군붑 광산 주변지역 정화계획(1조)

2007-11597 유을준

1. 서론

군북광산은 경상남도 함안군 군북면 사촌리에 위치한 폐광산이다. 주요 광종은 금, 은, 동이었으며 1915년 7월 광산으로 등록되어 채광작업이 이뤄지다가 75년 휴광되어 광업권이 소멸되었다. 이후 95년 9월에 신규 등록되어 다시 채광작업이 이뤄지다가 97년 10월 소멸되고, 폐광산으로 남아있다. 1998년 환경부에 의한 폐금속광산 오염실태조사를 통해 오염원이 확인되었고, 99년 광해 방지사업을 실시하였다. 2009년에 광해 방지사업이 완료되어 사업장에 대해 환경오염영향조사를 수행하여 토양 및 수질오염을 확인하였다.

위 사진에서 동광 얼음굴 휴양지로 표시된 곳이 군북광산의 터를 음식점으로 활용하고 있는 곳이다. 이곳에서는 지하수를 음용수로 사용하고 있으며, 광산터로부터 북서쪽으로 뻗어있는 하천을 따라 농경지가 발달해 있다. 이 하천은 북쪽으로 낙동강 본류와 이어지게 된다. 실태조사 결과 광산 주변에 위치한 광미장의 중금속 오염이 극심한 상태이며 광미장을 중심으로 빗물에 의해 오염물질이 이동하여 주변 하천과 농경지역에 대한 오염이 우려되는 상황이다.

이 지역의 기후는 계절간 기온차가 큰 대륙성 기후이며, 강수량의 경우 상대적으로 비가 고르게 오는 해안성 기후의 특징을 지닌다. 연 평균 강수량은 1551.1mm로 많은 편에 속한다.

지형조건으로는 중앙부에서 남북으로 뻗은 산지와 동쪽으로 뻗은 산지의 사이에 ㅜ이치해 있으며, 광산 인근이 지천의 상류부이다. 하천은 북쪽으로 낙동강 본류와 이어지며 경작지와 시내를 형성하고 있다.

2. 기초조사

2.1 샘플 채취 방법

샘플은 광미장, 광산 주변의 토양 및 수계를 따른 농경지, 하천 퇴적토, 지하수 시료 이렇게 네 가지를 채취하였다. 광미장의 경우 광미장 3개소에서 하나씩 총 3개의 샘플을 채취하였으며, 표토(0~30cm)를 채취하였다. 또한 심도변화에 따른 오염을 파악하기 위해 심도별(1,2,3,4,5,6 m) 샘플을 채취하였다.

광산 주변의 토양 및 수계를 따르는 농경지 샘플은 오염가능성이 높을 것으로 예상되는 지역위주로 선정하였다. 토양시료 채취기를 사용하여 표토(0~30cm)와 심토(30~60cm)를 총 18개 지점에서 채취하였다.

하천 퇴적토는 수계에서의 오염물질의 운반 매개체가 되며 잠재 오염원으로 작용할 수 있으므로, 오염원 하류 방향으로 500m당 1점씩 총 8점의 시료를 2mm(10mesh) 표준체로 채질하여 채취하였다.

지하수 시료는 광산 주변지역의 기존 관측정 2개소와 신설 관측정 5개소에서 시료를 채취하였다. 중금속 분석용 시료는 0.45㎛ membrane filter를 이용하여 여과하였다. [eqn: HNO _{3}]를 첨가하여 pH 2.0 이하가 되도록 산 처리한 뒤, 폴리프로필렌 재질의 시료병에 담아 냉장 보관하였다.

2.2 광미장의 광물찌꺼기 특성

광물 찌꺼기의 구성물로는 주로 석영이 차지했다. [eqn: SiO _{2}]가 50%, [eqn: Al _{2} O _{3}]가 15.6%를 차지하는 것으로 나타났다. 평균 비중은 2.69t/㎥으로 일반 토양과 비슷한 수준을 나타냈다. 평균 함수비는 33.19%, 평균 단위 체적중량은 1.788g/㎤로 나타났으며 구성 토질은 실트질모래(SM)과 점토질모래(SC)로 나타났다. 투수계수는 [eqn: 4.87` TIMES `10 ^{-3}]cm/s로 나타났다.

