하수처리수 방류 하천의 물환경과 저서성 대형무척추동물 군집 생태 연구
손정원
a,†⋅곽진숙
b⋅조갑제
c⋅류동춘
d부산광역시 보건환경연구원
A Study on Water Environment and Benthic Macroinvertebrate Community in Reclaimed Wastewater Effluent Dominated Stream
Jung-Won Son
a,†⋅ Jin-Suk Kwag
b⋅ Gab-Je Cho
c⋅Dong-Choon Ryou
dBusan Metropolitan City institute of Health & Environment, Busan 46616, Korea
(Received 7 December 2020, Revised 17 May 2021, Accepted 24 May 2021)
Abstract
Water quality, benthic macroinvertebrate communities, and other factors were investigated to explore the effects of the effluent discharge from a sewage treatment plant into Jwagwang stream in Busan in 2019.
During the study period, the flow rate of this stream was in the range of 10,400 m
3/day to 52,200 m
3/day except for the discharge of about 24,000 m
3/day of the effluent. After discharge, the flow velocity increased by about 65% and the water depth increased by about 40%. At sites downstream of the discharge point, BOD, COD, TOC, T-N, T-P, and other water quality values were worse than those of the upstream sites.
The periphytic algal chlorophyll-a concentrations in the natural substrata were higher than those of the upstream sites, especially in May and August. However, at sites downstream of the discharge point, the individual numbers of Annelida were decreased and individual numbers of the insecta of arthropoda were increased. Also, species numbers and the diversity and dominance indexes were improved in the sites downstream of the discharge point. The functional feeding groups (FFGs) of collector-filterers were increased and the habitat orientation groups (HOGs) of sprawlers, burrowers, and clingers were especially increased at the sites with additional reclaimed wastewater effluent flow. Regardless of the effluent discharge, BMI, an indicator of ecological stream health using benthic macroinvertebrate species, did not show large gaps between the study points. Although the water quality of the sites downstream of the discharge point was much worse than those upstream, their ecosystem soundness was better than those of the upstream sites from an ecological perspective.
Key words : Benthic macroinvertebrates, Ecological stream health, Effluent discharge, Jwagwang stream
a,†
Corresponding author,
연구사(Researcher), [email protected], https://orcid.org/0000-0001-7876-0577b연구사(Researcher), [email protected], https://orcid.org/0000-0001-7058-6236
c연구사(Researcher), [email protected], https://orcid.org/0000-0001-7059-4842
d연구관(Researcher), [email protected], https://orcid.org/0000-0002-9252-9942
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1. Introduction
많은 도시 하천은 유역의 불투수율 증가, 합류식 하수관거 에 의한 하수 차집, 그리고 강우 패턴 변화 등의 영향으로 하천 수질과 생태계를 보호할 수 있는 안정적인 유량을 확보 하기가 어려운 경우가 많다. 하천 유량 부족은 수질 악화, 경 관 저해, 하천의 친수기능 등을 위축시킬 뿐 아니라 하천생 태계와 생물다양성 회복 등 수생태계 건강성 회복을 위한 최 근의 하천복원 목표에도 큰 장애요인이 되고 있다. 현재 많 은 지자체들은 도시 하천의 유량을 확보하기 위하여 인근 하 천으로부터의 도수, 지하수 활용, 저수시설 확보, 하수처리수 방류 등 다양한 수단을 경제성, 실현가능성, 수질 등 여러 가 지 측면에서 고려하고 있다(Cho and Lee, 2013; Jee et al., 2012; Jung et al., 2016; Kim et al., 2015; Lee et al., 2010).
고도처리된 하수는 수질 및 수량의 안정성, 방류 위치의 도심 인접, 경제성 등의 장점이 있어 하천유지용수원으로서 의 잠재력이 크지만 아직 유효하게 활용되지 못하는 경우가 많다. 부산광역시는 현재 10개 하수처리장에서 매일 약 150 만 m
3의 하수처리수가 발생되나, 이 중 90 % 이상이 바다나 하구로 바로 방류되고 있다(BECO, 2019). 현재 도심의 많은 하천이 건천화로 문제되고 있기 때문에 하수처리수의 유지 용수로의 효용을 검토하는 것은 향후 물환경 정책에 있어 중 요한 과제일 것이다.
