칼슘 구연산염 착물을 이용한 지하수 내 질산염과 인산염 동시 제거 :Simultaneous Removal of Nitrate and Phosphate in Groundwater Using Calcium Citrate Complex

강지영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강지영 (전북대학교, 전북대학교 일반대학원)

지도교수: 진성욱

발행연도: 2019

저작권: 전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수15

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

칼럼 실험을 이용한 지하수 내 질산염 및 인산염 동시 제거 평가

강지영 , 진성욱 대한지질학회 학술대회 2022.10 학술대회자료

2019

칼슘 구연산염 착물을 이용한 지하수 내 질산염과 인산염 동시 제거

강지영 2019.01 학위논문

2018

칼슘 - 구연산염 착물을 이용한 지하수 내 질산염과 인산염 동시 제거

강지영 , 진성욱 대한지질학회 학술대회 2018.10 학술대회자료

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지하수 내 질산염과 인산염은 오염물로서, 심각한 환경 문제를 야기하고 건강에 위협이 된다. 특히, 지하수 내 존재하는 질산염과 인산염은 기저 유출을 통해 지표수로 이동될 수 있다. 이렇게 지표수로 이동된 질산염과 인산염은 부영양화를 야기할 수 있다. 그러므로 지하수 내 오염물질을 저감할 뿐만 아니라 지표수 내 영양염류를 관리하는 측면에서 지하수 내 질산염과 인산염을 제거하는 방법을 개발하는 것은 중요하다. 지금까지 두 오염물질은 각각 다른 방법으로 처리되어 왔다. 이번 연구의 목적은 실제 지하수 현장에 적용가능하며 질산염과 인산염을 동시에 제거하는 방법을 개발하는 것이다.
이번 연구에서 질산염과 인산염을 동시에 제거할 수 있는 반응물로서 칼슘-구연산염 착물을 제안한다. 그리고, 칼슘-구연산염 착물을 이용하여 질산염과 인산염이 동시에 제거될 수 있는지 확인하기 위해 배치 실험과 칼럼 실험을 수행하였다. 각 배치 실험마다 용액과 지화학적 환경 조건을 변화하여 총 5번의 배치 실험을 수행하였다. 배치 실험에서는 지화학적 요인, 음이온, 양이온, 유기산을 분석하였다. 또한, 배치 실험에 사용된 토양에 한에서 미생물 분석, XRD와 XRF 분석, 총 탄소, 총 인, 총 질소 분석, 수분 함량 측정을 수행하였다. 지하수와 같이 흐르는 환경에서도 질산염과 인산염이 제거되는지 확인하기 위하여 칼럼 실험을 수행하였다. 두 칼럼을 준비하였고, 하나의 칼럼은 순수한 모래로 구성되었고 또 다른 칼럼은 배치 실험에 사용한 토양으로 구성되었다. 이러한 칼럼 실험은 총 93일 동안 수행되었다. 칼럼의 유속은 201.6 mL/day였다. 칼럼 실험의 분석 항목은 배치 실험과 유사하였다.
배치 실험 결과는 칼슘-구연산염 착물을 이용하여 질산염과 인산염이 동시에 제거됨을 보여주었다. 질산염의 제거 기작은 유기물을 탄소원으로 사용하는 탈질 미생물에 의한 탈질 작용인 것으로 나타났다. 인산염은 수산화 인회석과 같은 인산염 광물을 형성하는 침전으로 인해 제거된 것으로 나타났다. 흡착과 미생물의 흡수는 추가적인 인산염 제거 기작이 될 수 있다. 칼럼 실험 결과는 지하수와 같이 물이 흐르는 환경에서도 칼슘-구연산염 착물을 이용하여 질산염과 인산염이 동시에 제거될 수 있음을 보여주었다. 서로 다른 반응 물질로 이루어진 두 칼럼에서 모두 질산염과 인산염이 효과적으로 제거되었다.
배치와 칼럼 실험에 사용된 토양에 대한 미생물 분석 결과는 총 미생물에서 탈질 미생물은 강 단위에서 75.11%였음을 보여주었다. 탈질 미생물 중에서 Gammaproteobacteria 강, Bacilli 강, Alphaproteobacteria 강, Betaproteobacteria 강, 그리고 Actinobacteria_c 강이 각각 18.24%, 13%, 5.104%, 3.315%, 1.208%이었다.
이번 연구는 칼슘-구연산염 착물을 이용하여 질산염과 인산염이 동시에 제거될 수 있음을 보여주었다. 이번 연구에서 개발된 이 방법은 지하수 내 존재하는 오염물질을 제거하기 위해 유용한 방법이 될 수 있고, 따라서, 지하수와 지표수 내 영양염류를 저감하는데 기여할 수 있다.

