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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.32 No.3 pp.216-228
DOI :

Productivity and Nutrient Removal Potentials of Aquatic Macrophytes with Varying Life Forms and Growth Environment

Dongsoo Kong*, Won-Hwa Jung, Seon-Ok Jeon
National Institute of Environmental Research, Seoul 122-040, Korea
*Corresponding author: Tel: 02) 500-4252, Fax: 02) 504-9209

Abstract


Net productivity and nutrient removal potentials of vascular hydrophytes with different life forms were estimated in the natural wetland of the river-reservoir Paldang and the macrophyte-based sewage treatment system. In the reservoir, the annual uptake rates of nitrogen and phosphorus by vascular hydrophytes were only about 1% of the external load. However, the uptake ratio in the macrophyte-growing area during April~June was about 27% of the external load. Culturing water hyacinth (Eichhornia crassipes) within the reservoir, nitrogen and phosphorus uptake rates were in the range 0.56~1.67 gNm-2-d-1 and 0.08~0.33 gPm-2-d-1, respectively. In the free floating treatment systems for sewage with four macrophytes, water hyacinth (Eichhornia crassipes), iris (Iris ensata var. spontanea), cattail (Typha angustifolia) and water dropwort (Oenanthe javanica), the phosphorus contents of macrophytes were closely related with the phosphorus concentration in water. In the pond systems with the hydraulic retention time (HRT) of 2.2 day, BOD5 removal efficiencies were in the range of 61~68%, and those were not so different among macrophyte species. In the water hyacinth system, the phosphorus removal rates were 0.22 and 0.16 gPm-2-d-1 in the raw sewage and in the secondary treated sewage water, respectively, while the other emergent macrophyte systems showed the low range of 0.06~0.12 and 0.03~0.06 gPm-2-d-1, respectively. In the secondarytreated sewage, water hyacinth absorbed 31~58% of the removed nitrogen and 47~54% of the removed phosphorus. However, the uptake/removal ratio in the other emergent macrophyte systems were less than 5% for nitrogen and 10% for phosphorus.



생활형 및 생육환경에 따른 대형수생식물의 생산성과 영양물질 제거능

공 동 수*, 정 원 화, 전 선 옥
국립환경연구원

초록


    서 론

    수환경을 개선하는 생물의 능동적 반작용은 일찍부터 자연정화의 하나로 인식되어 왔으나 그 기능을 인위적 으로 극대화하려는 시도는 1950년대 말 이후에 구체화 되었다. 이러한 생태공학적 기술은 크게 생태학적 수처 리와 자연수면에서의 생물관리(biomanipulation)로 대 별된다. 수생관속식물 (vascular hydrophytes)이나 습생 식물에 의한 자연정화 기술은 1960년대에 부상된 이후 기존의 물리화학∙미생물학적 유기물처리의 보완, 영양 물질에 대한 고도처리, 수질정화와 친수효과를 겸한 습 지 biotope, 실내 공기오염의 정화 등에 광범위하게 적 용되어 왔다.

    수개선에 이용되는 대형 수생식물은 다양한 생활형을 점하고 있으며 그에 따른 적용분야도 여러 유형으로 세 분된다. 식물유형별로는 부수식물처리시스템 (f loating plant system)과 토양-정수식물여과시스템 (rock/emergent plant filter system, planted soil filter system)으로 구분되며, 습지유형별로는 자연습지시스템(natural wetland system)과 인공습지시스템 (artificial wetland system) 으로, 처리유형별로는 자유흐름시스템 (free f low system)과 지표면하흐름시스템(subsurface flow system) 으로 구분된다. 대형 수생식물에 의한 폐하수처리는 1976년 미국 Pennsylvania 대학에서 열린 “biological control of water pollution”에 관한 국제학술회의에서 NASA의 부레옥잠을 이용한 부수식물 처리시스템에 관 한 연구(Wolverton and McDonald, 1975)와 MAX Plank 연구소의 큰고랭이를 이용한 정수식물 라군 처리 시스 템(emergent plant lagoon treatment system)에 관한 연 구(Seidel, 1976)가 발표되면서 처리기작에 대한 과학적 개념과 기초가 정립되었고, 이어 1979년 California 대학 에서 열린 수경재배시스템에 관한 학술회의 (Davis Conference)에 공학자들이 참가하면서 설계와 실용화의 장이 열렸다. 수처리에서 수생식물의 역할은 식물의 근 계(root system)가 미생물의 매질로 작용, 근계가 입자성 물질을 전기적 혹은 기계적으로 흡착시켜 미생물에 먹 이원을 제공, 통기조직을 통한 근계로의 산소전달로 미 생물의 분해활동 촉진 및 질화와 탈질 유도, 미생물의 분해산물인 영양염류 흡수 및 합성유기물과 대사물질을 미생물에 제공, 중금속이나 방사성물질 흡수, 때로 유기 물질에 대한 직접 흡수 및 효소대사, 잔사성소비자에 서 식처를 제공하여 유기물질의 분해 촉진, 합성유기물 및 산소공급으로 저부하 혹은 혐기조건에서 호기성 미생물 의 buffer로 작용하므로 정화효과는 식물과 미생물의 상 호 공생 및 상승작용을 통해 극대화 된다.

