KR20140039477A - 중금속 오염토 현장 처리용 정화선 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 해양이나 하천에 퇴적된 오염토를 준설하여 선박 내에서 정화처리하기 위한 중금속 오염토 현장 처리용 정화선에 관한 것이다.
본 발명에 따른 중금속 오염토 현장 처리용 정화선은 바다 또는 하천에서 준설시 준설토와 함께 흡입된 준설수를 수용하도록 갑판 상에 수용조가 형성되며, 준설수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 선박 및 중금속으로 오염된 준설토 및 준설수를 정화처리하고, 처리된 준설수를 선박의 배출구로 배출시키기 위하여 정화처리시스템을 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따른 중금속 오염토 현장 처리용 정화선은 바다 또는 하천에서 준설시 준설토와 함께 흡입된 준설수를 수용하도록 갑판 상에 수용조가 형성되며, 준설수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 선박 및 중금속으로 오염된 준설토 및 준설수를 정화처리하고, 처리된 준설수를 선박의 배출구로 배출시키기 위하여 정화처리시스템을 구비하는 것에 특징이 있다.
Description
본 발명은 해양 내 오염토양을 복원하기 위한 환경 기술에 관한 것으로서, 특히 해양의 중금속 오염토를 현장에서 즉시 복원할 수 있는 중금속 오염토 복원용 정화 선박에 관한 것이다.
국토해양부의 2004~2009년 발표 자료에 따르면 묵호항, 삼척항, 구룡포항, 부산남항, 울산항 등 국내의 주요 항구 15개 지역의 오염 수준은 심각한 것으로 나타났다.
해양 오염은 다양한 경로를 통해서 이루어진다. 특히, 물류의 이동 과정에서 중금속, 유류, 유기물 등 다양한 오염물들이 항만에 퇴적됨으로써 하상 퇴적토는 심각하게 오염되어 있는 것으로 알려져 있다. 또한 하천에서 유입되는 오폐수 및 해양 투기를 통해 다양한 오염물이 연안에 퇴적된다.
이러한 오염 퇴적물의 부패로 인하여 연안 지역에서는 악취가 발생되는 것은 물론, 어패류 내에 중금속이 축적되어 이를 소비하는 사람에게도 심각한 영향을 끼칠 수 있다. 또한, 퇴적물의 부패로 인하여 어류 생태계가 교란되면서 개체수가 줄어드는 등 어업에도 많은 문제점을 발생시킨다.
한편, 항만에서는 오염토를 제거하기 위한 목적과 더불어 대형 선박의 접안을 위하여 주기적으로 해양 퇴적토를 준설하고 있으며, 준설토의 양은 연간 3000만 루베에 달하고 있다. 준설토는 상기한 바와 같이 중금속, 유기물 등으로 심각하게 오염되어 있어 재활용을 위해서는 정화처리가 필수적으로 수반되어야 한다.
무엇보다도, 준설토를 정화하기 위해서는 정화처리시설이 있는 곳까지 준설토를 이송해야 하는데, 이송비용이 매우 높기 때문에 실질적으로 준설토를 정화처리하는 전체 비용에서 이송비용이 차지하는 비중이 상당하여 준설토의 처리에 더욱 곤란함을 겪고 있다. 즉, 항만 준설시 준설토와 해수가 함께 펌핑되는데, 전체 준설양에서 준설토는 10~20%에 불과하며 해수가 80~90%로 대다수를 차지하고 있다. 해수와 준설토를 모두 육상의 처리시설로 이송해야 하므로 이송비용이 커지며, 한정된 비용 내에서 처리를 수행해야 하는 정화업체에서는 실제 준설토 및 해수의 정화에 소홀하게 되는 문제가 나타난다.
이에 중금속으로 오염되어 있는 해양 퇴적토를 재활용이 가능한 수준으로 복원할 수 있는 기술과 함께, 준설토를 현장에서 즉시 처리할 수 있는 시설의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연안에서 퇴적토를 준설한 후 현장에서 직접 정화처리를 수행할 수 있으며, 중금속으로 오염되어 있는 퇴적토를 재활용할 수 있는 수준으로 복원할 수 있도록 정화처리시설이 선박에 탑재되어 있는 중금속 오염토 현장 처리용 정화선을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중금속 오염토 현장 처리용 정화선은, 바다(연안) 또는 하천(호소,저수지)에서 준설시 준설토와 함께 흡입된 준설수를 수용하도록 갑판 상에 수용조가 형성되며, 상기 준설수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 선박; 및 상기 준설토 및 준설수를 정화처리하고, 처리된 준설수를 상기 선박의 배출구로 배출시키기 위하여 정화처리시스템;을 구비하며,
상기 정화처리시스템은, 준설선과 연결되어 준설토 및 준설수가 유입되며, 상기 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 선별유닛과, 상기 선별유닛에서 선별된 어느 한 그룹의 준설토 및 준설수가 유입되며, 자석을 이용하여 상기 준설토 내에 포함된 자성 물질을 일차적으로 분리하기 위한 제1자력분리기와, 상기 제1자력분리기에서 상기 자석에 부착되지 않은 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 싸이클론장치와, 상기 싸이클론장치에서 선별된 그룹들 중 상대적으로 작은 입도를 가지는 준설토와 준설수가 유입되며, 상기 제1자력분리기에서 분리되지 않은 자성 물질을 부착시켜 분리하는 제2자력분리기와, 상기 제2자력분리기에서 비자성물질로 분류된 준설토와 준설수가 유입되어 일시적으로 수용되어 무거운 입자들을 침전시키며, 상기 선박의 수용조로 이루어지는 침강분리조와, 상기 침강분리조에서 침강되지 않은 미세입자와 준설수가 유입되며 응집제 탱크와 연결되어 상기 응집제를 통해 상기 미세입자를 응집시키는 메인처리조와, 기포를 발생시키는 제1기포발생기와, 상기 메인처리조에서 응집된 상기 미세입자와 준설수를 수용하며, 상기 제1기포발생기로부터 기포를 공급받아 상기 미세입자를 부상시켜 분리하는 부상분리조와, 상기 침강분리조에서 침강된 침강물과 상기 부상분리조에서 부상된 부상물을 공급받아 탈수하여 배출하는 메인탈수기 및 상기 부상물이 제거된 준설수를 공급받아 필터링하여 상기 선박의 배출구로 배출하는 필터유닛을 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따른 중금속 오염토 현장 처리용 정화선은, 선박에 정화처리시스템을 탑재하여 해양이나 하천에서 오염토를 준설하여 즉시 정화처리하고 처리수는 다시 현장에서 원위치로 복원할 수 있어 물류의 부담이 발생하지 않으므로 경제적이라는 장점이 있다.
