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문제 정의
- 따라서 오염된 농경지 토양을 자원으로써 안전하게 활용하기 위해서는 중금속으로 오염된 농경지 처리 기술 개발이 이루어져야 할 것이다. 본 연구에서는 국내 오염빈도가 높게 조사된 비소 오염농경지 토양 처리를 위해 체선별, 비중선별, 자력선별 및 부유선별에 대하여 복원 적용가능성을 검토하였다. 적용성 실험 결과 비소 제거효율은 자력선별 > 부유선별 > 비중선별 > 체선별 순으로 나타났다.
- 비소에 의해 오염된 농작물이나 지하수를 식수로 장기간 섭취하게 된다면 비소가 건강에 미치는 위해영향은 크며 암이 발생할 확률도 높게 나타난다(Lee and Chon, 2005). 이에 본 연구에서는 2개 폐금속 광산 주변 비소로 오염된 농경지 토양을 연구 대상으로 선정하였으며 비소 오염물질이 철성분과 같이 거동하는 광물학적 특성과 주 오염원인 광미는 작은 미분 형태로 토양 내에 분포한 것을 고려하여 효과적인 오염원 제거 방법과 처리 후 농경지 토양으로써 재사용이 가능한 복원기술을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 10 mesh 이하 토양을 대상으로 자력세기를 다르게 하여 Table 2와 같이 수행하여 비자성물질에 대한 중금속오염 제거효율 평가를 하였다. 자력선별장치는 Boxmag사의 LHW-TYPE의 고자력 습식분급기 활용하였다.
- A광산은 A.T(Agitation time) : 5 min / F.T(Floatation time) : 5 min 고정 후 포수제, 기포제, 황화제 등의 변화를 주어 실험을 실시하였으며 B광산은 다양한 조건 변화를 통해 실험 수행하였다(Table 3).
- A광산은 밭 지역, B광산은 논 지역에서 각각 2개 지점에서 표토(0~30 cm)와 심토(30~60 cm)의 시료를 채취하여 표토와 심토를 혼합 후 비소 오염농도, pH 등을 분석하였다. 비소의 존재형태를 규명하기 위해 연속추출법에 따라 추출 후 유도결합플라즈마 방출분광기(inductively coupled plasma - optical emission spectrometer, ICP-OES)를 이용하여 토양 내 비소 형태와 분포를 파악하였다.
- B광산 토양을 대상으로 체선별 후 입도별 자력선별에 따른 비소 제거 효율평가를 수행하였다. 체선별은 기존 실험조건과 동일하며 자력선별은 10~50 mesh는 ERIEZ사의 HI-VI Vibratory-TYPE을 이용하여 3,000 Gauss 건식 자력선별을 실시하였고 50~200 mesh, 200~350 mesh 및 350 mesh 이하 토양은 기존 자력 선별과 동일한 조건에서 실험을 수행하여 비자성 물질에 대한 비소오염 제거효율을 평가하였다.
- 본 역의 퇴적암층은 거의 수평에 가까우며 완만한 요 곡현상을 나타내고 대표적인 주향과 경사는 N7°E와 5°SE 이다. 광상은 전기한 단층파쇄대를 충전한 맥상의 함금, 은, 구리, 납, 아연 광상이며 광체의 노두는 단층파쇄대의 주향 연장에 따라 3개소에 발달하고 중촌 부근의 광체를 주로 개발 하였다.
- , USA)을 활용하여 Table 1의 실험 조건으로 수행하였다. 대상토양은 A광산에 토양 중 10 mesh 이하에 대해 실시하였으며 실험 완료 후 생산된 중광물에 대해 중금속오염 제거효율 평가를 수행하였다.
- 부유선광장치는 Metso minerals사의 Suspended Type을 적용하여 실험을 수행 후 침강물(광미)에 대해 비소오염 제거효율 평가를 수행하였다. 부유선별실험은 볼밀(Ball Mill)의 마광과정을 거쳐 토양입경의 균질성 확보 및 토양 표면의 산화막을 파괴하여 부유선광시약이 잘 반응할 수 있게 하였다.
