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문제 정의
- LCA의 목표는 대표적 오염토양 정화기술인 SVE와 바이오파일을 적용할 경우 환경영향을 산정하여 비교하는 것이며 각 정화과정을 단계별로 세분화하여 환경에 크게 영향을 미치는 세부공정을 도출하는 것이다. LCA 기능(function)은 오염부지내 오염토양을 정화하는 것이며, 기능단위(functional unit)는 토양 1,000 m3 내 TPH를 95% 제거하는 것이다.
- 4) 우리나라에서는 아직 토양 및 지하수 오염 정화작업에 대한 전과정평가 연구가 공식적으로 발표된 사례가 없다. 본 연구는 국내 토양정화기술 중 표준화작업이 일부 진행되었던 SVE와 바이오파일(Biopile)기술에 대해 LCA기법을 적용하여 각 정화기술의 환경영향 및 이산화탄소발생량을 분석하고 향후 과제에 대해 연구하였다.
- 본 연구의 구체적 목적은 2003년 환경부의 ‘오염토양 복원작업 품셈자료 산출근거 마련을 위한 연구(이하 “오염품셈”)’5)에 제시된 SVE시스템 및 바이오파일시스템이 총탄화수소(Total Petroleum Hydrocarbons: TPH) 10,000 mg/kg로 오염된 1,000 m3의 유류오염부지를 토양환경보전법상 1지역 기준인 500 mg/kg까지 정화하는 전과정을 평가하고 예상되는 환경영향을 분석하였다.
가설 설정
- 5) 오염토양 정화는 비교적 장기간 많은 에너지와 물질이 투입된다. 최근 이산화탄소발생량 감축과 녹색성장에 대한 사회적 요구에 따라 오염토양정화공정에 대한 체계적인 분석과 연구가 필요한 것으로 예상된다.
- 8) 그러나 SVE 운영시 추출정(extraction well)의 추출 가스오염물질의 농도는 토양의 우선흐름경로(preferential flow) 현상으로 예상된 탄화수소 농도보다 작아진다. 따라서 본 연구는 SVE의 탄화수소 추출효율을 현장 데이터를 참고하여 11%로7) 설계한 결과 SVE시스템으로 연구 대상 유류오염부지를 정화하는데 750일, 약 2.
- × 깊이 5 m) 토양으로 설정하였다. 본 연구에서 지하수오염은 고려하지 않았다. 토양은 SVE와 바이오파일이 적용되기 적합한 실트질 모래로서 토양 공극률과 토양총체단위밀도는 환경부 토양오염위해성평가지침에 제시된 대표값인, 0.
제안 방법
- 152 g/g을 적용하여 예측하였다.16) ecoinvent데이터베이스에 활성탄 LCI데이터가 없으므로 Bayer 등17)이 제시한 활성탄제조 단위공정에 따라 추가적으로 LCI를 구축하여 이용하였다.
- 20) 평가범주는 산성화, 생태독성(물), 생태독성(토양), 지구온난화(100년), 인체독성(대기), 인체독성(지표수), 인체독성(토양), 오존생성(인체), 부영양화 등이다. LCI 결과는 EDIP2003방법에 의해 분류화(classification), 특성화(characterization) 및 정규화(normalization)시켜 각 환경영향을 비교 평가하였다.21)
- SVE 설계를 위해 유류오염부지로부터 휘발하는 기체상 탄화수소 농도는 Johnson 등의 Weathered gasoline 조건에 따라 220 mg/L로7) 결정하였으며 기체상 추출속도(extraction rate)는 현장데이터를 참고한 34 m3/hr로 결정하였다.8) 그러나 SVE 운영시 추출정(extraction well)의 추출 가스오염물질의 농도는 토양의 우선흐름경로(preferential flow) 현상으로 예상된 탄화수소 농도보다 작아진다.
