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문제 정의
- 이러한 인공식물섬의 단점을 보완하기 위하여 고정되어 있는 장치에 유동성을 부여하며, 부체틀에 의한 오염을 방지할 수 있는 장치를 설계하였고, 장치의 수질 개선 효율을 향상시키기 위해 여재와 수생식물을 혼용하여 사용하는 방법을 고안하였다. 따라서 본 연구에서는 Lab scale 실험을 통하여 인공식물섬에 충진하게 될 Bio stone 여재의 오염물질 저감능력을 평가하고 인공식물섬을 실제 호소에 적용함으로써 여재와 식생을 혼용한 장치에 따른 수질오염물질 제거효율에 대해 연구하였으며, 이에 따라 기존의 인공식물섬의 단점을 보완할 수 있을 것이라 판단된다.
- 또한, 기존의 인공식물섬은 식생만을 이용하여 계절적 영향에 따라 수질개선 효율이 큰 차이를 보이는 단점을 가진다. 따라서 본 연구에서는 인공식물섬의 이러한 단점을 보완하기 위해 Bio stone 여재를 사용하여 계절에 따른 오염물질 저감의 편차를 최소화 시키는데 매우 효과적으로 나타났다. 또한 Bio stone 여재를 충진한 인공식물섬의 자연친화적인 경관성 및 친수성 등의 수질개선 효과를 동시에 볼 수 있을 것으로 사료된다.
- 그 이유는 기존의 연구에서는 유입수와 유출수가 뚜렷하게 구분되지 않은 상태에서 연구가 이루어졌기 때문이다. 따라서 최근에 이루어진 시간에 따른 호소농도 변화에 따른 오염물질 저감효율과의 간접적인 비교를 통해 본 연구와 비교 및 평가를 실시하였다. (주)아썸(2002)에 의한 연구에 의하면, 호소 생활환경기준 V~VI 등급의 현장에 적용한 인공식물섬의 오염물질 제거효율 결과, SS 평균 제거효율은 35%, BOD 평균 제거효율은 33%, T-N 평균 제거효율은 22%, TP 평균 제거효율은 31%로 나타났다.
- 여재와 식생을 혼용한 본 장치의 수질개선 효과를 알아보기 위하여 경기도 용인시 신갈호수에 장치를 직접 설치하고 주기적인 모니터링을 통하여 호소의 수질개선 효과에 대해서 조사 하였다. 장치의 가동 시간은 컨트롤 박스를 이용하여 일일 8시간으로 50분 작동 후 10분 휴지로 가동하였으며, 처리용량은 200 LPM으로 가동하였다.
제안 방법
- 각 반응조의 체류시간은 60 min으로 설정하였으며, 반응조에 대한 여재의 충진율은 약 40%로 하였다. Sample은 총 11회에 걸쳐 매 시간 채취하였다.
- 경기도 용인시 신갈호수에 장치를 설치하고 장치의 수질개선 효율을 알아보기 위하여 유입수 대비 유출수의 제거효율 조사 하였고, 그 결과를 Table 6 및 Fig. 4에 나타내었다. 조사 결과, 환경변화에 의하여 유출수의 편차가 크게 나타난 것으로 나타났다.
- 다양한 유입수 농도에 대한 Bio stone의 오염물질 제거 능력을 확인하기 위하여 Lab scale의 실험을 진행하였다. 부상하는 여재의 특성에 따라 원통형의 상향류식 반응조(4.
- 기존의 인공식물섬의 경우 시설의 처리면적이 작고 식생만을 이용한 처리 방식이며, 동절기의 경우 식생이 성장하지 못하여 호소의 수질정화 효과에 영향을 미치기 때문에 문제시 되고 있다. 따라서 본 장치는 효율적인 수질개선 효과를 얻기 위해서 여재와 식생을 혼용하여 사용하여 수질개선 효과를 높였고, 유출수를 분수로 분출하기에 경관성과 친수성을 확보할 수 있게 하였다.
