잔류의약물질 제거를 위한 생물막 반응조와 저온 플라즈마의 융합

오승빈 ( Sengbin Oh ),김정민 ( Jeong-min Kim ),안현민 ( Hyeon-min An ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

인구의 증가, 산업의 발달, 축산업의 대규모화 진행에 따라 인간과 동물의 질병을 치료하는데 사용되는 의약물질의 양이 점점 증가하고 있다. 이러한 의약 물질은 부적절한 폐기, 병원 폐수 등을 통해 환경으로 유입된다. 잔류의약물질에 의한 생체 내 영향은 잘 알려져 있지 않고 노출된 의약 물질의 양이 매우 적을 수 있지만, 지속적인 노출은 항생제에 대한 내성균의 출현, 내분비 교란 등과 같은 문제를 발생시킬 수 있다. 널리 활용되는 생물학적 하폐수처리는 잔류의약물질 처리에 한계를 보여 왔지만, 여전히 이러한 의약 물질을 효과적으로 처리하는 방법에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 따라서 본 연구는 CP(Cold Plasma)와 MBR(Membrane Bioreactor)을 융합한 폐수 처리 공정을 제안하고 흔하게 사용되는 의약 물질(Diclofenac sodium, Ibuprofen, Erythromycin)의 처리 효과를 평가했다. 저온 플라즈마는 OH 라디칼, 오존 등 강한 산화력을 지닌 화학물질을 생성하여 폐수 중의 난분해성 유기오염물질을 처리하는데 효과적인 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 MBR만 적용한 공정(Case1), CP와 MBR을 결합한 공정(Case2)에 대하여 잔류 의약물질 및 영양염류의 처리성능을 평가하였다. 수리학적 체류시간은 1일로 하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용한 미세조류는 Chlorella vulgaris로 다른 종들보다 빛의 이용이 탁월하고 과거 많은 연구에서 고도 폐수처리에서 활발히 연구되고 있는 미세조류 종이다. 실험에 사용한 원수는 부유물질을 제거한 하수처리장 유입수이다. 이에 의약물질 각각의 농도를 10 mg/L로 녹여 연속교반을 통해 실험을 진행하였다. 최종 샘플은 LC-MS/MS를 이용하여 분석하였다. 그 결과, MBR 공정을 통해서만 수행된 최종 처리수에서 의약 물질이 완전히 제거되지 않았다는 것을 발견했다. 특히, Erythromycin은 57.75%, Diclofenac sodium은 40.70% 제거되었다. 반면, CP와 MBR을 결합한 공정을 통해 처리된 처리수는 처리 전의 초기 상태와 비교하여 Erythromycin은 100%, Diclofenac sodium은 99.71% 제거된 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 잔류 의약물질을 처리하는 공정을 개발하는데 도움이 되는 유용한 정보를 제공할 것이다.

낙동강 수계에서 잔류 의약물질류 검출 및 거동

서창동(Chang-Dong Seo),염훈식(Hoon-Sik Yoom),송미정(Mi-Jeong Song),김경아(Kyung-A Kim),김시영(Si-Young Kim),손희종(Heejong Son) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.4

