Journal of Korean Society of Environmental Engineers (대한환경공학회지)

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Optimization of Electro-UV-Ultrasonic Complex Process for E. coli Disinfection using Box-Behnken Experiment

Box-Behnken법을 이용한 E. coli 소독에서 전기-UV-초음파 복합 공정의 최적화

  • 김동석 (대구가톨릭대학교 환경과학과) ;
  • 박영식 (대구대학교 기초교육원)
  • Received : 2010.07.16
  • Accepted : 2011.01.11
  • Published : 2011.03.31
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Abstract

This experimental design and response surface methodology (RSM) have been applied to the investigation of the electro-UV-ultrasonic complex process for the disinfection of E. coli in the water. The disinfection reactions of electro-UV-ultrasonic process were mathematically described as a function of parameters power of electrolysis ($X_1$), UV ($X_2$), and ultrasonic process ($X_3$) being modeled by use of the Box-Behnken technique, which was used for fitting 2nd order response surface model. The application of RSM yielded the following regression equation, which is empirical relationship between the residual E. coli number (Ln CFU) in water and test variables in coded unit: residual E. coli number (Ln CFU) = 23.69 - 3.75 Electrolysis - 0.67 UV - 0.26 Ultrasonic - 0.16 Electrolysis UV + 0.05 Electrolysis Ultrasonic + 0.27 $Electrolysis^2$ + 0.14 $UV^2$ - 0.01 $Ultrasonic^2$). The model predictions agreed well with the experimentally observed result ($R^2$ = 0.983). Graphical 2D contour and 3D response surface plots were used to locate the optimum range. The estimated ridge of maximum response and optimal conditions for residual E. coli number (Ln CFU) using 'numerical optimization' of Design-Expert software were 1.47 Ln CFU/L and 6.94 W of electrolysis, 6.72 W of UV and 14.23 W of ultrasonic process. This study clearly showed that response surface methodology was one of the suitable methods to optimize the operating conditions and minimize the residual E. coli number of the complex disinfection.

수중에서 E. coli 소독을 위한 전기-UV-초음파 복합 공정에 대해 실험계획법과 반응표면분석법(RSM)을 적용하였다. 2차반응표면 모형식을 추정할 수 있는 Box-Behnken법을 이용하여 전기-UV-초음파 복합 공정의 소독 반응에서 전기분해($X_1$), UV ($X_2$), 및 초음파 공정($X_3$)의 전력을 독립변수로 선정하여 수학적으로 모형화하였다. 소독 후 잔류 E. coli 수와 독립변수 사이의 실험에서 독립변수에 대해 다음의 모형식이 얻어졌다. 잔류 E. coli number (Ln CFU) = 23.69 - 3.75 Electrolysis - 0.67 UV - 0.26 Ultrasonic - 0.16 Electrolysis UV + 0.05 Electrolysis Ultrasonic + 0.27 $Electrolysis^2$ + 0.14 $UV^2$ - 0.01 $Ultrasonic^2$). 예측된 모형식은 실험 자료와 잘 일치하였다($R^2$ = 0.983). 2차원 등고선도와 3차원 반응표면도가 잔류 E. coli 수에 대한 최적 범위를 구하기 위하여 사용되었다. Design-Expert 소프트웨어의 '수치 최적화'를 이용하여 잔류 E. coli 수에 대한 최적 값을 찾은 결과 1.47 Ln CFU/L이었고, 최적 조건은 전기분해 6.94 W, UV 6.72 W 및 초음파 공정 14.23 W로 나타났다. 본 연구는 반응표면분석법이 복합 소독 공정에서 잔류 E. coli 수를 최소화하고 운전 조건을 최적화하기 위한 적절한 방법 중의 하나라는 것을 보여주었다.

Keywords

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