- 1과 2는 SVE와 바이오파일의 LCA범위를 구체적으로 도시한 것이다. SVE 세부공정은 재료의 부지내 이동 (transportation), 부지기반 조성(site foundation), 관정설치(well installation), SVE정화시스템 조립(system assembly), 운영(operation), 입자상활성탄(granular activated carbon: GAC) 교체(GAC replacement) 단계 등 6개로 구분하였다. 바이오 파일 세부공정은 재료의 부지내 이동(transportation), 오염토 굴착(excavation), 부지준비(site preparation), 운영(operation), GAC교체(GAC replacement), 복토(backfill) 단계 등 역시 6개로 구분하였다.
- SVE시스템 운영(operation) 중 필요한 전기소비량은 오염품셈에 제시된 바가 없어 정화사례에 제시된 전력비를 바탕으로 한국전력 산업용전기요금표15)의 평균인 kwh당 63원을 적용하여 전기소비량을 예측하였다. 배출가스처리를 위해 필요한 활성탄량은 오염품셈에 제시되지 않아 유류내 대표 휘발성분인 벤젠의 Freudlich 흡착율인 0.
- SVE의 기반조성(site foundation)단계에서 부지 내 오피스, 창고 및 SVE정화시스템 기반 등 3개소를 조성하는 것으로 계획하였고 자갈, 콘크리트, 와이어 메시 규격은 오염품셈에 따랐다. 기반조성을 위해 백호 2시간 운전 시 소요되는 연료는 ‘건설공사표준품셈(이하 “건설품셈”)’13)을 참고하여 산정하였다.
- SVE와 바이오파일을 이용한 토양정화과정 중 소요되는 주요 물질 및 에너지를 Table 2와 3에 각각 정리하였다. 각 공정에 소요되는 세부 물질 및 에너지는 오염품셈5)에 제시된 SVE와 바이오파일의 각 시스템 구성을 참조하여 작성하였다. 전과정 목록작성을 위해 부지 내에서 소비되는 물질 및 에너지에 대해서만 작성하였다.
- 관정설치(well installation)단계에서 1개 추출정 및 2개 관측정, 총 3개의 관정을 설치하는 데 필요한 PVC량은 관정 깊이 × 관정수 × 3.021 kg/m14)로 산정하였고 모래, 벤토나이트, 모르타르는 오염품셈 규격에 따라 결정하였다.
- 굴착기, 덤프트럭, 타이어롤러 등 운영에 필요한 연료정보와 자갈, 모래, 콘크리트는 건설품셈에 제시된 재료의 단위중량을 참고하여 부피를 무게로 환산하였다. 단지, 부지준비(site preparation)에 필요한 부직포의 경우 폴리프로필렌으로 간주하였고 상용화된 폴리프로필렌재질의 부직포 특성데이타를 이용하여 필요 무게를 산정하였다.18)
- 오염부지의 오염반경은 일반적인 SVE 1개 추출관정의 영향 반경 범위 6-45 m에9) 속하므로 1개의 추출정이 설치되는 것으로 시스템을 설계하였다. 또한 추출압력 측정 및 공기의 유입을 위해 2개의 관측정(monitoring well)을 설치하는 것으로 계획하였다.
- SVE 세부공정은 재료의 부지내 이동 (transportation), 부지기반 조성(site foundation), 관정설치(well installation), SVE정화시스템 조립(system assembly), 운영(operation), 입자상활성탄(granular activated carbon: GAC) 교체(GAC replacement) 단계 등 6개로 구분하였다. 바이오 파일 세부공정은 재료의 부지내 이동(transportation), 오염토 굴착(excavation), 부지준비(site preparation), 운영(operation), GAC교체(GAC replacement), 복토(backfill) 단계 등 역시 6개로 구분하였다. 정화과정 중 진행상황을 파악하기 위한 토양조사는 두개 공정이 동일하며 타 세부공정에 비해 일시적인 작업이므로 고려하지 않았다.
- 바이오파일의 배출가스 처리에 대해서는 오염품셈에 언급되어 있지 않아 활성탄 흡착공정으로 계획하였다. 바이오 파일내 존재하는 TPH중 약 18%가 대표적 휘발성 유기물질이며 이중 50%정도가 휘발에 의해 기상으로 유출된다는 현장데이터를 참고하여 활성탄 필요양을 산정하였다.19)
- 바이오파일의 TPH 생분해속도는 본 연구 대상 현장조건과 유사한 현장에서 산출된 평균 37 mg/kg/day를 적용하여 정화기간을 예측하였다.10) 1,000 m3오염토양을 바이오파일로 정화하기 위해 514 일(1.
