KR20140093555A

KR20140093555A - 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법

Info

Publication number: KR20140093555A
Application number: KR1020130006137A
Authority: KR
Inventors: 강동환; 권병혁; 김광호; 김박사; 김민성; 진광호; 서성운; 유훈선; 김일규
Original assignee: 부경대학교 산학협력단
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-07-28

Abstract

본 발명은 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 농경수와 인공습지수를 기술통계분석을 통해 수질을 비교하고, 수질의 성분별 상관계수를 산출하며, 오염물질별 농도를 비교분석하여 농경수에 유입되는 오염물질별 수질개선효율을 산출함으로써 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율을 산출할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 농경수와 인공습지수의 수질을 비교하는 단계와, 상기 농경수와 인공습지수의 수질의 성분별 상관성 분석을 수행하는 단계와, 오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석하는 단계 및 인공습지에 의한 농경수의 수질개선 효율을 산출하는 단계를 포함하여 구성되는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법을 제공한다.

Description

인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법{Method for calculating water purification in the agriculture water of constructed water}

본 발명은 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 농경수와 인공습지수를 기술통계분석을 통해 수질을 비교하고, 수질의 성분별 상관계수를 산출하며, 오염물질별 농도를 비교분석하여 농경수에 유입되는 오염물질별 수질개선효율을 산출함으로써 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율을 산출할 수 있는 방법에 관한 것이다.

습지를 이용한 정화시스템의 메카니즘은 생물학적 요인과 물리화학적 요인으로 나뉜다. 생물학적 요인으로는 미생물의 활동에 의한 유기물분해 등이 있으며, 물리화학적 요인으로는 침전, 여과 및 수생식물에 의한 흡착 등이 있다. 미생물 활동에 의한 분해는 대부분 수생식물의 근권에서 일어나는데 탄소, 질소, 인 성분들이 제거 된다.

이 중 침강성유기물은 침강, 흡착 등의 기작을 통해 습지에서 제거되며, 용존유기물은 물속의 수생식물에 부착된 미생물과 부유미생물의 성장에 의해 제거된다. 부유물질은 습지 내 토양에 의해 여과되는 과정과 침전을 통해 제거되며, 질소는 수생식물의 근권 주위 호기성조건에서 질산화과정을 거친 후 토양의 혐기성 조건에서 탈질화되어 대기 중으로 제거된다. 또한 식물이 흡수 가능한 형태인 암모니아성 질소와 질산성 질소는 식물의 뿌리를 통해 흡수되어 제거되어 식물을 성장하게하고, 암모니아의 휘발을 통해서도 질소가 제거된다.

인의 제거는 부착조류와 거대조류에 의한 인의 흡수와 침전 및 식물체에 의한 흡수에 의해서도 제거된다. 또한 수생식물의 성장기에는 녹조와 미생물 활동에 적합한 수온이 형성되어, 녹조와 미생물에 의한 인의 흡수도 일어나 비성장기에 비해 성장기의 인의 제거량이 높다. 겨울철의 인공습지는 대기온도의 저하에 따른 수생식물의 사멸과 미생물활동의 저하로 정화능력이 떨어지게 되며, 침전된 유기물, 질소, 인은 물리적, 생화학적 등 조건에 따라 부상하기도 하여 인공습지 내에 존재하기도 한다.

인공습지 시스템은 크게 3가지로 분류되는데 자유수면 시스템 (Free Water Surface; FWS)과 지표면하 흐름 (Subsurface Flow; SF)과 수직유수습지 (Vertical Flow Wetland)로 분류된다. 자유수면 시스템은의 정화방식은 물을 지표면으로 흐르게 하여, 오염물질이 토양과 수생식물을 접촉하는 과정에서 침전과 생물막에 의한 흡착과 분해를 통해 수질을 정화시키고 표면부터 처리수를 배출시키는 방식이고, 지표면하 흐름은 배수를 수생식물의 근권으로 유입시키고, 토양과 수생식물의 뿌리부분에서 여과와 흡착 등의 물리화학적 과정을 거쳐 수생식물의 근권에 서식하고 있는 미생물에 의해 분해되어 정화하고 하부로부터 처리수를 유출시키는 방식이다.

