선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 미세기포 발생장치와 흡착여재 기반의 여과 및 식생정화 등의 요소기술이 적용된 다기능 인공식물섬를 이용한 수질정화능의 성능검증을 위하여 실규모로 테스트베드를 하천에 구축하고, 겨울철과 여름철 각각 약 3개월 동안의 현장 운영 결과를 중심으로 기술의 성능결과를 살펴보았다.
- 본 연구에서는 하천의 흐름이 낮은 정체수역의 수질정화를 도모하고 오염물질에 의한 부영양화 및 녹조발생을 방지하기 위하여 수질정화능이 강화된 인공식물섬 기술을 개발 중에 있고 파일럿 규모로 하천현장에 적용하여 기술의 성능평가를 실시하고 있다.
제안 방법
- 4개의 모듈로 구성된 인공식물섬의 저부에는 노즐 타입의 미세기포 발생장치가 사각형 형태로 설치되어 균일하게 미세기포수가 각 모듈로 공급되도록 설치하였다.
- 다기능 인공식물섬에 미세기포를 공급하기 위하여 별도의 공기가압이 없이 공기투입 및 혼합이 가능한 벤추리 노즐 타입의 펌프형 버블장치 (5 HP, 3상 3600 RPM)를 인공식물섬의 하부 (수면으로부터 0.7 m)에 설치하였다.
- 다기능 인공식물섬에 의한 생태변화 분석을 위해서 실험구 (인공식물섬 내부), 대조구1 (부도 외부), 대조구2 (미설치된 상류지점)로 구분하여 기초 수환경, 동·식물플랑크톤, 저서성 대형무척추동물, 어류 및 육상곤충을 조사하였다.
- 대상하천에 대한 인공식물섬의 수질정화능을 분석하기 위하여 적용된 각 단위공정의 마지막 부분에서 샘플링하여 정화효율을 분석하였다.
- 또한 원활한 공정의 운전과 유지관리를 위하여 전체적인 운영은 낮시간 동안 (8 시간) 운전되도록 PLC (Programmable Logic Controller) 로직에 의하여 자동 운영되도록 시스템을 구축하였다.
- 또한 인공식물섬의 운영 효율성을 위하여 매일 낮시간 동안 (8 시간)에 하천 수질정화를 위하여 운전 되고 이후에는 휴지되도록 PLC 로직에 반영하여 시스템을 설계하였다.
- 미세기포 공기량은 평균적으로 6 L/min으로 공급되었고 미세기포의 평균적인 크기분포를 파악하기 위하여 입자계수기 (Laser Trace Particle Counter, PC3400, CHEMTRAC)로 측정하였다.
- 본 연구에서 다기능 인공식물섬에 의한 수질정화능을 평가하기 위하여 SUS 재질의 프레임과 부력체 (PE pipe) 로 제작된 단일모듈 (3.0 m × 3.0 m)이 4개로 결합된 형태로 인공식물섬을 제작하였다.
- 이와 같이 식생여과 공정을 포함한 미세기포 공정과 인 흡착및 여과 공정이 조합된 다기능 인공식물섬에 의한 수환경 개선정도를 검증하기 위하여 동일 하천에 대하여 인공식물섬에 의한 생태모니터링 분석을 실시하였다. 실험구 (인공식물섬 내부, EG), 대조구1 (인공식물섬 외부, CG1), 대조구2 (미설치된 상류지점, CG2)로 구분하여 수환경, 동 ․ 식물플랑크톤, 저서성 대형무척추동물, 어류 및 육상 곤충을 조사하였다 (Fig. 1).
- 요소기술이 적용된 다기능 인공식물섬의 하천수질정 화능을 분석하기 위하여 요소기술별로 수처리능을 나타낼수 있는 지점을 선정 및 샘플링하여 측정하였다.
