C/N 비가 낮은 농촌마을 하수의 고도처리를 위하여 $0.4{\mu}m$의 세공크기를 갖고 있는 평막이 침지된 연속회분식 반응기를 사용하였다. 분말활성탄의 투입, 폭기량 및 유입 유기물 농도가 처리효율과 여과 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 54일 이내의 조업 초기에서는 C/N 비가 증가할수록 COD, T-N 및 T-P의 제거율과 MLSS 농도는 증가하였다. 조업 89일 후의 COD, T-N 및 T-P의 제거율은 각각 97.1%, 75.0% 및 48.3%이었다. 막여과에 의해 처리수에서 SS는 검출되지 않았으며, T-P의 제거율이 낮게 나온 이유는 과잉의 슬러지를 배출하지 않았기 때문이다. 분말활성탄을 투여한 경우 조업이 진행됨에 따라 분말활성탄의 혼합강도와 충돌빈도가 증가하여 슬러지의 입자크기가 감소하였으며, 이로 인해 분말활성탄을 투여하지 않은 경우에 비해 TMP 상승이 크게 나타났다.
C/N 비가 낮은 농촌마을 하수의 고도처리를 위하여 $0.4{\mu}m$의 세공크기를 갖고 있는 평막이 침지된 연속회분식 반응기를 사용하였다. 분말활성탄의 투입, 폭기량 및 유입 유기물 농도가 처리효율과 여과 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 54일 이내의 조업 초기에서는 C/N 비가 증가할수록 COD, T-N 및 T-P의 제거율과 MLSS 농도는 증가하였다. 조업 89일 후의 COD, T-N 및 T-P의 제거율은 각각 97.1%, 75.0% 및 48.3%이었다. 막여과에 의해 처리수에서 SS는 검출되지 않았으며, T-P의 제거율이 낮게 나온 이유는 과잉의 슬러지를 배출하지 않았기 때문이다. 분말활성탄을 투여한 경우 조업이 진행됨에 따라 분말활성탄의 혼합강도와 충돌빈도가 증가하여 슬러지의 입자크기가 감소하였으며, 이로 인해 분말활성탄을 투여하지 않은 경우에 비해 TMP 상승이 크게 나타났다.
A membrane-coupled sequencing batch reactor (MSBR) was used for the advanced treatment of rural village sewage which is very low C/N ratio. The effect of powdered activated carbon, aeration rate, and external organic material loadings on the treatment efficiency and filtration performance were inves...
A membrane-coupled sequencing batch reactor (MSBR) was used for the advanced treatment of rural village sewage which is very low C/N ratio. The effect of powdered activated carbon, aeration rate, and external organic material loadings on the treatment efficiency and filtration performance were investigated in sequencing batch reactor, in which a flat-sheet type microfiltration membrane with a pore size of $0.4{\mu}m$ was submerged. At the initial operation (within 54 days) MLSS concentration, and the removal efficiencies of COD, T-N, and T-P were increased with the increase of C/N ratio. After 89 days the removal efficiencies of COD, T-N, and T-P were 97.1%, 75.0%, and 48.3%, respectively. Suspended solid-free effluent was obtained by membrane filtration. The T-P removal was relatively low because of depending on the amount of excess sludge wasting. During the operation of MSBR with powdered activated carbon, the particle size of the sludge reduced by the increase of collision frequency and mixing intensity. In comparison with MSBR without powdered activated carbon, TMP of MSBR with that was significantly elevated.
A membrane-coupled sequencing batch reactor (MSBR) was used for the advanced treatment of rural village sewage which is very low C/N ratio. The effect of powdered activated carbon, aeration rate, and external organic material loadings on the treatment efficiency and filtration performance were investigated in sequencing batch reactor, in which a flat-sheet type microfiltration membrane with a pore size of $0.4{\mu}m$ was submerged. At the initial operation (within 54 days) MLSS concentration, and the removal efficiencies of COD, T-N, and T-P were increased with the increase of C/N ratio. After 89 days the removal efficiencies of COD, T-N, and T-P were 97.1%, 75.0%, and 48.3%, respectively. Suspended solid-free effluent was obtained by membrane filtration. The T-P removal was relatively low because of depending on the amount of excess sludge wasting. During the operation of MSBR with powdered activated carbon, the particle size of the sludge reduced by the increase of collision frequency and mixing intensity. In comparison with MSBR without powdered activated carbon, TMP of MSBR with that was significantly elevated.