- 부유선광장치는 Metso minerals사의 Suspended Type을 적용하여 실험을 수행 후 침강물(광미)에 대해 비소오염 제거효율 평가를 수행하였다. 부유선별실험은 볼밀(Ball Mill)의 마광과정을 거쳐 토양입경의 균질성 확보 및 토양 표면의 산화막을 파괴하여 부유선광시약이 잘 반응할 수 있게 하였다. 부유선별에 영향을 주는 요소에는 광석의 성질(표면성질, 조직 및 조성), 선광용수(중금속염 등의 유해성분, pH), 광액농도 및 부선시간, 광액온도, 광석입도(200~10 µm 정도가 적당), 기포 크기, 각종 사용시약의 종류 및 양, 교반속도(공기 주입량) 등이 있으나 금회 실험에서는 1번과 7번 실험 조건은 기포제만 혼합하여 부유선별 대조군으로 실시하였으며 다른 시료에 대해서는 마광과정을 5분간 실시한 후 분산제는 Na2SiO3 1,000 g/t 5.
- 부유선별에 영향을 주는 요소에는 광석의 성질(표면성질, 조직 및 조성), 선광용수(중금속염 등의 유해성분, pH), 광액농도 및 부선시간, 광액온도, 광석입도(200~10 µm 정도가 적당), 기포 크기, 각종 사용시약의 종류 및 양, 교반속도(공기 주입량) 등이 있으나 금회 실험에서는 1번과 7번 실험 조건은 기포제만 혼합하여 부유선별 대조군으로 실시하였으며 다른 시료에 대해서는 마광과정을 5분간 실시한 후 분산제는 Na2SiO3 1,000 g/t 5.0 mL을 사용하였다.
- A광산은 밭 지역, B광산은 논 지역에서 각각 2개 지점에서 표토(0~30 cm)와 심토(30~60 cm)의 시료를 채취하여 표토와 심토를 혼합 후 비소 오염농도, pH 등을 분석하였다. 비소의 존재형태를 규명하기 위해 연속추출법에 따라 추출 후 유도결합플라즈마 방출분광기(inductively coupled plasma - optical emission spectrometer, ICP-OES)를 이용하여 토양 내 비소 형태와 분포를 파악하였다.
- 비중선별에서는 요동(shaking)치는 경사진 테이블(table)에 공정수를 얇은 층으로 흘려보내면 수력, 중력, 테이블 요동에 의해 발생되는 운동차에 의해 물질이 선별하는 요동테이블(Wifley no. 13, Carpco Co., USA)을 활용하여 Table 1의 실험 조건으로 수행하였다. 대상토양은 A광산에 토양 중 10 mesh 이하에 대해 실시하였으며 실험 완료 후 생산된 중광물에 대해 중금속오염 제거효율 평가를 수행하였다.
- 습식분급기(FRITSCH analysette 3)에 공급되는 공정수의 유량은 2.5 mL/sec, 진동폭(Amplitude)는 1.5 mm, 진동 지속시간(Interval Time)은 5 sec, 체거름 시간(Sieving Time)은 20분이며, 체거름 입경은 각각 10 mesh(1.68 mm), 50 mesh(0.297 mm), 200 mesh(0.075 mm), 325 mesh(0.044 mm) 체를 사용하여 정밀분급을 수행하였다.
- B광산 토양을 대상으로 체선별 후 입도별 자력선별에 따른 비소 제거 효율평가를 수행하였다. 체선별은 기존 실험조건과 동일하며 자력선별은 10~50 mesh는 ERIEZ사의 HI-VI Vibratory-TYPE을 이용하여 3,000 Gauss 건식 자력선별을 실시하였고 50~200 mesh, 200~350 mesh 및 350 mesh 이하 토양은 기존 자력 선별과 동일한 조건에서 실험을 수행하여 비자성 물질에 대한 비소오염 제거효율을 평가하였다.
