Research Article

The Journal of Engineering Geology. 30 September 2023. 371-388
https://doi.org/10.9720/kseg.2023.3.371

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역의 토질특성

  • 연구 장치 및 구성

  •   장치제작

  •   시험지역 구분 및 주입 ‧ 추출정 설치

  • 연구 방법

  •   정화제(과산화수소) 전달 시험

  •   물리탐사(전기비저항탐사) 시험

  •   투수성분석

  • 결과분석

  •   정화제(과산화수소) 전달률

  •   물리탐사(전기비저항탐사)

  •   투수성시험

  •   영향반경

  • 결 론

서 론

국내의 토양환경보전법은 1995년 제정되어 수차례 개정작업이 이루어졌다. 토양정화는 기술적으로 오염특성에 대한 규명, 부지 특성 이해, 정화기간에 따른 정화공법 결정 및 비용 분석 등이 필요하고, 외적 변수로는 부지 내(on-site) 또는 부지 밖(off-site)으로 이송 처리 선택 및 사회적 요구와 부지의 향후 활용 계획 등에 따라 어느 수준까지 정화할지에 대한 여러 가지 변수들을 고려해야 한다(Kim, 2009).

국내 토양환경보전법 제15조의3(오염토양의정화)에서 오염토양을 정화할 때에는 오염발생부지 내인 원위치에서 정화하는 것을 원칙으로 규정하고 있다. 국내에서 제시하는 원위치 정화방법(On site) 중 지중정화(In situ) 방법에는 생물학적 통기법, 생물학적 분해법, 식물재배법, 자연저감법, 화학적 산화법, 동전기법, 토양세정법, 용제추출법, 전극가열법 등이 있다(ME, 2007). 이중 비교적 정화속도가 빠르고 단기간의 정화효율을 높일 수 있는 화학적 산화법과 토양세정법 등이 유류오염토양 원위치 정화에 주로 적용되고 있다.

지표 하부를 구성하는 토층은 일반적으로 입도, 함수비, 상대밀도 및 연경도, 지하수위 분포 등 분포지역의 여건에 따라 매우 다양하며 동일지역이라 할지라도 시간을 달리하는 퇴적 여건에 따라 불규칙한 토층구성을 갖는 것이 일반적이다. 이러한 다양한 구성을 가진 토층이 유류 등의 유동성이 있는 물질로 오염된 경우 단일 방법으로 오염을 정화하는데 많은 문제점을 가지고 있고 실제로 정화에 어려움을 겪는 경우가 많은 것이 현실이다. 오염토양의 균등계수가 높고 조립질이며 느슨한 상태의 토양에서는 토양 자체의 투수성이 높아 정화제가 비교적 쉽게 이동하고 균일하게 퍼짐으로써 토양환경보전법에 제시된 지중정화공법 중 단일공법으로도 충분한 정화효과를 얻을 수 있다. 그러나 지층구성이 복잡하고 균등계수가 낮으며 조밀한 상대밀도의 세립질 토양이나 세립 및 조립질의 다층구조의 토양이 분포하는 경우 정화효율은 급격히 저하되고 실질적인 정화가 이루어지지 않거나 정화기간이 길어져 정화 이후의 사업추진이 지연되고 비용이 증가하는 문제가 발생하기도 한다.

따라서 정화효율성의 저하와 부지의 협소 등 불가피한 사유로 원위치 정화가 곤란한 경우 제한적으로 부지 외부로 반출하여 처리할 수 있도록 2005년에 개정되어 활용되고 있다(Hwang et al., 2014). 이러한 복잡한 토질여건 하에서 효율적인 원위치 지중정화를 위해서는 오염된 구간으로 정화제 주입이 원활하고 정화제와 오염물질과 충분한 접촉이 이루어져야 한다. 이를 위해서는 불규칙한 토층에 대응이 가능하도록 촘촘한 균열망을 형성하여 정화제 주입이 원활하게 이루어지고 오염물질과 충분히 반응하여 실질적인 정화효율을 높일 수 있는 공법 개발이 필요한 실정이다.

국외에서는 슈퍼펀드 사이트를 중심으로 다수의 기술 및 평가방법의 개선이 이루어졌고(U.S. EPA, 1995; Purdue ECT Team, 2007), 국내에서도 환경부에서 공압파쇄기술 개발의 일환으로 “지중파쇄를 이용한 원위치정화기술 개발(ME, 2011)” 연구를 수행한 사례와 공기나 약액을 고압으로 주입하여 오염토양을 정화하는 공법 등 관련 특허가 다수 등록되어 있다(Jang et al., 2020).

본 연구는 균열형성과 효과적인 정화제 유도를 위해 플라즈마 블라스팅, 공압파쇄, 진공추출을 복합적으로 활용하는 PPV 공법(PPV method, Pneumatic frarcturing / Plasma blasting / Vacuum suction method)의 유체 전달특성을 분석하고 기존공법과의 비교를 통해 정화제 전달의 개선효과를 평가할 목적으로 수행하였다.

정화효과를 실제로 확인 및 검증하기 위해서 TPH로 오염되어 있는 오염부지를 선정하고 실규모의 정화장치를 제작하였다. 제작된 정화장치를 통해 PPV 공법을 실험군으로 하고 기존 정화공정에서 주로 사용되는 화학적산화공법을 대조군으로 하여 실제 오염부지에 대한 정화제 전달효과를 확인하기 위한 실증시험을 수행하였다. 실증시험 과정에서 정화제의 전달특성과 영향법위 등을 산정하기 위해 주입량과 주입시간을 모니터링하였으며, 정성적인 지중환경 변화요인을 확인하고자 전기비저항탐사를 수행하였다. 또한, 투수시험을 수행하여 각 공법에 대한 투수성 변화특성을 평가하고 비교하였다.

