폐광산 주변 중금속 오염 농경지 토양복원을 위한 다양한 첨가제의 안정화 효율 비교: 컬럼시험연구 In-situ Stabilization of Heavy Metal Contaminated Farmland Soils Near Abandoned Mine, using Various Stabilizing Agents: Column Test Study원문보기
본 연구는 안정화제를 이용한 윈위치 화학적 고정(In-situ Chemical fixation) 방법으로 휴, 폐광산 주변 중금속 오염농경지 정화 방법의 적용성을 자연상태에 보다 근접한 컬럼시험을 통해 평가하였다. 특히 특정원소가 아닌 다원소로 오염된 토양을 대상으로, 두가지 이상의 안정화제 조합을 시도하여 최적 비율을 산정하였다. 컬럼시험에 사용된 안정화제들은 $FeSO_4\;+\;KMnO_4$, $CaCO_3$, 영가철, 슬러지(탄광폐수처리소택지 발생) 및 지올라이트 등이었으며 비소가 주 오염원인 경북 달성 지역 소재 광산에서 밭토양을 채취하여 시험한 결과 비소의 경우 $FeSO_4\;+\;KMnO_4$, > 지올라이트 등의 순서로 좋은 효율을 보였으며 구리의 경우 영가철과 슬러지가 안정화 효율을 보였다. 황화철 혼합제재의 경우 대부분의 중금속들에 대해 가장 좋은 효율을 보임에도 용출 초기 pH 4정도의 산성으로 인해 중금속이 다량 용출되므로 pH를 조정하거나 전처리를 거칠 경우 안정화 효율이 증가할 것으로 판단된다. 컬럼은 시험 시작에 앞서 증류수로 72시간 이상 포화한 것과 사전에 포화과정 없이 바로 물을 흘려 넣은 두 조합을 동시에 운영하였으며 전자가 더 좋은 효율을 나타낸다.
본 연구는 안정화제를 이용한 윈위치 화학적 고정(In-situ Chemical fixation) 방법으로 휴, 폐광산 주변 중금속 오염농경지 정화 방법의 적용성을 자연상태에 보다 근접한 컬럼시험을 통해 평가하였다. 특히 특정원소가 아닌 다원소로 오염된 토양을 대상으로, 두가지 이상의 안정화제 조합을 시도하여 최적 비율을 산정하였다. 컬럼시험에 사용된 안정화제들은 $FeSO_4\;+\;KMnO_4$, $CaCO_3$, 영가철, 슬러지(탄광폐수처리소택지 발생) 및 지올라이트 등이었으며 비소가 주 오염원인 경북 달성 지역 소재 광산에서 밭토양을 채취하여 시험한 결과 비소의 경우 $FeSO_4\;+\;KMnO_4$, > 지올라이트 등의 순서로 좋은 효율을 보였으며 구리의 경우 영가철과 슬러지가 안정화 효율을 보였다. 황화철 혼합제재의 경우 대부분의 중금속들에 대해 가장 좋은 효율을 보임에도 용출 초기 pH 4정도의 산성으로 인해 중금속이 다량 용출되므로 pH를 조정하거나 전처리를 거칠 경우 안정화 효율이 증가할 것으로 판단된다. 컬럼은 시험 시작에 앞서 증류수로 72시간 이상 포화한 것과 사전에 포화과정 없이 바로 물을 흘려 넣은 두 조합을 동시에 운영하였으며 전자가 더 좋은 효율을 나타낸다.
This study concerned remediation of heavy metal contaminated farmland soils near abandoned mine, using stabilization method, with particular emphasis on the remediating the soils contaminated with multi-elements. In this study, stabilizing heavy metals based on 'In-situ chemical fixation' has been a...
