[논문]왕숙천 유입에 따른 한강본류의 천연유기물질과 염소소독부산물 생성능 변화

박현; 김창모; 장현성; 김현숙; 박창민; 유명진

왕숙천 유입에 따른 한강본류의 천연유기물질과 염소소독부산물 생성능 변화
Effect of Wangsuk Stream on NOM and Chlorinated DBPFPs in Han River Water 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.28 no.10, 2006년, pp.1031 - 1037

박현 (서울특별시 상수도연구소) , 김창모 (서울특별시 상수도연구소) , 장현성 (서울특별시 상수도연구소) , 김현숙 (서울특별시 상수도연구소) , 박창민 (서울특별시 상수도연구소) , 유명진 (서울시립대학교 환경공학과)

초록
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한강본류 상수원수 중 상류에 위치한 KB 원수와 하류에 위치한 GU 취수 원수의 천연유기물질을 XAD-4, XAD-7HP 및 IRC-50 등 세 가지 수지를 이용하여 분리하였고, 15종의 소독부산물 생성능(DBPFPs)을 살펴보았으며, KB, GU 원수 사이에 유입되고 있는 지천인 왕숙천의 천연유기물질을 파악함으로서 한강본류에 미치는 영향을 고찰하였다. 한강본류 원수의 TOC는 $1.5{\sim}3.3$ mg/L, SUVA는 2 $L/mg{\cdot}m^{-1}$ 이하로 나타나 유기물 총량은 낮은 수준이었고, NOM의 특성은 소수성 $21{\sim}33%$, 친수성 $44{\sim}63%$, 반친수성 $16{\sim}31%$으로 친수성 유기물질 분율이 높은 것으로 나타났다. NOM에 의한 DBPFPs을 살펴본 결과, 입자성 유기물질에서는 THMs 생성능이 높게 나타났으나, 용존성 유기물질에서는 HAAFPs이 높게 나타났다. 한편, 홍수기에는 THMFPs가 높게 나타나 계절 온도 강수 조건에 따라 NOM이 다른 특성을 나타내었다. $50{\sim}90%$가 생활하수 처리장 방류수로 구성되어 있는 왕숙천의 경우, TOC는 $2.9{\sim}7.5$ mg/L이고, NOM은 소수성 15%, 친수성 76%, 반친수성 9%의 분포를 나타내 친수성이 강한 유기물 구성특성을 가지고 있었다. 원수의 NOM 분획 회수율이 85% 정도인 반면, 지천은 회수율이 $60{\sim}80%$로 낮게 분획되어 수지에 의한 흡 탈착이 어려운 unfractioned NOM이 많이 함유되어 있는 것으로 나타났다. 지천 유입수의 DBPFPs는 HAAs 60%, THMs 27%, HANs 9%, CH 4%로 나타났으며, 이를 원수와 비교할 때 할로아세토니트릴계의 생성능과 브롬화 소독부산물의 생성이 높게 나타났다. 지천 유입수의 경우 DOC는 한강 본류 원수에 비해 높게 나타난 반면, DBPFPs는 원수의 40% 수준으로 낮게 나타나 소독부산물 생성 측면에서 볼 때, 하류에 위치한 취수 원수에 미치는 영향은 미미한 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The main purposes of this study were to compare the characteristics of fractionated natural organic matters(NOM) from Han River water and Wangsuk(W) stream water, and to investigate the relationships between NOM and the formation of disinfection by products(DBPs). Three types of resin such as XAD-4, XAD-7HP and IRC-50 were used to isolate the water samples into three organic fractions. The DOC concentrations of raw waters were relatively low($1.5{\sim}3.3$ mg/L) at all seasons. The hydrophilic was the major constituent, contributing $44{\sim}63%$ of the total NOM and hydrophobic $21{\sim}33%$, transphilic $16{\sim}31%$, respectively. The formation of trihalomethans(THMs) was highly influenced by particulated NOM especially in the rainy season, whereas haloaceticacid forming potentials(HAAFPs) depended more on the hydrophilic fraction of dissolved NOM which is known to be difficult to be removed through conventional processes. The NOM of W stream was characterized as 15% hydrophobic, 9% transphilic, and 76% hydrophilic. In the fractionation of NOM using resins, $20{\sim}40%$ of the NOM in W tributary water could not be clearly isolated, whereas, 85% of the NOM in the raw water was recovered. Although the DOC concentration of tributary water was higher than the raw waters from the Han River, the DBPFPs was approximately 40% of the raw waters. In DBPFPs aspect, W stream has less effect than Han River water itself. Bromide in tributary waters discharged from waste water treatment plants has been found to shift the distribution of THMs and HANs to the more brominated DBPs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

