오염준설퇴적물 감량화 및 재활용을 위한 물리화학적-생물학적 연계처리공정

국문 초록 (Abstract)

최근 국내의 퇴적오니 오염문제가 부각되고 있으며, 이에 따라 퇴적오니 오염의 정화를 위한 기술의 필요성이 증대되고 있다. 하천, 호수 및 항만 등에 존재하는 오염된 준설퇴적물은 수질오염의 근원이며 인간건강을 위협한다. 침강된 오염물질은 일단 수중으로부터 제거되어 퇴적물 속에 축적되었다가 확산, 재부유, 생물교란 등의 물리.화학.생물학적 과정에 의해 다시 수중으로 용출되어 수질 및 수생태계에 직.간접적인 악영향을 미칠 수 있게 된다. 국내에서는 준설퇴적물을 준설물 전량에 응집제를 투입하여 응집.침전 후 탈수하여 처리한 후 매립 또는 해양투기하고 있다. 그러나, 응집제 등의 화학약품 첨가에 의한 과도한 슬러지 발생과 매립지의 남용 및 운반비용에 따른 운송비 부담 등으로 인해 경제성이 떨어져 새로운 처리.처분방법의 필요성이 대두되고 있다.
준설퇴적물 내 오염물질은 큰 입자(sand and gravel)에 비하여 작은 입자(silt and clay)에 강하게 흡착되어 있어 입자별로 분리하면 처분량 및 처분비용을 상당량 감소시킬 수 있고, 후속처리 공정에 매우 효율적이다. 또한, 오염상태가 비교적 낮은 큰 입자들은 노반재 및 건설용 자재로 재활용 할 수 있다.
다환방향족탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)와 총석유계탄화수소(Total Petroleum Hydrocarbons, TPHs)는 준설퇴적물 내 주요한 오염원으로 보고되고 있다. PAHs는 화석연료의 사용, 기름 유출 및 자연적인 공정 등에 의하여 발생되는데, PAHs 화합물 중 일부는 동물에게 발암물질이며 인간에게 발암가능물질로 규정하고 있다. 자연 상태에 방출된 PAHs는 대기 및 수로를 통하여 폭 넓게 확산되며, 토양 및 퇴적물에 축적되기도 한다. 석유관련산업의 성장을 통하여 유조차 누유 및 주유소 지하유류탱크에서의 휘발유 누출사고 등으로 인하여 TPHs의 오염문제가 확산되고 있다.
PAHs 및 TPHs로 오염된 준설퇴적물의 처리에 슬러리 반응조를 사용하는데, 슬러리 반응조는 농약, 석유연료, PCP, PCBs 및 유기성 오염물의 분해 및 독성제거를 위하여 전자수용체와 영양분의 공급에 의한 미생물의 활성증진을 이용하며, 교반으로 물질전달율의 향상과 오염원/미생물의 접촉증가를 통한 빠른 오염물 분해율로 환경적 및 기술적 측면에서 유리하다.
본 연구는 (1) 준설퇴적물의 분류를 위한 하이드로사이클론의 운전, (2) MAP 공정을 이용한 영양염류의 제거, (3) 슬러리 반응조를 사용한 PAHs 및 TPHs로 오염된 준설퇴적물의 처리, (4) 슬러리 반응조 효율의 극대화를 위한 최적가동조건의 산정 및 (5) 준설퇴적물 처리를 위한 운전설계 자료와 연계처리공정의 확립에 그 목적이 있다.

본 논문의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 준설퇴적물 분류 및 오염물질의 물리화학적 전처리

본 연구는 하이드로사이클론, 침전 및 부상법 등의 전처리기술을 이용하여 준설퇴적물 처리의 적합성을 파악하고 이를 통한 pilot 규모 처리설비의 설계인자를 제시하고자 수행하였다. 준설퇴적물의 입자분리를 위하여 하이드로사이클론을 운전한 결과 고형물함량과 유입압력이 분리효율에 큰 영향을 미쳤다. 미세준설토는 응집제 주입을 통하여 침강특성을 파악하였는데, Al2SO4.18H2O 40 mg/L에서 최적의 제거효율을 나타내었다. 준설토 침출수 내 질소와 인의 동시제거를 위한 MAP 실험결과 최적 주입몰비는 마그네슘의 몰비를 암모늄 및 인산염의 2.0-3.0배 주입하는 것이 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 부상시스템의 부상농축 효율은 가압수 주입비 30% > 40% > 20%의 순으로 나타났다.

