| 초록 |
1. 개요 수자원의 상당 부분이 하천 및 호소수를 이용하는 국내 수자원 이용 상황을 볼 때, 유독 지류 지천이 많은 우리의 하천 입지상 하천의 수질 특성이 주변 자연환경 및 지역 주민의 생활환경에 미치는 영향은 크다. 하천의 수질을 나타내는 환경지표 중 국가 TMS(Tele Monitoring System)와 수질측정망을 통해 관리되고 있는 수질지표는 BOD(Biological Oxygen Demand, 생물학적산소요구량), COD(Chem-ical Oxygen Demand, 화학적산소요구량), SS(Suspendid Solid, 부유물질), TN(Total Nitrogen, 총질소), TP (Total Phosphorus, 총인) TOC(Total Organic Carbon, 총유기탄소), 중금속, 독성지수 등이 있다. 이러한 하천의 수질지표들은 그 자체 독립적인 수질 특성을 나타내지만 인자 상호 간의 상승 및 하강 특성의 역학관계에 있기도 하다. 그동안 하천의 수질지표 간 상호 역학관계를 밝혀내기 위한 많은 조사와 연구가 진행되어왔지만 조사 대상의 규모가 워낙 크고 여러 환경인자가 관여하고 있는 복잡계로 일률적인 모델화가 쉽지 않았다. 그래서 그 조사 방법 또한 특정 수계와 유역을 중심으로 필요에 따라 간헐적으로 행하여져왔을 뿐 어느 수계의 어느 지점에서 일률적으로 어떤 수질 변화의 패턴을 나타내는 수질지표 간의 역학관계 조사는 한계가 있어왔다. 또한 실험실적 데이터의 한계를 벗어나 현실적으로 현장에서의 데이터 수집을 통한 실증화와 논리적 추론을 위하여는 실험실에서의 결과와 실제 하천 현장에서의 다양한 환경입지적 영향인자들을 총망라 하면서 인자 상호 간의 역학관계까지 고려하는 많은 양의 축적된 빅데이터 처리에 대한 요구가 강해지게 되었다. 또한 이러한 많은 양의 데이터를 효율적으로 처리하기 위하여서는 적절한 통계 기법을 활용하지 않고는 모델화 혹은 표준화가 어려워지게 되었다. 2. 하천에서의 수질지표 간 상관관계 유독 지류 지천이 많은 국내 하천 특성상 어느 특정 지점에 대한 수질지표의 요인을 조사하고 그 원인을 파악하는 데는 적지 않은 시간과 비용이 필요하다. 아울러 이러한 수질인자 간 상호 역학관계에는 수많은 변수와 인자가 관여하고 있어 사실 시스템의 규모와 경계를 어디까지 설정해야 하는지도 용이하지 않다. 한 예로 4대강 사업으로 인한 수중보의 건설로 환경파괴가 이어지고 특히 유해조류 발생으로 인한 민원이 끊이지 않는 상황에서 조류 발생으로 인한 하천의 오염 실태는 심각하다. 조류 발생에 직간접적인 영향을 미치는 수질인자는 많지만 그중 수소이온농도는 조류 개체의 성장에 직접적인 영향을 미치는 주요한 요소이다. 초기 수중에 식물성플랑크톤 증식이 활발해지면 이 식물성플랑크톤에 의해 광합성작용이 활발해지고 이로 인해 수중의 탄산염 및 중탄산염 흡수량이 증가하여 궁극적으로 수소이온농도가 증가하는 현상을 보인다. 수소이온농도의 변화는 유기물의 수질지표를 나타내는 BOD, COD, TOC 등과 밀접한 관계에 있기 때문에 조류 성장으로 인한 Chl-a의 증가는 자생 유기물질과의 상관관계가 높다는 것을 의미한다. 흥미로운 것은 비단 조류 성장의 규모와 속도가 이러한 유기물 지표뿐 아니라 물리적인 하천의 유하속도나 체류시간과 같은 물리적인 수치에도 큰 영향을 받으며 유기물 지표 간의 상호 영향 정도가 하천이 위치한 각각의 입지와 조건에 따라 다양한 양상을 보이는 것이다. 이외에도 수소이온농도는 하천에 따라 BOD와 영얌염류인 질소와 인에서도 높은 상관성을 보이기도 한다. 이와 같이 하천의 수질인자 간 상관관계 분석 예는 지금까지 여러 보고를 통해 소개되어 있는바, 본 보고에서는 그중 수소이온농도 변화와 총질소의 변화량에 대한 상관관계 분석 예를 소개하고자 한다. 총질소는 하천의 수질을 나타내는 여러 수질지표 중 하나로, 하천의 총질소 변화량이 수생태계에 미치는 영향은 적지 않다. 총질소의 증가의 가장 큰 요인은 통상 하천 주변의 생활 근거지에서 방류되는 유기물이 주요 요인이지만 각종 생활하수, 유기성 공장폐수, 하수처리장에서의 방류수, 축산폐수 등지에서의 암모니아성 질소에서부터 시작하여 여러 형태의 유기질소가 실질적인 총질소로 전환되기까지는 하천에서 서식하는 질산화 미생물에 의한 질산화 과정에 의해 가능하다. 