KR20210133902A

KR20210133902A - 지하수 내 질산성 질소의 생물학적 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR20210133902A
Application number: KR1020210108565A
Authority: KR
Inventors: 최재영; 안용태; 이다원
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2021-11-08

Abstract

본 명세서에는 현장 지하수를 양수하여 미생물의 성장 기질인 탄소원을 양수한 지하수와 혼합하여 공급해주며, 지중 환경의 지하수 흐름에 따라 미생물의 성장이 촉진되어 질산성 질소 오염 저감을 촉진시키고, 이를 장기적으로 모니터링할 수 있는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템이 개시된다.

Description

지하수 내 질산성 질소의 생물학적 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템 {BIOLOGICAL NATURAL ATTENUATION ENHANCEMENT AND MONITORING SYSTEM OF NITRATE IN GROUNDWATER}

본 명세서는 지하수 내 질산성 질소의 생물학적 자연저감 촉진, 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지하수 내 탈질 미생물의 성장과 활성도를 촉진시키기 위하여 촉진제로서 유기 탄소원을 공급함과 동시에 탈질 속도상수를 상승시키고, 주요 모니터링 인자들을 실시간 자동으로 측정 및 샘플링하는 모니터링 시스템을 바탕으로 저감능을 평가하고 진단하는, 지하수 내 질산성 질소의 생물학적 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 대부분의 선진국에서는 지하수를 대표적인 수자원으로 사용하고 있으며, 미래 물산업의 중요한 부분으로서 연구, 개발되었다. 그러나 국내의 경우에는 지표수를 대부분의 수자원으로 활용하고 있으며, 지하수에 관한 법률와 규제, 관리가 미흡하여, 지하수 오염이 심각한 수준에 도달하였다.

구체적으로, 질산성 질소는 농경지를 중점으로 비점오염원으로서 존재하며, 비료의 과잉 사용으로 인해 오염된 토양 내 질산성 질소가 지속적으로 지하수로 유입되면서 지중 환경을 교란시킨다. 뿐만 아니라, 고농도의 질산성 질소로 오염된 지하수를 생활 용수로 이용할 경우, 청색증 또는 암을 유발할 수 있다.

일반적으로, 지하수 내 질산성 질소를 제거하기 위한 물리, 화학, 생물학적 기술로는 흡착제, 이온교환, 역삼투막, 전기영동법 그리고 생물학적 탈질 등이 있다. 이 중에서도 생물학적 탈질이 가장 경제적이며 부수적인 환경 오염을 일으키지 않는다는 점에서 큰 장점을 지닌다.

자연저감이란 오염발생 현장에서 오염물질을 생분해, 분산, 희석 등의 자연능력에 의한 기작으로 정화하는 현상을 말하며, 특히 질산성 질소의 자연저감 주요 기작은 생분해, 즉 생물학적 탈질이다. 생물학적 탈질을 위해서는 탄소원과 같은 전자공여체가 충분해야 한다. 현장의 탄소/질소 비율이 낮아 탄소원이 부족할 경우에는 생물학적 자연저감 속도가 현저히 떨어지며, 생물학적 자연저감이 원활히 이루어지지 않게 되어 결과적으로 지하수 내 수질오염기준을 초과할 우려가 있다. 즉 질산성 질소의 생물학적 자연저감 속도를 향상시키기 위하여 탄소/질소 비율이 중요한 요인으로 작용하며, 이를 촉진제로 조절하여 질산성 질소의 자연저감 속도를 향상시킬 필요성이 있다.

또한, 자연저감의 특성상, 단기간에 저감 효과가 나타나는 적극적 처리 기법과 달리, 서서히 지속적으로 메커니즘이 진행되기 때문에 최소 10년 정도의 모니터링이 필수적이다. 그러나 장기적인 모니터링을 위해서는 현장 유지 보수와 직접 시료 채취하는 것에 있어 물리적인 에너지 소모가 많다. 따라서 이러한 물리적 에너지 소모를 줄이면서 자연저감 촉진 효과를 진단할 수 있는 효과적인 모니터링 시스템 개발이 필요하다.

