초록 ▼

이 연구는 지하수 내 수용상 TCE 제거를 위한 현장정화기술을 개발하기 위해 수행되었다. 이를 위해 수용상 TCE 제거에 탁월한 효율을 보이는 $KMnO_{4}$를 이용하여 Controlled-release $KMnO_{4}$ (CRK) 물질을 제조하였고, CRK를 이용한 반투수성 반응벽체 정화공법을 개발하였으며, 자연 지하수계에서 발생 가능한 CRK-TCE 반응기작을 실내 반응실험으로 규명하여 현장실험 해석에 활용하도록 하였다. 이 후, TCE로 오염된 인공오염지하수체에 대한 현장규모 시험조

이 연구는 지하수 내 수용상 TCE 제거를 위한 현장정화기술을 개발하기 위해 수행되었다. 이를 위해 수용상 TCE 제거에 탁월한 효율을 보이는 $KMnO_{4}$를 이용하여 Controlled-release $KMnO_{4}$ (CRK) 물질을 제조하였고, CRK를 이용한 반투수성 반응벽체 정화공법을 개발하였으며, 자연 지하수계에서 발생 가능한 CRK-TCE 반응기작을 실내 반응실험으로 규명하여 현장실험 해석에 활용하도록 하였다. 이 후, TCE로 오염된 인공오염지하수체에 대한 현장규모 시험조 실험을 통한 CRK 반응벽체 현장적용 타당성을 검증(정화효율 평가)하였으며, 현장시범적용을 통한 신기술 활용 및 상품화를 모색하였고, 최종적으로 CRK 반응벽체 최적 설계조건 및 가이드라인 제시하여 CRK에 의한 TCE 오염지하수 정화공법을 제시하였다.
반응부산물을 최소화하며 지속적으로 $KMnO_{4}$를 오염지하수에 공급할 수 있는 CRK는 $KMnO_{4}$ 분말, 파라핀, 모래를 5: 5 :1의 중량비로 혼합하여 제조하였다. 그리고, 국내 오염지하수 환경에 적합하도록, $KMnO_{4}$ 산화처리기술과 투수성 반응벽체 공법을 복합적용한 3열의「CRK 반투수성 반응벽체(SPRB, Semi-Permeable Reactive Barrier)」를 개발하여 CRK를 정화제로 사용하였다. 그리하여 이를 실증실험하기 위하여 한국농촌공사 농어촌연구원 내에 「지하수 수리환경시험장」을 신축하고, CRK 반응벽체를 설치하였다.
CRK의 현장적용성을 검토하기 위한 실내실험 결과, 휘발에 의한 자연적인 TCE 손실을 고려하여 CRK 반응벽체를 설계해야 하며, CRK 제조시 해당 TCE 오염부지에 적정 KMnO4 양을 평가하고 제조해야 할 것으로 평가되었다. 더불어 $KMnO_{4}$에 의한 TCE 산화반응에 따른 수소이온 용출은 지하수 내 중탄산의 pH 중화로 인해 큰 영향을 받지 않았으며, 자연유기물 양을 산화시키는데 소모되는 $KMnO_{4}$ 양은 지하수 중 TCE를 제거하는데 필요한 $KMnO_{4}$의 양에 추가해야 할 것으로 평가되었다.
CRK 반응벽체의 현장규모 정화실험으로 CRK-TCE 정화효율을 살펴보았다. CRK 반응벽체 설치 후, 약 2개월간 장기모니터링을 통한 CRK 주입량 및 반응시간 분석으로 CRK 반응벽체의 장기 지속성 검증한 결과, 약 182 g/day 의 $MnO_{4}^{-}$가 꾸준히 용출됨을 확인하였다. 이 후 2개월간의 현장 규모 정화실험 결과, 저농도 TCE 인공오염지하수체(유속 0.60 m/day)에 대하여 장기적으로 62-75%의 정화효율이 산출되었다. TCE 인공오염지하수체의 농도가 96.5 μg/L 일 때, 1열 후 41-44 %(44-56 μg/L 잔류), 2열 후 65-66 %(27-32 μg/L 잔류), 3열 후 73-75%(22-24 μg/L 잔류)가 정화되었고, TCE 인공오염지하수체의 농도가 177.5 μg/L 일 때, 1열 후 31-32%(101-136 μg/L 잔류), 2열 후 45-51 %(72-107μg/L 잔류), 3열 후 62-67 %(49-75 μg/L 잔류)가 정화되었다. 반응부산물($MnO_{2}$, 용존중금속, 염소이온)의 발생은 극히 미미하여 2차오염 우려제거 및 CRK 반응 벽체의 장기 지속성이 검증되었다. 현장시범적용을 위하여 부산 OO지역 TCE 오염지역에서 현장실험을 실시하였다. 42일에 걸친 현장적용 결과, 60% 이상의 정화효율을 달성(초기 1.27 mg/L, 실험종료시 0.46 mg/L 잔류)하였다.
상기 결과를 토대로, CRK 반응벽체 표준 설계기준이 수립되었다. 이 연구에 의한 CRK 반응벽체는 지하수 유속 0.60 m/day일 경우, 일일 처리 용량은 약1.2 톤/일 로 산출되었다. 향후 CRK의 현장적용시, 대상 TCE 오염지하수체의 농도에 맞추어 CRK를 제작 후 정화작업을 수행한다면, 수질기준 이하로 수질정화를 할 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 CRK 반응벽체 설계 시에는, 현장여건(관정 깊이와 지름, 주입정 및 관측정 개수)에 따라서 CRK 크기, 주입개수, 주입형태 등을 변형하여 설계하여야 하며, 현장의 오염지하수체 농도에 따라 CRK 반응벽체 공열개수를 선택하여야 할 것이다.
이렇게 개발된 CRK 제조품 및 CRK 반투수성 반응벽체 정화기술은 전국에 산재한 TCE오염지역에 효과적으로 도입함으로서 지하수 수질 개선 및 생태계 복원에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 저렴한 CRK 물질과 지상인프라가 필요없는 원위치 정화처리 기술의 적용으로 막대한 정화비용 절감이 가능하고, 오염지하수를 복원함으로써 추가 지하수 개발에 소요되는 예산 절감이 가능하며, 나아가 정화처리방법 개발의 상품화로서 외국기술 대체와 수출 가능하여 동시장의 경쟁력 확보가 가능하여 경쟁력이 있는 경제효과를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼

