광산활동과 환경오염
-광해방지기술 동향 분석
세명대 자원환경공학과
정 명 채
1. 서론
국내에는 금속광산(318개), 석탄광산(379개) 및 비금속광산(1173개)을 포함하여 총 1,870개소의 크고 작은 광산들이 있으며, 이들 중에서 약 80%가 휴광 또는 폐광된 광산으로서 적절한 환경복원시설이 설치되지 않아 주변 생태계가 위협받고 있다. 특히 폐금속광산에서는 과거 채광이나 선광·제련과정 등의 광산활동으로 인하여 배출된 광산폐기물들(폐석, 광미, 광석광물, 광산폐수 등)이 광산주변에 그대로 방치되어 있어 집중 강우나 강풍에 의해 하부로 분산되어 광산하부의 농경지와 수계의 환경오염을 계속적으로 일으키고 있다. 이렇게 오염된 토양이나 하천수는 농작물의 성장에도 영향을 미쳐 궁극적으로는 이를 섭취하는 인간의 건강에 심각한 문제를 야기한다.
한편, 폐석탄광산에서는 폐갱구들로부터 유출되거나 주변 폐석더미로부터 지속적으로 배출되는 다량의 산성광산배수(AMD, acid mine drainage)로 인해 주변 지하수와 지표수가 오염되어 수중 생태계의 파괴뿐만 아니라 인간 생활에도 악영향을 주고 있다. 전국의 폐탄광들 중 갱내수가 유출되고 있는 곳은 152개 탄광, 206개 갱구로써, 하루 10만톤 이상이 유출되고 있으며, 이로 인한 하상오염 구간은 약 152km에 이르는 것으로 조사된 바 있다(석탄산업합리화사업단,1995). 또한 비금속광산에서는 발파 및 채석과정에서 발생된 분진들이 주변의 농경지로 이동되어 침전되면서 식물의 생장에 영향을 주며, 일부 지역에서 사용되고 세척용으로 사용되고 있는 유독성 물질들이 하천으로 유입되어 수계오염을 일으키고 있다. 그러나 지금까지 비금속광산에 대한 환경영향평가는 전무한 실정이므로 이들에 대한 환경연구가 절실히 요구되고 있다. 특히 광산환경오염은 여타의 환경오염원과는 달리 그 진행초기단계에서는 자각하기 어려우나, 오염이 장기적으로 진행되었을 때 그 정화 및 복원에는 지대한 노력과 막대한 경비가 소요된다. 협소한 토지를 다양하게 이용해야 하는 우리 나라의 경우, 토지의 청정성 확보와 국토의 효율적인 이용은 국가의 지속적인 발전에 필수적인 요소이다.
그 동안 국내에서 수행된 휴/폐광산에 대한 환경오염 관련 연구들은 대부분 단일광산에 대한 토양, 수계, 식물에 대한 일회성 환경오염 조사에 그치고 있으며, 환경오염지역의 복원에 대한 인식이 매우 부족한 실정이다. 다만 최근에 오염된 토양 및 산성광산배수에 대한 선진국들의 처리 기술이 소개되면서 이에 대한 연구들이 진행중이거나 단편적으로 현장에 일부 적용되고 있는데, 이 또한 효과적인 복원기술이 미비하여 단순 복토에 의존하거나 극히 일부 광산지역을 대상으로 환경처리시설을 설치하는데 머무르고 있다. 따라서 이러한 유독성 오염물질의 발생에서 처리에 이르는 전과정을 효과적으로 운용 관리하는 기술이 요구되고 있다.
2. 광해방지기술 국내외 동향
2.1. 개요
금속광, 석탄광 및 비금속광산활동에 의해 발생되는 오염물질은 As, Cd, Cu, Pb, U, Zn 등의 유해성 무기물질이며, 이들은 주변의 토양, 지표수/지하수, 식물 및 주민들에게 직·간접적으로 악영향을 미치고 있다. 이러한 환경오염원에 대한 조사, 평가 및 복원기술은 국내외에서 1990년대에 와서 활발히 진행되었다. 대표적인 기술은 오염물질에 따라 토양오염 확산방지기술, 토양오염 정화기술, 산성광산배수 (acid mine drainage) 처리기술, 그리고 오염지하수 정화기술 등으로 구분할 수 있다. 이러한 기술의 개념은 오염원의 물리화학적인 특징을 기초로 토양 및 수계오염의 지역적 특성에 적합한 기술을 경제적으로 적용함으로써 휴/폐광산 주변 지역을 개발 이전의 자연환경으로 환원시켜 쾌적한 환경을 이룰 수 있도록 통합적으로 운영하고자 하였다. 특히 이 기술들은 중요 점오염원인 휴광 또는 폐광산에 적용하여 광산별, 오염원별 데이터베이스를 구축하고, 물리화학적 특성과 오염수준을 조사하여 오염도와 인체위해성을 평가한 후, 최종적으로 정화 및 복원시스템을 통합적으로 운영하는 것으로 구성되며, 기술 특성상 국가적 차원의 연구지원과 관리가 선행되어야 한다.
