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문제 정의
- 또한 육수학적 측면에서 날로 증가하고 있는 하수처리장의 배출수에 대한 영향을 고려한 연구는 그리 많지않다 (김 드 2001). 따라서, 본 연구는 하천과 저수지의수질 부영양화를 저감시킬 수 있는 방안으로 하수처리수와 생하수에 포함된 제한영양염에 대해 자연조류 개체군을 이용하여 생물검정하였다.
제안 방법
- 온도와 광도측정은 각각 digital thermometer (Omega model CL27, USA)와 quantum sensor (Li-Cor 190SB, USA)를 이용하였다. 배양 초기와 종료 시료는 각각 sampling하여 즉시 Whatman GF/F filter로 여과하였고, 여과지는 엽록소 a 농도를, 여 과수는 무기 N, P 및 Si영 양염 농도를 분석하는데 이용하였다.
- 생하수의 영향이 큰 곳이다. 자연조류 개체군을 이용한 희석법 (bioassay)으로 배출농도 및 수질의 fertility 를 평가하였다. NH4, SRP 및 SRSi의 농도와 조류 생물량은 정상관 관계로서 특히 P에 대한 상관성에 대해 유의도가 높았다 (r = 0.
- 냉동 보관시료는 배양 직전에 실온에서 완전히 녹인 후 즉시사용하였다. 하수 배출수는 고농도의 영 양염을 함유하고있기 때문에 영양염 농도에 따른 식물플랑크톤의 생장을 확인하기 위하여 희석 비율을 달리하였다. 이때 희석수는 NaHCO3 용액을 제조 (APHA, 1995)하여 여과멸균 후 사용하였고, 희석 구배 (None, D1~D4)는 Table 1과같이 처리하여 배양하였다.
대상 데이터
- 엽록소 a는 90% ethan이을 용매로 비등 추출하여 정량하였다 (Nusch, 1980). DIN (dissolved inorganic nitrogen) 은 NH4, NO3 및 NO2의 합으로 산정 하였다.
- 생물검정을 위한 배출수 시료는 2000년 10월에 채수한 것을 이용하였고, 배양 접종시료는 경안천의 최하류에 해당하는 광동교에서 규조류 Stephanodiscus hantzschii f. tenuis가 우점 한시기인 2000년 3월에 표층수를 채수하였다.
- 배양 용기는 Pyrex 재질로 된 250ml E-flask를 사용하였고, 용기 마개는 알루미늄 호일을 사용하였다. 온도는 현장 수온을 고려하여 10℃로 하였고, 광은 110μmol m-2 s-1 의 연속광으로 하였다.
- 본 연구는 경안천을 배출수역으로 하는 용인하수처리장 (sewage wastewater treatment plant; SWTP)과 용인생 하수 (domestic wastewater; DOW) 배출구 및 광동교 (KWA)를 대상으로 하였다 (Fig. 1). 용인하수처리장 (시설용량 36천톤/일, 표준활성슬러지처리)과 생하수 배출구는 광동교로부터 약 24 km 상류에 위치하고 있다.
- 매월 1회 채수하였다. 생하수는 하수 유입량이 처리용량을 초과하거나 하수처리장의 가동상 문제가 발생한 경우 간헐적으로 다량 방류되었기 때문에 2000년 10월과 2001년 1월에만 채수하였다. 생물검정을 위한 배출수 시료는 2000년 10월에 채수한 것을 이용하였고, 배양 접종시료는 경안천의 최하류에 해당하는 광동교에서 규조류 Stephanodiscus hantzschii f.
- 수질분석을 위한 시료는 2000년 10월부터 2001년 4 월까지 매월 1회 채수하였다. 생하수는 하수 유입량이 처리용량을 초과하거나 하수처리장의 가동상 문제가 발생한 경우 간헐적으로 다량 방류되었기 때문에 2000년 10월과 2001년 1월에만 채수하였다.
- 2, Table 1). 온도와 광도측정은 각각 digital thermometer (Omega model CL27, USA)와 quantum sensor (Li-Cor 190SB, USA)를 이용하였다. 배양 초기와 종료 시료는 각각 sampling하여 즉시 Whatman GF/F filter로 여과하였고, 여과지는 엽록소 a 농도를, 여 과수는 무기 N, P 및 Si영 양염 농도를 분석하는데 이용하였다.
이론/모형
- 배출수, 하천수 및 배양시료에 포함된 무기영양염 중NH4는 salicylate-citrate법, NO3는 cadmium reduction 법, NO2는 sulfanilamide법, SRP (soluble reative phos-phorus)는 molybdate-blue법 및 SRSi (soluble reactive silicon)은 silicomolybdate법으로 측정하였다 (Strickland and Parsons, 1972; Rump and Krist, 1988; APHA,1995). 엽록소 a는 90% ethan이을 용매로 비등 추출하여 정량하였다 (Nusch, 1980).
성능/효과
- 평균값과 최대값으로 비교할 때, 초기 농도보다 각각 37배, 83배 증가하였다. Chl-a의 증가는 SRP와 SRSi 영양염 감소와 밀접한 관련성을 보였고, NH4의 농도가 높은 처리구에서상관성이 적어 하수처리수의 검정 결과와 다소 차이가있었다.
