KR100988393B1 - 오염 지하수의 현장 생물학적 복원장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오염된 지하수를 현장에서 복원시키는 생물학적 복원 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염소계 지방족 탄소화합물들 (Chlorinated Aliphatic Hydrocarbons; CAHs) 특히, PCE 및 TCE 등으로 오염된 지하수를 현장에서(in-situ) 관정 내부의 산화 미생물이 흡착된 미디어를 포함한 반응칼럼을 이용하여 자체 정화시켜 복원시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 오염 지하수의 하천, 호소 및 해양 유출을 저감시킴으로써 지표수의 수질 보전할 수 있으며, In-situ 기술의 적용으로 오염물질의 이동이나 확산에 의한 2차 오염 없이 현장의 발생지점에서 오염물의 처리가 가능한 기술이 제공되며, 현장 토양 미생물을 활용함으로써 유전자 변형 등에 의한 미확인 오염 가능성이 배제된 안전한 생물학적 복원 기술이 제공될 수 있다.

IWB, IWC, 반응칼럼, 톨루엔, 에탄올, 브로마이드이온

Description

오염 지하수의 현장 생물학적 복원장치 및 방법{Apparatus and method for In-situ Bioremediation of contaminated ground water}

본 발명은 오염된 지하수를 현장에서 복원시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염소계 지방족 탄소화합물들 (Chlorinated Aliphatic Hydrocarbons; CAHs) 특히, Perchloroethylene (PCE) 및 Trichloroethylene (TCE) 등으로 오염된 지하수를 현장에서(in-situ) 관정내부에 설치된 생물반응조를 이용하여 자체 정화시켜 복원시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

급격한 도시화 및 산업화의 결과 최근에는 자연상태에서는 존재하지 않는 수많은 유기화합물이 다량으로 배출되고 있어 심각한 환경오염을 유발하고 있다. 특히 이들 물질들은 토양 오염 및 지하수 오염의 주원인 물질로 알려져 있어 이들에 관한 철저한 관리가 요구된다. US EPA (1990)에 의하면 PCE, TCE, 1,1,1-trichloroethane (1,1,1-TCA) 등으로 대표되는 염소계 지방족 탄수화물들 (CAHs)이 지하수의 주 오염물질로 나타나고 있다. 미국에서는 1989년에 공중보건에 심각한 악영향을 미치는 CAHs를 priority pollutants 등으로 지정하여 특별히 관리하고 있 는 실정이며, CAHs에 의한 지하수 오염 문제를 해결하는데 막대한 비용과 인력을 투자하고 있다. 우리나라에서는 1993년 이후에 들어서야 PCE, TCE 등 다양한 CAHs가 음용수 기준 (PCE 0.01, TCE 0.03 mg/L) 및 공장폐수 배출허용기준에 포함되었으며, 2001년도에 지하수오염 정화에 관련된 법적 준비를 마친 상태이다.

지하수 내의 CAHs 처리는 생물학적 방법과 물리?화학적인 방법 형태를 이루고 있는데 물리·화학적인 방법은 대량의 지하수를 처리하기에는 유지 관리비가 많이 소요되는 것으로 알려져 있다. 반면에 미생물을 이용한 생물학적 공정은 비용이 상대적으로 저렴한 것으로 보고되고 있다. 이러한 생물학적 방법에 의한 CAHs 처리 공정으로는 대량의 지하수를 양수한 후 지상에서 처리하는 on-site 공정과 지하에서 직접 처리하는 in-situ 공정으로 구분될 수 있다. 대부분의 경우에 있어서 in-situ 공정이 보다 경제적이고 용이하며 on-site 공정들에 비해 인간의 오염물질 노출에 대한 염려가 없어 가장 관심이 집중되는 분야이다. CAHs는 활성슬러지법과 같은 일반적인 생물학적 처리로는 제거가 어렵기 때문에 AC(Aerobic Cometabolism)와 ARD(Anaerobic Reductive Dechlorination)공정을 이용하여 처리하는 것으로 보고되고 있다 (Perry McCarty & Semprini, 1993). 그러나, AC를 이용한 처리공정은 다종의 CAHs를 저농도 (< 1 mg/L)에서 처리하는데 적합하고, 고농도 (> 1 mg/L) 처리에는 적합하지 않은 것으로 보고되고 있다. 반면에 ARD를 이용한 CAHs 처리는 고농도 CAHs 처리에는 적합하나 저농도에서는 제거속도가 느려 적합하지 않은 것으로 보고되고 있다. ARD 공정의 경우 다수의 현장에서 유독 부산물이 발생되어 문제가 되는 것으로 보고되고 있다.

