KR20190115164A - 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치 및 정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축공기를 주입하여 오염토양의 공극을 확장함으로써 산소 공급 시 채널링 현상을 방지하고, 산소뿐만 아니라 액상을 통한 영양분 오염물질 분해미생물을 공급하여 정화효율이 향상된 지중정화장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치는, 오염토양이 함유된 지중에 설치되고 다수개의 주입공을 갖는 주입관정과 이 주입관정을 통해 압축공기 및 미세기포수를 공급하여 상기 오염토양을 현장에서 정화처리하는 장치에 있어서, 압축공기를 생성하는 컴프레서와, 이 압축공기를 상기 주입관정으로 이송하는 공기공급 배관과, 상기 주입관정의 상부에 설치되고 상기 공기공급 배관을 통해 상기 컴프레서에서 생성된 압축공기를 공급받아 일정 압력 이상이 될 때까지 이를 저장하는 압축공기 저장탱크와, 상기 압축공기 저장탱크에 저장된 압축공기가 일정 압력 이상인 경우에 상기 압축공기 탱크를 오픈하여 압축공기를 상기 주입관정으로 공급하는 압축공기 조절밸브와, 상기 압축공기가 상기 주입관정을 통해 원하는 심도에서 주입되어 토양 내에 공극을 파쇄할 수 있도록 해주는 공기주입부를 포함할 수 있다.

Description

압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치 및 정화방법{IN-SITU BIOREMEDIATION METHOD USING COMPRESSED AIR AND MICORO BUBBLES}

본 발명은 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치 및 정화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축공기를 이용해 오염토양이 함유된 지중의 공극을 확장한 후 오염토양에 설치된 관정을 이용하여 미세기포수를 주입하여 오염토양을 생물학적으로 정화처리 하는 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치 및 정화방법에 관한 것이다.

오염토양의 정화처리하기 위해서, 종래에는 처리비용이 상대적으로 높더라도 처리공정 관리 및 처리효율 평가가 용이한 지상처리기술(ex-situ)이 많이 적용되었으나 최근에 부지평가 및 모니터링 기술의 발달과 더불어 처리기간에도 부지 이용이 가능하고 처리비용을 절감할 수 있는 지중처리기술(in-situ)에 대한 관심이 커지고 있다. 특히, 산악지형, 군부대 주변지, 산업단지, 철도역사 등 현장 접근성이 어려운 오염지역에 폭넓게 적용될 수 있는 현장 적용성이 높은 한국형 원위치 정화기술이 필요하다.

지중처리기술은 물리적 방법, 화학적 방법, 생물학적 방법으로 나눌 수 있다. 물리적 방법 중에 대표적인 방법은 토양증기추출법이다. 토양증기추출법은 불포화 대수층 위에 추출정을 설치하여 토양을 진공상태로 만들어 줌으로써 토양으로부터 휘발성, 준 휘발성 오염물질을 제거하는 기술이다. 오염지역 외부에서 공기가 주입되어, 내부에서 추출되는 방법으로서 토양으로부터 제거되는 가스는 지상에서 처리해야 한다. 이 경우 비휘발성 오염물질의 처리가 어려우며, 정화효율을 높일 필요가 있다. 기존 공압파쇄를 이용한 지중 화학적 산화공법은 단기간에 정화효율의 증대를 보일 수 있으나, 지반침하 내지 미세토사가 포함된 슬라임의 상부유출 및 배가스 발생 등 지중환경에 악영향을 미치는 2차오염이 발생할 수 있다. 또한 화학물질관리법의 실선에 따라 화학물질인 과산화수소수를 이용하여 지중정화를 실시하는 데 한계가 있다.

따라서, 미생물을 이용하여 오염토양을 정화하는 생물학적 방법이 적용될 수 있다. 생물학적통풍법(Bioventing) 기술은 기체상으로 존재하는 휘발성 유기물질을 추출해내는 동시에 기존의 토착 미생물에 산소 및 영양분을 공급하고 토양내 증기흐름속도를 공학적으로 조절함으로써 미생물의 지중 생분해능을 극대화하는데 중점을 둔 기술이다. 물리적 정화기술 중에 대표적인 기술인 토양증기추출법과 지중생물학적처리 기술을 결합한 형태라고 볼 수 있다. 이는 석유화합물류의 유기화학물질에 의해 오염된 토양의 정화에 성공적으로 적용되어 왔으며, 처리효율, 경제성, 현장적용성 측면에서 매우 우수한 기술로 평가받고 있다.

