인공호소에서 마이크로 버블 포기에 의한 수리학적 영향반경과 용존산소 분포 Hydraulic Impact Scope and Dissolved Oxygen Distribution by the Micro-bubble Aeration in an Artificial Lake원문보기
본 연구에서는 호소 수체에 산소를 포기시켜 주는 마이크로 버블 발생장치를 충남 아산에 위치하고 있는 죽산호에 설치하여 수체에 미치는 수리학적 영향반경과 용존산소 (DO) 농도 분포를 조사하였다. 수체에 미치는 수리학적 영향반경은 로다민 염료를 이용한 추적실험을 하였으며, 마이크로 버블제트류의 수평방향으로 총 160 m 길이의 가이드라인을 설치하여 10 m 지점마다 수심 1 m, 2 m, 3 m에서 로다민 농도, 수온, DO 등을 측정하였다. 죽산호의 로다민 배경농도는 $0.3-0.5{\mu}g/L$이었고, 용액 주입 후 15분 이내에 20-40 m 거리까지 확산되었으며, 거리 50-120 m의 수심 2 m 지점에서 로다민 농도가 $3.1-12{\mu}g/L$를 나타냈다. 본 연구결과로부터 마이크로 버블 발생장치의 제트류에 의한 직접적인 영향 범위는 40-50 m이고, 그 이후에는 이류 및 확산에 의한 영향으로 120 m까지 이동하는 것으로 나타났다. 수중 DO 농도는 경과시간과 이격 거리에 상관없이 7.4-12.6 mg/L의 농도를 유지하였고, 마이크로 버블 적용 전의 호소 바닥층 DO 0.2 mg/L에서 운영 후 8.0 mg/L 이상으로 DO가 개선되는 것으로 나타났다. 본 연구 결과에 의하면 마이크로 버블 포기 기술은 농업용 호소의 수질 관리와 개선에 기여할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 호소 수체에 산소를 포기시켜 주는 마이크로 버블 발생장치를 충남 아산에 위치하고 있는 죽산호에 설치하여 수체에 미치는 수리학적 영향반경과 용존산소 (DO) 농도 분포를 조사하였다. 수체에 미치는 수리학적 영향반경은 로다민 염료를 이용한 추적실험을 하였으며, 마이크로 버블 제트류의 수평방향으로 총 160 m 길이의 가이드라인을 설치하여 10 m 지점마다 수심 1 m, 2 m, 3 m에서 로다민 농도, 수온, DO 등을 측정하였다. 죽산호의 로다민 배경농도는 $0.3-0.5{\mu}g/L$이었고, 용액 주입 후 15분 이내에 20-40 m 거리까지 확산되었으며, 거리 50-120 m의 수심 2 m 지점에서 로다민 농도가 $3.1-12{\mu}g/L$를 나타냈다. 본 연구결과로부터 마이크로 버블 발생장치의 제트류에 의한 직접적인 영향 범위는 40-50 m이고, 그 이후에는 이류 및 확산에 의한 영향으로 120 m까지 이동하는 것으로 나타났다. 수중 DO 농도는 경과시간과 이격 거리에 상관없이 7.4-12.6 mg/L의 농도를 유지하였고, 마이크로 버블 적용 전의 호소 바닥층 DO 0.2 mg/L에서 운영 후 8.0 mg/L 이상으로 DO가 개선되는 것으로 나타났다. 본 연구 결과에 의하면 마이크로 버블 포기 기술은 농업용 호소의 수질 관리와 개선에 기여할 것으로 기대된다.
This study investigated the hydraulic impact scope and dissolved oxygen (DO) concentration distribution by the micro-bubble aeration in the Juksan Lake located in Asan city in Chungcheongnam-do province. A tracing experiment for hydraulic impact scope was used which constituted a 20% rhodamine solut...
