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(1)자원환경지질, 제41권, 제1호, 33-45, 2008 Econ. Environ. Geol., 41(1), 33-45, 2008. 폐광산으로부터 유출되는 산성광산배수 중화처리를 위한 반응조 실험 연구 강 한1·박성민1·장윤득2·김정진1* 1. 안동대학교 지구환경과학과, 2경북대학교 지질학과. Studies for Neutralization Teratment of Acid Mine Drainage from Abandoned Mine Han Kang1, Seong-Min Park1, Yun-Deug Jang2 and Jeong-Jin Kim1* 1. Department of Earth and Environmental Sciences, Andong National University, Andong 760-749, Korea Department of Geology, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea. 2. Two types of reactor were designed to neutralize acid mine drainage flow from closed mine. Limestone used as a neutralizer, which composed mainly of calcite with small amount of dolomite. In general, the effect of neutralization depended upon both the position of reaction and the amount of supply of neutralizer. It was observed that the neutralization was enhanced as the reaction with acid mine drainage occurred at the upper part of reactor with sufficient supply of neutralizer. When the reaction was sustained in upper part of the reactor, the neutralizer was not affected by precipitates and the reaction could last until all of neutralizer was consumed. Key words : Reactor, Neutralization, Acid mine drainage, Neutralizer, Precipitates 폐광산으로부터 유출되는 산성광산배수 중화처리를 위해 2가지 방법으로 반응조를 설계하여 실험을 실시하였다. 중 화제로 사용한 물질은 방해석이 주 구성광물이여 소량의 돌로마이트를 포함한 석회암이다. 중화 효과는 중화제의 반 응 위치와 양에 따라 다르게 나타난다. 반응조 상부에서 산성광산배수와 중화제를 반응 시킬 때 반응 효과가 더 좋으 며 중화제의 양이 많을수록 중화되는 속도가 빠르다. 상부에서 중화제와 반응시킬 경우 산성광산배수로부터 침전되는 침전물의 영향을 거의 받지 않아 중화제가 전부 소모될 때까지 반응을 지속시킬 수 있다. 주요어 : 반응조, 중화반응, 산성광산배수, 중화제, 침전물. 1. 서. 언. 과 강한 산성을 나타내는 산성광산배수(AMD: Acid Mine Drainage)가 생성되어 주변하천으로 유입된다. 산성광산배수의 유출을 근원적으로 막는 방법으로는 갱도를 봉쇄하거나 폐석이나 광미에 물의 침투나 공기 와의 접촉을 차단하여 황화 광물의 산화작용을 억제시 키는 방법이 있다. 산성광산배수 관리와 처리기술 중에 서 대표적인 처리 방법으로는 소택지법(wetland)과 ALD법(anoxic limestone drains)과 같은 수동적 처리법 (passive treatment)과 탄산염, 암모니아 등을 이용한 화학물질 처리법 및 3가철을 환원시키는 황환원박테리 아(SRB, sulfur reducing bacteria) 등을 활용한 생물 학적 처리 방법 등이 있다(Jones and Gusek, 2004;. 1980년대 후반기에 우리나라의 산업 구조의 변화와 에너지 소비형태의 변화, 광업의 경제성 감소 등으로 인하여 채광 활동이 위축되고 광산경영의 비합리성으 로 인하여 대부분의 광산들이 휴광이나 폐광을 하게 되었다. 채광활동이 중단되면서 폐광산 복원과 환경 보 호를 위한 일련의 조치가 미흡하여 대부분의 광산이 아 무런 조치를 취하지 않고 단지 갱입구만 폐쇄한 채 방 치된 상태였다. 방치된 폐광산의 갱도에 지하수가 유입 되거나 황화광물을 포함하고 있는 폐석·광미에 빗물 이 스며들 경우, 이 광물과 반응에 의해 다량의 중금속 *Corresponding author: [email protected]. 33.

