유류오염부지에서 자연저감기법 적용 사례연구 II. 지하수모니터링에 의한 자연저감 평가 A Case Study of Monitored Natural Attenuation at the Petroleum Hydrocarbon Contaminated Site : II. Evaluation of Natural Attenuation by Groundwater Monitoring원문보기
TEX농도의 지속적인 감소 및 비오염지역에 비해 오염지역에서 용존산소(DO), 질산염(NO$^{3-}$ ), 황산염(SO$_4$$^{2-}$ )농도의 뚜렷한 감소와 2가철($Fe^{2+}$)농도의 증가, 산화환원전위의 현저한 저하, pH중성 등의 지화학적 인자의 분포특성으로 미루어 보아 대상부지는 혐기성 상태에서 토착미생물에 의한 오염물질의 생분해가 이루어지고 있는 것으로 판단되며, 또한 이와 함께 투수성이 큰 현장부지의 지질학적 특성상 강우에 의한 지하수의 재유입으로 인한 희석 및 분산도 TEX농도의 감소에 부수적인 요인이 되었을 것으로 추정된다. 한편, 연구대상부지에서의 생분해능(EAC)은 9.04∼35.85 mg/L범위에 있으며, 평균 24.73 mg/L이었다. 그리고 연구대상부지에서 생분해에 가장 큰 영향을 주는 생분해과정으로는 황산염환원으로 기여도가 약 75%정도인 것으로 나타났으며, 다음으로는 질산염환원 그리고 산화철(3가철)환원의 순으로 나타났다. 연구대상부지의 생분해능(EAC)를 기초로 년간 분해할 수 있는 TEX의 양을 계산해 보면 121∼45.3kg/year이며, 이 값은 년간 TEX의 지하수 부하량의 약 80%정도에 해당하는 것이다. 현장부지에서의 계산된 전체 자연저감율은 0.0017∼0.0224day$^{-1}$(평균 0.0110day$^{-1}$)이며, 1차 생분해율은 0.0008∼0.0106day$^{-1}$(평균 0.0051day$^{-1}$)이었다. 1차 생분해율에 근거한 연구대상부지에서 TEX의 반감기는 866.25∼65.38일(2.37∼0.18 years)로 계산되었다.
TEX농도의 지속적인 감소 및 비오염지역에 비해 오염지역에서 용존산소(DO), 질산염(NO$^{3-}$ ), 황산염(SO$_4$$^{2-}$ )농도의 뚜렷한 감소와 2가철($Fe^{2+}$)농도의 증가, 산화환원전위의 현저한 저하, pH중성 등의 지화학적 인자의 분포특성으로 미루어 보아 대상부지는 혐기성 상태에서 토착미생물에 의한 오염물질의 생분해가 이루어지고 있는 것으로 판단되며, 또한 이와 함께 투수성이 큰 현장부지의 지질학적 특성상 강우에 의한 지하수의 재유입으로 인한 희석 및 분산도 TEX농도의 감소에 부수적인 요인이 되었을 것으로 추정된다. 한편, 연구대상부지에서의 생분해능(EAC)은 9.04∼35.85 mg/L범위에 있으며, 평균 24.73 mg/L이었다. 그리고 연구대상부지에서 생분해에 가장 큰 영향을 주는 생분해과정으로는 황산염환원으로 기여도가 약 75%정도인 것으로 나타났으며, 다음으로는 질산염환원 그리고 산화철(3가철)환원의 순으로 나타났다. 연구대상부지의 생분해능(EAC)를 기초로 년간 분해할 수 있는 TEX의 양을 계산해 보면 121∼45.3kg/year이며, 이 값은 년간 TEX의 지하수 부하량의 약 80%정도에 해당하는 것이다. 현장부지에서의 계산된 전체 자연저감율은 0.0017∼0.0224day$^{-1}$(평균 0.0110day$^{-1}$)이며, 1차 생분해율은 0.0008∼0.0106day$^{-1}$(평균 0.0051day$^{-1}$)이었다. 1차 생분해율에 근거한 연구대상부지에서 TEX의 반감기는 866.25∼65.38일(2.37∼0.18 years)로 계산되었다.
