서론

국내의 석유비축사업은 에너지 안보 차원에서 추진되던 기존의 공익적·정적 패러다임에서 벗어나 비축자산을 운영하여 경제성을 획득하고자 하는 수익적·동적 비축 개념으로 진화하고 있다(KNOC, 2016). 최근에는 유류를 지하 공동(cavern)에 저장하는 경우가 선호되는데 이는 지상 저장에 비하여 향상된 보안성을 지니며 만일의 경우 주변 환경에 미치는 피해를 최소화할 수 있기 때문이다. 국내의 지하석유비축 규모 및 운영은 국제적으로 가장 선도적인 위치에 있어 최근에는 외국에 건설 및 운영기술을 수출하는 단계에 이르렀다.

대부분의 지하 저장공동은 그 규모가 매우 크므로 무복공 상태로 건설되며 이 때 공동의 기밀성을 유지하여 저장 유류의 누출을 방지하는 주 매질은 공동 주변의 지하수이다. 그러나 자연 지하수만으로 공동 주변에 충분한 수압을 가하기는 어려우므로 국내에서 운영 중인 지하 비축기지의 대부분은 수장막(water curtain) 시스템을 채용하고 있다. 수장막 시스템이란 공동 상부에 다수의 수평공들을 뚫은 후 외부 주입수를 공급하여 공동 주변 균열면을 따라 흐르게 함으로써 유류 증기압보다 높은 외부 수압을 가하여 누유 및 누기를 억제하는 기술이다.

수장막 시스템을 이용한 지하 유류비축기지의 운영에 필수적인 것은 안정적 수두 및 원활한 주입수 흐름의 유지이다. 정상적인 상태에서 주입수는 외부 주입 → 공동 주변 균열면 → 공동으로 이동하게 된다. 그러나 어떠한 원인으로 인하여 주입수 흐름을 막는 현상인 클로깅(clogging)이 주입수 유로에 발생하게 되면 그 지점에서 정수압이 감소하여 증기압을 억제할 수 없게 되어 저장물 누출의 위험이 발생한다. 따라서 클로깅의 감지 및 예방은 지하 유류비축기지의 안정적 운영을 위하여 매우 중요하다.

물리·화학적 반응에 의한 클로깅 원인은, 과포화(oversaturated) 조건에 의한 수산화물, 탄산염, 황산염, 황화물 등의 침전, 철 및 망간의 산화성 침전, 부유물질의 침전, 일차 조암광물의 가수분해(hydrolysis)에 의한 이차광물(예를 들면 점토광물) 형성으로 인한 부피 팽창 등을 들 수 있다(Kim et al., 2011). 미생물학적 원인으로는 주입수 및 지하수에 생존하는 세균(bacteria)에 의한 바이오필름(biofilm) 형성으로 인한 간극 폐색을 들 수 있다. 특히 미생물학적 원인에 의한 클로깅은 물리·화학적 클로깅에 비하여 단기간에 다량의 바이오필름이 형성되어 주입수 흐름을 저해할 수 있으며(Kim et al, 2011), 클로깅 현상 유발 외에도 탄화수소 분해에 따른 저장 유질 저하, 황산염환원(sulfate- reducing) 세균에 의한 황화수소 발생 및 지하구조물 부식 현상 야기 등 부가적인 피해를 미칠 수 있다. 지하 유류비축기지의 안정적 운영을 위하여 한국석유공사를 비롯한 비축회사들은 매년 각 지점별 지하수 시료 채취 및 물리·화학·미생물학적 분석을 수행하여 수질 모니터링을 실시하고 있다(Lee, 2015).

지하 유류비축에 대한 지구화학적·미생물학적 연구는 외국에 비하여 국내에서 더 활발히 수행되고 있다. 외국의 경우, 체코의 가스비축공동 주변의 수리지구화학 연구 결과가 보고된 바 있다(Jezerský, 2007). 국내의 경우, Shin et al (2000)은 주입수 내에 용해되어 있는 탄화수소에 의한 클로깅 발생 가능성을 조사하였다. 지하 유류비축기지 주변의 수리지구화학적·미생물학적·광물학적 연구는 다수 보고된 바 있는데(Jeong, 2004; Kim et al, 2008; Lee et al, 2005, 2007, 2008), 최근 Kim et al(2011)은 암석 코어에 인공 열극을 형성한 후 철 산화물, 미생물 바이오필름, 삼출수 처리수 주입 등에 의한 클로깅을 실험적으로 연구하였으며, Park et al (2012)은 미생물학적 클로깅을 방지하기 위한 살균제의 효능을 비교한 바 있다.

