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문제 정의
- 그러므로 웅집제 주입에 따른 입자크기 분포를 살펴보았다.
- 본 연구는 실생활하수를 응집-정밀여과 공정으로 처리할 경우 막성능을 저하하는 원인과 영향을 모색하고 특히 응집공정이 막오염에 미치는 영향을 살펴보고자 하였으며, 운전조건과 처리효율을 측정해 최적조건을 구하고자 하였다.
제안 방법
- 각 경우를 비교하였다. 막을 초순수로 투과하여 0.2 ㎛1, 0.45 ㎛ 막의 Rm을 각각 구하였으며, 그 값은 2.311x10" 과 6.169xlO10 이었다.
- 즉, 시료액으로 투과시킬 경우 압력을 2~3단계로 증가시켜가며 투과량 및 압력을 측정하였다. 2분 후 다시 한 번 투과량과 압력을 측정하여 산술평균으로 각 값을 구한 후 투과량과 평균압력과의 관계를 도식화하여 투과량의 변화가 거의 없는 압력의 75-90% 사이를 최적운전압력으로 결정하였다
- TMP)을구하였다. 9 투과유속의 변화가 거의 없는(이 시점부터는 농도 분극이 발생함) 최대압력의 75-90% 사이를 최적 운전압력으로 결정하였다.' 그 결과 본 실험의 운전압력을 0.
- 떨어뜨리는 것으로 알려져 있다.9,14) 그러므로 여과실험유입 원수로 사용한, 응집침전 후의 상등수 내에 존재하는 용존성 알루미늄의 양을 측정하고 그 영향을 예측해보았다. 우선, 응집 처리 후 상등수의 용존성 오염물질농도 및 기타의 특성을 측정하여 그 값은 비슷하나 용존성 알루미늄의 농도가 서로 다른 시료를 0.
- Table 2의 결과로 볼 때, 용존성 오염물질농도가 높을수록 투과속도가 낮음을 알 수 있었으며, 이러한 결과를 토대로 응집제 alum과 PAC의 용존성 오염물질 제거 정도와 투과 유속의 관계를 살펴보았다.
- 도시하수를 alum과 PAC을 이용해 응집처리한 후 0.2 ㎛, 0.45 pm 크기의 막을 사용한 정밀여과를 이용하여 처리하였으며, 각각의 투과유속, 누적부피, 막의 총저항, 처리 수의 수질 등을 분석하여 최적의 운전 조건을 구해보았다.
- 동일한 원수를 각각 alum 100 mg/L로 응집을 한 경우와 응집을 하지 않은 경우를 8 nm 전처리 여과를 한 후 0.45 pm 막의 투과 유속을 비교해 보았다. 응집을 하지 않은 경우에는 투과유속의 변화가 특별히 나타나지 않았으나 응집을 한 경우는 투과유속이 월등히 증가함을 보였다.
- 막여과에서 주요한 막 오염원으로 생각되는 작은 입자의 영향을 살펴보기 위해서 8 urn 전처리여과를 통하여 crossflow filtration에 영향을 미치는 큰 입자를 제거하고 작은 입자의 영향으로 인한 투과유속의 변화를 살펴보았다. 동일한 원수를 각각 alum 100 mg/L로 응집을 한 경우와 응집을 하지 않은 경우를 8 nm 전처리 여과를 한 후 0.
- 본 실험에 사용된 hollow fiber를 통한 여과시의 케이크 측정과 그에 따른 &을 구하는데 어려움이 있어 Rm과 Rt 측정으로 각 경우를 비교하였다. 막을 초순수로 투과하여 0.
- 5℃ 를 유지하며 막 여과실험을 시행하였다. 세공크기에 따라 10 TMP(psi), 5 TMP의 일정 압력을 유지하게 하고 투과유속을 매분마다 측정하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
- 실험에 사용된 막의 투과 특성을 파악하기 위해 25±0.5℃, 유입유량(Q) 700±50 mL, 유입속도(V) 1.20±0.1 m/sec의 조건하에서 초순수를 이용하여 압력변화에 따른 투과유속의 변화 실험을 수행하였다. 실험결과, 운전 후 10~15분 동안 투과 유속의 감소를 나타내다가 그 이후로는 안정된 값을 나타내는 것을 볼 수 있었으며 0.
