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문제 정의
- 대상 토양은 토양세척기법 적용시 플럭이 형성되는 현상이 관찰되므로, 세척효율을 보다 향상시킬 수 있는 방안으로 연속 토양세척기법의 적용성을 검토하였다. 최초 토양세척 조건은 300 mL 삼각 플라스크에 20 g의 토양과 100 ml 세척용액을 혼합한 후, 온도를 20土0.
- 본 연구에서는 폐철광산 주변 비소로 오염된 토양에 토양세척기법을 효율적으로 적용하기 위하여 처리 대상지 역 토양게 대한 기초 특성, 입경분포, 오염물질의 결합형 태를 파악한 후, 토양세척기법의 운전조건인 세척이 가능한 최소 입경 (이하 cut-off size로 칭함), 세척제의 종류 및 농도, 진탕비 등의 최적치를 도출하고자 하였다. 또한 연속 세척기법을 적용하여 세척 효율의 제고 가능성을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 폐철광산 주변 비소로 오염된 토양에 토양세척기법을 효율적으로 적용하기 위하여 처리 대상지 역 토양게 대한 기초 특성, 입경분포, 오염물질의 결합형 태를 파악한 후, 토양세척기법의 운전조건인 세척이 가능한 최소 입경 (이하 cut-off size로 칭함), 세척제의 종류 및 농도, 진탕비 등의 최적치를 도출하고자 하였다. 또한 연속 세척기법을 적용하여 세척 효율의 제고 가능성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- D 폐 철광산 토양을 사용하여 입경이 큰 입자 및 협잡 물질을 제거한 후, #4체(4.75 mm)를 통과하는 토양을 이용하여 토양세척기법의 적용 가능성을 평가하였다. 일반적으로 sil나 clay의 함유율이 약 25 wt% 이상일 경우에는 직접적인 토양세척기법의 적용이 부적절하며 세척 시간이 다소 증가되는 것으로 알려져 있다 (William and Anderson, 1993).
- 토양 및 건조 플럭 내에 존재하는 비소 농도는 토양오염 공정시험법을 이용하여 전처리하였다. 비소 분석은 ICP-OES(PerkinElmer, Model: Optima 2000DV, USA) 와 AAS(SHIMADZU, Model: AA-6401F, Japan)를 이용하였으며, 특히 세척 유출수 내에 미량으로 존재하는 비소에 대한 분석은 AAS-HVG(SHIMADZU, Model: HVG 1, Japan)를 사용하였다.
- 2, 1 M 염산을 사용하였다. 세척유출수의 pH를 측정하였으며, 형성된 플럭은 미세유량펌프로 채취한 후 100±5℃ 에서 6시간 건조시켜 비소 농도를 분석하였다.
- 산. 염기 세척제를 병행한 연속토양세척 고농도 비소 플럭이 형성되는 0.2 M 염산으로 1단계 세척한 후, 형성된 플럭을 제거시킨 1단계 세척토양에 대하여 0.2, 1 M 수산화나트륨과 0.2, 1 M 염산을 적용하여 연속 토양세척 실험을 2차례 더 실시하였으며 (Table4), 실험조건은 위와 동일하게 하였다. 또한 산.
- 또한 산. 염기를 병행 사용한 연속세척 방식 중 세척된 최종 토양의 잔류 비소농도가 가장 낮은 결과를 보인 세척방식에 대하여 2- 3단계의 세척유출수를 1:1의 부피비로 혼합한 후 세척유출수의 비소 농도를 관찰하였다.
- 입경범위를 #4~#60체(4.75~0.25 mm), #4~#103체(4.75~ 0.15 mm), #4~#140체(4.75~0.09 mm), #4체 이하로 구분한 후, 일반적으로 중금속 제거에 효과적이라고 알려진수산화나트륨과 염산을 각각 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2 M을 사용하여 입경범위에 따른 토양세척기법의 적용성을 파악 하고자 하였다. 실험 조건은 300 mL 삼각 플-라스크에 50 g의 토양과 250ml 세척용액을 혼합한 후, 온도를 20土 0.