- 이러한 성능검증을 위하여 경기도의 정체성 하천에 적용하였고 겨울철과 여름철 현장운영 및 결과분석을 통하여 향후 실규모 주요하천에 적용 가능성을 검토하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 꽃창포는 경량골재에 흡착 및 여과된 다양한 오염물질을 영양원으로 공급받아 성장함으로써 오염물질을 분해하고 또한 뿌리부는 호흡작용으로 수중에 용존 산소를 공급하여 다양한 수생 동식물의 서식처를 제공함으로써 인공식물섬에 의한 소규모의 생태계 조성을 유도하여 대상하천의 수질정화가 향상될 수 있도록 하였다. 이와 같이 식생여과 공정을 포함한 미세기포 공정과 인 흡착및 여과 공정이 조합된 다기능 인공식물섬에 의한 수환경 개선정도를 검증하기 위하여 동일 하천에 대하여 인공식물섬에 의한 생태모니터링 분석을 실시하였다. 실험구 (인공식물섬 내부, EG), 대조구1 (인공식물섬 외부, CG1), 대조구2 (미설치된 상류지점, CG2)로 구분하여 수환경, 동 ․ 식물플랑크톤, 저서성 대형무척추동물, 어류 및 육상 곤충을 조사하였다 (Fig.
- 인공식물섬의 각 모듈에는 레드머드, 1.45 ton을 충전시켜 정수식물 식생부의 지지와 흡착 및 여과에 의한 오염물질 제거, 호기 및 혐기성 미생물 서식, 식생부 영양원 공급부의 기능을 할 수 있도록 하였다.
- 즉, 하천수, 미세기포수 (②), 식생여과수 (⑤)를 채취하였고 일반 항목 (온도, DO, 전기전도도, pH)은 다항목 수질측정기로 측정하였으며 샘플링을 통한 수질분석 항목으로는 유기물은 COD 및 SS, 영양물질은 T-P, 조류의 농도변화를 위해서는 Chl-a를 각각 분석하였다.
- 화살표와 같이 단일모듈 저부에는 미세기포수 공급부 (미세기포공정)가 있어 상부로 미세기포수가 공급되고 (①), 본체의 측면부로 이동하면 (②, ③), 펌프에 의하여 분수노즐을 통해 식생 및 여과부로 고르게 공급 (인흡착 여재 및 식생여과 공정)이 되도록 하여 (④), 최종 처리수는 여과층을 통과하고 최종으로 인공식물섬의 저부로 유출되는 구조로 제작하였다 (⑤).
대상 데이터
- 다기능 인공식물섬의 식생부를 지지하고 하천수 중의 입자성 및 용존성 오염물질을 흡착과 여과를 통하여 제거할 수 있는 기반재로서 비중이 낮고 비표면적이 높은 인공 경량골재 (레드머드, ADPhos TM pellet)를 채택하였다.
- 단위기술이 적용된 다기능 인공식물섬의 성능검증을 위하여 경기도에 위치한 하천의 정체수역에 설치하였다.
- 대상하천은 대상 도시의 호수공원과 한강을 연결하는 기존 중앙배수로 1.3 km 구간을 수변공원으로 조성한 인공 하천 (하상경사: 1/2,600)이다.
- 본 연구의 다기능 인공식물섬 기술에 적용한 미세기포 발생장치는 공기가압이 없이 공기투입 및 혼합이 가능한 벤추리노즐 타입의 펌프형 버블장치이다.
- 인공식물섬의 처리유량은 최대 97.5 m3 /day (하루 8 시간 운전 기준)로 설계하였고 인공식물섬의 상부에는 하천을 정화시킬 수 있는 정수식물로 노란꽃창포를 식재하였으며 식생부의 지지를 위한 기반재로는 경량골재로 사용되는 레드머드를 사용하였다.
- 하천내 오염물질을 정화하기 위한 수생식물로는 정수식물로 알려진 노랑꽃창포를 일정간격으로 모듈당 50수씩 식재하였다.
이론/모형
- 시료의 분석은 수질 오염 공정시험법에 준하여 실내에서 분석하였다.
성능/효과
- 1) 다기능 인공식물섬에 의하여 비점오염물질로 오염된 정체성 하천에 대하여 평균적으로 겨울철과 여름철 처리효율은 COD 15.9%와 40.9%, SS 68.6%와 78.6%, T-P 20.0%와 45.7%, Chl-a 61.1%와 63.2%의 효율을 보여 겨울철보다는 여름철에 높은 처리효율을 갖는 것으로 나타났다.