한국등록특허 제10-2018524호는 지중 오염물질의 호기성 및 혐기성 미생물에 의한 현장생물학적 정화 및 모니터링 시스템에 관한 것으로, 샘플링 수조를 통해 실시간 자동으로 측정하는 오염도 데이터를 기반으로 오염도를 실시간으로 모니터링하고 정화기간을 산출할 수 있다. 그러나 상기 샘플링 수조는 따로 온도 조절이 되지 않기 때문에 시료의 신선도가 떨어질 우려가 있다.

한국등록특허 제10-0538384호는 질산성 질소로 오염된 지하수를 채수하지 않은 상태로 현장에서 생물학적으로 제거하기 위한 웰투웰 순환 방법을 이용하여 현장 내에 약액을 주입하여 지하수 순환으로 오염물질을 제거한다. 그러나 상기 웰투웰 순환 방법은 지속적인 지하수 모니터링이 불가능하여 지하수 분석 항목 통계의 신뢰성과 지하수 관리의 효율성이 떨어진다.

한국공개특허 제10-2019-0120869호 한국등록특허 제10-2018524호 한국등록특허 제10-2018523호 한국등록특허 제10-1433257호 한국등록특허 제10-0538384호 한국공개특허 10-2017-0099616호

본 발명의 일 측면에서, 지하수 내 질산성 질소의 생물학적 자연저감 속도를 촉진시키기 위하여 촉진제로서 전자공여체인 아세테이트와 같은 유기 탄소원을 이용하며, 이를 효율적으로 주입, 모니터링할 수 있는 장치와 이를 통해 자연저감 촉진 효과를 진단하기 위한 통합적 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 일 측면에서, 지하수 내 질산성 질소 생물학적 자연저감 기작을 촉진시키기 위해 현장 지하수를 양수하여 미생물의 성장 기질인 탄소원을 양수한 지하수와 혼합하여 공급해주며, 지중 환경의 지하수 흐름에 따라 미생물의 성장이 촉진되어 질산성 질소 오염 저감을 촉진시키고, 이를 장기적으로 모니터링하기 위한 IOT 기반 모니터링 시스템과 저감 효과를 수치적으로 해석하기 위한 수식을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 일 측면에서, 수질관리업체 또는 수질관리연구원 등의 예상 수요자가 장기간 동안 자연저감 촉진 효과를 모니터링하기 위하여, 현장에 직접 가지 않고도 실시간으로 필요한 시료를 채취할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 일 측면에서, 수질관리업체 또는 수질관리연구원 등의 예상 수요자가 하기에서 기술하는 자연저감 촉진 진단 수식을 통해 간편하고 쉽게 촉진 효과를 진단할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.

본 명세서에서, 지중의 지하수 유로 내에 배치되어 내부로 지하수가 유입되는 관정; 관정으로부터 양수된 지하수 및 유기 탄소원의 혼합물을 관정 내의 지하수에 공급하는 1 이상의 주입정; 및 관정 내의 지하수의 질산성 질소의 저감률을 측정하는 2 이상의 관측정;을 포함하는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 미생물의 성장 촉진을 위한 전자공여체 역할을 하는 촉진제를 현장 지하수를 양수하여 교반한 뒤 연결된 펌프를 이용하여 주입정을 통해 포화대수층 내로 주입함으로써 지하수 순환을 통해 생물학적 질산성 질소 자연저감 속도를 향상시킬 수 있다.

특히, 과도한 탄소원 주입이 아닌, 미생물의 성장을 촉진시킬 정도의 적절한 탄소/질소 비율을 적용하기 때문에 2차 오염 발생 요인이 적다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 지중 호기성 및 혐기성 탈질 미생물에 의해 현장에서 생물학적인 정화 및 모니터링이 이루어지므로, 별도의 수처리 기기 또는 장치, 설비의 제작이 필요하지 않고, 현장 수리 조건에 적합한 위치에 주입하여 정화 속도 상수를 향상시킬 수 있다.