또한 본 발명에서는 중금속 오염토를 주요 처리 대상으로 하지만, 유기물, 유류 등에 의하여 복합적으로 오염된 경우에도 다양한 오염원을 모두 처리할 수 있다는 이점이 있다.
또한 다단 싸이클론 장치와 미생물 처리를 이용하여 폐기물 양을 획기적으로 줄일 수 있어 폐기물의 육상 매립으로 인한 2차 오염도 최소화시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 오염토 현장 처리용 정화선의 실제 사진이다.
도 2는 도 1에 개시된 중금속 오염토 현장 처리용 정화선의 개략적 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 중금속 오염토 현장 처리용 정화선에 탑재된 정화처리시스템에서 수행하는 정화처리의 개략적 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 선별유닛(드럼 스크린)의 실제 사진이다.
도 5는 도 2에 도시된 제1자력분리기의 실제 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 도시된 싸이클론 장치의 실제 사진 및 구성도이다.
도 7은 도 2에 도시된 제2자력분리기의 실제 사진이다.
도 8은 도 2에 도시된 침강분리조의 실제 사진이다.
도 9는 도 2에 도시된 메인탈수기(다단 싸이클론기)의 실제 사진이다.
도 10은 도 2에 도시된 부상분리조의 실제 사진이다.
도 11은 도 2에 도시된 원심분리탈수기의 실제 사진이다.
도 12는 도 2에 도시된 샌드필터의 개략적 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 미생물 처리액 내의 미생물의 분포표이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명에 따른 중금속 오염토 현장 처리용 정화선에 적용된 생물학적 정화처리의 실험 결과로서, 도 14는 유기물 제거효율에 관한 표이며, 도 15는 총질서 제거 효율에 관한 표이며, 도 16은 총인 제거효율에 관한 표이다.
도 2는 도 1에 개시된 중금속 오염토 현장 처리용 정화선의 개략적 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 중금속 오염토 현장 처리용 정화선에 탑재된 정화처리시스템에서 수행하는 정화처리의 개략적 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 선별유닛(드럼 스크린)의 실제 사진이다.
도 5는 도 2에 도시된 제1자력분리기의 실제 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 도시된 싸이클론 장치의 실제 사진 및 구성도이다.
도 7은 도 2에 도시된 제2자력분리기의 실제 사진이다.
도 8은 도 2에 도시된 침강분리조의 실제 사진이다.
도 9는 도 2에 도시된 메인탈수기(다단 싸이클론기)의 실제 사진이다.
도 10은 도 2에 도시된 부상분리조의 실제 사진이다.
도 11은 도 2에 도시된 원심분리탈수기의 실제 사진이다.
도 12는 도 2에 도시된 샌드필터의 개략적 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 미생물 처리액 내의 미생물의 분포표이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명에 따른 중금속 오염토 현장 처리용 정화선에 적용된 생물학적 정화처리의 실험 결과로서, 도 14는 유기물 제거효율에 관한 표이며, 도 15는 총질서 제거 효율에 관한 표이며, 도 16은 총인 제거효율에 관한 표이다.
본 출원인은 국토해양부 산하 한국해양과학기술진흥원의 '미래해양산업기술개발사업'의 일환으로 해양이나 하천에 퇴적되어 있는 오염토를 준설한 즉시 현장에서 정화처리한 후, 모래는 골재로 재활용하고 준설시 함께 펌핑된 물(이하, '준설수'라 함)은 다시 원위치로 복원시키기 위한 오염토 현장 처리용 정화선을 개발하여 실제로 제작하였다. 도 1에는 '대성 15호'로 명명된 오염토 현장 처리용 정화선의 실제 사진이 나타나 있다. '대성 15호'는 길이 63m에 1,100톤 규모로 시간당 500톤(해수 400~450ton, 준설토 50~100ton)을 처리할 수 있도록 제작되었다. 본 발명은 개발 예정인 기술이 아니라 실제 제작완료된 정화선을 기초로 특허출원을 하는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 오염토 현장 처리용 정화선(이하 '정화선'이라 함)의 구성 및 정화처리공정에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 도 1에 개시된 중금속 오염토 현장 처리용 정화선의 개략적 구성도로서, (a)는 정화선의 개략적 평면도이며, (b)는 정화선의 개략적 측면도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시된 중금속 오염토 현장 처리용 정화선에 탑재된 정화처리시스템에서 수행하는 정화처리의 개략적 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정화선(900)은 선박(800)과 정화시스템(700)을 구비한다. 선박(800)은, 상기한 바와 같이, 대략 62m의 길이를 가지며 1,100ton 규모이다. 이 선박(800)에는 정화처리 완료된 준설수를 다시 해양이나 하천으로 원위치시키기 위한 배출구(미도시)가 형성된다. 또한 선박(800)의 중앙부에는 준설토와 준설수를 함께 수용하기 위한 수용조(후술할 침강분리조로 사용됨)가 형성된다. 수용조는 선박(800) 갑판을 오목하게 개조하여 형성하였다.
