점오염원 질소관리 정책강화 타당성 평가

안종호,한대호,조주혜,김수빈,이상민 한국환경정책평가연구원 2018 기본연구보고서 Vol.2018 No.-

질소(nitrogen)는 대기, 육상, 물, 생태계를 통해 순환한다. 특히 수중에 질소 농도가 증가하면 녹조, 적조 등의 부영양화를 일으켜 수질이 악화되고 사람 및 수생태계에 독소를 유발하고 어류폐사의 원인이 되기도 하며, 이로 인한 정수 및 하수 처리 비용을 증가시키는 등의 사회·경제적인 문제로 이어져 질소처리에 대한 관리가 중요하다. 특히, 다양한 국외의 연구 결과를 살펴보면 인(phosphorus)과 함께 질소 관리가 병행되어야 녹조 및 남조류의 증식을 궁극적으로 제어 할 수 있음을 제시하고 있으나, 국내 공공수역의 수질관리 정책은 녹조 발생 및 부영양화를 제어하기 위한 주요 제한요소로서 인 농도 위주의 관리가 추진되어 왔으며, 이에 따라 질소 관리는 다소 소극적이었다. 최근의 국가 계획 및 관련 정책연구를 살펴보면 「2050 하수도 정책비전 마련을 위한 연구(2012)」, 「하수처리시설 시설기준 선진화 계획수립연구(2013)」, 「공공수역 영양물질 오염도 평가 및 관리 로드맵 마련연구 (2014)」, 『제2차 국가하수도종합계획(2015)』, 「대권역 물환경관리계획 수립연구(2017)」 등에서 질소관리 정책강화의 필요성과 강화방안 등을 제시하고 있으나 실질적인 이행이 이루어지지 못하고 있는 상황이다.국내의 질소 배출특성을 파악하기 위해 기존의 질소 물질수지 연구 결과와 『대권역 물환경관리계획(2017)』의 조사 자료를 바탕으로 국내 질소 유입량과 배출량 현황을 확인하였다. 2014년 기준 국내의 연간 질소 유입, 유출량은 각각 602만톤, 136만톤으로, 유출량 중 대기 배출이 59.8%로 가장 크고, 그 다음으로 하천 및 해양으로 배출되는 질소의 양이 12.0%를 차지하였다. 하천으로 배출되는 질소량 중에는 도시의 하수처리 및 비점오염원에서 배출되는 양이 전체의 36.7%를 차지하고 있어 중점 관리가 필요함을 보였다. 오염원별 질소 배출부하량을 살펴보면 토지계의 배출양이 가장 높고, 다음으로 생활계, 축산계, 산업계 순으로 조사되었다. 특히, 토지계는 대부분 비점오염원의 형태로 발생하며, 생활계는 점오염원이 대부분을 차지하고 있어 각 오염원 특성에 맞는 관리가 필요한 것으로 나타났다.전국오염원조사자료(’15년 기준)를 활용하여 점오염원에서 배출되는 질소부하량 분포특성을 살펴보면, 처리시설용량 500m³/일 이상의 공공하수처리시설에서 전체 질소배출량의 89.5%로 상당한 비중을 차지하고 있어 공공하수처리시설에 대한 관리가 우선적으로 시행될 필요가 있음을 나타내었다. 또한, 방류지역 별로 구분하여 살펴보면 제 Ⅲ지역에서 가장 높은 배출량을 나타내고 있으며, 공공 하·폐수처리시설에서 발생되는 전체 질소 배출량의 21%가 해안으로 직접 방류되고 있다.공공수역의 질소 오염정도를 하천과 호소, 지하수, 해양으로 구분하여 살펴보았다. 우선 호소에 마련된 총질소 환경기준을 토대로 49개의 주요 호소에 대한 평가 결과 모두 목표를 달성하지 못하는 것으로 나타나 관리 개선이 시급한 것으로 평가된다. 2007~2017년까지 수질측정망 자료를 활용하여 하천의 질소 경향을 살펴보면, OECD 회원국들과 비교하여 국내 하천의 질산성 질소 농도는 상대적으로 높으며 총질소의 오염도는 감소추세에서 최근 정체 경향을 보이고 있어 질소에 대한 지속적인 저감이 필요한 것으로 파악되었다. 이는 지류의 질소오염원관리 미흡과 함께 배출 특성에 따라 영향을 받는 것으로, 낙동강 본류구간 사례를 살펴보면 하류로 갈수록 질소농도가 높아지는 경향이 뚜렷하여 적정한 수준으로 처리가 되지 않은 오염된 지류의 유입에 기인한 것으로 파악된다.지하수에 대한 질소의 오염실태를 조사한 결과, 질산성질소의 수질기준 초과 횟수가 지속적으로 증가하는 것으로 나타나, 지표수와 수리적으로 상호 연계되어 있는 지하수의 특성을 고려하여 지표수 및 지하수 모두 질소오염원 관리가 필요함을 확인하였다. 또한 해양의 경우, 모든 점오염원 시설에서 배출되는 오염 부하 중 해안으로 직접 배출되는 부하량이 전체질소 배출부하의 22.2%에 달하며, 이는 적조의 발생에 영향을 미친다. 그러므로 유해성 적조의 발생빈도를 저감시키기 위해서 육상에서 기인된 질소오염원의 관리가 함께 수행될 필요가 있다.점오염원에서 가장 큰 질소 배출원인 공공하수처리시설 방류수의 총질소 기준은 2001년 60mg/L에서 20mg/L로 강화된 후 현재까지 유지되고 있다. 이는 2012년에 인의 기준이 10배 강화된 것과는 매우 대조적이다. 한편, 처리시설별 방류수의 질소 측정값의 누적확률 분포를 확인한 결과, 현행 방류수 수질기준에 맞추어 처리시설 운영을 최적화하고 있는 것으로 판단된다. 이에 반해 일본, 미국 등 주요 선진국의 질소 관리 규제를 살펴보면, 각 나라마다 지역특성, 기술수준, 규제제도에 따라 방류수기준이 상이하지만 공통적으로 최적기술을 도입하여 우리나라 질소기준보다는 보다 강화된 수준의 처리를 하고 있다.점오염원의 질소관리 강화의 타당성을 평가하기 위해서 낙동강 본류구간에 대해 수질모델을 통해 질소수질기준 강화 시나리오의 효과를 평가하였다. 일률적으로 총질소 농도를 10mg/L이하로 낮출 때 공공수역의 질소농도가 일부 감소하는 것으로 모의되어 점오염원의 질소규제 강화가 공공수역의 수질개선에 기여되는 것으로 나타났다. 또한 다양한 외국 사례분석을 통해 기술적으로 총질소 3~10mg/L 수준까지 처리가 가능한 것으로 평가된다. 현재 운영 중인 전체 625개 시설을 대상으로 방류수 수질기준을 총질소 15mg/L로 강화할 경우, 수질기준 초과율은 1.3%로 현재 처리 수준에서는 무리가 없으나, 10mg/L로 강화 시에는 수질기준 초과율은 24.5%로서 많은 시설의 개량이 필요한 것으로 나타났다. 수질기준이 초과된 시설에 대한 대략적인 개량비용은 최대 2조 6천억으로 추산되며, 수질민감 지역에 대해 우선 투자하는 단계별 개량을 추진하는 것이 최소 2천억 내외로 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 판단된다.현행 방류수 및 배출허용기준과 같은 규제기준을 강화하기 위해서는 크게 2개의 부문으로 구분하여 단계별로 진행될 필요가 있다. 첫째, 공공수역의 질소 환경기준에 대한 설정이 선행되어야 하며 질산성 질소 등 질소의 형태별 관리도 함께 수반되어야 한다. 이를 통해 각 수계별, 하천별 특성을 고려한 하천의 질소 목표를 설정하고 우선 관리가 필요한 중점지역을 선정하여 단계별로 질소와 인이 동시에 효과적으로 관리되도록 하여야 한다. 둘째, 점오염원 중 우선적으로 질소배출 기여도가 높은 공공하수처리장의 방류수에 대한 질소기준을 합리적으로 조정하도록 한다. 하수처리장의 방류수 기준은 공공수역의 특성과 유량, 처리시설의 기술여건을 고려하여 최적의 관리가 될 수 있도록 기준이 마련되어야 한다. 이를 위해서 동절기 및 해안 지역 등 질소처리에 영향을 미치는 다양한 요인을 검토하여 투입되는 비용을 줄이고 시설변경 및 설치를 최소화할 수 있도록 시범사업 등을 수행하여 최종적인 타당성을 검증할 필요가 있다. 또한 질소처리 강화시 발생할 수 있는 문제들을 검토하고 제거 효과를 높일 수 있는 기술과 기법이 마련되어 현장에서의 제도 순응도 향상과 조기정착을 유도할 필요가 있다.이러한 기본적인 개선방향 이외에 이미 공공수역 수질개선 및 공공하수처리장 관리 등을 위해 수행되고 있는 제도와의 연계를 통해 시너지 효과를 유도하여야 한다. 우선적으로 각 유역별 특성을 고려한 맞춤형 방류수기준이 설정 가능한 유역하수도계획과 연계하여 질소관리에 대하여 검토하고 유역하수도 사업이 실제 진행되는 곳에 적용하여 그 효과와 적용타당성을 검토하여야 한다. 또한 비점오염원에 배출되는 질소를 관리하기 위해서는 총량대상물질로 총질소를 설정하고 이미 갖춰진 질소 원단위와 부하량 산정방법을 이용하여 각 오염원별 삭감계획 마련과 저감을 활성화 하도록 해야 한다. 이와 함께 보다 최적의 기술을 마련하고 대응하기 위하여 하·폐수처리수의 재이용 부문에 대한 지속적인 연계 관리가 수행되어 보다 큰 저감이 이루어지도록 해야 한다. 폐수배출시설 등에 대한 관리를 위해서 배출영향 분석 부분과 연계하여 효과적인 질소관리와 함께 사업장별 맞춤형 질소 허가배출기준이 설정되어 관리될 필요가 있다.