서 론
국내에는 38개소의 폐석면광산과 241개(광구수)의 석면물질 함유가능광산을 포함한 자연발생석면(Naturally Occurring Asbestos, NOA)지역이 전국적으로 산재하여 분포하고 있으며, 이들에 의해 인근 주변 농경지의 석면 오염이 확산되고 있다. 이로 인하여 오염된 농경지의 작업자는 물론 거주민들에게 자연적･인위적인 활동에 의하여 비산된 석면물질과 관련된 질병의 발생가능성이 높아지고 있다.
석면은 호흡기를 통해 석면폐, 악성중피종, 폐암 등의 질환을 유발하여 인체 위해성을 미치므로, 함수율을 높여 비산을 방지하거나 토양 중 석면물질만을 포집하여 정화 처리하는 것이 무엇보다 중요한 요인이다. 그러나 현재 광해복원을 실시한 폐석면광산 및 주변 오염된 농경지의 토양복원은 비산을 방지하기 위한 단순 복토 및 굴토 후 매립 처리하는 일괄적인 방식으로 처리되었다. 즉 폐석면광산 주변 농경지에 대한 정밀조사를 실시하여 토양 중 석면의 함유량 1% 이상 오염토양과 0.25～1%의 토양 중 위생성평가 후 인체위해도가 10-4을 초과하는 부지에 대하여 정화를 수행하도록 하고 있다(MOE, 2010). 이러한 토양정화방법은 주로 단순 토양 개량사업으로서 석면을 근원적으로 처리하는데 한계가 있다. 그리고 토양교란활동 및 자연적인 풍화에 석면이 재노출되어 비산될 수 있으며, 굴토 및 운반 후 매립 처리하는 경우도 석면의 비산 또는 확산 우려가 높다. 또한 토사의 운송, 청토 매입 등 부가적 요소에 의해 해당 부지에 대한 정화비용 및 총 사업비가 증가될 수 있다. 이러한 현 복원공정의 단점 발생과 신정화 복원공법의 개발이 미진함에도 불구하고 국내 석면오염토양의 정화장치개발 및 현장 적용성 평가 사례 역시 부족한 실정이다. 현재까지 국내･외 연구사례는 비산성을 활용한 소형 정화장치를 오염지역에 적용하여 정화가능성을 타진하는 연구(MIRECO, 2012)가 진행된바 있으나, 그 외 모든 연구는 기존 폐석면광산 주변 지역에 대하여 인체위해도 평가 방법인 활동근거시료채취(Activity Based Sampling, ABS)를 대신하기 위한 장비개발을 목적으로 한 기존 비산성 평가장비를 활용한 연구들이 있다(Kim, 2012; Ryu, 2013). 또한 장비개발 목적의 특허사례로는 “석면이 함유된 토양과 석면이 비산가능한 장소에서의 특수 흡입장치 및 방법”(KIPO, 2011) 및 “석면오염토양의 이동식 정화장치 및 방법” (KIPO, 2012) 등 몇몇 정화장치를 개발한 사례가 있으나, 특허출원 및 초기 개발 단계로 단점 및 추가 보완사항이 많은 것으로 확인되었다. 그리고 국외의 경우도 토양 중 석면물질만을 제거하는 장치보다는 자연발생석면지역에서 토목공사 시 비산을 방지하는 습식청소차량과 공사 지역 주변 일반 도로에 사용되는 HEPA 필터가 장착된 흡입차량의 활용성 제고 등이 시행된 바 있다(CAL /EPA, 2010).
이에 본 연구에서는 비산성을 활용한 토양 중 석면 정화장치를 활용하여 실내･외 실험을 통해 정화효율을 검증하고, 향후 광해방지사업에 적용될 수 있는 석면오염토양 정화장치를 개발하여 현장적용성을 평가하고자 하였다.
장치의 개발과 연구 방법
장치구성 및 사양
토양 중 석면물질을 분리하여 선택적으로 정화대상 물질인 석면입자만을 포집하기 위해서 비산성을 활용한 입자분리를 기본 착안사항으로 고려하여 장치를 제작하였다. 원지반 토양을 교란시킬 수 있는 교란장치로는 브러시와 송풍장치가 있으며, 비산된 석면입자 및 토양 이물질을 분리시킬 수 있는 원심력 집진장치를 주요 장치로 구성하고 있다.
