KR101470345B1 - 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법은, 산성 토양에 요소와 우레아제를 주입하여 토양 내에 암모늄 이온을 형성함으로써 산성 토양을 중화처리한다. 또한 산성 토양에 칼슘원을 공급하여 요소와 우레아제의 반응을 통해 형성된 탄산과 결합하여 탄산칼슘을 생성함으로써 토양을 고결화한다.

Description

생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법{Method for remediating acidic soil using biochemical enzyme agent}

본 발명은 산성 토양을 복원하기 위한 환경 기술에 관한 것으로서, 특히 생화학적 효소 제제를 이용하여 폐광산 지역으로부터의 풍화된 광물 및 강우로 기인한 산성 토양의 복구 및 개량을 위한 방법에 관한 것이다.

전국의 많은 휴·폐 금속광산에는 폐광석과 광미사가 주변에 방치되어 있다. 이렇게 환경보호의 조치가 미흡한 지역에서는 중금속 및 황화광물을 다량 함유한 폐석과 광미가 유실되며, 산성배수(AMD, acid mine drainage)가 유출되어 심각한 토양오염을 유발하고 있다.

토양산성화에 가장 중요하고 큰 영향을 미치는 요인은 강우이며, 우리나라와 같이 강우량이 증발산량 보다 많은 기후조건에서는 광물에서 풍화되어 나오는 Ca^{2 +}, Mg²⁺, K⁺, Na⁺ 등과 같은 염류 용탈이 토양으로부터 계속해서 일어나기 때문에 토양이 산성반응을 나타내게 된다. 또한 우리나라의 토양은 대부분 염기함량이 낮은 화강암계통의 모암에서 유래되어 석회암지대 등 일부 염기함량이 높은 모암지대의 토양을 제외하고는 대부분 산성 토양이다.

강우와 지표토양의 반응에 의한 자연적인 요인과 더불어 산업화, 도시화 등의 근대화 과정에서 화석연료 사용으로 유발된 대기 중의 이산화황(SO₂) 및 산화질소(NO)에 기인한 산성 강우와 산성물질의 지표환경 유입에 의한 인위적인 요인이 토양산성화를 가속화하고 있다.

토양의 산성화는 토양의 CEC, BS(염기성원소 포화도), pH 완충능력을 감소시켜 토질을 악화시킨다. 또한 토양 내 영양분원소를 유출시키고 Al, Mn 원소를 활성화시킴으로서 식물 및 토양생태계에 악영향을 끼쳐 결과적으로 토양의 황폐화를 초래할 뿐만 아니라 수생태계로의 산성화를 확산시킬 수 있다.

탄화대, 광화대, 함황철석 안산암, 제3기층의 특이산성토, 광산 등의 황화광물을 함유한 지질 특성을 가지는 지역의 도로사면 및 절취사면에서 발생하는 산성배수(ARD, acid rock drainage)는 구조물의 수명과 안정성에 악영향을 줄 뿐만 아니라 주변지역 지표 토양환경의 산성화 및 환경문제를 야기할 수 있다.

이러한 산성화된 토양을 중화시키고 회복시키기 위한 중화제 물질로는 주로 무기물질인 석회석(CaCO₃), 소석회(Ca(OH)₂), 생석회(CaO), 카바이드 재(주성분이 Ca(OH)₂) 등이 사용된다. 일반적으로 중화제로서 석회석이나 석회고토가 많이 사용되는 것은 소석회보다 비용이 저렴하기 때문이다.

또한, 알루미늄 제조시 발생하는 산업 부산물인 Red Mud(적니, 적토), 상수도 정수장에서 폐기물로 발생되는 슬러지(alum sludge) 등을 활용한 산성토양 중화 및 개량을 위한 연구개발이 진행되기도 했다.

