오염지하수 처리를 위한 전기로 환원슬래그의 사용 가능성 검토와 개방형 투수성 반응벽체에 관한 연구

Abstract

본 연구는 광산지역 내 지하수와 침출수에 대량 함유된 중금속을 투수성 반응벽체를 이용하여 제어하기 위한 목적으로 현재 투수성 반응벽체의 반응물질로 널리 사용되고 있는 영가철을 대신할 보다 경제적이고 효율적인 물질을 찾고자 수행하였다. 더불어 기존 투수성 반응벽체의 형태와 구조를 재조정하여 이들 물질에 대해 보다 효율적인 제어와 함께 보다 용이한 시스템 관리 방법에 대해 모색하였다. 대상 오염물질은 중금속 중 국내 광산 지역의 지하수 내에 가장 많이 함유된 것으로 알려진 비소와 카드뮴을 각각 음이온형 중금속과 양이온형 중금속의 대표물질로 선정하였다. 영가철을 대신하기 위한 반응물질로는 전기로 슬래그의 두 종류인 전기로 산화슬래그와 환원슬래그를 사용하였고 대상 오염물질에 대한 전기로 슬래그의 제어성을 있는 그대로 알아보기 위하여 크기 조절 외 어떤 전처리도 하지 않았다. 일정 농도의 비소와 카드뮴이 함유된 인공 오염수를 제조하여 영가철과 비교한 회분실험을 진행하였다. 실험 결과 전기로 산화슬래그는 비소에 대한 제거효과가 거의 없는 것으로 드러난 반면 전기로 환원슬래그는 영가철과 비교해서 제어에 불리한 보다 큰 입자를 사용했음에도 비슷하거나 보다 우수한 제거효율을 보였다. 카드뮴 제어에 있어서는 전기로 산화슬래그가 영가철에 비해 좀 더 뛰어난 제거성을 보였지만 전기로 환원슬래그의 제거효율에는 미치지 못하였다. 침출수가 발생하는 메커니즘에 착안하여 중금속으로 오염된 현장의 광미를 이용해 침출수를 제조하여 실험에 사용하였다. 비소와 카드뮴 외 다양한 물질이 존재하고 있는 침출수와의 반응에서도 전기로 환원슬래그는 영가철과 비슷한 높은 비소 제거율을 보였고 카드뮴 제거에 있어서는 영가철과 전기로 환원슬래그 모두 높은 제거율을 보였으나 초기 반응속도 및 최종 제거율 도달시간 면에서 전기로 환원슬래그가 영가철에 비해 더 앞선 우수한 특성을 보여 실제 침출수 내의 비소와 카드뮴 제거에 있어서도 전기로 환원슬래그가 효과가 있다는 사실을 알 수 있었다. 전기로 환원슬래그가 제거의 지속성을 보일 수 있는지에 대해 알아보기 위한 칼럼실험을 진행하였다. 같은 조건으로 실험을 진행한 영가철과의 결과를 20일 동안 비교, 분석한 결과 두 반응물질 모두 국내 지하수 수질기준을 만족시켜 전기로 환원슬래그의 비소와 카드뮴에 대한 제거성이 일시적이 아님을 보여주어 장기간의 사용에 대한 가능성을 높였다. 전기로 환원슬래그의 비소에 대한 제거기작을 규명하기 위해 다양한 분석기법을 이용하여 분석한 결과 전기로 환원슬래그 내 비교적 많은 양이 함유된 성분이 유력한 물질일 것으로 추정되었다. 다양한 실험을 통해 비소와 카드뮴의 제어에 대한 전기로 환원슬래그의 제거효율성이 입증된 만큼 전기로 환원슬래그의 사용성에 대한 다른 측면에서의 검토를 할 필요가 있어 관련조사를 시작하였다. 조사결과에 기초하여 새로운 방식의 투수성 반응벽체를 제안하였고 실험실 규모의 모형실험을 통해 사용가능성을 알아보았다. 50일 동안 진행된 실험에서 전기로 환원슬래그를 반응물질로 사용한 유출수의 비소와 카드뮴 농도를 분석한 결과 국내 지하수 수질기준은 물론 국내 음용수 수질기준, 미국 환경청 음용수 수질기준과 세계보건기구 음용수 수질기준을 모두 만족시켜 새로운 방식의 투수성 반응벽체인 개방형 투수성 반응벽체의 현장 적용가능성을 높였다.