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문제 정의
- 본 연구는 경기도 화성시와 평택시의 경계 지점에 위치하는 인공 담수호인 남양호를 대상으로 퇴적물로부터 용출되는 영양염류가 호수의 수질에 미치는 영향을 예측하기 위하여 실시되었다. 퇴적물을 호기조건과 혐기조건으로 나누어 영양염류의 용출속도를 측정하고, 실험 결과로부터 퇴적물로부터의 영양염류 용출이 호수의 수질에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
- 퇴적물은 주변 환경여건의 변화에 따라 호수의 수질을 악화시킬 수 있기 때문에, 퇴적물로부터 용출될 수 있는 영양염류의 양과 용출 조건을 파악하는 것은 호수의 수질관리 측면에서 중요하다. 본 퇴적물 용출실험은 이와 같이 내재적 오염물질이 수질에 미칠 수 있는 영향을 예측하기 위하여 실시되었다. 퇴적물로부터 영양염류의 용출 정도에 영향을 미치는 가장 중요한 요인을 수체 증 산소조건으로 설정하고, 질소 또는 산소의 폭기를 통하여 수체를 혐기 또는 호기 조건으로 유지하면서 영양염류의 농도 변화를 살펴보았다.
가설 설정
- 용출 실험에서 얻은 결과와 식 (2)의 가정을 기초로 호기 조건에서 퇴적물로부터 인산염 인 및 총인의 용출 속도를 구하였다(Table 3). 하류(NYL1)와 증류(NYL2)의 퇴적물에 비하여 상류인 NYL3에서 채집한 퇴적물에서의 인 용출속도가 더 빠른 것으로 나타났다.
제안 방법
- 남양호 퇴적물로부터 용출되는 오염물질 양을 추정하기 위하여 남양호의 상류, 증류, 하류 지역에서 채취한 퇴적물을 사용하여 실험실 내에서 용출 실험을 실시하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 용출실험 장치에 대상 퇴적물을 넣고, 상둥수를 채우는 과정에서 물리적인 충격에 의한 영양염류의 용출을 최소화하기 위하여 반응조의 벽면을 따라 천천히 물을 채웠다. 반응조 설치 후 2~7일 간격으로 42일 동안 9회에 걸쳐 채수하여, COD, N-계열, P-계열의 영양염류를 측정하였다. 실험기간 중 퇴적물에서 용출된 영양염류의 총량을 측정하기 위하여 실험 전 후 퇴적물에 존재하는 N-계열, P-계열 영양염류를 측정하였다.
- 반응조 설치 후 2~7일 간격으로 42일 동안 9회에 걸쳐 채수하여, COD, N-계열, P-계열의 영양염류를 측정하였다. 실험기간 중 퇴적물에서 용출된 영양염류의 총량을 측정하기 위하여 실험 전 후 퇴적물에 존재하는 N-계열, P-계열 영양염류를 측정하였다. 수시료의 분석은 수질오염 공정시험방법을 따랐으며, 퇴적물 분석은 토양오염 공정시험방법에 따라 행하였다.
- 실험에 사용된 퇴적물의 물리 화학적 특성을 분석하였다 (Table 2). 퇴적물 내 탄소 화합물의 농도를 반영하는 강열감량(LOI, loss on ignition)이 8.
- 실시하였다. 용출시험은 아크릴 재질 반응조에 대상 퇴적물을 넣은 후, 물을 채우고 호기조건과 혐기조건을 유지하여 수행하였다(Fig. 2). 호기조건과 혐기조건은 밀폐한 반응조에 산소(공기)와 질소가스를 지속적으로 공급함으로써 유지하였으며, 알루미늄호일로 전체 반응조를 감싸 빛을 차단하여 광합성에 의한 산소 조건 변화를 방지하였다.
- 채수한 물을 사용하였다. 용출실험 장치에 대상 퇴적물을 넣고, 상둥수를 채우는 과정에서 물리적인 충격에 의한 영양염류의 용출을 최소화하기 위하여 반응조의 벽면을 따라 천천히 물을 채웠다. 반응조 설치 후 2~7일 간격으로 42일 동안 9회에 걸쳐 채수하여, COD, N-계열, P-계열의 영양염류를 측정하였다.
- 즉, 물질의 용출에 있어 산소 농도의 차이가 영향을 미치는 부분은 퇴적물의 표층에 국한되며, 퇴적물의 심층에서 일어나는 현상은 수체의 산소 조건에 따라 큰 영향을 받지 않는다. 이러한 퇴적물 성상 변화에 대한 관찰 및 퇴적물 용출 실험 결과에 근거하여, 용출 실험 전 퇴적물 시료와 용출 실험 후 각 퇴적물의 표층에서 채취한 시료에서 총질소, 총인 및 용존성 인의 농도를 측정하였다(Fig. 10).