목적 : 본 연구는 국내・외에서 검출빈도가 높은 의약물질 18종을 선정하여 낙동강 상류부터 하류까지 하수처리장 방류수들, 지류들 및 본류들에서의 잔류 의약물질의 검출농도와 검출패턴을 평가하여 향후 하수처리장 방류수의 고도 처리와 안전한 상수원 확보를 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 방법 : 본 연구에서 조사한 18종의 의약물질은 acetaminophen, atenolol, carbamazepine, caffeine, diclofenac, iopromide, lincomycin, metoprolol, primidone, propranolol, sulfachloropyridazine, sulfamethazine, sulfamethoxazole, tetracycline, trimethoprim, chlorotetracycline, oxytetracycline 및 sulfathiazole이다. 잔류 의약물질류 분석에는 on-line SPE가 장착된 LC-MS/MS를 사용하였으며, 정량한계(limit of quantification, LOQ)는 1~5 ng/L였다. 채수지점은 상류부터 하류까지 본류 10개 지점과 본류에 영향을 미칠 수 있는 지류 6개 지점 및 하수처리장(처리용량 50,000 톤/일 이상) 방류수 11개 지점을 2018년 2월, 6월, 8월, 11월에 걸쳐 총 4회 채수하여 분석하였다. 결과 및 토의 : 하수처리장 방류수들, 지류들과 본류지점들을 통틀어 검출빈도가 가장 높은 의약물질은 모든 지점들에서 검출된 caffeine이었으며, 다음으로 carbamazepine, lincomycin, sulfamethoxazole, iopromide 순으로 나타났다. 또한, 이들 지점들에서의 평균 검출농도의 경우는 iopromide가 44.9~985.4 ng/L로 검출되어 가장 높은 평균 검출농도를 나타내었으며, 다음으로 caffeine (63.2~337.1 ng/L), carbamazepine (13.8~145.0 ng/L), sulfamethoxazole (12.3~114.8ng/L), diclofenac (3.1~144.1 ng/L)로 나타났다. 특히, caffeine은 하류로 내려올수록 구성비율이 점진적으로 감소한 반면 iopromide의 경우는 구성비가 점진적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 하류지점들에서 검출된 caffeine 농도는 상류지점들에 비해 더욱 높게 나타났다. 잔류 의약물질들의 총 검출농도는 상류에서 중류로 내려갈수록 증가하여 고령지점에서 최고의 검출농도를 나타낸 이후 하류로 내려오면서 희석효과에 의해 점진적인 감소되었다. 낙동강에서의 잔류 의약물질들의 오염 특성은 하수처리장에서 완전히 제거되지 못한 잔류 의약물질들이 방류수를 통하여 수계로 유입되어 하류의 상수원을 오염시키는 신종 미량오염물질들의 전형적인 오염 패턴을 나타내었다. 결론 : 하수처리장 방류수들, 지류들과 본류지점들을 통틀어 검출빈도가 가장 높은 의약물질은 모든 지점들에서 검출된 caffeine이었으며, 다음으로 carbamazepine, lincomycin, sulfamethoxazole, iopromide 순으로 나타났다. 또한, 평균 검출농도는 iopromide가 44.9~985.4 ng/L로 가장 높게 검출되었으며, 다음으로 caffeine (63.2~337.1 ng/L), carbamazepine (13.8~145.0 ng/L), sulfamethoxazole (12.3~114.8 ng/L), diclofenac (3.1~144.1 ng/L) 순이었다. 잔류의약물질들의 총 검출농도는 상류에서 중류로 내려갈수록 증가하여 고령지점에서 가장 높은 검출농도를 나타내었으나 하류로 내려오면서 희석효과에 의해 점진적으로 감소하는 경향을 나타내었다. Objectives : This study was conducted to evaluate the detection characteristics of Nakdong River basin (wastewater treatment plant (WWTP) effluents, tributaries and main streams) by selecting 18 kinds of pharmaceuticals which were detected frequently. It was intended to be used as basic data for advanced treatment of WWTP and securing safe water source. Methods : The selected 18 pharmaceuticals investigated in this study were acetaminophen, atenolol, carbamazepine, caffeine, diclofenac, iopromide, lincomycin, metoprolol, primidone, propranolol, sulfachloropyridazine, sulfamethazine, sulfamethoxazole, tetracycline, trimethoprim, chlorotetracycline, oxytetracycline and sulfathiazole. The residual pharmaceuticals was analyzed LC-MS/MS equipped with on-line solid phase extraction (SPE) system and the limit of quantifications (LOQ) of 18 residual pharmaceuticals were 1~5 ng/L. Sampling points were 27 from the upstream to the downstream, including mainstream, tributary, and WWTP effluents. Sampling was conducted four times in Feb., Jun., Aug. and Nov. 2018. Results and Discussion : The most frequently detected residual pharmaceutical in all WWTP effluents, tributaries and mainstream sites was caffeine, followed by carbamazepine, lincomycin, sulfamethoxazole and iopromide. In addition, iopromide was detected as the highest mean concentration of 44.9~985.4 ng/L followed by caffeine (63.2~337.1 ng/L) and carbamazepine (13.8~145.0 ng/L), sulfamethoxazole (12.3~114.8 ng/L) and diclofenac (3.1~144.1 ng/L). In particular, the proportion ratio of caffeine gradually decreased as going to the downstream, whereas iopromide gradually increased. However, the concentrations of caffeine in the sampling sites of the downstream were higher than those of the upstream sites. The total concentrations of detected residual pharmaceuticals gradually increased from the upstream to the middle stream, showed the highest detected concentration at the Goryeong area in the middle stream of the Nakdong River, and then gradually decreased due to the dilution effect. Residual pharmaceuticals in the Nakdong River basin, which could not be completely removed from the WWTPs, entered into the water system and contaminated source water of the downstream. This process is a typical contaminant pattern of the source water by the emerging micropollutants. Conclusions : The most frequently detected residual pharmaceutical in all WWTP effluents, tributaries and mainstream sites was caffeine, followed by carbamazepine, lincomycin, sulfamethoxazole and iopromide. In addition, iopromide was detected as 44.9~985.4 ng/L, showing the highest mean concentration at the sampling points, and caffeine (63.2~337.1 ng/L) and carbamazepine (13.8~145.0 ng/L), sulfamethoxazole (12.3~114.8 ng/L) and diclofenac (3.1~144.1 ng/L) in order. The total concentrations of detected residual pharmaceuticals gradually increased from the upstream to the middle stream, showed the highest concentration at the Goryeong area in the middle stream of the Nakdong River basin, and then gradually decreased due to the dilution effect.

