오염하천 정화를 위한 호기성 인공습지의 운영인자 평가

협정핀정기솔

C1ean Te야mol.， Vol. 25, No.4, December 2019, pp.302-310

오염하천 정화를 위한 호기성 인공습지의 운영인자 평가

김둘선，이동근*

청상대학교화학공학과 52828 경상남도 진주시 진주대로 501

(2019년 9월 25 일 접수; 2019년 10월 30일 수갱본 접수; 2019년 10월 30일 채택)

Parameter Estimation of the Aerated Wetland for the

Performan않 。fthe

Polluted Stream Treatment

D띠-Sun K.im, and Dong-Keun Lee*

Department ofChemicalEngineering, Gyeongsang National Univeπity，

501 Jinju-daero, Jinju-si, Gyeongsangnam-do 52828, Korea

(Re야ived for review September 25,2019; Revisìon received October 30, 2019; Ac야pted October 30,2019)

요 약

효기조와협기/무잔소조를칙렬로 연결한인공습지를이용하여 크게 오염된하천수를처리하였다.효기조는자연공기 매 출 시스탱올 통하여 공기가 연속적으로 공급되어 호기생 상태가 유지되었다. 인공습지의 성능에 영향올 미치는 최척의 영 향인자를 조사하기 위하여 체류시간을 다르게 한 5개의 파일렷 플웬트를 사용하였다. 호기조에서 BOD (bioch뼈cal oxyge뼈뼈and)9f COD (cher피해loxygend뼈뻐d)의 쩨거율은 1차 반웅속도식을 나타내었고， COD 제거 속도 상수는 BOD 보다 약간낮았다. 온도 의존생은 COD (0= l.(lO79)와 BOD (0=1.0083)제거에 대한값이 거의 동일했으나 T-N 체거의 온도 의촌생((h .. )은 1.0189로 다소 높게 냐타났다. ss쩨거율은 98%로 높았고 수력학척 부하 속도(Q!A)가 중가합에 따라 쩨거 효 율이 중가하는 경향을보였다. 협기/무잔소조에서 BOD와 COD 재거의 주요 메커니즘은호기조와완천히 다르게 나타났다.

혐기/무산소초에셔 COD와∞D는생물학쩍 탈질을 위한탄소원으로 공급되었고 T-P는 혐기/무산소조 내의 orthophosphate 와자갈사이의 양이온교환에 의혜 제거되는것으로조사되었다， 인공습지는여과된 고형물에 의해 막힘 없이 성공적으로 운영되었고 고형물들은 매우빠르게 연속척으로분해되었다.

주쩌|어 : 인공습지， 오염된 하천수， 호기조， 혐기/무산소조， 자연 공기배출 시스햄

A늄빼훌:t : A constTucted wetland with the aerobic 않nk and anaerobic/anoxic 뻐nk connected in series was 없nployed in order to

t뼈t 피맹ly polluted stre뼈1 water. ’The aerobic 빼nkwasm려ntained aerobic with a continuous supply of 벌r throu맹 the natural

외r draft System. Five φlot plants having diff합ent 1앵idence times were 앙nployed together to ob뼈n 뼈rameters fiπ the best

P하fon뼈nces of the wetl뻐d. BOD and COD removals at the aer’obic tank followed the first order 성netics. COD rernoval rate cons빼tsw힐'e slightly lower than BOD. The teIrψ짧ured행e며ence ofCOD (6 = 1.007외 and BOD (6 = 1.(083) was 허most

the Sante, but the 않rnper와ure depe뼈ence (6N) of’f-N removal was 1.0189. The SS 1없noval rate was as high as 98% and the removal e펌.cien양 showed a ten없:ncy to increase with incr없sing hy(뼈ulic loading rate (Q/A). The main meφanismofBOD

and COD rernoval at the anaerobic/anm디c 빼nk was entirely different from that ofthe aerobic 뻐nk. BOD and COD were supplied as the 않rlX>D S뼈ce for bi이ogi때 deni며5대non. T-P was believed to be 1빼oved thou맹 the cation exchange b하ween 01뻐ophosphate and grav1허s within the 없aerobic 뼈d anoxic 빼ks. The wetland co띠ds따cessfully be φ없뼈 without b떠ng

bloclred by the filte뼈d solid which subs빼lently decomposed at an extr빼‘ely fast rate.

K빼빼xds : constructed wetland, po뻐ted stream water, aerobic ta마， 뼈aerobiclanoxic 어따， 뼈tural 떠r draft SYSteIrl

* Towhomcorre뼈g떠ence 뼈0띠d be addressed.

E뼈il: d-잉cc@맹l.ac.kr， Tcl: +82-55-772-1782; Fax: +82-55-772-1789 doi: 10.7464lksct.2019.25.4.302 plSSN 1598-9712 elSSN 2288-0690

돼is is an Open-Acccss arti.clc 벼밟ibutcd undcr tbc 야ms ofthc α-cativc commons ^Attribution Na바:omm.:π뻐1 License (http:ν'crcativccommons.O때icence밍 by-.뼈.0) which pcrmits unrestrictcd non-commercìal usc, distribution, and reproduction in 없y mcdium., pm찌.dcd the ori맹al work is propcrly cìtcd

302

1.서 룰

인공습지 (constructed wetland, cw)는 물， 기질， 토양， 식물 및 미생물을 포함하는 공학객 시스댐으로서 자연공쟁을 활용 하여 도시 및 산업폐수를 처리히는 친환경적인 쟁물학적 처 리공정이다[1-10]. CW는 활생슬러지 공정 및 생물막 공정과 같은 전통적인 폐수처리기술과 비교하여 저렴한 투자와 운영 비용을 필요로 하고 자연적인 과정에 의해 오염물질을 체거 하며， 유일한 외부에너지원으로 태양광을 이용한다[8]

1950년대 독일에서 최초로 CW을 기반으로 한 하수 처리를 수행하였고[1]， 그 이후로 유럽， 북미， 호주 등에서 폐수처리 를 위해 CW올 척용하였으며， 현재 이 기술은 널리 보급되어 천 세계 선진국과 개발 도성국에서 인기를 얻고 있다[8] 초 기 CW는 전통적으로 도시 폐수를 처리하는데 사용되었지만 지난 20년 동안 cw을 적용하여 산업 및 농업 폐수， 매립지 침출수 및 우수 유출수 둥을 처리하였다[9].

