본 연구는 하수처리를 위한 VF-HF 조합형 인공습지에서 굴패각이 인공습지 수명에 미치는 영향을 조사하기 위해, 6년간 인공습지에서 총인의 농도 변화를 장기간 모니터링 한 후 이를 토대로 굴패각이 인공습지의 수명 연장에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다. 왕사만 사용한 system A에서 인이 실제 포화에 도달하는 시간은 최대 인 흡착능력에 기반한 이론적 포화치에 비해 4배 이상 긴 것으로 평가되었으며, 특히 인의 포화패턴은 운영 초기에는 일정농도 수준으로 유지되다가 흡착에서 파과점과 같은 지점을 통과하면서 서서히 포화가 진행되어가면서 최종적으로 포화에 도달하였다. 굴패각과 왕사를 혼합한 여재를 사용한 system B에서도 이론적 포화예상시간을 초과하여 안정적으로 인이 처리됨을 확인하였고, 굴패각의 첨가로 system A에 비해 인의 포화시기가 연장됨을 확인하였다. 이상의 결과를 미루어 볼 때 실제 인공습지 여재에 굴패각을 혼합하면 여재의 인 흡착량을 증가시켜 이론적인 포화치보다 인의 포화시기를 더 늘릴 수 있으며, 최종적으로 인공습지의 수명을 연장 시킬 수 있다고 판단된다. 또한 굴패각을 사용하는 것은 굴 양식장에서 발생하는 부산물인 굴패각을 재활용하는 것으로서 폐기물의 재활용 측면에서 환경오염을 줄이기 위한 방안으로도 활용될 수 있을 것이다.
본 연구는 하수처리를 위한 VF-HF 조합형 인공습지에서 굴패각이 인공습지 수명에 미치는 영향을 조사하기 위해, 6년간 인공습지에서 총인의 농도 변화를 장기간 모니터링 한 후 이를 토대로 굴패각이 인공습지의 수명 연장에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다. 왕사만 사용한 system A에서 인이 실제 포화에 도달하는 시간은 최대 인 흡착능력에 기반한 이론적 포화치에 비해 4배 이상 긴 것으로 평가되었으며, 특히 인의 포화패턴은 운영 초기에는 일정농도 수준으로 유지되다가 흡착에서 파과점과 같은 지점을 통과하면서 서서히 포화가 진행되어가면서 최종적으로 포화에 도달하였다. 굴패각과 왕사를 혼합한 여재를 사용한 system B에서도 이론적 포화예상시간을 초과하여 안정적으로 인이 처리됨을 확인하였고, 굴패각의 첨가로 system A에 비해 인의 포화시기가 연장됨을 확인하였다. 이상의 결과를 미루어 볼 때 실제 인공습지 여재에 굴패각을 혼합하면 여재의 인 흡착량을 증가시켜 이론적인 포화치보다 인의 포화시기를 더 늘릴 수 있으며, 최종적으로 인공습지의 수명을 연장 시킬 수 있다고 판단된다. 또한 굴패각을 사용하는 것은 굴 양식장에서 발생하는 부산물인 굴패각을 재활용하는 것으로서 폐기물의 재활용 측면에서 환경오염을 줄이기 위한 방안으로도 활용될 수 있을 것이다.
BACKGROUND: Constructed wetlands are low-cost alternatives for treating domestics sewage. However, previous study has reported that the removal of phosphorus in constructed wetlands was limited. Therefore, a new alternative was needed to extend the life of the constructed wetlands. The purpose of th...
BACKGROUND: Constructed wetlands are low-cost alternatives for treating domestics sewage. However, previous study has reported that the removal of phosphorus in constructed wetlands was limited. Therefore, a new alternative was needed to extend the life of the constructed wetlands. The purpose of this study was to evaluate the effect of total phosphorus removal by oyster shell on longevity of constructed wetlands for treating domestic sewage. METHODS AND RESULTS: The changes of total phosphorus concentration and treatment efficiency in two constructed wetlands (CWs) classified as system A (coarse sand 100%) and system B (coarse sand 90%+oyster shell 10%) were investigated for 6 years. The actual saturation time of total phosphorus in the systems A and B was estimated to be longer than that of theoretical saturation by adsorption isotherm experiment. In particular, the saturation pattern of phosphorus in system A was maintained at a certain concentration level in the initial stage of operation, and finally saturation was reached as the saturation gradually progressed from the breaking point. In system B, the saturation period of phosphorus was prolonged as compared with system A due to the addition of oyster shells. CONCLUSION: Our results suggest that the longevity of the constructed wetlands can be extended due to the phosphorus saturation by adding the oyster shells to the coarse sands in constructed wetlands.
