1. 개요

미국에 있는 일부 발전소에서 생산된 플라이애쉬(fly ash)는 최근 낮은 질산화물(nitrogen-oxide)과 황산화물(sulphur-oxide) 버너의 사용 증가로 인해 때때로 상당한 양의 미연소 탄소(unburned carbon)을 함유함. 이러한 플라이애쉬는 공기 연행 혼합물(air entrainment admixtures)과의 반응성 때문에 콘크리트 생산에 재사용될 수 없어서, 대부분 매립되고 있음. 고속도로 구조물은 고탄소 플라이애쉬(high carbon fly ashes, HCFAs)의 상당한 양을 사용할 수 있는 높은 잠재력이 있음. 그러나, 이와 같은 적용에 있어 플라이애쉬가 적용된 고속도로 기층이나 제방의 기계적 성질이 만족스럽다 할지라도, 플라이애쉬를 고속도로 제방과 같은 것에 사용하는 것을 가로막는 핵심적인 이슈는 재료에서 금속이 침출됨으로써 지하수에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 가능성임.

이 연구는 고속도로 기층과 고속도로 제방 각각에서 안정제 및 토양 개선제로써 사용되는 고탄소 플라이애쉬로부터 금속이 침출되는 가능성을 평가하였음. 세 가지의 다른 실험실 테스트가 수행되었음: (1) 배치물 침출(batch water leach) 테스트; (2) 독성 특성 침출 절차(toxicity characteristics leaching procedure, TCLP) 테스트; 그리고 (3) 기둥 침출(column leach) 테스트. 추가적으로, 두 가지의 수치 모델링 분석이 수행되었음: (1) WiscLEACH와 (2) MINTEQA2. 고속도로 기층과 고속도로 제방 구조물에 주로 사용되는 8가지의 플라이애쉬와 2가지의 지역 모래질 토양재료에 대해 분석이 수행되었음.

실험실 테스트 결과에 의하면, 토양-플라이애쉬 혼합물에서 플라이애쉬의 함량 증가는 아연(Zn)을 제외하고 침출된 금속 농도의 증가로 나타났음. pH는 금속의 침출에 상당하고 여러 다른 효과를 미쳤음. 크롬(Cr), 아연, 알루미늄(Al), 비소(As) 그리고 셀레늄(Se)은 pH 수준이 증가함에 따라 침출이 같이 증가하였으나, 바륨(Ba), 붕소(B), 구리(Cu), 철(Fe), 마그네슘(Mn), 은(Sb), 바나듐(V)은 pH 수준이 증가함에 따라 침출이 감소하였음.

고탄소 플라이애쉬로 안정화된 고속도로 기층과 고탄소 플라이애쉬로 개선된 고속도로 제방 구조물로부터 침출된 금속의 침출 거동을 시뮬레이션하기 위해 수치모델 WiseLEACH가 사용되었음. WiscLEACH가 예측한 바에 의하면, 현장의 금속 농도는 실험실의 침출 테스트에서 얻어진 금속 농도보다 상당히 낮았음. 또한 현장의 농도는 토양 불포화대(soil vadose zone)에서의 확산 때문에 시간과 거리에 따라 감소하였음. 수치모델 MINTEQA2가 예측한 바에 의하면, 금속의 침출은 비소, 셀레늄 그리고 은을 제외하고 용해도(solubility)에 의해 제어됨. 또한 침출된 금속은 독성이 덜한 상태 또는 독성이 없는 상태로 존재하는 것으로 나타났음.

2. 소개

미국 석탄재 협회(American Coal Ash Association, ACAA)에 의하면, 2009년 기준으로 미국에서 생산된 전기의 45%는 석탄을 연료로 하는 발전소로부터 제공된 것임. 대략 92.8 백만 톤의 석탄 연소 부산물(coal combustion byproducts, CCBs)이 발전소에서 석탄을 연소시킨 결과로 미국에서 매년 생산됨. 2009년 기준으로, 이러한 석탄 연소 부산물의 78%는 플라이애쉬이고, 플라이애쉬 42.3 백만 톤이 매립되었음. 미국 석탄재 협회의 추산에 의하면, 매립되거나 비축된 양은 매년 지속적으로 증가하고 있음.

플라이애쉬는 규산질(siliceous) 또는 알루미늄-규산질의 포졸란 재료(pozzolanic material)로 물이 존재하면 시멘트 화합물(cementitious compounds)을 형성할 수 있음. 플라이애쉬의 물리적, 화학적 그리고 광물학적 특성은 석탄 연소의 타입, 연소 과정, 오염 제어장치, 그리고 처리에 따라 크게 달라짐. 화학적 구성에 근거할 때, 플라이애쉬는 F 또는 C로 분류됨. C-타입(자체로 시멘트 성질이 있음) 플라이애쉬는 쉽게 가용하나, F-타입 플라이애쉬는 보통 콘크리트 첨가제나 시멘트 생산에서 재사용됨.

