KR101384971B1 - 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치 및 그 방법 - Google Patents
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치 및 그 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치는, 용존산소 센서를 통해 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하고, 수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하며, 조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 이용하여 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 각각 측정하는 센서 블록과, 측정된 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도를 초과하거나 혹은 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질의 농도와 기 설정된 방류 허용 농도를 초과할 때, 수문 개방 요청신호를 발생하여 관리 수단으로 송출하는 산소 관리 블록과, 상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 이하일 때, 그에 상응하는 산소 공급 제어신호를 발생하는 산소 제어 블록과, 상기 산소 공급 제어신호에 의거하여 기 설정된 수심 위치에 가압 공기를 공급하는 산소 공급 수단과, 측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어나는 지의 여부를 모니터링하며, 상기 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때 그에 상응하는 녹조 경보를 지령하는 녹조 관리 블록과, 상기 녹조 경보에 의거하여 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의해 녹조가 발생함을 경보하기 위한 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 경보 발생 블록과, 상기 수문 개방 요청신호가 수신될 때 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키고, 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때 시청각적인 녹조 경보를 발령하는 상기 관리 수단을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 녹조 발생을 사전에 탐지 및 예측하고, 탐지된 녹조를 제거하는데 적합한 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근, 정부의 4대강 사업은, 한강, 금강, 영산강, 낙동강 지역에 보 상류의 퇴적물 배출이 용이하도록 설계한 총 16개의 보(洑, 물막이 둑)를 구축하면서, 강의 저류 및 방류를 독립적으로 운영하지 않고, 강수량, 보의 방류량, 하천의 유지수량 등을 상호 고려해 하나의 전체 수자원 시설처럼 연계하여 관리하고 있다.
강바닥을 준설하여 강의 수위를 조절하는 효율적 물 관리를 통해 수질을 개선하고, 수해를 예방하며, 용수를 확보하고, 문화공간과 주변 레포츠 공간을 확보하려 하였다. 그러나, 보의 안전 문제, 수질 개선 실태 등이 최근 감사원의 검증 대상이 되고 있는데, 특히 상수원이 있는 7개 보 구간(18개 취수원)에서 식수 오염에 대비한 조류 경보제를 운영하지 않은 점이 지적된 바 있다.
금강 백제보의 경우, 3개의 수문을 조절하는 권양기가 들어있는 4개의 계백장군의 말안장을 형상화한 기계실이 있는데, 평소에는 가동보를 넘어서 물이 흐르며, 수량이 많아지면 가동보 수문의 아래 부분을 개방하여 저수되어 있는 하천수를 방류하여 하류 지역을 정화시키며, 비가 많이 올 때는 가동보 수문 전체를 열어서 수량 수급을 관리한다. 이때, 수질이 나쁜 하부 층수와 중간 층수의 방류로 인해 하류 지역의 어족 생태계가 일시적으로 용존산소의 부족에 노출될 위험이 크다.
2012년 10월 7일부터 5일간 금강 백제보 상류 1Km 지점에서 집중하여 하류 8Km 지점인 부여대교 지점에 걸쳐서 산소가 부족할 때 나타나는 입 벌린 모습과 선홍색의 손상된 아가미 그대로 죽어있는 성어 수만 마리들이 발견되었다. 죽은 물고기의 어종은 누치, 참마자, 끄리, 모래무지, 쏘가리, 배쓰, 동자개, 몰개, 숭어, 눈볼개 등 이었는데, 모래무지와 쏘가리 등은 대표적 2급수 어종이다.
이때, 3급수 어종인 피라미, 송사리, 붕어, 메기, 가물치, 돌고기, 납자루, 얼룩동사리, 묵납자루 등은 사체로 발견되지 않은 사실로 미뤄볼 때, 용존산소 농도가 상대적으로 높은 조건에서 서식하는 2급수 어종들이 저류되어 있는 하천의 용존산소 농도가 일시적으로 고갈되면서 질식사한 것으로 추정된다.
따라서, 4대강 사업의 보 건설로 수심이 깊어지고 유속은 느려지는 등 일시적 정체 수역이 형성된 상황에서 수온 역전, 용존산소 부족, 토양 및 수질 오염 등의 원인이 복합적으로 작용하여 물고기 집단 폐사가 발생했을 가능성이 크다. 그러므로 유사한 사태가 재발되지 않도록 저수되어 있는 하천에 수중 폭기 시설을 설치하여 방류 수질을 개선하고, 가동보 수문을 개방하여 물의 체류시간을 짧게 해 조류나 오염물질이 쌓이지 않도록 하는 등의 적절한 개선 방법이 요구되고 있다.
여기에서, 가동보 수문 전후의 상류 및 하류 모형도는 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1을 참조하면,
= 하천 평균 선형 속도(㎥/min),
= 유속(m3/min),
= 수문에 저류되어 있는 하천 상류의 물 높이(m), 
= 하천 폭(m),
= 하천길이,
= 하천 바닥 면적(㎡)
특정 하천 공간의 체류시간τ(min)는 아래의 수학식 1과 같고,
[수학식 1]
상기한 수학식 1에서,
= 하천 부피(㎥)이므로, 하천 부피 
는 아래의 수학식 2와 같으며,
[수학식 2]
하천의 유속
는 아래의 수학식 3과 같고,
[수학식 3]
하천의 단면적
는 아래의 수학식 4와 같으며,
[수학식 4]
위의 수학식 1 내지 4를 고려할 때,τ는 아래의 수학식 5와 같고,
[수학식 5]
여기에서 하천 바닥 면적 A는 아래의 수학식 6과 같으며,
[수학식 6]
수학식 6을 수학식 5에 대입하면,τ는 아래의 수학식 7과 같고,
[수학식 7]
수면의 높이가 일정하고 가동보 수문에서의 마찰 손실이 없다고 가정한 안정 상태(Steady state)에서, 하천 가동보 수문의 방류 지점 '1' 및 가동보 수문을 통과한 하류지점 '2'의 구간에 대하여 베르누이의 원리를 적용하면, 수학식 7은 아래의 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 8]
상기한 수학식 8에서 저류된 하천의 평균 선형속도
이 작으면, 체류시간
은 증가한다.
[수학식 9]
상기한 수학식 9에서, ρ=하천 밀도(kg/㎥),
= 수문의 방류지점 '1' 하천 표면 압력(kPa),
= 수문의 하류지점 '2' 하천 표면 압력(kPa),
= 방류지점 평균 선형속도(m/min),
= 하류지점 평균 선형속도(m/min)이다.
가동보 부근의 방류 지점 및 하류 지점의 압력은 유사하므로 수학식 9를 정리하면, 아래의 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 10]
상기한 수학식 10의 
는 아래의 수학식 11이 정의될 수 있다.
[수학식 11]
상기한 수학식 11에서,
= 가동보 수문에 저수된 방류직전 하천 수심(m)이다.
따라서, 저류되어 있는 유속이 느린(
≒0) 하천의 물을 방류하기 위하여 가동보 수문을 열 때의 평균 선형속도
는 아래의 수학식 12와 같으며,
[수학식 12]
∴ 
수학식 12를 수학식 7에 대입하면, 아래의 수학식 13과 같은 결과를 얻을 수 있다.
[수학식 13]
4대강 사업을 통하여, 굽어진 하천 흐름을 곧게 함으로써 수학식 13의 '
'가 감소하고, 준설을 통해 수심을 깊게 함으로써 수학식 13의 '
'가 증가하게 된다. 따라서, 수학식 13에서 보듯이, 4대강 사업을 통하여 특정 하천 공간의 체류시간'
'는 오히려 감소함을 알 수 있다. 이를 수식으로 표시하면, 4대강 사업 이전의 하류지역의 체류시간(min) 
는 아래의 수학식 14와 같고,
[수학식 14]
이때,
= 4대강 사업 이전의 하천 길이(m)이고,
= 4대강 사업 이전의 하천 수심(m)이므로, 4대강 사업 이후의 체류시간(min)
는 아래의 수학식 15와 같으며,
[수학식 15]
이때,
= 4대강 사업 이후의 하천 길이(m)이고,
= 4대강 사업 이후의 하천 수심(m)이므로, 4대강 사업 전후한 하류지역의 체류시간의 비는 아래의 수학식 16과 같다.
[수학식 16]
그런데, 4대강 사업으로 하류지역 하천길이
의 곡선 공간을 부분적으로 직선화하였다고 가정하면, 수학식 19에서,
[수학식 17]
상기한 수학식 17에서,
= 4대강 사업으로 짧아진 만큼의 하류지역 하천 길이(m)이고, 4대강 사업으로 강바닥을 준설함으로써 하천 수심이 깊어졌으므로 
이며, 아래와 같은 수학식 18이 도출된다.
[수학식 18]
∴ 
이때,
= 4대강 사업으로 깊어진 만큼의 하류지역의 하천 수심(m)이므로, 수학식 17 및 수학식 18을 수학식 16에 대입하면, 아래의 수학식 19 및 20이 도출된다.
[수학식 19]
[수학식 20]
그러므로, 수학식 20에서 4대강 사업을 통해 굽은 하천 길이를 바르게 하고 강바닥을 준설함으로써, 하류지역의 하천의 체류시간 τ가 감소함을 알 수 있다. 굽어진 하천의 길이 영향(
)을 무시할 경우, 아래의 수학식 21 및 22와 같이 될 것이다.
[수학식 21]
[수학식 22]
그러므로, 4대강 사업을 통해 강바닥을 준설하여 수심을 '
'만큼 더 깊게 함으로써, 하류지역 하천의 체류시간
는 사업 이전의 하류지역 하천의 체류시간
에 비하여 짧아짐을 알 수 있다.
따라서, 4대강 사업을 통해 가동보 수문으로 물을 막음으로서 수문을 경계로 하여 저류된 상류 지점의 체류시간은 수학식 8에 의해 증가하고, 하류 지점의 체류시간은 수학식 21에 의해 감소함을 알 수 있다. 그러므로 가동보 수문 이전의 상류 지점의 하천에 대한 관리가 중요하므로 가두어둔 저류수를 가동보 수문을 열어 방류함으로써 상류 및 하류의 체류시간을 짧게 할 필요가 있다.
문제는 언제 방류하는 가의 시기 문제이며, 또한 오염된 방류수에 의한 하류 지역의 오염을 방지하는 것도 중요하다. 이를 해결하기 위하여 수문을 열기 전에 수중 폭기 시스템을 이용하여 상류 하천의 용존 산소 농도를 일정 기준치(예컨대, 2mg/L 등) 이상으로 유지하고 녹조 현상의 발생 이전에 수질 측정용 복합 센서를 이용하여 조류나 유기 오염물질의 수치가 일정 한계치에 이르기 전에 수문을 개방한다.
가동보 수문을 개방하여 저류되어 있는 물을 방류하면 수학식 8 및 수학식 13에 의해 저류된 상류 지점의 체류시간과 방류된 하류 지점의 체류시간은 함께 감소한다. 아울러 가동보 수문을 개방하면 녹조 성장에 필요한 오염물질 중의 질소 및 인이 방류됨으로 인하여, 녹조가 더 이상 대수 성장하지 못하므로, 갑작스런 녹조 발생이 억제된다. 따라서 가동보 수문의 열고 닫음을 전문가가 아니더라도 소정의 교육만 받으면 조작할 수 있는 단순한 관리가 필요하다.
수문 관리자의 의사 결정을 단순화하기 위하여, 농번기의 수량 수급, 수질 상태, 태풍 같은 기상 자료 등을 종합적으로 감안한 전문가 시스템(Expert System)이 필요하다. 전문가 시스템은 컴퓨터로 하여금 주어진 분야의 전문가처럼 판단하고 행동할 수 있도록 하려는 노력이 컴퓨터 프로그램으로 구현한 것이다. 이것은, 일례로서 도 2에 도시된 바와 같이, 숙련자의 지식을 이용하여 추론을 하는 시스템으로 지식베이스, 추론 엔진 및 사용자 인터페이스로 성립될 수 있다.
즉, 숙련자로부터 얻은 지식을 사용자 인터페이스를 도입하여 지식베이스에 격납하고 이를 이용하여 추론엔진은 추론하고 추론 결과를 사용자 인터페이스에 나타낸다. 관리용 전문가 시스템은 기기와 접속하기 위한 전용 인터페이스를 갖는 것이 많으며, 특히 센서 등을 이용하여 관리 대상 시스템의 상태를 읽고 추론결과를 사용자 인터페이스를 통해 관리자에게 알림과 동시에 이에 대한 관리 방책을 제어부에 송신하여 관리한다. 여기에서, 핵심 구성요소라 할 수 있는 도 2의 지식 베이스는 경험과 이론이 풍부한 현장의 조업자 혹은 공정 엔지니어로부터 필요한 지식을 습득하고 여러 공정 조업 관련 문헌을 참조하여 구성하며, 이를 통해 진단 및 추론 과정을 논리화할 수 있다.
용존 산소 농도(Dissolved Oxygen, DO)는 mg/L 또는 ppm 단위로 표시되며 용존산소 센서로서 그 값을 구한다. DO 농도 포화값은 온도가 증가하면 감소하므로 높은 온도에서는 DO 농도 포화값이 낮고, 낮은 온도에서는 DO 농도 포화값이 높다. 따라서 대기의 온도가 올라가면 물속에 녹을 수 있는 산소의 양은 감소하므로 늦여름부터 가을 사이 수온이 상승하여 유속이 느린 하천이나 연안 해수의 용존산소는 낮아져서 생활하는 어패류 및 호기성 미생물에게는 불리한 서식환경이 만들어진다. 물고기는 통상적으로 2 mg/L 미만에서는 생존하기가 어렵다.
수학식 8에 따라 4대강 사업으로 유속이 늘려져서 체류시간이 길어짐에 따라 조류의 세포분열에 필요한 충분한 시간이 허용되어 수온 약층 부근이 안정된 상태를 유지하고, 광합성에 필요한 충분한 일광이 가용되고, 영양염류의 유입이 충분히 이뤄질 때 하천이나 연안 해수의 수질오염이 심화되어 빠르게 부영양화된다. 부영양화 현상은 식물 플랑크톤의 종 다양성을 감소시키며, 오염종에 의한 수화현상을 유발함으로써 수질을 더욱 악화시킨다.
최근의 도시호소는 지역 주민의 휴식 공간으로서 역할이 증대되고 있으나, 이러한 호소들에서 발생하는 녹조현상은 호소의 심미적 기능을 저해시키며, 이취미를 발생시키는 담수 조류에 의한 부영향화 현상은 불쾌감을 유발시킨다. 또한 Microcystis 속이나 Anabaena 속 등 독성 물질을 분비하는 남조류의 대량 증식에 의한 수화 현상은 수중 생태계를 파괴하며, 이취미를 발생시키거나 정수장 여과장치의 기능을 저하시키는 등 막대한 경제적 피해를 초래한다. 대한민국에서는 이와 같은 유해 담수조류의 대발생으로부터 발생되는 피해를 막기 위하여 1996년 대청호를 시작으로 조류 예보제(algae alarm system)를 시행하고 있으며, 현재는 전국적으로 확대 실시하고 있다.
"녹조현상"이란 부영양화된 호소나 유속이 느려 저류되어 있는 하천에서 부유성 조류(식물 플랑크톤)가 대량 증식, 수면에 집적하여 물색을 현저하게 녹색으로 변화시키는 현상을 말한다. 자연 생태계의 부유성 조류는 먹이사슬 구조에서 1차 생산자로서 역할을 담당하며 소비자와 분해자에게 탄소 및 에너지원을 제공한다.
그러나, 하천으로 영양염류가 과다 유입되거나 늦여름부터 가을 사이 유속이 느린 하천의 수온 상승에 따른 표층과 저층이 혼합(전도 현상, 상하운동)되어 저층에 있던 영양염류가 표층으로 이동하면서 영양염류가 풍부하게 되어 녹조류, 남조류 등이 급속히 증가하여 발생한다. 더운 수직판에 인접한 공기는 밀도가 낮아져서 수직판에 떨어져 있던 찬 공기가 수직판을 향하여 이동함으로써 속도 구배가 발생한다. 즉, 햇볕에 의해 하천의 표층수 수온이 올라가서 밀도가 낮아지고 수온이 낮은 표층수 밑의 내층수가 물의 표층수 쪽으로 이동하는 전도현상(상하운동)이 발생하여 표층수 인접 부위에서 햇볕에 의한 밀도차이로 의한 자연대류 현상으로서 물의 순환이 발생한다. 이때 단위부피당의 부력
(P 330, Fundamentals of Momentum, Heat and Mass Transfer; Welty, Wilson, Wicks, 3판, 1976 : 참조)은 아래의 수학식 23과 같다.
[수학식 23]
상기한 수학식 23에서, 
= 유체 열팽창 계수, 
= 총 유체 밀도, 
= 중력 가속도, 
= 표층수와 내층수의 온도 차이이므로, 수학식 23을 통해 햇볕이 닿는 하천 표층수의 수온과 햇볕이 닿지 않는 하천 내층수의 수온에서 온도차이(
)가 있으면 자동적으로 자연대류 현상에 따라 부력이 작용하여 하천 수면의 상하운동(전도현상)이 발생하여 표층수와 내층수간의 순환이 일어난다. 이를, 자연 대류계에서 부력과 점성력의 비로 나타내는 그라쇼프 수(Grashof number, Gr)라는 무차원 그룹으로 표시하면, 아래의 수학식 24와 같다.
[수학식 24]
상기한 수학식 24에 있어서,
= 표층수 아래 즉 내층수의 밀도, 
= 하천의 햇빛받는 표층수로부터 햇빛 받지 못하는 내층수로의 열전달 거리, 
= 내층수의 점도이다.
특히, 하천의 흐름이 느리고 폭염까지 지속되어 저류되어 있는 하천의 수온이 급상승하여 녹조가 발생하게 되면, 생성된 독성 물질 및 이취미 등으로 하천에서는 심한 악취가 나며, 심각한 경우 저수되어 있는 하천에 서식하는 어류는 산소 고갈로 인하여 집단 폐사하여 하천의 오염을 가속화시키는 문제가 있다. 이 같은 녹조 현상은 엽록체 속에 함유되어 있고 물에 불용성인 엽록소(Chlorophyll)가 아래의 수학식 25에서와 같이 광합성 반응으로 증식하게 된다.
[수학식 25]
조류의 종류 및 색상은 조류의 종류 및 물의 색상을 도시한 아래의 표 1과 같다.
| 조류 종류 | 물의 색상 |
| 남조류 : Microcystis, Oscillatoria, Anabaena, Aphanizormenon, Sprirulina 등 |
녹색, 청록색, 청남색 |
| 규조류 : Cyclotella, Fragilaria 등 | 차갈색 |
| 녹조류 : Pandorina, Scenedesmus Closterium | 녹색 |
| 황금조류 : Uroglena | 차갈색 |
| 와편모조류 : Peridinium, Gymnodinium, Ceratium, Cochlodinium |
적색, 적갈색, 차갈색 |
| 유글레나 조류 : Euglena | 적색 |
문헌(경기도 보건환경연구원, "경기도 6개 호소 생물상 조사, 2004)에 따르면, 호소에서 식물 플랑크톤의 우점 현황은 Microcystis, Oscillatoria, Anabaena, Aphanizomenon 등의 남조류가 주를 이루었다. 한편, 남한강 전이대는 규조류의 우점도가 약 70%였고, 규조류 중에서도 Cyclotella가 90% 이상으로 매우 높았다(윤성규, 팔당호 전이대의 조류발생이 호심부 수질에 미치는 영향, 석사학위논문, 한양대 산업경영대학원, 2006 : 참조).
녹조가 상습적으로 발생하는 경우에는 주변의 점오염원을 줄이고, 하천에 폭기 설비와 같은 장치를 설치하는 것이 바람직하다. 상류의 물을 방류하여 녹조를 해결할 경우 다가오는 겨울에 식수가 부족할 수도 있는 상황이며, 다음해의 봄에 농사를 못할 수도 있다.