- 수시료의 분석은 수질오염 공정시험방법을 따랐으며, 퇴적물 분석은 토양오염 공정시험방법에 따라 행하였다. 퇴적물 시료 당 4개의 반응조를 만들어 각각 2개씩 호기조건과 혐기조건 실험을 수행하였으며, 영양염류 분석 결과는 두 시료의 평균값으로 계산한 후 제시하였다.
- 본 퇴적물 용출실험은 이와 같이 내재적 오염물질이 수질에 미칠 수 있는 영향을 예측하기 위하여 실시되었다. 퇴적물로부터 영양염류의 용출 정도에 영향을 미치는 가장 중요한 요인을 수체 증 산소조건으로 설정하고, 질소 또는 산소의 폭기를 통하여 수체를 혐기 또는 호기 조건으로 유지하면서 영양염류의 농도 변화를 살펴보았다.
- 퇴적물로부터 유래하는 내부오염의 가능성을 예측하기 위하여 호내 퇴적물 특성을 대표하는 지점을 선정하여 퇴적물 용출시험을 실시하였다. 용출시험은 아크릴 재질 반응조에 대상 퇴적물을 넣은 후, 물을 채우고 호기조건과 혐기조건을 유지하여 수행하였다(Fig.
- 실시되었다. 퇴적물을 호기조건과 혐기조건으로 나누어 영양염류의 용출속도를 측정하고, 실험 결과로부터 퇴적물로부터의 영양염류 용출이 호수의 수질에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 이러한 결과는 저수지를 효율적으로 관리함에 있어 중요한 근거자료가 될 수 있을 것이며, 수질개선 사업의 수행 시 설계 인자로 반영될 수 있을 것이다.
- 2). 호기조건과 혐기조건은 밀폐한 반응조에 산소(공기)와 질소가스를 지속적으로 공급함으로써 유지하였으며, 알루미늄호일로 전체 반응조를 감싸 빛을 차단하여 광합성에 의한 산소 조건 변화를 방지하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 상등수는 현장의 조건을 반영하기 위하여 현장에서 채수한 물을 사용하였다. 용출실험 장치에 대상 퇴적물을 넣고, 상둥수를 채우는 과정에서 물리적인 충격에 의한 영양염류의 용출을 최소화하기 위하여 반응조의 벽면을 따라 천천히 물을 채웠다.
- 퇴적물 분석 및 용출실험에 사용한 퇴적물은 남양호 상류, 중류, 하류의 각 한 개의 지점에서 Grab Sampler로 채취하였다(Fig. 1). NYL1은 남양호 방조제와 근접한 지역으로, 최대 수심은 14 이이며 평균 수심이 7~8 이인 지점이다.
- NYL2 는 증류에 위치하며, 평균 3~4 m의 수심을 나타내며, 지점 NYL3는 상류 지점으로 평균 수심이 1~2 m로 매우 낮다. 퇴적물 용출실험에 사용된 상등수는 남양호 유입 하천인 금곡천과 발안천이 합류하는 지점에서 채수하였다(Fig. 1). 채취된 퇴적토 및 수시료는 4℃를 유지하여 실험실로 운반한 후 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 실험기간 중 퇴적물에서 용출된 영양염류의 총량을 측정하기 위하여 실험 전 후 퇴적물에 존재하는 N-계열, P-계열 영양염류를 측정하였다. 수시료의 분석은 수질오염 공정시험방법을 따랐으며, 퇴적물 분석은 토양오염 공정시험방법에 따라 행하였다. 퇴적물 시료 당 4개의 반응조를 만들어 각각 2개씩 호기조건과 혐기조건 실험을 수행하였으며, 영양염류 분석 결과는 두 시료의 평균값으로 계산한 후 제시하였다.
- 실험에 사용된 퇴적물의 특성을 분석하기 위하여 입도 pHw,유효인산, 강열감량, 총질소, 총인을 측정하였으며, 토양오염공정시험 방법 및 퇴적물 분석방법에 따랐다. 용출실험에 사용된 상등수에 대하여 pH, COD, 4HJ, N02; NO;, 총질소, PO43' 및 총인을 분석하였으며, 이는 수질오염 공정시험 방법에 따랐다.