정화처리시스템(700)은 선별유닛(10, 드럼 스크린)을 구비한다. 선별유닛(10)은 준설선으로부터 펌핑된 준설토 및 준설수를 공급받아 준설토로부터 이물질을 선별한다. 본 발명에서 선별유닛(10)은 준설토를 입도별로 분리함으로써 이물질을 제거하는데, 구체적으로는 3상 드럼 스크린(10)을 이용하며, 시간당 500ton을 처리할 수 있다. 3상 드럼 스크린(10)은, 도 4의 드럼 스크린 사진에 도시된 바와 같이, 원통형의 메쉬망으로 이루어진 2개의 스크린이 구비된다. 중앙부에 배치된 제1스크린(11)은 13mm 이하의 입도를 가진 입자만이 통과할 수 있다. 제1스크린(11)을 감싸며 배치되는 제2스크린(12)은 4mm 이하의 입자만이 통과할 수 있다. 드럼 스크린(10)이 회전하면 원심력에 의하여 준설토 및 준설수가 스크린의 내벽 쪽으로 밀리고, 제1스크린(11)에서 쓰레기 등의 13mm 이상의 이물질이 걸러지며, 제1스크린(11)을 통과한 준설토는 제2스크린(12)에서 자갈, 조개 등 4mm 이상의 이물질이 걸러진다. 나머지, 모래와 준설수는 제2스크린(12)을 통과하여 하부로 배출된다. 4mm 이상의 물질은 컨베이어 벨트(미도시)에 의해 수집된 후 육상으로 운반된다.
드럼 스크린(10)에서 이물질이 걸러진 준설토와 준설수는 자연낙하하여 드럼 스크린(10)의 하부에 배치된 제1자력분리기(20)로 유입된다. 본 발명은 정화시스템(700)이 선박(800) 위에 탑재된 형태이므로 동력 사용을 최소한으로 할 수 있도록 각 장치들을 배치하였으며, 그 일환으로 제1자력분리기(20)를 드럼 스크린(10)의 하부에 배치하여 준설수와 준설토가 자연 낙하하게 함으로써 동력 사용을 최소화한다.
제1자력분리기(20)의 사진이 도 5에 도시되어 있다. 본 발명에서 사용하는 습식 자력분리기(20)는 공지의 장치로서 원통형의 자석(21)에 벨트가 감겨 있는 형태로서 자석이 자전하면서 벨트가 순환되는데, 벨트 위에 놓인 준설토 중 자성을 띠는 물질은 자석에 부착된 상태로 이송되다가 벨트가 자력의 영향에서 벗어난 곳으로 이동되면 벨트로부터 분리된다. 자성을 띠지 않는 물질은 자석에 부착되지 않으므로 벨트가 회전시 자석의 단부에서 낙하하여 분리된다. 자성 물질이 벨트로부터 분리되는 것을 용이하게 하기 위하여 탈자기(demagnetizer)를 사용할 수도 있다.
본 실시예에서 자석(21)은 3,000~4,000 gauss 정도의 자력을 가지며, 2.2kw급 자석이 2개 배치되어 시간당 500ton을 처리할 수 있다. 다만, 제1자력분리기(20)에서 모든 자성물질이 분리되는 것은 아니며, 주로 철편류, 철제류가 분리되며, 중금속 등 자성이 약한 물질은 후술할 제2자력분리기에서 분리된다. 제1자력분리기(20)에서 분리된 철편류 등의 자성물질은 컨베이어 벨트(미도시)에 의하여 수집되며 육상으로 운반되며, 자석(21)에 부착되지 않은 물질은 후술할 싸이클론기(30)로 이송된다.
본 실시예에서 채용한 싸이클론 장치(30)의 실제 사진 및 구성도가 도 6a 및 도 6b에 나타나 있다.
싸이클론 장치(30)는 제1자력분리기(20)에서 배출된 준설토를 공급받아 입도별로 분리하기 위한 것이다. 본 싸이클론 장치(30)는 복수의 싸이클론기(31)와 진동스크린(32) 및 회송파이프(33)를 구비한다.
싸이클론기(31)는 5개가 하나의 유닛을 구성하며, 준설토는 5개의 싸이클론기(31)를 순차적으로 통과하면서 입도 분리된다. 싸이클론기(31)의 상부는 원통형으로, 하부는 원추형으로 형성되며, 원통형부에 형성된 입구를 통해 고속으로 추진된 준설토와 준설수가 유입되면 준설토와 준설수는 싸이클론기(31)의 내벽을 따리 회전하면서 하강하는데, 원추부에서 가벼운 물질은 상승류를 타고 싸이클론기(31)의 상부를 통해 배출되며, 무거운 물질은 싸이클론기(31)의 하부로 배출되는 구성이다. 본 실시예에서 싸이클론기는 대략 0.8~1.2kg/Cm2의 운전압력으로 운행된다.
첫 번째 배치된 싸이클론기에서 상부로 배출된 물질은 두 번째 배치된 싸이클론기로 유입되고 5개의 싸이클론기를 순차적으로 거치면서 최종 배치된 싸이클론기에서는 대략 0.075mm 이하의 입도를 지닌 입자가 상부로 배출된다. 보다 구체적으로, 5개의 싸이클론기(31)에서는 순차적으로 0.1mm 초과의 입자, 0.095mm 초과의 입자, 0.09mm 초과의 입자, 0.08mm 초과의 입자, 0.075mm 초과의 입자가 싸이클론기의 하부로 배출된다. 입도 0.075mm 이하의 입자들은 싸이클론기의 상부로 배출된 후 후술할 보조처리조(40)로 이송된다.
상기한 바와 같이, 복수의 싸이클론기(31)의 하부를 통해 분리된 0.075mm 초과하는 입자들은 주로 재활용 가능한 모래 성분이며, 싸이클론기(31) 상부를 통해 배출된 0.075mm 이하의 입자들은 점토질, 실트질이거나, 유기물, 유류, 중금속 등의 오염물질(이하, 설명의 편의상 0.075mm 이하의 점토, 오염물질 등을 '미세토'라고 통칭한다)이다.
그리고 0.075mm 이상의 입도를 지니며, 싸이클론기(31)의 하부로 배출된 입자들은 싸이클론기(31)의 하측에 설치된 진동스크린(32)으로 이송된다. 진동스크린(32)은 메쉬망으로 이루어지며 모래는 메쉬망(입경 0.074mm 이하의 입자는 통과) 위에 놓인 상태에서 진동되면서 탈수된 후, 육상으로 이동되어 골재로서 재활용한다.
