HOT TECH - 친환경 무방류 세척기술
글_ 강완협
현대건설(주) 연구개발본부 차장, 공학박사
중금속 오염토양 복원 신기술
본 기술은 중금속 오염 토양을 정화하기 위한 세척기술로서 토양의 오염특성에 따라 공정을 탄력적으로 적용함으로써 처리효율과 경제성을 향상시켰으며, 물리적 공정을 우선적으로 적용함으로써 현장에서 운영이 용이하도록 하였다.
오염 토양 정화시 고농도 오염물질이 분포하는 특정 크기의 오염 토양만을 정밀하게 분리하여 제거함으로써 오염 토양을 정화하거나 정화대상 오염 토양의 양을 최소화하고, 후속 공정의 효율을 향상시킬 수 있는 전처리 기술이 포함되어 있다.
토양의 오염특성에 따라 용출이 용이한 입자의 토양만을 용출공정에 적용하고, 폐쇄공정(Closed-Loop)을 이용한 용출액의 재이용을 통해 경제성과 운전성을 향상시켰다.
또한 세척공정으로 인하여 중금속이 함유된 세척공정수를 시스템 내에서 흡착 처리한 후 전량 재활용하는 무방류시스템으로 현장 내에서 물리적인 방법을 주공정으로 사용하고, 화학적 처리를 최소화함으로써 정화토양에 의한 생태환경 교란을 최소화하는 친환경적인 기술이다.
기술 개발의 배경
우리나라는 토양환경보전법이 제정된 1995년부터 오염 토양에 대한 체계적인 조사가 시행되었다.
공장과 대규모 산업단지, 폐기물 매립지, 폐광산 등을 대상으로 토양오염 실태를 조사한 결과 TPH, BTEX, TCE 등 유기화합물과 As, Zn, Pb, Cu, Cd, Ni과 같은 중금속 그리고 침출수를 유발하는 유기물 등에 의한 토양오염이 심각한 것으로 보고되었다.
이처럼 우리나라에서도 토양오염으로 인한 피해가 커지고 사회적 관심이 점차 대두됨에 따라 토양오염 조사와 복원기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 중 몇몇 복원기술은 오염 토양 복원에 시험적으로 적용되어 많은 기술적인 발전을 이루게 되었다.
특히 유류 등의 유기화합물에 오염된 토양의 경우 일부지역에서 성공적으로 정화사업을 수행하였으나 국내 중금속 오염부지의 경우에는 아직까지 성공한 사례가 거의 없는 것으로 알려져 있다.
최근에는 공단지역에서 중금속 미세입자의 대기중 확산으로 토양 내 입자성 오염물질이 축적되면서 광범위한 지역에 걸쳐 중금속 오염이 보고되고 있다.
이 중 중금속으로 오염된 지역을 정화하기 위한 기술로는 단순격리, 토양세척, 반응벽체, 동전기 정화, 식물정화, 미생물 복원기술 등이 제시되어 왔다.
그중 토양세척기술은 비교적 짧은 시간 내에 복원이 가능하고 경제성이 우수한 장점이 있어 널리 사용되고 있다.
일반적인 토양세척 공정의 경우 사용한 세척 공정수는 수처리 공정을 거친 후 재활용하고, 세척된 토양은 부지에 재매립하거나 다른 용도로 재활용한다. 오염물질은 최종처분하거나 후처리공정을 거쳐 무해화하는 것이 일반적이다.
그러나 중금속 오염 토양을 정화하기 위해 토양세척을 적용할 경우에는 미세토양뿐만 아니라 용출작용에 의해 전이된 중금속이 다량함유된 세척 공정수가 발생된다.
이러한 세척 공정수를 재활용하기 위한 처리하는 방법으로는 수중의 금속이온을 응집·침전시키는 방법이나 미생물을 이용한 생물학적 처리법, 막을 이용한 방법 등이 있다.
그러나 일반적으로 처리에 시간이 오래 걸리고 효율이 불충분할 뿐만 아니라 경제성이 부족한 경우가 많은 것으로 알려져 있다.
따라서 본 기술은 중금속 오염 토양을 정화하기 위한 고농도 오염 토양 정밀입도선별 세척기술로서 1)오염 토양의 세척 또는 입도분리시 고농도 오염물질이 분포하는 특정 크기의 토양입자를 분리하는 기술 2)분리된 고농도 오염 토양 중 토양 특성에 따라 용출이 용이한 경우에만 용출공정을 적용하고 용출이 어려운 경TECHNOLOGY우에는 별도 처리하거나 다른 적합한 방법으로 처리할 수 있도록 경제성을 고려한 기술 3) 세척공정시 발생한 중금속 함유 세척공정수는 3가철(Fe³+)로 표면개질한 활성탄을 이용하여 공정수 중의 중금속을 흡착 처리함으로써 세척공정수를 전량 재활용하는 무방류형 처리기술이다.
