Win Tech - 오염토양 정화기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 김재곤 책임연구원
한국지질자원연구원 환경지질연구실
토양은 암석의 물리화학적 풍화작용과 생물학적 작용에 의하여 형성된 물질로서 지구 표면을 얇은 층으로 덥고 있다.
토양은 고체(입자), 액체(공극수), 기체(가스)로 구성되어 있으며 생체물질의 생산(Biomass Production), 지하수 및 대기 보호를 위한 완충작용, 유전자원 저장, 인간 활동의 토대, 천연재료 제공, 문화유산 보존 등 다양한 기능을 가지고 있다.
우리나라는 1960년대 이후 급격한 산업화와 인구증가로 환경오염이 심화되어 사회문제가 되고 있다.
토양오염은 지질학적 기원, 자원 개발, 광산 및 산업 폐수 유입, 하수 유입, 산업시설 및 도로 분진 유입, 폐기물 유입, 저장시설 누출, 비료 및 토양 개량재 살포, 농약 살포 등 다양한 원인에 의하여 유발된다(그림 1, 그림 2 참조).
우리나라는 환경오염으로부터 토양을 보호하고자 1995년 ‘토양환경보전법’을 제정하여 시행하고 있으며 21개 오염물질(카드뮴(Cd) 및 그 화합물, 구리(Cu) 및 그 화합물, 비소(As) 및 그 화합물, 수은(Hg) 및 그 화합물, 납(Pb) 및 그 화합물, 6가 크롬(Cr), 아연(Zn) 및 그 화합물, 니켈(Ni) 및 그 화합물, 불소(F), 유기인 화합물, 폴리클로리네이티드비페닐, 시안화합물, 페놀류, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 석유계 총 탄화수소, 트리클로로에틸렌, 벤조피렌 등)을 관리하고 있다.
많은 경우 토양오염은 눈에 보이지 않는 오염으로서 오염 발생과 그에 따른 문제 발생은 시간차를 가지고 있다.
오염이 발견되었을 경우 이미 많은 양의 오염물질이 토양으로 유입되어 넓은 범위의 토양과 지하수가 오염된 경우가 대부분이다. 오염물질과 토양의 특성에 따라 오염 양상이 다르게 나타난다.
무기 오염물질의 경우 용해도, 착염 생성 등이, 유기 오염물질의 경우 헨리상수, 분해상수, 옥탄올/물 분배계수 등이 오염 특성에 크게 영향을 미친다.
토양의 투수계수, 수분 함량(지하수위), 토성, 유기물 함량, 광물조성, 전기 전도도, pH, 양이온 교환 능력 등 물리화학적 특성이 오염물질의 확산, 존재 형태, 이동성, 독성 등에 영향을 미친다.
토양오염은 토양의 오염으로만 끝나는 것이 아니라 지하수 오염, 지표수 오염, 대기 오염을 유발하는 원인이 되기도 한다.
토양 내 오염물질은 토양입자 표면에 흡착되거나 침전물의 형태로 존재하므로 토양으로부터 오염물질을 제거하는 것이 쉽지 않다. 오염토양 정화에는 많은 시간과 노력, 비용이 소요된다.
오염토양 정화는 처리 위치에 따라 오염된 토양을 지중 원위치에서 처리하는 것은 In-situ 처리이며 오염된 토양을 굴착하여 지상에서 처리하는 것은 Ex-site 처리이다.
Ex-situ 처리 중 오염부지 내에서 처리하는 것은 On-site 처리이며 부지 외부로 반출하여 처리하는 것은 Off-site 처리이다.
토양 내 오염물질의 농도, 독성, 이동성을 저감시키는 방법의 원리에 따라 생물학적, 물리화학적, 열적 처리로 분류한다(표 1 참조).
제련소와 광산 주변지역은 토양 내에서 거동 특성이 서로 다른 비소와 중금속으로 복합적으로 오염되는 토양이 많으며 이러한 복합오염토양을 대상으로 시행되고 있는 정화사업은 정화 목표 달성에 많은 어려움이 있는 것으로 보고되고 있다.
한국지질자원연구원은 비소와 중금속 복합오염토양 정화 융합 공정을 개발하여 Pilot Scale 실증을 성공적으로 수행하였다.
정화 융합 공정은 오염토양의 분산, 입도분리, 자력분리, 토양세척으로 구성되어 있다(그림 3 참조).
오염토양 내 비소는 산화철과 공침되어 있거나 표면에 흡착된 형태가 가장 흔한 것으로 알려져 있다.
중금속은 점토광물과 유기물 표면 흡착, 수산화물, 산화물, 탄산염 등 다양한 형태로 존재하는 것으로 알려져 있다.
토양은 크기와 종류가 다양한 입자들이 모여서 하나의 덩어리로 형성된 입단(Aggregate)으로 구성되어 있다. 입단은 중 비소 혹은 중금속 함유 농도가 다양한 입자들로 구성되어 있다.
오염토양으로부터 오염물질을 많이 함유한 입자를 선택적으로 분리하거나 용출시키면 토양의 오염농도를 저감시켜 정화 목표를 용이하게 달성할 수 있다.
입단으로 구성된 토양을 알칼리 용액(NaOH Solution)과 혼합하고 초음파를 주사하면 입단을 구성하고 있는 입자들이 입단에서 분리되어 수용액에 분산된다(그림 4 참조).
알칼리-초음파 처리에 의하여 분산된 현탁액 내의 작은 입자가 큰 입자에 비해 상대적으로 중금속과 비소를 많이 함유하고 있다.
진동채와 Hydrocyclone(그림 5 참조)을 이용하여 큰 입자와 작은 입자로 분리하게 되면 작은 입자는 큰 입자에 비해 상대적으로 높은 농도의 중금속과 비소를 함유하게 된다.
즉, 토양으로부터 상대적으로 오염농도가 높은 작은 입자를 분리추출함으로써 토양의 오염농도를 저감시킬 수 있다.
작은 입자들로부터 자력분리기를 이용하여 중금속과 비소를 상대적으로 많이 함유한 대자율이 높은 자성 입자를 분리하면 대자율이 낮은 비자성 입자는 낮은 중금속과 비소 농도를 갖게 된다(그림 6 참조).
상대적으로 중금속과 비소의 농도가 높은 자성 입자를 화학 세척제를 이용하여 세척하여 오염농도를 환경기준치 이하로 저감시키면 정화가 완료된다.
한국지질자원연구원에서 개발한 중금속 및 비소 오염토양 정화 융합 공정은 기존 오염토양 정화 공정에 비해 화학적 세척을 최소화함으로써 정화 후 토양에 나타날 수 있는 화학적 처리제의 독성, 생태계 교란 등 2차적인 악영향을 최소화할 수 있다.
Pilot Scale의 정화 융합 공정을 구성하고 (구)장항제련소 주변 오염토양을 대상으로 적용하여 성공적으로 정화 목표를 달성하였다.
개발된 기술의 현장 적용을 위하여 기술수요 기업과 협동연구를 통하여 현장 규모 실증과 기술 개선을 실시할 예정이다.
오염토양 정화 융합 공정은 쾌적한 환경 조성과 기업의 국내 시장에서 매출 증가뿐만 아니라 50조 원 규모로 평가되고 있는 중국 오염토양 정화 시장 진출에 기여할 것으로 기대하고 있다(그림 7 참조).