Field 규모 연속 토양세척공정을 이용한 비소 오염토양 정화 효율 평가 Performance Evaluation of the Field Scale Sequential Washing Process for the Remediation of Arsenic-Contaminated Soils원문보기
고농도 비소 오염토양에 대한 fold규모 연속 토양세척공정의 적용 가능성을 평가하기 위해 경상남도 D광산 광미 혼합토양에 대하여 적용하였다. 초기 비소오염 농도는 $321\pm32 mg/kg$ dry soil 이었으며 pilot규모 실험에서 도출된 기본 운전조건을 적용한 결과, 세척된 토양의 잔류 비소농도는 2.03 mg/kg dry soil로서 $99\%$의 높은 제거효율을 나타내었다. 경제성 및 효율성을 개선하기 위하여 세척제의 농도, cut-off size, 진탕비를 조절하며 운전한 결과, 토양세척 공정 운전시 원활한 운전관리와 처리단가 등을 고려한 최적의 운전조건은 1) 각 단계의 세척제 농도 0.2M HCl-1.0M HCl-1.0M NaOH, 2) cut-off size 0.15mm(sieve $\sharp$100), 3) 진탕비 1:3으로 처리한 결과 세척된 토양의 잔류 비소농도는 2.03mg/kg이었으며 세척유출수 처리에서는 형성된 Hoc의 과포화로 인한 침전방해가 발생하지 않는 pH 6이 (33 ppb) 최적의 처리조건으로 판단되었다. 최종 배출된 청정자갈 및 토양, 티ter cake에 대하여 TCLP법을 적용한 용출실험 결과, 각각 1.04, ND, 0.07 mg/L 모두 용출비소 농도기준(5 mg/L)을 만족하며, 탈수슬러지의 함수율$(48\%)$도 폐기물관리법의 슬러지 수분함량 기준$(85\%)$을 만족하여 매립처리가 가능함을 알 수 있었다. 따라서 본 연구의 field 규모 연속 토양세척공정은 고농도 비소 오염부지의 정화를 위한 기술로 적용 가능함을 확인할 수 있었다.
고농도 비소 오염토양에 대한 fold규모 연속 토양세척공정의 적용 가능성을 평가하기 위해 경상남도 D광산 광미 혼합토양에 대하여 적용하였다. 초기 비소오염 농도는 $321\pm32 mg/kg$ dry soil 이었으며 pilot규모 실험에서 도출된 기본 운전조건을 적용한 결과, 세척된 토양의 잔류 비소농도는 2.03 mg/kg dry soil로서 $99\%$의 높은 제거효율을 나타내었다. 경제성 및 효율성을 개선하기 위하여 세척제의 농도, cut-off size, 진탕비를 조절하며 운전한 결과, 토양세척 공정 운전시 원활한 운전관리와 처리단가 등을 고려한 최적의 운전조건은 1) 각 단계의 세척제 농도 0.2M HCl-1.0M HCl-1.0M NaOH, 2) cut-off size 0.15mm(sieve $\sharp$100), 3) 진탕비 1:3으로 처리한 결과 세척된 토양의 잔류 비소농도는 2.03mg/kg이었으며 세척유출수 처리에서는 형성된 Hoc의 과포화로 인한 침전방해가 발생하지 않는 pH 6이 (33 ppb) 최적의 처리조건으로 판단되었다. 최종 배출된 청정자갈 및 토양, 티ter cake에 대하여 TCLP법을 적용한 용출실험 결과, 각각 1.04, ND, 0.07 mg/L 모두 용출비소 농도기준(5 mg/L)을 만족하며, 탈수슬러지의 함수율$(48\%)$도 폐기물관리법의 슬러지 수분함량 기준$(85\%)$을 만족하여 매립처리가 가능함을 알 수 있었다. 따라서 본 연구의 field 규모 연속 토양세척공정은 고농도 비소 오염부지의 정화를 위한 기술로 적용 가능함을 확인할 수 있었다.
This study was carried out to evaluate the feasibility of field-scale sequential soil washing process for remediation on Kyongsangnamdo D mine soils which was heavily contaminated by arsonic. Arsenic concentration of untreated soils was $321\pm32mg/kg$. By applying the basic operating con...
