유체역학적 캐비테이션, 오존, 과산화수소 복합시스템이 원수 내 엽록소a 및 유기물질 제거에 미치는 영향

Jun 05, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10102(2023) 이 기사 인용

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영양분과 조류의 수준이 증가하면 지역 사회의 식수 문제가 발생할 수 있습니다. 유해한 조류 번식은 인간, 어류, 해양 포유류, 새 및 기타 동물에 영향을 미칩니다. 본 연구에서는 엽록소a 제거에 대한 복합시스템[유체역학적 캐비테이션, 오존(O3), 과산화수소(H2O2)]의 활용에 대해 조사하였고, 원수 중의 유기물질을 조사하였다. pH, 캐비테이션 시간, 압력, 거리, 유속, 오존량 및 과산화수소 농도와 같은 다양한 작동 조건의 영향을 연구했습니다. Taguchi 설계 방법을 활용하여 실험을 계획하고 최적화했습니다. 복합 시스템 처리는 pH 5, 캐비테이션 압력 5bar, 유량 1m3/h, 오리피스 플레이트로부터 25cm 거리, O3의 최적 조건에서 엽록소 a 및 총유기탄소(TOC)를 최대로 감소시켰습니다. H2O2 농도는 3g/h 및 2g/l입니다. TOC와 엽록소 a 분해에서 가장 효율적인 요인은 각 매개변수의 기여율(각각 38.64% 및 35.05%)을 기반으로 한 캐비테이션 압력이었습니다. H2O2는 분해 효율에 가장 미미한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다(각각 4.24% 및 4.11%).

급격한 인구 증가, 농업과 산업의 팽창, 담수 자원의 감소, 산림 황폐화, 토양 침식, 기후 변화, 반복되는 가뭄 등으로 인해 시간이 지나면서 모든 물은 점차 부영양화로 전환됩니다. 이 과정의 본질적인 결과는 사용할 수 있는 물의 가용성이 전반적으로 감소하고 호수 및 기타 수역의 중요성이 증가한다는 것입니다. 결과적으로 사회경제적 발전을 위한 많은 자원이 심각하게 훼손될 수 있습니다1. 녹조 발생은 물 공급 감소, 호수 및 저수지 깊이 감소, 정체 증가, 다양한 공급원의 영양분 증가 및 온도 상승으로 인해 발생할 수 있습니다2,3. (1) pH, 알칼리도, 경도, 용존산소, 유기물, (2) 응고량의 증가, (3) 색, 향미 등 수질의 물리적 지표 등 물 속 조류 물질로 인해 수많은 문제가 발생합니다. (4) 필터 막힘 및 필터 작동 감소, (5) 염소 수요 증가 및 소독 부산물 발생, (6) 조류 형성 등의 다른 문제도 발생 끈적끈적하고 젤라틴 같은 층, 부식성, 다른 정화 과정 방해, (7) 직접 접촉 시 일부 조류 유형은 피부를 자극하고 알레르기 반응을 유발할 수 있습니다. 그러나 다양한 조류는 사람에게 치명적인 해로운 독소를 생성하고 일부 극단적인 경우 사망에 이를 수도 있는 것으로 알려져 있습니다4,5,6,7,8,9. 이러한 문제로 인해 여과된 물이 매력이 없고 해로울 수 있습니다. 반면에 화학물질을 더 많이 추가하고 처리장 작업자의 작업량을 증가시켜 식수 정화 가격을 인상할 수도 있습니다9.

빛 에너지를 사용하고 독립 영양인 바이오매스를 설명하는 데 사용되는 중요한 지표는 엽록소-a의 농도입니다. 이는 수역의 영양 상태를 반영하는 중요한 매개변수이며 식물성 플랑크톤 바이오매스와 생산성을 추정하는 데 사용할 수 있습니다. 작은 크기, 높은 이동성, 낮은 밀도 및 음으로 하전된 표면으로 인해 기존의 많은 수처리 플랜트의 조류 세포는 제거하거나 처리할 수 없습니다5,10,12. 수자원의 조류는 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 기술을 사용하여 제어됩니다. 폭기, 용존공기부상, 여과, 스키밍, 혼합, 막공정, 자외선, 초음파, 전기분해 등 관련 기술을 이용하여 물리적 제어방식을 이용하여 유해조류를 방지하고 있습니다. 조류 개체군 관리는 느린 모래 필터나 활성 슬러지와 같은 생물학적 과정을 통해 수행될 수 있습니다. 주요 화학 공정은 응고, 황산동, 활성탄, 나노 입자, 산화, 과산화수소 및 염소화입니다13,14,15,16,17,18,19. 그러나 대부분의 화학 물질은 가격이 너무 비싸고 너무 일반적이어서 의도한 목표가 아닌 수생 생물에 해를 끼칩니다. 대부분의 독성 화학물질 유형은 종 특정적이지 않아 생태학적 균형에 해를 끼칠 수 있습니다. 부적절한 화학물질 사용으로 인한 환경 피해 가능성은 인위적인 혼합으로 인한 잠재적인 위험보다 낮습니다. 폭기 기술은 높은 유지 관리 비용(인건비)과 필요한 에너지 소비로 인해 단점이 있을 수 있으며 조류를 죽이지 않습니다. 또한 수생식물은 산화제를 많이 첨가하는데, 이는 그들이 생산하는 소독 부산물이 요구되는 수준 이상임을 의미합니다. 물 속 조류의 양이 많을 경우 막 여과, 공기 부양 및 기타 기술을 사용하여 수처리장에서 조류를 제거하는 운영 비용이 높습니다. 처리된 물에 잔류하는 Al/Fe는 때때로 수질 기준의 상한을 초과하여 조류를 제거하기 위해 화학 물질을 사용하면 2차 오염이 발생하더라도 인체 건강에 심각한 위협이 됩니다. 그러나 시아노박테리아의 산화는 세포 용해를 일으킬 수 있습니다. 세포내 유기물(IOM)이 대량으로 방출되면 수질이 저하될 수 있습니다10,20,21,22.