지난호에서는 수생태복원 선도기업인 (주)아썸(대표이사 권오병)의 보유 기술인 인공식물섬에 대하여 알아보았다. 이번호에서는 인공습지, 수상생태공원, 복합서식처 및 최신 수생태복원기술 동향에 대해 알아보기로 한다.
인공습지…수질개선 위한 습생 비오톱 기술
과거에 습지는 쓸모없는 땅으로 인식되어 매립을 통해 다른 용도로 전환되어야 할 대상으로 여겨져 왔으나, 습지의 생태적, 환경적 기능에 대한 중요성이 부각되면서 국제적으로 보존해야 할 지역으로 인식되고 있다. 1971년 람사르협약(RAMSAR Convention on Wetland)을 계기로 습지에 대한 중요성 인식과 가치 평가에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 협약에서 습지란 “자연적이거나 인공적이거나 영구적이거나 일시적이거나, 또는 물이 정체되거나 흐르고 있거나, 담수이거나 기수이거나 함수이거나 관계없이 소택지(沼澤池), 늪지대, 이탄(泥炭)지역 또는 수역을 말하고, 이에는 간조시에 수심이 6m를 넘지 않는 해역을 포함한다” 고 정의하고 있다.
습지는 육지생태계와 수생태계를 연결하는 전이대 및 완충지대로서, 기초 생산력이 풍부하며, 홍수 방제, 오염물질 정화, 생물자원의 산란장, 서식지 등의 역할을 수행하는 매우 중요한 지역이다. 최근에는 지구온난화 문제와 결부되어 습지의 온실가스 저감과 산소 공급에 대한 부분도 중요한 가치 중 하나로 평가되고 있다.
인공습지는 이러한 습지의 기능 중 오염정화의 기능을 극대화 시켜서 목적에 따라 조성되는 습지라 할 수 있다.
인공습지에 의한 수질정화 방법은 당초 점오염원(특정지역에서 오염물질이 발생하는 것) 배출수에 대한 처리방식으로 제안된 기법인데, 최근 비점오염 문제가 대두되면서 각국에서는 비점오염원(광범위한 배출경로를 갖는 오염원) 저감을 위해 이 방법의 적용을 확대하고 있다.
인공습지는 인간의 요구와 필요에 의해 자연습지의 형태 및 기능을 모방하여 설계, 시공, 운영되는 인위적 습지로서 자연습지가 가지고 있는 정화능력을 향상시켜 수질정화 목적으로 이용하는 습지이다.
물리적, 화학적, 생물학적 복합작용으로 점오염원 뿐만 아니라 비점오염원에 의해 오염된 물을 깨끗하게 정화하는 기능이 있다. 특히, 하수처리장에서 처리하기가 곤란한 농경배수 뿐만 아니라 광산폐수, 축산폐수, 매립지의 침출수, 호소 수질개선, 고도처리 등 수처리 분야에 널리 이용되고 있다.
홍수를 일시적으로 저류하여 하류지역의 홍수를 경감시키고, 유속을 느리게 하여 토사의 유출을 방지하며 지하수를 함양하는 기능도 가지고 있다.
또한 포유류, 조류, 어류, 양서ㆍ파충류, 곤충류 등 야생동물의 은신처 및 서식지로서 이용될 수 있다.
뿐만 아니라 자연체험학습 프로그램을 통해 학생층이 습지에 와서 식생 및 조류를 관찰하고 연구함으로써 자연학습장 및 연구시설의 역할을 하며, 지역주민들이 습지의 야생동물을 관찰하면서 여가를 즐길 수 있는 휴식공간을 제공한다.
인공습지의 주요 구성요소는 식물, 토양, 수문이며 그 외에도 수질정화에 중요한 기능을 하는 미생물과 이와 연계된 소형 동물이 포함된다.
조건에 따라 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 작용이 독립적 또는 복합적인 과정을 통해 수질을 개선하며 침강, 화학적 응집, 흡착, 미생물 반응(BOD, 질소) 및 식물에 의한 약간의 흡수로 구성된다.
습지 식생은 유속을 감소시켜 부유물질을 침전시키기 때문에, 이들 입자에 흡착된 오염물질(특히, 인)이 함께 침전 제거되는 물리적 작용(침전, 흡착)을 한다.
생물화학적 작용(산화, 응집, 분해, 흡수)으로는 습지 수표면의 산소교환과 활발한 광합성 작용으로 산소가 증가하여 유기물과 금속 이온을 산화, 분해시킬 수 있다.
