녹조발생 수환경 관리 및 대응기술

환 경 기 술 동 향

2 0 1 2 - 8 9

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

2012. 12

제1장 기술의 개요················································································ 3

제2장 기술의 연구개발 동향····························································· 19

제3장 미래형 고도처리 기술····························································· 61

제4장 파급효과 및 전망···································································· 79

제5장 참고문헌··················································································· 83

환경기술연구회 수처리분과 활동 결과인 본 보고서는 아래

참여자들에 의해 작성되었습니다.

담당전문위원

오동익(한국환경산업기술원)

기술연구회위원

위원장:

김형수(성균관대학교)

총 무:

조진우(세종대학교)

위 원:

김두일(단국대학교)

독고석(단국대학교)

박희등(고려대학교)

이상호(국민대학교)

이창하(울산과기대)

장 암(성균관대학교)

홍승관(고려대학교)

요 약 문

- i -

제1장 기술의 개요

제1절 배경 및 필요성

1. 배경

◦ 지난 8월 장기간 지속된 가뭄으로 인하여 낙동강수계 및 북한강 수계에서 남조류 과대 번식

◦ 고농도의 Geosmin에 의한 수돗물의 이취미 문제, Microcystin 문제 등 발생◦ 서울시 6개 정수장 유입 Geosmin 50~194 ppt (2012.8.14 기준), 2012.8.15 기준으로 38~97

ppt, 2012.8.13 기준으로 팔당댐의 남조류 농도 6,558 세포/mL(2012.8.13), 팔당댐 Geosmin

292 ppt 수준으로 기준치 초과

◦ 국외 조류 발생 현황

Region/countryNatural

lakes

Reservoirs, rivers

and irrigation

systems

Estuaries, agoons

and closed areas

Marine coastal

waters

Africa

Central

North

South

+ ++

+

++

+

++ +

Central America

Caribbean

Guatemala/Nicaragua

Mexico

+

+

+

+

++

+

North America

Canada

USA

++

++

+

++

+

++ +

South America

Argentina/Chile

Brazil

Columbia/Ecuador/Peru

Venezuela/Suriname

+

+

+

+

++

++

++

+

+

++

+

++

+

+

+

Asia

China

India/Pakistan

Indochina

Indonesia/Philippines

Japan

++

+

+

++

++

+

++

+

+

+

+

+

++ +

- ii -

Region/countryNatural

lakes

Reservoirs, rivers

and irrigation

systems

Estuaries, agoons

and closed areas

Marine coastal

waters

Oceania

Australia/New Zealand ++ ++ ++ +

Europe (EU countries)

Belgium

Denmark

France

F. Germany, Fed. Rep.

Greece

Ireland

Italy

Netherlands

Portugal

Spain

UK

++

++

++

++

++

+

++

++

+

+

++

++

++

++

++

+

+

+

+

++

+

+

+

++

+

+

++

Europe (other countries)

Austria

Former Czechoslovakia

Filand

Former German Dem. Rep.

Hungary

Norway

Poland

Romania

Sweden

Switzerland

Former USSR

Former Yugoslavia

++

++

+

+

++

++

++

++

+

+

++

+

+

+

++

+

+

++

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+ Identified problems, ++ Serious problems, Source Earthwatch, 1992

◦ 조류 번식에 따른 유해물질 배출- Microcystins: 위염, 간 손상 및 잠재적인 발암물질로 보고됨

- Geosmin과 2-MIB: 이취미 유발 물질

2. 필요성

◦ 상수원 조류의 발생이 정수장에 일으키는 문제점

- iii -

- 정수장 취수장의 취수문의 스크린을 폐색시키는 문제

- 침전지의 월류웨어를 막아 웨어에서 균등한 물흐름을 방해

- 유량 제어 장치의 막힘 현상

- 침전지에서 침전된 조류가 서로 뭉쳐진 Algae Mat이 부상하여 알럼 침전지의 효율

을 약화시키고, 전체적인 입자의 제거효율을 약화시킴

- 필터의 여재를 폐색하여 수두저하를 일으키고, 필터의 운전시간을 줄이고, 역세의

필요성을 증가시킴

- 응집제의 양을 증가시키고 슬러지 발생량을 증가시킴

- 염소요구량을 증가시키고, 소독부산물의 발생을 증가시킴. 특히 조류에서 Humic

혹은 Fulvic 산이 나오는데 이것은 THM 형성의 전구물질이 됨

- 용존산소와 pH의 변동이 심해지며, 이에 기인하는 불필요한 침전이나 용해가 발

생함

- 조류에서 유래되는 AOC는 관망에서 미생물막 형성의 원인이 됨

- 미국 내 처리장에서 조류로부터 발생하는 문제의 통계

- iv -

- 미국 내 처리장에서 조류로부터 발생하는 수질문제의 통계

제2절 기술의 정의 및 분류

◦ 핵심 분야 및 세부 기술의 정의 및 개요대분류 핵심분야 세부 기술의 정의 및 개요

대응

기술

수원

- 호소, 저수지

- 하천

- 댐

- Clay를 이용한 응집, 침전 효율개선을 위한 Clay의 대체재 개발

- 물리적 회수방법

- 기후변화에 따른 녹조류, 남조류, 갈조류, 홍조류 등의 종류 변화

모니터링

* 조류의 현장 모니터링 기법 개발

* 조류의 Telemetry (항공 혹은 Remote sensing) 모니터링 기법 개발

정수장

- 기존 정수장

- 고도처리정수장

- 기존의 조류제어 가능 개별공정에 다한 조사분석

* DAF

* 응집, 침전

* 여과지(폐색 문제 등 O&M)

* 고도산화 (오존 등)

* 활성탄(미량유해물질 제어)

* 화학적 처리

* 기타 최신 기술

- 조류 유발 냄새물질(2-MIB, Geosmin) 제어

- 조류 유발 독성물질(마이크로시스틴) 제어

- 조류의 물리적 형상에 따른 공정개선

미래

기술미래형 고도처리

- 녹조 대응 + 차세대 고도처리

- 다목적 정수 고도처리 프로세스 및 단위 기술 연구

- 요소 기술 조합 및 최적공정 연구

- 녹조 뿐 아니라 향후 요구되는 정수고도처리가 가능한 공정으로의 발전

가능성 연구

- v -

제3절 관련 정책 동향

◦ 환경부에서는 녹조 방지를 위하여 녹조방지사업을 비점오염원 관리 사업으로 사업명을 변경, 물환경정보 시스템을 이용하여, 지역별 호소와 수원에 관한 정보공개 및 측정을 지

속적으로 시행

◦ 국가차원에서 상수원 보호를 위하여 조류의 발생원인이 되는 비점오염원에 관한 규제와 법령을 강화하고 있다.

◦ 조류 예보제

◦ 조류예보제 단계별 발령기준 및 관계기관별 조치사항단계 발령기준 관계기관 조치사항

조

류

주

의

보

▫ 2회연속 채취시 클로로필-a 농도 15mg/m3

이상

▫ 남조류 세포수 500cells/ml 이상

※ 이상의 조건에 모두

해당 시

4대강 물환경연구소장

(시･도 보건환경연구원장 또는 수면관리자)

▫ 주 1회 이상 시료채취 및 분석▫ 발령기관에 대한 시험분석결과의 신속한 통보

수면관리자▫ 취수구와 조류 우심지역에 대한 펜스설치 등 조류제거

조치 실시

취･정수장 관리자 ▫ 정수처리강화(활성탄처리, 오존처리)유역･지방 환경청장(시･도지사)

▫ 조류주의보 발령▫ 주변오염원에 대한 철저한 지도단속

- vi -

단계 발령기준 관계기관 조치사항

조

류

경

보

▫ 2회 연속 채취시 클로로필-a 농도 25mg/m3

이상

▫ 남조류 세포수 5,000cells/ml 이상

※ 이상의 조건에 모두

해당 시

4대강 물환경연구소장

(시･도 보건환경연구원장 또는 수면관리자)

▫ 주 2회 이상 시료 채취･분석(클로로필-a, 남조류 세포수, 취기, 독소)

▫ 발령기관에 대한 시험분석결과의 신속한 통보수면관리자

▫ 취수구와 조류 우심지역에 대한 펜스설치 등 조류제거 조치 실시

취･정수장 관리자▫ 조류증식 수심 이하로 취수구 이동▫ 정수처리강화(활성탄처리, 오존)▫ 정수의 독소분석실시

유역･지방 환경청장(시･도지사)

▫ 조류대발생경보의 발령 및 대중매체 통한 홍보▫ 주변오염원에 대한 지속적인 단속강화▫ 수상스키･수영･낚시･취사 등의 활동 자제권고▫ 어패류어획･식용 및 가축방목의 자제권고

조

류

대

발

생

경

보

▫ 2회 연속 채취시 클로로필-a 농도 100mg/m3

이상

▫ 남조류 세포수 106cells/ml 이상

※ 이상의 조건에 모두

해당 시

4대강 물환경연구소장

(시･도 보건환경연구원장 또는 수면관리자)

▫ 주 2회 이상 시료 채취･분석(클로로필-a, 남조류 세포수, 취기, 독소)

▫ 발령기관에 대한 시험분석결과의 신속한 통보

수면관리자

▫ 취수구와 조류 우심지역에 대한 펜스설치 등 조류제거 조치 실시

▫ 황토 등 흡착제 살포, 조류제거선 등을 이용한 조류제거 조치 실시

취･정수장 관리자▫ 조류증식 수심 이하로 취수구 이동▫ 정수처리강화(활성탄처리, 오존)▫ 정수의 독소분석

유역･지방 환경청장(시･도지사)

▫ 조류대발생경보의 발령 및 대중매체 통한 홍보▫ 주변오염원에 대한 지속적인 단속강화▫ 수상스키･수영･낚시･취사 등의 활동금지▫ 어패류어획･식용 및 가축방목 금지

해

제

▫ 2회 연속 채취시 클로로필-a 농도 15mg/m3

이하

▫ 남조류 세포수 500cells/ml 이하

※ 이상의 조건 중 하

나에 해당 시

4대강 물환경연구소장

(시･도 보건환경연구원장 또는 수면관리자)

