[논문]공정 모사를 통한 하수처리장 내 은나노물질 제거 평가

오승윤; 김영훈

doi:10.7464/ksct.2014.20.2.160

공정 모사를 통한 하수처리장 내 은나노물질 제거 평가
Assessment of Removal of Silver Nanoparticle in Sewage Treatment Plant Waste Using Process Simulation 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.20 no.2, 2014년, pp.160 - 165

초록
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지난 수년간 나노기술의 혁신성과 다양한 나노소비제의 적용으로 수많은 나노물질들이 제조되었다. 아울러 나노물질과 나노소비재의 연간 생산량이 증가하고 있어서, 의도하지 않은 환경 노출이 야기되고 있다. 그러나 나노물질을 함유한 폐수는 기존 하폐수처리 시설을 이용하고 있는 실정이다. 국내는 지금까지 실제 하폐수처리장내 나노물질 제거효율을 평가한 사례가 없다. 이에 현장 노출평가에 앞서 파일럿 규모의 하수처리장치를 설계하고자, 설계인자 도출을 위한 슬러지내 나노물질 제거 모델식과 상용 공정 시뮬레이션을 이용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Over the past decade, an increasing number of manufactured nanoparticles (NPs) have been incorporated into products and manufacturing processes due to the rapid innovation and commercialization in the field of nanotechnology. In addition, these nanomaterials and nano-consumer products have increased in quantity per year, and thus their uncontrolled release into the environment is anticipated to grow dramatically in future. However, A current sewage/wastewater treatment plant (SWTP) is being applied to removal of nanoparticles in wastewater. In Korea, the study on the removal of nanoparticles in SWTP was not reported yet. Therefore, in this work, to design pilot STP before field test, two model equations and commercial process simulation were used to derive the desing parameters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

활성슬러지내 미생물 또한 나노입자의 영향으로 사멸되거나 과도한 팽윤(bulking)이 발생될 수 있다. 본 연구에서는 기존 하폐수처리장의 나노물질 제거효율 평가를 위해 파일럿 규모의 장치를 설계하고자 설계인자 도출을 위한 모델링과 모델식을 사용하였다. 모델식 해석 결과, 슬러지내 잔류할 수 있는 AgNP의 농도를 높이기 위해서는 슬러지의 초기량을 2,000 mg/L 이상 유지해야 하였고, 생물반응조의 부피는 가능한 작게, 유량 속도는 빠르게 하는 것이 파일럿 장치의 제작을 위한 공정 조건임을 파악하였다.
국내에서는 아직까지 하수처리장내 나노물질의 제거효율을 평가한 사례가 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 실제 하수처리장내 나노물질 투입에 따른 제거효율 평가에 앞서, 파일럿 하수처리장 설계하고자 활성슬러지를 사용하는 하수 처리 공정을 모델링하여 파일럿 장치의 변수값을 추출하고자 하였다. 활성슬러지법은 전국 하폐수처리장에서 가장 널리 사용하고 있는 처리법이기에 해당 공정을 나노물질 제거 대상으로 설정하였으며, 제거 대상 나노물질은 국내 나노소비재로 가장 범용적으로 이용되는 AgNP를 선정하였다.

가설 설정

이는 모델식을 통해 구하거나 배치 실험 등의 자료에서 초기 정보를 수집하였다[10]. 슬러지는 2차침전조에서 전부 가라앉는다고 가정하였다. 미생물 반응조의 용존산소량은 1 mg/L로 설정하였고, 원수탱크에서 유출액의 속도는 27 mL/min로 설정하였다.

