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문제 정의
- 따라서 본 연구는 주암호 상수원 상류지역에 위치한 복내 바이오파크 인공습지에서 시기별, 계절별 및 유입원수 부하량별 수처리 효율을 평가하여 인공습지에서 오염물질의 처리효율 향상을 위한 관리 방안을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 복내 바이오파크 인공습지의 시기별, 계절별 및 유입 부하량별 수처리효율을 조사하기 위하여 2008년 4월부터 12월까지 월 1회 주기로 인공습지각 처리단계별 유입수와 유출수 중의 오염물질 함량 변화를 3반복으로 분석하여 평균과 표준편차를 조사하였다. 인공습지의 시기별 수처리 효율은 월별로 구분하여 BOD, SS, T-N 및 T-P의 함량과 처리효율을 조사하였다.
- 인공습지의 시기별 수처리 효율은 월별로 구분하여 BOD, SS, T-N 및 T-P의 함량과 처리효율을 조사하였다. 인공습지의 계절별 수처리 효율은 봄 (4, 5월), 여름 (6, 7, 8월), 가을 (9, 10, 11월) 및 겨울 (12월)로 구분하여 BOD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율을 비교 검토하였다.
- 복내 바이오파크 인공습지의 시기별, 계절별 및 유입 부하량별 수처리효율을 조사하기 위하여 2008년 4월부터 12월까지 월 1회 주기로 인공습지각 처리단계별 유입수와 유출수 중의 오염물질 함량 변화를 3반복으로 분석하여 평균과 표준편차를 조사하였다. 인공습지의 시기별 수처리 효율은 월별로 구분하여 BOD, SS, T-N 및 T-P의 함량과 처리효율을 조사하였다. 인공습지의 계절별 수처리 효율은 봄 (4, 5월), 여름 (6, 7, 8월), 가을 (9, 10, 11월) 및 겨울 (12월)로 구분하여 BOD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율을 비교 검토하였다.
- 주암호 상수원 상류지역에 위치한 복내 바이오파크 인공습지의 수생태학적 효율 향상을 위한 관리 방안을 제시하기 위하여 시기별, 계절별 및 오염물질 부하량별 수처리 효율을 평가하였다. 유입원수의 BOD, SS, T-N 및 T-P의 함량은 각각 1.
데이터처리
- 인공습지에 유입되는 비점오염원은 시기 및 계절에 따라 오염물질의 부하변동이 심하기 때문에 부하 변동에 따른 인공습지의 대응성을 알아보고 시스템에 따른 처리 경향을 파악하기 위해 오염물질 부하량에 따른 오염물질 처리량을 침강지, 습지 및 마이크로폴로 구분하여 Fig. 1에서 보는 바와 같이 채취지점별로 채취하여 3반복으로 분석하였으며, 모든 실험결과는 회귀분석법으로 통계처리 하였다.
이론/모형
- 채취된 수질의 BOD의 분석은 윙클러아자이드화나트륨변법을 사용하였고, SS의 분석은 유리섬유여과법을 사용하였다. T-N의 분석은 자외선 흡광광도법 (UV2550PC, Perkinelmer)을 사용하였고, T-P의 분석은 아스코르빈산 환원법 (UV2550PC, Perkinelmer)을 사용하였다.
- 수질 분석은 수질오염공정시험법 (Choi et al., 2004) 및 APHA의 standard method (APHA, 1995)에 준하여 다음과 같이 하였다. 채취된 수질의 BOD의 분석은 윙클러아자이드화나트륨변법을 사용하였고, SS의 분석은 유리섬유여과법을 사용하였다.
- , 2004) 및 APHA의 standard method (APHA, 1995)에 준하여 다음과 같이 하였다. 채취된 수질의 BOD의 분석은 윙클러아자이드화나트륨변법을 사용하였고, SS의 분석은 유리섬유여과법을 사용하였다. T-N의 분석은 자외선 흡광광도법 (UV2550PC, Perkinelmer)을 사용하였고, T-P의 분석은 아스코르빈산 환원법 (UV2550PC, Perkinelmer)을 사용하였다.
