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문제 정의
- 본 연구에서는 대청호 수질개선을 위해 옥천읍에 설치된 인공습지를 이용하여 비강우시 유입되는 하수처리장 방류수의 점오염원과 강우시 유입되는 비점오염원의 유기오염물질이 생태인공습지를 통과하면서 어떤 변화를 하는지 모니터링 하였으며, 특히 강우시 유입되는 비점오염물질을 분석하여 수질정화용 인공습지를 설계할 때 강우시 발생하는 비점오염물질 처리 효율을 높일 수 있는 방법을 제안하고자 하였다.
- 본 연구에서는 하수처리장 방류수를 재처리하여 대청호의 수질개선을 목적으로 설치된 소옥천 생태인 공습지를 대상으로 비강우시와 강우시 동안에 습지에서 유기물오염도를 평가하였고, 이 결과를 기초하여 점오염원과 비점오염원에서 발생하여 인공습지로 유입되는 유기물질을 효율적으로 저감시킬 수 있는 설계방안을 제시하고자 하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 시료는 샘플링 후 4˚C이하로 보관하여 실험실로 옮겨졌으며, 지점별로 채수한 시료의 CODMn(Total-COD, Dissolved-COD)는 수질오염공정시험기준(MOE, 2011)에 준하여 분석하였다. TOC (Total Organic Carbon), DOC (Dissolved Organic Carbon)는 550˚C에서 미리 태운 10 mL 유리병에 담은 후 2NHCl을 첨가하여(pH 2 이하로 맞춤) Air-zero 가스로 포기시켜 CO2를 미리 제거한 후, 고온(680˚C)에서 백금촉매가 내장된 Shimadzu TOC-VCPH로 측정하였다.
- 유기물관리를 목적으로 인공습지를 조성할 때, 비강우시에는 용존형태의 유기물 농도에 초점을 맞추어 개방수역은 전체면적의 20% 이내로 조절하고, 수심이 0 ~ 0.3 m의 얕은 습지의 면적을 50% 이상으로 구성하여 물가에는 정수식물(emergent macrophytes)을 식재하고 유수의 흐름이 있는 곳에는 부유식물(free-floating macrophytes)을 식재하여 식물플랑크톤이 증식할 수 없도록 차광하고, 잘 발달된 뿌리를 통해 유기물을 저감시킬 수 있도록 한다.
대상 데이터
- 현장 수질조사는 비강우시와 강우시 유기물 항목을 중심으로 조사하였으며, 조사기간은 2013년 4월에서 2014년 12월까지 정기적으로 모니터링을 하였다. 강우시 집중조사는 기상청의 일기예보를 통해 강우를 미리 예측하여 조사하였으며, 1차 조사기간은 2014년 8월 17일에서 2014년 8월 23일, 2차 조사기간은 2014년 9월 23일에서 2014년 9월 27일까지 조사하였다(Fig. 2). 시료는 샘플링 후 4˚C이하로 보관하여 실험실로 옮겨졌으며, 지점별로 채수한 시료의 CODMn(Total-COD, Dissolved-COD)는 수질오염공정시험기준(MOE, 2011)에 준하여 분석하였다.
- 본 연구의 조사대상지는 충청북도 옥천군 군북면 지오리에 위치한 소옥천 생태습지로 옥천하수처리장 방류수 및 유역의 비점오염원을 관리하기 위하여 2011년에 준공되었다. 설계 유입 유량은 18,000m3/day, 설계 수리학적 체류시간은 48 h, 시설면적은 34,500 m2로 설계되었으며 인공습지 구조는 Fig.
- 설계 유입 유량은 18,000m3/day, 설계 수리학적 체류시간은 48 h, 시설면적은 34,500 m2로 설계되었으며 인공습지 구조는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 『유입부(IN) → 침강지 1(S1) → 침강지 2(S2) → 깊은 습지(P1) → 얕은 습지(P2) → 생태침강지(S3) → 방류부』로 구성되어 있다.
