강변여과는 강물을 강변의 충적대수층에 통과시켜 지층의 자체정화능력을 이용하여 오염물질을 상당량 저감시킨 후 양수하는 방식이다. 국내에서는 대부분의 원수를 지표수에서 취수하여 사용하고 있는 실정이나, 오염물질의 증가로 인하여 지표수를 원수로 사용하기가 점점 어려워지고 있다. 강변여과를 이용하여 양질의 원수를 확보하기 위해서는 오염물 이동에 관한 이해가 중요하다. 본 연구에서는 대수층에 용존성 유기물질(DOM)과 박테리아가 동시에 존재할 경우를 대상으로 대수층을 4상(four-phase: 흙입자, 물, 박테리아, 용존성 유기물질)으로 모델링하고, 이들의 물리, 화학, 생물학적 특성을 고려하여 물질의 거동을 기술하는 수학적 모델을 제시하였다. DOM과 박테리아와 같은 콜로이드성 물질은 오염물의 이동을 가속시키고, 평형 분배계수가 중요한 역할을 하는 인자인 것으로 나타났다.
강변여과는 강물을 강변의 충적대수층에 통과시켜 지층의 자체정화능력을 이용하여 오염물질을 상당량 저감시킨 후 양수하는 방식이다. 국내에서는 대부분의 원수를 지표수에서 취수하여 사용하고 있는 실정이나, 오염물질의 증가로 인하여 지표수를 원수로 사용하기가 점점 어려워지고 있다. 강변여과를 이용하여 양질의 원수를 확보하기 위해서는 오염물 이동에 관한 이해가 중요하다. 본 연구에서는 대수층에 용존성 유기물질(DOM)과 박테리아가 동시에 존재할 경우를 대상으로 대수층을 4상(four-phase: 흙입자, 물, 박테리아, 용존성 유기물질)으로 모델링하고, 이들의 물리, 화학, 생물학적 특성을 고려하여 물질의 거동을 기술하는 수학적 모델을 제시하였다. DOM과 박테리아와 같은 콜로이드성 물질은 오염물의 이동을 가속시키고, 평형 분배계수가 중요한 역할을 하는 인자인 것으로 나타났다.
Riverbank filtration is a natural process, using alluvial aquifers to remove contaminants and pathogens in river water for the production of drinking water. In Korea, most of the drinking water is supplied by surface water in-take. However, maintaining the quality of the drinking water becomes more ...
Riverbank filtration is a natural process, using alluvial aquifers to remove contaminants and pathogens in river water for the production of drinking water. In Korea, most of the drinking water is supplied by surface water in-take. However, maintaining the quality of the drinking water becomes more and more difficult due to the increase of contamination. In riverbank filtration, the understanding of contaminant transport is an important task for the production of high quality drinking water and for the maintenance of facilities. In this paper, the transport behavior of hydrophobic organic contaminants is investigated when contaminants coexist with dissolved organic matter (DOM) and bacteria. In the developed model, the aquifer is thought of as a four phase system: two mobile colloidal phases, an aqueous phase, and a stationary solid matrix phase. The model equations are solved numerically for various situations. Results indicate that the presence of colloidal matters can enhance the mobility of contaminant significantly and that partitioning coefficients play an important role in the process.
Riverbank filtration is a natural process, using alluvial aquifers to remove contaminants and pathogens in river water for the production of drinking water. In Korea, most of the drinking water is supplied by surface water in-take. However, maintaining the quality of the drinking water becomes more and more difficult due to the increase of contamination. In riverbank filtration, the understanding of contaminant transport is an important task for the production of high quality drinking water and for the maintenance of facilities. In this paper, the transport behavior of hydrophobic organic contaminants is investigated when contaminants coexist with dissolved organic matter (DOM) and bacteria. In the developed model, the aquifer is thought of as a four phase system: two mobile colloidal phases, an aqueous phase, and a stationary solid matrix phase. The model equations are solved numerically for various situations. Results indicate that the presence of colloidal matters can enhance the mobility of contaminant significantly and that partitioning coefficients play an important role in the process.
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문제 정의
본 연구는 대수층에 용존성 유기물질(DOM)과 박테리아가 동시에 존재할 경우를 상정하여 대수층을 4상 (four-phase: 흙입자, 물, 박테리아, DOM)으로 모델링 함으로써 강변여과에서 소수성 오염물질이 콜로이드 물질과 함께 존재할 경우 이들의 거동 특성과 이에 영향을 미치는 주요 인자를 규명하는데 그 목적이 있다.
가설 설정
박테리아 거동에는 다음과 같은 가정이 전제되어 있다. 첫째, 흙입자의 표면에 흡착하는 박테리아 거동은 선형이고 가역적이라 가정하여 평형 모델을 사용한다. 이는 지하수 유동에 비해서 물질의 흡착은 매우 빠르게 일어나기 때문이며, 오염된 지하수의 대수층 내 체재시간이 평형을 이루는 데 충분하면 평형흡착이 일어난다고 볼 수 있기 때문으로 설명할 수도 있다(van Loos- drecht et al.
, 1989). 둘째, 박테리아의 성장은 이동성 박테리아가 박테리아, DOM 그리고 흙입자에 흡착된 오염물을 먹이원으로 사용하는 것을 가정하였다. 셋째, 감쇠는 1차 반응으로 가정하였다.
