[논문]UV-LED기반 고도산화공정을 이용한 수중 마이크로시스틴-LR, 이취미 물질, 자연유기물 분해

양보람; 박정안; 남혜림; 정성목; 최재우; 박희등; 이상협

doi:10.4491/ksee.2017.39.5.246

UV-LED기반 고도산화공정을 이용한 수중 마이크로시스틴-LR, 이취미 물질, 자연유기물 분해
Degradation of Microcystin-LR, Taste and Odor, and Natural Organic Matter by UV-LED Based Advanced Oxidation Processes in Synthetic and Natural Water Source 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.39 no.5, 2017년, pp.246 - 254

양보람 (한국과학기술연구원 물자원순환연구단) , 박정안 (한국과학기술연구원 물자원순환연구단) , 남혜림 (한국과학기술연구원 물자원순환연구단) , 정성목 (한국과학기술연구원 물자원순환연구단) , 최재우 (한국과학기술연구원 물자원순환연구단) , 박희등 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 이상협 (한국과학기술연구원 물자원순환연구단)

초록
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호소, 하천 등에 다량의 영양염류의 유입과 수문학적, 지리학적, 생물학적 요소 등으로 인해 남조류가 대량 발생하게 되며 대표적 독성물질인 마이크로시스틴-LR(MC-LR)이 증가한다. MC-LR이 포함된 지표수를 적절하게 처리하기 위하여 정수처리공정에서는 고도산화공정을 적용하고 있다. 다양한 고도산화공정 중 특히 UV, $UV/H_2O_2$, $UV/O_3$, $UV/TiO_2$ 등에 대한 연구는 꾸준히 되어왔다. 기존의 UV램프의 짧은 교체주기, 수은 폐기물 발생, 큰 열 손실 등의 단점을 보완한 UV-LED를 MC-LR제거에 적용하였다. MC-LR 초기농도 $100{\mu}g/L$을 280 nm의 파장인 LED-L ($0.024mW/cm^2$)와 LED-H ($2.18mW/cm^2$)를 이용하여 산화시켰을 때 각각 최대 약 30%, 95.9%의 MC-LR 제거율을 나타냈다. LED-H를 조사 시 자연유기물 변화는 휴믹물질, UVD, SUVA가 감소하는 경향을 보였고 방향족 유기물이 지방족 유기물로 분해되어 저분자 물질이 되었다. $LED-H/H_2O_2$($H_2O_2$: 1, 2, 5, 10 mg/L)산화반응에 의한 MC-LR제거율은 LED-H 단독에 의한 MC-LR 제거율과 유사하였다. 남조류가 발생한 낙동강 원수를 대상으로 LED-L산화를 적용하여 수질분석을 통하여 특성변화를 확인하였다. DOC 및 TOC의 변화는 거의 없었으나 SUVA와 $UV_{254}$의 감소로 인하여 유기물의 분해되었으며 조류유래물질인 용존 및 총 MC-LR, geosmin, 2-MIB농도가 시간이 지남에 따라 서서히 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Microcystin-LR (MC-LR) is one of most abundant microcystins, and is derived from blue-green algae bloom. Advanced oxidation processes (AOPs) are effective process when high concentrations of MC-LR are released into a drinking water treatment system from surface water. In particular, UV-based AOPs such as UV, $UV/H_2O_2$, $UV/O_3$ and $UV/TiO_2$ have been studied for the removal of MC-LR. In this study, UV-LED was applied for the degradation of MC-LR because UV lamps have demonstrated some weaknesses, such as frequent replacements; that generate mercury waste and high heat loss. Degradation efficiencies of the MC-LR (initial conc. = $100{\mu}g/L$) were 30% and 95.9% using LED-L (280 nm, $0.024mW/cm^2$) and LED-H (280 nm, $2.18mW/cm^2$), respectively. Aromatic compounds of natural organic matter changed to aliphatic compounds under the LED-H irradiation by LC-OCD analysis. For application to raw water, the Nak-dong River was sampled during summer when blue-green algae were heavy bloom in 2016. The concentration of extracellular and total MC-LR, geosmin and 2-MIB slightly decreased by increasing the LED-L irradiation; however, the removal of MC-LR by UV-LED (${\lambda}=280nm$) was insufficient. Thus, advanced UV-LED technology or the addition of oxidants with UV-LED is required to obtain better degradation efficiency of MC-LR.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