- 바이오파일의 각 공정도 SVE와 마찬가지로 ‘오염품셈’ 및 ‘건설품셈’에 제시된 재료 및 연료를 바탕으로 전과정목록은 작성하였다.
- 바이오파일의 배출가스 처리에 대해서는 오염품셈에 언급되어 있지 않아 활성탄 흡착공정으로 계획하였다. 바이오 파일내 존재하는 TPH중 약 18%가 대표적 휘발성 유기물질이며 이중 50%정도가 휘발에 의해 기상으로 유출된다는 현장데이터를 참고하여 활성탄 필요양을 산정하였다.
- 의 평균인 kwh당 63원을 적용하여 전기소비량을 예측하였다. 배출가스처리를 위해 필요한 활성탄량은 오염품셈에 제시되지 않아 유류내 대표 휘발성분인 벤젠의 Freudlich 흡착율인 0.152 g/g을 적용하여 예측하였다.16) ecoinvent데이터베이스에 활성탄 LCI데이터가 없으므로 Bayer 등17)이 제시한 활성탄제조 단위공정에 따라 추가적으로 LCI를 구축하여 이용하였다.
- 본 연구는 ‘오염토양 복원작업 품셈자료 산출근거 마련을 위한 연구’5)에 제시된 SVE와 바이오파일 시스템 구성을 바탕으로 두 오염토양 정화공정이 토양 1,000 m3내 TPH를 95% 제거하는 전과정을 LCA기법을 통해 평가하였다.
- 98 m에 해당한다. 오염부지의 오염반경은 일반적인 SVE 1개 추출관정의 영향 반경 범위 6-45 m에9) 속하므로 1개의 추출정이 설치되는 것으로 시스템을 설계하였다. 또한 추출압력 측정 및 공기의 유입을 위해 2개의 관측정(monitoring well)을 설치하는 것으로 계획하였다.
- 본 연구에서 지하수오염은 고려하지 않았다. 토양은 SVE와 바이오파일이 적용되기 적합한 실트질 모래로서 토양 공극률과 토양총체단위밀도는 환경부 토양오염위해성평가지침에 제시된 대표값인, 0.4, 1.6 kg/L를 각각 적용하였다.6) Table 1에 연구 대상 오염토양 조건과 SVE 및 바이오파일의 대표적 설계인자를 정리하였고, 각 토양정화기술을 적용할 경우 정화목표까지 소요되는 시간을 산정하였다.
대상 데이터
- 본 연구 대상 오염부지는 TPH가 10,000 mg/kg로 균질하게 오염된 1,000 m3(면적 200 m2 × 깊이 5 m) 토양으로 설정하였다.
- SVE정화시스템 조립(system assembly)단계에서 SVE정화시스템을 현장에 조립, 연결하는 과정에 소요되는 후렉서블호스, 모래, 콘크리트는 오염품셈에 따랐다. 용접의 경우 건설품셈을 참고하여 기본단위인 100 m로 하였고 ecoinvent 데이터베이스의 welding, gas 데이터베이스를 적용하였다.
- 이동(transportation)단계는 SVE와 바이오파일 적용에 필요한 물질을 부지내로 운반하기 위한 공정으로 물질의 전체 무게를 파악하였고 거리는 30 km로 가정하여 tkm 단위로 구축된 ecoinvent의 transport LCI 데이터를 이용하였다.
이론/모형
- SVE정화시스템 조립(system assembly)단계에서 SVE정화시스템을 현장에 조립, 연결하는 과정에 소요되는 후렉서블호스, 모래, 콘크리트는 오염품셈에 따랐다. 용접의 경우 건설품셈을 참고하여 기본단위인 100 m로 하였고 ecoinvent 데이터베이스의 welding, gas 데이터베이스를 적용하였다.
