1)
†To whom correspondence should be addressed.
Department of Environmental Engineering, College of Science and Technology, Korea University
E-mail: [email protected]
가정용 빗물정원을 이용한 지붕빗물내 영양소 및 중금속 제거
박기정 ･ 박희수 ･조윤철
*･ 김성표†
고려대학교 환경시스템공학과
*대전대학교 환경공학과
The Removal of Nutrients and Heavy Metals Using Household Rain garden
Gijung Pak․Heesoo Park․Yunchul Cho
*․Sungpyo Kim
†Department of Environmental Engineering, College of Science and Technology, Korea University
*
Department of Environmental Engineering, Daejeon University
(Received: 04 December 2014, Revised: 11 December 2014, Accepted: 30 December 2014)
요 약
대부분의 강우가 여름철에 집중되는 국내 강우 특성은 여름철 집중호우에 따른 비점 오염물질의 수계로의 과대 유입에 대한 우려를 높이고 있다. 국내 수계로의 오염원 유입특성이 대부분 비점오염원 형태인 것을 감안한다면 강우가 오염 물질의 거동에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 특히 초기 우수의 경우 상당한 영양소와 중금속에 오염되어 있 는 것으로 알려져 있기 때문에 이를 적절히 처리함과 동시에 재이용하기 위한 다양한 연구가 필요하다. 이를 해결하기 위한 다양한 시설 중 빗물정원은 빗물양과 수질의 조절이 가능한 친환경적이며 효과적인 방안이다. 본 연구에서는 빗 물정원에 효과적으로 적용 가능한 자연형 흡착여재를 개발하고 이를 적용하여 빗물이 빗물정원을 통과한 이후 유출수 의 영양소 및 유기물(TN, TP, CODcr), 중금속 제거(Cu, Cd, Pb) 효율을 검토하였다. 이를 위하여 자연형 흡착여재인 피트모스를 탄화시켜 오염물질 별 제거 흡착능을 살펴보았으며, 이를 이용한 삼단의 계단식 여재 시설을 구성하여 영 양소 및 중금속 제거 변화 양상을 살펴보았다. 연구결과 피트모스는 더 높은 온도에서 탄화시켰을 경우 흡착능이 우수 하였으며, 피흡착제의 농도가 낮을수록 흡착이 잘 되는 것으로 나타났다. 5개의 빗물정원에서의 인공강우 오염물질 제 거효율을 분석한 결과, T-N, T-P, CODcr 모두 피트모스를 사용한 반응조가 제거율이 가장 높은 것으로 나타났다.
따라서 앞으로 빗물정원을 구성하는데 있어 피트모스를 탄화한 여재를 이용한다면 보다 효과적인 오염물질 저감효과 를 얻을 수 있을 것이라 판단된다.
핵심용어 : 초기우수, 빗물정원, 흡착여재, 피트모스(Peatmoss)
Abstract
In Korea, most rainfall events occur during summer which then leads to an increasing concern regarding high influx of non-point source pollutants since the pollutant loadings from these non-point sources are very significant. In particular, the first flush of roof-harvested rainfall is said to contain the most highest concentration of nutrients and heavy metals. Accordingly, it is important to develope the possible water quality management options in treating the contaminants and considering reclaimed water reuse. The rain garden could be one of suitable alternatives in addressing this issue. In this study, the development of an effective adsorption media and its application to a lab-scale rain garden was tested to evaluate the removal rate of various nutrient and organic matter (TN, TP, CODcr), and heavy metals (Cu, Cd, Pb). Results showed that carbonized peatmoss produced at higher temperature have better adsorption capacity as compared to the one produced at a lower temperature. When the carbonized peatmoss was applied as rain garden media, the highest removal of TN, TP, and CODcr was observed compared to no carbonized peatmoss applied rain garden. Therefore, this study showed that the carbonized peatmoss would be effectively applied to the rain garden for removing nutrients and heavy metals from roof-harvested rainwater.
Key words : First Flush, Filter Media, Initial Rainfall, Peatmoss, Rain Garden
가정용 빗물정원을 이용한 지붕빗물내 영양소 및 중금속 제거 39
1. 서 론
우리나라의 연평균 강수량은 약 1,245mm로 세계 평균 연강수량(880mm)에 비해 50% 정도 높은 수준을 유지하고 있으나(Jeong, 2006), 대부분의 빗물이 여름철에 집중되는 특징을 가지고 있다. 특히 기후변화에 의한 집중호우 현상 이 증가하고 있는 현 시점에서 적절한 빗물관리는 기존의 효율적인 수자원 관리 측면뿐만 아니라 비점오염원 관리 측면에서도 매우 중요하다(MOLIT, 2011). 미국 환경보호 청(EPA) 자료에 따르면 오대호 유입오염의 약 76%가 비점 오염원 형태를 따른다고 알려져 있으며(Talane, 2010), 우 리나라의 경우 현재 한강수계에서 비점오염원 배출부하량 이 차지하는 오염원 비율이 전체 배출부하량의 66.1%에 달하고 있고, 2020년에는 약 72.7%를 차지할 것으로 예상 하고 있다(MEV, 2012).