UVLED의 효과는 잘 알려져 있지 않으며 기능성 UV-LED의 경우 여전히 제작단계나 활용분야에서 발전하고 있는 단계이다.²²⁾ 따라서, 본 연구는 UV-LED를 이용한 조사강도에 따른 MC-LR의 제거특성과 자연유기물의 분해특성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 또한, UV-LED/H₂O₂ 공정적용 가능성 및 남조류 대발생 원수를 대상으로 자연유기물, MC-LR, 이취미물질(geosmin, 2-MIB)의 제거 가능성을 평가하여 UVLED의 수처리 적용 가능성을 확인하고자 한다.
남조류가 발생한 원수를 대상으로 실험을 진행하였을 때 MC-LR 및 다른 수질항목의 분해 특성을 확인하여 수처리에 UV-LED의 적용가능성을 확인해보고자 실험을 진행하였다. 실험에 활용한 낙동강 원수의 특성 분석한 결과는 Table 2에 작성하였다.
²²⁾ 따라서, 본 연구는 UV-LED를 이용한 조사강도에 따른 MC-LR의 제거특성과 자연유기물의 분해특성을 평가하는 것을 목적으로 한다. 또한, UV-LED/H₂O₂ 공정적용 가능성 및 남조류 대발생 원수를 대상으로 자연유기물, MC-LR, 이취미물질(geosmin, 2-MIB)의 제거 가능성을 평가하여 UVLED의 수처리 적용 가능성을 확인하고자 한다.
MC-LR은 매우 안정적인 물질로 산화력이 높은 산화반응을 적용하여 제거하는 것이 적합하다. 본 연구에서 높은 MCLR제거율을 달성하기 위하여 UV-LED는 UV램프에 비하여 장시간의 반응시간이 필요하지만 낮은 안정시간, 긴 교체 주기, 높은 안정성, 취급이 용이, 열로 소실되는 에너지가 적은 장점이 있어, 수처리에 적용할 수 있는 좋은 대안이 될 수 있다. 본 연구에서 적용한 UV-LED는 MC-LR를 단시간에 높은 효율로 제거하지 못하였고, H₂O₂를 분해하여 OH라디칼을 다량 발생할 수 있는 적합한 파장범위의 광원으로서의 한계를 보였지만 현장원수에서, 조류의 성장 기작을 저해하고, 자연유기물질과 이취미 물질을 저감하는 경향을 보였다.

가설 설정

^27,28) UVD 시그널이 시간이 흐름에 따라서 감소하는 경향을 보였으며 humic substance의 비율이 감소하면서(Fig. 5(c)) building block의 초기와 반응 후의 양은 유사하다. 반면 초기농도에 비하여 LMW neutrals, LMW acids이 비율 및 양의 증가를 보였으며(Table 1), 고분자의 물질이 감소하여 저분자의 형태로 변한 것을 확인하였다(Fig.
UV-LED와 H2O2의 반응으로 UV-LED를 이용한 광분해를 비롯하여 OH라디칼을 발생하므로 UV-LED/H₂O₂를 이용하여 MC-LR를 제거하는 것에 효과적일 것이라 예상하였다. LED-H를 이용한 광분해의 경우 반응시간 1시간 기준으로 MC-LR제거율은 약 30%였으나 LED-H/H₂O₂의 산화반응에서 H₂O₂ (1, 2, 5, 10 mg/L)농도가 증가하여도 MC-LR제거율은 유사하였다.