특히, 자동 수질 다항목 측정 센서를 관측정에 직접 설치하여 지하수 내 상황이 실시간으로 측정될 수 있으며, 실시간 측정이 다소 어려운 미생물 성장도, 활성도, 탈질 미생물 개체수와 탈질 효소 유전자 분석의 경우, 관측정과 연결된 IOT(Internet of things) 기반의 자동 시료 채취 시스템을 통해 일정 주기마다 자동으로 수질 시료를 채취, 냉장 보관하여 이후 분석에 차질이 없도록 할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 일 구현예에 따른 시스템을 바탕으로 수치화된 저감률을 산출할 수 있다.

또한, 상기 자동 수질 다항목 측정 센서와 IOT 기반 자동 시료 채취 시스템은 사용 전력을 사용할 수 없는 경우, 태양광 발전 시스템을 이용할 수 있으며, 태양광 에너지를 이용하여 전기를 공급하고, 원격 데이터 수신이 가능하다.

또한, 상기 태양광 발전 시스템을 이용하면 본 발명의 일 구현예에 따른 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템을 농경지, 가축매몰지와 같은 적용 부지의 특성상 상용 전기 사용이 어려운 지역에서도 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 지중 환경 내 토착 미생물 성장 촉진을 통한 자연저감 촉진 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 정화 및 모니터링 시스템 공정 흐름도이다.
도 3a-3e는 실시예 1에 따른 최적 탄소/질소 반응비 도출 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따른 탄소/질소비에 따른 탈질 미생물 개체수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 관측정 내에 설치되는 실시간 자동 측정 센서(Sensor)의 모습이다.
도 6a-6f는 본 발명의 일 구현예에 따른 관정에서 측정된 수질 분석 항목 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 관측정 및 IOT 기반 자동 시료 채취 시스템의 전원 공급을 위한 태양광 발전 시스템 모식도이다.

용어 정의

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

예시적인 구현예들의 설명

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템을 나타낸 도 1 및 2를 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 지중의 지하수 유로 내에 배치되어 내부로 지하수가 유입되는 관정; 관정으로부터 양수된 지하수 및 유기 탄소원의 혼합물을 관정 내의 지하수에 공급하는 1 이상의 주입정; 및 관정 내의 지하수의 질산성 질소의 저감률을 측정하는 2 이상의 관측정;을 포함하는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템을 제공한다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 오염 부지의 지중 환경에 존재하는 호기성 또는 혐기성의 탈질 토착 미생물들의 성장을 촉진시키기 위한 기질로서 유기 탄소원이, 양수한 현장 지하수와 적정 비율로 혼합되어, 최소 1개 이상의 주입정을 통해 주입된 후 지하수의 흐름에 따라 흐르면서 미생물의 성장이 촉진되어 자연저감 속도상수를 향상시키고, 이에 따라 최소 2개 이상의 관측정을 통해 시료를 채취, 보관 및 특성 분석할 수 있다.

도 1을 참조하면, 주입공(주입정) 및 관측공(관측정)이 관정 내에 설치되어, 지하수로 포화되어 있는 지층인 포화대수층 내의 지하수를 양수하거나 혼합물을 공급하여 지하수 내 질산성 질소를 자연저감시키거나 모니터링하게 된다. 대략적으로 도 1에서 주입정/관측정을 포함하는 주변 영역(점선 표시)에서 질산성 질소의 자연 저감이 적극적으로 이루어지게 된다.