BACKGROUND: Constructed wetlands are low-cost alternatives for treating domestics sewage. However, previous study has reported that the removal of phosphorus in constructed wetlands was limited. Therefore, a new alternative was needed to extend the life of the constructed wetlands. The purpose of this study was to evaluate the effect of total phosphorus removal by oyster shell on longevity of constructed wetlands for treating domestic sewage. METHODS AND RESULTS: The changes of total phosphorus concentration and treatment efficiency in two constructed wetlands (CWs) classified as system A (coarse sand 100%) and system B (coarse sand 90%+oyster shell 10%) were investigated for 6 years. The actual saturation time of total phosphorus in the systems A and B was estimated to be longer than that of theoretical saturation by adsorption isotherm experiment. In particular, the saturation pattern of phosphorus in system A was maintained at a certain concentration level in the initial stage of operation, and finally saturation was reached as the saturation gradually progressed from the breaking point. In system B, the saturation period of phosphorus was prolonged as compared with system A due to the addition of oyster shells. CONCLUSION: Our results suggest that the longevity of the constructed wetlands can be extended due to the phosphorus saturation by adding the oyster shells to the coarse sands in constructed wetlands.
따라서 본 연구는 시스템형 인공습지에서 굴패각의 적용 유무가 인 처리효율에 미치는 영향과 인의 포화가 인공습지 수명 연장에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하수 처리를 위한 VF-HF 조합형 인공습지에서 6년간 인공습지의 유입수와 유출수 중 인의 농도 변화와 처리효율을 장기간 모니터링 하였고, 굴패각의 적용유무가 인 처리효율에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
제안 방법
인공습지 하수처리장에서 굴패각이 인 처리효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 batch와 column실험을 통해 알려진 왕사 및 왕사 : 굴패각(9:1)의 이론적 여재 g 당 인 제거량(Lee et al., 2003; Park et al., 2017)과 본 실험의 g 당 인 제거량을 비교하여 인공습지의 수명을 평가하였다.
하수처리를 위한 인공습지에서 인 제거효율은 2012년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지 6년간 매월 1회씩 채취하여 분석하였으며 System A와 B로 구성된 인공습지에서 유입수, 1차 처리조(수직흐름조) 처리수와 2차 처리조(수평흐름조) 처리수의 총 인 농도를 6년 동안 조사하였다. 인공습지내의 인 함량 변화를 모니터링한 후 그 결과를 활용하여 연도별 및 시스템별 단계별 처리수중의 총 인의 농도를 분석하고 이들 결과를 토대로 하여 굴패각이 인공습지 수명에 미치는 영향을 평가하였다.
하수처리를 위한 인공습지에서 인 제거효율은 2012년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지 6년간 매월 1회씩 채취하여 분석하였으며 System A와 B로 구성된 인공습지에서 유입수, 1차 처리조(수직흐름조) 처리수와 2차 처리조(수평흐름조) 처리수의 총 인 농도를 6년 동안 조사하였다. 인공습지내의 인 함량 변화를 모니터링한 후 그 결과를 활용하여 연도별 및 시스템별 단계별 처리수중의 총 인의 농도를 분석하고 이들 결과를 토대로 하여 굴패각이 인공습지 수명에 미치는 영향을 평가하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용되어진 인공습지는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 수직흐름조(VF; Vertical flow)와 수평흐름조(HF; Horizontal flow)로 구성된 인공습지이며 여재로 왕사만 100% 충진한 system A와 왕사와 굴패각을 9:1의 비율로 혼합하여 충진한 system B로 구분하여 제작되었다. System B의 경우 굴패각은 입경이 2-4 mm인 굴패각을 사용하였으며, 추가적인 굴패각의 물리화학적 특성은 Seo et al.
본 연구에 사용되어진 생활하수는 경상남도 진주시 수곡면에 위치한 요산마을에서 배출되는 생활하수를 이용하였으며, 이화학적 특성은 다음과 같다. pH 7.
이론/모형
수질분석은 수질오염공정시험법과 APHA의 standard method에 준하여 다음과 같이 분석하였다(APHA, 2005). pH는 초자전극법, EC는 EC meter (Orion, Model 160, Germany)로 분석하였으며, 용존산소 및 BOD는 용존산소적정법, SS는 유리섬유여과법, T-N은 자외선/가시선 분광법산화법 및 T-P는 자외선/가시선 분광법으로 분석하였다.
