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문제 정의
- 본 연구는 화산분출물 중 화산력을 활용한 친환경적인 식생블록을 개발하기 위한 기초 연구로서, 백두산 화산력 및 한라산 화산력을 주골재로 사용한 화산력-바이오 블록의 식생특성을 검토한 후 블록을 오염수내에 수침시켜 수질정화특성을 중점적으로 분석하였으며, 향후 화산분출물의 친환경 건설재료로서의 활용성을 하기 위한 관련정보를 제공하고자 하였다.
- 본 연구는 화산력-바이오 블록의 친환경적 건설재료로의 활용을 위한 기능적 성능검토에 대한 기초적 연구로서, 중성화 처리된 백두산 및 한라산 화산력-바이오 블록의 식생특성 및 수질정화특성을 규명하고자 하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 이후 제작용 몰드에 혼합된 재료를 투입하고 다짐을 실시하여 15×15×5 cm의 블록형 공시체를 제작하였다.
- 식생 특성 실험을 위한 블록의 단면은 식생 후 식물의 성장 특성 확인 및 평가가 용이하도록 15×15 cm의 크기로 하였으며, 블록의 높이는 식생 후 식물의 뿌리가 고착되어 성장할 수 있는 공간을 확보할 수 있도록 5 cm로 하였다.
- (2014)의 연구결과를 바탕으로 물시멘트비 25 %, 설계공극률20 %로 설정하였다. 재료의 혼합에는 콘크리트 혼합용 소형 믹서를 이용하였으며, 고성능 AE 감수제를 사용하여 단위수량 저감 및 워커빌리티를 개선하였다.
- 제작된 화산력-바이오 블록은 식생의 생장을 위하여 공시체 제작 후 28일간 수중양생을 수행하였으며, 수중양생 완료 후 제이인산암모늄{(NH4)2HPO4)} 10 % 수용액에 10분간 침지함으로써 중성화 처리를 수행하였다.
- 파종 후 온도 및 외부 환경 조절을 통하여 씨앗의 발아 및 생육이 진행될 수 있도록 하였으며, 씨앗의 원활한 생육을 위하여 충분한 수분량을 지속적으로 공급하였다. 씨앗의 발아 및 초기 생육 상태를 주기적으로 관찰하여 식물의 성장에 따른 초장의 길이를 직접 측정하였다. 또한 파종 후 4주가 지난 시점에서 근계력 실험을 실시하였으며, 근계력을 정량적으로 분석하기 위하여 1.
- 씨앗의 발아 및 초기 생육 상태를 주기적으로 관찰하여 식물의 성장에 따른 초장의 길이를 직접 측정하였다. 또한 파종 후 4주가 지난 시점에서 근계력 실험을 실시하였으며, 근계력을 정량적으로 분석하기 위하여 1.96 Mpa 용량의 인장력 시험기를 사용하였다.
- 식생을 배양한 화산력-바이오 블록의 수질정화 효과 분석을 위하여, ○○대학교 내의 ○○지에서 수집한 초기오염수에 공시체를 수침시킨 후 (Fig. 4 참조), 1주, 2주, 4주 간격으로 샘플을 채취하였으며, 수질오염공정시험법에 준하여 수소이온농도 (pH), 생물화학적 산소요구량 (BOD), 화학적 산소요구량 (CODMN), 부유물질 (SS), 총질소 (T-N), 총인 (T-P)에 대하여 분석하였다 (Table 5 참조).
대상 데이터
- 본 연구에서는 화산력-시멘트 혼합 바이오 블록의 주골재원으로 최소입경 2 mm 이상의 백두산 화산력과 한라산 화산력을 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 시멘트는 국내 H사에서 제조한 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, Table 3과 Table 4는 사용한 시멘트의 물리적･화학적 특성을 나타낸다.
- 파종씨앗은 페레니얼 레이그라스 (Perennial ryegrass)를 선정하여 씨앗의 유실 방지 및 발아의 원활한 진행을 목적으로 블록 위에 1.5 cm 두께로 배양토를 포설하였다. 페레니얼 레이그라스는 초기생육이 빠르고 정착 및 분얼력이 강하여 이른봄부터 이용할 수 있으며, 내한성이 강한 화본과 목초로서 사료작물, 토양보존용으로도 이용되며 최근에는 잔디로도 널리 이용되고 있는 특징이 있다.
성능/효과
- 1은 백두산 화산력과 한라산 화산력의 입도분포곡선을 나타내고 있으며, Table 1은 두 화산력의 물리적 특성을 나타내고 있다. 두 화산력의 No.4체 (4.76 mm) 통과량은 모두 50 % 미만으로 확인되었으며, 백두산 화산력은 균등계수 (Cu) 1.43, 곡률계수 (Cc) 0.92로 입도분포가 불량한 자갈(GP), 한라산 화산력은 균등계수 (Cu) 6.03, 곡률계수 (Cc) 2.08로 입도분포가 양호한 자갈(GW)로 구분되어진다.
