복합유용미생물 및 수생식물을 활착시킨 흙블록을 이용한 자연정화 처리방법 연구
Natural Purification Treatment using Soil Brick with Combined Effective Microorganisms and Emergent Plants
심학재･오용걸･박철휘･강원수*
Hagjae Sim･Yongkeol Oh･Chulhwi Park･Wonsu Kang
*서울시립대학교 환경공학과
Department of Environmental Engineering, University of Seoul
ABSTRACT
In this study, using soil brick with combined effective microorganisms and emergent plants was identified which it can increase the effect of conservation and improvement of water. Lab-test was consist of four kind of reactors and each of reactors were A(rawwater), B(soil brick), C(emergent plant) and D(soil brick+emergent plant). Iris pseudoacorus, Phargmites australis, Typha angustifolia and Zizania latifolia were used for emergent plant. Evaluation of application on various environment were performed on agricultural waterway and pond. The pH measurement test of soil brick was performed due to evaluate whether a strong alkaline water flows out of the soil brick. Result of lab-test, removal efficiency of D was better than removal efficiency of A presenting 20.9%, 27.9% 21.5%, 33.8% and 58.4% for COD
Cr, BOD
5, TN, TP and TSS respectively. Removal efficiency of soil brick on agricultural waterway was revealed to be 49.5%, 45.0%, 43.7%, 37.3% and 28.6% for COD
Cr, BOD
5, TN, TP and TSS respectively. And removal efficiency of soil brick on the pond was revealed to be 12.7%, 10.5%, 9.32%, 10.4% and 36.3% for COD
Cr, BOD
5, TN, TP and TSS respectively.
Result of pH measurement test of soil brick was neutral which was about 6 to 8.
Key words: Combined effective microorganism, Emergent plant, Natrual purification, pH mesurement test of soil brick, Soil brick
주제어: 복합유용미생물, 수생식물, 자연정화, 흙블록pH 측정실험, 흙블록
1. 서 론
1)현대사회에서 환경에 대한 중요성은 이제 선택적인 사항이 아닌 필수적인 요소로서 대두되고 있다. 하천 과 호소의 수질오염을 막기 위해 미처리된 생활하수 가 공공수역으로 유입되는 것을 억제하고 있지만, 여 전히 부영양화로 인한 식물성 플랑크톤이 대량 번식
Received 15 October 2014; Revised 24 August 2015; Accepted 1 September 2015
*Corresponding author: Won Su Kang (E-mail: [email protected])
하는 녹조가 발생하고 있다. 그렇기 때문에 녹조의 원 인인 부영양화를 예방하기 위한 보다 실질적인 연구 가 필요하며, 다양한 연구가 진행 중이다. 이런 문제 점을 해결하기 위하여 화학적, 물리적 방법보다 경제 적이고 여러 면에서 용이한 자연정화법이 사용되고 있으며, 국 내·외에서는 수생식물 또는 미생물을 이용 한 수처리가 많이 사용되고 있다(Kim, 2013).
수생식물을 이용한 자연정화법은 외국에서 연구되
어 지고 있으며, 국내에서도 1980년대 이후부터 지금
까지 연구가 진행되어지고 있다(Go, 2010). 수생식물
을 이용한 자연정화법의 기능은 물리적 여과를 통해 부유물질을 처리하고 성장을 위해 수체 내 영양염류 를 흡수한다(Bricx, 1999).
미생물의 기능을 이용한 자연정화법은 미생물이 자 연에서 담당해온 역할을 강화 하는 것이므로 수질정 화 미생물 선별, 기능발현, 복구기능 강화 등이 중요 하다(Kim, 2011). 최근엔 친환경적인 이점을 가지고 있는 생물학적 처리 방법 중 수질 개선에 유용한 미 생물들을 선별하여 블록에 고정화하고 하천이나 농수 로 및 각종 연못에 설치하여 수질을 개선하는 방법이 연구되고 있다(Kim, 2012).
국내에서 현재까지 연구되는 블록 관련 기술들은 대 부분이 시멘트를 사용하여 만든 콘크리트블록에 미생 물을 고정화하는 것이다. 이 기술들의 문제점은 블록을 만드는데 시멘트를 사용하여 블록에서 강알칼리수가 용출된다는 것이다. 용출되는 강알칼리수는 블록에 고 정화된 미생물에게 영향을 미치게 된다(Shin, 2014).
