1. 서 론
최근 수돗물 유충검출 논란으로 학계나 상수도 관련 기관에서 깔따구 유충에 대한 관심이 고조되고 있다. 그동안 상수원으로 주로 사용하는 지표수에 깔따구 유충 이외에 다양한 생물들이 건강한 생태환경을 이루며 살고 있음에도 취수단계나 수처리 공정 주변 환경으로 이러한 생물들의 유입가능[1]에 대해서는 많은 관심을 두지 않았었다. 이미 1970년대부터 일본은 수돗물에서 깔따구 유충사고를 경험하기 시작했고 이에 대한 대응매뉴얼을 준비하였으며[2,3], 2000년대는 영국, 미국, 남아프리카 등에서도 정수장이나 수돗물에서의 깔따구 유충이 문제된 바 있다[4,5]. 국내는 2020년 인천[6]을 시작으로 제주, 경기 등에서 깔따구 유충이 문제가 되어 이제는 정수처리에서의 제어대상으로서 깔따구 유충을 포함한 소형생물이 한 부분을 차지하고 있다. 그러나 이러한 깔따구 유충이 원수로부터 정수처리과정에 유입되었을 때 거동이나 제어방법에 대한 연구는 거의 없으며 그나마 Xing-Bin Sun 등 이 연구한 오존이나 응집 등 정수처리공정 연구결과에 주로 의존하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구를 통해 깔따구 유충이 원수로부터 정수처리 공정에 유입되었을 때, 특히 여과공정별 즉, 모래여과, 활성탄, 활성탄/모래 공정에서의 유충거동특성을 평가하고 유충제어를 위한 운영방안을 제시하고자 하였다.
2. 실험방법(또는 재료 및 방법)
본 연구는 파이롯 규모의 사각컬럼(활성탄 L0.3×W0.3×H5 m, 모래 L0.3×W0.3×H3.5 m)을 이용하여(Table 1, Fig. 1) 한강에서 깔따구 유충(1~3령 1~4 mm 80%, 4령 1 cm 전후 20%)을 채집하여 주기적으로 총 470마리씩 각 컬럼에 투입하여 각 컬럼의 처리수와 역세척 배출수에서 누출된 유충 개체수를 분석하였다. 또한 여층내 유충 분포평가를 위해 모래여과 및 활성탄지 여층 상, 중, 하 부분을 모두 채취, 하부집수장치 내부까지 절단하여 유충 개체수를 분석하였다. 각 여재 컬럼은 3월부터 6월까지 운영하였으며, 처리대상 유입수는 G정수센터의 모래여과수를 사용하였으며, 이 때 유입수 수온은 10~25℃, 유기물 농도지표인 TOC (Total Organic Carbon)는 1.0~1.5 mg/L 이었다.
2.1. 유충 채집 및 분석방법
유충 채집에는 150 mesh의 거름망을 이용하여, 한강수변구역의 정체수, 수중 수풀밀집구역, 조류휀스 겉부분, 버드나무 가지가 수중에 잠긴부분 등의 주변물을 집중적으로 채수하여 수차례 거름망에 걸러진 이물질을 20 L 사각통에 한강물과 함께 적시어 실험실로 이동시켰다. 실험실내에서는 스텐레스 트레이에 한강물과 거름망에 걸러진 이물질을 담아내어 스포이드 피펫을 이용하여 실체 현미경을 통해 깔따구 유충을 골라 한강물 30 mL를 담은 코니컬 튜브에 100마리씩 넣어 즉시 각 여재 컬럼에 투입하였다. 깔따구 유충은 실험실내에서 동일한 서식환경을 제공할 수 없으므로 각 여재 컬럼에 깔따구 유충을 투입하는 날에 직접 한강주변에서 채집하여 동일한 방법으로 유충을 계수하여 투입하였다. 이 때 깔따구 유충 분리 및 크기 분석은 Stemi 305 EDU Microscope (Carl Zeiss사) 실체 현미경을 사용하였다.
2.2. 각 여과공정 처리수 및 역세척 배출수 유충크기분포 분석
각 여과컬럼에 지속적으로 깔따구 유충을 투입하여 약 40~ 50일 운영하는 동안 주기적으로 각 여과공정 처리수, 역세척시 배출수에 150 mesh 거름망을 걸어 실체 현미경을 이용하여 유충 개체수를 계수하고, 유충 크기 분포를 분석하였다.
2.3. 모래여과지 및 활성탄지 여층내 깔따구 분포분석
여층내 깔따구 분포분석을 위해 모래 여과 컬럼내 모래층 90 cm를 상, 중, 하로 구분하여, 각 층별 30 cm의 모래를 꺼낸후 사각용기에 수차례 세척하여 세척한 물을 다시 150 mesh 거름망으로 여과하였다. 거름망에 남아 있는 물질에 대해 실체현미경으로 관찰하여 깔따구 유충의 크기와 개체수를 분석하였다. 또, 유공블럭으로 구성된 하부집수장치를 절단하여 큰 용기에 세척한 후 세척한 물을 다시 150 mesh 거름망으로 여과하여 하부집수장치내 유충존재여부도 확인하였다.