CW에서 오염 물질을 제거하는 메커니즘은 침전， 여과， 침 강 및 휘발과 같은 물리적 과갱뿐만 아니라 습지 식물과 미생 물에 의해 유도되는 생화학적 과정이 포함되어 다소 복잡하 며， 일반척으로 미생물 분해는 유기물， 질소 둥을 쩨거하기 위한 주요 과갱이 된다[11-12]. CW에서 오염 물질 분해에 영 향을 미치는 요인은 온도， 용존산소(disso1ved oxyg따 DO), 수질 및 기질 등이며， 그 중에서 DO는 미생물 활동과 오염 물질 제거 효율에 영향을 줄 수 있는 중요한 인자가 된다[13]

CW에서 산소 함량이 높을수록 유기물이 더 빨리 분해 될 수 있다 [14-15] 한편， 칠화과정보다는 유기물질 분해에 산소가 우선적으로 소비되므로 남은 DO의 양은 칠산화에 충분하지 않다. 따라서 유기물과 질소 사이의 산소 경쟁이 질화과정이 나 총질소(tota1 ni1rogeι T-N) 제거 과정을 제한õ}는 중요한 요소가 될 수 있다[16].

전롱척인 CW는 산소 함량이 다소 낮아 오염 제거 성능 이 상대객으로 떨어진다[17-18]. 따라서 습지 층의 산소 함 량을 향상시키기 위해 다양한 산소 집약 기술이 개발되었 다[15， 19]. 그러나 산소 함량이 높다고 해서 오염 물질 제거 효율이 크게 증가하지 않았고， 산소 공급이 증가하여도 총 질소(T-N) 및 총인(tota1 phosphorus, T-P) 제거가 개선되지 않은 것으로 나타났다[20-22]. 이런 현상은 호기성 상태뿐 만 아니라 혐기성 상태가 미생물 분해에 멸수척이기 때문 이다. 따라서 호기성 및 혐기성 조건이 번갈아 유지되는 최 척의 CW시스햄이 개발될 필요가 있으냐， 현재까지 산소 공급 및 분배 최척화에 대한 체계적인 공정기술이 여천히 부족하다[23]

용존산소(DO)는 CW에서 오염 물질 제거에 영향을 줄 수 있는 가장 중요한 요소 중 하나이다 그러나 산소 공급 부족 과 부적절한 산소 분배 문제는 기존 CW에서 일반적으로 존 재한다 [24] 더구나 CW내는 물층과 공기층 사이에 직접적인 정촉이 없기 때문에 대부분 호기성이거나 혐기성 분위기를 냐타낼 수 있다. 일부 과잉산소는 정수식물(em햄해t plants) 의 뿌리에 의해 폐수에 공급된다. 그러나 이들 산소는 뿌리

오염하천정화를위한호기생 인공습지의운영인자명가 303

와 줄기에서 직접객으로 성장하는 생물막에서 시용되기 쉬 우나 물층 자체속으로 갚숙하게 칭투하기는 어협다 따라셔 전형적인 인공습지 시스댐은 일반객으로 폐수 원수를 처리 하기는 어려운 것으로 알려져 있다 왜냐하면 오염물질의 농 도가 습지의 생물학적 요소에 의해서 생공적으로 처리하기 에 매우 높기 때문이다. 그러나 습지를 호기성 상태로 만들 연 습지 내에서 보다 빠르고 효율적인 생물학적 질화가 일어 날 것으로 예상된다. 그리고 요구되는 습지의 크기가 크게 줄어들 정우 인공슴지는 도시폐수의 원수를 처리하기 위해 더욱 실용적일 것이다.

본 연구에서 CW는 오염된 하천수로부터 오염물질을 제 거하기 위하여 호기조와 협기/무산소조를 직렬로 연결하여 설계하였다 오염물질 제거효율을 향상시 키기 위하여 CW

에서 DO을 가능한 최적화 하였고， 호기조에서는 주변의 공 기와 탱크 내부 공기와의 온도차이로 공기흐름이 유도되는 자연 공기 배출 시스탱을 도입하였다 실제 규모의 CW를 위한 최상의 성농을 위한 껄계 인자를 얻기 위해 체류시간 이 다른 5개의 파일릿 플웬트 규모의 인공 슴지를 사용하 였다.

2. 실험

인공습지는 호기조와 혐기/무산소조 두 개의 탱크가 연속 으로 연결되어 있다{Figure l(a)) 호기조는 주변의 공기와 탱 크 내부 공기와의 온도차이로 공기흐름이 유도되는 자연 공 기 배출 시스댐(Figure 1 (h))을 통해 공기가 연속적으로 탱크 에 공급되어 호기성 상태가 유지된다[25]. 호기조는 길이 1.5 또는 2m, 폭 1.0 따 깊이 1.2 m로 되어 있다. 탱크 바닥에서 구형 자갈(직정 25 mm)이 0.9 m 갚이7Jt지 채워졌으며(F땅ure

1 (c)), 그 위에 작은 모래(칙정 2.5 mm)가 0.3 m 갚이로 다시 채워졌다(Fi명re l(d)) 마지막으로 갈대를 모래층에 심었고 호기조 바로 아래에는 호기조의 표면척과 갚아가 동일한 혐 기/무산소조를 설치하였다.

