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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.30 No.4 pp.381-389
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2016.30.4.381

Analysis of chromaticity cause in Jeju Eoseungsaeng Lake

Jeonghoon Lee1, Heenam Lee1,2, Jinkeun Kim1*
1Dept. of Environmental Engineering, Jeju National University,
2Jeju Special Self-Governing Province
Corresponding author: Jinkeun Kim (kjinkeun@jejunu.ac.kr)
January 19, 2016 April 28, 2016 July 6, 2016

Abstract

Jeju Eoseungsaeng lake which is a main water resource of Eoseungsaeng water treatment plant(Q=15,000 m3/d) experienced high chromaticity(40 CU) and pH(9.46) in 2013. This could decline customer's confidence on drinking water quality unless proper identification and removal of chromaticity were implemented. To find cause of chromaticity, water monitoring on various water parameters including TOC, algal cell count, Chl-a, turbidity, SS, conductivity, etc. were implemented. Iron and manganese were excluded from the cause of chromaticity due to its low concentration (i.e., < 0.02 mg/L). Correlation among water parameters showed that relationship between algal cell count and chromaticity was the highest(R=0.43), which suggested that presumably the main reason of chromaticity occurrence in Jeju Eoseungsaeng lake was algae.


제주도 어승생 저수지 색도 원인 분석

이 정훈1, 이 희남1,2, 김 진근1*
1제주대학교 환경공학과,
2제주특별자치도

초록


    Ministry of Environment
    GT-11-G-02-001-1

    1.서 론

    국내 상수도사업은 경제성장과 더불어 성장하였으 며, 수돗물에 대한 소비자의 인식수준과 관심은 지속 적으로 높아지고 있다. 최근에는 건강상 큰 문제를 야 기하지는 않지만 소비자가 직접적으로 인지하여 불쾌 감을 줄 수 있는 색도나 맛·냄새와 같은 심미적 영향 물질에 기인한 수돗물품질에 대한 민원이 증가하고 있는 실정이다(Kim, 2015).

    제주도는 상수원의 대부분을 고품질의 지하수에 의존하 는 관계로 수돗물에 대한 신뢰도가 육지부에 비해 상대적 으로 높은 것으로 평가되고 있으며, 2013년 수돗물 만족도 조사에 따르면 제주도의 수돗물 직접 음용률은 24.7%로 전국 평균(5.3%)에 비하여 매우 높은 수준이다(JPWRH, 2013). 그러나, 미국(56.0%), 캐나다(47.0%), 일본(33.0%)의 수돗물 직접 음용률과 비교하면 여전히 낮은 수준으로 평가된다(Kim et al., 2014). 수돗물 신뢰도 향상을 위해 정부 및 수도사업자는 먹는물 수질기준 강화, 고도정수처 리공정 등의 선진기술 도입, 정수장 운영 및 관리 능력향상, 노후 상수도관의 지속적인 개량 등에 힘쓰고 있다.

    제주도의 연평균 강수량은 1,975 mm로 국내 최다 우지역이나 투수성이 높은 다공질의 토질구조로 인해 대부분의 강수가 지하로 침투하여 지표수의 발달은 매우 미약하다(Kang et al., 2012). 제주도 16개 정수장 중 지하수를 상수원으로 하는 9개 정수장은 염소소독 만 실시후 수돗물을 공급하고 있으며 용천수를 상수 원으로 하는 경우에는 대부분 완속여과+염소소독의 정수처리후 수돗물을 공급하고 있다.

    한편, 제주도 상수도 시설의 57%가 하류 해안지역 에 위치하고 있기 때문에(Bae, 2005) 해발 200~600 m에 위치한 중산간지역의 주민들에게 수돗물 공급이 어려운 문제점이 있어 해발 596 m에 저수용량 100,000 m3의 어승생 제1저수지를 1971년 준공하여 한라산 국 립공원 내 어승생 계곡의 용천수를 저수한 후, 취수-급속여과-완속여과-염소소독의 정수처리 공정으로 구성된 어승생 정수장(Q=15,000 m3/d)에서 정수처리 후 수돗물을 공급하고 있다.

    어승생 제1저수지는 준공후 약 45년간 사용 중으로 영양염류의 유입, 저수지내 퇴적물에 의한 영양염류 의 용출 등에 기인한 부영양화현상과 이로 인한 조류 농도 증가, pH 증가, 색도 증가 현상 등이 발생 할 수 있다. 실제 2013년 3월에는 어승생 저수지에서 색도가 40 도, pH가 9.46으로 매우 높은 수준으로 관찰되었다 (JPWRH, 2015; Lee, 2016).