2.3 샘플 채취 위치

샘플 채취 위치는 다음 그림과 같다.

2.4 지하수 특성

지하수는 광미장 내 오염물질의 이동 경로로서 매우 중요한 역할을 한다. 우기시에 오염물질이 강수에 녹에 지하수로 흘러들어간 후, 주변 하천으로 이동하기 때문이다. 지하수 조사 결과 지하수위는 지표 아래 1.8~3.2m로 나타났으며, 강우의 영향을 크게 받아 건기에는 낮고 우기에는 높게 나타나는 경향을 띠고 있음을 알 수 있다. 지하수위는 지형 표고와 매우 높은 상관성을 보이며, 지하수의 이동은 지역 남측의 산지에서 지하수 분수계를 이루어 북측으로 이동하는 특징을 보이고 있다.

pH 조사결과 1개소를 제외한 나머지 관측정에서 7.2~8.0의 값을 가지는 것으로 나타났으며 이는 약산성을 띠고 있음을 알 수 있다, pH, 온도, DO는 건기와 우기에 따라 별다른 차이를 보이지 않았으며, Eh는 일반적인 자연수와 동일한 범위를 보였다. EC는 건기와 우기에 의한 차이는 미약하나 광산 인근지역에서 높은 값을 보이고 있다.

지하수에 함유된 모든 양이온의 함량은 광산지역에서 수게를 따라 하류로 갈수록 낮아지는 경향을 보이는데 이는 오염이 진행되고 있음을 나타내는 지표로 사용될 수 있다. [eqn: HCO _{3}]는 산도가 낮아 걱정을 하지 않아도 될 수준이다. [eqn: SO _{4}]의 최대 함량이 147.0mg/L로서 황화 광물의 산화반응이 활발함을 보여주고 있다.

3. 오염도 조사

광미 내 중금속 분석 결과 비소, 카드뮴, 구리가 배경토에 비해 매우 높은 함량을 보여주고 있다. 이는 광미가 비소, 카드뮴, 구리의 주요 오염원임을 보여주고 있다. 광미로부터 주변지역 토양 및 지하수의 오염 확산이 우려되고 있다. 특히 군북 광산은 비소의 오염이 심각하며 카드뮴과 구리의 오염이 다소 우려되는 것으로 판단된다.

광미장 내 중금속 분포를 매립 심도에 따라 분류해본 결과는 다음 표와 같다. 가장 문제가 되고 있는 것은 비소의 함량이며, 심도에 따라 아래와 같은 분포 특성을 나타내고 있다.

표토의 pH는 4.8~6.3으로 중산성 및 중성을 띠는 것을 볼 수 있고, 심토의 pH는 5.1~6.4로 표토와 비슷한 것을 볼 수 있다. 광산 주변지역 농경지 토양오염 분석 결과 토양 내 중금속의 양이 어느 정도 발견되었지만 1지역 안전기준치를 모두 넘지 않음이 확인되었다.

위의 샘플 채취결과를 종합하여 광미장을 중심으로 표층토의 이격거리별 중금속 오염량을 정리하면 위 표와 같다. 중금속 중 비소의 오염이 가장 심각하며, 0~200m 지역에서 오염이 집중되어 있는 것을 확인할 수 있다.

지하수 샘플 채취 결과는 다음과 같다.

건기에 비해 우기에 지하수 내 중금속 함량이 급증하는 것으로 보아, 주 오염원인 광미 내의 중금속이 우기에 강수에 의해 지하수로 흘러 들어감을 알 수 있다. 이는 오염원의 주된 이동 경로가 강우에 의한 것임을 알 수 있는 척도가 된다.

위의 표는 하천 퇴적토의 샘플 채취 결과이며, 오른쪽 지도는 샘플 채취 장소 및 해당 샘플의 비소 농도를 그림으로 표시한 것이다. 하천 퇴적토 내 중금속 함량으로 볼 때, 비소가 가장 극심한 오염을 일으키는 것을 알 수 있다. 오른쪽 지도에서 비소 농도의 분포를 보면, 광미장 인근에서 그 농도가 가장 심하고 하천을 따라 비교적 적은 양이 분포하고 있음을 알 수 있다. 이를 통해 광미장이 주된 오염원이며, 이 오염원에 대한 정화가 시급함을 알 수 있다.