- 및 퇴적물 분석방법에 따랐다. 용출실험에 사용된 상등수에 대하여 pH, COD, 4HJ, N02; NO;, 총질소, PO43' 및 총인을 분석하였으며, 이는 수질오염 공정시험 방법에 따랐다. 실험에 사용된 수시료를 분석한 결과, COD 및 인의 농도가 매우 높은 것으로 나타났다(Table 1).
성능/효과
- 1) 퇴적물로부터 유기물과 질소의 용출은 일어나지 않는 것으로 판단된다. 질소의 경우, 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소 및 총 질소의 농도 변화를 측정한 결과, 질소 순환에 관여하는 미생물의 대사에 의하여 각 질소원 간의 변환에 의한 농도 변화가 관찰되었으나 퇴적물로부터 용출이 일어나지 않는 것으로 보인다.
- 95 mg-P/m2/day으로 측정되었다.10) 특히 대청호의 일부지역에서는 총인과 인산염 인의 용출 속도가 각각 9.85, 6.04 mg-P/m2/dayS 본 연구의 결과에 비해 매우 높은 값이 측정되었다.
- 2) 인산염 인과 총인의 경우 수체 내 산소조건에 따라 용출 양상이 다른 것으로 나타났다. 혐기조건에서는 수체 내인의 농도가 지속적으로 감소하여 인의 용출이 일어나지 않은 반면, 호기 조건에서는 많은 양의 인이 용출되는 것으로 나타났다.
- 3) 호기조건의 용출된 인의 양은 호기조건의 수체에서 측정된 값과 혐기조건에서 미생물에 의해 이용된 양을 합하여 계산하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 호기조건에서 인의 용출 속도는 인산염 인의 경우 1.
- 생물학적 요인에 의해 영향을 받는다.4) 온도는 직접적인 영양염류의 용출에 관여하지는 않으며, 영양염류의 용출에 직접적으로 관여하는 미생물의 활성도에 영향을 미친다. 질소의 용출은 용존산소의 영향을 덜 받는 것으로 보고되고 있으나, 인의 경우 용존산소에 대한 의존도가 크며 혐기상태와 높은 pH에서 인의 용출이 활발한 것으로 알려져 있다.
- NYL3의 혐기조건에서 특이하게 실험 후반기(4주 이후)에수체 중 암모니아성 질소의 농도가 점진적으로 증가하는 현상이 관찰되었다. 혐기환경에서 암모니아성 질소가 증가하는 것은 수체 증 미생물의 생장이 저하되어 암모니아성 질소의 소비율이 감소하면서 수체에 농축되거나, 수체에 있는 유기질소가 분해되는 과정(ammonification)에 의해 일어날 수 있다.
- 남양호에서 채취한 퇴적물을 넣은 반응조를 만들어, 시간에 따른 오염물질의 용출량을 측정한 결과, 실험 기간 중 수 체에서 탄소와 질소의 농도는 일정하게 유지되거나 지속적으로 감소되는 것으로 나타났다. 이는 퇴적물로부터 탄소와 질소의 용출이 일어나지 않거나, 비록 용출된다고 하더라도수체 내 미생물이 사용하는 양보다 적기 때문인 것으로 판단된다.
- 14 mg-P/me/day인 것으로 측정되었다. 대청호에서 측정된 인 용출속도는 대체적으로 남양호보다 높은것으로 나타났는데, 총인은 2.01-9.85 mg-P/m2/day, 인산염인은 2.09 ~6.95 mg-P/m2/day으로 측정되었다.10) 특히 대청호의 일부지역에서는 총인과 인산염 인의 용출 속도가 각각 9.
- 이는 NYL3 가 대상 지점 '중 최상류에 위치하여 외부로부터 지속적으로입자성 물질이 유입되기 때문이다. 따라서 퇴적물의 특성을 분석한 결과, 유입하천과 가까운 지점에서 지속적으로 오염물질이 유입되며, 유입 물질에 분해되지 않은 다량의 유기인 이 포함되어 있음을 알 수 있었다.
- 8, 9). 또한, 혐기조건에서 인의 농도가 감소하는 기간과 호기 조건에서 증가하는 기간이 거의 일치하였으며, 혐기조건에서 인이 거의 고갈되는 시기에 호기조건에서도 인 농도의 증가 속도가 크게 떨어지거나 인 농도가 일정하게 유지되었다.
