DBPIA-NURIMEDIA

Size: px

Start display at page:

Download "DBPIA-NURIMEDIA"

권 남궁
5 years ago
Views:

1 Kim et al. KJPH, 52(1):33-42, 2015 녹조현상에의하여배출되는이취미물질및독성물질의배출및제어에대한고찰 김문경 1, 문보람 2, 김태경 2, 조경덕 2* 1 서울대학교보건환경연구소 2 서울대학교보건대학원환경보건학과 A Study on Production & Removal of Microcystin, Taste & Odor Compounds from Algal bloom in the Water Treatment Processes Moon-Kyung Kim 1, Boram Moon 2, Tae-Kyoung Kim 2 and Kyung-Duk Zoh 2* 1 Institute of Health & Environment, Seoul National University 2 Department of Environmental Health, Graduate School of Public Health, Seoul National University Abstract The purpose of this study is to review the production and treatment of harmful substances (i.e., microcystins) and taster and odor substances (i.e., 2-MIB, geosmin) of hazardous compounds from algal bloom events. The classical treatment processes in water treatment plants were discussed. To effectively treat these harmful compounds, the classical water treatment processes including coagulation, chlorination, and activated carbon adsorption were discussed. As an alternatives for treating these compounds, advanced oxidation processes (AOPs) were also discussed. Ultimately, this study would give us the important information to minimize the formation of these harmful substances or other organic byproducts mediate from algal bloom. keywords: Algae, Geosmin, 2-MIB, Microcystin, AOPs I. 서론 최근기후변화로이상고온, 강수량감소, 일조량증가현상이빈번해지면서상수원에서조류 (algae) 의대량증식이일어나고있다. 특히남조류 (cyanobacteria) 는냄새및독성물질의발생, 여과지폐색, 산소고갈등여러문제를유발시키는것으로알려져있다. 남조류는호수및하천, 생활용수등에서확인되고있으며, 최근에다양한수질문제를일으켜이에대한관심이점차높아지고있다. 남조류는상수원으로이용되는저수지및강의부영양화로인해성장이촉진되며, 남조류의증가는수중의이 취미및독성물질의농도를증가시키는주요원인이다. 조류발생문제는과거에비해그빈도가더욱 잦아지고있으며그발생지역역시전지구적으로확대되고있다. 전세계적인인구의증가, 급속한산업화와오염원의증가등에따라질소, 인과같은영양물질의발생과수계배출량이늘어나기때문이다. 특히농업배수, 부적절한하수처리, 도로오염원등과같은인간의활동이많은수체에서부영양화를유발하였으며, 그결과담수에서조류와유해남조류의과도한번성을가져왔다. 조류자체에서발생되는맛, 냄새를유발하여양질의수돗물을만드는데어렵게하며, 재래식정수처리공정에따라처리되면조류의세포막파괴로인해조류내부의독성물질및냄새, 맛유발물질의유출이증가하고있다. 특히이렇게유출된독성물질이나냄새, 맛유발물질은일반적인재래식공정인응집공정과여과공정에서 * Corresponding author: Kyung-Duk Zoh (zohkd@snu.ac.kr, ) 33 Department of Environmental Health, School of Public Health, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul , Korea.

