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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 홍수터를 이용한 토양여과에 있어 실제 하천의 표층 토양을 치환하여 토양여과의 용량을 개선하고자 하는 경우, 자연토양의 투수성 향상을 위한 개질 뿐만 아니라 수질개선의 효과를 높일 수 있는 친자연형 여재들의 처리특성을 비교함으로써 토양여과의 용량증대를 위한 토양개질에 적용 가능한 여재를 선정하는데 필요한 기초적인 자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구는 하천의 표층토양을 치환하여 토양여과의 용량 개선을 위하여 적용이 가능한 친자연형 여재들의 특성을 비교하고자 하는 것으로서 실제 하천의 토양과 친자연형 여재들로 선정하여 특성을 비교하기 위한 실험을 진행하였다. 실제하천의 토양으로서는 수도권 하천토양의 일반적인 특성을 대표할 것으로 보이는 한강의 지류인 경안천과 중랑천의 홍수터의 토양을 선정하였다.
- 본 연구에서는 하천수질정화를 위한 홍수터 토양여과에서 여과용량증대와 수질개선을 목적으로 토양개질에 필요한 토양 및 친환경 여재들의 기초적인 물리화학적 특성과 흡착특성을 분석하였으며, 친환경 여재를 이용한 토양 개질의 효과를 검토하였다. 본 연구를 통하여 얻은 세부적인 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 2개 현장의 자연토양(중랑천, 경안천 토양)과 5개 친환경여재(zeolite, perlite, mulch, woodchip, slag)에 대하여 용존성 오염물질의 흡착능을 비교 평가하기 위해 흡착실험을 실시하였다. Table 3은 흡착 실험의 결과를 나타내고 있다.
- 85 μm로 조절하여 1, 2, 3, 4, 5g 주입하였으며, 흡착실험에서는 인공하천수(TN [NH4-N]: 30 mg/L, TP [PO4-P]: 2 mg/L)를 제조하여 사용하였으며, 용출실험에서는 증류수를 사용하여 각각 50mL 주입한 뒤, 24시간 동안 120 rpm, 20℃ 온도로 흡착실험을 수행하였다. 또한 여재의 표면 비교를 위해 환경주사전자현미경(Philips XL30 ESEM-FEG, FEI) 분석을 실시하였다(Fig. 1).
- 준비된 토양 및 여재들의 물리적 특성 및 화학적 특성을 먼저 분석하였다. 물리적, 화학적 특성분석을 위해 입경분포, 공극률, 비중, 유기물함량, 수분함량, 양이온치환용량과 회분식 흡착실험을 실시하였다. 유효입경(d10)과 균등계수(U=d60/d10)는 표준 체분석 실험(Standard Sieve Test, No.
- 4, 10, 18, 20, 40, 50, 60, 80, 100, 200, 325)을 통해 측정하였으며, 150㎛ 이하 크기의 입경은 particle size analyzer(Zetasizer, Malvern, USA)를 사용하여 측정하였다. 미 농무성 (United States Department of Agriculture, USDA)에서 제시하고 있는 sand, silt, clay 질량비를 이용하여 토성을 분류하였다(Nemes and Rawls, 2004). 토양과 친환경여재들의 투수계수는 토질시험법 중 실내실험에 의한 투수계수 결정방법 가운데 정수위 투수계수 방법으로 측정하였다.
- 토양여과는 기본적으로 하천변 홍수터의 토양을 이용하여 하천수를 처리하는 것으로서 토양의 특성이 제거율과 처리용량을 결정하는 가장 중요한 인자이다. 본 연구에서는 경안천 및 중랑천 표토층의 토양에 대한 분석을 수행하였으며, 토성분석 결과는 Table 1과 같다. 표에서 보듯이 경안천 및 중랑천 토양 모두 50% 이상이 course sand 이상의 입경을 갖는 것으로 나타나, 하천토양의 특성을 보인다.
- 사용되는 각 친환경여재 및 토양의 투수능과 오염물질 제거능을 확인하기 위하여 컬럼실험을 실시하였다. 실험용 컬럼은 직경 5 cm, 길이 30 cm의 아크릴 재질로 제작하였으며(Fig.
- 85 μm)로 준비하여, 각각의 토양과 여재를 적절한 다짐으로 충진하였다. 유입수는 중랑천 실제 하천수를 이용하여 24 시간 동안 연속실험 하였으며, 유입수 농도는 NO3--N, NH4+-N, PO4-3-P가 각각 16.7, 0.95, 1.63 mg/L 이었다. 유입수의 주입은 컬럼의 아래로부터 위쪽 방향으로 상향류로 하였으며, 유출 선속도는 상수도시설기준(한국상하수도협회, 2004)의 일반 표류수 대상의 완속여과지 여과 속도인 4~5 m/day를 기준으로 5m/day가 되도록 조절하여 실험을 수행하였다.
