Environmental and Ecological Engine

KSCE JOURNAL OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING RESEARCH. October 2021. 493-504
https://doi.org/10.12652/Ksce.2021.41.5.0493

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구방법

  •   2.1 연구대상 하천

  •   2.2 시험시설

  •   2.3 Multistage Vortex Aerator (MVA)

  •   2.4 악취 및 수질 측정

  • 3. 결 과

  •   3.1 용존산소 변화

  •   3.2 영양염류, 유기물, 부유물질의 변화

  •   3.3 복합악취

  • 4. 결 론

1. 서 론

도시에서 오수와 우수를 배제하는 관거 방식은 분류식과 합류식으로 나뉜다. 환경부에서는 점진적 분류식화를 추진하고 있으나, 이미 발전된 도시에 매설된 하수관거를 바꾸기에는 어려움이 매우 많다. 2019년 환경부 하수도 통계에 의하면 서울특별시에서 분류식 하수관로의 비율은 20.4 %이고, 부산광역시는 43.4 %이다(Ministry of Environment, 2020). 서울은 전체 430.2 km2 처리구역 중 87.9 km2, 부산은 전체 631.1 km2 처리구역 중 273.9 km2 가 분류식이다. 합류식 하수도에서는 비가 오면 하수처리장 용량 이상의 오수와 우수를 처리 없이 방류하는데 이는 하천 환경에 악영향을 미친다. 또한 평시에도 노후화 또는 오접된 관로를 통해 오수의 일부가 하천으로 유입되고, 슬러지가 하천 바닥에 퇴적되면서 하천은 점점 혐기화되고 주변에는 악취가 발생한다(Yoo et al., 2017).

도심 속의 소하천은 주민들의 휴식처가 되어야 하는데, 관로를 통해 유입되는 각종 오수와 슬러지는 악취를 유발하여 하천의 환경 기능을 저하시킨다. 도심 하천의 수질과 악취 제어를 위해 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔다(Alp and Melching, 2011; Campolo et al., 2001; Kim, 2015; Kim et al., 2019; Woo, 2009; Yoo et al., 2017) 미국 일리노이 주의 시카고에 위치한 시카고 수로 시스템은 총 길이 122.8 km이며, 선박의 이동과 생활 및 산업 폐수 관리, 레크리에이션 등을 위해 사용되는 대표적인 도심하천이다. 또한 세계 최대 규모의 하수처리 플랜트 3개소와 연결되어 있어 수질 관리가 매우 중요한데, 24시간 중 16시간 이상 용존산소 농도를 6 mg/L 이상으로 유지하기 위해 폭기 장치를 운용하고 있다. 이탈리아의 Arno 강에서도 수질 관리를 위해 폭기 장치를 사용한 바 있다. 우리나라에서는 주로 저수지의 성층화 방지와 수질 관리를 위해 수중 폭기 기술이 폭넓게 적용되어 왔고, 이를 에너지 효율과 수질 측면에서 최적으로 설계하기 위한 연구가 진행된 바 있다(Kim et al., 2006; Kim et al., 2010; Lee et al., 2012; Yum et al., 2008).

적절한 산소의 공급은 하천과 하수도 모두에서 중요하다. 산소 농도가 낮으면 휘발성 지방산과 황화수소가 생성되어 불쾌한 냄새가 나는 혐기성 상태가 되며, 고농도의 황화수소는 작업자의 죽음을 초래하기도 한다(Huisman et al., 2004). 그래서 산소 전달 분야는 미국 토목학회(ASCE)에서도 standard method를 제공하며, 여러 환경 공정 또는 시스템에서 산소의 전달 효율을 높이기 위해 많은 기술이 발전되어 왔다. 산소 전달 방법에는 기체-액체 계면을 통해 기체를 확산시키는 방법, 반투과성 막을 통해 기체를 액체로 방출하는 방법 등이 있다. 산기 장치를 적용할 때 오리피스 크기, 기포 크기, 장치가 물에 잠기는 깊이, 공기 또는 산소의 유속, 장치의 파울링 등이 중요한 요소이다(Demoyer et al., 2003; Fayolle et al., 2007; Garrido-Baserba et al., 2017; Gillot et al., 2005; Rosso and Stenstrom, 2005; Zhou et al., 2013; Zhuang et al., 2016) 미세 다공성 산기 장치는 다공성 물체를 통해 압축 공기를 방출하여 작은 기포를 만든다. 미세 기포는 높은 에너지 효율로 인해 하수 처리에서 널리 사용되는 기술 중 하나가 되었다. 이때의 산소 전달 효율은 침지 깊이, 장치 수 및 기포의 표면적에 비례한다(Kang, 2015; Kim, 2015). 또한 공기 흐름 속도는 기포의 거동에 영향을 준다. 유속이 높을수록 기포가 커지고 비표면적이 작아지며 기포의 상승 속도가 빨라진다. 이러한 요소는 기체와 액체 사이의 접촉 시간을 줄인다(Rosso and Stenstrom, 2005). 미세 기포 산기 장치에 의한 산소 전달 효율은 시간이 지남에 따라 감소하고 역세척 압력은 점차 증가하게 되는데, 이는 산기 장치의 기공이 막히거나 폴리머 멤브레인의 오리피스 특성이 변경되기 때문이다. 두 가지 효과 모두 공정 효율성을 저하시키고, 전력비용을 상승시키기 때문에 주기적인 세척이 필요하다(Rosso and Stenstrom, 2006). 또 다른 폭기 장치에는 기체-액체 계면의 면적을 증가시키기 위해 기계적 에너지를 사용하여 큰 기포를 미세 기포로 전단하는 수중 터빈 또는 제트 디퓨저 등이 있다. 또한 도시 홍수 제어를 위해 물을 빠르게 배수하는 데 사용되는 와류 유량 조절기 (Vortex Regulator)를 통한 산소전달 효율이 연구된 바 있다(Wójtowicz and Szlachta, 2016). 산소의 전달 효율을 높이기 위해 공기 대신 고순도 산소 기체를 주입하는 경우도 있는데, 공기 중에는 21 %의 산소가 존재하지만 만일 90 % 순도의 산소를 사용할 경우 헨리의 법칙에 따라 포화농도가 90/21배 만큼 커지기 때문이다. 즉, 1기압 20 °C에서 공기를 사용할 때 물에 용존될 수 있는 산소의 포화농도는 9.08 mg/L이지만, 90 % 산소를 사용할 때는 38.9 mg/L까지 포화농도가 상승하여 더 많은 산소를 용존시킬 수 있다.

