전문가 기고

“녹조문제 연구 통해 방지대책 보완해야”

기존 녹조제거법, 국지적·일시적 효과로 한계…오염원 유입관리 필요
녹조·홍수 등 수질문제 중요…지속 연구하는 시스템 강화·활성화해야
 

본 기고문은 지난 8월 26일 한국시니어과학기술인협회 환경·건설·기상·해양분과위원회에서 류재근 한국시니어기술인협회 연구위원이 발표한 자료를 정리한 것이다.

전 세계, 기후변화 따른 물문제로 고통

기후변화로 전 세계는 극심한 물문제를 겪고 있다. 북극과 남극의 빙하가 녹는 속도가 점점 빨라지고 있으며, 환경문제로 인해 생태계의 변화가 생기고 있다. 북극의 기온은 30년간 11℃ 올랐으며, 뉴질랜드 남섬에서 가장 높은 쿡산(Mt. Cook)의 만년설이 녹고 있어 30년 후에는 찾아보기 힘들다고 한다. 또한 홍수, 호우 등 물재해 빈도가 증가하고 있다.

물은 모든 생명의 근원이다. 물이 없는 곳에는 생명도 희망도 없다. 우리 몸의 65%가 물로 구성되어 있는데 이 중 5%만 부족해도 혼수상태에 빠지고 12%가 부족하면 사망에 이르게 된다. 사람은 물만 잘 마셔도 건강해질 수 있다.

우리나라 국민의 평균 수명은 1900년대 23세에서 2020년 현재 84세로 증가했다. 여기에는 위생적인 상하수도 관리가 큰 역할을 했다. 우리나라의 상수도 보급률은 98.7%, 하수도 보급률은 93.7%에 달하며, 이는 미국, 프랑스, 일본 등 선진국보다도 높은 수준이다. 2050년이면 우리나라 국민 평균수명이 95세를 넘길 것으로 전망된다. 이는 환경과학, 생명공학, 과학기술의 발달 덕분이며 생명공학에서 가장 중요한 것은 물이라고 단언할 수 있다.

수자원 정책으로 수량 확보…수질관리 미흡 여전

강은 모든 생물의 삶의 근간이다. 강이 살아야 생물도 살 수 있다. 과거 우리나라는 영토가 좁고 인구밀도가 높은 데 비해 하수처리장 보급률은 최하위였기 때문에 4대강의 수질은 하수 수준이었다. 1980년도 한강은 하수처리장 보급률이 30% 수준에 그쳤기 때문에 수질 등급이 5등급에 불과했다. 중랑천, 탄천, 난지천, 불광천, 안양천의 수질은 생물화학적산소요구량(BOD)이 120∼150㎎/L 정도였다. 낙동강 중하류는 염색폐수, 섬유폐수로 많이 오염되었고, 금호강의 BOD는 100∼140㎎/L 수준이었다. 영산강의 광주천은 BOD가 100∼150㎎/L 정도였다.

우리나라는 급속한 성장을 통해 30% 수준이었던 하수처리 보급률이 93.9%에 도달했으며, 4대강의 중상류 수질은 ‘1a’ 이상으로 깨끗해졌다. 또한 비점오염원 관리도 선진화되었다. 하지만 좁은 영토에서 논과 밭에 많은 비료를 사용해 비가 오면 하천으로 유입되고 있다. 장마 후 댐이나 보에 인산농도 및 미네랄, 비타민 등의 농도가 상승하고 온도 상승 시 부영양화로 인해 녹조류·남조류가 폭발적으로 증식하고 있다.

우리나라는 1960년 후반부터 많은 수자원을 확보하기 위한 노력을 지속해왔다. 댐, 저수지 등을 건설해 용수를 확보하고, 홍수·가뭄을 예방하는 수자원 정책을 수립했다. 이를 통해 수자원은 확보했지만 하수처리와 농경지에서 사용되는 비료에 의해 수질의 인산농도 및 질소 농도가 높아지고, 축산분뇨 처리가 미흡해 녹조 발생의 원인이 되고 있다. 이를 해결하기 위해 우선 비료와 하수처리수 내의 인(P) 함량을 줄이는 것이 중요하다. 아무리 좋은 물이더라도 미량의 총인(T-P)이 존재하면 자연적으로 녹조류가 번식할 수밖에 없다.

