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탄광폐석장 특성화를 통한 복토설계 및 침출수 처리방안에 관한 연구

Title
탄광폐석장 특성화를 통한 복토설계 및 침출수 처리방안에 관한 연구
Other Titles
A Study on Cover System Design and Seepage Treatment System through the Characterization of the Waste Rock Pile in a Coal Mine
Author
고주인
Alternative Author(s)
Ko, Ju-In
Advisor(s)
김선준
Issue Date
2007-02
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
탄광폐석장의 특성화 연구를 토대로 복토설계 및 침출수 처리방안에 관한 연구를 진행하였다. 특성화 연구를 위해 강원도 정선군 사북읍에 위치하는 동원-우성탄광 폐석장을 연구지역으로 선정하고 물리탐사(전기비저항탐사와 탄성파탐사 등)를 수행한 후 4개의 시추공을 착정하였다. 이후 시추공에서 심도별 폐석시료를 채취하여 ABA test를 수행하였고, 침출수와 공내수 및 지역 강우를 채취하여 pH, 온도, 금속이온(FeT, Al3+, Mn2+ 등) 및 음이온(SO42- 등) 그리고 안정동위원소조성(δ18O, δD 및 δ34S)을 분석하였다. 또한 각 시추공의 심도별 온도 및 산소농도 단면도를 작성하였다. 연구지역의 특성화 결과를 바탕으로 수행한 복원방안 연구로는 첫째, 산소농도 측정장비를 이용하여 복토매질과 복토방법에 따른 산소차단효과를 파악하고 이를 통해 효과적인 복토를 시행하고자 복토설계에 관한 연구를 진행하였다. 둘째, 실내실험을 통해 탄광폐석장에서 발생되는 침출수 처리를 위한 유기물 투수성반응벽체의 적용가능성을 파악하였으며, 이의 현장 적용방안을 제시하고자 하였다. 침출수의 수질분석 결과는 폐석장 내부에서 황철석 등의 황화광물 산화가 이루어지고 있음을 확인시켜 주었으며, 산 발생 가능성이 높게 나타난 폐석의 ABA test 결과와도 일치하고 있었다. 시추공의 심도별 온도 측정 결과에서도 폐석장 내부에서 황화광물의 산화에 의한 온도증가 현상을 확인 할 수 있었고, 심도별 산소농도를 측정하여 페석장내 각 시추공의 깊이에 따라 공급되는 산소의 양이 다른 것을 확인할 수 있었다. 폐석장의 사면 가까이에 존재하는 시추공에서는 계절과 관계없이 심부까지 대기와 비슷한 약 20%의 산소가 공급되고 있어, 폐석장의 사면을 통해 산소의 상당 부분이 공급될 수 있음을 시사한다. δ18O와 δD 값의 분석을 통해 파악하고자 했던 폐석장에서의 온도상승을 간접적으로 확인할 수 있는 내부증발현상은 인지되지 않았으며, 건기와 우기에 채취된 폐석침출수 모두 δ34S값(7.3~7.8‰)이 빗물의 δ34S값(건기 4.4‰, 우기 6.3‰)보다 높게 나타나 황동위원소 분석만을 통한 폐석장내 황산화박테리아의 활동성 평가는 어려운 것으로 확인되었다. 하지만 황동위원소 분석과 함께 수행된 9K medium 배지를 이용한 배양실험 결과, 건기에 채취된 폐석침출수와는 달리 우기에 채취된 폐석침출수에서는 산화박테리아가 존재하는 것으로 나타나 폐석장내 황화광물의 산화를 촉진시키는 산화박테리아의 활동성이 확인되었다. 공내수와 침출수에 대한 산소동위원소의 조성을 이용하여 계산한 결과 폐석장 내로 유입되는 산소의 대부분(약 75%)은 강우에 의한 것으로 추정되었다. 또한 사면과 가까울수록 대기의 영향을 더 많이(평균 약 37~38%) 받은 것으로 조사되었다. 효과적인 복토를 시행하기 위해 수행된 복토설계에 관한 연구결과, 복토매질에 따라 다소 차이는 있으나 비다짐의 경우에는 산소차단 효과가 거의 없어 모두 24시간 이내에 대기와 유사한 약 20% 정도의 산소가 내부로 유입되고 있었다. 반면 최적함수비를 적용한 다짐 30cm 복토실험에서는 모래만을 사용했을 경우에 산소차단 효과가 높은 것으로 나타났으며, 이를 바탕으로 다짐한 모래층을 적용해 60cm 복토실험을 진행한 결과, 다짐한 일정 두께 이상의 모래층을 사이에 둔 매질에서 내부로 유입되는 산소를 차단하는 효과가 우수한 것으로 나타났다. 약 90일간 진행된 유기물 투수성반응벽체를 이용한 탄광폐석장 침출수 처리 실내실험 결과, 투수성반응벽체에서 처리된 유출수는 가동기간 내내 6 이상의 pH를 유지하였으며, 95% 이상의 FeT 제거효율과 97% 이상의 Al3+ 제거효율을 보였다. 또한 안정화(약 10일) 이후 황산염이온 제거효율이 평균 약 57%(단위부피당 처리된 평균 황산염이온의 양, 259.0 g/m3) 정도를 보이고 있어 탄광폐석장에서 발생되는 침출수를 위한 처리시설로의 가능성을 확인할 수 있었다.
The cover system and permeable reactive barrier (PRB) were suggested through the characterization of the waste rock pile in a coal mine. The Dongwon-wooseong coal mine located at Sabuk, Jeongseon, Gangwon-do, Korea was selected as a study area. The electrical resistivity survey and seismic refraction survey were carried out and four holes were drilled. The waste rock samples recovered from cores with depths were subjected to acid base accounting (ABA) test and depth profiles of temperatures