Assessment of Dewatering Process Using Flocculation and Self-filtration According to Characteristics of Mine Drainage Sludge

응집-자체여과를 활용한 광산배수 슬러지 특성별 탈수공정 평가

김덕민¹⁾* · 김동관¹⁾· 홍성주²⁾· 김승섭³⁾

Assessment of Dewatering Process Using Flocculation and Self-filtration According to Characteristics of Mine Drainage Sludge

Duk-Min Kim

_*

(Received 9 November 2016; Final version Received 29 November 2016; Accepted 22 December 2016)

Abstract : Geotube and geobag made from geo-synthetics were applied to various mine drainage treatment facilities at pilot scale. Relationship between discharge rate of filtrate for 1 day and initial volume of sludge indicated characteristics of sludge rather than dewatering material and its shape are principal dewatering factors. And the slope of the relationship may be utilized as a parameter of compaction characteristic of sludge. High efficiency of sludge concentration was shown at passive treatment systems, resulting in water content of <80% in 1 day. This may be resulted from oxidation on particle surface, increase in particle size, aggregation and enhancement of dewaterability. Dewaterability was low at a semi-active system producing Zn-Mn sludge. This may be due to porous micro-structure and resistivity of dewatering and compression rather than electrostatic repulsive power. This flexible and simple sludge dewatering system has applicability especially for passive treatment system.

Key words : Mine drainage sludge, Geo-synthetics, Self-filtration, Dewatering, Water content

요 약 : 토목섬유 재질 튜브 등의 응집-자체여과 공정으로 다양한 광산배수 및 정화시설별 슬러지를 현장 실증규모 에서 탈수하는 실험을 수행하였다. 1일간 탈수유량과 초기 슬러지 체적의 상관관계는 탈수 용기의 형태, 재질보다 슬 러지 특성이 주요한 탈수인자임을 지시하였으며, 이의 기울기는 슬러지별 농축 특성인자로 활용될 수 있다. 자연정화 시설에서는 약 1일만에 슬러지 함수율이 80% 이하로 저감되어 높은 농축효율을 보였다. 이는 철 수산화물의 표면 부 착성장에 따른 슬러지 입경 증대와 입단화로 배수능이 향상된 결과로 판단된다. 오염물질이 주로 아연, 망가니즈인 Semi-active 처리시설 슬러지의 농축효율이 낮았는데, 정전기적 반발력보다는 다공질 미세구조에 따른 배수, 농축 저 항성이 그 원인으로 판단된다. 자연정화시설에서 단순공정으로 유연하게 슬러지를 농축하는 방안은 향후 사업 적용 성도 높을 것으로 기대된다.

주요어 : 광산배수 슬러지, 토목섬유, 자체여과, 탈수, 함수율

1) 한국광해관리공단

2) ㈜광혜

3) 수원과학대학교 환경보건과

*Corresponding Author( 김덕민) E-mail; [email protected]

Address; Segye-ro 2, Wonju, 26464, South Korea

서 론

광산배수(mine drainage)는 황화광물을 포함하는 암석 이 산화환경에 노출되어 공기 및 물과 반응하면서 산화 ․ 분 해되어 발생한다. 갱내수와 노천채굴적 유출수, 선광폐수, 폐석장 또는 광물찌꺼기 적치장을 반응하며 통과한 침출수 등이 이에 해당한다. 또한 황화광물의 화학적, 생물학적 용 해(산화)의 결과로 철(Fe)과 2가의 비철금속(nonferrous

metal), 산화수가 2 이상인 준금속이 용출되며, 함께 발생 하는 수소 이온(H

) 에 의해 알루미늄(Al), 망가니즈(Mn) 등도 고농도로 존재할 수 있다(PIRAMID, 2003).