2.4. 역세척 조건에 따른 유충 검출비교
모래여과에서의 유충제어를 위한 역세척 최적 조건 도출을 위해 직경 5 cm 소형컬럼(Fig. 1)에 유효경 1.0 mm 모래 50 cm를 충전하여 린스 속도(20℃기준)를 각각 0.34, 0.58, 0.82, 1.00 m/min까지 상승시켜 역세척 했을 때 세척수에서의 유충 검출 개체수를 분석하였다. 또한 모래 팽창률 및 린스시간에 따른 세척수에서의 유충 검출개체수를 분석하여 현장에서의 유충제어를 위한 역세척 방안을 제시하고자 하였다. 활성탄지에서도 모래여과와 같이 동일한 소형컬럼에 유효경 0.65 mm 활성탄 34 cm를 충전하여 활성탄 팽창률에 따른 유충배출 정도를 평가하였다. 유충은 각 실험조건마다 20마리씩을 투입하여 실험하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 여과공정별 유충 검출현황
약 40~50일동안 여과공정별 운영결과, 유입수에 지속적으로 유충이 유입시는 모래여과, 활성탄 단독공정은 9일, 활성탄 하부 모래포설한 경우는 15일째부터 처리수에서 유충이 검출되기 시작하였다. 각 여과공정은 역세척을 주기적으로 실시한 결과이며, 약 40~50일간 처리수에서 검출된 유충 개체수는 모래여과 107, 활성탄 단독 151, 활성탄/모래 공정이 133마리였다. 이 중 살아있는 유충 개체수(비율)는 모래여과 40(37%), 활성탄 단독 41(27%), 활성탄/모래 31(24%)마리로 전처리에서의 강력한 오존제어나 후속 처리로서의 추가공정이 필요한 것으로 나타났다.
모래여과의 경우 운영초기 역세척을 실시하지 않았을 경우, 5일동안은 유충이 검출되지 않았으나 그 후 역세척을 실시한 후 9일째부터 유충이 지속적으로 검출되었다(Fig. 2).
50일간 운영한 활성탄 단독공정은 모래여과와 동일한 결과를 보였으나, 활성탄 하부에 모래포설한 경우는 운영초기 14일간은 유충이 검출되지 않았고 지속적 유충유입 및 역세척으로 15일째부터는 유충이 계속 검출되면서 유입 유층 증가에 따라 검출 개체수도 증가되는 것으로 나타났다(Fig. 3). 따라서 활성탄 단독공정에 비해 하부 모래포설시 유충검출 시작 일수는 6일 정도 지연되나 완전제어는 어려운 것으로 확인되어 이 3가지 여과공정에서 유충의 지속적 유입을 방어하기에는 한계가 있는 것을 알 수 있었다.
3.2. 여층내 유충의 거동 및 분포
모래여과 공정을 대상으로 유충을 지속적으로 투입하여 운영한 결과와 모래층고별 유충분포를 분석하여 유입수에 유충이 지속적으로 유입시 여층내 단계별 유충의 거동 및 모래층별 분포현황을 다음과 같이 추정하였다(Fig. 4).
유충이 유입되면 5분이내 여재 표층 30~40 cm에 대부분 침투, 일부는 표면이나 상부에서 상하로 움직이며 표류하는 것이 관찰되었다. 또한 역세척시 여재교란으로 인해 유충이 여층내부로 이동하였고, 여층조사시 유충이 여층내 존재하는 것을 확인한 것과 처리수에서의 유충검출결과를 바탕으로 유충의 거동과 여층내 분포에 대해 단계적으로 추론하였다. 1단계는 유충이 유입, 2단계로는 역세척으로 인해 여층이 교란되어 유충이 내부로 이동, 3단계로는 역세척 완료후 재가동시 중력식 수류에 의해 유충이 하부로 이동하므로 잠재적으로는 처리수에서 누출이 가능해진다. 실제로 소형여과컬럼을 관찰한 결과, 중력식 여과에서 수류는 모래사이에 물길(채널링 현상)을 만들어 2 mm이하 유충이 여층 1 m 깊이로 이동하는 것을 확인하였다. 일반적으로 채널링 현상은 역세척이 부족할 때 또는 모래규격이 부적절할 때 발생하나 적절히 염소를 사용하여 역세척할 경우에도 0.01~0.5%의 채널링이 발생하며, 이로 인해 생물이나 중금속 등이 누출될 수 있다[7]. 따라서 여과지속 시간이 길수록 물길은 더 깊게 생성되어 유연한 몸을 가진 유충이 하부집수장치를 통과하여 처리수에서 검출될 수 있는 것으로 판단된다. 이처럼 지속적으로 유충이 유입됨에 따라 여재 표층내 침투, 주기적 역세척에 따른 하층부 누적 등으로 여층 전체에 유충이 분포하게 되는 것이 4단계로의 유충 거동 추정이론이다.