    수돗물에서 색도의 기준은 5 도 이하이나(MOE, 2016), 어승생 제1저수지의 경우 매우 높은 수준의 색도 가 관찰되었고, 이러한 색도 발생이 반복되면 정수처리 공정에 부정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 처리가 불충 분 할 경우 수돗물에서 색도 민원이 발생할 것으로 판단 된다. 따라서 고품질의 수돗물을 안전하고 안정적으로 공급하기 위해서는 어승생 저수지 내에서 발생하는 색도 의 원인을 규명하고 이를 토대로 정수처리공정에서의 색 도 저감 방안을 모색해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 제주도 어승생 저수지 내에서 색도의 원인이 될 수 있는 조류, TOC, 탁도, SS, Chl-a, 철, 망간, T-N, T-P 등의 수질 인자를 모니터링하고 색도와의 상관성을 분석하였다.

    2.연구대상 및 방법

    본 연구에서는 제주도 한라산 Y계곡의 용천수를 저 수하여 상수원수로 이용되는 제주시 해안동에 위치한 어승생 제1, 2저수지를 연구대상으로 하였다. 어승생 제 1,2저수지는 모두 어승생 정수장(Q = 15,000 m3/일)에 원수를 공급하고 있다. 제1저수지의 만수위는 7 m이며, 저수용량은 약 100,000 m3이다. 하지만 가뭄 시에 물 부족 현상이 있어 제주도는 총 저수용량이 500,000 m3이고 만 수위가 17 m인 제2저수지를 2012.11월에 준공하였으며, 2013.2월부터 저수 된 물을 상수원으로 활용하고 있다.

    제주도 어승생 저수지 내 색도 발생 원인을 조사하 기 위해서 2015.5월부터 10월까지 월별 수질 모니터링 을 실시하였다. 시료 채수는 조류의 활동이 활발하여 색도의 발생이 높을 것으로 예상되는 맑은 날의 낮 시간에 실시하였으며, water sampler를 이용하여 1 m 간격으로 수심별로 채수하였다. Fig. 1은 어승생 제1, 2저수지에서의 샘플링 위치를 나타낸다(Lee, 2016).

    수질측정은 항목 특성에 따라 현장 및 실험실 측정 으로 구분하여 실시하였으며, 현장측정항목 중 pH, 수 온, DO, 전기전도도는 다항목측정기인 HQ40d(HACH, USA)로 측정하였으며, 투명도는 Secchi disk(Lamotte, USA)를 사용하였다. 실험실측정항목과 실험방법, 분 석기기에 대한 내용은 Table 1과 같으며 시료채취 시 기는 Table 2에 나타내었다(Lee, 2016).

    3.결과 및 고찰

    3.1.원수수질 현황

    어승생 제1, 2저수지의 수심별 색도측정 결과는 Fig. 2 에 나타내었으며, 현장측정 항목 중 수심별 pH와 DO의 경향성은 Fig. 3, 4에 나타내었다. 어승생 제1저수지의 경 우 대부분 만수위인 7 m를 유지하고 있었으나, 제2저수 지는 측정기간 중 저수지 유입량과 정수장에서의 정수처 리량에 따라 수위가 8~17 m 범위에서 변동이 있었다.

    어승생 제1저수지에서 수심별 색도의 경우 4회 조 사 모두 표층보다는 표면으로부터 2~4 m 수심에서 높게 검출되었다. 한편 제2저수지의 경우에는 2015.6 월 조사에서는 수심 1 m에서 가장 높은 색도가 관찰 되었으나, 2015.7,8월 조사에서는 수심 7~8 m에서 가 장 높은 것으로 조사되었다.

    pH와 DO는 제1저수지의 표층부터 3~4 m 지점과 제 2저수지의 표층부터 6~7 m 지점까지는 소폭 증가하거 나 거의 변화가 없었지만 변곡점을 지나고 나서는 급격 하게 감소하였다. pH와 DO의 값이 급격히 변하는 구간 에 층이 생겼을 것으로 예상된다. DO 포화도의 경우에 는 표층부터 변곡점 이전까지는 100%이상의 과포화 상 태로 나타났다. 이는 조류의 과다번식에 의한 것으로 판 단되며 층이 생긴 이유는 저수지 내 서식하는 조류에 의한 영향이 클 것으로 추측하였다. 조류는 광합성을 하기 때문에 저층보다 비교적 햇빛이 잘 투과하는 표층~변곡점에 많이 서식할 것으로 판단된다.