이러한 광산배수를 정화하기 위해 우리나라의 경우 1990

년대 후반부터 다양한 처리공정이 적용되고 있는데, 자연

정화시설(passive treatment facilities)과 물리 ․ 화학적 처

리시설이 운영되어 왔다. 이와 같은 처리시설에서는 금속

이 석출 ․ 침전되므로 슬러지 발생이 필연적인데, 자연정화

시설의 SAPS (Successive Alkalinity Producing System)에

서는 수산화철이 하향류식 흐름에 의해 축적되며(Kepler

and McCleary, 1994), Active( 적극적) 및 Semi-active(준

적극적) 정화시설의 경우 소석회에 의해 공급된 OH

기가

용존 중금속(Fe, Mn, Zn 등)과 결합하여 플럭(floc)을 형성,

연구논문

(a)

(b)

(c)

Fig. 1. Settling ponds of (a) OD and (b) YD semi-active treatment facilities and (c) a SAPS of SW passive treatment facilities.

로써 슬러지를 장기간 축적한다. 따라서 광산배수 처리시 설 중 자연정화시설과 Semi-active 처리시설은 장기간 축 적된 슬러지를 적절히 인발 후 탈수하는 방안이 필요하다.

자연정화시설의 경우 SAPS 상부에서 부유물인 철, 알루 미늄 수산화물과 함께 용존 철이 산화되어 수산화물로 침 전되므로 장기간에 걸쳐 슬러지가 축적된다. 이에 따라 공 정의 효율과 투수성이 저하되므로 슬러지를 준설처리하는 데, 이때 해당 조의 운영을 중단하고 슬러지를 자연건조시 킨 후 반출처리한다. 3-6개월의 짧지 않은 사업기간이 소요 되며, 이때 광산배수는 제대로 처리되지 못하고 수계로 방 류될 수 있다. 그리고 Semi-active 시설에서 발생하는 부유 물질(Suspended Solids, SS)은 연속적인 슬러지 처리 없이 침전조에서 축적되는데, 시간 경과에 따라 실질체류시간 이 감소하여 정기적인 슬러지 처리작업이 필요하다. 슬러 지 처리시에는 해당 침전조 운영을 중단하고 상등수를 제 거한 후 슬러지를 인발하여 벨트 프레스 탈수기(belt press dehydrator) 또는 원심탈수기(centrifugal dehydrator) 등을 이용하여 탈수 후 반출하고 있다.

토목섬유(geo-synthetics)는 모래, 흙, 자갈 등에 적용되 는 고분자 섬유재료로서 토목공사의 시공기술과 밀접한 관 계가 있는 제품이며 직포, 부직포, 매트 등과 같은 직물형태 와 플라스틱, 멤브레인, 압출판 및 3차원 압출성형 구조물, 네트 등과 같은 고분자 제품이 광범위하게 포함된다(Jeon et al., 2014). 특히 환경산업에서는 여과(filtration)의 목적 으로 많이 활용되고 있다. 주로 하천의 준설토나 하수처리 장에서 발생되는 하수슬러지의 부피 감량 및 함수율 저감 을 위해 토목섬유를 많이 활용하는데, 토목섬유를 광산배 수 자연정화시설 슬러지를 대상으로 실험한 사례가 있다 (MIRECO, 2016).

토목섬유를 활용한 탈수공정은 정화시설의 운전 중에 연 속 인발하여 활용 가능하며 기계장치가 최소화되어 운전이 단순하고 튜브(tube), 백(bag)의 이동 적용도 용이하다. 해 외에서는 토목섬유재질의 튜브를 활용하여 슬러지 등을 농 축, 탈수하는 방안이 연구, 적용되고 있다(Fowler et al., 2000; Mastin et al., 2008; Howard et al., 2009; Kaye, 2016). 그러나 미국과 캐나다에서는 부지의 제약이 비교적 작으며 일본은 대부분 Active 처리시설의 탈수기를 사용하 고 있는 반면, 우리나라에서는 폐광이 분포하는 산간지역 에서 최소의 비용으로 부지를 활용하며 슬러지를 농축하기 위하여 슬러지별 농축 특성의 연구가 더욱 중요할 수 있다.

