현장공기분사공정의 복원효율에 있어서 중요한 인자로 작용 할 수 있는 것은 공기가 지하 포화대수층을 통과하면서 생기는 공기분사에 따른 흐름 양상과 토양입자크기에 따른 공기의 영향반경이다. 토양입자크기별 AMG 0.34, 1.38, 3.89 mm diameter 3가지 입자크기로 실험한 결과 AMG 0.34 mm diameter의 포화 대수층에서는 공기가 처음 결정된 방향으로만 흐르는 채널링 현상(channelized air flow)과 포화 대수층 가장 윗면에서는 확장모양(expansion state)을 가졌으며, 공기영향반경은 단위 면적당 15.2%/$\textrm{m}^2$이었다. AMG 1.38, 3.89 mm diameter의 포화 대수층에서는 공기가 퍼지는 현상(pervasive air flow)과 포화 대수층 가장 윗면에서는 각각 붕괴의 조짐(onset of collapse), 안정한 상태로 퍼짐모양(approach to steady state)을 가졌으며, 단위면적당 각각 37.0%/$\textrm{m}^2$, 30.0%/$\textrm{m}^2$영향반경이 계산되었다. 이 실험을 통해서 현장공기분사공정에 있어서 토양입자 크기에 따른 최대 영향반경효율을 얻을 수 있는 토양입자의 크기는 AMG 1.5-2.5 mm diameter로 사료된다.
현장공기분사공정의 복원효율에 있어서 중요한 인자로 작용 할 수 있는 것은 공기가 지하 포화대수층을 통과하면서 생기는 공기분사에 따른 흐름 양상과 토양입자크기에 따른 공기의 영향반경이다. 토양입자크기별 AMG 0.34, 1.38, 3.89 mm diameter 3가지 입자크기로 실험한 결과 AMG 0.34 mm diameter의 포화 대수층에서는 공기가 처음 결정된 방향으로만 흐르는 채널링 현상(channelized air flow)과 포화 대수층 가장 윗면에서는 확장모양(expansion state)을 가졌으며, 공기영향반경은 단위 면적당 15.2%/$\textrm{m}^2$이었다. AMG 1.38, 3.89 mm diameter의 포화 대수층에서는 공기가 퍼지는 현상(pervasive air flow)과 포화 대수층 가장 윗면에서는 각각 붕괴의 조짐(onset of collapse), 안정한 상태로 퍼짐모양(approach to steady state)을 가졌으며, 단위면적당 각각 37.0%/$\textrm{m}^2$, 30.0%/$\textrm{m}^2$영향반경이 계산되었다. 이 실험을 통해서 현장공기분사공정에 있어서 토양입자 크기에 따른 최대 영향반경효율을 얻을 수 있는 토양입자의 크기는 AMG 1.5-2.5 mm diameter로 사료된다.
Laboratory scale study for an air injection and flowing aspect of groundwater saturated zone was conducted for three sediment grains (AMG 0.34, 1.38, 3.89 mm diameter). Air flow for AMG (Average Modal diameter Grains) 0.34 mm diameter grain size provides indication of pattern of channelized air flow...
Laboratory scale study for an air injection and flowing aspect of groundwater saturated zone was conducted for three sediment grains (AMG 0.34, 1.38, 3.89 mm diameter). Air flow for AMG (Average Modal diameter Grains) 0.34 mm diameter grain size provides indication of pattern of channelized air flow in saturated zone and expansion state in above saturated zone. Maximum area of influence is approximately l5.2%/$\textrm{m}^2$for AMG of 0.34 mm diameter. For AMG of 1.38 mm and 3.89 mm modal diameter grains, air flow are pervasive air flow, forming a symmetrical cone of influence around the injection point. Maximum areas affected are 37%/$\textrm{m}^2$for AMG 1.38 mm diameter and 30%/$\textrm{m}^2$for AMG 3.89 mm diameter. AMG 1.38 mm and 3.89 mm diameter grains show onset of collapse and approach to steady state in above saturated zone, respectively. In this study, optimal sites for in situ air sparging, may be grain diameters between about AMG 1.5-2.5 mm diameter.
Laboratory scale study for an air injection and flowing aspect of groundwater saturated zone was conducted for three sediment grains (AMG 0.34, 1.38, 3.89 mm diameter). Air flow for AMG (Average Modal diameter Grains) 0.34 mm diameter grain size provides indication of pattern of channelized air flow in saturated zone and expansion state in above saturated zone. Maximum area of influence is approximately l5.2%/$\textrm{m}^2$for AMG of 0.34 mm diameter. For AMG of 1.38 mm and 3.89 mm modal diameter grains, air flow are pervasive air flow, forming a symmetrical cone of influence around the injection point. Maximum areas affected are 37%/$\textrm{m}^2$for AMG 1.38 mm diameter and 30%/$\textrm{m}^2$for AMG 3.89 mm diameter. AMG 1.38 mm and 3.89 mm diameter grains show onset of collapse and approach to steady state in above saturated zone, respectively. In this study, optimal sites for in situ air sparging, may be grain diameters between about AMG 1.5-2.5 mm diameter.