이 연구에서 제작된 정화장치의 주요구성을 Table 1과 Fig. 1에 각각 제시하였다. 각 세부장치별 사양 및 매커니즘을 살펴보면, 브러시(brush, ⓐ)는 최대 200 rpm/min으로 회전하여 토양 표면(5～10 cm내외)의 석면입자를 포함한 토양이물질을 비산시키며, 비산효율을 극대화시키기 위해 브러시 상부에 설치한 송풍장치(blower, ⓑ)에 의해 비산발생량을 높였다. 비산된 입자들은 흡입장치(inhale system, ⓒ)를 통해 원심력집진장치(cyclone, ⓓ)로 유입되고, 입자가 작은 석면물질과 상대적으로 큰 토양이물질이 분리된다. 분리된 토양 이물질(약 5 μm 미만)은 하부 포집함에 축적되며, 5～10 μm 크기의 토양 이물질과 10 μm 초과 석면입자는 집진기(dust collector, ⓕ)로 재유입된다. 정화효율 분석을 위하여 PCM cassette는 집진기 전, 후(ⓔ, ⓖ)에 부착하였으며, 유입되는 5～10 μm 크기의 석면입자는 하부 포집함에 축적되도록 하였다. 그리고 10 μm 초과 극미세 입자는 원통형의 필터를 거친 후, 배출구(outlet, ⓖ)를 통해 공기와 함께 장치 외부로 배출되도록 하였다.
연구 방법
장치의 구성요소 중 정화효율에 영향을 미칠 수 있는 세부장치를 브러시, 송풍장치(교란풍속), 흡입장치(흡입풍속)로 판단하고, 이들 3가지 주요장치에 대한 장치 특성별 실내실험을 하였다. 실험은 토양 중 석면의 함유량 0.5% 오염토양 500 kg을 자연건조한 후, 10 mesh로 체가름하고 약 2일(48시간) 동안 토양 내 석면의 함유량이 최대한 균질하도록 교반작업을 하였다. 다음 각각의 구성장치인 브러시의 회전속도 50 rpm, 100 rpm, 150 rpm, 200 rpm을 각각 적용하여, 송풍장치 3 m/s, 6 m/s, 9 m/s와 12 m/s의 교란풍속 및 흡입장치 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s 그리고 4 m/s의 흡입풍속을 순서대로 교차 적용하여, 총 64회 실험을 수행하였다. 매회 실험 시 포집된 대기 중 석면농도를 분석하고 효율을 검증하여 각 장치별 비산발생량을 상호 비교하였다.
정화장치의 최적 이동속도 도출 실험은 실내실험에서 도출된 구동인자를 적용하여 동아광산 주변 토양 중 석면함유량 0.5%로 오염된 학교부지 내 약 10 m(L) × 1 m(W) 규격으로 조성된 3개의 시험구에서 0.1 m/s, 0.3 m/s와 0.5 m/s으로 정화 속도를 조절하여 실험을 수행하였다. 각 속도별 실험 전, 후의 토양시료와 포집되는 대기시료를 구분하여 시료를 채취하였다.
정화장치의 최적 반복횟수 도출 실험 또한 이동속도 실험과 동일한 학교부지 내 10 m(L) × 1 m(W) 규격으로 조성된 시험구에서 최적 장치 구동인자 및 이동속도를 적용하여 총 40회 반복 정화를 수행하였다. 정화 수행 10회 마다 실험 전, 후의 토양시료와 포집되는 대기시료를 구분하여 시료를 채취하였다.
지목별 정화효율평가 실험은 최적구동인자(장치특성, 이동속도, 반복정화횟수)를 바탕으로 동아광산 주변 학교(운동장), 과수원, 전(밭) 등 다양한 지목을 대상으로, 약 25 m(L) × 1 m(W)일정한 시험구를 조성하고 정화부지 면적을 50 m2(25 m 왕복거리)로 동일하게 설정하였다. 각 필지별 정화 전, 후 토양시료 및 매회 포집된 대기시료를 분석하여 정화효율을 평가하였다.
상기 모든 실험에서 채취한 토양시료는 석면의 불균질성으로 인한 분석오차를 감안하여 정화 전, 후 시험구 내 5개의 동일지점에서 100 g 씩 시료를 분취하여 균질화 작업을 하였으며, 혼합된 1개의 시료를 사용하였다. 채취한 시료는 입도 분석기(LS13 320)를 이용하여 입도분석을 실시하였으며, 편광현미경(Polarized Light Microscopy, PLM)을 이용하여 각 시료별 석면의 정성 및 정량분석을 실시하였다. 또한 현장에서 간이 측정기를 이용하여 함수율 및 표토의 다짐도 등을 측정하였다. 대기시료는 원심력집진장치와 집진기 사이 시료 포집지점에 PCM cassette(φ25 mm , 0.8 μm MEC Filters)를 연결하고, 펌프(MP-500N)를 추가로 부착하여 2 L/min의 유량으로 시료를 채취하였다. 이후 PCM cassette내에 포집된 비산성 석면물질을 위상차현미경(Phase Contrast Microscopy, PCM)을 이용하여 정량분석을 실시하였다.
