R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C114969-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 지하저수지 자정작용 평가 (AOC<50μg/L) 및 유지관리 기술개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-24 ~ 2018-06-23 | |||||
| 연구책임자 | 맹승규 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 50,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 50,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 100,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 100,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 세종대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 최근 다양한 기후적, 환경적 원인 등으로 하천 내 난분해성 유기물의 증가 및 조류 발생 등의 수질 문제로 인해 양질의 상수원을 확보하는 것이 점점 어려워질 것으로 예측되며 우리나라는 하천을 용수공급원으로 57%(172억 톤) 가량 의존하기 때문에 용수공급원의 직접적인 수질 문제 증가 및 사고 발생에 대한 대응력이 미흡한 현실 ○ 기존 지표수는 난분해성 유기물, 미량유해물질 유입과 부영양화로 인한 조류 기원 물질(Algal organic matter; AOM)의 맛, 냄새 및 독성 문제가 점차 증가하고 있으며, 이에 따른 고에너지·고비용의 고도정수처리 시스템이 확산되고 있음 ○ 대체 수자원으로서 해수담수화 시설의 경우 좋은 수질을 얻을 수 있으나 높은 운영비용과 유지관리 문제 및 전문 기술력을 요구하는 단점들이 있어 기술 확산 및 적용에 분명한 제약이 있음 ○ 따라서 수자원 다변화를 위한 친환경적 대체 수자원 기술이 종합 물 관리 대책으로 부상하고 있으며 여러 가지 자연정화기법을 이용한 용수 다변화 기술들이 주목을 받고 있음 ○ 지하저수지, 강변여과, 인공함양 기술들은 기후변화에 따른 대체수자원 확보 기술로서 적합한 수질과 대수층이 잘 발달한 지역이나 국가에서는 수량을 만족할 수 있는 방법으로 꼽히고 있으며, 대표적으로 유럽에서는 주요 식수원 그리고 미국에서는 물재이용으로 이용되고 있음 ○ 지하저수지란 지표수 등을 대수층에 인공적으로 함양 및 저장한 다음 일정기간이 지나 양수함으로서 자연 자정효과에 의한 수질 처리가 가능한 저수 시스템과 일련 시설을 일컬음 ○ 대수층을 이용한 물리, 화학 및 생물학적 자정효과를 통해 유기물 및 미생물 저감 효과를 얻을 수 있어 지표수와 비교하여 다양한 유기물, 유해물질의 저감이 기대되고 수질이 양호하기 때문에 청정 수자원으로서 활용성이 높은 기술임 ○ 지하저수지는 상시 주입과 양수가 가능한 시스템일 뿐만 아니라, 수질사고 발생 시에 이미 저장되어 있는 수량을 활용하여 일정기간 물을 공급할 수 있는 장점을 지님 ○ 지하저수지의 자정효과는 생물학적 기작에 의한 동화작용으로서 다양한 토착 미생물에 의한 유기물 저감에 의해 이뤄지며 함양지에 주입되는 자연 유기물의 방향성, 소수성, 생분해성, 기원 등의 다양한 특성이 지하저수지 공정에서의 유해물질 및 유기물 처리 효율에 전반적인 영향을 미칠 수 있으나 아직까지 지하저수지와 같은 대수층을 이용한 취수 시설에서의 자정효과를 정량화하여 평가할 수 있는 연구들은 매우 제한적임. 