제안 방법

합성하수로 투입하는 글루코스 200 mg/L을 12 L, AgNP 300 mg/L을 400 mL로 잡았으며, 이는 1차침전조의 유입농도가 10 ppm로 만들기 위한 혼합전의 값에 해당된다. 1차침전조 효율 60, 70, 80, 90%, 미생물 반응조 효율은 70, 80, 90, 100%로 하고, 2차침전조 효율은 60%로 하여 계산하였다. 공정 운전을 위하여 파일럿 장치의 운전조건과 동일하게 하기 위하여 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT)을 8시간으로 맞추는 등 실제 설계 조건과 유사하게 설정하였다.
침전조들은 물리적인 방법으로 AgNP를 제거하므로 일반적인 침전조의 부유고형물(suspended solid, SS) 제거효율인 50~60%를 사용하였고, 생물학적처리조는 SS 제거효율 88%를 보이고 있기에 70~100%로 구분하여 설정하였다. 5가지 배출구에서 예측되는 AgNP 농도를 정상상태 조건에서 모사하였다. 모사 결과, 슬러지에 의한 제거효율이 증가할수록 최종 방류수 및 2차침전조내 농도가 급감하였다(Figure 5).
각 변수별 슬러지가 흡착한 AgNP를 탈착하는 과정을 슬러지내 AgNP 농도(C₀), 생물반응조 유입수와 나노물질 유입 유량(Q_I, Q_m), 생물반응조 부피(V) 등에 따라서 해석하였다. 슬러지내 흡착된 AgNP가 많을수록 탈착하는 데 걸리는 시간이 많이 소요되며, 흡착보다는 탈착이 상당히 오래 걸리는 것으로 파악되었다.
공정은 원수공급(P-1), AgNP 제조를 위한 교반(P-2), 파일럿 장치에 사용할 합성하수와 AgNP의 혼합(P-3), 1차침전조 (P-4), 1차침전조 유출액과 슬러지 반송액의 혼합(P-5), 미생물 반응조(P-6), 2차침전조(P-7), 배출수 탱크(P-8) 등 8개로 구성하였다. 각각의 공정을 연결하는 공정라인은 7개로, 원수 투입(S-101), AgNP 투입(S-102), 1차침전조로 유입(S-103), 1차침전조에서 유출(S-104), 미생물 반응조로 유입(S-105), 미생물 반응조에서 유출(S-106), 2차침전조에서 유출(S-107) 등을 설정하였다. 설정한 공정과 공정라인을 바탕으로 시뮬레이션 프로그램에 적용할 파일럿 하수처리장치의 공정 도면을 Figure 1처럼 완성하였다.
1차침전조 효율 60, 70, 80, 90%, 미생물 반응조 효율은 70, 80, 90, 100%로 하고, 2차침전조 효율은 60%로 하여 계산하였다. 공정 운전을 위하여 파일럿 장치의 운전조건과 동일하게 하기 위하여 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT)을 8시간으로 맞추는 등 실제 설계 조건과 유사하게 설정하였다. 또한 1차침전조와 2차침전조의 HRT는 반응조의 크기를 고려하여 약 2.
시뮬레이션을 사용하기 위하여 파일럿 공정 도면을 입력하고, 다양한 초기값들을 설정하였다. 이는 모델식을 통해 구하거나 배치 실험 등의 자료에서 초기 정보를 수집하였다[10].
침전조들은 물리적인 방법으로 AgNP를 제거하므로 일반적인 침전조의 부유고형물(suspended solid, SS) 제거효율인 50~60%를 사용하였고, 생물학적처리조는 SS 제거효율 88%를 보이고 있기에 70~100%로 구분하여 설정하였다. 5가지 배출구에서 예측되는 AgNP 농도를 정상상태 조건에서 모사하였다.

