121016 토양복원공학 서울대 - wemt.snu.ac.krwemt.snu.ac.kr/lecture...
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토양 물리적 정의 : 암석이오랜기간동안물리적, 화학적또는생물학적과정등의풍화작용으로부서져이루
어진물질
토양
어진물질
형태학적 정의 : 고체, 액체및기체의집합체로지각을뒤덮고있는구성체
기능
사람 식물 동물이 살아가는 기본 매체 사람, 식물, 동물이 살아가는 기본 매체
자연계의 수분, 영양분, 산소 순환의 중요한 매개체
중요한 수자원인 지하수를 함유하여 공급하는 매체
수질오염, 대기오염, 폐기물 등에 의한 오염물질의 최종 종착지
3
토양환경의중요성토양환경의중요성
Prevailing wind direction Transport Medium (air)
ReleasemechanismExposure
Prevailing wind direction Transport Medium (air)
ReleasemechanismExposure mechanism(volatilization)
Exposure point
mechanism(volatilization)
Exposure point
IngestionInhalationInhalation
IngestionInhalationInhalation
Waste
IngestionInhalation
TransportMedium(soil) Waste
IngestionInhalation
TransportMedium(soil)
(Source)Water table( )
(Source)Water table( )
4
Transport medium (ground water)Ground water flow Transport medium (ground water)Ground water flow
토양오염우려기준(mg/kg)
물질 1지역 2지역 3지역
카드뮴
구리
4
150
10
500
60
2 000 1지역 전 답 과수원 목장용지 광천지구리
비소
수은
납
150
25
4
200
500
50
10
400
2,000
200
20
700
1지역: 전ㆍ답ㆍ과수원ㆍ목장용지ㆍ광천지ㆍ대(주거지)ㆍ학교용지ㆍ구거(溝渠)ㆍ양어장ㆍ공원ㆍ사적지ㆍ묘지ㆍ어린이놀이시설
2지역: 임야ㆍ염전ㆍ대(주거지외)ㆍ창고용지납
6가크롬
아연
니켈
5
300
100
15
600
200
40
2,000
500
2지역: 임야ㆍ염전ㆍ대(주거지외)ㆍ창고용지ㆍ하천ㆍ유지ㆍ수도용지ㆍ체육용지ㆍ유원지ㆍ종교용지및잡종지
3지역: 공장용지ㆍ주차장ㆍ주유소용지ㆍ도불소
유기인화합물
폴리클로리네이티드비페닐
시안
400
10
1
2
400
10
4
2
800
30
12
120
3지역: 공장용지 주차장 주유소용지 도로ㆍ철도용지ㆍ제방ㆍ잡종지(2지역외) ㆍ국방ㆍ군사시설부지
시안
페놀
벤젠
톨루엔
2
4
1
20
2
4
1
20
120
20
3
60
에틸벤젠
크실렌
석유계총탄화수소(TPH)
트리클로로에틸렌(TCE)
50
15
500
8
50
15
800
8
340
45
2,000
40
5
트리클로로에틸렌(TCE)
테트라클로로에틸렌(PCE)
벤조(a)피렌
8
4
0.7
8
4
2
40
25
7
토성분류법 (soil texture)토성분류법 (soil texture)
Loam: 양토양Clay : 점토(식토)Silt : 미사토Sand: 모래(사토)
Silty Clay Loam: 미사질식양토Silty Clay : 미사질식토Silty Clay : 미사질식토Silty Loam : 미사질양토Clay Loam : 식질양토Sandy Clay : 사질점토Sandy Clay Loam : 사질식양토Sa dyC ay oa 사질식양토Loamy Sand : 양질사토
6
물리화학적, 열적정화방법물리화학적, 열적정화방법
토양세정법 (Soil Flushing)오염물용해도를증대시키기위하여첨가제를함유한물또는순수한물을토양및지하수에주입하여오염물질을침출처리하는방법
물리화
수에주입하여오염물질을침출처리하는방법
토양증기추출법 (Soil VaporExtraction)추출정을굴착∙설치하여감압하에서압력구배를형성시킴으로써토양내의휘발성오염물질을휘발∙추출하는방법
토양세척법 (Soil Washing)오염토양을굴착하여토양입자표면에부착된유∙무기성오염물질을세척액으로분리시켜이를토양내에서농축처분하거나 재래식폐수처리방법으로처리하는방법학
적처리방
양세척법 ( g)켜이를토양내에서농축∙처분하거나, 재래식폐수처리방법으로처리하는방법
