조 용 덕 (choyong@kwater.or.kr ) 수질정화용 인공습지 운영 사례 (외국 사례) 목 차 Ⅰ. 인공습지의 역할 ? Ⅱ. 인공습지 설계시 고려사항(외국) Ⅲ. 외국의 인공습지 사례 Ⅳ. 최근 기술동향 및 결론 한국수자원공사 수자원관리처 조 용 덕 (choyong@kwater.or.kr ) 안녕하십니까. 한국수자원공사 수자원관리처에 근무하고 있는 조용덕과장입니다. 이런자리에세 발표의 기회를 주신 신종이 단장님께 진심으로 감사드리며, 제가 미국에서 석사과정에서 배용과 미국내 사례를 중심으로 발표드리겠습니다. 본 내용이 시화호 인공습지 운영관리에 조그마한 도움이 되었으면 합니다. 제 발표순서로는 다음과 같습니다.
Ⅰ. 인공습지의 역할 먼저 인공습지의 역할을 살펴보겠습니다.
습지(Wetland)의 정의 미국 CWA (Clean Water Acts)의 404항 - 습지란 지표수와 지하수로 충분히 침수 또는 포화되어 있는 지역이며, 포화된 토양조건에서 살아갈 수 있는 식물이 서식하는 곳 - 습지는 늪(swamps), 소택지(marsh), 수렁(bog) 등 유사한 지역을 말함 습지가 무엇인가? 습지관련해서는 미국 Clean Water Acts의 404조항에 의해서 관리되고 있으며, 404조항에 의하면, 습지란 지표수와 지하수로
미국 습지의 역사 1600 년대 : 900,000 km2 (미국 면적의 10%) 1600~1800 (식민지) 산업화, 농업화로 습지의 농, 공 단지화 `07년 현재 (우선순위 및 가치의 변화) 1900 (성장기) 1950년 전 (세계대전) 질병의 소굴, 늪지, 교통 장애 생산의 방해요소 완충능력 정부차원의 개발 억제 토지이용의 증대 습지 농지화
인공습지의 역할 및 가치 수질개선 홍수조절 동물서식처 사면 침식방지 (식물) 지하수 공급 레크레이션 교육, 연구 등 지구온난화 방지 저비용 처리
인공습지의 효과(수질 위주로) Nitrification: NH3 -> NO3-
Ⅱ. 인공습지 설계시 고려사항 Let’s review the roles and contributions of Dam 다음은 댐 사업의 역할과 기여도입니다.
습지의 종류 자연습지(Natural Wetlands) 습지, 늪, 초지, 하천변 습지 등 인공습지(Constructed Wetlands) 자유수면형 습지[Free Water Surface (FWS) Flow] Distribution Pipe Outlet Weir Free Water Surface Wetland (FWS) 지하수면 형 습지[Vegetated Submerged Bed (VSB)] Vegetated Submerged Bed Wetland (VSB) Total amount of water resources are 124 billion m3, and then most of them are flow out to the sea and evaporate as well. Therefore, the amount of available water use is only 33.7 billion m3 (27%) out of total water resources. 우리나라의 수자원현황을 말씀드리면, 총 수자원 총량 1,240억톤중 대부분이 바다로 유실되거나 증발되어 버리고 실제 이용가능량은 전체의 27%인 337억톤에 불과합니다.
