고도분석을 이용한 하이브리드 한외 여과 시스템 내 용존 유기물 거동 및 막 파울링 특성 연구 Fate and fouling characteristics of dissolved organic matter (DOM) in ultrafiltration systems as revealed by advanced DOM analyses원문보기
Ly, Quang Viet
(Sejong University
Department of Environment and Energy
국내박사)
인구 증가, 경제 발전 및 기후 변화로 인해 전 세계에서의 깨끗한 물에 대한 수요가 가속화되고 있고 지속 가능한 수자원관리에 대한 중요성이 높아지고 있다. UF (Ultrafiltration) 기술은 입자, 병원체 및 용존 유기물 (DOM)과 같이 원하지 않는 상당한 성분을 제거함으로써 음용수 생산 및 수질 향상에 유망한 처리 기술로 널리 간주된다. 수자원 내 존재하는 DOM은 최종 생성 수질에 크게 악영향을 줄 뿐만 아니라 ...
인구 증가, 경제 발전 및 기후 변화로 인해 전 세계에서의 깨끗한 물에 대한 수요가 가속화되고 있고 지속 가능한 수자원관리에 대한 중요성이 높아지고 있다. UF (Ultrafiltration) 기술은 입자, 병원체 및 용존 유기물 (DOM)과 같이 원하지 않는 상당한 성분을 제거함으로써 음용수 생산 및 수질 향상에 유망한 처리 기술로 널리 간주된다. 수자원 내 존재하는 DOM은 최종 생성 수질에 크게 악영향을 줄 뿐만 아니라 막 여과 효용성, 즉 투과 플럭스 감소를 저해하는 주요 장애물 중 하나이다. 상기 언급한 모든 수질에 대한 악영향은 DOM농도, 구조 및 화학 성분에 크게 좌우된다. 본 연구에서는 EEM-PARAFAC, SEC-OCD-UVD를 포함한 몇 가지 고급 분석방법을 사용하여 하이브리드 UF 시스템 내 자연기원 및 폐수 DOM의 거동 및 파울링 특성을 파악하고자 하였다. 또한, FT-ICR-MS를 폐수 유출 물DOM에 처음으로 적용하였다.
첫 번째 연구에서는 형광분석을 활용하여 30 kDa기공 크기를 갖는 재생 셀룰로오스 (UF) 막 여과 상 세 가지 육상 기원의 부식 물질 (HS) 파울링 특성을 조사했다. EEM-PARAFAC분석을 통해 토양 및 낙엽 유래 부식물질로부터 하나의 단백질계 (C1) 및 세 가지 휴믹산계 형광 성분 (C2-C4)을 확인하였다. 이들 형광 성분의 UF 공정 내 거동을 개별적으로 추적하였다. 부식물질 기원과 관계없이 고분자성 (HMW) C1에서 작은 분자량 형광 성분 (C4> C3> C2)의 순서로 제거율이 감소되어 한외여과에서 부식물질 내 분자량 크기의 중요성을 암시하였다. Humic과 같은 구성 요소 중 C2는 비가역적 파울링 특성과 관련이 있었고 나머지 두 개의 휴믹성분의 경우 가역성 파울링에 더 기여하는 것으로 나타났다. 토양 유래 부식물질의 경우, C4는 기존의 조사한 부식물질 변수 중 제거율과 전체 파울링 지수 간의 가장 높은 상관 관계에 의해 입증되어 멤브레인 파울링에 대한 좋은 대리 변수로 제안될 수 있음을 시사하였다.