2 Production & Removal of MC and OTC from Algal bloom 쉽게제거되지않는다. 또한상수원에조류가발생하게염소요구량을증가시키고, 소독부산물의발생을증가시키는시키는것으로보고되어있으며, 조류로인한 humic 및 fulvic acid는소독부산물인 THM (trihalomethane) 형성의전구물질이된다. 조류발생문제는과거에비해그빈도가더욱잦아지고있으며그발생지역역시전지구적으로확대되고있다. 전세계적인인구의증가, 급속한산업화와오염원의증가등에따라질소, 인과같은영양물질의발생과수계배출량이늘어나기때문이다. 특히농업배수, 부적절한하수처리, 도로오염원등과같은인간의활동이많은수체에서부영양화를유발하였으며, 그결과담수에서조류와유해남조류의과도한번성을가져왔다. 이에수중의이취미물질및독성물질을효과적으로처리하기위한다양한연구가국내외에서이루어지고있다. 이에본연구는조류발생에서기인하는유해물질을정리하고, 이들의수질에서의모니터링에대한국내외연구를요약하며, 정수처리장에미치는문제점, 그리고효과적으로처리하기위한공정에대하여고찰하여보았다. II. 본론 조류기인이취미유해물질및독소물질수중의이취미원인은자연적요인과인위적요인이있으며이러한물질은건강에직접적인악영향을주기보다는심미적불쾌감을유발한다. 음용수와관련한이들이취미물질은일반가정에서수돗물을끊여먹거나생수, 정수기등을대용하게되어경제적으로막대한손실과아울러국민적위화감조성등을야기하고있다. 이취미물질을제거하는국내기술은미약하고그측정방법이비교적까다로우므로여러환경문제중에서도해결하기어려운문제로남아있다. 또한상수원의수질이현재보다현격히개선된다하더라도상수원수원의 90% 이상이대형인공호소나호소에서발원하는하천표류수를이용하고있어서호소의부영양화현상의심화로인한맛냄새물질의양은더욱증가될것으로예상된다. 지금까지밝혀진남조류에의해발생되는주 요이취미물질은 Geosmin, 2-MIB (2- Methylisoborneol), β-cyclocitral, 3-Methyl- 1-Butanol, TCA ( 2,3,6-Trichloroanisole), IPMP (2-Isopropyl-3-Methoxy Pyrazine), IBMP (2-Isobutyl-3-Methyoxy Pyrazine), Sesquiterpenes 등이보고되고있다 [1]. 대표적이취미유발물질인 Geosmin과 2-MIB의경우 actinomycetes와 cyanobacteria에의해자연적으로발생되며, 화학적으로안정하고산화에대한저항성을가지고있어기존의수처리방법으로는잘산화되지않으므로처리하는데상당한어려움이있다. 이들은수중에서수 ng/l 정도의농도 ( 후각감지농도 4~20 ng/l) 로도흙냄새나, 곰팡이냄새를낼수있는것으로알려지고있다 [1]. 일반적으로빈영양상태의호소에서는녹조류와편모류가우점하며, 부영양화된호수에서는남조류와규조류가우점하는것으로알려져있다. 이때조류에서기인하는독성물질들로는호소에서녹조가일어날때주로 Microcystis와 Anabaena가출현하며, 국내대부분의호소에서는 Microcystis가우점하는것으로알려져있다. Mycrocystis (MCs) 는담수에사는남조류로서, 상수원오염의주요성분인신경계에해를끼치는 neurotoxins과간에해를끼치는 hepatotoxins을생성한다. MCs가유명해진계기는 1996년브라질의카루아루 (Caruaru) 에서약 50명의투석환자가사망한사건이다. 이사건은인근의부영양화된저수지의물을여과하지않고염소소독만하여트럭으로운반해병원에공급해서발생한사건이다. 남조류의독소는자기방어를위한진화적산물이다. MCs는총 7개의아미노산으로이루어진분자량 1,000 정도의환상펩타이드이며, 이를구성하는아미노산의종류에따라 LR, LA, YR, RR 등을포함하여약 70여종의다양한종류가있는것으로알려져있으며, 이중 Microcystin-LR (MC-LR) 의독성이가장강하다 [2]. 간에해를끼치는 MC-LR의세계보건기구 (WHO) 가이드라인상의기준은 1 μg/l (ppb) 이다 [3]. 독성물질인 MCs는미국, 중국, 호주등전세계적으로문제가되고있으며, 낮은농도에서도인간및포유류의간손상및단백질가수분해를억제시키는독성을나타낸다. 이에 MCs는 WHO에의해가장신속하게 Guideline이필요한화합물로분류된다. 34 The Korean Journal of Public Health

3 Kim et al. KJPH, 52(1):33-42, 2015 (a) Geosmin (b) 2-MIB (c) Microcystins Figure 1. The structures of tasty & odor compounds ((a) geosmin and (b) 2-MIB) and harmful substances ((c) microcystins) from algal bloom. WHO 에서제시한이물질의 Tolerable Daily Intake (TDI) level 은 0.04 μg/kg/d 이다. 설치류 를이용한실험에서치사량은 5~10 mg kg body -1 이다. 부영양화가상시적인미국플로리 다주의호소에서측정되는 MCs 은 1 μg/l ~100 mg/l 이다 [4]. 조류기인유해물질의국내외모니터링연구 최근미국중서부에위치한호수를대상으로 원수내조류기인유해물질의분포특성을알아 본결과를표 1 에나타내었다 [5]. 그리고미국 내정수장운영자를대상으로설문조사를수행한결과, 조류에의해발생하는처리장에서의첫번째문제는맛과냄새라고하였다. 오존공정이많이도입되어있는미국남부지방은상대적으로맛과냄새문제에서는자유로워보였으나, 소독부산물의발생및탁도의증가와잔류염소의감소로인한수질저하문제가발생하고있다고하였다. 국내에서는지난 2012년 8월장기간가뭄으로낙동강수계및북한강수계에서남조류가과대번식한결과, 고농도의 Geosmin에의한수돗물의이취미문제, Microcystin 문제등이발생 The Korean Journal of Public Health 35

