1. 서론
알루미늄염은 오래 전부터 정수장의 부유물질 제거를 위한 응집제로서 사용되고 있는데 외국에서는 호수의 수질개선에도 많이 사용되고 있으며, 하수의 화학적 처리에서도 사용되고 있다.
알루미늄염 응집제는 호수의 식물플랑크톤과 무기인산이온(orthophosphate)을 침강제거하고 저질의 인용출을 억제함으로써 부영양화를 억제하는 효과를 나타낸다.
알루미늄염은 저렴한 비용으로 호수의 수질을 개선할 수 있으므로 유역의 오염원 관리가 어려운 호수이거나 저질로부터의 인용출이 큰 비중을 차지하는 자연호에서 부영양화를 억제하는데에 매우 효과적이고 경제성있는 방법으로 평가되고 있으며, 탁수가 발생하는 호수에서 부유물질을 조속히 침강시키는 방법으로 사용되고 있다.
알루미늄염은 생물에 독성이 없는 것으로 알려져 정수장에서도 오랫동안 사용되고 있다.
2. 알루미늄염의 작용 기작
알루미늄염이 정수장이나 호수에서 수질개선 효과를 가지는 기작은 세 가지로 나누어 볼 수 있다.
2.1 입자의 표면전하 중화
수중의 부유물질은 대개 음전하를 띠고 있어 서로 배척하는 힘을 가지며, 이 때문에 작은 입자들은 오랫동안 침강하지 않고 떠 있다. 이 때 알루미늄, 칼슘, 철, 등의 다가의 양이온은 입자 표면의 음전하를 중화하는 효과를 가진다. 이로써 입자들 간의 정전기적 반발력을 소멸시키고 입자들이 잘 뭉칠 수 있게 한다. 입자크기가 클수록 입자의 침강속도는 커지므로 쉽게 침강 제거된다.
2.2 입자의 공침
알루미늄 침전물의 floc 이 수중의 부유물질을 공침시킨다. 알루미늄 응집제를 물에 첨가하면 Al3+를 생성하며 Al3+은 용해도가 낮으며, 수중의 수산화 이온과 결합하여 Al(OH)3의 침전을 만들게 된다.
이 수산화물은 조직이 치밀하지 않은 침전물을 형성하여 수중에서 floc을 만들면서 수중의 부유물을 포함시켜 공침시키는 성질을 가지고 있다. 이 과정에 의해 수중의 조류와 부유토사 입자들을 침강시킬 수 있다.
2.3 인의 불활성화 (inactivation of phosphorus)
용존 알루미늄 이온(Al3+)은 수중의 인산이온(PO43-)과 결합하면 용해도가 낮고 안정한 AlPO4 침전을 형성한다. 그러므로 수중의 용존무기인을 제거하는데 매우 효과적이다.
특히 수중의 인이 대부분 용존형으로 존재하는 경우에는 단순한 침전지나 인공습지 등에서 잘 제거되지 않는다. 이 때 알루미늄염을 첨가하면 인과 불용성 침전물을 형성하여 쉽게 제거된다. 비점오염물 저감대책으로 많이 사용하는 침전지 (wet detention pond)에서 알루미늄염을 첨가하면 수질개선효과가 크다는 것이 보고되어 있다.
또한 호수의 저질표면에 알루미늄염이 덮여 있으면 저질로부터 용출되는 인을 차단하여 내부부하량을 감소시킴으로써 호수의 부영양화를 억제할 수 있다. 대부분의 자연호에서는 수체에 비하여 유입수량이 작으므로 외부유입 인부하량에 비하여 저질로부터의 인용출량이 더 큰 비중을 차지할 수 있다.
장기간 퇴적물이 축적되어 있는 경우에 외부로부터의 인의 유입을 차단하더라도 저질로부터의 인 용출로 인하여 수질이 개선되지 않는 사례들이 있다. 이러한 경우에는 저질의 인용출을 억제하기 위하여 알루미늄염을 투여하여야만 수질개선의 효과가 나타나는 것으로 보고되었다.
호수에 첨가한 알루미늄염이 저질표면에 1~2 cm 두께로 퇴적되면 저질에 퇴적된 유기물의 분해과정에서 발생하는 인산이온을 차단하는 blanket 효과를 가진다.
알루미늄이온이 인산이온과 결합하여 불용성의 침전을 형성하는 것이다. 자연호에서의 사례를 보면 한 번 알루미늄염을 투여하면 10년 이상 인의 농도를 낮게 유지하는 장기간 효과가 나타나고 있다.