특히 AOC를 이용한 사례는 전무함 ○ 청정 지하저수지의 생물학적 자정작용은 유사 기술로 완속모래여과의 자정 기능보다 우수한 수준의 AOC 등 유기물 전처리 및 제거 효과가 기대되기 때문에 기존 상수원과 비교하여 부족함 없는 수질의 생산수를 얻을 수 있을 것으로 예상됨 ○ 본 연구는 지하저수지의 다양한 관리 인자 중 생물학적 자정 기능의 파악 및 수질 관리를 위하여 대수층에서 함양 후 자연유기물의 거동 및 특성 변화를 검토하고 저장수의 생물학적 안정성 변화의 판단 근거로서 AOC를 공정 모니터링 및 관리 기법으로 도입하고자 함 [최종목표] 본 연구는 기후변화 대응 청정 지하저수지 토탈 솔루션에 부합하는 관리 기준으로서 동화가능 유기탄소(Assimilable organic carbon; AOC), 유기물 특성 그리고 미생물 모니터링과 함께 지하저수지의 자정작용을 처음으로 평가 및 정량화하고 저장기간에 따른 안정성 향상(AOC 기준 50μg/L 이하)을 통한 청정 상수원 확보 및 운영기술 고도화 기법으로 제시하고자 함. 지하저수지의 다양한 관리 인자 중 생물학적 자정 기능의 파악 및 수질 관리를 위하여 대수층에서 함양 후 자연유기물의 거동 및 특성 변화를 검토하고 저장수의 생물학적 안정성 변화의 판단 근거로서 AOC를 공정 모니터링 및 관리 기법으로 도입. 조류 발생 시 조류기인 유기물 오염 지표수의 대수층 함양 시, 전처리 기법 및 대수층 내 생물학적 분해에 따라 AOC가 크게 증가할 수 있으며, 특히 조류기인 유기물의 생분해성이 매우 높은 것으로 알려져 있어 다양한 수질, 전처리 기법 등 케이스별 연구. 궁극적으로 본 연구 결과를 토대로 하여 청정 지하저수지의 취지의 부합하는 자정작용을 실증 및 평가 가능한 모니터링 기법으로 AOC 방법을 제시 및 운영관리 기준으로는 저장시간 관리기법을 제안하고자 하며, 적극적인 청정 지하저수지 기술 개발 및 적용으로 우리나라의 수자원 불균형 및 용수 부족현상 해소에 일조하는 사회문제 해결형 연구가 되고자 함. 세부 목표 ○ AOC 이용 지하저수지 자정작용 평가 및 최신 유기물 특성분석을 통한 수질개선능 평가 - 정량목표: AOC < 50 ppb 측정 - 정성목표: 무염소가 가능한 청정지하수 생산 가능성 평가 ○ 지하저수지 모형실험을 통한 최적 함양기간 설정 및 전처리 제안 (1차년도) - 정량목표: 최적 함양기간 설정근거 수질자료 제시 (AOC, 용존유기탄소), 전처리 기술: 2개 이상 제시 - 정성목표: 최적 함양기간에 따른 지하저수지 함양 가이드라인 제시 및 전처리 선정 기술에 대한 근거자료 제시 ○ 원수 수질변화(조류기인 유기물, 하수 재이용)에 따른 수질개선능 및 전처리기술 평가 - 정량목표: 전처리 기술 (2개 이상)에 대한 수질개선 평가결과 (AOC, ATP, 탁도 용존유기탄소, 잔류의약품 10개 이상, 소독부산물생성능) 제시 - 정성목표: 원수 수질변화에 따른 자정작용 한계 제시 [연구내용 및 범위] ○ 기존 지표수 정수장에서는 유기물 저감을 위하여 응집, 침전, 급속모래여과 등 표준정수처리와 오존 및 활성탄 등 고도처리를 운영하고 있으나 실질적으로 효율적인 AOC 저감을 위해서는 생물학적 활성탄(Biological activated carbon), 완속모래여과 등 미생물의 자정기능을 이용하는 공정의 중요성이 인식되고 있으며 무염소 정수처리 시스템에서 보편적으로 적용되고 있음 ○ 지하저수지는 주입관정이나 함양지 표면의 다양한 자연 종속영양 미생물과 대수층 내부의 빈영양 미생물, 세균플랑크톤 등 다양한 토착미생물이 서식함으로서 자정작용이 이뤄지기 때문에, 다양한 토착미생물 기원의 효소 분해 등으로 인하여 넓은 범위의 미량유해물질, 난분해성 