본 발명의 목적은, 자연수면형 인공습지 시스템에서 농경수와 인공습지수를 기술통계분석을 통해 수질을 비교하고, 수질의 성분별 상관계수를 산출하며, 오염물질별 농도를 비교분석하여 농경수에 유입되는 오염물질별 수질개선효율을 산출함으로써 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율을 산출할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은, 농경수와 인공습지수의 수질을 비교하는 단계와, 상기 농경수와 인공습지수의 수질의 성분별 상관성 분석을 수행하는 단계와, 오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석하는 단계 및 인공습지에 의한 농경수의 수질개선 효율을 산출하는 단계를 포함하여 구성되는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법을 제공한다.

상기 농경수와 인공습지수의 수질을 비교하는 단계에서는, 기술통계분석을 통해 수행하는 것을 특징으로 하며, 상기 성분별 상관성 분석을 수행하는 단계에서는, SPSS 프로그램을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인공습지에 의한 농경수의 수질개선 효율을 산출하는 단계에서는, 수학식

를 통해 산출되며, 여기서

는 농경수의 수질 농도이고,

는 인공습지수의 수질농도이다.

본 발명에 따른 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법은 농경지에서 발생되는 오염물질이 자연수면형 인공습지시스템에 미치는 영향과 오염물질의 정량적인 변화 즉 제거율을 제공함에 따라, 농경지 내 인공습지 적용가능성을 도출할 수 있게 되며, 향후 자연수면형 인공습지 설계 및 유지관리 방안에 대한 기초자료를 산출 할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법이 적용된 지역의 지도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법을 순차적으로 도시한 순서도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인공습지수 및 농경수에서 관측된 오염물질별 평균값을 이용하여 관측시기별로 도시한 변화그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법이 적용된 지역은 전남 고흥군 두원면에 위치한 고흥만 간척지의 인공습지이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고흥만 간척지의 면적은 3,100ha이고, 인공급지의 면적은 280ha이다. 고흥만 간척지는 1995년에 건설되었으며, 인공습지 인근 간척지에서의 농업활동은 2005년부터 시작되었다.

관측시기는 2009년 1월부터 11월까지 총 4회에 걸쳐 관측하였으며, 2009년 1월 10일에 10개 지점에서 1차 관측이, 4월 17일에 12개 지점에서 2차 관측이, 9월 4일에 12개 지점에서 3차 관측이, 11월 27일에 12개 지점에서 4차 관측이 이루어졌다.

인공습지수의 저유량은 배수장(drainage)에서 조절하고 있으며, 인공습지 내 물의 흐름은 남에서 북쪽 방향으로 형성되어 있다. 농경수의 양은 1차 관측 시의 유량이 2차, 3차, 4차 관측 시보다 소량이였으며, 1차 관측시에는 GH7 및 GH11 지점의 농경수는 없었다. 인공습지수(GH1~GH5 지점)는 인공습지의 가장자리 지점에서, 농경수(GH6~GH12 지점)는 주변 농경작지에서 인공습지로 유입되는 지점이다.

습지수내 GH1 지점은 인공습지의 최종 배출구로서 수생식물이 존재하지 않았으며, GH2에서 GH5 지점까지는 계절별 차이는 있으나 수생식물이 자라고 있었다. 인공습지의 가장자리에서 측정된 수질은 습지수의 수질변동을 파악하기 위함이고, 인공습지 유입지점에서의 수질은 습지수의 오염자인 농경수의 오염 농도를 파악하는데 이용하였다.