(2) 34. 강 한·박성민·장윤득·김정진. Tsukamoto and Miller, 2004; Brugam et al., 1996; Gazea et al., 1996; Jung, 2001). 이 이외도 전기화학 적 방법을 활용한 처리 방법(Shelp et al., 1995; Shelp et al., 1996), 탄산염물질의 장벽의 활용(Blowes et al., 2000; Webb and Sasowsky, 1995) 등이 있다. 과거에는 산성광산배수의 처리는 주로 외국의 사례를 그대로 적용하는 정도였으나 최근에는 국내의 실정에 맞는 여러 가지 방법이 고안되어 실제 폐광산 지역에 적용되고 있다. 국내에서 연구된 산성광산배수 정화 연 구로는, 패각류를 이용한 산성광산배수의 중화와 금속 이온 제거(Kim et al., 1999), ALD(anoxic limestone drainage)와 SAPS(successive alkalinity producing system)를 이용한 산성광산배수 처리(Jung, 2004; Hwang et al., 1999), 볏짚과 우분을 활용한 산성광산배 수정화(Cheong et al., 1997), 석회석 및 소석회를 활용 한 중화처리 기법(박영구 등, 2005; Lee et al., 1996), 인회석을 활용한 산성광산폐수의 처리 기술(Choi and Lee, 2004), 제강 슬래그를 이용한 방법(Jung, 2005;. Kwon and Kim, 1999) 등이 있다. 갱내수는 주변의 지하수 환경이 변하지 않는 한 지속적으로 유출되므로 갱도를 폐쇄하더라도 결국 외부환경으로 이동하기 때 문에 처리 방안이나 방법을 개발해야 한다. 강한 산성 을 나타내는 수질환경에서는 Fe나 Al 등이 물속에 이 온상태로 존재하지만 pH가 상승하면서 다량의 침전물 을 형성시킨다(Bigham et al., 1992; Kawano and Tomita, 2001; Kim and Kim, 2004). 산성광산배수를 중화시키기 위해 사용하는 석회석이나 소석회는 반응 초기에는 효율이 뛰어나지만 침전물이 형성되면서 반 응을 저하시켜 결국 중화능력이 없어지게 된다. 본 연구에서는 현재까지 일반적으로 사용하던 산성 광산배수 정화처리 방법을 개선하여 산성광산배수 정 화시 pH가 상승할 때 생성되는 침전물로 인하여 석회 조에서의 중화효율이 저하되는 것을 최소화하고 정화 능력을 증가시킬 수 있는 반응조 설계 방법에 대해 연 구하였다. 이를 위해 반응조 상부와 하부에 석회조를 설치하여 중화효율 및 용존성분의 변화, 침전물의 생. Fig. 1. Artificial ponds constructed near the mine water outlet in Ilwol coal mine (A: Oxidation pond, B: Successive alkalinity producing system, C: Wetland, D: effluent waterway)..

(3) 폐광산으로부터 유출되는 산성광산배수 중화처리를 위한 반응조 실험 연구. 성과정에 대한 실험을 수행하였다.. 2. 연구 방법 2.1. 시료 특성 중화 실험에 사용한 산성광산배수는 경북 영양군 소 재 일월 폐탄광으로부터 유출되는 갱내수로 유출량은 약 126 m3/일 이며, 2004년 석탄산업합리화사업단에서 산화조→SAPS→소택지의 3단계 자연정화시설을 설치 해놓은 상태이다(Fig. 1). 중화 실험에 사용할 시료는 갱내수가 유출되는 지점에서 40 l를 채수하였으며, 현 장에서 휴대용 pH meter(HANNA, HI 991300)를 이 용하여 pH와 EC를 측정하였다. 양이온과 음이온 분석 용 시료는 각각 100 ml를 채수하여 0.45 µm membrane filter를 이용하여 filtering하였다. 양이온 분석용 시료는 침전물이 생성되는 것을 막기 위하여 HNO3를 두방울 정도 떨어뜨려 pH를 낮추었다. 채수한 산성광산배수 시 료는 즉시 실험실로 옮겨 중화실험 실시 전까지 냉장. 35. 보관하였다. 실험에 사용한 중화제는 중질탄산칼슘제조 에 사용되는 석회암으로 주 구성광물은 방해석이며 약 간의 돌로마이트를 포함하고 있다. 석회암 시료는 직경 3-5cm 크기로 분쇄하여 초음파 세척기(KS-200)로 표면 에 붙은 미세입자를 제거한 후 사용하였다. 2.2. 분석 방법 산성광산배수 화학적 특성과 석회암을 이용한 중화 실험 후 변화를 알아보기 위하여 양이온과 음이온 분 석을 실시하였다. 양이온(Al, As, Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, Pb, Si, Zn)은 Spectro Flame Modula S 유도 쌍극자플라즈마분광분석기(ICP-AES)를, 음이온(F-, Cl-, NO3-, SO42-)은 Dionex Dx-600 이온크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 중화 실험에 사용한 중화제는 막 자사발을 이용하여 80mesh 이하의 분말로 만든 후 Rigaku Geigerflex RAD3-C 모델 X-선회절분석기를 이용하여 분석 조건 CuKα, 40 kV, 35 mA, 주사속도 1o 2θ/min로 광물감정을 실시하였다. 산성광산배수의. Fig. 2. Experimental reactor in laboratory (A: Reaction occur in upper part of reactor, B: Reaction occur in bottom of reactor, C: Blank for control)..

