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1. 머리말
옛날부터 습지는 수질정화, 홍수조절, 생물다양성 보존의 장소로 그 기능이 평가되면서, 최근에는 특히 보전회복, 유효이용이 주목을 모으고 있다. 수질정화면에서는 하천, 호소, 수로 등 환경수 정화에 휴경논, 습지를 이용하는 사례가 늘고 있다. 오수를 직접정화용 습지에 유입시켜 완전하게 처리하는 것이 이상적인데, 일본에서는 위생상(병원균)으로나 주변환경(악취 등)에 미치는 영향 등 때문에 구조기준을 만족시킨 후에 고도처리하는 경우에만 적용이 가능하다. 그러나 구조기준을 만족했다 하더라도 BOD 10㎎/ℓ, 총질소(T-N) 10㎎/ℓ, 총인(T-P) 1㎎/ℓ 정도의 수준으로 환경에 방출되므로 방류처 유량이 충분하지 않은 지역에서는 질소·인 등 부영양화 요인이 해소되지 않는다. 하수 고도처리법으로 식생·습지를 이용하는 경우 저농도하수를 처리하면 고도처리의 비용대 효과가 기대되므로 오수처리시설과 자연생태계 사이의 완충지대로 이용하면 생태계 보전에 도움이 될 것으로 생각된다. 적용장소로는 도시부 하수도 방류처의 하천부지와 수로에서의 이용 또는 농촌과 산간지역의 생활잡배수처리와 농업배수 재이용을 위한 휴경논 및 공지에서의 이용을 생각해 볼 수 있다.
이번 보고서는 인공갈대습지를 생활하수의 고도처리에 적용하기 위해 습지의 정화능력을 강화하는 수단에 대해 검토하고 인공습지의 설계방법에 도입해야 하는 기초적 데이터를 확보하기 위한 내용이다.
2. 실험방법
필자는 지금까지의 예비실험에 의해 갈대습지토양의 호기·혐기환경차이가 정화능에 크게 작용하는 것으로 보고 정화능 강화방법으로 항상 침수상태인 습지와 간헐적으로 침수되는 습지를 직렬 2단으로 설치한 소규모 인공갈대습지를 이용했다. 두 가지 습지 모두 침투흐름방식으로 전단침수습지에서는 침수상태를 계속 만들어 갈대줄기 생물막에 의한 유기물 분해, 부유물(SS) 침전, 중력침투에 의한 여과효과를, 후단습지에서는 주로 질화·탈질작용을 기대했다. 처리대상하수로는 단독처리 분뇨정화조 처리수를 이용했다. 정화조는 고시구분 제1의 분리접촉 포기방식에 처리대상인원이 60명인 제품을 사용했다. 또한 시기적으로도 갈대의 지상부가 말라 영양흡수작용을 기대할 수 없는 가을과 겨울에 식재토양 자체의 질소·인 제거능력을 조사하는데 주안점을 두어 실험을 실시했다.
2.1 인공갈대습지
실험에 이용한 인공갈대습지의 처리흐름은 그림 1과 같고, 재료는 표 1과 같다.
(그림 1) 인공갈대습지의 처리흐름
<표 1> 실험재료
항 목 |
조 정 조 |
침 수 조 |
간헐침수조 |
---|---|---|---|
실험조재질 치수(mm) 유효용량(ℓ) |
폴리에텔렌 | ||
직경 750, 높이 800 300 |
직경 640, 높이 670 200 |
610×810, 높이 670 200 | |
토양 두께(mm) 식재면적(m2) |
|
원예용 흑토(埼玉산 검은 보크사이트토)와 모르타르용 미세모래의 동일부피 혼합물 | |
300 0.32 |
150 0.48 | ||
배수재 두께(mm) |
|
침수시트가 감겨진 토목배수재(헤치마론*) | |
100 |
100 |
〔주〕 * : 新光나일론(주) 제품
인공습지는 갈대식재토양이 항상 30cm 정도 침수하는 실험조(면적 0.32m3, 침수조로 약칭)와 토양표면 부근까지 침수되는 실험조(면적 0.48m3, 간헐침수조로 약칭) 및 투입오수의 조정조로 구성했다. 1994년 11월 20일에 橫浜시내의 早淵川(鶴見川 수계)에서 갈대를 채취했다. 뿌리부분은 가능한 건드리지 않은 상태로 흐르는 물에 씻어 부착토양을 거의 제거한 후, 각 실험조에 블록 전체를 식재했으며 식재밀도는 현지상태와 거의 비슷했다.
