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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 인공습지 적용 시, 발생할 수 있는 단점을 최소화하면서 도시지역과 같은 협소한 공간에서도 적용 가능한 소규모 HSSF 인공습지 기술을 개발하고자 Pilot-scale test를 수행하였으며, 연구결과를 토대로 기술의 적용성을 평가하였다. 소규모 HSSF 인공습지는 기존의 배수시스템과 비교하여 도시 내 물의 저류 및 침투량의 향상을 기대할 수 있으며, 도시지역의 열섬현상 등 기상이변에 대하여 대응하는 기술이 될 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 불투수면의 증가에 따른 단절된 녹지생태축을 연결하고, 강우시 발생되는 비점오염물질을 처리하기 위한 소규모 HSSF 인공습지 기술을 개발하였으며, Pilot-scale test를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 우드칩의 경우 76%로 다른 여재보다 공극이 큰 것으로 분석되었으며 Table 4는 선정된 여재에 대한 특성을 정리한 것이다. 2010년 5월부터 10월까지 제조된 인공강우유출수를 유속을 달리하여 식생을 식재한 반응조와 식재하지 않은 반응조를 운영하였다. Fig.
- 유입유속은 유역면적 30 m2에 해당되는 강우강도(mm/hr)를 고려하여 산정하였다. Case별로 유입유속은 2.5 L/min(Q), 5.0 L/min(2Q), 7.5 L/min(3Q)로 유속을 변화시켜, 식생을 식재한 반응조와 식재하지 않은 반응조에 대하여 약 5개월 동안 주 1회씩 실험을 실시하였다. Table 3은 유입유속 산정 결과를 보여주며, 모니터링은 인공강우유출수 유입 직후 0분, 30분, 60분, 120분, 180분, 240분에 유입 및 유출수의 시료를 채취하였다.
- Pilot-scale test의 유입수는 실제 강우유출수의 특성을 반영하기 위하여 인공강우유출수를 제조하여 사용하였다. 인공 강우유출수는 도로공사 천안 영업소의 고속도로 청소 후 수거된 도로퇴적물을 100℃에서 24시간 건조한 후 체거름을 실시하여 150 ㎛이하의 입자로부터 제조하였다(이준호 등, 2005).
- 5 L/min(3Q)로 유속을 변화시켜, 식생을 식재한 반응조와 식재하지 않은 반응조에 대하여 약 5개월 동안 주 1회씩 실험을 실시하였다. Table 3은 유입유속 산정 결과를 보여주며, 모니터링은 인공강우유출수 유입 직후 0분, 30분, 60분, 120분, 180분, 240분에 유입 및 유출수의 시료를 채취하였다. 인공 강우유출수 유입시 오염물질에 대한 높이별, 거리별 저감효율을 평가하기 위하여 습지부 중간에 설치된 12개의 샘플 포트에서 수질시료를 채취하였다.
- 모니터링은 인공강우유출수를 4시간 동안 지속적으로 유입시켜 총 21회 실험을 실시하였다. 또한 오염물질 유입시 습지부에서 거리별, 높이별 오염물질 저감효율을 평가하기 위하여 습지부에 설치된 12개의 포트에서 Case별로 2회씩 총 6회 수질시료를 채취하여 분석하였다.
- C1∼12는 애기부들, R1∼12는 갈대를 나타낸 것이다. 모니터링은 인공강우유출수를 4시간 동안 지속적으로 유입시켜 총 21회 실험을 실시하였다. 또한 오염물질 유입시 습지부에서 거리별, 높이별 오염물질 저감효율을 평가하기 위하여 습지부에 설치된 12개의 포트에서 Case별로 2회씩 총 6회 수질시료를 채취하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 굵은 모래, 중간 자갈, 굵은 자갈, 우드칩에 대하여 투수계수 및 체분석 등의 기초실험을 실시하였다. 여재의 입도분포는 오염물질의 저감효율을 향상시키는 중요한 설계인자로 작용하며 입도분석 결과 굵은 모래는 2∼4.
- 소규모 HSSF 인공습지내로 오염물질 유입시, 거리와 높이에 따른 오염물질 농도변화를 분석하였다. 습지부내 모래층, 모래+자갈층, 자갈층에 위치한 12개의 샘플 포트에서 유입수 유입 30분 후, 동시에 채취하였다.
