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문제 정의
- 따라서 본 연구는 선행의 여재를 이용한 실내 수질개선 효과에 대한 연구(Park et al., 2012)를 바탕으로 입자성물질과 영양염 제거에 높은 효과를 보였던 스펀지, 화산석, 활성탄, 수산화마그네슘 등 네 가지 여재를 카트리지 형식으로 적용한 부유습지의 수질개선 효율과 현장적용 가능성을 파악하고자 수행되었다.
제안 방법
- Chl-a 농도는 Whatman GF/F (Whatman International Ltd. Maidstone, England)로 여과하여 90% 아세톤 10 mL로 24시간 동안 4°C의 암상태에서 추출한 후 20분간 원심분리하여 흡광도를 측정하여 계산하였다(APHA, 2005).
- 본 연구는 2011년 3월부터 2012년 5월까지 부영양수계에 네 가지 여재(스펀지, 화산석, 활성탄, 수산화마그네슘)를 사용한 부유습지를 설치하여 장기적인 수질변화를 조사하였다. 또한 부유습지에 유입되는 유입수와 네 가지 여재를 거쳐 최종적으로 통과된 유출수내의 식물플랑크톤과 동물플랑크톤 군집을 분석하였다. 실험기간 동안 탁도(66%), SS (79%), Chl-a (80%), COD (24%)의 농도는 유입수에 비해 유출수에서 뚜렷하게 높은 감소율을 나타냈다(p<0.
- 본 연구는 2011년 3월부터 2012년 5월까지 부영양수계에 네 가지 여재(스펀지, 화산석, 활성탄, 수산화마그네슘)를 사용한 부유습지를 설치하여 장기적인 수질변화를 조사하였다. 또한 부유습지에 유입되는 유입수와 네 가지 여재를 거쳐 최종적으로 통과된 유출수내의 식물플랑크톤과 동물플랑크톤 군집을 분석하였다.
- 본 연구에 사용된 부유습지는 부유습지 중심부에 위치한 수중 펌프에 의해 정체수역 하부에 있는 물을 끌어올리는 방식으로 현장수를 부유습지 내로 유입시켰다. 유입된 현장수를 카트리지 형식의 스펀지, 화산석, 활성탄, 수산화마그네슘 등의 네 가지 여재를 통과하도록 하였으며, 수로바닥에 여과성 매트(코코넛섬유)를 설치하는 방법으로 고안되었다(Fig.
- 식물플랑크톤은 채수 후 200 mL 폴리에틸렌 시료병에 담아 Lugol액으로 고정하고 균일하게 혼합시킨 뒤 12시간 침전시킨 다음 S-R chamber를 이용하여 광학현미경(Axiostar plus, ZEISS, Germany)하에서 주요 식물플랑크톤 군집별로 구분하여 동정∙계수하였다(Chung, 1993). 동물플랑크톤은 망목의 크기가 64 μm인 네트를 이용해 5 L를 여과시킨 후 sucrose-formalin으로 최종 농도 5%로서 고정하고, S-R chamber를 이용하여 광학현미경(Axiostar plus, ZEISS, Germany)하에서 대형(지각류, 요각류), 소형(윤충류, 요각류 유생)으로 동정 및 계수하였다(Stemberger, 1979; Balcer et al.
- 실험기간 동안 수질환경 변화를 측정하기 위하여 Portable multi-parameter (HORIBA U-52, HORIBA Ltd., Japan)를 이용하여 수온, pH, 전기전도도, 용존산소, 탁도 등을 측정하였다. Chl-a 농도는 Whatman GF/F (Whatman International Ltd.
- 본 연구에 사용된 부유습지는 부유습지 중심부에 위치한 수중 펌프에 의해 정체수역 하부에 있는 물을 끌어올리는 방식으로 현장수를 부유습지 내로 유입시켰다. 유입된 현장수를 카트리지 형식의 스펀지, 화산석, 활성탄, 수산화마그네슘 등의 네 가지 여재를 통과하도록 하였으며, 수로바닥에 여과성 매트(코코넛섬유)를 설치하는 방법으로 고안되었다(Fig. 1). 일반적인 여재의 가장 큰 문제점은 장기간 운영시 공극 막힘현상 등의 단점이 있을 수 있다.
- 일반적인 여재의 가장 큰 문제점은 장기간 운영시 공극 막힘현상 등의 단점이 있을 수 있다. 이에 본 연구에서 고안한 방법은 하중이 적은 여재를 카트리지식으로 설치하여 일정기간 사용한 카트리지식 여재는 자동 역세척을 실시하여 여재의 막힘을 방지 함으로써 재사용이 가능하게 하였고, 장기간 운용후 여재의 효율 저하시에는 교체를 용이하게 하여 처리효율을 지속적으로 유지하였다. 조사는 2011년 3월부터 2012년 5월까지 15개월 동안 총 42회에 걸쳐 이루어졌고, 부유습지에 유입되는 유입수와 네 가지 여재를 거쳐 최종적으로 통과된 유출수를 분석하였다.
