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문제 정의
- 본 연구에서는 이취미 제거의 새로운 대안으로 떠으르고 있는 pulse UV 장치를 이용하여 이취미유발물질인 2-MIB와 geosmin의 제거효과를 고찰하고자 한다.
제안 방법
- Geosmin과 2-MIB의 초기 농도는 50.00ng/L 였으며 pulse UV 의 반응 시간은 0sec, 3sec, 5sec, 10sec로 하였다. 초기값(Co)에서 pulse UV 장치의 반응시간이 10초일 때 geosmin와 2-MIB의 C/Co 값은 각각 0.
- 영향을 보여주고 있다. H2O2 3mg/L, 5mg/L, 7mg/L을 각각 반응기에 주입한 후 UV 조사시간을 0sec, 3sec, 5sec, 10sec로 하여 실험을 진행하였다. H2O2의 농도가 3mg/L일 때 geosmin과 2-MIB의 제거는 H2O2를 주입하지 않았을 경우와 제거율에 큰 차이가 나지 않았다 (Fig 2 (b)).
- Humic acid 상태에서와 마찬가지로 NOM 이 미치는 영양을 알아보기 위해 증류수에 fulvic acid 물질을 2mg/L와 5mg/L로 만든 시료에 geosmin과 2-MIB를 spike하여 실험을 진행하였다.
- Pulse UV 장치로 이취미 제거시 NOM이 미치는 영양을 알아보기 위해 증류수에 humic acid 물질을 2mg/L와5mg/L로 만든 시료에 geosmin과 2-MIB를 spike하여 실험을 진행하였다.
- Pulse UV 장치를 이용하여 geosmin과 2-MIB의 제거효율을 알아보기 위하여 pH 7, 온도 20℃, 조사거리는 15cm에서 실험을 수행하였다. Geosmin과 2-MIB의 초기 농도는 50.
- Pulse UV 조사시간, H2O2 주입량을 달리 가지는 실험을 실행 하였고 NOM이 이취미 유발물질 제거에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위하여 순수 Humic 물질, Fulvic 물질을 각기 저울에 달아 증류수에 2mg/L, 5mg/L의 농도로 희석한 시료와 한강원수에 이취미 유발 물질을 spike하여 실험하였다. 이취미 물질의 농도는 지표수에서 발생될 시 통상적인 농도인 50~100ng/L으로 희석하여 실험하였다.
- UV254는 시료를 0.45㎛ 여과지를 써서 여과한 후 UV spectrometer를 사용하여 254nm파장에서 초순수 대비 흡광도를 측정하였다. 이때 석영셀은 1cm 를 사용하였고 분석된 값은 흡광도를 셀길이로 나눈 1/cm로 표현하여 나타내었다.
- 실험에 사용된 시료의 특성은 Table 1에 나타내었다. 일반적인 하천수의 NOM(Natural Organic Matter) 농도와 비슷한 조건에서 이취미 제거효율을 알아보기 위해 Humic acid A와 Fulvic acid A의 농도를 2mg/L로 하였고 NOM의 농도 차이에 의한 이취미 제거효율을 알아보기 위해 Humic acid B와 Fulvic acid B 의 농도를 5mg/L로 하였다.
대상 데이터
- Pulse UV 장치는 ㎲ 단위로 pulse 파장이 방출되도록 G사에서 자체 제작한 장치를 사용하였으며, Fig 1과 같이 power supply와 램프, UV Reactor로 구성되어 있다. UV Reactor 후단에는 필요시 사용하기 위해 냉각장치를 설치하였다.
- Power supply에서는 2000V, 20Hz의 전류를 발생하여 램프를 점멸시키고 UV Reactor 내부는 20L 용적으로 1개의 제논램프를 포함하고 있다. 램프는 기존의 중저압 램프에 사용된 수은(Hg)램프 대신에 친환경적인 제논 (Xe)를 충진한 램프를 사용하였다. UV 조사거리는 15cm로 하였다.
