지하수·토양오염 현상·복원기술 동향- 박정구 팀장(환경관리공단 토양복원진단팀)공기살포·토양세정·토양증기추출법·생물주입배출법 등 현장 적용
토양과 지하수는 한번 오염되어 그 기능을 잃게 되면 이를 다시 정화하기 위해서는 대기나 수질 등 다른 매체에 비해 엄청난 비용과 노력이 요구될 뿐만 아니라 긴 시간이 요구된다. 아울러 땅속에 깃들어 살고 있는 유용한 토양생물들과 지하수의 오염을 유발시키고 이는 결국 다시 인간에게 피해를 주기 마련이다.
지하수·토양오염은 다른 매체와 달리 오염부지 및 오염물질의 특성에 따라 복원기술의 현장적용 가능성을 충분히 검토하여 최적의 기술을 선정하여야 한다. 본 장에서는 지하수·토양오염의 메카니즘과 오염물질의 종류별 특성을 살펴보고, 복원기술의 동향과 국내 현장에 많이 적용되고 있는 기술들에 대하여 간단히 소개하고자 한다.
지하수·토양오염의 메카니즘
지반(지질)은 토양입자, 지하수, 공기로 구성되어 있으며, 토양입자는 그 크기에 따라 점토, 미사, 모래, 자갈 등으로 구분되고 있다. 지하수는 이러한 토양입자의 사이에 존재하고 있는 것으로 특히 모래나 자갈과 같이 토양입자간의 틈새가 많은 층에 존재하여 대수층을 이루고 있다. 대수층의 지하수는 일정 방향으로 유동하고 있지만, 그 속도나 방향은 지층과 경사에 따라 변화한다.
유해물질에 의한 지하수·토양오염의 거동을 <그림 1 designtimesp=9589>에 모식적으로 나타내었다. 지하수·토양오염은 유해물질의 특성이나 지질에 따라 침투하는 속도는 다르지만 표층 토양에서 서서히 하부로 침투하여 대수층까지 도달하면 지하수의 유동 방향에 따라 광역적으로 더욱 확산하게 된다.
특히 고밀도 비수용상액체(DNAPL:Dense Non Agueous Phase Liquid)는 물보다 무겁고, 점성이 낮기 때문에 침투하는 속도가 빨라 지하수를 오염시키는 경우가 많다. 또, 휘발성이 높기 때문에 지층안의 공기를 오염시켜 대기에 방출되는 경우도 있다.
한편, 중금속류는 토양에 흡착되기 쉽고, 휘발성 유기화합물보다는 오염의 확산정도는 적지만, 일부 물질은 물에 용해하기 때문에 지하수의 흐름에 의해 오염이 확산되는 경우도 있다.
<그림 1 designtimesp=9594> 지하수·토양오염의 거동
오염물질의 종류
토양환경보전법 및 지하수의수질보전등에관한규칙에 의하면 토양기준이 카드뮴 등 16항목, 지하수의 수질기준이 pH 등 20항목으로 지정되어 있으며, 일반항목과 중금속, 휘발성 유기화합물 및 유류로 대별되고 있다.
①중금속= 중금속에 의한 지하수·토양오염의 원인에는 대상물질을 포함한 원재료, 유해화학물질 등의 보관·제조 과정에 있어서의 누출, 매연의 강하, 부적절한 폐수의 지하 침투 또는 폐기물의 매립 처분 등이 있다.
토양 중의 중금속 거동은 그 물리·화학적인 성질과 상태 및 매체가 되는 토양의 성질과 상태에 따라 다르지만, 일반적으로 중금속 등은 물에 녹기 어렵고 한편 토양에 흡착되기 쉽기 때문에 지하에 침투한 중금속은 지표 토양에 존재하며 심층부에까지는 확산되지 않는 경우가 많다. 그러나 토양의 흡착능을 넘는 부하가 생겼을 경우 또는 Cr+6이나 CN 등과 같이 물에 대한 용해도가 높고, 이동성이 높은 물질의 경우 빗물 등의 지하 침투와 함께 지하 심층부에까지 확산되는 경우가 있다.
