[스크랩] [특집] 토양환경과 유류오염 대책기술 (1)

 

특집/토양환경과 유류오염 대책기술[I]

 

미생물기술에 의한 기름오염토양의 복원

편  집  부

 

1. 머리말

최근 산업구조의 변화로 인해 많은 공장의 과거부지에 대한 이용계획이 추진되고 있다. 이 가운데 부정적인 유산이라고 할 수 있는 과거부지의 토양오염문제가 표면화되고 있는데 (재)토양환경센터의 시산에 따르면 오염토양을 조사해야 하는 사업소 및 과거부지수는 전국적으로 44만 건에 달하는 것으로 알려져 있다. 이러한 배경을 바탕으로 2003년 2월 토양오염대책법이 시행되면서 24개 항목의 물질에 대한 환경기준이 설정되었다. 한편 석유화합물 등 환경기준이 설정되어 있지 않은 화학물질로 오염되어 있는 토양의 경우도, 토양오염으로 인해 토지평가가격이 낮아지는 현상이 발생하고 있다. 따라서 토지평가가격을 복원시키기 위해 토지매매를 계획하고 있는 기업을 중심으로 연료유에 의해 오염된 토양을 복원하는 공사가 증가해 왔다.

토양을 복원하기 위한 공법으로서 지금까지 토양가스 흡인법, 세정법, 저온가열법, 연소법 등의 물리·화학적 방법이 자주 활용되어 왔다. 이와 같은 상황 속에서 처리비용이 저렴하고 오염물질을 분해·무해화할 수 있다는 점 때문에 미생물 처리법(Bio-remediation)에 의한 정화가 최근 2~3년 동안 도입되기 시작했다. 미생물 처리법이란 오염된 토양이나 지하수를 생물의 힘에 의해 원래상태로 복원시키는 기술이라고 정의되는데, 연료유에 의한 오염토양을 중심으로 최대 10만m3 규모의 공사도 이루어지고 있다.

 

2. 분해대상물질

생물의 기능을 이용하여 오염물질을 분해·무해화하는 방법이므로 중금속 등을 제거하는 것은 불가능하지만, 아래와 같은 물질을 분해할 수 있는 것으로 알려져 있다.

1) 석유계 탄화수소(가솔린, 등유, 경유, A중유 등의 연료유)

2) 벤젠화합물(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 등)

3) 할로겐 화합물(트리클로로에틸렌, 디클로로메탄 등의 직쇄할로겐 화합물)

또 다이옥신으로 대표되는 방향족 할로겐화물이 생물에 의한 분해에 대해서도 적극적인 개발이 이루어지고 있다.

3. 미생물 처리법

미생물 처리법에 관한 공법은 여러 가지로 고안되고 있다(그림 1). 주로 표층과 가까운 곳의 오염에 대해서는 토양을 파내 비료 등을 가해 정화하는 「랜드 퍼밍법」이 자주 이용된다.

그 밖에 한냉지 등을 복원시키기 위해 땅속에서 정화하는 「바이오 믹싱법」, 비교적 깊은 곳의 기름오염에 대해 공기를 주입하여 처리하는 「바이오 스퍼징법」, 지하수에 용해되기 쉬운 트리클로로에틸렌 등을 처리하기 위해 지하수를 순환 처리하는 「원단위 순환법」 등이 존재하며, 토질과 오염물질의 종류·농도에 따라 가장 적합한 공법을 선택하여 복원작업을 실시하고 있다.

4. 연료유 오염토양 복원가능성 조사

4.1 오염장소에서 유분분포의 추정

오염된 토양의 조사방법에 대해서는 환경성 지침이 존재한다. 그러나 유분에 대해서는 벤젠이 토양환경기준만이 기재되어 있고, 구체적인 유분조사방법은 언급되어 있지 않다.

따라서 실제 기름오염토양의 복원공사를 쉽게 이해하기 위해 그림 2의 복원과정에 따라 설명해 보기로 한다.