- 혐기와 호기 조건에서 대략 3주가 경과한 이후 암모니아성 질소가 고갈된 것은, 암모니아성 질소가 생물이 가장 쉽게 흡수할 수 있는 질소원이기 때문에 수체 중의 미생물이 생장함에 따라 고갈된 것으로 판단된다. 모든 퇴적물에서 호기조건에 비해 혐기조건의 수체에 암모니아성 질소의 농도가 높으며 오래 잔류하는 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 두 조건의 용출 속도의 차이가 아니라, 혐기 조건에 비해 호기 조건에서 암모니아성 질소의 고갈 속도가 빠르게 때문에 일어난 현상으로 여겨지며 이는, 암모늄 산화세균에 의해 일어나는 질산화 과정 (nitrification) 2] 결과로 보인다.
- 본 실험의 결과를 보면 혐기조건의 퇴적물에서는 인이 용출되지 않고 미생물의 이용에 의하여 수체 내 인의 농도가 감소하는 반면 호기조건에서는 미생물에 의한 인의 이용과 인의 용출이 동시에 일어나고 있다. 따라서 호기조건에서 인의 용출 속도를 구하기 위하여, 호기조건에서 수체 내 인의 농도증가속도를 구한 후 혐기조건에서 인의 이용 속도로 보정하여 계산하였다(식 (2)).
- 본 연구의 결과와 국내 담수호에서 측정된 총인 및 인산염 인의 용출속도를 비교해 보면, 남양호의 용출 속도는 안동호에서 측정된 것과 비슷한 값을 나타내었다." 안동호에서 측정된 값은 총인의 경우 3.
- 이러한 경향은 대부분의 퇴적물에서 관찰되는 현상이다. 시료에서 입자 크기의 편차를 보면 NYL1-2 시료에 비해 NYL3 시료에서 큰 편차가 있는 것으로 나타났다. 이는 NYL3 가 대상 지점 '중 최상류에 위치하여 외부로부터 지속적으로입자성 물질이 유입되기 때문이다.
- 용출실험이 끝난 후 퇴적물에 포함된 총 인과 총 질소의 농도가 증가하는 것은 용출 실험 중 수체 중에서 형성된 입자성 물질(미생물 포함)의 침전에 의한 것으로 판단된다. 실험 후 퇴적물의 표면을 관찰한 결과, 혐기조건 퇴적물의 표면에 검은 물질이 침전된 것을 볼 수 있으며, 호기조건 퇴적물에서는 엷은 색의 침전물이 관찰되었다.
- 낮았다. 실험 후반부에 NYL1과 NYL3의 혐기조건에서약간 높은 값을 보였으나, 전반적으로 매우 낮은 것으로 나타났다. 이와 같이 아질산성 질소의 농도가 낮은 것은 일반적인 환경에서 관찰되는 현상으로, 아질산성 질소가 화학적 또는 생물학적 반응(질산화)을 통하여 질산성 질소로 산화되는 속도가 매우 빠르기 때문이다.
- 용출실험에 사용된 상등수에 대하여 pH, COD, 4HJ, N02; NO;, 총질소, PO43' 및 총인을 분석하였으며, 이는 수질오염 공정시험 방법에 따랐다. 실험에 사용된 수시료를 분석한 결과, COD 및 인의 농도가 매우 높은 것으로 나타났다(Table 1). 이는 남양호의 주유입하천 유역에서 공업단지의 조성과 도시화로 인한 인구 증가에 따른 각종 생활오폐수의 발생, 인근 축사의미 처리된 축산 폐수 등으로 오염부하가 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 용출 실험 중 수체에서 아질산성 질소의 농도는 다른 무기 질소(즉, 암모니아성 질소와 질산성 질소)의 농도에 비해 매우 낮았다. 실험 후반부에 NYL1과 NYL3의 혐기조건에서약간 높은 값을 보였으나, 전반적으로 매우 낮은 것으로 나타났다.
- 조건에 따라 다르게 나타났다. 즉, 혐기조건에서는 인의용출이 일어나지 않은 반면 호기조건에서는 많은 양의 인이 용출되는 것으로 나타났다. 시간에 따른 수체 내 인산염 인의 농도 변화에서 특이한 사실을 발견할 수 있었다.
- 질산성 질소의 경우 수체 내 농도가 초기에 일시적으로 증가하는 현상이 관찰되었으나, 시간이 지남에 따라 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 6). 이러한 현상은 질소가 퇴적물로부터 용출되지 않고, 수체 내에 있는 질소가 생물에 의해 대사되거나 퇴적물에 흡착되기 때문인 것으로 보인다.