본 연구에서는 이런 문제점을 해결하기 위해 시멘 트를 사용한 콘크리트블록 대신에 고령토와 친환경 무기바인더를 이용하여 제작한 흙블록을 이용하였다.
흙블록에는 복합유용미생물을 고정화하고 이에 수생 식물을 활착시켜 상호작용에 의해 자연수계의 수질보 전 및 개선 효과를 증대 될 것으로 기대된다. 이에 따 라 On-site treatment/ Eco-technology 자연형 정화법으 로 수질개선 방식을 연구하여, 그에 따른 다양한 환경 의 적용성 평가를 하고자 한다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
본 연구에서 사용된 미생물은 유기물질제거의 기능 을 가진 유용미생물제재, 영양염류 제거 기능을 가진
Bacillus subtilis, 탈질을 위한 복합탈질미생물을 균주로구성하였다. 이와 같은 미생물들은 M사의 미생물로 자 연계나 슬러지로부터 선별하여 균체량이 10
9CFU/mg이 상이 되도록 배양하였다. 유용미생물은 EM-X를 사용 하였으며 이의 구성성분은 Table 1과 같다. Bacillus
subtilis의 구성성분은 Table 2와 같으며, 복합탈질균의구성성분은 Table 3과 같다. 유용미생물, Bacillus subtilis, 복합탈질미생물은 각각 동일비율로 혼합하여 최종적 으로 복합유용미생물제재를 제조하였다(Kim, 2011).
Table 1. Composition of EM-X
Type of microorganisms Basic species Photosynthetic Bacteria Rhodopseudomonas sphaeroides
Rhodopseudomonas palustris Lactic Acid Bacteria Lactobacillous plantarum
Lactobacillous rhamnosus
Yeasts Saccharomyceds cerevisiae
Antinomycetes Streptomyces griseus Bacillus Bacillus subtilis MB23
Table 2. Composition of Bacluus Subtilis in experiment Species Type of Bacillus subtilis Bacillus substilis Bacillus subtilis MB23
Bacillus subtilis MB15-1 Bacillus subtilis TB1
Table 3. Composition of denitrificans in experiment
Species Genus
Rhodopseudomonas Rhodopseudomonas palustris Brevibacillus ginsengi soli Brevibacillus ginsengi soli Paenibacillus panaciterrae Paenibacillus panaciterrae Tumebacillus ginsengi soli Tumebacillus ginsengi soli Castellaniella denitrificans Castellaniella denitrificans Castellaniella caeni Castellaniella caeni Paracoccus denitrificans Paracoccus denitrificans
수생식물 제재는 비닐포트에서 자란 수생식물과 야생 에서 키운 식물을 섞어 실험을 하였으며 , 수생식물 중 노랑꽃창포(Iris pseudoacorus), 갈대(Phargmites australis), 애기부들(Typha angustifolia), 줄(Zizania latifolia)을 선 정하여 식재하였다. 비닐포트에서 자란 식물은 씨앗 으로 발아되어 포트에서 재배 된지 1년이 된 식물을 사용하였으며, 야생에서 키운 식물은 자연에서 2년 이 상 자란 식물을 사용하였다.
본 연구에서 사용된 흙블록의 제조 방법은 흙(토양) 70%와 재생골재(모래, 석분 등)20% 그리고 무기바인 더제 10%를 혼합한 후 고로 슬래그 미분말, 황산알루 미늄 및 천연펄프 중 하나와 함께 섞는다. 혼합물에 복합유용미생물제재를 고정화한 제올라이트 분말을 혼합한다. 이를 몰드 또는 형틀에 투입 하여 성형하고 경화시켜 완성시켰다. 제작한 흙블록에 고정화된 미 생물은 선 연구에서 실험을 통해 10
7CFU/mg이상이 존재한다는 것을 확인하였고 이를 본 연구에 사용하 였다(Shin, 2014).
흙블록에 미생물을 고정화하는 방법으로는 먼저 액
Fig. 1. Mimetic diagram of soil brick production.