제안 방법

0.45 µm PVDF (Whatman)로 여과한 시료를 DOC 및 UV254를 분석하였으며, 초음파 처리하여 TOC를 분석하였으며, 유기물농도 측정은 TOC analyzer (TOC-L, Shimadzu, Japan)를 이용하였다.
UV-LED/H₂O₂를 이용한 MC-LR 제거는 LED-H에 대해서만 진행되었으며, H₂O₂는 1, 2, 5, 10 mg/L의 농도로 실험하였다. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 24시간의 반응시간으로 샘플링을 진행하였다. UV-LED를 이용한 유기물 산화의 경우 DOC기준 10 mg/L농도로 제조하였으며, LED-H를 1, 2, 4, 24시간 조사하여 각 반응시간 별 유기물의 변화를 확인하였다.
3). 3개의 각 반응조 실험용량은 1.85 L로 하루 1번 수질 특성분석을 진행하였다. 분석한 수질항목은 DOC (Dissolved Organic Carbon), TOC (Total Organic Matter), UV₂₅₄, 탁도, 색도, pH, 전기전도도, 이취미 물질(geosmin, 2-MIB), MC-LR이다.
4(a)). LED-L의 산화효율로는 MC-LR을 충분히 산화시킬 수 없으므로 LED-L에 비하여 광출력이 높은 LED-H를 이용하여 MC-LR 제거율을 비교하였다. 특성이 다른 두 가지 광원으로 초기 1시간 반응하였을 때 LED-L은 약 10% MC-LR 제거율, LED-H은 약 30% MC-LR 제거율을 보였다.
UV-LED산화는 LED-L 및 LED-H에 대한 산화제거 특성분석을 진행하였으며, 반응시간 1, 2, 3, 4, 5, 24시간으로 샘플링하여 UPLC-MS/MS로 분석하였다. UV-LED/H₂O₂를 이용한 MC-LR 제거는 LED-H에 대해서만 진행되었으며, H₂O₂는 1, 2, 5, 10 mg/L의 농도로 실험하였다. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 24시간의 반응시간으로 샘플링을 진행하였다.
UV-LED를 이용한 MC-LR산화의 경우 petri dish에 40 mL의 시료를 지속적으로 교반하였으며, 초기 MC-LR농도는 100 µg/L로 DI조건에서 실험을 진행하였다. UV-LED는 시료와 거리를 8 mm로 조사하였다. UV-LED산화는 LED-L 및 LED-H에 대한 산화제거 특성분석을 진행하였으며, 반응시간 1, 2, 3, 4, 5, 24시간으로 샘플링하여 UPLC-MS/MS로 분석하였다.
UV-LED를 수처리에 적용하였을 때 자연유기물의 분해효과를 살펴보았다. 특히 산화반응 과정을 LC-OCD분석을 통하여 DOC를 구성하는 세부 유기물 성분변화를 확인하여, DOC분자량 차이와 UV흡광의 차이를 성질에 따라서 비교하였다.
UV-LED를 이용한 MC-LR산화의 경우 petri dish에 40 mL의 시료를 지속적으로 교반하였으며, 초기 MC-LR농도는 100 µg/L로 DI조건에서 실험을 진행하였다.
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 24시간의 반응시간으로 샘플링을 진행하였다. UV-LED를 이용한 유기물 산화의 경우 DOC기준 10 mg/L농도로 제조하였으며, LED-H를 1, 2, 4, 24시간 조사하여 각 반응시간 별 유기물의 변화를 확인하였다. 유기물 특성변화는 LC-OCD (Liquid Chromatography-Organic Carbon Detection, DOC labor, Germany) 로 분석하였다.
UV-LED는 시료와 거리를 8 mm로 조사하였다. UV-LED산화는 LED-L 및 LED-H에 대한 산화제거 특성분석을 진행하였으며, 반응시간 1, 2, 3, 4, 5, 24시간으로 샘플링하여 UPLC-MS/MS로 분석하였다. UV-LED/H₂O₂를 이용한 MC-LR 제거는 LED-H에 대해서만 진행되었으며, H₂O₂는 1, 2, 5, 10 mg/L의 농도로 실험하였다.