- 1에 나타난 바와 같이 『유입부(IN) → 침강지 1(S1) → 침강지 2(S2) → 깊은 습지(P1) → 얕은 습지(P2) → 생태침강지(S3) → 방류부』로 구성되어 있다. 습지 조성 후 수생식물을 이용한 수질정화를 위하여 2013년에는 깊은 습지(부레옥잠, 물상추), 얕은 습지(갈대)에 식생을 식재하였으며, 2014년에는 깊은 습지(수련),얕은 습지(갈대), 생태침강지(수련)에 식생을 식재하였다.
- 현장 수질조사는 비강우시와 강우시 유기물 항목을 중심으로 조사하였으며, 조사기간은 2013년 4월에서 2014년 12월까지 정기적으로 모니터링을 하였다. 강우시 집중조사는 기상청의 일기예보를 통해 강우를 미리 예측하여 조사하였으며, 1차 조사기간은 2014년 8월 17일에서 2014년 8월 23일, 2차 조사기간은 2014년 9월 23일에서 2014년 9월 27일까지 조사하였다(Fig.
이론/모형
- 2). 시료는 샘플링 후 4˚C이하로 보관하여 실험실로 옮겨졌으며, 지점별로 채수한 시료의 CODMn(Total-COD, Dissolved-COD)는 수질오염공정시험기준(MOE, 2011)에 준하여 분석하였다. TOC (Total Organic Carbon), DOC (Dissolved Organic Carbon)는 550˚C에서 미리 태운 10 mL 유리병에 담은 후 2NHCl을 첨가하여(pH 2 이하로 맞춤) Air-zero 가스로 포기시켜 CO2를 미리 제거한 후, 고온(680˚C)에서 백금촉매가 내장된 Shimadzu TOC-VCPH로 측정하였다.
성능/효과
- 7mg/L(DCOD가 85%)로 나타났다. 강우시에는 비강우시와는 다르게 습지를 통과하면서 COD 농도가 약간 감소하는 경향을 보였으며, 제거효율은 COD가 47%, DCOD가 18% 정도로 입자성 COD 유기물(약 29%)이 많이 제거되는 것으로 나타났다. 강우시 초기강우(flushing)에 의해 발생되는 비점오염물질의 형태는 용존성 보다는 입자성 오염물질이 대량 발생되고있는 것으로 보고되고 있으며(Lee et al.
- 강우초기에 대량 발생한 입자성 유기물은 인공습지로 유입되어 침전지 역할을 하는 침강지(S1, S2)와깊은 습지(P1)를 통과하면서 많은 양이 침전되어 감소하였고, 강우시 TOC와 COD의 제거효율은 각각 43, 47% 정도로 나타났다. 침강지에서 대부분 침전되어 제거되는 것으로 나타났으며, 수생식물이 식재된 생태수로를 통과하면서 용존성 오염물질의 농도가 크게 감소되는 것으로 나타났다.
- 제거효율은 TOC가 43%, DCOD가 28% 정도로 COD 유기물과는 약간 다르게 입자성 TOC 유기물(약 15%)이 적게 제거되는 것으로 나타났다. 그러나 강우초기에 대량 유입된 TOC 유기물의 대부분은 POC(Particulate Organic Carbon)로 관측되었으며, COD 유기물과 마찬가지로 강우초기에 대량 유입된 입자성TOC 유기물은 침전지 역할을 하는 침강지(S1, S2)와P1-P2-S3를 통과하면서 많은 양이 침전되어 크게 감소하는 것으로 나타났다.
- 6 구간에서 대부분 제거가 되는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구대상의 습지는 강우시 유기물을 저감하기 위한 습지설계로는 비교적 효과가 있을 것으로 평가되었으나 평상시에는 유기물관리가 어려운 구조적인 문제점을 내포하고 있었다.
