Most researches on bubble plume are mainly focused on the physical destratification process (Kim et al, 2006; Yum et al., 2004; Asaeda et al., 1993; Schladow et al., 1993) and variations of water quality indicators such as T-N, T-P and DO (Heo et al., 2004 Jungo et al., 2001; Arfi et al, 2001) in reservoir. However, the research to confirm the relationship between physical factor of bubble plume and algal growth was barely performed.
The research on algal growth inhibition related to turbulence has been mainly focused on Dinoflagellate in ocean. And this phenomenon has been simulated in conditions of simple Couette flow and shaking (Juhl et al., 2001,2002; Moeseneder, 1995; Thomas et al, 1990).
In this study, turbulence were induced by aeration using bubble diffuser and Cyanobacteria, which cause harmful algal bloom in reservoirs and lakes, were considered as a target to reduce.
In order to explain the mechanism of algal growth inhibition by air diffusing, physical factors such as turbulence intensity(I), turbulent kinetic energy(TKE) and turbulent energy dissipation rate(ε) were selected and correlated to algal concentrations in laboratory- and pilot-scale tank.
The result showed that turbulent energy dissipation rate(ε) has the best correlations with algal growth inhibition rate $(R^2=0.9146)$ among those factors.
Therefore, a relationship between algal growth inhibition and turbulent energy dissipation rate for Cyanobacteria was studied in various conditions of air diffuser system. In this experimental study, starting time of air diffusion was controlled according to algal concentration at 0, 10 and 20㎍/ℓ. Duration of air diffusion and light condition were also controlled. The first case was full day-air diffusion with 12hr of dark period and 12hr light period. The second case was 12hr-air diffusion with light condition. The third case was 12hr-air diffusion with dark condition.
In cases with 24hr-aeration, the inhibition rate of initial aeration was 1.6 times greater than those of cases that aeration started at 10 and 20㎍/ℓ of chlorophyll-a concentration. Similar results were obtained in 12hr-aerations. This is because the increase of viscosity due to Cyanobacteria colony makes additional resistance to water flow induced by bubble plume. The initial aeration is the most effective. In case of aeration after formation of colony, greater intensity of flow is needed to achieve the same inhibition rate with initial aeration.
The inhibition rate of 12hr-air diffusion with dark condition was at least 3 times higher than that of 12hr-air diffusion with light condition irrespective of aeration starting time. This result shows that Cyanobacteria are more stressed in respiration period than in photosynthesis period by same strength of the flow.
To further analyze and develop the algal inhibition model with air diffusing, I tried to induce a non-dimensional variables related to turbulent energy dissipation using Buckingham`s π theorem. Interestingly, a relationship between turbulent energy dissipation and $M_H$ which is a conventionally used in bubble plume was found as shown below; $\{\frac{\epsilon}{upsilon_s g}=\int(M_H)\}$
Therefore, algal growth inhibition model for Cyanobacteria using $M_H$ was developed to introduce a guideline on air diffusing system in reservoir.
Under 24hr-aeration condition, the developed model are shown below;
Algal inhibition rate(%) = $15.807Ln(M_H)$ + 43.689 (initial aeration)
Algal inhibition rate(%) = $10.791Ln(M_H)$ + 37.145 (chl-a 10㎍/ℓ aeration)
Algal inhibition rate(%) = $11.149Ln(M_H)$ + 30.641 (chl-a 20㎍/ℓ aeration)
The determination coefficients $(R^2)$ of correlation curves between $M_H$ and inhibition rate for initial aeration case, chl-a 10㎍/ℓ aeration case and chl-a 20㎍/ℓ aeration cases were 0.9133, 0.9556 and 0.9442, respectively. Other cases also showed good correlations with over $R^2$ of 0.8.