지하수 처리기술에 대한 국내 연구는 선진국에 비해 미진한 실정이며 최근까지 현장에서(in-situ) 지하수내의 PCE 및 TCE 제거에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다. 오염이 심한 지하수의 경우 지하수공 폐쇄가 이제까지 취한 조치의 전부였으며 오염 복원을 위한 적극적인 행동은 전혀 이루어지지 않았다. 국내의 한정된 수자원과 지하수원을 생각할 때, 또한 점점 심화되고 있는 지하수 오염정도와 오염확산에 따른 처리비용의 기하급수적 증가를 고려할 때 PCE 및 TCE에 대한 처리 연구는 더 이상 미룰 수 없는 시급한 상황이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 인식하여, 경제성 및 효율성이 탁월한 in-situ방식에 의한 생물학적 지하수 복원 기술을 제공하고, 나아가 PCE와 TCE를 제거하는 토양 미생물을 우점화시켜 토양 내 오염물질의 생물학적 정화 능력을 향상시켜 오염물질의 자연 복원력을 증대시킴으로서, 오염된 지하수의 유출로 인한 하천, 호소 및 해양으로의 오염물질 전달 경로를 차단하는 기술을 개발하였다. 따라서 본 발명의 목적은 토양 내에서 기존 토양 미생물을 이용한 PCE와 TCE의 제거를 통해 경제적이며 효율적인 현장 지중 (In-Situ) 생물학적 복원장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 현장 지중 생물학적 복원장치는 오염된 지하수의 복원 현장에 설치되는 관정 내에 위치하고, 톨루엔 산화 미생물 및 상기 톨루엔 산화 미생물이 흡착될 수 있는 다공성 미디어를 포함하는 반응 칼럼을 구비한다.

또한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 현장 생물학적 복원방법은, a) 오염현장에 상기 구성을 갖는 복원장치를 설치하는 단계; b) 오염지하수가 유입되는 상기 반응칼럼으로 톨루엔을 공급하는 단계; 및 c) 상기 반응칼럼에 유입된 톨루엔과 오염지하수를 펌프를 통하여 혼합시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 구체예에 따라, 상기 현장 생물학적 복원방법은 오염지역에 상기 복원장치 2개가 서로 이격되게 설치되게 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 오염된 지하수의 하천, 호소 및 해양 유출을 저감시킴으로써 지표수의 수질 보전에 기여할 수 있으며, in-situ 기술의 적용으로 오염물질의 이동이나 확산 없이 현장의 발생지점에서 처리 가능한 기술이 제공되며, 현장 토양 미생물을 활용함으로써 유전자 변형 등에 의한 미확인 오염 가능성이 배제되고 2차 오염물질 유발 가능성이 없는 안전한 생물학적 복원 기술이 제공될 수 있다.

이하 본 발명의 기술적 구성을 보다 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은 상술한 바와 같이, 오염된 지하수를 현장에서 복원시키는 생물학적 복원 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염소계 지방족 탄수화물들 (CAHs) 특히, PCE 및 TCE 등으로 오염된 지하수를 현장에서(in-situ) 산화 미생물이 흡착된 미디어를 내재하고 있는 반응칼럼을 이용하여 지하수층 자체에서 정화·복원시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로 본 발명에 따른 오염된 지하수의 현장 생물학적 복원장치는 오염현장에 설치되는 관정 내에 위치하며, 톨루엔 산화 미생물, 및 상기 톨루엔 산화 미생물이 흡착될 수 있는 다공성 미디어를 포함하는 반응 칼럼을 구비한다. 본 발명의 구체예에 따라서는 현장 상황에 맞게 이러한 반응칼럼을 구비한 2지 이상의 관정이 설치될 수 있다.

