광주지역 하천수와 하수처리장 방류수를 대상으로 유기물 분포 특성과 분해 특성을 파악하고자 하였다. 영산강 수계에서 TOC에서 DOC가 차지하는 비율은 평균 73.9% 정도를 보였다. DOC중 RDOC의 평균 농도는 3.7 mg/L였으며, 비율은 80.9%로 나타나 생분해성유기물에 비해 난분해성유기물의 비율이 높은 것으로 나타났다. 유기물 오염도 지표간 산화율을 비교한 결과 하천수에서는 BOD-C/TOC는 45.0%, $COD_{Mn}$-C/TOC는 63.0%, CODcr-C/TOC는 106.5%로 나타났다. 하수처리장 방류수의 경우는 각각 33.6%, 65.7%, 136.1%로 나타나 하천수에 비해 BOD의 산화율이 낮았다. 하천수 중의 DOC의 평균 분해속도($K_d$)는 영산강 본류에서 $0.042\;day^{-1}$, 지류하천에서 $0.043\;day^{-1}$로 조사되었으며 본류구간과 지류하천간에 유의적인 차이는 없었다(p>0.05). 하수처리장 방류수에서는 $K_d$가 $0.028\;day^{-1}$로 하천수에 비해 낮은 분해속도를 나타냈다.
광주지역 하천수와 하수처리장 방류수를 대상으로 유기물 분포 특성과 분해 특성을 파악하고자 하였다. 영산강 수계에서 TOC에서 DOC가 차지하는 비율은 평균 73.9% 정도를 보였다. DOC중 RDOC의 평균 농도는 3.7 mg/L였으며, 비율은 80.9%로 나타나 생분해성유기물에 비해 난분해성유기물의 비율이 높은 것으로 나타났다. 유기물 오염도 지표간 산화율을 비교한 결과 하천수에서는 BOD-C/TOC는 45.0%, $COD_{Mn}$-C/TOC는 63.0%, CODcr-C/TOC는 106.5%로 나타났다. 하수처리장 방류수의 경우는 각각 33.6%, 65.7%, 136.1%로 나타나 하천수에 비해 BOD의 산화율이 낮았다. 하천수 중의 DOC의 평균 분해속도($K_d$)는 영산강 본류에서 $0.042\;day^{-1}$, 지류하천에서 $0.043\;day^{-1}$로 조사되었으며 본류구간과 지류하천간에 유의적인 차이는 없었다(p>0.05). 하수처리장 방류수에서는 $K_d$가 $0.028\;day^{-1}$로 하천수에 비해 낮은 분해속도를 나타냈다.
This study was performed to investigate the distribution and decomposition characteristics of organic matter in stream water and sewage effluent located in Gwangju. Average of dissolved organic carbon (DOC) to total organic carbon (TOC) ratio was approximately 73.9% in the Youngsan river system. The...
This study was performed to investigate the distribution and decomposition characteristics of organic matter in stream water and sewage effluent located in Gwangju. Average of dissolved organic carbon (DOC) to total organic carbon (TOC) ratio was approximately 73.9% in the Youngsan river system. The concentration of refractory dossolved carbon (RDOC) was 3.7 mg/L corresponding to 80.9% of the DOC. The ratio of recalcitrant organic carbon was relatively higher than that of biodegradable organic carbon in stream. Oxidation efficiencies in the stream were 45.0% for BOD, 63.0% for $COD_{Mn}$ and 106.5% for CODcr. In case of sewage effluent was 33.6%, 65.7% and 136.1% respectively. Mean decomposition rate ($K_d$) of Youngsan river mainstream, its tributary sites and sewage effluent were about $0.042\;day^{-1}$, $0.043\;day^{-1}$ and $0.028\;day^{-1}$, respectively and the difference was not significant between the mainstream and its tributary sites (t-test, p>0.05). $K_d$ of the sewage effluent was lower than that of stream water.