- 따라서 호소의 경관성을 향상 시킬 수 있는 자연정화법인 인공식물섬이 각광 받고 있으나, 낮은 수질개선 효율 등 여러 가지 한계점을 가지고 있다. 따라서 인공식물섬의 단점을 보완하기 위하여 장치를 설계하고 수질개선 효율을 향상시키기 위하여 식생과 여재를 혼용하는 방법을 고안하였으며, 인공식물섬에 충진 될 여재의 오염물질 제거 효율을 알아보기 위한 Lab scale 실험과 여재와 식생을 혼용한 인공식물섬을 현장에 직접 설치하여 현장 적용성을 평가하였다.
- 다양한 유입수 농도에 대한 Bio stone의 오염물질 제거 능력을 확인하기 위하여 Lab scale의 실험을 진행하였다. 부상하는 여재의 특성에 따라 원통형의 상향류식 반응조(4.156 L) 3 SET를 구성하여 실험하였으며, 실험 반응조에 앞서 유입수 농도를 조절하기 위한 저류조를 두었다. 각 목적별 실험을 위한 실험조건 및 방법은 아래의 Table 3 및 Fig.
- 또한 대부분의 인공식물섬의 부체는 대부분 천연재료를 사용하게 되는데, 천연부체는 수체 내에서 장기간 침수되어 있기 때문에 시간의 경과에 따라 부식이 일어날 수 있고 이로 인하여 수체에 오염을 유발하는 한계점을 가지고 있다. 이러한 인공식물섬의 단점을 보완하기 위하여 고정되어 있는 장치에 유동성을 부여하며, 부체틀에 의한 오염을 방지할 수 있는 장치를 설계하였고, 장치의 수질 개선 효율을 향상시키기 위해 여재와 수생식물을 혼용하여 사용하는 방법을 고안하였다. 따라서 본 연구에서는 Lab scale 실험을 통하여 인공식물섬에 충진하게 될 Bio stone 여재의 오염물질 저감능력을 평가하고 인공식물섬을 실제 호소에 적용함으로써 여재와 식생을 혼용한 장치에 따른 수질오염물질 제거효율에 대해 연구하였으며, 이에 따라 기존의 인공식물섬의 단점을 보완할 수 있을 것이라 판단된다.
- 연구의 시작은 장치 설치 후 충진한 여재에서 미생물 막이 생성된 후 진행하였으며, 장치에서의 유입수와 유출수를 2009년 4월부터 6월까지 총 14회에 걸쳐 샘플을 채취하였다. 채취한 시료에 대한 수질측정은 현장 조사 시 실험항목은 수온, pH, EC, DO를 측정하고, 실내실험은 SS, BOD, COD, T-N, T-P를 실시하였으며, 수질 공정시험법에 의거하여 분석하였으며, 유입수에 대한 유출수의 오염물질 제거효율을 산정하였다.
대상 데이터
- 인공식물섬에 사용할 수 있는 여재는 장치의 부력에 영향을 주지 않아야 하는 제약 조건을 가지고 있다. 따라서 부유성을 가지며 인공식물섬의 부력에 영향을 주지 않는 Bio stone 여재를 선정하였다.
- 본 장치는 3 m×5 m의 크기로 부체틀의 재질은 SUS304(스테인리스강)를 사용하여 제작하였고, 유입부(①), 접촉산화부(②), 수중펌프(③) 수생식물부(④), 계류장치(⑤), Air Line (⑥), 접촉메디아부(⑦), 컨트롤박스(⑧), 에어콤프레셔(⑨), 수중케이블(⑩) 유출부(⑪)로 구성하였으며, 이를 Fig. 1에 나타내었다.
- 장치의 작동은 컨트롤 박스를 이용하여 기기의 운전 시간과 휴지 시간을 관리하여 유지관리가 용이하다. 본 장치의 부체틀은 SUS304 (스테인리스강)를 사용 하였기에 부체틀에 의한 수질오염이 없으며, 반영구적으로 사용이 가능하도록 하였다.
