수생식물을 이용한 수 환경 회복 기술의 개발 동향과 전망
稻森 悠平(Inamori Yuhei)
환경청 국립환경연구소 지역환경연구그룹 이학박사
1. 머리말
생태계에 공학의 힘을 도입함으로써 정화기능을 강화하고 환경을 회복하는 방법을 생태공학(Ecological Engineering) 혹은 에코테크놀로지(Ecotechnology)라고 부르며, 이것이 바로 인간과 자연과의 공존을 가능하게 하는 기술이 될 것으로 여겨지고 있다. 즉, 생태공학이란 태양에너지를 기원으로 생태학에 기초를 둔 생태계의 기능을 제어함으로써, 21세기를 앞둔 시점에서 환경보전, 회복을 가능하게 하여 지구와 환경에 도움이 되는 앞으로 발전이 기대되는 기술이다.
생태공학을 활용할 수 있는 곳은 여러 가지가 존재하는데, 수환경에서 중요한 역할을 하는 것이 생태계의 기초가 되는 먹이사슬의 저차원단계인 조류, 세균, 그 상위에 위치하는 원생동물, 윤충류, 빈모류 등의 미소후생동물 및 어류, 조류, 또 이들의 생식장소인 수역, 육지, 습지대 등이 있으며 이들의 유기적 연계에 의한 작용을 통해 자연생태계는 건전하게 유지되며 생산, 분해, 정화가 효율적으로 이루어지게 된다. 그러나 인간활동 등에 의해 유입오염부하가 환경용량을 초과하는 경우에는 자연환경이 원래 가지고 있는 정화기능을 활용하여 적정한 환경조건에서 정화에 기여하는 생태계를 강화함으로써 정화작용을 높이는, 즉 바이오엔지니어링을 적용하는 것이 반드시 필요하다.
생태공학을 활용한 자연정화기능의 강화는 부차적인 효과로서, 자연생태계의 건전화와 바이오매스 변환에 의해 자기완결적인 물질순환시스템을 형성하여 인간이 포함된 지속적 발전이 가능한 환경을 형성하게 된다. 게다가 생태공학은 환경기본법의 이념인 ｢순환｣, ｢공생｣이 도입된 기술로서 활용의 폭을 점차 넓혀가야 하는 방법이라고 할 수 있다. 이번 글에서는 생태공학을 활용한 수환경 회복기술의 발전동향과 과제에 대해 전망해 보기로 한다.
2. 생태공학의 활용의의
도시지역에 존재하는 내만·․호소·하천 등 대부분의 공공용 수역은 도시화가 급속히 이루어지면서 오염되었으나, 이에 대한 대책은 지지부진하게 진척되지 않고 있는 상황이다. 이러한 상황은 1996년도 하천·호소·해역에서 BOD, COD의 환경기준 달성율이 하천 73.6%, 호소 42.0%, 해역 81.1%로 전체가 73.7%를 보였으며, 총질소․총인의 달성율은 호소가 47.1%, 해역이 54.1%로 호소 등의 폐쇄성 수역에서 환경기준 달성율이 여전히 낮은 상황으로, 개선의 조짐이 보이지 않은 상황을 보더라도 알 수 있다.
이와 같은 수역에서의 생활폐수대책은 하수도를 기준으로 구축되는데, 특히 하수도 정비가 지연되고 있는 도시내의 중소하천에서는 BOD가 20～50mg/ℓ인 수역도 존재하는 등 환경기준 달성율이 낮은 경향을 보이고 있으며, 질소·인에 기인하는 조류의 이상증식에 의한 수리용상의 문제가 두드러지고 있다. 여기서 주요 오염원 가운데 생활하수가 차지하는 비율이 높고 분뇨계 폐수에 있어서는 BOD 제거대책을 위한 하수도, 정화조 등의 질소․인대책이 불충분하기 때문에 그 비율이 높아진 것이다. 더욱이 취사, 세탁, 입욕 등에서 유래되는 생활하수는 전체수량의 약 75%를 차지하고, BOD부하 약 67%의 높은 비율을 차지하는 생활하수는 재래식 화장실과 단독처리 정화조가 설치되어 있는 곳에서는 처리되지 않은 상태로 방류된다. 이에 오염물질이 축적되기 쉬운 하류역인 내만․호소의 폐쇄성 수역에서 유기물․질소․인 등의 오염부하량이 증대되어 부영양화가 이루어지면 수리, 수자원면에 막대한 영향을 미치게 된다. 이와 같은 수역에서는 하천․수로직접정화대책, 호소직접정화대책, 내만․내해직접정화대책 등이, 오염된 수역의 부하삭감대책으로는 직접정화방법이 도입되고 있다. 표 1은 생태공학을 활용한 정화방법과 적용수역을 나타낸 내용이다.
<표 1> 생태공학을 활용한 정화방법과 적용수역
한편으로 다양한 생물의 생식공간이기도 하면서 자정작용을 기대할 수 있는 갯벌과 습지대 등이 급속하게 감소되고 있는 가운데, 1997년 이사하야만 간척사업에서는 3,550ha의 갯벌이 조수(潮受)제방에 의해 담수화․육지화되었다. 그 결과 이사하야만 유역의 정화조, 하수도는 초고도처리화가 반드시 필요한 상황이 되었다. 이 경우에도 미티게이션(Mitigation)으로 대체할 수 있는 갯벌의 인공조성 및 바이오팩 등의 수경재배․식생정화법 이론 등 생태공학과 연계된 대책이 중요하다.
