학술논문
Evaluation of total residual oxidant generation and removal efficiency of quinolone antibiotics using catalytic ozonation in seawater-based wastewater / 해수기반 폐수내 γ-Al2O3오존공정을 통한 총 잔류산화물 생성 변화 및 퀴놀론계 항생제의 제거율 평가
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
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Subject
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English
Abstract
Owing to recent developments in aquaculture, the discharge of seawater containing antibiotics has become a growing concern. Quinolone antibiotics, which cause central nervous system disorders and cardiac conduction, are commonly detected in aquaculture. For this seawater-based wastewater treatment, an ozone process with high oxidation power has been introduced. In this process, bromide ions (Br−) produce total residual oxidants (TRO), such as hypobromous acid (HOBr) and hypobromite ions (OBr−). However, oxidation by TRO demonstrates a low oxidizing power. Therefore, the seawater ozone process requires a relatively higher ozone injection than the freshwater. This study evaluated an ozone-catalytic process using gamma alumina (ɤ-Al2O3) to improve antibiotic removal efficiency. Various factors affecting TRO production were evaluated to derive the optimal ozone process. The removal rates of representative quinolone antibiotics such as enrofloxacin, ciprofloxacin, and oxolinic acid were evaluated using liquid chromatography-fluorescence detection. For 3.0 mg/min of ozone and 1 g/L of ɤ-Al2O3, the removal kinetic rate constant increased by 45.37%, 43.95%, and 37.68% for enrofloxacin, ciprofloxacin, and oxolinic acid, respectively. In addition, the time required for non-detection has also been decreased. These results show that the seawater ozone-catalytic process can be attempted to efficiently remove the pollutants in aquaculture.
최근 선박 무역 및 수산물 수입 증가로 인해, 선박평형수 또는 양식장 폐수 배출수가 다량 발생하고 있으며, 특히 병원성 미생물 또는 잔류 항생제가 근해 수질 오염 및 수생태계 교란을 일으키는 것으로 알려져 사회적 및 환경적으로 문제를 일으키고 있다. 오존 공정은 높은 산화력, 빠른 반응속도 등으로 인해 널리 사용되고 있으나, 해수 내에 브롬이온으로 인해 오존은 수초 이내에 하이포아브롬산(HOBr/OBr-)의 형태로 전환된다. 이러한 하이포아브롬산은 해수 오존 공정에서의 주된 잔류산화물질로써, 총잔류산화물질(Total residual oxidant; TRO)로서의 대표성을 지닌다. 총 잔류산화물질은 병원성 미생물 살균을 위해 일정한 농도로 유지되어야하나 상대적으로 낮은 산화력을 지니는 하이포아브롬산(Oxidation potential of ozone = 2.07 V and HOBr = 1.59 V)으로 인해 높은 항생제 제거율을 얻기 위해서는 담수 조건에 비해 해수 조건에서 고농도의 오존 주입이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 해수 오존 공정의 성능을 향상시키기 위해, 촉매 주입이 TRO 생성과 항생제 제거에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 60mg/L-Br 및 0.5mg/L-NH3인공 해수 조건에서, 촉매를 주입할 경우 퀴놀린계열 항생제의 제거 반응속도(k)값은 37.68~45.37% 증가하였다. 이와 유사하게 TRO 생성 속도도 증가하는 것을 확인하였다(촉매 미 첨가: 0.159 mg·L-1·min1-TRO, 촉매 첨가: 0.169 mg·L-1·min1-TRO). 결과적으로, 해수 내에 촉매 오존 공정은 항생제 제거율을 높일 뿐 아니라 TRO 농도를 유지하기 위해 오존을 고농도로 주입시키지 않아도 될 것으로 사료된다.
최근 선박 무역 및 수산물 수입 증가로 인해, 선박평형수 또는 양식장 폐수 배출수가 다량 발생하고 있으며, 특히 병원성 미생물 또는 잔류 항생제가 근해 수질 오염 및 수생태계 교란을 일으키는 것으로 알려져 사회적 및 환경적으로 문제를 일으키고 있다. 오존 공정은 높은 산화력, 빠른 반응속도 등으로 인해 널리 사용되고 있으나, 해수 내에 브롬이온으로 인해 오존은 수초 이내에 하이포아브롬산(HOBr/OBr-)의 형태로 전환된다. 이러한 하이포아브롬산은 해수 오존 공정에서의 주된 잔류산화물질로써, 총잔류산화물질(Total residual oxidant; TRO)로서의 대표성을 지닌다. 총 잔류산화물질은 병원성 미생물 살균을 위해 일정한 농도로 유지되어야하나 상대적으로 낮은 산화력을 지니는 하이포아브롬산(Oxidation potential of ozone = 2.07 V and HOBr = 1.59 V)으로 인해 높은 항생제 제거율을 얻기 위해서는 담수 조건에 비해 해수 조건에서 고농도의 오존 주입이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 해수 오존 공정의 성능을 향상시키기 위해, 촉매 주입이 TRO 생성과 항생제 제거에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 60mg/L-Br 및 0.5mg/L-NH3인공 해수 조건에서, 촉매를 주입할 경우 퀴놀린계열 항생제의 제거 반응속도(k)값은 37.68~45.37% 증가하였다. 이와 유사하게 TRO 생성 속도도 증가하는 것을 확인하였다(촉매 미 첨가: 0.159 mg·L-1·min1-TRO, 촉매 첨가: 0.169 mg·L-1·min1-TRO). 결과적으로, 해수 내에 촉매 오존 공정은 항생제 제거율을 높일 뿐 아니라 TRO 농도를 유지하기 위해 오존을 고농도로 주입시키지 않아도 될 것으로 사료된다.