본 연구에서는 초음파를 이용한 조류의 제거 및 저감에 대한 연구를 진행하였다. 본 실험은 주파수별(28 kHz의 단주파와 40 kHz의 다주파), 출력별(10, 15, 20, 25, 30 W/L), 조류 개체수별(500, 1000, 1700/mL)로 변화시켜가며, 노출시간 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20분에 따라 진행하였다. 또한, 초음파 발진기로부터 직접 초음파에 노출시키는 단일 수조와 초음파 발진기로부터 이격거리 4 cm를 두고 초음파에 노출시키는 2중 수조에 대한 실험도 진행하였다. 본 연구에서 사용된 조류의 종은 규조류(Bacillariophceae)중 Melosira 속이다. 규조류는 염소 등에 의한 산화제 처리 시 염소에 대한 저항성이 있어 조류가 살균처리 후 여과지까지 유입되어 여과지 폐색을 유발하는 대표적인 조류이다. 본 연구결과, 초음파 노출 후의 규조류는 산화제에 의한 살균처리와 달리 형태가 완전히 파괴되어 분해되었으며, 초음파의 출력과 노출시간에 비례하여 조류제거효율이 증가하였다. 또한, 2중 수조에서 더 좋은 조류제거효율을 나타냈다.
본 연구에서는 초음파를 이용한 조류의 제거 및 저감에 대한 연구를 진행하였다. 본 실험은 주파수별(28 kHz의 단주파와 40 kHz의 다주파), 출력별(10, 15, 20, 25, 30 W/L), 조류 개체수별(500, 1000, 1700/mL)로 변화시켜가며, 노출시간 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20분에 따라 진행하였다. 또한, 초음파 발진기로부터 직접 초음파에 노출시키는 단일 수조와 초음파 발진기로부터 이격거리 4 cm를 두고 초음파에 노출시키는 2중 수조에 대한 실험도 진행하였다. 본 연구에서 사용된 조류의 종은 규조류(Bacillariophceae)중 Melosira 속이다. 규조류는 염소 등에 의한 산화제 처리 시 염소에 대한 저항성이 있어 조류가 살균처리 후 여과지까지 유입되어 여과지 폐색을 유발하는 대표적인 조류이다. 본 연구결과, 초음파 노출 후의 규조류는 산화제에 의한 살균처리와 달리 형태가 완전히 파괴되어 분해되었으며, 초음파의 출력과 노출시간에 비례하여 조류제거효율이 증가하였다. 또한, 2중 수조에서 더 좋은 조류제거효율을 나타냈다.
This study examines algae removal and reduction using ultrasonic. Experiments were carried out on frequency: 28 kHz single-wave, 40 kHz multi-wave; intensity: 10, 15, 20, 25, 30 W/L; algae concentration: 500, 1000, 1700/ml; exposure time: 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 min. Also, We investigated algae remov...
This study examines algae removal and reduction using ultrasonic. Experiments were carried out on frequency: 28 kHz single-wave, 40 kHz multi-wave; intensity: 10, 15, 20, 25, 30 W/L; algae concentration: 500, 1000, 1700/ml; exposure time: 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 min. Also, We investigated algae removal and reduction in single cistern where raw water including algae was directly exposed to ultrasonic and in the double cisterns located in 4 cm from ultrasonic vibrator. The algae type used in this study was Melosira genus of Bacillariophceae. The Bacillariophceae is the representative algae which causes blockage of filter basin. Because of its resistance against oxidizers, it flows into the filter basin after sterilization. As a result of this study, the form of Bacillariophceae was completely destroyed and dissolved after the application of ultrasonic waves unlike the sterilization using oxidizers. Removal efficiency of algae using ultrasonic waves increased in proportion to intensity and exposure time of ultrasonic waves, and in double cisterns is better than single cistern.
This study examines algae removal and reduction using ultrasonic. Experiments were carried out on frequency: 28 kHz single-wave, 40 kHz multi-wave; intensity: 10, 15, 20, 25, 30 W/L; algae concentration: 500, 1000, 1700/ml; exposure time: 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 min. Also, We investigated algae removal and reduction in single cistern where raw water including algae was directly exposed to ultrasonic and in the double cisterns located in 4 cm from ultrasonic vibrator. The algae type used in this study was Melosira genus of Bacillariophceae. The Bacillariophceae is the representative algae which causes blockage of filter basin. Because of its resistance against oxidizers, it flows into the filter basin after sterilization. As a result of this study, the form of Bacillariophceae was completely destroyed and dissolved after the application of ultrasonic waves unlike the sterilization using oxidizers. Removal efficiency of algae using ultrasonic waves increased in proportion to intensity and exposure time of ultrasonic waves, and in double cisterns is better than single cistern.
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문제 정의
따라서 2차 오염의 발생 가능성이 적으며 비교적 처리가 간단하고 효과적인 방법과 대안을 연구할 목적으로 초음파에 의한 조류제거 및 저감 방법을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 초음파를 이용하여 조류 저감 및 제거 시 효율성을 증가시키기 위한 2중 수조(노출배관, 노출수조)의 영향에 관한 효율성을 알아보는 데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 가능한 한 정수장의 조건과 같은 조건에서 실험을 하고자 하였다. 따라서 시료는 인천광역시 상수도 사업본부 수산정수사업소의 원수를 사용하여 실험을 하였으며, 추후 정수장에 설치할 것을 고려하여 실험의 과정 중 인위적인 대기압의 변화나, 수온의 변화는 주지 않고 실험을 하였다.
