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과제기본정보

축산폐수처리장의 최종방류수 내 테트라사이클린계 항생물질 처리를 위한 PRB-AOP 연계공정 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C143448-02
국가과학표준분류 1순위 환경 | 물관리 | 친환경 방류수 처리 관리기술 적용분야 환경
2순위 환경 | 물관리 | 양질의 상수원수 확보 유지관리기술 실용화대상여부 실용화
3순위 환경 | 물관리 | 수질오염 방지기술 과제유형 기초
과제명 축산폐수처리장의 최종방류수 내 테트라사이클린계 항생물질 처리를 위한 PRB-AOP 연계공정 개발
주관연구기관 부경대학교 산학협력단
총괄연구 책임자 성명 강동환
소속 부경대학교 산학협력단 직위 연구교수
기관 대표번호 051-629-5225 FAX 051-629-6040
총 연구기간 2018-04-17 ~ 2019-12-31
당해연도 연구기간 2019-01-01 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 220,000,000 0 0 0 220,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ？ 축산폐수처리장 유입수, 최종방류수 및 하천수 성분 분석하여 항생물질의 농도 현황 조사 및 자료 분석
？ 실제 축산폐수처리장의 처리용량을 고려한 PRB 설계하여 실내 및 현장 실험 수행 및 분석
？ PRB 공법 후 흡착된 항생물질을 효율적으로 처리할 수 있는 AOP 기술 선정을 위한 실내실험 수행 및 분석
？ 축산폐수처리장 최종방류수 내 테트라사이클린계 항생물질을 처리를 위한 PRB-AOP 연계공정 실험 수행 및 결과 분석
최종목표 >> 축산폐수처리장의 최종방류수 내 테트라사이클린계 항생물질 처리를 위한 PRB-AOP 연계공정 개발
■ 축산폐수처리장 최종방류수 내 테트린사이클린계 물질의 흡착율 95% 이상 달성을 위한 PRB 공법 개발 및 특허 출원
■ PRB 교체 필터에 흡착된 테트라사이클린계 물질의 분해율 90% 이상 달성을 위한 최적의 AOP 기술 개발 및 특허 출원
■ 축산폐수처리장 최종방류수 적용 가능한 PRB-AOP 연계공정 개발 및 매뉴얼 작성
■ 최종성과물 : 축산폐수처리장의 최종방류수에 포함된 테트라사이클린계 항생물질의 효율적인 제거를 위한 PRB 공정과 AOP 공정 개발 및 이를 연계한 친환경적인 연계공정 개발 및 현장 적용 가능한 매뉴얼 작성
연구내용 및 범위 ？ 축산폐수처리장 유입수, 최종방류수 및 하천수 성분 분석하여 항생물질의 농도 현황 조사 및 자료 분석
● 현재 운영되고 있는 공공축산폐수처리장의 폐수처리 현황 및 처리공법 조사를 통한 현장실험(2차 연도 수행) 부지 선정
● 축산폐수처리장의 유입수, 2차 처리수, 방류장 인근 하천수 수질조사(중금속, 유기물 등) 및 항생물질 농도 조사
● 낙동강 유역의 축산폐수처리장 하류부의 테트라사이클린계 항생물질 오염분포도 작성
● 수질조사지점 선정 : 낙동강 유역에 위치하는 21개 축산폐수처리장 중 처리유량과 처리 공법 등을 토대로 방류수로 항생물질이 배출될 가능성이 높은 처리장을 선정하고, 대상 축산폐수처리장의 유입수, 방류수, 근처 하천수에 대하여 수질 조사 및 항생물질 조사 실시한다.
● 시료 채취 및 보관 : 시료는 수질오염공정시험기준(환경부고시) ES04130.1의 2.0 시료의 채취방법에 따라 현장수의 성질을 대표할 수 있도록 채취한다. 일반항목 측정을 위한 시료용기는 3~5L의 일회용 용기를 준비하며, 항생물질 채수용 시료용기는 3~5L의 갈색유리병을 사용한다. 갈색유리병은 사용 전 미리 질산 및 정제수로 씻은 다음, 아세톤으로 세정한 후 120 ℃에서 2시간 정도 가열한 후 방냉하여 준비한다. 채취된 시료는 4℃ 이하의 상태를 유지하며 실험실로 이동하며, 도착한 즉시 실험한다. 그렇지 못한 경우에는 4℃에서 최대 7일간(추출 후 40일) 보관한다. 현장측정항목(수온, pH, DO, 전기전도도)은 수질다항목측정기를 이용하여 현장에서 바로 측정한다.
● 실내 수질성분 분석 항목 : 현장측정항목은 수온, pH, DO, 전기전도도이고, 실내수질분석 항목은 TSS, COD, BOD, TOC, TN, TP, NH3-N, 중금속이고, 항생물질 분석은 테트라사이클린계 항생물질을 부경대학교 공실관에서 분석한다.
● 수중 항생물질 분석 방법 : 항생물질 분석 방법은 Standard Method가 없으므로, 기존에 연구된 논문이나 보고서를 참고하여 최적의 분석법을 찾고 이를 이용하고자 한다. 전처리 과정은 GF/C 필터를 사용하여 감압여과한 후 Na-EDTA를 첨가하고 황산을 이용하여 pH2 이하로 조정한다. 추출 과정은 C18 SPE 카트리지에 시료를 통과시켜 항생물질을 흡착시킨 후 건조하고 메탄올 등의 유기용매를 통과시켜 카트리지 내부에 흡착된 항생물질을 용리시킨다. 농축 과정은 유기용매를 이용하여 추출된 항생물질은 농축기계를 이용하여 0.5mL까지 농축한다. 기기분석 과정은 추출, 농축된 항생물질은 HPLC/MS/MS(High Pressure Liquid Chromatography/Tandem Mass Spectrometer)를 이용하여 분석한다.

