서론

1980년대 말 석탄산업 합리화사업 이후 300개 이상의 탄광이 폐광되었다. 가행당시의 탄분이 섞인 갱내수 대신 일부 폐탄광 갱구에서는 철 성분의 농도가 높고 pH가 낮은 산성광산배수가 유출되었다(CIPB, 1995). 폐광 이후 양수기 가동 중단 등으로 채굴 공간이 지하수 유입과 물-암석 반응으로 가행 당시와 다른 수질로 변했기 때문이다.

1990년대 중반부터 폐탄광의 광산배수 처리를 위해서 중화처리법 및 자연정화방식을 채택하여 수질개선을 하고 있다. 오염 부하가 큰 강원도 함태탄광 및 동원탄광 광산배수는 중화처리법으로 처리한다. 강원도 황지탄광, 경북 갑정탄광 등의 광산배수는 오염 부하가 작아 자연정화법으로 수처리를 한다. 광산배수를 처리하면 처리 방식에 관계 없이 함수율이 높은 슬러지가 발생하게 된다. 최종 처분 목적으로 외부로 반출 하기 위해서는 슬러지 탈수가 필수이다.

중화처리법에는 탈수 공정이 포함되며 슬러지 관리에 큰 문제는 없다. 처리시설이 가동되면 함수율이 높은 슬러지가 발생해서 속도감 있게 탈수기로 탈수를 한다. 탈수 장치는 원심력을 이용한 원심 탈수기, 진공을 이용한 진공 탈수기, 슬러지를 가압하는 필터프레스 및 다중 원판 탈수기 등이 이용된다. Fig. 1은 폐탄광에 설치된 중화공정중 필터 프레스 방식의 탈수기이다. 탈수 장치에 유입되기 직전 슬러지는 응집제와 반응하여 물과 슬러지(플럭)를 분리시킨다(Fig. 2). 탈수를 쉽게 하기 위해서 전처리를 한다.

Fig. 1.

Belt filter press for sludge dewatering.

Fig. 2.

Coagulated sludge before proceeding to filter press.

자연정화시설은 보통 알칼리공급조(SAPS조), 침전조, 호기성 소택지 등으로 구성 될 뿐 슬러지 탈수에 대한 별도 시설은 없다. 광산배수의 슬러지는 SAPS조 수면하부 기질층 위와 침전조 등에 집중적으로 퇴적된다(Fig. 3). 슬러지가 SAPS조 등에 누적되면 수처리 기능이 저하된다. 이때 처리시설의 당초 효율을 회복하기 위하여서는 조내 포함된 슬러지를 제거해야 한다. 자연정화시설내에는 특별히 탈수 시설이 구비되어 있지 않으며 탈수 전 후 슬러지를 적치할 공간도 부족하다(Fig. 4).

SAPS조 혹은 침전조에서 슬러지 제거 방식은 보통 광산배수의 유입을 차단하고 슬러지를 노출 시켜서 자연 건조하던가 톤 백 마대에 담가서 탈수한다(Fig. 4, 5). 톤 백 마대의 투수성이 크면 슬러지가 새어 나가므로 투수성이 낮은 백을 사용하게 된다. 따라서 운반 가능할 정도로 함수율이 낮아지도록 슬러지를 장기간 현장에 적치해야 한다. 본 방식은 백 재질(투수성)에 따라서 탈수 기간이 좌우되며 강우 등 환경에 많은 영향을 받는다.

Fig. 3.

Sludge in passive treatment systems. (a) SAPS in operation, (b) Sludge exposed after bypass of inflow to the SAPS (a) and (c) Sludge in an oxidation pond.

Fig. 4.

Removal of sludge in an oxidation pond. (a) Before removal of sludge, (b) During sludge removal and its deposition of ton bags around the oxidation pond.

Fig. 5.

An oxidation pond in operation after removal of sludge and sludge drying in ton bags.