4. 위해성 평가

4.1 토양

위해성 평가는 ① 유해성확인(Hazard identification), ② 노출 평가(Exposure assessment), ③ 용량-반응평가(Dose-response assessment), ④ 위해도 결정(Risk characterization)의 순서로 이루어진다. 이는 미국 환경 보호청(EPA)에서 제시하고 있다.

미국 EPA에서 화학물질의 인체독성정도와 인체 노출량 등을 고려하여 화학물질의 Priority list를 설정한 결과 2003년 에 이어 2005년에도 비소가 관리 대상 화학물질 1위로 선정되었다.

International Agency for Research in Cancer(IARC)는 인체 역학조사를 근거로 하여 1970년부터 무기비소를 피부암과 페암에 대하여 1급 발암물질로 평가하고 있다.

위의 기관들의 평가에 의하여 비소의 위험성과 발암성을 확인할 수 있다. 용량-반응 평가 과정으로 미국 환경보호청에서 제안한 평생 노출로 인한 유해영향이 나타나지 않는 체중 당 참고 섭취량(RfD)를 고려한다.(비소의 RfD = 0.0003mg/kg/day)

위해도 결정은 발암잠재력(SF)을 이용하여 위해지수(HI) 및 초과위해 발암도를 계산하였다.(비소의 Slope factor = 1.5kg-day/mg)

미국 EPA에서 제시한 위해성에 근거한 초과 발암 위해도는 [eqn: 10 ^{-6}]~[eqn: 10 ^{-4}]으로 정하고 있다.

위해도는 인구에 따라 결정되며, 미국의 인구와 우리나라의 인구를 비교해 볼 때 목표위해성을 [eqn: 10 ^{-5}]으로 잡는 것이 타당하다고 판단된다. 이전의 분석결과로 알 수 있듯이 HQ>1, Cancer risk>[eqn: 10 ^{-4}]으로 현장은 위험한 상황이다. 비소로 오염된 토양 및 지하수 섭취로 인한 위해성으로부터 성인을 보호하기 위한 목표정화수준을 산정하였다.

4.2 지하수

토양 위해성과 마찬가지로 지하수의 위해성 또한 산정할 수 있다. 본 보고서에서 지하수의 위해성을 [eqn: 10 ^{-4}]으로 선정한 것은, 현장의 지하수 오염수준이 워낙 심각해서 지하수의 목표 위해성을 [eqn: 10 ^{-5}]으로 선정할 경우 목표위해성 도달이 불가능에 가깝기 때문이다. 일반적으로는 지하수와 토양의 목표위해성을 같게 선정한다. 그리고 사람에 대한 접근성으로 보면, 지하수가 토양에 비해 훨씬 높기 때문에 지하수의 위해성을 더 높은 수준으로 선정하기도 한다.

5. 정화 설계

5.1 토양 정화

일반적인 토양 정화 공법은 위 표와 같다. 그러나 고형화/안정화의 경우 국내에서 법적인 정화기술로 인정받고 있지 않다. 목표 정화 지역인 군북광산의 광미장 주변은 그 오염도가 극심하여 빠른 정화 처리가 필요하고, 오염원이 집중적으로 한 곳에 분포하고 있으므로 토양 세척법을 선택하는 것이 적절하다고 판단된다. 식물재배 정화법의 경우 비용측면과 친환경성 측면에서 타 공법에 비해 압도적으로 우수하나 필요 정화기간이 매우 길기 때문에 이 지역의 1차 처리에는 부적합하다. 그러나 토양세척법을 통한 1차 처리 이후에 2차 처리 정화공법으로서는 매우 적합하다고 볼 수 있다.

목표 정화지역인 광미장 3개소는 위 사진과 같다. 정화가 필요한 총 토량은 121,915㎥이다. 이는 목표 정화지역의 면적과 오염 심도인 5m를 곱하여 계산한 결과이다.

