STEAM R&E 연구결과보고서

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STEAM R&E 연구결과보고서

(우리하천 BOD & 세균량 측정 및 효율적인 정수방법론 연구)

2017. 11. 30.

호남고등학교

< 연구 결과요약서 >

과 제 명 정읍천 수질조사 및 효율적인 정수방법 연구

연구목표

정읍천은 정읍시에서 주최하는 다양한 행사들이 진행되는 주요 장소 중 하나이다. 아 이들과 노인들을 가리지 않고 찾아와 행사를 즐기는 장소인 도심 속 하천에 홍보된 1급수의 수질이 적용되는지 확인한다. 그 후 정읍천을 정수하기에 적합한 수질 개선 방안을 물리적 방법, 화학적 방법, 생물학적 방법 등 다양한 방법으로 접근해 연구한 다. 본 연구가 이루어지는 목적은 언급한 데이터들과 전문가의 자문을 종합해 정읍시 에 제출함으로써 도심 속 수질개선에 기여하기 위함이다. 또한, 정읍시에서 홍보한 정읍천의 수질의 진위여부도 판별할 수 있을 것이다.

연구내용

1. 시청 직원들에게 자문을 구해 정읍천을 다섯 개의 포인트로 나눈 후, 정기적으로 수질조 사 진행.

2. 물리적, 화학적, 생물적 수질 정화 방법 조사 3. 활성탄을 이용했을 때의 정수 효과 조사 4. 울크론을 이용했을 때의 정수 효과 조사 5. 수생식물을 이용했을 때의 정수 효과 조사 6. 연구 결과를 그래프로 작성

연구성과

정읍천에 적합한 정수 방법을 찾고자 물리적, 화학적, 생물학적 정수 방법을 다양하 게 조사한 결과, 생물학적 정수 방법이 정읍천의 생태에 가장 적합한 것으로 드러났 다. 물리적, 화학적 정수 방법 중 대다수는, 물을 생물이 살기 어려운 곳으로 만들거 나 사용하는 데에 위험성이 너무 큰 등, 많은 부작용을 지니고 있었다. 예를 들어, 활 성탄은 정수된 물에 숯가루가 섞여 나와 물의 색깔이 거뭇하게 변한다는 문제점을 지니고 있었고, 울크론은 물의 양을 맞추는 데에 어려움이 있고, 물 속 모든 유기물 을 없애 생물이 살기에 적합하지 않은 환경으로 만드는 부작용이 있었다. 그렇기에 우리 동아리는 생물학적 정수 방법을 주된 정수 수단으로 채택하였다.

주요어 (Key words)

환경공학, 식물환경정화, 용존산소량(DO), 생화학적산소요구량(BOD), 전기전도도(EC), 수소이온지수(pH)

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< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

정읍천은 정읍시에서 주최하는 다양한 행사들이 진행되는 주요 장소 중 하나이다. 아이들과 노인들을 가리지 않고 찾아와 행사를 즐기는 장소인 도심 속 하천에 홍보된 1급수의 수질이 적용되는지 확인한 다. 그 후 정읍천을 정수하기에 적합한 수질 개선 방안을 물리적 방법, 화학적 방법, 생물학적 방법 등 다양한 방법으로 접근해 연구한다. 본 연구가 이루어지는 목적은 언급한 데이터들과 전문가의 자문을 종합해 정읍시에 제출함으로써 도심 속 수질개선에 기여하기 위함이다. 또한, 정읍시에서 홍보한 정읍천 의 수질의 진위여부도 판별할 수 있을 것이다.

□ 연구범위 1) 환경공학

대기·수질·폐기물·토양·해양 등의 오염 예방과 소음 및 진동공해 방지 등의 환경문제를 해결하기 위하여 학문적인 연구를 하는 분야이다. 넓은 의미로는 자연환경의 보전을 꾀하는 것이고, 좁은 의미로는 생산 활동에 뒤따르는 각각의 공해나 재해 방지 대책을 수립하는 것이다.

현재 인류는 역사상 유례가 없는 최대의 생활권 환경오염 문제에 직면하고 있는데, 이러한 문제의 해결은 특정 지역이나 한 국가의 문제가 아니라 지구촌 전체의 중대한 공동 과제로 제기되고 있다. 따라서 환경오염으로 인한 보건위생상의 위해(危害) 현상을 방지하고, 인간의 환경을 쾌적하게 보전하려는 환경공학의 영역과 그 중요성은 갈수록 커지고 있다.

