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열(熱)흐름을 동반(同伴)한 정상지하수(定常地下水)의 흐름해석(解析) 수치모형(數値模型)
왕수균,조원철,이원환,Wang, Soo Kyun,Cho, Won Cheol,Lee, Won Hwan 대한토목학회 1991 대한토목학회논문집 Vol.11 No.4
본(本) 연구(硏究)는 일정균등(一定均等)한 열적(熱的) 특성(特性)을 가지고 있으며 상변화(相變化) 없는 등방(等方) 이질성(異質性)의 3차원(次元) 대수층계(帶水層系)의 열(熱)흐름과 정상상태(定常狀態)의 지하수(地下水)흐름을 모의발생(模擬發生)할 수 있는 유한차분(有限差分) 모형(模型)을 확립(確立)한 것이다. 이 모형(模型)은 대규모(大規模) 지하수(地下水) 흐름체계(體系)에서 폐기물(廢棄物)의 지하저류시(地下貯溜時) 지하수(地下水) 흐름과 발생(發生) 혹은 주입(注入)된 열(熱)의 흐름을 예측(豫測) 분석(分析)하기 위하여 확립(確立)된 것이다. 이러한 대수층계(帶水層系)의 지하수(地下水) 흐름에 작용(作用)하는 조건(條件)으로는 강우주입(降雨注入)으로 인한 수문학적(水文學的) 조건(條件)과 고정(固定)된 수리수두(水理水頭) 경계조건(境界條件) 등(等)이 포함(包含)되고, 열(熱)흐름에는 지열(地熱)의 흐름, 지표면(地表面)으로의 전도(傳導), 주입(注入)에 의한 이류(移流), 고정(固定) 수두경계(水頭境界)로 향(向)한 또는 고정수두경계(固定水頭境界)로 부터의 이류(移流) 등(等)이 포함(包含)된다. 본(本) 모형(模型)에서는 지하수(地下水)흐름과 열(熱)흐름 방정식(方程式)을 번갈아 푸는 교대반복과정(交代反復過程)을 사용(使用)하고, 두 방정식(方程式)의 계산(計算)에는 직접해법(直接解法)을 사용(使用)한다. 이동시간(移動時間)은 모형공간(模型空間)에서 입자추적(粒子追跡)으로 결정(決定)되며, 분할(分轄)된 구역내(區域內)의 지하수(地下水) 유속(流速)은 구역내(區域內)의 유속(流速)을 선형(線形)으로 보간(補間)하여 계산(計算)한다. 본(本) 모형(模型)을 경상북도(慶尙北道) 영일군(迎日郡) 송라면(松羅面) 지경리(地境里) 일대(一帶)의 지하수계(地下水系)에 적용(適用)하여 이 일대(一帶) 지하(地下) 암반층(岩盤層)의 수두분포(水頭分布), 유동로(流動路), 이동시간(移動時間) 및 지하수온분포(地下水溫分布)를 계산(計算)하여 지하수(地下水) 유동체계(流動體系)를 분석(分析)하였다. In this study, a numerical model was established and applied to simulate the steady-state groundwater and heat flow in an isotropic, heterogeneous, three dimensional aquifer system with uniform thermal properties and no change of state. This model was developed as an aid in screening large groundwater-flow systems as prospects for underground waste storage. Driving forces on the system are external hydrologic conditions of recharge from precipitation and fixed hydraulic head boundaries. Heat flux includes geothermal heat-flow, conduction to the land surface, advection from recharge, and advection to or from fixed-head boundaries. The model uses an iterative procedure that alternately solves the groundwater-flow and heat-flow equations, updating advective flux after solution of the groundwater-flow equation, and updating hydraulic conductivity after solution of the heat-flow equation. Dierect solution is used for each equation. Travel time is determined by particle tracking through the modeled space. Velocities within blocks are linear interpolations of velocities at block faces. Applying this model to the groundwater-flow system located in Jigyung-ri. Songla-myun, Youngil-gun. Kyungsangbuk-do, the groundwater-flow system including distribution of head, temperature and travel time and flow line, is analyzed.
