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문제 정의
- 따라서 지속적으로 수중의 인을 흡착하기 위해서는 이를 침전 시킬 수 있는 지지체가 반드시 필요하다. 따라서 본 연구에서는 3가의 란탄이온에 암모니아성질소(NH4+-N)에 대한 흡착능이 있는 제올라이트를 지지체로 이를 결합하여 호소수내에 용존되어 있는 영양염류 제거 뿐만 아니라 퇴적층에서 용출되는 인을 지속적으로 흡착하는 복합체를 개발하여 조류의 성장을 억제하고자 하였다.
- 본 연구는 호소 내 지속적인 부영양화 원인물질인 질소와 인을 고정화시킬 수 있는 처리제를 개발하고 이를 실험실 규모에서 적용하였다. 개발된 처리제는 란탄이 가진 인산염인 치환 능력과 제올라이트의 암모늄 질소 흡착능을 결합시킨 복합체로써, 실험에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 을 사용하였다. 24시간미만 생육상태의 Daphnia magna를 준비한 후 실험 비이커에 실험배지를 넣고 독성물질을 농도 별(100%, 50%, 25%, 12.5%, 6.25%)로 주입 후 Daphnia magna를 각각 비이커에 10마리씩 넣어 4회 반복 독성실험을 하였다. 실험실의 배양기 온도를 배양온도인 25℃로 하였다.
- 실험에는 C대학 내의 호소수를 대상으로 하였다. 500 L 부피(가로 1.3 m, 세로 0.9 m, 높이 0.5 m)의 반응조에 호소수를 담은 후 란탄복합체를 적용하였다. 호소수 내의 PO43--P를 측정하여 2.
- 본 연구는 호소 내 지속적인 부영양화 원인물질인 질소와 인을 고정화시킬 수 있는 처리제를 개발하고 이를 실험실 규모에서 적용하였다. 개발된 처리제는 란탄이 가진 인산염인 치환 능력과 제올라이트의 암모늄 질소 흡착능을 결합시킨 복합체로써, 실험에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 증발의 영향과 우수에 의한 영향을 최소화하기 위해 상부를 비닐로 포장하였다. 그리고 란탄복합체를 첨가하지 않은 대조군을 두고 시간에 따른 PO43--P, NH4+-N, 조류, 탁도를 측정 비교하였다.
- 제조된 인공호소수를 대상으로 란탄복합체를 적용한 후 시간에 따른 COD 변화를 관찰하였다. 또한 제조된 복합체와 반응 후 복합체의 성분 분석을 위하여 전자주사현미경(Scanning electron microscope, SEM, SHIMADZU-SS550, Japan)과 X선 microanalysis 장치(Energy Dispersive X-ray spectrometer, EDX, SHIMADZU-SS550, Japan)를 사용하여 분석하였다.
- 란탄복합체의 흡착능과 흡착 특성을 알아보기 위해서 란탄복합체의 흡착 특성 실험을 하였다. 실험은 란탄복합체를 적용한 실험군과 순수제올라이트만을 적용한 대조군으로 나누어 실시하였으며, 영양염류 농도가 다른 인공호소수 3종을 제조하여 란탄복합체 첨가량을 다르게 하여 적용 후 2.
- Jar test는 지름 11 cm, 높이 15 cm, 용량 1 L의 둥근 Jar를 사용하였다. 란탄복합체의 흡착특성을 알아보기 위한 실험을 제외하고는 NH4+-N 10 mg/L와 PO43--P 1 mg/L의 인공 수를 제조하여 란탄복합체를 적용하였다. 란탄복합체의 양은 인공수 1 L당 란탄복합체 0.
- 분석은 시료를 0.45 µm membrane filter 로 여과한 후 NH4+-N와 PO43--P를 분석하였다.
- 란탄복합체의 흡착능과 흡착 특성을 알아보기 위해서 란탄복합체의 흡착 특성 실험을 하였다. 실험은 란탄복합체를 적용한 실험군과 순수제올라이트만을 적용한 대조군으로 나누어 실시하였으며, 영양염류 농도가 다른 인공호소수 3종을 제조하여 란탄복합체 첨가량을 다르게 하여 적용 후 2.2절의 방법으로 성능을 평가하였다. 15℃의 온도에서 실험하였으며 각 합성호소수에 따른 영양염류의 농도와 란탄복합체 주입량을 Table 1에 자세히 나타내었다.
- 따라서 지속적으로 조류발생을 억제하기 위해서는 수계 내에 용해되어 있는 영양염류를 제거함과 동시에 퇴적층에서 용출되어질 수 있는 영양염류에 대한 대책을 세우는 것이 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 수중의 인산염(PO43--P)의 흡착능이 있는 3가의 란탄이온을 암모니아성질소(NH4+-N)의 흡착능이 있는 제올라이트와 결합시켜 수중의 영양염류를 동시에 제거할 수 있도록 하였다. 3가의 란탄이온의 경우 탁월한 인 흡착능에 비해 단독으로 사용될 시 수중의 인을 흡착하고 나면 그대로 부유하게 된다.
