선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 지금까지 국내외에서 지하흐름습지는 축산폐수, 생활하수, 2차 처리수 등 고농도의 폐수처리에 만 적용되어 왔으며, 비교적 낮은 오염농도를 가지는 부영양화 농업용저수지의 수질개선을 위해서는 적용된 사례가 없다. 그러나, 본 연구에서는 수질개선에 소요되는 인공습지의 면적 중 질소제거기능 증가와 부가 가치의 증대를 위한 친수공간 조성 등의 목적으로 일부 구간에 지하 흐름습지의 도입을 시도하여 농업용저수지의 수질개선에 지하흐름습지의 적용타당성에 대한 검토를 하고자 하였다. 지하흐름인공습지는 지표흐름인공습지에 비해 냄새, 악취, 해충의 피해가 거의없고, 지하여재의 표면 미생물막의 발달에 의해 수질정화의 속도가 빨라 동일유량의 수질 개선에 소요면적이 줄어드는 장점과 지하흐름습지의 보온효과로 겨울철 식물의 냉해 피해를 최 소화시켜주며, 사람들의 접근에도 안전하다 (EPA, 1993).
- 결과적으로 지하흐름 인공습지의 정화효율은 농업용수의 수질기준을 만족할 정도로 개선 효과가 나타났으며, 특히, 질소의 제거효과가 우수하였다. 또한 지표흐름습지에 비해 소요되는 습지 부지 면적이 적어 용지매수비용의 절감효과, 모기등 병충해방지, 사람의 접근성 용이 등의 보편적인 이점이 있어 넓은 면적의 인공습지 적용시 질소제거를 목적으로 하는 일부구간에 지하흐름 습지의 적용을 검토해 볼 수 있다. 그러나 비교적 저농도의 농업용수원의 수질개선을 위한 인공 습지의 설계 및 조성시에는 시설 설치 단가가 비싸고, 사용년한이 증가함에 따른 여재의 퇴적물 관리 등 유지관리가 다소 어려운 점을 반영할 때 상당한 고려가 필요할 것으로 사료되었다.
- 2 w/L와 유사한 특성을 보여 평균 유출 한계농도의 수준으로 판단되어지며, 일부시기에는 SS가 불검출되기도 하여 지하흐름습지의 적정한 조건에서 완벽하게 제거되어질 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구는 부영양화된 농업용저수지의 물을 양수하여 인공 습지를 통한 수질개선을 도모한 형태로서 호소수의 식물플랑크톤의 제거 역시 인공습지처리의 주요 목적이 된다. 식물플랑크톤의 간접지표인 Chl-a 농도변화를 보면, 유입수에서 14.
- 본연구에는 비교적 오염농도가 낮은 부영양화 된 농업용저수지의 수질개선을 목적으로 인공습지를 적용할 때 대규모 인공습지 적용시 다단계의 지표흐름습지 공종중에 단위공종으로 지하 흐름습지를 도입하여 유기물 및 영양물질의 정화효과 기능을 분석하고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 일반적으로 적용되어온 지하흐름 인공습지와 달리 비교적 낮은 오염농도인 연 평균 BOD 3.3~4.7 mg/L, TN 1.321~0.986mg /L, TP 0.130-0.094 m/L의 인공습지 1차 유출수를 적용하여 체류시간 6시간~72시간의 조건에서 수질정화효과를 평가하였다.
- 시료의 채취는 인공습지의 각 지점에서 용기를 이용하여 채취하였으며, 채취한 시료는 전처리하여 냉암소에 보존한 상태로 분석실로 운반하여 실내분석 하였다. 인공습지의 유량과 체류 시간을 현장에서 계산하였으며, 휴대용 수질측 정장치를 사용하여 수온, pH, 전기전도도, 용존 산소량 등을 바로 측정하였다.