- 63 mg/L 이었다. 유입수의 주입은 컬럼의 아래로부터 위쪽 방향으로 상향류로 하였으며, 유출 선속도는 상수도시설기준(한국상하수도협회, 2004)의 일반 표류수 대상의 완속여과지 여과 속도인 4~5 m/day를 기준으로 5m/day가 되도록 조절하여 실험을 수행하였다.
- 물리적, 화학적 특성분석을 위해 입경분포, 공극률, 비중, 유기물함량, 수분함량, 양이온치환용량과 회분식 흡착실험을 실시하였다. 유효입경(d10)과 균등계수(U=d60/d10)는 표준 체분석 실험(Standard Sieve Test, No. 4, 10, 18, 20, 40, 50, 60, 80, 100, 200, 325)을 통해 측정하였으며, 150㎛ 이하 크기의 입경은 particle size analyzer(Zetasizer, Malvern, USA)를 사용하여 측정하였다. 미 농무성 (United States Department of Agriculture, USDA)에서 제시하고 있는 sand, silt, clay 질량비를 이용하여 토성을 분류하였다(Nemes and Rawls, 2004).
- 토양여과는 여과를 기본으로 하는 시스템이기 때문에 적합한 여재 선별이 가장 핵심이 된다고 할 수 있다. 준비된 토양 및 여재들의 물리적 특성 및 화학적 특성을 먼저 분석하였다. 물리적, 화학적 특성분석을 위해 입경분포, 공극률, 비중, 유기물함량, 수분함량, 양이온치환용량과 회분식 흡착실험을 실시하였다.
- 토양 개질에 대한 효과를 알아보기 위해 투수계수와 질소와 인에 대한 처리효율을 컬럼실험을 통해 실험실 내에서 수행하였다. 상기의 토양과 여재의 흡착특성실험을 통해 토양자체의 질소와 인에 대한 제거능이 우수함을 알 수 있었지만, Table 4에서 보는 바와 같이 경안천 토양에서 제올라이트와 제강슬래그에 비해 400배 이상 투수능이 낮음을 알 수 있었다.
- 미 농무성 (United States Department of Agriculture, USDA)에서 제시하고 있는 sand, silt, clay 질량비를 이용하여 토성을 분류하였다(Nemes and Rawls, 2004). 토양과 친환경여재들의 투수계수는 토질시험법 중 실내실험에 의한 투수계수 결정방법 가운데 정수위 투수계수 방법으로 측정하였다. 공극률과 비중은 Bear(1972)의 방법에 따라 측정하였으며, 양이온치환용량(Cation Exchange Capacity, CEC)은 토양 중에 있는 Na+을 포화시킨 후 이들을 암모늄이온(NH4+)으로 치환하여 atomic absorption spectrophotometer (Z8200, Hitachi, Japan)를 이용해 측정하였다(Chapman, 1965).
- 회분식 실험에서의 흡착실험 후 인공 유입수가 아닌 실제 하천수(중랑천)를 대상으로 동일 입경에 대해 연속유입 컬럼실험을 하였으며, 회분식 실험에 사용되었던 중랑천, 경안천 토양과 5종류의 친환경 여재에 대한 컬럼 실험 결과는 Fig. 4와 같다. 질소(NO3--N+NH4+-N)와 인(PO4-3-P) 모두 토양에서 제거효율이 높았는데, 특히 질소의 경우는 중랑천 토양, 인의 경우는 경안천 토양이 우수하였다.
- 회분식 흡착실험은 토양 및 각 여재들의 입경크기를 0.425~0.85 μm로 조절하여 1, 2, 3, 4, 5g 주입하였으며, 흡착실험에서는 인공하천수(TN [NH4-N]: 30 mg/L, TP [PO4-P]: 2 mg/L)를 제조하여 사용하였으며, 용출실험에서는 증류수를 사용하여 각각 50mL 주입한 뒤, 24시간 동안 120 rpm, 20℃ 온도로 흡착실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 높은 투수능을 갖는 친환경 여재를 이용한 토양층 개질을 통하여 높은 투수능을 확보할 필요가 있다. 높은 투수능을 가지면서 오염물질에 대한 선택적 흡착이 가능한 여재를 토양과의 적절한 조합을 위해 본 연구에서는 친환경 여재로서 1) 천연제올라이트(경북 포항산), 2) 퍼라이트, 3) 분갈이용 부식토(mulch), 4) 제강 슬래그, 5) 멀칭용 우드칩(소나무 원목)을 대상으로 실험을 진행하였다.
