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문제 정의
- 본 연구에서는 하수처리수를 UV 소독한 후 여러가지 종류의 빛에 노출되었을 때 지표 미생물로 사용되는 total coliform (TO, fecal coliform (FC), Escherichia coli {E. coli)등이 어떻게 광회복되는 지를 비교 검토하여, 하수처리수의 재이용에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구는 하수처리수의 재이용을 위한 UV 소독의 적용성을 평가하기 위하여, 일반적으로 사용하는 저압형 UV 램프에 의한 소독 후 태양광, 형광등, 암실에서의 광회복(photoreactivation)과 재활 성 (reactivation)에 대해 실험하였으며, 그 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 광회복 실험조건은 1)태양광에 노출, 2)형광등 램프에 노출, 3)암실에 방치한 경 우로 구분하였으며 0, 60, 120, 180, 240, 480, 720, 1440분에 시료를 채취하여 미생물 농도를 측정하였다. 태양광에 노출시킨 경우는 UN 소독 후 수계나 용수로 등에서 태양광에 의한 광회복자료를 얻고, 재이용수가 농업용수로 사용되어 논이나 밭으로 관개될 때 미생물의 농도변화를 평가하기 위해서이었고, 형광등에 UV 소독수를 노출시킨 경우는 광회복에 기여한다고 알려진 가시광선이나 근적 외선에 대한 미생물의 농도변화를 알아보기 위해서 이다. 암실에 보관한 경우는 UV 조사 후 시간에 따라 미생물의 농도변화에 대한 평가와 더불어 태양광과 형광등에 노출시킨 실험의 대조구로 사용하였다.
제안 방법
- 암실 조건은 빛이 들어가지 않는 incubator안에 petri dish 28개를 배치한 후 22~25℃ 범위에서 실험하였다. 각 항목에 대한 UV 소독실험은 5 반복 이상 수행하여 평균값으로 사용하여 분석하였다.
- 실험 후 시료는 10℃의 냉암소에 보관하여 2시간 이내에 양평군에서 건국대학교 지역환경공학 연구실로 운반하여 실험하였다 (APHA, 1995). 광회복 실험조건은 1)태양광에 노출, 2)형광등 램프에 노출, 3)암실에 방치한 경 우로 구분하였으며 0, 60, 120, 180, 240, 480, 720, 1440분에 시료를 채취하여 미생물 농도를 측정하였다. 태양광에 노출시킨 경우는 UN 소독 후 수계나 용수로 등에서 태양광에 의한 광회복자료를 얻고, 재이용수가 농업용수로 사용되어 논이나 밭으로 관개될 때 미생물의 농도변화를 평가하기 위해서이었고, 형광등에 UV 소독수를 노출시킨 경우는 광회복에 기여한다고 알려진 가시광선이나 근적 외선에 대한 미생물의 농도변화를 알아보기 위해서 이다.
- UV 소독시설은 2개의 UV 램프가 직렬로 연결하는 구 조이다. 그러나, 실제 실험에서는 2개의 UV 램프 를 사용해본 결과 미생물이 완전히 제거되어 소독 수에서 검출되지 않았기 때문에 1개의 UV 램프만 을 사용하여 실험하였다. 석영관 안에 UV 램프를 배치하는 형식으로 되어 있고, UV 소독량을 조절 하기 위한 유입유량 조절밸브를 설치하였다.
- 태양광에 의한 노출실험은 건국대학교 생명환경 과학대학 5층 옥상에서 실험하였으며 초기 실험 시 작시간은 08:00~09:00시였고, 광량이 풍부한 맑은 날을 선택하여 실험하였다. 또한 각 측정시간별로 조도를 측정하였으며, 조도측정 장비로는 LUX meter (INS DX-100, Digital lux meter) 를 사용하였다. 형광등에 의한 노출실험은 incubator안에 36W 형광등(OSRAM DULUX L)램프를 설치하였으며, 램프와 시료와는 400 mma리를 두었으며, 온도는 25~27℃이었다.