    국내에서 대형 수생식물을 이용한 수처리에 관한 연 구는 1980년 대 이후 시작되었으며 주로 도입 식물인 중남미 원산의 부레옥잠이 적용되어 왔다. 부레옥잠을 이용한 수처리의 연구는 생장요인, 유기물, 영양염류, 중 금속 제거(변 등, 1985;이 등, 1985), 증식인자 연구(공 등, 1996), 영양염류 제거 (수자원공사, 1993), 중금속에 의한 생장 및 제거효율 영향(정 등, 1994), 분뇨의 질소 및 인 제거(정 등, 1995); 수전(水田)에서의 축산폐수처 리(김, 1988), 세제(LAS), 유기물, 영양염류 및 중금속 제 거실험(김 등, 1991;소와 김, 1992), 부레옥잠 처리장에 서의 조류성장 영향(이 등, 1992), 군부대의 생활하수 처 리(백룡부대, 1994), 수로 및 인공습지에서 하수처리 방 류수의 영양염류 제거실험 (공 등, 1996;Kong et al., 1999)이 수행된 바 있으나 소형장치나 중규모 모형실험 이 주를 이루고 있다. 부레옥잠 이외의 식물에 대한 연 구는 소형 장치실험으로서 생이가래에 의한 하수내 질 소, 인 제거(안과 공, 1995), 미나리에 의한 영양염류 제 거(수자원공사, 1993;안, 1994)와 카드뮴과 납의 제거 (이 등, 1995) 및 카드뮴 제거(권 등, 1996), 수전(水田) 에서 물옥잠, 줄, 부들, 꽃창포, 토란에 의한 축산폐수 처 리(김 등, 1991), 인공습지에서 애기부들, 꽃창포, 미나리 에 의한 하수처리(공 등, 1996)가 수행된 바 있으며 갈 대에 의한 군부대의 생활하수처리 (강원대학교, 1997;Ahn and Kong, 1998), 수경재배시 달뿌리풀의 질소∙인 제거능(신과 차, 1999)이 연구된 바 있으나 전반적으로 다양한 수종의 평가는 물론 현장적용 규모의 연구가 빈 약한 상태이다. 국내의 자연수역에서 수생식물의 정화능 연구는 80년대 말에 시작되어 자생식물의 건물생산성과 영양염류 흡수능에 관한 연구(정양호, 우포, 용산지(오, 1990), 팔당호(조 등, 1994; 공 등, 1996)), 호소수에서 생 이가래(Salvinia natans)의 성장능 및 질소와 인의 제거 (안과 공, 1995), 부레옥잠에 의한 팔당호내 부영양화된 만입부의 정화(공 등, 1996) 및 시화호 유입 오염하천의 정화(수자원공사, 1996), 습지에서의 부착조류와 식물플 랑크톤 및 박테리아의 증식속도와 인흡수능 및 경쟁(황 과 공, 1999), 농어촌진흥공사의 갈대 및 부레옥잠을 이 용한 아산시 마산저수지의 수질개선 사업이 있다.

    수생식물 이용기술은 부지확보와 기후적 제약, 수확물 의 처리와 같은 제반 문제점이 따르고 있으나 적절한 조건에 적용될 경우 물리화학적 처리의 제한점을 보완 함은 물론 균형적인 자연의 순환고리를 지속시킬 수 있 는 기술이다. 본 연구는 다양한 환경조건에서 수생식물 의 생활형별 생산력과 물질제거 특성을 평가하여 습지 를 이용한 자연정화 혹은 폐하수처리시 적용성을 제시 하는 데 목적을 둔 것이다.

    재료 및 방법

    1. 자연습지 및 부레옥잠 재배지

    1988~1990년간 팔당호내 1,667 ha에서 수생관속식물 의 현존량과 질소 및 인의 흡수능을 조사하였다. 부레옥 잠 이식재배를 통한 정화실험은 1992~1993년간 팔당 호 만입부 중 4개 지점에서 수행되었으며, 그 중 Site 1 은 중영양상태의 북한강 수역(재배면적 12m2, 수심 7.1 m), Site 2는 농경지 배수와 하수처리장 방류수가 유입 되는 북한강 수역(재배면적 1,162m2, 수심 2.4 m), Site 3은 양수리 일대의 하수가 유입되는 남한강 수역(재배 면적 20m2, 수심 3.2 m), Site 4는 과영양상태의 경안천 유입부(재배면적 25m2, 수심 3.8 m)였다.

    2. 인공습지 및 인공수로

    정화시설은 늪지형 처리지와 수로형 처리지로 나누어 늪지에는 애기부들 (Cattail, Typha angustifolia) 꽃창 포(Iris, Iris ensata var. spontanea), 미나리 (Water dropwort, Oenanthe javatica), 부레옥잠 (Water hyacinth, Eichornia crassipes)을, 수로에는 부레옥잠과 미나리를 이식하였다. 늪지는 토양을 약 50 cm 깊이로 깔고 수심 을 50~60 cm로 유지한 자유흐름시스템(free flow system) 이었다. 각 늪지의 수체규모는 16.67m(길이)×3 m (폭)×0.6m(깊이)였으며 각 인공수로의 규모는 15m(길 이)×0.36m(폭)×0.17m(깊이)였다. 수로의 평균 체류시 간은 각각 1.6시간 및 24시간, 습지의 평균 체류시간은 2.2일이었다. 1996년에는 각 처리지에 경기도 양평군 양 서면 양수리 소재 양서하수처리장에서 활성오니공법으 로 처리된 방류수를 유입시켰으며, 1997년에는 같은 처 리장의 하수원수를 유입시켰다. 시험수는 24 m3 용량의 저류조에 월류로 일정수위를 유지시키면서 각 처리조에 자연유하식으로 공급하였다.

