탈질 환경에서 투과 매질 내 생물벽체 형성 및 현장 규모 적용을 위한 기초 설계

국문 초록 (Abstract)

오염물질 차단과 생물학적 저감을 수행할 수 있는 biobarrier 기술은 토양 내 미생물의 성장 및 활성에 의존하는 방법으로 대부분의 biobarrier에 관련된 연구는 주입 미생물 또는 토착 미생물 군의 성장을 촉진하기 위해 기질과 산소를 전자수용체로 하는 호기조건에서 수행되어졌다. 그러나, 호기성 조건을 형성하기 위해서는 별도의 산소 전달 방안이 고려되어야 하며, 경제적이지 못하다는 단점이 있다. 반면 산소를 대신하는 전자 수용체로서 질산성 질소는 용해도가 높고 토양 내에서 지체 현상 없이 전달할 수 있기 때문에 탈질 환경에서 biobarrier의 적용 가능성에 대해 확인해 볼 필요가 있다. 이에 본 연구는 탈질 환경에서 biobarrier 형성에 따른 기질대사 특성, 생물량 변화와 실제 투수계수 감소 영향에 대해서 분석하고자 하였으며, 이를 바탕으로 현장 적용 시 필요한 기초 설계인자 확보를 위해 기초 지반 및 지하수 특성을 조사하였고, MODFLOW를 활용하여 영양액 주입에 따른 지하수 및 영양액 거동에 대해 시뮬레이션을 수행하고자 하였다.
우선 실험실 규모의 실험은 모래 충진 컬럼에 활성슬러지를 식종하여, 탈질 환경에서 기질 부하량에 변화에 따라 biobarrier 형성특성에 대해서 관찰 하였다.
실험 결과 유출수의 pH는 약 알칼리성 특성을 보였고, ORP는 환원상태(음의 값)가 관찰됨에 따라 전반적으로 질산성 질소 주입에 의해 컬럼 내부 미생물이 탈질 반응이 진행됨을 예측할 수 있었다. 이러한 pH, ORP는 간단한 장비를 통해 쉽게 측정할 수 있는 방법으로 현장에서 탈질반응을 간접적으로 확인 할 수 있다는 장점이 있다. 또한, biobarrier에서 전자수용체인 질산성 질소는 지하수에서 오염원으로 작용할 수 있으므로, 사용에 있어서 엄격한 통제가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 질산성 질소를 이론적 반응식 보다 높은 C/N비로 기질용액을 주입함으로써 완전 탈질을 유도하였고, 이로 인해 지하수에서 잔류 질산성 질소에 의한 오염을 방지 할 수 있음을 알 수 있었다. 실험 기간 동안 각 기질 부하량 조건에 따라 초기 급격한 투수 계수 감소와 이후 정체기에 도달하는 특성에서 전형적인 생물막 형성 특성을 관찰할 수 있었다.
특히 저농도 기질 부하 기간동안, 컬럼 전반에 걸쳐 상대적인 투수 계수 감소가 유사하게 나타났으나, 고농도 기질 부하에서는 컬럼 유입부에서 추가적인 투수계수 감소를 보였으나, 수직거리에 따라 상대적인 투수 계수 감소가 다르게 나타났으며, 이를 통해 기질 부하량의 변화를 통해 biobarrier의 두께 및 투수계수 감소량의 조절이 가능하다고 짐작할 수 있었다. 실험실 규모 biobarrier 실험 종료 후에 컬럼 수직 거리에 따라 측정한 biomass와 해당 지점의 투수계수를 측정하였고, 이에 대한 상관관계를 분석한 결과 일정구간동안 연관성이 있으나, 이후 구간에서는 biomass 변화에도 투수계수가 일정하게 나타나 상관관계를 찾을 수 가 없었다. 이는 일정 구간 이후에는 투수 계수 감소에 생물량 외에 다른 요인(EPS, 화합물등)이 작용한 것으로 판단되며, 높은 투수 계수 감소율을 확보한다는 측면과 실제 현장 적용 이전에 운전 설계를 위한 biobarrier 모델 구축을 위해서는 기질 성분과 그에 따른 생물량의 변화, EPS의 생성량, 기타 생물막 형성 화합물에 대해서 추가적인 연구가 필요하다.