하천과 호소의 수질 관리를 위해 산소를 이용한 연구에서는, 물과 퇴적물의 경계면에서 초미세기포가 영양염류 용출에 어떤 특성을 미치는지 평가된 사례가 있으며, 인과 질소를 저감하기 위한 방법으로 초미세 기포의 주입을 제안한 바 있다(Kang, 2015; Yoon, 2018). 생태하천의 복원과 관리 방안에 대한 연구로는, 낙동강 유역을 대상으로 SWAT 모형을 이용하여 수생태계적 취약구간을 선정한 사례와, 서울 도심지역의 샛강에 대해 흐름 정체와 수질 악화 원인을 분석한 사례가 있다(Kang, 2014; Kang, 2019). 도심하천의 수질과 악취 관리를 위해 공학적인 방법을 대규모로 이용한 사례 중 하나인 부산시의 동천은, 북항의 바닷물을 상류로 도수하여 하루에 5만 톤을 흘려보내는 방법을 적용하고 있고, 도수 후 용존산소와 COD 상태가 개선된 것으로 보고된 바 있다(Cho et al., 2010; Cho et al., 2016). 본 연구의 대상지인 괴정천은, 부산시 사하구 도심을 가로질러 흐르며 낙동강 하굿둑의 바다 방향과 연결되어 있어 조위의 영향을 받는 감조하천이다. 1980년 침수 피해를 줄이기 위한 하천 유로 정비 사업 이후로 하천의 대부분이 복개되었고, 하천보다는 하수도에 가까운 기능을 하고 있었다. 2017년 생태하천 복원공사를 기점으로 수질과 악취에 대한 관심이 고조되었고, 주변의 상권과 주거지역이 확장되면서 친수공간의 역할이 대두되었으나 악취 관련 민원이 많은 곳이었다.

이에 본 연구에서는, 1) 순산소와 Vortex Aerator를 이용해서 하천의 용존산소를 효과적으로, 장기간 증가시킬 수 있을까? 2) 용존산소가 증가하면 수질과 악취의 개선 효과가 얼마만큼 나타날까? 두 가지 의문점을 가지고 연구를 시작하였다. 저자의 지식에 의하면, 와류를 이용하는 형태의 산기 장치와 순산소를 이용하여 하천을 정화하는 연구 사례는 국내외 처음으로 평가된다.

2. 연구방법

2.1 연구대상 하천

본 연구의 대상지는 부산광역시 괴정천의 개거 구간으로, Fig. 1에서 붉은색 선으로 표시되었다. 사하구에 위치한 괴정천은 전체 연장이 5.37 km이고, 개거부의 연장은 0.63 km, 복개된 연장은 4.74 km이다. 개거부 중 217 m 구간에 대한 수질과 악취 변화를 모니터링하였다. 복개 구간은 왕복 6차선 도로와 주차장으로 활용 중이며, 주변에는 주거지와 시장 등이 빽빽하게 자리 잡고 있다. 하천의 시점은 부산시 사하구 괴정동 산 1-44번지이며, 종점의 개거 구간은 생태 및 경관 보전지역 및 습지보호 지역으로 지정된 낙동강 하구로 연결된다. 하폭은 하류부는 40 m 내외이고 상류부는 10~15 m이다.

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Fig. 1.