- 시료의 채취는 인공습지의 각 지점에서 용기를 이용하여 채취하였으며, 채취한 시료는 전처리하여 냉암소에 보존한 상태로 분석실로 운반하여 실내분석 하였다. 인공습지의 유량과 체류 시간을 현장에서 계산하였으며, 휴대용 수질측 정장치를 사용하여 수온, pH, 전기전도도, 용존 산소량 등을 바로 측정하였다. 분석항목은 BOD5, CODMn, SS, Chl-a, TN, NH4-N, NO2-N, NO3-N, TP, PO4-P 등이며 수질오염공정시험법(2000) 및 APHA(1995)에 준하여 실시하였다.
- 인공습지의 정화효율은 유입수 농도와 유출수 농도의 차를 이용하여 백분율(%)로 계산하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 인공습지는 부영양화된 중규모 농업용저수지인 충남 아산의 마산저수지의 물을 끌어들여 오염물질을 저감시킨 뒤 저수지로 다시 유출시키는 구조로서 Fig. 1에 나타내었다. 인공습지의 구성 및 물의 흐름도는 저수지 심층수 → 접근수로 → 양수장 → 송수관 → 침전조 → 인공습지 → 유출관로 → 저수지 심층부의 순으로 진행되며, 인공습지의 형태는 Fig.
- 습지여재의 충진은 바닥에서부터 40mm 자갈(공극율 40%) 45cm, 식물식재용 모래 15cm로 하여 총 60cm의 두께로 포설하였으며, 습지 유출수는 바닥으로부터 10cm높이에 50cm간격으로 뚫린 직경 5cm의 구형의 유출구로 유출되는 구조로 되어있다. 식물은 갈대를 적용하여 5월에 식재하였으며, 초기 식재밀도는 9 본/m2 이었다. 갈대는 우리나라 수변환경에 적응능이 우수하고, 유기물질 및 질소등 영양염류 제거능도 다른 정수식물에 비해 효과적이라고 알려져 수질정화 식물로 가장 많이 선호하고 있으며(양, 2003), 또한 내염분성(0.
- 인공습지의 정화효율을 분석하기 위한 수질 시료채취는 유입수 1지점과 체류시간별 각 습지의 유출부 1지점에서 실시하였으며, ‘03년 5월~’03년 12월, ‘04년 4월~’04년 9월에 걸쳐 월 1회 조사, 분석하였으며, 농업용수의 특성상 그 기능을 상실하는 동절기는 제외하였다.
이론/모형
- 인공습지의 유량과 체류 시간을 현장에서 계산하였으며, 휴대용 수질측 정장치를 사용하여 수온, pH, 전기전도도, 용존 산소량 등을 바로 측정하였다. 분석항목은 BOD5, CODMn, SS, Chl-a, TN, NH4-N, NO2-N, NO3-N, TP, PO4-P 등이며 수질오염공정시험법(2000) 및 APHA(1995)에 준하여 실시하였다.
성능/효과
- 2004년 동일한 24시간 운영시 용존성인의 제거효과가 나타나는 것으로 전년도에는 시설초기 여재로부터 용출되는 영양 염류의 양이 다소 포함되었음을 알 수 있다. 24시간에서 72시간의 운영조건에서는 체류시간이 증가할수록 입자성 총인의 제거효과도 증가하였으나, 용존성 총인의 제거효과도 증가하였다. 그러나, 체류시간 48시간과 72시간의 조건에서는 큰 차이를 나타내지 않아 총인의 효과적 제거를 위해 최소 48시간의 체류시간이 필요함을 알 수 있었다.
- 4 rnm/L로 산화적 물질분해를 제한 받는 혐기적 환경은 형성하지 않은 것으로 판단되었다. BOD는 유입수 농도 자체가 상당히 낮은 평균 4.7 m/L, 3.3 m/L 의 농도를 보였으며, 6시간~24시간 조건 까지는 체류시간의 증가에 따라 유출 농도가 감소하였으나 24시간이상의 조건에서는 유출농도의 차이가 없었다. 이는 인공습지의 BOD 한계 허용농도 (background concentration) 1~10 mg/L의 최저농도인 1 mg/L에 근접한 조건으로 체류시간의 연장에 따른 더 이상의 농도감소는 어려울 것으로 판단된다(EPA, 2000).
