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문제 정의
- 오염현상을 오염원 오염경로 오염지역의 3단계 모형으로 적용하면 지금까지의 연구는 주로 오염경로와 오염지역 특성에 치중해왔으며 오염원에 관한 연구는 상대적으로 적었다. 본 연구는 오염원-오염경로-오염지역의 모형을 통해 휴, 폐광산에 적치된 광미의 자연풍화에 따른 광산 폐수의 지구화학적 진화과정과 중금속 용출과정을 포괄적이고 정량적으로 이해하며 이를 바탕으로 중금속의 용출특성과 오염물질의 이동특성을 규명, 주변 지하수와 토양에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 복구가 이루어진 지역의 잔류광미로 인한 오염잠재성을 알아보고자 하였다. 현재 국내에서 이루어진 폐광산 관한 연구들은 대부분 복원이 이루어지지 않은 지역들을 대상으로 하였다.
- 방출된 오염인자들은 궁극적으로 주변 토양과 하부지하수로 이동할 것으로 판단된다. 폐광산 주변지역의 지하수 분석을 통하여 광미로 인한 오염여부를 확인해보고자 하였다(Table 3). 이 지역 대부분의 민가에서는 농업용수 공급을 위한 천부지하수 관정을 이용하고 있다.
제안 방법
- 광미 및 토양 : 광미 및 토양의 pH는 토양 또는광미시료 100 g에 CaCl2 용액 200ml를 섞어 10분간 교반 후 pH meter(Orion 710A)로 측정하였다(Thomas, 1996). 건조시키기 전 토양시료 10 g을 도가니에 넣은 후 오븐에서 105℃, 24시간 건조 후 줄어든 무게를 측정하여 수분 함량을 계산하였으며 이 시료를 다시 전기로에 450℃로 2시간 가열, 데 시케이터에서 냉각한 후 무게차이를 측정하여 작열 감량을 구했다.
- 광미로부터의 자연풍화에 따른 원소들의 용출특성을 알아보기 위하여 회분식 시험을 시행하였다. 회분식 시험은 pH를 조정하지 않은 시험과 pH를 조정한 2종류를 실시하였다.
- 연구지역 현장에서 광미와 지하수 시료를 채취하였다. 광미시료는 여름과 겨울 2차례에 걸쳐 채취하였으며 지하수의 경우 5월 1차례에 걸쳐 채취하였다. 광미 시료는 핸드 오거 드릴을 이용, 선광장에 방치된 적치장에서 10 cm 간격으로 80 cm 깊이까지 1개소, 5 cm 간격으로 40 cm 깊이로 1개소를 채취하였다.
- 광미의 광물학적 특성과 원소분포 특성을 알기 위하여 단색분광기를 장착한 XRD(Siemens, D5005X 이용, 광미시료의 광물분석을 실시하였다. 운전조건은 Ni- filtered Cu-K를 이용, 3°~60º 20범위를 회절선 간격 0.
- 광미의 주원소 및 미량원소의 화학분석은 각각 X-선형광분석기 (MXF-2001, Shimazu) 와 ICP-AES(Jobin Yvon, Model JY-38 plus> 이용하였다. 광미 공극수추출은 수분함량기 낮은 광미야적장에서 채취한 시료의 경우 시료 100g에 물보다 비중이 높으면서 물과 섞이지 않는 테트라클로로에틸렌 용액 100 mZ을 첨가하여 15,000 rpm의 속도로 1시간 원심분리를 한 후 상등액을 채취, 0.
- 45 ㎛ 필터 시린지로 여과하였다(Whelan and Barrow, 1980). 반면 상대적으로 수분함량이 높은 논퇴적 광미시료는 TCE용액을 사용하지 않고 15,000 rpm 에서 1시간동안 원심분리한 후 상부에 용출된 공극수를같은 방법으로 여과하여 ICP-AES(Jobin Yvon, 138 Ultrace)를 이용, 분석하였다.
- pH를 조정하지 않은 시험의 경우 광미와 용액으로 사용한 증류수의 비를 1:10(50 g: 500m2)으로 1L 폴리에틸렌병에 담은 후 회전식 교반기를 속도 150 rpm으로 한 후 24시간동안 진탕하였다. 이 과정이 끝나면 침출액을 제거한 후 다시 증류수를 채운 후 위의 과정을 반복, 총 3회에 걸쳐 실시하였다. 이와 함께 용출 3회 동안 침출액을 그대로 두면서 72시간 동안 진탕을 계속하여 평형에 도달하도록 하였다.