This study concerned remediation of heavy metal contaminated farmland soils near abandoned mine, using stabilization method, with particular emphasis on the remediating the soils contaminated with multi-elements. In this study, stabilizing heavy metals based on 'In-situ chemical fixation' has been applied to the soil collected from an abandoned mine in Korea, using column test, with various stabilizing agents, including $FeSO_4$, $KMnO_4$, sludge (collected from coal mine drainage treatment pond), zero-valent iron (ZVI), zeolite and $CaCO_3$. Sixty five-days operation of the flow-through columns yield $FeSO_4\;+\;KMnO_4$ and zeolite are efficient on reducing As leaching from the soil. ZVI and sludge are reducing the leaching of Cu. Although $FeSO_4\;+\;KMnO_4$ seem to be efficient for most heavy metals, high pH in the initial stage of test enabled high leaching of the heavy metals, whereas fixation of the heavy metals maintain throughout the rest of the test period, with increasing pH up to around 6. Addition of some alkaline agent may inhibit the low pH during the application. The column test was also run as two set: one set incubated with deionized water for 72 hours prior to starting the test, and the other without incubation. The incubated set demonstrated better stabilizing efficiency, indicating the potential optimized operation method.
This study concerned remediation of heavy metal contaminated farmland soils near abandoned mine, using stabilization method, with particular emphasis on the remediating the soils contaminated with multi-elements. In this study, stabilizing heavy metals based on 'In-situ chemical fixation' has been applied to the soil collected from an abandoned mine in Korea, using column test, with various stabilizing agents, including $FeSO_4$, $KMnO_4$, sludge (collected from coal mine drainage treatment pond), zero-valent iron (ZVI), zeolite and $CaCO_3$. Sixty five-days operation of the flow-through columns yield $FeSO_4\;+\;KMnO_4$ and zeolite are efficient on reducing As leaching from the soil. ZVI and sludge are reducing the leaching of Cu. Although $FeSO_4\;+\;KMnO_4$ seem to be efficient for most heavy metals, high pH in the initial stage of test enabled high leaching of the heavy metals, whereas fixation of the heavy metals maintain throughout the rest of the test period, with increasing pH up to around 6. Addition of some alkaline agent may inhibit the low pH during the application. The column test was also run as two set: one set incubated with deionized water for 72 hours prior to starting the test, and the other without incubation. The incubated set demonstrated better stabilizing efficiency, indicating the potential optimized operation method.
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문제 정의
본 연구는 기존의 단일 원소가 아닌 다원소들로 오염된 실제 토양^ 바로 적용하기 위한 실증 시험으로 다원소 및 다안정화제재를 적용, 실시하였다. 그 결과 원소 및 안 정화제재의 종류에 따라 효율이 서로 달라지는 결과를 보 인다.
즉, 입 자상 또는 액상의 차이, 접촉시간 및 투여방법 그리고 복 토나 객토가 동시에 이루어지는 지 여부에 따라 크게 효 율이 차이가 난다. 본 연구는 안정화제를 투입 후 물로 일정 시간 이상을 포화시키거나 포화와 건조를 반복하는 등의 작업이 안정화제의 화학적 결합력을 증가시키는 결과를 보인다.
본 연구의 목적은 폐광지역 주변 중금속 오염 농경지 토양에 적용할 수 있는 다양한 안정화제재의 효율을 컬럼 시험을 통해 비교하여, 최적 안정화제를 제시하고자 한다. 특히 단일 원소가 아닌 여러 원소가 동시에 함유된 현장 토양을 대상으로 안정화 제재간의 상호반응과 효율영향 등을 고찰하여 최적 조합을 제시하고자 한다.
특히 단일 원소가 아닌 여러 원소가 동시에 함유된 현장 토양을 대상으로 안정화 제재간의 상호반응과 효율영향 등을 고찰하여 최적 조합을 제시하고자 한다. 이 연구는 국내 기존 폐광산 지역 주변의 오염 농경지 토양을 대상으로 하였으며 안정화제의 경우도 국내에서 쉽게 구할 수 있는 물질들을 대상으로 하여 국내 폐광산 주변 오염농경 지에 실질적으로 적용할 수 있는 현장 기초자료를 도출하 고자 하였다.
기존 Table 2에 언급된 안정화제의 혼합비율은 경제성을 고려하여 컬럼 시험은 사전에 안정화제를 혼합한 후 증류수로 72시간 동안 포화시킨 조합과 사전 포화없이 바로 증류수 를 흘려넣은 2개의 조합으로 구분, 운전하였다. 이는 사전 의 포화과정이 안정화제의 효율에 더 증가시키는지 여부 를 확인하기 위해서였다.
