상하수도공학 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

3) 수질 3-5) 수질변화현상

자정작용 □ 자정작용 (self purification) - 하천이나 호수에 하수를 방류하였을 때 방류 당시 해당 지점의 수질은 악화되지만 상당기간이 지남에 따라 수질이 서서히 양호해져서 원래의 상태로 회복되는 현상 - 자연의 치유력으로서 물리적, 화학적, 생물학적인 작용이 상호작용하여 장시간, 장거리 또는 넓은 공간에서 정화가 이루어지는 현상 - 일반적으로 하천 등의 자정작용은 미생물 등에 의한 생물학적 자정작용이 주 역할을 함 1) 물리적 자정작용 - 희석, 확산, 혼합, 침전, 흡착, 여과 등으로 수중 오염물질의 농도가 저하되거나 폭기에 의해서 공기 중의 산소가 용해되어 유기물의 분해가 촉진 - 물리적 자정작용 중 침전이 가장 큰 요소를 차지 2) 화학적 자정작용 (물리화학적 자정작용) - 용존산소에 의해 철, 망간 등이 수산화물로 되어 자연적으로 응집된 후 침전되는 것 으로서 이를 산화 (oxidation)라고 함 3) 생물학적 자정작용 - 미생물의 오염물질 섭취 및 분해 - 온도, pH, 용존산소, 햇빛 등이 생물학적 자정작용을 좌우

자정작용 <희석 (dilution)> [Ref.] http://2014.igem.org/wiki/images/4/4f/NYMU14_safety_2.jpg

자정작용 <확산 (diffution)> [Refs.] http://lovescience.pe.kr/ms/chapter5/images/diffusion1.gif http://cfile229.uf.daum.net/image/030A784A50BCCD5F09EC6D http://water.usgs.gov/osw/pubs/disp/disp_fig_1.gif

자정작용 <침전 (precipitation)> [Refs.] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/78/Chemical_precipitation_diagram.svg/220px-Chemical_precipitation_diagram.svg.png http://apchemistryatgwhs.yolasite.com/resources/Precipitation%20Reactions.JPG

자정작용 <흡착 및 여과> 흡수 흡착 [Refs.] http://www.freedrinkingwater.com/Images-Test/carbon-adsorption-sm.jpg http://chemistrytwig.com/wp-content/uploads/2013/09/absorptionadsorption.jpg http://www.chem.com.au/science/rheology/rheology4/rheol-8.png

자정작용 폭기 흡착 (응집) 침전 여과 여과 폭기 부유미생물에 의한 분해 생물막 [Ref.] http://ngojwg.org/study3-2-e.html

자정작용 □ 하천의 자정작용 - 하천의 자정작용은 pH, 수온, 햇빛, 용존산소, 수심, 유속, 하상경사 등에 영향을 받음 - 자정 작용은 겨울보다 여름에 더 활발 (∵ 미생물의 활동 활발) - 자정계수 (self purification factor) • 재폭기 계수 (K2)와 탈산소 계수 (K1)의 비율 • 물 속으로 용해되는 산소량과 정화작용에 의해 제거된 산소량의 비율 f: 자정계수, K1: 탈산소 계수 (day-1) K2: 재폭기 계수 (day-1)

자정작용 • 수온이 낮을수록, 유속이 클수록, 하상경사가 클수록, 수심이 얕을수록  자정계수는 커지는 성질을 가짐

수질변화 □ 하천의 수질변화 - 하천의 수질변화상태 구분 (Whipple의 4단계) 1) (분명한) 분해지대 (zone of degradation) - 오염된 물에서 화학적, 물리적 반응이 저하 - 오염에 강한 곰팡이류 미생물 번식 2) 활발한 분해지대 (zone of active decomposition) - 오염된 물에서 용존산소 부족  부패상태에 도달 - 회색 또는 흑색을 나타내고 달걀 썩은 냄새 발생 3) 회복지대 (zone of recovery) - 시간이 경과함에 따라 물이 점차 깨끗해지며 용존산소 농도가 증가하기 시작 - 균류 (fungi)가 조금씩 나타나기 시작하고 청록색 또는 적색 조류가 번식 - 하류로 갈수록 조류가 성장 4) 정수지대 (zone of clear water) - 오염되지 않은 자정수처럼 깨끗해 보이며 용존산소 풍부 - 오염된 물속에서 살 수 없었던 동식물이 번식

자정작용 □ 호소의 자정작용 - 호소는 하천과 같이 일정한 방향의 흐름이 없음  수질변화상태가 Whipple의 4지대 (분명한 분해지대, 활발한 분해지대, 회복지대, 정수지대)로 구분되지 않음 - 호소에서의 자정작용은 수심에 따른 물의 수직운동, 재폭기, 침전, 수중미생물 등에 의해 유기물이 분해, 제거됨 - 호소의 자정작용이 활발해지는 경우 1) 물의 수직운동이 활발한 경우 2) 성층현상이 발생하지 않을 경우 3) 침전이 잘 되는 경우 4) 재폭기가 클 경우 5) 호소의 부영양화가 없을 경우 6) 생물학적 분해작용이 활발할 경우

수질변화 □ 조류 (algae) - 식물성 플랑크톤으로 불리며, 엽록소 (클로로필, chlorophyll)를 가지고 있는 단세포 또는 다세포 식물 - 탄소동화작용 (광합성)을 하며 무기물을 섭취하고 갖가지 맛과 냄새를 유발 - 광합성 시 수중의 CO2를 섭취하므로 용존산소 고갈 및 pH에 영향을 미침 - 급수시설에 조류가 많이 유입되면 여과지를 폐쇄하거나 물에 맛과 냄새를 유발 - 조류제거약품: 황산동 (황산구리, CuSO4), 활성탄 [Refs.] http://oswegocountytoday.com/ny-sea-grant-funds-lake-ontario-algal-bloom-research/ https://www.scmp.com/sites/default/files/2013/07/16/5a1ee3eb15bccc6bc789f4e7a7865b00.jpg