또한 본 발명의 따른 오염 지하수 현장 생물학적 복원 방법은 상기와 같은 구성의 현장 생물학적 복원장치의 상기 반응칼럼에 톨루엔을 지속적으로 주입하는 단계 및 오염 지하수와 혼합시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 톨루엔의 주입 농도는 단일 생물학적 복원공정(In-Well-Bioreactor, IWB)의 경우 3.5 ppm 내지 7.0 ppm이 바람직하며, 두 개 이상의 IWB를 순환(In-situ Well to Well Circulation, IWC)경우는 IWB에 약 20ppm 내지 30ppm을 주입함으로써 IWC과정에서 톨루엔이 약 3.5ppm 내지 7.0ppm으로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

지하수와 토양 오염물의 대부분은 다양한 형태로 지하에 존재하는데, 예를 들면 단순한 유류오염 발생 현장의 경우에도 유류에 포함된 휘발성분에 의한 VOC 형태의 기체상 오염, 물속에 용해된 상태로 존재하는 액상의 탄화수소계 오염과 LNAPL(Light Non-Aqueous Phase Liquid)과 같이 지하수에 비해 비중이 작은 오염성분의 경우 지하수에 부유하는 형태로 존재하고 있다. 이러한 다양한 존재 형태뿐 아니라 지하수의 경우 현장에서 추출 처리(On-site)하는 경우 이러한 VOC 성분의 대중 누출 문제, 별도의 처리장에서 위탁처리(Off-site)하는 경우 막대한 처리량 등으로 인한 문제 등을 고려하면 가장 안전하고 비용 효율적이며 2차 오염의 문제를 최소화 할 수 있는 방법은 현장 지중 복원공정(In-situ)들이다. 본 발명에서는 이러한 현장복원방법으로 기존의 다양한 복원공정의 적용이 가능하도록 개발된 well을 대상으로 well과 well 간의 기질 주입과 추출에 의한 순환공정을 활용한 현장 지중 복원공정 및 그 장치를 개발하게 된 것이다.

이에 따라, 본 발명에 따른 오염 지하수 현장 생물학적 복원장치는 오염현장 의 관정 내에 위치하도록 설치되는 반응칼럼을 포함하는데, 상기 반응칼럼은 도 1과 2에 예시된 바와 같이 톨루엔 산화 미생물 및 상기 톨루엔 산화 미생물이 흡착될 수 있는 다공성 미디어를 포함하고 있으며, 지하수 또는 톨루엔 등이 유통될 수 있도록 상기 반응 칼럼의 상부측 및 하부측에 적어도 하나의 유통홀이 형성되어 있다.

한편, 본 발명에 따른 반응칼럼에 포함되는 미디어는 다음과 같은 기준을 충족하도록 선택되는 것이 바람직하다.

· TCE 등의 용매에 내화학성이 강할 것

· 지하수흐름으로 인한 마모가 적을 것

·현장적용이 용이한 가벼운 물질일 것

· 미생물 부착표면적이 넓은 다공성일 것

상기 반응칼럼은 상기 관정 내에 부설되는 질소 충진 상·하 팩커(packer) 사이에 설치될 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 관정 내에 상·하 팩커로부터 각각 이격되어 목표 대수층의 선택이 가능하도록 대수층을 분리하기 위한, 하나 이상의 팩커가 더 설치되어, 상기 구분된 대수층 중 어느 하나로부터 유입된 지하수가 반응칼럼을 통과하여 상기 구분된 대수층 중 다른 하나로 유출되도록 형성될 수 있다.

나아가, 상기 현장 생물학적 복원 장치가 설치된 관정에 부합하는 대수층 수위를 갖는 다른 관정에, 상기 현장 생물학적 복원 장치를 동일하게 설치하되, 각 대응되는 대수층의 흐름방향이 반대가 되도록 펌핑하여 대수층의 순환이 가능하도록, 즉 IWC(In-Situ Well to Well Circulation)이 이루어지도록 설치하는 방법도 가능하다.