궁극적으로는 토양세척기술 적용의 한계성을 극복할 수 있는 안정적인 시스템을 구축하고, 국내에서 뿐만 아니라 해외시장으로 진출할 수 있는 기술을 목표로 하였다.
그림 1 > 현대건설(주) 중금속 오염 토양 복원 실증 연구시설. 충청남도 서천군 장항읍 장암리 소재(내외부 전경)
기술의 원리 및 특성
오염 토양 복원기술로서 토양세척 공법의 기본 원리는 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
첫째는 오염물질이 주로 입자가 작고 비표면적이 큰 미세토양에 많이 분포되어 있는 것을 감안하여 미세토양만을 분리하여 처리대상 토양의 부피를 감소시키는 것이다.
둘째는 토양입자와 화학적으로 결합되지 않은 오염물질 또는 결합력이 약한 상태로 존재하는 오염물질을 물리적인 방법 또는 화학적인 방법을 이용하여 토양과 오염물질을 분리 또는 용출할 수 있다는 점을 이용하는 것이다.
그러나 일반적으로 토양세척의 주된 목적은 오염된 토양으로부터 오염물질을 완전히 제거하기보다는 오염된 토양을 분리하여 농축시킴으로써 처리대상 토양의 부피를 감소시켜 경제적으로 오염지역을 정화하기 위한 것이라고 할 수 있다.
본 기술은 오염 토양의 입도분리시 고농도 오염물질이 분포하는 특정 크기의 오염 토양만을 정밀하게 선택 분리함으로써 정화대상 오염 토양의 물량을 최소화하는 기술이다.
또한 선택적으로 분리된 고농도 오염 토양 중 조대입자 토양은 간단한 산용출 공정을 통해 효율적으로 처리할 수 있다.
세척공정시 발생한 중금속 함유 공정수는 3가철 표면개질한 활성탄에 의해 시스템 내에서 중금속이 흡착 처리되기 때문에 세척공정수를 방류 처리하지 않고, 전량 재활용할 수 있다.
1) 마이크로 싸이클론을 이용한 경제적인 미세토양 분리
오염 토양을 정화하기 위한 방법으로 세척공법을 적용할 경우 가장 중요한 고려인자는 토양 중 함유되어 있는 미세입자의 함량이며, 미세토양의 함량이 많은 토양을 세척할 경우 오염물질의 제거 또는 분리효율이 낮을 뿐만 아니라 세척 후 고액분리가 매우 어렵다.
만약 경제적으로 미세입자를 분리할 수 있는 기술을 개발하여 세척공정에 적용한다면 세척 후 수처리 시설의 용량과 처리비용을 줄일 수 있으며 처리대상 미세오염 토양을 최소화하고 다른 처리기술을 복합적으로 이용함으로써 토양세척기술의 적용범위를 혁신적으로 넓힐 수 있다.
본 기술은 수 마이크로미터 크기의 미세입자를 분리할 수 있는 마이크로 싸이클론을 다단형으로 설치하여, 운전조건에 따라 다양한 입경의 마이크로미터 크기의 미세입자를 분리할 수 있는 기술이다.
그림 2 > 다단형 마이크로 싸이클론
2) 산용출을 이용한 조대입자 토양의 세척
산용출 공정은 고농도로 오염된 특정 입도의 세척분리토를 선별한 뒤 산용출액을 이용하여 토양입자에 함유된 중금속을 용출하는 기술이다.
토양의 오염 특성에 따라 용출이 용이한 입자의 토양만을 용출공정에 적용하고, 폐쇄공정(Closed-Loop)을 이용한 산용출액의 재이용을 통해 경제성과 운전성을 향상시켰다.
또한 폐쇄회로 공정을 이용하여 용출액을 최대한 재이용하고 용출액의 다른 공정이동을 최소화할 수 있다.
여러 가지 산용출액의 처리효율을 비교분석한 결과, 인산이 비소를 비롯한 중금속에 가장 좋은 처리성능을 보였다.
토양의 오염특성에 따라 고농도로 오염된 조대입자의 토양은 중금속 처리효율이 가장 우수한 인산을 적용하고, 비교적 저농도로 오염된 토양은 경제성을 고려하여 황산을 선택 적용할 수 있다.
용출에 사용된 산용액은 처리토의 탈수 후 회수되므로 중금속 오염농도가 법적 기준치를 초과하지 않을 때까지 계속해서 재사용이 가능하며, 정밀입도분리를 거쳐 최소화된 물량에 한해 산용출을 적용하기 때문에 화학약품 및 폐액발생이 매우 적다.