4 Production & Removal of MC and OTC from Algal bloom Table 1. Microcystin-LR measured by LC/MS/MS and dissolved taste-and-odor compounds measured by GC/MS in cyanobacterial blooms from the Midwestern in USA 1 Lake LC/MS/MS (μg/l) GC/MS (μg/l) LR GSM MIB IOWA Beeds Binder Carter Clear Crystal East Okoboji Prairie Rose Rock Creek 2, Spirit Upper Gar Kansas Clinton Miaimi Perry Prairie Sabetha Minnesota Albert Lea Budd Elysian Loon Lura Okamanpeedam Missouri Bilby Ranch Mozingo 시료채취기간 : 2006년 8월 7-11일 하였다. 이에따라수돗물에대한국민들의불신이증가하여생수판매가판매량기준으로 20% 증가하였으며, 이때에북한강수계에서 Geosmin 농도가 590 ng/l까지증가하여사회적인문제로발전하였다. 또한한강은 Anabaena, 낙동강은 Microcystis(Microcystin -LR 생성가능 ) 가주종으로파악되었다. 그리고이때에클로로필 -a 농도가 14.3~34.2mg/m 3 정도였고, 남조류는 1,180~4,470 세포 /ml 였다. 참고로클로로필 -a 의경우 15 mg/m 3, 남조류의 경우 500 세포 /ml 이상일때조류주의 보가발령된다 년에는서울시 6 개정수장 36 The Korean Journal of Public Health

5 Kim et al. KJPH, 52(1):33-42, 2015 유입 Geosmin 농도가 50~194 ng/l ( 기준 ) 였고, 2012년 8월 15일기준으로는 38~97 ng/l였다. 2012년 8월 13일기준으로팔당댐의남조류농도는 6,558 세포 /ml이였고, Geosmin은 292 ng/l였다 [6-9]. 조류의발생이정수장에미치는영향첫째, 응집 (coagulation) 장애이다. 조류의세포막은일반적으로친수성이높으며친수성이높은물질은응집제에의한제거가어렵다. 특히독립영양을하는식물성플랑크톤의경우광합성과정에서유기물을생산하는데이중상당부분이대사생성물로써배출은주로 EOM (Extracellular Organic Matter) 형태이며, 세포내의탄소중 7~60% 까지배출된다 [1]. 여름철조류에의한 EOM의방출이많아지게되고방출된 EOM에의해서응집제의처리대상물질의표면을덮은경우입자의안정화를유발하여응집제의투입량이증가하게된다. 또한조류의광합성작용에의한수중의이산화탄소의감소로인해 ph는상승하여응집제의용해도를증가시켜 floc 형성을저해시킨다. 둘째, 침강성을떨어뜨려기존침전효율을저하시킨다. 조류의세포막은일반적으로생체막과같이인지질등의양침모성지질의이중층에단백질이들어있는구조로예상하고있기때문에친수성이높다. 또한세포외측에점질층을가지는것도있다. 이와같은형태적특성중에형상, 낮은세포농도, 생체막및점질층등에기인하여생기는친수성은조류의응집처리에곤란한요인이있다. 광합성작용으로이산화탄소의감소로인한 ph의상승은 Alum을비롯한응집제의용해도를증가시키므로 floc 형성을저하시킨다. 더불어조류자체의밀도가낮으므로조류를포함하는 floc의밀도도감소하게되고, 나아가광합성작용으로생성된산소는이러한 floc의부상 (flotation) 을부추겨정수처리공정에서침전에상당한어려움을낳을수있다. 셋째, 여과지의조기폐색을가져올수있다. 조류의과다유입은난침강성의특성을지니기때문에침전지에서여과지로바로많은양의탁도물질들이유입되어여과지의조기폐색현상을유발하게된다. 특히급속여과시스템은큰밀도의무기물질을처리하기위해개발되어왔기에조류제거에있어서적당하지않다. 넷째, 무기성분의용출문제가있다. 다량의녹조가고사한뒤침강하게되면저층에서분해가되고이에따라저층수는무산소상태가되어토사에내포되어있던철, 망간과같은성분이용출이가능하게된다. 이러한무기물질이수중에함유되어송수관과같은관내에스케일이형성하기도한다. 다섯째, 정수내이취미를유발한다. 정수공정을거쳐서처리된물에서곰팡이냄새가나거나물비린내가나는경우가발생하는데이는수중의조류가발생하는 Geosmin 및 2-MIB와같은물질때문이다. 여섯째, 수질저니층의화학적인변화를가져올수있다. 부영양화에따라발생하는다량의플랑크톤은고사한뒤침전되어저질층에서분해된다. 그결과저층수는무산소조건으로되고저층의토사에내포되어있던철 (Fe) 이나망간 (Mn) 과같은성분이용출되게된다. 이들물질들이정수장에들어오게되면수돗물중에다량으로존재하면맛의저하및세탁물의변색등의원인이된다. 심한경우에는스케일로서송수관속에축적되고그것이박리됨에따라정수장애의원인이되며, 이러한철 (Fe) 망간(Mn) 을제거하기위해서는고가의정수처리비가소요된다. 조류기인유해물질의정수장에서의처리 (1) 기존정수장에서의녹조대처기술기존의정수처리공정은일반적으로취수, 전염소, 응집 / 침전, 침전, 여과, 후염소, 활성탄, 살균의순으로구성된다. 활성탄은고도정수처리공정으로국내에서는이미일부처리장에도입이되고있다. 보통정수처리공정에서조류가미치는피해는입자성및용해성물질로분류한다. 입자성물질은크기 μm정도의조류그자체이다. 이들은직경이크기때문에응집 / 침전, 여과, 분리막에의해쉽게제거된다. 용해성물질은조류의세포벽이파괴되어용출되는물질로서 Geosmin, 2-MIB, Microcystins, Protein (Amino Acids) 등이있다. 따라서이들을추가로제거하기위하여일반적인정수처리공정인응집 / 침전, 여과, 염소소독에서일부분제거되기도하고, 오존 / 활성탄등의고도정수처리공정이추가로필요한경우도있다. The Korean Journal of Public Health 37