2) 식물환경정화

식물환경정화법(Phytoremediation)은 식물을 통해 오염물을 흡수하거나 고정하여 토양을 정화하는 방법을 말한다. Phytoremediation의 phyto는 ‘식물’을, remediation은 ‘고침(fix)’나 ‘치유(cure)’를 뜻한다. 식물환경정화 는 토양 박테리아가 분해할 수 없는 중금속, 농약, 질산염, 탄화수소, 원유 등 혼합물을 흡수하여 땅을 정화한다.

오염 정도가 심하지 않은 곳에 주로 사용되고 식물의 뿌리가 도달할 수 있는 곳까지만 정화가 이뤄진다.

정화 기간은 짧게는 몇 주에서 길게는 몇 년까지도 소요되며, 정화 후에는 사용된 식물을 제거하고 오염되지 않은 깨끗한 식물을 심는다.

식물과 태양에너지를 이용하는 친환경적인 정화 방법이므로 교란 등 환경에 대한 스트레스를 줄일 수 있다.

오염 장소에서 정화가 바로 이뤄지며 토양을 보전할 수 있어 후속조치 비용이 적게 들기 때문에 비생물학적 방법에 비해 약 20~50%의 비용을 절감할 수 있다.

또 화학적 정화는 오염 장소의 확인 및 검정에 평균 3년 이상이 소요되지만 식물환경정화의 경우 오염물질이 파악되면 바로 식물을 심어 정화 작업을 시작할 수 있다. 반면 오염을 제거하는 데 오랜 시간이 걸리고, 특정 오염 환경에는 사용할 수 없다는 점이 단점으로 꼽힌다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구 1) 식생정화법

하천 유입부에 수초대를 조성하고 이들 수생식물들에 의한 자연적인 정화기능을 이용하여 하천수의 수질을 정화하는 방법이다. 갈대밭을 이용한 정화기능은 수생식물에 의한 오염물질의 흡수작용 이외에

수생식물의 줄기나 잎의 주변에 부착된 생물막과 저질계면에서의 흡착, 질산화, 탈질, 분해 등의 복합된 작용에 의하여 나타난다. 수초대를 조성하여 수질을 정화하는 방법은 수생식물을 이용하기 때문에 특히, 질소, 인의 제거능력이 높다. 수질정화에 이용되는 식물로는 갈대, 부들 등의 정수식물, 마름, 수련 등의 부엽식물 등, 각종 수생식물이 있으며 습지에서 행해지는 유입하천 정화에는 갈대가 많이 이용되고 있 다. 식생정화법의 기본적인 정화 메커니즘은 식물의 뿌리가 질소와 인을 흡수하는 기능과 습지 내에 사 는 탈질균에 의한 탈질, 유속저하에 의한 침전의 세 가지 원리에 의한다. 질소와 인을 흡수하는 과정은 수생식물의 뿌리와 줄기에서 토양에 침전, 흡착된 인과 질소를 영양분으로 흡수한다. 탈질, 흡착에 의한 제거과정은 습지에 존재하는 탈질균이 수중의 탈질작용을 촉진한다. 또 토양은 인을 흡착하는 작용이 있다. 줄기와의 접촉에 의한 침전과정은 유수가 줄기와 접촉할 때 오염물질이 침전 및 퇴적한다. 수생식 물의 밀집지대에서는 침전효율이 높아 유수로부터 오염물질을 제거하는 효과가 크다.

2)DO (용존산소량)

용존산소량은 보통 물 1ℓ중의 산소량을 부피(mℓ) 또는 무게(mg)로 표시한다. 일반적으로 온도 및 염분이 낮을수록, 그리고 기압이 높을수록 용존산소량은 많아진다. 물속에는 상당량의 산소가 용해되어 있는데, 맑은 강물에는 보통 7~10ppm정도 포함되어 있다. 보통 대기로부터의 유입, 광합성 (photosynthesis)에 의한 생산 및 생물의 호흡(respiration)에 의한 소비 등으로 용존산소량이 변한다.

3)ECC (전기전도도)

전도도(conductivity)는 물질에서 전류가 잘 흐르는 정도를 나타내는 물리량으로, 비저항(고유저항)의 역수다. 전도율과 유사한 값이나, 크기 변수인 전도율과 달리 세기 변수이다. 즉, 물체의 크기나 모양에 관계없는, 물질 고유의 성질이다. 물의 도전율은 수중의 이온 농도와 밀접한 관계가 있으므로 전도도를 측정하면 용해성 물질의 대체적인 그 값을 추정할 수 있다.