모래 중에 입도가 0.075mm 이하의 미세토가 잔존할 수 있으며, 이들은 진동스크린(32)의 메쉬망을 통과하여 진동스크린(32)의 하부에 수집된 후, 회송파이프(33)를 통해 다시 복수의 싸이클론기(31)로 유입시켜 재차 입도 분리를 수행함으로써, 입도가 0.075mm 이하의 미세토를 최대한 분리한다.
상기한 바와 같이 미세토는 오염물질 자체이거나, 표면적이 넓은 점토나 실트질의 미세 토양입자인데, 미세 토양입자에는 오염물이 많이 부착되어 있을 뿐만 아니라, 오염물을 미세입자로부터 분리하기도 용이하지 않다. 본 발명에서는 0.075mm 이하의 미세토를 오염물로 규정하여 후술할 제2자력분리기(50)에서 처리한다.
본 발명의 처리대상 토양은 중금속으로 오염된 경우이므로, 미세토와 준설수는 싸이클론기(31)로부터 제2자력분리기(50)를 통해 재차 자력분리된 후 보조처리조(40)로 유입된다.
본 발명의 처리대상인 중금속 오염토양은 광물입자나, 산화철 등을 포함하므로 싸이클론장치(30)를 통해 분리된 미세토 내에는 다양한 중금속이 포함되어 있다. 제2자력분리기(50)에서는 제1자력분리기(20)에서 분리되지 않은 중금속을 분리한다. 본 실시예에서 채용된 제2자력분리기의 실제 사진이 도 7에 나타나 있다. 제2자력분리기(50)는 고구배자력분리기(HGMC,High Gradient Magnetic Separation)로서 공지의 장치이며, 본 실시예에서는 6,000~7,000 gauss의 높은 자력을 가진 영구자석이 사용함으로써 중금속을 높은 수준에서 선별한다. 제2자력분리기(50)도 제1자력분리기(20)와 마찬가지로 벨트에 의하여 이송되는 미세토가 자력이 미치는 영역에 도달하면, 자성체는 자석에 부착되고 비자성체는 그대로 이송되는 원리를 이용한다.
또한, 본 실시예에서는 미세토가 제2자력분리기(50)에 유입되기 전에 분산제와 자화제를 혼합시킴으로써 분리효율을 향상시킬 수 있다. 분산제는 입단을 형성한 미세토를 분산시키기 위한 것이다. 즉, 미세토에 포함되어 있는 산화철, 산화망간 등은 일반 토양 환경에서 양전하를 띠게 되는데, pH를 조절하여 토양 환경을 PZC(point of zero charge) 이하로 만들거나 인산염같이 흡착력이 강한 음이온을 흡착시키면, 산화철에 부차되어 있는 미세토가 반발작용으로 분리되면서 분산된다.
또한 자화제 탱크(51)로부터 자화제를 공급받아 미세토를 자화시킬 수 있다. 자화제의 투입은 중금속 함유 광물입자에 대한 자력 분리의 효율을 높이기 위하여, 토양입자의 자화력(magneticsusceptibility)을 증가시키는 것이다.
토양입자의 자화력과 중금속 함량은 높은 상관관계를 나타낸다. 자화력이 높은 광물은 낮은 광물에 비해 많은 양의 중금속을 함유한다. 또한, 산화철 및 산화망간, 잔류성 형태의 중금속이 규산염 광물(silicates 또는 silicate mineral)에 비해 자화력이 상대적으로 높으므로, 자력분리를 통해 이들을 제거하여 미세토를 정화할 수 있다.
자화제는 토양입자 내의 비자기성 입자(주로 광물)를 자기성으로 변환할 수 있으며, 자화력이 약한 광물의 자화력을 증가시키는 역할을 한다. 자화제로서, 강자기성 광물인 자철석(Fe3O4)을 투입하면, 자철석이 미세 토양입자들 사이에서 가교 역할을 하여 미세 토양입자 전체적으로는 자성을 띄게 한다. 여기서, 자철석 자체가 가교 역할을 하는 것 이외에도, 자철석에 함유된 철(Fe) 성분이 용해되어 미세 토양입자들 사이에 가교 역할을 하여 자성을 띄게 하는 것도 가능하다.
또한, 자화제로서 1,2가철염(FeCl2, FeCl3, FeSO4 등)을 용매에 용해시켜 알칼리 pH 상태로 조절한 다음 공기를 투입하고 승온시킨 후, 미세토에 투입하여 토양입자를 자화시키는 방법도 있다. 여기서, 또한 Fe 성분이 토양입자들 사이에 가교 역할을 하여 자성을 띠게 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 분산제 및/또는 자화제를 투입함으로써 제2자력분리기(50)에서 중금속을 포함하는 미세 토양입자들을 최대한 제거할 수 있다.
중금속이나 중금속을 포함하는 미세토는 제2자력분리기(50)에서 분리되어 컨베이어 벨트를 통해 수집된 후 육상으로 운반되며, 나머지 미세토는 준설수와 함께 보조처리조(40)로 유입된다. 제2자력분리기(50)는 보조처리조(40)의 상부에 배치되므로 미세토 및 준설수는 동력에 의하지 않고 자연적으로 보조처리조(40)로 유입된다.
보조처리조(40)는 미세토와 준설수를 수용하여 복합적인 정화처리를 수행할 수 있다. 즉, 보조처리조(40)는 제2기포발생기(41)와 연결되어 미세기포를 공급받을 수 있다. 그리고 보조처리조(40) 내에는 미세토를 상호 교반할 수 있도록 교반기(43)가 설치된다.
미세토는 오염 성상에 따라 크게 4가지로 나눌 수 있다. 즉, 중금속으로 오염된 미세토, 유류로 오염된 미세토, 중금속 및 유류로 복합 오염된 미세토 및 일반 미세토로 분류할 수 있다.
