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문제 정의
- 그러나 막 모듈내에 오존을 잔류시킴으로써 막 운전성은 대폭적으로 향상되고 휴믹 성분 제거율도 증가되는 결과가 관찰되었으나 TOC 제거율이 감소하고 투과수내 배수 관망 내에서 의미생물 재증식 지표로 유럽 일부에서 사용되고 있는 AOC (Assimilable Organic Carbon) 가 증가한다고 알려져 있다(張洛墉, 2001). 따라서 본 연구에서는 오존의 높은 산화력으로 인한 투과수내 반응 부산물 증가 문제를 최소화할 수 있는 대체 가능 잔류 산화제로써 현재 정수장에서 일반적으로 사용되고 있는 염소를 막 모듈 내 잔류시켜 잔류 염소에 의한 파울링 억제 가능성을 관찰해 보았다. 또한 염소 처리 전처리 공정으로 급속혼화공정과 응집-침전 공정을 조합하여 공정 조합에 따른 효과를 관찰하였다.
- 본 실험에서 사용한 응집제는 철 이온 이외의 실리카가 주성분으로 구성되어 있기 때문에 실리카 이온의 사용된 막 파울링에 대한 영향을 파악하기 위하여 농도를 측정해 보았다. 강 표류수내의 실리카 이온 평균 농도는 약 14.
- 1998, 1999). 이에 대한 대안으로 철-실리카염계 무기고분자 응집제인 PSI(Poly Silicato Iron: 水道機工 (日本))를 적용해 보았다. PSI는 중합규산이 가교 작용을, 철염이 하전중화작용을 발생한다고 보고하고 있다(海老江邦雄 등, 2001).
가설 설정
- 2. 투과수 유속을 OemVm2 day에서 lEm'/n? - day로 증가시킴에 따른 막간차압력 변화 관찰 결과, 급속혼화처리-염소처리-막여과 공정은 초기부터 압 력이 상승하여 300시간 경과 후, 운전이 불가능하였다. 반면 응집-침전-염소처리-막 여과 공정의 경우에는 500시간까지 막간 차압의 급격한 상승은 관찰되 지 않았다.
제안 방법
- 8 m3/m2 . day로 상승시켜 운전을 행하였다. 총 여과 유량에 따른 여과 저항 변화를 Fig.
- 공정 3에서는 급속혼화처리수를 급속 교반 고액 분리 장치에서 응집-침전 처리를 거친 후, 막 여과를 행하였다. 공정 1, 공정 2 그리고 공정 3 모두 투과수내 잔류염소농도가 0.5mg/L가 유지되도록 농도를 조절하여 막 모듈 유입구 직전에서 주입하였다. 공정 2와 공정 3에서는 여과 유속 증가에 따른 영향을 파악하기 위하여 여과 유속을 O.
- 3에서 알 수 있듯이 , 공정 1에서는 강 표류수를 막 모듈내 염소만을 잔류시킨 상태에서 막 여과를 행하였다. 공정 2에서는 급속혼화처리를 행한 후 막여과를 행하였다. 공정 3에서는 급속혼화처리수를 급속 교반 고액 분리 장치에서 응집-침전 처리를 거친 후, 막 여과를 행하였다.
- 공정 2에서는 급속혼화처리를 행한 후 막여과를 행하였다. 공정 3에서는 급속혼화처리수를 급속 교반 고액 분리 장치에서 응집-침전 처리를 거친 후, 막 여과를 행하였다. 공정 1, 공정 2 그리고 공정 3 모두 투과수내 잔류염소농도가 0.
- 공정 별, 유기성분 제거 효과를 확인하기 위하여 TOC 농도를 측정하였다. 실험 기간 중, 시료의 TOC 변화 및 공정별 제거율을 Fig.
- 즉, 철염계 응집제를 사용한 응집-침전 전처리 공정과 막 모듈내에 염소를 잔류시킨 가운데 여과를 수행하면서 막 운전성 및 투과수 수질 변화를 관찰하였다. 그리고 투과수 유속 변화에 따른 운전성 평가도 수행하였다.
