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토지이용형태에 따른 농업비점오염원 강우유출수 내 유량가중평균농도의 통계학적 분석 및 고찰
고현우(Hyeon Woo Go),주진철(Jin Chul Joo),이동휘(Dong Hwi Lee),안채민(Chae Min Ahn),최선화(Sun Hwa Choi),강의태(Eue Tae Kang) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회지 Vol.43 No.10
목적: 본 연구에서는 다양한 실험조건 및 토지이용형태에서 조사된 농업비점오염원에서 배출되는 강우유출수를 논, 밭, 고랭지 밭, 비닐하우스로 구분한 후, 각 수질항목에 대한 유량가중평균농도(event mean concentrations, EMCs) 값을 통계학적으로 비교 · 분석하여 정량 · 정성적 특징을 규명해 강우유출수가 유입되는 하천 수질의 기여도 산정 시 보조 자료로 활용하고자 하며, 원단위(unit loads)는 환경부 오염총량기술지침(2019)원단위와 비교하여 산정된 원단위 범위의 신뢰성을 확보하고자 한다. 방법: 다양한 연구에서 조사된 EMCs 및 원단위를 토지이용형태에 따라 논, 밭, 고랭지 밭, 비닐하우스로 분류하였다. 이후 토지이용형태별로 분류된 EMCs와 원단위 데이터를 통계학적으로 비교 · 분석하였다. EMCs 값의 경우, ‘수질인자들의 토지이용형태별 EMCs값은 통계학적으로 유의한 수준에서 다르지 않다’인 귀무가설을 수립하고 통계학적 분석 결과 이분산으로(p< 0.05)으로 조사되어 Welch-test 검정법을 활용하였으며, Games-Howell 방법을 이용하여 사후검정을 실시하였고, 원단위는 환경부 오염총량기술지침(2019)원단위와 비교 · 검토하였다. 결과 및 토의 : 논, 밭, 고랭지 밭, 비닐하우스의 토지이용형태별 모든 수질항목에서 토지이용형태에 따라 다양한 EMCs 값을 나타냈으며, 대부분의 수질항목에서 고랭지 밭 > 밭 > 비닐하우스 > 논 순으로 EMCs 값이 감소하는 경향을 나타냈다. 토지이용형태에 따른 모든 수질항목의 변동계수(CV) 값은 0.5 이상의 높은 값을 나타내는 것으로 조사되었으며, 이러한 결과를 통해 농업비점오염의 경우 여러 자연적, 인위적 요인에 따른 복합적인 작용으로 인해 EMCs 값이 매우 다양하고 편차가 큰 것으로 판단된다. 사후분석 결과, 모든 수질항목에서 각기 다른 통계학적 유의성을 나타내었다. 이는 토지이용형태 뿐만 아니라 계절, 강우량, 선행무강우일수, 강우 유출률 등의 자연적요인과 경작주의 조작형태, 배출경로, 작물의 종류, 퇴비의 양 등의 인위적 요인이 복합적으로 결합되어 강우유출수의 유출특성에 영향을 미치며, 특히 고랭지 밭의 경우 경사도라는 독특한 지형적 특징을 가지고 있어 모든 수질항목에서 다른 토지이용형태와 통계학적으로 유의하게 다른 것으로 도출되었다(p< 0.05) 결론: 논, 밭, 비닐하우스 대비 오염도가 매우 높은 고랭지 밭에 대한 대책이 우선시되어야 한다고 판단되며, 토지이용형태 뿐만 아니라 계절, 강우량, 선행무강우일수, 강우 유출률 등의 자연적 요인과 경작주의 조작형태, 배출경로, 작물의 종류, 퇴비의 양 등의 인위적 요인이 복합적으로 결합되어 강우유출수의 유출특성에 영향을 미치며, 이를 규명하기 위한 추가적인 데이터 확보 및 연구가 필요하다고 판단된다. Objectives : In this study, the characteristics of stormwater runoff from agricultural nonpoint pollution sources investigated under various experimental conditions were evaluated among different land use types (e.g., paddy, field, field (alpine), and vinyl house), and event mean concentrations (EMCs) for each water quality parameter were statistically analyzed. These results can be used in calculating the contribution of stormwater runoff to water quality of receiving water body by performing quantitative and qualitative analysis. The unit loads calculated were compared with Ministry of Environment TMDL (2019) to secure the reliability of the calculated unit loads. Methods : EMCs and unit loads investigated in various studies were classified in terms of paddy, field, field (alpine), and vinyl house. Among various land use types, EMCs and unit loads were statistically analyzed quantitatively and qualitatively. For EMCs, a null hypothesis is that ‘EMCs of water quality parameters among different land use types are not different at a statistically significant level (α=0.05)’. Based on the results of statistical analysis, heteroscedasticity (p<0.05) and Welch-test method were consequently applied, and post hoc test was performed using the Games-Howell method. Finally, unit loads was compared and reviewed against the TMDL (2019) unit loads of the Ministry of Environment. Results and Discussion : Various EMCs in all water quality parameters were found among different land use types (i.e., paddy, field, field (alpine) and vinyl house). For most water quality parameters, EMCs tended to decrease in the order of field (alpine) > field > vinyl house > paddy. The coefficient of variance (CV) values of all water quality parameters were 0.5 or greater. Based on these results, EMCs in agricultural nonpoint source pollution are very diverse