부영양화와 관련한 연구들은 수리적 측면에서 탈성층에 대한 연구(Kim et al, 2006; Yum et al., 2004; Asaeda et al., 1993; Schladow et al., 1993; Tsujimura, 2004)가 대부분이며, 수질적 측면에서도 현장측정을 통한 총질소(TN), 총인(TP), 온도, 용존산소(DO) 등의 수질인자에 대한 변화 등을 분석한 연구(Heo et al., 2004; Jungo et al., 2001; Arfi et al, 2001)가 대부분이며, 폭기 시 물리적 영향인자에 대한 조류생성과의 관계를 규명하는 연구는 거의 없는 실정이다. 또한 난류와 관련된 조류제어 연구는 주로 해양분야에서 적조발생과 관련하여 적조 발생의 원인종인 편모조류를 대상으로 Simple Couette Flow, Shaking 등을 이용하여 난류가 조류성장에 미치는 연구(Juhl et al., 2001, Moisander, 2002; Moeseneder, 1995; Thomas et al, 1990)가 주를 이루고 있다. 따라서, 본 연구에서는 호소의 부영영화 발생의 원인종인 남조류를 대상으로 하였으며, 유체의 흐름은 Air-bubble를 이용하여 난류를 발생시켰다. 조류성장저해율은 면적법을 이용하여 구하였으며, 조류성장저해율에 영향을 미치는 영향인자로는 난류의 특성을 가장 잘 설명할 수 있는 난류강도(Turbulence Intensity), 난류운동에너지(Turbulent Kinetic Energy) 및 난류에너지 소산율(Turbulent Energy Dissipation Rate)을 선택하였고, 여기에 Air-bubble에 의한 폭기량, 기포의 슬립속도 및 실험조의 높이 등을 적용할 수 있는 무차원변수인 MH를 각각 선택하였다. 이들 변수에 대하여 조류성장저해율과의 상관관계를 분석하였다. 난류에너지 소산율과 조류성장저해율이 가장 큰 상관관계(R2=0.9146)가 있는 것으로 분석되었고, 무차원 변수인 MH의 도입을 위하여 Buckingham의 π-정리를 이용하여 난류에너지 소산율과 무차원 변수(MH) 사이의 관계를 정의하였다. 무차원 변수(MH)에 대하여 초기 폭기, chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ 일 때 폭기, chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때 폭기 등 폭기시점에 따른 조류성장 제어 모델을 각각 개발하였다. 전일 폭기의 경우, 초기 폭기의 효과가 chlorophyll-a 농도가 각각 10㎍/ℓ, 20㎍/ℓ에서 폭기를 한 경우보다 약 1.6배정도 효과가 큰 것으로 분석되었고, 무광시간대(Dark)에 간헐 폭기를 했을 경우가 유광시간대(Light)에 폭기를 한 경우보다 그 효과가 큰 것으로 분석되었다. 이는 본 연구에서 사용된 남조류는 군체를 형성하는 특징이 있기 때문에 chlorophyll-a 농도가 고농도이면 군체형성에 의한 점성의 증대로 유체의 흐름에 대한 저항이 커지기 때문에 군체의 형성정도에 따라 폭기의 효과가 확실히 차이가 있으므로 초기에 폭기가 효과적이며 군체가 형성된 후에는 더 큰 강도의 흐름이 필요하다는 것을 규명하였다. 24시간 전일 폭기 시 폭기시점에 대한 모델식은 초기의 경우는 R2이 0.9133(p<0.001)로써 매우 유의한 수준의 결과를 도출하였으며, chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ 일 때 폭기와 chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때 폭기하였을 경우, 각각 R2은 0.9556(p<0.001), 0.9442(p<0.001)로써 매우 유의한 수준의 결과를 도출하였다. 유광시간대(Light, 12시간)에서의 간헐 폭기 시에도 초기 폭기와 chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ, chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때 폭기하였을 경우에 각각 0.8991, 0.9534, 0.9852로 매우 유의(p<0.001)하였다. 또한 무광시간대(Dark, 12시간)에서의 간헐 폭기의 경우에는 초기 폭기와 chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ, chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때 폭기하였을 경우에 각각 0.9882, 0.8055, 0.9370으로 매우 유의(p<0.001)한 모델식을 도출하였다. 또한, 전일(24시간) 폭기와 함께 간헐 폭기 즉, 유광시간대(Light) 12시간 폭기 및 무광시간대(Dark) 12시간 폭기 등 폭기빈도에 따른 조류성장 제어 모델을 각각 개발하였다. 초기 폭기 시 폭기빈도에 대한 조류성장저해율은 무광층시간대(Dark)에 폭기를 한 경우가 비교적 효과가 큰 것으로 분석되었다. chlorophyll-a 농도가 각각 10㎍/ℓ, 20㎍/ℓ에서 폭기한 경우에는 전일 폭기 시가 최대 약 4배의 제어효과가 있는 것으로 분석되었다. 특히, 무광시간대(Dark)에서의 폭기가 유광시간대(Light)에서의 폭기보다 최대 약 3배정도 조류성장을 억제할 수 있는 것으로 분석되었다. 이는 유체의 유동이 조류의 성장률에 큰 영향을 미치며, 유체의 흐름에 의한 조류성장저해는 광합성에 의한 조류성장이 활발한 유광시간대보다는 성장이 둔화된 호흡과정인 무광시간대에서의 폭기가 세포분열에 더 큰 영향을 미치기 때문이다. 초기 폭기 시 폭기빈도에 대한 조류성장 제어 모델은 24시간 전일 폭기의 경우에는 R2이 0.9882(p<0.001), 무광시간대(Dark)에서의 폭기와 유광시간대(Light)에서의 폭기의 경우가 각각 R2이 0.9938, 0.8991로 매우 유의(p<0.001)한 결과를 나타내었다. chlorophyll-a 농도가 10㎍/ℓ 일 때 폭기를 하였을 경우에도 각각 R2이 0.9632, 0.8055, 0.9534로 분석되었고, chlorophyll-a 농도가 20㎍/ℓ 일 때 폭기를 하였을 경우에도 각가 R2이 0.9756, 0.9370, 0.9952로 매우 유의(p<0.001)한 모델식을 구성하였다.