- 전과정목록작성 결과는 Environmental Design of Industrial Products (EDIP) 2003 방법을 적용하여 9개 범주의 환경영향을 평가하였다.20) 평가범주는 산성화, 생태독성(물), 생태독성(토양), 지구온난화(100년), 인체독성(대기), 인체독성(지표수), 인체독성(토양), 오존생성(인체), 부영양화 등이다.
- 021 kg/m14)로 산정하였고 모래, 벤토나이트, 모르타르는 오염품셈 규격에 따라 결정하였다. 천공장치(drilling equipment) 사용에 따라 소요되는 연료는 건설 품셈에 따랐다.
성능/효과
- 특정토양오염관리시설에 대한 정기 토양오염도 조사결과 매년 200개 이상의 사업장이 토양오염기준을 초과하는 것으로 나타났으며 초과항목의 대부분은 Total petroleum hydrocarbons (TPH) 및 Benzene, Toluene, Ethybenzenes, Xylenes (BTEX)이다.1) 2000~2006년간 국내 토양오염 정화를 위해 적용된 기술을 살펴보면 토양증기추출법(soil vapor extraction: SVE)이 29.6%로 가장 많았으며 다음은 생물학적통풍법(Bioventing)이었다.2)
- 2008년까지 우리나라의 특정토양오염관리시설은 22,451개소에 이른다.1) 이중 석유류가 22,172개소로 대부분을 차지하고 있으며 기타 유독물은 279개소이다. 특정토양오염관리시설에 대한 정기 토양오염도 조사결과 매년 200개 이상의 사업장이 토양오염기준을 초과하는 것으로 나타났으며 초과항목의 대부분은 Total petroleum hydrocarbons (TPH) 및 Benzene, Toluene, Ethybenzenes, Xylenes (BTEX)이다.
- 1) 전과정영향평가 결과 SVE가 9개 환경영향범주에서 모두 바이오파일에 비해 높은 환경영향수치를 나타내었다.
- 2) SVE와 바이오파일, 두 정화방법 공히 토양경로 인체 독성(Human toxicity-soil), 수생태독성(Ecotoxicity-water), 지표수경로 인체독성(Human toxicity-surface water), 대기경로인체독성(Human toxicity-air) 등 4가지 범주에서 상대적으로 높은 환경영향값을 보였다. SVE방법이 가장 큰 영향을 미치는 환경범주는 인체독성(토양)이었으며 바이오파일이 가장 큰 영향을 미치는 환경범주는 수생태독성이었다.
- 3) SVE방법의 세부 공정별 환경영향을 분석한 결과 운영 단계에서 전체 환경영향의 60%를 초래하였고 GAC교체단계가 36%를 초래하는 등 두 개 단계가 전체 환경영향의 96%를 차지하였다. 가장 큰 비중을 차지하는 세부공정은 운영중 사용된 전기에 의해서였다.
- 4) SVE와 바이오파일, 두 공정 모두 운영단계에서 소비 되는 전기에 의한 환경영향이 가장 크므로 오염토양 정화시스템 운영 중 전기소비를 최소화 할 수 있는 운영방안이 가장 필요한 것으로 판단된다.
- 3은 SVE의 전과정영향평가 특성화결과에 대비해 바이오파일 특성화 결과를 %로 도시한 것이다. SVE가 9개 환경영향범주에서 모두 바이오파일에 비해 높은 수치를 나타내었다. Table 4에 제시한 바와 같이 9개 환경영향범주 정규화결과, SVE는 토양매체에 의한 인체독성(Human toxicity-soil) 값이 324 PE (person equivalent)에 이르는 가장 큰 영향을 보였고 바이오파일은 수생태독성(Ecotoxicity-water) 범주에서 가장 큰 59 PE 값을 나타내었다.
- 2) SVE와 바이오파일, 두 정화방법 공히 토양경로 인체 독성(Human toxicity-soil), 수생태독성(Ecotoxicity-water), 지표수경로 인체독성(Human toxicity-surface water), 대기경로인체독성(Human toxicity-air) 등 4가지 범주에서 상대적으로 높은 환경영향값을 보였다. SVE방법이 가장 큰 영향을 미치는 환경범주는 인체독성(토양)이었으며 바이오파일이 가장 큰 영향을 미치는 환경범주는 수생태독성이었다.