- 본 연구는 하천의 표층토양을 치환하여 토양여과의 용량 개선을 위하여 적용이 가능한 친자연형 여재들의 특성을 비교하고자 하는 것으로서 실제 하천의 토양과 친자연형 여재들로 선정하여 특성을 비교하기 위한 실험을 진행하였다. 실제하천의 토양으로서는 수도권 하천토양의 일반적인 특성을 대표할 것으로 보이는 한강의 지류인 경안천과 중랑천의 홍수터의 토양을 선정하였다. 토양의 채취는 지표면에서 30cm 아래에 위치한 표토층의 토양을 채취하였다.
- 실험용 컬럼은 직경 5 cm, 길이 30 cm의 아크릴 재질로 제작하였으며(Fig. 2), 우드칩을 제외한 토양과 여재에 대해 동일 입경크기(0.425~0.85 μm)로 준비하여, 각각의 토양과 여재를 적절한 다짐으로 충진하였다.
- 실제하천의 토양으로서는 수도권 하천토양의 일반적인 특성을 대표할 것으로 보이는 한강의 지류인 경안천과 중랑천의 홍수터의 토양을 선정하였다. 토양의 채취는 지표면에서 30cm 아래에 위치한 표토층의 토양을 채취하였다.
- 회분식 실험과 컬럼 실험에서 각각 채취한 수질 시료는 GF/C 여재(pore size: 0.45㎛) 로 여과 후 분석을 수행하였다. NO3--N, PO4-3-P, NH4+-N의 분석은 Standard methods (APHA, 1998)와 공정시험법에 준하여 실시하였다.
이론/모형
- 45㎛) 로 여과 후 분석을 수행하였다. NO3--N, PO4-3-P, NH4+-N의 분석은 Standard methods (APHA, 1998)와 공정시험법에 준하여 실시하였다.
- 토양과 친환경여재들의 투수계수는 토질시험법 중 실내실험에 의한 투수계수 결정방법 가운데 정수위 투수계수 방법으로 측정하였다. 공극률과 비중은 Bear(1972)의 방법에 따라 측정하였으며, 양이온치환용량(Cation Exchange Capacity, CEC)은 토양 중에 있는 Na+을 포화시킨 후 이들을 암모늄이온(NH4+)으로 치환하여 atomic absorption spectrophotometer (Z8200, Hitachi, Japan)를 이용해 측정하였다(Chapman, 1965). 회분식 흡착실험은 토양 및 각 여재들의 입경크기를 0.
성능/효과
- 1) 하천변 홍수터 자연토양을 직접 채취하여 물리․화학적 특성분석 결과 사토임을 알 수 있었으며 유효입경 0.2 내외, 균등계수 4 내외로 토양만을 대용량의 수질정화를 위해 사용한다면 투수능이 떨어지고 쉽게 막힘현상이 일어날 수 있음을 확인하였다.
- 2) 경안천 토양의 경우 투수계수가 부엽토의 약 25%, 제올라이트 및 제강슬래그의 약 0.25%로 매우 낮아 대용량의 수질개선을 위해서는 보다 입경이 큰 친환경 여재들과 혼합하거나 치환하여야 할 것으로 판단된다.
- 3) 회분식 및 컬럼실험을 통해 자연토양의 질소 및 인에 대한 오염물질 제거능이 기본적으로 우수함을 알 수 있었으며, 친환경 여재 중에서는 질소 제거에 제올라이트와 부식토가 우수하였으며, 특히 인 제거에는 제강슬래그가 다른 여재에 비해 회분식 흡착실험에서 약 3~9배, 컬럼 실험에서 약 2~35배 우수함을 확인하였다.
- 4) 자연토양의 투수성을 개선하기 위하여 친환경 여재 중 제올라이트와 슬래그를 부피비로 각각 2.8, 1, 1의 비율로 혼합하여 투수능 및 질소와 인에 대한 제거능을 비교한 결과, 토양만 사용하였을 경우에 비해 투수능은 약 4.6배, 질소제거 약 2.4배, 인제거 약 1.1배 향상되어 친환경 여재와 혼합을 통한 토양개질이 여과용량 증대와 함께 수질개선도 가능함을 알 수 있었다.