- 본 연구대상의 인공습지는 개방수역이 넓어 입자형태로 유입된 유기물이 수심 1 ~ 1.5 m, 체류시간 38 h, 면적 13,280 m2, 종횡비 1:1 1:2.6 구간에서 대부분 제거가 되는 것으로 나타났다.
- 본 연구대상지의 인공습지는 구조로 배열되었으며, 저수용량이 33,052 m3, 체류시간은 68 시간으로 나타났다.
- 본 연구대상 인공습지의 조성목적은 옥천하수처리장 처리수를 대청호로 방류시키기 전에 습지를 이용하여 오염물질을 재처리할 목적으로 설계되었으며, 강우시 발생하는 비점오염물질 저감을 위한 습지설계 요소들을 고려했다고는 볼 수 없다. 본 연구의 유기물 조사결과를 보면, 평상시 인공습지로 유입되는(옥천하수처리장 처리수) 유기물은 약 80% 이상이 용존형태로 나타났으며, 강우시에는 입자성 유기물이 약 25 ~ 50%(비강우시 약 20% 이하)로 비강우시보다는 약간 증가하는 경향을 보이고 있었다. 이와 같이 평상시 용존성 유기물 농도가 높게 유입되는 습지에서 유기물을 저감시키기 위해서는 수심이 깊은 개방수역보다는 수생식물이 식재되어 있는 얕은 습지가 효율적이라 할 수 있다.
- 3에 나타내었다. 비강우시 COD 농도는 유입수가 평균 5.3 mg/L, 방류수가 평균 6.2 mg/L로 습지를 통과하면서 약간 증가하는 경향을 보였으며, 인공습지에서의 COD 제거효율은 -21%로 나타났다. 이와 같이 비강우시 유입되고 있는 COD 유기물은 습지를 통과하면 제거되기 보다는 약간 증가하는 경향을 보이고 있었으며, 이러한 원인은 유입수량이 많지 않아 깊은 습지(P1), 얕은 습지(P2), 생태침강지(S3)를 통과하면서 체류시간이 길어져 조류가 성장하는 원인이 되었고, 성장한 조류는 습지내부에서 생성된 COD 유기물로 약 20% 정도 차지하는 것으로 나타났다.
- 5에 나타내었다. 비강우시 TOC, DOC 농도는 유입수가 평균 4.1, 3.5 mg/L, 방류수가 평균 4.3, 3.7 mg/L로 습지를 통과하면서 약간 증가하는 경향을 보였으며, 인공습지에서의 TOC, DOC 제거효율은 -7, -4%로 나타났다. 이와 같이 비강우시에는 COD 유기물과 같이 습지내부에서 생성된 TOC 유기물의 영향으로 습지를 통과하면 제거되기보다는 약간 증가하는 경향을 보이고 있었다.
- 비강우시 생태인공습지에서의 유기물의 변화 특성은 COD, TOC는 용존형태로 유입되며, 습지를 통과하면 제거되기 보다는 약간 증가하는 경향을 보이고있었으며, 이러한 원인은 유입수량이 많지 않아 깊은 습지(P1), 얕은 습지(P2), 생태침강지(S3)를 통과하면서 체류시간이 길어져 조류의 성장을 초래하였고, 성장한 조류는 습지내부에서 유기물 농도를 증가시키는 것으로 나타났다.
- 생태인공습지에서의 TOC와 COD 유기물 농도 변화를 보면, 비강우시에는 구간을 통과하는 동안 입자성보다는 용존성 형태의 변화가 약간 큰 경향을 보였고, 이와 반대로 강우시에 발생하는 비점오염물질 기원의 유기물은 대부분 입자성 이었고, 유입된 입자성 유기물은 습지를 통과하면서 크게 감소하는 농도변화를 보였다.
