수리동력학적 요인에 의한 조류성장 제어 효과 분석

Abstract

부영양화와 관련한 연구들은 수리적 측면에서 탈성층에 대한 연구(Kim et al, 2006; Yum et al., 2004; Asaeda et al., 1993; Schladow et al., 1993; Tsujimura, 2004)가 대부분이며, 수질적 측면에서도 현장측정을 통한 총질소(TN), 총인(TP), 온도, 용존산소(DO) 등의 수질인자에 대한 변화 등을 분석한 연구(Heo et al., 2004; Jungo et al., 2001; Arfi et al, 2001)가 대부분이며, 폭기 시 물리적 영향인자에 대한 조류생성과의 관계를 규명하는 연구는 거의 없는 실정이다. 또한 난류와 관련된 조류제어 연구는 주로 해양분야에서 적조발생과 관련하여 적조 발생의 원인종인 편모조류를 대상으로 Simple Couette Flow, Shaking 등을 이용하여 난류가 조류성장에 미치는 연구(Juhl et al., 2001, Moisander, 2002; Moeseneder, 1995; Thomas et al, 1990)가 주를 이루고 있다. 따라서, 본 연구에서는 호소의 부영영화 발생의 원인종인 남조류를 대상으로 하였으며, 유체의 흐름은 Air-bubble를 이용하여 난류를 발생시켰다. 조류성장저해율은 면적법을 이용하여 구하였으며, 조류성장저해율에 영향을 미치는 영향인자로는 난류의 특성을 가장 잘 설명할 수 있는 난류강도(Turbulence Intensity), 난류운동에너지(Turbulent Kinetic Energy) 및 난류에너지 소산율(Turbulent Energy Dissipation Rate)을 선택하였고, 여기에 Air-bubble에 의한 폭기량, 기포의 슬립속도 및 실험조의 높이 등을 적용할 수 있는 무차원변수인 MH를 각각 선택하였다. 이들 변수에 대하여 조류성장저해율과의 상관관계를 분석하였다. 난류에너지 소산율과 조류성장저해율이 가장 큰 상관관계(R2=0.9146)가 있는 것으로 분석되었고, 무차원 변수인 MH의 도입을 위하여 Buckingham의 π-정리를 이용하여 난류에너지 소산율과 무차원 변수(MH) 사이의 관계를 정의하였다. 무차원 변수(MH)에 대하여 초기 폭기, chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ 일 때 폭기, chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때 폭기 등 폭기시점에 따른 조류성장 제어 모델을 각각 개발하였다. 전일 폭기의 경우, 초기 폭기의 효과가 chlorophyll-a 농도가 각각 10㎍/ℓ, 20㎍/ℓ에서 폭기를 한 경우보다 약 1.6배정도 효과가 큰 것으로 분석되었고, 무광시간대(Dark)에 간헐 폭기를 했을 경우가 유광시간대(Light)에 폭기를 한 경우보다 그 효과가 큰 것으로 분석되었다. 이는 본 연구에서 사용된 남조류는 군체를 형성하는 특징이 있기 때문에 chlorophyll-a 농도가 고농도이면 군체형성에 의한 점성의 증대로 유체의 흐름에 대한 저항이 커지기 때문에 군체의 형성정도에 따라 폭기의 효과가 확실히 차이가 있으므로 초기에 폭기가 효과적이며 군체가 형성된 후에는 더 큰 강도의 흐름이 필요하다는 것을 규명하였다. 24시간 전일 폭기 시 폭기시점에 대한 모델식은 초기의 경우는 R2이 0.9133(p<0.001)로써 매우 유의한 수준의 결과를 도출하였으며, chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ 일 때 폭기와 chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때 폭기하였을 경우, 각각 R2은 0.9556(p<0.001), 0.9442(p<0.001)로써 매우 유의한 수준의 결과를 도출하였다. 유광시간대(Light, 12시간)에서의 간헐 폭기 시에도 초기 폭기와 chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ, chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때 폭기하였을 경우에 각각 0.8991, 0.9534, 0.9852로 매우 유의(p<0.001)하였다. 또한 무광시간대(Dark, 12시간)에서의 간헐 폭기의 경우에는 초기 폭기와 chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ, chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때