This study investigated the hydraulic impact scope and dissolved oxygen (DO) concentration distribution by the micro-bubble aeration in the Juksan Lake located in Asan city in Chungcheongnam-do province. A tracing experiment for hydraulic impact scope was used which constituted a 20% rhodamine solution. A 160 m-guideline was installed in the horizontal direction of the micro-bubble jet flow and the rhodamine concentration, water temperature, and DO concentration were measured at depths of 1 m, 2 m, and 3 m at intervals of 10 m. In the Juksan Lake, the effective range of jet flow discharged by the micro-bubble generator was about 40 m, and after then the jet plume moved up to 80 m to 120 m through the advection and diffusion processes of ambient water. DO concentration in the lake was maintained at 7.4-12.6 mg/L during tracking experiment. The DO of the lake sediments improved from 0.2 mg/L to 8.0 mg/L after applying micro-bubble aeration. In conclusion, the micro-bubble aeration can be an effective technology for the management and improvement of water quality in an agricultural reservoir.
This study investigated the hydraulic impact scope and dissolved oxygen (DO) concentration distribution by the micro-bubble aeration in the Juksan Lake located in Asan city in Chungcheongnam-do province. A tracing experiment for hydraulic impact scope was used which constituted a 20% rhodamine solution. A 160 m-guideline was installed in the horizontal direction of the micro-bubble jet flow and the rhodamine concentration, water temperature, and DO concentration were measured at depths of 1 m, 2 m, and 3 m at intervals of 10 m. In the Juksan Lake, the effective range of jet flow discharged by the micro-bubble generator was about 40 m, and after then the jet plume moved up to 80 m to 120 m through the advection and diffusion processes of ambient water. DO concentration in the lake was maintained at 7.4-12.6 mg/L during tracking experiment. The DO of the lake sediments improved from 0.2 mg/L to 8.0 mg/L after applying micro-bubble aeration. In conclusion, the micro-bubble aeration can be an effective technology for the management and improvement of water quality in an agricultural reservoir.
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문제 정의
본 연구에서는 공기 중의 산소를 호소 수체에 포기시켜주는 마이크로 버블 발생장치를 충남 아산에 위치하고 있는 죽산호에 설치하여 수체에 미치는 수리학적 영향반경과 DO 농도를 조사하였다. 마이크로 버블 포기장치 제트류에 의한 직접적인 영향은 40-50 m이고, 그 이후 이류 및 확산에 의한 영향으로 120 m까지 이동하는 것으로 판단되며, 수중 DO 농도는 경과시간과 이격거리에 상관없이 7.
마이크로 버블을 이용한 수질개선기술은 호소 저층에충분한 산소를 공급하여 저서층을 호기성 분해수역으로 개선시켜주는 자연친화적 정화기술이라고 판단되며, 향후 폭 넓은 적용이 예상된다. 본 연구에서는 죽산호에 설치되어 운영 중인 마이크로 버블 발생 장치를 대상으로 수체에 미치는 수리학적 영향반경과 호 내 DO 농도를 조사하여 농업용 호소의 수질관리 및 수질개선을 위한 계획수립의 기초자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
로다민 용액을 주입한 후 가이드라인에 따라 거리간격 10 m마다 각 지점별로 수심을 측정한 후, 그 지점의 수심 1 m, 2 m, 3 m 수층에서 각각 로다민 센서 (YSI 6130, 측정범위 0-200 μg/L)를 부착한 다항목 수질측정 장치인 YSI 6600를 이용하여 로다민 농도, 수온, DO 등을 측정하였다. 또한, 실험을 수행하는 동안 기상장치(Davis WS-Pro2_Plus)를 설치하여 풍향 및 풍속을 측정했고, 측정 자료를 로다민 추적실험 결과의 해석에 활용하였다.
로다민 용액을 주입한 후 가이드라인에 따라 거리간격 10 m마다 각 지점별로 수심을 측정한 후, 그 지점의 수심 1 m, 2 m, 3 m 수층에서 각각 로다민 센서 (YSI 6130, 측정범위 0-200 μg/L)를 부착한 다항목 수질측정 장치인 YSI 6600를 이용하여 로다민 농도, 수온, DO 등을 측정하였다.
