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자원환경지질, 제 37 권, 제 1 호,107-111,2004 Econ. Environ. Geol., 37(1), 107-111, 2004 석탄광의광산배수처리기술현황및전망정영욱한국지질자원연구원지질환경재해연구부 An Overview of Coal Mine Drainage Treatment Young Wook Cheong Korea Institwte of Geoscience & Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea This study was undertaken to summarize of the efficiencies of the passive treatment system and suggest future studies for the solution of mine drainage problem. Flow rates of mine drainage from the abandoned coal are about 80,000 ton/day. Contaminated mine drainages over about 50 ton/day of flow rate were treated by passive treatment facilities such as Successive Alkalinity Producing Systems(SAPS), oxidation pond and oxic wetland. Chemical analysis for 13 passive coal mine treatment facilities showed that SAPS was the core of treatment facilities because the variation of Fe removal rates was relatively smaller than any other processes and re-leaching of Fe was not measured. The performance and life of SAPS depended on decrease in permeability and retention time due to accumulation of sludge. It is inferred that upgrade of design of the passive treatment system and in-situ treatment using underground void will be necessary for the amelioration of the mine drainage with high metal loading rates. Key words : Abandoned coal, mine drainage, passive treatment system, amelioration of the mine drainage 본고에서는우리나라폐석탄광광산배수의자연정화처리시설현황과향후광산배수수질개선을위한기술수요를전망하였다. 우리나라폐석탄광에서는현재약 8 만톤의갱내수가유출되고있으며약 50 톤 / 일이상갱내수에대해서자연정화시설을설치하여갱내수수질개선사업을추진하고있다. 13 개광산에설치된자연정화시설의현장수질분석및설계내용을검토한결과 SAPS 공정이 Fe 의재용출현상이없고성능면에서편차가적어광산배수의중화및금속정화에핵심공정으로파악되었다. SAPS 의정화성능및수명에미치는물리적영향은슬러지누적에의한투수계수감소와체류시간등이었다. 향후자연정화시설의성능을지속시킬수있는기술개발과오염부하가큰갱내수처리기술과채굴적현장수질개선연구가필요할것으로판단된다. 주요어 : 폐석탄광, 광산배수, 자연정화시설, 수질개선 1. 서론 광해는광산개발과정에서행해지는굴착, 암석의파분쇄, 운반및광물처리시발생되는폐수유출, 먼지비산, 소음, 진동, 지반침하등자연과사람의피해로규정할수있다. 우리나라는 1989년부터추진한석탄산업합리화정책으로비경제적인탄광을폐쇄하였고이과정에서 1988 년도에 347여개에달하던탄광이 2003년현재 9개대형탄광만이가행하고있어탄광의광해문제는대부분폐 탄광과관련된다. 폐탄광지역으로부터유발되는광해문제로서는지반침하, 오염갱내수유출, 폐석, 산림훼손및폐시설등이있으며갱내수및폐석은환경오염과관련된다 (Sengupta, 1993; Hedin et al., 1994). 우리나라폐석탄광산에서지반침하는 71 개소, 갱내수는 152 개의탄광에서유출되고있고, 311 개의탄광에서산림이훼손되어있으며또한 2,732 개동의폐시설이있는것으로보고되고있다 ( 서석숭, 2002). 본고에서는환경오염과관련된폐석탄광의광산배수 ( 갱내수 ) 현황과처리기술동향 *Corresponding author: ywc@kigam.re.kr 107