두 번째 연구는 , EEM-PARAFAC을 통해 전처리 공정으로 TiO2 / UV산화를 채택하는 하이브리드 한외 여과 공정 내 유기물 거동을 조사하였다.). 광촉매산화 공정은 DOM 기원에 상관없이 지속적으로 DOM의 제거율을 높였으며 멤브레인 오염을 감소시켰다. EEM-PARAFAC은 벌크 DOM을 세 가지 부식질 유사 성분 (C1, C2, C3)과 단백질 / 폴리페놀 유사 성분 (C4)을 포함한 네 가지 형광성 DOM (FDOM) 성분으로 분해했다. 그 결과 직접구멍 산화는 TiO2 표면에서 큰 크기의 부식질 C1을 공격하는 것과 관련이 있었고, 수산기 라디칼을 이용한 direct hole 산화는 작은 크기의 부식질 성분 (C3)과 C4의 제거에 원인이 된다는 것을 보여 주었다. 30 분의 짧은 조사 하에서 중간 크기의 휴믹성분인 C2가 흡착된 C3의 형태로 방출되었다. FDOM 구성 요소 중 C4는 하이브리드 UF 시스템의 가역 오염과 관련성이 가장 높은 반면 C1은 광촉매가 없는 UF 시스템에서 오염에 가장 기여했다. 한편, C3는 비가역적 파울링을 일으키는 가장 중요한 구성 요소였고, 그 기여도는 더 긴 광조사에서 더 두드러졌다. 세 번째 연구에서 폐수의 화학적 산소 요구량 (COD)과 질소(N)의 상대적 비율은 활성 슬러지의 가용성 미생물 생성물(SMP)의 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 서로 다른 COD / N 비가시 SMP 특성의 변화 및 한외 여과의 후속 효과 (UF) 막 오염 전위가 여기 발광 행렬 병렬 요인 분석을 이용하여 연속 회분식 반응기 (SBR)으로 관찰 하였다. (EEM-PARAFAC) 및 크기 배제 크로마토 그래피(SEC)를 포함한다. COD / N 비율이 100/10 (N rich), 100/5 (N medium) 및 100/2 (N deficient)로 운영되는 생물 반응기에서 SMP 샘플로부터 3 개의 독특한 형광 구성 요소가 확인되었다. 펄빅형 (C2)과 부식과 같은 (C3) 성분은 트립토판과 같은 성분 (C1)이 각각 N 중간 상태와 N 농축 상태에서 가장 많았다. N 결핍 및 N 농후 조건에서 큰 크기의 생고분자 (BP)와 저 분자량 중성물질 (LMWN)의 각각 더 많이 발견되었다. 다양한 COD / N의 SMP는 100/2> 100/10> 100/5의 순서로 막오염도가 달라졌다. C1과 C2는 가역적 및 비가역적 파울링과 각각 밀접한 관련성을 보였으며, C3의 가역오염 가능성은 COD / N 비에 의존했다. 오염 가능성에 대한 SMP 크기 분율의 상대 기여도에서 COD / N 비의 유의한 영향은 발견되지 않았다. 그러나 그 비율은 BP 파울링 물질의 특성을 변화시켰고 N 결핍 상태에서 가역성 파울 링에 존재하는 단백질성 물질이 질소가 풍부한 다른 물질과 비교하여 더 많이 나타났다. 서로 다른 COD/N 비율 하에서 미생물 활동에 대한 반응으로 다른 SMP 구성 요소의 변화와 막 파울링 대한 부가적 통찰력을 제공했다. 마지막 장에서여기 방출 EEM-PARAFAC 분석을 통해 세 가지 유형의 한외여과막 (UF 막)에서 막 오염에 대한 두 가지 기원의 용존 유기물 (DOM) 내 여러 형광성분의 상대 기여도를 평가했다. 분석방법은 EEM-PARAFAC), 크기 배제 크로마토 그래피 (SEC) 및 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석법 (FT-ICR-MS)을 포함하였다. 대표적인 소수성 (HPO) 및 친수성 (HPI) UF 멤브레인으로 각각 다른 기공 크기와 하나의 재생 셀룰로스 멤브레인을 사용한 두 개의 폴리 에테르 술폰 막이 사용되었다. 