This study was carried out to evaluate the feasibility of field-scale sequential soil washing process for remediation on Kyongsangnamdo D mine soils which was heavily contaminated by arsonic. Arsenic concentration of untreated soils was $321\pm32mg/kg$. By applying the basic operating condition which was proposed from several pilot-scale experiments, arsenic concentration of treated soils was reduced 2.04 mg/kg ($99\%$ removal efficiency). We optimized the basic operating condition (mainly on washing solution concentration, cut-off size, and mixing ratio) to improve efficiently and economically the field-scale sequential soil washing process. The resulting optimized conditions were that solution concentration is 0.2M HCl, 1.0M HCl, 1.0M NaOH, that the cut-off size is 0.15mm (seive $\sharp$100), and that the mixing ratio is 1 3. Also, the optimized pH value for soil washing effluent treatment was 6 (33 ppb), in which the precipitation disruption caused by supersaturation of the floe did not occur. Results of TCLP tests showed that arsenic concentration from the washed gravels was 1.043 mg/L, that from soils ND (not detected), and that from filter cakes 0.066 mg/L. Also, the water content as a percentage of dewatered sludges was low $(48\%)$ and so the dewatered sludges can be disposed by landfilling. Through these results, we can concluded that tile field-scale sequential soil washing process developed in this study is adopted for remediation of arsenic-contaminated soils.
This study was carried out to evaluate the feasibility of field-scale sequential soil washing process for remediation on Kyongsangnamdo D mine soils which was heavily contaminated by arsonic. Arsenic concentration of untreated soils was $321\pm32mg/kg$. By applying the basic operating condition which was proposed from several pilot-scale experiments, arsenic concentration of treated soils was reduced 2.04 mg/kg ($99\%$ removal efficiency). We optimized the basic operating condition (mainly on washing solution concentration, cut-off size, and mixing ratio) to improve efficiently and economically the field-scale sequential soil washing process. The resulting optimized conditions were that solution concentration is 0.2M HCl, 1.0M HCl, 1.0M NaOH, that the cut-off size is 0.15mm (seive $\sharp$100), and that the mixing ratio is 1 3. Also, the optimized pH value for soil washing effluent treatment was 6 (33 ppb), in which the precipitation disruption caused by supersaturation of the floe did not occur. Results of TCLP tests showed that arsenic concentration from the washed gravels was 1.043 mg/L, that from soils ND (not detected), and that from filter cakes 0.066 mg/L. Also, the water content as a percentage of dewatered sludges was low $(48\%)$ and so the dewatered sludges can be disposed by landfilling. Through these results, we can concluded that tile field-scale sequential soil washing process developed in this study is adopted for remediation of arsenic-contaminated soils.
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문제 정의
pH 조정에 따른 유출수내 비소의 제거 효율을 파악하기 위하여 응집 . 침전조로 이송되어 혼합된 각 단계별 세척유출수(pH 8.
본 연구에서는 고농도의 비소로 오염된 D 광산 부지에서 field 규모의 연속 토양세척공정을 적용하여 효율적이 며 경제적인 정화를 위한 운전조건을 도출하고자 하였다. 또한, 세척공정 후 배출된 청정자갈 및 토양과 유출수 처 리공정에서 배출된 슬러지에 대하여 용출실험을 통한 매 립처리의 가능성을 평가하므로, field 규모 연속 세척공정 을 적용한 실제 정화사업의 가능성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 고농도의 비소로 오염된 D 광산 부지에서 field 규모의 연속 토양세척공정을 적용하여 효율적이 며 경제적인 정화를 위한 운전조건을 도출하고자 하였다. 또한, 세척공정 후 배출된 청정자갈 및 토양과 유출수 처 리공정에서 배출된 슬러지에 대하여 용출실험을 통한 매 립처리의 가능성을 평가하므로, field 규모 연속 세척공정 을 적용한 실제 정화사업의 가능성을 평가하고자 하였다.
본 공정은 (1) 비소 및 그 외의 중금속 으로 오염된 토양을 효율적으로 세척 . 정화하기 위한 연 속 토양세척장치, (2) 세척 대상토양과 미세토사 및 floc 함유 유출수를 분리하기 위한 hydrocyclone 및 under- flow되는 토양을 입경분리하기 위하여 내부에 100 mesh 규격(0.150 mm)의 망을 설치한 미세토사살수장치, (3) 세 척유출수의 오염물질 및 미세토양 제거를 위한 응집 . 침 전장치, (4) 침전된 슬러지 탈수를 위한 filter press 탈수 장치로 구성되었다.
제안 방법
진탕비(토양 [g] : 세척용액 [mL])는 1 : 5, 연속 토양세척장치의 1. 2차 세척부의 회전속도를 각각 6, 2.5 rpm으로 운전하였고, 대상토양의 cut-ofF size는 2.000 mm(sieve #10)-0.150 mm(sieve #100)로 선정하여 세척을 수행하였다. 또한, 경제성 제고 운전조건을 도출하기 위하여 세척제의 농도, cut-off size, 진탕비 등 3가지의 운전인자를 각각 조절하여 실험하였다(Table 2).