또한, 석탄광과 금속광산에서는 각각 주로 철이 함유된 슬

본 연구에서는 정화시설별 슬러지의 특성과 지오튜브 (geotube), 지오백(geobag) 등 재질 ․ 형태의 차이 중 토목 섬유를 활용한 농축 효율에 주된 영향을 미치는 것이 무엇 인지를 고찰하고자 하였다. 또한, 자연정화시설 및 Semi- active 처리시설에서 서로 다르게 발생하는 슬러지의 물리 적 특성과, 철 함량이 높은 슬러지 및 비철금속(Zn, Mn) 함 량이 높은 슬러지의 특성을 비교하며 해당 공법의 적용성 을 평가하고자 하였다.

재료 및 방법

연구대상 시설

본 연구는 2개 Semi-active 처리시설과 2개 자연정화시

설을 대상으로 수행되었다. OD 및 YD Semi-active 처리시

설은 유입수에 소석회를 투입하는 pH조절조와 후단의 완

Fig. 2. Schematic diagram of a sludge dewatering system using flocculation and self-filtration.

(a)

(b)

(c)

Fig. 3. Materials for self-filtration (a: PP Geotube, b: PP Geobag, c: Gunny bag).

속교반조, 그리고 장방형 침전조로 이어진다. SW 및 WR 자연정화시설은 유입수가 SAPS에서 우선 처리되며, 이후 는 SW의 경우 호기성 소택지-자갈여과조, WR의 경우 산 화침전조-호기성 소택지로 구성된다. Semi-active 시설의 경우 침전조(Fig. 1a, b), 그리고 자연정화시설에서는 SAPS 상부에 축적되는 슬러지를 처리 대상으로 하였다(Fig. 1c).

슬러지 탈수 시스템

본 연구에 적용된 슬러지 농축 ․ 탈수법인 응집-자체여과 공정 모식도는 Fig. 2와 같다. 연동식 호스펌프(peristaltic pump) 를 통해 인발된 슬러지는 응집조에서 10분간 응집제 와 혼화되어 플럭(floc)을 형성하며, 토목섬유 등으로 제작 된 튜브(tube) 또는 백(bag)으로 유입되어 농축 ․ 탈수된다.

여과수는 환경기준 만족시 방류하거나 SAPS나 침전조 등 으로 재유입 처리한다. 사용된 토목섬유의 원료는 폴리프 로필렌(Polypropylene, PP)이며, AOS (Apparent Opening Size) 는 259 μm 이하이다. 이중 지오튜브는 상부의 유입구 를 포함하는 납작한 장방형 형태로서 다층 적재(stacking) 가 가능한 구조이며(Fig. 3a), 지오백은 상부가 개방된 정방 형으로서 기계에 의한 인발은 용이하나, 형태를 유지하기 위한 지지체가 필요하다(Fig. 3b). 이외에 마대(gunny bag) 를 포함하여 평가하였다(Fig. 3c).

실험에 사용된 응집제는 시설별로 회분식 Jar-test를 수

행하여 적정 주입률을 추정한 후, 현장의 회분식 파일럿규

모 응집시설에서 투입량을 재확인, 조정하였다. 폴리아크

릴아마이드 계통 유기 고분자응집제를 적용하였으며, OD

시설에서는 OCI사의 N-100E(비이온성), YD, SW 및 WR

시설에서는 Nalco사의 Nalco-855(양이온성)를 사용하였다.

Fig. 4. Water content of sludge with elapsed time for drainage at four treatment facilities.

분석하였다. 자연정화시설의 슬러지는 입단화되어 있으 나, 슬러지 입도 분석의 목적은 슬러지 구성입자별 입경 측 정보다는 응집공정과 지오튜브 등에 투입 시 슬러지 플럭 의 실제 크기를 측정하는 것이므로, 슬러지 입단의 파괴를 줄이기 위하여 입도분석기에서 초음파를 사용하지 않고 교 반 속도를 1,000 RPM으로 낮추어 입도를 분석하였다. 슬 러지의 제타전위(zeta potential)는 Ostuka사의 ELSZ-1000 을 사용하여 분석하였다. 그리고 105-110°C에서 4시간 이 상 건조한 슬러지에 대하여 한국광해관리공단 광해기술연 구소의 Carl Zeiss사 Supra40 SEM-EDS로 미세 구조 및 구 성원소를 분석하였다.