성능/효과
- 7과 같이 침강지로 유입되는 유입원수의 T-N 부하량은 1,413-4,463 g day-1, 습지조로 유입되는 부하량은 989-2,392 g day-1, 마이크로폴로 유입되는 부하량은 490-2,601 g day-1로 처리단계가 증가하면서 부하량은 감소하였다. T-N 부하량에 따른 T-N 처리량은 습지시스템 모두에서 유의성이 있는 정의 상관관계를 나타내었으며, 유입원수 중 T-N 최고 부하량인 4,463 g day-1 일 때 침강지의 처리량은 1,631 g day-1, 습지조의 처리량은 2,256 g day-1, 마이크로폴의 처리량은 470 g day-1로 수생식물이 많고 미생물의 생육에 적합한 습지조의 처리량이 전체의 50.5%로 가장 높았다. 일반적으로 습지내 질소처리는 수생식물과 토양에 부착한 미생물에 의한 흡수, 암모니아 휘산, 그리고 질산화 및 탈질에 의해 대부분이 제거되는 것으로 알려져 있다 (Brix, 1993).
- T-P의 연평균 처리효율은 약 83%로서 매우 높았으며, 월별 방류수 중 T-P 처리효율은 6월, 7월, 8월 및 12월을 제외한 모든 달에서 86%이상으로 연평균 T-P 처리효율에 비해 약간 높았으며, 6월, 7월, 8월 및 12월의 T-P 처리 효율은 각각 61, 74, 77 및 62%로서 연평균 T-P 처리효율에 비해 약간 낮은 경향이었다. 전반적인 T-P 처리 효율은 T-N과 달리 특정 달의 처리효율이 급격하게 감소하지 않고 연중 61%이상의 안정적인 처리효율을 보였다.
- 4에서 보는 바와 같다. 계절별 방류수 중 BOD 처리효율은 여름, 가을 및 겨울이 각각 약 53, 31 및 62%였으며, 봄에는 유출수의 BOD가 유입수의 BOD보다 높았으며, 이는 일반적인 습지의 경우 겨울철에 고사된 수생식물들에 의한 보온효과가 있는 반면에 복내 바이오파크 인공습지의 경우 매년 10월에 생장한 수생식물을 제거하여 고사된 수생식물이 인공습지내 표면을 덮어서 생성할 수 있는 보온효과가 없어 미생물의 활성이 회복되지 않았기 때문인 것으로 생각된다. Seo (2002)도 겨울철에 고사된 수생식물은 인공습지내 표면을 덮어서 미생물 활성이 저해 되지 않는 보온효과를 낼 수 있어 이로 인해 겨울철 수처리 효율의 감소폭이 다른 인공습지에 비해 적었다고 보고하였다.
- 계절별 방류수 중 SS의 처리효율은 여름철과 가을철에 각각 약 55 및 50%로 매우 높았으며 겨울과 봄에는 비교적 낮았다. 계절별 방류수 중 T-N의 처리효율은 봄, 여름, 가을 및 겨울에 각각 약 83, 61, 56 및 59%로 모든 계절에서 비교적 안정적인 처리효율을 보였으며, 계절별 방류수 중 T-P의 처리효율도 봄, 여름, 가을 및 겨울에 각각 약 92, 71, 90 및 62%로 계절별 다소 차이는 있었지만 매우 높은 처리효율을 보였다.
- 계절별 방류수 중 SS의 처리효율은 여름철과 가을철에 각각 약 55 및 50%로 매우 높았으며 겨울과 봄에는 비교적 낮았다. 계절별 방류수 중 T-N의 처리효율은 봄, 여름, 가을 및 겨울에 각각 약 83, 61, 56 및 59%로 모든 계절에서 비교적 안정적인 처리효율을 보였으며, 계절별 방류수 중 T-P의 처리효율도 봄, 여름, 가을 및 겨울에 각각 약 92, 71, 90 및 62%로 계절별 다소 차이는 있었지만 매우 높은 처리효율을 보였다. 이러한 결과는 Jung (2006)이 2002년 12월부터 2004년 12월까지 복내 바이오파크 인공습지의 여름철과 겨울철의 T-N 및 T-P의 처리효율을 조사한 결과 T-N의 처리효율은 여름철과 겨울철의 경우 각각 약 57 및 53%이었고, T-P의 처리효율은 여름철과 겨울철의 경우 각각 80 및 62%였다는 연구결과와 비슷하였다.
