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문제 정의
- 본 연구에서는 실증규모의 반포화 순환식 인공습지의 처리 특성 및 성능을 분석하고 다른 LID-BMP와 비교 평가하였다. 본 연구대상 습지와 침투도랑의 처리성(performance)과 처리안정도(treatment stability)를 분석한 결과 초기 강우유출수 포착장치의 구비로 인하여 습지로 유입되는 오염물질의 농도가 높았음에도 불구하고 일정한 유량의 유입으로 처리성능 및 안정도가 크게 향상된 것으로 나타났다.
제안 방법
- 반면에 Fig. 1-(b)와 같이 WQv보다 큰 경우에는 WQv 이후의 지속 강우유출수는 수계로 By-pass 시키는 원리로 시설을 설계하여 보다 효율적으로 강우유출수를 처리할 수 있도록 설계하였다.
- Fig. 11과 Table 4에는 비점오염저감시설의 성능 및 처리 안정도를 분석하기 위해 본 연구와 Park et al. (2016)이 수행한 도로 강우유출수 처리를 위한 침투도랑의 모니터링 저감효율을 바탕으로 확률 곡선 및 분포 값을 비교하였다.
- Table 2에는 강우유출수 농도에 영향을 줄 수 있는 강우량과 선행건기일수를 오염물질과의 T-test를 통해 유의성을 검토하였다. COD의 경우 강우 깊이와 R2 = -0.
- 강우 유출수의 모니터링은 초기 강우유출수 포착장치에 의해 포집된 강우유출수를 수중교반기를 이용하여 혼합한 후 종합시료(EMC 농도를 대표하는)를 채취하는 방식으로 수행하였다. 본 연구의 특성상 초기 강우유출수만을 포착하여 처리하기 때문에 위와 같은 시료채취방법을 실시하였고 정확성을 검증하기 위해 종합채취 방법과 비교하였다.
- 강우시 채취한 시료의 수질분석항목은 수온, pH, EC, DO, 탁도, TSS, 유기물질, 영양염류, 중금속 및 입도분포에 대하여 분석하였다.
- 일반적인 비점오염저감 목적의 LID 시설은 강우활동으로 인해 시설에 저류된 강우유출수를 침투기작을 통해 저감시킨다. 그러나 본 연구대상 습지는 침투가 불가능한 지반에도 설치가 가능하도록 고안된 시설로 저류된 강우유출수를 재순환을 통하여 처리 후 방류하였다.
- 따라서 본 연구에서는 기존연구의 문제점 해결과 국내의 협소한 국토여건 및 기후여건에 적합하며 LID-BMP 시설의 기능을 충족시킬 수 있는 순환식 습지를 개발하여 불투수면으로부터 강우유출수 처리연구를 수행하였고 부수적으로 시설의 처리성능, 기술의 차별성 등을 다른 비점오염저감 목적의 LID시설과 비교/분석 하였다.
- 또한 표준편차의 경우에는 TSS ±8.5%, COD ±20%, ±TN 16%, TP ±20%로 비교적 안정적으로 처리가 이루어졌다.
- 본 시설의 유효 저류량 산정은 집수면적 500m2에서 누적 강우유출고 5mm를 처리할 수 있도록 설계하였다(Kim et al., 2005).
- 본 연구의 실증시설은 도심지역의 물순환 체계 구축을 위해 도로 강우유출수 처리목적으로 개발하였으며 Fig. 1에는 연구대상 시설의 초기 강우유출수 포착 모식도를 나타내었다.
- 강우 유출수의 모니터링은 초기 강우유출수 포착장치에 의해 포집된 강우유출수를 수중교반기를 이용하여 혼합한 후 종합시료(EMC 농도를 대표하는)를 채취하는 방식으로 수행하였다. 본 연구의 특성상 초기 강우유출수만을 포착하여 처리하기 때문에 위와 같은 시료채취방법을 실시하였고 정확성을 검증하기 위해 종합채취 방법과 비교하였다.