Natural attenuation of petroleum hydrocarbon was investigated at an industrial complex about 45 Km away from Seoul. The three-years monitoring results indicated that the concentrations of DO, nitrate, and sulfate in the contaminated area were significantly lower than the background monitoring ground...
Natural attenuation of petroleum hydrocarbon was investigated at an industrial complex about 45 Km away from Seoul. The three-years monitoring results indicated that the concentrations of DO, nitrate, and sulfate in the contaminated area were significantly lower than the background monitoring groundwater under the non-contaminated area. The results also showed a higher ferrous iron concentration, a lower redox potential, and a higher (neutral) pH in the contaminated groundwater, suggesting that biodegradation of TEX(Toluene, Ethylbenzene, Xylene) is the major on-going process in the contaminated area. Groundwater in the contaminated area is anaerobic, and sulfate reduction is the dominant terminal electron accepting process in the area. The total attenuation rate was about 0.0017∼0.0224day$^{-1}$ and the estimated first-order degradation rate constant(λ) was 0.0008∼0.0106day$^{-1}$ . However, the reduction of TEX concentration in the groundwater was resulted from not only biodegradation but also dilution and reaeration through recharge of uncotaminated surface and groundwater. The natural attenuation was, therefore, found to be an effective, on-going remedial process at the site.
Natural attenuation of petroleum hydrocarbon was investigated at an industrial complex about 45 Km away from Seoul. The three-years monitoring results indicated that the concentrations of DO, nitrate, and sulfate in the contaminated area were significantly lower than the background monitoring groundwater under the non-contaminated area. The results also showed a higher ferrous iron concentration, a lower redox potential, and a higher (neutral) pH in the contaminated groundwater, suggesting that biodegradation of TEX(Toluene, Ethylbenzene, Xylene) is the major on-going process in the contaminated area. Groundwater in the contaminated area is anaerobic, and sulfate reduction is the dominant terminal electron accepting process in the area. The total attenuation rate was about 0.0017∼0.0224day$^{-1}$ and the estimated first-order degradation rate constant(λ) was 0.0008∼0.0106day$^{-1}$ . However, the reduction of TEX concentration in the groundwater was resulted from not only biodegradation but also dilution and reaeration through recharge of uncotaminated surface and groundwater. The natural attenuation was, therefore, found to be an effective, on-going remedial process at the site.
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문제 정의
본 연구에서는 현장연구부지의 특성 조사에 이어 지하수의 장기 모니터링을 통하여 지화학적인자들의 분포특성 등을 분석함으로써 연구대상부지에서 자연저감기작의 특성, 특히 생분해에 의한 주오염물질인 TEX의 자연저감능을 평가하였다.
본 연구에서는 현장연구부지의 특성 조사에 이은 지하수의 장기 모니터링을 통한 지화학적인자들의 분포특성 등을 분석하여 연구대상부지에서 자연저감기작의 특성, 특히 주오염물질인 TEX의 생분해에 의한 자연저감능을 평 가하였다.
제안 방법
TEX 및 지화학적인자의 시기별 분포경향을 근거로 오염운이 정상 또는 안정상태에 있다고 판단하고, 오염운의 중심을 기점으로 거리별로 몇 개 지점을 선정하여 TEX와 생분해과정에 영향을 주는 지화학적 인자들의 분포특성 및 농도변화를 평가하였다.
실제 지하수의 정확한 화학적 특성을 얻기 위해 폴리에틸렌 호스로 연결된 저속의 수중 펌프를 관정에 투입하여 관정 부피의 3배에 해당하는 지하수를 먼저 양수하였다.