    3. 식물체 및 수질분석

    식물건중량은 70°C에서 72시간 풍건하여 칭량하였으 며 건조된 식물체는 제분기로 분쇄한 후 CHN 원소분석 기와 Persulfate 산화후 분광광도계에서 측정하여 질소 및 인의 함량을 산정하였다. 인공습지의 수질은 주 3회 씩 유입수, 중간부 및 유출부의 시료를 Acryl tube sampler (지름 10 cm, 길이 50 cm)로 수직채취하여 용존산소 는 Azaide 법, 총부유물질(TSS)은 GF/F 여과후 여지를 80°C에서 2일간 풍건후 칭량, 용존태질소는 암모니아성 질소는 인도페놀법, 아질산성 질소는 디아조아법, 질산성 질소는 하이드라진법, 용존총질소는 GF/F 여과→Persulfate 산화→Cadmium 환원법, 총질소는 Persulfate 산 화→Cadmium 환원법, 인산염인은 아스코르빈산환원법, 용존총인은 GF/F 여과→Persulfate 산화→아스코르빈산 환원법, 총인은 Persulfate 산화→아스코르빈산 환원법으 로 분석하였다(환경오염공정시험법, 1988).

    결과 및 고찰

    1. 자연습지 및 부레옥잠 재배지

    1) 자연습지

    팔당호의 대형수생식물은 댐의 축조이전 논밭이었던 연안대에서 급속한 2차 천이를 이루어 267 ha의 분포면 적(1988년도, 조사 수면적 1,667 ha내)에서 지상부 건물 량으로 연간 약 2,600여 ton이 생산되고 있다(Table 1). 조사 수면적에서 수생식물 생육한계 2.5m에 대한 호안 의 면적은 406 ha로서, 수생식물 분포대는 생육가능 호 안면적의 66%의 피도를 보인다. Wetzel (1983), 오(1987) 에 따르면 수생식물의 지하부 순생산량은 총 순생산량 의 30%, 호흡손실량은 총생산량의 25%에 해당한다. 이 를 적용하면 지상부와 지하부를 포함한 팔당호 수생식 물의 순생산량은 1,667 ha의 조사면적중 3,660 tonDW/ yr로 추정되며, 연총생산량(동화량)은 4,880 tonDW/yr로 추정된다. 수생식물의 일차생산에 의해 생산된 건조중량 중 탄소함량은 대략 50% (Hall and Moll, 1975)에 해당 하므로 유기탄소생산량은 2,440 tonC/yr가 되며, 생육지 면적 267.1 ha내의 단위면적당 생산량은 914 gCm-2yr-1, 조사 수면적 1,667 ha에서 단위면적당 생산량은 146 gCm-2yr-1가 된다. 이는 팔당호 식물플랑크톤의 생산량 에 대해 57%에 해당하는 양이나, 수생식물 생육지내에 서의 생산량은 식물플랑크톤 생산량에 비해 약 3.6배에 해당한다(Kong, 1997).

    Table 1의 순생산량에 팔당호 수생식물종별 물질함량 비(조, 1992)를 적용한 질소 및 인 흡수량은 조사수면적 (1,667 ha) 기준시 각각 2.4 gNm-2yr-1, 0.4 gPm-2yr-1이 며, 수생식물 분포면적 (267 ha) 기준시는 각각 14.7 gNm-2yr-1, 2.4 gPm-2yr-1이다(Table 2). 팔당호 전체에서 수생식물의 연간 질소 및 인의 흡수량은 외부 유입 질 소부하량 679 gNm-2yr-1과 인부하량 29 gPm-2yr-1 (Kong, 1997)의 각각 0.4%와 1.3%에 불과한 양이다. 그 러나 홍수기 이전 조류증식이 현저한 4~6월 중 인의 유입부하량은 41~78 mgPm-2d-1로 작음에 반해, 이 기 간의 수생식물 생육지의 인흡수량은 약 15mgPm-2d-1 (4 ~6월 흡수량은 연흡수량의 약 59%) 정도여서 인의 흡 수비는 약 27%에 달한다. 또한 수생식물대에서 영양물 질의 제거는 직접흡수보다 주로 탈질이나 인의 용출억 제 등 간접적 효과에 의존하는 점을 고려할 때 그 중요 성을 간과할 수 없다.

    2) 부레옥잠 재배지

    2.4 m3 용량의 인공연못 3조에 화학비료를 투여하여 초기 영양상태를 달리 조성하고 부레옥잠을 이식하여 성장능을 비교한 결과 pH 8.1에서 부레옥잠의 성장은 정상적이나 pH 9.8에서는 3주후 매일 14% 내외의 식물 량 감소를 보였으며, pH 10.3에서는 2주 후 매일 17% 내외의 식물량 감소를 보였다(Fig. 1). 여러 조건에서의 실험결과 부레옥잠의 성장에 대한 적정 pH는 5~9의 범위로서 산성보다는 알카리 조건에서의 생육저해가 컸 다.

    영양물질 농도에 따른 부레옥잠의 비증식속도 및 물 질흡수능은 Michaelis-Menten식을 따르는데 인의 반포 화상수 (half-saturation coef.)는 약 1 mgP/L 내외였다. 조류증식이 있는 폐쇄수역에서는 영양염류 농도가 과도 하게 높을 경우 증식율이 상대적으로 높은 조류가 먼저 번성하여 pH 상승과 함께 부레옥잠의 영양염류 흡수능 을 저하시키고 번식한 조류는 부레옥잠을 피복하여 뿌 리를 수표면 위로 부상케하여 뿌리의 활성을 더욱 저하 시켰다.

    팔당호에 이식된 부레옥잠은 지수적인 성장을 보였으 며, 성장률은 수온 및 재배지의 영양상태에 따라 달랐다 (Fig. 2).