- 12에는 비점오염 저감목적 LID 시설의 집수면적 대비 시설면적의 비율(SA: Surface Area/CA: Catchment Area)과 TSS, TN, TP의 저감효율 관계를 도시하였다. 비교대상 시설은 기존의 KICT(2013)과 MOE(2014)에 연구결과인 빗물정원(Rain Garden), 나무여과상자 (Tree Box Filter), 소규모 인공습지 (Small Wetland), 침투도랑(Infiltration trench), 식생체류지(Bioretention) 등과 비교하였다. 비교대상 시설의 SA/CA 범위는 0.
- 5에는 후속공정인 반포화 순환식 인공습지에 충진된 여재 및 식생을 도시하였다. 섬유여재는 넓은 표면적을 이용하여 미생물이 부착할 수 있는 영역을 증가시키고 섬유여재의 상부에는 화분석을 포설하였는데 여과기작에 의해 입자상 오염물질의 제거를 도모하도록 하였다.
- 5m3, 수위 약 50cm에 해당하는 수치)이다. 습지에는 강우유출수가 균등하게 유입(분포)될 수 있도록 스프링클러 유입방식을 채택하였고 수중펌프를 이용하여 재순환되도록 하였다.
- 유입된 강우유출수는 습지 내부의 재순환 펌프를 이용하여 일일 4회씩(오전 3시, 9시, 오후 3시, 9시)재순환 하였다. 시료 채취는 1, 3, 5일(무강우 일수 NDD: Number of Dry day)을 주기로 수행하였고 시료채취는 재순환이 실시되는 시점인 오후 3시에 수행하였다.
- 유입된 강우유출수는 습지 내부의 재순환 펌프를 이용하여 일일 4회씩(오전 3시, 9시, 오후 3시, 9시)재순환 하였다. 시료 채취는 1, 3, 5일(무강우 일수 NDD: Number of Dry day)을 주기로 수행하였고 시료채취는 재순환이 실시되는 시점인 오후 3시에 수행하였다.
- 침강지에는 집수구역에서 발생하는 초기 누적 강우유출고 5mm만을 포착할 수 있도록 고안된 볼(ball)을 이용한 포착장치를 개발하여 설치하였다(Fig. 4). Ball-type 포착장치는 강우유출수가 침강지로 유입되면 공이 침강지 수위 증가에 따라 함께 상승하여 상부의 구멍을 막아 더 이상 침강지로 강우유출수가 유입되지 않고 수계로 직방류(By-pass) 되는 구조를 갖고 있다.
대상 데이터
- 3에는 순환식 습지의 구조 및 제원을 나타내었다. 본 시설은 전처리 목적의 침강지와 섬유여재, 화분석 등의 여재를 충진한 여과형 습지가 후속처리공정으로 구성되어 있다.
- 시설 규모는 10.2m3이며 침강지는 3.0m3(유효 저류량: 2.5m3)으로 Ball-type 초기강우 포착장치와 By-pass, 비상 By-pass, 퇴적물 채취구로 구성되어 있다.
- 실증시설은 충남 서산시 해미면 산수리 국도 40번 교량의 직하단으로 교량 강우유출수가 주변 산수저수지로 직방류되는 지점에 위치하고 있다(Fig. 2). 해당 교량(도로) 배수구역의 면적은 500m2이며 100% 아스팔트 포장면으로 이루어져 있다.
- 6에는 연구대상 시설이 위치한 서산시 해미면의 2016년 일별 강우분포를 나타내었다. 연구기간동안 총 13회의 모니터링을 수행하였고 모니터링 대상 강우 깊이는 8.0-75.5mm 이었고 선행건기일수는 2-32일로 조사되었다(Table 1).
데이터처리
- 15(b)와 Fig. 15(c)에는 식생 성장 모델(Logistic model)을 이용하여 모니터링 값과 모델 산출값을 비교하였다. 상관분석결과 P<0.
