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문제 정의
- 불활성화를 실시한 후 체류시간에 따른 Artemia sp. 개체수의 변화 결과를 경험적 소독 모델들에 적용하여 각종 처리공정에 가장 적합한 소독 모델을 조사하여 그 특성을 밝히고자 하였다.
제안 방법
- 3). Fig. 3에서 10가지 모델 중 Log-linear +Shoulder+Tail 모델, Weibull+Tail 모델, Double Weibull 모델이 비교적 적합한 모델로 판단되었으나, 가장 적합한 소독 모델을 결정하기 위하여 GInaFiT tool 적용 후 생성되는 SSE, RMSE, r2를 조사하여 Table 2에 나타내었다. SSE 값과 RMSE 값은 낮게 나타날수록 실측치와 모델 예측치가 근접하는 모델이라는 것을 의미하며, r2 값이 1에 가까울수록 회귀곡선이 실측치에 근접하므로 적합한 모델이라는 것을 알 수있다(Back et al.
- 알과 해수 농도와 유사하게 제조된 22 L의 시험수(NaCl, 30 g/L)를 같이 넣은 다음 48시간 동안 연속 배양하였다. 배양시 LED 조명등(20 W)을 점등하고 공기 펌프를 이용하여 물속에 공기를 공급하여 DO 농도를 4 mg/L로 유지하였다. 수돗물의 pH가 7.
- 복합 처리공정은 전기분해+균질기 공정과 전기분해+초음파 공정 두 가지로 진행하였다. 시험수는 먼저 전기화학 처리공정인 전기분해로 처리하고 처리된 시험수는 물리적 반응기인 균질기 반응기 Fig.
- 본 연구의 소독 시스템은 모두 연속식으로 운전되었으며, 단일 물리·화학적 처리공정(Fig. 1)과 복합 물리·화학적 처리공정(Fig. 2)으로 이루어져 있다.
- 전기분해가 Artemia sp. 불활성화에 미치는 영향을 알아보기 위하여 전류 2.65 A, 전압 2.6 V, 체류시간 3초에서 실험한 결과를 10개의 소독 모델에 적용하였다(Fig. 3). Fig.
- 5일 간 암실에서 25 °C로 보존하여 Artemia sp.의 운동성을 근거로 한 생사판별을 매일 실시하였다. 눈으로 관찰시 Artemia sp.
- 전기분해 실험은 실험실에서 제조한 Ru-Ti-Ir 전극을 이용하여 전기분해 실험을 실시하였다. 실험에 사용한 모든 전극의 크기는 5 × 5 cm 이었다.
- 전기분해 장치는 전극과 전원 공급기로 구성되어 있으며, 반응기 내에서 전극(양극과 음극)을 통해 전류(2.65 A)를 인가하여 시험수를 전기분해 하였다. 초음파 소독은 주파수가 20 kHz인 초음파 장치(Sonics Materials, INS VC 505)를 이용하여 출력을 500 W로 조절하여 실험하였다.
- 전기분해는 전류 2.65 A, 전압 2.6 V로 운전하고, 균질기의 회전자 회전속도는 27,500 rpm, 초음파 공정은 500 W의 출력으로 유지한 조건에서 체류시간을 1~5초로 변화시키면서 복합 처리공정의 소독 실험을 실시하였다. 복합 처리공정의 소독 모델을 선정하는 방법은 단일 처리공정의 실험방법과 같다.
- 초음파 세기를 500 W로 일정하게 유지한 조건에서 실험하였다. 체류시간 3초에서 실험한 결과를 10개의 소독모델에 적용시킨 결과를 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 모든 용액은 수돗물을 사용하여 제조하였으며, NaCl은 식용 소금(NaCl 함량: 88%)을 이용하였다. 실험에 Artemia sp.
- 65 A)를 인가하여 시험수를 전기분해 하였다. 초음파 소독은 주파수가 20 kHz인 초음파 장치(Sonics Materials, INS VC 505)를 이용하여 출력을 500 W로 조절하여 실험하였다. 초음파 장치의 초음파 진동자를 시험수 표면 2 cm 아래 지점에 넣어 실험하였다.
데이터처리
- 실험한 결과를 Microsoft excle의 추가 기능중 하나인 GInaFiT를 이용하여 데이터 분석을 실시하였으며, 소프트웨어에 포함된 수식 10가지를 Table 1에 나타내었다(Back et al., 2012).
이론/모형
- 를 효과적으로 처리하기 위하여 전기분해, 초음파, 균질기 단일 공정과 전기분해+균질기, 전기분해+초음파 복합 처리공정에서 HRT 변화에 따른 Artemia sp. 불활성화 실험 결과를 Microsoft Excle의 추가 기능중 하나인 GInaFiT를 이용하여 경험적 소독모델을 적용하여 다음의 결과를 얻었다.
