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[전문가 기고] 녹조 사전예방 목적의 수질개선장치 성능평가
김일호 한국건설기술연구원
2018년 10월 04일 (목) 09:25:41 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

전문가 기고


“수역정체로 인한 녹조 발생·수질악화 심각
  수질개선장치로 조류발생인자 인위적 제어 가능”


9∼11월 3개월간 경기도 소재 저수지 상류 약 100m 지점에 설치·모니터링 실시
용존산소, 운전시간 따라 좋아져 하천수질 3등급 상회…클로로필-a 상층부서 효과
강우 영향으로 탁도·총질소·총인 등 일시적 변화 보였지만 비교적 안정상태 유지

   
▲ 김 일 호
한국건설기술연구원
국토보전연구본부 연구위원

 녹조 사전예방 목적의 수질개선장치 성능평가

1. 개요

본 연구사업은 수역의 정체로 인한 수체의 빈산소화 및 부영양화를 개선할 목적으로 개발된 수질개선장치의 현장 적용성을 검토하기 위해 수행되었다. 수질개선장치는 수류발생장치, 초음파 조사장치 그리고 오존주입장치로 구성되어 있다.

수류발생장치는 제트수류 발생을 통한 수평류 확산에 의해 수체를 지속적으로 유동시킴으로써 수역의 정체현상을 해소하며, 에너지 절감형 노즐기술을 채용하여 낮은 전력비용으로 운전이 가능하다. 초음파 조사장치는 초음파로 조류 체내의 가스포를 파괴하여 조류를 침강 및 사멸시키는 기능을 하며, 오존주입장치는 조류 및 기타 유기물질로 인해 발생하는 악취성분을 제거하기 위해 부가한 기술이다.

한편, 수류발생장치는 수류를 발생시키기 위해 요구되는 구동수 공급용 펌프설비와, 노즐을 통해 공급된 유량을 빠른 속도로 분사 및 확산시키는 정류통, 그리고 이물질 등에 의한 폐색을 방지하기 위한 역세펌프와 노즐로 구성되어 있다. 이 수질개선장치의 하루 처리용량은 7만㎥로 설계·제작되었으며, 그 구성과 사양은 [표 1]과 같다.

   
 
수질개선장치는 수류확산장치만을 운전한 경우와 수류확산장치 및 초음파 조사장치를 동시에 운전한 경우, 그리고 수류확산장치와 초음파 조사장치 및 오존발생장치를 모두 운전한 경우에 대해서 성능 평가를 실시하였으나, 본 고에서는 수류확산장치만을 운전한 경우에 대해서만 보고한다.

   
▲ 설치된 수질개선장치 전경.

2. 성능평가 방법

■ 설치현장 및 운영  개발된 수질개선장치는 스컴(scum)이나 어류 사체가 빈번히 관찰되어 많은 민원이 제기되고 있었던 경기도 소재 OO저수지의 유입부 상류 약 100m 지점에 설치하였다. 이 지점은 저수지로 유입되는 구역에서 하폭이 급격하게 넓어져 수리학적으로 유속이 급감하면서 정체수역을 형성하고 있었다.

한편, 유입하천 인근 지역은 여전히 개발이 진행 중인데 발생원이 불분명한 오염물질이 하천으로 유입되고 있었고, 유입하천과 저수지가 인접한 구역에서는 저수지로부터 물이 역류하는 현상이 일어나기도 하였다. 이 저수지는 수변공원 산책로가 조성되어 있어 주민들이 자주 이용하고 있으나, 녹조가 유입하천으로 역류되어 수질이 악화되고 악취가 발생하여 잦은 민원이 발생하고 있었다.

수질개선장치의 설치 및 운영기간은 8월에서 11월로, 운영기간 내 설치 수역의 수질개선 효과를 평가하였다. 하천·호수에 발생하는 녹조는 해당 수역의 영양염류를 중심으로 수온, 용존산소 등의 영향에 의해 발생하므로 조류 발생 예상기간 내에 이들 항목을 상시 측정하여 위험 수준으로 증가하지 않도록 하거나 경우에 따라서는 수질을 개선하는 방안의 적용도 검토해야 한다.

■ 시료 채취 및 측정항목  시료 채취는 장치 설치지점을 기준으로 하류 5m, 25m, 50m, 100m에서 수심별(상층, 하층) 채취하였으며, 비교를 위해 상류 25m와 50m에서도 채취하였다. 상층은 표층에서 5㎝, 하층은 퇴적부에서 상부 10㎝ 지점에서 시료를 채취하였다. 시료 채취주기는 총 운영기간 중 주 1회이며, 우천시에는 비점오염원 등의 영향이 있어 수체 수질항목에 변동이 크므로 강우가 있을 경우는 모니터링 일정을 변경하면서 평가를 진행하였다. 측정항목은 총 13개 항목이나, 본 고에서는 유속, 용존산소(DO), 클로로필-a(Chl-a), 탁도, 총질소(T-N), 총인(T-P) 등 6개 항목에 대한 결과를 고찰하였다.