질소관리는 다양한 비점오염원 관리제도와 연계하여 전체적인 오염원 관리측면에서 이루어져야 하며, 점오염원에 대해서는 기초 환경시설 관리의 합리화를 기반으로 단계별 우선순위에 따라 관리가 이루어져, 최소한 총인과 같은 수준의 효과를 나타낼 수 있도록 적극적인 정책방향의 설정이 필요하다. Nitrogen circulates through the atmosphere, land, water, and ecosystems. Especially, when the concentration of nitrogen in water is increased, it causes eutrophication such as green tide and red tide, deteriorating water quality, toxins to human and aquatic ecosystem, and fish mortality. This ultimately leads to socioeconomic problems such as increasing water purification and sewage treatment costs to minimize the effect of nitrogen pollution. In particular, the previous studies show that nitrogen management together with phosphorus can ultimately control the growth of green algae and cyanobacteria. Recently, the need for strengthening of nitrogen management is presented in national plans and related policy research such as “2050 Sewer Policy Vision (2012)”, “Roadmap for Evaluating and Management of Pollutants in Public Water (2014)”, “The Second National Sewerage Comprehensive Plan (2015)”, “National Water Environment Management Plan (2017)”. However, the water quality management policy in the public waters has been promoted mainly as limiting factor for control of the occurrence of green algae and eutrophication, and thus the nitrogen management has been somewhat passive.The domestic nitrogen inflow and emission status are surveyed based on the results of the previous nitrogen mass balance study and the analysis data of the “National Water Environment Management Plan(2017)”. As of 2014, annual domestic nitrogen inflow and outflow were 602,000 tons and 1.36 million tons, respectively. The largest amount of outflow was air (59.8%), followed by nitrogen (12.0%) from rivers and the ocean. The amount of nitrogen discharged into the rivers accounted for 36.7% of the total sewage treatment and nonpoint pollution sources in the city. Nitrogen emission loads by pollutant sources are highest in the land area, followed by living system, livestock, and industry. Especially, the land system is mostly nonpoint pollution source, and most of the point pollution source is in the living system, and it is necessary to manage according to the characteristics of each source.Nitrogen emission from point pollution sources was identified using national pollution survey data ('15). The public sewage treatment facilities with a capacity of 500m³/day or more accounted for 89.5% of total nitrogen emissions, indicating that management of public sewage treatment facilities needs to be implemented first. In addition, by discharge region, it shows the highest amount of emissions in Region III, and 21% of the total nitrogen emissions from the public and wastewater treatment facilities were directly discharged to the coast.Nitrogen contamination is investigated in public waters such as river, lake, groundwater, and ocean. First, based on the total nitrogen standard set at the lake, it is estimated that 49 major lakes are not achieving all of the targets, so management improvement is urgent. Compared with OECD member countries, the nitrate concentration of domestic rivers is relatively high and the pollution degree of total nitrogen is showing a tendency to stagnate recently from decline trend, so it is necessary to continuously reduce nitrogen pollution. This is due to the insufficient management of the nitrogen source of tributaries and the influence of the emission characteristics. In the mainstream section of the Nakdong River, it is evident that the nitrogen concentration tends to increase toward the downstream, which is due to the influx of polluted tributaries.It was also found that the number of exceeding the water quality standard of nitrate nitrogen continuously increased, and it is necessary to manage the source of nitrogen pollution in both surface and groundwater considering the characteristics of groundwater interacting with the surface water respectively. In the case of the ocean, the pollutant load discharged from all point source facilities directly to the coast is 22.2% of the total nitrogen discharge load, which affects the occurrence of red tide. Therefore, it is necessary to manage the source of nitrogen pollution originating from the land to reduce the incidence of hazardous red tides.The total nitrogen standard of effluent discharged from the public sewage treatment facility, which is the largest source of nitrogen in point pollution sources, has been strengthened from 60mg/L to 20mg/L in 2001 and is maintained until now. This is in stark contrast to the ten-fold increase in the standard of phosphorus beings in 2012. On the other hand, the cumulative probability distribution of nitrogen measured values of effluent water according to the treatment facilities was confirmed that the operation of the treatment plant is optimized in accordance with the water quality standard of the effluent water. On the other hand, according to the regulations of nitrogen control in major industrial countries such as Japan and USA, the discharge