대상 데이터

공정은 원수공급(P-1), AgNP 제조를 위한 교반(P-2), 파일럿 장치에 사용할 합성하수와 AgNP의 혼합(P-3), 1차침전조 (P-4), 1차침전조 유출액과 슬러지 반송액의 혼합(P-5), 미생물 반응조(P-6), 2차침전조(P-7), 배출수 탱크(P-8) 등 8개로 구성하였다. 각각의 공정을 연결하는 공정라인은 7개로, 원수 투입(S-101), AgNP 투입(S-102), 1차침전조로 유입(S-103), 1차침전조에서 유출(S-104), 미생물 반응조로 유입(S-105), 미생물 반응조에서 유출(S-106), 2차침전조에서 유출(S-107) 등을 설정하였다.
이에 본 연구에서는 실제 하수처리장내 나노물질 투입에 따른 제거효율 평가에 앞서, 파일럿 하수처리장 설계하고자 활성슬러지를 사용하는 하수 처리 공정을 모델링하여 파일럿 장치의 변수값을 추출하고자 하였다. 활성슬러지법은 전국 하폐수처리장에서 가장 널리 사용하고 있는 처리법이기에 해당 공정을 나노물질 제거 대상으로 설정하였으며, 제거 대상 나노물질은 국내 나노소비재로 가장 범용적으로 이용되는 AgNP를 선정하였다.

데이터처리

해당 값들은 파일럿 장치를 설계하기 위한 인자들로, 실험실내에서 제작할수 있을 정도의 장치 규모를 고려하였다. 분배계수는 배치 실험 결과에서 획득한 것으로, 10 ppm의 AgNP를 슬러지에 흡착시켰을 때의 흡착량과 액상에 존재하는 입자의 농도로 계산하였다[10].

이론/모형

파일럿 장치 운용전에 공정 시뮬레이션을 통해 사전에 파일럿 하폐수처리 공정의 AgNP 제거 효율을 평가할 수 있다. 이를 위하여 공정 시뮬레이션 프로그램인 SuperPro Designer (Intelligen Inc.)를 사용하였다. 해당 프로그램은 제작과 환경 관련 조작 모델링을 결합시킴으로써 사용자로 하여금 제조 및 최종 마무리 공정의 설계와 평가를 동시에 실행할 수 있도록 해주며 공해통제와 더불어 공해방지를 통한 폐기물 최소화를 실천할 수 있게 해주는 토탈 공정 솔루션이다[9].

