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문제 정의
- , 2010)를 통해 인공습지를 이용하여 폐양액을 효과적으로 처리하기 위한 조합방법, 여재 등 다양한 인자별 최적조건을 구명하였으나, 실제 현장에 적용되어 소형 인공습지에서 수행한 기초실험을 기반으로 폐양액 처리를 위한 인공습지의 가능성에 대한 연구만 진행되었으며, 실제 시설하우스 현장에 적용되지 않았다. 이에 본 연구는 선행연구의 최적조건을 이용하여 실제 시설하우스 양액재배지에 인공습지 폐양액 처리장을 설계 및 시공하였으며, 보다 효율적인 폐양액 처리 최적시스템을 개발하기 위해 수평흐름조 연결방식에 따라 system A, B, C 및 D로 구분하여 정화효율을 평가하였으며, 선정된 시스템의 현장 적용성을 평가하기 위해 폐양액 부하량별 수처리 효율을 조사하였다.
제안 방법
- 9 m까지 충진하였다. 각 HF조는 체류시간을 증가시키기 위해 조를 4등분하였다. 현장 폐양액처리장의 폐양액 흐름은 HF조에 폐양액을 표면에 유입시켜 수평여과방식으로 처리한 후 상부에서 유출되게 하였고, 유출된 1차 처리수는 자연유하식으로 2차 HF조의 상부로 유입하게 되게 하였다.
- 각 조건별 실험은 2개월간 조사되었으며, 시료의 채취는 매달 처음 1주간은 1주 3회 3반복, 2주부터는 주 2회 3반복으로 분석한 결과를 통계처리 (SPSS 19 version)하여 각 조건에서의 수처리 효율을 조사하였다.
- 질소 및 인 함유 폐양액 처리를 위한 최적 인공습지 시스템을 선정하기 위해 처리조의 연결방식을 달리하여 최적 system을 선정하였고, 선정된 최적조건하에서 폐양액 부하량에 대한 적응성을 평가하였다. 현장 폐양액처리장에서 시스템별 정화효율을 평가한 결과 system A의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율은 각각 88, 77, 94, 54 및 94%로서 다른 시스템에 비해 가장 높은 정화효율을 보였다.
- 폐양액의 부하량에 따른 수처리 효율 조사는 system A에서 폐양액 부하량에 대한 적응성을 평가하기 위해 폐양액 부하량을 75, 150 및 300 L m-2 day-1로 달리하여 조사하였다.
- 폐양액의 부하량에 따른 수처리 효율 조사는 최적 system 하에서 폐양액 부하량에 대한 대응성을 조사하기 위해 시설하우스에서 배출되는 폐양액을 75, 150 및 300 L m-2 day-1되게 달리 유입하여 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율을 각각 조사하였다.
- 현장 인공습지 폐양액처리장에서 system별 정화효율 평가는 HF (Horizontal flow)-HF 조합형 인공습지에서 HF조의 연결방식에 따라 system A, B, C 및 D로 구분한 후 폐양액 유입량을 150 L m-2 day-1되게 유입하여 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율을 각각 조사하였다.
- 현장 인공습지 폐양액처리장은 최적조합이었던 HF (수평흐름조)와 HF (수평흐름조)를 연결하여 1개 시스템으로 하였으며, 수평흐름조 연결방식을 Fig. 1과 같이 system A, B, C 및 D로 달리하여 시공하였다. 두 수평흐름조의 크기는 각각 가로 2.
대상 데이터
- 공시 여재는 여재채취장에서 채취한 여재를 사용하였으며, 화학적 특성은 Table 2에서 보는 것과 같다. 현장 폐양액처리장에는 왕사와 인의 흡착능이 우수한 방해석을 1:1로 혼합한 여재를 사용하였다.
- 사용된 여재는 1차년도 연구결과를 토대로 하여 선행연구 (Seo et al., 2010)에서 최적여재였던 왕사:방해석=1:1로 혼합한 여재를 사용하였고, 여재 주입위치는 하부에서 높이 0.9 m까지 충진하였다. 각 HF조는 체류시간을 증가시키기 위해 조를 4등분하였다.
