[논문]혐기/호기 접촉여과대를 이용한 자연형 하천호안공법의 비점오염 저감 특성 연구

장형준; 김성덕

doi:10.21729/ksds.2019.12.1.23

혐기/호기 접촉여과대를 이용한 자연형 하천호안공법의 비점오염 저감 특성 연구
The Study on the Non-Point Pollutants Reduction Using Friendly Bank Protection Anaerobic/Aerobic Contact Filtration Zone 원문보기

한국방재안전학회논문집 = Journal of Korean Society of Disaster and Security, v.12 no.1, 2019년, pp.23 - 34

초록
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농촌지역 하천이나 호소수 수질 개선을 위한 비점오염원의 관리 및 저감은 시급한 현안이다. 본 연구에서는 농촌지역의 비점오염 저감을 위하여, 개비온 매트리스호안공에 혐기/호기의 구역을 적용한 자연형 비점오염처리 하천호안을 제안하고, 이의 축소모형 실험(1/6 축적) 및 현장 적용(가로2.0 m 세로 3.0 m 높이 0.4 m의 3단 격벽의 호안)을 통하여 활용성을 평가하였다. 개비온 매트리스 내부에 골재를 채운후 차수 격벽을 설치하고, 호안 법면의 자연 경사를 활용하여 혐기/호기 조건의 여과대를 조성하여 오염물질을 다단으로 처리하였다. 또한 호안공의 표면에 식생을 활착시켜, 토사의 표면 유입을 차단하고, 추가적으로 식생에 의한 정화 기능을 도모하였다. 본 호안공의 축소모형 및 현장 적용에서의 화학적산소요구량(COD) 및 질소성분(T-N, $NH_4{^+}-N$, $NO_3{^-}-N$)의 모니터링 결과, Lab Scale에서는 TCOD 17%, SCOD 35%, TN 14%, $NH_4{^+}-N$ 62%, $NO_3{^-}-N$ 33%의 제거효율을 나타내었고, pilot plant 시운전에서는 TCOD 24%, SCOD 29%, TN 47%, $NH_4{^+}-N$ 50%, $NO_3{^-}-N$ 33%의 제거효율을 나타내었으며, pilot plant 시운전에서는 29%의 TP 제거효율도 달성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is an urgent issue to manage and reduce non-point pollution sources for improving the water quality of stream and lakes in rural areas. In this study, in order to reduce non-point pollution sources in rural area, Gabion mattresses was proposed to provide protection of riverbanks with anaerobic and aerobic area. The utilization of this was assessed by lab scale model test and pilot plant test. After filling the inside of the gabion mattresses with aggregate, the filtration zone under anaerobic and aerobic conditions was formed to treat the contaminants. In addition, vegetation was deposited on the surfae of the gabion to prevent the inflow of soil and to promote purification by the plant. COD and nitrogen content (T-N, $NH_4{^+}$, -N, $NO_3{^-}N$) were monitored in model and field tests. The lab scale model test showed removal efficiency of 17% of TCOD, 35% of SCOD, 14% of TN, 62% of $NH_4{^+}$, -N, and 33% of $NO_3{^-}$ N. Also, pilot plant test showed removal efficiency of 24% of TCOD, 29% of SCOD, 47% of TN, 50% of $NH_4{^+}-N$, 33% of $NO_3{^-}$, N and 29% of TP.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Biological Reponses by Microorganisms in Natural Posure Method (Metcalf and Eddy, 2004)
그림 Fig. 1. Diagrom of Gabion contact filtration zone
표 Table 2. Specification of contact filtration zone
그림 Fig. 2. Model of vegetable contact filter for treatment of non-point pollution source
표 Table 3. Operation condition of model and field test
표 Table 4. Characteristics of dischare water in small-scale sewage treatment facilities
그림 Fig. 3. Pilot plant of vegetable contact filter for treatment of non-point pollution source
그림 Fig. 4. Pollutant removal performace in pilot plant test
표 Table 5. Properties of treated water in pilot plant
그림 Fig. 5. Pollutant removal performace in pilot plant test
표 Table 6. Properties of treated water in pilot plant
표 Table 7. Comparison of application efficiency between lab scale model and pilot plant of river bank protection