standards are different according to regional characteristics, technology level, and regulatory system in each country but by introducing best available technology in common.In order to evaluate the feasibility of reinforcing nitrogen management of point pollution sources, we evaluated the effect of strengthening scenarios of nitrogen quality standard in the main stream section of Nakdong River using water quality model. When the total nitrogen concentration was lowered to 10mg/L or less uniformly, it was concluded that the nitrogen concentration in the public waters decreased to some extent, so that the strengthening of the nitrogen regulations of the point pollution sources contributed to the improvement of the water quality in the public waters. In addition, it is estimated to be technically possible to treat up to 3~10mg/L of total nitrogen based on various case analysis. When the effluent total nitrogen standard is enforced to 15mg/L, the standard excess rate of total 625 facilities in operation is 1.3%, which is not unreasonable at present treatment level, but at 10mg/L, the water quality standard excess rate was 24.5%, suggesting that many facilities need improvement. The approximate remodeling costs for facilities exceeding water quality standards are estimated at up to 2.6 trillion won, and it is expected that the step-by-step improvement of the priority investment in the water-sensitive area can reduce the cost by at least 200 billion won.In order to strengthen the regulation standards such as current effluent and discharge allowance standards, it is necessary to divide into two strategies and proceed step by step. First, the establishment of the environmental standard of nitrogen in the public waters should be preceded and the management of the nitrogen type such as nitrate nitrogen should be accompanied. It is necessary to set the nitrogen target of the stream considering the characteristics of each water system and stream, and to select the key areas requiring priority management, so that the nitrogen and phosphorous are managed effectively together. Second, the nitrogen standard for the effluent of the public sewage treatment plant, which has a high contribution to nitrogen emission, should be rationally adjusted among the point pollution sources. The criteria for the effluent standards of the sewage treatment plant should be set up to ensure optimum management considering the characteristics of the public waters, the flow rate, and the technical conditions of the treatment facilities. To do this, it is necessary to examine the various factors influencing nitrogen treatment, such as winter season and coastal area, to verify the final feasibility by carrying out a pilot project to reduce the input cost and minimize the facility change and installation. In addition, it is necessary to review the problems that may arise during the enhancement of nitrogen treatment and to provide techniques for enhancing the elimination effect, so as to improve institutional compliance and early settlement in the field.In addition to these basic improvements, synergy effects should be induced by linking with the system already being implemented to improve water quality in the public waters and to manage the public sewage treatment plant. It is necessary to examine the nitrogen management in conjunction with the watershed sewer plan that can set customized effluent standards considering the characteristics of each watershed first and apply it to the place where the watershed sewer project is actually proceeding to examine the effect and applicability. In addition, in order to manage nitrogen emitted from non-point sources, it is necessary to set the total nitrogen as the total amount of the target substance and activate the reduction plan and reduction plan for each pollutant source by using the existing nitrogen amount and load calculation method. At the same time, it is necessary to carry out continuous linkage management for reuse of the wastewater to achieve greater reduction with more optimal technologies. Effective customized nitrogen permit emission standards for each workplace need to be established and managed in conjunction with the emission impact analysis part. Finally, overall nitrogen sources should be managed in conjunction with various nonpoint source management systems. Nitrogen should be managed according to the priority of the stage based on the rationalization of the basic environmental facility management, so that at least the same level of effect as the total phosphorus can be achieved.

