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Analysis of Treatment Efficiency of Cylinder-Shaped Filter for Construction Site Runoff Control
Analysis of Treatment Efficiency of Cylinder-Shaped Filter for Construction Site Runoff Control
Journal of Korean Society on Water Environment. 2014. Sep, 30(5): 532-538
Copyright © 2014, Korean Society on Water Environment
  • Received : May 17, 2014
  • Accepted : September 16, 2014
  • Published : September 30, 2014
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종수 최
영산 공
정민 이
andrew4502@lh.or.kr
기웅 방

Abstract
A cylinder-shaped filter was developed to manage the runoff from construction sites. Compressed air was used for backwashing and pore sizes of filter were 23 μm and 46 μm. The turbid water was prepared using sediments in construction sites. The grain size analysis showed that grains smaller than 38 μm and larger than 335 μm in size constituted 34.4 % and 37.6 %, respectively. Removal efficiency of the filter on turbidity, SS, COD, TN and TP showed 25~37%, 20~40%, 50~55%, 23~27% and 14~20%, respectively, whereas their removal efficiecy by using coagulant PAC showed 77~84%, 70~83%, 53~60%, 27~36%, and 59~75%, respectively. The filtration time was determined to be around 10 to 20 minutes. Back-washing for 10 seconds by pressurized air resulted in a satisfactory regeneration efficiency. According to the aforementioned test results, the cylindershaped filter is effective in reducing turbidity and would be suitable for practical application in construction sites and farms.
Keywords
1. Introduction
건설현장 및 농경지에서 발생하는 토사 및 탁수유출은 지표수 및 해양 수질오염의 주요 원인이 되고 있다( U.S. EPA, 2009 ). 특히, 건설현장은 농경지에 비해 표토의 교란이 심하기 때문에 강우에 따른 토사유출이 심각한 수준이다( Pitt et al., 2007 ). 건설현장 및 농경지에서 발생한 탁수는 인근 수계로 유입되어 저수지와 하천의 부유물질 농도와 탁도를 증가시키게 된다( Bouraoui et al., 2004 ; Mimikou et al., 2000 ; Neff et al., 2000 ). 국내에서도 토양침식으로 인해 발생한 탁수가 댐과 저수지 등으로 유입되면서 수질과 생태계에 악영향을 미치는 사례가 증가하고 있다( Kim and Jung, 2007 ).
건설현장에서 발생하는 탁수를 제어하기 위한 방법으로는 침사지 설치가 일반적이지만, 물리적 침전 위주의 처리기작을 가진 침사지로는 점토와 같은 미세입자를 처리하기에는 한계가 있다( Line and White, 2001 ). Woo and Hwang(1999) 은 공사 현장의 침사지에 대한 적정 규모를 분석한 결과, 현장에 설치된 대부분의 침사지가 요구되는 규모에 비해 작은 규모로 설치되어 침사지 내에서의 토사포착 효율이 떨어지는 문제점을 제기하였다. 우리나라의 경우 건설현장에 설치되는 침사지의 설치기준이 입경 50~100 μm 이상의 토사를 90% 이상 제거하도록 하고 있어 미세입자의 제거에는 한계가 있는 것이 현실이다. 따라서, 건설현장에서 발생하는 탁수에 대한 적절한 처리를 위해서는 물리적인 침강기작 외에 여과, 응집 등의 도입이 필요하다.
Kang (2012) 은 건설현장에서 발생하는 탁수처리를 위해 고분자응집제인 PAM을 주입하여 침사지에서 2시간 가량 침전시킬 경우 90% 이상의 처리효율이 가능하다고 하였으나, 침전을 위한 침사지에서의 체류시간이 길어져 많은 유량을 짧은 시간동안 처리해야 하는 침사지에 적용하기에는 한계가 있다. Lee and Kim (2009) 는 다공성매질로 채워진 원통형 여과장치를 개발하여 수질정화 기법으로 적용될 수 있음을 제안하였으나, 다공성매질로 인해 여재의 막힘이 잦고 이에 대한 적절한 역세척이 곤란한 문제가 있는 것으로 판단된다.