연구지역의 토질특성

연구지역은 춘천역 인근에 위치한 반환미군기지로 강원도 춘천시 근화동 일대에 위치한다. 지질은 중생대 쥬라기의 춘천화강암이 분포하는 지역으로 주로 흑운모화강암으로 구성되며 상기 지층을 제4기 충적층이 피복하고 있다(Lee et al., 1974).

연구지역을 선정하기 위해 5공(NX)의 시추조사와 표준관입시험을 진행하여 지층분포 특성과 지반상태 그리고 토층의 연경도 및 상대밀도 등을 확인하였다(Fig. 1).

시추조사 결과 지층구성은 매립층, 퇴적층, 풍화암 순으로 분포하며 해당 지층에 대해 흙의 입도시험을 수행하고 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS)을 통해 토질 특성을 분류하였다. 매립층은 입도분포가 불량한 자갈섞인 실트 내지 모래로 구성되고 층후는 1.6~2.9 m의 두께가 확인된다. 퇴적층은 상부로부터 실트질 점토, 입도분포가 불량한 모래 내지 실트질 모래, 입도분포가 양호한 자갈질 모래 내지 실트 순으로 분포하며 각각 2.1~2.8 m, 0.9~1.4 m, 5.8~7.6 m의 층후가 확인된다. 시추조사에서 확인된 최하부층은 풍화암으로 화강암 암편이 잔존하는 실트질 모래로 구성되며, 층후는 2.3~17.6 m 이상이 확인되었으며 지표하부 GL.-11.3 m 이상부터 분포하는 것으로 파악되었다.

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Fig. 1.

Location map of drilling survey and geological map.

본 연구에서 주요 시험대상이 되는 지층은 퇴적층의 연약~매우견고한 실트질 점토층과 느슨~매우조밀하고 입도분포가 불량한 모래 내지 실트질 모래로 구성는 지층이다.

표준관입시험 결과, 붕적층은 매우느슨~조밀한 상대밀도를 보이며 퇴적층은 상부로부터 각각 연약~매우견고한 연경도의 점성토질 토양과 느슨~조밀, 보통조밀~매우조밀한 상대밀도의 사질토양의 특성을 보이고 풍화대는 매우조밀한 상대밀도로 확인된다. 또한, 연구지역의 지하수위의 분포는 GL.-3.07~-4.38 m에 위치하고 있어 시험대상 지층 구간에서 확인된다. Table 1은 연구지역의 시추조사 결과와 흙의 입도시험을 통한 통일분류법 결과를 나타낸 것이다.

Table 1.

Analysis of soil type and permeability

Index Fill soil
(m below GL)
Deposit soil
(m below GL)
Weathered rock
(m below GL)
Drilling
depth
(m)
Groundwater
depth
(m below GL)
BH-1 0.0~1.6 (1.6) 1.6~3.8 (2.2) 3.8~4.7 (0.9) 4.7~11.3 (6.6) 11.3~15.3 (4.0) 15.3 3.07
BH-2 0.0~1.8 (1.8) 1.8~3.9 (2.1) 3.9~4.8 (0.9) 4.8~12.4 (7.6) 12.4~30.0 (17.6) 30.0 3.28
BH-3 0.0~2.9 (2.9) 2.9~5.7 (2.8) 5.7~6.6 (0.9) 6.6~12.6 (6.0) 12.6~15.0 (2.4) 15.0 4.35
BH-4 0.0~2.5 (2.5) 2.5~4.6 (2.1) 4.6~6.0 (1.4) 6.0~12.6 (6.6) 12.6~15.0 (2.4) 15.0 4.38
BH-5 0.0~2.8 (2.8) 2.8~5.5 (2.7) 5.5~6.9 (1.4) 6.9~12.7 (5.8) 12.7~15.0 (2.3) 15.0 4.37
N-value 2/30~40/30 3/30~24/30 5/30~35/30 28/30~50/3 50/4~50/2 - -
USCS GP-GM ML SP-SM GW-GM - - -

연구 장치 및 구성

장치제작

연구지역의 정화제 주입과 추출이 가능한 관정을 설치하고 공압파쇄, 진공추출, 플라즈마 블라스팅을 접목할 수 있는 PPV 공법 공정시스템 장치를 설치하였다. 연구 장치는 기존 기술 대비 정화효과 향상을 위해 공압파쇄와 진공추출을 동시 적용하고 플라즈마의 아크 방전을 토양에 적용하여 토양 내 균열을 형성함으로써 투수성을 개선하는 방법을 적용할 수 있도록 하였다. 또한, 토양정화 실험을 진행하면서 정화제(H2O2, 5%)를 주입할 수 있는 약품 주입장치와 정화처리 후 추출된 물의 후처리가 가능한 수처리장치, 그리고 공압파쇄 및 플라즈마 블라스팅의 고전압 방전을 발생시킬 수 있는 멀티 프로브장치 등으로 제작하였다(Figs. 2, 3 and Table 2).

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Fig. 2.

Diagram and photos of PPV (Plasma blasting & Pneumatic fracturing & Vaccum suction) method.

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Fig. 3.

Photos of the main apparatus of the PPV method: (a) Plasma blasting, (b) Pneumatic fracturing, (c) Vaccum suction, (d) Water treatment, (e)Fluid injection and (f) Multi prove device.

Table 2.

