폐광산으로부터의 오염문제는 주로 폐석(Mine Waste Rock), 광미(Tailing)와 이들과 연관되어 발생하는 산성광산배수(Acid Mine Drainage, AMD) 등으로부터 발생한다(Johnson and Hallberg, 2005). AMD는 폐갱구 및 광산폐기물에서의 황(Sulfide)과 철(Fe) 등의 산화에 의해 발생되는 pH가 낮은 배출수를 말하며, 이는 대기 중에 노출된 황철석(FeS₂), 백철석(FeS) 등의 황화합물이 호기성 조건에서 물, 산소와 반응하여 생성되는 것으로, 반응 중 수소이온이 생성되어 낮은 pH 값을 갖는 AMD가 만들어진다. 이러한 pH가 낮고 고농도의 황산염과 중금속을 함유한 AMD는 인근 지역의 토양과 지하수를 오염시켜 농작물에 악영향을 끼치고, 또한 하천으로 흘러들어가 하천바닥에 적갈색의 침전물을 형성시켜 생태학적으로 악영향을 끼쳐 미관상의 문제를 일으키는 등 주변환경에 많은 악영향을 미친다(Johnson and Hallberg, 2003).

AMD의 처리는 크게 AMD가 형성되지 못하도록 방지하는 방법과 미생물의 활동을 억제하는 방법이 있다(Ata and Koldas, 2006; Gazea et al., 1996). AMD의 형성을 방지하는 방법은 산소의 공급을 차단하는 것인데, 이러한 산소의 공급을 차단하는 방법은 대개 물리적으로 산소의 통로를 막아버림으로써 산소에 의한 황철석의 산화를 예방하려는 것으로 토양이나 합성물질을 지표에 씌우거나 갱도를 막아 산소의 활발한 공급을 방해하는 것이다. 그러나 이와 같은 방법은 완벽한 산소공급의 차단이 불가능하고, 이로 인하여 지하수 오염영역이 더욱 확산될 수 있다는 점 때문에 적용하기에는 문제점이 있다(Peppas et al., 2000). 미생물의 활동을 억제시키는 방법은 황철석의 산화속도를 결정하는 Thiobacillus ferrooxidans를 멸균시키는 미생물을 투여하여 황철석의 산화를 방해하는 방법이다. 이와 같은 멸균제로는 sodium lauryl sulfate나 sodium benzoate를 주로 사용하며(Doshi, 2006; Kuyucak, 2002), 미국 West Virginia나 Dawmont에서는 이 방법을 사용해 AMD의 유출을 줄이는데 성공하였다. 그러나 이 방법은 멸균제가 또 다른 수질오염을 일으킬 수 있고, 멸균제의 지속적인 살포를 관리해야하며, 효과적인 멸균제 공급이 구조 및 수리 지질학적인 특성에 따라 좌우된다는 점으로 인하여 광산배수의 산성화를 방지하는 방법으로는 문제점이 있다(Johnson and Hallberg, 2005; Sheoran and Sheoran, 2006).

우리나라의 폐광산은 주로 산악지대 특히, 강원지역에 밀집되어 있고 영세한 업체가 대부분이기 때문에 오염부하가 매우 큰 AMD에 대한 자연정화시설의 부지확보 문제점과 단기간내의 정화기능 상실로 경제적인 수처리 기술이 요구된다. 본 연구는 AMD 처리의 어려움 중의 하나인 낮은 pH를 폐난각으로 중화 시킨 후 미세조류를 이용하여 AMD에 함유되어 있는 중금속을 처리하는 환경친화적인 새로운 시도를 하고자 하였다. 또한 본 연구는 90-95% 이상의 CaCO₃로 구성되어 있는 폐난각이 pH를 중화시킬 수 있다는 점(Chojnacka, 2005)과 미세조류가 성장하는데 필수 영양소로 미생물의 생장에 많은 양이 필요한 대량원소(C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe) 및 미량원소(Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu)가 필요하다는 점(Choi and Lee, 2014)을 이용하여 AMD에 함유되어 있는 중금속을 처리하고자 하였다. 미세조류를 이용하여 중금속을 처리한 연구(Ajjabi and Chouba, 2009; Liu et al., 1996)는 있으나 실제 AMD를 미세조류를 이용하여 중금속을 처리한 연구는 매우 미미하다. 폐난각과 미세조류를 이용하여 AMD를 처리할 경우 폐기물을 재활용할 수 있고, 화학약품을 사용하지 않아 환경 친화적이며 부산물로 바이오매스를 사용할 수 있어 일거양득이며 경제적이다.