한편 건설성에서는 제8차 하수도정비 5개년 계획을 바탕으로 전국 평균 약 60%의 보급율을 앞둔 단계로, 면적 정비의 시대에서 유지관리와 수질향상을 추구하는 시대에 이르게 되었다. 그러나 하수도의 방류수는 환경수에 비해 몇 배나 오염되어 있어 자정작용을 기대할 수 없는 경우는 더욱 높은 처리수질을 확보하기 위해 고도처리를 적용하거나 수역에서의 자정작용을 강화하는 방법을 도입해야 한다.
또한 하수도계획은 통상적으로 시가화구역으로 설정되어 있는 경우가 많고 하천유역의 상류부(지천)에 위치하는 독립된 집락의 경우는 자연환경과 친화적인 ｢주변야산｣과 같은 공간을 형성하는 경우가 많기 때문에 정화조, 농업집락 배수처리시설 등으로 대응하는 경우는 배수에 의해 수변생태 공간을 손상하는 일이 없도록 대책을 세우는 것이 반드시 필요하다. 따라서 이와 같은 지역에서도 생활하수를 대상으로 질소․인 고도처리형을 이용한 면적 정비를 실시하는 것이 전제가 되어야 한다. 그러나 정비하는데 비용과 시간이 소요되는 지역에서는 자정능력을 더욱 강화할 수 있도록 수로와 지류소하천 등에 이미 존재하는 인공구조물을 개조하여 유역에서 식생과 하천바닥의 다양화를 도모하는 등 생태공학을 활용한 직접정화대책을 적용하는 것이 오염부하를 줄이는데 효과가 있으며 수변생태계를 보전․회복하는데도 큰 효과를 발휘할 것으로 기대된다. 이와 같은 점을 보더라도 건전한 생태계와 쾌적하고 풍부한 수변환경을 창출할 수 있도록 상류에서 하류에 이르는 유역전체의 수환경 회복대책을 강구하는 일은 발생원 대책과 함께 생태공학을 활용한 직접정화대책을 면적으로 추진하는 의의는 크다고 할 수 있다.
3. 생태공학방법의 종류와 특징
생태공학을 활용한 정화방법에는 하천·수로 직접정화, 호소직접정화 등 미생물에 의한 정화기능을 높임으로써 수역의 한정된 범위 안에서 직접 정화하는 타입과, 토양정화법, 호소포기법, 다자연형 하천조성, 인공갯벌·습지 조성 등 본래 수역과 토양이 가지고 있는 자연정화기능을 유역의 넓은 범위에서 발휘하도록 하여 자연환경을 조성함과 동시에 오염부하를 줄이는 타입으로 크게 나눌 수 있다. 표 2는 생태공학을 활용한 정화방법의 처리성능을 나타낸 내용이다. 전자의 경우는 통상 단위면적당 제거속도가 빠르기는 하지만 적정한 운전조건 설정과 잉여슬러지 관리 등이 필요하다. 이에 비해 후자의 경우는 단위면적당 제거속도는 느리지만 바이오매스 변환작용은 고차원적이기 때문에 잉여슬러지는 생물간 포식․피식작용을 통해 감량화될 뿐만 아니라 생물생산자원으로서 회수가 가능한 부수적인 효과를 거둘 수 있다. 따라서 적용할 때는 수역의 오염상황과 주변을 비롯한 환경특성을 고려하면서 방법을 선정해야 한다. 한편 대표적인 생태공학적 정화방법은 다음과 같다.
<표 2> 생태공학을 활용한 정화방법의 처리성능
3.1 접촉재 충전 생물막산화법
접촉재를 충전하는 직접정화법은 하천․수로내 생태계를 구성하는 생물의 정화기능을 강화한 생물학적 처리법이다. 이 방법에서는 골함석 모양의 플라스틱 접촉재, 끈 모양의 접촉재 등을 수로에 충전하여 물을 흘려 정화하는 구조를 이루고 있다. 끈 모양의 접촉재 충전 생물막산화법은 그림 1과 같은데, 제거성능은 유하(流下)거리에 비례하므로 수질에 따라 접촉재의 충전거리를 정하는 것이 필요하다. 이 방법은 충전된 접촉재 표면에 형성된 생물막량이 증대되면서 정화능력이 강화되는 것을 기본으로 하는데, 설치장소의 수심, 유속, 유기물․현탁물질의 농도 등 환경조건에 따라 접촉재의 재질, 형태, 충전율 등의 제원을 변화시키거나 스크린, 침전조를 설치하여 협잡물, 토사 등을 미리 제거해야 한다.