최근 지붕에서 모아진 빗물을 이용하여 다양한 생활용수 로 이용하려는 연구가 점차 주목 받고 있으며, 이를 위해서 빗물의 양적 관리뿐만 아니라 질적 관리도 함께 이루기 위 한 다양한 연구들이 수행되고 있다(Park and Kim, 2014;
Kim, 2011; Kim et al., 2011; Amin and Han, 2009;
Lye, 2009; Mun et al., 2006).
현재까지 도시 지붕에서 모아진 빗물의 성상은 초기 우수 의 경우 상당한 영양소와 중금속에 오염되어 있는 것으로 알려져 있다. Kim 등(2012)은 실제 지붕 빗물에서 초기우 수(15분 이내)에서 NH4-N 농도가 약 4-7mg/L 범위를 나타내는 것을 확인하였다. 다만 TP의 농도는 상대적으로 미미 하였다. Simmons 등(2001)은 뉴질랜드 오클랜드 4개 도시지역 내 125개의 지붕 빗물에서 3가지 중금속 납, 구 리, 아연의 농도를 측정 하였는데, 납의 경우 약 14%, 구리 의 경우 약 2%, 아연의 경우 약 1%의 샘플이 음용수로 적 합지 않은 수준인 것으로 나타났다. Gromaire 등(2001)은 지붕 덮개 재질 및 거터재질에 따라, 우기시 합류식 하수관 거에서 발견된 카드뮴(cadmium), 납(lead), 아연(zinc)의 80% 이상이 지붕에서 비롯된 오염물질이라는 것을 밝혀냈 다.
따라서 우수에 대한 하천용수로의 이용이나 또는 생활용 수로의 재활용을 위해서는 우수의 수질을 관리할 필요성이 있으며, 이를 위한 하나의 친환경적 대안으로 빗물정원 (Rain Garden)에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다 (Muthanna et al., 2007; Lefevre et al., 2012; Yang et al., 2009). 빗물정원은 다양한 식생이 식재된 얕은 분지를 말한다. 보통 빗물정원은 물의 운송 기능이 없고, 빗물 유 출수를 집수하고 보유하도록 설계되어 초목과 토양을 통해 물이 땅으로 흘러나가 오염물질을 침전시키고 여과한다.
따라서, 도시지역에서 빗물정원이 잘 설계 된다면, 자연 친 화적이면서 심미적인 방법을 통해 지붕빗물에서 발생되는 영양소 및 중금속의 비점오염원 형태를 어느 정도 저감시 켜 줄 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 현재까지 국내에
서는 가정 단위 내 지붕 빗물 내 오염물질을 소규모 빗물정 원을 통해 처리하는 연구는 매우 제한적이며, 심미적인 효 과와 기능적 효과의 극대화에 대한 연구는 더욱 드문 현실 이다.
본 연구의 목적은 지붕 빗물에서 유래된 빗물이 빗물 정 원으로 처리될 시에 처리 수질을 극대화 할 수 있는 빗물정 원의 여재 구성에 따른 영양소 및 유기물(TN, TP, CODcr) 및 중금속 제거(Cu, Cd, Pb)에 대한 연구를 실시 하는데 있다. 이를 위하여 피트모스(peatmoss)의 영양소 및 유기물 제거 흡착능 효과 및 삼단의 계단식 여재 시설로 구 성된 레인가든을 이용하여 영양소 및 중금속 제거 변화를 살펴보았다.