기체상 질소산화물을 포함한 2015-2019년도 대한민국 질소수지 연구

김현경,박성민,박재우 대한환경공학회 2023 대한환경공학회지 Vol.45 No.12

목적 : 본 논문에서는 2015년부터 2019년까지의 대한민국 질소수지를 체계적으로 이해하고, 비교 및 분석함으로써 우리나라의 연간 질소수지 경향을 파악하고자 하였다. 방법 : 질소수지는 농업 및 축산업지역, 도시지역, 임야지역으로 분류하여 산출하였다. 질소 유입은 대기로부터 침착량, 생물학적 고정량, 농업용수, 무기화학비료, 퇴비 및 사료 사용으로 인한 유입량, 생산된 농작물과 식료품 수입, 연료 사용 등에 의한 유입량을 추정하였다. 질소 유출은 탈질량, 휘발량, 지하수 유출량, 농경지 흡수량, 하수처리장 및 수계유출, 산림소비량, 질소산화물 배출량 등을 고려하여 산출하였다. 결과 및 토의 : 2015년도부터 2019년까지의 연간 총 질소수지는 6,107,449 ton/yr, 6,144,666 ton/yr, 6,245,240 ton/yr, 6,281,552 ton/yr, 5,993,347 ton/yr가 유입되었으며, 1,346,587 ton/yr, 1,369,119 ton/yr, 1,365,326 ton/yr, 1,378,941 ton/yr, 1,365,994 ton/yr가 유출되었다. 질소수지 변화에 기여도가 높은 질소산화물은 자동차, 사업장, 발전소 등에서 배출되는 질소로 모두 인간 활동이 원인이 되었으며, 매년 전체 질소수지 중 32% 이상이 질소산화물에 의한 것으로 조사되었다. 결론 : 도시화로 인한 식품 및 연료 소비량 증가로 질소수지는 2010년대에 지속적으로 증가하였다. 그러나 환경오염에 대한 인식이 점차 높아짐에 따라 배출규제와 대체재 활용 등의 노력으로 질소수지는 2019년에는 감소하였다. 따라서 질소를 효과적으로 감축하기 위해 적절한 제도의 설립과 적극적인 이행이 필요하다. Objectives : The study was aimed to systematically understand the nitrogen budget from 2015 to 2019, and to determine the annual nitrogen balance in South Korea.Methods : The nitrogen budget was calculated by classifying into agricultural and livestock, city, and forest areas. The nitrogen input was estimated from deposition, biological fixation, agricultural water, inorganic chemical fertilizer, compost, feedstuff, produced crops, imported grocery, and fuel consumption. The nitrogen output was estimated by considering denitrification, volatilization, ground water runoff, land and crop absorption, sewage disposal, drainage, forest uptake, and nitrogen oxide (NOx) emissions.Results and Discussion : The annual nitrogen budget from 2015 to 2019 showed the input as 6,107,449 ton/yr, 6,144,666 ton/yr, 6,245,240 ton/yr, 6,281,552 ton/yr, 5,993,347 ton/yr and the output as 1,346,587 ton/yr, 1,369,119 ton/yr, 1,365,327 ton/yr, 1,378,940 ton/yr, 1,365,994 ton/yr, respectively. The NOx, highly contributing to change in the nitrogen budget, was caused by human activities such as vehicles, business places, and power plants. More than 32% of the total nitrogen budget was caused by NOx in every year.Conclusion : The nitrogen budget continued to increase in the 2010s because of the increase in food and fuel consumption by urbanization. However, the nitrogen budget declined in 2019 due to the effort such as emission regulations and the use of alternatives as the awareness of environmental pollution gradually increased. Therefore, the appropriate institution should be established and actively implemented to reduce the nitrogen effectively.

SBR공법에서 HRT에 따른 질소거동 특성

이재근 ( Lee Jae-kune ),이광호 ( Lee Kwang-ho ) 한국환경기술학회 2004 한국환경기술학회지 Vol.5 No.1

본 연구는 SBR 공법에서 HRT가 8, 12, 16, 24hr으로 변화함에 따른 질소물질수지 및 질소제거의 특성을 알아내고자 수행되었다. 실험의 운전 조건은 SRT 17.5일, 1-cycle 운전시간 4, 6, 8, 12hr, COD 부하 0.4 kgCOD_Cr/m3 /day, 질소 유입율 166.5~177.0 mg/cycle 이었다. SBR 공정에서 침전 후 배출되는 유출수의 주요 구성성분은 NO₃^--N로 약 90%를 차지하고 있었으며, 총 질소함유량은 HRT 증가에 따라 70.0, 56.9, 52.5 69.4 mg/cycle 이었으며, 질소 제거율은 58.0 67.3, 70.0, 58.7%로 변화하였다. 슬러지 폐기로 인하여 제거된 질소의 양은 21.4, 21.9, 23.8, 22.6 mgN_waste/cycle로 HRT에 따른 영향을 받지 않았다. 탈질로 인하여 제거된 질소의 양은 70.5, 95.0, 91.0 그리고 63.5 mgN/cycle를 나타냈다. 배출수의 질소, 폐슬러지로 제거된 질소, 그리고 탈질로 제거된 질소의 합으로 계산된 질소 물질수지는 유입질소의 97.2, 98.7, 95.5, 92.6%로 양호한 값을 나타냈다. This study has investigated the characteristics of nitrogen mass balance and nitrogen removal ratio as HRT (Hydraulic Retention Time) changes at the rate of 8, 12, 16, and 24 hour in the SBR (Sequencing Batch Reactor) process. This study conducted the operation under the following conditions: SRT (Sludge Retention Time), 17.5 days; 1 cycle operating time, 4, 6, 8, and 12 hour; COD load, 0.4 kg COD_Cr/㎥/day; and nitrogen input rate, 166.5~177.0 mg/cycle. Nitrogen mass clarified at settle mode was 70.0, 56.9, 52.5, and 69.4 mg/cycle, consisting of NO₃^--N (about 90%), and the nitrogen removal ratio was changed 58.0, 67.3, 70.0, and 58.7% at the above rate of HRT variation respectively. During the above SBR process, Nitrogen mass included in wasted sludge was as follows respectively: 22.3, 23.0, 23.7, and 22.7 mgN_waste/cycle. This result means HRT change did not affect nitrogen removal. Nitrogen mass removed through denitrification was 70.5, 95.0, 91.0, and 63.5 mgN/cycle while HRT increased. Nitrogen mass balance calculated through the sum of nitrogen included in clarified water, wasted nitrogen included in sludge, and denitrificated nitrogen was 97.8, 96.8, 95.4, and 92.6% compare with input nitrogen mass.

