초록
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1. 개요
해마다 하천 및 호소에 발생하는 조류 때문에 지역 주민들이 겪는 삶의 질 저하와 수생태계 변화로 인한 환경오염 심각성은 어제오늘의 일이 아니다. 이러한 조류 발생에 의한 민원은 특히 4대강 사업으로 인한 수중보의 건설이 큰 요인으로 주목되고 있다. 수중보 건설로 인한 수체의 체류 속도 저하와 무기영양염류 그리고 각종 유기물 오염 부하량의 증가와 기후변화 조건 등의 복합적 요인들이 조류 발생 증가의 주요 원인 인자로 거론되고 있다. 발생되는 조류는 식생과 성상에 따라 그 분류가 다양하다. 물리적인 식생 상
1. 개요
해마다 하천 및 호소에 발생하는 조류 때문에 지역 주민들이 겪는 삶의 질 저하와 수생태계 변화로 인한 환경오염 심각성은 어제오늘의 일이 아니다. 이러한 조류 발생에 의한 민원은 특히 4대강 사업으로 인한 수중보의 건설이 큰 요인으로 주목되고 있다. 수중보 건설로 인한 수체의 체류 속도 저하와 무기영양염류 그리고 각종 유기물 오염 부하량의 증가와 기후변화 조건 등의 복합적 요인들이 조류 발생 증가의 주요 원인 인자로 거론되고 있다. 발생되는 조류는 식생과 성상에 따라 그 분류가 다양하다. 물리적인 식생 상태에 따라 부착조류와 부유조류로 구별하고 성상에 따라 갈조류, 녹조류, 홍조류, 규조류, 와편모조류 남조류 등의 형태로 구분하기도 한다. 발생 시기가 계절별로 상이하기도 하고 적절한 광량, 무기영양염류, 용존산소, 수체의 체류 속도 등 여러 물리화학적 인자들이 조류의 생장 속도 및 발생 기작에 영향을 미친다.
본고에서는 이러한 다양한 종류의 발생 조류에 대한 조류 제거 기술별 특징과 장단점을 소개하고자 하였다. 한 가지 고려할 것은 본고에서 소개하는 개별 조류 제거 기술들의 처리 효과는 해당 기술 보유 업체들의 자료를 토대로 한 것으로, 각각의 처리 효율 및 경제적 효과에 대한 검증은 추가적인 여러 엔지니어링 자료 및 별도 자료 검토가 필요할 수 있음을 전제로 한다. 아울러 소개하고 있는 기술들의 운전 형태, 가령 장치의 운전 유형이 정치식인지 이동식인지 혹은 반응물의 공급 형태가 배치식인지 연속식인지 아니면 반응기의 운전 방식이 탱크형 균일혼합반응기 형식(Con-stant Stirred Tank Reactor, CSTR)인지 플러그흐름반응기 형식(Plug Flow Reactor, PFR)인지 등 여러 엔지니어링 요소에 따라서 그 효율과 경제성이 크게 달라질 수 있음을 언급하고자 한다.
덧붙여 저감기술의 효율화를 기하기 위하여 사전에 제거 대상 조류의 정확한 성상과 조류 발생 지역의 환경 입지 조건 및 기타 오염물의 성상 등의 총합적인 조사와 검토가 선행될 필요가 있음도 덧붙여 말해두고 싶다.
2. 조류저감기술별 특징
조류저감기술의 효율적인 선정을 위하여는 먼저 해당 기술이 전개될 지역의 환경 입지적 요건에 따른 외부 오염원과 내부 오염원을 정확히 추적하고 그 성상을 확인하여 구체적인 차단 방법을 고민할 필요가 있다. 외부 오염원 차단 방법이라면 가능한 해당 수계 내로 유입되는 점오염원, 비점오염원들에 대한 오염수 유입을 최대한 억제하는 방법이다. 이에 반해 내부 오염원 제거 방법은 수계 내 조류 성장을 촉진시키는 환경요인들을 교란시키거나 발생 조류를 직접 제거하는 방식을 생각할 수 있다. 현재도 이러한 내부 오염원 제거를 위한 해당 기술 및 공법들이 꾸준히 개발되어오고 있지만 적용 기술들을 그 구동 방식에 따라 구분하자면 크게 물리적, 화학적, 생물학적, 복합적 기술로 구분할 수 있을 것이다. 물리적 저감기술의 특징은 기계장치 구성이 필요하고 비용이 많이 소요되며 바이오매스 폐기물이 부산물로 발생된다는 부수적 문제가 있으나 가시적인 저감 효과가 비교적 단기간 내 확인 가능하다는 장점을 갖는다. 화학적 저감기술은 화학적 약품 사용으로 인한 2차오염이 수생태계에 일정 기간 직간접적인 영향을 미치는 게 문제이지만 특정 조건 및 제한된 조건 내에서 단시간 내 효과를 기대할 수 있다는 장점이 있다. 반면 생물학적 기술은 환경친화적이라는 장점은 있으나 가시적인 저감 효과를 확인하기까지에는 많은 시간과 비용이 소요되고 현장 적용 시 시공간적 변이와 계절적, 수리적 영향이 작용하는 경우 저감 효율이 크게 달라질 수 있다는 단점을 갖는다.
