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문제 정의
- 본 연구에서는 습지유출수를 추가처리할 목적으로 흡착 및 여과 기능을 갖는 추가처리시설을 인공습지 유출구에 설치하여 수처리 효율을 평가하였다.
- 본 연구에서는 인공습지 유출수를 추가처리할 목적으로 제강슬래그, 활성탄, 굴폐각 여재를 이용한 추가처리시설을 설치 후 얻은 결과를 고찰하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 다른 연구자들은 굴폐각을 1 mm 이하로 파쇄하거나, 550℃에서 회화시켜 분말을 만들어 고농도 저유량의 하․폐수처리에 이용해 정화효과를 얻을 수 있던 반면, 본 연구에서는 건조된 굴폐각을 파쇄하여 지름 7±2 mm 크기로 만들어 사용하였는데, 입자가 너무 크고 유입유량이 너무 많아 정화효과가 낮게 나타난 것으로 생각된다.
- 추가처리시설은 2008년 9월 8일 설치하였으며, 설치 후 1일 ∼ 51일 되는 2008년 10월 29일까지 수질조사를 하였다.
대상 데이터
- 시험대상 습지는 석문담수호 유입부에 설치된 인공습지 중 1번 시험포의 무식재구, 갈대식재구, 부들식재구에서 실시하였으며, 각 처리구 면적은 910 m2(13 m×70 m)이다.
- 시험에 사용된 제강슬래그는 광양제철소에서 공급 받았으며, 원소 함량 및 용출시험결과는 표 1과 같다. 제강슬래그의 주요성분은 Ca>Fe>Al>Mg>Mn>K>Na 순으로 많았으며, 중금속은 비교적 적은 양이 포함되어 있는 것으로 분석되었다.
- 준비된 재료는 1 mm 이하의 망목을 갖는 15 cm×30 cm의 그물망에 넣어 여재를 제작하였다.
- 굴폐각은 물에 씻어 건조된 것을 파쇄하여 지름 7±2 mm 크기로 만들어 사용하였다. 활성탄은 일반적으로 많이 사용하는 입경 5 mm 크기의 것을 사용하였다.
성능/효과
- 1. 활성탄을 이용한 추가처리시설에서 갈대습지의 유출수가 추가처리시설을 통과하면서 COD와 T-N이 평균 24 % 처리 되었고, T-P도 평균 4 % 처리되었다.
- 2. 활성탄을 이용한 추가처리시설에 비해 3배 이상 많은 유량이 유입되었던 제강슬래그와 굴폐각을 이용한 추가처리시설에서는 COD가 각각 6 %, 1 % 처리 되었고, T-P는 각각 -12 %, -3 %로 수질이 악화되었다.
- 3. 고농도․저유량에서 높은 인 처리효율을 얻었던 기존연구와 달리, 저농도·고유량에서는 대부분의 여재에서 인 처리효율이 낮거나 오히려 유출수의 농도가 높아지는 결과가 나타났다.
- 4. 활성탄을 이용한 추가처리시설 이외에는 모두 유량이 많이 유입되어 여재 사이로 물이 흐르지 못하고 대부분 여재위로 월류하여 상대적으로 낮은 처리효율을 나타냈다.
- 5. 인공습지와 추가시설을 연계한 전체 시스템에서 처리효율은 COD의 경우 활성탄 및 제강슬래그를 이용한 추가처리시설에서 인공습지에서보다 더 높은 수질개선효과를 얻을 수 있었으나, T-N과 T-P의 경우 모든 추가처리시설에서 추가처리시설에 의한 수질개선효과는 인공습지에 비해 매우 낮았다.
- 6. 추가처리시설별 COD 제거량을 산정한 결과처리효율과 반대로 제강슬래그 (32 g/day)에서 활성탄 (30 g/day)보다 높은 제거량을 나타냈다.
- 이는 제강슬래그 추가처리시설이 처리율은 낮았지만, 유량이 약 3배 이상 많이 공급되어 제거량이 더 많은 것으로 나타났다. COD를 제외하고는 T-N 및 T-P 모두 추가처리시설에 의한 오염물질 제거량이 매우 적은 것으로 나타났다. 이를 통해 추가처리시설이 인공습지 유출수의 COD를 추가처리하는데 효과적임을 알 수 있다.
- 인공습지와 추가처리시설을 조합한 전체 시스템의 수질 변화는 그림 3과 같다. COD의 경우 무식재인공습지를 통과하면서 농도가 증가하였으나, 제강슬래그를 이용해 추가처리한 결과 6%의 수질이 개선되어 무식재인공습지-제강슬래그 시스템의 전체 처리효율은 유입수보다 약간 높은 -3%를 나타냈다. 갈대인공습지-활성탄 시스템에서 갈대인공습지를 거치면서 약간의 수질개선을 보인 반면, 활성탄여재를 이용한 추가시설을 통과하면서 수질이 크게 개선되었다.