기존의 lab . pilot 규모 실험을 통하여 도출된 기본 운 전조건과 오염토양 복원시 효율성과 경제성을 높이기 위한 운전조건을 적용하여 세척실험을 수행하였다. 기본 운 전조건으로는 0.
고농도의 비소로 오염된 폐 철광산 주변 토양을 효율적으로 세척 정화하기 위하여 lab . pilot 규모의 실험(황정 성 외, 2004; 황정성 외, 2005)을 통한 기본운전조건을 바탕으로 field 규모 연속 토양세척공정을 설계 . 제작하 였다(Fig.
pilot 규모 실험을 통하여 도출된 기본 운 전조건과 오염토양 복원시 효율성과 경제성을 높이기 위한 운전조건을 적용하여 세척실험을 수행하였다. 기본 운 전조건으로는 0.2 M HC을 사용하여 floc을 발생시킨 후, 2・3단계 세척공정에서 각각 1.0 M의 HC1 과 Na아 적용하였다. 진탕비(토양 [g] : 세척용액 [mL])는 1 : 5, 연속 토양세척장치의 1.
150 mm(sieve #100)로 선정하여 세척을 수행하였다. 또한, 경제성 제고 운전조건을 도출하기 위하여 세척제의 농도, cut-off size, 진탕비 등 3가지의 운전인자를 각각 조절하여 실험하였다(Table 2).
0 M NaOH를 주입 하여 pH 5, 6, 7, 8, 9, Id으로 조절한 후, 침전시켜 상등액내 비소, 알루미늄, 철의 농도를 분석하였다. 또한, 세 척공정을 마친 청정자갈 및 토양과 탈수과정을 거쳐 배출 된 filter cake에 대하여 매립 처리 가능성 평가를 위한 TCLP법을 적용하여 용출된 비소의 농도를 분석하였다.
본 연구에서는 D 광산 토양게 대하여 field 규모 연속 토양세척공정을 적용하였다. 대상토양의 물리·화학적 특 성, 입경 분포 및 입경별 비소오염 부하량, 연속추출법(Kim et al.
pH 조정에 따른 유출수내 비소의 제거 효율을 파악하기 위하여 응집 . 침전조로 이송되어 혼합된 각 단계별 세척유출수(pH 8.6)에 HNO3 원액과 1.0 M NaOH를 주입 하여 pH 5, 6, 7, 8, 9, Id으로 조절한 후, 침전시켜 상등액내 비소, 알루미늄, 철의 농도를 분석하였다. 또한, 세 척공정을 마친 청정자갈 및 토양과 탈수과정을 거쳐 배출 된 filter cake에 대하여 매립 처리 가능성 평가를 위한 TCLP법을 적용하여 용출된 비소의 농도를 분석하였다.
투입호퍼에서 wet vibrating screene로 이송된 50 mm 이하의 비소 오염토양게 대하여 0.2 M HC1 의 세척수를 고압 분사하여 파쇄 및 세척과정을 거친 후 gravel 및 coarse sand(2 mm 이상)의 크기를 갖는 토양은 진동 탈 수시켜 청정토사로 배출하였고, 혼합교반조를 거쳐 형성된 floc과 2 mm 이하의 토양은 hydrocyclone으로 이송 시켰다. Hydrocyclone으로 이송된 오염토양과 세척수의 혼합물 중, 0.
이론/모형
세척 전후 토양 및 floc 내에 존재하는 비소의 농도 분석은 토양오염공정시험법환경부, 2002a:에 따라 전처리한 후, ICP-0ES(PerkinElmer, Model: Optima 2000DY USA)와 AAS(SHIMADZU, Model: AA-6401F,Japan» 이용하였으며, 세척유출수내에 미량으로 존재하는 비소는 AAS-HVG(SHIMADZU, Model: HVG 1,Japan)를 이용하여 분석하였다. 공정을 거쳐 배출된 청정 자갈 및 토양, filter cake의 매립처리 가능성을 평가를 위한 방법으로 pH가 낮은 산성광산배수의 유출을 고려하여 국내 폐기물용출시험법(환경부, 2002b)의 추출용매 (pH 5.8~6.3)보다 낮은 pH의 추출용매(pH 2.88~4.93)를 사용하는 EPA Method 1311(US EPA, 1997b)의 TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure)법을 적용하였다.