또한 자갈 접촉산화법(그림 2)은 접촉재 충전 생물막산화법의 일종으로 자갈, 목탄 및 인공여재 등의 표면에 형성된 생물막에 의해 정화하는 방법이다. 하천․호소를 비롯해 내만의 직접정화에도 응용되고 있다. 이 방법은 주로 SS제거에 유효한 것으로 알려져 있는데, 정화능력에 영향을 미치는 환경인자로서는 접촉재 충전 생물막산화법과 마찬가지로서 온도, 유입 유기물 농도, 유속, 충전하는 자갈의 재질, 크기, 충전밀도 등이 있다. 노가와정화시설 및 히라세가와 정화시설에서는 수로내에 취수댐을 설치하여 취수부에서 현탁물질을 침전제거한 후에 자갈충전조로 도입하여 정화시키는 바이패스식을 이용하고 있는데, BOD제거율 60% 이상, SS제거율 65% 이상의 성능을 자랑하고 있다. 내만의 직접정화에서는 체류시간 1～5시간으로 조류에서 유래되는 SS는 60～80%의 제거율을, TOC는 10～20%의 제거율을 나타내고 있는데, 보라홍합이 부착되는 등 여과장해가 과제이다. 이를 해결하는 방법으로는 자갈을 10cm 이상 큰 것으로 이용하거나 유입 오염부하를 높이지 않는 등의 방법이 유효한 것으로 알려져 있다. 즉, 자갈의 눈막힘에 의한 폐색이 발생하지 않도록 함으로써 유지관리 비용을 줄일 수 있다. 더욱이 취수위와 방류수위의 수위차를 이용한 자연유하방식으로 동력비용을 절감할 수 있을 것으로 기대되는 방법이다.
(그림 1) 끈 모양의 접촉재 충전 생물막산화법
(그림 2) 생물막 접촉산화법의 방식
3.2 바이패스식 접촉포기 생물막법
오염하천수를 일단 유로 밖으로 퍼 올려 생활하수 처리시설에서 볼 수 있는 유량조정조, 최초침전지, 접촉포기조 등으로 장치화된 처리조로 끌어와 정화하는 방법으로, 하천·수로의 직접정화와 못․연못 정화에도 이용되고 있다. 일반적으로 많은 수량을 처리하려면 시설이 대규모가 되므로 적당하지 않다. 그러나 유기물 제거능력의 경우는 BOD 15mg/ℓ 정도의 저농도에서 BOD 100mg/ℓ 정도의 고농도에 이르기까지 폭넓은 정화능력을 가지고 있으며 BOD 제거율은 90% 이상까지 기대할 수 있다. 접촉재의 경우는 골함석 모양, 끈 모양, 그물 모양, 벌집 모양 등이 주로 사용되고 있다. 이러한 접촉재의 형상은 목적에 따라 구분해서 사용하는 것이 바람직한데, 유기물 부하가 낮을 경우에는 접촉재의 간격을 넓히면 잘 막히지 않게 된다. 또한 펌프, 송풍기 등의 보수점검과 같은 정기적인 유기관리가 요구되며, 전기․기계설비 등에 대한 기술자의 순회정비가 필요하다.
구체적으로 살펴보면 천황거처 외원의 내호에서 담수녹조류 발생에 의한 경관악화를 억제하기 위한 대책으로 환경청은 천황거처 호수정화를 1995년도부터 실시하고 있다. 이에 입지조건과 경관을 배려하고 시설의 효율적인 운용 등을 고려하여 플라스틱으로 만든 부유여재를 충전한 생물막 여과법이 설치되었다. 또한 최근에는 BOD 제거만으로 수질개선효과를 달성할 수 없는 수역이 다수 존재하여 질소․인 제거가 가능한 방식을 개발하고 보급하는 것이 중요한 것으로 평가되고 있다.
3.3 수생식물 등의 식재정화법
못․연못의 직접정화, 배수처리시설의 방류수 고도처리 등에 수생식물 등에 의한 식재정화법이 적용되기 시작했다. 그 가운데 수경재배정화법을 살펴보면 여재를 충전하여 식재한 망바구니를 수로에 연속적으로 설치함으로써 정화하는 바이오지오필터(그림 3)와 콘크리트 등의 타설면에 식재하여 오염환경수를 흘려 정화하는 수경생물여과법(그림 4) 등이 있다.
이와 같은 방법은 영양염류가 식물체 속으로 섭취되고 뿌리부분에는 생물막이 부착되기 때문에 유기물 제거와 투시도 향상 등에도 효과가 있다. 중소 못․연못에서는 부유식물인 물옥잠을 활용하는 방법과 인공부도(섬처럼 보이는 수초)에 추수(抽水)식물을 번식시켜 수중부분에 늘어뜨려져 있는 근경부에 의해 질소․인을 제거하는 수생식물 식생정화법이 효과적인 것으로 알려져 있다. 이 경우 수로․소하천에서도 홍수조정지 등의 공간을 유효하게 활용할 수 있으며 하수처리장 등의 친수기능과 함께 고도처리 프로세스로서도 유효할 것으로 생각된다. 더욱이 수확바이오매스의 퇴비화 등을 효과적으로 이용하여 에너지를 절약할 수 있는 물질순환 시스템을 구축하는 것도 기대할 수 있다.
(그림 3) 바이오지오필터(식물-여재계)수로의 모식도
또한 수생식물이 번식하는 소택(沼澤)지대에 오염수를 유입시켜 자연의 정화능력에 의해 물을 정화하는 방법으로 습지를 활용한 식생정화법(그림 5)이 있다. 이 방법은 습지로의 유입에 의해 유속이 저하되면서 입자상 현탁물질을 침전, 제거하고, 수생식물의 줄기와 뿌리부분에 붙는 미생물에 의한 생물학적 유기물의 분해정화 및 토양침투에 의한 복류정화효과를 활용한 것이다. 하천․수로의 오염수 직접정화대책에 저습지를 포함시킴으로써 정화효과와 동시에 잠자리와 반딧불이, 송사리, 백로 등의 곤충, 어류, 조류가 생식할 수 있는 생태공간의 조성효과도 기대할 수 있다. 이와 같은 점에서도 수생식물을 활용한 직접정화법은 순환․공생효과를 비롯한 수질개선을 달성하는데 중요한 방법이라고 할 수 있다.