- 토양세척기법 적용에 필요한 오염토양의 특성을 파악하기 위하여, 대상 시료 중 #10체 (2.0 mm)를 통과하는 토양게 대하여 기초적인 특성을 분석하였다. 토양의 기초
- 토양세척시 발생되는 플럭의 제거 유무에 따른 연속 토양세척 실험을 각각 5회 실시하였으며, 단계별로 세척된 토앙내 잔류 비소 농도를 분석하였다. 플럭을 제거하지 않고 실시한 연속 토양세척 실험은 최초 세척조건과 동일하게 진행하였다.
- 플럭을 제거하지 않고 실시한 연속 토양세척 실험은 최초 세척조건과 동일하게 진행하였다. 플럭을 제거하고 세척한 실험의 경우에는 각 단계마다 발생되는 플럭을 적정량의 물로 세정하여 제거하였으며, 0.2, 1 M 수산화나트륨과 1 M 염산을 세척 용액으로 사용하여 위와 동일한 실험조건 하에서 실시하였다.
대상 데이터
- 일반적으로 sil나 clay의 함유율이 약 25 wt% 이상일 경우에는 직접적인 토양세척기법의 적용이 부적절하며 세척 시간이 다소 증가되는 것으로 알려져 있다 (William and Anderson, 1993). 대상 토양의 입경 분포와 입경별 비소 오염 부하량을 파악하기 위하여 체분석을 실시하였다 (Table 1), #4체 크기 이상의 입경을 갖는 토양이 전체 토양에 대하여 약 16.8 wt% 이었으며, #4~#200체 (4.75-0.075 mm) 크기의 토양이 약 81.3 wt% 정도로 분포하였다. Silt와 clay 크기의 입경을 갖는 미세토양 (#200체 이하)의 경우에는 전체 토양의 약 1.
- 5℃로 유지하며 300 rpm에서 6시간 동안 진탕하였다. 세척 용액은 0.2, 1 M 수산화나트륨과 0.1, 0.2, 1 M 염산을 사용하였다. 세척유출수의 pH를 측정하였으며, 형성된 플럭은 미세유량펌프로 채취한 후 100±5℃ 에서 6시간 건조시켜 비소 농도를 분석하였다.
이론/모형
- 특성 중 pH는 토양오염공정시험법 (환경부, 2002a)을 적용하였으며, 유기물 함량(organic content), 토양입자 밀도 (particle density)와 균등계수(uniformity coefficient)으! 경우에는 토질시험법에 의하여 실시하였고, 양이온 치환용량 (CEC, cation exchang capacity) 은 EPA Method 9080 (US EPA, 1997a)으로 분석하였다(Table 2).
- 비소의 결합 형태는 연속추출법 (Kim et al., 2003)을 적용하여 파악하였다(Table 3). 연속추출법에 의한 비소의 총량은 1,411.
- 토양 및 건조 플럭 내에 존재하는 비소 농도는 토양오염 공정시험법을 이용하여 전처리하였다. 비소 분석은 ICP-OES(PerkinElmer, Model: Optima 2000DV, USA) 와 AAS(SHIMADZU, Model: AA-6401F, Japan)를 이용하였으며, 특히 세척 유출수 내에 미량으로 존재하는 비소에 대한 분석은 AAS-HVG(SHIMADZU, Model: HVG 1, Japan)를 사용하였다.
성능/효과
- 0.2 M과 1 M 수산화나트륨 용액을 진탕비 1:5로 적용 하여 세척시 형성된 플럭 내의 비소 농도는 각각 약 418, 147 mg/kg dry solids이었으며, 세척유출수의 pH는 각각 약 12.9, 13.3이었다. 염산 0.
- 1. 대상 오염토양에 대한 세척제는 수산화나트륨과 염산 모두 비소 제거에 효과적이었으며, 최적의 cut-off size는 전체 토양 중랑에 대하여 약 94 wt% 정도의 분포를 보이는 0.15 mm(seive #100)가 적합할 것으로 판단되었다.
- 2. 장비의 원활한 운전과 경제성을 고려한 최적의 진탕 비는 1:5이었다.
- 3. 토양세척시 수산화물의 형태로 생성되는 플럭에 세척유출수내의 비소가 응집되며, pH 5~6의 범위에서 이러 한 수산화물 형태의 플럭이 비소를 최대로 응집시킴을 알 수 있었다.