This study was performed to investigate the distribution and decomposition characteristics of organic matter in stream water and sewage effluent located in Gwangju. Average of dissolved organic carbon (DOC) to total organic carbon (TOC) ratio was approximately 73.9% in the Youngsan river system. The concentration of refractory dossolved carbon (RDOC) was 3.7 mg/L corresponding to 80.9% of the DOC. The ratio of recalcitrant organic carbon was relatively higher than that of biodegradable organic carbon in stream. Oxidation efficiencies in the stream were 45.0% for BOD, 63.0% for $COD_{Mn}$ and 106.5% for CODcr. In case of sewage effluent was 33.6%, 65.7% and 136.1% respectively. Mean decomposition rate ($K_d$) of Youngsan river mainstream, its tributary sites and sewage effluent were about $0.042\;day^{-1}$, $0.043\;day^{-1}$ and $0.028\;day^{-1}$, respectively and the difference was not significant between the mainstream and its tributary sites (t-test, p>0.05). $K_d$ of the sewage effluent was lower than that of stream water.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 하천수와 하수처리장 방류수를 대상으로 유기물 분포 특성을 파악하고, 유기물오염도 지표 항목간의 산화율 비교 및 상관성을 조사하여 향후 TOC 기준 설정에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다. 또한 수중의 용존유기물질에 대한 생분해도를 조사하여 유기물 분해속도계수를 산정함으로써 향후 수질모델링에 중요한 입력자료로 활용할 수 있도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 하천수와 하수처리장 방류수를 대상으로 유기물 분포 특성을 파악하고, 유기물오염도 지표 항목간의 산화율 비교 및 상관성을 조사하여 향후 TOC 기준 설정에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다. 또한 수중의 용존유기물질에 대한 생분해도를 조사하여 유기물 분해속도계수를 산정함으로써 향후 수질모델링에 중요한 입력자료로 활용할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 하천수와 하수처리장 방류수를 대상으로 유기물 오염도와 분포 특성을 평가하고 수중 용존유기물에 대한 분해속도를 산정함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
Fukushima등은 생분해 실험에서 분해 후 남은 용존유기물을 난분해성 용존유기탄소(refractory DOC; RDOC)라고 하였고, 분해된 유기물을 생분해성 용존유기탄소(labile DOC; LDOC)라고 정의하였다.12 DOC 분해실험은 450 ℃에서 열처리한 GF/F로 여과한 시료를 20 ℃ 항온암실에서 30일간 실시하여 30일 사이에 분해된 유기물을 LDOC 농도로, 30일 후 남아있는 유기물을 RDOC 농도로 정량하였다. 난분해성 유기물의 분해 속도계수(K2)는 단기간 내에 측정이 불가능하며 큰 의미가 없으므로 임의로 0.
DOC는 증류수로 수회 세척 후 450 ℃에서 열처리하여 여지에 남아있는 유기물을 제거한 공극 0.7 µm size인 GF/F 필터에 시료를 여과 후 분석하였다.
BOD와 COD는 수질오염공정시험기준9을 이용하여 분석하였으며, COD는 과망간산칼륨법(KMnO4)과 중크롬산칼륨법(K2Cr2O7)을 동시에 분석하였다. TOC는 시료에 포함된 SS (suspended solids) 성분에 의한 분석 오차를 줄이고 시료 분석 결과의 정확도와 재현성을 위해 초음파 시스템을 이용하여 시료를 2시간동안 균질화시킨 후 분석하였다. DOC는 증류수로 수회 세척 후 450 ℃에서 열처리하여 여지에 남아있는 유기물을 제거한 공극 0.
시료채취는 2009년 2월부터 8월까지 총 6회 실시하였으며, 채수한 시료는 4 ℃이하 냉암소에 보관하여 실험실로 운반 후 유기물 오염도 지표 항목인 BOD, CODMn, CODcr, DOC, TOC 등을 분석하였다. BOD와 COD는 수질오염공정시험기준9을 이용하여 분석하였으며, COD는 과망간산칼륨법(KMnO4)과 중크롬산칼륨법(K2Cr2O7)을 동시에 분석하였다.