단독분뇨정화조의 최종침전조에서 정화조 처리수를 조정조에 펌프로 끌어들여 처리수의 BOD, T-N, T-P가 각각 10, 20, 2㎎/ℓ가 되도록 수돗물로 조정하여 이를 원수로 사용했다. 원수를 우선 침수조에 도입시키고 갈대식재토양을 침투시켜 바닥부 배수층에서 배출했다. 배수관 중간에 용존산소농도(DO)계, 산화환원전위(ORP)계, pH계를 설치했다. 이어서 침수조를 통과한 오수를 간헐침수조에 끌어들여 역시 마찬가지로 갈대식재토양을 침투시켜 바닥부 배수층에서 배출했다. 배수관 높이를 토양표면부근에 설치하여 사이폰 작용으로 간헐적인 배수가 가능하도록 했다. 침수조와 간헐침수조의 수위차는 최대 약 30cm였다.
2.2 계측·분석방법
표 2는 자동계측기의 사양을 나타낸 것이다. 그림 1과 같이 각 센서의 출력신호를 데이터로거(江藤전기(주), CAD AC100)를 이용해 PC(일본전기(주), PC9801RX)에 5분간 1회 빈도로 회수했다. 침수조 및 간헐침수조 각각의 출구에서 물을 채취해 표 3의 방법으로 수질을 분석했다.
<표 2> 자동계측기의 사양
계측기 |
계측방식 |
업체·형식 |
---|---|---|
유량계 온도계 pH계 DO계 ORP계 |
용적식 열전대식 유리전극식 격막 폴라로그래프식 유리전극식 |
愛知시계전기(주) OF05ZAT-A0 T(구리-콘스탄탄), 0.65mm, 0.4급 大倉전기(주) SA2001A111 전기화학계기(주) 7691L, OBU-12 大倉전기(주) SA2001A211 |
<표 3> 분석방법
항 목 |
분석방법 |
---|---|
T-N
NH4-N NO3-N T-P
TOC |
펠옥소 이황산칼륨 분해법(전처리) 자외선 흡광광도법 이온전극법 이온전극법 펠옥소 이황산 칼륨 분해법(전처리) 몰리부덴 청-아스코르빈산 환원-흡광광도법 연소 비분산형 적외선 가스분석법((주)島津제작소 TOC-500) |
3. 실험결과 및 고찰
3.1 갈대의 성장경과
실험실시 전년도 가을(1994년 11월 20일), 모델습지에 수돗물을 도입한 후 다음 해 2월 14일부터 원수를 유입시켰다. 침수조에서는 원수유입개시 약 3주 후에 조류가 발생하기 시작하고 현탁물이 두드러지게 축적되었다. 3월초에 침수조, 간헐침수조 모두 갈대의 새싹이 돋아났다. 그후 침수조의 갈대는 7월에 이삭이 나오기 시작해 초가을에 토양면에서 약 2m로 성장했으나, 간헐침수조의 갈대는 1m 정도밖에 성장하지 않고 이삭도 거의 나오지 않았다. 간헐침수조의 갈대생육이 침수조에 비해 떨어지는 원인으로는 간헐침수 조작영향과 토양두께 부족 등을 생각해 볼 수 있다. 뿌리주변의 발달은 투수성을 유지하기 위해 중요한 요인이 되므로 앞으로 토양두께 등과의 관계에 대해 검토해야 할 것이다.
3.2 토양온도·물지수의 결과 및 고찰
아주 추운 겨울 한달 동안 각 실험조의 토양표면 밑 10cm의 온도변화를 관찰해 나타낸 것이 그림 2이다.
〔주〕 외부기온, 침수조 토양표면, 10cm, 간헐침수조 토양표면, 10cm
(그림 2) 토양온도의 변화(한겨울)
침수조에서는 수면이 얼어도 변동폭이 작아 아무리 추워도 5℃이하로 떨어지는 경우는 거의 없었다. 간헐침수조의 경우도 얼지는 않았으나 침수조보다 변동폭이 컸는데, 간헐침수조작에 의해 외부기온의 영향을 상당히 받는 것으로 생각되었다. 일반적으로 질화·탈질균의 활성은 온도에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있으나, 나중에 설명할 수질변화를 보면 이번 실험에서는 정화능력이 상당히 유지된 것으로 생각된다.