- 여과실험에서 막 투과유속을 운전 초기 30 분까지는 매분, 그 후는 1~5분 간격으로 측정하고 이때 오염농도를 각각 측정하여 시간에 따른 투과유속 및 오염농도의 변화를 살폈다.
- 각각 응집제의 주입량을 0~500 ppm으로 달리하면서 급속 . 완속교반, 침전과정을 거친 후 상등수를 채취하여 분석하였다.
- 우선 여러 생활시료의 용존성 오염물질농도를 앞에서와 같은 방법으로 각각 구한 후, 응집제 alum과 PAC을 이용하여 Jat test를 통해서 최적 주입량을 구하고 이때의 상등 수를 0.45 pm 막과 0.1 pm 막을 이용해 입자성 오염물질을 제거하고 용존성 오염물질농도를 측정해 응집을 통해 제거되는 용존성 오염물질의 양을 측정하고 Table 3에 나타내었다.
- 9,14) 그러므로 여과실험유입 원수로 사용한, 응집침전 후의 상등수 내에 존재하는 용존성 알루미늄의 양을 측정하고 그 영향을 예측해보았다. 우선, 응집 처리 후 상등수의 용존성 오염물질농도 및 기타의 특성을 측정하여 그 값은 비슷하나 용존성 알루미늄의 농도가 서로 다른 시료를 0.2 pm 막을 이용해 여과 실험을 수행하여 그 투과유속을 측정하였다. 그 결과는 Table 4에 나타내었다.
- 위 실험에서 결정된 조건을 고정하고 온도를 15~45℃로 변화시키며 투과유속을 측정하였다. 그 결과 온도의 증가와 더불어 투과유속이 선형적으로 증가함을 보였다.
- 응집된 플럭의 크기는 Coulter® Multisizer(Coul- ter Electronics Ltd.)를 사용하여 측정하였고, 수중의 용존성 알루미늄은 Seiko SPS 7000A Plasma Spectrometer(ICP) 로 측정하였으며, 유량측정은 TOKYO KEISO(Japan)와 Gil- mont(Germany) 유량계로 측정하였다.
- 이는 여과층에서의 공극을 통한 유속이 점도에 반비례하고 물의 점도는 온도에 반비례하기 때문인 것으로 사료된다. 이러한 온도에 의한 투과유속의 영향을 고려하여 본 실험에서는 항온조를 사용하였다.
- 이러한 용존성 오염물질이 막의 투과유속에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보기 위해 각각 오염농도가 다른 생활하수를 채취해 웅집제를 첨가하지 않은 상태에서 8 ㎛ 막, 0.45 tim 막, 0.1 pm 막을 차례로 걸쳐 입자성 오염물질을 제거한 후 탁도, 용존성 COD와 용존성 BOD를 측정하고 각각의 시료를 0.2 pm 막을 이용한 여과실험을 실시하여 운전 30 분 후의 안정된 투과유속을 측정하여 각각의 결과를 Table 2에 나타내었다.
- 방법은 모듈의 사용방법에 따랐다. 즉, 시료액으로 투과시킬 경우 압력을 2~3단계로 증가시켜가며 투과량 및 압력을 측정하였다. 2분 후 다시 한 번 투과량과 압력을 측정하여 산술평균으로 각 값을 구한 후 투과량과 평균압력과의 관계를 도식화하여 투과량의 변화가 거의 없는 압력의 75-90% 사이를 최적운전압력으로 결정하였다
- 최적운전압력을 결정하기 위해 시료액을 투과하며 압력을 증가시켜 투과량을 측정하고 모듈의 입구와 출구의 압력을 읽은 후, 막간차입(Transmembrane Pressure, TMP)을구하였다. 9 투과유속의 변화가 거의 없는(이 시점부터는 농도 분극이 발생함) 최대압력의 75-90% 사이를 최적 운전압력으로 결정하였다.