2005년 대한민국 질소 유입 및 유출 수지

윤동민(Dong Min Yun),박신형(Sin Hyung Park),박재우(Jae Woo Park) 大韓環境工學會 2008 대한환경공학회지 Vol.30 No.1

본 연구에서는 기존의 질소 수지에 관한 연구를 바탕으로, 우리나라의 2005년 질소의 총 유입과 유출을 수지분석 방법을 이용하여 추정하였다. 전체의 양을 정확히 추정하는 것은 불가능하지만 사용할 수 있는 데이터 수치를 활용하여 대략적인 질소의 유·출입의 양을 산출하였다. 주요 질소 흐름을 도시계, 농·축산지역, 임야의 세 부분으로 나누어 그 양을 각각 산정하였으며, 질소의 주요 유입으로는 화학적, 생물학적 질소 고정, 건식 및 습식 침착량, 해외로부터 수입된 양 등이 있으며, 유출된 양은 작물흡수, 휘발, 탈질, 침식, 표면유출, 산림소비, 질소산화물(NOx) 소비량 등으로 결정하고 그 양을 추정하였다. 그 외 추정 불 가능한 비점오염원에 의한 오염량을 물질 수지 분석방법으로 양을 추정하였다. 연간 질소의 총 유입량은 1,442,254 ton·yr-1이며, 총유출량은 814,415 ton·yr-1 이었다. 질소 수지 분석하여 연간 발생한 비점오염원의 양을 추정해본 결과 유입질소의 19.4%정도의 질소가 강 또는 바다에 흘러들었다. 유사한 시도로서는 가장 최근에 이루어진 2002년도에 연구되었던 질소 유입량에 비해서 21% 많은 양으로 조사되었으며, 특히 정부 정책의 변화가 질소 수지에 영향을 미쳐 유출분야에서는 매립에 의한 질소량이 전체 유출 질소량의 20%에서 1% 미만으로 줄어들었다. Nitrogen budgets in Korea in 2005 were estimated using a mass balance approach. Major nitrogen fluxes were divided into three sections: cities, agricultural area, and forest. Nitrogen inputs were chemical and biological fixation, dry and wet deposition, imported food and feed, while crop uptake, volatilization, denitrification, leaching, runoff, and forest consumption were nitrogen outputs. Non-point source(NPS) pollution budgets were also estimated by mass balance approach. Annual total nitrogen inputs budgets were 1,442,254 ton·yr-1, and outputs were 814,415 ton·yr-1. Approximately 19.4% of nitrogen input leaked to river and seawater as NPS pollution. It contains nitrogen input 21 percent more than the previous research in 2002. Especially the change of government plans affect nitrogen budget. As a result, in the output field, the whole nitrogen amount due to landfill reduce from 20 percent to less than 1 percent.

2008년도 대한민국 질소수지 연구

남역현(Yock Hyoun Nam),안상우(Sang Woo An),박재우(Jae Woo Park) 大韓環境工學會 2011 대한환경공학회지 Vol.33 No.2

본 연구에서는 기존의 질소 수지에 관한 연구를 바탕으로, 우리나라의 2008년 질소의 총 유입과 유출을 수지분석 방법을 이용하여 추정하였다. 질소의 유·출입은 도시지역, 농·축산지역, 임야지역의 세부분으로 나누어 산출하였다. 질소의 주요 유입으로는 화학적, 생물학적 질소고정, 건식 및 습식 침착량, 해외로부터 수입된 양 등이 있으며, 유출된 양은 작물흡수, 휘발, 탈질, 침식, 표면유출, 산림소비 등으로 결정하고 그 양을 추정하였다. 연간 질소의 총 유입량은 1,294,155 ton/yr이며, 총 유출량은 632,228 ton/yr이었다. 질소수지를 기존의 2005년 질소 수지와 상호 비교 및 분석한 결과, 2008년도에 총 유입된 질소는 2005년 질소유입 보다 1.9% 저감된 것으로 조사되었다. 총 유입 질소의 감소는 질소비료 사용량 감소, 국토 개발, 경작지 감소 등으로 인한 결과이며 총 유출 질소는 6.3% 감소하였다. 질소 수지 분석에 의한 연간 발생한 비점오염의 양을 추정해본 결과, 2005년도에 연구되었던 질소 수지량에 비해서 22% 증가한 것으로 조사되었다. 탈질로부터 아산화질소 배출량을 산정 하였는데, 농업지역과 하수처리장에서 약 8,289 ton/yr이 배출되었다. The main objective of this research was to estimate Nitrogen budget of South Korea in 2008. Input-output budgets for nitrogen fluxes were categorized into three sections: cities, agricultural area, and forest. Chemical and biological fixation, dry and wet deposition, imported food and feed were used as the nitrogen input. Crop uptake, volatilization, denitrification, leaching, runoff, and forest consumption were used as the nitrogen outputs. Annual total nitrogen input was 1,294,155 ton/yr, and output was 632,228 ton/yr. Comparison with a previous research in 2005 indicates that nitrogen input was decreased by 1.9% due to the decrease in nitrogen fertilizer while nitrogen output was decreased by 6.3%. Non-point source (NPS) pollution was also estimated by mass balance approach, which increased by 22% than the previous research in 2005. The emission of nitrous oxide (N2O) caused by denitrification was newly examined in this research. About 8,289 ton/yr of N2O was released from agriculture area and domestic wastewater treatment plant.

