<지하수 및 토양오염>

정화설계 Term Project

군북 광산 주변지역 정화계획

- 군북 얼음골 휴양지와 주변 농경지를 중심으로

서울대학교 건설환경공학부

박재찬

<목차>

1. 군북 광산 소개	1

2. 기초 조사

2.1 샘플 채취 방법	2

2.2 광미장의 광물 찌꺼기 특성	2

2.3 샘플 채취 위치	3

2.4 지하수 특성	3

3. 오염도 조사

3.1 샘플 측정 결과 – 광미장	4

3.2 샘플 측정 결과 - 광산 주변 농경지	6

3.3 샘플 측정 결과 – 지하수	7

3.4 샘플 측정 결과 - 하천 퇴적토	8

4. 위해성 평가

4.1 위해성 평가 과정	9

4.2 위해성 평가 및 목표 위해성 산정 – 토양	9

4.3 위해성 평가 및 목표 위해성 산정 – 지하수	10

5. 정화 설계

5.1 토양 정화

5.1.1 정화 공법 선정	10

5.1.2 정화 설계	11

5.1.3 예상 결과	11

5.2 지하수 정화

5.2.1 투수성 반응벽체	12

5.2.2 정화 설계	12

5.2.3 예상 결과	13

6. 공정표	14

7. 참고 문헌	14

1. 군북 광산 소개

군북 광산은 경남 함안군 군북면 사촌리와 오곡리에 위치한 등록번호 제 1874, 11693호 외 4개로 이루어진 광산이다. 금, 은, 동을 채취하는 광산으로, 1915년 7월에 등록되어 1997년 10월 최종 광산 등록이 소멸되었다. 광산은 선광장 2개소, 폐석장 11개소, 광미장 4개소, 갱내수 3개소로 이루어져 있다. 광산 등록이 취소된 뒤 1998년 환경부 폐금속 광산 오염실태조사에서 오염원을 확인하였고, 1999년 광해 방지사업 실시 후 2009년 토양 및 수질오염을 확인하였다. 다음 표 1은 간략한 군북광산에 대한 정보이다.

표  군북 광산 기본 정보

광산명	군북 광산	광종	금, 은, 동
소재지	경남 함안군 군북면 사촌리, 오곡리	등록 번호	제 1874호,11693호외 4개
광산 이력	1915년 7월 등록 -> 1975년 휴광-> 광업권 소멸 -> 1995년 9월 신규 등록 -> 1997년 10월 소멸
광해 현황	선광장2개소, 폐석장11개소, 광미장4개소, 갱내수3개소
비고	1998년 환경부 폐금속광산 오염실태조사 오염원 확인 1999년 광해 방지사업 실시 2009년 광해방지사업 완료 사업장에 대해 환경오염영향 조사를 수행 하여 토양 및 수질오염 확인
주요 생산량	1975년까지 생산량 26,246M/T, 평균 품위 Au 19.4 g/t, Ag 75.2g/t, Cu 7.9%

현재 군북 광산 주변 지역은 여름에 휴양지로 사용이 되고 있어, 식당과 같은 휴양시설이 위치하고 있다. 매년 찾는 휴양객이 있는 만큼 시급한 정화 설계가 필요할 것으로 보인다.

군북광산 주변 기후는 계절간 기온 차가 큰 대륙성 기후, 강우량은 다른 지역과 비교했을 때 상대적으로 비가 고르게 오는 해안성 기후이다. 연평균 강우량은 1551.1mm로 많은 편이기 때문에 토양오염에 대한 확실한 대비가 필요할 것으로 보인다. 남북으로 뻗은 산지와 동쪽으로 뻗은 산지 사이에 위치해있고, 광산 주벼부근이 낙동강 본류와 이어지는 지천의 상류부로 정화계획이 필요할 것으로 보인다. 그림 1, 2는 강우량과 지형 조건에 대한 그림이다.

그림  설계지역 강우량 정보

그림  설계지역 주변 지형 특성

2. 기초 조사

2.1 샘플 채취 방법

(1) 광미장

심도 변화에 따른 오염을 위해 심도별(0~1, 1~2, 2~3, 3~4, 4~5, 5~6m)채취한다.