- 현장 인공습지 폐양액 처리장치에 사용된 폐양액은 경남 농업기술원 내 딸기 시설하우스에서 배출되는 폐양액을 사용하였다. 공시 폐양액의 화학적 특성은 Table 1에서 보는 바와 같이 총 질소 함량은 105 mg L-1이었고, 총 인 함량은 13.
- 공시 여재는 여재채취장에서 채취한 여재를 사용하였으며, 화학적 특성은 Table 2에서 보는 것과 같다. 현장 폐양액처리장에는 왕사와 인의 흡착능이 우수한 방해석을 1:1로 혼합한 여재를 사용하였다. 각 사용된 여재의 유효입경 (여재를 입경 순으로 나열하였을 때 작은 입경으로부터 중량 10%되는 부분의 여재의 입경; d10)은 1.
이론/모형
- , 2001; APHA, 2005). BOD는 윙클러 아지드화나트륨 변법, COD는 산성 과망간산칼륨법, SS는 유리섬유여과지법, T-N 은 자외선 흡광광도법, T-P는 아스코르빈산 환원법으로 각각 분석하였다.
- 수질분석은 수질오염공정시험법과 APHA의 standard method에 준하여 다음과 같이 하였다 (Kim et al., 2001; APHA, 2005). BOD는 윙클러 아지드화나트륨 변법, COD는 산성 과망간산칼륨법, SS는 유리섬유여과지법, T-N 은 자외선 흡광광도법, T-P는 아스코르빈산 환원법으로 각각 분석하였다.
성능/효과
- 1차 처리된 후 2차 처리수 중의 system별 SS 처리효율은 system A, B, C 및 D는 각각 94, 91, 93 및 92%로 system A가 다른 system에 비해 약간 높은 처리효율을 보였다. SS 의 처리는 인공습지 폐양액처리장에서 여재에 의한 여과 작용이 주된 처리이기 때문에 1차 처리수와 2차 처리수의 SS 처리효율이 다른 항목에 비해서 큰 차이가 없었다.
- 1차 처리수 중의 system별 T-P 처리효율은 system A 및 B는 각각 63 및 62%이었고, system C 및 D는 각각 72 및 70%로 system C 및 D가 system A 및 B에 비해 약간 더 높은 경향이었다. 1차 처리된 후 2차 처리수 중의 system별 T-P 처리효율은 system A, B, C 및 D는 각각 94, 91, 93 및 92%로 전반적으로 system에 따라 별 차이 없이 높은 처리효율을 보였다. 일반적인 습지에서의 T-P의 처리기작은 인산염의 침전, 기질에의 흡착, 수생식물에 의한 흡수 및 조류와 세균에 의한 흡수 등으로 예상할 수 있다.
- 현장 폐양액처리장에서 폐양액 부하량에 따른 T-P 처리효율은 1차 처리수의 경우 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 약 63-65%정도이었다. 1차 처리된 후 2차 처리수 중의 부하량별 T-P 처리효율은 폐양액 부하량에 따라 별 차이가 없이 91% 이상의 높은 처리효율을 보였다. 이는 본 처리장에 사용된 여재 중 방해석은 CaO 함량이 약 56%정도로 매우 높아 대부분의 인이 Ca-P로 침전되었기 때문으로 사료된다 (Kim et al.
- 1차 처리된 후 2차 처리수 중의 시스템별 BOD 처리효율은 system A, B, C 및 D는 각각 88, 81, 85 및 76%로 system A가 다른 system에 비해 약간 높은 처리효율을 보였다. 따라서 HF-HF 조합형 폐양액처리장에서 효과적으로 BOD를 처리하기 위한 최적조건은 system A이었다.