Leclercia Adecarboxylata를 이용한 합성폐수의 암모니아성질소 제거특성 및 질소거동

이현희(Hyun Hee Lee),배재근(Chae Gun Phae) 大韓環境工學會 2007 대한환경공학회지 Vol.29 No.4

본 연구에서는 고농도 암모니아성질소로 오염된 고체배지로부터 분리해 낸 Leclercia adecarboxylata를 이용하여 암모니아성질소의 제거특성 및 기작을 파악하여 폐수처리의 적용가능성에 대해 살펴보았다. 질소제거에 있어서 가장 널리 알려진 생물학적 질산화와 후탈질에 의한 질소의 대기로의 방출이 아닌 질소합성균주를 이용한 질소의 체내합성을 이용한 영양물질의 제거 가능성에 대해 접근해 보았다. L. adecarboxylata는 무염분조건에서 암모니아성질소의 제거와 균체증식이 가장 왕성했으나, 염분이 4%를 넘어서게 되면 그 효율은 급격히 저하되었다. 약 80 mg/L의 암모니아성질소는 20시간 이내에 거의 대부분 제거되었으나, 500 mg/L인 시료는 탄소원의 부족으로 인해 50시간 이상 처리후에도 50%의 제거율에도 미치지 못해 탄소원이 많을수록 질소제거율은 높음을 알 수 있었다. 탄소원이 모두 소모되고 난 이후에는 더 이상 질소제거는 이루어지지 않았으나, 탄소원을 추가로 공급했을 때 제거효율은 다시 증가했다. 시료의 pH는 미생물의 증식에 의해 8에서 6.36까지 감소했다. 암모니아성질소가 제거되는 동안 아질산성질소와 질산성질소의 축적은 일어나지 않았고, TKN값은 큰 차이를 보이지 않은 것으로 미루어 볼 때 유기질소로의 합성을 추측할 수 있었다. 유기질소 중 단백질의 농도를 측정해 본 결과 초기시료에서는 불검출 되었으나, 48시간 경과후의 시료에는 193.1 mg/L의 단백질이 검출 되었다. 따라서 L. adecarboxylata는 암모니아성질소를 유기질소로 합성하는 능력이 탁월하여 폐수중의 암모니아성질소의 제거에 이용가치가 클 것으로 판단된다. In this study, the removal characteristic of ammonia nitrogen and behavior of nitrogen was investigated using Leclercia adecarboxylata, which was derived from the culture contaminated by ammonia nitrogen of high concentration. The method of ammonia nitrogen removal was not biological nitrification and denitrification but elimination of nutrient salt with internal synthesis of microorganisms which use ammonia nitrogen as substrate. L. adecarboxylata(one of ammonia synthesis microorganisms) was highly activated and showed the most high removal efficiency in free salt condition but the removal efficiency decreased badly in salt concentration of more than 4%. About 80 mg/L of NH₃-N was mostly removed within 20 hours and 500 mg/L of NH₃-N showed less then removal efficiency of 50% because carbon source was not enough. However, ammonium nitrogen concentration was decreased again when the carbon source was inserted additionally thus, ammonium nitrogen removal efficiency by L. adecarboxylata was related to amount of carbon source. pH decreased from 8.0 to 6.36 according to growth of L. adecarboxylata. Concentration of nitrite nitrogen and nitrate nitrogen did not increase and TKN concentration showed no variation while ammonia nitrogen was removed by L. adecarboxylata. In addition to, when content of protein in organic nitrogen was measured, protein was not detected at the beginning of microorganism synthesis but protein of 193.1 mg/L was detected after 48 hours. Hence, ammonium nitrogen was not decomposed as nitrate nitrogen and nitrite nitrogen but synthesized by L. adecarboxylata, which has excellent ability of nitrogen synthesis and can threat ammonia nitrogen of high concentration in wastewater.

2010년도 대한민국 농업 및 축산업지역의 질소 유입 및 유출 수지

남역현(Yock Hyun Nam),안상우(Sang Woo An),정명숙(Myung Sook Jung),박재우(Jae Woo Park) 大韓環境工學會 2012 대한환경공학회지 Vol.34 No.3

