Applicable Effectiveness of Organic Mixtures for Treatment of Acid Mine Drainage in SAPS

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Applicable Effectiveness of Organic Mixtures for Treatment of Acid Mine Drainage in SAPS 광산배수 자연정화시설의 대체 기질물질 적용성 기초연구: 안종만, 임길재, 정진웅, 지상우, 정영욱, 박현성, 최상일
Jong-Man Ann, Gil-Jea Yim, Jin-Woong Jung, Sang-Woo Ji, Young-Wook Cheong, Hyun-Sung Park and Sang-Il Choi

28 February 2011. pp. 34-44

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Abstract

Laboratory batch-scale experiments were carried out to examine performances of mixtures of oak wood chip and cow manure as an alternative substrate material to conventional mushroom compost in passive bioreactor systems for acid mine drainage (AMD) treatment. The mixtures with varying composition of oak wood chip and cow manure showed satisfactory results in pH neutralization (>6), developing reducing condition (<-300 mV), iron removal (>93%), and aluminum removal (>97%), except the one that contained oak wood only. The overall sulfate removal efficiency of the mixtures was in the rage of 14～56%. The changes of oxidation-reduction potential and sulfide concentrations indicated reducing condition develops sooner within the bioreactor for the mixture with high cow manure content. The countings of sulfate reducing bacteria revealed, despite the reducing condition, the system may yield limited sulfate removal in a long run due to depletion of readily biodegradable substrate in early reaction time. Therefore, the long-term success of bioreactors with multi-phase organic mixtures depends on optimal mixing ratio of easily degradable substrates and more resistant substrates.

Keywords

AMD

Passive treatment system

Organic substrate

Sulfate reducing

SAPS

현재 국내에서 사용되고 있는 버섯퇴비를 대체하여 광산배수 자연정화시설에 적용이 가능한 기질물질로서 참나무폐목과 우분을 혼합한 유기물 복합체의 적용성을 평가하기 위하여 배치실험을 수행하였다. 버섯퇴비를 대조군으로(#1), 우분과 참나무폐목의 혼합비율을 다르게 한 5가지 종류의 배치(#2～#6)실험 결과 참나무폐목만으로 구성된 경우(#6)를 제외한 모든 배치에서 pH(>6), ORP(<-300 mV), 철 제거율(>93%), 알루미늄 제거율(>97%) 모두 양호한 결과를 보였다. 전체적으로 황산염 제거 효율이 14.5%(#1)～56%(#4)로 나타났다. ORP와 sulfide 농도 변화는 우분의 함량이 높을수록 초기 황산염환원 반응을 위한 환경조성이 빨라지는 것으로 나타났다. SRB 개체수 평가결과를 통해 환원환경의 조성이 만족하더라도 초기에 유기물이 빠르게 분해되면서 장기간에 걸쳐 가동할 경우 황산염환원 효율이 저하될 수 있음을 보여 주었다. 따라서 쉽게 생분해가 가능한 우분과 생분해가 더딘 참나무폐목과의 혼합에 의해 장기간 높은 황산염 환원반응을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