(그림 5) 갈대를 활용한 정화법의 처리프로세스
3.4 바이어토프화와 다자연형하천 조성공법
바이어토프란 생물군집이 생존할 수 있는 특정환경조건을 갖춘 한정된 생물공간을 의미하는 것으로 친수공간, 경관 확보를 위해 정화하는 경우에는 이러한 개념을 포함시키는 것이 중요하다. 그 때문에도 인공구조물의 바이어토프화를 실시하는 것은 에코톤(추이대)을 형성하는데 중요하므로 수변, 녹지의 배치와 구조를 비롯한 요소를 적정하게 확보하여 야생동물과 공생할 수 있는 공간을 창조해야 할 것으로 생각된다.
무수하게 분포하고 있는 수로와 소하천의 호안은 콘크리트를 이용하여 수직으로 굳혀져 생태계와는 상관없이 자정능력이 낮은 상황이 만들어내고 있다. 따라서 콘크리트가 발라진 수로 등을 생물부착담체로 바꾸어 수생생물이 생식하기 쉽게 하여 자정능력을 높이는 등의 개조가 필요하다고 지적되고 있다.
지바市를 흐르는 2급 하천인 미야코천에서 실시된 하천개수공사 전후에 생태계에 미치는 영향을 비교해 보니, 개수 전에 번식하던 말을 중심으로 한 침수식물군락이 소실되어 전기전도율이 상승하고(그림 6), 침수식물을 먹이로 이용하는 흰뺨검둥오리와 강바닥 저질이 변화되면서 장어, 미꾸라지가 감소한 것으로 관찰되었다. 즉, 이러한 비교해석에 의해 먹이사슬이 낮은 단계에서 높은 단계에 걸쳐 생물군이 생식할 수 있는 공간을 조성하는 것이 자정작용을 향상시키는데도 중요하다는 것을 의미한다.
이와 같은 점에서 인간생활과 조화를 이루는 풍부한 자연을 보전하고 재생․창조하는 것이 하천정비사업을 통해 요구되기 시작하면서 그림 7과 같은 ｢다자연형 하천 조성｣이 각지에서 적극적으로 추진되고 있다. 구체적으로는 법면(호안의 측면부분)의 사룡공(하원의 옥석을 철선의 망으로 묶어 이를 설치하는 공법) 등을 활용하는 간극 확보가 수질정화효과와 함께 수생생물의 주거공간으로 유효할 것으로 생각된다.
또한 물가 근처까지 초목으로 덮는 에코톤화와 강바닥의 자갈충전 및 하안 혹은 유로사행, 낙차공, 여울과 못의 형성 등 생태학적인 관점에서 하도(河道)구조를 형성하는 것이 중요한 상황이다. 수생곤충, 어류 등의 수생생물 정착을 비롯해 조류, 포유류를 비롯한 고차 먹이연쇄에 의한 생태계구축과 함께 자연정화기능이 향상되어 사람들도 자연과의 교감을 느낄 수 있는 수변공간이 형성되는 것이다.
앞으로는 자연정화기능이 낮은 삼면포장 등의 직립호안구조를 가능한 재검토하여 정화기능향상을 비롯한 형태적인 접근이 필요하다. 즉, 바이어토프에 착안한 회복을 통해 자연환경의 장을 조성하고 유기물 분해 등 수질정화에 크게 공헌하는 세균과 미소동물 등 미세한 주거환경 구축을 조화시켜 그 지역에 융화시킬 수 있는 하천환경 조성이 반드시 필요하다.
주] 말의 식피(植被)면적과 전기전도율(EC)의 상관도
(그림 6) 지바縣 미야코천 개수공사에서
(그림 7) 다자연형하천 조성에 의한 자정작용의 강화
4. 생태공학 도입에 의한 부하삭감 효과와 수환경 회복기술의 하이브리드화
4.1 생물막을 활용한 직접정화 프로세스의 정화효과
다자연형하천 조성을 도입하는데 있어서는 여울과 못을 형성시키는 등 유로의 변화와 자갈을 여러 층으로 충전하는 등의 다공(多孔)공간을 확보하는 것이 효과적일 것으로 생각된다. 특히 여울에서는 호기적 반응에 의한 접촉산화 및 질화효과가, 못에서는 SS 침전효과와 함께 침전물의 혐기적 반응에 의한 분해 및 탈질효과가 밝혀진 바 있다.
다. 그러나 접촉재충전 생물막산화법에서 접촉재의 비표면적과 반응용적당 제거속도와의 관계는 그림 8과 같은데, 양자의 상관관계가 관찰되지 않아 접촉재의 충전율을 높여도 정화효과가 반드시 향상되지는 않는다는 것을 나타내고 있다.
