우리나라의 환경문제는 환경청이 1980년에 정부조직으로 첫 출발을 하면서 관심을 갖기 시작했다. 이후 환경의 이슈는 주로 물(수질), 공기(대기), 쓰레기(폐기물) 등이었고 토양분야는 관심권 밖에 놓여 있었다. 그 후 지속적인 개발로 토양과 지하수가 오염되어 지하수에서 유류 성분(BTEX, TPH, PCE) 등이 검출되어 토양오염의 심각성에 주목했다. 그럼에도 중금속에 의한 토양오염에 대해서는 그리 심각하게 여기지 않았다.
최근 폐광산의 중금속으로 인한 수질오염과 농지의 오염방지에 대해 광해관리공단(지경부주관)이 복원사업을 추진하고 있지만 높은 비용문제와 기술 및 시공방법 등을 확보하지 못해 토목공사 또는 조경공사에 의존해 복원사업을 하는 정도이다. 오염된 토양 복구가 시급하지만 예산과 자금부족 등으로 토양 복구사업이 활발히 진행되지 못해 우리 인체와 생태계를 심각하게 위협하고 있다. 이러한 문제점을 경제적 분야와 기술적 분야로 살펴보고자 한다.
■ 토양복원에서의 경제적 문제점
과거에 우리는 폐기물, 광미, 화력발전소 및 공장의 고형연료잔재, 중금속오염폐수 등을 환경적 고려 없이 무단방치, 적재매립, 방류 등으로 해결해 오염행위를 한 주체를 명확히 규정할 수가 없었다. 오염 원인자를 규정할 수 없어 복구책임을 물을 수도 없는 상황이어서 정부에서도 누구에게 그 책임을 지게 할지 알 수 없을 뿐 아니라 자금 여력이 없어 복구할 수 없는 경우가 많았을 것이다.
뿐만 아니라 토지의 용도에 따라 효용가치가 있는 경우에는 개인이 복구비용을 지불하여 토양을 복원한 후에 토지를 이용할 수도 있을 것이다. 그러나 이마저도 땅값이 너무 저렴한 지역에서는 오히려 복구비용이 엄청나 토양을 복원할 엄두도 내지 못하는 곳도 있었다. 그 외에도 복원할 수 없는 수많은 이유가 있을 수 있지만 오염된 토양을 복원하는 문제는 인간생명 및 생태계의 생존을 위협하는 문제이므로 결코 간과해서는 안될 것이다. 그러므로 정부에서는 토양복원을 공공사업의 일환으로 수용해 복원사업이 원할히 이루어질 수 있도록 경제적 지원을 할 수 있어야 한다.
■ 토양복원을 위한 기술적 분야에서의 문제점
현재 우리나라 토양오염의 기술은 국내시공 사례가 많지 않아 외국 경험과 기술을 바탕으로 이루어지고 있다고 해도 과언이 아니다. 중소업체가 외국기술들을 참고해 독자적인 기술개발을 하여 오염된 토양을 복원하는 사업을 시행하고 있지만 복원사업시장이 불투명하고 연구개발비조차 부족해 어려움을 겪고 있다. 다행히 최근 환경부에서‘오염토양정화방법 가이드라인’(2007.환경부)이 출간되어 토양기술발전에 기여하고 있지만 구체적인 기술적용분야에서는 많이 부족한 것 같다.
■ 중금속 오염토양, 복원기술
▶ 토양복원기술의 개요
토양을 오염시키는 주요물질은 유기성오염물질(BTEX, TPH, PCE)과 무기성 오염물질(Cd, Pd, Fe,As 등)로 구분할 수 있다. 또 처리대상의 매체에 따라 불포화대(Vadose zone)처리기술(토양처리)과 포화대(Saturated zone)처리기술(지하수처리)로 구분한다. 오염토양처리기술의 적용위치에 따라서 지중처리(in-situ: 땅 속에서 처리), 표면처리(on-situ: 오염토양 표면에서 처리), 지상처리(Ex-situ: 굴토 후 반출처리) 등으로 분류한다. 또한 처리공정에 따
른 분류 시에는 물리·화학적 처리, 생물학적 처리, 열적 처리기술로 분류하기도 한다. 물리·화학적 처리기술과 열적 처리기술은 비용이 많이 소요되는 대신 처리기간이 짧고 생물학적 처리방법은 비용은 적게 소요되지만, 처리기간이 장기간이면서 온도의 영향 등 (토양미생물성장조건) 때문에 처리효율이 불안정한 경우가 많다.