- 소규모 HSSF 인공습지는 Fig. 1과 같이 침강지(sedimentation tank), 우드칩 수직카트리지(woodchip vertical cartridge), 습지부(wetland part), 자갈부(gravel part)로 구성되어 있으며 자갈, 모래, 우드칩, 식생 등을 적절히 배치하여 저감효율을 향상시켰다. 침강지는 자갈을 높이 20 cm로 충진하였으며 침전, 여과, 흡착 등의 기작으로 오염물질을 1차적으로 저감시킨 후 수직으로 설치된 우드칩 카트리지를 통과하면서 2차적으로 저감되는 형태이다.
- 습지부 여과층은 수평으로 중간 자갈과 굵은 모래를 2겹으로 배치하였으며, 바닥으로부터 높이 20 cm는 중간 자갈을 충진한 다음 높이 40 cm는 굵은 모래를 충진하였다. 습지부 표면에는 애기부들과 갈대를 12본 식재하였고 자갈부는 원활한 배수를 위하여 굵은 자갈을 높이 60 cm로 충진하였다. Tabel 2는 침강지, 습지부, 자갈부, 식생의 배치 현황을 나타낸 것이다.
- 유입 및 유출, 습지부내 수질시료를 채취한 직후, 실험실로 옮겨 수질오염공정시험법에 준하여 분석을 하였다. 유입 및 유출수의 분석항목으로는 Turbidity, TSS, BOD5, CODMn, TN, TP, 중금속(Total Pb, Total Zn, Total Fe)을 분석하였으며 습지부에서는 중금속을 제외한 Turbidity, TSS, BOD5, CODMn, TN, TP 항목에 대하여 분석하였다. 수질시료에 대하여 분석한 결과 값으로 식(1)을 이용하여 유량가중평균농도(Event Mean Concentration, EMC)를 산정하였다.
- 포장지역의 비점오염물질의 경우, 짧게는 30분에서 길게는 4시간 안에 고농도의 오염물질을 포함한 강우유출수가 유출되며, 이러한 특성을 고려하여 TSS를 기준으로 일정한 농도를 가지는 유입원수를 4시간 동안 유입시켰다(OMEE, 1994). 유입유속은 유역면적 30 m2에 해당되는 강우강도(mm/hr)를 고려하여 산정하였다. Case별로 유입유속은 2.
대상 데이터
- 소규모 HSSF 인공습지는 길이 대 폭의 비율이 3 : 1로서 0.5 m×1.5 m×0.7 m (W×L×D)의 크기로 제작하였으며 총 0.525 m3이다.
- 소규모 HSSF 인공습지내로 오염물질 유입시, 거리와 높이에 따른 오염물질 농도변화를 분석하였다. 습지부내 모래층, 모래+자갈층, 자갈층에 위치한 12개의 샘플 포트에서 유입수 유입 30분 후, 동시에 채취하였다. Fig.
- 농림부(2004)에 의하면 정수식물 중 갈대(Phragmites australis)와 애기부들(Typha angustata)의 경우 유기물 및 영양염류제거에 효과적인 수종으로 나타내었다. 이에 본 연구에서는 갈대와 애기부들로 선정하여 식재하였다.
- Table 3은 유입유속 산정 결과를 보여주며, 모니터링은 인공강우유출수 유입 직후 0분, 30분, 60분, 120분, 180분, 240분에 유입 및 유출수의 시료를 채취하였다. 인공 강우유출수 유입시 오염물질에 대한 높이별, 거리별 저감효율을 평가하기 위하여 습지부 중간에 설치된 12개의 샘플 포트에서 수질시료를 채취하였다.
- Pilot-scale test의 유입수는 실제 강우유출수의 특성을 반영하기 위하여 인공강우유출수를 제조하여 사용하였다. 인공 강우유출수는 도로공사 천안 영업소의 고속도로 청소 후 수거된 도로퇴적물을 100℃에서 24시간 건조한 후 체거름을 실시하여 150 ㎛이하의 입자로부터 제조하였다(이준호 등, 2005). 포장지역의 비점오염물질의 경우, 짧게는 30분에서 길게는 4시간 안에 고농도의 오염물질을 포함한 강우유출수가 유출되며, 이러한 특성을 고려하여 TSS를 기준으로 일정한 농도를 가지는 유입원수를 4시간 동안 유입시켰다(OMEE, 1994).