이론/모형
- 수온, pH, EC, DO, 탁도는 현장 측정항목으로 YSI 63, YSI 30, YSI 5000, Hach 2100Q 모델을 이용하여 측정하였고 그 외의 유기물질 및 영양소 항목은 Standard Methods(American Public Health Association (APHA), 2012)와 수질오염 공정시험법(Ministry of Environment (MOE), 2008)에 의거하여 분석하였다.
성능/효과
- 17에는 연구대상 인공습지의 물질수지 분석 결과를 제시하였다. 6개월 동안 총 13회의 강우사상에서 TSS는 4.4kg이 유입되었고 침강지에서 3.9kg이 제거되었으며 습지에서 0.1kg이 제거되어 최종 유출량은 0.4kg이었다. COD의 경우에는 3.
- COD, TN, TP는 각각 27 ∼ 99% (평균 63%), 13 ∼ 59% (평균 36%), 41 ∼ 99% (평균 75%)로 분석되었다.
- TN의 경우 본 연구대상 습지에서 42%가 감소하였고 Niu(2016)의 연구에서는 62%가 저감되었다. COD와 반대로 우드칩을 충진한 습지에서 유입 오염물질량이 적었음에도 불구하고 저감량 및 저감효율이 높았다. TP의 경우 2개의 연구대상 습지에서 각각 81%와 89%가 제거되었다.
- COD의 경우에는 본 연구대상 습지에서 70%가 제거되었고 Niu(2016)의 연구에서는 15%의 제거효율을 보였다. COD의 경우에는 유입 오염물질의 양이 적었음에도 불구하고 합성섬유를 충진한 본 연구대상 습지에서 저감량 및 저감효율이 우수하였다. 그 이유는 앞서 언급하였듯이 우드칩에서 용출되는 유기물질에 의해 습지내부에서 오히려 COD의 양이 증가하였기 때문으로 판단된다.
- TSS 저감효율은 71 ∼ 99%로 평균 92%의 효율을 보였으며.
- 14에는 인공습지의 재순환 영향을 파악하기 위해 NDD(Number of Dry Days)에 따른 오염물질 농도를 제시하였다. TSS와 TP의 경우에는 우드칩을 충진한 습지에서 유입수의 오염물질 농도가 소폭 높게 나타났으나 NDD의 증가에 따라 오염물질이 감소하는 경향을 보였다. 그러나 유기물질(COD)의 경우에는 섬유여재를 충진한 습지에서는 NDD의 증가에 따라 오염물질 농도가 감소하였고 우드칩을 충진한 습지에서는 오염물질 농도가 오히려 증가하는 경향을 나타내었다.
- (2016)의 컴퓨터 시뮬레이션 연구에 의하면 초기 강우 유출수(누적강우유출고 5mm 이하)에 69%의 입자상 물질이 함유하고 있다고 보고하였다. 강우량, 강우강도, 선행건기일수 등 강우인자에 따라 입자상 물질의 배출량이 상이하지만 본 연구는 단 18%의 강우유출수 처리만으로 약 70%에 가까운 입자상 물질을 포집/처리할 수 있는 기술로 도시지역에 소규모 인공습지를 설치할 경우 매우 효과적인 기술로 판단된다.
- 7%로 작았지만 TSS 저감효율이 92%로 우수하였고 TP의 경우에도 75%로 비교적 높은 수준의 저감효율이 나타났다. 그러나 TN의 경우 다른 LID시설에 비하여 낮은 효율을 보였는데 그 이유는 다른 시설의 경우 대부분 침투기작으로 높은 유출저감 능력을 가지고 있어 모든 오염물질의 저감효율에 큰 영향을 미친 반면 본 연구시설은 침투기작을 배제한 처리시설이었기 때문에 상대적으로 저감효율이 낮은 것으로 판단된다. 또한 본 시설은 2016년 설치된 시설로 다른 비교대상시설에 비하여 시설의 성숙도(식생의 활착 및 여재의 성숙도)가 낮기 때문으로 생각된다.
