본 연구는 2단(수직 및 수평 흐름) 복층여재(모래와 제올라이트 그리고 모래와 굴 껍질) 갈대 인공습지에 생활하수를 간헐적으로 주입하였을 때 각 수질항목별 처리효율 평가이다. 하수는 수리학적 부하량 $314L/m^2{\cdot}day$(수직 흐름 인공습지 기준)를 하루 4(10분 동안 주입 후 5시간 50분 동안 중단)회 균등하게 간헐적으로 주입하였다. 그 결과 유출수의 pH는 수평 흐름 인공습지 굴 껍질 층의 높이에 크게 영향을 받았으며 굴 껍질 층의 높이가 200 mm일 때 pH 6.24를 보였다. DO(oxygen demand)는 유입수(0.19 mg/L)보다 수직 흐름 인공습지 유출수(7.65 mg/L)에서 높았다가 수평 흐름 인공습지 유출수(6.49 mg/L)에서는 다시 낮아졌다. 그리고 여름보다 겨울에 높았다. 또한 OTR(oxygen transfer rate)은 수직 흐름 인공습지 $57.15g\;O_2/m^2{\cdot}day$ 그리고 수평 흐름 인공습지 $5.65g\;O_2/m^2{\cdot}day$로 나타났다. $NH_4{^+}$-N의 처리효율은 80.17% (유출수 농도 6.01 mg/L)로 전부를 제올라이트로 충진하였을 경우(타 연구)와 비교하여 낮았지만 수직 흐름 인공습지 제올라이트 300 mm 충진 층으로도 하수처리에서 요구되는 방류수질의 T-N 농도(20 mg/L)까지 안전성 있게 처리할 수 있을 것으로 예측된다. 각 항목별 평균 처리효율은 유출수에서 SS 88.09%, BOD 88.12%, $COD_{Cr}$ 83.11%, $COD_{Mn}$ 85.58%, T-N 57.21%, $NH_4{^+}$-N 80.17%, T-P 86.73%를 보였다. $NO_3{^-}$-N의 농도는 수직 흐름 인공습지 유출수에서 보다 수평 흐름 인공습지 유출수에서 감소하였다. 유출수 중 T-N의 반 이상이 $NO_3{^-}$-N(7.92 mg/L)으로 잔존하였으며 $NO_2{^-}$-N은 평균 0.90mg/L이었다. T-P의 처리효율은 굴 껍질의 충진 층 높이가 800 mm에서 93.24%, 500 mm에서 86.30% 그리고 200 mm에서 55.44%로 굴 껍질 충진층의 높이에 비례하였다.
본 연구는 2단(수직 및 수평 흐름) 복층여재(모래와 제올라이트 그리고 모래와 굴 껍질) 갈대 인공습지에 생활하수를 간헐적으로 주입하였을 때 각 수질항목별 처리효율 평가이다. 하수는 수리학적 부하량 $314L/m^2{\cdot}day$(수직 흐름 인공습지 기준)를 하루 4(10분 동안 주입 후 5시간 50분 동안 중단)회 균등하게 간헐적으로 주입하였다. 그 결과 유출수의 pH는 수평 흐름 인공습지 굴 껍질 층의 높이에 크게 영향을 받았으며 굴 껍질 층의 높이가 200 mm일 때 pH 6.24를 보였다. DO(oxygen demand)는 유입수(0.19 mg/L)보다 수직 흐름 인공습지 유출수(7.65 mg/L)에서 높았다가 수평 흐름 인공습지 유출수(6.49 mg/L)에서는 다시 낮아졌다. 그리고 여름보다 겨울에 높았다. 또한 OTR(oxygen transfer rate)은 수직 흐름 인공습지 $57.15g\;O_2/m^2{\cdot}day$ 그리고 수평 흐름 인공습지 $5.65g\;O_2/m^2{\cdot}day$로 나타났다. $NH_4{^+}$-N의 처리효율은 80.17% (유출수 농도 6.01 mg/L)로 전부를 제올라이트로 충진하였을 경우(타 연구)와 비교하여 낮았지만 수직 흐름 인공습지 제올라이트 300 mm 충진 층으로도 하수처리에서 요구되는 방류수질의 T-N 농도(20 mg/L)까지 안전성 있게 처리할 수 있을 것으로 예측된다. 각 항목별 평균 처리효율은 유출수에서 SS 88.09%, BOD 88.12%, $COD_{Cr}$ 83.11%, $COD_{Mn}$ 85.58%, T-N 57.21%, $NH_4{^+}$-N 80.17%, T-P 86.73%를 보였다. $NO_3{^-}$-N의 농도는 수직 흐름 인공습지 유출수에서 보다 수평 흐름 인공습지 유출수에서 감소하였다. 유출수 중 T-N의 반 이상이 $NO_3{^-}$-N(7.92 mg/L)으로 잔존하였으며 $NO_2{^-}$-N은 평균 0.90mg/L이었다. T-P의 처리효율은 굴 껍질의 충진 층 높이가 800 mm에서 93.24%, 500 mm에서 86.30% 그리고 200 mm에서 55.44%로 굴 껍질 충진층의 높이에 비례하였다.