상기 관정은 지중의 지하수 유로 내에 배치되어 내부로 지하수가 유입되는 것으로, 실제 지하수의 유속, 성분, 오염 정도를 측정하는 것과 오차가 거의 없다. 지하수 및 지중 오염 저감을 위해 새로 관정을 설치할 수 있으며, 또는 기존에 설치된 관정에 본 발명의 일 구현예에 따른 주입정 및 관측정을 추가로 설치할 수도 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 유기 탄소원은 미생물이 분해하기 쉬운 저분자량의 화합물로 구성될 수 있으며, 아세테이트, 푸말산 및 숙신산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 아세테이트일 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 주입정은, 관정으로부터 지하수를 양수하는 양수조; 양수된 지하수와 유기 탄소원을 혼합하는 교반조; 지하수와 유기 탄소원의 혼합물을 주입조로 이송하는 이송조; 및 상기 지하수와 유기 탄소원의 혼합물을 관정 내 지하수에 공급하기 위한 주입조;를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 지하수 관정으로부터 지하수를 취수하기 위한 최대 1톤 용량의 물탱크와 이와 연결된 호스 및 연동펌프로 이루어진 양수조; 양수된 지하수와 자연저감 촉진제로서 탄소원을 적절한 탄소/질소 비율(C/N ratio)로 섞어주는 교반조; 교반조 물탱크에서 주입공으로 이송하기 위한 이송조; 및 혼합물을 일정한 압력으로 주입하기 위한 주입펌프를 포함하는 주입조;를 더 포함하여, 지하수 특히 지하수로 포화되어 있는 지층인 포화대수층에 주입정을 통하여 혼합물이 주입될 수 있다.

상기에서 사용되는 탱크와 연동펌프는 각 1 m³와 16 m³/hr의 규격으로 구성되며, 호스의 경우 φ65 mm 규격이 장비의 구성과 운용 효율 면에서 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

예시적인 구현예에서, 상기 교반조에서 유기 탄소원의 주입량은 하기 식 1에 따라 산출될 수 있다.

[식 1]

상기 식 1에서,

D_carbon = 탄소원 주입량 (mg)

C/N = 최적화된 탄소/질소 반응비 (2~10)

C_NO3 _{, background} = 초기 지하수 내 NO₃-N의 평균 농도 (mg/L).

상기 C/N 적정 비율은 적용 현장 부지의 수리화학적 특성에 따라 다를 수 있으나, 예컨대 2 내지 10, 2 내지 8, 2 내지 5, 또는 2 내지 2.5일 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 시스템 적용 전에, 현장 부지 내에서 10차례에 걸친 초기 질산성 질소 농도 평균 값(C_NO3 _{, background})을 산출하고, 이 값에 따라 아세테이트를 주입하여 혼합할 수 있다.

이때, 상기 적정 탄소/질소 비율(C/N ratio)은 탄소/질소 농도(mg/L) 비로서, 적용 현장의 수리화학적 특성에 따라 도출할 수 있다.

상기에서 사용되는 탱크와 연동펌프는 각 1 m³와 16 m³/hr의 규격으로 구성되며, 호스의 경우 φ 65 mm 규격이 장비의 구성과 운용 효율면에서 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 과정을 거친 뒤, 관측정을 통하여 저감 촉진 양상을 관찰할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 관측정은 자동 수질 다항목 측정 센서를 포함하고, 상기 자동 수질 다항목 측정 센서는 관정 내 지하수의 ORP(Oxidation Reduction Potential), pH, 전기전도도(EC), DO(Dissolved Oxygen), 온도 및 질산성 질소 농도 중 적어도 하나 이상을 감지할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 시스템은 관측정으로부터 지하수를 채취하는 채수부; 및 채수부에서 채취된 시료를 보관하는 시료보관부;를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 채수부에서, 미리 설정된 시기에 자동으로 지하수 채취가 시작되고, 미리 설정된 주기마다 지하수가 자동으로 채취될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 시료보관부는 PID 온도 제어 기능을 가질 수 있다.

구체적으로, 상기 주입정으로부터 약 5 내지 20 m 정도 떨어진 위치에 관측정이 설치되고, 관측정 내에 실시간 자동 수질 다항목 측정 센서 장치를 포함하고, 상기 관측정 내 지하수를 채수하기 위한 연동펌프를 포함하여 구성되는 채수부, 채수부에서 채취된 시료의 온도가 약 4℃가 되도록 유지하는 PID 온도 제어(컨트롤) 기능을 포함하고 20 ~ 1000 mL 범위 내에서 최대 24개의 채수병을 포함하여 구성되는 시료보관부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 관측정에서 관정 내의 지하수의 질산성 질소의 저감률은 하기 식 2에 따라 산출될 수 있다.