- 본 실험에서 사용한 이취미 물질은 SPELCO사의 2-MIB+geosmin 샘플을 사용하였고, 이 샘플을 각각 증류수와 Humic 물질 및 Fulvic 물질을 희석한 시료에 50~100ng/L 농도를 spike하여 실험에 사용하였다. 시료들은 채수 후 실험실에서 4C로 보관되었고, 측정은 표준시험방법(Standard method)에따라 수행되었다.
- 본 연구에서 DOC는 샘플을 0.45㎛로 여과한 후의 TOC로 정의하였으며 DOC의 측정은 UV 산화법으로 분석되는 Sievers사의 TOC 5310C 기기를 사용하였다.
- 이때 석영셀은 1cm 를 사용하였고 분석된 값은 흡광도를 셀길이로 나눈 1/cm로 표현하여 나타내었다. 본 연구에서는 UV254를 HACH사의 DR4000 Spectrophotometer를 사용하였다.
- 시료들은 채수 후 실험실에서 4C로 보관되었고, 측정은 표준시험방법(Standard method)에따라 수행되었다. 한강원수는 UF 필터를 이용하여 부유물질을 제거한 후 실험하였다. 실험에 사용된 시료의 특성은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 2-MIB와 geosmine SPME(Solid Phase Micro Extraction)법으로 전처리 장치(MPS-2)로 휘발시켜 SPME fiber에 흡착시킨 후 GC/MS로 분석하였다. GC/MS의 geosmin/2-MIB 분석 조건은 Table 3에나타내었다.
- 시료들은 채수 후 실험실에서 4C로 보관되었고, 측정은 표준시험방법(Standard method)에따라 수행되었다. 한강원수는 UF 필터를 이용하여 부유물질을 제거한 후 실험하였다.
성능/효과
- 1. 증류수에 주입한 geosmin과 2-MIB를 pulse UV 장치 단독으로 10초 조사시 geosmine 최대 60.18%, 2-MIB는 최대 62.75%의 제거효율을 보였다. Pulse UV 단독처리시 Geosmin과 2-MIB를 50%이상 제거하기 위해서는 5초 이상의 조사 시간이 필요하였다.
- 2. AOP(UV/H2O2)를 적용한 경우 제거효율은 UV 단독 적용시 보다 높게 나타나는 경향을 보였으나, 낮은 H2O2의 농도(3mg/L)일 때의 제거효율은 UV 단독으로 처리 할 때와 비교하여 큰 차이가 없었다. H2O2농도를 5mg/L이상 주입한 경우 제거효율은 H2O2농도가 높을수록 효과적이었으며, H2O2 7mg/L를 주입한 경우 geosmine 최대 94.
- 3. 자연유기물질은 UV를 이용한 이취미 물질 제거 효과에 상당한 영향을 주었다. NOM이 없는 경우와 비교하여 NOM 농도가 5mg/L인 경우 처리효율이 40% 정도까지 감소하는 것으로 나타나, 높은 농도의 NOM이 존재하는 경우 geosmin과 2-MIB의 제거효율이 크게 저하되었다.
- 4. NOM이 2mg/L와 5mg/L로 존재하는 경우 pulse UV 처리만으로는 이취미 물질을 50%이상 제거할 수 없었다. AOPCUV/H2O2 5mg/L)를 적용한 경우 NOM 농도 2mg/L에서 UV 조사시간이 5초 이상일 경우 50%이상의 제거효율을 나타내었다.
- 5. Pulse UV는 H2O2와 함께 사용함으로써 짧은 시간안에 이취미 물질의 효율적인 제거가 가능하기 때문에 오존공정을 대체할 수 있는 고도정수처리 공정으로 적용가능성이 높다. 본 연구는 실험실에서 제한된 조건하에서 수행한 것으로, 알칼리도 및 아질산/질산이 존재하는 실제 원수를 대상으로 이취미 물질의 제거효과에 대한 후속적인 연구가 수행될 필요가 있다.