본 연구는 생명력이 강하고 주변환경의 영향을 적게 받는 구형의 Chlorella vulgaris 를 JM 배지(Jaworski's Medium, Table 1)에서 온도(25℃ ± 1)의 항온기에 7일간 증식시킨 후에 사용하였다. JM 배지의 구성성분은 200 mL의 증류수를 기준으로 4.0 g Ca(NO₃)₂·H₂O, 2.48 g KH₂PO₄, 10.0 g MgSO₄·7H₂O, 3.18 g NaHCO₃, 0.45 g EDTAFeNa, 0.45 g EDTANa₂, 0.496 g H₃BO₃, 0.278 g MnCl₂·4H₂O, 0.20 g(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O, 0.008 g cyanocobalamin, 0.008 g thiamine HCl, 0.008 g biotin, 16.0 g NaNO₃ 그리고 7.2 g Na₂HPO₄·12H₂O 이다.

본 실험은 강원도 Y탄광의 AMD를 이용하였으며 AMD의 주요 중금속 함유량은 Table 1에 나타내었다. Y 광산에서 배출되는 AMD는 pH 3이하이며, Eh는 300-350 mV의 범위였다. AMD 내의 중금속 이온의 농도는 Fe>Cu>Zn>Mn>Cd 순이었으며, Fe 성분이 가장 높았다.

우리나라의 계란껍질 발생량은 대략 연간 약 80톤이다. 현재 재활용에 대한 정확한 통계는 관련근거가 없는 실정이며, 대부분 폐기물 업체에 의뢰하여 폐기되고 있는 실정이다(Park et al., 2007). 본 실험은 이러한 버려지는 폐기물인 폐난각을 이용하여 미세조류가 AMD의 중금속을 원활히 제거하게 하기 위하여 폐난각을 분말화하여 AMD를 중화시켰다. 폐난각의 주요 성분은 탄산칼슘(CaCO₃) 90.90-95.32%, 단백질 7.56-9.64%, 지질 0.24-0.98% 및 기타 인, 마그네슘 등의 다량의 무기성분을 함유하고 있다(Chang, 2003). 실험을 위하여 폐난각은 멤브레인을 제거한 후에 오염물질의 제거를 위하여 증류수로 4-5번을 깨끗이 세척하였다. 세척한 폐난각을 105℃에서 12시간 건조 한 후에 325 mesh의 입자로 분말화하였다. Fig. 1에 실험에 사용된 325 mesh의 폐난각 분말의 사진을 나타내었다.

Fig. 2에 AMD 처리를 위한 폐난각과 도광판 삽입 광반응기(Optical Panel Photobioreactor, OPPBR)의 hybrid system을 나타내었다. 실험을 위하여 325 mesh의 분말화한 폐난각을 AMD와 혼합하여 초반 5분은 300 rpm으로 빠르게 그 후에는 150 rpm으로 정해진 시간동안 교반한 후, 1시간 동안 침전을 시켰다. 그 후 상등액을 미세조류 반응조인 OPPBR로 옮겨 미세조류를 이용하여 AMD의 중금속을 제거하였다. OPPBR의 크기는 450 mm (가로) × 280 mm (세로) × 305 mm (높이)이며, 반응기의 총용량은 37 L, 공기주입률은 0.5 L/min로 지속적으로 공기를 주입했다. 공기주입률에 따른 CO₂의 주입량은 0.02 vvm 이며, 반응기의 정 가운데에 도광판을 삽입하여 빛이 반응기 전체에 균일하게 전달되도록 하였다. 실험에 사용한 도광판은 210 mm (가로) × 290 mm (세로) 크기이며, 빛의 투과율이 좋은 Poly-Methylmethacrylate(PMMA)로 제작하였다. 선행연구(Choi, 2014; Choi and Lee, 2014) 결과 도광판은 6 mm 두께가 경제성이나 빛의 분산율에서 다른 두께보다 뛰어나 본 실험에서는 6 mm 두께의 도광판을 사용하였다. 실험에 사용한 LED 램프는 도광판에 삽입되는 빛의 집중도를 향상시키기 위해 bar 형식의 LED 램프를 특별 제작하였으며, LED에 공급되는 전원은 모델 FP-60-12 파워공급기(AD & Lighting, Suwon, Kyonggi-Do, Korea)를 사용하였다. 모든 광원은 위에서 아래로 공급하였다. LED는 white 색상을 사용하였으며 광합성에 사용되는 빛의 양을 나타내는 광량은 200~250 µmol photon/m²/s, 초기 C. vulgaris 의 농도는 1.12 ± 0.6 g/L 였다. OPPBR 공정은 6일 동안 진행하였으며, 실험이 끝난 미세조류는 chitosan를 이용하여 응집 처리하여 수확하였다.