정화장치의 최적구동인자 도출
장치특성별 실험결과
정화장치의 각 세부장치인 브러시 회전속도와 교란풍속 및 흡입풍속에 따른 포집된 대기 중 석면함유량을 비교하여 Fig. 2에 도시하였다. 그림에서 보는바와 같이 50 rpm으로 브러시 회전 시 교란풍속이 증가할수록 포집된 석면의 함유량이 높게 나타나는 경향을 보이며, 교란풍속이 12 m/s일 때 비산발생량이 가장 높았다. 또한 4 m/s의 흡입풍속으로 석면입자를 포집할 경우가 1～3 m/s의 흡입풍속 보다 높은 함량으로 검출되었다. 브러시의 회전속도가 100 rpm일 경우, 9 m/s의 교란풍속이 가장 비산발생량이 높았으며, 50 rpm실험결과와 동일하게 흡입풍속 4 m/s로 비산된 석면물질을 포집하는 것이 효율적이었다. 150 rpm의 속도로 브러시를 회전한 실험결과, 교란풍속이 3 m/s, 6 m/s로 낮은 풍속일 때 비산되는 석면물질이 많았으며, 흡입풍속을 4 m/s로 흡입할 때 가장 높은 효율을 보였다.
브러시의 회전속도가 200 rpm일 경우에는 50, 100, 150 rpm으로 실험을 수행한 결과치보다 포집된 석면의 농도가 약 2배 이상 높게 나타났다. 즉 50 rpm과 100 rpm일 때 교란풍속이 증가할수록 포집된 석면농도가 증가하였으나, 150 rpm과 200 rpm일 때는 오히려 감소하는 경향이 나타났다. 특히 200 rpm일 때는 브러시 회전속도에 의한 토양 중 석면의 비산발생 영향이 지배적이어서 교란풍속에 따른 총 누적함량은 매우 미세한 차이를 보였다. 그러나 흡입풍속 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s 및 4 m/s에 따른 포집함량은 차이를 보이며, 교란풍속과 흡입풍속 3 m/s일 때 가장 높은 함량을 포집하였다. 이러한 결과를 종합하면 장치특성별 최적의 구동 인자는 브러시 회전속도 200 rpm, 교란풍속 3 m/s, 흡입풍속 3 m/s로 확인되었다.
최적정화장치 이동속도
정화장치의 최적 이동속도를 확인하고자 0.1 m/s, 0.3 m/s 및 0.5 m/s로 장치를 운행하여 분석된 결과를 상호 비교하여 Table 2에 제시하였다. 표에서 보는 바와 같이 0.1 m/s의 속도로 정화를 수행하였을 때, 포집된 대기 중 석면의 농도는 1.471 f/cc였으며, 정화 전 토양 중 석면의 함유량이 0.25%에서 정화 후 검출되지 않았다. 0.3 m/s의 속도로 정화한 결과, 포집된 대기 중 석면의 농도는 0.327 f/cc였으며, 토양의 석면함유량 변화는 0.1 m/s와 동일한 0.25%에서 정화 후 검출되지 않았다. 한편 0.5 m/s의 속도로 정화를 수행하였을 때, 포집된 대기 중 석면의 농도는 0.490 f/cc였으며, 정화 전 토양 중 석면의 함유량이 0.50%에서 0.25%로 감소하였다. 토양 중 석면의 함유량 변화 및 포집된 석면농도를 종합적으로 분석해보면, 속도별 토양 중 석면의 함유량 변화는 동일한 비율로 저감되며, 포집된 석면의 농도가 가장 높은 0.1 m/s로 장치를 이동할 때 효율이 높은 것으로 평가되었다.
최적정화장치 반복횟수
개발된 장치의 최적 이동속도인 0.1 m/s로 총 40회 반복정화 실험결과를 Table 3에 제시하였다. 초기 10회 정화 시, 포집된 대기 중 석면농도는 1.348 f/cc로 나타났으며, 11～20회는 0.735 f/cc, 21～30회는 0.490 f/cc, 31～40회는 0.735 f/cc로 확인되었다. 정화 전, 후 토양 중 석면의 함유량 변화는 정화 전 0.5%에서 10회 정화 시, 0.25%로 감소하였으며, 20회 정화완료 후 검출되지 않았다. 0.1 m/s의 속도로 본 정화장치를 운행하여 부지 정화 시, 포집된 대기 중 농도도 최대 약 1 f/cc 정도 감소되고, 토양 중 석면의 함유량이 검출되지 않은 20회를 적용하여 반복정화를 수행하여야 적절하다고 평가되었다.