(4) 36. 강 한·박성민·장윤득·김정진. 중화 실험 전후의 석회암의 표면에서 나타나는 변화와 석회암과 산성광산배수와의 반응에 의해 중화될 때 생 성되는 침전물의 특성을 연구하기 위하여 Nikon SMG1500 모델의 쌍안실체현미경을 관찰을 하였다. 2.3. 실험 장치 현재 광산배수 처리에 가장 많이 이용되고 있는 자 연정화처리방법은 시설을 설치한 후 일정 기간 동안의 성능은 우수하지만 일정기간이 지나면 기질물질에 의 해 공극이 폐쇄 되거나 압축에 의해 투수성이 저하되 고 석고 및 금속침전물에 의해 반응 표면적이 줄어든 다. 또한 많은 양의 Fe, Al 산화물이나 수산화물이 침 전되면서 산성광산배수와의 반응을 저해하고 유지관리 를 위한 많은 비용이 필요하다. 이러한 단점을 보완하 기 위해 현재 일반적으로 산성광산배수를 중화시키기 위해 사용하고 있는 방법의 반응조(Reactor I)와 침전. 물 생성으로 인한 반응 효율을 저하시키는 것을 보완 한 새로운 방법의 반응조(Reactor II)를 설계하여 실험 을 실시하였다. 실험실에서 사용한 반응조는 스테인레스스틸로 제작 한 35×30×6cm 크기의 수조이다. 3개의 수조에 산성 광산배수를 각각 4 l씩 채우고 2개의 수조에는 각각 상 부(Fig. 2A)와 하부(Fig. 2B)에서 반응이 일어나도록 설계하였으며, 비교대상 수조는 산성광산배수로만 채워 시간에 따른 변화를 관찰하였다(Fig. 2C). 이들 반응조 를 모식도를 Fig. 3에 도시하였다. 2.3.1. 반응조 I 산성광산배수 중화에 사용하는 방법으로 석회암을 반응조 바닥에서 반응이 일어날 수 있도록 설계를 하 였다. 석회암의 양에 따른 중화 효율을 알아보기 위하 여 산성광산배수 4 l에 석회암 40 g(산성광산배수:석회. Fig. 3. Schematic diagram of Reactor (Reactor I: Neutralizer in bottom of reactor, Reactor II: Neutralizer in upper part of reactor)..

(5) 폐광산으로부터 유출되는 산성광산배수 중화처리를 위한 반응조 실험 연구. 암=100:1)과 산성광산배수 4 l에 석회암 200 g(산성광 산배수:석회암=100:5)을 넣어 약 4일간 반응시키면서 시간에 따른 산성광산배수의 pH와 EC 변화를 측정하 였다. 또한 반응 전 후의 산성광산배수에 대한 화학분 석을 실시하여 중화반응 시 제거되는 성분을 알아보았 으며, 반응조의 바닥에 침전되는 침전물에 대해서도 자 세히 관찰하였다.. 37. 암으로 X-선회절분석 결과 대부분 방해석(CaCO3)으로 구성되어 있으며 소량의 돌로마이트[CaMg(CO3)2]를 포 함하고 있다(Fig. 4). 3.2. 갱내수 일월탄광에서 채수한 갱내수는 초기 pH 3.43, EC 771 µS/cm로 강한 산성을 띠고 다량의 용해성분을 포 함하고 있다. 양이온은 Al(6.73 mg/l), Si(7.47 mg/l),. 2.3.2. 반응조 II 반응조 II는 산과 반응하지 않는 플라스틱 소재의 망 에 석회암을 고르게 펼친 후 바닥에서부터 4cm 이상 떨어지도록 설치하여 반응조의 상부에서 산성광산배수 와 반응하도록 설계하였다. 이는 중화반응 시 생성되는 침전물이 바닥에 침전되어 침전물 생성으로 인한 반응 효율을 저하시키는 것을 막을 수 있다. 반응조 II도 반 응조 I과 동일한 조건 장치하여 관찰과 분석을 실시하 였다.. 3. 결과 및 고찰 3.1. 중화제 중화제로 사용한 시료는 중질탄산칼슘 제조용 석회. Fig. 4. X-ray diffraction pattern of limestone use in neutralizer.. Table 1. Chemical compositions of mine water from the Ilwol coal mine and after reaction with limestone as neutralizer. Reactor I MW:LS=100:1 MW:LS=100:5 (after 80h) (after 64h) pH 3.43 5.81 7.14 EC(µS/cm) 771 705 735 F(mg/l) 0.83 1.06 0.79 Cl(mg/l) 2.34 2.35 2.83 0.46 0.76 0.57 NO3(mg/l) 607.78 676.43 652.24 SO4(mg/l) Na(mg/l) 2.80 3.06 3.26 Mg(mg/l) 28.39 29.02 27.33 Al(mg/l) 6.73 1.09 0.09 Si(mg/l) 7.47 3.69 3.89 Ca(mg/l) 85.20 107.60 110.50 Mn(mg/l) 27.95 30.73 29.03 Fe(mg/l) 0.80 ND ND Co(mg/l) 0.11 0.07 0.05 Ni(mg/l) 0.32 0.30 0.29 Cu(mg/l) 0.06 0.03 ND Zn(mg/l) 1.09 1.05 0.08 Cd(mg/l) 0.01 0.01 0.01 Pb(µg/l) 4.64 2.98 1.70 As(µg/l) 0.48 0.34 0.17 MW: Mine water, LS: Limestone, ND: No Detection sample No.. Mine Water. Reactor II MW:LS=100:1 MW:LS=100:5 (after 80h) (after 64h) 6.65 7.16 685 739 0.60 0.82 2.20 2.84 0.53 0.60 663.23 648.74 3.03 3.23 28.66 27.18 0.54 0.10 3.31 4.74 108.40 111.60 30.29 28.96 ND ND 0.07 0.06 0.31 0.29 0.02 ND 1.03 0.79 0.01 0.01 2.90 1.87 0.28 0.15.