습지의 자연정화작용을 알아보기 위해 기초적인 조사를 수행하였는데, 인공습지수와 주변 농경작 농경수의 계절적인 변화를 파악하기 위해 현장측정과 실내실험으로 나누어 실험하였으며, 현장측정은 pH, DO, EC, 수온이며, 실내실험은 TOC, Cl, COD, TSS, T-N, T-P이다. 현장측정에 사용된 장비는 pH는 pH/ORP meter (pH-20N, ISTEK), DO는 DO meter (DO-30N, ISTEK), EC는 EC meter (EC-40N, ISTEK)를 이용하여 측정되었고, 실내실험은 부경대학교 공동실험실습관에서 TOC를 TOC Analyzer에 의해 분석되었으며, 동의과학대학교 동의분석센터에서 Cl, COD, TSS, T-P 및 T-N를 수질오염공정시험법에 따라 분석되었다.

농경수와 인공습지는 계절에 따라 다양한 변화가 발생한다. 봄과 여름철에는 농경활동으로 다양한 오염물질이 배출되며, 가을 및 겨울철에는 한시적으로 오염물질이 배출되지 않지만, 토양 내 흡착되어 있는 오염물질들이 강수 등으로 인하여 인공습지로 이동하게 된다. 주로 발생되는 오염물질은 TOC, COD, TSS, T-N, T-P이며, 봄과 여름철에는 농업용수와 많은 강수로 인하여 오염물질의 이동량이 증가하게 된다. 겨울철에는 농업용수를 사용하지 않고 강수가 적어 인공습지로 유입되는 오염물질의 량을 작지만 오염물질의 농도는 높게 나타난다.

강수량은 인공습지 정화시스템에 중요한 역할을 한다. 간척지 내 오염물질을 인공습지로 이동시키며, 인공습지수 내 오염물질도 강수에 의해 희석되기도 한다. 본 발명의 실시예에 따른 고흥만 지역의 강수량은 2009년도 1월, 2월, 3월에 1000mm이하이며, 4월과 5월에는 1,230mm, 1,712mm로 증가하였다. 6월에는 1,240mm으로 감소하다가 장마시기인 7월에 4,912mm로 1년 전체 강수량 12,827mm의 1/3이상으로 집중적으로 증가하였다. 이후 8월, 9월, 10월, 11월, 12월은 1,000mm 이하로 나타났다. 즉 장마시기인 7월에 경작지토양 내에 존재하는 오염물질이 많은 량의 비로 인공습지수로 유입되었다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법은 먼저 농경수와 인공습지수의 수질을 비교한다(S210). 본 발명에서 농경수와 인공습지수의 수질 비교는 기술통계분석을 통해 실시하였으며, 이에 따른 인공습지수의 기술통계분석 결과를 [표 1]에, 농경습지수의 기술통계분석 결과를 [표 2]에 도시하였다.

구성요소	Range	Min	Max	Avg	CV(%)
pH	1.75	7.41	9.16	8.30	5
DO(mg/L)	15.42	4.40	19.82	10.55	32
EC(uS/cm)	1260	1810	3070	2398	19
Temp(℃)	28.3	1.3	29.6	16.1	63
TOC(mg/L)	18.98	1.21	20.19	11.23	54
Cl(mg/L)	549	675	1224	903	18
COD(mg/L)	7.90	2.56	10.46	6.58	38
TSS(mg/L)	60.20	2.00	62.20	18.45	80
T-P(mg/L)	5.82	0.03	5.85	2.30	78
T-N(mg/L)	3.56	0.06	3.62	0.77	128

구성요소	Range	Min	Max	Avg	CV(%)
pH	2.70	7.39	10.09	8.19	8
DO(mg/L)	8.21	7.67	15.88	11.67	17
EC(uS/cm)	16947	1083	18030	7644	73
Temp(℃)	25.3	2.2	27.5	17.8	48
TOC(mg/L)	40.89	0.97	41.86	16.31	65
Cl(mg/L)	6622	56	6678	3048	59
COD(mg/L)	9.60	3.40	13.00	7.76	40
TSS(mg/L)	82.90	2.00	84.90	15.63	124
T-P(mg/L)	8.51	0.73	9.24	2.46	90
T-N(mg/L)	14.29	0.03	14.32	2.72	159