본 발명에 채용된 정화처리시스템(700)에서는 중금속으로 오염된 토양을 정화처리하는데 중심이 있지만, 오염 토양은 유류, 유기물 등이 적게나마 포함되어 있는 경우가 일반적이다. 따라서, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이, 중금속이 포함된 형태의 미세토를 제2자력분리기(50)를 거치게 한 후, 미세토에 유류가 일부 포함되어 있는 경우를 전제하여 선택적으로 보조처리조(40)에서 미세기포를 이용하여 유분탈리를 시도할 수 있다.
다만, 오염토양이 유류에 대한 오염이 전혀 없이 중금속만으로 오염된 경우라면, 보조처리조(40)에서는 별도의 공정을 수행하지 않고 단순히 보조처리조를 통해 후술할 침강분리조(60)로 이송하거나, 바이패스라인(미도시)을 통해 보조처리조(40)를 우회하여 침강분리조(60)로 이송될 수 있다. 또한 다른 실시예에서는 보조처리조(40)를 제거하고 제2자력분리기(50)와 침강분리조(60)를 직결하여 이송되게 할 수도 있다.
즉, 보조처리조는 본 발명에서는 필수적 사항이 아니라 선택적 사항이다. 보조처리조(40)는 중금속 오염토양에 일부 유류가 포함되어 있는 경우를 대비한 것으로서, 보조처리조(40)는 제2자력분리기(50)에서 배출된 미세토와 준설수에 미세 기포를 투입하여 유분을 탈리시키는 유분탈리조로서 작용한다. 유분으로 오염되지 않은 경우라면 보조처리조는 본 정화시스템(700)에서 제거하여도 무방하다.
본 실시예에서, 유분탈리조로 활용되는 보조처리조(40)에 초미세기포(마이크로 버블)를 공급한다. 제2기포발생기(41)에서는 3~10μm 사이즈의 초미세기포를 발생시켜 보조처리조(40)에 공급한다. 초미세기포는 미세 토양입자와 오염물(특히 유분, 유기물) 사이로 침투하여 오염물을 미세 토양입자로부터 탈리시킨다. 즉, 미세 토양입자와 오염물 사이에 침투한 초미세기포는 자기압괴현상에 의하여 소멸하면서 충격파를 발생시키는데, 이 충격파에 의하여 오염물이 미세 토양입자로부터 탈리된다.
상기한 바와 같이, 중금속 오염 미세토가 유류 및/또는 유기물에 의해서도 오염된 경우에는 보조처리조(40)에서 오염물을 탈리시킨 후, 후술할 침강분리조(60)로 이송한다.
침강분리조(60)의 실제 사진이 도 8에 나타나 있다. 선박(800)의 갑판을 오목하게 개조하여 만든 수용조가 침강분리조(60)로 사용되는데, 대략 20m 이상으로 길게 형성되어, 준설수 내의 무거운 입자들이 침강되도록 충분한 수리학적 체류시간을 제공한다. 무거운 입자들은 침강분리조(60)에서 침강되지만, 보조처리조(40)에서 탈리된 유분/유기물은 물보다 가벼운 것이 대부분이므로 침강분리조(60)에서 침강되지 않고 준설수 내에서 부유하는 상태를 유지한다.
도 8의 사진을 참고하면, 보조처리조(40)와 연결된 2개의 파이프라인(61)을 통해 준설수 및 미세토가 침강분리조(60)의 중앙공급타워(64)로 이송된다. 침강분리조(60)의 상측에는 상단부가 톱니 형상으로 이루어진 수로 구조물(62)이 설치된다. 수로 구조물(62)은 일정한 높이에 배치되어 침강분리조(60)의 수위가 이 높이에 다다르면 준설수가 수로 구조물(62)을 통해 후술할 메인처리조(90)로 이송된다. 수로 구조물(62)의 상단의 톱니부(63)는 부유물을 걸러주기 위한 것이다.
또한, 침강분리조(60)의 하단에는 대차(65)가 설치된다. 대차(65)는 침강분리조(60)의 바닥 폭과 대응되는 길이의 막대 형상으로 이루어져 침강분리조(60)의 바닥에서 왕복이동 가능하다. 대차(65)는 침강분리조(60)의 바닥에 침전된 침강물을 침강분리조(60) 하부의 토출구(미도시)로 밀어서 파이프라인(미도시)을 통해 후술할 메인탈수기(80)로 이송시킨다. 침강분리조(60)에서 침전된 침강물은 점토, 실트, 오염물이 주를 이루며, 메인탈수기(80)에서 탈수 및 입도분리된다.
메인탈수기(80)는 침강분리조(60)에서 침전된 침강물을 탈수하는 작용과 함께 다시 입도분리를 수행한다. 메인탈수기(80)의 실제 사진이 도 9에 도시되어 있다. 메인탈수기(80)는 다단 싸이클론기로 이루어지는 점에서 상기한 싸이클론 장치(30)와 동일하다. 그러나, 메인탈수기(80)에서는 3개의 싸이클론기를 하나의 유닛으로 구성하여 상기한 싸이클론 장치(30)에 비하여 보다 세밀하게 토양 입자를 분리한다. 첫 번째 배치된 제1싸이클론기(81)에서는 입도 0.074mm 이하의 입자들을 분리하며, 두 번째 배치된 제2싸이클론기(82)에서는 제1싸이클론기(81)로부터 이송된 입자들 중 입도 0.03mm 이하의 입자들을 분리하고, 마지막으로 배치된 제3싸이클론기(83)에서는 0.01mm 이하의 입자들을 분리한다.
메인탈수기(80)의 각 싸이클론기 하부에는 스크린(미도시)이 배치되는데, 이 스크린은 0.01mm 이하의 입자는 통과시키는 메쉬망으로 이루어지며, 스크린을 통과한 토양입자들은 회송파이프를 통해 다시 싸이클론기에서 입도분리된다. 그리고 스크린에 걸린 미세토들은 수집 및 탈수된 후 육상으로 이송된다.
