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문제 정의
- 12,13) 이러한 물질들은 조류제거에 사용되는 황토의 대체재로 활용도가 높을 것으로 판단되나, 국내에서는 관련된 연구가 미약한 실정이다. 따라서 본 연구는 황토와 여러 가지 개량된 토양 및 광물질을 대상으로 녹조현상이 발생했을 경우 현장에서 바로 사용할 수 있는 천연 무기응집제를 찾는 것이 목표이다. 이를 위해 조류밀도가 천연 무기응집제에 의한 조류제거효율에 미치는 영향과 조류밀도별 최적 응집제 주입량 등을 조사하였다.
제안 방법
- 1은 응집·교반 후 침전시간 10분과 30분 후의 조류 밀도 변화를 응집제별로 나타낸 것이다. 각 응집제별로 조류 밀도 제거율이 높은 최적 주입량에 대하여 조류밀도를 비교하였다. 황토의 경우 50 mg/L, 다른 천연 무기응집제는 20 mg/L, PACl은 10 mg/L 주입량의 조류밀도 값을 비교하였다.
- 원수의 조류밀도가 제거효율에 미치는 영향을 조사하기 위하여 응집제별 조류 제거특성 실험에서 최대의 조류 제거율을 보인 AC-A 응집제를 사용하여 추가적인 실험을 수행하였으며, 황토를 대조군으로 사용하였다. 다양한 조류밀도 농도에 대한 실험을 하기 위하여 조류밀도가 낮은 원수A 대신 원수B(조류밀도 12,700,000 cells/mL)를 희석하여 사용하였다. 희석수는 저수지의 물을 GF/C (Whatman, USA) filter로 여과한 물을 사용하였다.
- 루골을 넣기 전에 채취한 상등액의 pH, 탁도, 인산염인, 제타전위, 입도분포를 측정하였으며, 유기물의 제거특성을 알아보기 위하여 254 nm에서 UVA (UVA254)를 측정하였다. pH는 pH meter (Star A series, Thermo, USA)로, 탁도는 turbidity meter (HI98703, HANNA)로 분석하였고, 인산염인은 수질오염공정시험기준(ES 04362.
- 원수의 조류밀도가 제거효율에 미치는 영향을 조사하기 위하여 응집제별 조류 제거특성 실험에서 최대의 조류 제거율을 보인 AC-A 응집제를 사용하여 추가적인 실험을 수행하였으며, 황토를 대조군으로 사용하였다. 다양한 조류밀도 농도에 대한 실험을 하기 위하여 조류밀도가 낮은 원수A 대신 원수B(조류밀도 12,700,000 cells/mL)를 희석하여 사용하였다.
- 하지만, 희석 후 실제 조류밀도는 각각 6,936, 12,536, 44,320, 104,970, 222,233 cells/mL이었으며, 실험결과 해석을 위해 간략하게 7,000, 12,000, 45,000, 105,000, 222,000 cells/mL로 표기하였다. 응집․침전실험은 Jar tester를 이용해 응집제 주입 후 120 rpm에서 1분간 교반하고 30분 침전시킨 뒤 각각 상등수를 취하여 수질항목과 조류밀도를 분석하였다.
- 응집제는 20,000 mg/L의 슬러리 형태로 만들어 주입하였고, 용액 속에서 응집제가 침전되지 않도록 유리막대로 저어가면서 채취한 다음 시료에 주입하였다. 응집제 주입 후 120 rpm에서 1분간 교반하고 10분, 30분 침전시킨 다음, 각각 상등수를 채취하여 수질항목과 조류밀도를 분석하였다.
- 응집제별 조류제거 특성실험에서 가장 적합한 무기 응집제로 판단된 AC-A와 황토를 이용하여 조류밀도가 조류제거효율에 미치는 영향을 조사하였다. Fig.
- 따라서 본 연구는 황토와 여러 가지 개량된 토양 및 광물질을 대상으로 녹조현상이 발생했을 경우 현장에서 바로 사용할 수 있는 천연 무기응집제를 찾는 것이 목표이다. 이를 위해 조류밀도가 천연 무기응집제에 의한 조류제거효율에 미치는 영향과 조류밀도별 최적 응집제 주입량 등을 조사하였다.
- 입도분포는 Mastersizer 2000 (Malvern Instruments, UK)을 이용하여 0.02 µm에서 2,000 µm까지 입도분포를 측정하였다.