- 석영관 안에 UV 램프를 배치하는 형식으로 되어 있고, UV 소독량을 조절 하기 위한 유입유량 조절밸브를 설치하였다. 석영 관에 물 파울링 (fouling)이 발생하는 것을 방지하기 위하여 타이머를 설치하여 시간 간격에 의해석 영관의 자동 세척이 가능하도록 설계하였으며 본 실험에서는 2시간 간격으로 세척하였다.
- 시료는 지름 90 mm 높이 15 mm의 petri dish에 14 mm 깊이로 채운 후 각 노출 실험에 사용하였으며, 실험처리시간별로 4개의 petri dish를 무작위로 선정해 200 mL 비이커에 혼합한 후 샘플하여 각 시간별 TC, FC, E. coli 농도를 측정했다. 모든 실험기구는 120℃의 autoclave에서 5분간 소독하여 다른 미생물에 의한 오염을 방지하였다.
- 1 mW - s/cm2 이었다. 실험 후 시료는 10℃의 냉암소에 보관하여 2시간 이내에 양평군에서 건국대학교 지역환경공학 연구실로 운반하여 실험하였다 (APHA, 1995). 광회복 실험조건은 1)태양광에 노출, 2)형광등 램프에 노출, 3)암실에 방치한 경 우로 구분하였으며 0, 60, 120, 180, 240, 480, 720, 1440분에 시료를 채취하여 미생물 농도를 측정하였다.
- 태양광에 노출시킨 경우는 UN 소독 후 수계나 용수로 등에서 태양광에 의한 광회복자료를 얻고, 재이용수가 농업용수로 사용되어 논이나 밭으로 관개될 때 미생물의 농도변화를 평가하기 위해서이었고, 형광등에 UV 소독수를 노출시킨 경우는 광회복에 기여한다고 알려진 가시광선이나 근적 외선에 대한 미생물의 농도변화를 알아보기 위해서 이다. 암실에 보관한 경우는 UV 조사 후 시간에 따라 미생물의 농도변화에 대한 평가와 더불어 태양광과 형광등에 노출시킨 실험의 대조구로 사용하였다.
대상 데이터
- UV 소독시설은 경기도 양평군 소재 16가구 짜 리 연립주택의 생활하수를 처리하는 호기성 bio- filter의 처리수를 유입수로 이용하였으며, 처리용량 은 약 10 nF/day이다 (Fig. 1). 실험용 pilot UV 소독시설의 처리용량은 약 40 m3/day 이었다.
- 실험에 사용된 UV 램프 (low-pressure lamp, LIGHTTECH (USA), 17W-G10T5L)는 길이 357 mm, 자외선조사량 (UV dose) 은 PSS( (point source summation) 방법을 사용하여 구하였으며, 30 m%iay의 유량으로 소독시 자외선사량은 6.1 mW - s/cm2 이었다. 실험 후 시료는 10℃의 냉암소에 보관하여 2시간 이내에 양평군에서 건국대학교 지역환경공학 연구실로 운반하여 실험하였다 (APHA, 1995).
- 형광등에 의한 노출실험은 incubator안에 36W 형광등(OSRAM DULUX L)램프를 설치하였으며, 램프와 시료와는 400 mma리를 두었으며, 온도는 25~27℃이었다. 암실 조건은 빛이 들어가지 않는 incubator안에 petri dish 28개를 배치한 후 22~25℃ 범위에서 실험하였다. 각 항목에 대한 UV 소독실험은 5 반복 이상 수행하여 평균값으로 사용하여 분석하였다.
- 태양광에 의한 노출실험은 건국대학교 생명환경 과학대학 5층 옥상에서 실험하였으며 초기 실험 시 작시간은 08:00~09:00시였고, 광량이 풍부한 맑은 날을 선택하여 실험하였다. 또한 각 측정시간별로 조도를 측정하였으며, 조도측정 장비로는 LUX meter (INS DX-100, Digital lux meter) 를 사용하였다.
이론/모형
- 미생물 분석은 최적확수시험법(MPN)을 사용하였으며 total coliforme Lauryl triptose broth를 사용하였고, fecal coliforme EC broth를 사용하였으며, E. coil는 EC-MUG broth를 사용하였는데 이들 모두 DIFCO사의 시약을 사용하였다.