키워드

광산배수

자연정화시설

기질물질

황산염환원

SAPS

References

권순동, 1999, 제강 슬래그를 이용한 산성광산배수의 처리에 관한 연구, 한양대학교 석사학위논문, p. 49.
김정엽, 오대균, 전효택, 1995, “동해탄광일대 산성광산폐수의 중화처리(예비결과),” 제1회 대한지하수환경학회 학술발표회논문집, pp. 23-25.
김주용, 1998, 산성광산배수에 의한 강릉탄전 임곡천 일대의 수계오염과 처리에 관한 연구, 서울대학교 공학박사학위논문, p. 204.
류경근, 이상훈, 안종만, 박재구, 1996, “석회석을 이용한 산성폐수의 중화처리에 관한 연구,” 한국자원공학회 제66차 학술발표회 논문집, pp. 338-349.
민정식 등, 1995, 폐광에 따른 광산지역 환경개선 연구(폐수, 폐석), 석탄합리화사업단 기술총서 95-02, p. 268.
박천영, 정연중, 강지성, 2000, “화순 폐탄광지역 광산배수와 침전 및 증발잔류광물에 대한 지구화학적 및 광물학적 연구,” Econ. Environ. Geol., Vol. 33, No. 5, pp. 391-404.
배봉구, 1996, “석탄합리화사업단의 광해복구 및 환경개선사업활동,” 대한자원환경지질학회 추계학술여행 - 폐탄광일대의 지질환경 오염과 광해복구, pp. 2-15.
유경근, 정진기, 손정수, 이재천, 2006, “광산배수처리를 위한 황산염환원균의 응용,” 한국지구시스템공학회지, 제43권, 2호, pp. 160-167.
이지은, 고주인, 김선준, 2006, “자연정화처리시설의 SAPS효율향상을 위한 유기물 평가 연구,” 한국지구시스템공학회지, 제 43권, 3호, pp. 231-242.
이춘택, 1984, 산성갱내배수가 자연환경에 미치는 영향과 그 처리시설의 설계, 한양대학교 석사학위논문, p. 37.
임길재, 2002, “폐탄광 광산배수 자연정화시설 정화효율평가 사례 연구,” 한국지구시스템공학회지, 제 39권, 2호, pp. 112-118.
임채현, 1997, 산성광산폐수내 중금속 및 황산염의 동시제거를 위한 생물학적 처리에 관한 연구, 한양대학교 석사학위논문, p. 68.
정명채, 강만희, 2002, “SAPS를 활용한 AMD의 정화,” 자원공학회 2002년도 제 79회 학술발표회 논문집, pp. 29-34.
정영욱, 민정식, 권광수, 1996, “폐탄광 산성광산배수의 지구화학적 특징과 수질오염 방지대책,” 대한자원환경지질학회 학술발표회 논문집, pp. 16-25.
지상우, 2004, 국내 산성광산배수 자연정화시설의 분석과 갱내 황산염 환원시설 모형실험 연구, 한양대학교 박사학위 논문, p. 154.
지상우, 김선준, 안지현, 1997a, “문경 단붕탄광 폐석장 유출수의 조성변화,” 한국지하수환경학회지, 제 4권, 4호, pp. 169-174.
지상우, 김선준, 이중배, 1997b, “영동탄광 부근 수계에서의 중금속의 존재형태와 흡착,” 한국자원공학회지, 제 34권, 3호, pp. 326-335.
지상우, 정영욱, 2005, “산성광산배수로 오염된 지하수 정화용 투수성 반응벽체 반응매질 선정 기초실험,” 자원환경지질, 제 38권, 3호, pp. 237-245.
최인규, 1995, 강원도 도계일대의 탄광폐기물이 하천의 수질에 미치는 영향에 대한 지구화학적 연구, 강원대학교 석사학위논문, p. 118.
최정찬, West, T.R., 1994, “광산산성수처리를 위한 인산염 자갈의 침전제로서의 역할 평가,” 지하수환경, 제 1권, 1호, pp. 16-22.
홍성규, 1986, 태백지역 산성갱내수 현상파악 기초조사, 한양대학교 석사학위논문, p. 29.
황지호, 1998, 도계탄광 부근 산성광산배수의 환경지구화학적 특성과 처리에 대한 연구, 서울대학교 공학박사학위논문, p. 103.
Ahmad, F., McGuire, T.M., Lee, R.S. and Becvar, E., 2007, “Consideration for the Design of Organic Mulch Permeable Reactive Barriers,” Remediation Journal, Vol. 18, Issue 1, pp. 59-72.
American Public Health Association (APHA), 1998, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, Washington DC: L.S. Clesceri, A.E. Greenberg, and A.D. Eaton.
Beˊchard, Yamazaki, G.H., Gould, W.D. and Beˊdard, P., 1994, “Use of cellulosic substrates for the microbial treatment of acid mine drainage,” J. Environ. Qual., Vol. 23, pp. 111-116.
Christensen, B., Laake, M. and Lien, T., 1996, “Treatment of acid mine water by sulfate-reducing bacteria; results from a bench scale experiment,” Water Research, Vol. 30, pp. 1617-1624.
Cocos, I.A., Zagury, G.J., Clement, B. and Samson, R., 2002, “Multiple factor design for reactive mixture selection for use in reactive walls in mine drainage treatment,” Water Research, Vol. 36, pp. 167-177.
Dvorak, D.H., Hedin, R.S., Edenborn, H.M. and McIntire, P.E., 1992, “Treatment of metal-contaminated water using bacterial sulfate reduction: results from pilot-scale reactors,” Biotechnology and Bioengineering, Vol. 40, pp. 609-616.
Edenborn, H.M., 2004, “Use of poly (lactic acid) amendments to promote the bacterial fixation of metals in zinc smelter tailings,” Bioresource Technology, Vol. 92, pp. 111-119.
Elliott, P., Ragusa, S. and Catcheside, D., 1998, “Growth of sulfate-reducing bacteria under acidic conditions in an uplow anaerobic bioreactor as a treatment system for acid mine drainage,” Wat. Res., Vol. 32, No. 12, pp. 3724-3730.
