81

제4장 광산배수에 의한 광해

4.1 개요

(1) 구분

가. 갱내수: 갱구를 통해 유출

나. 침출수: 광산폐기물 적치장에서 유출

(2) 산성광산배수(Acid Mine Drainage, AMD)

가. 황화광물의 산화작용에 의한 광산배수로서 중금속함량이 높음

나. 처리방법

ㄱ. 광산배수 유출을 근본적으로 차단하는 방법

- 갱내수 유출 갱도 봉쇄 방법

- 배출량 줄이는 방법

- 황화광물 집중 지층이나 광산폐기물 적치장에 물의 접촉 방지 방법

ㄴ. 유출된 광산배수를 처리하는 방법

- 물리화학적 및 생물학적 수처리 방법

- 석회석 수로나 인공습지 조성에 의한 자연정화법

4.2 산성광산배수 발생원인 및 환경적 영향

(1) 산성광산배수 발생원인

가. 산성광산배수 형성 물질

- 광산 채굴에 의한 암반 내 황화광물 함유

- 황화광물을 포함한 광산 채굴적 또는 광산폐기물

나. 산성광산배수 생성 요인(그림 4-1)

그림 4-1 산성광산배수 발생에 관여하는 요인(석탄산업합리화사업단, 1995)

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- 황화광물+산소 및 물 -> 산화작용 -> 자연수의 pH 낮춤(산성수) -> 중금속(알루미늄, 망간,

아연, 카드뮴, 납 등) 용출 -> 중금속 오염 산성광산배수 발생

- 박테리아(Thiobacillus ferooxidans 및 T. thiooxidans) 촉매작용 -> 산화속도 증가 -> 산성광

산배수 생성

다. 황화광물 중 광산배수 산성화에 가장 큰 영향을 주는 광물: 황철석(Pyrite, FeS2), 금속광산 및

석탄광산 함탄층 상하부의 흑색셰일에 많이 분포

라. 산성광산배수 생성단계의 화학적 반응식(그림 4-2)

- FeS HOO→FeSO HSO 반응에 의해 AMD 발생, 2가철 및 산이 물속에 부과

- FeSO HSO O→FeSO HOFeSO HO→FeOH↓HSO 반응에 의해 3가철로 산화, 철 수산화물 침전, 산

도 추고 부과, 이때 생성된 광산배수 물질은 노란색 및 적갈색의 퇴적물 생성

- FeSO FeS HO→FeSO HSO 3가철은 자체가 산화제이므로 이 반응에 의해

황철석 산화. AMD가 발생하면 산소 없이 황철석의 산화작용 계속 발생 가능

그림 4-2 산성광산배수 화학 반응식(Stumm and Morgan, 1981)

(2) 산성광산배수 발생경로

가. 노천개발광산

ㄱ. 광물 및 폐석적치장으로부터 분진과 부유물질에 의한 혼탁수 및 오염된 침출수 발생

ㄴ. 광물 및 폐석을 운반하는 과정에서 분진 등 발생

ㄷ. 광물의 파쇄장, 선광장 및 채광장 등으로부터 혼탁수 및 오염된 침출수 발생

나. 갱내개발광산

ㄱ. 석탄광산

- 가행탄광: 갱내수의 탁도 정도이지만 폐수처리시설에 의해 해결 가능(갱내 채굴지(채탄 및 굴진)

로부터 유출되는 갱내수, 폐석장으로부터 유출되는 침출수, 선탄장, 저탄장으로부터 발생되는

부유물질을 포함한 혼탁수, 기타 등에서 발생하는 오염수 등)

- 휴지 및 폐탄광: 오랜 기간 노출된 황화광물이 공기와 물과 접촉하면서 산성광산배수 발생시켜

지하수 pH를 낮춤(갱내 채굴지(채탄 및 굴진)로부터 유출되는 갱내수, 폐석장으로부터 유출되는

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침출수, 기타 폐탄광 주변 절개지 등)