- 수질측정항목은 분석시간이 비교적 빠르고 용수 재이용과 관련성이 높은 미생물과 유기물, 영양물질 위주로 Standard Methods (APHA, 1995)에 따라 분석하였으며 항목별 실험방법은 Table 1에서와 같다.
성능/효과
- 2) UV 소독 후 가시광선과 근적외 파장대만을 발산흐}는 형광등에 노출시켰을 경우 UV 소독 직후 농도보다 TC, FC, E. co"가 약 40~80배 광회복되어 1,000 MPN/100mL 까지 증가하는 경향을 나타내었다. 이 농도는 UV 소독 전 농도의 약 10% 미만 수준의 농도로써 UV 소독에서 소독 후 재이용 사용처가 형광등 노출의 조건일 경우에 광회복에 의한 미생물 농도 상승이 고려해야할 중요한 인자일 것으로 판단된다.
- 1) UV 처리 후 암실에서 시료를 보관하는 경우에서는 TC, FC, E. coli 농도 모두가 측정시간 마 다 약간의 증감변화를 보이면서 전체적으로 변화의 폭은 적었으나, UW 소독 후 빛이 차단된 상태에서도 미생물의 일부가 약 100 MPN/100mL 정도의 수준까지 회복할 수 있는 것으로 나타났다.
- 빛의 조도는 1, 700 lx를 유지하였으며, 온 도는 미생물의 생장에 유리한 25-27 ℃를 유지하였기 때문에 광회복이 활발히 이루어졌다고 판단된다. 1, 440 분 후의 광회복된 농도와 UV소독 후 농도를 비교하면 종류에 따라 40~90배정도 광회복 된 것으로 나타났다. Takebe(1983)는 E.
- 3) UV 소독 후 태양광에 노출시킨 실험에서는 TC, FC, E. coli 의 초기 농도가 10-30 MPN/ 100mL 범위의 농도를 갖은 상태에서 노출 직후 급격하게 감소하기 시작하여, 1, 440분(24시간)이 지난 후의 농도가 모두 2.0 MPN/lOOmL 이하로 감소하였다. 따라서, UV 소독수가 태양광에 노출될 경우 미생물의 농도는 더욱 낮아져서 광회복보다는 태양광 소독 효과가 더 큰 것으로 나타났다.
- 4) UV 소독을 거치지 않은 상태의 biofilter 처리수를 태양광에 노출시킨 실험에서도 미생물의 농도가 UV소독 후 태양광 노출실험과 유사한 감소형태를 보였으며, TC, FC, E coli 모두가 1, 440분 (24시간) 지난 후 99% 이상의 높은 소독효과를 나타내었으며, 그 농도는 10~30 MPN/100mL의 범위이었다. 이 결과는 태양광에 의한 소독효과가 상당히 높음을 의미하는데 태양광에 의한 소독효과가 이와 같이 뚜렷하다고 하여도 고농도의 병원성미생물이 함유된 상태로 소독되지 않고 수계로 노출되면 소독이 충분히 이루어지기까지 기간에 환경위해성 문제가 우려된다.
- 하지만, 본 실험에서는 위의 실험과 같은 암실실 험이었지만 상온(23~25 ℃) 을 유지하였기 때문에 온도가 재활성에 영향을 주었을 것이라 판단된다.E. coli와 FC는 TC보다는 낮은 재활성 (reactivation) 을 보였으며, TC의 경우만이 1, 440분이 지난 후 증가하는 형태를 보였다. 이러한 현상들은 UV가 잔류성이 없기 때문에 재오염이나 손상된 미생물이 재활성할 수 있다고 판단되며, 이러한 현상은 다른 소독법과 비교해 단점으로 지적되기도 한 다 (Lee et al.
- 2와 같다. UV 소독 후 초기 TC, FC, E. coli 농도에서 시간의 변화에 따라 종별로차이는 있으나, 빛이 배제된 상태인 암실에서 초기에는 10-20 MPN/100mL 정도로 매우 낮았던 미생물들의 농도가 약 100 MPN/100mL 정도 범위에서 증감을 나타낸 것은 미생물이 빛이 존재하지 않는 상태에서도 재활성할 수 있다는 것을 의미 한다.