녹조는 식물성 플랑크톤이 물 속에서 다량 번식함에 따라 발생한다. 식물성 플랑크톤은 물의 흐름에 따라 상하·수직 운동을 통해 부유하면서 빛과 무기물을 이용해 생활에너지를 얻는 유기 생물체(유기체)다. 광합성 미생물로 내부에 엽록소(chlorophyll)라는 녹색 색소를 가지고 있으며, 전 세계에 약 2만여 종이 존재한다.

식물성 플랑크톤은 호수, 저수지, 하천 등의 정체수역에서 빛이 투과되는 유광층에 주로 서식하며, △호소의 크기 △형상 △깊이 △연안의 길이와 면적 △퇴적물의 특성 △유역의 지형과 토양 △강수량과 강수율 △일조량 △수질 등에 영향을 받는다. 

식물성 플랑크톤은 종별로 구형, 사상형, 나선형, 군체형 등의 고유한 형태를 가지며, 출현 종은 물의 영양상태(수질), pH변화 등 환경조건에 따라 천이현상이 발생한다. pH가 6∼9이고 물 속 중탄산 이온이 다량 함유되었을 때는 규조류와, 녹조류가 득세하며, pH가 9.0을 넘고 물 속 탄산이온 함유량이 높으면 남조류가 주로 번식하는 특성이 있다.

물 속 영양물질이 적은 빈(貧)영양 상태는 영양물질인 질소(N), 인(P)의 농도가 낮으며, 물 속 영양원의 순환이 빠른 특성을 보인다. 플랑크톤의 섭취 능력이 좋아야 하기 때문에 세포가 작고 구형인 단세포성이 주로 나타나는 양상을 보인다. 영양물질이 많은 부(富) 영양 상태는 질소(N), 인(P) 등의 영양물질이 풍부해 영양원에 대한 경쟁력이 약하다. 부영양 상태에서는 세포의 크기가 크고 타생물 포식작용에 대항하기 위해 군체를 형성하는 종들이 우점종이 된다.

독성 남조류 4종, 유해남조류로 지정·관리

이러한 부유 및 단세포 성질을 갖는 식물성 플랑크톤이 조류다. 조류는 바다의 해조류와 민물의 담수조류로 구분되며, 서식방법에 따라 수중의 암석이나 자갈, 인공 구조물 등에 붙어 생활하는 부착조류와 물에 떠서 생활하는 부유조류로 구분되기도 한다. 식물성 플랑크톤이 부유조류로 구분되며, 부유조류는 바다나 강, 호수에 대량 증식해 적조나 녹조현상의 원인이 되고 있다.

담수조류는 대부분 매우 작은 부유성 미세조류로서 엽록소라는 광합성 색소를 가지며, 규조류, 녹조류, 남조류, 기타 조류로 구분한다. 영양물질의 양이나 햇빛, 수온 등에 따라 최적 성장조건이 다르다. 규조류는 수온이 10℃ 이하인 늦겨울에서 봄철에 주로 나타나며, 녹조류는 봄에서 초여름 10∼20℃의 수온에서, 남조류는 여름에서 가을 20℃ 이상의 수온에서 주로 나타난다.

남조류는 약 35억 년 전 지구상에 출현한 가장 오래된 조류종으로 광합성 색소가 세포 전체에 분포해 있다. 세포 내에 핵이 없어 남세균이라고 명명됐다. 일부 남조류는 독소와 냄새물질을 생성 및 분비해 다른 조류의 성장을 방해하고, 동물성 플랑크톤이나 어패류 등 포식자를 회피하는 데 사용한다. 남조류가 엽록소를 합성하는 과정에서 생성되는 냄새물질인 지오스민(Geosmin)과 2-메틸이소보르네올(2-MIB)은 인체에 영향을 주지는 않으나, 수돗물 맛을 떨어뜨리고 불쾌감을 유발한다.

환경부에서는 독성물질 배출 남조류 4종을 유해남조류로 지정해 관리하고 있다. 조류독소는 마이크로시스틴이 대표적이다. 조류독소를 포유류가 흡수할 경우 간세포나 신경계에 영향을 미칠 수 있다.

