녹조와 적조의 감소를 위한 수 처리방법{A METHOD OF THE TREATMENT FOR DECREASING RED TIDE}

본 발명은 녹조와 적조의 발생을 억제 또는 감소시키기 위한 수 처리에 관한 것이다.

우선, 녹조와 적조에 관하여 살펴보겠다.

녹조(綠潮)란 부영양화된 호수나 유속이 느린 하천이나 부유성의 조류(식물성플랑크톤)가 대량 증식하여 수면에 집적하여 물색을 현저하게 녹색으로 변화시키는 현상을 가리키는 말이다.

녹조의 원인은 돼지분뇨나 사람 정화조 하수종말처리장에서 배출되는 처리수에는 인은 거의 없고 질소와 유기물만이 과잉으로 잔존하고 있어, 질소를 생물이 이용하지 못하다가, 하천에 침전되어 있던 인이 초봄이나 초가을에 하천표면의 물이 4도씨 근처가 되면 물의 상하운동이 일어나 침전되어 있던 인이 용출되면서 생물의 증식요건 성분들이 갖추어져, 식물성플랑크톤이 급격하게 증식되어 일어나는 것이다.

또한, 적조(赤潮, red water 또는 red tide)란 식물성 플랑크톤(plankton)의 이상번식으로 바닷물이 적갈색으로 변색하는 현상을 일컬으며, 내만에서 많이 발생하며 이로 말미암아 많은 플랑크톤의 죽은 시체가 집적되어 바닷물이 부패해서 어패류의 폐사를 초래하곤 한다. 보다 상세하게는, 적조는 부유성 미소생물의 이상적 대증식에 의하여, 해수(바닷물)나 호수면이 변색하는 현상을 뜻하는 것으로, 적조에는 규조류, 편모조, 란조류, 녹조류등의 식물플랑크톤이 관여하는데, 일반적으로는 저밀도의 복합개체군에서 특정종이 선점하여, 극히 단시간에 단일 또는 극히 소수종으로 이루어진 식물플랑크톤이 농후한 밀도로 군집이 형성되어, 적조가 이루어진다.

적조의 발생에는 강수량, 일사량, 기온, 바람등의 기상조건과 함께 수온, 염분, 영양염의 종류와 농도등이 관여하고 있으며, 종래에는 그 발생은 계절과 수역이 거의 정해져 있었으나, 근래에는 인간활동의 활발화에 따라, 호소, 내만, 연안의 각지에서 년간내내 다발하여, 양식어, 천연어의 쇄약, 폐사, 도피행동은 물론 어패류의 독화현상을 야기한다.

적조의 형성에는 식물플랑크톤의 증식과 그의 집적(集積)이 관여하고 있다.

식물클랑크톤의 증식에는 영양염류(NO ₃ ^- , NH ₄ ⁺ , PO ₄ ^3- , SiO ₂ )와 함께 요소등의 농도가 증가에 의한 수역의 부영양화(富營養化)가 주원인이 된다. 그러나, 해수, 호수에서는 이들 외에도 주로 미량금속(S, Ca, K, Mg, Fe, Zn, Mn, Cu, As, Mo, Co, I, V등), 비타민(비타민 B ₁₂ , 치아민, 비오틴등), 핵산염기(아데닌, 구아닌, 키산틴, 히보키산틴, 사이토신, 메틸사이토신, 치민, 우라실), 인돌초산, 카이네친, 지베레린산등이 식물플랑크톤의 증식촉진인자 임이 밝혀진 바 있다. 식물플랑크톤의 집적에 대하여는 연안부, 하구지역, 외양(外洋, 넓은 바다)으로 나누어 설명할 수 있으며, 호수도 이에 준한다. 연안부에서는 바다 또는 호수에서 불어오는 바람에 의해 연안에 식물플랑크톤이 집적되어 적조가 발생되며, 하구지역에서는 하천수와 바닷물 또는 호수물간의 수중조도, 수온, 염분의 차가 있는 경우, 그 경계를 따라 식물플랑크톤이 집적된다. 넓은 바다에서는 수면 바람에 따라 그 방향과 직교하는 방향으로 발생하는 순환기류가 생기고, 그 교점(node)에 식물플랑크톤이 집적되어 적조를 형성한다.

