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문제 정의
- , 2012). 따라서 본 연구에서는 강우 후 지하수 수위 상승에 의한 불포화대 잔류 TCE의 거동 특성을 알아보기 위해 실내실험을 수행하였다. 실내실험을 통한DNAPL의 거동 특성에 대한 연구는 여러 연구자들에 의해 활발히 수행되어 왔다(Conrad et al.
- 그러나 강우변화에 따른 TCE의 3차원적인 거동 특성을 위한 실험적 연구는 거의 수행되지 않았다. 따라서, 본연구에서는 강우 후 지하수위의 상승에 따른 DNAPL 거동 특성을 3차원적으로 확인하고자 하였으며, 주 오염원의 매질 변화가 오염물질 이동량에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 매질을 채우는 과정 중 입도 차에 의해 상부와 하부의 입도분포가 달라지는 현상을 방지하고자 주문진사를 일정한 입도로 채질을 하고 물로 세척을 한 후 사용되었다. 그러나 NAPL의 거동에 모세관압이 주요기작이 되는 조건(silt, clay가 섞인 매질)에서 보다 심도있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
가설 설정
- 2. 조립질 렌즈 속의 TCE는 내부에 풀을 형성하고 주변으로 잔류 TCE가 형성된다. 반면, 세립질 렌즈의 경우 TCE가 렌즈 속으로 스며들고 렌즈의 상부에는 스며들지 못한 TCE가 풀을 형성하게 된다.
제안 방법
- 1). 3차원 실린더 실험의 경우, 불포화대 조건(Case 1-1과 1-2)과 불포화대-포화대로 이루어진 조건(Case 1-3과 1-4) 2가지 경우에 대해 실험을 수행 하였으며, 두 번째 조건의 경우 불포화대에 잔류하는 TCE가 지하수위 상승에 어떤 영향을 받는지 알아보고자 수위 상승이 없는 경우(Case 1-3)와 있는 경우(Case 1-4)를 모사하여 비교하였다.
- 3). 그러나 매질이 불균질한 현장 지질 특성을 고려하기 위하여 오염원이 위치하는 심도에 매질을 주변보다 조립질(Case 2-5)인 경우와 세립질(Case 2-6)인 경우로 나누어 실험을 수행하였다. 각 실험에 사용된 매질의 입도범위는 조립질의 경우 very coarse sand,세립질의 경우 medium sand에 해당된다.
- 인공오염원을 조성하기 위해 매질 상부 표면에서 Oil Red O로 염색된 TCE 20~80 mL를 누출시켜 전면 유리를 통하여 잔류 TCE가 넓게 존재하는 심도를 확인 하였다. 그리고 그 심도를 바탕으로 하여 우측 벽면으로부터 11.5 cm 떨어진 지점의 수직높이 5, 12, 16 cm 부분에 1mL의 TCE를 주사기로 주입하여 인공 오염원을 조성하였다. 해당 심도는 수위가 존재하는 12 cm와 수위로부터 7cm 상부에 확인된 모세관대 그리고 포화대 내에 불규칙적으로 존재하는 오염원을 의미한다.
- 다음으로, 매질의 불균질성을 고려하기 위하여 서로 다른 입도의 입자들로 이루어진 렌즈상 구간(5 × 3 × 1 cm)을 조성하여 동일한 실험을 진행 하였다.
- )은 지하수 정화를 수행함에 있어 오염물의 위험도 및 정화작업에 따른 오염원 정화율을 나타내는 지표로 활용 될 수 있다. 따라서, 수위 상승과 관련된 오염물 이동량의 연구는 이전 실험을 통해 확인 되었던 잔류 TCE가 넓게 분포하는 심도에 인공오염원을 설치하고 실내 실험을 수행하였다.