- 75 mg L-1 범위이었으며, 연평균 처리효율은 BOD, SS, T-N 및 T-P가 각각 26, 43, 62 및 83%로서 BOD 처리효율은 낮았으나 T-N과 T-P 처리효율은 매우 높았다. 계절별 수처리 효율은 전반적으로 동절기에 비하여 하절기에 높았으며 T-P의 처리효율은 계절적인 차이 없이 비교적 일정하게 높은 처리효율을 보였다. 인공습지 구성시스템별 오염물질 부하량에 따른 오염물질 처리량은 BOD는 침강지> 습지조 > 마이크로폴, T-N과 SS는 습지조 > 침강지 >마이크로폴 순이었으며 T-P의 경우에는 습지 구성 시스템별 큰 차이 없이 비교적 일정한 처리량을 보였다.
- 월별 SS 처리효율은 수생식물이 생육을 시작하는 4월의 경우에는 -27%였으며, 이후 5월부터 12월까지는 19-67% 정도로 다소 차이는 있었으나 비교적 안정되고 높은 처리효율을 보였다. 수생식물 생육상황과 SS 처리효율의 관계를 볼 때 수생식물의 생육이 왕성한 5월부터 10월까지는 SS의 처리효율이 다른 달에 비해 전반적으로 높고 안정적인 처리가 가능하였지만 수생식물이 고사한 12월부터 SS의 처리효율은 점점 감소되는 경향이었고, 수생식물이 생장하기 시작하는 3-4월의 경우도 수생식물의 밀도가 낮고 동절기 동안 미생물의 생육이 저해되어 SS의 처리효율이 다른 시기에 비해 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
- 습지 시스템별 SS 부하량에 따른 SS 처리량을 조사한 결과 (Fig. 6), 침강지로 유입되는 유입원수의 SS 부하량은1,488-6,869 g day-1, 습지조로 유입되는 부하량은 544-7,728 g day-1, 마이크로폴로 유입되는 부하량은 343-5,438 g day-1로 유입원수가 처리조를 거치면서 부하량은 점점 감소하는 것으로 나타나 습지 시스템별 SS 부하량에 따른 SS 처리량은 유의성이 있는 정의 상관관계를 나타내었다. 유입원수 중 SS 최고 부하량인 6,869 g day-1 일 때 침강지의 처리량은 2,082 g day-1, 습지조의 처리량은 3,002 g day-1, 마이크로폴의 처리량은 1,431 g day-1로 습지조에서 전체의 43.
- 습지 시스템별 T-P 부하량에 따른 T-P 처리량은 Fig. 8과 같이 침강지로 유입되는 유입원수의 T-P 부하량은 30-214 g day-1이었으며, 습지조로 유입되는 부하량은 17-174 g day-1이었고, 최종 방류조인 마이크로폴로 유입되는 부하량은 14-68 g day-1로 T-P 부하량은 처리단계가 증가함에 따라 점점 감소하였다. T-P 부하량에 따른 T-P 처리량은 모든 처리시스템에서 유의성이 있는 정의 상관관계를 나타내었으며, 유입원수 중 T-P 최고 부하량인 214 g day-1 일 때 침강지의 처리량은 129 g day-1, 습지조의 처리량은 135 g day-1, 마이크로폴의 처리량은 165 g day-1로 모든 처리조가 거의 비슷하였고, 이들 결과는 Park et al.