- 2) 다기능 인공식물섬에 적용된 계절별 단위기술에 의한 처리효과를 분석한 결과, 계절적인 요인과 외부 환경적인 요인이 복합적으로 작용하여 대상 시험 하천의 원수 농도변화가 매우 높았고 그에 따라서 식물섬에 의한 오염물 처리농도와 처리효율 간의 차이가 시기별로 각기 다른 결과를 나타내어 정체성 오염하천을 효과적으로 제어하고 정화시키기 위해서는 보다 장기적인 모니터링을 통한 성능분석이 필요한 것으로 판단된다.
- 5) 인공식물섬 주변에 생태변화를 조사한 결과 다양한 동식물의 서식이 관찰되어 식물섬 하부로 미세기포의 공급은 하천 저부에 DO 농도를 향상시켜 혐기화에 의한 물질의 환원현상 방지 및 수류순환 기능에 의한 하천혼합을 유도하여 환경친화적인 수생태계 조성을 제공할수 있으며 이와 같은 결과를 통하여 정체수역의 수질이 개선되고 다양한 동식물의 성장으로 정체수역 저부의 물질순환이 개선될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
- 겨울철 강우사상 증가 및 기후적인 영향으로 하천의 수질변화가 매우 급변했던 사항을 고려할 때 미세기포 발생장치에 의한 처리율은 겨울철 (COD 10.1 mg/L, SS 18.0 mg/L, Chl-a 19.9 μg/L) 보다는 여름철 (COD 19.9 mg/L, SS 9.1 mg/L, Chl-a 39.7 μg/L) 평가기간에 T-P를 제외한 모든 수질항목에서 다소 높은 결과 (COD 23.6%, SS 33.1%, Chl-a 39.2%)를 보였다.
- 그 결과, 식물플랑크톤은 실험구에서 19속 26종, 대조 구에서 16속 22종이 출현하였으며, 현존량은 실험구에서 26,409 cells/ml, 대조구에서 28,424 cells/ml로 조사되어 실험구인 부도 내의 TiO2 (광촉매)가 식물플랑크톤의 현존량을 감소시키는 효과가 있는 것으로 판단되었다.
- 다기능 식생부도에 적용된 단위요소기술에 대한 계절별 수질정화 처리효율 결과를 살펴보면 겨울철에는 흡착/식생여과에 의한 처리가 더 우수하였고 여름철에는 미세 기포 발생에 의한 처리효과 기여도가 상대적으로 높은 것으로 나타났다.
- 대상하천에서의 운전결과가 운전초기인 겨울철에 처리수질이 낮은 것은 인공 경량골재의 높은 인 흡착/여과능으로 인해서 운전초기에 높은 처리효율로 기인한 것으로 판단되고 여름철에는 넓은 표면적에 의해서 수중의 인을 흡착 시킬 수 있는 식생기반재인 레드머드가 시간이 지남에 따라서 이미 다양한 수중의 유무기 영양물질이 다량 흡착되어 제거능이 한계에 도달하여 여름철의 처리수질이 겨울철의 경우보다 높게 나타났고 처리효율도 COD 항목을 제외하고는 모두 낮게 분석된 것으로 사료된다.
- 대상하천의 계절별 평균 수질변화를 보면 겨울철보다 여름철 평균수질의 오염도가 T-N을제외하고는 모두 높은 것을 알 수 있다.
- 또한 본 논문에는 제시하지 않았으나 2015년 겨울철에는 계절적인 영향으로 잦은 강우가 있었고 2016년도 여름철에는 무강우일수가 길고 높은 수온으로 인한 증발산량의 영향으로 대상하천의 수질이 겨울철에는 빗물과 혼합되는 현상으로 오염도가 낮고 여름철에는 상대적으로 수질 오염도가 높았던 것으로 판단된다.
- 또한 인공식물섬의 생태변화 결과 분석을 통하여 실험군과 대조군에 대한 동식물 분포를 분석한 결과 다양하고 개체수도 많은 식생과 동물들의 서식처 역할을 하는 것으로 나타났고 온도가 낮고 생태활성도가 저하되는 겨울철 보다는 서식환경이 우월한 여름철에 성장 정도 및 다양성이 높아서 인공식물섬을 중심으로 집중되는 동․식물플랑크톤, 저서성 대형무척추동물, 어류 및 육상곤충의 생태서식에 요구되는 영양원 섭취에 의한 대상하천의 오염물질 소모 정도가 높을 수 있었던 것으로 판단된다.