상기와 같이 본 발명에 의해 TCE로 오염된 지하수를 생물학적으로 복원하기 위하여 두 가지 공정, 즉 두 개의 관정을 이용하여 지하수를 순환을 시키는 IWC (in situ well-to-well circulation) 공정과 지하수 오염 복원용 관정에 미디어를 충진한 컬럼형 생물 반응조를 설치하는 In-Well-Bioreactor (IWB) 공정을 적용하였다. IWC 공정을 통하여 대수층에서 저 농도 TCE를 제거하는 한편 고 농도의 TCE로 오염된 현장에서는 IWB에 고농도 미생물 성장 시켜 처리하는 것이 두 공정을 결합하는 이유이다. 이러한 IWB를 설계하기 위해서는 미디어로 충진된 컬럼을 이용한 실험이 필요하다. 그 실험 내용은 후술하도록 하며, 그 실험은 TCE로 오염된 지하수가 지속적으로 IWB로 주입될 경우 IWB에서의 TCE 제거 경향 및 IWB 설계에 필요한 인자를 도출하는 것이 목적이다.

본 발명과 관련해 IWB공정과 그 복합공정인 IWC공정을 TCE 등으로 오염된 지하수의 복원에 적용하기 위해 필요한 운전조건에 대한 연구가 수행되었다. IWC 공정을 재현하기 위해서는 현장 내에 관정을 2개 이상 굴착하고(지하수 흐름방향), 각 관정 내에 대수층의 위치를 고려해 팩커를 설치한다. 도 3에 예시된 바와 같이 팩커와 팩커 사이에 수중 펌프를 설치하고, 수중 펌프로 양수된 지하수가 관정 내부의 반응조를 통과할 수 있는 구조로 복원용 관정이 설계된다. 반응조를 통과한 지하수는 다시 반응조 외부 관정의 스크린을 통하여 지하수층으로 유출될 수 있는 구조이며, 도 3과 같이 두 개의 관정에서 수중펌프의 흐름 방향이 다르게 팩커 2개를 각각 관정 내에 설치하고 운전할 경우 지하수의 유입, 유출 방향이 각 관정별로 다르게 되며 그 결과 지하수내에 도 3에서 개시된 바와 같이 타원형으로 보이는 순환지역이 발생하게 된다. 즉 IWC 모형을 지하수 내 관정에서 재현할 수 있다.

호기성 칼럼 실험을 통하여 입증된 IWB(In-Well-Bioreactor)공정을 유도하기 위하여 도 3에 개시된 바와 같이 팩커 2번과 3번 사이에 반응조를 설치한다. 설치된 반응조는 수중펌프와 연결되어 펌프 작동에 의해 지하수가 유입되며, 수중 펌프가 설치된 지점에 톨루엔 및 DO를 주입함으로써 지하수와 혼합된다. 이 혼합액이 반응조 내로 유입된다. 오염된 지하수와 톨루엔 및 DO의 혼합액이 지속적으로 유입될 경우, 도 3의 IWB형태의 호기성 3단 칼럼(도 4) 실험과 같은 조건을 기대할 수 있으며, 반응조 내에 미생물 증식을 유도할 수 있다.

이하에서는 본 발명과 관련된 장치 및 방법에 관한 보다 구체적인 특성을 실시예를 통하여 설명하나, 후술되는 실시 예에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 한정되는 것은 아니다.

실시예

IWB에 필요한 인자를 확인하기 위하여 컬럼 실험을 진행하였으며, 톨루엔을 1차 기질(growth substrate)로 사용하여 AC 공정으로 TCE를 제거하는 실험을 하였 다. 길이(0.04m), 길이 (1.5m) 및 부피 (1.8L) 제원의 호기성 컬럼을 준비한 후 유입 부분과 유출 부분에 미생물의 유출을 방지하기 위한 미세 스크린을 부착 하였다. 상기와 같은 칼럼 3개를 직렬로 연결하였다(이하, 3단 칼럼). 본 실험에 사용된 칼럼의 모식도는 도 1에 개시된 바와 같으며, 사용된 미디어의 조건은 하기 표 1에 개시된 바와 같다.

