[논문]Fugacity 모델에 기초한 논토양에서의 액비살포에 따른 암모니아성 질소 거동추적

김미숙; 곽동희

doi:10.15681/kswe.2019.35.3.224

Fugacity 모델에 기초한 논토양에서의 액비살포에 따른 암모니아성 질소 거동추적
Environmental Fate Tracking of Manure-borne NH3-N in Paddy Field Based on a Fugacity Model 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.35 no.3, 2019년, pp.224 - 233

김미숙 (목포대학교 환경공학과) , 곽동희 (전북대학교 정읍산학연협력지원센터, 생리활성소재과학과)

초록
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액비(분뇨)에 포함된 질소성분은 환경의 질을 악화시키고 안정성을 감소시킬 수 있다. 액비로 인한 환경적 위해성을 최소화하기 위해서는 환경 매체 내에서의 액비의 거동을 이해할 필요가 있다. 액비에 포함된 암모니아성 질소($NH_3-N$)의 환경 내 거동과 이송을 분석하고, 액비시스템에서 질소(N)관리의 개선을 위한 기반을 제공하며 질소의 환경에 미치는 악영향을 최소화하기 위해서, 본 연구는 단순화된 Level III fugacity 모델의 적용 가능성을 조사하는 것을 목적으로 하였다. 벼 재배 기간 중 4개의 환경구획(공기, 물, 토양 및 벼)에서 암모니아성 질소($NH_3-N$) 성분을 축적하기 위해 정상상태의 fugacity 개념을 이용한 모델의 모의 실험을 실시하였으며 그 결과 Level III fugacity 모델의 적용 가능성을 검증하였다. 모델 결과, 대부분의 암모니아성 질소($NH_3-N$)는 논물(수체)과 벼(식물)에 분포하였으며 공기와 논물 그리고 토양에 대한 로그-로그 그래프선상에서 fugacity와 농도는 시간에 따라 선형적으로 감소한 반면에 벼(식물)에서의 변화는 비선형적으로 나타났다. 제거과정의 민감성을 살펴본 결과 제거과정(침적과 유출)이 고려된 경우 대부분의 암모니아성 질소는 논물에 분포하였으며 제거과정이 무시된 경우에는 벼(식물)가 암모니아성 질소를 흡수하는 것으로 나타났다. 또한 질소의 물질수지에 따라 각 구획별로 질소가 분포됨을 알 수 있었다. 본 연구는 실제 관측 자료에 의한 모델 보정을 수행하지 않고 토양층에 의한 잔류량 및 질소 형태의 변화를 기술하지 않았으며 모델 시뮬레이션은 간헐적인 실제 배출량 입력과 달리 연속 배출량으로 간주하였다. 그러므로 수질에 대한 비점 오염원으로서의 액비의 영향을 정량화하기 위해서는 보다 구체적이고 지속적인 모델링 및 모니터링 연구가 필요하다. 향후 연구의 Level III fugacity 모델에서는 더 정확한 제거 과정을 기술하고, 입력 변수의 적절한 값을 적용하여 다양한 N 형 비료에 대한 모델 시뮬레이션을 실시하고, 액비와 다양한 N 형 비료를 사용하여 얻은 N 성분의 관측 자료를 이용하여 모델을 평가할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nitrogen components in liquid manure can reduce safety and quality of environment harmfully. To minimize the environmental risks of manure, understanding fate of manure in environment is necessary. This study aimed at investigating applicability of a simplified Level III fugacity model for simulating $NH_3-N$ component to analyze environmental fate and transport of $NH_3-N$ in liquid manure and to provide basis for improving management of N in the liquid manure system and for minimizing the environmental impacts of N. The model simulation conducted for four environmental compartments (air, water, soil, and rice plants) during rice-cropping to trace $NH_3-N$ component and provided applicability of the Level III fugacity model in studying the environmental fate of $NH_3-N$ in manure. Most of $NH_3-N$ was found in water body and in rice plants depending upon the physicochemical properties and proper removal processes. For more precise model results, the model is needed to modify with the detailed removal processes in each compartment and to collect proper and accurate information for input parameters. Further study should be about simulations of various N-typed fertilizers to compare with the liquid manure based on a modified and relatively simplified Level III fugacity model.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Mass balance equations for each compartment in the model
표 Table 2. Summary of Z-value and D-value used in the model
그림 Fig. 1. Schematic representation of nitrogen balance model with reaction constants.
그림 Fig. 2. Schematic representation of the N-transformations in flooded rice field.
표 Table 3. Important parameters for the model calculation
표 Table 4. Physical and chemical property of NH₃-N
그림 Fig. 3. Content of fugacity capacity Z_i in each compartment resulted from the model simulation. The values of Zi are 0.2% for air Z1, 48.3% for water Z2, 8.8% for soil Z3 and 42.7% for rice plant Z4.
표 Table 5. Important input variables for the model simulation
그림 Fig. 4. Changes of Fugacity and concentration in each compartment for different detention times from 1hour to 20 days.
그림 Fig. 5. Changes of Fugacity and concentration in each compartment for different detention times from 1hour to 20 days when the removal process in the rice plants was ignored.
그림 Fig. 6. Graphical representation of mass balance (mol/hr) in and between compartments.