(2) 생물학적 슬러리 반응조를 이용한 PAHs로 오염된 퇴적오니의 처리성 연구

PAHs (naphthalene과 phenanthrene)로 오염된 퇴적오니의 처리성 연구를 위하여 실험실 규모의 생물학적 슬러리 반응조를 운전하였다. 퇴적오니(고형물 함량 10%)는 PAH 분해 균주를 담고있는 호기성 슬러리 반응조로 처리하였고, PAHs 농도와 PAH 분해 미생물은 soxhlet추출-GC분석과 수정된 MPN방법을 이용하여 각각 관찰하였다. 또한, 휘발되는 PAHs는 XAD-2 resin 컬럼을 이용하여 수집되었다. 그 결과 운전개시 23일 경과 후, 고형물 시료 중 naphthalene은 초기농도 100 mg/kg이 82.7±2.9%가 제거되었으며, phenanthrene은 초기농도 172 mg/kg이 92.6±0.5%가 제거되었다. 퇴적오니 중 naphthalene은 40.0%, phenanthrene은 10.3%가 각각 휘발되었다. 두 화합물 모두 액상단계에서는 운전개시 3일 경과 후부터 검출되지 않았으며, MPN방법에 의한 미생물 증식은 3일 경과 후 최고치를 보였고, 그 후 지속적으로 감소하였다. 상기 결과를 통해 생분해는 퇴적오니 내 PAHs의 용해에 의해 제한 요소를 가지고 있음을 알 수 있었다.

(3) 실험실 규모 슬러리 반응조를 이용한 수력학특성 및 PAHs, TPHs등 난분해성 화합물의 처리

본 연구에 사용된 36 L 용량의 슬러리 반응조는 상향류와 하향류의 원활한 흐름을 위하여 크게 교반장치와 산기장치로 구성되었다. 슬러리 반응조의 혼합시간, 기체체류량 및 산소전달계수 등의 수력학 특성을 검토한 결과는 다음과 같다. 산기장치 가동에 따른 혼합시간은 공탑기체속도 0.154 cm/s에서는 23초, 0.308 cm/s 이상에서는 4초를 각각 보였고, 교반장치에 따른 혼합시간은 1,500 rpm에서 7초를 나타내었다. 그리고, 공탑기체속도의 증가에 따라 기체체류량 및 산소전달계수는 선형적으로 증가하였는데, 이는 반응조 내 gas holdup fraction이 상승하여 기체/액체간 계면면적이 증가했기 때문이라 판단된다.
슬러리 반응조를 사용하여 퇴적준설물을 처리한 결과 운전개시 11일 이내에 2.3개의 고리로 연결된 PAHs는 85-95% 제거되었다. Naphthalene의 분해율(94.05%)이 phenanthrene의 분해율(87.07%)보다 더 높게 산출되었는데, 이는 용해도 차이라고 판단된다. PAHs중 액상 내 naphthalene과 phenanthrene의 시간에 따른 농도변화를 보면 7일 경과 후 두 화합물 모두 검출되지 않았다. 11일 경과 후 고형물 내 TPHs의 농도는 46% 감소하였으며, 액상 내 농도는 선형적으로 증가하였다. 이러한 결과는 초기에 급격한 감소와 시간경과에 따라 느린 분해율을 보이며 좀처럼 완전분해가 일어나지 않는 탄화수소의 persistence한 특성 때문이라 사료된다.