▫ 발령기관에 대한 시험분석결과의 신속한 통보

유역･지방 환경청장(시･도지사) ▫ 각종 경보의 해제 및 대중매체를 통한 홍보

- vii -

제2장 기술의 연구개발 동향

제1절 수원에서의 녹조발생 대응 및 모니터링 기술

가. 수원에서의 녹조발생 대응 기술

◦ Clay를 이용한 조류의 제어 방법◦ 응집제와 규조토 (diatomite)를 이용한 조류의 제거◦ 황산동을 이용한 조류 제어◦ 석회를 이용한 조류 제어◦ 바닥의 준설과 흡습성물질 (Phoslock)을 이용한 조류 제어◦ 살조제(algicide)를 이용한 조류제어 방법◦ 물리적 회수: 점토를 이용한 강제 침전 후 펌프에 의한 회수, 양식어 대피 등 1차원적 대처◦ DAF 를 이용한 수원에서의 녹조 제거나. 수원에서의 녹조발생 모니터링 기술

◦ 수질오염공정시험방법에는 현미경을 이용한 계수하는 방법만이 나와 있음◦ 최근에는 남조류가 생산하는 유독화합물인 microcystin을 검출하기 위해 PCR, ELISA, HPLC

등을 이용한 방법들 많이 사용

◦ 기기분석을 통한 조류 모니터링: 조류는 대부분 대사과정에서 형광물질을 방출하기 때문에 이러한 형광물질의 형광을 측정하여 실시간 모니터링 수행

◦ 위성을 이용한 녹조의 탐지- 2010년 세계 최초의 정지궤도 해색위성인 GOCI를 이용한 연구가 진행

- 한국해양과학기술원 (KIOST)에서 세계 최초의 정지궤도 해양관측 위성인 ‘천리안’

의 해양탑재체(GOCI) 자료를 이용해 분석

- Lyngbya majscula 종이 대량 발생한 호주의 경우 Landsat 7 ETM+ 의한 측정

◦ Microcytin ImmunoAssay Kit- RIA

- 직접 경합법 ELISA

- 간접 경합법 ELISA

- viii -

제2절 정수장에서의 녹조 대처 기술 (단위 공정별 분석)

◦ 조류 및 조류 유발 맛･냄새 및 독성물질 제어에 관한 국내 연구사례연구수행기관 주요 연구내용

조류의 제어

경상대, 환경보전

연구소,

삼협환경(주)

･ 고정화된 광촉매(TiO2)에 의해 생성된 수산화라디칼을 이용한 남조류 증식억제 및 수중조류 분해 기술 개발 (강민수 외, 1999; 우

승희 외, 2000)

전북대, 경남대,

동아대

･ 수용액에서 존재가능한 형태의 오존 수화물의 종류와 조류 제거 특성 연구 (정팔진, 1988)

･ 오존 접촉에 따른 TOC, UV-254, 암모니아성 질소 등의 변화 특성 연구 (김은호 외, 1999)

경상대, 순천대･ 오존과의 반응성 차이에 따른 낙동강 원수의 휘발성유기화합물, 합성세제(ABS) 및 조류제거효율 비교 (임영성 외, 2002)

대구시

시설관리공단,

경북대

･ 조류 제거의 최적조건을 위한 전오존과 고분자응집제(AQfloc)의 적정 주입량 연구(박재현 외, 2001)

･ 고효율 오존 전달 시스템을 이용한 규조류 제거 특성 개발 (최일환 외, 2005)

조류 유발 냄

새물질 (2-MIB,

Geosmin) 제어

충남대,

한국표준과학연구원

･ 입상활성탄 종류별 Pilot plant를 이용한 이취미 제어와 흡착력에 따른 최적화 방안 개발 (채선화 외, 1996)

･ 입상활성탄을 이용한 활성탄 단독 공정, 오존/활성탄 복합 공정 및 Filter absorber 처리 공정 개발 (유병훈 외, 2004)

대전대학교,

한국수자원공사

･ 분말활성탄을 이용한 상수원수내 용존유기물질과 이취미 제거 연구(배병욱 외, 1996)

동아대･ TiO2/UV와 오존 처리에 따른 pH변화 특성을 이용한 Geosmin제어 고도산화 처리 기술 개발 (김은호 외, 1999)

한국수자원공사･ 원수 pH조정에 의한, 정수처리에서의 이취미 최적 제어방안 연구 (조창현 외, 2003)

서울시

보건환경연구원

･ 상수도의 이취미 물질과 소독부산물의 농도와 끓임으로서 저감되는 정도에 관한 연구 (김창모 외, 2006)

조류 유발 독성

물질 (마이크로

시스틴) 제어

경상대,

환경보전연구소

･ 고정화된 광촉매(TiO2)에 의해 생성된 수산화라디칼을 이용한 고도 산화 공정 개발 (박휘혜 외, 2002)

강원대, 서울시

보건환경연구원,

한양대

･ 남조류의 마이크로시스틴 함량에 따른 쥐의 반수치사량(LD50)측정과 이론값 계산에 관한 연구 (김범철 외, 1999)

･ 조류독소 마이크로시스틴-LR에 대한 체내영향 및 분석방법 연구 (서미연 외, 2005)

인제대･ 오존 주입량과 접촉시간에 따른 독소제거 효율 계산과 평가방법 개발

(김민규 외, 2003)

- ix -

- 응집, 침전: 응집공정에 의한 입자성 조류의 제거 어려움: DAF (Dissolved Air

Flotation)에 의한 제거 필요

- 여과

‣ 조류는 여과작용(Interception 혹은 Impaction)에 의해 쉽게 제거‣ 필터의 운전시간이 짧아지는 문제점 야기 (여과지 폐색(Head loss))‣ 여과지 역세 주기가 매우 짧아짐‣ 상층에 안트라사이트를 사용한 다층 여과 수행시 효과적으로 제거 가능

- 분리막(Membrane)

‣ ANABAENA와 MICROCYSTIS의 사이즈는 분리막에 의해 완벽하게 제거가 가능‣ 분리막에 Fouling 문제‣ 조류 발생이 빈번한 지역에서 분리막을 사용하는 경우, DAF 등 전처리 필요

- 오존처리

‣ 오존처리 공정에서는 Hydroxyl radical을 이용하여 Geosmin과 MIB 제거가 가능- 활성탄

‣ 활성탄은 Geosmin 및 2-MIB 제거에 효과적‣ Hepatotoxins (Microcystins) 제거에 미량의 분말활성탄은 효과가 작었으나, 오존 + 활성탄은 완벽한 제거가 가능

- 화학적 처리 방법

‣ 정수처리공정에 유입된 플랑크톤의 경우는 전염소 처리 등을 통하여 제거

- x -

‣ 염소 사용 시 녹조 내 이취미물질인 Geosmin 혹은 2MIB의 제거율이 저하되거나, 트리할로메탄 생성이 증가되기 때문에 최근에는 정수공정의 중간단계에서 염소를 주입

- Microstrainer

‣ 정수공정의 전처리에 사용되며 유입된 조류를 회전하는, 스테인레스강으로 구성된 섬세한 망을 이용하여 기계적으로 제거하는 장치

- 부직포 여과장치

‣ 드럼 모양 구조체 외부에 부직포 등 합성섬유제 여과장치를 수중에 침지하여 회전시키면서 원수를 여과하면서 녹조 등 고형물을 제거

제3절 조류 유발 냄새물질(Geosmin, 2-MIB) 제어

◦ 지금까지 밝혀진 남조류에 의해 발생되는 주요 맛 냄새 물질은 Geosmin, 2-MIB(2-Methylisoborneol), β-Cyclocitral, 3-Methyl-1-Butanol, TCA（2,3,6-Trichloroanisole), IPMP (2-Isopropyl-3-Methoxy

Prazine), IBMP (2-Isobutyl-3-Methyoxy Pyrazine), Sesquiterpenes 등이 보고

◦ 한국건설기술연구원(2001) 수행 연구결과- Geosmin과 2-MIB을 대상으로 오존 및 활성탄 조합 정수공정에서의 제거효과를 연구

- 기존 처리공정보다는 오존/활성탄 공정이 제거효율이 높게 나타남

- 오존공정만으로는 Geosmin과 2-MIB의 완벽한 제거가 힘든 것으로 나타남

- 2-MIB보다 Geosmin이 훨씬 효과적으로 활성탄 흡착에 의해 제거

제4절 조류 유발 독성물질 (마이크로시스틴) 제어

◦ Microcystin-LR은 자연수에서 1-2 ppm의 오존 주입 농도에서 완전히 분해

- xi -

유기물 함량이 서로 다른 자연수에서 오존주입농도에 따른 Microcystin-LR의 분해(DOC함량: Lake Äyhönjärvi = 13.1 ppm, Lake Greifensee = 3.6 ppm) (Onstad et al., 2007)

◦ 전염소 혹은 전오존 처리를 할 경우 아래 [표 3]과 같이 Microcystin-RR의 농도가 원수 내 농도보다 적게는 1.1배, 많게는 6배로 증가

[표 2-5] 정수처리공정별 Microcystin의 농도 (김민규 외, 2003)

Unit process

Concentration of Dissolved Microcystin

(μg m-RR eq./L)

Aug. 26 Sep. 11 Sept. 18 Sept. 25

Raw water 0.014 0.01 0.025 0.028

Pre-chlorination 0.03 - - >0.031

Pre-ozonation ND 0.025 0.02 0.005

Coagulation/Sedimentation ND 0.02 0.01 0.011

Filtration ND 0.02 0.01 0.011

Post-chlorination ND ND ND ND

제5절 조류의 물리적 형상에 따른 공정 개선 방안

1. 기존 설비의 개선 방향

◦ 수리구조물과 관로의 부착된 조류 제거◦ 수리구조물과 관로의 살조제(algaecide) 코팅◦ Dissolved Air Flotation (DAF) 공정의 도입

- xii -

2. 응집･침전 공정◦ 조류 유입에 따른 응집제 변경◦ 응집 효과 증가를 위한 pH 최적화◦ 응집･침전 효율의 증가를 위한 전산화 공정 적용

3. 여과 공정

4. 고도산화공정

◦ 전염소산화, 전과망간산칼륨산화, 전이산화염소산화, 오존, 구리의 첨가, 초음파처리, 오존/DAF 등

◦ 흡착공정: 분말활성탄(PAC)

