폐광된 탄광의 갱내수 유출실태와 오염 및 처리방안검토

함 주 익, 심 연 식

석탄산업합리화사업단 광해사업본부 수질관리과

Observed Acid Mine Drainages of Closed Coal Mine And Treatment Methods

Jooik Ham and Yonsik Shim

COAL INDUSTRY PROMOTION BOARD

일반적으로 인간의 건강 및 자연과의 조화, 그리고 지구의 자원에대한 적절한 대책을 생각치않고 이루어진 광업활동은 커다란 환경문제를 야기한다. 광업활동시 사용하던 시설물이나 공가의 방치와 산림훼손, 그리고 지하 공동에의한 지반침하와 갱내유출수등이 이런류의 문제로써 거론될 수 있는데 이러한 문제는 환경파괴는 물론 도로나 철도등 기간시설물이나 주거시설물의 안정성을 위협하며 심지어는 광산지역의 황폐화 현상까지 초래하기도 한다.  우리나라의 경우 일반금속광이나 기타 다른종류의 광산에의한 것은 차치하고라도 석탄산업합리화조치에따라 폐광된 약 345개의 석탄광으로인한 환경문제를 살펴 볼 때, 약 800여개 이상의 지하공동과 갱, 270만□(약 86만평, 서울 남산 크기)정도의 산림훼손 및 2730여동 이상의 공가나 폐시설물들이 발생된 것으로 보고되어있다. 특히 800여개 이상의 갱중 약 200여개의 갱구로부터 쏟아져 나오는 갱내수(AMD, Acid Mine Drainage)는 하루 3만 3600tons으로 이들이 한강과 낙동강등 중요수계에 미치는 영향은 실로 막심하다 아니할 수 없다.  AMD는 광업활동으로 인해 생성된 지하공동에 빗물이나 지하수가 스며들어 밖으로 유출되는 일종의 지하수로 pH3∼4정도의 강산성이며 철등 금속이온을 다량함유하고 높은 황산염농도를 나타내는 특징을 가진다.  문헌에서는 석탄층이나 주변광물에 포함돤 pyrite(FeS2)가 AMD 생성의 주원인인 것으로 보고되어있는데 환원된 상태인 pyrite가 광업활동으로 인해 공기에 노출되게되고 이것이 물과 접촉하면서 Fe(II)와 황산이온을 생성한다. 이 과정을 통해 갱내수는 산성으로 변화되고 산성수는 다시 석탄 이나 황철석과 결합되어있는 암석중의 금속들을 부식시킴으로써 결과적으로는 암석 전체가 부식되며 암석의 주 성분중에 하나인 Al이나 Mn등의 금속을 다량 함유하게되는 악성폐수가 되는 메카니즘을 거친다.  Fe는 초기에 생성된 Fe(II)가 공기와의 접촉이나 생물학적으로 Fe(III)으로 다시 산화되면서 불용성인 Fe(OH)3의 붉은색 침전을 형성한다든가, Al에의한 Al(OH)3의 흰색 침전을 형성하여 소위 yellow boy나 백화현상을 유발하기때문에 호수나 하천의 자연수와 섞이는 경우 먼거리까지 영향을 미치게 된다.  또 AMD에 용해되어있는 금속 및 황산성분은 수생식물의 생장에 커다란 해를 줄 뿐아니라 이런 오염된 물은 식수나 공업용수로서도 부적합한 환경파괴를 유발한다. 이 현상은 어제 오늘의 이야기가 아니라 이미 외국에서는 오래전부터 문제시되었던 상황이며 이에대한 대응방안이나 처리방안이 활발히 진행되어왔고 많은 실험결과들이 축적되어있는 상태이다. 그러나 석탄 생산량증대에만 급급했지 이로인한 환경문제에까지는 미처 관심을 갖지 못했던 우리에게는 이제 시작에 불과하고 아직 문제조차 인식되지 못한 실정에 놓여있다.  따라서 본 고에서는 폐광된 석탄광의 갱내수유출에대한 환경문제를 제시하고 수자원 및 환경오염을 방지를위한 기초자료로 활용하고자 폐광된 석탄광의 갱내유출수 현황조사 결과와 이로 인한 피해정도, 그리고 우리실정에따른 처리방안 검토등을 다루고자한다.

