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퇴적 유기물 분해과정에 따른 물질 거동 변화 예측을 위한 수치모델 적용
Application of a Numerical Model for the Prediction of Vertical Profiles of Electron Acceptors Based on Degradation of Organic Matter in Benthic Sediments

최정현   (이화여자대학교 공과대학 환경학과UU0001056  ); 박석순   (이화여자대학교 공과대학 환경학과UU0001056  );
  • 초록

    본 연구에서는 퇴적물에서 일어나는 유기물 분해과정 중 이용된 전자 수용체와 분해과정에서 생산된 환원 물질의 농도 변화를 적절히 파악하고 정량화하기 위한 수치모델을 개발하였다. 퇴적물에 서식하는 미생물이 전자 수용체를 이용하여 유기물을 분해하는 반응들은 전자 수용체의 종류에 따라서 다음과 같이 6가지 형태로 구분 할 수 있다: (1) 호기성 분해(Aerobic Respiration), (2) 탈질(Denitrification), (3) 망간 환원(Manganese Reduction), (4) 철 환원(Iron Reduction), (5) 황산염 환원(Sulfate Reduction), (6) 메탄 환원(Methanogenesis). 이와 같은 6가지 반응은 양론(Stoichiometry)적으로 표현되어지며, 여기에 관여하는 3개의 고형물질(침전성 유기물질, manganese oxides, iron oxides)과 8개의 용존물질 (oxygen, nitrate, sulfate, ammonia, dissolved manganese, dissolved iron, sulfide, methane)의 움직임은 1차원 물질수지 방정식으로 모델에서 재현되어졌다. 퇴적물에서 미생물에 의한 유기물 분해 반응은 Monod 반응식을 이용하여 간단히 표현되어졌다. 퇴적물에 포함된 물질들에 대한 물질수지 방정식들은 Monod 반응식에 포함된 비선형성을 제거하기 위해서 다단계의 반복적인 수치해석법에 의해 안정적인 해를 구할 수 있었다. 모델의 타당성을 검토하기 위하여 Sweert et al.(1991a)이 Netherland의 Veluwe 호수의 퇴적물에서 조사한 자료에 모델결과를 비교하였고, 결과로써 산출된 전자 수용체와 환원 물질의 수직적 분포형태는 관측간과 비교적 잘 부합하였다. 그러나 모델을 통하여 예측된 $NH_4^+$ 의 농도는 측정된 농도보다 훨씬 낮은 것이 관찰이 되었는데, 이는 모델에서 유기물질을 표현할 때 사용한 Redfield의 유기물식이 본 연구에 적용된 퇴적물에서의 높은 질소 함유율을 적절히 표현하지 못한 결과로 해석되어 질 수 있다. 퇴적물 깊이에 따른 전자 수용체와 환원된 물질의 분포변화는 중금속의 재용출과 생물이용도를 조절하는 주요인이 되기 때문에, 이 연구에서 개발된 수치모델은 퇴적물에서 일어나는 미량 오염 물질의 거동을 파악하기 위해 유용하게 사용되어질 수 있을 것으로 사료된다.


    A one-dimensional numerical model was developed to simulate vertical profiles of electron acceptors and their reduced species in benthic sediments. The model accounted for microbial degradation of organic matter and subsequent chemical reactions of interest using stoichiometric relationships. Depending on the dominant electron acceptors utilized by microorganisms, the benthic sediments were assumed to be vertically subdivided into six zones: (1) aerobic respiration, (2) denitrification, (3) manganese reduction, (4) iron reduction, (5) sulfate reduction, and (6) methanogenesis. The utilizations of electron acceptors in the biologically mediated oxidation of organic matter were represented by Monod-type expression. The mass balance equations formulated for the reactive transport of organic matter, electron acceptors, and their corresponding reduced species in the sediments were solved utilizing an iterative multistep numerical method. The ability of model to simulate a freshwater sediments system was tested by comparing simulation results against published data obtained from lake sediments. The simulation results reasonably agreed with field measurements for most species, except for ammonia. This result showed that the C/N ratio (106/16) in the sediments is lower than what the Redfield formula prescribes. Since accurate estimates of vertical profiles of electron acceptors and their reduced species are important to determine the mobility and bioavailability of trace metals in the sediments, the model has potential application to assess the stability of selected trace metals in the sediments.


  • 주제어

    생물학적 분해 .   퇴적물 .   전자수용체 .   수치해석모델 .   중금속.  

  • 참고문헌 (23)

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    2. 박석순, '퇴적물 초기 속성작용과 미량 오염물질의 거동,' 대한환경공학회지, 17(9), 825-834(1995) 
    3. Wang, S. and Park, S. S., 'Modeling the Fate and Transport of Arsenic in Wetland Sediments,' Korean J. Limnol., 36(4), 434-446(2003)     
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    15. Sweerts, J. R. A., Bar-Gillissen, M. J., Cornelese, A. A., and Cappenberg, T. E., 'Oxygen-Consuming Processes at the Profundal and Littoral Sediment-Water Interface of a Small Meso-Eutrophic Lake (Lake Vechten, the Netherlands),' Limnol. Oceanogr., 36, 1124-1133(1991a) 
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    18. 조영길, 김주용, '영산강 하상퇴적물의 중금속 함량,' 한국환경과학회지, 7(3), 281-290(1998) 
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  • 이 논문을 인용한 문헌 (2)

    1. Choi, Jung Hyun 2008. "A Modeling Approach: Effects of Wetland Plants on the Fate of Metal Species in the Sediments" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality, 24(5): 603~610     
    2. Lim, Bo-Mi ; Ki, Bo-Min ; Choi, Jung-Hyun 2009. "A Study on the Biogeochemistry of the Sediments in the Han River Estuary" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 31(10): 839~844     

 저자의 다른 논문

  • 최정현 (21)

    1. 2000 "ATM 상에서 다양한 프로토콜을 지원하기 위한 MPOA의 구현" 정보처리논문지 = The transactions of the Korea Information Processing Society 7 (1): 181~199    
    2. 2004 "퇴적물내의 산소와 물 수송에 관한 습지 식물의 역할" 한국육수학회지 = Korean journal of limnology 37 (4): 436~447    
    3. 2005 "인천해안의 수질관리를 위한 오염부하량 할당에 관한 연구" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 27 (1): 43~51    
    4. 2006 "원격탐사를 이용한 대형 수체의 수질 모델 검증 효과 제고 방안에 관한 연구" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 28 (4): 447~452    
    5. 2006 "효과적인 수질관리를 위한 소유역 중심의 유역관리" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 28 (8): 820~825    
    6. 2007 "유전자 알고리즘을 이용한 낙동강 유역의 수질 측정망 설계에 관한 연구" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality 23 (5): 697~704    
    7. 2008 "팔당호 수질관리 정책의 효과 분석" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 30 (12): 1225~1230    
    8. 2008 "퇴적물에서 금속 이온 거동에 미치는 습지 식물의 영향에 관한 모델 연구" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality 24 (5): 603~610    
    9. 2009 "팔당 상수원 토지이용규제 정책의 문제점과 개선방안" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality 25 (6): 855~862    
    10. 2012 "보 설치가 퇴적물 특성에 미치는 영향에 관한 연구" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 34 (9): 597~603    
  • 박석순 (64)

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