Earticle

본 연구에서는 수도권 4개 권역의 PM2.5 예보를 위해 심층신경망 모델을 개발하고, 계층별 관련성 전파를 사용하여 예 측결과에 대한 입력인자들의 기여도를 분석했다. 제안한 심층신경망 예보모델은 평균적으로 지수적중률 71%, 고농도 감 지 확률 65%, 오경보율 40% 정도의 성능을 보였다. 이러한 심층신경망 예보결과에 대한 입력인자들의 중요도를 분석하 기 위해 데이터를 지역 및 PM2.5 농도로 분류하여 계층별 관련성 전파를 수행했다. 그 결과 농도 및 지역에 상관없이 중 요도가 높은 인자는 압력, 온도, 이슬점온도, 상대습도, U, V, 이산화질소, 일산화탄소로 확인된 반면에 누적강수량, 아황 산가스, PM10, 오존은 중요도가 낮은 것으로 관찰되었다. 고농도 사례에서는 일사와 오존의 중요도가 낮아지고, 예측시 간에 근접한 시간대의 PM2.5의 중요도가 높아졌으며, CMAQ(The Community Multiscale Air Quality) 예측인자들의 중 요도도 다소 올라갔다. 지역별 입력인자들의 중요도는 대체로 유사했는데 인천과 경기북부의 경우 일사의 중요도가 낮아 지는 등 고농도 패턴의 인자중요도와 일부 비슷한 결과를 보였다. 이것은 인천과 경기북부가 다른 지역보다 고농도 데이 터가 더 자주 발생하기 때문으로 분석된다. 이러한 인자중요도 결과는 향후 고농도 적중률 향상 및 지역별 특성에 적합 한 예보모델을 개발하는데 활용하면 효과적일 것으로 기대한다.

In this study, we propose a deep neural network model for PM2.5 prediction in the four metropolitan areas, and analyze the contribution of input factors to the prediction results using layer-wise relevance propagation. The proposed deep neural network forecasting model exhibited an average exponential accuracy of 71%, a high-concentration detection probability of 65%, and a false alarm ratio of 40%. In order to analyze the importance of input factors for these deep neural network forecasting results, we classify the data into regional and PM2.5 concentration level and performed layer-wise relevance propagation. As a result, factors such as pressure, temperature, dew point temperature, relative humidity, U, V, nitrogen dioxide and carbon monoxide were found to be important, regardless of any region and concentration level. On the other hand, accumulated precipitation, sulfur dioxide, PM10, and ozone are shown to have lower importance. In highconcentration cases, the importance of solar radiation and ozone decreased, PM2.5 during time periods close to the prediction time increased, and the importance of CMAQ(The Community Multiscale Air Quality) predictive factors also showed some degree of elevation. The importance of input factors by region are generally similar; however, in the case of Incheon and Northern Gyeonggi Province, the importance of the radiation decreases, showing some similarities to the importance of factors in high concentration patterns. This is analyzed as being due to a higher occurrence of highconcentration data in Incheon and Northern Gyeonggi Province compared to other regions. These analyzing results are expected to be effective in developing forecasting models that improve the prediction accuracy of high concentration and match regional characteristics in the future.

The isothermal adsorption and kinetics of phosphorus in aqueous solutions of oyster shell powders calcined at a specific temperature were addressed in this study. Raw oyster shell powder was identified to have a Ca content of 64.3 wt.% and a thermal weight loss of 45.9%. The physicochemical properties of the raw oyster shell powder and oyster shell powder calcined at 550oC, 750oC, and 900oC respectively were investigated in advance. In the phosphorus adsorption experiment, adsorption equilibrium was achieved within 1 minute with a rapid pH increase in all experimental cases, suggesting that activated calcium oxide constituting the oyster shell powder caused rapid hydration in aqueous solution. The higher the initial phosphorus concentration in the aqueous solution, the higher the phosphorus adsorption of oyster shell powder due to the influence of the phosphate ion concentration gradient. Additionally, the higher the calcinating temperature, the higher the phosphorus adsorption due to the difference in decarboxylation of oyster shells. The isothermal adsorption data fitted well with the Fruendlich model, with adsorption constants (KF) of 0.0330~10.3110 (mg/L1/n)/(g/L1/n), heterogeneity factor (n) of 0.5439~1.1060, and R2 of 0.7759~0.9956. The pseudo-second-order kinetic model described the experimental data well, and the amount of phosphorus adsorbed at equilibrium (qe) was 3.0460~40.4858mg/g. In conclusion, the experimental results suggested that high phosphorus removal efficiency could be obtained because adsorption was more spontaneous and cooperative when oyster shells were calcined above the critical temperature for decarboxylation. Comparative result for the adsorption capacity of several alternative adsorbents emphasized that thermally activated oyster shells were effective for phosphorus removal from water systems.