제6절 공정별 처리효과 분석

◦ 정수처리 공정별 조류제거효율 비교표

- xiii -

제3장 미래형 고도처리 기술

제1절 유해물질과 녹조 동시 대응 고도정수처리

◦ 막 여과 공법- 전통적인 혼화, 응집, 침전 방식의 여과공정은 분자량 100-500 Da 사이의 낮은 분

자량은 가진 EDCs 물질의 제거에 효과적이지 않음

- 역삼투막(RO)과 나노여과막(NF)을 이용한 막 여과 공정은 EDCs와 PPCPs와 같은

미량유해물질 제거에 효과적

◦ 흡착 공법- GAC를 이용한 흡착 공정은 EDCs를 포함한 대부분의 유기물을 제거

- 안정적인 운영을 위해서 운영조건이나 흡착 기작과 관련된 kinetic과 평형상수, 접

촉시간, 용해도, carbon의 종류, NOM으로 인한 변수 등의 다양한 매개변수를 완벽

히 통제해야 할 필요가 있음

◦ 산화 공법 (Biological and chemical conversion)- 여러 연구 결과를 통하여 염소 처리, 산화 처리와 같은 화학적 고도산화처리공정

(AOPs)이 여러 종류의 EDCs와 PPCPs의 제거에 효과적인 것으로 보고

- 이 외에도 초임계유체 추출법(supercritical fluid extraction), 광분해법, 전기산화법

등이 EDCs와 독성물질을 효과적으로 분해할 수 있는 기술로 연구

천연 에스트로겐 E1과 E2의 오존산화를 통한 제거율 비교

(pH 7, O3 = 1 mg/L, E1 & E2 = 2 mg/L) (김은정 외, 2006)

- xiv -

미국 상수 처리수 내 미량유해물질 농도

(ng/L, n=20) (Snyder, 2009)

염소 처리 (3.5 mg/L dose)에 의한 미량유해물질별

제거율 비교 (Snyder, 2009)

UV 처리 (40 mJ/cm2)에 의한 미량유해물질별 제거율

비교 (Snyder, 2009)

오존 처리 (2.5 mg/L dose)에 의한 미량유해물질별

제거율 비교 (Snyder, 2009)

- xv -

제2절 녹조 대응을 위한 미래 고도처리기술

◦ 녹조 대응을 위한 나노여과 공정- NF 막을 이용한 조류 제거에 대한 연구는 1990년대부터 본격적으로 시작

- 나노여과막은 한외여과막과 역삼투막의 중간단계로써 2가 이온 이상 크기의 물질

들의 제거가 가능

- 나노막은 역삼투막에 비해 저압으로 운전되어 에너지 비용이 절감되고, 1가 이온

을 제외한 타 물질의 제거율이 뛰어나 많은 분야에서 응용

서로 다른 원수에서 4 가지 막의 Geosmin과 2-MIB에 대한 제거율

(Dixon 외, 2011)

- xvi -

- 분리막을 이용한 조류 제어 관련 국외 연구들을 아래 표에 요약

구분 저자 논문 제목 발행년도

맛⋅냄새 유발 물질 (2-MIB,

Geosmin) 제어

C. Robert Reiss, James S.

Tayler, Christophe Robert

Surface water treatment using nanofiltration - pilot

testing results and design considerations1999

Anand J. Mody

Feasibility of using nanofiltration as a polishing

process for removal of cyanobacterial exudates from

treated surface water

2004

Mike B. Dixon,

Chorlotte Falconet,

Lionel Ho,

Christopher W. K. Chow,

Brian K. O’Neill,

Gayle Newcombe

Removal of cyanobacterial metabolites by nanofiltration

from two treated waters2011

조류 유발

독성물질

(Microcystin)

제어

M. R. Simpson,

B. W. MacLeod

An integrated approach to algal by-products including

bench scale evaluation of nanofiltration for microcystin

removal

2002

D. P. Smith,

V. Falls,

A. D. Levine,

B. W. Mac Leod,

M. Simpson,

T. L. Champlin

Nanofiltration to augment conventional treatment for

removal of algal toxins, taste and odor compounds,

and natural organic matter

2002

Margarida Ribau Teixeira,

Maria Joao RosaMicrocystins removal by nanofiltration membrane 2005

A. J. Gijsbertsen-Abrahamse,

W. Schmidt,

I. Chorus,

S. G. J. Heijman

Removal of cyanotoxins by ultrafiltration and

nanofiltration2006

Margarida Ribau Teixeira,

Maria Joao Rosa

Neurotoxin and hepatotoxic cyanotoxins removal by

nanofiltration2006

M. B. Dixon, C. Falconet,

L. Ho, C. W. K. Chow,

B. K. O’Neill,

G. Newcombe

Nanofiltration for the removal of algal metabolites and

the effects of fouling2010

- xvii -

◦ 녹조 대응을 위한 초음파 관련 기술- 조류 제어 및 맛냄새물질 제거를 위한 초음파 기술 적용

초음파의 정의 및

캐비테이션 현상

▪ 초음파의 정의가청영역 이상의 20kHz 이상의 음파를 초음파로 정의함.

▪ 주요 현상초음파에 의한 주기적인 양압/음압의 적용은 물분자 사이에 빈 공간(cavity)을 형성

하게 되고, 방울 형태의 이 빈 공간은 이 후 압축과 팽창을 반복하여 성장 폭발하게

된다. 이러한 일련의 과정을 캐비테이션 현상이라고 한다.

화학적

효과

▪열분해 및 라디칼 생성 등의 산화력 발생

- 5000K, 1000atm 수준의 극한조건을 갖는 캐비테이션 내부와 폭발이 일어나는 주변부에서 열

분해와 라디칼이 반응이 발생

물리적

효과

▪고체 표면에 강력한 충격력 전달

- 고체 주변에서 캐비테이션 버블이 비대칭적으로 성장하여 폭발하게 될 때 약 500 m/s의 속도

를 가진 마이크로 젯(micro-jet)이 형성되어 강한 물리적 충격력과 전단력을 가진다.

- xviii -

◦ 조류 유발 미량유기오염물질들의 선택적 산화기술

[그림 3-2] 오염물질 선택적 수처리제 개념도

(가: 분자각인고분자 적용 수처리제, 나:메조세공체 담체를 활용한 고도산화 촉매, 다: 선택적 산화제)

- xix -

제4장 파급효과 및 전망

- 수원에서의 효과적인 조류제어 방안 제시

- 기존 정수장에서 조류발생에 대처하는 기술 제시

- 조류 제어를 위한 고도정수처리 가이드라인 제시

- 조류 및 미량유해물질 동시처리가 가능한 미래형 정수고도처리기술 제안

- 개발이 필요한 핵심 주요 기술에 대해서는 중과제 수준의 RFP도출

- 향후 조류제어 관련 국가 R&D 사업의 참고 자료로 활용

- xx -

제1장 기술의 개요 ················································································································· 3

제1절 배경 및 필요성 ······································································································· 3

제2절 기술의 정의 및 분류 ······························································································ 12

제3절 관련 정책 동향 ······································································································· 13

제2장 기술의 연구개발 동향 ································································································· 19

제1절 수원에서의 녹조발생 대응 및 모니터링 기술 ······················································· 19

제2절 정수장에서의 녹조 대처 기술 (단위 공정별 분석) ················································ 30

제3절 조류 유발 냄새물질(Geosmin, 2-MIB) 제어 ·························································· 43

제4절 조류 유발 독성물질 (마이크로시스틴) 제어 ·························································· 46

제5절 조류의 물리적 형상에 따른 공정 개선 방안 ························································ 49

제6절 공정별 처리효과 분석 ···························································································· 56

제3장 미래형 고도처리 기술 ································································································· 61

제1절 유해물질과 녹조 동시 대응 고도정수처리 ···························································· 61

제2절 녹조 대응을 위한 미래 고도처리기술 ··································································· 67

제4장 파급효과 및 전망 ········································································································· 79

제5장 참고문헌 ·························································································································· 83

목 차

표목차

- xxi -

Perceived eutrophication problem in different continents and countries ················· 4

핵심 분야 및 세부 기술의 정의 및 개요 ···································································· 12

조류예보제 단계별 발령기준 및 관계기관별 조치사항 ··············································· 15

조류 및 조류 유발 맛･냄새 및 독성물질 제어에 관한 국내 연구사례 ······················ 31 DAF+PAC에 의한 조류 및 이취미 물질 제거효율 비교 ············································ 35

Geosmin, 2-MIB의 오존, OH 라디칼과의 이차반응 속도상수 ·································· 46

Microcystin-LR의 오존, OH라디칼과의 반응 속도상수 ·············································· 47

정수처리공정별 Microcystin의 농도(김민규 외, 2003) ················································ 49

정수처리 공정별 조류제거효율 비교표 ········································································ 57

그림목차

- xxii -

[그림 1-1] 낙동강 수계내 녹조 대발생 사진 ·················································································· 3

[그림 1-2] Anabaena ······················································································································· 5

[그림 1-3] Microcystis ····················································································································· 5

[그림 1-4] 지오스민 ························································································································· 7

[그림 1-5] Microcystins ··················································································································· 7

[그림 1-6] 미국내 처리장에서 조류로부터 발생하는 문제의 통계 ·············································· 10

[그림 1-7] 미국내 처리장에서 조류로부터 발생하는 수질문제의 통계 ······································· 11

[그림 1-8] 조류예보제의 추진체계. ······························································································· 15

[그림 2-1] 광학현미경을 이용한 계수의 예 ·················································································· 24

[그림 2-2] 조류의 대량 발생시 남조류의 존재 형태 ··································································· 25

[그림 2-3] 다파장 조류모니터링 장치 ··························································································· 25

[그림 2-4] 조류의 종류에 따른 파장 ···························································································· 26

[그림 2-5] 장수처리공정 ················································································································ 31

[그림 2-6] Typical DAF system ··································································································· 33

[그림 2-7] 키토산의 분자구조 ······································································································· 33

[그림 2-8] 키토산 응집제를 이용한 조류의 제거 (Halosource) ··················································· 33