[표 1] 및 [표 2]에 도시된 바와 같이, pH는 농경수와 인공습지수 모두 약알칼리성인 8.3와 8.2로 관측되었다. 농경수와 인공습지수의 pH가 일반적인 지표수나 담수보다 높은 원인은 간척이 완료된 시기가 짧아 아직까지 농경지 및 인공습지에서 해수성분의 영향을 계속 받고 있는 것으로 판단된다. TOC(유기탄소), Cl(염소), COD(화학적산소요구량), T-P(총 인), T-N(총 질소)은 농경수가 인공습지수보다 높게 나타나 농경수의 오염물질이 계속 인공습지수로 유입되는 것으로 나타났으며, TSS(총 부유물질)는 농경수보다 인공습지수에서 높게 나타났는데, 그 원인은 고사한 수생식물과 조류 등에 의해 부유물질의 양이 증가되고 이러한 부유물질은 인공습지내에 침전되거나 부상하여 농경수보다 부유물질의 양이 높은 것으로 판단된다.

농경수의 변이계수가 가장 높은 성분은 T-N으로써, 농경시기에 비료 등으로 인하여 많은 오염물질이 유입되고 있으며, 농경시기외에는 유입량이 작은 것을 의미한다. 변이계수인 CV값의 비교는 수질의 연간 변동폭을 나타내는 지표로 사용되어지고 있으며, DO와 수온만 인공습지수가 농경수보다 높게 나타나고 있는데, 그 원인은 인공습지수에 자생하는 수생식물들의 영향과 대기온도의 영향으로 인한 것으로 판단된다.

이어서, 인공습지수와 농경수의 수질의 성분별 상관성을 알아보기 위하여 상관성분석을 수행한다(S220). 본 발명의 실시예에서는 SPSS 프로그램을 사용하여 인공습지수와 농경수의 수질의 성분별 상관성 분석을 수행하였으며, 이에 따른 인공습지수의 상관계수를 [표 3]에, 농경습지수의 상관계수를 [표 4]에 도시하였다.

	TOC	Cl	COD	TSS	T-P	T-N	pH	DO	EC	Temp.
TOC	1.00
Cl	0.50	1.00
COD	0.39	0.46	1.00
TSS	0.03	0.05	-0.22	1.00
T-P	0.62	0.36	0.74	-0.07	1.00
T-N	-0.22	-0.34	-0.29	0.32	-0.04	1.00
pH	-0.33	0.13	0.04	-0.02	-0.11	0.17	1.00
DO	-0.84	-0.40	-0.38	-0.08	-0.53	0.14	0.54	1.00
EC	-0.05	-0.44	-0.58	-0.11	-0.41	0.36	0.05	0.11	1.00
Temp.	-0.47	-0.28	0.40	-0.57	0.15	-0.10	0.11	0.42	-0.20	1.00

	TOC	Cl	COD	TSS	T-P	T-N	pH	DO	EC	Temp.
TOC	1.00
Cl	0.44	1.00
COD	0.38	0.19	1.00
TSS	0.63	0.62	-0.09	1.00
T-P	-0.04	0.27	0.31	0.02	1.00
T-N	0.56	0.29	-0.39	0.72	-0.29	1.00
pH	-0.04	-0.55	-0.40	-0.09	-0.24	0.60	1.00
DO	-0.08	-0.39	-0.24	-0.16	-0.27	0.03	0.76	1.00
EC	0.72	0.75	0.48	0.57	0.21	0.19	-0.39	-0.30	1.00
Temp.	-0.54	-0.29	0.27	-0.59	0.25	-0.84	-0.20	-0.15	-0.30	1.00