크기 배제 효과가 가장 보편적인 메커니즘으로 밝혀졌지만, UF 여과에 대한 개별 형광 성분 (단백질계, 미생물 휴믹계 및 육상 휴믹계) 및 상이한 크기의 분획의 거동은 화학적 DOM과 막 사이의 상호 작용 (예, 소수성 상호 작용 및 수소 결합)은 UF 멤브레인 파울 링에서, 특히 작은 크기의 DOM 분자에서 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. FT-ICR-MS에 의해 결정된 분자 수준 조성에 의해, CHOS 군은HPO 막에 대해 더 큰 제거 경향을 나타내지 만, CHONS 군은 HPI 막에 의해 제거되기 쉬웠다. UF 여과시 DOM의 전반적인 분자 구성의 변화는 DOM기원에 따라 크게 영향을 받았다. 더 산성인 분자는 유출물 DOM의 침투에 머물러있었고, 강 기원 DOM은 여과 후에 더 질소 농축 된 화학구성으로 변했다. DOM 기원과 상관없이 작은 공극 크기를 가지는HPO 멤브레인은 DOM의 분자 구성에서 가장 두드러진 변화를 보였다. EEM-PARAFAC분석법은 SEC-OCD-UVD 및 FT-ICR-MS와 더불어 한외여과 공정 중 DOM 내 서로 다른 구성 요소 (분자량, UV- 가시 흡광도, 형광 부분 및 분자)의 거동 메커니즘, 오염 가능성, UV / TiO2-UF 하이브리드 시스템 하에서의 DOM의 촉매 분해 영향과 SMP 변이 및 feed C/N 비율로부터의 영향에 많은 정보를 제공할 수 있었다.
인구 증가, 경제 발전 및 기후 변화로 인해 전 세계에서의 깨끗한 물에 대한 수요가 가속화되고 있고 지속 가능한 수자원관리에 대한 중요성이 높아지고 있다. UF (Ultrafiltration) 기술은 입자, 병원체 및 용존 유기물 (DOM)과 같이 원하지 않는 상당한 성분을 제거함으로써 음용수 생산 및 수질 향상에 유망한 처리 기술로 널리 간주된다. 수자원 내 존재하는 DOM은 최종 생성 수질에 크게 악영향을 줄 뿐만 아니라 막 여과 효용성, 즉 투과 플럭스 감소를 저해하는 주요 장애물 중 하나이다. 상기 언급한 모든 수질에 대한 악영향은 DOM농도, 구조 및 화학 성분에 크게 좌우된다. 본 연구에서는 EEM-PARAFAC, SEC-OCD-UVD를 포함한 몇 가지 고급 분석방법을 사용하여 하이브리드 UF 시스템 내 자연기원 및 폐수 DOM의 거동 및 파울링 특성을 파악하고자 하였다. 또한, FT-ICR-MS를 폐수 유출 물DOM에 처음으로 적용하였다.
첫 번째 연구에서는 형광분석을 활용하여 30 kDa기공 크기를 갖는 재생 셀룰로오스 (UF) 막 여과 상 세 가지 육상 기원의 부식 물질 (HS) 파울링 특성을 조사했다. EEM-PARAFAC분석을 통해 토양 및 낙엽 유래 부식물질로부터 하나의 단백질계 (C1) 및 세 가지 휴믹산계 형광 성분 (C2-C4)을 확인하였다. 이들 형광 성분의 UF 공정 내 거동을 개별적으로 추적하였다. 부식물질 기원과 관계없이 고분자성 (HMW) C1에서 작은 분자량 형광 성분 (C4> C3> C2)의 순서로 제거율이 감소되어 한외여과에서 부식물질 내 분자량 크기의 중요성을 암시하였다. Humic과 같은 구성 요소 중 C2는 비가역적 파울링 특성과 관련이 있었고 나머지 두 개의 휴믹성분의 경우 가역성 파울링에 더 기여하는 것으로 나타났다. 토양 유래 부식물질의 경우, C4는 기존의 조사한 부식물질 변수 중 제거율과 전체 파울링 지수 간의 가장 높은 상관 관계에 의해 입증되어 멤브레인 파울링에 대한 좋은 대리 변수로 제안될 수 있음을 시사하였다.