그림 3 > 산용출조
3) 개질 활성탄을 이용한 중금속 함유 토양세척 공정수 처리
토양세척 후에는 중금속 오염물질을 함유한 세척 공정수가 발생되게 되며, 이러한 세척 공정수를 처리하는 방법은 일반적으로 중금속의 응집·침전을 이용한 처리법이나 미생물을 이용한 생물학적 처리법이 주로 사용된다.
그러나 응집·침전을 이용하여 처리하는 경우에는 고농도 중금속 오염물질을 함유한 슬러지가 다량 발생되어 추가적인 처리가 불가피하며, 토양세척 폐액의 경우 대부분 산성인 경우가 많아 생물학적 처리 방법을 적용하기 어렵기 때문에 대용량의 고농도 중금속 오염 폐액을 처리하기 위해서는 오염물질을 보다 효율적으로 신속하게 처리할 수 있는 기술이 필요하다.
활성탄은 수용액 중에 분산되어 있거나 용해되어 있는 흡착질을 보다 많이 흡착할 수 있는 매우 큰 표면적과 다공성을 지니고 있으며, 경제적으로 값싼 공정을 제공하기 때문에 폐수처리 흡착실험에 많이 이용된다.
본 기술은 활성탄의 비소 흡착능을 최대로 하기 위해 3가철(Fe³+)을 개질·매질로 이용했다.
비소와 친화력이 있는 Fe 이온으로 개질한 활성탄을 적용하여 세척 공정수 중의 중금속을 효과적으로 처리함으로써 세척공정수를 전량 재활용할 수 있는 기술이다.
그림 4 > 중금속 흡착탑
개발기술의 활용 전망
1) 환경적 기대효과
오염 토양의 세척시 고농도 오염물질이 분포하는 특정 크기의 오염토양만을 정밀하게 선택적으로 분리하는 물리적인 방법을 적용하여 정화목표를 달성함으로써 원토양의 화학적 특성 변화를 최소화할 수 있는 친환경 기술이다.
분리된 고농도 오염토양 중 용출이 용이한 경우에만 용출공정을 적용할 수 있도록 함으로써 화학약품 사용량을 최소화할 수 있다.
또한 세척공정에서 발생되는 중금속 함유 공정수를 3가철로 표면개질한 활성탄을 이용하여 흡착 처리함으로써 세척공정수를 전량 재활용할 수 있는 무방류형 처리 기술이다.
2) 기술적 파급효과
중금속 미세입자의 대기중 확산에 의해 토양내 입자성 오염물질이 축적되면서 오염된 토양을 정화할 경우 마이크로 싸이클론을 이용한 미세입자 분리기술을 적용하여 오염농도가 높은 크기의 토양만을 분리제거할 수 있는 공정이 매우 간단하며 재현성과 시공성이 우수한 기술이다.
입자의 크기에 따라 오염물질의 농도가 다를 경우 효과적으로 적용이 가능하다.
세척수 중 함유되어 있는 미세토양이 혼합되어 있는 슬러리로부터 토양을 효과적으로 분리할 수 있는 고액분리기술로 후속공정인 수처리공정의 부하율을 저감시켜 전체 공정의 적용성을 개선할 수 있는 요소기술이다.
다른 토양세척 기술뿐만 아니라 혼탁액으로부터 고형물을 효과적으로 제거하는 전처리기술로 활용이 가능하다.
세척공정에서 발생되는 비소를 비롯한 중금속이 농축된 공정수의 처리기술은 3가철 표면 개질 활성탄을 이용하여 흡착 처리함으로써 세척공정수를 전량 재활용하는 기술로, 오염토양 세척기술의 적용성 및 효율을 극대화 할 수 있다.
특히 일반 활성탄과는 달리 3가철로 개질된 활성탄으로 중금속 오염물질을 흡착할 경우 공정수의 수질을 배출수 허용기준 이하로 유지할 수 있다.
3) 경제적 파급효과
본 기술은 복원이 시급한 부지에 즉각적인 적용이 가능하고 시공성이 우수하여 경제적인 오염토양 정화가 가능한 기술이다.
특히 특정 크기의 오염토양만을 정밀하게 선택 분리 처리함으로써 오염된 토양만을 정화대상으로 하여 처리비용을 최소화할 수 있다.
토양세척 공정 중 발생되는 중금속 함유 세척 공정수를 3가철 개질 활성탄에 의해 효과적으로 흡착처리 함으로써 투입 화학약품을 최소화할 뿐만 아니라 세척공정수를 전량 재활용함으로써 투입비용의 획기적인 절감이 가능하다.
또한 흡착능이 소모되어 파과점에 도달한 3가철 개질 활성탄은 이미 흡착된 오염물질의 재탈착이 매우 어려운 것을 감안하여 미세토 탈수 보조재로 사용함으로써 탈수효율을 개선하고 탈수공정에 소요되는 운영비를 절감할 수 있다.