생물학적통풍법 공정은 기존의 토양증기추출법 기술원리를 바탕으로 토양내 산소를 공급해줌으로써 오염원에 대한 천연적인 현장 생분해 능력을 증진시키는 불포화 오염토양 정화기술이다. 이 때 산소를 기상으로 공급하게 되는 데, 산소를 기상으로 공급하는 경우 유입 기체의 채널링 현상이 발생할 수 있다. 산소 전달이 일부 영역에만 편중될 수 있으며 불균질성 토양에 적용하기 어려운 문제가 있다. 또한 생분해 향상 인자 중 산소만을 공급하기 때문에 영양분, 오염물질 분해 미생물 등 부족으로 인한 생분해가 제약되는 문제가 있다.

따라서, 보다 효과적으로 산소를 공급하고 보다 정화효율이 향상된 지중처리술기술이 필요한 실정이다.

상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 압축공기를 주입하여 오염토양의 공극을 확장함으로써 산소 공급 시 채널링 현상을 방지하고, 산소뿐만 아니라 액상을 통한 영양분 오염물질 분해미생물을 공급하여 정화효율이 향상된 지중정화장치 및 방법을 제공하는 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치는, 오염토양이 함유된 지중에 설치되고 다수개의 주입공을 갖는 주입관정과 이 주입관정을 통해 압축공기 및 미세기포수를 공급하여 상기 오염토양을 현장에서 정화처리하는 장치에 있어서, 압축공기를 생성하는 컴프레서와, 이 압축공기를 상기 주입관정으로 이송하는 공기공급 배관과, 상기 주입관정의 상부에 설치되고 상기 공기공급 배관을 통해 상기 컴프레서에서 생성된 압축공기를 공급받아 일정 압력 이상이 될 때까지 이를 저장하는 압축공기 저장탱크와, 상기 압축공기 저장탱크에 저장된 압축공기가 일정 압력 이상인 경우에 상기 압축공기 탱크를 오픈하여 압축공기를 상기 주입관정으로 공급하는 압축공기 조절밸브와, 상기 압축공기가 상기 주입관정을 통해 원하는 심도에서 주입되어 토양 내에 공극을 파쇄할 수 있도록 해주는 공기주입부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 압축공기 조절밸브는 상기 압축공기 저장탱크 내의 압력이 3 ~ 7bar가 내에서 상기 압축공기 저장탱크의 개폐압력을 제어할 수 있다.

또한, 상기 공기주입부는 상기 주입관정에 설치된 이중 패커를 이용하여 상기 주입관정 내에서 오염이 존재하는 심도에 선택적으로 압축공기를 분사할 수 있도록 해줄 수 있다.

또한, 상기 미세기포수를 공급하기 위하여 미세기포수를 제조하기 위한 물을 저장하는 수조와, 상기 수조와 연결되어 공급되는 물에 미세기포를 발생시키는 미세기포 발생기와, 상기 수조와 연결되어 호기성 미생물, 무기염을 공급하는 약품저장소와, 상기 미세기포 발생기와 연결되어 미세기포 제조시 필요한 산소 및 오존을 공급하는 산소오존발생기를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 압축공기 및 미세기포수를 이용한 지중정화방법은, 오염토양 내 미세기포의 전달력 및 영향반경을 높이기 위해 지중고압 파쇄를 수행하는 과정, 미세기포수를 제조하고 이를 관정을 통하여 상기 오염토양 내부에 투입하는 과정 및 상기 오염토양에 존재하는 미생물을 통하여 상기 오염토양을 정화하는 과정을 포함한다.

상기 지중고압 파쇄과정은 상기 오염토양 내부에 펄스 타입으로 압축공기를 주입하여 토양 내 영향반경을 확장시키는 것일 수 있다.

상기 미세기포수를 주입하는 과정은 자연유하 방식으로 주입하는 것일 수 있다.

상기 미세기포수는 미세기포, 호기성 미생물 및 상기 미생물 생장에 필요한 무기염을 포함할 수 있다.

상기 미생물은 슈도모나스 속(Pseudomonas sp.) 균주 또는 아스로박터 속(Arthrobacter sp.) 균주일 수 있다.

상기 무기염은 질소, 인을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 오염토양을 빠른 기간 내 깨끗한 상태로 원활하게 정화처리하고 접근이 불가능한 지역의 상기 오염토양의 정화처리효율을 높일 수 있다.

또한, 이중 패커를 이용하여 오염토양이 존재하는 심도에 선택적으로 압축공기와 미세기포수를 공급할 수 있어 더욱 효과적인 정화처리가 가능하도록 해준다.