3. 성능평가 결과

■ 유속  수질개선장치에 의한 유속 변화는 가동 즉시 확인되어 실제 장기간의 모니터링 결과에서는 시간에 따른 경향을 도출하기는 어려운 것으로 판단된다. 유속 변화에 대해 수심에 따른 영향이 있을 수도 있으나, 본 현장의 경우 수심이 약 1m 내외로 비교적 얕은 수역이므로 수심의 영향을 평가하기는 어려웠다. 수질개선장치의 가동으로 상층과 하층에서는 5m, 25m, 50m 범위 내에서 유속에 영향이 있었으며, 그 영향은 상층이 더 크게 받는 것으로 나타났다. 즉 상층에서 수류확산장치에 의한 유속의 변화 폭이 더 큰 것으로 확인되었다.

   
 
한편, 상층은 5m 거리에서 평균 0.45m/초로 가장 큰 영향을 받았으며, 25m에서는 0.07m/초로 다소 큰 폭으로 감소하였고, 50m에서는 0.01m/초로 감소하여, 수질개선장치 토출구로부터의 거리에 따라 영향은 확연하게 드러남을 알 수 있다. 장치 설치지점 상류 및 하류 100m 지점에서는 기류 저항에 의해 해당범위까지 유속에 대한 영향을 미치지는 않은 것으로 확인되었다. 한편, 하층에서는 5m에서 평균 0.11m/초로 나타났으나, 25m와 50m에서는 유속에 대한 영향이 상당히 미미한 것으로 나타났다.

■ 용존산소(DO) 수질개선장치 적용 대상  수체의 DO는 운전기간에 따라 증가추세를 보였다. 9월 6.2㎎/L에서 10월 7.5㎎/L, 11월 9.2㎎/L로 장치 운영을 계속함에 따라 DO의 지속적인 증가가 가시적으로 확인되었다. 이는 수체의 호기성 조건이 향상되기까지 장기간의 시간이 요구될 수 있는 자연수계의 특성이 잘 반영된 것으로 판단된다.

   
 
DO는 대체적으로 상류 50m에서 하류 100m까지 큰 차이 없이 평균 7.9∼8.7㎎/L 범위 내에서 근소한 차이로 거리별로 분포하였다. DO값이 가장 높은 지점은 장치 설치지점 하류 5 m로 평균 8.7㎎/L이었으며, 그 다음으로 상·하류 25m에서 각각 8.4㎎/L, 8.5㎎/L를 나타내었다. 이는 수질개선장치 적용에 영향을 받기 쉬운 범위와 일치하나, 큰 편차는 확인되지 않았다.

DO 변화를 수심별로 보면 상층에서는 평균 8.6㎎/L로 거리별로 근소하기는 하나, 5m, 25m, 50m 순으로 DO 수치가 높게 나타났다. 하층에서는 평균 8.2㎎/L로 상층보다는 낮은 농도를 나타내었으나, 정체된 수역이라고 판단할 정도의 큰 차이가 보이지는 않았다.

■ 클로로필-a(Chl-a)  장치 운전에 따른 Chl-a의 농도는 9월 1.6㎎/㎥, 10월 6.0㎎/㎥, 11월 0.6㎎/㎥로 시간에 따라 감소하는 경향이 뚜렷하였으나, 장치 설치지점으로부터의 이격거리 및 수심에 따른 편차가 다소 확인되었다. Chl-a는 장치 설치지점 상류에서는 2.3∼3.0㎎/㎥의 범위로 낮은 농도를 보였으나, 하류에서는 5m, 25m, 50m, 100m에 대해 각각 0.9㎎/㎥, 2.6㎎/㎥, 5.4㎎/㎥, 14.1㎎/㎥로 농도 차이가 뚜렷하게 나타났다. 100m에서는 9월 말부터 11월 초까지 다수의 경우에서 15㎎/㎥를 초과하였으나 11월 말에는 다시 안정되었다.

   
 
한편, 상층에서는 5m, 25m, 50m 거리에서 각각 1.0㎎/㎥, 2.8㎎/㎥, 6.4㎎/㎥로 수질개선장치로부터 멀어질수록 Chl-a 농도가 증가하였다. 하층은 상층에 비해 Chl-a 농도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 상층 가까운 곳에서 발생하는 조류의 특성에 기인한 것으로 보인다. 하층에서도 5m, 25m, 50m 거리에서 각각 0.8㎎/㎥, 2.4㎎/㎥, 4.2㎎/㎥로 수질개선장치로부터 멀어질수록 농도가 증가하였으며, 상층보다 근소하게 낮은 수치로 측정되었다.

■ 탁도  시험 수역에서 탁도는 9월 1.5NTU, 10월 2.7NTU, 11월 1.9NTU로 10월에 다소 높게 측정되었다. 10월에 높은 이유는 특히 탁도가 높았던 10월 13일의 수치에서 기인한 것이며, 모니터링 전 10∼11일 양일간 연속된 강우에 의한 것으로 판단된다.