- 지하흐름 인공습지의 체류시간에 따른 수질정 화효과는 Table 5에 나타내었다. BOD는 체류 시간 6시간의 짧은 체류시간에도 평균 52 %의 정화효율을 보였으며, 체류시간이 24시간까지 증가하여 평균 71.8%로 높게 나타났다(Fig. 4). 그러나 체류시간 24시간 이후에는 체류시간 증 가에 따른 정화효과의 뚜렷한 증가가 관찰되지 않았는데, 이는 체류시간 24시간이후 정화효과의 뚜렷한 증가를 관찰할수 없었고 항상 60%이 상의 정화효율을 보여주고 있는 EPA(1993)의 결과와 일치하였다.
- 이는 인공습지의 BOD 한계 허용농도 (background concentration) 1~10 mg/L의 최저농도인 1 mg/L에 근접한 조건으로 체류시간의 연장에 따른 더 이상의 농도감소는 어려울 것으로 판단된다(EPA, 2000). BOD와 달리 COD의 유입수 평균 농도는 호소수질환경 기준 W등급인 농업용수 수질기준을 초과하는 8.4 m/L, 8.2 m/L를 나타내었으며, 지하흐름습지를 통과하면서 4.2~5.3 rnm/L로 체류시간이 길어짐에 따라 농도가 감소하여 호소수질기준 Ⅲ 등급의 수질을 나타내었다. 입자성물질인 SS 의 경우 ‘03년에는 평균 2.
- 결과적으로 지하흐름 인공습지의 정화효율은 농업용수의 수질기준을 만족할 정도로 개선 효과가 나타났으며, 특히, 질소의 제거효과가 우수하였다. 또한 지표흐름습지에 비해 소요되는 습지 부지 면적이 적어 용지매수비용의 절감효과, 모기등 병충해방지, 사람의 접근성 용이 등의 보편적인 이점이 있어 넓은 면적의 인공습지 적용시 질소제거를 목적으로 하는 일부구간에 지하흐름 습지의 적용을 검토해 볼 수 있다.
- 24시간에서 72시간의 운영조건에서는 체류시간이 증가할수록 입자성 총인의 제거효과도 증가하였으나, 용존성 총인의 제거효과도 증가하였다. 그러나, 체류시간 48시간과 72시간의 조건에서는 큰 차이를 나타내지 않아 총인의 효과적 제거를 위해 최소 48시간의 체류시간이 필요함을 알 수 있었다. 인의 형태적 특성에 있어서도(Fig.
- 또한 체류시간이 길어질수록 탈질화가 일어날 수 있는 시간이 길어져 총질소의 정화효율이 증가한다(양홍모, 2002a; 양홍모, 2002b). 따라서 탈질작용을 통한 질소의 완벽한 제거를 위해서는 적어도 48시간, 72시간의 체류시간이 필요함을 알 수 있었다. EPA(1993)는 지하흐름인공습지를 통한 유기질소와 암모니아성질소의 많은 제한사항을 나타내었으며, 여러지역의 습지처리에서 (-)의 효과, 즉 습지를 통해 유입수보다 더 많은 양이 유출되어짐을 보고하였다.
- 따라서, 갈대를 도입한 지하흐름인공습지가 고농도 뿐 만 아니라 비교적 저농도의 오염물질 에도 유출수의 현저한 농도감소를 관찰할 수 있어 습지의 충분한 처리기능을 확신할 수 있었다.
- 그러나 체류시간 24시간 이후에는 체류시간 증 가에 따른 정화효과의 뚜렷한 증가가 관찰되지 않았는데, 이는 체류시간 24시간이후 정화효과의 뚜렷한 증가를 관찰할수 없었고 항상 60%이 상의 정화효율을 보여주고 있는 EPA(1993)의 결과와 일치하였다. 또한, 강 등(2004)이 열거한 국내 14개 고농도 인공습지의 BOD 정화효율이 평균 84%에 비교하면 본 연구결과의 정화 효율이 낮게 나타났으나, EPA의 경우와 같이 BOD 10mg/L이상의 고농도의 폐수처리에 비해 상당히 낮은 농도를 적용하였음에도 불구하고 60%이상의 일정한 정화효율을 보이는 것은 지하흐름습지가 저농도의 유입수에 대한 BOD 제 거효과를 가지고 있음을 보여주는 것이며, 저농 도 BOD제거를 위한 지하흐름습지의 설계시 최소 체류시간은 24시간으로 권장한다.