and oxygen concentrations in four holes were prepared. The seepages and precipitation were analyzed for some metal ions (FeT, Al3+, Mn2+), SO42- and stable isotope compositions (δ18O, δD and δ34S) were determined. Laboratory scale experiments to suggest a cover system focused on the isolation of atmospheric oxygen and to develop a permeable reactive barrier using organic material for the treatment of seepage were carried out. ABA test results of waste rocks showing high acid producing potential well match to the physicochemical properties of seepage water indicating oxidation of sulfide minerals. Even though both profiles generally showed seasonal variation, when temperature and oxygen concentration profiles in four drill holes were integrated, the areas of active sulfide oxidation could be inferred. Especially drill holes located near to the open slope showed favorable conditions of oxygen supply. δ18O and δD of drill hole waters and seepages did not indicate any apparent evaporation process inside the waste rock pile. Even though higher δ34S values (7.3~7.8‰) of seepages than that of precipitation all year long do not support the activity of sulfur oxidizing bacteria (SOB), cultivation of SOB using 9K medium positively showed its existence. Calculation based on δ18O compositions of drill hole waters, seepages and sulfate ions indicated that oxygen of sulfate ion mostly came from the oxygen of precipitation (average about 75%), However, drill hole waters located near to the open slope revealed that they were more affected by atmospheric oxygen (about 38% in average) than others were. When uncompacted materials were used as cover material the capability of oxygen isolation was nil in both soil and sand up to 60cm column allowing the inflow of atmospheric oxygen within 24 hours. When compacted materials were used under optimum moisture content sand was far superior in oxygen blocking both in 30 and 60cm columns. And among various combination of multi-layered 60 cm column of compacted sand and soil the best result was from the sandwich design of sand inside (about 2% during 20 hours). A laboratory scale of permeable reactive barrier using organic material maintained pH above 6, FeT removal ratio above 95% and Al3+ above 97% for 90 days. Also its sulfate removal ratio was maintained at an average of about 57% after stabilization period of about 10 days. The organic material is composed of spent mushroom compost, sewage sludge, oak chip and limestone with same volume.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/149462http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000406616
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > DEPARTMENT OF GEOSYSTEM & ENVIRONMENTAL ENGINEERING(지구환경시스템공학과) > Theses (Ph.D.)
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