(1) 토양 중의 CO2 농도를 지표로 하는 표층조사

제유소, 유조소의 콘크리트층 하부에는 연료배관과 전기배선 등이 교차하므로, 안이하게 보링기계에 의한 3차원 조사를 실시하게 되면 방재 상 어려움이 따라 안전하고 신속하게, 효과적으로 오염상황을 파악할 수 없는 것이 현실이다. 따라서 보링기계 등을 사용하는 토양채취에 의한 조사법이 어려워, 보링하지 않고 땅속의 오염상황을 파악하는 방법이 필요하다. 지상에서 오염상황을 파악하는 방법으로 표층조사법이 있다. 이 표층조사법의 대상물질은 벤젠 이외에 트리클로로에틸렌 등의 유기염소계 화합물을 주체로 하는 단일화합물을 대상으로 한 분석·조사법이 있으며, 연료유 등의 석유계 화합물은 다양한 성분으로 구성되어 있어 표층조사법이 아직 확립되어 있지 않은 것이 현실이다.

필자는 유조소·제유소의 과거부지를 대상으로 부지 내의 오염지구를 파악하기 위해 토양오염 가스측정법에 의한 표층조사를 실시하고 있다. 약 10~30mm 간격으로 포인트를 정하고 심도 50~100cm 조건으로 구멍을 뚫어, 그 구멍을 통해 토양가스를 측정했다. 토양가스 측정에는 Eco-prove5를 사용하며 토양가스 가운데 TP, PID, CH4, CO2, O2 농도를 동시에 측정한 후, 각각의 가스농도를 오염등고선도로 표시했다. 그림 3은 유분분석결과와 토양오염가스 측정기에 의한 분석결과 예를 나타낸 것이다.

GL-0.2m인 토양가스 속의 PID와 유분농도는 거의 같은 등고선을 나타내었는데, GL-1m 이상 깊이의 유분존재를 나타내는 것은 아니었다. 토양 속의 CO2는 유기물이 미생물에 의해 분해되면서 생성되기 때문에 일반적으로 유기물 농도가 높은 토양일수록 고농도의 CO2가 검출된다. 조사한 사이트의 경우, 4만ppm이라는 고농도의 CO2가 검출된 장소도 존재했다. 이 CO2 농도의 등고선은 각 심도의 유분농도와 매우 일치했다. 즉 CO2 농도에 의해 그려진 등고선은 채취심도만의 유분농도를 나타낸 것이 아니라 사이트 전체의 기름오염 상황을 나타낸 것으로 추측된다.

이어서 고농도 오염지역을 중심으로 Back Hoe를 사용하여 지하수위까지의 토양오염상황을 확인했다. 참고로 위 1)항의 보고는 경제산업성의 보조금에 의해 (재)석유산업활성화센터(PEC)가 실시하고 있는 기술개발사업의 일환으로 이루어졌다.

(2) 유분농도 및 기름종류의 파악

오염지에 대한 적용시험으로서 오염토의 유분함유농도를 측정한 결과, 고농도의 유분존재가 확인되었다. 함수율은 8~16%로서 비교적 낮은 결과를 보였다. 토양 중에 벤젠은 검출되지 않았으며 유분농도는 오염중심부에서 2,400mg/kg(n-헥산추출-중량법)의 유분이 확인되었다. 오염지 중심부는 청회색을 띄는데, 이 색조부위는 유분농도가 높은 경향을 보였다. 한편 청회색 오염주변에는 회적색 부위가 존재하는데 이 장소의 유분농도는 낮았다.

그림 4는 오염토양에 함유되어 있는 유분을 1시간 40℃의 헤드 스페이스 가스로 GC/MS 분석한 결과이다. 그 결과 GC/MS 패턴이 경유와 유사하므로 기름종류는 경유가 주성분인 것으로 추정된다.