- 급속혼화처리수 그리고 응집-침전 처리수 세 가지 원수를 사용하였다. 본 연구에 사용된 일본의 E정수장 표류수는 해당 지역에서 휴믹 성분 농도가 비교적 높은 것으로 알려져 있다.
- 온도와 pH는 pHmeter(TOAHM-14P), 탁도는 탁도계 (Mitsubishi chemical SEP-PT-706D), UV260 Abs.는 spectrophotometer(Hitachi U-2000A), TOC와 DOC는 TOC analyzer(Shimadzu TOC- 5000A) 그리고 무기성분(Fe, Al, Si)은 spectrophoto- meter(Shimadzu ICPS-7500)를 사용하여 기기분석을 행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 오존의 높은 산화력으로 인한 투과수내 반응 부산물 증가 문제를 최소화할 수 있는 대체 가능 잔류 산화제로써 현재 정수장에서 일반적으로 사용되고 있는 염소를 막 모듈 내 잔류시켜 잔류 염소에 의한 파울링 억제 가능성을 관찰해 보았다. 또한 염소 처리 전처리 공정으로 급속혼화공정과 응집-침전 공정을 조합하여 공정 조합에 따른 효과를 관찰하였다. 본 연구에서 사용한 응집제는 현재 정수장에서 일반적으로 사용되고 있는 알루미늄염계 응집제를 대신하여 철염계 응집제를 사용하였고, 응집-침전 공정으로 공간 절약 효과와 짧은 체류 시간 내, 고액분리 특성이 우수한 분류교반고액 분리 장치 (Jet Mixed Separator: JMS) 를 적용하고, 여과 공정으로 PVDF 재질의 정밀여과막을 사용한 정수시스템에 대한 운전성 평가 및 투과수수질 변화를 관찰하였다.
- 막 모듈 내에 염소를 잔류시킨 상태에서 유입 원수 종류를 변화시키면서 막 운전성 및 투과수내 수질 변화를 관찰하였다.
- , 1998b). 본 실험에서는 체류시간 75분의 조건에서 운전을 행하였다. 급속교반고액분리 장치의 개요를 Fig.
- 또한 염소 처리 전처리 공정으로 급속혼화공정과 응집-침전 공정을 조합하여 공정 조합에 따른 효과를 관찰하였다. 본 연구에서 사용한 응집제는 현재 정수장에서 일반적으로 사용되고 있는 알루미늄염계 응집제를 대신하여 철염계 응집제를 사용하였고, 응집-침전 공정으로 공간 절약 효과와 짧은 체류 시간 내, 고액분리 특성이 우수한 분류교반고액 분리 장치 (Jet Mixed Separator: JMS) 를 적용하고, 여과 공정으로 PVDF 재질의 정밀여과막을 사용한 정수시스템에 대한 운전성 평가 및 투과수수질 변화를 관찰하였다. 즉, 철염계 응집제를 사용한 응집-침전 전처리 공정과 막 모듈내에 염소를 잔류시킨 가운데 여과를 수행하면서 막 운전성 및 투과수 수질 변화를 관찰하였다.
- 7 부근, 주입농도는 10mg/L의 조건에서 최적의 응집 조건이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구에서는 실험 기간 동안 원수의 pH가 6.56-7.59 사이를 유지하여 원수의 pH 조정은 별도로 수행하지 않았다.
- 주기적으로 시료를 채취하여 시료 분석을 행하였다. 분석은 standard methods 공정 시험법 에 의하여 수행하였다.
- 본 연구에서 사용한 응집제는 현재 정수장에서 일반적으로 사용되고 있는 알루미늄염계 응집제를 대신하여 철염계 응집제를 사용하였고, 응집-침전 공정으로 공간 절약 효과와 짧은 체류 시간 내, 고액분리 특성이 우수한 분류교반고액 분리 장치 (Jet Mixed Separator: JMS) 를 적용하고, 여과 공정으로 PVDF 재질의 정밀여과막을 사용한 정수시스템에 대한 운전성 평가 및 투과수수질 변화를 관찰하였다. 즉, 철염계 응집제를 사용한 응집-침전 전처리 공정과 막 모듈내에 염소를 잔류시킨 가운데 여과를 수행하면서 막 운전성 및 투과수 수질 변화를 관찰하였다. 그리고 투과수 유속 변화에 따른 운전성 평가도 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 분리막은 염소에 강한 내구성을 가지며 현재 정수처리 공정에서 많이 사용되고 있는 PVDF 재질의 정밀 여과막(MicrofiltrationMembrane: MFMembrane)을 사용하였다. 사용된 분리막 사양은 Table 2와 같다.