토양 세척법의 소모비용은 위 표와 같으며 정화기간을 1년으로 가정하였을 시 36,000㎥당 23억 2천만원의 비용이 소모된다. 목표 정화 토량이 121,915㎥이므로 대략 78.6억원의 정화 비용이 예상된다.

토양세척법을 이용하여 세척할 경우 입경 1-3mm의 토사 내에 7.7%의 중금속이 잔류하는 것으로 확인되고 있다.(하동윤, 2002) 목표 정화 지역의 토질은 실트질 모래와 점토질 모래로, 자갈은 거의 없는 것으로 판단된다. 광미장 토량의 평균 비소 농도는 620.9mg/kg으로 토양세척법 적용시 47.81mg/kg의 비소가 잔류할 것으로 예상되며 이는 토양오염우려 기준인 50mg/kg의 범위 안에 포함된다.

5.2 지하수 정화

토양 정화와 동시에 지하수에 대한 처리가 필요하다. 군북광산 주변 지역은 주 오염원이 광미장에 밀집되어 있으며 오염물질의 이동은 강수에 의하여 지하수에 흘러들어가면서 발생하게 되므로, 오염물질이 지하수를 타고 하천으로 흘러들어가지 못하게 처리하는 것이 필요하다. 이에 따라 지하수 내 중금속을 걸러내어 처리할 수 있는 투수성 반응 벽체의 설치 방안을 채택했다. 투수성 반응 벽체는 연속성 반응 벽체와 유도벽 부착형태 두 가지 형태의 공법으로 적용이 가능하다. 반응벽체 설치 시 지하수가 반응벽체와 반응하지 않고 벽체를 우회하여 흐르는 것을 막기 위해 지하수위보다 0.6m 위, 대수층의 0.3m 아래 깊이까지 설치하여야 한다.

반응벽체를 구성하는 반응물질로는 영가철, 적철석, 환원슬래그 등이 있다. 영가철의 경우 pH가 낮은 산성 환경에서 높은 제거 효율을 갖는다. 또한 중금속 이외에도 염화 유기화합물 (TCE,PCE)의 제거능력이 뛰어나다.

적철석은 양전하를 띠는 전기적 특성으로 인하여 음전하를 띠는 모래 입자에 코팅하기가 쉽다. 그리고 여러 가지 흡착 제거 물질중 가장 안정한 형태를 띠고 있다.

우리가 본 공법에 선택한 반응물질인 환원 슬래그는 비용적인 측면에서 위의 두 물질에 비해 매우 유리한 이점을 갖고 있다. 영가철 가격의 약 1/2000 수준으로 매우 저렴하며, 제철소에서 지속적으로 생겨나기 때문에 수급이 매우 용이하다. 그리고 pH가 높을수록 높은 제거효율을 갖기 때문에 약염기성을 띠는 군북광산 주변지역의 지하수에 적용하는데 유리한 점을 지니고 있다. 그리고 다른 반응물질들에 비해 장기적 운영 측면에서 유리하기 때문에 지속적인 처리가 필요한 군북광산 주변지역에 적용하기에 이상적인 반응물질이라고 할 수 있다.

환원슬래그를 반응물질로 이용하여 투수성 반응벽체를 설치할 경우 지하수 내 비소의 농도가 87%감소한다는 연구 결과가 있다.(이수연, 2010) 목표 정화지역의 지하수 속 비소의 농도는 평균 0.36mg/L로서 투수성 반응 벽체를 통과하고 나면 약 0.047mg/L의 비소가 잔류할 것으로 예상되며 이는 먹는 물 기준 0.05mg/L 이내에 포함된다.

예상되는 정화 공정은 다음과 같다. 목표 지역을 3 구역으로 나누어 사전조사와 토양세척법을 각각 실행함으로써 총 정화 기간을 단축시킬 수 있다. 따라서 토양세척법과 투수성 반응벽체의 설치까지 총 2년의 시간이 소요될 것으로 예상되며, 이후 주기적으로 투수성 반응벽체의 반응물질인 환원 슬래그를 교체해주는 작업이 필요하다.

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