KR100900305B1 - 복토설계장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복토설계장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 복토설계장치는 폐기물 적치장에 적층되어 폐기물 더미에 산소가 유입되는 것을 방지하는 복토층을 설계하기 위한 것으로서, 상단부가 개방되어 있는 본체, 본체의 내측에 설치되며, 소정 크기 이하의 입자만 통과할 수 있는 다수의 구멍이 형성된 망상으로 이루어져 그 상부에 폐기물 적치장의 복토 재료로 사용되는 복토 매질이 적층되는 지지판과, 본체의 개방된 상단부를 개폐할 수 있도록 본체의 상단부에 분리가능하게 결합되며, 본체의 내측으로 가스를 유입시킬 수 있도록 가스유입포트가 형성되어 있는 커버부재 및 본체의 하단부와 지지판의 사이에 배치되어, 본체의 상단부로 유입되어 복토매질을 통해 배출된 공기 중의 산소 농도를 측정하는 산소센서를 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

복토설계장치{Apparatus for cover system design of waste rock file}

본 발명은 폐기물 적치장 위에 적층되어 폐기물에 공기와 접촉되어 산화되는 것을 방지하기 위한 복토층을 설계 및 연구하기 위한 복토설계장치에 관한 것으로서, 특히 탄광 폐석장에 적용되는 복토층 및 복토설계장치에 관한 것이다.

광산 활동에 의한 환경오염과 관련하여 산성광산배수(AMD, Acid Mine Drainage)에 의한 영향이 심각한 것으로 보고되고 있으며, 그 생성 매커니즘, 환경오염영향 및 처리방안에 관한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 즉, 산성광산배수에 의한 오염을 방지하는 적극적인 처리방법으로서 물리화학적 처리시설과 소택지(wet land), ALD(Anoxic Limestone Drain), SAPS(Successive Alkalinity Producing System) 등의 처리시설이 개발되고 있다. 그러나 이러한 처리시설은 주로 폐광의 갱내에서 배출되는 갱내수를 처리하기 위한 것으로서, 국내 폐광산 주변에 형성되어 있는 폐석 적치장 또는 광미 적치장에서 발생되는 침출수를 처리하는데 적용하기에는 적합하지 않은 문제점이 있다. 최근 폐광산에 대한 수질조사 결 과, 도 1a 및 도 1b에 나타난 사진(산성 침출수에 의하여 붉은 색을 띠고 있는 토양 등)과 같이, 폐석적치장의 폐석 더미로부터 배출된 침출수에 의한 지표수에 대한 오염은 물론 우물과 같은 지하수에 대한 오염도 확인되고 있는바, 탄광 폐석 적치장의 폐석침출수에 대한 오염방지 및 처리방안이 시급히 요구되고 있는 실정이다.

광산폐석장 복원기술은 오염토양의 복원방법과 유사하게 오염물질의 확산을 방지하는 오염확산방지기술과 오염물질을 제거하거나 분해시켜 무해화하는 오염제거기술로 나누어진다.

대표적인 오염확산방지기술로는 복토, 식재(植栽), wet disposal 등의 방법이 있다. 복토는 광산폐석장 내부로 유입되는 물(물 내의 산소)과 공기(산소)를 차단하기 위하여 인위적으로 주변 환경과 폐석 더미를 격리하는 것으로서, 차수재를 이용하여 폐석 더미를 매립하거나 불투수벽을 이용하여 폐석 더미를 격리시킨 후 그 상부에 복토매질을 적층시켜 시행한다. 식재를 하게 되면, 식물 뿌리의 호흡과 종속영양미생물의 활동으로 광산폐석장 내의 이산화탄소의 양을 증가시킴으로써 철산화박테리아가 억제될 뿐만 아니라, 복토층이 바람에 의하여 침식되는 것을 방지할 수 있어 매우 효과적이다. 이러한 오염확산방지기술 중 복토와 식재는 향후 자원고갈에 따라 광미와 같이 유용성분이 다량 함유된 폐기물이 자원화될 때 이를 유용하게 사용할 수 있다는 장점과 함께 매우 경제적이며 적용성이 높다는 장점이 있는바 많은 활용이 요구된다.