또한 오염부하가 높은 조건에서나 정기적인 슬러지관리가 이루어지지 않고 있는 시설에서는 생물막이 두꺼워지면 처리수중의 유기물 제거율을 저하시킨다는 보고가 있어 여울과 못을 형성하고 자갈 등을 충전하는 방법으로 수질정화능력에 영향을 미치도록 하는 것을 생각해 볼 수 있다. 즉, 유기물 제거능력을 안정적으로 높이는데는 적정한 생물막 두께를 확보하고, 잉여바이오매스 등의 저질퇴적 등이 미치는 영향에 의한 기능저하를 막기 위한 충전층 내부의 간극과 유속확보가 중요한 인자이다. 이러한 점에서 다자연형하천 조성에 유효한 자갈배치 등과 관련하여 유속과 접촉재의 공극성과의 관계가 정화능력에 미치는 영향을 밝히기 위해 식모(植毛)자갈형태 정화블록(오노키플록 공업제품)을 충전한 순환수로(약 1/830 기울기의 삼면포장 수로에 자갈이 존재하는 자연하천바닥과 거의 동등)를 이용하는 등 하천공학적 관점에서 검토가 이루어지고 있다
(그림 8) 접촉재충전 접촉산화법에서 접촉재의 비표면적과
BOD 제거속도의 관계
하천의 유속은 유로단면, 기울기, 하천바닥․호안의 표면거칠기에 좌우되는데, 특히 접촉재가 충전되어 있는 경우 표면거칠기가 커져 유속저항이 높아지므로 충전층내부의 유속에 맞는 충전형태가 필요하다. 또한 하천 등의 소류성(掃流性)은 저질입자의 입경과 비중에도 크게 좌우되며, 접촉재 충전층에서 발생한 잉여바이오매스 등의 저질은 한계 소류유속 이상의 유속이 요구되어 약 5cm/s를 밑돌면 소류성이 저하된다.
그림 9는 접촉재의 공극률과 TOC 제거속도의 관계를 나타낸 것으로, 충전층 내부의 공극률과 내부 유속 및 자정계수와의 관계는 공극률을 5cm/s 이상으로 하면 유속손실을 억제할 수 있으므로 제거속도도 높아지는 것을 알 수 있다. 그러나 공극률이 약 80% 이상이 되면 접촉면적이 감소하고 제거속도가 저하되는 것을 알 수 있다. 더욱이 하천수중에는 토사 등 비중이 높은 입자도 흘러내려 충전층 내부의 유속이 20cm/s를 초과하면 부착생물막이 떨어져 나가는 것으로 밝혀졌으며, 이에 대해서도 충분히 고려해야 할 것이다. 즉, 자갈형태의 접촉재를 충전하는 등의 생물막 산화법에서는 부착생물막 두께가 두꺼워지면 공극율이 저하되므로 충전조 내부의 유속은 최소한 5cm/s 수준, 공극률은 70～80% 수준을 확보함으로써 바이오매스 퇴적에 의한 영향을 억제하면서 동시에 자연정화기능이 높아질 것으로 생각된다.
(그림 9) 접촉재충전 접촉산화법에서 충전층 내부의 공극률과 유속의 관계
4.2 수생식물을 활용한 직접정화 프로세스의 정화효과
수생식물을 식재한 정화법의 기본적인 메커니즘을 살펴보면 식물체의 질소·인 흡수작용에 의한 제거, 뿌리부분에 부착된 생물막의 필터역할에 의한 유기물․영양염류의 분해․제거에 의존한다. 또한 일반적인 처리시설에 비해 고도의 운전관리가 요구되지 않는 반면에 넓은 부지면적이 필요하고 고부하에 적용할 수 없다는 점 등 효율면에서 단점을 가지고 있다. 그러나 꽃이 피기도 하고 퇴비로서의 환원도 가능할 것으로 기대되므로 자원순환, 환경공생을 배려한 적용을 통해 수질개선 이외의 부차적인 효과를 발휘하게 된다. 실제로는 식물체의 질소·인 흡수작용에 의한 제거효과를 기대하면서 적용하는 경우가 많고 습지와 수로, 재배지 등을 이용하여 친수기능과 조화를 이루는 고도처리법으로 평가받고 있다.
구체적인 사례를 살펴보면 갈대, 향포를 중심으로 수생식물이 번식한 이바라기縣 야사토쵸의 휴경밭에 45가구의 주택에서 배출되는 생활잡배수를 수면적부하 0.04m3/m2․d로 유입시켜 BOD 제거율 92%, 질소제거율 71%, 인제거율 57%의 효과를 거두었다. 그 이외에 네덜란드의 폴더에서는 5,000명 규모의 캠프장에서 배출되는 배수를 갈대 등의 수생식물대에 10일간 이상 체류시켜 BOD 제거율 80%, 질소제거율 95%, 인제거율 93%의 성과를 거두었다. 또한 오염호소내 침수식물군락의 유무에 따른 수질정화효과를 비교해 보니 투시도가 20～3m까지 향상되어 매우 고도의 정화작용을 나타낸 사실이 중국의 현무(玄武)호에서 확인되어, 이러한 침수식물이 번식할 수 있는 에코톤을 창출하는 것이 호소에서도 수질정화효과를 가져오는데 중요하다고 할 수 있다.