따라서, 꼭 필요한 경우에만 수문을 열어 방류하여야 하지만, 체류시간의 증가로 녹조 발생의 위험이 상존하므로 상류 지점으로부터 유입되는 인이나 하천 바닥의 퇴적부로부터 용출되어 하천의 수중에 용해되는 인을 고려하여, 인의 물질 수지식을 단순한 입출력 모델(input-output model)이 아니라 인이 하천의 주변 조건에 따라 하천 바닥으로 침전하거나 퇴적 인이 수중으로 용출되는 것을 포괄적으로 고려하는 용해-침전 모델(dissolution-precipitation model)을 개발할 필요가 있다.
특히, 미국 지천의 입수로(Input) 길이가 수십 km인데 반해, 대한민국은 수 km 이내에 불과하다. 또한, 미국 이리(Erie) 호의 수심은 약 100m 이지만, 대한민국 대부분 하천의 수심이 10m 내외이므로, 햇빛이 대략 수심 5m까지 들어간다는 점을 고려할 때, 대한민국의 하천의 경우 광합성 작용이 대부분 일어나는 것으로 볼 수 있다. 그리고, 대한민국의 홍수기와 갈수기의 유량 편차가 대략 200배(서유럽 10배)여서 유입량이 다르므로, 고른 분포(even distribution)도 아니며, 대한민국은 동고서저(東高西低)로 경사도가 높다. 따라서, 대한민국은 외국과 다른 환경이므로 대한민국의 실정에 맞는 고유 모델을 개발할 필요가 크다. 엽록소의 종류를 살펴보면 엽록소의 종류와 현탁 물질을 도시한 아래의 표 2와 같다.
광합성에 의해 살아가는 식물들은 엽록소-a 외에 여러 가지 색소를 가지고 있다. 이중 광합성에 직접 참여하는 것은 엽록소-a이며, 다른 색소들은 엽록소-a를 도와주는 색소이기 때문에 모든 식물에 공통적으로 들어있는 엽록소-a를 측정함으로써 식물 현존량을 측정할 수 있다. 상술한 표 3의 현탁 물질은 조류 및 그의 사체에 의하여 주로 발생한다.
부유 물질은 육상기원의 토양입자와 같은 무기성과 수체 내에서 증식하는 조류와 같이 생물체에 기원을 둔 유기성으로 분류된다. 부유물질은 수중 어패류의 호흡 장애를 야기하고 빛의 수중 투과를 감소시켜 조류의 광합성 작용을 방해한다. 호수의 부유물질은 다량의 무기 현탁물이 유역으로부터 유입되는 홍수기를 제외하고는 내부 기원에 의한 물질들이 기여한다. 한편, 탁도는 부유 물질이나 식물성 플랑크톤에 의해 나타나는데, 비교적 정체된 호수에서의 탁도는 대부분 콜로이드 분산과 대단히 미세한 분산질에 의해 생기고, 하천에서는 비교적 굵은 분산질에 의한 것이 대부분이다(경기도 보건환경연구원, 경기도 6개 호소 생물상 조사, 2004).
녹조의 조류 농도는, 정수 처리시 여과 기능을 저하시키는 엽록소-a 농도와, 독성 농도에 의하여 피해를 주는 남조류 세포수로, 크게 양분하여 구분된다. 환경부의 조류 경보제는, 표 3[조류 경보 종류 (환경백서 2011, 표 2-7-17 근거)]에서와 같이 녹조류 발생을 쉽게 판별할 수 있는 엽록소(클로로필-a)의 농도와 독성을 지닌 남조류의 세포수를 기준으로, 발생 정도에 따라 주의보-경보-대발생 등 3단계로 구분 발령하고, 취수, 정수장 등의 관계기관에 신속하게 전파하여 단계적인 대응조치를 취하는 제도이다.
| 단계 | 경보 종류 | 엽록소-a 농도 (mg/㎥) |
남조류 세포수 (개/mL) |
| 1 | 조류 주의보 | 15-25 | 500-5,000 |
| 2 | 조류 경보 | 25-100 | 5,000-1,000,000 |
| 3 | 조류 대발생 | 100 이상 | 1,000,000 이상 |
환경부가 2012년 수질 예보제를 실시하면서 수질관리 기준을 세계보건기구(WHO)의 조류 농도 기준인 50 mg/m3 보다 완화(70mg/m3)해 적용한 것이 2013년 1월 17일 감사원의 4대강 감사 결과에서 지적된 바가 있다.
특히 상수원이 있는 7개 보 구간(18개 취수원)에서 식수 오염에 대비한 조류 경보제를 운영하지 않은 점이 지적되었다.
모든 조류는 C55H68O5N4Mg의 화학식을 갖는 거대분자인 엽록소-a를 포함하므로 조류농도는 엽록소-a 농도로 측정할 수 있다. 따라서, 조류의 농도는 엽록소-a 센서로서 표 2와 같이 663nm의 흡광도에서 측정 가능하며, 남조류 세포수는, 조류가 물의 오염 정도를 나타내는 화학적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand) 센서나 수중에 용존하는 유기탄소의 총량을 나타내는 총유기탄소(TOC, Total Organic Carbon) 센서를 UV산화/도전율 측정 센서에 의해 디지탈 RS485로 연속 측정하거나 조류 및 그의 사체에 의한 현탁물질을 나타내는 부유물 농도(SS, Suspended Solid) 센서, 탁도 센서 등을 이용하여 연속 측정한다.
아울러, 부영양화 원인물질의 농도를 측정하기 위하여 총인(T-P) 센서, 총질소(T-N) 센서, 유량 센서, pH 센서, 탁도 센서, 광도 센서, 수온약층 센서, 산화환원전위((Oxidation Reduction Protential, ORP)) 센서, 전기전도도 센서, NH4-N 센서, PO4-P 센서, Na+ 센서, Cl- 센서, Fe2+ 센서, 대기온도 센서, 체류시간 센서 등을 포함하는 수질 측정용 복합 센서를 이용하여 하천 방류수의 수질을 개선하고 전문가 시스템(Expert System)을 활용하여 가동보의 수문을 단순 관리한다.
하천의 부영양화 증가에 따른 공공 수역의 수질 보전을 위해 환경부는 2012년부터 총질소(T-N) 20 mg/L 및 총인(T-P) 0.2 mg/L 으로 방류수 수질 기준을 강화하였다. 질소는, 탄소, 수소, 그리고 산소 다음으로 살아있는 세포에 많은 성분으로 단백질을 구성하는 생물의 필수 원소이다. 지구상 질소의 많은 양이 화학적으로 불활성인 N2 가스 형태로 존재하고 생물체가 이용하기에는 질소 사이의 삼중결합을 깨뜨리기 위해 많은 에너지를 필요로 하므로 직접적으로 이용되지는 않는다. 담수 중의 질소는 주로 질산 이온으로 존재하며, 대한민국에서는 자연적으로 하천의 질소 농도가 높은 편으로 조류 성장을 제한하는 경우는 거의 없다. 한편, 암모니아성 질소는 질소의 환원된 형태로서 수중의 농도는 적지만 조류나 박테리아 등이 질소원으로서 가장 선호하는 형태이다.
인은 생물체를 구성하는 기본적인 원소 중의 하나로 일반적으로 인이 식물 플랑크톤의 일차 제한 영양소로 알려져 있다. 수중에서의 인의 존재 형태는 분자형태와 입자의 크기에 따라 분류된다.
생태학에서는 물의 수질을 빈영양(oligotrophic), 중영양(meso-trophic), 부영양(eutrophic) 단계로 나누며 부영양화란 부영양 상태가 된 것을 말한다. 일반적으로 호수의 수질을 결정짓는 가장 큰 요인은 부영양화이다(경기도보건환경연구원, 경기도 6개 호소 생물상 조사, 2004). 호수를 구분하는 한 방법으로서 식물 플랑크톤의 양이 많고 혼탁한 호수를 부영양호라 하고 식물 플랑크톤이 적은 호수를 빈영양호라 부른다. 빈영양호에서 부영양호로 변하는 현상을 부영양화라 하고, 부영양화의 정도를 부영양화도(Trophic State)라 하며, 질소, 인, 규소 등의 무기 영양염류의 유입이 증가되면 조류에 의한 유기물 일차생산이 증가하면서 호수 내 유기물 에너지의 함량이 증가하는 현상을 말한다.
호수의 유기물 에너지가 증가하는 원인은 외부에서 유입하는 유기물 부하량의 증가와 호수 내 일차 생산량의 증가로 나누어 볼 수 있다. 유역의 삼림밀도의 증가, 축산분뇨의 유출, 도시하수의 유출 등이 유기물 증가의 큰 요인이 될 수 있으며 유기물과 함께 많은 양의 영양염류도 함께 배출된다. 비료로 사용된 인과 질소 등의 무기 영양염류의 유출량 증가는 호수 내에서 광합성 생물의 증가를 유발하여 간접적으로 호수 내 유기물 생산량을 증가시킨다.
호수에서 유기물의 증가는 호수 내에서 먹이연쇄를 따라 여러 가지 연쇄적 변화를 유발하여 호수 생태계 전반에 걸쳐 영향을 나타낸다. 호수물의 맑기는 흙탕물이 유입된 홍수기를 제외하고는 식물 플랑크톤의 양에 의해 좌우되므로 부영양화에 의해 식물 플랑크톤이 증가하면 물이 혼탁해진다. 식물 플랑크톤이 많은 물은 광합성에 의해 BOD가 증가하고 침강한 식물 플랑크톤의 분해에 의해 심층의 수중산소 감소를 가져오며, 산소의 변화는 산화환원전위의 변화를 수반하여 무기화학적 특성도 변화시킨다. 부영양화는 생물량과 군집조성에도 영향을 준다. 유기물의 증가는 박테리아와 동물 플랑크톤의 증가에 이어 어류 현존량의 증가도 가져오며, 저산소에 대한 내성에 따라 우점종도 달라진다. 따라서 부영양화도는 호수의 생물학적, 화학적 특성을 결정짓는 가장 중요한 인자이다.
부영양호와 빈영양호의 비교에는 식물 플랑크톤 밀도, 총인 농도, 투명도, 용존산소 농도, 저질의 유기물 함량 등이 적용되며 부영양화의 결과로서 생물상에도 아래의 표 4(빈영양호와 부영양호의 특성 비교표)에서와 같이 차이를 보인다.
호수의 부영양화도를 판정하기 위해서는 식물 플랑크톤의 양, 광합성량, 영양염류의 농도 투명도 등의 지표를 측정한다. 가장 직접적인 지표는 식물 플랑크톤의 현존량과 일차 생산량을 측정하는 것이다. 식물 플랑크톤의 현존량과 일차 생산량은 측정이 어려우므로 여러 가지 간단한 지표를 사용하여 간접적으로 판정한다. 가장 많이 사용되는 지표는 TP, 엽록소-a(Chl-a), SD(투명도) 항목이며, 이외에 심층 산소 소비율, 세균밀도, 식물플랑크톤 우점종 등도 부영양화도 판정의 지표가 될 수 있다.
부영양화도를 판정하는데 있어서 유의할 점은 호수의 상황에 따라 지표로 사용할 수 없는 경우도 있다는 것이다. 식물 플랑크톤의 양은 계절적으로 변동이 크기 때문에 어느 계절의 자료를 사용하는가에 따라 부영양화도 평가가 달라진다. 겨울에 플랑크톤이 많은 호수가 있는가 하면 대형 댐에서는 홍수 후 늦여름에 많아진다. 또 체류시간이 짧은 하천형 저수지에서는 인의 농도가 높더라도 조류가 충분히 성장할 시간을 갖지 못하기 때문에 동일한 영양염류 농도를 가진 호수에 비하여 Chl-a는 낮게 된다. 호수에서 준설을 하거나 홍수기에 탁류가 유입하는 경우에는 무기 부유물질의 증가로 인하여 투명도는 감소하지만 조류는 오히려 감소하기도 한다. 따라서 자료를 면밀히 검토하여 부영양화도를 나타낼 수 있는 자료를 취사선택해야 한다.
인이 제한 영양소인 호수에서 인 농도가 증가하면 식물 플랑크톤의 밀도가 증가하고, 식물 플랑크톤의 밀도가 증가하면 투명도가 감소하므로 이들 세 가지 지표는 높은 상관관계를 보인다. 인이 제한 영양소인 호수에서 총인농도는 Chl-a의 농도와 양의 상관관계를 가진다. 투명도와 Chl-a 양은 역상관 관계를 보이고, 총인과 투명도는 양의 상관관계를 보인다. 그러나 이들 세 가지 항목 가운데 부영양화도 평가가 불일치하는 경우에는 가장 직접적인 부영양화 결과를 보여주는 항목으로서 Chl-a를 사용하여야 한다. Forsberg and Ryding(1980)은 조류가 성장하는 6월-9월의 총질소(TN), 총인(TP), Chl-a 양과 투명도의 평균치를 이용하여 부영양화기준을 제시하였다(표 5 참조). 즉, 표 5는 조류가 성장하는 계절(6~9월)의 총질소(TN), 총인(TP), Chl-a 양과 투명도의 평균치를 사용하는 부영양화도의 판정기준(Forsberg and Ryding, 1980)을 보여준다.
호수의 부영양화도의 판정기준은 국가와 지역(미국과 유럽) 및 연구자에 따라 다르다. 또한, 부영양화도 기준은 적용하는 자료의 계절도 다르다. 식물 플랑크톤은 주로 봄과 여름에 많이 성장하므로 조류가 많이 성장하는 계절의 평균자료를 주로 사용한다. 그러나 조류의 문제는 평균이 아니라 최대밀도를 보일 때 발생하므로 연간 최대밀도를 판정의 지표로 사용하기도 한다. 대한민국의 인공호에서는 조류밀도의 계절변화 양상이 호수에 따라 크게 다르다. 깊은 호수에서는 겨울에 조류의 밀도가 낮아지며, 수심이 얕고 체류시간이 짧은 저수지에서는 겨울에도 조류의 밀도가 높은 곳이 많으므로 호수에 따라 적용하는 계절을 달리하는 것이 바람직하다.
체류시간이 긴 자연호에서는 봄의 수직순환기의 총인 농도가 여름의 조류밀도를 결정짓는 요소이므로 봄철 수직혼합기의 총인은 이후 성층기에 식물 플랑크톤의 농도를 좌우하여 봄철 총인과 여름철 Chl-a의 상관관계가 높은 상관성을 보인다. 따라서, 이런 곳에서는 총인 농도로서는 봄 전도(Spring Turnover)의 농도를 사용하고 조류의 농도를 조류가 많이 성장한 계절(봄이나 여름)의 자료를 사용하는 것이 적절하다. 순환기에는 수질이 균일하므로 적은 수의 시료를 채취하여도 총인의 농도를 정확히 평가할 수 있는 이점도 있다.
부영양화도는 생물지표에 의해 판정할 수도 있다. 시아노박테리아(Cyanobacteria)가 대량 증식하는 녹조현상은 부영양호에서만 주로 출현하므로 시아노박테리아에 의한 녹조현상이 부영양호의 지표가 될 수 있다. 특히 미세조류(Microcystis)는 여름에 부영양호에서 가장 흔히 출현하는 종류로서 부영양호의 지표가 된다. 깔따구(Chironomidae)의 유생은 수중에서 살고 있는데 낮은 용존산소(DO)에도 내성을 가진 깔따구과(Chironomus)와 털모기(Chaoborus)는 심수층의 산소가 고갈된 부영양호에서 대량으로 번성하는 예가 있으며 심층산소가 부족한 부영양호의 지표종이다.
부영양호와 빈영양호를 나누는 기준들이 다양하고 서로 다르기 때문에 어떤 호수를 부영양호로 판정하여야 할지 빈영양호로 판정하여야 할지를 결정하기 어렵다. 따라서, 부영양화를 비교하기 위해서는 객관적인 지수로 나타내는 것이 필요하다. 이러한 취지에서 Carlson(1977)은 투명도를 기본으로 적용하며, 여기에 투명도(SD)와 Chl-a와 총인 농도(TP)와의 상관관계를 연결지어 SD, Chl-a, TP를 사용하여 부영양화도를 정량적으로 나타낼 수 있는 부영양화도지수(Trophic State Index, TSI)를 개발하였다. 투명도는 물의 투명한 정도를 나타내는 값을 말한다. 통상 투명도판(Secci Disk)이라 불리는 직경 30cm의 백색 원판을 해수 중에 내리고 위에서 보았을 때 보이지 않을 때의 깊이로 투명도를 나타내는데, 이러한 투명도는 부유물질이 많으면 작아지고 적으면 커진다. 탁도를 측정한 후 투명도로 전환하여 사용한다(Davies-Colley and Smith, 2001, Turbidity, Suspended Sediment, and Water Clarity: A review, Water Resources Research 37: 1085-1101 : 참조).
수중에 무기 부유물이 적은 호수에서는 부유물의 대부분이 식물 플랑크톤이며, 투명도는 식물 플랑크톤의 현존량에 의해 좌우된다는 전제하에 투명도를 기본으로 부영양화도를 평가하고자 하였다. 투명도가 1/2로 감소할 때 식물 플랑크톤의 현존량은 약 2배 증가한다. Carlson(1977)은 지금까지 보고된 최대 투명도인 41m보다 크고 이에 가장 가까운 정수의 멱수를 가진 2의 배수 64m(=26)를 부영양화도 지수 0으로 정하였고, 투명도가 1/2로 감소할 때마다 지수가 10씩 증가하도록 하였다. 따라서, 투명도가 2m일 때 TSI는 50으로 정의되고, 투명도가 26, 25, 24, 23, 22, 21, 20, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 m로 감소함에 따라 부영양호도 지수는 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100으로 증가한다. 즉, 다음과 같은 투명도를 기본으로 하는 부영양화도 TSI(SD)를 아래의 수학식 26과 같이 제창하였다.
[수학식 26]
여기에서, Chl과 TP의 상관관계를 첨가하여 TSI(Chl)과 TSI(TP)도 제안하였다. 미국의 많은 호수에서 조사된 투명도와 Chl-a 농도와의 경험적인 관계식, SD=7.69(Chl.a)-0.68 또는 ln(SD)=2.04-0.68ln(Chl.a)을 상기한 수학식 26에 대입하여 TSI를 SD의 함수에서 Chl-a의 함수로 변형시켜 아래의 수학식 27과 같이 TSI(Chl)을 만들었다.
[수학식 27]
여기에서, 이번에는 Chl-a 농도와 총인 농도사이의 경험적인 관계식, 즉 수학식 28을 상기한 수학식 27에 대입하여 아래의 수학식 29와 같이 TSI를 TP의 함수로 변형시켰다.
[수학식 28]
[수학식 29]
그 결과 SD, Chl-a, TP의 수학식 26, 27 및 29의 세 가지 변수를 사용하는 부영양화도지수를 제창하였으며, 일반적으로 이 세 가지 TSI의 평균치를 제시한다. 부영양호와 빈영양호의 경계는 TSI 50-55에 해당한다.
대한민국의 주요 호수를 대상으로 투명도와 Chl-a, TP의 상관관계를 분석한 결과는 외국의 경우와 유사하다. 그러나, 일부 호수에서는 무기 부유물질(부유토사)로 인하여 투명도가 크게 저하되는 예도 있으며, 체류시간이 짧은 호수에서는 여름 홍수기에 TP에 비하여 SD와 Chl-a 농도가 낮은 것을 볼 수 있다. 투명도와 Chl-a, TP의 관계는, 다음과 같은 수학식 30 내지 32와 같이, 희귀식으로 나타났다.
[수학식 30]
[수학식 31]
[수학식 32]
대한민국의 대형 호수들은 빈영양호가 없으며 모두 중영양호 내지 부영양호의 수질을 보이고 있다. 부영양화도를 과거와 비교할 수 있는 자료는 많지 않으나 1980년대에 들어 매우 증가한 것으로 보인다. 소양호의 부영양화도지수(TSI)는 1981년에 38이었는데 1990년경에는 50으로 증가하였으며, 팔당호는 1987-1988년에 TSI가 48이었으나 근래에는 63으로 증가하였고, 의암호는 1981년에 44였으나 52로 증가하였다. TSI가 10 증가하면 엽록소 농도는 약 2.5배 증가하므로 대부분의 호수에서 2배 이상 증가한 것으로 보인다.
