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문제 정의
- 본 연구에서는 국내 부지 및 환경 특성으로 인해 자연정화시설을 설치하기에 어려움이 있는 폐광산의 산성 광산배수를 응집제 사용을 통하여 빠른 시간 내에 용존 물질을 침전시키기 위한 목적으로 실험을 진행하였다. W광산의 유출수에 무기응집제와 유기응집제를 단일로 투여한 후 교반하여 탁도 개선에 따른 응집제 적정량을 찾기 위한 실험과 응집제에 따른 중금속 침전특성 연구를 진행하였다.
- 본 연구에서는 유기 및 무기응집제인 유기 고분자 응집제(PAM)와 폴리염화알루미늄(PAC)을 이용하여 산성광산배수에 적합한 각 응집제의 적정량을 선정하고 산성광산배수의 탁도를 개선하며 광산배수 내에 용존 하고 있는 중금속의 침전과 침전된 슬러지의 입자 형태에 대해 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 다음으로 10분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간 동안 침전을 시켜 각 시간마다 탁도, pH를 측정하였다. 자연정화시설의 침전조에서는 반응시간을 48시간을 기준으로 하지만 본 실험에서는 응집제를 사용하였기에 용존 물질이 응집 반응을 하고 침전되는 시간을 3시간으로 가정하고 실험을 진행하였다. 마찬가지로 유기 고분자 응집제(이하 PAM)와 증류수를 1 : 1,000비율로 희석하여 응집제 시료를 제조하였다.
제안 방법
- 마찬가지로 유기 고분자 응집제(이하 PAM)와 증류수를 1 : 1,000비율로 희석하여 응집제 시료를 제조하였다. PAM은 1 L 광산 수질시료에 희석한 PAM을 1 ppm, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 100 ppm 첨가하고 300 rpm으로 급속교반을 3분간 실시한 후 10분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간 동안 침전시켰다. W광산 광산배수는 pH가 3~4사이로 매우 낮아 응집제를 첨가하여도 응집 및 침전효과를 볼 수가 없었으므로 W광산 배수에 소석회(Ca(OH)2)를 먼저 첨가하여 pH를 중성으로 상승시킨 후에 응집제를 첨가하는 실험이 진행되었다.
- PAM은 1 L 광산 수질시료에 희석한 PAM을 1 ppm, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 100 ppm 첨가하고 300 rpm으로 급속교반을 3분간 실시한 후 10분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간 동안 침전시켰다. W광산 광산배수는 pH가 3~4사이로 매우 낮아 응집제를 첨가하여도 응집 및 침전효과를 볼 수가 없었으므로 W광산 배수에 소석회(Ca(OH)2)를 먼저 첨가하여 pH를 중성으로 상승시킨 후에 응집제를 첨가하는 실험이 진행되었다. 침전된 슬러지를 채취하여 입도 분석을 실시하였고, 상등수와 침전된 슬러지의 중금속 농도를 측정하기 위해 ICP-OES분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 국내 부지 및 환경 특성으로 인해 자연정화시설을 설치하기에 어려움이 있는 폐광산의 산성 광산배수를 응집제 사용을 통하여 빠른 시간 내에 용존 물질을 침전시키기 위한 목적으로 실험을 진행하였다. W광산의 유출수에 무기응집제와 유기응집제를 단일로 투여한 후 교반하여 탁도 개선에 따른 응집제 적정량을 찾기 위한 실험과 응집제에 따른 중금속 침전특성 연구를 진행하였다.
- W광산 광산배수의 경우 pH가 3~4사이로 낮기 때문에 무기응집제 및 유기응집제를 원수에 투입하여도 효과가 없었다. pH를 중성으로 만들기 위해 소석회(Ca(OH)2)를 첨가하여 pH를 중성까지 상승시킨 뒤에 응집제 PAC과 PAM을 첨가하였다. PAC를 첨가할 때 44 ppm의 양이 0.
- 광산배수 내에 존재하는 Fe이온들이 응집제를 첨가하여 슬러지로 침전될 시에 어떠한 입자 모양으로 침전되는지 확인하기 위하여 SEM-EDS분석을 실시하였다. ICPOES분석 결과를 보면 광산배수 내에 존재하는 Fe이온이 대부분 슬러지로 침전되는 것으로 판단할 수 있다.
- 먼저 채취한 W광산 수질시료 1L에 1 : 1,000비율로 희석한 PAC을 1 ppm, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 100 ppm 만큼 첨가한 후 100 rpm으로 완속교반을 15분간 실시하였다. 다음으로 10분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간 동안 침전을 시켜 각 시간마다 탁도, pH를 측정하였다. 자연정화시설의 침전조에서는 반응시간을 48시간을 기준으로 하지만 본 실험에서는 응집제를 사용하였기에 용존 물질이 응집 반응을 하고 침전되는 시간을 3시간으로 가정하고 실험을 진행하였다.