    색도는 pH와 DO의 변곡점이 나타나는 지점에서 가 장 높게 측정되었고, 제1저수지에서는 거의 전층 시료 에서 먹는물 수질기준인 5 도 이상으로 검출되어 정수 처리공정에서 색도제거가 필요할 것으로 판단된다. 제2 저수지의 경우에는 3~6 도의 색도를 나타냈으며 현재 어승생 정수장의 정수처리공정을 통해 먹는물 수질기 준에 적합한 색도로 제어가 가능 할 것으로 보인다.

    철과 망간은 실험실 수질측정 결과, 제1저수지에서 각 각 불검출~0.02 mg/L, 불검출~0.003 mg/L, 제2저수지에 서는 각각 불검출~0.02 mg/L, 불검출~0.002 mg/L로 측 정 되었으며, 어승생 정수장의 월별 먹는물 검사에서 철 과 망간은 각각 불검출 되었다(JPWRH, 2015). 흑수의 원 인이 되는 망간은 발색 한계 농도가 0.01 mg/L 정도로 알 려져 있으므로(Sly et al., 1990) 어승생 저수지에서 망간에 의한 색도의 발생 가능성은 거의 없는 것으로 판단된다.

    한편, Chl-a 농도는 제1저수지에서 25 mg/m3 이상으로 조류경보 수준으로 높게 나타났으며 제2저수지에서는 20 mg/m3 이하로 나타났다. Fig. 5는 각각 제1, 2저수지의 수심에 따른 Chl-a의 농도변화를 나타내며, 특히 색도 값이 가장 높았던 변곡점 지점에서 Chl-a 농도도 높게 나타났다.

    3.2.조류 특성 분석

    어승생 제1저수지의 원수수질모니터링 결과 표층으 로부터 2~4 m 지점에서 색도를 비롯하여 pH, DO, Chl-a의 변곡점이 형성되었고 층이 생긴 것으로 판단 되며 색도발생 원인중의 하나로 추정되는 조류의 특 성을 알아보기 위하여 저수지 내 원수를 수심별로 채 수하여 조류정성 및 정량 실험을 실시하고 이를 Chl-a 와 색도의 수심별 자료와 비교 분석 하였다.

    전 수심에서 조류의 우점종은 녹조류인 Staurastrum 으로 나타났으며, 이 외에도 Anabaena, Asterionella, Ceratium 등 20여종의 조류가 관찰되었다. Fig. 6은 제 1저수지에서 관찰된 Staurastrum의 현미경 사진이다. 우점종인 Staurastrum은 전국 저수지에서 발생은 하지 만 발생량이 많지는 않은 것으로 알려져 있고, 풀냄새 또한 발생은 하지만 심하지 않으며, 여과장애보다는 색도에 영향이 큰 것으로 알려져 있는데 특히, 대량발 생하면 진한 녹색을 띄는 것으로 알려져 있다(Cho et al, 2012). 현미경 관찰결과 Staurastrum의 평균 크기는 약 30 μm이며 이는 크기가 큰 Synedra 등과 비교 할 경우 여과공정에서 내부여과로 상대적으로 제거가 용 이한 크기로 판단된다. 하지만 조류의 몸체뿐만 아니 라 조류의 대사활동에 의해 분비되는 대사산물에 기 인한 색도는 여과공정으로 제거하기 어려운 것으로 알려져 있다(Cho et al, 2012).

    Table 3은 어승생 제1저수지에서 2015.8.1일 채수한 시료를 수심별로 Chl-a 농도와 조류의 정성 실험을 통 해 조류의 종류를 파악한 후 농축한 시료에서 조류 개체수를 조류종별로 분류한 결과이다.

    전 층에 걸쳐서 남조류와 녹조류가 대부분을 차지 하고 있으며 수심 4 m 지점에서 조류 개체수는 13,877 cell/mL(남조류는 7,997 cell/mL)로 가장 많이 측정되었으며, Chl-a 농도 또한 수심 4 m 지점에서 45.8 mg/m3으로 가장 높게 측정되었다. 층이 생겼을 것으로 예상되었던 2~4 m 지점에서 조류의 개체수와 Chl-a의 농도가 높게 측정되어 조류에 의한 영향으로 변곡점이 생겨 층이 형성된 것으로 판단된다.