Goejeongcheon’s Location and Test Site (Red Line)

괴정천 유역 토지 이용 현황을 살펴보면 유역 면적은 4.78 km2 중 임야가 가장 넓은 면적을 차지하고 있고 주거지, 도로 순으로 나타났다. 괴정천 유역 내에서는 기상학적 특징을 볼 수 있는 관측소가 존재하지 않아 부산 기상청의 기상 연보를 분석한 결과 강우량은 1,495 mm이며, 최저기온은 –12.6 °C, 최고기온은 36.7 °C이며, 연평균 기온은 14.5 °C이고, 연평균 습도는 65.4 %이다. 본 연구의 대상지는 원래 복개 구간이었다가 2017년 생태하천 사업으로 조성된 개거 구간이며, 조위의 영향을 받아 하천 수위가 수시로 변한다. 괴정천의 수위표는 별도로 존재하지 않아 다대포항의 물때표를 기준으로 하여 수위를 예측하여 계산한 결과, 평균적인 수위는 최소 31 cm에서 최대 127 cm이었다.

2.2 시험시설

괴정천 현장에 Fig. 2의 시험시설이 설치되었다. (a) 산소발생기 2대, (b) Multistage Vortex Aerator (MVA) 1대, (c) 수중 펌프 1대로 구성되었다. Fig. 2(c)는 시험 장치의 간단한 원리를 보여준다. 수중 펌프로 끌어올린 1 m3/min의 하천수와 산소발생기를 통하여 발생된 50 L/min의 산소를 MVA 입구에 주입하여, 내부에서 용해시킨 후 분당 1 m3을 하천으로 배출한다. 주입하는 산소의 농도는 평균 90 %를 유지하였고, 배출되는 산소공급수의 용존산소 농도는 평균 22 ppm 이상을 상시 유지하였다. 산소공급수의 용존산소 농도는 MVA의 끝단에 위치한 샘플 채수용 밸브를 열어 얻은 샘플에서 측정하였다. 이와 같은 순환을 24시간 반복하여 2개월간 운영하였다. 하천수가 MVA 내부에 체류하는 수리학적 시간(HRT)은 1.4분이다. 장치는 상류 지점인 공영주차장으로부터 115 m 하류 지점(L-4, Fig. 4)에 설치하였고, 설치지점에서 하천수를 흡입하여 MVA 에서 용해한 후, 설치지점의 25 m 상류 지점(L-3)으로 관을 연결하여 하천의 수면 아래로 배출하였다. 위 시험시설 일체를 MVA 시스템이라 칭하였다.

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Fig. 2.

Test Site and Schematic Diagram of Experiment (a) Oxygen Generator (b) Multistage Vortex Aerator (MVA) (c) Schematic Diagram of Pilot Experiment

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Fig. 3.

Structure of Multistage Vortex Aerator (MVA)

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Fig. 4.

Sampling Points for Water Quality and Odor Analysis

2.3 Multistage Vortex Aerator (MVA)

본 연구에 적용된 Vortex Aerator는 (주)더존코리아에서 개발한 제품으로 Fig. 3에 세부구조가 나타나 있다. 원통형 구조의 입구에 액체와 기체 주입구가 있으며, 기체 주입구를 통해 산소가 주입되어 물과 함께 구조물 안으로 들어간다. 실린더 내부는 11개의 공간으로 구성되어 있으며 각 단계는 엘보 파이프로 연결되어 있다. 각 엘보 파이프는 중심축에서 360/11° 각도로 입구를 회전시켜 설치되어 있고, 내부 원형 구조에 의해 형성된 와류를 통해 기체와 액체, 즉 산소와 물이 혼합되고, 11단을 통과하면서 충돌 횟수가 증가하고 더 많은 산소가 용해된다. 이 장치는 Multistage Vortex Aerator (MVA) 라고 하는데, 내부에서 확산(Diffusion), 분산(Dispersion) 및 이송(Advection) 현상이 발생한다. 확산은 산소-물 경계면에서 물의 Stagnant layer를 통해 산소를 이동시키는 분자 단계의 브라운 운동이다. 이 층을 통한 이동은 일반적으로 전체 산소 이동 속도를 제어하며 포화 산소농도와 물의 산소 농도 차이에 비례하게 된다. 포화 농도는 물이 기체와 평형을 이룰 때의 물속에 용존된 기체의 농도이다. Henry의 법칙에 따르면 물에 용존된 기체의 포화 농도는 기체의 종류, 물과 접촉하는 기체의 분압 및 적용된 총 압력의 함수가 된다. 고순도 산소를 사용할 경우 산소의 분압이 공기보다 높아져서 포화 농도가 선형 비례하여 증가한다. 또한 펌프에 의해 가해지는 실린더 내부의 압력은 포화 농도를 증가시켜 산소 전달 속도를 증가시킨다. 원통형 구조를 통한 이송은 난류를 유도하여 Stagnant layer의 두께를 줄이고 기체와 물의 계면 면적을 증가시켜 산소 전달 속도를 증가시킨다. 실험에 사용된 MVA의 직경은 350 mm, 길이는 2,300 mm, 내부 엘보 직경은 100 mm이다. 산소 발생기도 동일사의 제품을 사용하여 90 % 이상 농도의 산소를 만들어 실험에 이용하였다.