- 4. 토양세척시 생성되는 플럭을 제거하지 않은 상태에서 연속 토양세척한 결과, 1 M 수산화나트륨과 1 M 염 산으로 5회 연속 세척시 잔류 비소 농도는 각각 약 10.3 과 9.0 mg/kg dry soil이었다. 또한 플럭을 제거하면서 연속 토양세척한 경우 1 M 수산화나트륨과 1 M 염산으로 5회 연속 세척시 잔류 비소 농도는 각각 약 6.
- 6. 산·염기 세척제를 병행 사용하여 연속 토양세척하 면서 단계별로 형성되는 플럭을 적정량의 물로 세정 제거하는 방식을 적용하는 경우, 토양환경보전법 가지역 우려기준치 (6.0 mg/kg dry soil)보다 훨씬 낮은 농도의 세척 토양(1.5 mg/kg dry soil)이 발생되므로 최적 cut-off size는 0.15 mm(seive #100) 보다 작은 입경의 토양이 될 것으로 판단된다.
- Exp. II에서는 염산 1 M로 2차 세척한 토양에 대하여 수산화나트륨 1 M 또는 0.2 M을 병행 3차 세척하는 방식이 각각 약 1.5와 2.1 mg/kg dry soil로 거의 비슷한 농도를 보였으며, pH는 각각 13.25±0.05, 12.77土0.05로 측정되었다. Exp.
- Exp. I의 결과 중, 3차 세척 후 가장 낮은 잔류 비소 농도는 약 4.0 mg/kg dry soil로 수산화나트륨 1 M과 염산 1 M을 병행 세척하는 방식이었으며, 최종 pH는 0.45土0.05로 측정되었다. Exp.
- 이는 비소가 응집·침전으로 제거되는데 유 리한 pH 조건으로 변환되기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 본 대상 오염토양에 대한 전략적인 세척기법으로는, 세척된 토양의 잔류 비소 농도 측면에서나 세척유출수의 비소 농도 측면에서나, 0.2 M 염산으로 1단계 세척한 후, 2·3단계에서 각각 1 M 염산과 1 M 수산화나트륨을 사 용하여 세척하며 단계별로 형성되는 플럭을 적정량의 물로 세정 제거하는 방식이 적합하다.
- 따라서 본 연구 대상 토양에 대한 전략적인 세척기법으로는, 세척된 토양의 잔류 비소 농도 측면에서나 세척유출수의 비소 농도 측면에서나, 0.2 M 염산으로 1단계 세척한 후, 2·3단계에서 각각 1 M 염산과 1 M 수산화나트륨을 사용하여 세척하며 단계별로 형성되는 플럭을 적 정량의 물로 세정 제거하는 방식이 적합하다.
- 선정하여 세척할 경우, 2 M 염산만이 나 지역 우려기준치에 적합한 농도가 되었으며, 그 밖의 모든 농도 조건에서는 나 지역 우려가준치를 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 최적의 cut-off size는 전체 토양 중량에 대하여 약 94 wt% 정도의 분포를 보이는 0.15 mm (seive #100)가 적합할 것으로 판단되었다.
- #140체를 cut-off sizeS. 선정하여 세척할 경우, 2 M 염산만이 나 지역 우려기준치에 적합한 농도가 되었으며, 그 밖의 모든 농도 조건에서는 나 지역 우려가준치를 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 최적의 cut-off size는 전체 토양 중량에 대하여 약 94 wt% 정도의 분포를 보이는 0.
- 세척된 토양 내 잔류 비소농도의 경우에는 수산화나트륨과 염산 모두 농도가 증가할수록 잔류 비소농도가 감소되는 경향을 보였으며, 미세토양이 혼합될수록 잔류 비소농도가 증가되는 것을 알 수 있었다. 이는 비소가 다량 함유된 미세토양이 혼합되면서 세척 효율이 다소 저하된 것으로 판단된다.