- 조류 발생이 문제시 되는 정체수역이나 호소에서 현장적용에 적합한 응집제를 선정하고 응집제별 적정 주입농도를 찾기 위하여 황토와 토양기반 개량 무기응집제를 대상으로 응집․침전실험을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 원수A의 조류밀도는 2,950 cells/mL이었고, 다른 수질인자의 특성은 Table 1과 같다. 조류밀도별 제거효율을 조사하기 위해 B저수지에서 조류 채집망을 이용하여 높은 농도의 조류 밀도(12,700,000 cells/mL)를 가진 원수를 채수하였으며, 조류밀도 실험을 위해 희석하여 사용하였다. 희석수는 원수A 를 이용하였다.
- 실험에 사용된 응집제 가운데 제조사의 동의를 얻은 황토와 AC-A의 wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometry (WDXRF) 분석 값을 Table 2에 정리하였다. 천연 무기응집제의 효율을 비교하기 위해 기존에 조류제거를 위한 응집제로 흔히 사용되고 있는 PACl를 대조군으로 응집․침전실험을 수행하였다.
- 현장에 적용하기 적합한 응집제를 선정하고 응집제별 최적 주입농도를 찾기 위하여 황토와 토양기반 개량 무기응집제 세 가지를 주입하며 응집․교반실험을 실시하였다. 천연 무기응집제(AC-A, AC-B, AC-C)의 경우 응집제 주입량을 증가시킬수록 조류밀도 농도는 감소하여 주입량 20 mg/L 에서 조류밀도가 최저값을 나타내었으며, 20 mg/L 이후에는 조류밀도 감소에 큰 변화가 없었다.
- 황토와 개량된 무기응집제별 조류 제거특성을 비교하고 조류제거에 적합한 응집제를 찾기 위하여 원수A를 대상으로 쟈테스트(jar test)를 수행하였다. 응집 · 침전실험은 환경부에서 제시한 “조류제거효율 및 생태독성평가 방법”에 맞추어 실시하였다.
대상 데이터
- 02 µm에서 2,000 µm까지 입도분포를 측정하였다. UVA254는 UV-Vis spectrophotometer (Humas HS-3300)를 사용하여 측정하였다.
- 본 연구를 위해 사용된 시료는 낙동강 중류의 A보 상류지역(원수A)과 경기도의 B저수지(원수B)에서 채수하였다. 원수A의 조류밀도는 2,950 cells/mL이었고, 다른 수질인자의 특성은 Table 1과 같다.
- 실험에 사용된 슬라이드 글래스는 1 mm × 1 mm 크기의 구계가 총 1,000칸으로 나누어진 것을 사용하였으며, 이 중 40칸의 구계를 일정하게 관측하여 조류밀도를 구하였다.
- 응집제별 조류제거 특성을 조사하기 위하여 황토와 토양 기반으로 개량된 무기응집제 artificial clay A (AC-A), artificial clay B (AC-B), artificial clay (AC-C) 등을 사용하였다. 토양기반 천연 무기응집제의 주성분은 Al2O3, CaO, MgO, K2O, Fe2O3, SiO2, TiO2, MnO4 이었다.
이론/모형
- )를 측정하였다. pH는 pH meter (Star A series, Thermo, USA)로, 탁도는 turbidity meter (HI98703, HANNA)로 분석하였고, 인산염인은 수질오염공정시험기준(ES 04362.1)에 따라 시료를 발색시킨 후 UV-Vis spectrophotometer (Humas HS-3300)를 사용하여 측정하였다.15)
- 응집 · 침전실험은 환경부에서 제시한 “조류제거효율 및 생태독성평가 방법”에 맞추어 실시하였다.
- 제타전위는 Photal사의 ELS Z를 사용하여 분석하였으며, 분석용 cell은 flow zeta cell을 사용하였고, conversion equation은 Smoluchowski식을 이용하였다. 입도분포는 Mastersizer 2000 (Malvern Instruments, UK)을 이용하여 0.
- 조류밀도는 1 L의 상등수에 루골(Lugol) 용액 10 mL를 주입하고 암소에서 3일간 보관한 후 수질오염공정시험기준의 식물성플랑크톤-현미경계수법(ES 004705. 1)으로 측정하였다.15) 루골용액을 넣고 침전시킨 후 사이펀을 이용하여 상등수를 표면부터 제거한 다음, 일정배율로 농축한 후 현미경(CH30, OLYMPUS)을 이용하여 200배로 확대하여 개수 하였다.