상술한 [표 3] 및 [표 4]에 도시된 바와 같이, 인공습지수의 상관계수는 COD-T-P의 상관계수가 0.74로 나타났으며, DO-TOC는 0.84로써 음의 상관성이 높은 것으로 나타났다. 농경수는 pH-DO, Cl-EC, TOC-EC, TSS-T-N이 상관계수가 0.7이상으로 높게 나타났으며, T-N-Temp는 0.84로서 음의 상관성이 높은 것으로 나타났다. T-N의 제거기작은 미생물 활동으로 인한 탈질화과정으로 온도가 높을수록 미생물활동이 활발해져 T-N의 제거가 높은 것으로 판단된다. 인공습지수와 농경수 중 높은 양의 상관계수가 많은 것은 농경수이며, 상관계수가 높은 음의 상관계수는 각각 1개씩 나타났다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인공습지수 GH1~GH5 지점 및 농경수 GH6~GH7 지점에서 관측된 오염물질별 평균값을 이용하여 관측시기별 변화그래프를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, pH 값의 계절적 변화는 농경수의 pH가 인공습지수의 변화보다 크게 나타났다. 연간 pH의 평균값은 농경수 8.25, 인공습지수 8.30으로 비슷하게 나타났지만, 연간 변동폭은 농경수 0.32 값의 변동차이가 발생했으며, 인공습지수는 0.06 값의 변동차이가 있어 인공습지수 내의 연간 pH의 변동은 거의 없는 것으로 나타났다. 농경수 pH 값의 계절적 변화를 살펴보면, 봄에는 8.53, 여름에는 8.11, 가을에는 7.93, 겨울에는 8.43으로 나타났으며, 인공습지수 pH 값의 계절적 변화는 봄에는 8.28, 여름에는 8.26가을에는 8.36, 겨울에는 8.28으로 평균 8.30에 비해 변동값이 크게 차이나지 않았다. 농경수의 pH는 계절적 변화가 있지만 인공습지수의 pH 값이 계절적 변화가 없는 것은 인공습지내에 자생하고 있는 수생식물과 미생물 활동에 의해 습지내의 농도가 자연조절 되고 있는 것으로 판단된다.

DO 농도의 계절절 변화는 농경수보다 인공습지수의 변화가 크게 나타났다. 농경수 DO 농도의 계절적 변화는, 봄 11.04mg/L, 여름 11.03mg/L, 가을 11.05mg/L, 겨울 13.34mg/L로 평균 11.59mg/L에 비해 변동값은 1.72mg/L의 값이 차이가 났으나, 인공습지수 DO농도의 계절적 변화는 봄에는 10.98, 여름에는 10.55, 가을 13.94mg/L, 겨울 6.74mg/L로 평균 10.55mg/L에 비해 최대값의 농도가 3.81mg/L의 값이 차이가 났다. 인공습지로 유입되는 농경수의 DO 농도 변화보다 습지내의 DO 농도의 변화가 심하다는 것은 습지내의 미생물과 식생식물의 작용으로 습지내의 DO 농도의 변화가 발생한다고 판단된다.

EC 농도의 계절절 변화량은 습지수보다 농경수의 변화량이 크게 나타났다. 농경수 EC 농도의 계절적 변화를 살펴보면, 봄 8,903uS/cm, 여름 11,067uS/cm, 가을 2,450uS/cm, 겨울 7,536uS/cm으로 평균 7,489uS/cm에 비해 변동값은 5,039uS/cm의 값이 차이가 났으나, 인공습지수 EC의 계절적 변화는 봄 2,636uS/cm, 여름 2,920uS/cm 가을 2,029uS/cm, 겨울 2,005uS/cm로 평균 2,398uS/cm에 비해 최대값이 522uS/cm의 값이 차이가 났다. 인공습지수의 EC 농도 값보다 농경수의 EC 농도 값의 변화가 많이 심하게 나타나고 있다.

수온의 계절적인 변화는 대기환경에 변화에 따라 농경수와 인공습지수의 값이 비슷한 경향이 나타났다. 가장 높은 값은 9월에 농경수와 인공습지수가 높게 나타났고 가장 낮은 온도는 1월에 농경수와 인공습지수가 가장 낮게 나타났다. 년간 평균 수온은 16로서 농경수와 습지수가 동일하게 나타났으며, 계절적 온도 변화는 1월에는 농경수와 습지수와 비슷한 값으로 나타났으며, 9월에는 인공습지수가 농경수보다 높게 나타났다. 이는 인공습지수는 정체되어 있고, 농경수는 흐르기 때문에 농경수보다 인공습지수가 대기의 온도에 더 많은 영향을 받고 있는 것으로 판단된다.