(6) 38. 강 한·박성민·장윤득·김정진. Table 2. Variations of pH and EC in reactor with time. Reaction Time (H) 0 1 2 4 8 16 24 36 48 80. (Mine water : Limestone=100 : 1). pH Reactor I 3.43 3.58 3.80 3.95 4.18 4.62 4.79 4.91 5.05 5.81. EC(µS/cm) Reactor II 3.43 3.64 3.88 4.09 4.40 4.77 4.86 5.10 5.43 6.65. Table 3. Variations of pH and EC in reactor with time. Reaction Time (H) 0 0.2 0.5 1 2 4 8 16 24 36 64 80. Reactor I 771 711 675 690 688 675 680 685 692 705. (Mine water : Limestone=100 : 5). pH Reactor I 3.43 4.36 4.55 4.87 4.91 5.08 5.61 6.54 6.89 6.96 7.14 7.17. Reactor II 771 701 677 684 671 677 676 681 694 685. EC(µS/cm) Reactor II 3.43 4.42 4.71 5.00 5.08 5.27 5.99 6.63 6.94 7.01 7.16 7.18. Ca(85.20 mg/l), Mg(28.39 mg/l), Mn(27.95 mg/l)등이 다른 성분에 비해 높게 나타났으며, Zn, Fe, Co, Ni, Cu, Cd, As는 1 mg/l이하로 낮은 값을 보였다. 음이온 은 SO4의 함량이 가장 높은 607.78 mg/l이며, Cl은 2.34 mg/l, 그 외 F, NO3는 대체로 낮은 값을 나타냈 다(Table 1). 3.3. 반응조 실험 3.2.1. pH와 EC 변화 각각의 반응조를 시간에 따른 pH 와 EC의 변화, 침전물의 생성 여부를 관찰하였다. Table 2와 Table 3 은 중화제의 양과 반응 시간에 따른 pH와 EC 변화를 나타낸 것이다. 반응조 상부에서 중화제와 반응시킨 반 응조 II가 반응조 I보다, 중화제의 양이 더 많은 경우 pH값이 빠르게 증가하였다(Fig. 5). 반응조 I: 산성광산배수와 중화제의 반응을 반응조의 바닥에서 반응시킨 경우로 초기 갱내수의 pH값은 3.43 으로 24시간을 기준으로 산성광산배수:석회암의 비가. Reactor I 771 688 670 672 669 673 682 695 699 711 735 743. Reactor II 771 668 675 676 682 673 688 701 709 716 739 747. 100:1 인 경우 4.79로 증가하였으며 100:5인 경우 6.89로 증가하여 중화제의 양이 많을수록 빨리 증가한 다. 전자의 경우 80시간 반응 후 pH값이 5.81이지만 후자의 7.17로 중성 상태에 도달하게 된다. 따라서 산 성광산배수를 중화시키기 위해서는 중화제의 양이 충 분해야 할 것으로 판단된다. EC의 경우 초기 771 µS/ cm로 중화제의 양이 적을 때 (100:1)는 반응시간 16시 간, pH 4.62에 도달할 때까지는 EC가 감소하지만 그 후 반응이 지속될수록 증가하는 경향을 나타낸다. 중 화제의 양이 많은 경우(100:5) 반응 후 2시간, pH 4.91까지 EC는 669 µS/cm로 감소한 후 증가한다. 이 는 중화제와 반응 후 pH가 약 4.62-4.91 정도로 증가 할 때 석회암이 용해되어 산성광산배수에 Ca를 부가시 키는 것보다 Fe, Al, Si 성분이 제거되는 양이 많고 그 후 반응시간이 지속되면서 중화제인 석회암으로부 터 용해되는 성분이 산성광산배수로부터 제거되는 양 보다 많기 때문인 것으로 생각된다. 산성광산배수와 중 화제의 반응 전후의 화학분석결과 반응 후 많이 감소 한 성분은 Al, Si, Fe 이며 소량 감소한 성분은 Co,.

