Evaluation of factor effectivity on Methane production rate of contaminated sediments

국문 초록 (Abstract)

메탄은 이산화탄소보다 온실효과가 25배 강하며 자연적, 인위적인 요인으로 발생한다. 과거에는 기후변화를 대처하기 위해 이산화탄소 저감에 집중하였지만, 지금처럼 10년 20년 뒤 지구 상태가 미래를 크게 좌우하는 상황에서 신속한 대처를 위해 메탄 저감으로 국제 정책이 변하는 추세이다.
메탄의 자연적 발생원으로 습지, 담수, 하천, 하구, 해안과 같은 수환경은 메탄 발생의 주요 발생원이다. 퇴적된 유기오염원이 호소와 같은 수환경 하상에 쌓여 메탄 발생균에 의해 혐기성 상태에서 메탄이 발생한다. 과거로부터 비점오염원과 같은 유기오염원 유입과 다양한 목적에 의해 증가하고 있는 수체, 하천 횡단구조물의 증가로 인한 흐름 변화에 의해 수환경에서의 메탄 발생이 증가하고 있으며, 특히 기후변화로 인해 수온이 증가하고 수문학적, 수질적 변화로 더욱 가속화되고 있다.
수환경에서 메탄이 대기로 배출되는 다양한 경로가 있으며, 특히 용출은 가스가 기포 형태로 대기로 배출되는 현상으로 최근 수환경에서 메탄 배출의 주요한 경로로 주목받고 있다. 많은 연구에서 호수, 저수지 등 수환경에서 메탄 발생과 관련된 생지화학적, 수질·환경적 조건 등 영향 인자 규명과 정량화를 진행해왔다. 그러나 메탄의 용출현상은 공간적으로 이질적이고 간헐적으로 발생하여 시공간적으로 예측의 한계가 존재하여 정량화가 어려운 실정이다.
본 연구에서는 BMP test를 통해 영향 인자에 따른 메탄 발생 수율을 평가하고 정량화하는 기초단계의 연구이다. BMP test는 온도, COD/VS, 교반강도, 퇴적물 특성에 따른 메탄 발생수율을 분석하였고, CFD를 통해 전단응력에 따른 흐름특성을 반영하여 메탄 발생 수율을 평가하였다. 실험 결과 메탄의 생성에 영향을 미치는 생화하적적 인자의 영향이 컸으며, 전단응력, 퇴적물 특성에 따른 메탄 용출의 영향을 확인하였다.
향후에는 실험 규모, 수심, 유기물 특성, 용존산소(DO) 영향, 퇴적물 전단강도 등 다양한 실험 조건을 추가하여 실제 수환경 조건을 재연하고 영향 인자에 대한 정량화와 함께 혐기성 공정 수치모델인 ADM1과 CFD 검증을 통해 다양한 조건에서의 메탄 발생 수율에 대한 정량화를 진행할 것이다. 이를 통해 유역에 따른 메탄 발생 과 환경 영향 평가 기법이 개발 가능할 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The focus of efforts to control global warming has focused on carbon dioxide, but recently interest in methane has increased as a way to delay time to cope with climate change. Methane has 25 times more powerful greenhouse effect than carbon dioxide and it could be emitted into the atmosphere by natural sources or human activities.
Natural sources including aquatic environments such as wetlands, freshwater lakes, streams and rivers, estuarine and coastal are significant sources of the greenhouse gases. Sedimentary organic contaminants accumulated on the bed of the lake and reservoir generate greenhouse gases such as methane by microbial decomposition under anaerobic conditions.
Methane emission in water resources is increasing due to the increasing inflow of non-point pollution sources, increasing of water bodies for various purposes, and increasing of river crossing structures which could interrupt the flow. Moreover, due to climate change, the temperature of water rises and hydrological and water quality problems occur, accelerating methane emissions to atmosphere.
Methane can be emitted to the atmosphere via different pathways and ebullition fluxes, which is the process of formation and subsequent release of methane bubbles from the bottom sediments, have been highlighted as a major pathways for methane emissions.
In the literature, many studies have been conducted to identify influencing factors such as biogeochemical and water environmental conditions related to methane generation in inland water such as lakes and reservoirs. However these ebullition fluxes are spatially heterogeneous and intermittent and therefore difficult to quantify.
In this study, we analyzed the experimental results about the methane gas ebullition by BMP(Biochemical Methane Potential) test according to factor effectivity. Methane production rates were quantified under various conditions; temperature, substrate (glucose) to inoculum ratio(COD/VS), mixing intensity and sediment properties(sand grain, cohesive). Also the Computational Fluid Dynamics(CFD) was conducted to simulate and analyze the relationship between the shear stress of the fluid on the sand and CH4 ebullition rates for the mixing intensity. As a result of experiments, it was found that the effect of biochemical conditions was the greatest, and the bigger the particle size, the less effect of gas trapping, based on how much well the ebullition occur. And the relationship between the shear stress and the methane ebullition rates according to mixing intensity was presented, and compared with numerical analysis. In near future, methane production rates will be quantified according to specific conditions such as water depth, effective shear stress below tensile strength of the sediments, organic matters by applying large scale test. And if the mechanisms verified with numerical model such a ADM1 and COMSOL Multiphysics etc., it will be expected that the development of biogeochemical and water environmental impact assessment method will be presented for applying in-situ.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER Ⅰ INTRODUCTION 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Object of Study 4
• CHAPTER Ⅱ LITERATURE REVIEW 5
• 2.1 Methane Emissions and Global Climate Change 5
• 2.2 Methane Emissions on the Aquatic Environment 7
• 2.3 Methane Emissions related to Biogeochemical condition 10
• CHAPTER Ⅲ METHODS 13
• 3.1 Experimental Theory 13
• 3.1.1 BMP test 13
• 3.1.2 Modified Gompertz Model 14
• 3.2 Materials and equipments 16
• 3.2.1 COD(Glucose) and VS(Volatile Solids) 16
• 3.2.2 Characteristics of sediments 19
• 3.2.3 Composition of medium 20
• 3.3 Experimental Conditions and Gas Analysis 22
• 3.3.1 Physicochemical condition 22
• 3.3.2 Gas analysis with GC 24
• 3.4 CFD simulation Mixing 28
• 3.4.1 FLOW-3D Overview 28
• 3.4.2 Numerical condition 31
• 3.5 Automated Methane Potential Test System(AMPTS) 32
• CHAPTER Ⅳ RESULTS 34
• 4.1 BMP Test Results 34
• 4.1.1 Nonlinear regression by BMP test 34
• 4.1.2 Result of numerical simulation(CFD) 42
• 4.1.3 Evaluation of factor effectivity 44
• 4.2 Result of AMPTS 2 Light model 49
• CHAPTER Ⅴ CONCLUSION 50
• 5.1 Conclusion 50
• 5.2 Suggestions for Future Research 52
• REFERENCE 54
• 국 문 요 약 64