ㄴ. 비금속광산

- 국내의 경우 대부분 부유물질에 의한 혼탁수가 원인이지만 큰 문제는 되지 않음

- 납석광산의 산성광산배수 유출 경우 주변 지질과 광상성인에 의한 영향 가능성이 큼

ㄷ. 금속광산

- 국내의 경우 채광 중 폐광된 금속광산(금, 은, 동, 연, 아연, 중석 등)의 갱내수나 광물찌꺼기 적

치장에서 중금속이 포함된 AMD 발생

(3) AMD에 의한 환경적 영향

가. 수질오염: 인위적으로 유입되는 오염물질에 의해 생활, 농업, 공업, 수산 등의 용수 목적에 맞

게 사용할 수 없는 상태로서 유입되는 오염물질의 종류에 따라 폐수의 성상이 달라짐

나. 축산폐수나 가정하수는 유기물이나 영양염류의 함량이 높으나 산업폐수나 공장폐수는 제조하

는 물질에 따라 유독성분부터 유기물까지 오염물질이 다양

다. 광산배수의 경우 황화광물을 포함하는 금속성분의 산화로 pH가 낮거나 중성이며, 유해한 중금

속성분이 고농도로 포함

다. 산성광산배수가 미치는 환경영향: 광산 주변 수계에 대한 수질악화 및 수생생물상에 대한 서식

처 파괴 등

라. 산성광산배수가 지표수 및 지하수를 포함한 물에 미치는 영향: 중금속 오염, 금속 수산화물의

침전과 이로 인한 시각적 혐오감, 산도의 증가, 탁도 발생, 설비 또는 콘크리트 구조물의 부식

촉진 등

마. 황화광물의 산화과정으로부터 형성된 산성광산배수가 광산주변 수계로 유입되면서 수로상에

노란색, 적갈색 등의 퇴적물(엘로우보이: Yellow-Boy)과 백색 침전물 현상 발생(그림 4-3)

그림 4-3a AMD가 배출되면서 발생하는 침전물, 갱구 유출수 예

84

그림 4-3b AMD가 배출되면서 발생하는 침전물, 광산폐기물 침출수 예

4.3 시료채취 및 분석

(1) 시료채취

가. 시료채취 방법

ㄱ. 오염원 하부 1차 수계의 하천수 및 지하수(음용수 위주)로부터 하부 수계방향을 따라 일정간격

으로 실시

ㄴ. 채수는 흐르는 물을 대표할 수 있는 부분에서 실시하고 침전물이 혼합되지 않도록 주의

ㄷ. 채수 시 공기유입이 최소가 되도록 채수병의 벽을 따라 흐르도록 하여 채우고, 운반 중 빈 공

간이 없도록 밀봉한 후 시료명, 채수위치, 채수일시, 기후, 기타 참고사항 기재

나. 측정 항목별 보존방법 및 보존기간(환경부 수질오염 공정 시험방법)

측정 항목 시료용기 보존방법 최대 보존기간

온도 폴리에틸렌용기, 유리병 - 즉시 측정

pH - - -

철, 니켈, 비소, 망간,

납, 카드뮴, 구리, 아연,

크롬

- NHO3, 2ml/l 6개월

6가 크롬 - 4℃ 24시간

다. 광산지역 수질측정, 시료채수 및 실내화학 분석과정(석탄산업합리화사업단, 1995)

85

광산배수 시료현장수질측정

수온, pH, Eh, 탁도,

전기전도도, 용존산소,

산도, 알카리도, Fe

채수 및 여과

(0.45μ 필터)

병입

농질산 첨가

상온 보관 냉장 보관

ICP 기기분석 ICP 기기분석

양이온 분석 음이온 분석

Na, Ca, K, Mg, Si,

Sr, Fe, Al, Li, Zn,

Mn 등

FClNO NOPO SO 등

(2) 유량측정

가. 측정용 수로에 의한 유량측정

ㄱ. 측정방법: 광산배수가 유출되는 위치에 수로상에 위어(Weir)나 파아샬플루움(Parshall flume,

그림 4-4)을 설치하여 유량 측정

그림 4-4 파아샬플루움 개략도

ㄴ. 직각 3각위어 및 4각위어 사용하여 유량 산출

- 직각 3각위어: ∙

86

: 유량(m3/분), : 유량계수=

×

, : 수로의 폭(m),

: 수로의 밑면으로부터 절단 하부점까지의 높이(m), : 위어의 수두(m)

적용범위: B=0.5~1.2m, D=0.1~0.75m, h=0.07~0.26m≦B/3

- 직각 4각위어: ∙∙

: 유량(m3/분), : 유량계수=

×∙

∙

, : 수

로의 폭(m), : 수로의 밑면으로부터 절단 하부점까지의 높이(m), : 위어의 수두(m), : 절단

의 폭(m), : 위어의 수두(m)

적용범위: B=0.5~6.3m, b=0.15~5m, D=0.15~3.5m, bD/B2≧0.06

나. 용기 등에 의한 측정

ㄱ. 측정방법: 유량이 소량 유출되는 경우 유수를 용기에 받아서 측정

ㄴ. 유량 산출

: 유량(m3/분), : 측정용기의 용량(m3), : 유수가 용량 V를 채우는데 걸리는 시간(sec)