본 연구에서는 농업 및 축산업에서의 질소수지 경향을 파악하며 총 유입되는 질소량을 고려한 아산화질소(N2O) 발생량을 지자체별로 평가하였다. 농업지역은 경작이 이뤄지는 논과 밭으로 세분화 하였으며 축산업지역은 축산업종을 대상으로 구분하였다. 질소의 주요 유입으로는 작물생산을 위한 질소질 화학비료에 의한 토양 내 유입량, 건식 및 습식을 포함한 대기로부터의 질소 침착량, 질소고정 박테리아에 의한 생물학적 질소 고정량, 미처리된 가축분뇨에 의한 유입 및 퇴비로의 재사용량, 관개용수에 의한 토양으로 질소 유입, 가축사료를 통한 유입이 있으며, 유출된 양은 연간 생산된 농작물 내의 질소함유량, 농경지 작물 질소 흡수량, 질소질 화학비료 사용량에 따른 토양에서의 탈질량과 휘발량, 지하수 유출량, 가축 분뇨 발생량 중 휘발되거나 탈질되는 양, 퇴비로 재사용된 양, 가축분뇨 해양투기에 의한 유출로 결정하고 그 양을 추정하였다. 연간 질소의 총 유입량은 1,148,848 N ton/yr이며, 총 유출량은 610,380 N ton/yr이었다. 2005, 2008, 2010년 질소 수지를 비교 및 분석한 결과, 2010년 총 유입된 질소는 2005년 질소유입 보다 238,654 N ton/yr이 저감된 것으로 조사되었다. 총 유입 질소의 감소는 질소질 화학 비료, 논의 밭 전환, 경지면적의 도로건설 및 도시확장 등으로 인한 결과이며 총 유출 질소는 237,407 N ton/yr이 감소하였다. 총 유입되는 질소량을 고려한 N2O발생량 지자체별 평가에서 전라남도가 2,574 ton/yr로 N2O 배출량이 가장 높으며, 서울이 7 ton/yr로 가장 낮다. The objectives of this research were to estimate nitrogen budgets in agriculture and livestock in 2010, and to evaluate nitrous oxide (N2O) emission by a local government. Input-output budgets for nitrogen were categorized into two sections including agriculture and livestock. Fertilizer, deposition, fixation, compost, irrigation, and feed were used as the nitrogen inputs while crop production, crop uptake, denitrification, volatilization, leaching, compost, and ocean disposal were used as the nitrogen outputs. Annual nitrogen input and output for agriculture and livestock were 1,148,848 N ton/yr and 610,380 N ton/yr respectively indicating the decrease of the nitrogen input and output, compared to our previous researches in 2005 and 2008. Total nitrogen input in 16 local government was estimated resulting that N2O emission was the highest for Jeonnam (2,574 ton/yr) and the lowest for Seoul (7 ton/yr).

기체상 질소산화물을 포함한 2011년도 대한민국 질소수지 산정

신진환(Jin Hwan Shin),유채원(Chae Won Yoo),안상우(Sang Woo An),박재우(Jae Woo Park) 大韓環境工學會 2014 대한환경공학회지 Vol.36 No.2

본 논문에서는 2011년도 대한민국에서 발생된 질소수지에 관한 연구에 기존 연구에서는 포함되지 않았던 질소산화물(NOx)의 발생량을 포함하여 추정하였다. 질소산화물의 발생원은 IPCC와 EPA보고서에 의해 배출되는 기여율이 높은 항목을 참고하여 자동차, 사업장, 발전소에 관해 산정하였다. 이외 질소수지연구는 발생원에 따라 도시지역과 농경지 및 축산업지역, 임야지역으로 구분하였으며, 질소(N)의 유입과 유출에 초점을 맞추어 시도별로 연구하였다. 질소의 유입에 대해서는 농경지의 비료에 의한 질소유입량과 생물학적 고정량, 대기침착량, 관개용수에 의한 유입량, 화학비료에 의한 질소발생량, 축산업지역에서의 사료에 의한 유입량, 임야지역의 고정 및 침착량, 도시에서 식료품 수입에 의한 질소발생량, 당 해에 생산된 농작물이 도시지역으로 유입되어 발생하는 질소량, 자동차와 발전소, 사업장에서 사용된 연료에 의한 질소발생량을 추정하였으며, 유출로는 작물에 의한 흡수량과 탈질량, 지하수로의 유출되어 발생하는 양, 가축분뇨의 해양투기, 농경지에서 흡수되는 양, 임야에서 흡수 및 탈질량, 도시에서 해양투기되는 양과 탈질량, 연료의 연소과정에서 배출되는 질소산화물을 대상으로 하였다. 질소산화물을 제외한 2011년 유입량은 1,692,648 ton/yr로 나타났으며, 유출은 1,005,496 ton/yr로 산정되었다. 질소산화물의발생량은 자동차로 인해 308,207 ton/yr 생성되었으며, 발전소에서는 601,437 ton/yr, 사업장에서는 469,946 ton/yr이 배출된 것으로 산정되었다. 따라서 질소산화물을 포함한 2011년도 총 질소수지는 5,652,366 ton/yr 유입되었고 1,425,371 ton/yr이 유출된 것으로 산정되었다. The present study estimated nitrogen budget of South Korea including nitrogen oxides (NOx) in 2011. Emission sources of NOx were calculated with the higher contributors, such as vehicles, businesses, power plants, based on the IPCC and EPA reports. Moreover, nitrogen budget was separated for city, agriculture livestock and forest. Input and output were chemical fertilizer, crop uptake, fixation, irrigation, compost, leaching, volatilization, imported food, denitrification, runoff, and so on. Annual nitrogen input were 1,692,650 ton/yr and output were 837,739 ton/yr which were increased from 2010 budget. In 2011, NOx emissions by vehicles, power plants, and businesses were 308,207 ton/yr, 601,437 ton/yr, and 469,946 ton/yr, respectively. Including nitrogen oxide, total nitrogen input and output in 2011 was calculated as 5,652,366 ton/yr and 1,425,371 ton/yr, respectively.