？ 실제 축산폐수처리장의 처리용량을 고려한 PRB 설계하여 실내 및 현장 실험 수행 및 분석
● 테트라사이클린계 항생물질 제거를 위한 PRB 공정의 선행기술 조사 및 분석
● 낙동강 유역의 축산폐수 현황 조사 자료를 고려한 테트라사이클린계 항생물질 제거 PRB 실내실험 수행
● 테트라사이클린계 항생물질 제거를 위한 PRB 공정의 선행기술 조사 및 분석
● 낙동강 유역의 축산폐수 현황 조사 자료를 고려한 테트라사이클린계 항생물질 제거 PRB 실내실험 수행

？ PRB 공법 후 흡착된 항생물질을 효율적으로 처리할 수 있는 AOP 기술 선정을 위한 실내실험 수행 및 분석
● PRB 필터에 흡착된 테트라사이클린계 항생물질의 제거를 위한 AOP 선행기술 조사 및 분석
● AOP 선행기술을 적용한 PRB 필터에 흡착된 테트라사이클린계 항생물질의 제거 효율 실내실험 및 분석
● AOP 기술별 흡착된 테트라사이클린계 항생물질의 제거 효율 산정
● 다양한 조건에서 실내실험을 수행하여 흡착제 내 흡착된 테트라사이클린계 물질 제거에 효과적인 최적의 AOP 기술 선정
● PRB 공정의 필터에 흡착된 테트라사이클린계 항생물질의 2차 처리를 위한 AOP 공정(분해율 90% 이상) 개발