지난 5년간 미국의 여러 발전소에서 생산된 플라이애쉬는 상당한 양의 미연소 탄소를 함유하고 있는데, 이는 낮은 질소산화물과 황산화물 버너의 사용 증가 때문임. 이러한 애쉬는 고탄소 플라이애쉬로 불려지고 12 ？ 25 % 의 탄소 함량을 가지고 있음. 고탄소 플라이애쉬는 현재의 기술을 사용하여 효율적으로 재연소될 수가 없고, 콘크리트 첨가제로써 가치가 없음. 왜냐하면, 미연소 탄소는 균열의 형성이나 전파를 막기 위해 시멘트에 첨가되는 공기 연행 혼합물을 흡수하는 경향이 있기 때문임. 이러한 애쉬는 일반적으로 규격 이외(off-spec)의 플라이애쉬로 분류되는데, 이는 ASTM C618에서 명시된 물리적, 화학적 요구사항을 맞추지 못한다는 의미임. 그결과, 고탄소 플라이애쉬의 상당량은 매립지에서 처리됨.

플라이애쉬는 비소, 붕소, 크롬, 구리, 아연, 바나듐, 니켈과 같은 트레이스 원소(trace elements)를 높은 농도로 함유하고 있을 수 있음. 플라이애쉬의 비축 또는 많은 양의 플라이애쉬 매립은 토양 불포화대를 통해 이러한 중금속의 지하수로의 침출을 야기할 수 있고, 수생 생물, 환경 및 인간의 건강에 위협을 가할 수 있음. 매립 비율을 줄이기 위해 플라이애쉬 재료를 건설에 재사용하는 노력이 있어 왔음.

메릴랜드 주와 다른 곳의 여러 발전소에서 생산된 플라이애쉬는 콘크리트 생산에 사용될 수 없을 정도로 미연소 탄소를 때때로 함유하고 있음. 고속도로 기층과 고속도로 제방과 같은 지반공학적 적용은, 플라이애쉬의 경량 및 만족스러운 기계적 특성으로 인해 플라이애쉬의 재사용에 상당한 잠재력을 가지고 있음. 현재의 연구에서, 고속도로 기층과 제방의 건설에 플라이애쉬를 재사용하는 사례가 논의되고 있음.

석탄 연소 부산물로부터의 금속 침출 거동과 이러한 금속의 방출을 제어하는 매커니즘에 대해 여러 연구가 수행되어 왔음. 그러나, 고탄소 플라이애쉬 혼합물로부터 이러한 오염물질의 침출에 대해서는 정보가 거의 없음. 플라이애쉬 안정화와 관련된 환경적 위험은, 고탄소 플라이애쉬가 안정제로 사용될 때 감소될 수 있음. 또다른 한편으로, 미연소 탄소나 활성 탄소(activated carbon)는 종종 오염 제어를 위해 사용됨. 고탄소 플라이애쉬의 높은 유기탄소(organic carbon) 함량은 플라이애쉬에 있는 중금속에 대한 흡수제(sorbent to the heavy metals)가 될 수 있으며, 환경에 방출되는 금속의 양을 줄일 수 있음. 고탄소 함량의 환경적 이익은 또한 플라이애쉬의 허용가능한 재사용의 폭넓은 적용으로 이어질 수 있음.

이 연구의 목적은 전통적인 첨가제(저탄소 플라이애쉬)로 안정화하는 경우와 비교하여 고탄소 플라이애쉬로 혼합된 재료의 침출 가능성을 평가하고, 지하수 및 토양 불포화대에 미치는 영향을 평가하는 것임. 실험 프로그램은 다음의 임무로 구성되어 있음:

1)  토양-플라이애쉬 혼합물로부터의 침출수에 있는 주요 원소, 트레이스 원소의 농도와 다른 화학적 성질을 결정
2)  금속 침출 거동을 추정하기 위해 소규모의 물 침출 테스트를 실행
3)  금속 침출 거동과, 플라이애쉬와 혼합물로부터의 트레이스 금속의 제어 매커니즘을 연구하기 위해 장기 기둥 침출 테스트를 실행
4)  산성 상태 하에서 플라이애쉬와 혼합물의 침출 가능성을 결정하기 위해 TCLP 테스트를 실행
5)  현장에서의 금속 농도를 추정하기 위해 여러 다른 테스트 결과를 비교
6)  컴퓨터 모델링을 통해 지하수에의 영향을 결정
7)  트레이스 금속의 종류를 예측하고 지반화학 모델링 도구를 사용하여 이러한 금속의 침출을 통제하는 매커니즘을 결정
 

이 연구는 실험실에서 시뮬레이션된 고탄소 플라이애쉬로 안정화된 기층과 제방 채움재로부터 10가지의 금속(알루미늄, 비소, 안티몬, 붕소, 크롬, 구리, 철, 망간, 셀레늄, 바나듐, 아연)의 침출 특성과 거동에 중점을 두었음. 이 보고서는 6부분으로 나누어져 있는데: 2절과 3절은 고속도로 기층에서 안정제로 사용된 플라이애쉬의 침출 가능성을 평가함. 4절은 토양-고탄소 플라이애쉬 혼합물에 대한 침출 테스트의 결과를 포함하고, 제방 건설에서 사용할 수 있는 가능성을 평가함. 5절은 침출된 금속과 수용액에서 침출을 제어하는 매커니즘에 대한 논의와 함께 지반화학적 모델링 분석을 담고 있음. 6절은 연구에서 얻어진 결과의 요약 및 일반적인 결론을 제공함.