위에 소개한 처리방법 중 공정에 따라 분류한 토양정화 기술종류를 요약하면 [환경부 고시 제 2005-124호 별표2] 표와 같다.(34쪽 참고)
■ 중금속 제거기술
▶ 중금속 제거기술의 개요
토양 내 중금속을 제거하기 위한 기술은 수처리를 위해 적용하는 기술원리와 크게 다르지 않다. 다만 토양입자의 크기, 토양의 함수율, 지하수의 흐름 등을 고려해야 하기 때문에 처음 접한 수질 및 폐기물 처리기술자들은 조금 어려워하기도 한다. 토양 내의 중금속처리를 위한 공정으로는 수처리 기술과 마찬가지로 물리·화학적 공정, 생물학적 공정, 열적 기술, 전기적 처리 공정 등이 적용될 수 있으며 중금속 오염물질의 처리기술로는 토양 내에서 완전히 추출 제거하는 방법, 불용화하는 방법, 고형화하는 방법, 식물을 재배하여 제거하는 방법 등이 사용되기도 한다. 처리공정별로 유기성오염물질은 생물학적 처리공법이 효율적일 수 있지만 중금속은 분해불가 물질이기 때문에 주로 물리·화학적 방법 또는 열적·전기
적 방법으로 처리하는 것이 효율적이라고 본다.
▶ 중금속 제거에 주로 사용되는 기술
생물학적 방법으로는 식물재배정화법(phytoremediation)이 적용될 수 있으며 물리·화학적 공법으로 선별(체걸름), 막여과(지하수 등)방법 등과 화학적 산화나 결합 또는 전기적으로 분리하는 등의 방법이 적용될 수 있을 것이다. 열적 방법으로는 플라즈마 등을 이용, 고형화하는 방법 등이 있다.
■ 중금속의 물리·화학적 처리기술
▶ 중금속의 특성
특성 : 일반적으로 무기성(중금속)오염물질은 유기오염물질과 달리 생물학적 분해 및 독성제거가 어렵다. 금속류의 경우에는 장기간 환경 내에 존재하며 그 형태는 오염지역의 물리·화학적 특성에 크게 영향을 받는다. 즉 토양의 수용한계를 넘거나 ph의 변화 등에 의해서 금속류 오염물의 이동이 일어나게 되며 방사성 물질의 경우에는 금속류와 같이 대체로 비
휘발성이며, 용해 또는 생분해가 어려운 특성을 지니고 있다.
▶ 중금속제거의 원리 (화학적 방법)
일반적으로 중금속의 제거는 화학적 반응을 많이 활용하기 때문에 납, 구리, cd 등의 제거를 위해 사용되는 현장기술의 원리는 다음과 같다.
방법1: 중금속은 주로 토양의 미립자에 함유되어 있으므로 토양세척을 통해 미립자를 분리하여 고형화처리 방법으로 중금속을 제거하게 된다.
방법2: 방법1의 토양을 세척하거나 별도의 추출기술 없이 Na₂S를 첨가하여 용해도가 낮은 금속황화물 형태로 불용화시키는 방법이 있다. 이러한 화학적 처리 방법의 원리는 다음과 같다.
(1) 구리, 아연의 불용화(Pd, Cu,Zn)
- 중금속(Pb²+, Cu²+, Zn²+) + 알칼리처리제
⇒ 중금속(OH₂)↓
- 중금속(OH₂)+황화물 처리제 중금속·S↓
예)처리결과 ⇒납 : PbS로 불용화, 용해도 : 1×10-28
(2) 카드뮴, 수은, 6가크롬, 니켈의 불용화
- 중금속 + 황화물처리제+환원처리제 ⇒중금속·S↓
*중금속별로 산성/알칼리 조건조성, 황화물로 불용화함
(3) 비소(As)로 오염된 토양
*펜톤유사반응으로, 토양내에서 FeAsO₄로 변환시켜 불용화함
▶ 일반적인 불용화 시공방법(화학적처리)
(1) 오염깊이 2~3m이하 (on situ)
(2) 오염깊이 3m 이상(in situ)
그라우팅공법(Grouting)으로 오염토양 대지 위에 시추공을 설치 후 높은 압력으 로 처리제를 주입함
(3) 처리제(약품)
- 중금속 별로 요구되는 처리제가 상이함(개별회사의 개발약품)
- 특히 비소(As)가 포함된 중금속제거기술은 특허공법임(개별회사의 공법임)
▶ 토양세척법의 소개(Soil Washing)
- 화학적 처리공정 사용 시 오염토양의 처리위치에 따라 부지내부, 부지의 표면, 외부 반출해 처리해야 하는데 이때 시공방법의 하나로 토양세척법을 간략히 소개하면 다음과 같다.
(환경부 자료요약)
(1) 공정원리
토양세척의 기본 원리는 다음의 가정에 근거를 두고있다. 첫째, 오염물질은 입자가 작은 토양에 많이 흡착되어 있기 때문에 미세토양만을 분리하면 오염토양의 부피가 현저히 감소된다는 점과 둘째, 토양입자와 화학적으로 강하게 결합되지 않은 오염물질은 물리적인 방법으로 쉽게 분리될 수 있다. 따라서 토양세척법은 물리적인 선별 및 마찰작용을 활용하여 미세토양의 원토양으로부터 분리시키는 기능과 필요할 경우 적절한 세척제를 이용하여 화학적으로 결합된 오염물질을 용출시키는 기능을 목적으로 하고 있다. 토양세척법의 일반적인 처리공정도는 [그림]과 같다. 토양세척장치는 처리하고자 하는 오염물질의 종류 및 오염토양의 특성에 따라 최적의 장치를 구성해야 하지만 일반적으로 파쇄기, 선별기, 분리장치, 혼합 및. 추출 장치, 세척액 처리장치, 미세토양의 2차 처리장치 등으로 구성되어 있다.