    한편, Fig. 7은 어승생 제1저수지의 수심별 조류 구성 비를 나타낸다. 어승생 제1저수지의 경우 Staurastrum이 우점종으로 나타났지만 수심 별 구성비를 보았을 때 는 남조류가 가장 많은 부분을 차지하고 있었다. 남조 류는 특히 하절기에 상대적으로 많이 관찰되며, 팔당 호, 낙동강을 비롯한 육지부에서는 과다 번식한 남조 류에 의해 정수처리공정 중 여과지 폐색이나 Geosmin 과 2-MIB(2-Methyl isoborneol)에 의한 맛·냄새 발생 등 이 발생하기 때문에 주의가 필요하다.

    Fig. 8은 수심별 Chl-a와 조류 개체수를 비교분석 한 실험결과를 통해 두 항목간의 상관성을 나타내고 있다. 전술한 바와 같이 조류의 개체수는 수심 4 m 부 근에서 가장 높게 나타났는데 이는 시료 채취일의 일 조량, 수온, 측정시간 등에 따라 차이가 발생할 수 있 다. 한편, 조류 개체수와 Chl-a의 상관분석에서 두 항 목의 R값이 0.97로 매우 높은 상관성을 보임일 알 수 있었다.

    3.3.색도 발생원인 추정

    어승생 저수지의 색도발생 원인은 크게 3가지로 예 상 할 수 있는데 첫째, 저수지로 유입되는 원수에 휴 믹물질이 다량 함유되어 색도를 유발하거나, 둘째, 저 수지 내 저질 퇴적층에서 용출되는 철·망간에 의한 색 도, 마지막으로 영양염류로 인한 조류의 과다번식에 기인한 색도이다. 색도발생의 주요 원인 파악을 위해 제1저수지의 수심별 현장 및 실험실 측정결과를 활용 하여 수질인자간의 상관성을 평가하였다.

    Table 4는 2015.8.1일에 실시한 어승생 제1저수지의 수심별 수질측정결과를 나타내며, Table 5는 각 수질 인자간의 상관성 분석결과를 나타낸다. 색도의 경우 조류 개체수와의 상관성 지표인 R값이 0.4308로 수질 인자들 중 가장 높게 측정되었고, 전기전도도, DO, Chl-a, SS와의 R값은 각각 0.3878, 0.2683, 0.2701, 0.2540으로 나타났다. 탁도와 pH는 색도와의 R값이 각각 0.1758, 0.0636으로 다소 낮게 나타났다. 색도와 조류 개체수와의 상관성(R)은 0.43으로, 다른 항목보 다는 높지만 매우 높은 수치는 아닌 것으로 판단된다. 이는 색도가 조류뿐만아니라 다양한 요소에 의해서 영향을 받음을 의미하는 것이라고 볼 수 있다.

    한편, 색도 발생 원인 물질중의 하나인 천연유기물 질(NOM, natural organic matter)은 TOC 분석을 통해 간접적으로 알 수 있는데(Choi et al, 2014) TOC의 경 우에는 표층에서 3 m 지점까지는 높게 나타났고 저층 으로 갈수록 낮아지는 경향을 보였으며, 호소 생활환 경기준 1a~1b 등급으로 다른 기준 항목들에 비하여 좋은 수준으로 나타났다. 측정된 수질검사 결과로 판 단할 경우 어승생 저수지 내 색도발생 원인 중 NOM 에 의한 영향은 상대적으로 적을 것으로 판단된다. 또 한 어승생 저수지의 유입수는 한라산 어승생 계곡의 용천수가 짧은 유하거리를 통해 유입되므로 휴믹물질 등에 기인한 NOM의 농도는 매우 낮을 것으로 판단된 다. 두 번째로 흑수의 원인이 될 수 있는 망간의 경우 에는 수질 모니터링 실험결과에서 0.003 mg/L 이하로 검출되어 먹는물 수질기준(0.05 mg/L)과 발색한계 농 도(0.01 mg/L) 등을 고려할 경우 색도 발생과의 연관 성은 매우 희박한 것으로 판단된다.

    Table 5에서 색도와 상관성이 가장 높은 것으로 나 타난 조류 개체수는, 색도의 수심변화에 따른 경향과 매우 유사한 변화 경향을 보였으며, 수표면으로부터 3~4 m 지점에서 가장 높은 수치를 보였다. 한편, 수심 6~7 m에서는 색도와 조류 개체수 항목간에 반비례 형태로 나타났는데 이는 채수 수일 전 어승생 저수지 로부터 약 2.5 km 떨어진 어리목지역에 약 100 mm 이 상의 강우가 내렸고 이때 발생한 고탁도의 원수가 어 승생 제1저수지로 유입되어, 고탁수가 밀도류를 형성 하여 호소 저층에 체류하면서 발생한 현상으로 파악 된다. Fig. 9는 어승생 제1저수지에서 수심별 색도와 조류 개체수, 색도와 탁도의 상관관계를 나타내고 있다.

