서 론

인간이 살아가기 위해 행해지는 산업활동과 같은 인류의 사회적 활동은 생활 및 산업폐기물을 포함한 다양한 형태의 폐기물을 필연적으로 발생시킨다. 이러한 폐기물을 처리하는 방법으로는 소각, 매립 및 퇴비화 등이 가장 대표적이며, 매립지에 폐기물을 매립하는 것은 산업 선진국의 풍요로운 생활방식을 고려할 때 가장 현실적인 폐기물 처리 방법이다(Vaverková, 2019). 국내에서도 다양한 방법으로 폐기물을 처리하고 있으며, 매립지에 매립하는 방법도 활발히 적용되고 있다. 특히, 국내에서는 서울 및 수도권에 인구가 밀집하고 있어, 수도권과 인천광역시의 폐기물 매립지 면적이 크게 증가하고 있다(Kim et al., 2021). 매립지는 그 자체적으로 기피 시설이고, 다양한 형태의 환경 문제를 일으킨다(Kim et al., 2005; Ito et al., 2001; Song et al., 2007). 특히, 지하수의 오염은 매립지가 일으키는 가장 대표적인 환경 문제로서, 이는 매립지 관련 환경연구 중 지하수 오염 관련 연구가 주요 연구 주제가 되는 이유이다(Oh and Chon, 1996). 특히 침출수는 지하수를 직접적으로 오염시킬 수 있어 세심한 관리가 필요하다(Lema et al., 1988).

매립지에 의한 환경오염을 최소화하기 위해 매립지를 빠르게 안정화하는 다양한 공법이 적용되고 시도되고 있다. 폐기물 매립지를 효과적으로 안정화하는 방법 중에는 바이오리액터(bioreactor) 방법이 있다. 이 방법은 폐기물 매립지 내부 유기성 폐기물 분해를 최적화하여, 매립가스의 발생 속도를 극대화하고 매립지를 조기에 안정화하는 방법으로 알려져 있으며, 공기를 주입하는 호기성 방식과 침출수를 재주입하는 혐기성 방식이 있다(Rhee, 2010; Rhee, 2017). 이러한 바이오리액터 방법 다양한 장점이 존재한다. 첫 번째 장점은 매립된 폐기물의 분해 속도가 증가하여 발생하는 가스도 짧은 시간에 많은 양이 발생하여 에너지 회수시설의 경제성이 향상되며, 지반 침하도 빠르게 일어나 이후 안정성 및 유지관리가 쉬워진다. 침출수를 재주입하는 혐기성 방식의 바이오리액터 공법은 침출수의 처리 비용 감소와 함께 침출수 유출에 따른 지하수 및 지표수 등 주변 환경오염을 최소화할 수 있다(Choi and Kim, 2011; Valencia et al., 2009). 이러한 장점으로 인해 국내외에서 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다(Giannis et al., 2008; He et al., 2007; Hettiarachchi et al., 2009; Long et al., 2008).

전기비저항 탐사는 지하의 전기적 특성을 파악할 수 있기 때문에 매립지 침출수 관련 연구에도 활발히 적용되고 있다. Kim (2006)은 충주시에 있는 매립장에 대해 침출수의 분포 및 거동 특성을 분석하였다. Lee et al. (2016)은 전기비저항 탐사를 적용하여 매립장 주변의 지질구조를 파악하고 침출수 영향범위를 파악함과 동시에 수질분석 결과와의 연관성 분석을 성공적으로 수행하였다. Ryu et al. (2013)은 침출수를 재주입하는 바이오리액터 형 매립지에서 전기비저항 모니터링을 수행하여 침출수의 재주입량 산정 등을 위한 분석을 수행하였다.