또한, 오염토양을 생물학적으로 정화하는 데 필요한 산소, 무기염을 효과적으로 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 미세기포수 주입전에 지중파쇄를 통하여 토양의 공극을 확장시켜 영향 반경을 넓혀 정화효율을 향상시키는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 및 미세기포수를 이용한 지중정화장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중정화장치의 세부 상세도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 및 미세기포수를 이용한 지중정화방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 미세기포(a) 및 공기(b) 주입에 따른 주입정 용존산소량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 관정 거리별 용존산소량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 공압파쇄 전 후의 모니터링 관정의 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7는 자연유하 방식으로 컬럼에 주입된 미세기포수의 속도에 따른 유출수의 용존산소량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 자연유하 방식으로 컬럼에 주입된 미세기포수의 기포 크기에 따른 유출수의 용존산소량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9은 자연유하 방식으로 컬럼에 주입된 미세기포수의 기포 크기에 따른 유출수의 용존산소량의 변화를 나타낸 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미세기포를 이용한 생물학적 지중정화 방법 및 장치에 대하여 설명하기로 한다.

생물학적 분해능을 이용하여 오염된 토양을 처리하는 방법인 생물학적 처리 (bioremediation) 기법은 유기물질로 오염된 토양을 경제적, 친환경적으로 처리할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 지하 환경은 유기오염물질의 호기적 분해에 필요한 산소와 영양분이 부족할 뿐만 아니라, 해당 오염물질을 분해하는 토착 미생물의 수가 충분하지 않을 수 있으므로 자연적인 분해능만으로 처리의 효율성과 지속성을 보장할 수 없다. 따라서, 지하환경에 영양분이나 기질, 전자수용체 등을 공급하거나 오염물질의 분해능을 갖는 미생물을 주입함으로써 생물학적 분해능을 향상시킬 수 있다. 그러나, 지반 환경의 불균질성 및 물질의 이동성 저해, 산소 전달의 비효율성 등 물질 전달의 문제가 발생하여 적용하기 어려움이 있다. 특히, 지반 환경에 산소 전달의 비효율성 문제가 가장 크며 가스형태로 공기를 공급하는 경우 기체의 선택적 흐름이 발생하여 그 적용에 제약이 있다. 또한 지중에 오염물질 분해 미생물을 투입하는 방법은 미생물의 낮은 이동성이 큰 제한요인으로 작용한다.

이에 본 발명자는 미세기포를 지반에 주입할 시 지반의 불균질성을 극복하고 균일한 흐름을 유도할 수 있으며, 지반 내에 장시간 체류함으로써 작은 주입만으로도 산소의 공급을 최대화할 수 있음을 발견하였다. 또한, 미세기포만을 주입하는 경우 보다 오염토양의 지중에 공극을 확장시키도록 고압의 공기를 공기하여 지중고압 파쇄를 수행하여 영향반경을 넓혀 적은 수의 관정을 통해서도 효과적으로 오염토양을 정화시킬 수 있음을 발견하였다.

일반적으로 지반에 기체를 주입하면, 기체가 일부 공극에 편중되어 흐르게 된다. 그러나 지반에 기체를 미세기포의 형태로 주입하면, 기체의 이동성을 크게 감소하게 되고, 감소된 이동성으로 기체가 정체되어 있다가 압력이 일정량 이상 축적되면 갑작스러운 기포의 흐름이 발생하면서 압력이 해소된다. 이러한 원리로 기체의 흐름은 투수성이 높은 영역에서 투수성이 낮은 영역으로 진행되어 일반적인 방법으로 접근하지 못했던 저투수 영역을 흐르게 되는 것이다.

미세기포의 발생에 상당량의 계면활성제 투입이 요구 되어 이로 인한 비용 및 토양의 2차오염 우려가 발생하고, 발생 미세기포의 낮은 안전성 및 기포간 합체로 인한 주입 미세기포 크기 증가와 이에 따른 주입압력의 상승 등의 문제로 그 적용성에 한계가 있는 문제점을 가지고 있다.

