KR101313853B1

KR101313853B1 - 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법

Info

Publication number: KR101313853B1
Application number: KR1020110127186A
Authority: KR
Inventors: 권현호; 심연식; 이진수; 고주인
Original assignee: 한국광해관리공단
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-10-01
Also published as: KR20130060890A

Abstract

본 발명은 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법에 관한 것으로, 발전소에서 발생되는 석탄회인 비산재를 폐기하지 않고 폐석의 안정화 물질로 이용하여 폐석의 유실과 중금속의 용출 및 유동성을 억제를 목적으로 한다.
본 발명에 의한 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법은, 폐석 적치장의 폐석층 위에 폐석과 10~100㎛ 입도의 비산재를 혼합한 혼합 안정화제 또는 비산재와 복토재를 혼합한 복합 안정화제 중 어느 하나를 살포하여 안정화층을 형성하며, 상기 안정화층 위에 복토재를 살포하여 복토층을 형성하되, 상기 안정화층은 폐석층과 함께 교대로 반복되어 다층의 층상구조로 형성되며, 상기 폐석과 비산재를 혼합한 혼합 안정화제는 폐석 60~80중량%, 비산재 20~40중량%가 혼합되어 살포되고, 상기 비산재와 복토재를 혼합한 복합 안정화제는 복토재 60~80중량%, 비산재 20~40중량%가 혼합되어 살포된다.

Description

비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법{METHOD FOR STABILIZING MINE WASTE AGGREGATE YARD USING COAL ASH}

본 발명은 폐석 적치장 안정화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전소에서 발생되는 석탄회를 폐기하지 않고 폐석의 안정화 물질로 이용하여 폐석의 유실과 중금속의 용출 및 유동성을 억제할 수 있는 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법에 관한 것이다.

일반적으로 우리나라는 채탄, 채광, 선광, 그리고 제련과정 등의 광산활동을 해 왔던 크고 작은 폐광산이 수없이 분포되어 있으며, 그러한 폐광산은 물론 그 주변에는 광산폐기물(폐광석, 광미 등)이나 중금속 오염수(갱내수, 광산폐수 등) 및 중금속 오염 하천퇴적토 등의 노출에 따라 집중호우가 발생할 경우에는 이들로부터

비소나 납, 카드뮴, 구리, 아연 등의 중금속이 유출되어 광산 주변의 광범위한 농경지에 이르기까지 토양을 오염시키는 원인이 된다.

이러한 중금속은 인체 내에 축적될 경우 잘 배설되지 않고 우리 몸속의 단백질에 쌓여 장기간에 걸쳐 부작용을 나타내기 때문에 매우 위험하다. 예를 들어, 우리 몸 곳곳에 산소를 운반하는 헤모글로빈은 글로빈이라는 단백질에 철이 결합한 형태를 갖추고 있지만, 우리 몸 속에 수은이 들어와 글로빈에 철 대신 붙으면 산소

운반능력을 상실하게 된다. 또한 납은 신경과 근육을 마비시키고 카드뮴은 폐암을 일으킬 수 있으며 뼈를 무르게 하고, 망간은 뇌와 간에 축적되어 성장부진과 생식능력 저하를 유발하기도 한다. 중금속이 포함된 오염토양의 유동성은 그 중금속의 결합형태, 풍화 등의 외부조건 변화에 따른 생성물의 존재형태와 토양의 점토 및 수분함량, 토양수 pH, 미생물의 활성도 및 주변에서 발생하는 산성 광산배수(acid mine drainage) 등 토양의 물리 화학적 특성 및 주변 환경의 영향을 받게 되므로, 이에 따라 오염토양 내 중금속의 유동성으로 인해 오염농경지에 식재되는 농작물의 성장과정에서의 중금속 전이와, 중금속 오염 농작물의 유통은 심각한 사회문제로 대두되고 있으므로, 광범위한 규모의 오염토양에 의한 전이 피해를 줄이기 위하여 중금속 오염토양의 복원대책이 시급히 강구되어야 할 것이다.

본 발명은 폐석 적치장의 안정화를 위한 것이므로 이하에서는 폐석 적치장에 대해 한정하여 설명하기로 한다.