- 일반적으로 양이온 교환 능력이 우수한 제올라이트가 상대적으로 낮은 값을 보인 것은 제올라이트의 입경분포가 다른 여재에 비하여 큼에 따라 표면적이 작았기 때문으로 판단된다. ESEM을 이용한 표면분석 결과는 Fig. 3에서 보듯이 토양의 경우 지역별로 큰 차이점을 볼 수는 없었으며, 퍼라이트의 경우 고유 표면특성인 격자형 구조를 갖고 있으며, 제올라이트의 경우 표면에 많은 공극을 갖는 다공질 구조로 이루어져 있어 양이온의 흡착에 유리한 구조를 갖는 것으로 보인다.
- Table 3은 흡착 실험의 결과를 나타내고 있다. 본 실험에서 실시한 여재 중 질소의 흡착능은 제올라이트와 부식토에서 가장 우수하게 측정이 되었다. 제올라이트의 경우 암모니아성 질소에 대한 흡착능력이 우수하다고 Chen 등(1999)이 보고한 것과 일치하는 결과라 할 수 있다.
- 토양 개질에 대한 효과를 알아보기 위해 투수계수와 질소와 인에 대한 처리효율을 컬럼실험을 통해 실험실 내에서 수행하였다. 상기의 토양과 여재의 흡착특성실험을 통해 토양자체의 질소와 인에 대한 제거능이 우수함을 알 수 있었지만, Table 4에서 보는 바와 같이 경안천 토양에서 제올라이트와 제강슬래그에 비해 400배 이상 투수능이 낮음을 알 수 있었다. 투수능을 개선하기 위해 투수능이 좋으면서 질소와 인 제거에 우수하였던 제올라이트와 슬래그를 부피비로 2.
- 컬럼실험과 회분식 실험에서 유입수의PO4-3-P농도가 크게 차이가 나지 않았던 인의 경우는 회분식 실험결과와 마찬가지로 슬래그의 인 제거효율이 가장 우수하였다. 시간이 경과할수록 다른 여재들은 모두 질소, 인 모두 제거효율이 떨어지는 반면 제강슬래그의 경우 인의 제거효율이 실험을 진행하는 동안 유지되었다.
- 하지만 사용된 토양혼합블록 및 투수층의 투수능에 대한 정량적인 평가가 이루어지지 않았기 때문에 적용하였던 토양블록 시스템이 어느 정도 효과적인 여과능을 갖는지에 대한 정보는 제공하고 있지 않다. 이에 반하여 본 연구에서 수행한 토양 및 여재들의 투수계수 시험에서는 토양의 경우 투수계수가 2.85 x 10-3로 부식토의 1.18 x 10-2에 비해서도 1/4 정도 작은 값을 보였으며, 1 내외인 제올라이트와 재강슬레그에 비해서는 거의 1/400 정도의 낮은 값을 보였다. 이는 추후 여과용량의 증대를 위한 토양여과 시스템 제작에서 다른 입경을 갖는 여재들과의 혼합 또는 치환을 통한 입경의 설계가 매우 중요하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 전반적으로 회분식 실험과 컬럼 실험 모두 질소와 인의 제거가 자연토양인 경안천 및 중랑천 토양에서 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이것은 기본적으로 토양 자체의 질소, 인의 제거능력이 우수함을 입증하는 결과라 할 수 있다.
- 4와 같다. 질소(NO3--N+NH4+-N)와 인(PO4-3-P) 모두 토양에서 제거효율이 높았는데, 특히 질소의 경우는 중랑천 토양, 인의 경우는 경안천 토양이 우수하였다. 친환경 여재에서 질소의 제거효율이 인의 경우에 비해 뚜렷하게 높진 않았지만 친환경 여재 중에서는 제올라이트, 부식토가 효율이 좋았다.
- 질소(NO3--N+NH4+-N)와 인(PO4-3-P) 모두 토양에서 제거효율이 높았는데, 특히 질소의 경우는 중랑천 토양, 인의 경우는 경안천 토양이 우수하였다. 친환경 여재에서 질소의 제거효율이 인의 경우에 비해 뚜렷하게 높진 않았지만 친환경 여재 중에서는 제올라이트, 부식토가 효율이 좋았다. 질소의 경우 컬럼실험과 회분식 실험의 결과가 차이가 나는 이유는 유입수의 성상 때문이라고 판단된다.