하수처리수가 하천에 방류되면 하천의 수질과 수생태계에 큰 변화를 유발하게 되는데 특히 도심의 중소하천은 유량이 매우 작아 그 영향이 상대적으로 크다. 특히 하수처리수의 잔류 유기물질에 의한 수질 악화 및 영양염류 등에 의한 부 착조류 번성(Park et al., 2006) 등에 의한 저서환경 악화 등 에 대한 검토 및 하수처리수에 대한 심미적 거부반응 등 부 정적인 여론과 오해에 대한 과학적인 검토가 필요할 것이다.
최근 수생태계의 건강성을 우선시하는 하천 복원의 추세를 감안할 때 하수처리수의 하천환경에의 영향을 판단하기 위 해서는 유지용수 투입으로 인한 하천의 생태 변화를 파악하 는 것이 가장 중요하고 우선되어야 할 과제인 것으로 생각된 다. 하지만 하수처리수 투입으로 인한 수질 변화 등에 관한
연구는 간혹 이루어졌으나(Bang, 2005; Jee et al., 2012), 하 수처리수 유입으로 인한 하천의 생태적 변화에 대해서는 연 구가 매우 부족한 실정이다.
하천의 생태학적 요소 중 특히 저서성 대형무척추동물군은 하천생태계의 1차 또는 2차 소비자로서 부착조류, 수생식물 등의 생산자와 어류 등의 소비자를 연결하는 수생태계의 주 요 구성인자일 뿐 아니라 수질오염의 전반적인 상태에 민감 하게 반응하는 생물군이기 때문에 하수처리수의 하천생태변 화를 연구하기에 최적의 생물 요소이다(Bonada et al., 2006;
Rosenberg and Resh, 1993). 하지만 현재 이와 관련된 연구 는 부족한 실정이기 때문에 본 연구에서는 하수처리수를 유 지용수로 사용하는 하천의 물환경 특성과 생태변화를 저서 성 대형무척추동물을 활용하여 조사하였으며, 실제 현장의 사례를 연구하기 위해 정관하수처리장의 방류수가 하천으로 흐르는 부산광역시 기장군의 좌광천을 대상으로 하여 연구 를 진행하였다.
본 연구는 도심하천의 생태학적 복원 및 유지관리에 있어 서 하수처리수의 유효 활용에 대한 근거 자료 제공 및 최근 의 물환경 문제 해결의 주요 과제인 도심 물순환 회복 등에 기여할 것으로 판단된다.
2. Materials and Methods
2.1 조사지점 및 조사시기
본 연구는 부산 북동쪽의 기장군 정관면에 위치한 좌광천 중류의 4개 지점에 대해 실시하였다. 좌광천은 부산광역시 기장군 정관면 병산리에서 발원하여 분지 내에 위치한 정관 면을 서에서 동으로 가로지르는 하천으로, 하천 연장은 총 14.5 km이며 유역 면적은 약 43.65 km
2이다(BDI, 2006). 좌 광천 중상류에는 인구 약 86,000명, 면적 약 13.75 km
2의 신 도시가 형성되어 있으며 신도시의 동쪽은 산업단지가 조성 되어 있는데 유역의 대부분은 분류식 하수관거로 정비되어 있으며 분지의 특성 상 분지 내에 내린 강우의 대부분은 좌 광천으로 유입된다.
Fig. 1. The map of the study sites.
좌광천의 중류 부근에는 하수처리장(부산환경공단 정관사 업소)가 위치하여 신도시와 산업단지 등에서의 하수를 처리 하여 좌광천으로 방류하고 있다. 본 연구의 조사지점에는 정 관 신도시와 산업단지 등을 통과한 후의 하천수가 흐르며, 조사지점 중 두 지점(St.1, St.2)은 하수처리수가 방류되기 전, 나머지 두 지점(St.3, St.4)은 하수처리수가 방류된 후의 지점이다. 각 지점 간의 이격 거리는 약 1 km 내외이며 하상 구조는 자갈과 돌로 이루어져 있고 양안이 석재로 정비된 인 공적인 하천으로 각 조사지점의 물리적 조건 등은 거의 유사 하다. 각 조사지점의 인근에는 몇 개의 지류가 유입되고 있 으나 대부분 건천이다.
