KIGAM 한국지질자원연구원

광산폐기물 내 중금속 오염 확산 제어를 위한

생화학적 제제 BioNeutro-GEM  

지구환경연구본부 환경지질연구실 선임연구원 남인현

 

1. 개  요

국내에 산재되어 있는 광산은 약 2,100여 개의 휴/폐 금속광산, 약 394여 개의 폐석탄광산과 비금속광산을 중심으로 하는 약 593여 개의 가행광산 등 총 5,396여 개의 광산이 있다. 이 중 대부분의 휴/폐광산에서 시기적으로 적절한 복원이 이루어지지 않아 폐광석과 광미사 등의 광산폐기물을 주변에 방치하고 있으며, 중금속 및 황화광물을 함유한 광산폐기물의 유실이 빈번하게 이루어지고 있다.

 

특히, 수계가 발달한 광산 주변은 이러한 광산폐기물들이 하천수 및 지하수로 유입이 되고, 주변 토양에는 산성광산배수(AMD, Acid Mine Drainage)가 흘러 들어가 환경오염을 초래하고 있다. 이러한 결과로 휴/폐광산지역 토양 중금속 오염은 산성광산배수 혹은 침출수가 유출되거나, 광산폐기물의 유실 및 그로부터 발생한 분진 등이 분산되는 것에 기인하는 경우가 대부분인 것으로 알려져 있다. 상기 과정으로 국내 휴/폐광산 주변 토양이나 농경지에서도 고농도의 중금속 오염을 보이고 있으며, 주로 As, Cd, Cu, Zn 등의 중금속이 기준을 초과하는 농도로 오염되어 광산 주변뿐만 아니라 인근 생태계로 오염이 퍼지고 있는 실정이다.

 

이러한 고농도의 중금속 오염은 그 토양에서 자란 식물 등을 통해 인체에 축적되게 되며, 위해성 평가를 통해 살펴보면 암 등 치명적인 질병의 발병확률을 매우 높이는 원인이 될 수 있다. 또한, 많은 휴/폐광산 지역 토양은 산성인데, 이를 통해 중금속의 용해도와 이동 속도가 증가하여 오염 부담을 가중시키고 있다. 그리고, 토양의 산성화는 토양의 CEC(양이온 치환 용량), BS(염기성원소 포화도), pH 완충능력을 감소시켜 토질을 악화시키며, 토양 내 영양분원소를 유출시키고 Al, Mn 원소를 활성화시킴으로써 식물 및 토양생태계에 악영향을 끼쳐 결과적으로 토양의 황폐화를 초래할 뿐만 아니라 수생태계로의 산성화를 확산시킬 수 있다.

 

이러한 산성화된 토양을 중화시키고 회복시키기 위한 중화제 물질로는 주로 무기물질인 석회석(CaCO3), 소석회(Ca(OH)2), 생석회(CaO), 카바이드 재(주성분이 Ca(OH)2) 등이 사용되고, 부가적으로 알루미늄 제조 시 발생하는 산업 부산물인 Red mud(적니, 적토), 상수도 정수장에서 폐기물로 발생되는 슬러지(alum sludge) 등을 활용한 산성토양 중화 및 개량을 위한 연구개발이 진행되기도 했다. 그러나, 이런 물질들의 실제 현장 적용 시 부적절한 사용으로 염류토양화로 인한 식물 뿌리 생육저해, 투수계수 저하, 경반층 형성 등의 문제점들을 야기하고 있다.

 

따라서, 폐광산 지역 중금속 오염 산성 토양에 적절하게 활용할 수 있는 식생을 고려한 친환경 중화제 개발도 필요하다. 이와 같이, 휴/폐광산으로부터 기인한 주변 토양 및 수계의 중금속 오염은 시급한 환경 복원 대상이며, 이를 보다 효율적인 방법으로 복원하는 다양한 방법들이 요구되고 있다. 

 

 

2. 요소분해효소 반응
 
요소분해효소 기반의 생화학적 제제 BioNeutro-GEM을 제조하는 근거가 되는 탄산칼슘의 석출반응은 다음과 같다. 먼저, 요소에 요소분해효소를 혼합하면 반응하는 물분자 수에 따라 다음과 같은 여러 반응이 복합적으로 발생한다.

