토양세척법 (Soil Washing) 토양세척기법은적절한세척제를사용하여토양입자에결합되어있는유해한유기오염물질의표면장력을약화시키거나중금속을액상으로변화시켜토양입자로부터유해한유기오염물질및중금속을분리시켜처리하는기법이다. 토양세척기법에이용되는세척제는오염물질을토양으로부터분리 용해시키는역할을하는물질로, 계면의자유에너지를낮추고계면의성질을현격히변화시켜물에대해용해성이적은물질을열역학적으로안정한상태로용해시킬수있는중요한화학물질이다. 그리고이렇게분리된폐액은농축 처분하거나재래식폐수처리방법으로처리하며, 폐액내의중금속을회수할수도있다. 이기술로광범위한유기및무기오염물질을제거할수있다. 1) 공정개요토양세척법의처리공정도는 < 그림 1> 과같으며, 토양세척기술은 1970년대후반미국 EPA에서기름누출사고로오염된해변을정화하기위해처음으로개발되었으나, 현재는미국보다유럽에서더욱발전시켜사용되고있다. 토양세척의기본원리는다음의두가지가정에근거를두고있다. 첫째는오염물질이입자가작은토양에많이분포되어있어이것만을분리하여부피를감소시킨후처리할수있는것이다. 둘째는토양입자와화학적으로결합되지않은오염물질이물리적인방법으로쉽게토양과분리할수있다는것이다. 따라서토양세척의주된목적은완전한토양재생이아니고오염된토양의부피를감소시키는것이라고하겠다. 또한, 물에첨가제를사용하여토양에수착되어있는오염물질의제거효율을높이기도한다. 이때사용되는첨가제로는 Triethylene Amine(TEA) 과같이 28 이하에서는물과혼합되지만, 이온도이상에서는두충으로분리되는역혼화성물질이유리하다. http://cafe.daum.net/soilenviro[ 토양환경기사 ^^*] 1
휘발 처리가스배출 오염토양 기질수 추출제 ( 계면활성제, 기타 ) 재순환수 화학약품 가스처리조절 토양균질화 / 선별 전처리토양 토양세척공정 - 세척 - 헹굼 - 크기별선별 - 중력선별 - 스크러버 배출수 폐수처리 처리수 오염슬러지 정화된토양 입경이큰토양반복처리 < 그림 1> 토양세척법의처리공정도 2) 토양세척공정설비토양세척공정은파쇄기, 크기선별기, 분리장치, 혼합및추출장치, 세척액처리장치, 대기오염방지장치, 미세토양의 2차처리장치등으로구성되어있다. 대표적인토양세척공정의흐름을 < 그림 2> 에나타내었다. 1 파쇄기 (Size Reduction Equipment) 파쇄기는입자가큰토양을분쇄하는장치로입자의크기가 2~5cm보다큰토양이심하게오염되어있어세척이필요한경우토양취급과세척효율을높이기위해설치한다. 2 선별기 (Screening Equipment) 선별기는토양중에서세척처리가불필요하고입자크기가큰토양이나나무, 금속등이물질을선택적으로분리하는장치이다. 선별기는이물질을제거하는 Grizzy deck, 약 6mm 이상크기의토양 ( 대부분표면오염 ) 을분리하는회전스크린, Shaker, 진동장치, http://cafe.daum.net/soilenviro[ 토양환경기사 ^^*] 2
Sieve bend, 회전형체 (Trommel) 등이있으며, 선별공정은이들중몇개의조합으로 이루어진다. 입자의크기가약 6mm 이상인토양은고압스프레이에서나오는물로표면 만세척한후다시원위치에매립하고 6mm 이하인토양은분리장치로보낸다. < 그림 2> Soil washing 흐름도 http://cafe.daum.net/soilenviro[ 토양환경기사 ^^*] 3
3 분리장치 (Separation Equipment) 선별기에서이송된토양은분리장치에서다시물에의해미립자와중간크기의입자로분리된다. 이분리장치는고체와액체를분리하는 classifier, 고체입자를분리하거나침전속도를이용하여고체미립자와부유유기물을분리하는 classifier 등으로구분된다. Classifier는중간크기의입자를분리하는침전조, Lamella, Thickener, Inclined spiral classifier, 미립자를분리하는 Hydrocyclone과원심분리기등이있다. Hydrocyclone은고압의물이분사되면서발생시키는원심력에의해부유하는미립자를분리하는장치로서, 이장치의출구에서나오는고체의오염물농도는토양의형태, 초기오염농도, 입자의크기, 밀도, 유체의점도등에따라달라진다. Hydrocyclone은원심분리기에비해분리효율은낮지만용량이크고에너지사용량이적으며가격이싸기때문에널리사용되고있다. 이밖에도 Upflow classifier인 Elutriator, 밀도차이를이용하여분리하는부유선광장치, 미립자탈수장치등이있다. 탈수법으로는함수율 2~15% 의고형물을얻을수있는 thickening법과함수율 20~45% 의고형물을얻을수있는진공여과장치, Filter Press 등의여과법이있다. 4 혼합및추출장치이장치는토양과세척액의접촉효율을높여주며 Impeller, Water knife(60 psig), 고압 jet pipe(5,000 psig), 저주파진동장치등이있다. 5 세척액처리장치세척후나오는폐액은오염물질을함유하고있어외부로배출하거나재사용시후처리가필요하다. 폐수처리기법은중화, 급속침전, 응집, 생물학적처리, 활성탄흡착, 막분리, 여과등많은방법이있다. 6 대기오염방지장치토양의굴착, 파쇄공정, 선별공정, 후처리공정등에서휘발성물질및미립자가방출되므로오염방지장치가필요하다. 굴착시에는오염방지가어렵지만나머지다른공정에서는포집하여전기집진, 활성탄흡착, 스크러버등으로처리하여배출한다. http://cafe.daum.net/soilenviro[ 토양환경기사 ^^*] 4