	제 원
충진재 (media)	제조사 및 재질	(주)코오롱 건설 폴리우레탄 재질
	물리적 특성	밀도 - 0.038g/cm3
		공극률 - 95%
		질량 - 0.073g
		내마모성
		크기 - 한변이 0.012m 인 정육면체
		다공성 향상
	화학적 특성	내약품성
	생물학적 특성	MLSS 10,000∼20,000 mg/ 고농도 미생물 보유가능

실험에 사용된 미디어는 공극률이 95%의 다공성으로 미생물 부착 표면적이 넓고, 폴리우레탄 재질로 내화학성이 높아 저 농도의 TCE가 용해된 지하수에 장기적으로 노출되어도 파손되지 않으며 가벼워 (밀도 0.038 g/cm³), 현장에서의 설치 및 관리가 용이한 특성을 갖고 있다.

도 1에 예시된 미디아가 충진된 3단 칼럼에서 실험용액의 체류시간과 톨루엔과 TCE의 미디어 흡착 정도를 파악하기 위하여 브로마이드 이온을 이용한 추적자 실험을 실시하였다. 50 L carboy에 40 L 지하수를 채우고 브로마이드 이온의 농도가 100 ppm이 되도록 5.956 g KBr을 주입하여 실험용액을 준비하였다. 또한 톨루엔과 TCE을 함께 용해시킨 실험용액을 8 L metal-bag에 준비하였다. 브로마이드가 용해된 실험용액은 1.92 L/hr, TCE와 톨루엔이 용해된 실험용액은 0.24 L/hr로 연속적으로 주입하면서 첫 번째 칼럼 유입부, 각 칼럼의 유출부에서 시간에 따라 시료를 채취하여 브로마이드, 톨루엔, TCE를 분석하였다.

도 4에서 보이는 바와 같이 1시간이 지나면서부터 1번 칼럼 유출부에서의 브로마이드 이온 농도가 주입농도의 100% 가까이 검출되었다. 따라서 1번 칼럼에서의 HRT(Hydraulic Retention Time)는 약 1시간 정도로 나타났다. 2번 칼럼 유출구에서는 실험용액 주입 후 1시간 까지는 브로마이드 이온이 거의 검출되지 않고, 2시간 이후부터 검출이 되는 걸 볼 수 있다. 브로마이드 검출곡선의 동향은 유사한 형태를 취하고 있다. 각 칼럼의 HRT는 크게 차이가 날 것으로 보이지 않으며, 각 칼럼은 약 1시간 정도의 HRT를 갖는 것으로 예상할 수 있다.

브로마이드 이온을 이용한 추적자 실험을 수행하면서 칼럼에 성장한 톨루엔 산화 미생물의 TCE 분해 특성을 대략적으로 알아 보기위하여, TCE 농도가 0.5 ppm이 되도록 조제한 지하수(톨루엔 농도는 10 ppm)를 주입하여 보았다. 도 5에 나타난 바와 같이 1번 칼럼에서 톨루엔은 주입 후 3시간 동안 약 90% 제거효율을 나타내었고, 4시간 후에는 완전히 제거되었다. 실험용액 주입 후 4시간동안 TCE 제거효율은 약 10%였으나, 톨루엔이 완전히 분해되기 시작한 시점, 즉 4시간 이후부터 TCE가 완전분해 되었다(도 5). 톨루엔 존재 시 TCE의 분해가 적고, 톨루엔이 완전히 분해되는 경우 TCE의 효율적인 분해가 이루어지는 결과는 동일한 oxygenase에 두 기질이 분해되어 기질경쟁 (competitive inhibition)이 일어난 결과라 판단된다. 추적자인 브로마이드이온 분석 결과와 톨루엔과 TCE 분석결과를 비교해보면 브로마이드 이온이 주입 1시간 후부터 주입농도의 100%가 유출부에서 검출되는 것으로 나타나 TCE와 톨루엔의 농도 저감은 희석에 의한 영향이 아님을 알 수 있다. 3번 칼럼 통과 후의 톨루엔, TCE의 표준농도 변화는 도 7에 나타나 있는데 2번 칼럼 통과 후의 결과인 도 6과 유사한 경향을 보이고 있다. 주목할 점은 1번 칼럼과 마찬가지로 톨루엔이 완전히 제거된 후 TCE가 효율적으로 분해되기 시작 되었다는 것이다. 즉 2번 칼럼에서도 두 기질 간의 경쟁관계가 발생한다고 추측된다.