Specifications of the main equipment of PPV (Plasma blasting & Pneumatic fracturing & Vaccum suction) method

Index Design spec
Plasma blasting Maximum discharge energy 125 kJ (at 50 kV, 100 µF)
Pneumatic fracturing Wind pressure: 260 psi, Air volume: 21 m3/min (750 CFM)
Vaccum suction Vaccum pressure: 6,200 mmAq, Air volume: 10 m3/min
Water treatment EPS oil and water separation type, Processing capacity: 5 m3/hr
Fluid injection Hydrogen peroxide 5% gravity injection

시험지역 구분 및 주입 ‧ 추출정 설치

연구지역은 상대적인 비교를 위하여 PPV 공법을 적용하는 시험부지(PPV site) 1개소와 기존 일반적으로 사용하는 화학적산화공법을 적용할 대조군부지(Control site) 1개소 등 총 2개소로 구분된다.

연구부지는 주입 및 추출정 설치, 시스템설치 및 현장실증 시험의 용이성 등을 고려하여 평탄화작업을 수행하였으며, 또한 실험과정에서 강우 등으로 인해 유입될 수 있는 유입수를 배제하기 위해 연구지역 사방으로 배수로를 설치하였다.

주입정 및 추출정의 구경은 Ø150 mm, 심도는 4.5 m를 천공하였으며 주입 및 추출정에 설치되는 배관은 스테인리스 재질의 구경 Ø75 mm, 무공관 또는 스크린을 적용하여 GL.-4.5 m까지 설치하였다. 스크린은 정화대상 지층인 실트질 점토층과 실트질 모래 지층이 위치하는 곳에 1.5 m 길이로 설치되었다. 주입정과 추출정 설치심도는 지반조사 결과를 바탕으로 실트질 점토층과 실트질 모래 지층이 위치하는 곳에 스크린을 설치하여 유체의 전달효과를 확인할 수 있도록 하였다(Fig. 4).

주입정(Injection well)과 추출정(Suction well)의 배치는 대조군부지 중앙의 M(C1) 주입정을 중심으로 4방위로 N(C2), W(C3), S(C4), E(C5)의 4개소의 추출정을 설치하였으며 실험군부지도 마찬가지로 중앙의 M(P1) 주입정을 중심으로 N(P2), W(P3), S(P4), E(P5)의 4개소의 추출정을 설치하여 주입정에서 지중에 주입되는 정화제의 유동특성을 효과적으로 확인할 수 있도록 하였다. 주입정과 추출정의 간격은 4 m이다(Figs. 4, 5).

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Fig. 4.

Injection well and suction well installation plan and cross section.

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Fig. 5.

Study area demonstration test layout.

연구 방법

각각의 시험지역에 대하여 화학적산화법 적용의 대조군과 PPV 공법 적용의 실험군에 대해 정화제의 전달효과에 대한 비교를 위하여 정화제(과산화수소 5%) 전달시험, 물리탐사(전기비저항탐사), 투수성시험 등을 수행하였다.

정화제(과산화수소) 전달 시험

시험용 정화제는 일반적인 화학적산화법에 주로 사용되는 정화제인 과산화수소(5% H2O2)를 적용하였다. 정화제의 주입방식은 중력주입방식을 적용하였으며, 지표와 주입탱크와의 표고차는 2.2~1.2 m이다. PPV 공법 적용 시 공압파쇄는 5 kgf/cm2에서 10 kgf/cm2로 변경하면서 각각 5회씩 공압파쇄를 진행하였으며 플라즈마 방전압은 20과 2 kV 각각 5회의 플라즈마 방전을 수행하고 추출정에서는 진공압을 -0.2 bar 적용하였다(Table 3).

위의 실험조건으로 실험을 진행하면서 정화제(5% H2O2) 주입량, 주입시간의 정화기간에 따른 변화를 모니터링하였다.

Table 3.

Operating conditions of PPV method and chemical oxidation method

Index Control (chemical oxidation) PPV method
Depth of soil remediation 4 depth step (GL.-3.0~-4.0 m) 4 depth step (GL.-3.0~-4.0 m)
Pneumatic frarcturing pressure - 5 kgf/cm2 → 10 kgf/cm2
Number of pneumatic frarcturing - 5 times each (2 times / day)
Vacuum suction pressure - -0.2 bar (2,000 mmAq ≒ 150 mmHg = 150 torr)
Fluid injection (oxidizing agent) H2O2 5% H2O2 5%
Plasma discharge voltage - 20 kV, 25 kV
Number of plasma discharges - 5 shots (2 times / day)
Soil remediation agent injection method Gravity injection Gravity injection
Monitoring items Injection amount, injection time

물리탐사(전기비저항탐사) 시험

전기비저항탐사는 정화제 주입 전후의 토층의 비저항치 변화를 평가함으로써 정화제의 주입효과를 정성적으로 평가하고 대조군과 실험군과의 상호 비교를 목적으로 수행하였다. 정화제 주입 전후의 비저항변화 효과를 높이기 위하여 정화제에 염화나트륨(NaCl) 0.3%를 혼합하여 주입하였다. 본 연구에서는 전기비저항탐사 중 쌍극자(Dipole-Dipole) 배열법을 적용하였다. 쌍극자 배열법은 잡음에 취약하나 분해능이 높아 대표적으로 사용되는 방법으로 보고되고 있어(Kim et al., 2001) 잡음 요소가 적고 높은 분해능을 필요로 하는 본 연구지역에 가장 적합한 배열법이라 판단하였다.

