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목 차 1. 서 론 2. 차단벽 시스템의 구성 3. 결 론 |
1. 서 론
차단벽(containment barrier)은 매립지나 슬러리월(slurry wall), 그라우팅(grout curtain), 투과성 반응벽(permeable reactive wall) 및 복토층 설계(designed cover)에서 가장 중요한 요소 중 하나이다. 주어진 조건하에서 다양한 형태의 오염물질 차단 시스템의 장기적인 성능은 차단벽으로 사용되는 물질의 특성, 차단벽의 범위와 차단벽의 배치에 의해 좌우된다고 할 수 있다.
차단벽 시스템에서 차단층은 다음의 한 가지 또는 그 이상의 기능을 수행한다. ① 오염물질의 차단, 특히 침출수 등과 같은 수분의 침투를 최소화 하고; ② 오염물질을 환경으로 재용출될 가능성이 적은 물리적인 형태로의 전환 ; ③ 수리학적 흐름을 최소화하거나 또는 오염물질의 지체/처리를 도모할 수 있도록 용해된 오염물질 또는 반응물의 현재의 흐름에 수직으로 차단층을 형성한다.
처리대상이 되는 오염물질은 금속류(일부 방사능 물질)와 NAPLs(Nonaqueous Phase Liquids), 또는 유기물과 무기물이 혼합되어 있는 물질이다. 비록 차단벽 시스템이 오염된 부지의 정화 방법에 매우 유용하게 사용되지만, 많은 나라에서 1990년대 초반까지 차단벽 시스템은 오염된 부지에 정화를 시작하기 전까지 오염물질의 확산을 방지하는 임시적인 방법으로 이용되어 왔다.
일부 잔류성이 높은 오염물질의 정화를 위해서는 많은 비용이 소요되기도 하며 경제적인 정화기술의 적용이 불가피하고, 게다가 정화 프로그램을 실행하는데 있어 종종 복잡한 법률적, 관리과정를 포함하고 있다. 따라서 관리과정에 있는 부지는 오랫동안 정화되지 않은 채 남아있게 되며, 이러한 부지는 우리가 생활하고 있는 환경으로의 오염물질의 이동의 가능성이 증가된다.
일부 오염된 부지, 특히 토지가 부족하거나 비싼 지역인 도시지역의 오염된 부지를 주거와 레크리에이션의 목적(Brownfield Redevelopment)1)으로 개발하고 있다. 이러한 경우 개발된 부지의 주민에게 잔류 오염물질의 노출을 방지하는 시설의 설치가 요구된다.
본 稿에서는 오염된 부지로부터의 오염물질의 확산을 방지하고 저감하는 차단벽의 적용방법과 이용 가능한 차단벽의 종류와 적합한 차단벽의 설치에 대해 서술하고자 한다.
2. 차단벽 시스템의 구성
차단벽 시스템의 구성은 설계 수명기간 동안 그들의 기능에 있어 시스템의 효율성에 대한 관점에서 중요한 역할을 한다. 필수적으로 차단 시스템의 구성은 시스템 요소들의 배열을 의미한다. 시스템 배열의 구성은 시스템 요소들이 환경부하 및 오염물질에 노출 및 수분과의 접촉에 영향을 준다. 또한 다양한 요소로 구성된 시스템(multicomponent system)에서 차단벽 요소들의 구성은 오염물질의 분산과 전달에 영향을 미치며 한 요소에서 다른 요소로의 이동에 까지 영향을 미친다고 할 수 있다. 따라서 본 장에서는 차단벽 시스템의 가장 일반적인 배열에 관하여 설명하고자 한다.
2.1 슬러리월(Slurry walls)
일반적으로 토양 및 지하수 확산방지 시스템에 보편적으로 사용되고 있는 슬러리월은 오염물질이 주변 토양 및 지하수환경으로 이동하는 것을 방지하기 위하여 점토 등의 저투수성의 물질 또는 첨가재를 첨가하여 채워진 지중 트렌치(trench)이다. 슬러리월은 느슨한 토양, 즉 공극이 큰 토양으로 이루어진 지중에 유용하고 사용할 수 있으며 폐기물이나 오염된 플룸(plume)으로부터 오염되지 않은 지하수를 보호할 수 있고, 지하수로의 침출수의 흐름을 감소시킬 수 있으며, 오염원으로부터 집수정까지의 흐름경로를 길게하여 오염물질의 분해나 지체를 증가시킬 수 있다. 또한 지하수 및 침출수를 모아 추출에 의해 이들을 제거할 수 있도록 한다.