본 발명에서 톨루엔 농도에 따른 TCE 분해효율과 산소소모량을 도출하기 위하여 실험용액 유입수의 톨루엔 농도를 3.5 ppm과 7.0 ppm으로 조절하여 실험을 수행하였다. 도 8 내지 도 11에서 개시된 바와 같이, 톨루엔을 지속적으로 주입하면서 소요되는 DO와 제거되는 TCE 양을 관찰한 결과, 톨루엔을 저농도(약 3.5 ppm)로 지속적으로 주입하였을 경우 1번 칼럼에서 톨루엔 1 ppm당 DO 1 ppm이 소요되며(2.9 mol DO/1 mol 톨루엔), TCE는 톨루엔 1 ppm당 0.167 ppm(0.117 mol TCE/1 mol 톨루엔)이 제거된다. 또한 톨루엔을 고농도(약 7 ppm)로 지속적으로 주입하면서 실험한 결과 1번 칼럼에서 톨루엔 1 ppm당 DO 0.7 ppm이 소요되었으며(2.1 mol DO/1 mol 톨루엔), TCE는 톨루엔 1 ppm 당 0.082 ppm(0.057 mol TCE/1 mol 톨루엔)가 제거 된다. 하지만 칼럼 2번과 3번을 비교하여 보면 톨루엔 농도 변화에 관계없이 TCE가 전부 제거됨을 확인할 수 있다. 최종 목표가 TCE 제거임을 감안한다면 저농도의 톨루엔 주입이 더 경제적임을 알 수 있다. 상기 IWB공정에 관련된 실내 실험 결과에서 파악되는 바와 같이 TCE 0.5ppm을 제거하기 위한 적정 톨루엔 농도는 3.5ppm정도인 것으로 판단된다.

상기의 IWB공정에 관한 연구를 기반으로, 본 발명에 따른 IWB/IWC공정에 의한 pilot plant를 이용한 현장 적용 연구가 후속 수행되었다. 시험 현장은 A시 00공단으로, 이 지역 지하수는 TCE가 최대 약 1 ppm으로 오염되어 있었으며, 도 12에 예시된 바와 같이, 본 발명공정에 의한 pilot 시험을 위해 관측정 5개 공과 주입정 2개 공을 설치하여 시행 하였다. 굴착 중 slime으로 배출되는 현장 토양의 특성은 초기 0.5 ∼ 4.5 m 깊이에는 점토질의 매립층이 분포하고 있으며, 4.5∼15 m 깊이로 황갈색의 풍화층이 존재한다. 풍화층 구간에는 가는 모래와 굵은 모래(작은 자갈)가 혼재하며 그 하부에는 풍화암이 15∼16 m 깊이까지 분포하며. 그 이후 16∼17 m 사이에는 화강암 암반이 존재하는 것으로 나타났다. 따라서 시험을 위한 관정들은 관측정의 경우 5 inch 직경, 관정 내부에 컬럼형 생물 반응조를 설치할 2지의 주입정(IWB)은 8 inch 직경으로 약 17m까지 굴착하여 설치하였다. 또한, IWB/IWC 융합공정의 구성을 위해 전술한 도 3과 동일한 방식으로 두 주입정(IWB)의 팩커와 수중펌프를 이용해 지하수의 순환구조를 형성하도록 구성하였다. IWB공정에 대한 실내 연구결과에 준해 수행된 1단계 현장 연구에서는 IWB 공정에서 주입 톨루엔이 90% 이상 제거되어 IWC 공정에서의 톨루엔 농도가 낮아 TCE를 분해하는 톨루엔 미생물 증식이 대수층에서 이루어지지 않았고, 그 결과로 IWC 공정에서의 TCE 제거 효율이 낮았다. 1차 현장실험과 달리 2차 현장 실험에서는 톨루엔 주입농도를 높여 IWB 공정에서는 약 20-30 ppm, IWC 공정에서는 약 5-7 ppm이 유지될 수 있도록 주입 공정을 설계하였다. 도 3에 예시된 IWB-1LT 지점과 IWB-2HT지점에서 1차 보다 DO가 2배 높은 약 20 ppm이 되도록 50 L들이 물통에 지하수 25 L를 채운 후 30 % 과산화수소(H₂O₂) 90 mL을 녹여 준비하였고, KBr (비반응성추적자)은 주입 지점에서 50 ppm이 되도록 300 g을 지하수 25 L에 녹여 준비하였다. 성장 기질인 톨루엔은 IWB 주입 지점에서 약 20-30 ppm이 되도록 지하수 25 L에 톨루엔 원액 100 mL을 주입하여 용해시켰다.