- 1차 처리수 중의 system별 T-N 처리효율은 system A 및 B는 각각 25 및 25%이었고, system C 및 D는 각각 27 및 27%로 system C 및 D가 system A 및 B에 비해 미미하게 높았다. 1차 처리된 후 2차 처리수 중의 연결방법별 T-N 처리 효율은 system A, B, C 및 D는 각각 54, 50, 52 및 55%로 system A 및 D가 다른 system에 비해 약간 높은 처리효율을 보였으나 그 차이는 미미하였다. 이와 같이 인공습지 축산폐수처리장에서 질소 처리를 위한 탈질반응에서 BOD와 COD 등의 유기물이 탈질의 제한인자로 작용하게 되는데 양액 조제 특성상 유기물 함량이 매우 낮아 연결방법에 따라 별 차이 없는 것으로 판단된다 (Kim et al.
- 1차 처리된 후 2차 처리수 중의 처리조 연결방법별 COD 처리효율은 system A, B, C 및 D는 각각 77, 70, 74 및 67%로 system A가 다른 system에 비해 약간 높은 처리효율을 보였다. 따라서 HF-HF 조합형 폐양액처리장에서 효과적으로 COD를 처리하기 위한 최적조건은 system A이었다.
- 부하량에 따른 T-N 처리효율은 1차 처리수의 경우 폐양액 부하량이 증가함에 따라 점점 감소되는 경향으로 폐양액 부하량 75 L m-2 day-1에서 28%정도로 가장 높았다. 1차 처리된 후 2차 처리수의 경우 부하량 별 T-N 처리효율은 폐양액 부하량이 증가함에 따라 점점 감소되는 경향이었고, 폐양액 부하량에 따른 T-N 처리효율은 부하량 75 L m-2 day-1가 55% 정도로 부하량 300 L m-2 day-1이상에서의 52%에 비해 약간 높은 경향이었으나, 그 차이는 미미하였다.
- 37 mg L-1정도로 폐양액 자체의 유기물 농도는 일반적인 생활하수에 비해 매우 낮았다. 1차 처리수 중의 system별 BOD 처리효율은 system A 및 B가 각각 46 및 47%이었고, system C 및 D는 각각 62 및 63%로 system C 및 D가 system A 및 B에 비해 약간 더 높은 경향이었다. 이와 같은 결과는 system C 및 D의 1차 처리조의 경우 폐양액이 처리조의 상부에서 하부방향으로 수직여과됨으로 인해 폐양액과 여재의 접촉시간이 길기 때문이며, 반면에 system A와 B의 1차 처리조의 경우 폐양액이 상부로 유입되어 수평 방향으로 흘러 상부에서 유출됨으로 인해 폐양액과 여재의 접촉 시간이 짧기 때문이다.
- 1차 처리수 중의 system별 SS 처리효율은 system A 및 B 는 각각 64 및 63%이었고, system C 및 D는 71 와 72%로 system C 및 D가 system A 및 B에 비해 약간 더 높은 경향이었다.
- 1차 처리수 중의 system별 T-N 처리효율은 system A 및 B는 각각 25 및 25%이었고, system C 및 D는 각각 27 및 27%로 system C 및 D가 system A 및 B에 비해 미미하게 높았다. 1차 처리된 후 2차 처리수 중의 연결방법별 T-N 처리 효율은 system A, B, C 및 D는 각각 54, 50, 52 및 55%로 system A 및 D가 다른 system에 비해 약간 높은 처리효율을 보였으나 그 차이는 미미하였다.
- 1차 처리수 중의 system별 T-P 처리효율은 system A 및 B는 각각 63 및 62%이었고, system C 및 D는 각각 72 및 70%로 system C 및 D가 system A 및 B에 비해 약간 더 높은 경향이었다. 1차 처리된 후 2차 처리수 중의 system별 T-P 처리효율은 system A, B, C 및 D는 각각 94, 91, 93 및 92%로 전반적으로 system에 따라 별 차이 없이 높은 처리효율을 보였다.
- 이상의 결과를 미루어 볼 때 폐양액을 효과적으로 처리할 수 있는 최적 조건은 system A이었다. System A에서 폐수배출기준 만족 여부를 조사하기 위해 유입수와 처리수 중의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P 함량은 조사한 결과 (Fig. 3) BOD, COD, SS 및 T-P는 폐수배출기준을 만족하면서 안정적인 처리가 가능하였으며, T-N의 경우는 운전초기에는 방류수 수질기준을 만족하지 못하였으나 시간이 경과함에 따라 점점 안정화되고 탈질 효율이 높아지면서 폐수배출기준을 만족하였다.
