2.1. 실험 구성

본 연구에서는 수질정화효과가 있는 바실러스계 미생물 배양액을 포러스콘크리트에 적용하여 장기간에 걸쳐 미생물 의 생화학적 반응에 의하여 수질정화성능을 발휘하는 수질 정화용 포러스콘크리트를 제조한 뒤 현장적용을 통한 수질 정화성능을 검토하되, 실내시험 연구결과 (^{Park et al., 2014}) 와 수질정화성능을 비교 평가하고자 한다.

2.1.2. 미생물 부착 방법

본 실험에서 장기간의 수질정화성능을 발휘하려면 바실러 스계 미생물의 활동이 가장 중요하므로, 다공질의 화산석과 내부에 많은 공극을 가지는 포러스콘크리트를 사용하여 공 시체를 제조함으로써 공시체 내부 및 외부에 미생물의 부착 및 생존가능성을 높이고자 하였다.

따라서 바실러스계 미생물의 외부 점액층으로 인하여 골 재에 부착되기 쉬워 다공질 화산석과 다공성의 포러스콘크 리트의 공극에서 생장 및 활동을 하게 된다. 이러한 매커니 즘은 Fig. 1과 같다. 또한 배합과정에서 미생물을 부착성을 높이기 위하여 3번의 미생물 부착 및 배합 처리를 하였으며 그 적용방법은 Fig. 2와 같다 (^{Park et al., 2014}).

Fig. 1.

Application mechanism of microorganisms

Fig. 2.

Application method of microorganisms in mixing process

2.2. 실험 재료

2.3. 시험체 제조 및 시공

2.3.1. 시험체 구성

시험체는 일반콘크리트로 제작된 포카라블록과 유용미생 물을 적용한 포러스콘크리트블록으로 나누어 제작하였으며, 각각의 포카라블록 내부에 포러스콘크리트블록을 7개씩 채 우는 형태로 최종 시험체를 제작하였다. 평상시 및 갈수시 유입수 대비 포러스콘크리트블록의 총 접촉면적은 0.69m², 0.12m²이며, 총 접촉체적은 1.38m³, 0.24m³이다. 다음 Fig.3에 각각의 시험체 규격 및 실물모형을 나타내었다.

3에 각각의 시험체 규격 및 실물모형을 나타내었다.

Fig. 3.

Porous concrete and Pocara ordinary concrete

2.3.3. 시험체 시공 및 부지

현장 적용을 위한 부지는 경기도 용인시내 경안천의 지류 인 동진 소하천 하류구간에 시공하였다. 대상 하천의 폭은 약 6.50m, 구배는 약 2.33%이며, 수심은 평상시 약 20cm, 갈수기 약 8cm이다. 대상 하천 및 설치 전경과 대상하천 수 질특성을 Fig. 4와 Table 7에 나타내었다.

Fig. 4.

Site test construction

Table 7

Characteristics of test river

Item	Test value	Item	Test value
Velocity (m/s)	0.28	Temperature (°C)	9.8
pH	7.8	EC (μs/cm)	245.0
BOD (mg/L)	2.30	COD (mg/L)	5.50
T-N (mg/L)	5.95	T-P (mg/L)	0.08

2.4. 실험 방법

3.1. 공극률 및 압축강도 평가

유용미생물을 이용한 포러스콘크리트의 설계공극률에 따 른 압축강도와 실측공극률의 시험 결과는 다음 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

Compressive strength and void ratio of porous concrete by using EM

이를 고찰하여 보면 설계공극률이 5%에서 20%까지 증가 할수록 압축강도가 22.0MPa에서 16.5MPa로 감소하는 경향 을 보였으며, 실측공극률 또한 3.2%에서 17.9%까지 증가하 여 설계공극률과 실측공극률과의 차이가 최대 2.1% 정도로 나타났다. 따라서 현 하천공사설계실무요령에 따르면 무근콘 크리트일 경우 최소 18MPa를 만족하여야 하는 것을 고려해 보면 이를 만족하면서 공극을 확보할 수 있는 배합으로서 설 계공극률 15%를 최적 배합으로 설정하였다.