그러나, 국내에서는 단지 탄광폐석장에 토양을 적층시키는 것만으로 복토를 시행하는바, 복토 매질에 따른 산소투과율, 복토 매질의 적층 구조, 복토 매질의 선택에 있어서 효용성과 경제성, 탄광의 특성에 맞는 복토설계에 관한 연구가 부족한 실정이다. 이에 따라, 복토 설계를 위한 많은 연구를 통한 자료의 축적이 요구되는 실정이다. 특히, 산성광산배수는 폐석이 산소와 접해서 생성되는 것이므로, 복토에 있어서 복토 매질과 적층 구조에 따른 산소투과율에 대한 연구를 통한 자료축적이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복토 설계에 대한 연구를 진행함에 있어 복토층의 복토 매질과 적층 구조에 따른 산소투과율을 측정하기 위한 실험장치인 복토설계장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

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상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복토설계장치는 폐기물 적치장에 적층되어 폐기물 더미에 산소가 유입되는 것을 방지하는 복토층을 설계하기 위한 것으로서, 상단부가 개방되어 있는 본체, 상기 본체의 내측에 설치되며, 소정 크기 이하의 입자만 통과할 수 있는 다수의 구멍이 형성된 망상으로 이루어져 그 상부에 상기 폐기물 적치장의 복토 재료로 사용되는 복토 매질이 적층되는 지지판, 상기 본체의 개방된 상단부를 개폐할 수 있도록 상기 본체의 상단부에 분리가능하게 결합되며, 상기 본체의 내측으로 가스를 유입시킬 수 있도록 가스유입포트가 형성되어 있는 커버부재 및 상기 본체의 하단부와 상기 지지판의 사이에 배치되어, 상기 본체의 상단부로 유입되어 상기 복토매질을 통해 배출된 공기 중의 산소 농도를 측정하는 산소센서를 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 커버부재에는 상기 본체의 내측으로 가스를 유입시 키기 위한 가스유입포트가 형성되어 있으며, 이 가스유입포트는 질소탱크가 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 본체의 하단부와 지지판 사이에는 상기 본체 내의 가스를 배출하기 위한 가스배출포트가 형성되어 있고, 이 가스배출포트에는 가스의 배출을 가이드하는 배출관이 연결되며, 상기 배출관 통해 외부의 공기가 상기 본체의 내측으로 유입되는 것을 방지하도록 상기 배출관의 단부는 수조에 침지되어 있는 것이 더욱 바람직하다.

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상기한 바와 같이 간단한 구성으로 이루어진 복토설계장치를 이용한 실험을 통해 다양한 복토 매질의 산소투과율에 대한 자료는 물론 산소투과율을 저하시킬 수 있는 적층구조에 대한 자료를 축적할 수 있어 복토 설계를 체계적으로 진행할 수 있는 기초를 제공할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 복토설계장치를 통해 폐석적치장의 주변 환경에서 쉽게 구할 수 있는 복토 매질들에 대한 산소투과율 실험 및 적층 구조에 따른 산소투과율 실험을 현장에서 수행할 수 있는바, 환경 조건에 맞는 경제적인 복토설계를 행할 수 있다는 장점이 있다.

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이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복토설계장치에 대하여 상세히 설명한 후, 복토설계장치에 의한 실험 데이터를 기초로 본 발명에 따른 복토층에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

광산 활동으로 인하여 발생된 폐석 또는 광미에는 다량의 황철석(FeS)이 포함되어 있으며, 황철석의 산화에 의하여 폐석적치장 주변의 수질오염과 토질오염의 주 오염원으로 작용하는 산성배수가 생성된다. 황철석의 산화반응은 아래와 같다.

FeS₂ + 3.5O₂ + H₂O → Fe^{2 +} + 2SO₄ ^{2 -} + 2H⁺ - - - (1)

Fe^{2 +} + 0.25O₂ + H⁺ → Fe^{3 +}+ 0.5H₂O - - - (2)

Fe^{3 +} + 3H₂O → Fe(OH)_3(S) + 3H⁺ - - - (3)

FeS₂ + 14Fe^{3 +} + 8H₂O → 15Fe^{2 +}+ 2SO₄ ^{2 -}+ 16H⁺ - - - (4)

위 반응식들을 살펴보면, 황철석은 산화에 의해 Fe^{2 +}가 형성(1)되고, Fe^{2 +}가 다시 산화되어 Fe^{3 +}가를 형성(2), Fe^{3 +}가로 인해 철 수산화물이 침전(3)되며, Fe^{3 +}가 산화제로 작용하여 다시 Fe^{2 +}가와 산도(acidity)를 형성(4)하게 된다. 위 반응에 의하여 발생된 철이온 또는 수소이온은 지하수 등에 유입되어 산성배수를 형성하게 된다. 상기한 바와 같은 메커니즘에 의하여 황철석이 산화되지 않게 하기 위해서는 황철석과 산소가 접촉되지 않게 하여야 하는데, 이를 복토라 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 광산 폐기물 적치장(w)의 상부에 토사 등을 덮어 토사층(c, 복토층)을 형성함으로써 폐석이 공기 중의 산소에 노출되지 않게 하는 복토 방법이 사용된다. 또한 산소는 공기 중에는 물론 물 내에도 존재하는바, 복토층(c)은 빗물 등이 폐석 더미에 유입되는 것을 방지하는 작용도 수행한다.