2.4 악취 및 수질 측정

하천 현장에 설치한 MVA 시스템은 2018년 9월부터 11월까지 약 3개월 간 운영하였다. 9월은 장치의 안정화 기간으로 수질 및 악취 항목을 측정하지 않았고, 10월과 11월에 총 9회에 걸쳐 측정하였다. 시험장치 설치지점을 기준으로 상류와 하류에서 총 10개의 지점에서 시료 2L를 채수하였다. 시료는 Lamotte사의 code1087 채수기를 이용하였으며, 채수 전 채수기는 현장에서 하천수로 5회 이상 세척하여 시료에 이물질이 들어가는 것을 방지하였다. 용존 산소는 현장에서 직접 측정하였고, 다른 분석 항목들은 채수통을 밀봉하여 실험실로 이동 후 각 항목별 분석 방법에 따라 분석하였다.

Table 1의 DO, SS, COD, T-N, T-P, 복합악취를 측정하였다. YSI사의 다항목 수질 측정기, 휴마스 HS-2300PLUS, OMX-SRM (Shinyei)를 사용하였고, 발색시약에 의한 흡광도법을 통하여 측정하였다. 부유물질은 수질오염공정시험법에 제시되어 있는 SS 분석 방법으로 분석하였다. 복합악취의 측정은 시료 채취를 한 채수병을 연구실로 이동시킨 후, 시료가 든 채수병을 충분히 흔들고 채수병을 열어 그 입구에서 1분마다 값을 측정하여 총 3분간 측정한 값의 평균을 사용하였다.

Table 1.

Water Quality and Odor Parameters

Location Parameters
Water quality Odor
Site DO -
Lab SS, COD, T-N, T-P Complex odor

악취 및 수질 분석 지점은 개거구간 634 m에서 공영주차장이 위치한 상류 지점에서부터 인도교가 위치한 지점까지의 구간에서 총 10개의 측정 지점을 선정하였다. 측정지점은 Fig. 4에 표시되어 있으며, 하천의 흐름 방향의 좌안은 L-1부터 L-5로, 우안은 R-1부터 R-5로 표시하였다. 현장에 설치한 시험 장치의 부피와 무게가 상당하기 때문에 하천의 중앙지점에 설치하는 것이 불가능하여 좌안에 설치하였고, 따라서 수질의 변화는 좌안에서 집중될 것을 예상하였다. 괴정천은 감조하천이므로 하천의 수위가 물때에 따라 변동이 심한 것을 고려하여 시료 채취는 일정한 수위인 약 70 cm 일 때 시료 채취하였다.

3. 결 과

3.1 용존산소 변화

괴정천 현장에 MVA 시스템을 설치한 후, 2개월간 운영하는 동안의 용존산소 농도 변화가 Fig. 5에 나타나 있다. L-1부터 L-2, L-3, L-4, L-5까지의 길이는 50, 90, 115, 207 m이다. 하천의 우안 R-1부터 R-5까지도 마찬가지이다. 각 그래프에서 검은색 선이 MVA 시스템이 설치된 좌안의 용존산소 농도를, 붉은색 선은 하천 우안의 용존산소 농도를 나타낸다. 하천의 폭은 약 40 m이고, 분당 1 m3의 하천수를 용해시켜 토출했을 때 반대편으로 어느 정도 영향이 나타나는지 평가하고자 했다. MVA 시스템은 L-3 지점에서 하천수를 흡입하여 MVA 내부에서 약 22 ppm으로 산소를 용해시킨 후 L-4 지점에 산소공급수를 토출시키는 것을 반복하기 때문에 L-3과 L-4, R-3과 R-4 사이에서는 용존산소의 변화를 면밀하게 측정하였다.

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Fig. 5.

Dissolved Oxygen Concentrations at the Left and Right Sides Along the River

10월 8일과 10월 15일, 10월 18일, 10월 22일은 하천 우안의 용존산소 농도가 1 ppm 이하였다. 2개월간 9회 측정 횟수 중 4회가 혐기성 상태를 보였다는 것은 수질오염이 심각하다는 것과 혐기화에 따른 강한 악취가 필연적으로 나타날 것을 보여준다. 환경정책기본법시행령의 생활환경 기준에 의하면, 용존산소 농도 2 ppm 이하는 매우 나쁨 6등급으로, ‘용존산소가 거의 없는 오염된 물로 물고기가 살기 어려운’ 상태이다. 실제로 본 연구의 연구원들은 혐기화가 지속되는 기간에 물고기가 죽어서 떠오르는 것도 여러 차례 관찰한 바 있다.

모든 그래프에서 공통으로 보이는 현상은, 1) 좌안의 산소농도가 L-3에서 급격히 오르다가 L-4까지 줄어든다. 2) L-4와 L-5의 용존산소는 L-1과 L-2보다 높게 유지된다. 3) 우안 R-3부터 R-4사이의 산소농도 변화는 좌안 L-3부터 L-4사이의 패턴을 따라가지만, 변화 정도가 좌안에 비해 크지 않다. Fig. 5(j)는 10월부터 11월까지 9회 측정값의 평균을 나타낸다. 하천 우안의 용존산소는 R-1 지점에서 2.1 mg/L로 가장 낮았고, 산소공급수가 토출되는 L-3 지점에서 6.8 mg/L로 가장 높게 나타났다. 2개월 평균 용존산소 농도 기준 수질 등급은, 괴정천 전체적으로 약간 나쁨(4)~나쁨(5) 등급이었고, 고농도 산소 용존된 산소공급수를 토출시킨 지점근방에서 좋음(1b)~보통(3) 등급으로 개선되었다.