오염된 하천수는 호기조의 표변에 분배되었고， 분배된 물 은 중력에 의해 수칙으로 흐른다 물이 호기조를 통과하는 동 안 자연 공기 배출 시스댐에 의해 공급된 공기와 직접적으로 접촉한다. 호기조에서 나오는 배출수는 다음에 연결된 혐기/

무산소조의 왼쪽으로 유입되어 수명으로 흐른다 미래 실체 규모의 인공슴지를 설계하기 위한 최적인자를 얻기 위해 5개 의 서로 다른 파일릿 플랜트 크기의 호기성 인공습지를 사용 하였고， 그들의 운영올 위한 호기조의 특성올 요약하여 Tab1e I 에 나타내었다.4개의 다른 유속이 1.2 - 3.0 m' d.¹ 범위에서 사용되었고， 표면객은 1.5 m' 또는 3.0 뻐였으며， 따라서 이론 적인 수력학적 체류시간(~)은 0.21 - 1.0 d가 되었다 5개의 파일렷 플랜트는 오염된 하천수에서 채취한 것과 동일한 유 업수로 1년간 운영되었고， 각 플랜트의 유입수와 호기조 및 혐기/무산소조의 유출수의 시료를 매일 I년동안 채취하여 수 질을 측정하였으며， 수질측정방법은 수질오염공쟁시험법을 따랐다.

304 김둘선·이동근

(에 (b)

(c)

Figure 1. Pi10t pIant sc와e constructed wetl뻐d; (a) representative photograph, (b) natural air draft system, (c) packed grave1s, (이 packeds없띠S

on the aerobic tank.

여)

Table 1. Summarized operating conditions ofthe five different pilot-pIant scale aerated constructed wetland (L = depth ofthe aerobic 뻐nk:，

1.2 m; E = porosity ofthe sand and gravel bed, 0.35).

ηpe Flow rate (m³ d.^I), Q Area(m²⁾,A Residence time (d), T = ALrJQ

#1 3.0 1.5 0.21

#2 3.0 3.0 0.42

#3 2.0 3.0 0.63

#4 1.8 ^3.。 0.70

#5 1.2 3.0 1.05

3. 결과및고찰

3.1. 호기조에서 영향인자 제거율 평가

3.1.1. 초기농도와 온도

5개의 서로 다른 파일릿 규모의 플랜트는 오염된 하천수에 서 채취한 것과 동일한 유입수로 I년간 운영되었다. 오염된 하천수의 BOD, COD, SS, T-N 및 T-P의 유입농도는 Figure 2에 냐타내었다. 1 월과 2월의 유입농도는 다른 계철에 바해 다소 높았다. 유입수의 온도는 겨울에는 4.5 "C로 낮았지만 여름에는 28 "C까지 높게 올라갔다. 유입수의 T-N성분을 분석 할 때， T쉬의 약 89%는 TKN으로 구성되었고 T-N의 약 7%는 N03^'-N이 었다. T-P의 경우， 약 60%의 T-P가 orthophosphate로 구성되었다.

3.1 .2. BOD and COD 저|거

Figure 3(a)은 파일렷 플랜트 #4의 대표적인 BOD 제거 효

율을 보여준다.5개의 서로 다른 파일릿 플랜트는 다른 BOD 제거 효율을 보였으며 체류 시간이 증가함에 따라 제거 효율 이 중가하였다. BOD 제거속도가 1차 반웅이라고 가정하면 Equation (1)올 얻올 수 있다.

ln(Co/C) = kAL잉Q ^{I ·‘ t} n ”

여기서 Co: 유업BOD 농도(mg L.¹), C: 유출 BOD 농도(mg L.¹), k: 속도상수{d.^I)， A: 호기조 표면적(m²)， L: 호기조 깊이 (m), Q: 유입속도(m³ dη， E: 기공도(0.35)

BOD 제거속도는 농도뿐만 아니라 온도의 영향도 받기 때 문에 5개의 다른 파일렷 플랜트로부터 얻은 결과를 5개의 다 른 온도 그룹{명균 온도 = 5 "C, 10 "C, 15 "C, 20 "C, 25 "C)에 서 Equation (1)으로 각각 그래프를 그렸다. Figure 3(b)는 10

℃에서 1n (Co/C)와 ALElQ 사이의 만족스러운 선형 관계를 보여 주며， 이로부터 BOD 제거가 1 차 반웅속도식을 따른다

305

오염하천정화를위한효기성 인공습지의운영인자평가

@

(Q』·gtg·F M

m

@

빼

’

ll g

T

l

·! I‘

g

‘

·lan.。

if

l ---‘

1

% R m guas

- -?

• ‘ v

-- -ag

i-

---- ag

‘톨

- - - ”.

。‘-

-l llv

·-- - -I

‘

---g·g·a。

.l l R톨ga，。

-- -- gxx lgax

‘,

，。

---。

‘.

