Journal of Korean Society of Environmental Engineers (대한환경공학회지)

Korean Society of Environmental Engineers (대한환경공학회)
권호 표지

Application of a Numerical Model for the Prediction of Vertical Profiles of Electron Acceptors Based on Degradation of Organic Matter in Benthic Sediments

퇴적 유기물 분해과정에 따른 물질 거동 변화 예측을 위한 수치모델 적용

  • Choi, Jung-Hyun (Department of Environmental Science and Engineering, College of Engineering, Ewha Womans University) ;
  • Park, Seok-Soon (Department of Environmental Science and Engineering, College of Engineering, Ewha Womans University)
  • 최정현 (이화여자대학교 공과대학 환경학과) ;
  • 박석순 (이화여자대학교 공과대학 환경학과)
  • Published : 2005.02.28
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Abstract

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

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

Keywords

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