[논문]인공습지를 이용한 하구담수호 유입하천수의 4년간 실험결과 분석

김형철; 윤춘경; 한정윤; 이새봄; 신현범

문제 정의

본 연구는 자유수면형 인 공습지를 이용한 비점원 오염원의 처리를 위해 2002년 6월~ 2005년 9월까지 장기적으로 습지를 운영한 연구로 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 2002년 6월에서 2005년 9월까지 인 공습지에서 실측한 수질 측정 자료를 바탕으로 자연정화시설의 수처리 효율을 검증하고 장기간 인공습지를 운영함에 있어서 식생피도가 수체에 미치는 규명하고 합리적인 인공습지의 관리방안을 제시하고자 한다.

제안 방법

습지와 유수지의 배치에 따른 처리효율을 비교하기 위해 습지가 유수지 앞에 놓인 습지-유수지 시스템(cell 2와 cell 4)과 습지가 유수지 뒤에 놓이는 유수지-습지 시스템(cell 1과 cell 3)으로 배치하였다. 또한 습지의 가로-세로비에 따른 처리 효율의 변화를 조사하기 위해 개략적인 가로-세로비가 1:1인 형태(cell 2와 cell 3)와 가로-세로비가 2:1 인 형태(cell 1과 cell 4)로 조성하였다Table 1.
습지 조성 후 습지의 식생피도 변화를 분석하기 위해 식물상을 잘 반영할 수 있는 위치를 선택하여 각습지에 총 6개의 고정방형구(2mx2m)를 2002년 5월에 설치하였으며 식생조사는 2002년부터 매년 6, 8, 10월에 실시하였다.
1과 같다. 습지와 유수지의 배치에 따른 처리효율을 비교하기 위해 습지가 유수지 앞에 놓인 습지-유수지 시스템(cell 2와 cell 4)과 습지가 유수지 뒤에 놓이는 유수지-습지 시스템(cell 1과 cell 3)으로 배치하였다. 또한 습지의 가로-세로비에 따른 처리 효율의 변화를 조사하기 위해 개략적인 가로-세로비가 1:1인 형태(cell 2와 cell 3)와 가로-세로비가 2:1 인 형태(cell 1과 cell 4)로 조성하였다Table 1.

대상 데이터

또한 습지로 유입되는 유량을 조절하기 위해 밸브를 설치하였으며, 습지 수위를 조절하기 위해 웨어를 설치하였다. 본격적인 수질개선 실험은 2002년 6월부터 시작하였으며, 2005년 9월까지 4년간 각습지별로 유입, 중앙, 유출 3개 지점에 대해서 월평균 약2 회 정도로 시료를 채취하여 수질분석을 실시하였다. 조사 기간 동안 각 Cell당 총 240회 샘플링을 하였으며, 수질 측정 항목은 수온, pH, EC, DO, BOD₅, TSS, T-N, T-P 및 Chl-a이었고, 모든 항목은 Standard Methods (APHA, 1995)에 따라 분석하였다.
실험시설은 2001년 3월부터 2001년 12월까지 조성되었다. 습지 식생은 인공습지 조성 전 주변 식생조사 결과 주변에 대규모 갈대군락이 존재하고 공사과정 중 일부 갈대군락이 포함된 토양이 유입되었기 때문에, 자연적으로 습지 식물이 도래할 수 있을 것으로 판단되어 인공적 인 식재를 실시하지 않고 자연도래를 유도하였다.
인공습지를 이용한 비점오염원 제어 효율을 검증하기 위해 20이년에 충남 당진군의 석문담수호 유입부에 인공습지와 유수지를 각각 4개씩 조성하였으며, 각각의 면적은 0.8ha와 0.08ha이고, 총 면적은 약 3.6ha이다(Table 1). 실험시설의 평면도는 Fig.

이론/모형

본격적인 수질개선 실험은 2002년 6월부터 시작하였으며, 2005년 9월까지 4년간 각습지별로 유입, 중앙, 유출 3개 지점에 대해서 월평균 약2 회 정도로 시료를 채취하여 수질분석을 실시하였다. 조사 기간 동안 각 Cell당 총 240회 샘플링을 하였으며, 수질 측정 항목은 수온, pH, EC, DO, BOD₅, TSS, T-N, T-P 및 Chl-a이었고, 모든 항목은 Standard Methods (APHA, 1995)에 따라 분석하였다.