농경수와 인공습지수의 TOC는 9월에 큰 폭으로 낮아졌다가 11월에 증가한다. 1월과 4월의 TOC농도는 농경수가 높았으나, 11월에는 인공습지수의 TOC 농도가 농경수보다 높게 나타났다.

농경수의 Cl는 9월에 낮아졌다가 11월에 높아지는 현상이 나타나고 있으나 인공습지수내 Cl의 농도변화는 크게 차이나지 않았다.

농경수의 COD는 4월에 가장 높았으며 인공습지수의 COD는 11월에 가장 높게 나타나고 있다. TSS는 1월에 농경수 및 인공습지수가 가장 높았으며, 4월에는 농경수가 높았으며 9월과 11월은 인공습지수에서 높게 나타났다.

T-P는 농경수가 1월, 4월, 9월에 인공습지수보다 높았으나 11월에는 인공습지수가 더 높게 나타났으며, 농경수에서는 4월에 가장 높게 나타났다.

T-N은 1월에 농경수에서 인공습지수보다 높았으며, 그 후 4월, 9월, 11월에는 인공습지수에서 농경수보다 높게 나타났으나, 농도의 차이는 크게 나타나지 않았다. T-N은 미생물의 활동과 식물체에 의해 질산화와 탈질화가 일어나 제거 되기 때문에 온도에 민감하다. 추운겨울에 농경수에는 미생물의 활동 상대적으로 적어 1월에 가장 높은 농도를 나타내고 있다.

다음으로, 오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석한다(S230). 본 발명에서는 오염물질별 농경수와 인공습지수의 농도를 정량형 자료의 형태로 나타내기 위해 오염물질별 농경수와 인공습지수의 농도를 박스와 휘스커 겨냥도(Box-whisker plot)으로 나타내를 오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석하였다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 오염물질별 농경수와 인공습지수의 농도를 박스와 휘스커 겨냥도로 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, TOC는 농경수보다 인공습지수의 평균값이 낮게 나타났으며, 변동값도 인공습지수가 낮게 나타나 유입되는 농경수가 인공습지내에서 감소하는 경향을 나타내고 있다. Cl도 TOC와 비슷한 경향으로 농경수가 인공습지내에서 감소하고 있었으며, COD는 농경수와 인공습지수의 평균값은 비슷하게 나타났고, 높은 농도로 유입되는 농경수는 인공습지수에서 낮게 나타났으며, TSS의 평균값은 인공습지수가 농경수보다 높게 나타났으나, 농경수에서 높은 값으로 나타났지만 인공습지수에서 높은 값은 감소하였다.

T-P도 평균값이 농경수보다 인공습지수에서 더 높게 나타났으며, 변동값은 농경수가 더 많았으나 인공습지수는 변동값은 적었다. T-N은 농경수와 인공습지수에서 평균값은 비슷하게 나타났으나, 변동값은 인공습지수가 적었다. 정리해보면 농경수인 농경수의 변동값은 크게 나왔으나 인공습지수내에서는 변동값이 적었으며, 인공습지수보다 평균값이 높은 성분은 TSS와 T-P였다.

상술한 바와 같은, 오염물질별 농경수와 인공습지수의 농도 비교분석을 통해, 인공습지수의 농도에 따른 농경수의 농도 변화율에 따른 함수를 추정할 수 있게 된다. 이하, 수질에 있어서 물의 혼탁정도를 나타내는 대표적인 지표인 입자성 물질인 TSS(총 부유물질), 유기물질인 TOC(유기탄소), 영양염류인 T-P(총 인), T-N(총 질소)에 대한 인공습지수 오염물질 농도에 따른 농경수의 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수(Y)에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 인공습지수 유기탄소 농도에 따른 농경수의 유기탄소 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수 (Y)는 하기의 [수학식 1]과 같다.

여기서, X는 측정된 인공습지수의 유기탄소 농도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 인공습지수 유기탄소 농도에 따른 농경수의 유기탄소 농도는 로그함수의 관계에서 기울기는 8.5이며, 원 자료와 회귀직선 간의 결정 계수는 0.51이다.

