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문제 정의
- , 2003). 따라서 본 연구에서는 사상성 조류로 구성된 산화지형태 수처리시설의 조건에 따른 수질정화효율을 평가하여 농업용 저수지 유입하천에 대한 적용성을 높이고자 현장에 Test-bed를 설치하여 현장적용실험을 실시하였다.
- 본 실험에서는 산화지에서 증식된 조류가 방류 수계로 유실되는 것을 방지하기 위하여 부착 성장하는 사상성 조류를 인위적으로 증식하였다. 사상적 조류를 짧은 기간 내에 증식하기 위해 수처리시설 설치가 끝난 직후 약 20일 동안 영양염류가 고농도인 물을 저류하였고, 인근 정체수역에서 사상성 조류의 일종인 Spirogyra sp.
- 유출제어조 역시 산화지와 동일한 형태의 8조의 다단식으로 설계되었으며, 1조(cell)의 크기는 산화지 1조(cell)의 규모와 동일하게 설계하였다. 유출제어조를 산화지와 동일한 형식과 규모로 설치한 이유는 산화지의 수질정화효율이 떨어질 경우에는 유출제어조 일부를 산화지로 활용해 수질정화효과를 증가시키기 위한 목적이다.
제안 방법
- 등)로 이루어진 8조(cell)로 구성하였다. 그리고 유출수의 유량을 균등하게 하고 처리수의 안정화를 도모하기 위한 유출수 제어조(ECB; Effluent Control Basin)를 마지막 공정에 설치하여 하나의 통합된 수처리 시스템으로 구성하였다. 산화지 및 유출제어조는 다단식 형식의 산화지를 설치하였는데, 다단식 산화지 시설이 단일 산화지 시설에 비해 유기물 제거효율이 더 우수하다는 연구보고가 있다(Silva, 1982).
- 검체의 조제를 위한 검체의 개체수는 계수면적당 10～40 정도가 되도록 조정하며, 시료가 육안상 녹색이나 갈색으로 보일 경우 증류수로 적절한 농도로 희석하고, 검체의 개체수가 적을 경우에는 농축한다. 본 연구에서는 시료에 포르말린 용액을 1 v/v% 또는 루골용액을 1～2 v/v% 가하여 플랑크톤을 고정시켜 실린더 용기에 넣고 24시간 정치 후 싸이폰을 이용하여 상등액을 따라 내어 일정량으로 농축하였다.
- 1 and 2와 같다. 본 처리시스템은 크게 유량조정조, 산화지, 유출 제어조로 구성하였다. 유량조정조(FEB; Flow Equalization Basin)는 유량조정 및 수질 균등화를 위한 전처리 시설이고, 산화지(FAMP; Filamentous Algae Mat Pond)는본 시스템의 주요 공정으로 사상성 조류를 선택적으로 우 점화 및 증식시킨 사상성 조류(Spirogyra sp.
- 사상성 조류매트 수처리시설의 수질정화효율을 평가하기 위하여 총 15회의 수질조사를 실시하였다. 유입수는 도당천의 하류지점에서 취수하였고, 자동유량조절용 취수시설을 설치하였다.
- 사상성 조류의 정성 및 정량분석을 위해서 일정량의 시료를 채취하여 수질오염공정시험방법 제 41항 식물플랑크톤에 명시된 시료의 보존 방법에 따라 냉암소에 보관하여 운반하였으며, 실험실 도착즉시 시험하였다. 검체의 조제를 위한 검체의 개체수는 계수면적당 10～40 정도가 되도록 조정하며, 시료가 육안상 녹색이나 갈색으로 보일 경우 증류수로 적절한 농도로 희석하고, 검체의 개체수가 적을 경우에는 농축한다.
- 산화지 1개 cell의 규모는 2.0 m(가로) × 3.0 m(세로) × 1.0 m(높이)의 직사각형 형상으로 최대한 자유수면흐름식 관형 반응기 흐름을 유지할 수 있도록 설계하였다.