그러나, 아직까지 생화학적인 효소를 이용하여 산성토양을 중화 및 복구시키는 연구개발은 미미한 실정이다. 이에 폐광산 지역 및 주변에 광산 기인 및 강우 등으로 산성화된 토양을 복구하기 위하여 생화학적인 방법을 도입할 필요성이 제기되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 환경 기술 개발 요청에 부응하여, 산성 토양을 중화 및 개량함과 동시에 지반을 고결화할 수 있는 생화학적 제제를 이용한 산성 토양 복원방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생화학적 제제를 이용한 산성 토양 복원방법은, 산성 토양에 요소와 우레아제를 주입하여 상기 토양 내에 암모늄 이온을 형성함으로써 상기 산성 토양을 중화처리하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 요소와 우레아제를 동시에 또는 순차적으로 주입한 후 시차를 두고 상기 토양에 칼슘을 공급함으로써, 상기 요소와 우레아제의 반응을 통해 생성된 탄산 이온과 상기 칼슘 이온이 상호 결합하여 상기 산성 토양 내에 탄산칼슘이 형성되도록 한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 칼슘은 염화칼슘에 의해 제공된다.

또한 본 발명에서, 상기 우레아제와 요소 및 칼슘은 각각 액상으로 상기 산성 토양에 주입된다.

그리고, 제1용액은 요소에 물을 혼합하여 이루어지며, 제2용액은 우레아제에 물을 혼합하여 이루어지고, 제3용액은 칼슘에 물을 혼합하여 이루어지며, 상기 제1용액 및 제2용액을 상기 토양에 먼저 주입한 후, 상기 제3용액을 상기 토양에 주입하되, 상기 제1용액, 제2용액 및 제3용액을 모두 혼합한 전체 용액에서 요소는 0.1~10중량%, 우레아제는 0.01~10중량%, 칼슘은 0.2~20중량%를 차지하며, 잔부는 물로 이루어진다.

본 발명에서 상기 우레아제는 식물 및 미생물로부터 추출된 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서, 상기 토양은 점토질, 사질, 실트질 등을 포함하며, 산성을 띠는 토양에 모두 적용가능하지만, 특히 폐광산 지역의 토양에 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 산성화된 토양을 우수한 효율로 중화 및 복원하며, 생화학적인 반응으로 석출된 탄산칼슘으로 토양의 공극을 메우고 지지시켜 토양을 안정화시키는 작용에 유용하다는 이점이 있다.

본 발명은 향후 산성화된 토양의 황폐화 방지 및 토양 유실 복원에 매우 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법의 개략적 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법을 실증하기 위한 실험에 사용된 실험기구를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법을 실증하기 위한 실험에 사용된 용액이 나타난 표이다.
도 4는 본 발명에 대한 실험결과로서 시간의 경과에 따른 토양 시료의 pH 변화가 나타난 그래프이다.
도 5는 실험이 종료된 후 토양 내에 생성된 물질이 탄산칼슘인지 여부를 확인하기 위한 XRD 분석표이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법의 개략적 흐름도이다.

본 발명은 산성 토양을 중화하여 복원하기 위한 것으로서, 산성 토양 중에서 특히 폐광산에서 침출되어 나오는 광산배수에 의하여 강한 산성을 띠고 있는 토양을 복원하기 위한 것이다.

종래에는 산성 토양을 복원하기 위해서 석회석(CaCO₃), 소석회(Ca(OH)₂), 생석회(CaO), 카바이드 재(주성분이 Ca(OH)₂) 등 무기질 중화제가 많이 사용되었다. 그러나 본 발명에서는 생화학적 효소 제제를 이용하여 토양을 복원하는데 특징이 있다.

본 발명에서는 생화학적 효소 제제의 반응을 통해 암모늄 이온을 형성하여 중화제로 작용하게 하는데, 이를 위하여 요소와 생화학적 효소 우레아제를 사용한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서 산성 토양에 요소와 우레아제를 함께 또는 순차적으로 주입하면, 아래의 식(1)과 같이 요소와 우레아제가 반응하여 토양 내에서 암모늄 이온을 형성하는데, 칼슘의 공급원은 염화칼슘 이외에 다양한 물질이 사용될 수 있다.

(NH₂)₂CO + 2H₂O + 우레아제 2NH^{4 +} + CO₃ ^{2 -} ... 식(1)

암모늄 이온은 염기성을 띠어 산성 토양을 중화처리하여 토양을 복원하는 작용을 한다. 본 실시예에서 우레아제는 식물이나 미생물로, 예컨대 콩즙으로부터 추출된 것을 사용할 수 있다.