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문제 정의
본 연구는 유류로 오염된 지하수의 정화방안의 하나로 현장공기분사공정 (In situ Air Sparging: IAS)기술의 현장 적용가능성을 평가하는 실험이다. 토양 입자 크기가 서로 다른 3가지 토양^ 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이 실험은 현장공기분사공정을 이용하여 오염된 지하수 . 토양을 복원할 경우 지하 포화대수층의 토양입자 크기에 따른 공기분사 영향반경과 분사공기의 흐름 양상을 규명하는데 연구의 목적을 둔다.
제안 방법
1 mg/L)한 포화된 물을 보충 투입호]였다. 3가지의 토양입자에 대해서 120시간동안 공기를 주입한 후 120시간동안 일정한 간격을 두고 산소에 접촉하는 면적을 구하였다.
Department of Agriculture)의 토양삼각도 (Calgon test> 아용하여 분별15)하였다. 각각의 체로 분류한 토양에 대한 AMG(Average Modal diameter Grains), 를 계산하였다. 사용 토양에 대한 기초적 물리.
각각 토양 샘플당 Fe시약은 600 g이 사용되었다. 각각의 토양 맨 위 가로 C충의 물만의 높이는 모든 시료에 대해서 25 mm를 유지하도록 하였다. 그리고 물의 정확한 수면을 매번 12시간마다 1번씩 검토하여 모자라는 물에 대해서는 N2-GAS로 폭기(증류수 10 L당 12시간 폭기, DO농도=2.
각각의 토양 맨 위 가로 C충의 물만의 높이는 모든 시료에 대해서 25 mm를 유지하도록 하였다. 그리고 물의 정확한 수면을 매번 12시간마다 1번씩 검토하여 모자라는 물에 대해서는 N2-GAS로 폭기(증류수 10 L당 12시간 폭기, DO농도=2.1 mg/L)한 포화된 물을 보충 투입호]였다. 3가지의 토양입자에 대해서 120시간동안 공기를 주입한 후 120시간동안 일정한 간격을 두고 산소에 접촉하는 면적을 구하였다.
모든 실험은 Fe시약 성분을 포함하는 토양입자가 공기에 의해 산화된 토양면적을 일정한 시간 간격으로 사진을 찍어 photoshop(ver. 7.0) software program으로 공기에 접촉하는 토양 면적 비율을 계산하였다.
1(a)와 같이 투명 아크릴 탱크 실험조의 크기는 90 cmX 90 cmX 2 cm(아크릴 두께: 10 mm)이다. 실험도중 과 실험 종료 후 공기와 접촉하는 면적을 계산하기 위해 영문자 알파벳 순서로 각각 가로방향과 세로방향으로 A 부터 R까지 표시하여 총 324개의 grid를 테이프로 표시해 토양의 영향반경 계산이 쉽도록 하였다.
모래를 씻는 이유는 본래의 토양에 불순물, clay 등이 있으면 정확한 실험을 할 수 없고 실험토양에 불순물이 많다면 지시약인 FS] 약의 변화를 관찰할 수가 없기 때문이다 13). 전처리 과정 후 110℃ 의 온도로 약 2일간 건조한 후 체(sieve)를 사용하여 입자크기에 따라 사용할 모래 를 분류 하였다. U.
토양은 현장에서 채취14)후 원래토양에 대한 기초적 물리 . 화학 특성 조사 후 원래토양을 증류수(토양:증류수 = 1:10 비율)로 5번씩 깨끗이 씻는 과정인 전처리를 하였다. 모래를 씻는 이유는 본래의 토양에 불순물, clay 등이 있으면 정확한 실험을 할 수 없고 실험토양에 불순물이 많다면 지시약인 FS] 약의 변화를 관찰할 수가 없기 때문이다 13).
2) 한 후에 시료를 채취하여 전처리하기 전의 원래토양에 대한 것과 마찬가지로 기초적인 물리. 화학 특성 조사를 시행하였다. 토성측정 방법은 미국농무성의 USDA(U.