6 Production & Removal of MC and OTC from Algal bloom 기존정수처리장에서조류기인유해물질은 주로염소처리공정에서제거된다. 그러나, 염소 처리에의하여산화되면무기화 (mineralization) 되기보다는염소원자가결합되는다른부산물로 변환이주로된다. 이들부산물에대한독성이 나, 영향은아직잘알려져있지않으므로, 조류 기인유해물질이처리된다고안심할수없고, 이들부산물들에대한정성, 정량확인및독성 평가를이루어져야한다. (2) 조류기인이취미물질의처리 최근수행된연구에서 Geosmin 과 2-MIB 을 대상으로오존및활성탄조합정수공정에서의 제거효과를알아본결과, 기존처리공정보다는 오존 / 활성탄공정이제거효율이높게나타났다 [10]. 그러나오존공정만으로는 Geosmin 과 2- MIB 의완벽한제거가힘든것으로나타났는데 일반적으로정수장에서사용하는 2 ppm 이하의 오존농도조건에서대략 40% 이하의제거율을 나타내었다. 오존농도를 10 ppm 으로높였을 경우에도제거율이 40-55% 수준을보였다. 그 리고 2-MIB 보다 Geosmin 이훨씬효과적으로 활성탄흡착에의해제거될수있는것으로나 타났다. 또한두물질모두 ph 가증가함에따 라서활성탄흡착능이증가하는것으로나타났 다. 한편수중천연유기물질이존재하는경우 그렇지않은경우에비해두물질의흡착능이 감소하는것으로나타났다 [11]. 오존산화에의해 Geosmin 는 51-60%, 2- MIB 는 34-57% 의제거율을보였다 [12]. 또한, Geosmin 의경우입상활성탄 (Granular Activated Carbon; GAC) 와 O3+GAC 의경우 운영초기에는 100% 의제거율을보였으며, Bed volume 까지 GAC 에서는 10 ng L -1 미만, O3+GAC 에서는 5 ng L -1 미만으로검출 되었다. 이처럼 Geosmin 은 GAC 만으로도제거 가가능하나오존처리후 GAC 흡착을시킬때 활성탄의사용기간이더길어지게된다. 오존 공정에의해 Geosmin 과 2-MIB 가완벽하게제 거되기힘든이유는이들물질들과오존과의반 응성이높지않기때문이다. Geosmin 과 2-MIB 을대상으로오존과 OH 라디칼과의이차반응속 도상수값은각각 0.10, 0.35 M -1 s -1 인데일반 적인오존공정에서 2 ppm 이하의오존농도를 사용할경우오존과의직접반응을통해유기오 염물질이완전히 (99% 이상 ) 산화되기위해서는 10 3 M -1 s -1 이상의속도상수를가져야한다 [13-14]. 반면오존 / 과산화수소공정과활성탄 공정의조합이 Geosmin, 2-MIB 와같은맛 냄 새물질제거에가장효율적인것으로나타났다. 오존및고도산화기술을이용한 Geosmin, 2- MIB 와같은맛 냄새물질제거에관한연구들 은국내외적으로어느정도진행되었으나, 국내 연구들중에서이러한물질들의분해경로나거 동그리고분해부산물들을체계적으로연구한 사례는드물다. (3) 조류기인독소물질의처리 조류기인독소물질인 Microcystins (MCs) 는 대부분염소소독에의해제거되는데, 0.5 mg Cl2/L 의염소로 30 분간 ph < 8 의조건에서처 리할경우거의 100% 제거가가능하였다. MCs 는오존에의해쉽게제거되며, 응집 / 침전 / 여과 에의해서도 59~97% 정도제거된다. Microcystin-LR (MC-LR) 과오존및 OH 라디칼과의이차반응속도상수값은 M - 1 s -1 로매우크게나타났다. 이는오존공정에서 MC-LR 은오존과의직접반응을통해효과적으 로분해될수있음을의미한다. 그리고 MC-LR 은자연수에서 1-2 ppm 의오존주입농도에서 완전히분해될수있는것으로나타났다. 고농 도의유기물함량 (13.1 ppm) 을가지는 Lake Äyhönjärvi 원수에서도 2 ppm 이하의오존주입 농도로 MC-LR 을완전히제거할수있었고, 유기물함량이 3.6 ppm 인 Lake Greifensee 원 수에서는 0.5 ppm 이하의오존주입농도만으로 도완전한제거가가능하였다. 또한 OH 라디칼 의 Scavenger 로잘알려진 t-buoh 을첨가하 였을경우와그렇지않은경우에서 MC-LR 의 분해효율의차이가크지않은것으로나타났는 데이는실제로오존공정에서오존과의직접반 응에의한 MC-LR 의분해가주요하다는것을 확인해준다. MC-LR 이오존에의해쉽게분 해되는이유는오존에의해쉽게공격을받을 수있는탄소이중결합을가진기능기들이다수 존재하기때문이다 [15-17]. 한편, 산화제들이오히려물속에남아있던 조류의 cell lysis 를촉진시켜 MCs 을생성할수 있다는연구결과도보고되고있다. 한연구에 따르면 MC-LR 제거를위해이용되는산화제들 이오히려정수처리과정중에 MC-LR 의농도를 높일수있다고보고했다 [18]. 그러나산화제 38 The Korean Journal of Public Health