- 이에 본 연구에서 고안한 방법은 하중이 적은 여재를 카트리지식으로 설치하여 일정기간 사용한 카트리지식 여재는 자동 역세척을 실시하여 여재의 막힘을 방지 함으로써 재사용이 가능하게 하였고, 장기간 운용후 여재의 효율 저하시에는 교체를 용이하게 하여 처리효율을 지속적으로 유지하였다. 조사는 2011년 3월부터 2012년 5월까지 15개월 동안 총 42회에 걸쳐 이루어졌고, 부유습지에 유입되는 유입수와 네 가지 여재를 거쳐 최종적으로 통과된 유출수를 분석하였다.
대상 데이터
- 부유습지는 경기도 안산시 반월천 고습지 내 부영양수계에 설치하였다. 반월천 고습지(190,063 m2)는 시화호로 유입되는 지천(반월천, 동화천, 삼화천)의 수질개선을 위해 조성된 대규모 인공습지로서(Korea Water Resources Corporation, 2002), 최근 2009~2010년의 자료에 따르면 TN, TP, Chl-a의 평균 농도가 각각 8.
데이터처리
- 부유습지 유입수와 유출수에서의 환경요인, 수질 및 플랑크톤 밀도 차이를 비교하기 위하여 SPSS package (ver. 18.0. SPSS Inc., USA)를 이용하여 Paired-t test를 실시하였다. 통계적 유의수준은 p<0.
이론/모형
- SS농도는 시료를 GF/F 여과지로 여과하여 105°C에서 24시간 건조시킨 후의 측정 무게(S2)와 시료를 넣기 전 초기 여과지의 무게(S1)의 차이(S1-S2) 를 계산하였다(APHA, 2005). 영양염 농도는 Standard Methods (APHA, 2005)에 준하여 측정하였는데, NO2-N은 colorimetric법, NO3-N은 ultraviolet spectrophotometric screening법, NH4-N는 phenate법, TN은 persulfate 분해 후 ultraviolet spectrophotometric screening법, PO4-P는 ascorbic acid법, TP는 persulfate 분해 후 ascorbic acid 법으로 용존무기인 농도를 각각 측정하였고, COD는 과망간산 칼륨법을 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 본 연구와 비교해 볼 때 수질정화효율은 더 높거나 비슷한 경향을 보였으나, 수생식물의 성장시기를 제외한 나머지 기간에는 효율이 떨어져 계절적 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구는 식물을 이용한 인공습지보다 4가지 여재를 사용 함에 따라 오염물질 농도를 일정농도 이하로 유지시켜 계절적 영향을 최소화 할 수 있음을 보였다.
- 또한 남조류(13.1×106 cells mL-1 → 3.1×106 cells mL-1)와 규조류(51.2×106 cells mL-1 → 20.6×106 cells mL-1)에서도 각각 75.9%, 59.6%의 높은 제거율을 나타냈다(Table 2).
- 01). 또한 식물플랑크톤밀도는 유출수에서 유입수보다 2.6배 정도 낮게 나타낸 반면, 동물플랑크톤은 유입수보다 유출수에서 평균 3.5배 이상 높은 밀도를 나타내었다. 본 연구에서 네 가지 여재를 이용한 수질개선용 부유습지는 특히, 입자성 물질(SS, Chl-a, COD, TP)과 용존성 영양염(NO2-N, NH3-N, PO4-P)에 대하여 높은 제거율을 나타내어, 결과적으로 부영양 호소에서 수질개선 및 조류 저감에 대한 적용가능성을 보여주었다.
- 여재에 흡착된 식물플랑크톤은 동물플랑크톤 성장에 풍부한 먹이원으로 사용되어져 동물플랑크톤의 개체수가 급격히 증가한 것으로 사료된다. 또한 어류를 포함한 포식자와의 격리, 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았지만 유입수보다 유출수내의 상대적으로 따뜻한 수온이 영향을 준 것으로도 사료되며, 유출수내의 동물플랑크톤 증가에 따라 사용한 여재의 독성은 없는 것으로 판단된다.
- 5배 이상 높은 밀도를 나타내었다. 본 연구에서 네 가지 여재를 이용한 수질개선용 부유습지는 특히, 입자성 물질(SS, Chl-a, COD, TP)과 용존성 영양염(NO2-N, NH3-N, PO4-P)에 대하여 높은 제거율을 나타내어, 결과적으로 부영양 호소에서 수질개선 및 조류 저감에 대한 적용가능성을 보여주었다.
- 부유습지의 조성은 단순한 수질정화 기작뿐만 아니라 하나의 독립된 소규모 생태계(Biotope)가 조성된다고 볼 수 있다(Kwon, 2007). 본 연구에서의 부유습지는 수질개선효과뿐만 아니라 식물플랑크톤은 뚜렷하게 감소하였고, 동물플랑크톤은 종 종수와 밀도 모두 증가하였다. 이러한 동물플랑크톤에 자료에 근거하여 수서생물과 어류상의 증식 및 서식처로서의 생태적 영향이 클 것으로 사료된다.