미국에서는 환경청(EPA) 주관으로 SITE (superfund innovative technology evaluation) program을 실시하여 무기물로 오염된 지역에 대한 지속적인 관리와 복원기술을 적용하고 있다. 그 동안 이들 superfund site를 대상으로 이루어진 오염복원기술 적용빈도를 보면(Table 1), 총 739개 site에서 이동처리기술이 425개(58%), 현장적용기술이 314개(42%)였으며, 이동기술에서는 고형화/안정화기술이, 현장처리기술에서는 토양증기추출법이 가장 널리 이용되었다 (EPA, 2001). 또한 US EPA의 비용분석에 의하면(Fig. 1), 오염물질 처리비용에서 열적처리기술(vitrification)이 400-870$/ton으로 가장 고가이며, 저장기술이 10-80$/ton으로 최소의 비용이 요구된다 (US EPA, 2001). 또한 호주에서는 ACMRE (Australian Center for Mining Environmental Research)에서 광해방지를 위한 국가적 프로그램을 운영하고 있다. 영국에서도 지질조사소(BGS)를 주축으로 오염토양/지하수 복원 프로그램을 운영하고 있다(BGS, 2000).
Table 1 1982년∼1999년까지 미국 Superfund site에 활용된 기술 통계 (US EPA, 2001)
Fig. 1. 오염토양정화를 위한 기술들의 비용분석 (US EPA, 2001)
국내에서도 광산지역에 대한 환경오염문제가 제기되면서 1995년 경기도 광명시의 가학광산을 대상으로 국고보조 19.2억원을 포함하여 총 38.4억원을 투자하여 정화작업이 시작된 이후, 1996년에는 달성광산, 서점광산, 구운동광산이 복원되었으며, 2000년까지 총 16개 광산을 대상으로 총 사업비 220억원을 투자하여 광해복원사업을 추진한 바 있다 (환경부 홈페이지). 그러나 이들 복원중에서 달성광산 (소택지법)을 제외한 대부분 광산에서 단순복토법을 적용하여 근원적인 처리 기술이 되지 못한 실정이다. 한편, 석탄광의 경우, 1988년에 설립된 석탄산업합리화사업단에서 1매년 5∼10억원을 투자하여 복원사업을 실시하고 있지만 비금속광산에 대한 환경연구는 매우 미미한 수준이다. 이러한 사항을 종합하면 국내에는 장기적 안목으로 우리 실정에 적합한 광산폐기물 및 폐수 처리 기술의 개발과 현장 적용이 거의 이루어지지 않고 있어 이에 대한 국가적 지원과 연구 개발이 절실히 요구되고 있다.
2.2. 오염토양 정화기술
토양오염정화기술 중에서 휴/폐광 광산의 폐기물과 광미 및 주변 오염토양의 정화에 활용될 수 있는 대표적인 기술을 대상으로 국내외 동향을 분석하고자 한다. 현재 상용화 단계에 있는 토양 및 지하수에서의 Pb, Cr, As, Zn, Cd, Cu, Hg (참고로 이 순서는 미국 superfund site 중에서 오염의 정도가 높은 순서임) 처리를 위한 적용기술도를 Table 2에 요약하였다 (Evanko and Dzombak, 1997).