논·밭 용수로 사용 시 비료 사용량 절감 가능

하천, 호소에서 녹조가 발생하는 원인은 크게 두 가지다. 첫 번째는 하천, 호소 외부 오염원 유입이다. 하수처리수, 토구 등 점오염원과 우수, 도로, 대기, 산림 등 비점오염원이 유입되는 경우와 가축, 농경지, 양식장에서 사용하는 비료와 가축배설물이 유입되는 경우가 있다. 두 번째는 내부적 요인으로 하천의 생태정화 능력이 초과되거나 토적층의 오염물질 용출, 조류이상 증식으로 인한 생태교란 등이 있다.

남조류의 녹조현상은 우리 생활에도 많은 영향을 끼친다. 냄새물질과 독소생산으로 불안감을 형성시키고 익숙하지 않은 맛과 냄새 유발로 불쾌감을 유발한다. 취수관리, 정수자의 조류 제거 과정에서 처리비용이 증가하게 된다. 또한 녹조현상이 발생하면 물의 색이 탁하게 변하며 수면에 찌꺼기가 생겨 수영, 낚시 등 친수활동도 제한된다. 일부 남조류는 미량의 냄새물질과 독소를 생산해 심미적, 건강상 해를 끼칠 우려가 있다. 이밖에 물 속에 산소가 부족해지고 조류에서 발생한 점액물질이 어패류 아가미의 기능을 저하시킨다. 이로 인해 어패류가 폐사에 이르게 되며 양식장에 피해를 입힌다.

조류는 수생태계를 유지하는 데 필수적인 역할을 하지만 과다하게 증식되면 수생태계에 악영향을 끼친다. 조류가 대량 증식되는 환경은 다량의 질소(N)나 인(P) 같은 영양물질이 필요하다. 이러한 환경에서 조류가 번성하면 햇빛 차단, 식물의 광합성 방해, 물 속 산소 소비량 증가, 동식물의 산소부족으로 인한 폐사 등을 유발한다.

조류는 농업 부문에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 조류는 질소(N)와 인(P)을 영양분으로 섭취하고 성장한다. 때문에 조류가 대량 발생한 물에는 질소(N)나 인(P)이 많이 포함되어 있어 논이나 밭 용수로 사용할 경우 비료 사용량을 줄일 수 있다. 유해남조류가 발생한 물은 농업용수의 이송과 저류 과정에서 독성물질이 분해될 수 있다. 식물에 흡수 및 독성 유발 여부와 관련해서는 연구가 진행 중이다.

녹조 발생 시 철저한 수돗물 관리가 가장 중요

녹조가 발생했을 때는 수돗물 관리가 가장 중요하다. 상수원으로 이용되는 강이나 호수에서 조류가 증식하면 취수구를 통해 정수장으로 유입할 가능성이 있다. 이와 같이 유입된 경우에는 고도정수처리를 거치거나 일반 정수과정에서 활성탄 여과 공정을 추가하면 조류의 냄새와 독성물질을 제거할 수 있다. 녹조가 취수장으로 유입됐을 경우에는 상수원수로부터 조류가 유입되는 것을 방지하기 위해 취수장 주변에 조류 차단막을 설치하거나 취수탑의 취수 위치 및 취수 수심을 다양화해 환경변화에 따라 적절히 취수해야 한다.

환경부는 녹조발생을 방지하기 위해 부영양화의 주요 인자인 질소(N), 인(P) 처리 및 방류수 수질 기준을 강화해 시행하고 있다. 관련 실험 결과에 따르면 조류 성장에 최적인 인(P) 농도는 0.5㎎/L로 보고되고 있다. 이에 환경부는 인 처리를 강화하기 위해 공공처리시설 방류수 수질기준을 팔당댐 등 일부지역의 경우 0.2㎎/L 이하로 설정하고 있지만, 다른 지역에도 방류수 수질기준을 강화해야 한다. 고도하수처리의 인처리 농도기준을 달성해 녹조 발생을 예방하려면 깨끗한 하천수의 수량을 10∼20배 더 확보하거나 화학적 처리로 0.05㎎/L 이하로 처리할 수 있는 방법을 연구해야 한다.

또한 환경부는 가축분뇨 처리 및 자원화 방법을 지원하고 있으며, 농경지의 오염물질이 빗물을 타고 주변으로 유출되는 것을 줄이기 위해 고랑의 방향 또는 경사도를 조절하거나 옹벽과 식생대 등을 조성하도록 권장하고 있다.