용제추출법 (SolventExtraction)오염토양을추출기내에서용제(solvent)와혼합시켜용해시킨후분리기에서분리하여처리하는방법
화학적산화/환원법h i l id i d i
오염된토양에오존, 과산화수소등의화합물을첨가하여산화/환원반응을통해오염물질을무독성화 는저독성화시키는방법
방법 (Chemical Oxidation/Reduction) 질을무독성화또는저독성화시키는방법
고형화/안정화법(Solidification/Stabilization)
오염토양에첨가제(시멘트, 석회, 슬래그등)를혼합하여오염성분의이동성을물리적으로저하시키거나, 화학적으로용해도를낮추거나무해한형태로변화시키는방법
동전기법 (Electrokinetic Separation)투수계수가낮은포화토양에서이온상태의오염물(음이온∙이온∙중금속등)을양극과음
동전기법 (Electrokinetic Separation)극의전기장에의하여이동을촉진시켜오염물질을처리하는방법
열열탈착법 (ThermalDesorption)
투수계수가낮은포화토양에서이온상태의오염물(음이온∙양이온∙중금속등)을양극과음극의전기장에의하여이동을촉진시켜오염물질을처리하는방법
열적처리방법
소각법 (Incineration)산소가존재하는상태에서 871‐1,204℃의고온으로오염토양내의유기오염물질을소각∙분해시키는방법
유리화법 (Vitrification)굴착된오염토양및슬러지를전기적으로용융시킴으로써용출특성이매우적은결정구조로만드는방법법 만 는방법
열분해법 (Pyrolysis) 산소가없는혐기성상태에서열을가하여오염토양중의유기물을분해시키는방법
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생물학적정화방법생물학적정화방법
기술명 공정개요기술명 공정개요
생물학적분해법(Biodegradation)
영양분과수분(필요시미생물)을오염토양내로순환시킴으로써미생물의활성을자극하여유기물분해기능을증대시키는방법
생물학적통풍법 오염된토양에대하여강제적으로공기를주입하여산소농도를증대시킴으
생
생물학적통풍법(Bioventing)
오염된토양에대하여강제적으로공기를주입하여산소농도를증대시킴으로써미생물의생분해능을증진시키는방법
토양경작법(Landfarming)
오염토양을굴착하여지표면에깔아놓고정기적으로뒤집어줌으로써공기중의산소를공급해주는호기성생분해공정법
물학적처
(Landfarming) 중의산소를공급해주는호기성생분해공정법
바이오파일법(Biopile)
오염토양을굴착하여영양분및수분등을혼합한파일을만들고공기를공급하여오염물질에대한미생물의생분해능을증진시키는방법
식물재배정화법 식물체의성장에따라토양내의오염물질을분해흡수침전등을통하여오염리방법
식물재배정화법(Phytoremediation)
식물체의성장에따라토양내의오염물질을분해∙흡수∙침전등을통하여오염토양을정화하는방법
퇴비화법(Composting)
오염토양을굴착하여팽화제(bulking agent)로서나무조각, 동식물폐기물과같은유기성물질을혼합하여공극과유기물함량을증대시킨후공기를주입
(Composting)하여오염물질을분해시키는방법
자연저감법(NaturalAtt ti )
토양또는지중에서자연적으로일어나는회석, 휘발, 생분해, 흡착그리고지중물질과의화학반응등에의해오염물질농도가허용가능한수준으로저감되도록유도하는방법Attenuation) 되도록유도하는방법
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토양특성인자토양특성인자공극률 (porosity)
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공극률공극률
토양입자밀도 (particle density)및토양단위용적밀도(bulk density)토양입자밀도 (particle density)및토양단위용적밀도(bulk density)
예제) 어느 지역의 토양공극률이 0.42이며, 토양 입자밀도(particle density)는 2.65 g/cm3로 알려져 있다 이 지역 토양단위용적밀도(b lk d it / 3)다. 이 지역 토양단위용적밀도(bulk density, g/cm3)를 계산하시오.
풀이) 공극률 = 1- (ρb/ρs)0 42 1 ( /2 65)0.42= 1- (ρb/2.65)ρb = 1.54 g/cm
3
10
토양내수리및압력수두토양내수리및압력수두
11
Darcy velocity and Pore velocityDarcy velocity and Pore velocity
12
수리전도도와투수계수수리전도도와투수계수
예제 ) 어느토양칼럼의물의수리전도도가 5 m/d였다. 토양칼럼에오일을통과시킬경우오일의수리전도도는?