탐사는 앞서 언급한 바와 같이 정화공법 적용 전과 완료 직후에 대조군부지(Control site)와 실험군부지(PPV site)에서 동일하게 수행하였다. 측선은 대조군과 실험군 각각 주입정과 추출정의 위치에 부합하게 두 개로 설정하였으며, 주입정을 중심으로 수직으로 배치하였다(Fig. 6). 측선의 길이는 26 m, 가탐심도를 고려하여 전극간격 1.0 m, 2.0 m 전극개수 27개로 설정하여 보다 자세하고 정확한 지중의 저비저항변화 자료를 확보하였다(Table 4).

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Fig. 6.

Electrical resistivity survey location map of control site and PPV site.

Table 4.

Setting of electrical resistivity method

Index Electrode array Electrode spacing (m) Length (m) Electrode separation Measurement
Control S1_L-1 Dipole-Dipole 1.0, 2.0 26.0 27 Before and after test
S1_L-2 Dipole-Dipole 1.0, 2.0 26.0 27 Before and after test
PPV
method
S2_L-1 Dipole-Dipole 1.0, 2.0 26.0 27 Before and after test
S2_L-2 Dipole-Dipole 1.0, 2.0 26.0 27 Before and after test

투수성분석

오염정화 실증부지의 투수성분석은 수리전도도를 산정하여 정화과정에서의 실험군과 대조군에 대한 투수성 변화를 평가하였다. 수리전도도는 다르시의 법칙(Darcy’s law)에 사용되는 계수로 유체가 얼마나 잘 다공성 매질을 통과하는지를 나타내는 것이다(Han, 1998).

원지반의 수리전도도는 시추조사에서 채취된 시료의 입도분석을 통해 수리전도도를 평가하는 Hazen(1930)의 경험식과 순간수위변화시험(Slug test)을 통해 산정하였다. 순간수위변화시험은 체적을 알고 있는 물체를 관측정 내에 순간적으로 삽입시키면서 투입물체에 해당하는 체적만큼 지하수위가 상승한 후 주변 대수층의 투수구간으로 배출되면서 원상태로 회복될 때, 경과시간별 수위의 변동치를 측정하여 대수성 수리상수를 구하는 방법이다. 수리전도도 산정은 상용프로그램인 AQTESOLV(v.4.50)의 Bouwer and Rice 직선법을 적용하였다. 순간수위변화시험의 진행은 대조군과 실험군의 정화공정 전, 중, 후에 실시하여 정화과정 동안 변화되는 투수성을 확인할 수 있도록 하였다.

Hazen(1930)의 경험식을 통한 수리전도도 산정은 입도분포가 비교적 균등한 모래에 대해 경험방정식을 통해 수리전도도를 제시하는 방법으로 입도분포는 시추조사를 통해 채취된 시료(BH-2, BH-3)를 대상으로 한국산업규격(KS F)에 의거하여 흙의 입도시험(Particle size distribution of soils) 자료를 바탕으로 분석하였다.

결과분석

정화제(과산화수소) 전달률

대조군과 실험군에 정화제(5% H2O2)를 주입하고 2회에 걸쳐 주입량과 주입시간 등을 모니터링한 결과를 종합하여 그 결과를 확인하였다(Table 5). 1차 실험은 약 15일 동안 대조군 M(C1)과 실험군 M(P1), 2차 실험은 약 5일 동안 대조군 E(C5), 실험군 E(P5)에서 각각 진행하였다(Fig. 5).

Table 5.

Setting of electrical resistivity method

Index Test 1 Test 2
Control PPV method Rate (%) Control PPV method Rate (%)
Injection well M(C1) M(P1) - E(C5) E(P5) -
Fluid injection H2O2 5% H2O2 5% - H2O2 5% H2O2 5% -
Accumulated
injection time
(min)
6,810 6,810 100 2,400 2,400 100
Accumulated
amount of H2O2
injection (l)
500 5,879 1,175 316 2,362 748
Injection amount
per unit time
(L/min)
0.07 0.88 1,257 0.13 0.98 754

1차 실험은 대조군 M(C1)과 실험군 M(P1)을 대상으로 6,810분 동안 실험한 결과, 대조군 M(C1)은 500 L, 실험군 M(P1)은 5,879 L의 정화제(5% H2O2)가 주입되었다(Table 5). 모니터링 결과, 총 주입량에 대한 대조군 대비 실험군의 주입량이 약 11.8배 향상되었으며 단위시간 당 주입 유량(L/min)으로 볼 때, 대조군은 0.07 L/min, 실험군은 0.88 L/min으로 약 12.6배 실험군의 주입 전달률이 증가한 것으로 확인되었다(Fig. 7a, 7b).

2차 실험은 대조군 E(C5)과 실험군 E(P5)를 대상으로 2,400분 동안 실험한 결과, 대조군 E(C5)공은 316 L, 실험군 E(P5)는 2,362 L의 정화제(5% H2O2)가 주입되었다. 모니터링 결과, 총 주입량에 대한 대조군 대비 실험군의 주입량이 약 7.5배 향상되었으며 단위시간 당 주입 유량(L/min)으로 볼 때, 대조군은 0.13 L/min, 실험군은 0.98 L/min으로 대조군 대비 약 7.5배 주입량이 증가하는 것으로 확인되었다(Fig. 7c, 7d). 이와 같이 2회에 걸친 주입량 모니터링 결과, 실험군은 대조군 대비 뚜렷한 주입량 증가 효과를 나타내고 있음이 확인되었다.

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Fig. 7.

Graph of accumulative injection amount and injection flow rate of the control method and the PPV method: (a) M(C1) and M(P1) accumulative injection amount; (b) M(C1) and M(P1) injection flow rate; (c) E(C5) and E(P5) accumulative injection amount; and (d) E(C5) and E(P5) injection flow rate.