이 연구에서는 비축기지 현장에서 발생하는 다음 두 가지의 잠재적 위험요소를 실험적으로 규명하고자 하였다.

첫째, 국내 많은 지하 유류비축기지의 경우, 공동 건설시 타설하였던 숏크리트 용해로 인하여 오랜 기간이 경과한 후에도 수장막 시스템 내 지하수의 pH가 높은 알칼리성을 띠는 경우가 많아 방해석(calcite: CaCO₃) 등 탄산염 광물 침전 가능성이 높은 경우가 보고되고 있다(Geogreen21, 2014; Lee, 2015). 한국석유공사가 운영하는 5개 지하비축기지의 경우, 4개 기지의 수벽터널수 등에서 최대 pH 약 12에 이르는 강알칼리성의 특징을 보이며 방해석이 과포화 상태인 것으로 나타난다. 방해석 침전이 심각해지면 클로깅으로 인한 수장막 주입수 기능 상실 및 유저장 공동내부의 여러 배관 폐색 등의 부작용이 발생할 가능성이 있다. 아직 방해석 침전에 의한 간극 폐색 및 지하수 흐름 저해 여부가 실험적으로 규명된 적이 없으므로 이에 대한 연구가 필요하다. 따라서 이 연구에서는 인위적으로 방해석 침전을 유도하는 용액을 열극에 주입한 후 삼출수 유량의 변화를 시간에 따라 측정하였으며, 방해석 클로깅에 대한 약산(weak acid) 처리가 삼출수량 회복에 기여하는지의 여부를 관찰하였다.

둘째, 매년 비축기지 현장 시료의 미생물학적 분석 결과, 호기성세균과 더불어 점액생성균(slime-forming bacteria)의 개체수가 가장 높은 것으로 나타난다(Geogreen21, 2014; Lee, 2015). 점액성 물질을 생성하는 세균은 지하수 유로 내에 점액성의 세포외 중합체(EPS; extracellular polymeric substances)로 구성된 바이오필름을 형성하므로 클로깅을 유발할 위험이 특히 크다고 할 수 있다. Kim et al (2011) 및 Park et al (2012)은 암석 코어(core) 내 열극면에 미생물학적 클로깅을 유도하는 실험을 수행한 바 있으나, 이 때 일반 세균 배양액인 TSB (trypticase soy broth)를 사용함으로써 점액생성균의 선별적 활성화를 시도하지는 않았다. 따라서 지하수 시료 내 점액생성균의 활성을 특별히 촉진하기 위하여 적합한 배양액을 공급한 실험을 수행할 필요가 있다. 이 연구에서는 암반 열극면을 모사한 컬럼실험 장치를 제작하여 인위적으로 점액생성균에 의한 바이오필름 형성을 유도한 후, 열극면을 통과한 삼출수 유량 측정 및 살균제 투입 후 변화 등을 시간에 따라 관찰하였다.

연구방법

암석 코어 성형 및 컬럼실험 장치 설치

실험에 사용한 NX 암석 코어는 Kim et al (2011) 및 Park et al (2012)과 동일한 방법으로 성형하였다. 실험에 사용한 코어는 결정질 화강암으로 투수율이 매우 낮아 자연적인 주입수의 흐름을 도저히 모사할 수 없다. 따라서 절단한 결정질 화강암 시추 코어에 점재하 강도시험기를 이용하여 시료의 종 방향으로 인위적 열극면을 형성한 후 실험 목적에 맞게 조제한 주입수를 흐르게 하였다. 측정된 코어의 직경은 45.0 mm, 길이는 88.0~92.0 mm로서 평균 90.0 mm이었다. 성형한 코어는 121°C에서 15분간 고압멸균(autoclave) 후, 6시간 이상 자외선을 조사하여 살균 처리하였다.

컬럼실험에 사용한 코어 홀더(holder)의 길이는 95.0 mm로서 내부에 암석 코어가 위치하도록 아크릴로 제조하였다(Fig. 1). 주입수가 코어 내 열극면으로만 흐르게 하기 위해 코어와 홀더 사이의 간격은 실리콘으로 단단히 밀봉하였다. 코어 홀더 역시 사용 전 자외선 처리를 하였다.