- 전기분해+초음파 복합 처리공정을 이용하여 Artemia sp.의 불활성화에 미치는 체류시간에 대한실험을 수행하여, 그 결과를 Weibull+Tail 모델에 적용하여 Table 11에 정리하였다. Log10(N0)는 1.
성능/효과
- 3) 전기분해 단일공정과 전기분해-초음파 복합 처리공정에서는 Weibull+Tail 모델이 가장 적합하였다. Weibull+Tail 모델에서 최적 운전인자는 δ (sec)값과 불화성화의 지체기를 표시하는 p (-)값이었다.
-
4) 소독 효과가 낮은 초음파 공정은 소독 효과가 복잡한 Double Weibull 모델이 적합하였다.
- Log-linear+Tail 모델에 적용시켜 본 결과(Table 7), Log10(No)는 1.70~1.74로 비교적 거의 일정하게 나타났다. Log10(Nres)는 체류시간 1초에서는 0.
- 지체기를 의미하는 Sl 값이 음의 값을 나타내기 때문에 지체기가 없음을 알 수 있었다. Menu item 2에 이 두 모델 중 지체기가 없는 Log-linear+Tail 모델이 본 실험 조건에 가장 적합한 것으로 판단되었다.
- p는 불활성화 곡선의 모양을 나타내는데, 본 실험 조건에서는 체류시간 5초에 p 1의 조건을 만족하였다, 그러므로 본 실험 조건에서의 불활성화의 곡선의 모양은 체류시간 5초에서 오목면 형태로 있으며, 다른 체류시간에서는 볼록한 곡면의 형태로 불활성화가 발생한다는 것을 알 수 있다.
- 4에 나타내었으며, 모델의 SSE, RMSE, r2 값을 Table 4에 나타내었다. 가장 높은 r2 값(0.9572)과 가장 낮은 SSE 값(0.19), RMSE 값(0.1555)을 동시에 고려해 볼 때 가장 적합한 모델은 Double Weibull 모델로 나타났다. Table 4에서 Menu Item 4에 error로 나왔으므로 적용하지 않았다.
- δ와 p 값은 체류시간 5초에서 가장 낮게 나타남으로써 불활성화 속도가 가장 빠르다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 본 실험 조건에서는 체류시간 5초에서 불활성화가 가장 잘 발생될 수 있는 것으로 판단되었다.
- 모든 체류시간에서 p < 1로 나타나 오목면 형태로 불활성화가 발생한다는 것으로 나타났다.
- 의 불활성화가 완벽하게 발생한다는 것을 알 수 있었다. 불활성화 속도를 의미하는 kmax는 체류시간 1초에서 270.81 1/sec을 보였으며, 체류시간 2~3초에서 390.53 1/sec, 500.40 1/sec로 증가하였으나 체류시간 4초 이상의 체류시간에서 kmax는 일정한 값을 나타내었다. 그러므로 Artemia sp.
- 소독실험 결과를 Log-linear+Shoulder+Tail 모델에 적용시켜 본 결과(Table 8), Log1(No)값과 Log10(Nres) 값이 Log-linear+Tail 모델과 같은 값을 나타났으며,비불활성화 속도상수 (kmax)도 같은 경향을 나타내었다.
- 균질기 공정의 성능이 전기분해 공정보다 Artemia sp. 의 불활성화에 우수한 것으로 판단되어 체류시간이 4초 이상 증가하면 전기분해+균질기 복합 처리공정과 단일 균질기 처리공정은 큰 차이가 없는 것으로 판단되었으며, kmax값은 1009.76로 동일한 값으로 나타났다. 그러므로 체류시간 1초라는 짧은 소독시간에서도 Artemia sp.
- 9455로 비슷하게 나타났다. 이 세 모델 중 SSE 값과 RMSE 값이 각각 0.30과 0.1939로 가장 작은 값으로 표현된 Weibull+Tail 모델이 본 실험 결과에 가장 적합한 것으로 판단되었다.
- 두 공정을 결합한 복합 공정의 실험 결과에 10종류의 소독 모델을 적용해서 SSE 값, RMSE 값과 r2 값을 구한 후 최적 소독 모델을 한 종류 선정하여 Table 9에 나타내었다. 전기분해+균질기 복합 처리공정은 Log-linear+Tail 모델이 적합한 것으로 나타났다. 전기분해+초음파 복합 처리공정은 Weibull+Tail 모델이 적합한 것으로 나타났다.
- 전기분해+균질기 복합 처리공정은 Log-linear+Tail 모델이 적합한 것으로 나타났다. 전기분해+초음파 복합 처리공정은 Weibull+Tail 모델이 적합한 것으로 나타났다.
- 모든 체류시간에서 p < 1로 나타나 오목면 형태로 불활성화가 발생한다는 것으로 나타났다. 체류시간을 증가시킴에 따라 p 값은 감소하는 경향을 나타내어 지체기가 감소한다는 것을 알 수 있었다.
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