상기한 바와 같이 복토층(c)을 형성함에 있어, 산소의 차단율을 향상시키기 위해서는 다양한 요인들 예컨대, 복토 매질의 종류, 복토층의 두께, 복토층의 구성, 공를률, 투수율 등이 고려되어야 한다. 또한, 산소차단율과 함께 경제성이 고려되어야 한다. 그러나 종래에는 복토층을 형성함에 있어 이러한 요인들에 대한 구체적 자료를 근거로 복토층을 설계하지 않았으며 이러한 자료들도 충분히 존재하 지 않았는바, 여러 가지 요인에 따른 복토층의 산소차단율을 알아낼 수 있는 복토설계장치(100)가 본 발명에 의하여 제공된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복토설계장치의 개략적 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복토설계장치(100)는 본체(10), 지지판(20), 커버부재(30) 및 산소센서(40)를 구비한다.

본체(10)는 대략 원통 용기 형상으로 이루어져 복토층을 이루는 복토 매질(m)이 수용된다. 이 본체(10)는 상단부가 개방되어 공기가 유입될 수 있도록 되어 있다. 또한, 본체(10)는 투명한 아크릴 재질로 이루어져 본체(10) 내측에 수용되는 복토 매질(m)을 육안으로 확인할 수 있게 되어 있다. 본체(10)의 하측에는 그 측면에 본체(10) 내부에 가스를 배출시키기 위한 배출공(11)이 형성되어 있고, 이 배출공(11)에는 가스배출포트(12)가 설치된다. 또한, 가스배출포트(12)에는 밸브(13)가 결합되어 가스배출포트(12)를 개폐할 수 있다. 이 가스배출포트(12)에는 가스의 배출을 가이드하는 배출관(14)이 연결되어 있다. 이 배출관(14)을 통해 역으로 공기가 본체(10)의 내측으로 유입되는 것을 방지하기 위하여, 이 배출관(14)의 단부는 수조(19)에 담겨진 물에 침지되어 있다.

상기 지지판(20)은 복토 매질(m)을 본체(10) 내에서 지지하기 위한 것으로서 본체(10) 내측의 하단부, 보다 구체적으로는 가스배출포트(12)의 상방에 설치된다. 이 지지판(20)은 다수의 구멍이 형성되어 있는 망상으로서 40메쉬(mesh) 내지 200메쉬의 체가 사용된다. 이 지지판(20)에는 복토 매질(m)이 놓여지지만, 복토 매질(m)을 통과하여 나온 공기는 지지판(20)의 구멍들을 통해 본체(10)의 하부로 배 출된다.

상기 커버부재(30)는 본체(10)의 개방된 상단부를 개폐하기 위한 것으로서, 본체(10)에 볼트(b) 등에 의하여 분리가능하게 결합된다. 커버부재(30)가 본체(10)에 결합되면 본체(10)의 상단부와 커버부재(30) 사이에 소정의 공간(a)이 형성된다. 커버부재(30)의 일측에는 상기 공간(a)으로 가스를 유입시키기 위한 가스유입공(31)이 형성되어 있다. 가스유입공(31)에는 가스유입포트(32)가 설치되며, 가스주입관(34)은 가스탱크와 가스유입포트(32)를 상호 연결시킨다. 본 실시예에서는 질소 가스가 가스유입공(31)으로 주입되는바 질소가스탱크(39)가 연결되어 있다. 가스유입포트(32)에는 밸브(33)가 설치되어 질소 가스의 유입량을 조절할 수 있다. 한편, 커버부재(30)도 본체(10)와 마찬가지로 투명한 아크릴 재질로 이루어져 있어, 커버부재(30)의 내측을 확인할 수 있게 되어 있다.