(2) 광산 주변의 토양 및 수계를 따른 농경지

오염가능성이 높을 것으로 예상되는 지역위주로 오염도 조사를 한다. 잡초와 유기물 등 이물질을 제거한 후 토양시료 채취기사용을 하여 표토(0~30cm)와 심토(30~60cm) 등 총 18개 지점에 대해 샘플을 채취한다.

(3) 하천퇴적토

하천퇴적토는 수계에서의 오염물질 운반 매개체 및 잠재 오염원이다. 즉, 하천퇴적토 오염 시 지표수와 지하수에 영향을 줄 수 있다. 오염원 하류 방향으로 500m당 1점씩 총 8점의 시료를 2mm표준체로 채질하여 채취하였다.

(4) 지하수 시료

광산 주변 지역의 기존 관측정 2개소와 신설 관측정 5개소에서 시료를 채취하였다. 중금속 분석용 시료는 0.45[eqn: mu]m membrane filter를 사용하여 여과한다. HNO[eqn: {} _{3}]를 첨가하여 pH 2.0이하가 되도록 산 처리한 뒤에 폴리프로필렌 재질의 시료병에 담아 냉장 보관한다.

2.2 광미장의 광물 찌꺼기 특성

광미장의 광물 찌꺼기 특성은 표 2 와 같다.

표  광물찌꺼기 특성

주요 구성물	광물 찌꺼기로 석영 SiO2가 50%, Al2O3이 15.6%
평균 비중	2.69t/㎥ 일반토양수준
평균 함수비	33.19%
평균 단위 체적중량	1.788g/㎤
공학적 특성	실트질모래(SM), 점토질모래(SC)
투수계수	4.87 x 10

2.3 샘플 채취 위치

그림 3 지도에 찍혀있는 점들이 샘플 채취 위치이다. 빨간색 동그라미, 빨간 별이 그려져 있는 곳이 광미장, 자주색 원은 농경지의 표층과 심층을 표시한 것이고, 파란색 사각형이 지하수 샘플 채취 위치이다.

그림  샘플 채취 위치

2.4 지하수 특성

조사결과 지하수위는 지표아래 1.8 ~ 3.2m 정도로 조사되었다. 그림 4의 왼쪽 자료를 보면 지하수가 강우의 영향을 크게 받아 건기에는 낮고, 우기에는 높게 나타나는 경향이 있음을 확인할 수 있다. 지하수위는 지형표고와 매우 높은 상관성이 있으며, 지하수의 유동은 정화 지역의 남측 산지에서 지하수 분수계를 이루어 북측으로 이동하는 특징이 있다.

그림  (왼쪽) 건기와 우기시 지하수위, (오른쪽) 지하수 흐름 방향

지하수의 특징을 파악하고자 pH, 온도, 용존산소량, 산화환원전위, 전지 전도도를 조사했다. pH에서 확인할 수 있듯이, 대체로 약 염기의 성질을 갖는다는 것을 알게 되었다.

표 3. 지하수 특성

3. 오염도 조사

3.1 샘플 측정 결과 – 광미장

표 4. 광미장 샘플 측정 결과

	광미 내 함량	배경토 함량	대책 기준치	비교
As	921.9mg/kg	7.5mg/kg	75mg/kg	122.1배
Cd	10.8mg/kg	0.6mg/kg	12mg/kg	18.4배
Cu	356.7mg/kg	30.8mg/kg	450mg/kg	11.5배
Pb	13.8mg/kg	15.7mg/kg	600mg/kg	0.8배
Zn	19.9mg/kg	30.8mg/kg	900mg/kg	0.6배

표 5. 광미장 샘플 측정 결과

표 4를 통해 광미내 중금속 분석 결과를 확인할 수 있다. 광미 내의 As, Cd, Cu가 배경토에 비해 매우 높은 함량을 갖고 있으며, 광미가 As, Cd, Cu의 주요 오염원임을 보여준다. 광미로부터 주변지약의 토양 및 지하수의 오염이 확산될것이 우려된다. 다른 중금속에 비해 비소의 오염이 심각하고, 카드뮴과 구리는 다소 우려되는 정도로 분석하였다. 경남환경백서 2011과 비교해본 뒤, 오염도가 비소의 대책기준치를 넘은 값임을 확인하였다.