A sewage was treated using a serially combined vertical(VFCW) and horizontal flow double media (sand and zeolite for VFCW and sand and waste oyster-shell for HFCW) reed constructed wetland(HFCW) with intermittent feeding (see Fig. 1). The sewage was fed into the reed constructed wetland for 10 minut...
A sewage was treated using a serially combined vertical(VFCW) and horizontal flow double media (sand and zeolite for VFCW and sand and waste oyster-shell for HFCW) reed constructed wetland(HFCW) with intermittent feeding (see Fig. 1). The sewage was fed into the reed constructed wetland for 10 minutes every 6 hours at the hydraulic load of $314L/m^2{\cdot}day$. The summarized results were as follows: pH values in the effluent depended very heavily on oyster-shell height filled in the HFCW. They were maintained at less than pH 6.24 when the height of the oyster-shell layer was 200 mm. Influent DO(oxygen demand) values(average 0.19 mg/L) were increased in the VFCW(average 7.65 mg/L) and decreased again in the HFCW(average 6.49 mg/L). They were higher in the winter than in the summer. The OTR(oxygen transfer rate) was $57.15g\;O_2/m^2{\cdot}day$ in the VFCW and $5.65g\;O_2/m^2{\cdot}day$ in the HFCW. The removal efficiency of $NH_4{^+}$-N was 80.17%(6.01 $NH_4{^+}$-N mg/L in the effluent). It was lower than that in the case where only zeolite was filled in the reed constructed wetland. But it was expected that treated sewage effluent using a double media reed constructed wetland with 300 mm zeolite layer could stably meet the Korean treated sewage effluent standard(20 mg T-N/L). Average removal efficiencies were SS 88.09%, BOD 88.12%, $COD_{Cr}$ 83.11%, $COD_{Mn}$ 85.58%, T-N 57.21%, $NH_4{^+}$-N 80.17%, T-P 86.73%. Nearly, The concentration of $NO_3{^-}$-N in the effluent of the VFCW was decreased in that of the HFCW. More than half of T-N in the effluent was $NO_3{^-}$-N(7.92 mg/L) but the concentration of $NO_2{^-}$-N in the effluent was average 0.90 mg/L. The removal efficiencies of T-P were 93.24%, 86.30% and 55.44% at the height of the oyster-shell-filled constructed wetland of 800 mm, 500 mm and 200 mm, respectively and therefore, they were proportional to oyster-shell height filled in the HFCW.
A sewage was treated using a serially combined vertical(VFCW) and horizontal flow double media (sand and zeolite for VFCW and sand and waste oyster-shell for HFCW) reed constructed wetland(HFCW) with intermittent feeding (see Fig. 1). The sewage was fed into the reed constructed wetland for 10 minutes every 6 hours at the hydraulic load of $314L/m^2{\cdot}day$. The summarized results were as follows: pH values in the effluent depended very heavily on oyster-shell height filled in the HFCW. They were maintained at less than pH 6.24 when the height of the oyster-shell layer was 200 mm. Influent DO(oxygen demand) values(average 0.19 mg/L) were increased in the VFCW(average 7.65 mg/L) and decreased again in the HFCW(average 6.49 mg/L). They were higher in the winter than in the summer. The OTR(oxygen transfer rate) was $57.15g\;O_2/m^2{\cdot}day$ in the VFCW and $5.65g\;O_2/m^2{\cdot}day$ in the HFCW. The removal efficiency of $NH_4{^+}$-N was 80.17%(6.01 $NH_4{^+}$-N mg/L in the effluent). It was lower than that in the case where only zeolite was filled in the reed constructed wetland. But it was expected that treated sewage effluent using a double media reed constructed wetland with 300 mm zeolite layer could stably meet the Korean treated sewage effluent standard(20 mg T-N/L). Average removal efficiencies were SS 88.09%, BOD 88.12%, $COD_{Cr}$ 83.11%, $COD_{Mn}$ 85.58%, T-N 57.21%, $NH_4{^+}$-N 80.17%, T-P 86.73%. Nearly, The concentration of $NO_3{^-}$-N in the effluent of the VFCW was decreased in that of the HFCW. More than half of T-N in the effluent was $NO_3{^-}$-N(7.92 mg/L) but the concentration of $NO_2{^-}$-N in the effluent was average 0.90 mg/L. The removal efficiencies of T-P were 93.24%, 86.30% and 55.44% at the height of the oyster-shell-filled constructed wetland of 800 mm, 500 mm and 200 mm, respectively and therefore, they were proportional to oyster-shell height filled in the HFCW.