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식생과 조석의 영향을 고려한 연안습지 퇴적물 내 물질거동 모형의 개발
박도현,왕수균,Park, Do-Hyun,Wang, Soo-Kyun 한국지하수토양환경학회 2009 지하수토양환경 Vol.14 No.6
습지는 다양한 생지화학적 반응기작을 통하여 폐수로부터 유입되는 유기오염물질을 완화/정화하는 지역으로 알려져있다. 본 연구에서는 습지에서 다양한 물질의 성상과 거동을 모의하기 위하여 수학적 모형을 개발하였다. 개발한 모형은 1차원 수직 포화 모형으로 이류, 수리학적 분산, 미생물에 의한 생분해, 산화/환원반응, 식생과 조수 등 외부환경의 영향을 고려하였다. 조수의 영향은 퇴적물 내 공극수의 흐름에 주기적인 변화를 일으키고, 계절에 따라 식생은 증발산과 뿌리로부터의 산소공급을 통해 흐름과 근권 내 산화/환원 환경에 영향을 미친다. 개발된 모형을 적용하여 습지퇴적물 내에 존재하는 관심물질의 공간적 및 시간적 분포 모의를 위한 가상의 수치실험을 수행하였다. 또한 대표적인 중금속 오염물질의 하나인 크롬의 습지퇴적물 내 성상과 거동을 모의하였다. 모의 결과는 식생 뿌리와 조수가 습지퇴적물 내 전자수용체, 환원물질, 중금속의 분포에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다. Wetlands can remove organic contaminants, metals and radionuclides from wastewater through various biogeochemical mechanisms. In this study, a mathematical model was developed for simulating the fate and transport of chemical species in marsh wetland sediments. The proposed model is a one-dimensional vertical saturated model which is incorporated advection, hydrodynamic dispersion, biodegradation, oxidative/reductive chemical reactions and the effects from external environments such as the growth of plants and the fluctuation of water level due to periodic tides. The tidal effects causes periodic changes of porewater flow in the sediments and the evapotranspiration and oxygen supply by plant roots affect the porewater flow and redox condition on in the rhizosphere along with seasonal variation. A series of numerical experiments under hypothetical conditions were performed for simulating the temporal and spatial distribution of chemical species of interests using the proposed model. The fate and transport of a trace metal pollutant, chromium, in marsh sediments were also simulated. Results of numerical simulations show that plant roots and tides significantly affect the chemical profiles of different electron acceptors, their reduced species and trace metals in marsh sediments.
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Bacillus sp. B1 사균과 Polysulfone으로 이루어진 미생물 담체를 이용한 중금속 오염 지하수 정화
이민희,이지영,왕수균,Lee, Min-Hee,Lee, Ji-Young,Wang, Soo-Kyun 대한자원환경지질학회 2010 자원환경지질 Vol.43 No.6
유류 및 중금속 오염 토양으로부터 분리한 토착 미생물인 Bacillus sp, B1 사균(dead biomass)과 polysulfone + DMF(N,N-dimethylformamide) 용액을 혼합하여 제조한 비드(지름 2mm 이하)형 미생물 담체를 이용하여 중급속 오염 지하수를 정화하는 배치실험을 실시하였으며, 담체에 흡착된 중금속의 특성과 구조를 분석하여 미생물 담체에 의한 중금속 제거 기작을 규명하였다. 담체 내 Bacillus sp. B1 사균 비율을 달리하여 제조한 담체들을 이용하여 오염수로부터 납 제거효율을 규명함으로써 미생물 담체 제조에 사용되는 최적의 사균 농도(%)를 결정하였으며, 오염수에 대하여 첨가하는 미생물 담체의 농도변화에 따른 중금속 제거효율을 규명하는 실험을 실시하여 최적의 중금속 제거효율을 가지는 오염수 내 담체 첨가량(농도; g/L)을 결정하였다. 담체 내 사균 농도가 0%(유기중합체로만 형성)와 1%인 경우 제조된 담체의 납 제거효율이 3% 미만으로 polysulfone + DMF 만으로 이루어진 담체는 중금속 제거효과가 거의 없으며, 담체 내 미생물 기질 부분에 의해 대부분의 중금속이 제거되는 것으로 나타났다. 