3. 결론

석탄 발전소는 미국에서 전기의 대략 50%를 생산함. 그결과, 많은 양의 석탄 연소 부산물, 특히 플라이애쉬가 매년 생산되고 있음. 이러한 플라이애쉬의 40%만이 시멘트, 콘크리트 생산 및 토양 안정화에서 성공적으로 재사용될 수 있음. 이러게 재사용되는 플라이애쉬의 대부분은 ASTM C618에 의해 C와 F 타입 플라이애쉬로 분류되어 있음. 이러한 폐기물의 나머지는 고탄소 플라이애쉬로 매년 매립되고 있음. 고탄소 플라이애쉬는 상당한 양의 미연소 탄소를 함유하고 있어 콘크리트 첨가제로 사용될 수 없음. 이로운 재사용처가 파악되지 않는다면, 이러한 부산물에 대한 유일한 현재의 대안은 매립하는 것임. 그러나 문제는 이러한 고탄소 플라이애쉬의 지속적인 매립이 상당한 환경적, 경제적 문제를 야기할 수 있다는 것임.

여러 고속도로 사례는 고탄소 플라이애쉬의 재사용을 위한 잠재적 옵션임(예를 들어, 고속도로 기층에서의 안정제, 제방 건설에서의 토양 개선제). 플라이애쉬로 개선된 고속도로 기층과 제방의 기계적 특성이 만족스럽다 할지라도, 고탄소 플라이애쉬를 고속도로 기층의 안정화를 위해 광범위하게 사용하는 것을 가로막는 핵심적인 이슈는, 플라이애쉬에 포함된 금속에 의해 야기되는 지하수에 대한 부정적 영향 가능성임. 이 연구의 주요 목적은 고속도로 기층을 안정화하고 제방을 개선하기 위한 고탄소 플라이애쉬의 환경적 타당성을 연구하는 것임. 이 연구는 두 단계로 진행되었음. 첫번째 단계에서는 고탄소 플라이애쉬로 개선된 토양의 환경적 타당성을 실험적으로 평가하였음. 두번째 단계에서는 고탄소 플라이애쉬로 개선된 토양의 환경적 타당성을 수치적으로 평가하였음.

실험은 플라이애쉬의 물리적, 화학적 특성 파악에서 시작되었고, 재료는 주로 메릴랜드 주에서 수집되었음. 그후, 지반공학적으로 사용된 고탄소 플라이애쉬의 사용에 대한 환경적 타당성을 결정하기 위해, 물 침출 테스트(WLTs), 독성 특성 침출 절차 테스트(TCLPs), 그리고 기둥 침출 테스트(CLTs)가 수행되었음. 특히 이 세 가지 침출 테스트가 선택된 이유는, 이 세 가지 테스트가 서로서로 많이 다르기 때문임. 물 침출 테스트는 금속의 단기 침출 거동을 시뮬레이션한 반면, 기둥 침출 테스트는 장기 침출 거동을 시뮬레이션하였음. 독성 특성 침출 절차 테스트도 수행되었는데, 왜냐하면 폐기물의 환경적 타당성이 평가될 때마다 미국 환경보호청(EPA)이 이러한 결과를 요구하기 때문임. 실험실 테스트는 토양, 플라이애쉬, 토양-플라이애쉬-석회가마 가루(lime kiln dust), 그리고 토양-플라이애쉬 혼합물에 대해 수행되었음. 이 연구는 12가지의 금속의 침출 거동에 중점을 두었음: 비소, 알루미늄, 안티몬, 바륨, 붕소, 구리, 크롬, 철, 망간, 셀레늄, 바나듐, 드리고 아연.

이 연구의 첫번째 단계 결과는 두번째 단계의 지하수 오염 수치 컴퓨터 모델 WiscLEACH에서 입력변수로 사용되었음. WiscLEACH는 현장에서 침출된 금속의 농도를 예측하였음. 토양 불포화대와 지하수에서 최대 금속 농도의 위치를 연구하고, 여러 해에 걸쳐 트레이스 금속의 이동지도를 만들기 위해 WiscLEACH 시뮬레이션이 수행되었음. 추가로, 지반화학적 컴퓨터 모델 MINTEQA2는 침출수에 존재하는 침출 금속 중 가장 압도적인 중류를 결정하고, 침출을 제어하는 매커니즘을 추정하기 위해 분석을 수행하였음. 기둥 침출 테스트로부터의 전체 최고 금속 농도, 침출수의 pH, 전기 전도성(electrical conductivity, EC)와 침출수의 Eh가 MINTEQA2에 입력되었음.