- 추가처리시설별 오염물질 제거량을 산정한 결과는 표 5와 같다. COD의 처리율은 활성탄 추가 처리시설(24 %)이 제강슬래그 추가처리시설(6 %)보다 훨씬 높게 나타난 반면, 제거량은 제강슬래그 추가처리시설(31.9 g/day)이 활성탄 추가처리시설(29.8 g/day)보다 약간 높게 나타났다. 이는 제강슬래그 추가처리시설이 처리율은 낮았지만, 유량이 약 3배 이상 많이 공급되어 제거량이 더 많은 것으로 나타났다.
- 실험 시작일 부터 약 8일이 되는 시간까지 제강슬래그 추가처리시설로 50% 이상의 유량이 유입되다가 그 후부터 유입유량이 감소하기 시작하였으며, 감소된 유량만큼 굴폐각 추가처리시설로 유입되는 유량이 증가하였다. 각 추가처리시설로 유입된 유량은 전체 유량의 39 %가 제강슬래그 시설로, 11 %가 활성탄 시설로, 50 %가 굴폐각 시설로 유입되었다. 이처럼 각 추가처리시설로 유입되는 유량이 다른 것은 1번 시험포의 유입구로 유입된 물은 분배수로를 거쳐 각 인공습지(무식재구, 갈대식재구, 부들식재구)로 분배되어 유입되는데, 이 분배수로가 잘 운영되지 않아 불균일하게 유량이 유입된 것으로 판단된다.
- 이처럼 각 추가처리시설로 유입되는 유량이 다른 것은 1번 시험포의 유입구로 유입된 물은 분배수로를 거쳐 각 인공습지(무식재구, 갈대식재구, 부들식재구)로 분배되어 유입되는데, 이 분배수로가 잘 운영되지 않아 불균일하게 유량이 유입된 것으로 판단된다. 각 추가처리시설에서 여재가 설치되지 않았을 경우 추가처리시설별 체류시간은 제강슬래그 110초, 활성탄 380초, 굴폐각 95초로 나타났으며, 제강슬래그, 활성탄, 굴폐각 여재를 설치할 경우 공극비를 고려한 체류시간은 설치되지 않았을 때의 약 30 % 이하일 것으로 추정된다.
- 인공습지 유출수를 추가처리하기 위해 조합형 인공습지 시스템을 도입한 결과 COD정화효율은 갈대 인공습지-활성탄 시스템이 26 %, 부들인공습지굴폐각 시스템이 11 %의 정화효율을 보였다. 또한 갈대인공습지에서 84 %였던 T-N의 처리율이 배수로에 활성탄을 이용한 추가처리시설을 설치하여 추가처리한 결과 전체 T-N의 처리율이 88 %로 향상되었다. 부들인공습지-굴폐각 시스템의 T-P 정화효율은 56 %로 3가지 조합형 인공습지시스템중 제일 높게 나타났다.
- 2008년 9월 8일부터 2008년 10월 29일까지 운영된 추가처리시설의 유입수 농도, 유출수 농도 및 처리율은 표 4와 같다. 모든 추가처리시설에서 COD에 대해서는 약간의 수질개선을 보인 반면, 질소와 인의 경우 유입유량이 가장 적었던 활성탄을 이용한 추가처리시설에서만 수질이 개선되었다. 활성탄을 이용한 처리구에서만 질소와 인의 정화효과를 얻은 것이 다른 처리 구에 비해 적은 유량이 유입되었기 때문인지 아니면 활성탄이 타 재료에 비해 질소 및 인 제거에 큰 효과가 있기 때문인지에 대해서는 본 연구 결과만을 이용해 결론 내리기는 어렵다.
- 추가처리시설은 당초 인을 추가처리할 목적으로 철분 및 칼슘을 많이 포함하는 재료를 선정하여 설치하였으나, 전체적으로 인보다는 유기물 제거에 더 효과적인 것으로 나타났다. 본 연구에 이용된 여재를 이용할 경우 흡착작용보다는 여재에 부착된 미생물에 의해 유기물과 질소가 처리되는 것으로 나타났다. 특히, 습지 유출수에는 상대적으로 유기질소가 높은 비율을 차지하여, 추가처리시설을 통과하면서 여과․침전되어 질소와 유기물이 동시에 처리된 것으로 판단된다.