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제안 방법
본 연구에서 사용한 MSBR의 운전주기를 Table 2에 나타내었다. 1cycle당 180분을 운전주기로 하였으며, 마을 하수의 유기물과 영양염류의 제거 특성 및 막간차압 (transmembrane pressure, TMP)의 변화를 보았다. 운전 주기는 무산소 반응 60분, 호기성 반응 120분으로 구성하였고, 무산소 반응에서 초기 5분에 유입수를 공급하였다.
Table 3에 나타낸 바와 같이 마을 하수의 COD 값은 최소 60 mg/L에서 최대 150 mg/L로서(평균 86 mg/L) COD/T-N 및 COD/T-P 비가 매우 낮았다. COD 값을 높이기 위하여 Run-4, Run-5 및 Run-6에서는 하수 20L당 메탄올을 각각 1 mL, 5 mL 및 10 mL를 주입하였다. Run-4, Run-5 및 Run-6에서의 COD 값은 각각 113 mg/L, 353 mg/L 및 630 mg/L이었다.
Run-1, Run-2 및 Run-3에서는 공급 공기유량을 각각 20 L/min, 15 L/min 및 10 L/min로 각각 낮추었으며, Run-4, Run-5 및 Run-6에서는 하수 20 L당 메탄올을 각각 1 mL, 5 mL 및 10 mL를 주입하여 Run-4, Run-5 및 Run-6에서 하수의 COD 평균값을 각각 113 mg/L, 353 mg/L 및 630 mg/L로 높여 실험하였다.
운전 주기는 무산소 반응 60분, 호기성 반응 120분으로 구성하였고, 무산소 반응에서 초기 5분에 유입수를 공급하였다. 또한 호기성 반응에서는 비여과와 여과를 각각 20분씩 120분 동안 간헐적 여과를 하였다.
반응기의 공기를 공급하기 위한 산기관은 분리막 표면에 생성되는 케이크의 형성을 억제하기 위하여 분리막 모듈 아래에 설치하였다. 또한, 폐수의 유입 펌프, 에어 펌프, 교반기 및 흡입펌프의 ON/OFF 제어는 PLC (programmable logic controller, SB-30S-B, COMFILE Technology, Korea)를 사용하여 자동으로 제어하였다.
본 연구에서는 평막을 사용한 MSBR 개발의 일환으로서 평막결합형 연속회분식 반응기(flat membrane-coupled sequencing batch reactor)를 사용하여 C/N 비가 매우 낮은 제주도 J읍의 농촌마을 하수를 처리하였다. 마을 하수를 대상으로 분말활성탄의 투입 유무, 폭 기량 및 외부탄소의 주입량 변화에 따른 3개월 이상의 운전을 실시하였으며, 이를 통하여 MLSS의 농도, COD, T-N 및 T-P 제거효율 및 TMP (transmembrane pressure)를 상호 비교함으로써 평막결합형 연속회분식 반응기의 최적 운전 조건 도출을 위한 기초자료를 제시하였다.
COD는 크롬법에 의하여 측정하였다. 막의 표면은 FE-SEM (JSM-6700F, JEOL Ltd., Japan)을 이용하여 분석하였고, 슬러지의 입자 크기 및 분포는 입도분석기(Malvern Mastersizer E., Malvern, UK)를 이용하여 측정하였다. 반응기 내부의 용존 산소 농도(dissolved oxygen, DO)는 DO meter (245D, istek, Korea)를 이용하여 측정하였다.
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본 연구는 평막을 사용한 MSBR (membrane-coupled sequencing batch reactor) 개발의 일환으로서 평막결합형 연속회분식 반응기를 사용하여 C/N 비가 낮은 농촌마을의 하수 처리에 적용하였다. 분말활성탄의 투입, 폭 기량 및 유입 유기물 농도 변화에 따른 3개월 이상의 운전을 실시하였으며, 이를 통하여 MLSS의 농도 변화와 COD, T-N 및 T-P의 제거효율 및 TMP (transmembrane pressure) 변화를 살펴보았다.