각 지점에 대하여 2019년 2월, 5월, 8월, 11월 총 4회에 걸 쳐 조사를 실시하였으며 가능한 한 강우가 많은 시기를 피해 서 조사를 실시하였다. 조사시기 중 2월과 5월은 비교적 강 우가 부족한 시기였고 8월과 11월은 강우가 상대적으로 풍 부한 시기였다.
2.2 조사방법
하천 수질은 4개의 조사지점에서 현장 측정 및 채수 후 실 험실 분석을 통해 pH, DO, 수온, 전도도, 유기물질(BOD, COD, TOC), 영양염류(질소, 인) 등 18개 항목에 대하여 분 석하였으며, 하수처리수의 수질은 부산환경공단의 공개 자료 를 인용하였다. 하천 수질 중 pH, DO, 수온, 전도도는 현장 에서 현장측정기(YSI 556MPS)로 측정하였으며, 나머지 항 목은 시료채취 후 냉암상태를 유지하여 실험실로 운반하여 분석하였다. BOD는 전극법에 의한 용존산소 측정법, COD 는 산성 과망간산칼륨법, TOC는 TOC 분석기(Shimadzu,
TOC-LCPH)를 활용한 고온연소산화법, 총부유물질(TSS)은
유리섬유여과지(GF/C) 여과에 의한 중량측정법, 탁도는 탁 도계(Hach, 2100AN)에 의한 측정 그리고 총질소(T-N), 총인
(T-P) 성분에 대해서는 연속흐름법에 의한 자동분석기 (Bltec,
AACS)를 이용하여 분석하였다.
하수처리수 방류에 따른 부착조류 과다번성 현상의 여부를 살펴보기 위하여 하상의 부착물질도 정량 채집하였으며 부 착물질은 조사 지점마다 직경 약 10∼20 cm의 자갈 4개를 일정 간격으로 채취한 후 각각 25 cm
2, 총 100 cm
2의 면적을 칫솔로 긁어내어 채집하고 증류수를 가하여 250 mL로 하였 으며, 수질오염공정기준(NIER, 2018)에 따라 클로로필 a(Chl-a)
를 분석하였고, Standard Method (APHA, 2009)에 따라 Ash Free Dry Weight(AFDW)를 구하고, 참고로 독립영양지수 (Autotrophic Index, AI)도 구하였다. 독립영양지수는 하상 부착물질 중 AFDW의 클로로필 a에 대한 비를 말하며, 용해 성 또는 입자성 유기물질의 농도가 높을 경우 부착조류 외의 박테리아, 원생동물 등의 클로로필 a를 함유하지 않는 생물 이 증가하여 부착물질에서 클로로필 a의 비율이 낮아지게 되 고, 대체로 AI가 100 이상이면 유기물에 의한 오염이 의심된 다(Weber, 1973). AI는 일반적으로 50∼200의 값을 나타내 는 경우가 보통이며, 이 이상일 경우에는 부착생물 군집이 종속영양적 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다(APHA, 2009; Weber, 1973).
AI = AFDW (mg/m
2)
Chlorophyll a (mg/m
2)
유속과 수심은 각 조사지점마다 현장의 부착조류 기질(자 갈)을 채집한 4개의 위치에서 직접 측정하였으며 프로펠러형 유속계(Swoffer, US/2100)와 자를 이용하여 측정하였고, 수 질오염공정시험기준(NIER, 2018)에 따라 수심 0.4 m 미만일 경우 수표면 60% 아래에서 측정하였고, 수심 0.4 m 이상일 경우 수표면 20% 와 80% 아래 지점을 각각 측정 후 평균하 여 산출하였고 4개 위치의 측정값을 평균하였다(Table 3).