    전체 재배기간 중 생체량 비증식속도는 부영화도가 클수록 증식속도가 컸다(Table 3). 각 처리지역에서 식 물량의 배가시간은 8~19일의 범위를 보였다. 부영양상 태의 Site 3과 과영양 상태인 Site 4는 7월 후반기에 식 물량의 배가시간이 약 1주로서 중영양수역인 Site 1에 비해 약 3배 짧았다. 4, 5월중 하수 처리수에서의 부레옥 잠의 배가시간은 6.2일(Cornwell et al., 1977)이라는 결 과와 비교할 때 팔당호의 배가시간은 상대적으로 긴 편 이다.

    실험 지역 전체에서 식물량 증식의 평균 온도활성계 수 θ는 1.04~1.16이었다. 부레옥잠은 온도변화에 민감 한 식물이어서 생육 최적온도는 20~28°C이며 34°C 이 상에서는 생육이 억제되는 생육특성이 있고, 10°C 이하 에서는 성장이 멈춰지고 0°C 부근에서는 Vegetative part가 크게 손상되나 0°C 부근의 온도에서 단기간 노 출시는 살아남으며 저농도(호소수)에서 생육된 식물은 고농도의 조건 (하수)에서 자란 것들에 비하여 저온에 보다 민감하다 (Reddy and Bagnall, 1981)고 보고되고 있다. 부레옥잠의 생존 최저수온을 10°C로, 증식 최저수 온을 15°C로 보고 국내 호수 만입부의 표면층 수온자료 와 비교할 때, 현지에서 부레옥잠의 생존가능 시기는 4 월초에서 11월 중순까지이며, 증식가능시기는 4월 하순 에서 10월 하순 까지 약 6개월로 볼 수 있다. 따라서 호 소 현장에 적용할 경우에는 부레옥잠의 성장이 정지되 는 적정시기를 택해서 부레옥잠을 모두 제거해 내는 과 정이 필요하다고 판단된다. 처리지 단위면적당 건물생산 성은 17~52 gDWm-2d-1, 물질함량을 곱하여 환산한 질 소의 흡수율은 0.56~1.67 gNm-2d-1, 인흡수율은 0.10~ 0.33 gPm-2d-1의 범위를 보였으며 영양물질 농도와 수 온이 증가할수록 흡수율은 상승하였다.

    Fig. 3은 실험재배지 중 400~500m3/d의 하수처리장 방류수 및 농경지 배수가 유입되는 북한강 만입부내 Site 2 재배지의 유입부(C1)와 유출부(S) 및 인접한 북 한강 본류(C2)의 재배기간 중 수질변화를 보여주는 것 이다. 실험초기 부레옥잠 현존량이 적었던 5월중 처리 지(C1, S)의 총인과 Chl-a 농도는 대조구(C2)에 비해 현저히 높았으나 부레옥잠의 피복도가 커질수록 처리지 역의 수질이 개선되어 7월에는 처리지역의 수질이 대조 구에 비해서 더욱 양호하게 개선되었다.

    2. 식물체 조성

    수생식물 지하부(뿌리와 지하경, U)에 대한 지상부(잎 과 지상경, A)의 건물량비(A/U)는 수중의 영양염류 농 도와 생활형에 따라 달라 정수식물의 경우 약 2~3 내 외, 부수식물은 0.5~7 내외였다. 부레옥잠의 경우 처리 지의 영양염류 농도가 충분하지 않은 상태에서는 흡수 기관이 과도하게 발달하며(공 등, 1996), 건물량 A/U비 는 가용성 질소 농도가 높을수록 커지고 (Reddy and Tucker, 1983), 질소형태가 한가지 형태로 있을 경우보 다 NH4-N과 NO3-N이 거의 동일한 비율로 들어 있을 때 더 높아 처리장 방류수에서 부레옥잠의 건물량 A/U 비는 1~2, 하수원수에서는 3~6이라는 보고가 있 다(Reddy와 Sutton, 1984). 본 실험에서 영양물질이 풍 부한 배양조에서 부레옥잠의 건물량 A/U 비는 3.0~6.9 였으나 가용성 영양염류 농도가 비교적 낮은 팔당호 현 장수역에서는 0.6~0.9였다(Table 4).

    정수식물의 경우 식물의 통기조직을 통해 공급되는 산소는 근권(rhizosphere)을 산화시켜 질산화를 경유한 탈질을 유도하고 인의 용출을 억제하며, CH4와 H2S를 산화시킨다. 따라서 지하부의 비가 증가할수록 지상부에 서 공급된 산소의 호흡소비량이 증가하므로 잉여산소의 방출량이 적어지고 근권에서의 유기물 및 질소제거량이 감소하며 인의 용출로 인해 처리효율이 낮아지고, 지하 부에서 탈리된 식물질은 새로운 부하원이 되어 식물에 따라 물을 탁색시키기도 한다. 식물체가 성장하면서 근 계의 생체량이 커지므로 어린 식물체가 폐하수처리에 보다 유용하다고 알려져 있다(Moorhead et al., 1988).

    팔당호와 하수원수 및 2차 하수처리수에 대한 인공습 지 처리시스템에서 생육한 수생식물의 질소 및 인 함량 은 부수식물이 정수식물에 비해 상대적으로 높았다 (Table 5).

    인공습지 처리실험에서 부레옥잠 체내의 인함량(Pc, %DW)은 처리조 수중의 인농도(Pw, mgP/L)와 높은 상 관성을 보였고(Pc = 0.967∙Pw+0.005, r2 = 0.93) 농도가 낮은 처리조의 유출부로 갈수록 함량이 감소한 반면, 질 소함량은 수중의 질소농도와 큰 관계를 보이지 않았다. 이는 처리조 수중의 총질소/총인의 농도비가 높아 부레 옥잠의 성장에 질소의 제한이 적었던데 따른 것으로 볼 수 있다. 즉 동일한 물리적 조건이라면 부레옥잠의 물질 함량은 제한물질에서만 수중농도와 관련이 있음을 추론 할 수 있다. 부레옥잠의 인함량(Pc, %DW)은 단위개체당 생체량(B, gDW)이 증가할수록 낮아졌는데(Pc = 0.915∙ B-0.230, r2 = 0.86), 이는 식물체내 기계조직의 증가에 따 른 것으로 판단된다. 처리조 수중의 TN/TP비가 대략 20~120의 범위에서 부레옥잠 체내의 N/P비는 5~40의 범위를 보였으며, 부레옥잠 체내의 N/P함량비는 단위개 체당 생체량이 증가할수록 커졌다.