따라서, 본 연구에서는 건설현장에서 발생하는 탁수에 대한 적절한 처리를 위해 망목크기(pore size) 46 μm, 23 μm의 원통형 여과망 처리장치를 개발하여 탁수저감 장치로서의 적용성을 분석하였다. 역세척 장치를 단순화하기 위해 역세척 매질은 압축공기를 이용하였으며, 장치의 최적 설계조건을 도출하고자 여과속도, 역세주기, 응집제 주입농도 등 다양한 조건에 대한 실험을 수행하였다.
2. Materials and Methods
- 2.1. 원통형 여과장치의 제작
탁수처리를 위해 개발한 장치는 원통형 여과망 형태의 장치로 표면여과방식에 의한 처리기작은 기존의 여과장치와 유사하나, 기존의 여과장치가 물을 이용해 역세척하는데 비해, 본 장치는 콤프레서에 의한 압축공기를 역세척 매질로 이용한 점에서 큰 차이가 있다. 압축공기를 역세척 매질로 이용한 이유는 역세척수 공급을 위한 역세척펌프, 역세척수탱크 등의 부속시설을 줄일 수 있고, 역세척에 소요되는 시간도 획기적으로 단축할 수 있었기 때문이다.
장치는 원통형 여과망을 주처리 시설로 하며, 유출입 펌프, 압축공기 공급을 위한 콤프레서, 각종 밸브를 제어하기 위한 제어판, 여과망을 회전시켜 주기 위한 모터 등으로 구성되어 있다( Fig. 1 ).
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Schematic diagram of filtration treatment facility.
처리장치의 세부 운전기작은 Fig. 2 에 도시된 바와 같으며, Phase I 단계에서 여과망1이 펌프의 흡입에 의한 여과를 진행할 때, 여과망2에서는 콤프레서의 압축공기에 의한 역세척 및 폭기가 진행된다. 여과망1이 여과망 막힘으로 여과효율이 저하되면, 처리장치의 운전조건은 Phase II로 전환되어 여과망1이 압축공기에 의한 역세척 및 폭기를 진행하고, 여과망2에서는 펌프의 흡입에 의한 여과가 진행된다. 각 여과망의 여과와 역세척은 여과망에 2개씩 부착된 전동밸브에 의해 조절되며, 전동밸브의 조작은 밸브와 연결된 제어패널에서 제어할 수 있도록 제작하였다.
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Operation process of filtration treatment facility.
여과망1의 여과가 진행될 때 여과망2가 역세척되는 조건은 항시 반대기작으로 운전되어져야 것은 아니며, 여과망의 막힘 정도에 따라 제어판에 의해 여과시간과 역세척시간을 조절할 수 있도록 하였다.
원통형 여과망은 개발 초기에는 고정형이었으나, 압축공기에 의한 여과망 역세척 과정에서 압축공기가 여과망의 상부로만 배출되는 문제가 있어 모터를 이용하여 여과망을 회전시킴으로써 여과망의 모든 면에서 역세척이 이루어지도록 개선하였다.
여과망은 스테인레스 재질의 망목크기 46 μm와 23 μm의 2가지 종류로 제작하였다. 이는 침사지의 일반적인 처리대상입경이 50~100 μm인 점을 고려하여 침사지에서 침전되지 못하고 유출되는 토사를 처리하기 위해 이보다 작은 망목크기의 여과망을 선택하였다. 또한, 46 μm와 23 μm는 시판되고 있는 기성제품으로 저렴한 가격으로 쉽게 구할 수 있는 장점도 있었다.
원통형 여과망은 직경 6.5 cm, 길이 25 cm의 크기로 여과면적은 510 cm 2 이었으며, 여과망이 부착된 처리조의 용적은 38 L로 제작되었다.