108 정영욱 에대해서서술하였다. 2. 국내폐탄광광산배수처리현황 2.1. 광산배수유출현황우리나라폐탄광갱내수량은 2001년 10월말폐광한 ( 주 ) 삼탄정암광업소의갱내수를합산하면 338개의폐탄광중 137개탄광에서하루 8만여톤정도유출된다. 그중강원지역갱내수량이가장크며전국평균수질은 ph 5.6, Fe 41.8 mg/l, Al 6.4 mg/l 정도이며유출량의 74% 이상이 ph 5.5이상으로약산성이다 ( 심연식, 2002). 일반적으로영동및영서지역그리고중부지역의일부갱내수가산성수특성을가지며 Fe, Al, Mn, -2 Ca, Mg, Si, SO 4 등으로오염되어있다. 광산배수는탁도, 적갈색 / 백색침전물을생성하며강원도태백시일원의황지천, 고한사북의동남천, 도계의오십천등이대표적인탄광폐수오염수계이다 ( 민정식등, 1997). 일내지 5일, 침전조의경우, 수심 1m로할때광산배수가 1일, 호기성소택지는 0.2일에서 0.3일체류하도록설계되고있다 ( 심연식, 2002). 자연정화처리시설은 1996년도 12월에준공된호탄태백광산정화시설을출발로하여 2000년현재폐탄광에 23개의처리시설이설치운영되고있다 (Fig. 1). 그중갱내수유입이없던가, 정상적인운전을하지않는시설을제외한 13 개자연정화시설을조사한결과 ( 정영욱등, 2001) 시설부지면적은최소 441m 부터최대 2 5,504 m 였고광 2 산배수유입량은 43톤 / 일부터최대 2,000톤 / 일이었다 (Table 2). 처리시설로유입되는 1일 Fe+Al+Mn 오염부하량은하루에약 65 gram( 호탄태백 ) 에서최대 0.9 ton( 영동탄광 ) 유입되는것으로나타났다. 또한광산배수의 ph는산성에서중성까지다양하였고동해동 6갱광산배수가가장낮은 3.81의 ph 값을나타냈다. 처리시설을구성하는공정은침전조, SAPS, 호기성소 2.2. 광산배수처리시설현황및성능폐탄광의광해방지사업수행기관인석탄산업합리화사업단은자체기준을설정전국의갱내수정화대상탄광을 59 개로선정하여년차적으로자연정화시설을설치하여수질개선사업을추진중에있다 (Fig. 1, Table 1). 자연정화방법은폐광지역의현장조건에따라서흔히크게폐갱도석회석충전법 (Limestone Drains), SAPS(Successive Alkalinity Producing Systems), 호기성소택지법등을단독혹은복합적으로연계하여설계되고있다. 최근들어광산배수 ( 갱내수 ) 의오염부하혹은수리부하가큰영동탄광및함태탄광갱내수에대하여중화처리공정을설치하여수질개선사업을실시할예정이다. 합리화사업단의자연정화시설의규모는 SAPS 의경우수심층을 1.5 m 로할때광산배수의체류시간이 4 Fig. 1. Location of passive mine drainage treament facilities. Table 1. A plan of amelioration of coal mine drainage(bae et al., 2003). Region Targeted abandoned mine (A) Completed (B) Future work (A-B) Kangwon 44 34,839 17 18,885 27 15,954 Kyungbook 7 2,491 04 2055 3 436 Chungnam 1 432 - - 1 432 Chungbook 4 1,243 - - 4 1243 Chola 3 479 02 77 1 402 Sum 59 39,484 23 21,017 36 18,467