AMD sludge는광해방지관리 공단을 통하여 강원도 함태탄광에서 발생하는 슬러지를 입수, 적용하였다. 이들은 각각 침전 및 고형 화를 통한 안정화와 pH 조정을 통한 침전 유도 그리고 흡착 등 다양한 기작을 통해 토양에 함유된 중금속의 용 출을 억제하고자 하였다. 특히 어느 한 기작을 통한 한계 와 재용출 가능성을 최소화하기 위하여 두 가지 이상의 혼 합 안정화 공법을 시도하였다.
본 연구의 목적은 폐광지역 주변 중금속 오염 농경지 토양에 적용할 수 있는 다양한 안정화제재의 효율을 컬럼 시험을 통해 비교하여, 최적 안정화제를 제시하고자 한다. 특히 단일 원소가 아닌 여러 원소가 동시에 함유된 현장 토양을 대상으로 안정화 제재간의 상호반응과 효율영향 등을 고찰하여 최적 조합을 제시하고자 한다. 이 연구는 국내 기존 폐광산 지역 주변의 오염 농경지 토양을 대상으로 하였으며 안정화제의 경우도 국내에서 쉽게 구할 수 있는 물질들을 대상으로 하여 국내 폐광산 주변 오염농경 지에 실질적으로 적용할 수 있는 현장 기초자료를 도출하 고자 하였다.
제안 방법
및 산성광산배수 처리후 발생 슬러지 (AMD Sludge) 등의 6종류를 단독 또는 조합 하여 사용하도록 선정하였다(Lehr, 2004). AMD sludge는광해방지관리 공단을 통하여 강원도 함태탄광에서 발생하는 슬러지를 입수, 적용하였다. 이들은 각각 침전 및 고형 화를 통한 안정화와 pH 조정을 통한 침전 유도 그리고 흡착 등 다양한 기작을 통해 토양에 함유된 중금속의 용 출을 억제하고자 하였다.
45 micron 셀룰로즈 여과지를 통과시킨 후 농질산 소량을 첨가하여 시료병에 넣은 후 냉장고를 이용 4℃에서 분석 시까지보관하였다. 물시료 역시 ICP-OES(Spectro Genesis)를이용하여 분석하였다.
본 연구는 또한 과거 토양 안정화 관련 연구에서와 같이 특정 원소를 대상으로 한 특정 안정화제가 아닌 다원 소로 오염된 실제 현장에 적용할 수 있는 여러가지 안정 화제를 동시에 적용하여 효율을 비교하였다. 효율 비교결과를 통해 한가지가 아니라 원소에 따른 반응성을 고려하여 2개 이상의 혼합제재로 적용할 것을 제안하며 FeSQ+KMnCU에 석회 또는 석회석을 소량 혼합한 조합 을 가루 형태가 아닌 액상으로 주입하는 것이 가장 좋은 효율을 보일 것으로 판단된다.
실증 시험은 투명 아크릴을 이용한 컬럼 시험으로 진행 되었으며 컬럼의 제원은 Table 1에 정리하였으며 Table 2 에는 적용된 안정화제의 혼합비율을 나타내었다. 일반적으로 컬럼시험은 회분식 시험에 비해 자연조건에 더 가까루어진다면 컬럼시험은 토양과 접촉한 용출액이 지속적으로 방출되는 열린계에서 일어나는 반응으로 지속적으로 비평형 상태에서 반응이 일어나는 특성이 있다.
예비 회분식 시험결과와 문헌을 통해 안정화제를 선정, 컬럼 실증 시험을 실시하였다. 컬럼시험을 위해 선정된 안 정화 제재는 FeSO4+KMnO4, 영가철, 함태광산 슬러지, 지올라이트 등이었다.
채취된 토양시료는 자연상태에서 건조 후 2 mm 체에 걸러 낸 후 보관, 분석하였다. 화학분석은 국내 토양오염 공정시험방법과 왕수를 이용한 전체 용출 두 가지 방법을 모두 사용하였다.
컬럼시험 결과는 원소별, 안정화제 종류별로 시간에 따른 농도변화를 중심으로 특성을 해석하였으며 본 논문에서는 결과적 안정화 효율을 더 잘 나타낼 수 있는 누적용출 농도곡선으로 기록하였다(Figs. 2, 3, 4, 5).