모듈은 반응하는 수표면과 평행하게 반응하였다. UV-LED의 광원의 산화력을 확인하기 위하여 외부의 빛 유입을 차단하기 위하여 암실조건이며, 반응온도 유지를 위한 공기순환 장치가 설치되어 있는 반응기를 사용하였다(Fig. 2).
UV-LED의 조사시간에 따른 산화 효율을 평가하고자 실험을 진행하였으며, LED-L과 LED-H에 따른 MC-LR 제거율을 비교하였다. LED-L를 이용하여 MC-LR제거 실험을 진행한 결과 LED-L 조사시간이 증가할수록 제거율은 증가하는 경향을 보였으며, 24시간에 약 25~30%의 제거율을 나타냈다(Fig.
2 µm 실린지 필터(Nylon, Whatman)를 이용하여 여과한 시료를 분석하였다. geosmin과 2-MIB는 Multi-Purpose Sampler (Gurstel, Germany), Gas Chromatography 7890A (Agilent technology, USA), Mass Spectrometer 5976C (Agilent technology, USA)로 분석하였다.
분석을 위한 칼럼은 충전 입자크기가 1.8 µm로 2.1 mm × 100 mm Zorbax Eclipse Plus C18 (Agilent technology, CA, USA)으로 칼럼온도는 40℃를 유지하여 분석하였다.
85 L로 하루 1번 수질 특성분석을 진행하였다. 분석한 수질항목은 DOC (Dissolved Organic Carbon), TOC (Total Organic Matter), UV₂₅₄, 탁도, 색도, pH, 전기전도도, 이취미 물질(geosmin, 2-MIB), MC-LR이다. 0.
액체크로마토그래피는 Agilent technology (CA, USA)사의 UPLC 1290 infinity (ultra-performance liquid chromatography)를 사용하였으며, 검출기는 6460 triple quadrupole mass spectrometer으로 LC/MS/MS system을 구성하여 MRM방식으로 분석하였다. 분석을 위한 칼럼은 충전 입자크기가 1.
용존(extracellular)된 것과 조류세포 내(intracellular)에 존재하는 것을 합하여 분석하는 것이 총(total)농도이며, 총 MC-LR, 총 geosmin, 총 2-MIB농도는 200 ml부피의 원수를 초음파로 5분간 처리한 후 0.2 µm 실린지 필터(Nylon, Whatman)를 이용하여 여과한 시료를 분석하였다.
UV-LED를 이용한 유기물 산화의 경우 DOC기준 10 mg/L농도로 제조하였으며, LED-H를 1, 2, 4, 24시간 조사하여 각 반응시간 별 유기물의 변화를 확인하였다. 유기물 특성변화는 LC-OCD (Liquid Chromatography-Organic Carbon Detection, DOC labor, Germany) 로 분석하였다.
채수한 시료의 수중에 존재하는 것을 용존(extracellular)이라고 하며 0.45 µm실린지 필터(PVDF, Whatman)로 여과한 시료를 분석하여 용존 MC-LR, 용존 geosmin, 용존 2-MIB 농도를 구하였다.
UV-LED를 수처리에 적용하였을 때 자연유기물의 분해효과를 살펴보았다. 특히 산화반응 과정을 LC-OCD분석을 통하여 DOC를 구성하는 세부 유기물 성분변화를 확인하여, DOC분자량 차이와 UV흡광의 차이를 성질에 따라서 비교하였다. HS-Diagram (Humic Substances Diagram)에서 나타난 유기물의 특성변화는 반응 전 초기상태에 비하여 4시간 LEDH산화분해한 시료는 상대적으로 저분자 물질로 분해되었으며, 24시간 LED-H산화분해한 시료는 방향족성이 감소하는 특성을 보였다(Fig.