    3. 식물현존량 및 생산성

    팔당호 및 여러조건에서 재배된 식물종별 최대식물현 존량은 수중 영양염류 농도 및 식물자체의 밀도제한 등 의 조건에 따라 달리 나타났다(Table 6). 영양염류 농도 가 낮고 밀도제한이 적은 호소에 비해 영양염류 농도가 높고 밀도제한을 받는 인공처리지에서 최대식물량이 높 으며, 같은 인공처리지의 경우도 유입수가 기존 유기물 처리의 방류수보다는 하수원수인 경우 더욱 높은데 이 는 암모니아성 질소농도의 차이에 따른 것으로 판단된 다.

    4. 인공습지에서의 물질제거능

    1) 하수원수 처리

    하수원수를 유입시킨 경우 인공습지의 BOD5 제거율 은 평균 체류시간 2.2일, 유입수 농도 42 mg/L, 부하율 11 gBOD5m-2d-1의 조건에서 61~68%로서 처리조간 차 이가 적었다(Table 7). 부유물질 제거율은 유입수 농도 38 mg/L, 평균 수표면적 부하 10.4 gTSSm-2d-1의 조건에 서 미나리조가 식물체 부스러기의 발생도가 높아 제거 율이 51%로 가장 낮았고 기타 처리조는 62~68%로 큰 차이가 없었다. 질소 제거율은 유입수 농도 15.4 mg/L, 부하율 4.2 gNm-2d-1의 조건에서 부레옥잠조가 47%, 애 기부들조가 39%였으나 기타 처리조는 30%를 약간 상 회하였다. 인 제거율은 유입수 농도 1.3 mg/L, 부하율 0.35 gPm-2d-1의 조건에서 부레옥잠조가 63%, 애기부들 조는 35%였으며 기타 처리조는 30% 이하의 처리율을 보였다.

    부레옥잠에 의한 BOD5의 제거효율은 표면부하량이 약 100 kgBOD5ha-1d-1 이하의 조건에서는 약 70~80% 로 볼 수 있다. 체류시간 5일 이상, 총인 농도 2mg/L 이 하의 조건에서 인의 제거율은 약 70% 이상이었다. 부레 옥잠의 생육에 대한 유기물의 저해농도는 표면부하량과 폐수의 성분에 따라 다르나 비교적 고농도와 고부하 조 건에서도 생육이 가능한 것으로 알려져 있다. Aowal and Singh (1982)에 의하면 BOD5가 1,443 mg/L의 낙농 유제폐수에서 부레옥잠이 때로 고사하였다고 한다. John (1984)은 BOD5가 4,980 mg/L의 야자유 폐수에서 체류시간 10일의 조건(표면부하량 598 gBOD5m-2d-1)의 경우 87%의 처리효율을 보였고, 20일의 조건(표면부하 량 299 gBOD5m-2d-1)의 경우는 94%의 처리효율을 보였 으나 부레옥잠의 상태가 건강치 않았던 반면, 체류시간 25일의 조건(표면부하량 239 gBOD5m-2d-1)에서는 96% 의 효율을 보였으며 부레옥잠의 생육이 정상적이었음을 보고한 바 있다. John (1984)은 BOD5 농도 1,430 mg/L의 고무제조 폐수에서 체류시간 5일 조건(343 gBOD5m-2 d-1) 의 경우 부레옥잠의 생육이 정상적이었음을 보고한 바 있다.

    갈대류(Phragmites)에 의한 BOD의 제거는 결빙 이 상의 온도에서부터 25°C까지 온도영향이 크게 나타나지 않는데 이는 겨울철에 유입부에서 박테리아의 활성이 저하되어 처리조의 중간부와 유출부에서 BOD 농도가 증가함에 따라 토양과 근대에서 활성 박테리아가 증가 하기 때문인 것으로 알려져 있다 (Cooper and Boon, 1987). 수온과 밀도에 따라 식물체의 증식속도에 차이가 있음에도 불구하고 유기물에 대한 처리효율이 큰 변동 을 보이지 않는 것은 식물처리지에서의 물질제거가 식 물체의 직접적인 역할보다 주로 물리적인 침전과 흡착 및 미생물의 분해, 흡수 및 탈질에 의존함을 시사하는 것이다. 습지 시스템내의 박테리아와 그외 미생물은 성 장률이 빠르고 흡수효율의 측면에서 식물에 비해 매우 월등히 높기 때문에 수처리 효율평가 및 효율의 안정성 확보를 위해서는 미생물의 역할을 동시에 고려함은 물 론 그 상대적인 기여도에 대한 특성적인 연구가 필요하 다(황과 공, 1999).

    늪지시스템의 부레옥잠조에서는 암모니아성 질소, 기 타 처리조에서는 입자성 유기질소의 제거율이 상대적으 로 높았다(Fig. 4). 암모니아성 질소는 식물에 의한 직접 흡수, 입자성 유기질소는 침전제거가 주를 이루므로, 부 레옥잠조를 제외한 기타 처리조에서는 식물자체의 흡수 제거 부분이 낮음을 알 수 있다. 인은 인산염 인, 입자성 인이 주로 제거되었으며 부레옥잠조에서는 인산염인의 흡수에 의한 제거가 큰 반면 기타 처리조에서는 입자성 인의 제거가 주를 이루었고, 0.2 gPm-2d-1 이하의 저부하 조건에서는 부레옥잠조를 제외하곤 제거가 일어나지 않 았다.