본 연구에서는 환경부 및 수자원공사에서 제공하는 수질측정자료에 기반하여 영산강 하류 수계의 최근(2018년 1월~2023년 5월) 수질특성을 수질항목별로 분석하였고, 상수원으로 활용할 경우를 대비하여 적절한 정수처리 방안에 대하여 고찰하였다. 용존산소, 질 산성질소, 경도, 납, 비소, 수은 등의 수질항목은 대체로 양호하여 수질기준을 만족하였고, 상수원으로써 적합한 수준인 것으로 평가 되었다. 부유물질, 탁도, 총 인 등의 수질항목은 응집·침전·여과 등의 표준정수처리공정에서 처리가 가능한 수준인 것으로 분석되었 다. 수소이온농도, 총 대장균군, 분원성 대장균군, 유해남조류 등의 경우에는 표준정수처리공정에서 약품투입(pH 조정제), 염소산화 처리(전염소처리, 중간염소처리), 여과공정 강화(마이크로스트레이너, 2단 응집, 다층여과지) 등을 통해 정수처리가 가능할 것으로 판 단되었다. 영산강 하류 수계에 포함된 유기물질, 암모니아성 질소, 유해남조류 기인 물질 등은 표준정수처리공정으로 처리가 어렵고, 생물처리, 흡착처리(입상활성탄), 오존처리, 고도산화, 막여과 등의 고도정수처리가 필요한 수준으로 평가되었다. 따라서, 영산강 하 류 수계를 상수원으로 활용하기 위해서는 표준정수처리공정의 개선·강화 및 고도정수처리공정의 도입 등을 검토할 필요가 있겠으며, 본 연구결과는 이를 위한 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

In this study, the water quality characteristics in the lower reaches of Yeongsan river were analyzed for water purification treatment, using the water quality measurement data (January 2018 to May 2023) provided by the Ministry of Environment and K-water. The water quality items of dissolved oxygen, NO3-N, hardness, Pb, As, and Hg were evaluated as suitable as water sources. The suspended solid, turbidity, and total phosphorus could be purified in the standard water treatment processes such as coagualtion, sedimentation, and filtration. It was analyzed that pH, total coliforms, fecal coliforms, and harmful cyanobacteria could be treated through water treatment chemicals (pH adjusters), chlorination treatment(pre-chlorination, mid-chlorination), and enhanced filtration(microstrainer, two-step coagulation, multi-layer filtration) in the standard water treatment process. Organic materials, NH3-N, and harmful cyanobacteria-derived substances were evaluated to require the advanced water treatment processes such as bio-treatment, adsorption(granular activated carbon), ozonation, advanced oxidation process, and membrane filtration. Therefore, in order to use the lower reaches of Yeongsan river as a water source, it is necessary to consider the enhanced and advanced water treatment process based on the results of this study.

강우유출수와 같은 비점오염원은 대부분 100 m 이하의 미세입자로 이루어져 있어 오염물질들이 흡착 및 부착되어 거동 하기 쉬운 특성을 가지고 있다. 이러한 미세입자를 고효율로 처리하기 위해 응집제를 이용한 여과방식에 대한 연구도 진행되 고 있으나 응집제를 이용한 방식은 응집제 주입량에 따라 그 효율이 달라져 처리 조건에 따른 최적의 응집제 주입이 필수적 이다. 때문에 본 논문에서는 섬유볼 여재를 적용한 상향류식 여과 컬럼 장치에 응집제를 주입하여 미세입자 처리효율을 향상 시키고 장치 내 응집제 주입량을 달리하여 최적의 응집제 주입량 산정 및 주입량 변화에 따른 여과장치 처리특성을 분석하고 자 하였다. 실험 결과 유입수에 대한 응집제 주입 농도가 15.625 mg/L 일 때, 탁도 평균 98.88%, SS 평균 98.76%로 가장 높 은 미세입자 처리효율로 나타났으며 그 이상부터는 처리효율이 미세하게 감소하는 것으로 나타났다. 또한 고형물 물질수지 계산을 통해 역세척 효율을 산정한 결과, 응집제 주입량이 증가할수록 역세척 효율이 감소하여 응집제의 주입이 역세척에 직 접적인 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 따라서 상향류식 섬유볼 여과장치에 응집제를 주입하여 고효율 처리를 진행할 경우, 응집제 주입농도를 15.625 mg/L로 할 때가 가장 고효율적이며 적절한 응집 여과 조건인 것으로 사료된다.

