물의 자정작용

왜 배우는가: 물의 자정작용은 오염된 하천과 호수가 스스로 회복하는 원리로, 수질오염 예측과 하천 관리 대책의 출발점이다. 하천 수질 모델(Streeter–Phelps 식)과 DO 부족곡선의 해석에 그대로 쓰여 시험에서 반복해 출제된다. 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제의 공통 기초가 된다.

출제 이력: 제133회 1교시 6번, 제99회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

물의 자정작용은 오염된 물이 물리적·화학적·생물학적 작용으로 오염물질의 농도를 낮추어 본래의 깨끗한 상태로 회복되는 현상이다.

• 자정작용
• 물리적 작용(희석·확산·침전)
• 화학적 작용(산화·환원·중화)
• 생물학적 작용(호기성 분해)
• 재폭기
• 탈산소
• 용존산소(DO)
• DO 부족곡선

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 더러워진 물이 시간과 거리를 지나며 스스로 깨끗해지는 힘이다. 강에 하수가 흘러들면 처음에는 오염도가 높지만, 하류로 갈수록 오염물질이 희석되고 분해되어 원래 수준에 가까워진다.

정식으로는 하천에 유입된 오염물질이 물리적·화학적·생물학적 작용을 받아 농도가 저하되고 원래의 수질이 유지되는 현상을 말한다. 자정작용의 핵심은 오염물질을 없애는 것이 아니라 농도를 낮추는 것이다.

물리적 작용은 희석, 확산, 혼합, 침전, 여과, 흡착으로 오염물질의 농도를 낮춘다. 유입수가 본류 유량과 섞이며 농도가 떨어지는 희석이 가장 기본이다. 부유물질은 침전되어 수중에서 제거된다.

화학적 작용은 산화, 환원, 중화, 응집 등 화학반응으로 오염물질을 변화시킨다. 산성 폐수가 알칼리성 물과 만나 중화되는 것이 대표적이다.

생물학적 작용은 호기성 미생물이 유기물을 산화시켜 무기물로 분해하는 과정이다. 이 과정에서 물속의 용존산소가 소비된다. 자정작용 가운데 영향이 가장 큰 것은 생물학적 작용이다.

재폭기는 대기로부터 산소가 물속으로 다시 녹아드는 현상이다. 물의 표면이 흐름이나 바람으로 교란될수록 재폭기가 활발하다. 탈산소는 미생물의 유기물 분해에 따라 용존산소가 소비되는 현상이다. 두 현상의 균형이 하천의 DO 변화를 결정한다.

3. 등장 배경과 필요성

산업화와 도시화로 하수와 공장폐수가 하천으로 대량 유입되면서 하천 수질이 크게 악화되었다. 하천이 스스로 정화하는 능력에는 한계가 있으므로 그 범위를 정량적으로 파악할 필요가 생겼다.

1925년 Streeter와 Phelps는 오하이오강의 현장 자료를 바탕으로 DO 감소와 BOD 분해를 연결하는 수질 모델을 제시했다. 이 모델은 하천의 DO 부족곡선으로 나타나며, 오염원으로부터 하류로 가며 DO가 먼저 떨어졌다가 재폭기로 회복되는 모양을 보여 준다. 이후 자정작용은 하천 수질 예측과 방류수 기준 설정의 근거가 되었다.

또한 자정작용은 오염 부하가 자정 능력을 넘으면 수질 악화가 진행된다는 점을 설명한다. 그래서 하수처리와 방류수 수질 관리가 필요한 이유가 된다. 자정작용을 이해하면 하천 유량 확보와 오염 부하 총량 관리의 근거를 제시할 수 있다.

자정계수 f = K2/K1

위 식에서 K2는 재폭기계수, K1은 탈산소계수다. 자정계수가 클수록 하천의 자정 능력이 크다.

4. 구성요소·원리·절차

하천의 자정작용은 물리적 작용, 화학적 작용, 생물학적 작용이 동시에 일어나는 복합 과정이다. 세 작용의 역할을 나누어 보면 다음과 같다.