- 2.2. 건설현장 토사의 입도분포 분석 및 침강 실험
원통형 여과장치는 건설현장의 탁수 제어를 목적으로 제작되었기 때문에 건설현장 토사를 대상으로 실험을 수행하였으며, 토사의 입경별 분포특성을 알아보기 위해 토사에 대한 입도분석을 수행하였다( Fig. 3 ). 토사는 거름용 체를 이용하여 수중에서 입자를 분류한 후 건조기에서 105℃, 24시간 건조 후 중량비를 산출하였다. 건설현장 토사의 입경은 38 μm 이하에서부터 335 μm 초과까지의 6구간으로 나누어 분류하였다.
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The view of particle size distribution sample.
- 2.3. 원통형 여과장치의 역세주기 및 역세시간 설정
개발한 여과장치는 기존 여과장치와 달리 압축공기를 역세척 매질로 이용하도록 제작되었다. 여과에 의해 여과망의 막힘이 발생하면 제어판에 의한 전자밸브 조작으로 펌프에 연결된 밸브를 닫고 콤프레서에 연결된 밸브를 일시적으로 열어 압축공기에 의한 역세척이 이루어지도록 하였다. 이 밸브조작은 제어판에 의해 자동으로 수행되는 것으로 처리대상 원수의 수질에 따라 펌프운전시간 및 역세척시간, 그리고 역세척주기를 조절할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 건설현장 탁수를 대상으로 한 처리장치의 최적 운전조건을 도출하기 위해 46 μm 여과망과 23 μm 여과망을 대상으로 역세척주기, 역세척시간, 그리고, 역세척 후의 여과효율 회복에 대한 분석을 실시하였다.
- 2.4. 최적 응집조건 설정
건설현장 토사에 대한 입도분석 결과, 침사지에서 제거가 곤란한 38 μm 이하의 미세입자가 1/3 가량을 차지하는 것으로 나타나 처리효율 향상을 위한 응집실험을 수행하였으며, 최적의 응집조건을 찾기 위해 응집교반실험을 실시하였다. 응집제는 자연수의 pH 범위에서도 적용이 가능한 PAC를 이용하였으며 pH는 조절하지 않고 응집제 주입량만 변화시켜 주입 후 급속교반(200 rpm) 2분, 완속교반(20 rpm) 5분, 침전 10분으로 실시하였다.
실험을 위한 시료는 건설현장 토사 중 입경 38 μm 이하의 토사를 수돗물로 희석하여 사용하였다. 38 μm 이하의 토사를 대상으로 한 것은 해당 토사가 침사지에서 침전기작만으로는 제거가 곤란하고 적절한 처리를 위해서는 응집, 여과 등의 추가공정이 요구되어 본 연구에서 개발한 처리장치의 적용성을 평가해 볼 수 있었기 때문이었다. 시료의 농도는 수돗물의 희석배율로 결정하였으며, 건설현장에서 측정한 침사지 유출수의 SS농도인 300 mg/L의 범위가 되도록 조제하였다.
응집에 따른 처리효율 분석을 위해 처리장치에 유입되는 수량에 맞게 일정 농도의 응집제를 주입한 후 처리조내에서 플록을 형성시켰으며, 경과 시간별 유출수의 수질농도와 유입수의 수질농도를 비교하여 산출하였다.
- 2.5. 처리시설의 현장 적용을 위한 scale up 검토
처리시설의 현장 적용을 검토하기 위해 장치의 스케일업방안을 검토하였다. 스케일업에 대한 검토방법은 건설현장의 탁수 유출량을 산정하고 이를 처리하기 위해 필요한 여과장치의 규모를 산정하는 순서로 하였다.
건설현장에서 유출되는 첨두유출량은 건설현장 침사지 규모 산정시 적용되는 합리식을 이용하여 산정하였으며, 식은 다음과 같다( Schwab et al., 1971 ).
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여기서,
  • Q : 첨두유출량(m3/sec)
유출계수는 공지 기준인 0.3, 강우강도는 재현기간 50년 빈도로 하여 80 mm/hr, 유역면적은 일반적인 침사지의 유역면적인 5 ha로 가정하여 침사지로 유입되는 첨두유출량을 계산하였으며, 첨두유출량을 여과장치의 여과유량으로 나누어 필요한 여과장치의 규모를 산정하였다. 현장에 적용되는 여과장치의 여과망 규격은 길이 100 cm, 직경 10 cm로 가정하였다.
