소규모 축산분뇨처리시설과 연계한 상향류식 인공습지 적용에 관한 연구 A study on the application of upflow constructed wetland connected with small-scale livestock manure treatment facility원문보기
본 연구에서는 가축분뇨 공공처리시설 또는 개별 정화처리시설에서 방류되는 처리수 내 잔존하는 질소와 인의 추가 처리 및 축산지역에서 강우시 질소와 인 등 비점오염원을 함유한 강우 유출수의 처리를 위하여, 바이오갈대와 바이오세라믹을 적용한 상향류식 인공습지를 제작하였다. 또한 인공습지 충전재의 성능평가 및 최적의 ...
본 연구에서는 가축분뇨 공공처리시설 또는 개별 정화처리시설에서 방류되는 처리수 내 잔존하는 질소와 인의 추가 처리 및 축산지역에서 강우시 질소와 인 등 비점오염원을 함유한 강우 유출수의 처리를 위하여, 바이오갈대와 바이오세라믹을 적용한 상향류식 인공습지를 제작하였다. 또한 인공습지 충전재의 성능평가 및 최적의 전처리 조건 산정을 위한 분석을 하였으며, 실험실 규모의 상향류식 인공습지 운영을 통해 소규모 가축분뇨 정화처리시설과 연계한 후속처리공정 및 축산지역 강우 유출수를 처리할 수 있는 자연형 처리시설로서의 적용 가능성을 도출하였다.
회분식 칼럼 실험에서 여재의 효율성 평가를 통하여 T-N과 T-P의 제거효율은, 5 mm 바이오세라믹 여재로 구성한 칼럼에서 T-N은 31.5%, T-P는 77.2%로 나타났다. 특히 인의 제거효율이 높은 이유로는 바이오세라믹의 Ca2+ 이온이 수중의 인과 착물화 반응을 일으켜 아파타이트(apatite)를 형성하였기 때문인 것으로 판단된다.
연속식 칼럼 실험에서 여재의 유입수 성상별 처리효율 평가를 통하여 T-N과 T-P의 제거효율은, T-N의 경우 27.1%로 바이오세라믹의 충전 유무에 따라 10% 이상 차이가 나타났다. T-P의 경우 저농도와 고농도 모두 바이오블록을 기반으로 한 5 mm 바이오세라믹을 충전한 칼럼에서 제거효율이 46.7%로 가장 높게 나타났다.
인공습지에 적용시 입자상 물질 등에 의한 막힘을 방지하기 위한 최적의 전처리 조건으로는 보조공정으로서 처리효율의 정체 구간인 30 min과 3단 구성의 충전재로 설정하였다.
상향류식 인공습지의 실험을 통하여 수처리 특성, 식생의 생장량 분석, 갈대의 총질소(T-N)와 총인(T-P) 분석, 상향류식 인공습지의 제거효율 평가 및 물벼룩(Daphnia magna)을 이용한 생태독성평가를 수행하였다.
상향류식 인공습지 수처리 특성 분석 결과, 전반적으로 저농도와 고농도에서 유사한 처리효율을 보였고, 바이오갈대, 바이오세라믹과 바이오블록을 여재로 적용한 set 3의 인공습지에서 T-N이 24.7%, T-P가 38.6%로 가장 좋은 제거효율을 나타냈다. 이는 유입수 농도 등 성상이 변하더라도 처리효율은 크게 변하지 않고 안정적인 처리 현황을 보여, 바이오갈대 등 식생이 생장하면서 안정화되고, 바이오세라믹과 바이오블록의 충전재가 처리기능을 지속적으로 수행하는 것을 알 수 있었다. 이는 식생이 생장하면서 질소와 인을 영양분으로 흡수하면서 뿌리의 모근이 자람에 따라 질소와 인의 흡착이 많아져 처리효율이 안정적으로 유지되는 것으로 사료된다.