이 경우, 바다표면에서 부는 바람의 속도, 표면유속, 해수의 과동점성계수, 파도의 속도와 진폭에 의해, 순환류가 일어나는 시간과 현탁입자(식물플랑크톤)가 집적하는 교점간격이 결정되게 된다(일본화학대사전, 동경화학동인발행, 제8면 참조).

우리나라의 경우도 이와같은 뜻하지 않는 녹조 또는 적조현상이 발생하여 어패류의 폐사가 발생되어 어업종사자의 생계에 막대한 지장을 초래하고 있음도 종종 기사화되고 있다.

통상 하천이나 댐의 물의 조성에 있어서, 녹조의 경우 질소(N)와 인(P)의 비율이 15:1에서 5:1이하에서 발생하기 쉬우며, 그 주된 원인은 댐 등에서 인(P)은 무거워서 퇴적층에 침전되어 있다가 수온변화에 의하여 물의 상하역전현상이 일어나면 역전전에는 질소(N)와 인(P)의 비율이 200∼ 400:1로 있다가, 역전이 이루어지면 15:1∼5:1로 변화되어 조류가 급격하게 자라게 된다.

일반적으로, 질소(N)의 농도는 부영양화 정도에 따라 0.5 mg/ℓ에서 1000 mg/ℓ(축산폐수 방류지역) 이상까지로 존재하며, 반면 인(P)은 축산폐수 방류지역의 경우 0.1 ㎍/ℓ로 질소:인의 비율이 10,000:1인 경우도 있는바, 이들이 하천이나 댐에 쌓여 집적이 되면 100:1 이하로 변화되어 조류나 식물의 성장이 제한을 받게 되는데, 이와같은 역전현상이 있게 되면 10:1까지 상승하여 마이크로시스티스 (Microcystis, 남조류의 1속)가 대량 증식되어 녹조현상이 발생되는 것이다. 녹조는 국내의 전 하천수계에서 매년 1-2회식 발생하고 있으며, 이로 인해 막대한 피해를 입고 있는 것이다.

기존의 녹조와 적조를 제거하기 위하여는 황토나 패각분말 같은 침전제와 전기분해에 의한 염화합물, 미생물 바이러스등이 이용되었다.

그러나, 이러한 물질을 이용한 제거에는 원인의 치료나 원인물질의 감소가 없어 일시적 효과만 가져올뿐 다음 해에도 녹조나 적조가 지속적으로 발생하며 다음해에는 발생정도가 더욱 심해져 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 특히 기존의 녹조와 적조 감소용 첨가제인 황토는 많은 영양염류가 함유되어 있어 적조의 정도를 촉진시키고 어류의 아가미 등에 부착되어 어류의 폐사를 가져올 수도 있었다.

근본적으로 녹조와 적조를 감소시키고 제거하는 가장 적합한 방법은 물 속에

녹아 있는 질소를 제거하는 것이다.

표 1에서 보면 수질별 질소와 인의 농도를 나타낸 것으로써 질소와 인의 비가 10:1 부근이 되면 조류가 급격하게 증식하는 것을 알 수 있다.

녹조와 적조를 감소시키기 위한 많은 연구가 진행되어 왔었지만 대부분 원인이 제거되지 않아 매해 반복되는 형편이었다. 그러므로 근본적으로 원인을 제거하는 방법으로 질소와 인의 비를 맞추어 조류를 증식시켜 질소를 제거하는 방법이 필요하게 된다.

(표 1)

수질별 질소와 인의 농도

현재 사용되고 있는 종말 처리장이나 축산 폐수처리장만으로는 녹조와 적조의 해결은 이루어지지 않고 있다. 이는 계절의 변화에 따른 물의 상하운동과 인구의 증가와 농업의 극대화로 인해 부영양화된 질소가 결합하여 녹조와 적조가 일순간에 급증하게 되기 때문이다.

본 발명은 이러한 문제점을 개선하고자 수중 조류의 증식이 서서히 이루어지도록 인과 질소의 적정 농도를 맞추어 주어 조류의 증식을 분산, 발생시키고, 동시에 원인 물질인 질소를 생물체로 전환시켜서 먹이 사슬을 거쳐 수계로부터 회수하는 방법으로 깨끗한 하천과 해수를 유지하는 방법이다.