따라서 정속여과에서 조업시간에 따라 TMP가 증가되면 분리막을 반응조에서 분리하여 물리적 방법이나 화학적 방법에 의해 세정하여야 한다[13,14]. 본 연구에서는 TMP 가 20 kPa~25 kPa에 도달하였을 때, 분리막을 반응기에서 꺼내어 부드러운 스펀지로 막의 표면에 형성된 케이크를 제거한 후, 0.5% NaOCl 용액으로 막을 세정하였다.
이때 탈질세균의 영양원으로 이용되는 유기물질은 유입 하수중의 유기물질, 세포가 사멸하면서 분해된 유기물질이 이용되며, 유기물질이 부족할 때는 메탄올, 초산, 펩톤 및 당류(글루코스) 등의 유기물질을 외부로부터 공급해야 한다. 본 연구에서는 외부 탄소원으로서 메탄올을 공급하였으며, 이때 질산성 질소는 식 (3)과식 (4)와 같은 환원반응에 의해 탈질된다.
본 연구에서는 평막을 사용한 MSBR 개발의 일환으로서 평막결합형 연속회분식 반응기(flat membrane-coupled sequencing batch reactor)를 사용하여 C/N 비가 매우 낮은 제주도 J읍의 농촌마을 하수를 처리하였다. 마을 하수를 대상으로 분말활성탄의 투입 유무, 폭 기량 및 외부탄소의 주입량 변화에 따른 3개월 이상의 운전을 실시하였으며, 이를 통하여 MLSS의 농도, COD, T-N 및 T-P 제거효율 및 TMP (transmembrane pressure)를 상호 비교함으로써 평막결합형 연속회분식 반응기의 최적 운전 조건 도출을 위한 기초자료를 제시하였다.
부유 미생물 시료를 반응기에서 일정량 채취하여 glass fiber filter (GS-25, Advantec, Japan)로 여과한 후, 필터를 105°C 건조기에서 1 시간 동안 건조시킨 다음, 필터와 건조한 시료의 전체 질량에서 필터 질량을 감하여 반응기 내의 MLSS의 농도를 측정하였다.
본 연구는 평막을 사용한 MSBR (membrane-coupled sequencing batch reactor) 개발의 일환으로서 평막결합형 연속회분식 반응기를 사용하여 C/N 비가 낮은 농촌마을의 하수 처리에 적용하였다. 분말활성탄의 투입, 폭 기량 및 유입 유기물 농도 변화에 따른 3개월 이상의 운전을 실시하였으며, 이를 통하여 MLSS의 농도 변화와 COD, T-N 및 T-P의 제거효율 및 TMP (transmembrane pressure) 변화를 살펴보았다.
따라서 MLSS 농도가 낮을 때에는 분말활성탄이 담체의 역할을 하여 미생물의 증식에 효과가 있음을 알 수 있었다. 초기 MLSS가 너무 낮아 운전 시작 후 17일 경과 후에 J 하수종말처리장에서 반송 슬러지를 채취하여 각 반응기에 각각 2 L의 활성슬러지를 식종하였다.
한편 분말활성탄(powdered activated carbon)을 10 g/L 투여한 반응기와 분말활성탄을 투여하지 않은 반응기를 동시에 조업하고 상호 비교함으로써 분말활성탄 투입에 따른 하수처리효과를 살펴보았다. 이때 사용한 분말활성탄은 표준체로 체질을 한 후, 크기가 75~150µm인 것만을 사용하였다.
한편, MLVSS는 MLSS를 측정한 필터를 다시 550°C 건조로에서 15 분 동안 건조하여 휘발성 성분을 휘발시킨 후, 남은 질량으로부터 측정하였다.
대상 데이터
2와 같다. 반응기는 아크릴판으로 제작하였으며, 크기는 가로 25 cm, 세로 10 cm, 높이 100 cm로 직육면체 모양으로 제작하였으며, 반응기의 유효 부피(working volume)는 17.8 L로 하였다. 반응기의 공기를 공급하기 위한 산기관은 분리막 표면에 생성되는 케이크의 형성을 억제하기 위하여 분리막 모듈 아래에 설치하였다.