and deviated due to the combination of natural and artificial factors. Post hoc test results indicated different statistical significance among all water quality parameters. In addition to the land use types, both natural factors (i.e., season, rainfall, antecedent rainfall day, and, rainfall runoff rate) and artificial factors (i.e., cultivator manipulation, emission route, type of crop, and amount of compost) affect the characteristics of stormwater runoff. In particular, in the case of field (alpine) with prominent topographical feature of slope, and EMCs were statistically greater than those from other land use types in all water quality categories (p<0.05). Conclusions : Countermeasures for field (alpine)with greater EMCs than paddy, field and vinyl house, should be performed priority. EMCs were affected by a complex interaction between natural factors (i.e., season, rainfall, antecedent rainfall day, and, rainfall runoff rate) and artificial factors (i.e., cultivator manipulation, emission route, type of crop, and amount of compost), and additional data and research are required for further study to elucidate these complex interactions.
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초음파 조사시간에 따른 Microcystis aeruginosa의 성장억제 평가
강은별,주진철,장소예,고현우,박정수,정무일,이동호,Kang, Eun Byeol,Joo, Jin Chul,Jang, So Ye,Go, Hyeon Woo,Park, Jung Su,Jeong, Moo Il,Lee, Dong Ho 응용생태공학회 2022 Ecology and resilient infrastructure Vol.9 No.3
The growth inhibitory effect of Microcystis aeruginosa according to the ultrasonic irradiation time was evaluated using a large algae sample volume (10 L) for various ultrasonic irradiation times (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 and 3 hr) at a laboratory scale. Based on the analysis of Chl-a and cell number of M. aerginosa, algae growth inhibition was observed with the decrease in Chl-a and cell number in all experimental groups after the ultrasonic irradiation. For the experimental group (T_B, T_C, T_D) with an ultrasonic irradiation time of less than 2 hours, rapid regrowth of algae was observed after growth inhibition, but the experimental group (T_E, T_F, T_G) with an irradiation time of more than 2 hours successfully inhibited algal growth lasting one or two more days. Based on the comparison of the recovery time to initial cell number the experimental group (T_B, T_C, T_D) took less than 20 days whereas the experimental group (T_E, T_F, T_G) took about 30 days. Correspondingly, the experimental group showed a high first order decay rate (𝜅) in proportion to the ultrasonic irradiation time during the growth inhibition period. Additionally, the specific growth rates (𝜇) during regrowth in the experimental group with irradiation time of more than 2 hours were relatively low compared to those in the experimental group with less than 2 hours. Therefore, ultrasonic irradiation for more than 2 hours is required for long-term (30 days) inhibition of algal growth in stagnant waters. However, the appropriate ultrasonic irradiation time for algae growth inhibition should be determined according to various field conditions such as the volume of stagnant water, water depth, flow rate, algae concentration, etc. Finally, damages to the algal cell surface and cell membrane were clearly observed, and both destruction and disturbance of gas vesicles of M. aeruginosa in the experimental group were discovered, indicating the growth inhibitory effect of Microcystis aeruginosa according to the ultrasonic irradiation time was confirmed.