AI 본문요약
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문제 정의

본 공법은 하천과 도로 및 유역의 천이대인 하천호안에 적용하여 넓은 지역에서도 정화 효과를 기대할 수 있으며, 우수에 의한 초기 유출수를 하천 유입단계에서 차단시켜줌으로써 효율적인 비점 오염처리가 가능하도록 하였다. 접촉 여과대는 혐기/호기 미생물과 식생에 의한 처리 이론에 기초하고 있다.
본 연구는 Lab Scale를 수행함과 동시에 이에 따른 현장 적용 가능성도 함께 평가하였다. Lab Scale은 현장 1/6의 축소모형을 이용하였으며, 현장 적용 가능성 평가를 위한 현장 시운전은 충북청원군의 구룡리 소규모농촌마을 하수처리시설 인근에 설치하여 하수처리시설로부터 방류되는 처리수를 직접 본 연구시설인 식생 접촉여과대에 연결시켜 이에 따른 연속운전을 시행하였다.
본 연구는 자연친화적인 저비용의 하천호안공을 개발하여 적용성 평가를 수행하고자 하였다. 농촌지역의 하천호안공으로 널리 사용되고 있는 개비온 매트리스를 바탕으로 하천으로 유입되는 비점오염원의 저감을 위해 혐기/호기 접촉여과대를 활용한 자연형 비점오염처리 방법을 제시하고, 이의 실험실 기반의 축소 모형실험 및 현장 적용성을 평가하였다.
본 연구에서 Lab Scale 결과에 기초하여 현장 적용성 평가를 위해 충청북도 옥천군 구룡리의 하수처리시설 내에 Fig. 3과 같이 Pilot plant를 구축하여 현장에 대한 적용성 평가를 수행하였다. Pilot plant는 Lab Scale 6배 크기로, 가로 2.
본 연구에서는 농촌지역의 비점오염 처리를 위한 개비온 매트리스를 바탕으로 혐기/호기 식생 접촉 여과대를 활용한 자연형 비점오염처리 하천호안을 제안하였고, Lab Scale 및 pilot plant 시운전을 통하여, 농촌 비점 오염 제거 적용 가능성을 평가 하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 비점오염물질을 포함한 초기 유출수가 하천으로 유입되는 주요 경로인 하천 호안부에 접촉 여과대를 적용 한 개비온 매트리스 하천호안공법을 제시하고자 한다. 이를 위하여 하천호안공으로 널리 활용되고 있는 개비온 매트리스 내에 자갈을 채워 여과대를 구성하고, 호안에 방수 격벽을 설치하였다.