- EPA (1993)는 지하흐름습지에서 SS의 제거는 체류 시간 1일 조건이내에서 60%이상의 정화효과를 나타낸 후 체류시간의 연장에 따른 정화효과의 개선이 관찰안됨을 보고하였다. 또한, 농업용저 수지의 식물플랑크톤, 즉, 녹조제어를 위한 정화 기구로서 지하흐름 습지의 정화효과를 보면, 체류시간 12시간 이후 조건부터 90.8%~99.4%의 높은 정화효율로 체류시간이 증가하여도 유사한 경향을 보여주어 녹조제거 목적을 인공습지를 통해 얻는다면, 최소 체류시간 12시간이 요구됨을 알 수 있었다(Fig. 5).
- 6). 또한, 질소의 형태별 정화특성을 보면(Fig. 7), 체류시간이 짧은 6시간 및 12시간 조건에서는 암모니아성 질소의 정화효과가 높았으며, 질산성질소보다 유기질소의 제거효과가 높게 나타났으며, 24시간에서는 역시 암모니아성질소의 제거효과가 가장 높았고, 유기질소의 정화효과에 비해 질산성질소의 정화효과가 증가하여 높게 나타났다. 체류시간 48시간의 조건에서 유기질소의 정화효과가 가장 낮고, 암모니아 성질소와 질산성질소의 정화효과가 75%의 유사한 수준으로 높게 나타났으며, 체류시간 72시간 조건에서는 오히려 질산성질소의 정화효율이 95%로 가장 높은 수준을 보여, 인공습지내에서 질산화 및 탈질 작용이 활발히 이루어지고 있음을 알 수 있었다.
- 미생물학적 분해가 용이한 형태인 BOD와 달리 일부 난분해성 유기탄소를 포함하고 있는 COD는 체류시간별 평균 정화효율이 35.6%~ 48.6%의 범위로 체류시간이 길어짐에 따라 정 화효율의 현저한 증가는 관찰할 수 없었다(Fig. 4). 입자성 부유물질인 SS는 지하흐름 습지의 여재를 통과하면서 상당히 쉽게 제거되는 물질로서(박 등, 2004), 시설운영초기에 해당되는 ‘03년의 경우에는 체류시간 6~ 24시간 조건에 서는 50~65%의 비교적 낮은 정화효율을 보였으며, 1년간의 안정기를 거친 ’04년의 24시 간~72시간 조건에서는 82.
- 또한 질소의 효과적 제거를 위해 조류(algae)가 없어야하고, 근권의 발달등으로 산소가 충분히 공급되어야하며, 긴체류시간을 가져야 한다고 했다. 본 연구에서도 근권의 발달이 왕성한 갈대를 적용하여 체류시간을 72시간까지 연장한 결과 총질소의 정화효율이 체류시간 6시간 조건에서 평균 35%인 것이 체류시간 72시간에서 74.3% 로 크게 증가하였으며, 체류시간이 길어질수록 질산성질소가 효과적으로 제거되어 탈질작용이 활발하였다. 또한, 강 등(2004)이 보고한 국내 14개 인공습지의 질소정화효율이 평균 49%였음과 처리대상이 대부분 유입농도가 높은 하수 처리수였음을 감안하면 저농도를 처리한 본연구의 질소정화효과가 상당히 우수함을 알 수 있으며 오염농도가 비교적 낮은 농업용수의 질소제거를 위해 지하흐름습지의 도입은 상당히 효과적으로 판단된다.
- 본 연구는 부영양화된 농업용저수지의 물을 양수하여 인공 습지를 통한 수질개선을 도모한 형태로서 호소수의 식물플랑크톤의 제거 역시 인공습지처리의 주요 목적이 된다. 식물플랑크톤의 간접지표인 Chl-a 농도변화를 보면, 유입수에서 14.9, 18.4 mg/m3, 습지 유출수에서 0.1~3.6 m/L의 수준으로 낮게 감소하여 녹조제거의 기능을 충분히 나타내 주었다.