- 장(2007)에 의하여 연구된 기능성 여재를 활용한 인공습지에 의한 수질정화 효과 분석에서는 부유성을 가진 3가지 여재에 관한 실험이 이루어졌다. 연구에 사용된 여재는 Bio stone, Bio stone-chitosan, 제오라이트를 사용하였으며, Bio stone-chitosan이 가장 높은 수질정화 효과를 보이는 것으로 조사되었다. 하지만 Bio stone-chitosan은 Bio stone의 수질정화 능력을 높이기 위하여 Chitosan을 혼합한 여재이다.
- 연구의 시작은 장치 설치 후 충진한 여재에서 미생물 막이 생성된 후 진행하였으며, 장치에서의 유입수와 유출수를 2009년 4월부터 6월까지 총 14회에 걸쳐 샘플을 채취하였다. 채취한 시료에 대한 수질측정은 현장 조사 시 실험항목은 수온, pH, EC, DO를 측정하고, 실내실험은 SS, BOD, COD, T-N, T-P를 실시하였으며, 수질 공정시험법에 의거하여 분석하였으며, 유입수에 대한 유출수의 오염물질 제거효율을 산정하였다.
- 유입수는 경기도 용인시 신갈호수와 기흥레스피아에서 채취한 오수를 일정 비율로 혼합하여 저농도, 중농도, 고농도로 만들어 사용하였으며, 혼합된 유입수는 정량펌프를 이용하여 반응조 내부로 일정하게 유입되도록 하였다. 각 반응조의 체류시간은 60 min으로 설정하였으며, 반응조에 대한 여재의 충진율은 약 40%로 하였다.
- 접촉산화부는 자갈 및 쇄석에 비하여 가볍고, 비표면적이 크며, 공극율이 75% 이상인 Bio stone 여재를 포트식으로 충진 하였다. 부유성을 가지고 있는 Bio stone은 부력에 영향을 주지 않아 인공식물섬에 적합한 여재로 고온(650~850℃)에서 발포 성형한 다공질 세라믹 경량체를 파쇄하여 입자크기를 조정한 인공경량여재로 다공성이며 공극률이 대단히 높다는 점으로, 풍부한 내부공극은 미생물의 부착 서식공간을 제공하여 줌으로써 미생물에 의한 유입수 중 오염물질의 생물분해효과를 높이고, 자체의 공극을 통한 여과작용을 통하여 고액분리하며, 재질인 세라믹은 자체의 표면 하전적 특성으로 인하여 자연계에 존재하는 이온성 오염물질의 저감효과에도 효능을 발휘할 수 있다.
이론/모형
- 수질측정은 호소수질을 SS, BOD, COD, T-N, T-P를 선정하여 평가하였으며, 수질에 영향을 미치는 기본인자인 수온, pH 및 수체의 자정작용을 평가할 수 있는 DO 등도 평가항목에 추가하였다. 본 연구에 사용된 시료는 유입수 및 유출수를 채수하였으며, 항목별 실험은 수질오염공정 시험법에 준하여 실시하였다.
- 수질측정은 호소수질을 SS, BOD, COD, T-N, T-P를 선정하여 평가하였으며, 수질에 영향을 미치는 기본인자인 수온, pH 및 수체의 자정작용을 평가할 수 있는 DO 등도 평가항목에 추가하였다. 본 연구에 사용된 시료는 유입수 및 유출수를 채수하였으며, 항목별 실험은 수질오염공정 시험법에 준하여 실시하였다.
성능/효과
- 2. 고농도 유입수 조건에서의 Bio Stone의 오염물질 제거효율은 SS 62.2%, BOD 50.2%, COD 55.1%, T-N 31.6%, T-P 38.4%로 조사되었다. 유입수의 농도가 높을수록 제거효율이 높은 것으로 나타났다.
- 3. 본 장치의 현장적용성을 평가하기 위하여 호소 생활환경기준 IV~VI급의 호소에 장치를 설치하고 유입수 대비 유출수의 제거효율 조사 하였고, 그 결과 SS의 평균 제거효율은 53.5%, BOD는 평균 32.8%, COD는 평균 36.9%, T-N은 평균 22.6%, T-P는 평균 33.2%로 조사되었다.