CO(NH2)2 + H2O + Urease → 2NH3 + CO2               (1) 
CO(NH2)2 + 2H2O + Urease → 2NH4+ + CO32-            (2)
CO(NH2)2 + 3H2O + Urease → 2NH4+ + OH- + HCO3-    (3)

위와 같은 반응에서 OH-이온 증가로 pH가 상승하며, 이러한 pH 상승으로 암모니아, 이산화탄소 가스가 발생하며 다른 이온들은 용액 속에 존재하게 된다(용액이 산성일 때는 CO2, 약염기성일 때는 HCO3- & CO32-, 염기성일 때는 HCO3- 상태로 존재). 염화칼슘 혹은 수산화칼슘을 물에 넣으면 다음 식과 같이 이온화된다.

CaCl2 → Ca2+ + 2Cl-          (4)
Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH-      (5)

요소와 식물추출액을 혼합한 용액에 수용액 상태의 칼슘원(염화칼슘 혹은 수산화칼슘)을 투입하게 되면 용액 내 이온 상태에 따라 다음과 같은 탄산칼슘 생성반응이 일어나게 된다.

Ca2+ + CO32- → CaCO3                         (6)
Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3 + H2O + CO2         (7)
Ca2+ + HCO3- + OH- →   CaCO3 + H2O        (8)
NH4+ + OH- → NH3 + H2O                    (9)

이러한 요소분해효소의 생화학적인 반응을 이용하는 다양한 종류의 미생물은 주어진 pH, 온도, 습도, 물에 녹아 있는 이온 등의 조건이 적합할 경우 상기 화학식과 같이 탄산칼슘과 같은 광물질을 생성하게 된다. 이렇게 재료의 표면이나 분리된 공간 사이에 미생물로 인하여 광물질이 쌓이거나 형성되는 것을 Biodeposition이라 하고, 입자 사이에 미생물 작용으로 생성된 광물질이 고결을 일으키는 것을 Biocementation이라 한다. 미생물(cell)에 요소가 들어가면 암모니아와 탄산이온으로 바뀌면서 주변에 있는 칼슘이온과 결합하여 탄산칼슘과 같은 광물이 생성되는 과정을 보여주고 있으며, 화학식으로 설명하면 아래 식과 같이 표현할 수 있다.  

 
Ca2++Cell → Cell-Ca2+
Cell-Ca2++CO32- → Cell-CaCO3

 

그림 1. 박테리아에 의한 요소분해효소 작용 
출처: De Muynck et al. Ecol. Eng. 36 (2010) 118-136

본 생화학적 반응을 실제 토양 입자에 활용을 하면 토양의 압축강도 증진과 균열 보수를 위한 연구로 응용할 수 있다. 느슨한 상태에 있는 사질토 및 점성토 지반의 경우에는 이러한 효소반응에 의해 광물질이 생성될 수 있는 지반 내 빈 공극이 비교적 넓게 존재하기 때문에 상대적으로 훨씬 유리할 수 있다. 본 연구에서는 폐광산 지역 및 주변에 광산 기인 및 강우 등으로 오염된 광산폐기물로부터 발생하는 침출수에 의한 오염 확산을 저감하기 위해 식물추출액으로 이루어진 요소분해효소 기반의 제제 BioNeutro-GEM을 제작하고 이를 칼슘원과 요소를 동시에 투입하여 탄산칼슘을 석출시켰다. 궁극적으로 실제 중금속 오염 광산폐기물에 적용을 하여 침출수 내 중금속 저감 효율을 실험적으로 확인하였다.

 

3. 요소분해효소에 의한 CaCO3 생성

폐광산 지역 중금속 오염 광산폐기물 내에 CaCO3 침전을 위해 투입한 BioNeutro-GEM과 정제된 요소분해효소에 의해 생성된 CaCO3을 X-선 회절분석(XRD) 및 전자현미경(SEM)분석 등을 통해 확인하였다. 그림 2에 나타낸 바와 같이 BioNeutro-GEM과 정제된 요소분해효소 처리군에서 CaCO3가 광산폐기물 내에 생성됨을 확인하였다. 처리를 하지 않고 동시에 실험한 대조군에서는 CaCO3 생성이 관찰되지 않았다.

그림 2. 광산폐기물 입자 내 생성된 탄산칼슘의 정성 분석 XRD 스펙트럼과 SEM 이미지. SEM 분석 결과 설명 (a) Control, 무처리; (b) Purified urese 처리구에서 생성된 탄산칼슘; (c) BioNeutro-GEM 투입에 의해 생성된 탄산칼슘; (d) BioNeutro-GEM 투입에 의해 생성된 탄산칼슘 확대 사진.