여재의 분석은 토양화학분석법에 준하여 다음과 같이 하였다. 여재의 pH는 초자전극법, EC는 EC meter (Orion, Model 160, Germany)로 분석하였고, 유기물은 Tyurin법, 총질소는 Kjeldahl법, 총인은 Vanadomolybdate법으로 분석하였다. 그리고 K, Ca, Mg 및 Na의 분석은 습식분해액으로 분해시킨 여액을 필요에 따라 희석하여 ICP (OPTIMA 4300DV.
성능/효과
Batch 실험을 통한 왕사와 굴패각 혼합여재의 최대 인 흡착능(Lee et al., 2003; Park et al., 2017)을 고려하여 system B에서 인이 포화에 도달하는 예상시간을 예측한 결과 864 day이었으나, 본 실험에서 운영 6년 후인 2,160 day가 지난 후에도 포화치에 도달하지 않고 계속하여 인이 처리되고 있는 것으로 확인되었다.
System A는 여재를 왕사만 사용하였기에 운영 후 2년이 경과함에 따라 여재에 흡착될 수 있는 인이 포화치에 도달되어 총 인 처리효율이 급격히 감소한 것으로 판단된다. System B는 여재에 굴패각을 10% 첨가하여 운영함으로 여재의 인 흡착능력이 향상되어 계속적으로 흡착에 의한 인 처리가 가능한 것으로 판단되며, 본 연구진의 왕사에 굴패각 함량별 인 흡착능력 변화에 대한 batch 실험결과와도 일치되는 경향을 보였다(Lee et al., 2003).
굴패각이 혼합된 여재와 혼합되지 않은 여재를 비교해 볼 때(Table 1), Al, Mg 및 Fe의 함량을 포함한 이화학적 특성 간에는 큰 차이 없었으나, Ca 함량은 약 48배 정도 차이가 나기 때문에 굴패각의 첨가로 Ca함량을 효과적으로 높인 것으로 판단된다. 또한 이러한 Ca함량의 증가는 결과적으로 Ca-P를 기반으로 한 hydroxyapatite의 난용성 염을 생성(Seo et al.
5와 같다. 먼저 6년간의 system A와 B의 전체 처리효율은 각각 24.69 및 70.23%로 system B의 처리효율이 높았다. Stage Ⅰ에서 system별 T-P의 평균 처리효율은 system A가 61.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인공습지란 무엇인가?
인공습지는 자연습지의 수생식물, 토양 및 미생물을 이용하여 수처리 능력을 향상시킨 습지로 그 동안 다양한 종류의 폐하수를 처리하는 연구가 진행되어져왔으며(Vymazal, 2007), Seidel (1961)의 연구를 시초로 다양한 오폐수처리를 위한 시스템형 인공습지가 개발되었다. 대표적으로 VF (vertical flow)-HF (horizontal flow), VF (vertical flow)-VF (vertical flow), HF (horizontal flow)-VF (vertical flow) 및 VF (vertical flow)-VF (vertical flow) 조합형 인공습지 등이 있으며, 이러한 조합별 인공습지는 오폐수의 이화학적 특성에 따라 다양한 형태로 적용이 되어져 왔다.
시스템형 인공습지에서 인 제거 메커니즘의 종류는 무엇이 있는가?
이러한 시스템형 인공습지에서 인 제거의 메커니즘은 크게 식물에 의한 제거(Greenway and Woolley, 1999), 미생물에 의한 고정(Newbold et al., 1983; Reddy et al., 1999), 침전(Diazo et al., 1994) 및 여재에 대한 흡착(Tanner et al., 1998) 등이 있으나, Seo et al. (2009)의 연구에 의하면 시스템형 인공습지에서 처리되는 인의 대부분은 흡착에 의한 것으로 알려져 있고, 이러한 이유로 인이 인공습지 내에 축적되어 포화에 도달할 경우 여재를 세척 및 교체하지 않는 이상 포화된 인이 인공습지내 여재로부터 역으로 유출되게 되어 더 이상 인공습지를 운전할 수 없게 되는 것으로 알려져 있다.
인이 인공습지의 수명과 밀접한 연관이 있는 이유는 무엇인가?
