[논문]오염토양 특성별 광산배수처리슬러지의 비소 및 중금속 안정화

탁현지; 전소영; 이민희

doi:10.7857/jsge.2022.27.4.010

오염토양 특성별 광산배수처리슬러지의 비소 및 중금속 안정화
Stabilization of Two Mine Drainage Treated Sludges for the As and Heavy Metal Contaminated Soils 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.27 no.4, 2022년, pp.10 - 21

탁현지 (부경대학교 지구환경시스템과학부 지구환경과학전공) , 전소영 (부경대학교 지구환경시스템과학부 지구환경과학전공) , 이민희 (부경대학교 지구환경시스템과학부 환경지질과학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

In the South Korea, 47% of abandoned mines are suffering from the mining hazards such as the mine drainage (MD), the mine tailings and the waste rocks. Among them the mine drainage which has a low pH and the high concentration of heavy metals can directly contaminate rivers or soil and cause serious damages to human health. The natural/artificial treatment facilities by using neutralizers and coagulants for the mine drainage have been operated in domestic and most of heavy metals in mind drainage are precipitated and removed in the form of metal hydroxide, alumino-silicate or carbonate, generating a large amount of mine drainage treated sludge ('MDS' hereafter) by-product. The MDS has a large surface area and many functional groups, showing high efficiency on the fixation of heavy metals. The purpose of this study is to develop a ingenious heavy metal stabilizer that can effectively stabilize arsenic (As) and heavy metals in soil by recycling the MDS (two types of MDS: the acid mine drainage treated sludge (MMDS) and the coal mine drainage treated sludge (CMDS)). Various analyses, toxicity evaluations, and leaching reduction batch experiments were performed to identify the characteristics of MDS as the stabilizer for soils contaminated with As and heavy metals. As a result of batch experiments, the Pb stabilization efficiency of both of MDSs for soil A was higher than 90% and their Zn stabilization efficiencies were higher than 70%. In the case of soil B and C, which were contaminated with As, their As stabilization efficiencies were higher than 80%. Experimental results suggested that both of MDSs could be successfully applied for the As and heavy metal contaminated soil as the soil stabilizer, because of their low unit price and high stabilization efficiency for As and hevry metals.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Schematic illustration of the proposed adsorption mechanisms of arsenate (modified from O’Reilly et al., 2001).
그림 Fig. 2. Four soil sampling sites (A-D soils) and 2 MDS sampling locations (MMDS and CMDS).
그림 Fig. 3. Schematic of TCLP and SPLP test process.
표 Table 1. Water quality of Ilgwang mine drainage at the water treatment facility
표 Table 2. Water quality of Hambaek mine drainage at the water treatment facility (Park et al., 2005)
그림 Fig. 4. Schematic of the batch extraction experiment process.
표 Table 3. The potion of stabilizer vs. contaminated soil used in batch experiments
표 Table 4. Heavy metals and As concentration of each soil sample taken at 4 sites
그림 Fig. 5. XRD pattern of (a) MMDS and (b) CMDS.
그림 Fig. 6. SEM images (left) and EDS analytical results (right) of (a) MMDS and (b) CMDS.
표 Table 5. XRF results of MMDS and CMDS
표 Table 6. Surface area, pore volume and pore diameter of the MMDS and the CMDS from the BET analysis
그림 Fig. 7. Results of the TCLP test for the mixture (3% MDS + contaminated (a) soil A and (b) soil B).
표 Table 7. TCLP and SPLP results of the MMDS and the CMDS
그림 Fig. 8. Stabilization efficiency for the Pb ((a) MMDS and (b) CMDS) and for the Zn ((c) MMDS and (d) CMDS) in soil A.
그림 Fig. 9. The As stabilization efficiency of (a) MMDS and (b) CMDS in soil B.
그림 Fig. 10. The As stabilization efficiency of (a) MMDS and (b) CMDS in soil C.
그림 Fig. 11. The Zn stabilization efficiency of (a) MMDS and (b) CMDS in soil D.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