2. 연구방법
2.1 자연형 흡착 여재 개발
Lab-scale의 빗물정원에서의 빗물 정화 시스템의 처리 능력을 극대화하기 위하여 자연형 흡착 여재 개발을 수행 하였다. 일반적으로 많이 사용되는 자갈, 모래, 톱밥, 우드 칩을 제외하고 본 연구에서는 피트모스를 선정하여 사용하 였다. 피트모스는 수생식물, 이끼류, 습지대의 풀 등이 지표 근처에 퇴적하여 생화학적으로 탄화한 것을 말하며, 보통 90% 이상의 유기물을 함유하고 있고, 다공질이며 60% ∼ 85%의 공극률을 가진다. 피트모스의 장점은 물 흡수량이 무게에 비해 매우 뛰어나고, pH가 쉽게 변하지 않으며, 제 조방법에 따라 다양한 종류의 오염물질을 선택적으로 잡을 수 있다는 데 있다(Cho et al., 2014). 또한 현재 피트모스 는 g 당 약 1∼1.5원 선에서 판매되고 있어, 일반여재로 많 이 사용되는 활성탄(175원/g), PP 여재(1,500원/g) 또는 세 라믹 여재(10,000원/g) 등에 비해 가격이 저렴하여 식생재 료로 사용하기에 유리하다.
피트모스를 오염 물질(질소, 인, 중금속 등) 제거에 이용 한 연구는 2000년대 초부터 시작되어(Lee et al., 2001), 최 근까지 진행되고 있다. 국내 피트모드 관련 연구는 폐수 내 중금속 제거 연구(Lee et al. 2001), 탄화 피트모스에 의한 중금속 제거 특성 연구(Lee et al., 2013) 등이 있으며, 특 히 피트모스의 뛰어난 미생물 활성처리 능력을 이용한 유 류오염토양에서 유류분해 미생물의 분리 및 피트모스를 이 용한 오염토양 처리에 관한 연구(Chun et al., 2007) 등이 활발하게 이루어지고 있다. 국외의 경우 주로 피트모스를 이용한 중금속 제거 연구(Reyes et al., 2013)가 이루어지고 있다. 피트모스는 g당 200 이상의 높은 표면적을 가지고 있을 뿐 만 아니라 가격도 매우 저렴하여 다른 흡착에 비해 서 경제성이 높아 오염물질을 흡착하는 여러 가지 시설들 에 활용이 유리하다.
따라서 본 연구에서는 경제성이 뛰어나고, 자연형 여재 인 피트모스를 이용하여, 105℃에서 가열 변형시키는 방법 과 550℃에서 탄화시키는 방법을 통해 2가지의 여재를 개
Fig. 1. Peatmoss production using different temperature treatment
Table 1. Major components of peatmoss
Component Contents, dry weight ratio (%)
Organic compounds 92∼93
Humic acid 22.50
Lignite 37.05
Total nitrate 1.05
P2O5 0.13
K2O 0.11
CaO 0.35
MgO 0.14
Cation Exchange Capacity;
CEC (mg/100g) 250
Anion Exchange Capacity;
AEC(mg/100g) 134
발하고 흡착능을 비교하였다(Fig. 1). 이탄이끼의의 흡착능 을 살펴보기 위하여 실시된 흡착실험은 피흡착제인 중금 속 Cu, Pb, Cd과 NH4-N를 대상으로 하였으며, 피흡착제 별로 농도를 1, 2, 3, 5, 10, 20ppm으로 조정하여 실험을 진행하였다. Table 1은 피트모스의 주요 성분에 대해 기술 한 것이다.
2.2 Lab-scale 빗물정원 설계 및 운전
적정 빗물 처리 및 저장 시스템의 설계인자 도출을 위하 여 빗물정원에 대한 Lab-scale 실험을 실시하였다. 이를 위해 총 5개의 3단 빗물정원을 설치하였으며, 각각의 효율 을 파악하기 위해서 여재 구성 및 식생에 변화를 주어 실험 을 진행하였다. 실험은 2013년 10월 ∼ 12월까지 총 5회의 강우사상에 대한 실험을 진행하였다. 크게 여재의 최상단에 는 자갈류(0.2∼0.4mm), 중간 부분에는 일반여재(우드칩:
25mm × 25mm(가로/세로), 두께: 2∼3mm), 톱밥 (입경 4mm이하) 또는 식생(잔디, 창포) 그리고 마지막 단에는 모
Fig. 2. Diagram of the three-stage concept rain garden
래 또는 피트모스(입경: 0∼25mm)를 이용하여 5가지 다른 구성으로 설계하였다. 아래 Fig. 2는 3단으로 구성된 빗물 정원 모식도를 나타낸다.
일반 여재를 사용한 Type-1은 자갈 10mm, 우드칩, 모 래, Type-2는 자갈 10mm, 톱밥, 모래로 구성하였다. 추가 적으로 오염물질 제거능이 높다고 확인된 식생 중 창포와 잔디를 이용하여 2개의 빗물정원을 구성하였는데, 잔디의 경우, 상단 잔디 10mm, 하단 모래로 구성된 빗물정원의 중단에 톱밥과 함께 식종하였으며(Type-3), 창포의 경우도 잔디와 마찬가지로 동일하게 중단에 식종하였다(Type-4).