Food & Fertilizer Techology Center, 2010, Mushroom Cultivation Using Rice Straw As a Culture Media, 2010.02.05., http://www.agnet.org/library/pt/2002016/.
Gibert, O., de Pablo, J., Cortina, J.L. and Ayora, C., 2003, “Evaluation of municipal compost 1imestone/iron mixtures as filling material for permeable reactive barriers for in-situ acid mine drainage treatment,” Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Vol. 78, pp. 489-496.
Hedin, R.S., Hammack, R.W. and Hyman, D.M., 1989, “Potential importance of sulfate reduction process in wetlands constructed to treat mine drainage,” In : Constructed wetlands for wastewater treatment, D.A. Hammer(ed.), Lewis Publishers, Chelsea, MI., pp. 508-514.
Hedin, R.S., Watzlaf, G.R. and Nairn, R.W., 1994, “Passive treatment of acid mine drainage with limestone,” J. Environ. Qual., Vol. 23, No. 6, pp. 1338-1345.
Ji, S.W., Kim, S.J. and Ko J.I., 2008, “The status of the passive treatment systems for acid mine drainage in South Korea,” Environ. Geol., Vol. 55, pp. 1181-1194.
Ji, S.W. and Kim, S.J., 2008, “Lab-scale study on the application of In-Adit-Sulfate-Reducing System for AMD control,” Journal of Hazardous Materials, Vol. 160, pp. 441-447.
Kepler, D.A. and McCleary, E.C., 1994, “Successive alkalinityproducing systems (SAPS) for the treatment of acidic mine drainage,” In : Proceedings, Intenational Land Reclamation and Mine Drainage Conference, April 24-29, 1994, USDI, Bureau of Mines SP 06A-94, Pittsburgh, PA, pp. 195-204.
Kuyucak, N. and St-Germain, P., 1994, “In situ treatment of acid mine drainage by sulfate reducing bacteria in open pits: scale-up experiences,” The International Land Reclamation and Mine Drainage Conference and the 3rd International Conference on the Abatement of Acidic Drainage, Pittsburgh, pp. 303-310.
Neculita, C.M., Zagury, G.J. and Bussieˋre, B., 2007, “Passive treatment of acid mine drainage in bioreactors using sulphatereducing bacteria: critical review and research needs,” Journal of Environmental Quality, Vol. 36, pp. 1-16.
Neculita, C.M. and Zagury, G.J., 2008, “Biological treatment of highly contaminated acid mine drainage in batch reactors: long-term treatment and reactive mixture characterization,” Journal of Hazardous Materials, Vol. 157, pp. 358-366.
Okabe, S., Nielsen, P.H. and Characklis, W.G., 1992, “Factors affecting microbial sulfate reduction by Desulfovibrio desulfuricans in continuous culture: limiting nutrients and sulfide concentration,” Biotechnol. Bioeng., Vol. 40, pp. 725-734.
Postgate, J.R., 1984, The sulphate-reducing bacteria, 2nd edition, Cambridge Univ. Press, NY, p. 208.
Stumm, W. and Morgan, J.J. 1996. Aquatic chemistry : an introduction emphasizing chemical equilibria in natural waters, 3rd Edition, John Wiley and Sons, New York, p. 1022.
Tsukamoto, T.K., Killion, H.A. and Miller, G.C., 2004, “Column experiments for microbiological treatment of acid mine drainage: low-temperature, low-pH and matrix investigations,” Water Research, Vol. 38, pp. 1405-1418.
Zagury, G.J., Kulnieks, V. and Neculita, C.M., 2006, “Characterization and reactivity assessment of organic substrates for sulfate-reducing bacteria in acid mine drainage treatment,” Chemosphere, Vol. 64, pp. 944-954.