실험 결과 미생물 담체 비용과 제거효율을 고려하면 사균 5%를 혼합하여 제조한 미생물 담체를 2g/50mL 농도로 오염수에 주입하는 것이 가장 효과적인 것으로 밝혀졌다. 담체와 오염수의 반응(흡착)시간에 따른 납과 구리의 제거 반응 실험 결과 두 시간 이내에 평형상태에 도달하여, 현장에서 다량의 중금속 오염 지하수를 짧은 시간(수 시간 이내)에 처리할 수 있을 것으로 판단되었다. 미생물 담체의 중금속 제거효율은 넓은 pH 범위에서 높게 나타났으며, 특히 pH 2-3인 경우 제거효율이 최대로 나타나 pH가 낮은 침출수, 산성폐수의 중금속 처리에도 효과가 있는 것으로 밝혀졌다. 오염수의 중금속(Pb, Cu, Cd) 초기 농도변화에 따른 미생물 담체의 제거율 실험 결과 납, 구리, 카드뮴의 경우 10mg/L 이하의 농도를 가지는 오염수에서 80% 이상의 제거 효율을 나타내어, 대부분의 국내 오염 지하수의 중금속 농도가 이보다 낮은 것을 감안할 때 본 실험에서 사용된 조건을 적용하여 미생물 담체를 이용하는 경우 다량의 중금속 오염 지하수를 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 판단되었다. 미생물 담체를 이용한 납 제거 배치 실험 전/후 미생물 담체(bead)의 내/외부 구조를 SEM/EDS 및 TEM으로 분석한 결과 담체 내/외부 모두 다양한 크기의 다공질로 형성되어 있었으며, 외부 표면뿐 아니라 내부 면까지 납이 다량 흡착되어있는 것으로 나타나 본 실험에서 제조한 미생물 담체가 외부 표면 흡착에만 제한되었던 기존의 polysulfone 담체보다 중금속 제거 능력이 뛰어난 것으로 밝혀졌다. 미생물 담체에 형성된 납의 구조를 분석한 결과 담체의 주된 중금속 제거기작은 담체 내/외부 표면(특히 사균 기질과 polysulfone 물질 경계부)에 의한 다양한 형태의 흡착이었다. Remediation process by using the bio-carrier (beads) with dead Bacillus sp. B1 and polysulfone was investigated for heavy metal contaminated groundwater. Sorption batch experiments using the bio-carrier were performed to quantify the heavy metal removal efficiencies from the contaminated solution. The analyses using SEM/EDS and TEM for the structure and the characteristic of precipitates on/inside the beads were also conducted to understand the sorption mechanism by the bio-carrier. Various amounts of freeze-dried dead Bacillus sp. B1 were mixed with polysulfone + DMF(N,N-dimethylformamide) solution to produce the bio-carrier (beads; less than 2mm in diameter) and 5% of Bacillus sp. B1 in the bio-carrier was optimal for Pb removal in the solution. The removal efficiency ratings of the bio-carrier for Pb, Cu and Cd were greater than 80% after adding 2g of bio-carrier in 50ml of aqueous solution (<10mg/L of each heavy metal concentration). Reaction time of the bio-carrier was very fast and most of the sorption reaction for heavy metals were completed within few hours. Batch experiments were duplicated at various pH conditions of aqueous solutions and Cu and Pb removal efficiencies highly maintained at wide pH ranges (pH 2-12), suggesting that the bio-carrier can be useful to clean up the acidic waste water such as AMD. From SEM/EDS and TEM analyses, it was observed that the bio-carrier was spherical shape and was overlapped by many porous layers. During the sorption experiment, Pb was crystallized on the surface of porous layers and also was mainly concentrated at the boundary of Bacillus sp. B1 stroma and polysulfone substrate, showing that the main mechanism of the bio-carrier to remove heavy metals is the sorption on/inside of the bio-carriers and the bio-carriers are excellent biosorbents for the removal of heavy metal ions from groundwater.
