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궁금한 수질문제

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질문 호소환경과 수질관리
호소의 성층현상

호소의 수질관리를 효율적으로 하기 위해서는 계절의 변화에 따라 발생하는 밀도차에 의해 형성되는 수온성층현상과 물의 순환기・정체시기 그리고 그에 따른 영향들에 대해 이해하여야만 한다.

호소의 수온성층은 우리나라와 같이 중위도 지대에서 발생하는 현상이다. 물의 밀도는 수온이 4℃ 일 때 가장 커서 봄, 여름, 가을, 겨울의 계절의 변화 때 마다 호소의 상하층간의 수온은 독특한 변화를 한다.

수온의 분포에 따라 순환기와 정체기가 번갈아 가며 발생하는 원인은 다음과 같다. 여름철에는 태양열에 의해 수표면의 수온이 20〜25℃까지 상승하여 밀도가 낮은 층을 형성한다. 이에 반해 저층의 수온은 표면층의 온도까지 상승하지 않고, 아주 깊은 호소의 경우는 4℃정도, 얕은 호소에서는 약 10℃정도가 되어 고밀도의 수체로 존재한다. 따라서 상층이 따뜻하고 하층이 차가운 형태의 성층이 발생한다. 이것을 여름철 성층이라하고 겨울철 성층과는 반대의 수온분포를 보인다.

겨울철에 일어나는 성층현상은 기온이 낮아져서 호소는 표면부터 차가워져 표층이 0℃에 가깝게 되거나 얼게 된다. 반면에 저층의 물은 열전도가 어렵기 때문에 표층만큼 차가워지지 않고 4℃에 가까운 밀도가 큰 상태로 존재한다. 따라서 상층의 차가운 물과 저층의 따뜻한 물이 동시에 존재하기 때문에 상층에서 하층으로 향할수록 조금씩 수온이 증가하여 4℃에 가깝게 되고 밀도도 유사한 경향으로 점차 증가하는 상태가 되어 물의 성층이 형성된다. 성층이 형성되면 수류에 의한 상하방향의 물질이동이 거의 없는 상태로 된다.

봄이되면 겨울동안 차가웠던 표면이 서서히 따뜻해져서 4℃ 부근까지 수온이 상승하여 물의 밀도가 최대로 되고 밀도의 수체가 큰 표면 수체는 저층으로 점차 강하하기 시작한다. 이물은 저층의 물 온도와 같아지면서 상하층간의 물이 교체되면서 상층으로 이동한다. 이와같은 현상을 순환기라고 하며, 가을철에도 일어난다.

수온에 의한 성층구조중 수온이 급격하게 떨어지는 호소의 중간층을 수온약층(thermocline, metalimnion, Birge's thermocline)이라고 부르고, 윗부분을 표수층(epilimnion), 하층부를 심수층(hypolimnion)으로 구별한다(그림참조). 대개의 경우 수온약층에서는 수온이 5〜10℃정도 급격하게 떨어져 표수층과 심수층으로 갈라놓아 한 수체이면서도 수질이 서로 다를수 있게 된다.

호소의 성층현상과 순환현상은 호소에 유입한 영양염의 변화와 조류의 증식과 밀접한 관련이 있다. 성층이 형성되기 시작하는 초여름에는 충분한 태양광선과 상류에서 유입되거나 저층부에서 용출된 질소나 인 등의 염양염류에 의해 조류가 급격하게 증식하기 시작한다. 조류의 활발한 광합성작용은 물 속의 탄산을 감소시켜 물의 pH를 8〜10까지 높여 알카리상태를 띠게 한다. 이와같은 현상을 이해하지 못하고 단순히 수치로만 해석하면 마치 화학약품이나 공장폐수에 오염된 것같은 오해를 불러 일으킬 수도 있다. 그러나 조류에 의한 pH 상승은 심각한 문제가 되지 않으며, 아침저녁으로 변화가 있고, 정수처리 조건으로 참고하여야 할 정도이다.

또한 여름철에는 상하층간의 물교환이 없는 수온성층현상이 뚜렷하게 형성되기 때문에 저층부의 용존산소가 거의 고갈되어 산소가 없는 혐기성상태가 된다. 이러한 조건에서는 저니(퇴적물)에 포함되어 있던 망간이나 철이 용출되어 수돗물에 유입되면 물의 색이 황색이나 흑색으로 변하는 상황에 이른다. 망간이나 철이 인체에 미치는 악영향은 비교적 미약하지만 색수를 유발하기 때문에 세탁등 생활에 큰 불편을 초래한다.

이러한 사례는 국내의 K시와 B시에서 94년 7월에 1주일동안 총 32건의 색수 민원이 발생하여, 그 원인을 추적하던 중 정수장에서 평상시의 망간 검출농도인 0.01mg/L보다 10배가 많은 0.08 〜 0.15mg/L까지 검출되어 망간이 콜로이드성 입자를 형성하고 색수를 유발한다는 사실을 밝혀냈다. 이때의 수도전에서의 망간 농도는 0.08〜0.46mg/L로 정수장에서 보다 높게 나타났으며, 초기에는 직수에서 색수가 출수되었고, 후반기에는 저수조에서 색수가 콜로이드성 입자와 함께 검출되어 침전지 표층에 형성된 스컴(부상플럭)으로 오해되기도 했었다.