이론/모형
- 소규모 HSSF 인공습지의 Pilot-scale test를 위한 반응조는 환경부에서 제시하는 자연형 시설 설계기준에 준하여 제작하였다. 소규모 HSSF 인공습지는 길이 대폭의 비율이 3 : 1로서 0.
- 유입 및 유출, 습지부내 수질시료를 채취한 직후, 실험실로 옮겨 수질오염공정시험법에 준하여 분석을 하였다. 유입 및 유출수의 분석항목으로는 Turbidity, TSS, BOD5, CODMn, TN, TP, 중금속(Total Pb, Total Zn, Total Fe)을 분석하였으며 습지부에서는 중금속을 제외한 Turbidity, TSS, BOD5, CODMn, TN, TP 항목에 대하여 분석하였다.
- 여재의 크기 및 입도분포 등과 같은 물리적 특성은 여과효율 및 유지관리에 영향을 미치며, 사용되는 여재는 자연친화적이며 경제성을 갖추어야 한다. 이에 인공습지에 사용될 여재인 모래, 자갈 우드칩에 대하여 한국산업규격인 KS F 2302를 근거 하여 체분석을 실시하였으며 한국산업규격 KS F 2322의 정수위 방법에 따라 투수계수 (k)를 산정하였다. 식생의 경우 유체 흐름의 굴절 및 수리전도도를 증가시켜 물리적인 침전, 흡수, 여과 등을 유도하여 수질정화 능력을 향상시켜 식생 선정시 수질정화능력이 탁월하고 구입 및 유지관리가 용이한 수종이어야 한다(김동섭 등, 2005; Yeh et al.
성능/효과
- 1. 소규모 HSSF 인공습지 기술에 대한 검증을 위하여 pilot-scale test를 실시한 결과 입자상 물질의 경우 식생군 88.8%, 무식생군 88.1%로 가장 높은 저감효율을 보였다. BOD의 경우 식생군 49.
- 2. 오염물질에 대한 거리 및 높이에 따른 농도 분석 결과, 입자상 물질 및 인의 경우 침강지와 우드칩 카트리지를 통과하면서 약 80% 저감된 후 습지부와 자갈부로 유입되었다. 다른 여재층에 비해 모래층에서 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났으며, 모래 층의 경우 다른 여재층보다 공극률이 낮아 유입수의 유속을 감소시킴으로써 오염물질에 대한 침전, 여과, 흡착 등의 기작이 활발히 발생한 결과로 판단된다.
- 3. 본 연구에서 개발된 소규모 HSSF 인공습지는 물이 표면에 노출되어 있지 않으며, 소규모 부지에 적용 가능한 기술로서 입자상 물질 및 중금속에 대한 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났다. 본 기술은 기존에 설치되어 있는 인공습지와 비교하였을 때 소규모로 적용이 가능하며 여재의 배열 및 종류에 따라 습지의 효율을 증가 시킬 수 있다.
- 1%로 가장 높은 저감효율을 보였다. BOD의 경우 식생군 49.0%, 무식생군 32.0%로 나타났으며, TP의 경우 식생군과 무식생군 모두 85%이상의 비교적 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났다. 대부분의 오염물질은 무식생군에 비해 식생군에서의 저감효율이 높게 나타났으며, 이는 여재에 의한 침전, 여과, 식생에 의한 흡수 및 차단 등의 기작이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다.
- TSS의 경우 식생군과 무식생군에서 88%이상의 높은 저감효율을 보였으며 식생군에서 유기물질의 경우 무식생군보다 17∼21%의 높은 저감효율을 보였다.
- 굵은 자갈은 10∼40 mm, 우드칩의 경우 10∼20 mm로 나타났으며 모래와 자갈, 우드칩에 대하여 공극률을 실험한 결과 모래와 자갈의 경우 40∼46%의 공극률을 나타냈다.
- 오염물질에 대한 거리 및 높이에 따른 농도 분석 결과, 입자상 물질 및 인의 경우 침강지와 우드칩 카트리지를 통과하면서 약 80% 저감된 후 습지부와 자갈부로 유입되었다. 다른 여재층에 비해 모래층에서 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났으며, 모래 층의 경우 다른 여재층보다 공극률이 낮아 유입수의 유속을 감소시킴으로써 오염물질에 대한 침전, 여과, 흡착 등의 기작이 활발히 발생한 결과로 판단된다.