？ 축산폐수처리장 최종방류수 내 테트라사이클린계 항생물질을 처리를 위한 PRB-AOP 연계공정 실험 수행 및 결과 분석
● 1차년도 실내실험 결과를 바탕으로 실험실 규모의 PRB-AOP 연계공정 수행
● 낙동강 유역의 선정된 현장실험 부지에서 실내실험에서 도출된 최적의 PRB-AOP 연계공정 수행
● 테트라사이클린계 항생물질의 흡착율 95% 이상 및 분해율 90% 이상의 결과를 도출한 PRB-AOP 연계공정 매뉴얼 개발
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 ？ 낙동강 유역의 축산폐수처리장 유입수, 2차 처리수, 배출수 및 방류수 성분 분석하여 항생물질의 시·공간적인 농도 현황 조사하고, 축산폐수처리장의 최종 방류수 내 테트라사이클린계 항생물질을 처리하기 위한 PRB (흡착율 95% 이상) 및 AOP (분해율 90% 이상) 실내실험을 통한 PRB-AOP 연계공정의 현장실험 설계 1. 낙동강 유역의 축산폐수 현황 조사
● 현재 운영되고 있는 공공축산폐수처리장의 폐수처리 현황 및 처리공법 조사를 통한 현장실험(2차 연도 수행) 부지 선정
● 축산폐수처리장의 유입수, 2차 처리수, 방류장 인근 하천수 수질조사(중금속, 유기물 등) 및 항생물질 농도 조사
● 낙동강 유역의 축산폐수처리장 하류부의 테트라사이클린계 항생물질 오염분포도 작성
● 수질조사지점 선정 : 낙동강 유역에 위치하는 21개 축산폐수처리장 중 처리유량과 처리 공법 등을 토대로 방류수로 항생물질이 배출될 가능성이 높은 처리장을 선정하고, 대상 축산폐수처리장의 유입수, 방류수, 근처 하천수에 대하여 수질 조사 및 항생물질 조사 실시한다.
● 시료 채취 및 보관 : 시료는 수질오염공정시험기준(환경부고시) ES04130.1의 2.0 시료의 채취방법에 따라 현장수의 성질을 대표할 수 있도록 채취한다. 일반항목 측정을 위한 시료용기는 3~5L의 일회용 용기를 준비하며, 항생물질 채수용 시료용기는 3~5L의 갈색유리병을 사용한다. 갈색유리병은 사용 전 미리 질산 및 정제수로 씻은 다음, 아세톤으로 세정한 후 120 ℃에서 2시간 정도 가열한 후 방냉하여 준비한다. 채취된 시료는 4℃ 이하의 상태를 유지하며 실험실로 이동하며, 도착한 즉시 실험한다. 그렇지 못한 경우에는 4℃에서 최대 7일간(추출 후 40일) 보관한다. 현장측정항목(수온, pH, DO, 전기전도도)은 수질다항목측정기를 이용하여 현장에서 바로 측정한다.
● 실내 수질성분 분석 항목 : 현장측정항목은 수온, pH, DO, 전기전도도이고, 실내수질분석 항목은 TSS, COD, BOD, TOC, TN, TP, NH3-N, 중금속이고, 항생물질 분석은 테트라사이클린계 항생물질을 부경대학교 공실관에서 분석한다.
● 수중 항생물질 분석 방법 : 항생물질 분석 방법은 Standard Method가 없으므로, 기존에 연구된 논문이나 보고서를 참고하여 최적의 분석법을 찾고 이를 이용하고자 한다. 전처리 과정은 GF/C 필터를 사용하여 감압여과한 후 Na-EDTA를 첨가하고 황산을 이용하여 pH2 이하로 조정한다. 추출 과정은 C18 SPE 카트리지에 시료를 통과시켜 항생물질을 흡착시킨 후 건조하고 메탄올 등의 유기용매를 통과시켜 카트리지 내부에 흡착된 항생물질을 용리시킨다. 농축 과정은 유기용매를 이용하여 추출된 항생물질은 농축기계를 이용하여 0.5mL까지 농축한다. 기기분석 과정은 추출, 농축된 항생물질은 HPLC/MS/MS(High Pressure Liquid Chromatography/Tandem Mass Spectrometer)를 이용하여 분석한다.

2. PRB 공정 연구
● 테트라사이클린계 항생물질 제거를 위한 PRB 공정의 선행기술 조사 및 분석
● 낙동강 유역의 축산폐수 현황 조사 자료를 고려한 테트라사이클린계 항생물질 제거 PRB 실내실험 수행
● 축산폐수처리장 최종방류수 내 수질성분 분석을 고려한 PRB 실내실험 : 축산폐수처리장의 최종방류수 내 포함된 중금속, 유기물 등이 반응벽체 매질부에 흡착되어 항생물질 제거효율이 감소할 수 있으므로 최종방류수 내 오염물질 분석을 수행하여 설계에 반영한다. 현재 공공축산폐수처리시설에서 처리하고 있는 일 평균처리용량을 고려한 설계를 한다. 기 수행된 연구결과 및 비용과 반응시간을 고려한 반응벽체 매질부의 선정을 위한 실내실험을 수행한다.