대상 데이터

2016년 6월 30일에 채수한 낙동강 원수를 실험에 사용하였으며, 채수시기와 근접한 환경부에서 공개한 2016년 6월 27일 수질자료에는 남조류세포수와 Chl-a의 수치를 각각 1,701 cell/ml, 11.3 mg/m³으로 제시되어 있으며²³⁾ 실험에 사용된 수질특성과 비슷할 것으로 예상되며 실험에 사용한 낙동강 원수는 남조류가 다량 증식하여 부유하는 특징을 나타냈다. 실험의 대조군으로는 일반 LED 1개를 설치한 반응조 1개와 실험군으로 LED-L를 설치한 2개의 반응조를 이용하여 실험을 진행하였다(Fig.
모든 실험의 시약은 증류수(Aqua max ultra 370 series)로 제조 및 실험하였다. Ammonium formate는 Samchun사(Korea)와 formic acid는 Fluka (Germany)의 제품을 사용하여 LC-MS/MS 이동상 제조에 사용되었으며, acetonitrile (ACN)는 모두 HPLC grade로서 J. T. Baker (USA)를 사용하였다. 소의 간의 카탈라아제(2000~5000 µ/mg)는 시그마알드리치(USA)에서 구매하여 사용하였다.
MC-LR은 Enzo science (USA)에서 표준물질을 구매 후 메탄올에 용해하여 사용하였으며, 과산화수소 35%시약(OCI)은 수처리제로 등록된 것을 사용하였다. 모든 실험의 시약은 증류수(Aqua max ultra 370 series)로 제조 및 실험하였다. Ammonium formate는 Samchun사(Korea)와 formic acid는 Fluka (Germany)의 제품을 사용하여 LC-MS/MS 이동상 제조에 사용되었으며, acetonitrile (ACN)는 모두 HPLC grade로서 J.
사용한 UV-LED는 (주)루멘스에서 제작한 것을 사용하였으며 두 가지 형태로 광원을 제작하였다. 280~285 nm에서 최고 파장을 나타내는 UV-LED를 3 cm를 간격으로 3개를 일렬로 배치한 이 모듈의 조사강도는 0.
소의 간의 카탈라아제(2000~5000 µ/mg)는 시그마알드리치(USA)에서 구매하여 사용하였다.
소의 간의 카탈라아제(2000~5000 µ/mg)는 시그마알드리치(USA)에서 구매하여 사용하였다. 스와니강의 자연유기물(natural organic matter, NOM) 표준물질을 International Humic Substances Society (IHSS)에서 구매하여 사용하였다.
3 mg/m³으로 제시되어 있으며²³⁾ 실험에 사용된 수질특성과 비슷할 것으로 예상되며 실험에 사용한 낙동강 원수는 남조류가 다량 증식하여 부유하는 특징을 나타냈다. 실험의 대조군으로는 일반 LED 1개를 설치한 반응조 1개와 실험군으로 LED-L를 설치한 2개의 반응조를 이용하여 실험을 진행하였다(Fig. 3). 3개의 각 반응조 실험용량은 1.
1 mm × 100 mm Zorbax Eclipse Plus C18 (Agilent technology, CA, USA)으로 칼럼온도는 40℃를 유지하여 분석하였다. 이동상으로 A는 20 mmol/L ammonium formate의 물과 B는 0.1% formic acid의 acetonitrile을 사용하였다. 이동상의 기울기 조건은 A 95%로 시작하여 9분까지 A 30%로 내렸으며 3분 동안 초기 이동상 비율을 유지하였다.