전국적으로 분포된 탄광을 3개의 지역으로 구분하여 AMD실태를 살펴보면 충남탄전과 호남탄전지역, 그리고 강원남부와 경상북부탄전지역를 중심으로 구분할 수 있으며 거의 대부분이 강원 남부와 경상 북부지역에 밀집되어있고 이들지역에서 유출되는 양은 전체량의 약 86%를 차지하는 것으로 조사되었다. 이지역은 낙동강이 발원하는 지역이며 남한강의 최상류지역이다.(그림1. 참조) 이 지역에서는 AMD가 유입된 지천들의 대부분이 물고기가 살기 어려울 정도의 낮은 pH와 yellow boy현상이 두드러졌고 지역주민의 민원도 빈발하였다. 그리고 모든 지역에서 환경기준을 크게 넘고 있었지만 특히 강원남부와 경상북부 탄전지역의 AMD가 다른지역보다도 비교적 더 악성으로 조사되었는데 이는 각 탄전의 황함유량과도 같은 경향을 보이고 있다. 즉, 석탄내의 황이 거의 pyrite형태인 것을 감안한다면 다른 지역보다 황함유량이 높은 강원남부와 경상북부탄전의 폐수가 더 높은 오염수치를 나타낼 수 있다는 것은 예상할 수 있는 현상이었다.