3.2. 수온, pH. 전기전도도 (EC), 중금속 용출 특성 평가

유용 미생물을 이용한 포러스콘크리트의 현장적용시험 결 과 경과일수에 따른 수온 및 pH, EC를 Table 9 ~ Table 11 에 도시하였고, 중금속 용출 농도 측정결과를 Table 12에 나 타내었다.Table 10

수온의 경우 현장시험의 경우 유입수 평균값은 22.4°C를 보였고, 최대 22.6°C, 최소 14.6°C로 측정되었다. 또한 유출 수의 평균값은 22.5°C로 나타났고, 최대 26.0°C, 최소 15.0°C 로 나타났다. 유입수 대비 유출수 수온의 변화는 약 0.6%로 서 작은 변화폭을 보였다. 또한 기존 실내시험에서의 결과와 비슷한 변화율을 보였다. 따라서 대상하천의 폭과 유량에 따 른 현장조건을 고려해보면 유용미생물에 의한 수온의 변화 는 미미한 것으로 판단된다.

pH 측정 결과는 현장시험의 경우 유입수 평균값은 8.0을 보였고, 최대 9.1, 최소 7.3으로 측정되었다. 또한 유출수의 평균값은 8.1로 나타났고, 최대 8.8, 최소 7.6로 나타났다. 유 입수 대비 유출수 pH의 변화는 약 1.0%의 작은 변화폭을 보 여 최적의 미생물 생육조건인 pH 6~8을 만족하는 것으로 나 타났으며 28일간의 양생기간 동안 콘크리트가 중성화 되어 알칼리 용출은 없는 것으로 판단된다.

EC 측정결과는 현장시험의 경우 유입수의 평균값은 287.3 μm/cm을 보였고, 변화폭은 155.0μm/cm~375.0μm/cm으로 측 정되었다. 또한 유출수의 평균값은 281.9μm/cm로 나타났고, 변화폭은 160.0μm/cm~368.0μm/cm으로 나타났다. 유입수 대 비 유출수의 변화는 평균 약 0.4%로 나타나 미생물에 의한 EC변화율은 거의 없는 것으로 나타났다.

유입 및 유출수에 대한 중금속 용출 농도 측정결과는 실내 시험과 동일하게 현장시험에서도 분석항목 전체에서 검출 이내의 값을 보임으로써 유용미생물에 의한 중금속의 용출 과 중금속에 의한 수질에 미치는 영향은 없는 것으로 판단된다.

3.3. 용존산소량 (DO) 특성 평가

유용 미생물을 이용한 포러스콘크리트의 현장적용시험 결 과 경과일수에 따른 DO의 변화는 다음 Fig. 6 및 Table 13 과 같다.

Fig. 6.

Change of DO concentration with the passage of time

현장시험결과 유입수의 DO농도 평균값은 11.0mg/L를 보 였고, 최대 15.5mg/L, 최소 7.7mg/L의 농도가 측정되었다. 또한 유출수의 DO농도 평균값은 10.4mg/L로 나타났고, 최 대 14.7mg/L, 최소 7.8mg/L의 농도를 나타내었다. 유입수 대 비 유출수의 DO농도 변화율은 평균 4.0%로서 최대증가 3.8.0%, 최대감소 -19.6%로 나타났다.

경과일수에 따른 유입 및 유출수 각각의 DO농도 변화를 고찰하여 보면 전체적으로 DO농도 변화는 미미하였으나, 일 부 측정시기에서는 높은 증감율이 나타났다. 이는 도시하천 의 특성상 주변지역의 강우로 인한 유속증가로 자연적 폭기 에 의한 용존산소의 증가와 초기유출수에 의한 과도한 오염 물질의 유입으로 인한 일시적인 용존산소의 소모에 의한 것 으로 판단된다.

