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문제 정의
- 이에 따라 본 연구에서는 퇴적물의 특성을 평가하기 위하여 호수의 수체 흐름 특성상 퇴적물의 특징이 잘 드러날 것으로 판단되는 몇 개 지점을 선정하여 상당기간 축적된 저층 환경을 파악하기 위하여 퇴적물의 용출실험을 수행하였다. 퇴적저니의 용존산소의 다소에 따른 환경조건을 모사하기 위하여 두 극단적 환경인 혐기성 및 호기성조건으로 나누고, COD, 질소 및 인 계열의 용출변화를 관찰하고, 물질 수지에 의거하여 용출율을 계산하였다.
가설 설정
- 퇴적물에서의 용출율은 반응조가 완전 혼합되며 반응조 내의 농도 변화가 유입, 유출, 퇴적물의 직상수 접촉면으로부터의 용출에만 관계된다고 가정하고 대상물질에 대한 다음과 같은 물질수지식에 의해 산정하였다.지
제안 방법
- 용존 산소의 농도 변화는 수중의 산화-환원 조건을 변화시킴으로써 영양염류의 용출특성에 중요한 역할을 한다.'D 분석 시료 채취는 2-3일 간격으로 용출 반응조의 높이'1/2지점에서 채취하였으며, 채취한 시료는 GF/C로 여과 후 COD, T-N, NH3-N, NO3-N, T-P, PO4-P를 공정시험법에 근거하여 분석하였다.
- A지점의 혐기성 및 호기성의 조건하에서 COD, T-N, NH3-N, NO3-N, T-P, PO4-P, 유기인의 영양염의 용출속도를 산출하였다(Table 4, Fig. 6).
- B지점의 혐기성 및 호기성의 조건하에서 COD, T-N, NH3-N, NO3-N, T-P, PO4-P, 유기인의 영양염의 용출속도를 산출하였다(Table 4, Fig. 7).
- C지점의 혐기성 및 호기성의 조건하에서 COD, T-N, NH3-N, NO3-N, T-P, PO4-P, 유기인의 영양염의 용출속도를 산출하였다(Table 4, Fig. 8).
- 해수 수질공정 시험법에 준하여 실시하였다. 단, CODmh 분석은 Humas사의 HS-33OO 수질 분석기를 사용하여 분석하였고, 용출실험 장치로서 혐기성 및 호기성반응조에서 각각 질소 및 산소 분위기에서 20여 일간 실험하였다(Fig. 2).
- 또한 반응조 내에서 조류의 광합성에 의한 산소 발생을 방지하기 위하여 완벽하게 차광시켰다. 시료를 채취한 현장 조건과 같은 혐기성 상태를 만들어 주기 위하여 N2가스를 주입하여 수증의 용존산소를 방출시켜 혐기성 상태를 유지시켜 주었다. 반응기의 온도는 상온(20~250)을 유지하여 주었으며, 호기성 조의 DO 농도는 2~3 mg/L를 유지하였다.
- 하천의 흐름에 따라 유입부 A지점에서 B지점으로 흘러가면서 퇴적물이 퇴적되었을 것이라 판단하며 각각 수심 3 이지점의 퇴적물을 이용하여 용출실험을 하였다. 최종 퇴적 예측 지점인 C지점은 흐름의 정체 구역으로 오염 정도가 가장 심할 것으로 판단하였고 수심 5 m 지점에서 퇴적 저니를 이용하여 용출실험을 하였다. 채취지점의 수심 선택은 해당지점의 깊이를 감안하였다.
- 수행하였다. 퇴적저니의 용존산소의 다소에 따른 환경조건을 모사하기 위하여 두 극단적 환경인 혐기성 및 호기성조건으로 나누고, COD, 질소 및 인 계열의 용출변화를 관찰하고, 물질 수지에 의거하여 용출율을 계산하였다. 이 결과는 인공 호수의 수질 영향 및 수질보전을 위한 관리 및 평가 자료로서 유용하게 이용될 수 있다.
- 1에서 보는 바와 같이 퇴적물 특성을 대표하는 A, B, C의 3지점을 선정하여 퇴적물 시추기(gravity corer)를 이용하여 저니 시료를 채취하였다. 하천의 흐름에 따라 유입부 A지점에서 B지점으로 흘러가면서 퇴적물이 퇴적되었을 것이라 판단하며 각각 수심 3 이지점의 퇴적물을 이용하여 용출실험을 하였다. 최종 퇴적 예측 지점인 C지점은 흐름의 정체 구역으로 오염 정도가 가장 심할 것으로 판단하였고 수심 5 m 지점에서 퇴적 저니를 이용하여 용출실험을 하였다.