표 6은 광미장에서의 분석 결과이다. 심도에 따른 분석결과, 0~4m 까지의 오염도가 높기 때문에 정화가 필요할 것으로 확인하였다.

표 6. 광미장 샘플 분석 결과

3.2 샘플 측정 결과 - 광산 주변 농경지

광산 주변 농경지에 대한 분석 결과는 다음 표 7과 같다. 표토의 pH는 4.8~6.3으로 중산성 및 중성, 심토의 pH는 5.1~6.4로 표토와 비슷한 것을 알게 되었다. 광산 주변지역의 분석 결과 토양 내 중금속의 양이 어느 정도 있긴 하였지만, 1지역 안전기준치를 모두 넘지 않았음을 확인하였다.

표 7. 광산 주변 농경지 샘플 채취 분석 결과

표 8. 광미장 중심으로 이격거리별 표층토 중금속 오염도

샘플 채취 결과 위의 표 X, 광미장을 중심으로 표층토의 이격거리별 중금속 오염량을 정리하였다.  0~200m에 오염이 집중되어 있음을 확인하였고, 정화의 필요성에 대해 확인하였다.

3.3 샘플 측정 결과 – 지하수

그림 5. 지하수 내 비소 오염도

그림 5는 지하수내의 비소 오염도를 측정한 결과로, 광미장으로부터 멀어질수록 오염도가 낮아짐을 확인할 수 있다. 정화 계획 지역 광산의 하천수와 비교를 해보면 지하수의 오염도가 35배 정도 높은 것으로 나타났다.

지하수오염에 대하여 건기와 우기와의 중금속 함량 비교 결과 동일한 지점에서 채취한 지하수 시료들은 일부개소를 제외하고는 중금속 분포함량이 증가된 것을 확인할 수 있다. 이는 우기시 강수에 의한 오염원이 이동되어 오염도가 높게 나타난 것으로 판단된다.

그림 6. 건기와 우기 지하수 내 오염 물질 농도

3.4 샘플 측정 결과 - 하천 퇴적토

표 9. 하천 퇴적토 오염물질 농도

그림 7. 하천 퇴적토 오염 물질 농도 표시 지도

표 9는 하처 퇴적토의 오염물질 농도이다. 분석 결과 대책기준치와 비교해보면 비소만 초과하는 것을 알 수 있다. 광미장 인근에서의 오염농도가 높지만 아래 하천지역에서는 낮아서 광미장에서의 오염원 정화가 중요하다는 것을 확인할 수 있다.

4. 위해성 평가

4.1 위해성 평가 과정

위해도 평가는 위험성 확인, 용량-반응 평가, 노출 평가, 위해도 결정의 과정으로 미국 환경 보호청(EPA)에서 제시하고 있다.

(1) 위해성 확인

비소는 미국 EPA에서 화학물질의 인체독성정도, 인체 노출량 등을 고려하여 화학물질의 Priority list를 설정한 결과 2003년에 이어 2005년에도 관리 대상화학물질 1위로 선정하였다. 또한 International Agency for Reasearch on Cancer(IARC)는 인체 역학조사를 근거로 하여 1970년부터 무기비소를 피부암과 폐암에 대하여 1급 발암물질로 평가

미국 환경보호청(EPA)과 국제암연구소(IARC)에서 제시하고 있는 유해물질 분류 등급과 일일섭취허용량을 기준으로 오염물질에 대한 발암가능성과 위험성을 확인하였다.

용량-반응 평가 과정으로 미국 환경보호청에서 제안한 평생 노출로 인한 유해영향이 나타나지 않는 체중 당 참고 섭취량(RfD)을 고려하였다. 위해도 결정은 발암잠재력(SF)을 이용하여 위해지수(HI) 및 초과위해 발암도를 구하였다.

4.2 위해성 평가 및 목표 위해성 산정 – 토양

(1) 오염농도에 따른 위해성

입력변수로는 아래와 같이 사용하였다.