Table 2. Superfund site에서 토양 및 지하수에서의 무기물 처리를 위한 적용기술도
3. 산성광산배수 정화기술
3.1. 국내 연구 동향
국내에는 현재 379개의 석탄광이 가행되었다가, 이후 석탄산업합리화사업이 실시되면서 그 수가 감소되어 현재는 10개 내외의 광산만이 국가의 지원금에 의존하며 조업을 하고 있다. 이러한 과정에서 국내 석탄광에서 발생되는 지반침하 문제, 산성광산배수에 의한 수질환경 문제, 산림훼손 문제가 발생하게 되었다. 특히, 폐광 이후 적절한 처리 없이 방치된 구채굴적과 폐탄더미에서 생성된 산성광산배수는 심각한 수준이었다. 물론, 그 이전에도 이들 환경문제가 없었던 것은 아니지만 본격적인 광해복구 및 환경개선사업은 1988년도를 기점으로 활발하게 진행되었다. 석탄산업합리화사업단 (1995; 1997)의 연구결과에 의하면, 국내에는 산성광산배수를 유출하고 있는 석탄광이 40여개에 달하며, 하루에도 10만톤 이상의 산성수들이 유출된다. 그러므로 이들에 대한 환경오염 방지와 대처 방안에 대한 연구가 절실히 요구되고 있다. 국내에서는 산성 광산수에 대한 관심이 고조되면서 이들의 수리지구화학적 연구, 환경오염 조사와 평가, 복구방안 및 사후 관리에 대한 많은 연구가 이루어졌으며, 연구를 주제별로 살펴보면 다음과 같이 요약할 수 있다.
3.1.1. 산성광산배수의 지구화학적 특성 연구
특정지역에서 발생되는 산성 광산수 또는 하상퇴적물의 지구화학적 특성을 규명하는 연구로 요약할 수 있다. 광산수의 물리화학적 특성을 조사하기 위하여, 산성 광산수의 pH, Eh, 총용존고형물량 (TDS, total dissolved solids), 전기전도도 (EC, electric conductivity), 염도 (salinity), 용존산소량 (DO, dissolved oxygen) 등을 측정하고, 이들 산성 폐수에 함유된 As 및 중금속류 (Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn 등)의 함량과 음이온 (SO42-, NO3-, Cl-, HCO3-, F-, Br- 등)의 함량을 측정하고, 그 결과를 활용하여 산성 광산수의 환경 영향을 고찰하였다 (정영욱 등, 1999a).
3.1.2. 산성광산배수의 흡착과 이온의 평형
이론적으로 황철석 (FeS2)으로 존재하는 황 1%를 함유하고 있는 석탄 1톤에 의해 약 15kg의 수산화철 (Fe(OH)3)과 27kg의 황산 (H2SO4)이 만들어질 수 있다 (Sengupta, 1993). 이는 산성 광산수에 함유된 철의 침전과 황산에 의해 산성의 수질로 변화되는 과정과 pH가 증가되면서 발생하는 각 양이온 (주로 금속 이온)의 침전에 기인한다. 이러한 광산 산성수의 이온 평형과 흡착 능력에 대한 논문들이 이들 부류에 속한다. 그 동안 이루어진 대표적인 논문을 살펴보면, 황철광의 생물학적 및 화학적 분해에 관한 연구 (김영석 등, 1999), 탄광폐석으로부터 산성배수 발생 실증실험 (정영욱 등, 1999b), 석탄 폐석의 흡착능 및 흡착제로의 활용방안에 관한 기초 연구 (한동준 등, 1997)
3.1.3. 산성광산배수의 처리에 관한 연구
산성광산배수의 수리지구화학적 연구와 반응성에 대한 연구 다음으로 이루어진 AMD 처리에 관한 연구는 최근에 활발하게 이루어지고 있다. 그 동안은 주로 외국의 선진 기술을 답습하는 단계에 머물고 있었으며, 최근에는 국내의 실정에 맞는 여러 가지 방법이 고안되고 있으며, 일부 지역에서는 현장실험을 통한 효율성 평가도 이루어졌다. 그 동안 이루어진 이 주제의 연구 결과로는, 자연정화식 방법을 활용한 산성 광산수 정화 (황지호 등, 2000), 퍠각류를 이용한 산성광산배수의 중화와 금속이온 제거 (김주용 등, 1999), ALD (anoxic limestone drains)와 SAPS (successive alkalinity producing system)를 이용한 산성광산배수 처리 (황지호 등, 1999), 볏짚과 우분을 활용한 산성광산배수 정화 등이 있다.