컬럼시험에 앞서 사용될 안정화제 선정을 위하여 회분 식 방법을 이용한 예비용출시험을 시행하였다. 토양시료 (오염 및 비오염) 4 g과 증류수 40mL를 50 mL 부피의 Falcon tube에 넣은 후 end-over-end shaker에 넣어 24시간 교반 후 용출액을 채취하였으며 용액을 제거한 후 다시 같은 양의 증류수를 넣은 후 24시간 용출을 반복하는 과정을 종 3회에 걸쳐 실시하였다.
컬럼시험에 앞서 사용될 안정화제 선정을 위하여 회분 식 방법을 이용한 예비용출시험을 시행하였다. 토양시료 (오염 및 비오염) 4 g과 증류수 40mL를 50 mL 부피의 Falcon tube에 넣은 후 end-over-end shaker에 넣어 24시간 교반 후 용출액을 채취하였으며 용액을 제거한 후 다시 같은 양의 증류수를 넣은 후 24시간 용출을 반복하는 과정을 종 3회에 걸쳐 실시하였다.
이들은 각각 침전 및 고형 화를 통한 안정화와 pH 조정을 통한 침전 유도 그리고 흡착 등 다양한 기작을 통해 토양에 함유된 중금속의 용 출을 억제하고자 하였다. 특히 어느 한 기작을 통한 한계 와 재용출 가능성을 최소화하기 위하여 두 가지 이상의 혼 합 안정화 공법을 시도하였다. 이는 또한 각기 다른 중금 속 거동 특성을 동시에 만족시키기 위한 처리 방법이기도 하다.
채취된 토양시료는 자연상태에서 건조 후 2 mm 체에 걸러 낸 후 보관, 분석하였다. 화학분석은 국내 토양오염 공정시험방법과 왕수를 이용한 전체 용출 두 가지 방법을 모두 사용하였다. 후자의 경우 건조 및 채질된 토양시료를 왕수(염산 : 질산 = 3 : 1)에 넣은 후 마이크로웨이브 오 븐을 이용하여 용해하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 토양시료는 경북 달성군의 网산에서 채취하였다. 광산 현장에서는 총 383개소의 농경지 필 지에서 토양시료를 채취, 분석하였으며 이 중 가장 오염 도가 높은 지역을 선정하여 시험에 필요한 시료를 채취, 분석하였다.
본 연구에 사용된 토양시료는 경북 달성군의 网산에서 채취하였다. 광산 현장에서는 총 383개소의 농경지 필 지에서 토양시료를 채취, 분석하였으며 이 중 가장 오염 도가 높은 지역을 선정하여 시험에 필요한 시료를 채취, 분석하였다.
예비 회분식 시험결과와 문헌을 통해 안정화제를 선정, 컬럼 실증 시험을 실시하였다. 컬럼시험을 위해 선정된 안 정화 제재는 FeSO4+KMnO4, 영가철, 함태광산 슬러지, 지올라이트 등이었다. 황화철의 경우 초기 pH 저하와 초기 용출이 높으나 반응시간 경과에 따라 효과가 점차 좋 아졌으며 문헌상으로도 좋은 효율이 보고된다(Yang et al.
이론/모형
후자의 경우 건조 및 채질된 토양시료를 왕수(염산 : 질산 = 3 : 1)에 넣은 후 마이크로웨이브 오 븐을 이용하여 용해하였다. 용해된 모든 토양시료는 ICP- AES(Spectro Genesis)를 이용하여 분석하였다. 회분식 및 컬럼시험에서 채취한 침출수 시료들의 경우 0.
성능/효과
3회 연속 추출을 마친 후 안정화제를 섞지 않은 비처리 토양과 비교한 결과 영가철 1%가 모든 원소들에 대해 가장 높은 효율을 나타낸다. 특히 비소의 경우 영가철 1% 는 78.
3회 연속 추출한 회분식 시험에서 용출 횟수가 증가하 면서 점차 안정화 효율이 증가하였다. 이는 안정화제에 의한 화학적 결합 정도가 증가하면서 발생하는 것으로 판단 되며 안정화제가 충분히 반응할 수 있는 시간이 필요함을 시사한다.