지목별 정화 효율성 평가
토양의 다양한 특성에 따른 정화효율을 평가하기 위해 학교 및 과수원, 전(밭) 등 총 3개의 필지에서 지목별 정화효율을 평가하였으며 Fig. 3에 그 결과를 도시하였다. 그림에서 보듯이 학교부지의 실험결과, 대기 중 포집된 비산성 석면농도는 최초 1회 정화 시 3.186 f/cc로 포집되었으며, 매회 정화가 이루어짐에 따라 감소하는 경향을 보인다. 최종 정화 20회 완료 후, 0.211 f/cc로 초기 비산발생량 보다 매우 감소되었다. 과수원의 경우, 최초 1회 정화 시 0.245 f/cc로 포집되던 석면농도가 정화 횟수가 증가함에 따라 소량 증가추세를 보이며, 10회 정화 후 다시 감소되는 경향을 보였다. 그리고 최종 20회 정화 완료 후, 0.32 f/cc로 포집되어 초기 발생되던 비산성 석면농도와 유사한 값을 나타냈다. 전(밭)의 경우도 토양 중 오염도에 따른 비산발생 석면농도의 차이는 있지만 과수원과 유사한 경향을 보인다. 즉 최초 1회 정화 시 3.799 f/cc로 검출되던 석면농도가 점차 증가추세를 보이지만 반복 정화 10회 이후, 감소되어 최종 20회 정화 시 4.347 f/cc로 초기 발생되던 비산성 석면농도와 유사한 값을 나타냈다.
이러한 원인은 실험이 수행된 현장여건 상황과 상관성이 높았다. 즉, Table 4에서 보듯이 토양 내 함수율이 학교 보다 높았던 과수원과 전(밭)토양에서는 정화를 진행할수록 브러시 및 송풍바람에 의해 토양함수율이 낮아져 정화 초반(최초 1회)보다 중반(약 10회)으로 갈수록 비산성 석면의 발생량이 증가하였다. 그리고 다시 중반 이후부터 최종 20회 반복정화 완료시까지 정화가 진행됨에 따라 포집되는 비산성 석면의 발생량이 지속적으로 감소하는 것으로 나타난다.
또한 과수원의 경우, 함수율이 높고 토양표층의 다짐도(중간) 및 식생조성이 상대적으로 우수하여 20회 반복정화 완료 후, 포집된 비산성 석면의 누적제거량이 12.668 f/cc로 가장 낮게 나타났다. 그리고 학교의 경우 식생이 조성되어 있지 않고 함수율이 10% 미만으로 과수원 및 전(밭)토양에 비해 가장 낮게 나타났지만, 토양의 다짐도(높음) 차이에 의해 비산성 석면의 누적제거량이 18.414 f/cc로 과수원과 유사한 수치로 나타났다. 그러나 함수율은 과수원과 유사하였지만 다짐도(낮음)가 가장 낮은 전(밭)토양은 누적제거량이 104.310 f/cc로 가장 높게 나타났으며, 학교 및 과수원 토양에 비해 약 5배 이상 높게 포집된 결과를 확인할 수 있었다. 이처럼 토양 중 비산성 석면을 발생시키는 요인으로 토양 내 함수율과 더불어 다짐도가 매우 중요한 요소로 판단된다.
각 지목별 정화 전, 후 토양 분석결과, 학교 및 과수원은 정화 전 각각 0.5%와 0.25%에서 정화 후 모두 검출되지 않았으며, 전(밭)의 경우, 정화 전 1%의 오염토양이 정화 후에 0.5%로 감소되었다. 비산성 석면의 누적제거량 및 토양의 석면함유량 변화를 전체적으로 분석한 결과 개발된 장치의 정화효율이 있는 것으로 판단된다. 또한 본 장치는 오염부지 내에서 정화가 이루어지는 장점과 각 지목별 시험구 면적인 50 m2(25 m 왕복거리)를 0.1 m/s로 운행할 시 소요되는 정화시간이 약 10분미만으로 매우 단시간에 정화를 수행할 수 있다. 단 원지반 토양을 교란시켜 다짐도를 낮추고 정화 초반 함수율을 저감시킬 수 있는 추가 보완장치를 고안하면 좀 더 고효율의 석면오염토양 정화장치가 개발될 것으로 사료된다.