3. Results and Discussion
- 3.1. 건설현장 토사의 입도분포
건설현장 토사를 대상으로 입도분석을 수행한 결과는 Table 1 과 같다. 분석 결과 38 μm 미만의 미세입자와 335 μm 초과의 조립입자가 토사 전체에 대하여 약 70%를 차지하는 것으로 나타났으며, 침전과정에 의해 제거가 곤란한 38 μm 이하의 미세입자가 34.4%를 나타내었다. Pemberton and Lara (1971) 는 처리입경이 작아질수록 요구되는 침사지의 표면적은 기하급수적으로 증가하며, 입경 50 μm, 20 μm의 입자를 침전시키기 위한 침사지 표면적은 100 μm의 입자를 침전시키기 위한 표면적에 비해 각각 3.7배, 24.0배가 요구된다고 하였다. 따라서, 38 μm 이하의 입자를 제거하기 위한 침사지 규모 확대는 현실적으로 곤란하며, 응집, 여과 등의 공정이 적용되어야 할 것으로 판단된다.
Analysis of particle size distribution of construction sediment
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Analysis of particle size distribution of construction sediment
- 3.2. 원통형 여과장치의 역세주기 및 역세시간
여과장치의 역세주기, 역세시간 등 최적의 운전조건 도출을 위해 다양한 조건에서 원통형 여과장치를 운전하였으며, 여과초기의 유량은 26~28 L/min의 범위이었다. 여과가 시작된 후 10분이 경과되면서 여과유량의 감소가 나타나 46 μm 여과망은 여과시작 후 40분 후에, 23 μm 여과망은 여과시작 후 30분 후에 역세척을 실시하였다. 역세척은 압축공기를 불어넣어 10초 정도 수행하였으며, 역세척 이후 여과속도는 운전 초기 수준으로 회복되는 것으로 나타났다( Fig. 4 ).
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Variation of flowrate with time and backwashing of cylinder-shaped filter.
역세척 없이 최대로 운전이 가능한 시간은 46 μm와 23 μm 여과망이 각각 40분, 30분으로 나타났으나, 이 때는 여과유량이 초기의 20~30% 수준으로 낮아지기 때문에 실제 운전에서는 이 조건으로 운영하기는 곤란할 것으로 판단된다. 따라서, 여과유량이 초기의 50% 이상 수준을 유지할 수 있도록 46 μm 여과망은 10~20분 정도에서, 23 μm 여과망의 경우는 5~10분 정도에서 주기적인 역세척이 있어야 할 것으로 판단된다.
역세척 시간에 따른 여과능 회복에 대한 실험 결과, 10초 이상의 역세척은 여과능 회복에 큰 차이가 없어 역세척 시간은 10초로 운전하였다. 이는 역세척 매질인 압축공기가 유동성이 뛰어나 짧은 시간 동안의 역세척으로도 충분한 여과능 회복이 가능하다는 것으로 의미하며, 압축공기에 의한 역세척 방식은 충분한 현장 적용성이 있는 것으로 판단된다.
- 3.3. 최적 응집조건 설정을 위한 응집교반실험
최적 응집조건 설정을 위한 응집교반실험은 17% PAC를 1,700배 희석하여 0.01%로 조제한 후 4~9 mL/L의 범위로 주입량을 변화시켜 가며 수행하였고 결과는 Fig. 5 에 도시된 바와 같다. 응집교반실험에서 도출된 최적 응집제 양은 8 mL as 0.01% Al/L로 17% PAC 원액을 기준으로 할 경우 4.7 ppm에 해당된다. Table 2 는 최적 응집조건에서의 수질항목별 제거율을 나타내고 있다. 탁도와 SS, 그리고 T-P는 98%로 매우 높은 처리효율을 나타내었으며, COD는 70%의 수준을 보였다. 하지만, T-N의 경우는 7% 정도로 처리효율이 매우 낮게 나타났는데, 이는 T-N은 응집제에 의한 영향을 받지 않기 때문인 것으로 사료되며, T-N 처리를 위해서는 별도의 처리과정이 도입되어야 함을 보여주고 있다.