AI 본문요약
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문제 정의

N components in manure can negatively impact air, surface water, groundwater, and soil. Therefore, a study is necessary to establish fate of N components in manure related to negatively impacts on environment.
액비로 인한 환경적 위해성을 최소화하기 위해서는 환경 매체 내에서의 액비의 거동을 이해할 필요가 있다. 액비에 포함된 암모니아성 질소(NH3-N)의 환경 내 거동과 이송을 분석하고, 액비시스템에서 질소(N)관리의 개선을 위한 기반을 제공하며 질소의 환경에 미치는 악영향을 최소화하기 위해서, 본 연구는 단순화된 Level III fugacity 모델의 적용 가능성을 조사하는 것을 목적으로 하였다. 벼 재배 기간 중 4개의 환경구획(공기, 물, 토양 및 벼)에서 암모니아성 질소(NH3-N) 성분을 축적하기 위해 정상상태의 fugacity 개념을 이용한 모델의 모의 실험을 실시하였으며 그 결과 Level III fugacity 모델의 적용 가능성을 검증하였다.

가설 설정

4. The mass balance of N or N-budget among the compartments is produced by the Level Ⅲ fugacity model.

제안 방법

1. Model sensitivity was depending on input parameters and physicochemical properties of NH_3-N in manure, which were used to calculate capacity of fugacity, Z_iand partition coefficients for each compartment. Zi was not time dependent and had each constant value for each compartment.
A series of model simulation using the fugacity concept under a steady state condition was carried out to analyze environmental fate and transport of N components in liquid manure and to provide basis for improving management of N in the liquid manure system for minimizing the environmental impacts of N during rice-cropping. Findings of the model simulation are as in the following:
Since N-nutrient in animal liquid manure consists of high soluble, non-volatile and ionic compounds, an aquivalencebased model may be proper rather than a fugacity-based model but this study uses the fugacity-based model for simplification although it has uncertainty of model formulae, input information, and so on. Thus, this study aims at investigating the applicability of the fugacity concept originated by Mackay (1991) under a steady state condition as a tool to analyze environmental fate and transport of N components in liquid manure and to provide basis for improving management of N in the liquid manure system and for minimizing the environmental impacts of N during rice-cropping.
Since N-nutrient in animal liquid manure consists of high soluble, non-volatile and ionic compounds, an aquivalencebased model may be proper rather than a fugacity-based model but this study uses the fugacity-based model for simplification although it has uncertainty of model formulae, input information, and so on. Thus, this study aims at investigating the applicability of the fugacity concept originated by Mackay (1991) under a steady state condition as a tool to analyze environmental fate and transport of N components in liquid manure and to provide basis for improving management of N in the liquid manure system and for minimizing the environmental impacts of N during rice-cropping. The fugacity concept has been used in steady state condition for an air-waterrice plant-soil compartment system during rice cropping, simulated for fate of ammoniacal nitrogen (NH3-N) in manure, and evaluated its possibility during the rice cropping season.
또한 질소의 물질수지에 따라 각 구획별로 질소가 분포됨을 알 수 있었다. 본 연구는 실제 관측 자료에 의한 모델 보정을 수행하지 않고 토양층에 의한 잔류량 및 질소 형태의 변화를 기술하지 않았으며 모델 시뮬레이션은 간헐적인 실제 배출량 입력과 달리 연속 배출량으로 간주하였다 . 그러므로 수질에 대한 비점 오염원으로서의 액비의 영향을 정량화하기 위해서는 보다 구체적이고 지속적인 모델링 및 모니터링 연구가 필요하다.