‘‘

(닝gS c응W혼@‘8 를gg--

뼈 뼈

앓

· •

·· Il-- --

’

l • --

-R

>i

!’ I---l

-- ---

--- -- Il l- ----

--- -- -- -‘-- ---

50

빼

g

a

m

《닝gE) g。움톨·g8

fgE

깅m ----γ η

·RVT

”

·lv

T

m --9T

•

·lnVT

e

l

T

야

7

빼

·e e T

뼈

(

-뀌

---”

v

T Ri

--v

T

4

·gv

T

S

‘ ‘

•

•

•

•

’ 2

‘

’

5 8 7 8

Tlm어mo얘，)

(a)

Ftgure 2. Changes in the influent concentration ofpollutants with time.

10 11 12

s

• 800ln ’∞

... 800 oul.

‘ E""‘ ...

• I

는 것을 확인할 수 있었다. 속도 상수 k는 온도의 함수이므로， g

k의 온도 의존성은 Equation (2)로 가정하였다. @

• •

•

·I ----

‘-----

00

;c*”---9E띠

g

m

@

$

•

--- -------

--- --- --- ----

’?

9

수

히

7

뼈

l

e 삐

(

’_T -n

S

•

? ,₄

---

l’ }

•

3

•

ι

g g

(」혼i8매

4.0

§ ²⁰

드 1.5 3.5

3.0 2.5

，。

(2)

여기서 T: 온도(C)， 8: 옹도의존계쉬무차원)， k10: 10 t에서 속도상수(d-^I)， k: T t 에서 속도상쉬d-^I)

Equation (2)를 재정 렬하면 1n(k/kIO)= (T-l이 .)n8로 나타낼 수 있다. 5개의 다른 온도에서 얻은 k값을 플롯 할 때， 특히 5 t 에서의 값 때문에 선형 관계를 얻을 수 없었다'(Figure 3(c)). 10 t , 15 t , 20 t 및 25 t의 4개의 용도를 취할 때，

8의 온도 의촌성은 1.0083이었다. 그러냐 이 값은 입구 옹도 가 5 t 쟁도로 낮은 겨울에는 효과적이지 못하였다.

COD 제거 유형은 BOD 쩨거 유형과 거의 동일하였다. 10

℃에서 COD 제거 속도 상수는 2.683 d']로서 lO t에서 BOD 제거 속도상수 2.797 d-¹ 보다 약간 낮았다. 그러나 8 (1.0079) 의 온도 의존성 항은 BOD 제거에 대한 값(1.0083)과 거의 동 일했다.

k = klO 8 π'-10)

1.0

12

T-10

(이

티gure 3. InfluentJe엔'1uent BOD concentration 뻐d BOD remova1 efficiencies ("r= 0.70 d)(a), 1n(Co/C) vs AL잉'Q plot at 10 t (slopek=2.797 dη(b)and 1n φk

lO

^{) vs (T-10) 미otof} the aerobic tank (Temp. = 5 - 25 t)(이.

20

삐

씨이 아 i

씨

5

10

'5 Q=1.0083

08

'0

•

02 04

-0.2

-'0 0.5

0.0 00

-0,

0.2

좋 ^0.0

0'

3.1.3. SS 저|거

가장 뛰어난 제거 효율은 ss제거에서 얻을 수 있었다. 파일 렷 플웬트 # 1 (1"= 021 이에서 약 없)0/0의 SS 제거율이 얻어졌 고 파일렷 플랜트 # 5 (T = 1.05 d)는 98% 이상의 SS 제거 효율을 달성 할 수 있었다. 유출수의 SS 농도는 0.5 mg L-¹ 보다 훨씬 낮았다.5개의 파일릿 플랜트에서 SS 제거 효율의 결과를 보다 자세히 살펴보면， 수력학적 부하 속도(Q/A)가 증 가함에 따라 SS 제거 효율이 증가하는 정향을 보였다.X축과 Y축을 각.zt s/so와 Q/A로 하여 그래프를 나타내 었을 때 S1So 과 Q/A의 관계는 Q/A값 1.0까지 선형 관계를 나타내었다

(Figure 4). 철국 SS 제거 효율은 Equation (3)로써 간단하게 나타낼 수 있었다.

(3)

여 기 서 So: 유입 SS 농도(mg L-¹), S: 유출 SS 농도(mg L.¹)

S/So = B'Q/A, (Q/A드1.0)

(* ;

” g

e띠 g '00

g

@

m

@

• a I I I ^{I I - • • I} *

• T-P1n

• T-Paut

‘ EI'k:Iency

•

•

^{• • •} •

: I I I

I I !

^!

^I

^I

.

•

, ,

,

, , , , • , , ,

’

2.0

0.5 1.5

흩

^1.0

김둘선·이통근

025

020

영 015 010

005 030

306

50

'1 12 5 6 7 8 10

꺼n톨(1T"I>Iih)

(a)

2 25 0.0

2.0

10 15

。IAs 05

Rgure 4. S/So vs Q/ A plot at 따l teI때g없ure (B = 0.0544 d niη.

__ . _ 1 ....

‘.

윷"..:뱉i얘야 ••• ~‘-

100

90 100

*

30

매

m

(*)

〉QC∞gε띠

(*)

RI$

gε띠

g

@

• •

•

•

‘

• 1KNln

• 1KN out

‘ ^El'k:lonc:y

25

a

”

”

(닝art)

Z*F

Temp.(oC)

(b)

Flgure 6. Infl야ntlefi1uent T-P concentration 뼈.d T-P removal effi.ciencies ( 't = 0.70 φ (a) and temperature dependence ofτP removal efficiencies ('t= 0.70 d) (b).

25 :Ð 20

，。

60

50 O 40

20

0

•

_’

} 잉

•

_,

-’ ”

•

_’

} m

’*

9

•

~→ ...