    2) 2차처리수

    활성오니처리 방류수에 대한 부레옥잠과 애기부들 늪 지처리지의 질소와 인의 제거속도는 하수원수 처리시에 비해 감소하였다(Table 8). 이는 흡수가 용이한 암모니 아성 질소와 인산염인의 유입이 감소된데 따른 것으로 판단된다. 체류시간 24시간 수로의 유출수는 유입수에 비해 N/P 비가 현저히 높았는데 이는 질소에 비해 인의 제거가 상대적으로 크기 때문이다. 이에 반해 체류시간 2.2일의 늪지 유출수의 N/P비는 크게 높지 않았는데 이 는 늪지의 경우 저토에서의 탈질에 따른 질소 제거와 인의 용출이 영향을 준 것으로 추정된다.

    체류시간이 짧은 수로에서는 식물체의 흡수보다는 입 자성인의 침전에 따른 제거율이 높고, 체류시간이 긴 수 로에서는 DOP의 무기화나 PO4-P의 식물체에 의한 흡 수에 따른 제거율이 높았다(Fig. 5). 암모니아성 질소는 부레옥잠 수로의 경우 체류시간에 따른 차이에 관계없 이 약 87%의 제거율을 보였으며 미나리 수로는 49~ 57%의 효율을 보였다. 이에 반해 아질산성 질소는 부레 옥잠 수로에서는 유입수와 유출수간 농도차이가 거의 없었고 미나리 수로는 유출수가 유입수에 비해 현저히 높은 농도를 보였으며 체류시간이 길수록 그 경향이 더 욱 현저하였다. 이를 통해 볼 때 부레옥잠 수로에서 암 모니아성 질소는 식물체에 의해 대부분 흡수되는 반면, 미나리조에서는 암모니아성 질소에 대한 식물체의 흡수 도가 낮은 상태에서 미나리 사체에 의한 유기질소의 공 급, 암모니아성 질소로의 무기화 및 산화로 인한 아질산 성 질소의 증가가 있었던 것으로 판단된다. 질산성 질소 에 대한 효율은 수종간의 차이가 적었다. 용존유기질소 는 체류시간이 짧은 수로에서는 수종에 따라 14~16%, 24시간의 수로에서는 53~62%의 효율을 보였다. 입자 성 유기질소의 처리효율은 식물체의 고사가 현저했던 체류시간 24시간의 미나리 수로에서 가장 낮았다. 늪지 의 경우 인의 항목별 제거효율은 대체로 PO4-P>DOP >PP의 순으로 높았다. 식물체의 고사가 현저했던 미나 리조에서는 입자성인의 제거효율이 특히 낮았다. 암모니 아성질소와 아질산성질소는 부레옥잠조에서만 각각 25%와 35%의 제거효율을 보였을 뿐 기타 조에서는 모 두 음의 값을 보였다. 이는 식물사체의 분해와 재배조 토양으로부터의 암모니아성 질소의 재용출과 산화에 따 른 것으로 판단된다. 질산성질소는 미나리조>꽃창포조 >부레옥잠조>애기부들조의 순으로 높은 제거효율을 보여 미나리조에서의 높은 탈질효과를 추정케 하였다. 입자성 유기질소는 부레옥잠조에서만 33%의 제거율을 보였을 뿐 식물체의 고사나 부착조류의 증식도가 높았 던 기타 조에서는 효율이 낮았다.

    유입수와 유출수간 농도차에서 환산한 제거율 (R)에 대한 식물체의 성장과 물질함량으로부터 환산한 인의 흡수율(U)의 비율은 부레옥잠조에서 47~54%, 미나리 조는 11~45%, 꽃창포조와 애기부들조는 각각 9%와 8%였다(Fig. 6). 이는 부레옥잠조를 제외하곤 인의 제거 가 주로 침전이나 흡착에 의한 것이었음을 추정케 한다. 질소의 U/R비는 부레옥잠의 경우 31~58%, 미나리조는 5~11%, 꽃창포조와 애기부들조는 각각 4%와 5%였다. 질소에 대한 U/R의 비는 부레옥잠 수로의 경우 31 (S수 로)~58% (L수로), 미나리조는 4.5 (S수로)~7.5% (L수로) 내외였다. 늪지에서는 부레옥잠이 42%, 미나리조는 11% 였으며 꽃창포조와 애기부들조는 각각 4%와 5%였다. 유입수의 입자성질소의 농도가 낮아 침전효과가 적었음 을 고려한다면 부레옥잠조를 제외하곤 질소의 제거가 주로 탈질에 의한 것이었음을 추정케 한다.

    기존의 연구(Reddy and DeBusk, 1985)에서 식물처리 지의 질소 및 인의 U/R 백분비는 질소의 경우 13~67 %, 인은 12~73%의 범위에 있으며, 부레옥잠처리지의 U/R비는 질소 50%, 인은 60%이고 나머지는 질소의 경 우 암모니아의 휘발과 질산화 및 탈질, 인은 삼출 (seepage) 등 기타 요인에 의한 것으로 보고된 바 있다. 본 실험의 결과는 부레옥잠과 미나리조는 기존 보고의 범위에 있으나 꽃창포와 애기부들조는 보다 낮은 U/R 비를 보이고 있다.

    활성오니 처리장 방류수에 대한 처리시 처리조의 수 심, 수표면적, 유입유량, 비시간당 물질제거율은 다음과 같은 관계를 보였다.