- 57 mg L-1이었다. 습지구성 단계별 T-N의 함량변화는 처리단계가 증가할수록 꾸준히 감소하는 경향을 보였으며, 최종 유출수내 T-N 함량은 유입원수의 T-N 함량이 높을수록 유입수의 농도가 유출수 농도에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 월별 SS 처리효율은 수생식물이 생육을 시작하는 4월의 경우에는 -27%였으며, 이후 5월부터 12월까지는 19-67% 정도로 다소 차이는 있었으나 비교적 안정되고 높은 처리효율을 보였다. 수생식물 생육상황과 SS 처리효율의 관계를 볼 때 수생식물의 생육이 왕성한 5월부터 10월까지는 SS의 처리효율이 다른 달에 비해 전반적으로 높고 안정적인 처리가 가능하였지만 수생식물이 고사한 12월부터 SS의 처리효율은 점점 감소되는 경향이었고, 수생식물이 생장하기 시작하는 3-4월의 경우도 수생식물의 밀도가 낮고 동절기 동안 미생물의 생육이 저해되어 SS의 처리효율이 다른 시기에 비해 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
- 최종방류수 중 T-N 처리효율은 연 평균 약 62%로서 매우 높은 효율을 보였다. 월별 T-N 처리효율은 7월, 10월 및 12월을 제외한 모든 달에서 64%이상으로 연평균 T-N 처리효율보다 약간 높았으며, 7월, 10월 및 12월의 T-N 처리효율은 각각 약 36, 48 및 59%로서 연평균 T-N 처리 효율에 비해 약간 낮은 경향이었다. 특히, 7월의 T-N 처리효율은 약 36%로서 다른 달에 비해 매우 낮았으며 이 시기에는 장마철기간으로 강우에 의해 일시적인 비점오염원 부하량이 급격하게 증가하였기 때문이었던 것으로 판단된다.
- 유입원수 중 BOD 최고 부하량인 1,265 g day-1 일 때 침강지의 처리량은 524 g day-1, 습지조의 처리량은 351 g day-1 및 마이크로폴의 처리량은 109 g day-1로 침강지의 처리량이 가장 높았다. 침강지, 습지조 및 마이크로폴에서 동일한 BOD 부하량 중 마이크로폴에서 BOD 처리량이 낮았는데, 이는 침강지와 습지조에서 BOD의 대부분이 처리되어 마이크로폴로 유입되는 부하량이 상대적으로 낮았기 때문으로 생각되며, 이와 같은 결과는 Park et al.
- 유입원수내 T-P 함량은 0.1-0.8 mg L-1 범위, 평균 약 0.5 mg L-1로서 시기별로 차이가 컸으며, 습지구성단계별 처리효율은 1차와 2차 처리조에서 전체 T-P 처리량의 약 70-80%이상이 처리되었으며 그 이후에도 꾸준히 감소하는 경향이었다. 최종 유출수내 T-P 함량은 T-N 함량과는 달리 유입원수의 T-P 함량에 따른 큰 차이 없이 일정한 유출농도를 보였으며, 이러한 결과로 볼 때 복내 바이오파크 인공습지의 효율적인 운영인자 결정을 위해서는 T-P 함량보다는 T-N 함량을 기준으로 최적 처리용량이나 체류 시간을 선정해야 할 것으로 판단된다.
- 주암호 상수원 상류지역에 위치한 복내 바이오파크 인공습지의 수생태학적 효율 향상을 위한 관리 방안을 제시하기 위하여 시기별, 계절별 및 오염물질 부하량별 수처리 효율을 평가하였다. 유입원수의 BOD, SS, T-N 및 T-P의 함량은 각각 1.87-4.23, 5.2-24.0, 4.94-15.59 및 0.10-0.75 mg L-1 범위이었으며, 연평균 처리효율은 BOD, SS, T-N 및 T-P가 각각 26, 43, 62 및 83%로서 BOD 처리효율은 낮았으나 T-N과 T-P 처리효율은 매우 높았다. 계절별 수처리 효율은 전반적으로 동절기에 비하여 하절기에 높았으며 T-P의 처리효율은 계절적인 차이 없이 비교적 일정하게 높은 처리효율을 보였다.