본 발명의 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치는 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것인바, 이하에서 도 1 및 도 2를 참조로 그 구성을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치의 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 지중정화장치는 오염토양이 함유된 지중에 설치되고 다수개의 주입공을 갖는 주입관정과 이 주입관정을 통해 압축공기 및 미세기포수를 공급하여 상기 오염토양을 현장에서 정화처리하는 장치로 구성되는데, 보다 상세하게는 압축공기를 생성하는 컴프레서(152)와, 이 압축공기를 상기 주입관정으로 이송하는 공기공급 배관(153)과, 상기 주입관정의 상부에 설치되고 상기 공기공급 배관(153)을 통해 상기 컴프레서에서 생성된 압축공기를 공급받아 일정 압력 이상이 될 때까지 이를 저장하는 압축공기 저장탱크(154)와, 상기 압축공기 저장탱크(154)에 저장된 압축공기가 일정 압력 이상인 경우에 상기 압축공기 탱크(154)를 오픈하여 압축공기를 펄스 형태로 상기 주입관정으로 공급하는 압축공기 조절밸브(155)와, 상기 압축공기가 상기 주입관정을 통해 원하는 심도에서 주입되어 토양 내에 공극을 파쇄할 수 있도록 해주는 공기주입부(156)를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 컴프레서(152)는 압축공기 공급부(150)의 일부를 구성하며, 압축공기 공급부(150) 내에 설치된 제어 패널(151)에 의해 압축공기의 압력, 이송 속도 등이 종합적으로 제어된다. 압축공기 공급부(150)의 주된 기능은 일정 압력 이상의 압축공기를 생성하여 지중의 주입관정의 상부에 설치된 압축공기 저장탱크(154)로 공급하는 것과, 압축공기 저장탱크(154)의 내부가 일정 압력 이상이 되면 압축공기 저장탱크(154)를 개방하여 주입관정을 통해 지중으로 압축공기가 분사될 수 있도록 해준다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 상기 압축공기 공급부(150)가 일정 압력 이상을 갖는 압축공기는 펄스 형태로 공급하는데, 이러한 펄스 형태는 지중의 공극을 확장하여 후술하는 미세기포수가 오염토양이 포함된 지중으로 균일하게 전파되는데 효과적으로 기여할 수 있다.

이 때, 상기 압축공기 조절밸브(155)는 상기 압축공기 저장탱크(154) 내의 압력이 3 ~ 7bar가 내에서 상기 압축공기 저장탱크(154)의 개폐압력을 제어하는 것이 바람직하다. 기준 압력이 3bar 이하가 되면 펄스 형태로 공급되더라도 고압 파쇄력이 약해 압축공기를 공급하는 목적을 달성하는데 미흡하며, 기준 압력이 7bar를 초과하면 고압 파쇄력이 포화되어 경제성이 저하된다.

또한, 상기 공기주입부(156)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 주입관정에 설치된 이중 패커를 이용하여 상기 주입관정 내에서 오염이 존재하는 심도에 선택적으로 압축공기를 분사할 수 있도록 해주는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 1에서 지중에서 원형으로 표시된 부분이 오염토양이 많은 지역이라면, 해당 심도에만 선택적으로 압축공기와 미세기포수를 공급하는 것이 오염토양 정화에 더욱 효과적이다. 본 발명은 이중 패커를 통해 이러한 선택적 공급이 가능하도록 구현한 것이다.

이상에서 설명한 압축공기를 통한 공압 파쇄는 고압의 공기를 분사하여 지중 내에 존재하는 균열을 확장시키거나 미세 균열을 형성하여 채널 네트워크를 형성시키는 기술이다. 형성된 채널 네트워크는 기체 및 액체의 투수성을 증가시켜 오염물질 처리 효율을 향상시킨다. 또한, 공압파쇄를 통해 지중 내 액상 오염물질이 공기와 접촉하여 증발하게 되므로, 정화효율을 증진시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중정화장치의 세부 상세도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 지중정화장치는 오염토양 내 미세기포의 전달력 및 영향반경을 높이기 위해 지중고압 파쇄를 수행하기 위해 압축공기를 생성하여 상기 오염토양 내부로 공급하는 지중고압 파쇄부(120); 및 상기 오염토양에 호기성 미생물에 공급되는 미세기포를 포함하는 미세기포수를 제조하고 이를 상기 오염토양에 공급하는 미세기포수 공급부(110)을 포함한다.

미세기포수 공급부(110)와 지중고압 파쇄부(120)는 하나의 기기안에 포함될 수 있으며 또한 별도의 구성으로 형성하는 것도 가능하다. 별도로 구성하는 경우 각각 컨테이너 박스 등 시설 안에 구비하거나, 박스 형태로 제작한 후에 차량에 탑재하여 이동할 수 있다. 사용장소나 공간의 크기 및 사용목적, 현장접근성에 따라 다양하게 구비할 수 있다.

미세기포수 공급부(110)는 주입정(140)을 통하여 오염토양 내부에 미세기포수를 공급하는 역할을 수행한다. 미세기포수 공급부(110)는 미세기포 발생기(111), 수조(112) 약품저장소(113), 컴프레서(114), 산소오존 발생기(115)를 포함한다.