Fig. 6은 L-1, R-1 지점으로부터 L-5, R-5 지점까지, 각 지점에서의 용존산소 농도 변화를 나타낸다. MVA 시스템이 설치된 곳으로부터 가장 상류 지점인 L-1과 R-1의 상태를 나타내는 (a)를 보면, 매우나쁨 (6)등급 상태가 10월 8일, 15일, 18일, 22일, 30일에 나타난 것을 확인할 수 있다. (b)에서 L-2와 R-2 지점은 50 m 하류 지점으로 10월 말로 가면서 용존산소 농도가 4 mg/L 정도로 개선되는 것을 확인할 수 있다. (c)에서는 L-3지점에서 대부분의 기간 동안 보통 (3)등급으로 개선된 것을 볼 수 있고, R-3 지점은 10월 26일 이후로 보통 (3) 등급에 가깝게 개선되는 경향을 볼 수 있다. L-3과 R-1을 비교한 (e)를 보면, L-3의 산소농도가 R-1에 비해 평균 4.6 mg/L 최대 7.3 mg/L 높게 나타남을 확인할 수 있다.

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Fig. 6.

(a)~(e) Dissolved Oxygen Concentrations with Time at Each Points (f) Rainfall and Temperature

3.2 영양염류, 유기물, 부유물질의 변화

Fig. 7(a)는 시험 기간 동안 총인과 총질소의 농도변화를 보여준다. 총인은 하천과 호소의 부영양화를 나타내는 지표의 하나인데, 물속에 포함된 인의 총량을 말한다. 총인의 농도는 R-1에서 10월과 11월 사이 모든 측정일에 0.1 mg/L 이하였는데, 이는 하천수 수질기준으로 약간 좋음(2) 등급을 나타낸다. 하천에는 총인이 부영양화 기준으로 판정할 수 있는 기준은 없으나, 호소에서는 총인농도가 0.03~0.1 mg/L 사이에 있을 때 중부영양, 0.01~0.03 mg/L 사이에 있을 때 중영양으로 평가한다. 수체가 이동하지 않는 호소와 수시로 이동하는 하천의 환경에 동일한 기준을 적용할 수는 없으나 유속이 매우 느린 감조하천인 괴정천의 경우 호소의 특성으로 고려해볼 때, 중영양~중부영양 상태로 볼 수 있다.

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Fig. 7.

(a) Total-Phosphorus and (b) Total-Nitrogen Concentrations with Time at L-3 and R-1

R-1 지점에 비해 MVA 시스템의 영향을 가장 직접적으로 받는 L-3 지점에서 총인 농도는 20~91 %까지 평균적으로 76 % 적은 것을 확인할 수 있다. 하천수에 존재하는 박테리아는 세포 안에 다중 인산염 형태로 인을 저장할 수 있는데, 혐기성 조건에서 임의성 박테리아는 단쇄 지방산을 분해하여 아세트산염을 세포내로 축적하는 과정에서 저장된 다중인산염으로부터 인을 방출한다. 호기 조건에서는 저장된 다중인산염의 산화 과정에서 에너지가 생성되고 세포내의 다중인산염 저장은 증가된다(Kim and Jun, 2011). 따라서 호기 조건의 배출구에서 총 인의 저감은 박테리아의 인 섭취에 따른 효과로 보인다.

총질소는 무기성과 유기성 질소의 질소량의 합계인데, 암모니아성 질소, 질산성질소, 아질산성질소 및 유기질소 등이 포함된다. 동일한 두 지점에서 총 질소의 농도를 나타낸 Fig. 7(b)에서, R-1 지점의 총 질소는 0.2 mg/L에서 4.9 mg/L로 다양하게 나타났다. 호소영양상태 판정기준을 참고하면 1.5 mg/L 이상은 부영양화 상태에 해당된다. 호소 특성으로 고려해볼 때 괴정천의 질소농도는 빈번하게 부영양화 상태를 보였다. R-1지점에 비해 L-3지점에서 총 질소의 농도는 6~28 %까지, 평균적으로 22 % 적게 나타났다. 10월 26일에는 L-3 지점에서 총 질소가 R-1에 비해 51 % 낮은 농도를 보였다. 이는 Figs. 6(a) and 6(c)와 같이 10월 26일 이전에 R-1지점에서 혐기조건이, L-3 지점에서 호기조건이 형성되면서 하천의 감조에 따른 수체의 상하류 이동에 따라 호기와 혐기 조건에 노출되었을 가능성이 있다. 호기 상태일 때 질산화 박테리아의 활성화로 질소 화합물이 질산이온으로 산화되는 질산화 (NH4+NO2-NO3-)가 일어나고, 혐기 상태에서 탈질 (NO3-NO2-N2ON2)이 일어나 수중의 질소 이온이 저감되었을 것으로 사료된다. Fig. 6(f)에 의하면 10월 26일 전후로 비가 전혀 오지 않았으므로, 강우에 의한 희석 효과는 배제할 수 있다.