구리의 경우 영가철과 슬러지 5%가 각각 79.3% 및 51.04%码 저감효율을 보여 가장 적합한 안정화제임이 밝혀졌다. 영가철은 비포화 컬럼에서도 72.
9%의 용출 감소효율을 보인다. 나머지 안정화제의경우 FeSO4 3% + KMnO4 1%의 조합이 42.6%의 비소용출 저감을 기록하는 반면 나머지의 경우 안정화제를 혼 합하기 이전보다 오히려 더 높은 농도가 용출되었다(Table 4). 이는 안정화제의 영향보다는 안정화제 혼합으로 인한pH 저감에 의한 영향으로 판단되어 pH의 영향을 최소화 하거나 중성으로 유도할 수 있는 안정화제 선정이 필요할 것으로 판단된다.
비소의 경우 FeSO4+KMnO4 혼합 제재(3%+1% 조합) 가 가장 안정화 효율이 좋았다. 지올라이트와 FeSO4 + KMnO4(l% + 0.
3% + KMnQ, 1% 혼합제재 >지올라이트 > 슬러지의 순서로 효율이 좋은 것으로 관찰된다. 특히 FeSO4+KMnO4 혼합 제재는 시험에 사용된 토양의 주 오염물질인 비소의 용출 억제에 효율적이었다. 반면 슬러지와 영가철은 구리 제거에 효율적으로 나타난다.
후속연구
이는 안정화제의 영향보다는 안정화제 혼합으로 인한pH 저감에 의한 영향으로 판단되어 pH의 영향을 최소화 하거나 중성으로 유도할 수 있는 안정화제 선정이 필요할 것으로 판단된다. 또한 회분식 시험 이전 안정화제가 충분히 반응을 할 수 있도록 포화와 건조를 반복한 반응시간 확보가" 필요할 것이다.
따라서 본 연구결과를 다원소 오염토양 현장에 적 용하는 경우 둘 이상의 안정화제를 복합적으로 이용하는 방법이 유리할 것으로 판단된다. 그러나 두 안정화 제재 가 서로 상승작용이 아닌 상호 효율 감소로 이어지는 경우도 있어 최적 적용 비율 결정에 앞서 pH 및 전기전도 도와 같은 지구화학인자와 안정화제로 인한 화학형태 변화 등과 같은 정량적인 판단을 할 수 있는 자료가- 필요하다.
그 결과 원소 및 안 정화제재의 종류에 따라 효율이 서로 달라지는 결과를 보 인다. 따라서 본 연구결과를 다원소 오염토양 현장에 적 용하는 경우 둘 이상의 안정화제를 복합적으로 이용하는 방법이 유리할 것으로 판단된다. 그러나 두 안정화 제재 가 서로 상승작용이 아닌 상호 효율 감소로 이어지는 경우도 있어 최적 적용 비율 결정에 앞서 pH 및 전기전도 도와 같은 지구화학인자와 안정화제로 인한 화학형태 변화 등과 같은 정량적인 판단을 할 수 있는 자료가- 필요하다.
, 등의 연구에서는 수용액 상태로 혼합하였다. 실제 컬럼에 서도 안정화제재 주위에 붉은 침전물이 형성되는 것을 관 찰 할 수 있었으며 안정화제가 토양과 효과적으로 분산,접촉 할 수 있는 혼합방법의 개발이 필요할 것으로 생각된다.
본 연구는 또한 과거 토양 안정화 관련 연구에서와 같이 특정 원소를 대상으로 한 특정 안정화제가 아닌 다원 소로 오염된 실제 현장에 적용할 수 있는 여러가지 안정 화제를 동시에 적용하여 효율을 비교하였다. 효율 비교결과를 통해 한가지가 아니라 원소에 따른 반응성을 고려하여 2개 이상의 혼합제재로 적용할 것을 제안하며 FeSQ+KMnCU에 석회 또는 석회석을 소량 혼합한 조합 을 가루 형태가 아닌 액상으로 주입하는 것이 가장 좋은 효율을 보일 것으로 판단된다.
참고문헌 (11)
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