본 발명에 따른 오염 현장의 pilot 시험에 의해 IWB 공정 단독으로의 톨루엔 및 TCE 제거 효율을 평가할 수 있도록, 컬럼형 생물 반응조 유입 및 유출수에서의 톨루엔과 브로마이드 이온 농도를 시간에 따른 톨루엔의 표준농도(Tol. C/C0)를 브로마이드 표준농도(Br- C/C0)로 나눈 값을 산출하였다. 톨루엔은 운전 시작 후 8일 이전에는 분해되지 않았고, 8일 이후에 활발한 미생물 분해가 진행되어 운전 15일 이후에는 톨루엔이 컬럼형 생물 반응조에서 약 70-80% 분해되는 것으로 나타났다. 따라서 톨루엔 산화 미생물이 컬럼형 생물 반응조에서 증식 되는 것을 확인할 수 있었고, 약 4-6 ppm의 톨루엔이 IWC 공정으로 공급되는 것을 확인 할 수 있었다. 컬럼형 생물 반응조에 증식된 톨루엔 산화 미생물에 의한 TCE 분해를 파악하기 위하여 운전기간에 따른 컬럼형 생물반응조 유입수(C0) 및 유출수(C)의 TCE 농도비(C/C0)를 산출하여 도 13에 예시하였다. 도 13을 참조하면, 운전기간 동안 유입수와 유출수의 TCE 농도비가 점차 감소하여 20 일 후에는 유입 TCE의 약 20-30%가 제거되는 경향을 보여 주고 있는데, 이는 TCE를 분해하는 톨루엔 산화 미생물이 증식되어 IWB 공정이 성공적으로 운전되고 있다는 것을 의미한다. 따라서 IWB공정에 톨루엔 유입 농도를 20-30 ppm으로 증가 시켜도 TCE를 분해하는데 악영향이 없는 것으로 판단된다. 한편 IWB와 융합된 IWC공정의 경우, 추적자 실험 결과에서 IWB/IWC 융합 공정에서 처리된 지하수의 대부분은 말단의 관측정(MW5)을 거쳐 하류 구배로 흘러가는 것으로 나타났다. 또한 대수층에 존재하는 TCE는 대수층에는 존재하지 않는 톨루엔, 브로마이드 이온과 다르게 희석에 의한 농도 감소가 미미하다. 따라서 IWB/IWC 융합공정의 TCE 처리효율은 현장으로 유입되는 TCE의 농도 (평균 1.0 mg/L)에 대한 하루구배 관측 정에서의 농도 비로 파악 할 수 있다. 도 14는 하류구배에 위치하는 관측정 MW5에서의 운전 기간 동안의 표준농도(C/C0)를 보여 주고 있는데, 표준농도가 운전 기간 동안 1로 유지되는 경우 TCE 는 IWB/IWC 융합공정에 의해서 처리되지 않고 있는 것을 의미하고, 1 이하는 융합공정으로 TCE가 분해되고 있는 것을 의미한다. 도 14에 예시된 바와 같이 운전 시작 3일까지는 TCE 표준농도가 0.8에서 0.9를 유지하면서 TCE 분해가 미약하였으나, 운전 4일 경과 후부터는 표준농도가 0.8에서 0.4까지 감소하면서 활발한 TCE 분해가 일어는 것을 알 수 있다. 그 후 운전기간 20일까지는 TCE 표준농도 감소속도는 감소하여 평균 표준농도는 약 0.3을 유지하였다. 따라서 IWB/IWC 융합공정에 의한 TCE 제거를 확인할 수 있었으며. 2단계에 걸친 현장 시험결과 IWB공정의 톨루엔 주입 농도를 증가시키는 경우 IWC공정에 의한 TCE 분해 효율도 증가 되는 것을 확인할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 연구에 사용된 칼럼의 모식도이다.

