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문제 정의
- 본 연구는 댐저수지 상류 유역의 비점오염물질 및 하수처리장 유출수 처리를 목적으로 조성되어 운영 중인 10개 인공습지를 대상으로 습지의 구조적인 측면과 운영관리 측면에서 문제점을 분석하고 인공습지의 수질정화기능을 강화할 수 있는 대책 및 운영방안을 제시하고자 함에 있다.
제안 방법
- 수집된 자료를 토대로 인공습지의 운영수심, 유입 및 유출량, 물흐름분포, 체류시간, 처리수 유입특성, 처리효율, 토양환경, 식재식물 관리현황, 모니터링 등에 대한 현황분석을 하였다. 그리고 자료분석을 통하여 인공습지의 구조적 및 비구조적(운영상) 측면에서 문제점을 도출하고 이에 대한 대책방안을 제시하였다.
- 수집된 자료를 토대로 인공습지의 운영수심, 유입 및 유출량, 물흐름분포, 체류시간, 처리수 유입특성, 처리효율, 토양환경, 식재식물 관리현황, 모니터링 등에 대한 현황분석을 하였다. 그리고 자료분석을 통하여 인공습지의 구조적 및 비구조적(운영상) 측면에서 문제점을 도출하고 이에 대한 대책방안을 제시하였다.
- 조사 대상 인공습지의 조성 면적은 23,092～150,000㎡(mean 57,300㎡) 범위이며, 모두 지표흐름형(free water surface flow; FWS) 처리방식을 적용하고 있다. 습지내수생식물로는 갈대(Phragmites communis), 애기부들(Typha angustata), 달뿌리풀(Phragmites japonica), 수련(Nymphaea tetragona), 노랑꽃창포(Iris pseudoacorus), 줄(Zizania latifolia), 물상추(Pistia srratiotes), 부레옥잠(Eichhornia crassipes ), 연꽃(Nelumbo nucifera ), 노랑어리연꽃(Nymphoides peltata) 등이 분포하고 있다(Table 1).
대상 데이터
- 본 연구에서는 국내 댐저수지 인공습지 중 조성면적이 일정 규모(10,000㎡) 이상이고 운영 자료가 확보되어 있는 10개 인공습지(금강수계 대청댐의 소옥천습지, 낙동강수계 부항댐습지(I)과 회야댐습지, 영산강 및 섬진강수계 주암댐의 복내BioPark, 동복댐의 신평천습지, 길성천습지, 이서천습지, 동복천습지, 내북천습지, 그리고 장흥댐의 옴천습지)를 선정하였다(Fig. 1, Table 1).
- 인공습지의 운영현황 분석을 위한 자료는 관리기관의 운영일지와 연구보고서(YSRSC, 2009; UDI, 2010)에 수록된 자료를 수집하였으며, 일부 습지는 현장 방문조사를 통해 자료를 수집하였다.
성능/효과
- 10개 댐저수지 인공습지의 설계 시 수리학적 체류시간은 5∼168hr의 범위로 습지에 따라 큰 차이를 보였다(Table 4).
- 10개 인공습지의 처리수의 평균 BOD와 COD는 각각 0.5〜2.7 mg/L와 1.6〜5.7 mg/L 범위로 유기물농도가 매우 낮은 것으로 나타났다(Table 5). 특히 하수처리장 방류수를 처리수로 하는 소옥천습지와 복내 BioPark에서도 처리수의 유기물 농도가 낮은 수준을 보였다.
- 9%) 범위를 보였으며, 복내BioPark에서 가장 높았다. TP 처리효율은 -4.9〜 74.5%(평균 23.7%) 범위를 보였으며, 하수처리장방류수를 처리하는 소옥천습지와 복내BioPark 에서 높은 것으로 나타났다.
- 고농도의 하수처리장 방류수를 처리수로 하는 미국과 유럽의 인공습지에서 평균 처리효율은 BOD가 76%, SS가 69%, TN이 52%, TP가 51%로 매우 높은 반면 처리수가 하천수 또는 호수수인 일본과 한국의 인공습지 처리효율은 BOD가 10∼30%, SS가 36∼65%, TN이 20∼40%를 보였고, TP는 40% 이내로 계절변동이 심하고 일부습지에서는 습지로부터 인이 용출되어 제거효율이 없는 경우도 있다.
- 그러나 본 연구의 조사대상 인공습지 중 길성천습지와 신평천 습지에서 심각한 누수현상이 발생하였으며, 또한 소옥천습지, 부항댐습지, 옴천습지, 회야댐습지는 댐 저수구역에 조성되어 강우시 댐수위 상승에 의해 일정 기간 침수되는 것으로 나타났다(Table 3). 누수현상이 심한 인공습지는 습지의 유지용수 부족 및 육상식물의 이입에 의한 육상화를 가져와 습지의 기능을 상실하게 된다.