(7) 폐광산으로부터 유출되는 산성광산배수 중화처리를 위한 반응조 실험 연구. 39. Fig. 5. Variations of pH and EC in reactor with time ( ▽ : Reactor I, △ : Reactor II).. Cu, Zn, Pb이며 증가한 성분은 Ca이다. 반응조 II: 산성광산배수와 중화제의 반응을 반응조 의 상부에서 반응시킨 경우로 초기 갱내수의 pH값은 3.43으로 24시간을 기준으로 산성광산배수:석회암의 비 가 100:1 인 경우 4.86으로 증가하였으며 100:5인 경 우 6.94로 증가하여 중화제의 양이 많을수록 반응조 I 과 마찬가지로 빠르게 증가한다. 전자의 경우 80시간 반응 후에 pH값이 6.65이지만 후자의 경우 7.18로 중 성 상태에 도달하여 중화제의 양이 많을수록 pH값이 빠르게 상승하는 것을 알 수 있다. EC의 경우 초기 771 µS/cm로 중화제의 양이 적을 때 (100:1)는 반응시 간 8시간 pH값이 4.40까지는 EC가 감소하지만 그 후 반응이 지속될수록 증가하는 경향을 나타낸다. 중화제 의 양이 많은 경우 (100:5) 반응 후 30분, pH 4.71까 지 EC는 675 µS/cm로 감소한 후 증가한다. 이는 반 응조 I과 마찬가지로 중화제와 반응 후 pH가 약 4.40-4.71 정도로 증가 할 때 석회암이 용해되어 산성 광산배수에 Mg와 Ca를 부가시키는 것보다 Fe, Al, Si 성분이 제거되는 양이 많고 그 후 반응시간이 지속되. 면서 중화제인 석회암으로부터 용해되는 성분이 산성 광산배수로부터 제거되는 양보다 많기 때문인 것으로 생각된다. 산성광산배수와 중화제의 반응 전후의 화학 분석결과 반응조 I과 유사한 경향을 나타내며, 반응 후 상 Al, Si, Fe는 많이 감소하며 Co, Cu, Zn, Pb는 소량 감소한다. 반응 후 증가한 성분은 Ca이며, 큰 변 화를 나타내지 않는 성분은 Mn, Ni, Cd 등이다. 비교대상 수조: 중화제로 사용한 석회암을 넣지 않고 갱내수 4 L를 수조에 담은 후 시간에 따른 pH는 3.43-3.45와 EC 771-780 µS/cm의 범위로 큰 변화를 나타내지 않았다. 3.2.2. 양이온과 음이온 변화 각각의 반응조에서 산성광산배수와 중화제와의 반응 전후의 성분변화를 화학분석을 통하여 알아보았다. 화 학분석결과 감소 혹은 증가하는 성분과 큰 변화가 나 타나지 않는 경우로 크게 구분된다. 중화제의 양이 많 은 경우가 적은 경우보다 감소 및 증가하는 정도가 더 크다(Table 1, Fig. 6, Fig. 7). 이는 pH값의 변화에.

(8) 40. 강 한·박성민·장윤득·김정진. 크게 영향을 받는 것으로 판단된다. 반응조 I: 초기 갱내수의 양이온 값은 Ca(85.20 mg/ l), Mg(28.4 mg/l), Mn(28.0 mg/l)으로 아주 높은 값을 나타내며 그 외 Na, Al, Si, Zn은 1-10 mg/l 범위이며 1 mg/l 이하의 값을 나타는 성분은 Co, Ni, Cu, Pb, As 이다. 음이온의 경우 SO4가 607.78 mg/l로 아주 높지만 그 외 F, Cl, NO3는 미량으로 존재한다. 중화 제와의 반응 후 급격히 감소한 성분은 갱내수:석회암 의 비가 100:1인 경우 Al(6.73→1.09) Si(7.47→3.69), Fe(0.80→불검출)와 100:5인 경우 Al(6.73→0.09) Si (7.47→3.89), Fe(0.80→불검출)로 Al은 중화제의 양이 많은 경우 더 크게 감소한다. 그 외 소량으로 감소하 는 성분은 Co, Cu, Zn, Pb 등이며 큰 변화를 나타내 지 않는 성분은 Ni, Mn, Cd 이다. 또한 증가하는 성 분은 Ca와 SO4이다. 갱내수와 중화제의 반응 실험결. 과 감소하는 성분은 고상으로 침전되어 갱내수로부터 제거되었으며 증가하는 성분은 중화제로 사용한 석회 암으로부터 용해되어 갱내수에 부가된 것으로 추정된 다. Mg의 경우 중화제의 양이 많은 경우 약간 감소하 지만 적은 경우 약간 증가하는 경향을 나타낸다. 이는 pH값이 낮은 경우 중화제에 소량 포함된 돌로마이트 로부터 용해되는 양이 갱내수로부터 제거되는 양보다 많지만 pH값이 높아지면 용해되는 양보다 제거되는 양 이 많기 때문인 것으로 사료된다. 반응조 II: 산성광산배수와 중화제의 반응을 반응조 의 상부에서 반응시킨 경우로 초기 갱내수의 양이온 값은 반응조I과 동일하다. 중화제와의 반응 후 급격히 감소한 성분은 갱내수:석회암의 비가 100:1인 경우 Al(6.73→0.54 mg/l) Si(7.47→3.31 mg/l), Fe(0.80→불검 출)와 100:5인 경우 Al(6.73→0.10 mg/l) Si(7.47→4.74 mg/l), Fe(0.80→불검출)로 Al은 중화제의 양이 많은. Fig. 6. Variations of chemical compositions in reactor I and II with before and after the reaction for 80 hours (Mine water:Linestone=100:1, ▲ : before the reaction, ▽ : Reactor I, △ : Reactor II)..