상상태의 복합유용미생물제재를 영양원과 혼합된 제올 라이트에 넣고 밀봉한 후 30˚C에서 10일간 배양을 하 였다. 복합유용미생물제재가 고정화된 제올라이트 분 말을 흙블록 소재와 혼합하여 흙블록을 제조하였다.
2.2 실험 방법
2.2.1 흙블록 pH 실험
흙블록의 pH 측정실험은 한국산업표준에서 흙의 pH값 측정 방법(KS F 2103) Standard test method for pH of soils을 참조하였으며, 실험방법은 다음과 같이 실시하였다. 시료(흙블록)는 공기건조 또는 40˚C 이하 의 온도에서 건조 시켰다. 건조된 시료를 분쇄하여 2mm 메시로 걸러 2mm 이상의 입자는 제거하였다. 건 조된 흙 약 30g을 비커에 넣고 60~90mL의 증류수를 넣었다. 이는 시료의 건조 무게와 물의 무게 비를 약 1:2~1:3의 범위로 하였다. 비커내의 시료를 교반봉을 사용하여 현탁액 상태로 만든 후 30분 동안 그대로 방치시킨 것을 pH값 측정용 시료로 하였다. 현탁액 시료를 교반봉으로 가볍게 저은 후에 YSI 220 pH meter 기의 전극을 넣어 pH를 측정하였다.
2.2.2 Lab-test
본 연구에서 실시한 lab-test에 사용되는 원수는 서 울시 J물재생센터 제 2처리장 1차 침전지 유출수를 이용하였으며 성상은 아래 Table 4과 같다.
본 연구에서 사용된 lab-test의 반응조의 모식도는 Fig. 1과 같으며 유용미생물을 고정화하고 수생식물을 활착시킨 흙블록의 효율 검증을 위하여 batch 형태의 lab-test 실험을 하였다. Lab-test에서 사용된 실험 장치는
Table 4. Characteristics of wastewater in lab-test
Item wastewater
pH 7.38
COD
Cr(mg/L) 187.59
BOD
5(mg/L) 62.47
T-N (mg/L) 32.76
T-P (mg/L) 4.04
TSS (mg/L) 124.67
VSS (mg/L) 99.50
Fig. 2. Lab-test schematic diagram.
사각 투명 아크릴 반응조로 제작된 15L (W:200mm, L:250mm, H:300mm)의 반응조로 반응조 밑단에 산기 관을 설치하여 aeration을 시켜주었고, 4개의 반응조 A(원수), B(흙블록), C(식물), D(흙블록+식물)에 원수 를 각각 12L씩 유입 후 온도는 물가열기로 25°C의 수 온을 유지시켜주었다. 실험 기간은 15일을 1번 주기로 4회 반복 실험을 하였고 2일에 한 번씩 시료를 채취 하여 수질분석을 실시하였다.
2.2.3 농수로 실험
본 연구에서 실시된 농수로 실험은 경기도 양평군
의 농수로에서 실시되었으며 원수의 성상은 아래
Table 5과 같다. 농수로의 적용성 검토를 위해 경기도
양평군 농수로에 길이15m 폭470mm, 높이430mm로 현
장에 유용미생물을 고정화하고 수생식물을 고정화한 흙블록을 4m간격으로 시공하여 실험을 하였다. 수질 분석은 4월~6월(8주)동안 일주일에 한 번씩 채수를 하 여 실험을 하였다. 실험기간인 4월~6월 동안의 평균 기온은 20.7˚C이었으며, 평균 강수량은 78.5mm이었다.
농수로의 유입부분에는 근처 연못의 물이 농수로로 유입되었다. 흙블록 시공현장에 들어오는 상단지점을 유입수로, 길이15m 하단지점을 유출수로 하여 비교 분석하였다.
Table 5. Characteristics of agriculture water
Item Agriculture water
pH 7.65
온도(℃) 23.71
DO(mg/L) 6.32
COD
Cr(mg/L) 54.03
BOD
5(mg/L) 9.03
T-N (mg/L) 1.69
T-P (mg/L) 0.36
TSS (mg/L) 28.72
VSS (mg/L) 18.05
Fig. 3. Schematic diagram of agriculture
Fig. 4. Construction photo of agriculture
2.2.4 연못 실험
서울시 소재 연못수의 성상은 아래 Table 6과 같다.