슬러리월의 구성은 수평, 수직 배열로 구분될 수 있다. 평면으로 보았을 때, 그림 1, 2에서 보듯이 슬러리월은 일직선형, 아치형, 사각형의 형태를 가진다. 설계목적에 따라, 슬러리월은 오염원 전단에 위치하여 지하수에 의한 오염물질의 영향을 최소화 할 수 있으며, 오염물질 플룸의 이동을 감소시키고 분해를 촉진할 수 있도록 오염원 후단에 위치하기도 하지만 일반적으로 슬러리월은 오염원을 완벽하게 둘러싸는 형태를 가진다.
그림 3과 4는 슬러리월의 수직적 배열을 보여준다. 그림 5에서 슬러리월에는 오염물질의 완벽한 폐쇄를 위하여 기반암이나 저투수성의 토양층까지 설치된다. 그림 6에서 보는 hanging 슬러리월은 벽을 설치하기에 저투수성의 토양층이나 기반암이 심도가 깊은 경우나 슬러리월 외부의 지하수위가 내부에 비하여 상대적으로 높아 오염물질의 흐름이 외부로 발생하지 않을 때 사용된다. 슬러리월의 배치에 있어 세 가지 형태의 장점과 단점을 표 1에 나타내었다.
(그림 1) 폐기물 및 오염물질 플룸의 부분 차단을 위한 상류 슬러리월(Reddi and Inyang, 2000)
(그림 2) 폐기물 또는 오염물질 플룸의 부분 차단을 위한 하류 슬러리월(Reddi and Inyang, 2000)
(그림 3) 저투수층까지 삽입된 슬러리월의 수직단면도(Inyang, 1992)
(그림 4) 매립폐기물의 차단을 위한 Hanging 슬러리월의 수직단면도(Inyang, 1992)
(그림 5) 오염물질 플룸의 차단을 위해 설계된 그라우트 커튼의 형태(Reddi and Inyang, 2000)
(그림 6) 폐기물층 하부에 그라우트 층의 포설 (U.S. DOE, 1995)
<표 1> 슬러리월의 수평적 배열의 장단점
2.2 그라우트 커튼(Grout curtains)
그라우트 커튼은 지중에 공극을 채울 수 있는 물질들을 땅속에 양수해 넣음으로써 유체의 흐름속도를 감소시키는 차단벽을 말한다. 그라우트 혼합물은 토양이나 암반층 등을 통과하는 파이프를 통하여 압력으로 주입된다. 그라우트 혼합물이 땅속으로 주입되는 지점에서의 유효영향반경은 주입되는 압력과 주입시간, 그라우트의 성질, 지중 토양의 수리학적 특성에 따라 다르다. 주입지점은 인접주입지점 사이에 틈이 생기지 않도록 선정해야 한다.
그림 5는 그라우트 커튼의 형태를 나타내고 있으며, 그림 6에서는 폐기물층을 뚫지 않고서도 지중의 폐기물층의 바닥면에 그라우트 층을 포설할 수 있는 그라우팅 기술을 보여주고 있다.
2.3 스틸시트 파일링(Steel sheet piling)
스틸시트 파일링은 전통적인 토목엔지니어링 건설로서 그림 9와 같이 강재로 제작된 강널말뚝을 진동해머로 지반에 타입 하여 연속벽체를 형성하여 지중의 물의 흐름을 감소시키기 위하여 널리 사용되는 차단공법이다. 이는 원지반토의 굴착량을 최소로 하면서 공사를 빠르게 진행할 수 있는 장점을 가지고 있지만 지반의 토질조건에 영향을 많이 받으며, 또한 부재간의 연결부분에서 차수성을 확보하는 방안이 문제점으로 대두되고 있다.
연결부분에서의 누출을 감소시키기 위하여 스틸시트파일링은 시멘트-벤토나이트와 함께 사용하기도 하며, 연결부(조인트)에는 지수재를 도포하여 차수성을 확보하기도 한다.
(그림 7) 스틸시트 파일링의 시공(左)과 시공후(右)의 사진
2.4 진동빔 차단벽(Vibrating beam)
진동빔차단벽은 진동빔을 사용하여 지중에 건설할 수 있는 차단벽이다. 이는 트렌치의 안정성을 유지하기 위한 목적으로 사용되는 슬러리를 채우기 위한 트렌치를 굴착하지 않기 때문에 이 공법은 기술적으로는 슬러리트렌치 공법이 아니다. 이 공법에서 빔(beam)은 그라우트(grout) 노즐이 붙게 되며, 진동파일드라이버(vibratory pile driver)와 연결된다. 빔은 땅속을 진동시켜 구멍을 만들고, 이것은 나중에 빔을 제거한 후에 그라우트로 채워지게 되어 연속적인 차단벽이 형성된다.
