최문영
(서울市立大學校)
2005
, xviii, 240 p.
, 서울市立大學校
, 국내박사
그간 위생매립시설의 기준을 강화하여 침출수발생량 최소화, 악취의 확산방지, 침출수로 인한 지하수오염 방지 등 어느 정도 환경오염 방지를 위한 목적을 달성하였으나, 매립지 내부의 건조화로 인한 안정화의 장기간 소요 및 가스발생량의 감소라고 하는 새로운 문제가 발생하게 되었다.
최근 폐기물매립지의 조기안정화, 가스발생 촉진 및 침출수 처리를 목적으로 매립지 내부에 침출수 등 수분을 공급하는 Bioreactor형 매립지를 운영하는 것이 미국 등 선진국의 추세이며, 우리나라도 이 기술을 도입하기 위한 연구가 진행 중이다.
본 연구에서는 폐기물매립지에 침출수를 재순환함에 따른 침하 특성을 분석하기 위하여 사용이 종료된 폐기물매립지와 사용중인 폐기물매립지를 대상으로 현장 실험을 실시하고, 침출수를 재순환하는 Lysimeter에 대한 실험을 실시하였으며, 장기 침하예측을 포함한 침하 특성을 비교 검토하였다.
매립된 폐기물의 물리적 특성을 조사한 결과, 수도권 제1매립장에 매립된 폐기물의 밀도는 평균 1.25g/㎤(12.8kN/㎥)이며, 수도권 제2매립장이 평균 1.27g/㎤(11.91kN/㎥)이었다. 제2매립장의 밀도가 제1매립장 보다 다소 낮은 수치이나 이는 제1매립장에 비해 매립경과 기간이 짧기 때문인 것으로 판단되며 두개의 매립장 모두 다짐이 양호한 것으로 나타났다.
폐기물의 강도 특성을 조사하였으며, 수도권 제1매립장의 경우 점착력은 0.07g/㎠(6.87kN/㎡) ∼ 0.10g/㎠(9.81kN/㎡), 내부 마찰각은 28.8 ∼ 36.5°의 분포를 보였다. 수도권 제2매립장의 점착력은 매립된 폐기물은 0.18g/㎠(17.65kN/㎡), 내부 마찰각은 33.2°이며, 매립전 폐기물의 점착력은 0.15g/㎠(14.71kN/㎡), 내부마찰각은 34.3°의 분포이다.
수도권 제1매립장에 대한 장기 2차 압축지수(C_(α1), C_(α2)) 값은 0.03, 0.14 정도로서 난지도의 2차 압축지수(C_(α1) 0.008, C_(α2) 0.033)와는 유기물에 의하여 4~5배 차이를 보이고 있고, 국외 자료에 의한 평균적인 2차 압축지수 (C_(α1) 0.035(ave.) C_(α2) 0.17(ave.)) 값과 매우 유사한 결과를 나타내고 있다. 수도권 제2매립장의 압축지수는 1.12로 산출되었으며, 각 블럭별 침하 실측자료를 회귀분석하여 산출한 중간단계 2차 압축지수(C_(α1))는 평균 0.035이며, 장기 2차 압축지수(C_(α2))는 평균 0.118로 분석되었다.
수도권 제1매립장의 중간단계부터 장기 2차 침하로 전이되는 시기는 100~700일 정도이며, 수도권제2매립장의 중간단계부터 장기 2차 침하로 전이되는 시기는 240일 정도이다. 수도권 제1매립장과 제2매립장의 침하 실측자료에 의하여 장래 10년간의 침하량을 예측하였으며, 그 결과 제1매립장은 19∼22%, 제2매립장은 23%가 침하하는 것으로 예측되었다.
Lysimeter에 폐기물을 충진하고 침출수를 재순환하여 수질에 미치는 영향과 침하에 미치는 영향을 분석하였다. Lysimeter에 침출수 재순환을 계속하면, pH가 9.0 내외로 높게 나타났다. 수도권 제2매립장의 경우도 침출수의 초기 pH는 5.5∼6.0 수준으로 낮게 나타났으나, 이후 점차 상승하여 매립기간이 약 4년 정도 경과된 최근에는 약 8.1까지 상승하는 경향을 나타내고 있다. Lysimeter가 제 2매립장의 수치보다 높은 이유는 산발효 과정에서 생성된 CO2가 매립 가스화하여 대기중으로 발산되기 때문인 것으로 판단된다.
생활폐기물과 건설폐기물을 Lysimeter 1에서는 침출수를 재순환하였을 때 BOD, COD 등 유기물질이 급격하게 감소하였다. 침출수를 재순환한 Lysimeter에서 유기물질 감소기간은 80일 정도에 불과하나, 실제 수도권 제2매립장에서는 약 40개월이 소요되어 침출수를 재순환하는 경우 매립된 유기성 폐기물의 분해가 15배 이상 촉진되었다. 그러나 COD의 경우는 제거율이 약 50% 정도로 낮게 나타났는데, 그 이유는 재순환되는 침출수중에 함유된 유기성분 중 약 50%는 humic 또는 fulvic 상태의 생분해성의 매우 낮은 유기물질로 구성되어 있기 때문인 것으로 판단된다.