부영양화도의 계절적 변동은 호수에 따라 다르게 나타난다. 수심이 깊은 소양호에서는 겨울에 급격한 식물 플랑크톤의 감소가 나타난다. 겨울에는 표층 수온이 낮아져 혼합층이 깊어지므로 식물 플랑크톤이 빛이 부족한 깊은 곳까지 순환하게 되어 빛의 부족으로 감소한 것으로 보인다. 반면에 수심이 얕은 호수에서는 겨울에도 혼합층이 깊지 않으므로 충분한 빛을 받을 수 있어 높은 밀도를 보인 것으로 생각된다. 특히, 팔당호나 낙동강 하구호와 같이 체류시간이 짧은 조건에서는 체류시간이 가장 중요한 요인으로 작용하므로 우기에는 떠내려가는 효과에 의해 식물 플랑크톤의 밀도가 낮아지고 갈수기인 겨울-초봄에 높은 밀도를 보인다.
영양염류의 계절적 변동에 있어서 상류의 깊은 호수와 하구호는 다른 경향을 보인다. 수체가 큰 긴 호수에서는 홍수시에 인의 유입이 크게 증가하여 홍수 후에 조류의 번성이 나타나는데 반하여 하구호에서 유량이 감소하는 겨울의 갈수기에 농도가 높게 나타난다. 홍수 후에 조류의 번성이 나타나는 현상은 대청호에서 보고된 바 있다(오희목과 김도한, 1995). 하류의 호수에는 배출량이 일정한 점오염원인 도시하수의 유입이 있으므로 강우량이 적은 갈수기에 영양염류의 농도가 높아진다. 반면에 상류에 위치한 호수는 도시하수보다는 농경지의 비료와 축산분뇨, 퇴비 등의 비점오염원이 주요 오염원이므로 폭우가 내릴 때 유역으로부터의 대량유출이 발생한다. 따라서, 폭우 후에 인의 농도가 높아지고 식물 플랑크톤의 증식이 나타난다. 소양호의 예를 보면 갈수기에는 인의 유입이 거의 없고, 연중 인 부하량의 대부분이 수차례의 폭우에 집중되어 나타난다.
영양염류의 농도는 상류의 호수에서는 낮고 하류의 호수에서는 높은 경향을 보이고 있다. 특히, 하구호에서는 인과 질소의 농도가 매우 높아 제한영양소로서 작용하지 않을 만큼 충분히 존재한다. 따라서 하구호에서는 식물 플랑크톤의 성장제한요소가 영양염류가 아닌 빛과 체류시간일 것으로 생각된다. 인과 질소의 원자비(N/P)를 보면 모든 조사 호수에서 생물체의 평균 조성비인 16보다 큰 값을 보이고 있다. N/P를 볼 때 모든 호수에서 인이 제한 영양소일 것으로 예상된다. 그러나, 하구호에서는 인의 절대농도가 높아 제한요소로 작용하지 않을 것으로 보인다.
거의 모든 대형 댐에서 여름에 식물 플랑크톤 우점종은 남조류이다. 특히, 부영양호의 지표종이라고 할 수 있는 미세조류(Microcystis)가 많이 출현하고 있다. 팔당호에서도 경안천 유입부에서는 심한 남조류 Anabaena 물꽃현상이 나타났다(유경아, 변명섭, 윤석제, 황순진, 류덕희, "북한강 수계에서 이취미를 유발하는 남조류(Anabaena spiroides)의 증식 특성", KJEE 46(1) : 135~144, 2013 : 참조). 남조류는 인의 농도가 높은 부영양호에서 여름에 서식하므로, 대부분의 저수지에서 남조류가 우점종이라는 것은 이 호수들이 부영양화되었음을 의미한다. 소양호에서는 과거에는 와편모조류인 Peridinium이 우점종이었으나 1980년대 후반에 들어 남조류가 하계 우점종으로 나타나기 시작하였다.
근래 국내의 대부분의 호수들이 1980년대 후반에 들어 급격한 부영양화로 인하여 남조류의 물꽃현상과 수질악화를 겪고 있다. 유역에 사람이 살지 않는 산간의 소형 저수지들의 일부를 제외하고는 모두 유역에 농경지와 축산농가가 있어 호수를 부영양화시킬 정도로 인의 유출이 크다. 대한민국 호수의 부영양화는 축산과 내수면 양식어업의 규모가 증가한 1980년대 후반에 급격히 진전되어 많은 호수가 부영양호로 바뀌었다. 그 결과, 과거에는 남조류가 나타나지 않던 호수에서도 여름이면 남조류가 출현하여 호수를 녹색으로 물들이고 있으며, 유기물 농도 증가, 수도물의 냄새 발생, 독성 남조류의 증식 등의 피해를 유발하고 있어 호수 수질 악화의 가장 주요한 원인이 되고 있다.
호수의 부영양화는 제한영양소의 유입 부하량에 의해 결정된다. 국내 주요수계에서는 모두 질소/인의 비가 크고 인이 제한영양소로 작용하고 있으므로 인의 부하량이 부영양화의 주요 결정인자이다. 인의 존재형태는 용존형(Dissolved Phosphorus)과 입자형(Particulate Phosphorus)으로 나눌 수 있는데, 오염물의 종류와 성상에 따라 강우에 따른 유출 양상이 달라진다. 일반적으로, 용존물질은 강우에 의해 영향을 받지 않거나 희석되는 경향이 있으며 입자상 물질은 강우에 따른 유속의 증가로 농도와 이동량이 증가한다. 오염원이 도시하수나 산업폐수와 같은 경우에는 오염물의 배출량이 강우량과 관계없이 일정하므로 강우에 의해 오염물의 농도가 낮아질 수 있다. 오염물이 입자상으로 유역에 퇴적되어 있는 경우에는 폭우시에만 유출되므로 홍수시 농도가 오히려 높아 질 수 있다.
오염원의 형태를 점오염원(Point Source)과 면오염원 또는 비점오염원(Nonpoint Source)으로 분류하기도 한다. 점오염원은 공장폐수, 도시하수 등의 오염원으로서 오염물이 한 곳에서 집중적으로 유출되는 형태이다. 하수처리장을 건설하여 처리하면 제거하기가 쉬운 오염원이다. 이에 비하여 비점오염원은 농경지의 비료, 목장의 가축 배설물 등의 산재한 소규모 오염원이거나 넓은 면적의 토지에서 발생하는 오염원이다. 비점오염원은 강우시 대량 유출되는 특성을 가지므로 강우량의 계절변동이 큰 대한민국의 실정에서는 비점오염의 유출이 계절적으로 크게 변동할 수밖에 없다.
대한민국에서의 인의 발생원으로서는 비료에 의한 발생량이 가장 크고, 두 번째가 가축의 배설물로서 사람의 배출보다 월등히 큰 것으로 추산된다. 특히, 유역에 대도시가 없는 중상류의 호수에서는 주로 비료와 가축분뇨가 인의 공급원인 것으로 보고되고 있다. 축산이 인의 공급원으로 대두되는 것은 대한민국의 축산 대부분 수입된 사료에 의존하므로 유역 밖으로부터 많은 영양염류가 유역내로 유입된다는 것을 뜻한다. 가축분뇨는 농경지에 퇴비로 뿌려졌다가 폭우시에 유출되는 비점오염원의 성격을 가진다. 그러므로 대한민국 저수지의 부영양화의 주요원인은 비료와 가축 배설물이라고 볼 수 있다(경기도 보건환경연구원, 경기도 6개 호소 생물상 조사, 2004 : 참조).
대한민국에서는 하천 상류지역의 산간지역에는 인구가 적고 산업 활동이 적으므로 점오염원의 기여도는 작으며 소규모 점오염원이 비점오염원의 성격을 띠고 산재하거나 면오염원의 형태를 띠고 있다. 대한민국 하천의 유량은 강우에 따라 계절적으로 크게 변동하는 양상을 보이며, 비가 내리지 않은 때에는 유역으로부터의 유출수량이 매우 적어 연간 부하량에 대한 기여도도 매우 작다.
비점오염원이 우세한 유역으로부터 유출되는 하천의 인(P)의 농도는 유입수량의 증가에 따라 크게 증가 한다. 소양강에서는 인의 농도가 갈수기의 30 mg/㎥에서 폭우시에 400 mg/㎥ 이상까지 급등하는 양상을 보였다. 특히, 7월의 폭우의 초기 유출시에는 과거 수년간의 가뭄 이후에 내린 비로서 인의 농도가 최고치를 기록하였다. 인의 농도는 강우초기에 가장 높은 농도를 보이고 이후에는 감소하는 경향을 보인다. 유입수량이 급격히 증가하는 시기에 인의 농도도 급격히 높아지므로 이를 곱한 인부하량은 갈수시기에 비하여 매우 높아지는 양상을 보인다. 그러므로 소양호로 유입되는 인의 연간 부하량은 연간 1-2차례의 폭우시 유출에 집중되어 있다. 그 결과 폭우 후에 조류의 대발생이 나타나고 있다. 이러한 인부하량의 강우시 집중은 대한민국 전역의 농업지역에서 나타나고 있는 공통적인 현상이다.
이때, 인(P)은, 아래의 화학식에서와 같이, 광합성 반응에서 낮에 햇빛이 있을 때 일어나는 명반응 과정에서 절대적으로 필요한 요소이다.
H2O + NADP+ + ADP + Pi
→ O2 + ATP + NADPH
위의 화학식에서, Pi는 무기인산을 나타낸다.
특히, 이러한 ATP는, 일례로서 생합성 공정에서 ATP가 이용되는 형태의 예시를 보여주는 도 13에 도시된 바와 같이, 조류의 막의 주성분인 다당류와 단백질의 원료가 되며, 조류의 세포 내 주요 소기관의 구성체인 RNA와 DNA의 주요 핵심 원료가 된다.
따라서, 이러한 햇빛 차단에 의한 명반응 단계를 인위적으로 방해함으로써 발생하는 조류의 ATP 결손은 조류의 증식을 어렵게 한다.
그리고, Ca2+는 석회화(calcification) 공정에서 도 14에 도시된 바와 같다. 즉, 도 15는 Ca2+가 석회화하는 공정을 설명하기 위한 화학식을 보여주는 예시도이다.
따라서, 조류가 낮 동안 생활하는 표층수와 밤 동안에 생활하는 하층수 공간에 녹아 있는 Ca2+ 이온에 드라이아이스(고체, 이산화탄소)를 투입하면 아래의 화학식과 같이 된다.
CO2 + H2O
→ H2CO3
→ 2H+ + CO3 2-
위의 화학식에서 H+가 Ca2+와 반응하면 아래의 화학식과 같이 된다.
CaCO3 + H+ ↔ Ca2+ + 2HCO3 -
이때, H+가 증가하게 되면 화학 반응이 왼편에서 오른편으로 르샤틀리에 원리에 따라 이동한다. 따라서, 도 14의 석회화 공정이 잘 이루어지지 않아서 조류의 광합성 반응이 원활치 못하고 탄수화물(CH2O)이 조류 내에 축적되지 못하여 조류는 힘을 쓰지 못하며, 그 결과 조류 성장이 억제된다.
도 15에 도시된 화학식에서와 같이, 이산화탄소(CO2)를 버블링(bubbling)시키면 pH는 5.8 부근이 된다. 즉, 도 15는 이산화탄소를 버블링시킬 때 pH가 변화하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
따라서, 만들어진 CaCO3가 CO2 버블링에 의해 Ca2+ + 2HCO3 -로 되어 Ca2+가 수중에 그대로 녹아 있게 됨으로써 탄소(C)를 이용하는 광합성 공정 자체가 저해받게 된다.
즉, 드라이아이스를 이용하여 수중의 수온을 떨어뜨려 용출되어 있던 인(P)이 가라앉게 되고 CaCO3는 Ca2+로 변화하게 되므로, 낮 동안에 필요한 인(P)의 부족과 밤 동안에 이뤄지는 CaCO3화의 반응 저해로 인해 조류의 광합성 공정이 제대로 못 이루어지게 된다.
예컨대, 당뇨병에 걸린 사람처럼 조류는 낮과 밤으로 시달려서 맥을 추지 못하게 됨으로써 조류의 성장이 초기 대수 성장기에 머물게 된다.
다시 말해, 광합성 반응에서 햇빛이 있을 때 생기는 명반응에서 무기인산(Pi)이 있어야만, 도 16의 (a)에서와 같이, 반응이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하게 됨으로써 ATP가 생기게 된다.
이렇게 생긴 ATP는 수중의 이산화탄소(CO2)와 결합하여 도 16의 (b)에서의 반응에 따라 포도당 등과 같은 탄수화물(CH2O)이 생기며 이것이 조류의 에너지원이 된다. 이는 조류의 증식과 일반 생활을 가능하게 하는 원동력이다.
따라서, 조류의 증식을 억제하려면 도 16의 (a)식의 인(P)이 물속에 가능한 적게 녹아 있도록 할 필요가 크다.
전상호 연구[1989년 서울대학교 박사 논문]에 따르면, 북한강 수계(소양호, 춘천호, 의암호)에서의 pH 분포도는 도 17에 도시된 바와 같다.
도 17을 참조하면, 도면으로부터 두 가지의 정보를 얻을 수 있다. 첫째, 의암호는 소양호나 춘천호에 비해 용출인이 높음을 알 수 있다.
의암호 하류에 청평호와 팔당호가 이어지는데, 특히 의암호에는 춘천시의 하수처리장 방류수가 높은 영양염류(TP > 0.8㎎/L) 상태로 유입되어서 환경부 방류기준(TP < 0.2㎎/L)을 훨씬 넘는데다가 pH가 높아서 하천 바닥에서 용출되는 인까지 높게 나타나고 있다.
결국은 인이 풍부하므로 도 14의 식에서와 같이 조류가 증식하기에는 좋은 조건이 되기 때문에 종국에는 2011년 겨울처럼 팔당댐에서 녹조 현상이 상시적으로 발생할 가능성이 매우 높아지게 된다.
둘째, 도 17에 도시된 바와 같이, 하천수의 pH가 7 이하가 되면, 용출인의 농도는 개략적으로 100㎍/L 부근에서 일정한 값을 나타낸다. 따라서, 도 16의 (a)식에서 관여하는 P를 최소화하려면 조류가 낮 동안에 광합성 활동하는 표층수 공간은 물론이고 밤 동안에도 활동하는 하층수 주변을 pH가 7 이하로 되도록 조치한다면, 조류의 성장을 최대한 억제할 수 있을 것이다.
초봄이나 초가을에 날씨가 쌀쌀하여 하천 표면이 4℃가 되면 물의 무게가 가장 무거워져서 유속이 느린 하천 바닥의 물보다 무거워진다. 그러면 표면의 물은 아래로 내려가고 바닥의 물은 위로 올라오는 전도현상(상하운동)이 일어나면서 저류되어 있는 하천의 바닥에 있던 인이 물 전체로 확산하게 된다. 인은 뼈에 많아 주로 물고기 등이 죽어서 바닥에 있게 되고 조류가 녹조현상이 생겨서 죽어도 바닥에서 분해되면서 가벼운 질소(N, 원자번호 7)는 물 전체로 분포하고 무거운 인(P, 원자번호 14)는 하천 바닥에 남아 있게 된다. 물의 전도현상이 일어나면 질소와 인의 비율이 식물이 성장하기 좋게 16 이상으로 높아진다. 그러면 초봄이나 초가을의 쌀쌀한 날씨에서도 조류는 급증하여 녹조현상이 나타난다. 이렇게 급증된 조류는 영양이 고갈되므로 죽게 되어 죽은 조류가 떠오르는 현상을 녹조현상이라 하며, 이때 죽은 시체가 침전되어 세균에 의하여 분해되면 산소가 고갈되어 어패류가 죽게 되고, 또 조류가 분해되면서 독소를 분비하거나 냄새가 독하게 나게 된다. 이때, 조류를 포함한 호기성 미생물의 호흡 작용 등을 통하여 산소를 소모하고 탄수화물을 분해하여 ATP 형태의 에너지를 생성하여 성장하거나 체온유지하거나 번식하는데 사용한다. 즉, 아래의 수학식 33과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 33]
하천의 조류가 성장하기 위하여 적당한 수온, 용존산소, pH, 영양염류, 햇빛, 수온약층 일정기간 유지 등이 필수적이다. 통상적인 조류의 성장 곡선 분포도는 도 3에 도시된 바와 같다.
도 3을 참조하면, 유도기(310)는 조류가 새로운 환경에 적응하는데 필요한 시간이고, 대수 증식기(320)는 조류가 급성장하는 기간이며, 정체기(330)는 영양기질의 고갈, 산소 공급의 부족, 증식 저해 물질의 축적, 비타민 등 증식 인자의 부족, 증식 공간의 부족 등으로 증식이 정지된다. 사멸기(340)는 증식이 부적당한 환경에서는 조류 세포 내의 각종 가수분해 효소의 생성이 활발하게 되어 조류 스스로의 분해(autolysis)를 촉진하여 세포수가 감소하여 사멸하게 된다.
조류들은 유기물질이 없어도 무기탄소(HCO3 -, CO3 =)를 탄소원으로 이용하고 햇빛을 에너지원으로 하여 증식이 가능하지만, 질소(N)와 미량의 마그네슘(Mg)은 조류의 구조식 C55H68O5N4Mg의 일부분이고, 인은 조류 생합성의 에너지원이므로, 질소와 인과 극미량의 마그네슘이 없으면 조류가 증식할 수 없다. 따라서, 유속이 느려 저류되어 있는 하천의 부영양화를 예방하고 관리하기 위하여, 총인과 총질소의 농도를 측정하여 영양 물질의 과다 여부를 판단하며, 엽록소-a와 현탁물질의 농도는 부영양화의 결과인 녹조 발생 정도를 파악할 수 있다.
아래의 표 6은 수질 및 수생태계의 하천에 대한 생활환경 기준을 보여준다. 4대강 사업을 통하여 당초에 하천 수질을 '좋은 물' 등급인 '수영할 수 있는 2급수 BOD 3 mg/L 이하를 86% 달성하는 것을 목표로 하였으나, 2013년 현재 대한민국의 환경부는 BOD를 기준으로 삼아서 4대강 중 수질 중점 관리 지점 34곳 중 2급수 이상(BOD 3 mg/L 이하)인 곳은 29곳으로 당초의 86% 목표를 달성한 것으로 발표한데 반하여, 대한민국의 감사원은 COD와 조류농도(엽록소-a 농도)로 평가하면 2급수 달성률은 37.5%에 불과하고, 중앙일보는 BOD, COD 및 총인 기준으로 보면 7곳으로 20.6%에 불과하다고 하였다.(2013. 1)
대한민국의 4대강 유역의 문제점은, 지천의 오염도가 본류보다 높으므로 지천으로 유입되는 유기 오염물질을 처리하지 않은 상태에서 보에 저류하면 자연정화 기능이 상실되어 수질오염 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위하여 지천과 본류의 합류 지점에서 본류로 유입되는 지천의 오염물질 i 성분의 농도를 수질측정용 복합 센서로서 하천의 수질을 실시간으로 측정하고, 오염물질 i 성분이 하천의 본류를 따라 일정시간(t) 흐른 후의 오염물질 i 성분의 농도를 다음과 같은 모형의 무화학 반응 혼합 처리(Mixing Process without Chemical Reaction) 모델을 통해 예측 가능하다.
이때, 상기한 모형에서
는 본류에 유입되는 지천의 오염물질 i 성분의 농도를, 
는 일정시간(t) 후의 본류의 오염물질 i 성분의 농도를 각각 의미한다.
하천 내부 공간에 화학반응이 없는 경우의 언스테디-스테이트 매스 밸런스(Unsteady-State Mass Balance)에서, 아래의 수학식 34를,
[수학식 34]
스테디-스테이트 매스 밸런스(Steady-State Mass Balance)에서, 아래의 수학식 35를,
[수학식 35]
상기한 수학식 34 - 35에서, 하천의 부피
가 일정하다고 가정하면, 아래의 수학식 36과 같이 되고,
[수학식 36]
여기에서, 편차변수(Deviation Variable)를 취하면, 아래의 수학식 37 내지 40과 같은 결과를 얻을 수 있다.
[수학식 37]
[수학식 38]
[수학식 39]
[수학식 40]
따라서, 라플라스 변환(Laplace Transform)을 취하면, 아래의 수학식 41 및 42를 얻을 수 있다.