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이산화탄소 지중저장 조건에서 초임계이산화탄소와 염수 반응에 의한 Ca-사장석, 각섬석, 감람석의 지화학적 변화 연구
강현민,박민호,박상희,이민희,왕수균,Kang, Hyun-Min,Park, Min-Ho,Park, Sang-Hee,Lee, Min-Hee,Wang, Soo-Kyun 대한자원환경지질학회 2011 자원환경지질 Vol.44 No.2
이산화탄소 지중저장지에서 초임계이산화탄소(supercritical $CO_2$)-광물-염수 반응에 의한 광물의 지화학적 변화를 규명하는 실내 실험을 실시하였다. 초임계$CO_2$로 존재하는 지중저장 온도/압력조건(100 bar와 $50^{\circ}C$)을 재현한 스테인레스 셀(용량 110 ml) 내부에 100 ml의 염수를 주입하였다. 염수는 부산 해안가 지하 800 m 깊이 지하수 채수정에서 채수한 염수를 사용하였으며, 실험 대상 광물로는 $CO_2$와 반응이 잘 일어나는 것으로 보고된 Ca, Fe, Mg 성분이 풍부한 Ca-사장석, 각섬석, 감람석 시료를 사용하였다. 각 광물 시료를 슬랩($10\;mm{\times}10\;mm$)으로 제작하여 표면을 폴리싱한 후 염수가 담긴 고압셀 내부 하부에 고정시키고 초임계 $CO_2$를 주입한 후 30일 동안 반응시켰다. 실험 전 광물 표면을 반사현미경과 SPM을 사용하여 영상화하였으며, 표면 당 3 지점을 임의로 선택하여 주변 면적 ($20\;{\mu}m{\times}20\;{\mu}m$)의 표면거칠기값(SRV: surface roughness value)을 구하였다. 반응 후 일정 시간 간격으로 고압셀 내 광물 표면에 대하여 SPM 분석과 표면거칠기값 계산을 반복하여 초임계 $CO_2$-광물-염수 반응에 의해 변화된 광물 표변을 정량화 하였으며, 염수에 용해된 양이온 종류와 농도를 분석하고, 광물 표면에 형성된 2차 광물 분석을 위해 SEM/EDS 분석을 실시하였다. Ca-사장석의 경우 초임계 $CO_2$가 용해된 염수와 반응하여 광물 표면의 평균 SRV는 30일 동안 2.77 nm에서 20.87 nm로 증가하여 지화학반응에 의하여 상당한 광물 표면 풍화가 발생하였음을 알 수 있었다. 각성석과 감람석의 경우에는 평균 SRV가 2.54 nm와 0.77 nm에서 각각 8.31 nm와 11.03 nm로 증가하였다. 반응에 의해 염수에 용해된 이온은 Ca-사장석의 경우 $Ca^{2+}$, $Na^+$, $Fe^{2+}$, $Si^{4+}$, $K^+$, $Mg^{2+}$ 순이었으며, 각섬석의 경우에는 $Si^{4+}$, $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$, $Mg^{2+}$ 순으로 나타났다. 각섬석과 감람석 광물 표면에는 만상에 의해 철(또는 마그네슘)-(수)산화물이 2차 광물로 형성됨을 SEM/EDS 분석결과로 알 수 있었다. 실험 결과로부터 $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$, $Mg^{2+}$이 풍부한 광물의 경우 $CO_2$ 지중저장 시 초임계 $CO_2$-광물-염수 반응에 의해 짧은 시간 내에 심한 풍화작용을 일으켜 광물의 물성 변화를 일으킬 수 있음을 입증하였다. The lab scale experiments to investigate the geochemical reaction among supercritical $CO_2$-mineral-brine which occurs at $CO_2$ sequestration sites were performed. High pressurized cell system (l00 bar and $50^{\circ}C$) was designed to create supercritical $CO_2$ in the cell, simulating the sub-surface $CO_2$ storage site. From the high pressurized cell experiment, the surface changes of Ca-feldspar, amphibole (tremolite) and olivine, resulted from the supercritical $CO_2$-mineral-brine reaction, were observed and the dissolution of minerals into the brine was also investigated. The mineral slabs were polished and three locations on the surface were randomly selected for the image analysis of SPM and the surface roughness value (SRV) of those locations were calculated to quantify the change of mineral surface for 30 days. At a certain time interval, SPM images and SRVs of the same mineral surface were acquired. The secondary minerals precipitated on the mineral surfaces were also analyzed on SEM/EDS after the experiment. From the experiments, the average SRV of Ca-feldspar increased from 2.77 nm to 20.87 nm for 30 days, suggesting that the dissolution of Ca-feldspar occurs in active when the feldspars contact with supercritical $CO_2$ and brine. For the amphibole, the average SRV increased from 2.54 nm to 8.31 nm and for the olivine from 0.77 nm to 11.03 run. For the Ca-feldspar, $Ca^{2+}$, $Na^+$, $Fe^{2+}$, $Si^{4+}$, $K^+$ and $Mg^{2+}$ were dissolved in the highest order and $Si^{4+}$, $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$ and $Mg^{2+}$ for the amphibole. Fe (or Mg) - oxides were precipitated as the secondary minerals on the surfaces of amphibole and olivine after 30 days reaction. Results suggested that $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$ and $Mg^{2+}$ rich minerals would be significantly weathered when it contacts with the supercritical $CO_2$ and brine at $CO_2$ sequestration sites.
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