- 3차원 실험에서는 수직 심도별 잔류 TCE영역의 넓이에 비례하여 TCE의 농도분포가 나타났다. 또한,수위상승에 의한 오염물 이동량의 변화가 2차원 실험을 통하여 확인 되었다. 용존 TCE의 이동량이 수위상승에 비례하여 나타났으며 오염원의 매질 특성 역시 지하수에 용존된 오염원의 이동에 큰 영향을 미치는 것으로 보여진다.
- 약 15~20 mL의 염색된 TCE를 매질 최상위에 누출(spill)시켜 불포화대 및 포화대로 이동하도록 하고 주입 직후부터 72시간 후까지 포화대에서 심도별 TCE 용존 농도를 분석하여 각 심도별 잔류 TCE가 지하수 내 용존 TCE의 농도에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 모든 시료 채취가 끝난 후 심도별로 매질을 2~3cm 간격으로 걷어내면서 염색된 잔류 TCE의 형태를 사진촬영 하였으며 이 사진을 통하여 modal counting 방법으로 잔류 TCE의 면적을 계산 하고 각 심도별 사진을 취합하여 3차원 잔류 TCE의 형태를 구성 하였다(Fig. 2). 총 네 가지 조건 별 실험(Case 1-1 ~ 1-4)을 수행 하였으며 자세한 조건은 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 매질은 주문진 규사이며, 정수위투수시험과 포화, 건조 단위중량측정을 하여 공극률(n)과 투수 계수(K)를 계산하였다(유효입경: 0.3~0.45 mm, 균등계수:< 2.0, 공극률: 30.4%, 투수계수: 0.25 cm/sec).
- 불포화대 조건에서 TCE 누출량에 따른 잔류 TCE의 형태를 알아보기 위해 TCE의 양을 각각 15 mL와 20mL로 달리하여 매질의 최상부에 누출(spill)시켰다(Case1-1, 1-2). 주입 12시간 후 잔류 TCE(immobile 상태) 분포를 조사한 결과 주입된 TCE의 양에 따라 심도가 깊어질수록 최대 잔류 TCE 면적은 증가하여 심도 16~17 cm부근에서 최대 면적(각각 60과 94 cm2)을 나타내다가 20 cm 이후 심도에서는 감소하는 경향을 나타내었다.
- 실린더 실험 및 수조 실험에서 채취한 시료의 TCE의 분석은 FID detector가 장착된GC(Gas chromatography;Shimadzu, GC-17A)를 사용하여 Head space방법으로 분석하였으며 물 샘플링에 의한 수리적 영향을 최소화 하기 위하여 2 mL 시료병을 사용하고 흡착을 방지하기 위하여 테플론 재질의 뚜껑을 사용 하였다.
- , 2010). 약 15~20 mL의 염색된 TCE를 매질 최상위에 누출(spill)시켜 불포화대 및 포화대로 이동하도록 하고 주입 직후부터 72시간 후까지 포화대에서 심도별 TCE 용존 농도를 분석하여 각 심도별 잔류 TCE가 지하수 내 용존 TCE의 농도에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 모든 시료 채취가 끝난 후 심도별로 매질을 2~3cm 간격으로 걷어내면서 염색된 잔류 TCE의 형태를 사진촬영 하였으며 이 사진을 통하여 modal counting 방법으로 잔류 TCE의 면적을 계산 하고 각 심도별 사진을 취합하여 3차원 잔류 TCE의 형태를 구성 하였다(Fig.
- 조립질 렌즈(Case 2-5)의경우 Md가 급격하게 감소하는 반면 세립질 렌즈(Case 2-6)의 경우 안정화가 되는 것이 확인 되었다. 이 결과를 기반으로 하여 공극부피(Pore volume: 2차원 수조를 채우고 있는 매질 사이에 존재하는 공극의 부피만큼 물이 통과한 것을 기본부피단위 1로 설정한 단위)에 따른 렌즈로부터 제거된 오염물질의 비율을 계산 하였다(Fig. 9). 약 60공극부피까지는 조립질 렌즈(Case 2-5)에서의 제거율이 더 높게 나타나는 반면 수위 상승 이후 상승곡선이 완만해지는 것이 확인이 되는 반면 세립질 렌즈(Case 2-6)에서는 거의 수직적인 곡선이 확인이 되었으며 결과적으로 약 160공극부피가 흐른 후 세립질의 입자로 이루어진 세립질 렌즈에서의 제거율이 약 18% 더 높게 나타났다.