결 론
본 연구에서는 석면 오염토양의 정화장치를 개발하고 정화 효율성을 평가하기 위하여 다양한 지목에 대한 현장 적용성평가를 수행하였다. 개발된 정화장치는 토양 중 석면물질만을 비산시켜 포집하는 장치로 교란장치(브러시 및 송풍장치) 및 흡입장치, 원심력 집진장치(cyclone) 등으로 구성되어 있다. 장치의 최적 구동인자를 도출하기 위하여 각 세부장치별 실내･외 실험을 수행하였으며, 도출된 결과를 적용하여 학교, 과수원, 전(밭) 등 다양한 지목에 대한 정화효율을 검증하였다. 각 실험에 대한 분석결과를 종합적으로 판단하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 토양 중 석면의 비산발생량은 교란장치 중 브러시의 회전속도(rpm)가 절대적인 영향을 미치며, 정화장치의 최대 사양인 200 rpm으로 토양을 교란시킬 경우, 이하 속도에 비하여 약 2배 이상 높은 섬유상물질을 포집하였다. 그러나 교란풍속 및 흡입풍속은 각각 3 m/s를 적용할 경우, 가장 높은 섬유상 물질을 포집하는 것으로 확인되었다. 최적이동속도는 정화장치의 최저속도인 0.1 m/s로 운행하였을 경우, 1.471 f/cc를 포집하며, 정화 전 0.25% 오염토양을 정화 후 불검출 되도록 오염도를 저감시켜 가장 효율이 높은 것으로 나타났다. 최적 정화반복횟수의 경우, 초기 10회 정화 수행 시 총 1.348 f/cc의 섬유상 물질을 포집하며, 정화 전 0.5% 오염토양이 0.25%로 감소되었다. 20회를 수행하였을 경우, 총 0.735 f/cc를 포집하며, 0.25% 오염토양을 불검출 되도록 정화가 이루어졌다. 즉, 개발된 정화장치의 브러시 회전속도 200 rpm, 교란 및 흡입풍속 3 m/s 그리고 0.1 m/s로 운행하였을 경우, 최적의 정화반복횟수는 20회를 적용하여 수행하는 것이 적절할 것으로 평가되었다.
2. 학교(운동장), 과수원, 전(밭) 등 다양한 지목별 정화를 수행한 결과, 학교의 경우 초기 3.186 f/cc로 포집되던 비산성 석면 물질을 정화 20회 완료 후 0.211 f/cc로 감소시켰다. 그러나 과수원 및 전(밭)은 토양 오염도에 따라 포집되는 비산성 석면농도에 차이를 보이지만, 매회 정화 횟수가 증가할수록 중반(10회)까지 포집된 석면농도가 증가한다. 이후 다시 감소하는 동일한 경향을 보이며 최종 20회 정화 시 초기 농도와 유사한 값으로 나타났다. 이러한 원인은 현장 토양의 함수율 및 식생조성, 그리고 무엇보다 다짐도가 매우 중요한 요소로 확인되었으며, 비산성 석면물질의 발생량 및 그에 따른 정화장치의 효율성에 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 그리고 실험대상 지목 중 국내 정화 기준인 1%이상 오염토양에 해당되는 전(밭)토양이 정화 후 0.5%로 감소하며 약 50%의 정화효율을 보였으며, 비산성 석면의 누적제거량은 104.310 f/cc까지 포집되어 정화효율이 있는 것으로 나타났다.
3. 개발된 장치로 시험구 부지면적 50 m2를 1회 정화하는데 소요되는 시간은 10분 미만이다. 토양 중 석면의 정화효율이 약 50%를 보이는 20회 반복정화의 경우, 3시간 미만이 소요되므로 매우 단시간에 석면을 제거할 수 있는 것으로 나타났다. 다만 5～10cm 내외 표토 층을 대상으로 정화가 이루어져 국내 폐석면광산 주변 오염된 농경지 복토 두께 기준인 30cm에 해당하는 심도를 정화하는데 한계점이 있으며, 함수율이 높은 토양에 대한 정화 초기의 단점이 확인되었다. 하지만 이 연구에서 고안된 장치의 원리를 활용하여 고효율 토양 교반 및 함수율 저감장치를 추가로 부착한 정화장치를 개발한다면 향후 다양한 석면 오염토양복원 사업에 활용될 수 있을 것이다.
