황토 살포 조류 대책에 대한 이론적 고찰

황토 살포 조류 대책에 대한 이론적 고찰(A Theoretical Study on the Algae Removal with Clay)한무영 김원태(서울대학교 공과대학 지구환경시스템 공학부)

 

1. 서론

 최근 들어 우리 나라에서는 호수와 연안에서 자주 유해조류 대번식이 발생하여 문제시 되고있다. 현재 단계에서 이에 대한 유일한 가시적인 대책은 황토를 살포하여 제고하는 것이다. 그러나 황토를 살포함으로서 조류가 제거되는 원리의 규명이나, 그 효과에 대한 과학적이고 합리적인 판단을 할 만한 정량적인 평가가 보고된 바 없다. 또한, 살포하는 황토의 규격이나 농도, 살포방법, 그리고 적용조건들에 대해 객관적으로 인정된 방법에 대한 시방이나 연구가 이루어져 있는지도 의문시된다.

 다만, 실험실에서 황토를 투여하여 조류를 제거하고자 한 실험결과가 발표된 바 있으나, 그 결과를 현장에 직접 적용하기에는 응집제 주입량의 과다살포나, 과다한 황토의 살포등 비현실적이기 때문에 실험실의 결과를 현장에 적용할 만한 합리적인 이유가 되기에는 불충분하다. 그러므로, 근본적인 대책을 세우기 위해서는 그 원리를 다각적으로 규명하여야 할 필요가 있다.

 또한, 기존에 나와 있는 조류 발생에 대한 논문이나 보고서의 대부분은 실태 파악에 한정되어 있으며, 제거방안이나 조류의 충돌특성에 관한 인자들은 고려되어 있지 않다.

 본 논문에서는 물리화학적인 충돌이론에 근거하여 현재 시행되고 있는 황토살포 조류대책에 대한 타당성과 적합성을 검토해 보기로 한다. 그리고 이것을 통하여 조류와 최적의 충돌을 일으키는 황토의 크기범위를 알아보았다.

 단, 황토가 조류와 저서생물에 미치는 생물학적 영향이나 경제성 등에 관한 사항들은 본 논문에서는 다루지 않기로 한다.

 

2. 본론

1) 모델링의 배경

 여기서 사용될 모델의 Trajectory analysis 방법은 속도차 침전이나 DAF의 충돌 효율을 계산하는데 사용되어 왔다.

Aa: Algae 반경
Ac: Clay 반경
Xc: 수평이격거리
αca=	Xc2
	(Ac+Aa)2

Figure 1. Definition of collision

 

efficiency factor(α ca) of clay - Algae

 황토 살포는 서로 밀도가 다른 두 입자가 침강하면서 충돌을 일으키는 경우에 해당한다. 이 모델은 수리동력학적 힘과 정전기적 반발력 그리고 van der Waals 인력을 고려하였다. 충돌효율계수(α ca)는 Figure 1과 같이 정의되었다. 두 입자의 침강시 상대속도를 고려한 궤적분석으로 충돌이 안 일어나는 최소 거리를 계산하여 위 공식에 대입해 계산하였다.

모델에서 중요한 영향을 미치는 인자들로는  Algae와 Clay의 Zeta potential 그리고 용액의 이온화세기이다. Zeta potential 값은 ph에 따라 다르며, 다른 연구에서 구한 값을 이용하였다. (at ph8, clay:-65mv, algae:-20mv) 바다에서의 이온화 세기는 0.65를 적용하였다.

 나머지 사용한 수치들을 살펴보면, 조류의 밀도는 1.2g/cm3를, clay의 밀도는  2.6g/cm3를 대입하였다. 그리고 van der Waals 인력에 관계되는 Hamaker 상수의 경우는 보통 물에 대한 값인 10kT를 사용하였다. 온도는 적조의 번성온도인 25℃를 적용하였다. 이렇게 대입한 데이터를 가지고 모델에 적용하여 나온 충돌효율계수를 Clay의 직경(1~50㎛)과 조류의 직경(1~50㎛)사이의 조합에 따라 Figure 4에 나타내어 보았다. 호수에 대해서는 이온화 세기를 0.0001로 바꾸고, 조류 번식에 따른 ph의 영향을 고려하여 계산하였다.(at ph10, clay:-55mv, algae:-20mv).

 

2) 모델링의 결과

(1) 해수의 경우

 해수에 있어서는 조류의 크기는 수 ㎛에서 수백 ㎛까지 다양하다. 조류의 모양은 한 개의 구형이거나, 여러 개의 세포가 모여 길이가 수십 ㎛에서 수백 ㎛정도 되는 것도 있다. 또한, 계절별로 조류의 우점종이 다르게 나타나 그에 따라 조류의 크기가 달라진다.

 모델링 결과는 황토의 크기가 1~15㎛만이 충돌효율이 높게 나타났다. 그 중에서 최대의 효율을 나타내는 조류의 크기 구간은 황토 입자의 0.4~0.5배일 때이다.(α ca=0.43~1.38). 비율이 그보다 클 때는 α ca=0.15~0.37 정도이고, 작을 때는 α ca=0.0016으로 충돌이 일어나지 않았다. 또한, 황토의 크기가 15㎛~30㎛일 때는 0.5~1 비율의 조류 크기에서 α ca=0.1~0.4정도의 낮은 충돌효율이 나타났으며, 나머지에서는 충돌이 일어나지 않았다.(α ca=0.0016). 그리고, 황토 크기가 30㎛ 이상일 때는 모든 크기의 조류에 대하여 충돌효율이 낮아 살포 효과가 없는 것으로 나타났다.(α ca=0.0016)

(2) 호수의 경우

 호수에 대한 모델링 결과는 Figure 5와 같다. 이 때는 조류의 크기와는 상관없이 거의 충돌이 일어나지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 호수에서의 조류를 황토로서 제거할 수 있다는 것은 이 모델로서는 설명할 수 없다.

 

3. 결론

 1) 조류의 크기에 따라 최대의 충돌효율을 나타내는 황토의 크기가 있다. 따라서 계절별로 달라지는 우점종 조류의 특성과 크기에 따라 투입해야할 황토의 크기가 달라질 수 있다.

 2) 용액의 이온화 세기에 따라 충돌 효율은 달라진다. 이온화 세기가 작은 호수에서는 전혀 충돌이 이루어지지 않으며, 바다와 똑같은 제거효과를 기대할 수 없다.

 3) 보다 합리적이고 효과적인 황토살포 조류 대책을 위해서는 제거 메커니즘의 규명에 관한 체계적인 연구가 필요하다.

 4) 본 모델링 결과를 증명하기 위한 실험실과 현장에서의 실험적 연구가 절실히 요구된다.

 

4. 참고 문헌

 1. 환경부, 환경백서 pp397, (1998)

 2. 김성재, "활성 굴 패각 분말과 황토에 의한 적조생물의 응집제거", 1995국내학술발표회 초록집 부산대 해양산업개발연구소, pp93, (1995)

 3. Mooyoung Han, D.F.Lawler, "Interactions of two settling spheres: Settling rate and collision efficiency", J. Hydraulic Engineering ASCE, Vol.117(No.10) pp.1269-1289(1998)

 4. 독고석, "용존공기부상법(DAF)에서 입자와 미세기포의 충돌특성에 관한 연구", 박사학위눈문 pp.84 (1998)

 5. 이형기, 한무영, "Stability of Brownian Clay Suspensions", Weeshe 학술발표회논문집, (1999)

대한환경공학회 '99추계학술연구발표회 논문집(1), 광주과학기술원, 1999.11.5~6