- 본 기술은 기존에 설치되어 있는 인공습지와 비교하였을 때 소규모로 적용이 가능하며 여재의 배열 및 종류에 따라 습지의 효율을 증가 시킬 수 있다. 또한 도시지역에 적용될 경우 도시지역에서 발생하는 비점오염원을 관리하는데 효과적이며 도시 내 온도저감 및 열섬현상 등을 해결하는데 영향을 줄 것으로 판단된다.
- 유입수가 소규모 HSSF 인공습지의 침강지와 수직카트리지, 충진된 여재를 통과하면서 침전, 여과, 흡착 등으로 인하여 대부분의 오염물질이 저감되는 것으로 판단된다. 또한 식생군에 식재되어 있는 애기부들과 갈대로 인하여 영양염류와 유기물질의 경우 무식생군보다 높은 저감효율을 보이는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 개발된 소규모 HSSF 인공습지는 물이 표면에 노출되어 있지 않으며, 소규모 부지에 적용 가능한 기술로서 입자상 물질 및 중금속에 대한 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났다. 본 기술은 기존에 설치되어 있는 인공습지와 비교하였을 때 소규모로 적용이 가능하며 여재의 배열 및 종류에 따라 습지의 효율을 증가 시킬 수 있다. 또한 도시지역에 적용될 경우 도시지역에서 발생하는 비점오염원을 관리하는데 효과적이며 도시 내 온도저감 및 열섬현상 등을 해결하는데 영향을 줄 것으로 판단된다.
- Table 5와 Table 6은 식생군과 무식생군에 대한 EMC 산정 결과를 통계분석하여 나타낸 것이다. 식생군의 평균 유입수 EMC의 범위는 TSS의경우 164.2 mg/L, TN은 4.12 mg/L, TP는 0.35 mg/L, Total Fe는 5.123 mg/L, Total Zn은 0.404 mg/L로 분석되었다. 평균 유출수 EMC의 범위는 TSS는 6.
- 여재의 입도분포는 오염물질의 저감효율을 향상시키는 중요한 설계인자로 작용하며 입도분석 결과 굵은 모래는 2∼4.76 mm의 범위를 나타내었으며 중간 자갈의 경우 4.76∼25 mm로 분석되었다.
- 4는 인공 강우유출수 유입시 거리 및 높이에 따른 오염물질의 농도를 나타낸 것으로 채취된 수질시료를 분석한 결과 1/5 지점에서 자갈층과 모래+자갈층보다 습지부 표면에 위치한 모래층에서 수온이 높게 나타났다. 오후에 실험이 진행되어 모래층이 태양열로 인하여 수온이 상승하는 것으로 나타났으며 입자상물질과 영양염류 중 인의 경우 침강지와 수직카트리지를 통과하면서 모든 여재층에서 80%이상 저감되어 유출되었다. 그 중 다른 여재층보다 모래층에서 채취된 수질시료가 낮은 농도로 유출되는 경향을 나타내었다.
- 518 mg/L로 분석되었다. 평균 유출수 EMC의 범위는 TSS는 5.6 mg/L, TN은 3.34 mg/L, TP는 0.05 mg/L, Total Fe는 0.783 mg/L, Total Zn 0.170 mg/L 로 분석되었다. 무식생군의 TN을 제외한 대부분의 항목에서 유입수 EMC의 값보다 유출수 EMC의 값이 낮게 유출되었다.
- 404 mg/L로 분석되었다. 평균 유출수 EMC의 범위는 TSS는 6.1 mg/L, TN은 3.47 mg/L, TP 는 0.05 mg/L, Total Fe는 0.584 mg/L, Total Zn 0.184 mg/L로 분석되었다. 무식생군의 평균 유입수 EMC의 범위는 TSS의 경우 156.
후속연구
- 따라서 본 연구에서는 인공습지 적용 시, 발생할 수 있는 단점을 최소화하면서 도시지역과 같은 협소한 공간에서도 적용 가능한 소규모 HSSF 인공습지 기술을 개발하고자 Pilot-scale test를 수행하였으며, 연구결과를 토대로 기술의 적용성을 평가하였다. 소규모 HSSF 인공습지는 기존의 배수시스템과 비교하여 도시 내 물의 저류 및 침투량의 향상을 기대할 수 있으며, 도시지역의 열섬현상 등 기상이변에 대하여 대응하는 기술이 될 것으로 판단된다.
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