- 장기간(60일간)의 호소수 및 퇴적층 내의 영양염류 및 조류의 거동을 연구를 위해 컬럼 실험을 하였다. 컬럼 실험의 모식도를 Fig.
- 45 µm membrane filter 로 여과한 후 NH4+-N와 PO43--P를 분석하였다. 제조된 인공호소수를 대상으로 란탄복합체를 적용한 후 시간에 따른 COD 변화를 관찰하였다. 또한 제조된 복합체와 반응 후 복합체의 성분 분석을 위하여 전자주사현미경(Scanning electron microscope, SEM, SHIMADZU-SS550, Japan)과 X선 microanalysis 장치(Energy Dispersive X-ray spectrometer, EDX, SHIMADZU-SS550, Japan)를 사용하여 분석하였다.
- 056 mg/L을 주입하였다. 조류의 성장을 위해 태양광의 조사가 용이한 곳에 반응기의 위치를 정하였다. 증발의 영향과 우수에 의한 영향을 최소화하기 위해 상부를 비닐로 포장하였다.
- 조류의 성장을 위해 태양광의 조사가 용이한 곳에 반응기의 위치를 정하였다. 증발의 영향과 우수에 의한 영향을 최소화하기 위해 상부를 비닐로 포장하였다. 그리고 란탄복합체를 첨가하지 않은 대조군을 두고 시간에 따른 PO43--P, NH4+-N, 조류, 탁도를 측정 비교하였다.
- 컬럼은 총 3 조를 사용하였다. 하나는 아무런 물질도 첨가하지 않았고 하나는 Alum을 첨가하였고 나머지 하나는 란탄복합체를 첨가하였다. 란탄복합체 투입량은 2.
- 호소수내 영양염류 거동 및 조류 생성 영향을 연구하기 위하여 호소수에 란탄복합체를 적용하는 실험을 하였다. 실험에는 C대학 내의 호소수를 대상으로 하였다.
대상 데이터
- 제조된 란탄복합체의 성능평가는 Jar test를 이용하였다. Jar test는 지름 11 cm, 높이 15 cm, 용량 1 L의 둥근 Jar를 사용하였다. 란탄복합체의 흡착특성을 알아보기 위한 실험을 제외하고는 NH4+-N 10 mg/L와 PO43--P 1 mg/L의 인공 수를 제조하여 란탄복합체를 적용하였다.
- 호소수내 영양염류 거동 및 조류 생성 영향을 연구하기 위하여 호소수에 란탄복합체를 적용하는 실험을 하였다. 실험에는 C대학 내의 호소수를 대상으로 하였다. 500 L 부피(가로 1.
- 1에 나타내었다. 실험은 C대학 내의 호소수와 퇴적층을 채취하여 실시하였다. 컬럼은 내경 8.
- 수온은 컬럼 내에 온도조절기(SUNLIKE-200, Shenzhen Xing-ri Sheng Industrial)를 설치하여 25 ℃로 유지시켰다. 컬럼은 총 3 조를 사용하였다. 하나는 아무런 물질도 첨가하지 않았고 하나는 Alum을 첨가하였고 나머지 하나는 란탄복합체를 첨가하였다.
데이터처리
- 제조된 란탄복합체의 성능평가는 Jar test를 이용하였다. Jar test는 지름 11 cm, 높이 15 cm, 용량 1 L의 둥근 Jar를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 채취된 시료의 분석은 수질오염공정시험법, Standard Methods (21th ed.), HACH DR/4000 manual에 준하여 이루어졌으며 측정항목 및 방법은 CODcr (5220-COD-D, HACH), NH4+-N (Nessler 법, HACH), PO43--P (OPTIZEN 3200UV (Mecasys. KOR)), Turbidity (HACH US/2100P), Chl-a (Korean official Analysis Methods for water pollutants)로 측정하였으며, Toxicity의 유무에 대한 측정은 독성에 대한 정확한 영향을 관찰하기 위해 48시간 표준 독성 시험법을 사용하였다. 모든 시료의 여과는 0.
- 생물 독성 실험은 표준 48시간 급성 독성법10)을 사용하였다. 24시간미만 생육상태의 Daphnia magna를 준비한 후 실험 비이커에 실험배지를 넣고 독성물질을 농도 별(100%, 50%, 25%, 12.