마이크로 버블 포기에 의한 수리학적 영향반경을 조사하기 위하여 로다민 염료 주입 후 경과시간에 따라 T1(10-15 min), T2 (20-60 min), T3 (80 min 이후)의 3개 구간으로 구분하여 실험결과를 해석하였다. 염료 주입 후 염료가 70 m까지 이동하여 배경농도와 유사한 농도가 되는데 약 15분이 경과되었으며 (T1), 2차로 다시 0 m 지점부터 배경농도와 유사한 농도 지점인 거리 150 m까지의 측정에 소요되는 시간이 20-60분 경과 (T2), 경과시간 80분 이후부터 배경농도와 유사한 거리 120 m까지의 측정구간 (T3)의 3개 구간으로 구분하였다.
마이크로 버블 포기에 의한 호소의 DO 농도 개선효과를 평가하기 위하여 마이크로 버블 발생장치 운영 전과 운영 후로 구분하여 DO 농도를 조사하였다. 마이크로 버블 발생장치는 2015년 9월 16일에 설치하여 하루 24시간씩 계속 가동하였다.
마이크로 버블 포기에 의한 수리학적 영향반경을 조사하기 위하여 로다민 염료 주입 후 경과시간에 따라 T1(10-15 min), T2 (20-60 min), T3 (80 min 이후)의 3개 구간으로 구분하여 실험결과를 해석하였다. 염료 주입 후 염료가 70 m까지 이동하여 배경농도와 유사한 농도가 되는데 약 15분이 경과되었으며 (T1), 2차로 다시 0 m 지점부터 배경농도와 유사한 농도 지점인 거리 150 m까지의 측정에 소요되는 시간이 20-60분 경과 (T2), 경과시간 80분 이후부터 배경농도와 유사한 거리 120 m까지의 측정구간 (T3)의 3개 구간으로 구분하였다. 염료 주입 후 시간 경과별 수면 농도변화를 Fig.
대상 데이터
2015년도에 충남 아산시에 위치하고 있는 죽산호에서 마이크로 버블 포기에 의해서만 호소 수환경 및 수질개선을 위한 목적으로 처음으로 적용되었다. 마이크로 버블 포기 적용기술을 호소의 수질개선기술로 적용하기 위해서는발생장치의 제트류에 의한 수리학적 영향 반경 등의 설계인자가 필요하나 아직까지 국내에서 이런 연구는 진행된 적이 없다.
로다민 추적실험은 마이크로 버블 발생장치 B를 대상으로 하였으며, 마이크로 버블 제트류의 수평방향으로 10 m 간격으로 하여 총 160 m의 거리에 가이드라인을 Fig. 1과 같이 설치하였다. 로다민 용액을 주입한 후 가이드라인에 따라 거리간격 10 m마다 각 지점별로 수심을 측정한 후, 그 지점의 수심 1 m, 2 m, 3 m 수층에서 각각 로다민 센서 (YSI 6130, 측정범위 0-200 μg/L)를 부착한 다항목 수질측정 장치인 YSI 6600를 이용하여 로다민 농도, 수온, DO 등을 측정하였다.
마이크로 버블 발생기는 Fig. 1과 같이 수심이 약 4 m정도 되는 저수지 제방 앞쪽 100 m 간격으로 3지점(A 지점,36.785000°N, 126.896111°E; B 지점, 36.784196°N,126.896787°E; C 지점, 36.783896°N, 126.897361°E)을 선정하여 2015년 9월 16일에 설치하였다.
897361°E)을 선정하여 2015년 9월 16일에 설치하였다. 본 연구에 사용된 마이크로 버블 발생장치는 기액 2상류 선회형 마이크로 버블 발생장치로 총 3지점에 각 1 세트 (1 세트에 3기로구성)씩 구성하여 저수지 바닥에서 상부 수면 쪽으로 1 m 떨어진 지점에 고정식으로 설치하였다. 총 공기 흡입량은380 L/min이며, 사용동력은 1기당 2.
죽산호에 설치된 마이크로 버블 발생장치 제트류에 의한 마이크로 버블의 수리학적 영향반경을 평가하기 위해서 로다민 (rhodamine) 염료를 이용한 현장 추적실험을 2015년 10월 5일 오후 1시부터 6시까지 실시하였다. 로다민 용액은 생물체에 사용되는 형광염료로서 하천이나 호소에서 주입된 용액의 확산범위 등의 추적실험 등에 많이 이용되고 있으며, 권장 농도범위 내에서 사용할 경우 자연생태계에 무해하며, 미국 연방지질조사국 (USGS, U.