전체 모니터링 기간 동안 대조군 E(P5), M(C1)과 실험군 M(P5)의 실험에서는 주입량이 일정하게 변화되는 경향성을 보였으나 실험군 M(P1)은 3차에 걸쳐 변화되는 주입량 변화 그래프를 보여준다(Fig. 8).

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Fig. 8.

A graph of the accumulative H2O2 injection amount of the control group and the PPV method during the entire monitoring period.

M(P1)의 주입량 변화 그래프의 1차 경향성은 초기 5일간 2,095분 동안의 실험에서 834 L의 정화제가 평균 약 0.40 L/min로 주입되었으며 이 후, 2일간 875분 동안은 3,430 L의 정화제가 평균 약 3.92 l /min로 급격히 주입되는 2차 변화가 확인된다. 급격한 주입이 끝난 후 8일간 3,810분 동안의 실험에서는 1,615 L의 정화제가 평균 약 0.42 L/min로 주입되어 1차 변화와 유사한 그래프의 경향성이 확인되었다(Fig. 8).

실험군의 M(P1)에서 정화제가 급격히 주입되는 2차 변화구간은 PPV 공정을 진행하면서 지중에 거시균열과 미세균열이 생성되고 토양 내 공극과 생성된 균열 내부로의 정화제가 전달되는 과정이 반복되면서 주 채널(main channel)이 발생한 것으로 보인다. 주 채널이 생성되기 전까지는 토양 내부로 PPV 공정에 따라 정화제가 일정하게 주입 및 확산이 진행되는 것으로 보인다. 이후 거시균열로 이루어진 주 채널이 생성되면서 대부분의 정화제가 주 채널을 통해 급격히 주입되고 시간-주입량 기울기를 증대시키는 양상을 보인다. 이와 같은 주 채널로의 정화제 유실을 방지하기 위하여 PPV공정의 적용 빈도 등을 조정하여 원상태로 회복될 수 있도록 하였으며, 내부 균열로 인한 주 채널을 해소시킨 결과 처음과 유사한 정화제의 주입양상이 확인되었다.

실험군의 M(P1)에서 유입량이 급격히 늘어나는 구간(Trend 2)은 PPV 공법에서 추구하는 주입효과가 아닌 지중의 채널 형성으로 인해 급격한 흐름 등이 발생한 것으로 보이므로 정화목적으로 인한 정화제의 전달효과가 발생된다고 보기에는 다소 어려움이 있다. 따라서 이를 제외하고, 실험군의 M(P1)과 M(P5), 대조군 E(P5), M(C1)의 주입량 및 단위시간 당 주입 유량 등에 대한 전달효과를 비교해 볼 때, 주입량은 대조군 대비 실험군의 주입량이 약 4.74~7.48배 증가된 것으로 평가되었으며, 단위시간 당 주입 유량(L/min)은 약 5.00~7.54배 실험군의 전달률이 빠른 것으로 분석되었다(Tables 5, 6).

Table 6.

Comparison with the control M(C1) according to the injection trend of PPV method M(P1)

Index Trend 1 Trend 2 Trend 3
M(C1) M(P1) Rate (%) M(C1) M(P1) Rate (%) M(C1) M(P1) Rate (%)
Accumulated
injection time
(min)
2,095 - 875 - 3,810 -
Accumulated
amount of H2O2
injection (l)
176 834 474 79 3,430 4,342 245 1,615 659
Injection amount
per unit time
(L/min)
0.08 0.40 500 0.09 3.92 4,356 0.06 0.42 700

물리탐사(전기비저항탐사)

전기비저항은 주어진 전압에 대해 전류가 흐르는 정도를 나타내는 것으로 비저항값이 작을수록 전류가 잘 흐르는 것이다(Lee et al., 2022). 따라서 본 실험에서는 전기비저항값을 비교하여 유체의 확산 정도를 정성적으로 평가하였다.

전기비저항탐사와 현장 시추조사 결과를 종합하면, GL.-1.5~-4.0 m 구간의 실트층은 낮은 비저항 분포 양상을 보이며, 상부 매립층과 4.0 m 이후 나타나는 모래 및 자갈층은 실트층에 비해 상대적으로 높은 비저항 분포 양상을 보인다.

탐사결과, 대조군부지와 실험군부지 모두 전기비저항값이 375 Ohm-m 이하로 확인되는 구간이 토사층으로 분류가 가능하고, GL.-2.0~-3.0 m에서 저비저항이상대가 수평적으로 분포하는 것으로 보아 지하수위에 의한 이상대로 해석할 수 있다.

대조군에서 정화제 주입전후의 비저항값을 비교하면, 주입 후 확인되는 전기비저이상대는 S1_L-1의 주입정과 좌 ‧ 우측 관측정 주변, 그리고 S1_L-2에서는 주입정 주변으로 낮은 비저항 분포가 광범위하게 나타나는 것이 확인된다(Fig. 9). 주입완료 후 저비저항이상대가 보다 뚜렷이 확인되는 것은 염화나트륨을 함유한 정화제가 확산되는 효과에 기인한 것으로 판단된다. 다만, 정화 전후의 저비저항이상대 분포가 모두 지하수위의 영향을 받는 지표로부터 하부 3.0~5.0 m 구간에 분포하고 상하부로의 변화가 적은 것은 정화제의 확산이 주요 지하수 이동통로가 되는 사질지반 분포지역에 한정되기 때문으로 판단된다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2023-033-03/N0520330301/images/kseg_2023_333_371_F9.jpg
Fig. 9.

Fence diagram of the electrical resistivity distribution of the control method: (a) before injection; (b) after injection.

