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문제 정의
- 본 연구에서는 대청호 수질개선을 위해 설치된 소옥천 인공습지에서 인, 질소, 유기물이 생태인공습지를 통과하면서 어떤 변화를 하는지 모니터링 하였으며, 특히 인공습지 내부에서 침전, 용출 등의 기작에 의해 거동하는 오염물질의 변화량(물질순환)을 산정하여 인공습지에 의한 수질정화 효율을 향상시킬 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 소옥천 인공습지에서 인, 질소, 유기물이 인공습지를 통과하면서 어떤 변화를 하는지 모니터링 하였으며, 특히 인공습지 내부에서 침전, 용출 등의 기작에 의해 거동하는 오염물질의 변화량을 산정하여 인공습지에 의한 수질정화 효율을 향상시킬 수 있는 방안을 제안하고자 하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 시료는 샘플링 후 4℃ 이하로 보관하여 실험실로 옮겨졌으며, 지점별로 채수한 시료의 T-P, 입자성 인(PP), DIP, T-N, 입자성 질소(PN), DIN의 분석은 수질오염공정시험기준(MOE, 2011)에 준하여 분석하였다. TOC (Total Organic Carbon) 분석은 550℃에서 미리 태운 10 mL 유리병에 담은 후 2N HCl을 첨가하여 (pH 2 이하로 맞춤) Air-zero 가스로 포기시켜 CO2를 미리 제거한 후, 고온 (680℃)에서 백금촉매가 내장된 TOC 분석기(Shimadzu TOC-VCPH, Japan)로 측정하였다.
- 유기물의 증가량은 외부유입량, 1차생산량, 퇴적물의 용출량으로 감소량은 분해량과 침강량으로 산정하였고, 질소와 인의 증가 량은 외부유입량, 퇴적물의 용출량으로 감소량은 분해량과 침강량으로 산정하였다. 본 연구에서는 유입량, 유출량, 침강량을 실측하였고, 1차생산량, 분해량, 용출량은 국립환경과원 연구결과를 인용하여 적용하였다(NIER, 2009).
- 인공습지에서의 물질수지 산정은 2013년 4월∼8월의 현장조사 결과를 이용하여 산정하였다. 유기물의 증가량은 외부유입량, 1차생산량, 퇴적물의 용출량으로 감소량은 분해량과 침강량으로 산정하였고, 질소와 인의 증가 량은 외부유입량, 퇴적물의 용출량으로 감소량은 분해량과 침강량으로 산정하였다. 본 연구에서는 유입량, 유출량, 침강량을 실측하였고, 1차생산량, 분해량, 용출량은 국립환경과원 연구결과를 인용하여 적용하였다(NIER, 2009).
- 인공습지에서의 물질수지 산정은 2013년 4월∼8월의 현장조사 결과를 이용하여 산정하였다.
- 조사항목은 입자성 인(PP), 입자성 질소(PN), 총부유물질(Seston), 입자성 유기물(POC)을 측정하였고, 분석 결과로부터 Trap에 포집된 부유물질의 침강속도를 산정하였다(Joe et al., 2011).
- 현장 수질조사 기간은 2013년 4월에서 2014년 12월까지 정기적으로 모니터링을 하였다. 시료는 샘플링 후 4℃ 이하로 보관하여 실험실로 옮겨졌으며, 지점별로 채수한 시료의 T-P, 입자성 인(PP), DIP, T-N, 입자성 질소(PN), DIN의 분석은 수질오염공정시험기준(MOE, 2011)에 준하여 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 조사대상지는 충청북도 옥천군 군북면 지오리에 위치한 소옥천 생태습지로 옥천하수처리장 방류수 및 유역의 비점오염원을 관리하기 위하여 2011년에 준공되었다. 설계 유입 유량은 18,000 m3/day, 설계 수리학적 체류시간은 48 h, 시설면적은 34,500 m2로 설계되었으며 인공습지 구조는 Fig.
- 부유물질 침강속도 측정을 위해 포집용기(sediment trap)를 구경 약 5 cm, 길이는 30 cm로 제작하였다. 설치 기간은 기상조건과 용기 내 물리·화학·생물학적 변화가 빠르기 때문에 가능한 1일 간격으로 5일 정도가 적당할 것으로 판단되어 실시하였다.
- 설계 유입 유량은 18,000 m3/day, 설계 수리학적 체류시간은 48 h, 시설면적은 34,500 m2로 설계되었으며 인공습지 구조는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 「유입부(IN) → 침강지1(S1) → 침강지2(S2) → 깊은습지(P1) → 얕은습지(P2) → 생태침강지(S3) → 방류부 (OUT)」로 유수흐름이 구성되어 있다.