현재 국내 대부분의 광산배수는 인공 또는 자연수질정화시설을 통해 처리되고 있으며, 이때 대량의 광산배수처리슬러지(MDS)가 부산물로 생성된다. 본 연구에서는 이러한 MDS를 중금속 오염토양 안정화제로 이용하여, MDS를 효과적으로 재활용하는 방안을 제시하였다. 토양 안정화제로서의 가능성을 평가하기 위하여 두 종류의 MDS를 대상으로 물리적/화학적 특성 분석, 독성용출시험, 비소-중금속 용출저감배치실험 등을 수행하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

용출액 120 mL와 안정화제를 포함한 오염토양 40 g을 넣고(3:1; V/W) 150 rpm으로 2시간 용출시켰다. 8시간 정치 후 0시간, 12시간, 36시간, 60시간에 상등액을 채취하여 5B 필터지를 이용하여 필터링한 후, ICP-OES(Perkin-Elmer Optima DV2100)와 ICP-MASS(Perkin-Elmer NexION 300D)를 이용하여 분석하였다. 60시간 동안 정치한 후, 상등액의 pH를 측정하여 안정화제 첨가에 의한 용출액의 pH 변화를 확인하였다.
MMDS와 CMDS의 광물학적 특성을 규명하기 위하여, XRD(X-Ray Diffractometer: Malvern Panalytical X’Pert3-Powder) 및 XRF(X-Ray Fluorescence spectrometer: SHIMADZU XRF-1800) 분석을 실시하였다
MMDS와 CMDS의 광물학적 특성을 규명하기 위하여, XRD(X-Ray Diffractometer: Malvern Panalytical X’Pert3-Powder) 및 XRF(X-Ray Fluorescence spectrometer: SHIMADZU XRF-1800) 분석을 실시하였다. 또한, 두 종류 MDS의 비표면적 및 공극율/크기를 측정하기 위하여 BET(Surface area analyzer: Micromeritics Instrument ASAP 2420) 분석과, 표면 구조 및 형태를 알아보기 위한 SEM-EDS(Scanning electron microscope-Energy dispersive: TESCAN VEGA II LSU)분석을 수행하였다.
본 실험에서는 100번 체를 통과한 분말형태의 MMDS 및 CMDS를 안정화제로 사용하였다. 안정화제의 비율에 따른 용출저감 효과를 알아보기 위하여 0%(control), 1%, 3%, 5%, 7% 등 5종류의 비율(wt%)로 안정화제를 오염토양과 혼합하였으며 (Table 3), 정치 시간에 따른 안정화 효율을 알아보기 위하여 8시간, 20시간, 44시간, 68시간으로 정치시간을 설정하였다. 오염토양은 상온(25℃)에서 자연건조 후 10번체를 통과한 토양만 사용하였으며, 용출액은 일반적인 빗물의 pH를 고려하여 질산을 이용하여 pH 6 ± 0.
용출시험 결과로부터, 두 MDS 모두 토양 안정화제로서 현장 적용이 가능할 것으로 밝혀졌다(안정화제 투입량이 3-10% 임을 고려). 위 결과를 바탕으로, 실제 오염토양 A와 B에 MDS를 안정화제로 첨가한 후(3 wt%), 안정화제와 혼합한 오염토양의 TCLP 시험 결과를 Fig. 7에 나타냈다.
본 연구에서는 이러한 MDS를 중금속 오염토양 안정화제로 이용하여, MDS를 효과적으로 재활용하는 방안을 제시하였다. 토양 안정화제로서의 가능성을 평가하기 위하여 두 종류의 MDS를 대상으로 물리적/화학적 특성 분석, 독성용출시험, 비소-중금속 용출저감배치실험 등을 수행하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.
토양으로부터 중금속 용출량을 줄이기 위한 안정화제로서 MMDS와 CMDS의 안정화 효율을 평가하기 위하여 MDS를 대상으로 As 및 중금속(Cd, Pb, Zn)에 대한 용출저감 배치실험을 실시하였다. 본 실험에서는 100번 체를 통과한 분말형태의 MMDS 및 CMDS를 안정화제로 사용하였다.