기존 연구에서 알 수 있듯이, 전기비저항 탐사를 이용하여 매립지의 침출수 거동 특성 및 영향을 파악할 수 있다. 이러한 특징을 기반으로, 본 논문에서는 매립지에서의 침출수 거동을 모니터링하기 위해 전기비저항 탐사를 수행하였다. 연구 지역은 침출수를 재주입하는 혐기성 바이오리액터 공법이 적용된 수도권 제2매립장으로서, 효과적인 공법적용을 위해 재주입 침출수의 거동 모니터링이 수행되었다. 시간에 따른 거동 특성을 파악하기 위해 침출수를 재주입하기 전에 기준 탐사를 수행하였으며, 침출수 주입 후 약 1년간 총 4회의 모니터링 탐사를 수행하였다. 침출수 모니터링은 기준 탐사와의 전기비저항 변화를 분석함으로써 수행되었고, 효과적인 분석을 위해 전기비저항 변화비를 새롭게 정의하여 적용하였다.

전기비저항 모니터링 자료획득

침출수 주입 모니터링을 위해 전기비저항 탐사가 수행된 지역은 인천광역시 서구에 있는 수도권 제2매립장이다(Fig. 1(a)). 해당 매립장의 부지면적은 약 3,780,000 m²이고, 매립 면적은 약 2,620,000 m²이다. 매립 기간은 2000년 10월부터 2018년 10월까지이다. 매립 기간에 매립된 폐기물의 양은 약 80,180,000 ton이다(SLSMC, 2024).

Fig. 1.

(a) Aerial photograph of the landfill (SLSMC (www.slc.or.kr), 2024) and (b) schematic diagram of a bioreactor landfill (US EPA (www.epa.gov), 2024).

연구 지역인 수도권 제2매립장은 침출수를 수집한 후 재주입하는 혐기성 방식의 바이오리액터 형이다(Fig. 1(b)). 침출수를 재주입하기 시작한 2013년 10월부터 2014년 8월까지 주입된 양은 약 42,643 ton이다.

침출수를 재주입하는 바이오리액터 공법을 성공적으로 적용하기 위해서는 매립지 내 재주입 침출수의 거동을 효과적으로 모니터링해야 한다. 지하의 상태를 효과적으로 파악할 수 있는 지구물리탐사 기법 중 지하의 전기적 특성을 파악할 수 있는 전기비저항 탐사는 매립지 내 침출수의 거동 특성을 효과적으로 파악할 수 있는 것으로 알려져 있으므로 본 논문에서도 전기비저항 탐사법을 모니터링 기법으로 채택하였다. Fig. 2는 매립장의 평면도와 전기비저항 모니터링이 수행된 영역을 나타낸다. 매립지 관리의 효율성을 위해 24개의 소영역으로 구분되어 있으며, 그 중 4-C로 표시된 영역이 본 논문에서 전기비저항 모니터링이 수행된 영역이다.

Fig. 2.

Plan view of survey area. Blue solid lines represent survey lines.

Fig. 2의 파란색으로 표시한 실선은 전기비저항 탐사 측선으로 횡방향 측선 3개(G-G', H-H', I-I'), 종방향 측선 2개(J-J', K-K')로 구성되어 있다. 횡방향 측선과 종방향 측선의 길이와 전극 개수는 각각 140 m와 21개, 189 m와 28개이며, 전극 간격은 7 m이다. 시간 경과에 따른 재주입 침출수의 거동을 모니터링하기 위해 총 5회의 전기비저항 탐사를 수행하였다. 기준 탐사가 되는 첫 번째 탐사는 침출수가 재주입 되기 전인 2013년 8월에 수행되었다. 2차부터 4차 탐사까지는 2014년 2월부터 약 한 달 간격으로 2014년 4월까지 수행되었으며, 침출수 재주입이 종료되는 2014년 8월에 5번째 탐사가 수행되었다. 전기비저항 모니터링과 관련된 변수들은 Table 1에 정리하였다.

침출수 모니터링을 위한 전기비저항 탐사는 2차원 탐사에 적합한 것으로 알려져 있으며, 식 (1)의 거리계수를 갖는 쌍극자 배열을 적용하였다(Kim et al., 2001).