대상물질이 지하수에 도달하면 지하수중에 용해하여 지하수의 흐름과 함께 하류에 이동하지만, 일반적으로 토양이 가지는 흡착능 때문에 지하수 오염이 발생하는 범위는 넓지 않다.
②고밀도 비수용상액체(DNAPL)= TCE(Trichloroethylene)와 같은 고밀도 비수용상액체(DNAPL)는 휘발성 유기화합물은 휘발성이 높고 불연성이며, 기름에 대한 용해력이 높은 성질을 가지는 공업화학품으로서 IC기판이나 전자부품의 세정, 금속의 전처리 세정, 드라이클리닝용의 용제 등 여러 가지 용도로 사용되고 있다.
고밀도 비수용상액체(DNAPL)에 의한 지하수·토양오염은 용제등으로 사용하거나 처리과정에서의 부적절한 취급이 하나의 요인이라 생각되며, 이를 포함한 슬러지의 부적절한 매립처분도 토양과 지하수로의 침투 경로로 들고 있다. 또한, 액상인 폐용제의 불법투기에 기인하는 예도 있다.
고밀도 비수용상액체(DNAPL)에 의한 지하수·토양오염 기작은 대부분이 지표면 또는 그 부근에서 지하로 침투하여 토양과 지하수를 오염시키는 것이다. 토양 중에 침투한 고밀도 비수용상액체(DNAPL)는 일부가 토양간격중에 체류하여 토양오염을 일으키지만, 표층 토양에서는 공기중에 휘발하기 쉽다. 또, 점성이 낮고, 비중이 물보다 무겁기 때문에 투수성이 높은 지층으로 침투하기 쉽고, 지하수면에 도달한 고밀도 비수용상액체(DNAPL)는 불투수층의 바로 윗쪽에 정체하여 지하수 오염을 일으킨다.
③유류= 휘발성이 높고 물보다 가벼우며, 우리의 일상생활에서 난방용, 차량동력용 등으로 널리 쓰이고 있으며, 토양오염유발시설의 대부분을 석유류의 제조 및 저장시설이 차지하고 있다. 국내에서 일어나는 토양과 지하수오염의 대부분이 주로 유류에 의한 것이다. 유류는 유해물질이라고는 할 수 없지만 토양 및 지하수수질기준에 포함되어 있는 BTEX(벤젠·톨루엔·에틸벤젠·크실렌) 등이 관리대상 물질이다.
지하수·토양 복원기술
오염된 지하수·토양에 대한 복원기술(Remediation Technology)은 오염원 관리 및 정화를 통하여 오염된 토양 및 지하수 환경계를 자연상태에 가깝도록 환원시키는 기술이다. 이러한 복원기술은 처리위치에 따라 오염지역 내에서 직접 처리하는 방법인 현장 내 처리방법(On-site)과 오염된 지역에서 벗어나 다른 곳으로 옮겨 처리하는 방법(Off-site)이 있으며, 현장내 처리 방법에 다음과 같이 두 가지 방법이 있다.
○ 원위치(In-situ) 복원기술: 오염토양을 수거하지 아니하고 현 위치에서 오염물질을 처리하는 기술
○ 위치외(Ex-situ) 복원기술: 오염토양을 굴토 및 수거하여 부지내 다른 장소에서 오염물질을 처리하는 기술
오염된 지하수·토양의 복원기술은 처리방법에 따라 생물학적 처리기술, 물리·화학적 처리기술 및 열처리기술로 분류할 수 있다. 이러한 복원기술이 현장에 적용되기 위해서는 현장특성에 따른 적용 가능성 검토가 먼저 수행되어져야 한다.
