용존유기물질 형광 특성 비교를 위한 PARAFAC 기법의 순차적 적용

임도경; 최미진; 박종관

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자료유형: 학술저널

저자정보: 임도경 (창원대학교) 최미진 (창원대학교) 박종관 (창원대학교)

저널정보: 대한환경공학회 대한환경공학회지 대한환경공학회지 제45권 제2호

발행연도: 2023.2

수록면: 81 - 89 (9page)

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목적 : PARAFAC 기법을 통해 용존 유기물질을 분석하는 순차적 방법을 제공하며 다양한 기원에서 발생하는 유기물 성분을 파악하고 비교하는 것을 목적으로 한다.
방법 : 총 160개의 습지, 강, 하수 유입수, 하수 유출수 형광분석 데이터를 활용하여 PARAFAC 모델링을 수행하였다. PARAFAC 모델링을 할 때 고려해야 하는 데이터 전처리, 초기 모델 생성 및 이상치(outlier) 분석, 분할 분석(split-half analysis), Core consistency, SSE(sum of squared error) 분석 등의 방법을 설명하였으며, 모델의 검증을 통해 최종적으로 PARAFAC 모델의 구성 성분 개수를 결정하였다. 완성된 모델을 활용하여 160개의 시료에 대한 해석을 진행하였다.
결과 및 토의 : 2~4개의 구성 요소 수를 가지는 초기 모델을 생성하였으며 이상치 분석을 통해 4개의 하수 처리장 유입수 샘플이 제거되었다. SSE분석 결과, 2개의 구성 요소 수를 가지는 모델은 SSE 값이 방출 파장 280 ㎚~400 ㎚ 영역에서 구성 요소 수가 3, 4개인 모델보다 높은 것으로 나타나 구성 요소 수가 2개 이하의 모델을 제외하였으며, Core consistency의 경우 2, 3, 4개의 구성 요소를 가지는 모델이 각각 99.6%, 94.9%, 65.7%을 얻어 구성 요소 수가 3개일 때의 모델이 적절하다 판단하였다. 또한 분할 분석 결과에서도 3개의 구성 요소를 가지는 모델의 스펙트럼이 동일하여 최종적으로 3개의 구성 요소 수가 해당 모델에서 적합하다고 판단하였다. 개발된 PARAFAC 모델을 활용하여 기원별 유기물 특성을 비교하였을 떄, 휴믹 성분 비율이 하수처리장 유출수 ≈ 습지 > 강 > 하수처리장 유입수의 순서로 높은 것을 확인할 수 있었고, 미생물 활동 영향이 있는 단백질 성분의 비율은 하수처리장 유입수 > 강 > 습지 ≈ 하수처리장 유출수의 순서로 나타났다.
결론 : 본 논문을 통해 PARAFAC 수행과정을 서술하고 형광 특성을 이용하여 기원별 유기물 특성을 비교해보았다. 이를 통해 수처리분야에서 PARAFAC 모델의 연구 활용도를 높이고, 환경처리시설에서의 효율적인 유기물 제어를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Objectives : It provides a detailed procedure for analyzing dissolved organic matter (DOM) by the PARAFAC technique and aims to identify compare different fluorescent components of DOM with various water sources.
Methods : PARAFAC modeling was performed based on the PARAFAC tutorial by Stedmon et al.11) using a total of 160 samples originated from wetlands, river, wastewater treatment plant influent and effluent. The procedure includes data preprocessing, initial model creation, outlier analysis, split-half analysis, core consistency, and sum of squared error analysis (SSE). After finishing the model validation step, the samples were analyzed through the verified PARAFAC model.
Results and Discussion : An initial model with 2 to 4 components was created, and as a result of outlier analysis, the four WWTP Influent samples were removed as outliers. As a result of SSE analysis, the model with two components has a relatively higher SSE value than the model with three or four components. In the case of core consistency, the model with 2, 3, and 4 components scored 99.6%, 94.9%, and 65.7%, respectively. As a result of the split-half analysis, the spectra of the model having the three components of the split data were the same, so it was finally determined that the number of three components was appropriate in the model. The DOM samples were analyzed by the developed PARAFAC model. It was confirmed that the ratio of humic components was higher in the order of WWTP effluent ≈ wetland ＞ river ＞ WWTP influent, and the ratio of protein components affected by microbial activity was in the order of WWTP influent ＞ river ＞ wetland ≈ WWTP effluent.
Conclusion : In this paper, the procedure of PARAFAC modeling was described and the DOM fluorescence properties were compared. This research provides a practical method for increasing the utilization of the PARAFAC model in the water treatment research field. In addition, the result of the PARAFAC model is useful data to control DOM efficiently in water treatment facilities.

#Dissolved Organic Matter #Excitation Emission Matrix #Fluorescence analysis #Parallel Factor analysis #용존유기물질 #여기 방출 매트릭스 #형광 분광법 #평행인자분석

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