- Table 4는 비중선별 후 수율 및 비소 제거효율 결과를 나타내고 있다. 총 네 구간으로 나누어서 실험을 실시하였는데 1구간은 입도가 가늘고 비중이 큰 입자가 모였고 4구간으로 갈수록 비중이 작고 입자가 큰 토양이 모였다 (Fig. 4). 일반적으로 광물의 경우 1구간은 정광물(concentrate), 2구간은 중광물(middling), 3구간은 광미(tailing), 4구간은 광니(primary slime)가 수율 되는데, 오염토양의 경우는 토양자체의 비중 차에 따른 선별이 이루어진다.
대상 데이터
- A광산은 강원도 정선군 일원에 위치하고, 금, 은을 생산하였다. 지질은 최하위층에 시대 미상의 화강암과 섬록암이 분포하며 이를 관입한 백악기의 회성암류의 암맥류와 석영 맥이 분포한다.
- B광산 경상남도 고성군 일원에 위치하고 주로 연, 아연, 금 및 은을 채광 하였다. 지질은 경상누층군의 하양층군에 속하는 진동층의 셰일 및 처트와 이들을 부정합으로 피복하는 응회질사암층으로 구성된 퇴적암을 주로 하고 이들을 관입한 화강섬록암과 염기성맥암으로 구성된다(Fig.
- 광석광물은 방연석(PbS), 섬아연석(ZnS), 유비철석(FeAsS), 황철석(FeS2), 황동석(CuFeS2), Stannite(Cu2FeSnS4), Tetrahedrite(Cu12Sb4S13) 등이다. 오염 확산 경로는 광·폐석이 하천변에 방치되어 있어서 수계를 따라 광산 하부 저지대의 수계 주변 농경지로 광미/광·폐석이 확산되었다.
성능/효과
- 325 mesh 이하 입자는 자력세기와 상관없이 비슷한 제거효율을 보인다. 200 mesh 이상과 325 mesh 이하 토양입자에 최소 5,000 Gauss 이상, 200~325 mesh는 20,000 Gauss를 사용하면 자력선별의 제거효율을 극대화 할 수 있을 것으로 판단된다(Fig. 6).
- B광산 시료를 습식 체선별 후 자력선별을 실시하였으며 10~50 mesh의 입자는 3,000 Gauss의 건조 자력선별을 실시한 결과 비소농도가 13%로 감소하였다. 50 mesh 이하 자력선별 결과 질량비는 사전 자력선별 결과와 동일하게 비자성 물질은 평균 80% 이상, 자성물질은 평균 20% 이하로 기존 자력선별 실험과 동일한 결과가 도출되었다. 입도별 자력선별 결과 50~200 mesh의 입자의 경우 자력세기 변화에 따른 제거효율의 차이는 보이지 않았으나 200~325 mesh 입자 및 325 mesh 이하 입자의 제거효율보다는 높게 측정되었다(50~200 mesh 평균 제거효율 74%, 200~325 mesh 평균 제거효율 54%, 325 mesh 평균 제거효율 40%).
- 부유선별 실험결과, 정광(concentrate), 중광(middle) 및광미(tail)로 분류되며 광미의 경우 중량비가 평균 90% 이상을 보였다. A광산 농경지 오염토양은 광미(tail)가 평균 30% 이상의 비소 오염 제거효율을 보였으며 특히 기포제만을 첨가하여 수행한 결과 또한 양호하게 관찰되었다. A광산 농경지 오염토양의 부유선별 효율을 높이기 위해 다양한 부유선별 실험을 수행한 결과 비소제거효율이 최고 약 50%까지 오르는 것을 볼 수 있었다.
