초록
갈색 침전물의 생성은 우리나라 지하수의 개발 및 공급에 있어 흔히 발생하는 문제 중의 하나인데, 이에 따라 색도, 맛, 탁도 및 용존 철 함량 등의 항목에 있어 먹는 물 수질 기준을 초과하게 되고, 물 공급 시스템에 스케일링의 문제를 야기하게 된다. 경기도 파주 지역 지하수의 경우에도 양수 후 몇 시간 내에 갈색 침전물이 형성되어 수질을 악화시키고 있다. 본 연구에서는 지하수의 탁도를 유발하는 원인과 지화학적 반응 경로를 이해하고자, 평형열역학 및 반응속도론적 접근을 통하여 갈색 침전물의 형성과정을 파악하였다. 본 연구결과는 침전물의 형성을 최소화하기 위한 적정 양수 기법은 물론 수질 향상을 위한 최적 수처리 기법을 설계하는데 있어 중요한 자료로 활용될 것이다. 파주 지역의 암반 지하수는 물/암석(편마암)반응에 의해 Ca-$HCO_3$형의 수질 특성을 보인다. SEM-EDS 및 XRD 분석 결과, 갈색 침전물은 비정질의 함철 산화물 또는 수산화물로 해석된다. 다양한 공극 크기(6, 4, 1, 0.45, 0.2 $\mu\textrm{m}$)를 갖는 여과지를 이용한 다단계 여과 결과, 이들 침전물은 크기에 있어 대부분 1 내지 0.45$\mu\textrm{m}$의 입도를 갖는 콜로이드 형태이지만, 질량 분포로 볼 때는 1 내지 6$\mu\textrm{m}$범위가 우세함(총 질량의 약 81%)을 알 수 있다. 다량의 용존 철(II)은 지하수 유동 중에 철 함량이 높은(최대 3wt.%) 단층 파쇄암 내의 녹니석(clinochore)의 용해로부터 기원하는 것으로 판단된다. PHREEQC 프로그램을 이용한 포화지수 계산 및 pH-Eh 관계도에 대한 검토 결과, 침전물은 함철 수산화물임이 확인되며, 환원 조건에 있던 심부 지하수가 양수에 의해 산소에 노출되면서 화학성 변화(특히, 산화)에 의하여 침전함을 알 수 있다. 양수 이후의 시간 경과와 더불어 양수된 지하수의 pH, DO, 알칼리도는 점차 감소하며. 탁도는 증가하다가 일정 시간 경과 후 감소하는 경향을 보인다. 양수 이후의 경과 시간에 따른 용존 철(II)의 농도 감소율(즉, 반응 속도)은 Fe(II)=10.l exp(-0.0009t)로 표현된다. 따라서 갈색 침전물의 생성 반응은 양수 및 양수 후 저장 과정 중에 산소의 유입에 따른 산화 반응에 기인하며, 그 반응은 시간, 산소분압 및 pH에 의존함을 알 수 있다. 탁도를 제거하여 음용 가능한 수질을 확보하기 위해서는, 충분한 시간 동안 충분한 크기를 갖는 탱크 내에서의 다단계 저장 및 폭기를 거친 이후에 응집된 침전물에 대한 여과가 제안된다. 이때, 비용 절감 차원에서 상이한 입도 조건에서의 다단계 여과가 효과적일 것으로 생각된다. 한편, 개발 관정 내에서의 스케일링을 최소화하기 위해서는 심부 지하수로 산소가 풍부한 천층 지하수가 유입되는 과정을 최소화할 필요가 있다. 이를 위해서는 적정 채수량 범위 내에서의 지속적인 양수가 효과적일 것이다. 아울러, 산소가 풍부한 천층 지하수의 채수를 위한 별도의 관정 설치도 고려할 수 있을 것이다.
The formation of brown-colored precipitates is one of the serious problems frequently encountered in the development and supply of groundwater in Korea, because by it the water exceeds the drinking water standard in terms of color. taste. turbidity and dissolved iron concentration and of often results in scaling problem within the water supplying system. In groundwaters from the Pajoo area, brown precipitates are typically formed in a few hours after pumping-out. In this paper we examine the process of the brown precipitates' formation using the equilibrium thermodynamic and kinetic approaches, in order to understand the origin and geochemical pathway of the generation of turbidity in groundwater. The results of this study are used to suggest not only the proper pumping technique to minimize the formation of precipitates but also the optimal design of water treatment methods to improve the water quality. The bed-rock groundwater in the Pajoo area belongs to the Ca-$HCO_3$type that was evolved through water/rock (gneiss) interaction. Based on SEM-EDS and XRD analyses, the precipitates are identified as an amorphous, Fe-bearing oxides or hydroxides. By the use of multi-step filtration with pore sizes of 6, 4, 1, 0.45 and 0.2 $\mu\textrm{m}$, the precipitates mostly fall in the colloidal size (1 to 0.45 $\mu\textrm{m}$) but are concentrated (about 81%) in the range of 1 to 6 $\mu\textrm{m}$in teams of mass (weight) distribution. Large amounts of dissolved iron were possibly originated from dissolution of clinochlore in cataclasite which contains high amounts of Fe (up to 3 wt.%). The calculation of saturation index (using a computer code PHREEQC), as well as the examination of pH-Eh stability relations, also indicate that the final precipitates are Fe-oxy-hydroxide that is formed by the change of water chemistry (mainly, oxidation) due to the exposure to oxygen during the pumping-out of Fe(II)-bearing, reduced groundwater. After pumping-out, the groundwater shows the progressive decreases of pH, DO and alkalinity with elapsed time. However, turbidity increases and then decreases with time. The decrease of dissolved Fe concentration as a function of elapsed time after pumping-out is expressed as a regression equation Fe(II)=10.l exp(-0.0009t). The oxidation reaction due to the influx of free oxygen during the pumping and storage of groundwater results in the formation of brown precipitates, which is dependent on time, $Po_2$and pH. In order to obtain drinkable water quality, therefore, the precipitates should be removed by filtering after the stepwise storage and aeration in tanks with sufficient volume for sufficient time. Particle size distribution data also suggest that step-wise filtration would be cost-effective. To minimize the scaling within wells, the continued (if possible) pumping within the optimum pumping rate is recommended because this technique will be most effective for minimizing the mixing between deep Fe(II)-rich water and shallow $O_2$-rich water. The simultaneous pumping of shallow $O_2$-rich water in different wells is also recommended.