이론/모형
- 현장 수질조사 기간은 2013년 4월에서 2014년 12월까지 정기적으로 모니터링을 하였다. 시료는 샘플링 후 4℃ 이하로 보관하여 실험실로 옮겨졌으며, 지점별로 채수한 시료의 T-P, 입자성 인(PP), DIP, T-N, 입자성 질소(PN), DIN의 분석은 수질오염공정시험기준(MOE, 2011)에 준하여 분석하였다. TOC (Total Organic Carbon) 분석은 550℃에서 미리 태운 10 mL 유리병에 담은 후 2N HCl을 첨가하여 (pH 2 이하로 맞춤) Air-zero 가스로 포기시켜 CO2를 미리 제거한 후, 고온 (680℃)에서 백금촉매가 내장된 TOC 분석기(Shimadzu TOC-VCPH, Japan)로 측정하였다.
성능/효과
- 인공습지에서의 TOC 농도는 습지를 통과하면 제거되기 보다는 약간 증가하는 경향을 보이고 있었으며, 이러한 원인은 개방수역을 통과하면서 체류시간이 길어져 조류의 성장을 초래하였고, 성장한 조류는 습지내부에서 유기물 농도를 증가시키는 것으로 나타났다. T-P 농도는 습지를 통과하면서 입자성 형태의 큰 감소로 전반적으로 감소하는 경향을 보였으며, T-N 농도는 습지내에서 약간 감소하는 경향이었지만 뚜렷한 농도 변화를 볼 수 없었다.
- TOC 농도는 유입수(IN)가 2.7∼7.6 mg/L(평균 4.1mg/L), 침강지2(S2)가 2.7∼5.3 mg/L(평균 4.0 mg/L),얕은 습지(P2)가 3.3∼6.0 mg/L(평균 4.6 mg/L), 방류수(OUT)가 3.1∼6.4 mg/L(평균 4.3 mg/L)로 습지를 통과하면서 약간 증가하는 경향을 보였으며, 습지내부에서 생성된 TOC 유기물의 영향으로 습지를 통과하면 제거되기 보다는 약간 증가하는 경향을 보이고 있었다.
- 각 단계별 인공습지에서의 T-N 농도는 유입수(IN)가 6.6∼13.6 mg/L(평균 9.0 mg/L), 침강지2(S2)가 6.0∼ 13.4 mg/L(평균 9.0 mg/L), 얕은 습지(P2)가 5.2∼12.7mg/L(평균 9.9 mg/L), 방류수(OUT)가 4.9∼13.4mg/L(평균 8.6 mg/L)로 습지를 통과하면서 약간 감소하는 경향을 보였으며(Fig. 4), 기존연구에 의하면 온도가 높은 여름철보다 온도가 낮은 겨울철에 질소의 제거 효율은 낮게 나와 계절적인 변동이 큰 것으로 나타났다(Poach et. al., 2004; Hsueh et al., 2014).
- 따라서 인공습지를 이용하여 부유물질을 제거하기 위해서는 개방수역이 넓고 침강시간이 길어질수록 효율적이라 할 수 있으며, 본 연구대상의 인공습지는 수심 평균 1.2 m, 체류시간 38 h, 면적 13,280 m2, 종횡비 1:1∼1:2.6으로 비교적 개방수역이 넓어 입자형태로 유입되는 오염물질은 대부분 제거되는 것으로 나타났다 (Lee and Park, 2017).
- 6으로 조사되었다. 또한 인공습지 설계시 개방수역(수생식물이 식재되어 있지 않고 수심을 1.0 m 이상으로 유지하고 있는 구간)을 습지 전체 면적의 20%로 설계하는 것을 권장하고 있으나, 본 연구대상의 인공습지는 개방수역이 전체면적의 약 50% 이상으로 과도하게 조성되어 용존형태로 유입되는 유기물과 질소를 처리하기에는 효율성이 떨어지는 결과를 보였고, 반면에 입자성 형태가 많이 포함되어 유입되는 인의 경우에는 비교적 제거효율이 높은 것으로 평가되었다. 유기물과 질소와 같이 용존형태에 초점을 맞추어 인공습지를 설계할 때는 개방수역을 전체면적의 20% 이내로 조절하고, 수심이 0∼0.
- 0%로 산정되었다. 반면에 유기물 감소량(Losses)에 대한 기여율은 방출량, 분해량, 침강량이 각각 69, 3, 28%로 나타나 유기물이 감소되는 기작은 방출량 이외에 침강되어 제거되는 양이 많은 것으로 나타났다. 유기물은 인공습지 내에서 제거되는 것이 아니라 오히려 368 kgC/month 증가되는 것으로 산정되었다.
- 본 연구대 상지의 인공습지는 구조로 배열되었으며, 저수용량이 33,052 m3, 체류시간은 68 시간으로 나타났다.
- , 2014). 본 연구에서 질소는 생태수로(P1, P2)를 통과하면서 감소하는 것으로 나타났으며, 겨울철에 습지로 유입된 질소는 제거능력이 저하되는 경향을 보였다. 습지로 유입되는 질소형 태중 용존형태가 93%로 대부분이 용존형태로 존재하는 것으로 조사되었다.
