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문제 정의
- 본 연구는 인천 동양화학에서 소다회 제조 과정시 부산물로 발생되는 부산석회의 특성을 고려하여, 폐석으로 방치되어 있는 폐탄광 산림지역을 대상으로 부산석회와 복토제를 활용해 페석으로 인해 발생되는 유거수의 완충능력을 평가 등 광해방지사업의 활용방안에 초점을 두고 최적의 방법을 제시하고자수행하였다.
- 본 연구는 폐 탄광 지역에서 발생되는 광해문제를 해결하는 방법으로 소다회 제조 과정시 부산물로 발생되는 폐석회를 이용하여 폐석탄단지에서 유줄되는 침줄수에대하여 수질개선을 위한현장 적용 가능성을 평가하였다.
제안 방법
- 3와 같이 시험포장을 조성하여 2003. 4월에서 8월 말까지 강수량에 의한 침출수 변화를 검토하기 위한 현장실험을 행하였다.
- 경사면 하단부에 유거수 채취시설을 설치하여 침출수와 유출수를 주기적으로 수거하였다. 강우를 모사하기 위하여 표면에 점적 관수 장치를 설치하였으며, 수거된 침줄수와 유줄수 중의 이화학적 성분조사를 위해 pH 및 EC, 양이온(K, Ca, Mg, Na), 중금속 (Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn 등), 음이온 (Cl, SO4) 등을 분석하였다.
- 강우를 모사하기 위해 인공 점적관수를 사용하여 관수하려 하였으나 연구기간 동안 비가 자주 내린 관계로 자연적인 강우에 의해 발생된 유거수를 채취하여 pH농도를 측정하였다.
- 경사면 하단부에 유거수 채취시설을 설치하여 침출수와 유출수를 주기적으로 수거하였다. 강우를 모사하기 위하여 표면에 점적 관수 장치를 설치하였으며, 수거된 침줄수와 유줄수 중의 이화학적 성분조사를 위해 pH 및 EC, 양이온(K, Ca, Mg, Na), 중금속 (Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn 등), 음이온 (Cl, SO4) 등을 분석하였다.
- 부산석회를 이용하여 폐 석탄광산 고형 폐기물 처리 방법의 한 가지인 사면 안정화 시험 및 토양개량제로의 활용 가능성을 평가하기 위해 강릉시 옥계면 금진리 와룡7갱주변에 사면 정리한 시험포장 10개 을 설치하여 강우 시 폐석 등 광산 폐기물로부터 발생되는 유출수에 대하여 각 시험포장별 이화학적 성분 비교 및 부산석회 처리에 따른 식생에 대한 안전성을 연구하였다.
- 사용하였다. 부산석회의 입자에 대한 크기 분포를 알아보고자 Malvern Mastersizer S 입도분석기를 사용하여 입도 분석을 수행하였다.
- 폐석탄, 부산석회, 복토제의 화학적 특성을 파악코자 ICP(유도플라즈마 발광광도계)를 이용하여 각각의 구성성분을 분석하였고, 물리화학적 특성은 X선 형광분석기(XRF)와 결정구조에 대한 분석은 X선회절분석기(XRD)를 사용하였다. 부산석회의 입자에 대한 크기 분포를 알아보고자 Malvern Mastersizer S 입도분석기를 사용하여 입도 분석을 수행하였다.
대상 데이터
- 부산석회의 처리량은 폐 석탄과 복토제의 석회요구량 (Lime Requirement)에 의해 결정하였고, 복토제는 인근 야산에서 채취한 마사토를 사용하였다.
- 현장적용에 의한 활용성 검증을 위해 2002년 9월부터 12월까지 강릉시 옥계면 금진리 산 81번지에 위치해 있는 와룡 7갱의 폐석단지에 Fig. 2과 Fig. 3와 같이 시험포장을 조성하여 2003. 4월에서 8월 말까지 강수량에 의한 침출수 변화를 검토하기 위한 현장실험을 행하였다.
데이터처리
- 각 시기별 채취된 시료의 3반복 평균수치는 통계처리 프로그램(Duncan's multiple range test, LSD)으로 비교하였으며, 처리구별로 정해진 시기에 따라 수집된 결과는 Single-degree-of^freedom orthogonal contrasts를 이용하여 처리구별로 비교 분석하였다. 회귀분석 (Regression Analysis)의 heterogeneity test를 이용하여 처리구별 회귀 분석된 기울기를 비교하였고 통계처리는 SAS의 GLM(General Linear Model)를 이용하였고 각 실험은 3반복으로 행하였으며, 제시된 실험결과는 평균값에 대한 실험결과이다.
- 이용하여 처리구별로 비교 분석하였다. 회귀분석 (Regression Analysis)의 heterogeneity test를 이용하여 처리구별 회귀 분석된 기울기를 비교하였고 통계처리는 SAS의 GLM(General Linear Model)를 이용하였고 각 실험은 3반복으로 행하였으며, 제시된 실험결과는 평균값에 대한 실험결과이다.
