수 처리용 소독법에는 염소 및 오존을 이용하는 화학적 방법과 자외선 또는 고전압 임펄스를 사용한 물리적 방법으로 구분할 수 있다. 염소 소독은 잔류성 및 경제성으로 인해 공공용수의 소독에 널리 사용되고 있다. 그러나 염소를 사용하는 소독은 트리할로메탄 (Trihalomehanes), 할로아세트산(Haloacetic acids)과 같은 독성 소독 부산물을 생성할 수 있다. 오존은 강력한 산화력으로 소독효율이 높으며 유기물질도 쉽게 산화시킬 수 있는 장점이 있으나, ...
수 처리용 소독법에는 염소 및 오존을 이용하는 화학적 방법과 자외선 또는 고전압 임펄스를 사용한 물리적 방법으로 구분할 수 있다. 염소 소독은 잔류성 및 경제성으로 인해 공공용수의 소독에 널리 사용되고 있다. 그러나 염소를 사용하는 소독은 트리할로메탄 (Trihalomehanes), 할로아세트산(Haloacetic acids)과 같은 독성 소독 부산물을 생성할 수 있다. 오존은 강력한 산화력으로 소독효율이 높으며 유기물질도 쉽게 산화시킬 수 있는 장점이 있으나, 브롬산염(bromate)과 같은 발암성 소독 부산물이 생성될 가능성이 있다. 따라서 염소나 오존을 이용한 화학적 소독은 독성 및 발암성을 가진 소독 부산물의 잠재적 생성에 항상 주의를 기울여야 하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 UV-LED (Light-emitting diode)를 이용하여 소독법으로 활용하였다. UV-C 영역의 275nm 파장을 발광하는 UV-LED 소독 장치를 제작하여 대장균(E. coli)을 소독하면서 UV-LED의 중요한 운전 인자인 자외선 조사강도(UVintensity)와 접촉시간(contact time)이 미생물 소독에 미치는 영향을 파악하고 이를 정량화하고 수식화하는 모델링을 수행하였다. UV-LED 조사강도는 1.7 – 8.4 mW/cm2, 접촉시간은 0 - 240 min, 초기균체량은 101 - 106 CFU/ml로 변화시켜가며 접촉시간에 따라 대장균의 개체 수를 측정하였다. UV-LED 소독 장치로 회분식 소독을 수행하여 조사강도 1.7 mW/cm2에서는 접촉시간 90분에 99.87% 소독효율을 보였고, 조사강도 5.1 mW/cm2에서는 접촉시간 60분에 99.99%, 조사강도 8.4 mW/cm2에서는 접촉시간 35분에 99.99% 소독효율을 보였다. 연속식 반응조를 운영하여 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time)과 UV-LED 조사강도가 소독에 미치는 영향을 살펴보았다. HRT는 0.267, 0.4, 0.8 min로 변화시켜가며 소독효율을 관찰하였다. 조사강도 8.4 mW/cm2일 때는 각각 8.9, 32.8, 96.6%의 소독효율을 보였다. 그러나 2-log(99%) 이상 미생물 사멸에 도달하기 위해 UV-LED의 조사강도를 17 mW/cm2로 증가하면 각각 94.6, 96.8, 99.1% 소독효율을 보였다. 조사강도가 25 mW/cm2일 때는 각각 96.8, 99.4, 99.98% 소독효율을 보였다. 조사강도가 34 mW/cm2로 증가하면 각각 99.1, 99.7, 99.99% 소독효율을 보였다. UV-LED 소독 장치가 어떤 반응기 모델을 따르는지 확인하기 위해 완전혼합반응기 모델(CSTR)과 플러그흐름 반응기 모델(PFR)의 소독 성능을 비교하였다. CSTR 반응기의 대장균 농도, , PFR 반응기의 대장균 농도, 식을 이용하였다. UV-LED 소독 실험값과 두 모델식의 값을 비교한 결과, PFR 모델식이 CSTR 반응기보다 실험값에 더욱 근접하였다. 결국 UV-LED 소독장치는 PFR 반응기 모델을 통해 해석하는 것이 적합함을 확인하였다. 본 연구의 UV-LED 소독 장치를 활용한 대장균 소독의 반응차수를 구하였다. 초기균체량은 104 CFU/ml인 대장균을 90분 소독하고 미분법과 적분법 두 가지 방법으로 반응차수를 구하였다. 미분법을 이용한 경우 반응차수, n은 1.1로 1차 반응과 유사하게 거동함을 확인할 수 있었다. 또한, 적분법을 사용하여도 1차 반응임을 재확인하였다. 따라서 UV-LED 소독은 대장균의 사멸반응은 1차 반응으로 간주할 수 있다. 대장균의 소독효율에 대한 조사강도(I)와 접촉시간(t)의 상관관계식을 도출하였다. I1.2 = 460으로 나타났다. 이 식은 UV-LED의 소독 실험 수행으로 인해 시간에 따른 미생물 소독효율이 99.99% 감소 할 때 필요한 접촉시간(t) 과 조사강도(I)를 정량적으로 나타낸 식이다.