(3) 현장측정 및 시료분석

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- 현장 측정 항목: pH, 용존산소, 수온, 전기전도도, 산도, 알카리도, 탁도 등

- 측정방법: 휴대용측정기를 이용하여 30분 이상 간격으로 2회 이상 측정 분석하여 산술평균하여

산출

- 광산배수 시료분석: Hg를 포함하여 양이온 중금속(Cd, Pb, Zn, Cu, Ni, Zn 등)은 원자흡광광도

법, 흡광광도법, 유도결합플라즈마 발공광도법을 이용하여 분석, 음이온 중금속은 이온크로마토

그래피법을 이용하여 분석

가. 현장측정

ㄱ. 수소이온농도(pH)

- pH: 용액이 산성이나 염기성 여부를 나타낸 것으로 수중에 존재하는 수소이온농도를 그 역수의

상용대수로 나타내는 값, pH logH H 수소이온논도moll- pH<7: 산성, pH=7: 중성, pH>7: 염기성 (자연상태 먹는 물 pH: 5.8~8.5, 토마토 쥬스 pH:

4.5, 위산 pH: 2.0, 암모니아 pH: 12, 정상적인 빗물 pH: 5.6)

- pH가 금속 수산화물 용해도에 미치는 영향(그림 4-5): pH가 감소함에 따라 용해도 증가. 금속

의 용해도, 이동도가 광산배수의 pH에 의해 좌우됨

ㄴ. 용존산소

- 용존산소(Dissolved Oxygen, DO): 물속에 용해되어 있는 산소 분자(mg/l)

- 순수 DO: 9mg/l(19℃)에서 포화상태에 이르며 보통 수온이 상승하면 용존산소량은 감소함

- 측정방법: 윙클러-아지드화나트륨변법, 격막전극법

ㄷ. 전기전도도

- 전기전도도: 용액이 전류를 운반할 수 있는 정도로서 단면적 1㎠, 거리 1cm의 상대전극 상이에

있는 용액의 전도도(mS/m, miliSiemens per meter or 1mS/m=10μmhos/cm)

- 온도, 이온의 형태, 농도 및 결합력 등에 영향을 받음

- 전도성 용질 농도가 높으면 높을수록 전기전도도는 커짐

그림 4-5 pH에 따른 금속이온의 용해도

88

ㄹ. 산도

- 산도(Acidity): 알카리도를 중화시킬 수 있는 능력으로서 수중의 탄산, 무기산(황산, 염산, 초산

등)등의 산성을 중화하는데 필요로 하는 알카리 양을 탄산칼슘의 값으로 환산하여 나타낸 값

(ppm)

ㅁ. 알카리도

-알카리도(Alkalinity): 산을 중화시키거나 완충할 수 있는 능력으로서 수중의 탄산염(CO), 중탄

산염(HCO), 수산화물(OH)의 형태로 함유되어 있으며 이들의 농도를 탄산칼슘(CaCO)의

값으로 환산하여 나타낸 값(ppm)

- 수소이온(H)을 흡수할 수 있는 능력 (신선한 물의 알카리도 20~200ppm)

나. 실내분석

ㄱ. 흡광광도법(Absorptiometric Analysis, AA)

- 빛이 시료용액 중을 통과할 때 흡수나 산란 등에 의해 강도가 변화하는 것을 이용하는 것으로서

시료물질의 용액 또는 적당한 시약을 첨가하여 발색시킨 용액의 흡광도를 측정하여 시료 중의

목적 성분을 정량하는 방법(그림 4-6)

- 파장 200~900nm에서의 액체 흡광도를 측정하여 수중의 오염물질 분석에 적용

광원부 파장선택부 시료부 측광부

그림 4-6 흡광광도 분석장치

ㄴ. 원자흡광광도법(Atomic Absorption Spectrophotometry, AAS)

- 시료를 적당한 방법으로 해리시켜 중성원자로 중기화하여 생긴 지저상태의 원자가 원자증기층을

투과하는 각 원소의 특유파장에 대한 흡광도를 측정하여 시료중의 원소 농도를 정량하는 방법

(그림 4-7)

그림 4-7 AAS 분석장치의 구성

ㄷ. 유도결합플라즈마 발광광도법(Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy, ICP)

- 시료를 고주파 유도코일에 의해 형성된 알곤 플라즈마에 도입하여 6000~8000oK에서 여기된

원자가 바닥상태로 이동할 때 방출하는 발광선 및 발광강도를 측정하여 원소의 정성 및 정량분

석에 이용하는 방법(그림 4-8)