진동빔차단벽 공법의 주요 장점은 굴착한 후에 굴착된 물질들을 따로 처리할 필요가 없다는 것이다. 굴착공정이 없기 때문에 보건과 안전에 대한 고려와 단가에 대한 고려가 잠재적으로 감소된다.
진동빔차단벽과 마찬가지로 지반을 굴착하지 않고 차단벽을 건설할 수 있는 공법으로 심층혼합처리공법(Deep soil mixing method)을 제시할 수 있다. 심층혼합처리는 1960~1970년대에 처음 도입되어 연구되다가 1970년대 일본에서 본격적으로 상용화되어 최근까지 사용되고 있으며, 원위치 교반 차수공법으로 SRT, DWM, IBF, AIG 등을 사용하고 있다.
일반적인 시공방법은 교반날개가 회전하면서 로드(rod)가 지중에 관입하게 되면 원지반토를 파쇄하고 이완시키고 교반날개에서 분사되는 슬러리가 원지반토와 혼합된다. 슬러리는 시멘트, 석회, 시멘트계 고화제 등이 사용되며, 직선에 처리된 구간의 일부에 중첩되게 계속 시공함으로써 연속적인 벽체가 형성되게 된다.
2.5 얇은막(Thin wall barrier) 차수 공법(HDPE 등)
Thin wall barrier 공법은 geosynthetics의 초 저투수능 차수기능을 이용하여 차수벽을 설치하는 기술이다. 가장 일반적인 제품은 HDPE(high density polyethylene, 고밀도폴리에틸렌)을 가장 많이 사용하고 있다. HDPE sheet 공법은 슬러리벽체의 지하수위 윗 부분이 습윤/건조과정의 반복으로 균열 등의 손상이 발생하는 문제에 대처하여 벽체의 연속성을 확보하기 위하여 1970년대 말에 처음 사용되었으며, 그 후 1980년대부터 HDPE 자체만으로 차단벽을 건설하기 시작하였다.
시공방법은 슬러리 공법으로 개착식 트렌치를 굴착하고 트렌치 안에 수직으로 HDPE 시트를 설치하는 방법과 진동빔 공법을 이용하여 설치하는 방법이 있다. HDPE 시트 양쪽 가장가리에 스틸시트파일과 유사한 연결부가 접합되어 있어 HDPE 시트를 같은 폭의 강철판에 부착한 후 조인트를 통해 삽입하여 벽체의 바닥까지 끌어내려 고정한다. 연결부에는 물에 접촉할 때 팽창하는 지수재를 삽입하여 이 부분을 통한 누수를 방지한다.
(그림 8) HDPE sheet 차단벽의 시공
(그림 9) HDPE sheet의 연결부위의 구조
2.6 매립지의 차단층
차단벽 시스템 구성과 개념적으로 일치하고 있는 일반적인 매립지 설계의 목표는 매립되어 있는 유해성 물질이 환경으로 배출되는 것을 최소화하는 것이다. 이러한 목적을 위한 매립지의 설계 기본 개념은 다음의 두 가지 방법으로 요약된다.
○ 적합한 복토층의 설계와 표면배수시설을 통해 매립지내에서 발생하는 침출수량의 최소화
○ 매립된 폐기물 하부에 라이너와 침출수 집수 시스템을 통해 매립지에서 환경으로 이동하는 유해 물질의 양을 최소화
○ 우리나라보다 매립에 있어 선진국인 미국에서는 매립지의 설계기준을 미국환경보호청(United State Environmental Protection Agency; USEPA)에서 제시하고 있다.
그림 10과 11은 USEPA에서 제시하는 최종복토 최소기준과 이중차수시스템으로 구성된 바닥층의 한 예를 보여주고 있다. 독자들은 이러한 배열이 모든 나라와 기후의 지역에서 가장 최상의 것이 아니라는 것을 알아야 한다. 이용 가능한 건설재료, 폐기물 화학성분과 일반적인 특징, 기후 인자, 그리고 설계사용 기간 등을 기초로 하여 특정지역을 위한 공식화된 형상이 필요하다.