- 그러나, 체류시간 48시간과 72시간의 조건에서는 큰 차이를 나타내지 않아 총인의 효과적 제거를 위해 최소 48시간의 체류시간이 필요함을 알 수 있었다. 인의 형태적 특성에 있어서도(Fig. 9) 유기인은 체류시간이 증가할수록 정화효율이 증가 하였으나 무기인인 인산염인은 체류시간 6시간에서 24시간 조건에서는 (-)의 값을 보였으며, 점차 (-)의 값이 감소하여 24시간 이후부터 정화 효율이 40~60% 로 증가하였으므로 인의 효과적, 안정적으로 제거하기 위해 48시간 이상의 체류시간이 요구되어짐을 알 수 있었다.
- 저수지의 부영양화 물질인 질소와 인의 정화 효과를 보면, 체류시간이 증가할수록 정화효율이 증가하였다. 총질소의 경우 체류시간 6시간에서 72시간으로 증가함에 따라 정화효율이 35.
- 체류시간에 따른 지하흐름습지의 수질 항목별 유출농도는 유입수의 농도가 낮았음에도 불구하 고 농업용수 수질기준보다 현저히 감소하였다. 정화효율은 BOD와 COD는 체류시간 24시간 이후 뚜렷한 증가 없이 일정수준을 보였으며, SS와 Chl-a 역시 24시간이내의 조건에서 80%이상의 정화효율을 보여 주었다. 질소와 인은 체류 시간이 증가할수록 정화효과가 현저히 증가하였는데 질소는 체류시간 72시간에서, 인은 48시간에서 최고의 정화효율을 나타내었다.
- 3%로 증가하였다. 지하흐름 인공습지를 통해 제거되는 총질소는 체류시간이 6시간으로 짧은 경우에는 입자성총질소(PTN)의 정화효율이 상대적으로 높았으나, 체류시간이 길어짐에 따라 용존성 총질소(DTN)의 정화효율이 증가하였다(Fig. 6). 또한, 질소의 형태별 정화특성을 보면(Fig.
- 지하흐름습지의 용존산소량(DO)의 변화를 보면, 유입수 평균 농도 7.6 m/L, 7.0 rnm/L가 6시간~72시간으로 체류시간이 길어짐에 따라 물질 분해에 필요한 산소소모량의 증가 때문에 DO의 농도가 감소하였으나, 최저농도가 4.4 rnm/L로 산화적 물질분해를 제한 받는 혐기적 환경은 형성하지 않은 것으로 판단되었다. BOD는 유입수 농도 자체가 상당히 낮은 평균 4.
- 정화효율은 BOD와 COD는 체류시간 24시간 이후 뚜렷한 증가 없이 일정수준을 보였으며, SS와 Chl-a 역시 24시간이내의 조건에서 80%이상의 정화효율을 보여 주었다. 질소와 인은 체류 시간이 증가할수록 정화효과가 현저히 증가하였는데 질소는 체류시간 72시간에서, 인은 48시간에서 최고의 정화효율을 나타내었다. 특히 질소는 체류시간이 증가할수록 질산성질소의 효과적 제거가 이루어져 이때의 탈질작용이 활발하였음을 추정케 해준다.
- 7), 체류시간이 짧은 6시간 및 12시간 조건에서는 암모니아성 질소의 정화효과가 높았으며, 질산성질소보다 유기질소의 제거효과가 높게 나타났으며, 24시간에서는 역시 암모니아성질소의 제거효과가 가장 높았고, 유기질소의 정화효과에 비해 질산성질소의 정화효과가 증가하여 높게 나타났다. 체류시간 48시간의 조건에서 유기질소의 정화효과가 가장 낮고, 암모니아 성질소와 질산성질소의 정화효과가 75%의 유사한 수준으로 높게 나타났으며, 체류시간 72시간 조건에서는 오히려 질산성질소의 정화효율이 95%로 가장 높은 수준을 보여, 인공습지내에서 질산화 및 탈질 작용이 활발히 이루어지고 있음을 알 수 있었다. 습지에서 탈질작용이 활발하게 이루어지면 질소제거가 상대적으로 높아지며, NO3-N의 저거량으로 습지의 탈질화정도를 알 수 있다.