5 6 7 6

11"뻐:1TIOI1Il)

(a)

• •

•

•

-T ’

4

’-·3

, ,₂

’*

’

질화는 l차 반용속도올 통해 진행되는 것으로 가쩡하였고，

질화반용의 속도 상수를 정량화 하기 위해 Equation (4)가 사 용되었다.

35

30

25

흥 2.0

좋

‘^s

(4)

여기서 다XNo: 유입 πN 농도(mg Lη， Cno;: 유출 TKN 농도 (mg L'^l), kTKN: ^{속도상수(d-1)}

Figure 5(b)에서 15 'c의 탈질 상수는 2.101 d-¹인 것으로

나타났으며

^， kTICJF k1XN10 (JNπ'-10)의 온도 의촌 계수 (JN은 1.0189로， BOD 제거 의 온도 의폰성 계수(1.0083)보다 높게 나타났다.

In(CTKNJCTKN) = k1XNALe/Q

0.6 (AL잉0)

(b)

Rgure 5. Influentleffiuent TKN concentrations and TKN removal efficiencies ('t= 1.05 d) (떠 andln (CπNJCπN)vsALe

/Q plot at 15 'c (kπN = 2.101 d-^I) (b).

12 08 10

02 。‘

05

3.1.5. T-P 저|거

파일렷 플랜트 #4의 경우， T-P 제거 효율이 85%보다 높았 으며(Figure 6(a)), 체류 시간이 높을수록 약간 더 높은 효율 올 나타내었다. 효율성 또한 용도의 영향을 받았지만 그 영 향은 그다지 크지 않았다. 5 'c의 옹도에서 약 85% 효융이 얻어졌으나 25 'c에서는 초기 T-P의 92%가 제거 될 수 있었 다-(Fi맑re 아b)). T-P 쩨거 효율， 체류 시간 및 온도 사이의 상 관관계를 알아보기 위해 많은 방법을 시도했지만， 어떠한 성 공척인 결과도 얻을 수 없었다. 그리고 호기조 내에서 T-P 제거가 모래와 자갈충의 생물학적 홉수에 의한 것인지 또는 and B: SS 제 거 계수(d m-I).

Fi웰re 5(a)에서 볼 수 있듯이 유입 T-N의 약 89%는 TKN으 로 구성되었으며 NÛ]--N은 유입 T-N의 7%에 불과했다. TKN 은 파일렷 플랜트 #4의 호기조에서 처리 된 후 생물학적으로 Nα:--N으로 산화 된다. 호기조의 효율에서 TKN의 분율은 체 류 시간이 중가함에 따라 크게 감소하였고， 따일릿 플랜트 # 5 ('t = 1.05 d)에서 TKN 분율은 단지 18%였으며 T-N의 75%

이상은 N03^{--N이 었다. BOD 제거} 의 정우와 강이， 생물학적

3.1.4. T-N 저|거

서 제거되었다(Figu.re 9(쩌1). 이 결과는 혐기/무산소조 내에서 탈질이 성공적으로 일어녔음을 나타낸다. 소비된 BOD의 함 수로서 제꺼된 N03^'-N을 그래프로 나타낼 때， .ð.BOD와 A

N03'-N간의 멸접한 관계가 있는 것을 얄 수 있었다(Figu.re

9(b)). 따라서 제거된 BOD는 혐기/무산소조에서 생물학적 탈

질을 위한 탄소원으로 소비되는 것으로 생각된다.

3.2.4. T-P 쩌|거

플땐트 # 1 에서 T-P 제거 효율옹 약 200‘였고 플랜트 #2에 서는 약 4()01o로 중가되었다. 그러나 나머지 3개의 플랜트에서 는 약 40%로 효율이 거의 같았다. 플랜트 #2는 모래와 자갈 의 총량을 플랜트 # 1 보다 두 배 높게 하였으며， 플웬트 # 3-#5는 통일하게 하였다. T-P 제거의 주요 메커니즘이 충 과의 양이온 교환인 정우， 플랜트 #2의 제거 효율은 모래 및 자갈의 양에 비례 할 것이다. 플랜트 # 2, # 3, # 4 및 # 5의 T-P 쩨거 효율은 서로 거의 같았고 플핸트 #2의 효율은 플핸트 # 1 의 효율보다 약 2배 높았으므로， 혐기/무산소조에 서 T-P 제거는 orthophosph뼈와 층 사이의 양이온 교환을 통 해 발생하는 것으로 여겨진다. 유출수의 T-P는 주로 모래와 자칼의 양이온 그룹과 교환 할 수 있는 orthophosphat로 주로 구성되어 있는 것으로 판단된다(Figu.re 10).

오염하천청화를위한호기성 인공습지의운영인자명가 307

5 6 7 8

TiIT톨(ITα11h)

(b)

Flgure 8. Influenνeffluent SS concentrations and SS removal efficiencies (a) and ’T-Nc야tcentratioos and’T-Nremoval efficiencies (b) at 't= 0.70 d.

(*)

ReIgE버 쩌

@

(*)

aggEω

M

a

뻐

@

용’

@

깅O

0

• l'뀌 In .. 드llicioncy

’ ^{T셔N ..a}

I I

I I

I

I ’ ‘

^{I I I I I I :}

I ,

^I

^{, ,}

^{I '}

^, , ^, , ’

12

12 10 11

~ I I I ’

’o 1’

‘

iil

‘ ‘

• 8Bin ‘ ^EκIoncy

’ ^{88 CIA}

9

g

‘ ‘

•

‘

‘

t ‘

*

-------

-- -

· ·

··l ·i!

l ·-

’

• --- --’*

--- ----’

··ll·

- ----

i

t

•

‘‘.