13
오염물질의이동오염물질의이동지체상수(R, retardation factor)
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x = vc t =(v/R) t
15
토양증기추출법
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구성및원리
토양증기추출법 (Soil Vapor Extraction, SVE)은불포화토양및굴착된토양내휘발성유기물을공기추출방식으로제거하는정화기술
SVE 과정은 그림 과같이오염토양부지전반에공기추출정을설치 연 SVE 과정은 <그림 5.4>과같이오염토양부지전반에공기추출정을설치, 연속적인공기흐름을형성하여부지내휘발성오염물질이공기로휘발되게 함
추출된토양가스는수분제거를위해설치된녹아웃드럼 (knockout drums)추출된 양가 는수분제거를위해설치된녹아웃 럼 ( )
을거친후활성탄흡착조에서오염물질제거후 대기로방출
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추출정의영향반경은토양조건에따라 6 m에서 45 m 정도이며토양수리전도도심 까지의 양 건에적용10‐4 cm/s, 심도 7 m까지의토양조건에적용
SVE는토양오염정화의효율의높이기위한부가적인시스템과연계 지하수 수면을 더 낮추기 위한 지하수 펌핑시스템을 부가적 설치하여 불포화 처리구역
을 증가시키고, 펌핑된 오염 지하수 처리를 동시에 진행
추출정 주변 지표면으로부터 공기의 유입을 최소화 하고 영향 반경을 증가시키기 위하여 지표면에 차단막 설치 (차단막의 사용은 추출정의 영향반경은 90 m까지 확대)
토양 오염 지역의 공기 흐름을 증진시키기 위해 주변에 공기 공급정을 추가로 설치하 토양 오염 지역의 공기 흐름을 증진시키기 위해 주변에 공기 공급정을 추가로 설치하기도 함 공기 공급정은 공기가 자연 유입 되도록 하는 방식도 있지만 압축기를 사용하여 압축공기를 주입하는 방식도 있음 (적용 압력은 일반적으로 3.5에서 85 kPa (0.5 to 12.5 psi) 범위임).
오염지하수의 처리를 위해 사용되는 에어스파징( i i )과 연계하여 지하수 및 오염지하수의 처리를 위해 사용되는 에어스파징(air sparging)과 연계하여 지하수 및토양에 존재하는 휘발성 오염물질의 제거효율을 증진시키고자 하는 방식이 있음
장점 단점
- 설치 및 운영이 쉽다. - 90%이상 제거 어려움
- 토지이용에 영향을 주지 않고 정화진행 - 투과성이 낮은 토양에서는 효과 적음
단기 처리 가능 6개월 2년 추출가스 처리 필요- 단기 처리 가능: 6개월-2년 - 추출가스 처리 필요
- 경제성 : $20-50/ton - 불포화 토양만 처리
- NAPL존재할 경우에도 적용가능 18
토양가스이동
토양에유출된휘발성유기물질은토양입자 (고상), 토양공극수 (액상) 그리고토양가스
토양가스이동
양에유출된휘발성유기물질은 양입자 ( 상), 양공극수 (액상) 리 양가(기상) 등세가지상에존재한다. 각상사이오염물질의분배는오염물질특성, 함수율및유기물함량등토양조건에따라결정.
토양공기를통한오염물질의이동은이류및확산에의해이루어진다 토양공기를통한오염물질의이동은이류및확산에의해이루어진다.