우리나라는 녹조발생 방지 노력뿐만 아니라 녹조 발생 시 빠른 대처를 위해 조류경보제를 운영하고 있다. 조류경보제는 안전한 수돗물 공급 및 국민들의 친수활동을 보호하기 위해 조류 발생 상황에 따라 경보를 발령하는 제도로, 상수원이나 친수활동으로 이용되는 강과 호수를 대상으로 유해남조류 세포수가 단계별 기준을 2회 연속 초과할 때 발령된다.

조류 발생 정도에 따라 관할 유역·지방환경청장과 자치단체장은 조류경보를 발령하고 언론을 통해 알리게 된다. 환경부에서는 국민들이 녹조에 대한 정보를 쉽게 알 수 있도록 조류 측정자료와 녹조현상에 대한 기본정보를 물환경정보시스템을 통해 공개하고 있다.

국내에는 물리적·화학적·생물학적 방법 등 조류를 제거하기 위한 많은 기술이 있다. 우선 물리적 방법부터 보면 첫 번째로 조류감시·제거선이 있다. 조류감시·제거선은 배를 띄워 조류를 직접 제거 및 수거하는 기술로 효과가 국지적·일시적이라는 한계가 있다. 두 번째는 저층수 방류로 저층의 물을 인위적으로 방류해 정체된 물을 흐르게 해 조류를 희석시키는 방법이다. 이 방법은 충분한 가용수량 확보가 전제되어야 한다.

세 번째는 물순환설비를 설치하는 방법으로 물 흐름을 형성시켜 상층부 수온 감소 및 조류 증식을 억제시킬 수 있지만 국지적·일시적 효과라는 단점이 있다. 네 번째는 조류유입방지막이다. 이 방법은 취수탑 등 주요지점으로 조류 유입을 차단할 수는 있지만 넓은 지역에서 녹조 유입을 방지하기에는 힘들다.

다섯 번째 조류유입방지살수장치이다. 표층부의 수온 저하 및 교란시켜 조류 유입을 차단하는 방법이다. 여섯 번째는 마이크로 버블이다. 수중 미세기포를 발생시켜 조류를 부상시키고 교란시킨다. 이들 방법 역시도 국지적·일시적 효과에 그칠 가능성이 크다. 일곱 번째는 차광공 투입이다. 햇빛을 차단해 조류의 광합성을 방해한다. 이 방법은 넓은 지역에서 효과를 보기 어려우며, 관리가 까다롭다는 단점이 있다.

화학적 조류제거 방법은 황토살포, 살조제 살포, 인 흡착, 천연응집제 네 가지가 있다. 황토살포는 말 그대로 황토를 살포해 조류를 응집·침강시켜 제거하는 방법이다. 이 방법은 퇴적물에 의한 생태계에 영향을 끼칠 우려가 있다. 살조제 살포는 산화제의 살균효과 등을 활용하는 방법으로 어류 등에 생태독성 우려가 있다. 인 흡착 방법은 규산질다공체를 활용해 인을 흡착·제거하는 방법이다. 이 방법은 효과 범위가 국지적이고 황토살포와 마찬가지로 생태계에 영향을 끼칠 우려가 있다. 천연응집제는 조류를 응집·부상시켜 제거하는 방법으로 효과가 국지적·일시적이라는 단점이 있다.

생물학적 방법으로는 아쿠아매트, 수생식물식재(인공수초섬) 두 가지가 있다. 전자는 아쿠아매트를 설치해 미생물 활동을 최대화시켜 질소(N), 인(P) 등을 제거하는 방법이다. 이 방법은 매트의 관리가 어렵고, 효과가 발생하는 데 장기간이 소요된다. 후자는 질소(N), 인(P) 등을 수생식물이 흡수 및 햇빛 차단을 통해 광합성을 방해하는 방법이다. 이 방법 역시 관리가 어렵고, 효과발생에 장기간이 소요된다.

그간 수량 확보를 위해 댐·저수지·보 등을 건설한 결과 수량은 어느 정도 확보되어 이제는 수질관리가 더욱 중요하다. 수질관리는 과학자들이 연구해야 할 최우선 과제이며, 녹조, 홍수 등 수질문제를 지속적으로 연구하는 시스템이 보다 강화되고 활성화되어야 한다. 또한 녹조 방지 대책을 보완해 환경정책의 밑거름으로 삼아야 한다.  

[『워터저널』 2020년 10월호에 게재]