유기물, 소독부산물 전구체, 조류 기원 물질 등을 제거할 수 있을 것으로 기대됨 ○ 기후변화 적응을 위한 용수 다변화 시 다양한 원수 수질변화를 고려하여 지하저수지의 운영이 이뤄져야 하고 총유기탄소, AOC, 소독부산물 전구물질의 제거 효과가 각기 다를 수 있기 때문에 이를 모사할 수 있는 Bench-scale의 구축 및 지하저수지 공정 효율 평가가 가능한 분석 기법이 함께 기초 연구로서 수행 ○ 지하저수지는 자정작용을 이용하므로 대체 수자원으로서 안정적인 활용을 위해서는 원수의 수질변화 및 함양기간, 전처리, 지층 특성에 따른 생산수 영향 연구가 필요함 ○ 지하저수지의 대수층 내 clogging 관리를 위하여 총유기탄소, 부유물질 등의 농도별 연구사례가 있으나 미생물의 증식에 의한 대수층 막힘 현상은 AOC 형태의 탄소원 소모 및 바이오필름(Extracellular Polymeric Substances) 형성 등에 의해 이뤄지므로 생산수의 AOC 수질뿐만 아니라 함양 주입수의 AOC를 함께 검토하여 종합적인 관리가 필요 ○ 조류 발생 시 조류기인 유기물 오염 지표수의 대수층 함양 시, 전처리 기법 및 대수층 내 생물학적 분해에 따라 AOC가 크게 증가할 수 있으며, 특히 조류기인 유기물의 생분해성이 매우 높은 것으로 알려져 있어 다양한 수질, 전처리 기법 등 케이스별 연구가 필요함 ○ 실제 대수층의 자정작용을 모사할 수 있는 현장 코어 토양샘플을 이용한 Bench-scale의 제작을 통해 본 연구의 현장 적용성을 높이고 기술개발 성숙도가 높은 Pilot 및 Full-scale 연구와 연계 및 피인용 가능한 타당성 높은 연구 수행을 목표 ○ Liquid chromatography-organic carbon detector, Fluorescence excitation-emission matrix 등 최신 유기물 특성 분석을 이용하여 지하저수지 내 유기물 제거효과는 물론 잔류의약품 거동까지 함께 파악하고자 함 ○ 최신기법의 AOC 분석을 청정 지하저수지 효율 평가 및 운영을 위한 수질 지표로서 적용하고 모니터링 기법으로 제시하고자 하며, 부가적으로 유세포분석이 제공하는 미생물의 정량, 정성 분석을 이용하여 토착미생물의 대수층 내부 프로파일링 정보 제공 ○ 유기물 거동과 AOC 저감에 근거한 청정 지하저수지의 공법의 저장기간 및 양수기간 설정을 다양한 원수 수질 케이스별 연구 ○ 지하저수지의 자정작용에 따라 다양한 유기물 제거가 가능할 것으로 기대되기 때문에 소독부산물 전구물질 저감에 따른 후 염소소독 시의 총 트리할로메탄, 할로아세틱산 등의 소독부산물 생성량 감소가 기대되고 탁도 저감으로 응집제등 화학약품 사용을 최소화 할 수 있을 것으로 기대 ○ 궁극적으로 본 연구 결과를 토대로 하여 청정 지하저수지의 취지의 부합하는 자정작용을 실증 및 평가 가능한 모니터링 기법으로 AOC 방법을 제시 및 운영관리 기준으로는 저장시간 관리기법을 제안하고자 하며, 적극적인 청정 지하저수지 기술 개발 및 적용으로 우리나라의 수자원 불균형 및 용수 부족현상 해소에 일조하는 사회문제 해결형 연구가 되고자 함 |
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| 색인어 | 한글 | 동화가능유기탄소 | 자정작용 | 지하저수지 | 대체수자원 | 생물학적 안정성 |
| 영문 | assimilable organic carbon | natural treatment | underground reservoir | water resources | biological stability | |
| 최종보고서 | 맹승규_국토교통부 과제 최종보고서_180820.pdf | |||||