7 Kim et al. KJPH, 52(1):33-42, 2015 농도가충분한경우이러한문제를해결할수있다는연구결과들도있다. 염소를이용하여 MC-LR를분해실험수행한연구결과에서는염소가조류의 cell lysis 일으켜정수처리과정중에 MC-LR 의농도를높이기는하지만일정이상의염소주입시모두제거가충분히가능한것으로나타났다 [19]. 그러나국내에서보고된연구결과 [20] 에따르면전염소혹은전오존처리를할경우, Microcystin-RR의농도가원수내농도보다적게는 1.1배, 많게는 6배로증가할수있다고보고하였다. 이에오존이나염소공정을응집 / 침전공정을통해분자량이큰조류를먼저제거후나중에오존이나염소공정을배치하는것이 Microcystin의제어에효과적이라고제시하고있다. 염소위주의정수처리공정에서의문제점및개선방안조류는내부에함유하고있는 Intracellular Cyanotoxins과조류가죽은후외부로흘러나오는용해성물질인 AOM (algal-derived organic matter) 의형태인 Extracellular Cyanotoxins으로구분하여설명할수있다. Intracellular Cynotoxin은조류의내부에있기때문에, 입자상의조류와동일하게생각할수있다. 이러한조류가전오존이나전염소와같은 Preoxidation 공정에들어가면세포벽이파괴되어세포내의 AOM이용해되어나오기때문에, Preoxidation을사용하는것은조류가풍부한원수에사용하는경우는바람직하지않다 [21]. 따라서염소사용시녹조내이취미물질인 Geosmin 혹은 2-MIB의제거율이저하되거나, 트리할로메탄생성이증가되기때문에최근에는정수공정의중간단계에서염소를주입하기도한다. 규조류인 Melosira, Synedra 등의경우가바로그것이다. 반면에남조류인 Microcystis와같이한천질로둘러싸여서군체를형성하고있는조류의경우에는전염소처리를하게되면, 외부한천질이붕괴되고개개의세포가떨어져나가서응집및침전되기어렵다. 따라서이러한위험부담을지닌전염소처리보다는응집, 침전과정에서군체상태로제거하는것이효과적이다 [21]. 트리할로메탄을저하하기위하여중간염소처 리를장기간계속하면, 침전지의경사판이나집수장치등에서조류등이번식한후박리되어여과장애를발생시키는경우가있다. 이와같은조류의번식을억제하기위해서는전염소주입을병용하거나간헐적으로전염소처리를하는것이효과적이다. 또한, 원수에조류가많은경우에중간염소처리만을하면조류를충분히침전제거할수가없고, 여과폐쇄의우려가있는경우도있다. 따라서원수의생물종류와수량에따라서전염소처리와중간염소처리를구분하여사용하여야한다. 또한응집 / 침전공정에서는침전된슬러지에함유된조류내부의 AOM이밖으로나오지못하도록해야하며, 침전조상등액등이다시원수로재사용되지않도록주의해야한다 [21]. 또한조류의세포벽이파괴되어외부로용출되는 AOM은관망의잔류염소에미치는영향이크다. AOM (Algal-derived Organic Matter) 과잔류염소가반응하여발암성소독부산물생성가능성이있다 [11]. 용존유기질소 (Dissolved Organic Nitrogen; DON) 이잔류염소감소속도를가속화시킨다. 관망의잔류염소를확실히관리하는것이세계적인추세이다. 일본의잔류염소기준치는 0.1~1.0 mg/l이나, 동경의경우자체기준으로 0.1~0.4 mg/l로관리하고있다. AOM에풍부한아미노산과염소가반응하여, 살균능력이없는 Organic Chloramines이만들어진다. 그리고아미노산은잔류염소감소를가속화시킨다. 또한관망에서미생물막의형성을가속화시키기때문에이에대한연구가필요하다 [11]. MCs는염소소독으로도제거가가능하므로, 현재의상수처리방식 ( 염소소독 ) 으로도충분한대처가가능하다. 그러나중요한 MCs의분해부산물에대한연구가미비하다. 이들부산물들이어떤독성을가지는지에대한평가연구가필요하다. 또한오존, 염소처리는 Microcystins 등에매우효과적이나, 모노클로라민, ClO2는효과가떨어진다. 상수원의조류가문제시되는정수장은장기적으로오존 / 활성탄, DAF 공정등의도입검토가필요하다. 전오존공정을적용한정수장은 MCs의모니터링강화가필요하며, 필요시염소량을조절해야한다. 사여과지 ( 활성탄지 ) 역세주기를짧게유지하는것이필요하다. 뿐만아니라역세수를재활용하는경우주의깊은운영방식이필요하다. 뿐만아니라 The Korean Journal of Public Health 39

