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문제 정의
- 본 연구의 목적은 빗물정원에 효과적으로 적용 가능한 자연형 흡착여재를 개발하고 이를 적용하여 빗물이 빗물정원을 통과한 이후, 영양소 및 유기물(TN, TP, CODcr), 중금속(Cu, Cd, Pb) 제거율을 검토하는데 있다. 이를 위하여 자연형 흡착여재인 피트모스를 탄화시켜 오염물질 별 제거 흡착능을 살펴보았으며, 이를 이용한 삼단의 계단식 여재 시설을 구성하여 영양소 및 중금속 제거율 변화를 살펴보았다.
- 본 연구의 목적은 지붕 빗물에서 유래된 빗물이 빗물 정원으로 처리될 시에 처리 수질을 극대화 할 수 있는 빗물정원의 여재 구성에 따른 영양소 및 유기물(TN, TP, CODcr) 및 중금속 제거(Cu, Cd, Pb)에 대한 연구를 실시하는데 있다. 이를 위하여 피트모스(peatmoss)의 영양소 및 유기물 제거 흡착능 효과 및 삼단의 계단식 여재 시설로 구성된 레인가든을 이용하여 영양소 및 중금속 제거 변화를 살펴보았다.
제안 방법
- 각각의 빗물정원은 30cm(H) × 20cm(L) × 20cm(W) 크기의 아크릴로 설치하였으며, 인공적으로 구성된 빗물을 주입하여 각각의 오염 물질 제거효율을 살펴보는 방법으로 실험을 진행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 경제성이 뛰어나고, 자연형 여재인 피트모스를 이용하여, 105℃에서 가열 변형시키는 방법과 550℃에서 탄화시키는 방법을 통해 2가지의 여재를 개발하고 흡착능을 비교하였다(Fig. 1). 이탄이끼의의 흡착능을 살펴보기 위하여 실시된 흡착실험은 피흡착제인 중금속 Cu, Pb, Cd과 NH4-N를 대상으로 하였으며, 피흡착제 별로 농도를 1, 2, 3, 5, 10, 20ppm으로 조정하여 실험을 진행하였다.
- 추가적으로 오염물질 제거능이 높다고 확인된 식생 중 창포와 잔디를 이용하여 2개의 빗물정원을 구성하였는데, 잔디의 경우, 상단 잔디 10mm, 하단 모래로 구성된 빗물정원의 중단에 톱밥과 함께 식종하였으며(Type-3), 창포의 경우도 잔디와 마찬가지로 동일하게 중단에 식종하였다(Type-4). 마지막으로 피트모스의 흡착능을 확인하기 위해 Type-5 반응조의 경우 자갈 10mm, 잔디 + 톱밥, 모래 + 피트모스로 구성하여 실험을 실시하였다(Fig. 3). 각각의 빗물정원은 30cm(H) × 20cm(L) × 20cm(W) 크기의 아크릴로 설치하였으며, 인공적으로 구성된 빗물을 주입하여 각각의 오염 물질 제거효율을 살펴보는 방법으로 실험을 진행하였다.
- 실험은 2013년 10월 ∼ 12월까지 총 5회의 강우사상에 대한 실험을 진행하였다.
- 여재 구성 및 식생에 변화를 주어 실험한 5개의 빗물 정원에서의 오염물질 제거효율(T-N, T-P, CODcr)을 분석하였다. 전반적으로 대상 물질의 제거효율은 그리 높지는 않았다.
- 본 연구의 목적은 빗물정원에 효과적으로 적용 가능한 자연형 흡착여재를 개발하고 이를 적용하여 빗물이 빗물정원을 통과한 이후, 영양소 및 유기물(TN, TP, CODcr), 중금속(Cu, Cd, Pb) 제거율을 검토하는데 있다. 이를 위하여 자연형 흡착여재인 피트모스를 탄화시켜 오염물질 별 제거 흡착능을 살펴보았으며, 이를 이용한 삼단의 계단식 여재 시설을 구성하여 영양소 및 중금속 제거율 변화를 살펴보았다.
- 본 연구의 목적은 지붕 빗물에서 유래된 빗물이 빗물 정원으로 처리될 시에 처리 수질을 극대화 할 수 있는 빗물정원의 여재 구성에 따른 영양소 및 유기물(TN, TP, CODcr) 및 중금속 제거(Cu, Cd, Pb)에 대한 연구를 실시하는데 있다. 이를 위하여 피트모스(peatmoss)의 영양소 및 유기물 제거 흡착능 효과 및 삼단의 계단식 여재 시설로 구성된 레인가든을 이용하여 영양소 및 중금속 제거 변화를 살펴보았다.