 

그림 2에 나타낸 바와 같이 요소분해효소 처리를 하지 않은 대조군에서는 관찰되지 않았던 CaCO3의 특징적인 입방형 결정이 BioNeutro-GEM과 정제된 요소분해효소 처리 시에는 관찰할 수 있었다. 추가적으로 생성되는 CaCO3양이 시간에 따라 변화하는지를 알아보기 위해 정량 분석을 실시한 결과, 그림 3에 나타낸 바와 같이 72 시간까지의 실험 시 CaCO3의 양이 점차적으로 증가함을 확인할 수 있었다.

 

이는 BioNeutro-GEM을 포함하는 요소분해효소 작용이 광산폐기물 입자 내에서 일정 시간 동안 지속적인 반응을 유지하는 것을 의미하며, 결과에서 나타나듯이 초기 CaCO3생성량은 정제된 요소분해효소가 증가하다가 48 시간 이후부터는 BioNeutro-GEM에 의한 CaCO3발생량이 증가함을 나타내어 본 연구에서 활용한 BioNeutro-GEM이 실제 광산폐기물에도 적용이 가능함을 시사한다. 그리고, 중금속 오염 광산폐기물 내에서 CaCO3이 생성되는 반응들이 요소분해효소에 의해 나타난 반응임을 확인하기 위해 각 처리군 시료들로 요소분해효소의 활성 측정을 수행하였다. BioNeutro-GEM과 정제된 요소분해효소 2가지의 시료들의 활성을 측정하여 비교하였는데, 그림 3에 나타낸 바와 같이 정제된 요소분해효소 처리군에서 발생한 효소 활성은 43.57 U/mg 로 측정이 되었고, BioNeutro-GEM 시료의 경우에는 다소 높은 47.19 U/mg 로 측정이 되었다. 따라서, 본 실험의 처리군으로서 관찰한 반응 모두 실제 요소분해효소에 의한 반응에 의해 CaCO3이 생성되는 것을 확인하였다.

 

기존 연구들에서 박테리아 등의 미생물로부터 분비되는 요소분해효소가 아닌 본 연구에서 새롭게 적용한 BioNeutro-GEM의 효율을 근거로 향후 중금속 오염 광산폐기물의 처리제로 미생물 배양 혹은 추가 정제 과정을 거치지 않는 효과적이고 다루기 쉬운 재료로 활용될 수 있음을 기대할 수 있다.

 

그림 3. 탄산칼슘의 시간에 따른 생성 Time-course 그래프와 요소분해효소 활성 측정 결과. 

 

 

4. 광산폐기물 내 중금속 침출 감소

중금속으로 오염된 폐광산지역 광산폐기물 내 존재하는 중금속의 농도를 측정한 후, 각 중금속 오염 광산폐기물에서 발생하는 침출수 내 중금속 농도를 대조군 및 각 실험군 처리에 대한 농도 변화를 ICP-AES 분석을 통해 그림 4와 같이 확인하였다. 그 결과, 오염 광산폐기물 초기 값 대비 중금속의 최대 감소율은 Al (22.6%), Fe (25.6%), As (32.0%), Mn (33.6%), Cr (50.7%), Pb (55.4%), Cu (35.6%), Zn (8.1%) 등이었으며, 중금속 종에 대한 특이성은 관찰되지 않았다. 이는 BioNeutro-GEM을 포함한 정제된 요소분해효소 처리군에 의해 CaCO3이 생성되어 광산폐기물 입자 간 공극을 메워 중금속들의 이동이 저해됨으로써 광산폐기물로부터 용출되는 중금속의 절대적인 양이 감소한 것으로 생각된다. 또한, BioNeutro-GEM 및 정제된 요소분해효소에 의한 반응에 의해 생성된 CaCO3의 영향으로 광산폐기물 입자에의 흡착 및 중금속 자체의 Speciation 변화에 야기할 수도 있다. 따라서, 본 연구 결과는 폐광산 지역 광산폐기물 오염에 의한 지하수 혹은 하천수로 발생하는 침출수에 대한 2차 오염을 일정 부분 방지 및 감소시킬 수 있는 결과를 제공한다.

 

그림 4. 오염 광산폐기물 요소분해효소 처리 전후 중금속 정량 결과. 