실험실에서 분석을 위한 시료를 채취하기 전에 먼저 온도, pH, 전기전도도(electric conductivity), 산화환원전위 (redox potential), 용존산소(dissolved oxygen)를 현장용 측정장비 (Orion model250A 및 YSI DO meter)를 이용하여 현장에서 직접 측정하였다. 한편, Fe2+은 분광광도계 (DR2010, HACH)를 이용하여 현장에 측정하였다.
한편 이온 분석용(NO「, SO})시료는 0.45 gm 시린지용 필터로 여과하여 60 mL HDP13(high density polyethylene)병에 각각 넣고 원자흡광광도계용 진한 염산을 일정량씩 넣어 보존하였다. 알칼리도 분석용 시료는 별도로 125 mL의 HDPE 병에 시료를 채수하였고, 이들 시료는 분석시 까지 4℃에서 냉장보관 하였다.
대상 데이터
분석조건은 칼럼주입온도 210℃, 오븐 온도 프로그램은 초기 50℃에서 7c'C/minS- 승온시켜 130℃에 이르게 하였다. 검출기온도는 23CTC로 설정하였으며 칼럼은 VOCOL(0.32mmLDX30rn)을 사용하였다.
45 gm 시린지용 필터로 여과하여 60 mL HDP13(high density polyethylene)병에 각각 넣고 원자흡광광도계용 진한 염산을 일정량씩 넣어 보존하였다. 알칼리도 분석용 시료는 별도로 125 mL의 HDPE 병에 시료를 채수하였고, 이들 시료는 분석시 까지 4℃에서 냉장보관 하였다.
연구대상부지는 서울로부터 45 km떨어진 경기도에 위치한 공장부지로, 총면적은 119, 36 n?이다. 연구대상부지 에는 화학공장과 의류제조공장이 위치해 있다.
연구대상부지는 서울로부터 45 km떨어진 경기도에 위치한 공장부지로, 총면적은 119, 36 n?이다. 연구대상부지 에는 화학공장과 의류제조공장이 위치해 있다.
이 지역의 오염현황을 정밀조사하기 위해 1998년 11월에 현장연구부지 41개 지점에서 토양 시료를 깊이별로 채취하였고 같은 장소에 지하수 관측정을 각각 설치하였다. 또한 오염물질과 반응산물 그리고 수리화학적 조건의 변화를 장기관측하기 위해 23개의 장기관측정을 1999년 5 월에 더 설치하였다.
또한 오염물질과 반응산물 그리고 수리화학적 조건의 변화를 장기관측하기 위해 23개의 장기관측정을 1999년 5 월에 더 설치하였다. 지하수 모니터링은 1999년 6월부터 2001년 9월까지 총 8회 걸쳐 이루어 졌으며, 현장연구부 지와 관측정의 위치는 Fig. 1과 같다.
이론/모형
NO3-, SQfe IC(DX-120, DIONEX)로 분석하였고 알카리도(alkalinity)는 electrometric titration 방법으로 즉정하였다.
지하수의 TEX는 EPA method 5035와 8015에 따라 분석하였다. 분석조건은 칼럼주입온도 210℃, 오븐 온도 프로그램은 초기 50℃에서 7c'C/minS- 승온시켜 130℃에 이르게 하였다.
성능/효과
1999년 6월에서 2001년 9월까지 주기적으로 지하수를 측정한 결과 TEX농도의 지속적인 감소는 물론 비오염지 역에 비해 오염지역에서의 용존산소(DO), 질산염(NO「), 황산염 (SQj)농도의 뚜렷한 감소와 2가철(Fe2+)의 증가와 산화환원전위의 현저한 저하, pH 중성 등의 전자수용체 등 지화학적 인자의 분포특성으로 미루어 보아 대상부지 는 혐기성 상태에서 토착미생물에 의한 오염물질의 생분 해가 이루어지고 있는 것으로 판단된다. 또한 이와 함께 투수성이 큰 현장부지의 지질학적 특성상 강우에 의한 지 하수의 재유입으로 인한 희석 및 분산도 TEX의 감소에 부수적인 요인이 되었을 것으로 추정된다.