- 침전된 슬러지를 채취하여 입도 분석을 실시하였고, 상등수와 침전된 슬러지의 중금속 농도를 측정하기 위해 ICP-OES분석을 실시하였다. 또한 침전된 슬러지의 입자 형태를 보기 위하여 건조한 슬러지 시료로 SEM-EDS 분석을 실시하였다.
- 자연정화시설의 침전조에서는 반응시간을 48시간을 기준으로 하지만 본 실험에서는 응집제를 사용하였기에 용존 물질이 응집 반응을 하고 침전되는 시간을 3시간으로 가정하고 실험을 진행하였다. 마찬가지로 유기 고분자 응집제(이하 PAM)와 증류수를 1 : 1,000비율로 희석하여 응집제 시료를 제조하였다. PAM은 1 L 광산 수질시료에 희석한 PAM을 1 ppm, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 100 ppm 첨가하고 300 rpm으로 급속교반을 3분간 실시한 후 10분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간 동안 침전시켰다.
- 유기고분자응집제 PAM은 음이온 고분자 응집제를 사용 하였으며 분자량은 약 300만이다. 응집제를 광산배수 시료에 바로 첨가하면 미세한 농도를 조절할 수 없었기에 1:1,000 비율로 희석한 응집제를 제조하였다.
- 응집제를 첨가하여 슬러지를 침전시킨 후, 상등수에 존재하는 중금속 이온과 침전된 슬러지의 중금속 침전 여부를 확인하기 위하여 ICP-OES 분석을 실시하였다. 현장에서 채취한 슬러지의 XRF분석 결과 슬러지에서 Fe 성분이 대부분 존재하였다.
- 응집제를 첨가하였을 때 입도크기가 어떻게 변화하는 지에 따라 슬러지의 탈수 및 여과 효과가 달라질 가능성이 있기에 응집제 첨가 후 침전된 슬러지의 입도분석을 실시하였다. 응집제를 첨가한 시료의 입도크기가 원수의 입도크기보다 더 커지는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 PAM을 첨가하였을 때 입도크기가 다른 응집제에 비해 매우 커지는 것을 확인할 수 있었다.
- 응집제의 특성상 적정량을 주입해야 응집 및 침전효과를 얻을 수 있기에 산성광산배수 수질에 적용 가능한 응집제의 적정량을 찾는 실험을 진행하였다. 먼저 채취한 W광산 수질시료 1L에 1 : 1,000비율로 희석한 PAC을 1 ppm, 10 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 100 ppm 만큼 첨가한 후 100 rpm으로 완속교반을 15분간 실시하였다.
- W광산 광산배수는 pH가 3~4사이로 매우 낮아 응집제를 첨가하여도 응집 및 침전효과를 볼 수가 없었으므로 W광산 배수에 소석회(Ca(OH)2)를 먼저 첨가하여 pH를 중성으로 상승시킨 후에 응집제를 첨가하는 실험이 진행되었다. 침전된 슬러지를 채취하여 입도 분석을 실시하였고, 상등수와 침전된 슬러지의 중금속 농도를 측정하기 위해 ICP-OES분석을 실시하였다. 또한 침전된 슬러지의 입자 형태를 보기 위하여 건조한 슬러지 시료로 SEM-EDS 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 강원도 강릉시에 위치한 W광산 자연정화시설의 갱내수와 유출수의 기본적인 현장 수질을 측정하였다(Table 1)
- 본 연구에서는 W광산의 유출수에 하천 및 수질정화 처리에 널리 사용되고 있는 무기응집제와 유기응집제를 선택하였다. 무기응집제로는 액상 폴리염화알루미늄(PAC) 17%와 유기 고분자 응집제로는 Nalco사의 9601PULV (PAM)를 선정하였다. PAC의 조성은 [Al2(OH)nCl6-n]m (1 ≤ n ≤ 5, m ≤ 10)이며 분자량은 약 240이고 산화알루미늄(Al2O3)의 함량은 10 ~ 11%이다.
- 본 연구에서는 W광산의 유출수에 하천 및 수질정화 처리에 널리 사용되고 있는 무기응집제와 유기응집제를 선택하였다. 무기응집제로는 액상 폴리염화알루미늄(PAC) 17%와 유기 고분자 응집제로는 Nalco사의 9601PULV (PAM)를 선정하였다.
성능/효과
- 1. W광산 광산배수의 경우 pH가 3~4사이로 낮기 때문에 무기응집제 및 유기응집제를 원수에 투입하여도 효과가 없었다. pH를 중성으로 만들기 위해 소석회(Ca(OH)2)를 첨가하여 pH를 중성까지 상승시킨 뒤에 응집제 PAC과 PAM을 첨가하였다.