비소오염농도 = 1876.4mg/kg

토양 섭취율 = 50×﷐10﷮−6﷯ kg/day

평균기간 = 70년

노출기간 = 30년

노출빈도 = 350 일/년

체중 = 70kg

reference dose = 0.0003mg/kg/day

slope factor = 1.5 kg-day/mg

(2) 목표 위해성 산정

위해성 분석 결과 HQ>!, cancer risk>10[eqn: {} ^{-4}]이므로 위험하다고 판정하였다. 정화를 위해 성인을 보호할 수 있는 정도의 목표 정화수준을 산정해보았다. 미국의 EPA에서는 초과발암위해도를 10[eqn: {} ^{6}]~10[eqn: {} ^{4}]으로 정하고 있다. 우리는 미국과 우리나라의 인구 차에 근거하여 목표 위해성을 10[eqn: {} ^{5}]로 정하였다.

4.3 위해성 평가 및 목표 위해성 산정 – 지하수

입력변수는 아래와 같이 사용하였다.

비소오염농도 = 4.45mg/L

일일 물 섭취량 = 2L/일

평균기간 = 70년

노출기간 = 30년

노출빈도 = 350 일/년

체중 = 70kg

reference dose = 0.0003mg/kg/day

slope factor = 1.5 kg-day/mg

토양 정화와 다르게 지하수는 10[eqn: {} ^{-4}]을 목표 위해성으로 정하였다. 지하수 오염도가 너무 심하였기 때문에 충분한 정화를 위해서는 10[eqn: {} ^{-4}]로 결정을 하는 것이 타당할 것으로 판단되었다.

5. 정화 설계

5.1 토양 정화

5.1.1 정화 공법 선정

중금속으로 오염이 된 토양을 정화하는 방법은 토양세척법, 토양 세정법, 고형화 및 안정화, 식물재배 정화법, 열탈착법이 있다. 이중 오염물질 처리능력, 토양특성 효율성, 정화비용, 정화 기간, 친환경성 등의 항목에서 각각 점수를 매겨 정화공법을 선정하였다. 우리나라에서 사용이 되지 않는 고형화 및 안정화나 정화기간이 긴 식물재배 정화법을 제외하고 토양세척법으로 정화를 하기로 결정을 하였다.

표 10. 정화 공법 항목별 점수표

5.1.2 정화 설계

아래의 그림X는 군북광산의 광미장 지역을 표시한 것이다. 광미장 면적과 우리가 정화를 목표로한 심도 4m를 곱한 부피는 121,915m[eqn: {} ^{3}]으로 계산이 된다.

그림 8. 광미장 면적 표시

기존 연구 결과 토양세척법에 들어가는 비용은 표 11과 같이 36,000m[eqn: {} ^{3}]당 23억 2천만 원으로 계산을 하였다. 따라서 본 정화설계 구간에는 연간 78.6억 원이 필요할 것으로 계산된다.

표 11. 토양세척시 필요한 비용

5.1.3 예상 결과

본 정화프로젝트의 토양 특성과 비슷한 지역에 대해서 토양 세척법을 진행한 연구 결과에 의하면 입경 1-3mm의 토양에 대해 세척시 오염물질이 7.7%만 남는다.(하동윤, 2002) 이 프로젝트에 대해서 평균 620.9mg/kg 의 오염 물질의 농도는 47.81mg/kg으로 목표 정화량에 비해 두배 가량 높다. 토양오염우려기준인 50mg/kg보다는 낮기 때문에 남는 오염물질의 농도는 식물정화재배법을 통하여 정화하기로 계획한다.

하동윤. 폐광산 광미 및 주변 오양토염에 함유된 비소의 토양세척법에 의한 제거 특성. 2002.

5.2 지하수 정화

5.2.1 투수성 반응벽체

그림 9 (왼쪽) 연속성 반응벽체 (오른쪽) 유도벽 부착 형태

투수성 반응벽체에는 두 가지 종류가 있다. 연속성 반응벽체와 유도벽 반응벽체가 그 두 가지 인데 유도벽 반응벽체 같은 경우 넓은 지역에 오염물질이 퍼져 있을 때 사용한다. 하지만 본 프로젝트의 설계지역은 광미장 부근 일정 지역에 대한 오염만 정화하는 것이 목표이므로 투수성 반응벽체를 사용하기로 한다.