두 번째 연구는 , EEM-PARAFAC을 통해 전처리 공정으로 TiO2 / UV 산화를 채택하는 하이브리드 한외 여과 공정 내 유기물 거동을 조사하였다.). 광촉매 산화 공정은 DOM 기원에 상관없이 지속적으로 DOM의 제거율을 높였으며 멤브레인 오염을 감소시켰다. EEM-PARAFAC은 벌크 DOM을 세 가지 부식질 유사 성분 (C1, C2, C3)과 단백질 / 폴리페놀 유사 성분 (C4)을 포함한 네 가지 형광성 DOM (FDOM) 성분으로 분해했다. 그 결과 직접구멍 산화는 TiO2 표면에서 큰 크기의 부식질 C1을 공격하는 것과 관련이 있었고, 수산기 라디칼을 이용한 direct hole 산화는 작은 크기의 부식질 성분 (C3)과 C4의 제거에 원인이 된다는 것을 보여 주었다. 30 분의 짧은 조사 하에서 중간 크기의 휴믹성분인 C2가 흡착된 C3의 형태로 방출되었다. FDOM 구성 요소 중 C4는 하이브리드 UF 시스템의 가역 오염과 관련성이 가장 높은 반면 C1은 광촉매가 없는 UF 시스템에서 오염에 가장 기여했다. 한편, C3는 비가역적 파울링을 일으키는 가장 중요한 구성 요소였고, 그 기여도는 더 긴 광조사에서 더 두드러졌다. 세 번째 연구에서 폐수의 화학적 산소 요구량 (COD)과 질소(N)의 상대적 비율은 활성 슬러지의 가용성 미생물 생성물(SMP)의 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 서로 다른 COD / N 비가시 SMP 특성의 변화 및 한외 여과의 후속 효과 (UF) 막 오염 전위가 여기 발광 행렬 병렬 요인 분석을 이용하여 연속 회분식 반응기 (SBR)으로 관찰 하였다. (EEM-PARAFAC) 및 크기 배제 크로마토 그래피(SEC)를 포함한다. COD / N 비율이 100/10 (N rich), 100/5 (N medium) 및 100/2 (N deficient)로 운영되는 생물 반응기에서 SMP 샘플로부터 3 개의 독특한 형광 구성 요소가 확인되었다. 펄빅형 (C2)과 부식과 같은 (C3) 성분은 트립토판과 같은 성분 (C1)이 각각 N 중간 상태와 N 농축 상태에서 가장 많았다. N 결핍 및 N 농후 조건에서 큰 크기의 생고분자 (BP)와 저 분자량 중성물질 (LMWN)의 각각 더 많이 발견되었다. 다양한 COD / N의 SMP는 100/2> 100/10> 100/5의 순서로 막오염도가 달라졌다. C1과 C2는 가역적 및 비가역적 파울링과 각각 밀접한 관련성을 보였으며, C3의 가역오염 가능성은 COD / N 비에 의존했다. 오염 가능성에 대한 SMP 크기 분율의 상대 기여도에서 COD / N 비의 유의한 영향은 발견되지 않았다. 그러나 그 비율은 BP 파울링 물질의 특성을 변화시켰고 N 결핍 상태에서 가역성 파울 링에 존재하는 단백질성 물질이 질소가 풍부한 다른 물질과 비교하여 더 많이 나타났다. 서로 다른 COD/N 비율 하에서 미생물 활동에 대한 반응으로 다른 SMP 구성 요소의 변화와 막 파울링 대한 부가적 통찰력을 제공했다. 마지막 장에서여기 방출 EEM-PARAFAC 분석을 통해 세 가지 유형의 한외여과막 (UF 막)에서 막 오염에 대한 두 가지 기원의 용존 유기물 (DOM) 내 여러 형광성분의 상대 기여도를 평가했다. 분석방법은 EEM-PARAFAC), 크기 배제 크로마토 그래피 (SEC) 및 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석법 (FT-ICR-MS)을 포함하였다. 대표적인 소수성 (HPO) 및 친수성 (HPI) UF 멤브레인으로 각각 다른 기공 크기와 하나의 재생 셀룰로스 멤브레인을 사용한 두 개의 폴리 에테르 술폰 막이 사용되었다. 크기 배제 효과가 가장 보편적인 메커니즘으로 밝혀졌지만, UF 여과에 대한 개별 형광 성분 (단백질계, 미생물 휴믹계 및 육상 휴믹계) 및 상이한 크기의 분획의 거동은 화학적 DOM과 막 사이의 상호 작용 (예, 소수성 상호 작용 및 수소 결합)은 UF 멤브레인 파울 링에서, 특히 작은 크기의 DOM 분자에서 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. FT-ICR-MS에 의해 결정된 분자 수준 조성에 의해, CHOS 군은HPO 막에 대해 더 큰 제거 경향을 나타내지 만, CHONS 군은 HPI 막에 의해 제거되기 쉬웠다. UF 여과시 DOM의 전반적인 분자 구성의 변화는 DOM기원에 따라 크게 영향을 받았다. 더 산성인 분자는 유출물 DOM의 침투에 머물러있었고, 강 기원 DOM은 여과 후에 더 질소 농축 된 화학구성으로 변했다. DOM 기원과 상관없이 작은 공극 크기를 가지는HPO 멤브레인은 DOM의 분자 구성에서 가장 두드러진 변화를 보였다. EEM-PARAFAC분석법은 SEC-OCD-UVD 및 FT-ICR-MS와 더불어 한외여과 공정 중 DOM 내 서로 다른 구성 요소 (분자량, UV- 가시 흡광도, 형광 부분 및 분자)의 거동 메커니즘, 오염 가능성, UV / TiO2-UF 하이브리드 시스템 하에서의 DOM의 촉매 분해 영향과 SMP 변이 및 feed C/N 비율로부터의 영향에 많은 정보를 제공할 수 있었다.
Growing population, economic development, and climate change are accelerating the demand for clean water across the world, imposing immense pressure for sustainable water management. Ultrafiltration (UF) technology is widely considered as a promising method for drinking water production and water re...
Growing population, economic development, and climate change are accelerating the demand for clean water across the world, imposing immense pressure for sustainable water management. Ultrafiltration (UF) technology is widely considered as a promising method for drinking water production and water reclamation due to its superior in removal of considerable unwanted constitutes such as particles, pathogens and dissolved organic matter (DOM). Among these, DOM is one of major obstacles that not only exert greatly adverse effects towards the final produced water quality but also hamper the efficacy of membrane process i.e. permeate flux decline. All the aforementioned detrimental impacts are highly dependent on the structures and chemical compositions as well as the quantity of DOM, pointing out the importance