그림 1 정읍천 사이트 분류

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□ 연구주제의 선정

2017년 정읍천 수질조사를 기획하기 바로 지난해인 2016년, 우리 동아리 RadiaN은 학교 정수기 물맛 이 이상하다는 학생들의 제보를 받고 학교 정수기의 수질을 측정하고 정수기에 문제가 있는지 판별해보 는 실험을 동아리 특색 사업으로써 진행했다. 적절한 역할분담과 실험진행을 통해 학교 정수기 수질조 사를 성공적으로 끝낼 수 있었으며, 이 과정 속에서 SC Logger 프로그램을 이용하여 물의 온도, pH, ORP, ECC, DO 등을 측정하는 방법을 배울 수 있었다. 이러한 경험을 토대로 정읍천 수질조사를 진행 하자는 의견을 도출해낼 수 있었다. 앞선 연구 같은 경우는 단순 학교 내의 문제에 국한되어 있었으나, 본 연구의 경우 학교를 넘어 지역사회의 대표 하천을 조사한다는 점에서 차별성을 띈다. 또한, 물 속 성 분을 수치화하는데 그치지 않고 효율적인 정수작업을 위한 방법론을 연구한다는 점 역시 앞선 연구와 다른 점이다.

□ 연구 활동 및 과정 탐구활동 1 : 정읍천 수질조사

- 정읍천 수질조사를 진행하기 앞서 정읍천에 대한 정보가 더 필요하다는 것을 느끼고 정읍 시청 환 경부에 자문을 요청하기로 결정했다. 그 결과 정읍 시청 환경부로부터 정읍천의 수질, 용도, 주요 활동, 폐수 방수 여부, 주요 오염원인, 주요 정수 작업, 비점오염저감시설의 원리, 영향 범위 등 정읍 천 수질에 대한 기본적인 배경지식과 정책방향에 대해 자문을 구할 수 있었다. 또한 수질조사를 위 한 정읍천 사이트 분류 문제 역시 자문을 통해 해결할 수 있었다.

- 시청의 자문을 토대로 정읍천을 다섯 가지의 포인트로 나눈다. Science Cube 수질조사 키트를 이용 하여 월별 2회 주기적으로 수질조사를 진행한다. 다섯 포인트의 DO, pH, EC, 온도를 측정한 뒤 이 를 엑셀 파일로 변환해 동아리 인터넷 카페에 저장한다. 이러한 활동을 7개월 동안 지속하며 정읍 천의 수질 변화를 장기적으로 측정한다.

- 수질을 매월 둘째 주와 넷째 주 목요일에 진행하였다. 하단은 측정한 데이터의 평균값을 월별로 기 록한 표와 이를 그래프로 나타낸 모습이다.

1) 4월

DO pH EC 온도(℃)

Site A 9.044 7.258 271.2 18.531 Site B 8.843 6.951 268.8 19.644 Site C 7.662 7.423 258.1 20.719 Site D 7.396 6.828 257.2 21.138 Site E 8.684 7.112 259.7 21.725 2) 5월

Site A 8.677 7.337 257.7 21.811 Site B 9.336 6.751 257.7 21.446 Site C 7.257 6.702 256.3 23.139 Site D 7.472 6.628 253.2 23.336 Site E 8.443 6.992 269.1 24.629

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3) 6월

4) 7월

5) 8월

6) 9월

(5)

7) 10월

8) 11월

-DO

-pH 6 7 8 9 10

4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월

Site A Site B Site C Site D Site E

DO

6 6.5

7 7.5

8

4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월

pH

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-EC

-수온 230 245 260 275 290

4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월

EC

12 16.5

21 25.5

30

4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월

수온

○ 탐구활동 2 : 활성탄을 이용한 물리적 정수

- 활성탄은 다양한 종류의 유기화합물을 흡착하므로 정수처리, 하수의 고도처리 등에 사용되는 대표 적인 물질이다. 활성탄은 잔류하는 용존 유기물을 제거하는데 뛰어난 효과를 가지고 있다.

- 활성탄 40g을 묶고 비커와 비커를 이용해 정읍천 물을 걸러낸다. 이러한 작업을 20회 반복한다.

○ 탐구활동 3 : 울크론을 이용한 화학적 정수

- 염소 소독제와 같이 화학적인 방법으로 정수를 한다. 하지만 울크론 1정에는 50L에 달하는 많은 양 의 물을 소독할 수 있는 만큼 물을 정수할 때 발생시키는 독소 역시 무시할 수 없다. 현재 수중 생 태계를 이루고 있는 정읍천에서 울크론 사용 시 생태계교란이 발생할 우려가 있어 적합하지 못한 방법으로 판단되었다.