- SVE와 바이오파일 모두 운영단계에서 초래되는 환경영향이 가장 높은 것으로 나타났다. 운영단계의 세부적 구성요소는 Table 2와 3에 나타낸 바와 같이 전기소비량이다.
- Table 4에 제시한 바와 같이 9개 환경영향범주 정규화결과, SVE는 토양매체에 의한 인체독성(Human toxicity-soil) 값이 324 PE (person equivalent)에 이르는 가장 큰 영향을 보였고 바이오파일은 수생태독성(Ecotoxicity-water) 범주에서 가장 큰 59 PE 값을 나타내었다. SVE와 바이오파일, 두 정화방법 공히 토양경로 인체독성(Human toxicity-soil), 수생태독성(Ecotoxicity-water), 지표수경로 인체독성(Human toxicity-surface water), 대기경로 인체독성(Human toxicity-air) 등 4가지 환경영향 범주에서 상대적으로 높은 값을 보였다(Fig. 4(a)와 5(a)).
- SVE가 9개 환경영향범주에서 모두 바이오파일에 비해 높은 수치를 나타내었다. Table 4에 제시한 바와 같이 9개 환경영향범주 정규화결과, SVE는 토양매체에 의한 인체독성(Human toxicity-soil) 값이 324 PE (person equivalent)에 이르는 가장 큰 영향을 보였고 바이오파일은 수생태독성(Ecotoxicity-water) 범주에서 가장 큰 59 PE 값을 나타내었다. SVE와 바이오파일, 두 정화방법 공히 토양경로 인체독성(Human toxicity-soil), 수생태독성(Ecotoxicity-water), 지표수경로 인체독성(Human toxicity-surface water), 대기경로 인체독성(Human toxicity-air) 등 4가지 환경영향 범주에서 상대적으로 높은 값을 보였다(Fig.
- 오염품셈의 자료를 바탕으로 예측한 전기소비량에 대한 불확실성이 높은 것으로 보인다. 그리고 SVE방법이 바이오파일방법에 비해 전반적으로 환경영향이 크게 나타날 수 있음을 다시 한번 확인할 수 있다.
- 8) 그러나 SVE 운영시 추출정(extraction well)의 추출 가스오염물질의 농도는 토양의 우선흐름경로(preferential flow) 현상으로 예상된 탄화수소 농도보다 작아진다. 따라서 본 연구는 SVE의 탄화수소 추출효율을 현장 데이터를 참고하여 11%로7) 설계한 결과 SVE시스템으로 연구 대상 유류오염부지를 정화하는데 750일, 약 2.05년이 소요되었다. 그리고 오염부지의 면적은 200 m2으로, 반경 7.
- 5(a)는 바이오파일 전과정영향범주별 정규화 결과 값을 도시하였다. 바이오파일이 가장 큰 영향을 미치는 환경 범주는 수생태독성이었다. 수생태독성 값을 구성하는 세부 공정을 살펴보면 운영단계가 27 PE (46% 해당), 굴착단계와 복토단계가 동일하게 12 PE로서 각 각 19%씩 차지하며 이동단계도 6 PE로서 9%를 차지하였다.
- 본 연구의 오염토양 정화공정에 대한 전과정평가결과 SVE보다 바이오파일이 훨씬 환경영향이 적은 것으로 나타났다. 두 공정 모두 운영 중 소비되는 전기에 의한 환경영향이 가장 크므로 오염토양 정화시스템 운영 중 전기소비를 최소화 할 수 있는 운영방안이 필요할 것으로 분석되었다.
