DNAPL과 LNAPL의 토양 내 불포화지대와 포화지대에서의 이동현상과

지하수의 펌핑을 이용한 유기 오염물 제거에 대한 모사

김주형, 이종협

서울대학교 화학공학과

Simulation for Transportation Phenomena of DNAPL and LNAPL

in Unsaturated zone or Saturated zone

and for the Removal of NAPLs by Water Pumping

Ju-hyung Kim and Jongheop Yi

Department of Chemical Engineering, Seoul National University

서론

지하수 및 토양의 유기 오염원의 분류는 여러 가지 기준으로 이루어질 수 있으나, 크게 물의 밀도를 기준으로 하여 DNAPLs(dense nonaqueous-phase liquids)와 LNAPLs(light nonaqueous-phase liquids)로 나눌 수 있다. 휘발유, 등유, 제트 연료, 벤젠, 톨루엔 등과 같은 LNAPLs는 물보다 가벼워서 지하수면 위의 불포화지대에 주로 분포하며, 트리클로로에틸렌, 디클로로벤젠, 메틸렌클로라이드 등의 DNAPLs는 포화지대(saturated zone)뿐만 아니라 지하 암반의 틈새까지 오염시킨다. 이러한 유기오염원의 현장처리(in situ treatment)를 위하여 SVE(soil vapor extraction), air-sparging, biodegradation 등의 방법들이 많이 연구되어 왔으나, 대량의 유기 오염물이 유출되어 장시간 방치되었을 경우 불포화지대의 잔류오염물뿐 아니라 지하수의 경계면 혹은 그 이하까지 확산된 오염물을 제거하기 위해서는 유기오염물을 지하수와 함께 펌프로 퍼내는 것이 가장 쉽고 효과적인 방법이다.

본 연구에서는 DNAPL과 LNAPL이 서로 다른 투수계수를 갖는 지층을 통하여 중력에 의하여 확산 또는 이동할 경우, 지하수의 표면과 접촉하여 경계면을 형성하고, 지하수의 흐름을 따라 횡방향으로 이동하는 현상을 비정상상태에 대하여 모사하였다. 포화지대에서 어느 정도 안정된 경계면을 형성한 유기오염물에 대하여 위에서 언급한 바와 같이 펌핑을 통해 유기막 및 부유 덩어리를 제거하는 공정을 역시 시간에 따라 모사 하여 그 특성을 살펴보았다.

본 연구를 통해 지층의 특성, 지하수의 유속, 그리고 오염물의 물성에 따른 오염경위를 확인하고, 이 오염물의 제거공정에 대한 타당성을 얻을 수 있다.

이론 및 계산

이 모사에서는 100×60개의 각 cell에 대하여 식 (1)과 같은 층류에 대한 운동량 보존방정식을 가지고 시간에 따른 각 상(air phase, water phase, and NAPL phase)의 부피비와 속도 등을 simple 알고리즘을 통해 계산하였다.

[eqn: partial over {partial t} rhou_i ~ + ~ partial over {partial x_j} rhou_i u_j~=~ -~{partial it p} over {partial x_i} ~+~ partial over {partial x_j} [``mu (~ {partial u_i}over{partial x_j}~+~ {partial u_j}over {partial x_i}~ )~] ~+~ rhog_i ~+~ F_i]  (1)

위 식에서 마지막 항 Fi는 운동량 감쇄항으로서 -[eqn: alpha { mu~u_i over beta }]와 같다. 이때 1/□는 porosity, □는 permeability, □는 viscosity를 나타낸다.

Fig. 1과 같이 100m×60m로 2차원의 실제 지형을 가정하였는데, 토양에 대하여 4개의 지층을 나누어 아래층부터 1, 10, 100, 1000 darcy의 permeability를 가진다고 가정하였고, 각 지층은 모두 0.5의 porosity를 가진다고 가정하였다. 유기오염물의 밀도는 DNAPL이 1.3g/cm3, LNAPL이 0.67g/cm3이라고 가정하고 지하수의 유속은 0.01m/day로 횡방향으로 흐른다고 가정하였다. 오염물은 Fig. 2와 같이 초기에 지하수면으로부터 35m 위에서 단면적 25m2만큼 존재한다고 가정하여 이때부터 시간에 따른 모사를 수행하였다.

펌핑의 경우는 약 20일이 지난 후의 유기오염물의 분포상태에서 지하수면보다 10m 아래에 위치한 pumping well의 하부에 절대압력으로 0.5atm의 음압을 걸어 계산을 수행하였다.

결과 및 토론

계산은 DNAPL의 이동현상, LNAPL의 이동현상, 그리고 DNAPL에 대한 pumping에 대하여 각각 독립적으로 행해졌다.

우선 unsaturated zone에서 중력에 의하여 이동할 때, LNAPL은 모양이 DNAPL에 비하여 보다 넓적한 형태를 띠면서 아래로 떨어졌고, 공기층과의 경계층이 다소 모호했다. 그리고 수면에 닿을 때까지의 시간은 DNAPL이 18시간, LNAPL이 1.6일 정도로 unsaturated zone에서는 DNAPL의 확산이 보다 빨리 일어났다. 물에 닿는 순간의 fluctuation은 LNAPL이 보다 심하게 나타났으나 시간이 경과할수록 비교적 고르게 수면 위로 퍼져 나갔다.