- Table 2는 화산력의 화학적 특성을 나타내며, 성분마다 다소 차이는 있으나 백두산 화산력과 한라산 화산력 모두 SiO2의 함량이 가장 큰 것으로 나타났으며, 백두산 화산력이 한라산 화산력보다 SiO2의 함량이 큰 것으로 확인되었다.
- 파종 후 온도 및 외부 환경 조절을 통하여 씨앗의 발아 및 생육이 진행될 수 있도록 하였으며, 씨앗의 원활한 생육을 위하여 충분한 수분량을 지속적으로 공급하였다. 씨앗의 발아 및 초기 생육 상태를 주기적으로 관찰하여 식물의 성장에 따른 초장의 길이를 직접 측정하였다.
- 중성화 처리된 화산력-바이오 블록에 페레니얼 레이그라스를 파종한 이후 1주 전후에서 초기발아가 시작되었으며, 초기발아율은 약 20 ~ 25%를 나타내었으며, 초기 발아 후 약 1주 후의 발아율은 약 80 ~ 85%를 나타내고 있는 것으로 확인되었다. 이와 같이 초기발아율이 높게 나타난 것은 페레니얼 레이그라스의 생장특성에 기인한 것으로 판단된다 (Kim et al.
- 5 cm을 나타내었다. 측정된 식생의 생장량은 Yoon et al. (2012)의 연구에서 측정한 생장량과 유사하게 나타났으며, 따라서, 블록의 주 재료인 시멘트가 식생의 생장특성에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
- 본 연구 결과 백두산 화산력-바이오 블록의 근계력은 0.24 ~ 0.79 kPa, 한라산 화산력-바이오 블록의 근계력은 0.29 ~ 0.93 kPa로 나타났으며, 화산력-바이오 블록 절단하여 관찰한 결과 한라산 화산력-바이오 블록이 식물의 뿌리가 상대적으로 길게 생장한 것을 확인하였으며, 이러한 현상이 블록과의 부착력을 향상시키므로, 근계력도 높게 나타나는 것으로 사료되며, 이는 한라산 화산력이 백두산 화산력보다 공극이 다소 많은 재료적 특성에 기인한 것으로 판단된다. 또한 4주 경과시 근계력 값은 2주에서의 값보다 다소 떨어지는 경향을 보이고 있는데, 이는 페레니얼 레이그라스의 특성상 초장이 길어 잔디 면이 누운 상태로 되어 줄기와 뿌리 조직에 연약화를 발생시켰기 때문으로 판단된다.
- pH (수소이온농도)는 수침1주 경과시 초기 오염수 농도보다 다소 증가하였으나, 이후 4주 경과시까지 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 일반적인 시멘트 혼합블록의 경우 결합재로 사용되는 시멘트의 영향으로 pH가 증가하게 되나, 화산력-바이오 블록의 경우 중성화처리를 거침으로서 시멘트의 영향이 줄어든 것으로 판단된다.
- 수중에 현탁되어 있는 불용성 물질인 SS (부유물질)는 초기 오염수 농도가 3.50 mg/L이었으나, 4주 경과시 백두산 화산력-바이오 블록의 경우 1.60 mg/L, 한라산 화산력-바이오 블록의 경우 2.10 mg/L으로 나타나, 초기 유입수 대비 각각 55 %, 40 %의 개선효과가 확인되었다. 이는 화산력의 재료적 특성인 1.
- T-N은 초기 오염수 농도가 4.60 mg/L이었으나, 4주 경과 후 백두산 화산력-바이오 블록과 한라산 화산력-바이오 블록에서 각각 2.70 mg/L 및 2.80 mg/L로 감소하여 초기 오염수 대비 약 41 %와 31 %의 개선효과를 나타내었다 (Fig. 8 (a)).
- T-P (총인)는 초기 오염수 농도가 0.50 mg/L이었으나, 4주 경과후 백두산 화산력-바이오 블록과 한라산 화산력-바이오 블록에서 각각 0.10 mg/L 및 0.17 mg/L로 감소하여 초기 오염수 대비 약 80 %와 66 %로 상당한 개선효과를 나타내었다(Fig. 8 (b)).
- 이상의 결과를 종합해 보면, 백두산 및 한라산 화산력-바이오 블록을 통해 SS, T-N, T-P의 개선효과를 확인할 수 있으며, 이는 Lee et al. (2013)의 연구결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 사료되며, 백두산 화산력-바이오 블록의 개선효과가 한라산 화산력-바이오 블록의 개선효과보다 다소 우수한 것으로 판단된다.