(9) 폐광산으로부터 유출되는 산성광산배수 중화처리를 위한 반응조 실험 연구. 41. Fig. 7. Variations of chemical compositions in reactor I and II with before and after the reaction for 64 hours (Mine water:Linestone=100:5, ▲ : before the reaction, ▽ : Reactor I, △ : Reactor II).. 경우 더 많이 감소한다. Fe의 경우 중화제와의 반응 후 갱내수에는 검출한계 이하로 거의 완벽하게 제거되 는 것으로 생각된다. 그 외 소량으로 감소하는 성분은 반응조 I과 마찬가지로 Co, Cu, Zn, Pb 등이며 큰 변화를 나타내지 않는 성분은 Ni, Mn, Cd 등이다. 또 한 증가하는 성분은 Ca와 SO4이다. 갱내수와 중화제 의 반응 실험결과 반응조 I과 마찬가지로 감소하는 성 분은 고상으로 침전되어 갱내수로부터 제거되었으며 증 가하는 성분은 중화제로 사용한 석회암으로부터 용해 되어 갱내수에 부가된 것으로 추정된다. Mg의 경우 중 화제의 양이 많은 경우 약간 감소하며, SO4는 중화제 의 양이 적은 경우에 더 많이 증가하는 것으로 보아 반응시간과 관련이 있는 것으로 반응시간이 지속될수 록 중화제로 사용한 석회암에 포함된 돌로마이트로부 터 Mg가 용해되어 갱내수 내의 Mg는 증가될 것으로. 생각된다. 분석값은 갱내수:중화제=100:1인 경우 80시 간, 100:5인 경우 24시간 반응 후의 결과이다. 3.2.3. 침전물 반응조 I과 II에서 침전물이 생성되었으며, 비교 대 상인 반응조에서는 침전물이 형성되지 않았다. filtering 한 후 filter에 걸린 침전물에 대한 쌍안실체현미경 관 찰 결과 미세한 입자로 구성되어 있으며 반응조 I과 II 에서 침전된 침전물의 종류는 동일한 것으로 판단된다 (Fig. 8A, B). 연한 황색(Munsell color chart 10Y 8/3)의 침전물은 산성광산배수가 유입되는 하천에서 pH 값이 증가할 때 Al-수산화물이나 Al-황산염광물의 침전 에 의해 나타나는 백화현상을 일으키는 물질과 유사한 것으로 추정된다. 그러나 침전물이 연한 황색을 나타 내는 것은 일월탄광 갱내수에 용해된 0.80 mg/l의 Fe.

(10) 42. 강 한·박성민·장윤득·김정진. 가 중화반응 후 검출되지 않은 것으로 보아 침전된 Fe-수산화물과 Al-수산화물이 혼합되었기 때문인 것으 로 추정된다. 침전물이 생성된 반응조 I과 II의 갱내수 에서 많이 감소한 성분은 Al과 Fe 이다. 반응조 I: 반응조의 바닥에 연황색의 침전물이 생성 되었으나 중화제로 사용한 석회암을 완전히 덮어 반응 의 효율을 저하시킬 만큼의 많은 양은 아니다. 이것은 반응에 사용한 갱내수가 4 l정도로 실제 폐광산에서 유 출되는 갱내수에 비해 극히 적은 양이기 때문에 침전 물의 양도 소량인 것이며, 만약 갱내수의 양이 많아 침전물이 다량 생성될 경우 중화제 상부에 침전물이 피복되어 더 이상 산성광산배수와 중화제와의 반응이. 반응조 II: 반응조의 바닥에 연황색의 침전물이 생성 되었으나 중화제로 사용한 석회암에는 전혀 영향을 미 치지 않는다. 침전물의 양은 반응조 I과 비슷하다. 산 성광산배수 정화나 중화시 반응조 II와 같이 설계한다 면 반응조 I에서 나타나는 침전물에 의한 중화제 피복 을 방지할 수 있어 중화제가 완전히 용해되어 없어질 때까지 지속적으로 반응이 일어날 수 있다. 현재 일반 적으로 사용하고 있는 반응조 I과 같은 정화시설에서. 일어나지 않게 된다. 현재 폐광산에 설치되어 있는 갱 내수나 침출수의 정화처리 시설은 산성광산배수로부터 침전되는 침전물에 의한 피복으로 초기에는 정화 및 중화효과가 좋지만 시간이 지날수록 정화능력을 상실 해버리고 단지 산성광산배수를 저장하는 저수지역할을 담당하게 된다.. Fig. 8. Photographs of precipitates from Reactor (A: Reactor I, B: Reactor II).. Fig. 9. Stereo-microphotographs of surface of limestone before and after the reaction with mine water. A: Before the reaction, B: Reactor I, C: Reactor II..

