1. 서 론

산업화로 인한 국내 도시의 발전은 다양한 환경 문제를 야기하고 있다. 대두되는 문제로는 CO₂ 배출, 열섬현상, 침수 및 가뭄, 비점오염 관리 부족으로 인한 높은 오염부하량의 강우 유출수 등이 있다. 뿐만 아닌 기후 변화는 이러한 도시 내 문제를 극대화 시킴으로 인류의 지속가능성에 위협이 되고 있다. 세계적으로 온실가스에서 배출되는 탄소를 저감하기 위하여 파리 협정을 2015년도에 체결하였다. 파리 협정에서는 1.5°C로 제한하기 위한 노력을 2020년부터 이행하고 있다(UN, 2015). 2024년도 기준으로 지구 평균 온도는 지속적인 산업화로 인하여 약 1.1°C 상승하였을 뿐만 아니라 가속화되고 있다. 2100년까지의 온실 가스 배출로 인한 기온 상승을 최대 5.7°C까지 보고 있다(Lee et al., 2024). 이후 국내에서는 이를 대응하고자 2050 탄소 중립 정책을 제안하였으며 배출되는 온실가스 중에서 가장 큰 문제를 이산화탄소로 판단하였다. 탄소 중립 정책에서는 5가지 기본 방향을 제시하였다. 해당 연구에서는 5가지 방향 중 탄소 흡수 수단 강화에 초점을 맞춘 연구를 진행하고자 하였다(Presidential Commission on Carbon Neutrality and Green Growth, 2020). 도심 내 녹지공간을 조성하여 인근 주민들에게 주변 도로, 주차장, 건물과 같은 제공함에 따라 편이성을 제공하는 동시에 경관성과 생태성을 공급하고 있다(Yu et al., 2015). 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지로 이루어진 인공 습지를 조성하였다. 해당 습지에서의 총 탄소를 측정하기 위해서 토양 내 유기탄소 (Soil Organic Carbon) 과 식생 탄소(biomass)를 측정하였다. 식물을 생육하기 위해 토양, 함수량, 양분과 같은 토양 특성과 기온, 습도, 바람과 같은 기후특성을 파악하고 있어야 된다(Choi et al., 2016; Choi, 2017). 이를 통해 인공습지를 통한 탄소 저장양을 파악하고 관리하였을 뿐만 아니라 2006~2021년 기간 내의 미생물 배출량으로 인한 원인 중 하나로 지적받았다(Stein, 2024). 해당 인공 습지를 조성하고 운전함에 따라 저장된 탄소의 양을 확인하였을 뿐만 아니라 추가적인 선행 연구를 통하여 다른 식생을 적용하였을 경우에서 해당 습지로 저장되는 탄소의 양을 파악하였다.

2. 연구방법

2.1 인공 습지

교내 연구를 위한 인공습지를 설치하였다. 해당 인공습지는 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지, 두 모듈로 이루어져 있으며 지속적인 운전을 위하여 인근 G시 내 위치한 하수처리장에서 방류수를 공급받아 유입시켰다. 교내 인공 습지 내 두 모듈에 습지 생태계를 참고하여 각각 다른 식생을 각각 1 m² 당 16주 식재하였다.

하수처리장은 III 지역에 위치하였으며 해당 하수처리장 부지면적은 129,819 m²이며 설계용량은 50,000 m³/day이다. 해당 하수처리장에서 사용하는 처리방법은 CNR, MLE 그리고 I2 공법을 사용하여 하수처리장 내 유입수를 처리하였다(Hong and Gil, 2024). 교내 연구를 위하여 설치한 습지 내 탄소를 두 종류로 분류하여 측정하였다. 토양 내 탄소를 측정하는 SOC (Soil Organic Carbon)과 식생 탄소(Biomass)를 측정하였다. Fig.1은 교내 인공 습지의 사진이다.

Fig. 1.

Photo of CW

2.2 습지 내 SOC 측정

토양 내 축적되는 탄소량을 세심한 관찰하기 위하여 IPCC에서 제안한 월1회 측정이 아닌 2주1회 측정을 진행하였다. 토양 내 탄소 측정을 위해 Walkley-Black법 중 적정법을 사용하여 측정하였다(De Coninck and Revi, 2006; Kim, 2024).