    A = k Q ln ( C i /C o ) , k = 1 / ( rh )
    (1)

    • Ci : concentration of influent

    • Co : concentration of effluent

    • A : surface area of treatment system (m2)

    • Q : inflow (m3/d), r : decay rate (/d),

    • h : water depth of treatment pond (m)

    이 관계에서 제거에 필요한 식물처리조의 면적은 물 질의 비시간제거율과 수심에 반비례하며, 목표 처리수 농도에 대한 유입수 농도비의 로그값과 유량에 비례함 을 알 수 있다(Fig. 7).

    식 (1)에서 k값은 동일한 처리용량 및 동일한 효율을 기대하기 위해 필요한 재배면적의 상대적인 비이며 그 값이 작을수록 부지요구도가 작음을 의미하는 것이다. 본 실험조건에서 인을 제외한 기타 물질에 대한 k값은 수종별로 큰 차이를 보이지 않았으나 k값은 큰 차이를 보여 상대적인 부지요구도는 부레옥잠조에 비해 애기부 들조가 2.3배, 미나리조는 3.2배, 꽃창포조는 5.1배 높았 다(Table 9).

    갈대류의 BOD 제거에 대한 k값은 생분해가 쉬운 물 질의 경우 5.2, 생분해가 쉽지 않고 수심이 0.3m로 얕 은 처리조에서는 15까지 증가한다고 알려져 있으나 (Cooper and Boon, 1987) 본 실험에서 수로와 늪지에서 의 부레옥잠과 미나리조의 k값은 처리조의 수심에 의해 크게 변동하지 않았다. 이는 부수식물이나 미나리의 수 경재배시 수심을 얕게 하는 경우 흡수 근대의 접촉면적 의 상대적인 비가 커져 비제거속도가 높아지기 때문인 것으로 추정된다.

    5. 물질흡수능

    다양한 조건에서 부수식물은 건물생산성과 물질함량 이 높아 물질흡수능이 정수식물에 비해 상대적으로 컸 다(Table 10). 부수식물 중 부레옥잠은 좀개구리밥에 비 해 약 2배 이상의 물질흡수능을 보였는데 이는 생체량 과 건물생산성의 차이에 따른 것으로 여겨진다.

    정수식물 중에는 식물 현존량이 높은 갈대의 흡수율 이 기타 식물에 비해 상대적으로 높다. 부레옥잠 처리시 스템에서는 물질제거가 주로 식물체의 흡수에 의하지만 기타 식물 처리시스템에서는 직접흡수외에 침전이나 탈 질, 흡착 등이 주요 기구이다. 습지시스템에서 질소 전환 기작은 무기화, 질산화, 탈질화에 의하여 이루어진다. Reddy et al. (1983)에 의하면 1차 처리수에서 보다 2차 처리수에서 자란 식물이 낮은 질소흡수율을 보이는데 그 이유로 i) 2차처리수에는 무기질소 농도가 낮고, ii) 1 차처리수와 비교하여 NH4+의 형태 보다도 NO3-의 형태 가 우세하여 NO3-의 상당 부분이 탈질반응에 의해서 손 실되기 때문이라 하였다. 처리효율의 극대화를 위해서는 상대적으로 낮은 식물밀도를 유지하여 대기와의 접촉면 적을 증가시키고 어린 싹이 자랄 수 있는 공간을 만들 어 주는 것이 효과적이다. 늙은 식물체의 밀도가 증가하 는 경우 대기와의 접촉면적이 줄어 산소확산이 제한되 고 뿌리량 증가로 인한 호흡율 증가와 축적된 식물체 부스러기의 분해로 인한 산소이용량이 증가하여 용존산 소농도가 감소하게 된다. 정수식물의 질소, 인 흡수율은 부레옥잠에 비해 낮으나 적절한 지상부의 제거를 통해 물질제거율을 극대화할 수 있다. 연속절취는 물질제거의 극대화는 물론 고사체로 인한 유기부하 증가 및 처리지 저토의 환원화 방지를 위해서도 필요한 관리방안이다.

    전체적인 결과를 종합할 때 정수식물은 근대의 발달 도가 높고 밀생하여 미생물에 대한 부착 매질로서 양호 한 조건을 제공해 주고 통기조직을 통한 산소의 공급으 로 유기물의 분해나 탈질을 유도함에 반해 체내의 질소, 인 함량이 낮고 성장속도가 낮아 영양염류의 흡수능은 미약하며, 수거가 어려운 반면 사료나 비료로서의 재이 용성은 크다. 부수식물의 부레옥잠은 여러면에서 수처리 에 적합한 식물이나 과밀하게 성장된 경우는 수표면에 서 공기와의 산소유통을 차단하여 용존산소를 결핍시키 며, 내한성이 낮아 국내의 자연수역에서는 적용이 시기 적으로 제한적이고 수분함량이 높아 운반이 쉽지 않다. 이에 반해 좀개구리밥은 상기한 문제점은 갖지 않으나 생체량이 작고 근대발달이 적어 제거능이 상대적으로 떨어진다. 정수식물의 미나리는 정수식물과 부수식물의 중간 수준의 장점을 가지며 내한성이 커서 국내의 기후 조건에 적합하다. 부엽식물과 침수식물은 자연 습지에서 영양구조의 한 구성원으로서 중요한 역할을 하나 밀도 가 낮아 수처리용 식물로는 효과가 적다. 대체로 부수식 물은 유기물은 물론 영양염류제거에 효과적으로 이용될 수 있을 것이나 갈대나 부들 등 정수식물은 처리조를 대규모로 조성하여 체류시간을 확보하지 않는다면 그 효과가 유기물제거에 제한된다고 볼 수 있다.