2.1. 가압부상 기술
가압부상 공법은 현재도 하오폐수처리 기술로 널리 사용되고 있는 기술이다. 보통은 제거 대상 오염물의 비중이 물보다 낮은 오염물(오일류, 부상고형물 등)이 많을 때 적절한 응집제를 이용하여 응집 침전을 유도하는 것과 반대 경우로 생각할 수 있다. 가압부상 기술은 수중의 미세기포와 응집제에 의한 응집 효과를 적절히 가미하여 응집에 의해 플럭화된 응집물을 미세기포의 부상력을 이용하여 수면 위로 부상시킨 후 스키머 등을 이용, 표층수의 오염물을 제거하는 방법이다.
가능한 마이크로 영역의 미세기포를 얼마나 안정되게 다량 발생시켜 응집된 플럭물을 효과적으로 부상시킬 것인가 하는 것과 수중의 오염물 성상을 정확히 파악하여 효과적인 플럭 형성을 유도할 수 있도록 최적의 응집 효과를 갖는 응집제를 선정하는 과제가 이 기술의 핵심이며 전체 효율을 결정하는 주요 인자로 작용한다. 혹은 미세기포의 발생을 단순한 공기에 의존하지 않고 살균 소독력을 가미한 오존수를 가압하여 오존이 농축된 형태의 미세기포를 이용함으로써 유기 오염물의 산화력을 극대화시킨 기술을 접목하기도 한다. 설치 면적이 작고 선박 등의 이동수단을 적절히 결합시켜 해당 수역 내 발생 조류를 비교적 단기간 내 제거한다는 장점은 있으나 응집제 사용으로 인한 슬러지 발생 등 부수적인 문제가 존재한다.
2.2. 플라즈마 처리 기술
플라즈마를 이용하여 발생시킨 –OH 라디칼과 같은 강력한 산화성 물질을 이용하면 조류 세포를 직접적으로 파괴할 수 있다. 플라즈마는 통상 오존, 수전해, 자외선 등의 장치를 이용하여 발생시키며 발생된 플라즈마는 수중의 –OH 라디칼과 같은 강력한 산화 라디칼을 생성한다. 플라즈마 발생장치를 통한 고압의 플라즈마를 접촉식 혹은 비접촉식 등의 방법을 통해 수체와 반응시켜 수중의 난분해성 물질을 분해하거나 세균 및 조류를 사멸하는 방법이다. 초기 플라즈마 발생 형태는 고온 고압의 고에너지 상태의 것이었으나 연구가 진행되면서 현재는 에너지효율성을 높이기 위해 저온 저압의 플라즈마 발생장치에 대한 연구가 진행 중에 있다.
2.3. 오존 및 마이크로버블 기술
오존 등의 강력한 산화제를 이용하여 조류를 사멸시키는 기술이다. 오존은 비교적 수용해성이 높고 산화력이 강하여 오존이나 하이드록시 라디칼(-OH)과 같은 강력한 산화성 물질은 조류 세포의 직접적인 사멸이 가능하다. 이러한 오존을 가압하고 표면적을 극대화시켜 수중에 마이크로버블 형태로 용해시켜 분사하게 되면 조류 사멸 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 오존을 통한 조류저감기술은 적용 초기 잔류 오존에 의한 유해성이 거론되기도 하였으나 기술개발이 이어지면서 조류 사멸 후의 잔류 오존을 다시 산소로 환원시켜 오히려 수중의 용존산소를 증가시키는 기술로 발전되어 2차오염에 대한 문제를 최소화시키기도 하였다.