- 이를 복구하기 위하여 폐광산 주변 광미 적치장에 있는 광미를 제거하고 그 자리에 소각장을 건설하였으며 일부오염이 심한 지역에는 복토를 하였다. 복원작업을 통하여 현재는 갱구 주변에 광미가 일부 남아있으며 외형적으로는 많이 변한 모습이다.
- 이를 위하여 폐광지역에서 광미시료를 채취하여 광미와 공극수간의 중금속 분포를 파악하였으며 광미-물 접촉시간에 따른 화학성분 변화를 알아보았다. 실내에서 회분식 용출 시험방법을 이용하여 광미의 원소 방출 정도를 파악, 장기간에 걸친 광미의 중금속 용출 특성을 규명하였다.
- 이 과정이 끝나면 침출액을 제거한 후 다시 증류수를 채운 후 위의 과정을 반복, 총 3회에 걸쳐 실시하였다. 이와 함께 용출 3회 동안 침출액을 그대로 두면서 72시간 동안 진탕을 계속하여 평형에 도달하도록 하였다.
- 1). 채취 현장에서 pH(0rion 290A), 전기전도도(Istek 47C)를 측정하였으며 각 지점마다 500m2 폴리에틸렌병에 양이온과 음이온용 각 1개씩을 채취하였다. 지하수 시료는 현장에서 0.
- 한편 산성비의 영향등으로 pH가 감소하는 경우의 중금속 용출량 변화를 알아보기 위하여 같은 혼합비(1:10)와 운전조건(150rpm)을 유지하면서 용매로 쓰는 증류수에 HCl로 용액의 pH를 4로 조정하였다. 이때 교반시간은 8시간으로 조정하였으며, pH는 매시간 보정하였다.
- 채취한 광미시료는 비닐백에 밀봉하여 실험실로 옮긴 후 광미에 포함된 공극수를 추출한 후 자연건조 후 전기오븐에 105℃로 하루 이상을 건조시킨 후 2 mm 입도로 체질, 통과분만을 선 별, 광미화학 분석시까지 데시케이터에 보관하였다. 화학분석과 광물분석용 광미시료는 마노 유발을 이용, 150 메쉬이하로 분쇄하여 균질도를 높였다.
- 광미로부터의 자연풍화에 따른 원소들의 용출특성을 알아보기 위하여 회분식 시험을 시행하였다. 회분식 시험은 pH를 조정하지 않은 시험과 pH를 조정한 2종류를 실시하였다. pH를 조정하지 않은 시험의 경우 광미와 용액으로 사용한 증류수의 비를 1:10(50 g: 500m2)으로 1L 폴리에틸렌병에 담은 후 회전식 교반기를 속도 150 rpm으로 한 후 24시간동안 진탕하였다.
대상 데이터
- 광미시료는 여름과 겨울 2차례에 걸쳐 채취하였으며 지하수의 경우 5월 1차례에 걸쳐 채취하였다. 광미 시료는 핸드 오거 드릴을 이용, 선광장에 방치된 적치장에서 10 cm 간격으로 80 cm 깊이까지 1개소, 5 cm 간격으로 40 cm 깊이로 1개소를 채취하였다. 광미 적치장외에도 용출되어 하부지역 논으로 이동한 광미시료를 채취하기 위하여 광산에서 약 1km 떨어진 논바닥에 퇴적되어 있는 광미시료를 20 cm 깊이 간격으로 180 cm 까지 채취하였다.
- 광미 시료는 핸드 오거 드릴을 이용, 선광장에 방치된 적치장에서 10 cm 간격으로 80 cm 깊이까지 1개소, 5 cm 간격으로 40 cm 깊이로 1개소를 채취하였다. 광미 적치장외에도 용출되어 하부지역 논으로 이동한 광미시료를 채취하기 위하여 광산에서 약 1km 떨어진 논바닥에 퇴적되어 있는 광미시료를 20 cm 깊이 간격으로 180 cm 까지 채취하였다. 채취한 광미시료는 비닐백에 밀봉하여 실험실로 옮긴 후 광미에 포함된 공극수를 추출한 후 자연건조 후 전기오븐에 105℃로 하루 이상을 건조시킨 후 2 mm 입도로 체질, 통과분만을 선 별, 광미화학 분석시까지 데시케이터에 보관하였다.
- 연구대상인 시흥 Cu-Pb-Zn 광산은 경기도 광명시 가학동에 위치한다. 이 지역은 주로 선캠브리아기의 결정 편암인 연천 층군의 변성 퇴적암류로 이루어져 있으며 하부로부터 탄평리 편암층, 도덕산 석회규산염층 및 안양규암층으로 구분된다.