여기서 n은 전극 전개 수이며, a는 전극 간격이다. 탐사 현장은 폐기물 매립지로서 지표에 전기적 잡음을 일으키는 장애물이 존재하지 않고, 본 조사 외의 전기탐사는 수행되지 않아 간섭이 존재하지 않는 환경이다(Fig. 3). 시간에 따른 침출수 거동을 모니터링하기 위해서는 전극의 위치가 일정해야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 각 전극의 GPS 좌표를 기록하여 전극의 설치 위치가 일정하게 유지하였다. 현장 측정 시에 전위 값 역전 여부 파악과 같은 기본적인 자료검토를 수행하였으며, 의심되는 값은 전류 전극과 전위 전극을 바꾸어 상반성을 확인하는 절차를 거쳐 높은 신뢰도를 유지하고자 하였다. 또한 불균질한 매질인 매립지의 특성을 고려하여 전류원의 세기를 조절하여 자료를 획득하였다.

Fig. 3.

In-situ photographs of electrical resistivity survey: (a, b) basic survey, (c, d) 4th monitoring survey.

자료처리는 국내 전기비저항 탐사자료에 많이 적용되고 있는 최소자승 역산법을 적용하였다. 전기비저항 역산은 가정한 모델에 대한 이론적 반응과 현장 측정값과의 차이가 허용오차 범위 내로 작아질 때까지 반복적으로 모델을 수정한다(Fig. 4). 이때 가정한 지층 모델은 식 (2)를 통해 수정된다(Yi and Kim, 1998; Yi et al., 2002).

여기서 ∆P는 모델 증분벡터, J+는 자코비안(Jacobian) 행렬의 유사 역행렬(pseudo inverse matrix), e는 이론값과 측정값 사이의 오차벡터이다. 본 논문에서는 상용 프로그램(DIPRO for Windows, 2000)을 이용하여 역산을 수행하였고, 그 결과를 분석함으로써 재주입 침출수를 모니터링하고자 하였다.

Fig. 4.

Work flow of electrical resistivity inversion.

모니터링 결과

Fig. 5는 횡방향 측선 중 모니터링 영역의 중간을 가로지르는 H-H' 측선의 전기비저항 분포 단면들로서, 기준 탐사부터 4차 모니터링 탐사까지의 결과를 모두 나타내고 있다. 그림에서 VA는 침출수를 재주입하는 주입정을 나타내며, 주입 깊이는 8 m이다. Fig. 5(a)는 기준 탐사 결과로써 침출수 주입 전의 전기비저항 분포를 나타낸다. 지표면 부근 상부 지역에는 상대적으로 높은 고비저항대가 분포한다. 매립지 내 침출수를 재주입하기 위해 주입정을 설치하는 과정에서 해당 심도 영역에는 침출수 주입 효율성을 높이기 위해 자갈을 복토하였다. 고비저항의 특성을 갖는 자갈로 인한 높은 투수율로 인해 수분이 상대적으로 적어 비저항 값이 큰 것으로 해석된다. 또한 복토를 진행하면서 다짐을 진행하여 상대적으로 공극률이 작은 효과도 일부 있을 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Monitoring results obtained at survey line H-H' : (a) basic survey, (b) 1st survey, (c) 2nd survey, (d) 3rd survey, and (e) 4th survey.