또한 유입수 대비 유출수의 DO농도 변화를 고찰하여 보 면 대부분의 측정시기에서 DO농도가 다소 감소하는 것으로 나타났다. 이는 하천수가 포러스콘크리트 내부로 통과하면서 유기물의 생물학적 분해과정에서 산소가 소모되었기 때문으 로 판단된다. 하지만 일부 강우 측정시기에서 약간 증가하는 것으로 나타났다. 이를 고찰하여 보면 포러스콘크리트를 대 상하천에 보의 형태로 설치하여 강우 등 다른요인에 의해 유 량과 유속이 증가하면 유용미생물의 반응시간이 상대적으로 짧아지고, 하천수가 보를 월류하여 떨어지면서 자연적인 폭 기현상으로 인하여 용존산소량이 증가한 것으로 판단된다.

실내시험결과와 현장시험결과를 비교해 보면 실내시험의 경우 평균 8.5%의 DO농도 감소를 보인것에 비해 현장시험 의 경우는 평균 4.0%의 감소를 나타냈다. 이는 실내실험의 경우 현장의 경우와 달리 한정된 공간에서 미생물의 생존 활 동으로 인하여 DO를 소비함으로써 DO가 더 소모되었기 때 문으로 판단된다.

3.4. 부유물질 (SS) 제거특성 평가

유용 미생물을 이용한 포러스콘크리트의 현장적용시험 결 과 경과일수에 따른 SS농도의 변화를 다음 Fig. 7과 Table 14에 나타내었다.

Fig. 7.

Change of SS concentration with the passage of time

시험결과 유입수의 SS농도 평균값은 20.1mg/L를 보였고, 최대 56.2mg/L, 최소 6.5mg/L의 농도가 측정되었다. 또한 유 출수의 SS농도 평균값은 11.9mg/L로 나타났고, 최대 30.8mg/L, 최소 4.2mg/L의 농도를 나타내었다. 유입수 대비 유출수의 SS 제거율은 평균 34.1%, 최대 59.0%, 최소 11.1%로 나타 났다.

경과일수에 따른 유입 및 유출수 각각의 SS농도 변화를 고찰하여 보면 전체적으로 SS농도 변화는 일정하나 일부시 기에 변화를 보였다. 이는 주변지역의 강우로 인해 비점오염 물질인 교통오염물질, 도시지역의 먼지나 모래입자, 대기오 염물질 등이 유출되고, 유속의 증가로 인해 하천바닥에 침전 되어 있는 침전물이 유출수와 함께 하천으로 유입되었기 때 문으로 판단된다. 또한 유출 초기에 급격하게 증가하였다가 직접유출이 끝나면서 급격하게 감소하는 경향이 나타났다.

유입수 대비 유출수의 SS 제거율을 고찰하여 보면 평균 34.1%의 제거율을 보였으며, 고농도일 때 제거율이 더 높게 나타났다. 이는 포러스콘크리트가 비표면적이 크고 많은 내 부공극을 가지고 있어 부유물질에 대한 여재 역할을 하였기 때문으로 판단된다. 하지만 실험 경과일이 약 30일 이후부터 는 강우특성에 따른 변동을 제외하면 제거효율이 서서히 감 소하는 현상을 보였고, 비정기적인 강우시 제거효율이 다소 회복되는 경향을 나타내었다. 이는 하천수 내 부유물질이 여 재의 공극에 지속적으로 침전되어 쌓임으로서 공극이 막히 는 현상을 초래하고 강우시 일부 침전물이 하천수와 함께 하 류로 씻겨 내려갔기 때문으로 판단된다.

또한 실내시험시 제거율이 약 72.6%로 나타나 현장시험결 과에 비하여 2배가량 높은 제거율을 보였다. 이는 실내시험 의 경우 유입수의 유속이 일정하고 여재의 역할을 하는 포러 스콘크리트에 대부분 접촉하여 통과하므로 현장시험에 비하 여 유입수와 여재의 접촉면적이 훨씬 넓기 때문으로 판단된다.