- 인공오염원을 조성하기 위해 매질 상부 표면에서 Oil Red O로 염색된 TCE 20~80 mL를 누출시켜 전면 유리를 통하여 잔류 TCE가 넓게 존재하는 심도를 확인 하였다. 그리고 그 심도를 바탕으로 하여 우측 벽면으로부터 11.
- 지하수 흐름에 따른 TCE의 거동 및 오염물 이동량을 계산하고자 가로 50 cm, 세로 30 cm, 두께 5 cm의 모래 수조를 사용 하였으며 TCE의 직접적인 접촉으로 인한 흡착 및 반응의 영향을 최소화 하기 위하여 전면부는 유리나머지 면은 스테인리스로 제작 하였다. 수조의 뒷면에는 총 24개의 샘플링 포트가 설치 되었으며 양쪽 끝에는 수위를 조절 하고 지하수 흐름을 모사하기 위한 수위조절기가 설치 되었다(Fig.
- 해당 심도는 수위가 존재하는 12 cm와 수위로부터 7cm 상부에 확인된 모세관대 그리고 포화대 내에 불규칙적으로 존재하는 오염원을 의미한다. 초기수위(좌측: 표면에서 19 cm, 우측: 표면에서 18 cm)에서 10 cm 상승시켰으며 0.02의 동수구배를 조성하여 매질 내에 지하수 흐름을 모사하였다. 수조의 후면에 설치된 샘플링포트와 배수구에서 일정시간 간격으로 물 시료를 채취하여 오염물질의 이동량(Md: Mass discharge)을 다음과 같은 식을 이용하여 계산하였다.
- 초기에 매질을 완전 포화 시킨 후 5 cm/hr의 유량으로네 시간 동안 배수시켜 매질 최상위로부터 20 cm까지는 불포화대, 20~30 cm까지는 포화대로 모사하였다. 무색무취의 TCE를 시각화 하기 위하여 염색제 Oil Red O를 1 g/L의 농도로 사용하였다(Indumathi and Power, 2000;Lee et al.
- = 면적이다. 총 여섯 가지 조건별 실험을 수행 하였으며 조건은 Table 2에서 자세히 설명하였다.
대상 데이터
- 동일한 매질 내에서 0.02의 동수구배로 지하수 흐름이 존재하고 총 3개의 인공오염원을 조성하였다(Fig. 2). 수위가 고정되었던 경우(Case 2-3), 지하수의 흐름에 따라 초반에 TCE 이동량은 2.
- 초기에 매질을 완전 포화 시킨 후 5 cm/hr의 유량으로네 시간 동안 배수시켜 매질 최상위로부터 20 cm까지는 불포화대, 20~30 cm까지는 포화대로 모사하였다. 무색무취의 TCE를 시각화 하기 위하여 염색제 Oil Red O를 1 g/L의 농도로 사용하였다(Indumathi and Power, 2000;Lee et al., 2010). 약 15~20 mL의 염색된 TCE를 매질 최상위에 누출(spill)시켜 불포화대 및 포화대로 이동하도록 하고 주입 직후부터 72시간 후까지 포화대에서 심도별 TCE 용존 농도를 분석하여 각 심도별 잔류 TCE가 지하수 내 용존 TCE의 농도에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
- 우선, 불포화대 및 포화대 잔류 TCE의 수직심도별 분포를 3차원적으로 알아보기 위해 실린더 실험(내경 43cm, 높이 40 cm)을 수행하였다(Fig. 1). 3차원 실린더 실험의 경우, 불포화대 조건(Case 1-1과 1-2)과 불포화대-포화대로 이루어진 조건(Case 1-3과 1-4) 2가지 경우에 대해 실험을 수행 하였으며, 두 번째 조건의 경우 불포화대에 잔류하는 TCE가 지하수위 상승에 어떤 영향을 받는지 알아보고자 수위 상승이 없는 경우(Case 1-3)와 있는 경우(Case 1-4)를 모사하여 비교하였다.
