<지하수 및 토양오염>

강릉시 옥계면 폐광산 정화

-중금속 정화를 중심으로-

제출일	2013. 12. 19
학번	2010-12096
이름	김상현

<목차>

표 목차	Ⅱ

그림 목차	Ⅱ

1. 개요	1

2. 지역조사	1

2.1. 지리적 특성	1

2.2. 토양 특성	2

3. 오염물질 조사	3

3.1. 오염물질 조사 결과	3

3.2. 납과 비소의 특징	4

4. 정화기술 선정	4

4.1. 1차 정화기술 소개	4

4.1.1. 동전기정화법 (Electrokinetics)	4

4.1.2. 원위치 토양세정법 (Soil washing)	4

4.1.3. 원위치 고형화/안정화 기법	4

4.2. 1차 정화기술 선정 및 구체화	5

4.3. 2차 정화기술 선정 및 구체화	5

4.4. 정화 계획	6

5. 예상 결과	7

6. 참고문헌	7

<표 목차>

표 1	1

표 2 토양 특성	2

표 3 오염물질 조사 결과	3

표 4 납과 비소의 토양오염 우려기준 및 대책기준 (단위: mg/kg)	3

표 5 납과 비소의 토양오염 우려기준 및 대책기준 (단위: mg/kg) (반복)	7

<그림 목차>

그림 1 폐광산 관련 기사	1

그림 2 강릉시 옥계면의 지역조사	1

그림 3 오염물질 조사 대상 지역	2

그림 4 고형화/안정화 기법 모식도	5

그림 5 달맞이꽃	6

그림 6 달맞이꽃의 비소 축적 농도 비교	6

그림 7 정화 계획	6

그림 8 공법 처리 후 납의 예상 농도	7

그림 9 공법 처리 후 비소의 예상 농도	7

개요

그림  폐광산 관련 기사

최근 전국적으로 폐광산에서 비소나 납 등의 중금속 오염이 심각하다는 기사를 찾을 수 있었다. 오른쪽 기사를 보면 욱창광산과 제2옥령광산 등 26개의 광산이 비소, 납, 아연, 카드뮴 등 중금속 물질이 정밀조사 대상 기준을 초과했고 그 중 7개 광산은 토양오염대책기준을 넘어선 상황이라고 한다.

따라서 본 프로젝트에서는 강릉시 옥계면에 있는 폐광산 지역의 오염물질을 조사해보고 그 지역의 지역적 특성 및 토양 특성을 고려하여 정화 계획을 세우고 평가해본다.

지역조사

지리적 특성

그림  강릉시 옥계면의 지역조사

오염부지는 위 그림 2에 나온 것과 같다. 왼쪽 사진의 빨간 원과 오른쪽 사진의 파란 원이 폐광산이 위치한 지역이다. 폐광산 주변으로는 낙풍천과 주수천 두 개의 천이 흐르고 있으며 두 개의 천은 동해로 흘러들어가고 있다. 주수천 너머로는 주거단지가 밀집되어 존재하고 있으며 낙풍천을 넘어가면 들판이 펼쳐있고 들판에 여성수련원이 지어져 있다. 조사 결과, 폐광산 지역의 면적은 약 40,000[eqn: rmm^2], 주거단지 지역의 면적은 약 50,000[eqn: rmm^2], 여성수련원 지역의 면적은 약 20,000[eqn: rmm^2]로 나타났다.

그림  오염물질 조사 대상 지역

따라서 폐광산 주변 지역의 세 군데의 토양과 주거단지, 여성수련원 지역의 토양, 총 다섯 군데의 토양을 채취하여 오염물질의 농도를 조사해보았다. 토양의 시료를 각각 표토, 심토로 나누어서 채취한 뒤 실험실로 가져와 ICP-MS 기법을 이용하여 시료에 포함된 오염물질들의 농도를 알아보았다.

토양 특성

임의로 이 지역의 몇 군데의 토양 특성을 조사해 본 결과는 다음과 같다. 조사 결과 평균적으로 유기물함량이 4.3095 %, CEC가 27.725 meq/100g, 투수계수는 3.462[eqn: TIMES 10 ^{-6}] cm/sec로 나타났다.