2.4. 초음파 이용 기술
조류 세포를 직접적으로 사멸시키는 오존, 수전해물, -OH 라디칼과 같은 강력한 산화성 물질을 발생시키는 고에너지 발생장치 외에도 다파장 초음파를 이용하면 초음파가 조류 세포 내의 기낭을 파괴시켜 조류 생성의 억제가 가능하다. 연속적인 다파장 초음파를 수중에 발사하면 초음파의 미세한 진동에너지가 조류의 기낭을 파괴시켜 조류 생성을 억제하는 기술인데, 특별히 고가의 복잡한 기계장치나 화학물질에 대한 2차오염의 걱정이 없는 친환경적인 조류저감기술로 소개되고 있다. 다만 아직 정확히 정량화된 데이터 확보가 부족하고 그 적용 대상 또한 매우 제한적이라는 단점이 있다.
2.5. 가압필터 여과 기술
필터프레스, 벨트프레스, 원심분리기와 같은 여과장치와 가압필터를 이용하여 필터 내의 를 물리적으로 여과 제거시키는 기술이다. 화학약품 사용으로 인한 2차오염 문제가 없고 운영비 절감이 가능하여 조류 제거 효율이 비교적 높지만 필터의 주기적인 유지보수 문제가 단점으로 지적된다.
2.6. 태양광을 활용한 물순환 장치
태양광을 에너지원으로 하여 수차를 돌려 상대적으로 호기성 상태의 표층수와 혐기성 상태의 심층수 간 상호 수직적 교반을 통해 호기성 조건하에서 유기물 분해를 촉진시키면서 조류 저감도 함께 꾀하는 기술이다. 유기물 분해로 인해 수중의 유기 오염물 양이 줄어들면 광량 등 용존산소 포화량도 증가하게 되고 상하 수직적 교반 및 열전달에 의한 수체의 성층화도 억제되어 호소의 수질정화를 꾀할 수 있다. 주로 정체된 수역의 하천이나 호소에 부분적으로 적용할 때 효율이 높다.
2.7. 염소화물을 이용한 조류저감기술
살균력과 소독력이 강한 염소계 화합물을 조류저감기술에 적용한 것이다. 초기 염소계 화합물은 유기물 분해 과정 중의 중간생성물인 THMs, HAAs, HANs와 같은 발암물질을 생성하거나 아민류 및 페놀 화합물과의 반응 부산물인 클로로아민이나 클로로페놀과 같은 독성물질을 생성하는 등 2차오염이 문제시되어왔다. 또한 염소계 화합물은 수중의 수소이온농도가 증가하면 살균력이 급격히 감소하여 살균소독제로서의 이용에 치명적인 단점으로 지적되어왔었다. 염소계 화합물 중 이산화염소는(ClO2)는 이러한 수체의 수소이온농도가 광범위한 영역에서도 강한 살균력과 소독력을 유지하며 종래 유기물 분해 과정에서 문제시되어왔던 중간 발암물질 생성이나 독성물질 생성의 최소화가 가능하고 빛에 의한 광분해반응도 비교적 용이하여 오존이나 수전해를 통해 발생시킨 산화성 물질과 함께 조류저감기술에 이용하는 경우 부수적으로 조류가 발생하는 특유의 이취미나 부패로 인한 악취 발생 저감도 가능하다.
2.8. 화학 응집제를 이용한 조류저감기술
오염 대상물과의 응집반응을 통해 플럭을 형성하여 중력 차나 전하 차를 이용한 응집침전, 응집부상과 같은 방법으로 조류를 저감하는 기술이다. 통상 저감 현장에서는 응집제나 응집보조제를 걱절히 조절하여 활용하고 있으며, 많이 사용하는 응집제로 고상 또는 액상의 황산알루미늄, 염화알루미늄 및 고분자 응집제로서 폴리염화알루미늄(PAC)을 사용하고 있다. 화학약품이 갖는 2차오염 문제를 가능한 최소화하기 위해 인체 및 동식물에 무해한 친환경적 응집제의 개발이 꾸준히 진행 중이다. 인체에 무해한 다양하면서도 선택적인 천연 유무기물 복합제나 화학약품에 소요되는 비용을 최소화하고 자원 재활용을 통한 유가금속 회수를 목적으로 염화티타늄(TiCl2)과 같은 티타늄 응집제를 신규 개발하여 응집 후 유가금속인 티타늄을 별도 회수함으로써 촉매 활성물질로 재활용하기도 한다.