- 다른 가능성으로 호기성세균이 혐기조건에서 질산염을 전자수용체로 사용하는 이화적 질산염 환원(dissimilatery nitrate reduction to ammonium; DNRA)에 의해 일어나는 현상일 수 있다. 질산염 질소의 농도 변화를 보면, 다른 두 지점의 혐기조건 시료와 달리 특이하게 NYL3의 혐기조건에서 질산성 질소의 농도가 서서히감소되는 현상이 관찰되었다. 따라서 NYL3 시료의 혐기조건에서 발생한 현상은 DNRA에 의한 것으로 여겨지나, 다른 두 퇴적물의 혐기조건에서는 이러한 현상이 관찰되지 않는 것에 대해서는 보다 타당한 해석이 필요할 것으로 보인다.
- 2). 퇴적물 내 탄소 화합물의 농도를 반영하는 강열감량(LOI, loss on ignition)이 8.16-9.61% 범위였으며, NYL1 이 가장 높은 것으로 나타났다. 이는 이 지역이 남양호의 가장 하류 지역으로 방조제와 가깝기 때문에 상류로부터 내려온 퇴적물 중 분해가 느린 탄소화합물이 다량 존재하기 때문인 것으로 판단된다.
- 이러한 경향은 총인(total phosphorus) 과 유효인(available phosphorus)의 비율에서도 관찰된다. 퇴적물 중 총인의 농도는 유효인에 비해 133~796배인 것으로 나타났으며, 총인 중 유효인이 차지하는 비율은 NYL1 에서 가장 낮았다. 이는 NYL1의 퇴적물에는 미생물에 의해 쉽게 사용될 수 있는 유효인보다는, 분해가 상대적으로 느린 유기인 이나 결합인의 형태로 인이 존재하기 때문인 것으로 보인다.
- 퇴적물로부터 용출되는 유기물의 양을 측정한 결과, NYL2 와 NYL3 시료의 일부에서 갑작스런 증가가 관찰되었으나, 특별한 경향성은 나타나지 않았다(Fig. 4). 산소 조건, 즉 혐기 또는 호기 조건에 따라 구별되는 차이는 관찰되지 않았다.
- 퇴적물의 입도분석 결과 모든 시료에서 실트질이 80% 이상이었으며, silt > clay > sand의 순으로 나타났다(Table 2, Fig. 3). 이러한 경향은 대부분의 퇴적물에서 관찰되는 현상이다.
- 양상이 다른 것으로 나타났다. 혐기조건에서는 수체 내인의 농도가 지속적으로 감소하여 인의 용출이 일어나지 않은 반면, 호기 조건에서는 많은 양의 인이 용출되는 것으로 나타났다.
- 호기조건으로 설정된 반응조에서 수체 중 총인의 농도 변화는 인산염 인의 경향과 매우 유사한 것으로 나타났다(Fig. 9). 즉, 수체 중 총인의 농도가 초기에 약간 감소하다가 이후 지속적으로 증가하였다.
후속연구
- 질산염 질소의 농도 변화를 보면, 다른 두 지점의 혐기조건 시료와 달리 특이하게 NYL3의 혐기조건에서 질산성 질소의 농도가 서서히감소되는 현상이 관찰되었다. 따라서 NYL3 시료의 혐기조건에서 발생한 현상은 DNRA에 의한 것으로 여겨지나, 다른 두 퇴적물의 혐기조건에서는 이러한 현상이 관찰되지 않는 것에 대해서는 보다 타당한 해석이 필요할 것으로 보인다.
- 상태이다. 따라서 본 연구결과에서 나타난 것과 같이 남양호 퇴적물 증에 포함된 인이 호기성 상태에서 다량 용출되고 있기 때문에 인의 용출에 의한 수질 오염 문제에 대한 적절한 대책이 필요할 것으로 판단된다.
- 분석하는 것은 매우 중요한 일이다. 따라서 저수지 수질 관리 측면에서 유역의 지형학적, 구조적인 특성과 더불어 주변 환경여건의 변화에 따라 퇴적물로부터 유입될 수 있는 오염물질의 용출량을 정량적으로 파악하는 것은 매우 중요하며, 이러한 결과는 인공 호수 전체의 수질을 검토하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.
- 퇴적물을 호기조건과 혐기조건으로 나누어 영양염류의 용출속도를 측정하고, 실험 결과로부터 퇴적물로부터의 영양염류 용출이 호수의 수질에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 이러한 결과는 저수지를 효율적으로 관리함에 있어 중요한 근거자료가 될 수 있을 것이며, 수질개선 사업의 수행 시 설계 인자로 반영될 수 있을 것이다.
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