- 수리학적 체류시간(HRT)에 따른 수질정화효율을 분석하고자 HRT을 2.4일, 3.2일, 4.8일로 설계하여 운영하였다. HRT에 따른 COD, SS, T-N, T-P의 처리효율을 분석한 결과는 Fig.
- 304 mg/L)를 나타냈다. 수질조사는 수온, pH, EC, DO 등은 현장에서 측정하였고, COD, TN, TP, SS 등 기타항목은 수질오염공정시험법과 Standard Method 에 준하여 실시하였다.
- 사상성 조류 수처리시스템은 사상성 조류를 증식한 산화지를 기본시설로 하고, 전처리시설인 유량조정조와 후처리시설인 유출제어조를 결합한 통합처리시스템이다. 수처리시설은 3회에 걸쳐 처리용량 10～20 m3/day, 수심 0.8 m, HRT 3～5일로 조건을 변경하여 운전하였고, 조건에 따라 수질정화효율을 평가하였다. 연구의 주요결과는 다음과 같다.
- 0 m(높이)의 직사각형 형상으로 최대한 자유수면흐름식 관형 반응기 흐름을 유지할 수 있도록 설계하였다. 유출제어조 역시 산화지와 동일한 형태의 8조의 다단식으로 설계되었으며, 1조(cell)의 크기는 산화지 1조(cell)의 규모와 동일하게 설계하였다. 유출제어조를 산화지와 동일한 형식과 규모로 설치한 이유는 산화지의 수질정화효율이 떨어질 경우에는 유출제어조 일부를 산화지로 활용해 수질정화효과를 증가시키기 위한 목적이다.
- 사상적 조류를 짧은 기간 내에 증식하기 위해 수처리시설 설치가 끝난 직후 약 20일 동안 영양염류가 고농도인 물을 저류하였고, 인근 정체수역에서 사상성 조류의 일종인 Spirogyra sp.을 이식하여 유량과 수온, 햇빛 등 조류의 성장조건을 맞추어 주었다. 조류의 증식과정은 Fig.
- 현장적용실험을 위한 수처리 시설은 시설 공사가 끝난 직후부터 약 20일 동안 시운전을 하였고, 조류의 증식이 끝난 이후부터는 Table 1과 같이 유입수량을 조정하여 실험하였다. 1차 운영에는 유입수량 20 m 3/일, HRT 4.
대상 데이터
- 본 연구는 사상성 조류를 활용한 수처리시스템의 수질정화효율을 평가하고자 충남 서산시 음암면 탑곡리에 위치하고 있는 도당천 홍수부지에 Test-bed를 설치하였다. 사상성 조류 수처리시스템은 사상성 조류를 증식한 산화지를 기본시설로 하고, 전처리시설인 유량조정조와 후처리시설인 유출제어조를 결합한 통합처리시스템이다.
- 수처리조는 방수라이닝을 한 콘크리트 구조물로 전체 규격은 20.0 m(가로) × 12.0 m(세로) × 1.0 m(높이)이고, 유량조정조는 2.0 m(가로) × 6.0 m(세로) × 1.0 m(높이) 규모의 장방형 모양이다.
- 사상성 조류매트 수처리시설의 수질정화효율을 평가하기 위하여 총 15회의 수질조사를 실시하였다. 유입수는 도당천의 하류지점에서 취수하였고, 자동유량조절용 취수시설을 설치하였다. 동절기에는 결빙을 방지하기 위해 최소 유량을 20 m3/day로 조절하여 취수하였다.
성능/효과
- 1) 수질항목별로 수질정화효율을 분석한 결과, SS는 유량조정조에서 43.4%, 산화지에서 17.6%, 유출제어조에서 19.9%가 제거되어 총 80.9%의 제거효율을 보였고, COD는 유량조정조에서 23.6%, 조류매트 산화지에서 -5.9%, 유출제어조에서 56.8%가 제거되어 총 74.6%의 제거효율을 보였다. T-N은 유량조정조에서 52.