슬러지의 함수율은 ｢폐기물공정시험기준｣(환경부고시 제2015-50호) 및 ｢토양오염공정시험기준｣(환경부고시 제 2015-261 호)의 수분 함량 측정방법을 적용하여 분석하였 다. 시료를 증발접시에 담고 무게를 측정한 후 105-110°C에 서 4시간 이상 건조한 후 식 (1)의 방법으로 함수율을 계산 하였다.

함수율 =  



 



×  (1)

여기에서, m

, m

는 각각 건조 전과 후의 시료 무게를 나타 낸다.

수질 및 슬러지 시료의 pH와 전기전도도(EC)는 각각 Thermo 사의 pH/ORP meter (Orion 3 star)와 Conductivity meter (Orion 3 star) 로 측정하였다. 2가철 및 부유물질(SS) 농도는 각각 phenanthroline method (APHA, 1995) 및 photometric method (Krawczyk and Gonglewski, 1959) 에 의거하여 HACH사의 DR-890 Colorimeter로 측정하였다.

용존 양이온 분석용 시료는 0.45 μm 여과지로 여과한 후 50 ml PE conical tube 에 채수하고 농질산을 첨가하여 pH 2 이하로 보존하였다. 분석시까지 4°C에서 냉장보관한 시료 는 ICP-OES (Varian 720-ES)를 사용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

시설별 슬러지 농축 및 배수 특성

각 광산배수 처리시설에서 슬러지의 농축 ․ 탈수실험을 수행하고 기간에 따른 슬러지 함수율과 이에 따른 농축률 (concentration ratio, 식 (2))을 모니터링하였다(Table 1).

농축률은 탈수에 따른 슬러지 질량의 감소율이며 식 (2)에

결과 지오백과 지오튜브에서 농축률은 90%에 도달하였으 나 탈수후 슬러지 함수율이 90% 이상으로 높게 나타났다.

지오백과 지오튜브, 마대의 함수율 추이는 상호 유사하며 (Fig. 4), 유출수 SS의 경우 원슬러지(7,200-8,900 mg/L)에 비해 각각 8 mg/L, 1 mg/L, 그리고 12 mg/L로 저감되었다 (Table 1). YD Semi-active 처리시설 슬러지를 4일간 지오 튜브로 농축한 결과, 원슬러지의 함수율이 96%로 농축률 은 66.8%이나 탈수후 함수율이 88.0%로 OD 시설에 비하 여 낮게 나타났다.

농축률 =          × (2)

P = 유입 슬러지 함수율 P

= 탈수후 슬러지 함수율

SW 자연정화시설에서는 슬러지 농축에 따라 약 1일만 에 일반적인 폐기물 반출기준인 80%의 함수율에 도달하였 으며, 농축률 또한 95% 이상의 높은 값을 보였다. 또다른 자연정화시설인 WR 시설의 경우 1시간(0.04일) 후에 함수 율 73.4%, 2일만에 62.3%로 이후의 함수율과 유사한 값을 보여 SW 시설보다도 좋은 농축 효율을 나타내었다. Fig. 4 에서 농축기간에 따른 슬러지 함수율 추이를 시설별로 비 교할 때 Semi-active 처리시설 2개소가 상대적으로 높은 함 수율을 유지하려는 경향을 보인 반면 자연정화시설 2개소 는 짧은 기간에 낮은 함수율에 도달하였다.

