[논문]폐광산 주변 오염토양의 비소 제거를 위한 알칼리 세척의 최적화

황정성; 최상일; 한상근; 박응렬; 장민

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황정성 (광원대학교 환경공학과) , 최상일 (광원대학교 환경공학과) , 한상근 (광원대학교 환경공학과) , 박응렬 (광원대학교 환경공학과) , 장민

비소로 오염된 폐광산 하류부의 하천퇴적 토양과 밭 토양에 대한 연속추출법 적용 결과, 토양과 비소의 결합력이 약하여 쉽게 용출이 가능한 비소가 각각 39.5%, 33.8%로 비교적 높은 비율을 차지하고 있었으며, crystalline minerals에 존재하는 비소도 각각 52.6%, 62.3%의 큰 비중으로 존재하였다. 수산화나트륨을 최적 농도인 200mM과 6시간의 운전조건으로 각기 다른 진탕비(1:3, 1:5, 1:10, 1:20. 1:30)에서 연속 토양세척실험을 한 결과, 최적 진탕비는 2가지 토양에 대하여 모두 1:5가 적합하였다. 하천퇴적 토양은 1단계 세척후의 농도가 약 3mg/kg으로 토양환경보전법 가지역의 우려기준(6mg/kg) 이하였으며 2단계 세척시 1mg/kg까지 떨어졌다. 밭 토양의 경우에는 3단계 세척시 나지역 우려기준에 해당되는 20mg/kg보다 낮은 농도를 보였으며, 5단계 세척시에는 가지역 우려기준에 근접한 약 8mg/kg까지 낮아짐을 알 수 있었다.

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문제 정의

특히 비소는 독성이 강하며 발암성 물질로 주변 환경을 크게 오염시키고 있다. 본 연구는 광산 폐기물에 의하여 비소로 오염되었을 것으로 판단되는 휴·폐광산 주변의 하천퇴적 토양 및 밭 토양을 대상으로 세척제에 의하여 용출 가능한 비소의 존재 및 토양과의 결합형태를 알아보고자 다양한 추출용매를 이용한 연속추출법(sequential extraction methods)³⁾을 적용하였으며, 비소 오염토양에 대하여 용출력이 탁월하다고 알려진 알칼리 세척제 수산화나트륨의 최적 농도 200mM과 6시간의 용출시간을 적용하여⁴⁾ 최적의 진탕비와 연속 토양세척에 의한 효율 향상성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

또한 세척효율을 보다 향상시킬 수 있는 방안을 모색하기 위하여 수산화나트륨 200mM, 진탕비 1:5 로 연속 토양세척을 하였다. 운전시간 6시간으로 연속 토양세척 실험을 5단계에 걸쳐 수행하였다.
비소의 존재 특성 및 토양과의 결합형태를 알아보고자 다양한 추출용매를 이용한 7단계 연속추출법³⁾을 적용하였으며, 각 단계별 추출법은 Table 1과 같다. 시료는 10mL씩 상등액을 분취하여 3,200rpm에서 20분간 원심분리를 한 후, 0.45# 여지를 통과시킨 여액을 ICP(Model: ICPS-1000IV, SHIMADZU)로 분석하였다.
세척 후 토양 내에 잔존하는 비소의 양은 토양오염공정시험방법에 의하여 분석하였다. 시료는 10mL씩상등액을 분취하여 3,200rpm에서 20분간 원심분리 하였으며, 고액 분리된 여액은 5B(0.1㎜)여지를 통과시켜 산처리 (HNO 1%) 후 ICP로 분석하였다.
연속 토양세척을 하였다. 운전시간 6시간으로 연속 토양세척 실험을 5단계에 걸쳐 수행하였다. 세척 후 토양 내에 잔존하는 비소의 양은 토양오염공정시험방법에 의하여 분석하였다.
진탕비 선정 실험은 하천퇴적 토양 및 밭 토양에 대하여 연속추출법의 결과에 근접한 비소 용출양을 보인 수산화나트륨 농도 200mM, 운전시간 6시간을 이용하여⁴⁾ 효율적이며 경제적인 진탕비를 선정하고자 온도를 20±0.5℃로 유지시키고 300rpm에서 토양(g)과 세척용액(mL)의 비율을 1:3, 1:5, 1:10, 1:20, 1:30으로 변경하며 적용하였다.

대상 데이터

대상 시료는 광미에 의하여 비소로 오염되었다고 알려진 경상북도 군위군 고로면 석산리 고로 폐광산 하류부의 하천퇴적 토양과 밭 토양¹⁾을 선정하였다. 채취한 토양은 입자의 균일성을 위하여 표준체 #20(0.
을 선정하였다. 채취한 토양은 입자의 균일성을 위하여 표준체 #20(0.833㎜)을 통과하는 토양만을 실험에 사용하였다. 비소의 존재 특성 및 토양과의 결합형태를 알아보고자 다양한 추출용매를 이용한 7단계 연속추출법³⁾을 적용하였으며, 각 단계별 추출법은 Table 1과 같다.