2.9. 아쿠아 리프트 조류저감기술
아쿠아 리프트는 오랜 기간 하천 및 호소 바닥에 침전되어 있는 황화물 상태의 혐기성 침전 퇴적물을 유기물 분해를 촉진시키는 생물 박테리아 제제를 이용, 유기물 분해와 함께 조류의 분해도 함께 촉진시키는 생물학적 조류저감기술이다. 친환경적 생물학적 조류저감기술로 소개되고 있으나 저감 효과의 정량적 평가 및 지속성에 대해서는 부수적인 검증이 필요한 부분이 있다.
2.10. 포식성 천적 생물 기술
녹조 발생이 심각한 저수지의 경우 오히려 상대적으로 물벼룩과 같은 식물성 조류를 포식할 수 있는 포식자가 부족한 경우가 많다. 엄밀히 조류 발생의 근본 원인은 자연계 내 생산자와 포식자 간 평형이 어긋나 발생되는 것이다. 포식성 천적 생물 기술은 조류와 같은 자연계 1차생산자인 식물성플랑크톤의 증식을 억제하기 위해서 이들을 포식하는 동물성플랑크톤이나 물벼룩과 같은 포식자의 증식을 유도하여 비정상적인 생태계 평형을 균등하게 유지시켜 조류 발생을 억제시키고자 하는 기술이다.
2.11. 자연복합미생물을 이용한 조류저감기술
각종 화학물질에 대해 우수한 저항 능력을 지니면서 미생물 생장 활동의 저해 요소인 염도에도 강한 저항력을 갖는 자연복합미생물군은 자연친화 능력이 뛰어난 자연계 공동대사 구조로서 미생물의 변이 발생을 최소화시키면서 폐쇄수역 및 호소에 부분적으로 활용 효과가 우수하다고 알려져 있다. 정치형 운전도 가능하지만 이동형 선박에 배양조, 가온기, 폭기기, 저장조, 수중펌프 등의 비교적 간단한 부대설비 설치로 이동 시 수역 내 살포도 가능하다.
3. 결과와 검토
현재 하천 및 호소에서 상용화되어 적용 중인 조류저감기술은 대략 30여 가지로 알려져 있다. 이들 개별 기술들의 운영 형태를 보면 보통은 기본 기술을 중심으로 주위 기술 간의 상호 연계 조합을 통한 복합기술 형태로 운용되고 있는 상황이다. 그래서 이들 개별 기술들의 성능을 종합적으로 분석, 평가하는 데는 기술이 적용되는 대상 수계의 수체 유속 등 여러 환경 입지적 조건과 물리적 데이터 그리고 개별 기술 간 공법 적용과 적용 시점 등 몇 가지 세부적인 엔지니어링 기술 분류가 필요할 수 있다. 실제로 조류 저감 현장에서 적용 중인 조류저감기술의 75% 정도는 평균유속이 0.2 m/sec 이하로 아주 느리거나 25% 정도는 아예 정체된 수역을 대상으로 하고 있어서 적용 대상 수계의 환경적, 지리적 입지 요건 외에도 개별 조류저감기술의 경제성, 현장 적용성, 효과 지속성, 수생태 안정성 등의 총합적 기준 요건에 대한 사전 검토가 반드시 필요하다. 조류저감기술을 기술별로 크게 물리적, 화학적 생물학적, 복합적 공법으로 그 적용 현황을 구분하면 현재 현장에서 적용되고 있는 기술을 대상으로는 물리적 기술이 30%, 화학적 기술이 25%, 생물학적 기술이 20%, 그리고 이러한 공법들을 서로 조합 연계하거나 고정상 혹은 이동상의 방법을 가미한 복합적 공법 적용이 대략 25% 정도 비율로 적용되고 있다고 볼 수 있다. Table 1과 Table 2에서 보여주는 바처럼 개별 조류저감기술의 실제 적용은 기술 자체의 효율도 중요하지만 앞서 언급한 바와 같이 각종 엔지니어링 인자와 적용 대상 수계의 환경적, 지리적, 수리적 조건 설정도 중요하다. 이외에도 실제 현장에서의 조류 발생의 정도가 여러 수질 측정 데이터의 산출 경향으로 볼 때 총질소, 총인과 같은 무기영양염류의 증가 패턴 및 수소이온농도 변화, 용존산소, 전기전도도와 같은 수체의 기본 수질 물성 데이터 등을 통해 발생 초기 상태인지 혹은 핵심 유도 단계인지, 핵심 형성 단계인지. 핵심 성장 단계인지, 아니면 본격적인 블루밍 단계인지, 이미 성체로 성장이 종료된 상태인지 등에 대한 추가 정보 및 상황 파악이 필요해질 수 있다. 이는 조류저감기술의 형태가 조류 발생의 빈도와 규모에 따라 적용 가능한 기술 사양과 엔지니어링 요소 등 구성요소가 함께 달라질 수 있어서 그 운영 형태와 저감 효율이 크게 영향을 받을 수 있기 때문이다. 통상의 현장에서 실제 운용되고 있는 조류저감기술은 초기 조류 발생 예방 단계에서 적용 기술의 80% 정도가 사용되고 있고 나머지 20% 정도는 조류 대량 발생 및 회수 단계에서 적용되고 있는 상황이다.
