자외선/염소 및 자외선/과산화수소 기술에 의한 Microcystin-LR 처리 특성 비교

남숙현 ( Sookhyun Nam ),이주원 ( Joowun Lee ),김은주 ( Eunju Kim ),구재욱 ( Jaewuk Koo ),황태문 ( Tae-mun Hwang ) 한국수처리학회 2022 한국수처리학회지 Vol.30 No.5

Microcystin-LR (MC-LR), the most widely known toxin produced in cyanobacteria, is problematic because of its toxicity. This study was carried out to evaluate the capability of ultraviolet photolysis of chlorine(UV/Cl₂) and ultraviolet photolysis of hydrogen peroxide(UV/H₂O₂). Results showed that direct photolysis with 254 nm UV irradiation achieved substantial toxin removal. In particular, in UV/Cl₂ oxidation treatment, the removal rate of MC-LR was improved through various radical reactions that were similar to UV/H₂O₂. In the UV/chlorine process at the pH of 7.0, UV irradiation amount of100 mJ/cm² and chlorine concentration of 0.3 mg/L, the MC-LR removal rate was 52.0%, indicating that the removal rate was increased by 24% compared to the UV only treatment. In the UV/chlorine and UV/H₂O₂ process at pH 7.0, the first-order degradation rate constants of MC-LR were 3.1×10^-3~3.6×10^-3 s^-1 and 2.9×10^-3~3.7×10^-3 s^-1, respectively. It was shown that the degradation rate constant of MC-LR was lowered by 19.4% at pH 9.0 compared to that of pH 7.0, where the analysis found that the change in pH affected oxidation ability. UV/H₂O₂ was not affected by pH. This result affects the energy consumption needed to meet the required 90% elimination of MC-LR.

자외선/H₂O₂ 처리시 남조류 기인 유기물 특성이 수산화 라디칼 반응성 및 운전조건에 미치는 영향

남숙현 ( Sookhyun Nam ),이주원 ( Juwon Lee ),김은주 ( Eunju Kim ),황태문 ( Tae-mun Hwang ) 한국수처리학회(구 한국수처리기술연구회) 2020 한국수처리학회지 Vol.28 No.4

This study interrogates the influence of algal organic matter on hydroxyl radial (ㆍOH) scavenging factors. The ㆍOH scavenging factor represents the rate at which ㆍOH is scavenged by background substances in aqueous solutions, which is key to the design and operation of UV/H₂O₂ processes for water treatment. Extracellular organic matter (EOM) and intracellular organic matter (IOM) were extracted from cyanobacteria acquired from lake water. Synthetic water was manufactured by using either EOM or IOM, and the resulting hydroxyl radical scavenging factors were measured and compared. The organic properties of the EOM and IOM were analyzed by using liquid chromatography organic carbon detection (LC-OCD) and fluorescence excitation-emission matrices (F-FEM). Analyses revealed that EOM samples exhibited strong peaks associated with tryptophan-like, fulvic-like, and humic-like (excitation/emission 250-260/380-480) substances. By comparison, the tryptophan-like peak was dominant in IOM samples. Six components were observed in LC-OCD chromatograms, with neutrals being the highest component of both of EOM and IOM, yet EOM also had high humics and LMW acids. This study proposes a predictive model that estimates the optimal UV and H2O2 doses necessary to maximize the removal of target compounds. Removal of 90% of the target compound (D90) required 6.8 mg/L of hydrogen peroxide at 1200 mJ/㎠. When comparing theoretical prediction with experimental values, the difference in the elimination rate was less than 10%.