둘째, 박테리아의 성장은 이동성 박테리아가 박테리아, DOM 그리고 흙입자에 흡착된 오염물을 먹이원으로 사용하는 것을 가정하였다. 셋째, 감쇠는 1차 반응으로 가정하였다.
제안 방법
검사체적 내로 유입되는 물질의 유입율의 X, y, z축 에 평행한 세 가지 성분 Fx, Fu, Fz을 고려한다. Fx, Fy, Fz의 차원은 [ML-2T-1]이다.
데이터처리
박테리아와 오염물의 거동에 대한 물질수지식을 무차원화 시킨 Eqs.(4) and (5)의 수치해를 구하기 위해 유한차분법을 사용하였다. 시간적 으로는 음해법 (impact), 공간적으로는 중심차분법 을 적 용하였다.
이론/모형
수치모의시 사용된 매개변수의 값들은 Jenkins et al.(1993), Kim(2003)의 연구에서 사용된 값들을 이용하였다.
성능/효과
오염물 이동은 콜로이드 물질이 동시에 존재하는 경우 DOM 또는 박테리아 한 가지만 존재하는 경우에 비해 최대농도의 도달시간이 단축되는 것을 보여준다. 즉, 박테리아나 DOM이 각각 존재하는 경우보다 동시에 존재하는 경우에 더욱 가속되고, 오염물의 가속이동 현상에는 박테리아보다는 DOM이 더 큰 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. 또한 박테리아의 유입이 지속될 경우는 최대농도 도달시간이 더욱 단축되는 현상을 보였고, 박테리아의 생물학적 분해 작용으로 인해 오염물의 농도를 크게 떨어뜨림을 알 수 있다.
즉, 박테리아나 DOM이 각각 존재하는 경우보다 동시에 존재하는 경우에 더욱 가속되고, 오염물의 가속이동 현상에는 박테리아보다는 DOM이 더 큰 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. 또한 박테리아의 유입이 지속될 경우는 최대농도 도달시간이 더욱 단축되는 현상을 보였고, 박테리아의 생물학적 분해 작용으로 인해 오염물의 농도를 크게 떨어뜨림을 알 수 있다.
민감도 분석결과 오염물 분배계수의 변화에 따라 오 염물 거동은 민감하게 반응하였다. 흙입자에 오염물이 잘 흡착될수록 오염물 이동속도는 감소하며, 오염물이 콜로이드 물질에 잘 흡착될수록 오염물 이동이 가속화되는 것을 확인하였다.
민감도 분석결과 오염물 분배계수의 변화에 따라 오 염물 거동은 민감하게 반응하였다. 흙입자에 오염물이 잘 흡착될수록 오염물 이동속도는 감소하며, 오염물이 콜로이드 물질에 잘 흡착될수록 오염물 이동이 가속화되는 것을 확인하였다. 오염물 분배계수가 현장특성에 따라 변화한다는 사실을 고려할 때, 이 같은 결과는 강변여과 현장을 모의할 때 분배계수의 결정에 신중해야 함을 시사한다.
의 영향이 오염물 거동에 미치는 영향이 큰 것으로 확인되었다. 즉, 흙입자에 오염물이 잘 흡착될수록 오염 물 이동속도는 감소하며, 오염물이 콜로이드 물질에 잘 흡착될수록 오염물 이동이 가속된다. 또한 박테리아에 흡착이 잘 될수록 박테리아의 생물학적 분해로 인해서 오염물의 농도는 감소한다는 것을 확인하였다.
즉, 흙입자에 오염물이 잘 흡착될수록 오염 물 이동속도는 감소하며, 오염물이 콜로이드 물질에 잘 흡착될수록 오염물 이동이 가속된다. 또한 박테리아에 흡착이 잘 될수록 박테리아의 생물학적 분해로 인해서 오염물의 농도는 감소한다는 것을 확인하였다. 콜로이드로 인한 오염물 거동은 각 지역의 생물학적, 수리학적인 영향에 의해서 달라질 수 있다.
후속연구
대수층에서의 오염물 거동 특성은 강변여과의 수질과 수량을 결정하는 중요한 요소이며 오염을 방지하고 효과적으로 관리하기 위해서 연구되어야 한다. 강변여과에서 대수층 내의 오염물은 콜로이드성 물질의 물리, 화학, 생물학적 특성에 따라 이송 속도 및 농도가 변화하게 되는데, 이를 해석하는 것은 강변여과 관련 연구의 중요한 부분이 되어 왔다(Fletcher and Loeb, 1979; Peterson and Ward, 1989; Fontes et al.
참고문헌 (15)
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동국대학교 (2005) 인공함양을 활용한 한강 및 낙동강 유역 수도공급 방안 연구. 1차년도 요약 보고서
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McCarthy, J.F., Gu, B., Liang, L., Mas-PIa, J. Williams, TM, Yeh, T-C..J. (1996). 'Field tracer tests on the mobility of natural organic matter in a sandy aquifer.' Water Resources Research, Vol. 32, No.5, pp. 1223-1238
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van Loosdrecht, M.C. M, Lyklema, J, Norde, W., and Zehnder, A.J.B. (1989). 'Bacterial adhesion: a physicochemical approach', Microb. Ecol., 17, pp. 1-15
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