대상 데이터
- Jar-test에 사용된 Jar는 Gator's Jar”를 사용하였으며 규격은 2 L 용량의 11.5시 1.5x21 cm 직육면체로, water level로부터 10 cm 하부에 sample tab을 부착하였다.
- 본 실험에 사용한 막은 내압식 crossflow 형식으로 여과하는 hollow fiber 형태로서 A/G Technology 제품을 사용하였으며, 여과면적은 0.011 m2, 모듈길이는 0.305 m, 막 직경은 1 mm, 재질은 polysulfone이었다. 또한 큰 입자의 영향을 막기 위해 50 ㎛ 섬유 prefilter를 사용하였다.
- 본 실험은 도시 하수를 직접 사용하여 그 처리정도의 실례를 연구하기 위해 인천광역시 남구에 위치한 A 아파트로부터 직접 유출되는 생활하수를 대상으로 하였다. 시간에 따른 수질의 변동이 매우 컸으며 실험 값의 범위를 줄이기 위해 동일한 시간에 시료를 채취하였다.
- 시간에 따른 수질의 변동이 매우 컸으며 실험 값의 범위를 줄이기 위해 동일한 시간에 시료를 채취하였다. 평균수질은 Table 1에 나타내었다.
- 실험에 사용한 응집제는 aluminium sulfhte(alum)과 poly aluminium chloride(PAC ; Al(OH)x(Cl)y(3=x+y))이며, alum 은 A12O3 17%의 고상시약K株)이양화학)을 사용하였고, PAC 은 A12O3 10%, 염기도 45~50%((株)경기화학)의 약품을 초순수를 이용하여 각각 40, 000 ppm으로 희석하여 사용하였다.
데이터처리
- 응집제 alum과 PAC의 주입량이 각각의 오염농도 저 감에 미치는 영향을 알아보기 위해 Jar-test를 수행하였다. 각각 응집제의 주입량을 0~500 ppm으로 달리하면서 급속 .
이론/모형
- 대상하수, 응집실험 후 상둥수 및 여과실험 후 투과수의 pH, SS, BODs, CODcr, T-N, T-P, 탁도, 알칼리도 등 오염농도를 각각 Standard Methods6)와 공정시험법'7)에 따라 측정하였다. 응집된 플럭의 크기는 Coulter® Multisizer(Coul- ter Electronics Ltd.
- 최적운전압력조건은 회분식 실험을 통해 결정하였으며, 그 방법은 모듈의 사용방법에 따랐다. 즉, 시료액으로 투과시킬 경우 압력을 2~3단계로 증가시켜가며 투과량 및 압력을 측정하였다.
성능/효과
- 1) 응집실험시 alum, PAC의 최적 주입량은 300±50 mg/L 이었으며, alum 응집에 비해 PAC 응집이 응집효율이 높고, 그에 따른 상등수의 오염농도, 큰 입자 형성, 막의 투과 유속, 막의 총저항 등에 있어서 유리하였다.
- 2) 응집실험 후 상등수를 이용한 막 운전시, 상등수 수질 차이에 의한 여과저항, 투과유속, 누적부피 등의 막 운전에 미치는 영향은 0.45 jim 막에 비해 0.2 gm 막 운전시에 더 큰 영향을 미쳤다.
- 3) 순환식 여과 실험을 통한 투과 유속 및 막 총저항의 측정 결과, 0.2 urn 막 운전시 케이크여과의 특성이 나타났으며, 0.45 pm 막 운전시 플럭의 깨짐으로 인한 공극보다 작은 입자의 투과로 계속해서 투과유속이 감소하고 막의 총저항이 증가함을 보였다.
- 4) 막의 성능을 저하시키는 원인으로 0.1 ~1 pim의 작은 입자의 존재, 용존성 오염물질 그리고 용존성 알루미늄을들 수 있으며, PAC 응집시 alum 응집에 비해 상대적으로 작은 입자의 제거율이 높고, 용존성 오염물질 제거효율이 높으며, 용존성 알루미늄의 농도가 낮아, 이에 따른 막의 성능을 오랜 기간 유지시키는 것으로 나타났다.