본 연구에서는 D 광산 토양게 대하여 field 규모 연속 토양세척공정을 적용하였다. 대상토양의 물리·화학적 특 성, 입경 분포 및 입경별 비소오염 부하량, 연속추출법(Kim et al., 2003)을 통한 비소 결합형태 파악 등은 lab-pilot 규모의 실험 (황정성 외 , 2004; 황정성 외 , 2005) 을 참고하였다. 세척 전후 토양 및 floc 내에 존재하는 비소의 농도 분석은 토양오염공정시험법환경부, 2002a:에 따라 전처리한 후, ICP-0ES(PerkinElmer, Model: Optima 2000DY USA)와 AAS(SHIMADZU, Model: AA-6401F,Japan» 이용하였으며, 세척유출수내에 미량으로 존재하는 비소는 AAS-HVG(SHIMADZU, Model: HVG 1,Japan)를 이용하여 분석하였다.
, 2003)을 통한 비소 결합형태 파악 등은 lab-pilot 규모의 실험 (황정성 외 , 2004; 황정성 외 , 2005) 을 참고하였다. 세척 전후 토양 및 floc 내에 존재하는 비소의 농도 분석은 토양오염공정시험법환경부, 2002a:에 따라 전처리한 후, ICP-0ES(PerkinElmer, Model: Optima 2000DY USA)와 AAS(SHIMADZU, Model: AA-6401F,Japan» 이용하였으며, 세척유출수내에 미량으로 존재하는 비소는 AAS-HVG(SHIMADZU, Model: HVG 1,Japan)를 이용하여 분석하였다. 공정을 거쳐 배출된 청정 자갈 및 토양, filter cake의 매립처리 가능성을 평가를 위한 방법으로 pH가 낮은 산성광산배수의 유출을 고려하여 국내 폐기물용출시험법(환경부, 2002b)의 추출용매 (pH 5.
성능/효과
1. 대상토양에 대한 field 규모 연속 토양세척공정 적용 시 경제성 및 효율성 제고를 위하여 적용된 운전조건 중 세척제 농도 0.2 M HC1, 1.0 M HC1, 1.0 M NaOH, cut-oflf size 0.150 mm, 진탕비 1 : 3이 가장 적합할 것으로 판단되었다.
세척공정을 마친 청정자갈 및 토양과 filter cake에 대하여 TCLP법을 적용하여 용출된 비소의 농도를 분석한 결과는 Table 4와 같다. 1단계 세척 후 배출된 청정토양 과 3단계의 세척을 모두 거친 최종 세척토 그리고 탈수과정을 거친 슬러지의 농도 모두 기준치 이하로 검출되어, 매립처리가 가능할 것 판단되었다. 또한 탈수된 슬러 지의 함수율도 평균 48%로 폐기물관리법(환경부, 2002d) 의 슬러지 수분함량 기준(85% 이하)에 적합함을 알 수 있었다.
2. 세척유출수 처리시 pH 6과 8에서 음용수 기준농도 인 50 ppb에 적합한 33, 49 ppb의 농도를 나타내었으나, pH 7이상에서는 혼합된 유출수내 형성된 floc의 양이 과 포화되어 30~40분 경과 후에도 침전이 되지 않는 현상이 발생하여 처리효율을 저감시키므로 pH 6이 최적의 처리 조건으로 판단되었다.
3. 본 연구에서 적용한 field 규모 연속 토양세척공정은 최종 배출된 청정자갈 및 토양과 filter cake이 TCLP법에 의한 용출비소 농도기준을 만족하며, 탈수슬러지의 함수 율도 폐기물관리법의 슬러지 수분함량 기준을 만족하여 매립 처리가 가능하므로 효율적인 복원공정으로 여겨진다.
4. Field 규모 연속 토양세척공정은 대상토양과 같은 고 농도 비소 오염토양^ 적용가능 할 뿐만 아니라, 다른 특성을 가지는 오염토양에도 본 연구에서 제시한 운전조건을 적절히 조절하여 적용하면 효율적으로 복원이 가능할 것으로 판단되었다.
34 ㎎/㎏ dry soil로 기준치를 만족하는 결과를 나타내었다. 그러나 Exp. 7조건에서 cut-off size를 0.105 mm로 조절하고 진탕비를 각각 1 : 3(Exp. 8), 1 : 5 (Exp. 9)로 하叫 세척 실험한 결과, 모두 기준치를 초과하여 적절하지 못한 운전조건인 것으로 나타났다. 따라서 잔 류 비소농도가 기준치를 만족한 조건들인 Exp.