본 보고에서는 이러한 수질지표 상호 간의 역학관계 중 하천에서의 수소이온농도 변화가 질산화 과정을 통해 총질소 변화에 미치는 영향을 해외 하천 특성의 사례를 통해 소개하고자 하였다. 아울러 이러한 사례들의 고찰 내용이 축적되어 국내 하천의 수질 변화 요인을 추적하는데에도 참고할 수 있지 않을까 하는 기대에서 시작하였다. 3. 하천의 질산화 반응 인자와 사례 하천에서의 총질소 증가는 무기 영양염류 증가로 인한 하천의 부영양화 발생으로 조류 발생의 주요 원인인자 중 하나로 작용하며 하천의 수생태계는 물론이고 인근 지역의 토양 및 생활 주거 환경에 직접적인 폐해를 초래한다. 이러한 하천의 총질소 증가에 대한 메커니즘을 추적해보면 그 시작은 궁극적으로 미생물에 의한 하천의 질산화 작용에 기인한다. 유기물 내의 유기질소는 대부분 환원된 형태의 질소로, 유기물 분해 과정 중 미생물에 의해 암모니아성 질소로 산화된 후 다시 2단계의 산화반응, 즉 아질산성 질소 및 질산성 질소 형태로 산화된다. 암모니아는 아질산화 과정을 통해 산화되면서 수소 이온을 내놓게 되는데, 이때 수중의 수소이온농도가 암모니아의 아질산화에 영향을 미친다. 암모니아성 질소-아질산성 질소-질산성 질소로 이어지는 질소산화물의 산화 경로는 각 단계별 산화반응에 각각의 미생물 및 박테리아가 관여한다. 즉, 암모니아 산화미생물제(Ammonia Oxidizer Bacteria, AOB)에 의해 암모니아성 질소가 아질산성 질소로, 질산성 산화미생물제(Nitrogen Oxidizer Bacteria. NOB)에 의해 아질산성 질소가 질산성 질소로 산화되는 경로를 거친다. 지금까지 질산화 과정에 영향을 미치는 인자로는 주로 수온과 용존산소의 영향이 주목받아왔으며 상대적으로 수소이온농도 변화와 박테리아 기질에 의한 영향은 관심 대상에서 제외되어왔었다. Figure 1. 수중에서의 질산화 과정 모식도 하천에서의 질산화는 하천으로 유입되는 암모니아 및 각종 유기질소가 산화반응을 거치는 과정에서 수중의 용존산소 소모량이 많아지게 되고 결국 하천에서의 용존산소 부족 현상을 초래한다. 질산화 작용에는 수소이온농도, 용존산소, 수온, 기질의 농도, 미생물 및 박테리아의 생장 상태 등이 영향을 미치지만 그중 수소이온농도 변화는 질산화 박테리아의 성장속도와 암모니아-아질산-질산 간(NO 2 - /HNO 2 , NH 4 + /NH 3 )의 산염기 평형에 직접적인 영향을 미친다고 알려져 있다. 이러한 연구 결과는 아질산화 박테리아와 질산화 박테리아의 생장에 필요한 최적의 수소이온농도가 중성이거나 약알칼리 상태에서 최적의 상태임을 보여주는 데서 확인된다. 암모니아 산화 단계는 다음 2단계로 진행되는데, 1단계는 암모니아가 미생물 및 박테리아에 의해 하이드록실아민(NH 2 OH)으로 전환되는 단계이고, 2단계는 하이드록실아민이 산화 단계 중 하이드록실아민에서 수소가 빠져나가고 아질산(NO 2 - ) 형태로 산화되는 단계이다. 여기서 흥미로운 것은 수소가 빠져나오는 속도와 정도가 수중의 수소이온농도에 의해 영향을 받는다는 것이다. 호치민 시 북서쪽 Tay Ninh 강은 오래전부터 강줄기를 따라 부근의 타피오카(카사바 알뿌리에서 채취한 녹말가루) 경작지와 고무 제조공장이 위치하고 있어 BOD5, NH 4 -N, PO 4 -P 등 오염물의 오염부하량이 매우 높은 곳으로 알려져있다. 실험실 조건에서 현장의 하천수 시료를 채취하여 4℃의 일정한 온도가 유지된 상태에서 시간에 따라 NH 4 + -N, NO 2 -N, NO 3 -N, TN, COD를 각각 측정하였다. 시간에 따른 수온과 용존산소의 변화를 측정하고, 이때 요구하는 암모니아 농도를 인위적으로 NH 4 Cl를 첨가해가며 적절히 조절하였고 수소이온농도 변화 특성을 최소화시키고자 NaHCO 3 를 완충제로 이용하였다. 실험을 위해 필요 시 용존산소 요구값은 하천수를 적절히 폭기화하여 조절하였고 시료수는 햇볕이 들지 않는 어두운 곳에서 배양하여 가능한 |