- 자력선별을 실시한 결과 A광산 및 B광산 질량비는 비자성 물질은 평균 80%이상 자성물질은 평균 20%이하로 나타났다. A광산 농경지 오염토양은 비자성물질의 평균비소 제거율 약 39%이며 B광산 농경지의 경우 43%로 A광산과 B광산 모두 자력선별에 대한 비소 제거효율을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 비소는 적철석, 자철석 등의 철 산화물 및 망간 산화물과 함께 거동하면서 토양 내 대자율에 영향을 미친다(Chon et al.
- A광산 농경지 오염토양은 광미(tail)가 평균 30% 이상의 비소 오염 제거효율을 보였으며 특히 기포제만을 첨가하여 수행한 결과 또한 양호하게 관찰되었다. A광산 농경지 오염토양의 부유선별 효율을 높이기 위해 다양한 부유선별 실험을 수행한 결과 비소제거효율이 최고 약 50%까지 오르는 것을 볼 수 있었다. 그러나 B 광산의 경우 다양한 조건 변화 실험을 수행하였으나 제거효율이 최고 약 20%로 A광산 농경지 부유선별과는 제거효율의 차이를 보였다(Table 5).
- A광산 및 B광산의 비소오염농도가 토양환경보전법 1지역 대책기준을 초과하였으며 A광산의 평균 pH는 7.2로중성이며 B광산의 평균 pH는 6.19로 약산성이다. A광산의 연속추출법 결과 5단계의 잔류성 형태가 87%로이며 1단계 이온교환성 형태 2%, 2단계 탄산염 형태 2%, 3단계 철·망간 등의 금속 산화물 형태 7%, 4단계 유기물형태 1% 존재하는 것으로 나타났다.
- A광산의 연속추출법 결과 5단계의 잔류성 형태가 87%로이며 1단계 이온교환성 형태 2%, 2단계 탄산염 형태 2%, 3단계 철·망간 등의 금속 산화물 형태 7%, 4단계 유기물형태 1% 존재하는 것으로 나타났다.
- B광산 시료를 습식 체선별 후 자력선별을 실시하였으며 10~50 mesh의 입자는 3,000 Gauss의 건조 자력선별을 실시한 결과 비소농도가 13%로 감소하였다. 50 mesh 이하 자력선별 결과 질량비는 사전 자력선별 결과와 동일하게 비자성 물질은 평균 80% 이상, 자성물질은 평균 20% 이하로 기존 자력선별 실험과 동일한 결과가 도출되었다.
- 또한 A광산 자력세기에 관계없이 비슷한 제거효율을 보이나 B광산의 경우 자력세기에 따라 제거효율이 증가되는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 A광산 농경지에 비해 B광산 농경지에서 비소가 강자성 또는 약자성 광물에 더 많이 결합되어 있어 위와 같은 결과가 도출된 것으로 판단된다.
- 부유선별 실험결과, 정광(concentrate), 중광(middle) 및광미(tail)로 분류되며 광미의 경우 중량비가 평균 90% 이상을 보였다. A광산 농경지 오염토양은 광미(tail)가 평균 30% 이상의 비소 오염 제거효율을 보였으며 특히 기포제만을 첨가하여 수행한 결과 또한 양호하게 관찰되었다.
- A광산 및 B광산 주변 농경지 토양의 입경분포를 보면, 10~50 mesh 토양입자는 A광산 29% B광산 21%이고, 50~200 mesh 토양입자는 A광산 15% B광산 11%이며, 200~325 mesh 토양입자는 A광산 4% B광산 4%이고, 325 mesh 이하 토양이 A광산 51% B광산 64%로, 대부분 입경이 실트 및 점토 구성되어 있으며 국내 농경지 종류의 하나인 사양토 종류이다. 비소 오염이 입경별로 고르게 분포하나 입경이 작아질수록 오염농도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다(Fig. 3). 이는 토양입경 별 중금속 농도 분포 상관관계에서 카드뮴, 구리 및 납 등은 모래질 및 실트질 입경 구간에서 비소와 수은은 점토질 입경 구간에서 각각 높은 상관관계 있다고 보고되고 있는 것과 유사한 결과를 보인다(Lee et al.