- 현장 폐양액처리장에는 왕사와 인의 흡착능이 우수한 방해석을 1:1로 혼합한 여재를 사용하였다. 각 사용된 여재의 유효입경 (여재를 입경 순으로 나열하였을 때 작은 입경으로부터 중량 10%되는 부분의 여재의 입경; d10)은 1.2 mm이었으며, 균등 계수 (여재를 입경 순으로 나열하였을 때 작은 입경으로부터 중량 60%에 해당되는 입경과 10%에 해당되는 입경과의 비; d60 d10-1)는 2.46이었다 (Table 3).
- 방류수에서 부하량별 BOD 처리효율은 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 87% 이상의 높은 처리효율을 보였다 (Fig. 3). 부하량에 따른 COD의 처리효율은 1차 처리수의 경우 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 약 34-36% 정도 이었으며, 2차 처리수의 경우도 부하량에 따라 별 차이가 없이 76% 이상의 높은 처리효율을 보였다.
- 3). 부하량에 따른 COD의 처리효율은 1차 처리수의 경우 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 약 34-36% 정도 이었으며, 2차 처리수의 경우도 부하량에 따라 별 차이가 없이 76% 이상의 높은 처리효율을 보였다. 폐양액 부하량에 따른 SS 처리효율은 1차 처리수의 경우 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 모든 부하량에서 64-65% 범위이었고, 2차 처리수의 경우도 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 약 93% 이상 높은 처리효율을 보였다.
- 이상의 결과를 미루어 볼 때 T-N을 효과적으로 처리하기 위한 system은 A와 D이었다.
- 이상의 결과를 미루어 볼 때 본 폐양액처리장에서 BOD, COD 및 SS 처리효율은 부하량에 따라 별 차이 없이 안정적인 처리효율을 보였다. 특히, 본 인공습지 시스템은 SS 함량이 일반 생활하수에 비해 낮아 부하량과 관계 없이 안정적으로 처리가 되었다.
- 정석탈인법을 이용한 인 처리는 인을 함유하는 물에 인산칼슘으로 되는 동종동계종의 화합물과 접촉시키면 탈인제인 방해석 위에 인산칼슘이 생성, 정석하는 현상을 이용한 정석 탈인법으로 수중의 인은 Ca이온과 반응하여 난용성인 hydroxyapatite [Ca5(OH)(PO4)3]로 처리되는 것으로 알려져 있다 (Heyman, 1998). 이상의 결과를 미루어 볼 때 폐양액을 효과적으로 처리할 수 있는 최적 조건은 system A이었다. System A에서 폐수배출기준 만족 여부를 조사하기 위해 유입수와 처리수 중의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P 함량은 조사한 결과 (Fig.
- 이상의 결과를 종합해 볼 때 현장 폐양액처리장에서 폐양액 부하량에 따른 수처리 효율을 조사한 결과 system A 의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P 처리효율은 각각 87-89, 76-79, 93-94, 52-55 및 91-94%로 부하변동에 대한 대응성이 높고 전반적으로 안정적으로 처리되었다.
- 이상의 결과를 미루어 볼 때 본 폐양액처리장에서 BOD, COD 및 SS 처리효율은 부하량에 따라 별 차이 없이 안정적인 처리효율을 보였다. 특히, 본 인공습지 시스템은 SS 함량이 일반 생활하수에 비해 낮아 부하량과 관계 없이 안정적으로 처리가 되었다. 하지만 고농도로 유입되는 인공습지 하수처리장 (Seo et al.
- 부하량에 따른 COD의 처리효율은 1차 처리수의 경우 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 약 34-36% 정도 이었으며, 2차 처리수의 경우도 부하량에 따라 별 차이가 없이 76% 이상의 높은 처리효율을 보였다. 폐양액 부하량에 따른 SS 처리효율은 1차 처리수의 경우 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 모든 부하량에서 64-65% 범위이었고, 2차 처리수의 경우도 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 약 93% 이상 높은 처리효율을 보였다.