대상 데이터

도심지 주변 군부대 내 금속 폐기물 적치장하부 토양(이하 ‘A토양’), As로 오염된 폐광산 주변 광미처리장 상부 토양(이하 ‘B토양’) 및 폐광산 주변 농경지 비소 오염토양(이하 ‘C토양’), 군부대 폭파 연습장으로 사용되어 구리(Cu)와 납(Pb)으로 오염된 경사지 토양(이하 ‘D토양’) 시료를 실험에 사용하였으며, 오염토양 시료채취지점은 Fig
토양으로부터 중금속 용출량을 줄이기 위한 안정화제로서 MMDS와 CMDS의 안정화 효율을 평가하기 위하여 MDS를 대상으로 As 및 중금속(Cd, Pb, Zn)에 대한 용출저감 배치실험을 실시하였다. 본 실험에서는 100번 체를 통과한 분말형태의 MMDS 및 CMDS를 안정화제로 사용하였다. 안정화제의 비율에 따른 용출저감 효과를 알아보기 위하여 0%(control), 1%, 3%, 5%, 7% 등 5종류의 비율(wt%)로 안정화제를 오염토양과 혼합하였으며 (Table 3), 정치 시간에 따른 안정화 효율을 알아보기 위하여 8시간, 20시간, 44시간, 68시간으로 정치시간을 설정하였다.
본 연구에서는 다양한 중금속 오염 시나리오를 가지는 총 4 종류의 오염부지로부터 비소 및 중금속 오염토양을 채취하였다. 도심지 주변 군부대 내 금속 폐기물 적치장하부 토양(이하 ‘A토양’), As로 오염된 폐광산 주변 광미처리장 상부 토양(이하 ‘B토양’) 및 폐광산 주변 농경지 비소 오염토양(이하 ‘C토양’), 군부대 폭파 연습장으로 사용되어 구리(Cu)와 납(Pb)으로 오염된 경사지 토양(이하 ‘D토양’) 시료를 실험에 사용하였으며, 오염토양 시료채취지점은 Fig.
2에 나타내었다. 오염토양은 유기물과 암석을 제거한 후 일정한 깊이(0-15 cm 깊이 표토층)에서 채취하였으며, 상온(25℃)에서 자연건조 하였다.

이론/모형

4종류의 오염부지로부터 각각 채취한 오염토양 내에 존재하는 중금속의 농도를 측정하기 위하여, 토양공정시험 기준에 따라 전함량법으로 As 및 중금속(Pb, Zn, Ni, Cd)의 농도를 측정하였다. MMDS와 CMDS의 광물학적 특성을 규명하기 위하여, XRD(X-Ray Diffractometer: Malvern Panalytical X’Pert3-Powder) 및 XRF(X-Ray Fluorescence spectrometer: SHIMADZU XRF-1800) 분석을 실시하였다.
B토양과 C토양은 광산 활동을 통해 발생한 광미 및 다수의 광산폐기물에 의해 오염된 토양이다. B토양은 인가 주변에 위치한 광미 적치장으로 As가 우려기준을 초과하였으며, C토양은 광산 주변 농경지 토양으로 Cd, Pb, As가 토양오염우려기준(KSPWL: Korean Soil Pollution Warning Limit)을 초과하였다. D토양의 경우 군부대 폭파장 경사지로 탄피와 폭발물의 주 중금속 성분인 Zn이 토양오염 우려기준을 초과하였다.