Fig. 8은 동일 지점에서 COD와 SS의 변화를 나타내는데 (a)를 보면, 화학적 산소 요구량은 5.1 mg/L에서 20 mg/L로 다양하게 나타났다. 하천의 생활환경기준으로 볼 때 매우 나쁨 (6)등급(11 mg/L 초과)에 해당되는 기간이 6개 측정일이었고, 일부 측정일에서 약간 나쁨(5) 에서 약간 좋음(2)등급을 나타냈다. MVA를 가동하기 시작한 초기 2회의 측정일을 제외하면, 10월 15일 이후 모두 L-3지점이 R-1 지점보다 COD 농도가 평균 10 %, 최대 54 %까지 낮은 경향을 보였다.

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Fig. 8.

(a) COD and (b) SS Concentrations with Time at L-3 and R-1

Fig. 8(b)은 부유물질의 변화를 나타내는데, L-3지점의 SS농도는 모든 측정기간에 20 mg/L이하의 값을 일정하게 유지하는 반면, R-1 지점에서는 급격히 증가했다가 줄어드는 모습을 관찰할 수 있다. L-3 지점의 SS는 모든 측정 기간 동안 매우 좋음(1a) 등급(25 mg/L 이하)에 해당된다. COD와 SS의 저감은 MVA에 의해 용존산소 농도가 상승해서 미생물의 호기성 분해가 활발하게 진행되었기 때문으로 보인다. 그러나 하천수와 슬러지 등의 유입과 유출이 지속되는 하천 현장의 특성상 어느 하나의 이유로 특정하기는 어려운 한계가 있다.

3.3 복합악취

Fig. 9는 MVA 시스템을 운영한 2개월간의 복합악취 세기를 일자별로 하천 길이방향에 따라 나타낸 것이다. 본 연구에서 측정한 복합악취는 단위가 없는 상대적인 강도를 나타내는데, 상대적인 비교시 측정이 용이하기 때문에 많이 사용된다.

공통적으로 발견할 수 있는 것은 10월 8일부터 11월 22일까지 모든 측정일에 좌안의 복합악취가 우안보다 낮은 점이다. MVA 시스템이 L-3을 중심으로 하천의 좌안에 설치되었고, 수체의 이동 방향에 따라 좌안이 산소에 의한 영향을 많이 받았기 때문으로 보인다. 감조하천이므로 수체가 양방향으로 이동하므로 산소전달의 효과가 시스템 운영지점의 상류와 하류에 모두 나타난 것을 볼 수 있다. Fig. 9의 그래프 중 눈에 띄게 복합악취가 높은 (a), (c)는 10월 8일과 10월 18일인데, 일부 구간에서는 복합악취 세기가 100 이상이었다. 동일 일자의 용존산소를 살펴보면 Figs. 5(a) and 5(d)에서 매우 혐기성 상태였음을 알 수 있다. 동일 일자에 MVA 시스템에 의한 복합악취 감소 효과가 두드러졌는데, 10월 18일의 경우 좌안에서 최대 84.5 % 적은 값을 보였다. 10월과 11월의 복합악취 평균값을 나타낸 (i)를 보면 2개월간의 평균 악취 분포를 알 수 있는데, R-3 지점에서 52.7, R-4 지점에서 52.9인 반면 L-3 지점에서 22.7, L-4 지점에서 23.3으로 61.3 %와 57.0 % 낮은 복합 악취 세기를 보였다. 이는 L-3와 L-4사이에 MVA 시스템을 이용하여 산소농도를 증가시켰기 때문으로, Fig. 5(j)에 의하면 R-3~R-4구간보다 L-3~L-4구간의 2개월 평균 산소농도가 높은 것을 알 수 있는데, 이로 인해 악취 저감효과가 나타난 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

Complex Odor at the Left and Right Sides Along the River

4. 결 론

본 연구에서는, 도심을 흐르는 소하천에 Vortex Flow를 이용한 산기장치로 순산소를 고농도로 용해시켜 하천으로 산소공급수를 토출하여 순환시키는 시스템을 2개월간 운영하면서 하천의 수질과 악취 변화를 평가하였다. Multistage Vortex Aerator는 인라인 형태로 1.4분의 체류 시간 안에 고농도로 하천수를 용존시킬 수 있었고, 파울링으로 인한 시스템의 중지 없이 운영할 수 있었다. 결과를 요약하면,

(1) 용존산소의 경우, 하천 전체적으로 약간 나쁨(4)~나쁨(5) 등급에서, 고농도 산소 용존된 산소공급수를 토출시킨 지점근방에서 좋음(1b)~보통(3) 등급으로 개선되었다.

(2) 총인 농도의 경우, 20~91 %까지 평균적으로 76 % 감소되었다.