이는 저렴한 비용으로 매년 발생하는 녹조와 적조에 의한 어패류의 폐사로인한 피해를 근본적으로 제거할 수 있게 되었으며, 이로 인해 수질을 개선하는데 크게 기여할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 녹조 또는 적조상태를 보이는 질소가 1㎎/ℓ 이상이고, 인이 0.1㎎/ℓ 이하인 하천수, 담수 또는 해수 등에 수중 질소(N):인(P):유황(S)의 중량비가 약 100:2-10:2.5의 비율이 되도록 인원과 유황원으로 처리하여 수중 질소의 농도를 1㎎/ℓ이하로 유지시켜 녹조 및 적조를 감소시키는 수 처리방법이다.

필요하다면, 수중 영양원 고려시 질소(N) 100 중량부당 칼슘(Ca):칼륨(K):마그네슘(Mg)을 14:3:0.5의 비율이 되도록 추가적으로 첨가하여 수처리할 수 있다.

본 발명은 녹조 및 적조를 발생하는 댐이나 하천, 해수의 부영양화의 원인이 되는 질소와 인을 제거하기 위하여, 이를 이용하는 세균이나 조류 식물 원생동물이 이용하기에 적합하도록 조성을 맞추어 주는 것이다.

생물은 핵산과 단백질, 지방, 탄수화물 등으로 구성이 되어 있고 생물의 종류에 따라 약간씩 다르나 탄소, 수소, 질소, 인, 유황 등이 필수 성분이다. 표 2에서 보는 바와 같이 일부원소는 자연계에 소량만 있어 생물이 자라는데 제한요인으로 되고 있다. 특히 질소, 인, 유황 등이 제한요인이 되어 아미노산 합성이나 핵산 합성을 못하게 하여 증식을 막는다.

(표 2)

자연계와 세포의 구성원소 비교

상기 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 대장균이나 인체등 생체의 질소 : 인의 비는 약 5:1 내지 15:1의 비를 유지하고 있다. 이에 비해 안동댐의 질소와 인의 비는 180:1 정도로서 조류나 다른 생물이 자라기에는 인이 제한요인으로 되고 있으며, 인이 상하 운동으로 20배 정도 증가하면 조류가 급증하여 녹조로 나타난다. 녹조가 발생하면 질소는 급격하게 감소하여 0.1-1㎎/ℓ로 감소하며, 인도 0.02㎎/ℓ로 감소한다.

본 발명은 인을 녹조가 급증하지 않을 정도의 농도로 첨가하여 지속적으로 조류나 식물 등을 증식시켜서 질소의 농도를 1㎎/ℓ 이하로 유지시키서 녹조를 감소시키고 수질을 개선시키는 방법이다. 하천의 질소 농도를 낮추어 방류하면 해양의 질소농도도 낮아져서 적조도 예방이 될 수 있을 것이다.

본 발명의 인원으로는, 소디움 애시드 피로포스페이트(Sodium acid pyrophosphate, Na ₂ H ₂ P ₂ O ₇ ), 소디움 트리폴리포스페이트(Sodium tripolyphosphate, Na ₅ P ₃ O ₁₀ ), 소디움 메타포스페이트(Sodium metaphosphate, (NaPO ₃ )m), 소디움 포스페이트 디베이직(Sodium phosphate dibasic, Na ₂ HPO ₄ ), 소디움 포스페이트모노베이직(Sodium phosphate monobasic, NaH ₂ PO ₄ ), 소디움 포스페이트 트리베이직(Sodium phosphate tribasic, Na ₃ PO ₄ ), 알루미늄포스페이트(Aluminium phosphate, AlPO ₄ ), 테트라소디움 피로포스페이트(Tetrasodium pyrophosphate, Na ₄ P ₂ O ₇ ), 포타슘 포스페이트 모노베이직(Potassium phosphate monobasic, KH ₂ PO ₄ ), 포타슘 포스페이트 디베이직(Potassium phosphate dibasic, K ₂ HPO ₄ ), 포타슘 포스페이트 트리베이직(Potassium phosphate tribasic, K ₃ PO ₄ ), 포타슘 트리폴리포스페이트(Potassium tripolyphosphate, K ₅ P ₃ O ₁₀ ) 또는 아파� ��이트등 인광석, 인산비료, 생물막용 여재중에서 선택사용하나, 취급의 용이, 가격등을 고려시 인산비료(K ₂ HPO ₄ ) 또는 생물막용 여재를 사용함이 가장 적당하다. 기타 칼슘원(생석회등), 유황원(석고등), 칼륨원, 마그네슘원 역시 산업적으로 적용가능한 것중 관용적으로 널리 사용되는 것으로 비교적 염가의 것을 사용하면 족하다.