최근에는 뿌리부분에 부착된 생물막의 필터역할에 따른 유기물, 영양염류의 분해, 제거에 의한 효과에도 눈을 돌리고 있다. 이바라기縣 츠치우라市에 있는 ｢츠치우라 바이오팩｣에서는 10,000m3/d의 가스미가우라 호수의 물을 퍼올려 크레송, 미나리, 오오후사모 등의 수경식물이 식재된 콘크리트 경사면에 물을 흘려 체류시간 1시간 동안 원수농도가 COD 15mg/ℓ, T-N 4.9mg/ℓ, T-P 0.15mg/ℓ, SS 30mg/ℓ이었던데 반하여 COD 11.0m3/m2․d, T-N 2.9m3/m2․d, T-P 0.14m3/m2․d, SS 75.0m3/m2․d로 매우 고속으로 고도의 제거성능을 확보했다. 이와 함께 이들 식물체는 콘크리트 경사면을 채용하기 때문에 주민참가형에 의한 식자원으로서의 회수도 용이하여 리사이클 퇴비로서의 재자원화도 효과적으로 이루어지고 있다.
식물의 종류에 대해 살펴보면 오염에 강한 종, 약한 종, 수경재배가 가능한 종, 그렇지 않은 종이 존재하며, 이 가운데서 갈대, 크레송, 슈로가야츠리, 다이파크분(쿠우신사이) 등은 영양염류 흡수속도가 우수한 것으로 알려져 있다. 이러한 식재면적당 정화능력의 경우는 그림 10과 같이 질소·인, 유기물과 관련하여 차이가 있으며, 또 이 차이는 주로 식물체의 흡수능력에 의한 차이며 동시에 수량․농도부하, 처리방식에 좌우된다. 보통 체류시간을 1일 이상으로 길게 설정할 수 있는 경우에는 식물체에 의한 흡수와 뿌리부분에 부착된 생물막에 의한 제거효과를 거둘 수 있다.
이와 같이 수생식물을 이용한 수질정화를 실시하는 경우는 식물체 흡수효과가 높은 식물을 선택함과 동시에 오염수량, 체류시간, 목표제거율과의 관계를 가지고 식재조건을 선택하고, 식물체의 회수체제, 자연생태계와 친수효과와의 관련을 고려하여 적용할 필요가 있다. 참고로 그림 11은 수생식물 정화법을 도입했을 때의 제거효과와 비용과의 관계를 나타낸 것이다.
(그림 10) 식재조건 차이에 따른 정화능력의 비교
(그림 11) 생태공학을 활용한 정화시스템의 제거효과와 비용에 대한 비교
4.3 인공갯벌을 활용한 직접정화 프로세스의 정화효과
얕은 해역에서의 정화작용은 연안역의 에코톤에 의한 접촉산화, 조류(藻類) 번식지에 의한 영양염 흡수 등을 들 수 있다. 그 중에서도 우수한 정화기능을 가지고 있는 갯벌의 저질에는 풍부한 먹이사슬이 구성되어 주요 정화능력을 가지고 있는 박테리아와 저생동물이 있는데 갯지렁이로 대표되는 다모류 등이 생식하는 갯벌의 정화력은 매우 높은 것으로 보고되고 있다. 갯벌저질에는 산화층과 환원층이 형성되어 있는데, 산화층에서는 질화활성이, 환원층에서는 탈질활성이 높아 연속적인 반응이 진행되어 질소가 제거되는 구조를 이루고 있다.
또한 갯지렁가 있어 U자형 구멍이 형성되면서 갯지렁이의 연동운동에 의한 환수효과가 높아 산화층의 확대와 함께 수중의 영양염과 산화층과의 접촉에 의한 반응도 촉진되어 질화, 탈질속도가 비약적으로 향상되는 것을 알 수 있다. 또 조류(藻類) 번식지에서는 모래로 이루어진 기반에 지하줄기를 형성하는 해초가 생육하여 질소․인을 흡수하는 효과가 있고, 그 가운데서 거머리말은 NH4
-N의 흡수능력이 우수한 것으로 알려져 있다.
따라서 갯벌과 연속적인 에코톤을 형성함으로써 현탁물질의 포착효과 및 어패류의 생식, 산란, 치어생식의 장으로서도 제공할 수 있어 조류(藻類) 생식지를 조성하는 것은 내만과 내해 생태계의 건전화에 크게 공헌할 것으로 생각된다. 그 이외에도 저질과 염분농도도 정화기능에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
오사카만의 연안부에 존재하는 오염된 세 군데의 낮은 저수지에서 조수변동을 이용해 해수를 유입시키는 구조로 개선한 저수지와 담수를 그대로 이용한 저수지를 비교해 보니, 해수가 유입되는 저수지에서는 염소이온이 상승하면서 점차 주변 갯벌에 생식하는 저서생물이 정착함과 동시에 도요새, 물떼새류가 날아들었다. 연못물의 COD도 30mg/ℓ에서 5mg/ℓ로 저하되는 등 갯벌화에 의해 수질이 양호해지는 정화기능을 보이고 있다. 갯벌저질에 의한 유기물 분해속도는 호흡속도로 대강 계산이 가능한데, 마크로벤토스 현존량을 비교해 보니 자연갯벌의 경우 지바縣의 盤洲갯벌, 三番瀨에서는 각각 296, 210g/m2 이었던데 반해 도쿄都 오다이바 인공해변에서는 794g/g/m2, 히로시마 이츠카이치 인공갯벌에서는 829g/m2이었다.