유기물 분해속도 산정을 위해 DOC 생분해실험을 하였으며, 생분해성과 난분해성으로 구분하였다. Fukushima등은 생분해 실험에서 분해 후 남은 용존유기물을 난분해성 용존유기탄소(refractory DOC; RDOC)라고 하였고, 분해된 유기물을 생분해성 용존유기탄소(labile DOC; LDOC)라고 정의하였다.
유기물 오염도 지표인 BOD, CODMn, CODcr을 탄소농도로 환산하여 TOC 농도에 차지하는 비율을 평가하였다. 하천 전지점에서 BOD-C/TOC는 45.
대상 데이터
본 조사는 광주광역시에 위치해 있는 영산강 본류 4개 지점(G6~G9)과 지류 12개 지점(G1~G5, G10~G16) 그리고 영산강 본류로 유입되는 광주 1,2 하수처리장 방류수 3개 지점(G17~G19)을 대상으로 하였다(Fig. 1).
데이터처리
12 DOC 분해실험은 450 ℃에서 열처리한 GF/F로 여과한 시료를 20 ℃ 항온암실에서 30일간 실시하여 30일 사이에 분해된 유기물을 LDOC 농도로, 30일 후 남아있는 유기물을 RDOC 농도로 정량하였다. 난분해성 유기물의 분해 속도계수(K2)는 단기간 내에 측정이 불가능하며 큰 의미가 없으므로 임의로 0.001 day-1인 것으로 간주하여 고정 값을 사용하였고,12,13 측정된 DOCt는 Sigmaplot V10.0(SPSS Science, Inc) 프로그램으로 비선형 회귀 분석하여 아래와 같이 분해계수를 구하였다.
하천수와 하수처리장 방류수에서 측정된 유기물 지표간에 단순선형회귀분석을 통해 피어슨상관계수를 측정하여 상관성을 분석하였다(Table 3). 하천수의 경우 BOD와 CODMn, CODcr과의 상관계수는 각각 0.
이론/모형
, DOC, TOC 등을 분석하였다. BOD와 COD는 수질오염공정시험기준9을 이용하여 분석하였으며, COD는 과망간산칼륨법(KMnO4)과 중크롬산칼륨법(K2Cr2O7)을 동시에 분석하였다. TOC는 시료에 포함된 SS (suspended solids) 성분에 의한 분석 오차를 줄이고 시료 분석 결과의 정확도와 재현성을 위해 초음파 시스템을 이용하여 시료를 2시간동안 균질화시킨 후 분석하였다.
SUVA (specific ultraviolet absorbance)는 UV254/DOC×100 (m-1 · L/mgC)로 정의되며, UV254 측정을 위해 UV spectrometer (Shimadzu, UV-2550, Japan)를 사용하였다.
성능/효과
1. 광주지역 하천수의 유기물 오염도를 조사한 결과 평균 TOC농도는 5.0 mgC/L로 하수처리장 방류수의 TOC 평균 5.2 mgC/L보다 낮게 나타났다. 전지점에서 DOC 농도가 POC농도 보다 높게 나타났으며, TOC중 DOC가 차지하는 비율은 하천수에서는 평균 73.
미국 오대호중 하나인 미시간호에서 DOC는 TOC의 90% 이상 차지하는 것으로 보고 되었으며,15 수심이 깊고 체류시간이 긴 소양호에서 DOC는 평균 80%정도 차지하는 것으로 알려져 있다.16 영산강 본류에서 평균 DOC/TOC는 72.3%로 본류로 유입되는 지류 평균 74.5% 보다 낮은 비율을 보였다. 또한, 광주천 하류지점(G5)에서는 DOC/TOC가 42.