광산개발 중 갱도굴진, 광물의 선별과정 등에서 상당한 양의 폐석이 발생된다. 상기 폐석은 대개 폐석 적치장을 통해 적치되며, 폐석의 운반을 위한 운송비 등이 크기 때문에 광산 인근의 적합한 지형에 적치된다.

폐석 자체가 부가가치를 갖는 것이 아니기 때문에 큰 비용을 들이지 않고 자연 적치하고 있는 실정이며, 즉, 폐석 적치장의 유실 등을 고려하지 않아 지반 보강이나 안전 구조물을 시공하지 않고 적치하고 있다.

폐석 적치장은 대개 급경사의 사면을 형성하고 있으며, 폐석 적치장에 수로 등 우수 배제 구조물이 없을 경우 집중호우 등으로 인하여 폐석이 하부로 유실될 수 있다. 또한 폐석의 유실 방지를 위한 구조물을 시공한 경우에도 폐광 이후 장기 방치되면 구조물이 붕괴되어 폐석이 유실될 우려가 있을 수 있다. 폐석이 하부 농경지나 하천으로 유실될 경우 폐석에 잔존하는 중금속 광물에 의해 토양 및 수질 오염 등 2차 피해가 발생할 수 있으며 이러한 피해를 복원하기 위해서 많은 비용을 투입하고 있다.

따라서, 폐석 적치시 폐석의 유실을 방지하고 중금속의 유동성을 막을 수 있도록 처리할 수 있으면 많은 비용을 들여 안전 구조물을 시공할 필요가 없고 유실로 인한 2차 오염도 막을 수 있으므로 이에 대한 방안이 필요한 실정이다.

한편, 석탄을 에너지원으로 하는 화력발전소에서 원료인 석탄은 무기질 분을 함유하기 때문에 연소 후에 무기질 분이 석탄회(ash)로 남게 된다. 현재 우리나라 전력공급의 상당부분을 화력발전소에 의지하고 있으며 이에 따라 화력발전소에서 사용하는 석탄의 사용에 따라 연소 후 생성된 석탄회가 증가하므로 이에 관한 처리가 문제시되고 있다. 이러한 관점에서 석탄회를 이용하기 위한 처리 방법이 여러 가지 제안되고 있는데 석탄회는 점토와 유사한 성상을 가지고 있어서 시멘트 첨가제, 건축용 벽돌, 제올라이트제조, 안료, 절연물질, 고분자 충진제 등으로 응용되어 왔다. 물론, 이와 같이 석탄회를 매립 폐기하지 않기 위한 재활용기술들이 제안되고 있긴 하지만, 많은 비용을 요구하고 있기 때문에 많은 양을 매립 폐기하고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1016790호 대한민국 공개특허 제10-1998-0047616호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발전소에서 발생되는 석탄회인 비산재를 폐기하지 않고 폐석의 안정화 물질로 이용하여 폐석의 유실과 중금속의 용출 및 유동성을 억제할 수 있는 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법은, 폐석 적치장의 폐석층 위에 폐석과 10~100㎛ 입도의 비산재를 혼합한 혼합 안정화제 또는 비산재와 복토재를 혼합한 복합 안정화제 중 어느 하나를 살포하여 안정화층을 형성하며, 상기 안정화층 위에 복토재를 살포하여 복토층을 형성하되, 상기 안정화층은 폐석층과 함께 교대로 반복되어 다층의 층상구조로 형성되며, 상기 폐석과 비산재를 혼합한 혼합 안정화제는 폐석 60~80중량%, 비산재 20~40중량%가 혼합되어 살포되고, 상기 비산재와 복토재를 혼합한 복합 안정화제는 복토재 60~80중량%, 비산재 20~40중량%가 혼합되어 살포되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법에 의하면, 발전소에서 발생되는 석탄회(비산재)를 폐석 적치장에 폐석과 함께 혼합하거나 층상 구조로 구현하여 폐석 적치장의 사면이 급경사를 이루더라도 폐석 적치장 사면의 유실을 막고 폐석에 함유된 중금속의 용출과 유동성을 억제할 수 있으므로 폐석 적치장 주변의 2차 오염을 방지할 수 있고, 유실 방지를 위한 안전 구조물의 시공에 따른 비용을 절감할 수 있다.