- 모든 수질항목에서 나타난 바와 같이 인공식물섬의 운영효율이 겨울철 (COD 15.9%, SS 68.6%, T-P 20.0%, Chl-a 61.1%) 보다는 여름철의 처리결과 (COD 40.9%, SS 78.6%, T-P 45.7%, Chl-a 63.2%)가 우수한 것으로 측정되었으나 항목별 처리농도를 살펴봤을 때는 T-N을 제외하고는 모든 항목에서 다소 높은 농도 (COD 16.0 mg/L, SS 3.5 mg/L, T-P 0.10 mg/L, Chl-a 30.2 μg/L)로 측정되었다.
- 인 흡착/여과및 식생여과 기반재로 사용된 레드머드를 현장적용 전과 후의 단위부피 (m3 )당 건조중량을 비교 분석한 결과 약 10.6 kg의 차이가 있는 것으로 측정되어서 여재의 흡착/여과능이 저하되었고 이로 인하여 제거 효율저하로 관측된 것으로 판단된다.
- 인공식물섬에 설치한 식생기반재와 노란꽃창포에 의한 인 흡착/여과 및 식생여과 공정의 계절별 운전결과를 분석한 Table 3과 같이, 대상원수의 농도가 높았던 여름철에 대하여 단위 요소공정에 의한 처리농도 (COD 16.0 mg/L, SS 3.5 mg/L, T-P 0.10 mg/L, Chl-a 30.2 μg/L)가 겨울철 (COD 9.1 mg/L, SS 1.6 mg/L, T-P 0.04 mg/L, Chl-a 8.1μg/L)에 비하여 높게 나타났고 처리효율 측면에서는 COD를 제외하고 겨울철의 운전결과 (SS 76.5%L, T-P 34.2%, Chl-a 59.5%)가 더 우수한 것으로 분석되었다.
- 입자계수기로 측정한 결과 발생되는 평균 미세기포의 입경이 10 μm 이하가 50%에 달하는 것으로 나타나 나노에서 부터 마이크로까지의 다양한 크기의 미세기포를 갖는 것으로 나타났다.
- 저서성 대형무척추동물은 총 3문 3강 7목 11과 13종 504개체가 출현하여, 실험구에서 뚜렷한 차이가 나타났으며 어류는 382개체가 출현하여 실험구와 대조구 지점간의 종수 및 전장 평균의 차이는 없으나, 인공식물섬이 설치된 실험구에서 개체수가 훨씬 많아 그에 따라 다양한 생물군이 서식할수 있는 미소서식처 제공효과가 있는 것으로 판단되었다.
후속연구
- 3) 또한 인 흡착/여과 공정을 위하여 식생기반재로 사용된 인공 경량골재는 적용 초기인 겨울철에 저농도의 하천원수에 대하여 낮은 처리농도를 나타냈고 오염유입 부하가 높은 여름철에는 처리수의 농도는 비교적 높았으나 오염물의 제거효율은 다소 저하되어 장기 모니터링을 통한 표면적이 넓은 경량 식생기반재의 흡착능 파악을 통한 교체주기 결정이 필요할 것으로 판단된다.
- 4) 여름철에 인공식물섬에 의해서 조성되는 생태환경의 변화에 의한 다양한 동식물의 종류 및 성장정도가 대상 하천의 수질개선에 이바지하는 것으로 나타났으며 추가적인 운영효율 분석을 위해서는 장기 모니터링을 통한 시기별 생태분석을 통한 대상하천 수질개선효과 검증이 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 계절에 따른 외부환경 변화 및 비점오염물질의 영향으로 하천수의 유량과 농도변화가 매우 커서 다기능 인공식물섬의 보다 정확한 운전성능을 분석하기 위해서는 충분한 장기적인 운영결과의 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 적용된 기반재는 가벼우면서 비교적 비표면적이 넓어서 오염물질을 흡착할 수 있는 기능이 있어 하천수에 포함된 인을 제거하는데 기여할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.