대상 데이터
Fig. 1(a)와 같이 투명 아크릴 탱크 실험조의 크기는 90 cmX 90 cmX 2 cm(아크릴 두께: 10 mm)이다. 실험도중 과 실험 종료 후 공기와 접촉하는 면적을 계산하기 위해 영문자 알파벳 순서로 각각 가로방향과 세로방향으로 A 부터 R까지 표시하여 총 324개의 grid를 테이프로 표시해 토양의 영향반경 계산이 쉽도록 하였다.
산소가 제거된 물을 주입 하기 위한 투입구 설치 위치는 [A, A] 1곳이고 물을 배줄하기 위한 배출구 설치 위치는 [R, R] 1곳이다. 공기에 불포화되는 토양의 산소 농도(Dissolved Oxygen: DO)를 측정하기 위해 총 6개의 sampling port가 아크릴 뒷면에 고안되었는데, 설치 위치는 [A, F], [C, K], [E.P], [M, P], [O, K], [Q, F] sampling porl로서 총 6곳이다. 공기에 포화되는 토양의 산소 농도를 측정10)하기 위해 1개의 sampling port가 아크릴 뒷면에 고안되었는데 설치 위치는 [1, 1] 1곳이다.
실험 샘플당 실험이 종료되기까지 공기 투여 시간은 각각 총 120시간이다. 또한 Diffuser에 공급되는 AIR-GAS는 20.5%의 Oxygen으로 이루어진 한국산업가스업체 것으로 사용했다.
채취장소는 경기도 용인시 M사 건물을 중심으로 반경 10-80 m 거리에 15개의 지하수 모니터링 측정 well(지름 1 inch) 천공(傍孔)작업시 깊이 2~7 m 지하 토양을 채취하였다. 채취 시기는 2002년 7월 10일이다.
1. 토양시료의 채취
채취장소는 경기도 용인시 M사 건물을 중심으로 반경 10-80 m 거리에 15개의 지하수 모니터링 측정 well(지름 1 inch) 천공(傍孔)작업시 깊이 2~7 m 지하 토양을 채취하였다
. 채취 시기는 2002년 7월 10일이다.
이론/모형
화학 특성 조사를 시행하였다. 토성측정 방법은 미국농무성의 USDA(U.S. Department of Agriculture)의 토양삼각도 (Calgon test> 아용하여 분별15)하였다. 각각의 체로 분류한 토양에 대한 AMG(Average Modal diameter Grains), 를 계산하였다.
성능/효과
2. AMG 0.34, 1.38, 3.89 mm diameter의 3가지 입자별로 주입된 공기에 의해 최대로 영향 받는 반경의 범위가 다르면서도 실험 시작 후 각각 25, 50, 75시간 정도 경과 후에는 거의 전체적인 영향반경이 결정되었다.
3. 주입된 공기 속에 포함된 산소에 의해 철시약이 산 화되는 시간순서는 AMG 0.34 mm diameter(54 Hour), 1.38 mm diameter(74 Hour), 3.89 mm diameter(81 Hour) diameter순서 이었다. 입자 크기가 가장 작었던 AMG 0.
4. 실험 종료 후 전체적인 공기흐름의 형태는 AMG 0.34 mm diameter의 경우 한번 결정된 공기방향으로만 계속 흐르려고 하는 채널링 현상(channelized air flow)을 보였고, AMG 1.38, 3.89 mm diameter의 경우에는 공기 흐름이 일정한 규칙을 가지지 못하고 공기 확산기로 투입 된 공기가 지하수면 쪽으로 불규칙하게 흘러나가는 퍼지는 현상(pervasive air flow)을 보였다.
5. 실험 종료 후 water table 바로 아래의 토양 입자 AMG 0.34 mm diametei에서는 확장 모양(expansion state), AMG 1.38 mm diameter에서는 붕괴의 조짐(onset of collapse), 그리고 AMG 3.89 mm diameter에서는 안정한 상태로 퍼짐모양(approach to steady state)을 보여 주었다. 이를 바탕으로 포화 대수층의 ROI SAT(Radius Of Influence in Saturated Zone) 와 불포화층의 ROI VAD(Radius Of Influence in Vadose Zone) 길이 계산 추정이 가능할 것이라 사료된다.
6. 실험 결과 최대효율을 얻을 수 있는 모래 입자의 크기는 AMG 1.5-2.5 mm diameterS. 사료 된다.
AMG 0.34, 1.38, 3.89 mm diameter의 경우 공기흐름 에 의해 Fe시약이 산화되는 시작시간은 실험 시작 후 각각 약 54, 74, 81 hour이며, 이러한 Fe시약이 산화되는 시작시간 경과 후에는 거의 전체적인 영향반경이 결정되는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 AMG 0.