- 일반적으로 UV 소독 후 처리수가 태양광에 노출 되면, 가시광선이나 근적외 파장대로 인한 광회복 과, 태양광내의 UV-B와 UV-C에 의한 소독과 같은 상반된 효과가 동시에 발생할 수 있을 것으로 생각된다. 그러나, 태양광의 광회복 효과는 소독효 과에 비하여 작아서 전체적으로는 소독효과에 의한 미생물 농도의 추가감소가 이루어지는 것으로 나타났다. 태양광에 노출되는 농업용수나 조경용수와 같은 용도로의 용수재이용은 본 실험에서 TC, FC, E.
- 0 MPN/lOOmL 이하로 감소하였다. 따라서, UV 소독수가 태양광에 노출될 경우 미생물의 농도는 더욱 낮아져서 광회복보다는 태양광 소독 효과가 더 큰 것으로 나타났다.
- 그러나 안정된 값을 나타내기 까지는 상당한 시간이 필요하므로, 하수처리수가 소독처리 되지 않고 수계로 유입될 경우 일정한 유하거리나 유하시간까지는 상당한 미생물의 농도를 유지할 것으로 판단된다. 또한, 본 실험은 수심 14 mm의 낮은 petri dish에서 실험한 결과이기 때문에 이보다 깊은 수심을 가지는 수계에서는 태 양광에 의한 소독효과는 본 실험결과보다 감소할 것으로 예상된다. 태양광 노출 실험에 의하면 UV 소독 전후의 시료에서 모두 광회복보다는 태양광 소독효과가 더 강하게 나타났으며, 이러한 결과는 하수처리수가 재이용을 위해 태양광에 노출되었을 때 미생물의 농도가 추가로 낮아져서 보건상 더욱 안전해지는 유리한 상황으로 진행될 것으로 판단된다.
- coli 농도를 측정했다. 모든 실험기구는 120℃의 autoclave에서 5분간 소독하여 다른 미생물에 의한 오염을 방지하였다.
- 본 연구에 이용된 absorbent biofilter 하수처리 시설과 전국 하수종말처리시설의 유입수와 유출수의 비교는 Table 2와 같다. 본 연구에서 UV 유입 수로 사용된 biofilter 처리수와 향후 UV 소독시설 적용가능성이 있는 WWT P유출수를 비교해보면 biofilter 처리수가 TC의 경우 4.81배, T-P는3.64배 정도 높은 상태이었고, SS, T-N 그리고, B0D5는 유사한 수질이었다. 이러한 차이는 유입수질의 차이는 있으나 biofilter 처리의 경우 정화조에서 고형물질이 침전된 후 다른 처리과정이 없이 biofilter 한가지의 처리공정만을 거치는데, 일반 하수종말처리장에는 1차처리, 2차처리 뿐만 아니라 일부에서는 고도처리 및 소독처리까지 거친 후 방류하기 때문에 biofilter 처리수가 일반하수종말처리 장보다 상대적으로 높은 오염물 농도를 나타낸 것으로 판단된다.
- coli 모두에게 공통적으로 나타난 현상들을 고려할 때 태양광에 의한 추가 미생물 농도 저감 효과를 기대할 수 있으며, 광회복에 의한 보건위생상의 문제를 우려하지 않아도 될 것으로 생각된다. 실험에 사용한 biofilter 유출수는 일반호}수종말 처리장 의 유출수보다 상대적으로 미생물 농도가 높았으며, 따라서 본 실험의 결과를 일반하수종말 처리장 유출수에 적용하여도 무리가 없을 것으로 판단된다.
- 4) UV 소독을 거치지 않은 상태의 biofilter 처리수를 태양광에 노출시킨 실험에서도 미생물의 농도가 UV소독 후 태양광 노출실험과 유사한 감소형태를 보였으며, TC, FC, E coli 모두가 1, 440분 (24시간) 지난 후 99% 이상의 높은 소독효과를 나타내었으며, 그 농도는 10~30 MPN/100mL의 범위이었다. 이 결과는 태양광에 의한 소독효과가 상당히 높음을 의미하는데 태양광에 의한 소독효과가 이와 같이 뚜렷하다고 하여도 고농도의 병원성미생물이 함유된 상태로 소독되지 않고 수계로 노출되면 소독이 충분히 이루어지기까지 기간에 환경위해성 문제가 우려된다.