외진 곳에서 폐수처리 후 발생한 슬러지 처리법으로 동력을 사용하지 않는 방법으로 지오텍스타일 탈수법(geotextile dewatering), 슬러지 건조상(sludge drying beds) 그리고 슬러지를 전량 제거하는 방식등이 있다. 지오텍스타일 탈수법은 슬러지를 토목섬유로 재단한 일정한 용기에 넣어 탈수하는 방법이다. 준설 퇴적물, 산업 폐기물, 폐수처리장 슬러지 및 농산업 폐기물을 탈수할 때 지오텍스타일을 사용해오고 있다(Moo-Young and Tucker, 2002; Maurer et al., 2012; Yee et al., 2012). 또한 광업 분야에서 슬러리(slurry), 광미 및 광산 배수의 슬러지 탈수에 지오텍스타일을 활용하고 있다(Newman et al., 2004, Kaye, 2005). 지오텍스타일로 탈수를 할 때 문제점을 파악하기 위한 미세 입자에 의한 클로깅(clogging) 예측과 탈수 케이크 형성 모델링 연구 등 다행하게 수행되고 있다(Faure et al., 2005; Weggel and Ward, 2012). 국내의 경우 폐 광산 광산폐기물 광해방지 사업과 자연정화 시설 공사시 토목섬유 중 지오멤브레인(geomembrane)을 1990년대 부터 사용해 왔다. 자연정화시설로 광산배수를 지속적으로 수처리를 할 때 슬러지를 적기에 제거 탈수 해야 하는데 외국의 경우 탈수 작업에 지오텍스타일을 사용하고 있다. 국내의 경우 최근에 한국광해관리공단에서 지오텍스타일의 자연정화슬러지의 탈수 사업의 타당성을 평가한 바 있으나 연구 실적은 미흡한 상태이다. 외국에서 광산배수 처리 후 발생되는 슬러지나 광물처리 과정에서 발생하는 탈수에 지오텍스타일 활용 사례를 평가하여 그 활용성을 소개하고자 하였다.

광산배수 슬러지와 탈수, 지오텍스타일 등을 키워드로 검색된 문헌 자료를 조사했다. 여기에 저자의 지오텍스타일 탈수 연구(Cheong et al., 2017) 와 외국의 현장 방문 경험을 추가해 지오텍스타일 튜브를 이용한 광산 슬러지 탈수 기술을 요약하였다.

광업에서 토목 섬유의 활용

토목섬유의 종류 및 활용

토목섬유(geosynthetics)는 현대 토목 및 환경 공학 분야에서 두루 사용되고 있다(Cheon et al., 2014). 토목섬유는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리에스테르, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리스티렌 등의 소재로 개발된다. 이러한 소재를 이용하여 물로부터 흙의 보호, 흙의 강도 증대, 배수력 향상, 여과 및 저류의 목적 등으로 다양한 용도로 제품이 생산된다. 육안적으로 불투수층에 가까운 HDPE(high density polyethylene) 매트부터 망 구조 매트인 지오그리드(geogrid) 까지 다양한 형식으로 생산된다.

Renken et al.(2005)은 광업에서 토목섬유의 활용을 Table 1로 정리했다. geomembrane은 공정수 혹은 광산배수의 저류시설 축조에 사용되며 광미 등 고체 폐기물 보존 시설에서도 이용되고 있다. 우리나라의 경우 자연정화시설에서 SAPS조, 산화 침전조 및 소택지를 건설할 때 광산배수가 누수되지 않도록 geomembrane를 사용하고 있다. 폐금속광산에서 광미 유실 방지 사업시 HDPE geomembrane을 사용했다. geonet, geogrids, geopipe 등은 저류 시설 등을 사용할 때 보강토시 혹은 배수 작업에서 보조로 사용된다.

Table 1. Common geosynthetic material and applications in the mining industry

지오텍스타일(geotextile)은 건설, 환경, 도로, 댐, 연약지반 등 지상, 지중, 지하 구조물에 광범위하게 적용되고 있다. 토목 섬유는 직포, 부직포 혹은 실의 연속적 시트이다. 이 시트는 유연성이 있고 투수성이 있으며 일반적으로 겉모양이 직물 형태이다. 지오텍스타일은 분리, 여과, 배수 등의 용도로 사용될 수 있다(Cheon et al. 2014).

지오텍스타일의 활용 사례로 흔히 Geotube^Ⓡ가 등장하는데 이는 미국의 특허 상표이다. TenCate Geosynthetics에 따르면 Geotube^Ⓡ는 이미 1962년에 유럽에서 처음 시도되었고 미국에서 특허 6186701로 “Elongate Flexible container” 라는 명칭으로 출원되어 2001년도에 승인을 받았다. 본 고에서는 Geotube^Ⓡ와 혼동을 막기 위해 geo-tube 용어를 사용한다.