또한, 위 식(1)에 나타난 바와 같이, 요소와 우레아제가 반응하면 탄산이온이 형성되는데, 본 발명에서는 탄산이온을 이용하여 토양을 고결화시킴으로써 토양의 유실을 방지할 수 있다.

즉, 요소와 우레아제가 충분한 시간 동안 반응하여 탄산이온을 형성된 상태에서 토양에 칼슘을 공급하면, 아래의 식(2)와 같이, 탄산이온과 칼슘이온이 반응하여 고체상의 탄산칼슘이 형성된다. 탄산칼슘은 토양 입자 내의 공극을 채워서 토양이 고결화된다. 본 실시예에서 칼슘은 염화칼슘을 물에 용해시켜 칼슘 이온으로 형성한다.

Ca^{2 +} + CO₃ ^{2 -} CaCO₃(s) ... 식(2)

유의할 점은 칼슘은 요소와 우레아제를 토양에 주입한 후 일정 시간을 경과한 후에 공급해야 한다는 점이다. 요소와 우레아제는 토양에 공급함에 있어서 순차적으로 주입하거나 또는 먼저 혼합한 후에 주입하여도 암모늄 이온을 형성하는데 문제가 되지는 않지만, 요소와 우레아제 및 칼슘을 혼합하여 주입하게 되면 탄산칼슘이 미리 형성되어 토양 공극을 충진하지 못하기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에서, 요소, 우레아제 및 칼슘은 물과 혼합하여 수용액 상태로 형성하여 용이하게 토양에 주입할 수 있게 한다. 본 실시예에서는 요소를 포함하는 제1용액, 우레아제를 포함하는 제2용액 및 칼슘을 포함하는 제3용액을 준비하여 제1용액과 제2용액을 먼저 주입한 후 일정 시차를 두고 제3용액을 주입한다.

상기한 제1용액과 제2용액 및 제3용액을 모두 혼합한다고 가정하였을 때, 3개의 용액이 모두 합쳐진 혼합액 전체 중량에서 요소는 0.1~10중량%, 우레아제는 0.01~10중량%, 칼슘은 0.2~20중량%를 차지하며, 나머지 잔부는 물로 이루어진다.

상기 용액들의 비율은 탄산칼슘의 최대 생성량과 산성 토양의 복구 효율을 고려하여 이론적, 실험적 고찰에 의해 설정하였다. 즉, 칼슘원은 요소의 중량 대비 적어도 2배를 투입하는 것이 바람직하며, 우레아제는 요소의 중량 대비 최소 10% 수준이 바람직하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 요소와 우레아제를 반응시켜 암모늄 이온을 형성하여 토양을 중화시킴과 동시에, 요소와 우레아제의 반응에서 형성된 탄산이온에 칼슘이온을 공급하여 탄산칼슘을 형성하는데 특징이 있다. 즉, 중화처리와 동시에 토양의 고결화를 함께 수행할 수 있다. 토양이 고결화되면 토양이 강우 등에 의해서 유실되어 산성 토양이 확산되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 폐광 지역의 사면에서 종종 발생되는 사면붕괴, 산사태 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 산성을 띠고 있는 토양에 제1용액, 제2용액 및 제3용액을 현장에서 주입하는 방식으로 토양을 복원할 수도 있지만, 산성 토양을 굴착하여 플랜트 설비에 투입하고 교반하면서 동일한 처리를 수행할 수도 있으며, 또 다른 다양한 형태의 방법을 통해 본 발명을 시행할 수 있다는 점을 첨언한다.

또한 위에서는 우레아제와 요소 및 칼슘을 수용액 상태로 토양에 주입하는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정된 것은 아니며 고체 상태로 주입하는 것도 가능하며, 특히 토양에 함수율이 높아 토양 내에서 용해가 가능한 조건이라면 고체 상태로 주입하여도 가능하다.

본 출원인은 요소와 우레아제 및 염화칼슘이 토양 내에서 반응하여 암모늄 이온 및 탄산칼슘이 형성되는지를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 기구는 도 2에 나타나 있다.