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Variation of turbidity with coaulant dosing.
Removal rate of water quality constituents with coagulant dosing in a jar-test
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Removal rate of water quality constituents with coagulant dosing in a jar-test
- 3.4. 원통형 여과장치에 대한 탁수 처리효율 분석
조제된 건설현장 탁수를 대상으로 한 원통형 여과장치의 처리효율은 Table 3 Table 4 에 나타내었다. 46 μm과 23 μm 여과망으로 구분하여 처리효율을 분석하였으며, 여과망의 막힘으로 여과장치의 운전이 곤란할 때까지 장치를 운전하면서 시간대별, 수질항목별 처리효율을 분석하였다. 분석대상 수질항목은 탁도, SS, COD, T-N, T-P으로 하였다.
Removal rate of cylinder-shaped filter (pore size 46 μm)
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Removal rate of cylinder-shaped filter (pore size 46 μm)
Removal rate of cylinder-shaped filter (pore size 23 μm)
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Removal rate of cylinder-shaped filter (pore size 23 μm)
46 μm 여과망은 한 시간 정도 여과가 진행된 후 여과망의 막힘으로 더 이상의 운전이 곤란했으며, 23 μm 여과망은 20분 정도 운전이 가능했다. 여과시간에 따라 처리효율이 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 여과로 여과망이 막히면서 망목의 크기가 작아져 여과유량은 감소하지만 처리효율은 증가하는 것으로 사료된다. 수질항목별 평균 처리효율은 46 μm 여과망의 경우 탁도, SS, COD, T-N, T-P가 각각 25.5%, 21.5%, 51.7%, 23.5%, 14.7%로 나타났으며, 23 μm 여과망은 동일한 항목에 대해 37.4%, 39.7%, 54.9%, 27.0%, 20.4%로 분석되어 망목크기에 따른 처리효율의 차이가 관찰되었다.
장치의 효율적이고 지속적인 운전을 위해 여과 시작시 유량의 50% 수준 이상을 유지하도록 46 μm 여과망은 20분, 23 μm 여과망은 10분마다 역세척을 한다고 가정하면 처리장치의 처리효율은 SS를 기준할 때 46 μm 여과망은 16.7%, 23 μm 여과망은 40.7% 수준을 유지할 것으로 판단된다.
- 3.5. 응집제 주입에 따른 탁수 처리효율 분석
응집에 의한 처리효율 변화를 분석하고자 조제한 시료에 대해 17% PAC를 4.7 ppm 농도로 주입한 후 처리효율을 분석하였다. 46 μm와 23 μm 여과망에 대해 여과시간별 처리효율을 분석하였으며, 그 결과는 Table 5 , Table 6 과 같다.
Removal rate of cylinder-shaped filter with coagulant (pore size 46 μm)
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Removal rate of cylinder-shaped filter with coagulant (pore size 46 μm)
Removal rate of cylinder-shaped filter with coagulant (pore size 23 μm)
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Removal rate of cylinder-shaped filter with coagulant (pore size 23 μm)
수질항목별 평균 처리효율은 46 μm 여과망의 경우 탁도, SS, COD, T-N, T-P가 각각 73.7%, 69.5%, 52.6%, 26.9%, 59.1%로 나타났으며, 23 μm 여과망은 동일한 항목에 대해 83.8%, 82.8%, 60.4%, 36.1%, 74.6%로 분석되었다.
응집제 주입 후의 처리효율을 응집제 주입 이전과 비교해 볼 때 대부분 수질항목의 처리효율이 증가되었으며, 탁도, SS, T-P 항목이 특히 높게 나타났고, T-N과 COD는 증가폭이 크지 않았다. 항목별 처리효율 증가폭은 탁도 48%, SS 45%, T-P 49% 증가하는 것으로 나타났으나, COD와 T-N은 각각 3%, 6%로 증가폭이 미미했다. 이는 COD와 T-N이 응집제에 의한 제거가 미미하기 때문인 것으로 사료된다.