현장 특성에는 크게 오염부지의 특성과 오염물질의 특성으로 대별할 수 있다. 적용 가능성 평가는 오염부지의 경우 토양의 구조 및 층화, 공기투과성, 자생 미생물, 토양 함수량 및 토양온도 등이며, 오염물질의 경우 오염물질의 화학적 구조, 농도 및 독성, 증기압, 끊는 점, 헨리상수 등으로 이러한 현장특성들을 충분히 검토한 후 최적의 처리기술을 선정하여야 한다.
복원기술 국제 동향
복원기술의 동향을 보면, 미국의 경우 1970년대 뉴욕의 Love cannal 매립장 주변의 유해화학물질 유출로 인하여 인근 주민의 피해발생을 계기로 토양오염의 심각성을 인식하게 되었으며, 1976년에 RCRA(Resource Conservation and Recovery Act), 1980년의 CERCLA(Comprehensive Envirionmental Response, Compensation, and Liability Act)의 법제정을 통하여 Super fund를 조성하는 계기가 되어 수천억원의 기금을 활용하여 오염된 토양과 지하수의 정화사업은 물론 최신의 정화기술 개발에 박차를 가하였다.
일본, 독일, 프랑스 등에서도 실용화된 많은 기술들이 개발되었으며, 우리나라도 1996년부터 정부지원에 의한 G7프로젝트의 일환으로 본격적으로 기술을 개발하기 시작하였다. 현재 환경부에서 차세대핵심기술재발사업의 한 분야로 오염토양·지하수 정화기술을 지정하여 지원하고 있으나 선진국에 비해 출발이 늦었기 때문에 기술의 다양성 측면에서는 아직 초기단계라고 할 수 있으나 어느 정도 많은 기술들이 개발되어 현장에 적용되고 있다.
우리나라의 경우 전문가들은 2002년 기준으로 토양·지하수분야 기술수준을 선진국의 50% 미만이라고 평가하고 있으나 차세대 핵심기술개발사업이 완료되는 2010년경에는 기술수준이 발전하여 <표 1 designtimesp=9621>과 같이 선진국의 70∼80% 수준에 이를 것으로 전망하고 있으며, 토양지하수의 현장오염 측정분야 기술수준은 상대적으로 높게 평가되고 있다. 오염된 지하수·토양처리기술의 이용경향을 보면 열처리방법보다는 토양증기추출 등 물리·화학적 처리기술의 사용빈도가 점차 많아지고 있으며, 생물학적 처리기술은 생물학적 통풍법, 토양경작법 등이 실용화되어 현장에 적용되고 있다.
현장 내 처리방법(On-site)에서는 같은 생물학적 처리기술이라도 In-situ에 비해 Ex-situ 기술의 이용도가 여전히 낮은 상태인데 이는 정화비용이 상대적으로 저렴한 In-situ기술을 선호하기 때문이다. 차폐에 의한 고정화, 고형화·안정화처리기술이 일부 폐금속광산에서 광미의 확산방지책으로 적용되기는 하나 다른 기술들에 비해 상대적으로 점유율이 낮아지고 있는 것은 가능한 한 오염물질을 완전히 제거하여 잔존물을 줄이려는 방향으로 기술이 발전하고 있음을 의미한다. 열탈착처리, 소각처리기술 등 에너지 소모가 많고 2차 대기오염을 유발할 가능성이 있는 기술의 이용도는 낮아지거나 정체되고 있다.
국내 적용 오염복원기술
국내의 지하수·토양복원 현장에서 적용되고 있는 몇 가지 기술들을 소개하고자 한다. <그림 2 designtimesp=9627>는 공기살포(Air Sparging)기술공정으로 오염된 대수층을 통해 공기를 주입하여 휘발화작용에 의해 오염된 공기방울이 불포화대로 올라오게 하여 오염물질을 제거하는 기술로서 VOCs나 유류로 오염된 지역에 많이 적용되고 있다.