8 Production & Removal of MC and OTC from Algal bloom 역세수를재활용하는경우주의깊은운영방식이필요하다. 급수관망내에서 AOM/DON 제어할수있는후오존+BAC 등의공정도입이필요하다. 고도산화공정을이용한조류기인유해물질의처리대안 Geosmin, 2-MIB와같은이 취미물질의경우오존과의반응성이좋지않아오존 / 과산화수소와같이 OH 라디칼을다량발생시킬수있는공정이유리하다. 그러나 Microcystins의경우에는오존과의반응성이높으므로, 유사한조건에서오존 / 과산화수소공정을사용할경우오존의분해를촉진시켜오히려제거효율이떨어질수있다. 따라서오존기반산화공정에서두부류의조류유발미량오염물질들을동시에효과적으로제거하기위해서는수질조건에따른정확한오존과 OH라디칼의농도를정량화하고이에기반을두어정수처리공정을운전하여야할것이다. 분말활성탄은용해성유기물질의제거는매우일반적으로사용되어왔다. 활성화된넓은표면적을가지고있어서미량유해물질이흡착될공간이많다. 활성탄몇그람의표면은축구장면적과맞먹는다. 활성탄은 PAC( 분말 ) 및 GAC( 입상 ) 형태로적용된다. 오존공정과함께 BAC (Biological Activated Carbon) 공정으로상수처리에적용되는경우많다. 활성탄은 Geosmin 및 2-MIB 제거에효과적이다. Hepatotoxins (Microcystins) 제거에미량의분말활성탄은효과가적었으나 (PAC 50 mg/l 이상필요 ), 오존 + 활성탄은완벽한제거가가능했다. 분말활성탄으로 80% 의 Hepatotoxins 가능하다는연구도있다. 분말활성탄의재료에있어서, 목질및석탄계는우수하였으나, 코코넛및피트모스계의효율은좋지않았다. 분말활성탄을이용한실험에서 Geosmin은원수의성상에관계없이제거가잘되었으나, 2-MIB는원수의특성에따라다양한제거효율을보였다 [22]. 오존처리공정에서는 OH radical을이용하여 Geosmin과 MIB 제거가가능하다. 이때 ph를 8 이상으로유지하거나 H2O2를첨가하여 AOP (Advanced Oxidation Process) 를유도하여야한다. O3+BAC(Biological Activated Carbon) 공정을사용한정수장에서는지난미국오대호 의역사적인부영양화기간에도이취미가문제가발생하지않았다. 오존처리는추가적으로 EDCs (Endocrine Disruptor Chemical) 와 PPCPs (Pharmaceuticals and Personal Care Products) 제거에도효과적이다. 전오존처리나전염소와같은산화공정은 Algae의응집효율을증가시키나, AOC (Assimilable Organic Carbon) 농도를증가시킬수있다. 이것은조류의세포벽을파괴하여세포내 AOM 등이밖으로용출되는것을돕기때문이다. 이경우염소소독시소독부산물생성이가속화된다. 연구에따르면 THMFP이 10% 증가하고, HAAs 생성도약간증가한다는연구도있다. 오존은 Microcystins 처리에매우효과적이다. 이것은불포화탄소결합이많기때문에오존과의직접반응혹은 OH 라디칼과반응에의해가능하기때문이다 [11]. 기타정수처리공정을이용한조류기인유해물질의처리분리막을이용한조류의제어연구는많지는않지만, 분리막을이용하여입자상의조류를제거하는것은효율적일것이다. 그러나조류가분리막의표면혹은시스템에장기간남아있게되면조류로부터 AOM이용출되어나올수있기때문에주의가필요하다. 역삼투압 (Reverse Osmosis; RO) 이나나노여과막 (Nanofiltrtaion; NF) 공정은용존성 Cyanotoxins을쉽게제거할수있을것이다. 과산화수소는 Microcystins 혹은 Anatoxins의제거에효과적이다. 그러나 Cylindrosspermopsin의제거는아직연구가더필요하다. 그이외에도용존공기부상법 (dissolved air flotation; DAF) 는입자상의조류제거에매우효과적인방법이다. 조류는밀도가작아쉽게뜨기때문이다. 조류의세포벽이파괴되어나오는 AOM인 Extracellular Cyanotoxins은용존성물질이기때문에정밀여과 (Membrane Filtration; MF) 나한외여과 (Ultrafiltration; UF) 공정에의해서는제거가어렵다. 그러나아직자료가부족하기때문이좀더많은연구가필요한부분이다. 자외선 (UV) 는 Microcystins, Cylindrospermopsin의제거가가능은하지만비현실적으로많은조사량이필요하므로실용적이지못하다. 40 The Korean Journal of Public Health