실험군에서 정화제의 주입 전후를 비교할 때, 주입 전 대비 뚜렷한 이상대 분포특성을 보이는 것으로 확인되었다. PPV 공법 적용전의 이상대 분포특성은 대조군과 유사한 형태를 보이고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 공법 적용 이후의 비저항이상대는 GL.-3.0~-5.0 m 구간에 주로 형성되어 있던 저비저항 이상대가 지표에서~GL.-6.0 m 하부 구간으로도 확산되는 양상을 보인다. 이는 PPV 공법 적용이 정화제의 수평적인 확산은 물론 수직적인 확산에도 기여할 수 있음을 나타낸다(Fig. 10).

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Fig. 10.

Fence diagram of the electrical resistivity distribution of the PPV method: (a) before injection; (b) after injection.

정화제의 주입 전과 후의 전기비저항탐사 비저항변화비 결과를 분석하였다. 비저항 변화비는 주입 후 비저항 값을 주입 전 비저항 값으로 나누어 분석하는 것으로 결과에서 1의 값은 비저항 변화가 없음을 의미하고, 1보다 작은 값은 비저항결과 값의 감소, 1보다 큰 값은 증가했음을 의미한다(Lee et al., 2022).

대조군의 비저항변화비는 GL.-2.0~-5.0 m 구간에서 전체적으로 감소하는 경향을 보이나 상부로는 비저항 변화비가 1에 가까운 값을 보여 거의 변화가 없는 것으로 확인된다. 이는 과산화수소의 중력주입로 인해 GL.-2.0 m 상부로는 과산화수소의 확산이 이루어지지 않아 큰 변화가 없는 것으로 보이며, 그 하부로 주입정과 추출정 사이의 수평적 변화비는 약 1.03~1.82배 비저항값이 감소되는 것이 확인되었다(Fig. 11a).

실험군의 비저항변화비는 대조군과는 달리 지표까지 영향을 주어 비저항값이 전체적으로 감소하는 경향을 보인다. 이는 PPV 공법이 적용된 실험군은 지표 상부에 분포하는 토사층까지 과산화수소 등의 유체 확산이 이루어져 저비저항변화비가 감소하는 것을 볼 수 있으며 주입정과 추출정 사이의 수평적 변화비는 약 1.12~2.38배 비저항값이 감소된 수치가 확인되었다(Fig. 11b).

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Fig. 11.

Resistivity change ratio before and after injection: (a) Control method; (b) PPV method.

투수성시험

Hazen(1930)은 유효입경(D10)을 이용한 수리전도도 경험식을 제시하였고 이후 많은 연구자들이 흙의 입도와 간극비 그리고 그 외의 인자들을 이용하여 수리전도도의 경험식을 제시하였으나 현장실험결과와 차이가 있다(Kim et al., 2009). 본 연구에서는 토층의 입도분포에 대한 전반적인 투수성을 평가해보기 위해 Hazen(1930) 경험방정식을 통해 오염지층 입도분포별 수리전도도의 범위를 산정해 보았다(Table 7).

그 결과, 지표의 매립층은 GP-GM 또는 SM으로 분류되며 각각 2.09 × 10-2 cm/sec, 5.04 × 10-4 cm/sec의 수리전도도가 산정되었다. 매립층 하부에 위치한 퇴적층은 상부로부터 ML은 1.30~1.31 × 10-6 cm/sec, SM은 4.51 × 10-4 cm/sec, SP-SM은 1.23 × 10-2 cm/sec, SP는 3.46 × 10-2 cm/sec, GW-GM은 1.79 × 10-2 cm/sec로 각각 수리전도도가 산정되었다.

실증시험 대상이 되는 지층은 주로 ML 층과 그 하부지층인 SM 내지 SP-SM이 대상으로 1.23 × 10-2 cm/sec~1.30 × 10-6 cm/sec의 범위를 보이는 수리전도도가 산정되었다.

Table 7.

Hydraulic conductivity by soil characteristics calculated through the empirical formula of Hazen (1930)

Index Depth (GL.-m) Soil characteristics USCS D10 K (cm/sec)
BH-2 1.0 Fill soil GP-GM 0.1321 2.09 × 10-2
BH-2 2.0 Deposit soil ML 0.0013 1.31 × 10-6
BH-2 4.0 Deposit soil SM 0.0212 4.51 × 10-4
BH-2 6.0 Deposit soil SP 0.2080 3.46 × 10-2
BH-3 1.0 Fill soil SM 0.0224 5.04 × 10-4
BH-3 5.0 Deposit soil ML 0.0013 1.30 × 10-6
BH-3 6.0 Deposit soil SP-SM 0.1109 1.23 × 10-2
BH-3 8.0 Deposit soil GW-GM 0.1222 1.79 × 10-2

지층은 불균질하기 때문에 수리전도도는 시험위치에 대해 편차가 커서 일반적인 오류를 범할 가능성이 크다. 본 연구에서는 이러한 위험요소를 최소화하기 위하여 대조군부지(Control site)와 실험군부지(PPV site)를 비롯하여 부지의 전반적인 투수성을 평가하기 위해서 추가적으로 3개소(A-1, 2, 3)에서 순간수위변화시험을 수행하였다(Fig. 5).

시험결과 실증시험이 진행되기 전, 현장실증부지의 전반적인 순간수위변화시험 결과는 1.83 × 10-3 cm/sec~3.06 × 10-3 cm/sec로 분석되었으며 평균 2.69 × 10-3 cm/sec의 수리전도도를 보인다. 실제 실험이 진행되는 대조군부지(Control site)는 2.89 × 10-3 cm/sec, 실험군부지(PPV site)는 2.97 × 10-3 cm/sec의 수리전도도를 보이고 있어 실증시험이 진행되는 지층의 투수성은 모두 유사한 것으로 판단된다(Table 8, Fig. 12).

