 및 공기배출기(22)의 최적의 운전조건을 실시간 제어하는 실시간 제어평가부(32)로 구성된 것을 특징으로 하는 유류오염토양의 정화장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 주입정(13)은 상기 토양층 내의 지하수층(2)의 수면 아래까지 매립되어 있으며, 상기 추출정(21)은 상기 지하수층(2)의 수면 위쪽으로 배치되도록 매립되며, 상기 토양진단측정부(31)는 상기 지하수층(2) 수면 아래까지 도달하는 깊이로 매립되며, 상황에 따라서 상기 토양층(1) 및 지하수층(2)을 동시에 모니터링 할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 유류오염토양의 정화장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 주입정(13), 추출정(21) 및 토양진단측정부(31)는 오염부지 내에 소정 간격을 두고 다수 개가 설치되는 것을 특징으로 하는 유류오염토양의 정화장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 공기주입기(11), 공기가열기(12), 공기배출기(22) 및 실시간 제어평가부(32)는 설치된 상기 주입정(13)과 추출정(21)을 원활한 제어를 위하여 오염부지 내 소정의 장소에 설치되는 것을 특징으로 하는 유류오염토양의 정화장치.
5. 공기가열기로 공기를 50℃~150℃로 가열하는 단계와;

   상기 가열된 공기를 오염 토양층 내 매립된 주입정(13)을 통하여 연속적 혹은 간헐적으로 오염된 토양층(1) 및 지하수층(2) 내에 주입하는 단계와;

   상기 가열된 공기에 의해 휘발된 유류 오염물 및 공기를 토양층 내 매립된 추출정(21)을 통하여 추출하여 제거하는 단계와;

   상기 토양진단측정부(31)에서 측정한 데이터를 이용하여 영향반경 내 용존산소(DO)를 1mg/L 이상을 유지하기 위하여 상기 공기주입기(11), 공기가열기(12), 및 주입정(13)의 공기유량을 실시간 제어평가부(32)를 통하여 제어하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 유류오염토양의 정화방법.
6. 제5항에 있어서,

   가열된 공기를 이용하여 고농도의 유류 및 열적탈착 후 토양층(1) 내 잔류하는 유류를 생물학적으로 제거하기 위하여 토양층(1) 내 미생물이 활동하기 적합한 온도인 20℃~40℃로 유지하기 위하여 공기가열기(12)를 통하여 100~150℃로 조절하고;

   오염된 토양층(1)의 현장 특징에 따라서 상기 공기가열기(12)를 실시간 제어평가부(32)를 통하여 공기온도 50℃~150℃로 단계별로 조절하는 것을 특징으로 하는 유류오염토양의 정화방법.

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