3) 오염물질및토양입경별처리효과준휘발성유기화합물질, 유류계오염물질과중금속에는효과가크며특정휘발성유기화합물질과살충제에는부분적인효과가있는것으로표 1에나타나고있으며, 토양입경별로는자갈, 모래, 세사등에효과가크고, 미사에는부분적인효과가있으며, 점토에는효과가없는것으로 < 표 2> 에나타났다. 4) 제약조건 1 세척유출수로부터미세토양입자 ( 예를들면 Silt, Clay) 를분리해내기위해서는응집제를첨가해주어야할경우도있다. 2 복합오염물질 ( 예를들면유기물질을포함한중금속 ) 의경우적용하고자하는세척제를선별 제조하기가어렵다. 3 토양내에휴믹질이고농도로존재하는경우에는전처리가필요하다. < 표 1> 오염물질별토양세척법의처리효과 오염물질종류 적합 부분적적합 부적합 석유류탄화수소준휘발성유기화합물 Cd, Cu, As, Hg, Pb, Cr +6, CN PCB 유기물질을포함한중금속살충제 < 표 2> 토양입경별토양세척법의처리효과 토양입경정도 적합 부분적적합 부적합 자 갈 중간모래가는모래 미 사 점 토 슬러지재 http://cafe.daum.net/soilenviro[ 토양환경기사 ^^*] 5
5) 영향인자 1 입경분포 ( 적정범위 0.24~2 mm) 2 토양의종류 3 토양의물리적형상 4 수분함유량 5 오염물질의종류및농도 6 유기물함량 7 양이온치환능력 8 ph와완충력 6) 처리효율현재, 토양세척기법은유럽에서는일반적으로사용되고있지만미국에서는제한적으로사용되고있다. 1986에서 1989년사이에이기술은여덟개의 Superfund sites에서오염물질제거방법중하나로적용되었다. 토양세척기법은일반적으로생물학적복원기술, 소각, 고형화 / 안정화와같은기술과복합적으로사용된다. 적용되는기술에따라다르지만, 토양세척제이나미세토양에대해서는후처리가필요하다. 오염된미세입자를분리하고난후정화된토양은현장에다시되돌려진다. 토양세척의예로 18,200m 3 ( 약 20,000ton) 의오염토양부지를세척하기위해 3개월미만의기간이소요된경우가있다. 6) 적용사례토양세척기술은제거성능, 제거시간, 경제성등을비교하고평가하여최적의방법을선택한다. 토양세척기술에의한오염물질의제거효율은다른기술에비해높으며어떤성분은 99% 이상제거되기도한다. 네덜란드에서는이기술을이용하여유기물과중금속이함께오염되어있는토양을재생하였으며, 이결과를표 3에나타내었다. 시간당토양의처리용량은설계용량에따라다르지만대부분의경우 1~10톤정도가경제적이다. 토양세척기술에의한처리비용은전체처리용량에따라다르지만약 $150~300/ton으로비교적높 http://cafe.daum.net/soilenviro[ 토양환경기사 ^^*] 6
은편이다. 토양세척기술을새로운부지개발시병행하면가격경쟁력이매우높다. 또한 오염물질을운반하여매립할때경량화기술로효과적이며, 이경우오염된토양의부피가 10,000m 3 이상일때는경제성이있다. < 표 3> 네덜란드의토양세척결과 오염물질 네덜란드규정 (mg/kg) 오염물질농도 (mg/kg) B Class C Class 처리전처리후 100~2500 70~120 Cr 250 800 100~320 3 184 64 43~45 11~15 Ni 100 500 25~890 40~70 100~600 50~80 Zn 500 3000 6040 460~720 160~170 150 140~200 50-80 Pb 150 600 11900 110~450 1450 110 20~70 <20 Hg 2 10 67 105 67 104 As 30 50 135 19 180 3 Cd 5 20 3000~18000 <20 4~18 0.5~1.4 Mineral oil 1000 5000 6000 <20 273~933 20 CN(Total) 50 5000 75~300 400~1000 250~500 7~10 6~10 10~15 PCBs 1 10 2~4 0.1~0.2 Oil 19600 233 3000~18000 334 <20 20 http://cafe.daum.net/soilenviro[ 토양환경기사 ^^*] 7
< 표계속 > 오염물질 네덜란드규정 (mg/kg) 오염물질농도 (mg/kg) B Class C Class 처리전처리후 250~400 0.5~10 PCAs(Total) 20 200 79 7.9 19 0.34 638 7.8 Chlorinated 1 10 20~30 <1 Hydrocarbons 5.3 0.4 http://cafe.daum.net/soilenviro[ 토양환경기사 ^^*] 8