수 처리용 소독법에는 염소 및 오존을 이용하는 화학적 방법과 자외선 또는 고전압 임펄스를 사용한 물리적 방법으로 구분할 수 있다. 염소 소독은 잔류성 및 경제성으로 인해 공공용수의 소독에 널리 사용되고 있다. 그러나 염소를 사용하는 소독은 트리할로메탄 (Trihalomehanes), 할로아세트산(Haloacetic acids)과 같은 독성 소독 부산물을 생성할 수 있다. 오존은 강력한 산화력으로 소독효율이 높으며 유기물질도 쉽게 산화시킬 수 있는 장점이 있으나, 브롬산염(bromate)과 같은 발암성 소독 부산물이 생성될 가능성이 있다. 따라서 염소나 오존을 이용한 화학적 소독은 독성 및 발암성을 가진 소독 부산물의 잠재적 생성에 항상 주의를 기울여야 하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 UV-LED (Light-emitting diode)를 이용하여 소독법으로 활용하였다. UV-C 영역의 275nm 파장을 발광하는 UV-LED 소독 장치를 제작하여 대장균(E. coli)을 소독하면서 UV-LED의 중요한 운전 인자인 자외선 조사강도(UV intensity)와 접촉시간(contact time)이 미생물 소독에 미치는 영향을 파악하고 이를 정량화하고 수식화하는 모델링을 수행하였다. UV-LED 조사강도는 1.7 – 8.4 mW/cm2, 접촉시간은 0 - 240 min, 초기균체량은 101 - 106 CFU/ml로 변화시켜가며 접촉시간에 따라 대장균의 개체 수를 측정하였다. UV-LED 소독 장치로 회분식 소독을 수행하여 조사강도 1.7 mW/cm2에서는 접촉시간 90분에 99.87% 소독효율을 보였고, 조사강도 5.1 mW/cm2에서는 접촉시간 60분에 99.99%, 조사강도 8.4 mW/cm2에서는 접촉시간 35분에 99.99% 소독효율을 보였다. 연속식 반응조를 운영하여 수리학적 체류시간(Hydraulic Retention Time)과 UV-LED 조사강도가 소독에 미치는 영향을 살펴보았다. HRT는 0.267, 0.4, 0.8 min로 변화시켜가며 소독효율을 관찰하였다. 조사강도 8.4 mW/cm2일 때는 각각 8.9, 32.8, 96.6%의 소독효율을 보였다. 그러나 2-log(99%) 이상 미생물 사멸에 도달하기 위해 UV-LED의 조사강도를 17 mW/cm2로 증가하면 각각 94.6, 96.8, 99.1% 소독효율을 보였다. 조사강도가 25 mW/cm2일 때는 각각 96.8, 99.4, 99.98% 소독효율을 보였다. 조사강도가 34 mW/cm2로 증가하면 각각 99.1, 99.7, 99.99% 소독효율을 보였다. UV-LED 소독 장치가 어떤 반응기 모델을 따르는지 확인하기 위해 완전혼합반응기 모델(CSTR)과 플러그흐름 반응기 모델(PFR)의 소독 성능을 비교하였다. CSTR 반응기의 대장균 농도, , PFR 반응기의 대장균 농도, 식을 이용하였다. UV-LED 소독 실험값과 두 모델식의 값을 비교한 결과, PFR 모델식이 CSTR 반응기보다 실험값에 더욱 근접하였다. 결국 UV-LED 소독장치는 PFR 반응기 모델을 통해 해석하는 것이 적합함을 확인하였다. 본 연구의 UV-LED 소독 장치를 활용한 대장균 소독의 반응차수를 구하였다. 초기균체량은 104 CFU/ml인 대장균을 90분 소독하고 미분법과 적분법 두 가지 방법으로 반응차수를 구하였다. 미분법을 이용한 경우 반응차수, n은 1.1로 1차 반응과 유사하게 거동함을 확인할 수 있었다. 또한, 적분법을 사용하여도 1차 반응임을 재확인하였다. 따라서 UV-LED 소독은 대장균의 사멸반응은 1차 반응으로 간주할 수 있다. 대장균의 소독효율에 대한 조사강도(I)와 접촉시간(t)의 상관관계식을 도출하였다. I1.2 = 460으로 나타났다. 이 식은 UV-LED의 소독 실험 수행으로 인해 시간에 따른 미생물 소독효율이 99.99% 감소 할 때 필요한 접촉시간(t) 과 조사강도(I)를 정량적으로 나타낸 식이다.
Disinfection for water treatment can be divided into chemical and physical methods; chemical disinfection uses chlorine or ozone whereas the physical method includes UV-irradiation or induction of high voltage impulses. UV disinfection has advantages such as efficient control of microorganisms by si...