(11) 폐광산으로부터 유출되는 산성광산배수 중화처리를 위한 반응조 실험 연구. 일정기간이 지난 후 중화제를 다시 투입하거나 세척하 기 위한 시간적, 경제적 부담을 줄일 수 있다. 3.2.4. 중화제의 표면 특성 반응전 중화제로 사용한 석회암 표면(Fig. 9A)은 아 주 깨끗한 상태이지만 반응조 하부에서 반응시킨 반응 조 I에서의 반응 후 표면(Fig. 9B)은 약간 노란색의 침전물로 피복된 것을 알 수 있다. 이것은 산성광산배 수로부터 생성된 침전물이 반응조 하부의 중화제에 침 전되면서 석회암 표면에 부착된 것으로 현재 국내에서 폐광산지역 산성광산배수 정화시설에서 흔히 발생하는 현상과 유사하다. 반응조에서 침전물이 다량 생성되어 중화제와 산성광산배수와의 반응을 차단할 경우 더 이 상 중화 효과는 나타나지 않는다. 반응조의 상부에서 반응시킨 반응조 II의 경우 (Fig. 9C) 반응전 석회암의 표면과 비슷하게 깨끗한 상태를 유지하고 있다. 반응 조 II에도 반응조 I과 같이 바닥에 침전물이 형성되었 지만 이것이 전혀 중화제로 사용한 석회암에 영향을 미치지 않았다는 것을 의미한다.. 4. 실용화 방안 현재 산성광산배수 정화에 일반적으로 사용하고 있 는 반응조 유사한 반응조 I에서는 침전물에 의한 피복 현상으로 중화제와의 반응효율이 시간이 지남에 따라 감소하거나 효과가 전혀 나타나지 않게 된다. 이를 해. 43. 결하기 위해서는 반응조에서 침전물이 생성될지라도 침 전물의 영향을 거의 받지 않는 반응조 상부에서 중화 제와 반응하는 반응조 II와 같은 중화처리시설을 설치 할 필요가 있다 (Fig. 10). 실험실 연구결과 pH 3.43의 갱내수를 pH 7.01까지 높이기 위해서는 산성광산배수와 중화제의 비율이 100:5인 경우 반응시간이 약 36시간 정도 소요된다. 그 러나 중화제의 양이 많을 수록 pH값의 상승률이 시간 에 따라 현저히 증가하기 때문에 중화제의 양이 충분 할 경우 중화 시간을 단축시킬 수 있다. 또한 실제 폐 광산에서 산성광산배수를 중화시키기 위해 반응조 II와 같이 설계하고 칸막이를 설치할 경우 반응조에서 산성 광산배수의 흐름이 층류가 되는 것을 막고 반응 지속 시간과 효율을 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.. 5. 결. 론. 현재 국내의 대부분의 폐광산에서 산성광산배수 중 화처리를 위한 체계가 반응조의 하부에서 반응이 일어 나도록 설계되어 있다. 이와 같은 산성광산배수 자연 정화처리방법들은 정화처리시설 내부에서 산성광산배 수에 용해된 성분이 슬러지 형태로 침전되어 시간이 지남에 따라 정화능력이 감소하거나 효과가 전혀 나타 나지 않기 때문에 지속적인 보수 및 유지 관리가 필요 하다. 그러나 중화제의 반응이 반응조의 상부에서 일 어나도록 설계한다면 산성광산배수의 pH 상승시 생성. Fig. 10. Schematic diagram of reaction occurs in upper part of reactor with neutralizer..

(12) 44. 강 한·박성민·장윤득·김정진. 되는 침전물의 영향을 거의 받지 않아 중화제가 모두 소모될 때까지 반응을 지속시킬 수 있다. 본 연구에서 는 현재 국내에서 사용하고 있는 반응조 하부에서 중 화제와 반응하는 중화처리 시스템과 이를 보완한 반응 조 상부에서 중화제와 반응하는 두 가지 방법으로 실 험을 실시한 결과를 기초로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1) 중화제의 양이 많을수록 중화되는 속도가 빠르다. 2) 중화 반응의 속도는 반응조 상부에서 중화제와 반 응시킬 경우 하부에서 보다 빠르다. 3) 산성광산배수로부터 용해 성분이 제거되는 효율 은 상부에서 반응시킬 때 더 높다. 4) 상부에서 중화제와 반응시킬 경우 산성광산배수 로부터 침전되는 침전물의 영향을 거의 받지 않아 중 화제가 전부 소모될 때까지 반응을 지속시킬 수 있다. 따라서 중화 반응의 효율을 높이고 사후 관리에 필 요한 시간과 경비가 현재의 중화처리시설보다 훨씬 줄 일 수 있는 반응조 상부에서 중화제와 반응시키는 시 설을 설계할 필요가 있다.. 사. 사. 본 연구는 안동대학교 신진교수연구과제(과제번호: 2005-0122) 지원에 의해 연구되었으며 이에 감사드립 니다. 본 논문의 질적 향상을 위해 건설적인 비평과 섬세하게 본문 내용을 검토하고 수정해 주신 익명의 심사자들께 진심으로 감사드립니다.. 참고문헌 Bigham, J.M., Schwertmann, U. and Carlson, L. (1992) Mineralogy of precipitates formed by the biogeochemical oxidation of Fe(II) in mine drainage. Catena Suppl., v. 21, p. 219-232. Blowes D.W., Ptacek C.J., Benner S.G., McRae C.W.T., Bennett T.A. and Puls R.W. (2000) Treatment of inorganic contaminants using permeable reactive barriers. Jour. Contam. Hydrol. v. 45, p. 121?37. Brugam, R.B., Gastineau, J., and Ratcliff, E. (1996) The neutralization of acidic coal mine lakes by additions of natural organic matter: a mesocosm test. International Jour. Rock Mechanics and Mining Sci. & Geomechanics Abstracts, v. 33, p. 324-352. Cheong, Y.W., Min, J.S., Lee, H.J. and Kwon, K.S. (1997) A Treatment of Acid Mine Drainage Using the Rice Stalk and Cow Manure. Jour. Korea Society of Groundwater Environ., v. 4, p. 116-121. Choi, J.C. (2005) Field Experiment on AMD Treatment Using Apatite and Fish Bone at the Ilkwang Mine.. Economic and Environmental Geol., v. 38, p. 563-570. Choi, J.C. and Lee, M.H. (2004) Remediation Design of Acid Rock Drainage (ARD) from Goro Abandoned Mine. JJour. Korea Society of Groundwater Environ., v. 9, p. 1-10, Gazea, B., Adam, K. and Kontopoulos, A. (1996) A review of passive systems for