    적 요

    국내의 거의 모든 호수는 인공호이며 그 상당수가 부 영양 상태이고 영양염류가 주로 유역의 비점오염원에서 유입되고 있어 기계적 오염원 관리가 어려운 상태이다. 본 연구는 수생관속식물을 이용한 영양물질 제거를 주 목적으로 수행되었다. 팔당호 자연습지의 수생관속식물 에 의한 질소와 인의 연간 총흡수량은 연간 외부 총유 입부하량의 1% 내외에 불과하나, 강우가 적은 4~6월의 시기 중 생육지에서 인의 유입대비 흡수비는 약 27%에 달하며, 탈질이나 인의 용출억제 효과를 고려할 때 수질 에 미치는 수생관속식물의 역할은 매우 크다. 팔당호에 서 재배된 부레옥잠의 생체량 기준 비증식속도는 0.034 ~0.086 /d, 배가시간은 8~19일, 증식의 온도계수는 1.06, 질소흡수율은 0.56~1.67 gNm-2d-1, 인흡수율은 0.10~0.33 gPm-2d-1였으며 대규모 재배지에서의 수질은 현저히 개선되었다. 부레옥잠의 지하부 건물량(U)에 대 한 지상부 건물량(A)의 비(U/A)는 수중의 영양물질 농 도와 함께 증가하였다. 하수처리시 식물체의 인 함량과 수중의 인농도는 밀접한 관계를 보인 반면 질소는 유의 성이 없었는데, 이는 하수의 질소/인 농도비가 높아 질 소가 식물성장의 제한요인이 되지 못함을 시사한다. 하 수원수에 대한 체류시간 2.2일의 인공늪지 처리시 BOD5 제거효율은 61~68%로 식물종류별로 차이가 적 었으나 인제거효율은 부레옥잠조 63%, 기타 정수식물 (애기부들, 미나리, 꽃창포) 처리조는 35% 이하였다. 하수 원수와 2차하수처리수에 대한 부레옥잠 인공늪지시스템 의 인제거율은 각각 0.22, 0.16 gPm-2d-1이었으며, 기타 정수식물 처리조는 각각 0.06~0.12 gPm-2d-1, 0.03~ 0.06 gPm-2d-1의 범위였다. 유출수의 질소/인 비는 수로 시스템에 비해 늪지시스템에서 낮았는데 늪지 저토에서 의 탈질과 인 용출이 큰 것으로 추정된다. 2차 하수처리 수에 대한 질소 제거율(R)과 식물체흡수율(U)의 백분비 (U/R)는 부레옥잠조 31~58%, 미나리조 5~11%, 기타 처리조는 5% 이하였으며, 인에 대한 U/R비는 부레옥잠 조 47~54%, 미나리조 11~45%, 기타 처리조는 10% 이 하였다. 부수식물 시스템에서는 흡수제거가 크나 정수식 물 시스템에서는 침전과 흡착 및 탈질이 주요 제거기작 임을 알 수 있다.

    사 사

    본 연구를 지원한 일본국제협력단(JICA) 및 국립환경 연구원(NIER)에 감사드리며 원고의 내용에 대해 조언 을 아끼지 않으신 건국대학교 농공학과의 황순진 교수 께 감사드린다.

    Figure

    KJL-32-3-216_F1.gif

    Variation of individual phytomass of water hyacinth with varying pH and Chlorophyll-a.

    KJL-32-3-216_F2.gif

    Variations of standing crops and specific growth rate of water hyacinth in the Reservoir Paldang.

    KJL-32-3-216_F3.gif

    Variation of TP and Chl-a in water hyacinth culturing area (Site 2) (C1: Sewage inlet point of cultured area, S: outlet point of cultured area, C2: control, reservoir water).

    KJL-32-3-216_F4.gif

    Load and removal of nitrogen (top) and phosphorus (bottom) for raw sewage in macrophyte-based pond treatment systems.

    KJL-32-3-216_F5.gif

    Removal rates of nitrogen (top) and phosphorus (bottom) for the secondary treated sewage water in macrophyte-based treatment systems (see Table 8 for codes).

    KJL-32-3-216_F6.gif

    Uptake/removal ratios in the secondary treated sewage water in macrophyte systems (see Table 8 for codes).

    KJL-32-3-216_F7.gif

    Treatment parameters for water hyacinth (Ec) and water dropwort systems (Oj) (Pi: phosphorus conc. of inf luent, Po: phosphorus conc. of eff luent, A: surface area of treatment system, Q: inflow).

    Table

    Occupied area (OA), maximum standing crop (Bm), annual net productivity (Pn), and turnover rate (Pn/Bm) of the aboveground part of vascular hydrophytes in the survey area of 1,667 ha of the Reservoir Paldang (After Cho, 1992; Kong, 1997).

    Nitrogen and phosphorus uptake rate by vascular hydrophytes in the reservoir Paldang (based on aboveground part in the survey area of 1,667 ha). (Unit: kg/yr)

    Weight-specific growth rate (WSGR), temperature coefficient (θ), doubling time (DT), net productivity (Pn), and nitrogen and phosphorus uptake rate of water hyacinth in the reservoir Paldang.

    Weight ratio of aboveground part (A) to underground part (U) of water hyacinth.

    Nitrogen and phosphorus contents (%DW) of aquatic macrophytes.

    Maximum standing crops and average net productivity of aquatic macrophytes.

    Treatment efficiencies for raw sewage of pond systems.

    Nitrogen and phoaphorus budget of macrophyte systems for the secondary treated sewage water. (Unit: gm-2d-1)

    k (d∙m-1) values at macrophyte systems.

    Uptake rates of nitrogen and phosphorus by aquatic macrophytes in different conditions.

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