89

그림 4-8 ICP 분석장치의 구성

ㄹ. 이온크로마토그래피(Ion Chromatography, IC)

- 액체시료를 이온교환컬럼에 고압으로 전개시켜 분리되는 각 성분의 크로마토그램을 작성하여 분

석하는 고속액체 크로마토그래피의 일종으로서 물 시료 중 음이온(FClNONOPOBrSO)의 정성 및 정량분석에 이용(그림 4-9)

그림 4-9 IC 기본구성

4.4 광산배수 처리방법

(1) 갱구폐쇄 방법

- 폐광된 광산의 갱구를 폐쇄시켜 공기의 유입을 억제하여 산화작용을 제어하는 방법으로서 광산

90

으로부터 AMD 생성을 억제 또는 감소시키는 것이 목적(그림 4-10)

그림 4-10 광산배수 유출과 공기유입을 방지하는 갱구처리 개념도

- 방법: 갱도밀폐(완전 밀폐형), 하부갱도 차단(Overflow형), 공기차단법(그림 4-11)

가. 갱도밀폐(완전 밀폐형)

ㄱ. 광산으로부터 물이 방류되지 못하도록 플러그를 설치하여 완전히 갱도를 막는 방법

나. 하부갱도 차단(Overflow형)

ㄱ. 하부에 있는 갱도를 완전히 차단하고 개방된 상부갱도까지 침수를 유도하여 갱내수가 유출되

도록 하는 방법으로서 황화광물 부광대는 갱내수에 침수되어 산화작용 억제 효과

ㄴ. 광산배수 수질향상, 수압 상승에 의해 물이 광산내부 및 균열대에 침투함으로 배수량 감소효과

다. 공기차단법

ㄱ. 플러그 시공이 불가능한 경우나 누수가 예상될 경우 고려되는 방법으로서 물은 방류되는 대신

공기 유입을 차단하여 산화작용 억제 효과

그림 4-11 갱도폐쇄 방법

(2) 유출된 광산배수 처리법

가. 산성광산배수 처리기술 분류 및 종류(그림 4-12, 그림 4-13)

91

ㄱ. 적극적 처리방식(Active treatment)

ㄴ. 소극적 처리방식(Passive treatment)

ㄷ. 유출된 산성광산배수 정화방법 결정: 오염부화, 수질정화, 정화부지, 유지비 등 복합적으로 고

려하여 선정

산성광산배수

처리기술

적극적 처리방식

(Active treatment)

소극적 처리방식

(Passive treatment)

pH 조정법ALD

(Anoxic Limestone Drain)

이온교환

SAPS

(Successive Alkalinity

Producing System)

생물학적 처리인공소택지

(호기성, 혐기성)

흡착처리OLD

(Oxic Limestone Drain)

전기화학처리DW

(Diversion Well)

물리공정 기타

그림 4-12 산성광산배수 처리기술의 분류 및 종류

그림 4-13 오염하부에 따른 처리기술 적합성(ERMITE, 2004)

나. 적극적 처리방식

ㄱ. 광산배수를 모아 인위적으로 화학약품 첨가나 기계적 교란을 통해 중화 및 산화를 촉진시키는

방법

- 광산의 수질상태 및 유량, 부지여건, 사후관리비용, 처리효율 등을 종합적으로 분석하여 결정

- 알카리제(석회, 가성소다, 탄산나트륨 등)를 사용하여 광산배수의 pH를 높임

92

- 금속류(철 등)를 높은 pH 조건하에서 산화시켜 금속 수산화물 형태로 침전시킨 후 응집제를 이

용하여 최종 침전시킴

ㄴ. 물리화학적 처리방법: 미생물의 생화학적 처리방법에 의한 자연정화법보다 정화효율이 우수하

고 정화부지가 적게 소요되지만, 유지관리비(화학약품, 전기동력 등)가 많이 소요됨

- AMD 중화처리방식: 산성광산배수를 일정기간 집수하여 균질한 수질을 만들고 집수지에서 알카

리제 등의 물질을 이용하여 중화과정, 산화속도 촉진을 위한 폭기, 산화제 투여나 생물학적 산

화과정, 중화 및 산화과정을 통해 생성된 부유물질과 오니(sludge)를 처리하는 공정으로 구성

ㄷ. 국내 석탄 광업시설: 중화제와 기계력을 이용한 고전적인 물리화학 정화법 사용

ㄹ. 폐탄광: 주로 자연정화법 적용되나 유량이 많고 오염도가 높을 경우 처리 곤란하므로 최근 소

석회 슬러지 반송법이나 전기정화법 적용

- 소석회 슬러지 반송법: 고농도 슬러지 반송법(High Density Sludge process, HDS) 개발

- 전기정화법: 전기에너지를 이용하여 산화환원반응을 발생시켜 중금속등을 흡착하는 방식

나. 소극적 처리방식

ㄱ. 미생물의 생화학적 작용에 의해 정화하는 자연정화식 처리기술(그림 4-14)