산업폐기물을 투입한 Lysimeter 2에서는 COD와 BOD는 투입한 침출수의 원수보다 초기부터 낮은 농도를 유지하고 있는데, 이는 투입된 폐기물이 소각재, 고화슬러지, 무기성 산업폐수슬러지로 구성되어 있어 분해현상보다는 여과나 흡착에 의하여 유기성 물질이 감소하는 것으로 판단된다.
침출수 재순환에 따른 Lysimeter 침하특성을 파악하였다. 생물분해에 의한 2차 침하가 시작되는 시점은 생활폐기물을 충진한 후 Lysimeter 1은 110일, Lysimeter 2는 105일 후에 나타나는 것으로 측정되어 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다.
1차 압축지수는 Lysimeter 1이 1.31, Lysimeter 2가 0.98로 Lysimeter 1이 크게 나타났는데 이는 충진시의 폐기물 밀도의 차이에 의한 것으로 판단되며, Lysimeter 1의 장기 2차 압축지수는 0.250으로서 Lysimeter 2의 0.1483 보다 큰 것은 분해 가능한 유기물이 Lysimeter 2 보다 많기 때문인 것으로 판단된다.
중간단계 2차 압축지수(C_(α1))는 Lysimeter 1과 Lysimeter 2가 0.025이며, 수도권 제1매립장(C_(α1)=0.03)과 제2매립장(C_(α1)=0.039) 보다 다소 낮은 것으로 나타났다. 이는 국내 난지도매립지 0.005~0.008보다는 3배 정도 큰 값이며, Bjarngard가 미국내 24개 매립지를 조사한 결과에 의한 값 0.019 보다는 다소 높은 값이다.
Lysimeter에 침출원수를 투입하는 기간중인 초기 30일 간은 침출수의 BOD가 8,640 ~ 14,280mg/L 까지 높은 농도로 나타났으며, 이 시점은 Aging 기간이며 이 때에 폐기물층에서 Biodegradation이 일어나면서 분해에 의한 장기 2차 침하가 발생하는 시점과 일치하는 결과를 보였다. 그 후 농도가 감소하는 기간인 40일간을 안정화가 진행되는 Early Stabilization 단계로 해석할 수 있으며, 또한 80여일이 경과한 후부터는 BOD 농도가 일정하게 150mg/L 수준으로 유지되어 최고농도의 1/100 수준으로 안정화되었는데, 이 단계를 Stabilization 단계로 해석할 수 있다.
계측결과를 토대로 Lysimeter에 대한 장래 10년간의 장기침하를 예측하였으며, Lysimeter 1의 경우 Bjarngard & Edgers 모델과 쌍곡선 모델식이 예측기간에 따라 상호 근접한 예측결과를 나타냈으며, Gibson & Lo 모델식과 Power Creep 모델식이 과소하거나 과다한 것으로 나타났다. Bjarngard & Edgers 모델식에 의한 침하량은 39cm, 침하율 48.8%, 쌍곡선 모델식은 침하량 28.9cm, 침하율 36.1%로서 침출수 재순환에 의하여 10년에 40% 정도가 침하되는 것을 알 수 있다.
제2매립장에서 현시점부터 침출수를 재순환할 경우와 그렇지 않을 경우를 비교하면, 안정화 공사까지 전체매립고에 대하여 압축률이 10% 정도 더 큰 것으로 예측되었으며, 안정화 시기도 앞당겨지고 부지활용에도 유리할 것으로 기대된다.
최근 국내 매립장은 함수비가 매우 낮아져 혐기성 분해에 의한 매립가스의 발생 및 안정화에 불리하며, Lysimeter 실험결과 침출수 재순환 및 침하실측 자료에 의하면 생분해가 상당히 빠른 기간 내에 이루어지기 때문에 매립장 내부를 수분이 충분한 상태로 만들어 주는 침출수 재순환이 필요한 것으로 판단된다.
또한, 침출수를 재순환하고자 할 때에는 침하를 예측하고 매립지의 용량 감소, 침하에 따른 매립지의 운영상 발생할 수 있는 문제들에 대하여 미리 대비할 필요가 있다.
앞으로 매립지에 침출수를 재순환하는 방안에 대하여 보다 깊이 있는 연구와 아울러 침출수의 재순환에 따른 문제들을 해소시키면서 매립지의 안정화, 매립가스의 자원화 촉진 및 침출수의 처리 등을 위한 유용한 방안이 강구되어야 할 것이다.