도 2는 본 발명에 따른 In well 컬럼형 생물반응조(IWB) 모식도이다.

도 3은 IWC 공정 모형을 적용한 팩커 및 수중 펌프 설치 모식도이다.

도 4는 시간에 따른 각 칼럼 유출수 브로마이드 이온 농도 변화를 나타내는 그래프이다.

도 5는 1번 칼럼 유출수 내 브로마이드이온, 톨루엔, TCE의 표준농도 (C/Co)를 나타내는 그래프이다.

도 6은 2번 칼럼 유출수 내 브로마이드이온, 톨루엔, TCE 의 표준농도 (C/Co)를 나타내는 그래프이다.

도 7은 3번 칼럼을 통과 후의 브로마이드 이온, 톨루엔, TCE의 C/Co 그래프이다.

도 8 은 저 농도 (3.5 ppm) 톨루엔 주입 시 시간에 다른 DO 표준농도 (C/Co) 변화를 나타내는 그래프이다.

도 9 저 농도 (3.5 ppm) 톨루엔 주입 시 시간에 다른 TCE 표준농도 (C/Co) 변화를 나타내는 그래프이다.

도 10 고농도 (7 ppm) 톨루엔 주입 시 시간에 다른 DO 표준농도 (C/Co) 변화를 나타내는 그래프이다.

도 11 고농도 (7 ppm) 톨루엔 주입 시 시간에 다른 TCE 표준농도 (C/Co) 변화를 나타내는 그래프이다.

도 12는 IWB/IWC융합공정의 현장 시험을 위한 관측정과 주입정(IWB)의 배치도를 보여 주고 있다.

도 13은 현장의 pilot 연구가 수행된 2 지의 주입정의 하나인 IWB(1)정의 유입수(IWB-1H, C)와 유출수(IWB-2LT, Co)에서 측정된 TCE 농도비(C/Co)를 보여 주는 그래프이다.

도 14는 현장의 pilot 연구 결과 도 12에 예시된 말단 관측정인 MW5의 TCE 표준 농도 산정 결과 그래프이다.

Claims (10)

1. PCE 또는 TCE로 오염된 지하수의 복원 현장에 설치되는 관정에 위치하는 오염지하수의 현장 생물학적 복원장치로서,

   상기 장치는 질소 충진 상·하 팩커(packer) 사이에 위치하고, 오염 지하수 또는 톨루엔의 유통홀이 형성되며, 톨루엔 산화 미생물 및 상기 톨루엔 산화 미생물이 흡착될 수 있는 다공성 미디어를 포함하는 반응 칼럼을 구비하는 제1 복원장치; 및,

   상기 제1 복원장치와 동일구성을 갖되, 상기 제1 복원장치에 대하여 서로 대수층 수위가 부합되도록 팩커 위치를 일치시킨 제2 복원장치를 포함하며,

   상기 제1 및 제2 복원장치 각각에 구비된 수중펌프에 의해 각 장치에 대응되는 대수층의 흐름 방향이 반대가 되어 대수층 순환이 가능하도록 설치되고,

   상기 톨루엔은 20 ppm 내지 30ppm의 농도가 되도록 상기 유통홀을 통하여 주입된 것을 특징으로 하는 오염 지하수의 현장 생물학적 복원장치.
2. a) 오염된 지하수의 복원현장에 청구항 1 에 따른 복원장치를 설치하는 단계;

   b) 오염지하수가 유입되는 상기 반응칼럼으로 톨루엔을 20 ppm 내지 30ppm 농도로 공급하는 단계; 및,

   c) 상기 반응칼럼에 유입된 톨루엔과 오염지하수를 펌프를 통하여 혼합시켜 지하수내 오염원을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 지하수의 현장 생물학적 복원방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 오염원은 PCE 또는 TCE인 것을 특징으로 하는 오염 지하수의 현장 생물학적 복원방법.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 c) 단계는 4일 내지 20일 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 오염 지하수의 현장 생물학적 복원방법.
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