    Fig. 9(a)에서 색도와 조류 개체수간에는 유사한 경 향성을 보이나, 수심 6~7 m에서는 역의 관계성을 나 타내고 있다. Fig. 9(b)에서 탁수의 영향이 있을 것으 로 판단되는 6~7 m지점의 데이터를 제외한 상관성 분석결과 색도와 조류 개체수 간의 R값은 0.58로 증 가 하였으며, 상대적으로 낮았던 Chl-a와의 R값도 0.27에서 0.52로 증가하였다. 한편, Table 5에서 조류 개체수와 Chl-a의 상관성은 0.97로 매우 높으나, 각각 색도와의 상관성은 조류 개체수 0.43, Chl-a 0.27로 상 당한 차이가 발생했으나, 수심 6~7 m의 자료를 제외 할 경우에는 각각 0.58, 0.52로 차이가 감소하는 것으 로 나타났다. 단, 본 연구에서 실시한 상관성 평가는 특정일에 채수한 시료를 대상으로 하고 있으므로, 기 상 및 강수 특성 등에 따라 시기적으로 다른 결과를 나타낼 수 있으므로 추가적인 연구가 필요하다.

    한편, 어승생 저수지를 상수원으로 하는 어승생 정 수장에서는 염소산화 등의 정수처리 공정을 통해 색 도를 먹는물 수질기준 이하로 관리하고 있다.

    4.결 론

    본 연구에서는 제주도 어승생 저수지의 색도 발생 원인을 파악하기 위하여 색도 유발물질로 예상되는 조류, TOC, 철, 망간, 탁도, SS, Chl-a 등의 수질인자를 비교분석하고 색도와의 상관성을 조사하였다.

    1. 어승생 제1저수지의 수심에 따른 pH와 DO의 측 정결과, 표층부터 3~4 m 지점까지는 높은 수준으로 관찰되었고, 이후 수심의 증가에 따라 감소하는 유사 한 변화형태를 보이는 것으로 조사되었으며, 이는 조 류의 의한 영향이 클 것으로 판단된다.

    2. 색도의 원인물질로 예상되는 철, 망간의 경우 각 각 제1저수지에서는 불검출~0.02 mg/L, 불검출~ 0.003 mg/L, 제2저수지에서는 불검출~0.02 mg/L, 불 검출~0.002 mg/L로 모두 먹는물 수질기준 이하 농도 로 측정되어 어승생 저수지의 색도발생에 철과 망간 이 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다.

    3. 제1저수지의 조류정성 분석 결과 남조류, 녹조 류, 규조류를 비롯하여 20여종의 조류가 관찰되었으 며 녹조류인 Staurastrum이 우점종으로 나타났다. 특 히 수심 4 m 지점에서는 Chl-a는 45.8 mg/m3, 남조류 개체수는 7,997 cell/mL로 조사되어 조류경보 발령 수 준에 해당되었다.

    4. 수질인자간의 상관성 분석결과 색도와 조류 개 체수와의 상관성(R)이 0.4308로 수질인자들 중 가장 높게 측정되었다. 따라서 제주도 어승생 저수지 색도 의 주요 발생원인은 조류에 의한 것으로 판단된다.

    사 사

    본 연구는 환경부 “차세대 에코이노베이션 기술개 발사업(GT-11-G-02-001-1)”으로 지원 받은 과제입니 다. 수질분석에 도움을 주신 K-water 경남부산지역본 부 수질관리팀 직원분들께 감사드립니다.

    Figure

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    Location of Eoseungsaeng lake and sampling point at the 1st lake(a) and the 2nd lake(b).

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    Chromaticity at the 1st lake(a) and the 2nd lake(b).

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    pHs at the 1st lake(a) and the 2nd lake(b).

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    DO concentration at the 1st lake(a) and the 2nd lake(b).

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    Chl-a concentration at the 1st lake(a) and the 2nd lake(b).

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    Microscope photos of algae observed in the 1st lake(Staurastrum).

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    Algal composition ratio vs. lake depth.

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    Correlation between Cell count and Chl-a by lake depth.

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    Relationship between chromaticity vs. cell count(a) and chromaticity vs. turbidity by lake depth(b).

    Table

    Analytical methods and devices for water quality monitoring

    Sampling dates and measurement parameters

    Algal cell count and Chl-a by depth

    Water qualities vs lake depth

    Correlation among water parameters

    References

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