본 연구에 사용된 분리막은 국내 P사에서 제조한 침 지형 평막으로 재질은 PVC, 공극의 크기는 0.4 µm, 막 모듈의 표면적은 0.17 m2이다.
본 연구에 사용된 하수는 제주도 J읍에 위치한 중산간 지역의 마을하수 처리시설에 유입되는 유입수를 직접 채수하여 사용하였다. COD, T-N, T-P, NH3-N 및 Cl이온의 평균 농도는 각각 86.
폭기량은 Run-1과 Run-2에서는 각각 20 L/min 및 15 L/min로 하였고, Run-3 이후로는 10 L/min로 하였다. 외부탄소 주입원으로는 메탄올을 사용하였다. Run-4 이전에는 메탄올을 주입하지 않았으며, Run-4, Run-5 및 Run-6에서의 하수 20 L당 메탄올 주입량은 각각 1 mL, 5 mL 및 10 mL이었다.
이때 사용한 분말활성탄은 표준체로 체질을 한 후, 크기가 75~150µm인 것만을 사용하였다.
이론/모형
COD, T-N, T-P, NH3-N 및 Cl은 분광광도계인 DR-5000 (HACH, USA)를 사용하여 Method 8000 (HACH), Method 10071 (HACH), Method 8190 (HACH), Method 8038 (HACH) 및 Method 8113 (HACH)에 의해 분석하였다. COD는 크롬법에 의하여 측정하였다.
-N 및 Cl은 분광광도계인 DR-5000 (HACH, USA)를 사용하여 Method 8000 (HACH), Method 10071 (HACH), Method 8190 (HACH), Method 8038 (HACH) 및 Method 8113 (HACH)에 의해 분석하였다. COD는 크롬법에 의하여 측정하였다. 막의 표면은 FE-SEM (JSM-6700F, JEOL Ltd.
부유 미생물의 농도는 MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids)와 MLVSS (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)로 측정하였으며, 각 농도의 측정은 Standard Method[12]에 준하여 수행하였다. 부유 미생물 시료를 반응기에서 일정량 채취하여 glass fiber filter (GS-25, Advantec, Japan)로 여과한 후, 필터를 105°C 건조기에서 1 시간 동안 건조시킨 다음, 필터와 건조한 시료의 전체 질량에서 필터 질량을 감하여 반응기 내의 MLSS의 농도를 측정하였다.
성능/효과
분말활성탄을 투여하지 않은 경우, 조업 후 65일까지는 TMP가 서서히 증가하는 경향을 보였으나 65일 이후부터 TMP의 증가 속도가 크게 나타났다. 그리고 운전한 지 75일에 TMP가 21 kPa로 상승하여 막세정을실시하였으며, 세정 후의 TMP는 7.55 kPa로서 운전을 처음 시작할 때의 TMP (6.02 kPa)로 거의 회복되었다. 분말활성탄을 투여한 경우에는 운전을 시작한 후 65일까지 TMP는 매우 서서히 증가하나, 62일 이후에는 급격히 증가하여 71일에 TMP가 20.
4에 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 비폭기시에는 각 운전 싸이클 모두 DO 농도는 거의 0 mg/L에 근접한 값을 나타내어 무산소 반응이 가능하였으며, 폭기를 시작하자마자 DO 농도는 빠르게 상승하여 모든 싸이클에서 7.9 mg/L 이상으로 유지되어 호기 반응을 바로 유도할 수 있었고, 반대로 폭기를 중지하였을 때의 DO 농도는 급격히 감소하여 호기 반응과 무산소 반응을 연속적으로 진행할 수 있었다. DO 농도는 공기유량이 10 L/min인 경우, 15 L/min일 때에 비해 소폭 감소하였으나, 모든 운전방식에서 7.
반면에 분말활성탄을 투여했을 때에는 초기 MLSS 농도는 1,570 mg/L이었으나, 약 17일 후에는 약 2,070 mg/L로 서서히 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 MLSS 농도가 낮을 때에는 분말활성탄이 담체의 역할을 하여 미생물의 증식에 효과가 있음을 알 수 있었다. 초기 MLSS가 너무 낮아 운전 시작 후 17일 경과 후에 J 하수종말처리장에서 반송 슬러지를 채취하여 각 반응기에 각각 2 L의 활성슬러지를 식종하였다.