[수학식 41]
[수학식 42]
상기한 수학식 42에서, 
는 하천의 부피로서 하천 길이를 하천 단면적으로 곱한 값으로써, 일정한 수심과 강폭을 갖는 일정한 길이의 하천은 따라서 일정한 부피
를 갖는다. 유량은 유량 센서로서 측정할 수 있으므로 상기한 수학식 42의 체류시간
는 측정할 수 있다.
만일, 지천이 본류에 합류하는 지점에서 수질측정용 복합 센서를 이용하여 측정한 임의의 오염물질 i 성분의 농도(
)가 일정하다면, 아래의 수학식 43을 얻을 수 있고,
[수학식 43]
전술한 수학식 40 및 수학식 43에서, 아래의 수학식 44를,
[수학식 44]
상기한 수학식 44를 Partial Fraction Expansion 하면, 아래의 수학식 45 및 46을 얻을 수 있으며,
[수학식 45]
[수학식 46]
전술한 수학식 37 및 수학식 46에서, 아래의 수학식 47 및 48을 얻을 수 있다.
[수학식 47]
[수학식 48]
따라서, 상기의 입출력 모델(input-output model)을 통해 본류에 유입되는 지천의 화학반응하지 않는 오염물질 i 성분의 농도를
라 하면, 일정시간(t) 흐른 후의 본류의 오염물질 i 성분의 농도
를 상기한 수학식 48로 예측할 수 있다.
상기 화학반응하지 않는 상류의 오염물질의 농도 실측치와 일정시간 흐른 후의 하류의 예측치를 각각 센서부로 입력하고 이를 방류 수질 제어부를 거쳐 유/무선 송출부에서 가동보 수문 제어기로 유/무선으로 통보하면, 주관리 센터는 일정시간 흐른 후의 하류에서의 실측치와 예측치를 비교하여 환경부에서 제시한 조류 경보 및 하천 생활환경 기준, 적조예보 종류 및 발령기준과 비교하여 가동보 수문을 개방할 것인지 또는 산소 공급부를 가동하여 하천의 하층부에 대기 중의 신선한 공기를 공급할 것인지, 연안 해역으로 유입되는 댐을 일시적으로 막을 것인지의 여부를 전문가 시스템을 활용한 물 종합 운영시스템(Water-Expert System)으로 판단한 후 이를 관리센터에 통보하여 방류 수질 제어기에 의하여 산소 공급부를 가동시키거나 가동보 수문을 개방하여 하천 방류 수질을 개선하고 가동보 수문을 단순 관리하거나 혹은 인근 연안 양식업자들에게 어류를 이동시키거나, 황토 살포를 준비하도록 통지한다.
한국등록특허 10-0143855(선행특허1)는 하천 산소 공급 장치에 관한 것으로, 하천 바닥층 근방의 물에 산소를 부가하기 위해서, 하천 수면 아래에 기체층을 유지하는 케이싱과 공기공급 구멍을 구비한 급기관을 케이싱 내에 구비하고 공기공급 구멍으로부터 공기를 분출하여 하천 바닥층에 생식하는 수생생물의 생태계를 안정하게 유지하는 장치이다. 상기 공기공급 케이싱이 수면 상에 설치한 감아올림 장치에 의해 상하로 이동하거나, 수면과 평행한 방향으로 강의 한쪽 둑에서 건너편 둑으로 이동할 수 있는 특징이 있으나, 4대강 사업은 이미 지난 2011년 말에 대부분 완료되었다. 따라서, 상기의 산소 공급 장치는 이미 건설이 완공된 보에서는 적용하기가 불가능하고, 하천 산소 공급 면적이 극히 제한적이므로 4대강의 현장은 물론이고 연안 해수 환경의 적용에도 불가능한 기술이다.
한국특허 10-1160445(선행특허2)는 조류 발생의 제어 방법에 관한 것으로, 저층수의 수온이 15℃를 초과하면, 인산염인(PO₄-P)이 용출되어 조류 대발생이 예상되므로, 저층수의 수온을 15℃ 이하로 유지하기 위하여 저온시설(인공 풀섬 또는 햇빛 차광막)이나 냉매 순환 장치를 이용하는 친환경적 방법이다.
그러나, 선행특허2는 4대강이나 연안 해수 같은 넓은 하천지역에 이를 적용하기에는 무리한 방법이다. 즉, 선행특허2에서는 수위 센서를 이용하여 홍수기와 갈수기의 수위 변화에 관계없도록 하고 다수의 수온 센서를 수직으로 설치하여 하천 표면 층수의 수온과 하부 층수 및 중간 층수의 수온을 실시간으로 측정하여 허용세트포인트 수온 차이에서 얼마나 벗어난 지를 판단하여 유속이 느린 하천의 수온 상승에 따른 표층과 저층이 혼합되는 전도현상에 의한 갑작스런 대량의 녹조발생을 미리 경보한다.
특히, 선행특허2는 수위 센서에 의해 위치한 용존산소 센서를 이용하여 하천 수중 또는 연안 해수의 용존산소 농도를 연속 측정하여 홍수기와 갈수기의 수위 변화에 관계없이 하천 또는 연안 해수 바닥주변의 용존산소가 급격히 감소하는 시점과 상기 허용세트포인트 수온차이를 이용하여 가동보의 수문을 개방할 것인지 유입하천 댐을 일시적으로 차단할 것인가의 여부를 제어하는 방법이다.
한국특허 10-1210560(선행특허3)은 하천의 용존산소농도를 실시간으로 측정하여 황토를 자동 살포하여 녹조 발생을 최소화하고, 부유물을 별도의 수거함으로 수거하는 생태복원을 위한 하천 수질 개선 장치에 관한 것이다. 선행특허3에서는, 하천의 용존산소농도를 수위센서와 연동하여 실시간으로 측정하여 방류허용농도(예로써, 2㎎/L 이상) 보다 낮으면, 가동보 수문을 닫는 권양기가 들어있는 각 관리센터의 교각 좌우편에 수위센서에 의하여 자동으로 적정 수심을 유지하면서 상하 운동을 하는 미세기포 발생수단으로 구성된 산소공급기에 의하여 유속이 느린 하천의 용존산소농도를 높임으로써 하천의 어패류 및 호기성 미생물이 수중 산소 고갈로 폐사하지 않도록 제어하고, 방류 허용농도보다 높으면, 가동보 수문을 개방하여 물의 체류시간을 짧게 하여 조류나 오염물질이 쌓이지 않도록 저류한 하천의 물을 하류로 방류하는 가동보 수문 자동제어 장치에 관한 것으로서 상기의 특허와는 차별성을 갖는다.
한국특허 10-1147332(선행특허4)는 파일 등 비 시멘트자재로 시공되는 하천 상에 설치된 구조물 및 하나 이상의 센서(전도, pH, DO, 수온, 수량, 수위, COD, SS)를 이용하여 오염정화물질인 황토분을 자동으로 배출하는 유비쿼터스 감시 제어 시스템에 관한 것이다. 상기 선행특허4의 구조물은, 소규모 하천의 일부만 막아 저수량을 조절하는 것을 특징으로 하므로 대규모 하천에는 적용할 수 없다. 특히, 선행특허4의 구조물은 하천수가 통과하는 투수형인데 반하여, 4대강의 보는 비투수형으로서, 고정보처럼 하천수가 흘러넘치거나 또는 가동보처럼 수문이 열리면 저류가 하류로 흐르는 시스템이므로, 상기의 선행특허4는 4대강의 현장상황과는 무관한 기술이다.
본 발명은 유속이 느려 저류되어 있는 하천의 수질이 악화되는 문제를 해결, 즉 하천 수질을 개선하기 위하여, 가동보 수문 또는 하천의 특정 지역 부근의 저수되어 있는 하천에 지속적으로 산소가 풍부한 가압 공기를 공급하여 하천의 어패류 및 호기성 미생물의 서식환경을 개선할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해, 본 발명은 하천(강 또는 연안 해수) 바닥의 용존산소가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도(기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위)를 초과할 때 가동보 수문을 개방하고, 바닥의 용존산소가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위 이하로 될 때 가동보 수문을 폐쇄한 후 가압 공기를 공급하는 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 하천(강 또는 연안 해수)의 조류 농도와 유기 오염물질 농도가 기 설정된 방류 허용 농도(기 설정된 방류 허용 농도 범위)를 초과할 때 가동보 수문을 개방하고, 조류 농도와 유기 오염물질 농도가 기 설정된 방류 허용 농도 범위 이하로 될 때 가동보 수문을 폐쇄하는 장치를 제공하고자 한다.
더욱이, 본 발명은 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 측정하여 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때, 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의해 녹조가 발생됨을 경보하는 시청각적인 녹조 경보를 발령하는 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은, 일 관점에 따라, 용존산소 센서를 통해 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하고, 수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하며, 조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 이용하여 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 각각 측정하는 센서 블록과, 측정된 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도를 초과하거나 혹은 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질의 농도와 기 설정된 방류 허용 농도를 초과할 때, 수문 개방 요청신호를 발생하여 관리 수단으로 송출하는 산소 관리 블록과, 상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 이하일 때, 그에 상응하는 산소 공급 제어신호를 발생하는 산소 제어 블록과, 상기 산소 공급 제어신호에 의거하여 기 설정된 수심 위치에 가압 공기를 공급하는 산소 공급 수단과, 측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어나는 지의 여부를 모니터링하며, 상기 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때 그에 상응하는 녹조 경보를 지령하는 녹조 관리 블록과, 상기 녹조 경보에 의거하여 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의해 녹조가 발생함을 경보하기 위한 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 경보 발생 블록과, 상기 수문 개방 요청신호가 수신될 때 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키고, 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때 시청각적인 녹조 경보를 발령하는 상기 관리 수단을 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치를 제공한다.
본 발명의 상기 수온 센서는, 하천 또는 연안 해수 수심의 수직 방향으로 다수의 수온 센서가 일정 간격을 가지고 배치되는 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 상기 다수의 수온 센서 각각은, 하천 또는 강의 깊이에 따라 표면층, 중간층, 하부층에 각각 배치될 수 있다.
본 발명의 상기 조류 관련 센서는, 엽록소-a 센서, SS 센서 및 탁도 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 유기 오염물질 관련 센서는, 수온약층 센서, ORP 센서, EC 센서, TOC 센서, SS 센서, Na+ 센서, COD 센서, T-P 센서, T-N 센서, 유량 센서, pH 센서, 탁도 센서, 광도 센서, 알칼리도 센서, NH4-N 센서, PO4-P 센서, Cl- 센서, Fe2+ 센서, 대기온도 센서, 체류시간 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 관리 수단은, 상기 수문 개방 요청신호가 수신될 때, 다수의 관리 센터로 수문 개방 제어 지령을 송출하는 주관리 센터와, 상기 다수의 권양기 기계실에 각각 설치되며, 상기 수문 제어 지령이 수신될 때 상기 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키는 상기 다수의 관리 센터를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 센서 블록은, 복합 센서 함체로서 구성되어 GPS 장비, FIA 장비, 무선 송수신 장비가 장착된 무인 이동형 선박에 탑재되어 녹조 발생 경보에 필요한 값들을 측정할 수 있다.
본 발명의 상기 산소 공급 수단은, 산소를 함유하는 공기를 저장하는 가압 공기 저장 탱크와, 상기 가압 공기 저장 탱크의 압력을 감지하는 압력 센서와, 상기 압력 센서로부터의 감지신호에 의거하여 상기 가압 공기 저장 탱크에 저장되어 있는 공기를 일정 압력으로 가압하는 가압 공기 공급기와, 상기 일정 압력에 의해 상기 가압 공기 저장 탱크의 배출구로 배출되는 공기의 흐름을 유도하는 공기 통로와, 상기 공기 통로를 통해 유입되는 공기를 균일하게 분배하는 가압 공기 분배기와, 분배된 공기를 상기 기 설정된 수심 위치 측으로 안내하는 배기관과, 상기 배기관을 통해 유입되는 공기를 상기 기 설정된 수심 위치에 미세 기포로 분출하는 미세기포 발생기를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 미세기포 발생기는, 각 가동보 수문의 사이에 위치하는 각 교량 교각의 일 측면 또는 좌우 측면에 부착된 상하 이동식 레일에 장착될 수 있다.
본 발명의 상기 미세기포 발생기는, 수위가 가변될 때 수위 센서로부터의 감지 수위에 의거하여 상기 미세기포를 분출하는 수심 위치를 가변시킬 수 있다.
본 발명의 상기 미세기포 발생기의 분출 압력(P)은, 다음의 수학식과 같이 산출될 수 있다.
P = P0+ρgh
(상기 수학식에서, 상기 P0는 대기 압력(kPa)을, 상기 ρ는 하천 밀도(kg/㎥)를, 상기 g는 중력 가속도(kg/sec2)를, 상기 h는 하천 수심(m)을 각각 나타냄)
본 발명의 상기 미세기포 발생기는, 다수의 미세기포 분출구가 형성된 직육면체 판형 구조 또는 구형 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 상기 일정 압력은, 상기 가압 공기 공급기의 성능, 상기 가압 공기 저장 탱크의 용량, 상기 공기 통로의 누적 길이 및 직경, 상기 가압 공기 분배기의 마찰에 의한 압력 손실 크기, 상기 배기관의 수 및 누적 길이, 상기 미세기포 발생기의 수 및 형태, 상기 미세기포 발생기에 형성된 미세기포 분출기의 수, 미세기포 발생속도에 의한 유량 편차에 따른 강의 깊이, 수위 센서의 수심 중 적어도 두 개 이상의 조건에 의거하여 결정될 수 있다.
본 발명의 상기 산소 공급 수단은, 차량 이동식 대형 산소발생기 탑재 장치로서, 하층수에 순수 산소 또는 순수 이산화탄소 또는 공기를 주입함으로써 협기성을 강화하여 조류성장에서 필수원소인 철과 인을 각각 감소시킴과 동시에 pH를 5.8 부근으로 유지시킬 수 있다.
본 발명의 상기 장치는, 녹조가 자라는 자연환경에서 유도기가 상대적으로 길게 유지되다가 대수 성장기가 시작되는 것을 평가할 수 있는 인덱스(θ)를 찾아 조류의 성장 제어변수로 사용할 수 있다.
본 발명의 상기 인덱스(θ)는, 다음의 수학식과 같이 산출될 수 있다.
(상기 수학식에서 n은 조류 농도(cells/ml)를, tan-1는 성장곡선의 기울기를 각각 나타냄.)
본 발명의 상기 장치는, 초기 대수 성장기를 결정하기 위하여 상기 성장곡선의 기울기(tan-1)를 계산하여 상기 θ값을 구하고, θ≤10도인 지점을 유도기로 정의하며, 10도 미만의 두 배에 해당하는 20도 부근에 이르거나 또는 10도에서 급격하게 증가할 때를 초기 대수 성장기로 정의하고, 상기 θ가 최대값을 나타내는 영역을 대수 성장기로 정의하며, 상기 θ가 정점에 도달한 이후 점진적으로 값이 작아지다가"0"값이 되는 영역을 정체기로 정의하고, 상기 θ가"0"보다 작은 음수를 나타내는 영역을 사멸기로 정의할 수 있다.
본 발명의 상기 산소 관리 블록은, 상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 기준 용존산소 농도 이하로 될 때, 수문 폐쇄 요청신호를 발생하여 상기 관리 수단으로 송출하고, 상기 관리 수단은, 상기 수문 폐쇄 요청신호가 수신될 때 상기 각 권양기를 작동시켜 대응하는 상기 각 가동보 수문을 폐쇄시킬 수 있다.
본 발명의 상기 산소 관리 블록은, 상기 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 농도 이하로 될 때, 수문 폐쇄 요청신호를 발생하여 상기 관리 수단으로 송출하고, 상기 관리 수단은, 상기 수문 폐쇄 요청신호가 수신될 때 상기 각 권양기를 작동시켜 대응하는 상기 각 가동보 수문을 폐쇄시킬 수 있다.
본 발명의 상기 관리 수단은, 수문 개방 요청신호를 포함하는 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 각 권양기를 작동시켜 대응하는 상기 각 가동보 수문을 개방시킬 수 있다.
본 발명은, 다른 관점에 따라, 용존산소 센서를 통해 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하는 과정과, 측정된 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 이하일 때, 산소 공급기를 작동시켜 기 설정된 수심 위치에 가압 공기를 공급하는 과정과, 상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도를 초과할 때, 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과, 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도의 초과가 통지될 때, 상기 관리 수단이 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 대응하는 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키는 과정과, 수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하는 과정과, 측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때, 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 과정과, 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 시청각적인 녹조 경보를 발령하는 과정을 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 측정하는 과정은, 상기 기 설정된 수심에서의 측정을 위해 수위 센서를 이용하여 상기 용존산소 센서의 측정 위치를 가변시킬 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 상기 가압 공기의 공급을 통해 상기 기 설정된 수심에서의 용존산소가 상기 기 설정된 방류 허용 기준 용존산소 농도 이하로 될 때, 상기 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과, 상기 관리 수단이 상기 각 권양기를 작동시켜 상기 각 가동보 수문을 폐쇄시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 녹조 발생 경보는, 상기 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의한 녹조 발생의 경보를 의미할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 녹조 발생 경보 메시지를 생성하여 기 지정된 휴대 단말로 전송하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명은, 또 다른 관점에 따라, 조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 이용하여 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 각각 측정하는 과정과, 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질의 농도가 기 설정된 방류 허용 농도를 초과할 때, 상기 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과, 상기 기 설정된 방류 허용 농도의 초과가 통지될 때, 상기 관리 수단이 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 대응하는 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키는 과정과, 수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하는 과정과, 측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때, 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 과정과, 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 시청각적인 녹조 경보를 발령하는 과정을 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 조류 관련 센서는, 엽록소-a 센서, SS 센서 및 탁도 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 통지하는 과정은, 상기 측정된 조류 농도가 기 설정된 방류 허용 농도를 초과할 때, HCl을 엽록소와 혼합한 후 자기교반(magnetic stirring )하여 상기 엽록소에서 Mg 이온을 제거할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 하천 바닥의 퇴적물에 철 콜로이드와 공침되어 있던 P(인)의 용출 방지를 위해 드라이아이스를 이용하여 표층수의 수온과 하층수의 수온을 저하시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 유기 오염물질 관련 센서는, COD 센서, TOC 센서, T-P 센서, T-N 센서, 유량 센서, pH 센서, 탁도 센서, 광도 센서, 수온약층 센서, ORP 센서, EC 센서, 알칼리도 센서, NH4-N 센서, PO4-P 센서, Na+ 센서, Cl- 센서, Fe2+ 센서, 대기온도 센서 및 체류시간 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 상기 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 농도 이하로 될 때, 상기 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과, 상기 관리 수단이 상기 각 권양기를 작동시켜 상기 각 가동보 수문을 폐쇄시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 녹조 발생 경보는, 상기 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의한 녹조 발생의 경보를 의미할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 녹조 발생 경보 메시지를 생성하여 기 지정된 휴대 단말로 전송하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명은, 또 다른 관점에 따라, 용존산소 센서를 통해 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하는 과정과, 측정된 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 이하일 때, 산소 공급기를 작동시켜 기 설정된 수심 위치에 가압 공기를 공급하는 과정과, 상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도를 초과할 때, 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과, 조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 이용하여 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 각각 측정하는 과정과, 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질의 농도가 기 설정된 방류 허용 농도를 초과할 때, 상기 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과, 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도의 초과 또는 상기 기 설정된 방류 허용 농도의 초과가 통지될 때, 상기 관리 수단이 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 대응하는 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키는 과정과, 수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하는 과정과, 측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때, 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 과정과, 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 시청각적인 녹조 경보를 발령하는 과정을 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 방법은, 상기 가동보 수문이 설치된 저수조 지역으로 유입되는 하천 유입수의 비점 오염원 지역에서 부유 조류가 생활하는 표층수 주변에 P를 함유하는 바닷물을 살포하여 표층수 주변의 Fe 이온을 침전시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 상기 바닷물을 상기 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 상기 가동보 수문이 설치된 저수조 지역으로 유입되는 하천 유입수의 비점 오염원 지역에서 알칼리성 폐수의 표층수 주변에 간수를 살포하는 전처리를 통해 영양염류의 유입을 억제하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 상기 간수를 상기 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포할 수 있다.