성능/효과
- 1) 이온교환 반응을 이용하여 제조한 란탄복합체를 적용하였을 때 사용된 시약에 의한 유기물의 용출이 장기간 발견되지 않았기 때문에 유기물의 용출은 우려되지 않았다.
- 2) SEM 분석 결과 이온교환 반응을 이용한 란탄복합체 적용 시 코팅된 란탄이 인과 반응하며 떨어져 나간 후 제올라이트에 의한 암모니아 제거가 이루어지는 것을 알 수 있었다.
- 3) 란탄복합체의 흡착 특성을 평가하였을 때 PO43--P과 NH4+-N의 제거능력이 우수한 것을 확인할 수 있었고, 또한 이온교환 반응을 이용하여 란탄복합체를 제조해도 제올라이트의 NH4+-N제거에 많은 영향을 미치지 않는다고 판단 된다.
- 4) 란탄복합체를 호소수에 적용시켜보았을 때 PO43--P과 NH4+-N는 란탄복합체의 적용 여부에 관계없이 모두 감소하였으나 Chl-a와 탁도의 경우 란탄복합체를 적용한 실험군은 시간에 따라 Chl-a와 탁도가 감소한 반면 란탄복합체를 적용하지 않은 대조군은 Chl-a와 탁도가 증가하였다. 이러한 결과로 볼 때 본 연구에서 제작된 란탄복합체가 호소수에서 조류 억제 효과가 뛰어나다고 판단된다.
- 1~3) 특히 인의 경우 질소와는 다르게 대기로부터는 생물체가 이용할 수 있는 인의 공급원이 없기 때문에 조류발생에 있어서 가장 큰 영향인자가 된다.4) 반면 질소의 경우 heterocystous blue green algae 등과 같은 남조류가 대기 중의 질소를 고정하는 능력이 있어 인보다는 조류발생에 영향을 덜 미치게 된다.5) 일반적으로 광합성에 의해 유기물을 만들기 위해서는 7 g의 질소가 요구되고 인은 1 g만을 필요로 한다.
- 5) 호소수에 란탄 복합체를 적용한 경우를 표준 48시간 급성 독성법으로 독성을 측정한 결과 실험군과 대조군 모두 독성에 대한 영향이 관찰되지 않았다. 따라서 이를 바탕으로 란탄복합체를 실제 적용을 실시하는 것에 아무 문제가 없다고 판단된다.
- 6) 퇴적층을 포함한 모형 호소를 대상으로 란탄복합체를 적용한 경우에는 47일 후 바탕 실험과 비교하였을 때 지속적인 조류 억제 효과를 관찰할 수 있었다.
- 반면 란탄복합체 적용군의 경우 란탄복합체에 의한 PO43--P 흡착이 주 기작으로 보이며 47일 후의 Chl-a가 0 mg/L로 분석된 것이 이를 증명한다. Alum 적용군의 경우 초기에는 Alum에 의한 제거로 인하여 PO43--P의 농도가 감소하였지만 시간이 지남에 따라 퇴적층의 유기물 분해에 의한 영향으로 PO43--P의 농도가 증가하였고 47일 후의 Chl-a가 0.11 mg/L로 분석되어 지속적인 조류 억제에 있어서는 그 효능이 낮은 것으로 나타났다. NH4+-N의 경우에는 대조군과 Alum 적용군이 시간이 지남에 따라 증가하는 경향을 보였다.
- 또한 그로 인해 조류발생이 저감되어 Chl-a가 감소하고 탁도가 감소했다고 판단된다. 대조군의 경우는 초기의 호소수에 포함된 ortho-phosphate와 NH4+-N의 영양염류를 바탕으로 조류가 번식을 함에 따라 PO43--P와 NH4+-N는 감소, Chl-a와 탁도는 증가하는 경향을 보였다고 판단된다.
- 18%의 질량비로 새로 검출되었다. 따라서 본 연구에서 제조한 란탄복합체가 인과 질소를 흡착한다는 사실을 알 수 있었다. Fig.
- 분석결과 란탄 함유량을 보면 이온 교환을 이용한 란탄복합체는 함유량이 5%로 나타났다. 또한 제조된 란탄복합체의 EDX에서는 발견되지 않았던 N와 P가 각각 4.79%와 2.18%의 질량비로 새로 검출되었다. 따라서 본 연구에서 제조한 란탄복합체가 인과 질소를 흡착한다는 사실을 알 수 있었다.
- 란탄복합체 적용 여부에 따른 두 호소수 시료를 대상으로 표준 48시간 급성 독성법에 의한 독성실험 결과 모든 실험 결과에서 Daphnia magna가 사멸하지 않고 전부 생존함으로써 실험군과 대조군 모두 독성의 영향이 관찰되지 않았다. 따라서 이를 바탕으로 란탄복합체를 실제 적용을 실시하는 것에 아무 문제가 없다고 판단되었다.