메인탈수기(80)에서 최종적으로 0.01mm 이하의 입도로 분류된 미세토는 대부분 오염물질이다. 이 미세토는 메인처리조(90)로 이송되는 것이 일반적이지만, 각 싸이클론의 상부 배출구에 연결된 별도의 배출라인을 통해 폐기처리될 수 있다. 예컨대, 제2싸이클론기(82)에서 분리되는 0.03mm 이하의 입자들이 대부분 특정한 오염물질인 경우라면, 제2싸이클론기(82)의 상부에 별도의 배출라인을 연결하여 이 오염물질들을 수집 및 폐기할 수도 있다.
메인처리조(90)에는 준설수(상등수)와 침전되지 않은 미세토가 침강분리조(60)로부터 유입되며, 0.01mm 이하의 입도로 분류된 미세토가 메인탈수기(80)로부터 유입된다. 메인처리조(90)는 응집제 탱크(42)로부터 응집제를 공급받아 준설수 내에서 부유하는 미세 토양입자, 유기물, 유류 등의 오염물을 응집시키는 응집조로 작용한다.
메인처리조(90)에는 보조처리조(40)와 마찬가지로 교반기(91)가 설치되어 미세토와 응집제가 골고루 교반될 수 있도록 회전한다. 응집제는 응집제 탱크로부터 메인처리조(90)로 공급된다. 응집제는 칼슘, 마그네슘 등의 멀티 전하를 가지는 양이온성 응집제가 사용된다. 응집제를 투입하고 교반기로 미세토와 응집제를 교반하면 미세입자들은 뭉치게 된다. 미세입자는 표면적이 넓어 오염물질이 많이 흡착되어 있으며, 입도분리나 비중분리에 의해 쉽게 선별되지 않는 특성이 있으므로 응집제를 통해 준설수 내에 미세입자를 응집시켜 추후 분리가 용이하게 한다. 응집제에 의해 미세 토양입자와 오염물질들은 응집된다. 그러나, 메인처리조(90)에서는 계속 교반기(91)가 작동되며, 오랜 시간을 체류하지 않으므로 응집된 입자들이 침전되지 않고 후술할 부상분리조(100)로 이송된다.
부상분리조(100, 도 10 참조)는 메인처리조(90)에서 응집된 미세입자들(주로 유기물이나 유류 오염물)을 기포를 이용하여 부상시킨 후 제거하기 위한 것이다. 이를 위하여 부상분리조(100)에는 제1기포발생기(101)가 연결된다. 제1기포발생기(101)는 상술한 제2기포발생기(41)와 마찬가지로 0.0003~0.001mm의 마이크로 기포를 발생시켜 부상분리조(100)로 공급한다.
마이크로 기포는 응집된 미세입자들에 부착되어 이들을 수면으로 부상시키는 역할(이른바 '기포연행작용')을 수행한다.
마이크로 기포에 의하여 부상분리조(100)의 수면으로 부상한 오염물 및 미세입자를 제거하기 위하여 부상분리조(100)의 상측에는 스키머(102)가 설치된다. 스키머(102)는 부상분리조(100)의 폭방향을 따라 길게 바 형상으로 이루어지며, 부상분리조(100)의 수면 부근에 배치되어 왕복이동 가능하다. 스키머(102)는 왕복이동을 통해 부상분리조(100)의 수면으로 부상한 오염물질을 슬러지 호퍼로 밀어 넣어 제거한다.
슬러지 호퍼는 원심분리탈수기(70)와 연결된다. 원심분리탈수기(70)는 회전하면서 원심력을 이용하여 오염물질을 탈수한다. 탈수된 오염물질은 30~40%의 함수율을 지니며 슬러지 케익으로 형성되어 육상으로 운반되어 폐기된다.
부상분리조(100)에서 배출된 준설수는 필터유닛(110, 도 12)를 통해 최종적으로 여과되며, 선박(800)에 마련된 배출구(미도시)를 통해 바다나 하천으로 원위치된다. 본 발명에서 필터유닛으로는 복수의 샌드필터가 사용된다. 샌드필터(110)는 하우징 내부에 모래 등 여과물질이 충전되어 있으며, 준설수는 가압되어 샌드필터 내의 모래를 통과하면서 필터링된다.
최종 배출되는 준설수에는 중금속, 유류 및 유기물이 대부분 제거된 상태이므로 환경법규에서 요구하는 수질 수준을 만족한다.
한편, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이, 물리적, 화학적 정화처리를 통해 중금속, 유기물, 유류를 제거하지만, 정화처리를 보다 완벽하게 수행하기 위하여 생물학적 처리 공정을 추가할 수 있다.
또한, 생물학적 처리를 도입하는 경우 큰 장점은 육상으로 운반하여 매립할 폐기물의 양을 줄일 수 있다는 점이다. 생물학적 처리에서는 미생물이 유기물을 에너지원으로 소화하기 때문에 폐기물 양을 줄일 수 있다.
본 실시예에서 생물학적 처리는 보조처리조(40) 또는 메인처리조(90)에서 수행할 수 있다. 즉, 미생물이 포함되어 있는 처리액을 보조처리조(40) 또는 메인처리조(90)에 공급함으로써 유기물을 제거할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 미생물 처리액 탱크를 별도로 설치하지 않고, 선박(800)의 밸라스트 탱크를 이용할 수 있다. 즉, 밸라스트 탱크에 담겨져 있는 해수에 미생물 처리액을 혼합하여 공급할 수 있다.
본 실시예에서 생물학적 처리 공정에 대하여 설명한다.
도 13의 표 1은 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 미생물 처리액 내의 미생물의 분포표이다.
본 발명에서 사용하는 미생물 처리액은 국내의 토착 미생물을 배양한 것으로서, 광합성세균, 효모, 유산균, 방선균 및 사상균이 포함되며, 대략 130종의 세균 및 효모로 이루어진다.