- 4. 유출수를 분수형태로 분출하기 때문에 폭기현상을 일으켜 자정능력을 향상시킬 수 있으며, 정체성 호소에 인위적인 교란을 주어 넓은 범위의 수질을 개선할 수 있다. 또한 부체틀을 SUS304로 제작하여 부체틀의 부식에 의한 오염이 없으며 반영구적으로 사용할 수 있다.
- 조사 결과, 환경변화에 의하여 유출수의 편차가 크게 나타난 것으로 나타났다. SS의 평균 제거효율은 53.5%, BOD는 평균 32.8%, COD는 평균 36.9%, T-N은 평균 22.6%, T-P는 평균 33.2%로 조사되었다. 이는 Bio stone에 대한 Lab scale 실험과 비교하여 현장의 환경적 요인을 고려해 볼 때 현장 SS와 유기물질에 대한 처리효율은 높은 것으로 나타났으며, 영양염류에 대해서는 실험 기간이 춘계이기 때문에 식생이 충분히 자라날 수 있는 하계에는 처리효율이 더 높아질 것으로 판단된다.
- 4%로 조사되었다. 고농도 유입수 조건에서의 오염물질 제거효율은 SS 62.2%, BOD 50.2%, COD 55.1%, T-N 31.6%, T-P 38.4%로 조사되었으며, 고농도 조건에서 제거효율이 가장 높은 것으로 나타났다. 이는 유입수의 농도가 높을수록 오염물질 제거효율이 높고 Bio stone 여재 실험에 사용한 고농도 유입수 조건까지 오염물질 제거가 가능한 것으로 판단된다.
- 신갈호수의 경우 호소 생활환경기준 IV~VI급에 해당된다. 따라서 본 장치는 IV~VI급의 호소에 적용하여 수질개선 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 시장성 및 경제성, 유지관리 측면에서 고려하면, 호소수의 수질을 정화하는 방안으로서 본 연구에 적용된 Bio stone 여재가 실질적으로 활용 가치가 높을 것으로 판단된다. 또한, Bio stone 여재의 세척주기는 생물막의 과도한 번성에 의해 오염물질의 제거가 되지 않는 기간인 3개월을 기준으로 Bio stone 여재를 세척해 주는 것이 바람직할 것으로 판단된다. Lab scale 실험에서 사용된 Bio stone 여재의 유입수 및 유출수의 범위 및 제거효율을 Table 5 및 Fig.
- 본 연구에 사용된 인공식물섬 장치의 유입부는 철망구조로 조대입자의 유입을 막아 수질정화부에 대한 오염부 하량을 감소시킴으로서 적절한 정화처리가 이루어질 수 있도록 해주며, 또한 조대입자의 유입으로 인하여 발생할 수 있는 시설이나 기기류의 손상 및 파손을 막아줌으로써 시설을 보호 할 수 있다. 또한 유입부에서는 에어콤프레셔를 사용한 산소공급으로 지속적인 폭기현상이 일어날 수 있게 하였다.
- 유입수와 유출수에 대한 DO농도는 시간이 지남에 따라 농도가 상승하는 경향을 보였다. 유입수와 유출수의 DO농도변화는 미미한 것으로 조사되었다.
- 4%로 조사되었다. 유입수의 농도가 높을수록 제거효율이 높은 것으로 나타났다.
- 2%로 조사되었다. 이는 Bio stone에 대한 Lab scale 실험과 비교하여 현장의 환경적 요인을 고려해 볼 때 현장 SS와 유기물질에 대한 처리효율은 높은 것으로 나타났으며, 영양염류에 대해서는 실험 기간이 춘계이기 때문에 식생이 충분히 자라날 수 있는 하계에는 처리효율이 더 높아질 것으로 판단된다. 신갈호수의 경우 호소 생활환경기준 IV~VI급에 해당된다.