수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지에서 토양 시료를 채취하여 120°C에서 12시간 건조를 시킴으로 충분히 수분 제거하고자 하였다. 이후 건조된 시료 1 g을 플라스크에 넣은 후 0.5 M 의 K₂Cr₂O₇ 10 ml를 넣어 1분 동안 강하게 흔들어 토양 시료를 녹인 뒤 흄후드에서 30분을 방치한다. 시간이 지난 후 각 플라스크에 증류수 200 ml를 넣은 후 여과를 하여 불순물을 제거하여 적정 시 오류를 줄이고자 하였다. 이후 페난트롤린 - 페로스 콤플렉스 지시약을 3~4방울 투입하여 육안관찰을 용이하게 한 후 FeSO₄ 수용액으로 적정을 하였다(Kim, 2024).

Walkley-Black 적정법을 사용하여 SOC를 측정한 계산은 다음 Eq. (1)과 같다.

Vblank:바탕시료(blank) 적정에 사용된 FeSO₄ 수용액의 양, mL

Vsample:측정 대상 시료의 적정에 사용된 FeSO₄ 수용액의 양, mL

MFe2+:FeSO₄ 용액의 몰 농도

W :시료 무게(g)

mcf:moisture correction factor

f:correction factor

0.003: carbon oxidised =12gC mole ×1 mole K2Cr2O76 moles FeSO4×3 moles C2 moles K2Cr2O7×1L1000mL

2.3 인공 습지 내 바이오매스 측정

교내 인공 습지 내 식생 식재 계획를 수립함에 있어 2002년도 국토교통부에서 작성한 조경 설계를 참고하였다. 이에 따라 수직형흐름 습지에서는 Typha orientali C와 수평흐름형 습지에 Phragmite australis을 동일하게 1 m² 당 16주로 산정하여 각 모듈당 40주를 식재하였다(MOLIT, 2002). 수직 흐름형 습지와 수평 흐름형 습지에 식재를 달리하였다. 이는 습지 인근 식생 생태계를 참고하는 동시에 이후 식생의 유사 시 교체를 위해 자생종 중 선정하였다. Typha orientali C.와 Phragmite australis는 정수 식물로 수변공간 인근에서 생육이 가능하다. Typha orientali C.은 Phragmite australis 보다 수심이 얕은 곳에 서식하기에 유입이 되는 상단인 수직흐름형 습지에 식재하였으며 Phragmite australis의 경우 수심이 깊은 위치에서도 생장하기에 수평 흐름형 습지에 식재하였다.

이에 대해서 11월 인공습지 기온이 떨어짐에 따라 인공습지 운전을 중지함에 식생을 수확하였다. 바이오매스를 측정하고자 IPCC에서 제안하는 총 건중량에서 0.5를 곱한 방법(De Coninck and Revi, 2006)을 차용하였다. 이를 위해 수확한 Typha orientali C.와 Phragmite australis를 연구실에서 일주일 이상 상온에서 건조시킨 후 무게를 측정한 뒤 0.5를 곱하여 인공습지에 식재한 식생들의 바이오매스를 측정하였다.

3. 연구결과

3.1 습지 내 바이오매스 측정

습지를 운영하는 총 기간 동안인 4~11월 동안 수직흐름형 습지 내 식재한 부들의 총 건중량은 3,660 g였다. 이를 0.5를 곱한 뒤 수직흐름형 습지 면적으로 나눔으로 1 m² 당 바이오매스량을 산정하였고 해당 값은 0.73 kg/m² 인 것을 확인 할 수 있었다. 수직흐름형 습지 내 식재한 갈대 총 건중량은 360g이었으며 해당 값에 0.5를 곱하였다. 수평흐름형 습지의 면적인 2.5 m²으로 나눠 나온 값인 0.18 kg/m²의 탄소를 저장하는 것을 확인하였다. Table 1에서 측정한 부들과 갈대의 바이오매스를 1 m²당 저장된 탄소의 양으로 환산 후 수확되는 동일한 부지 내 바이오매스를 산정하였다.

Table 2에서는 선행 논문연구를 바탕의 바이오매스를 정리한 값이다. 해당 표에서는 정리된 바이오매스는 Aster koraiensis, Sedum takesimense, Zoysia japonica와 Zizania latifolia로 표에서 단위를 변경하였다. 선행 논문연구에서는 총 36개소의 면적 28 cm×28 cm×24 cm의 포트에서 실험을 진행하였다. 식생기반재가 다른 실험구에서 각각 3개씩의 식생을 채취하였다.

해당 표에서는 교내 인공 습지에서 측정한 바이오매스의 양을 단위 면적당 연간 산정되는 바이오매스의 양과 비교하기 용이하도록 교내 인공습지와 단위를 맞추어 나타낸 표이다.