- 특히 길성천습지, 내북천습지, 복내 BioPark에서 적었고, 길성천습지의 경우는 인공습지의 유지용수가 부족한 시기에는 인근의 지하수를 유입시키고 있었다. 그리고 유입량에 비해 유출량이 현저히 적은 길성천습지와 신평천습지에서 지하침투에 의한 누수가 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 동복댐 길성천습지와 주암댐 신평습지는 처리수의 유입량과 유출량에 대한 연속 모니터링시스템이 구축되어 있었다.
- 6 mg/L) 습지(소옥천습지, 부항댐습지, 길성천습지, 이서천습지, 내북천습지)에서 처리효율 없는 것으로 나타났다. 반면 TN 처리효율은 7.6〜67.6%(평균 24.9%) 범위를 보였으며, 복내BioPark에서 가장 높았다. TP 처리효율은 -4.
- 본 연구대상 인공습지의 조성목적은 대부분 비점오염물질을 저감하는 것임에도 불구하고, 초기우수를 취입할 수 있는 시스템 구축 및 관리가 미흡한 것으로 나타났다. 게다가 일부 습지는 강우시 취입구를 폐쇄시켜 운영을 하지 않은 경우도 있었다.
- 본 연구에서 일부 습지는 하류부에 수위조절이 가능한 수문을 설치하여 수위를 조절할 수 있도록 설계되어 있지만, 운영관리 소홀로 인해 유입된 물이 중앙수로와 개방수역으로 집중되고 식물이 식재되어 있는 얕은습지로는 물 공급이 원활치 못한 것으로 나타났다. 이러한 습지 내 수위조절 실패는 습지내 물흐름 분포에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로는 육상화로 인한 습지의 기능이 상실될 수 있으므로 습지의 수질정화기능과 식재식물의 생장을 고려한 수위관리가 필요하다.
- 1 mg/L이하의 값을 보였다. 본 연구의 댐저수지 인공습지의 처리수의 수질농도는 북미의 84개 인공습지(BOD 38.8 mg/L, SS 49.1 mg/L, TN 14.0 mg/L, TP 4.2 mg/L)에 비하면 매우 낮은 수준이다.
- 본 연구의 조사대상 습지의 운영수심은 얕은습지가 0.3∼0.4m, 깊은습지가 0.8∼1.3m, 그리고 침강지가 1.0∼2.0m의 범위로 대부분 당초 설계상 수심대로 운영하고 있는 것으로 나타났으며(Table 2), 북미의 174개 인공습지의 운영수심(0.1∼2.0m)과 비슷한 값을 보였다(NADB, 1993).
- 특히 하수처리장 방류수를 처리수로 하는 소옥천습지와 복내 BioPark에서도 처리수의 유기물 농도가 낮은 수준을 보였다. 부유성고형물(SS) 농도는 0.9〜15.4 mg/L 범위로 하천수질기준 25 mg/L이내의 수준을 보였으며, 하천수에 비해 하수처리장 방류수의 SS농도가 높았다. 처리수의 총질소(TN)농도는 0.
- 비점오염원 및 하수처리장 방류수 처리를 목적으로 조성된 댐저수지 인공습지의 수처리효율은 습지에 따라 큰 차이를 보였으며, 하수처리장 방류수를 처리하는 습지에서 높게 나타났다. 전반적으로 영양염류에 비해 유기물의 처리효율이 낮았는데, 이는 처리수의 유기물 농도가 매우 낮기 때문으로 판단된다.
- 이는 대청댐의 주된 수질오염 물질이 인이기 때문이다. 우리나라 댐저수지의 부영영화 등 수질오염의 주요 원인이 인 유입의 증가로 볼 때 인공습지의 우선 처리대상 오염물질을 인으로 설정하여 운영하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 또한 인공습지를 통해 처리하고자 하는 목표설정도 필요할 것으로 본다.
- 육안관찰을 통한 인공습지의 물흐름 분포를 조사한 결과 전반적으로 유입된 물이 균등하게 흐르지 않는 것으로 나타났다(Table 4). 습지내 중앙수로가 설치되어 있는 습지는 물 흐름이 대부분 중앙으로 치우쳐 흐르고, 수질정화기능에 중요한 역할을 하는 얕은 습지로의 물 유입이 거의 없는 것으로 관찰되었다.
- 7%로 습지에 따라 상이하였고 처리효율이 없거나 낮은 것으로 나타났다(Table 5). 전반적으로 유입수의 BOD가 낮은(0.5-1.6 mg/L) 습지(소옥천습지, 부항댐습지, 길성천습지, 이서천습지, 내북천습지)에서 처리효율 없는 것으로 나타났다. 반면 TN 처리효율은 7.
