[논문 리뷰] Bioremediation of oil and heavy metal contaminated soil in construction sites: a case study of using bioventing-biosparging and phytoextraction techniques

Ebrahim Eslami, Seyedeh Hanie Seyed Joodat|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 10.

Microbial bioremediation and biosurfactants인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 이란의 건설 현장 토양에서 석유(비테크스, PAHs) 및 중금속(Pb) 오염을 복합 생분해-생물흡착과 식물흡착을 조합한 방법으로 정화하는 것을 평가한다. 시멘트 오염은 깊은 층에서 에틸벤젠과 푸렌의 분해 속도를 감소시켜 투과도가 감소시켰지만, 토양을 안정화하고 오염물질의 가용성을 높여 浅층에서 Pb의 식물흡착을 향상시켰다.

ABSTRACT

This paper studies the bioremediation techniques utilized for degrading soil pollutants in a construction site located in Iran. The activities in a construction site, located in Garmdareh, Karaj, polluted the soil environment with a large amount of contaminants among which BTEX, PAHs and heavy metals are considered to be the most important components. Employing conventional physicochemical techniques for remediation of such a polluted soil is both technically and economically challenging. Bioremediation, which involves taking advantage of the microorganisms for the removal of pollutants, is the most promising technology which is both relatively efficient and cost-effective. In this study, the coupled bioventing-biosparging technique and the phytoextraction process were utilized to remediate the deep and shallow layers of the polluted environment, respectively. However, the widespread presence of the cement components in the site influenced the performance of bioremediation techniques. The results of this study indicated that the cement- polluted soil lowered the degradation rate of both BTEX (Ethylbenzene) and PAH (Pyrene) pollutants within deep layers. Conversely, the degradation rate of Pb was increased in phytoextraction process due to proper stabilization of the surficial soil in presence of cement components. This study provides a critical view on the limitations and influential parameters of function-directed soil remediation techniques dealing with the presence of cementitious materials in construction sites.

연구 동기 및 목표

• 지하 및 표면 토양층에서 석유계 화합물과 중금속에 오염된 토양에 대한 현장 생분해 정화 기술—생분해-생물흡착 및 식물흡착의 효과를 평가하기 위해.
• 시멘트성 물질이 건설 현장 토양에서 생분해 정화 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 시멘트 오염이 지하 및 표면 토양층에서 토양 투과도, 산소 이동 및 오염물질 분해 동역학에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 시멘트 성분이 토양 구조와 금속 이동성에 영향을 미쳐 지하층에서는 해로운 역할을 하고 표면층에서는 유익한 역할을 할 수 있는 이중 기능을 할 수 있는지 확인하기 위해.
• 복잡한 오염과 시멘트 존재 조건을 가진 실제 건설 현장 조건에서 생분해 정화 전략을 최적화하기 위한 현장 기반 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 지하 토양층에서 비테크스 및 PAHs(특히 에틸벤젠과 푸렌)의 호기성 생분해를 촉진하기 위해 현장에서 생분해-생물흡착을 적용하여 공기를 주입함으로써 내재 미생물을 활성화시켰다.
• 표면 토양층에서의 lead(Pb) 제거를 위해 식물 보조 정화 기술을 사용한 식물흡착을 실시하여 식물 뿌리 시스템을 활용해 오염물을 안정화하고 제거하였다.
• 50일 동안 오염물질 농도를 모니터링하여 관측된 분해 속도를 이상 조건에서 예상되는 분해 곡선과 비교하였다.
• 특히 시멘트 침투로 인해 산소 확산과 영양소 이동이 저해된 깊은 층에서 시멘트 성분이 토양 투과도와 다孔도에 미치는 영향을 평가하였다.
• 표면 토양에서의 시멘트 안정화 효과를 평가하여 빗물 유출을 감소시키고 Pb의 생물가용성을 높여 식물 흡수에 유리하게 만들었다.
• 관측된 분해 경향과 예상된 경향 간의 비교 분석을 통해 현장 측정을 실시하고 시멘트가 생분해 정화 효율에 미치는 영향을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생분해-생물흡착 과정 중 깊은 토양층에서 시멘트성 물질의 존재가 비테크스(특히 에틸벤젠) 및 PAHs(특히 푸렌)의 분해 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 시멘트 오염이 토양의 투과도와 산소 이동을 얼마나 감소시켜 깊은 층에서의 현장 생분해 정화를 저해하는가?
• RQ3 표면층에서 시멘트에 의해 유도된 토양 안정화가 Pb 제거를 위한 식물흡착 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 시멘트 성분이 지하층에서는 생분해 정화를 저해하고 표면층에서는 이를 향상시킬 수 있는가? 이 이중 효과의 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 건설 현장에서의 시멘트 오염이 생분해 정화 전략 설계 및 모니터링에 실질적인 영향을 미치는가?

주요 결과

• 시멘트 침투로 인한 투과도 감소와 밀도 증가로 인해 50일 후 지하 토양층에서 에틸벤젠의 분해 속도가 5% 감소하였다.
• 지하층에서 푸렌의 분해 속도도 예상보다 낮았으며, 이는 시멘트에 의한 토양 압축으로 산소와 영양소의 이동이 저해되어 발생한 것으로 일치하였다.
• 표면층에서는 Pb 식물흡착 분해 속도가 예상값을 초과하였고, 관측된 분해 속도가 이론 곡선을 넘어서 시멘트에 의해 유도된 안정화로 인해 생물가용성이 향상된 것으로 나타났다.
• 표면 토양에서의 시멘트 성분은 유출을 감소시키고 뿌리 주변에서 금속 농도를 높여 Pb의 식물 보조 정화 효율을 향상시켰다.
• 지하층에서의 시멘트 존재는 산소 확산과 미생물 활동을 감소시켜 생분해-생물흡착에 부정적인 영향을 미쳤지만, 이 기술은 오염물질 완전 분해 가능성을 지닌다.
• 이 연구는 시멘트 오염이 이중 역할을 한다는 점을 확인한다: 지하층에서는 투과도 감소로 인해 해로운 영향을 미치지만, 표면층에서는 토양 안정화와 금속 추출 효율 향상으로 인해 유익한 영향을 미친다.