컬럼과 결합한 코어를 종방향으로 배열하였으며, 이 때 코어 내 주입수의 체류 시간을 연장할 필요가 있을 때에는 횡방향으로 배열하였다. 주입수가 담겨진 대형 수조를 코어 상부 일정한 거리에 위치하여 수두차(h; 30.18±0.33 cm)에 의한 일정한 압력에 의하여 코어 열극면으로 흐르게 구성하였다. 연동식(peristaltic) 펌프를 이용하여 수조에 주입수를 지속적으로 공급하였으며 수조 내에서 일정 높이를 초과하면 물이 배출될 수 있도록 장치하여 동일한 주입 압력을 유지하였다(Fig. 2).

Fig. 1.

Core holders with cores mounted in.

Fig. 2.

(a) Schematic diagram and (b) experimental equipment designed to maintain solution flow under constant pressure through rock cores.

방해석에 의한 클로깅 실험

열극면에 방해석 생성을 유도하기 위하여 증류순수 1 L에 NaCl 116.8 mg, NaHCO₃ 168 mg, CaCl₂ 232.7 mg을 용해하여 주입수로 사용하였다(Lee and Morse, 1999). 주입수 내 이온 농도가 높으면 주입 전 수조 내에서 이미 방해석을 형성하며, 부족할 경우 열극면에 방해석이 침전되는 시간 소요가 클 것이다. 이를 파악하기 위하여 실험 전 위에 기재된 성분의 5배 및 10배 농도의 용액을 제조하여 시험한 결과, 10배 농도의 경우 증류순수에 투입한 즉시, 5배 농도의 경우 시약 투입 후 약 5분이 경과하자 흰색 부유물질이 형성되었다. 위에 기재한 농도는 수 시간이 경과하여도 육안상 부유물질 형성이 관찰되지 않아 컬럼 실험에 가장 적절한 것으로 판단하였다. 컬럼 실험시 주입수는 질소가스로 12시간 purging 후 실험에 투입하였다. 장기간에 걸친 주입수조 내 방해석 침전을 방지하기 위하여 주입 용액은 2일에 한번 신선한 것으로 교체하였다. 주입수의 pH는 실험 도중 7.62~8.17로 거의 일정하였다. 열극면 내 용액의 체류시간을 다르게 하기 위하여 코어 시료는 각각 종방향 및 횡방향으로 위치시켜 실험을 진행한 후 결과를 비교하였다. 삼출수 시료의 시간당 유량 및 pH를 측정하였으며 각 실험은 중복실험으로 수행하였다. 실험 후 종방향 컬럼을 개방하여 형성된 방해석을 XRD로 확인하였다.

횡방향 컬럼 실험에서 열극면 폐색이 발생한 후 산(acid)을 주입하여 방해석 침전물 용해를 유도함으로써 삼출수량의 회복 여부를 관찰하였다. 적절한 산과 그 농도를 결정하기 위하여 플라스크에 방해석 침전을 유도한 후 1 N 및 0.1 N의 HCl과 H₂SO₄를 각각 주입하여 방해석 용해를 육안으로 관찰하였다. 관찰 결과, 0.1 N HCl이 가장 낮은 농도로 효율적인 용해를 유도하는 것으로 나타나, 0.1 N HCl을 열극면이 폐색된 횡방향 컬럼에 주입하였으며 역시 시간에 따른 삼출수량을 측정하였다.

점액생성균에 의한 클로깅 실험

현재 운영 중인 지하 유류비축기지 현장 내의 토착(indigenous) 세균을 분리하기 위해 한국석유공사 Y기지의 관측공과 담수터널수 및 E1 Y기지의 관측공과 담수터널수에서 각각 물 시료를 채수한 뒤 5°C 이하로 보관하여 실험실로 운반하였다. 현장에서 YSI 556 MPS를 사용하여 pH, 산화환원전위, 전기전도도, 현장 총용존물질(TDS), 온도, 용존 산소(DO)를 측정하였다.

두 기지의 관측공 및 담수터널수에서 생장하는 세균 중 호기성, 혐기성, 점액생성, 황산염환원(sulfate-reducing) 세균의 개체수를 평판계수법(plating counting)으로 측정하였다. 각 세균 배양을 위한 배지는 현재 한국석유공사에서 운영 중인 지하 유류비축기지에 대한 미생물학적 분석 과정에서 널리 쓰이는 배지를 선택하였다(Lee, 2015).