수조(112)에는 미세기포수를 제조하기 위한 물을 보관하게 된다. 수조(112)에는 공정수 라인(130)을 통하여 물이 공급될 수 있다. 별도로 물을 사용하는 것이 아니라 공정수를 사용함으로써 비용을 절약할 수 있는 장점이 있다. 또한 수조(112)에는 약품저장소(113)이 연결될 수 있다. 악품저장소(113)는 질소, 인 등을 포함하는 무기염과 호기성 미생물 등의 약재를 투입할 수 있도록 설치되었으며, 약품저장소(113)에서 수조(112)까지 투입된 약품을 펌프로 이송하도록 설치된다. 미세기포발생기(111)는 수조(112)와 연결되어 수조에서 공급되는 물에 미세기포를 발생시킨다. 미세기포발생기(111)는 주입될 수 있는 산소 또는 오존을 발생시키는 산소오존 발생기(115)가 연결되며 압축공기를 불어넣을 수 있도록 컴프레서(114)가 연결된다. 컴프레서(114)를 통하여 미세기포발생기(111)에 산소 또는 오존을 공급하여 미세기포수를 제조하게 된다. 미세기포수는 주입정(140)을 통하여 오염토양 내부로 공급하게 되며, 이때 미세기포의 깨짐을 방지하기 위해서 펌프를 사용하지 않고 자연유하식 방법으로 주입되는 것이 바람직하다. 자동밸브(117)을 통하여 미세기포수를 자동으로 공급할 수 있으며, 이 때 밸브의 작동은 수조 내에 설치된 레벨센서를 통하여 자동으로 수행될 수 있다. 지중고압 파쇄부(120)는 컴프레서(121)를 통하여 압축공기를 형성하고 이를 펄스 주입장치(122)를 통하여 주입정(140)을 통해 간헐적으로 압축공기를 지중에 공급하는 장치이다. 지중고압 파쇄부는 여러가지 형태로 구성할 수 있으며, 간헐식 지중파쇄공법을 수행할 수 있는 장치이면 특정 구성에 한정되지 않는다.

도 3은 본 발명에 따른 미세기포를 이용한 생물학적 지중정화 방법을 나타낸 순서도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 미세기포를 이용한 생물학적 지중정화 방법은 오염토양 내 미세기포의 전달력 및 영향반경을 높이기 위해 지중고압 파쇄를 수행하는 과정(S10), 미세기포수를 제조하고 이를 관정을 통하여 상기 오염토양 내부에 투입하는 과정(S20), 상기 오염토양에 존재하는 미생물을 통하여 상기 오염토양을 정화하는 과정(S30)을 포함한다.

우선, 본 발명에서는 토양 내에서 생물학적 정화를 위해서 미세기포수를 이용하여 토양 내부에 산소, 오존, 호기성 미생물 또는 미생물에 영양을 공급할 수 있는 무기염을 공급하게 된다. 이때 미세기포의 영향반경을 넓히기 위해 우선적으로 지중고압 파쇄를 수행한다(S10). 지중고압 파쇄 과정은 펄스 방식으로 고압의 공기를 오염토양 내부로 공급하여 이루어진다. 지중고압 파쇄과정에는 고성능의 공기압축기와 압축공기를 투입할 수 있는 주입정 및 자동압력조절 주입밸브를 포함하는 지중고압 파쇄부를 이용된다. 우선적으로 공기압축기를 통하여 압축공기를 저장하게 된다. 일정압력까지 자동압력조절 밸브를 통하여 일정압력 이상이면 압축공기를 주입, 공기 흡입을 반복적으로 수행하게 된다. 이 경우 간헐식 공압파쇄가 이루어질 수 있다. 압축공기가 반복적으로 오염토양에 공급되면, 토양의 공극이 증가하여 미세기포수의 영향반경을 높일 수 있다. 지중고압파쇄 공정을 우선적으로 수행함으로써 보다 넓은 영향 반경을 확보할 수 있으며, 정화효율이 증대될 수 있다. 지중파쇄 기법은 인위적인 방법으로 지하 매질의 공극 간 연결성을 토양 및 암석의 투수성을 일정한 값 이상으로 확보하게 된다. 지하 매질 공극 간 연결성이 확보되는 경우 목표하는 위치로의 미세기포수의 이송 및 반응 면적을 확대할 수 있다.

지중고압 파쇄가 이루어진 후에는 오염토양 내부에 별도로 제조된 미세기포수를 투입한다(S20). 미세기포수는 물과 기체를 동시에 유입시킨 후 격벽으로 이루어진 믹싱 챔버와 호스를 통과시켜 유입된 기포를 전단력을 이용하여 쪼개는 방법으로 미세기포를 발생시킨다.

본 발명에서의 미세기포는 직경 50㎛ 이하의 기포를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 미세기포는 내부 수축 작용으로 직경이 10 ㎛ 이하인 나노버블로 축소된 후 고온 고압 초음파와 프리라디칼을 발생하고 압괴 소멸한다. 결과적으로 미세기포가 수중에서 터지게 되면, 음이온 발생, 초고주파 및 고음압 발생, 산소기체와 믹싱되어 용존산소 30~40ppm을 방출, 오존을 잘 용해시키는 성능 보유 물속에서 하이드록실 라디칼을 발생시켜 물과 산소로 치환된다.