- 혐기성 및 호기성의 조건하에서 B지점의 COD, T-N, NH3-N, NO3-N, T-P, PO4-P의 영양염의 농도를 산출하였다(Table 2). B 지점의 영양염의 호기성조건과 혐기성 조건의 농도를 비교해 보기 위해 그래프로 나타냈다(Fig.
- 혐기성 및 호기성의 조건하에서 C지점의 COD, T-N, NH3-N, NO3-N, T-P, PCU-P의 영양염의 농도를 산출하였다(Table 3). 이점의 영양염의 호기성 조건과 혐기성 조건의 농도를 비교해 보기 위해 그래프로 나타냈다(Fig.
- 혐기성 및호기성의 조건하에서 A지점의 COD, T-N, NH3-N, NO3-N, T-P, PO4-P의 영양염의 농도를 산출하였다(Table 1). A 지점의 분석결과를 Fig.
대상 데이터
- 수심, 유입수의 위치, 오염상태 등을 고려하여 Fig. 1에서 보는 바와 같이 퇴적물 특성을 대표하는 A, B, C의 3지점을 선정하여 퇴적물 시추기(gravity corer)를 이용하여 저니 시료를 채취하였다. 하천의 흐름에 따라 유입부 A지점에서 B지점으로 흘러가면서 퇴적물이 퇴적되었을 것이라 판단하며 각각 수심 3 이지점의 퇴적물을 이용하여 용출실험을 하였다.
- 채취한 퇴적물(2 L)을 반응조에 채운 후 퇴적물이 부유 되지 않도록 조심스럽게 현장에서 채수한 원수를 주입하여 총 12 L의 용출시료를 준비하였다. 시료를 주입한 후에는 대기로부터의 공기유입을 방지하기 위하여 시험조의 상부에 고무판과 아크릴 덮개를 설치하여 밀폐상태를 유지하여 주었다.
- 퇴적물 채취지역은 충남 태안군 이원면으로서 평균 기온은 14.7℃, 평균최저기온은 ll.l°c, 평균최고기온은 18.8-C, 강수량은 약 994 mm인 지역이다. 풍속은 1.
이론/모형
- 수질분석 항목으로는 질소계열(T-N, NH3-N, NO3-N), 인계열(총용존인, 용존무기인), COD를 분석하였으며, 모든 시료의 분석 방법은 호수 내부수의 염도(C1)가 2,000 ppm 이상이므로 해수 수질공정 시험법에 준하여 실시하였다. 단, CODmh 분석은 Humas사의 HS-33OO 수질 분석기를 사용하여 분석하였고, 용출실험 장치로서 혐기성 및 호기성반응조에서 각각 질소 및 산소 분위기에서 20여 일간 실험하였다(Fig.
- 퇴적물로부터 분석 항목에 대한 용출율 산정은 현재 용출 평가에 널리 사용되는 Hil[je와 Lijklema의 방법을 사용 하였다.14)
성능/효과
- 인간 활동, 특히 산업 활동에 의하여 직간접적으로 호수에 들어온 물질 또는 에너지가 인간의 생활환경과 건강 등에 해로운 영향을 미치고, 또한 호수 본래의 수질 및 심미적 정도를 감소시킨다.1) 특히 인공 호수에서는 자연생태계를 유지하는 충분한 환경이 생성되지 않고, 수증의 정체현상으로 인하여 수심에 따라 온도와 용존산소의 차가 크며, 심수층에서는 거의 무산소층이 되는 상태가 형성되기 쉽다. 그 결과 용존산소의 양은 급격히 떨어지고 저니에서는 중금속과 질소, 인의 용출이 호기성에서 보다 활발하게 되며 이로 인한 적조 등 수질 저하 뿐만 아니라, 환경, 수산, 그리고 농업의 피해까지 영향을 미치게 된다.
- 그 결과 용존산소의 양은 급격히 떨어지고 저니에서는 중금속과 질소, 인의 용출이 호기성에서 보다 활발하게 되며 이로 인한 적조 등 수질 저하 뿐만 아니라, 환경, 수산, 그리고 농업의 피해까지 영향을 미치게 된다.2)호소의 퇴적물들은 대부분 수층에서 침강하여 형성된 것으로 일정기간 측적되어 있다가 분해, 확산, 재 부유, 생물교란 등의 생물 . 물리·화학적 과정에 의해 다시 수층으로 용출되어 수질 및 수생태계에 영향을 미칠 수 있다.