분말활성탄의 투입 유무, 원수의 Cl- 이온농도, 폭기량, 외부탄소의 주입량 및 운전시간에 관계없이 원수와 투과수의 Cl- 농도 차이는 거의 없었다. 따라서 MSBR에 의한 Cl- 이온의 제거는 불가능함을 확인할 수 있었다.
따라서 본 연구에서 조업이 진행됨에 따라 분말활성탄을 투여한 경우가 투여하지 않은 경우보다 TMP 상승이 크게 나타난 이유는 분말활성탄의 혼합강도와 충돌빈도가 증가하여 슬러지의 입자크기가 감소하기 때문임을 알 수 있었다. Fig.
조업 시간에 따라 NH3-N의 제거율은 점차 증가하는 경향을 나타내었으나, 분말활성탄을 투여하지 않은 경우 및 분말활성탄을 투여한 경우의 NH3-N 제거율 차이는 없었다. 또한 T-N에 비해 NH3-N의 제거율이 상대적으로 높게 나타나 질산화 과정은 빠르게 진행됨을 알 수 있었고, 본 실험조건에서 T-N 제거 반응에 대한 반응 율속 단계는 탈질과정임을 알 수 있었다.
25이었다. 메탄올 주입에 의해 T-N의 제거율은 점차 상승하여 Run-6에서의 평균 제거율은 분말활성탄을 투여하지 않은 경우와 분말활성탄을 투여한 경우 각각 65.7% 및 41.3%이였으며, 분말활성탄을 투여하지 않은 경우에 조업 89일 후의 T-N 제거율은 75.0%이었다.
조업 초기(Run-1, Run-2 및 Run-3)에서는 분말활성탄 흡착에 의해 분말활성탄을 투여한 경우가 투여하지 않은 경우에 비해 MLSS 농도와 COD 및 T-P 제거율이 높게 나타났다. 분말활성탄 첨가 유무에 관계없이 외부 탄소원(메탄올) 주입량 증가(Run-4, Run-5 및 Run-6)에 따라 MLSS 및 MLVSS 농도와 COD, T-N 및 T-P 제거율은 모두 증가하였다. 조업 89일 후의 COD, T-N 및 T-P의 제거율은 각각 97.
분말활성탄 첨가 유무에 관계없이 하수의 COD 값이 증가함에 따라 MLSS와 MLVSS 농도는 모두 증가하였다. 분말활성탄을 첨가하지 않은 경우, 조업 후 56일에서의 MLSS 및 MLVSS 농도는 각각 3,080 mg/L 및 2,400 mg/L이였으며, 조업 후 91일에서의 MLSS 및 MLVSS 농도는 각각 5,860 mg/L 및 4,900 mg/L이었다.
T-P의 제거율이 낮게 나온 이유는 과잉의 슬러지를 배출하지 않았기 때문이었다. 분말활성탄 투여 여부와 무관하게 모든 운전조간에서 투과수의 부유물질 농도는 0 mg/L로서 100% 제거되었으며, 본 실험조건에서 T-N 제거 반응에 대한 반응 율속단계는 탈질과정임을 알 수 있었다.
10에 나타내었다. 분말활성탄을 투여하지 않은 경우, 조업 후 65일까지는 TMP가 서서히 증가하는 경향을 보였으나 65일 이후부터 TMP의 증가 속도가 크게 나타났다. 그리고 운전한 지 75일에 TMP가 21 kPa로 상승하여 막세정을실시하였으며, 세정 후의 TMP는 7.
분말활성탄을 투여한 경우 조업이 진행됨에 따라 분말활성탄의 혼합강도와 충돌빈도가 증가하여 슬러지의 입자크기가 감소하였으며, 이로 인해 분말활성탄을 투여하지 않은 경우에 비해 TMP 상승이 크게 나타났다.
12는 실험이 종료된 후에 각 반응기에서 꺼낸 막의 표면을 전자현미경으로 찍은 사진이다. 분말활성탄을 투여한 경우가 분말활성탄을 투여하지 않은 경우에 비해 많은 막 세공(pore)이 폐쇄되었음을 확인할 수 있었다.