- 갈대인공습지-활성탄 시스템에서 인공습지보다 활성탄 여재가 COD 제거에 더 큰 역할을 하였다. 부들인공습지-굴폐각 시스템에서 부들인공습지 및 굴폐각 추가처리시설 모두 COD의 수질개선 효과가 나타났다.
- 또한 갈대인공습지에서 84 %였던 T-N의 처리율이 배수로에 활성탄을 이용한 추가처리시설을 설치하여 추가처리한 결과 전체 T-N의 처리율이 88 %로 향상되었다. 부들인공습지-굴폐각 시스템의 T-P 정화효율은 56 %로 3가지 조합형 인공습지시스템중 제일 높게 나타났다.
- 습지 유출수가 월류하는 문제를 해결하기 위해서는 유입유량을 줄이거나 사용된 여재의 입경을 증가시켜야 한다. 습지 유출수를 처리할 경우 유입유량을 활성탄 추가처리시설에 적용한 유량만큼 줄이는 방법은 좋지 않을 것으로 생각되며, 이보다는 입자의 크기를 증가시키는 것이 좋을 것이라 판단된다. 제강슬래그의 경우 입자의 크기를 증가시키더라도 내부에 충분한 공극이 존재하여 습지처리수 내의 유기물 및 영양물질을 제거하는데 효과가 있을 것으로 생각되지만, 굴폐각의 경우 입경을 크게 할 경우 습지 유출수가 월류하지는 않지만 정화효과는 없을 것으로 판단된다.
- 각 시설별로 유입된 유량은 표 3과 같다. 실험 시작일 부터 약 8일이 되는 시간까지 제강슬래그 추가처리시설로 50% 이상의 유량이 유입되다가 그 후부터 유입유량이 감소하기 시작하였으며, 감소된 유량만큼 굴폐각 추가처리시설로 유입되는 유량이 증가하였다. 각 추가처리시설로 유입된 유량은 전체 유량의 39 %가 제강슬래그 시설로, 11 %가 활성탄 시설로, 50 %가 굴폐각 시설로 유입되었다.
- 여재 중 활성탄이 제일 효과적인 것으로 나타났으며, 굴폐각은 본 연구에서와 같이 큰 입경의 여재를 저농도·고유량에 적용할 경우 정화효과가 매우 낮은 것으로 나타났다.
- 제강슬래그의 주요성분은 Ca>Fe>Al>Mg>Mn>K>Na 순으로 많았으며, 중금속은 비교적 적은 양이 포함되어 있는 것으로 분석되었다. 용출시험결과 모든 항목에서 용출시험 기준 및 해역 수질 기준보다 낮게 나타나 여재로 사용하기에 안전한 것으로 나타났다. 사용한 제강슬래그의 평균 입경은 약 6 mm였다.
- COD를 제외하고는 T-N 및 T-P 모두 추가처리시설에 의한 오염물질 제거량이 매우 적은 것으로 나타났다. 이를 통해 추가처리시설이 인공습지 유출수의 COD를 추가처리하는데 효과적임을 알 수 있다.
- 이상의 결과로부터 습지 유출수를 추가처리할 목적으로 제강슬래그, 활성탄 및 굴폐각을 이용할 경우 인공습지와 달리 유기물제거에 큰 효과가 나타났다. 여재 중 활성탄이 제일 효과적인 것으로 나타났으며, 굴폐각은 본 연구에서와 같이 큰 입경의 여재를 저농도·고유량에 적용할 경우 정화효과가 매우 낮은 것으로 나타났다.
- 인공습지와 추가처리시설을 결합한 전체 조합형 인공습지시스템의 정화효율은 표 6과 같다. 인공습지 유출수를 추가처리하기 위해 조합형 인공습지 시스템을 도입한 결과 COD정화효율은 갈대 인공습지-활성탄 시스템이 26 %, 부들인공습지굴폐각 시스템이 11 %의 정화효율을 보였다. 또한 갈대인공습지에서 84 %였던 T-N의 처리율이 배수로에 활성탄을 이용한 추가처리시설을 설치하여 추가처리한 결과 전체 T-N의 처리율이 88 %로 향상되었다.
- 제강슬래그의 주요성분은 Ca>Fe>Al>Mg>Mn>K>Na 순으로 많았으며, 중금속은 비교적 적은 양이 포함되어 있는 것으로 분석되었다.
- 추가처리시설은 당초 인을 추가처리할 목적으로 철분 및 칼슘을 많이 포함하는 재료를 선정하여 설치하였으나, 전체적으로 인보다는 유기물 제거에 더 효과적인 것으로 나타났다. 본 연구에 이용된 여재를 이용할 경우 흡착작용보다는 여재에 부착된 미생물에 의해 유기물과 질소가 처리되는 것으로 나타났다.