‘‘ ‘

4

i

3 2

‘

- -

3.0

2.5

”“

“써

m

(낱9--)

mm

0.5

0‘0

12

10

.,

‘‘

(녁gS

E

양이온 교환 농력에 의한 것인지 확실하지 않았다. T-P 제거 메커니즘올 밝히기 위해서는 좀더 추가척인 연구가 필요할 것으로사료된다.

3.2. 혐 711무산소조에서 영향인자 제거율 평가

3.2.1. BOD and COD 저|거

Fi웰re7는 파일릿 플핸트 # 1 의 협기/무산소조에서 BOD

제거효율을 나타낸 것이다. 호기조에서 얻은 결과와 반대로，

1 월과 2월에는 약 55%의 BOD 쩨거가 판찰되었으나 여름철 에는 효율이 40% 며만이었다. 이런 현상은 일반적으로 전통 적인 혐기/무산소초의 생물학척 반웅에서는 관찰되지 않는 다. 이 결과로부터 혐기/무산소초에서의 BOD 제거 메커나즘 이 호기초에서 관찰된 생화학척 산화과쟁을 따르지 않는 다 는 것을 알 수 있었다. 보다 더 상세한 절명이 T-N 제거 부분 에서 주어질 것이지만 협기/무산소조의 주요 BOD 제거 때커 니즘은 생물학적 탈질을 위한 탄소 공급원으로서의 BOD 소 비에 기언 한 것으로 쟁각된다. 파일헛 플탠트 # 1 의 혐기/무 산소조에서 COD 제거 유형은 BOD 제거 유형과 거의 동일하 며， 대부분의 COD는 생물학적 탈정을 위한 탄소원으로 사용 되는 것으로 보여진다.

3.2.2.55 저|거

파일릿 플웬트 # 4 (Fi맑re 8(a))에서의 SS 제거 효율은 약 40%였으며 체류시간이 중가함에 따라 제거 효율이 증가하였 다. 혐기/무산소조는 모래와 자갈로 채워졌으며 물은 왼쪽에 서 오른쪽으로 수명으로 흐른다. 따라서， ss제거는 탱크 내 여과로 인해 발쟁하였고 ss ^{제거 효율은} 탱크의 체류 시간에 의존 하였다.

3.2.3. T-N 저|거

파일릿 플웬트 #4의 T-N 제거 효율은 겨울철에는 약 50%

였고， 여름철에는 약 30%였다(Figure 8(b)). 이러한 현상은 전 통적인 혐기/무산소조의 생물학척 과갱에서 쉽게 관찰된다.

유업과 유출수의 N03'-N 농도를 측정해 본 철과 유압수의 NÜ]'-N의 60% 이상이 따일릿 플웬트 #2의 혐기/무산소조에

Flgure 7. InfluentJeffluent BOD concentrations and BOD remova1 efficiencies ('( = 0.21 d)

.。

@

.2) 0 ... EfIIaency

’²

‘--‘

•• ‘

‘I

··‘

·l‘ --,

----‘

- ---- -’

----‘.‘

--- --

--- ---

’

‘

‘-iii

••

, .

s

‘‘*I

‘

-- ’

T 7 ”

I

‘

‘

l

T e

뼈

‘‘

-- --- - s

‘ ‘

‘‘-‘.

‘.‘

··l II!

•.

‘ •.

‘ ‘ ---

’

--- --

10 1’

• 80Dln .. BODou1

4

*

ii

2 50

040

흉$

10

김둘선·이통근

308

Table 2. Void coverages by the attached organic materials at the aerobic tanks.

'! (d) maximum void coverage of sand bed (%) maximum void cov않age of gravel bed (%)

0.21 5.8 3.3

0.42 1.4 1.25

0.63 1.3 1.10

0.70 1.1 1.10

1.05 0.85 0.80

Table 3. Void coverages by the attached 0매anic materials at the anaerobiclanoxic tanks

-r(이 ^IIl8XIlIlum COIIC. maximum void cov없.ge of maxunum COIIC. maximum void coverage of ("업10) sandbed(%) (wtÐlo) gravel bed (%)

0.21 0.22 1.8 0.08 1.3

0.42 0.15 0.42 0.04 0.33

0.63 0.12 0.34 0.03 0.22

0.70 0.10 0.28 0.02 0.15

1.05 0.07 0.20 0.01 0.07

0.20

30 • κ￥N 1" ‘ E1Iιlency

’ ^{NO,.N OUI}

y= x

• •

• • .JY •

‘ S/ : •

~ _ ._'!YfIII! ~

• • • ,.". ‘’

’,.,‘ ’

- ^..

0_15

11.

이 0.10

오 eo

iε%μgO톨삐 쩌

m

‘‘--‘---

‘---

‘ •• ‘----

.,----

·: ‘

‘

‘.‘ ---

‘--‘‘

‘‘‘

‘z

‘ ‘--‘

•• ‘

‘ ‘

‘‘ ••

i

i

‘‘ ••

‘ ••

25

a

”

”

(닝R』) 추깨X

0.05 0

• ’

- -

--

---- --

- - --,

0.20 0.15

0.10 T-P ‘

."'

0.05 0.00

0.00 -20

11 12 10

5 8 7 8

끼 me(mol'Öl)

(a)

2 ‘

티gure 10. pol--p fraction in the effiuent T-P (-r= 0.70 d).