본 미생물은 토양시료(대나무부엽토, 반추위미소화물, 활엽수부엽토)를 채취하여 80~120mesh로 분쇄한 배지(쌀겨, 왕겨, 톱밥, 계란껍질, 조개껍질,피트모스)에 혼합한 후 수분농도가 40~60%가 되도록 조절하여 90일간 반그늘 상태의 토양위에서 배양한다. 배양과정을 거친 시료를 쌀겨 30 중량%, 왕겨 20 중량%, 톱밥 30 중량%로 혼합한 배지에 수분농도를 60%로 조절 후 전체 배지중량의 0.01%를 접종하여 온도 80~90℃에서 4시간 동안 회전 발효시킨다. 이 후 3주간 후발효하여 수분농도 8% 이하의 분말상의 혼합미생물균주를 분리한 후 용도에 맞게 원액을 제조하였다.
위 미생물 처리액에서 순수 분리된 각 미생물 중 현미경 관찰을 통해 효모로 추정된 미생물을 따로 선택하여 자동동정기로 자동 동정하고 생화학 테스트를 거친 결과 99% homology로 Canadian boidini, Saccharomyces cerevisiae로 동정되었다.
본 미생물 처리액의 미생물은 생화학 테스트에서 Nitrate assimilation 반응에 양성 반응을 나타냈으며, 암모늄, 질산염, 아질산염, 유기질소원, 요소, 아미노산 형태의 질소원을 모두 이용할 수 있는 것으로 나타나, 영양염류의 제거에 매우 유리하게 작용할수 있다. 또한 페놀화합물의 분해 효소도 생성하며 증식속도가 빠른 것으로 조사되었다. 이에 동정된 다양한 균들이 서로 공존공생하며 시너지 효과를 나타내면서 RCM rhdwjddptj 오염물질의 제거율 향상에 복합적으로 기여하는 것으로 사료된다.
본 출원인은 미생물 처리액을 이용하여 해양오염퇴적물 정화처리 실험을 수행하였다. 부산공동어시장에서 해양오염퇴적물을 채취하여 10μm 이하의 상등수만 사용하였다. 유입수의 성상은 아래의 table 1에 나타냈으며, 운영조건은 table 2에 나타내었다.
유기물 제거효율에 대한 실험결과는 도 14의 표에 나타내었다. 유입 원수의 COD 농도는 550~650mg/L이다. 한 달간의 Seeding이 끝난 후 방류수의 COD농도가 61.2 mg./L 이며, 운전이 경과함에 따라 18 mg/L 까지 농도가 낮아 졌고, 안정적인 제거 경향을 나타내었고, 염분의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
또한 질소 제거효율을 알아보기 위한 실험결과가 도 15의 표에 나타내었다. 유입원수의 총질소 농도는 6~8.5mg/L이다. 한 달간의 Seeding이 끝난 후 방류수의 T-N 농도가 1.166 mg/L에서 운전이 경과함에 따라 0.067 mg/L 까지 농도가 낮아졌고 안정적인 제거 경향을 나타냈다.
그리고 총인제거효율에 대한 실험결과를 도 16의 표에 나타냈다. 유입원수의 총인 농도는 8~10mg/L 이다. 한 달간의 Seeding이 끝난 후 방류수의 T-P 농도가 0.505 mg/L에서 운전이 경과함에 따라 0.0242 mg/L 까지 농도가 낮아졌고, 안정적인 제거 경향을 나타내었다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에서 미생물 처리액을 이용하여 해수 내의 오염물, 질소, 인을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하였다.
물론 상기한 생물학적 처리 이외에 자력분리, 입도분리, 유분탈리, 침강분리, 부상분리 공정을 통하여 해양 오염토 내의 중금속, 유분이 환경법규 허용기준치 보다 훨씬 낮게 나타나 선박에서 정화처리를 직접 수행할 수 있음을 확인하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 선박에 정화처리시스템을 탑재하여 해양이나 하천에서 오염토를 준설하여 즉시 정화처리하고 처리수는 다시 현장에서 원위치로 복원할 수 있어 물류의 부담이 발생하지 않으므로 경제적이라는 장점이 있다.
또한 본 정화처리시스템에서는 해양이나 하천에서 중금속 오염토 처리를 주요 타겟으로 하지만, 중금속과 함께 유류/유기물에 의해서도 복합적으로 오염된 경우에도 이에 맞게 오염토를 정화처리할 수 있다는 이점이 있다.
또한 다단 싸이클론 장치와 미생물 처리를 이용하여 폐기물 양을 획기적으로 줄일 수 있어 폐기물의 육상 매립으로 인한 2차 오염도 최소화시킬 수 있는 이점이 있다.