of in-depth characterization of DOM to warrant a high quality standard. In this study, the fate and fouling characteristics of various types of DOM i.e. terrestrial, wastewater and natural origins in UF systems by several advanced tools including EEM-PARAFAC, SEC-OCD-UVD. In addition, FT-ICR-MS has been applied for wastewater effluent DOM for the first time. In the first study, we examined the fouling characteristics of three different terrestrial humic substances (HS) on regenerated cellulose (RC) UF membranes with the pore sizes of 30 k-3 kDa via conventional bulk measurements as well as an advanced fluorescence spectroscopy. The fluorescence excitation-emission matrix coupled with parallel factor analysis (EEM-PARAFAC) identified one protein-like (C1) and three humic-like fluorescent components (C2-C4) from soil and leaf-derived HS. The fate of the different fluorescent components was individually tracked for the UF processes. The removal rates were found generally following the order of molecular weight i.e. C4 > C3 > C2 regardless of the HS sources, implying the importance of HS molecular sizes on the UF operation. Among the humic-like components, C2 was the most associated with irreversible fouling, while other two humic-like components contributed more to reversible fouling. For soil-derived HS, C4 can be suggested as a good surrogate for membrane fouling, as evidenced by the highest correlation between the removal rates and the total fouling indices among the tested HS variables including conventional bulk parameters. In second study, different fluorescent constituents of dissolved organic matter (DOM) with terrestrial sources and their membrane fouling potentials were tracked in the hybrid ultrafiltration processes adopting TiO2/UV oxidation as a pretreatment via fluorescence excitation emission matrix coupled with parallel factor analysis (EEM-PARAFAC). The photocatalytic oxidation processes consistently resulted in enhanced removal rates of DOM and lowered membrane fouling regardless of DOM sources. EEM-PARAFAC decomposed bulk DOM into four different fluorescent DOM (FDOM) components including three terrestrial humic-like components (C1, C2, and C3) and one terrestrial protein-like component (C4). The results showed that direct hole oxidation was primarily involved in attacking large sized humic-like C1 on TiO2 surface, while indirect oxidation with hydroxyl radicals was responsible for the removals of the small sized humic-like component (C3) and C4. Under a short irradiation of 30 min, the intermediate-sized humic-like C2 was released into solutions from adsorbed C1. Among the FDOM components, C4 was the most associated with reversible fouling of the hybrid UF system, while C1 contributed to the fouling the most for UF system without the photocatalysis. Meanwhile, C3 was the most important component responsible for irreversible fouling, and the contribution was more pronounced at longer irradiation. In the third chapter, relative ratios of chemical oxygen demand (COD) to nitrogen (N) in wastewater are known to have profound effects on the characteristics of soluble microbial products (SMP) from activated sludge. In this study, the changes in the SMP characteristics upon different COD/N ratios and the subsequent effects on ultrafiltration (UF) membrane fouling potentials were examined in sequencing batch reactors (SBR) using excitation emission matrix-parallel factor analysis (EEM-PARAFAC) and size exclusion chromatography (SEC-OCD-UVD). Three unique fluorescent components were identified from the SMP samples in the bioreactors operated at the COD/N ratios of 100/10 (N rich), 