본 발명의 상기 제트 스크류식 미세 살포기는, 상기 관리 수단으로부터 제공되는 무선 제어에 따라 살포 동작을 수행하거나 혹은 관리자에 의한 원격 조정을 통해 살포 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 진공 파이프를 이용하는 선박 탑재형의 회수 장비를 통해 진흙 바닥의 흙을 흡입하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 고정식 또는 쌍끌이 이동식의 검정 차광막을 이용한 햇빛의 유입을 통해 조류의 광합성 기작을 저해함으로써 조류 증식을 억제하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 광합성에 강한 파장대를 선택적으로 차단하는 필터 성질의 필름을 표층수 수면 위에 설치하여 조류의 광합성 반응을 억제시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 조류가 생활하는 낮 동안에 몬모릴로계 황토를 표층수 주위에 살포하여 조류 성장을 억제시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 방법은, 상기 유기 오염물질 관련 센서에 포함된 총인(T-P)센서로 측정한 수치가 0.2mg/L을 초과할 때, 조류 발생 경보의 가능성을 상기 관리 수단으로 통보하여 전문가 시스템(Expert System)에 의하여 상기 각 가동보 수문의 개방 여부와 산소 공급 여부를 판단하도록 하는 과정을 더 포함할 수 있다.
일반적으로 하천(강 또는 연안 해수)의 용존산소는 수면을 통하여 대기 중의 산소가 용해되어 공급되거나 물의 흐름에 의하여 난류가 형성되어 미세 기포가 만들어지면서 공기와 물의 접촉이 이루어져 공급된다. 그러나, 대형 하천의 퇴적층 부근에서는 이와 같은 용존산소의 공급이 원활하지 않고 용존산소 농도가 높은 표면층에서 낮은 하부층(바닥층)으로의 농도 구배에 따른 확산에 의한 것이 전부이다.
본 발명은 용존산소 센서를 통해 하천 바닥(하부층)에서의 용존산소를 측정하여 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위 이하로 될 때 산소 공급 수단을 이용하여 필요한 수심 위치에 가압 공기를 공급하고, 이를 통해 하천 바닥 부근에서의 용존산소 농도를 일정치(예컨대, 2mg/L) 이상으로 유지시킴으로써 유속이 느려 저류되어 있는 하천의 어패류 및 호기성 미생물이 폐사하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명은 조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 통해 하천(강 또는 연안 해수)의 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 측정하여 기 설정된 방류 허용 농도 범위 이하로 될 때 가동보 수문을 개방하여 물의 체류시간을 짧게 해 조류나 유기 오염물질이 쌓이지 않도록 하여 조류의 과다 증식을 억제하고 조류나 유기 오염물질에 의하여 수중의 산소 농도가 고갈(예컨대, 2mg/L 이하)되지 않도록 함으로써, 유속이 느려 저수되어 있는 하천의 어패류 및 호기성 미생물의 서식환경을 개선할 수 있다.
본 발명은 홍수기와 갈수기의 수위 변화에 관계없도록 하천에 수직으로 일정 간격을 갖는 다수의 수온센서를 배치하고 이를 통해 저류되어 있는 하천(강 또는 연안 해수)의 표면층(표면층수)의 수온, 중간층(중간층수) 및 하부층(하부층수)의 수온을 실시간으로 측정하여 수온 상승에 따른 전도현상을 미리 예측하여 갑작스럽게 대량의 녹조가 발생하는 것을 실시간으로 경보함으로써, 하천(강 또는 연안 해수)의 갑작스런 녹조 발생에 대한 대응(후속 조치)을 보다 신속하게 진행할 수 있다.
도 1은 가동보 수문 전후의 상류 및 하류 모형도,
도 2는 종래 방식에 따라 숙련자의 지식을 이용하여 추론하는 시스템의 개략 구성도,
도 3은 통상적인 조류의 성장 곡선 분포도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치의 블록 구성도,
도 5는 도 4에 도시된 센서 블록의 세부적인 블록 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 산소 공급 수단의 블록 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 미세기포 발생기에 대한 예시도,
도 8은 도 4에 도시된 관리 수단의 세부적인 구성도,
도 9는 도 4에 도시된 관리 수단에 대한 일부 세부 예시도,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 용존산소의 측정 결과에 의거하여 가압 공기 공급 및 가동보 수문의 개폐를 제어하는 주요 과정을 도시한 순서도,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 조류 농도 및 유기 오염물질 농도에 의거하여 가동보 수문의 개폐를 제어하는 주요 과정을 도시한 순서도,
도 12는 본 발명의 실시 예에 표면층, 중간층, 하부층의 수온 측정 결과에 의거하여 녹조 발생 경보를 제공하는 주과 과정을 도시한 순서도,
도 13은 생합성 공정에서 ATP가 이용되는 형태의 예시도,
형광성 박테리아가 호흡하는 전자 흐름을 보여주는 예시도,
도 14는 Ca2+가 석회화하는 공정을 설명하기 위한 화학식을 보여주는 예시도,
도 15는 이산화탄소를 버블링시킬 때 pH가 변화하는 과정을 설명하기 위한 예시도,
도 16은 광합성 반응에서 햇빛이 있을 때 생기는 명반응을 설명하기 위한 화학식의 예시도,
도 17은 북한강 수계(소양호, 춘천호, 의암호)에서의 pH 분포도 그래프,
도 18은 조류 성장 곡선에 대한 임의의 시간 t에서의 θ값에 대한 그래프,
도 19는 제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 바닷물 또는 간수 또는 고압 이산화탄소 또는 대기 중의 공기(400ppm, CO2)를 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포하는 과정을 설명하기 위한 예시 사진,
도 20은 조류 생장에 일반적으로 필요한 원소들을 예시적으로 보여주는 예시 표,
도 21은 인간의 헴 구조식과 조류의 구조식을 보여주는 예시도,
도 22는 Microcystis의 성장에 따른 반수치사량 50(LD50 ㎎/㎏)의 변화를 보여주는 그래프,
도 23은 Microcystis viridis의 성장에 따른 microcystin 성분의 변화를 보여주는 그래프,
도 24는 선박 탑재형의 회수 장비를 이용하여 진흙 바닥의 흙을 진공 파이프로 흡입하는 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 25는 광합성과 파장과의 관계를 보여주는 파장대 및 그래프,
도 26은 몬모릴로계 황토와 카올린계 점토에 대한 전자현미경 사진.
도 2는 종래 방식에 따라 숙련자의 지식을 이용하여 추론하는 시스템의 개략 구성도,
도 3은 통상적인 조류의 성장 곡선 분포도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치의 블록 구성도,
도 5는 도 4에 도시된 센서 블록의 세부적인 블록 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 산소 공급 수단의 블록 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 미세기포 발생기에 대한 예시도,
도 8은 도 4에 도시된 관리 수단의 세부적인 구성도,
도 9는 도 4에 도시된 관리 수단에 대한 일부 세부 예시도,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 용존산소의 측정 결과에 의거하여 가압 공기 공급 및 가동보 수문의 개폐를 제어하는 주요 과정을 도시한 순서도,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 조류 농도 및 유기 오염물질 농도에 의거하여 가동보 수문의 개폐를 제어하는 주요 과정을 도시한 순서도,
도 12는 본 발명의 실시 예에 표면층, 중간층, 하부층의 수온 측정 결과에 의거하여 녹조 발생 경보를 제공하는 주과 과정을 도시한 순서도,
도 13은 생합성 공정에서 ATP가 이용되는 형태의 예시도,
형광성 박테리아가 호흡하는 전자 흐름을 보여주는 예시도,
도 14는 Ca2+가 석회화하는 공정을 설명하기 위한 화학식을 보여주는 예시도,
도 15는 이산화탄소를 버블링시킬 때 pH가 변화하는 과정을 설명하기 위한 예시도,
도 16은 광합성 반응에서 햇빛이 있을 때 생기는 명반응을 설명하기 위한 화학식의 예시도,
도 17은 북한강 수계(소양호, 춘천호, 의암호)에서의 pH 분포도 그래프,
도 18은 조류 성장 곡선에 대한 임의의 시간 t에서의 θ값에 대한 그래프,
도 19는 제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 바닷물 또는 간수 또는 고압 이산화탄소 또는 대기 중의 공기(400ppm, CO2)를 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포하는 과정을 설명하기 위한 예시 사진,
도 20은 조류 생장에 일반적으로 필요한 원소들을 예시적으로 보여주는 예시 표,
도 21은 인간의 헴 구조식과 조류의 구조식을 보여주는 예시도,
도 22는 Microcystis의 성장에 따른 반수치사량 50(LD50 ㎎/㎏)의 변화를 보여주는 그래프,
도 23은 Microcystis viridis의 성장에 따른 microcystin 성분의 변화를 보여주는 그래프,
도 24는 선박 탑재형의 회수 장비를 이용하여 진흙 바닥의 흙을 진공 파이프로 흡입하는 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 25는 광합성과 파장과의 관계를 보여주는 파장대 및 그래프,
도 26은 몬모릴로계 황토와 카올린계 점토에 대한 전자현미경 사진.
먼저, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기에서, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 범주를 명확하게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것이므로, 본 발명의 기술적 범위는 청구항들에 의해 정의되어야 할 것이다.
아울러, 아래의 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성 등에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들인 것으로, 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 그 정의는 본 명세서의 전반에 걸쳐 기술되는 기술사상을 토대로 이루어져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
[실시 예]
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치의 블록 구성도로서, 센서 블록(402), 수문 관리 블록(404), 산소 제어 블록(406), 산소 공급 수단(408), 녹조 관리 블록(410), 경보 발생 블록(412), 송/수신 블록(414) 및 관리 수단(416) 등을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 센서 블록(402)은, 다수의 센서를 포함하는 복합 센서 함체로서, 용존산소 센서를 통해 하천(강 또는 연안 해수)의 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하고, 수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하며, 조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 이용하여 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 각각 측정하고, 이 측정된 용존산소 농도, 각 층에서의 수온, 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 산소 제어 블록(404)과 녹조 관리 블록(410)에 선택적으로 전달하는 등의 기능을 수행할 수 있다.
이를 위하여, 센서 블록(402)은, 일례로서 도 5에 도시된 바와 같이, 용존산소 센서(501), 수온 센서(502), 엽록소-a 센서(503), 수온약층 센서(504), ORP(Oxidation Reduction Potential) 센서(505), EC(Electric Conductivity) 센서(506), TOC 센서(507), SS 센서(508), Na+ 센서(509), COD 센서(510), T-P 센서(511), T-N 센서(512), 유량 센서(513), pH 센서(514), 탁도 센서(515), 광도 센서(516), 알칼리도(alkalinity) 센서(517), NH4-N 센서(518), PO4-P 센서(519), Cl- 센서(520), Fe2+ 센서(521), 대기온도 센서(522), 체류시간 센서(523), 수위 센서(524) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 용존산소 센서(501)는, 예컨대 하천(강 또는 연안 해수)의 수심을 6m라 가정할 때 하천 바닥에서 최소 1m 위에 배치되는 수위 센서(524)를 통해 측정되는 수위에 의해 위치한 수심 5m 부위(기 설정된 수심 부위)에 설치될 수 있으며, 이를 통해 유속이 느려 저류되어 있는 하천 바닥의 용존산소 농도를 기 설정된 주기에 따라 연속적으로 측정하여 산소 관리 블록(404)으로 전달할 수 있다. 여기에서, 용존산소 센서(501)의 측정 위치는 수위 센서(524)로부터 제공되는 수위 측정 정보에 따라 그 위치가 가변될 수 있다. 즉, 용존산소 농도를 측정하기 위한 수심 위치는 하천의 수심 변화에 따라 가변될 수 있다.
또한, 수온 센서(502)는, 하천(강 또는 연안 해수) 수심의 수직 방향으로 다수의 수온 센서(표면층 수온 측정용 센서, 중간층 수온 측정용 센서, 하부층 수온 측정용 센서)가 일정 간격을 가지고 배치되는 형태를 가질 수 있으며, 이러한 배치 구조를 통해 하천(강 또는 연안 해수)의 깊이에 따라 기 설정된 주기로 표면층 수온, 중간층 수온, 하부층 수온을 연속적으로 측정할 수 있다. 여기에서, 수온 센서의 배치 위치는 수위 센서(524)로부터 제공되는 수위 측정 정보에 따라 그 위치가 가변될 수 있으며, 이와 같이 수온 센서 등을 포함하는 복합 센서 함체는 GPS 장비, FIA(flow injection analysis) 장비 및 무선 송수신 장비 등이 장착된 무인 이동형 선박 등에 탑재되어 녹조 발생 경보를 위해 필요로 하는 각종 값(용존산소 농도, 표면층 수온, 중간층 수온, 하부층 수온, 조류 농도, 유기 오염물질 농도, P, Ca, Fe, NO3 -, NO2 =, NH4 + 등)들을 측정할 수 있다.
그리고, 엽록소-a 센서(503), SS 센서(508) 및 탁도 센서(506)는, 조류 관련 센서로서, 하천의 조류 농도를 기 설정된 주기에 따라 연속적으로 측정하여 산소 관리 블록(404)으로 전달할 수 있다.
또한, 수온약층 센서(504), ORP 센서(505), EC 센서(506), TOC 센서(507), SS 센서(508), Na+ 센서(509), COD 센서(510), T-P 센서(511), T-N 센서(512), 유량 센서(513), pH 센서(514), 탁도 센서(515), 광도 센서(516), 알칼리도 센서(517), NH4-N 센서(518), PO4-P 센서(519), Cl- 센서(520), Fe2+ 센서(521), 대기온도 센서(522), 체류시간 센서(523)는, 유기 오염물질 관련 센서로서, 하천의 유기 오염물질 농도를 기 설정된 주기에 따라 연속적으로 측정하여 산소 관리 블록(404)으로 전달할 수 있다.
다음에, 산소 관리 블록(404)은 용존산소 센서(501)를 통해 측정한 하천 바닥의 용존산소 농도와 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위(예컨대, 2mg/L 등)를 비교하고, 비교결과 측정된 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위를 초과한 것으로 판단될 때 그에 상응하는 수문 개방 요청신호를 발생하여 송/수신 블록(414)으로 전달하는 기능을 제공할 수 있다.
또한, 산소 관리 블록(404)은 측정한 하천 바닥의 용존산소 농도와 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위 이하일 때 하천(강 또는 연안 해수) 내 물속으로의 산소 공급을 위해 산소 제어 블록(406)으로 산소 공급을 지령하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
또한, 산소 관리 블록(404)은 조류 관련 센서 및 유기 오염물질 관련 센서를 통해 측정한 조류 농도 및 유기 오염물질 농도와 기 설정된 방류 허용 농도 범위(예컨대, 엽록소-a 농도 15mg/m3, T-N 농도 20mg/L, T-P 농도 0.2mg/L 등)를 비교하고, 비교결과 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 기 설정된 방류 허용 농도 범위를 초과한 것으로 판단될 때 그에 상응하는 수문 개방 요청신호를 발생하여 송/수신 블록(414)으로 전달하는 기능을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명은 가동보 수문의 개폐 제어를 통해 물의 체류시간을 짧게 해 조류나 유기 오염물질이 쌓이지 않도록 하여 조류의 과다 증식을 억제하고, 조류나 유기 오염물질에 의하여 수중의 산소 농도가 고갈(예컨대, 2mg/L 이하)되지 않도록 함으로써, 유속이 느려 저수되어 있는 하천(강 또는 연안 해수)의 어패류 및 호기성 미생물의 서식환경을 개선한다.
더욱이, 산소 관리 블록(404)은 산소(산소를 다량 함유한 가압 공기) 공급을 통해 하천 바닥에서 측정한 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 기준 용존산소 농도 이하로 될 때 그에 상응하는 수문 폐쇄 요청신호를 발생하여 송/수신 블록(414)으로 전달하고, 가동보 수문이 개방된 상태에서 측정한 하천의 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 기 설정된 방류 허용 농도 이하로 될 때 그에 상응하는 수문 폐쇄 요청신호를 발생하여 송/수신 블록(414)으로 전달하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
다음에, 산소 제어 블록(406)은 산소 관리 블록(408)으로부터 산소 공급 지령이 전달될 때(즉, 하천 바닥에서 측정한 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 이하일 때) 그에 상응하는 산소 공급 제어신호를 발생하는 산소 공급 수단으로 전달하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
그리고, 산소 공급 수단(408)은 산소 제어 블록(406)으로부터 산소 공급 제어신호가 제공될 때 하천의 기 설정된 수심 위치(예컨대, 하천 바닥으로부터 1m 위의 수심 위치 등)에 가압 공기를 공급하는 등의 기능을 제공할 수 있는데, 이를 위해 산소 공급 수단(408)은 도 6에 도시된 바와 같은 구성을 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 산소 공급 수단(408)은 가압 공기 저장 탱크(602), 압력 센서(604), 가압 공기 공급기(606), 공기 통로(608), 가압 공기 분배기(610), 배기관(614) 및 미세기포 발생기(616) 등을 포함할 수 있다. 도 6에 있어서, 미설명번호 612는 다수의 센서들을 포함하는 복합 센서 함체를 의미한다.
먼저, 가압 공기 저장 탱크(602)에는 산소를 다량 함유하는 공기가 저장되고, 압력 센서(604)는 가압 공기 저장 탱크(602)의 압력을 감지하여 가압 공기 공급기(606)로 전달하며, 가압 공기 공급기(606)는 압력 센서(604)로부터의 감지신호에 의거하여 가압 공기 저장 탱크(602)에 저장되어 있는 공기기 배출구(도시 생략)를 통해 공기 통로(608) 측으로 배출될 수 있도록 일정 압력으로 가압하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
여기에서, 가압 공기 저장 탱크(602)에 가해지는 일정 가압은, 예컨대 가압 공기 공급기(606)의 성능, 가압 공기 저장 탱크(602)의 용량, 공기 통로(608)의 누적 길이 및 직경, 가압 공기 분배기(610)의 마찰에 의한 압력 손실 크기, 배기관(614)의 수 및 누적 길이, 미세기포 발생기(616)의 수 및 형태, 미세기포 발생기(616)에 형성된 미세기포 분출기의 수, 미세기포 발생속도에 의한 유량 편차에 따른 강의 깊이, 수위 센서(524)의 수심 중 적어도 두 개 이상의 조건에 의거하여 결정될 수 있다.
다음에, 공기 통로(608)는 가압 공기 공급기(606)를 통해 가해지는 일정 압력에 의해 가압 공기 저장 탱크(602)의 배출구를 통해 배출되는 공기의 흐름을 가압 공기 분배기(610)로 유도(공기 유로의 제공)하고, 가압 공기 분배기(610)는 공기 통로를 통해 유입되는 공기를 배기관(614)으로 균일하게 분배하는 등의 기능을 제공할 수 있다. 도 6에 있어서, 설명의 편의와 이해의 증진을 위해 단지 하나의 배기관만을 도시하였으나, 가압 공기 분배기(610)에는 다수의 미세기포 발생기에 대응할 수 있도록 다수의 배기관이 연결되는 구조를 가질 수 있다.
그리고, 배기관(614)은 가압 공기 분배기(610)를 통해 분배된 공기를 하천의 기 설정된 수심 위치(예컨대, 하천 바닥으로부터 1m 위의 수심 위치 등) 측으로 안내하고, 미세기포 발생기(616)는 배기관(614)을 통해 유입되는 공기를 기 설정된 수심 위치에 미세기포로 분출하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
여기에서, 미세기포 발생기(616)는, 일례로서 도 9에서 확대도로 도시된 바와 같이, 각 가동보 수문의 사이에 위치하는 각 교량 교각(830/1 - 830/4)의 일 측면 또는 좌우 측면에 부착된 상하 이동식 레일(906)에 장착될 수 있으며, 이를 통해 미세기포를 분출하는 수중 속 위치(수심 위치)를 가변할 수 있다. 이러한 미세기포의 분출 위치는 수위 센서(524)로부터 제공되는 하천의 수심(감지 수위)에 따라 가변될 수 있다. 도 9에 있어서, 미설명번호 820/1 - 820/4 각각은 가동보 수문을 개폐시키기 위한 권양기가 설치되는 권양기 기계실을 의미하고, 902는 다수의 센서가 장착된 복합 센서 함체를 의미하며, 904는 미세기포 발생기를 의미한다.