- 적정 빗물 처리 및 저장 시스템의 설계인자 도출을 위하여 빗물정원에 대한 Lab-scale 실험을 실시하였다. 이를 위해 총 5개의 3단 빗물정원을 설치하였으며, 각각의 효율을 파악하기 위해서 여재 구성 및 식생에 변화를 주어 실험을 진행하였다. 실험은 2013년 10월 ∼ 12월까지 총 5회의 강우사상에 대한 실험을 진행하였다.
- 1). 이탄이끼의의 흡착능을 살펴보기 위하여 실시된 흡착실험은 피흡착제인 중금속 Cu, Pb, Cd과 NH4-N를 대상으로 하였으며, 피흡착제 별로 농도를 1, 2, 3, 5, 10, 20ppm으로 조정하여 실험을 진행하였다. Table 1은 피트모스의 주요 성분에 대해 기술한 것이다.
- 적정 빗물 처리 및 저장 시스템의 설계인자 도출을 위하여 빗물정원에 대한 Lab-scale 실험을 실시하였다. 이를 위해 총 5개의 3단 빗물정원을 설치하였으며, 각각의 효율을 파악하기 위해서 여재 구성 및 식생에 변화를 주어 실험을 진행하였다.
- 크게 여재의 최상단에는 자갈류(0.2∼0.4mm), 중간 부분에는 일반여재(우드칩: 25mm × 25mm(가로/세로), 두께: 2∼3mm), 톱밥 (입경 4mm이하) 또는 식생(잔디, 창포) 그리고 마지막 단에는 모래 또는 피트모스(입경: 0∼25mm)를 이용하여 5가지 다른 구성으로 설계하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 빗물정원에서의 T-N, T-P, CODcr, NH4- 제거에 중점을 두었다.
- 일반 여재를 사용한 Type-1은 자갈 10mm, 우드칩, 모래, Type-2는 자갈 10mm, 톱밥, 모래로 구성하였다. 추가적으로 오염물질 제거능이 높다고 확인된 식생 중 창포와 잔디를 이용하여 2개의 빗물정원을 구성하였는데, 잔디의 경우, 상단 잔디 10mm, 하단 모래로 구성된 빗물정원의 중단에 톱밥과 함께 식종하였으며(Type-3), 창포의 경우도 잔디와 마찬가지로 동일하게 중단에 식종하였다(Type-4).
- Lab-scale의 빗물정원에서의 빗물 정화 시스템의 처리 능력을 극대화하기 위하여 자연형 흡착 여재 개발을 수행하였다. 일반적으로 많이 사용되는 자갈, 모래, 톱밥, 우드칩을 제외하고 본 연구에서는 피트모스를 선정하여 사용하였다. 피트모스는 수생식물, 이끼류, 습지대의 풀 등이 지표 근처에 퇴적하여 생화학적으로 탄화한 것을 말하며, 보통 90% 이상의 유기물을 함유하고 있고, 다공질이며 60% ∼ 85%의 공극률을 가진다.
데이터처리
- 본 실험에서 사용된 인공 빗물의 성상은 다음의 표와 같다. 이 성상은 기존 고려대학교 세종 캠퍼스의 지붕 빗물에서 지속적으로 모니터링된 빗물성상을 참조(Kim et al., 2012)하여 기존수치의 평균값으로 실시하였다.
이론/모형
- 3333px;">- 제거에 중점을 두었다. T-N, T-P는 수질공정시험법(제14항-1 흡광광도법, 제17항-1 아스코르빈산환원법)에 준하여 실시하였으며, CODcr는 HACH사의 DR 2010을 이용하여, COD Test Kit Low Range(0 to 150 ppm)방법으로 측정하였다.
성능/효과
- 3단으로 구성된 빗물정원 유출수의 오염물질 저감 효과는 피트모스를 사용했을 경우 가장 높은 것으로 나타났으나, 전체적인 오염물질 제거율이 20% 이하로 기대만큼 높게 나타나지는 않았다. 이는 단순한 여재의 특성 뿐 만 아니라 수리학적 부하, 접촉시간, 접촉면적 등 여러가지 설계 인자들이 제거율에 복합적으로 영향을 주기 때문인 것으로 판단된다.
- T-N의 제거율은 5개의 lab-scale 실험에서 피트모스를 사용한 반응조가 가장 높았으며, 제거율은 여재 A < 여재 B < 창포 < 잔디 < 잔디 + 피트모스(여재 2)의 순으로 나타났다(Fig.
- 4(a)). T-P의 제거율은 T-N에 비해 비교적 높은 제거효율을 나타내었으며, 여재의 구성에 따른 제거 효율은 T-N과 비슷한 것으로 나타났다.
- 1%). 따라서 피흡착제의 농도가 낮을수록 흡착이 잘 되는 것으로 판단되며, 여재 2가 여재 1에 비해 흡착능이 우수한 것으로 나타났다. 이는 여재 2가 더 고온에서 탄화되어 표면적이 넓어졌기 때문인 것으로 판단된다.