석탄광의광산배수처리기술현황및전망 109 Table 2. Summary of passive coal mine drainage treatment facilities. Mine Passive treatment facilities Mine drainage year process area (m 2 ) (ton/day) Fe+Al+Mn loading (g/day) ph Donghea7 98.08 S, P, OW 2,256 324 19,152 6.22 Donghea6 98.08 S, S, P, OW 4,724 269 50,160 3.81 Hambaek-Bangjae 98.07 S 1,260 100 1,013 6.89 Hambaek-Jami 99.01 S, OW 3,740 2,032 10,912 6.80 Samwang875 99.11 S, OW 3,055 870 1,862 6.74 Samwang 920+970 99.11 S, OW, OW 5,504 941 6,860 6.80 Pongwon 99.04 S, OW 500 83 1,681 6.95 Hanyang 99.01 S, OW 1,870 341 6,066 6.63 Youngdong - LD, P 924 1,943 947,407 4.08 Hotantabaek 96.12 P, OW, OW 441 43 65 6.73 Dongbok 99.01 S, OW, OW 1,614 200 244 6.42 Gapjung 99.04 P, S, S, OW 4,000 2,100 45,236 5.52 S: SAPS, OW: Oxic wetland, P: Oxidation pond, LD: Limestone drain Table 3. Average hydraulic loading rates in passive treatment facilities. Process HLR(m/d) pond(n=5) 1.1 SAPS(n=11) 0.6 Oxic wetland(n=15) 0.4 Table 4. Comparison of Fe removal rates. Removal rate of Fe(g/m 2 /d) Process Range Mean(n) Oxidation pond -2.1~16.2 4.71(05) SAPS 0.07~13.6 4.32(11) Oxic wetland -0.1~1.60 0.43(15) 다 (Table 2). 처리시설에대한공정별 Hydraulic Loading Rate(HRT) 의경우침전조에서는호탄태백에서최소 0.17 m/d 갑정및영동에서최대 2.10 m/d 로나타나광산별수리학적부하가각각달랐으며갑정및영동처리시설에광산배수수리부하가가장큰것으로나타났다. SAPS의경우동해동6갱 SAPS에서수리부하가 0.11 m/d로가장적었고갑정탄광처리시설에서최대 3 m/d 로나타났다. 갑정처리시설조사당시광산배수는 SAPS의배수구로배출되는량이외에상당량의배수가 SAPS 경계조밖으로 Overflow 되고있었다. 처리시설별로 HLR이침전조, SAPS, 호기성소택지순으로그값이작아침전조의수리부하가가장컸다 (Table 3). 13개처리시설단위공정별 1일단위면적당 (m 2 ) 정화능력을계산하여 Table 4에요약하였다. 2.2.1. SAPS 의정화성능 총 13개처리시설중에서 SAPS 공정은 11개처리시설에설치되어있는데 1일 1m의 2 SAPS가처리하는 Fe 의량은평균 4.2 g 으로서동해동 6갱 SAPS의경우최대 13.6g을정화하여최고의정화성능을나타냈다. 석공함백자미갱의 SAPS는 1일 m 당 2 Fe을 0.07 g 정화하여성능이가장낮게나타났다. 2.2.2. 침전조정화성능총 13개처리시설중침전조 ( 산화조 ) 가설치된곳은 5개소였다. 1m당침전조가정화하는 2 Fe의양은평균 4.17 g/d 였다. 최대의정화성능을보인처리시설은동해동 7갱의침전조였고 1m의침전조가 2 16.2 g 의 Fe를정화시켰다. 그러나영동탄광의경우 1m 2 의침전조에서 2.10 g의 Fe 가더용출되었다. 영동탄광의경우침전조의유입수량과침전조의설계용적을고려하여체류시간을구해보면약 12시간에이른다. 2001년 11월조사당시철수산화물이침전조용적의대부분을차지하여퇴적되어체류시간은 1-2시간정도였다. 침전조는 SAPS 조에비해서정화성능의편차가매우크게나타났다. 2.2.3. 호기성소택지정화성능총 13개처리시설에호기성소택지는 15개가설치되어있다. 1m 당호기성소택지가정화하는 2 Fe 량은평균 0.43 g 이었다. 평균값으로할때단위공정중에서가장저조한성능을나타내었다. 호기성소택지중 Fe 정화성능이가장우수했던처리시설은동해동 7 갱의호기성소택지였고단위 m 당 2 Fe를 1.7 g 정화하였다. 그리고호탄태백, 삼왕 920, 970 호기성소택지에서는 Fe 가재용출하고있는것으로나타났다. 이외에나머지호기성소택지의 Fe 정화성능은단위 m 당 2 1g에