호기성균은 한천배지(nutrient agar; Difco)에 멸균 증류수로 적당량 희석한 시료를 0.1 mL 접종한 후 25°C에서 3일간 항온 배양하여 나타난 집락수(colony-forming unit)를 측정하였다. 한천배지의 구성은 다음과 같다; 고기추출물(beef extract) 3.0 g/L, 펩톤(peptone) 5.0 g/L, 한천(agar) 15.0 g/L.

혐기성균은 혐기성 한천배지(anaerobic agar; Merck)에 시료 1 mL을 혼석평판법(pour plate)으로 접종한 후 25°C에서 5일간 CO₂-H₂ 혐기병(anaerobic jar) 내에서 배양시킨 후 나타난 집락수를 측정하였다. 이 때 혐기성 한천배지의 구성은 다음과 같다; 카세인 펩톤(peptone from casein) 10.0 g/L, 대두박 펩톤(peptone from soymeal) 5.0 g/L, 효모추출물(yeast extract) 5.0 g/L, NaCl 5.0 g/L, sodium thioglycolate 2.0 g/L, sodium sulfoxylate formaldehyde 1.0 g/L, L-cystine 0.4 g/L, D(+)-glucose 10.0 g/L, 메틸렌블루(methylene blue) 0.002 g/L, 한천 12.6 g/L.

점액생성균은 SP(McCurdy) 한천배지에 멸균 증류수로 적당량 희석된 시료 0.1 mL을 접종한 후 25°C에서 5일간 배양하여 나타난 집락수를 측정하였다. 이 때 SP 배지의 구성은 다음과 같다; 라피노스(raffinose) 1.0 g/L, 자당(sucrose) 1.0 g/L, 갈락토스(galactose) 1.0 g/L, 가용성 녹말(soluble starch) 5.0 g/L, MgSO₄·7H₂O 0.5 g/L, KH₂PO₄ 0.25 g/L, casitone 2.5 g/L, 한천 15.0 g/L.

황산염환원균은 sodium sulfate(Na₂SO₄, 5 g/L)와 ferrous sulfate(FeSO₄, 0.05 g/L)를 첨가한 혐기성 한천배지에 시료 1 mL을 접종한 후 25°C에서 10일간 혐기적 조건에서 배양하여 나타난 집락수를 측정하였다.

이 중 바이오필름을 형성하므로써 미생물학적 클로깅 발생에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보이는 점액생성균의 동정(identification)을 수행하였다. 이를 위하여 현장에서 채수한 시료 0.1 mL을 SP 한천배지에 접종한 뒤 도말하여 25°C에서 3일 동안 호기적 환경에서 배양하였다. 생성된 미생물 집락을 단일 분리한 후 SP 배지에 수 회 이상 계대배양한 순수한 균체를 대전광역시 (주)마크로젠에 의뢰하여 16s rRNA 분석방법으로 동정하였다.

현장에서 분리한 점액생성균 중 후속 컬럼실험에 사용할 개체를 선정하기 위하여 SP 배지 내 생장 속도를 조사하였다. 분리한 집락을 멸균 SP 배양액 30 mL에 접종한 후 각각 100배 및 1,000배로 희석하여 25°C 조건에서 60시간 동안 배양하며 4시간 간격으로 UV-vis (Shimadzu; UV mini 1204)를 이용하여 흡광도 600 nm에서 광밀도(optical density)를 측정하였다. 성장 속도를 고려하여 가장 빠른 성장률을 보인 두 종의 균주를 선택하여 후속 컬럼실험에 사용하였다.

컬럼실험에서는 10% SP 배양액을 주입수로 하여 정압조건에서 횡방향으로 배열한 암석 코어에 주입하였다. 이 장치를 통하여 대기 중에 자연적으로 존재하는 세균 중 SP 배지를 이용할 수 있는 점액생성 혼합균주(unidentified bacterial consortium)를 활성화시킬 것으로 예상하였다. 한편 현장에서 분리·배양된 두 종의 토착 점액생성균만을 각각 단일 균주로 하여 장시간 동안 외부 오염 없이 실험하는 것은 실험장치의 구조상 매우 어려우므로 대신 이들을 우점종으로 한 혼합균주 실험을 조성하였다. 이를 위하여 현장에서 분리된 세균 집락을 5 mL MHB (Mueller-Hinton broth) 용액에 분산시킨 후 10% SP 배양액 20 L에 접종한 후 이를 컬럼 주입수로 사용하였다. 각 경우에 대하여 열극면을 통과한 삼출수량을 시간에 따라 모니터링하고, 삼출수의 유량이 현저히 줄어 간극 폐색이 발생하였을 때 살균제를 투여하였다. 이 때 살균제는 50 ppm의 과산화초산(peroxyacetuc acid; CH₃COOOH)을 주입하였으며(Park et al, 2012), 이후 간극이 다시 폐색되면 살균제의 농도를 100 ppm으로 증가시켜 주입하였다. 중복실험으로 수행하였으며, 시간에 따른 삼출수량을 측정하였다.