Table 8.

Hydraulic conductivity before test according to slug test results of study area

Index Point of testing Depth
(GL.-m)
Groundwater level
(GL.-m)
Hydraulic conductivity
(k, cm/sec)
Control site Before test 4.50 3.06 2.89 × 10-3
PPV site Before test 4.50 3.13 2.97 × 10-3
A-1 Before test 4.50 3.07 2.71 × 10-3
A-2 Before test 4.50 3.12 1.83 × 10-3
A-3 Before test 4.50 3.10 3.06 × 10-3
Average - - 2.69 × 10-3

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Fig. 12.

Slug test results before test: (a) control site, (b) PPV site, and slug test wells in (c) A-1, (d) A-2, (e) A-3.

정화제인 5% 과산화수소를 주입하면서 정화가 진행되는 동안의 투수성과 정화가 완료된 후의 투수성 평가를 위해 초기 수리전도도를 평가한 화학적산화 방법의 대조군 부지(Control site)와 PPV 공법을 적용한 실험군 부지(PPV site)의 주입정에서 순간수위변화시험을 진행하였다. 약 3주간 토양정화를 진행한 후 수리전도도를 조사한 결과, 각각 3.73 × 10-4 cm/sec, 2.23 × 10-3 cm/sec로 분석되었으며, 토양정화 실험을 종료한 후, 수리전도도는 각각 6.10 × 10-4 cm/sec, 2.42 × 10-3 cm/sec로 분석되었다(Table 8, Fig. 13).

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Fig. 13.

Slug test results middle test and after test: (a) control site and (b) PPV site are middle test, (c) control site and (d) PPV site are after test.

대상부지의 정화대상 지층인 오염구간은 점토질실트와 실트질모래가 분포하고 일부 자갈섞인 모래가 하부에 분포하고 있는 지층으로 정화제인 과산화수소를 주입하면서 정화시험을 진행한 결과, 대조군과 실험군 모두 초기의 투수성보다 저하되는 것을 확인하였다. 이는 정화대상 지층에서 정화제인 과산화수소가 토양 공극 내에서 포화되어 오염토양의 TPH와 토양 내 유기물 등과 반응하면서 발생된 기포, 미립분 및 스컴물질 등에 의해 토양 내 공극을 막아 초기 투수성보다 과산화수소 주입이 진행되면서 투수성이 저하되는 것으로 보인다.

대조군부지는 초기 수리전도도 대비 실험중간과 실험완료 후의 수리전도도가 각각 12.9%, 21.1%로 투수성이 저하되는 것을 볼 수 있으며 실험군부지는 초기 수리전도도 대비 실험중간과 실험완료 후 수리전도도가 각각 75.1%, 81.3%로 투수성이 저하되었다(Table 9).

Table 9.

Changes in hydraulic conductivity of the control site and the PPV site according to the soil remediation process

Index Point of testing Depth
(GL.-m)
Groundwater level
(GL.-m)
Hydraulic conductivity
(k, cm/sec)
Rate
(%)
Control site Before test 4.50 3.06 2.89 × 10-3 100
Middle test 4.50 3.00 3.73 × 10-4 12.9
After test 4.50 3.10 6.10 × 10-4 21.1
PPV site Before test 4.50 3.13 2.97 × 10-3 100
Middle test 4.50 3.16 2.23 × 10-3 75.1
After test 4.50 3.05 2.42 × 10-3 81.3

대조군 부지와 실험군 부지의 투수성을 비교한 결과, 대조군부지 대비 실험중간은 약 5.82배, 실험완료 후는 약 3.85배 실험군 부지의 투수성이 더 높아진 효율을 보이는 것으로 평가되어 실험군인 PPV 공법을 적용할 경우 화학적산화법보다 투수성이 개선되는 효과를 확인할 수 있었다.

영향반경

영향범위를 산정하는 방법은 경험식에 의한 방법, 거리-수위강하량을 해석하는 방법 및 지하수 흐름방정식을 이용하는 방법 등이 있다(ME, 2020). 대조군 및 실험군 대상 지층의 순간수위변화시험을 통한 수리전도도와 정화재 주입실험을 통한 약품주입용량(m3/hr), 지반조사 및 토양특성분석(함수비, 밀도)을 통한 공극률(%) 등의 분석 수치와 대조군과 실험군의 동일한 작업시간을 적용하여 자유면대수층에 적용가능한 산정식인 Kozeny의 경험식 (1)을 통해 대조군과 실험군의 영향반경(Radius of influence, ROI)을 분석하였다(ME, 2020).

(1)
R=12tSQKπ

여기서, R: 영향반경(m), K: 수리전도도(cm/sec), Q: 약품주입량(m3/hr), t: 작업시간(min), S: 토양 내 공극률(%) 이다.

대조군 주입공을 중심으로 영향반경은 지중정화 시험 초기 2.06 m, 시험 중 1.32 m, 시험종료 후 0.84 m로 평균 1.20 m의 영향반경이 산정되었으며, PPV 공법을 적용하는 실험군은 주입공을 중심으로 시험초기 2.51 m, 시험 중 3.63 m, 시험종료 후 1.56 m로 평균 2.64 m의 영향반경이 산정되었다(Table 10).

순간수위변화시험에서 확인된 바와 같이 대조군과 실험군의 운영시간이 경과하면서 지중에 주입된 정화제(5% H2O2)로 의해 공극이 막힘으로써 투수성이 저하되었으며 이로 인해 약품주입용량(m3/hr)이 감소하고 영향반경(ROI)도 점차 줄어드는 것으로 분석되었다.