- 전처리인 응집-침전 장치로는 급속교반고액분리장치 (JMS: Jet Mixed Separator)를 사용하였다. 급속 교반 고액 분리 장치는 기존의 급속혼화, 플록형성 및 응집-침전 처리 공정에 비하여 공간 절약, 에너지 절약 차원에서 효과적으로 알려져 있다(Watanabe et al.
이론/모형
- 분석은 standard methods 공정 시험법 에 의하여 수행하였다. 온도와 pH는 pHmeter(TOAHM-14P), 탁도는 탁도계 (Mitsubishi chemical SEP-PT-706D), UV260 Abs.
- , 1998a), 이 물질에 하전 중화작용을 위한 철염을 혼합한 형태의 응집제가 본 연구에 사용된 PSI이다. 응집제 주입 농도 및 최적 pH 범위는 Jar Test 를 수행하여 결정하였다. 그 결과.
- 중합 규산의한 가지 형태인 활성실리카는 효과적이고 무해한 응집보조제로서 오랫동안 광범위하게 수처리 공정에 사용되어 왔다. 이것을 안정한 형태의 200, 000~500, 000 정도 분자량의 고중합도 물질로 생산할 수 있는 방법이 개발되었고(Watanabe et al., 1998a), 이 물질에 하전 중화작용을 위한 철염을 혼합한 형태의 응집제가 본 연구에 사용된 PSI이다. 응집제 주입 농도 및 최적 pH 범위는 Jar Test 를 수행하여 결정하였다.
성능/효과
- 1. 강 표류수의 막여과에 대한 전처리 공정으로 염소 처리 공정만을 도입한 공정 1의 경우, 운전 중 탁도의 급격한 상승과 함께 압력의 급격한 상승이 관찰되었다. 반면 급속혼화 공정 , 응집-침전 공정을 전염소처리 공정의 전처리로 도입함으로써 탁도가 급격히 상승하더라도 공정 1과는 달리 0.
- 3. 투과수 수질에서는 탁도 성분의 경우, 사용된 정밀여과막에 의하여 세 공정 모두 사용된 기기 검출한계인 0.1 NTU 이하까지 제거되었다. 휴믹 성분의 경우에는 공정 1에서 원수 대비 40%의 최종 제거율 이 관찰되었고 TOC, DOC의 경우는 강 표류수와 동일한 수준의 농도가 측정되었다.
- 그 결과. pH 는 6.7 부근, 주입농도는 10mg/L의 조건에서 최적의 응집 조건이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 본 연구에서는 실험 기간 동안 원수의 pH가 6.
- 강 표류수에 막 모듈내 염소만을 잔류시킨 상태에서 막여과를 수행한, 공정 1에서도 40%의 제거율이 관찰되었다. 반면 급속혼화처리수 그리고 응집-침전처리수를 원수로 사용한 공정 2, 3의 경우.
- 5에 나타내었다. 결과에서 알 수 있듯이, 공정 2에 비하여 공정 3의 여과 저항 증가 경향이 완만함을 관찰할 수 있었다. 이는 공정 3의 경우, 침전 공정에서 많은 양의 입자 및 유기 성분들이 제거되어 공정 2에 비하여 막 모듈에 대한 저항 유발 가능 물질 유입량이 감소되었기 때문인 것으로 생각된다.
- 이에 반해, 공정 2와 3 에서는 약 50% 이상의 높은 제거율이 관찰되었다. 고탁도 원수에서는 전염소 처리와 정밀여과 공정이 조합된 시스템에서 전처리로 응집-침전 공정을 도입함으로써 유기성분 제거율을 10배 이상 향상 시킬 수 있음을 관찰할 수 있었다.