9 Kim et al. KJPH, 52(1):33-42, 2015 III. 결론 Acknowledgement 이상에서살펴본바와같이, 녹조자체의제거와더불어녹조에서발생하는 2-MIB, Geosmin, Microcystin등의용존유기물질들을제거하기위해서는고도산화나활성탄흡착공정등기존공정의개선이필요하다. 현재정수처리시설에서는조류발생시심층수를취수하거나염소처리, 활성탄처리등의대처방안을수행하고있으나, 현추세와같이점차녹조발생이심화및장기화되어간다면완벽한제어가불가능하기때문에향후지속적으로발생할조류에의한영향을최소화하기위한근본적이고획기적인대안을마련하기위해이와관련된처리공정기술개발이시급한실정이다. 하지만현재까지의연구들은조류기인이 취미물질및유해물질에대한고도산화공정의성능평가에관한연구만이이루어졌고, 이들유해물질들의처리후부산물 (byproduct) 에대한평가자료는매우미흡한상태이다. 이에유해물질을가장효과적으로산화하고완전분해를가능하게하는고도산화기법을적용하여조류기인유해물질의산화반응메커니즘연구및분해부산물에대한거동평가연구가필요하다. 특히고도처리공정을이용하여일반정수처리공정으로는제거되지않는이 취미물질및미량유기오염물질을제거에매우효과적이다. 본연구에서알아본바와같이조류기인유해물질들을활성탄, 오존등과같은고도처리를하면제거할수있으나, 독성물질이처리수에존재할가능성이있다. 따라서정수장내에유입된조류는우선적으로제거시킨후처리수내에함유된이 취미물질을흡착혹은고도산화공법을이용하여제거하는방법이효과적이라판단된다. 또한조류에서기인하는새로운맛ㆍ냄새유발물질및그의분해부산물에대한분석조건의확립, 분해에미칠수있는영향인자들에대한특성평가및부산물발생에대한최소화방법에대한연구가필요하다. 특히고도산화공정이도입될경우최근이슈가되는기후변화문제등다양한외부변수에도안정적인수돗물공급이가능해져시민들의불안감해소에큰기여를함으로써, 최근이슈되는사회문제까지도해결가능할것으로기대된다. 본연구는한국연구재단의 조류기인유해 물질의소독공정을포함한고도산화고정 (AOPs) 을이용한최적처리및분해부산물거동특성 평가 (NRF-2014R1A2A1A ) 과제와 보건연구재단 (CMB) 의연구보조로수행되었습니 다. References 1. 한국환경산업기술원. 녹조발생수환경관리및대응기술 Sylvain Merel et al., State of knowledge and concerns on cyanobacterial blooms and cyanotoxins, Environmental International, 2013, 59, WHO, Guidelines for drinking water quality 2011, fourth edition round/exsumpdf/microcystin.pdf 5. Bigham D.L.. Hoyer M.V., Canfield D.E. Jr., Survey of toxic algal (microcystin) distribution in Florida lakes Lake and Reservoir Management, 25, 서미연, 김백호, 한명수. 서울경기직역의 공원 연못 및 한강 수계내 조류독소 Microcystin-LR의분포 Korea J. Limnol. 38(2), 신재기, 김동섭, 이혜근, 맹승진, 황순진. 옥천천유역의하천과만곡부에서조류생장잠재력측정 Algae, 18(2), 이경락, 정원화, 김종민, 김영생, 최희진, 김한순. 영천호에서남조류독소 (microcystins) 의계절적변동 Korean J. Limnol. 41(2), 이인정외 4, HS-SPME-GC/MS 를이용한 낙동강수계하천수중조류기원성냄새물질분석 Analytical Science & Technology, 26, M. Antonopoulou et al., A review on advanced oxidation processes for the removal of taste and odor compounds from aqueous media Water Research, 53, The Korean Journal of Public Health 41