계절적인 조건에 따른 N0M 특성에 대한 조사연구가 아직까지 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 한강본류의 상수원수에 대하여, 지형적 인자, 계절적 영향 및 일반적인 수질인자의 영향을 고려하여 NOM과 DBPFPs의 특성을 고찰하고자 하였다. 그리고, 한강본류에 유입되는 지점에서의 물과 지천에 유입되는 하수처리장 방류수에 대한 N0M 특성을 파악하여 지천이 한강본류에 미치는 영향을 파악하였다.

제안 방법

GC/HP 5972 series MS로 분석하였다. HANs와 CH는 Varian Star 3600CX GC/ECD< 사용하였으며, HAAs는 HP 5890 II GCECD와 Varian CP-3800 GCECD를 사용하여 분석하였다.
N0M의 흡착 및 추출과정은 Standard Methods 5510C XAD Method⁶⁾와 여러 문헌에 제시된 방법⁷⁾에 준하여 칼럼(separatory funnel, glass, cylinderical with PTFE(polytetrafluoroethy- lene) stopcock, filtered disc, ID 300 mm, L 60 cm)을 분리가 용이하도록 장치를 고안, 제작하여 사용하였다.
XAD 수지를 사용하여 N0M을 분획하기 전에 수지의 유기물을 제거하기 위하여 여러 단계로 세척하였다. 유리제 칼럼에 수지를 충전하고 0.
각 분획된 N0M에 대하여 UVA(ultra violet absorption), DOC(dissolved organic carbon) 등 유기물 항목과 DBPFPs을 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 한강본류의 상수원수에 대하여, 지형적 인자, 계절적 영향 및 일반적인 수질인자의 영향을 고려하여 NOM과 DBPFPs의 특성을 고찰하고자 하였다. 그리고, 한강본류에 유입되는 지점에서의 물과 지천에 유입되는 하수처리장 방류수에 대한 N0M 특성을 파악하여 지천이 한강본류에 미치는 영향을 파악하였다.
분석은 THMs는 Purge & Trap으로 전처리하여 HP 5890 series GC/HP 5972 series MS로 분석하였다. HANs와 CH는 Varian Star 3600CX GC/ECD< 사용하였으며, HAAs는 HP 5890 II GCECD와 Varian CP-3800 GCECD를 사용하여 분석하였다.
소독부산물은 THMs(trihalomethanes) 4개 항목, HAAs(haloacetic acids) 6개 항목, HANs(haloacetonitriles) 4개 항목, CH(chloral hydrate) 등 총 15개 항목에 대하여 생성능을 측정하였다. THMs는 USEPA 524.
제거하기 위하여 여러 단계로 세척하였다. 유리제 칼럼에 수지를 충전하고 0.5 N NaOH, methanol, acetonitrile, methanol 순서로 세척한 후, 0.1 N NaOH, 0.1 N HCl 로 수지 5 bed volume이상이 되도록 충분한 양의 용매를 사용하여 연속적으로 세정하였으며 모든 용매 사이에는 증류수로 세척하면서 유기물의 함량변화를 살펴보고 세정이 끝난 수지에 대하여는 UVA 220 nm에서 흡광도가 없을 때까지 증류수로 제거하여 최종 유출수의 UVA 220 nrn가 0.000 cm^-1이 될 때까지 반복하여 세정하였다.
한강본류 상 · 하류 두 지점의 상수원수와 그 사이에 유입되는 지천인 왕숙천의 N0M과 DBPs 생성 관계를 조사하여 지천이 한강본류 원수에 미치는 영향을 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
^3,8)유출수는 다시 XAD-4 수지에서 흡착 분리시켜 친수성 NOM(trans- philic + hydrophilic fraction)으로 분획하였다. 흡착 완료된 후 1 L의 0.1 N NaOH 용액을 칼럼으로 유입시킨 후 용리시켜 수집한 후 용리된 N0Me IRC-50 양이온교환수지에 통과시켜 용리액 중 Na⁺를 H* 로 전환시켜 정제하였고 XAD-7HP 수지충에 흡착된 부분을 소수성(hydrophobic, PHO)으로 XAD-4 수지에 흡착된 부분을 반친수성(transphilic, TRANS)으로 구분하였으며, XAD-7HP와 XAD-4롤 모두 통과한 유출수를 친수성(hydrophilic, PHI) NOM으로 구분하였다.