표  토양 특성

토양	유기물함량(%)	양이온 교환능(meq/100g)	투수계수(cm/sec) *10^-6
1	2.278	21.4	6.76
2	1.74	20.5	0.288
3	12.516	31.3	4.7
4	0.704	37.7	2.1
Avg	4.3095	27.725	3.462

오염물질 조사

오염물질 조사 결과

표  오염물질 조사 결과

Sample	표토 (30cm) (단위: mg/kg)
	Pb	As	Hg	Cd	Cu	P	Cl
1	4004	124	0.09	74.8	29.6	4.2	0.13
2	3707	923	0.15	68.13	47.6	5.2	0.09
3	286.3	432.3	0.23	8.928	23.17	3.3	0.18
4	407.4	150	0.16	15.61	21.3	4.3	0.18
5	494	228	0.08	24.88	33.6	5.2	0.13
Sample	심토 (140cm) (단위: mg/kg)
	Pb	As	Hg	Cd	Cu	P	Cl
1	1319	50	-	343	18.7	-	0.03
2	5214	42	-	410.6	16.6	-	0.02
3	386.8	23	-	7.259	18.09	-	0.03
4	1633	69	-	15.51	54.92	-	0.03
5	430.4	23	0.08	52.64	88	2.2	0.03

위의 그림 3에서의 다섯 군데의 흙을 실험실로 가져와 ICP-MS기법을 이용하여 분석한 결과 납과 비소를 비롯한 여러 가지 중금속들이 포함되어 있음을 알 수 있었다. 특히 눈에 띄는 것은 전체 금속들 중 각각 33%, 60%를 차지하는 납과 비소였다. 주거단지인 4번 지역은 비소에 비해 납이 많이 존재하였고 여성수련원과 들판이 있는 5번 지역에는 표토에서의 비소 오염이 심각하다는 특징이 있었다.

또한 아래의 표 4와 비교하였을 때 대부분의 지역에서 납과 비소 두 물질 모두 토양오염 대책기준을 넘음을 알 수 있었다.  가 지역은 지적법 제5조제1항의 규정에 의한 전․답․과수원․목장용지․임야․학교용지․하천․수도용지․공원․체육용지 둥울 나타내며 나 지역은 지적법 제5조제1항의 규정에 의한 공장용지․도로․철도용지 및 잡종지 등을 나타낸다. 폐광산 주변인 1, 2, 3 지역의 경우 나 지역에, 4, 5 지역의 경우 가 지역에 해당한다고 할 수 있겠다.

표  납과 비소의 토양오염 우려기준 및 대책기준 (단위: mg/kg)

오 염 물 질	토양오염 우려기준		토양오염 대책기준
	가 지역	나 지역	가 지역	나 지역
비 소	6	20	15	50
납	100	400	300	1,000

이 지역의 특성 상 오염물질이 바다로 유입될 수도 있고 수련원과 주거단지가 존재하기 때문에 남과 비소의 정화 문제가 시급하다고 판단된다.

납과 비소의 특징

비소의 경우는 [eqn: rm LD _{50} =100mg/kg]이고 중독될 경우 메스꺼움을 유발한다. 백, 적혈구의 생산을 감소시키고 불임과 유산으로도 이어질 수 있으며 심할 경우 각종 암을 유발시킨다. 또한 납은 [eqn: rm LD _{50} =450mg/kg]으로 중독될 경우 지능 감소, 주의력 결핍 등을 유발되며 심할 경우 사망할 수 있다.

두 물질 모두 물에는 용해되지 않는 금속이지만 이온화될 경우 주변 하천을 타고 바다로 흘러들어갈 위험이 있으며, 바다와 거리가 가까운 지역 특성상 mobility가 적다고 하더라도 위해성이 높다고 판단된다.

정화기술 선정

지역의 특성상 굴착 비용이 소요되지 않고 지반 교란을 최소화 시킬 수 있는 in-situ 기법을 사용하고자 한다.

1차 정화기술 소개

동전기정화법 (Electrokinetics)

동전기정화법은 땅 속에 전류를 공급하여 중금속을 이동시키면서 제거하는 기술이다. 굴착이 필요 없기 때문에 in-situ 기법을 사용하는 데에 알맞은 기술이다. 하지만 추출 폐액에 대한 추가적인 처리가 필요하고 토양이 균질하지 못하다면 그 효율이 저하된다.

원위치 토양세정법 (Soil washing)

세척제를 토양으로 주입하여 중금속을 탈착, 용해시킨 후 다른 한쪽에서 세척액을 양수하고 처리하는 방법을 말한다. 역시 굴착이 불필요한 in-situ 기법에 적용시킬 수 있다. 하지만 세척액의 경로조절 실패시 주변토양으로의 오염물질 확산이 우려된다. 또한 처리 비용이 높은 단점이 있다.

원위치 고형화/안정화 기법

화학 제제를 주입하여 화학반응을 이용해서 오염물질의 독성과 이동성을 동시에 감소시키는 방법이다. 토양의 특성을 변화시키지 않고 위해성을 저감할 수 있다는 장점이 있다.

이 지역의 특성과 경제성 등을 따져 보았을 때 원위치 고형화/안정화 기법을 선택하여 납과 비소의 정화 계획을 세우고자 한다.

1차 정화기술 선정 및 구체화

그림  고형화/안정화 기법 모식도

고형화/안정화 기법은 in-situ 기법을 적용하여 그 지역에 오염토양에 직접 화학제제를 투입하는 방법으로 무기물질 처리에 적합하다. 오염물질을 고형화 시켜 용해도를 감소시켜 mobility를 낮춘 뒤 후처리를 한다. 이 정화계획에서는 납과 비소가 주 오염물질이므로 이를 처리할 수 있는 철과 인산염 제제를 투입하여 정화를 실시할 것이다.