(3) 가능성 조사결과

적용가능성 조사로서 그림 5와 같은 밀폐식 배양병을 사용한 연료유 분해시험을 실시했다. 용적 300mL인 부틸고무마개가 달린 배양병에 오염토양시료를 100g 넣어 30℃에서 20일간 배양하고, 정기적으로 밀폐병 안의 산소농도를 측정하여 산소소비속도를 산출했다. 또 20일 후에 내부 시료의 유분농도를 측정했다. 밀폐병 안의 산소농도가 적어진 시점에서 밀폐병 안의 가스를 농도가스로 치환했다. 밀폐병 시료로서는 오염토양을 그대로, 영양염으로는 요소 및 K2HPO4를 첨가한 것을, 영양원 외에 2종류의 미생물원으로 밭 흙을 첨가한 두 경우 등 4가지 조건으로 시험을 실시했다.

4.2 복원공사에 대한 검토

가능성 조사결과는 그림 6과 같다. 오염토양 그대로인 경우는 산소소비가 적고 영양원 첨가조건에서도 두드러진 산소소비효과가 관찰되지 않아, 영양원 첨가만으로는 유분분해를 촉진할 수 없는 것으로 판단되었다. 영양원 외에 미생물원으로 흑토를 첨가한 계에서의 산소소비가 두드러졌으므로, 오염토양 속에는 유분을 분해하는 미생물이 적은 것으로 추정됨에 따라 실제복원에는 미생물원으로 흑토를 첨가하기로 했다. 또 표와 같이 20일 후의 유분 분해율은 흑토첨가조건에서 85.3%를 나타내었다. 흑토 첨가조건 하에서 토양 1g 당 초기산소소비량으로 토양의 공극률을 30%로 조성하면, 3.5일에 1회의 공기교환이 필요한 것으로 판명되었다. 산소보급을 위해 경운에는 Back Hoe를 사용한다. 따라서 가능성 시험과 비교해 보면 산소이용효율이 저하될 것으로 생각되므로 산소보급을 위한 경운작업은 복원사업을 시작할 때 매일 실시해야 할 것으로 판단되었다.

4.3 복원계획

가능성조사 결과를 바탕으로 대상 흙의 양이 약 800m3인 경유오염토양의 복원계획을 세웠다. 가능성조사 결과를 보면 영양염으로써 산소 및 인이 필요한데, 오염토양 속의 유분을 100으로 볼 때 질소원 10, 인원 1이 되도록 질소원과 인원을 첨가했다.

<표> 유분농도의 추이

	처음 유분	20일 유분	제거율(%)
오염토양 오염토양+NP 오염토양+NP+흑토	5,500 5,500 5,500	2,430 1,660 810	55.9 69.7 85.3

 

 

또 미생물원이 필요한 것으로 판단되어 미생물원으로 흑토를 첨가했다. 경유오염토양 복원에는 랜드 퍼밍법을 도입했다. 외관은 사진과 같다. 최초 1개월간은 Back Hoe를 사용하여 매일 경운작업을 실시했다. 또 복원운전관리로서 4포인트의 샘플링 지점에서 표층 40cm 및 80cm 심도의 유분농도, 토양온도, 토양산소농도 및 CO2 농도, 수분량, 토양 pH를 경운작업 직전에 측정했다.

4.4 복원결과

(1) 유분농도의 추이

복원토양의 평균유분농도 추이는 그림 7과 같다. 당초 유분농도는 2,100mg/kg으로, 약 2주 동안 유분농도가 급격하게 감소했다. 복원작업을 시작한지 약 1개월 만에 유분농도는 450mg/kg, 제거율은 78.5%까지 저하되었다.

본 복원공사에서의 유분농도는 비교적 낮으며 경유오염토양이기 때문에 단시간에 복원이 가능했다. 유분농도가 저하되고 산소소비도 적어져, 그 후에는 유막·유취를 완전히 제거하기 위해 일주일에 1회 정도의 경운작업 빈도로 2개월간 복원작업을 실시했다.