측선 거리 약 28 m 부근의 깊이 약 30 m에 최대 83.6 Ωm의 상대적으로 높은 고비저항대가 분포하고 있으며, 측선 거리 약 80 m 부근의 깊이 약 30 m에서는 1.4 Ωm의 낮은 저비저항대가 분포하고 있다. 측선거리 약 23 m와 45 m의 깊이 7 m ~ 14 m에는 간헐적으로 낮은 저비항대가 분포하고 있다. 그리고, 침출수 주입정의 위치 및 깊이는 전기비저항 분포와 상관성이 크지 않은 것으로 판단된다. 이것은 침출수가 주입되기 전에 획득한 기준 탐사자료이기 때문으로 판단된다. 또한 이러한 일관성이 적은 전기비저항 분포는 다양한 폐기물이 매립되는 매립지라는 것을 고려하면 수긍할 수 있는 결과로 판단된다. Fig. 5(b)는 침출수를 주입정을 통해 주입한 후 처음 수행된 탐사인 2014년 2월에 획득한 1차 모니터링 탐사 결과로써 매립지 내 전기비저항 분포의 변화가 뚜렷이 확인된다. 시간 경과에 따라 침출수 주입으로 저비저항대가 넓어지고 있는 것이 확인된다. 침출수 주입 깊이인 8 m를 기준으로 상부는 상대적으로 고비저항대가 발달되어 있고, 하부에는 주입정을 따라 저비저항대가 분포하고 있다. 좀 더 시간이 지난 2차 모니터링 탐사 결과인 Fig. 5(c)를 보면, 침출수 주입에 따른 저비항대의 분포가 더욱 넓어진 것을 알 수 있다. 또한, 저비저항대의 분포가 확장된 것을 통해 주입된 침출수가 수평 및 수직적으로 이동하여 매립지 내에 전체적으로 분포하고 있다는 것을 추측할 수 있다. 지속해서 침출수가 주입됨에 따라 전기비저항 값은 점점 더 낮아지고 있는 것을 3차와 4차 모니터링 탐사 결과인 Fig. 5(d)와 5(e)를 통해 확인된다. 침출수 주입정 깊이를 기준으로 상부의 전기비저항 값 또한 기준 탐사 대비 낮아진 것을 확인할 수 있으나 침출수의 영향으로 판단하기에는 추가적인 조사가 필요할 것으로 예상된다.

Fig. 6은 나머지 2개의 횡방향 측선의 모니터링 결과이다. 기준 탐사 결과인 Fig. 6(a)와 6(f)는 지하 특성이 불균질한 매립지의 특성으로 인해 서로 다른 전기비저항 분포 특성을 보여주고 있다. 그러나 침출수가 주입된 후로는 주입정 깊이를 기준으로 하부에 저비항대가 점점 넓어지고, 그 값 또한 주입량이 증가함에 따라 점점 작아지는 것이 확인된다. 이러한 전기비저항 분포 특성 변화는 Fig. 5의 결과와 상응하는 결과이다. 이 결과들을 종합하면, 각 횡방향 측선의 모니터링 결과에서 저비항대가 침출수 주입에 따라 넓어지고 있는 것이 확인되고 있고, 이러한 경향은 공간적으로 다른 위치에 존재하는 3개의 횡방향 측선에서 모두 나타나고 있다. 따라서, 주입된 침출수는 매립지 내에 전체적으로 분포가 확장되었다고 해석할 수 있다. Fig. 7은 2개의 종방향 측선 모니터링 결과이다. 3개의 횡방향 측선에서 확인되는 시간에 따른 저비저항대의 확장이 종방향 측선들에서도 똑같이 나타나고 있다. 이것은 주입된 침출수의 분포가 매립지 내에서 공간적으로 확장되고 있다는 해석을 뒷받침해 주고 있다.

Fig. 6.

Monitoring results obtained at survey lines (a-e) G-G' and (h-i) I-I': (a, f) basic survey, (b, g) 1st survey, (c, h) 2nd survey, (d, i) 3rd survey, and (e, j) 4th survey.

Fig. 7.

Monitoring results obtained at survey lines (a-e) J-J' and (h-i) K-K': (a, f) basic survey, (b, g) 1st survey, (c, h) 2nd survey, (d, i) 3rd survey, and (e, j) 4th survey.

각 측선의 전기비저항 모니터링 결과로부터 주입되는 침출수로 인해 지하의 저비저항대가 확장되는 것을 확인하였다. 더욱 직관적인 지하 전기비저항 특성 변화를 확인함으로써 침출수의 거동을 보다 명확히 파악하기 위해 전기비저항 변화비 rρ를 새롭게 정의하고 적용하였다. 전기비저항 변화비는 식 (3)을 통해 얻을 수 있다.