해외의 경우 다양한 슬러지에 대하여 지오튜브를 적용한

처리사례가 보고되었다. 미국 펜실베이니아주에서는 광산

Table 1. Pilot-scale experiment results of dewatering sludge from OD semi-active treatment facillities

Mine Flocculant Mixing ratio (mg/L)

Type of dewatering device

Elapsed time (day)

Water content (%)

Concentration ratio (%)

SS (mg/L)

OD OCI

N-100E 240

Geobag

0 (inflow) 99.3 0

1

1 95.5 83.9

4 94.0 88.0

8 93.1 89.5

22 90.6 92.3

Geotube

0 (inflow) 99.1 0

7

1 95.4 80.5

4 94.3 84.5

8 93.1 87.2

22 91.0 90.1

Gunny bag

0 (inflow) 99.3 0

12

1 95.1 85.3

4 94.4 87.2

8 94.4 87.1

22 93.6 88.8

YD Nalco-

855 286 Geotube

0 (inflow) 96.0 0

N.D.*

0.25 91.0 55.7

1 88.6 64.9

4 88.0 66.8

SW Nalco-

855 40

Geobag

0 (inflow) 99.6 0

41

1 80.7 97.8

4 77.2 98.2

Geotube

0 (inflow) 99.0 0

8

0.13 80.0 95.1

1 78.0 95.5

Gunny bag

0 (inflow) 99.6 0

0.13 80.4 97.9 40

1 77.3 98.2

4 75.0 98.3

WR Nalco-

855 40 Geotube

0 (inflow) 98.9 0

0.04 73.4 95.8 4

2 62.3 97.0

7 62.5 97.0

*N.D.: Not Determined

배수 자연정화시설 슬러지를 함수율 97-99%로부터 수 일 후 65-70%로 저감하였다(Kaye, 2016). 뉴욕주 하상 퇴적 물 준설공사에서도 85-90%의 함수율이 7일 후 70-75%로 저감되었다(Gaffney, 2008). 반면 메사추세츠주에서 함수 율 92%의 하수 슬러지를 처리한 경우는 53일 후에도 80.4% 을 보여 낮은 농축률을 보였다(Fowler et al., 2000).

본 연구의 함수율 저감 결과는 특히 자연정화시설에서 상 기의 처리효율과 유사하거나 다소 높은 효율을 나타낸다.

OD 및 SW 시설에서 지오튜브, 지오백 등에 채워진 슬러 지의 초기 체적과 1일간의 여과수 유량의 상관관계를 Fig.

5 에 도시하였다. 지오튜브, 지오백 등에 따라 달라지는 초

기 슬러지 체적은 여과수 유량과 높은 양의 상관관계(R

:

OD 0.9997, SW 0.9866) 를 보이며 0에 가까운 절편을 가진

다. 이는 튜브나 백의 재질 또는 형태가 탈수유량에 미치는

영향이 낮으며 초기 체적과 시설 슬러지의 특성이 배수유

량을 결정함을 시사한다. 즉, 동일 시설에서는 초기 체적과

비례하는 유량이 배수되므로 다양한 재질, 형태의 경우에

도 함수율의 저감 추이는 거의 일정하다는 것이다(Table 1

참조). 이는 본 시스템의 특성상 접촉되는 모든 방향으로 배

수되며 여과를 위한 유일한 압력이 슬러지의 자중임에 따

른 것으로 추정된다. 그렇다면 각 시설별 슬러지의 배수 특

성은 Fig. 5의 관계도에서 추세선의 기울기로 나타날 것이

Fig. 5. Relationship between discharge rate of filtrate for one day and initial volume of sludge contained in Geotube, Geobag and gunny bag at SW and OD facilities.

(a)

(b)

(c)

Fig. 6. Particle size distribution curves for (a) YD, (b) OD and (c) SW treatment facilities.

Table 2. Physical properties of sludges from mine drainage treatment facilities

Type Mine In-situ water content (%)

Particle size according to volume fraction

( μm) Zeta potential

(mV)

Period of accumulation d

d

d

(yr)

Semi-active YD 95.1 4.4 11.0 23.2 3.81±0.40 1

OD 98.1 6.7 17.4 38.4 -2.49±0.03 4

Passive SW 84.3 6.6 40.6 176.4 -3.41±0.11 15

WR* 65.1 10.8 58.4 110.7 9.88±0.20 8

*Particle size distribution of sludge from WR mine is provided by Oh (2015).

다. SW 시설에서의 추세선 기울기는 OD의 1.4배(=0.9411/

0.6688) 이며 SW 시설 슬러지의 자연탈수에 따른 투수성이 OD 보다 약 1.4배 높음을 시사한다.