성능/효과

남조류는 다른 종류의 조류와 유사하게 영양염류 중 인과 질소가 다량 유입되어 증가하거나 수문학적, 지리학적, 생물학적인 자연적 요인과 상호작용으로 번식하기 적절해진 환경에서 지표수에 빠르게 증식하고 이는 남조류 대발생을 야기한다.^1,2) 사이아노박테리아의 대량 증식은 색도, 맛, 냄새 등의 불쾌감을 야기하거나 세포의 사멸 또는 대사작용으로 독성물질을 방출한다.³⁾
특성이 다른 두 가지 광원으로 초기 1시간 반응하였을 때 LED-L은 약 10% MC-LR 제거율, LED-H은 약 30% MC-LR 제거율을 보였다. 24시간 동안 반응하였을 때 LED-L은 최대 약 30% MC-LR 제거율을 보였으며, LED-H로 MC-LR 제거율 약 95.9%을 나타냈다(Fig. 4(b)).
^4,5) MC-LR은 구조적 안정성이 좋아 고온의 조건, 건조한 조건, 생물분해 조건에도 그 특성을 유지한다.^3,6) 마이크로시스틴은 인간 또는 동물에게 노출되었을 경우에 급성독성으로 인한 영향도 있으며, 음용수에 의해 저농도로 지속적인 노출 역시 질병을 유발할 가능성이 있기 때문에 더 주의하고 관리해야 한다.^7~9) MC-LR 노출로 인한 사람과 동물에게 문제를 야기한 사례는 미국, 호주, 중국, 영국 등이 있으며, 1996년 브라질에서는 MC-LR에 오염된 물을 인공투석에 사용하면서 50여명이 사망하는 사례 이후에 세계보건기구(WHO)는 먹는 물 수질기준으로 1 µg/L로 설정하여 MC-LR을 관리하고 있다.
이는 200 nm~280 nm에 해당하는 단파장의 UVC에너지가 효과적인 OH라디칼 발생을 유도하며,^29,30) UVC 파장범위에서 양자수득률(Φ =1)이높아 OH라디칼의 발생량이 증가한다.³⁰⁾ 또한 H2O2는 200nm~280 nm파장범위의 UV를 흡수하며 파장이 단파장일수록 흡수하는 양은 증가하므로 본 실험에 사용된 UV-LED의 파장은 280 nm로 파장범위가 254 nm~260 nm인 UV-LED보다 H₂O₂가 흡수하는 파장범위에 적합하지 않아 OH라디칼을 효과적으로 발생시킬 수 없음을 나타낸다. 이는 선택적 분해가 아니라 모든 유기화합물을 분해하는 OH라디칼의특성으로 인하여 진행된 실험조건에서 H₂O₂ 농도의 증가는 광분해에 영향을 주지 않거나 OH라다칼에 의한 MC-LR제거에 저해요인으로 작용하였다(Fig.
이와 같은 조류에서 유래한 유기물은 자연유기물의 형태를 나타낸다.^31,32)LED-L조사 전의 원수 TOC농도는 DOC농도에 비하여 약 2배 높아 입자성 유기물 및 조류세포가 포함된 것으로 예상하였으며 1일차에는 DOC농도가 급격하게 증가하여 TOC농도와 매우 유사해져 것으로 보아 LED-H에 의하여 조류 세포의 파괴되어 DOC농도 증가를 확인하였다(Fig. 7(a), (b)).
4,5) MC-LR은 구조적 안정성이 좋아 고온의 조건, 건조한 조건, 생물분해 조건에도 그 특성을 유지한다.^3,6) 마이크로시스틴은 인간 또는 동물에게 노출되었을 경우에 급성독성으로 인한 영향도 있으며, 음용수에 의해 저농도로 지속적인 노출 역시 질병을 유발할 가능성이 있기 때문에 더 주의하고 관리해야 한다.
특히 산화반응 과정을 LC-OCD분석을 통하여 DOC를 구성하는 세부 유기물 성분변화를 확인하여, DOC분자량 차이와 UV흡광의 차이를 성질에 따라서 비교하였다. HS-Diagram (Humic Substances Diagram)에서 나타난 유기물의 특성변화는 반응 전 초기상태에 비하여 4시간 LEDH산화분해한 시료는 상대적으로 저분자 물질로 분해되었으며, 24시간 LED-H산화분해한 시료는 방향족성이 감소하는 특성을 보였다(Fig. 5(a)).