- 이를 활용하여 구성한 5개의 빗물정원에서의 인공강우 오염물질 제거효율을 분석한 결과, T-N, T-P, CODcr 모두 피트모스를 사용한 반응조가 제거율이 가장 높은 것으로 나타났다. 추후 복합여재 구성에 대한 레인가든 설계 연구가 지속된다면 보다 자연형 흡착여재인 피트모스를 효율적으로 사용할 것으로 판단된다.
- 피트모스를 이용하여 개발된 자연형 흡착 여재 1(105℃ 탄화)과 2(550℃ 탄화)의 피흡착제 농도별 흡착능을 비교한 결과, 여재1 보다 여재 2가 흡착능이 더 좋은 것으로 확인되었다. 일반적으로 더 적은 농도를 가지는 피흡착제에서의 흡착량이 더 높은 것으로 확인되었으며, 피흡착제의 농도가 높을수록 흡착량이 감소하는 결과를 나타냈다. 여재 1의 경우 1ppm의 NH4-N에서 약 58% 정도의 흡착능을 나타냈으나, 여재 2의 경우에는 약 64% 정도의 흡착능을 나타냈다.
- 4(c)). 전체적으로, 피트모스(여재 2)를 여재로 사용한 경우 오염물질의 제거 효율이 가장 높은 것으로 나타났다.
- 4(b)). 정확한 이유는 알 수 없으나 아마도 창포를 식종 후 실험을 실시한 기간이 3개월로 짧아, 식종 효과가 정확히 반영되지 못했을 수도 있다고 판단되며, 또는 식종 후 여재의 공극률 변화로 다른 여재의 흡착 기재가 변형되었을 수 있다고 판단된다. 따라서 창포의 영양소 및 중금속 제거 기여도는 추후 지속적인 연구로 판단해야 할 것으로 사료된다.
- 중금속 (Cu, Cd, Pb) 1ppm의 경우 여재 1는 약 45% 전후의 흡착능을 나타냈으며, 여재 B의 경우 약 60% 전후의 흡착능을 나타났다. 평균적으로 살펴보면 1mg/L에서 가장 높은 흡착능을 보였으며(평균 53.4%) 20mg/L에서는 가장 낮은 흡착능을 보였다(평균 35.1%). 따라서 피흡착제의 농도가 낮을수록 흡착이 잘 되는 것으로 판단되며, 여재 2가 여재 1에 비해 흡착능이 우수한 것으로 나타났다.
- 피트모스를 이용하여 개발된 자연형 흡착 여재 1(105℃ 탄화)과 2(550℃ 탄화)의 피흡착제 농도별 흡착능을 비교한 결과, 여재1 보다 여재 2가 흡착능이 더 좋은 것으로 확인되었다. 일반적으로 더 적은 농도를 가지는 피흡착제에서의 흡착량이 더 높은 것으로 확인되었으며, 피흡착제의 농도가 높을수록 흡착량이 감소하는 결과를 나타냈다.
- 피트모스를 이용하여 개발된 자연형 흡착 여재 1과 2의 흡착능을 비교한 결과, 1mg/L에서 가장 높은 흡착능을 보였으며(평균 53.4%) 20mg/L에서는 가장 낮은 흡착능을 보였다(평균 35.1%). 따라서 피흡착제의 농도가 낮을수록 흡착이 잘 되는 것으로 판단되며, 여재 2가 여재 1에 비해 흡착능이 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 이는 단순한 여재의 특성 뿐 만 아니라 수리학적 부하, 접촉시간, 접촉면적 등 여러가지 설계 인자들이 제거율에 복합적으로 영향을 주기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 설계된 빗물정원에서의 오염물질 제거율을 높이기 위한 설계인자를 고려한 다양한 환경에서의 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 정확한 이유는 알 수 없으나 아마도 창포를 식종 후 실험을 실시한 기간이 3개월로 짧아, 식종 효과가 정확히 반영되지 못했을 수도 있다고 판단되며, 또는 식종 후 여재의 공극률 변화로 다른 여재의 흡착 기재가 변형되었을 수 있다고 판단된다. 따라서 창포의 영양소 및 중금속 제거 기여도는 추후 지속적인 연구로 판단해야 할 것으로 사료된다. CODcr의 제거율 역시 피트모스를 사용한 실험에서 가장 높게 나타났다(Fig.
- 이를 활용하여 구성한 5개의 빗물정원에서의 인공강우 오염물질 제거효율을 분석한 결과, T-N, T-P, CODcr 모두 피트모스를 사용한 반응조가 제거율이 가장 높은 것으로 나타났다. 추후 복합여재 구성에 대한 레인가든 설계 연구가 지속된다면 보다 자연형 흡착여재인 피트모스를 효율적으로 사용할 것으로 판단된다.
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