(2)처리설비의 용도 및 기능
① 파쇄기(size reduction equipment) : 파쇄기는 입도가 큰 토양을 분쇄하는 장치로 입도의 크기가 2-5㎝보다 큰 토양이 심하게 오염되어 있어 세척이 필요한 경우 토양취급과 세척효율을 높이기 위해 설치한다.
② 선별기(screening equipment) : 선별기는 토양중에서 세척처리가 불필요하고 입자크기가 큰 자갈이나 나무, 금속 등이 물질을 선택적으로 분리하는 장치이다. 입자의 크기가 큰 자갈의 표면에는 오염농도가 높은 미세토양이 부착되어 있기 때문에 이를 제거하기 위하여 고압 스프레이에서 나오는 물로 표면을 세척한 후 다시 원위치에 매립하고 선별된 토양은 분리장치로 보낸다.
③ 분리장치(separation equipment) : 선별기에서 이송된 토양은 습식 분리장치를 통해 다시 미세입자와 중간크기의 입자로 분리되며, 분리장치를 통해 분리된 중간크기의 모래질 토양은 일반적으로 오염도가 낮기 때문에 바로 되메움하거나 오염농도가 높을 경우에는 혼합 및 추출장치로 이송하여 2차 처리를 수행한다. 분리된 고농도의 미세토양은 2차 처리과정을
거치거나 탈수과정을 거친 후 폐기물처리된다.
④ 혼합 및 추출장치 : 혼합 및 추출장치는 선별과정만으로 오염토양의 농도가 목표치까지 감소되지 않을경우 계면활성제와 같은 세척제를 활용하여 오염물질을 화학적으로 추출함으로써 정화하는 장치이다. 혼합 및 추출장치는 반드시 포함되어야 하는 장치는 아니며, 현장적용 전 처리시험을 통하여 이 장치의 포함유무를 결정할 필요가 있다.
⑤ 세척액 처리장치 : 세척 후 나오는 폐액은 오염물질을 함유하고 있어 외부로 배출하거나 재사용시 후처리가 필요하다. 특히 계면활성제와 같은 세척제를 사용할 경우 세척제를 재생하여 다시 재활용하는 것이 경제성에 중요한 영향을 미칠 수 있기 때문에 세척액 처리장치에 대한 고려가 필수적이다. 폐수처리 기법은 중화, 급속침전, 응집, 생물학적 처리, 활성탄흡착, 막분리, 여과 등 많은 방법이 있다.
⑥ 대기오염 방지장치 : 토양의 굴착, 파쇄공정, 선별공정, 후처리공정 등에서 휘발성물질 및 미립자가 방출되므로 오염방지 장치가 필요하다. 굴착 시에는 오염방지가 어렵지만 나머지 다른 공정에서는 포집하여 전기 집진, 활성탄 흡착, 스크러버 등으로 처리하여 배출한다.
(3) 처리물질 및 처리효율
토양세척법은 유기오염물질, 유류 및 중금속과 같은 무기물질로 오염된 지역의 정화에 대체적으로 적용이 가능하지만 방사성물질 및 화약류로 오염된 지역의 정화에는 본 기술의 적용이 쉽지 않다. 토양입경 별로는 자갈, 모래, 미사 등에 효과가 크고 미사에는 부분적인 효과가 있으며, 점토에는 효과가 없는 것으로 알려져 있다. 토양세척법은 미국에서 개발된 기술
이지만 현재 미국보다 유럽지역에서 일반적으로 많이 사용되고 있다. 토양세척법은 1986에서 1989년 사이에 미국의 여덟 개의 수퍼펀드 부지에서 오염물질 제거 방법 중 하나로 적용되었다. 국내의 경우 토양세척법을 이용한 오염물질 처리비용이 높은 이유로 현장 적용이 많지 않았으나 최근 폐광산과 같은 중금속으로 인한 오염문제가 대두되면서 중금속 오염 처리 및 대형 유류오염토양 정화현장에서 주로 적용되고 있다.
■ 맺음말
적은 지면을 이용해 토양 내의 중금속 제거기술을 소개하다보니 일부 원론적인 내용이 포함되어 있으나 모쪼록 토양환경복원 분야에 종사하는 기술자들에게 다소의 보탬이 되었으면 하는 마음입니다. 저뿐만 아니라 국내 토양복원 기술자의 기술능력이 아직은 일천하므로, 상호정보를 주고받으며, 토양복원기술 능력을 한 단계 더 높여서 우리의 환경기술이 더욱 발전되었으면 하는 것이 저희들의 바람입니다.
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