3. 하천수에서 용존유기물의 평균 분해속도는 0.043 day-1였으며, DOC중 RDOC의 비율은 평균 80.9%로 생분해성 유기물에 비해 난분해성 유기물의 비율이 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 또한 SUVA값이 4이하로 소수성의 방향족 고분자 유기물보다 친수성 저분자 유기물의 비율이 높은 것으로 나타났다.
CODcr, DOC는 BOD와 낮은 상관관계를 보였으며, CODcr 과 DOC, TOC간 에는 매우 낮은 상관관계를 보였다(p>0.05).
7 mgO2/L로 본류구간에 비해 지류하천이 약간 낮았다. 광주광역시 도심하천인 광주천 하류 지점(G5)에서 평균 TOC 농도가 10.4 mgC/L로 가장 높게 나타났으며, 광주천 상류 지점(G1)에서는 1.4 mgC/L로 가장 낮은 수치를 보였다. 정남인14의 광주천 유하거리별 수질변화 특성 및 예측에 관한 연구에서는 광주천은 유하거리에 따라 하수의 유입이 있는 것으로 조사되고 하류로 갈수록 하천 유량이 감소하나 오염부하량은 증가하는 것으로 조사된바 있어 본 연구결과와 유사하게 나타났다.
광주지역 하천수의 유기물 오염도를 비교한 결과 각 지점별로 차이를 나타냈으며, 특히 영산강 본류로 유입되는 도심하천인 광주천의 상류와 하류 수질이 크게 차이가 나타났다(Table 1). 광주지역 하천수 전지점의 평균 TOC 농도는 5.0 mgC/L로 나타났으며, 영산강 본류의 평균 TOC 농도는 5.8 mgC/L, CODMn과 CODcr의 농도는 8.8 mgO2/L, 21.2 mgO2/L로 나타났다. 영산강 본류로 유입되는 광주천과 황룡강 등 지류 하천의 TOC와 DOC는 각각 4.
광주지역 하천수의 유기물 오염도를 비교한 결과 각 지점별로 차이를 나타냈으며, 특히 영산강 본류로 유입되는 도심하천인 광주천의 상류와 하류 수질이 크게 차이가 나타났다(Table 1). 광주지역 하천수 전지점의 평균 TOC 농도는 5.
9%로 나타났다. 광주천 G1~G5 지점을 살펴보면 DOC에서 RDOC가 차지하는 비율과 분해속도 값과는 반비례 관계를 보였으나, 영산강 본류 지점에서는 뚜렷한 관계를 보이지 않았다(Fig. 4). 윤영삼 등18의 연구결과에 따르면 낙동강 수계에서 평균 분해속도는 0.
본 연구에서 나타난 하천의 유기물 산화율은 다른 수계에서 조사된 연구결과와 비교하여 상대적으로 높게 나타났다. 낙동강 전체수계의 연구조사에 따르면 TOC에 대한 BOD와 CODMn의 산화율이 13%, 18%였으며, CODcr의 경우도 66%로서 매우 낮았다.18 또 한강본류에서 BOD 산화율은 약 12%, CODMn 산화율은 27%로 조사된바 있다.
9%로 생분해성 유기물에 비해 난분해성 유기물의 비율이 상대적으로 높은 것으로 나타났다. 또한 SUVA값이 4이하로 소수성의 방향족 고분자 유기물보다 친수성 저분자 유기물의 비율이 높은 것으로 나타났다.
001). 또한 TOC에 대한 BOD, COD, DOC의 결정계수(r2)를 비교한 결과 COD가 0.612로 가장 높은 값을 보였다(Fig. 3). 하수처리장 방류수에서 유기물 지표간 상관성은 하천과 다른 경향을 보였다(Table 4).
반면에 DOC와 TOC간의 상관계수는 0.797로 강한 상관관계를 보였으며 유의적인 것으로 나타났다(p<0.001).