TEX의 농도가 높은 곳은 배경농도에 비해 질산염 (NO3-)의 농도가 상당히 낮게 나타나고 있는 것을 알 수 있으며, DO의 농도분포와 일치하는 경향을 보이고 있다. 이러한 관계는 토착미생물의 탈질작용에 의한 TEX의 혐기성 산화가 발생하고 있다는 것을 보여주는 것이다.
73 mg/L이었다. 그리고 연구 대상부지에서 생분해에 가장 큰 영향을 주는 과정으로는 황산염환원으로 그 기여도가 약 75%정도인 것으로 나타났으며, 다음으로는 질산염환원 그리고 산화철(3가철) 환 원의 순으로 나타났다. 연구대상부지의 생분해능(EAC)를 기초로 년간 분해할 수 있는 TEX의 양을 계산해 보면 12.
73 mg/L,이었다. 그리고 연구대상부지에서 생분해에 가장 큰 영향을 주는 과정으로는 Fig. 4에서와 같이 황산염환원으로 그 기여도가 약 75%정도인 것으로 나타났으며, 다음으로 는 질산염환원 그리고 산화철(3가철)환원의 순으로 나타났다.
4 mg/LeS. 나타났으며 , 평균농도는 17.2 mg/L으로 지난 200년 4월에 비해 크게 감소된 것으로 나타났다.
많은 현장연구, 실험실 연구와 모델 시뮬레이션 결과에서 이러한 자연저감은 탄화수소류의 유출로부터 발생한 잠재적인 위해를 감소시켜 잠재적인 수용체를 보호하고 오염물질의 이동을 제한하는데 상당한 역할을 할 수 있다는 것을 보여주었다.
이상의 지화학적 인자들의 분석결과 본 연구부지의 경우 용존산소의 결핍과 낮은 산화환원전위, 그리고 낮은 질산염 및 황산염 농도와 높은 2가철 농도 등으로 미루어 혐기성상태에서 자연적인 오염물질의 생분해가 이루어지고 있으며, 주도적인 분해과정으로는 아래절에서 기재하는 바와 같이 황산염 환원과정이 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 다음으로 철환원작용이 큰 작용을 하는 것으로 나타났다.
이처럼 지하수 모니터링 기간중에 분석한 지하수중 TEX의 결과를 비교해보면 오염원의 위치는 거의 변하지 않았으나 1999년 6월에 비해 오염운의 규모 및 지하수중 TEX의 농도는 감소하고 있는 것으로 나타났으며, 이와 함께 오염운의 중심농도도 1999년 326-837 mg/L, 2000년 100-157 mg/L, 2001년 43.6~110.9 mg/L으로 감소하고있는 것으로 나타났다.
자갈이 혼재된 조립질 모래층의 수리전도도는 5.2X 10-2~1.85X10-icm/sec로 연구대상부지의 대수층 중 가장 크게 나타났고, 세립질 모래층의 수리전도도는 1.5X10- 3~7.6X 10Tcm/sec로 비교적 작은 값을 나타내었다. 한편, 복토층의 수리전도도는 lOecm/sec 이하로 가장 작은 값을 보여주었다?
생분해 능은 지하수의 1 pore- volume이 오염운 중심을 지나면서 이론적으로 산화될 수 있는 오염물질의 양을 말하는 것이다. 전자수용체의 이용 결과의 대부분인, 약 70%이상은 BTEX의 산화로부터 생긴 결과이며, 나머지 30%는 다른 유기물질의 산화에 의한 결과로 믿어진다⑸. 한편, 미공군 환경우수센터 (AFCEE)16)의 자연저감기법 적용에 대한 평가결과 전체 대상부지의 생분해능(EAC)은 23~892 mg/L범위이었으며, 평균 64 mg/L으로 전체 대상부지의 67%에서 오염최고농도를 초과하는 것으로 나타났다.