3. AOP 분해 연구
● PRB 필터에 흡착된 테트라사이클린계 항생물질의 제거를 위한 AOP 선행기술 조사 및 분석
● AOP 선행기술을 적용한 PRB 필터에 흡착된 테트라사이클린계 항생물질의 제거 효율 실내실험 및 분석
● AOP 기술별 흡착된 테트라사이클린계 항생물질의 제거 효율 산정
- 흡착된 테트라사이클린계 항생물질을 대상으로 각 AOP 기술들을 적용하여 공정별 제거 효율 비교
- AOP 기술의 평가항목 : 1) 흡착된 테트라사이클린계 항생물질의 분해율, 2) 흡착된 테트라사이클린계 항생물질 분해에 소요되는 시간, 3) 흡착된 테트라사이클린계 항생물질 분해에 소모되는 전력/화학물질의 양
- 흡착된 물질의 양에 따라 필요한 전력/화학물질의 양을 달리하여 제거율 90%를 달성하기 위해 필요한 최소량을 산정
연구성과 기술적 기대성과 ● 축산폐수처리장 최종방류수에 잔존하는 테트라사이클린계 항생물질 제거를 위하여 기존의 공정 변경 없이 적용 가능한 추가 공정 개발 가능
● 축산폐수처리장 최종방류수에 PRB 공정을 추가함으로써 기존의 흡착공정보다 흡착율을 높일 수 있으며, PRB 필터에 흡착된 항생물질은 AOP 공정을 통해 분해함으로써 실제 환경에 무해한 물질로 전환시키는 친환경적인 기술 개발 가능
사회 경제적 파급효과 ● 최적의 AOP 공정을 선정하는 과정에서, AOP 기술 간 전력량 및 화학물질의 양을 산정함으로써 향후 항생물질 처리를 위한 최소 비용을 산정하는 자료 제공 가능
● PRB 흡착 필터를 AOP 기술을 통해 제거하는 과정에서, PRB 흡착 필터의 재생 이용이 가능하므로 경제적 효과가 기대됨
● 축산폐수처리장의 최종방류수 내 항생물질 처리를 위한 PRB-AOP 연계공정 개발을 통해, 현재 사회적인 문제가 되고 있는 항생제 내성균에 대한 근본적인 해결책을 제시할 수 있음
● PRB-AOP 연계공정을 통한 수중 미량유해물질(항생물질 등)을 친환경적으로 제거하는 기술을 개발함으로서 하천의 수자원 보호와 수생태계 보전에 이바지할 수 있음
활용방안 ？ 기존의 축산폐수처리장 공정 조사와 항생물질 유입 및 배출 현황에 대한 기초자료를 제공하여 향후 항생물질 조사나 내성균 조사 시 자료로 활용 가능
？ 최종방류수 내 항생물질을 95% 이상 흡착할 수 있는 지표흐름형 batch PRB 공정 개발을 통해, 현장실험을 위하여 다양한 흡착제를 비교 실험함으로써 향후 이와 비슷하거나 다른 공정에 흡착 공정 설계 시 중요한 자료로 활용 가능
？ 흡착된 항생물질을 90% 이상 분해할 수 있는 AOP 공법 개발을 통해, 항생물질 분해를 위하여 여러 AOP 기술을 비교함으로써 향후 이와 비슷하거나 다른 공정에 적용 시 목적에 맞는 AOP 기술을 선택하는 데 기초자료로 활용 가능
？ PRB-AOP 연계공정 개발을 통해, 축산폐수처리장 최종방류수뿐만 아니라 하수처리장에서 추가적인 항생물질 처리 시스템 개발의 기초 설계 자료에 활용 가능
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 테트라사이클린계 항생물질 투수성 반응벽 고도산화처리 연계공정 축산폐수처리장 방류수
영문 Tetracycline antibiotics Permeable reactive barrier Advanced oxidation process Linkage Process Livestock wastewater treatment discharge
최종보고서
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최종보고서 최종보고서_강동환(부경대)-수정.pdf   다운로드 최종보고서_강동환(부경대).pdf   다운로드

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