- 상기의 토양과 여재의 흡착특성실험을 통해 토양자체의 질소와 인에 대한 제거능이 우수함을 알 수 있었지만, Table 4에서 보는 바와 같이 경안천 토양에서 제올라이트와 제강슬래그에 비해 400배 이상 투수능이 낮음을 알 수 있었다. 투수능을 개선하기 위해 투수능이 좋으면서 질소와 인 제거에 우수하였던 제올라이트와 슬래그를 부피비로 2.8: 1: 1의 비율로 섞어서 컬럼실험을 통해 투수성과 제거효율을 측정한 결과, Table 4에서 보듯이 개질한 토양의 투수계수는 경안천 토양의 2.85 x 10-3 cm/sec에서 1.30x10-2 cm/sec로 증가하여 약 4.6배정도 투수성이 높아지고, 질소와 인의 제거효율 면에서도 각각 11.7 에서 27.8 %, 70.1에서 74.8%로 제거효율을 유지하거나 다소 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같이 제거대상 물질에 대한 선택적 제거능이 있는 친환경 여재를 적절한 비율로 섞어 개질하여 대용량 하천정화를 위한 토양여과에 이용한다면, 토양여과의 투수능을 증대시키면서도 동시에 수질제거 효율을 유지할 수 있을 것이라 사료된다.
- 친환경 여재 중에서는 제올라이트, 부식토, 제강슬래그의 제거성능이 우수하였다. 특히 질소의 제거에는 제올라이트, 부식토가 우수하였고, 인 제거에는 제강슬래그가 다른 여재들에 비해 탁월하게 효과가 있음을 확인하였다. 대용량 하천수 정화에 토양층을 개질하여야 한다면, 본 연구에서 선정한 제올라이트, 부식토, 제강슬래그를 선택하여 기능적으로 활용할 수 있을 것이라 사료된다.
- 본 연구에서는 경안천 및 중랑천 표토층의 토양에 대한 분석을 수행하였으며, 토성분석 결과는 Table 1과 같다. 표에서 보듯이 경안천 및 중랑천 토양 모두 50% 이상이 course sand 이상의 입경을 갖는 것으로 나타나, 하천토양의 특성을 보인다. 특히 미 농무성 규정인 USDA (U.
- 친환경 여재의 경우에는 Table 2에서 보듯이 철강석의 정련시 부산물로 나오는 제강슬래그의 비중은 약 3 정도로 다른 여재들에 비해 높았으며, 부식토와 우드칩은 유기물과 함수율 함량이 높아 하천수 처리시 탈질에 필요한 탄소원으로서 작용할 수 있을 것이라 생각된다. 한편, 양이온계 오염물질에 대한 흡착능을 대표하는 양이온교환능력 (CEC) 측정결과 퍼라이트, 부식토, 제올라이트 순으로 높은 흡착능력을 갖는 것으로 나타났다. 일반적으로 양이온 교환 능력이 우수한 제올라이트가 상대적으로 낮은 값을 보인 것은 제올라이트의 입경분포가 다른 여재에 비하여 큼에 따라 표면적이 작았기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 특히 질소의 제거에는 제올라이트, 부식토가 우수하였고, 인 제거에는 제강슬래그가 다른 여재들에 비해 탁월하게 효과가 있음을 확인하였다. 대용량 하천수 정화에 토양층을 개질하여야 한다면, 본 연구에서 선정한 제올라이트, 부식토, 제강슬래그를 선택하여 기능적으로 활용할 수 있을 것이라 사료된다. 특히 하수처리장 방류수 수질기준이 2012년부터 BOD 10 mg/L 에서 5 mg/L로, COD 40 mg/L 에서 20 mg/L 로, TP 2 mg/L 에서 0.
- 18 x 10-2에 비해서도 1/4 정도 작은 값을 보였으며, 1 내외인 제올라이트와 재강슬레그에 비해서는 거의 1/400 정도의 낮은 값을 보였다. 이는 추후 여과용량의 증대를 위한 토양여과 시스템 제작에서 다른 입경을 갖는 여재들과의 혼합 또는 치환을 통한 입경의 설계가 매우 중요하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같이 제거대상 물질에 대한 선택적 제거능이 있는 친환경 여재를 적절한 비율로 섞어 개질하여 대용량 하천정화를 위한 토양여과에 이용한다면, 토양여과의 투수능을 증대시키면서도 동시에 수질제거 효율을 유지할 수 있을 것이라 사료된다. 이러한 결과를 바탕으로 효율적인 토양여과의 용량 증대를 위한 토양과 여재의 개질을 효율화 하기 위해서는 혼합비율의 최적화 등의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 8%로 제거효율을 유지하거나 다소 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같이 제거대상 물질에 대한 선택적 제거능이 있는 친환경 여재를 적절한 비율로 섞어 개질하여 대용량 하천정화를 위한 토양여과에 이용한다면, 토양여과의 투수능을 증대시키면서도 동시에 수질제거 효율을 유지할 수 있을 것이라 사료된다. 이러한 결과를 바탕으로 효율적인 토양여과의 용량 증대를 위한 토양과 여재의 개질을 효율화 하기 위해서는 혼합비율의 최적화 등의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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