그림 3은 간헐침수조의 유입·배출량 변화를 나타낸 것이다. 원수유입을 개시한 후 1개월은 유입량이 60ml/min 정도이고, 배출량은 0에서 150㎖/min 폭으로 변동했으며 사이폰작용에 의해 간헐적 배수가 이루어지고 있다. 2월 14일∼3월 10일까지 25일간의 배출량을 평균 60ml/min로 한다면, 간헐침수조의 식재면적이 0.48m2이므로 식재면적당 하루 평균 투과수량은 약 180ℓ/m2·d이다. 3월 중순부터 6월 중순에 걸쳐 투과수량이 1/2에서 1/3 정도로 저하되었으나, 6월 중순부터 약간 회복되어 100ℓ/m2·d 정도가 되었다. 이는 갈대성장에 따른 갈대 뿌리부근의 발달에 의해 투수성이 회복되었기 때문으로 생각된다. 5월 16일에 배출량이 매우 큰 것은 출구유량계의 폐쇄에 의해 침수상태를 유지해 이를 처리한 후 한꺼번에 배수했기 때문이다.
(그림 3) 간헐침수조의 유입·배출량 변화
3.3 수질분석 결과 및 고찰
(1) 침수조 출구의 DO, ORP, pH 변화
침수조 출구의 DO, ORP 변화는 그림 4, pH 변화는 그림 5와 같다.
(그림 4) 침수조 출구의 DO, ORP 변화 (그림 5) pH 변화
침수조 출구의 DO는 2월 14일에 원수가 유입된 후 저하되어 약 1개월 동안 거의 사라졌다. ORP는 서서히 저하되었으므로 4월 중반∼6월초에 걸쳐 토양이 강한 혐기적 환경을 유지한 것으로 생각되었다. pH의 경우는 원수와 간헐침수조 출구(처리수)의 측정데이터도 함께 기재했다. 간헐침수조 출구의 pH는 침수조 출구에 비해 낮은 경향을 보이는데, 나중에 설명할 각 실험조에서의 형태별 질소변화를 반영한 것으로 생각되었다.
(2) 형태적 질소(T-N, NH4-N, NO3-N)의 변화
그림 6∼8은 T-N, NH4-N, NO3-N의 분석결과를 각각 나타낸 것이다. 실험개시시에 원수 T-N을 약 20mg/ℓ 정도로 조정할 예정이었으나, 실제로는 농도변동이 심한 패턴을 보였다. 그림 6을 보면 실험개시 직후부터 고농도의 T-N이 유입되어 각 실험조 출구의 T-N이 상승했다. 3월말부터 저부하상태가 되어 간헐침수조 출구(처리수)에서는 T-N이 급속하게 저하되었으나, 침수조 출구에서는 회복이 지연되었다.
그림 7에서 NH4-N의 변화를 보면 침수조 출구에서는 T-N의 대부분이 NH4-N으로, 질화가 이루어지지 않은 것을 알 수 있다. 2월의 극단적인 부하상승과 침수에 의한 토양의 강한 환원상태가 미친 영향을 생각해 보면 그림 4의 ORP 변화와 일치한다. 한편 간헐침수조 출구의 경우 그림 7을 보면 NH4-N이 거의 없는데 반해 그림 8에서는 NO3-N의 농도가 상승하여 침수조를 통과한 NH4-N의 대부분이 질화된 것을 알 수 있다.
(그림 6) T-N의 변화
(그림 7) NH4-N의 변화
(그림 8) NO3-N의 변화
(3) TOC, T-P의 변화
그림 9는 전체 실험기간에서 원수와 각 실험조 출구의 T-P 변화를 나타낸 것으로 원수의 T-P는 변동이 큰 각 실험조 출구에서 거의 검출되지 않았다. T-P는 이번에 식재토양으로 이용한 흑토(검은 보크사이트토)의 인산흡수능에 의한 작용이 큰 것으로 생각된다. 실험 전에 분석한 시험용 흑토의 인산흡수계수는 6,630mgP2O5/건조토양 100g(토양양분분석법 12.7에 준거)이었다.
(그림 9) T-P의 변화 (그림 10) TOC의 변화
같은 모양으로 그림 10은 TOC의 변화를 나타낸 것으로 원수의 TOC는 변동이 커서 최대 25mg/ℓ(BOD 40mg/ℓ)를 보였으나, 각 시험조 출구에서는 5mg/ℓ(BOD 5mg/ℓ)이하를 보였다.