상수원에서의 잔류 의약물질 검출, 거동, 분포 현황 및 독성

손희종(Hee Jong Son),장성호(Seong Ho Jang) 大韓環境工學會 2011 대한환경공학회지 Vol.33 No.6

오늘날 전세계적으로 수환경에서의 잔류 의약물질들의 오염에 대한 연구결과들이 많이 보고되고 있다. 이들 잔류 의약물질들은 다양한 종류와 그들이 가지는 물리·화학적인 특성들로 인해 수환경에서의 거동, 오염현황, 영향 및 독성 등도 매우 다양하여 수환경 및 수처리 공정에서의 거동을 예측·평가하기가 어렵다. 선진 외국의 경우 환경 중에서의 오염 현황 및 사용량을 정량화하기 위한 조사를 이미 시작하였고, 잔류 의약물질들의 인체에 대한 잠재적 위험성뿐만 아니라 상수나 하수처리 공정에서의 제거기술에 관한 다양한 연구도 활발히 진행하고 있다. 그러나 국내의 경우 잔류 의약물질들에 대해 전국 주요하천과 상수원에 대한 모니터링 결과도 매우 부족한 실정이다. 우선 국내의 경우는 상수원으로 이용되는 전국 주요 하천과 호소에 대해 주기적이고 체계적인 오염현황 평가가 선행되어야 하며, 잔류 의약물질들이 비교적 고농도로 검출되는 상수원에 대해서는 주오염원에 대한 조사도 병행되어야 한다. 또한, 의약물질 사용량은 지속적으로 증가할 것으로 전망되기 때문에 하수처리 시설에 대한 부하도 지속적으로 증가할 것이다. 따라서 수환경에서의 유해도를 저감시키기 위해 효과적인 하수처리 공법의 도입이 절실하며, 상수에 대한 안전성 확보를 위해서도 잔류 의약물질들의 수환경중에서의 물리·화학적 거동에 대한 면밀한 연구가 요구된다. Residual pharmaceutical compounds have been recognized as emerging environmental pollutants and are widely distributed all over the world. These compounds cause bioaccumulation and biomagnification during present for a long time in the environment: thereby after adversely biota and human bodies. It is difficult to remove residual pharmaceutical compounds using conventional water/wastewater treatment because of resistant property to photodegradation, biodegradation and chemical decomposition. Moreover, domestic literature data on the pollution of residual pharmaceutical compounds in rivers and lakes are limited. In this paper, species, sources, fate and risk of residual pharmaceutical compounds as well as behavior properties in freshwater resources are demonstrated to encourage the domestic concern about residual pharmaceutical compounds. An extensive review of existing data in the form of figures and tables, encompassing many therapeutic classes are presented.

