Nitrogen and Phosphorus Removal from Treated Swine Wastewater by Floating Aquatic Plants

Abstract

질소와 인은 주요 환경오염원이다. 물 속의 과도한 질소와 인은 부영양화를 초래하여, 산소 고갈로 인한 수생식물 및 물고기 등의 폐사를 가져올 수 있다. 물 속 질소와 인 오염의 주요원인은 영농(축산 포함)행위, 오폐수, 빗물에 기인한다고 보고되어 있다 (US EPA, 2014). 그러므로 가축분뇨를 처리 후 정화방류할 때도 방류수의 질소, 인을 함량을 수질기준으로 반드시 저감해야 한다. 서울대학교 동물환경생체공학(AEBE) 연구실에서는 지난 5년 동안 pilot 생물학적 축산폐수 처리시스템을 농생대 부속목장에 축조하여 운영하고 있다. 이 시스템은 지하 혐기성소화(UGAD)공정과 활성슬러지 공정(activated sludge process) 및 막 여과(membrane filtration)공정으로 구성되어 있다. 일반적으로 처리수는 우리나라 환경부가 정한 공공처리장의 방류수 수질기준 TN, TP 가 각각 120 mg/L과 40 mg/L을 초과해서는 안된다. 우리 나라 대부분의 축산폐수처리시설은 이를 만족시키지 못하기 때문에 하천이나 저수지와 같은 수역으로 방류시키기 전에 질소와 인을 추가적으로 제거하여 그 기준을 충족시킬 필요가 있다. 최근 LID (low Impact Development)기법의 하나로 축산폐수의 무기물(T,P)를 제감에 수생식물들을 널리 사용하고 있지만, 관련연구는 극히 한정적이다. 그러므로 본 연구는 수생식물에 의한 가축분뇨 처리수의 질소와 인의 저감효율에 분석하였다. 실험 수생식물로는 물부레옥잠(water hyacinth), 물상추(water lettuce), Limnobium sp., 및 좀개구리밥(duckweed) 등 네 종(種)을 사용하였다. 표면적이 0.10 m2인 13 L 들이 용기에 10 L의 물기질을 담아 배치(batch) 시스템으로 실험을 수행하였다. 10% 처리수를 처리구로 ½농도-Hoaglands양액재배를 대조구로 설계하여 연구를 수행하였다. ½농도-Hoaglands 양액 및 10%-방류수는 지하수로 희석하였다. 각각의 처리시료를 3반복하여 전체 30개의 실험단위 (2 trt. x 5 plants x 3 rep.= 30ea)로 구성하였다. 실험결과는 완전임의배치법(completely random distribution method)을 사용하여 통계분석하였다. 물 표본들은 0, 1, 3, 5, 9, 13, 17, 및 21번째 실험일에 채취하였다. 바이오매스(biomass)는 물 시료채취 기간 말미(Day 21)에 채취하였으며 전(全) 건조중량을 측정하였다. 물 분석변수들, TN, NH4+, NO3-, NO2-, TP, 및 TSS(total suspended solid)등을 분석하였다. TSS의 변화는 실험기간 동안의 조류(藻類)성장량을 나타낸다. 전체 양분제거량에서 조류에 의해 양분제거량을 감(減) 하면 순(純)수생식물에 의한 양분저감량을 산정할 수 있다. 예비 발아실험에 의하면 처리수의 N, P농도가 10%-방류수를 넘으면 식물에게 위해(危害)한 것으로 나타나 본 연구에서는 10%-방류수 농도까지 희석시킨 희석수를 treatment (처리)수로 사용하였다. 농도를 절반으로 희석한 1/2- Hoaglands 양액과 10%-방류수를 비교 실험결과, 10%-방류수 및 ½-농도Hoaglands 양액의 초기 총 질소 농도는 각각 151.67 mg/L 및 125.71 mg/L로 나타났다. 한편 10%-방류수 및 ½-Hoaglands 양액의 총인 농도는 각각 82.77 mg/L , 60.85 mg/L로 분석되었다. 물상추(water lettuce)의 경우, 10%-방류수에서 다른 식물보다 많은 총질소, 총인을 제거하는 것으로 분석되었다. 물상추(water lettuce)의 경우, 총질소의 제거율은 63.15%로서 최종 질소농도는 43.33 mg/L로 분석되었다. 이는 방류수 수질기준인 120 mg/L보다 낮았다. 한편, 좀개구리밥 (duckweed)은 유출수의 경우, 인의 제거율은 36.15%로서 다른 식물보다 높게 분석되었다. 총인 농도는46.67 mg/L로서 방류수 수질기준인 40 mg/L보다 높게 나타났다. 실험시작 후9일 이상이 되자 많은 양의 좀개구리밥(duckweed)이 광합성 활성을 억제하는 심각한 백화현상(녹색채색의 손실)으로 폐사되었기 때문에 좀개구리밥은 더 이상 사용할 수가 없었다. 물상추는 최대 상대성장률이 0.090(g g-1d-1) 으로 다른 수생식물보다 질소와 인 제거율이 높게 나타났다. 하지만 biomass양을 고려해 볼 때 물부레옥잠은 유기물질 함량 82%와 건물중량 5.19 g/m2/day으로 최대값을 보여 바이오매스 발생량만 본다면 물부레옥잠 선발이 적합할 것으로 사료된다. 수생식물이 질소와 인을 더 많이 흡수할수록 수생식물의 성장은 더 증가하는 경향을 보인다. 질소 제거와 식물들의 상대적 성장율 간 상호관계를 살펴보면 총질소 제거 및 상대적 성장률 선형 회귀의 R2 값은 0.52로 나타났다. 이는 질소 제거가 식물 상대적 성장률과 크게 상호 연관되어 있다는 것을 보여준다. 마찬가지로 총인 제거 및 상대적 성장율 선형 회귀 R2 값은 0.50으로 상호관계가 높은 것을 알 수 있었다. 그러므로, 만일 더 많은 biomass생산을 원한다면, 물부레옥잠을 선택하는 게 좋을 수 있다. 수확된 biomass 는 가축사료나 혐기성 소화 기질원료, 또는 바이오 에너지 (바이오 에탄올 등) 생산을 위한 원료로 사용 가능하다. 하지만, 유출수로부터 질소와 인의 제거효율을 높이기 위해서, 더 긴 체류시간(HRT) 적용과 수확방법 등 다른 전략들도 개발할 필요가 있다. 본 실험에서는 상대적으로 ½-농도 Hoaglands 대조구에서의 양분 제거 및 바이오매스 성장율이 더 높은 것으로 나타났다. 10%-방류수 처리구는 식물의 성장 및 양분 섭취를 방해하는 특성이 있을 것으로 추정되나 이의 원인을 구명하는 데 향후 심도 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.