토양경작법 운영을 통한 유류오염토 최적처리

국문 초록 (Abstract)

연구 대상 부지는 U시 K동에 위치한 반환미군기지로서 50여 년간 주한미군이 주둔 후 연합토지관리계획(Land Partner Ship)에 따라 반환된 기지로 기지 내부 조사결과 막사, 식당, 주차고, 정비고와 같은 오염 유발시설이 산재되어 있었으며, 유류(경유, JP-8)에 인한 오염이 확인되었다.
본 연구는 기지 내 유류 오염토양을 처리하기 위해 대상부지 및 오염물질의 특성을 고려하여 미생물을 이용한 토양 경작법의 최적 처리 조건을 도출하고 자하였다.
토양 경작법의 적용 가능 여부를 판단하기 위해 대상 기지의 토성, 오염토양 분해능, 미생물군집농도, pH, 수분함량을 분석하였으며 그 결과를 토대로 대상 기지내 토양경작법이 최적 처리 조건을 평가하였다.
토양경작법 최적 운영 인자를 도출하기 위해 현장 내 오염토양의 유류 농도와 유사한 농도로 인위적으로 오염시켜 만든 모델토양(JP-8을 spike하여 5,000mg JP-8/kg soil)을 대상으로 실증시험을 수행하였다. 한편, 인위적으로 오염시켜 제조한 모델 토양은 aging된 현장 내 오염토양의 분해정도와 비교하기 위해 대조군으로 사용하였다.
생물학적 정화공법인 토양경작법의 실증시험을 위해 미생물의 생육환경인자를
(수분, 온도, pH, 영양염류, 미생물개체수) 조절하여 실증시험을 수행하였으며 Acnetobacter종, Pseudomonas종의 미생물을 주입하여 미생물의 종류에 따른 JP-8 분해정도를 확인하였다.
모델토양과 현장토양의 실증시험결과 현장토양(28.4%)이 모델토양(81.7%)에 비해 분해속도가 느렸으며, Aging된 오염물질의 분해정도가 현격히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
정화목표(TPH : 475mg/kg)를 달성하기 위한 토양경작기간, 반감기를 구하기 위해 Sigmaplot을 이용, 1차, 2차 분해모델을 적용하여 속도상수(k)를 구하였고, 토양경작기간을 예측하였다. 1차 분해 모델을 적용한 결과 분해 후반부에서 실제 실증시험 결과 보다 더 빨리 분해가 진행되는 예측 오류가 발생하였다. 즉 초기에는 빠른 속도로 제거되지만 시간이 지날수록 속도가 느려져 감소해 분해 후반부에는 거의 분해가 일어나지 않는 현상을 설명하기에는 한계성이 있는 것으로 판단하였다. 그러나 2차 분해 모델을 적용한 결과 분해 후반부의 농도 변화펜턴을 1차에 비해 더 최적으로 잘 설명할 수 있었다.
실증시험결과 토양경작법 만으로 정화목표(TPH : 475mg/kg)를 120일 이내에 달성하는 것은 어려울 것으로 예상되어 오염물질의 농도를 구분하여 저농도(1,000mg/kg 미만) 오염토양 토양경작법, 고농도 오염토양(1,000mg/kg 이상)은 토양세척법으로 오염토양을 처리하였다.
본 연구는 유류 오염토 최적처리를 위한 토양경작법의 주요 영향 인자 중 온도에 의한 영향을 확인하기 위해 토양경작 운영 기간을 춘·추기, 하절기, 동절기로 구분하여 각 기간 동안 오염물질의 저감율을 1차 분해모델에 적용하여 속도분해상수를
구하였다. 연구 대상 기지의 평균 경작 운영일수는 56일이며, 현장 토양의 실증시험 결과(1차 속도분해 모델을 적용) 60일 이후부터 실증시험 결과보다 더 빨리 분해가 진행될 것으로 예측하는 오류가 발생하였다. 따라서, 1차 속도분해 모델을 적용하여 분해양상을 해석하는 것이 가능하다고 판단되어 1차 분해 모델을 적용하여 속도분해상수를 구하였다.
속도분해상수(day-1) 는 하절기(0.039)>춘·추기(0.030)>동절기(0.025) 순으로 온도가 높을수록 분해가 잘 일어남을 확인하였다.