100/5 (N medium), and 100/2 (N deficient). Microbial fulvic-like (C2) and humic-like (C3) components were more abundant with the enrichment of N. The microbial protein-like component (C1) was the most depleted at the N medium condition. Greater abundances of large size biopolymer (BP) and low molecular weight neutrals (LMWN) were found at the N deficient and N rich conditions, respectively. SMPs from various COD/N exert different degree on membrane fouling following the order of 100/2 > 100/10 > 100/5. C1 and C2 exhibited close associations with reversible and irreversible fouling, respectively, while the reversible fouling potential of C3 depended on the COD/N ratios. No significant impact of COD/N ratios was found on the relative contributions of SMP size fractions to either fouling potential. However, the ratios altered the BP foulants’ characteristics, resulting in more proteinaceous substances present in reversible fouling at the N deficient condition compared to other N richer conditions. The opposite trend was observed for irreversible fouling. Our combined results provided further insight into changes in different SMP constitutes and their membrane fouling in response to microbial activities under different COD/N ratios. The last study assessed the relative contributions of different constitutes in dissolved organic matter (DOM) with two different sources (i.e., contaminated river and effluent) to membrane fouling on three types of ultrafiltration (UF) membranes via excitation emission matrix - parallel factor analysis (EEM-PARAFAC), size exclusion chromatography (SEC-OCD-UVD), and Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS). Two polyethersulfone membranes with different pore sizes and one regenerated cellulose membrane were used as representative hydrophobic (HPO) and hydrophilic (HPI) UF membranes, respectively. Although size exclusion effect was found to be the most prevailing rejection mechanism, the behaviors of individual fluorescent components (one protein-like, two humic-like) and different size fractions upon the UF filtration revealed that chemical interactions (e.g., hydrophobic interactions and hydrogen bonding) between DOM and membrane might play important roles in UF membrane fouling, especially for small sized DOM molecules. Based on the molecular level composition determined by FT-ICR-MS, the CHOS formula group showed a greater removal tendency toward the HPO membrane, while the CHONS group was prone to be removed by the HPI membrane. The changes in the overall molecular composition of DOM upon UF filtration were highly dependent on the sources of DOM. The molecules of more acidic nature tended to remain in the permeate of effluent DOM, while the river DOM was shifted into more nitrogen-enriched composition after filtration. Regardless of the DOM sources, the HPO membrane with a smaller pore size led to the most pronounced changes in the molecular composition of DOM. Our study demonstrated that EEM-PARAFAC together with SEC-OCD-UVD and FT-ICR-MS could provide further insight into behavior of DOM component (in term of molecular weight, UV-visible absorbance, fluorescent moieties and molecular) underlying mechanisms during UF systems