- (2010)이 고안한 수생식물과 Biostone 여재를 혼용한 부유습지는 TN평균 제거효율은 23%, TP평균 제거효율은 33%로 나타났다. 본 연구와 비교해 볼 때 수질정화효율은 더 높거나 비슷한 경향을 보였으나, 수생식물의 성장시기를 제외한 나머지 기간에는 효율이 떨어져 계절적 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구는 식물을 이용한 인공습지보다 4가지 여재를 사용 함에 따라 오염물질 농도를 일정농도 이하로 유지시켜 계절적 영향을 최소화 할 수 있음을 보였다.
- 부유습지의 유입수와 유출수에서 식물플랑크톤의 출현 종과 종수의 변화 경향은 서로 비슷하였으나, 조사기간 동안의 평균 세포밀도는 유입수 2.4×106 cells mL-1, 유출수 0.9×106 cells mL-1로 약 3배 정도 적게 출현하였다(Fig. 4; Table 2).
- , 1989). 실험기간 동안 SS는 유입수 평균 34.0 mg L-1, 유출수 6.0 mg L-1로 조사되어 평균 79.4%의 높은 감소율을 나타냈으며 통계적 유의한 차이(p=0.000001)를 보였다(Fig. 2f; Table 1). 특히 조류대발생 기간(6월 중순~7월 말) 동안 유입수에서 최대 221.
- 실험기간 동안 탁도(66%), SS (79%), Chl-a (80%), COD (24%)의 농도는 유입수에 비해 유출수에서 뚜렷하게 높은 감소율을 나타냈다(p<0.001).
- 6~7월 사이 규조류 Cyclotella sp.와 녹조류 Scenedesmus quadricanda가 대량으로 번성하면서 조류대발생이 나타났으나, 유출수에서는 세포밀도가 90% 이상 감소하면서 낮은 수준을 유지하였다(Fig. 4). 부유습지의 유입수와 유출수에서 식물플랑크톤의 출현 종과 종수의 변화 경향은 서로 비슷하였으나, 조사기간 동안의 평균 세포밀도는 유입수 2.
- 유출수에서 동물플랑크톤의 총 개체수를 분석한 결과, 윤충류(Rotifera) 389.2%, 요각류(Copepoda) 92.7%, 지각류(Cladocera) 34.7%의 증가율을 나타냈다(Table 3). 또한, 동물플랑크톤 평균 개체수에서도 유입수 2.
- 이상의 결과를 바탕으로 부유습지는 입자성 물질(SS, Chl-a, TP) 및 용존성 영양염(NO2-N, NH3-N, PO4-P) 의 높은 제거율을 나타내었다. 따라서 조류대발생이 빈번한 부영양호소에 적용시 조류저감 및 수질개선 효과가 클 것으로 예상된다.
- 2d). 조사기간 동안 유입수는 녹조류(Scenedesmus sp.) 및 남조류(Oscillatoria sp.) 대발생 및 강우로 인한 탁수 발생으로 인해 높은 수준(50 NTU 이상)의 탁도를 나타낸 것에 비해 유출수는 유입수와 일정한 차이를 보이면서 낮은 수준을 유지하였다. 이는 부유습지내에서 유속의 감소로 인해 고형물의 침전이 발생하였고, 또한 여재를 통과함에 따라 고형물이 제거된 것으로 사료된다(Ko et al.
- 조사기간 동안 유입수에서 녹조류의 총 세포밀도는 약 21.6×106 cells mL-1였으나, 유출수에서는 8.5×106 cells mL-1로 60.7%의 높은 제거율을 나타냈다.
- 질소 계열 영양염 중 NO3-N와 TN은 여재를 통과한 유출수가 유입수와 유의한 차이를 보이지 않았다(p¤0.05 for all).
후속연구
- , 2010) 등이 보고되었다. 그러나 여재를 이용한 수질개선의 장점에도 불구하고 부유습지에 여재를 이용하는 경우 여재 표면의 부유 오염물질의 축적 또는 미생물의 과다한 성장에 의한 여재의 막힘 현상 발생 및 여재의 흡착능력 저하 등의 단점도 노출되어 이에 대한 개선이 앞으로 부유습지의 여재 적용에 있어서 장치 설계시 함께 고려해야 한다.
- 따라서 조류대발생이 빈번한 부영양호소에 적용시 조류저감 및 수질개선 효과가 클 것으로 예상된다. 또한 유출수에서 나타난 동물플랑크톤자료에 근거하여 본 연구에서 사용된 부유습지의 현장 적용시 수서동물들에게 미치는 생태적 영향은 매우 적을 것으로 사료된다. 일반적으로 수질정화시스템은 전기관리, 유량조절 및 부하량 관리, 슬러지 관리 등이 이루어져야 하나(Lee et al.
- 본 연구에서의 부유습지는 수질개선효과뿐만 아니라 식물플랑크톤은 뚜렷하게 감소하였고, 동물플랑크톤은 종 종수와 밀도 모두 증가하였다. 이러한 동물플랑크톤에 자료에 근거하여 수서생물과 어류상의 증식 및 서식처로서의 생태적 영향이 클 것으로 사료된다.
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