연못의 적용성 검토를 위하여 서울시 소재 연못을 대상 으로 4월~6월(8주)동안 일주일에 한 번씩 채수하여 수 질분석을 하였다 . 실험기간인 4월~6월 동안의 평균 기 온은 21.0˚C이었으며, 평균 강수량은 80.6mm이었다. 연 못은 유입과 유출이 없었으며 , 강우와 증발만의 영향을 받았다 . 수량이 1800m
3이었고 수심은 평균 1m이내였다.
흙블록은 (500×500×200mm)에 수생식물을 심어 실험을 하였고 설치부분의 전방 1m 부분을 근거리로 하고, 전 방 10m 부분을 원거리로 하여 비교분석 하였다.
Fig. 5. Construction photo of pond
Fig. 6. After 2 month of construction
Fig. 7. COD
Crconcentration of lab-test
Fig. 8. BOD
5concentration of lab-test Table 6. Characteristics of pond water
Item Pond
pH 7.50
온도(˚C) 24.12
DO(mg/L) 5.84
COD
Cr(mg/L) 33.52
BOD
5(mg/L) 5.79
T-N (mg/L) 2.12
T-P (mg/L) 0.28
TSS (mg/L) 31.04
VSS (mg/L) 24.54
3. 결과 및 고찰
3.1 흙블록 pH 측정 실험
본 연구에서 사용한 흙블록이 미생물에 영향을 끼 치지 않는 중성인지 확인을 위해 pH 측정 실험을 하 였다. N은 시멘트를 이용한 흙블록 4개로 pH 측정 실 험을 한 것이고 N′는 시멘트를 사용하지 않고 천연무 기바인더를 이용한 흙블록 4개로 pH 측정 실험을 한 것이다. pH 측정 실험 결과는 Table 7과 같다. N은 시 멘트에서 발생하는 강알칼리수에 의해 강알칼리성을 나타내는 것을 알 수 있었으며, N′는 이런 강알칼리성 을 나타내는 시멘트를 사용하지 않고 천연무기바인더 를 사용하여 중성을 나타내는 것을 볼 수 있었다.
Table 7. The result of soil pH measurement test
Item pH
N1 11.32
N2 11.40
N3 11.39
N4 11.37
N′1 6.24
N′2 6.35
N′3 7.27
N′4 7.22
3.2 Lab-test
원수의 COD
Cr평균 농도는 187.59mg/L로 A(원수), B(흙블록), C(식물), D(흙블록+식물)는 15일 후 COD
Cr농도는 93.21, 73.52, 64.84, 54.11mg/L로, 점점 감소하 는 경향성을 보였다. 각각의 제거효율은 50.31, 60.81, 65.44, 71.16%로, D(흙블록+식물)가 가장 높은 제거효 율을 보였다. 이는 원수를 보시면 TSS농도 중에 VSS 가 많은 비중을 차지하고 있기 때문에 TSS의 감소에 의한 COD감소가 있다는 것을 알 수 있었다. 유기물질 은 흙블록 내의 복합미생물의 성장을 위한 탄소원으 로 쓰이고 고분자에서 저분자로 분해된 것은 수생식 물에 의해 흡수되어 COD
Cr이 제거된 것으로 볼 수 있 다(SONG, 2012).
원수의 BOD
5평균 농도는 62.47mg/L로 A(원수),
Fig. 9. T-N concentration of lab-test
Fig. 10. T-P concentration of lab-test
Fig. 11. TSS concentration of lab-test
B(흙블록), C(식물), D(흙블록+식물)는 15일 후, BOD
5농도는 43.35, 35.42, 32.91, 25.88mg/L로, 점점 감소하는 경향성을 보였다. 각각의 제거효율은 30.67, 43.30, 47.32, 58.57%로 D(흙블록+식물)가 가장 높은 제거효율을 보였다. 이는 COD
Cr과 같은 결과를 도출하였으며, TSS의 감소에 의한 감소와 흙블록 내 의 복합미생물에 의해 유기물이 분해되고 수생식물 에 의해 흡수되어 BOD
5농도가 감소된 것으로 판단 되었다.