Growing population, economic development, and climate change are accelerating the demand for clean water across the world, imposing immense pressure for sustainable water management. Ultrafiltration (UF) technology is widely considered as a promising method for drinking water production and water reclamation due to its superior in removal of considerable unwanted constitutes such as particles, pathogens and dissolved organic matter (DOM). Among these, DOM is one of major obstacles that not only exert greatly adverse effects towards the final produced water quality but also hamper the efficacy of membrane process i.e. permeate flux decline. All the aforementioned detrimental impacts are highly dependent on the structures and chemical compositions as well as the quantity of DOM, pointing out the importance of in-depth characterization of DOM to warrant a high quality standard. In this study, the fate and fouling characteristics of various types of DOM i.e. terrestrial, wastewater and natural origins in UF systems by several advanced tools including EEM-PARAFAC, SEC-OCD-UVD. In addition, FT-ICR-MS has been applied for wastewater effluent DOM for the first time. In the first study, we examined the fouling characteristics of three different terrestrial humic substances (HS) on regenerated cellulose (RC) UF membranes with the pore sizes of 30 k-3 kDa via conventional bulk measurements as well as an advanced fluorescence spectroscopy. The fluorescence excitation-emission matrix coupled with parallel factor analysis (EEM-PARAFAC) identified one protein-like (C1) and three humic-like fluorescent components (C2-C4) from soil and leaf-derived HS. The fate of the different fluorescent components was individually tracked for the UF processes. The removal rates were found generally following the order of molecular weight i.e. C4 > C3 > C2 regardless of the HS sources, implying the importance of HS molecular sizes on the UF operation. Among the humic-like components, C2 was the most associated with irreversible fouling, while other two humic-like components contributed more to reversible fouling. For soil-derived HS, C4 can be suggested as a good surrogate for membrane fouling, as evidenced by the highest correlation between the removal rates and the total fouling indices among the tested HS variables including conventional bulk parameters. In second study, different fluorescent constituents of dissolved organic matter (DOM) with terrestrial sources and their membrane fouling potentials were tracked in the hybrid ultrafiltration processes adopting TiO2/UV oxidation as a pretreatment via fluorescence excitation emission matrix coupled with parallel factor analysis (EEM-PARAFAC). The photocatalytic oxidation processes consistently resulted in enhanced removal rates of DOM and lowered membrane fouling regardless of DOM sources. EEM-PARAFAC decomposed bulk DOM into four different fluorescent DOM (FDOM) components including three terrestrial humic-like components (C1, C2, and C3) and one terrestrial protein-like component (C4). The results showed that direct hole oxidation was primarily involved in attacking large sized humic-like C1 on TiO2 surface, while indirect oxidation with hydroxyl radicals was responsible for the removals of the small sized humic-like component (C3) and C4. Under a short irradiation of 30 min, the intermediate-sized humic-like C2 was released into solutions from adsorbed C1. Among the FDOM components, C4 was the most associated with reversible fouling of the hybrid UF system, while C1 contributed to the fouling the most for UF system without the photocatalysis. Meanwhile, C3 was the most important component responsible for irreversible fouling, and the contribution was more pronounced at longer irradiation. In the third chapter, relative ratios of chemical oxygen demand (COD) to nitrogen (N) in wastewater are known to have profound effects on the characteristics of soluble microbial products (SMP) from activated sludge. In this study, the changes in the SMP characteristics upon different COD/N ratios and the