낙동강 하류 정수장을 대상으로 모의 오존 및 자외선/과산화수소 공정을 이용한 의약물질 제거능 및 예측모델 평가 (Evaluation and Prediction of Removal Efficiency of Pharmaceuticals in the Simulated O3 and UV/H2O2 Process for Drinking Water Treatment Process in the Downstream of Nakdong River)

서지정보

· 발행기관 : 대한환경공학회
· 수록지 정보 : 대한환경공학회지 / 43권 / 7호 / 491 ~ 503페이지
· 저자명 : 서창동, 이우림, 염훈식, 최상기, 이윤호, 손희종

초록

목적:낙동강 하류에 위치한 대형 정수장으로 유입 가능성이 높은 의약물질들에 대해 후 오존(O3) 공정에서의 제거능과 후O3 처리공정을 대체할 수 있는 자외선/과산화수소(UV/H2O2) 공정에서의 제거능을 함께 평가하고, 이들 공정에서 의약물질들에 대한 제거율 예측 모델을 사용하여 수질변화에 따른 제거율 예측을 수행하여 정수장 선진화 사업의 자료로 활용하고자 하였다.
방법:낙동강 하류 정수장의 모래여과수를 대상으로 19종의 의약물질들에 대하여 O3 및 UV/H2O2 처리를 진행하였다. 순수 및 모래 여과수에서의 제거율 평가를 위하여 의약물질 19종을 각각 100 ng/L 농도로 투입하였다. O3 처리실험에서 O3 주입량은 0.1∼2.0 gO3/gDOC (0.25∼5.0 mgO3/L)의 범위였으며, UV/H2O2 공정에서는 시료에 H2O2 (5, 10 mg/L)를 투입하여 0∼1,500 mJ/cm2의 범위로 UV을 조사하였다.
결과 및 토의:후O3 공정을 모사한 O3 처리실험의 경우, O3 주입량 0.2 gO3/gDOC (=0.5 mgO3/L) 조건에서 O3과 높은 반응성(kO3 6.5×102∼2.6×106 M-1s-1)을 가진 17종의 의약물질들은 92% 이상 제거되었다. 그러나 iopromide (IPM)와 primidione (PRM) 2종은 O3과의 낮은 반응성(kO3<1 M-1s-1)으로 인하여 동일한 O3 주입량(0.2 gO3/gDOC) 조건에서 36∼45% 정도의 저조한 제거율을 나타내었다. IPM과 PRM에 대해 90% 이상의 제거율을 얻기 위해서는 2.0 gO3/gDOC 이상의 O3 주입량이 요구되어 O3 처리만으로는 제어가 어려운 것으로 평가되었다. H2O2 투입농도 10 mg/L, UV 조사량 500과 1,000 mJ/cm2의 조건으로 UV/H2O2 공정을 모사한 경우, 19종의 의약물질 제거율은 각각 63∼99% 및 87∼99%였으며, caffeine (CAF)의 제거율이 가장 낮았다. O3 공정에서 제거율이 낮은 IPM 및 PRM의 경우에는 OH 라디칼과의 빠른 반응속도(kOH=3.3×109 및 5.2×109 M-1s-1)로 인하여 O3 공정에 비하여 제거율이 높은 것으로 평가되었다. O3 및 UV/H2O2 공정에서 수중의 용존 유기물질 농도변화에 따른 의약물질들의 제거율 변화를 평가하기 위해 화학적 동역학 모델을 사용하여 제거율 예측모델을 적용해 본 결과, 용존성 유기물질 농도가 1.5 mg/L에서 3.0 mg/L로 증가할 경우 O3 공정(O3 투입농도 1.0과 2.0 mg/L)에서의 IPM과 PRM은 각각 22∼24% 및 15∼24% 정도 제거율이 감소하였다. 또한, UV/H2O2 공정(H2O2:10 mg/L, UV:500∼1,000 mJ/cm2)의 경우에는 용존 유기물질 농도가 1.5∼3.0 mg/L로 증가하였을 때 16종의 의약물질들의 제거율이 0∼29% 정도 감소되었으며, CFN의 제거율 감소폭이 가장 높게 나타났다결론:O3 및 UV/H2O2 처리공정에 의한 의약물질 제거율 평가 및 예측을 진행한 결과, 의약물질류 제거를 위해 O3공정의 대체공정으로 UV/H2O2 공정의 적용 가능성을 확인하였다.

영어초록

Objectives:In the case of pharmaceuticals with high possibility of inflow into the large drinking water treatment plant (DWTP) located in the downstream of the Nakdong River, we tried to evaluate the removal efficiency of pharmaceuticals in the both ozone (O3) and the UV/H2O2 treatment as an alternative of post-O3 process. It was intended to be used as data for the advanced WTP project by prediction of the removal efficiency in the O3 and UV/H2O2 processes with varying water quality conditions.
Methods:O3 and UV/H2O2 process were performed for 19 kinds of pharmaceuticals in the sand-filtered water of DWTP. In order to evaluate the removal efficiency in deionized water (DI) and sand-filtered water (SFW) matrices, 19 pharmaceuticals were spiked at a concentration of 100 ng/L, respectively. In the O3 process, the specific O3 dose was 0.1∼2.0 gO3/gDOC (0.25∼5.0 mgO3/L). In the UV/H2O2 process, H2O2 (5 and 10 mg/L) was added to the sample before UV was irradiated (0∼1,500 mJ/cm2).
Results and Discussion:In the case of simulated post-O3 process, the removal efficiency of high-ozone reactive pharmaceuticals (kO3 6.5×102∼2.6×106 M-1s-1) was up to 92% at the specific O3 dose of 0.2 gO3/gDOC. However, the removal efficiency of iopromide (IPM) and primidone (PRM) was only 36∼45% in the same O3 dose (0.2 gO3/gDOC) due to the low O3 reactivity (kO3<1 M-1s-1). A specific O3 dose of 2.0 gO3/gDOC (=5 mgO3/L) was required to achieve a removal efficiency of over 90% for IPM and PRM, indicating that these O3-refractory pharmaceuticals are difficult to control by O3 process. In the case of simulated UV/H2O2 (10 mg/L H2O2) process, the removal efficiency of 19 pharmaceuticals at the UV fluence of 500 and 1,000 mJ/cm2 were 63∼99% and 87∼99%, respectively, and caffeine (CFN) had the lowest removal efficiency. For the O3-refractory pharmaceuticals (i.e., IPM and PRM), the removal efficiency was higher in the UV/H2O2 process than that in the O3 process due to the high reactivity with OH radical (kOH=3.3×109 and 5.2×109 M-1s-1). Prediction of removal efficiency for pharmaceuticals in the O3 and UV/H2O2 process was performed using chemical kinetics model to evaluate the change in removal efficiency with varying DOM concentration. As a result of prediction model for O3, when the DOM concentration increased from 1.5 to 3.0 mg/L, the removal efficiency of IPM and PRM decreased by 22∼24% and 15∼24%, respectively. In the case of UV/H2O2 process (10 mg/L H2O2 and UV fluence of 500~1,000 mJ/cm2), the removal efficiency of 16 kinds of pharmaceuticals was reduced by 0∼29%, and the degree of reduction in the removal efficiency of CFN was the highest.
Conclusions:As a result of evaluation and prediction of the removal efficiency of pharmaceuticals in the O3 and UV/H2O2 treatment processes, it is confirmed that the possibility of applying the UV/H2O2 treatment as an alternative process to the O3 to abatement of pharmaceuticals.

참고자료

· 없음