? Construction of a pilot-scale 「Groundwater Experimental Tank」to carry out remediation test by KMnO₄ oxidation technique
? Development of Controlled-release KMnO4(CRK) (modified after Lee and Schwartz, 2007)
? Design and construction of PRB for remediation test with negligible impact of react

? Construction of a pilot-scale 「Groundwater Experimental Tank」to carry out remediation test by KMnO₄ oxidation technique
? Development of Controlled-release KMnO4(CRK) (modified after Lee and Schwartz, 2007)
? Design and construction of PRB for remediation test with negligible impact of reaction products(MnO2)
? Studies of analyzing groundwater recirculation of CRK-PRB system, analyzing of contaminated plume transport with TCE using MODFLOW, searching for solution to prevent MnO2 clogging and metal ions dissolved by KMnO4-TCE reaction
? Suggestion of methods to detect TPHs dissolved in groundwater by using electric resistivity tomography, High-resolution electromagnetic survey and GPR(Ground Penetrating Radar) survey
? Laboratory-scale experiments to verify conceptual model of CRK-PRB system for remedying TCE dissolved in groundwater
? A pilot-scale test to get removal efficiency of TCE dissolved in groundwater by CRK-PRB system(Confined- and unconfined-aquifer tests)
? Field applications to verify a applicable possiblity to contaminated area with TCE of CRK-PRB system
? Development of ISCO3D-W model(KMnO4 release model from CRK-PRB)
? Development of standard specifications for constructing CRK-PRB