[식 2]

상기 식 2에서,

F_i = 초기 지하수 내 질산성 질소 Flux

F₀ = 수동적 자연저감을 통한 질산성 질소 Flux

F_t = 적극적 자연저감을 통한 질산성 질소 Flux

t = 관정으로부터 양수된 지하수 및 유기 탄소원의 혼합물 공급 후 경과시간 (d)

V = 지하수 현재 유속 (m/d)

C_NO3(N.A.) = 수동적 자연저감에 의한 n일 후 측정한 지하수 내 질산성 질소 평균 농도(n=300~4000)

C_{NO3(Enhanced N.A.)} = 적극적 자연저감에 의한 n일 후 측정한 지하수 내 질산성 질소 평균 농도(n=300~4000)

C_{NO3(background)} = 초기 NO₃-N의 평균 농도

A = 지하수가 통과하는 전체 관정의 단면적 (m²)

상기 식 2에서, 수동적 자연저감이란 탄소원 주입을 하지 않고 자연적인 흐름에 따라 이동하면서 물리, 화학, 생물학적 요인에 의해 질산성 질소(오염물질)의 농도가 비교적 느리게 저감되는 것을 의미하고, 일반적으로 자연저감의 주된 메커니즘은 미생물에 의한 생물학적 요인이다.

적극적 자연저감이란 탄소원 주입을 통해 미생물의 먹이를 제공함으로써 자연저감의 주요 메커니즘인 생물학적 메커니즘을 촉진시키고, 이로 인해 미생물에 의한 질소 사이클이 촉진되고 질산성 질소 저감률이 높아지는데 이러한 저감을 의미한다. 이는 자연 메커니즘을 활성화(activation) 시키기 위한 것으로써 환경 부하가 적다.

또한, 보통 자연저감의 모니터링은 짧게는 5년 길게는 10년까지 가능하므로, n의 값은 300~4000 또는 1500~4000일 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 관측정에서 Fe 이온, NO₂ ^-, N₂O, T-N, TDS, 탈질 미생물 개체수 및 탈질 효소 유전자(narG, napA, nirS, nirK, nosZ)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 더 측정할 수 있고, 전술한 자동 수질 다항목 측정 센서가 상기 Fe 이온, NO₂ ^-, N₂O, T-N, TDS, 탈질 미생물 개체수 및 탈질 효소 유전자(narG, napA, nirS, nirK, nosZ)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 더 감지할 수 있다.

구체적으로, 각 항목이 측정 또는 감지 가능한 센서를 시스템에 적용하여 그 결과가 모니터링부에 표시될 수 있으며, 예컨대 도 6a-6f과 같은 실시간 데이터를 원격으로 얻을 수 있다.

탈질 미생물 개체수, 탈질 효소 유전자 등의 미생물학적 분석은 자동 시료채취 시스템을 통해 일정 샘플링 시기에 채취된 시료를 4℃ 이하에 저장하여 미생물 분석 시 시료의 변질이 없도록 하여 이후에 분석이 실시될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 시스템은 모니터링부;를 더 포함하고, 상기 모니터링부는 지하수 내 ORP(Oxidation Reduction Potential), pH, 전기전도도(EC), DO(Dissolved Oxygen), 온도 및 질산성 질소 농도 중 적어도 하나 이상의 데이터를 표시하는 디스플레이부; 및 상기 관측정에서 측정한 데이터를 상기 디스플레이로 전송하는 통신 모듈;을 포함할 수 있다.

구체적으로, 실시간 분석이 어려운 미생물학적 분석의 경우에는 관측정 ①, 관측정 ②와 채수펌프로 연결된 IOT 기반 자동 시료채취 시스템을 이용하여 월 1회 자동으로 관측정 내 지하수를 채수하여, 약 4℃ 온도를 유지하면서 시료를 보관하도록 하고, 보관된 시료를 미생물 활성도, 성장도, 탈질 미생물 개체수, 탈질 효소 유전자 등의 미생물학적 분석에 사용할 수 있다.