마지막으로 피트모스의 흡착능을 확인하기 위해 Type-5 반응조의 경우 자갈 10mm, 잔디 + 톱밥, 모래 + 피트모스 로 구성하여 실험을 실시하였다(Fig. 3). 각각의 빗물정원은 30cm(H) × 20cm(L) × 20cm(W) 크기의 아크릴로 설치 하였으며, 인공적으로 구성된 빗물을 주입하여 각각의 오염 물질 제거효율을 살펴보는 방법으로 실험을 진행하였다.
가정용 빗물정원을 이용한 지붕빗물내 영양소 및 중금속 제거 41
(a) Type-1, Type-2 (b) Type-3, Type-4 (c) Type-5
Fig. 3. Type of Lab-scale rain garden
Table 2. Filter Type-1 (여재1, carabonized at 105℃) adsorption capacity (Unit: mg/L)
1ppm 2ppm 3ppm 5ppm 10ppm 20ppm
NH4-N 58.5 45.5 58.5 43.3 43.0 37.0
Cu 47.8 45.0 47.8 35.0 39.0 26.5
Cd 42.8 41.0 42.8 31.7 36.0 32.5
Pb 41.0 37.0 41.0 28.3 33.0 35.5
Table 3. Filter Type-2 (여재2, carbonized at 550℃) adsorption capacity (Unit: mg/L)
1ppm 2ppm 3ppm 5ppm 10ppm 20ppm
NH4-N 64.0 48.2 45.0 43.1 43.0 43.0
Cu 61.8 41.0 37.5 36.7 39.0 34.5
Cd 55.0 39.0 35.0 33.3 37.0 33.5
Pb 56.5 39.0 30.0 30.0 35.0 38.0
2.3 인공빗물 성상
본 실험에서 사용된 인공 빗물의 성상은 다음의 표와 같 다. 이 성상은 기존 고려대학교 세종 캠퍼스의 지붕 빗물에 서 지속적으로 모니터링된 빗물성상을 참조(Kim et al., 2012)하여 기존수치의 평균값으로 실시하였다.
2.4 이화학적 분석
본 연구에서는 빗물정원에서의 T-N, T-P, CODcr, NH4- 제거에 중점을 두었다. T-N, T-P는 수질공정시험 법(제14항-1 흡광광도법, 제17항-1 아스코르빈산환원법) 에 준하여 실시하였으며, CODcr는 HACH사의 DR 2010 을 이용하여, COD Test Kit Low Range(0 to 150 ppm) 방법으로 측정하였다.
3. 연구결과 및 고찰
3.1 여재별 흡착능 실험 결과
피트모스를 이용하여 개발된 자연형 흡착 여재 1(105℃
탄화)과 2(550℃ 탄화)의 피흡착제 농도별 흡착능을 비교
한 결과, 여재1 보다 여재 2가 흡착능이 더 좋은 것으로 확 인되었다. 일반적으로 더 적은 농도를 가지는 피흡착제에서 의 흡착량이 더 높은 것으로 확인되었으며, 피흡착제의 농 도가 높을수록 흡착량이 감소하는 결과를 나타냈다. 여재 1 의 경우 1ppm의 NH4-N에서 약 58% 정도의 흡착능을 나 타냈으나, 여재 2의 경우에는 약 64% 정도의 흡착능을 나 타냈다. 중금속 (Cu, Cd, Pb) 1ppm의 경우 여재 1는 약 45% 전후의 흡착능을 나타냈으며, 여재 B의 경우 약 60%
전후의 흡착능을 나타났다. 평균적으로 살펴보면 1mg/L에 서 가장 높은 흡착능을 보였으며(평균 53.4%) 20mg/L에 서는 가장 낮은 흡착능을 보였다(평균 35.1%). 따라서 피 흡착제의 농도가 낮을수록 흡착이 잘 되는 것으로 판단되 며, 여재 2가 여재 1에 비해 흡착능이 우수한 것으로 나타 났다. 이는 여재 2가 더 고온에서 탄화되어 표면적이 넓어 졌기 때문인 것으로 판단된다. Table 2는 여재 1(105℃탄 화) 농도별, 피흡착제별 흡착능, Table 3은 여재 2(550℃
탄화) 농도별, 피흡착제별 흡착능을 나타낸다.
