[논문]하수처리장 내 나노 TiO2 입자 제거효율 예측을 위한 물질흐름모델 개발

반민정; 이동훈; 신상욱; 이병태; 황유식; 김극태; 강주현

doi:10.17663/jwr.2022.24.4.345

하수처리장 내 나노 TiO2 입자 제거효율 예측을 위한 물질흐름모델 개발
Development of A Material Flow Model for Predicting Nano-TiO2 Particles Removal Efficiency in a WWTP 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.24 no.4, 2022년, pp.345 - 353

반민정 (동국대학교 건설환경공학과) , 이동훈 (동국대학교 건설환경공학과) , 신상욱 (동국대학교 건설환경공학과) , 이병태 (광주과학기술원 중앙연구기기센터) , 황유식 (안전성평가연구소 환경독성영향연구센터) , 김극태 (수원대학교 환경에너지공학과) , 강주현 (동국대학교 건설환경공학과)

초록
AI-Helper

산업과 생활환경에서 사용된 공학적 미세입자는 결국 하수처리장을 거쳐 수계로 배출되므로 미세입자의 수계 배출 제어에 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 그러나 다수 연구에서 하수처리장 유출수 내 미세입자의 농도가 무영향관찰농도(No Observed Effective Concentration, NOEC)를 빈번히 초과하고 있는 것으로 보고되고 있어 전통적인 하수처리 기능과 더불어 미세입자를 보다 효과적으로 제어할 수 있도록 하수처리장의 설계와 운영을 최적화시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 하수처리장 내 단위공정별 특성 및 운전조건에 따른 미세입자의 거동특성과 제거효율에 대한 예측이 선행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 하수처리장 내 각 공정 특성별 및 주요 운전조건의 영향에 따른 미세입자 제거효율예측을 위한 모델을 개발함으로써 하수처리장에서 미세입자를 보다 효율적으로 제어하기 위한 도구를 제공하고자 하였다. 개발 모델에서는 수처리 계통에서의 4개 단위공정(1차침전지, 생물반응조, 2차침전지, 및 총인처리시설)을 고려하고, 슬러지처리 계통은 농축, 소화, 탈수 공정 등의 다중 공정을 통합한 단일 공정으로 모의한다. 모의 대상 미세입자는 TiO₂ (nano-TiO₂)로서, 수중에서의 용해와 변환은 미미하므로 부유성 고형물과의 부착 기작만을 고려하였다. 부유성고형물에의 nano-TiO₂ 부착 기작은 고-액상 간 평형가정에 기반한 겉보기분배계수(Kd)를 매개변수로 반영하였으며 정상상태에서의 미세입자의 농도 및 부하를 공정별로 계산할 수 있도록 하였다. 아울러 개발 모델 구동의 편의를 위하여 MS 엑셀기반 사용자 인터페이스를 제작하였다. 개발 모델을 이용하여 주요 운전인자인 고형물체류시간(Solid Retention Time, SRT)이 nano-TiO₂ 제거효율에 미치는 영향을 파악하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A wastewater treatment plant (WWTP) is a major gateway for the engineered nano-particles (ENPs) entering the water bodies. However existing studies have reported that many WWTPs exceed the No Observed Effective Concentration (NOEC) for ENPs in the effluent and thus they need to be designed or operated to more effectively control ENPs. Understanding and predicting ENPs behaviors in the unit and \the whole process of a WWTP should be the key first step to develop strategies for controlling ENPs using a WWTP. This study aims to provide a modeling tool for predicting behaviors and removal efficiencies of ENPs in a WWTP associated with process characteristics and major operating conditions. In the developed model, four unit processes for water treatment (primary clarifier, bioreactor, secondary clarifier, and tertiary treatment unit) were considered. Additionally the model simulates the sludge treatment system as a single process that integrates multiple unit processes including thickeners, digesters, and dewatering units. The simulated ENP was nano-sized TiO2, (nano-TiO2) assuming that its behavior in a WWTP is dominated by the attachment with suspendid solids (SS), while dissolution and transformation are insignificant. The attachment mechanism of nano-TiO2 to SS was incorporated into the model equations using the apparent solid-liquid partition coefficient (Kd) under the equilibrium assumption between solid and liquid phase, and a steady state condition of nano-TiO2 was assumed. Furthermore, an MS Excel-based user interface was developed to provide user-friendly environment for the nano-TiO2 removal efficiency calculations. Using the developed model, a preliminary simulation was conducted to examine how the solid retention time (SRT), a major operating variable affects the removal efficiency of nano-TiO2 particles in a WWTP.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig 1. Schematic diagram of a typical WWTP. Dashed line rectangles indicate the control volumes setup to develop water and mass balance equations for individual unit processes
표 Table 1. Unit processes notations, parameters, and variables used in the model
그림 Fig. 2. Simplified material flow diagram for a unit process removing nano-TiO₂ attached on SS
그림 Fig. 3. Relationship between SRT and nano-TiO₂ Removal Efficiency
표 Table 2. Ranges of K_d and SRT in the preliminary simulation
표 Table 3. Input variables in the preliminary simulation
그림 Fig. 4. Nano-TiO₂ mass flow diagram in a WWTP at (a) SRT = 10 d, and (b) SRT = 20 d
그림 Fig. 5. MS Excel-based user interface of the nano-TiO₂ material flow model

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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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