바이오매스의 증가량을 알 수 있는 미세조류의 건조 질량은 50 mL의 샘플을 GF/C (Watmann, 영국)로 여과한 후 105℃에서 24시간 건조한 후 그 무게를 측정하여 계산하였다.

C_B 는 바이오매스의 양, C_b 및 C_b0 은 t 와 t₀ 때의 바이오매스의 양을 나타낸다.

수중광량은 조도계(HOBO-Light Intensity, Onset Computer, USA)를 이용하여 측정하였다. 조도계는 LI-193SA 센서와 LI-1400 기록계(Li-COR, Inc., Lincoln, Nebraska, USA)를 이용하여 영점조정을 하였으며, 측정 시 센서위의 미세조류를 제거하여 미세조류로 인한 수중광량의 오류를 최소화하였다.

실험은 강원도 Y광산의 AMD를 채집하여 lab scale로 진행하였으며 Eh는 pH/ORP meter (ISTEK, pH-20N), 수온과 EC는 EC/TDS/Salinity meter (ISTEK, EC-40N), DO는 DO/O₂/Air meter (ISTEK, DO-30N) 그리고 pH는 pH meter (SevenGO pro, Mettler Toledo)를 이용하여 측정하였다. Fe, Cu, Zn, Mn, 그리고 Cd 는 유도결합 플라즈마 원자 방출 분광기(Perkin elmer, Optima 3300XL)을 이용하여 분석하였다.

3.1.1. Change of pH by dosage of eggshells and mixing time

폐난각을 이용한 AMD 의 pH 변화를 알아보기 위하여 325 mesh 폐난각 분말을 AMD와 0-150 g/L를 혼합한 후 0-180분 동안 150 rpm으로 교반하였다. Fig. 3에 폐난각에 의한 AMD의 pH 변화를 나타내었다.

폐난각 분말을 AMD와 혼합하여 교반한 결과 초기 pH 2.41 ± 0.11에서 점차 pH가 상승하여 30분 교반 후에는 6.75 ± 0.26을 나타내어 AMD의 pH가 중성화되었음을 알 수 있었다. 따라서 교반 시간을 단축시키기 위해서는 30분간 교반을 한 후에 미세조류를 이용한 AMD의 중금속 제거 실험을 하여도 무방하다고 생각된다. 90분 교반 후에는 pH가 7.75를 나타내었으며 특히 120분 교반 후에는 7.92 ± 0.31을의 pH를 나타내었지만 그 후로는 pH의 변화가 없었다. 폐난각의 다양한 농도에 따른 AMD의 pH 변화는 20 g/L에서 pH 6.8 ± 0.17을 나타내었고 30 g/L에서 pH 7.01 ± 0.22을 나타내어 20 g/L와 30 g/L의 차이가 거의 없었다. 폐난각의 양에 따라 90 g/L까지는 pH가 7.83 로 상승하였으나 100 g/L 이상에서는 폐난각의 양에 관계없이 pH가 더 이상 상승하지 않고 일정하였다. 폐난각에 가장 많이 함유되어 있는 CaCO₃의 일반적인 pH는 9.3-9.8정도이다. 본 실험결과 폐난각이 AMD와 반응하여 나타낼 수 있는 최대의 pH는 7.92-7.93으로 나타났으며, 폐난각을 이용하여 AMD를 중화시키기 위해서는 30분 교반에 20-30 g/L의 농도가 최적이었다.