성능/효과

슬러지내 AgNP의 탈착은 흡착보다는 느리게 진행되어, 파일럿 및 실제 하폐수처리장에서 지속적인 노출원이 될 수 있음을 확인하였다. SuperPro Designer를 이용한 모사결과에서는 1차침전조의 제거효율이 생물반응조에 직접적인 영향을 주었으며, 생물반응조의 처리효율에 따라서 최종 방류수내 나노물질의 농도가 결정되었다. 향후 이상의 결과를 바탕으로 파일럿 규모의 하폐수처리 모사장치를 설계하고, 실제 나노물질 투입에 따른 제거 효율을 평가한 다음 현장 적용성 평가를 실시할 예정이다.
생물반응조와 나노물질 유입 유량을 등가 속도로 하되, 그 속도를 증가시켰을 때, 등가 속도가 증가하면 보다 빠르게 최대 흡착 량에 도달하였다. 따라서 슬러지내 잔류할 수 있는 AgNP의 농도를 높이기 위해서는, 즉 슬러지 흡착능을 향상시키기 위해서는 투입농도 증가, 슬러지의 초기량은 2,000 mg/L 이상 유지, 생물반응조의 부피는 가능한 작게, 유량 속도는 빠르게 하는 것이 파일럿 장치의 제작을 위한 공정 조건임을 파악하였다.
모사 결과, 슬러지에 의한 제거효율이 증가할수록 최종 방류수 및 2차침전조내 농도가 급감하였다(Figure 5). 또한 질량으로 살펴보면 1차침전조에서는 60% 정도 제거되어 생물반응조로 50 mg AgNP가 이동하였고 그때의 농도는 8 mg/L 정도로 나타났다. 생물반응조의 효율이 증가하면 생물반응조의 배출농도가 점차 감소하고, 해당 배출농도는 최종 방류수의 농도와 거의 동일해졌다.
본 연구에서는 기존 하폐수처리장의 나노물질 제거효율 평가를 위해 파일럿 규모의 장치를 설계하고자 설계인자 도출을 위한 모델링과 모델식을 사용하였다. 모델식 해석 결과, 슬러지내 잔류할 수 있는 AgNP의 농도를 높이기 위해서는 슬러지의 초기량을 2,000 mg/L 이상 유지해야 하였고, 생물반응조의 부피는 가능한 작게, 유량 속도는 빠르게 하는 것이 파일럿 장치의 제작을 위한 공정 조건임을 파악하였다. 슬러지내 AgNP의 탈착은 흡착보다는 느리게 진행되어, 파일럿 및 실제 하폐수처리장에서 지속적인 노출원이 될 수 있음을 확인하였다.
5가지 배출구에서 예측되는 AgNP 농도를 정상상태 조건에서 모사하였다. 모사 결과, 슬러지에 의한 제거효율이 증가할수록 최종 방류수 및 2차침전조내 농도가 급감하였다(Figure 5). 또한 질량으로 살펴보면 1차침전조에서는 60% 정도 제거되어 생물반응조로 50 mg AgNP가 이동하였고 그때의 농도는 8 mg/L 정도로 나타났다.
슬러지양에 따른 의존성은 슬러지양이 많을수록 흡착된 AgNP 농도는 증가하지만 어느 정도 이상의 슬러지양이 되면 흡착농도는 일정해짐을 알 수 있다(Figure 3). 생물반응조 혼합시료 부피, 즉 생물반응조의 크기에 따른 의존성에서는 반응조가 클수록 슬러지에 포화되는데 도달하는 속도가 느린 것으로 계산되었다. 생물반응조와 나노물질 유입 유량을 등가 속도로 하되, 그 속도를 증가시켰을 때, 등가 속도가 증가하면 보다 빠르게 최대 흡착 량에 도달하였다.
생물반응조 혼합시료 부피, 즉 생물반응조의 크기에 따른 의존성에서는 반응조가 클수록 슬러지에 포화되는데 도달하는 속도가 느린 것으로 계산되었다. 생물반응조와 나노물질 유입 유량을 등가 속도로 하되, 그 속도를 증가시켰을 때, 등가 속도가 증가하면 보다 빠르게 최대 흡착 량에 도달하였다. 따라서 슬러지내 잔류할 수 있는 AgNP의 농도를 높이기 위해서는, 즉 슬러지 흡착능을 향상시키기 위해서는 투입농도 증가, 슬러지의 초기량은 2,000 mg/L 이상 유지, 생물반응조의 부피는 가능한 작게, 유량 속도는 빠르게 하는 것이 파일럿 장치의 제작을 위한 공정 조건임을 파악하였다.
모델식 해석 결과, 슬러지내 잔류할 수 있는 AgNP의 농도를 높이기 위해서는 슬러지의 초기량을 2,000 mg/L 이상 유지해야 하였고, 생물반응조의 부피는 가능한 작게, 유량 속도는 빠르게 하는 것이 파일럿 장치의 제작을 위한 공정 조건임을 파악하였다. 슬러지내 AgNP의 탈착은 흡착보다는 느리게 진행되어, 파일럿 및 실제 하폐수처리장에서 지속적인 노출원이 될 수 있음을 확인하였다. SuperPro Designer를 이용한 모사결과에서는 1차침전조의 제거효율이 생물반응조에 직접적인 영향을 주었으며, 생물반응조의 처리효율에 따라서 최종 방류수내 나노물질의 농도가 결정되었다.
), 생물반응조 부피(V) 등에 따라서 해석하였다. 슬러지내 흡착된 AgNP가 많을수록 탈착하는 데 걸리는 시간이 많이 소요되며, 흡착보다는 탈착이 상당히 오래 걸리는 것으로 파악되었다. 5 mg/L의 AgNP가 슬러지내 흡착되어 있다면, 탈착은 24시간 이상 합성하수를 유입시켜야 했다.