그러나 체류시간이 짧은 인공호에서 유역의 인의 근원을 제거하지 않은 상태에서 알루미늄염을 투여하는 것은 그 효과지속기간이 짧다. 저질표면을 Al(OH)3 침전으로 도포한다 하더라도 곧 다시 새로운 퇴적물이 쌓이게 되면 저질도포의 효과가 없어지는 것이다.
그러므로 외부의 인의 근원을 제거하지 못한 경우이거나, 체류시간이 짧은 우리나라의 인공호에서는 강우시마다 많은 양의 인이 유입하므로 새로운 퇴적물이 쌓이고 표면의 새로운 퇴적물이 물과 접하므로 저질의 인용출을 차단하더라도 효과가 오래 지속하지 않는다.
우리나라의 인공호에서 저질을 준설하더라도 효과가 오래 지속하지 않는 이유도 이와 같다. 그러므로 인공호에서는 강우시마다 유입하천수에 첨가하여 혼합후 호수로 유입시키는 방법을 사용하는 것이 좋다.
3. 응집제의 종류
응집제로서는 주로 금속양이온이 사용된다. 주로 사용되는 이온은 Al, Ca, Fe 등이다. 이 가운데 가장 널리 사용되고 있는 것은 Al 이다. 알루미늄염은 황산알루미늄(aluminum sulfate)과 polyaluminum chloride (PAC)가 주로 사용된다. 황산알루미늄은 톤당 6만원 정도로 가격이 저렴하므로 다량으로 호수의 저질층을 도포하여 장기간 내부부하량을 차단하는 데에 적합하다.
부유물질의 응집능력은 PAC에 비하여 낮은 편이나 저질의 표면에서 인의 용출을 억제하기 위해서는 같은 비용에 대해 더 많은 알루미늄이온이 존재할수록 이익이 되므로 alum 의 경제성이 더 높다.
PAC는 톤당 가격이 18만원 정도로서 황산알루미늄에 비해 가격이 3배 가량 비싸다는 단점이 있으나 침강효율이 좋아 수중의 부유물질을 빨리 침강시키는 데에 적합하다.
과거에는 정수장에서 황산알루미늄을 사용하였으나 현재에는 대부분의 정수장에서 PAC를 사용하고 있다. 그 외에도 PAC는 잔류알루미늄 농도가 낮다는 장점을 가진다. 최근에는 이 외에도 여러 가지 침강효율이 좋은 응집제가 많이 개발되고 있으나 아직 호수에서 대량사용하기에는 경제성이 떨어진다.
알루미늄 응집제를 사용할 때 소량의 고분자 응집제를 함께 사용하면 응집 효과가 증진된다. 여러 종류의 고분자 응집제로가 시판되고 있으며, 대표적인 고분자는 PAA (polyacryl amide )이다. 대략적으로 고분자 응집제의 첨가량은 알루미늄 응집제의 1% 정도이다.
4. 응집제의 투여량 결정방법
응집제의 투여량을 결정짓는 요인으로는 pH, 알칼리도, 탁도, 응집제의 종류, 조류의 종류와 밀도, 등이다. 알루미늄 응집제를 투여하는데 있어서 가장 주의하여야 할 사항은 pH가 6이하로 낮아지지 않도록 투여하여야 한다는 점이다. 알루미늄은 산성을 띠므로 호수물에 많이 첨가하면 pH가 낮아진다.
그런데 알루미늄이온은 중성에서는 용해도가 매우 낮아 곧 수산화물침전을 형성하고 호수 바닥에 퇴적되지만, pH 6이하에서는 용존무기 알루미늄(Al3+) 형태의 용해도가 증가한다.
산성조건에서 용해된 Al3+는 어류의 아가미 표면으로 흡수되고, 체내의 pH는 중성이므로 이곳에서 침전이 형성된다. 즉, 아가미 표면에 알루미늄의 염이 침전되어 호흡을 방해하고 죽게 하는 피해를 가져온다. 그러므로 pH가 6이하로 낮아지지 않도록 사전에 최대 투여가능량을 산정하여야 한다.
특히 황산알루미늄은 산성이 강하므로 지나치게 많이 투여하여 산성화되지 않도록 주의하여야 한다.
호수의 저질을 도포하기 위해 알루미늄염을 투여할 때에는 장기간 효과를 얻고, 인건비를 줄이기 위하여 최대한 많은 양을 한 번에 투여하는 것이 보통이다. 그러나 너무 많은 양을 투여하면 산성이 되어 알루미늄이 용해되므로 최대투여량을 초과하지 않아야 한다.