일본에서도 T현에서 정수장 운영개시 15개월이 경과한 8월중순에 이 정수장 계통의 배수구역전반에 걸쳐 색수가 발생하였다. 이시기는 가뭄으로 호소의 수위와 취수한계가 30cm나 저하하였고, 오염으로 수원의 수질악화와 높은수온으로 인해 저니에서의 망간용출이 증가한 것이 원인으로 밝혀졌다. 또한 정수장에서 수자원의 절약 의미로 침전지, 여과지의 배수류의 상등수를 착수정에서 회수시킨 것 때문에 고농도의 망간이 역송된 것이다.

또한 저수지를 상수원으로 이용하고 있는 G시는 완속여과지 3지와 급속여과지 7지로 31,000 ㎥/일의 수돗물을 공급하는 도시인데, 역시 여름에 색수 피해가 일어났다. 색수는 급수 피크시에 발생하였기 때문에 발생초기에는 유속, 유량의 변화에 의한 것으로 생각하여, 소화전을 통해 방류를 하였다. 그러나 일부지역을 제외하고 색수가 완전히 제거되지 않고, 5일 후부터는 급속히 피해범위가 넓어졌다. 수질검사결과, 정수장 급속여과지의 여과수나 정수지의 물에서 0.02 mg/L정도의 망간이 검출되었다. 색수발생지역의 가정수도전 물은 탁도가 12도, 색도가 200도에 이르렀고, 철이 0.2〜1.0 mg/L, 망간이 0.3〜2.0 mg/L가 검출되었다. 그리고 야간에 세관작업을 하였더니 커피색이었으며 탁도 640도, 색도 4,400도, 철 30 mg/L, 망간 31 mg/L의 탁수가 배출되었다. 원인은 상수원의 저수지 물에 여름철이 되면서 저니에서 용출된 철과 망간이 증가하여, 급수를 개시한후 4년간에 철과 망간이 염소소독에 의해 수산화 제2철, 이산화망간으로 변하여 배수관의 관벽에 부착되어 축적된 것이다. 평소에는 색수문제가 발생하지 않았지만, 축적량이 증가하고 여름철에 물 사용 많아질 때 과대한 유속으로 일시에 떨어지면서 큰 문제가 되었던 것이다. 갑작스런 색수 발생은 이와같이 장기간이 경과한 후 일어나는 것이 일반적이다.

일반적으로 망간은 0.05 mg/L만되어도 pH나 온도 등의 조건이 맞으면 색수를 유발한다. 따라서 이러한 점을 고려하여 미국과 일본은 망간의 수질기준을 0.05 mg/L로 정하여 관리하고 있다. 우리나라의 경우는 아직까지 망간에 의한 수질사고가 알려져있지 않고 인식도 부족하여 인체에 미치는 영향을 고려한 0.3 mg/L의 수질기준으로 되어있으나 호소수를 상수원으로 이용하고 있는 지역에서는 색수발생농도를 고려하여 적어도 0.05 mg/L의 수준으로 관리하여야 할 것이다.

망간에 의한 처리대책으로서 착수정 전에 주입되는 전염소의 양을 증가시켜 망간을 산화시키거나, 영구적인 대책으로서는 망간여과사에 의한 수처리로 정수에서의 망간을 처리하여 배수지, 배수관망에서 색수의 제거에 노력해야 할 것이다.

또한 호소의 성층현상은 자연의 순리에 의해 일어나는 현상이기는 하지만 저층부의 무산소층의 형성은 수질관리에 많은 어려움을 주기 때문에 성층을 파괴하는 수중폭기장치를 설치하면 효과적인 수질관리가 가능해진다. 수중폭기장치는 성층이 뚜렷하고 무산소층이 발생하는 여름철에만 가동하면되고, 이기간동안에 조류의 성장도 억제되기 때문에 이중의 효과를 얻을 수 있다.

수중폭기장치는 광주시 상수원인 동복호와 석곡수원지를 비롯하여 대전의 대청호, 거제도 연초댐, 대구 공산댐등 국내의 많은 호소에 설치되어 효과를 거두고 있으며, 일본, 대만등에서도 아주 보편화된 수질관리방법으로 이용되고 있다.

성층현상을 조사하는 방법은 선박위에서 용존산소와 수온을 동시에 측정할 수 있는 장비를 이용하여 수심에 따라 1m 간격으로 하층부에서 표층까지 또는 표층부터 저층까지 수온과 용존산소를 측정하면된다. 상수원으로 이용되는 수원지는 수온성층현상을 매월조사하여 수질관리에 적용하는 것이 최선이며, 필자가 조사한 동복호의 최근 5년간 조사결과 겨울철인 1〜3월과 12월에는 표층과 저층간의 수온과 용존산소의 차이가 거의 없는 것으로 밝혀졌으며, 수온약층은 초봄부터 늦가을까지 형성되어 봄철에는 표층과 가까운 얕은 층에서 형성되었고, 여름철에는 수온약층의 폭이 길게나타나 표수층과 심수층의 수온차이가 컸다. 무산소층은 주로 여름철인 6〜8월에 형성되었다.