- 조사대상 인공습지 중 물 흐름이 균등하지 하지 않은 습지에서는 사수역(dead water region) 구간이 습지 전체 면적의 15∼55% 차지하는 것으로 나타났다.
- 조사대상 인공습지의 평균 유기물(BOD) 처리효율은 –133.3〜41.7%로 습지에 따라 상이하였고 처리효율이 없거나 낮은 것으로 나타났다(Table 5).
- 4 mg/L 범위로 하천수질기준 25 mg/L이내의 수준을 보였으며, 하천수에 비해 하수처리장 방류수의 SS농도가 높았다. 처리수의 총질소(TN)농도는 0.92〜8.91 mg/L의 범위로 하수처리장 방류수가 주요 처리수인 소옥천습지와 복내BioPark에서 높은 값은 보였으며, 그 외 인공습지에서의 TN농도는 3 mg/L 이하 수준을 보였다. 총인(TP) 농도도 0.
- 7 mg/L 범위로 유기물농도가 매우 낮은 것으로 나타났다(Table 5). 특히 하수처리장 방류수를 처리수로 하는 소옥천습지와 복내 BioPark에서도 처리수의 유기물 농도가 낮은 수준을 보였다. 부유성고형물(SS) 농도는 0.
- 하천수를 처리하는 울산의 회야댐습지의 체류시간이 5∼6hr으로 가장 짧은 반면, 동복호의 4개 습지와 주암댐의 2개 습지는 평수기 96∼168hr, 강우시 24∼48hr으로 가장 긴 것으로 나타났다.
후속연구
- 수질정화를 목적으로 조성된 대부분의 인공습지는 높은 농도의 인, 질소가 유입되기 때문에 습지 내부에서의 과도한 식물플랑크톤의 증식을 가져올 수 있으며, 습지내에서의 제거기작 없이 유출구를 통해 직접 유출되어 조류발생에 의한 민원발생 및 습지의 수처리효율을 저하시키는 원인이 될 수 있다. 그러므로 개방수역의 조류발생이 문제가 되는 인공습지의 경우 개방수역 가장자리에 정수식물을 식재하거나, 중앙부에 부유식물을 식재하여 조류 대발생을 저감할 수 있는 방안시행이 필요할 것으로 사료된다. 또한 하류부 침강지와 유출부 사이에 얕은 습지를 조성 및 정수식물을 식재하거나 또는 여과쇄석 및 여과망을 설치하여 조류 등 부유물을 여과하는 방안도 인공습지의 수처리 효율을 향상시키는데 도움이 될 것으로 본다.
- 또한 식물고사체와 습지바닥에 퇴적된 유기오염물질이 유출되어 저수지의 오염 부하를 가중시킬 수 있다. 그러므로 상습적으로 침수되는 습지는 침수를 방지하기 위해 댐저수지의 운영수위를 조정하거나 또는 인공습지의 제방을 보강하는 등 습지의 운영여부 및 기능에 대한 종합적인 검토가 필요할 것으로 본다.
- 그러므로 개방수역의 조류발생이 문제가 되는 인공습지의 경우 개방수역 가장자리에 정수식물을 식재하거나, 중앙부에 부유식물을 식재하여 조류 대발생을 저감할 수 있는 방안시행이 필요할 것으로 사료된다. 또한 하류부 침강지와 유출부 사이에 얕은 습지를 조성 및 정수식물을 식재하거나 또는 여과쇄석 및 여과망을 설치하여 조류 등 부유물을 여과하는 방안도 인공습지의 수처리 효율을 향상시키는데 도움이 될 것으로 본다.
- 일부 인공습지는 구조적인 문제로 인한 수질정화기능이 저하되는 것으로 나타났는데, 이에 대한 개선방안을 수립하여 인공습지의 기능을 회복시킬 필요가 있다. 한편 적절치 못한 수위관리는 수처리효율을 저하시키는 원인이 될 수 있으며, 인공습지의 육상화를 초래할 수 있기 때문에 이에 대한 운영방안이 수립되어야 할 것이다. 그리고 비점오염원 저감을 위한 인공습지의 경우 비점오염물질이 강우시 유출되므로 강우시 모니터링이 반드시 포함되어 운영하여야 하며, 인공습지의 수처리 효율 또한 강우시 자료를 토대로 평가되어야 할 것으로 사료된다.
- 환경부의 인공습지 설치기준에 의하면“인공습지는 초기우수를 최소 5㎜ 이상의 강우량을 처리할 수 있도록 하여야 한다(MOE, 2008)”라고 명시되어 있지만, 초기우수를 취입할 수 있는 유량조절시스템 구축 및 운영에 대한 기준은 마련되어 있지 않은 실정이다. 향후 인공습지 설계기준에 초기우수 취입 및 유량조절이 가능한 시설 설치가 필요할 것으로 사료된다.
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