슬러지의 조내 함수율 및 입도에 따른 농축 특성 각 시설 슬러지는 운영중 인발시 주위의 상등수와 혼합 되어 유입되므로 조내 슬러지의 함수율에 비하여 인발처리 시 함수율이 높다. 따라서 각 조내 슬러지를 수중채수기로 채취하여 수 일 이상 정치한 후 상등수를 제거한 슬러지 함 수율을 비교하였다(Table 2). Semi-active 처리시설의 함 수율이 95.1%, 98.1%로 높은 반면 자연정화시설의 함수율 은 65.1%, 84.3%로 낮게 나타났다(Hwang et al. (2016) 참 조). 즉, 시설의 종류에 따라 조내 함수율이 큰 차이를 보이 며 이는 농축 후 함수율과도 높은 연관성을 보인다(Table 1, 2). 이는 슬러지 인발에 따라 함수율이 공통적으로 높아짐 에도 불구하고 슬러지별 고유 특성에 따라 자중으로 배수 되는 성질이 달라짐을 지시한다.

SW, WR 자연정화시설의 SAPS 상부와 YD, OD Semi- active 처리시설의 침전조에 축적된 슬러지를 펌프로 인발

한 후 응집 전의 입도를 분석하였다(Table 2, Fig. 6). Semi-

active 처리시설 슬러지의 경우 10-90% 부피범위(volume

fraction) 의 입도가 4.4-38.4 μm로서 50%에 해당하는 입도

는 YD에서 11.0 μm, OD에서 17.4 μm를 나타내었다. 반면,

자연정화시설 슬러지의 경우 10-90% 부피범위의 입도는

6.6-176.4 μm, 50% 해당입도는 SW에서 40.6 μm, WR에

서 58.4 μm의 큰 값을 보였다.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig. 7. SEM images of sludges from (a) WR and (b) SW passive facilities (5000x), (c) SW passive facilities and (d) YD semi-active facilities (10000x), and OD semi-active facilities (e: 30000x for a Mn-rich zone, f: EDS data for a Zn-rich zone).

Table 3. Chemical properties of inflow at four mine drainage treatment facilities (Unit: mg/L)

Mine pH Fe Fe

Zn Mn Cu Al

OD 4.76 0.2 0.1 46.8 15.2 1.1 1.2

YD 4.79 231.0 149.2 0.2 4.9 0.2 4.1

SW 6.67 18.9 14.2 0.0 1.9 0.0 0.0

WR 5.04 131.4 54.8 0.2 5.2 0.3 47.7

Semi-active 처리시설은 소석회가 주입되어 pH가 상승 함으로써 철 수산화물이 침전되므로 pH 조절조에서 산발 적으로 금속 수산화물의 플럭이 발생한다(Liang et al., 1993). 반면, 자연정화시설에서 SAPS 유입수의 Fe

는 약 1m 심도의 상부 수층에서 산화되어 Fe

와 함께 3가철 수 산화물로 침전된다. 해당 산화작용은 기존의 3가철 수산화 물 표면에서 불균질한 산화작용(heterogeneous oxidation) 으로도 발생하며(Ames, 1998), 기존 입자 표면에서의 산화 작용 또는 표면침전에 따라 입자가 점차 부착성장하는 양 상을 보이는 것으로 알려져 있다(Ackman, 1982; Brown et al, 1993; Hsieh, 1993; Dempsey and Jeon, 2001). Fig. 7a-c

는 WR 및 SW 자연정화시설 SAPS 슬러지의 SEM 사진이 며, 성장한 입단(aggregate) 형태의 특성을 관찰할 수 있다.

반면, YD Semi-active 처리시설 슬러지는 불규칙한 형태 를 띠는데(Fig. 7d), 이는 SEM 분석을 위하여 건조하기 전 의 슬러지가 입도가 비교적 작으며 산발적으로 형성된 플 럭임을 시사한다.