10 Production & Removal of MC and OTC from Algal bloom 11. Lionel Ho et al., Influence of the character of NOM on the ozonation of MIB and geosmin Water Research, 36, Baoling Yuan et al., Removal efficiency and possible pathway of odor compounds (2- methylisoborneol and geosmin) by ozonation 2013, Separation and Purification Technology, 117, Xiaowei Liu, Zhonglin Chen, Nan Zhou, Jimin Shen, Miaomiao Ye. Degradation and detoxification of microcystin-lr in drinking water by sequential use of UV and ozone Journal of Environmental Sciences, 22(12), Xiexiang He, Miguel Pelaez, Judy A. Westrick, Kevin E. O Shea, Anastasia Hiskia, Theodoros Triantis, Triantafyllos kaloudis, Mihaela I. Stefan, Armah A. de la Cruz, Dionysios D. Dionysiou. Efficient removal of microcystin- LR by UV-C/H2O2 in synthetic and natural water samples, Water research, Wansong Zong, Feng Sun, Xiaojing Sun. Evaluation on the generative mechanism and biological toxicity of microcystin-lr disinfection by-products formed by chlorination Journal of Hazardous Materials, Wansong Zong, Feng Sun, Xiaojing Sun. Oxidation by-products formation of microcystin-lr exposed to UV/H2O2: Toward the generative mechanism and biological toxicity Water research 47, Xiaochun Guo, Ping Xie, Jun Chen, Xun Tuo, Xuwei Deng, Shangchun Li, Dezhao Yu, Cheng Zeng. Simultaneous quantitative determination of microcystin-lr and its glutathione metabolites in rat liver by liquid chromatography-tandem mass spectrometry Journal of Chromatography B, 963, Lam, A. K. Y.; Prepas, E. E.; Spink, D.; Hrudey, S. E. Chemical control of hepatotoxic phytoplankton blooms - Implications for human health. Water Res. 1995, 29 (8), Daly, R. I.; Ho, L.; Brookes, J. D. Effect of chlorination on Microcystis aeruginosa cell integrity and subsequent microcystin release and degradation. Environ. Sci. Technol. 2007, 41 (12), 김민규, 권재현, 조영하, 이진애. 권오섭. 오존산화에의한정수장의 Microcysin 제거특성에관한연구 한국환경위생학회, 29(1), Cyanobacteria and Cyanotoxins: Information for Drinking Water Systems, EPA-810F11001 July, Lambert TW, Holmes CFB, Hrudey SE. Adsorption of microcystin-lr by activated carbon and removal in full scale water treatment, Water Research 1996, 30(6), The Korean Journal of Public Health

기후변화에따른담수호수생태계변화조사 및보전에관한연구 (Ⅲ) - 기후변화에따른유해남조류발생특성연구 - 물환경연구부유역생태연구팀 Ⅲ 2012

11-148523-132-1 기후변화에따른담수호수생태계변화조사 및보전에관한연구 (Ⅲ) - 기후변화에따른유해남조류발생특성연구 - 물환경연구부유역생태연구팀 Ⅲ 212 목차 Ⅰ Ⅱ Ⅲ ⅰ 목차 Ⅳ ⅰ 목차 iii 목차 ⅳ Abstract ⅴ Ⅰ. 서론 1 Ⅱ. 연구내용및방법 < 그림 1> 대청호유역추소리조사지점도 2 Ⅱ. 연구내용및방법 3 Ⅱ. 연구내용및방법