9에 나타내었다. 분말활성탄의 투입 유무, 원수의 Cl- 이온농도, 폭기량, 외부탄소의 주입량 및 운전시간에 관계없이 원수와 투과수의 Cl- 농도 차이는 거의 없었다. 따라서 MSBR에 의한 Cl- 이온의 제거는 불가능함을 확인할 수 있었다.
분말활성탄 첨가 유무에 관계없이 외부 탄소원(메탄올) 주입량 증가(Run-4, Run-5 및 Run-6)에 따라 MLSS 및 MLVSS 농도와 COD, T-N 및 T-P 제거율은 모두 증가하였다. 조업 89일 후의 COD, T-N 및 T-P의 제거율은 각각 97.1%, 75.0% 및 48.3%이었다. T-P의 제거율이 낮게 나온 이유는 과잉의 슬러지를 배출하지 않았기 때문이었다.
7에는 조업시간에 따른 원수와 처리수의 NH3-N의 농도와 제거율 변화를 나타내었다. 조업 시간에 따라 NH3-N의 제거율은 점차 증가하는 경향을 나타내었으나, 분말활성탄을 투여하지 않은 경우 및 분말활성탄을 투여한 경우의 NH3-N 제거율 차이는 없었다. 또한 T-N에 비해 NH3-N의 제거율이 상대적으로 높게 나타나 질산화 과정은 빠르게 진행됨을 알 수 있었고, 본 실험조건에서 T-N 제거 반응에 대한 반응 율속 단계는 탈질과정임을 알 수 있었다.
6에 분말활성탄을 투여하지 않은 경우와 분말활성탄을 투여한 경우, 조업 시간에 따른 원수와 처리수의 T-N 농도 변화 및 제거율 변화를 나타내었다. 조업 시간에 따라 T-N의 제거율은 점차 증가하였으며, 분말활성탄을 투여하지 않은 경우와 분말활성탄을 투여한 경우의 T-N 제거율 차이는 Run-6를 제외하고 거의 차이가 없었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연속회분식 반응조는 어떠한 단위공정으로 이루어져 있는가?
한편, 연속회분식 반응조(sequencing batch reactor, SBR)는 유입(fill), 반응(react), 침전(settle), 처리수의 배출(draw) 및 휴지(idle)의 5가지 단위공정이 폭기장치와 교반장치가 설치된 하나의 반응조에서 순차적으로 행해지며, 이를 반복함으로써 처리조작을 계속하게 된다. SBR은 운전이 간단하고 유지관리비가 적게 소요되며, 슬러지 벌킹(sludge bulking)을 유발하는 사상성 미생물의 성장을 방지할 수 있어 유량 변동이 심하고 수질 변동이 큰 소도시, 농촌 및 관광단지 등에서 적합하며 미국, 일본의 경우 중소도시의 하수처리에 적용되고 있다.
막결합 연속회분식 생물반응기란 무엇인가?
막결합 연속회분식 생물반응기(membrane-coupled sequencing batch reactor, MSBR)는 MBR의 한 종류로서 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 활성슬러지가 포함된 반응 조에 폐수를 유입, 반응, 침전, 배출, 휴지 등의 단계를 거쳐 처리하는 연속회분식 생물반응기 공정에서 침전 단계와 배출 단계를 분리막 여과로 대체한 공정이다. 기존의 SBR 공정에서는 활성슬러지를 침전시키고 처리수를 배출할 때 필요한 시간(침전시간)이 SBR 공정의 총시간에서 차지하는 비중이 상당히 크므로 분리막을 이용하여 침전단계를 제거할 수 있다면 SBR의 조업시간을 상당히 줄일 수 있다.
침지형 막결합 생물반응조의 단점은 무엇인가?
또한 기존의 활성슬러지 시스템보다 미생물의 농도를 높게 유지할 수 있으므로 처리효율을 높일 수 있고, 고액분리에 필요한 2차 침전지가 필요치 않으므로 부지면적도 줄일 수 있어 소규모화할 수 있다. 그러나 막여과에서 필연적으로 발생하는 막오염(membrane fouling)이라는 문제가 충분히 해결되지 못하고 있어 시스템의 효율과 경제성을 떨어뜨리게 되는데, 이는 앞으로 계속해서 해결해야 할 과 제이다[7-9].
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