[그림 2-9] 모래여과에서 입자의 제거 Mechanism ······································································ 36

[그림 2-10] 모래여과에서 입자의 사이즈에 따른 Diffusion, Interception, Sedimentation에 ····· 37

의한 제거효율

[그림 2-11] 분리막에 의한 입자성 물질의 제거 Mechanism ······················································ 38

[그림 2-12] 분리막 공정에 의한 처리대상 물질의 Spectrum ····················································· 39

[그림 2-13] Glycine이나 Valine 등의 단백질은 아민(-NH2) functional group을 가지고 있는데, ·········· 39

이것과 염소가 쉽게 반응하여 Organic Chloramine을 형성함

[그림 2-14] 활성탄의 Macro, Meso, Micro Pores ····································································· 41

[그림 2-15] 분말활성탄의 사용량에 따른 Geosmin과 2-MIB 처리효율 ····································· 41

[그림 2-16] Fraction of odour compound remaining as a function of time ·························· 41

[그림 2-17] 여러 가지 공정에서의 Geosmin 농도변화(유병훈 외, 2004) ·································· 45

- xxiii -

[그림 2-18] 유기물 함량이 서로 다른 자연수에서 오존주입농도에 따른 Microcystin-LR의 분해 ······ 47

[그림 2-19] Microcystin-LR의 구조와 오존에 의해 공격을 받는 기능기들 ································ 48

[그림 2-20] 미국 내 정수처리시설에서 녹조에 의해 발생된 문제점 ·········································· 50

[그림 2-21] 미국 내 정수처리시설에서 설비 개선에 의한 조류 처리 효과 ······························· 50

[그림 3-1] 오존 기반 고도산화공정의 효율 예측 모델의 기본 개념 ·········································· 75

[그림 3-2] 오염물질 선택적 수처리제 개념도 ·············································································· 76

제1장

기술의 개요

제1절 배경 및 필요성

제2절

제3절

제1장 기술의 개요

3

제1장 기술의 개요

제1절 배경 및 필요성

1. 배경

○ 국내 조류발생 현황

지난 8월 장기간 지속된 가뭄으로 낙동강수계 및 북한강 수계에서 남조류가 과대 번식하였

다. 이에 따라 고농도의 Geosmin에 의한 수돗물의 이취미 문제, Microcystin 문제 등이 발생

하였다. 수돗물에 대한 불신이 증가하여 생수판매가 판매량기준으로 20% 증가하기도 하였

다. 북한강 수계에서 한국일보 2012.8.6자 보도에 따르면 Geosmin 농도가 590 ppt까지 증가

하였다. 또한 조선일보 2012.8.9자 보도에 따르면 한강은 Anabaena, 낙동강은 Microcystis

(Microcystin-LR 생성 가능)가 주종으로 파악되었다. 연합뉴스 2012.8.17 자 보도에 따르면

클로로필-a 농도가 14.3~34.2 mg/m3정도였고, 남조류는 1,180~4,470 세포/mL (2012.8.8 기준)

였다. 참고로 클로로필-a의 경우 15 mg/m3, 남조류의 경우 500 세포/mL 이상 일 때 조류주

의보 발령된다. 서울시 6개 정수장 유입 지오스민 50~194 ppt (2012.8.14 기준) 였고,

2012.8.15 기준으로 38~97 ppt 였다. 2012.8.13 기준으로 팔당댐의 남조류 농도는 6,558 세포

/mL(2012.8.13)였고, 팔당댐 지오스민 292 ppt 였다.

[그림 1-1] 낙동강 수계내 녹조 대발생 사진

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

4

○ 국외 조류 발생 현황

Perceived eutrophication problem in different continents and countries

Region/countryNatural

lakes

Reservoirs, rivers

and irrigation

systems

Estuaries, agoons

and closed areas

Marine coastal

waters

Africa

Central

North

South

+ ++

+

++

+

++ +

Central America

Caribbean

Guatemala/Nicaragua

Mexico

+

+

+

+

++

+

North America

Canada

USA

++

++

+

++

+

++ +

South America

Argentina/Chile

Brazil

Columbia/Ecuador/Peru

Venezuela/Suriname

+

+

+

+

++

++

++

+

+

++

+

++

+

+

+

Asia

China

India/Pakistan

Indochina

Indonesia/Philippines

Japan

++

+

+

++

++

+

++

+

+

+

+

+

++ +

Oceania

Australia/New Zealand ++ ++ ++ +

Europe (EU countries)

Belgium

Denmark

France

F. Germany, Fed. Rep.

Greece

Ireland

Italy

Netherlands

Portugal

Spain

UK

++

++

++

++

++

+

++

++

+

+

++

++

++

++

++

+

+

+

+

++

+

+

+

++

+

+

++

제1장 기술의 개요

5

Perceived eutrophication problem in different continents and countries(계속)

Region/countryNatural

lakes

Reservoirs, rivers

and irrigation

systems

Estuaries, agoons

and closed areas

Marine coastal

waters

Europe (other countries)

Austria

Former Czechoslovakia

Filand

Former German Dem. Rep.

Hungary

Norway

Poland

Romania

Sweden

Switzerland

Former USSR

Former Yugoslavia

++

++

+

+

++

++

++

++

+

+

++

+

+

+

++

+

+

++

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+ Identified problems, ++ Serious problems, Source Earthwatch, 1992

○ 조류 번식에 따른 유해물질 배출

Anabaeda는 Filamentous Cyanobacteria로서 질소고정 능력을 가지고 있다. Mosquito fern 등

의 식물과 공생하는 경우 신경계통 독성물질을 생산할 수 있다. 더 많은 검증이 필요하지

만, Microcystins은 잠재적인 발암물질일 수 있다는 연구도 있다. 이 미생물은 Geosmin과

2-MIB를 생산할 수 있다.

[그림 1-2] Anabaena [그림 1-3] Microcystis

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

6

Mycrocystis는 담수에 사는 Cyanobacteria로서, 상수원 오염의 주요성분인 신경계에 해를

끼치는 Neurotoxins과 간에 해를 끼치는 hepatotoxins을 생성한다. Mycrocystis가 유명해진 계

기는 1996년 브라질의 카루아루(Caruaru)에서 약 50명의 투석환자가 사망한 사건이다. 이 사

건은 인근의 부영양화된 저수지의 물을 여과하지 않고 염소소독만 하여 트럭으로 운반해

병원에 공급해서 발생한 사건이다. 남조류의 독소는 자기 방어를 위한 진화적 산물이다. 간

에 해를 끼치는 Microcystin-LR의 WHO guideline 상의 기준은 1 μg/L이다. Microcystins은 염소

소독에 의해 제거되는데, 0.5mg Cl2/L의 염소로 30분간 pH < 8의 조건에서 처리할 경우 거

의 100% 제거가 가능하였다1). Microcystins은 오존에 의해 쉽게 제거되며, 응집/침전/여과에

의해서도 59~97% 정도 제거된다.2) 역사상 기록된 Microcystin 피해는 1931년 가뭄으로 Ohio

River에서 부영양화 발생하여 많은 위장염 환자 발생하였다. Harare시(Zimbabwe)에서 어린

이들에게 위염이 발생한 사건도 있다. 1996년 브라질에서 55명 사망한 사건 (간 손상)도 있

다. 남중국에서 간암이 많이 발생하는 것은 이 지역에서 Cynobacteria에 의한 부영양화가 빈

번한 것과 연관이 있다는 연구가 있다. Mycrocystin은 WHO에 의해 가장 신속하게 Guideline이

필요한 화합물로 분류된다. 이 물질의 Tolerable Daily Intake (TDI) level (WHO)은 0.04 μg/kg/d

이다. 이에 근거한 WHO 기준은 MICROCYSTIN-LR 1 μg/L (ppb)이다. 설치류를 이용한 실험

에서 치사량은 5~10 mg/kg body 이다. 부영양화가 상시적인 미국 플로리다주의 호소에서

측정되는 MICROCYSTIN은 1 μg/L~100 mg/L 이다3). 조류를 주원료로 하는 건강식품에는 20

μg of Microcystin-LR per gram of supplement을 허용하고 있다.

Anabaena에 대한 연구 또한 호주와 북유럽을 중심으로 활발히 진행되고 있다(Baker and

Humpage, 1994; Codd, 2000). 특히 Anabaena는 anatoxin-a, anatoxin-a(s), 마비성 패독 (paralytic

shellfish poisoning, PSP)과 같은 신경독을 생산한다(Rapala and Sivonen, 1998). Anabaena는

heterocyst(이형세포)를 갖고 있어 질소고정 능력이 있으므로 질소가 고갈된 수역에서 다른

종에 비해 유리한 성장 조건을 갖는다. 우리나라에서는 대청호, 소양호 등지에서 여름철에

빈번히 발생한다(Kim and Lee, 1996; Lee et al., 1998; Kim et al., 1999).

지오스민은 수돗물의 쾌적성을 떨어뜨리지만, 인체에 유해성이 없고 휘발성이 강해, 물을

3분 정도 끓이면 쉽게 제거된다. 인간의 후각은 지오스민에 매우 민감하여 5ppt 부터 냄새

를 느끼기 시작한다. 지오스민의 냄새는 비가 내릴 때 나는 흙냄새 (Earthy Taste)와 유사하

1) Destruction of cyanobacterial peptide hepatotoxins by chlorine and chloramine, Water Research, Volume 28, Issue 6, June

1994, Pages 1297-1303

2) Endotoxins associated with cyanobacteria and their removal during drinking water treatment, Water Research, Volume 36,

Issue 10, May 2002, Pages 2627-2635

3) http://ntp.niehs.nih.gov/ntp/htdocs/chem_background/exsumpdf/microcystin.pdf

제1장 기술의 개요

7

다. Cyanobacteria (blue-green algae)과 Actinobacteria (특히 Streptomyces)가 원인 조류(Algae)

이다. Geopsmin도 세포내 물질이기 때문에, 조류(Algae)가 죽은 후 세포가 파괴되면 이 물질

이 외부로 배출된다.

[그림 1-4] 지오스민 [그림 1-5] Microcystins

2. 필요성

○ 상수원 조류의 발생이 정수장에 일으키는 문제점

상수원에서 조류의 발생이 정수장에 일으키는 문제점은 다음과 같은 것이 있다.