- 8 및 Table 4에 나타내었다. 공정 1의 투과수 내 TOC 농도는 원수와 거의 동일한 수준을 나타내었으며 제거율은 약 5%의 낮은 값이 관찰되었다. 이에 반해, 공정 2와 3 에서는 약 50% 이상의 높은 제거율이 관찰되었다.
- 공정 1. 공정 2 그리고 공정 3의 막 투과수내평균 농도는 모두 O.O35mg/L으로 기준 이하의 농도가 관찰되었다. 급속혼화처리수내 알루미늄 농도가 증가하였으나 투과수내에서는 다른 공정과 동일한 농도가 측정 되었다.
- 반면, 운전 중, 강 표류수 탁도가 급격하게 증가하였음에도 불구하고 공정 1과는 달리 공정 2와 공정 3, 두 경우 모두 1, 200시간 이상 안정된 운전이 가능한 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 300시간 경과한 시점에서 압력의 급격한 상승과 상승, 하강이 반복되는 현상이 관찰되었으며 그 후, 공정 2와 공정 3과의 압력 값이 뒤바뀌는 현상이 관찰되었다. 이는 운전 중 발생한 강 표류수의 급격한 탁도 증가와 운전상의 오류가 원인인 것으로 생각된다.
- 9 mVm2 • day의 운전 조건에서 안정된 운전이 가능한 것을 관찰할 수 있었다. 그렇지만 투과수 수질 측면 에서는 응집-침천 공정과 염소 산화 공정을 전처리로 적용한 공정에서 가장 양호한 투과수 수질을 관찰할 수 있었다
- 이로부터 고탁도 원수가 유입되는 경우. 급속혼화공정과 응집-침전 공정이 도입됨으로써 공정 운전 시 , 탁도가 급격히 증가하더라도 막 파울링이 효과적으로 억제될 수 있었다.
- 특히 강우 시에는 37 NTU까지 상승하였다. 급속혼화처리 수의 탁도는 강 원수의 탁도 변화와 같은 현상을 보였으나 강 원수에 비하여 10 NTU 이상 높은 값이 측정되었다. 이것은 탁도 성분으로는 측정되지 않는 용해성 무기성분 및 유기성분이 응집제에 의하여 현탁 성분으로 되어 탁도 유발 물질로 작용하여 발생된 것으로 생각된다.
- 8mg/L이었다. 급속혼화처리수 내의 농도는 약간 , 증가하였으나 응집-침전 처 리수와 막투과수 내의 모두 실리카 이온 농도는 강 표류수 농도와 거의 비슷한 값이 관찰되었다.
- 실험 재료 및 방법에서 언급했듯이 응집제 주입량을 강 표류수 수질에 관계없이 10mg/L 농도로 일정하게 주입하였다. 따라서 강 표류수 탁도 증가에 따라 급속혼화처리수, 응집-침전 처리수의 수질도 탁도가 낮은 시기보다는 높은 값이 관찰되었다. 압력 의 상승, 하강 변화 폭에 있어서도 역세 주기 차이에 의한 경향을 관찰할 수 있었다.
- 이로 인해 여과가 진행되면서 막 표면에 축적되는 막 오염 유발물질의 양이 물리 세정에 의해 박리될 수 있는 막 표면상의 케이크 충의 양을 크게 상회한 것과 함께 막 모듈내 잔류 염소 효과가 나타나지 않아 막 오염이 급격히 진행되어 압력이 급격하게 상승한 것으로 사료된다. 반면, 운전 중, 강 표류수 탁도가 급격하게 증가하였음에도 불구하고 공정 1과는 달리 공정 2와 공정 3, 두 경우 모두 1, 200시간 이상 안정된 운전이 가능한 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 300시간 경과한 시점에서 압력의 급격한 상승과 상승, 하강이 반복되는 현상이 관찰되었으며 그 후, 공정 2와 공정 3과의 압력 값이 뒤바뀌는 현상이 관찰되었다.
- 사용된 막이 0의 정밀여과 막이었음에도 불구하고 원수를 직접 여과한 공정 1에서 40% 의 높은 제거율이 관찰된 것은 막 모듈 내 잔류 염소에 의해 휴믹 성분의 이 중 결합 일부가 분해되었기 때문에 발생한 것으로 생각된다. 본 결과로부터 막 모듈 내 염소를 잔류시킨 정밀여과 막 시스템을 정수처리 공정에 적용하는 경우, 막 파울링 유발 물질로 알려져 있는 휴믹 성분의 효과적인 제거를 위해서는 응집-침전 공정의 조합은 효과적인 방법의 하나로 생각된다.