여기서 ρr는 기준 탐사에서 확인된 전기비저항 값이고, ρi는 차수별 모니터링 탐사로부터 획득한 전기비저항 값이다. 식에서 볼 수 있듯이, 전기비저항 값이 기준 탐사의 값과 같을 때 0이 된다. ρi가 작아질수록 즉, 모니터링 탐사에서 전기비저항 값이 작아질수록 그 값은 1에 가까워진다. 따라서 식 (3)의 전기비저항 변화비를 통해 기준 탐사 대비 침출수에 의한 전기비저항 감소를 보다 더 직관적으로 파악할 수 있다.

Fig. 8은 횡방향 측선인 H-H' 측선에 대한 1차와 4차 모니터링 탐사의 전기비저항 변화비 단면이다. Fig. 8(a)는 기준 탐사와 2차 탐사의 전기비저항 변화비로서 전기비저항 값이 변화하지 않거나 증가한 것으로 해석될 수 있는 파란색(0의 값)이 단면의 많은 부분을 차지하고 있다. 그리고, 좌측과 우측의 주입정 부근에서 비저항 값이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 중앙 부근에서는 주입공 하부에 비저항 값이 매우 크게 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 양 측면 주입정과 중앙 주입정 주변에서의 서로 다른 변화양상은 직접적으로 원인을 파악하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하겠지만, 매립지 외각 경계와 매립지 내 불균질한 특성이 주입된 침출수의 거동에 영향을 준 것으로 예상된다. Fig. 8(b)는 기준 탐사와 4차 모니터링 탐사와의 전기비저항 변화비 단면으로서, 비저항 값이 낮아지는 영역이 많이 증가한 것을 확인할 수 있다. 특히, 비저항 값이 감소하는 영역이 측선 좌측 및 하부에 주로 분포하는 것으로 보아 주입된 침출수는 해당 영역으로 이동되는 것으로 해석된다. 좌측 상부의 주입정 부근에서 큰 값의 전기비저항 변화비는 주입된 침출수가 내부 불균질한 특성에 의해 이동이 원활하지 않아 주입정 부근에서 많이 머물고 있고, 일부 침출수는 매립지 하부로 이동되는 것으로 해석된다. 측선 중앙 깊은 영역의 높은 전기비저항 변화비는 침출수가 하부로 이동하여 분포하는 것으로 해석된다. Fig. 8(b)의 주입이 시작되고 약 1년이 지난 4차 모니터링 탐사결과로서, 일부 영역은 변화비가 0인 것을 알 수 있다. 따라서 아직까지는 매립지 전체에 대해서 침출수로 포화되지 않았음을 알 수 있다.

Fig. 8.

Ratios of electrical resistivity change for survey line H-H': (a) 1st survey, (b) 4th survey.

Fig. 9는 전기비저항 변화비를 모든 측선 결과를 이용하여 내삽을 통해 깊이별 평면도를 제작하고 깊이별로 나열한 것이다. Fig. 9(a)는 1차 모니터링 탐사에서의 비저항 변화비로서 주입 초기에 해당한다. 이 시기에는 8 m 깊이를 기준으로 상부는 거의 변화가 없는 것을 확인할 수 있고, 깊이 13 m ~ 17 m 부근에 비저항 변화가 집중되어 있다. 주입된 침출수는 변화비가 큰 깊이에 주로 분포하고 있는 것으로 예측할 수 있다. 일부 침출수는 특정 경로를 통해 깊은 심도까지 빠르게 이동한 것으로 해석된다. Fig. 9(b)는 2차 모니터링 탐사에서의 전기비저항 변화비로서 거의 모든 깊이에서 Fig. 9(a)보다 전기비저항 변화가 큰 것을 확인할 수 있다. 비저항의 변화는 모든 심도에서 확인되고 있는 것으로 보아, 이미 2차 모니터링 탐사 시기에 침출수는 매립지 전체로 이동되어 분포하고 있는 것으로 판단된다. 3차와 4차 모니터링 탐사결과인 Fig. 9(c)와 Fig. 9(d)에서는 깊은 심도에서 더욱 강한 변화가 확인되고 있고, 일부는 변화가 다시 0으로 회귀하였다. 지속적인 침출수 주입으로 인해 침출수 분포 밀도가 증가한 것으로 파악되고, 일부 침출수는 매립지 하부에 있는 회수 장치를 통해 매립지 밖으로 빠져나가 비저항 변화가 감소한 것으로 해석된다. 이번 분석을 통해 주입된 침출수의 거동 특성을 효과적으로 파악할 수 있었으며, 심도별 전기비저항 변화비 수평 단면을 통해 주입된 침출수의 시기별 분포 경향과 흐름을 효과적으로 파악할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 9.