향후 실증 시험시 온도에 따른 속도상수를 구하여 최적 설계를 수행하고, 또한 연구 대상 기지의 토양경작법 운영을 통해 도출된 최적 운영인자를 매뉴얼화하여, 본 기지와 오염물질 및 대상부지의 특성이 유사하고 실증시험이 어려운 소규모 기지의 토양경작법 설계 시 기초 자료로도 활용하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 요 약 문 ⅰ
• Abstract iii
• 목 차 ⅴ
• List of Figures vii
• List of Tables viii
• 1장. 서 론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 연구대상기지 3
• 1.3. 연구범위 5
• 2장 문헌연구 7
• 2.1. 토양의 특성 7
• 2.1.1. 토양의 기능 7
• 2.1.2. 토양오염원과 토양오염의 특성 7
• 2.1.3. 토양의 입경에 따른 구분 8
• 2.2. 유류오염 10
• 2.3. 유류의 종류 및 특성 12
• 2.3.1 정의 12
• 2.3.2 성분과 분류 12
• 2.3.3 정제에 따른 분류 13
• 2.3.4 Aging 효과 14
• 2.4. 토양경작법 15
• 2.4.1. 정의 15
• 2.4.2. 장․단점 15
• 2.4.3. 주요 영향인자 16
• 2.5. 분해속도 모델 19
• 2.5.1. 1단계 분해모델(1 step kinetic model) 19
• 2.5.2. 2단계 분해모델(2 step kinetic model) 19
• 3장 연구재료 및 실험방법 22
• 3.1. 대상기지 토성 분석 22
• 3.2. 대상기지 경작환경 분석 23
• 3.3. 토양경작실증시험 25
• 3.4. 토양경작 운영 29
• 3.5. 모니터링 32
• 4장 실험결과 및 고찰 33
• 4.1. 대상기지 토성 및 경작 환경 분석 결과 33
• 4.1.1. 입도분석 33
• 4.1.2. JP-8 오염토양 분해능 분석 34
• 4.1.3. 미생물 군집 분석 35
• 4.1.4. 토양 pH 및 수분함량 분석 35
• 4.1.5. 유기물 및 영양염류 분석 35
• 4.2. 모델토양과 현장 토양의 토양경작 실증시험 결과 37
• 4.3. 모델토양 및 현장토양의 속도분해상수 (1 step kinetic model) 40
• 4.4. 모델토양 및 현장토양의 속도분해상수 (2 step kinetic model) 42
• 4.5. 토양경작 운영결과 45
• 4.5.1. Batch별 운영결과 45
• 4.5.2. 온도에 따른 속도분해상수 49
• 5장 결론 52
• 참고 문헌 54
• List of Figures
• Fig. 1. Location of project site. 3
• Fig. 2. Historical sources of contaminations. 4
• Fig. 3. Geological profile of project site.. 5
• Fig. 4. Soil textural triangle (USDA). 9
• Fig. 5. Landfarming overview. 15
• Fig. 6. Sampling points of project site. 22
• Fig. 7. Sample of pH analysis. 24
• Fig. 8. Feasibility test apparatus of landfarming. 26
• Fig. 9. Ultrasonic extractor for TPH pretreatment. 27
• Fig. 10. GC/FID for TPH analysis. 27
• Fig. 11. Fingerprinting of petroleum hydrocarbons(JP-8, JP-8+Diesel). 28
• Fig. 12. Flowchart of landfarming. 30
• Fig. 13. Spray of microbial and nutrient. 31
• Fig. 14. Cumulative passing rate of soils used in this study. 34
• Fig. 15. Reduction curve of TPH concentrations in lab soil. 37
• Fig. 16. Reduction curve of TPH concentrations in field soil. 38
• Fig. 17. Comparison of reduction efficiency (in lab and field soil). 39
• Fig. 18. Reduction curve of concentrations (1 step kinetic model) in lab soil. 40
• Fig. 19. Reduction curve of concentrations (1 step kinetic model) in field soil. 41
• Fig. 20 Reduction curve of concentrations (2 step kinetic model) in lab soil. 43
• Fig. 21 Reduction curve of concentrations (2 step kinetic model) in field soil. 43
• Fig. 22 Soil washing process of project site. 44
• Fig. 23. Reduction curve of TPH contaminated soil (A unit). 45
• Fig. 24. Reduction curve of TPH contaminated soil (B unit). 46
• Fig. 25. Reduction curve of TPH contaminated soil (C unit). 47
• Fig. 26. Volume of treated soils, operation days (A unit). 48
• Fig. 27. Kinetic constants(k), half time with season. 51
• List of Tables
• Table. 1. Source of soil contaminations and pollutants 7
• Table. 2. Classification of soils according to particle range in USDA, USCS 8
• Table. 3. Number of mesh size 9
• Table. 4. Status of specific soil pollution facilities in korea 11
• Table. 5. Status of soil contaminations of specific soil pollution facilities 11
• Table. 6. General characteristics of individual petroleum mixtures 13
• Table. 7 Applied standard and method of landfarming 29
• Table. 8. Design and operating parameters of landfarming 30
• Table. 9. Monitoring cycle, items, frequency of landfarming 32
• Table. 10. Result of size distribution 33
• Table. 11. TPH Residual ratio that 30 days after JP-8 is decomposed by microorganisms 34
• Table. 12. Nitrogen and phosphorous contents in soil sample 36
• Table. 13. Result of landfarming feasibility test wth each microorganisms in lab soil 37
• Table. 14. Result of landfarming feasibility test wth each microorganisms in field soil 38
• Table. 15. Reduction efficiency of TPH concentration (in lab and field soil) 39
• Table. 16. Kinetic constants, half-time in lab and field soil (1 step kinetic model) 40
• Table. 17. Kinetic constants, half-time in lab and field soil (2 step kinetic model) 42
• Table. 18. Description and operation parameter of landfarming 45
• Table. 19. Reduction rate of TPH contaminated soil (A unit) 46
• Table. 20. Reduction rate of TPH contaminated soil (B unit) 47
• Table. 21. Reduction rate of TPH contaminated soil (C unit) 48
• Table. 22. Kinetic constants(k), half time of A, B and C unit 49
• Table. 23. Kinetic constants(k), half time in winter season 49
• Table. 24. Kinetic constants(k), half time in spring·fall season 50
• Table. 25. Kinetic constants(k), half time in summer season 50