또한, 미세기포 발생기는, 일례로서 도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 미세기포 분출구(704)가 일정 간격으로 형성된 구형 구조(예컨대, 축구공 모양 등)를 갖거나 혹은 미세기포 분출구가 일정 간격으로 형성된 직육면체의 판형 구조를 가질 수 있다. 도 7에 있어서, 미설명번호 702는 비록 표시 번호는 다르지만, 실질적으로 도 6에 도시된 미세기포 발생기(616)를 의미한다.
이때, 미세기포 발생기(606)에서의 분출 압력(P)은 다음의 수학식 49와 같이 산출될 수 있다.
[수학식 49]
P = P0+ρgh
상기한 수학식 49에서, P0는 대기 압력(kPa)을, ρ는 하천 밀도(kg/㎥)를, g는 중력 가속도(kg/sec2)를, h는 하천 수심(m)을 각각 나타낸다.
한편, 본 실시 예에서는 미세기포 발생기를 산소 공급 수단에 적용하여 수중의 하층에 미세기포 형태로 산소(또는 질소)를 공급하는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 심층수의 물을 대기 중으로 분사하여 공기와 접촉시키고 낙차에 의한 물거품을 일으키는 분수 형태로 제공되거나 혹은 표면 포기기 형태의 인공 구조물을 이용하여 산소가 풍부한 공기를 하천의 하부층에 공급하는 형태 등으로 제공될 수도 있음은 물론이다.
다음에, 녹조 관리 블록(410)은 수온 센서를 통해 측정한 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온의 수온 차와 기 설정된 허용 수온 차 범위를 비교하고, 비교결과 측정된 각 층간의 수온(표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온) 차가 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어난 것으로 판단될 때 경보 발생 블록(412)으로 그에 상응하는 녹조 경보를 지령하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
또한, 경보 발생 블록(412)은 녹조 관리 블록(410)으로부터 녹조 경보가 지령될 때, 즉 측정한 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온의 수온 차가 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의해 녹조가 발생함을 경보하기 위한 녹조 발생 경보를 생성하여 송/수신 블록(414)으로 전달하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
그리고, 송/수신 블록(414)은 측정한 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 기 설정된 방류 허용 농도 범위를 초과할 때 산소 관리 블록(404)으로부터 전달되는 수문 개방 요청신호(예컨대, 측정한 조류 농도 정보와 유기 오염물질 농도 정보를 포함하는 수문 개방 요청신호) 또는 측정한 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온의 수온 차가 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때 경보 발생 블록(412)으로부터 전달되는 녹조 발생 경보(예컨대, 측정한 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온의 수온 차 정보를 포함하는 녹조 발생 경보)를 유선 또는 무선 송출 가능한 신호로 변조하고, 이 변조된 수문 개방 요청신호를 유선 또는 무선 통신을 통해 관리 수단(416)으로 전송(송출)하는 등의 기능을 제공할 수 있다. 여기에서, 녹조 발생 경보는 수문 개방 요청신호를 포함할 수도 있다.
또한, 송/수신 블록(414)은 산소(산소를 다량 함유한 가압 공기) 공급을 통해 하천 바닥에서 측정한 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 기준 용존산소 농도 이하로 되거나 혹은 가동보 수문이 개방된 상태에서 측정한 하천의 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 기 설정된 방류 허용 농도 이하로 될 때 산소 관리 블록(404)으로부터 전달되는 수문 폐쇄 요청신호를 유선 또는 무선 송출 가능한 신호로 변조하여 관리 수단(416)으로 전송하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
다음에, 관리 수단(416)은 송/수신 블록(414)으로부터 송출된 수문 개방 요청신호가 수신될 때 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키고, 녹조 발생 경보가 수신될 때 녹조 경보를 시청각적으로 발생시키는 등의 기능을 제공할 수 있는데, 이를 위해 관리 수단(416)은, 일례로서 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 주 관리 센터(810)와 다수의 관리 센터(822/1 - 822/3)를 포함할 수 있다.
도 8은 도 4에 도시된 관리 수단의 세부적인 구성도이고, 도 9는 도 4에 도시된 관리 수단에 대한 일부 세부 예시도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 주 관리 센터(810)는 송/수신 블록(414)으로부터 송출된 수문 개방 요청신호가 수신될 때, 각 관리 센터(822/1 - 822/3)로 수문 개방 제어 지령을 송출하고, 송/수신 블록(414)으로부터 송출된 수문 폐쇄 요청신호가 수신될 때, 각 관리 센터(822/1 - 822/3)로 수문 폐쇄 제어 지령을 송출하며, 녹조 발생 경보가 수신될 때 시청각적인 녹조 경보를 발령하고, 이와 동시에 녹조 발생 경보 메시지를 생성하여 무선 통신망(이동 통신망)을 통해 기 지정된 휴대 단말(예컨대, 주관리 센터의 관리자, 관계자의 휴대 단말 등)로 전송하는 등의 기능을 제공할 수 있는데, 이러한 주관리 센터(810)는, 예컨대 대용량 데이터베이스를 갖는 컴퓨터, 서버 등으로 구축될 수 있다.
여기에서, 주 관리 센터(810)는 복합 센서 함체에 구비된 각종 센서를 통해 측정되어 전달된 측정 데이터들을 시간별, 일별, 주간별, 월별, 분기별, 계절별, 연별 등으로 분류하여 관리 및 저장할 수 있으며, 이와 같이 관리 및 저장되는 각종 측정 데이터들은 기 설정된 주기 또는 관리자 또는 운용자(주 관리센터의 관리자 또는 운용자)로부터의 요청에 따라 기 등록된 휴대 단말(관리자 또는 운용자의 휴대 단말)로 전송되어 표출될 수 있다.
다음에, 관리 센터(822/1 - 822/3) 각각은 각 교량 교각(830/1 - 830/3) 위의 각 권양기 기계실(820/1 - 820/)에 각각 설치되는 컴퓨터 혹은 수문 작동 제어기 등을 의미하는 것으로, 주관리 센터(810)로부터 수문 제어 지령(수문 개방 제어 지령 또는 수문 폐쇄 제어 지령)이 수신될 때 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문, 즉 교량 교각 사이에 설치된 가동보 수문을 개폐 작동시키는 기능을 제공할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치를 이용하여 하천(강 또는 연안 해수)에 대한 수질 관리 서비스를 제공하는 일련의 과정들에 대하여 상세하게 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 용존산소의 측정 결과에 의거하여 가압 공기 공급 및 가동보 수문의 개폐를 제어하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 10을 참조하면, 센서 블록(402) 내 용존산소 센서(501)에서는 기 설정된 일정 주기에 따라 하천(강 또는 연안 해수)의 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하여 산소 관리 블록(404)으로 전달한다(단계 1002). 여기에서, 용존산소 센서(501)는, 예컨대 하천(강 또는 연안 해수)의 수심을 6m라 가정할 때 하천 바닥에서 최소 1m 위에 배치되는 수위 센서(524)를 통해 측정되는 수위에 의해 위치한 수심 5m 부위(기 설정된 수심 부위)에 설치될 수 있다. 즉, 용존산소 센서(501)의 측정 위치는 수위 센서(524)로부터 제공되는 수위 측정 정보에 따라 그 위치가 가변될 수 있다.
다음에, 산소 관리 블록(404)에서는 용존산소 센서(501)를 통해 측정한 용존산소 농도와 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위(n)를 비교하고(단계 1004), 그 비교결과로서 측정한 용존산소 농도가 n 이하인지 혹은 n을 초과하는 지의 여부를 체크한다(단계 1006, 1008).
상기 단계(1006)에서의 체크결과, 측정한 용존산소 농도가 n 이하인 것으로 판단되면, 산소 관리 블록(404)으로부터의 지령에 따라 산소 제어 블록(406)이 산소 공급 제어신호를 발생하여 산소 공급 수단(408)으로 전달하고(단계 1010), 그 결과 산소 공급 수단(408) 내 가압 공기 저장 탱크에 저장되어 있는 가압 공기가 배출되어 미세기포 발생기를 통해 기 설정된 수심 위치에서 미세기포 형태로 분출된다(단계 1012).
상기 단계(1008)에서의 체크결과, 측정한 용존산소 농도가 n을 초과하는 것으로 판단되면, 산소 관리 블록(404)에서는 수문 개방 요청신호를 발생하여 송/수신 블록(414)을 관리 수단(416)으로 송출한다(단계 1014).
이에 응답하여, 관리 수단(416) 내 주관리 센터(810)에서는 수문 개방 제어 지령을 발생하여 각 권양기 기계실(820/1 - 820/3)에 구축된 각 관리 센터(822/1 - 822/3)로 송출하며(단계 1016), 그 결과 권양기가 작동됨으로써 교량 교각 사이에 설치된 가동보 수문이 개방된다(단계 1018).
즉, 본 발명에서는 기 설정된 수심 위치에서 측정한 용존산소가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위 이하로 될 때 특정의 수심 위치에 산소를 공급해 주고, 기 설정된 수심 위치에서 측정한 용존산소가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 범위를 초과할 때 가동보 수문을 개방시킨다.
또한, 본 발명은 가압 공기의 공급을 통해 기 설정된 수심에서의 용존산소가 기 설정된 방류 허용 기준 용존산소 농도 범위 이하로 될 때, 산소 관리 블록(404)이 이를 관리 수단(416)으로 통지하며, 이를 통해 관리 수단(416)에서는 가동보 수문을 폐쇄시키는 제어를 수행하게 된다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 조류 농도 및 유기 오염물질 농도에 의거하여 가동보 수문의 개폐를 제어하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 11을 참조하면, 센서 블록(402) 내 조류 관련 센서 및 유기 오염물질 관련 센서들에서는 하천(강 또는 연안 해수)의 조류 농도와 유기 오염물질 농도를 측정하여 산소 관리 블록(404)으로 전달한다(단계 1102). 여기에서, 조류 관련 센서는, 예컨대 엽록소-a 센서(503), SS 센서(508) 및 탁도 센서(506) 등을 포함할 수 있고, 유기 오염물질 관련 센서는, 예컨대 수온약층 센서(504), ORP 센서(505), EC 센서(506), TOC 센서(507), SS 센서(508), Na+ 센서(509), COD 센서(510), T-P 센서(511), T-N 센서(512), 유량 센서(513), pH 센서(514), 탁도 센서(515), 광도 센서(516), 알칼리도 센서(517), NH4-N 센서(518), PO4-P 센서(519), Cl- 센서(520), Fe2+ 센서(521), 대기온도 센서(522), 체류시간 센서(523) 등을 포함할 수 있다.
다음에, 산소 관리 블록(404)에서는 조류 관련 센서 및 유기 오염물질 관련 센서를 통해 측정한 조류 농도 및 유기 오염물질 농도와 기 설정된 방류 허용 농도 범위(m)(예컨대, 엽록소-a 농도 15mg/m3, T-N 농도 20mg/L, T-P 농도 0.2mg/L 등)를 비교하고(단계 1104), 비교를 통해 측정한 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 m을 초과하는 지의 여부를 체크한다(단계 1106).
상기 단계(1106)에서의 체크결과, 측정한 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 m을 초과한 것으로 판단되면, 산소 관리 블록(404)에서는 수문 개방 요청신호를 발생하여 송/수신 블록(414)을 관리 수단(416)으로 송출한다(단계 1108).
이에 응답하여, 관리 수단(416) 내 주관리 센터(810)에서는 수문 개방 제어 지령을 발생하여 각 권양기 기계실(820/1 - 820/3)에 구축된 각 관리 센터(822/1 - 822/3)로 송출하며(단계 1110), 그 결과 권양기가 작동됨으로써 교량 교각 사이에 설치된 가동보 수문이 개방된다(단계 1112).
즉, 본 발명에서는 기 설정된 수심 위치에서 측정한 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 기 설정된 방류 허용 농도 범위를 초과할 때 가동보 수문을 개방시켜 줌으로써, 물의 체류시간을 짧게 해 조류나 유기 오염물질이 쌓이지 않도록 하여 조류의 과다 증식을 억제하고, 조류나 유기 오염물질에 의하여 수중의 산소 농도가 고갈(예컨대, 2mg/L 이하)되지 않도록 함으로써, 유속이 느려 저수되어 있는 하천(강 또는 연안 해수)의 어패류 및 호기성 미생물의 서식환경을 개선한다.
또한, 본 발명은 가동보 수문의 개방을 통해 기 설정된 수심에서의 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 기 설정된 방류 허용 농도 범위 이하로 될 때, 산소 관리 블록(404)이 이를 관리 수단(416)으로 통지하며, 이를 통해 관리 수단(416)에서는 가동보 수문을 폐쇄시키는 제어를 수행하게 된다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 표면층, 중간층, 하부층의 수온 측정 결과에 의거하여 녹조 발생 경보를 제공하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 12를 참조하면, 센서 블록(402) 내 수온 센서(502)에서는 하천(강 또는 연안 해수)의 깊이에 따라 기 설정된 주기로 표면층 수온, 중간층 수온, 하부층 수온을 연속적으로 측정하여 녹조 관리 블록(410)으로 전달한다(단계 1202). 여기에서, 수온 센서의 배치 위치는 수위 센서(524)로부터 제공되는 수위 측정 정보에 따라 그 위치가 가변될 수 있다. 즉, 수온 센서는 하천(강 또는 연안 해수) 수심의 수직 방향으로 다수의 수온 센서가 일정 간격을 가지고 배치되는 형태를 가질 수 있으며, 이러한 배치 구조를 통해 하천(강 또는 연안 해수)의 깊이에 따라 기 설정된 주기로 표면층 수온, 중간층 수온, 하부층 수온을 연속적으로 측정할 수 있다.
다음에, 녹조 관리 블록(410)에서는 수온 센서를 통해 측정한 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온의 수온 차와 기 설정된 허용 수온 차 범위(p)를 비교하고(단계 1204), 비교결과 측정한 각 층간의 수온(표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온) 차가 p를 벗어나는 지의 여부를 체크한다(단계 1206).
상기 단계(1206)에서의 체크결과, 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온 차가 p를 벗어난 것으로 판단될 때, 녹조 관리 블록(410)에서는 경보 발생 블록(412)으로 녹조 경보의 발생을 지령하고(단계 1208), 이에 응답하여 경보 발생 블록(412)에서는 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의해 녹조가 발생함을 경보하기 위한 녹조 발생 경보를 생성하여 송/수신 블록(414)을 통해 관리 수단(416)으로 송출한다(단계 1210).
이후, 관리 수단(416) 내 주 관리 센터(810)에서는 녹조 발생 경보가 수신될 때 시청각적인 녹조 경보를 발령하는데(단계 1212), 이러한 녹조 경보의 발령은 주관리 센터(810)가 무선 통신망(이동 통신망)을 통해 기 지정된 휴대 단말(예컨대, 주관리 센터의 관리자, 관계자의 휴대 단말 등)로 녹조 발생 경보 메시지를 전송하는 방식을 병행할 수도 있다.
한편, 도 10 내지 도 12를 참조한 설명에서는 용존산소의 측정 결과에 의한 산소 공급 및 가동보 수문 개폐 제어와, 조류 농도 및 유기 오염물질 농도의 측정 결과에 의한 가동보 수문 개폐 제어와, 표면층, 중간층, 하부층 간의 수온 차 측정 결과에 의한 녹조 경보 발령을 개별적으로 하여 수행하는 것으로 기재하고 있으나, 이것은 설명의 편의와 이해의 증진을 위한 예시적인 제시일 뿐 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 도 10 내지 도 12에 각각 도시된 3개의 모델을 하나의 통합 모델로서 결합하여 서비스할 수 있음은 물론이다.
이상과 같이, 본 발명은 가동보 수문의 개폐 제어를 통해 물의 체류시간을 짧게 해 조류나 유기 오염물질이 쌓이지 않도록 하여 조류의 과다 증식을 억제하고, 조류나 유기 오염물질에 의하여 수중의 산소 농도가 고갈(예컨대, 2mg/L 이하)되지 않도록 함으로써, 유속이 느려 저수되어 있는 하천(강 또는 연안 해수)의 어패류 및 호기성 미생물의 서식환경을 개선한다.
또한, 본 발명은 다수(예컨대, 24개)의 센서로 구성되는 수질 측정용 복합 센서를 이용한 연속 측정을 통해, 대한민국의 환경부에서 제시한 방류 허용 농도 세트포인트 보다 크면 가동보 수문을 개방하여 조류나 유기오염물질이 쌓이지 않도록 조류의 과다 증식을 차단하고, 엽록소-a 농도를 15 mg/㎥ 이하 및 남조류 세포수를 500 개/mL 이하로 억제하여 조류 경보가 발령되지 않도록 제어할 수 있다.
종래의 총질소/총인 이라는 속칭 TN/TP 의 부영양화 인덱스(Index)에서 20 이상으로 질소 제어를 하는데, 왜냐하면 바다는 pH가 항상 8.2부근이어서 늘 바다 밑 인이 용출되어 수중으로 풍부하게 이동하는 것이 용이하기 때문이다. 따라서, 부유조류 인의 사용 용이한 조건이 늘 유지되므로 질소 제어 상태가 10 이하로 인 제어의 육상조건, 즉 하천, 호수 조건에서 일어난다. 따라서, 부영양화 조건이라 16 이상이면 녹조발생이 높다는 알려진 사실은 부적절한 인덱스(Index)이다. 왜냐하면 총인이 적으면 TN/TP 비가 자동적으로 높아지기 때문이다. 따라서 부영양화는 본 발명에서 제시하는 "% 개념의 새로운 정의이지만 누구나 그 부영양화 정도를 쉽게 가늠할 수 있는 백점 만점 형태의 부영양화율"로서 나타냄이 바람직하다.
본 발명은, 예컨대 1톤의 차량 이동식 대형 산소발생기 탑재 장치(산소 공급 수단)를 사용하여 하층수에 순수 산소 또는 순수 이산화탄소 또는 공기(20.9% 산소 및 400ppm 이산화탄소)를 주입하여 낮에는 협기성 강화하여 철, 인 등이 철, 인 화합물로 콜로이드 형태로 침전 활성화시켜서 조류성장에서 핵심 필수원소인 철과 인을 각각 감소하고 pH를 5.8 부근으로 유지함으로써 하층수에서의 빛이 여전히 5% 이상 투과하는 하층수에서 부유하면서 광합성하는 조류의 성장을 억제 유지한다.
그리고, 낮 조건과는 반대로 암반응으로 수중 이산화탄소가 포도당으로 바뀌는 캘빈사이클 메커니즘을 방해하기 위하여 조류가 잠자는 밤 동안에 산소공급기를 통해 하층수 주위로 순수 산소를 조류(녹조, 적조 동시 포함) 생활공간 주위로 가능한 미세입자 형태의 넓은 공간으로 살포한다. 이를 통해 밤 동안에 조류가 포도당 같은 영양분을 제대로 만들지 못하여 마치 당뇨병 걸린 사람처럼 언제나 허기지게 유도함으로써 정상적 수중생활이 어렵도록 하며, 이는 감광센서를 이용하여 낮, 밤으로 순수 이산화탄소, 순수 산소를 각각 교차적으로 또는 외부의 신선한 공기(20.9% 산소 및 40ppm 이산화탄소)를 자동 공급할 수 있으며, 이를 통해 조류성장을 원천적 제어할 수 있다.
이때, 산소발생기는 광도센서 등으로 날씨의 맑거나 흐림 관계없이 일정한 파장대(400-700nm)로 제어시킨다. 즉, 낮에는 질소만 수중 공급하고, 밤에는 산소만 수중 공급한다. 이때, 낮 동안에 사용되지 않는 분리된 잔여물인 산소는 산소 저장 탱크에 비축하였다가 밤이 되면 공급될 산소라인과 연계시켜 자동 무인으로 낮과 밤에 질소와 산소를 교차 공급함으로써 하층수의 조류광합성을 방해하고, 밤에는 하층수에서 휴식하는 표층수에서 낮 광합성하고 물 밑 하층수 지역으로 내려온 표층수에 있던 조류와 원래 하층수에 생활하던 두 부류의 조류 모두를 싸잡아서 캘빈사이클에 의한 포도당 제조공정을 산소 분사에 의한 호기 조건화를 하층수 주변에 골고루 유지하여서 종국에는 조류들이 당뇨병 환자처럼 포도당을 생산하지 못하도록 밤 동안에 산소공급 호기조건으로 제어함으로써, 조류의 낮 동안의 정상적 광합성 기능 그 자체가 약화되게 유지하는 신개념의 환경 친화적인 바이오제어(Eco-friendly Biocontrol)를 유지하여 조류성장을 가능한 초기 대수 성장기(Early exponential phase) 이전 단계에 머물도록 제어한다.