-각 수조에 울크론 1정을 투약하여 정수과정을 살펴본다.

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○ 탐구활동 4 : 수생식물을 이용한 물리적 정수

DAY 3 DO EC PH 온도

부레옥잠 8.621 251.1 6.854 23.392

검정말 7.945 250.8 6.927 23.427

좀개구리밥 8.149 248.3 7.013 22.988

부레옥잠 8.715 250.3 6.862 21.014

검정말 7.948 249.7 6.931 21.292

좀개구리밥 8.164 247.4 7.062 20.983

부레옥잠 8.998 249.1 6.897 20.312

검정말 8.031 249.3 6.624 20.924

좀개구리밥 8.462 246.5 6.981 20.878

6 6.5

7 7.5

8

3일차 7일차 14일차

부레옥잠 검정말 좀개구리밥

PH

7 8 9 10

DO

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19 20 21 22 23 24

온도

240 245 250 255 260

EC

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

본 연구에서는 수질을 측정하는 기준으로서 DO(용존산소량), pH(수소이온지수), EC(전기전도도), 그 리고 수온을 사용하였다. 위 그래프에서 나타나듯, DO(용존산소량)와 EC(전기전도도)는 대체적으로 수 온에 반비례하여 여름철에 수치가 하락하고, 봄, 가을철에 수치가 상승하는 모습을 보여준다. 반면 pH는 수온과 관계없이 수질 조사 포인트 별로 약간의 차이를 보이지만, 대체로 중성 또는 약산성을 띄고 있 다. 그래프를 개별적으로 살펴보자면, DO(용존산소량)은 8에서 11 사이로 나타나고, 평균적으로 8월에 가장 낮은 수치를 보인다. pH(수소이온지수)는 6에서 7.5 사이로 나타나고, 평균적으로 8월에 가장 낮은 수치를 보이지만 site D의 경우 8월보다 10월과 11월에 pH(수소이온지수)가 더 낮게 나타난다. EC(전기 전도도)는 230에서 290 사이로 나타나고, 수온의 변화에 반비례하는 것으로 보이지만, site E의 경우 5월 에 급격하게 EC(전기전도도)가 증가하는 모습을 볼 수 있다. 마지막으로 수온은 기온에 비례하여 8월에 제일 높고, 시간이 지날수록 다시 낮아지는 모습을 보여준다.

정읍천에 적합한 정수 방법을 찾고자 물리적, 화학적, 생물학적 정수 방법을 다양하게 조사한 결과, 생물학적 정수 방법이 정읍천의 생태에 가장 적합한 것으로 드러났다. 물리적, 화학적 정수 방법 중 대 다수는, 물을 생물이 살기 어려운 곳으로 만들거나 사용하는 데에 위험성이 너무 큰 등, 많은 부작용을 지니고 있었다. 예를 들어, 활성탄은 정수된 물에 숯가루가 섞여 나와 물의 색깔이 거뭇하게 변한다는 문제점을 지니고 있었고, 울크론은 물의 양을 맞추는 데에 어려움이 있고, 물 속 모든 유기물을 없애 생 물이 살기에 적합하지 않은 환경으로 만드는 부작용이 있었다. 그렇기에 우리 동아리는 생물학적 정수 방법을 주된 정수 수단으로 채택하였다. 이에 따라 본 동아리는 검정말, 부레옥잠, 좀개구리밥을 사용하 여 각각의 정수 능력을 실험하였는데, 이 실험에서 부레옥잠이 가장 높은 단위 면적 당 정수 능력을 지 닌 것으로 드러났다. 그 다음으로 검정말, 좀개구리밥의 순서로 정수 능력이 나타났다.

□ 시사점

본 연구는 고등학교 재학생에 의해 실행되었고, 이에 따라 피치 못할 한계와 제한점을 지닌다. 그렇기 에 이곳에 연구의 몇 가지 주요한 한계점을 알리고, 이를 개선할 수 있는 방안과 추가적으로 연구해야 할 점을 서술하여, 차후 후속 연구의 중요성과 필요성을 시사하고자 한다.