1%로 나타나 하천수에 비해 BOD의 산화율이 낮았으나 CODcr의 산화율은 높게 나타났다. 본 연구에서 나타난 하천의 유기물 산화율은 다른 수계에서 조사된 연구결과와 비교하여 상대적으로 높게 나타났다. 낙동강 전체수계의 연구조사에 따르면 TOC에 대한 BOD와 CODMn의 산화율이 13%, 18%였으며, CODcr의 경우도 66%로서 매우 낮았다.
0%로 조사 보고한 바 있다. 본 연구조사와 비교해 볼 때 영산강 수계는 금강수계와 유사한 수준이며, 낙동강수계보다 높은 RDOC 비율을 보인 것으로 나타났다. 일반적으로 강이나 하천의 경우 외부 육상으로부터 기원된 유기물의 유입이 많기 때문에 난분해성 유기물의 비율이 우세하게 나타난다.
022 day-1로 나타났다(Table 5). 분해속도는 지점별, 시기별로 약간의 차이를 보였으며, G1 지점은 광주천 상류지점으로 조사 기간 동안 분해속도가 0.003~0.046 day-1로 나타났고 용존유기물에 대한 RDOC의 비율이 76%~97%로 전체 유기물중 생분해성 유기물질에 비해 난분해성 유기물질의 비율이 가장 높은 것으로 나타났다.
또한 광주천 하류에 형성된 수중보에 의해 물의 흐름이 정체되므로 수질 악화 현상을 초래하여 영산강 본류로 유입되는 지점의 수질을 더욱 악화시키고 있다. 영산강 본류로 유입되는 하수처리장 방류수의 평균 TOC와 DOC농도는 각각 5.2 mgC/L, 4.6 mgC/L이며, BOD 농도는 4.6 mgO2/L, CODMn과 CODcr의 농도는 각각 8.8 mgO2/L, 19.8 mgO2/L로 영산강 본류나 지천의 수질보다 낮게 나타났다.
영산강 본류와 지류하천에서 모두 DOC 농도가 POC 농도 보다 높게 나타났으며 TOC중 DOC의 비율은 지점별 차이를 보이지만 평균 73.9% 정도를 보였다(Fig. 2). 국내 연구결과14와 비교해보면 유사한 결과이나 호소의 평균 DOC/TOC와 비교해보면 낮은 범위이다.
3배 이상 산화되며 산화력이 강해 유기물뿐만 아니라 무기물까지 산화시킨 것으로 판단된다. 영산강 본류의 경우 TOC에 대한 유기물 지표의 비율이 상류에서 가장 낮았으며 하류로 이동할수록 증가하는 경향을 보여 하류로 갈수록 적은 산화력에서 분해가 가능한 유기물의 유입이 다소 증가하는 것으로 나타났다.
영산강 수계의 용존유기물의 평균 분해속도(Kd)는 조사기간 동안 전체 평균 0.043 day-1으로 영산강 본류에서 평균 0.042 day-1, 지류하천에서 0.043 day-1로 조사되었으며 본류구간과 지류하천 간에 유의적인 차이는 없었다(p>0.05).
자연유기물질의 물리화학적 특성을 나타내는 SUVA를 비교해 보면 하천수에서는 SUVA값의 범위가 1.573~3.429 m-1 · L/mgC를 나타냈으며, 하수처리장 방류수에서는 2.036~2.982 m-1 · L/mgC로 나타나 전 지점에서 SUVA값이 4이하로서, 소수성의 방향족 고분자 유기물 보다 친수성 저분자 유기물17의 비율이 높은 것으로 판단된다.
2 mgC/L보다 낮게 나타났다. 전지점에서 DOC 농도가 POC농도 보다 높게 나타났으며, TOC중 DOC가 차지하는 비율은 하천수에서는 평균 73.9%, 하수처리장 방류수는 88.7%를 보였다.