Fig. 3(a)와 같이 실험을 시작한 후 실험 종료 시점인 약 12시간이 지난 후 가로 C층 방향의 지하 포화대수층 sedimen모양과 실험 종료 시점보다 30시간을 더 분사하여 총 150시간이 지난후의 가로 C층 방향의 sediment모양 을 서로 비교해 보았을 때 비슷한 형태를 유지했으며, 공기 확산기로 투입된 공기는 계속해서 세로 I, J 방향으로만 공기가 배줄되려고 하는 확장 모양(expansion state)을 가졌다.
Fig. 4(a>와 같이 공기가 흐르는 확산 모양은 공기 확산기로 투입된 공기가 air space 방향으로 상승할수록 가로 E층까지 수평방향으로 일정하게 완만한 확산 형태를 가졌으며, 가로 D층에서 수평방향으로 가장 많이 확산되었다. 공기흐름의 형태는 일정한 규칙을 가지지 못하고 불규칙하게 흐르는 퍼지는 현상(pervasive air flow)을 보였다.
공기확산기로 공기분사 실험을 시작한 후 실험 종료 시점인 약 120시간이 지난 후 가로 D층의 sediment모양과 30시간을 더 분사하여 총 150시간0] 지난후의 sedimentS- 양을 서로 비교해 보았을 때 비슷한 형태를 그대로 유지 했고, 공기 확산기로 투입된 공기는 계속해서 세로방향 I 와 J층를 중심으로 수직 대칭인 정도가 Fig. 4에 비해 크기 때문에 안정한 상태로 퍼짐 모양(approach to steady state)을 가졌다.
34 mm diameter와 비교해 볼 때 입자의 크기가 커짐에 따라 시간에 따른 효율성이 낮이지는 것인데, 이러한 이유는 공기압력과 입자 사이에 존재하는 적정한 air flow가 형성되어야 하는데, 입자크기가 상대적으로 크면 투입된 공기가 토양과 접촉 하지 못하고 그냥 air space로 빠져 버리는 결과로 사료 된다. 또한 Fe시약기 산화되는 시작시간 전에는 투명하게 보이는 공기흐름의 모양을 추적하여 공기흐름에 따른 영 향 반경 예측 가능함을 알 수 있다.
2mgZL로 측정되었다. 또한 주입 된 공기에 포화되는 포화대수충의 Dg도를 측정하기위한 [I, I] 1개 sampling port의 DO농도는 평균 6.7 mg/L 로 측정되었다. 공기 압력은 3.
한편, 2000년 현장 실험 연구7)에서는 토양증기추출공정 장치가 설치된 곳에서 지하수가 존재하지 않는 사질토와 미사토로 이루어진 휘발유 오염부지에서 토양증기추출공정 장치를 설치하여 하루 8시간씩 100일간 운전한 결과 BTEX는 90%이상의 효율로 제거되었으나 지하 포화대수증이 존재하는 토양층에서는 BTEX와 석유계 총탄화수소류의 제거효율은 대폭 낮아졌다. 또한 토양증기공정 장치에 의해 유도된 토양내 공기흐름은 토양깊이가 깊어질수록 공기 흐름양은 감소하여 복원효율이 떨어졌다. 이는 실제로 현장 실험시 오염복원 효율은 좋았지만, 공기흐름은 깊이에 따라 채널링 현상(channelized air flow)이 발생하여 깊이가 깊어질수록 공기 흐름량이 감소하여 복원효율이 떨어지는 기작과, 지하 포화대수층에서의 공기 흐름 현상에 대한 근거를 제시하지는 못했다.
즉, 공기 확산기로 투입된 공기가 water tableS. 배출될 때 공기흐름은 평균 3~4개가 한꺼번에 지하수면으로 빠지는 현상이 관찰 되었다.
실험시의 평균 실험대기 온도는 2TC, 습도 82%, 물에 포화된 토양 온도는 20℃ 로 측정되었다. 주입된 공기에 불포화되는 포화대수층의 Dg도를 측정하기 위한 [A, F], [C, K], [E, P], [M.
실험을 시작한 후 실험 종료 시점인 약 120시간이 지난 후 가로 D층의 sediment모양고} 30시간을 더 분사호)여 총 150시간이 지난 후의 sediment모양을 서로 비교해 보았을 때 비슷한 형태를 유지했고, 공기 확산기로 투입된 공기는 계속해서 세로 I와 J를 중심으로 수직 방향으로 대칭인 붕괴의 조짐 모양(onset of collapse)을 가졌다.