- 일반적으로 광물의 경우 1구간은 정광물(concentrate), 2구간은 중광물(middling), 3구간은 광미(tailing), 4구간은 광니(primary slime)가 수율 되는데, 오염토양의 경우는 토양자체의 비중 차에 따른 선별이 이루어진다. 수율 결과를 보면 2구간에서 수율이 가장 크게 측정되었으며 A광산 76.6%, B광산 47.1%가 수율 되었다. 총 네 구간에서 2구간과 1, 3, 4구간을 경계로 2구간 중광물 수율구간에서 비소 오염농도가 낮아지는 것을 파악할 수 있었으나 A광산 13%, B광산은 10%의 낮은 비소 제거 효율을 보였다.
- 오염 확산 경로는 광석을 선광하는 과정에서 발생된 광·폐석이 태풍 등으로 인해 계곡을 따라 전부 유실되었고, 계곡으로 유실된 광·폐석/광미들 중 일부가 농경지로 유입되면서 농경지의 오염이 발생되었다.
- 50 mesh 이하 자력선별 결과 질량비는 사전 자력선별 결과와 동일하게 비자성 물질은 평균 80% 이상, 자성물질은 평균 20% 이하로 기존 자력선별 실험과 동일한 결과가 도출되었다. 입도별 자력선별 결과 50~200 mesh의 입자의 경우 자력세기 변화에 따른 제거효율의 차이는 보이지 않았으나 200~325 mesh 입자 및 325 mesh 이하 입자의 제거효율보다는 높게 측정되었다(50~200 mesh 평균 제거효율 74%, 200~325 mesh 평균 제거효율 54%, 325 mesh 평균 제거효율 40%). 200~325 mesh 입자는 자력세기에 따라 비소 제거효율이 증가하는데 이는 자성물질이 다른 입경에 비해 상대적으로 많기 때문인 것으로 추정된다.
- 자력선별을 실시한 결과 A광산 및 B광산 질량비는 비자성 물질은 평균 80%이상 자성물질은 평균 20%이하로 나타났다. A광산 농경지 오염토양은 비자성물질의 평균비소 제거율 약 39%이며 B광산 농경지의 경우 43%로 A광산과 B광산 모두 자력선별에 대한 비소 제거효율을 확인할 수 있었다(Fig.
- 본 연구에서는 국내 오염빈도가 높게 조사된 비소 오염농경지 토양 처리를 위해 체선별, 비중선별, 자력선별 및 부유선별에 대하여 복원 적용가능성을 검토하였다. 적용성 실험 결과 비소 제거효율은 자력선별 > 부유선별 > 비중선별 > 체선별 순으로 나타났다. 비소오염원이 유비철석형태로 되어있어 자력선별이 비소 오염원 제거에 가장 효과적인 기술로 연구결과가 도출되었으며 부유선별의 경우 제거효율은 좋으나 약품사용에 따른 위해성평가와 경제성 평가가 이루어져야 할 것이다.
- 1%가 수율 되었다. 총 네 구간에서 2구간과 1, 3, 4구간을 경계로 2구간 중광물 수율구간에서 비소 오염농도가 낮아지는 것을 파악할 수 있었으나 A광산 13%, B광산은 10%의 낮은 비소 제거 효율을 보였다. 제거효율이 낮은 사유로는 요동테이블에 의한 비중선별은 테이블 면의 가로 경사와 세로 경사, 수류, 요동, 세척수 등의 종합작용으로 요동 방향으로 진행하는 비중이 큰 광물과 수류 방향으로 유송되는 비중이 작은 광물로 나누는 것인데, A, B광산 인근 비소 오염토양의 경우 오염 입도의 범위가 큰 다양한 입자들이 혼합되어 있어 비중 선별 제거효율이 떨어지며(Kim et al.