- 정수장 취수장의 취수문의 스크린을 폐색시키는 문제- 침전지의 월류웨어를 막아 웨어에서 균등한 물흐름을 방해- 유량 제어 장치의 막힘 현상- 침전지에서 침전된 조류가 서로 뭉쳐진 Algae Mat이 부상하여 알럼 침전지의 효율을 약화

시키고, 전체적인 입자의 제거효율을 약화시킴

- 필터의 여재를 폐색하여 수두저하를 일으키고, 필터의 운전시간을 줄이고, 역세의 필요성을 증가시킴

- 응집제의 양을 증가시키고 슬러지 발생량을 증가시킴- 염소요구량을 증가시키고, 소독부산물의 발생을 증가시킴. 특히 조류에서 Humic 혹은

Fulvic 산이 나오는데 이것은 THM 형성의 전구물질이 됨

- 용존산소와 pH의 변동이 심해지며, 이에 기인하는 불필요한 침전이나 용해가 발생함- 조류에서 유래되는 AOC는 관망에서 미생물막 형성의 원인이 됨

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

8

상기 문제점에 대하여 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.

① 응집장애

⦁조류의 세포막은 일반적으로 친수성이 높으며 친수성이 높은 물질은 응집제에 의한 제거가 어려움

⦁독립영양을 하는 식물성 플랑크톤의 경우 광합성과정에서 유기물을 생산하는데 이중 상당부분이 대사 생성물로써 배출은 주로 EOM (Extracellular Organic Matter) 형태이며

세포내의 탄소 중 7~60%까지 배출됨 (Fogg. 1996)

⦁여름철 조류에 의한 EOM의 방출이 많아지게 되고 방출된 EOM에 의해서 응집제의 타겟물질이 표면을 덮은 경우 입자의 안정화를 유발하여 응집제의 투입량이 증가하게 됨

⦁또한 조류의 광합성 작용에 의한 수중의 이산화탄소의 감소는 pH를 상승시키고 응집제의 용해도를 증가시켜 floc 형성을 저해시킴

② 난침강성으로 인한 기존 침전효율저하

⦁조류의 세포막은 일반적으로 생체막과 같이 인지질 등의 양침모성 지질의 이중층에 단백질이 들어있는 구조로 예상하고 있기 때문에 친수성이 높다.

⦁세포외측에 점질층을 가지는 것도 있다. 이와 같은 형태적 특성 중에 형상, 낮은 세포농도, 생체막 및 점질층 등에 기인하여 생기는 친수성은 조류의 응집처리에 곤란한 요

인이 있다. 광합성작용으로 이산화탄소의 감소로 인한 pH의 상승은 Alum을 비롯한 응

집제의 용해도를 증가시키므로 플럭 형성을 저하시킨다.

⦁조류의 자체의 밀도가 낮으므로 조류를 포함하는 플럭의 밀도도 감소하게 되고, 더불어 광합성작용으로 생성된 산소는 이러한 플록을 flotation을 부추기므로 정수처리 공정

에서 침전에 상당한 어려움을 낳을 수 있다.

③ 여과지 조기 폐색

⦁조류의 과다 유입은 앞에서 언급하였듯이 난침강성의 특성을 지니기 때문에 침전지에서 여과지로 바로 많은 양의 탁도 물질들이 유입되어 여과지의 조기폐색 현상을 유발

하게 된다.

⦁급속여과시스템은 큰 밀도의 무기물질을 처리하기 위해 개발되어져 왔기에 조류제거에 있어서 적당하기 않다 급속여과지의 경우 통상 2~3일 동안 여과 공정을 수행할 수

있으나 대형 규조류가 여과지 유입수 중에 유입되면 여과지속시간은 짧아지고 상황에

따라서는 5~6시간까지 단축되는 경우도 있다. 완속여과지에서도 똑같이 여과 폐색이

생기는데, 통상 수개월에 걸쳐 지속적인 여과 과정을 수행할 수 있는 여과기능이 10

일~20일 정도로 단축되기도 한다.

⦁응집장애로 인한 침강성의 불량은 후단 여과지에 영향을 미치게 되며 정수장의 급속

제1장 기술의 개요

9

여과시스템은 무기물질의 제거에 초점이 맞춰져 조류와 같은 밀도가 작은 물질의 제거

가 쉽지 않음 (Konno, 1993)

⦁일반적인 급속여과지의 경우 통상 2~3일 여과 공정을 수행할 수 있으나 조류가 과대 유입시 여과시간이 짧아져 5~6시간 만에 폐색되는 경우도 존재함

⦁완속여과지의 경우에도 수개월 동안 지속되는 여과 공정을 10~20일로 단축시키는 결과를 가져옴

④ 무기성분의 용출

⦁다량의 녹조가 고사한 뒤 침강하게 되면 저층에서 분해가 되고 이에 따라 저층수는 무산소 상태가 되어 토사에 내포되어 있던 철, 망간과 같은 성분이 용출함

⦁이러한 무기물질이 수중에 함유되어 송수관과 같은 관내에 스케일이 형성하기도 함 ⑤ 정수 내 이취미 유발

⦁정수공정을 거쳐서 처리된 물에서 곰팡이 냄새가 나거나 물비린내가 나는 경우가 발생하는데 이는 수중의 조류가 발생하는 Geosmin 및 2-MIB와 같은 물질 때문이다. 이것은

활성탄, 오존 등과 같은 고도처리를 하면 완벽하게 제거할 수 있으나, 조류가 직접적으

로 산화될 경우 독성물질이 처리수에 확산될 우려가 있다.

⦁정수장내에 유입된 조류는 우선적으로 제거시킨 후 처리수내에 함유된 이취미 물질을 흡착 혹은 고도산화법을 이용하여 제거하는 방법이 주요하다고 할 수 있다.

⦁취수원 근처에서 지속적으로 녹조가 증가할 경우 정수장내 고도처리 시설만으로 유입되는 이취미 물질을 모두 제거하는 데에는 비효율적이기 때문에 취수원 근처에서 증식하

는 녹조류를 저감하면서 동시에 정수장 내 이취미 물질을 저감시키는 것이 필요하다.

⑥ 수질 저니층 화학적 변화 (철(Fe)과 망간(Mn) 용출)

⦁부영양화에 따라 발생하는 다량의 플랑크톤은 고사한 뒤 침전되어 저질층에서 분해된다.⦁이 결과 저층수는 무산소 조건으로 되고 저층의 토사에 내포되어 있던 철(Fe)･망간(Mn)

성분이 용출하게 된다.

⦁잘 알려진 바와 같이 철(Fe)･망간(Mn)이 수돗물 중에 다량으로 존재하면 맛의 저하, 세탁물의 변색 등의 원인이 된다. 심한 경우에는 스케일로서 송수관 속에 축적되고 그것

이 박리됨에 따라 적수장애의 원인이 되고, 이러한 철(Fe)･망간(Mn)을 제거하기 위해서는 고가의 정수처리비가 소요된다.

⑦ 슬라임 형성

⦁조류를 함유한 상수, 공업용수는 배수계통에 슬라임(slime)을 생성하며, 이를 제거하기 위해서는 막대한 금액의 처리비용이 수반된다.

⦁또한, 제빙, 염색공업 등에 있어서는 착색장애가 일어날 뿐만 아니라 플랜트 내에서는

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

10

세정탑의 폐색, 슬라임에 의한 열교환 효율의 저하, 부식의 진행 등이 일어나기도 하

고, 경우에 따라서는 플랜트 계기의 오동작을 나타내기도 한다.

⦁특히, 남조류처럼 세포 외의 대량의 대사산물을 방출하는 조류가 증식하는 경우, 조류 그 자체를 제거하여도 가용성인 유기물질 때문에 식품공업 용수로는 부적당한 물이 되

는 경우도 있다.

[그림 1-6, 1-7] 미국의 AWWA가 Malcolm & Pirnie사에 의뢰하여 미국내 정수장 운영자를 대상으

로 설문조사를 수행한 것을 정리한 결과이다. 이에 따르면, 조류에 의해 발생하는 처리장에서의

첫번째 문제는 맛과 냄새이다. 맛과 냄새 문제는, 조류의 발생이 빈번한 미국 남부지방에서는 큰

문제가 되지 않았는데, 이것은 미국 남부지방에는 이미 오존공정이 많이 운영되고 있기 때문이다.

다행히도 미국 남부지방의 원수는 Br-의 농도가 낮아 오존처리시 발암성 브롬산 (BrO3-)의 생성이

적었기 때문에, 오존공정의 도입이 빠르게 진행되었다. 다음은 필터의 폐색에 따른 여과지 운영

시간의 감소이다. 이것은 지역에 관계없이 고르게 발생한 것이 특징이다. 그리고 소수인 분리막

을 이용하는 정수장에서도 분리막에서 세정주기가 감소하는 문제점이 있었다. 주목할 만한 것은

탁도 증가가 큰 문제로 보고되었다는 것이다. 탁도 증가에 따른 응집제 사용 증가는 경제적인 문

제로 이어질 수 있다. 일부처리장에서는 소독부산물의 증가도 보고되었으며, 잔류염소의 감소 문

제도 비중있게 보고되었다.

[그림 1-6] 미국내 처리장에서 조류로부터 발생하는 문제의 통계4)

4) AwwaRF Project #3111 "Strategies for Controlling and Mitigating Algal Growth within Water Treatment Plants". (Malcolm

Pirnie, Inc.)

제1장 기술의 개요

11

[그림 1-6]은 수질측면에서 발생하는 문제를 미국의 여러 지역의 정수장 종사자들로부터 설문조

사하여 정리한 것이다. 수질 측면에서 맛과 냄새의 증가는 가장 큰 이슈였다. 오존공정이 도입이

많이 된 미국 남부지방은 상대적으로 이 문제에서 자유로워 보였다. 소독부산물의 발생, 탁도의

증가, 잔류염소의 감소가 조류 발생에 따른 문제로 보고되었다.