건설현장에서 발생하는 탁수를 처리하는 본 처리장치의 목적을 고려하여 주된 처리대상을 SS로 한정하면 응집제를 주입할 경우 69.5~82.8%의 처리효율이 기대된다.
- 3.6. 처리장치의 현장 적용을 위한 scale up
처리장치의 현장 적용에 필요한 규모를 산정하기 위해 장치의 스케일업을 검토하였다. 처리대상 유량은 일반적인 침사지 한 개당의 유역면적인 5 ha를 기준으로 침사지로 유입되는 첨두유출량을 계산하였으며, 그 결과 0.33 m 3 /sec로 산정되었다.
실험실 규모로 제작된 여과망의 평균 여과유량 20 L/min 에 근거하여 현장에 적용하기 위한 길이 100 cm, 직경 10 cm 여과망의 여과유량을 산정한 결과 단위 여과망당 123 L/min으로 나타났다. 침사지에 유입되는 첨두유출량을 해당 여과유량으로 나누어 필요한 여과망 갯수를 산출하면 약 160개가 적당하며, 가로 세로 각각 13열씩 배열이 가능한 형태이다. 직경 10 cm의 여과망을 간격 5 cm로 배열한다고 가정할 경우 전체 여과장치의 규모는 W×H×D = 1 m × 2 m × 2 m로 산출되었다.
4. Conclusion
본 연구에서는 건설현장에서 발생하는 탁수제어를 목적으로 원통형 여과장치를 개발하였으며, 여과망 망목크기, 역세척 조건, 응집제 주입 등 다양한 조건에서의 운전을 통해 최적 운전조건 및 처리효율을 분석하였다. 연구수행 결과로 도출된 결론은 다음과 같다.
  • 1) 건설현장 토사를 대상으로 한 입도분석 결과 38 μm 이하의 미세입자가 1/3 가량을 차지해 침사지의 물리적 침전공정만으로는 제거에 한계가 있는 것으로 판단된다.
  • 2) 압축공기를 이용한 역세척 효과를 분석한 결과, 짧은 시간의 역세척으로도 충분한 여과능 회복을 나타내 압축공기에 의한 역세척 방식이 현장 적용성을 갖는 것으로 판단된다.
  • 3) 응집제를 주입하지 않은 조건에서 여과장치의 수질항목별 평균 처리효율은 46 μm 여과망의 경우 탁도, SS, COD, T-N, T-P가 각각 25.5%, 21.5%, 51.7%, 23.5%, 14.7%로 나타났으며, 23μm 여과망은 동일한 항목에 대해 37.4%, 39.7%, 54.9%, 27.0%, 20.4%로 분석되었다.
  • 4) 응집제를 주입한 경우 수질항목별 평균 처리효율은 46 μm 여과망의 경우 탁도, SS, COD, T-N, T-P가 각각 73.7%, 69.5%, 52.6%, 26.9%, 59.1%로 나타났으며, 23 μm 여과망은 동일한 항목에 대해 83.8%, 82.8%, 60.4%, 36.1%, 74.6%로 분석되었다.
  • 5) 일반적인 침사지의 유역면적 5 ha로 가정하여 여과장치의 필요한 규모를 산정한 결과 W×H×D=1m× 2 m × 2m로 산출되었다.
개발된 여과장치는 침사지에서 제거되지 않는 미세입자에 대한 의미있는 처리효율을 나타내고 있어, 건설현장의 침사지 후단에 설치할 경우 토사에 의한 영향을 줄여줄 수 있을 것으로 판단된다.
해당 장치는 여과기작을 이용한 오염물질 제거장치이기 때문에 그 적용범위가 건설현장에 국한되지 않고, 농경지탁수 등 다양한 비점오염원 유출수 제어에 적용이 가능하고, CSO 제어, 4대강 수계 조류제어 등에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 연구는 환경부의 “차세대에코이노베이션기술개발사업: 비점오염원 관리기술 연구단”에 의해 지원되었습니다.
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