- 체류시간에 따른 지하흐름습지의 수질 항목별 유출농도는 유입수의 농도가 낮았음에도 불구하 고 농업용수 수질기준보다 현저히 감소하였다. 정화효율은 BOD와 COD는 체류시간 24시간 이후 뚜렷한 증가 없이 일정수준을 보였으며, SS와 Chl-a 역시 24시간이내의 조건에서 80%이상의 정화효율을 보여 주었다.
- 831 rnm/L로 체류시간이 길어질수록 유출 평균 농도가 현저히 감소하였다. 총인(TP)은 체류시간 6~24시간 조건에서는 평균 0.130 mg/L의 농도로 유입되어 0.087~ 0.096 w/L로 체류시간 24~72시간의 조건에 서는 평균 0,094 w/L로 유입되어 0.028~ 0.043 mg/L의 농도로 현저히 감소하여, 농업용 수 수질기준을 초과하는 유입수가 습지를 통과 하면서 수질기준보다 상당히 낮은 수준을 유지하였으며, 체류시간이 증가할수록 농도 감소폭 이 증가하였다. 특히, Table 4에서는 습지의 한 계농도를 TN은 1~3 mg/L, TP는 < 0.
- 총인은 체류시간 6시간 24시간 조건에서는 21%~35%의 낮은 정화효율을 보이는 반면, 체류시간 48시간, 72시간으로 증가함에 따라 57.0%, 60.8%의 높은 정화효율을 보였다. 총질소와 같이 총인도 체류시간이 짧은 6~24시간의 조건에서는 입자성총인(PTP)의 제거효과만 나타나고, 용존성총인(DTP)은 오히려 증가하는 결과를 초래하였다(Fig.
- 8%의 높은 정화효율을 보였다. 총질소와 같이 총인도 체류시간이 짧은 6~24시간의 조건에서는 입자성총인(PTP)의 제거효과만 나타나고, 용존성총인(DTP)은 오히려 증가하는 결과를 초래하였다(Fig. 8). 2004년 동일한 24시간 운영시 용존성인의 제거효과가 나타나는 것으로 전년도에는 시설초기 여재로부터 용출되는 영양 염류의 양이 다소 포함되었음을 알 수 있다.
- 043 mg/L의 농도로 현저히 감소하여, 농업용 수 수질기준을 초과하는 유입수가 습지를 통과 하면서 수질기준보다 상당히 낮은 수준을 유지하였으며, 체류시간이 증가할수록 농도 감소폭 이 증가하였다. 특히, Table 4에서는 습지의 한 계농도를 TN은 1~3 mg/L, TP는 < 0.2mg/L로 나타내어 저농도의 영양염류를 가지는 오염수의 처리에 한계가 있음을 간접적으로 나타내고 있으나, 본 연구에서 TN 0.986, 1.321m/L, TP 0.094, 0.130w/L의 오염수를 대상으로 한 결과 습지자체가 가지는 한계농도로 인한 정화효율의 감소는 관찰하기 어려웠으며, 오히려 낮은 영양염류의 유입이 습지의 물질순환을 재촉진시 켜 안정적인 유출수농도를 지속적으로 유지할 수 있게 해주었다.
후속연구
- 또한 지표흐름습지에 비해 소요되는 습지 부지 면적이 적어 용지매수비용의 절감효과, 모기등 병충해방지, 사람의 접근성 용이 등의 보편적인 이점이 있어 넓은 면적의 인공습지 적용시 질소제거를 목적으로 하는 일부구간에 지하흐름 습지의 적용을 검토해 볼 수 있다. 그러나 비교적 저농도의 농업용수원의 수질개선을 위한 인공 습지의 설계 및 조성시에는 시설 설치 단가가 비싸고, 사용년한이 증가함에 따른 여재의 퇴적물 관리 등 유지관리가 다소 어려운 점을 반영할 때 상당한 고려가 필요할 것으로 사료되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.