- 1은 토양의 입경범위별로 수산화나트륨과 염산을 적용하여 세척유출수내의 비소농도와 세척된 토양의 잔류 비소농도를 나타낸 것이다. 수산화나트륨 0.1, 0.2, 0.5 M 은 동일한 입경범위의 토양에 대하여 비소의 용출농도가 염산에 비해 각각 약 37, 33, 3배 정도 더 높았으며, 1 M과 2 M의 경우에는 염산이 수산화나트륨보다 각각 약 1.2, 2배 정도 높았다.
- 5%)하는 것을 알 수 있었다. 연속추출법에 의한 단계중 토양과 비소의 결합력이 약하여 비교적 용출되기 쉬운 특성을 갖는 단계는 4단계까지로 149.8土9.8 mg/kg dry soil이 존재(10.6%)하고 있음을 알 수 있었다.
- 산. 염기를 병행 사용한 상기 연속세척방식 중, 세척된 토양의 잔류 비소농도가 가장 낮은 결과(약 1.5 mg/kg dry soil)를 보인 세척방식 (0.2 M 염산을 사용하여 플럭을 제거한 토양을 염산 1 M로 세척한 다음 1 M 수산화나트륨으로 연속 세척)에 대하여 2·3단계의 세척유출수(비 소 농도는 약 2~3 mg/L)를 1:1로 혼합한 결과, 세척유출 수의 비소 농도는 50 gg/L 이하가 되었으며, 이때의 pH는 9.53±0.05이었다. 이는 비소가 응집·침전으로 제거되는데 유리한 pH 조건으로 변환되기 때문인 것으로 판 단된다.
- 7 mg/kg dry soil이 되었다. 염산을 이용하여 세척하는 경우, 3회 세척시 약 6.7 mg/kg dry soil, 4회와 5회 연속 세척시 각각 약 3.9와 3.3 mg/kg dry soil로 가지역 우려기준치에 적합하게 됨을 알 수 있었다.
- 하지만 1 M과 2 M의 경우에는 #4~#60체 크기의 입경범위에서 염산이 수산화나트륨보다 비소 잔류량이 다소 높았으나, 그 밖의 입경범위에서는 염산이 수산화나트륨에 비하여 잔류 비소 농도가 낮음을 알 수 있었다. 즉 저농도 조건에서는 수산화나트륨이 염산보다 비소 용출량이 다소 높고 고농도 조건에서는 다소 낮으므로, D 폐광산 토잉에 대한 세척제는 수산화나트륨과 염산 모두 적용이 가능할 것으로 판단되었다.
- 진탕비가 커짐에 따라 잔류 비소농도는 감소하는 경향을 보였으며(Fig. 2), 장비의 원활한 운전(장비의 마모와 토양의 이송 등)과 경제성(세척제의 사용량과 처리 대상 세척유출수량 등)을 고려한 진탕비는 1:5가 최적일 것으로 판단되었다.
- 토양세척시 생성되는 플럭을 제거하지 않은 상태에서 연속 토양세척한 결과(Fig. 3), 수산화나트륨 1 M은 0.2 M에 비하여 잔류 비소농도가 낮았으며, 5회 연속세척하면 잔류 비소 농도가 최종적으로 약 10.3 mg/kg dry soil이 됨을 알 수 있었다. 1 M 염산의 경우에도 0.
- 토양오염공정시험법에 의해 분석된 비소 농도는 약 321 + 32 mg/kg dry soil로 토양환경보전법 환경부, 2002b) 가지역 및 나 지역 우려기준치(각각 6, 20 mg/kg dry soil)를 초과하는 것을 알 수 있었으며, EPA Method 3050B(US EPA, 1997b)에 의한 비소의 전함량은 1, 706 + 250 mg/kg dry soil이었다.
후속연구
- 결론적으로 본 연구의 대상인 D 폐광산 토양에 존재하는 비소를 제거하고자 할 때에는 세척효율 향상을 위하여 플럭 제거가 필수적이며, 이에 따른 후속처리공정에 대한 검토가 필요하다고 판단된다.
- 3 mg/kg dry soil이었다. 따라서 대상 오염토양은 세척 효율 향상을 위하여 생성되는 플럭의 제거가 필수적이며, 이에 대한 처리방안의 검토가 필요하다고 판단된다.
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