- TSS와 TP의 경우에는 우드칩을 충진한 습지에서 유입수의 오염물질 농도가 소폭 높게 나타났으나 NDD의 증가에 따라 오염물질이 감소하는 경향을 보였다. 그러나 유기물질(COD)의 경우에는 섬유여재를 충진한 습지에서는 NDD의 증가에 따라 오염물질 농도가 감소하였고 우드칩을 충진한 습지에서는 오염물질 농도가 오히려 증가하는 경향을 나타내었다. 그 이유는 Chen et al.
- 그러나 처리안정도(stability)의 척도인 P90/P10을 살펴보면 COD는 유사한 수준을 보였으나 TSS, TN, TP에서 습지의 성능이 월등하게 안정적인 것으로 분석되었다. 이와 같은 결과는 초기 강우유출수 포착장치의 작동으로 일정하고 안정적인 처리가 이루어졌기 때문이다.
- 또한 연구대상 습지와 다른 침투형 LID 시설의 집수면적 대비 시설면적의 비율(SA/CA)과 오염물질 저감효율 관계를 비교한 결과 연구대상 습지에서 SA/CA이 작았지만 TSS, TP은 비교적 높은 수준의 저감효율을 보였다. TN의 경우 다른 LID 시설에 비하여 낮은 효율을 보였다.
- 7에는 강우시 모니터링 결과를 도시하였다. 모든 오염물질 항목에서 일반적인 불투수면에서 발생되는 현상과 마찬가지로 강우초기 높은 오염물질이 유출되는 초기강우유출 효과가 발생하였다.
- 본 시설의 경우 기존의 LID 시설과는 다르게 침투 기능을 배제한 시설이나 TSS, COD, TP 등의 오염물질 저감능력이 우수하였다. 그러나 TN의 저감효율이 저조하였는데 그 이유는 탈질에 필요한 외부 탄소원이 부족하고 포화대의 DO농도(평균= 8.
- 본 연구대상 습지는 강우활동이 적은 건기에도 습지에 설치된 재순환 펌프를 이용해 식생의 원활한 성장을 도모할 수 있고 동시에 도시경관을 향상시키면서 식생증식 및 여과 및 생물학적 기작을 통하여 오염물질을 추가적으로 제거할 수 있다는 측면에서 장점을 갖는다. 그러나 펌프시설의 운영에 따른 전력비 및 전력원의 확보가 필요하다는 단점을 가지고 있음을 밝혀둔다.
- 본 연구에서는 실증규모의 반포화 순환식 인공습지의 처리 특성 및 성능을 분석하고 다른 LID-BMP와 비교 평가하였다. 본 연구대상 습지와 침투도랑의 처리성(performance)과 처리안정도(treatment stability)를 분석한 결과 초기 강우유출수 포착장치의 구비로 인하여 습지로 유입되는 오염물질의 농도가 높았음에도 불구하고 일정한 유량의 유입으로 처리성능 및 안정도가 크게 향상된 것으로 나타났다. 따라서 초기강우 유출수의 포착은 안정적인 처리뿐 만 아니라 경제적인 설계 및 유지관리에 기여할 것으로 사료된다.
- 따라서 질소의 저감을 주 목적으로 설치될 LID 시설의 경우에는 시설 내부에 탄소원을 공급할 수 있는 여재인 우드칩을 추가적으로 충진하여 운전할 경우 질소저감에도 우수한 효율을 보일 것으로 생각된다. 본 연구시설은 침투기작을 배제한 저류형 시설로 공극폐색으로 인한 여재교체 필요성이 상대적으로 적기 때문에 빗물의 재이용 및 경관성이 강조되는 지역에 적합한 공법으로 판단된다.