이후 1999년 국립 환경연구원의 전국 석유 . 유동 물질 제조 및 저장시설 8, 637개소 주변 토양게 대한 BTEX (Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene) 오염도 조사 결과, 조사지역의 토양^ 유독성 기름으로 심각하게 오염 되어 있는 것으로 나타났으며, 결국 이는 지하수 오염 가능성을 제시해 주었다.
이번 실험의 최대영향면적 효율을 얻을 수 있는 토양 입자의 크기는 L5-2.5 mm 예상이 가능하다는 것으로 판단된다.
89 mm diameter(81 Hour) diameter순서 이었다. 입자 크기가 가장 작었던 AMG 0.34 mm diameter에서 가장 빨리 Fe시약이 산화 되었지 만 전체적인 영향반경에서는 15.2%/m2로 가장 작었고, AMG 0.34 mm diameter에서는 빈공간 현상(chamber air flow)으로 현장공기주입공정법이 적절치 못함을 유추할 수 있다. 공기흐름의 형태는 일정한 규칙을 가지지 못하고 불규칙하게 흐르며 퍼지는 모양(pervasive air flow) 을 보였다
34 mm diameter 범위 또는 이하에서는 공기주입법이 적절하지 못함을 도출 가능하며, 이는 공 기 안의 산소와 토양입자가 얼마나 잘 접촉하여 산화시킬 수 있는가 하는 문제로 평가 가능하다. 입자 크기가 가장 작은 AMG 0.34 mm diameter와 비교해 볼 때 공기 안에 산소와 토양이 가장 빠르게 접촉된다는 결론을 얻을 수 있지만, 그만큼 토양 면적에 대한 전체적인 효율에 있어서는 낮다는 것으로 시료되며, 이는 실험 과정에 각각 3가지 입자크기에 따라서 공기흐름과 동시에 Fe시약이 산화되는 지역의 DO농도 측정 결과 입자별로 큰 차이가 없었다는 사실이 이를 증명해 줄 수 있다고 사료된다.
실험시의 평균 실험대기 온도는 2TC, 습도 82%, 물에 포화된 토양 온도는 20℃ 로 측정되었다. 주입된 공기에 불포화되는 포화대수층의 Dg도를 측정하기 위한 [A, F], [C, K], [E, P], [M.P], [O, K], [Q.F] 6개 sampling port의 DO농도는 평균 3.2mgZL로 측정되었다. 또한 주입 된 공기에 포화되는 포화대수충의 Dg도를 측정하기위한 [I, I] 1개 sampling port의 DO농도는 평균 6.
공기흐름의 형태는 한번 결정된 공기방향으로만 계속 흐르려고 하는 채널링 현상(channelized air flow)을 보였다. 즉, 공기 확산기로 투입된 공기가 지하수면으로 배출 될 때 공기흐름은 한꺼번에 2개 이상 관찰되는 현상은 거의 없었으며, 공기흐름이 순차적으로 1개씩 지하수면으로 빠지는 현상이 관찰 되었다.
2%로 환산가능하다. 퍼지는 현상(pervasive air flow) 형태를 보인 AMG 1.38, 3.89 mm diameter의 2가지 입자크기로 실험한 결과 공기분사실험 시작 후 12시간이 지난 후에 공기확산에 의한 토양 . 지하수의 영향반경은 1 m2 당 각각 37.
후속연구
89 mm diameter에서는 안정한 상태로 퍼짐모양(approach to steady state)을 보여 주었다. 이를 바탕으로 포화 대수층의 ROI SAT(Radius Of Influence in Saturated Zone) 와 불포화층의 ROI VAD(Radius Of Influence in Vadose Zone) 길이 계산 추정이 가능할 것이라 사료된다.
이번 실험 이외에 공기의 영향범위를 예측하기 위한 방법으로 산소측정, 지하수면의 높이 측정, 지반내의 공기압력 증가 측정과 함께 공기흐름의 패턴을 결정하는 것으로 공기밀도와 주입공기의 표면적 등의 추가적인 실험을 한다면 더욱 정확한 결과 값을 얻을 수 있으리라 사료된다.
이번 실험을 바탕으로 현장오염에 대한 복원 효율의 정확한 유추는 직접적인 현장실험의 자료와 간적접인 토양 성상, 오염물과 토양, 물의 특성의 실내실험과 더불어 컴퓨터 모델링과의 이상적인 조합이 중요하다. 이번에 실험 한 2차원 면적에 대한 물리, 화학적 평가 결과자료는 지하수 모델링 소프트웨어로 계산한 실제적인 3차원 면적자료보다 옳은가 옳지 않은가는 아직 불확실하다고 판단 되며 더욱 세밀하고 자세한 실험이 필요로 할 것으로 생각된다.
참고문헌 (15)
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