인공습지수 총 부유물질 농도에 따른 농경수의 총 부유물질 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수 (Y)는 [수학식 2]와 같다.

여기서, X는 측정된 인공습지수의 총 부유물질 농도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 인공습지수 총 부유물질 농도에 따른 농경수의 총 부유물질 농도는 선형함수 관계에서 기울기는 1.4이며, 원 자료와 회귀직선 간의 결정계수는 0.79이다.

인공습지수 총 인의 농도에 따른 농경수의 총 인 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수 (Y)는 [수학식 3]과 같다.

여기서, X는 측정된 인공습지수의 총 인의 농도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 인공습지수 총 인의 농도에 따른 농경수의 총 인의 농도는 로그함수의 관계에서 기울기는 0.6이며, 원 자료와 회귀직선 간의 결정 계수는 2.1이다.

인공습지수 총 질소의 농도에 따른 농경수의 총 질소 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수 (Y)는 [수학식 4]와 같다.

여기서, X는 측정된 인공습지수의 총 질소 농도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 인공습지수 총 질소의 농도에 따른 농경수의 총 질소의 농도는 지수형(exponential)으로 증가하는 함수가 가장 적합(결정계수(R²)=0.91)한 것으로 추정되었다.

이어서, 농경수로부터 유입되는 오염물질별 수질개선효율을 분석한다(S240). 인공습지에 의한 농경수의 수질개선 효율은 하기의 [수학식 5]를 적용하여 산정하였으며, 습지수와 농경수 관측 자료의 평균값을 대입하여 산정하였다.

여기서,

는 농경수의 수질 농도이며,

는 인공습지수의 수질농도이다.

상기 수학식에 의하여 농경수로부터 유입되는 오염물질별 수질개선효율은 하기의 [표 5]와 같이 산출되었다.

오염물질	수질개선 효율(%)
TOC	31
Cl	70
COD	15
TSS	-18
T-P	6
T-N	72

[표 5]에 도시된 바와 같이, 인공습지에 의한 농경수의 수질개선효율이 가장 높은 성분은 T-N 72%로 가장 높았으며, 제거되는 기작은 인공습지 내 미생물활동으로 탈질화 및 수생식물의 흡수에 의한 것이며, 두 번째 수질개선 효율이 높은 성분은 Cl 70%이다. Cl는 미생물 활동, 여과, 침전 등의 방식으로 제거가 되지 아니기 때문에 Cl의 농도가 감소하는 원인은 강수에 의한 희석이라 판단된다.

세 번째로 수질개선효율이 높은 성분은 TOC 31%이며, 그 다음으로는 COD 15%, T-P 6%로 나타났다. 한편, TSS는 수질개선효율이 음의 값으로 나왔다. 즉, 농경수보다 인공습지수의 TSS값이 더 높다. 이러한 원인은 인공습지내 부유물질의 이동과 관련이 깊은데, 흔히 부유물질은 침전이나 흡착에 의해 제거되는 것으로 알려져 있다. 이러한 제거는 완전한 제거를 의미하는 것이 아니며, 단지 분리과정이기 때문에 부유물질은 인공습지내에 잔류하게되고 부유물질 중 몇몇 성분들은 미생물에 의해 생물학적으로 분해 또는 식물에 의해 흡수되거나 기타 화학반응 등을 거치면서 제거된다.

또한 침전된 부유물질은 인공습지내에서 부상하여 인공습지내 부유물질의 농도가 높아진다. 이러한 원인에 의해서 농경수보다 인공습지수보다 TSS가 높을 가능성이 높다. 이러한 부상현상에 의해서 T-P의 제거율이 낮은 원인이 되기도 한다.