(3) 총 질소의 경우, 0.2~4.9 mg/L로 호소영양상태 판정기준으로 부영양화 상태에 해당되는데, 6~28 %까지, 평균적으로 22 % 감소되었다.

(4) COD의 경우, MVA 시스템을 가동하기 시작한 초기 2회의 측정일을 제외하면, 평균 10 %, 최대 54 %까지 낮은 경향을 보였다.

(5) SS는, MVA 시스템의 영향을 가장 직접적으로 받는 지점에서 모든 측정 기간 동안 매우 좋음(1a) 등급(25 mg/L 이하)을 보였다.

(6) 복합악취는, 하천 전체가 혐기화된 일자에 최대 84.5 % 저감을 관찰했다. 2개월 평균을 비교했을 때 하천의 우안에서 52.7~ 52.9인 반면, 좌안에서 22.7~23.3으로 61.3 %와 57.0 % 낮은 복합 악취 세기를 보였다.

이를 통해 도심 하천의 수질과 악취의 제어 가능성을 평가할 수 있었다. 소하천일지라도 연구대상 지역은 길이가 200 m 이상, 폭이 40 m 이상으로 수심 0.7 m로 가정해도 수체의 부피는 56,000 m3이상이다. 여기에 고농도 산소 용존수를 하루에 1,440 m3 (2.5 %)만을 순환시킨 것이다. 따라서, 수질개선의 효과가 국부적으로 나타날 수밖에 없는 한계가 있었다. 본 연구의 결과를 실제 현장에 스케일업하여 적용하기 위해서는, 산소의 생산비용과 생산 장치의 내구성이 뒷받침 되어야 할 것으로 사료된다. 본 연구에서는 복합악취를 정량·정성적으로 기기분석을 하지 못하고 상대적인 비교만이 가능한 현장용 측정기를 사용한 한계가 있다. 추후 이를 보완한 연구를 수행해야 할 것으로 보인다.

향후 MVA 시스템은 오염이 심한 하천, 유수지, 호소 등의 용존산소 농도를 증가시켜 악취원을 저감하고 수질을 개선 할 수 있는 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 순산소를 이용하여 하천의 악취와 수질을 개선하는 국내외 첫 사례로 의미가 있으며, 결과를 바탕으로 향후 실규모의 하천 정화 시스템으로 스케일업할 때 유용한 자료로 활용될 수 있을 것이다.

Acknowledgements

이 논문은 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2017R1D1A1B03036522, No. 2021R1 I1A3060770).