물벼룩을 이용한 상향류식 인공습지에서의 W처리장 폭기조 유출수와 N처리장 방류수에 대한 생태독성평가 결과, 원수에서 TU 값은 1.4와 1.4로, 일반갈대를 식재한 set 4의 처리수에서는 각각 1.1과 1.2로 나타났다. 그러나 set 1, 2, 3과 5에서는 독성이 발현되지 않았다. 이는 본 연구에서 인공습지에 이용한 바이오세라믹과 바이오갈대의 실험을 통하여 생태독성의 저감을 확인할 수 있었다. 또한 축산지역에서 발생되는 비점오염원 등이 강우시 하천으로 유출될 경우 수생태계에 위해성이 가중될 수 있으므로 생태독성에 영향을 미치는 중금속 등의 원인물질을 규명하여 이를 저감할 수 있는 방안의 수립이 필요하다.
따라서 본 연구에서 제안하는 상향류식 인공습지와 가축분뇨에서 유출되는 처리시설 방류수의 연계 처리를 통하여 방류함으로써 수계의 오염부하를 저감하고, 소규모 축산지역 및 액비 사용 농지에 적합한 자연형 처리시설로서 적용할 수 있을 것으로 판단하였다.
본 연구에서는 가축분뇨 공공처리시설 또는 개별 정화처리시설에서 방류되는 처리수 내 잔존하는 질소와 인의 추가 처리 및 축산지역에서 강우시 질소와 인 등 비점오염원을 함유한 강우 유출수의 처리를 위하여, 바이오갈대와 바이오세라믹을 적용한 상향류식 인공습지를 제작하였다. 또한 인공습지 충전재의 성능평가 및 최적의 전처리 조건 산정을 위한 분석을 하였으며, 실험실 규모의 상향류식 인공습지 운영을 통해 소규모 가축분뇨 정화처리시설과 연계한 후속처리공정 및 축산지역 강우 유출수를 처리할 수 있는 자연형 처리시설로서의 적용 가능성을 도출하였다.
회분식 칼럼 실험에서 여재의 효율성 평가를 통하여 T-N과 T-P의 제거효율은, 5 mm 바이오세라믹 여재로 구성한 칼럼에서 T-N은 31.5%, T-P는 77.2%로 나타났다. 특히 인의 제거효율이 높은 이유로는 바이오세라믹의 Ca2+ 이온이 수중의 인과 착물화 반응을 일으켜 아파타이트(apatite)를 형성하였기 때문인 것으로 판단된다.
연속식 칼럼 실험에서 여재의 유입수 성상별 처리효율 평가를 통하여 T-N과 T-P의 제거효율은, T-N의 경우 27.1%로 바이오세라믹의 충전 유무에 따라 10% 이상 차이가 나타났다. T-P의 경우 저농도와 고농도 모두 바이오블록을 기반으로 한 5 mm 바이오세라믹을 충전한 칼럼에서 제거효율이 46.7%로 가장 높게 나타났다.
인공습지에 적용시 입자상 물질 등에 의한 막힘을 방지하기 위한 최적의 전처리 조건으로는 보조공정으로서 처리효율의 정체 구간인 30 min과 3단 구성의 충전재로 설정하였다.
상향류식 인공습지의 실험을 통하여 수처리 특성, 식생의 생장량 분석, 갈대의 총질소(T-N)와 총인(T-P) 분석, 상향류식 인공습지의 제거효율 평가 및 물벼룩(Daphnia magna)을 이용한 생태독성평가를 수행하였다.
상향류식 인공습지 수처리 특성 분석 결과, 전반적으로 저농도와 고농도에서 유사한 처리효율을 보였고, 바이오갈대, 바이오세라믹과 바이오블록을 여재로 적용한 set 3의 인공습지에서 T-N이 24.7%, T-P가 38.6%로 가장 좋은 제거효율을 나타냈다. 이는 유입수 농도 등 성상이 변하더라도 처리효율은 크게 변하지 않고 안정적인 처리 현황을 보여, 바이오갈대 등 식생이 생장하면서 안정화되고, 바이오세라믹과 바이오블록의 충전재가 처리기능을 지속적으로 수행하는 것을 알 수 있었다. 이는 식생이 생장하면서 질소와 인을 영양분으로 흡수하면서 뿌리의 모근이 자람에 따라 질소와 인의 흡착이 많아져 처리효율이 안정적으로 유지되는 것으로 사료된다.