- 본 실험에서 화산력-바이오 블록의 수침 초기에 실험값이 초기 오염수의 농도가 일부 증가하는 이유는 씨앗의 유실 방지 및 발아의 원활한 진행을 목적으로 포설한 배양토가 미량 수중에 유입됨에 기인한 것으로 사료되며, 수침시간이 증가할수록 오염수의 농도가 다소 개선되는 것으로 나타났다. 따라서 화산력-바이오 블록은 장기간의 수침시간을 유지할 경우 오염수의 농도가 개선될 수 있을 것으로 판단되며, 특히 pH, BOD, CODMN 및 T-N 농도의 개선효과에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 실험에서 화산력-바이오 블록의 수침 초기에 실험값이 초기 오염수의 농도가 일부 증가하는 이유는 씨앗의 유실 방지 및 발아의 원활한 진행을 목적으로 포설한 배양토가 미량 수중에 유입됨에 기인한 것으로 사료되며, 수침시간이 증가할수록 오염수의 농도가 다소 개선되는 것으로 나타났다. 따라서 화산력-바이오 블록은 장기간의 수침시간을 유지할 경우 오염수의 농도가 개선될 수 있을 것으로 판단되며, 특히 pH, BOD, CODMN 및 T-N 농도의 개선효과에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 1. 근계력 시험 결과, 발아 후 1주, 2주, 4주 경과후 측정된 근계력은 백두산 화산력-바이오 블록의 경우 0.24 ~ 0.79 kPa, 한라산 화산력-바이오 블록의 경우 0.29 ~ 0.93 kPa의 범위로 생장 시간에 따라 점차적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 공극이 많은 화산력의 재료특성에 기인하여 뿌리의 흡착력이 양호하게 나타난 것으로 사료된다. 따라서 화산력-바이오 블록은 식생의 생장이 충분히 가능하므로 친환경적인 식생블록으로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 2. 중성화 처리된 화산력-바이오 블록을 오염수에 장기간 수침조건을 유지할 경우 부유물질 (SS), 총인 (T-N) 및 총질소 (T-N)의 개선효과가 있으며 이를 통해 하천수질 오염농도를 향상시킴으로써 수질정화에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 시멘트를 결합재로 사용한 블록의 경우 시멘트의 영향으로 인해 pH가 증가할 수 있으므로, pH의 영향을 크게 받는 생태하천 등에 대해서는 중성화 처리된 화산력-바이오 블록을 수질정화블록으로 적용하는 것이 시멘트 블록 보다 더 적절할 것으로 판단된다.
- 중성화 처리된 화산력-바이오 블록을 오염수에 장기간 수침조건을 유지할 경우 부유물질 (SS), 총인 (T-N) 및 총질소 (T-N)의 개선효과가 있으며 이를 통해 하천수질 오염농도를 향상시킴으로써 수질정화에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 시멘트를 결합재로 사용한 블록의 경우 시멘트의 영향으로 인해 pH가 증가할 수 있으므로, pH의 영향을 크게 받는 생태하천 등에 대해서는 중성화 처리된 화산력-바이오 블록을 수질정화블록으로 적용하는 것이 시멘트 블록 보다 더 적절할 것으로 판단된다.
후속연구
- 그러나, 화산력을 수질정화용 재료원으로 활용한 연구는 초기단계로서, 화산력의 강도특성, 미세구조 등을 고려해볼 때 수질정화를 위한 바이오 식생블록 및 인공어초 등에 활용이 가능할 것으로 사료되며 향후 지속적인 연구진행이 필요한 것으로 판단된다.
- (화학적 산소요구량)은 백두산 화산력-바이오 블록과 한라산 화산력-바이오 블록 모두 1주 경과시 증가하였다가 시간이 지남에 따라 점차 감소경향을 보이고 있으나, 그 값이 초기 오염수의 농도보다 크게 나타나 뚜렷한 개선 효과를 확인할 수 없다. 그러나, 초기 농도의 증가는 오염수에 블록 수침시 배양토의 유입으로 인한 일시적인 현상으로 판단되며, 장기적의 수침시간을 유지할 경우에는 BOD와 CODMN의 농도가 점차 개선될 여지가 있을 것으로 사료된다 (Fig. 7).
- 다만, 본 실험결과는 4주의 경과기간을 거친 실내실험을 대상으로 하였으며, 향후 현장 적용시험 등 지속적인 연구의 진행을 통해 수질정화 능력을 추가적으로 검증하여야 할 것으로 사료된다.
- 93 kPa의 범위로 생장 시간에 따라 점차적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 공극이 많은 화산력의 재료특성에 기인하여 뿌리의 흡착력이 양호하게 나타난 것으로 사료된다. 따라서 화산력-바이오 블록은 식생의 생장이 충분히 가능하므로 친환경적인 식생블록으로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 3. 본 연구에서 얻어진 화산력-바이오 블록의 식생 및 수질정화 특성은 생태호안 및 어도 등 화산력의 친환경적 건설재료로서의 제품화에 사전자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 실험결과는 4주의 경과기간에 대한 단일조건을 반영한 실내실험을 통해 얻어진 결과로서, 향후 장기적인 관점에서의 하천 현장 실증시험 등을 통해 화산력-바이오 블록의 건설재료로서의 적용성을 재확인할 필요가 있다.
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