또한 미생물은 알루미늄(Al3+)과 같은 금속이온에 대해 착화합물을 형성해 응집침전을 유도하기도 한다. 인공습지의 중요한 처리과정인 생물학적인 분해는 미생물이 유기물을 분해하여 무기화하는 과정으로 이때 생성된 무기물은 식물에 의해 흡수된다.
(주)아썸의 고효율 인공습지는 수질정화효과가 극대화 될 수 있도록 다단계의 공정구성을 특징으로 하는 인공습지이다.
부유습지의 기술과 지표, 지하흐름습지를 이용해 구성되는 습지로서 한국농어촌연구원과 공동연구로 개발됐으며 다년간의 현장 모니터링으로 제거효과가 증명되었고, 공신력 있는 수질데이터가 축적돼 있다.
고효율인공습지는 농어촌연구원과 (주) 아썸이 공동 연구한 "농업용수 수질개선 실용화 연구 (2005~2006년)”를 통해 개발된 공법으로서 기능성 습지의 효과적 배열로 고효율 인공습지가 구성되었다.
조합형과 고효율 2가지의 방식으로 구성되는데, 생태침강지, 지표흐름습지, 지하흐름습지, 생태여과지로 구분된다.
생태침강지는 수생식물 뿌리를 접촉 여재로 이용해 미생물에 의한 유기물 및 질소, 인을 제거하는 곳으로 입자성 유입 오염물을 침강 제거한다. 수생식물에 의한 영양염류를 흡수, 제거하는 것이다.
지표흐름습지는 식물의 근계 공생 미생물 및 토양미생물에 의한 오염물질을 제거하며 적용식물은 유입수의 농도 변화 및 경관을 고려해 갈대, 노랑꽃창포, 꽃창포, 줄, 부들, 미나리 등을 식재한다.
지하흐름습지는 여과재를 충진한 지하흐름형 습지로 여과재유입수는 여과재층을 투과해 이동한다. 수생식물의 오염물 흡수, 여과재에 의한 여과, 부착미생물에 의한 오염물 분해를 동 시에 수행하는 곳이다.
생태여과지는 식물 뿌리를 여과재로 이용하는 횡형 여과지로 최종 처리수의 물리적 여과와 생물학적 제거를 동시에 수행하는 곳으로 수생식물의 오염물 흡수, 뿌리층에 의한 여과, 부착미생물에 의한 오염물 분해를 동시에 수행한다.
따라서 고효율 인공습지는 오ㆍ폐수의 고도처리, 하천정화, 저수지 유입부 오염물질 저감, 비점오염원 저감시설 등에 적용되고 있다.
고효율 인공습지의 연구 결과를 살펴보면, 평균 유입수 농도가 COD(화학적 산소 요구량) 9.6㎎/L, TN 1.918㎎/L, TP 0.160 ㎎/L 였으나 처리 후 COD 5.8㎎/L, TN 0.752㎎/L, TP 0.035㎎/L로 나타나 유기물질 외에도 영양염류의 제거효과가 뛰어난 것으로 나타났다.
BOD(생화학적 산소 요구량)와 SS는 유입농도에 상관없이 유출농도가 일정했다. 일반적으로 습지가 가지는 배경농도(background concentration)가 BOD 10㎎/L정도로 알려져 있으나 연구에서는 6㎎/L 이하의 안정된 값을 나타냈다고 한다.
경제성 또한 뛰어나다. 지표흐름형 인공습지의 공사비는 대부분 토공 비용이 차지하는데, 설계자는 인공습지에 의해 유역에서 배출되는 오염물질량 중 어느 정도를 삭감할 것인가를 결정한 후 인공습지 형태를 결정해야 한다.
지표흐름형 습지와 지하흐름형 습지의 장점을 가지는 실용화시스템은 공사비와 유지관리비면에서 가격경쟁력이 매우 우수한 것으로 판단된다.
수상생태공원, 수면 위 떠 있는 복합공원
최근 지역발전과 주민들의 삶의 질 향상을 위해 곳곳에 조성되고 있는 생태공원은 생물의 서식처를 제공함과 동시에 주민의 휴식처, 생태학습장 등으로 활용되며 구성방법에 따라 놀이시설, 공연시설 등과 함께 어우러져 관광명소화 되기도 한다.