- 2) 수온에 따른 수질정화효율은 수온이 20℃이상의 온도로 유지하여 미생물의 생존이 불가능한 10℃이하로 감소되지 않았기 때문에 COD, SS, T-N, T-P의 정화효율에 미치는 영향이 없었고, 통계적으로 유의한 상관성도 없는 것으로 나타났다.
- 3) HRT에 따른 수질정화효율은 COD, T-N의 제거효율에는 영향을 미치지 않았으나 SS와 T-P의 제거 효율에는 영향을 미치는 것으로 나타났다. SS와 TP의 처리효율을 높이기 위해서는 산화지의 수리학적 체류시간을 5일 이상으로 증가시키는 것이 합리적이라고 판단된다.
- 4) 유입수의 C/N비에 따른 TN, TP 처리효율은 모두 C/N비가 낮을수록 증가하였고, 유입수의 C/P비에 따른 TN, TP 처리효율도 C/P비가 낮을수록 모두 효율이 증가하는 것으로 나타나 미생물의 증식 및 분해에 영향을 주는 인자는 탄소가 아닌 질소, 인이 중요한 인자로 나타났다.
- 5) 현장적용시험결과 부유물질(SS), 유기물질(COD), 영양염류(TN, TP) 모두 처리효율이 70% 이상으로 높게 나타났고, 하루 20～30 m3/day로 운영하는 소규모 시설로 특별한 동력과 유지관리 비용이 필요하지 않아 유량이 많지 않은 농촌지역의 하천수 및 농경배수의 수처리 시설로는 매우 유용할 것으로 평가되었다.
- 8%) 로 조사되었다. C/N비에 따른 TN 처리효율은 C/N비가 낮을수록 TN의 처리효율이 증가하였고, C/N비에 따른 TP 처리효율 역시 C/N비가 낮을수록 TP의 처리효율이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 C/N비가 낮을수록 TN과 TP 모두 처리효율이 증가하는 결과를 얻었으며, 이러한 결과는 C/N비가 낮은 경우는 질소함량이 많아 미생물의 빠른 증식이 이루어지므로 유기물의 빠른 분해가 이루어지며, 미생물의 분해에 영향을 주는 인자는 탄소가 아닌 질소가 중요한 인자임을 알 수 있다.
-
7. T-N, and T-P Removing Efficiency (%) with Different C/N and C/P
C/P비(유입수 COD농도/유입수 TP농도)와 TN 및 TP 처리효율을 비교한 결과, 유입수의 C/P비는 21.4～117.0 (평균 57.6)의 범위로 조사 시기에 따라 범위가 넓었으며, TP 처리효율은 15.4～96.5%(평균 66.8%)로 조사되었다
. C/P비에 따른 TN 처리효율은 C/P비가 낮을수록 TN의 처리효율이 증가하는 것으로 나타났다. - 8%)로 조사되었다. C/P비에 따른 TN 처리효율은 C/P비가 낮을수록 TN의 처리효율이 증가하는 것으로 나타났다. C/P비에 따른 TP 처리효율 또한 C/P비가 낮을수록 TP의 처리효율이 증가 하는 것으로 나타났다.
- C/P비에 따른 TN 처리효율은 C/P비가 낮을수록 TN의 처리효율이 증가하는 것으로 나타났다. C/P비에 따른 TP 처리효율 또한 C/P비가 낮을수록 TP의 처리효율이 증가 하는 것으로 나타났다. 따라서 C/P비가 낮을수록 TN과 TP 처리효율이 모두 증가하는 결과를 얻었으며, 이러한 결과는 C/P비가 낮은 경우는 미생물의 영양소인 인의 함량이 많아 미생물의 빠른 증식을 가져오고, 미생물의 과도한 증식은 유기물의 빠른 분해를 촉진한다.
- HRT에 따른 TN의 처리효율은 상관관계가 거의 없는 것으로 나타났으며, HRT와 TP의 처리효율을 분석한 결과는 r=0.446 (p<0.005)으로 HRT와 TP의 처리효율은 44.6%의 상관관계가 있는 것으로 나타났다.