- 2에서 보는 바와 같다. 폐양액 원수의 BOD 함량은 평균 5.37 mg L-1정도로 폐양액 자체의 유기물 농도는 일반적인 생활하수에 비해 매우 낮았다. 1차 처리수 중의 system별 BOD 처리효율은 system A 및 B가 각각 46 및 47%이었고, system C 및 D는 각각 62 및 63%로 system C 및 D가 system A 및 B에 비해 약간 더 높은 경향이었다.
- 2에서 보는 바와 같다. 폐양액 원수의 COD 함량은 평균 20.17 mg L-1이었고, 1차 처리수 중의 system별 COD 처리효율은 system A 및 B는 각각 35 및 36%이었고, system C 및 D는 각각 53 및 51%로 system C 및 D가 system A 및 B에 비해 약간 더 높은 경향이었다. 이와 같은 결과는 BOD와 유사한 경향으로 system C 및 D의 1차 처리조의 경우 폐양액이 처리조의 상부에서 하부방향으로 수직여과됨으로 인해 폐양액과 여재의 접촉시간이 길기 때문이며, 반면에 system A와 B의 1차 처리조의 경우 폐양액이 상부로 유입되어 수평방향으로 흘러 상부에서 유출됨으로 인해 폐양액과 여재의 접촉 시간이 상대적으로 짧기 때문이다.
- 2에서 보는 바와 같다. 폐양액 원수의 SS 함량은 평균 26.85 mg L-1정도로 폐양액 자체의 SS 농도는 일반적인 생활하수에 비해 매우 낮았다. 이는 양액 조제시 SS 함량이 거의 없는 지하수나 수돗물을 이용하여 조제하기 때문이며, 폐양액 중 SS 함량의 대부분은 유입된 양액이 상토를 거치면서 상토내 부유물질이 유출되기 때문으로 판단된다.
- 2에서 보는 바와 같다. 폐양액 원수의 T-P 함량은 평균 13.18 mg L-1정도로 일반적인 생활하수 중의 T-P 함량에 비해 2-3배 정도 높은 결과를 보였다. 이는 양액 제조시 식물생장에 필요한 주성분인 인을 다량 주입하기 때문으로 판단되며, 이때 주입된 인은 대부분 PO4-P 형태이었다.
- 질소 및 인 함유 폐양액 처리를 위한 최적 인공습지 시스템을 선정하기 위해 처리조의 연결방식을 달리하여 최적 system을 선정하였고, 선정된 최적조건하에서 폐양액 부하량에 대한 적응성을 평가하였다. 현장 폐양액처리장에서 시스템별 정화효율을 평가한 결과 system A의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율은 각각 88, 77, 94, 54 및 94%로서 다른 시스템에 비해 가장 높은 정화효율을 보였다. 현장 폐양액처리장에서 폐양액 부하량별 수처리 효율을 조사한 결과 system A의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율은 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 각각 87-89, 76-79, 93-94, 52-55 및 91-94%로 전반적으로 높고 안정적으로 처리되었다.
- 현장 폐양액처리장에서 시스템별 정화효율을 평가한 결과 system A의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율은 각각 88, 77, 94, 54 및 94%로서 다른 시스템에 비해 가장 높은 정화효율을 보였다. 현장 폐양액처리장에서 폐양액 부하량별 수처리 효율을 조사한 결과 system A의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율은 폐양액 부하량에 따라 별 차이 없이 각각 87-89, 76-79, 93-94, 52-55 및 91-94%로 전반적으로 높고 안정적으로 처리되었다. 하지만 T-N의 처리효율은 55% 정도 수준으로 폐수배출기준을 안정적으로 만족하기 위해서는 질소 처리효율을 좀 더 향상시킬 필요가 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 따라서 현장 폐양액처리장에서 효과적인 T-N 처리를 위해서는 여재의 흡착에 의한 처리보다는 생물학적 탈질에 의해 처리해야할 것으로 사료된다. 하지만 현재 배출되는 폐양액은 유기물함량이 낮아 일반적인 생물학적 탈질기작으로 질산성질소를 처리하는데도 한계가 있을 것으로 판단된다.
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