자외선/염소 및 자외선/H₂O₂에서 Microcystin-LR 제거 특성

남숙현 ( Nam Sookhyun ),이주원 ( Lee Joowon ),구재욱 ( Koo Jae-wuk ),김은주 ( Kim Eunju ),황태문 ( Hwang Tae-mun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

조류 및 조류독소물질은 수처리 공정운영에서 웨어(Weir)의 오염, 유입스크린의 폐색, 조류매트의 생산, 플럭(Floc)의 침전방해, EOM(Extracellular organic matter)또는 조류에 의한 필터의 폐색, 염소요구량 증가, 응집제 요구량 증가, pH의 변화, 소독부산물의 증가, 맛, 냄새 물질과 남조독성물질의 방출 등 다양한 문제를 발생시킨다. 이러한 조류 독소를 제거하기 위해서는 보다 효과적인 기술이 필요하며, 그 가운데 자외선을 활용한 고도산화공정(Advanced oxidation process, AOP)이 고려되고 있다. 본 연구에서는 국내 정수장의 실제 처리수에 자외선/염소 및 자외선/H₂O₂를 적용하여 사용되는 Microcystin-LR(MC-LR)의 제거특성을 상호 비교하였다. 시료는 국내 N 정수장 모래여과수를 대상으로 하였으며, MC-LR(Cfm Oskar Tropitzsch GmbH, Germany)은 100 ㎍/L로 제조하여 사용하였다. 염소는 5 % 차아염소산나트륨(Sigma-Aldrich, USA)으로, 1000 ㎎/L으로 제조하여 사용하였다. pH 조정은 Buffer 용액(Sigma-Aldrich, USA)으로 조정하였다. 본 연구에 사용한 실험실 규모의 자외선 조사장치(Collimated Beam)를 나타낸 것이다. 자외선 램프는 저압수은램프(11 W, Philips co., Netherlands, 253.7 ㎚)를 사용하였다. 자외선 조사시 시료는 유리 페트리디쉬(Petri-dish)에 담아 사용했다. 시료에 pH를 조정하여 MC-LR 표준시약을 100 ㎍/L 농도로 주입하였다. 자외선/염소와 자외선/H₂O₂에는 자외선 조사량 0, 200, 400, 600 및 800 mJ/㎠에 염소 및 과산화수소 농도를 0.3, 0.6, 0.9, 1.2 ㎎/L로 주입하여 비교 분석하였다. MC-LR의 농도는 액체크로마토그래프(Surveyor, Thermo, USA)로 측정하였다. 검출기는 PDA 238 ㎚를 사용하였으며, 칼럼은 ZORBAX Extend-C18 4.6×150 ㎜, 5 ㎛를 사용하였다. 이동상 A는 아세토니트릴, 이동상 B는 0.05 % 트리클로로아세틱에시드(Trichloroacetic acid, TFA)를 사용하였다. 유량은 1 mL/min로 하고, 주입량은 100 μL로 하였다. 검출한계는 5 ㎍/L이다. 실험 결과 자외선/염소에서 pH 7.0 조건에서 MC-LR의 90 % 제거를 위해 필요한 CT 값은 128 ㎎/L·min으로 나타났고, 90 % 제거를 위해서는 자외선 조사량이 1,000 mJ/㎠ 이상이 필요한 것으로 나타났다. 자외선/H₂O₂에서 pH 7.0 조건의 경우 90 % 제거를 위해 필요한 자외선 조사량은 650 mJ/㎠으로 나타났고, 과산화수소 주입량은 0.3 ㎎/L로 나타났다.

생산수 계통의 오일 제거 수처리 기술 평가를 위한 오일분석 방법

남숙현 ( Sookhyun Nam ),김은주 ( Eunju Kim ),구재욱 ( Jae-wuk Koo ),신용현 ( Yong-hyun Shin ),황태문 ( Tae-mun Hwang ) 한국물환경학회 2024 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2024 No.-

먹는물의 미생물 실시간 감시를 위한 온라인 ATP 측정법의 적용

남숙현 ( Sookhyun Nam ),황태문 ( Tae-mun Hwang ),김은주 ( Eunju Kim ),안주석 ( Jooseok An ),구재욱 ( Jae-wuk Koo ),이주원 ( Joowun Lee ) 한국수처리학회 2021 한국수처리학회지 Vol.29 No.5