그러나 이러한 생태공원은 기존의 습지 등을 활용할 경우 접근성이 좋지 않고, 접근성이 좋은 도심 인근에 조성할 경우 소요부지의 비용으로 인해 효과적인 조성이 어렵게 된다.
수상생태공원은 이러한 문제점을 해결한 첨단기술로서 공유 수면위에 생태공원을 띄워 조성하는 기술이다. 공유수면에 조성되므로 별도로 부지가 필요 없고, 공원 자체가 수질을 개선하며 다양한 동식물의 서식처를 제공하게 된다. 또한 수면위에 새로운 경관을 창출해 관광명소화 할 수 있다.
수상생태공원의 구성은 크게 부유습지인 습식부도, 조경시설공간인 건식부도, 문화공간인 데크 및 부유광장으로 구성된다.
습식부도는 수생식물 군락이 조성되는 부유습지로서 동식물의 서식처를 제공하고, 곤충학습장, 어류관찰장, 조류학습장 등으로 구성될 수 있다.
건식부도는 수생식물이 아닌 일반 초화류 및 수목이 식재되는 조경공간으로서 부유식 정원이 구성돼 관람객의 휴식공간으로 활용된다.
부유광장구간은 관람객의 활동공간으로서 수상생태공원의 목적에 따라, 공연장, 수영장, 산책로, 잔디광장, 마리나 시설 등으로 구성될 수 있다.
복합서식처, 수생태복원ㆍ어족자원 보호
우리나라의 호소는 대부분 상수원 확보, 농업용수확보, 발전 등의 목적으로 인위적으로 조성된 저수지이기 때문에 연중 강우와 사용목적에 따라 호수의 수위가 늘 변화한다. 결국 이러한 잦은 수위변동은 호안 식생의 파괴를 초래하게 된다.
결과적으로 호수의 건전한 자정작용은 상실되고 수중의 어류들은 산란처, 은신처를 잃게 된다. 복합서식처는 호소에 다양한 생물이 서식할 수 있는 안정적인 서식처를 제공함으로써 수생태의 자정작용을 회복시키고 수생 생물의 산란처, 휴식처, 은신처를 제공하는 기술이다.
복합서식처 구성은 수생태계의 다양한 생물이 서식할 수 있도록 수면위에 수생식물 습지가 조성되는 인공식물섬, 수중에 물고기의 서식처를 제공하는 대형 인공어초, 조개류가 서식할 수 있는 패류 서식장치, 수초의 기능을 대신하는 인공수초로 구성된다.
이중 지난호에 소개된 인공식물섬 외에 구성요소를 살펴보면 인공어초는 수중에 설치되는 형태조절기능 어초로서 물고기들의 은신처, 서식처가 된다.
저서성 어류의 산란처를 제공하고, 부착 조류 및 수초의 생장처가 되며 인공식물섬에 착란한 어란의 부화시 치어들의 휴식처를 제공해 생존율을 높여 준다.
농업용 폐비닐 등을 이용한(폴리콘 어초) 자원 순환형 친환경 인증(지식경제부) 우수제품이다.
패류서식장치는 패류 및 저서생물의 서식처를 제공하는데, 패류는 특유의 여과섭식방법으로 저수지 녹조제어에 효과적이며, 납자루 등 일부 어류의 산란처를 제공하고 자연 수초의 생장 기반이 조성된다.
인공수초는 파괴된 호안식생을 대신해 수중에 조성되는 인공수초로 자체부력을 가지고, 자연수초와 유사한 형상으로 수류에 따라 자연스럽게 움직인다. 인공수초 자체가 미생물의 중요한 역할을 수행해 수질개선에 효과적이며 어류의 산란처를 제공하고, 대형어초에 부착돼 자연스럽게 인공 어초의 효과를 극대화 시킨다.
기능적으로는 수면위로 부유습지가 조성되고 수중에 대형 인공어초, 패류 및 저서생물 서식지, 인공수초대가 조성돼 종합적인 수생태 복원을 이루게 된다.
미생물, 저서생물, 패류, 곤충류, 양서류, 파충류, 어류, 새들의 서식처가 되며 특히 부유식, 침수식 어류 서식처가 조성돼 담수 어류의 어족자원보호 효과가 탁월하다.
수질개선 기능으로는 수생태계의 종합적인 서식처 제공으로 생물다양성을 확보하고 자정작용을 극대화 시킨다. 요소기술인 인공식물섬, 수중부의 인공 어초, 패류서식장치, 인공수초대는 부착조류 및 부착 미생물의 작용으로 수중의 오염물질을 제거 한다.