(4) 이동식 통합처리 시스템을 이용한 퇴적준설물 내 PAHs 및 TPHs의 처리

본 연구의 목적은 PAHs 및 TPHs등과 같은 난분해성 화합물을 함유한 퇴적준설물의 처리를 위하여 이동식 통합처리시스템 내 슬러리 반응조를 설계, 제작 및 성능을 평가하는 것이다.
총 용량 1,400 L의 슬러리 반응조를 사용하여 인천 남동공단 유수지의 퇴적준설물을 처리하였는데, 혼합 PAH 분해 미생물을 퇴적준설물 내 유기물 및 PAHs에 순응시켰다. 반응조 운전 개시 20일 후, 순응된 PAH 미생물이 첨가된 반응조에서 고형물 내 PAHs 화합물 중 indeno(1,2,3-cd)pyrene이 73%가 제거되었으며 액상 내 indeno(1,2,3-cd)pyrene은 고형물 탈착율 등의 영향으로 운전개시 3일 이후 더 이상 검출되지 않았다. 또한, 운전기간 중 고형물 내 TPHs의 농도는 탄화수소미생물의 생물학적 분해로 56%가 감소하였고, 액상 TPHs의 경우 운전개시 15일 이후부터 검출되었는데, 이는 반응조에 주입된 PAH 분해 미생물이 반응조 내에서 슬러리와 결합하여 생물계면활성제와 같은 생리활성 물질 등을 분비하여 탈착을 촉진시키는 역할을 수행한 결과라 판단된다.
상기결과를 통해 이동식 통합처리 시스템은 난분해성 화합물로 오염된 하천이나 호소의 준설퇴적물 처리뿐 만 아니라 근래에 자주 발생하는 유조차 누유 및 주유소 지하유류탱크에서의 휘발유 누출사고 등의 토양에 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 14
• 1.1 연구배경 14
• 1.2 연구목적 17
• 1.3 연구범위 18
• 2. 문헌고찰 19
• 2.1 준설퇴적물의 특성 19
• 2.2 준설퇴적물의 처리 20
• 2.2.1 하이드로사이클론 (Hydrocyclone) 22
• 2.2.2 Struvite 28
• 2.2.3 슬러리 반응조 (Slurry reactor) 35
• 2.2.4 난분해성 화합물 (Recalcitrant compounds) 38
• 2.3 준설퇴적물의 재활용 50
• 3. 준설퇴적물 분류 및 오염물질의 물리화학적 전처리 53
• 3.1 서 론 53
• 3.2 실험장치 및 방법 55
• 3.3 결과 및 고찰 62
• 3.3.1 준설퇴적물의 특성 62
• 3.3.2 하이드로사이클론을 이용한 입자분리 효율 65
• 3.3.3 응집제 주입율 산정 및 준설토의 침강특성 68
• 3.3.4 준설토 침출액 내 영양염류 제거 71
• 3.3.5 부상 특성 77
• 3.3.6 준설토 및 오염물질 물질수지 80
• 3.4 결 론 82
• 4. 생물학적 슬러리 반응조를 이용한 PAHs로 오염된 퇴적오니의 처리성 연구 83
• 4.1 서 론 83
• 4.2 실험재료 및 방법 85
• 4.2.1 PAH 미생물 85
• 4.2.2 실험재료 88
• 4.2.3 반응조 운전조건 90
• 4.2.4 분석방법 92
• 4.2.5 QA/QC (Quality Assurance/Quality Control) 97
• 4.3 결과 및 고찰 104
• 4.3.1 PAH 분해 미생물 104
• 4.3.2 PAH 미생물 성장특성 106
• 4.3.2 물리.화학적 특성변화 118
• 4.3.3 PAHs 분해 및 탈착특성 121
• 4.3.4 액상 PAHs 농도 및 PAHs 미생물 활성도 125
• 4.4 결 론 128
• 5. 실험실 규모 슬러리 반응조를 이용한 수력학특성 및 PAHs, TPHs등 난분해성 화합물의 처리 129
• 5.1 서 론 129
• 5.2 실험장치 및 방법 131
• 5.2.1 실험장치 및 운전 131
• 5.2.2 실험재료 135
• 5.2.3 분석방법 135
• 5.3 결과 및 고찰 138
• 5.3.1 혼합특성 (Mixing time) 138
• 5.3.2 기체체류량 (Gas holdup) 140
• 5.3.3 산소전달특성 142
• 5.3.4 퇴적준설물 내 PAHs 및 TPHs의 제거 146
• 5.4 결 론 155
• 6. 이동식 통합처리 시스템을 이용한 퇴적준설물 내 PAHs 및 TPHs의 처리 156
• 6.1 서 론 156
• 6.2 실험장치 및 방법 158
• 6.2.1 실험장치 및 운전 158
• 6.2.2 실험재료 162
• 6.2.3 측정항목 및 분석방법 163
• 6.3 결과 및 고찰 166
• 6.3.1 물리적 특성변화 166
• 6.3.2 PAHs 및 TPHs 농도 변화 170
• 6.4 결 론 174
• 7. 종합결론 175
• 참고문헌 177
• 국문초록 192
• Abstract 196