3.1.2. Heavy metal removal by eggshells

3.1.1의 선행실험에 따라 중금속 제거를 위한 실험에서는 폐난각의 양을 30 g/L 투입하고 30분 교반한 다음 반응 접촉시간을 총 180분으로 하였다. 실험결과 60.00% Fe, 61.02% Cu, 63.02% Zn, 43.96% Mn 그리고 62.96% Cd 제거율을 나타내었다(Table 2). Fe, Cu, Zn 그리고 Cd은 60% 이상의 제거율을 나타내었으나 Mn은 44%의 제거율을 나타내어 다른 중금속에 비해 상대적으로 낮은 제거율을 나타내었다. CaCO₃는 hexagonal의 결합구조로 다른 화합물에 비하여 공간이 넓다. 이러한 구조에서는 중금속이나 이온이 Ca 대신에 치환하거나 구조상 넓은 공간에 흡착되게 된다(Chang, 2003). 그러므로 중금속의 제거능력이 매우 우수하다고 볼 수 있다.

Fig. 4에 폐난각을 이용한 중금속 제거 과정을 나타내었다. AMD 안에서 폐난각은 중금속을 흡착, 제거하며 93% 이상의 반응이 60분안에 이루어졌으며 90분이 지난 후에는 제거율에 변화가 거의 없었다. pH를 조정하기 위하여 투입한 폐난각에서 43.96-63.02% 정도의 중금속을 흡착제거할 수 있어 폐난각의 이용이 pH 조정 및 중금속제거에도 영향을 미쳐 일거양득이었다. An et al. (2007)은 인공AMD에서 맥반석과 일반강가의 모래를 이용하여 Mn을 제거한 결과 pH 6.2에서 18.78%와 8.70%의 제거율을 보고하였다. 폐난각을 이용한 중금속 제거율에 비해 제거율이 낮았는데 이는 맥반석과 모래가 폐난각에 비해 기공률이 낮아서 중금속 흡착률이 떨어진 것이라 생각된다. 그러나 Song et al. (2005)는 탄산칼슘을 아용하여 매립장 주변의 오염된 지하수의 중금속을 처리한 결과 As과 Mn은 40%정도 낮은 제거율을 나타내었으나 Cd와 Pb는 침전 후 30분 이내에 95%이상의 제거율을 나타내었다. 중금속의 흡착률은 pH, 중금속의 양, 접촉시간, 온도 등 다양한 영향인자에 영향을 받는데 중금속의 양과 흡착제의 상관관계 또한 중요한 영향인자이다. 본 실험에 사용한 AMD는 중금속의 농도가 매립장 지하수보다는 높아 제거율이 상대적으로 낮게 나타났다. 본 실험은 폐난각을 이용하여 AMD안의 중금속 제거보다는 pH 중화에 초점을 두었고 전체적인 중금속 제거는 미세조류와 결합한 전체 공정에 맞추었다.

3.2.1. Biomass productivity

미세조류의 성장은 종에 따라 다양한데 일반적으로 광합성에 의한 성장 및 증식에서 온도와 빛의 강도는 매우 중요한 성장요인이며, 특히 광의 균일한 분포는 반응기에서 미세조류를 대량 증식할 수 있는 중요한 요건이다(Choi, 2014). 본 실험은 반응기 안의 빛의 균일한 분포를 향상시키고 미세조류의 증식을 향상시키고자 도광판을 삽입한 OPPBR을 이용하여 미세조류의 증식을 향상시켰다. 실험결과 반응기 안의 빛의 분포는 305 mm 깊이에서 97%가 측정되어 반응기 내부까지 빛이 균일하게 확산되었음을 알 수 있었다. Fig. 5에 AMD에서의 바이오매스를 나타내었다. 바이오매스는 초기 농도 1.12 g/L에서 3일째 2.82 g/L/d의 생산량을 나타내어 초기농도와 비교하여 2.52배 증가하였음을 알 수 있었다. C. vulgaris 는 3일째까지는 지속적으로 생산량이 증가하였으나 3일째부터는 둔화되어 4일부터 6일까지는 각각 2.83 g/L/d, 2.84 g/L/d 그리고 2.83 g/L/d 를 나타내어 큰 변화가 없었다.