, 1998) 등이 있으나, Seo et al. (2009)의 연구에 의하면 시스템형 인공습지에서 처리되는 인의 대부분은 흡착에 의한 것으로 알려져 있고, 이러한 이유로 인이 인공습지 내에 축적되어 포화에 도달할 경우 여재를 세척 및 교체하지 않는 이상 포화된 인이 인공습지내 여재로부터 역으로 유출되게 되어 더 이상 인공습지를 운전할 수 없게 되는 것으로 알려져 있다. 따라서 인은 인공습지의 수명과 밀접한 연관이 있기에 여재의 인 흡착능력은 인공습지 설계에서 여재 선택 시 핵심인자로 고려된다(Richardson and Craft, 1993; Mann,1997; Johansson, 1999).
참고문헌 (19)
Diazo, A., Reddy, K. R. & Moore, P. A. (1994). Solubility of inorganic P in stream water as influenced by pH and Ca concentration. Water Research, 28(8), 1755-1763.
Greenway, M. & Woolley, A. (1999). Constructed wetlands in Queensland: performance efficiency and nutrient bioaccumulation. Ecological engineering, 12(1-2), 39-55.
Hawkins, W. B., John, H. R., Gillespie, W. B., Dunn, P. B., Dom, P. B. & Cano, M. L. (1997). Design and construction of wetlands for aqueous transfers and transformations of selected metals. Ecotoxicology and Environmental Safety, 36, 238-248.
Kadlec, R. H. & Wallace, S. (2009) Treatment Wetlands, 1-1020. 2nd ed. CRC Press. Broken Sound Parkway New York, USA.
Lee, H. J., Seo, D. C., Cho, J. S. & Heo, J. S. (2003). Screening of the optimum filter media in the constructed wetland systems through phosphorus adsorption capacities, Korean Journal of Environmental Agriculture, 22(2), 148-152.
Mann, R. A. (1997). Phosphorus adsorption and desorption characteristics of constructed wetland gravels and steelworks by-products. Soil Research, 35(2), 375-384.
Newbold, J. D., Elwood, J. W., O'Neill, R. V. & Sheldon, A. L. (1983). Phosphorus dynamics in a woodland stream ecosystem: a study of nutrient spiralling. Ecology, 64(5), 1249-1265.
Park, J. H., Kim, S. H., Delaune, R.D., Kang, B. H., Kang, S. W., Cho, J. S., Ok, Y. S. & Seo, D. C. (2016). Enhancement of phosphorus removal with near neutral pH utilizing steel and ferronickel slags for application of constructed wetlands. Ecological Engineering, 95, 612-621.
Reddy, K. R., Kadlec, R. H., Flaig, E. & Gale, P. M. (1999). Phosphorus retention in streams and wetlands: a review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 29(1), 83-146.
Reddy, K. R. & Delaune, R. D. (2008). Biogeochemistry of wetlands: science and applications, CRC press, USA.
Richardson, C. J. & Craft, C. B. (1993). Effective phosphorus retention in wetlands: fact or fiction. Constructed Wetlands for Water Quality Improvement, 271-282.
Richardson, C. J. (1999). Phosphorus biogeochemistry in sub-tropical ecosystems, The role of wetlands in storage, release, and cycling of phosphorus on the landscape: a 25-year retrospective (eds. Reddy, K. R., o'Connor, G. A., Schelske, C. L.), pp. 47-68, Lewis Publishers, Boca Raton London New York Washington, D. C., USA.
Seo, D. C., Cho, J. S., Lee, H. J. & Heo, J. S. (2005). Phosphorus retention capacity of filter media for estimating the longevity of constructed wetland. Water Research, 39(11), 2445-2457.
Seo, D. C., Delaune, R. D., Park, W. Y., Lim, J. S., Seo, J. Y., Lee, D. J., Cho, J. S. & Heo, J. S. (2009). Evaluation of a hybrid constructed wetland for treating domestic sewage from individual housing units surrounding agricultural villages in south korea. Journal of Environmental Monitoring, 11(1), 134-144.
Seo, D. C., Park, J. H., Cheon, Y. S., Park, S. K., Kim, A. R., Lee, W. G. & Heo, J. S. (2010). Treatment efficiency of pollutants in constructed wetlands under different hydroponic wastewater injection methods and characteristic of filter media. Korean Journal of Environmental Agriculture, 29(2), 146-151.
Siedel, K. (1961). Zur problematik der keim-und pflanzengewasser. Verh. Internat. Verein. Limnology, 14, 1035-1039.
Tanner, C. C., Sukias, J. P. & Upsdell, M. P. (1998). Relationships between loading rates and pollutant removal during maturation of gravel-bed constructed wetlands. Journal of Environmental Quality, 27(2), 448-458.
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