- 유입원수의 SS 함량은 5.2-24.0 mg L-1 범위, 평균 약 15.35 mg L-1로서 시기별로 다소 편차가 컸으며, 습지구성 단계별 SS 함량도 BOD와 마찬가지로 4월을 제외한 모든 시기에서 처리 단계가 증가함에 따라 점점 감소하는 경향이었다. 특히, 수생식물 개체밀도가 높은 4차 처리조와 5차 처리조에서 SS 감소량이 높은 것으로 나타나 자유수면형 인공습지에서 SS의 처리는 처리조내 물의 흐름과 수생식물의 밀도에 의존적인 것으로 생각되었으며, Seo et al.
- 인공습지 구성시스템별 오염물질 부하량에 따른 오염물질 처리량은 BOD는 침강지> 습지조 > 마이크로폴, T-N과 SS는 습지조 > 침강지 >마이크로폴 순이었으며 T-P의 경우에는 습지 구성 시스템별 큰 차이 없이 비교적 일정한 처리량을 보였다.
- T-P의 연평균 처리효율은 약 83%로서 매우 높았으며, 월별 방류수 중 T-P 처리효율은 6월, 7월, 8월 및 12월을 제외한 모든 달에서 86%이상으로 연평균 T-P 처리효율에 비해 약간 높았으며, 6월, 7월, 8월 및 12월의 T-P 처리 효율은 각각 61, 74, 77 및 62%로서 연평균 T-P 처리효율에 비해 약간 낮은 경향이었다. 전반적인 T-P 처리 효율은 T-N과 달리 특정 달의 처리효율이 급격하게 감소하지 않고 연중 61%이상의 안정적인 처리효율을 보였다. 이와 같이 T-P의 처리효율이 월별로 큰 차이 없이 높고 안정적인 처리효율을 보인 것은 퇴적물과 토양에 대부분의 인이 흡착 또는 침전과정에 의해 처리되었기 때문으로 생각된다.
- 5 mg L-1로서 시기별로 차이가 컸으며, 습지구성단계별 처리효율은 1차와 2차 처리조에서 전체 T-P 처리량의 약 70-80%이상이 처리되었으며 그 이후에도 꾸준히 감소하는 경향이었다. 최종 유출수내 T-P 함량은 T-N 함량과는 달리 유입원수의 T-P 함량에 따른 큰 차이 없이 일정한 유출농도를 보였으며, 이러한 결과로 볼 때 복내 바이오파크 인공습지의 효율적인 운영인자 결정을 위해서는 T-P 함량보다는 T-N 함량을 기준으로 최적 처리용량이나 체류 시간을 선정해야 할 것으로 판단된다.
- 최종방류수 중 T-N 처리효율은 연 평균 약 62%로서 매우 높은 효율을 보였다. 월별 T-N 처리효율은 7월, 10월 및 12월을 제외한 모든 달에서 64%이상으로 연평균 T-N 처리효율보다 약간 높았으며, 7월, 10월 및 12월의 T-N 처리효율은 각각 약 36, 48 및 59%로서 연평균 T-N 처리 효율에 비해 약간 낮은 경향이었다.
- 5에서 보는 바와 같다. 침강지로 유입되는 유입원수의 BOD 부하량은 530-1,265 g day-1 범위이었고, 습지조로 유입되는 부하량은 449-1,283 g day-1 범위이었으며, 마이크로폴로 유입되는 부하량은 194-927 g day-1 범위로 비점오염원 유입 후부터 처리단계가 증가하면서 BOD 부하량은 점점 감소하였고, BOD 부하량에 따른 BOD 처리량은 유의성이 있는 정의 상관관계를 나타내었다.
후속연구
- Seo (2002)도 겨울철에 고사된 수생식물은 인공습지내 표면을 덮어서 미생물 활성이 저해 되지 않는 보온효과를 낼 수 있어 이로 인해 겨울철 수처리 효율의 감소폭이 다른 인공습지에 비해 적었다고 보고하였다. 따라서 복내 바이오파크 인공습지의 동절기의 안정적인 BOD와 COD 등의 유기물 처리를 위해서는 습지생태계를 수생태학적인 면에서 유지할 수 있는 수생식물 제거 방안과 동절기 수생식물의 관리를 위한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
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