- 하나는 아무런 물질도 첨가하지 않았고 하나는 Alum을 첨가하였고 나머지 하나는 란탄복합체를 첨가하였다. 란탄복합체 투입량은 2.3절 흡착 특성 실험의 결과를 토대로 산정하였으며 퇴적층에서 용출되는 영양염류의 흡착을 확인하기 위해 계산 값보다 1.5배 주입하여 총 약 0.5 mg/L을 주입하였다. Alum 또한 호소수에 포함된 PO43--P와 반응하는 이론적인 Alum의 양을 계산하고 역시 계산값보다 1.
- 하지만 Chl-a와 탁도를 보면 란탄 복합체의 적용 여부에 따라 크게 대조를 이루고 있음을 알 수 있었다. 란탄복합체를 적용한 실험군은 시간에 따라 Chl-a와 탁도가 초기 값의 약 1/2 이하의 값이 측정된 반면 란탄 복합체를 적용하지 않은 대조군은 Chl-a 또한 초기 값의 2배 이상으로 증가하였고, 탁도는 초기값에 비해 무려 9배 이상이 증가하였다. 모든 자료들을 통합하여 볼 때 실험군의 경우는 란탄복합체에 의해 PO43--P와 NH4+-N가 흡착되었기 때문에 그 농도가 감소한 것으로 유추할 수 있다.
- 란탄흡착제의 유기물 용출 가능성을 평가한 결과 제조한 란탄복합체를 적용한 후 40일까지 유기물이 용출되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제조된 란탄복합체는 유기물 유발 가능성이 없는 것으로 판단되었다.
- 란탄흡착제의 유기물 용출 가능성을 평가한 결과 제조한 란탄복합체를 적용한 후 40일까지 유기물이 용출되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제조된 란탄복합체는 유기물 유발 가능성이 없는 것으로 판단되었다. Fig.
- 2와 Table 2는 이온 교환에 의해 제조된 란탄복합체와 이를 인공 호소수와 반응시킨 후 최종산물을 EDX 분석 결과를 나타낸 것이다. 분석결과 란탄 함유량을 보면 이온 교환을 이용한 란탄복합체는 함유량이 5%로 나타났다. 또한 제조된 란탄복합체의 EDX에서는 발견되지 않았던 N와 P가 각각 4.
- -N는 란탄복합체의 적용 여부에 관계없이 모두 감소하였으나 Chl-a와 탁도의 경우 란탄복합체를 적용한 실험군은 시간에 따라 Chl-a와 탁도가 감소한 반면 란탄복합체를 적용하지 않은 대조군은 Chl-a와 탁도가 증가하였다. 이러한 결과로 볼 때 본 연구에서 제작된 란탄복합체가 호소수에서 조류 억제 효과가 뛰어나다고 판단된다.
- 즉 과량의 란탄복합체를 적용하였을 때 시간이 지남에 따라 퇴적층에서 영양염류가 용출되면 란탄복합체의 란탄이 떨어져나가게 되고 그 후에 제올라이트에 의해 NH4+-N가 제거된다는 것이다. 이러한 결과로 볼 때 본 연구에서 제조한 란탄-제올라이트 란탄복합체가 퇴적층 유기물의 혐기성 분해에 의해 지속적으로 용출될 수 있는 영양염류의 제어에 있어 capping제로서 그 역할을 충분히 발휘하며 지속적인 조류억제 효과가 있다는 것이 실험적으로 입증되었다.
- 6은 이온교환법을 이용하여 제조한 란탄복합체를 실험실 규모의 호소수에 적용시켰을 때 시간에 따른 PO43--P, NH4+-N, Chl-a, 탁도를 나타낸다. 인산염 인과 NH4+-N의 경우를 보면 란탄복합체의 적용 여부와는 상관없이 시간에 따라 PO43--P와 NH4+-N 모두 초기 값의 1/5 이하로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 Chl-a와 탁도를 보면 란탄 복합체의 적용 여부에 따라 크게 대조를 이루고 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 따라서 이를 바탕으로 란탄복합체를 실제 적용을 실시하는 것에 아무 문제가 없다고 판단되었다. 하지만 상기 결과는 단기간 노출에 의한 결과이므로 향후 란탄복합체의 장기간 적용 시 이에 대한 독성의 영향에 대한 실험이 추가되어야 할 것으로 판단된다.
- 따라서 이를 바탕으로 란탄복합체를 실제 적용을 실시하는 것에 아무 문제가 없다고 판단되었다. 하지만 상기 결과는 단기간 노출에 의한 결과이므로 향후 란탄복합체의 장기간 적용 시 이에 대한 독성의 영향에 대한 실험이 추가되어야 할 것으로 판단된다.
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