그림 10에서 나타난 바와 같이 폐기물 매립지의 최종복토층은 여러 개의 층으로 구성된다. 최종복토층은 일반적으로 표면배수를 증진하고 침하에 대한 내구성을 가질 수 있도록 설계된다. 상부 식생대층은 침식을 최소화하고 증발산을 증진시키는 목적을 가진다.
저투수성의 점토층과 합성고분자 차수막(Flexible Membrane Liner; FML, 일반적으로 geomembrane)은 단독 또는 복합적으로 최종복토층의 차단층을 형성하여 매립지 내부로의 우수의 침투를 방지한다. 식생대층과 차단층 사이에는 배수층이 존재하며, 또한 미국의 기준에서는 규정하고 있지 않으나 국내의 최종복토 규정에서는 최종복토층 하부에 매립지내에서 발생하는 가스를 배출할 수 있는 가스배제층을 설치하도록 규정하고 있다.
그림 11에서 보는 이중차수시템의 바닥층은 유해물질을 매립하는 매립지에 주로 적용된다. 1차침출수 집배수시스템(Leachate Collection and Removal System; LCRS)은 1차 FML 상부의 수두를 최소화할 수 있도록 설계되며, 2차 LCRS는 1차 FML을 통과하는 침출수를 감지하고 제거하는 기능을 가지며, 그 하부에는 점토층과 함께 2차 FML을 설치하여 배수층의 규정한계(specified limit)를 초과하는 양의 침출수가 토양 및 지하수로 누출되지 않도록 한다.
(그림 10) U.S. EPA에서 제시하는 폐기물 매립지 최종복토 최소기준(U.S. EPA, 1991)
(그림 11) U.S. EPA에서 제시하는 폐기물 매립지 바닥층의 이중차수시스템(U.S. EPA, 1989)
(그림 12) 슬러리월과 다른 차단벽 요소들과의 혼합된 복합차단벽의 예시(Inyang and Brito Galv~ao, 2004)
(그림 13) 토양 및 지하수 오염 확산 방지를 위한 투과성 반응벽(PRB)
2.7 복합차단벽 공법(Composite systems)
오염물질의 차단 시스템의 효율을 증가시키기 위해 둘 혹은 그 이상의 오염물질 차단 구조물의 적용이 필요하다. 이를 위해 많은 구성의 복합 차단 시스템이 있을 수 있으며, 본 장에서는 그림 12에 몇 가지 예를 나타내었다.
그림 12의 A는 복토시스템과 슬러리월이 함께 시공되어 있다. 복토층은 수분(우수)이 폐기물층으로 침투되는 것을 최소화하며, 차단벽은 지하수가 폐기물층 내부로 이동하는 것을 방지하여 차단 시스템 내부의 오염물질이 주변의 지하수와 접촉하지 않도록 한다.
그림 12의 B는 추출정을 이용하여 지하수위를 폐기물층보다 낮게 유지하고 차단벽을 이용하여 외부의 지하수를 차단함으로써 내부의 지하수위를 낮게 유지할 수 있게 한다. 그림 12의 C에서 그라우트는 기반암의 균열된 곳을 채움으로써 균열부위에 존재하는 오염물질이 지하수로 재용출되는 것을 방지하였으며 차단벽은 오염 지역의 지하수를 차단하는 역할을 한다. 그림 12D는 매립지로부터 오염물질 누출에 의한 지하수의 오염을 방지하는 차단벽의 사용을 설명하고 있다. 차단벽 외부에 멤브레인(membrane)의 설치는 가스의 이동을 제어할 수 있게 한다.
2.8 투과성 반응벽(Permeable Reactive Barrier; PRB)
지금까지 전술한 내용들은 오염물질이 주변의 지하수나 토양환경으로 확산되지 않도록 방지하는 기술에 대하여 알아보았다. 본 장에서는 투과성의 반응벽(PRB, 그림 13)를 이용한 토양 및 지하수 오염 방지 기술에 대하여 서술하고자 한다.
앞서 설명한 차단벽과는 다르게 PRB는 투과성을 가지며, 오염물질이 입자상으로 구성된 벽체를 통과하면서 물리·화학적 및 생물학적 반응을 거쳐 오염물질을 제거하는 지중에 설치된 벽체이다. 이는 오염된 지하수의 흐름을 유지한 채로 원위치(in-situ)에서 정화할 수 있으므로 별도의 후처리 및 정화과정에서의 동력이 필요 없는 경제적 공법이다.