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Microcystis aeruginosa의 성장억제를 위한 초음파 조사조건 도출
장소예(So Ye Jang),주진철(Jin Chul Joo),강은별(Eun Byeol Kang),고현우(Hyeon Woo Go),박정수(Jeongsu Park),정무일(Moo Il Jeong),이동호(Dong Ho Lee) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회지 Vol.44 No.4
목적: 초음파에 의한 조류 성장억제 효과를 검증하였으며, 녹조현상의 주요 원인종이며 유해남조류인 Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa)의 성장억제를 위한 최적의 초음파 조사조건을 실내실험을 통해 도출하였다. 방법: 초음파 조사조건에 따른 조류 성장억제 효과를 관찰하기 위해 초음파 주파수(frequency), 출력(intensity), 적용 조류농도(initial cell concentration)로 구분하여 실험을 진행하였다. 실험은 20 ㎝ (W) × 20 ㎝ (L) × 30 ㎝(H) 규격의 차광된 아크릴 반응조(acrylic reactor)에서 대용량의 M. aeruginosa 시료를 조류대발생 농도 조건으로 조절하였으며, 초음파 조사시간(irradiation time)은 3시간으로 동일하게 실험에 적용하였다. 결과 및 토의: 모든 실험에서 시료의 육안상 변화, Chlorophyll-a (Chl-a) 그리고 M. aeruginosa의 개체수(cell number) 변화를 관찰하였을 때, 초음파 조사 종료 이후 조류 성장억제가 관찰되었으며 일정기간 조류 성장억제가 지속된 후 M. aeruginosa의 재성장을 확인하였다. 최적의 초음파 조사조건을 도출한 결과, 고주파보다 저주파일수록, 출력이 클수록 조류 성장억제 효과가 우수한 것으로 조사되었다. 또한 고농도(4.5 × 10⁶ cells mL<SUP>-1</SUP>)의 M. aeruginosa 시료에서는 조류 성장억제 효과가 관찰된 반면 저농도(1.1 × 10⁶ cells mL<SUP>-1</SUP>) 시료에서는 관찰되지 않아 저농도 시료에서는 조류 성장억제 효과가 미미한 것으로 판단된다. 결론: 본 연구를 통해 초음파 기반 조류 성장억제 기법이 M. aeruginosa의 성장억제에 효과적임이 확인되었으나, 일정기간 동안 효과가 지속된 이후 재성장이 관측되어 장기적인 조류 성장억제를 위해서는 주기적인 초음파의 조사가 필요한 것으로 사료된다. Objectives : The optimal ultrasonic irradiation conditions were derived through laboratory-scale experiments to evaluate growth inhibition effect of Microcystis aeruginosa (M. aeruginosa), which is the main specie of Cyanobacterial Harmful Algal Blooms (CyanoHABs) in Republic of Korea. Methods : The experiment was conducted by changing ultrasonic frequency, intensity, and initial cell concentration to observe the growth inhibition effect of M. aerginosa. The experiment was performed using shielded acrylic reactor [20 ㎝ (W) × 20 ㎝ (L) × 30 ㎝ (H)]. Experiments were conducted using large volume (7.2 L) of water samples with high concentrations of M. aeruginosa, and the ultrasonic irradiation time was fixed at 3 hours. Results and Discussion : In all experiments, pictorial view of M. aeruginosa samples, chlorophyll-a (Chl-a) and cell number of M. aerginosa were observed. As a result of ultrasonic irradiation on M. aeruginosa, the decrease in both Chl-a concentration and cell number of M. aeruginosa was monitored after sonication compared to the decrease during sonication. In addition, the rebound growth was confirmed after certain period of growth inhibition of M. aeruginosa. The optimal ultrasonic irradiation conditions for the growth inhibition of M. aeruginosa were obtained at the lower frequency and the higher intensity. Whereas algal growth inhibition was observed with high concentration (4.5 × 10⁶ cells mL<SUP>-1</SUP>) of M. aeruginosa, algal growth inhibition was not monitored with low concentration (1.1 × 10⁶ cells mL<SUP>-1</SUP>) of M. aeruginosa. Conclusion : Through this study, the algal growth inhibition by ultrasonic was effective. Although the growth inhibition effect persisted for a certain period of time, subsequent regrowth was observed. Therefore, periodic ultrasonic irradiation is necessary for long-term growth inhibition of algal in field applications.
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