물벼룩을 이용한 상향류식 인공습지에서의 W처리장 폭기조 유출수와 N처리장 방류수에 대한 생태독성평가 결과, 원수에서 TU 값은 1.4와 1.4로, 일반갈대를 식재한 set 4의 처리수에서는 각각 1.1과 1.2로 나타났다. 그러나 set 1, 2, 3과 5에서는 독성이 발현되지 않았다. 이는 본 연구에서 인공습지에 이용한 바이오세라믹과 바이오갈대의 실험을 통하여 생태독성의 저감을 확인할 수 있었다. 또한 축산지역에서 발생되는 비점오염원 등이 강우시 하천으로 유출될 경우 수생태계에 위해성이 가중될 수 있으므로 생태독성에 영향을 미치는 중금속 등의 원인물질을 규명하여 이를 저감할 수 있는 방안의 수립이 필요하다.
따라서 본 연구에서 제안하는 상향류식 인공습지와 가축분뇨에서 유출되는 처리시설 방류수의 연계 처리를 통하여 방류함으로써 수계의 오염부하를 저감하고, 소규모 축산지역 및 액비 사용 농지에 적합한 자연형 처리시설로서 적용할 수 있을 것으로 판단하였다.
In this study, for additional treatment of nitrogen and phosphorus in treated water discharged from livestock manure public treatment facility or individual purification treatment facility and treatment of rainfall runoff containing nonpoint pollutants such as nitrogen and phosphorus from livestock ...
In this study, for additional treatment of nitrogen and phosphorus in treated water discharged from livestock manure public treatment facility or individual purification treatment facility and treatment of rainfall runoff containing nonpoint pollutants such as nitrogen and phosphorus from livestock area during rainfall, the present research produced the upflow constructed wetland made with the use of bio-reed and bio-ceramic. Also analyzed performance evaluation and optimum configuration of medium in constructed wetland, and operated a laboratory-sized upflow constructed wetland that draws to the applicability of small-scale livestock manure purification treatment facility linked with natural follow-up treatment process and natural treatment facility treating livestock area rainfall effluent.
As a result of removal efficiency of T-N and T-P through efficiency evaluation of media in the batch column experiment, T-N and T-P were 31.5% and 77.2%, respectively, in the column with a 5 mm bio-ceramic medium. Especially, high removal efficiency of phosphorus due to the formation of apatite after Ca2+ ion combined with phosphorus in water and caused complexation reaction was found.
As a result of removal efficiency of T-N and T-P through processing efficiency evaluation by influent property of a medium in the continuous column experiment, in the case of T-N. It was found that the processing efficiency has more than 10% difference based on whether the bio-ceramic is filled or not and 27.1% of removal efficiency. In the case of T-P, the removal efficiency of both low and high concentration was shown to be the highest as 46.7% in the column filled with 5 mm bio-ceramic based on bio-blocks.
For the optimal preprocessing condition to prevent blockage from solids when it is applied to the upflow constructed wetland, it is set to 30 min which brings an inflection point of processing efficiency as a secondary processing and it is set as three-column media.
By the upflow constructed wetland examination, the characteristic of water treatment, analysis for the growth amount of vegetation, total nitrogen (T-N) and total phosphorus (T-P), removal efficiency evaluation for the upflow constructed wetland examination and ecotoxicological assessment using daphnia magna were performed.
As a result of water treatment characteristic analysis for the upflow constructed wetland, similar processing efficiency were shown both for low and high concentration. In the upflow constructed wetland of set 3 applied with bio-reed, bio-ceramic, and bio-blocks, It shows the most efficient efficiency with 24.7% T-N and 38.6% T-P, respectively. From this, it is determined that the processing efficiency is not significantly changed and shows stable status of processing whether the property such as the concentration of influent is changed. Therefore, as the vegetation including bio-reed grows, it becomes stabilized and media keep performing the processing consistently with bio-ceramic and bio-blocks. It is considered that as the hair root grows by vegetation growth and absorption of nitrogen and phosphorus as nutrients, it maintains stable processing efficiency.
According to the result of ecotoxicological assessment from aeration tank effluent of W facility and effluent water of N facility of upflow constructed wetland by using Daphnia magna, the amount of TU from the raw water was 1.4 and 1.4, and the amount of TU from set 4 raw water that planted common reed showed each 1.1 and 1.2 respectively. In addition, from set 1, 2, 3 and 5, the toxicity was not revealed. According to the result of this study, it is verified that the experiment from the upflow constructed wetland by using bio-ceramic and bio-reed had reduced ecotoxicity. Also, in the case nonpoint pollutants that formed from livestock area overflew the river during the rainfall, it is necessary to identify the causing substances such as heavy metals that can effect on ecotoxicity and establish a plan to reduce such materials since those substances may increase that the risk of aquatic ecosystem.