그리고, 석탄회는 화력 발전소에서 상당한 양이 발생되어 많은 비용을 들이지 않고 석탄회를 확보할 수 있으므로 저렴한 비용으로 폐석 적치장을 안정화할 수 있고, 석탄회의 매립에 따른 비용(부지확보 비용 등)을 절감하고 석탄회의 사용을 대폭으로 확대할 수 있다.

도 1은 석탄회의 입도를 보인 그래프.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 석탄회의 혼합 비율에 따른 오염물질 제거효율을 보인 그래프.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 pH와 EC의 변화를 보인 그래프.
도 4 내지 도 7은 각각 본 발명에 따른 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법에 의한 폐석 적치장의 단층도.

본 발명에 따른 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법은 석탄회(비산재)를 폐석 적치장에 폐석과 혼합하여 사용하거나 폐석 적치장 위에 층상 구조로 사용하거나 복토재와 혼합하여 폐석 적치장 위에 복토되거나 상층에 별도의 복토층을 구현하는 방법으로 폐석 적치장의 유실을 막고 중금속의 용출과 유동성을 억제하며 하기의 실시예를 통해 구체적인 안정화 방법을 설명하며, 먼저, 석탄회와 폐석의 반응에 대해 설명한다.

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1. 폐석의 특성.

일반적으로 폐석더미는 미립∼조립질의 암석(셰일, 사암 등)으로 구성되어 있으며, 부분적으로 물로 포화된 다공성 매질이다. 폐석더미를 구성하는 암석에는 여러 가지 황화광물이 존재하며, 황화광물 중에서 황철석(pyrite)이 가장 많이 분포하기 때문에 황철석은 산성광산배수 생성의 주된 원인으로 인지되고 있다. 아래 Ep. 1의 화학반응은 일반적으로 알려진 황철석의 산화 반응이다.

FeS₂ +

O₂ + H₂O → Fe² ⁺+ 2SO₄ ² ^-+ 2H⁺ Eq. 1

폐석내 황화광물은 위와 같은 반응을 통해 산성광산배수를 발생시키고, 동원-우성탄광의 산성광산배수 특징은 아래 표 1과 같다.

Sample	Sampling date	Temp. (℃)	pH	Fe (mg/l)	Al (mg/l)	Mn (mg/l)	SO₄ ^2- (mg/l)	Acidity (mg/l as CaCO₃)
산성광산배수	August 2002	16.1	1.69	454.30	123.00	1.44	9,017.01	2,518.07
산성광산배수	April 2005	5.2	2.25	166.30	100.90	5.01	1,741.22	1,147.80

2. 석탄회의 특성

석탄회는 입경의 크기에 의해 크게 2가지로 분류된다. 입경이 커 보일러 하부로 낙하되는 바닥재(Bottom ash)와 입경이 바닥재 보다 작아 집진기에서 포집되는 비산재(Fly ash)로 구분되며, 이 두 가지의 입경크기에 따른 표면적 차, 원소조성 차 등에 의해 처리효율이 상이할 것으로 판단되어 폐석 적치장의 안정화에 최적인 석탄회를 구하기 위하여 각 시료에 대한 처리효율 비교 실험을 수행하였다.

바닥재와 비산재의 화학적 특성은 하기의 표 2와 같다.

바닥재와 비산재 모두 70%이상이 SiO2와 Al2O3로 이루어졌으며, 바닥재는 표 2와 같이 SiO2 > Al2O3 > Fe2O3 > CaO > K2O > TiO2 > MgO 순으로, 비산재는 SiO2 > Al2O3 > K2O > Fe2O3 > CaO > TiO2 > MgO 순으로 조사되었다.

바닥재와 비산재가 혼합되어 있는 매립 석탄회의 입도분석 결과는 도 1과 같으며, 본 발명에서는 10~100㎛인 것이 바람직하다. 10㎛이하의 입도에서는 폐석 적치장 내 산성광산배수의 중화가 어렵고, 100㎛ 이상은 수급이 원활하지 않고 산성광산배수의 중화에 큰 차이가 없다.