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문제 정의
그러나 모래와는 달리 인공습지의 여재 물질로서 제올라이트 사용양이 증가할수록 인공습지의 조성비용이 증가하게 되기 때문에 가능한 제올라이트 사용량을 줄이는 것이 필요하다. 따라서 이 연구에서는 제올라이트 양을 줄이기 위하여 일반적으로 인공습지에서 여재 물질로 많이 사용되는 모래와 NH4+-N 흡착능이 뛰어난 제올라이트 그리고 인 제거를 위한 굴 껍질을 여재 물질로 충진된 복층여재 갈대 인공습지에 생활하수를 간헐적으로 주입하면서 각 수질 항목들에 대한 처리효율을 알아보기 위하여 실시하였다.
제안 방법
각 시료에 대하여 pH와 DO는 pH & DO meter (Thermo Scientific Orion 4-Star Plus Portable pH/DO Multiparameter Meter: O 7035-2)로 측정하였다.
본 연구에서는 2단(수직 및 수평 흐름) 복층여재(모래, 제올라이트와 굴 껍질) 갈대 인공습지에 생활하수를 간헐적으로 주입하면서 처리효율을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
수질분석은 2011년 7월부터 2012년 2월까지 총 33회 실시하였다. 실험 여건상 식생에 의한 오염물질의 제거율은 5-10% 정도로 이미 알려져 있고 이전 실험에서도 식생의 상태는 오염물질의 처리효율에 별 영향을 미치지 않았기 때문에 본 실험에서는 식생에 대한 조사는 실시하지 않았다.
하수는 수리학적 부하량 314 L/m2·day(수직 흐름 인공습지 기준)를 하루 4회(10분 동안 주입 후 5시간 50분 동안 중단) 균등하게 간헐적으로 주입하였다.
대상 데이터
SiO2를 제외하면 제올라이트와 모래는 Al2O3 그리고 굴 껍질은 CaO의 함량이 가장 높았다. 본 실험에는 경상대학교 내 오수정화시설의 저류조에 유입되는 생활하수를 사용하였다.
수질분석용 시료는 처리장치에 생활하수가 유입되는 동안 유입수와 수직 및 수평 흐름 인공습지 유출수에서 채취하여 즉시 실험실로 옮겼다. 각 시료에 대하여 pH와 DO는 pH & DO meter (Thermo Scientific Orion 4-Star Plus Portable pH/DO Multiparameter Meter: O 7035-2)로 측정하였다.
이 실험에 사용된 제올라이트는 경북 포항에 위치하고 있는 Y. 화학에서 제공받았으며 굴 껍질은 남해안의 해안가에 무단 방치되고 있는 것을 수거하여 분쇄하여 판매하는 D 회사의 것을 사용하였다. 제올라이트, 굴 껍질과 모래의 화학적 성분을 살펴보면 Table 1과 같다.
이 연구에 사용된 2단(수직 및 수평 흐름) 복층여재 갈대 인공습지는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 스테인레스로 제작하였으며 수직 흐름 갈대 인공습지(500 mm(W)×600 mm(L)×1,200 mm(H))와 수평 흐름 인공습지(300 mm(W)×2,000 mm(L)×1,200 mm(H))로 구성되어 있다.
이론/모형
각 시료에 대하여 pH와 DO는 pH & DO meter (Thermo Scientific Orion 4-Star Plus Portable pH/DO Multiparameter Meter: O 7035-2)로 측정하였다. BOD, CODMn, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, T-N과 T-P는 공정 시험법(Donghwa Technology, 1999)에 의하여 분석하였다. CODCr은 Standard Methods(APHA et al.