4개 지점 하천수의 유량은 하수처리수가 방류되기 전인
St.2 지점 인근에서 하도가 직강화되어 있고, 하상이 상대적
으로 평탄한 곳을 선정하여 유속 -면적법에 따라 측정하여
St.1과 St.2의 유량을 구하였으며, 하수처리수 방류 후의 지
점인 St.3와 St.4에서의 유량은 방류 전의 유량에 하수처리수 방류량을 더하여 구하였다.
저서성 대형무척추동물은 생물측정망 조사 및 평가지침
(NIER, 2019)에 따라 채집하고 분석하였는데, 정량채집망인
Suber Net(망목 1 mm, 30 cm×30 cm)으로 지점 당 3회 채집 하였으며 현장에서 고정 후 실험실로 운반 후 관련 도감에 의거하여 분류하였다. 종 수준까지 분류가 어려운 종은 외부 형태가 확연히 구별되는 개체에 대하여 임의로 상위 단계의 분류군인 과나 속 등의 수준에서 sp.1의 형태로 정리하였다.
종의 동정은 Kwon et al. (2003), Merritt and Cummins
Fig. 2. Monthly rainfall variation in the study sites (Gigang-gun area).
(1996), Won et al. (2005) 등의 문헌을 참고하였다. 저서성 대형무척추동물 조사 자료를 토대로 하여 종다양성지수 (Pielou, 1969), 우점도지수(McNaughton, 1967), 종풍부도지 수(Margalef, 1958) 그리고 한국 환경부에서 제시한 수생태 계 건강성 지표의 하나인 저서성 대형무척추동물 평가지수 (Benthic Macroinvertebrate Index, BMI)를 국립환경과학원의 지침(NIER, 2019)에 따라 산정하였다(Table 1).
3. Results and Discussion
3.1 하수처리수
부산환경공단 정관사업소는 2008년 3월 준공되었으며, 처
리구역은 약 7.2 km
2이며 처리용량은 40,000 m
3/day인 하수 처리시설을 갖추고 있다. 주처리공법은 대우건설에서 개발한 Daewoo Nutrient Removal (DNR) 공법인데 반응조는 슬러지 탈질조(무산소조), 혐기성조, 무산소조, 호기성조로 구성되며, 2차침전지 슬러지가 전단의 슬러지 탈질조로 반송되어 질산 성 질소가 제거된 후 1차 침전지 유출수와 함께 혐기성조로 유입되어 혐기성조에서의 인 방출이 증가되도록 구성된 것 이 특징인 공법이다. 2018년에는 일평균 23,810 m
3/day의 하 수를 처리하였으며, 방류수의 연평균 BOD와 COD는 각각 2.9 mg/L, 10.3 mg/L으로 생물학적 처리의 특성상 BOD/
COD비가 0.28 정도로 매우 낮다. 방류수의 2018년의 연평균
총질소 농도는 7.625 mg/L, 연평균 총인 농도는 0.228 mg/L
Item Annual Average(2018) Item Annual Average (2018)
Sewage Influent (m
3/day) 23810 T-N (mg/L) Influent 46.168
Effluent 7.652
BOD (mg/L) Influent 256.0
T-P (mg/L) Influent 5.076
Effluent 2.9 Effluent 0.228
COD (mg/L) Influent 148.3
Total Coliforms (MPN/100mL) Influent 200814
Effluent 10.3 Effluent 501
SS (mg/L) Influent 219.7
Acute Toxicity (TU)
*Influent 2.2
Effluent 3.5 Effluent 0.0
Table 2. Annual average water quality of treated water in the Jeonggwan sewage treatment plant in 2018
Indices Formula
Species Diversity Index(H’) H’ = ‑
log
, (
) Ni : Number of individuals belonging to i species N : Total number of individuals
Dominance Index(DI) DI =
N
1: Number of dominant species individuals N
2: Number of subdominant species individuals N : Total number of individuals
Species Richness Index(RI) RI = In
S : Total number of species
N : Total number of individuals
Benthic Macroinvertebrate Index(BMI)
MI