따라서 COD 정화량은 그림 12와 같이 마크로벤토스 현존량에 비례하여 인공갯벌에서도 높은 정화능력을 보이는 것으로 확인되었다. 갯벌의 정화능력을 기대하기 위해서는 해결해야 할 과제가 다수 남아 있으나, 생식공간의 보전 및 형성이라는 관점에서도 갯벌의 존재가치는 매우 높다고 할 수 있다.
(그림 12) 인공갯벌 및 해변과 자연갯벌의 마크로벤토스에 의한 COD 정화량 비교
4.4 지역의 미이용자원을 활용한 생태공학적 정화프로세스의 정화효과
지역특성에 따라 배출된 폐기물 가운데 리사이클이 가능한 미이용자원을 유효하게 활용하기 위해 환경청 국립환경연구소 및 통산성 나고야 공업기술연구소 등에서는 ｢유용생물과 자원을 활용한 오염수역의 리사이클․회복․수환에코시스템 개발｣에 관한 연구를 도쿄都, 가나가와縣, 이바라기縣, 사이다마縣, 후쿠이縣, 오카야마縣, 히로시마縣, 히로시마市의 지방공설 시험연구기관과의 연계를 바탕으로 추진하고 있다. 즉, 지역의 기간산업에서 발생하는 폐기물과 미이용자원을 고기능 접촉담체로 이용하여 하천과 호소, 내만의 직접정화에 활용하기 위해 검토중이다.
히로시마縣, 히로시마市에서는 굴양식산업에서 배출되는 굴껍질 폐기물의 유효이용법으로 굴껍질의 원소조성에 착안하여 세라믹 가공한 담체로 질소․인의 흡착제거능력을 높였다. 이에 히로시마시에서는 굴껍질 세라믹담체를 충전하여 히로시마만의 저질 개선대책을, 또 히로시마縣에서는 슈로가야츠리, 기쇼브, 츠루요시를 활용한 식재정화법의 식재지지담체에 굴껍질 세라믹담체를 충전하여 영양염류의 담체 흡착을 촉진시킴으로써 식물체의 생장속도를 향상시켜 제거속도를 높이는 직접정화대책방법을 개발하고 있다. 슈로가야츠리의 단지모종 식재법에서는 배출되는 생활잡배수의 원단위인 질소부하량이 약 2.5g/명․d인데 반하여 0.4m2(단지 13개분에 해당)로 제거할 수 있다는 사실이 확인되었으며, 굴껍질을 식재지지담체로 활용함으로써 인제거능력을 높이기 위해 노력하고 있다. 굴껍질이 포함되어 있는 자원순환 시스템에 대한 내용은 그림 13과 같다.
(그림 13) 제로에미션을 위한 굴양식·지역환원 시스템의 개념도
다른 사례를 살펴보면 도쿄都에서는 호안용 블록과 인공해안에 이용하는 모래와 자갈에 하수슬러지 소각재를 활용했을 경우 저서생물과의 친화성과 활성특성에 대해 평가했는데, 종래에 이용되던 콘크리트와 자연 모래와 자갈과 비슷하거나 그 이상의 친화성이 있는 것으로 밝혀지고 있다. 후쿠이縣에서는 Microcystis속을 우점종으로 한 담수녹조 발생이 관찰되는 三方五호의 호수직접정화대책으로 지역의 기간산업에서 배출되는 섬유폐재를 정화접촉조로 활용하고 호수중에 존재하는 담수녹조를 포식하는 윤충류, 식물성 편모충류 등을 대량으로 정착시키는 정화대책을 개발하고 있다. 오카야마縣에서는 빈 알루미늄캔에 약전류를 흘리는 알루미늄 전해탈인법에 착안하여 인제거능력을 강화하는 기능부여기술을 개발하고 있다. 이와 같이 지역 미이용자원을 활용한 정화방법은 순환형사회 조성에 반드시 필요하며 자원리사이클과 보조를 맞춘 수환경 회복효과가 발휘될 수 있도록 검토하는 것이 반드시 필요하다.
5. 생태공학을 활용한 수환경 회복기술의 과제와 전망
호소와 내만의 부영양화, 도시하천의 오염은 현재 더욱 심각해질 것으로 생각되므로 자연수역의 환경보전을 위해서는 발생원대책과 동시에 직접정화대책을 적용하는 것이 중요하다. 이 경우 아무리 하수도와 합병처리 정화조가 보급되어 있어도 다양한 수생생물이 사는 수질에 상당하는 처리수를 확보하는 것은 어려운 일이다. 그러므로 질소․인 제거의 고도화는 물론이고 정화가 이루어지는 에코톤에는 콘크리트를 함부로 사용한 직립호안을 축조할 것이 아니라 자정능력을 더욱 강화할 수 있는 다공질구조로 변경시키는 등 정화기능회복에 대한 필요성이 더욱 중요해질 것으로 생각된다. 즉, 생산자 역할을 하는 조류, 분해자 역할을 하는 세균, 포식자 역할을 하는 원생동물, 미소후생동물, 곤충, 어류, 조류 등 대형동물과 주변에 번식하는 목초까지 포함한 ｢다자연공간｣과 ｢친수공간｣ 등 공생의 장을 조성하는 것이 중요하다. 또한 수질개선, 자원․에너지순환, 도시기반 정비 등을 독립적으로 실시할 것이 아니라 수환경 전체에 대해 효과적으로 공헌할 수 있는 도시환경대책으로 종합화가 중요하다. 자원고갈, 리사이클이용을 고려하여 정화접촉재에 미이용자원을 활용하는 일, 생물과의 공생효과를 포함한 자연정화기능 강화형 직접정화법에 의해 수질정화를 도모하는 일, 등 생태학적인 시점과 공학적인 관점의 양면을 적절히 도입하는 일이 건전한 수변환경 보전을 달성하는데 반드시 필요하다. 참고로 생태공학을 활용한 직접정화방법의 도입효과에 대한 모식도는 그림 14와 같은데 더욱 유의해야 할 과제는 아래에 열거한 바와 같다.