- 2. 산성광산배수에 응집제를 첨가하면 침전되는 슬러지의 입도가 더 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 PAC를 첨가하면 침전된 슬러지의 입도가 약 1.3배, PAM을 첨가하면 약 4~9배 증가했다. 응집제를 첨가 하면 슬러지의 입도가 조대화 되기 때문에 여과효과가 상승할 것이라 판단된다.
- 3. 상등수 수질 분석 결과 소석회와 응집제를 함께 첨가한 시료와 소석회만을 첨가한 시료를 비교하였을 때 수질 농도는 큰 차이는 없었다. 슬러지 분석 결과 중화제와 응집제를 첨가할 때 광산배수 내 존재하는 Fe 및 중금속 이온의 침전이 우수하였다.
- 4. SEM-EDS분석 결과 응집제 PAC을 사용하면 슬러지의 입자 모양이 각진 모양을 나타내었으며, PAM을 사용하면 약간 둥근 모양의 슬러지 입자형태를 가진다고 판단할 수 있었다.
- 1 ~ 2). Fig. 1에서 시간이 지날수록 탁도가 점점 낮아지는 것을 확인 할 수 있었으며, 180분이 경과하였을 때 무기 응집제 PAC 44 ppm의 양을 첨가한 시료의 탁도가 비교적 우수했다(Fig. 2).
- pH를 중성으로 만들기 위해 소석회(Ca(OH)2)를 첨가하여 pH를 중성까지 상승시킨 뒤에 응집제 PAC과 PAM을 첨가하였다. PAC를 첨가할 때 44 ppm의 양이 0.41 NTU의 탁도를 가지며 효과가 비교적 우수했고, PAM 10 ppm 첨가하였을 때 탁도가 0.28 NTU로 효과가 비교적 우수하였다.
- W광산 광산배수에 유기 고분자 응집제 PAM을 첨가하였을 때 플럭의 크기가 무기응집제 PAC를 첨가한 것과 큰 차이를 보였다. Table 3에서 보는 바와 같이 중화제만 첨가한 원수시료보다 중화제와 응집제를 함께 첨가한 시료의 탁도가 우수한 것을 확인할 수 있었다. 10분이 경과하였을 때 탁도가 50%이상 감소하였다.
- W광산 광산배수에 유기 고분자 응집제 PAM을 첨가하였을 때 플럭의 크기가 무기응집제 PAC를 첨가한 것과 큰 차이를 보였다. Table 3에서 보는 바와 같이 중화제만 첨가한 원수시료보다 중화제와 응집제를 함께 첨가한 시료의 탁도가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 10분이 경과하였을 때 탁도가 50%이상 감소하였다. 또한 180분이 경과하였을 때 모든 시료가 한국의 먹는 W광산 광산배수에 유기 고분자 응집제 PAM을 첨가하였을 때 플럭의 크기가 무기응집제 PAC를 첨가한 것과 큰 차이를 보였다. Table 3에서 보는 바와 같이 중화제만 첨가한 원수시료보다 중화제와 응집제를 함께 첨가한 시료의 탁도가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 3). 또한 180분이 경과하였을 때 유기응집제 PAM 10 ppm의 양을 첨가한 시료의 탁도가 비교적 우수하였다(Fig. 4).
- 상등수 수질 분석 결과 소석회와 응집제를 함께 첨가한 시료와 소석회만을 첨가한 시료를 비교하였을 때 수질 농도는 큰 차이는 없었다. 슬러지 분석 결과 중화제와 응집제를 첨가할 때 광산배수 내 존재하는 Fe 및 중금속 이온의 침전이 우수하였다.
- 응집제를 첨가하였을 때 입도크기가 어떻게 변화하는 지에 따라 슬러지의 탈수 및 여과 효과가 달라질 가능성이 있기에 응집제 첨가 후 침전된 슬러지의 입도분석을 실시하였다. 응집제를 첨가한 시료의 입도크기가 원수의 입도크기보다 더 커지는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 PAM을 첨가하였을 때 입도크기가 다른 응집제에 비해 매우 커지는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 광산은 수질 오염 기준 중 오염물질 배출허용기준에서 “가”지역으로 해당되며 Fe 배출기준이 10 ppm이하였다. 중화제만 첨가한 원수의 상등수에는 Fe 농도가 거의 존재하지 않는 것으로 보아 W광산 같이 pH가 매우 낮은 광산배수를 처리할 때 중화제만 첨가하는 것으로 Fe 농도 제거에 충분히 효과가 우수할 것이라고 사료된다.
후속연구
- 5). 광산배수 내 존재하는 슬러지의 응집이 매우 강하게 일어난 것으로 보아 고분자 응집제 PAM을 사용할 때 슬러지의 탈수 및 여과 효과를 볼 수 있을 것으로 사료된다.
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