Hsieh and Wu (2009)는 투명한 사각형 반응기에 일반 flat panel과 LED를 이용하여 C. vulgaris 를 13일 동안 증식시켜 바이오매스를 측정한 결과 0.375 g/L/d의 바이오매스를 얻었으며, Sierra et al. (2008)은 flat plate를 이용한 광생물 반응기에서 C. vulgaris 를 11일 증식한 결과 0.386 g/L/d 의 바이오매스 증가율을 보고하였다. 그러나 Richmond and ChengWu (2001)은 flat plate glass 반응기를 이용하여 Nannochloropsis sp. 를 15일 증식한 결과 0.794 g/L/d 의 높은 바이오매스 증가율을 보고하였다. OPPBR을 이용한 본 실험에서 C. vulgaris 의 바이오매스 생산량은 일반 광생물 반응기와 flate plate를 사용한 반응기와 비교하여 미세조류의 증식속도가 빨랐고 이에 따라 바이오매스 생산량도 많았다.

3.2.2. Heavy metal removal by microalgae in the AMD

식물체가 성장하는 데에는 15개의 원소인 무기영양소 즉, C, H, O, N, P, K, S, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, B 및 Mo 등이 필요하며, 이는 미세조류의 성장에도 똑같이 적용된다. 본 실험에서 Fe, Cu, Zn 그리고 Mn이 As이나 Cd과 비교하여 8-10% 정도 제거율이 높았는데, 이는 Fe, Cu, Zn 그리고 Mn이 미세조류의 성장에 필요한 미량원소이기 때문에 As이나 Cd과 비교하여 제거효율이 높았을 것으로 생각된다. 즉, 미세조류가 성장하는데 필요한 미량원소(Co, Mo, Ca, Mg, Cu, Zn, Cr, Pb 그리고 Se)는 생물학적인 대사교환에 의해 미세조류의 세포에 저장되는 메커니즘에 의하여 중금속이 제거된다(Ajjabi and Chouba, 2009; Liu et al., 1996). Fig. 6에 C. vulgaris 를 이용한 AMD의 중금속 제거율을 나타내었다. 미세조류를 이용한 AMD의 중금속 제거는 초기농도 54.99 mg/L Fe, 8.88 mg/L Cu, 7.31 mg/L Zn, 0.1 mg/L Cd 그리고 5.8 mg/L Mn에서 1.48 mg/L Fe, 0.021 mg/L Cu, 0.24 mg/L Zn, 0.002 mg/L Cd 그리고 0.034 mg/L Mn이 남아 미세조류를 이용한 제거효율은 97.31% Fe, 99.76% Cu, 96.72% Zn, 99.6% Cd 그리고 99.41% Mn을 나타내었다. 이는 AMD에 함유되어 있는 대부분의 중금속이 미세조류의 성장에 필요한 미량원소이기 때문으로 생각된다.

미세조류를 이용한 AMD의 중금속 제거과정은 3일까지는 급속하게 감소하였으나 3일이 지난 후 부터는 커다란 변화가 없었다. 이는 미세조류의 바이오매스 생산성과도 연관이 있는데 Fig. 5의 바이오매스 생산량에서도 알 수 있듯이 3일 이후에는 큰 변화가 없었다. 따라서 미세조류를 이용한 AMD의 중금속제거를 위한 실험은 3-4일의 체류시간이 전체공정의 시간을 단축하기 위하여서는 알맞은 시간이다. Johnson and Hallberg (2005)는 미세조류를 이용하여 AMD를 처리한 결과 70.26% Fe, 70.21% Cu, 73.48% Zn, 71.26% Mn, 60.87% As 그리고 60.12% Cd의 제거효율을 보고하였고, Ajjabi and Chouba (2009)는 수용액에서 Chartomorpha linumdmd 이용하여 70.24% Cu와 68,42% Zn 제거효율 나타내어 본 연구결과와 비교하여 낮은 제거효율을 보고하였다. 그러나 Romera et al. (2007) 은 Chlorella vulgaris 를 이용하여 일반하수에서 중금속을 제거한 결과 97% 이상의 중금속 제거효율을 나타내어 본 연구결과와 비슷한 연구결과를 보고하였다. 이는 일반하수에 포함되어 있는 N, P의 영양성분이 미세조류의 성장에 영향을 미쳐 N, P의 함유량이 거의 없는 AMD보다는 제거효율이 높았을 것이라 생각된다.