염분 스트레스에 대한 식물의 반응과 질소의 영향

이원제(Won Je Le),이호정(Hojoung Lee) 고려대학교 생명자원연구소 2022 생명자원연구 Vol.30 No.-

전 세계적으로 100여 개국의 경작지 1,100억 헥타르가 급격한 기후 변화로 인해 토양 염분화의 영향을 받는다. 다양한 비생물학적 스트레스 중에서 염분과 가뭄 스트레스는 전 세계적으로 작물 생산량의 현저한 감소를 일으키는 주요한 원인이다. 21세기에는 경작지의 50%가 토양 염분화의 영향을 받을 것이라는 예측도 있다. 작물의 염분 스트레스를 완화하고 생산을 더욱 증가시키기 위해서는 식물염분 스트레스와 관련된 다양한 생리적 현상과 관련된 메커니즘이 분자 수준에서 밝혀져야 한다. 또한 식물은 유동성을 가지고 있지 않기 때문에 주어진 환경에서 성공적인 성장 및 발달을 하기 위해서는 질소, 인, 칼륨과 같은 거대 영양소뿐만 아니라 철, 망간, 아연과 같은 미세 영양소를 포함한 다양한 영양소가 필요하다. 이러한 토양 영양소의 대부분은 광범위한 식물의 지하 뿌리 시스템을 통해 식물체 내로 흡수된다. 특히, 질소는 식물 생장과 작물 생산성을 위한 필수적인 거대 영양소 중 하나이다. 식물은 불균형한 질소 조건에 적응하기 위해 다양한 메커니즘을 진화 시켰다. 그러나 식물은 직접 대기 중의 질소를 고정하여 흡수 할 수 없기 때문에 뿌리 주변의 질소 고정 관련 박테리아의 도움으로 질산염을 흡수한다. 식량 자원에 대한 수요 증가를 충족시키기 위해, 합성 질소 비료가 개발되기 시작하면서 작물에 공급되는 많은 양의 합성 질소 비료가 급격히 증가하여 작물 수확량이 크게 증가했다. 그러나 토양에 퇴적된 질산염의 대부분은 식물에 의해 흡수되지 않고 주변 환경으로 퍼져 나가 심각한 환경 및 생태 오염으로 이어진다. 따라서 질산염 흡수, 동화 및 그들의 이용 메커니즘에 대한 심층적인 이해와 관련된 조절 유전자의 식별은 농작물의 질소 이용 효율 (NUE)를 개선하기 위한 핵심 전제조건이 되고, 결과적으로 농업 안정성을 유지하는 데 매우 중요하다. Around the world, 110 billion hectares of cultivated land in more than 100 countries are affected by soil salinity due to rapid climate change. Salinity and drought stress among various abiotic stresses are the main causes of significant decrease in crop production worldwide. In the 21st century, there are also predictions that 50% of the arable land will be affected by soil salinity. To alleviate the salt stress of crops and further increase production, mechanisms related to various physiological phenomena related to plant salt stress should be identified at the molecular level. In addition, plants can not move, so in order to successfully grow and develop in a given environment, various nutrients including micronutrients such as iron, manganese, and zinc are needed as well as large nutrients such as nitrogen, phosphorus and potassium. Most of these soil nutrients are absorbed into the plant body through the underground root system of a wide range of plants. In particular, nitrogen is one of the essential macronutrients for plant growth and crop productivity. Plants evolved various mechanisms to adapt to unbalanced nitrogen conditions. However, plants absorb nitrates with the help of nitrogen-fixing-related bacteria around their roots, as they cannot absorb nitrogen directly from the atmosphere. To meet the growing demand for food resources, the large amount of synthetic nitrogen fertilizer supplied to crops increased dramatically as synthetic nitrogen fertilizers began to be developed, resulting in a significant increase in crop yields. However, most of the nitrates deposited in the soil are not absorbed by plants but spread to the surrounding environment, leading to serious environmental and ecological pollution. Thus, identification of regulatory genes associated with in-depth understanding of nitrate absorption, assimilation and their use mechanisms is a key prerequisite for improving nitrogen use efficiency (NUE) in crops, and consequently is critical for maintaining agricultural stability.

유화연료유의 유화제로써 사용되는 돈뇨 중 질소의 제거

이혜성,김춘식,김용진 한국도시환경학회 2020 한국도시환경학회지 Vol.20 No.1

석유대체연료유 중 하나인 유화연료유는 연료와 유화제를 혼합한 물을 첨가하여 안정된 콜로이드용액으로 만들어지는연료이다. 유화연료유는 연소효율 증가 및 대기오염물질 억제의 효과를 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 돈뇨 중 질소의대부분을 차지하는 암모니아성 질소는 유화연료유의 연소 시, 질소산화물로 전환된다. 본 연구에서는 질소산화물 발생 저감을 위하여 질소함량을 낮춘 개량돈뇨를 제조하고자 하였다. 영향 인자에 대한 신속한 판단과 연속식 실험 결과에 대한기초자료를 제공하기 위하여 회분식 실험을 실시하였다. 회분식 실험 수행 결과, 암모니아성 질소의 탈기에 있어 pH가가장 큰 영향인자인 것으로 나타났다. 연속식 실험에서는 총 질소의 약 8%가 감소하였고 순환식 실험에서는 40분(20회순환)동안 총 질소의 약 9.5%가 감소하였다. 유화연료유 중 돈뇨의 질소가 연소과정에서 모두 NO2로 산화된다고 가정한다면, 개량돈뇨를 사용함으로써 대기로 배출되는 NO2의 발생량 또한 저감시킬 수 있을 것으로 판단되었다. Emulsion fuel, one of substitute energy for petroleum is a fuel made of a stable colloidal solution by adding water mixed with emulsifier to fuel. Emulsion fuel is known to have effects of increasing combustion efficiency and suppressing air pollutants. Ammonia nitrogen, which makes up the majority of nitrogen in pig urine is converted to nitrogen oxides upon combustion of emulsion fuel. The purpose of this study was to produce improved urine with low nitrogen content in order to reduce nitrogen oxides. Batch experiment was conducted to provide a quick judgment on the influencing factors and to provide basic data on the results of the continuous experiment. As a result of the batch experiment, it was found that pH was the most important factor in the air stripping of ammonia nitrogen. In the continuous experiments, about 8% of the total nitrogen decreased, and in the cyclic experiments, about 9.5% of the total nitrogen decreased during 40 minutes (20 cycles). Assuming that the nitrogen from pig urine in emulsion fuel is all oxidized to NO2 during the combustion process, it was determined that the amount of NO2 released to the atmosphere could be reduced by using the improved pig urine.