자유수면형과 지하수면형의 조합 Single system Inflow multi-single system combined system Inflow Water quality multi-single system TSS Nitrogen BOD Phosphorus High Low Medium Combined system High TSS High Nitrogen efficiency 9
습지의 설계시 고려사항 1. 주변지역의 장래계획에 대한 고려 2. 설치지역에 대한 수문학적인(강우 등) 영향 검토 3. 토양에 대한 침투 및 토양성분에 대한 검사 4. 토양, 지하수 및 지표수 수질에 미치는 영향 5. 수문학적(강우 등) 조건에 따른 설치지점 및 둑에 대한 평가 6. 재료, 습지식물 등의 습지 건설예정지 주변의 활용정도 7. 습지 건설예정지 소유주와 땅값 8. 생태학적인 회랑 및 지점의 접근성 정도 1. 주변지역의 장래계획에 대한 고려
세부 고려사항 (식물분야) 부레옥잠 : 0.6 ~ 1.2m 수심을 갖고 있는 호소에서 서식하는 식물 침수식물 개구리밥 부들 Bulrush 토양 유기물 층 Duckweed: Very short roots (~10mm). Surface shading system. Water hyacinth: Floating plants with long roots in ponds 0.6 to 1.2 m deep. Root structure = medium for attached growth of bacteria. 부레옥잠 : 0.6 ~ 1.2m 수심을 갖고 있는 호소에서 서식하는 식물 침수식물 : 수면아래에서 자라는 식물 개구리밥(부엽식물) : 수면에 떠서 자라는 식물 부들, bulrush : 미국 습지에서 많이 적용되고 있는 종
토양 깊이 결정
토양 구성 성분 이온교환 및 탈질에 효과적인 제공 식물에 영양분 제공 등 큰 자갈(32 mm 이상) 반드시 제거되어야 한다. 25% 부엽토와 75% 자연토양으로 구성 이온교환 및 탈질에 효과적인 제공 식물에 영양분 제공 등 큰 자갈(32 mm 이상) 반드시 제거되어야 한다. Liner (비닐라이너) Geotextiles (nonwoven qeotextile) Gravel (3/8 inch size)
인공습지 설계 사례 (Pilot Plant 규모) Blackwater Graywater Lab water Washbowl Washbowl Shower Toilet Store drains Lab sinks Floor drains Sewer line (present) Tandem graywater wetland (future) 14
A
B C
Ⅲ. 외국의 습지 사례 Next is the current water resources situation. 다음은 현재의 수자원의 현황입니다.
플로리다 올란도 인공습지 위 치 : Orlando, Florida, USA 추진경위 ’79 : 하수처리장 설치완료(3차 고도처리) - 공업용수 추가 부하량 증가불가 효율개선 ’82 : 부레옥잠을 이용한 수처리 도입 제안 ’83 : Pilot plant 운영 ’85 : 인공습지(30,000 m3/day) 처리시설 도입 Pilot Plant 운영결과 시설규모 : 5.2m X 9.8m, 면적 : 253 m3 효과 : BOD5 60 %, SS 43 %, TN 70 %, TP 65 %
- HYADEM Computer 모델을 이용하여 면적 산정 수 심 : 0.9m, HDT : 3.5 day 인공습지 배치도 면 적 : 120,000 m2 (10 개조, 67m X 183m) - HYADEM Computer 모델을 이용하여 면적 산정 수 심 : 0.9m, HDT : 3.5 day 식 물 : 부레옥잠 식재 6개의 위어설치 - 단회로(short circuiting) 방지 2차 처리수 위어 설치 6개 포인트, 단회로를 방지
수처리 효과 Date BOD5, mg/L SS, mg/L TN, mg/L TP, mg/L 유입 방류 ‘86. 6 3.24 4.58 3.06 6.31 12.52 8.09 0.37 0.24 ‘86. 7 4.12 1.73 3.85 1.86 12.44 8.06 0.33 0.11 ‘86. 8 3.33 3.70 3.58 4.28 12.77 7.62 0.55 0.19 ‘86. 9 6.16 2.66 5.23 2.91 12.66 7.96 0.75 0.15 ’86.10 4.43 3.11 2.70 3.56 14.49 9.66 0.89 0.22 평균 4.87 3.84 3.62 13.00 8.16 0.61
모니터링 계획
캘리포니아 인공습지 위 치 : 알카타 (Arcata) 습지 건설 - ‘79 ~ ‘82 : 습지의 연구(pilot-plant를 이용하여 설치가능성 및 수질처리효율 검증) - ‘83 ~ ’86 : 인공습지 공사 완료 습지 제원 - 유 량 : 2.9 MGD (약 12,000 m3/day) - 규 모 : 3개소 병렬로 설치(L=200m, W=70m) - HDT : 3 day (0.6m water depth)