- 낮아졌다. NCb-Ne 호기조건에서 질산화 경향이 커진 것을 보여주고 있으며 혐기조건에서는 A에서 C지점로 갈수록 증가하였다. 이는 탈질화 작용으로 인한 환원 작용이라 판단된다.
- NH3-N의 호기조일 경우 용출율이 미미하였으며 A에서 이점으로 갈수록 감소하였고, 반대로 NCh-N과 T-Ne A에서 C지점으로 갈수록 용출율이 증가하였다. NH3-N, NCh-N의 혐기조는 A지점에서 C 지점으로 갈수록 용출율이 증가하였으나 T-N의 용출율은 감소하였다. PO4-P, T-P의 경우 호기조에서 B지점의 용출율이 가장 낮았다.
- NH3-Ne 혐기성 조건에서 용출율이 0.009 g/nBd이고, 호기성 조건에서는 용출이 없는 상태로 나타났다. A지점과 마찬가지로 질산화 작용에 의한 것이라 판단된다.
- NH3-N는 세 지점 모두 호기성 조건에서 용출 농도의 변화가 적은 반면 혐기성조건에서는 A지점이 시간에 따라 최종 약 2.8배나 증가하여 높은 용출 농도를 보였다. NO3-N는 A 지점을 제외하고 호기성 조건에서는 중가폭이 컸다.
- 감의 경향성이 없어 매우 난해한 양상을 보였다. NH3-N의 호기조일 경우 용출율이 미미하였으며 A에서 이점으로 갈수록 감소하였고, 반대로 NCh-N과 T-Ne A에서 C지점으로 갈수록 용출율이 증가하였다. NH3-N, NCh-N의 혐기조는 A지점에서 C 지점으로 갈수록 용출율이 증가하였으나 T-N의 용출율은 감소하였다.
- 010 g/m2/d 로 약 10배 용출율이 많이 나타났다. T-N의 혐기성 조건에서는 호기성 조건의 경우보다 약 5.8배 높은 0.035 g/me/d로 혐기성 조건에서 용출율이 높았다.
- T-P 및 PO4-P는 지속적으로 증가하는 경향을 보였고 특히 혐기성 조건에서 6~15배 증가로 호기성 조건의 1~ 1.5배 중가에 비해 매우 큰 폭으로 나타났다. 이는 pH가 높은 혐기성 조건에서 무기인들이 용존 유기인으로 많이 용출된다고 판단된다.
- 이로 미루어 ORP는 혐기성 반응조에서 더 낮다고 추정되며 이와 같은 환원 분위기 하에서 무기인의 용출이 가속화될 수 있다고 보여진다. 또한 혐기조건에서 생존하는 미생물이 세포외로 무기인을 방출하는 경향이 강해지므로 인의 용출이 급격히 증가하였다.
- 환원 전위(Redox Potential)의 변화로 나타나는 용존산소의 영향이 지대한 것으로 알려져 있다. 본 실험에서 혐기조와 호기조의 pH 상태는 9와 8 정도로 실험기간동안 큰 변화가 없었다. 이로 미루어 ORP는 혐기성 반응조에서 더 낮다고 추정되며 이와 같은 환원 분위기 하에서 무기인의 용출이 가속화될 수 있다고 보여진다.
- 003 mg/L 로 약 5배 감소하였다. 암모니아는 퇴적물 증에 포획되어 있다가 용출되는 것으로 보이는데 NOx로의 산화를 동반하는 호기 조건에서 보다 혐기성 분위기에서 훨씬 높게 용출되었다.
- 인 계열 분석 결과, T-P 및 PO4-P가 시간에 따라 지속적으로 증가하는 양상을 보였으며 호기성 조건에서 약 7~9배 농도상승이 일어났으며 혐기조건에서는 50~60배 증가로 나타났다. T-N의 경우 증가폭이 작은 반면 인 계열의 농도 증가는 매우 현저하여 용출이 우려되는 성분으로 인 계열을 주목해야 함을 확인할 수 있었다.
- C지점의 경우 정체구역으로 오염도가 높아 B지점보다 영양염이 대부분 높게 측정되었다. 전반적으로 COD의 용출은 작게 나타나는 반면 질소 계열과 특히인 계열의 용출은 매우 크게 나타났다.