후속연구

SuperPro Designer를 이용한 모사결과에서는 1차침전조의 제거효율이 생물반응조에 직접적인 영향을 주었으며, 생물반응조의 처리효율에 따라서 최종 방류수내 나노물질의 농도가 결정되었다. 향후 이상의 결과를 바탕으로 파일럿 규모의 하폐수처리 모사장치를 설계하고, 실제 나노물질 투입에 따른 제거 효율을 평가한 다음 현장 적용성 평가를 실시할 예정이다. 또한 국립환경과학원 보고서(NIER-SP2013-138)에 의하면, 전국 11개 하폐수처리장의 최종방류수에서 Ti, Zn의 농도가 높게 나타나고 있기 때문에[10], 이들을 구성성분으로 하는 나노물질에 대한 노출평가도 이루어져야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AgNP의 경우 주의해야 할 점은?	즉 은나노물질(AgNP) 을 함유한 항균 양말, 이산화티탄(TiO2)을 포함한 자외선 차단 의복, 산화아연(ZnO)과 TiO2가 주성분인 썬크림, 피부 질환 치료제로 사용되던 AgNP 콜로이드 등이 대표적인 나노소비재이며, 제품 사용을 통해 수계로 노출시킬 수 있는 노출원이 된다. AgNP의 경우, 콜로이드 성분이나 은 입자가 포함된 물질을 잘 못 사용하게 되면 피부에 침착되어 푸르게 변하는 은피증(argyria)에 걸릴 수 있다[3].
	나노물질이 함유된 나노제품을 일반인이 사용할 경우 어떤 가능이성이 높아지는가?	나노기술의 급격한 발전으로 인해 나노기술이 적용된 제품이 시장에 속속 등장하고 있다. 나노물질이 함유된 나노제품을 일반인이 사용할 경우, 세척 및 세안 과정을 통해 해당 나노물질이 수계로 노출될 가능이 높다[1,2]. 즉 은나노물질(AgNP) 을 함유한 항균 양말, 이산화티탄(TiO2)을 포함한 자외선 차단 의복, 산화아연(ZnO)과 TiO2가 주성분인 썬크림, 피부 질환 치료제로 사용되던 AgNP 콜로이드 등이 대표적인 나노소비재이며, 제품 사용을 통해 수계로 노출시킬 수 있는 노출원이 된다.
	의도적(직접 사용)과 비의도적(표층수, 지하수, 토양에 잔류)으로 노출되는 나노물질을 모니터링의 한계는?	이러한 의도적(직접 사용)과 비의도적(표층수, 지하수, 토양에 잔류)으로 노출되는 나노물질을 모니터링 할 수 있는 방법론 필수적이다. 그러나 수계환경에 존재하는 나노물질을 모니터링 하기 위한 분석법이 아직 효율이 낮고, 고가인 점이 문제가 되어 실측 모니터링 개발이 불완전한 상황이다. 이에 현수준에서 전과정평가에 기반한 환경예측농도를 통해 잠재 노출량 예측에 만족하고 있는 상황이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
Panyala, N. R., Pena-Mendez, E. M., and Havel, J., "Silver or Silver Nanoparticles: a Hazardous Threat to the Environment and Human Health?," J. Appl. Biomed., 6, 117-129 (2008).
Roh, J., Umh, H. N., Sim, J., Park, S., Yi, J., and Kim, Y., "Dispersion Stablity of Citrate-and PVP-AgNPs in Biological Media for Cytotoxicity Test," Kor. J. Chem. Eng., 30, 671-674 (2013).

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Park, H., Park, S., Roh, J., Kim, S., Choi, K., Yi, J., Kim, Y., and Yoon, J., "Biofilm-inactivating Activity of Silver Nanoparticle: a Comparison with Silver Ions," J. Ind. Eng. Chem., 19, 614-619 (2013).

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Flora, J. R. V., McAnally, A. S., and Petrides, D., "Treatment Plant Instructional Modules Based on SuperPro Designer," Environ. Model. Soft., 14, 69-80 (1998).

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National Institute of Environmental Research, "Assessemtn of Environmental Exposure of Nanomaterials in Aqueous Phase," NIER-SP2013-138 (2013).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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