Table 3은 기본 및 경제성 제고를 위한 운전조건을 적용하여 세척한 토양의 잔류 비소농도를 나타낸 것이다. 기본 운전조건인 세척제 농도 0.2 M HCI, 1.0 M HC1, 1.0 M NaOH, cut-off size 0.150 mm, 진탕비 1 :5 (Exp. 3)을 적용한 결과, 잔류 비소농도는 2.03 ㎎/㎏ dry soi로 토양환경보전법 가 지역 우려기준에 적합하게 됨을 알 수 있었다. 따라서, pilot 규모 실험에서 도출된 최적 운전조건을 field 규모 연속 토양세척장치의 운전에 도 적용이 가능할 것으로 판단되었다.
대상토양의 초기 비소오염 농도는 토양환경보전법환경 부, 2002c) “가”지역 및 “나”지역 우려기준치(각각 6, 20㎎/㎏ dry soil)를 초과하는 약 321±32 ㎎/㎏ dry soil 이었으며, EPA Method 3O5OB(US EPA, 1997b)에 의한 비소의 전함량은 1, 706±250 ㎎/㎏ dry soil이었다. 연속 추출법에 의한 7단계까지의 비소 총량은 1, 411.
72 ㎎/㎏ dry soil로 가 지역 우려기준에 적합한 농도를 나타내었으나, 이는 hydrocyclone 운전에서 입자의 분리 효율을 저하시키 고, 유출수처리시 고액분리의 문제점 등이 지적되었다. 따라서 토양세척공정 운전시 원활한 운전괕리를 위하여 최 소 1 : 3 이상의 진탕비가 적절할 것으로 판단되었다. 기본 운전조건에서 cut-off size를 0.
그러나 pH 7이상에서는 혼합된 유출수내 형성된 floc의 양이 과포화되어 30~40분 경과 후에도 침 전이 되지 않는 현상을 관찰할 수 있었고, 이것은 처리효 율 저하의 문제를 발생시켰다. 따라서 효율적인 공정의 운 전을 위한 조건은 pH 6이 적절할 것으로 판단되었다.
03 ㎎/㎏ dry soi로 토양환경보전법 가 지역 우려기준에 적합하게 됨을 알 수 있었다. 따라서, pilot 규모 실험에서 도출된 최적 운전조건을 field 규모 연속 토양세척장치의 운전에 도 적용이 가능할 것으로 판단되었다.
1단계 세척 후 배출된 청정토양 과 3단계의 세척을 모두 거친 최종 세척토 그리고 탈수과정을 거친 슬러지의 농도 모두 기준치 이하로 검출되어, 매립처리가 가능할 것 판단되었다. 또한 탈수된 슬러 지의 함수율도 평균 48%로 폐기물관리법(환경부, 2002d) 의 슬러지 수분함량 기준(85% 이하)에 적합함을 알 수 있었다.
soil의 높은 세척효율을 나타내었다. 또한, 기본 운전조건에서 세척용액의 농도를 0.2 M HC1, 0.75 M HC1, 0.75 M NaOH 로 조절하여 적용한 실험 (Exp. 7)에서도 잔류 비 소농도가 2.34 ㎎/㎏ dry soil로 기준치를 만족하는 결과를 나타내었다. 그러나 Exp.
OB(US EPA, 1997b)에 의한 비소의 전함량은 1, 706±250 ㎎/㎏ dry soil이었다. 연속 추출법에 의한 7단계까지의 비소 총량은 1, 411.5±123.6 ㎎/㎏ dry soil이었고, 이 중에서 7단계인 crystalline minerals에 1, 236±108 ㎎/㎏ dry soil(비소 종량 대비88%)로 대부분의 비소가 분포하는 특성을 보였다.
참고문헌 (13)
이효민, 윤은경, 최시내, 박송자, 황경엽, 조성용, 김선태, 1998, 폐광산 지역의 비소오염에 대한 복원목표 설정: 미래 토지용도를 고려한 접근방법, 한국토양환경학회지, 3(2), 13-29
Ford, R.G., 2002, Rates of Hydrous Ferric Oxide Crystallization and the Influence on Coprecipitation Arsenate, Environ. Sci. Technol., 36(11), 2459-2463
Kim, J.Y., Davis, A.P., and Kim, K.W., 2003, Stabilization of Available Arsenic in Highly Contaminated Mine Tailings Using Iron, Environ. Sci. Technol., 37, 189-195
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