Information

Publisher :The Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers
Publisher(Ko) :한국자원공학회
Journal Title :Journal of the Korean Society for Geosystem Engineering
Journal Title(Ko) :한국지구시스템공학회지
Volume : 48
No :1
Pages :34-44

[1] 권순동, 1999, 제강 슬래그를 이용한 산성광산배수의 처리에 관한 연구, 한양대학교 석사학위논문, p. 49.

[2] 김정엽, 오대균, 전효택, 1995, “동해탄광일대 산성광산폐수의 중화처리(예비결과),” 제1회 대한지하수환경학회 학술발표회논문집, pp. 23-25.

[3] 김주용, 1998, 산성광산배수에 의한 강릉탄전 임곡천 일대의 수계오염과 처리에 관한 연구, 서울대학교 공학박사학위논문, p. 204.

[4] 류경근, 이상훈, 안종만, 박재구, 1996, “석회석을 이용한 산성폐수의 중화처리에 관한 연구,” 한국자원공학회 제66차 학술발표회 논문집, pp. 338-349.

[5] 민정식 등, 1995, 폐광에 따른 광산지역 환경개선 연구(폐수, 폐석), 석탄합리화사업단 기술총서 95-02, p. 268.

[6] 박천영, 정연중, 강지성, 2000, “화순 폐탄광지역 광산배수와 침전 및 증발잔류광물에 대한 지구화학적 및 광물학적 연구,” Econ. Environ. Geol., Vol. 33, No. 5, pp. 391-404.

[7] 배봉구, 1996, “석탄합리화사업단의 광해복구 및 환경개선사업활동,” 대한자원환경지질학회 추계학술여행 - 폐탄광일대의 지질환경 오염과 광해복구, pp. 2-15.

[8] 유경근, 정진기, 손정수, 이재천, 2006, “광산배수처리를 위한 황산염환원균의 응용,” 한국지구시스템공학회지, 제43권, 2호, pp. 160-167.

[9] 이지은, 고주인, 김선준, 2006, “자연정화처리시설의 SAPS효율향상을 위한 유기물 평가 연구,” 한국지구시스템공학회지, 제 43권, 3호, pp. 231-242.

[10] 이춘택, 1984, 산성갱내배수가 자연환경에 미치는 영향과 그 처리시설의 설계, 한양대학교 석사학위논문, p. 37.

[11] 임길재, 2002, “폐탄광 광산배수 자연정화시설 정화효율평가 사례 연구,” 한국지구시스템공학회지, 제 39권, 2호, pp. 112-118.

[12] 임채현, 1997, 산성광산폐수내 중금속 및 황산염의 동시제거를 위한 생물학적 처리에 관한 연구, 한양대학교 석사학위논문, p. 68.