110 정영욱 서 0.01 g 정도의정화성능을나타냈다. 자연정화처리공정중에서 Fe 의정화성능은평균값만을고려하면침전조, SAPS 및호기성소택지순으로나타났다. 그러나침전조및호기성소택지의경우 -2.1 g/m 2 / 일및 -0.1 g/m 2 / 일의 Fe 정화성능을나타내두개의단위공정에서는 Fe 의용출현상이발생하였다. 이에반해서 SAPS 의경우 Fe 의재용출현상이없고성능면에서편차가적어정화면에서가장안정적인공정으로평가할수있다 (Table 4). 3. 광산배수처리기술동향분석 3.1. 국내동향국내에서의광산배수처리연구는 1980 년대초반부터한국동력자원연구소등에서시도하였고그당시는개발내용은가행탄광에필요한물리 화학적수처리기술개발등이었다 ( 이춘택등, 1983, 1984). 그러나합리화조치이후많은수의탄광들이폐광하면서갱내수의기계배수가중단되고수개월후중력배수에의해갱내수가유출되면서가행당시의수질과는다른미처리갱내수가유출되면서폐탄광지역에서환경오염문제가이슈화되기시작하였다. 석탄산업합리화사업단은물리화학적수처리시설의유지관리비용때문에 1990 년대중반부터폐탄광지역갱내수처리를위한자연정화처리기술을미국에서도입설치하여현재에이르고있다. 자연정화처리방법은일정기간정화성능이우수하지만정화처리시설내부에슬러지가침전되어침전조에서의저수용량감소와 SAPS 에서투수계수저하등으로인해서적절한유지관리가필요한시스템이다. 또한갱내수량이크거나오염부하가클경우자연정화처리시설의부지확보문제와시설내에서의월수현상, 배관의 Clogging 문제, 슬러지누적등으로이러한문제를해결할수있는신기술이요구되는시점에와있다. 한편우리나라에는현재 9 개의대형탄광이가행중에있으며일일배출되는갱내수량은수천 ~ 수만톤에이르고있다. 이러한대형탄광은시기를달리하면서종국에는모두폐광할것이다. 광해의효율적관리를위하여는광산개발초기단계인개발단계에서부터의체계적인광해관리계획및사전적폐광대책수립여부가향후발생될광해관리의효율성및광해처리비용절감에있어가장중요한요소가된다 ( 김대형, 2002). Warhust and Noronha(1999) 는광업활동에의해발생되는총체적환경피해비용 (Total Environmental Damage Cost) 은적절한광해방지및폐광산복원을위한계획 마련과집행이이루어진다면크게감소할수있음을제시하고있다. 즉 Fig. 2에서와같이광업활동기간을 X 축의 X 2 까지로, 광업활동에따라발생되는환경피해비용을 Y축으로할경우, 만약광해방지를전혀시행하지않았다고가정하면총체적환경피해비용은 A 1 과같이시간이지남에따라증가하게되며, 광업활동이종료되는 X 2 시점이후에도환경피해가계속되어환경피해비용이지속적으로확대됨을나타내고있다. 만약광산가행종료시점인 X 2 에서적절한폐광산복구를시행할경우환경피해비용은 C 3 를정점으로 A 2 와같이점차감소할것이며, 가행기간중인 X 1 에서광해처리및폐광산복구계획을수립운영할경우환경피해비용은 A 3 와같이가행및가행종료후크게감소할수있음을나타내고있다 ( 김대형, 2002). 위에서언급한바처럼대형탄광의폐광이후갱내수에의한환경피해를사전에저감키위한사전광해방지연구즉, 폐광이후의갱내수수질예측과대용량갱내수처리기술의개발연구가필요할것이다. 2001년도 11월에폐광한강원도 ( 주 ) 삼탄정암광업소의갱내수는현재까지기계배수에의해평균약 2만톤 / 일유출되고있으며갱내수위는폐광전보다 100 m 상승한 ( 침수 ) 상태로 Fe 함량이증가하는추세에있다 (Fig. 3; 강상수등, 2003). 따라서향후대형탄광폐광이후의갱내수의수질예측과지하채굴적에대한사전조처기술이개발되어과거와는다른계획적인환경오염방지조치 Fig. 2. Environmental damage and the remediation challenge. Fig. 3. Variation of Fe and Mn in mine drainage.