[그림 1-7] 미국내 처리장에서 조류로부터 발생하는 수질문제의 통계5)

○ 기존 공정 개선 및 향후 조류제어 관련 정수처리공정 개발의 필요성

- 이상에서 살펴본바와 같이 녹조 자체의 제거와 더불어 녹조에서 발생하는 2-MIB, geosmin, microcystin 등의 용존 유기물질들을 제거하기 위해서는 고도산화나 활성탄흡착 공정 등 기

존 공정의 개선이 필요하다.

- 현재 정수처리시설에서는 조류 발생 시 심층수를 취수하거나 염소처리, 활성탄 처리 등의 대처 방안을 수행하고 있으나, 현 추세와 같이 점차 녹조 발생이 심화 및 장기화 되어간다

면 완벽한 제어가 불가능하기 때문에 향후 지속적으로 발생할 조류에 의한 영향을 최소화

하기 위한 근본적이고 획기적인 대안을 마련하기 위해 이와 관련된 처리공정기술 개발이

시급한 실정이다.

5) AwwaRF Project #3111 "Strategies for Controlling and Mitigating Algal Growth within Water Treatment Plants". (Malcolm

Pirnie, Inc.)

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

12

제2절 기술의 정의 및 분류

○ 전술한 기술적 배경 및 필요성에 따라 향후 녹조 발생에 따른 수환경 관리 및 대응기술에

대하여 크게 대응기술과 미래기술로 구분하고 각 대분류에서 달성해야할 핵심 분야로 수원

에서의 제어기술 및 방안, 정수장에서의 제어기술 및 방안, 향후 녹조 대처 미래 정수처리

기술의 세 가지로 분류하였다.

○ 각 핵심 분야별 세부 기술을 다음 표와 같이 분류하고 정의한다.

핵심 분야 및 세부 기술의 정의 및 개요

대분류 핵심분야 세부 기술의 정의 및 개요

대응

기술

수원

- 호소, 저수지

- 하천

- 댐

- Clay를 이용한 응집, 침전 효율개선을 위한 Clay의 대체재 개발

- 물리적 회수방법

- 기후변화에 따른 녹조류, 남조류, 갈조류, 홍조류 등의 종류 변화 모니터링

* 조류의 현장 모니터링 기법 개발

* 조류의 Telemetry (항공 혹은 Remote sensing) 모니터링 기법 개발

정수장

- 기존 정수장

- 고도처리정수장

- 기존의 조류제어 가능 개별공정에 다한 조사분석

* DAF

* 응집, 침전

* 여과지(폐색 문제 등 O&M)

* 고도산화 (오존 등)

* 활성탄(미량유해물질 제어)

* 화학적 처리

* 기타 최신 기술

- 조류 유발 냄새물질(2-MIB, Geosmin) 제어

- 조류 유발 독성물질(마이크로시스틴) 제어

- 조류의 물리적 형상에 따른 공정개선

미래

기술미래형 고도처리

- 녹조 대응 ＋ 차세대 고도처리

- 다목적 정수 고도처리 프로세스 및 단위 기술 연구

- 요소 기술 조합 및 최적공정 연구

- 녹조 뿐 아니라 향후 요구되는 정수고도처리가 가능한 공정으로의 발전

가능성 연구

제1장 기술의 개요

13

제3절 관련 정책 동향

1. 조사 범위 및 방법

○ 국제적으로는 각 국가별 수처리산업 현황과 정부의 수처리 산업 발전 전략을 조사하고 주요

추진사업을 상세 조사하여 국가간 비교 분석하는 방법을 사용한다. 국내에서는 환경규제관

련부처, 산업육성담당부처, 국가과학기술위원회, 통계청, 과학기술정책연구소, 삼성경제연

구소, LG경제연구원, Water Journal, 등 다양한 기관의 웹사이트 정보를 분석함으로써 동향을

파악한다.

2. 국외 정책 동향

○ 중국의 수자원 확보 정책

- 중국의 호소는 수천톤 규모에서 수십억톤의 담수량을 지닐 정도로 다양하며, 수심 역시 수m에서 수백m의 범위로 다양하다. 또한, 용수원으로 사용이 용이한 담수호는 남동부 및

북동부에 밀집해 있어 중국내륙은 용수원확보가 매우 곤란한 상황에 있다. 이에 따라 2002

년 12월 주룽지 중국 총리는 베이징 인민대회당에서 ‘남수북조(난수이베이댜오)’ 사업의 착

공을 공식 선포한 바 있으며, 이는 중국 북부지역의 만성적 물부족 현상을 해결하기 위해

수량이 풍부하다 못해 해마다 범람하는 양쯔강의 물을 황허, 화이허, 하이허 등 북부의 3대

강으로 끌어올리기 위해 동선, 중선, 서선에 걸쳐 5천㎞, 한반도 길이의 5배가 넘는 대수로

를 건설하는 대역사를 시작 하였다. 이 사업은 2050년까지 반세기에 걸쳐 완성될 예정에

있다.

- 중국과학원의 수리부에서는 인구가 16억명에 이를 2030년 물 부족 국가가 될 가능성이 높다”고 공식 발표한 바 있으며, 이처럼 중국 또한, 수자원 부족을 예상하여 초대형 사업을

수행하고 있다.

○ 유럽의 수자원 관리 정책 및 기준

- 유럽연합에서는 수자원 개발정책에서 벗어나 관리정책을 수립하여 수질항목 46개 항목에 대해 A1, A2, A3의 3등급으로 수질기준을 설정하고 수자원 관리에 지속적인 관심을 보이고

있다. A1등급은 간단한 물리적 처리 및 소독만으로 음용이 가능한 수체로서 우리나라의 상

수원수 1～2등급에 해당된다. A2등급은 일반적인 물리적 처리, 화학적 처리, 소독(예 : 전

염소처리 +응집 +혼화 +여과 +후소독)이 필요한 수체로 우리나라 상수원수 2～3등급에 해

당된다. A3등급은 고도의 물리화학적처리, 후속처리, 소독이 필요한 수체로서 우리나라의

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

14

상수원수 3등급에 해당된다. 특이한 점은 각 단계마다 권고농도, 강제농도를 두고 있다. 특

히 강제농도에서는 기후 및 지질조건을 고려해 예외를 인정하도록 하였으며, 호소 항목 중

수심이 20m 이내이거나 체류시간이 1년 이하인 경우에만 사용하도록 하였다.

3. 국내 정책 동향

○ 1996년 환경부에서는 2011년까지 ‘물관리종합대책’을 통해, 각 수계별, 오염원 별, 이용목적

별 기준 개선 및 강화와 시스템 구축 방안을 내놓으면서 상수원의 수 질개선에 대한 강한

의지를 나타내고 있으며, 상수원수의 확보 방안과 재이용 확대, 요금의 현실화를 추진하고

주변지역의 오염원 관리 및 환경관련기준의 강화방안 등 외적요인의 차단에 치중함은 물론

내적대책의 필요성도 대두되고 있다. 따라서, 양질의 수자원 확보를 위한 각계의 노력에 부

응하기 위해 수질오염원에 대한 내외적인 대책시행에 주력할 것으로 사료되고 있다.

○ 환경부에서는 녹조 방지를 위하여 녹조방지사업을 비점오염원 관리 사업으로 사업명을 변

경, 물환경정보 시스템을 이용하여, 지역별 호소와 수원에 관한 정보공개 및 측저을 지속적

으로 시행하고 있으며 국가차원에서 상수원 보호를 위하여 조류의 발생원인이 되는 비점오

염원에 관한 규제와 법령을 강화하고 있다.

○ 조류 예보제

- 국내 조류예보제는 주요 호소의 부영양화에 따른 조류발생을 사전에 인지하여 물환경 관리 관련 기관에 조류발생 상황을 신속하게 통보함으로써 취･정수장의 정수처리를 강화하는 등 먹는 물의 안전성을 확보하여 조류발생으로 야기될 수 있는 피해를 최소화하기 위한

목적으로 운영되고 있다.

- 상수원수에서 유해 남조류의 대량 발생으로 인해 야기될 수 있는 건강위해성을 미연에 방지하기 위하여 시행되고 있는 현행 조류예보제의 발령기준은 WHO에서 채용하고 있는

microcystin의 먹는물 가이드라인에 맞춰 1㎍ microcystin-LR/L에 해당되는 Microcystis 세포수

인 약 5,000 cells/ml를 경보기준으로 하고 그보다 10배 적은 500 cells/ml를 주의보 기준으로

설정하고 있다(Chorus and Bartram, 1990; Falconer et al., 1994).

현재 국내 조류예보제는 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 제 21조 (수질오염경보제)

에 그 법적 근거를 두고 있으며, 추진 체계는 [그림 1-8]과 같다.

제1장 기술의 개요

15

[그림 1-8] 조류예보제의 추진체계.

- 조류예보제의 단계별 발령기준과 관계기관별 조치사항은 과 같다.