인공습지 배치도 추가 인공습지 - 수 심 : 0.6 m, 면 적 : 31 acre, HDT : 9day -체류시간 증가(9days) -수처리효율 확보 -동물 서식처 -레크리에이션 혜택 기존 인공습지 설계 HDT : 3day 1.9d 추가 인공습지 Not only water supply and flood control But also, we can get hydro energy through dam So far, Annual average generation is 2,506 GWh, and the annual average benefits are around 0.2 billion USD 또한, 강우시에 댐 운영에 따라, 환경친화적인 전력을 생산 하였습니다. 연 평균 발전량은 2506 GWh 이며, 연 평균 약 2천 억원이 benefits 입니다. 추가 인공습지 - 수 심 : 0.6 m, 면 적 : 31 acre, HDT : 9day - 수처리 효과가 개선됨
수처리 효과 기타 특이 사항 기존 인공습지 추가 인공습지 BOD 53 mg/L 28 mg/L 3.3 mg/L 기존 인공습지 추가 인공습지 BOD 53 mg/L 28 mg/L 3.3 mg/L TSS 58 mg/L 21 mg/L 3 mg/L 기타 특이 사항 HDT 증가로 인해 처리효율의 증대 식물식재를 다양화 (50%, 100%) 하여 질산화와 탈질을 위한 specific 한 공간 제공 Pilot plant 에서의 효율이 인공습지 보다 양호 - 인공습지의 단회로 현상(short circuiting)에 의한 원인
케논 해변 습지 설계기준 산화지(Lagoons) - 유 량 : 3,000 m3/day - 체류시간 : 7 ~ 15 days - BOD 부하 : 370 kg/day - TSS 부하 : 370 kg/day 습지(Wooded Wetland) - 유 량 : 0.42gal/ac/day - BOD 부하 : 14 lbs/ac/day - TSS 부하 : 18 lbs/ac/day 습지 산화지 5-6 decades of ago, we suffered korean war and very poor To overcome poverty, we, firstly, started to built large dams. Through this Dams, we could get industrial and municipal water, hydro-energy which is essential to economy and flood protection. With the help of this, rapid economy growth could be possible. Now, korea became world top 10 TDI (trade and development Index) Within developing countries.
산화지 및 습지 배치도 Lagoon 습지 As mentioned before, We are able to achieve rapid economic growth with a help of proper water supply This picture shows the co-relationship between water supply and GDP growth. According to Ministry of Science and Technology. GDP raised 11.2%, if water supply was increased by 10% Approximately 1m3 of industry water has a value of 3-5 usD at this time. 그동안 댐시설은 맑은 물의 안정적 공급을 통해 댐은 국가 GDP 상승에 기여하여왔습니다. 실제 공업용수량이 10%증가할 때 실질적 GDP는 11.2%가 증가되었습니다.
수질개선 효과 Also, owing to the dams, Flood damage was decreased up to 50%. In addition, Annual average flood benefits are almost 1 billion USD . 또한 홍수시 댐간 연계운영으로 홍수피해를 최소화 하였으며, 가까운 작년에는 태풍 에위니아가 불어올 당시 한강의 수위를 4m 가까이 낮추어 한강 하류 주민들을 안심케 하였습니다.
Ⅳ. 최신 기술동향 및 결론 First of all, let’s look at the Status of Korea Water Resources 먼저, 한국의 수자원 현황입니다.
최신 기술동향 강우시 도심지 침수방지를 위한 대책, 인공습지 - BMPs (Best Management Practices) 로 사용되고 있음
인공습지 설계도 Wetland basin permanent micropool sediment forebay 100 yr pond level spillway 100-yr outflow control 100 yr Wetland basin permanent micropool sediment forebay WQCV 1-yr orifice 1 yr well screen pool orifice plate outlet
인공습지 설계기준 저류지에 수질관리용량 (WQCV)을 포함하여 설계 습지의 수심은 1m 이하로 한다 개수로 및 시설물의 단회로가 되지 않도록 설계한다
Wetland Retrofit into Park - Melbourne, Australia
결 론 인공습지의 역할과 기능은 현재의 기술력으로 규명할 수 없을 정도로 다양함 결 론 인공습지의 역할과 기능은 현재의 기술력으로 규명할 수 없을 정도로 다양함 지속 가능한 개발(sustainable development)을 위하여 대규모의 하수처리장 건설에서 저비용 및 고효율의 인공습지 건설 국내 실정에 맞는 인공습지 설계, 건설 및 운영관리 매뉴얼의 수립이 필요 인공습지 설치 목적의 다양화 도모 - 하수처리수 재처리, 저류지의 습지화, 홍수 제어 등