 

5. 현장실험 및 모니터링

현장 실험은 시작품으로 개발한 BioNeutro-GEM 생화학적 제제를 중심으로 한 광산폐기물 개량으로 구성하였다. 시공 순서는 사면정리, 30 cm 광산폐기물 처리 및 되메움, 구획구분, 하단부 침식토사 및 유거수 시료 채취부 설치, TDR 센서 설치, 종자 뿜어 붙이기 등이며 시공 시 강우 시 투수율 등을 계산하기 위해 각 실험구 마다 TDR 센서를 매립하여 설치하였다. TDR 센서 측정시간은 10ms (milliseconds), 정밀도는 0.012 dS/m (up to 50 dS/m), 사용 온도는 -15에서 +50 °C, 측정의 범위는 0 에서 saturation 까지이며 센서의 크기는 140×32mm과 같다. 또한, 본 연구의 목적이 개량된 광산폐기물로 식생 독성을 감소시켜서 궁극적으로는 식생이 되는 과정을 모니터링 하는 것이므로 종자 뿜어 붙이기 등의 방법을 활용한 발아를 유도하는 것이 최종 순서이다. 종합적으로 상기 기술한 처리구 및 파라미터들의 현장 시공을 완료하였으며, 관련 Data 모니터링을 수행중이다 (그림 5).

 

그림 5. 현장 시공 및 모니터링 사진.

 

또한, 본 연구에서는 중금속 오염 광산폐기물에 BioNeutro-GEM을 투입한 후 주변 환경 내 존재하는 미생물 군집 변화를 모니터링 하였다. 현장 시공 후 미생물 군집 변화 모니터링의 의미는 실제 BioNeutro-GEM에 의해 주변 환경이 친환경적으로 변모하여 식생 독성을 감소시키는 지의 여부를 확인하고자 수행되었으며, 미생물 군집 변화의 결과를 그림 6 에 나타내었다.

 

현장시공 후 각각 30일 및 60일 경과 후 미생물 군집 분석을 수행한 결과, BioNeutro-GEM 투입 (Lane 4) 및 Purified urease 투입 (Lane 3) 에 따라 보다 다양한 미생물 군집이 생성되며 시간이 지나면서 해당 군집의 농도가 증가함을 관찰할 수 있었다. Control 로 동시에 살펴 본 무처리 대조구와 20 mM Phosphate buffer (pH 7.0) 만 공급해 준 비교 시료들에서는 요소분해효소 처리군과 비교할 때 미생물 군집의 다양성이 크지 않았다.

 

이 결과로 유추하건대 BioNeutro-GEM 투입에 의한 주변 생태독성이 감소하고, 다양한 미생물들이 서식할 수 있는 환경이 조성됨을 알 수 있고, 또한 관련 미생물들이 해당 환경을 우점하면서 그 농도를 증가시키는 것은 이러한 현상들이 일시적인 것이 아닌 지속 가능한 환경이 조성됨을 알 수 있다. 이는 점진적으로 식물에 대한 독성도 초기 광산폐기물 상태보다 감소시킬 수 있으므로 식생복원사업에도 기초가 되는 결과 및 환경을 제시한다.  

 

 그림 6. 광산폐기물 내 BioNeutro-GEM 및 요소분해효소 투입에 의한 미생물 군집 변화 모니터링 결과. M: Marker(100bp DNA ladder), Lane 1: Control(무처리), Lane 2: 20 mM Phophate buffer only, Lane 3: Purified urease, Lane 4: BioNeutro-GEM 투입

 

요약 및 결론

중금속으로 오염된 폐광산 지역 광산폐기물(토양) 내에 식물추출액 기반의 BioNeutro-GEM을 처리하여 요소분해효소(Urease) 가수분해 반응을 요소 및 염화칼슘 등의 첨가로 유도하여 CaCO3을 침전시켜 광산폐기물 내 중금속이 저감됨을 확인하였다.

 

또한, 중금속으로 오염된 광산폐기물을 충진한 컬럼 실험에서 중금속이 Al (22.6%), Fe (25.6%), As (32.0%), Mn (33.6%), Cr (50.7%), Pb (55.4%), Cu (35.6%), Zn (8.1%) 등의 효율로 감소함을 확인할 수 있었으며, CaCO3생성은 XRD, SEM 등의 분석으로 확인하였고, 각 시료들로부터 요소분해효소 활성 측정을 통해 생화학적인 반응에 의해 생성되고, 이로 인해 주변 오염 광산폐기물 내 미생물 군집이 활성화 되어 생태 독성을 감소시키는 것도 확인하였다.

 

 본 연구 결과는 중금속 오염 광산폐기물의 중금속 오염 저감, 생태독성 감소, 지반 강도의 증가 등의 효과를 가지며, 향후 중금속 오염 거동 및 침출수 혹은 지하수로의 이동성을 감소하는 데에 있어서 유용한 자료가 될 것이다. 또한, 기타 토양 복원 시에 영향을 미치는 다양한 파라미터 중의 하나로 실제 복원 사업을 관리 및 모니터링, 유지하는 데에 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.