토양/대수층 처리(Soil Aquifer Treatment)에서 유기물과 질소화합물 제거와 이송 모델링-(II) 현장조건의 변화에 따른 모델 결과 Modeling Fate and Transport of Organic and Nitrogen Species in Soil Aquifer Treatment-(II) Simulations Based on the Field Conditions원문보기
암모늄의 질산화 반응, 질소산화물의 탈질 반응, 그리고 유기물의 산화반응을 고려한 SAT모델링 시스템에 대해서, 현장조건의 변화에 따른 모델 결과를 비교하기 위해 6가지 모델 조건에 대한 가상의 수직 2차원상 모델 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 조건에서 수리전도도, 주입수 주입율, 지표 피복 여부, 그리고 운영 계획과 같은 4가지 영향 인자들이 고려되었다. 시뮬레이션 결과, 모든 조건에서 모델 개발 과정에서 고려한 반응 영향들이 잘 모사되었다.
암모늄의 질산화 반응, 질소산화물의 탈질 반응, 그리고 유기물의 산화반응을 고려한 SAT 모델링 시스템에 대해서, 현장조건의 변화에 따른 모델 결과를 비교하기 위해 6가지 모델 조건에 대한 가상의 수직 2차원상 모델 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 조건에서 수리전도도, 주입수 주입율, 지표 피복 여부, 그리고 운영 계획과 같은 4가지 영향 인자들이 고려되었다. 시뮬레이션 결과, 모든 조건에서 모델 개발 과정에서 고려한 반응 영향들이 잘 모사되었다.
For the SAT modeling system considering the reaction module which consists of nitrification, denitrification and organic oxidation, an imaginary cross-sectional 2-dimensional model simulation was carried out to analyze the sensitivity of the model. Four parameters, such as hydraulic conductivity, so...
For the SAT modeling system considering the reaction module which consists of nitrification, denitrification and organic oxidation, an imaginary cross-sectional 2-dimensional model simulation was carried out to analyze the sensitivity of the model. Four parameters, such as hydraulic conductivity, source water loading rate, ground surface pavement and operation schedule, were considered for the sensitivity analysis. Most factors considered in model development step were well reflected in the simulation results.
For the SAT modeling system considering the reaction module which consists of nitrification, denitrification and organic oxidation, an imaginary cross-sectional 2-dimensional model simulation was carried out to analyze the sensitivity of the model. Four parameters, such as hydraulic conductivity, source water loading rate, ground surface pavement and operation schedule, were considered for the sensitivity analysis. Most factors considered in model development step were well reflected in the simulation results.
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문제 정의
수직 2차원 도메인을 통하여 불포화 대수층에서의 수직 이동뿐만 아니라 포화 대수층에서의 수평 이동에의 영향을 함께 볼 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 이전 연구에서의 1차원 모델 적용을 2차원으로 확장시키면서 앞에서 언급한 영향 인자들이 SAT 모델 결과에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 그리고, 고려된 영향 인자로, 수리전도도, 주입수 주입율, 지표 피복 여부, 그리고 주입주기와 건조주기로 이루어지는 운영계획에 따른 민감도 분석을 하였다.
가설 설정
0 m에 위치하였고, 경사도는 4%를 주어 도메인 왼쪽으로부터 오른쪽으로 지하수 흐름을 유도하였다. 경계조건 (boundary condition)으로 도메인 좌, 우즉으로는 고정수두(constant head)로 가정하여 정상상태의 지하수 흐름을 유지하였다. 도메인 하단부는 투수계수가 무시할 만큼 작은 암반층이라는 가정하에 no-flow로 가정하였고, 도메인의 상단부는 대기층과 연결된 지표면으로 recharge조건을 부여하였으며, 지표면이 불투수층인 경우에는 recharge = 0으로 나타내었다.
경계조건 (boundary condition)으로 도메인 좌, 우즉으로는 고정수두(constant head)로 가정하여 정상상태의 지하수 흐름을 유지하였다. 도메인 하단부는 투수계수가 무시할 만큼 작은 암반층이라는 가정하에 no-flow로 가정하였고, 도메인의 상단부는 대기층과 연결된 지표면으로 recharge조건을 부여하였으며, 지표면이 불투수층인 경우에는 recharge = 0으로 나타내었다. 시뮬레이션 초기조건과 주입수의 특성은 Table 1 에 나타내었다.