5.2.2 정화 설계

지하수위보다 2ft정도 위까지 설치 반응벽체 내의 반응물질과 반응하지 않고 반응벽체 아래로 흐르는 것(under flow)을 막기 위해 대수층 1ft아래 깊이까지 설치해야한다. 즉 1.2~3.5m 깊이의 반응벽체를 설치한다.

벽체의 종류와 정화 지역 선정 후에는 벽체 안 반응 물질을 선정해야한다. 아래의 표 X는 반응물질별 특징이다. 일반적으로 영가철을 많이 사용하였으나, 본 프로젝트에서는 지하수의 pH가 약염기성이라는 점과 환원 슬래그가 영가철 가격에 비해 1/2000가격이라는 점에서 환원 슬래그를 반응 물질로 선정하였다.

표 12 투수벽 반응 물질별 특징

반응 물질	특징
영가철	- pH가 낮을수록 높은 제거효율을 가짐. - 염화 유기화합물(TCE,PCE)의 제거능력이 뛰어남
적철석	- 전기적 특성으로 인하여 모래에 코팅이 쉽다. - 흡착 제거 중 안정한 형태를 띠고 있음.
환원슬래그	- pH가 높을수록 높은 제거효율을 가짐. - 비용 측면에서 우수함. (영가철의1/2000) - 장기적 운영 측면에서 유리.

5.2.3 예상 결과

기존의 연구결과에 따르면 본 프로젝트 특성과 비슷한 환경의 실험에서 환원 슬래그를 사용한 투수성 벽체를 지나가면 비소의 농도가 87% 감소한다고 한다. (이수연, 2010)

이수연. 오염지하수 처리를 위한 전기로 환원슬래그의 사용 가능성 검토와 개방형 투수성 반응벽체에 관한 연구. 한양대학교. 2010

이 프로젝트에서는 현재 비소의 농도가 0.36mg/L이기 때문에 투수성 반응 벽체를 통과한 뒤 예상되는 결과는 0.047mg/L로 먹는 물 기준인 0.05mg/L를 충분히 만족할 것이라고 예상된다.

그림 10. 비소 농도 감소 그래프

6. 공정표

7. 참고 문헌

- 허선희. 식물재배정화법을 이용한 폐광산 토양내 중금속 제거 연구. 건국대학교 대학원.

2008.

- 토양복원 기술 및 사례집. 환경부. 2002.

- 이강호. 폐금속광산 지역 주민의 중금속에 의한 건강위해성 평가. 순천향대학교 대학원.

2013.

- 오창환. 군북광산 주변지역의 토양 및 지하수오염 평가. 2012.

- 고일원. 토양/지하수 환경의 투수성 반응벽체에서 나노크기의 적철석을 이용한 비소제거.

2004.

- 강창영. 군북광산 광물찌꺼기의 공학적 특성 평가. 2013

- 환경백서. 경상남도 환경정책과. 2012.

- 하동윤. 폐광산 광미 및 주변 오양토염에 함유된 비소의 토양세척법에 의한 제거 특성

2002.

- 김정대. Soil Washing을 이용한 폐광산에서 발생되는 광미 및 주변오염토양 처리. 2002.

- 이성득 외 5명. 유통 환제의 유해 중금속 함량 및 위해도 평가, 서울시

보건환경연구원.2012

-이진수 외 1명. 오염된 토양, 지하수 및 쌀의 인체노출에 따른 비소의 위해성 평가,

서울대학교 지구환경시스템공학부. 2005.

- 박정순. 서울시 일부 대중교통수단 내 포름알데히드 농도변화와 위해성평가.

가톨릭대학교 보건대학교. 2006.

- 이수연. 오염지하수 처리를 위한 전기로 환원슬래그의 사용 가능성 검토와 개방형 투수성

반응벽체에 관한 연구. 한양대학교. 2010.

- 환경부. 복합오염토양정화용 다기능성 토양세척시스템의 상용화 연구. 2009.