앞에서 언급하였듯이 현장연구부지에서도 이러한 생분해와 관련된 증거가 관찰되었다. 즉, 배경지하수 (HM1)와 오염지역인 L3관정의 수질을 비교하여 보면 Table 1에서와 같이 최종전자수용체인 용존산소(DO), 질 산염(NO3-), 황산염(SQf)의 농도가 모든 조사시기에서 배경지역에 비해 크게 감소되었으며, 2가철 (Fe2+)의 증가와 산화환원전위의 현저한 저하, pH 중성 등 연구부지의 지화학적 인자의 분포특성으로 볼 때 TEX의 주요한 저감기작이 토착미생물에 의한 생분해에 기인된 것으로 판단할 수 있다.
한편 연구지역전체 평균농도와 배경농도를 비교해 보면연구지역 시기별 전체 평균인 27.76 mg/L, 5.24 mg/L, 6.69 mg/L, 5.55 mg/L에 비해, 배경농도를 위해 선정된 HM1은 83.19 mg/L 33.68 mg/L 97.56 mg/L, 118.77 mg/ LE로 연구지역의 전체평균 농도가 배경농도에 비해 4.7% 에서 33%로 크게 낮게 나타나 연구지역내에서 황산염환 원에 의한 TEX의 혐기성생분해가 활발히 일어나고 있는 것으로 판단된다.
현장 부지에서의 계산된 전체 자연저감 속도는 0.0017 ~0.0224day「'(평균 0.01 lOday-')이며, 1차 생분해속도는 0.0008~0.0106dayT(평균 0.005Iday'1)^ 전체 저감속도의 평균 약 47%를 차지하고 있는 것으로 계산되었다. 1차 생분해속도에 근거한 연구대상부지에서 TEX의 반감기는 866.
현장부지의 생분해 속도를 강우에 따른 강우기와 갈수기로 나누어 평가해보면, Table 4에서와 같이 강우기에 전체적인 자연저감속도나 생분해 속도가 건조기에 비해 약 29%정도 높은 것으로 나타났으며 생분해속도가 전체 자연저감에서 차지하는 비율도 강우기가 갈수기에 비해 약 0.3%정도 높은 것으로 나타났다.
후속연구
그러나 자연저감기작을 오염부지의 복원을 위한 하나의 전략으로 채택하기 위해서는 반드시 부지특성조사와 장기적인 모니터링이 수행되어야 하며 만일 부지특성 조사와 모니터링 결과 해당 부지에서 발생하는 자연저감기작이 오염물질의 저감에 효과적이지 못할 때는 다른 적극적인 복원방법을 찾아야 할 것이다.
그러나 혐기적 분해에서 전자수용체로 이용되는 질산염이나 황산염은 강우에 비례적으로 반응하여 이들의 지하수중 농도가 강우와 상당한 연관성이 있음을 보여주고 있다. 또한 불포화대에 분포하고 있는 질산염이나 황산염 등의 전 자수용체가 지하수위의 상승과 함께 지하수중으로 용해되면서 지하수중 전자수용체의 농도가 높아진 원인의 하나로 사료되나 이들 전자수용체의 계절적 변화 등에 대한 좀더 자세한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
57mV으로연구지역 전체의 평균값이 배경지역에 비해 상당히 환원된 상태에 있으며, 주로 3가철의 환원과 황산염환원 작용이 일어날 수 있는 범위인 -50~-220mV에 있는 것으로 나타났다. 이러한 산화환원전위에 대한 정보는 혐기성 생분해가 진행중인 오염운(plume)의 범위에 대한 실제적인 정보를 제공하는데 사용될 수 있다.