Nitrate and phosphate in groundwater act as contaminants, causing serious health and environmental problem. In addition, nitrate and phosphate in groundwater can be delivered to surface water by base flow. Nitrate and phosphate supplied to surface water can cause eutrophication. Therefore, not only to reduce contaminants in groundwater but also to manage nutrients in surface water, it is important to develop a method to remove nitrate and phosphate present in groundwater. So far, each of nitrate and phosphate has been treated using different treatment methods. The purpose of this study was to develop a method to remove nitrate and phosphate simultaneously, which can be applied in the field.
In this study, calcium citrate complex was proposed as reactant to simultaneously remove nitrate and phosphate. To confirm whether nitrate and phosphate are simultaneously removed using calcium citrate complex, the batch experiments and a column experiment were conducted. A total of five batch experiments were performed using different solutions and geochemical conditions. In the batch experiments, geochemical parameters, anions, cations and organic acids were analyzed. Microbial analysis, analyses of X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF), total carbon (TC), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), and moisture content were also performed for the soil. A column experiment was conducted to confirm whether nitrate and phosphate are simultaneously removed at a flow system. Two columns were set up: one consisting of clean sand and the other consisting with the soil, which was also used for the batch experiments. The column experiment was conducted for the operation period of 93 days. The flow rate was 201.6 mL/day for both columns. In the column experiment, the analyzed parameters were similar to the batch experiments.
The results of the batch experiments showed that nitrate and phosphate were simultaneously removed using calcium citrate complex. The removal mechanism for nitrate appears to be denitrification, in which the organic matter of the complex acts as a carbon source for denitrifying bacteria. Phosphate appears to be removed by precipitation forming phosphate minerals, such as hydroxyapatite. Adsorption and uptake of microorganisms could be additional phosphate removal mechanisms. The result of the column experiment showed that nitrate and phosphate can be simultaneously removed using calcium citrate complex under the flow-through system. Nitrate and phosphate were effectively removed in both columns composed of different reactive materials.
The result of the microbial analysis for the soil used in the batch and column experiments showed that denitrifying bacteria was 75.11% among total soil bacteria in terms of class. Among the denitrifying bacteria, Gammaproteobacteria, Bacilli, Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria and Actinobacteria_c were 18.24%, 13%, 5.104%, 3.315% and 1.208%, respectively.
This study shows that nitrate and phosphate can be removed simultaneously using calcium citrate complex. The method developed in this study can be useful for removing nitrate and phosphate in groundwater, and thus can contribute to reduce the nutrients in groundwater and surface water.

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1. Introduction 1
2. Methods 4
2.1. Batch experiments 4
2.1.1. Procedures 4
2.1.2. Analysis of water 21
2.1.3. Analysis of soil 24
2.1.4. Calculation of saturation index 27
2.1.5. Optical density 28
2.2. Column experiment 29
2.2.1. Experimental setup 29
2.2.2. Flow history of the columns 33
2.2.3. Analysis 36
3. Results and Discussion 37
3.1. Results of the batch experiments 37
3.1.1. Results of the first batch experiment 37
3.1.2. Results of the second batch experiment 52
3.1.3. Results of the third batch experiment 65
3.1.4. Results of the fourth batch experiment 89
3.1.5. Results of the fifth batch experiment 103
3.1.6. Results of microbial analysis 116
3.1.7. Summary of the batch experiments 118
3.2. Results of the column experiment 119
3.2.1. Geochemical parameters 119
3.2.2. Anions 121
3.2.3. Cations 123
3.2.4. Organic acids 125
3.2.5. Summary of the column experiment 127
4. Conclusions 128
References 130
국문초록 133
사사 136

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