10 ... 3상 드럼 스크린 20 ... 제1자력분리기
30 ...(다단)싸이클론 장치 40 ... 보조처리조
50 ... 제2자력분리기 60 ... 침강분리조
70 ... 원심분리 탈수기 80 ... 메인탈수기(다단 싸이클론기)
90 ... 메인처리조 100 ... 부상분리조
110 ... 샌드필터 800 ... 선박
700 ... 정화처리시스템 900... 오염토 현장 처리용 정화선
30 ...(다단)싸이클론 장치 40 ... 보조처리조
50 ... 제2자력분리기 60 ... 침강분리조
70 ... 원심분리 탈수기 80 ... 메인탈수기(다단 싸이클론기)
90 ... 메인처리조 100 ... 부상분리조
110 ... 샌드필터 800 ... 선박
700 ... 정화처리시스템 900... 오염토 현장 처리용 정화선
Claims (13)
- 바다(연안) 또는 하천(호소,저수지)에서 준설시 준설토와 함께 흡입된 준설수를 수용하도록 갑판 상에 수용조가 형성되며, 상기 준설수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 선박; 및
상기 준설토 및 준설수를 정화처리하고, 처리된 준설수를 상기 선박의 배출구로 배출시키기 위하여 정화처리시스템;을 구비하며,
상기 정화처리시스템은,
준설선과 연결되어 준설토 및 준설수가 유입되며, 상기 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 선별유닛과,
상기 선별유닛에서 선별된 어느 한 그룹의 준설토 및 준설수가 유입되며, 자석을 이용하여 상기 준설토 내에 포함된 자성 물질을 일차적으로 분리하기 위한 제1자력분리기와,
상기 제1자력분리기에서 상기 자석에 부착되지 않은 준설토를 입도별로 복수의 그룹으로 선별하는 싸이클론장치와,
상기 싸이클론장치에서 선별된 그룹들 중 상대적으로 작은 입도를 가지는 준설토와 준설수가 유입되며, 상기 제1자력분리기에서 분리되지 않은 자성 물질을 부착시켜 분리하는 제2자력분리기와,
상기 제2자력분리기에서 비자성물질로 분류된 준설토와 준설수가 유입되어 일시적으로 수용되어 무거운 입자들을 침전시키며, 상기 선박의 수용조로 이루어지는 침강분리조와,
상기 침강분리조에서 침강되지 않은 미세입자와 준설수가 유입되며 응집제 탱크와 연결되어 상기 응집제를 통해 상기 미세입자를 응집시키는 메인처리조와,
기포를 발생시키는 제1기포발생기와,
상기 메인처리조에서 응집된 상기 미세입자와 준설수를 수용하며, 상기 제1기포발생기로부터 기포를 공급받아 상기 미세입자를 부상시켜 분리하는 부상분리조와,
상기 침강분리조에서 침강된 침강물과 상기 부상분리조에서 부상된 부상물을 공급받아 탈수하여 배출하는 메인탈수기 및
상기 부상물이 제거된 준설수를 공급받아 필터링하여 상기 선박의 배출구로 배출하는 필터유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 중금속 오염토 현장 처리용 정화선. - 제1항에 있어서,
상기 준설토 및 준설수의 이송경로상 상기 제2자력분리기와 침강분리조 사이에 배치되며,
상기 준설토의 토양입자와 부착되어 있는 유분을 탈리하기 위하여 기포를 발생시키는 제2기포발생기와 연결되어 상기 준설토로부터 유분 탈리를 수행하는 보조처리조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제1항에 있어서,
상기 제2자력분리기에 자화제를 투입하기 위한 자화제 탱크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제1항에 있어서,
상기 선별유닛은 입도별로 상기 준설토를 3개의 그룹으로 선별가능한 3상 드럼스크린이며,
상기 준설토 중 모래입자는 가장 작은 입도를 가진 그룹에 포함되어 선별하는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제1항에 있어서,
상기 싸이클론장치는,
상기 준설토를 순차적으로 유입시켜 입도분리를 하기 위한 것으로서 상부는 원통형으로, 하부는 원추형으로 형성되는 복수의 싸이클론기와, 상기 복수의 싸이클론기의 하측에 배치되어 일정 크기 이하의 입자들만을 통과시키고 일정 크기를 초과하는 입자들을 진동시켜 탈수시키기 위한 진동스크린과,
상기 진동스크린을 통과한 입자들을 다시 복수의 싸이클론으로 유입시키는 회송파이프를 구비하여 이루어지며,
상기 준설토는 상기 복수의 싸이클론기를 순차적으로 거치면서 최종적으로 일정 입도 이하의 입자만이 상기 제2자력분리기로 이송되는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제5항에 있어서,
상기 복수의 싸이클론을 통해 최종적으로 상기 제2자력분리기로 이송되는 입자는 0.075mm 이하의 크기를 가진 미세토인 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제1항에 있어서,
상기 침강분리조와 메인탈수기 사이에는 파이프라인이 연결되며,
상기 침강분리조의 바닥에서 왕복이동 가능하게 설치되어 상기 침강분리조에 침강된 침강물을 상기 파이프라인으로 유입시키기 위한 대차를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제1항에 있어서,
상기 메인탈수기는
상기 침강분리조에서 침강된 침강물을 순차적으로 유입시켜 입도분리를 하기 위한 것으로서 상부는 원통형으로, 하부는 원추형으로 형성되는 복수의 싸이클론기와, 상기 복수의 싸이클론기의 하측에 배치되어 일정 크기 이상의 입자들만을 통과시키고 일정 크기를 초과하는 입자들을 진동시켜 탈수시키기 위한 진동스크린과,
상기 진동스크린을 통과한 입자들을 다시 복수의 싸이클론으로 유입시키는 회송파이프를 구비하여 이루어지며,
상기 침강물은 상기 복수의 싸이클론기를 순차적으로 거치면서 최종적으로 일정 입도 이하의 입자만이 상기 메인처리조로 이송되는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제8항에 있어서,
상기 복수의 싸이클론기는 3개가 하나의 유닛을 형성하며,
첫 번째 배치된 싸이클론기에서는 입도 0.074mm 이하의 입자가 상부로 배출된 후, 두 번째 배치된 싸이클론기로 유입되어 0.03mm 이하의 입자가 상부로 배출된 후, 최종적으로 배치된 싸이클론기로 유입되어 0.01mm 이하의 입자가 상부로 배출되되,
각 싸이클론에서 배출된 입자들은 후속 배치된 싸이클론기로 유입되거나 또는 바이패스 라인을 통해 별도로 배출되는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제1항에 있어서,
상기 부상분리조의 상부에 부유하는 부상물을 제거하기 위하여 상기 부상분리조의 상부에 왕복이동 가능하게 설치되는 스키머와,
상기 스키머에 의하여 이송된 부상물이 투입되는 슬러지 호퍼를 구비하는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제2항에 있어서,
생물학적 정화처리를 위한 미생물을 포함하고 있는 처리액을 상기 보조처리조에 공급하기 위한 미생물처리액 탱크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제11항에 있어서,
상기 선박의 밸라스트 탱크에 미생물을 포함하고 있는 미생물처리액을 혼합시키며, 상기 밸라스트 탱크를 상기 보조처리조와 연결하여 미생물처리액 탱크로 사용하는 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선. - 제2항에 있어서,
상기 제1기포발생기 및 제2기포발생기에서 발생되는 기포는 0.0003~0.001mm의 입경을 가지는 미세기포인 것을 특징으로 하는 오염토 현장 처리용 정화선.
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