실험 종료 후 암석 열극면에 발달된 바이오필름의 생물량을 정량하기 위하여 열극면을 crystal violet 용액으로 염색한 후 에틸알콜로 탈색하여 탈색한 용액을 595 nm 조건에서 흡광도를 측정하였다(Kim et al, 2011).

결과 및 고찰

방해석에 의한 클로깅 실험

Lee (2015)에 의하면 한국석유공사 G 기지, Y 기지, P 기지, U 기지 등의 수벽터널수 및 담수터널수 등에서 방해석의 포화지수(saturation index)가 양의 값을 보여 열역학적으로 방해석이 침전될 수 있음을 나타낸다. 이 때 포화지수는 아래 식 (1)과 같으며, 포화지수 값이 양이면 침전, 음이면 용해, 0이면 평형 상태에 있음을 나타낸다.

IAP: ionic activity products,

K_sp: solubility product at equilibrium.

열극면에 방해석이 형성되도록 위에서 말한 조성으로 주입수를 조제하였으며 이 때 주입수의 방해석 포화지수는 0.147로서 과포화상태인 것으로 계산되었다.

한편 물에서 쉽게 침전할 수 있는 다른 광물들, 예를 들면 수활석(brucite, Mg(OH)₂), 석고(gypsum, CaSO₄·2H₂O), 암염(halite, NaCl), 마그네사이트(magnesite, MgCO₃) 등은 한국석유공사에서 오랜 기간에 걸쳐 수행한 수질분석 결과 한 번도 과포화상태를 나타낸 적이 없어 이 연구에서는 제외하였다.

주입수를 주입한 후 시간에 따른 삼출수량의 변화를 Fig. 3(a)에 나타내었다. 삼출수의 pH는 초기 약 7.7에서 간극 폐색이 나타날 때 약 8.4로 완만히 증가하였다. 주입수의 흐름을 종방향 및 횡방향으로 하여 각각 중복실험으로 수행한 결과, 두 경우 모두 시간이 경과하며 삼출수량 감소가 관찰되어 열극면에 방해석 침전에 의한 간극 폐색이 발생한 것으로 보였다. 이 때 열극면 내 주입수의 흐름이 느린 횡방향 실험의 경우 약 7일 경과 후 거의 삼출되지 않아 종방향(약 14일)에 비하여 방해석으로 인한 폐색이 신속히 발생하였다. 이는 실제 지하비축기지 내 열극면에서도 주입수의 흐름이 느려지는 부분에서 방해석의 침전이 더욱 활발히 발생할 수 있음을 의미한다. 실험 후 코어를 개방하여 단면을 관찰한 결과, 열극면이 투명한 광물질로 피복되었음을 관찰하였고, 건조 후 XRD 분석 결과 피복물질 채취시 함께 혼입된 일차광물인 석영 등과 함께 방해석 피크를 확인할 수 있었다(Fig. 3(b)).

이러한 결과는 현재 지하 유류비축기지에서 나타나는 방해석의 열역학적 과포화 상태가 주입수의 흐름을 저해하는 화학적·광물학적 클로깅을 유발할 수 있음을 나타낸다. 장기간에 걸쳐 방해석에 대하여 과포화 상태를 보이는 실제 기지 내 수장막 시스템의 각 지점은 향후 방해석 침전에 의한 광물학적 클로깅이 발생하여 기지의 안정적 운영에 저해 요소로 작용할 위험성이 있다. 실제로 한국석유공사 Y 기지의 담수터널수는 수장막 시스템의 상부에 위치하며 물의 흐름이 거의 없는 지점으로서 육안으로 관찰이 가능할 정도로 수면에 미세한 방해석 입자가 대량으로 발생하고 있음을 XRD 분석 결과 알 수 있었다.