바닥재와 비산재 각각의 혼합비율을 달리하여 증류수로 포장용수량 정도로 처리한 후 날짜별로 시료를 채취하여 중금속을 토양오염공정시험법에 준하여 추출한 후 측정하였다. 실험결과 대조구와 비교해 볼 때 비산재가 바닥재에 비해 처리효율이 좋은 것으로 나타났으며, 바닥재의 처리효율은 중금속에 따라 다소 차이는 있었으나 20-30%, 비산재는 30-40%의 처리효율을 보여주었다. 중금속별 처리효율은 Pb > Cu > Zn > Cd 순으로 조사되었다. 비산재가 바닥재에 비해 효율이 뛰어났던 것은 입도가 작아 넓은 표면적을 형성한데서 기인한 것으로 판단된다.

또한 비산재와 바닥재 모두 다량 함유된 칼슘, 마그네슘의 영향으로 석탄폐석 내에 존재하는 이산화탄소와 물과 반응하여 중탄산을 생성하여 pH가 상승하며 중화반응에 의해 중금속 안정화를 유도한다. 또한 석탄회에 함유되어 있는 CaCO3, CaO, MgO 등 알칼리 물질에 의한 pH 교정과 석탄회에 다량 함유되어 있는 CaCO3에 의해 중금속 이온이 화합물 형태로 석탄회 표면에 흡착 침전되는 안정화 메커니즘이 일어난다.

전술한 것처럼, 석탄회 중 바닥재와 비산재의 처리효율을 비교해 본 결과 바닥재보다 비산재가 처리효율이 더 좋은 것으로 조사되어 안정화제로 비산재를 결정하고, 실험을 통해 비산재의 최적 혼합비율을 도출하였다.

비산재를 5%, 10%, 20%, 40% 혼합 및 층위 처리하여 실험을 수행하였다. 실험결과 혼합비율에 따른 처리효율은 40% > 20% > 10% > 5%로 순으로 나타났으며(도 2a 내지 도 2c, 도면에서 대조구는 폐석만 처리된 것이다), 처리방법에 따른 효율은 비산재를 층위 처리한 것 보다 혼합 처리한 것이 오염물질 제거효율이 더 좋은 것으로 나타났다.

석탄회가 폐석의 안정화제로 사용될 경우 중금속의 안정화 기작으로 가장 큰 영향을 미치는 것은 pH 교정에 의한 중화능력으로 판단되어 여러 혼합비에 의한 폐석의 중화력 실험을 위해 비산재의 비율을 달리하여 증류수로 포화반죽한 후 48시간 동안 인큐베이션한 후에 필터링하여 pH와 EC(전기전도도)를 측정하였다. 도 3a와 도 3b는 석탄회의 중화력 실험 결과이다. 석탄광산에서 발생하는 폐석 및 침출수에 석탄회를 이용하여 중화하고자 할 경우 pH(산도)와 EC(전기전도도)를 결과에서 20-40%를 처리할 경우 중금속의 안정화를 유도할 수 있는 적정 수준의 pH를 만족하며 안정화 처리가 된 표면에 식생의 도입을 꾀할 경우 식물생육에 저해를 가하지 않는 EC를 만족할 것으로 판단되어 가장 적절한 안정화제 처리량인 것으로 결정하였다. 시험에 사용한 혼합비율에서 20% 이하의 처리량은 적정 수준의 산도를 만족시키지 못 하는 것으로 나타나며, 40% 이상의 처리량에서는 40% 수준을 처리했을 때와 비슷한 수준인 것으로 나타났다.

도 4 내지 도 7은 본 발명에 의한 폐석 적치장 안정화 방법의 예를 보인 단층도이다.

도 3은 폐석 적치장의 폐석층 위에 폐석과 석탄회를 혼합한 안정화제를 일정 두께로 살포하여 혼합 안정화층을 형성한 것이다.

상기 안정화제는 폐석 60~80중량%와 석탄회 20~40중량%가 혼합되어 이루어진다. 전술한 것처럼, 석탄회가 20중량% 이하로 혼합되면 폐석의 유실과 중금속의 중화 효과가 약하고 40중량% 이상 혼합되면 중금속의 중화에 큰 차이가 없다.

혼합 안정화층의 두께는 폐탄광의 폐석적치장에 적용하기 유용한 심도로, 많은 양의 폐석을 움직이지 않고 경제적으로 복원하기 위한 두께로 구체적인 수치로 한정하지 않는다.