미세기포수는 미세기포 발생기에 연결되어 있는 수조를 통하여 물을 공급하게 된다. 수조에 있는 물은 약품저장조와 연결되어 약품저장조에 저장된 무기염, 호기성 미생물이 투입될 수 있다. 미세기포 발생기에는 컴프레서와 산소오존 발생기가 연결되어 산소오존 발생기로부터 생성된 산소 또는 오존을 압축공기와 함께 미세기포 발생기에 투입하여 미세기포수를 제조하게 된다. 미세기포는 물에 부유된 상태로 존재하게 되며 미세기포수는 미세기포와 물의 혼합체를 의미한다.

미세기포수는 우선적으로 주입 당시의 미세기포의 안정성과 충분한 기포 함유율이 보장되어야 한다. 미세기포의 발생을 중단하였을 때 미세기포수 내의 기포와 수용액이 분리되고 미세기포 내 액상층이 소실됨으로써 점차 미세기포수 하부에 수용액이 축적되고 상부에 기포가 밀집한 이후 소멸하게 되는데, 이러한 분리 현상은 발생된 미세기포의 안정성을 대변할 수 있다. 이를 정량화하여 나타내는 인자로는 미세기포수 총 양의 절반이 분리, 배수되는 시간인 50% 배수시간을 활용할 수 있다. 또한 미세기포수 전체 부피에 대한 기체 함유율은 미세기포 부유액 전체 부피에서 기포가 모두 깨지고 난 후 남은 배수액의 부피를 뺀 부피로 표현할수 있으며, 기체 함유율이 높을수록 보다 많은 공기(또는 산소)를 함유하게 되어 호기적 생분해능을 향상시킬 수 있다.

미세기포 수에 첨가되는 미생물은 대량 배양한 토착 미생물군 또는 오염물질 분해 단일 균주를 사용할 수 있고, 미세기포 발생전에 수조에 투입하여 사용한다. 이 경우 오염물질 분해를 위한 미생물로는 슈도모나스 속(Pseudomonas sp.) 균주 또는 아스로박터 속(Arthrobacter sp.) 균주가 사용될 수 있다. 이와 관련하여서는 등록특허공보 10-1558945에 개시되어 있다.

또한, 미세기포 수에는 호기성 미생물에 대사에 필요한 영양성분을 포함할 수 있으며, 예를 들면 인, 질소가 포함되는 무기염일 수 있다.

미세기포수를 투입하는 과정은 펌프를 이용할 수 있으나, 자연유하방식이 미세기포의 손실을 막기에는 더욱 효율적이다. 일반적인 기포는 튜브를 통과할 때 튜브와의 마찰력으로 인해 전단력을 받게 되어 병합하여 더 큰 크기의 기포가 되거나 액체에 녹아 들어가게 되는 기포의 손실이 발생할 수 있다. 미세기포의 경우에도 전단력에 의한 손실이 예상되며 이는 펌프를 사용하여 공급하는 경우 더욱 커진다. 따라서, 이러한 손실을 줄이기 위해서는 미세기포수를 자연유하방식으로 투입하는 것이 바람직하다. 자연유하방식이란 높은 위치에서 미세기포수를 공급하여 위치차이에 따른 대기압의 차이에 의해 공급하는 방식에 해당한다.

오염토양 내부에 미세기포수를 투입한 이후에는 오염토양에 존재하는 미생물을 통하여 오염토양을 정화하게 된다(S30).

이와 같이 지중고압 파쇄를 통하여 영향반경을 넓힌 다음, 미세기포수를 주입하는 경우에 미세기포의 손실 없이 지중 내 넓은 영향반경으로 주입시켜 생물학적 정화효율을 극대화 시킬 수 있다.

이하, 보다 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 대해서 더욱 자세하게 설명한다.

<미세기포수의 용존산소량 측정>

본 발명에 따른 미세기포 주입부를 통하여 미세기포를 주입한 경우와 일반 공기를 주입한 경우에 주입정의 용존산소량의 변화를 측정하였다. 도 4는 미세기포 및 공기 주입에 따른 주입정 용존산소량 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이 일반 공기를 주입할 때 보다 미세기포를 사용하는 경우 용존산소량이 높게 유지되는 것을 알 수 있다. 미세기포수 공급부와 관정 내 용존산소량 농도가 평형을 이루는 15분 정도 미세기포를 발생한 후에 관정에 주입하는 것이 바람직하다.

<관정 거리별 용존산소량 측정>

도 5는 관정 거리별 용존산소량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 관정 내 거리별 용존 산소량을 모니터링한 결과 모니터링 관정에서는 용존 산소량 변화가 있었으며, 2.0 m 관정부터 용존 산소량 변화가 낮음을 확인 할 수 있다.