(2) 토양 내의 산소 및 CO2 농도의 추이

그림 8은 토양 내의 산소농도 추이를 나타낸 것이다. 복원을 시작했을 때의 토양 내 산소농도는 매일 Back Hoe로 경운작업을 실시했음에도 불구하고 5% 전후까지 저하되어, 생물분해가 활발히 이루어지고 있는 것을 알 수 있었다. 복원개시 2주 전후부터 토양 내 산소농도가 상승하여, 3주째 이후에는 15% 이상의 농도를 나타내었다. 한편 토양 내의 CO2 농도는 복원초기에 20% 전후로 지나치게 높은 값을 나타내었는데, 복원작업이 계속됨에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이론산소소비농도에 비해 매우 높은 값으로 그 원인은 분명하지 않지만, Back Hoe 등에 의한 경운작업에서 CO2가 쉽게 잔류하기 때문인 것으로 생각되는 바이다.

(3) 토양온도의 추이

그림 9는 토양온도의 추이를 나타낸 것이다. 복원은 한 여름에 시작되어 토양온도가 30℃ 전후를 나타내었는데, 지표면에서도 50cm 이상 깊이 지점에서의 온도가 약간 높은 경향을 보였다.

(4) 수분량의 추이

그림 10은 수분량의 추이를 나타낸 것이다. 심도 40cm 및 80cm에서는 수분량이 10~15% 사이에서 거의 유지된데 반해, 지표면에서의 함수율은 현저한 변화를 보였다. 복원공사가 한 여름에 실시되어, 지표면의 수분이 두드러지게 증발했기 때문으로 생각된다. 복원공사에서의 수분조정은 지표면에서 수분이 증발되는 것을 보충하기 위해 경운작업이 종료되면 살수작업을 매일 실시하였으며, 토양내부로의 수분보급은 특별히 실시하지 않았다.

(5) 토양 pH의 추이

그림 11은 토양 pH의 추이를 나타낸 것이다. pH는 당초 7 부근을 나타내었으나, 복원개시와 함께 8 전후까지 상승했다. 복원개시 후 20일 정도가 경과되어 7.5 전후까지 낮아졌으며, 그 후에는 일정한 값을 유지했다. 복원을 시작할 때 질소원으로 요소를 첨가하므로 암모니아가 생성되어 pH가 높아졌으나, 토양정화와 함께 암모니아가 소비되어 pH가 7.5 전후까지 낮아진 것으로 생각된다.

5. 향후전망

일본국내에서의 석유계 오염토양정화는 걸프전쟁에 의해 발생한 기름오염토양을 대상으로 (재) 석유산업활성화센터에서 정화연구를 실시하면서 이를 계기로 이루어졌다.

현재로서는 실증시험을 거쳐 유조소 정화를 중심으로 실용화기술로서 복원공사가 이루어지고 있다. 유기염소계 화합물의 분해에 대해서는 환경성·일본종합연구 컨소시엄, (재) 지구환경 산업기술연구기관(RITE) 미생물 처리 프로젝트 등을 거쳐 바이오 스티뮬레이션, 바이오 오그멘테이션 및 이에 대한 안전성평가, 미생물 모니터링 기술 등에 대해 연구개발이 이루어져 왔다.

향후 토착균으로 정화할 수 있는 석유계 화합물 정화는 그대로 실용화될 것이 예상되는데, 다이옥신이나 다환방향족 등 분해성이 나쁜 물질의 경우는 토착균으로 잘 분해되지 않을 것으로 사료된다. 이에 난분해성 물질의 분해는 바이오 오그멘테이션에 의존해야 할 것으로 예상된다.

바이오 오그멘테이션법과 같이 대량으로 배양한 분해균을 환경 속에 방출하는 경우, 그 안전성을 반드시 고려해야 한다. 일본 국내에서는 환경성 및 경제산업성의 두 군데에 미생물 환경방출의 안전성에 관한 가이드라인이 존재하는데, 2005년부터 본 가이드라인이 일원화되어 과학적 근거를 바탕으로 평가가 이루어진다.

 

○ 출처 : http://www.envitop.co.kr/07chumdan/07/sp3.htm

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