성능/효과

3. B토양과 C토양의 경우 광산활동의 부산물인 광미에 의한 As 오염토양으로, As의 안정화 효율이 80% 이상의 안정화 효율을 보였으며(대부분 95% 이상), 이러한 As의 높은 안정화 효율은 MDS가 다량 포함하는 철산화물 표면에서 발생하는 As 리간드 교환과 복합체 형성에 의한 것으로 판단된다.
1. MMDS와 CMDS는 많은 미량원소를 포함하나 TCLP 및 SPLP시험 결과, 모두 폐기물 용출시험 검사기준 이하로 나타나, 중금속 용출의 관점에서 토양에 안정화제로서 적용이 가능하다는 것을 입증하였다.
5. MMDS와 CMDS의 제조 단가를 중금속의 평균 안정화 효율을 이용하여 계산한 결과(2.4참조), MMDS와 CMDS의 중금속 안정화 효율 대비 단가는 102-141원/kg으로, 경제성과 중금속 저감 효율이 높은 것으로 나타났다.
MDS의 용출시험 결과를 Table 7에 나타냈다. TCLP 시험 결과 MMDS의 경우 5가지 중금속 중 Zn을 제외한 중금속의 용출이 발생하지 않았으며, 용출이 일어난 Zn의 경우에도 0.07mg/L의 낮은 용출 농도를 보였다. CMDS의 경우 Ni, Zn의 용출이 발생하였으나 각각 0.
6. 다양한 오염 시나리오를 가지는 4종류의 토양을 대상으로 수행한 용출저감배치실험 결과를 통해, MDS는 중금속 또는 As 단일오염토양뿐만 아니라 복합오염토양에서도 토양 안정화제로서 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 입증하였다.
01 mg/L로, 모두 폐기물 용출시험 기준을 만족하였다. 용출시험 결과로부터, 두 MDS 모두 토양 안정화제로서 현장 적용이 가능할 것으로 밝혀졌다(안정화제 투입량이 3-10% 임을 고려). 위 결과를 바탕으로, 실제 오염토양 A와 B에 MDS를 안정화제로 첨가한 후(3 wt%), 안정화제와 혼합한 오염토양의 TCLP 시험 결과를 Fig.
토양 B의 경우 MDS를 첨가하지 않은 경우 TCLP의 As 용출 농도가 폐기물 용출 시험기준을 초과하였으나, MDS를 첨가한 경우, TCLP 시험에서 토양으로부터 As의 용출이 거의 발생하지 않았음을 확인하였다. 이러한 결과는 실제 오염토양에 안정화제로서 MMDS와 CMDS를 적용하였을 때, 이로 인한 추가적인 중금속이나 As 용출이 거의 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
7에 나타냈다. 토양 A의 경우 안정화제를 적용하였을 경우 적용하지 않은 대조군과 비교하여 Zn의 TCLP 용출 농도가 감소하였음을 확인했다. 토양 B의 경우 MDS를 첨가하지 않은 경우 TCLP의 As 용출 농도가 폐기물 용출 시험기준을 초과하였으나, MDS를 첨가한 경우, TCLP 시험에서 토양으로부터 As의 용출이 거의 발생하지 않았음을 확인하였다.

후속연구

실험에 사용된 오염토양 4종류의 중금속 농도 분석 결과를 Table 4에 나타내었다. A토양 시료 부지의 경우 군부대 재활용품 및 폐품 소각장으로 사용되었으며, 금속 폐기물 무단 투기로 중금속 오염이 심각한 것으로 나타났고 (Cd, Pb, Ni, Zn, As가 토양오염 우려기준을 초과), 부지는 정화 후 시민체육공원으로 사용될 계획이다. B토양과 C토양은 광산 활동을 통해 발생한 광미 및 다수의 광산폐기물에 의해 오염된 토양이다.

참고문헌 (21)

Baek, S.H., Park, G.I., Ko, J.I., Kim, S.L., Jung, M.H., Kim, J.H., Kim, N.G., Seo, E.Y., Gwon, O.H., and Lee, J.H., 2021, Investigation on the status of leachate by mine waste storage site and investigation of characteristics, Journal of Mine Reclamation Technology and Policy, 21, 9-11.
Choi, S.J., Lee, B.T., Kim, J.Y., and Kim, K.W., 2013, Study on adsorption/desorption of As by mine sludge depending on pH and natural organic matter, Geosystem Eng., 16(3), 191-199.

상세보기
Cui, M., Jang, M., Cannon, F.S., Na, S., Khim, J., and Park, J.K., 2013, Removal of dissolved Zn(II) using coal mine drainage sludge: Implications for acidic wastewater treatment, J. Environ. Manage., 116, 107-112.

상세보기
Fendorf, S., Eick, M.J., Grossl, P., and Sparks, D.L., 1997, Arsenate and chromate retention mechanism on goethite. 1. Surface structure, Environ. Sci. Technol., 31(2), 315-320.