최대 투여가능량을 측정하기 위해서는 호수물에 응집제를 일정량씩 첨가하면서 pH를 측정하여, pH가 6에 도달하는 양이 최대 투여가능량이 된다. 이에 호수의 부피를 곱하여 호수전체의 최대 투여가능량을 산정한다. 알루미늄염의 최대 투여가능량은 호수물의 알칼리도에 따라 결정된다. 알칼리도는 산을 중화하는 완충능력이다.
일반적으로 알칼리도를 결정하는 요인은 유역의 석회암성분이다. 석회암의 Ca 용출이 알칼리도를 좌우한다. 알칼리도가 높은 물은 완충능력이 높다는 뜻이며 더 많은 양의 알루미늄 응집제를 첨가하더라도 pH가 6이하로 낮아지지 않을 수 있다.
탁도도 응집제 투여량에 영향을 준다. 정수장에서 응집제의 투여량은 일반적으로 jar test 에 의해 결정하는데 여러 반응조에 서로 다른 농도의 응집제를 첨가하고 일정강도로 교반한 후 침강 시켜 상징액의 탁도를 측정한다.
그러나 jar test 에서는 교반기에 의해 충분한 교반을 해주므로 호수에 투여할 때 보다 응집이 더 효과적으로 일어난다. 같은 양의 응집제를 투여하더라도 교반의 정도에 따라 응집효과가 크게 달라질 수 있으므로 투여량을 결정할 때에는 jar test 결과에만 의존하지 말고 호수 내에서의 교반정도를 고려하여 경험적으로 결정하여야 한다. 일반적으로 PAC 소비량은 탁도에 비례한다.
정수장에서는 10~60 mL/m3 정도를 투여하는데 원수의 탁도 증가에 따라 요구량도 증가한다. 정수장에서는 30분~3시간 이내의 짧은 시간동안 침전지에서 침전하여야 하므로 최대한 빠른 침강속도를 보이는 양을 투입한다. 그러나 호수에서는 빠른 침강이 필요하지 않으므로 응집이 형성되는 한도 내에서 최소한의 양만을 첨가함으로써 약품경비를 줄이는 것이 좋다.
조류의 밀도와 종류도 부유물질의 침강에 영향을 준다. 무기 부유물질이 많은 경우에는 floc 의 밀도가 크므로 쉽게 침강되지만 조류가 많은 경우에는 밀도가 낮아서 침강이 매우 느리다.
특히 세포내에 기포를 가지고 있어서 수면으로 부상하는 성질을 가진 cyanobacteria 가 우점하는 경우에는 침강성이 매우 떨어진다.
알루미늄 응집제의 투여량이 최소역치 이하인 경우에는 거의 응집효과를 가지지 못한다. 알루미늄 농도가 적정량에 도달하여야 floc이 형성되고 부유물질 침전 효과가 있다. 따라서 최소역치 이하의 양을 반복투여하는 것은 효과가 없으며 한 번에 최소역치 이상을 투여하여야 한다.
대략적으로 알루미늄 응집침전의 최소역치는 5 mgAl/L 정도인 것으로 보고되고 있다. 일반적으로 PAC 투여의 경우 30mL/m3 이하의 첨가량으로 호수 내 부유물질을 충분히 침강시킬 수 있다.
응집제와 PAA 소량을 동시에 투여하면, 응집제 단일처리시보다 적은 투여량으로도 수질개선효과를 기대할 수 있으므로 경제적이다.
5. 호수의 체류시간에 따른 투여방법
체류시간이 긴 호수에서는 일시에 다량을 투여하여 호수 저질을 도포함으로써 저질로부터의 인의 용출을 억제하는 것이 부영양화억제에 효과적이다.
특히 심층에 무산소층이 발달하는 호수에서는 저질로부터의 인의 용출이 크므로 이 방법이 효과적이다. 외부 유입부하량이 작은 호수에서는 이 방법의 효과 지속기간이 길다.
그러나 체류시간이 짧은 호수에서는 호수 체적에 비해 강우시 많은 양의 인이 유입하므로 강우 후에 인의 농도가 급증하는 현상이 나타난다. 따라서 이러한 호수에서는 저질로부터의 인 용출량은 큰 비중을 차지하지 않으며 저질도포는 효과가 없다.