갈대는 뿌리부근에 산소를 수송하는 능력이 있는 것으로 알려져 있으나, 실험에 이용한 침수조의 형태별 질소변동으로 알 수 있는 바와 같이, 한냉기는 갈대습지가 강한 환원상태가 되어 정화능력이 크게 저하될 뿐만 아니라 NH4-N의 방출도 우려된다. 이번 실험을 통해 갈대습지는 항상 침수된 상태보다 습지수위를 변동시키거나 복수단계로 처리하는 등 토양을 호기적 환경으로 유지할 수 있는 인위적인 방법을 연구하면 정화능력을 강화할 수 있을 것으로 생각되었다.
3.4 질소·인의 물질수지
1995년 2월 14일에 원수유입을 개시해 6월 23일까지 130일 동안 질소·인의 물질수지를 대략적으로 구했다. 처리수의 질소·인 농도분석은 평균 이틀에 한 번 정도 실시하여 이를 이틀간의 대표치로 보고 유입량과 처리수량을 곱해 실험기간중의 누적량을 계산했으며 그 결과는 다음과 같다.
4. 맺음말
인공갈대습지를 생활하수의 고도처리에 적용하기 위해 모델습지의 투수성, 저온시의 정화능력 등을 검토해 본 결과 인공갈대습지의 조성방법에 관해 다음과 같은 데이터를 구할 수 있었다.
(1) 침투흐름방식 갈대습지의 투수성에 관한 데이터
식재가 이루어지지 않은 토양은 굳어져 불투수화가 문제가 되는데, 갈대 뿌리부근의 발달에 의해 어느 정도 유지가 가능하다. 한편 투수성을 높이기 위해 유입·배출수위차를 설정하거나 습지바닥에 배수재, 관로망 등을 설치하는 등 배수방법도 배려해야 할 것이다.
(2) 토양두께에 관한 데이터
외부기온의 완충작용면에서나 갈대 지상부의 생육·지지력 면에서 두꺼운 편이 바람직하나, 이번 실험의 침수조에서 관찰된 바와 같이 토양이 두꺼우면 혐기적 환경이 강해져 탈질, 인흡착 등 정화면에 좋은 영향을 미친다고 할 수 없다. 오히려 투수성이나 조성시에 사용 하는 흙의 양을 고려해 얇은 편이 바람직하다. 자연의 갈대뿌리부근은 60∼100cm 정도로 그 깊이까지 정화에 이용할 수 있을 것으로 생각되는데, 토양의 혐기적 환경을 피한다는 의미에서도 30cm 정도면 충분할 것으로 생각된다.
(3) 오수의 유입·배출방법에 관한 데이터
오염부하가 큰 경우나 토양두께가 두꺼운 경우 등에는 바닥부가 강한 환원상태가 되기 쉬우므로 이를 완화시킬 필요가 있다. 이번 실험에서는 토양표면에 정화조 처리수를 일정한 유속으로 유입시켜 토양바닥면에서 배출하는 침투유속방식으로 이루어졌는데, 2단계로 처리하고 두 번째 단계는 사이폰을 이용해 토양수위가 변동되므로 한냉기에도 높은 질소제거효과를 거두었다. 사이폰 단계나 가뭄시기에 관찰되는 간헐적 침수를 행하는 방법은 토양의 호기적 환경을 유지하고 질소를 제거하는데 유효할 것으로 생각된다.
5. 향후 전개방향
이번 수질데이터는 한냉기에 한정된 단기적인 것이다. 갈대의 영양흡수효과를 거의 기대할 수 없는 상태에서 토양미생물의 대사와 토양의 흡착작용 등 토양자체의 정화작용을 검토했다고 할 수 있다. 한 겨울에 대한 데이터는 문헌도 그 수가 적고 귀중하다. 이번 연구는 식재를 이용하고자 하는 소위 자연정화법의 한 방법으로 일정한 처리수질을 보증할 수 있는 시스템을 조성해 휴경논에서의 실증실험을 거쳐 다음과 같은 점에 대해 검토해야 할 것이다.
(1) 인공갈대습지의 설계제원 파악
① 장기운전 데이터의 취득
② 오수의 유입·배출방법 최적화(토목배수재, 관로망의 효과적 배치를 검토)
③ 토양두께의 최적화
(2) 유지관리의 간소화
① 동력을 사용하지 않는 오수의 유입·배출방법 검토(습지토양의 호기적 조건유지와 관련)
② 갈대 베어내기 등 관리가 용이한 습지형태 검토
③ 베어낸 갈대의 유효이용방법 검토
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