3.2 습지 내 SOC 측정

Fig. 2에서 월별 저장된 탄소의 양을 그래프로 나타내었다. P1 기간 내 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지에서는 각 모듈 당 월 평균 약 3 ton/ha 양의 탄소를 저장하는 것을 확인할 수 있었다. 4~6월(Period 1) 동안 습지를 정상적으로 운영하였으며 이후 7~9월 간의 기간 동안 습지가 탄소 배출원이라는 (Stein, 2024) 이유를 관찰하기 위해서 2달여간 운영을 중지하였다. 이후 재운전을 시작한 P2에서는 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지 모두 탄소 저장 효율이 낮아진 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 2.

Monthly carbon storage during Period 1 and Period 2

Fig. 3는 습지 운영 기간 동안 축적된 탄소량을 월별로 그린 그래프이다. P1 기간 동안 습지 토양 내 누적된 최종 탄소의 양은 수직흐름형 습지에서 9.8 kg/m², 수평흐름형 습지에서 9.91 kg/m² 탄소가 저장되는 것을 확인 할 수 있었다. Period 1 기간 동안 습지 내 토양 탄소가 꾸준히 증가하는 것을 확인 할 수 있으며 이후 습지 운전을 재가동한 기간 동안 습지 내 탄소 저장량이 미비한 것을 해당 그래프에서도 확인 할 수 있다. 해당 그래프를 확인할 경우 습지는 초기보다 이후 운전 재가동 시기에서 탄소의 저장 효율이 감소하는 것을 확인하였다. 이에 대하여 운전 시기에 효율이 탄소를 지속적으로 저장하기 위해서 안정적인 유입수 공급이 필요하다고 보고 있다(Kang, 2024).

Fig. 3.

Monthly accumulated carbon storage during wetland operation days

Fig. 4에서는 교내 인공 습지에서의 SOC와 바이오매스를 합산하여 각 수직와 수평흐름형 습지에서의 총 탄소량을 산정한 후 선행연구와 비교한 그래프이다. 수직과 수평 흐름형 습지를 기간별로 나누어 나타내었다. 해당 기간 동안 4~6월은 Period 1(P1), 9~11월은 Period 2(P2)로 나눴다. 수직 흐름형 습지에서 Period 1 동안 저장된 탄소량은 21.70 ton/ha/yr, Period 2 기간 내 저장된 탄소량은 0.88 ton/ha/yr였다. 수평흐름형 습지에서 P1 기간 동안 저장된 총 탄소량은 21.69 ton/ha/ yr였으며 P2 기간 동안 저장된 탄소의 양은 0.70 ton/ha/yr였다. P1과 P2 기간 동안의 습지 탄소 저장양은 수직흐름형 습지에서 1.06 ton/ha/yr였으며 수평흐름형 습지에서 1.43 ton/ha/ yr였다. 선행 연구에서의 탄소 저장량과 연구에 이용된 NbS를 다음 Table 3에 나타내었다. 각 NbS 시설을 확인한 결과, 같은 옥상녹화의 경우에서도 시공한 지 얼마되지 않은 지점에서의 탄소 저장량이 더 높을 것을 확인 할 수 있었으며 가장 기간이 오래된 해안 습지의 경우 Luo et al. (2015)의 논문의 옥상녹화보다 탄소 저장량이 적은 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 4.

Comparison of the cumulative amount of soil carbon in the previous study and constructed wetland

Fig. 5 and 6은 교내에 설치된 습지의 4~11월 동안의 총 탄소 저장량과 해당 습지 내 선행 연구 논문에서의 식생 바이오매스를 적용한 값으로 예측되는 총 탄소의 양을 나타낸 값이다. 교내 인공 습지에서의 수직 흐름형 습지와 수평 흐름형 습지에서 총 탄소량은 23.65 kg/ha/yr과 29.53 kg/ha/yr이었다.

Fig. 5.

Total carbon storage of VFS in constructed wetland and adapt biomass from previous study

Fig. 6.