PRB의 반응물질로 사용되는 물질로는 영가철(Zero-valent iron; ZVI), 석회석(limestone), 활성탄, 미생물 등이 사용될 수 있다. 보편적인 PRB의 반응물질은 영가철을 많이 이용하고 있으나 유해유기물 등의 분해를 위한 생물학적 투과성 반응벽(permeable reactive biobarrier; PRB)도 많은 연구를 통하여 사용하고 있는 추세이다.
이러한 전체적인 PRB는 염소계탄화수소(Chlorinated hydrocarbons)와 방향족탄화수소(Aromatic hydrocarbons) 뿐만 아니라 크롬, 니켈, 납, 비소, 우라늄 등의 중금속류와 황산염, 질산염, 인산염 등의 무기물을 포함한 지하수의 처리에 사용될 수 있다.
따라서 PRB는 비위생 매립지나, 폐광산, 반도체, 공업단지 등 오염원이 뚜렷하나 오염원의 이전 및 오염원에 대한 직접처리가 곤란한 경우 인접지반으로의 확산을 방지하는 기술이다. 그러나 PRB에 사용되는 반응물질의 경우 오염지하수 중 특정오염물질만을 선택적으로 제거하는 특징을 가진다. 따라서 매립지의 침출수와 같이 오염물질이 복합적으로 존재하는 경우 존재하는 모든 오염물질을 처리하는 것은 어렵다고 할 수 있다.
또한 PRB는 일단 시공되면 유지보수가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제를 보완하기 위하여 필터형으로 유지관리를 높일 수 있는 형태, 중금속 및 유기화합물의 제거와 생물학적으로 분해 가능한 오염물질의 분해효율을 높이기 위한 Multi-PRB의 연구가 진행되고 있다. 이는 PRB를 2단으로 구성하여 전단에는 생물학적으로 분해가 어려운 오염물을 분해하기 위한 반응물이 충전되고, 후단에는 미생물이 부착된 메디아(media)가 충전되어 미생물의 성장과 생물학적으로 분해 가능한 오염물질의 분해를 촉진한다.
또한 M-PRB에 사용되는 충전 물질들은 폐자원을 이용하고, 반응벽체의 기능이 저하되어 분해효율이 떨어지면 이를 쉽게 교체할 수 있는 패키지(package)의 형태로 제작하여 유지보수를 쉽게 할 수 있는 장점을 가지도록 고안되었다.
3. 결 론
토양 및 지하수 오염은 한 가지의 오염물질에 의한 것보다는 여러 가지 오염물질에 복합적으로 오염된 경우가 대부분이며, 복원비용 역시 많은 경제적 부담으로 작용하고 있다. 따라서 하나의 복원공법로 이러한 모든 오염물질을 모두 처리할 수 있는 기술은 복원효과를 저하시키며 향후 다른 문제점을 야기시킬수도 있다고 본다. 따라서 오염물질의 성질과 부지의 특성을 기초하여 오염부지의 정화기법을 선정해야 한다.
본 稿에서 소개한 차단벽 시스템은 오래전부터 오염된 토양 및 지하수의 확산을 방지하는데 매우 유용하게 사용될 수 있는 기법이라 사료된다. 차단벽 시스템은 전술한 바와 같이 여러 가지 종류가 있으며 현장조건 및 오염물질의 특성에 따라 이들을 선택할 수 있으며, 차단벽 시스템의 사용에 있어 가장 중요한 것 중 하나는 이들의 구성 및 배치를 어떻게 하느냐 하는 것이다. 이것 또한 현장 상황에 맞게 여러 가지로 구성할 수 있으며 몇 가지 예를 본 稿에서 제시하였다. 또한 최근에는 오염확산 방지를 위하여 일정한 기간을 설정하고 복원하는 방법으로 PRB(M-PRB 등)에 대하여 많이 연구하고 사용하는 추세라고 볼 수 있다.
우리나라와 같이 국토가 협소한 나라에서는 도시지역 인근의 오염된 토지(Brownfield)를 재활용하고자 하는 노력들이 있으며, 이러한 경우 부지 내에 잔류하는 오염물질이 주민들에게 노출되는 것을 방지하는 시설의 설치가 필요하다. 본 稿에서 서술한 차단벽 시스템은 오염물질 제거를 위해 부지를 굴착 하지 않으면서 오염물질이 인근의 토양이나 지하수로 확산되는 것을 방지하고 오염물질이 표면으로 배출되는 것을 방지하여 오염된 부지를 주거나 레크레이션 공간으로의 재활용을 가능하게 한다.
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