BOD, CODMn, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, T-N과 T-P는 공정 시험법(Donghwa Technology, 1999)에 의하여 분석하였다. CODCr은 Standard Methods(APHA et al., 1989)에 준하여 실험하였다.
수직 및 수평 흐름 인공습지의 유기물 분해와 질산화에 필요한 OD는 Platzer(1999)의 식 (1)에 의하여 계산하고 이렇게 계산된 수직 및 수평 흐름 인공습지의 OD에 수직 및 수평 흐름 인공습지의 유입수와 유출수 중 DO 농도 차를 가감하여 두 흐름 인공습지에서의 OTR을 계산하였다.
성능/효과
7에는 2단 (수직 및 수평 흐름) 복층여재 갈대 인공습지에서의 시간 경과에 따른 유입 및 유출수에서 각종 형태의 질소에 대한 변화를 나타내었다. 평균 T-N(a)의 농도는 유입수 36.27 mg/L, 수직 및 수평 흐름 인공습지 유출수는 26.30 (처리효율: 27.49%)과 15.52 mg/L (처리효율: 57.21%)이었다. NH4+-N(b)의 농도는 유입수 30.
각 항목별 평균 처리효율은 수직 흐름 인공습지 유출수에서 SS 79.19%, BOD 74.65%, CODCr 67.27%, CODMn 69.96%, T-N 27.49%, NH4+-N 71.49%, T-P 51.90% 그리고 수평 흐름 인공습지 유출수에서 SS 88.09%, BOD 88.12%, CODCr 83.11%, CODMn 85.58%, T-N 57.21%, NH4+-N 80.17%, T-P 86.73%이었다.
Kraft(1987)에 의하면 인공습지에서 SS 제거의 주된 원리는 여과 및 침전에 의하여 이루어지지만 미생물에 의한 분해도 기여한다고 하였다. 따라서 이 연구에서 이용된 인공습지에서도 이와 같은 기능으로 인해 처리효율이 탁월하였던 것으로 여겨질 뿐만 아니라 낮은 온도에서도 크게 영향을 받지 않았음을 알 수 있었으며 Kim(1997)의 연구결과와 유사한 특성을 나타내었다.
비록 NH4+-N의 처리효율은 80.17% (유출수 농도 6.01 ㎎/L)로 전부를 제올라이트로 충진하였을 경우(타 연구)와 비교하여 낮았지만 수직 흐름조의 제올라이트 300 mm 충진 층으로도 하수처리에서 요구되는 방류수질의 T-N 농도(20 ㎎/L)까지 안전성 있게 처리할 수 있을 것으로 예측된다. NO3--N의 농도는 수직 흐름 인공습지 유출수에서 보다 수평 흐름 인공습지 유출수에서 감소하였다.
수평 흐름 인공습지에 굴 껍질 충진으로 인하여 T-P의 처리효율은 높일 수 있었다. T-P의 처리효율은굴 껍질의 충진 층 높이가 800 ㎜에서 93.
T-N의 제거효율은 높지 않았으며 방류수 중 T-N의 반 정도가 질산성 질소이었다. 암모니아성 질소는 약 80.17% 정도로 처리효율이 높았으며 암모니아성 질소는 여재 물질에 흡착 그리고 산화에 의하여 질산성 또는 아질산성 질소로 되거나 질산화 된 질소가 탈질에 의하여 제거된 것으로 볼 수 있다. 또한 미미 하지만 갈대에 의한 흡수도 질소 제거에 기여하였을 것이다.
유기물 분해와 질산화에 필요한 OD와 수직 및 수평 흐름 인공습지의 유입과 유출수 중 DO 농도 차만을 고려한 두 흐름 인공습지에서의 산소 전달율은 수직 흐름 인공습지 57.15 g O2/㎡ㆍday 그리고 수평 흐름 인공습지 5.65g O2/㎡ㆍday로 수직 흐름 인공습지의 OTR이 수평 흐름 인공습지보다 10배 이상 월등하게 높다는 것을 확인할 수 있었다. 수평 흐름 인공습지에서 유기물 분해와 질소 산화에 필요한 총 OD 8.
NO3--N의 농도는 수직 흐름 인공습지 유출수에서 보다 수평 흐름 인공습지 유출수에서 감소하였다. 이것으로 수평 흐름 인공습지에서 DO 농도가 6.49 ㎎/L임에도 불구하고 탈질이 진행되었다는 것을 알 수 있었다. 그럼에도 불구하고 유출수 중 T-N의 반 이상이 NO3--N(7.
