Recently, the contamination of soil and groundwater by leakage from underground storage tanks (USTs) has gained increased interest. Generally, petroleum is composed of hundreds of components including BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene), the representative contaminants. For relevant management, more studies on the behavior of multi-component contaminants are necessary. However, it has not been studied extensively until these days. This dissertation researched the remediation process evaluation method based on leaching potential and monitoring technology for an integrated and reasonable management of the soil vapor extraction (SVE) process.
Firstly, a simple and cost-effective risk-based process evaluation method was suggested by introducing Raoult’s law for predicting the leaching potential as well as the volatilization of multicomponent contaminants. Then, the risk-reduction characteristics during the SVE were discussed based on the leaching potential. From the experimental results, it was found that the equilibrium model and Raoult’s law had some limitations in predicting the vaporization and the leaching potential at the latter part of the SVE process. Therefore, a series of experiments were conducted to complement these limitations and understand the behavior of the contaminants. The effect of the amount of NAPLs on the leaching potential was investigated by varying the NAPLs to water ratio. The effect of soil structure, organic content, and particle size was compared to characterize the mass transfer during the SVE process.
In addition, a proper monitoring technique is required to perform an efficient process management. In the present work, both effluent gas monitoring and groundwater monitoring methods were investigated. By using a ceramic gas sensor for the effluent gas monitoring, a fast and cost-effective understanding of the status of the SVE process was possible. Moreover, it is expected that this method can be used as an alternative real-time monitoring technique in real sites. On the other hand, proper and precise groundwater monitoring technology is also essential to verify the theoretical approach and establish a reasonable decision-making. In this study, solid phase microextraction (SPME) technology, which is widely used lately because of its fast and accurate analytical capability, was studied as an innovative and advanced monitoring technology for groundwater monitoring.
최근 들어 누유로 인한 토양 및 지하수 오염에 대한 관심이 나날이 높아지고 있다. 일반적으로 유류는 대표적 오염물질인 BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) 이외에도 수백 가지 복합 화합물로 이루어져 있다. 따라서 이의 적절한 관리를 위해서는 복합 오염물의 거동에 관한 보다 많은 연구가 필요한 실정이지만, 현재까지는 관련 연구가 미비하다. 본 논문에서는 대표적 유류오염토양 복원 기술인 토양증기추출 (SVE; soil vapor extraction) 공정의 통합적이고 합리적인 관리를 위하여, 침출 평형 가정에 근거한 공정 평가 방법 및 모니터링 기법에 관한 연구를 수행하였다.
먼저 BTEX를 대상으로 복합 오염물의 휘발 거동과 더불어 라울의 법칙에 근거한 침출 평형 농도 모델을 도입함으로써, 위해도에 근거하여 간단하면서도 경제적으로 복원 공정을 평가할 수 있는 방안을 제시하였고, 토양증기추출 공정의 운전에 따른 위해도 저감 특성에 관해 논의하였다. 또한 제시된 모델의 적용 타당성을 검증하기 위한 실험을 수행한 결과, 평형 가정에 근거한 오염물의 휘발 모델과 라울의 법칙에 근거한 침출 모델을 이용하여 토양증기추출공정 중 오염물의 전체적인 거동을 파악할 수 있음을 확인하였다. 그러나, 이러한 모델은 공정 후반부에서 오염물의 휘발이 점근적인 특성을 나타냄에 따라 실제 현장에서의 적용에 한계가 있음이 드러났다.
이러한 단점을 보완하기 위하여, 본 연구에서는 오염물의 거동을 보다 잘 이해하고 이를 모델의 개선에 응용하기 위한 연구를 수행하였다. 먼저, 오염물의 질량 감소에 따른 라울의 법칙의 적용 한계를 명확하게 하기 위하여, NAPLs (non-aqueous phase liquids)와 증류수의 비율 변화에 따른 용출 특성을 파악하였다. 실험 결과, NAPLs의 양이 감소함에 따라 라울의 법칙에서 벗어나는 용출 특성이 나타남을 확인할 수 있었는데, 이 때 공존하는 오염물의 종류와 특성에 따라 용해도가 감소하거나 증가함을 관찰하였다. 따라서, 향후 저농도 영역에서 이러한 복합 오염물의 용출 특성을 보다 잘 이해하기 위한 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 또한, 오염물의 휘발 거동에서 점근적 특성에 기여하는 물질전달 제한 요인에 관한 연구를 수행하였으며, 기존의 연구에서 주로 다루어졌던 함수율 및 토양 입자의 크기뿐 아니라, 토양 입자의 구조적 특성이 중요한 역할을 하는 것으로 드러났다.
현장에서 이러한 이론적 모델들을 토대로 효율적인 공정 관리를 수행하기 위해서는 적절한 모니터링 기법이 요구되는데, 본 연구에서는 토양증기추출 공정의 배출가스 모니터링과 오염부지 내 지하수 모니터링 기법에 관한 연구를 동시에 수행하였다.
먼저, 배출가스 모니터링에 세라믹 가스센서를 이용함으로써 경제적이면서도 신속하게 현장의 토양증기추출 공정 진행 상황을 파악할 수 있었으며, 이 방법은 향후 현장에서 실시간으로 모니터링할 수 있는 적절한 대안으로 활용할 수도 있을 것으로 기대된다.
또한 제시된 침출 모델의 검증과 현장에서의 합리적인 의사 결정을 위해서는 침출수 및 지하수의 오염 농도를 관찰하는 것이 필수적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 빠르고 신속하며 정확하게 미량 분석이 가능하여 최근에 널리 각광 받고 있는 고상미량추출장치를 이용한 지하수 모니터링 기법에 관한 연구를 수행하였다. 고상미량추출을 위해 사용한 Carboxen-PDMS fiber는 휘발성 유기 오염물에 대한 추출능이 매우 뛰어난 것으로 알려져 있으나, 복합 오염물의 존재 시 경쟁적 흡착 반응에 의한 간섭으로 아직까지 현장 적용에 한계가 있다. 연구 결과, 분자량 및 증기압이 Carboxen-PDMS fiber에 의한 BTEX 각 성분의 선택적 추출에 영향을 미치는 것으로 나타났고, 오염물의 조성뿐만 아니라 오염물의 총량이 각 성분의 추출량에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 이러한 경쟁적 추출 기작을 보다 잘 이해함으로써, 향후 Carboxen-PDMS fiber를 이용한 효과적 지하수 모니터링이 가능할 것으로 기대된다.