- 이상의 결과를 종합해 볼 때, 태양광에 의한 미생물 소독효과가 뚜렷한 것으로 나타났으며, 태양 에 의한 소독은 이미 오래 전부터 많은 연구자들에 의해 보고되었다. 인도에서 1세기 전부터 태양을 음용수 소독에 이용하였으며, Downes et a/.
- 또한, 본 실험은 수심 14 mm의 낮은 petri dish에서 실험한 결과이기 때문에 이보다 깊은 수심을 가지는 수계에서는 태 양광에 의한 소독효과는 본 실험결과보다 감소할 것으로 예상된다. 태양광 노출 실험에 의하면 UV 소독 전후의 시료에서 모두 광회복보다는 태양광 소독효과가 더 강하게 나타났으며, 이러한 결과는 하수처리수가 재이용을 위해 태양광에 노출되었을 때 미생물의 농도가 추가로 낮아져서 보건상 더욱 안전해지는 유리한 상황으로 진행될 것으로 판단된다. 따라서, 하수재처리수를 UW소독한 후 농업용수나 조경용수와 같이 태양광에 노출되는 환경에 적용될 경우 미생물에 의한 보건상 문제를 크게 우려하지 않고 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 태양광 노출 실험에 의하면 UV 소독 전후의 시료에서 모두 광회복보다는 태양광 소독효과가 더 강하게 나타났으며, 이러한 결과는 하수처리수가 재이용을 위해 태양광에 노출되었을 때 미생물의 농도가 추가로 낮아져서 보건상 더욱 안전해지는 유리한 상황으로 진행될 것으로 판단된다. 따라서, 하수재처리수를 UW소독한 후 농업용수나 조경용수와 같이 태양광에 노출되는 환경에 적용될 경우 미생물에 의한 보건상 문제를 크게 우려하지 않고 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 태양광에 의한 소독효과는 확실하나 그 효과는 기상상태에 따라 좌우되며, 소독처리 없이 하수처리수를 방류하였을 때 높은 병원성 미생물이 자연계에 유출되었다는 그 자체만으로도 문제가 될 수 있다.
- 이러한 차이는 유입수질의 차이는 있으나 biofilter 처리의 경우 정화조에서 고형물질이 침전된 후 다른 처리과정이 없이 biofilter 한가지의 처리공정만을 거치는데, 일반 하수종말처리장에는 1차처리, 2차처리 뿐만 아니라 일부에서는 고도처리 및 소독처리까지 거친 후 방류하기 때문에 biofilter 처리수가 일반하수종말처리 장보다 상대적으로 높은 오염물 농도를 나타낸 것으로 판단된다. 본 연구에서 적용한 형태의 유수식 UV 소독시설은 처리시설 유출수 특성을 비교할 때 biofilter와 같은 처리수 농도 범위에서 처리효과가 검증된다면, 하수종말처리장과 같은 일정 규모이상 처리시설 유출수 소독에도 효과적일 것으로 예상된다. 일반적으로 SS가 소독효율에 영향을 미칠 수 있는 주요인자로 보고되고 있으나, 현재 운영중인 처리시설들의 일반적인 유출수의 SS 농도는 UV 소독에 영향을 미치지 않을 정도로 낮았다.
- 그러나, 태양광의 광회복 효과는 소독효 과에 비하여 작아서 전체적으로는 소독효과에 의한 미생물 농도의 추가감소가 이루어지는 것으로 나타났다. 태양광에 노출되는 농업용수나 조경용수와 같은 용도로의 용수재이용은 본 실험에서 TC, FC, E. coli 모두에게 공통적으로 나타난 현상들을 고려할 때 태양광에 의한 추가 미생물 농도 저감 효과를 기대할 수 있으며, 광회복에 의한 보건위생상의 문제를 우려하지 않아도 될 것으로 생각된다. 실험에 사용한 biofilter 유출수는 일반호}수종말 처리장 의 유출수보다 상대적으로 미생물 농도가 높았으며, 따라서 본 실험의 결과를 일반하수종말 처리장 유출수에 적용하여도 무리가 없을 것으로 판단된다.
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