- 기존연구에 의하면 습지로 유입된 인은 주로 흡착과 침전에 의해 주로 처리되며, 수생식물과 조류에 의한 흡수 등 다양한 기작으로 처리가 된다(Nichols, 1983; Corbitt and Bowen, 1994). 본 연구에서도 인은 침강지 역할을 하는 침강지구간에서 입자형태의 인이 크게 감소한 것으로 나타났으며 용존형태의 인은 수생식물이 존재하며 조류의 성장이 왕성한 생태수로에서 일부 제거가 되는 것으로 나타났다.
- 설치 기간은 기상조건과 용기 내 물리·화학·생물학적 변화가 빠르기 때문에 가능한 1일 간격으로 5일 정도가 적당할 것으로 판단되어 실시하였다.
- 본 연구에서 질소는 생태수로(P1, P2)를 통과하면서 감소하는 것으로 나타났으며, 겨울철에 습지로 유입된 질소는 제거능력이 저하되는 경향을 보였다. 습지로 유입되는 질소형 태중 용존형태가 93%로 대부분이 용존형태로 존재하는 것으로 조사되었다.
- 유기물(Carbon)의 물질수지 산정결과(Table 2), 인공 습지에서 생성량(Input)의 대부분은 유입 부하량(69%) 이 차지하고 있었으며, 유기물 증가량에 대한 기여율은 1 차 생산량이 30%, 퇴적물로부터 용출양이 1.0%로 산정되었다. 반면에 유기물 감소량(Losses)에 대한 기여율은 방출량, 분해량, 침강량이 각각 69, 3, 28%로 나타나 유기물이 감소되는 기작은 방출량 이외에 침강되어 제거되는 양이 많은 것으로 나타났다.
- 유입수(IN)가 0.026∼0.515mg/L(평균 0.098 mg/L), 침강지2(S2)가 0.040∼0.176mg/L(평균 0.062 mg/L), 얕은 습지(P2)가 0.021∼ 0.135 mg/L(평균 0.050 mg/L), 방류수(OUT)가 0.013∼0.085 mg/L(평균 0.044 mg/L)로 습지를 통과하면서 감소하는 경향을 보였으며, 유입수의 인의 존재형태 비율을 보면, 용존형태가 48%로 입자형태와 비슷하게 분포하는 것으로 나타났다.
- 질소도 유기물과 같이 인공습지내 에서 제거되는 것이 아니라 오히려 306 kgN/month 증가되는 것으로 산정되었다. 인(Phosphorus)의 물질수지 산정결과, 생성량(Input)의 대부분은 유입부하량(99%) 이 차지하고 있었으며, 인 증가량에 대한 기여율 중 퇴적 물로부터 용출양은 1%로 산정되었고, 방출량, 침강량이 각각 15, 85%로 나타나 인이 감소되는 기작은 유기물과 질소와는 다르게 방출양보다는 침강에 의해 제거되는 양이 약 5배 이상 높은 것으로 나타났다. 이와 같이 침강지 등의 개방수역이 넓은 인공습지에서는 비교적 많은 양의 인(-48.
- 인공습지로 유입되는 부유물질의 대부분은 1차 침강지에서 빠른 속도로 침강되어 많은 양이 제거되는 결과를 나타냈으며, 침강속도는 각 오염물질의 특성에 따라 약간의 차이는 있었지만 하천과는 거의 유사한 범위에 있거나 약간 높은 결과를 보였고, 호소와 습지보다는 비교적 높은 침강속도를 나타내었다.
- 인공습지에서의 TOC 농도는 습지를 통과하면 제거되기 보다는 약간 증가하는 경향을 보이고 있었으며, 이러한 원인은 개방수역을 통과하면서 체류시간이 길어져 조류의 성장을 초래하였고, 성장한 조류는 습지내부에서 유기물 농도를 증가시키는 것으로 나타났다. T-P 농도는 습지를 통과하면서 입자성 형태의 큰 감소로 전반적으로 감소하는 경향을 보였으며, T-N 농도는 습지내에서 약간 감소하는 경향이었지만 뚜렷한 농도 변화를 볼 수 없었다.
- 조사대상지 인공습지에서 각 단계별 침강속도를 측정한 결과(Table 1), Seston(총부유물질)은 4.5∼26.7m/d(평균 14.5 m/d), POC는 0.3∼0.7 m/d(평균 0.5m/d), PN은 1.1∼10.6 m/d(평균 4.4 m/d), PP는 2.4∼ 7.6 m/d(평균 4.6 m/d)로 인공습지로 유입된 부유물질의 침강속도는 S1에서 가장 높았으며, P1∼P2를 통과하면서 점차 감소하다가 체류시간이 길어지는 S3에서 약간 낮게 나타났다.
- 질소(Nitrogen)의 물질수지 산정결과, 생성량(Input)의 대부분은 유입부하량(98%)이차지하고 있었으며, 질소 증가량에 대한 기여율중 퇴적 물로부터 용출양은 2%로 산정되었고, 방출량, 침강량이 각각 73, 27%로 나타나 질소가 감소되는 기작은 유기물과 같은 경향을 보였다.
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