- 생태인공습지에서의 TOC와 COD 유기물 농도 변화를 보면, 비강우시에는 <유입-침강지-깊은(얕은) 습지-방류> 구간을 통과하는 동안 입자성보다는 용존성 형태의 변화가 약간 큰 경향을 보였고, 이와 반대로 강우시에 발생하는 비점오염물질 기원의 유기물은 대부분 입자성 이었고, 유입된 입자성 유기물은 습지를 통과하면서 크게 감소하는 농도변화를 보였다. 습지 유기물의 특성을 보면 총 유기물(TOC)중 비교적 분해가 쉬운 유기물(COD 유기물)이 약 54%를 차지하고 있었으며, 특히 강우 초기에 유입된 유기물에는 30 ~ 45%가 COD 유기물이 차지하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 인공습지를 이용하여 유기물을 관리하기 위해서는 평상시보다는 강우시 대량으로 유입되는 입자성 유기물과 난분해성 유기물을 효율적으로 처리할 수 있는 생태습지 조성이 필요할 것으로 판단되었다.
- 2 mg/L로 습지를 통과하면서 약간 증가하는 경향을 보였으며, 인공습지에서의 COD 제거효율은 -21%로 나타났다. 이와 같이 비강우시 유입되고 있는 COD 유기물은 습지를 통과하면 제거되기 보다는 약간 증가하는 경향을 보이고 있었으며, 이러한 원인은 유입수량이 많지 않아 깊은 습지(P1), 얕은 습지(P2), 생태침강지(S3)를 통과하면서 체류시간이 길어져 조류가 성장하는 원인이 되었고, 성장한 조류는 습지내부에서 생성된 COD 유기물로 약 20% 정도 차지하는 것으로 나타났다. 인공습지에서 체류시간 증가에 의한 내부생성 COD 유기물에 대한 문제는 이전 연구에서도 지적된 바 있지만(Barber et al.
- 7 mg/L로 습지를 통과하면서 약간 증가하는 경향을 보였으며, 인공습지에서의 TOC, DOC 제거효율은 -7, -4%로 나타났다. 이와 같이 비강우시에는 COD 유기물과 같이 습지내부에서 생성된 TOC 유기물의 영향으로 습지를 통과하면 제거되기보다는 약간 증가하는 경향을 보이고 있었다. 비강우시 습지에서의 TOC 유기물 분포특성을 보면 입자성보다는 용존성 형태(POC/DOC비 1.
- 6 mg/L로(DCOD가 85%)로 나타났다. 제거효율은 TOC가 43%, DCOD가 28% 정도로 COD 유기물과는 약간 다르게 입자성 TOC 유기물(약 15%)이 적게 제거되는 것으로 나타났다. 그러나 강우초기에 대량 유입된 TOC 유기물의 대부분은 POC(Particulate Organic Carbon)로 관측되었으며, COD 유기물과 마찬가지로 강우초기에 대량 유입된 입자성TOC 유기물은 침전지 역할을 하는 침강지(S1, S2)와P1-P2-S3를 통과하면서 많은 양이 침전되어 크게 감소하는 것으로 나타났다.
- 강우초기에 대량 발생한 입자성 유기물은 인공습지로 유입되어 침전지 역할을 하는 침강지(S1, S2)와깊은 습지(P1)를 통과하면서 많은 양이 침전되어 감소하였고, 강우시 TOC와 COD의 제거효율은 각각 43, 47% 정도로 나타났다. 침강지에서 대부분 침전되어 제거되는 것으로 나타났으며, 수생식물이 식재된 생태수로를 통과하면서 용존성 오염물질의 농도가 크게 감소되는 것으로 나타났다.
후속연구
- 습지 유기물의 특성을 보면 총 유기물(TOC)중 비교적 분해가 쉬운 유기물(COD 유기물)이 약 54%를 차지하고 있었으며, 특히 강우 초기에 유입된 유기물에는 30 ~ 45%가 COD 유기물이 차지하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 인공습지를 이용하여 유기물을 관리하기 위해서는 평상시보다는 강우시 대량으로 유입되는 입자성 유기물과 난분해성 유기물을 효율적으로 처리할 수 있는 생태습지 조성이 필요할 것으로 판단되었다.
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