한편 횡방향에 비하여 유속이 상대적으로 빠른 종방향 실험에서 삼출수량 감소양상이 둔화되어 나타났으며(Fig. 3(a)), 이는 현장에서의 실제 방해석 침전이 주입수의 흐름 속도에 밀접하게 좌우될 수 있음을 의미한다. 비축 공동 내 저장물의 입출하 빈도가 잦을 경우 공동 주변 지하수의 흐름에 변화가 발생하여 단기간에 빠르게 공동으로 이동할 수 있으며 이러한 경우 열역학적 해석은 크게 유효하지 않을 수도 있다. 따라서 수장막 시스템의 안정성 확보는 열역학적 해석과 현장의 수리학적 관측을 통합하여 수행되어야 한다.

Fig. 3.

(a) Variation in effluent volume over time during calcite precipitation and (b) XRD result of calcite precipitate. C: calcite and Q: quartz.

현장에서 과도한 방해석 침전으로 인하여 원활한 주입수 흐름이 방해받는 상황이 발생할 경우를 대비하여, 산(acid)을 주입하여 이를 용해함으로써 주입수 흐름을 회복할 수 있는지의 여부를 실험적으로 확인하였다. 이를 위하여 폐색이 발생한 횡방향 컬럼을 대상으로 0.1 N 염산을 주입한 후 시간에 따른 삼출수량을 관찰하였다. 실험 결과, 약 2.8일 경과 후부터 삼출수량이 급격히 증가하였으며 약 4일 경과 후에는 평균 234 mL/h의 안정적인 삼출수량을 나타내었다(Fig. 4). 그러나 방해석 침전 전의 최대 삼출수량인 약 300 mL/h까지는 회복하지 못 하였다.

방해석으로 인한 폐색 현상을 처리할 경우 산의 투입은 효과적인 것으로 나타났으나, 비축기지 내 금속제 배관시설 등의 부식 등 부작용이 클 것을 고려하면 적절한 산의 농도 및 주입양 등은 신중하게 결정되어야 할 것이다. 현재로서는 기지 현장에서 클로깅의 발생 여부는 주입수량과 배출수량의 모니터링을 통한 수리학적 관측으로 판단할 수 밖에 없으므로 평균 범위를 벗어난 주입수량 변화가 발생하면 그 원인을 면밀히 검토하여야 할 것이다.

Fig. 4.

Variation in effluent volume over time during calcite dissolution.

점액생성균에 의한 클로깅 실험

한국석유공사(KNOC) Y기지 및 E1 Y기지에서 채취한 각 물 시료의 현장분석 결과 및 각 시료에서 분리한 호기성, 혐기성, 점액생성, 황산염환원균에 대한 집락수는 Table 1과 같다.

Table 1. Results of field measurement and colony forming units of bacteria in the studied water samples. n.d.: not detected

미생물학적 분석 결과, 한국석유공사 Y기지 관측공 시료에서 가장 많은 미생물 집락수를 보였으며 모든 시료에서 호기성세균이 주로 증식하고 있었다. 클로깅을 유발시키거나 부식을 촉진시키는 점액생성균이 호기성세균에 이어 가장 많이 분포하고 있음을 확인하였다.

각 기지의 관측공 시료를 대상으로 점액생성균을 분리하였다. 점액성 고체배지(SP)에서 성장한 미생물의 단일 집락에 대해 대전광역시 소재 (주)마크로젠에 의뢰, 16s-rRNA분석을 통해 미생물 동정을 실시하였다. 동정 결과, 한국석유공사 시료에서는 Pseudomonas azotoformans (유사도 99.6%), E1 시료에서는 Bacillus sp. (유사도 99.2%), Massilia timonae (유사도 98.0%), Caulobacter sp. (유사도 99.6%), Stenotrophomonas maltophilia (유사도 99.3%)가 분리되었다. Dugenell 그룹에 속해 있는 Massilia timonae를 제외하면 모든 세균이 Proteobacteria 그룹에 속해 있었다. 분리된 세균 중 점액성 특징이 강하게 나타난 Bacillus sp., M. timonae, Caulobacter sp.를 선택하여 3회 계대배양하여 미생물의 활성도를 높인 뒤 후속 실험에 사용하였다.

분리한 세 가지 토착 점액생성균의 생장속도를 조사한 결과, Bacillus sp.와 M. timonae에 비하여 Caulobacter sp.의 생장속도가 느린 것으로 나타나(Fig. 5), 후속 컬럼 실험에는 Bacillus sp.와 M. timonae를 이용하였다.