후속연구
- 이러한 광산 주변에 오염된 토양은 하부에 존치한 상태에서 안정화 처리 후 양질토를 복토하는 등 오염물질의 상부 차단에 중점을 두고 있는 현재 농경지 복원방법은 복토 층 하부의 오염물질이 지하수 및 농경행위에 의해 상부로 상승할 위험이 있으며 또한 강우 및 침수에 의해 복토층이 유실될 경우가 있어 재오염 될 가능성이 매우 높다. 따라서 오염된 농경지 토양을 자원으로써 안전하게 활용하기 위해서는 중금속으로 오염된 농경지 처리 기술 개발이 이루어져야 할 것이다. 본 연구에서는 국내 오염빈도가 높게 조사된 비소 오염농경지 토양 처리를 위해 체선별, 비중선별, 자력선별 및 부유선별에 대하여 복원 적용가능성을 검토하였다.
- 부유선별 처리 기술 채택 시 광산 특성에 따른 부유선 광시약, 마광 공정 등을 선정하여 처리 공정을 실시하나, 공법 적용 시 유의점은 중금속 오염 농경지 토양을 대상으로 직접적으로 적용하기엔 환경적, 경제적인 측면에서 제한적이라는 점이다. 또한 토양 재사용 시 적용 선광시약에 대한 별도의 환경학적인 독성 평가가 필요할 것으로 판단된다.
- 비소오염원이 유비철석형태로 되어있어 자력선별이 비소 오염원 제거에 가장 효과적인 기술로 연구결과가 도출되었으며 부유선별의 경우 제거효율은 좋으나 약품사용에 따른 위해성평가와 경제성 평가가 이루어져야 할 것이다. 비소로 오염된 농경지 복원 시 실험결과에서 도출된 비소오염토양 분배 특성에 따라 선별기술이 비소오염 토양 복원 방법이나 전처리 방법으로 적용 가능한 기술이 될 수 있을 것으로 사료된다. 오염특성을 고려한 단일공정 또는 복합공정으로 연계하여 토양 복원작업을 실시하면 원천적인 오염물질 제거가 가능할 것으로 판단된다.
- 적용성 실험 결과 비소 제거효율은 자력선별 > 부유선별 > 비중선별 > 체선별 순으로 나타났다. 비소오염원이 유비철석형태로 되어있어 자력선별이 비소 오염원 제거에 가장 효과적인 기술로 연구결과가 도출되었으며 부유선별의 경우 제거효율은 좋으나 약품사용에 따른 위해성평가와 경제성 평가가 이루어져야 할 것이다. 비소로 오염된 농경지 복원 시 실험결과에서 도출된 비소오염토양 분배 특성에 따라 선별기술이 비소오염 토양 복원 방법이나 전처리 방법으로 적용 가능한 기술이 될 수 있을 것으로 사료된다.
- 오염특성을 고려한 단일공정 또는 복합공정으로 연계하여 토양 복원작업을 실시하면 원천적인 오염물질 제거가 가능할 것으로 판단된다. 연구 결과를 토대로 향후 광해복원 사업 시 비소 오염물질의 원천적인 제거를 통한 2차오염 발생가능성을 차단하여 안정적인 국토자원의 재활용에 기여할 것으로 사료된다.
- 비소로 오염된 농경지 복원 시 실험결과에서 도출된 비소오염토양 분배 특성에 따라 선별기술이 비소오염 토양 복원 방법이나 전처리 방법으로 적용 가능한 기술이 될 수 있을 것으로 사료된다. 오염특성을 고려한 단일공정 또는 복합공정으로 연계하여 토양 복원작업을 실시하면 원천적인 오염물질 제거가 가능할 것으로 판단된다. 연구 결과를 토대로 향후 광해복원 사업 시 비소 오염물질의 원천적인 제거를 통한 2차오염 발생가능성을 차단하여 안정적인 국토자원의 재활용에 기여할 것으로 사료된다.
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