최근 들어 폐기물 처리 문제에 대한 관심이 급증하는 한편, 매립지 및 침출수에 의한 환경문제가 대두되고 잇는 가운데, 매립지 주위 지표수 및 지하수 등의 환경을 저해시키는 요인으로 매립지내 무기물 중 암모니아성 질소에 관한 심각성이 보고되어 있다. 이러한 침출수 및 암모니아성 질소에 의한 환경 문제의 심각성에 따라 본 연구는 매립지 침출수내 암모니아 생성 및 거동에 관한 수학적 모델을 모사, 적용하여 시간에 따른 암모니아 농도를 예측하고, 매립지내 질소화합물의 반응에 따른 종합적인 이해를 도모하고자 한다.
매립지내 암모니아는 매립지의 혐기성 환경으로 인해 질소 순환 메커니즘 중 주로 광물화(mineralization)에 의해 생성되는 것으로 알려져 있다. 기존 실험 결과에 의하면, 이러한 광물화 반응은 매립지 조기 안정화 기작 중 하나인 수분 주입 증가에 의해 가속되는 것으로 밝혀졌다.
이러한 수분 주입 증가의 매립지내 암모니아 농도에 대한 영향과 이에 따른 적합한 모델을 구하기 위하여 각각 다른 수분 주입율에 의해 운전된 기존 모의 매립조 실험에 관한 데이터를 이용하였으며, 그 결과에 의하면 수분주입이 증가함에 따라 매립지내 암모니아 농도가 시간에 따라 더욱 급속히 감소한 것으로 나타났다.
암모니아 농도를 예측하기 위한 모델을 도출하기 위하여 기존 매립지 모델 중 오염물질 이동 모델을 근거로 적용하였다. 이를 위하여 기본적으로 각 모형 매립조의 부피는 단일 균등 혼합 반응조이며, 각 반응조안의 폐기물과 수분은 균일하게 분포되었다고 가정하였다. 실제 암모니아 농도에 근접한 예측을 도모하고, 보다 적합한 수학적 모델을 선정하기 위하여 다양한 암모니아 생성율과 함께 오염물질 이동 모델을 근거로 한 straub et al.의 모델과 $G\ddot{o}n\ddot{u}ll\ddot{u}$모델이 적용, 비교되었다.
각 모델링 결과는 보다 정확한 침출수내 암모니아 농도 변화 예측의 가능성을 시사하였으며, 각각의 암모니아 생성율 가운데 암모니아 생성이 초기에 지연되다가 이후 최대 농도까지 급격히 증가한 후 서서히 감소하는 것을 바탕으로 한 further improved exponential decay generation rate가 실제 암모니아 농도 변화를 가장 정확하게 모사하였다.
암모니아 생성 함수의 각 상수들은 수분 주입율과 밀접한 관계를 맺고 있으며, 이는 자연로그 함수로 표현될 수 있다. 이로써 모델 구성 상수를 결정하는데 있어서 개별적인 실험 데이터에 의하지 않고, 단순히 기존 매립지 조건을 이용하여 모델을 구성할 수 있는 간단한 방법론이 제시될 수 있다.
한편 각 모델은 각 상수의 변화에 따라 매우 민감하게 결과를 산출하였으며, 특히 decay상수인 k의 영향이 절대적인 것으로 판명되었다. 따라서 잘못 추측된 상수로 인해 전체 예측치가 상당히 모도될 수 있으며, 나아가서 잘못 추정된 최대 농도 및 최대 농도 도달 시간, 허용한도 이하 도달시간 등오로 인해 부적절한 매립지 운영을 초래할 수 있다.
이상의 모델 비교를 통해 $G\ddot{o}n\ddot{u}ll\ddot{u}$ 모델이 매립지내 암모니아 농도 예측에 있어서 가장 적합하다는 것이 판명되었다. 이는 straub et al. 모델이 암모니아 생성율을 고정 상수로 가정하여 시간에 따른 변화를 반영할 수 없고, 암모니아 농도가 궁극적으로 0이 아닌 일정 농도에 접근한다고 가정한 반면, $G\ddot{o}n\ddot{u}ll\ddot{u}$모델은 시간에 따른 암모니아 생성율 변화를 예측할 수 있고, 궁극적인 암모니아 농도가 0으로 감소한다고 가정한데서 비롯된다. 결론적으로, 본 연구에서는 further improved exponential decay generation rate를 암모니아 생성 함수로 하는 $G\ddot{o}n\ddot{u}ll\ddot{u}$의 모델을 시간에 따른 매립지내 암모니아 농도 변화 예측 모델로 제시하는 바이다.