실험 방법은 폐광산 지역에서 채취한 산성 토양을 72시간 동안 건조 후 2 mm 체로 거르고 도 2에 도시된 바와 같이 제작한 컬럼에 상기 용액 1, 용액 2, 용액 3을 순차적으로 각 15 mL씩 주입하여 총 용액의 부피가 45 mL가 되도록 혼합하였다.용액 1, 용액 2, 용액 3의 구성은 도 3의 표에 나타내었다. 각 용액은 도 3의 표에 나타낸 양과 멸균한 증류수를 섞어서 용액화 하였다.

산성토양과 증류수 및 용액으로 이루어진 생화학적 제제가 채워진 컬럼은 잘 흔들어 용액과 토양이 고르게 섞이도록 하고 용액 주입 후부터 72시간 동안 pH 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 측정 방법은 도 2에서 나타낸 컬럼을 통과해서 용출되는 용액을 하부에서 비이커로 모아서 pH 측정을 실시하였다. 도 4에 나타낸 결과와 같이 산성토양에 우레아제 기반의 생화학적 제제를 투입했을 때, 투입 초기부터 생성된 암모늄이온의 영향으로 급격하게 pH 가 상승하여 산성토양이 중화되고, 계속 유지가 되는 것으로 나타났다. 비교예를 위해 2 종류의 토양이 사용되었는데, 두 가지 경우 모두에서 초기 pH 가 3.3 정도였던 토양이 24시간 이내에 pH 7.0을 상회하는 값으로 측정이 되었다.

상기 도 2의 컬럼 장치에서 산성토양과 우레아제 기반의 생화학적 제제로 실험을 실시하고 72시간 후 컬럼 내에 생성된 물질이 탄산칼슘 인지의 여부를 확인하기 위해 XRD 분석을 실시하였다. XRD 분석 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이 본 우레아제 기반의 생화학적 제제와 산성토양의 반응으로 생성된 물질은 탄산칼슘임을 확인하였다.

이러한 결과가 나타나는 기작은 우레아제 기반의 제제를 산성 토양에 투입하면 초기에 생성되는 암모늄이온으로 산성화된 토양이 중화되고, 본 반응에서 동시에 생성되는 탄산이온과 제제에 포함되어 있던 칼슘원이 반응을 일으켜 효소 반응에 의해 탄산칼슘이 석출이 되어 토양의 공극이 메워져 토양을 단단하게 하는 고결화 반응이 진행되는 것이다. 따라서, 본 일련의 반응을 실제 산성토양에 적용하여 산성화된 토양을 복구하고 또한 지반을 단단하게 하는 결과도 기대할 수 있다. 지반이 단단해지면 산사태나 사면붕괴 또는 강우에 따른 토양 유실을 줄일 수 있다는 이점이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 산성화된 토양을 우수한 효율로 중화 및 복원하고 생화학적인 반응으로 석출된 탄산칼슘으로 토양의 공극을 메우고 지지시켜 토양을 안정화시키는 작용에 유용하며, 향후 산성화된 토양의 황폐화 및 토양 유실 복원에 매우 유용하다.

Claims (10)

1. 산성 토양에 요소를 포함하는 제1용액과 콩즙으로부터 추출한 우레아제를 포함하는 제2용액을 순차적으로 주입하여 상기 토양 내에 암모늄 이온을 형성함으로써 상기 산성 토양을 중화처리하며,
   상기 제1용액과 제2용액을 주입한 후 일정 시간 후에 시차를 두고 상기 토양에 염화칼슘을 포함하는 제3용액을 주입하여 상기 염화칼슘에 의하여 제공되는 칼슘과 상기 요소와 우레아제의 반응을 통해 생성된 탄산 이온과의 결합을 통해 상기 산성 토양 내에 탄산칼슘이 형성되게 함으로써 토양을 고결화하는데 있어서,
   상기 제1용액, 제2용액 및 제3용액을 모두 혼합한 전체 용액에서, 상기 요소는 0.1~10중량%, 상기 우레아제는 0.01~10중량%, 상기 칼슘은 0.2~20중량%를 차지하며, 잔부는 물로 이루어지되,
   상기 요소와 우레아제 및 칼슘은 상기한 중량 범위 내에서, 상기 칼슘은 상기 요소의 중량 대비 적어도 2배의 비율로, 상기 우레아제는 상기 요소의 중량 대비 최소 10% 이상의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 생화학적 효소 제제를 이용한 산성 토양 복원방법.
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