조류예보제 단계별 발령기준 및 관계기관별 조치사항

단계 발령기준 관계기관 조치사항

조

류

주

의

보

▫ 2회 연속 채취시 클로로필-a 농도 15mg/m3 이상

▫ 남조류 세포수 500cells/ml 이상

※ 이상의 조건에 모두 해당 시

4대강 물환경연구소장

(시･도 보건환경연구원장 또는 수면관리자)

▫ 주 1회 이상 시료채취 및 분석▫ 발령기관에 대한 시험분석결과의 신속한

통보

수면관리자▫ 취수구와 조류 우심지역에 대한 펜스설치

등 조류제거 조치 실시

취･정수장 관리자 ▫ 정수처리강화(활성탄처리, 오존처리)유역･지방 환경청장(시･도지사)

▫ 조류주의보 발령▫ 주변오염원에 대한 철저한 지도단속

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

16

조류예보제 단계별 발령기준 및 관계기관별 조치사항(계속)

단계 발령기준 관계기관 조치사항

조

류

경

보

▫ 2회 연속 채취시 클로로필-a 농도 25mg/m3 이상

▫남조류 세포수 5,000cells/ml 이상

※ 이상의 조건에 모두 해당 시

4대강 물환경연구소장

(시･도 보건환경연구원장 또는 수면관리자)

▫ 주 2회 이상 시료 채취･분석(클로로필-a, 남조류 세포수, 취기, 독소)

▫ 발령기관에 대한 시험분석결과의 신속한 통보

수면관리자▫ 취수구와 조류 우심지역에 대한 펜스설치

등 조류제거 조치 실시

취･정수장 관리자▫ 조류증식 수심 이하로 취수구 이동▫ 정수처리강화(활성탄처리, 오존)▫ 정수의 독소분석실시

유역･지방 환경청장(시･도지사)

▫ 조류대발생경보의 발령 및 대중매체 통한 홍보

▫ 주변오염원에 대한 지속적인 단속강화▫ 수상스키･수영･낚시･취사 등의 활동 자제

권고

▫ 어패류어획･식용 및 가축방목의 자제권고

조

류

대

발

생

경

보

▫ 2회 연속 채취시 클로로필-a 농도 100mg/m3 이상

▫ 남조류 세포수 106cells/ml 이상

※ 이상의 조건에 모두 해당 시

4대강 물환경연구소장

(시･도 보건환경연구원장 또는 수면관리자)

▫ 주 2회 이상 시료 채취･분석(클로로필-a, 남조류 세포수, 취기, 독소)

▫ 발령기관에 대한 시험분석결과의 신속한 통보

수면관리자

▫ 취수구와 조류 우심지역에 대한 펜스설치 등 조류제거 조치 실시

▫ 황토 등 흡착제 살포, 조류제거선 등을 이용한 조류제거 조치 실시

취･정수장 관리자▫ 조류증식 수심 이하로 취수구 이동▫ 정수처리강화(활성탄처리, 오존)▫ 정수의 독소분석

유역･지방 환경청장(시･도지사)

▫ 조류대발생경보의 발령 및 대중매체 통한 홍보

▫ 주변오염원에 대한 지속적인 단속강화▫ 수상스키･수영･낚시･취사 등의 활동금지▫ 어패류어획･식용 및 가축방목 금지

해

제

▫ 2회 연속 채취시 클로로필-a 농도 15mg/m3 이하

▫ 남조류 세포수 500cells/ml 이하

※ 이상의 조건 중 하나에 해

당 시

4대강 물환경연구소장

(시･도 보건환경연구원장 또는 수면관리자)

▫ 발령기관에 대한 시험분석결과의 신속한 통보

유역･지방 환경청장(시･도지사) ▫ 각종 경보의 해제 및 대중매체를 통한 홍보

제2장

기술의 연구개발 동향

제1절

제2절

제3절

제2장 기술의 연구개발 동향

19

제2장 기술의 연구개발 동향

제1절 수원에서의 녹조발생 대응 및 모니터링 기술

1. 수원에서의 녹조발생 대응 기술

○ 일반적으로 조류를 제어하기 위한 방안으로는 수중 폭기, 전자파, 차광막과 같은 물리적 제

어와 산화제, 응집제를 이용한 화학적 제어 그리고 세균, 천적 생물 등을 이용한 생물학적

제어 등이 있음

○ 화학적 처리 방법은 단시일에 조류를 제어할 수 있는 방법으로 국내외에서 널리 사용되고

있으며 주로 clay, 응집제, 황산동, 염소, 오존 등의 물질이 사용됨

- Clay를 이용한 조류의 제어 방법∙ Clay는 실생활에 의료, 미용 등 많은 용도로 사용되고 있으며 가격이 저렴하고 조류 발

생시 단기간에 제어가 가능함

∙ Clay에 의한 조류의 제어에 관한 기작은 아직 연구중이며 실험실에서 실험을 통해 주입되는 clay의 양과 실제 수원에 적용되는 clay의 양이 현저하게 차이 나는 경우가 많아

clay의 사용이 실제 수원에 과대 주입되는 경향이 있음

∙ 조류 제거에 이용되는 clay의 사용량에 대한 이론적 고차에 대한 연구에 의하면 이온강도가 낮은 호수의 경우 조류와 clay 사이의 충돌계수가 낮아 효율적인 조류의 제거가 어

렵다고 보고함 (한, 2001)

- 응집제와 규조토 (diatomite)를 이용한 조류의 제거∙ 중국의 경우 2008년까지 75% 이상의 호수에서 부영양화와 harmful algal blooms (HABs)

에 의해 고통을 겪음

∙ 응집제가 조류 세포에 영향을 주지않아 EOM과 같은 물질을 분비하지 않는 다는 점을 착안하여 독성물질을 배출하지 않으면서 오히려 독성물질을 제거에 효과적인 응집제과

규조토를 이용한 조류 제어에 관한 연구가 진행된 바 있으며 효율성이 실험적으로 증명

되기도 함 (Chun-De Wu, 2011)

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

20

- 황산동을 이용한 조류 제어∙ Clay 또는 응집제에 의한 조류의 제어는 수중의 이화학적 특성에 영향을 많이 받음∙ 황산동은 생명체에 독성을 띄는 물질이지만 조류를 사멸하는데 사용되는 황산동의 양

은 인간이나 수중 생태계에 큰 영향을 주지 않음

∙ 일반적으로 황산동을 이용하는 경우 조류가 발생하기 전에 수중에 황산동 주입∙ 조류가 다량 발생한 경우 황산동을 주입하면 조류에 의해 발생한 독성물질이 수중에 해

리하게 되어 오히려 역효과를 일으킴

∙ 황산동은 조류에 특히 유효하며 지속성이 있어 식물성 조류의 처리에 매우 적합하며 염소에 비해 취급상에 위험이 적고 처리작업이 용이함

∙ 하지만 처리효과가 나타나기 까지 긴 시간이 필요하며 황산동에 면역성을 갖는 조류가 번식할 우려가 존재함 (김규동, 1997)

- 석회을 이용한 조류 제어∙ 석회는 인을 침강시켜 부영양화의 주요 영양염류인 인의 농도를 감소시킴∙ 또한 알칼리도를 증가시켜 pH 저하에 대한 완충역하을 하여 조류 증식에 역제 효과를

나타냄

∙ 황산동과 같이 세포에 영향을 주지 않아 세포의 독성물질이 수중으로 해리되지 않아 조류가 발생한 경우에도 적용이 가능함

∙ 하지만 실제수원에 석회를 투입하는 것이 실제적으로 들어가는 비용이 매우커 일반적인 취수원에서 사용되긴 무리가 있음 (백경희, 2000)

- 바닥의 준설과 흡습성물질 (Phoslock)을 이용한 조류 제어∙ 네덜란드의 De Ploeg 연못에서 실제 실험을 통해 적용 가능성이 확인됨∙ 준설에 의한 남조류의 제어에 대한 연구가 아직 미흡하며 준설없이 흡습성물질만 수중

에 투입된 경우 남조류의 제거 효율이 기대치에 미치지 못한 결과를 보임 (Miquel

Lürling, 2011)- 살조제(algicide)를 이용한 조류제어 방법

∙ 일반적으로 살조제는 앞서 말한 황산동과 같은 화공약품 또는 식물과 과일, 미생물 등 천연물로부터 화학물질을 추출하여 수체에 직접 뿌려 사용

∙ 빠르고 검증된 방법이나 일회성 효과만 보이고 가격이 고가이며 일부 물질은 난분해성으로 저니토에 축적되거나 먹이사슬을 통해 생물축적을 발생시켜 2차 오염문제가 야기됨

제2장 기술의 연구개발 동향

21

∙ 일본 Tohoku 대학에서는 Microcystis aeruginosa를 제어하기 위하여 L-lysine과 malonic acid를 혼합 살포하여 녹조 제어 효과를 확인함 (Kaya et al. 2002)

∙ 영국의 Oxford 대학에서는 저수지내 규조류와 남조류의 대번식을 제어하기 위하여 볏/보리짚을 저수지내에 투입하여 분해될 때 나오는 물질을 사용하여 녹조 제어를 연구하

였으며 주목 할만한 제거 효과 확인 (Newman & Barret, 1993)

○ 물리적 회수 방법

- 녹조에 의한 피해가 국내는 물론 전세계적으로 급증하는 반면 현시점에서 녹조에 대한 대비책은 약물살포에 의한 사멸, 점토를 이용한 강제 침전 후 펌프에 의한 회수, 양식어 대피

등 1차원적 대책에 의존하고 있는 실정

- 선문대학교의 글러벌연구실의 연구에 의하면 광촉매 기능을 접목해 만든 유리 스펀지를 활용해 조류에 의한 오염을 방제하는데 주안점을 둠

- 유리 스펀지에 광촉매 분말 (이산화티타늄)을 코팅해 조류를 제거하는 방식으로 조류제거 후 유리 스펀지를 다시 회수하는 방식으로 점토나 화학약품에 의한 수중의 2차 오염을 방

지 할 수 있는 기술이라 보여짐

○ DAF 를 이용한 수원에서의 녹조 제거

- 취수원인 호소 및 하천에서 발생되는 녹조류를 제거하기 위하여 약품(황산동)을 살

포하거나, 황토살포가 주로 행하여 지고 있

다. 그러나 이러한 방법은 근원적 해결책

이 아니고 수면에서 나타난 녹조류를 수면

아래 침전시키는 방법으로 원천적 제거방

법이 아니다. 실제로 침전된 녹조류는 저

질토의 혐기화된 지역에서 분해되어 영양

염류의 재부상으로 또다른 녹조의 원인물

질로 이용되고 있다.

- DAF를 부상선에 설치하여 조류를 제거하는 기술은 움직이는 처리장의 개념으로 녹조가 심각한 지역에서 녹조를 부상, 수거, 제거하는 기법이다. 부상처리를 이용한 저수지 녹조 및

인 제거 기술이란 일반적인 부상공정에서 기포의 생성은 단순한 압력 차이에 따른 공기의

용해도 차이 혹은 압력(위치)에너지가 속도(운동)에너지로 변환될 때 형성되는 압력저하에

비례해서 생성되며, 기포의 직경이 50~100㎛인 비교적 크기가 큰 기포가 발생한다. 이렇게

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

22

생성된 기포는 부상속도가 빠르고 수중 체류시간이 짧으므로 응집, 혼화, 부상 일체형공정

에서는 호소수 내에서 기포의 움직임과 응집작용의 시간적, 공간적인 갭이 생겨 플럭의 유

실율이 높아져 제거효율이 낮게 나타나는 문제점이 있으며, 직경이 비교적 큰 기포를 수중

에 확산시킴으로써 플럭과의 충돌효율과 충돌기회를 저감시키는 요인이 된다.