탈수용 지오텍스타일 용기(geo-tube)는 고 강도 폴리에틸렌 직물로 구성되며 현장 작업 조건에 맞도록 제작한다. 미세 물질들이 용기 내부에 잔존하며 액체는 지오텍스타일 벽을 통해서 배출된다. 이때 폴리머를 투입하면 미세 입자들이 응집됨으로서 물이 분리되어 재사용이 가능할 정도의 수질을 확보할 수 도 있다. 튜브내에서 부피가 감소하면 추가로 슬러지 등을 반복해서 추가 할 수 있다. geo-tube는 건조한 지반에서는 물론이고 4 m 물속에서도 설치가 가능하다(BCI, 2008). geo-tube의 배치는 활용 목적에 따라서 현장 조건에 따라서 여러 모습으로 설계될수 있으며 Fig. 6은 탈수 목적으로 보통 배치되는 모습이다(Koerner and Koerner, 2006).

Fig. 6.

Geotextile tubes in a heap used for dewatering sludges (Koerner and Koerner, 2006).

geo-tube 탈수 실험

지오텍스타일을 활용하여 슬러지를 탈수 하기 위해서는 사전에 슬러지 자체의 물성, 화학성 평가는 물론 지오텍스타일에 대한 적합성 평가가 필요하다. 화학약품 투입 비율, 슬러리의 고체 비율, geo-tube 충전율 등에 대한 사전 실내 및 현장 실험이 필요하다(Maurer et al., 2012). 이를 바탕으로 탈수 공법에 대한 설계 및 비용을 산출할 수 있기 때문이다.

토목섬유를 사용한 퇴적물 탈수 평가법으로 전통적인 방법은 hanging bag test가 있다(Koerner and Koerner, 2006). 미세한 입자(200 < US 메쉬 시브)가 많은 퇴적물에 사용하도록 고안되었다. 현장에서 응집 조건을 확인하는데 쉽게 활용 될 수 있다. 그러나 hanging bag 시험은 지오텍스타일의 단위 면적을 정의하기가 쉽지 않고 반복 실험시 동일한 효과를 얻기가 쉽지 않다. 탈수되는 백이 무정형이고 취급하는 단계에서 플럭들이 깨질수도 있어서 반복 실험시 동일 결과를 얻기 어렵기 때문이다. 급속 탈수 시험(rapid dewatering test: RDT)와 압력-중력 탈수 시험(pressure-gravity dewatering test: P-GDT)가 이러한 단점을 보완하기 위해 제시되었다. 즉 화학적으로 조절된 응집 슬러지를 알고 있는 탈수 면적 상태에서 실험함으로써 반복 실험이 가능한 장점이 있다.

RTD 장치는 시료를 담을 수 있는 약 1,300 mL의 실린더 용기와 그 밑에 10 cm의 토목 섬유를 장착할 수 있는 여과부 그리고 집수부로 구성된다. 지오텍스타일을 삽입하여 탈수 특성을 평가한다(Yee et al., 2012). 예를 들어 폴리머를 1%, 0.5%, 0.3% 순으로 용액을 만들어 슬러지를 투입 한 후 일정 시간 간격으로 슬러지의 함수율, 중량 과 탈수량 변화 등을 조사하여 가장 효율적인 폴리머 조건을 구할 수 있다. P-GDT는 RTD에서 확인한 약품 투입량을 반영하여 동적으로 탈수 시험을 구현하는 장치이다. 혼합 탱크에 슬러지와 약품을 첨가하고 이들 펌프를 이용하여 geo-tube에 이송한다. 이때 압력을 단계별로 증가하면서 압력, 시간에 따른 여과수량 등 운전에 필요한 변수들을 모니터링 한다(Meagher, 2005).

geo-tube에 의한 탈수 원리

탈수 기술은 크게 passive 방법, 물리적 및 기계력 방식으로 구분할 수 있다(Table 2). Table 3에 geo-tube와 우리나라 중화처리시설에서 흔히 사용하고 있는 슬러지 탈수 방식인 벨트 필터 방식의 장단점을 비교하였다. passive 방식은 증발과 중력 배수 등으로 탈수를 하는 방식이다. 대표적인 방식으로 geo-tube 기술이 여기에 포함된다. 물리적 방식에는 원심력, 싸이클론, 농축기 및 건조 등의 원리를 이용한다. 기계 방식은 동력을 사용하여 슬러지나 슬러리에서 물을 제거하는 방식이며 여러 형식을 통합으로 묶어 복합 공정을 이루기도 한다. 한편 폴리머 약품을 투입하여 미세 입자를 덩어리로 조대화 하면 액상과 분리가 됨으로 탈수 효과를 증대한다(Fig. 7, 8, 9; Worley et al., 2008). 광산배수 슬러지에 폴리머를 적용하지 않을 경우 슬러지 자체가 누출되나(Fig. 9(a)) 폴리머를 투입한 경우 깨끗한 물이 탈수 되었다(Fig. 8).