- 반면, 생하수의 NH4, NO3 및 NO2 평균 농도는 각각 4, 605 μg N/l, 44 μg N/l 및 307 μg N/l이 었다 (Table 2). DIN에서 차지하는 비율로 보면, 하수처리수와생하수에서 NH4는 각각 70%, 94%, NO3는 24%, 1%이었고 NO2는 6%, 6%이었다. NH4의 평균 농도는 생하수가하수처리수보다 1.
- 자연조류 개체군을 이용한 희석법 (bioassay)으로 배출농도 및 수질의 fertility 를 평가하였다. NH4, SRP 및 SRSi의 농도와 조류 생물량은 정상관 관계로서 특히 P에 대한 상관성에 대해 유의도가 높았다 (r = 0.959, p<0.001). 배양 초기 농도에 비해 하수처리장과 생하수의 NH4는 96%, 7%, SRP는 78%, 66% 및 SRSi는 97%, 60% 감소하였으나 NO3는 변화가 없거나 오히려 증가한 경향을 보였고, chl-a 범위는 20~125 pg/l로서 최대 89배 증가하였다.
- DIN에서 차지하는 비율로 보면, 하수처리수와생하수에서 NH4는 각각 70%, 94%, NO3는 24%, 1%이었고 NO2는 6%, 6%이었다. NH4의 평균 농도는 생하수가하수처리수보다 1.7배 높았고, NO3의 평균 농도는 하수처리수가 생하수보다 24배 높았다.
- 3). SRP는희석 구배에 따른 감소된 양이 초기 농도에 대해 68~ 90% 범위로서 비례하였고, SRSi는 D3 처리구만 초기 농도의 11%를 유지하였고, 그 외 조건에서 완전 고갈되었다.
- NH4 의 농도는 102~3, 729 Rg N/l 범위이었고, NO3 는 356~1, 624 Rg N/l 범위 이 었다. SRP의 평균값과 최대값은 각각 87 Rg P/l, 184 Rg P/l이 었고, SRSi는 각각 644 Rg Si/l, 1, 442 Rg Si/l이었다. NO2를 제외한 무기 N - P 영양염의 변동 폭은 매우 컸다.
- 001). 배양 초기 농도에 비해 하수처리장과 생하수의 NH4는 96%, 7%, SRP는 78%, 66% 및 SRSi는 97%, 60% 감소하였으나 NO3는 변화가 없거나 오히려 증가한 경향을 보였고, chl-a 범위는 20~125 pg/l로서 최대 89배 증가하였다. Chl-a와 SRP의 관계로부터 조류 생물량을 중영 양 기준 (<25 pg chl-a/l) 이하로 유지할 경 우 배출 P 농도는 83 pg P/l에해당하였다.
- 5 μg/l이 었으나, 배양 7일 후에는 최대 92 μg/l에 달하였다. 배양액 중에서 하수처리 수가 차지하는 비율이 높을수록 조류 발생량은 증가하였다. 경안천 하류의 하천수를 접종하였을 때 식물플랑크톤의 생물량 (chl-a)은 크게 증가하였고, 이는 NH4, SRP 및 SRSi 영양염과 밀접한 관련성을 나타냈다.
- 농도가 높은 원인은 몇가지로 요약할 수 있다. 첫째, 생하수의 특성상 질화 박테리아 (nitrifier population) 의 활성이 적고(Brion and Billen, 2000), 강력한 혐기성조건 (DO, <2.5mg O2/l)을 유지하여 암모니아화 작용이활발하였던 것으로 볼 수 있었다. 둘째 하수처리장의 폭기 공정에서 NH4가 NO3의 질산화가 일어나기 때문일것이다 (Brion and Billen, 2000).
- 4). 평균값과 최대값으로 비교할 때, 초기 농도보다 각각 37배, 83배 증가하였다. Chl-a의 증가는 SRP와 SRSi 영양염 감소와 밀접한 관련성을 보였고, NH4의 농도가 높은 처리구에서상관성이 적어 하수처리수의 검정 결과와 다소 차이가있었다.
- 검정 배양 전 . 후 영양염의 변동을 보면, NH4는None~D3 처리구는 초기 농도의 3~5% 수준이었고, D4 처리구는 49% 감소하였다. 반면, NO3는 배양초기 농도와 비교하면 다소 증가 (1~32%)하였다 (Fig.
- 배양 검정 전 . 후의 영양염 변동에서 NH4는 None~ D2 처리구가 초기농도에 비해 큰 차이 (1~8% 감소)가없었으나 D3와 D4 처리구는 각각 16%, 44%가 감소하였다. 반면, NO3는 모든 처리구에서 초기보다 33~52% 범위로 증가하였고, NH4와는 대비되었다.
후속연구
- 결과적으로, 하상계수가 높은 우리나라 하천의 수문학적 조건으로 볼 때, 하수처리장과 하수구를 통해 지속적으로 방류되는 배출수를 희석할 수 있는 막대한 수량 확보는 매우 어렵다. 따라서 수체의 부영양화를 초래하고 식물플랑크톤 생장을 촉진하는 NH4와 SRP의 저감을 위한 고도하수처리는 반드시 적용되어야 할 것으로 판단된다.
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