3.5. 생물학적 산소요구량 (BOD) 제거특성 평가

경과일수에 따른 BOD의 변화를 다음 Fig. 8과 Table 15 에 나타내었다.

시험결과 유입수의 BOD농도 평균값은 3.4mg/L를 보였고, 최대 8.2mg/L, 최소 0.7mg/L의 농도가 측정되었다. 또한 유 출수의 BOD농도 평균값은 2.7mg/L로 나타났고, 최대 5.7mg/L, 최소 0.7mg/L의 농도를 나타내었다. 유입수 대비 유출수의 BOD 제거율은 평균 14.6%, 최대 30.5%, 최소 2.6%로 나타 났다.

경과일수에 따른 유입 및 유출수 각각의 BOD농도 변화를 고찰하여 보면 SS농도의 변화와 마찬가지로 주변지역 강우 시 비점오염물질이 초기유출에 의해 씻겨 내려감으로 인하 여 농도가 유출초기에서는 증가하는 경향을 나타냈다.

Fig. 8.

Change of BOD concentration with the passage of time

유입수 대비 유출수의 BOD 제거율을 고찰하여 보면 평균 14.6%의 낮은 제거율을 보였다. 또한 저농도 보다 고농도 일수록 제거효율이 크게 나타나는 경향을 보였다. 이는 유용 미생물의 생물학적 활동 및 생물막으로 인하여 유기물의 제 거되어 BOD농도가 저감된 것으로 판단된다.

또한 실내시험결과와 비교해 보면 실내시험의 경우 평균 24.8%의 제거율을 보여 현장실험에 비하여 약 2배 가량 높 은 제거율을 보였다. 이는 유량에 비해 접촉면적이 작아 포 러스콘크리트 공극의 유용미생물의 접촉이 작고, 주변 지역 강우시 미생물에 의한 유기물의 분해되는 속도에 비하여 유 속이 증가하여 충분한 체류시간을 가지지 못해 제거율이 비 교적 낮게 측정된 것으로 판단된다.

3.6. 화학적 산소요구량 (COD) 제거특성 평가

유용 미생물을 이용한 포러스콘크리트의 현장적용시험 결 과 경과일수에 따른 COD의 변화를 다음 Fig. 9와 Table 16 에 나타내었다.

Fig. 9.

Change of COD concentration with the passage of time

시험결과 유입수의 COD농도 평균값은 6.6mg/L를 보였고, 최대 11.1mg/L, 최소 3.1mg/L의 농도가 측정되었다. 또한 유출수의 COD농도 평균값은 4.1mg/L로 나타났고, 최대 6.1mg/L, 최소 2.1mg/L의 농도를 나타내었다. 유입수 대비 유출수의 COD 제거율은 평균 34.9%, 최대 53.6%, 최소 20.8%로 나 타났다.

경과일수에 따른 유입 및 유출수 각각의 COD농도 변화를 고찰하여 보면 BOD농도의 변화양상과 유사하게 주변 지역 강우에 의해 유출 초기에서는 농도의 증가가 나타나며, 유출 이 감소되면서 농도가 감소하는 양상을 보이고 있으나, 변화 폭은 BOD에 비해 상대적으로 크지 않은 것으로 나타났다.

또한 유입수 대비 유출수의 COD 제거율을 고찰하여 보면 저농도 보다 고농도 일수록 제거효율이 다소 크게 나타나는 경향을 보이긴 하였으나, 전체적으로 약 34.9%의 제거율이 나타났다. 이는 유용미생물의 생물학적 산화/분해에 의한 것 으로 판단되며, 포러스콘크리트와 골재로 사용된 경량부석 또한 미생물이 서식할 수 있는 서식처로서의 역할을 충분히 하였기 때문으로 판단된다.