성능/효과

1. 습지의 조성 초기 식생의 경우 인공식재를 실시하지 않았음에도 불구하고 4번의 생장기를 거치면서 식생 피복이 90% 이상을 유지하면서 습지에 완전히 정착되었다. 따라서 습지 조성 전에 습지 예정지와 주변 습지 식물이 자생하고 있다면 인공식재를 실시하지 않아도 적정물관리를 통해 자연적인 식물활착에 의해 습지식물 조성이 가능할 것으로 판단된다.
2). 2002년도에 식생조사를 실시한 결과 갈대(Phragmites australis), 애기부들(Typha angustifolia Bory et Chaub), 새 섬매자기 (Scirpus planiculmis Fr. Schm.), 미국개기장(Panicum dichotomiflorum Michx.), 물피 (Echinochloa crus-galli var. oryzicola Ohwi), 큰개여뀌(Persicaria nodosa Opiz) 등 여러 종의 식생들이 발견되었고, cell 4를 제외한 각 습지별 평균 식생 피도는 약 35%를 나타내었다(Fig. 2). 2003년도가 지나면서 갈대_,애기부들_,새섬매자기를 중심으로 우점 하였으며_,평균 70~80%의 식생피도를 나타내었다.
3. T-N은 전체적인 처리율은 동절기에 다소 떨어지는 경향이 있으나 생장기를 거치면서 50~70%의 높은 처리율을 보여주고 있다. 특히 2005년 생장기를 거치면서 DO의 농도가 떨어져 협기성을 유지하고 있어 질소의 처리율은 더욱 증가하는 현상을 보이고 있다.
4. T-P의 경우 계절적인 차이에 따라 처리율의 변화는 없는 것으로 판단되고 전체적인 처리율은 50% 이상의 처리율을 보이고 있으나 2005년생 장기를 거치면서 습지에서 처리율이 떨어지는 현상을 볼 수 있다. 이는 수체 내의 용존산소량의 부족으로 습지 바닥의 퇴적물이나 고사한 식생에서 인의 용출 현상이 일어나 전체적인 처리율이 떨어진 것으로 판단된다.
7%의 제거율을 보여주고 있으나 2005년 생장기만을 보았을 때 60% 이상의 처리율을 보이고 있다. 또한 fig. 3과 같이 2005년 5월 생장기 DO의 농도가 0.4 ~ 5.0 mg/L의 낮은 농도를 보이고 있는데 이는 90% 이상의 식생피도를 보였던 2004년 의 식물체들이 동절기를 거치면서 고사한 식생들이 부패하면서 수체의 용존산소를 소모해 협기성 상태를 유지하여 습지의 51%를 차지하는 질산성 질소의 탈질화 작용으로 높은 처리율을 보여준다. 새로 조성된 인공습지에서 최대 탈질화를 얻기 위해 필요한 유기물질(유기탄소)을 습지 바닥에 축적시키기 위해서는 약 5~10년 정도가 소요된다는 연구가 발표되었다.
이와 같이 원활한 탈질화를 위해서는 유기탄소가 필수적인데, 고사한 식물체가 탈질화에 필요한 유기탄소를 제공하는 역할을 한다. 본 연구에서 인공습지로 유입되는 유입 수의 태별질소 구성비는 유기질소 41%, 암모니아성질소 5%, 아질산성질소 3%, 질산성질소 51%로 유기질소와 질산성 질소가 대부분을 차지하고 있다. 침전에 의해 주로 제거되는 유기질소는 식생피도에 큰 영향을 받지 않는 반면에 탈질화와 식물에 의한 흡수에 의해 제거되는 질산성 질소는 식생피도에 큰 영향을 받는다.
특히 2005년 생장기를 거치면서 DO의 농도가 떨어져 협기성을 유지하고 있어 질소의 처리율은 더욱 증가하는 현상을 보이고 있다. 습지로 유입하는 질소는 51%가 질산성 질소로 협기성에서 탈 질화가 잘 이루러져 처리율이 증가한 것으로 판단된다.

후속연구

습지 조성 초기에 인공식재를 실시하지 않았음에도 불구하고, 4번의 생장 기간을 거치면서 식생이 습지에 완전히 정착되었다. 그러므로 타 지역에서 인공습지를 조성할 경우에도 본 연구에서와 같 이 습지조성 전에 습지조성 예정지와 주변에 습지 식물들이 자생하고 있다면, 인공식재를 실시하지 않아도 적정물관리를 통해 일정 시간이 경과 후 자연적인 식물활착에 의해 습지식물 조성이 가능할 것으로 판단된다.
최근 들어 유역 단위로 배출되는 오염원의 40% 이상을 차지하는 비점 원오염원의 제거를 중요하게 인식하고 있다. 하지만 비점원 오염부하량을 삭감시키는 뚜렸한 방법이 개발되지 못하고 있는 상황에서 유역으로부터 발생하여 운송되는 오염물질은 하천을 통하여 담수호로 유입되고 담수호에 유입된 후에는 수질관리가 더욱 어려워지므로 유입하기 전에 담수호 입구에서 처리하는 방안을 모색해야 한다. 따라서 담수호의 수질개선에 적용하고 수질개선 공 법은 가급적 유지관리가 용이하고 환경친화적인 자연정화 공법인 인 공습지를 통한 연구가 하수 및 오염된 지표수처리를 위해 전 세계적으로 많이 사용되고 있다.

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