부영양화 □ 부영양화 (eutrophication) - 영양염류 (질소, 인)가 유입되어 생물 생산이 높은 부영양 수역으로 변하는 현상 - 최근 도시의 급격한 인구집중, 생활양식의 변화, 산업활동의 활발, 비료 사용의 증가  공공수역으로 배출되는 영양염류 (질소, 인)가 현저히 증가함에 기인 □ 부영양화 발생원인 및 영향 - 강한 햇빛과 수온 증가 - 탄산(H2CO3), 질소 (N), 인 (P), 염류 등과 같은 조류의 번식에 양분이 될 물질들이 공공수역에 유입 및 축적  부영양화 발생 및 조류의 성장  정수장의 여과지를 폐쇄시켜 정수작업을 곤란하게 하거나 조류에 의해 물에서 맛과 냄새가 발생 □ 부영양화 특징 - 사멸된 조류의 분해작용에 의해 용존산소 감소 - 조류 합성에 의한 유기물의 증가로 COD 증가 - 한번 부영양화가 되면 회복되기 어려움 - 상수원으로 사용하기 어려움 - 투명도가 저하됨

부영양화 영양염류 다량 배출 용존산소 고갈 http://ocean.nowpap3.go.jp/wp-content/themes/nowpap/case/img_en/eutrophication_fig1.jpg

부영양화 <부영양화로 인한 사수역 (dead zone)의 발생과정> 1) 과도한 영양염류 유입 2) 수표면 부근에서 조류성장 3) 조류 사체의 퇴적 6) 수중생물폐사 또는 이동 5) 용존산소량 감소 4) 조류 사체의 분해에 의한 산소소비 [Ref.] http://www.earthgauge.net/wp-content/deadzone_640x360.jpg

부영양화 □ 부영양화 방지대책 - 인 (P)이나 질소 (N)의 유입을 방지 - 인 (P)이 함유된 합성세제의 사용 금지 - 조류의 이상 번식에는 황산동 (황산구리, CuSO4)이나 활성탄의 투입으로 제거 - 하수 내의 인, 질소를 제거하기 위한 폐수의 고도처리 (3차 처리)를 실시한 후 처리수를 공공수역으로 방류 - 비료 사용량 및 사용시기에 대한 조절 및 관리

적조현상 □ 적조현상 (red tide) - 도시하수나 산업폐수의 유입으로 인해 해역이 부영양화되어 해수 중 미생물 (적갈색 식물성 플랑크톤)이 단시간에 급격히 증식한 결과 해수가 적색으로 변하는 현상 □ 적조현상의 발생조건 - 강한 햇빛, 높은 수온  플랑크톤 증식이 활발 - 영양염류인 인 (P)과 질소 (N)가 풍부 - 비중이 낮아진 해수가 상층에 존재하고 염분농도가 감소할 경우 □ 적조현상의 대책 - 인 (P)이나 질소 (N)의 유입 억제 - 준설 등에 의한 연안수역의 저면 정화 - 공유수역 매립의 제한 [Ref.] http://onkweather.kweather.co.kr/data/cheditor4/1307/RcuTYBffJmdBAUk9RY46zsFhxFJizsEg.jpg

적조현상 [Ref.] https://c1.staticflickr.com/5/4142/4911433052_f535276bdf.jpg

성층 및 전도현상 □ 성층현상 (stratification) - 저수지나 호수에서 수심에 따른 수온 변화로 인해 발생되는 밀도차에 의해 여러 개의 층으로 분리되는 현상 - 수면으로부터 순환대, 변천대 (수온약층), 정체대로 구분 - 성층현상은 주로 온도, 밀도 및 바람 등에 의해 주로 여름철과 겨울철에 발생함 (수심에 따른 온도차는 겨울보다 여름이 더 크게 발생  여름철에 발생하는 성층현상이 더욱 뚜렷하게 발생) - 봄과 가을철에는 순환현상이 발생 (가을철 순환현상이 더욱 뚜렷하게 발생)  저면에 퇴적된 오염물질의 상승으로 수질이 저하됨

성층 및 전도현상 A B A B <수심에 따른 온도 변화> <온도에 따른 물의 밀도 변화> 여름 겨울 봄 A B 여름철의 경우 수심에 따른 온도차가 심함  성층현상이 뚜렷하게 발생 여름철의 경우 저수지의 수면과 바닥의 밀도 차이가 크게 나타남 [Refs.] http://pubs.usgs.gov/wri/wri034216/images/eflmr-fig6.gif http://www1.lsbu.ac.uk/water/images/maximum_density.gif

성층 및 전도현상 [Refs.] http://pubs.sciepub.com/aees/2/1/1/image/fig6.png http://www.fao.org/docrep/field/003/AC174E/AC174E03.gif

성층 및 전도현상 □ 전도현상 (turn over, 순환현상) - 겨울과 여름에 정체되어 있던 물이 봄과 가을이 되면 표층의 수온이 변화 발생 - 이때 표층의 물은 저층으로, 저층의 물은 표층으로 상승 이동하게 되는데, 이러한 물의 수직운동을 전도현상 (순환현상)이라고 함. - 저수지의 물이 급수원으로 이용될 경우, 전도현상 발생 시 정체대의 물이 상부로 이동되어 취수되기 때문에 수질상 대단히 불리함