성능/효과
- 주입 12시간 후 잔류 TCE(immobile 상태) 분포를 조사한 결과 주입된 TCE의 양에 따라 심도가 깊어질수록 최대 잔류 TCE 면적은 증가하여 심도 16~17 cm부근에서 최대 면적(각각 60과 94 cm2)을 나타내다가 20 cm 이후 심도에서는 감소하는 경향을 나타내었다. TCE의 표면으로부터 이동경로는 수직방향의 이동이 지배적인 것으로 확인 되었으며 상대적인 비교 자료를 통하여 각각의 실험 케이스에서 심도별 잔류 TCE 면적의 편차가 확인 되었다(Fig. 4 (a)와 (b)).
- 그리고 주변 매질보다 세립의 입자로 이루어진 렌즈를 사용한 경우(Case 2-6) 수위상승 이전에는 5.6 × 10−3 mg/sec, 수위상승 이후에는 2.2 × 10−2 mg/sec 으로서 수위가 상승한 이후 급격한 TCE 물질 이동량의 증가가 확인되었다(Fig. 9).
- , 2007). 반면 세립질 렌즈를 사용한 경우 급격한 Md의 증가나 감소가 확인되지 않았으며 비교적으로 일정한 Md를 보여준다. 이 결과로서 누적 TCE제거율이 세립질 렌즈의 경우 더 높게 나타난 것으로 사료된다.
- 본 실험 결과에서는 세립질 입자로 이루어진 렌즈에서의 오염물 제거율이 조립질 입자로 이루어진 렌즈에서의 제거율 보다 약 18% 높게 나타났다. 이는 조립질 렌즈에서의 제거율이 더 높을 것이라는 일반적인 예상과 상반된 결과로 그것이 초래될 수 있는 기작을 설명하였다.
- 불포화대의 잔류 TCE존재가 2, 3차원의 실험을 통하여공통적으로 확인 되었으며 특히 수위심도와 모세관대의 상부 심도에서 상대적으로 넓은 잔류 영역을 남기는 것이 확인 되었다. 3차원 실험에서는 수직 심도별 잔류 TCE영역의 넓이에 비례하여 TCE의 농도분포가 나타났다.
- 수위가 상승된 경우(Case 1-4)에서 넓은 잔류 TCE가 확인된 심도가 수위가 고정된 경우(Case 1-3)에서 나타난 넓은 잔류 TCE 심도와 같은 심도에서 나타나는 것이 확인되었다. 이는 즉 해당 매질 내에서 이미 형성된 잔류 TCE의 형태는 5 cm/hr 속도의 수위상승이 잔류 TCE 거동에 괄목할만한 영향을 미치지 않는다는 것으로 사료된다.
- 위 결과들을 기반으로 하여 원주 우산공단의 TCE 오염 현장에서 관찰되는 수위상승에 따른 농도의 증가 현상을 설명할 수 있는 하나의 기작을 실험적으로 확인하였다. 아울러 이 결과는 TCE로 오염된 지하수를 정화하기 위해서는 포화대뿐만 아니라 불포화대까지 고려하는 것이 필요하다는 것을 말해준다. 이에 대해서 현장매질의 불균질성(지질구조)을 고려하는 것이 오염도의 변화를 이해하고 정화율을 높이는데 도움이 될 것으로 사료된다.