상술한 바와 같이 농경수와 인공습지수의 수질를 비교하기 위하여 기술통계분석한 결과 농경수와 인공습지수 모두 간척전 환경에 대한 영향을 계속 받고 있으며, TOC, Cl, COD, T-P, T-N은 농경수가 인공습지수보다 높게 나타났으나, TSS는 농경수보다 인공습지수에서 높게 나타났다. TSS가 높은 원인은 인공습지내에 자생하는 수생식물, 조류 등이 고사하여 유기물의 양이 증가되고 이러한 유기물들은 분해되어 부유물질로 된다. 인공습지내 부유물질은 인공습지수에 침전이 되기도 하고, 인공습지수내에 존재하기도 한다. 또한 침전된 부유물질은 대류현상에 의해 부상되기도 하여 농경수보다 높은 농도로 존재한다.

상관성분석에서는 농경수에서는 pH-DO, EC-Cl, TSS-T-N, EC-TOC, 인공습지수에서는 COD-T-P가 상관계수가 0.7 이상으로 높게 나타나 농경수가 인공습지수보다 상관계수가 높은 성분이 많았으며, 음의 상관계수가 높은 성분은 농경수에서 T-N-Temp., 인공습지수에서 TOC-DO가 0.8 이상으로 높게 나왔다.

상기 기술통계분석 결과와 상관성분석 결과를 기반으로 분석한 인공습지에 의한 농경수의 수질개선 효율은 T-N이 72%로 가장 높았으며, 인공습지내의 T-N은 수생식물과 미생물 질산화 작용에 의한 식물흡수 및 미생물에 의한 탈질화 작용에 의해 제거되는 것으로 나타났으며, Cl의 제거기작은 인공습지수에 의한 희석에 효과인 것으로 나타났다.

즉, 본 발명에 따른 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법을 적용한 결과, 농경지에서 발생되는 오염물질이 자연수면형 인공습지시스템에 미치는 영향과 오염물질의 정량적인 변화 즉 제거율을 산출할 수 있으며, 이에 따라 농경지 내 인공습지 적용가능성을 도출할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

Claims

농경수와 인공습지수의 수질을 비교하는 단계와;
상기 농경수와 인공습지수의 수질의 성분별 상관성 분석을 수행하는 단계와;
오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석하는 단계; 및
인공습지에 의한 농경수의 수질개선 효율을 산출하는 단계;
를 포함하여 구성되는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 농경수와 인공습지수의 수질을 비교하는 단계에서는,
기술통계분석을 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 성분별 상관성 분석을 수행하는 단계에서는,
SPSS 프로그램을 사용하는 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 1항에 있어서,
오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석하는 단계에서는,
인공습지수 유기탄소 농도에 따른 농경수의 유기탄소 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 4항에 있어서,
상기 인공습지수 유기탄소 농도에 따른 농경수의 유기탄소 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수(Y)는,

이고,
상기 X는 측정된 인공습지수의 유기탄소 농도인 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 1항에 있어서,
오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석하는 단계에서는,
인공습지수 총 부유물질 농도에 따른 농경수의 총 부유물질 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 6항에 있어서,
상기 인공습지수 총 부유물질 농도에 따른 농경수의 총 부유물질 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수(Y)는,

이고,
상기 X는 측정된 인공습지수의 총 부유물질 농도인 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 1항에 있어서,
오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석하는 단계에서는,
인공습지수 총 인의 농도에 따른 농경수의 총 인의 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 8항에 있어서,
상기 인공습지수 총 인의 농도에 따른 농경수의 총 인의 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수(Y)는,

이고,
상기 X는 측정된 인공습지수의 총 인의 농도인 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 1항에 있어서,
오염물질별 농경수와 인공습지수 농도를 비교분석하는 단계에서는,
인공습지수 총 질소 농도에 따른 농경수의 총 질소 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 10항에 있어서,
상기 인공습지수 총 질소 농도에 따른 농경수의 총 질소 농도 변화율을 산출할 수 있는 함수(Y)는,

이고,
상기 X는 측정된 인공습지수의 총 질소 농도인 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
제 1항에 있어서,
상기 인공습지에 의한 농경수의 수질개선 효율을 산출하는 단계에서는,
하기의 [수학식 1]에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 인공습지에 의한 농경수의 수질정화효율 산출 방법.
[수학식 1]

여기서,

: 농경수의 수질 농도,

: 인공습지수의 수질농도.