the treatment of acid mine drainage. Miner. Eng., v. 9, p. 23-42. Hwang, J.H., Chon, H.T. and Jung, M.C. (1999) Study on the Treatment of the Acid Mine Drainage in the Vicinity of the Dogye Coal Mine , Korea. Jour. Korean Inst. Miner. Energy Res. Eng., v. 36, p. 260-268. Jones J. and Gusek J. (2004) Scaling up design challenges for large scale sulphate reducing bioreactors. Proceedings of the 2004 Ontario MEND Workshop, Sludge Management and Treatment of Weak Acid or Neutral pH Drainage. May 26?27, Sudbury, Ontario, Canada, p. E7. Jung, M., C. (2004) Treatment of acid mine drainage from an abandoned coal mine using successive alkalinity producing system (SAPS). Jour. Korean Society of Environmental Engineering, v. 26, p. 1204-1210. Jung, M.C. (2001) Environmental assessment and management for acid mine drainage by past coal mining activities in the middle part of Korea, Proceedings of the 3rd Asia-Pacific Symposium on Environmental Geochemistry, Gwangzho, China, p. 35. Jung, M.C. (2005) Remediation of Acid Mine Drainage from an Abandoned Coal Mine Using Steel Mill Slag, Cow Manure and Limestone. Korean Society of Soil and Groundwater Environ., v. 10, p. 16-23. Kawano, M. and Tomita, K. (2001) Geochemical modeling of bacterially induced mineralization of schwertmannite and jarosite in sulfuric acid spring water. Am. Mineral. v. 86, p. 1156-1165. Kim, J. J. and Kim, S. J. (2004) Seasonal factors controlling mineral precipitation in the acid mine drainage at Donghae coal mine, Korea. Sci. Total Environ., v. 325, p. 181-191 Kim, J.Y., Chon, H.T. and Jung, M.C. (1999) Assessment of Applicability of Marine Shells as Neutralizer for the Treatment of Acid Mine Drainage. Jour. Korean Inst. Mineral and Energy Resource Engineering., v. 36, p. 319-327. Kwon, S. D and Kim, S.J. (1999) A study on the treatment of the Acid Mine Drainage using the Steel Mill Slag. Jour. Korea Soc. Groundwater Environ., v. 6, p. 206-212. Lee, S.H. Park, J.G., Ryu, K.K. and Ahn, J.M. (1996) The Study on Neutralization Treatment for Acid Mine Drainage by using Limestone. Jour. Korean Inst. Mineral and Energy Resource Engineering, v. 33, p. 226232. Park, Y., G., Park, J., S. and Hong, S., J. (2005) Neutralization Treatment of Acid Mine Drainage Using Ca(OH)2. Jour. Korean Industrial and Engineering Chem., v. 16, p. 391-396. Shelp, G.S., Chesworth, W. and Spiers, G. (1995) The amelioration of acid mine drainage by an in situ electrochemical method; part 1: Employing scrap iron as the sacrificial anode, Appl. Geochem., v. 10, p. 705713..

(13) 폐광산으로부터 유출되는 산성광산배수 중화처리를 위한 반응조 실험 연구 Shelp, G.S., Chesworth, W. and Spiers, G. (1996) The amelioration of acid mine drainage by an in situ electrochemical method; part 2: Employing aluminium and zinc as sacrificial anodes. Appl. Geochem., v. 11, p. 425-432. Tsukamoto T. and Miller G. (2004) Lateral flow, flushable bioreactors for the treatment of acid mine drainage. Proceedings of the Ontario MEND Workshop, sludge management and treatment of weak acid or neutral. 45. pH drainage. May 26?27, Sudbury, Canada, p. E6. Webb, J.A. and Sasowsky, I.D. (1995) The interaction of acid mine drainage with a carbonate terrane: evidence from the Obey River, north-central Tennessee. International J. Rock Mechanics and Mining Sci. & Geomechanics Abstracts, v. 32, p. 210-211. 2007년 8월 2일 원고접수, 2008년 2월 10일 게재승인..

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