Also, it reduces pollution load of water system by discharging effluent of treatment facility leaked from livestock manure, through the upflow constructed wetland. Therefore, it is determined that it can be applied as a natural treatment facility for small-scale livestock area and the farm using a liquefied fertilizer in Korea.
In this study, for additional treatment of nitrogen and phosphorus in treated water discharged from livestock manure public treatment facility or individual purification treatment facility and treatment of rainfall runoff containing nonpoint pollutants such as nitrogen and phosphorus from livestock area during rainfall, the present research produced the upflow constructed wetland made with the use of bio-reed and bio-ceramic. Also analyzed performance evaluation and optimum configuration of medium in constructed wetland, and operated a laboratory-sized upflow constructed wetland that draws to the applicability of small-scale livestock manure purification treatment facility linked with natural follow-up treatment process and natural treatment facility treating livestock area rainfall effluent.
As a result of removal efficiency of T-N and T-P through efficiency evaluation of media in the batch column experiment, T-N and T-P were 31.5% and 77.2%, respectively, in the column with a 5 mm bio-ceramic medium. Especially, high removal efficiency of phosphorus due to the formation of apatite after Ca2+ ion combined with phosphorus in water and caused complexation reaction was found.
As a result of removal efficiency of T-N and T-P through processing efficiency evaluation by influent property of a medium in the continuous column experiment, in the case of T-N. It was found that the processing efficiency has more than 10% difference based on whether the bio-ceramic is filled or not and 27.1% of removal efficiency. In the case of T-P, the removal efficiency of both low and high concentration was shown to be the highest as 46.7% in the column filled with 5 mm bio-ceramic based on bio-blocks.
For the optimal preprocessing condition to prevent blockage from solids when it is applied to the upflow constructed wetland, it is set to 30 min which brings an inflection point of processing efficiency as a secondary processing and it is set as three-column media.
By the upflow constructed wetland examination, the characteristic of water treatment, analysis for the growth amount of vegetation, total nitrogen (T-N) and total phosphorus (T-P), removal efficiency evaluation for the upflow constructed wetland examination and ecotoxicological assessment using daphnia magna were performed.
As a result of water treatment characteristic analysis for the upflow constructed wetland, similar processing efficiency were shown both for low and high concentration. In the upflow constructed wetland of set 3 applied with bio-reed, bio-ceramic, and bio-blocks, It shows the most efficient efficiency with 24.7% T-N and 38.6% T-P, respectively. From this, it is determined that the processing efficiency is not significantly changed and shows stable status of processing whether the property such as the concentration of influent is changed. Therefore, as the vegetation including bio-reed grows, it becomes stabilized and media keep performing the processing consistently with bio-ceramic and bio-blocks. It is considered that as the hair root grows by vegetation growth and absorption of nitrogen and phosphorus as nutrients, it maintains stable processing efficiency.
According to the result of ecotoxicological assessment from aeration tank effluent of W facility and effluent water of N facility of upflow constructed wetland by using Daphnia magna, the amount of TU from the raw water was 1.4 and 1.4, and the amount of TU from set 4 raw water that planted common reed showed each 1.1 and 1.2 respectively. In addition, from set 1, 2, 3 and 5, the toxicity was not revealed. According to the result of this study, it is verified that the experiment from the upflow constructed wetland by using bio-ceramic and bio-reed had reduced ecotoxicity. Also, in the case nonpoint pollutants that formed from livestock area overflew the river during the rainfall, it is necessary to identify the causing substances such as heavy metals that can effect on ecotoxicity and establish a plan to reduce such materials since those substances may increase that the risk of aquatic ecosystem.
Also, it reduces pollution load of water system by discharging effluent of treatment facility leaked from livestock manure, through the upflow constructed wetland. Therefore, it is determined that it can be applied as a natural treatment facility for small-scale livestock area and the farm using a liquefied fertilizer in Korea.
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