제안 방법

본 연구는 Lab Scale를 수행함과 동시에 이에 따른 현장 적용 가능성도 함께 평가하였다. Lab Scale은 현장 1/6의 축소모형을 이용하였으며, 현장 적용 가능성 평가를 위한 현장 시운전은 충북청원군의 구룡리 소규모농촌마을 하수처리시설 인근에 설치하여 하수처리시설로부터 방류되는 처리수를 직접 본 연구시설인 식생 접촉여과대에 연결시켜 이에 따른 연속운전을 시행하였다. 설계 제원에 따른 본 연구의 혐기/호기 식생 접촉 여과대의 운전조건은 Table 3에 나타낸 바와 같다.
5 cm의 잦은 자갈을 순차적으로 설치하였다. Pilot plant 표면에는 식생 매트를 설치하였으며, 식생 매트 표면에는 보리 씨앗을 뿌려 식생에 의한 오염물질 제거를 평가하였다. Pilot plant의 경우에는 점유 부지 면적이 넓어 유입수의 균등분배가 처리효율에 크게 영향을 미친다.
062 m, 가운데는 격벽을 설치하여 총 3단으로 구성하여 제작하였다. 그리고 Lab Scale 식생 접촉 여과대에는 입경 사이즈가 1.5 cm 범위의 자갈을 선택하여 충진하였으며, 자갈을 충진후, 상단에 보리 씨앗을 뿌려 재배하여 유입원수 내 유기물질, 질소 및 인 제거가 이루어지도록 하였다. 또한 식생 접촉 여과대를 15°의 경사각을 두어 식생 접촉 여과대 내에서 혐기/호기 구역이 나누어지도록 구성하였다.
본 연구는 자연친화적인 저비용의 하천호안공을 개발하여 적용성 평가를 수행하고자 하였다. 농촌지역의 하천호안공으로 널리 사용되고 있는 개비온 매트리스를 바탕으로 하천으로 유입되는 비점오염원의 저감을 위해 혐기/호기 접촉여과대를 활용한 자연형 비점오염처리 방법을 제시하고, 이의 실험실 기반의 축소 모형실험 및 현장 적용성을 평가하였다.
Pilot plant의 경우에는 점유 부지 면적이 넓어 유입수의 균등분배가 처리효율에 크게 영향을 미친다. 따라서 Pilot plant에서의 유입수 균등분배가 잘 이루어지도록 각 단 상부에 직경이 큰 유공관을 일정한 경사각을 이루게 함으로써 유공관 각 공극으로부터 유입수가 균등하게 유출될 수 있도록 하였다.
또한 식생 접촉 여과대를 15°의 경사각을 두어 식생 접촉 여과대 내에서 혐기/호기 구역이 나누어지도록 구성하였다.
이를 위하여 하천호안공으로 널리 활용되고 있는 개비온 매트리스 내에 자갈을 채워 여과대를 구성하고, 호안에 방수 격벽을 설치하였다. 또한 여과대에 지속적으로 유입수를 유입시켜, 혐기 및 호기 미생물 생장을 도모하여 정화 작용이 이루어지게 하였으며, 여과대 상부에는 식생포대공으로 마무리하여 보리 등 식생의 추가적인 식물정화효과를 이룰 수 있게 한 공법을 활용하였다.
본 연구에 활용된 혐기/호기 식생 접촉 여과대는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 개비온 매트리스 내에 자갈을 채워 여과대를 구성하고, 상부는 식생포대로 마무리하여 보리 등의 식생을 재배하였다. 본 제안 공법의 주요 특성은 Fig.
1에 나타낸 바와 같이 개비온 매트리스 내에 자갈을 채워 여과대를 구성하고, 상부는 식생포대로 마무리하여 보리 등의 식생을 재배하였다. 본 제안 공법의 주요 특성은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 각 격벽구간을 호안벽면의 자연경사를 이용하여 각 격벽구간을 상부는 호기구역, 하부는 혐기구역으로 유지되도록 하였다. Table 2는 본 연구에 적용된 접촉여과대의 처리 제원을 나타내고 있다.
또한 식생 접촉 여과대를 15°의 경사각을 두어 식생 접촉 여과대 내에서 혐기/호기 구역이 나누어지도록 구성하였다. 유입 원수는 식생 접촉 여과대 최상부로부터 유입하며, 3단계의 혐기/호기 구역을 교대로 지나가면서 일련의 생물학적 반응과 식생 식물에 의한 흡착-흡수로 종국 적인 처리가 이루어지게 하였다.
본 연구에서는 비점오염물질을 포함한 초기 유출수가 하천으로 유입되는 주요 경로인 하천 호안부에 접촉 여과대를 적용 한 개비온 매트리스 하천호안공법을 제시하고자 한다. 이를 위하여 하천호안공으로 널리 활용되고 있는 개비온 매트리스 내에 자갈을 채워 여과대를 구성하고, 호안에 방수 격벽을 설치하였다. 또한 여과대에 지속적으로 유입수를 유입시켜, 혐기 및 호기 미생물 생장을 도모하여 정화 작용이 이루어지게 하였으며, 여과대 상부에는 식생포대공으로 마무리하여 보리 등 식생의 추가적인 식물정화효과를 이룰 수 있게 한 공법을 활용하였다.

대상 데이터

3과 같이 Pilot plant를 구축하여 현장에 대한 적용성 평가를 수행하였다. Pilot plant는 Lab Scale 6배 크기로, 가로 2.0 m, 세로 3.0 m, 높이 0.4 m의 식생 접촉 여과대를 설치하여 적용하였다. Pilot plant는 벽면과 밑바닥에 방수필름을 설치하였으며, 밑바닥 방수필름 위에는 입경 5.

이론/모형

비점오염처리 및 오염물질 제거를 위한 Lab Scale 및 Pilot plant 식생 접촉 여과대의 처리효율 및 적용성 평가 지표로 화학적 산소요구량(COD), pH, NH₄⁺-N, TN(총 질소) 및 TP(총 인)에 대해 정량적인 분석을 수질오염공정시험법에 준하여 수행하였다. 유기물 지표로 측정하는 화학적 산소요구량은 Closed reflux법으로 수행하였으며, TN 및 TP은 흡광도법을 활용하여 측정하였고 NH₄⁺-N는 Nessler법을 이용하여 측정하였다.
-N, TN(총 질소) 및 TP(총 인)에 대해 정량적인 분석을 수질오염공정시험법에 준하여 수행하였다. 유기물 지표로 측정하는 화학적 산소요구량은 Closed reflux법으로 수행하였으며, TN 및 TP은 흡광도법을 활용하여 측정하였고 NH₄⁺-N는 Nessler법을 이용하여 측정하였다.