여층내 유충분포는 모래여과의 경우 여층 전체 유충의 60% 이상이 대부분 상층과 하층부에 집중분포하고 있었으며, 활성탄의 경우 또한 상층과 하층부에 여층 전체 유충의 약 65%가 분포하였다. 따라서 유충은 역세척에 의해 여재와 같이 교란되며, 수류에 의해서도 하층부로 이동할 수 있으므로 하층부 유충은 잠재적으로 처리수에서의 누출 가능성이 있는 것으로 보인다.
3.3. 여과공정별 처리수와 역세척 배출수의 유충분포현황
모래여과 공정 약 40일 운영결과, 총 470마리 투입 유충중 실제 온전한 모습의 유충 회수는 241마리(51%)에 불과하였으며 이중 여과공정 처리수와 역세척 배출수에 약 74%가 검출되었고, 나머지는 모래층내에 존재하였다(Table 2). 유충의 회수율이 적은 원인으로는 역세척 배관내 이물질 부착에 의한 잔류와 유충이 사멸하면서 몸통의 파손 등으로 분석된다. 실제로 모래층을 세척하였을 때 유충의 사체가 많았으며, 이는 모래 마찰에 의한 몸통이 분리된 것으로 추정된다(Fig. 5, 6). 또한 40일간 역세척 배출수(73마리)보다 모래여과공정 처리수(107마리) 유충검출이 1.5배로 높아 역세척 주기 단축변경이 매우 필요한 것으로 판단되었다. K. Adam 등(1998) [8] 도모래 공극은 100~150 μm로 역세척시 보다 중력식 여과시에 생물량 검출이 1.6배 높다고 하였다. 처리수와 배출수의 유충 크기분포를 분석한 결과, 유충이 모래 여과수에 검출되는 크기는 주로 1~2 mm가 80%를 차지(Fig. 7)하고 있어 1~2령의 유충이 수류나 역세척 교란에 의한 누출로 보이며 역세척시 배출수에는 1~4 mm까지의 크기보다는 표층에 주로 존재하는 유충이 세척되어 배출되는 것으로 판단된다.
활성탄 단독공정을 50일간 운영결과, 총 470마리 투입 유충 중 회수된 개체수는 396(84%)로 높았으며, 이 중 처리수와 역세척 배출수에 약 56%, 나머지는 활성탄층에 대부분 존재하였다(Table 2). 회수되지 않은 유충은 역세척 배관내 이물질 부착에 의한 손실 등으로 분석되나, 모래여과에 비해 활성탄의 경우 유충 회수율이 높았다. 이는 모래보다 비중이 낮은활성탄이 역세척시 팽창률이 높고, 유동이 커서 유충과 여재 마찰에 의한 몸통 분리가 적은 원인으로 추정된다. 실제로 활성탄 세척시에 몸통이 분리된 유충은 모래에 비해 매우 적게 발견되었다. 50일동안 역세척 배출수(72마리)보다 활성탄 처리수(151마리)의 유충검출이 2.1배로 높아 유충이 유입된 활성탄 공정 운영은 매우 어려우므로 최종처리인 활성탄 공정 전에 유충유입을 차단하는 것이 매우 중요하다. 검출된 유충 크기는 모래여과와 마찬가지로 활성탄 처리수에서 주로 1~2 mm크기의 유충이 약 75%나 검출되었다(Fig. 8). 이는 하부집수장치에서 물이나 공기가 통과되는 부분의 공경이 250~600 μm [9]이므로 두폭이 작은 1~2령이 주로 검출될 수 있는 것으로 판단된다. 역세척 배출수의 경우에는 표층에 존재하는 유충이 주로 배출되므로 유충 크기는 일정하지 않은 것으로 판단된다.
활성탄 하부에 모래를 포설한 경우 50일 동안 133마리의 유충이 검출되어 30cm의 모래포설로도 지속적으로 유입되는 유충을 제어하기는 어려운 것으로 나타났으며 이는 몇몇 연구에서도 확인된 바 있다[2,3,12]. 참고로 활성탄 하부모래포설 공정의 배출수에 대한 유충누출 분석은 너무 많은 인력과 시간이 필요한 관계로 모래와 활성탄만 실시하였고 활성탄 단독공정과 유사할 것으로 추정하여 별도로 실시하지 못하였다.