- 칼슘을 많이 포함하고 있어 인 제거에 효과적일 것으로 기대했던 굴폐각은 전체적으로 수처리효과가 거의 없는 것으로 나타났다. 다른 연구자들은 굴폐각을 1 mm 이하로 파쇄하거나, 550℃에서 회화시켜 분말을 만들어 고농도 저유량의 하․폐수처리에 이용해 정화효과를 얻을 수 있던 반면, 본 연구에서는 건조된 굴폐각을 파쇄하여 지름 7±2 mm 크기로 만들어 사용하였는데, 입자가 너무 크고 유입유량이 너무 많아 정화효과가 낮게 나타난 것으로 생각된다.
- 활성탄 여재를 이용한 추가처리 시설에서 T-N이 추가처리되어 갈대인공습지-활성탄 시스템의 처리효율이 약 4% 증가 하였다. 다른 조합형 인공습지 시스템에서는 추가처리시설에 의한 T-N의 수질개선은 크게 나타나지 않았다.
- 향후 동일한 인공습지 유출수를 이용해 여재별 동일한 유량을 적용하는 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 활성탄을 이용한 추가처리시설을 설치한 곳에서 갈대습지의 유출수가 약 2분 동안 체류하면서 COD와 T-N이 평균 약 24 % 처리 되었고, T-P도 평균 약4 %의 정화효과가 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 7. 이상의 결과로부터 추가처리시설을 이용해 습지유출수를 추가처리할 경우 유기물 추가처리에 큰 효과가 있으며, 인공습지와 추가처리시설을 연계 적용할 경우 영양물질과 유기물질을 동시에 제거할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이들 산업부산물은 칼슘(Ca), 철(Fe) 그리고 알루미늄(Al)과 같은 성분을 많이 함유하고 있으며, 해안 주변에 야적되거나 공유수면에 무단 투기되어 연안어장의 오염, 고유수면 관리상의 지장, 자연경관 훼손, 및 보건위생상의 문제 등과 같은 환경문제를 초래하고 있다(이 등, 2006; 조 등, 2004). 따라서 습지 유출수내 인저감을 위해 이러한 산업부산물들을 활용한다면 수질관리와 폐기물 재활용으로 인한 환경오염방지라는 경제적으로 유용한 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
- 여재 중 활성탄이 제일 효과적인 것으로 나타났으며, 굴폐각은 본 연구에서와 같이 큰 입경의 여재를 저농도·고유량에 적용할 경우 정화효과가 매우 낮은 것으로 나타났다. 제강슬래그의 경우 유기물과 질소에 대해 낮은 처리효율을 나타냈지만, 입경을 증가시키고 여재설치 구간을 길게 하고, 유량을 줄일 경우 충분히 추가처리시설로서 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 활성탄의 경우 처리율이 제일 높게 나타났으나, 저농도·고유량인 습지 유출수를 추가처리할 목적으로 현장에 설치할 경우 경제성 분석이 필요할 것으로 생각된다.
- 활성탄을 이용한 처리구에서만 질소와 인의 정화효과를 얻은 것이 다른 처리 구에 비해 적은 유량이 유입되었기 때문인지 아니면 활성탄이 타 재료에 비해 질소 및 인 제거에 큰 효과가 있기 때문인지에 대해서는 본 연구 결과만을 이용해 결론 내리기는 어렵다. 향후 동일한 인공습지 유출수를 이용해 여재별 동일한 유량을 적용하는 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 활성탄을 이용한 추가처리시설을 설치한 곳에서 갈대습지의 유출수가 약 2분 동안 체류하면서 COD와 T-N이 평균 약 24 % 처리 되었고, T-P도 평균 약4 %의 정화효과가 있는 것으로 나타났다.
- 모든 추가처리시설에서 COD에 대해서는 약간의 수질개선을 보인 반면, 질소와 인의 경우 유입유량이 가장 적었던 활성탄을 이용한 추가처리시설에서만 수질이 개선되었다. 활성탄을 이용한 처리구에서만 질소와 인의 정화효과를 얻은 것이 다른 처리 구에 비해 적은 유량이 유입되었기 때문인지 아니면 활성탄이 타 재료에 비해 질소 및 인 제거에 큰 효과가 있기 때문인지에 대해서는 본 연구 결과만을 이용해 결론 내리기는 어렵다. 향후 동일한 인공습지 유출수를 이용해 여재별 동일한 유량을 적용하는 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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