지하수 이송과 반응에 대한 상수는 MacQuarrie and Sudicky(2001)가 사용한 상수들을 인용하였다. 모델 운영 계획으로 주입 주기와 뒤따르는 건조주기를 하나의 싸이클로 하였는데, 이를 고려하기 위하여 대수층 조건을 가변 포화 대수층으로 가정하였다.
특히, Case V에서는 실제 현장 운영에서 SAT basin 주변에 있을 수 있는 아스팔트와 같은 지표 피복의 영향을 고려한 조건이다. 피복이 있을 때와 없을 때, 두가지로 구분하여, 피복이 없을 때는 basin의 조건과 동일하게 계속적인 산소의 공급이 이루어진다고 가정하였고, 피복이 있을 때는 산소의 공급이 완전히 차단된다고 가정하였다.
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 이전 연구에서의 1차원 모델 적용을 2차원으로 확장시키면서 앞에서 언급한 영향 인자들이 SAT 모델 결과에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 그리고, 고려된 영향 인자로, 수리전도도, 주입수 주입율, 지표 피복 여부, 그리고 주입주기와 건조주기로 이루어지는 운영계획에 따른 민감도 분석을 하였다.
1 과 같은 가상의 수직 2차원(가로 50 mX 세로 10 m) 도메인 상에서 모델 시뮬레이션이 이루어졌다. 도메인은 가로축으로 기본적으로 1 이씩 격자화 하였는데, 주요 관심 지역이라고 할 수 있는, 도메인상 왼쪽으로부터 13.5 m 떨어져 있는 원수의 주입지역에서는 격자를 0.25-0.75 m 로 세분화 하였다. 세로축으로는 기본적으로 0.
본 연구에서는 개발된 SAT 반응모델에 대한 2차원 시뮬레이션을 통해 현장조건의 변화에 따른 결과를 비교 하였다. 이를 위해, 수리전도도, 주입수 주입율, 지표 피복 여부, 그리고 운영 계획을 비교 요소로 하여 총 6가지의 시뮬레이션 조건에 대해서 그 결과를 비교하였다.
여러가지 시뮬레이션 조건에 대한 본 모델의 민감도를 분석하기 위해서 Table 2와 같이 6가지의 서로 다른 시뮬레이션 조건에 대해서 결과를 비교하였다. Case I을 기준으로 하여 Case II와 HI에서는 수리전도도의 영향을, Case IV에서는 주입수 주입률의 영향을, 그리고 Case VI 에서는 주입/건조 주기의 변화에 의한 영향을 보고자 하였다.
이를 위해, 수리전도도, 주입수 주입율, 지표 피복 여부, 그리고 운영 계획을 비교 요소로 하여 총 6가지의 시뮬레이션 조건에 대해서 그 결과를 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 모든 조건에서 모델 개발 과정에서 고려한 반응 영향들이 잘 모사되었다.
대상 데이터
6가지의 각 시뮬레이션 조건에 대해서 주입주기와 건조 주기를 포함하여 총 140일간의 모델 시뮬레이션을 하였다. 이에 대한 50일째와 140일째의 결과를 Fig.
개발된 SAT 반응 모델의 민감도 분석을 위해서, Fig. 1 과 같은 가상의 수직 2차원(가로 50 mX 세로 10 m) 도메인 상에서 모델 시뮬레이션이 이루어졌다. 도메인은 가로축으로 기본적으로 1 이씩 격자화 하였는데, 주요 관심 지역이라고 할 수 있는, 도메인상 왼쪽으로부터 13.
이론/모형
토양 특성으로는 van Genuchten(1980)의 Hygiene sandstone의 토양 특성이 사용되었다. 지하수 이송과 반응에 대한 상수는 MacQuarrie and Sudicky(2001)가 사용한 상수들을 인용하였다. 모델 운영 계획으로 주입 주기와 뒤따르는 건조주기를 하나의 싸이클로 하였는데, 이를 고려하기 위하여 대수층 조건을 가변 포화 대수층으로 가정하였다.
토양 특성으로는 van Genuchten(1980)의 Hygiene sandstone의 토양 특성이 사용되었다. 지하수 이송과 반응에 대한 상수는 MacQuarrie and Sudicky(2001)가 사용한 상수들을 인용하였다.
성능/효과
50일째의 포화도 분포에서 수리전도도가 증가했을 때와 주입수의 주입율이 증가했을 때 포회도 분포가 넓게 나타났다. 토양의 피복상태는 포화도 분포에 영향을 주지 못했다.
