환경시스템분석 기말고사

1. 환경시스템분석기말고사

2. 1. Streeter-Phelps, Modified Streeter-Phelps, Linear DO Balance, Eutrophication등의 모형에 있어서 주 모델링 항목은 무엇인가?

3. Streeter-Phelps : BOD, DO : 주 수질 변수 • Modified Streeter-Phelps : CBOD, NBOD, DO, SOD • Linear DO Balance (선형 DO 평형) : CBOD, NH3-N, NO2-N, NO3-N, PO4-P, DO • Eutrophication : CBOD, Org-N, NH3-N, NO2-N, NO3-N, Org-P, PO4-P, Phytoplankton(Chl-a) 강의 수질 모델링은 1925년 오하이오강의 용존산소 농도에 대한 Streeter-Phelps 식에서부터 시작되었다. 그 이후, 많이 발전되어, 더욱 세부적이고 현실적인 과정을 가진 모델링이 가능하게 되었다.

4. 2. 하천에서의 오염물질의 물질이동식을 플러그유동시스템을 가정하여 유도하고, 정상상태의 경우의 해를 구하여라.BOD분해능 계수를 실험실과 현장의 자료를 해석하여 산정하는 방법을 설명하라.

5. 일반 오염물질은, 흐름이 오염원으로부터 즉시 오염물질을 제거하기 때문에, 강과 하천에 배출된다. 그래서 흐르는 물에서 부영양화는, 호수와 비교할 때 그다지 큰 문제가 아니다. 그림 6.1의 하천의 일부 구간의 검사체적에 대하여 물질평형식을 적용한다. 그림 6.1 검사 체적 증가량과 하천을 통과하는 유동에 대한 그림.

6. 실험실에서는 일정시간 간격을 두고 BOD의 변화를 측정하여 탈산소계수를 구할 수가 있다. 이 자료를 이용하여 탈산소계수를 구하는 방법으로서는 Least Square Method, Slope Method, Moment Method, General Laboratory Method 및 Simple Graphic Method 등이 있다. 이 중에서 General Laboratory Method와 Simple Method를 이용하여 K1을 구했더니 General Laboratory Method법 쪽이 매우 적합한 방법이라는 것을 알 수 있었다. • General Laboratory Method는 Syracus 대학을 위시하여 각 실험실에서 실제로 응용되고 있는 방법이다. BOD 측정결과를 반대수지위에 도시하는 것으로써 종축에 BOD를 횡축에 시간을 취하여 직선회귀방정식을 구하여 탈산소계수를 구한다. 이 방법을 이용하는 데 있어서는 식수초기에 BOD L0를 우선 결정하고 식수의 BOD의 경일 변화를 시간에 대해서 도시한다.

7. 횡단 면적(A)에 길이 증가량( )을 곱하여 부피 증가량 을 얻는다. 검사 체적의 상류로 유입하는 물질 이동은 이며, 검사 체적을 통과한 질량은 이다 정류와 일정한 단면적 조건의 경우의 반응에 의하여 검사체적에서의 농도 변화가 일어난다. 만약 흐름이 충분히 빠르다면, 플러그 유동 시스템으로 하천을 모델링할 수 있다. 우리는 이 가정을 제 2장에 제시되어 있는 Peclet와 반응 번호를 통하여 확인할 수 있다.

8. 여기서, V는 검사 체적의 부피이며, C 는 농도, Q 는 유량, 는 반응속도이다. 식(2)는 정류 유동( ) 조건에 대하여 기술된다 • 일정한 속도와 부피 증가량을 요구하는, 일정한 횡단면적( )을 가정하자. 부피 증가량이 일정함으로, 검사 체적( )으로 나누면 다음과 같다.

9. 만약 인 극한을 취하면, 공간과 시간에 대한 편미분 방정식을 얻는다 는 평균 하천 유속( )과 같기 때문에, 우리는 식(5)를 반응을 포함하여, 일반적인 플러그 유동식으로 쓸 수 있다. 정상 상태에서, 시간에 대한 농도변화는 0이며, , 식(5)를 하천에 대한 정상 상태 상미분 식으로 표현하면 다음과 같다.

10. 또는 적분식으로 다음과 같이 나타낼 수 있다. 식(6)에서의 반응이 1차 소멸 반응, 을 가정한다. 여기서 k는 1차 반응 소멸 상수(T-1)이다. 변수분리법으로 상미분 방정식 (8)을 풀 수 있다. 독립 변수(C)를 식의 왼쪽으로 이항하고 독립 변수를 오른쪽으로 이항하여 하천 거리 함수로서 농도를 구하기 위하여 적분할 수 있다.