상기 IOT 기반 자동 시료채취 시스템의 시료채취 주기는 적극적 처리기법에 비해 반응속도가 비교적 느린 생물학적 자연저감 기작 속도와 충분한 미생물의 성장기를 고려하여 월 1회가 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.

예시적인 구현예에서, 상기 주입정 및 관측정 중 하나 이상에 연결된 태양광 전원부;를 더 포함할 수 있다. 도 7을 참조하면, 상기 실시간 자동 측정 센서와 IOT 기반 자동 시료채취 시스템의 상용 전기 사용이 불가능할 경우, 전원 공급을 위한 태양광 발전 시스템을 구성할 수 있다.

본 발명의 예시적인 구현예들에서, 지중의 지하수 유로 내에 배치되어 내부로 지하수가 유입되는 관정; 상기 관정에 배치된 2 이상의 관측정; 관측정으로부터 지하수를 채취하는 채수부; 및 채수부에서 채취된 시료를 보관하는 시료보관부;를 포함하는, 자동 시료채취 시스템을 제공한다.

상기 관정은 전술한 바와 같이 지하수 유로 내에 배치되어 내부로 지하수가 유입되는 것으로, 실제 지하수의 유속, 성분, 오염 정도를 측정하는 것과 오차가 거의 없으며, 따라서 관정 및 관정에 배치된 관측정 모두 지하수 흐름 진행 방향에 배치될 수 있다.

이는 전술한 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템과는 별도로 운영될 수 있으며, 해당 시스템에서는 자동 시료 채취 시스템을 제공할 수 있고, IOT(Internet of things) 기반의 자동 시료 채취 시스템의 경우 샘플링을 위해 현장에 방문하지 않고도 자동으로 시료를 정해진 시간에 채취하여 보관할 수 있다.

구체적으로, IOT 기반 시스템은 인간의 명시적 개입 없이 상호 협력적으로 센싱, 네트워킹, 정보처리 등 지능적 관계를 형성하는 사물 공간 연결망으로 정의할 수 있으며, 본 명세서에서는 1) 관측정에 설치된 자동 수질 다항목 측정 센서에서 실시간으로 측정한 각종 모니터링 결과들을, 2) 원격지에서 모니터링 가능하고, 3) 계측되는 정보를 수집/저장하여 원활히 가동되는지 판단 가능한 자료를 제공하며, 특히 4) 자동 시료채취 시스템은 사용자가 지정한 시간 간격으로 시료를 채취/보관하여, 5) 사용자가 시간에 구애받지 않고 원하는 시점의 시료를 분석 가능하게 하는 시스템이다.

또한, 1) 센서에서 측정되는 결과들은 정보통신 인공위성을 통하여 서버로 저장되며, 2) 사용자는 인터넷을 통하여 측정 결과를 실시간으로 확인 가능하고, 3) 측정된 결과들이 시간별/항목별로 저장되고, 4) 이를 이용하여 운영에 대한 의사 결정이 가능하게 정보를 제공할 수 있다.

이러한 IOT 기반 시스템이 필요한 지점들은 대부분 전기 공급이 용이하지 않은 지역일 가능성이 높으며, 이를 대처하기 위해서 상용 태양광 시스템과 같이 구성하여 이를 해결할 수 있을 것이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

{실시예}

실시예 1 - 아세테이트의 탄소/ 질소비(C/N ratio)에 따른 미생물 성장 및 탈질 특성 파악, 최적 탄소/ 질소비 선정

아세테이트의 적정 반응비를 도출하기 위해 아래의 미생물 대사반응식을 통해 이론적 반응비 C/N ratio = 0.8을 도출하였고, 미생물의 성장을 촉진시킬 정도의 아세테이트를 더 넣어줌으로써 C/N ratio = 2.1, 4.2, 7.0으로 설정하여 최적 탄소/질소비를 선정하였다.