그러므로 이러한 호수에서는 강우 시 호수로 유입하는 하천에 응집제를 혼합하여 주거나 강우 후에 호수 표층에 투여하여 수중의 부유물질을 침강시키는 방법이 효과적이다. 외부 유입부하량이 큰 호수에서는 수중의 부유물질과 조류를 침강시키더라도 효과 지속기간이 짧으며 매 강우시마다 반복적으로 투여하여야 한다.
6. 호수에서 약품 투여 및 혼합방법
응집제를 호수에 뿌리는 방법도 응집의 효율을 결정짓는 중요한 요소이다. 가능한 한 혼합을 충분히 하여 수중의 입자들이 잘 응집되도록 하는 것이 중요하다. 호수에 투여하는 수심은 투여의 목표에 따라 달라진다.
외부부하량이 작은 호수에서 저질의 도포를 목적으로 투여하는 경우에는 일시에 많은 양의 alum을 선박을 사용하여 호수의 저질표면에 투입하면 되며, 굳이 혼합을 많이 할 필요가 없다.
이 때 호수 저질에 골고루 뿌려지도록 선박의 운행 궤적을 조정하여야 한다. 그러나 수중의 부유물질을 침강시키는 것이 목표인 경우에는 호수의 표층에 투여하여야 하며 호수 물과 잘 혼합하여 입자들이 응집제와 결함을 할 수 있도록 하여야 한다.
혼합의 방법으로서는 호숫가에 대형 용기를 설치하고 펌프로 호수 물을 퍼 올려 응집제와 혼합한 후 호수로 다시 되돌려 보내는 방법을 흔히 사용한다. 또 다른 방법으로는 호숫가에 응집제 탱크를 설치하고 긴 호스를 통하여 호수중앙부로 공급하며, 선박을 사용하여 호수표면에 골고루 뿌리는 방법이다.
이때 배의 뒷부분에서 살포하여 선박의 스크류가 물을 혼합하도록 하면 혼합을 도울 수 있다.
강우시마다 외부에서 많은 양의 인이 자주 유입되는 인공호에서는 호수의 유입하천에 혼합하여 투입하는 것이 효과적이다. 하천구간을 흘러가는 동안 응집제와 혼합되고 수중의 입자와 응집제가 충돌하여 반응한 후 호수에 유입하여 침강하도록 하는 것이다.
이 방법을 stream injection 이라고 부르는데 호수 내에서 뿌리는 것보다 투입이 용이하므로 미국에서도 외부부하량이 많은 호수에서 사용하고 있는 방법이다.
미국의 뉴욕시 상수원 저수지에서도 탁수발생시 유입도수로에 응집제를 섞어 주어 도수관을 흘러가는 동안 혼합되고, 호수에 유입한 후 호수바닥에 침강 퇴적하도록 한다.
7. 우려되는 부작용
응집제의 반복투여는 응집에 내성이 있는 조류종으로의 천이를 일으킬 가능성이 있다.
조류는 종류에 따라 응집제에 의해 쉽게 제거되는 종이 있고 잘 제거되지 않는 종이 있다. 와편모조류는 가장 쉽게 제거되며 녹조류는 잘 제거되지 않는 경향이 있다.
규조류의 일부 종도 응집침강이 되지 않는다. 따라서 응집제를 호수에 반복하여 투여하면서 조류를 제거할 경우 응집침강이 되지 않는 Dictyosphaerium sp. 와 같은 내성종이 우점하는 현상이 나타날 수도 있다.
그러나 내성종은 대개 남세균이 아니므로 독소 발생이나 냄새발생의 피해는 없다.
또 하나의 부작용은 수심이 얕은 호수에서는 침강한 알루미늄과 부유물질 및 조류세포가 바람에 의해 재부유될 수 있다는 점이다. 이 경우 호수의 혼탁도가 개선되지 않을 수도 있다.
따라서 응집제를 투여하는 호수는 심층의 저질이 바람에 의해 교란되지 않는 수심을 가져야 한다.
일반적으로 수심 2m 이내의 저질은 바람의 혼합에 의해 쉽게 재부유되며, 수심 5m 이상에서는 바람의 영향이 미치지 않는다. 호수의 혼합층 수심은 호수의 수면적에 따라 달라질 수 있다. 수면적이 넓은 호수에서는 바람의 이송거리(fetch)가 길기 때문에 바람의 혼합력이 크다.
반면에 작은 호수이거나 수초가 많은 호수에서는 바람의 혼합이 감소하여 혼합수심이 얕아진다. 대략적으로 최대 수심이 5m 이하인 호수에서는 침전물 재부유의 가능성이 높으므로 알루미늄 응집제의 투여에 적합하지 않는 곳이다.
