호수 퇴적물 인 용출 제어를 위한 현장 처리제 개발 및 모델 연구

Abstract

A novel method of in situ sediment treatment is developed to suppress phosphorus release from contaminated sediment under anaerobic condition in this dissertation. The method is based on addition of the ocher pellets into benthic sediments. The pellet, called limnomedicine, that consist of ocher and calcium nitrate were used. The pellet slowly releases calcium and nitrate, together with ocher, in sediment-water interface, where all three components play an important role in reducing phosphate release from sediments. The each component was applied to sediments to examine the individual effect. Bench scale experiment was performed as in following conditions: 1) ocher, 2) calcium, 3) nitrate, 4) calcium nitrate, 5) calcium nitrate and ocher, and 6) no treatment. The sediment without any treatment released the phosphate flux of 10.82mg/㎡/d. The 1mg treatment of ocher, calcium, and nitrate(NO₃-N) led to reduction of phosphate release of 0.008, 0.617 and 1.974mg/㎡/d from the sediment respectively, which indicated that nitrate was the most effective for the reduction of phosphate release. This can be attributed to the fact that nitrate, acting as an electron acceptor of organic matter degradation, prevents the dissolution of phosphate bound to iron oxides, and calcium and ocher bind the dissolved phosphate. The increase of pH along with nitrate reduction helps the calcium bind to phosphate. Ocher also can act as a vehicle to bring the calcium nitrate from water surface to the bottom. The reduction of phosphorus release from the sediment leads the decrease in algae production of water column. The pellet treatment has two major advantages compared to the previous methods: 1) effective in reducing phosphate release due to the synergism of calcium, nitrate and ocher, and 2) easy to use in natural systems, in such manner that the pellets are simply scattered over water surface. The calciumnitrate of pellets is wrapped with ocher crust to retard calciumnitrate release from the pellet. Ocher crust maintained its form as is was in spite of being in mixed water for a long time, which made it possible that pellets hardly lost the calciumnitrate by way of water column and slowly released calciumnitrate at the sediment-water interface. A mathematical model was proposed to estimate nitrate release from pellets in benthic sediment. The proposed model represents the fate and transport of nitrate released from the pellets, both in water column and sediment. Most of nitrate (83.6%) released from the pellet was consumed for degradation of organic matter and FeS in the sediment for 12 days. An increase in the amount of pellet dosage has a good effect accelerating sediment treatment rate, but produce a side effect of increased mass of nitrate diffused out to the water column. Through quantitative analysis on these effects using the proposed mathematical model, we might determine the proper usage of pellet based on sediment conditions such as organic matter contents.;본 연구에서는 호수의 녹조 발생을 저감시키기 위하여 인을 용출하는 퇴적물을 현장에서 처리하는 새로운 방법을 개발하였다. 이 방법은 황토와 질산칼슘으로 이루어진 알약형태의 현장 처리제(Limnomedicine)을 수표면에서 살포하는 것으로 이루어져 있다. 이 방법의 퇴적물 처리 효과를 실험실규모의 실험과 모델연구를 통해 알아보았다. 현장 처리제를 구성하고 있는 황토, 질산이온(NO₃-N), 칼슘을 단독으로 1mg씩 퇴적물에 처리하였을 때 퇴적물에서 발생하는 인 용출이 각각 0.008, 1.974, 0.617 mg/㎡/d감소하여 질산이온이 인 용출 제어에 가장 효과적인 것으로 나타났다. 질산이온만을 처리하였을 때는 4일까지 질산이온과 칼슘을 동시에 처리한 경우 8일까지 여기에 황토까지 처리하면 13일 동안 인 용출이 안정적으로 제어되는 것을 알 수 있었다. 질산이온은 적용 초기부터 퇴적물의 산화환원전위를 상승시켜 인을 용출되지 않는 상태로 유지시키고 칼슘과 황토는 수층으로 용출되는 인을 흡착하여 침전한다. 또한 질산이온의 환원에 의해 pH가 상승되면 칼슘과 인의 결합이 촉진되어 칼슘만 처리하였을 때 보다 인 용출 flux가 2배(3.03→6.41mg/㎡/d)이상 증가된다. 황토와 질산칼슘 처리가 퇴적물에서 인 용출을 제어하여 수체에 발생하는 조류의 양을 저감시키는 것이 확인되었다. 이러한 처리효과를 나타내는 황토와 질산칼슘으로 이루어진 현장 처리제는 수표면에 살포되면 수층을 통과하여 퇴적물에 도달하게 된다. 처리제가 수층을 지날 때 용존성 물질인 질산칼슘이 수층에 손실되지 않도록 질산칼슘은 황토 겉구조에 의해 물과의 접촉이 지연되도록 구성되어 있다. 이러한 현장 처리제를 교반되는 물속에 넣고 질산이온 용출속도를 측정한 결과 초기 1분 동안 질산이온의 용출이 거의 일어나지 않는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 교반되는 물속에서도 현장 처리제의 구조 변형되지 않고 처음 상태 그대로 유지되기 때문인 것으로 사료된다. 1분 동안 현장 처리제는 수심 65m를 하강하게 되므로 수심이 이보다 낮은 호수에서는 현장 처리제를 투여할 경우 수층을 통과할 때 질산칼슘의 손실이 거의 없을 것으로 예상할 수 있다. 현장 처리제에서 방출된 질산이온은 퇴적물 처리에 사용되지만 일부는 수층으로 확산되기도 한다. 퇴적물 처리에 사용되는 질산이온을 정량적으로 알아보기 위하여 수층과 퇴적물을 모두 포함하고 질산이온을 소모하는 모든 기작을 고려하는 수학적 모델을 개발하였다. 모델은 여러 항목의 퇴적물 깊이별 농도 측정값으로 보정하였다. 대치동 빗물펌프장 퇴적물을 처리과정을 모델로 모의한 결과 12일 동안 현장 처리제에서 용출된 83.6%의 질산이온이 퇴적물의 유기탄소의 분해와 FeS의 산화에 사용되는 것을 알 수 있었다. 현장 처리제의 사용량을 증가시키면 퇴적물/수층 경계면에서의 질산이온 농도가 증가하고 이로 인해 퇴적물에서의 질산이온의 소비속도가 증가하여 퇴적물에 사용되는 질산이온의 양이 증가하였다. 그러나 수층으로 확산되는 질산이온의 양을 증가시킨다는 단점을 가지고 있다. 또한 현장 처리제 사용량을 2배 증가시켰을 때 퇴적물 내의 유기탄소와 FeS가 2배 감소하지 않는 것을 알 수 있었다. 이는 계속해서 질산이온이 퇴적물내의 유기탄소와 FeS의 양을 감소시켜 질산이온과 반응할 이들의 농도가 줄어들기 때문이다. 현장 처리제 사용량에 따른 질산이온의 퇴적물 이용량과 퇴적물내의 유기탄소와 FeS의 감소량을 정량적으로 알 수 있으므로 퇴적물 처리 목표량을 만족시킬 수 있는 현장 처리제 사용량을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.