Table 2. Dewatering technologies (BCI, 2008)

Table 3. Dewatering technologies advantages and disadvantages (BCI, 2008)

Kaye(2005)가 수행한 자연정화 슬러지의 geo-tube 탈수 특성에 따르면 15분 이내에 65% 의 탈수가 진행되었고 1, 2, 3일 경과 후 23, 25, 28.5% 로 건 건조 중량이 변했다. 유사한 연구사례가 Weggel and Ward(2012) 연구에서도 확인된다. 초기에 신속히 많은 양이 탈수되고 이후에는 서서히 진행된다(Fig. 10).

Fig. 7.

Effect of flocculation.

Fig. 8.

Comparison of filtrates.

Fig. 9.

Effect of flocculation of sludge on effluents of dewatering-bags. (a) sludge without a polymer passed through the bag and (b) sludge treated with a polymer remained the bag and effluent was clear.

Fig. 10.

(a) Weight of water released form geotextile bag and (b) cumulative discharge as a function of time (Weggel and Ward, 2012).

슬러지의 geo-tube 탈수 사례

오메가(Omega) 탄광 슬러지 탈수 사례

미국 웨스트버지니아주 몰간타운 지역에서 오메가 탄광이 1980년대 개발이 되었다. 9% 경사의 약 4.5 피트 두께의 탄을 개발했다. 과거에 폐광한 탄광 배수에 더하여 오메가 탄광이 개발되면서 가행중에 산성배수를 배출하게 된다. 주변에 페탄광에 의해서 계곡이 오염된 터에 추가 오염이 진행되었다. 1989년도 본 탄광이 폐광이 되면서 채굴 공동내 지하 수위가 상승하여 몰간타운의 수원지 상류를 오염시키게 된다. 문제가 심각해 지자 채굴 공동내 갱내수위를 낮추고 광산배수를 한곳으로 모으는 작업과 함께 수처리를 실시하였다. 수처리 비용(인건비 및 재료비)으로 한해에 약 30만불이 소요되었다(Broschart, 2001).

폐광 이후 광산배수는 집수 및 산화조 등으로 구성된 자연정화방식으로 수처리를 하였다(Hamel, 2005). 저자가 2016년 10월 본 광산을 방문했을 때 자연정화조들은 광산배수 유입이 차단된 상태로 슬러지가 자연 건조되고 있었다. 다른 한쪽에서는 geo-tube를 이용한 탈수가 진행되었다. 현재 광산배수는 semi-active 방식으로 중화반응조와 HDPE 로 시공된 산화침전조에서 수처리를 하고 있다.

Fig. 11은 geo-tube pad의 모습이다. geo-tube가 놓이는 곳으로 바닥면 기준으로 138 x 140피트 와 144 × 144 피트로 구성되었다. pad 상부 표면은 HDPE 재질 Liner로, 구배는 0.5%로 설계되었고 상단에서 키로 고정되었다. Liner 위에 다수 유공관이 배치되고 한쪽에서 하나의 관(manifold pipe) 으로 연결되어 외부로 연장된다. 이를 통해서 물은 배출된다. liner 상부에는 1~1/2인치 석회석을 12인치 가량 두께로 포설하여 배수층을 형성했다. 석회석 배수층 위에 geo-tube가 위치한다. 둑 상단에서 슬러지를 tube로 주입하기 위한 조작부와 밸브들이 배치되었다.

본 현장에서 6개 geo-tube가 1단을 현성하고 그 위로 또 다른 튜브가 포개져 있다(Fig. 12). 저자가 geo-tube 위를 지나가도 튜브 형상의 변형이 없었고 내부에서 사각사각 소리가 발생하여 탈수가 상당히 진행된 것을 알 수 있었다.

Fig. 11.

Geo-tube pad design modified (Skousen, 2016).

Fig. 12.

Geo-tubes placed in ponds consisted of HDPE liners.