안정화층(페석과 석탄회 혼합)은 페석층 위에 층상 구조로서 폐석과 석탄회의 혼합에 의해 구성되어 폐석에서 발생되는 산성광산배수내 중금속을 안정화하는 것으로 이는 폐석내 황화광물에 의해 발생되는 중금속을 석탄회가 갖고 있는 높은 pH와 중화물질을 이용해 침전, 흡착 및 공침 시키기 때문이다.

도면에 도시되지는 않았지만, 폐석과 석탄회의 혼합 안정화층은 폐석층과 교대로 반복하는 다층 구조로 형성될 수 있으며, 단, 최상위층에는 폐석과 석탄회의 혼합 안정화층이 형성된다.

도 4는 폐석 적치장의 폐석층 위에 석탄회 안정화층을 형성한 것이다. 즉, 폐석 적치장은 폐석층과 석탄회 안정화층의 층상 구조로 형성된 것이다.

폐석층과 석탄회 안정화층의 층상 구조에 따른 작용은 혼합에 의한 안정화 방법과 동일한 반응이며, 층상으로 적용하는 이유는 가행광산에서도 적용할 수 있기 때문이다. 즉 가행광산에서 폐석을 적치할 때 중화물질로 사용할 수 있는 석탄회를 동시에 적치하는 방법을 적용하기 위함이다.

도면에 도시되지는 않았지만, 석탄회 안정화층은 폐석층과 교대로 반복하는 다층 구조로 형성될 수 있으며, 단, 최상위층에는 석탄회 안정화층이 형성된다.

폐석이 혼합되지 않은 석탄회 안정화층의 두께는 10CM, 20CM일 수 있으며, 하부에 존재하는 폐석에 의해 발생되는 산성광산배수의 중화를 유도 할 수 있는 정도의 양과, 사면이 붕괴되지 않을 정도의 양에 따라 달라질 수 있는 것이므로 두께는 다양하게 변화 가능하다.

도 5는 폐석 적치장의 페석층 위에 폐석과 석탄회를 혼합한 안정화제를 일정 두께로 살포하여 혼합 안정화층을 형성하고, 혼합 안정화층 위에 복토재를 살포하여 복토층을 형성한다. 상기 복토재는 폐석 적치장의 녹화가 가능하도록 예를 들어 씨앗이 발아될 수 있는 양질의 토사인 것이 바람직하다.

상기 안정화제는 폐석 60~80중량%와 석탄회 20~40중량%가 혼합되어 이루어진다.

전술한 예와 마찬가지로 폐석과 석탄회의 혼합 안정화층은 폐석층과 교대로 반복하는 다층 구조로 형성될 수 있다.

복토는 식생을 원활하게 하기 위한 것이며, 단 복토재의 공급이 어렵기 때문에 식생을 위한 최소한의 두께로 한다.

도 6은 폐석 적치장의 폐석층 위에 석탄회와 복토재를 혼합한 안정화제를 살포하여 복합 안정화층을 형성한다.

또한, 석탄회와 복토재에 의한 복합 안정화층 위에 순수한 복토재만을 살포하여 복토층을 형성할 수도 있다.

석탄회와 복토재의 혼합 사용에 따르면 산성광산배수를 중화하고, 식생이 가능한 이점이 있을 것이다.

Claims

폐석 적치장의 폐석층 위에 폐석과 10~100㎛ 입도의 비산재를 혼합한 혼합 안정화제 또는 비산재와 복토재를 혼합한 복합 안정화제 중 어느 하나를 살포하여 안정화층을 형성하며, 상기 안정화층 위에 복토재를 살포하여 복토층을 형성하되, 상기 안정화층은 폐석층과 함께 교대로 반복되어 다층의 층상구조로 형성되며,
상기 폐석과 비산재를 혼합한 혼합 안정화제는 폐석 60~80중량%, 비산재 20~40중량%가 혼합되어 살포되고,
상기 비산재와 복토재를 혼합한 복합 안정화제는 복토재 60~80중량%, 비산재 20~40중량%가 혼합되어 살포되는 것을 특징으로 하는 비산재를 이용한 폐석 적치장 안정화 방법.
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