본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 실시예 및 실험예를 하기에 기재하였다.

(실시예 1)

안동댐의 모형을 갖고 실험하였다.

질소농도 3mg/ℓ의 댐 물 120ℓ를 200ℓ 수조에 넣고, 매일수액용 set를 이용하여 동일질소농도의 댐물 200㎖씩 수조에 첨가하면서 K ₂ HPO ₄ 를 0.1mg(인으로0.018mg)을 동시에 가하였다. 한편으로는 200㎖씩 방류하면서 K ₂ HPO ₄ 를 0.1mg/ℓ을 가하면서 방류하고, 이를 수조에 받으면서 조류의 증식을 관찰한 결과, 조류가 완만하게 증식하는 것이 관찰되었다. 이때 질소:인의 비가 30:1 정도임을 확인하였다.

(실험예 1)

안동댐에 직접 적용할 경우는 아래와 같다.

질소농도 3mg/ℓ의 12억톤 저수용량의 부영양화 댐이 1일 유입량-방류량이 각 250만톤일 경우, 댐 내의 질소량은 1,200,000,000,000×3 mg = 3,600톤이 된다. 매일 250만톤이 방류되면 7.5톤의 질소가 유입되고 7.5톤의 질소가 방류되고 있다. 이때 질소가 소진되기 위하여는 1톤 정도의 인이 있어야 한다. 댐의 주된 상류 지천에서 1톤의 20%인 100kg의 인산비료를 시간당 일정량으로 나누어 점적 첨가하여 조류와 식물의 증식을 촉진시킨다. 필요시 인 이외에 유황, 마그네슘, 칼슘 등을 혼합하여 사용한다. 방류지점에서도 100kg의 인산비료를 시간당 일정량씩 나누어 점적 첨가한다. 1일 200kg의 인을 첨가하면 질소량을 4-500kg의 정도 질소를 제거할 수 있고, 1년이면 180톤의 질소가 해양으로 방류되는 것을 차단할 수 있다. 질소는 유리 질소나 가스 상태이어서 일부가 활동 에너지로 적용되므로, 수계에 따라 몇 지점에서 인을 첨가한다. 인 첨가로 증식된 조류의 제거는 다슬기, 어류 등을 이용하여 제거한다.

(실험예 2)

질소 과잉 하천이나 지류에 생물막용 여재(인광석과 가공조개 여재를 5:1)로하여 첨가한다. 첨가량은 하천의 질소 함량과 수량에 따라 조정한다. 축산폐수나 정화조 같은 오염도가 심한 경우는 별도의 수로에 여재를 폭 2미터 깊이 1미터로 넣고 폐수가 잠겨서 흐르게 한다. 길이는 폐수의 농도에 따라 50-500미터로 한다.

(참고예)

가공 조개 여재의 조성

굴 또는 조개껍질 1킬로그램에 농 황산 100㎖을 넣고 반응시키고 중화한 후, 황토 1킬키그람과 섞어서 성형한 다음, 가열하여 만든다.

(실험예 3)

일반 하천은 질소 오염량이 0.5-10ppm 이상으로 되어 있어 하상에 무게 100그람 내외의 생물막 용 여재를 살포한다. 살포량은 총 질소량의 10%에 해당하는 인의 량으로 한다.

본 발명에 따라, 녹조 또는 적조상태를 보이는 하천수(질소가 1㎎/ℓ 이상이고, 인이 0.1㎎/ℓ 이하인 물), 담수 또는 해수에 수중 질소(N):인(P):유황(S)의 중량비가 약 100:2-10:2.5의 비율이 되도록 인과 유황을 첨가하여 수중질소농도를 1㎎/ℓ이하로 유지시킴으로서 5-10일에 집중적으로 발생하는 것을 1년 365일에 걸쳐 수중조류의 증식을 분산, 발생시킬 수 있었으며, 나아가 녹조와 적조를 감소시킬 수 있었으며, 깨끗한 하천과 해수를 유지함은 물론 어패류의 폐사도 방지할 수 있었는바, 본 발명은 산업적으로 매우 유용한 발명임이 입증되었다.