상기 산소센서(40)는 본체(10)의 하단부와 지지판(20) 사이의 공간(b)에 배치되어 이 공간(b)에 있는 공기 중의 산소농도를 측정하기 위한 것이다. 본체(10)의 하단부와 지지판(20) 사이의 공간(b)에 있는 공기는 본체(10)의 상단으로부터 복토 매질(m)을 통해 유입된 것이다. 산소센서(40)는 공지의 부재로서 예컨대 출원번호 제10-2004-0105217호의 특허출원 명세서에 개시된 산소센서 등이 사용될 수 있다. 이 산소센서(40)는 전선(l)을 통해 저장장치(50)에 전기적으로 연결된다. 산소센서(40)에 의하여 일정 시간 간격으로 측정된 산소의 농도는 저장장치(50)로 전송되어 기록 및 디스플레이된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복토설계장치(100)는 가열수단과 감열수단을 구비한다. 폐석적치장 등에서 계절에 따라 온도변화가 매우 심하게 일어나므로 본체(10)의 온도조건을 실제와 동일하게 형성하기 위하여 가열수단과 감열수단이 마련된다.

가열수단은 복토 매질(m)이 놓여져 있는 본체(10)의 온도를 증가시키기 위한 것으로서, 본 실시예에서는 가열수단으로 전열코일(60)이 채용되며, 이 전열코일(60)은 본체(10)의 외주면을 감싸며 결합된다.

감열수단은 복토 매질(m)이 놓여져 있는 본체(10)의 온도를 감소시키기 위한 것으로서, 본 실시예에서는 복수의 열전소자(70,thermoelectric element)가 사용된다. 상기 복수의 열전소자(81)는 밀폐용기(10)의 외주면에 장착되어 수용부(19)의 열을 흡수함으로써 온도를 감소시킨다. 상기 열전소자(81)는 공지의 부재로서 특허공개번호 제10-2006-0104687호에 개시된 것과 같은 열전소자를 사용할 수 있다. 각 열전소자(70)는, 널리 알려진 바와 같이, 발열부 및 흡열와, 상기 발열부 및 흡열부 사이에 배치된 펠티어반도체소자와, 펠티어반도체소자에 전류를 인가하기 위한 도선(미도시)을 구비한다. 전류의 인가시 상기 발열부는 온도가 상승하게 되고 흡열부는 온도가 하강하게 되며, 이에 따라 발열부는 주위로 열을 방출하고 상기 흡열부는 주위의 열을 흡수하게 된다. 열전소자(70)에 의하여 수용부(19)의 온도는 영하로 형성될 수도 있다. 또한, 본체(10)의 외주면에는 단열재(80)가 감싸져 있어 외부로 열전달이 되는 것이 방지된다.

상기한 구성으로 이루어진 복토설계장치(100)의 사용방법에 대하여 설명한다. 우선, 커버부재(30)가 열려진 상태에서 연구의 대상이 되는 복토 매질(m)을 본체(10)의 내측 지지판(20)에 적층시킨다. 이 복토 매질(m)은 단일 매질일 수도 있고, 단일 매질을 혼합한 혼합 매질일 수도 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 매질이 층을 이루는 다층 구조일 수도 있다. 복토 매질(m)의 입자 크기는 지지판(20)에 형성된 구멍보다 크므로 지지판(20)을 통과해서 하방으로 유출되지 않지만, 복토 매질(m)을 통과한 공기나 가스는 지지판(20)을 통과할 수 있다. 복토 매질(m)을 장착한 후 커버부재(30)를 본체(10)에 결합시켜 본체(10)를 밀폐시킨다. 이후, 가스유입포트(32)를 통해 질소 가스를 본체(10)의 내측으로 유입시킨다. 본체(10) 내부에 있던 공기들은 복토 매질(m)과 지지판(20)을 통해 본체(10)의 하방으로 밀려나가 본체(10) 하단의 가스배출포트(12)와 배출관(14)을 통해 배출된다. 배출관(14)은 수조(19) 내에 담겨져 있는 물에 침지되어 있으므로, 역으로 배출관(14)을 통해 공기가 본체(10)로 유입되는 것은 방지된다.

상기한 바와 같이 질소가스를 주입시켜 본체(10) 내의 공기를 모두 배출시키고 난 후, 커버부재(30)를 개방시키고 일정한 시간 간격마다 산소센서(40)에 의하여 산소의 농도를 측정한다. 즉, 커버부재(30)를 개방시킨 순간부터 대기 중의 공기는 복토 매질(20)을 통해 본체(10) 하부의 공간(b)으로 유입될 수 있는바, 복토 매질(20)의 공기투과율(산소투과율)을 측정할 수 있게 된다. 일정 시간 간격으로 측정된 산소의 농도는 저장장치(50)에 기록 및 디스플레이된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 복토설계장치(100)를 사용하면, 폐석적치장에 일정한 복토층을 성토하였을 때, 복토층을 통과하여 폐석더미로 유입되는 산소의 양을 측정할 수 있는바 복토층의 효율을 검증할 수 있다. 또한, 다양한 복토 매질에 대한 실험을 진행하여 각 복토 매질의 산소차단율 및 최적의 복토구조를 연구할 수 있다. 또한, 전열코일(60)과 열전소자(70)를 이용하여 실제 폐석적치장의 온도 조건을 만들어서 온도 변화에 따른 복토층의 효율을 측정할 수도 있다.