UV-LED의 조사시간에 따른 산화 효율을 평가하고자 실험을 진행하였으며, LED-L과 LED-H에 따른 MC-LR 제거율을 비교하였다. LED-L를 이용하여 MC-LR제거 실험을 진행한 결과 LED-L 조사시간이 증가할수록 제거율은 증가하는 경향을 보였으며, 24시간에 약 25~30%의 제거율을 나타냈다(Fig. 4(a)).
90 mg/L로 대부분의 유기물은 용존상태로 존재한다. SUVA는 초기 5.14 L/mg-m에서 4시간 반응 후에 4.78 L/mg-m로 24시간 반응 후에 4.09L/mg-m 반응시간이 지날수록 감소하는 경향을 보였으며, humic substance가 차지하는 비율이 71.6%에서 53.2%로 감소하는 경향을 보였다. 이는 LED-H에 의하여 유기물의 방향족 구조를 파괴하여 지방족 구조로 변화함을 의미한다(Fig.
16 µg/L로 측정되었다. 따라서 본 실험에서 사용한 낙동강 원수는 채수한 비슷한 원수에 비하여 용존하는 조류유래물질 및 조류입자가 많음을 시사한다. 실험에서 사용된 원수는 pH, 전기전도도, 온도는 각각 pH 7.
5(c)) building block의 초기와 반응 후의 양은 유사하다. 반면 초기농도에 비하여 LMW neutrals, LMW acids이 비율 및 양의 증가를 보였으며(Table 1), 고분자의 물질이 감소하여 저분자의 형태로 변한 것을 확인하였다(Fig. 5(a)).
8(b)). 반응 전초기 총 2-MIB은 용존 2-MIB의 약 2배 더 높게 측정되었으며 실험이 진행될수록 감소하는 경향성을 확인하였다. 용존및 총 2-MIB의 제거율은 약 90%, 92%이었다(Fig.
본 연구에서 높은 MCLR제거율을 달성하기 위하여 UV-LED는 UV램프에 비하여 장시간의 반응시간이 필요하지만 낮은 안정시간, 긴 교체 주기, 높은 안정성, 취급이 용이, 열로 소실되는 에너지가 적은 장점이 있어, 수처리에 적용할 수 있는 좋은 대안이 될 수 있다. 본 연구에서 적용한 UV-LED는 MC-LR를 단시간에 높은 효율로 제거하지 못하였고, H₂O₂를 분해하여 OH라디칼을 다량 발생할 수 있는 적합한 파장범위의 광원으로서의 한계를 보였지만 현장원수에서, 조류의 성장 기작을 저해하고, 자연유기물질과 이취미 물질을 저감하는 경향을 보였다. 또한, 수처리에 적합한 UVC (254 nm)파장범위에 근접한 UV-LED의 성능 향상과 산화제와의 조합을 이용한다면 수처리 효율의 증가와 높은 적용성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다.
6(d), (e)). 실험1일차 이후로 색도에 영향을 주는 chl-a가 여전히 녹색을 띠고 있었으며 반응조 내에서 미생물의 용존산소 소비로 박테리아 증식으로 인하여 탁도 및 색도 또한 증가하였다.
실험에서 사용된 원수는 pH, 전기전도도, 온도는 각각 pH 7.52,344.75 µs/cm, 26℃로 3개의 반응에서 비슷하게 측정되었으며, 실험기간 동안 ±5% 범위에서 일정하게 유지되었다(Fig.
총 geosmin, 총 2-MIB,총 MC-LR의 6월 평균농도는 63.87 ± 18.75 ng/L, 27.87 ±13.57 ng/L, 0.21 ± 0.16 µg/L로 측정되었다.
실험1일차의 용존 geosmin은 초기농도에 비하여 약 4배가량 급격히 증가하였다가 점점 감소하였다. 총 geosmin은 실험을 진행할수록 감소하는 경향성을 보였으며, 용존 및 총 geosmin의 제거율은 약 87%, 89%으로 나타났다(Fig. 8(b)).
LED-L의 산화효율로는 MC-LR을 충분히 산화시킬 수 없으므로 LED-L에 비하여 광출력이 높은 LED-H를 이용하여 MC-LR 제거율을 비교하였다. 특성이 다른 두 가지 광원으로 초기 1시간 반응하였을 때 LED-L은 약 10% MC-LR 제거율, LED-H은 약 30% MC-LR 제거율을 보였다. 24시간 동안 반응하였을 때 LED-L은 최대 약 30% MC-LR 제거율을 보였으며, LED-H로 MC-LR 제거율 약 95.