Fig. 5.

Comparison of growth rates for the isolated slime-forming bacteria in (a) ×100 and (b) ×1,000 diluted SP medium.

대부분의 자연 조건은 미생물에게 빈영양상태(oligotrophic)인 것을 감안하면 100배와 1,000배 희석한 결과에서 높은 성장률을 보이는 Bacillus sp.와 M. timonae가 자연에서도 빠르게 성장할 수 있을 것으로 판단하였다.

대기로부터 유입된 자연적 혼합균주 및 현장에서 분리한 M. timonae와 Bacillus sp.를 10% SP 액체배지에 접종하여 인공 열극 컬럼실험의 주입수로 사용하였다. 동일한 조건에서 2회의 실험을 수행하였으며 시간에 따른 각 삼출수량 관찰 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 바이오필름에 의하여 간극이 폐색되어 삼출수가 전혀 배출되지 않는 14일째부터 SP 배양액 공급을 차단하고 살균제로서 과산화초산 50 ppm을 주입하였으며 삼출수 배출이 다시 차단된 23일 후부터는 과산화초산 100 ppm을 주입하였다. 비축 현장에서 널리 쓰이는 살균제인 NaOCl 대신에 과산화초산을 사용한 이유는 과산화초산이 친환경적일 뿐만 아니라 NaOCl과 유사한 살균력을 보인 결과에 따른 것이다(Park et al., 2012).

Fig. 6.

Variations in effluent volume from duplicated experiments of (a) Experiment 1 and (b) Experiment 2 over time. PAA: peroxyacetic acid.

동일한 조건에서 총 2회의 실험을 수행하였다. 실험 1의 경우, 자연균주, M. timonae, Bacillus sp. 컬럼의 초기 삼출수량은 각각 595, 610, 1060 mL/h이었다. 실험 초기부터 빠른 속도로 유량이 감소하였으며 자연균주는 3.5일, M. timonae는 1.5일, Bacillus sp.는 3일 만에 초기 삼출수량의 10% 이하로 감소하였다(Fig. 6(a)). 이 실험에서 사용한 살균제 농도는 50 ppm으로서 Kim et al. (2011) 및 Park et al. (2012)이 사용한 5 ppm에 비하여 10배나 강한 것이었다. 과산화초산을 투여한 결과, 자연균주와 M. timonae는 유의한 삼출수 증가를 나타내지 않았다. 반면 Bacillus sp.는 22일째 520 mL/h까지 삼출수량이 회복되었으나 이후 다시 감소하기 시작하여 23일에는 삼출수가 배출되지 않았다. 이후 100 ppm의 살균제를 주입하였으나 105 mL/h의 삼출수량을 보인 후 다시 감소하여 결국 배출되지 않았다.

실험 2의 경우, 자연균주, M. timonae, Bacillus sp. 컬럼의 초기 삼출수량은 각각 850, 610, 875 mL/h이었다. 역시 실험 초기에 빠른 속도로 유량이 감소하였으며 자연균주는 6.5일, M. timonae는 2일, Bacillus sp.는 4.5일 만에 초기 삼출수량의 10% 이하로 감소하였다(Fig. 6(b)). 과산화초산 50 ppm을 주입하였을 때 자연균주의 경우에만 삼출수량이 일시적으로 195 mL/h까지 증가하였다가 다시 감소하였으며 이후 100 ppm으로 올려도 삼출수량은 크게 증가하지 않았다.

M. timonae는 두 실험에서 모두 가장 빠른 속도로 간극 폐쇄를 유발하였으며 살균제를 투여하여도 거의 탈착되지 않았다. 이 세균은 냉각수탑에서 바이오필름을 형성하며 금속 부식에 관여하는 것으로 보고된 바 있으며(Aruliah and Ting, 2014), 병원 내 건조 상태의 의료기기에서도 바이오필름을 형성하는 것으로 보고된 바도 있을 정도로(Medscape, 2014) 강한 점액 물질을 형성하는 것으로 보인다.