고형화/안정화 기법은 오염물질의 확산을 신속하게 억제하며 주변 상황에 관계없이 저렴하게 정화가 가능하기 때문에 4번 지역인 주거지 지역에 적용할 수 있다. 고형화된 반응물질은 환경적으로 무해하며 투입된 화학 제제 또한 지하수 등에 해를 끼치지 않는 것으로 실험된 바 있다.

철 제제(FSM)의 경우 비소 고정화에 높은 효율성을 보이며 납도 일부 처리 가능하며 용해도가 높기 때문에 액상 고정화제로 활용할 수 있다. 인삼염 제제(MKP)는 광범위한 pH 조건에서 안정적인 반응물을 생성하고 납 고정화에 높은 효율성을 보인다.

따라서 단일 고정화 제제보다는 철과 인산염을 같이 사용하여 복합적인 고정화 제제의 투입을 통해 효율성을 증대시키고자 한다.

2차 정화기술 선정 및 구체화

1차적으로 사용된 고형화/안정화 기법으로 단기적인 정화 후에는 2차적인 정화기술을 통해 장기적으로 오염물질을 제거할 계획이다. 이 2차 정화기술로는 phytoremediation을 선정하였다. 특히 2년생 귀화 식물로 다양한 종류의 광산 지역이나 일반 지역에서 광범위하게 잘 자라는 달맞이꽃이 가장 적합하다고 평가되었다. 우선 번식력이 뛰어나 많은 종자를 생산하고 고온 건조에 대한 저항성이 있으며 광산지역에서 자연 선발된 계통이라는 특징이 있다.

그림  달맞이꽃

그림  달맞이꽃의 비소 축적 농도 비교

다량의 비소를 축적하는 동시에 납 또한 축적이 가능하기 때문에 장기적인 정화에 도움이 될 것이라고 예상된다.

보다 효과적인 정화를 위해 비소 흡수를 활성화 시키는 [eqn: rm Fe ^{2+}]이온을 넣어줄 것이다. [eqn: rm Fe ^{2+}]이 1.8% 만큼 존재하며 퇴비를 6.9%만큼 넣어줄 때 가장 효과적인 비소 축적이 이루어진다. 또한 균근을 접종하여 체내 비소 축적량을 증가시키고 내성을 높인다. 이에 황을 추가적으로 처리해줄 경우 비소의 흡수 농도가 그림 6과 같이 약 5배 정도 증가하는 것을 볼 수 있다.

달맞이꽃의 비소 축적은 비소 농도가 100[eqn: rm mu M] 이하일 때 원활하게 작용하므로 1차 정화 후 잔류 비소를 제거하는 데에 효과적일 것으로 보인다.

정화 계획

고형화/안정화 기법을 먼저 폐광산 주변, 주거단지, 수련원 지역 모두에 적용한 뒤에 잔류하는 비소와 납은 phytoremediation을 통해 제거하고자 하였다. 하지만 phytoremediation의 경우 주거단지 지역에 적용하는 것이 불가능하기 때문에 이는 수련원과 큰 들판이 존재하는 5번 지역에만 적용하기로 하였다. 그림 7은 오염부지의 면적과 정화목표 기간, 인건비와 공사비 등을 모식화 해놓은 것이다.

그림  정화 계획

Phytoremediation의 경우 식물을 재배하는 데에 따로 관리비가 들어가기 때문에 발아관리인건비 항목을 추가하였다.

예상 결과

납의 경우는 고형화/안정화 기법을 사용하면 3일 만에 약 99%가 감소되는 것으로 예상되었다. 비소의 경우는 고형화/안정화 기법을 사용한 뒤 phytoremediation의 2차 처리를 통하여 약 120일 후에는 49.2%를 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다. 납의 경우 고형화/안정화 기법만으로 토양오염 우려기준 이하의 농도로 감소시킬 수 있을 것이라고 예상되며 비소의 경우도 예상 기간인 약 5년 후에는 토양오염 우려기준 밑으로 그 농도를 떨어뜨릴 수 있을 것이라고 예상된다.

그림  공법 처리 후 납의 예상 농도

그림  공법 처리 후 비소의 예상 농도

표  납과 비소의 토양오염 우려기준 및 대책기준 (단위: mg/kg) (반복)

오 염 물 질	토양오염 우려기준		토양오염 대책기준
	가 지역	나 지역	가 지역	나 지역
비 소	6	20	15	50
납	100	400	300	1,000

참고문헌

-환경부, 토양오염대책기준과 우려기준

-식품의약품안전청 (2010), 비소

-식품의약품안전청 (2010)

-에코솔루션 (2006), 폐광산 주변지역 복원, 관리기술, 환경부