결과적으로 여과로 유충완전제어는 어려우며, 국내 여과공정에 주로 사용하고 있는 하부집수장치인 스트레이너나 유공 블럭 등도 물이나 공기가 통과하는 부분의 공경이 250~600 μm이므로 유충을 차단하기에는 한계가 있어[10] 추가적인 필터 시스템이 필요한 것으로 판단된다.
3.4. 역세척 조건에 따른 유충검출 비교
여과공정에 깔따구 유충이 지속적으로 유입시 역세척 강화를 통해 제어할 수 있는 방안마련을 위해 모래여과와 활성탄 공정에서의 역세척 방법에 따른 처리수에서의 유충 검출개체수를 각각 비교하였다.
국내 모래여과는 안트라싸이트를 사용하는 이중여재를 제외하고 모래 유효경 1.0 mm이상을 사용하는 경우 대부분 역세척시 모래가 비팽창되는 방식으로 운영되고 있다. 비팽창 방식이라 하더라도 실제 현장에서는 모래여재 팽창률을 5% 이내로 운영되고 있어, 이러한 현장조건과 유사하게 소형컬럼을 활용하여 린스시간만 변경하여 유충의 배출정도를 평가하였다. 그 결과, 린스시간이 기존의 5분인 경우 20마리중 4마리가, 10분으로 늘렸을 경우 20마리중 10마리가 배출되어 5분보다는 10분으로 린스시간을 증가시 더 유충배출에 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 실제 퇴수구경, 배출수지 용량 등 현장여건을 고려하여 린스시간을 더 증가시킬 수는 없었으나, 유충 배출 효율을 높이기 위해서는 예비펌프를 사용하고, 퇴수가 허용되는 범위에서 린스시간을 증가시키는 것이 바람직하다(Fig. 9).
활성탄의 경우 모래(2.65)보다 비중(1.4)이 낮아 동일 역세 속도에서도 팽창률이 높다. 따라서 현장에서 예비펌프까지 사용할 것을 고려하여 역세척 속도를 높여 활성탄 팽창률을 40%까지 상승시켰을 때의 유충 배출 정도를 평가하였다. 그 결과 활성탄 팽창률 30% 이상에서는 유충 배출이 약 2배정도 더 원활해지는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 10).
앞에서도 언급했듯이 유충이 유입되었을 때 여과지 상부에 유충이 존재할 경우 역세척 주기 단축으로 여층 내부 침투를 어느 정도 차단할 수는 있으나, 지속적 유입으로는 역세척시 여재 교란이나 운영수류에 의해 유충이 여층내 침투될 수 밖에 없다. 실제 파이롯 규모에서의 여과공정 운영결과 모래여과는 역세척을 하지 않은 경우 8일까지는 유충이 누출되지 않았으나 3일 주기의 역세척시부터는 지속적으로 유충이 검출되었다. 또한 활성탄 단독이나 활성탄 하부에 모래를 포설한 경우도 초기 역세척 미실시일 경우를 제외하고는 2~5일 주기의 역세척시에는 유충이 검출되었다.
4. 결 론
1) 여과공정에 지속적으로 유충 유입시 모래여과, 활성탄 단독공정은 9일, 활성탄 하부에 모래를 포설한 경우는 15일째부터 유충이 검출되었고, 2~5일의 주기적 역세척 이후에도 유충은 지속적으로 검출되었다.
2) 여층내 유충은 공기와 물 역세척시 여재와 함께 교란되고, 운영시 수류에 의해 여재 사이 채널링 현상에 의해서도 여층내 침투하여 1~2령의 작은 유충이 하부집수장치를 통과하는 것으로 추정된다.
3) 유충이 지속적 유입시 여과공정의 역세척 배출수보다 처리수에 더 많이 검출되어 역세척만으로는 유충배출에 한계가 있음을 확인하였다.
4) 유충제어를 위해서는 정수장 현장여건에 따라 역세척 주기 단축이 필요하나 회수조나 배출수 처리용량이 적은 정수장에서는 역세척 시간과 속도를 강화하는 방법을 사용할 수 있다.
5) 연구결과, 여과공정에서의 완전한 유충제어는 어려우므로 처리수에서 주로 검출되는 유충 1~2령의 두폭 크기보다 작은 공경을 가진 추가적인 필터시스템 도입이 필요하다.
본 연구는 2021년 서울물연구원에서 수행하였으며, 파이롯 규모의 여과컬럼을 이용하여 실제 깔따구 유충을 대상으로 실험한 결과이다. 살아 있는 생물, 그것도 육안으로 보기 어려운 크기의 생물로 큰 규모의 파이롯 실험을 하기에는 전체 투입생물의 회수가 어렵고 관찰에 상당한 시간이 소요되는 등 많은 어려움이 있었다. 따라서 보완연구들이 더 많이 추진되어서 정수처리에서의 유충제어방안이 조속히 확립되었으면 한다.
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