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 초록 ... 4
• 요약문 ... 6
• Summary ... 12
• CONTENTS ... 18
• 목차 ... 22
• 표 차례 ... 26
• 그림 차례 ... 28
• 제1장 서론 ... 34
• 제1절 연구개발의 목적 ... 34
• 제2절 연구개발의 필요성 ... 38
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 42
• 제1절 해외 수준 ... 42
• 제2절 국내 수준 ... 46
• 제3절 국내외 기술과의 차별성 ... 46
• 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 Ⅰ: 반응벽체 설계 및 시공 ... 54
• 제1절 반투수성 반응벽체 설계 및 시공 ... 54
• 제2절 결론 ... 72
• 제4장 연구개발수행 내용 및 결과 Ⅱ: 반응물질 개발 및 처리공정 설계 ... 74
• 제1절 기술 개발 ... 74
• 제2절 반응물질 개발 : Controlled-release KMnO₄(CRK) ... 74
• 제3절 CRK의 등농도 지속성 검증 ... 76
• 제4절 CRK 반투수성 반응벽체 처리공정 설계 및 설치 ... 81
• 제5절 결론 ... 90
• 제5장 연구개발 수행 내용 및 결과 Ⅲ: 오염물질 확산 추적기술 ... 92
• 제1절 유류 및 TCE, PCE 오염물질 확산 추적기술 ... 92
• 제2절 전기비저항 토모그래피 ... 93
• 제3절 고해상도 전자탐사 ... 104
• 제4절 GPR을 이용한 TCE 탐사기법 ... 107
• 제5절 결론 ... 111
• 제6장 연구개발수행 내용 및 결과 Ⅳ : CRK 반응벽체 운전 적합성 연구 ... 112
• 제1절 국내외 연구현황 ... 112
• 제2절 반투수성 반응벽체 재순환율 분석 ... 113
• 제3절 재순환율 예측을 위한 TCE 거동 모사 ... 114
• 제4절 2차 오염문제 (MnO₂ Clogging) 해결 ... 118
• 제5절 2차 오염문제(용존 중금속) 해결 ... 124
• 제6절 CRK 주입량 분석을 위한 실내 수조시험 ... 125
• 제7절 인공지하수 거동 특성 : 예비 추적자 시험 ... 132
• 제8절 결론 ... 136
• 제7장 연구개발 수행 내용 및 결과 Ⅴ : 실내정화연구 ... 138
• 제1절 연구개발수행 내용 ... 138
• 제2절 연구방법 ... 141
• 제3절 KMnO₄에 의한 TCE 분해 특성과 Head-space gas sampling 과 Liquid sampling 기법의 차이 ... 144
• 제4절 KMnO₄농도 변화에 따른 TCE의 제거 효율 검토 ... 152
• 제5절 지하수 환경에서 pH-buffering 에 따른 TCE의 제거 효율성 검토 ... 157
• 제6절 자연 유기물의 영향에 의한 KMnO4의 TCE 제거 효율성 검토 ... 160
• 제7절 결론 ... 165
• 제8장 연구개발 수행 내용 및 결과 Ⅵ : 오염지하수 정화 모사를 위한 실내 수조 시험(피압대수층 시험) ... 166
• 제1절 연구목적 및 방법 ... 166
• 제2절 수조 내 매질의 수리적 특성 평가 ... 169
• 제3절 수조 내 매질이 함유하고 있는 유기물의 함량 평가 ... 170
• 제4절 CRK 용출 시험 (I) ... 173
• 제5절 CRK 용출 시험 (II) ... 176
• 제6절 CRK - TCE 반응실험 (I) ... 180
• 제7절 CRK - TCE 반응실험 (II) ... 181
• 제8절 결론 ... 186
• 제9장 연구개발수행 내용 및 결과 Ⅶ : 현장규모 정화 연구(자유면대수층 시험) ... 188
• 제1절 연구개발수행 내용 ... 188
• 제2절 수조안정화 작업 ... 189
• 제3절 추적자 시험 ... 192
• 제4절 CRK 반응벽체 장기 지속성 실험 ... 200
• 제5절 TCE 포화실험 ... 209
• 제6절 CRK-TCE 반응실험 ... 213
• 제7절 반응부산물 분석 ... 224
• 제8절 PCE, DCE에 대한 정화효율 예측 ... 236
• 제9절 결론 ... 238
• 제10장 연구개발수행 내용 및 결과 Ⅷ : 현장시범적용 ... 240
• 제1절 연구개발수행 내용 ... 240
• 제2절 경기 시흥 ○○ 지역 ... 241
• 제3절 부산광역시 ○○ 지역 ... 247
• 제4절 결론 ... 251
• 제11장 연구개발 수행 내용 및 결과 Ⅸ : 모델개발 및 적용 ... 252
• 제1절 ISCO3D-W 모델 ... 252
• 제2절 ISCO3D-W 모델 내용 ... 252
• 제3절 CRK로부터 KMnO₄ 유출 ... 252
• 제4절 ISCO3D-W을 이용한 CRK의 내구연한 예측 : 실내 컬럼 실험 ... 255
• 제5절 ISCO3D-W을 이용한 CRK 반응벽체의 내구연한 예측 : 현장규모실험 ... 259
• 제6절 결론 ... 268
• 제12장 연구개발 수행 내용 및 결과 Ⅹ : 오염부지 정화처리를 위한 반응벽체 설계기준 ... 270
• 제1절 오염지하수 정화를 위한 반응벽체 설치조건 ... 270
• 제2절 오염지하수 정화를 위한 반응벽체 설계조건 ... 270
• 제3절 반응벽체 설치 및 시공 순서 ... 272
• 제4절 모니터링 항목 및 방법 ... 272
• 제5절 모델링 작업 순서 ... 274
• 제6절 영향반경 계산 방법 ... 277
• 제7절 CRK 반응벽체 표준 설계기준 ... 284
• 제8절 결론 ... 289
• 제13장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 290
• 제1절 연구개발목표 달성도 ... 290
• 제2절 대외기여도 ... 292
• 제14장 연구개발결과의 활용계획 ... 294
• 제1절 활용계획 ... 294
• 참고문헌 ... 296
• 부록 ... 304