성능/효과
- O 각 처리구별 유거수 중의 중금속 용출 여부를 확인한 결과 초기 강우 시(10 mm) 폐석탄에 함유 되어 있는 중금속 이온들이 초기 leaching으로 인해 높은 농도를 나타냈는데 안정후 대부분의 중금속농도가 현저히 감소되는 경향을 나타냈는데, 이는 pH농도의 상승에 기인된 것이라 나타났다.
- O 현장 시험포장에서 각 처리구별로 발생된 유거수 중의 각 이온성분에 대한 유의성을 실시한 결과 pH 의 경우 대조구(Control)와 부산석회를 층위 처리한 후 복토 처리한 처리구(C.W+WL100%)와 복토를 하지 않은 부산석회 처리구간(WL 25%, 50%, 100%)과의 유의성 검증결과, 복토를 하지 않은 부산 석회 처리구간(WL 25%, 50%, 100%)과는 유의성을 보여 주는 것으로 나타났다.
- SO42-의 경우 초기 10mm 강우시 모든 처리구 유거수에서 25〜28 mg/L수준으로 동일한 농도를 나타내고 있었으나 20mm 강우시 유거수 중의 SO42-농도는 10 mg/L이하 수준으로 낮아졌는데(Fig. 10), CT과 마찬가지로 대부분 초기 강우에 의한 leaching으로 농도가 현저히 감소되는 것으로 조사되었으며, 폐 석탄으로만 처리된 control구의 SO42-의 농도 증가는 폐 석탄 자체내의 Sulfate 성분 농도가 높은 이유로 강수량증감에 따라 농도 변화가 심할 것으로 예측된다.
- 강수량의 증가와 seed spray 처리 후에는 pH가 6 ~7정도로 안정화되는 것으로 조사되었는데 폐석중의 SCX-의 이동방향이 수분의 이동방향과 동일하여 강우 시 leaching 되었거나 생육조사를 위해 사용된 seed spray에 포함된 약재의 영향으로 pH가 증가된 것으로 사료된다.
- 그 결과 대조구(Control)와 각 비교구간에는 유의성이 거의 없는 결과를 나타냈으며, 대조구를 제외한 폐 석탄과 석회요구량 100%의 부산석회를 처리한 구, 폐 석탄과 석회요구량 25%, 50%, 100%를 석회 처리 후 복토 처리한 구간에서도 유의성은 나타나지 않았다.
- 847 범위에서 실시하였다. 그 결과 대조구와 각 처리구간에는 유의성이 있는 것으로 나타나 부산석회를 이용해 폐석에서 발생되는 오염물질을 안정화시킬 수 있는 가능성을 예측할 수 있었으며, 대조구를 제외한 폐 석탄과 석회요구량 100%의 부산석회를 처리한 구, 폐 석탄과 석회요구량 25%, 50%, 100%를 석회 처리 후 복토 처리한 처리구간의 유의성은 나타나지 않았다(Fig. 11).
- 납의 경우 폐 석탄 단일 처리구(Plot 1, 2)에서 0.8 mg/L로 높은 농도를 보이고 있는데 폐 석탄 중에 함유되어 있는 Pb농도(토양환경보전법 용출시험 : 6.9 mg/kg)가 높은 이유로 사료되며, 그외 CaCO로 처리한 처리구(Plot 3, 4)에서나 부산석회로 석회 요구량 100%, 50%, 25%로 처리한 처리구(Plot 5- 10)에서는 0.1 〜0.5 mg/L수준을 나타냈으나 처리구별 pH의 증가에 의한 영향 등으로 40일 경과 이후에는 먹는물 수질기준(pb : 0.05 mg/L) 이하로 안정화되는 것으로 나타났다(Fig. 12).
- 또한 부산석회의 입자에 Particle Size에 대한 입도 크기 분포를 알아보기 위해 Malvern Mastersizer S(Model : Mastersizer 2000) 입도 분석기를 사용하여 입도 분석을 한 결과에서는 전체적으로 2〜50μm의 크기를 갖는 입자의 분포가 가장 우세한 것으로 나타났다(Table 4).
- 완충곡선식을 이용하여 목표하는 pH를 설정하고 그에 따른 석회요구량을 산출할 수 있다. 본 연구에서는 목표 pH를 7.0으로 하여 석회요구량을 산출하였으며, 그 결과 복토제의 경우 36.75 kg/10a의 석회(CaCO)가 요구되었으며, 폐 석탄의 경우는 1659.90 kg/10a의 석회(CaCOJ가 요구되었다(Fig. 1). 이 값을 부산석회의 양으로 환산하면 복토제의 경우 61.