가취해져야할것으로판단된다. 3.2. 국외동향폐광산환경복원의경우국가의폐광현장특성이판이하게다르므로개별국가별로폐광산현장에부합된경제적인기술을개발하고있다. 선진국의기술개발을분석하면대부분갱내수처리기술, 폐채굴적을이용한현장처리기술, 갱내수유출방지및유해성광산폐기물의처리기술로귀결된다. 즉, 경제적인수처리기술 ( 인공소택지기술개발, 미국주도 ), 고밀도슬러지처리기술 (HDS), 지하채굴적및 Pit lake 현장처리기술개발 ( 미국, 호주 ), 광산폐기물적치장안전처리 (Capping, PRB, Mixing, Layering), 다기능수처리약품및공급장치개발등이그예이다. 우리나라와자원개발방식이유사했던일본은 '74년부터갱내수차단기술, 갱내수개선기술, 갱도처리기술과퇴적장녹화기술, 지반침하방지기술, 폐갱도충전기술및광산계획관리기술을그리고최근에너지절감폐수처리기술과함께중화침전퇴적장의수명연장을위한고효율침전물조립기술연구를수행중에있다. 4. 결론 우리나라폐석탄광에서는현재약 8 만톤의갱내수가유출되고있으며 50 톤 / 일이상갱내수에대해서자연정화시설을설치하여수질개선사업을추진하고있다. 13 개광산에설치된자연정화처리시설의현장수질분석및설계내용을검토한결과 SAPS 공정이 Fe 의재용출현상이없고성능면에서편차가적어광산배수의중화및 Fe 및 Al 등광산배수중의금속정화에핵심공정으로파악되었다. SAPS 의정화성능및수명에미치는물리적영향은슬러지누적에의한투수계수감소와체류시간등이었다. 오염부하가매우큰광산배수는자연정화시설의부지확보문제점과단기간내의정화기능상실로경제적인슬러지발생량이적은수처리기술이요구된다. 향 석탄광의광산배수처리기술현황및전망 111 후대형탄광의폐광에대비한갱내수수질악화예측및방지기술, 채굴적을이용한현장수처리기술개발연구가필요할것으로기대된다. 참고문헌 강상수, 조원재, 정영욱, 홍성규, 임길재 (2003) 폐광을대비한가행탄광광해방지대책연구 (II). 한국지질자원연구원연구보고서, KR-03(C)-14, p. 46-50. 김대형 (2002) 국내광해방지제도현황및문제점. 광해방지정책및기술심포지움, 한국지질자원연구원, 2002, 7월 19일, p. 57-77. 민정식, 정영욱, 권광수, 이현주 (1997) 폐탄광및폐금속광갱내수수질오염방지대책. 한국자원연구소논문집, 제1권, p. 63-71. 배위섭, 정영욱, 심연식 (2003) 폐탄광자연정화시설의효율적인사후관리방안연구. 한국지구시스템공학회, 제 40권, p. 284-290. 서석숭 (2002) 국내폐광산광해방지사업정책. 광해방지 정책및기술심포지움, 한국지질자원연구원, 2002 년 7 월 19 일, p. 3-18. 심연식 (2002) 폐탄광갱내수정화사업추진현황과대책. 광해방지정책및기술심포지움, 한국지질자원연구원, 2002 년 7 월 19 일,p.99-108 이춘택, 유시영, 강창희, 이동찬, 이상권, 김호영 (1983) 광해 ( 폐수 ) 방지를위한강릉탄전의산성폐수화방지 대책연구. 한국동력자원연구소, 92-석탄자원-9-15, p. 1-202. 이춘택 (1984) 석탄광산성갱내배수의중화처리법에대한 설계기준. 한국동력자원연구소, p. 1-338. 정영욱등 (2001) 폐금속광산환경오염평가및정화기술연구. 한국지질자원연구원보고서, 198p. Hedin, R.S., Nairn, R.W. and Kleinmann, R.L.P. (1994) Passive Treatment of Coal Mine Drainage. U.S. Dept. of the Interior, Bureau of Mines, Information Circular 9389. Sengupta, M. (1993) Environmental impacts of mining: monitoring, restoration, and control. Lewis publisher, 494p. Warhust, A. and Noronha, L. (1999) Integrated environmental management through planning for closure from the outset: the challenges: In Environmental policy in mining, Lewis Publishers, London, p. 13-18. 2003 년 11 월 16 일원고접수, 2004 년 1 월 15 일게재승인.