0.125 CH₃COO^- + 0.1554 NO₃ ^- + 0.1554 H⁺

→ 0.0115 C₄H₇ _. ₂O₁ _.93N + 0.0789 CO₂ + 0.125 HCO₃ ^- + 0.0719 N₂ + 0.1612 H₂O

상기 이론적 미생물 대사반응식은 미생물의 대사과정을 열역학적으로 해석한 Thernodynamic Electron Equivalents Model(TEEM) 기반의 Open-Source 프로그램인 Net Logo-MbT(Metabolism based on Thermodynamics) Tool 프로그램을 이용하여 산출되었다.

지하수의 화학적 특성(ex. 오염된 질산성 질소 농도, 기존 유기물 함량)에 따라 추가적으로 주입되는 탄소원(Acetate)과 지하수 내 오염된 질산성 질소의 적절 반응비가 달라질 수 있다. 이는 사전에 실내 실험을 통해 도출이 가능하며 본 명세서의 실시예에 따르면 C(acetate-C, 아세테이트 농도를 C의 값으로 환산한 값) : N(NO₃ 농도를 N 값으로 환산한 값) 비율이 2.1일 때 가장 질산성 질소 농도 저감에 효과적으로 나타났다.

각 반응비에 따라서 지하수 내 질소 이온들(T-N, NO₃-N, NO₂-N, NH₃-N)을 20일 동안 분석하였다. 그 결과, 도 3a-3e을 참조하면, 탄소/질소비에 따른 질산성 질소 농도 감소 효율은 세 가지의 경우 모두 유사하였고, 각 질소 이온들의 증감 경향이 시간대별로 유사하였다.

또한, 도 4를 참조하면, 탄소/질소비에 따라 지중 환경 모사 실험을 진행하였을 때, 토양 내 탈질 미생물 개체수 변화를 확인한 결과, C/N = 2.1에서 탈질 관여 미생물 개체수가 약 3.7배 정도 증가한 것을 확인하였다.

따라서, 도 3a-3e, 4의 결과를 토대로 아세테이트를 이용하여 지하수 내 질산성 질소의 생물학적 자연저감 촉진을 위한 최적의 탄소/질소비로 2.1이 선정되었다. 선정된 탄소/질소비를 적용하면 식 1은 아래와 같이 나타낼 수 있다.

(식 1_실시예 적용 식)

상기 식 1에서,

D_carbon = 탄소원 주입량 (mg)

C/N = 최적화된 탄소/질소반응비 (2.1)

C_NO3 _{, background} = 초기 지하수 내 NO₃-N의 평균 농도 (mg/L).

본 발명의 시스템 적용 전 현장 부지 내 10차례에 걸친 질산성 질소 농도 평균 값(C_NO3 _{, background})인 8.9 mg/L를 상기 식 1에 적용하여 산출된 양의 아세테이트 1,000 L 당 18.7 g을 주입하여 혼합하였다.

실시예 2 - 현장 실시간 모니터링 센서를 이용한 기초 분석

상기 실시예 1을 통해 도출된 탄소원 주입량만큼 주입공에 주입 후, 2개 이상의 관측공에 실시간 모니터링 센서를 구축하였다. 도 5를 참조하면, 실시간 모니터링 센서는 관정 깊이의 90%의 정도의 깊이로 위치하게 하며, 실시예의 경우 관정 깊이 7 m일 때 센서 설치 깊이는 6.32 m로 하였다. 이때 지하수 수위는 2.57 m 정도였다.

해당 수질의 실시간 모니터링 데이터는 도 6a-6f와 같이 모니터링 주기에 따라 나타낼 수 있으며, 원격으로 확인이 가능하다. 도 6a-6f를 참조하면, 수질 기초분석 데이터인 pH, EC, 수위 등의 데이터를 실시간으로 얻을 수 있다.

구체적으로, 도 6(a) 관정 YP1에서 시간에 따른 실시간 측정 수질 pH, 수위 값을 나타낸 것이고, 도 6(b)는 관정 YP1에서 시간에 따른 실시간 측정 수질 EC(전기전도도), 수위 값을 나타낸 것이며, 도 6(c)는 관정 YP1에서 시간에 따른 실시간 측정 수질 온도, 수위 값을 나타낸 것이다.