- 3에 나타내었다. 저농도, 중농도, 고농도 유입수 조건에 따른 오염물질 제거효율을 조사한 결과, 저농도 유입수 조건일 경우 SS 53.3%, BOD 39.8%, COD 43.0%, T-N 25.6%, T-P 27.0%로 나타났고, 중농도 유입수 조건에서는 SS 58.2%, BOD 46.0%, COD 47.9%, T-N 28.9%, T-P 34.4%로 조사되었다. 고농도 유입수 조건에서의 오염물질 제거효율은 SS 62.
- 수온 및 pH, DO 측정결과를 Table 4에 나타내었다. 저농도, 중농도, 고농도에서 각각의 유입수 조건에 따른 유출수의 차이는 적은 것으로 나타났다. 따라서 Bio stone 여재에 의한 수온, pH, DO에 미치는 영향은 없는 것으로 판단된다.
- 4에 나타내었다. 조사 결과, 환경변화에 의하여 유출수의 편차가 크게 나타난 것으로 나타났다. SS의 평균 제거효율은 53.
후속연구
- 기존의 여재들은 부력에 영향을 주기 때문에 본 연구의 실험 장치에 적용할 수 없다. 따라서 부력에 영향을 주지 않는 Bio stone 여재를 적용하여야 하기 때문에 기존에 수질 정화용으로 사용되고 있는 여재들을 본 연구장치에서는 사용할 수 없을 것으로 판단된다.
- 또한 본 연구 장치는 분수를 이용하여 호소의 인위적인 교란을 주는 특징을 가지고 있기 때문에 넓은 범위를 처리 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 수질 정화 효과 및 경관성, 경제성 측면에서 매우 효과적인 것으로 판단되며, 본 연구 장치의 정확한 처리 범위에 대한 연구가 향후에 이루어져야 할 것으로 사료된다. 또한, 기존의 인공식물섬은 식생만을 이용하여 계절적 영향에 따라 수질개선 효율이 큰 차이를 보이는 단점을 가진다.
- Chitosan의 경우 수질정화 능력을 향상 시킬 수는 있으나, 경제적인 측면에서 볼 때 비용이 Bio stone 여재 보다 더 많이 들며, 수질정화 과정에서 Chitosan이 유실될 가능성이 있을 것으로 판단된다. 따라서 시장성 및 경제성, 유지관리 측면에서 고려하면, 호소수의 수질을 정화하는 방안으로서 본 연구에 적용된 Bio stone 여재가 실질적으로 활용 가치가 높을 것으로 판단된다. 또한, Bio stone 여재의 세척주기는 생물막의 과도한 번성에 의해 오염물질의 제거가 되지 않는 기간인 3개월을 기준으로 Bio stone 여재를 세척해 주는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 이는 유입수의 농도가 높을수록 오염물질 제거효율이 높고 Bio stone 여재 실험에 사용한 고농도 유입수 조건까지 오염물질 제거가 가능한 것으로 판단된다. 따라서 인공식물섬에 충진 하였을때 수질정화 효과를 볼 수 있을 것으로 판단되며, 향후에는 Bio Stone 여재가 처리할 수 있는 오염물질 농도의 한계에 관한 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
- 따라서 본 연구에서는 인공식물섬의 이러한 단점을 보완하기 위해 Bio stone 여재를 사용하여 계절에 따른 오염물질 저감의 편차를 최소화 시키는데 매우 효과적으로 나타났다. 또한 Bio stone 여재를 충진한 인공식물섬의 자연친화적인 경관성 및 친수성 등의 수질개선 효과를 동시에 볼 수 있을 것으로 사료된다.
- 수질정화용으로 사용 되는 기존의 여재들은 경제성과 시장성, 활용도를 고려하여 자갈이나 쇄석 등이 주로 이용되었으며, 최근에는 다공성 콘크리트 등이 사용되고 있는 실정이다. 하지만 본 연구에서 제작된 인공식물섬에 사용할 여재의 경제성, 시장성, 활용도 등의 여러 가지 특성 중에 특히 활용도의 특성이 중요할 것으로 판단된다. 기존의 여재들은 부력에 영향을 주기 때문에 본 연구의 실험 장치에 적용할 수 없다.
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