동일한 조건에서 수행한 2회의 실험 중 실험 1에서 Bacillus sp.는 살균제 투입 후 유의한 삼출수량 증가를 나타내었다. 실험 2에서 같은 현상이 나타나지 않은 원인은 현재로서는 알 수 없으나 Bacillus sp.의 경우 고농도 살균제 투여로 클로깅 현상을 해소할 수 있는 가능성을 나타낸다고 할 수 있다. 그러나 일차 고농도의 살균제를 투입할 경우 이미 형성된 바이오필름 제거에 다소 효과가 있는 것으로 보이나, 시간이 경과하며 다시 간극 폐색이 발생하며 이후 더욱 고농도의 살균제를 투입해도 뚜렷한 효과를 보이지 않았다.

열극면에 형성된 바이오필름을 정량적으로 측정하기 위해 crystal violet을 이용하여 바이오필름을 염색시켜 흡광도를 측정한 결과, 100 ppm NaOCl을 주입하였음에도 불구하고 여전히 열극면에는 세균 생물량이 다량 존재하는 것을 확인하였다(Fig. 7).

Fig. 7.

Biomass developed on the fracture surfaces of rock cores. N: natural, M: M. timonae, and B: Bacillus sp.

이러한 결과를 통해 볼 때, 살균제는 자유유영 상태의 박테리아 제거에는 효과적이나(Kim et al., 2011) 장기적으로 볼 때 세포외 중합체(EPS)를 분비하여 고체 표면에 형성된 바이오필름 제거에는 큰 효과를 기대하기 어려운 것으로 보인다. 결국 유류 지하비축기지 현장에서 현재 수행하고 있는 것처럼 주입수에 대한 지속적인 살균과정을 통하여 수장막 시스템에 대한 미생물학적 관리를 하는 것이 필요하다. 다만 비축 공동 주변의 지하수는 수장막 시스템에서 공급된 주입수만으로 구성된 것이 아니라 주변의 자연 지하수 유입분도 존재하므로 주기적인 미생물학적 모니터링 과정이 요구된다.

결론

지하 유류비축기지의 수장막 시스템을 모사한 모형 컬럼실험을 통하여 광물학적 및 미생물학적 클로깅 영향 분석을 실험한 결과는 다음과 같다.

NX 암석 코어 내 형성한 인공 열극면에 방해석 형성 주입수를 주입한 결과, 시간이 경과하며 삼출수량이 감소하며 간극이 폐색되었다. 이는 열극면에 침전하며 성장한 방해석에 의한 것이며, 간극이 폐색된 열극면을 개방하여 관찰한 결과, 투명한 광물로 피복되어 있었음을 확인하였다. 피복된 광물을 채취하여 XRD 분석을 수행한 결과 방해석으로 나타났다. 이는 현재 지하유류비축기지 수장막 시스템 내 많은 지점이 방해석에 대해 과포화상태를 보이고 있음을 감안할 때 시간이 경과하며 방해석에 의한 광물학적 클로깅 발생이 가능하다는 것을 지시한다. 0.1 N 염산을 주입한 결과, 방해석 용해에 따른 삼출수량 복원이 나타났으나 금속제 배관시설 등의 부식 등 부작용을 고려하면 적절한 산의 농도 및 주입양 등은 신중하게 결정되어야 할 것이다.

비축기지 현장에서 생장하는 세균의 개체수를 파악한 결과 점액생성균이 다수 분포하고 있는 것을 확인하였다. 점액생성균 성장에 적합한 배양액을 암석 코어에 주입하여 대기 중 점액생성균에 의한 바이오클로깅을 유도하였으며 이 때 현장에서 분리한 토착 점액생성균인 M. timonae와 Bacillus sp.를 각각 별도로 접종하였다. 대기에서 유입된 점액생성균은 3.5~6.5일, M. timonae는 1.5~2일, Bacillus sp.는 3~4.5일 만에 초기 삼출수량의 10% 이하로 감소하여 미생물학적 클로깅이 발생하였음을 나타내었다. 간극 폐색이 발생한 코어 시료에 살균제인 과산화초산 50 ppm을 주입한 결과, Bacillus sp. 접종 시료에서는 일시적으로 삼출수량이 증가하였으나 시간이 경과하며 다시 간극이 폐색되었다. 이후 100 ppm의 살균제를 주입하였으나 삼출수량의 개선은 나타나지 않았다. 약 30일에 걸친 반응 후 열극면 상의 바이오필름 생물량을 측정한 결과 고농도의 살균제 투입에도 불구하고 제거되지 않았음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 살균제 투입이 자유유영 상태의 세균 제거에는 효과적이나 일단 바이오필름을 형성한 세균 제거에는 뚜렷한 효과가 없음을 나타낸다.