[13] 정명채, 강만희, 2002, “SAPS를 활용한 AMD의 정화,” 자원공학회 2002년도 제 79회 학술발표회 논문집, pp. 29-34.

[14] 정영욱, 민정식, 권광수, 1996, “폐탄광 산성광산배수의 지구화학적 특징과 수질오염 방지대책,” 대한자원환경지질학회 학술발표회 논문집, pp. 16-25.

[15] 지상우, 2004, 국내 산성광산배수 자연정화시설의 분석과 갱내 황산염 환원시설 모형실험 연구, 한양대학교 박사학위 논문, p. 154.

[16] 지상우, 김선준, 안지현, 1997a, “문경 단붕탄광 폐석장 유출수의 조성변화,” 한국지하수환경학회지, 제 4권, 4호, pp. 169-174.

[17] 지상우, 김선준, 이중배, 1997b, “영동탄광 부근 수계에서의 중금속의 존재형태와 흡착,” 한국자원공학회지, 제 34권, 3호, pp. 326-335.

[18] 지상우, 정영욱, 2005, “산성광산배수로 오염된 지하수 정화용 투수성 반응벽체 반응매질 선정 기초실험,” 자원환경지질, 제 38권, 3호, pp. 237-245.

[19] 최인규, 1995, 강원도 도계일대의 탄광폐기물이 하천의 수질에 미치는 영향에 대한 지구화학적 연구, 강원대학교 석사학위논문, p. 118.

[20] 최정찬, West, T.R., 1994, “광산산성수처리를 위한 인산염 자갈의 침전제로서의 역할 평가,” 지하수환경, 제 1권, 1호, pp. 16-22.

[21] 홍성규, 1986, 태백지역 산성갱내수 현상파악 기초조사, 한양대학교 석사학위논문, p. 29.

[22] 황지호, 1998, 도계탄광 부근 산성광산배수의 환경지구화학적 특성과 처리에 대한 연구, 서울대학교 공학박사학위논문, p. 103.

[23] Ahmad, F., McGuire, T.M., Lee, R.S. and Becvar, E., 2007, “Consideration for the Design of Organic Mulch Permeable Reactive Barriers,” Remediation Journal, Vol. 18, Issue 1, pp. 59-72.

[25] American Public Health Association (APHA), 1998, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, Washington DC: L.S. Clesceri, A.E. Greenberg, and A.D. Eaton.

[26] Beˊchard, Yamazaki, G.H., Gould, W.D. and Beˊdard, P., 1994, “Use of cellulosic substrates for the microbial treatment of acid mine drainage,” J. Environ. Qual., Vol. 23, pp. 111-116.

[27] Christensen, B., Laake, M. and Lien, T., 1996, “Treatment of acid mine water by sulfate-reducing bacteria; results from a bench scale experiment,” Water Research, Vol. 30, pp. 1617-1624.

[28] Cocos, I.A., Zagury, G.J., Clement, B. and Samson, R., 2002, “Multiple factor design for reactive mixture selection for use in reactive walls in mine drainage treatment,” Water Research, Vol. 36, pp. 167-177.

[29] Dvorak, D.H., Hedin, R.S., Edenborn, H.M. and McIntire, P.E., 1992, “Treatment of metal-contaminated water using bacterial sulfate reduction: results from pilot-scale reactors,” Biotechnology and Bioengineering, Vol. 40, pp. 609-616.

[30] Edenborn, H.M., 2004, “Use of poly (lactic acid) amendments to promote the bacterial fixation of metals in zinc smelter tailings,” Bioresource Technology, Vol. 92, pp. 111-119.

[31] Elliott, P., Ragusa, S. and Catcheside, D., 1998, “Growth of sulfate-reducing bacteria under acidic conditions in an uplow anaerobic bioreactor as a treatment system for acid mine drainage,” Wat. Res., Vol. 32, No. 12, pp. 3724-3730.