3.2. 국외 연구 동향
그 동안 외국에서는 다양한 분야에서 석탄광에 대한 환경영향 분석과 관리 및 처리시스템이 고안되거나 운영되고 있다. 예를 들면 US EPA에서는 석탄광에 대한 환경분야를 하나의 주제로 정하여 오염원의 조사, 평가, 처리 및 관리시스템이 가동되고 있으며 (USEPA 홈페이지), 유럽에서도 이 분야에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 석탄광의 폐석더미와 폐갱구에서 발생된 산성광산배수의 효과적인 처리를 위한 물리적, 화학적 및 생물학적 적용성에 대한 연구가 매우 높은 수준에 와 있다. 예를 들면, 석탄광에 대한 전문 지식과 그 처리 방법에 대한 전문 서적이 다수 출판되었으며(Skousen and Ziemkiewicz, 1995; Hedin et al., 1994; Sengupta, 1993; Down, Stocks, 1977), 산성광산배수의 처리에 관한 여러 차례의 국제 학술 심포지엄도 개최된 바 있다. 특히 ‘American Society for Surface Mining and Reclamation”에서는 매년 광산환경 및 복원에 대한 심포지엄이 열리고 있으며, 매년 500여편의 논문이 발표되고 있다. 그 동안 석탄광에 대한 환경문제를 연구한 결과물을 조사/분류한 결과, 산성광산배수 관련 국내외 동향은 다음과 같이 요약할 수 있다.
3.2.1. 산성광산배수의 특성규명기술
석탄광의 지구화학적 연구의 대표적인 논문으로는 독일의 ‘Ruhr Valley’ 지역에서 황철석을 다량 함유한 석탄폐석의 환경오염 조사 (Schuring et al., 1997), 미국 Ohio주 ‘Silver Creek Metro-park’ 지역의 석탄폐수에 의한 산성광산배수의 지구화학적 모델링 연구 (Foos, 1997), 남아프리카공화국 ‘Witbank’ 지역 석탄광의 환경오염 조사와 평가 (Bullock, Bell, 1997), 산성광산배수에 의해 형성된 철수산화물의 광물학과 미량원소 수반성 연구 (McCarty et al., 1998) 및 이들 산성광산수의 물리화학적 특성조사 (Gray, 1996, 1997; Salomons, 1995) 등이 있다. 이들 연구의 내용은 주로 현재 또는 과거의 석탄광 개발에 의해 발생된 산성광산배수의 물리화적 특성을 규명하고 이들에 함유된 유해성 중금속의 함량을 조사하고 오염물질의 분산에 대한 지구화학적 특성을 규명하고자 하였다.
3.2.2. 산성광산배수의 관리와 처리기술
외국의 선진국에서는 그 동안 이루어진 석탄광의 환경오염에 대한 기존 자료를 활용하여 적절한 처리기술의 선정과 관리체계의 수립이 이루어지고 있다. 미국의 ‘Superfund’법에 의해 제시된 산성광산배수의 처리시스템만도 수백가지에 이르고 있으며, 이 중에서 수 십 가지는 직접 현장적용이 되고 있다 (USGS, USEPA 홈페이지). 대표적인 처리 방법으로는 소택지법 (wetland)과 ALD법 (anoxic limestone drains)과 같은 능동적 처리법 (passive treatment)과 탄산염, 암모니아 등을 이용한 화학물질 처리법 및 3가철을 환원시키는 황환원박테리아 (SRB, sulfur reducing bacteria) 등을 활용한 생물학적 처리 방법 등이 있으며, 이들에 대한 자세한 자료와 정리는 Skousen과 Ziemkiewicz (1995) 및 Gazea et al. (1996)에 의해 요약된 바 있다. 그 동안 이루어진 처리법에 대한 논문으로서는, 자연 유기물인 wheat straw를 이용한 산성 광산수의 정화 (Brugam et al., 1996), 전기화학적 방법을 활용한 처리 방법 (Shelp et al., 1995; 1996), 철을 분해하는 생물학적 반응물질인 Thiobacillus ferooxidans를 이용한 처리 (Bingham et al., 1996), 소택지를 활용한 처리 방법 (Wendy et al., 1997), 탄산염물질의 장벽을 활용한 산성 광산수의 처리 방법 (Webb, Sasowsky, 1995; Karathanasis, Thompson, 1995) 등이 있다.
4. 향후 주진 방향
광산활동에 의해 발생되는 제반 환경문제를 해결하기 위해 중점 추진할 과제
1) 광산환경 오염도 조사 및 평가 기술 2) 오염물질 존재형태 규명 기술
3) 환경위해성 평가 및 저감화 기술 4) 유해 중금속 고형화/안정화 기술
5) 산성광산배수 정화기술 6) 광산지역 오염원의 자연저감기술
<참고문헌 리스트는 생략함>