성능/효과

2. Fugacity and concentration for air, water, and soil were decreased linearly with time change in the log-log graph but those in rice plants were performed nonlinearly.
3. Most of NH_3-N was remained in the water body when the removal processes (deposition and runoff) in the rice plants were considered approximately, while the rice plants took NH_3-N when the removal processes are ignored.
제거과정의 민감성을 살펴본 결과 제거과정(침적과 유출)이 고려된 경우 대부분의 암모니아성 질소는 논물에 분포하였으며 제거과정이 무시된 경우에는 벼(식물)가 암모니아성 질소를 흡수하는 것으로 나타났다. 또한 질소의 물질수지에 따라 각 구획별로 질소가 분포됨을 알 수 있었다. 본 연구는 실제 관측 자료에 의한 모델 보정을 수행하지 않고 토양층에 의한 잔류량 및 질소 형태의 변화를 기술하지 않았으며 모델 시뮬레이션은 간헐적인 실제 배출량 입력과 달리 연속 배출량으로 간주하였다 .
벼 재배 기간 중 4개의 환경구획(공기, 물, 토양 및 벼)에서 암모니아성 질소(NH3-N) 성분을 축적하기 위해 정상상태의 fugacity 개념을 이용한 모델의 모의 실험을 실시하였으며 그 결과 Level III fugacity 모델의 적용 가능성을 검증하였다. 모델 결과, 대부분의 암모니아성 질소(NH3-N)는 논물(수체)과 벼(식물)에 분포하였으며 공기와 논물 그리고 토양에 대한 로그-로그 그래프선상에서 fugacity와 농도는 시간에 따라 선형적으로 감소한 반면에 벼(식물)에서의 변화는 비선형적으로 나타났다. 제거과정의 민감성을 살펴본 결과 제거과정(침적과 유출)이 고려된 경우 대부분의 암모니아성 질소는 논물에 분포하였으며 제거과정이 무시된 경우에는 벼(식물)가 암모니아성 질소를 흡수하는 것으로 나타났다.
액비에 포함된 암모니아성 질소(NH3-N)의 환경 내 거동과 이송을 분석하고, 액비시스템에서 질소(N)관리의 개선을 위한 기반을 제공하며 질소의 환경에 미치는 악영향을 최소화하기 위해서, 본 연구는 단순화된 Level III fugacity 모델의 적용 가능성을 조사하는 것을 목적으로 하였다. 벼 재배 기간 중 4개의 환경구획(공기, 물, 토양 및 벼)에서 암모니아성 질소(NH3-N) 성분을 축적하기 위해 정상상태의 fugacity 개념을 이용한 모델의 모의 실험을 실시하였으며 그 결과 Level III fugacity 모델의 적용 가능성을 검증하였다. 모델 결과, 대부분의 암모니아성 질소(NH3-N)는 논물(수체)과 벼(식물)에 분포하였으며 공기와 논물 그리고 토양에 대한 로그-로그 그래프선상에서 fugacity와 농도는 시간에 따라 선형적으로 감소한 반면에 벼(식물)에서의 변화는 비선형적으로 나타났다.
모델 결과, 대부분의 암모니아성 질소(NH3-N)는 논물(수체)과 벼(식물)에 분포하였으며 공기와 논물 그리고 토양에 대한 로그-로그 그래프선상에서 fugacity와 농도는 시간에 따라 선형적으로 감소한 반면에 벼(식물)에서의 변화는 비선형적으로 나타났다. 제거과정의 민감성을 살펴본 결과 제거과정(침적과 유출)이 고려된 경우 대부분의 암모니아성 질소는 논물에 분포하였으며 제거과정이 무시된 경우에는 벼(식물)가 암모니아성 질소를 흡수하는 것으로 나타났다. 또한 질소의 물질수지에 따라 각 구획별로 질소가 분포됨을 알 수 있었다.

후속연구

Therefore, more specific and ongoing modeling and monitoring studies are required to quantify the impact of liquid manure as a non-point pollutant on water quality. Based on the simulation results, the further study is required to describe more precise removal process in the Level Ⅲ fugacity model with proper values of input parameters, to simulate the model for various N-typed fertilizers, to compare simulation results between the liquid manure and various N-typed fertilizers, and to evaluate the model with observation data of N components.
본 연구는 실제 관측 자료에 의한 모델 보정을 수행하지 않고 토양층에 의한 잔류량 및 질소 형태의 변화를 기술하지 않았으며 모델 시뮬레이션은 간헐적인 실제 배출량 입력과 달리 연속 배출량으로 간주하였다 . 그러므로 수질에 대한 비점 오염원으로서의 액비의 영향을 정량화하기 위해서는 보다 구체적이고 지속적인 모델링 및 모니터링 연구가 필요하다. 향후 연구의 Level Ⅲ fugacity 모델에서는 더 정확한 제거 과정을 기술하고, 입력 변수의 적절한 값을 적용하여 다양한 N 형 비료에 대한 모델 시뮬레이션을 실시하고, 액비와 다양한 N 형 비료를 사용하여 얻은 N 성분의 관측 자료를 이용하여 모델을 평가할 것이다.
그러므로 수질에 대한 비점 오염원으로서의 액비의 영향을 정량화하기 위해서는 보다 구체적이고 지속적인 모델링 및 모니터링 연구가 필요하다. 향후 연구의 Level Ⅲ fugacity 모델에서는 더 정확한 제거 과정을 기술하고, 입력 변수의 적절한 값을 적용하여 다양한 N 형 비료에 대한 모델 시뮬레이션을 실시하고, 액비와 다양한 N 형 비료를 사용하여 얻은 N 성분의 관측 자료를 이용하여 모델을 평가할 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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