이류는 토양내 공기의 흐름과 동일한 속도 및 방향에 의해 오염물질이 이동하는 것이
며 대체적으로 투과성이 좋은 토양의 주요 이동 메카니즘으로 작용
확산은 농도 구배를 따른 오염물질 이동현상이며 대체적으로 투과성이 낮은 토양의 주
요 이동메카니즘으로 작용
토양 오염물질의 휘발에 영향을 미칠 수 있는 물질 특성 인자는 유기탄소분배계수 확 토양 오염물질의 휘발에 영향을 미칠 수 있는 물질 특성 인자는 유기탄소분배계수, 확
산계수, 헨리상수, 증기압 등
토양을통한휘발성오염물질의이동을나타내는가장이론적인모델은확산에의한Fick‘s법칙
J = 물질유동 (M/L2/T mass flux) Jx = 물질유동 (M/L2/T, mass flux) Dg = 토양기체확산계수 (L2/T, the diffusion coefficient in the vadose zone)dC/dx = 농도구배 (M/L3/L, gas concentration gradient)
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오염물질분포오염물질분포
SVE의효과를높이기위해서는토양내오염물질의분포를이해하고기체상으로변환될수있는정도를예상하여야함 오염물질이토양에존재할수있는형태는환될수있는정도를예상하여야함. 오염물질이토양에존재할수있는형태는
첫째, 토양에 흡착되어 있는 경우 (토양농도, Cs)와 둘째, 공극수에 용해되어 있
는 경우 (수중농도, Cw), 셋째 토양 공기 중으로 휘발된 경우 (공기중 농도, Cg)
CT = 전체농도 (mg/m3)ρb = 토양총체밀도 (kg/m3)Cs = 토양농도 (mg/kg)θw= 수분함량 (수분부피m3/전체부피m3)w
θg= 공기함량 (공기부피m3/전체부피m3)Cw = 수중농도 (mg/수분부피m3)Cg = 공기중농도 (mg/공기부피m3)
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수중농도와토양농도의관계는흡착계수(C = K C )에 의해서로관계흡착계수(Cs = Kd Cw)에 의해서로관계
수중농도와공기중농도는헨리상수(Cg = H’ Cw)에의해서로연계
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토양‐물간오염물질분배
토양 물분배계수 K 또는 K
토양 물간오염물질분배
토양‐물분배계수, Ksw또는 Kd
수중 부유상태에서 토양(혹은 입자)에 의해 흡착되는 화학물질의 경향질의 경향
Ksw는 Freundlich 흡착계수인 Kd 와 동등
K = X / CKsw X / CX = 토양내화학물질의농도 (ppb or μg/kg)C = 물에존재하는화학물질의농도 (ppb or μg/kg)
<그림 2.9> 토양과물사이오염물질의분배정도
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휘발성오염물질평형
라울법칙 (R lt’ l )
휘발성오염물질평형
라울법칙 (Raoult’s law)
용액의 증기압은 수용액에서 그 용액의 몰 비와 비례한다
증기압 : 용액을 떠나려는 분자의 속도와 녹아드는 분자의 속도 증기압 : 용액을 떠나려는 분자의 속도와 녹아드는 분자의 속도가 일치하는 평형상태에서 증발된 물질의 증기가 가지는 압력
순수물질로 이루어진 용액이거나 고농도 용액 적용
pa = pvp,a xa그리고 pb = pvp,b xb
pa = 물질 a의부분증기압pa 물질 의부분증기압pvp,a = 순수물질 a의증기압xa = 용액에서물질 a의몰비xa = mol a / (mol a + mol b)ptotal = pa + pbptotal pa pb
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헨리의법칙 (Henry’s law) 헨리의법칙 (Henry s law)
희석된 수용액 평형상태조건에서 용액 위에 있는 가스 (휘발성 화학물질)의 부분 압력은 용액의 화학물질 농도와 비례
Pg = H CL
P = 가스의화학물질부분압
Cg= H‘ CL
가 상에 재하는화학물질의농 공기Pg = 가스의화학물질부분압H = 헨리상수CL = 수용액의화학물질농도
Cg = 가스상에존재하는화학물질의농도 (공기)CL = 액상에존재하는화학물질의농도 (물)
H´= H / RT/
H´ = 헨리상수 (무차원)H = 헨리상수 (atm∙m3/mol)R = 이상기체상수 = 8.25 × 10‐5(atm∙m3)/(mol∙K)이상기체상수 5 ( )/( )T = 온도(K)
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설계
추출정영향반경은 양내휘발 염물질이추
설계
1) 추출정영향반경은토양내휘발오염물질이추출될수있는최대거리이다.
오염토양부지 전반을 영향반경 범위내에 포함시키기 위해서는 여러 개의 추출정을 설치
E = 1 공극부피추출시간 (hr)θg= 공기함량 (m3 vapor/m3 soil)V = 오염토양부피 (m3)Q = 총추출공기유량 (m3 vapor/hr)q = 단일추출정공기유량 (m3 vapor/hr)N = 추출정개수
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2) 지하수위변동을충분히감안하여처리대상불포화토양심 2) 지하수위변동을충분히감안하여처리대상불포화토양심도에따른 SVE를설계 지하수위 변동이 크게 되면 오염물질 휘발 및 공기의 흐름이 일
어날 수 있는 공간이 변하게 된다어날 수 있는 공간이 변하게 된다.