11. 정확한 적분은 일 때의 C농도( )에서부터 하류 농도 (C)까지, 그리고 x=0에서부터 임의의 하류 거리 x까지의 거리 간격으로 설정되었다. 적분하면 다음과 같이 식(10)과 식(11)을 얻을 수 있다. 양변에 지수를 취하면, 다음과 같다. 는 원점 x=0에서의 농도이다. 방정식 (12)의 해는 1차 소멸 지수함수이며, 여기에서의 독립변수가 거리(x)와 실시간이 아닌 이동시간( )이라는 것을 제외하면, 방사성 동위원소 소멸과 유사하다.

12. 3. 다음과 같은 경우에 대하여 선형회귀분석 방법을 적용하여 BOD 분해능 계수를 평가하라.

13. 만약 하천의 평균 속도가 0.4 ms-1이고 농도장의 현장 측정치가 아래와 같다면, 일 때, 폐수 배출수 하부의 BOD 분해에 대한 현장 속도 상수를 추정하라. 샘플을 채취한 km 지점에서의 최종 BOD 농도가 주어져 있다.

14. 하천에서 BOD 분해에 대한 속도 상수를 구하기 위해 ln( ) 대 (이동 시간)의 그래프를 그려라. 자료와 결과가 그림 6.2에 그려져 있다.

16. 그림 6.2. (a) 하류 거리에 대한 BOD 자료(mg L-1) ; km (b) 산소제거 속도 상수에 대한,BOD 대 의 반대수 그래프 (c) 거리별 BOD에 대한 모델 결과와 현장 자료.

17. 1) 정상 상태, 거리에 따라 유동과 횡단면적이 증가, 1차 소멸 반응. 2) 정상 상태, 하천에서 거리의 함수에 따라 지수적으로 감소하는 속도 상수.(가장 분해되기 쉬운 물질은 배출 지점 근처에서 가장 빠르게 분해된다.) 4. 다음의 경우에 대해서 물질수지식을 전개하고, 시간의 함수로서 농도에 대하여 풀어라(적분하라).

18. a. 정상 상태, 거리에 따라 유동과 횡단면적이 증가, 1차 소멸 반응. • b. 정상 상태, 하천에서 거리의 함수에 따라 지수적으로 감소하는 속도 상수. (가장 분해되기 쉬운 물질은 배출 지점 근처에서 가장 빠르게 분해된다.)

19. 여기서 은 거리에 따른 유량, 면적, 분해속도 상수에 대한 지수함수 계수이다. a. 정상 상태 조건식 (20)을 이용하여라.

21. 1차 소멸 반응(지수적으로 증가하는 유동율과 면적을 포함하는)에 대한 해는 거리 ( )에 따라 지수적으로 감소하는 함수이지만, 농도 대 그래프의 정확한 형태는 와 (a-q)에 달려있다. b. 이 경우의 해는 다음과 같다.

22. 1차 소멸 반응(지수적으로 증가하는 유동율과 면적을 포함하는)에 대한 해는 에 따라 농도가 감소하지만, 감소 속도는 거리에 따라 반응 속도 상수가 감소하기 때문에 느려진다.

23. 5. ,, 인 경우 플러그 유동 시스템에 대하여 물질이동식을 유도하고 정상상태에 대하여 해를 구하라.

24. 본 문제는 이동 거리에 따라 유량, 단면적, 반응계수가 변하는 경우의 물질이동식 및 해에 대한 문제이다. 따라서 다음과 같이 물질이동식을 유도하고 그 해를 구하였다. • 여기서 우변의 두 번째 항은 요소 검사 체적( )과 수정된 외부 농도( )로부터 증가된 유출량의 생성물인, 유출 질량이다.

25. 일정한 부피 시스템(정상류)에 대하여, 위 방정식의 좌변의 첫째 항은 0 ( )이므로, 검사체적 증분( )으로 나누면 다음 식을 얻을 수 있다.

26. 위 식의 우변의 3번째 항은, 두 증가량의 변화의 곱이 식의 다른 항에 비해 작기 때문에, 무시된다고 가정한다. 최종 결과는 다음과 같이 나타낼 수 있다. • 방정식 (18)은 하천이나 강에서의 1차원 이동에 대한 일반적인 식이다. 모든 계수들이 거리와 시간의 함수이므로, 간단한 경우에는 결과식을 해석적으로 구할 수 있거나 특성법에 의해 수치적으로 구할 수 있다.