상기한 복토설계장치(100)를 이용하여 여러 종류의 복토 매질과 구조에 대한 실험을 행하였으며, 도 9에 도시된 바와 같은 산소차단율이 우수한 복토층을 개발하였다. 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복토층의 구조를 보여주는 개략적 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 복토층(R)은 폐석적치장(w)에 적층되는 것으로서, 점토(사질 점토)로 이루어져 폐석 더미에 적층되는 제1점토층(R1)과, 모래로 이루어져 제1점토층(R1)에 적층되는 모래층(R2)과, 점토로 이루어져 모래층(R2)에 적층되는 제2점토층(R3)을 구비한다.

제1점토층(R1)과 제2점토층(R2)은 서로 동일한 두께(d1=d3)로 형성되며, 모래층(R2)의 두께(d3)는 제1,2점토층(R1,R2)에 비하여 1.5배로 형성된다. 즉, 전체 복토층(R)의 두께를 60Cm로 하는 경우, 제1,2점토층의 두께는 각각 15Cm이며, 모래층(R2)의 두께는 30Cm로 된다. 모래층(R2)의 두께는 전체 복토층의 두께에 대하여 4/10 이상으로 설정되는 것이 바람직하며 이에 대해서는 실험결과를 참조하여 후술하기로 한다.

한편, 제1,2점토층(R1,R3)에 사용되는 점토는 이른바 산토양으로서 대한민국에서 흔하게 구할 수 있는 토사이다. 상기 모래와 점토는 모두 조립토(200메쉬 체 통과율이 35% 이하의 토양)이다. 모래층(R2)은 모래와 함께 물을 포함하는데 모래 의 중량에 대한 물의 중량의 비인 함수율이 5% ~ 15% 정도이며, 롤러 등을 이용하여 소정의 압력으로 다짐이 이루어진 층이다. 다짐을 하는 이유와 함수율에 대해서는 실험결과를 설명할 때 함께 설명하기로 한다.

상기한 바와 같이, 복토설계장치(100)를 이용하여 복토 매질로 빈번하게 사용되는 자갈, 점토, 모래에 대하여 산소차단효율에 대한 실험을 진행하였다.

본 실험에 사용된 자갈, 모래, 점토는 미국 농무성에서 개발된 삼각좌표 분류에 의하면 자갈, 모래, 사질 점토에 해당된다. 또한 통일분류에 의하면, 세 가지 모두 조립토(200mesh 체 통과율 50% 이하)에 해당되며, 자갈은 GW(입도가 좋은 자갈), 모래와 점토는 SW(입도가 좋은 모래)에 해당된다. 마지막으로 미국도로교통협회 분류법에 의하면 역시 세 가지 모두 200mesh 체 통과율 35% 미만으로 조립토에 해당한다.

자갈, 모래, 점토를 단독 혹은 혼합하여 30cm 두께의 복토실험을 진행하였다. 도 4는 이들을 대상으로 진행한 시간별 산소농도 측정결과를 보여준다. 실험에 사용된 복토재료는 다짐을 하지 않은 상태로 충전하였으며 물이 포함되어 있지 않은 건조된 재료를 사용하였다. 본 실험에 앞서 아크릴로 제작된 복토설계장치 자체의 정밀도(산소 유입 가능성)를 확인해 보기 위해, 빈 복토설계장치만을 이용하여 산소를 제거한 후 시간별 산소 유입량을 측정해 보았다. 실험결과 24시간 동안 약 1.0% 정도의 산소가 유입되는 것으로 측정되었으며, 이는 산소센서의 정밀도(± 1.0%) 범위에 해당하는 결과이다. 비다짐 30cm 복토 실험 결과, 모두 10시간 이내에 대기와 유사한 약 20% 정도의 산소가 유입된 것으로 측정되었다. 가장 빠르게 산소가 유입되는 매질은 모래만을 충전(공극률=0.40)한 것으로 입도가 가장 규칙적인 매질이다. 반면 불규칙적인 입도를 갖는 산토양과 모래, 자갈의 혼합매질(공극률=0.28)이 산소유입 속도가 가장 느렸다. 이는 불규칙한 입도를 갖는 매질을 혼합하였을 때 산소투과율이 낮아짐을 의미하고, 이와 같은 원인은 작은 입자가 큰 입자 사이의 공극을 메워주기 때문이다. 하지만 비다짐 복토실험 결과는 다짐을 하지 않고 광산폐석장에 30cm 정도의 복토가 진행되었을 때 복토 매질과 관계없이 내부로 유입되는 산소를 차단하는 효과가 거의 없음을 보여주고 있다.