- 굴착과 복토단계가 각 각 17 PE를 보였다. 운영과 GAC교체단계가 환경영향의 대부분을 차지했던 SVE와는 달리 바이오파일은 운영과 GAC교체단계 이외 굴착, 복토 및 이동단계에 고르게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 앞서 이미 언급한 데로 SVE방법이 가장 큰 영향을 미치는 환경범주는 인체독성(토양)이었다. 인체독성(토양) 값의 구성요소를 살펴보면 운영단계(operation)의 값이 174 PE로 전체 값의 54%를 차지하며, GAC교체 단계(GAC replacement) 값은 143 PE로서 전체 44%를 차지해, 두개 단계가 거의 99%를 차지하였다. 다른 환경영향범주에서도 운영단계와 GAC교체단계가 초래하는 환경영향이 대부분을 차지하고 있다.
- 1) 이중 석유류가 22,172개소로 대부분을 차지하고 있으며 기타 유독물은 279개소이다. 특정토양오염관리시설에 대한 정기 토양오염도 조사결과 매년 200개 이상의 사업장이 토양오염기준을 초과하는 것으로 나타났으며 초과항목의 대부분은 Total petroleum hydrocarbons (TPH) 및 Benzene, Toluene, Ethybenzenes, Xylenes (BTEX)이다.1) 2000~2006년간 국내 토양오염 정화를 위해 적용된 기술을 살펴보면 토양증기추출법(soil vapor extraction: SVE)이 29.
후속연구
- 본 연구에서 사용한 72,560 kwh/yr 전기사용량은 10 hp vacuum blower의 1년 운영시 필요한 전기소비량 71,775 kwh/yr과 유사하다. SVE시스템은 vacuum blower 이외 배기가스처리시스템 등 기타 운영에 추가적인 전기가 소요되는 점을 감안한다면 대부분의 SVE운영시 전기소비량은 본 연구에서 사용한 값보다 높을 것으로 판단된다. 오염품셈의 자료를 바탕으로 예측한 전기소비량에 대한 불확실성이 높은 것으로 보인다.
- 본 연구의 오염토양 정화공정에 대한 전과정평가결과 SVE보다 바이오파일이 훨씬 환경영향이 적은 것으로 나타났다. 두 공정 모두 운영 중 소비되는 전기에 의한 환경영향이 가장 크므로 오염토양 정화시스템 운영 중 전기소비를 최소화 할 수 있는 운영방안이 필요할 것으로 분석되었다.
- 서론에서 언급한 바와 같이 우리나라에서는 특정토양오염관리시설만 1년에 200여개가 넘는 오염부지가 양상되고 있으며 이에 따른 정화작업이 이루어지고 있다. 오염토양정화는 비교적 장기간 많은 에너지와 물질이 투입되는 점을 감안한다면 이산화탄소발생량 감축과 녹색성장에 대한 사회적 요구에 발맞추어 오염토양정화공정에 대한 체계적인 분석과 연구가 필요한 것으로 예상된다. 특히 운영중 전기소비량은 전과정영향평가 및 이산화탄소배출량 결과에 큰영향을 미치므로 앞으로 보다 신뢰성 높은 전과정평가를 위해서 전기사용량에 대한 데이터 수집 및 확보가 가장 필요한 것으로 판단된다.
- 오염토양정화는 비교적 장기간 많은 에너지와 물질이 투입되는 점을 감안한다면 이산화탄소발생량 감축과 녹색성장에 대한 사회적 요구에 발맞추어 오염토양정화공정에 대한 체계적인 분석과 연구가 필요한 것으로 예상된다. 특히 운영중 전기소비량은 전과정영향평가 및 이산화탄소배출량 결과에 큰영향을 미치므로 앞으로 보다 신뢰성 높은 전과정평가를 위해서 전기사용량에 대한 데이터 수집 및 확보가 가장 필요한 것으로 판단된다.
- 오염토양정화는 비교적 장기간 많은 에너지와 물질이 투입되는 점을 감안한다면 이산화탄소발생량 감축과 녹색성장에 대한 사회적 요구에 발맞추어 오염토양정화공정에 대한 체계적인 분석과 연구가 필요한 것으로 예상된다. 특히 운영중 전기소비량은 전과정영향평가 및 이산화탄소배출량 결과에 큰영향을 미치므로 앞으로 보다 신뢰성 높은 전과정평가를 위해서 전기사용량에 대한 데이터 수집 및 확보가 가장 필요한 것으로 판단된다.
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