27. 정상 상태 조건에서, 편미분 방정식을 상미분 빙정식으로 바꿀 수 있다. • 위 방정식의 해는 다음과 같다.

29. 6. Streeter-Phelps 모형의 지배방정식을 서술하고 해를 유도하라. 임계거리 및 임계 용존산소부족농도에 대한 식을 유도하라.

30. 1925년에, Streeter and Phelps6는 오하이오강의 용존산소 “sag curve”에 관한 독창적인 연구를 발표하였다. 그들은 용존성 유기물의 생화학적 산소 요구량(BOD)의 분해 때문에 하류방향의 거리에 따라 용존 산소가 감소한다는 것을 설명할 수 있었으며, 그 현상을 설명하기 위하여 이후에Streeter-Phelps 식으로 잘 알려진, 수학적인 식을 제안하였다.

31. 탄소성 산소요구량의 산화는 비록BOD 농도7뿐만 아니라 산소 농도에 의존한다는 연구가 있었지만, 보통 1차 반응으로 기술된다. 일정한 속도의 하천과 정상상태 조건에 대하여, 방정식 (20)을 적용할 수 있으며, 1차 감소 반응으로 다시 쓰면 아래와 같다.

32. 용존 산소의 경우에, 방정식 (20)과 같이 직접 물질수지식으로 표현이 가능하다.

33. 식 (22)의 우변의 두 개 항은 하천에 있어서 서로 반대되는 과정, 탄소성 BOD로 인한 탈산소율과 재포기율을 나타낸다. 는 공기-물상의 경계면에서 대기 산소로부터 수체를 재폭기하기 위한 농도 추진력이다. 식 (22)는 D.O. 결핍 식(D)로 표현하는 것이 바람직하다.

34. D.O. 결핍이 산소 재폭기력(D.O. 농도와 부호가 반대이다.)과 같기 때문에, 식 (22)가 식 (23)으로 진행될 때, 탈산소항과 재폭기항의 부호가 변함을 주의하여라. • Streeter-Phelps 식을 재현하기 위하여, 식 (21)과 (23)의 연립해가 필요하다. 상미분 방정식으로 되어있지만, 식 (21)을 거리에 따라 BOD 농도 (L)에 대해 직접 풀 수 있고, L의 식을 식 (23)에 대입할 수 있기 때문에, 두 식은 분리되어 있다. • BOD 농도에 대한 식 (21)의 해가 아래와 같이 식 (25)와 (26)에 의해 주어져 있다.

35. 식 (26)을 식 (23)에 대입하면, 변수분리법이나 적분인자법으로 D.O.의 부족량를 구할 수 있다.

36. 식(27)은 종속변수(D)를 포함하는 모든 항은 좌변으로, 부하함수는 우변으로 재배열할 수 있다. 적분인자법을 이용하면, 식 (28)은 다음의 형태이다. 0과 간격에 대하여 해를 구하면,

37. 여기서, 는 적분인자; 는 부하 함수; y는 종속변수; t는 독립변수이다. 식 (28)과 (29)의 비교는 다음의 정의를 가능하게 한다. 식 (28)의 해는 식 (30)으로 주어지는 일반해로부터 결정될 수 있다.

38. 식 (34)는 1차원, 정상 상태, 플러그 유동 시스템에서, 점 오염원이 BOD를 배출한 이후의, 거리에 대한 용존 산소 부족량의 최종해이다. 또한, 부족량대신 용존 산소 농도[식 (22)]를 구할 수 있다. 그 해는 식 (34)의 해를 D 로 치환하여, 아래에 식 (35)로 주어져 있다. 식 (26)과 (34)는 미분식 (21)과 (23)에 대한 해이다. 미분식에 대한 가정적인 해들을 그림 6.3에 나타나 있다. 최종 BOD는 하류방향의 거리에 따라 지수함수 형태[식 (26)처럼]로 감소하리라고 예상된다. 용존 산소 부족 농도는 임계 거리( )에서, 최대 임계 부족량( )까지 증가하며, 그후 에 접근할수록 0에 가깝게 감소한다(식 (34)와 그림 6.3). 용존 산소 농도는 식 (35)와 그림 6.3에 제시된, 전형적인 "D.O. sag curve"와 같이 최소치까지 감소한 후 다시 증가한다. 결국 하천은 에서 점오염원으로부터 유입된 BOD를 재폭기함으로서 자체적으로 다시 정화된다.