- Fulvic acid가 5mg/L일 때 geosmin의 초기 농도 119.07ng/L에서 pulse UV 단독으로 10초 조사시 C/Co값이 0.77까지 감소하였으며, H2O2를 5mg/L 주입하게 되면 0.31까지 감소하였다. 2-MIB 의 경우 초기 농도가 98.
- 17로 높은 제거효율이 나타났다. Geosmine 5초 조사시 50%이상의 제거효율을보였으며, 10초 조사시 C/Co값이 0.27로 높은 제거효율이 나타났다 (Fig 2 (c)).
- AOP(UV/H2O2)를 적용한 경우 제거효율은 UV 단독 적용시 보다 높게 나타나는 경향을 보였으나, 낮은 H2O2의 농도(3mg/L)일 때의 제거효율은 UV 단독으로 처리 할 때와 비교하여 큰 차이가 없었다. H2O2농도를 5mg/L이상 주입한 경우 제거효율은 H2O2농도가 높을수록 효과적이었으며, H2O2 7mg/L를 주입한 경우 geosmine 최대 94.3%, 2-MIB는 최대 91.2%의 제거효율을 보였다.
- 5ng/L)로 감소되었다(Fig 2 (d)). H2O2의 농도가 3mg/L에서는 geosmin과 2-MIB의 제거효율에 큰 차이가 없었으나, H2O2 농도가 5mg/L이상에서는 H2O2의 농도가 높아질수록 제거효율이 높아지고 있음을 알 수 있다. 전반적으로 2-MIB에 비해 geosmin의 제거효율이 높게 나타났다.
- Humic acid가 5mg/L일 때 geosmin의 초기 농도가 89.44ng/L인 상태에서 pulse UV 단독으로 10초 조사 시 C/Co값이 0.70까지 감소하였으며, H2O2를 5mg/L 주입하게 되면 0.52까지 감소하였다. 2-MIB 의 경우 초기 농도 78.
- 자연유기물질은 UV를 이용한 이취미 물질 제거 효과에 상당한 영향을 주었다. NOM이 없는 경우와 비교하여 NOM 농도가 5mg/L인 경우 처리효율이 40% 정도까지 감소하는 것으로 나타나, 높은 농도의 NOM이 존재하는 경우 geosmin과 2-MIB의 제거효율이 크게 저하되었다. 이러한 결과는 UV를 이용하여 이취미 물질을 제거하는 경우 UV 처리 전정 수처리 공정에서 충분한 유기물질 제거가 필요하다는 것을 의미한다.
- 실험결과에 따르면 낮은 농도의 HQGmg/L)에서는 pulse UV에 의한 geosmin과 2-MIB의 제거와 큰 차이가 없는 것으로 나타나, 이 조건에서는 OH radical의 생성이 적은 것으로 판단된다. H2O2 5mg/L과 7mg/L에서는 geosmin과 2-MIB의 제거효율이 높아지고 있어 OH radical에 의한 효과가 나타나고 있으나, UV 조사에 의한 직접적인 처리 효과에 비해서는 그 효과가 작게 나타나고 있다.
후속연구
- 하지만 본 연구에서 사용한 pulse UV 장치는 H2O2의 주입 없이도 이취미 물질을 수초 내에 50%이상 제거하고 있다. Pulse UV 장치가 저압, 중압 UV장치에 비해 이취미 물질을 효과적으로 산화시킬 수 있는 것으로 볼때, 본 연구에서 사용한 pulse UV 장치가 넓은 파장 영역대에서 높은 UV 조사량을 발생시킨다고 할수 있다.
- Pulse UV는 H2O2와 함께 사용함으로써 짧은 시간안에 이취미 물질의 효율적인 제거가 가능하기 때문에 오존공정을 대체할 수 있는 고도정수처리 공정으로 적용가능성이 높다. 본 연구는 실험실에서 제한된 조건하에서 수행한 것으로, 알칼리도 및 아질산/질산이 존재하는 실제 원수를 대상으로 이취미 물질의 제거효과에 대한 후속적인 연구가 수행될 필요가 있다.
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