ㄴ. 친환경적, 유지관리비 적게 소요, 동력 불필 등의 장점이 있지만 물리화학적 처리방법에 비하

여 정화효율 미흡, 부지가 많이 필요함

ㄷ. 경제적으로 유지비용이 적게 소요되므로 국내 대부분의 폐광산에서 적용되는 정화방법. 일부

폐금속광(대구 달성광산, 부산 일광광산)에 적용되는 자연정화법은 주로 호시성 및 혐기성 소택

지를 다단계로 설치하여 정화처리(그림 4-15)

ㄹ. Limestone drain: 석회석의 중화특성을 이용하여 석회석과 산성광산배수를 접촉시켜 산성배수

를 알카리수로 변화시키는 방법으로 ALD(Anoxic Limestone Drain), OLD(Oxic Limestone

Drain)이 있음(그림 4-16)

그림 4-14 폐탄광 자연정화법 처리 계통도(남광수, 2004)

- ALD(Anoxic Limestone Drain): 광산배수 중 용존산소, 3가철, Al 등이 매우 적게 함유된 경우

혐기적인 석회석 배수층을 형성하여 이곳에 광산배수를 통과시켜 산성수를 중화처리하는 방식

- OLD(Oxic Limestone Drain): ALD와 유사하나 광산배수 수질이 더 산화환경인 경우에 적용하

며, 철 및 알루미늄 산화물이 OLD 내에 형성될 때 일정한 시간이 경과할 때마다 수두를 증가

시켜 주기적으로 산화물을 배출해 내는 방법

93

그림 4-15 폐금속광산에서 자연정화처리 예. 위 폐탄광(삼마-태정) 자연정화(왼쪽부터: SAPS→침

전조→소택지), 아래 폐금속광(달성) 자연정화(오른쪽부터: 혐기성→호기성소택지)

그림 4-16 ALD, OLD 개념도

ㅁ. SAPS(Successive Alkalinity Producing System)

94

- 광산배수의 산도가 높고 Fe3+의 농도가 높아 ALD나 알카리도를 공급하는 기존의 처리 시스템

으로 광산배수를 처리하기 어려울 때 사용(그림 4-17)

그림 4-17 SAPS 모식도(심연식, 2003)

ㅂ. 인공소택지(Constructed wetland)

- 호기성 소택지: 산화작용을 증대시킬 목적으로 설계되며 광산배수의 주요 흐름은 지표 흐름이

됨(그림 4-18). 산화작용 -> 수화작용 -> 침전작용에 의한 불용성 금속 화합물로 침강. 유입수

는 pH 5.5 이상 되는 광산배수에 적합. 겨울철에 광산배수 결빙되는 단점

그림 4-18 호기성 소택지 모식도

- 혐기성 소택지: 환원작용이 발생할 수 있는 조건의 소택지(그림 4-19). 황환원박테리아(Sulfate

Reducing Bacteria, SRB)를 이용하여 황환원 반응 유도하여 알카리도 발생시켜 금속원소를 황

화물 형태로 침전. pH 5 이하 광산배수 정화처리에 활용. 겨울철에도 가능

그림 4-19 혐기성 소택지 모식도

- 소택지 설계: 수리이론, 오염물 부하량, 수지분석(water balance) 및 경험식 등 이용(그림

4-20). 소택지 크기는 유량, 갱내수 알카리도, 수질에 따라 좌우. 정화조 면적, 기질물질의 부

피, 심도, 수리적 변수 등이 소택지 설계 인자로 중요함

95

그림 4-20 소택지에 의한 AMD 처리시스템 선정 흐름도(Hedin, 1994)

ㅅ. DW(Diversion Well)

- 노르웨이와 스웨덴에서 산성비에 의한 하천의 산성화를 막기 위해 고안된 방법

- 석회석이 채워진 웅덩이에 AMD를 2~2.5m 높이에서 떨어뜨려 석회층을 교란시켜 금속 수산화

물에 의한 석회석 표면의 피막형성을 억제시키는 방법(그림 4-21)

그림 4-21 DW 모식도 및 적용