잔류 의약물질 제거를 위한 생물막 반응조와 저온 플라즈마의 융합

오승빈(Oh, Seng Bin),안현민(An, Hyeon Min),김현우(Kim, Hyun-Woo) 대한토목학회 2020 대한토목학회 학술대회 Vol.2020 No.10

가시광 LED와 WO3를 이용한 수중 잔류의약물질 14종 제거

한치헌(Chee-Hun Han),최정권(Jong Kwon Choe),최용주(Yongju Choi) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

마이크로버블 오존 및 UV 기반의 고도산화처리를 활용한 하폐수 처리시설 배출수 내 난분해성 유해물질 제거특성

이재원 ( Lee Jae Won ),김영노 ( Kim Young Noh ),박성준 ( Park Seongjun ),김준영 ( Kim Jun Young ),김종오 ( Kim Jong-oh ) 한국물환경학회 2023 공동춘계 학술발표회 논문집 Vol.2023 No.0

하수처리시설 단위공정별 잔류의약물질 거동 및 물질수지 분석

박준원,정동환,김창수,이원석,이수형,정현미 대한상하수도학회 2019 상하수도학회지 Vol.33 No.5

In this study, the fate and removal of 15 pharmaceuticals (including stimulants, non-steroidal anti-inflammatory drugs, antibiotics, etc.) in unit processes of a sewage treatment plant (STP) were investigated. Mass loads of pharmaceuticals were 2,598 g/d in the influent, 2,745 g/d in the primary effluent, 143 g/d in the secondary effluent, and 134 g/d in the effluent. The mass loads were reduced by 95% in the biological treatment process, but total phosphorous treatment did not show a significant effect on the removal of most pharmaceuticals. Also, mass balance analysis was performed to evaluate removal characteristics of pharmaceuticals in the biological treatment process. Acetaminophen, caffeine, acetylsalicylic acid, cefradine, and naproxen were efficiently removed in the biological treatment process mainly due to biodegradation. Removal efficiencies of gemfibrozil, ofloxacin, and ciprofloxacin were not high, but their removal was related to sorption onto sludge. This study provides useful information on understanding removal characteristics of pharmaceuticals in unit processes in the STP.

마이크로버블 오존 및 UV 기반의 고도산화처리공정을 활용한 잔류의약물질 제거 특성

김준영 ( Kim Jun Young ),박성준 ( Park Seongjun ),김영노 ( Kim Youngnoh ),이재원 ( Lee Jae Won ),김종오 ( Kim Jong-oh ) 한국물환경학회 2022 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2022 No.-

미량 및 신종유해물질 7종에 대한 수생태 유해성 평가

이재엽(Jaiyeop Lee),김일호(Ilho Kim),박새롬(Saerom Park) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

하수처리시설 고상시료 중 잔류의약물질 분석을 위한 전처리법 평가 및 적용

박준원,김창수,주병규,이원석,정현미,정동환 대한상하수도학회 2018 상하수도학회지 Vol.32 No.6

The aim of this study was to evaluate pretreatment methods for 27 pharmaceuticals and personal Care Products (PPCPs) in various sewage samples using a modified quick, easy, cheap, effective, rugged, and safe (QuEChERS) and online solid-phase extraction with LC-MS/MS. Extraction efficiencies of PPCPs in the solid phase under different experimental conditions were evaluated, showing that the highest recoveries were obtained with the addition of sodium sulfate and ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dehydrate in acidified conditions. The recoveries of target compounds ranged from 91 to 117.2% for liquid samples and from 61.3 to 137.2% for solid samples, with a good precision. The methods under development were applied to sewage samples collected in two sewage treatment plants (STPs) to determine PPCPs in liquid and solid phases. Out of 27 PPCPs, more than 19 compounds were detected in liquid samples (i.e., influent and effluent) of two STPs, with concentration ranges of LOQ-33,152 ng/L in influents and LOQ-4,523 ng/L in effluents, respectively. In addition, some PPCPs such as acetylsalicylic acid, ibuprofen, and ofloxacin were detected at high concentrations in activated sludge as well as in excess sludge. This methodology was successfully applied to sewage samples for the determination of the target compounds in STPs.