- 조류종 분석결과, 두 원수 모두 남조류(Cyanobacteria)가 우점종이었으며, 원수A는 Microcystis종이 58%, Eudorina elegans가 26%이었고, 원수B는 Microcystis종이 99%로 대부분을 차지하였다. 조류종은 한국농어촌공사의 협조를 받아 DNA분석을 통해 분류하였다.
성능/효과
- 1) 본 연구에 사용된 개량 천연 무기응집제(AC-A, AC-B, AC-C)는 황토보다 적은 양으로 높은 조류제거율을 달성할 수 있었다. 조류 제거와 탁도, pH 등의 수질인자 특성을 종합적으로 고려할 때 본 연구에서 고려된 천연 무기응집제 중 AC-A가 가장 적합하였다.
- 2) AC-A를 제외한 다른 천연 무기응집제(황토, AC-B, AC-C)를 활용할 경우 응집제 주입량이 증가함에 따라 처리수의 탁도가 높아져 문제가 될 수도 있을 것으로 사료된다. 입도분포 분석결과를 근거로 볼 때, 처리수의 탁도 증가는 무기응집제로 처리한 물에 반응하지 못하고 잔류하는 부유성 미세입자에 의한 것으로 판단된다.
- 3) 남조류가 주종인 원수의 조류밀도가 높을수록 같은 제거효율을 얻기 위한 응집제 주입량이 증가하는 경향을 나타냈으나 선형적인 상관관계는 찾을 수 없었다.
- 2) 남조류는 질소 고정능, 휴면포자 형성능, 체내 인축적능, 부상능, 수온 및 pH 적응성, 군체 형성능 등이 다른 조류에 비해 우수하여 부영양화 된 수역에서 우점하여 녹조현상을 일으킨다.3,4) 환경부에서 실시하는 조류 예보제는 남조류 세포수를 기준으로 500 cells/mL 이상일 경우 조류주의보, 5,000 cells/mL 이상일 경우 조류경보, 1,000,000 cells/mL 이상일 경우 조류대발생경보로 나눠진다.5)
- 4) 황토를 비롯한 대부분의 천연 무기응집제는 원수의 유기물 제거 및 pH 변화에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 인산염의 경우 황토와 AC-A 모두 주입량이 증가함에 따라 제거율이 높아져 최대 70%까지 제거되었다.
- 조류밀도 45,000 cells/mL인 원수는 황토 500 mg/L 주입시 46%의 조류제거율을 나타냈으나, ACA는 50 mg/L 주입으로 유사한 조류제거율(44%)을 획득할 수 있었다. AC-A의 단가가 황토에 비해 약 4배 비싼 것을 고려하더라도 경제성면에서 AC-A가 유리한 것으로 나타났다. 조류밀도 100,000 cells/mL 이상의 원수에서는 황토(clay)와 AC-A의 주입량 차가 다소 감소하였으나, 동일한 조류제거율을 얻기 위해서는 AC-A에 비해 3~4배 많은 양의 황토를 주입해야만 했다.
- 황토의 경우 50 mg/L, 다른 천연 무기응집제는 20 mg/L, PACl은 10 mg/L 주입량의 조류밀도 값을 비교하였다. PACl은 주입량 10 mg/L로 10분 침전 후 조류밀도 제거율 88%를, 30분 침전 후 조류밀도 제거율 94%를 달성할 수 있었다. 황토는 다른 응집제에 비하여 많은 주입량(50 mg/L)이 필요했고 처리효율도 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
- ) 제거는 5% 이하로 유기물은 거의 제거되지 않았다. 다만, 인산염의 경우 황토와 AC-A 모두 주입량이 증가함에 따라 제거율이 높아져 최대 70%까지 제거되었다. 이것은 광물에 결합되어 있던 산소(O)가 해리되며 K2+, Mg2+ 등 양이온화 된 성분이 무기염류와 화학적 결합을 이루었기 때문으로 사료된다.
- 천연 무기응집제 주입에 따른 pH 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 모든 천연 응집제의 경우 응집제 주입량이 많을 경우 pH가 다소 낮아지기는 했으나 pH 7.5 이상을 유지(원수 pH 7.8)하였다. PACl의 경우 응집제 주입량을 증가시킴에 따라 pH가 낮아져 50 mg/L 주입시 pH 6.