Non-point source pollution such as rainfall runoff water are mostly composed of fine particles of 100 μm or less, so pollutants are easily adsorbed and attached to move. Studies on a filtration method using a coagulant are also being conducted to treat these fine particles with high efficiency, but the method using a coagulant has its efficiency depending on the amount of coagulant injected, so it is essential to inject an optimal coagulant according to the treatment conditions. Therefore, in this paper, a coagulant was injected into the upflow filtration column device to which the fiber ball filter was applied to improve the processing efficiency of fine particles, and the injection amount of the coagulant in the device was different to calculate the optimal amount of the coagulant injection and analyze the processing characteristics of the filtration device according to the change in the injection amount. As a result of the experiment, when the concentration of the coagulant injection to the influent water was 15.625 mg/L, the highest fine particle treatment efficiency was found with a turbidity average of 98.88% and an SS average of 98.76%, and above that, the treatment efficiency slightly decreased. In addition, as a result of calculating the backwashing efficiency through the calculation of the solid mass balance, the backwashing efficiency decreased as the amount of the coagulant injection increased, indicating that the injection of the coagulant had a direct effect on the backwashing. Therefore, when the high efficiency treatment is performed by injecting a coagulant into the upflow fiber ball filtration device, it is considered to be the most efficient and appropriate agglomerate filtration condition when the concentration of the coagulant injection is 15.625 mg/L.

본 연구는 음식물류 폐기물을 이용한 혐기성 소화시설의 운영중 바이오가스 내 황화수소는 높은 부식성으로 설비의 수 명을 크게 단축하고 있으며, 바이오가스를 이용하는 데 필요한 정제과정은 생산비용의 2배 이상에 달하는 것으로 보고 되고 있다. 음식물류 폐기물을 이용한 혐기성 소화시설에서 측정한 염화철(II) 투입량에 따른 황화수소(H2S) 발생량은 중 간저장소에서 최소 1,000 Kg의 FeCl2를 주입하였을 때, 혐기성소화시설에서 황화수소 최대 농도는 327 ppm으로 증가였 고, 혐기성 안정화조에서는 346 ppm으로 증가됨을 나타냈었다. 중간저장조에서 최대 염화 철(II) 2,000 Kg의 FeCl2를 주 입하였으며, 소화조의 황화수소 최소 농도는 37 ppm, 안정화조의 황화수소 최소 농도는 43 ppm으로 감소하였다. 기간동 안 평균 염화 철(II)은 평균 1,300 Kg 씩 주입하여으며, 기질은 평균 276 m3 주입하여 운영한 결과 연구 기간동안 황화 수소의 농도는 소화조에서 154 ppm, 안정화조에서 153 ppm으로 황화수소 설계기준 농도 300 ppm 이하로 저감되어 발 생하고 있음을 알 수 있다.

In this study, it is reported that the hydrogen sulfide in the biogas during the operation of the anaerobic digestion facility using food waste is highly corrosive and greatly shortens the life of the facility, and the purification process required to use biogas is more than twice the production cost. A maximum of 2,000 kg of iron (II) chloride FeCl2 was injected from the intermediate storage tank, and the minimum concentration of hydrogen sulfide in the digestion tank decreased to 37 ppm and the minimum concentration of hydrogen sulfide in the stabilization tank decreased to 43 ppm. The amount of hydrogen sulfide (H2S) generated according to the amount of iron (II) chloride input measured in the anaerobic digestion facility using food waste was increased to 327 ppm when at least 1,000 kg of FeCl2 was injected in the intermediate storage, and the maximum concentration of hydrogen sulfide in the anaerobic digestion facility increased to 327 ppm. In the anaerobic stabilization tank, it increased to 346 ppm.