실내시험결과와 비교해 보면 실내시험의 경우 평균 58.0% 의 제거율을 보인것과 달리 현장실험에서는 약 34.9%의 다 소 낮은 제거율을 보였다. 이는 BOD의 실험결과와 동일하 게 실내시험의 경우보다 유속 및 유량이 크고 유입수가 포러 스콘크리트와 접촉하여 미생물이 반응할 수 있는 시간과 접 촉면적이 줄어들었기 때문으로 판단된다.

3.7. 총질소 (T-N) 제거특성 평가

유용 미생물을 이용한 포러스콘크리트의 현장적용시험 결 과 경과일수에 따른 T-N의 변화를 다음 Fig. 10과 Table 17 에 나타내었다.

Fig. 10.

Change of T-N concentration with the passage of time

시험결과 유입수의 T-N농도 평균값은 4.0mg/L를 보였고, 최대 6.7mg/L, 최소 2.9mg/L의 농도가 측정되었다. 또한 유출 수의 T-N 농도 평균값은 3.5mg/L로 나타났고, 최대 4.4mg/L, 최소 2.8mg/L의 농도를 나타내었다. 유입수 대비 유출수의 T-N 제거율은 평균 11.4%, 최대 35.8%, 최소 3.1%로 나타 났다.

유입수 대비 유출수의 T-N 제거율을 고찰하여 보면 저농 도 보다 고농도 일수록 제거효율이 크게 나타났다. 이는 유 용미생물이 수중의 질소를 먹이원으로 하여 성장하고, 생물 막을 형성함으로 인해 영양물질의 소모가 이루어졌기 때문 으로 판단된다. 또한 경과일수가 증가할수록 제거율이 서서 히 감소하는 경향을 보였다.

실내시험결과와 비교하여 고찰하여 보면 실내시험의 경우 평균 13.1%의 제거율을 보여 현장실험결과의 평균 11.4% 보다 제거율이 다소 크게 나온 것으로 나타났다. 이는 현장 실험의 경우 초기 유입수의 농도가 실내시험보다 작고, 유입 수의 농도가 2.9~6.7mg/L로 하천수의 수질환경기준으로 볼 때 ‘매우나쁨 (T-N 기준 1.5mg/L 초과)’을 넘어서 매우 오 염되어 있어 주변 강우에 의한 하상의 오염물질 유출에 대한 영향이 적기 때문으로 판단된다.

3.8. 총인 (T-P) 제거특성 평가

유용 미생물을 이용한 포러스콘크리트의 현장적용시험 결 과 경과일수에 따른 T-P의 변화를 다음 Fig. 11과 Table 18 에 나타내었다.

Fig. 11.

Change of T-P concentration with the passage of time

시험결과 유입수의 T-P농도 평균값은 0.092mg/L를 보였 고, 최대 0.120mg/L, 최소 0.058mg/L의 농도가 측정되었다. 또한 유출수의 T-P 농도 평균값은 0.079mg/L로 나타났고, 최대 0.100mg/L, 최소 0.048mg/L의 농도를 나타내었다. 유 입수 대비 유출수의 T-P 제거율은 평균 12.6%, 최대 28.2%, 최소 3.4%로 나타났다.

경과일수에 따른 유입 및 유출수 각각의 T-P농도 변화를 고찰하여보면 측정시기에 따라 다소 농도의 증감은 있으나 대부분 일정한 농도를 나타내었고, 다만 주변 강우에 따라 농도의 변화가 다소 나타난 것으로 판단된다.

유입수 대비 유출수의 T-P 제거율을 고찰하여 보면 T-N의 경우와는 다르게 측정기간에 따라 일정한 제거율을 보였으 며, 저농도 보다 고농도 일수록 제거효율이 크게 나타났다. 이는 수중의 인이 포러스콘크리트의 미세공극과 유용미생물 막에 의해 흡착되고, 흡수되어 제거되었기 때문으로 판단된다.

실내시험결과와 비교하여 고찰하여 보면 현장시험의 경우 평균 12.6%의 제거율을 보여 실내실험결과의 평균 15.2% 보다 제거율이 다소 작게 나온 것으로 측정되었다.