- 다른 개량 무기응집제들도 침전시간이 길어질수록 조류밀도 제거율이 다소 증가하였으나, 침전시간 10분만으로도 80-90%의 조류를 제거할 수 있었다. 반면, 황토(50 mg/L 주입)에 의한 조류밀도 제거율은 10분 침전 후 49%, 30분 침전 후 85%로, 황토를 이용하여 조류를 제거하는 경우에 충분한 침전시간이 필요한 것으로 나타났다.
- 반면, 황토와 천연 무기응집제로 응집 · 침전한 시료는 원수의 탁도(3 NTU)보다 높은 탁도를 나타냈으며, AC-A 응집제가 상대적으로 가장 낮은 탁도를 보였다.
- 4는 조류밀도가 다른 시료를 대상으로 황토와 AC-A 주입량에 따른 조류밀도 변화(C/Co)를 나타낸 결과이다. 원수의 조류밀도가 높을수록 동일한 제거효율을 얻기 위한 응집제 주입량이 증가하는 경향을 보였으나, 선형적인 상관관계는 찾을 수 없었다.
- 입자분포 측정결과 PACl이 주입되고 응집 · 침전 10분 후 상등수는 100 μm 이하 입자가 차지하는 비율이 38%로 나타난 반면, AC-A가 주입되고 응집․ 침전 10분 후 상등수는 65%로 다른 응집제(clay, AC-B, ACC)의 70-75%에 비해 상대적으로 높게 나타났다.
- 1) 본 연구에 사용된 개량 천연 무기응집제(AC-A, AC-B, AC-C)는 황토보다 적은 양으로 높은 조류제거율을 달성할 수 있었다. 조류 제거와 탁도, pH 등의 수질인자 특성을 종합적으로 고려할 때 본 연구에서 고려된 천연 무기응집제 중 AC-A가 가장 적합하였다.
- 조류밀도가 7,000 cells/L인 원수의 경우, 70%의 조류를 제거하기 위해 황토는 200 mg/L를 주입한 반면, AC-A는 20 mg/L를 주입하였다. 조류밀도 45,000 cells/mL인 원수는 황토 500 mg/L 주입시 46%의 조류제거율을 나타냈으나, ACA는 50 mg/L 주입으로 유사한 조류제거율(44%)을 획득할 수 있었다. AC-A의 단가가 황토에 비해 약 4배 비싼 것을 고려하더라도 경제성면에서 AC-A가 유리한 것으로 나타났다.
- 6까지 낮아졌다. 조류밀도, 탁도, pH 등 이상의 수질인자 및 제거특성을 종합적으로 고려할 때, 천연 무기응집제 중 AC-A가 가장 적합한 것으로 판단된다.
- 조류종 분석결과, 두 원수 모두 남조류(Cyanobacteria)가 우점종이었으며, 원수A는 Microcystis종이 58%, Eudorina elegans가 26%이었고, 원수B는 Microcystis종이 99%로 대부분을 차지하였다. 조류종은 한국농어촌공사의 협조를 받아 DNA분석을 통해 분류하였다.
- 침전시간이 조류밀도 제거율에 미치는 영향도 황토가 다른 천연 무기응집제에 비해 큰 것으로 나타났다. 다른 개량 무기응집제들도 침전시간이 길어질수록 조류밀도 제거율이 다소 증가하였으나, 침전시간 10분만으로도 80-90%의 조류를 제거할 수 있었다.
후속연구
- 이것은 광물에 결합되어 있던 산소(O)가 해리되며 K2+, Mg2+ 등 양이온화 된 성분이 무기염류와 화학적 결합을 이루었기 때문으로 사료된다.18) 조류제거에 중점을 둔 본 실험의 내용에는 포함되지 않았으나, 이렇게 침전된 플럭으로 형성된 퇴적층에서 인이 수중으로 다시 녹아 들어갈 수 있으므로 무기 응집제 활용 시 인의 재용출에 대한 추가 실험이 필요한 것으로 판단된다.
- 5) 조류제거에 중점을 둔 본 연구의 내용에는 포함되지 않았으나, 침전된 플럭으로 형성된 퇴적층에서 인의 재용출 등 2차 오염이 발생하는 것에 대한 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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