첫째, 본 연구의 주요한 방법 중 하나로 사용된 ‘정기적 수질 조사’ 과정에서, 기숙사에서 생활하는 연구팀의 특성 상, 수질 조사의 빈도를 그리 높이지 못했다. 그리하여 다양한 기상 조건, 또는 생태 조 건에서의 수질 자료를 충분히 확보하지 못하였고, 결과적으로 정읍천의 포괄적인 수질 변화를 규명하지 못하였다. 그렇기에 차후 후속 연구를 진행할 때에는 수질 조사의 빈도를 높이는 한편, 강수량, 온도, 습 도 등 다양한 기상 조건을 고려하여 최대한 많은 환경에서의 수질을 측정할 필요가 있다. 또한, 수질 측 정 포인트의 개수를 더욱 늘려 정읍천의 연속적인 수질 변화 상황을 알아내고, 이에 따른 더욱 정밀한 정수 방법 연구의 중요성이 명확함을 알린다.

둘째, 연구에 충분한 전문적 자문이 들어있지 않다. 본 연구는 도시의 생태 하천을 연구하고, 수질 개선 방법을 찾아내는, 매우 전문적인 내용을 필요로 하는 연구이다. 그럼에도 불구하고 이번 연구에서 는, 예산 부족, 적합한 전문가의 부재 등을 이유로, 정읍 시청에 근무하시는 환경 공무원 한 분을 제외 한, 다른 전문가를 섭외하지 못하였다. 그렇기에 본 연구에서는 수질을 규명하고 정수 방법을 연구하는 데에 있어 필요한 몇몇 전문적 요소들이 빠져 있거나, 연구팀의 자의적 해석을 통해 삽입되었다. 차후 후속 연구가 이루어진다면, 관련 전문가를 꼼꼼히 섭외하여, 연구 과정 전반에 충분한 자문을 구할 것을 제안한다.

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셋째, 효율적인 정수 방법을 찾는 과정에서, 각각의 정수 방법을 실제 하천에서 실험해 보아야 하지 만, 안전상의 문제로 하천의 물을 떠 수조에 부어 실험하는 것으로 대체하였다. 이에 따라 실험 설계에 서의 변인 통제가 제대로 이루어지지 않았고, 실험 결과가 실제 하천에서 같은 효과를 보이리라고 확신 할 수 없다. 차후 후속 연구에서는 실험 설계 과정에서 하천의 모델을 최대한 비슷하게 재현해 물의 유 속, 온도 등의 변인을 실제 하천과 같게 하여 실험을 진행할 필요가 있다. 또한, 본 연구에서 예산과 안 전상의 문제로 사용하지 못하였던 다양한 화학적, 물리적 정수 방법을 실험하고, 여러 정수 방법을 통합 하여 사용했을 때의 시너지도 규명하여야 한다.

이렇듯 본 연구는 몇 가지 뚜렷한 한계점을 지니고 있다. 하지만 본 연구는 정읍 시민들의 주요한 생활 터전인 ‘정읍천’의 명확한 수질을 밝히고, 간접적으로나마 여러 가지 정수 방법들을 실험하여 ‘정읍 천’에 가장 적합한 정수 방법을 알아냈다는 데에 큰 의의를 가진다. 그렇기에 본 연구를 잇는 후속 연구 가 진행되어 ‘정읍천’의 연속적인 수질 변화 상황을 규명하고, 실제 환경에 더욱 효과적으로 대응될 수 있는 정수 방법을 찾아내야 할 필요성이 분명히 존재한다. 또한, 많은 정읍 시민들이 ‘정읍천’의 수질 현 황에 관심을 가지고, 우려를 보내고 있는 만큼, 더욱 분명한 후속 연구가 진행되어 ‘정읍천’을 지금보다 발전시키고, 개선시켜야 한다는 사실은 명확하다. 이에 본 연구팀은, 본 연구를 잇는 후속 연구의 중요 성과 필요성을 시사하는 바이다.

4. 홍보 및 사후 활용

교내 과학동아리들이 모여서 만든 연합동아리에서 지금까지의 연구를 발표하고 그 내용을 설명함. 이에 따라 또래 고등학생들의 환경에 대한 흥미를 고취시키고, 정읍천의 수질의 중요성에 대해 홍보함. 이 결과는 차후 교내 동아리 활동 발표회에 기재하고 이 내용을 토대로 조금 더 심화된 수질 정화 방법을 연구할 예정임.

또한, 차후 동아리 부원들과 정읍천에 나가 연구 결과에 대해 알리고 수질의 중요성을 강조하는 홍보활동을 실행할 예정임.

5. 참고문헌

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(활성탄 흡착원리)

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(활성탄 흡착법)

김종오, 박만석, 정용택 등(2008), 위생미생물학, 형설출판사, 108-212 수자원공사(2010), 수환경 기준 및 정수처리 가이드북, 113-208, 275-290 하천복원연구회(2008), 하천복원 사례집