비다짐 30cm 실험과 동일한 방법으로 점토, 모래의 단독 복토와 점토와 모래, 점토와 모래와 자갈을 혼합(각각 60cm)하여 복토한 후 시간별로 유입되는 산소농도를 측정하였다. 도 5는 이들을 대상으로 진행한 시간별 산소농도 측정결과를 보여준다. 실험 결과 모두 24시간 이내에 대기와 유사한 약 20%의 산소농도를 보였다. 이는 60cm 정도의 복토를 수행하여도 다짐을 하지 않으면, 30cm 두께의 복토 결과와 마찬가지로 하부로 유입되는 산소를 전혀 차단하지 못하고 있음을 보여준다.

다짐시험 결과를 통해 최적함수비를 이용하여 다짐한 후 각 복토매질의 내부로 유입되는 산소농도를 측정해 보았다. 도 6은 다짐한 모래, 점토의 단독 복토와 점토와 모래, 점토와 모래와 자갈을 혼합(각각 30cm)하여 복토한 후 시간별로 유입되는 산소농도 측정결과를 보여준다. 자갈만을 이용한 경우 다짐을 할 수 없기 때문에 본 실험에서 제외하였다. 실험결과, 산소차단 효과가 가장 높을 것으로 기대되었던 다짐한 30cm 점토 복토실험의 경우, 19시간 30분이 경과하였을 때 대기와 유사한 약 20%의 산소농도가 측정되어 다짐한 복토실험 중 산소차단 효과가 가장 낮게 나타났다. 반면 다짐한 30cm 모래 복토실험의 경우, 19시간 30분이 경과하였을 때 약 12% 정도만의 산소농도가 측정되었다.

이는 다짐한 모래층이 내부로 유입되는 산소를 차단하는데 효과가 높은 것을 의미한다. 실제로 모래만을 사용하여 다짐한 복토실험에서는 다른 매질로 충전했을 때 사용했던 미세압력으로는 질소가스가 유입되지 않았으며, 다소 압력을 증가시켰을 때 비로소 하부로 물이 떨어지며(복토매질의 함수율 변화가 발생) 질소가 유입되었다. 이러한 결과는 입자 안으로 물을 흡수하여 팽창하는 점토와는 달리, 입자와 입자 사이에 존재하는 물에 의해 결합되는 모래에 의해 발생되는 현상으로 모래 입자 사이에 존재하는 물에 의해 공기가 투과되지 못하기 때문에 가능한 것으로 판단된다.

한편 19시간 30분이 경과하였을 때 모래와 점토를 혼합하여 다짐한 복토실험은 약 19%, 점토와 모래, 자갈을 혼합하여 다짐한 복토실험은 약 18%의 산소농도가 측정되었다. 이는 비다짐 30cm 복토실험 결과와 마찬가지로 불규칙한 입자에 의해 내부공극이 줄어들었고, 복토 매질내 젖은 모래가 함유되어 있어 산소투과가 잘 이루어지지 않았기 때문에 가능한 것이라 판단된다.

흙의 다짐에 대하여 설명한다. 흙의 다짐은 일반적으로 롤링(rolling), 탬핑(tamping)이나 진동과 같은 역학적인 방법에 의해 수행되며, 공극을 감소시켜 충전밀도(bulk density)를 증가시킨다. 따라서 다짐은 흙의 공극률과 투수계수를 감소시키고, 전단강도와 지지력을 증가시키게 된다. 실내다짐시험에서 다짐에너지의 크기에 따라 다짐방법을 크게 분류하면 표준다짐시험(standard Proctor test)과 수정다짐시험(modified Proctor test)이 있다. 표준다짐시험방법은 내경 100mm, 높이 127.3mm(부피 1,000cm³)의 몰드에 흙을 3층으로 나누어 넣고 각 층마다 2.5kg의 해머를 30cm의 높이에서 25회씩 떨어뜨려 다짐을 하는 방법이다. 수정다짐시험방법은 내경 150mm, 높이 125mm(부피 2,209cm³)의 몰드에 흙을 5층으로 나누어 넣고 각 층마다 4.5kg의 해머로 45cm의 높이에서 55회씩 떨어뜨려 다짐을 하는 방법이다. 한국산업규격 KS F 2312에서는 몰드의 크기와 해머무게의 조합에 따라 다짐방법을 A, B, C, D, E의 5가지 방법으로 나눈다. 본 실험에 사용된 다짐시험은 KS F 2312-91(96), ASTM D 698-91(98), AASHTO T 79-90 시험에 준하여 수행하였으며, 수정다짐시험방법인 D 방법으로 다짐하였다. 한편, 토양을 다짐할 때 이 토양이 물을 머금은 정도 즉, 함수율이 다짐의 효율에 영향을 미친다.