이론/모형

1 cm 석영 cell을 사용하여 HP 8453 UV/VIS Spectrometer기기로 Standard Method 5910B 분석법에 따라 UVA를 측정하였다.
THMs는 USEPA 524.2, HANs과 CH는 USEPA 551.1, HAAs는 USEPA 552.2에서 규정한 방법에 준하여 측정하였다.
TOC(total organic carbon)와 DOC는 Standard Method 5310C(Persulfate-Ultraviolet) oxidation method에 준하여 TOC 측정기기(Total Organic Carbon Analyzer, Sievers 820)를 사용하였으며, 시료를 0.45 |im filter로 여과하여 DOC를 측정하였다.
각 DBPFPs는 Standard Method 5710법에 따라 TOC 농도를 측정하고 유기물량과 염소의 반응을 충분히 고려하여 각각의 시료에 염소를 주입한 후, 7일 후의 잔류염소 농도가 1.5~2.0 mg/L가 되도록 20℃ incubator에서 7일 동안 반응⁶⁾ 시킨 후 측정하였다.

성능/효과

2에서와 같이 팔당댐과 잠실수중보 사이에서 한강수계로 유입되는 지천은 총 8개가 있는데, 총량은 일일 19만~33만 m³로 추정되며, 그 중 본 연구대상인 왕숙천은 일일 평균 28만 ㎥로 총 지천 유량의 90% 정도를 차지하고 있다.⁹⁾왕숙천은 상류의 하수처리장 방류수 5만 ㎥이 자연 하천수와 합류되어 유하하다가, 구리시 하수처리장에서 방류되는 17만과 합류되며 하천이지만 하수처리장 방류수가 지천 수질에 영향을 미치고 있다.
DBPFPs는 15종의 소독부산물 가운데 THMEPse chloroform, DCBM, DBCM 3종이 생성되었으며, HAAFPs는 DCAA와 TCAA 2종이, HANFPs로는 DCAN이 생성되었으며, CH도 생성되었다.
KB 원수와 GU 원수를 대상으로 N0M 특성을 파악해 본 결과, Fig. 3에서와 같이 계절별로 차이는 있지만 소수성 유기물질은 KB 원수 24-30%, GU 원수 21~33%로 나타난 반면, 친수성 유기물질이 44~58%, 46~63%, 반친수성 유기물질이 18-31%, 16~27%로 나타나 정수처리공정에서 제거가 쉬운 소수성 유기물질 보다는, 친수성 유기물질이 높게 존재하였고, DOC의 농도가 2 m&L 정도로 낮아 처리공정에서 제거되기 어려운 유기물의 특성을 나타내었다.
NONW에 의한 DBPs 생성을 살펴본 결과, 입자성 유기물질인 경우와 홍수기인 경우에는 THMFPs가 높지만, 용존성 유기물질에서는 HAAs가 주 생성물질이며 특히 저분자 유기물질에서 HAAs의 생성이 높음을 볼 때, 정수처리에서 HAAFPs제거에 초점을 맞추어야 할 것으로 판단된다.
따라서, 본 지천과 같이 하수처리장 방류수가 지천 유량의 대부분을 차지하는 경우, DOC 농도는 높게 나타나지만, 소독부산물 생성능은 낮게 나타나 하류 원수의 소독부산물 생성에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
브롬계열이 포함된 HAAs의 생성능이 BCAA, DBAA와 BDCM, DBCM이 YS 지점에서 20%, YH 지점에서 13%를 차지하여 하수처리장 방류수에 브롬화 소독부산물이 더 높게 KB생성될 가능성이 있어 생활하수나 하수처리장 방류수가 유입되는 하천수에서는 브롬계열의 소독부산물 생성을 고려하여야 할 것으로 보인다.
10에서 보여주듯이 소수성 60%, 반친수성 35%, 친수성 5% 정도로 나타나 총 DOC의 DBPFPs와는 다른 형태를 보여 친수성은 유기탄소의 함량이 높아 단위 DOC에 대한 DBPFPs는 상대적으로 낮게 나타났다. 소수성 성분은 DOC가 낮게 존재한 반면 단위 DOC에 대한 DBPs 전구물질로 높게 작용하는 것으로 나타났다.