이론/모형

833㎜)을 통과하는 토양만을 실험에 사용하였다. 비소의 존재 특성 및 토양과의 결합형태를 알아보고자 다양한 추출용매를 이용한 7단계 연속추출법³⁾을 적용하였으며, 각 단계별 추출법은 Table 1과 같다. 시료는 10mL씩 상등액을 분취하여 3,200rpm에서 20분간 원심분리를 한 후, 0.
운전시간 6시간으로 연속 토양세척 실험을 5단계에 걸쳐 수행하였다. 세척 후 토양 내에 잔존하는 비소의 양은 토양오염공정시험방법에 의하여 분석하였다. 시료는 10mL씩상등액을 분취하여 3,200rpm에서 20분간 원심분리 하였으며, 고액 분리된 여액은 5B(0.

성능/효과

연속 토양세척실험 결과<Fig. 2>, 밭 토양은 3단계 세척 후 비소의 잔류농도가 토양환경보전법의 나지역 우려기준(20㎎/㎏)보다 낮은 18㎎/㎏을 보였으며, 5단계 세척 후에는 가지역 우려기준(6㎎/㎏)에 근접한 8㎎/㎏으로 전체적으로는 94%의 비소가 세척되었다. 하천퇴적 토양의 경우에는 1단계 세척 후 약 3㎎/㎏으로 가지역 우려기준 이하로 세척되었다.
하천퇴적 토양의 경우 진탕비 1:5에서 최대의 용출효율을 보였으며, 진탕비가 커짐에 따라 비소 용출효율이 감소하였다. 따라서 2가지 토양 모두 토양세척기법 적용 시 장비의 마모 방지와 효율적인 측면 및 경제성을 고려한 진탕비는 1:5가 적합한 것으로 사료되었다. 연속 토양세척실험 결과<Fig.
2단계 세척 후에는 l㎎/㎏의 농도로 94%의 비소가 세척되었으며, 그 이상의 세척 횟수에 따른 농도 감소 변화는 그다지 크지 않았다. 따라서 본 연구대상 지역의 정화대상 토양인 하천퇴적 토양에 대하여 토양환경보전법의 우려 기준치를 준수하기 위한 토양세척기법 적용은 1단계 세척으로 충분하나, 배경농도 또는 그 이하로 비소 농도를 낮추기 위해서는 효율 증대 방법으로 2단계 연속 토양세척기법 적용이 적합하다고 판단된다.
Kim et al³⁾은 명봉광산 및 다덕광산 광미의 easily reducible oxides(5단계)에 다량으로 존재하는 비소를 황산 제 1철과 2철을 사용하여 crystalline minerals에 존재하는 비소로 변환시켜 안정화시키려는 연구를 수행하였다. 하지만, 본 연구 대상 하천퇴적 토양과 밭 토양의 경우에는 easily reducible oxides 비소 존재 형태에 비하여 crystalline minerals에 존재하고 있는 비소 형태가 월등히 많을 뿐만 아니라, 현장 조건에 따라 재용출이 가능한 안정화 기술보다는 원천적으로 비소를 제거할 수 있는 토양세척기법이 비소 오염확산을 줄일 수 있는 적합한 기술로 판단되었다.
하천퇴적 토양과 밭 토양에 대하여 진탕비를 변화시켜 가며 실험한 결과(Fig. 1), 밭 토양은 진탕비 1:10에서 비소의 용출효율이 1:5에 비해 증가하였지만 증가율이 그다지 크지 않았다. 하천퇴적 토양의 경우 진탕비 1:5에서 최대의 용출효율을 보였으며, 진탕비가 커짐에 따라 비소 용출효율이 감소하였다.
토양과 비소의 결합력이 약하며 비교적 쉽게 용출이 가능한 것으로 알려져 있다? 하천퇴적 토양과 밭 토양의 4단계까지 추출된 비소 양은 각각 15±3(39.5%), 150±5(33.8%)㎎/㎏으로 비교적 높은 양이 존재하였으며, crystalline minerals(7단계)에 존재하는 비소가 각각 20±0(52.6%), 276+1(62.3%)㎎/㎏로 다량 존재하는 것으로 보아 상당 부분이 arsenate 형태로 존재하는 것으로 판단되었다. Kim et al³⁾은 명봉광산 및 다덕광산 광미의 easily reducible oxides(5단계)에 다량으로 존재하는 비소를 황산 제 1철과 2철을 사용하여 crystalline minerals에 존재하는 비소로 변환시켜 안정화시키려는 연구를 수행하였다.

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