Disinfection for water treatment can be divided into chemical and physical methods; chemical disinfection uses chlorine or ozone whereas the physical method includes UV-irradiation or induction of high voltage impulses. UV disinfection has advantages such as efficient control of microorganisms by simple irradiation. However, conventional UV lamps contain mercury, which adversely affects the environment as they are disposed of, moreover, their lifespan is relatively short. Recently, attention to disinfection by UV-LED is increasing. However, studies on the kinetic approaches, which are essential to design a water disinfection process using UV-LEDs are insufficient yet. In this study, UV-LEDs emitting 275 nm were integrated and modulated to disinfect a model microorganism, E. coli The purpose of this study was to investigate the effect of UV intensity (I) and contact time (t) on disinfection efficiency and to suggest a correlation equation between I and t. Disinfection efficiencies for batch experiments had been monitored for 240 minutes as the UV intensity was varied from 1.7 to 8.4 mW/cm2 and the initial counts were varied from 101 to 106 CFU/ml. The disinfection efficiency was 99.87% under the condition of 1.7 mW/cm2 of UV intensity and 90 minutes of contact time. It was increased to 99.99% at the contact time of 60 minutes as the I increased 5.1 mW/cm2. And 99.99% of disinfection efficiency was achieved for only 35 minutes of contact time as the I increased to 8.4 mW/cm2. The effect of HRT (Hydraulic Retention Time) and I on disinfection efficiency was investigated by running continuous reactors such as CSTR and PFR. As the HRT increased from 0.267 to 0.4 and 0.8 min. under the condition of 8.4 mW/cm2, the disinfection efficiencies were 8.9, 32.8, and 96.6% respectively. As the I was increased to 17 mW/cm2, the disinfection was jumped to 94.6, 96.8, and 99.1% at the sane HRT. As I was reached 25 mW/cm2, the disinfection efficiencies were maximized, i.e., 99.1, 99.7, and 99.99% at the sane HRT. To determine the UV-LED disinfection module follows what kind of reactor model, disinfection performances of CSTR(Complete stirred tank reactor) and PFR(Plug flow reactor) were compared. The expressions of biomass concentration leaving the reactor in CSTR and PFR were and , respectively. It was found that the disinfection data of the UV-LED module followed closer to PFR than the CSTR model. Based on kinetic analysis of the disinfection data, the overall reaction was found to be 1st order. As the UV intensity increased from 1.7 mW/cm2 to 8.4 mW/cm2, the disinfection action rate constant (k) increased accordingly. The correlation between I and t to get more than 99.99% of disinfection using UV-LED was found to be I1.2 = 460, which means that the product of UV intensity and contact time requiring 4-log-removals is always constant.
Disinfection for water treatment can be divided into chemical and physical methods; chemical disinfection uses chlorine or ozone whereas the physical method includes UV-irradiation or induction of high voltage impulses. UV disinfection has advantages such as efficient control of microorganisms by simple irradiation. However, conventional UV lamps contain mercury, which adversely affects the environment as they are disposed of, moreover, their lifespan is relatively short. Recently, attention to disinfection by UV-LED is increasing. However, studies on the kinetic approaches, which are essential to design a water disinfection process using UV-LEDs are insufficient yet. In this study, UV-LEDs emitting 275 nm were integrated and modulated to disinfect a model microorganism, E. coli The purpose of this study was to investigate the effect of UV intensity (I) and contact time (t) on disinfection efficiency and to suggest a correlation equation between I and t. Disinfection efficiencies for batch experiments had been monitored for 240 minutes as the UV intensity was varied from 1.7 to 8.4 mW/cm2 and the initial counts were varied from 101 to 106 CFU/ml. The disinfection efficiency was 99.87% under the condition of 1.7 mW/cm2 of UV intensity and 90 minutes of contact time. It was increased to 99.99% at the contact time of 60 minutes as the I increased 5.1 mW/cm2. And 99.99% of disinfection efficiency was achieved for only 35 minutes of contact time as the I increased to 8.4 mW/cm2. The effect of HRT (Hydraulic Retention Time) and I on disinfection efficiency was investigated by running continuous reactors such as CSTR and PFR. As the HRT increased from 0.267 to 0.4 and 0.8 min. under the condition of 8.4 mW/cm2, the disinfection efficiencies were 8.9, 32.8, and 96.6% respectively. As the I was increased to 17 mW/cm2, the disinfection was jumped to 94.6, 96.8, and 99.1% at the sane HRT. As I was reached 25 mW/cm2, the disinfection efficiencies were maximized, i.e., 99.1, 99.7, and 99.99% at the sane HRT. To determine the UV-LED disinfection module follows what kind of reactor model, disinfection performances of CSTR(Complete stirred tank reactor) and PFR(Plug flow reactor) were compared. The expressions of biomass concentration leaving the reactor in CSTR and PFR were and , respectively. It was found that the disinfection data of the UV-LED module followed closer to PFR than the CSTR model. Based on kinetic analysis of the disinfection data, the overall reaction was found to be 1st order. As the UV intensity increased from 1.7 mW/cm2 to 8.4 mW/cm2, the disinfection action rate constant (k) increased accordingly. The correlation between I and t to get more than 99.99% of disinfection using UV-LED was found to be I1.2 = 460, which means that the product of UV intensity and contact time requiring 4-log-removals is always constant.
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