성능/효과

(c) 및 Table 5에서 나타낸 바와 같이 식생 접촉 여과대를 통과하고 나서 총 유기물 지표인 TCOD 물론 용존성 유기물 지표인 SCOD도 크게 감소한 것으로 나타났다.
또한 Fig. 4(b)(c)에서는 초기 TCOD 및 SCOD 제거효율은 매우 우수한 것으로 확인하였지만 시간이 지나갈수록 제거효율이 초기에 비해 감소하는 거 동형상을 나타내었으며, 특히 TCOD가 SCOD에 비해 변화폭이 큰 것으로 나타났다. 이는 장기간의 지속적인 부유물질 유입으로 인해 식생 접촉 여과대의 fouling이 생겨 처리 능력이 저하된 것으로 판단된다.
1. Lab Scale 식생 접촉 여과대를 운영한 결과 TCOD 17%, SCOD 35%, TN 14%, NH₄⁺-N 62%, NO₃^--N 33%의 제거효율을 나타내었으며, TP의 경우에는 식생 식물의 재배 면적의 제한성으로 인 제거효율은 변화가 없는 것으로 나타났다. 오히려 장기간의 운전으로 인의 농도가 증가하는 경향을 나타내었다.
2. Pilot plant 식생 접촉 여과대를 운영한 결과에서는 TCOD 24%, SCOD 29%, TN 47%, NH₄⁺-N 50%, NO₃^--N 33%, TP The Study on the Non-Point Pollutants Reduction Using Friendly Bank Protection Anaerobic/Aerobic Contact Filtration Zone ∙ 33 29%로 전반적으로 Lab Scale에 비해 비교적 우수한 결과가 나타난 것을 확인하였다. 이는 Lab Scale에 비해 고밀도의 식생 식물 재배로 제거효율 향상을 나타낸 것으로 판단된다.
3. 따라서 본 연구에 제안된 자연형 하천 호안공의 규모가 커짐에 따라 오염물질에 대한 제거효율이 향상하였다. 이로부터 농촌지역 및 상수원보호구역의 수계보호 및 수질개선에 큰 역할을 기여할 것으로 판단된다.
4(a)는 시간에 따른 pH 변화를 나타낸 것이다. Fig. 4(a) 및 Table 5에서 관찰할 수 있듯이 pH 변화는 미미한 것으로 나타났으나, 장기간의 운전에서는 pH가 서서히 증가함을 확인하였다. 유입 원수의 pH는 6.
따라서 pilot plant의 경우 평균 TN 제거효율은 47% 이었으며, NH₄⁺-N의 평균 제거효율은 50%이었다. 그 외 유입수 내 NO₃^--N는 평균 9.0 mg/L으로 유입되어 식생 접촉 여과대를 통과하고 나서는 6.0 mg/L로 감소함을 확인하였다.
0 mg/L의 농도 감소하였다. 따라서 pilot plant의 경우 평균 TN 제거효율은 47% 이었으며, NH₄⁺-N의 평균 제거효율은 50%이었다. 그 외 유입수 내 NO₃^--N는 평균 9.
78 mg/L로 감소하였다. 따라서 이에 따른 제거효율은 29%로 Lab Scale에 비해 처리능력이 많이 향상된 것을 확인할 수가 있다.
0 mg/L의 농도 감소하였다. 따라서, Lab Scale의 경우 평균 TN 제거효율은 14%이었으며, NH₄⁺-N의 평균 제거효율은 62%이었다.
오히려 장기간의 운전으로 인의 농도가 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 장기간의 운전으로 식생 접촉 여과대가 fouling이 생겨 모든 항목의 제거효율이 초기에 비해 감소하는 것을 관찰할 수가 있었으며, pH의 변화는 미미하였다.
4(a) 및 Table 5에서 관찰할 수 있듯이 pH 변화는 미미한 것으로 나타났으나, 장기간의 운전에서는 pH가 서서히 증가함을 확인하였다. 유입 원수의 pH는 6.3~7.1(평균 7.0) 범위 내에서 유입되었으며, 식생 접촉 여과대를 통과한 후의 pH는 7.0~7.8(평균 7.1)범위를 나타내었다. 이와 같이 초기 식생 접촉 여과대를 통과 전·후의 pH 변화는 아주 미미한 것으로 나타났으나, 장기간의 운전에서는 pH가 7.
5(c)(e) 및 Table 6 에서 나타낸 바와 같이 식생 접촉 여과대를 통과 한 뒤에는 TCOD 및 SCOD도 크게 감소한 것으로 나타났다. 유입수 내 TCOD 평균 농도는 17.0 mg/L를 나타내었으나, 식생 접촉 여과대를 통과하고 나서는 13.0 mg/L로 감소하여 24%의 평균 제거효율을 나타내었다. 그리고 용존성 유기물 지표인 SCOD의 경우에는 평균 14.
4(b)(c) 및 Table 5에서 나타낸 바와 같이 식생 접촉 여과대를 통과하고 나서 총 유기물 지표인 TCOD 물론 용존성 유기물 지표인 SCOD도 크게 감소한 것으로 나타났다. 유입수 내 TCOD 평균 농도는 23.0 mg/L인 것으로 확인하였으나 식생 접촉 여과대를 통과하고 나서는 19.0 mg/L로 감소하여 17%의 평균 제거효율을 확인하였다. 그리고 용존성 유기물 지표인 SCOD의 경우에는 평균 20.
Lab Scale 및 Pilot plant 식생 접촉 여과대에 의한 오염물질 제거 특성을 Table 7에 정리하여 나타내었으며, 오염 무질 제거효율에 있어서 Pilot plant나 Lab Scale에서 큰 차이를 나타내지 않았다. 이로부터 식생 접촉 여과대의 현장 적용성이 잘 입증 되었으며, 현장 적용시 유기물은 물론 TN 및 TP 제거효율이 소규모의 Lab Scale에 비해 더 우수한 제거효율을 나타낸 것을 확인할 수 있다. 이는 식생 식물의 고밀도 재배와 더불어 식생 접촉 여과대의 효율성이 향상된 것으로 판단된다.
이와 같이 초기 식생 접촉 여과대를 통과 전·후의 pH 변화는 아주 미미한 것으로 나타났으나, 장기간의 운전에서는 pH가 7.8까지 상승한 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