<지중고압 파쇄를 적용한 경우 평가>

도 6은 공압파쇄 전 후의 모니터링 관정의 압력 변화를 나타낸 그래프이다. 약 7 kg/cm²으로 공압파쇄를 수행하였고 파쇄 전후의 압력을 측정하였다. 측정 결과 압력 증가가 약 7배 정도 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 이로 인하여 유량은 약 4배 증가, 영향반경은 약 1.6배 정도 증가하는 것을 알 수 있다. 더블 패커를 이용하는 경우에는 특정 부위에 공압 주입이 가능하므로 정화가 지연되는 구역에 선택하여 적용할 수 있는 장점이 있다.

<미세기포수 주입조건 결정>

미세기포수가 포함할 수 있는 용존산소량은 매우 많은 양의 TPH를 정화할 수 있는 양이지만, 이것이 토양오염정화에 효율적으로 이용되기 위해서는 손실량을 최소화하여 지중으로 전달되어야 한다. 이를 실험실 규모에서 평가하기 위하여 주문진 표준규사로 충전한 컬럼에 미세기포수를 주입하여 미세기포의 지중으로의 산소전달 효율을 검증하였다. 일반적인 기포는 튜브를 통과할 때 튜브와의 마찰력으로 인해 전단력을 받게 되어 병합하여 더 큰 크기의 기포가 되거나 액체에 녹아들어가게 되는 기포의 손실이 발생한다. 미세기포 역시 전단력에 의한 손실이 예상되는 바, 손실을 최소화하기 위한 적당한 주입 방법과 주입 속도를 결정할 필요가 있다. 시중에서 가장 많이 사용되는 유압식 펌프는 튜브에 압력을 주어 유체에너지를 만들어내고, 그 에너지를 통해 액체가 주입되는 방식을 적용한다. 유압식 펌프를 이용하여 튜브를 통과한 미세기포수의 용존산소량을 측정하였으며, 기포가 손실되는 양을 최소로 하면서 기포수가 제공가능한 전체 산소량을 최대로 하는 기포수 주입량을 결정하였다.

펌프유입속도 (mL/min)	50	100	200	300
용존산소량 (mg/L)	38.04	44.06	43.25	41.46
손실량(%)	31.4	20.5	22	25.2

펌프 통과전 초미세기포수의 용존산소량은 55.43 mg/L이다. 표1를 참조하면, 미세기포수의 주입속도에 따라서 용존산소량의 손실의 차이가 발생한다. 주입속도가 느려질 경우 미세기포수가 튜브 내부에 오래 머무르면서 전단력에 더 오래 노출되며 기포의 손실이 증가하고, 주입속도가 빠를 경우에는 튜브와의 마찰력의 증가로 인해 기포의 손실이 증가한다는 것을 알 수 있다. 실험결과에 따르면, 튜브의 직경이 8mm이고 유압식 펌프를 이용하는 경우 약 100 ml/min의 속도로 주입하는 것이 기포의 손실을 최소화할 수 있다는 것을 알 수 있다.

자연유하 방식을 이용하여 기포수를 주입하는 경우는 유압식 펌프와 같은 튜브를 사용하여 미세기포수를 매질로 전달하지만, 튜브의 압력을 가하지 않고 수두차를 이용하여 전달하므로 기포의 손실량을 최소로 할 수 있을 것이라 예상된다. 포화된 미세기포수를 약 17.5 cm의 높이로 충전된 표준 규사 매질에 유출수에서 측정된 주입속도에 따른 용존 산소량의 변화량을 도 7에 나타내었다. 도 7에 도시한 바와 같이 유입량이 150 mL/mim 이면서 매질을 통과하는 속도가 35.8 cm/min 인 주입속도에서 용존산소량이 최대값으로 나타났다. 그러나 최대값인 28.6 mg/L 의 용존산소량은 기존의 기대했던 값보다 현저하게 낮은 값이다. 따라서, 기포가 매질 어딘가에 축적되는 것이라 가정하여 기포수를 연속적으로 주입하였을 때 나타나는 유출수의 용존산소량을 측정하였다. 실험결과를 도 8에 도시하였다.

도 8을 참조하면, 용존산소량이 약 9.6 mg/L 인 증류수를 충분히 통과시킨 매질에 미세기포수를 주입하여 용존산소량의 변화를 관찰하였다. 용존산소량이 증가하다가 약 28.0 mg/L 에서 평형점에 도달하게 되어 더 이상 증가하지 않는다. 이는 기포가 토양 어딘가에 축적될 수 있더라도 그 양이 한정되어 저장된 양이 최대값이 도달한 이후에는 더 이상 축적이 될 수 없다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 기포가 실제로 매질 어딘가에 축적되는 것인지 검증하는 추가 실험이 필요하였다. 탄산소제로 사용되는 무수아황산나트륨을 넣어 용존산소량을 최소한 물을 컬럼에 충분히 주입하여 유출수의 용존산소량을 낮추고, 그 이후 1L의 포화된 초미세기포수를 주입하고 다시 무수아황산나트륨을 넣어 용존산소량을 최소화한 물을 충분히 주입하여 용존산소량을 얼마나 회수할 수 있는지 확인해 보았다. 결과는 도 9에 도시하였다.