Total carbon storage of HFS in constructed wetland and adapt biomass from previous study

이후 선행 논문을 바탕으로 해당 습지에 다른 식생을 식재 시 나타날 수 있는 효율을 산정하였다. 해당 선행 논문에서 Aster koraiensis를 식재할 경우 수직과 수평흐름형 습지에서 22.69 kg/ha/yr과 23.05 kg/ha/yr의 탄소저장이 되는 것을 확인 할 수 있었다(Lee et al., 2015). Sedum takeminese 식재 시 수직과 수평흐름형 습지에서 25.57 kg/ha/yr, 25.93 kg/ha/yr, Zoysia japonica 식재 시 23.58 kg/ha/yr, 23.92 kg/ha/yr 그리고 Zizania lafolia 식재 시 24.64 kg/ha/yr, 25.00 kg/ha/yr 가량의 탄소양이 저장되는 것을 확인할 수 있었다. 식생을 조합하여 습지 설계 시 수직 흐름형 습지에서는 Sedum takeminese를 식재하는 것이 가장 효율이 좋았으며 수평 흐름형습지에서는 Phragmite australis를 식재하는 것이 효율이 좋았음을 확인 할 수 있다.

3.2 하수처리장 적용 방안 및 기대효과

2050 탄소중립 이행을 위한 세부 전략 수립을 실현할 수 있도록 2050 탄소 중립 시나리오를 마련하기로 하였다. 21년에 총 배출량 436.6백만톤 중 산업과 수소 부분을 2023년에 수정하였으며 흡수원은 일정한 26.7백만톤 절감을 목표로 하고 있다.

교내 인공 습지를 통하여 탄소 저장량을 확인하였으며 이에 대한 방안으로 적용할 부지로 유입수를 원활히 확보 가능한 하수처리장 인근에 위치하는 것이 적합하다고 판단하였다. 이를 하수처리장을 지하화하는 방안을 통하여 인공습지를 운전과 탄소 저장에 표율적인 인공습지를 조성할 수 있을 것이라고 판단하였다. 이를 전국 하수처리장에 적용하고자 하였다. 전국 하수처리장 면적은 2,357.2 ha이다. 인공습지에 식재한 식생 중 수직 흐름형 습지는 가장 효율이 높은 Sedum takeminese를 식재하여 연간 25.57 ton/ha의 탄소를 저장 가능하며 수평 흐름형 습지에서 가장 효율이 높았던 Phragmite australis를 식재하여 연간 29.53 ton/ha의 탄소를 저장할 수 있을 것으로 보고 있다.

이 중에서 23년도 기준 하수처리장에서 배출되는 이산화탄소의 양은 약 연간 1.8백만톤이라고한다(Presidential Commission on Carbon Neutrality and Green Growth, 2020).

전국 하수처리장의 일일 유입수 양은 21,672,742.4 m³이다. 이를 연간으로 환산 할 경우, 연간 7,910,550,976 m³의 유입수가 들어온다. 해당 유입수를 처리하는 과정에서 배출되는 CO₂의 양은 kg당 0.12 kg·CO₂/ m³로 연간 배출되는 양을 산정할 경우, 전국 하수처리장에서 발생하는 양의 CO₂는 1,716,589.562 ton·CO₂/m³으로 산정된다. 2020년 기준, 전국하수처리장 면적은 2,357.2 ha으로 이를 해당 하수처리장 면적에 교내에 설치한 인공습지와 같은 모듈로 이뤄진 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지를 설치한 뒤, 각각의 모듈에 Sedum takeminese와 Phragmite australis를 식재한다면 연간 64,937 ton/ha의 탄소이며 이를 이산화탄소로 산정하였다. 탄소를 이산화탄소로 산정할 경우 연간 476,154.40 ton/ha를 저장할 수 있을 것으로 보고 있다. 하수처리장 부지 면적에 교내 인공 습지 설치 시 259,746.78 CO₂ ton/ha/yr의 양을 저장할 수 있을 것이라고 보고 있다. 이와 같은 수치는 전국 하수처리장에서 배출되는 이산화탄소의 약 27%가량을 차지하는 비율이다.

Fig. 7는 전국 하수처리장에서 배출되는 CO₂의 양, 탄소중립위원회에서 제안한 이산화탄소 목표 저감량, 인공 습지를 전국하수처리장 면적에 적용하였을 경우, 그리고 감소되는 양 적용 시를 비교한 그래프이다. 해당 방안을 하수처리장에 적용한다면 탄소를 저장하는 방안 뿐만 아닌 이를 적용하여 하수 처리장 부지를 공원과 같은 공간으로 조성함에 따라 인근 주민들에게 공원과 같이 휴식과 여가 시간을 즐길 수 있는 공간을 제공할 수 있을 것으로 보고 있다.

Fig. 7.