DNAPL은 물보다 밀도가 높음에도 불구하고 수면에 닿은 후 경계면으로 어느 정도 퍼지면서 이동하였는데, LNAPL은 연속된 경계면을 이루며 지하수 흐름을 따라 이동하는 반면 DNAPL은 군데군데에서 경계면이 끊어지는 현상을 보였으며, 수면 아래로 몇 개의 혹처럼 보이는 핵을 형성하며 이를 중심으로 분포하려는 경향을 보였다. Unsaturated zone에서와는 달리 saturated zone에서는 LNAPL이 DNAPL보다 빠른 속도로 횡방향으로 이동하였는데, 이것은 물에 의한 부력을 더 크게 받아서 일어나는 현상으로, 앞서 언급한 경계면의 연속성과 연관되는 문제로 보인다. Fig. 3과 Fig. 4에 지하수면을 따라 이동하고 있는 DNAPL과 LNAPL의 형태를 도시하였다.

Water pumping은 지하수면의 조금 아래에 pumping well을 장치하여 음압을 걸어 물과 함께 부유오염물을 제거하기 위한 공정인데, 이때 지하수의 유속이 그리 빠르지 않고 깊은 지층의 투수율이 그리 높지 않기 때문에 pumping well을 중심으로 지하수면이 휘어서 움푹 들어가는 현상을 이용하여 중력에 의하여 부유오염물이 well을 향하여 확산되어 보다 넓은 범위를 쉽게 정화할 수 있다. 특히 DNAPL의 경우 모사결과 많은 부분이 부유상태에 있고, 수면 아래에 핵을 형성하는 점을 이용하여 핵 근처에 well을 장치하여 보다 효과적인 제거가 가능하리라 예상된다.

DNAPL의 20일 경과후의 수면위의 분포상태에서 pumping을 시작하였는데, 다소 높은 음압(0.5 atm absolute)에 기인하는 것으로 고려되는 fluctuation이 발생하였다. Pumping을 시작한지 약 6일의 시간이 경과하면서 well 근처의 압력분포가 안정되었고, 지하수면도 well의 양쪽으로 휘어서 움푹 들어간 형태를 갖추었다. Fig. 5는 27일이 경과한 후 DNAPL의 분포를 도시한 것인데, pumping 이전에는 Fig. 3과 같이 분포하던 것이 굽어진 지하수면을 따라 well을 향하여 이동하며 제거되는 것을 나타내고 있다. Fig. 6은 같은 시간이 경과했을 때의 지하수면의 굽어진 모양을 잘 나타낸다. Pumping을 시작할 때의 DNAPL의 최대 상대부피가 0.171이었으나, 이로부터 2일 경과 후 0.173, 5일 경과 후 0.147, 6일 경과 후 0.118, 7일 경과 후 0.07, 그리고 8.4일 경과(초기상태로부터 28.4일 경과) 후 DNAPL의 최대 상대부피가 0.0107인 계산 결과로 미루어 볼 때, 일단 압력분포가 안정이 되고 지하수면의 휘어진 모양이 갖추어 지면 제거속도가 급속히 증가한다는 사실을 알 수 있다.

Water pumping을 통하여 saturated zone의 LNAPL뿐 아니라 DNAPL까지 제거할 수 있는 가능성을 이 모사를 행한 결과 얻을 수 있었다. 그러나 지하수의 유속이 매우 빠를 경우에는 휘어진 수면의 모양을 얻기가 힘들 것이며, 다른공정보다 비교적 큰 동력을 필요로 하는 공정이라는 단점이 있다. 하지만 이 공정은 쉽고 장치가 간단하며 다른공정에서 다루기 힘든 saturated zone에서의 비휘발성 유기물의 처리가 가능 할 뿐 아니라, 안정된 형태로 고정되어 있는 지하수면 위의 오염물을 지하수면을 낮추어 unsaturated zone에 노출시켜 유동이 가능하게 함으로써 SVE 등의 공정과 연계하는 등 응용성이 많은 공정으로 생각된다.

참고문헌

1.  Lionel, J.J. C, and Francis, A.L. D., "Application of Gravity Drainage to

the Recovery of Residual LNAPL in Homogeneous and Lensed Sand

Packs", J. of Contaminant Hydrology 18, 279-306(1995)

2.  Domino, G., "Hazardous Waste Site Remediation - sourse control", Lewis

Publishers(1993)

3.  David, J. W., and Ann, N. C., "Hazardous Waste Site Soil Remediation",

Mark Dekker, Inc.(1994)

4.  Edward, J. C., and Paul, T. K., "Hydrocarbon Contaminant Soils and

Ground water", volume 2, Lewis Publishers(1991)

Fig. 1 Grid and Geometry

simulated in the study