상세보기
Jang, H.R., Jeon, H.G., and Moon, D.H., 2021, Sorption of Cu, Zn, Pb and Cd from a contaminated aqueous solution using starfish (Asterina pectinifera) derived biochar, J. Korean Soc. Environ. Eng., 43(4), 274-285.

상세보기
Jankaite, A. and Vasarevicius, S., 2005, Remediation technologies for soils contaminated with heavy metals, J. Environ. Eng. Landsc. Manag., 13(2), 109-113.

상세보기
Kang, D.H., Kwon, B.H., Yu, H.S., and Kim, S.O., 2010, Discharge characteristics of heavy metals in acid mine drainage from the abandoned Ilgwang mine, J. Eng. Geol., 20(1), 79-87.
Kim, D., Ren, Y., Cui, M., Lee, Y., Kim, J., Kwon, O., Ji, W., and Khim, J., 2021, Arsenic adsorption on two types of powdered and beaded coal mine drainage sludge adsorbent, Chemosphere, 272, 129560.

상세보기
Kim, D.M., Kim, D., Hong., S.J., and Kim., S.S., 2016, Assessment of dewatering process using flocculation and self-filtration according to characteristics of mine drainage sludge, J. Korean Soc, Miner. Energy Resour. Eng., 53(6), 562-571.

상세보기
Kim, M.J., An, G.H., and Jeong, Y.J., 2003, Adsorption of arsenic on soil: Kinetics and equilibrium. J. Korean Soc. Environ. Eng., 25(4), 407-407.

상세보기
Kim, M.S., Min, H., Lee, B., Chang, S., Kim, J.G., Koo, N., Park, J.S., and Bak, G.I., 2014, The applicability of the acid mine drainage sludge in the heavy metal stabilization in soils, Korean J. Environ. Agric., 33(2), 78-85.

원문보기 상세보기
Kim, S.O., Lee, W.C., Jeong, H.S., and Cho, H.G., 2009, Adsorption of arsenic on goethite, J. Miner. Soc. Korea, 22(3), 177-189.
Koh, I.H., Kwon, Y.S., Jeong, M.H., and Ji, W.H., 2021, Soil Loss Reduction and Stabilization of Arsenic Contaminated Soil in Sloped Farmland using CMDS (Coal Mine Drainage Sludge) under Rainfall Simulation, J. Soil Groundw. Environ., 26(6), 18-26.

원문보기 상세보기
Lee, J.Y., Bae, S.Y., and Woo, S.H., 2011, Evaluation of field applicability with Coal Mine Drainage Sludge (CMDS) as a liner: part I: physico-chemical characteristics of CMDS and a mixed liner, J. Korean Geosynth. Soc., 10(2), 67-72.
O'Reilly, S.E., Strawn, D.G., and Sparks, D.L., 2001, Residence time effects on arsenate adsorption/desorption mechanisms on goethite, Soil Sci. Soc. Am. J., 65(1), 67-77.

상세보기
Pankow, J.F., 2018, Aquatic Chemistry Concepts, 2nd edition, CRC Press, Florida.
Park, J.H., Kim S.H., Shin, J.H., Kim, H.C., and Seo, D.C., 2015, Competitive adsorption characteristics of cupper and cadmium using biochar derived from phragmites communis, Korean J. Environ. Agric., 34(1), 21-29.

원문보기 상세보기
Park, Y.G., Park, J.S., and Hong, S.J., 2005, Neutralization treatment of acid mine drainage using Ca(OH)2, Applied Chemistry for Engineering, 16(3), 391-396.
Schafer, A.I. and Fane, A.G., 2021, Nanofiltration: Principles, Applications, and New Materials, 2nd edition, John Wiley and Sons, Inc., New York.
Sung, I.J., Pak, S.I., Yang, J.K., Bae, S.D., Jin, H.J., and Choi, S.I., 2014, Field-scale treatment of acid mine drainage by hybrid electrolysis process, J. Soil Groundw. Environ., 19(3), 142-152.

원문보기 상세보기
Yang, J., Kim, D., Oh, Y., Jeon, S., and Lee, M., 2021, Evaluation of stabilization capacity for typical amendments based on the scenario of heavy metal contaminated sites in Korea, Econ. Environ. Geol., 54(1), 21-33.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증