- 이 시스템은 가압탱크내부에 미세기포 발생장치가 장착되어 파동현상에 의한 동공의 생성, 파열을 유도하여 미세기포(3～10㎛)를 형성시키고, micro-agitation에 의해 응집제의 혼화가

이루어진 후 미세기포와 함께 호소 수중에 분사, 확산되어지면서 조류와 인을 제거할 수

있도록 고안되었으며, 오염물질의 응집과 동시에 미세기포가 결합해 플로트를 형성하면서

수면으로 부상된 후 처리되어진다. 특히 음의 제타전위를 가지고 있는 조류 및 콜로이드성

물질은 응집제(PAC)가 표면에 흡착되어 양의 제타전위를 가지게 되는 마이크로버블과 정

전기적인 인력이 작용하여 충돌효율이 극대화됨으로써 뛰어난 제거효율을 나타낸다.

- 본 기술은 호소 녹조제거에 적합한 크기인 직경 5~10㎛의 마이크로버블을 대량 생산하고, 호소 수체로 분사하는 장치, 응집 부상된 슬러지를 일정구역에 가두어둘 수 있는 펜스, 오

염물질을 기계적으로 수거할 수 있는 오토스키머, 수집된 오염물질을 탈수할 수 있는 탈수

장치, 수집된 슬러지를 탈수기로 이송하기 위한 이송펌프 등으로 구성된다.

2. 수원에서의 녹조발생 모니터링 기술

가. 조류의 종류별 특징

○ 수화현상을 일으키는 담수조류의 특징

속명 녹조의 특징 출현 수역

남조류MicrocystisAnabaenaAphanizomenonOscillatoria

･ 여름, 표층 또는 수면을 짙은 녹색으로 변색시키며 육안으로 보이는 대형 군체를 형성

･ 여름 가을에 표층, 낮은 경우에는 전층 황녹색 또는 백색이 나는 청록색을 보임

부영양호, 체류시간이 긴하천에서

발생

규조류synedraAsterionellaCyclotellaMelosira

･ 겨울부터 여름에 완전한 갈색을 띔･ Melosilra 는 봄부터 여름에 갈색을 띔

하천 유입이 많은 부영양호에서 발

생하기도 하며 주로 댐, 갈수기의

하류부에서 발생함

녹조류ClosteriumCacuiculatePediastriumScenedesmusBortyococcus

･ 초여름부터 주로 여름 수면에 녹색 또는 황녹색을 띔

비교적 깊은 부영양호 또는 연못에

서 주로 발생

제2장 기술의 연구개발 동향

23

속명 녹조의 특징 출현 수역

Eugleoids 조류

TrachelomonasEuglena

･ 여름에 적갈색을 띔･ Euglena는 겨울부터 봄에 저니면에서 짙은 녹색을

보임

매우 얕은 호소 또는 방화용수에

주로 나타나며 하천의 가장자리에

발생함

와편모조류

PeridiniumGymnodinium

･ 봄부터 여름까지 황갈색의 띠모양으로 분포하는 것이 특징

유입이 많은 호수, 댐에서 발생함

황녹색조류

Uroglena･ 봄부터 초여름에 황색의 띠모양으로 분포 부영양화 초기에 발생함

○ 녹조 현상을 일으키는 남조류의 증식특성

- 남조류가 다른 조류에 비해 부영양화된 수역에 우점하여 녹조현상을 일으키는 것은 남조류만 갖고 있는 독특한 특성 때문임

∙ Anabaena 또는 Aphanizomenon 속 등은 Heterocyst라는 특수 세포를 갖고 있어 공기중의 질소를 유기질소로 고정 할 수 있는 능력을 갖고 있어 질소가 부족한 환경에서도 살아

가기 유리함

∙ 주변 환경이 증식에 불리할 경우 내구성이 강한 휴면포자를 형성하여 환경이 좋아지면 휴면포자가 seed가 되어 빠른 증식을 일으킴

∙ 체네에 Polyphosphate body라는 것을 만들어 인이 풍부한 환경에서 인을 비축할 수 있으며 다른 조류에 비해 인 흡수속도가 매우 빠른 것으로 알려짐(Okino, 1973)

∙ 체내에 기포를 갖고 있어 수중에서 기포의 양을 조절함에 따라 자유자제로 수직이동이 가능함

∙ 수온과 pH에 대한 적응력이 다른 조류에 비해 뛰어 남∙ 남조류의 세포는 수 μm 크기로 작지만 일반적으로 자연환경 중에서는 수천 수만개의

세포가 점액성 물질에 쌓여 서로 뭉쳐져 존재하기 때문에 군체의 크기가 훨씬 커질수

있으며 식물성 조류의 섭식자인 동물성 플랑크톤이 섭취하기 어렵고 독소를 형성하여

동물성 플랑크톤에 의한 섭식을 피할 수 있음(Lampert, 1981)

나. 조류의 감시 방법

○ 지속적인 폭염과 가뭄에 의해 녹조가 북한강, 팔당호, 낙동강, 금강 그리고 영산강 등 4대강

을 중심으로 확산되었으며 녹조의 발생으로 인한 상수공급에 차질이 생겨 주민들의 불만이

폭주함

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

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○ 지난 7월18일 파당호의 조류는 1608 cell/ml에서 8월1일 3943 cell/ml로 2배이상 급증하였으며

클로로필-a 역시 동일 기간에 17.5 mg/m3에서 39.8 mg/m3로 2배이상 증가 하였음

○ 올 여름 북한강과 팔당호에 녹조현상을 을으킨 남조류는 아나베나 (anabaena) 속으로 지난

해 겨울 서울시 수돗물의 악취 원인으로 꼽힌 조류이며 이 속은 증식과정에서 대사부산물로

지오스민이라는 이취미 물질을 발생시키고 아나톡신이라는 신경계 독을 함유하고 있음

○ 이러한 녹조를 예방하기 위해서는 영양염류, 수온, 유량 등을 조절해야 하지만 현실적으로

쉽지 않으므로 조류가 발생시 발빠른 대처가 매우 중요함

○ 기존방법

- 이러한 조류를 모니터링 하기위한 기존 방법들은 여러 가지가 있지만, 환경부가 고시한 수질오염공정시험방법에는 현미경을 이용한 계수하는 방법만이 나와있으며, 이와는 별도로

최근에는 남조류가 생산하는 유독화합물인 microcystin을 검출하기 위해 PCR, ELISA, HPLC

등을 이용한 방법들 많이 사용되고 있다.

- 현미경관찰∙ 남조류를 포함한 식물플랑크톤의 계수를 위해 시료를 채수 후 Lugol's solution으로 현장

에서 즉시 고정하여, 실험실로 운반 후 농축과정을 거친 후 광학현미경을 이용하여 계

수한다. (그림 3)

∙ 그러나 그림 4에서와 같이 남조류는 단일 개체로 존재하는 것이 아니라 수면부근에서 점액질 형태로 여러 개체가 함께 존재하기 때문에 이를 정확히 분산시켜 각각의 개체를

계수하기에는 많은 시간과 어려움이 존재하며, 개인별로 그 오차범위가 크다는 단점을

가지고 있다.

[그림 2-1] 광학현미경을 이용한 계수의 예

좌)광학현미경, 우) a부터 순차별로 남조류를 단일개체로 분산시키는 과정.

제2장 기술의 연구개발 동향

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[그림 2-2] 조류의 대량 발생시 남조류의 존재 형태

- 기기분석을 통한 조류 모니터링 (국내)∙ 빠른 대처를 위하여 실시간으로 하천내의 조류를 모니터링하는 것이 필수 이나 현미경

분석이나 공정시험법을 통한 흡광도법은 시간과 인력이 많이 소모됨

∙ 조류는 대부분 대사과정에서 형광물질을 방출하기 때문에 이러한 형광물질의 형광을 측정하여 실시간 모니터링이 가능함

∙ 수형광의 파장은 강 (綱, class) 별로 다르며 이를 이용하여 실시간 모니터링 측정이 가능함

[그림 2-3] 다파장 조류모니터링 장치

녹조 발생 수환경 관리 및 대응기술

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[그림 2-4] 조류의 종류에 따른 파장

∙ 현재 서울시 6개 취수장 및 국내 주요하천의 중요지점에 상당 수 설치되어 조류예보제 및 상수원 관리 목적으로 운영중

- 기기분석을 통한 조류 모니터링 (국외)∙ 조류 온라인 분석 형광기(AOA fluorometer)는 4가지 phytoplankton 그룹의 다른 특정 형

광 스펙트럼을 통해 구분이 가능함

∙ 이 분석기기를 통하여 남조류의 클로로필 a 분석을 실시하였으며 이 연구의 목적은 조류발생의 조기 경보 가능성에 대한 평가 가능 여부를 확인함

∙ 일반적인 방법으로 측정된 남조류의 생체적 부피와 AOA를 통해 측정된 남조류의 클로로필 a 와의 상관관계가 밝혀짐

∙ 이 연구의 결과로 남조류의 클로로필 a 에 기초한 경보단계설정이 가능할 것으로 판단됨- 위성을 이용한 녹조의 탐지 (1)

∙ 2008년 여름 대구모의 녹조가 출현하여 녹조에 대한 피해를 사전에 막고자 2010년 세계 최초의 정지궤도 해색위성인 GOCI를 이용한 연구가 진행됨

∙ 해색위성 GOCI를 이용한 녹조 모니터링 연구는 해색위성 GOCI에서 녹조를 찾고 구별할 수 있는 알고리즘 개발과 2011년과 2012년 녹조의 이상포를 모니터링 하였음

∙ 해색위성 GOCI를 이용한녹조 탐지 알고리즘은 현장 관측 및 위성에서 획득한 파장 반사도값을 이용하여 계산하였으며 녹조의 광학적 특성은 555, 745, 865nm에서 반사되고

660, 680nm에서는 흡수하는 특징을 갖고 있음

제2장 기술의 연구개발 동향

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∙ 이러한 특성을 이용하여 Index of floating Green Algae for GOCI (IGAG) 알고리즘을 개발