특히, SAPS는 상부에서부터 수층, 유기물층과 석회석층 으로 구성되어 있으며 하향류의 흐름을 갖는다. 기존의 슬 러지를 아래로 통과하는 흐름의 SAPS는 횡류식의 산화침 전조에 비해 슬러지의 입도가 큰 것으로 보고된 바 있다 (MIRECO, 2016). 또한, 우리나라의 Semi-active 처리시설 은 일반적으로 슬러지 준설주기가 수 년 이내이므로 YD 및 OD 시설은 슬러지 축적기간이 1-4년이다(Table 2). 반면 에 SW 및 WR 자연정화시설의 슬러지 축적기간은 각각 15 년 및 8년으로 상대적으로 긴 것이 슬러지 입도 성장에 영 향을 미쳤을 수 있다. 이와 같이 자연정화시설 SAPS의 슬 러지는 Semi-active 처리시설 침전조의 슬러지에 비해 입 경이 커질 수 있음을 지시한다.

일반적으로 매질의 입경이 큰 경우 투수계수가 증가되어 배수가 용이한 것으로 알려져 있다(Hazen, 1911; Shepherd, 1989). 탈수 실험에서 Semi-active 처리시설 슬러지에 고 분자 응집제를 적용하여 가교작용으로 플럭이 상호 연결됨 에도 불구하고 자연정화시설 슬러지가 Semi-active 시설 에 비해 배수능이 높았는데, 이는 슬러지 고유 입단별 입경, 점도 및 여과비저항(Specific Resistance to Filtration, SRF) 과 같은 초기 슬러지의 특성이 중요함을 시사한다(Table 1, Fig 4, 5). 광산배수의 화학적 처리에 의한 슬러지는 자연정 화시설 슬러지에 비하여 점성과 여과비저항이 높은 것으로 보고되었으며(Dentel and Abu-Orf, 1995; Dempsey and Jeon, 2001), 이는 해당 결과를 뒷받침한다.

슬러지 조성 및 물성에 따른 농축 특성

Semi-active 처리시설과 자연정화시설에서의 슬러지 농

축효율 차이를 앞서 고찰하였으나, 유사하게 소석회를 투

입하는 Semi-active 처리시설 중 OD 시설이 특히 YD 시설

에 비해 상당히 낮은 슬러지 농축률을 나타내고 있다. 두 시

설의 주된 차이는 원수의 특성으로서, OD 시설의 경우 금

및 WR 시설은 주요 처리대상원소가 Fe이며, WR 시설 원 수의 경우 71.0-118.5 mg/L의 Fe 외에 Al도 상당량인 44.3-48.7 mg/L 로 포함되어 있다.

처리시설 발생슬러지의 조성은 원수에서 제거되는 상기 금속들의 조성을 반영하며, 이는 슬러지별 정전기적 특성 과 입자의 미세구조에 영향을 줄 수 있다. 우선 슬러지 구성 입자간 정전기적 반발력을 평가하기 위하여 슬러지의 제타 전위를 분석하였다(Table 2). Semi-active 처리시설인 OD 및 YD 시설 슬러지의 제타전위는 각각 -2.49±0.03 mV, 3.81±0.40 mV 로 상호 큰 차이를 보이지 않으며, SW, WR 자연정화시설 슬러지 또한 각각 -3.41±0.11 mV, 9.88±

0.20 mV 로서 ±10 mV 이내의 낮은 제타전위 절대값을 보 여 입자간 정전기적 반발력은 공통적으로 낮음을 지시한 다. 광산배수에 용존되어 있는 Ca

, SO

등의 이온은 반 대 전하를 띠는 입자의 전기장을 감쇄시켜 이중층(double layer) 을 압축시키고 정전기적 반발력을 줄일 수 있으며 (Elimelech, 1992; Dempsey and Jeon, 2001), 이와 더불어 Semi-active 처리시설에서 공급되는 Ca

및 OH

또한 슬 러지의 제타전위 절대값을 저감시켰을 수 있다.