이상의 결과로 보아 수직 흐름 인공습지의 제올라이트 300 mm 충진 층으로도 하수처리에서 요구되는 방류수질의 총 질소 농도(20 ㎎/L)까지 안전성 있게 처리할 수 있을 것으로 예측된다. 아질산성 질소의 방류수 농도는 대단히 낮았다.
6에는 2단(수직 및 수평 흐름) 복층여재 갈대 인공습지에서의 시간 경과에 따른 유입 및 유출수의 COD 변화를 나타내었다. 평균 CODCr은 유입수 81.29 mg/L, 수직 및 수평 흐름 인공습지의 유출수는 26.61(처리효율: 67.27%)과 13.73 ㎎/L(처리효율: 83.11%)이 었으며 CODMn은 유입수 44.80 mg/L, 수직 및 수평 흐름 인공습지 유출수는 13.46(처리효율: 69.96%)과 6.46 mg/L(처리효율: 85.58%)로 처리효율은 높았다. 이것은 폐수가 유입되는 10분 동안에는 많은 유기물들이 여재 물질에 흡착 또는 여과작용에 의하여 여재층에 머물다가 350분 동안 폐수 주입이 중단되는 동안 여재 층에 존재하는 미생물들에 의하여 분해됨으로써(Yoo, 1997) 이 기간 동안에 인공습지 여재의 유기물 흡착능이 다시 회복되는 이와 같은 과정이 반복되기 때문에 처리효율은 계속적으로 유지될 것으로 예상된다.
후속연구
90mg/L이었다. 그러므로 수평 흐름 인공습지의 유출수를 원수 저장조로 재순환시키는 방법을 통하여 탈질이 되도록 한다면 최종 유출수의 T-N 농도를 더욱 낮출 수 있을 것이다.
제올라이트와 굴 껍질은 질소와 인을 제거하는데 효과적이라는 것은 앞에서 언급되었다. 그러므로 이들 여재 물질들로 조성된 인공습지에 의한 하수 처리도 질소와 인의 수계 방류량을 줄이는데 기여하게 될 것이다. 그러나 모래와는 달리 인공습지의 여재 물질로서 제올라이트 사용양이 증가할수록 인공습지의 조성비용이 증가하게 되기 때문에 가능한 제올라이트 사용량을 줄이는 것이 필요하다.
본 실험에서 사용된 여재들은 인공습지의 가동 기간이 경과함에 따라 인의 흡착능이 감소하여 교체되어야 할 것이다. 생활하수 중 중금속 등 유해물질이 존재하지 않거나 존재하더라도 그 농도가 낮아 교체된 여재물질은 농업에 유용하게 사용할 수 있어 여재 물질의 교체로 인한 처리문제는 발생하지 않을 것이다.
수질분석은 2011년 7월부터 2012년 2월까지 총 33회 실시하였다. 실험 여건상 식생에 의한 오염물질의 제거율은 5-10% 정도로 이미 알려져 있고 이전 실험에서도 식생의 상태는 오염물질의 처리효율에 별 영향을 미치지 않았기 때문에 본 실험에서는 식생에 대한 조사는 실시하지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인공습지가 폐수처리에 지속적으로 활용되고 있는 이유는?
저 에너지 소비, 낮은 운영비, 저 탄소배출량 등의 이점 때문에 인공습지는 폐수처리에 지속적으로 활용되고 있다(Hegemann, 1992, 1996; Huang, 2013). 이러한 인공습지는 특히 공장이 없고 넓은 지역에 소규모로 산재해 있는 가옥수가 얼마 되지 않는 시골 농촌의 하수를 처리하는데 적당한 방법이다(Seo, 2006, 2007).
인공습지에 사용된 여재 물질은 무엇이 있는가?
초기의 인공습지에 사용된 여재 물질은 모래나 자갈 등 이었으나(Verhoeven and Meuleman, 1999; Vymazal, 2002) 최근에는 인위적으로 조제하거나, 부산물 그리고 천연재료들을 활용하려는 시도도 되고 있다. 인공습지의 여재 물질을 선택할 때는 여재 물질이 가지고 있는 물리·화학적 특성들도 고려되어야 한다(Li, 2013).
제올라이트의 장점은 무엇인가?
제올라이트는 우리나라 영일만에도 분포하고 있다. 그 구조는 다공성 이어서 비표면적, 양이온 교환능력(C.E.C), 암모니아 선택적 흡착능, 수분 흡수력, 가스 흡착력 (탈취능)이 크다(Kim et al., 1996).
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