또한, 본 연구에서는 현장 규모 biobarrier 기술 적용을 위해 사전에 수행한 기초 지반 조사 및 지하수 수리 특성 분석을 수행한 결과 전반적으로 점토질 지반으로 구성되어 있으나, 불규칙적으로 점토/모래질 지반이 형성되어 있는 성토부 지층 구조로 형성되어 있었으며, 지하수위는 biobarrier 설치 지점에 수직 방향으로 하향 경사로 구성되었다. 영양액 주입 농도와 지반 내에서 이동특성을 확인하기 위한 현장 규모 추적자 시험에 추출정의 검출농도는 추출정 주변의 지하수가 희석되어 주입 농도의 8?10%의 낮은 경향을 보였으며, 이를 고려한 영양액 주입 설계가 필요하다. 현장 조건 시뮬레이션을 위해 MODFLOW 모델을 적용하였으며, slug test에 의해 측정된 투수계수를 바탕으로 모델을 검증한 결과 실제값과 모델 계산값에서 높은 일치도를 보였으며, 각 추출정에서 양수에 의한 영향 반경이 투수계수가 높은 지역의 추출정에서 크게 나타났다. 특히 추출정을 중심으로 양쪽이 대칭되는 구조를 갖는 본 연구의 현장조건에서 동일한 유량으로 주입/양수를 시뮬레이션한 경우, 가운데 존재하는 두개의 주입정 사이에서는 영양액이 전달되지 못하고, 인근 추출정으로만 전달되는 경향을 확인 할 수 있었다. 따라서, 추출정에서 양수에 따른 영향반경이 다른 주입정까지 도달한다고 하여도, 인근 추출정에서 수두차가 상대적으로 크기 때문에 각 주입/추출정에서 다른 유량을 적용한 주입설계가 필요함을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서 론 9
• 1.1 연구 배경 9
• 1.2 연구 목적 11
• 1.3 연구 범위 11
• 제 2 장. 문헌 고찰 13
• 2.1 생물막의 특성 13
• 2.2 Biofilm formation 14
• 2.3 Bioclogging formation in porous media 15
• 2.4 Bioclogging 형성 관련 주요 인자 17
• 2.5 Biobarrier 연구 동향 18
• 2.6 Biobarrier 설계 및 시공 방안 21
• 제 3 장. 탈질 환경에서 투과 매질 내 생물벽체 형성 특성 24
• 3.1 서론 24
• 3.2 실험재료 및 방법 24
• 3.3 결과 및 고찰 28
• 3.3.1 추적자 시험 28
• 3.3.2 컬럼 유출수의 pH, ORP 특성 30
• 3.3.3 컬럼 유출수 및 내부 Ac-, NO3-, NO2- 특성 31
• 3.3.4 컬럼 수직거리와 기질 부하량에 따른 투수 계수 변화 34
• 3.4 결 론 41
• 제 4 장. Biobarrier 현장 지반의 수리학적 특성과 기초 설계 42
• 4.1 서론 42
• 4.2 실험 대상 지역 및 실험 방법 42
• 4.3 결과 및 고찰 46
• 4.3.1 지하수위 특성 46
• 4.3.2 지반투수계수 분석 47
• 4.3.3 현장규모 tracer test 48
• 4.3.4 지하수 모델을 활용한 biobarrier 기초 설계 51
• 4.4 결 론 66
• 제 5 장. 결 론 68
• Reference 70
• Appendix 1 - Raw Data of Lab Scale Experiment 75
• Appendix 2 - Raw Data of Aquifer Test and Groundwater modelling 88
• 국문초록 106
• Abstract 108