- 5) 응집제 PAC 사용과 0.2 pm 막 운전에서 가장 높은 처리 효율을 보였으며, 탁도 99.8%, SS 99.9%, BODS 94.4%, CODcr 95.4%, T-N 54.3%, T-P 99.8%의 효율을 나타내었다.
- Dead-end 여과방식에 비해 crossflow 여과방식에서는 막 표면의 횡방향으로 유체가 이동하므로 입자의 역전달 현상이 투과속도 변화에 중요하게 작용하는 것으로 알려졌다. 역전달 현상으로는 brownian diffusion, shear-induced diffusion, lateral migration을 들 수 있는데 역전달계수의 총합을 보면, 0.
- 2는 100 mg/L, 300 mg/L 농도의 alum과 PAC을 각각 사용하여 응집한 후 상등수의 입자분포를 살펴본 것이다. 각각 300 mg/L의 최적조건에서 큰 입자크기의 분포를 보였으며, alum 응집은 PAC 응집과 비교해 상등수 평균 입자크기가 다소 작게 나타나고, 특히 막여과 실험에 영향을 줄 것으로 예상되는 즉, 역전달속도가 작은 것으로 알려진 0.1 ~ 1.0 의 입자의 분포가 PAC 응집에 비해 alum 응집에서 많았다. 그러므로 막오염 현상이 alum 응집에서 높게 일어날 것으로 예상할 수 있다.
- 투과유속을 측정하였다. 그 결과 온도의 증가와 더불어 투과유속이 선형적으로 증가함을 보였다. 0.
- 그 결과에서 상등수 내 용존성 알루미늄의 농도가 증가할수록 투과유속이 감소함을 알 수 있었다. 따라서 응집제 alum과 PAC을 이용한 응집실험 상등수의 용존성 알루미늄의 농도가 투과유속에 영향을 준다고 판단하고 alum과 PAC을 이용한 응집실험의 상등수 내 용존성 알루미늄의 농도를 특정한 결과, alum 응집에 비해 PAC 응집의 상등 수에서 보다 낮은 용존성 알루미늄의 농도가 측정되었으며, 이는 3.
- 투과유속이 감소함을 알 수 있었다. 따라서 응집제 alum과 PAC을 이용한 응집실험 상등수의 용존성 알루미늄의 농도가 투과유속에 영향을 준다고 판단하고 alum과 PAC을 이용한 응집실험의 상등수 내 용존성 알루미늄의 농도를 특정한 결과, alum 응집에 비해 PAC 응집의 상등 수에서 보다 낮은 용존성 알루미늄의 농도가 측정되었으며, 이는 3.3.1 절의 투과유속 경향과 비교해 볼 때 응집 후 여과 실험시 투과유속 차의 원인이 됨을 알 수 있었다.
- 521x1012 m-1 이였다. 따라서, alum을 응집제로 사용시 상등수의 투과 총저항은 PAC을응집제로 사용한 것에 비해 평균 각각 17.0-25.0 %, 18.3-30.2% 높았다.
- 45 gm 막의 경우 10~18%가 감소되는 것을 알 수 있었다. 또한, 압력이 높을수록 막 자체의 변화율이 크게 나타났다.
- 각 막과 응집제 사용에서 최적응집조건의 값을 다음 Table 5에 나타내었다. 모든 항목의 처리 효율이 85.3 ~99.8%의 높은 처리 효율을 보이고있으나 T-Ne 34.3-54.3% 처리 효율로 다소 떨어짐을 보였다. 이는 본 연구에 사용된 유입수의 T-N 성분 중 NO2; no3- 등의 용존성 오염물질농도가 높기 때문으로 여겨진다.
- 1 m/sec의 조건하에서 초순수를 이용하여 압력변화에 따른 투과유속의 변화 실험을 수행하였다. 실험결과, 운전 후 10~15분 동안 투과 유속의 감소를 나타내다가 그 이후로는 안정된 값을 나타내는 것을 볼 수 있었으며 0.2 gm 막의 경우 8~12%, 0.45 gm 막의 경우 10~18%가 감소되는 것을 알 수 있었다. 또한, 압력이 높을수록 막 자체의 변화율이 크게 나타났다.