산성암석배수 슬러지 탈수 사례

미국 펜실베니아 스테이트 칼리지에서 I-99 고속도로의 건설 과정에서 절취된 암석이 Skytop 지역에 적치된다. 2003년도 이 성토체와 절취사면에서 황철석의 노출로 인한 산성배수가 발생한다. 수질은 pH가 2.2, Fe가 4,950 mg/L, Al이 1,310 mg/L로 매우 오염이 심한 침출수 였다. 2006년도에 중화제(NaOH)로 중화처리를 하였고 슬러지가 조(pond)에 퇴적되어 geo-tube를 이용하여 탈수를 하였다(Fig. 13).

Fig. 13.

I-99 Treatment system (Kaye, 2005).

현장에서 슬러지 펌프, 폴리머 저장고와 주입 장치 그리고 geo-tube 로 탈수 작업이 진행되었다(Kaye, 2005). 건 중량으로 고체가 1~3% 인 슬러지가 geo-tube 기술로 탈수한 결과 슬러지는 건중량으로 30~35%의 탈수 케익으로 변했다(Table 4).

Table 4. Comparison of sludge composition (Kaye, 2005).

본 사례에서 토목 섬유를 활용한 광산배수 탈수방법은 경제적인 방법으로 평가하고 있다(Kaye, 2005). 응집제 시험을 통해서 탈수율과 토목섬유의 구비 조건등을 파악하는 것이 중요함을 지적하고 기계력 탈수 방식 보다도 조업이 쉽고 약품비, 운전비가 적게 소요되는 탈수법으로 주장하고 있다.

폐기물 이동 차량(dumpster)을 이용한 geo-tube 탈수

WaterSolve LLC(2010)는 미국 Utah주 Huntington 부근에 있는 폐광산에서 geo-tube, 폴리머 주입 시스템 등으로 탈수를 하였다. 실험을 통해서 응집 조건을 파악했다. dumpster에 geo-tube에 넣고 탈수를 시도했는 점이 기존 방식들과 달랐다(Fig. 14). 현장에 토목섬유를 그대로 매립할 수 없을 경우 슬러지 발생량이 많지 않을 경우 탈수 후 바로 차량으로 이송할 수 있는 장점이 있다.

Fig. 14.

Geo-tube placed in a dumpster (WaterSolve, 2010).

석탄광 선별 슬러리 탈수

수세식으로 선탄작업을 하면 미립의 암분과 세척수가 발생해서 일정 장소에서 관리하고 최종 처분해야 한다. 미국 North River 광산 부지에서 슬러리를 geo-tube로 탈수하였다. 우선 두 개의 100 ft geo-tube 를 사용했다. 폴리머 교반 탱크와 주입 펌프를 준비했다. 고체 함유량이 25~35%로 –400메쉬 이하가 80% 차지한 슬러리를 대상으로 탈수 효율을 평가하였고 이를 바탕으로 사업계획을 수립하였다. 용기 하단에 쇄석(3“~6“)을 1% 구배로 포설하여 배수층을 형성했다. geo-tube 용기 둘레는 60-70 ft 를 사용했으나 길이는 다양했다. 슬러리 조에서 준설 장비로 슬러지를 퍼서 geo-tube에 투입했다. 동시에 폴리머도 투입했으며 manifold system을 이용해서 동시에 두 개 이상의 geo-tube에 주입한 사례였다.

결론

토목, 환경 분야에서 미세 물질로 구성된 함수율이 높은 퇴적물, 슬러리 및 슬러지의 신속한 탈수를 위해서 geo-tube 기술을 활용하고 있다. 폴리머를 이용하여 미세물질을 거대화해서 지오텍스타일 용기내에 잔존 시키고 물을 신속하게 배출하는 것이 geo-tube의 탈수 원리였다. geo-tube 기술은 현재 토목 환경 분야는 물론에서 광물 처리시 그리고 자연정화 슬러지 탈수분야에도 활용되고 있다. 종래 국내의 자연정화처리장 슬러지 탈수시 톤 백을 이용할 경우 시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 자연정화 처리시설내 존재하는 슬러지에 적정 폴리머를 투입하여 geo-tube로 탈수를 하면 종래 톤 백 방식보다 신속하게 탈수할 것이다. 국내 자연정화시설내 공간이 충분 하지 않으므로 이동식을 포함한 다양한 geo-tube의 배치 아이디어가 필요할 것이다.