3.2 Lab-scale 빗물정원 운전 결과
여재 구성 및 식생에 변화를 주어 실험한 5개의 빗물 정
(a) T-N (b) T-P
(c) CODcr
Fig. 4. Rain garden pollutant removal ratio of 5 rain garden configurations
원에서의 오염물질 제거효율(T-N, T-P, CODcr)을 분석 하였다. 전반적으로 대상 물질의 제거효율은 그리 높지는 않았다. Fig.4는 레인가든에서의 5회 강우사상에 대한 평균 오염물질 제거율을 그래프로 나타낸 것이다. T-N의 제거 율은 5개의 lab-scale 실험에서 피트모스를 사용한 반응조 가 가장 높았으며, 제거율은 여재 A < 여재 B < 창포 < 잔 디 < 잔디 + 피트모스(여재 2)의 순으로 나타났다(Fig.
4(a)). T-P의 제거율은 T-N에 비해 비교적 높은 제거효율 을 나타내었으며, 여재의 구성에 따른 제거 효율은 T-N과 비슷한 것으로 나타났다.
실험을 시작하기 전에는 창포를 식종한 곳에서 좀 더 좋 은 영양소 제거나 중금속 제거를 기대하였으나 그렇지 못 하였다 (Fig. 4(b)). 정확한 이유는 알 수 없으나 아마도 창 포를 식종 후 실험을 실시한 기간이 3개월로 짧아, 식종 효 과가 정확히 반영되지 못했을 수도 있다고 판단되며, 또는 식종 후 여재의 공극률 변화로 다른 여재의 흡착 기재가 변 형되었을 수 있다고 판단된다. 따라서 창포의 영양소 및 중 금속 제거 기여도는 추후 지속적인 연구로 판단해야 할 것 으로 사료된다. CODcr의 제거율 역시 피트모스를 사용한 실험에서 가장 높게 나타났다(Fig. 4(c)). 전체적으로, 피트
모스(여재 2)를 여재로 사용한 경우 오염물질의 제거 효율 이 가장 높은 것으로 나타났다.
3단으로 구성된 빗물정원 유출수의 오염물질 저감 효과 는 피트모스를 사용했을 경우 가장 높은 것으로 나타났으 나, 전체적인 오염물질 제거율이 20% 이하로 기대만큼 높 게 나타나지는 않았다. 이는 단순한 여재의 특성 뿐 만 아 니라 수리학적 부하, 접촉시간, 접촉면적 등 여러가지 설계 인자들이 제거율에 복합적으로 영향을 주기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 설계된 빗물정원에서의 오염물질 제거율 을 높이기 위한 설계인자를 고려한 다양한 환경에서의 추 가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구의 목적은 빗물정원에 효과적으로 적용 가능한 자 연형 흡착여재를 개발하고 이를 적용하여 빗물이 빗물정원 을 통과한 이후, 영양소 및 유기물(TN, TP, CODcr), 중금 속(Cu, Cd, Pb) 제거율을 검토하는데 있다. 이를 위하여 자연형 흡착여재인 피트모스를 탄화시켜 오염물질 별 제거 흡착능을 살펴보았으며, 이를 이용한 삼단의 계단식 여재
가정용 빗물정원을 이용한 지붕빗물내 영양소 및 중금속 제거 43
시설을 구성하여 영양소 및 중금속 제거율 변화를 살펴보 았다.
피트모스를 이용하여 개발된 자연형 흡착 여재 1과 2의 흡착능을 비교한 결과, 1mg/L에서 가장 높은 흡착능을 보 였으며(평균 53.4%) 20mg/L에서는 가장 낮은 흡착능을 보였다(평균 35.1%). 따라서 피흡착제의 농도가 낮을수록 흡착이 잘 되는 것으로 판단되며, 여재 2가 여재 1에 비해 흡착능이 우수한 것으로 나타났다. 이는 여재 2가 더 고온 에서 탄화되어 표면적이 넓어졌기 때문인 것으로 판단된다.
이를 활용하여 구성한 5개의 빗물정원에서의 인공강우 오염물질 제거효율을 분석한 결과, T-N, T-P, CODcr 모 두 피트모스를 사용한 반응조가 제거율이 가장 높은 것으 로 나타났다. 추후 복합여재 구성에 대한 레인가든 설계 연 구가 지속된다면 보다 자연형 흡착여재인 피트모스를 효율 적으로 사용할 것으로 판단된다.
사 사
본 연구는 환경부가 출연하고 한국환경산업기술원에서 위탁 시행한 에코이노베이션기술개발사업(과제번호: 413-111-004) 에 의한 비점오염원 관리기술연구단의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
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