The evaluation of microbial contamination in drinking water is a major concern worldwide. Adenosine triphosphate (ATP) monitoring can serve as a complement to the HPC method currently used for water quality tests because it offers rapid measurement, ease of use, and activity against microorganisms. In this study, we proposed an alternative to in situ rapid microbial monitoring methods. The ATP levels in tap water and surface-treated water were monitored using an online ATP analyzer. The ATP level of the surface-treated water was three times higher than that of the tap water. Furthermore, the correlation between E. coli and ATP confirmed that if the number of microorganisms in water is small, the ATP data must be obtained according to the target water characteristics to enable the monitoring for microbial viability in drinking water. For effective E. coli monitoring, online ATP data was stored in its own server database and an internet-of-things (IoT)-based microbial monitoring system was established and successfully applied. Recent advances in the ATP technology and IoT technology have enabled the quick and accurate online monitoring of the ATP level in water. This helps in maintaining the microbial stability of drinking water by detecting the signs of its microbial contamination early and to process it as quickly as possible.

정수공정에서 유기물 모니터링을 위한 Fluorescence EEM의 적용

남숙현 ( Sookhyun Nam ),이주원 ( Juwon Lee ),김은주 ( Eunju Kim ),구재욱 ( Jaewuk Koo ),황태문 ( Tae-mun Hwang ) 한국수처리학회(구 한국수처리기술연구회) 2020 한국수처리학회지 Vol.28 No.3

Natural organic matter (NOM) is a substance that affects performance in the water treatment process that is crucial to understand. NOM can have different composition according to environmental changes. In this study, we applied the fluorescence excitation emission matrices-parallel factor analysis (FEEM-PARAFAC) method for characterizing dissolved organic matter (DOM). This method provides valuable insight into the chemical composition of DOM and the effects of various treatment processes in engineered systems. This study was conducted on raw water, coagulation/sedimentation, sand filtration, and activated carbon in N water treatment. The correlation between the component and the process was derived by PARAFAC with 100 fluorescence spectra. Using this method, components correlated with the DOM removal for water process were derived. It was determined, C1 (E_x/E_m = 250(350)/450) is the main component to monitor the removal rates of DOM in the flocculation/sedimentation process, the C1/C2 fraction (E_x/E_m = 250(325)/400) is the main component in the sand filter process, and C2 (E_x/E_m = 250(325)/400) is the main component in the activated carbon process. It has been found to be a suitable tool to track the change of organic matter quantity and quality in water treatment processes.

UV 소독에서 E.coli 모니터링을 위한 ATP 적용

남숙현 ( Nam Sookhyun ),이주원 ( Lee Joowon ),구재욱 ( Koo Jae-wuk ),김은주 ( Kim Eunju ),황태문 ( Hwang Tae-mun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

먹는물의 미생물 감시를 위해 현재 사용되고 있는 표준 방법(Heterotrophic plate counts, HPC)은 배양을 기본으로 하여 많은 시간과 노력이 필요하며, 1~2일이 지나야 결과를 확인할 수 있다. 이는 결과가 나오기 전에 미생물에 오염된 물을 먹을 수도 있다. 따라서 최근에는 미생물을 신속하게 측정 가능한 방법들이 개발되고 있으며, 그 중 하나가 ATP(Total adenosine triphosphate) 측정방법이다. ATP 장점은 분석 시간이 짧아 결과를 수분 내에 얻을 수 있다는 것이다. ATP는 DNA(Deoxyribo-nucleic acid)과 같은 모든 살아있는 유기체의 특징이다. 세포 용해를 통해 세포에서 ATP를 추출한 후, 루시퍼라아제 효소 및 그 기질인 루시페린으로 어세이(Assay)해서, 생물발광 양을 측정한다. ATP 검출은 생명공학적인 방법에 의해 생성된 효소를 이용한 효소 측정을 포함한다. 미생물 활성의 정확한 측정을 위해서는 세포 내(Intra-cellular) ATP와 세포 외(Extra-cellular) 세포 사이의 차이가 필요하며, ATP 측정법은 이 두 가지가 가능하다. 본 연구에서는 E.coli를 대상으로 UV 소독시 불활성화된 E.coli 개체수를 분석하기 위해 ATP 측정법을 적용해보았다. 본 연구에서 E.coli(ATCC 15597)를 사용하였다. 실험에 사용한 자외선 장치는 실험실 규모의 Collimated Beam (저압수은램프, 11 W, Philips Co., Netherlands)으로 파장은 253.7 nm이다. 자외선 조사시 시료는 유리 페트리디쉬에 담아 사용했으며, 자외선 광량(mW/㎠)은 UVX Radiometer(UV254 detector, UVP Co., USA)로 측정하였다. 빛이 수직으로 내려오게 조절하였고, 마그네틱 바를 사용하여 교반하였다. 반응기와 램프 사이의 거리는 5 ㎝로 조정하였다. E.coli 개체수는 HPC로 하였다. ATP는 Clean-TraceTM ATP test(3M, USA)로 측정하여 비교하였다. E.coli 초기농도는 1.2×105 CFU/mL로 하였다. 온도 25 ℃, pH 7.0 조건에서 테스트하였다. ATP 측정방법으로 미생물 불활성도(Inactivation)를 테스트하였다. E.coli를 대상으로 자외선 조사시 E.coli 불활성화를 HPC 방법와 ATP 방법으로 비교 분석한 결과 자외선 강도를 4 mJ/㎠, 6 mJ/㎠, 23 mJ/㎠ 및 34 mJ/㎠로 증가시킴에 따라 E.coli 개체수는 5 log까지 감소하였으나, ATP는 명확하게 감소되는 결과를 나타내지 못하는 것으로 나타났다.