4. 향후 제안한 자연형 하천호안의 장기적인 모니터링을 통하여 운영관리에 관한 추가 연구가 필요하며, 농촌지역의 저비용, 고효율의 친환경 하천호안공으로 활용성이 높을 것으로 판단된다.
이는 식생 식물의 고밀도 재배와 더불어 식생 접촉 여과대의 효율성이 향상된 것으로 판단된다. 따라서 식생 접촉 여과대의 효율성은 시설 규모가 커짐에 따라 향상될 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에 제안된 자연형 하천 호안공의 규모가 커짐에 따라 오염물질에 대한 제거효율이 향상하였다. 이로부터 농촌지역 및 상수원보호구역의 수계보호 및 수질개선에 큰 역할을 기여할 것으로 판단된다.
이와 같이 기존의 연구에서는 식생에 의한 처리를 주된 정화 방법으로 고려하지 않고, 단순히 호안 표면의 오염수의 유출 방지가 주목적으로 활용되어 추가적인 오염물질 제거 특성 및 제거 성능에 대한 검증이 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천수질 저하의 주요 요인으로 지목되고 있는 것은?	농촌지역에서의 비점오염은 주로 농작물에 흡수되지 않고 농경지에 남아있는 비료 및 농약, 초지에 방목된 가축의 배설물, 가축사육농가에서 발생되는 축산폐수, 빗물에 섞인 대기오염물질 및 도로노면의 퇴적물 등이 있다. 이러한 농촌지역 비점오염물질은 하천으로 그대로 유입되어 하천수질 저하의 주요 요인으로 지목되고 있으며, 이에 농촌지역의 비점오염 저감을 위한 연구가 많이 이루어지고 있다(Song and Lee, 2012; Ryu et al., 2011; Jeong, 2010; Choi, 2009; Kim et al.
	우리나라 4대강유역에서 비점오염원(BOD 기준)의 영향은?	특히 농촌지역의 비점 오염원의 관리는 시급한 현안으로 대두되고 있다. 우리나라 4대강유역에서 비점오염원(BOD 기준)의 영향은 전체 오염 부하의 22~37%로 추산되며, 이 비율은 지속적으로 증가하고 있다. 또한 우리나라는 전국토지 (99,611.

참고문헌 (13)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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