하·폐수처리장 내 PFAS 거동 분석 및 반정량 분석을 통한 Total PFAS 평가

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 전 세계적으로 PFAS 규제가 강화되는 추세 속에서, 표준물질 부재로 인해 신종 물질이나 변환산물을 놓쳐 실제 오염도를 과소평가할 수 있는 기존 표적 분석법의 한계를 극복하고자 수행되었다. 이를 위해 2024년 4월부터 9월까지 국내 5개 하·폐수처리장을 대상으로 초고분해능 질량분석기(UHPLC-HRMS)를 활용해 37종의 표적 물질과 3,707종의 추정 물질을 스크리닝하고, 랜덤포레스트 알고리즘 기반의 반정량 모델을 구축하였다. 연구 결과, 섬유·전자 산업에서는 6:2 FTS와 PFBA가, 제지 산업에서는 PFBS가 주요 오염원으로 확인되었으며, 특히 공정 중 6:2 FTS가 Ketone-6:2 FTSA 등의 중간체를 거쳐 단쇄 PFCAs로 변환됨에 따라 유출수의 농도가 유입수보다 증가하는 현상이 규명되었다. 개발된 반정량 모델 적용 시 추정 및 비표적 분석으로 인지된 물질이 Total PFAS 농도의 최대 26%를 차지하였으며, 기존 방법론이 환경 위해성을 과소평가하고 있음을 확인할 수 있었다. 결론적으로 본 연구는 정확한 환경 영향 평가를 위해 전구체와 변환산물까지 포괄하는 통합적인 Total PFAS 관리 체계 수립이 필수적임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 1
• 2. 연구의 목적 8
• Ⅱ. 재료 및 방법 9
• 1. 시약 및 표준물질 9
• 1) 시약 및 표준물질 9
• 2) 표준용액 제조 9
• 2. 시료 채취 12
• 3. 시료 전처리 방법 13
• 1) 고체상 추출법(Solid Phase Extraction, SPE) 13
• 2) Multi-layer 카트리지 활용 고상추출법 13
• 3) 시료 전처리 15
• 4. 기기분석 17
• 5. 데이터 처리 19
• 1) 표적 분석(Target screening) 20
• 2) 추정 분석(Suspect screening) 20
• 3) 비표적 분석(Non-target screening) 22
• 6. PFAS 그룹화 24
• 7. QA/QC 25
• 8. 모델 구축 절차 28
• 1) 데이터셋 및 입력변수 28
• 2) 자동 분류 알고리즘 및 구조적 특징 추출 28
• 3) 그룹별 모델 학습과 교차검증 29
• 4) 하이브리드 예측 파이프라인 29
• 5) 비표적 화합물 처리 및 최적 그룹 선정 30
• 6) 반정량 농도 산출 및 보정 30
• 7) 소프트웨어 및 재현성 31
• 9. 모델 검증 32
• 1) 타겟 모델 성능 평가 32
• 2) 반정량 모델 성능 평가 33
• (1) 참값(Reference)과 예측값(Predicted) 34
• (2) 회수율(Recovery, %) 34
• (3) Within-X× 비율(배수 오차 허용률) 34
• (4) Bland-Altman(로그비) 35
• (5) GMFE (Geometric Mean Fold Error) 35
• Ⅲ. 결과 및 고찰 36
• 1. QA/QC 36
• 1) 정성한계(LOD) 및 정량한계(LOQ) 36
• 2) 정밀도(RSD) 36
• 3) 정확도(회수율) 38
• (1) Absolute 회수율 38
• (2) Relative 회수율 39
• 2. 모델 검증 41
• 1) 타겟 모델 성능 평가 41
• 2) 반정량 모델 성능 평가 43
• 3) Target 물질의 정량 실측값과 모델링 결과값 비교 46
• 3. 표적 분석 결과 47
• 1) 1차 결과(4월) 47
• (1) A 처리장 47
• (2) B 처리장 49
• (3) C 처리장 50
• (4) D 처리장 51
• (5) E 처리장 52
• 2) 2차 결과(7월) 53
• (1) A 처리장 53
• (2) B 처리장 55
• (3) C 처리장 56
• (4) D 처리장 58
• (5) E 처리장 59
• 2) 3차 결과(9월) 60
• (1) A 처리장 60
• (2) B 처리장 62
• (3) C 처리장 63
• (4) D 처리장 65
• (5) E 처리장 66
• 4. 업체별 주요 PFAS 68
• 5. 추정 및 비표적 분석 결과 70
• 1) 추정 분석 결과 71
• 2) 비표적 분석 결과 72
• 6. 반정량 분석 결과 73
• 1) A 처리장 73
• (1) 1차 결과(4월) 73
• (2) 2차 결과(7월) 74
• (3) 3차 결과(9월) 74
• 2) B 처리장 75
• (1) 1차 결과(4월) 75
• (2) 2차 결과(7월) 76
• (3) 3차 결과(9월) 76
• 3) C 처리장 77
• (1) 1차 결과(4월) 77
• (2) 2차 결과(7월) 78
• (3) 3차 결과(9월) 78
• 4) D 처리장 79
• (1) 1차 결과(4월) 79
• (2) 2차 결과(7월) 80
• (3) 3차 결과(9월) 80
• 5) E 처리장 81
• (1) 1차 결과(4월) 81
• (2) 2차 결과(7월) 82
• (3) 3차 결과(9월) 82
• 7. 처리장별 처리효율 83
• 1) A 처리장 84
• 2) B 처리장 86
• 3) C 처리장 88
• 4) D 처리장 90
• 5) E 처리장 92
• 8. 하·폐수처리 공정 내 전구물질의 Pathway 94
• 1) 문헌조사를 통한 전구물질의 Pathway 예측 94
• 2) 예측된 Pathway에 대한 중간체 및 Terminal PFAS 확인 96
• 9. Total PFAS 평가(유출수) 99
• 10. 처리장별 총 PFAS 배출량 105
• Ⅳ. 환경적 의의 106
• Ⅴ. 결론 108
• Ⅵ. 참고문헌 110
• Abstract 123