원수의 T-N 평균 농도는 32.76mg/L로 A(원수), B (흙블록), C(식물), D(흙블록+식물)는 15일 후, T-N 농 도는 24.76, 22.04, 20.37, 17.69mg/L로, 점점 감소하는 경향성을 보였다. 각각의 제거효율은 24.42, 32.72, 37.82, 46.00%로 D(흙블록+식물)가 가장 높은 제거효 율을 보였다. 이는 호기성 상태이기 때문에 미생물에
의한 질산화 반응이 일어나며, 질산화 반응에 의해 생 긴 질산성 질소를 수생식물이 흡수하여 제거된 것으 로 가장 높은 제거효율을 나타낸 것으로 보인다.
원수의 T-P 평균 농도는 4.04mg/L로 A(원수), B(흙 블록), C(식물), D(흙블록+식물)는 15일 후, T-P 농도 는 3.06, 2.62, 2.01, 1.69mg/L로, 점점 감소하는 경향성 을 보였다. 각각의 제거효율은 24.26, 35.15, 50.25, 58.17%로 D(흙블록+식물)가 가장 높은 제거효율을 보 였다. 미생물과 수생식물의 흡수뿐만 아니라 흙블록 과 수생식물 뿌리의 흡착에 의한 제거가 있기 때문에 가장 높은 제거효율을 나타낸 것으로 보인다.
원수의 TSS 평균 농도는 124.67mg/L로 A(원수), B
(흙블록), C(식물), D(흙블록+식물)는 15일 후, TSS 농
도는 83.61, 20.66, 27.92, 10.98mg/L로, 점점 감소하는
경향성을 보였다 . 각각의 제거효율은 32.93, 83.43,
Table 8. Removal efficiency of lab-test
Item Rawwater
(%)
Soil brick (%)
Emergent plant (%)
Soil brick + Emergent plant (%)
COD
Cr50.31 60.81 65.44 71.16
BOD
530.67 43.30 47.32 58.57
T-N 24.42 32.72 37.82 46.00
T-P 24.26 35.15 50.25 58.17
TSS 32.93 83.43 77.60 91.19
Table 9. Concentration and removal efficiency of agriculture test
Item Influent concentration (mg/L) Effluent concentration (mg/L) Removal efficiency (%)
COD
Cr54.02 27.34 49.39
BOD
59.03 4.96 45.07
T-N 1.69 0.95 43.79
T-P 0.36 0.23 36.11
TSS 29.01 20.73 28.54
Table 10. Concentration and removal efficiency of pond test
Item Site1 concentration (mg/L) Site2 concentration (mg/L) Removal efficiency (%)
COD
Cr29.22 33.50 12.78
BOD
55.19 5.79 10.36
T-N 1.92 2.12 9.43
T-P 0.25 0.28 10.71
TSS 19.83 31.01 36.05
77.60, 91.19%로, D(흙블록+식물)가 가장 높은 제거효 율을 보였다. 이는 복합유용미생물에 의해 협작물을 입자로 분해하고 이를 수생식물에 의한 흡수 및 흡착 에 의해 더욱 제거 된 것으로 볼 수 있었다(Kim, 2011). 모든 측정분석을 비교한 결과 TSS의 제거효율 이 가장 높았으며, TSS의 농도 감소에 따라 가장 높은 제거효율을 보인 것은 COD
Cr인 것을 볼 수 있었다.
Batch 형태의 lab-test 반응조로 실험을 하였을 때의 결과는 Table 5과 같다. 각각의 제거효율을 살펴보면 Fig. 7 ~ Fig. 11과 같다. Table 5와 같이 COD
Cr, BOD
5, T-N, T-P, TSS가 각각 71.15%, 58.57%, 46.00%, 58.17%, 91.19%로 높게 나타났다.
3.3 농수로 실험
농수로의 COD
Cr, BOD₅, T-N, T-P, TSS 제거효율은 각각 49.39%, 45.07%, 43.79%, 36.11%, 28.54%로 흐르 는 물에서 높은 제거효율을 보여 실제 적용 가능한 것으로 판단된다. 평소 보다 TSS 농도가 높은 것은 4 월~6월에 실험을 하여 녹조류 및 갈조류 발생에 인한 것으로 판단된다.
3.4 연못 실험