- 시설별 오염물질의 저감효율을 살펴보면 TSS의 경우 71 ∼ 96% 수준을 보였고, TN, TP는 각각 49 ∼ 93%, 42 ∼ 93%의 범위로 조사되었다. 본 연구시설의 경우 다른 시설에 비하여 SA/CA가 1.7%로 작았지만 TSS 저감효율이 92%로 우수하였고 TP의 경우에도 75%로 비교적 높은 수준의 저감효율이 나타났다. 그러나 TN의 경우 다른 LID시설에 비하여 낮은 효율을 보였는데 그 이유는 다른 시설의 경우 대부분 침투기작으로 높은 유출저감 능력을 가지고 있어 모든 오염물질의 저감효율에 큰 영향을 미친 반면 본 연구시설은 침투기작을 배제한 처리시설이었기 때문에 상대적으로 저감효율이 낮은 것으로 판단된다.
- 16에는 강우활동이 없었던 비강우시 습지의 처리과정을 도시하였다. 습지에 설치된 재순환 펌프를 사용하여 하루 4회의 재순환을 통해 30일간 약 0.45m3(15L/day)이 증발산을 통해 저감되었다.
- 시설별 오염물질의 저감효율을 살펴보면 TSS의 경우 71 ∼ 96% 수준을 보였고, TN, TP는 각각 49 ∼ 93%, 42 ∼ 93%의 범위로 조사되었다.
- 15에는 습지 상부에 식재된 창포의 줄기 수, 키, 생체량 등의 분석 결과를 제시하였다. 식생의 줄기 수, 키, 생체량은 모두 이식을 시작한 6월 중순에서 8월 중순까지 식생의 과정에서 증가하였다가 이후 기온저감으로 성장이 둔화되는 시점에서부터 일정한 수준을 유지하였다.
- 오염물질 저감량을 살펴보면 TSS의 경우 본 연구대상 습지에서 91%가 저감되었고 Niu(2016)의 연구에서는 약 68%가 저감되었다. 앞서 언급하였듯이 강우인자에 따라 유입되는 오염물질의 양이 다르기 때문에 인공습지 상호간의 성능평가는 불가능하나 저감효율 측면에서는 합성섬유를 충진한 본 연구에서 우수한 효율을 보였다.
- 이 결과는 Jung et al. (2008)의 결과와 일치하는 결과로서 본 연구에서도 TSS, TN, TP의 경우 강우량에 영향을 받으며 COD의 경우 선행건기일수의 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 8에는 강우유출수의 시간에 따른 연속채취 및 종합시료 결과를 비교하여 나타내었다. 전반적으로 종합채취 시료의 오염물질 농도가 침강지에 남아있던 미량의 퇴적물로 인해 높은 수준을 보였으나 TSS는 50mg/L, COD는 90mg/L, TN은 4mg/L, TP는 0.2mg/L 수준으로 유사한 결과가 나타났다.
- 중간 값(median))에 해당하는 P50의 경우 본 연구에서 TSS, COD, TN, TP가 각각 91, 60, 34, 72%로 나타났으며 침투도랑에서는 TSS, COD, TN, TP가 각각 76, 74, 46, 53%로 산출되어 TSS, TP의 저감효율은 본 연구대상 습지에서 우수하였고 COD, TN은 침투도랑에서 우수하였다.
- 질소(TN)의 경우 섬유여재를 충진한 본 연구에서 질산화의 척도인 TKN의 감소는 NDD의 증가에 따라 21%(NDD1), 30%(NDD3), 31%(NDD5)로 질산화는 적절하게 이루어졌으나 탈질의 척도인 TN의 감소는 미미한 수준이었다. 그러나 우드칩을 충진한 습지에서는 TN과 TKN이 감소하는 경향을 보였다.
후속연구
- 본 연구대상 습지와 침투도랑의 처리성(performance)과 처리안정도(treatment stability)를 분석한 결과 초기 강우유출수 포착장치의 구비로 인하여 습지로 유입되는 오염물질의 농도가 높았음에도 불구하고 일정한 유량의 유입으로 처리성능 및 안정도가 크게 향상된 것으로 나타났다. 따라서 초기강우 유출수의 포착은 안정적인 처리뿐 만 아니라 경제적인 설계 및 유지관리에 기여할 것으로 사료된다.
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