1) 생태공학적 정화방법을 활용하는데 있어서는 고농도의 생활하수대책으로서의 적용을 고려할 것이 아니라, 비점원오염수로 이루어진 저농도 오염수대책 및 생활하수 처리 후의 고도정화법으로서 활용하는 것이 효과적이다.
2) 환경수의 오염상황에 따라 강제적인 포기가 필요한 경우가 있는데, 직접정화 프로세스에서는 에너지절약대책도 중요하므로 유속, 낙차, 태양, 풍력 등의 자연에너지를 활용하는 등 설치하는 장소에서 에너지 소비가 가장 적은 방법을 선정할 필요가 있다.
3) 생태공학적 정화방법을 도입할 때는 국소적인 수질개선효과는 물론이고 유역의 오염부하 삭감까지 고려하여 처리성능을 안정화시킴과 동시에 생태계의 기능을 유효하게 활용하기 위해서도 어류 등 먹이사슬의 상위단계를 차지하는 생물도 공존할 수 있는 공간조성을 목표로 기술개발이 필요하다.
(그림 14) 생태공학을 활용한 직접정화방법의 도입효과 모식도
4) 수생식물을 활용한 정화프로세스에서는 회수식물체의 자원순환이용과 다자연효과 또는 친수효과 등 부차적으로 확보할 수 있는 기능도 고려해야 하는데, 이 경우 먹이원이 되는 수경재배식물, 비먹이원인 수생식물의 두 가지 특성을 충분히 고려한 상태에서 식재를 조합하고 회수, 리사이클방법을 적정조건에서 검토, 확립하는 것이 필요하다.
5) 접촉재충전 생물막산화법, 접촉포기법 등의 바이패스방식에서는 접촉재의 형상, 강도, 크기, 충전율 등 여러 가지 조건과 함께 지역 미이용자원을 활용한 접촉담체를 도입할 수 있도록 초기비용, 운전비용 등을 고려하고, Life Cycle Assessment를 통해 평가해석을 실시하는 적정한 시스템을 확립할 필요가 있다.
6) 생활계하수 등에 의해 오염된 수로·중소지천수 및 배수처리시설의 처리수 등이 직접 하천과 호소 등에 유입되는 것이 아니라 완충지대로서 자연정화기능이 높은 갈대밭이나 휴경논 등의 습지를 반드시 통과하도록 하는 등의 종합적인 수환경관리가 필요하다.
7) 다자연형하천 조성과 인공습지·갯벌 조성 등 바이어토프 효과는 물론이고 자연정화기능을 최대한 발휘할 수 있는 구조, 즉 유수단면, 유하거리, 식생조건, 모래자갈 배치 등의 최적화가 필요하다.
8) 하천과 저수지 등에서 토목구조물을 개조하여 바이어토프와 다자연형하천을 조성하는데 있어서는 수질이 자정능력 이상 오염되어 있으면 친수적 혹은 다자연적인 효과는 기대할 수 없다. 이 경우 발생원 대책을 강화하는 것이 전제라는 점에 유의해야 할 필요가 있다.
9) 생태공학을 활용한 정화방법은 ｢주변야산｣에서도 자연생태계의 인위적인 관리가 필요하다는 점을 고려하여 정기적인 제어·관리를 당연히 전제로 해야 하는데, 가능한 한 유지관리가 필요 없는 시스템을 염두에 두고 개발해야 할 것이다.
10) 수생식물 정화와 다자연형하천 조성에 의한 자연정화기능을 가진 장소를 자연공간이나 공원으로 활용해 나가는 경우, 슬러지와 식물체 등의 바이오매스를 적정한 형태로 처리처분까지 할 수 있도록 이를 전제로 환경공생형 마을 조성을 위해 지역단위의 종합정화 시스템을 확립해 나가는 것이 필요하다.
11) 생태공학적 정화프로세스는 특히 저농도의 오염환경수에 효과를 발휘하는 방법으로 개발도상국에 대한 적용에도 크게 기대되므로 일본이 개발도상국과 충분한 정보교환을 통해 국가사정에 적합한 기술개발과 시스템을 확립하는 것이 지구환경보전에도 중요한 일이다.
6. 맺음말
일본에서는 최근 몇 년간 ｢환경에 친화적인｣, ｢지구를 생각하는｣이라는 듣기 좋은 말들이 자주 사용되고 있는데, 이 말이 가지는 의미를 정말로 이해하고 있는지에 대해서는 단언하기 어렵다. 앞으로는 이 말이 의미하는 진정한 내용을 이해하여 개발과 보전 등 상반되는 행동을 하는데 있어서도 가능한 한 환경에 부하가 적은 사회를 조성하는데 공헌할 수 있도록 환경생태공학을 확립 및 발전시키는 것이 필요하다.