산성광산폐수

산성광산폐수란, 폐광이나 폐광석에서 흘러나오는 산성을 나타내는 배출수를 말한다. 산성광산폐수는 황화광물이 산소에 노출되어 산화되면서 만들어진다. 즉, 황화광물이 황산과 금속 이온으로 나뉘면서 산성의 배출수를 생성한다. 따라서 산성광산폐수에는 보통 자연 수에서 발견되는 것보다 훨씬 더 많은 농도의 용해 된 금속(철, 구리 망간, 니켈, 아연 등)이 들어있다. 

폐광에서 나온 산성광산폐수 피해 지역 모습(미국 오하이오 주 노스 리마) (출처: )

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여러 종류의 황화광물 가운데 가장 흔하고 대표적인 것은 철 황화물, 황철석(pyrite, FeS₂)이다. 산의 생성은 일련의 반응을 거쳐 일어나는데, 황철석을 예로 들어 산화 과정을 살펴보면 다음과 같다.

@@NAMATH_DISPLAY@@Fe^{2+} + \frac{1}{4}O_2 + H^+ \longrightarrow Fe^{3+} + \frac{1}{2}H_2O@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@Fe^{3+} + 3H_2O \longrightarrow Fe(OH)_3 + 3H^+@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@FeS_2 + 14Fe^{3+} + 8H_2O \longrightarrow 15Fe^{2+} + 2SO_4^{2-} + 16H^+ @@NAMATH_DISPLAY@@

황철광 산화 과정에는 화학적, 물리적, 생물적 요인이 복합적으로 작용한다. 물리적 요인 가운데에는 공기 투과성이 특히 중요하다. 공기가 잘 통할수록 그 만큼 산소가 잘 공급되어, 산화 반응이 더 잘 일어나기 때문이다. 또한 온도 상승도 화학 반응을 촉진시키는 중요한 요인이다. 황철석 산화에 관련된 대표적인 세균은 아시디티오바실러스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferrooxidans)이다. 이 세균은 황철광뿐만 아니라 다양한 광물(구리, 비소, 카드뮴, 코발트, 니켈, 납, 아연 등)의 황화물 산화에 관여한다. 세균에 의한 산화 반응은 환경 조건에 크게 영향을 받는다. 예컨대, A. ferrooxidans는 pH 3.2 이하에서 활발하게 작용을 하는데, 이 조건이 충족되지 않으면 이 세균이 산 생성에 미치는 영향은 미미하다.

황화광물의 산화 결과물로 생성된 산성 물질들은 흐르는 물에 즉시 씻겨가거나, 암석에 축적되었다가 나중에 씻겨 나간다. 황화광물에서 유래한 산은 결국 다른 광물에 흡수되어 중화된다. 그러나 황산염(황산 H₂SO₄의 수소가 금속으로 치환된 조성의 염)의 농도는 일반적으로 이러한 중화 작용에 영향을 받지 않기 때문에 산 생산 정도를 가늠할 수 있는 척도가 된다. 

산성광산폐수는 오랫동안 심각한 환경 위험으로 여겨져 왔다. 예를 들어 황화광물이 들어있는 폐광석은 산성광산폐수의 주요 유출원이다. 따라서 환경 보호 측면에서 폐광석 관리는 매우 중요하다. 광물의 종류와 지역에 따라 다양한 요인이 산성광산폐수형성에 영향을 미치기 때문에 이것의 환경 영향을 예측하기는 상당히 어렵다. 분명한 사실은, 낮은 pH와 높은 중금속 함량 때문에 산성광산폐수는 수질 오염과 생물다양성 파괴 등의 심각한 환경 문제를 일으킬 수 있다는 것이다. 산성광산폐수에 의한 환경 피해를 최소화하기 위해서 산 생성 반응 억제와 폐수 유출 방지, 폐수 처리(Wastewater treatment)등 세 단계 수준에서 조치를 취할 수 있다. 우선적으로 잠재적 유출원으로 물이 유입되는 것을 최대한 막아야 한다. 일단 산성광산폐수가 발생하면 지하수로의 침출을 방지하고 물길 관리를 통해 인근 자연수로의 유입을 통제해야 한다.

산화철이 들어있는 유출수가 폐광석 적치장에서 나와 근처 개울로 흘러가는 모습(미국 애리조나 주 그린리 카운티) (출처: )

산성광산폐수를 처리하려면 표면 유출과 지하수 흐름을 모두 차단할 수 있는 수집 시스템을 구축해야 한다. 전자는 배수로를 설치를 통해 비교적 쉽게 할 수 있지만, 지하수의 경우에는 차단벽과 우물 등을 설치해야 한다. 배수로 표면에 석회석을 덧대면 폐수가 흐르면서 중화반응이 일어난다. 그러나 시간이 지나면서 석회석 표면에 철과 황산염 등이 침적되고 생물막이 형성되면서, 산성광산폐수와 석회석의 상호 작용이 억제되어 효율이 떨어진다는 한계가 있다. 작은 크기로 부순 석회암을 폐수에 첨가할 수도 있지만, 이와 같은 전통적인 처리 방법은 다양한 지질학적 조건에 따라 큰 제약이 따르고 대규모로 실행하기가 어렵다. 이런 난점을 극복하기 위하여 미생물을 이용한 생물복원 방법이 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다. 최근에는 미세조류-세균 생물막(microalgae-bacteria biofilm)을 이용하여 산성광산폐수를 처리하고, 이 과정에서 나오는 바이오매스(biomass)를 생물연료(biofuel)로 사용하는 방법은 유망한 미생물공학기술로 떠오르고 있다. 또한 폐광석에서 금속을 회수하는 미생물제련(microbial leaching) 기술도 환경 문제 해결과 자원 확보라는 일석이조의 효과를 거둘 수 있다.

미생물제련(Microbial leaching), 생물막(biofilm), 바이오매스(Biomass), 폐수 처리(Wastewater treatment), 아시디티오바실러스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferrooxidans)

김응빈/연세대학교

김근필/중앙대학교