또 복합서식처에 부가되는 부교를 이용해 산책로 조성이 가능하고, 낚시용 좌대로 조성할 수 있다.
아울러 복합서식처에 사용되는 자재는 천연소재 또는 안정적인 PE 자재(농업용 폐비닐을 재활용)를 활용한 친환경 인증 제품이다. 수위변동에 관계없이 상시 유지돼, 호안식생이 파괴된 저수지에 초록의 부유습지를 제공함으로써 저탄소 녹색성장에 기여한다.
(주)아썸 수생태복원의 미래기술
(주)아썸의 호소생태연구소는 생태공학을 이용한 수생태복원 및 수질개선을 위해 지속적인 연구개발에 힘쓰고 있다. 최근 활발히 연구가 진행되고 있는 미래기술에 대해 알아보면 다음과 같다.
▶염생갈대(아썸 Salt 갈대)
우리나라의 시화, 안산, 송도, 서산, 태안, 화성 등 해안 간척지 및 강 하구지역은 민물과 바닷물이 교차하는 기수지역으로서 수생식물이 정상적으로 생육하지 못한다.
따라서 (주)아썸 호소생태연구소에서는 기수지역에서 잘 생장할 수 있는 염생갈대를 개발해 ‘아썸 Salt 갈대’라는 이름으로 시판하기 시작했다. 해안 지역의 갈대종자를 모아 염생 조건에서 육종 선별ㆍ개발된 염생갈대는 일반갈대와 유전자구조부터 달라 이미 종자등록을 마치고, 특허 출원 중이다.
이러한 염생갈대는 4대강 사업등과 관련해 하구지역 및 간척지역의 생태복원에 크게 이바지 할 것으로 판단된다.
▶천적생물 이용기술
호수와 같은 정체수역에서 수질적, 생태학적으로 가장 문제가 되는 것은 녹조현상이다. 호소의 부영양화에 따른 식물플랑크톤의 대번성으로 물의 색도, 탁도, 냄새를 유발해 어패류를 폐사시키는 등 물의 이용가치를 현저하게 떨어뜨리게 된다.
이러한 녹조발생 방지 및 치유를 위해 황산동, 황토, 미생물제제 등의 물리 화학적 방법을 이용하고 있으나 효과가 떨어지고, 과도한 비용발생, 2차 오염유발 등의 문제를 발생시킨다.
이에 최근 천적생물을 이용해 식물플랑크톤을 먹이로 하는 자연친화적 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 천적생물은 조개류, 새우류, 동물플랑크톤 등이 이용되고 있다.
(주)아썸에서는 이미 호소 내에 설치되는 패류서식장치를 특허 출원하였으며, 패류를 이용한 수질정화 장치를 연구 중이다.
또한, 동물플랑크톤을 극대화 시키는 기술을 개발해 이미 현장실증 시험까지 마쳤으며 현재 상품화 개발이 진행 중이다. 이 천적생물 배양기술은 내륙의 호소뿐 아니라 남해안 양식장, 시화호, 새만금 등의 해양 정체수역에서 발생하는 적조현상 개선에도 효과적이다.
▶생태공학적 중수도 기술
중수도는 이미 사용한 물을 한번 정화해 재사용하는 것으로서 수자원의 절약과 오염 부하량 저감이라는 의미를 가지고 있다.
공장, 호텔, 백화점 등의 대형건축물을 중심으로 잡배수를 처리해 화장실 세정수, 청소용수, 조경용수로 이용하고 있다. 기존의 오수처리기술을 발전시킨 생물학적 처리와 함께 물리화학적 고도처리 방법이 사용되고 있는데, 최근에는 여과막을 이용한 기술이 적용되고 있다. 인공습지의 수처리 기능을 극대화시켜 수생식물과 미생물의 상호작용을 이용해 재이용수를 생산해 내는 기술이다.
이러한 기술은 온실 속에 고효율 인공습지를 조성해 더러운 물을 깨끗하게 정화하여 재이용수를 생산한다. 온실내의 상승온도와 증발잠열을 이용해 에너지를 회수, 난방, 급탕에 이용하고 온실내부는 주민들의 휴식공간으로 이용하는 일석 삼조의 친환경 미래 생태기술로서 기대를 모으고 있다.