- 부산석회의 pH는 11.24이었으며, EC는 79.55dS/m, 유기물 함량은 0.83%이었고, 폐 석탄의 pH는 3.50, EC는 0.23 dS/m(l:5), 유기물 함량은 1.65%로 EC의 경우 폐 석탄에 비해 부산석회가 약 340높은 것으로 나타났으며, 유기물 함량은 부산석회에 비하여 폐 석탄이 약 2배정도 높은 것으로 나타났다(Table 2).
- 시험포장 설치 후 20mm 강우 시 각 포장별로 수거된 유출수의 pH 조사결과 모든 처리구에서 pH 3.5 정도로 낮은 농도를 나타냈는데, 이는 각 포장별 심층에 존재하는 폐 석탄에 의한 AMD중의 SO42- 와 같은 산성 이온에 의한 영향으로 판단된다(Fig. 5).
- 시험포장 설치 후 40일 경과 후 시험포장 처리구별 유거수내 황산이온의 농도변화는 대조구(Control)에서 6.4 mg/L로 가장 높은 값을 보인 반면, 폐 석탄과 석회요구량 100%를 석회 처리후 복토 처리한 구간에서 4.4 mg/L를 나타내 석회요구량 비가 낮을수록 황산이온의 농도가 감소되는 경향을 보였다. 구간별 유의성에 대한 평가는 95%의 신뢰도 구간에서 최소 유의차 1.
- 가장 먼저 환경적인 영향에 대하여 평가를 실시하여야 할 것으로 판단된다. 이러한 검증을 부산 석회와 폐석탄, 복토재의 유해 중금속을 분석한 결과 As, Hg, Cr의 경우는 모두 검출한계 (As: 10 ng/kg, Hg: 20 pg/kg, Cr: 10 pg/kg) 이하였으며, Pb의 경우는 폐 석탄에서 6.90 mg/kg이 검출되어 모두 토양환경보전법 토양오염 우려기준 이하인 규제농도 미만으로 큰 문제가 되지 않는 것으로 나타났다(Table 3).
- 5, 6(부산석회 100%)에서 50 mg/L로 부산석회 25%(Plot 9, 10) 50%(Plot 7, 8)로 처리된 시험포장 보다 높은 농도를 나타냈는데 이는 부산석회중에 함유되어 있는 염분에 기인된 것으로 부산석회 처리량에 비례하여 높게 나타난 것으로 판단되며, 모든 처리구에서 시험포장 설치 4개월경과 후에는 먹는물 수질기준(150 mg/L)에 훨씬 못미치는 5 mg/L이하로 안정화되는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 판단할 때, CaCQ처리구(Plot 3, 4)나 부산석회로 층위 처리된 처리구(Plot 5〜10)에서 염분 유출로 인해 인근 하천에 미치는 영향은 극히 미약할 것으로 사료되며, 특히 폐 석탄에 소요되는 석회 요구량 자체가 미미함으로 장기적인 안목에서 판단해 볼 때 큰 문제는 발생되지 않으리라 생각된다.
- 초기 강우시(10mm)에 폐석탄에 함유되어 있는 중금속 이온들이 leaching에 의해 유거수 중의 높은 농도를 나타내었으나, 20 mm 강우시 대부분의 중금속이 현저히 감소되는 것으로 조사되었으며, 강수량이 60-80 mm정도로 많은 양이 관수되었을 때 모든 처리구에서 중금속 농도가 증가되는 경향을 나타냈다(Fig. 12, 13).
- 특히 부산석회 100%로 처리한 처리구(Plot 5, 6)에서 Fe가 급격히 증가되는 것으로 나타났으나, 폐석탄으로만 처리된 control구에서는 현격한 증가를 나타내지는 않았으며, 시험포장 설치 40일 경과 후에는 대부분의 처리구가 안정화되는 것으로 판단된다.
후속연구
- 강우량 증감에 따라 각 처리구별 pH의 변동이 나타나고 있는 원인은 폐석 중의 Sulfate성분에 의한 영향으로 판단되며 부산석회 층위 처리시 pH가 7.0정도로 안정화되기 까지의 기간 등에 대해서는 추후로도 지속적인 monitoring0] 필요할 것으로 판단된다.
- (동양화학, 1998). 또한 강알칼리성으로 Ca, Mg,Na 등의 염류를 다량 함유하고 있기 때문에 이러한 물리적, 화학적 특성을 고려한 재활용방안을 연구할 필요성이 매우 크다.
- 폐 광산 지역의 다양한 생태계의 요소가 유기적으로 연관성을 갖는 공간단위로 폐광지역이 변모할 수있도록 하는 즉, 자연 생태계 전체의 질을 향상시키기 위해 폐 광산지역 에코토프(Ecotop) 형성 시스템을 구축해 나감이 바람직할 것이다.
- 폐석회의 경우도 이러한 활용 가능한 범주에 속하는 특성을 지니고 있어 산림복원 및 수질개선 등 광해방지 사업에 적용 가능성을 연구할 필요성이 있다. 폐 석회는 입자가 매우 미세하며, 투수속도(1.
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