Ratios of electrical resistivity change with depth: (a) 1st survey, (b) 2nd survey, (c) 3rd survey, and (d) 4th survey.

결 론

본 논문에서는 인천광역시에 존재하는 바이오리액터 공법이 적용된 수도권 제2매립장에 재주입된 침출수의 거동 특성을 파악하기 위해 전기비저항 탐사 기반의 모니터링을 수행하였다. 전기비저항 탐사는 총 5번 수행되었다. 침출수가 주입되기 전인 2013년 8월에 기준 탐사가 수행되었고, 이후 4차례의 시간 경과 모니터링이 수행되었다. 탐사 측선은 횡방향 3개와 종방향 2개의 측선으로 구성되었다.

모니터링 결과를 종합하면, 침출수 주입정 심도(8 m)를 기준으로 상부는 침출수에 의한 전기비저항 변화가 확인되지 않는다. 반면에, 주입정 심도 하부는 침출수에 의한 전기비저항의 감소가 확인되고 그 변화 폭은 모니터링 차수가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 침출수 주입이 지속해서 이루어져 매립지 내 침출수의 양이 증가했기 때문으로 해석된다. 전기비저항 변화의 영역과 크기는 측선별로 다르게 나타나는데, 이것은 다양한 폐기물이 불규칙하게 매립되는 매립지의 특성과 관련된 것으로 해석된다. 그러나 침출수에 의한 전기비저항의 감소 경향은 모든 측선에서 뚜렷이 확인된다. 전기비저항 변화를 통해 침출수의 거동 특성을 더욱 직관적으로 파악하기 위해 전기비저항 변화비를 새롭게 정의하고 적용하였다. 전기비저항 변화비 단면에서 주입된 침출수는 주입정 위치에 따라 매립지 외곽 경계 및 불균질한 매립지 영향을 받아 침출수의 이동 경로 및 분포 특성이 변화가 확인된다. 그뿐만 아니라, 깊이별 전기비저항 변화비 수평 단면을 통해 시간에 따른 침출수 분포 깊이와 거동 특성을 효과적으로 파악하였다.

본 논문을 통해 전기비저항 탐사는 주입된 매립지 내 침출수의 거동 모니터링을 효과적으로 수행할 수 있음을 확인하였다. 그리고, 새롭게 도입된 전기비저항 변화비는 침출수의 거동 및 분포 특성을 직관적으로 제시하였다. 그러나, 침출수의 포화도 및 함수량 등과 같은 침출수 거동 특성을 파악하기 위한 정량적인 지표들을 추가로 파악할 필요가 있으며, 이번 모니터링 결과에서 해석이 어려운 주입정 상부의 전기비저항 변화와 같은 현상을 위한 추가 관측정 설치 등 추가적인 시설과 다양한 기법들을 적용한 복합 모니터링 연구가 필요할 것으로 판단된다. 전기비저항 모니터링도 연구 지역의 특성을 고려한 자료획득 최적화 연구 등 다양한 연구가 추가로 필요할 것으로 판단된다.