REACTIVE LAYERS FOR THE CONTAMINATED SEDIMENT USING NATURAL SORBENTS AND ZERO VALENT IRON

Abstract

유기오염물질인 트리클로로에틸렌, 중금속 그리고 영양염류로 오염되어 있는 퇴적물을 현장에서 처리하기 위한 복합 반응층을 개발하고자 영가철과 흑색 혈암을 이용하여 퇴적층 및 피트 내에 있는 오염물질의 제거를 연구하였다. 동시에 시스템에 존재하는 미생물에 의한 오염물질의 생분해 가능성 및 그 효과를 실험하였다. 유기 탄소 함량이 5.2%로 비교적 높은 국내의 흑색 혈암을 이용하여 트리클로로에틸렌 및 크롬의 흡착제거를 실험한 결과 유기탄소 함량으로 인하여 트리클로로에틸렌의 흡착이 뛰어났다. 양수성을 지닌 휴믹산이 공존할 경우 트리클로로에틸렌의 흡착이 증가됨과 동시에 6가 크롬은 흡착 및 전자전달계의 활동으로 인한 환원으로 침전제거 되었다. 퇴적물의 모델로서 피트를 사용하여 영가철과 혼합하였을 경우 영가철과 피트에 의한 트리클로로에틸렌의 탈염소화 및 생물학적 분해, 그리고 영양염류의 하나인 질산염의 환원저감 및 미생물에 의한 탈질을 실험하였다. 영가철의 수소 제공으로 인하여 트리클로로에틸렌 및 질산염은 상호 공존시에도 환원으로 제거되었으며 생분해의 효과도 관찰되었다. 트리클로로에틸렌은 피트에 대한 흡착 및 영가철에 의한 탈염소화가 주 제거기작인 반면 질산염의 경우는 영가철에 의한 환원뿐 아니라 피트내의 미생물에 의한 탈질효과가 주요한 원인이었다. 두 가지 오염물질이 공존시 질산염의 제거는 저하된 반면 트리클로로에틸렌의 농도 감은 질산염 공존의 영향을 받지 않았다. 기타 영양염류중 하나인 인산염은 음이온의 흡착으로서 영가철, 흑색 혈암, 그리고 퇴적물을 반응 매질로 하는 실험에서 흡착으로 제거되었으며 영가철을 사용하였을 경우 그 제거가 우수하였다. 인산염은 영가철의 표면에 흡착하여 트리클로로에틸렌을 환원 제거하는 영가철의 전자제공을 저해하는 것이 트리클로로에틸렌의 환원속도 감소로서 확인되었다. 영가철을 반응매질로서 사용한 경우 인산염의 농도에 좌우되지만 침전제거되는 양은 흡착에 비하여 미미하였다. 퇴적물에서 직접 분리한 미생물을 재주입하여 미생물이 공존하는 실제 조건을 모사하여 실험한 결과 퇴적층의 미생물은 인산염과 영가철에 대한 흡착경쟁이 있었다. 즉 미생물 공존시 인산염에 의한 트리클로로에틸렌의 탈염소화 저해가 완화되었다. 실제 우리나라의 퇴적물에서 추출한 미생물 및 피트에서 발생한 미생물의 영향을 영가철을 이용한 실험에서 살펴본 결과 중금속, 영양염류 및 트리클로로에틸렌과 같은 다양한 오염물질의 현장제거를 가능하게 하여 영가철 및 흡착에 우수한 반응매질을 이용한 반응층은 미생물 반응에 영향을 미치지 않고 환경영향을 최소화할 수 있으며 오염물질의 고정화 및 반응층으로서 화학적 생물학적 오염물질의 농도 제어를 위한 실제적용이 가능할 것이다.; Enhanced in-situ remediation using reactive materials was examined for contaminated sediments. As reactive materials, black shale, zero valent iron, and peat were experimented for the sediments contaminated with chlorinated organic compounds, heavy metal, and nutrients. Black shale was chosen to sorb trichloroethylene as one of organic contaminants and hexavalent chromium as a heavy metal. Black shale had as high as 5.72% of carbon content compared to other natural sorbents. Even though the surface area was small, the distribution coefficient of black shale about trichloroethylene was 292.5L/kg. Sorption of trichloroethylene was not affected by the particle size of black shale or pH, while the sorption of hexavalent chromium was affected by the particle size and initial concentration of the chromium. Amphiphilic humic acid was linearly sorbed onto the black shale and could facilitate the sorption of trichloroethylene. Batch and column experiments results showed that mechanisms of the removal of hexavalent chromium were mainly sorption and reduction. Humic acid might enhance the sorption of hexavalent chromium in the chromium concentrations over 10mg/L. This was possible due to the reduction and precipitation of chromium by humic acid. Although the maximum sorption capacity was smaller than that of trichloroethylene, black shale can be a cost-effective natural geosorbent and additive to remove organic contaminants and heavy metals, considering its local origins and availability. The feasibility of using zero valent iron and peat mixture was investigated as composite layers for chemical and biological reduction of trichloroethylene and nitrate. Trichloroethylene and nitrate were reduced by zero valent iron and peat soil mixture under anaerobic condition. Zero valent iron reduced trichloroethylene and nitrate, and denitrification by peat bacteria also happened. Modeled data suggested that there was inhibition of denitrification by trichloroethylene. Overall concentration decrease in trichloroethylene and nitrate were monitored after the 45 days of microcosm experiments. Trichloroethylene reduction was mainly achieved by zero valent iron and nitrate was reduced by peat. Zero valent iron mixed with peat showed the best efficiency for both contaminants by at least of 88% of the reaction efficiency. Simultaneous reaction by zero valent iron and peat showed the feasibility of the utilization of zero valent iron with natural sediment environment. Phosphate immobilization by sorption was performed with natural sediment, black shale, and zero valent iron. Except for the bio-uptake, phosphate sorption was possible due to the sorption on the iron(oxide) minerals by outer-sphere complexation, but the concentration of precipitation of phosphate was relatively small. The whole mechanisms of sorption and precipitation with calcium or iron could be modeled with modified kinetic equation. Equation parameters of the phosphate immobilization implied that zero valent iron was effective for the sorption and possible precipitation of phosphate. Surface occupation by phosphate passivated zero valent iron, which reduced the dechlorination of trichloroethylene. With sediment bacteria inoculums, the effect of phosphate on the dechlorination of trichloroethylene was diminished. Sorption of phosphate was completed within 5hr and the dechlorination of trichloroethylene occurred for more than 40hr. The sediment bacteria inoculums in this research enhanced the dissolution of zero valent iron then maintained the dechlorination of trichloroethylene. The results from experiments for in-situ remediation of contaminated sediments using natural sorbents and zero valent iron can be concluded that the reactive layers are effective for the organic and inorganic redox-sensitive contaminants and easily sorbed contaminants. These reactive layers can be successively introduced to reduce the concentration of contaminants and to enhance the natural biodegradation in contaminated sediments.