바람에 의해 재부유되지 않는 수심 5m 이상의 깊은 곳이 많이 있어야 알루미늄염의 침전물을 저장하고 영구퇴적시킬 수 있는 공간이 있다.
8. 응집제의 위해성 여부
알루미늄이온은 독성이 매우 낮으며 용해도가 작아서 수중생물에 해를 주지 않는 것으로 알려져 있다. 그러므로 음용수를 정수하는 데에 오랜 동안 사용하고 있는 것이다.
다만 pH가 6이하로 산성화된 곳에서는 용존알루미늄의 농도가 높아져 동물에 해를 줄 수 있으나 우리나라에서는 아직 산성화된 호수가 나타나지 않고 있으므로 호수의 산성화에 의한 알루미늄 독성피해는 없을 것이다.
중성 pH에서 알루미늄이 동물에 치사피해를 나타내는 농도는 1000~2000 mgAl/L 이상의 고농도이다. 일반적으로 호수에 투여하는 알루미늄의 농도는 10 mgAl/L 수준이며 대부분의 알루미늄은 투여 후 1~2일 이내에 침전이 되어 수중의 잔류 알루미늄은 0.2~0.5 mgAl/L 이하로서 자연배경농도와 유사한 농도를 유지하므로 우리나라에서는 식물이나 동물에 피해를 줄 가능성은 없다.
호수 물에 알루미늄염을 투여한 후에도 저수지의 용존알루미늄의 농도는 자연배경 농도와 유사한 것으로 보고되고 있으므로 농업용수로 사용하는데에 지장이 없을 것이다 (농림부, 2005). 습지의 식물에 aluminum 염을 직접 투여하는 경우에도 장기간 갈대 등의 식물에 영향을 주지 않은 것으로 보고되었고 (Kaggwa et al., 2001), 종가시나무의 어린 육묘에 직접 투여하여도 광합성에 영향을 주지 않은 것으로 보고되어 (Akaya and Takennaka, 2001) 있어 호수가 산성화되지 않는다면 식물에도 영향이 없는 것으로 판단된다.
9. 호수 유입부에 별도의 응집침전시설을 설치하는 방법
화학적응집침전장치는 응집제를 첨가한 후 슬러지의 침강속도를 증가시키고, 발생하는 슬러지를 모아서 제거할 수 있도록 고안된 장치이다. 강우 시에 호수로 유입하는 물을 침전지에 모아서 이를 서서히 처리하여 호수로 유입시키면 호수로 유입하는 부하량을 크게 줄일 수 있다.
넓은 면적의 침전지가 필요하며 초기 시설투자비가 많이 드는 단점은 있으나 슬러지를 제거할 수 있으므로 수질개선효과가 확실하고 부작용이 적다.
그러나 슬러지를 처리하는 비용이 추가로 들게 된다. 고속응집침전장치는 대개 황산알루미늄을 응집제로 사용한다. 침전조에서 침전된 응집제는 반응조에 반송되어 재사용함으로써 호수 물이 고농도의 응집제와 반응함으로써 수중의 인과 부유물질을 완전히 제거한다.
설비 내 체류시간이 10~30분 정도로 고속으로 처리할 수 있다.
장치를 설치하는 초기 투자비가 크지만, 이후 가동 중 운영비는 호수 물 1톤당 10원이내로서 저렴하다. 응집침전지를 사용하는 가장 좋은 방법은 호수 유입부에 전처리댐(pre reservoir)를 만들어 유입수를 이곳에 가둔 후 처리하여 본 댐에 유입시키는 방법이다. 독일의 Wahnbach 저수지가 대표적인 사례이다. 본 저수지의 상류 유입부에 부댐을 설치하여 유입수를 저류하면서 응집침전시설에서 정화한 후 호수로 유입시킨다. 유입수 전량을 처리하므로 호수의 수질을 매우 맑게 유지할 수 있다.
특히 수심이 얕은 호수에서는 응집제를 호수에 직접 투여할 경우 침전물이 재부유하여 혼탁해 질 수 있기 때문에 응집침전장치를 사용하는 것이 좋다. 그러나 유량이 작을 때는 매우 효율적이나 유량이 큰 홍수기에는 단시간 내에 많은 물을 처리할 수 없기 때문에 전처리댐의 용량이 커야 하며, 그렇지 않으면 처리하지 않은 물이 호수로 유입될 수 밖에 없다.
<김범철 (환경연구가)>