도 9을 참조하면, 미세기포 주입 후에 용존산소량이 최대로 나타나지만, 그 이후에 용존산소량을 최소화한 물을 넣어도 상당히 높은 용존산소량이 유지된다. 이는 물이 매질을 통과하면서 내부에 축적되어있던 산소의 공급이 있었다는 것을 의미하며, 추가로 공급된 전체 산소량을 더하여 나타내면 초미세기포 1 L가 컬럼에 제공한 산소량은 53.5 mg/L로 나타난다. 이는 컬럼의 유출수에서 측정된 28.0 mg/L 보다 더 많은 양의 산소를 공급할 수 있다는 것을 검증할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 미세기포수 공급부 111: 미세기포 발생기
112: 수조 113: 약품저장소
114: 컴프레서 115: 산소오존발생기
120: 지중고압 파쇄부 121: 컴프레서
122: 펄스 주입장치

Claims (10)

1. 오염토양이 함유된 지중에 설치되고 다수개의 주입공을 갖는 주입관정과 이 주입관정을 통해 압축공기 및 미세기포수를 공급하여 상기 오염토양을 현장에서 정화처리하는 장치에 있어서,
   압축공기를 생성하는 컴프레서와,
   이 압축공기를 상기 주입관정으로 이송하는 공기공급 배관과,
   상기 주입관정의 상부에 설치되고 상기 공기공급 배관을 통해 상기 컴프레서에서 생성된 압축공기를 공급받아 일정 압력 이상이 될 때까지 이를 저장하는 압축공기 저장탱크와,
   상기 압축공기 저장탱크에 저장된 압축공기가 일정 압력 이상인 경우에 상기 압축공기 탱크를 오픈하여 압축공기를 상기 주입관정으로 공급하는 압축공기 조절밸브와,
   상기 압축공기가 상기 주입관정을 통해 원하는 심도에서 주입되어 토양 내에 공극을 파쇄할 수 있도록 해주는 공기주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축공기 조절밸브는 상기 압축공기 저장탱크 내의 압력이 3 ~ 7bar가 내에서 상기 압축공기 저장탱크의 개폐압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기주입부는 상기 주입관정에 설치된 이중 패커를 이용하여 상기 주입관정 내에서 오염이 존재하는 심도에 선택적으로 압축공기를 분사할 수 있도록 해주는 것을 특징으로 하는 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 미세기포수를 공급하기 위하여 미세기포수를 제조하기 위한 물을 저장하는 수조와, 상기 수조와 연결되어 공급되는 물에 미세기포를 발생시키는 미세기포 발생기와, 상기 수조와 연결되어 호기성 미생물, 무기염을 공급하는 약품저장소와, 상기 미세기포 발생기와 연결되어 미세기포 제조시 필요한 산소 및 오존을 공급하는 산소오존발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기와 미세기포수를 이용한 지중정화장치.
5. 오염토양 내 미세기포의 전달력 및 영향반경을 높이기 위해 지중고압 파쇄를 수행하는 과정;
   미세기포수를 제조하고 이를 관정을 통하여 상기 오염토양 내부에 투입하는 과정; 및
   상기 오염토양에 존재하는 미생물을 통하여 상기 오염토양을 정화하는 과정;
   을 포함하는 압축공기와 미세기포를 이용한 지중정화방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 지중고압 파쇄과정은 상기 오염토양 내부에 펄스 타입으로 압축공기를 주입하여 토양 내 영향반경을 확장시키는 것을 특징으로 하는 압축공기와 미세기포를 이용한 지중정화방법.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 미세기포수를 주입하는 과정은 자연유하 방식으로 주입하는 것을 특징으로 하는 압축공기와 미세기포를 이용한 지중정화방법.
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 미세기포수는 미세기포, 호기성 미생물 및 상기 미생물 생장에 필요한 무기염을 포함하는 압축공기와 미세기포를 이용한 지중정화방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 미생물은 슈도모나스 속(Pseudomonas sp.) 균주 또는 아스로박터 속(Arthrobacter sp.) 균주 인 것을 특징으로 하는 압축공기와 미세기포를 이용한 지중정화방법.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 무기염은 질소, 인을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기포를 이용한 생물학적 지중정화 방법.
    
    

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