일반적으로, 미생물 배양시에는 유도기(log phase)가 없도록 미리 활성화시켜서 충분한 양을 접종액(예컨대, 최종 발효 부피의 5% - 10%)으로 투입하는 것이 필요한데, 적조나 녹조가 자라는 자연환경은 유도기가 매우 길게 유지되다가 어느 순간에 대수 성장기(exponential phase)가 시작되는 것으로, 이를 평가할 수 있는 인덱스를 찾으면 조류의 성장 제어변수로 사용할 수 있으므로, 도 3에 도시된 조류 성장 곡선을 고려하여 다음과 같은 새로운 인덱스(Index)"θ"를 구한다.
도 3의 y축은 log(cell concentration), 즉 조류 농도의 로그 스케일(log scale)인데, 각 시간(hr)에서의 기울기를 수학적으로 표현하면, 수학식 50 및 51과 같이 정의될 수 있다. 하기 수학식에서, n은 조류 농도(cells/ml)를, tan-1는 성장곡선의 기울기를 각각 나타내고, t는 특정 시점에서 조류 농도를 측정한 시간을 나타낸다.
[수학식 50]
[수학식 51]
따라서, 조류 성장 곡선에 대한 임의의 시간 t에서의 θ값을 구하면 아래의 표 7과 같으며, 이를 그래프로서 도시하면 도 18에 도시된 바와 같다.
| t(hr) | θ(ㅀ) |
| 3.7 | 7 |
| 6.0 | 35 |
| 6.7 | 54 |
| 7.5 | 41 |
| 9.0 | 14 |
| 10.7 | 5 |
| 12.4 | 0 |
| 13.7 | -48 |
조류별 성장 곡선이 다르고, 또한 주어진 수온, 햇빛 세기, 영양염류, 염도, pH 등에 따라 다른 성장 곡선이 나올 것으로 예상된다. 그러므로, 유도기를 θ값이, 일례로서 7도 또는 10도 미만인 경우라고 가정할 때, 이의 크기가 예로서 2배 증가된 14도 또는 20도가 될 때를 초기 대수 성장기(Early exponential phase)라 정의할 수 있다.
한편, t=6.7일 때 θ는 54도로서 최대값을 갖는다. 이 지점을 대수 성장기라고 할 수 있으며, 이러한 최대점을 통과하면 θ값은 점차적으로 감소하는데, 이러한 영역이 정체기(stationary phase)에 해당된다. 그 다음에 성장 곡선의 마지막 단계인 사멸기(death phase)에 이르면, 기울기가 음수가 되므로 θ값도 음수가 된다. 따라서, 본 실시 예에서와 같이 θ값을 구함으로써, 유도기, 초기 대수 성장기, 대수 성장기, 정체기, 사멸기를 각각 구분할 수 있다.
그리고, 조류의 성장 곡선을 이용하여 조류의 성장 저해 활동을 시작할 시점인 초기 대수 성장기를 결정하기 위하여 성장곡선의 기울기(tan-1)를 계산하여 θ값을 구할 수 있고, 조류의 성장 곡선에 따라 다양하지만 예로서 θ≤10도인 지점을 유도기로 정의할 수 있으며, 10도 미만의 두 배에 해당하는 20도 부근에 이르거나 혹은 10도에서 급격하게 증가할 때를 초기 대수 성장기로 정의할 수 있고, θ가 최대값을 나타내는 영역을 대수 성장기로 정의할 수 있으며, θ가 정점에 도달한 이후로 점진적으로 값이 작아지다가 "0"값이 되는 영역을 정체기라 정의할 수 있고, θ가"0"보다 작은 음수를 나타내는 영역을 사멸기로 정의할 수 있다.
이때, 실험적으로 각 조류의 종별로 최적의 조건(수온, 용존산소, 햇빛 세기, 영양염류, 강수량, 수온약층, pH, 염도)에서 구한 성장 곡선을 이용하여, 예로서 10도 미만을 유도기라 하고, 이것이 두 배, 즉 20도로 성장하는 시점을 초기 대수 성장기라 가정한다. 결론적으로, 조류의 성장 메커니즘을 다양한 방법으로 억제함으로써, 조류의 통상적인 성장인 대수 성장기 → 정체기 → 사멸기의 사이클로 가지 않고, 초기 대수 성장기에 머물게 되기 때문에 조류에 의한 녹조나 적조와 같은 수화현상(blooming)이 발생하지 않게 된다. 특히, 조류가 성장할 때 우점종이 되기 위해 주변의 다른 종의 성장을 저해하려고 내뿜는 독소 문제 또는 조류 자체가 사멸기에 접어들면서 조류의 분해 과정에서 발생하는 유해 독소(예컨대, 유기산 등) 문제도 아울러 방지할 수 있게 된다.
일례로서 도 19에 도시된 바와 같은 제트 스크류식 미세 살포기(저층 안착용 살포 장치)를 이용하여 P가 풍부한 바닷물을 부유 조류가 생활하는 표층수 주변 및 공간에 미세 기포 형태로 한 낮에 살포한다. 도 19는 제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 바닷물 또는 간수 또는 고압 이산화탄소 또는 대기 중의 공기(400ppm, CO2)를 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포하는 과정을 설명하기 위한 예시 사진이다. 즉, 바닷물 또는 간수 또는 고압 이산화탄소 또는 대기 중의 공기(400ppm, CO2)를 주입시켜 조류가 생활하는 표층수 또는 저층수를 pH 5.8 부근으로 유지하여 조류 성장을 억제한다.
이와 같이, P가 풍부한 바닷물을 표층수에 투입하면, 이들이 수중의 Fe 이온과 결합하여 FePO4가 되어 침전하게 됨으로써 표층수 주변에 Fe 이온이 최소화하게 되는데, 이러한 Fe는 도 20의 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 조류 성장에 절대적인 원소이다. 즉, 도 20은 조류 생장에 일반적으로 필요한 원소들을 예시적으로 보여주는 예시 표이다.
조류를 유해 조류(harmful algae)로 생각하지 않고, 특히 남조류는 30억년 전에 지구상에 나타났으며, 근래에도 화산이 생겨 용암이 흘러나오고 난 자리에 가장 먼저 자라는 생명체가 남조류이고, 그 다음에 자그만 풀 같은 식물체가 생장하고 있다. 특히, 인간의 헴(Heme) 구조식과 조류의 구조식은 거의 유사한데, 일례로서 도 21에 도시된 바와 같이, 인간은 가운데에 Fe가 있고 조류는 가운데에 Mg이 있는 점이 다를 뿐이다. 따라서, 조류는 우리 인류의 아득한 조상일 가능성이 매우 크다.
특히, 조류는 우리 인간에게 유익하지 않는 녹조 현상이나 수돗물의 이취미 또는 다양한 유해 독소를 안겨주고 있지만, 조류라는 원초적인 생명체를 적절한 조건에서 잘 달래가면서 함께 인간과 더불어 살아가는"공생의 삶"을 추구하면서, 어떻게 하면 조류를 죽이지 않고 적당한 수위에서 생태 Food Web의 교란(disturbance) 없이 살아갈 수 있을까 하는 환경 친화적 바이오 제어 기법(Eco-Friendly Bio Control Technique)을 고안하게 된 기본적 철학을 가진 점이 여타의 살조 중심의 연구와는 차별성을 갖는다.
즉, 살조의 개념으로 살펴보면 다음과 같다. 엽록소(Chlorophyll)에서 Mg 이온을 제거하는 방법은, 0.1 몰(mole)의 HCl을 엽록체와 혼합하여 자기교반(magnetic stirring )하여 주면 쉽게 Mg 이온이 클로로필의 포피린 링에서 빠져 나오게 되고 Mg 이온은 용액 속에 남아 분석하면 포피린 링만 남아 있으며, 이를 산성 용매를 혼합하여 사용하기 때문에 NaOH로 중화하여 처리하면 되는 매우 쉬운 방법이다.
도 22는 Microcystis의 성장에 따른 반수치사량 50(LD50 ㎎/㎏)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 22를 참조하면, 초기 대수 성장기(early exponential growth phase)를 지나서 대략 10일 후면 대수 성장기(exponential growth phase)에 도달하게 됨으로써 강력한 독소를 발생함을 알 수 있다.
도 23은 Microcystis viridis의 성장에 따른 microcystin 성분의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 23을 참조하면, Microcystis에 의한 microcystin 유해 독소의 발생을 최소화하기 위해 세포 농도가 104 세포수/㎖ 부근 수준 이하로 유지함이 필요함을 할 수 있다. 따라서, 초기 대수 성장기를 유지하면, 유해 독소나 녹조 문제를 동시에 해결할 수 있다.
조류의 과도한 성장을 막기 위하여 방류수 수문을 기상 예보, 하천 농업용수 필요성, 상류수 수질 상태 등을 종합적으로 판단하여 전문가 시스템(expert system)을 통해 자동 관리할 수 있으며, 이를 통해 수문 관리자는 보다 편리한 수문 관리를 실현할 수 있을 것이다.
공기 중의 이산화탄소(400ppm)를 표층수 및 하층수에 낮과 밤을 교차하면서 조류가 생활하는 공간에 미세 살포해 줌으로서, 낮에는 공기 중의 이산화탄소 살포에 의해 pH가 5.8 부근으로 떨어져 조류의 최적 pH인 6.5 부근에서 멀어지게 되어 저류 성장을 지연시킬 수 있다.
특히, 광합성 반응에서 낮에 일어나는 아래의 화학식과 같은 명반응에서,
H2O + NADP+ + ADP + Pi → O2 + ATP + NADPPH
무기 인으로 구성된 Pi가 최소화되는 조건을 만들기 위해 드라이아이스를 이용하여 표층수의 수온을 떨어뜨리고, 하층수의 수온마저 15℃ 이하로 떨어뜨림으로써, 궁극적으로 하천 바닥의 퇴적물에 철 콜로이드와 공침되어 있던 P(인)가 용출되지 못하도록 막는다.
공기 중의 산소(20.9%)를 해가 지고 나서(일몰 후) 조류가 표층수 부근에서 강바닥(하층)이나 강 중앙(중층)으로 이동할 시기에 산소를 수중으로 미세한 기포 형태로 살포하면 휴면 포자(akiete)가 강바닥의 1 - 3㎝ 진흙 속에서 월동하므로 이들이 봄에 다시 활성화되기 이전에, 일례로서 도 25에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 선박(배) 탑재형의 회수 장비를 이용하여 진흙 바닥의 흙을 강력한 진공 파이프로 흡입한 진흙바닥의 흙을 햇빛에서 건조시킴으로써, 이를 통해 휴면 포자의 활성화를 억제하여, 상습적인 녹조 발생 지역에서의 녹조 현상의 발생을 사전에 최소화할 수 있다.
도 24는 선박 탑재형의 회수 장비를 이용하여 진흙 바닥의 흙을 진공 파이프로 흡입하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 24를 참조하면, 참조번호 2502는 선박을, 2504는 후술하는 흡입관(2510)을 통해 흡입되어 선상으로 올라오는 흙을 토출구로 토출하는 토출관을, 2506은 선박(2502)에 탑재된 압축기 제어장치(도시 생략)로부터의 제어에 따라 고압의 압축공기를 진흙바닥에 분출하여 바닥의 흙을 분사(일시적인 부유)시키는 해저 분사기를, 2510은 선단에 장착된 흡입구(2508)를 통해 해저 분사기(2506)의 분사를 통해 일시적으로 부유하는 바닥의 흙을 흡입하여 선박(2502)으로 전달하는 흡입관을 각각 나타낸다.
햇빛 세기를 줄이기 위하여 검정 차광막으로 고정식, 쌍끌이 이동식, 등으로 조류가 가능한 햇빛을 5% 이하로 받도록 유지하여 조류의 광합성 기작을 저해시킴으로써 조류 증식을 억제할 수 있다.
즉, 검정 차광막으로 주요 좁은 굴곡진 녹조 발생 위험 가능 지역을 사전에 차폐하여 황사에 의한 영양염류 유입을 최소화하여 조류 증식을 억제할 수 있다. 예컨대, 평소에는 하천에 검정 차광막(검정 차광천)을 펼쳐 두어 햇빛에 의한 조류 성장을 억제하다가 갑자기 조류가 햇빛을 받도록 유도함으로써, 조류의 광합성 활성도가 더욱 축소화되도록 유도할 수 있다.
도 25는 광합성과 파장과의 관계를 보여주는 파장대 및 그래프로서, 도 25를 참조하면, 조류가 좋아하는 파랑식(blue band)(445㎚ 파장대 부근 또는 그 이하)과 붉은색(red band)(680㎚ 파장대 부근 또는 그 이상)에서, 이를 조류에 잘 전달되지 못하도록 파랑색 필터 필름 또는 붉은색 필터 필름을 조류가 자라는 하천이나 호수의 표층수에 검정 차광막으로서 덮어, 햇빛의 모든 파장을 흡수할 수도 있지만, 조류를 제외한 저서 생물의 성장을 Food Web(먹이 사슬 구조)을 생태적으로 보호하기 위해, 조류가 선호하며 광합성 반응이 왕성하여 조류 증식에 필요한 파랑색 및 붉은색 빛을 선별 차단하는 카메라의 특수 빛을 여과(필터)시키는 덮개 필터 개념의 얇은 필름막, 특히 광합성이 왕성히 일어나는 파랑색(445㎚ 파장대 부근)을 조류로부터 차단하는 파랑색 필터 성질을 가진 특수 필름을 조류가 한 낮에 부유하면서 광합성 생활하는 표층수 수면 위에 설치함으로써, 조류의 광합성 반응을 억제할 수 있다.
영양염류가 유역에서 조류가 생활하는 하천으로 유입되는 것을 최소화하기 위하여, 바닷물과 유역 유입수를 미세기포 형태로 서로 혼합되게 함으로써, 강 하구에서 강물에 많이 녹아 있던 철 이온이 바닷물의 높은 인(P)과 결합하여 FePO4를 형성해 강 하구에 침전되는 자연 현상을 응용함으로써, 공장 폐수(하수), 도시 폐수(하수), 농경지 폐수(하수)가 하천과 만나는 교차점 직전에 P가 풍부한 바닷물로 채워진 작은 연못(pond)을 만들어 두고, 이곳에서 유입되는 다량의 철 이온이 인과 반응하여 FePO4 형태로 Fe가 P와 함께 침전되도록 한 후에 고압 가스통이나 이동식 차량에 장착된 고압 가스통을 이용하는 이산화탄소를 살포하여 조류가 생활하는 하천수의 pH를 5.8 부근으로 산성화되게 한 후에 주 하천으로 유입되게 한다.
이를 통해 P가 FePO4로 침전되어 퇴적층의 흙에 공침되도록 유도하여 전체적으로 수중의 조류 절대 필수원소인 P와 Fe가 부족하도록 하고, 조류의 최적 pH인 6.5 이상 조건에서 벗어난 pH 5.8 부근을 유지하도록 조절함으로써 궁극적으로 조류 증식이 저해되도록 유도한다.
바닷물에는 다량의 마그네슘 이온(400㎎/L)이 들어 있는데, 공장 폐수, 가정 폐수, 농업 폐수 등이 하천으로 유입되는 알칼리성 비점 오염원 지역에 바닷물을 살포하면 폐수 중의 오염 유기 물질들이 바닷물에 들어 있는 MgSO4 반응과의 응집 효과에 따라서 침전 응집 현상이 발생하여 하천 유입수의 수질을 개선시켜 N과 P를 값싸게 제거할 수 있다.
즉, 가동보 수문이 설치된 저수조 지역으로 유입되는 하천 유입수의 비점 오염원 지역에서 부유 조류가 생활하는 표층수 주변에 P를 함유하는 바닷물을 살포, 예컨대 제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 바닷물을 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포함으로써, 표층수 주변의 Fe 이온을 침전시키며, 이를 통해 가동보 수문이 설치된 저수조 지역으로 조류 성장에 영향을 미치는 Fe 이온이 저수조로 유입되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
여기에서, 제트 스크류식 미세 살포기는, 예컨대 가동보 수문에 대한 종합적인 관리를 관장하는 주관리 센터로부터의 무선 제어에 따라 바닷물의 살포 동작을 자동 수행하거나 혹은 관리자가 운영하는 원격 조정 장치를 통해 바닷물의 살포 동작을 수행할 수 있다.
한편, 바닷물을 내륙 지방으로 운반하려면 수송비가 과다하게 발생하게 되는 데, 이러한 문제를 해결하기 위해 먹는 소금을 제조할 때 찌꺼기로 남게 되는 간수를 활용할 수 있다. 즉, 간수에는 마그네슘 이온이 일반 바닷물의 20 - 30배에 달하는 30,000ppm 정도가 들어 있으므로(충남대학교, 이상일 교수 자료 참조), 이를 활용할 경우 바닷물에 비해 상대적으로 훨씬 적은 부피를 차지하기 때문에 상대적으로 낮은 운송비를 실현할 수 있다.
따라서, 소금의 제조시에 찌꺼기로서 발생하는 간수를 알칼리성 폐수에 투입(간수를 이용한 하천 유입수의 전처리)으로써, 폐수 중의 유기 물질을 값싸면서도 환경 친화적으로 제거할 수 있다. 즉, 간수를 이용하여 조류의 성장에 필수적인 다양한 영양염류(예컨대, N, P, Si, Ca, Fe, Cu, Mg, Mn, Mo, S, Cl, Na, K, Zn, Co, V, Br, I 등)를 하천수의 유입 단계에서 최소화로 전처리해 줌으로써, 궁극적으로 조류 성장을 억제할 수 있으며, 이를 통해 수화 현상이 일어나는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
즉, 가동보 수문이 설치된 저수조 지역으로 유입되는 하천 유입수의 비점 오염원 지역에서 알칼리성 폐수의 표층수 주변에 간수를 살포, 예컨대 제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 바닷물을 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포함으로써, 조류 성장에 큰 영향을 미치는 다양한 영양염류가 저수조로 유입되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
여기에서, 제트 스크류식 미세 살포기는, 예컨대 가동보 수문에 대한 종합적인 관리를 관장하는 주관리 센터로부터의 무선 제어에 따라 간수의 살포 동작을 자동 수행하거나 혹은 관리자가 운영하는 원격 조정 장치를 통해 간수의 살포 동작을 수행할 수 있다.
도 26은 몬모릴로계 황토와 카올린계 점토에 대한 전자현미경 사진이다.
도 26을 참조하면, 황토(몬모릴로)와 점토(카올린) 중에서 미세 기공이 풍부한 몸모릴로계 황토만을 사용하여 조류가 생활하는 한 낮 동안에 표층수 주위에 살포할 수 있다. 이를 통해 황토의 수십 Å(옹스트롱) 미세 기공 사이로 Fe 이온과 Ca 이온을 비롯하여 용출되어 수중에 녹아 있는 P 등이 흡착(흡수)되고, 나아가 수십 마이크로(㎛) 크기의 조류 생물들이 미세 기공을 가진 황토 입자와 수중에서 결합하여 하층 바닥으로 가라 않게 하고, 광합성에 필요한 P, Ca, Fe, Cu, Mg, Mn, Mo 등과 같이 조류 성장에 절대적으로 필요한 원소들을 미세 기공을 가진 황토와 함께 물리적으로 흡착(physical adsorption)되어 강바닥으로 일시적으로 침전시켜 제거함으로써, 조류 성장 자체가 이루어지지 못하도록 원천적으로 차단할 수 있다.
따라서, 황토 특히 미세 기공을 가진 몬모릴로계 황토는 값싸면서도 강력한 조류 성장 억제제로서 이용될 수 있다. 다만, 기타 수중 생물들의 생존 환경에 미칠 수 있는 영향을 고려하여 지나칠 정도로 과도하게 살포하지는 않아야 할 것이다.