분광센서를 활용한 고도산화기술 미량유기오염물질 제거 예측 및 모니터링

황태문(Taemun Hwang),남숙현(Sookhyun Nam),김은주(Enju Kim),김유곤(Yugon Kim),이광희(Kwanghee Lee) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

무인항공기(UAV)와 무인선(USV)을 이용한 하천내 클로로필-a 2차원 공간분포도 작성

김은주 ( Kim Eunju ),남숙현 ( Nam Sookhyun ),구재욱 ( Koo Jae-wuk ),황태문 ( Hwang Tae-mun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

최근에는 무인항공기(Unmanned aerial vehicles; UAV)를 적용하여 클로로필-a를 모니터링하는 연구가 진행되고 있다. UAV를 이용한 영상분석은 대부분 50~200 m 이내에서 촬영이 이루어지므로 대기보정이 필요 없으며, 멀티 스펙트럼 센서를 가지고 환경 모니터링에 효율적이라는 것을 입증하였다. 현장 측정과 결합된 원격탐지 데이터를 이용한 클로로필-a 추정을 위해서, 다양한 알고리즘을 적용하고 있다. 클로로필-a를 추정하기 위한 스펙트럼 지수로는 정규화 식생지수(Normalized distribution vegetation Index; NDVI)와 그 외 다양한 지수가 있다. UAV를 이용하여 클로로필-a를 이미지화기 위해서는 반드시 UAV 측정과 동시에 조사대상 수체에서 현장 분석이 이루어져야 한다. 현장 분석은 조사하고자 하는 대상 하천에 대해 다양한 지점의 데이터가 필요한데, 사람이 근접하기 어려운 곳의 하천에서 클로로필-a 측정을 위해서는 현장에서 배를 이용해야 하기 때문에 접근성의 문제로 매우 불편하고 한계가 있다. 따라서, 이런 문제점을 보완하기 위해서는 현장에서 즉시 수질측정이 가능한 이동성을 추가한 모바일 기술의 개발이 필요하다. 최근에는 자율주행 무인선(Unmanned surface vehicle, USV)의 개발이 이루어지고 있다. USV는 수질 모니터링, 감시 작업, 수중 지형 매핑 및 해양학 연구 등 다양한 연구 분야에 사용되고 있다. 자율주행 USV 기술의 발달은 데이터의 자동화로 공간과 시간의 제약을 향상시킬 수 있으며, 클로로필-a 모니터링 방법을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 더 나아가서는 수질 모니터링 방법을 개선할 수 있다. 아직 USV를 개발하고 이를 현장에 적용하여 UAV와 결합하여 클로로필-a 2차원 공간 분포로 시각화한 결과가 거의 없다. 본 연구에서는 하천의 클로로필-a 모니터링을 위해 UAV 및 USV 하이브리드 플랫폼을 이용하여 UAV의 스펙트럼과 USV를 이용한 현장 데이터를 결합하여 클로로필-a를 이미지화하고, 스펙트럼지수로 사용되는 정규화 식생지수 정규화 식생지수(NDVI) 외에 다른 지수를 적용하여 클로로필-a 추정에 적용 가능한 지수를 검토하였다.