Comparison between carbon emission and expecting carbon emission in 2050, and adapting CW to both of carbon emission

4. 결 론

본 연구는 기후변화 대응 및 탄소중립을 위한 수단으로 인공 습지의 탄소 저장 효과를 분석하고, 교내에 조성된 수직흐름형와 수평흐름형 인공 습지를 대상으로 토양 유기탄소(SOC)와 바이오매스를 정량적으로 평가하였다. 본 연구는 인공 습지 운전에 따른 탄소 저장 효율 변화, 식생 종류에 따른 탄소 저장량 비교, 선행연구와의 비교 등을 통해 인공 습지의 운영 방향성과 식생 선택의 중요성에 대한 실질적인 근거를 제시하였다.

수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지 모두 P1 기간 동안 안정적인 운영을 통해 각각 약 21.70 ton/ha/yr, 21.69 ton/ha/yr의 높은 탄소 저장 효과를 나타냈으며, 이는 토양 내 유기탄소의 지속적인 축적과 식생의 생장에 기인하였다. 반면, 탄소 배출 원인 검토를 위해 습지 운영을 중단했던 P2 기간 동안에는 탄소 저장량이 급감하여 수직흐름형은 0.88 ton/ha/yr, 수평흐름형은 0.70 ton/ha/yr로 나타났다. 이는 인공 습지의 지속적인 관리와 운영이 탄소 저장에 있어 결정적 영향을 미친다는 것을 시사한다.

바이오매스 측정 결과에서는 Typha orientalis C.가 수직흐름형 습지에서 0.732 kg/m², Phragmite australis가 수평흐름형 습지에서 0.18 kg/m²의 탄소 저장량을 확인 할 수 있었다. 이는 교내 인공 습지의 식생 특성에 따라 식생별 탄소 저장 효율이 다르게 나타나며 향후 식생 선택 시 참고자료로 활용 가능할 것으로 보인다. 선행 연구에서 제시된 다양한 식생인 Aster koraiensis, Sedum takesimense, Zoysia japonica 그리고 Zizania latifolia를 바탕으로 교내 습지에 적용했을 경우의 탄소 저장량을 비교한 결과, 수직흐름형 습지에서는 Sedum takesimense가 가장 높은 탄소 저장 효과인 25.57 kg/ha/yr를 보였으며, 수평흐름형 습지에서는 Zizania latifolia의 바이오매스를 측정하였을 경우 25.00 kg/ha/yr로 측정이 됨에 따라 상대적으로 높은 저장 효율을 나타냈다.

이러한 결과를 종합하면 인공 습지는 단순한 수질 정화 기능을 넘어서, 도시 내 탄소 흡수원으로 활용될 수 있는 잠재력을 지닌다는 것을 확인 할 수 있으며, 특히 운영 조건 및 식생 선택에 따라 탄소 저장량의 편차가 크기 때문에, 습지 설계 시 식생의 환경 적합성을 고려한 맞춤형 설계가 필요할 것으로 보인다. 또한 인공 습지의 운영은 안정적이고 지속적으로 유지되어야 하며, 이는 방류수를 안정적으로 유입시킬 수 있는 하수처리장 인근 지역에 습지를 설치하는 것이 효율적인 전략으로 판단된다.

하수처리장의 지하화를 통해 지상 공간을 확보하고자 한다. 이를 통해 인공 습지를 조성함으로써 공간 활용도를 높이고, 연 CO₂ 배출량의 약 27%를 감소하여 도시 내 탄소 저감 기여도를 극대화할 수 있는 방안도 고려하여였다. 이러한 복합적 접근은 기후변화 대응 전략의 일환으로, 도시 내 자연 기반(Nature based Solution)의 확대 및 탄소 중립 정책 이행에 긍정적인 기여를 할 수 있을 것이다.

결론적으로, 본 연구는 인공 습지의 다양한 운전 조건과 식생 적용이 탄소 저장에 미치는 영향을 정량적으로 분석함으로써, 탄소중립 사회 실현을 위한 정책적 방향성과 실용적 데이터를 제공하였다. 향후 다양한 규모의 인공 습지 및 다양한 기후 조건에서의 장기적 연구를 지속함으로 인공 습지를 활용한 도시 생태계 기반 탄소저감 방안의 구체화에 크게 기여할 수 있는 연구 데이터를 확인 가능 할 수 있을 것으로 보인다. 정부의 2050 탄소중립 이행을 위한 방안의 토대로 발전할 수 있을 것이라고 보고 있다.