subsequent effects on ultrafiltration (UF) membrane fouling potentials were examined in sequencing batch reactors (SBR) using excitation emission matrix-parallel factor analysis (EEM-PARAFAC) and size exclusion chromatography (SEC-OCD-UVD). Three unique fluorescent components were identified from the SMP samples in the bioreactors operated at the COD/N ratios of 100/10 (N rich), 100/5 (N medium), and 100/2 (N deficient). Microbial fulvic-like (C2) and humic-like (C3) components were more abundant with the enrichment of N. The microbial protein-like component (C1) was the most depleted at the N medium condition. Greater abundances of large size biopolymer (BP) and low molecular weight neutrals (LMWN) were found at the N deficient and N rich conditions, respectively. SMPs from various COD/N exert different degree on membrane fouling following the order of 100/2 > 100/10 > 100/5. C1 and C2 exhibited close associations with reversible and irreversible fouling, respectively, while the reversible fouling potential of C3 depended on the COD/N ratios. No significant impact of COD/N ratios was found on the relative contributions of SMP size fractions to either fouling potential. However, the ratios altered the BP foulants’ characteristics, resulting in more proteinaceous substances present in reversible fouling at the N deficient condition compared to other N richer conditions. The opposite trend was observed for irreversible fouling. Our combined results provided further insight into changes in different SMP constitutes and their membrane fouling in response to microbial activities under different COD/N ratios. The last study assessed the relative contributions of different constitutes in dissolved organic matter (DOM) with two different sources (i.e., contaminated river and effluent) to membrane fouling on three types of ultrafiltration (UF) membranes via excitation emission matrix - parallel factor analysis (EEM-PARAFAC), size exclusion chromatography (SEC-OCD-UVD), and Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS). Two polyethersulfone membranes with different pore sizes and one regenerated cellulose membrane were used as representative hydrophobic (HPO) and hydrophilic (HPI) UF membranes, respectively. Although size exclusion effect was found to be the most prevailing rejection mechanism, the behaviors of individual fluorescent components (one protein-like, two humic-like) and different size fractions upon the UF filtration revealed that chemical interactions (e.g., hydrophobic interactions and hydrogen bonding) between DOM and membrane might play important roles in UF membrane fouling, especially for small sized DOM molecules. Based on the molecular level composition determined by FT-ICR-MS, the CHOS formula group showed a greater removal tendency toward the HPO membrane, while the CHONS group was prone to be removed by the HPI membrane. The changes in the overall molecular composition of DOM upon UF filtration were highly dependent on the sources of DOM. The molecules of more acidic nature tended to remain in the permeate of effluent DOM, while the river DOM was shifted into more nitrogen-enriched composition after filtration. Regardless of the DOM sources, the HPO membrane with a smaller pore size led to the most pronounced changes in the molecular composition of DOM. Our study demonstrated that EEM-PARAFAC together with SEC-OCD-UVD and FT-ICR-MS could provide further insight into behavior of DOM component (in term of molecular weight, UV-visible absorbance, fluorescent moieties and molecular) underlying mechanisms during UF systems
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.