죽산호의 마이크로버블 추적실험을 위해서 사용된 로다민 용액의 주입량은 저수지 체적인 621,300 m3을 적용하여 0.464 kg을 산정하였다. 로다민 염료는 호소수와 희석하여 마이크로 버블 발생기의 공기 흡입구를 통해 약 2분 간 연속 주입하였다.
성능/효과
7 mg/L의 농도를 보였다. T3 구간에서는 T2 구간과 동일하게 거리 20 m 지점까지 수층에 따른 DO 차이가 거의 없었고, 거리 30 m 이후부터 수층 1 m에서 DO 농도가 10 mg/L로 증가하는 결과를 보였다. 로다민 추적실험 동안 DO 측정 결과를 종합해보면, 마이크로 버블 발생장치 인근인 10-30 m 지점에서 상, 중, 하층 DO 농도가 유사하였고, 30-40 m 이후보다 DO가 낮아지는 경향은 T1, T2, T3 구간에서 모두 유사하였다.
5). 가동 5주 후에도 수심에 상관없이 전체적으로 DO 농도가 8.0 mg/L 이상의 높은 농도를 유지하고 있는 것으로 나타났다.
거리 40 m 이후부터는 후방에서 계속 유입되는 제트류의 영향으로 이류 (advection)와 주변 수체와의 농도 차이에 따른 확산 (diffusion)의 효과로 약 1시간 후 80-120 m 지점까지 평균 이동속도 2-3 cm/sec로 이동하는 것을 알 수 있었다. 그 이후 시간부터 로다민을 포함한 수체 (plume)는 3차원 확산을 통해 희석되었으며, T3 조사구간에서는 배경농도와 유사하였다.
6 mg/L의 농도를 유지하는 것으로 나타났다. 또한 마이크로 버블 발생장치 운영이전에는 호소 DO 농도가 표층에서는 평균 7.7 mg/L인 반면에 호소 저서층에서는 0.2 mg/L로 거의 무산소 상태를 보이고 있었으나, 가동 5주 후부터는 수심에 상관없이 전체적으로 DO 농도가 8.0 mg/L 이상의 높은 농도를 유지하고 있는 것으로 나타났다.
T3 구간에서는 T2 구간과 동일하게 거리 20 m 지점까지 수층에 따른 DO 차이가 거의 없었고, 거리 30 m 이후부터 수층 1 m에서 DO 농도가 10 mg/L로 증가하는 결과를 보였다. 로다민 추적실험 동안 DO 측정 결과를 종합해보면, 마이크로 버블 발생장치 인근인 10-30 m 지점에서 상, 중, 하층 DO 농도가 유사하였고, 30-40 m 이후보다 DO가 낮아지는 경향은 T1, T2, T3 구간에서 모두 유사하였다. 이러한 결과는 마이크로 버블 발생장치에서 포기된 마이크로 버블에 의해 상층과 하층의 물이 섞이면서 나타난 수직혼합 효과에 의한 영향으로 판단된다.
2 mg/L로 거의 무산소 상태를 보이고 있었다. 마이크로 버블 가동 3주 후에는 수심 3 m까지의 모든 수층에서 DO 농도가 평균 6.0 mg/L 이상을 보였고, 퇴적층에서도 DO 약 4.3 mg/L의 농도를 나타내었다 (Fig. 5). 가동 5주 후에도 수심에 상관없이 전체적으로 DO 농도가 8.
본 연구에서는 공기 중의 산소를 호소 수체에 포기시켜주는 마이크로 버블 발생장치를 충남 아산에 위치하고 있는 죽산호에 설치하여 수체에 미치는 수리학적 영향반경과 DO 농도를 조사하였다. 마이크로 버블 포기장치 제트류에 의한 직접적인 영향은 40-50 m이고, 그 이후 이류 및 확산에 의한 영향으로 120 m까지 이동하는 것으로 판단되며, 수중 DO 농도는 경과시간과 이격거리에 상관없이 7.4-12.6 mg/L의 농도를 유지하는 것으로 나타났다. 또한 마이크로 버블 발생장치 운영이전에는 호소 DO 농도가 표층에서는 평균 7.