UV-LED/chlorine 기술에 의한 맛·냄새 유발물질 및 미량유기물질 제거

이주원 ( Joowon Lee ),남숙현 ( Sookhyun Nam ),구재욱 ( Jae-wuk Koo ),김은주 ( Eun Ju Kim ),황태문 ( Tae-mun Hwang ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

맛, 냄새 유발물질은 표준정수처리 방법으로는 처리가 어렵기 때문에 이를 제거하기 위해서는 고도처리가 필요하다. 그 중 고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP)은 UV, H2O2, O3 등을 사용하여 라디칼 물질을 발생시켜 유기물을 제거하는 방법으로, 난분해성 유기물 제거에 효과적인 방법으로 각광받고 있다. 본 연구는 기존 UV 램프를 대신하여 UV/LED를 사용하였으며, 255 ㎚와 285 ㎚에서 파장에 의한 맛, 냄새물질 제거율을 비교하였다. 대부분의 연구에서 대상 맛, 냄새 유발 물질로 Geosmin과 2-methylisoborneol(2-MIB)를 사용하는데 본 연구에서는 2,4,6-trichloanisole(TCA), 2-isopropyl-3-methoxypyrazine(IPMP), 2-isobutyl-3-methoxypyrazine(IBMP)를 대상 물질로 선정하여 실험을 진행하였다. 이 물질들은 식수로 사용되는 자연수에서 주로 발생하며 이들 물질은 공중보건에 직접적인 영향을 끼치지는 않지만, ng/L의 낮은 역치를 가지며 미각과 악취 문제를 발생시킨다. 대상 물질을 정량화하기 위해 SPME-GC/MS 방법을 사용하였다. 분석은 GC/MS(TraceGC ultra/Polaris Q, Thermo, USA)와 Autosampler(TriPLUS AS, Thermo, USA)를 사용하였다. SPME Fiber는 50/30 ㎛ Stable flex divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane (DVB/CAR/PDMS) (Supelco, Bellfonte, USA)를 사용하였다. 시료는 N 정수장 모래여과수에 pH는 7과 9로 조정하여 각각의 맛, 냄새 물질을 100 ㎍/L로 제조하여 사용하였다. UV-LED 직접조사와 UV-LED/염소의 두 가지 방법에서 맛, 냄새 물질의 제거를 비교하였다. LED 조사장치는 PearlBeam(TM) Collimated Beam Device(AquiSense Technologies, USA)를 사용하였다. 맛, 냄새 유발물질의 제거 기작과 UV-LED 공정에서의 분해정도를 분석하기 위하여 LED 강도, pH, 염소 주입량을 달리하여 다양한 조건에서 실험을 진행하였다. LED 파장은 255 ㎚, 285 ㎚로 하였고 UV-LED에서 자외선 조사량은 0, 400, 600 및 1000 mJ/㎠로 조절하였으며, 염소 농도는 0, 1.2, 2.5, 5 ㎎/L로 주입하여 비교 분석하였다. 실험 결과 UV-LED/염소에서 pH 7, 염소 주입량 1.2 ㎎/L의 조건에서 파장 255 ㎚는 IPMP, IBMP, TCA에 대해 각각 22 %, 31 %, 45 %의 제거율을 보였으며, 파장 285 ㎚는 각각 35 %, 52 %, 56 %의 제거율을 보였다. IPMP, IBMP, TCA 물질 파장 255 ㎚ 조건보다 파장 285 ㎚에서 제거율이 10 % 정도 높은 것으로 나타났다. 고농도의 염소 주입 조건에서는 더 높은 제거율을 보였으며 UV를 사용한 실험과 비슷한 효율을 얻을 수 있을지는 추후 연구를 통해 규명할 것이다.