3) 기설치된관측정등을이용하여단기간파이롯테스트(1‐30일정도)를실시하여설계를위한인자를평가하고 추출공기 중 오염물질의 농도 변화, 추출공기유량, 진공 데이터
등의 정보를 통해 적정 장비를 준비하고 설계에 이용한다.
M = C Q t
M= 누적오염물질처리량 (kg)M 누적오염물질처리량 (kg)C = 추출공기중오염물질농도 (kg/m3)Q = 총추출공기유량 (m3/hr)t = 운전기간 (hr)
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<표 5.2> 토양증기추출법설계조건
토양투과계수 >10-9 cm2
지하수심도 > 1 m
오염물질 증기압 > 0.5 mmHg
끓는점 < 300 ℃끓는점 < 300 ℃
헨리상수 > 100 atm
영향반경 (ROI) 1.5 - 30 m
모니터링항목 vacuum 값 유량 추출오염농도 배기가스 농도
Vapor pressure
모니터링항목 vacuum 값, 유량, 추출오염농도, 배기가스 농도
<표 5.3> 유류휘발특성
물질(mm Hg at 20℃)
Henry's Law constant (atm)
Methyl t-butyl ether (MTBE) 245 27
Benzene 76 230
Toluene 22 217Toluene 22 217
Ethyl benzene 7 359
Xylenes 6 266
Ehtylene dibromide 11 34
Naphthalene 0.5 72
Tetraethyl lead 0.2 4700
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예제예제
예제) 벤젠으로오염된오염부지면적 1000 m3의토양가스벤젠농도가 10 mg/m3예제)벤젠 염된 염부지면적 의 양가 벤젠농 가 g/이다. SVE로부지를복원하고자할경우정화기간을예상하시오
조건) 1. 오염토양‐수분‐토양공기간평형관계임을고려하여야함. 추출가스농도는토양가스농도이며총추출공기유량은 20 m3/hr임2. ρb = 1500 kg/m
3, Koc = 83 L/kg, foc = 0.02, θw=0.05, θg= 0.5, H' = 0.228,
1) 전체토양오염물질농도는
Kd = Koc foc = (83 L/유기물 kg)(0.02 유기물 kg/전체토양 kg) = 1.66 L/kgρb = 1500 kg/m
3 = 1.50 kg/L
= 116.4 mg/m3‐soil
2) M = 116.4 mg/m3× 1000 m3 = 116,400 mg) 4 g/ ,4 g3) t = M/CQ = 116,400 mg/(10 mg/m3 × 20 m3/hr) = 582 hr = 약 25 days
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생물학적정화
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오염물질의생분해오염물질의생분해
○할로겐화합물 : 할로겐원소는링결합구조를안정하게하는역할을하므로할로겐원소수가커질수록생분해지속도는증가한다. ○가지를많이가진물질구조 : 직선구조의탄화수소는호기성조건에서생분해되기쉽다. 가지를가진구조의물질일수록생분해지속도가증가한다. 따라서불포화탄화수소는 화탄화수 다생분해지속는포화탄화수소보다생분해지속도가증가한다.○용해도가낮은물질 :용해도가낮은물질은미생물이이용할수있낮은물질은미생물이이용할수있는부분이상대적으로적으므로생분해도가낮을수있다.
30
산소이용율과생분해속도산소이용율과생분해속도
헥산과산소요구량의비는1:3.5로서MH/O는 0.29해당
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Land FarmingLand Farming
33
BiopileBiopile
34
Pytoremediation35
PytoremediationLog Kow (octanol‐water coeff.)g ( )
Chemical Volatility:Chemical Volatility:‐ Henry’s Constant and VaporPressure
Organic‐ PHOTO‐degradation‐ Air Emissions ???Inorganic ‐ Regulatory Issue‐ Risk Reduction ???
C t i t
Intermediate
35
Contaminant(Volatile Organic)
(Volatile Inorganic ‐ Hg)
BioventingBioventing
36
BiospargingBiosparging
37
Natural Attenuation생분해, 가수분해, 흡착, 분산, 희석, 휘발
38
39
40
지하수오염운자연저감계수지하수오염운자연저감계수
Buscheck and Alcantar법: 거리에따른지하수오염농도를도시하여기울기를구해생분해속도산출
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