일반적인 화학적산화법 공정운영을 모사한 대조군과 PPV 공법을 적용한 실험군의 영향반경(ROI) 산정을 검토한 결과, PPV 공법을 적용하는 실험군의 영향반경은 대조군에 비해 평균 220% 개선되는 것으로 확인되었다.

Table 10.

Calculation of influence radius by Kozeny’s empirical formula

Index Point of testing Hydraulic conductivity
(k, cm/sec)
Fluid injection
(GL.-m)
Water content
(%)
Density
(k, cm/sec)
Porosity in soil
(%)
ROI
(m)
Control
site
Before test 2.89 × 10-3 0.019 20 2.65 35 2.06
Middle test 3.73 × 10-4 0.025 1.32
After test 6.10 × 10-4 0.002 0.84
Average 8.70 × 10-4 0.007 1.20
PPV
site
Before test 2.97 × 10-3 0.040 20 2.65 35 2.51
Middle test 2.23 × 10-3 0.232 3.63
After test 2.42 × 10-3 0.007 1.56
Average 2.52 × 10-3 0.057 2.64

결 론

지층구성이 복잡하고 저투수층의 토질이 분포하는 경우 정화효율은 급격히 저하되고 실질적인 정화가 이루어지지 않거나 정화기간이 늘어나서 정화 이후의 사업추진이 지연되고 비용이 증가하는 문제가 발생한다. 이러한 복잡한 토질 여건하에 효율적인 정화를 위해서는 정화제 주입이 원활하고 정화제와 오염물질이 충분한 반응이 이루어져야 한다. 본 연구는 균열형성과 효과적인 정화제 유도를 위해 플라즈마 블라스팅, 공압파쇄, 진공추출을 복합적으로 활용하는 PPV 공법의 유체 전달특성을 분석하고 기존공법과의 비교 통해 개선효과를 평가할 목적으로 수행하였다.

PPV 공법의 정화제 전달효과를 정량적으로 확인하기 위하여 TPH로 오염되어 있는 오염부지를 선정하고 실증시험을 수행하였다. 실증시험 과정에서 정화제의 전달특성과 영향범위 등을 산정하기 위해서 주입량과 주입시간을 모니터링하였으며, 정성적인 지중환경 변화요인을 확인하고자 전기비저항탐사를 수행하였다. 또한, 투수시험을 수행하여 각 공법에 대한 투수성 변화특성을 평가하고 비교하였다.

(1) 정화제의 주입 모니터링 기간의 총 주입량에 대한 대조군 대비 실험군의 주입량이 약 11.8배 증가되었으며 단위시간 당 주입 유량(L/min)으로 볼 때, 대조군은 0.07 L/min, 실험군은 0.88 L/min으로 약 12.6배 실험군의 주입에 대한 전달률이 빠른 것으로 확인되었다.

(2) 모니터링 기간 중 지중에 채널 생성으로 인해 유입량이 급격히 늘어나는 구간(Trend 2)을 제외하고 비교한 결과, 주입량은 대조군 대비 실험군의 주입량이 약 4.74~7.48배 증가되는 것으로 평가되었으며, 단위시간 당 주입 유량(L/min)은 약 5.00~7.54배 실험군의 전달률이 빠른 것으로 분석되었다

(3) 전기비저항탐사에서 대조군의 비저항변화비는 GL.-2.0 m 상부로는 거의 변화가 없는 것으로 보아 정화제 확산이 이루어지지 않은 것으로 보이고 주입정과 추출정 사이의 수평적 변화비는 약 1.03~1.82배 비저항값의 감소가 확인되었고 실험군은 지표까지 영향을 주어 전체적으로 정화제가 확산된 것으로 보이며, 또한 주입정과 추출정 사이의 수평적 변화비는 약 1.12~2.38배 비저항값이 감소되는 것으로 분석되었다.

(4) 투수성의 경우, 대조군과 실험군 모두 유사한 초기 투수성을 보였으나 과산화수소의 정화기작 영향으로 투수성이 감소하는 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 수리전도도의 변화를 정량적으로 평가하면, 대조군은 시험 종료후 초기 수리전도도 대비 21.1%의 수리전도도를 나타내어 투수성이 급격히 저하되는 양상을 보였으나 실험군은 실험종료 후 초기치 대비 81.3%로 초기 수리전도도와 근접한 값을 나타내는 것으로 파악되었다.

(5) 현장조사로 확인된 수리전도도와 정화제 주입실험을 통한 약품 주입용량(m3/hr), 토양특성분석(함수비, 밀도)을 통한 공극률(%)의 분석을 통해 영향반경을 산정한 결과, PPV 공법의 영향반경은 대조군에 비해 평균 220% 개선되는 것으로 확인되었다.

(6) PPV 공법 적용으로 인하여 기존공법 대비 보다 넓은 범위에 걸쳐 효율적인 정화제 전달이 가능하고 정화기작에서 나타나는 투수성 저해요인을 상당부분 극복할 수 있으며, 약 2배 이상의 영향반경 증대를 통해 정화효율을 높일 수 있음을 지시하는 중요한 지표로 볼 수 있다.

본 연구를 통해 다양한 기술이 복합적으로 적용된 PPV 공법에 대한 정화제 전달효과와 현장 적용성을 확인할 수 있었으며, 향후 지중정화 고도화 분야에서 충분한 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 지중환경 오염 ‧ 위해 관리기술개발사업의 일환으로 한국환경산업기술원의 지원을 받아 수행된 연구사업(과제번호: 2020002480010)과 2022년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2019R1A6A1A03033167)입니다. 이에 깊은 감사를 드립니다.

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