[32] Food & Fertilizer Techology Center, 2010, Mushroom Cultivation Using Rice Straw As a Culture Media, 2010.02.05., http://www.agnet.org/library/pt/2002016/.

[33] Gibert, O., de Pablo, J., Cortina, J.L. and Ayora, C., 2003, “Evaluation of municipal compost 1imestone/iron mixtures as filling material for permeable reactive barriers for in-situ acid mine drainage treatment,” Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Vol. 78, pp. 489-496.

[34] Hedin, R.S., Hammack, R.W. and Hyman, D.M., 1989, “Potential importance of sulfate reduction process in wetlands constructed to treat mine drainage,” In : Constructed wetlands for wastewater treatment, D.A. Hammer(ed.), Lewis Publishers, Chelsea, MI., pp. 508-514.

[35] Hedin, R.S., Watzlaf, G.R. and Nairn, R.W., 1994, “Passive treatment of acid mine drainage with limestone,” J. Environ. Qual., Vol. 23, No. 6, pp. 1338-1345.

[36] Ji, S.W., Kim, S.J. and Ko J.I., 2008, “The status of the passive treatment systems for acid mine drainage in South Korea,” Environ. Geol., Vol. 55, pp. 1181-1194.

[37] Ji, S.W. and Kim, S.J., 2008, “Lab-scale study on the application of In-Adit-Sulfate-Reducing System for AMD control,” Journal of Hazardous Materials, Vol. 160, pp. 441-447.

[38] Kepler, D.A. and McCleary, E.C., 1994, “Successive alkalinityproducing systems (SAPS) for the treatment of acidic mine drainage,” In : Proceedings, Intenational Land Reclamation and Mine Drainage Conference, April 24-29, 1994, USDI, Bureau of Mines SP 06A-94, Pittsburgh, PA, pp. 195-204.

[39] Kuyucak, N. and St-Germain, P., 1994, “In situ treatment of acid mine drainage by sulfate reducing bacteria in open pits: scale-up experiences,” The International Land Reclamation and Mine Drainage Conference and the 3rd International Conference on the Abatement of Acidic Drainage, Pittsburgh, pp. 303-310.

[40] Neculita, C.M., Zagury, G.J. and Bussieˋre, B., 2007, “Passive treatment of acid mine drainage in bioreactors using sulphatereducing bacteria: critical review and research needs,” Journal of Environmental Quality, Vol. 36, pp. 1-16.

[41] Neculita, C.M. and Zagury, G.J., 2008, “Biological treatment of highly contaminated acid mine drainage in batch reactors: long-term treatment and reactive mixture characterization,” Journal of Hazardous Materials, Vol. 157, pp. 358-366.

[42] Okabe, S., Nielsen, P.H. and Characklis, W.G., 1992, “Factors affecting microbial sulfate reduction by Desulfovibrio desulfuricans in continuous culture: limiting nutrients and sulfide concentration,” Biotechnol. Bioeng., Vol. 40, pp. 725-734.

[43] Postgate, J.R., 1984, The sulphate-reducing bacteria, 2nd edition, Cambridge Univ. Press, NY, p. 208.

[44] Stumm, W. and Morgan, J.J. 1996. Aquatic chemistry : an introduction emphasizing chemical equilibria in natural waters, 3rd Edition, John Wiley and Sons, New York, p. 1022.

[45] Tsukamoto, T.K., Killion, H.A. and Miller, G.C., 2004, “Column experiments for microbiological treatment of acid mine drainage: low-temperature, low-pH and matrix investigations,” Water Research, Vol. 38, pp. 1405-1418.

[46] Zagury, G.J., Kulnieks, V. and Neculita, C.M., 2006, “Characterization and reactivity assessment of organic substrates for sulfate-reducing bacteria in acid mine drainage treatment,” Chemosphere, Vol. 64, pp. 944-954.

Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers ISSN:2288-0291(Print) 2288-2790(Online) 한국자원공학회지

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