본 연구에서는 우리나라 하천에 실제 적용․가능하고 정화기능이 우수하며, 경제성을 고려한 자연형 하천수질 정화기술을 개발하는데 그 목적이 있다. 단계별 연구의 수행결과로부터 최종적인 자연형 하천정화 시스템 설계 방법, 운전 및 유지관리 방안을 도출하고, 영양염류에 의한 오염도가 높은 지천 혹은 하천에 적용성이 높으며, 특히 질소제거 효율 향상 및 하천의 자정능력을 최대한 이용한 무동력 자연형 하천정화시스템을 개발하는데 중점을 두었다.

사용한 여재는 황토여재와 자갈로서 여재의 공극율에 따른 하천정화능을 비교․검토 하였으며, 공극율이 작은 자갈의 경우 하천정화능이 우수한 반면 하천수내 포함된 고형물의 지속적인 유입시 여재 간 공극 폐쇄로 인하여 혐기화에 따른 정화시스템의 급격한 효율 감소가 있는 것으로 판단되었다.

 

따라서 공극율이 다른 여재의 혼용에 따른 하천정화능을 비교․검토 하였으며, 전단 황토여재, 후단 자갈로 구성한 여재층에 의한 유기물, 고형물 및 영양염류 제거 효율이 높게 나타났다. 이는 하천정화 시스템의 유입부에서 후단 유출부 방향으로 공극율을 점차 감소시킴으로써 물리․화학적 흡착과 여과능을 높일 수 있었으며, 하천정화 효율의 향상 및 유지관리 면에서 유리하였다.

청주 파일럿 규모의 연구는 실제 하천 수변구역에 직접 설치한 소규모 실증 파일럿 시설로서 실증시설과 유사한 환경을 조성하였다.

 

그 결과 고형물, 유기물 및 인에 대한 제거 효율이 전체적으로 양호한 성능을 보였고, 고형물의 경우 표층보다 심층의 제거효율이 높게 나타났으며, 유기물 및 인은 유입 하천수내 고형물과 동시에 제거되는 것으로 나타났다. 질소의 경우 하천 수온의 상승 및 운전기간이 길어짐에 따라 질산화 미생물의 활성도가 높아졌고, 이에 따른 질소와 기타 오염물질의 제거효율이 지속적으로 증가하는 추세를 보였다.

용인 파일럿 규모의 연구는 인공습지형 하천정화 수로를 설치하여 수로내 여재충전 방식을 변경함으로써 단위 공정들의 단점을 보완하였다. 충전여재는 상층부에서 심층부로 수층 및 수생식물, 모래층, 자갈층, 황토여재층으로 구성하여 공극율을 확대시켰으며, 황토여재와 자갈을 혼용하여 적용하였고, 수로의 구성은 전단 유입부에 황토여재층를 충전함으로써 유출방향에 대한 공극율을 감소시켜서 유입 하천수내 고형물의 여과 및 흡착 효과를 증대하였다.

 

수생식물은 근권 미생물의 부착․성장이 용이하도록 모래층을 두어 착근을 유리하게 함으로써 식물에 의한 효과를 최대화 하였다.

 

그 결과, 고형물, 유기물 및 인의 제거능은 매우 높은 것으로 나타났으며, 질소의 경우 수로내 미생물의 활성도 및 온도에 따라 효율의 변화를 보였다. 이는 유기물, 유기질소, 인의 제거기작은 유입 하천수내 고형물의 물리․화학적 여과 및 흡착에 의한 제거와 상관성이 높으며, 일부 유기물과 암모니아성 질소 및 질산성 질소의 제거 기작은 여재내 부착된 미생물 및 식생대의 근권 미생물에 의한 생물학적 반응에 영향을 받는 것으로 나타났다.

 

또한, 수로내 여재층 구성은 동일한 상태에서 상층부와 심층부의 유로를 상․하로 교차시키기 위하여 흐름변경모듈을 개발하여 적용하였다. 그 결과, 질소제거 기작에 있어서 표층에서 산화된 질산성 질소는 흐름변경모듈을 거쳐 심층에서의 탈질반응으로 질소의 제거가 일어났고, 심층에서 원활한 질산화가 이루어지지 못했던 암모니아성 질소의 경우 표층으로 유출되어 질산화가 이루어졌다.

 

 이 때, 유기물 역시 호기성 산화와 탈질시 탄소원으로 이용되면서 물리화학적 반응과 생물학적 반응에 의하여 제거효율이 상승되었다. 본 연구를 수행하는 동안 각 여재층 및 근권의 미생물을 분석하기 위해 분자생물학적기법을 이용하여 미생물의 군집분석을 행하였고, PCR-DGGE 분석 결과, 미생물들은 상부 모래층과 수생식물의 근권에 주로 분포하고 있었다. 이 중 PAHs를 제거할 수 있는 Labrys Sp.종과 질산화 균의 일종인 Nitrosospira가 우점종으로 나타났다.