문헌(Wilke, C.R., M Eisenberg, and C.W. Tobias, "Correlation of Limiting Currents under Free Convection Conditions", J. Electrochem. Soc., 100; 513-523, 1953)에 따르면, 자연대류에서의 셔우드(Sherwood) 수(
)는 다음의 수학식 52과 같다.
[수학식 52]
이때, 자연대류에서의 셔우드(Sherwood) 수(
)와 슈미트(Schmidt) 수(
)는 다음의 수학식 53과 54로 정의된다.
[수학식 53]
[수학식 54]
상기한 수학식
는 그라스호프(Grashof) 수를,
는 물질전달 계수(m/s)를,
은 특징거리(m)를,
AB는 B계에서의 A성분 확산계수(m2/s)를,
는 = 운동학적 점도(cs)를,
는 점도(cp)를 각각 의미한다.
따라서, 하천의 물이 일반적 물이라 가정하면, 아래의 정보들을 도출할 수 있다.
상기한 정보들을 수학식 52에 대입하면, 다음의 수학식 55와 같은 결과를 얻을 수 있다.
[수학식 55]
문헌(P 60, 김태진 석사학위 논문, Simultaneous Measurement of Velocity and Oxygen Tension in Physiological Saline with a Dual Cathode Catheter Mounted Polarographic Electrode System, 펜실베니아 주립대학교, 미국, 1981)에 따르면, 자연대류에서의 셔우드(Sherwood) 수(
)는 다음의 수학식 56과 같다.
[수학식 56]
수학식 55 및 식 56을 수학식 52에 대입하면, 다음의 수학식 57와 같은 결과를 도출할 수 있다.
[수학식 57]
문헌(p 926, Atkins' Physical Chemistry, 9판)에 따르면, 다음의 수학식 58을 알 수 있으므로,
[수학식 58]
전술한 수학식 24에 상기의 수학식 57 및 58을 대입하면, 다음의 수학식 59을 도출할 수 있다.
[수학식 59]
위의 수학식 59에 의하여 다음과 같은 표 8을 얻을 수 있다. 표 8은 하천의 햇빛을 받는 표층수로부터 햇빛을 받지 못하는 내층수로의 열전달 거리에 따른 수온 차이 분포도이다.
| L, 열전달 거리(cm) | T, 수온차이(℃) | ||
| 이론치 | 측청치 | ||
| 3 | 7.2 | 8 | |
| 4 | 3.0 | 3 | |
| 5 | 1.6 | 2 | |
따라서, 하천의 표층으로부터 3cm, 4cm, 5cm 하천의 내부로 향한 지점에서 측정한 수온의 차이가 각각 8℃, 3℃, 2℃ 이었으며, 이중에서 하나 또는 하나 이상이 이러한 표층수에 인접한 수심별 수온 차이를 나타내면, 하천의 표층수에 상하 운동이 발생하여 표층수의 순환 현상이 일어남을 확인하였다. 이러한 표층수 주변의 햇빛에 의한 밀도의 차이에 따른 자연 대류 현상이 하천 내부의 전반에 걸쳐 순차적으로 작동하여, 하천의 표층수(표면층수), 중층수(중간충수), 하층수(하부층수)가 순환되어 서로 섞이는 것을 알 수 있었다.
문헌(이상훈, 4대강 녹조현상의 원인, 첨단환경기술. 2012.12)에 따르면, 조류 발생의 필요조건인 총인의 농도는, 미국 EPA의 기준으로는 0.02mg/L, OECD의 기준으로는 0.035mg/L, 한강 물환경 연구소의 기준으로는 0.03mg/L, 환경부의 2012년 기준으로는 0.2mg/L이다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서와 같이 표층수에 인접한 수온차이가 전술한 표 6의 어느 한 경우에라도 해당되고 복합 센서 중의 총인(T-P)센서로 측정한 수치가 미국 EPA의 기준 0.02mg/L을 초과하면 녹조 주의보를, OECD 기준 0.035mg/L을 초과하면 녹조 경보를, 환경부의 2012년 기준 0.2mg/L을 초과하면 조류 발생 경보의 가능성을 주관리 센터에 통보하여 전문가 시스템(Expert System)에 의하여 수문의 개방 여부와 산소 공급 수단의 가동 여부를 판단하도록 함으로써, 대한민국 4대강 하천의 수질을 일정 수준 이상으로 유지하도록 수문 관리를 단순화할 수 있다.
한편, 기존의 부영양화 인덱스(Index)는 TPI로서 50-55이면 부영양화인데, 전술한 수학식 26 내지 수학식 32 등으로 표현되고 있는 바와 같이, 계산 과정이 매우 복잡하다. 따라서, 아래의 표 9(평균 부영양화도)에서와 같이 간편한 부영양화 인덱스가 필요하다.
즉, 표 9에 근거한 빈영양 지점을 0%라 하고 과영양 지점을 100%라 가정할 때, 누구나 부영양화도를 쉽게 이해할 수 있도록 0을 최소로 하고 100을 최대로 잡아서, TN, TP, Chl-a를 기준하였다. 이때, 각 변수의 전체 스케일(full scale)이 100%를 나타내므로, 각 변수의 가중치 인자(weighting factor)는 동일하다. 투명도는 탁도로서 간접적으로 보정하지만, 아래의 표 9에서는 그 기재를 생략하였다.
| 부영양화도 | TN(mg/m3) | TP(mg/m3) | Chl-a(mg/m3) | 평균부영양화도 | |
| 빈영양 | 400 | 15 | 3 | TN(%)+TP(%) +Chl-a(%) |
|
| 과영양 | 1500 | 100 | 40 | 300 =(55+41+46) =142 |
|
| 상하 범위 | 1,500-400=1,100 | 100-15=85 | 40-3=37 | ||
| 백분율(%) |
 |
 |
 |
142/3 =47 |
|
| 임의 수치 환산 예시 |
1,000 | 50 | 20 | ||
| 백분율(%) |
 |
 |
 |
47 | |
상기의 표 9의 예시에서와 같이, 평균 부영양화도가 100점 만점에 47점이므로, 부영양화가 그렇게 심하지 않음을 누구나가 쉽게 인지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
402 : 센서 블록 404 : 산소 관리 블록
406 : 산소 제어 블록 408 : 산소 공급 수단
410 : 녹조 관리 블록 412 : 경보 발생 블록
414 : 송/수신 블록 416 : 관리 수단
810 : 주관리 센터 822/1 - 822/3 : 관리 센터
406 : 산소 제어 블록 408 : 산소 공급 수단
410 : 녹조 관리 블록 412 : 경보 발생 블록
414 : 송/수신 블록 416 : 관리 수단
810 : 주관리 센터 822/1 - 822/3 : 관리 센터
Claims (44)
- 용존산소 센서를 통해 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하고, 수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하며, 조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 이용하여 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 각각 측정하는 센서 블록과,
측정된 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도를 초과하거나 혹은 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질의 농도와 기 설정된 방류 허용 농도를 초과할 때, 수문 개방 요청신호를 발생하여 관리 수단으로 송출하는 산소 관리 블록과,
상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 이하일 때, 그에 상응하는 산소 공급 제어신호를 발생하는 산소 제어 블록과,
상기 산소 공급 제어신호에 의거하여 기 설정된 수심 위치에 가압 공기를 공급하는 산소 공급 수단과,
측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어나는 지의 여부를 모니터링하며, 상기 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때 그에 상응하는 녹조 경보를 지령하는 녹조 관리 블록과,
지령된 상기 녹조 경보에 의거하여 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의해 녹조가 발생함을 경보하기 위한 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 경보 발생 블록과,
상기 수문 개방 요청신호가 수신될 때 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키고, 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때 녹조 경보를 시청각적으로 발생시키는 상기 관리 수단
을 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 수온 센서는,
강 또는 연안 해수 수심의 수직 방향으로 다수의 수온 센서가 일정 간격을 가지고 배치되는 형태를 갖는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 다수의 수온 센서 각각은,
강 또는 연안 해수의 깊이에 따라 표면층, 중간층, 하부층에 각각 배치되어, 기 설정된 주기로 표면층 수온, 중간층 수온, 하부층 수온을 각각 측정하는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 조류 관련 센서는,
엽록소-a 센서, SS 센서 및 탁도 센서
를 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유기 오염물질 관련 센서는,
수온약층 센서, ORP 센서, EC 센서, TOC 센서, SS 센서, Na+ 센서, COD 센서, T-P 센서, T-N 센서, 유량 센서, pH 센서, 탁도 센서, 광도 센서, 알칼리도 센서, NH4-N 센서, PO4-P 센서, Cl- 센서, Fe2+ 센서, 대기온도 센서, 체류시간 센서
를 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 관리 수단은,
상기 수문 개방 요청신호가 수신될 때, 다수의 관리 센터로 수문 개방 제어 지령을 송출하는 주관리 센터와,
상기 다수의 권양기 기계실에 각각 설치되며, 상기 수문 개방 제어 지령이 수신될 때 상기 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키는 상기 다수의 관리 센터
를 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 센서 블록은,
복합 센서 함체로서 구성되어 GPS 장비, FIA 장비, 무선 송수신 장비가 장착된 무인 이동형 선박에 탑재되어 녹조 발생 경보에 필요한 값들을 측정하는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산소 공급 수단은,
산소를 함유하는 공기를 저장하는 가압 공기 저장 탱크와,
상기 가압 공기 저장 탱크의 압력을 감지하는 압력 센서와,
상기 압력 센서로부터의 감지신호에 의거하여 상기 가압 공기 저장 탱크에 저장되어 있는 공기를 일정 압력으로 가압하는 가압 공기 공급기와,
상기 일정 압력에 의해 상기 가압 공기 저장 탱크의 배출구로 배출되는 공기의 흐름을 유도하는 공기 통로와,
상기 공기 통로를 통해 유입되는 공기를 균일하게 분배하는 가압 공기 분배기와,
분배된 공기를 상기 기 설정된 수심 위치 측으로 안내하는 배기관과,
상기 배기관을 통해 유입되는 공기를 상기 기 설정된 수심 위치에 미세 기포로 분출하는 미세기포 발생기
를 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 미세기포 발생기는,
각 가동보 수문의 사이에 위치하는 각 교량 교각의 일 측면 또는 좌우 측면에 부착된 상하 이동식 레일에 장착되는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 미세기포 발생기는,
수위가 가변될 때 수위 센서로부터의 감지 수위에 의거하여 상기 미세기포를 분출하는 수심 위치를 가변시키는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 미세기포 발생기의 분출 압력(P)은,
다음의 수학식과 같이 산출되는,
P = P0+ρgh
(상기 수학식에서, 상기 P0는 대기 압력(kPa)을, 상기 ρ는 하천 밀도(kg/㎥)를, 상기 g는 중력 가속도(kg/sec2)를, 상기 h는 하천 수심(m)을 각각 나타냄)
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 미세기포 발생기는,
다수의 미세기포 분출구가 형성된 직육면체 판형 구조 또는 구형 구조를 갖는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 일정 압력은,
상기 가압 공기 공급기의 성능, 상기 가압 공기 저장 탱크의 용량, 상기 공기 통로의 누적 길이 및 직경, 상기 가압 공기 분배기의 마찰에 의한 압력 손실 크기, 상기 배기관의 수 및 누적 길이, 상기 미세기포 발생기의 수 및 형태, 상기 미세기포 발생기에 형성된 미세기포 분출기의 수, 미세기포 발생속도에 의한 유량 편차에 따른 강의 깊이, 수위 센서의 수심 중 적어도 두 개 이상의 조건에 의거하여 결정되는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산소 공급 수단은,
차량 이동식 대형 산소발생기 탑재 장치로서, 하층수에 순수 산소 또는 순수 이산화탄소 또는 공기를 주입함으로써 협기성을 강화하여 조류성장에서 필수원소인 철과 인을 각각 감소시킴과 동시에 pH를 5.8 부근으로 유지시키는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 장치는,
녹조가 자라는 자연환경에서 유도기가 상대적으로 길게 유지되다가 대수 성장기가 시작되는 것을 평가할 수 있는 인덱스(θ)를 다음의 수학식과 같이 산출하여 조류의 성장 제어변수로 사용하는
(상기 수학식에서 n은 조류 농도(cells/ml)를, tan-1는 성장곡선의 기울기를, t는 특정 시점에서 조류 농도를 측정한 시간을 각각 나타냄.)
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 산소 관리 블록은,
상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 기준 용존산소 농도 이하로 될 때, 수문 폐쇄 요청신호를 발생하여 상기 관리 수단으로 송출하고,
상기 관리 수단은,
상기 수문 폐쇄 요청신호가 수신될 때 상기 각 권양기를 작동시켜 대응하는 상기 각 가동보 수문을 폐쇄시키는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산소 관리 블록은,
상기 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 농도 이하로 될 때, 수문 폐쇄 요청신호를 발생하여 상기 관리 수단으로 송출하고,
상기 관리 수단은,
상기 수문 폐쇄 요청신호가 수신될 때 상기 각 권양기를 작동시켜 대응하는 상기 각 가동보 수문을 폐쇄시키는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 관리 수단은,
수문 개방 요청신호를 포함하는 상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 각 권양기를 작동시켜 대응하는 상기 각 가동보 수문을 개방시키는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치.
- 용존산소 센서를 통해 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하는 과정과,
측정된 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 이하일 때, 산소 공급기를 작동시켜 기 설정된 수심 위치에 가압 공기를 공급하는 과정과,
상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도를 초과할 때, 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과,
상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도의 초과가 통지될 때, 상기 관리 수단이 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 대응하는 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키는 과정과,
수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하는 과정과,
측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때, 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 과정과,
상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 녹조 경보를 시청각적으로 발생시키는 과정
을 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 21 항에 있어서,
상기 측정하는 과정은,
상기 기 설정된 수심에서의 측정을 위해 수위 센서를 이용하여 상기 용존산소 센서의 측정 위치를 가변시키는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 21 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 가압 공기의 공급을 통해 상기 기 설정된 수심에서의 용존산소가 상기 기 설정된 방류 허용 기준 용존산소 농도 이하로 될 때, 상기 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과,
상기 관리 수단이 상기 각 권양기를 작동시켜 상기 각 가동보 수문을 폐쇄시키는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 21 항에 있어서,
상기 녹조 발생 경보는,
상기 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의한 녹조 발생의 경보를 의미하는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 21 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 녹조 발생 경보 메시지를 생성하여 기 지정된 휴대 단말로 전송하는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 이용하여 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 각각 측정하는 과정과,
측정된 조류 농도 및 유기 오염물질의 농도가 기 설정된 방류 허용 농도를 초과할 때, 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과,
상기 기 설정된 방류 허용 농도의 초과가 통지될 때, 상기 관리 수단이 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 대응하는 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키는 과정과,
수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하는 과정과,
측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때, 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 과정과,
상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 시청각적인 녹조 경보를 발령하는 과정
을 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 26 항에 있어서,
상기 조류 관련 센서는,
엽록소-a 센서, SS 센서 및 탁도 센서
를 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 삭제
- 제 26 항에 있어서,
상기 방법은,
하천 바닥의 퇴적물에 철 콜로이드와 공침되어 있던 P(인)의 용출 방지를 위해 드라이아이스를 이용하여 표층수의 수온과 하층수의 수온을 저하시키는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 26 항에 있어서,
상기 유기 오염물질 관련 센서는,
COD 센서, TOC 센서, T-P 센서, T-N 센서, 유량 센서, pH 센서, 탁도 센서, 광도 센서, 수온약층 센서, ORP 센서, EC 센서, 알칼리도 센서, NH4-N 센서, PO4-P 센서, Na+ 센서, Cl- 센서, Fe2+ 센서, 대기온도 센서 및 체류시간 센서
를 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 26 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 측정된 조류 농도 및 유기 오염물질 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 농도 이하로 될 때, 상기 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과,
상기 관리 수단이 상기 각 권양기를 작동시켜 상기 각 가동보 수문을 폐쇄시키는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 26 항에 있어서,
상기 녹조 발생 경보는,
상기 표면층과 하부층이 혼합되는 전도 현상에 기인하는 영양염류의 증가에 의한 녹조 발생의 경보를 의미하는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 26 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 녹조 발생 경보 메시지를 생성하여 기 지정된 휴대 단말로 전송하는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 용존산소 센서를 통해 기 설정된 수심에서의 용존산소를 측정하는 과정과,
측정된 용존산소 농도가 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도 이하일 때, 산소 공급기를 작동시켜 기 설정된 수심 위치에 가압 공기를 공급하는 과정과,
상기 측정된 용존산소 농도가 상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도를 초과할 때, 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과,
조류 관련 센서와 유기 오염물질 관련 센서를 이용하여 조류 농도 및 유기 오염물질 농도를 각각 측정하는 과정과,
측정된 조류 농도 및 유기 오염물질의 농도가 기 설정된 방류 허용 농도를 초과할 때, 상기 관리 수단으로 이를 통지하는 과정과,
상기 기 설정된 방류 허용 용존산소 농도의 초과 또는 상기 기 설정된 방류 허용 농도의 초과가 통지될 때, 상기 관리 수단이 다수의 권양기 기계실에 각각 설치된 대응하는 각 권양기를 작동시켜 대응하는 각 가동보 수문을 개방시키는 과정과,
수온 센서를 통해 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온을 각각 측정하는 과정과,
측정된 표면층 수온, 중간층 수온 및 하부층 수온이 기 설정된 허용 수온 차 범위를 벗어날 때, 녹조 발생 경보를 생성하여 상기 관리 수단으로 송출하는 과정과,
상기 녹조 발생 경보가 수신될 때, 상기 관리 수단이 녹조 경보를 시청각적으로 발생시키는 과정
을 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 34 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 가동보 수문이 설치된 저수조 지역으로 유입되는 하천 유입수의 비점 오염원 지역에서 부유 조류가 생활하는 표층수 주변에 P를 함유하는 바닷물을 살포하여 표층수 주변의 Fe 이온을 침전시키는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 35 항에 있어서,
상기 침전시키는 과정은,
제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 상기 바닷물을 상기 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포하는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 34 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 가동보 수문이 설치된 저수조 지역으로 유입되는 하천 유입수의 비점 오염원 지역에서 알칼리성 폐수의 표층수 주변에 간수를 살포하는 전처리를 통해 영양염류의 유입을 억제하는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 37 항에 있어서,
상기 방법은,
제트 스크류식 미세 살포기를 이용하여 상기 간수를 상기 표층수 주변에 미세 기포 형태로 살포하는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 38 항에 있어서,
상기 제트 스크류식 미세 살포기는,
상기 관리 수단으로부터 제공되는 무선 제어에 따라 살포 동작을 수행하거나 혹은 관리자에 의한 원격 조정을 통해 살포 동작을 수행하는
녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 34 항에 있어서,
상기 방법은,
진공 파이프를 이용하는 선박 탑재형의 회수 장비를 통해 진흙 바닥의 흙을 흡입하는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 34 항에 있어서,
상기 방법은,
고정식 또는 쌍끌이 이동식의 검정 차광막을 이용한 햇빛의 유입을 통해 조류의 광합성 기작을 저해함으로써 조류 증식을 억제하는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 34 항에 있어서,
상기 방법은,
광합성에 강한 파장대를 선택적으로 차단하는 필터 성질의 필름을 표층수 수면 위에 설치하여 조류의 광합성 반응을 억제시키는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 34 항에 있어서,
상기 방법은,
조류가 생활하는 낮 동안에 몬모릴로계 황토를 표층수 주위에 살포하여 조류 성장을 억제시키는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
- 제 34 항에 있어서,
상기 방법은,
상기 유기 오염물질 관련 센서에 포함된 총인(T-P)센서로 측정한 수치가 0.2mg/L을 초과할 때, 조류 발생 경보의 가능성을 상기 관리 수단으로 통보하여 전문가 시스템(Expert System)에 의하여 상기 각 가동보 수문의 개방 여부와 산소 공급 여부를 판단하도록 하는 과정
을 더 포함하는 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 방법.
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| KR1020130073244A KR101384971B1 (ko) | 2013-06-25 | 2013-06-25 | 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치 및 그 방법 |
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Publications (1)
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| KR1020130073244A KR101384971B1 (ko) | 2013-06-25 | 2013-06-25 | 녹조 사전 탐지, 예측 및 제거 장치 및 그 방법 |
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