전체 하천수에서 DOC 중 RDOC의 평균 농도는 3.7 mgC/L로 조사되었으며, 비율은 평균 80.9%로 나타났다. 광주천 G1~G5 지점을 살펴보면 DOC에서 RDOC가 차지하는 비율과 분해속도 값과는 반비례 관계를 보였으나, 영산강 본류 지점에서는 뚜렷한 관계를 보이지 않았다(Fig.
05). 조사지점 중 평균 분해속도가 가장 높은 지점은 G14 지점으로 0.064 day-1 였으며, 가장 낮은 지점은 G1지점으로 0.022 day-1로 나타났다(Table 5). 분해속도는 지점별, 시기별로 약간의 차이를 보였으며, G1 지점은 광주천 상류지점으로 조사 기간 동안 분해속도가 0.
2%로 가장 낮아 상대적으로 수중에 POC가 차지하는 비율이 50% 이상으로 나타났다. 하수처리장 방류수는 평균 DOC/TOC가 88.7%로 나타났고, DOC 중 RDOC의 비율도 88.5%로 하천수에 비해 높게 나타났으며 수중의 유기물이 대부분 난분해성으로 존재한 것으로 판단된다.
5%로 나타났다. 하수처리장 방류수의 경우는 각각 33.6%, 65.7%, 136.1%로 나타나 하천수에 비해 BOD의 산화율이 낮았으나 CODcr의 산화율은 높게 나타났다. 본 연구에서 나타난 하천의 유기물 산화율은 다른 수계에서 조사된 연구결과와 비교하여 상대적으로 높게 나타났다.
하천수의 경우 BOD와 CODMn, CODcr과의 상관계수는 각각 0.850, 0.770으로 강한 상관관계(p<0.001)를 보여주었으며, CODMn과 CODcr, DOC, TOC의 경우에도 유의한 상관관계를 보여주었다(p<0.001).
후속연구
2. 하천수와 하수처리장 방류수의 TOC에 대한 BOD의 탄소산화율은 하천수에서는 45.0%, 하수처리장 방류수는 33.6%로 나타나 수중의 유기물량이 상당량 과소평가 되고 있어 유기물 총량관리를 위해 TOC로의 지표전환에 대한 연구가 더 필요할 것으로 판단되다.
본 연구 결과는 향후 TOC 기준설정에 필요한 기초 자료 및 수질모델 프로그램 개발에 있어서 보다 신뢰성 있는 수질 및 모델계수 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영산강 수계에서 TOC에서 DOC가 차지하는 비율은 얼마인가?
광주지역 하천수와 하수처리장 방류수를 대상으로 유기물 분포 특성과 분해 특성을 파악하고자 하였다. 영산강 수계에서 TOC에서 DOC가 차지하는 비율은 평균 73.9% 정도를 보였다. DOC중 RDOC의 평균 농도는 3.
수중 유기물은 어떻게 구분되는가?
수중 유기물은 존재 형태에 따라 입자성유기물(particulate organic matter; POM)과 용존유기물(dissolved organic matter; DOM)로 구분된다. 모든 유기물질은 탄소를 포함하고 있으며 일반적으로 광합성산물의 단위를 탄소단위로 하여 비교적 정확하게 측정할 수 있기 때문에 유기물의 양은 유기탄소의 총량으로 측정하고 있다.
일반적으로 하천이나 호수의 수중 유기물은 어떻게 구성되어 있는가?
모든 유기물질은 탄소를 포함하고 있으며 일반적으로 광합성산물의 단위를 탄소단위로 하여 비교적 정확하게 측정할 수 있기 때문에 유기물의 양은 유기탄소의 총량으로 측정하고 있다.1 일반적으로 하천이나 호수에서의 유기물은 용존유기탄소(dissolved organic carbon; DOC)가 TOC의 약 90%를 차지하고, 10%정도는 입자성유기탄소(particulate organic carbon; POC)로 구성되어 있다.2,3 DOC는 분해특성에 따라 생분해성(labile DOC; LDOC)과 난분해성(refractory DOC; RDOC)으로 구분된다.
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