매우 넓게 분포됐다. 따라서 암모늄의 제거가 상대적 3 잘 일어나지 않았고, 질소산화물의 농도가 상대적으로 줄었다. 또한, 질소산화물의 농도 저하는 DOC 의 완전한 제거가 용존산소에 의한 산화반응에 의한 것이라기보다 질소산화물에 의한 탈질화반응에 의한 것임을 보여준다.
따라서 암모늄의 제거가 상대적 3 잘 일어나지 않았고, 질소산화물의 농도가 상대적으로 줄었다. 또한, 질소산화물의 농도 저하는 DOC 의 완전한 제거가 용존산소에 의한 산화반응에 의한 것이라기보다 질소산화물에 의한 탈질화반응에 의한 것임을 보여준다.
이를 위해, 수리전도도, 주입수 주입율, 지표 피복 여부, 그리고 운영 계획을 비교 요소로 하여 총 6가지의 시뮬레이션 조건에 대해서 그 결과를 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 모든 조건에서 모델 개발 과정에서 고려한 반응 영향들이 잘 모사되었다. 수리전도도의 변화는 특히 포화대수층에서 새로운 용존산소 공급을 조절하므로써 다른 물질들의 분포에 변화를 주었다.
이로 인해 암모늄은 불포화대수층에서 완전히 제거되지 않고 포화대수층까지 농도가 나타났고, Case I에서는 나타나지 않았던 DOC 농도가 주입지역 아래에서 나타났다. 용존산소의 부족은 질산화반응과 DOC 산화반응을 감소시키고, 탈 질화 반응을 증가시킴으로써 질소산화물의 농도는 Case I에 비해서 감소하였고 그 분포는 더 넓어졌다. 포화대수층에서의 낮은 수리전도도는 용존산소의 분포에서 용존산소의소모-가 기존 지하수 흐름으로부터의 새로운 용존산소의 공급보다 우세하여 용존산소의 결핍지역이 지하수 흐름의 역방향으로까지 넓게 분포되었다.
주입주기를 3일로 줄인 조건에서는 변화가 상대적으로 크게 나타나지 않았다. 전체적으로 수리전도도가 낮은 경우와 주입수 주입율이 높은 경우를 제외하고는 모든 경우에서 암모늄과 DOC의 제거가 완전히 일어났다. 하지만 질소화합물은 분포는 다르지만 모든 경우에서 높게 나타나 포화대수층까지 영향을 미쳤다.
수리전도도의 변화는 특히 포화대수층에서 새로운 용존산소 공급을 조절하므로써 다른 물질들의 분포에 변화를 주었다. 주입수 주입율의 증가는 넓은 용존산소 결핍지역을 유발하였고, 상대적으로 암모늄과 DOC 농도를 높게 하였다. 지표를 피복시킨 조건은 불포화대수층에서 용존산소의 분포에 큰 영향을 주었다.
후속연구
이는 SAT 운전에서 질소화합물 제거를 위한 후처리의 필요성을 야기한다. 본 연구의 SAT 운전조건의 변화에 대한 민감도 분석을 통해, 앞으로 시행될 파일럿 규모 및 실제 현장 규모의 최적 SAT 운전조건을 도출할 수 있으리라 예측된다.
참고문헌 (8)
Fox, P., Narayanaswamy, K., Genz, A., and Drewes, J.E., 2001, Water quality transformation during Soil Aquifer Treatment at the Mesa Northwest Water Reclamation Plant, USA, Water Sci. Technol., 43(10), 343-350
Kanarek, A. and Michail, M., 1996, Groundwater recharge with municipal effluent: Dan region reclamation project, Israel, Water Sci. Technol., 34(11), 227-233
MacQuarrie, K.T.B. and Sudicky, E.A., 2001, Multicomponent simulation of wastewater-derived nitrogen and carbon in shallow unconfined aquifers I. Model formulation and performance, J. Contam. Hydrol., 47, 53-84
National Center for Sustainable Water Supply (NCSWS), 2001, Investigation on Soil-Aquifer Treatment for sustainable water reuse, Arizona State University, Tempe, Arizona, U.S.A .. [Research Project Summary]
Nema, P., Ojha, C.S.P., Kumar, A., and Khanna, P., 2001, Techno-economic evaluation of soil-aquifer treatment using primary . effluent at Ahmedabad, India, Water Res., 35(9), 2179-2190
Tang, Z., Li, G, Mays, L.W., and Fox, P., 1996, Development of methodology for the optimal operation of soil aquifer treatment systems, Water Sci. Technol., 33(10-11), 433-442
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