또한, 도 6(d)는 관정 YP3에서 시간에 따른 실시간 측정 수질 pH, 수위 값을 나타낸 것이고, 도 6(e)는 관정 YP3에서 시간에 따른 실시간 측정 수질 EC(전기전도도), 수위 값을 나타낸 것이며, 도 6(f)는 관정 YP3에서 시간에 따른 실시간 측정 수질 온도, 수위 값을 나타낸 것이다.

Claims

지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템으로서,
지중의 지하수 유로 내에 배치되어 내부로 지하수가 유입되는 관정;
관정으로부터 양수된 지하수 및 유기 탄소원의 혼합물을 관정 내의 지하수에 공급하는 1 이상의 주입정; 및
관정 내의 지하수의 질산성 질소의 저감률을 측정하는 2 이상의 관측정;을 포함하고,
상기 주입정은,
관정으로부터 지하수를 양수하는 양수조;
양수된 지하수와 유기 탄소원을 혼합하는 교반조;
지하수와 유기 탄소원의 혼합물을 주입조로 이송하는 이송조; 및
상기 지하수와 유기 탄소원의 혼합물을 관정 내 지하수에 공급하기 위한 주입조;를 포함하며,
상기 교반조에서 유기 탄소원의 주입량은 하기 식 1에 따라 산출되며,
상기 지하수와 유기 탄소원의 혼합물은 암반층 내의 포화대수층에 공급되는,지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템:
[식 1]

상기 식 1에서,
D_carbon= 유기 탄소원 주입량 (mg)
C/N = 최적화된 탄소/질소 반응비 (2~10)
C = 유기 탄소원의 농도를 C의 값으로 환산한 값
N = NO₃의 농도를 N의 값으로 환산한 값
C_{NO3, background} = 초기 지하수 내 NO₃-N의 평균 농도 (mg/L).
제1항에 있어서,
상기 유기 탄소원은 아세테이트, 푸말산 및 숙신산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템.
제1항에 있어서,
상기 관측정은 자동 수질 다항목 측정 센서를 포함하고,
상기 자동 수질 다항목 측정 센서는 관정 내 지하수의 ORP(Oxidation Reduction Potential), pH, 전기전도도(EC), DO(Dissolved Oxygen), 온도 및 질산성 질소 농도 중 적어도 하나 이상을 감지하며,
상기 자동 수질 다항목 측정 센서는 탈질 미생물 개체수, 탈질 효소 유전자(narG, napA, nirS, nirK, nosZ), Fe 이온, NO₂ ^-, N₂O, T-N 및 TDS로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 더 감지하는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템.
제1항에 있어서,
상기 관측정으로부터 지하수를 채취하는 채수부; 및
채수부에서 채취된 시료를 보관하는 시료보관부;를 더 포함하는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템.
제4항에 있어서,
상기 채수부에서, 미리 설정된 시기에 자동으로 지하수 채취가 시작되고, 미리 설정된 주기마다 지하수가 자동으로 채취되며,
상기 시료보관부는 PID 온도 제어 기능을 이용하여 시료의 온도가 4℃가 되도록 유지되고,
상기 시료 보관부에서 미생물 활성도, 성장도, 탈질 미생물 개체수 및 탈질 효소 유전자(narG, napA, nirS, nirK, nosZ)를 포함하는 미생물학적 분석이 이루어지는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템.
제1항에 있어서,
모니터링부;를 더 포함하고,
상기 모니터링부는, 지하수 내 ORP(Oxidation Reduction Potential), pH, 전기전도도(EC), DO(Dissolved Oxygen), 온도 및 질산성 질소 농도 중 적어도 하나 이상의 데이터를 표시하는 디스플레이부; 및
상기 관측정에서 측정한 데이터를 상기 디스플레이부로 전송하는 통신 모듈;을 포함하는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템.
제1항에 있어서,
상기 주입정 및 관측정 중 하나 이상에 연결된 태양광 전원부;를 더 포함하는, 지하수 내 질산성 질소 자연저감 촉진 및 모니터링 시스템.