본 연구결과로부터 마이크로 버블 발생장치를 호소 수질개선기술로 적용하기 위해서는 최소 직경거리 120 m 구간마다 1기의 설치가 필요하며, 죽산호 만수면적 23.8 ha을 기준으로 했을 때 최소 5 세트를 설치해야 호소 전체에 마이크로 버블이 공급될 것으로 판단된다.
2 μg/L 보다 훨씬 낮았으며, 이는 제트류의 역류 (backwater)현상에 의한 것으로 판단된다. 실제 촬영영상을 분석해본 결과, 로다민 주입 15분경과 후에 마이크로 버블 발생장치 주변에서 염료가 하층으로부터 올라오는 것이 확인되었다. T3 구간에서는 거리 80-100 m 구간에서만 미세하게 로다민 농도가 계측되었다.
이러한 결과로부터, 마이크로 버블 제트류의 물리적 영향범위는 약 80-120 m로 판단되며, 거리 120 m 이후부터는 바람과 물 흐름에 의한 난류 확산의 영향으로 염료가 미세하게 유동되다가 150 m 지점에서 완전 소멸되는 것으로 판단된다.
죽산지에서의 로다민 추적실험 결과를 종합해보면, 마이크로 버블 제트류는 15분 후 평균 이동속도 약 5 cm/sec로 30-40 m까지 이동하였고, 대부분의 제트류 운동량은 이 지점에서 소멸되는 것으로 판단된다. Jet는 좁은 구멍에서 액체나 기체 등이 고속으로 분출되는 상태를 말하며, 운동량 (MV)에 의해 흐름을 발생시키며, 운동에너지는 주변의 유체와의 혼합 및 난류에 의해 손실되나 운동량은 보존된다.
측정 약 15분 후, 거리 40 m부근에서 로다민의 농도는 0.7 μg/L로 마이크로 버블 발생장치 인근의 농도 6.2 μg/L 보다 훨씬 낮았으며, 이는 제트류의 역류 (backwater)현상에 의한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마이크로 버블 발생기술은 무엇인가?
최근 2000년대 들어서는 마이크로 버블을 이용한 산소 포기 기술이 개발되어 다양한 분야에서 적용되고 있다. 마이크로 버블 발생기술은 50 μm 이하의 기포를 발생시켜산소를 직접 포기하는 기술로 (Cha 2009), 이러한 미세기포는 1990년대에 일본을 중심으로 발생기술에 대한 연구가 진행되었고, 2000년대에 들어 다양한 분야에 적용하는연구가 진행되고 있다 (Kim and Yamamoto 2013).
국내 호소의 수질은 무엇의 영향을 받고 있는가?
최근 기후변화 및 농업용 호소 유역의 도농복합형태 개발 등 오염원 증가로 농업용 호소의 수질오염도는 지속적으로 증가추이에 있다 (MAFRA and KRC 2014a). 국내 호소의 수질은 유역환경인자와 강우 시 유역에서 유입되는 오염물질에 의한 영향, 호소 체류시간 등과 같은 수리수문학적 요인에 의해 많은 영향을 받고 있는 것으로 나타났다 (Choi2015).
인공 호소와 대형 댐에서 주로 사용되는 수질개선기술들의 한계점은?
인공 호소와 대형 댐을 대상으로 한 호 내 수질개선기술은 그 동안 주로 수중 포기장치 및 물순환 장치, 그리고 녹조 제거를 주 대상으로 하는 가압부상공법 및 녹조 제거선등과 같은 물리화학적 기술 등이 개발되어 적용되고 있다.그러나 이러한 방법들은 처리규모의 한계, 유지관리의 어려움, 경제성, 생태 ․ 환경적 영향 등의 문제점 때문에 실용화에 한계가 있었다 (MAFRA and KRC 2014b).
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