<그림 3 designtimesp=9629>은 토양세정(Soil Flushing)에 의한 처리공정으로 물에 대한 오염물질 용해도를 증대시키기 위해 첨가제에 함유된 물을 토양 공극내에 주입함으로서 오염물질을 추출하여 처리하는 기술이다. 처리과정에서 계면활성제를 첨가하여 용해도를 증가시킬 수 있으며, 양수된 물은 지상에서 후처리과정을 거치게 된다. VOCs, 방사능오염물질, 살충제, 중금속 오염의 경우에 효과가 있다. 투수성이 낮은 토양에서는 처리하기가 어렵고 세정용액에 의해 2차 오염을 유발시킬 가능성이 상존한다.
토양증기추출법((Soil Vapor Extraction)은 오염된 토양내 공극을 통해 오염공기를 뽑아서 처리하는 기술로서 토양 및 지하수로부터 지상으로 오염물질을 이동시키기 때문에 미생물 처리기술 등 다른 처리기술과 함께 이용하면 더욱 효과를 높일 수 있다. 유류, 솔벤트 등 휘발성 유기물질을 제거하는데 효과적이며, 그 처리방법은 <그림 4 designtimesp=9631>에 나타내었다.
생물주입배출법(Bioventing)은 기체상으로 존재하는 휘발성 유기물질을 추출해내는 동시에 기존의 토착미생물에 산소 및 영양분을 공급하고, 토양내 증기흐름속도를 공학적으로 조절함으로써 미생물의 지중 생분해능을 극대화하는데 중점을 둔 기술로 <그림 5 designtimesp=9633>에 나타내었다. 유류로 오염된 지역에 성공적으로 적용되어 왔으며, 처리효율, 경제성 등 여러 측면에서 우수한 기술로 평가되고 있다. 주로 불포화지대에만 적용되어 왔지만 최근에는 포화지하수대까지 동시에 적용할 수 있도록 하기 위하여 Air Sparging 기술과 결합된 형태의 Bioventing기술이 개발·적용되고 있다.
<그림 5 designtimesp=9636> 생물주입배출법(Bioventing)
오염된 지하수·토양을 정화하기 위한 여러 기술중 현장에 주로 많이 적용되고 있는 기술중심으로 간략히 소개하였지만, 우리나라는 대체로 지하수위가 높아 토양이 오염되면 이와 연계하여 지하수까지 오염되는 경우가 많은 실정이다. 따라서 지하수와 토양을 동시에 정화하기 위하여 <그림 6 designtimesp=9639>과 같이 SVE+Bioventing+양수처리를 통한 복합적 기술을 적용하여 복원하는 경우도 있다.
<그림 6 designtimesp=9642> SVE+Bioventing+양수처리
자연친화적 복원기술 필요
오염지하수 및 토양의 복원기술은 좁은 국토 면적, 높은 인구밀도, 국민소득 향상과 더불어 깨끗한 자연환경이 삶의 질을 결정하는 중요한 요인으로 부각되는 상황으로 향후 법적 규제기준의 점진적 강화를 고려하면 자연환경보전과 지속가능한 개발을 위해서 필수적인 기술로 판단된다.
향후 차세대 핵심기술개발사업이 완료되는 2010년경에는 지하수·토양복원기술분야에서 선진외국과도 경쟁력을 확보하게 될 것으로 예상되며, 지속가능한 개발측면에서 복원에 따른 2차 오염을 줄이고, 오염물질의 노출을 줄이기 위한 in-situ 기술들 위주로 개발되어질 것으로 전망된다. 또한 자연의 오염을 자연자원을 이용하여 복원하는 자연친화적인 복원기술과 실시간 모니터링기술도 발전할 것으로 기대된다.
현재 세계적인 지하수·토양복원의 추세는 단기간에 높은 처리효율을 기대하는 장치 위주의 복원기술 적용에서 처리시간은 다소 걸리더라도 저 비용의 효율적인 처리가 가능한 기술의 선택으로 옮겨가고 있는 추세를 감안한다면 식물정화법에 대한 연구와 기술개발도 시급하다고 할 수 있겠다.