- 연구지역 현장에서 광미와 지하수 시료를 채취하였다. 광미시료는 여름과 겨울 2차례에 걸쳐 채취하였으며 지하수의 경우 5월 1차례에 걸쳐 채취하였다.
- 지하수 시료는 광미로 인한 직접적인 오염여부를 확인하기 위하여 폐광입구에서 갱국지하수시료와 주변 민가의 관정을 이용하여 총 4개소에서 채취하였다(Fig.1). 채취 현장에서 pH(0rion 290A), 전기전도도(Istek 47C)를 측정하였으며 각 지점마다 500m2 폴리에틸렌병에 양이온과 음이온용 각 1개씩을 채취하였다.
- 이때 교반시간은 8시간으로 조정하였으며, pH는 매시간 보정하였다. 회분식 용출시험에 사용한 시료는 광미야 적장에서 채취한 시료 중 표충 시료와 심부시료(80 cm)의 두종류와 광미야적장 최상부의 광미가 섞인 토양시료의 3가지를 사용하였다.
이론/모형
- 물-광미간의 반응과정을 정량적으로 이해하기 위하여 공극수 분석결과와 회분식 시험결과 등을 이용하여 PHREEQC(Parkhurst와 Appelo, 1999)를 이용하여 원소들의 화학종(speciation) 규명과 특정 광물상에 대한 포화지수(saturation index, SI)를 구하였다(Table 5).
성능/효과
- 광미 공극수 분석결과를 통하여 잔류광미에서 중금속이 지속적으로 용출되고 있음을 확인할 수 있었다. 방출된 오염인자들은 궁극적으로 주변 토양과 하부지하수로 이동할 것으로 판단된다.
- 그러나 두 시료간 광물 조성 차이가 없는 것으로 보아 1) 광미가 퇴적된 기간이 이차 풍화산물 형성에 충분치 못한 기간이었거나, 2) 광미 산화대가 하부까지 미쳐 두 지역 간의 차이를 보이지 않은 것으로 생각된다. 광미는 시 료채취 지점에 약 30여 년간 방치된 것으로서 80 cm 깊이에서 각 10 cm 간격으로 채취한 시료를 비교할 때 표면에 가까울수록 더 많은 물이 통과하여 더 많은 양의 원소 용출을 야기, 결과적으로 풍화정도를 가장 크게 만들었을 것으로 예상된다. 그러나 풍화정도에 따른 특징적인 이차 광물 형성은 관찰되지 않았다.
- 5~7사이이다. 따라서 이 지역의 경우 pH가 감소할수록 중금속 용출량이 급격히 증가하며 결과적으로 주변 지하수, 토양 오염가능성이 크게 증가 할 것이다.
- , 1996). 모델링 결과를 보면 Cd의 경우 70% 이상이 자유이온 상태로 존재하며 대부분의 Cd 함유광물에 대하여 비포화 정도가 커서 평형농도에 도달하지 못하고 있을 것으로 추정된다. 이는 다른 면에서 지속적인 용출이 가능한 것을 시사하는 것으로 pH 등의 용출조건이 변화함에 따라 다량의 Cd이 용출될 가능성을 나타내는 것이다.
- 미량원소들의 평균농도는 Cu=3, 088 ppm, Cd=75 ppm, Pb=26, 213 ppm 및 Zn= 11, 738 ppm 등의 값을 보였다. 이들 원소들에 대하여 상부 10~40cm에서 채취한 시료들의 평균값과 하부 50~80cm에서 채취한 평균값을 비교하면 As, Cd, Ni, Pb 및 Zn 등의 경우 표준 편차 이상의 차이를 보이며 상부 시료가 하부에 비하여 낮은 농도를 나타냈다(Table 1). 특히 As의 경우는 뚜렷한 차이를 보인다.
후속연구
- 실내에서 행한 회분식 시험과 지구화학 모델링 결과 물-광미반 응에 따른 공극수 농도는 용출/침전과정에 의해 조정되며 일부 원소들은 포화농도에 도달하여 침전된 고형물에 의해 그 농도가 조정될 것으로 생각된다. 회분식 시험은 최대 72시간의 짧은 시간에 걸쳐 시행된 바 야외조사 결과와 어느 정도 차이는 있을 것이나 pH 4로 조정한 회분식 시험에서 중금속 용출이 급격히 늘어나는 결과등을 비교할 때에 이러한 용출/침전 과정에 의한 중금속 용출과정을 추정할 수 있을 것이다.
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