OD 시설 슬러지의 SEM-EDS 관찰 결과, 대부분은 YD 시설 슬러지와 유사한 불규칙한 형태로서 건조 전에 입단 화되지 않은 산발적인 미세플럭 형태였을 수 있음을 시사 하나, Mn이 주성분인 입자들은 스펀지와 유사한 형태의 판 상(sheet) 및 침상(lath)의 형태를 띠고 있다(Fig. 7e). Tan et al. (2010) 및 Jiang et al. (2010) 또한 망가니즈 산화물의 이 와 유사한 미세구조 특성을 보고하였다. 또한, Zn, Mg가 주 성분인 입자는 꽃과 유사한(flower-like) 형태를 나타내며 얇은 판상의 집합체를 형성하고 있다(Fig. 7f). 이와 유사한 Zn(OH)

및 Mg(OH)

의 형태는 각각 Nai et al. (2013) 및 Yang et al. (2015)에 의하여 보고되었다. 슬러지의 미세구 조가 이와 같이 주로 판상, 침상의 골격으로 구성된 다공질 의 해면구조(sponge structure)인 경우 배수와 농축에 대한 저항성이 높을 수 있다. 아연과 망가니즈를 주성분으로 하 는 OD 시설 슬러지에서 20여일이라는 장기간에 걸쳐 함수 율이 90% 미만으로 감소하지 않은 원인은 해당 슬러지의 이와 같은 미세구조 특성에 따른 결과일 수 있다.

결 론

응집-자체여과공정을 활용하여 자중으로 농축 ․ 탈수함 으로써 기계장치를 최소화하며 단순화된 공정으로 슬러지

한 슬러지 특성의 차이가 중요함을 시사한다. 또한 정화시 설별로 나타난 회귀선의 기울기가 클 수록 응집-자체여과 등에 의한 탈수 효과가 높을 것이므로 해당 기울기는 탈수 를 위한 슬러지의 특성인자로 활용될 수 있을 것이다.

2 개의 자연정화시설 SAPS에서는 약 1일만에 상부 슬러 지 함수율이 80% 이하로 저감되어 상당한 농축 효율을 나 타내었다. SAPS내 하향류식 흐름 조건에서 철 수산화물 플 럭이 장기간의 부착 성장 및 압밀과정을 통해 입단화되며 d

이 40.6-58.4 μm로 비교적 높아 슬러지의 배수능이 향 상되는 것으로 판단된다.

Semi-active 처리시설 슬러지 중 아연, 망가니즈를 주성 분으로 하는 OD 시설 슬러지의 경우 탈수후 함수율이 높게 나타났다. 정전기적 반발력인 제타전위는 모든 시설에서 유사하게 나타난 반면, Zn 및 Mn 수산화물의 SEM-EDS 분 석 결과 관찰된 판상 및 침상 골격의 다공질 해면구조는 해 당 슬러지의 배수 및 농축에 대한 저항성을 시사한다.

국내 41개 광산배수 자연정화시설에서 발생하는 슬러지 를 제거하는 개 ․ 보수사업은 일반적으로 3-6개월의 기간이 소요된다. 이들 원수의 성상은 대부분 철과 알루미늄을 주 성분으로 하므로 SW, WR 시설의 경우와 유사하다. 본 연 구에서 평가한 응집-자체여과공정의 탈수 효율성을 기반 으로 이를 현장에 적용한다면, 전력이 공급되지 않는 자연 정화시설에서 최소의 동력을 사용하여 시설 운영 중에 슬 러지를 유연하게 농축 후 반출 처리할 수 있을 것이다.

사 사

본 연구는 한국광해관리공단 주요사업인 ‘수질정화시설 유지관리기술 개발’과제의 일환으로 수행되었습니다.

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홍 성 주

1993년 상지대학교 화학과 학사 1998년 연세대학교 관리과학대학원 환

경관리전공 석사

현재 (주)광혜 대표

(E-mail; [email protected])

과 석사

현재 한국광해관리공단 광해기술연구소 수질토양기술팀 연구원 (E-mail; [email protected])

김 승 섭

현재 수원과학대학교 환경보건과 교수 (本 學會誌 第52券 第5号 參照)