- HRT와 COD 처리효율과는 상관관계가 없는 것으로 나타나 HRT는 COD 처리효율에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났고, HRT와 SS 처리효율은 상관분석 결과 r=0.414 (p<0.005)로 HRT와 SS의 처리효율은 41.4% 상관관계가 있는 것으로 나타났다.
- 6%의 제거효율을 보였다. T-N은 유량조정조에서 52.6%, 산화지에서 22.3%가 제거되어 76.8%의 효율을 나타냈고, T-P의 제거효율은 유량조정조 59.0%, 산화지 23.6%, 유출제어조 1.8%로총 84.4%의 효율을 나타냈다.
- C/N비에 따른 TN 처리효율은 C/N비가 낮을수록 TN의 처리효율이 증가하였고, C/N비에 따른 TP 처리효율 역시 C/N비가 낮을수록 TP의 처리효율이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 C/N비가 낮을수록 TN과 TP 모두 처리효율이 증가하는 결과를 얻었으며, 이러한 결과는 C/N비가 낮은 경우는 질소함량이 많아 미생물의 빠른 증식이 이루어지므로 유기물의 빠른 분해가 이루어지며, 미생물의 분해에 영향을 주는 인자는 탄소가 아닌 질소가 중요한 인자임을 알 수 있다.
- C/P비에 따른 TP 처리효율 또한 C/P비가 낮을수록 TP의 처리효율이 증가 하는 것으로 나타났다. 따라서 C/P비가 낮을수록 TN과 TP 처리효율이 모두 증가하는 결과를 얻었으며, 이러한 결과는 C/P비가 낮은 경우는 미생물의 영양소인 인의 함량이 많아 미생물의 빠른 증식을 가져오고, 미생물의 과도한 증식은 유기물의 빠른 분해를 촉진한다. 따라서 미생물의 분해에 영향을 주는 인자는 유기물질의 탄소원보다 영양소인 인이 더 중요한 인자로 나타났다.
- 4% 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 HRT가 3.2일인 경우보다 4.8일인 경우에 SS 처리효율이 높게 나타나 SS 제거효율을 높이기 위해서는 수리학적 체류시간을 증가시키는 것이 합리적이라고 판단된다.
- 따라서 C/P비가 낮을수록 TN과 TP 처리효율이 모두 증가하는 결과를 얻었으며, 이러한 결과는 C/P비가 낮은 경우는 미생물의 영양소인 인의 함량이 많아 미생물의 빠른 증식을 가져오고, 미생물의 과도한 증식은 유기물의 빠른 분해를 촉진한다. 따라서 미생물의 분해에 영향을 주는 인자는 유기물질의 탄소원보다 영양소인 인이 더 중요한 인자로 나타났다. 본 연구결과로부터 사상성 조류매트를 활용한 수처리 시스템은 질소와 인의 오염도가 높은 농어촌지역 농경배수 처리에 활용하면 효과가 높을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 HRT을 좀 더 다양한 조건으로 실험하지 못한 한계성을 갖고 있지만, HRT는 COD, T-N의 제거효율에는 영향을 주지 않았고, SS와 T-P의 제거효율에 영향을 미치는 인자로 나타났다. 따라서 본 시설은 농경배수 유입 등 유역 내 비점오염물질 유입으로 SS와 TP 농도가 높은 하천에 적용할 때는 수처리 시스템의 수리학적 체류시간을 최소 5일 이상으로 하는 것이 효율적이라고 판단된다.
- 따라서 미생물의 분해에 영향을 주는 인자는 유기물질의 탄소원보다 영양소인 인이 더 중요한 인자로 나타났다. 본 연구결과로부터 사상성 조류매트를 활용한 수처리 시스템은 질소와 인의 오염도가 높은 농어촌지역 농경배수 처리에 활용하면 효과가 높을 것으로 판단된다.