참고문헌 (23)
Wiedemeier, T.H., Wilson, J.T., Kampbell, D.H., Miller, R.N., and Hansen, J. Technical protocol for implementing intrinsic remediation with long-term monitoring for natural attenuation of fuel contamination dissolved in groundwater, Volume I & 2, Air Force Center for Environmental Excellence, Technology Transfer Division, Brooks AFB, San Antonio, Texas (1995)
Cho, J.S., Wilson, J.T., DiGiulio, D.C., Vardy, J.A., and Choi, W.H. 'Implementation of natural attenuation at a JP-4 jet fuel release after active remediation', Biodegradation, 8, pp. 265-273 (1997)
Seagren, E.A, Rittmann, B.E., and Valocchi, A.J., 'Quantitative evaluation of the enhancement of NAPL-pool dissolution by flushing and biodegradation', Environ. Sci. Technol, 28(5), pp. 833-839.(1994)
Alexander, M. 'Biodegradation of chemicals of environmental concern' Science, 211(9), pp132-138(1981)
Lee, J.Y., Cheon, J.Y., Lee, K.K., Lee, M.H., and Yun, J.K., 'A study on tracer transport in a shallow porous aquifer', Journal of the Geological Society of Korea, 37(2), pp. 309-316 (2001)
Lee,J.Y., Hydrogeological investigation and attenuation characteristics for a petroleum contaminated site, Thesis for A Ph.D. degree, school of earth and environmental sciences, Seoul National University (2001)
Cozzarelli, I.M., Herman,J.S., and Baedecker, M.J., 'Fate of microbial metabolites of hydrocarbons in a Coastal Plain aquifer; the role of electron acceptors', Environ. Sci. Technl., 29, pp. 459-469 (1995)
Postgate, J.R., The sulfate-reducing bacteria. Cambridge University Press, New York (1984)
Christensen, T.H., Bjerg, P.L., Banart, S.A., Jakobsen, R, Heron, G., and Albrechtsen, H., 'Characterization of redox conditions in groundwater contaminant plumes', J. Contam. Hydro., 45, pp. 165-241 (2000)
Newell, C.J., McLeod, R.K., and Gonzeles, J.R., Bioscreen: Natural attenuation decision support system, Version 1.4. prepared for the Air Force Center For Environmental Excellence, Brooks AFB, Texas (1997)
Air Force Center for Environmental Excellence(AFCEE). Natural attenuation of fuel hydrocarbons performance and cost results from multiple air force demonstration sites. Parsons Engineering Science, Inc (1999)
Lee, C.H., Lee, J.Y., Cheon, J.Y., and Lee, K.K., 'Attenuation of petroleum hydrocarbons in smear zones: Case study', J. Environ. Eng., 127(7), pp. 639-647 (2001)
Rugge, K., Bjerg, P.L., and Chritensen, T.R., 'Distribution of organic compounds from municipal solid waste in the groundwater downgradient of a landfill(Grindsted, Denmark)', Environ. Sci. Technl., 29(5), pp. 1935-1400 (1995)
Cozzarelli, I.M., Herman, J.S., Baedecker, M.J., and Fischer, J.M., 'Geochemical heterogeniety of a gasoline-contaminated aquifer', J. Contam. Hydro., 40, pp. 261-284 (1999)
Buscheck, T.E., and Alcantar, C.M., Regression techniques and analytical solutions to demonstrate intrinsic bioremediation. In, Proceedings of the 1995 Battelle International Conference on In-Situ and On Site Bioreclamation, April 1995
Schirmer, M., Durrant, G.C., Molson, J.W., and Frind, E.O., 'Influence of transient flow on contaminant biodegradation', Ground Water, 39(2), pp. 276-282 (2001)
Yun, J.K., Application and evaluation of monitored natural attenuation at a petroleum hydrocarbon contaminated site, Thesis for A Ph.D. degree, College of Life and Environmental Sciences, Konkuk University (2003)
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