- 전체적으로 혐기성 조건에서 용출이 잘 일어나며, 유속이 큰 호수 입구(A지점)에서 B와 C의 안쪽지역보다 용출이 크게 나타났다. 즉 입구 지역은 유속으로 대변되는 물의 유동성이 큰 지역이어서 용출이 상대적으로 클 것으로 기대되지만, 오히려 :유입부이기 때문에 퇴적도 커질 가능성이 높다.
- 종합적으로 T-N농도의 변화는 호기성 조건과 혐기성 조건의 경우 각각 1.19 mg/L에서 1.29 mg/L와 1.46 mg/L로 약 1~ 1.5배 증가하였다.
- 종합적으로 T-N농도의 변화는 호기성 조건에서 0.65 mg/L 에서 거의 변화가 없었으며 혐기성 조건의 경우 1.00 mg/L로 증가한 것으로 나타나 암모니아의 용출에 크게 의존하고 있음을 알 수 있다.
- 종합적으로 T-N농도의 변화는 호기성 조건에서 미미한 증가를 보였으며 혐기성조건의 경우 약 1.5배 증가했고 이는 NO3-N 보다 NHj-N 농도가 증가했기 때문으로 판단된다.
- 즉 입구 지역은 유속으로 대변되는 물의 유동성이 큰 지역이어서 용출이 상대적으로 클 것으로 기대되지만, 오히려 :유입부이기 때문에 퇴적도 커질 가능성이 높다. 퇴적물의 총인 측정결과를 보면 A지점이 0.18 ±0.06 mg/g-sediment로 B, C지점보다 약 1.5 ~ 3.4배 큰 것으로 나타나 본질적으로 퇴적에 의한 인의 축적이 유속 등의 다른 요인보다 인의 용출에 결정적으로 기여함을 알 수 있었다. 혐기성 조건에서의 용출은 호수의 연령을 감안할 때 특히 토착미생물에 의한 인의 방출과 산화 .
- 혐기성조건에서 PO4-P의 용출율은 0.058 g/m2/d로 호기성 조건에 비해 약 3.2배 높았으며 호기성조건에서는 거의 용출이 없는 상태로 나타났다. 이와 같은 결과는 호기성 조건에서 과량의 용존산소로 인하여 인의 세포 내 축적이 이루어지면서 인의 용출이 억제 된 것으로 판단된다.
- 호기성 및 혐기성 조건하에서의 COD는 호기성 조건의 경우 혐기성 조건보다 용출율이 더 높았다.
- 호기성 조건에서 COD농도의 변화는 3.55 mg/L에서 3.75 mg/L로 증가하였으며 혐기성 조건의 경우 3.55 mg/L에서 증감을 반복하다 5.17 mg/L로 약 1.45배 증가하였다. 호기성 조건에서는 :산소의 폭기 때문에 COD 감소요인이 생기지만 채수지점의 :호소수를 재 충전해주었기 때문에 COD의 농도변화가 거의 일정한 것으로 판단된다.
- 호기성 조건에서 NH3-N농도의 변화는 시간이 지나도 일정하였고 혐기성 조건의 경우 0.60 mg/J에서 1.00 mg/L로 증가하였다. 이는 B, A지점과 비슷한 경향을 보이고 있다.
- 호기성 조건에서 NH3・N농도의 변화는 0.49 mg/J에서 0.59 mg/L로 증가폭이 적었으며 혐기성 조건에서는 호기성 조건보다 2.5배 더 증가한 1.38 mg/L로 나타났다. NCh-N 농도의 변화는 호기성 조건에서 0.
- 호기성 초건에서 COD농도의 변화는 2.80 mg/L에서 2.89 mg/L로 증가하였으며 혐기성 조건의 경우 2.80 mg/L에서 증감을 반복하다 약 1.5배 증가하였다. 이는 A지점과 실험 방법이 동일한 '경우로 같은 경향성을 보이고 있다.
후속연구
- 혐기성 조건에서 높은 농도를 나타내고 있어 B지점과 비슷한 추세를 보이며 이러한 요인 중의 하나로 혐기성 상태를 선호하는 미생물의 활성 증가를 생각해볼 수 있다. 따라서 구체적인 퇴적물에 분포하는 미생물에 대해 향후 추가 연구가 필요하다고 생각된다.
- 퇴적저니의 용존산소의 다소에 따른 환경조건을 모사하기 위하여 두 극단적 환경인 혐기성 및 호기성조건으로 나누고, COD, 질소 및 인 계열의 용출변화를 관찰하고, 물질 수지에 의거하여 용출율을 계산하였다. 이 결과는 인공 호수의 수질 영향 및 수질보전을 위한 관리 및 평가 자료로서 유용하게 이용될 수 있다.
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