References

1
Alp, E. and Melching, C. S. (2011). "Allocation of supplementary aeration stations in the Chicago waterway system for dissolved oxygen improvement." Journal of Environmental Management, Vol. 92, No. 6, pp. 1577-1583. 10.1016/j.jenvman.2011.01.01421310524
2
Campolo, M., Andreussia, P. and Soldatia, A. (2001). "Water quality control in the river Arno." Water Research, Vol. 36, No. 10, pp. 2673-2680. 10.1016/S0043-1354(01)00483-3
3
Cho, J. W., Yoo, S. J., Kim, J. I., Son, J. Y. and Kwon, K. W. (2010) "Evaluation of aquatic environmental quality in the dong stream after supplying clean sea water." The Annual Report of Busan Metropolitan City Institute of Health & Environment, Vol. 20, No. 1, pp. 122-130 (in Korean).
4
Cho, Y. M., Ryu, D. C., Yoo, P. J., Choi, M. S., Seol, S. S., Kim, S. H. and Lee, J. J. (2016). "Hydraulic characteristics of the tidal river Dongcheon in Busan city." Korean Society of Water Science and Technology, Vol. 24, No. 2, pp. 63-70 (in Korean). 10.17640/KSWST.2016.24.2.63
5
DeMoyer, C. D., Schierholz, E. L., Gulliver, J. S. and Wilhelms, S. C. (2003). "Impact of bubble and free surface oxygen transfer on diffused aeration systems." Water Research, Vol. 37, No. 8, pp. 1890-1904. 10.1016/S0043-1354(02)00566-3
6
Fayolle, Y., Cockx, A., Gillot, S., Roustan, M. and Héduit, A. (2007). "Oxygen transfer prediction in aeration tanks using CFD." Chemical Engineering Science, Vol. 62, No. 24, pp. 7163-7171. 10.1016/j.ces.2007.08.082
7
Garrido-Baserba, M., Sobhani, R., Asvapathanagul, P., McCarthy, G. W., Olson, B. H., Odize, V., Al-Omari, A., Murthy, S., Nifong, A., Godwin, J., Bott, C. B., Stenstrom, M. K., Shaw, A. R. and Rosso, D. (2017). "Modelling the link amongst fine-pore diffuser fouling, oxygen transfer efficiency, and aeration energy intensity." Water Research, Vol. 111, pp. 127-139. 10.1016/j.watres.2016.12.02728064087
8
Gillot, S., Capela-Marsal, S., Roustan, M. and Heduit, A. (2005). "Predicting oxygen transfer of fine bubble diffused aeration systems-model issued from dimensional analysis." Water Research, Vol. 39, No. 7, pp. 1379-1387. 10.1016/j.watres.2005.01.00815862338
9
Huisman, J. L., Weber, N. and Gujer, W. (2004). "Reaeration in sewers." Water Research, Vol. 38, No. 5, pp. 1089-1100. 10.1016/j.watres.2003.11.02514975641
10
Kang, H. S. (2014). "Eco-river restoration and river management in response to climate change." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol. 34, No. 1, pp. 155-165 (in Korean). 10.12652/Ksce.2014.34.1.0155
11
Kang, H. S. (2019). "Analysis of the causes of flow stagnation and water pollution in Yeouido saetgang river." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol. 39, No. 1, pp. 25-32 (in Korean).
12
Kang, S. Y. (2015). Remediation of sediments using micro-bubble, Master Thesis, Seoul National University, Seoul (in Korean).
13
Kim, J. H. and Jun, S. J. (2011). "Treatment of phosphorous in sewage and wastewater." Korean Industrial Chemistry News, Vol. 14, No. 5, pp. 12-21 (in Korean).
14
Kim, J. S. (2015). Improvement of oxygen transfer rate by microbubble aeration in water, Master Thesis, University of Science and Technology (UST) (in Korean).
15
Kim, J. Y., Park, S. H., Kim. S. H. and Park, H. K. (2006). "Laboratory-scale analysis of effect of plume spacing of air diffuser system on destratification efficiency." Environmental Technology, Vol. 27, No. 10, pp. 1145-1151. 10.1080/0959333270861872817144263
16
Kim, K. G., Choi, J. H., Kim, S. H., Kang, L. S., Shin, H. S. and Kim, S. D. (2019). "Analysis of the effect of bio-retention cells to improve water cycle and water quality in urban streams." Journal of Wetlands Research, Vol. 21, No. 3, pp. 224-235 (in Korean).
17
Kim, S. H., Kim, J. Y., Park. H. K. and Park, N. S. (2010). "Effects of bubble size and diffusing area on destratification efficiency in bubble plumes of two-layer stratification." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 136. No. 2, pp. 106-115. 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000152
18
Lee, S. J., Lee, S. E., Kim, S. H., Park, H. K., Park, S. J. and Yum, K. T. (2012). "Examination of critical factors related to summer chlorophyll a concentration in the sueo dam reservoir, Republic of Korea." Environmental Engineering Science, Vol. 29, No. 6, pp. 502-510. 10.1089/ees.2011.007022693417PMC3363013
19
Ministry of Environment (MOE) (2020). 2019 Sewerage statistics, Sejong, Korea (in Korean).
20
Rosso, D. and Stenstrom, M. K. (2005). "Comparative economic analysis of the impacts of mean cell retention time and denitrification on aeration systems." Water Research, Vol. 39, No. 16, pp. 3773-3780. 10.1016/j.watres.2005.07.00216109436
21
Rosso, D. and Stenstrom, M. K. (2006). "Economic implications of fine-pore diffuser aging." Water Environment Research, Vol. 78, No. 8, pp. 810-815. 10.2175/106143006X10168317059133
22
Woo, H. S. (2009). "River restoration, future river." Water for Future, Vo. 42, No. 1, pp. 55-63 (in Korean).
23
Wójtowicz, P. and Szlachta, M. (2016). "Experimental investigation and prediction of oxygen transfer in vortex flow regulators." Chemical Engineering Journal, Vol. 287, pp. 337-349. 10.1016/j.cej.2015.11.035
24
Yoo, J. Y., Kim, I. S., Kim, S. H., Ekpeghere Kalu, I. Chang, J. S. Park, Y. I. and Koh, S. C. (2017). "Eco-friendly and efficient in situ restoration of the constructed sea stream by bioaugmentation of a microbial consortium." Korean Journal of Microbiology, Vol. 53, No. 2, pp. 83-96 (in Korean).
25
Yoon, S. R. (2018). Effect of ultra fine bubble on nutrients release characteristics at the sediment-water interface, Master Thesis, Seoul National University, Seoul (in Korean).
26
Yum, K. T., Kim, S. H. and Park, H. K. (2008). "Effects of plume spacing and flowrate on destratification efficiency of air diffusers." Water Research, Vol. 42. No. 13, pp. 3249-3262. 10.1016/j.watres.2007.06.03518577490
27
Zhou, X., Wu, Y., Shi, H. and Song, Y. (2013). "Evaluation of oxygen transfer parameters of fine-bubble aeration system in plug flow aeration tank of wastewater treatment plant." Journal of Environmental Sciences, Vol. 25, No. 2, pp. 295-301. 10.1016/S1001-0742(12)60062-X
28
Zhuang, H., Hong, X., Han, H. J. and Shan, S. (2016). "Effect of pure oxygen fine bubbles on the organic matter removal and bacterial community evolution treating coal gasification wastewater by membrane bioreactor." Bioresource Technology, Vol. 221, pp. 262-269. 10.1016/j.biortech.2016.09.02927643734
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