   
 
전체 운전기간 동안의 평균 탁도는 1.9NTU였으며, 운전에 따른 시간상의 변화는 특별히 관찰되지 않았다. 장치 설치지점으로부터의 이격거리별로 보면, 수질개선장치의 가장 직접적인 영향을 받는 5m에서 1.72NTU로 가장 낮게 측정되었으며, 25m까지는 거의 유사한 수준의 탁도가 관찰되었다. 이후 하류 50m, 100m의 경우는 탁도가 다소 큰 폭으로 증가하였으며, 상류에서는 1.52∼2.61NTU로 하류에서 측정된 탁도값과 비슷한 범위로 나타났다.

상층에서는 1.78∼2.29NTU의 범위로 5m에서 50m까지 거리에 따라 약간 증가하였다. 하층에서도 1.74∼2.18NTU의 범위로 5m에서 50m까지 거리에 따라 약간 증가하는 것으로 나타나, 탁도의 경우도 수심에 따른 뚜렷한 경향은 나타나지 않았다.

■ 총질소(T-N)  T-N의 농도는 2.6㎎/L로 운전시간에 따라 특별한 저감 경향을 보이지는 않았다. 9월 2.4㎎/L, 10월 2.5㎎/L, 11월 2.9㎎/L로 약간씩 증가하는 경향을 보였으나, 날짜별 및 거리별로 상이한 것으로 확인되었다. 상층에서는 2.0㎎/L 이하의 농도분포를 보이나 9월 22일, 10월 20일, 11월 24일 등의 측정결과에서 높은 수치가 확인되었다. 하층에서는 평균 2.0㎎/L의 수치를 보였으며, 9월 22일의 측정결과를 제외하면 상대적으로 고른 분포를 보였다.

   
 

■ 총인(T-P)  장치 가동 개시일인 8월 31일에 T-P는 0.58㎎/L로 높은 수치를 보였으나, 9월 0.40㎎/L, 10월 0.31㎎/L, 11월 0.36㎎/L로 점차 안정되어 갔다. 11월 말에 관찰된 다소 높은 T-P 농도는 해당 기간에 강우가 집중되면서 비점오염원 등에 의한 영향을 받은 것으로 보인다. 장치 설치지점으로부터의 이격거리에 따라서는 하류 5m부터 25m, 50m, 100m까지 0.41㎎/L, 0.38㎎/L, 0.35㎎/L, 0.28㎎/L로 약간씩 감소하였다. 이는 수질개선장치의 수체 유동에 의한 영향으로 보인다.

   
 
한편, 상층에서는 평균 0.39㎎/L로 거리에 따라 약간 감소하는 경향을 보였으며, 하층에서는 평균 0.35㎎/L의 측정값을 보였다. 상층과 하층에서 뚜렷한 경향을 보이지 않는 것은 해당 항목이 용존성 T-P로 측정되었기 때문으로 판단된다.

4. 결론

본 사업에서 수질개선장치는 8월 말에 가동을 개시하여 11월 말까지 운전되었으며, 본 고에서는 개발장치의 운전에 따른 유속, DO, Chl-a, 탁도, T-N, T-P의 시간변화를 모니터링하였다.

먼저, 유속은 수질개선장치에 의해 상층은 장치 설치지점 하류 5m에서 가장 높게 나타났으며, 거리가 멀어질수록 감소하여 25m에서는 0.07m/초, 50m에서는 0.01m/초로 나타났다. 수체 내 DO는 운전시간에 따라 점차 증가하여 모니터링 마지막 달에는 9.2㎎/L로 측정되었다. 이는 하천 III등급 DO 5.0㎎/L를 크게 상회하는 것으로 수질개선장치에 의해 수체가 고르게 순환되었음을 나타낸다. Chl-a는 장치 설치지점으로부터의 이격(離隔) 거리별로 차이가 있었다. 가장 가까운 거리인 5m 지점에서 0.9㎎/㎥로 가장 낮은 것으로 나타났다.

탁도는 강우에 의한 영향이 일시적으로 나타나기는 하였으나, 전체 운전기간 동안 평균 1.9NTU로 운전에 따른 시간상의 변화는 뚜렷하게 관찰되지 않았다. T-N 역시 강우 등의 영향으로 일시적으로 높은 농도 분포를 보이기는 하였으나, 그 외에는 비교적 안정적인 값이 유지되었다. T-P 또한 강우 이후의 일시적인 상승을 보였으나, 운전기간 동안 평균 0.38㎎/L로 안정적으로 유지되었다.

이상의 결과로부터 본 연구사업에서 평가한 수질개선장치는 보다 장기간의 현장 성능확인이 필요하기는 하나, 약 3개월간의 운전기간 동안 조류 발생의 주요 인자인 유속, DO, 탁도, Chl-a, T-N, T-P 등이 인위적으로 제어될 수 있음이 시사되었다. 

[『워터저널』 2018년 10월호에 게재]

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