었다. 호기조 및 혐기/무산소조 내의 모래와 자칼충에 부착된 유기 고체 물질의 양을 1 년 동안 연속적으로 측정 하였다. ss

농도는 8개월까지 점진적으로 증가 하다가 거의 일정하게 유 지되었다. 여과된 고체의 축척 속도는 습지 내에서 바로 다음 나타냐는 생화학적 분해속도와 명형을 이루는 것으로 여걱진 다. 최종 철과는 각각 Table 2와 Table 3에 각각 정 리하여 나 타내었다. 따일렷 플랜트 # 1에서 관찰된 부착된 유기 고체에 의한 최대 공극율는 각각 5.8%와 3.3%였다. 이 값은 습지가 유기 고체 물질에 의해 막히지 않고 성공적으로 작동하기에 충분히 낮은 것으로 판단된다.

4. 결롤

고도로 오염된 하천수를 처리하기 위해 호기성 인공습지 를 제착하여 사용하였다. 인공습지는 호기조와 협기/무산소 조를 직렬로 연결한 두 재의 탱크로 구성되었고 습지의 최 척의 설계 인자를 얻기 위해 체류 시간이 다른 5개얹 1 - 뼈의 다른 파일렷 플랜트를 사용하였다. 호기조에서 BOD와 COD 제거과정은 1차 반응속도식을 나타내었고， TKN는 l차 반

" BOD (mg/l)

(b)

Figure 9. 뼈.uentleffl:뼈nt N03""N remo쩌1 efficiencies ("[= 0.63 이

(a) and ðBOD vs. ðN03--N plot at the 뼈aerobiclano찌c

tank: ('!= 0.42 d) (b).

3.3. 호기성 인공습지의 막임현상

습지의 가장 우수한 성능은 ss 제거인 것으로 관찰되었기 때문에， 오염된 하천수를 지속척으로 공급하는 동안 축척된 유기 고체 물질에 의해 습지 내의 모래와 자갈충이 막힐 수

12

. . -

••

4 10

· ‘ -- - -

.~홉1fI-..，:

•

-.

줬;::F;

. . . . ‘~!Þ. __ -:

4

?•

= _@

E ) Z

·。• 〔 Z 깅

o o

응속도식을 따르면서 생물학척 질화과정을 통해 NO닝 -N으 로 천환되었다 1O'C에서 COD 제거 속도상수는 2.683 d'!로 서 10 'c에서 BOD 제거 속도상수 2.797 d'! 보다 약간 낮았 다 온도 의존생은 COD (O~ 1.0079)와 BOD (O~ l.OO83)제거 에 대한 값이 거의 동일했으나 T-N 제거의 옹도의존생 (ON) 은 1.0189로 다소 높게 나타났다 SS제거율은 파일렷 플랜트

# 5 (T ~ 1.05 이에서 98%로 높았고 수력학적 부하 속도 (Q/A)가 중가함에 따라 제거 효율이 중가하는 정향을 보였 다 호기초에서 T-P 쩨거 메커니즘은 확인할 수 없었다 혐기/

무산소조에서 BOD와 COD 제거의 주요 메커니즘은 호기 조와 완전히 달랐다 BOD 및 COD는 생물학척 탈질을 위 한 탄소원으로서 공급되었다. T-P는 혐기/무산소조 내의 orthopho얘phate와 자갈 사이의 양이온 교환을 통해 제거되는 것으로 조사되었다. 호기생 인공습지에서 여과된 고형물에 의해 막힘없었고 고형물들은 매우 빠르게 연속적으로 분해 되었다

References

1. Seidel, K., “'Zur probl뼈뼈kder 뼈m-und pt1anze땅:wa뻐하，”

Verh. Internat. Verein Limnol., 14, 1035-1039 (1961).

2. Re<쳐， S. C., αiteo， R. w., and Mi뼈1ebrooks， E. J., ‘'Naturnl Systems for Waste M없퍼g∞lent and Treatment,"

McGTaw-뻐. New yi뼈， (1988)

3. αites， R, and 짜hbanog1ous， G., “Sm왜1 and Decentralized

M없agem없.t Systems," McGraw-뻐11， New York, (1998) 4. Leonard, K. M., and Swanson, G. w., “Comparison of

Operational D않뺑 αiteria f(π Subsurfru:e F10w Coustructed

W뼈뻐ds for Wastewal<π Treatment," Water Sci. Technol., 43(11), 301-308 (2001)

5. K뼈， D.-S., Yoon, J.-H., Kim, S.-C., and Lee, D.-K.,

“Bio1ogica1 Fi1tration of Organic Solid Ma없a1s from

Mu피cipa1 Wastewater with the Aerated Constructed

wet1and," Recent Progt없's in Skrn’ Sand and Altemative

Bilφltration ptηcesses， 63, 500-505 (2006).

6. K뼈， S.-C., and L않， D.-K., ‘'Design of an Aerated 께'etland for the Treatment of Muoici뼈1 Wastewater," Stud. Surj Sci.

αtal. ， 159, 145-148 (2006)

7. Lee, D.-K., K뼈， S.-C., and yiαm， J.-H., ‘'Reuse of a Dyehouse Ef1luent after being Treated with the Combin혀 C벼.ta1ytic Wet Peroxide Oxidation Process and the Aerated Constructed Wetland," Water Sci. Technol., 55(1-2), 407-415 (2007).

8. 'Ymazal, 1., ‘'con밟W때 W해und for W.영tewater Treatment,"

Water, 2, 530-549 (2010).