- 수질을 나타내었다. 웅집제 alum과 PAC 모두 평균 주입량 300 mg/L에서 높은 효율을 보였으며 이때 최적주입량은 원수의 상태에 따라 ±50 mg/L의 차이가 있었다. 처리 수 수질의 경우 응집제는 PAC, 막은 0.
- 위 결과에서 나타난 것처럼 용존성 오염물질을 제거하는데 웅집제 PAC이 alum에 비해 효율이 높은 것으로 나타났으며 이를 3.3.1 절의 결과와 연관지워 보면 응집 후 상등 수의 용존성 오염물질이 투과유속에 영향을 미침을 예상할 수 있다.
- 응집과 정밀여과를 이용한 처리수의 수질은 응집에서 가장 높은 효율을 보인 상등수에서 가장 높은 막 여과 처리 수 수질을 나타내었다. 웅집제 alum과 PAC 모두 평균 주입량 300 mg/L에서 높은 효율을 보였으며 이때 최적주입량은 원수의 상태에 따라 ±50 mg/L의 차이가 있었다.
- 45 pm 막의 투과 유속을 비교해 보았다. 응집을 하지 않은 경우에는 투과유속의 변화가 특별히 나타나지 않았으나 응집을 한 경우는 투과유속이 월등히 증가함을 보였다. 이는 3.
- 응집제 종류에 따른 투과유속의 변화를 살펴보면, alum 사용시 최적응집조건에서 운전 200분 후 투과유속은 세공 크기에 따라 각각 93 LMH, 354.6 LMH를 나타내는데 비해 PAC 사용시에는 110 LMH, 436.4 LMH를 나타내어 최고 24.7-30.2% 높은 투과유속을 보였다. 이는 기존 문헌의 상수를 이용한 연구에서 PAC 사용시 투과유속이 높아진다는 결과'즈가 하수 처리시에도 일치함을 보여준다.
- 6% 높은 누적 투과량을 보였다. 이상의 투과유속, 막의 총저항, 누적부피를 살펴본 결과, 웅집제로 alum에 비해 PAC 사용 시 막의 성능을 향상시키는 것으로 나타났다. 특히 이러한 성향은 0.
- 저항의 증가는 투과유속의 변화정도와 같이 운전 초기에 급증함을 보이며 응집제 주입량, 응집제 종류, 막 공극의 크기에 따라 차이가 있었다.
- 최적 PAC 응집조건에서 상등수의 탁도는 5 NTU, SS 4 mg/L, BODs 21 mg/L, CODCr 75 mg/L, T-P 0.28 mg/L, T-N 27 mg/L이며 최적 alum 응집조건에서는 탁도 6 NTU, SS 6 mg/L, BOD5 45 mg/L, CODcr 109 mg/L, T-P 0.32 mg/L, T-N 30 mg/L로 오염농도가 다소 높은 것으로 분석되어 이전 문헌과 같은 결과를 보였다.mm 또한, PAC 응집시 응집제 주입량에 따라 pH 감소율이 alum 응집에 비해 완만하게 나타났다.
- 최적주입량 이상에서는 응집에 큰 영향을 미치는 pH 및 알칼리도의 저하로 인해 작은 플럭을 형성하고 이에 따른 침전 성이 저하되어 상등수의 오염농도가 다시 상승함을 보였다.
- 탁도, SS, BODs, COD0, T-P의 농도는 응집제 주입량의 증가와 더불어 급격히 감소하였고 alum, PAC 모두 300 ppm 전후의 최적 주입량에서 가장 낮은 농도 값을 보였다. 최적주입량 이상에서는 응집에 큰 영향을 미치는 pH 및 알칼리도의 저하로 인해 작은 플럭을 형성하고 이에 따른 침전 성이 저하되어 상등수의 오염농도가 다시 상승함을 보였다.
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