- 9 및 Table4에 나타내었다. 실험 결과로부터 알 수 있듯이 염소 전처리만을 조합한 공정 1의 경우, 막 투과수내 농도는 강 표류수와 동일한 농도가 측정되었으며 약 1%의 낮은 제거율이 관찰되었다. 이에 비해 공정 2와 3의 경우에는 TOC와 마찬가지로 약 50%의 제거율을 관찰할 수 있었다.
- 이는 막 모듈내 잔 류 염소에 의해 막 모듈내에서 휴믹 성분의 이 중 결 합 분해와 같은 반응은 발생되나 활발한 유기 성분 분해 현상은 발생되지 않는 것으로 생각된다. 잔류 염소 처리 공정의 전처리 공정으로 응집-침전 공정을 도입함으로써 총 제거율이 휴믹 성분의 경우 2배 이 상, TOC 그리고 DOC의 경우 10배 이상 증가되었다. 즉, 급속혼화공정과 응집-침전 공정을 조합함으 로써 두 전처리 공정에 의해 휴믹 성분, TOC 그리고 DOC의 많은 양이 제거되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 잔류 염소 처리 공정의 전처리 공정으로 응집-침전 공정을 도입함으로써 총 제거율이 휴믹 성분의 경우 2배 이 상, TOC 그리고 DOC의 경우 10배 이상 증가되었다. 즉, 급속혼화공정과 응집-침전 공정을 조합함으 로써 두 전처리 공정에 의해 휴믹 성분, TOC 그리고 DOC의 많은 양이 제거되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 지금까지의 연구 결과로부터 , 막에 대한 공급수에 급속혼화공정과 염소 산화 공정을 전처리 공정으로 도입함으로서 침전 공정의 적용을 하지 않더라도 0.9 mVm2 • day의 운전 조건에서 안정된 운전이 가능한 것을 관찰할 수 있었다. 그렇지만 투과수 수질 측면 에서는 응집-침천 공정과 염소 산화 공정을 전처리로 적용한 공정에서 가장 양호한 투과수 수질을 관찰할 수 있었다
- 반면 급속혼화처리수 그리고 응집-침전처리수를 원수로 사용한 공정 2, 3의 경우. 평균 80%이상의 제거율이 관찰되었으나 대부분의 제거는 급속혼화공정과 응집-침전공정에서 이루어지는 것이 관찰되었다. 사용된 막이 0의 정밀여과 막이었음에도 불구하고 원수를 직접 여과한 공정 1에서 40% 의 높은 제거율이 관찰된 것은 막 모듈 내 잔류 염소에 의해 휴믹 성분의 이 중 결합 일부가 분해되었기 때문에 발생한 것으로 생각된다.
- 반면, 응집-침전 공정에서는 L23mg/L로 표류수보다 약간 높은 농도가 측정되었다. 한편 막 투과수 내 철 이온 농도는 공정에 따라 큰 차이가 발견되지 않았으며 평균 0.24mg/L의 농도가 측정되었다. 공정 2의 투과수내 철 이온 농도와 공정 2의 막간차압억제 결과로부터 급속혼화처리수내의 철 염계 응집에 의해 막 모듈 내부 및 막 표면에서 효과적인 응집 작용이 발생되는 것으로 생각된다.
후속연구
- , 1998). 이로 인해 오존 및 염소와 같은 산화 공정의 전처리 공정 후, 잔류 오존 및 염소를 제거하기 위한 별도의 배오존, 배염소 공정이 필요 없게 되어 전처리 공정의 단순화가 더욱 용이 하게 되어 막여과 공정이 보다 활발하게 보급될 수 있는 계기가 될 수 있을 것으로 생각된다. 그러나 PVDF 재질은 내약품성은 강하지만 소수성으로 인해 표면에 유기물이 부착되기 쉬운 특성이 있다고 알려져 있다(前田勇氣, 2003).
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