실험에 사용된 복토 매질인 점토, 모래, 점토와 모래를 부피비(vol) 1:1로 혼합한 토양, 점토와 모래와 자갈을 부피비 1:1:1로 혼합한 토양에 대한 다짐시험을 통해 얻은 충전밀도/함수비가 도 7에 나타나 있다. 다짐시험 결과, 점토는 약 9.5%의 함수비에서, 모래는 약 10%의 함수비에서 가장 높은 충전밀도를 나타내었으며, 점토와 모래를 혼합한 토양은 약 8.5%, 점토와 모래와 자갈을 혼합한 토양은 약 7.5%의 함수비에서 가장 높은 충전밀도를 보였다.

앞서 수행된 3가지(비다짐 30cm, 60cm, 다짐 30cm) 실험결과를 토대로 다짐한 60cm 복토실험을 수행하였다. 실험은 산소차단 효과가 높은 것으로 나타난 모래 층을 복토 시 중간층에 적용하고자 하였으며, 하부로 침투되는 물을 최소화하기 위해 모래층 상부에 다짐한 점토를 이용하여 복토하는 개념을 적용했다. 모래층 하부에는 모래층으로부터 빠져나가는 물을 잡아주고, 공극률이 큰(광산폐석장) 하부로 모래가 쓸려 내려가는 것을 방지하기 위하여 역시 점토를 이용해 복토를 진행하였다.

실험은 4가지 복토방법에 대해 진행되었으며 모두 하부에는 다짐한 점토를 중간층에는 다짐한 모래층을, 모래층 상부에는 다시 다짐한 점토층을 복토하였다. 실험에 적용된 복토방법은 첫째 점토(20cm)+모래(20cm)+점토(20cm), 둘째 점토(15cm)+모래(30 cm)+점토(15cm), 셋째 점토(10cm)+모래(40cm)+점토(10cm), 넷째 점토(10cm)+모래(15cm)+점토(10cm)+모래(15cm)+점토(10cm)으로 적용하였다. 도 8에 그 결과가 도시되어 있다.

다짐한 모래층을 사이에 둔 4가지 복토방법에 대한 실험 모두가 기존에 진행된 비다짐의 단일매질과 혼합매질 복토실험, 다짐이 적용된 다짐매질과 혼합매질 복토실험과는 달리 내부로 유입되는 산소가 현저히(20시간 동안 최대 약 6%) 줄어들었다. 다짐한 60cm 복토실험 중 산소 유입양이 가장 낮은(20시간 동안 약 2%) 방법은 복토매질 사이에 다짐된 40cm 모래층을 적용한 경우이다. 하지만 이 결과는 다짐한 30cm 모래층을 적용한 경우와 거의 유사한 산소농도가 측정되었다. 반면 20cm 모래층을 적용한 경우는 40cm나 30cm 모래층을 적용한 경우보다 20 시간 동안 약 4% 정도의 산소가 더 많이 유입되었다.

복토 매질로 모래를 사용할 경우 폐광산 주변에서 쉽게 얻을 수 없기에 복토 비용은 증가하게 된다. 따라서 복토비용의 증가를 고려하여 최소한의 두께로 모래를 사용하는 것이 경제적이라 판단된다. 이러한 저비용, 고효율 효과를 만들어 내기 위해 수행된 복토실험(점토10cm+모래15cm+점토10cm+모래15cm+점토10cm)에서는 다짐된 30cm 모래층을 적용했을 때 보다 많은 산소(20 시간동안 약 5% 정도)가 유입되는 것으로 나타났. 이는 동일한 양의 모래층을 적용할 때 분리하여 적용하는 것이 산소차단 효율이 떨어짐을 의미한다.

단순매질인 점토, 모래, 자갈을 이용하여 비다짐의 단일매질과 혼합매질 복토, 다짐한 단일매질과 혼합매질 복토, 다짐한 층별 복토 등의 복토를 수행한 후 내부로 유입되는 산소농도를 측정해 본 결과, 다짐이 적용된 일정 두께 이상의 모래층이 복토 매질 내부에 존재할 때 산소차단 효과가 높은 것으로 나타났다.