- 8일로 운영한 경우에 처리효율이 높게 나타났다. 본 연구에서는 HRT을 좀 더 다양한 조건으로 실험하지 못한 한계성을 갖고 있지만, HRT는 COD, T-N의 제거효율에는 영향을 주지 않았고, SS와 T-P의 제거효율에 영향을 미치는 인자로 나타났다. 따라서 본 시설은 농경배수 유입 등 유역 내 비점오염물질 유입으로 SS와 TP 농도가 높은 하천에 적용할 때는 수처리 시스템의 수리학적 체류시간을 최소 5일 이상으로 하는 것이 효율적이라고 판단된다.
- 사상성 조류매트 수처리 시스템의 오염물질 평균제거효율을 정리한 내용은 Table 3과 같다. 부유물질의 측정항목인 SS는 FEB에서 43.4%, FAMP에서 17.6%, ECB에서 19.9%가 제거되어 총 80.9%의 높은 제거효율을 보였다. 유기물 지표인 COD는 FEB에서 23.
- 수온에 따른 SS의 처리효율은 79.4 ± 20.8%로 나타났고, 수온과 SS 처리효율과의 상관성은 r=0.093으로 수온과 SS 처리효율과는 상관관계가 없는 것으로 분석되었다.
- 수온에 따른 T-N의 평균 처리효율은 67.8 ± 26.0%로서 수온과 T-N의 상관관계는 r=-0.507 (p>0.05)로 통계적 의미가 없는 것으로 나타났다.
- 수온에 따른 T-P의 평균 처리 효율은 77.6 ± 23.4%로 나타났고, 수온과 T-P의 처리율은 통계적으로 유의한 상관성이 없는 것으로 나타났다.
- FAMP에서 (-) 효율을 보였는데, 이러한 원인으로는 산화지내에서 사멸된 조류에서 COD 유발물질이 용출되어 COD 상승요인으로 작용하였고, 또한 수중의 과도한 pH 증가는 수중 미생물의 효소 활동을 저하시켜 미생물에 의한 유기물질 제거에 영향을 주게 된다. 영영염류인 TN 은 FEB에서 52.6%로 정화효율이 가장 높았고, FAMP에서는 22.3%가 제거되어 총 76.8%의 높은 제거율을 보였다. 용존성 질소(DTN)는 FEB에서 67.
- 4%가 제거되었다. 용존성 인(DTP)의 제거효율은 총 93.8%로 높은 정화효율을 보였고, 용존성 무기태 인(PO4-P)은 총 98.3%로 거의 대부분이 제거되는 것으로 나타났다. 용존성 인의 제거기작은 크게 조류 및 일반 호기성 박테리아의 증식과 pH 상승으로 인한 수중의 경도성분 칼슘이온과의 화학적 침전반응에 의해 제거된 것으로 판단된다.
- 8%의 높은 제거율을 보였다. 용존성 질소(DTN)는 FEB에서 67.5%로 전체효율 82.5%의 대부분이 제거되는 것으로 나타났다. TP는 FEB에서 59.
- 9%의 높은 제거효율을 보였다. 유기물 지표인 COD는 FEB에서 23.6%, FAMP에서 -5.9%, ECB에서 56.8%가 제거되어 총 74.6%의 제거효율을 보였다. FAMP에서 (-) 효율을 보였는데, 이러한 원인으로는 산화지내에서 사멸된 조류에서 COD 유발물질이 용출되어 COD 상승요인으로 작용하였고, 또한 수중의 과도한 pH 증가는 수중 미생물의 효소 활동을 저하시켜 미생물에 의한 유기물질 제거에 영향을 주게 된다.
- 7과 같다. 유입수의 C/N비는 0.6～5.7(평균 2.0)의 범위로 유입되었으며, TN 처리효율은 15.4～96.5%(평균 67.8%) 로 조사되었다. C/N비에 따른 TN 처리효율은 C/N비가 낮을수록 TN의 처리효율이 증가하였고, C/N비에 따른 TP 처리효율 역시 C/N비가 낮을수록 TP의 처리효율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 조사기간 동안의 수온은 21.8 ± 5.9℃이고, COD 처리율은 2.5 ± 27.4 %로 나타났으며, 수온과 COD 처리율과의 상관관계를 분석한 결과 r=0.020으로 상관성이 없는 것으로 나타났다.
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