본 연구는 음식물류 폐기물과 가축분뇨의 물리·화학적 특성을 파악하고 이를 근거로 유기성 폐기물의 병합 바이오 가 스화를 통한 신 · 재생에너지 생산과 국가정책에 부합하는 친환경적 환경 기초 시설을 구축하는 데 있다. 유기성 폐기물 의 분해 특성 및 잠재적인 메탄발생량에 대한 획득을 위해 BMP (Biochemical methane potential)실험을 실시하였다. 메 탄 잠재성 축분뇨(돈분뇨) 경우 실험 시작 약 40일 후의 메탄발생량은 최대값에 도달하였고, Gompertz식에 적용한 결과 “P”값은 374.8 mL로 계산되었으며, 주입된 COD당 메탄수율은 175.9 mL CH4/g COD로 약 51.3%의 전환율을 보였으며, 두 번째, 기질인 음식물류 폐기물의 경우 실험 시작 후 약 37일에 478.7 mL로 최대값에 도달하였고, “P”값은 최대 538.9 mL, 메탄수율 293.3 mL CH4/g COD, 82.3%의 메탄 전환율로 가축분뇨에 비해 상당히 높게 나타났다.

This study is aimed at understanding the physical and chemical properties of food waste and livestock manure, and based on this, it seeks to establish an environmentally friendly infrastructure that aligns with national policies through the combined biogasification of organic waste for the production of new and renewable energy. To acquire the decomposition characteristics and potential methane production of organic waste, a Biochemical Methane Potential (BMP) test was conducted. In the case of methane potential livestock manure (pig manure), the methane production reached its maximum value approximately 40 days after the start of the experiment. The “P” value calculated by applying the Gompertz equation was 374.8 mL, and the methane yield per injected Chemical Oxygen Demand (COD) was 175.9 mL CH4/g COD, showing a conversion rate of approximately 51.3%. Secondly, in the case of the substrate, food waste, it reached its maximum value of 478.7 mL approximately 37 days after the start of the experiment. The “P” value was a maximum of 538.9 mL, the methane yield was 293.3 mL CH4/g COD, and the methane conversion rate was 82.3%, which was significantly higher than that of livestock manure.

본 연구의 목적은 2차 생성 미세먼지 관점에서 중요한 역할을 하는 질산염의 생성 및 전환특성에 관한 이해와 저감 효과를 분석하는 것이다. PM2.5의 약 48~57%는 이온 성분이 차지하고 있었으며, 주요성분은 NO3 -, NH4 +, SO4 2-로 PM2.5의 농도가 증가할수록 특히 NO3 -의 농도가 증가하였다. 질산염의 전구물질(NH3, HNO3, NOX)은 여름보다 겨울에 더 높은 농도 수준을 보였으며, NH3의 농도는 농업지역의 지리적 특징으로 인해 높게 나타났다. 질산염의 기체-입자 분배는 겨울철에는 항상 입자 상으로 존재하는 반면 여름에는 주로 기체상이었으며 ALWC로 인해 일부 입자상으로 전환되는 특징을 보였다. 질산염의 생 성률은 가스상 반응보다 액상 반응이, 낮 시간대보다 밤 시간대에 더 큰 값을 나타냈으며, 겨울철 밤 시간대에 주로 발생하는 Heterogeneous reaction이 지배적인 생성기작인 것으로 판단되었다. 열역학적 평형모델 ISORROPIA-II를 활용한 전구물질의 제어 효과는 HNO3의 저감이 효과적인 것으로 나타났으며, 이는 NOX 배출량의 제어가 질산염과 PM2.5 농도 저감에 중요하 다는 것을 시사하는 바이다.

The purpose of this study is to understand the formation and conversion characteristics of nitrate, which plays an important role in terms of secondary aerosol, and to analyze the reduction effect. Approximately 48-57% of PM2.5 was comprised of inorganic ion species, and the main components were NO3 -, NH4 +, and SO4 2-. As the concentration of PM2.5 increased, the concentration of NO3 - in particular increased. Nitrate precursors (NH3, HNO3, NOX) showed higher concentration levels in winter than in summer, and the concentration of NH3 was high due to the geographical characteristics of the agricultural area. The gas-particle partitioning of nitrate was always aerosol phase in winter, while it mainly existed gas phase in summer, but some of it was converted to aerosol phase due to ALWC. The production rate of nitrate was higher in the aqueous phase reaction than in the gas phase reaction and at night time than during the day time. The heterogeneous reaction was determined to be dominant in the nitrate formation mechanism. The control effect of precursors using the thermodynamic equilibrium model (ISORROPIA-II) was shown to be effective in reducing HNO3, which suggests that controlling NOX emissions is important.