즉, 상기 실험결과를 종합적으로 판단하여 보면, 본 발명에서와 같이 모래층을 가운데에 두고 상하층에 각각 점토층을 형성하는 것이 바람직한데, 이는 투수계수가 작은 점토층이 모래층내 수분을 유지시켜 주기 때문으로 판단된다. 즉, 점토층을 구성하는 점토는 물을 흡수하여 팽창해 물을 차단하는 효과는 높지만 산소를 차단하는 효과는 떨어지는 반면, 모래층은 투수율은 높지만 점토와 달리 모래 입자와 입자사이에 물이 존재하여 결합되기 때문에 산소 차단 효과가 높다. 결국, 상하층의 점토가 모래 입자 사이에 존재하는 물이 외부로 배출되는 것을 방지해주며, 모래 입자 사이의 물은 공기를 차단하게 되는 것이다. 또한 모래층 내부에는 모세관력이 작용하고 있어 유입된 물이 밖으로 유출되는 것을 막아주고 있다

한편, 외부로부터 유입되는 물에도 산소가 존재하는바 물의 유입도 차단하여 야 하는데 점토가 물을 흡수하므로 물의 유입도 막을 수 있게 된다.

도 1a 및 도 1b는 탄광폐석장으로부터 배출된 산성 침출수에 의한 오염의 일례를 보여주는 사진이다.

도 2는 복토층을 설명하기 위한 개략적 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복토설계장치의 개략적 구성도이다.

도 4는 비다짐 단일(혼합) 복토 매질 30Cm를 적용한 복토층에 대한 산소투과율을 보여주는 그래프이다.

도 5는 비다짐 단일(혼합) 복토 매질 60Cm를 적용한 복토층에 대한 산소투과율을 보여주는 그래프이다.

도 6은 다짐 단일(혼합) 복토 매질 30Cm를 적용한 복토층에 대한 산소투과율을 보여주는 그래프이다.

도 7은 복토 매질의 함수율에 따른 다짐 효율을 보여주는 표이다.

도 8은 다짐한 복토 매질을 이용하여 60Cm의 다층 구조 복토층을 구성했을 때의 산소투과율을 보여주는 그래프이다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복토층의 구조를 보여주는 개략적 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ... 복토설계장치 10 ... 본체

20 ... 지지판 30 ... 커버부재

40 ... 산소센서 50 ... 저장장치

60 ... 전열코일 70 ... 열전소자

80 ... 단열재 w ... 폐석적치장

R ... 복토층 R1 ... 제1점토층

R2 ... 모래층 R3 ... 제2점토층

Claims (11)

1. 폐기물 적치장에 적층되어 폐기물 더미에 산소가 유입되는 것을 방지하는 복토층을 설계하기 위한 복토설계장치로서,

   상단부가 개방되어 있는 본체;

   상기 본체의 내측에 설치되며, 소정 크기 이하의 입자만 통과할 수 있는 다수의 구멍이 형성된 망상으로 이루어져 그 상부에 상기 폐기물 적치장의 복토 재료로 사용되는 복토 매질이 적층되는 지지판;

   상기 본체의 개방된 상단부를 개폐할 수 있도록 상기 본체의 상단부에 분리가능하게 결합되며, 상기 본체의 내측으로 가스를 유입시킬 수 있도록 가스유입포트가 형성되어 있는 커버부재; 및

   상기 본체의 하단부와 상기 지지판의 사이에 배치되어, 상기 본체의 상단부로 유입되어 상기 복토 매질을 통해 배출된 공기 중의 산소 농도를 측정하는 산소센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 복토설계장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 커버부재에는 상기 본체의 내측으로 가스를 유입시키기 위한 가스유입포트가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복토설계장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 본체의 내측으로 질소를 유입할 수 있도록, 상기 가스유입포트에는 질소탱크가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복토설계장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 본체의 하단부와 지지판 사이에는 상기 본체 내의 가스를 배출하기 위한 가스배출포트가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복토설계장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 가스배출포트에는 가스의 배출을 가이드하는 배출관이 연결되며,

   상기 배출관 통해 외부의 공기가 상기 본체의 내측으로 유입되는 것을 방지하도록, 상기 배출관의 단부는 수조에 침지되어 있는 것을 특징으로 하는 복토설계장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 산소센서에 의하여 측정된 산소의 농도를 기록 및 디스플레이하기 위한 저장장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복토설계장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 본체 내측의 온도를 증감시키기 위한 가열수단 및 감열수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 복토설계장치.
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