표의 세 작용 중 유기물 제거의 실질적 주체는 생물학적 작용이다. 물리적 작용은 농도를 희석하고 입자를 제거하며, 화학적 작용은 물질의 형태를 바꾼다. 어느 한 작용이 약해도 다른 작용이 보완하여 자정이 이루어진다.

자정작용의 원리는 재폭기와 탈산소의 균형으로 설명한다. 유기물이 호기성 미생물에 의해 분해되면 용존산소(DO)가 소비된다(탈산소). 대기로부터 산소가 물속으로 녹아드는 과정이 재폭기다. 두 과정의 속도 차이에 따라 하천의 DO 농도가 정해진다. 자정 계수는 다음과 같이 정의한다.

$f = \frac{K_2}{K_1}$

여기서 K_2는 재폭기 계수(1/day), K_1은 탈산소 계수(1/day)다. f 값이 클수록 산소 회복이 빠르고 자정이 잘 일어난다. 자정 계수가 큰 흐름은 생명력 있는 물, 작은 흐름은 죽은 물에 가깝다고 설명할 수 있다.

자정작용의 진행 절차는 다음과 같다.

• 오염물이 하천에 유입되어 희석과 혼합이 일어난다.
• 호기성 미생물이 유기물을 분해하며 DO를 소비한다.
• DO가 감소하여 최저점에 도달한다(임계점).
• 대기로부터의 재폭기와 광합성으로 DO가 회복된다.
• 유기물이 충분히 분해되어 원래의 수질로 돌아온다.

아래 흐름도는 이 절차와 되먹임 구조를 보인다.

흐름도에서 유기물 분해와 DO 소비는 항상 함께 일어난다. 따라서 하류로 갈수록 DO 부족량이 먼저 커졌다가 재폭기로 줄어드는 곡선 모양이 나타난다. 이 곡선을 DO 부족곡선(DO Sag Curve)이라고 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

하천의 자정작용 자체를 정량적으로 규정한 법령 조문은 없다. 하천 수질 관리는 수질 환경기준과 방류수 수질기준으로 이루어진다. 자정작용은 이 기준을 맞추는 설계와 평가의 근거로 쓰인다. 하천 자정을 해석할 때 쓰는 대표 모형은 Streeter–Phelps 식이다. 이 식은 1925년 Streeter와 Phelps가 Ohio River 자료를 바탕으로 제안했다.

표의 기준 중 DO 하한값은 하천 등급별 생활환경 기준의 대표 값이다. 등급에 따라 값이 달라지므로 적용 전 등급을 먼저 확인한다.

재폭기 계수 K_2는 다음 조건에서 커진다. 수온이 낮을수록, 수심이 얕을수록, 유속이 클수록, 난류가 클수록, 하상이 거칠수록, 구배가 클수록 커진다. 수온이 올라가면 탈산소 계수 K_1은 커지고 재폭기 계수 K_2는 작아진다. 그래서 자정 계수 f가 줄어든다. 다만 여름에는 미생물 활동이 활발해져 유기물 분해가 촉진되므로, 생물학적 작용이 수온 저해를 보완한다.

Streeter–Phelps 식은 임계 부족량과 임계 거리를 구하는 데 쓴다. 임계점의 거리 x_c는 DO 부족량이 최대가 되는 지점이다. 이 지점에서 탈산소와 재폭기가 같아진다.

$x_c = \frac{1}{K_2 - K_1}\ln\left[\frac{K_2}{K_1}\left(1 - \frac{D_0(K_2-K_1)}{K_1 L_0}\right)\right]$

여기서 L_0는 초기 BOD(mg/L), D_0는 초기 DO 부족량(mg/L), x_c는 유하 거리를 시간으로 환산한 값이다.

개정 연혁으로는 하천 수질 관리 체계가 생활환경 기준 중심에서 수생태 중심으로 확장되는 흐름이 있다.

6. 유형과 비교

물의 자정작용은 작용 원리에 따라 물리적, 화학적, 생물학적 작용으로 나눈다. 세 작용은 동시에 일어나며, 실제 하천에서는 생물학적 작용이 용해성 유기물 제거의 중심이 된다.