Fig. 7에 폐난각과 미세조류를 이용한 AMD의 총 중금속 제거효율을 나타내었다. AMD의 총 중금속 제거효율은 98.92% Fe, 99.91% Cu, 98.78% Zn, 88.99% Mn, 99.67% As 그리고 98.00% Cd의 높은 제거효율을 나타내었다. 따라서 폐난각과 미세조류를 이용한 AMD 처리 시스템은 폐난각을 이용하여 pH를 중화할 수 있고 이와 더불어 중금속을 흡착 제거할 수 있음과 동시에 후 공정인 미세조류 공정에서 남은 중금속제거와 바이오매스를 생산해 낼 수 있어 AMD 처리에 매우 효과적인 시스템이다.

3.2.3. Relationship between biomass productivity and heavy metal concentration

Fig. 8에 Cu, Zn, Mn 그리고 Cd의 농도와 바이오매스 량과의 R²를 나타내었다. C. vulgaris 의 바이오매스 량과 Cu, Zn, Mn 그리고 Cd와의 R²는 각각 0.8643, 0.8669, 0.9134 그리고 0.6277를 나타내어 Cd을 제외하고는 R²가 높았다. 특히, Mn은 0.9134로 가장 높은 R²를 나타내었다. 즉, C. vulgaris 바이오매스의 생산량이 증가함에 따라 Cu, Zn 그리고 Mn의 농도는 감소하여 바이오매스의 생산량과 중금속의 제거는 밀접한 관계가 있었다. 이는 Fe, Cu, Zn 그리고 Mn이 미세조류 성장에 필요한 기본 미량원소이기 때문이라 생각된다. 그러나 미세조류 성장에 필요한 미량원소가 아닌 Cd은 0.6277로 낮은 R²를 나타내었다. Fe과 Biomass의 R² = 0.8771로 높게 나타났다.

폐난각을 이용하여 AMD의 pH를 중성화한 후 미세조류를 이용하여 AMD안의 중금속을 제거하고자 시도한 본 실험은 폐난각이 pH를 중성화시킬 뿐만 아니라 43.96-63.02%의 중금속을 흡착 제거하는 것을 알 수 있었다. 또한 중성화된 AMD를 미세조류를 이용하여 중금속제거 실험을 한 결과 35.04-55.71%의 중금속 제거효율을 나타내어 총 중금속 제거효율은 98.00-99.91% 였다. 이는 미세조류의 생장에 가장 중요한 영양분인 N과 P가 거의 없는 상태에서 미량원소만을 영양분으로 이용하여 높은 중금속 제거효율을 나타낸 것은 미세조류를 이용한 AMD의 중금속제거의 가능성을 나타낸 것이다. 주요 영양성분인 N과 P를 외부 영양소로 투여할 경우 미세조류의 바이오매스가 증가하여 중금속 제거효율이 더욱 향상될 것이라 생각된다.

본 연구의 결과는 아래와 같다.

1) 폐난각을 이용한 AMD의 pH를 중성화시키기 위해서는 Mixing time 30분과 20-30 g/L의 양이 최적이었다. 2) 폐난각은 AMD pH를 중성화시키는 과정에서 43.96-63.02%의 중금속을 흡착 제거하였다. 3) 미세조류의 바이오매스의 양은 초기 농도 1.12 g/L에서 3일째 2.82 g/L/d를 나타내어 초기농도와 비교하여 2.52배 증가하였다. 4) 폐난각과 미세조류의 hybrid system을 이용한 AMD의 중금속 제거효율은 98.92% Fe, 99.91% Cu, 98.78% Zn, 88.99% Mn, 99.67% As 그리고 98.00% Cd 이 제거되어 높은 제거효율을 나타내었다. 5) 폐난각과 미세조류를 이용하여 AMD를 처리할 경우 화학약품을 사용하지 않아 환경 친화적이고, 버려지는 폐기물을 사용하여 경제적이며, 처리공정 후의 바이오매스를 다른 용도로 이용할 수 있어 일거양득이다.