9. vy뼈zal， 1., ‘'Constructed Wetland for W.앓tewater 1뼈tment:

Five Decades of E때erience，" Environ. Sci. Technol., 45,

61-65 (2011)

1O.U:양떠mo， S., Hu뼈ri.， J., 1\ùonen, T., A왜:10， S. L., Rissanen, A. 1., and Arvola, L., ‘'High Nitrogen R뼈O쩌1 in a

coustruc때 W해뻐d Rec없에ng Treated Wastewater in a co퍼

오염하천정화를위한호기생 인공습지의운영인자명가 309

C1imste," Environ. Sci. Technol., 52, 13343-13350 (2018) 11. Cω， L., Ouyang, Y., Gu, W., Yang, W, and Xu, Q.,

‘'Evaluation of Nutrient Remov，따 Efficieocy and Microbial

버앙me Activity in a Baf1led Subsurl야용.Flow Constructed

W때."d Sy，없m，" Bioresour. Technol., 146, 656-662 (2013) 12. Meng, P., Pei, H., Hu, W., S뼈0， Y., and Li, Z., “How to

lncrease Microbial Degr뼈ation in Conotructed We뼈nds:

lnfluencing Factors 뼈d ImprOVOl피해t Measures," Bioresour.

Technol., 157, 316-326 (2014)

13. Wu, H., Zhang, J., Ngo, H. H., Guo, W., Hu, Z., Li뻐g， S.,

F없， J., and Liu, H., “A Re'이ew on the Sustainability of Constructed W，때."ds for Waste뼈ter Treatmeot: Design 없d

Operation," Bioresour. Technol., 175, 594-601 (2015b).

14. Ong, S.-A., Ucbiyama, K., lnadama, D., lshida, Y., and

Y뼈agi'째， K., ‘염-eatment of azo 여e Acid α뻐.ge 7

Cont허피ng Wastewater using Up-F1ow Constructed W.해뻐d

with and without Supp1，히nentary Aeration," Bioresour.

Technol., 101(23), 9049-9057 (2010)

15. Pan, 1., F，려， H., Son.g, S., yi뼈n， F., and yu, L., ‘'Effects of

I따rmittent Aeration on Pollutants &잉noval in Subsurfru:e Wastewater Infi1tration Sys않m，" Bioresour. Technol., 191,

327-331 (2015).

16. Hu, Y., Zhao, Y., Zhao, X, and Kumar, J. L., ‘'High Rate Nitrogen Remova1 in an Alurn SI뼈ge-Based ln얘rmittent Aeration Coustructed Wetland," Enviroκ Sci. Technol., 46(8), 4583-4590 (2012).

17. Matamoros, v., García, J., and Bayona, J. M., “org뻐ic

Mi‘:ropollutant Remova1 in a F비I-Sc허 e Surface F10w Coustructed Wetland Fed with Secondmy Ef1luent," Water Res., 42β)， 653-660 (2008).

18. Oon, Y. -L., Ong, S. -A., Ho, L. -N., Wong, Y. -8., oon,

Y. -S., Le비， H. K.., and Thung, W. -E., ‘'Hybrid System Up-F1ow Coustructed Wetland 1n‘egrated with Microbia1 Fue1

αU for Sim띠빼eous Wastewater Treatment and Electricity Geoeration," Bioresour. Technol., 186, 270-275 (2015).

19. Li, F., Lu, L., Zheng, X, Ngo, H. H., Liang, S., Guo, w., and Zhang, X, ‘밍nh뻐야d Nitrogeo Removal in Coru애ucted

Wet1ando: Effects of Disso1ved 0영'gen 뻐d Step-F，양성ing，"

Bioresour. Technol., 169, 395-402 (2014)

20. Jia, W., zh뻐g， 1., wu, J., Xie, H., and Zhang, B., ‘'Effect of lntennittent Operation on Contm피nant Rem뼈1 뼈d P1없t

Growth in Vertica1 F10w Coustructed We이ands: a Micro∞sm

Experiment," Desalination, 262(1), 202-208 (2010).

21. ong, ^{S. -A., Uchiyama, K., ln뼈ama， D., 1뼈i뼈， Y., 뻐d}

Y뼈agiwa， K., ‘깐'reatmeot of azo 며e Acid αlll1ge 7

Cont빼피ng Wastewater using Up-F1ow Constr따ted Wet1뻐d

with and without Supplementary Aeration," Bioresour.

Techr.ω1. ， 101(23), 9049-9057 (201이

22. W，뼈g， X., Tian, Y., Zhao, X., Peng, S., Wu, Q., and ~뼈，

L., “Effects of Aeration Pooition on Orga피cs， Nitrogen

뼈d Phosphorus Removal in Combined Oxidation

310 김둘션· 이동근

Pond-Constructed WI해and 'Wystems," Bioresour. Technol.,

198, 7-15 (2015)

23. Jia, W., Zhang, J., Li, P., Xie, H., V에ι J., and Wang, J.,

‘'Ni1rous Oxide Emissions from Surfuce F10w and Subsurfuce F10w Coostructed Wet1and Microcosms: Effecl of Feediog S빼.tegies，" Ecol. Eng., 37(11), 1815-1821 (2011)

24. Liu, H., Hu, Z., Zhang, J., Ngo, H. H., Guo W, Liang, S.,

Fan, J., Lu, S., and wt.ι H., “야timizations on Supply and Distribution of Disso1ved Oxygen 피 Coostructed Wet1ands

A Re피ew'’ Bioresour. Technol., 214, 797-805 (2016) 25. Sζbr야der， E. D., and Tch뼈no‘~ous， G., “Mass Transfer

Lir피tations in Trickling Filter Designs," J. Water Pol/ut^, Control Fed., 48, 771-775 (197이