39. 그림 6.3에서 보여준 바와 같이, 하천의 임의 지점에서, 탈산소율( )을 재폭기율( )과 비교할 수 있다. 배출 지점과 임계 거리 사이에서, BOD 농도가 상대적으로 크고, D.O. 부족량 (D)가 아직 최고점에 도달하지 않았기 때문에, 탈산소율은 재폭기율보다 크다. 임계 거리를 지나면( ), 재폭기율은 탈산소율보다 크며, 용존 산소 농도는 포화 농도( )에 접근한다. 임계 거리( )에서, 재폭기율은 탈산소율과 같으며, 산소 농도( )와 부족량( )의 변화량이 0인 최고치를 갖는다. 이 사실은 일 때, 식 (23)으로부터 보여줄 수 있다

40. 그림 6.3 Streeter-Phelps의 전형적인 D.O. sag curve, 위 : 최종 BOD 농도는 거리에 따라 지수적으로 감소한다. 중간 : D.O. 부족량은 하천내 탈산소율이 재폭기율과 같을 때, 최고점에 도달한다. 아래 : D.O. sag curve의 임계점은 거리가 일 때이다.

41. 7. 다음 그림과 같이 입자상 오염물에 의한 침전이 있는 경우에 대하여 BOD 분해와 DO의 재포기 과정을 포함한 현상에 대하여 관련된 그림과 지배식을 서술하고, DO 결핍농도에 대한 해를 상미분방정식의 적분인자법을 이용하여 구하여라. 적분인자법의 적용방법에 대하여 상세히 기술하라.

42. 식(63a)는 플러그-플로우 하천에 대한 질량평형식이고, 식(63b)은 그것의 용해에 관해 주어진 식이다. 식 (74a)에서 L을 가지고 치환함으로써, 적분요소법에 의해 풀 수 있다.

43. Streeter-Phelps 식(34)는 을 로 치환한 것을 제외하고는 유사한 식이다. DO 부족곡선의 기울기(DO "sag" 곡선)는 Streeter-Phelps와 비숫하지만, 하천에서 침전하는 동안 CBOD 농도는 배출점 가까이에서 매우 급격히 감소한다. 그림 6.5는 시간에 따른 CBOD의 바로 그 그래프로부터 측정한 값을 나타냈다. 두 개의 뚜렷하게 다른 기울기로부터 속도상수를 정의할 수 있다.

44. 8. 재폭기, 침전, 분해, 광합성, 호흡, 퇴적물산소요구량, 비점오염원이 있는 경우의 DO 모형의 모식도 및 관계된 식을 설명하라. DO 결핍농도의 해를 상미분방정식의 해법으로 자세히 구하여라.

45. 그림 6.6 DO 부족(D)의 모식도. CBOD (L), 질소에 의한 탈산소를 가지는(kn) NBOD, 탄소성 탈산소(kd), 재폭기(ka), CBOD의 침전(ks), 순 광합성(P-R), SOD(S).

46. DO 모형의 모식도를 그림 6.6에 나타냈다. 거기에서 우리는 DO 부족농도(D)에 관한 각각의 생성원과 감소원 항의 속성을 나타낼 수 있다. 만약 호흡이 광합성보다 크다면(밤의 조건), 순 광합성은 음수가 되고, 그 기간에 DO는 감소한다. 낮시간 동안에는 1차 생산력에 의한 산소의 생성이 호흡보다 크므로 용존산소가 증가한다. 정상 상태로 접근할수록 모형에서는 일 평균 값으로 함축된다. 물론, 임계조건(최악의 조건)에서는 때가 일출시간 전에 발생하기도 한다.

47. 9. 하구나 대규모 강인 경우의 확산을 포함하는 하천에 대하여 물질이동식을 서술하라. 정상상태의 조건에 대하여 1차원 물질이동식인 2계 상미분방정식의해를 경계조건을 고려하여 구하라.

48. 1) 하구나 대규모 강의 물질이동식 • BOD의 경우 다음과 같이 이류유송과 확산이동을 포함하는 일차원 물질이동식으로나타낼 수 있다. • 위 식의 단면적, 유량, 확산계수는 시간과 공간에 따라 변한다. • D.O. 결핍 방정식은 다음과 같다.

49. 2) 정상상태 조건에서 상미분방정식의 해 • (1) BOD 농도 • 정상상태 및 일정한(상수)계수의 조건하에서, 위의 식은 대규모 강(하천) 또는 하구에서의 BOD-D.O. 고갈에 대해 단순화하여 해석할 수 있다.

50. 위 식의 해석해는 일정한 계수를 가진 2차 선형 상미분방정식의 해석해이다. 그 식은 일반적인 (강제 함수가 없는) 2차 대수방정식 형태의 제차방정식이다: • 일반해는 다음과 같은 형태이다.