결과를 나타내었다. 지천 YS에서는 소수성에서 35, 친수성 4 ㎍ THMFPs/mg DOC를 나타냈으며, HAAFPs는 소수성 83, 친수성 8 ㎍/mg DOC로 단위 DOC에 의한 소독부산물 생성능은 소수성에서 높게 나타났다.
지천의 N0M에 대해 성분별 DBPFPs를 고찰하여 본류에 미치는 영향을 살펴보면, 원수의 N0M 경향과는 달리 지천의 경우에는 Fig. 9에서와 같이 DBPFPs는 친수성 보다는 소수성에서 높게, Fig. 8에서와 같이 HAAFPs 농도가 THMFPs 보다 높게 나타났다.
지천의 경우 비록 하천수이지만 하수처리장 처리수의 유입이 많아 한강 본류 원수와는 달리 할로아세토니트릴계와 브롬화 소독부산물의 생성이 높게 나타나, 유입 이후 하류 지점 원수의 소독부산물 생성에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단되나, 본류에 유입되는 물량이 적고 하류에 위치한 취수지점과의 거리에 의해 취수원수에는 영향을 거의 미치지 않는 것을 확인할 수 있었다.
5는 하수처리장 방류수 유줄지점(YS 지점)의 NOM 분획 결과로서 봄의 경우 친수성 유기물질이 76%로서 유기물질의 대부분을 차지하며, 반친수성 유기물질 9%, 소수성 유기물질이 15%를 차지하고 있었다. 지천이 한강으로 합류되는 지점(YH 지점)에서의 성분도 YS 지점의 성분과 비교할 때, 뚜렷한 차이가 나타나지 않고 있어 지천의 흐름이 한강에 합류되더라도 즉시 확산되지 않고 본류에 서서히 합류됨을 보여주었다.
한강본류 KB, GU 원수의 NOM을 분획한 결과, XAD-7HP수지에 의한 소수성 유기물질의 분획은 회수율 75~110%, XAD-4 수지에 의한 반친수성과 친수성 유기물질의 회수율은 75~90%를 나타냈으며, 총 NOM/DOC는 70~100%로 평균 85%의 회수율을 나타내었다.
한강본류 두 원수의 DBPs 생성능은 Fig. 7에서와 같이 HAAFPs > THMFPs > CHFP > HANFPs 순으로 나타났으며, 용존성 NOM의 DBPFPs는 HAAFPs가 53~55%, THMFPs 28~31%, CHFP, HANFPs 순으로 나타났다.
한강본류에 유입되는 지천인 YS 지점과 합류지점인 YH지점에서의 총 DBPFPs는 각각 113, 109 ug/L로 본류의 원수 265 ㎍/L에 비해 40% 수준으로 낮게 나타나 TOC가 높은 것과는 상반된 결과를 보였으며, Fig. 8에서와 같이 YS의생성능은 HAAs 60%, THMs 27%, HANs 9%, CH 4%를 나타내었고, YH의 경우에는 HAAs 58%, THMs 19%, HANs 17%, CH 6%의 생성능을 보였다.
한편, 유입지천의 위치에 따른 단위 DOC에 대한 DBPFPs 는 Fig. 10에서 보여주듯이 소수성 60%, 반친수성 35%, 친수성 5% 정도로 나타나 총 DOC의 DBPFPs와는 다른 형태를 보여 친수성은 유기탄소의 함량이 높아 단위 DOC에 대한 DBPFPs는 상대적으로 낮게 나타났다. 소수성 성분은 DOC가 낮게 존재한 반면 단위 DOC에 대한 DBPs 전구물질로 높게 작용하는 것으로 나타났다.

후속연구

원수에서는 N0M 분획의 회수율이 85% 정도인 반면 Fig. 6에서와 같이 지천에서는 회수율이 60~80%를 나타내어, 친수성 유기물질이나 소수성 유기물질을 구분하는 XAD 수지에 흡 · 탈착되지 않는 unfractioned NOM이 하천수인 원수에 비해 많이 함유되어 있는 것으로 나타나 이에 의한 영향의 정도가 더 파악되어야 할 것으로 보인다.
한강본류로 유입되는 지천의 NOMe 친수성이 강한 성향을 띄고 있으며, 수지에 의한 흡·탈착이 어려운 N0M이 20~40%로 많이 함유되어 있어 분획되지 않은 물질의 특성 및 소독부산물 생성에 미치는 영향에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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