후속연구

본 연구에서 적용한 UV-LED는 MC-LR를 단시간에 높은 효율로 제거하지 못하였고, H₂O₂를 분해하여 OH라디칼을 다량 발생할 수 있는 적합한 파장범위의 광원으로서의 한계를 보였지만 현장원수에서, 조류의 성장 기작을 저해하고, 자연유기물질과 이취미 물질을 저감하는 경향을 보였다. 또한, 수처리에 적합한 UVC (254 nm)파장범위에 근접한 UV-LED의 성능 향상과 산화제와의 조합을 이용한다면 수처리 효율의 증가와 높은 적용성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

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	MC-LR은 어떤 특징이 있는가?	40여종 중 독성을 띠는 남조류가 존재하는 것이 항상 유해한 것은 아니나 대표적으로 남조류 독성물질 중 간독성물질(Hepatotoixns)인 마이크로시스틴[마이크로시스틴-LR(MC-LR), 마이크로시스틴-RR(MC-RR), 마이크로시스틴-YR(MC-YR)]이 있으며, 이 중 MC-LR의 독성이 가장 강하다.4,5) MC-LR은 구조적 안정성이 좋아 고온의 조건, 건조한 조건, 생물분해 조건에도 그 특성을 유지한다.3,6) 마이크로시스틴은 인간 또는 동물에게 노출되었을 경우에 급성독성으로 인한 영향도 있으며, 음용수에 의해 저농도로 지속적인 노출 역시 질병을 유발할 가능성이 있기 때문에 더 주의하고 관리해야 한다.
	수처리에 적용된 대표적인 산화제는 무엇이 있는가?	11~13) 따라서 용존 상태의 MC-LR을 보다 효과적으로 제거하기 위하여 MC-LR의 구조를 파괴하는 화학적 산화처리방법을 적용해야 한다. 수처리에 적용된 대표적인 산화제에는 염소계 산화제(ClO2, HClO, Cl2), 과산화수소(H2O2), 오존(O3)등이 있으며, 보다 효과적인 고도산화처리(advanced oxidation process)가 연구되어 왔다. 대표적인 방법으로 UV, O3, UV/H2O2, UV/O3, UV/TiO2, Fenton 등으로 산화력이 높은 OH라디칼이 발생되어 MC-LR을 제거하고 있다.
	침전, 여과 등을 적용하여 남조류의 세포를 제거하여 체내 MC-LR (intracellular MC-LR)을 제거하는 방법의 한계점은 무엇인가?	상수원에 MC-LR이 포함되어 정수처리공정으로 유입되는 경우에 먹는 물 수질기준에 적합한 물을 공급하기 위하여 침전, 여과 등을 적용하여 남조류의 세포를 제거하여 체내 MC-LR (intracellular MC-LR)을 제거하는 방법이 있다. 그러나 이러한 처리방법으로 남조류 세포에서 용출되어 지표수에 용존하는 MC-LR (Extracellular MC-LR)을 제거하기 위한 방법으로는 충분하지 않다. 11~13) 따라서 용존 상태의 MC-LR을 보다 효과적으로 제거하기 위하여 MC-LR의 구조를 파괴하는 화학적 산화처리방법을 적용해야 한다.

참고문헌 (32)

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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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