4. 분석자 고찰
하천 및 호소에서 조류 발생으로 인한 폐해는 어제오늘의 일이 아니다. 그러나 우리는 아직까지 매번 조류 발생으로 인한 피해를 예상하면서도 피해 규모를 정량화하고 그 원인을 추적하여 단기간에 이렇다 할 해결 방안을 제시하고 있지는 못하다. 특히 4대강 수중보 건설로 인한 정체수역의 증가로 조류 발생의 빈도와 규모가 커지고 유해 조류에 의한 수생태계의 파괴, 나아가 우리가 마시는 음용수 수질, 병원성미생물 증식 등, 물에 대한 이런저런 신뢰성 저하 문제까지 포함한다면 그 피해 규모는 상당할 것이라고 판단된다. 조류는 자연생태계의 1차생산자로서 없어서는 안 될 중요한 기저 생물로, 우리 인류 탄생 훨씬 이전부터 사실상 이 지구의 주인이었다. 우리가 조류의 총체적 발생 기작을 충분한 고려 없이 함부로 조절하고 제어하는 것이 과연 자연생태계에 어떠한 긍정적 부정적 영향을 미칠 것인가 하는 효과에 대해서는 우리는 아직 이렇다 할 종합적 자료를 갖고 있지 못하다. 다만 조류의 이상증식으로 인해 수계 내 탁도가 증가한다든지, 이취미 유발로 인해 민원이 빈번하게 발생한다든지, 혹은 정수처리 과정 중 우리가 먹는 음용수에서 유해 미생물 증식으로 인해 인체의 건강상 심각한 이상이 발생하는 등의 부정적 영향을 주는 요인만을 선택적으로 골라내 조절할 필요는 있겠다. 특히 동식물과 우리 인체에 유해한 유해 조류의 발생을 선택적으로 제어하는 것은 음용수 등 수자원 이용의 대부분을 하천 및 호소수에서 활용하고 있는 우리의 수자원 활용 실태를 볼 때 반드시 선결적으로 해결해야 할 과제이기 때문이다.
조류 발생에 대한 저감기술이 해마다 다양해지고 그 효과 또한 커져가고 있지만 중요한 건 어느 특정 수계에 발생하는 조류를 한 가지 기술로만 해결하는 데는 한계가 있다는 것이다. 해당 하천 및 호소에서의 환경 입지적 요건과 적용 대상 조류저감기술과의 적용 요건 등 여러 관계를 함께 고려한 맞춤형 조류저감기술의 필요성을 역점으로 삼고 있는 것이 이 때문이다. 또한 조류의 성상은 각종 지방산과 당화성 인지질로 구성되어 있는 만큼 제거한 대상 조류를 바이오매스 등 생물자원으로 재회수할 수 있는 기술과의 연계 또한 자원 회수 기술개발을 통한 자원 재활용의 극대화를 함께 꾀할 수 있을 것이다.
References
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4. Oh, H. K, Lee, H. C and Cha, J. Y., “Estimating the value of water quality improvement using the contingent valuation method: A case study on bloom forming algae, “J. Environ. Policy and Admin, 23, 115-135(2015).
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