이런 특성을 가진 AMD 처리문제는 아직 명쾌한 답이 없다. 단지 AMD를 방출지점에서 통제한다는 전략하에 예방법과 화학약품을 이용하여 강제적으로 처리하는 전통적인 방법, 그리고 요즘 널리 관심이 집중되고있는 인공소택지를 이용한 자연적정화법등이 거론될 뿐이다.  예방법에는 유출갱도를 막는 방법과 지하수의 흐름을 차단하거나 유로를 변경시키는 방법, 그리고 철산화를 유발하는 철산화박테리아의 활동을 억제시키거나 살균시키는 방법등이 있다.  이들 몇가지 방법중에서는 유출갱도를 여러 충진물등으로 채워 갱내수의 유출을 막는 방법이 손쉽고도 확실한 해결책으로 보이나 탄층을따라 여러 갈래로 복잡한 갱도를 가진 우리의 탄광구조로는 한 곳을 막았다고해서 유출근원을 제거했다고는 볼 수 없다. 또 갱도를 차단함으로해서 증가될 수압은 이미 고여있는 폐수를 암반 틈에있는 전리를 따라 다른 곳으로 확산시킬뿐이라는 다른 연구자들의 의견도 있고 보면 현실적으로는 타당하지 않은 듯하다.  화학약품을 이용하거나 기타 물리적인 특징을 이용하는 고전적인 강제처리법은 산성수 중화를 위한 중화제와 응집제등을 사용하거나 처리를 위한 동력을 이용하는 것으로 대부분이 정화 plant를 건설해야만하며 처리면에서는 확실한 효과는 기대할 수 있으나 비용면에서나 운영 및 유지면에서는 불리한 방법이다.  더군다나 주로 계곡이나 깊은 산속에 위치한 갱들을 찾아다니며 일일이 plant를 건설하여 처리한다는 개념으로 볼때 엄청난 비용을 예견케 할 뿐아니라 재정이 다소 약한 지자체로써는 해마다 소요될 많은 운영·관리 및 처리비용을 감당할 수 없을 것이 예상된다.  마지막으로 거론된 자연적처리법은 AMD 처리가 문제시되었던 외국에서는 이미 많은 지역에서 채택하고있는 것으로 인공소택지를 이용한 방법이다.  우연한 기회에 자연적으로 형성된 물이끼 토탄 소택지를 거쳐간 AMD가 산성이 중화되고 금속이온들이 감소된 것을 발견함으로써 시작된 이 방법은 갱내수에 포함되어있는 대부분의 금속이 황화수소(H2S)와 잘 반응해서 불용성침전물이되는 성질을 이용한 것이다. 이 방법에서도 산성을 중화해야하는 것은 필수적이므로 우선 유출수를 석회석을 이용한 ALD(Anoxic Limestone Bed)을 통과시키거나 Fe(III)의 환원과 alkalinity공급을 유도할 수 있는 SAPS(Successive alkaliniyt producing system)를 통과케하여 pH를 상승시킨 다음 SRB(Sulfate-reducing bacteria)에의해 SO42- 가 H2S로 환원되는 현상이 일어나는 인공소택지를 거쳐가게함으로써 금속이온의 제거를 기대한다.  소택지에서는 pyrite 산화과정의 반대과정이 일어남으로써 부피가 큰 철가수분해 슬럿지(Fe(OH)3)보다도 농축되고 소택지 기질위를 덮지않고 내부에 섞이는 형태의 철제거가 이루어지므로 장기적인 관점에서 볼 때 상당히 호감가는 방법이다. 인공소택지법은 미국에서만도 400개이상이 설치되어있을 정도로 성공을 거두고있는 방법이고 많은 보고서에서도 그 효과가 언급되어있는 방법이다.  단지 정화를 위해 많은 면적이 필요하고, 계절적인 영향을 많이 받는다는 것이 단점으로 지적되어있지만 일단 시설이 설치된 후에는 5년, 10년정도 유지관리없이 제기능을 발휘한다는 장점도있다.  미국등과 같이 넓은 국토를 소유하고 있는 나라에서는 충분히 적용시켜 볼 만한 잠재력이 큰 방법이지만 우리와 같이 좁은 국토에 협소한 계곡을따라 탄광이 위치한 나라에 적용시키기에는 다소 무리가 따른다. 우선 정화시설용 부지를 찾을 수 없을뿐 아니라 있다해도 대부분이 개인소유이고 특별히 땅에대한 개념이 남다른 우리에게는 이를위해 선뜻 허락하려하는 사람도 없을 것이므로 근본적인 문제가 발생할수 있는 어려움이 있을 수 있다.

이상으로 간략하게나마 폐광된 석탄광으로인한 갱내수 유출실태 및 오염현황과 그 처리방법을 살펴 보았다. 환경을 생각하는 엔지니어라면 갱내유출수는 방치할 성질의 것이 아니며 시급히 처리하여야할 오염수임을 명확히 느껴야 하겠다. 그리고 그 타당한 방법을 찾는 것 또한 환경엔지니어가 해결해야할 명제이겠다.  특히 외국에서 거론된 방법을 그대로 적용하거나 손쉬운 약품처리를 택하여 2차적인 비용부담을 안기보다는 국내 실정에 맞는 방법을 이끌어내어야하겠다. 갱구를 막아 유출을 억제한다는 다소 위험스런 방법이나 유지비용이 소요되는 plant건설등 우리실정과는 다소 거리감이 있는 방법들보다는 이상이지만 설치된 후에도 특별한 관리없이 오래동안 기능이 유지될 수 있는 방법들이 강구되어야 할 것이다. 이런면에서 볼 때 인공소택지를 이용한 처리가 잠재력이 가장 클 것으로 생각되는데 외국에서 먼저 진행된 이 방법을 우리의 것으로 만들기위한 연구가 선행되어야 할 것이다. 우선 정화에 필요한 면적을 줄이는 방법과 기질에대한 연구가 이루어져야할 것이다. 그러므로써 고효율의 집약적인 정화법을 개발하여 인간의 이익때문에 파괴된 환경을 다시 돌리는 노력을 기울여야 하겠다.