- 9). 약 60공극부피까지는 조립질 렌즈(Case 2-5)에서의 제거율이 더 높게 나타나는 반면 수위 상승 이후 상승곡선이 완만해지는 것이 확인이 되는 반면 세립질 렌즈(Case 2-6)에서는 거의 수직적인 곡선이 확인이 되었으며 결과적으로 약 160공극부피가 흐른 후 세립질의 입자로 이루어진 세립질 렌즈에서의 제거율이 약 18% 더 높게 나타났다. 조립질 렌즈에서의 제거율이 더 높을 것이라고 예상했던 것과 다르게 장기간의 실험결과 세립질 렌즈에서의 제거율이 더 높게 나타난 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다.
- 위 결과들을 기반으로 하여 원주 우산공단의 TCE 오염 현장에서 관찰되는 수위상승에 따른 농도의 증가 현상을 설명할 수 있는 하나의 기작을 실험적으로 확인하였다. 아울러 이 결과는 TCE로 오염된 지하수를 정화하기 위해서는 포화대뿐만 아니라 불포화대까지 고려하는 것이 필요하다는 것을 말해준다.
- 그러나 수위상승 이후 Md곡선의 경향성에 차이가 확인이 되었다. 조립질 렌즈(Case 2-5)의경우 Md가 급격하게 감소하는 반면 세립질 렌즈(Case 2-6)의 경우 안정화가 되는 것이 확인 되었다. 이 결과를 기반으로 하여 공극부피(Pore volume: 2차원 수조를 채우고 있는 매질 사이에 존재하는 공극의 부피만큼 물이 통과한 것을 기본부피단위 1로 설정한 단위)에 따른 렌즈로부터 제거된 오염물질의 비율을 계산 하였다(Fig.
- 9). 주변 매질보다 오염원이 위치한 영역의 입자가 조립질인 경우가 세립질인 경우보다 Md의 최대값이 먼저 나타나는 것이 확인 되었으며 절대적 수치 역시 상대적으로 높은 값이 확인 되었다. 이는 두 렌즈를 이루고 있는 입자 크기의 차이에 따른 수리전도도의 차이에 따라 나타나는 현상으로 쉽게 설명이 된다.
- 불포화대 조건에서 TCE 누출량에 따른 잔류 TCE의 형태를 알아보기 위해 TCE의 양을 각각 15 mL와 20mL로 달리하여 매질의 최상부에 누출(spill)시켰다(Case1-1, 1-2). 주입 12시간 후 잔류 TCE(immobile 상태) 분포를 조사한 결과 주입된 TCE의 양에 따라 심도가 깊어질수록 최대 잔류 TCE 면적은 증가하여 심도 16~17 cm부근에서 최대 면적(각각 60과 94 cm2)을 나타내다가 20 cm 이후 심도에서는 감소하는 경향을 나타내었다. TCE의 표면으로부터 이동경로는 수직방향의 이동이 지배적인 것으로 확인 되었으며 상대적인 비교 자료를 통하여 각각의 실험 케이스에서 심도별 잔류 TCE 면적의 편차가 확인 되었다(Fig.
후속연구
- 본 연구에서는 매질을 채우는 과정 중 입도 차에 의해 상부와 하부의 입도분포가 달라지는 현상을 방지하고자 주문진사를 일정한 입도로 채질을 하고 물로 세척을 한 후 사용되었다. 그러나 NAPL의 거동에 모세관압이 주요기작이 되는 조건(silt, clay가 섞인 매질)에서 보다 심도있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 아울러 이 결과는 TCE로 오염된 지하수를 정화하기 위해서는 포화대뿐만 아니라 불포화대까지 고려하는 것이 필요하다는 것을 말해준다. 이에 대해서 현장매질의 불균질성(지질구조)을 고려하는 것이 오염도의 변화를 이해하고 정화율을 높이는데 도움이 될 것으로 사료된다.
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