제안 방법
초음파 노출 후 조류제거 및 저감 개체 수는 Melosira를 기준으로 산출하였고, 조류 개체 수는 500/ mL, 1000/mL 1, 700/mL이었다. 조류개체수 조사는 광학 현미경 (OLYMPUS BX50) 및 Sedgwick-Rafter Counting Cell(50 mm x 20 mm x 1 mm)를 이용하여 100~200배의 저 배율로 계수분류 하였으며, 상수도생물 및 댐 저수지의 조류사진집 등을 참고하여 분류 . 동정하였다.
였다. 초음파 노출 후 조류제거 및 저감 개체 수는 Melosira를 기준으로 산출하였고, 조류 개체 수는 500/ mL, 1000/mL 1, 700/mL이었다. 조류개체수 조사는 광학 현미경 (OLYMPUS BX50) 및 Sedgwick-Rafter Counting Cell(50 mm x 20 mm x 1 mm)를 이용하여 100~200배의 저 배율로 계수분류 하였으며, 상수도생물 및 댐 저수지의 조류사진집 등을 참고하여 분류 .
대상 데이터
6 cm)였다. 단일 수조와 2중 수조 모두 재질은 스테인리스 강이며 수조의 두께는 1 mm, 2중 수조는 진동자로부터 4 cm 이격거리를 두었으며, Fig. 1과 같다. 수조를 2개로 분리한 것은 초음파는 매질에 의한 속도가 다르므로 발진자로부터 별도의 노출배관 및 수조를 설치하였을 때 조류제거효율의 변화를 실험하기 위해 설치하였다.
하고자 하였다. 따라서 시료는 인천광역시 상수도 사업본부 수산정수사업소의 원수를 사용하여 실험을 하였으며, 추후 정수장에 설치할 것을 고려하여 실험의 과정 중 인위적인 대기압의 변화나, 수온의 변화는 주지 않고 실험을 하였다.
초음파 발생장치는 (주)한소닉테크 발진기 UG-300ST 28 kHz 단주파, UG-40-300M 40 kHz 다주파를 사용하였으며, 진동판 크기는 290 mm(L)x 280 mm(W) x 50 mm(H)였다. 그리고 초음파 발생기의 출력은 100~300 W(10 W/L~30 W/L)까지 변화를 주었다.
성능/효과
1) 실험 결과, 초음파에 의해 조류를 제거할 수 있었으며, 개체수와 관계없이 초음파로 인해 생성된 공동의 크기보다 큰 규조류는 노출시간과 출력에 비례하여 파괴되었다.
10 W/L에서 20분 정도 노출하면 50% 정도 조류제거효율이 나타났다. 15 W/L 출력에서는 노출시간 10분 이후 증가율이 상대적으로 크게 증가한 후 20분 노출하면 80% 조류제거효율이 나타났다. 20 W/L 이상에서는 출력 차이에 따라 차이는 있으나 15분 이상 노출할 경우 80% 이상의 효율을 보였으며, 20분 이상 노출하면 90% 이상의 효율을 보였다.
2) 초음파로 생성되는 공동에 의한 조류 제거는 조류형상의 파괴였다. 산화제를 사용하여 조류를 처리하는 경우 조류의 사체가 형태를 유지하고 있어 처리 후 침전 및 여과지로 유입되는 사례가 있으나, 초음파 처리 시 조류의 형상이 파괴 및 분쇄되었다.
3) 초음파 출력과 노출시간에 비례하여 조류 제거 효율이 증가하였으며, 초음파를 대상 시료에 직접 노출하는 것보다, 초음파 발진부 주위에 별도의 노출수조(2중 수조)를 설치하여 초음파를 노출하는 것이 조류의 제거에 효과적이었다.
25 W/L 상태에서는 초음파 노출시간 7분 이후에서 효율이 증가한 후 노출시간이 증가할수록 제거율이 증가하였다. 30 W/L 출력에서 노출 시간을 15분 이상 유지하여야 50% 이상의 효율을 얻을 수 있었다.
4) 노출시간이 7분 이내에서 고효율을 얻기 위해서는 40 KHz의 고출력을 사용하는 것이 효율적이며, 10분 이상의 노출 시간이 가능한 경우는 28 KHz 설비를 사용하는 것이 효율적이었다. 또한, 유입된 조류의 개체수 변화에는 큰 영향을 보이지 않았다.
10, 20 W/L에서는 28 kHz가 40 kHz에 비하여 노출시간 전 구간에서 10-20% 정도 양호한 효율을 나타내고 있다. 고출력인 30 W/L에서는 노출시간 5~7분에서 40 kHz가 28 kHz 보다 효율이 좋았으나, 노출시간 10~15분 구간에서는 28 kHz가 효율이 양호하였다.
7은 주파수 40 kHz, 개체수 1000/mL에서의 수조 단수 변화에 따른 제거효율을 나타내었다. 단일 수조에 비하여 2중 수조의 효율이 전 구간에서 단일 수조에 비하여 노출 시간이 증가할수록 초음파의 조류제거효율이 양호하게 나타났다. 단일 수조 30 W/L는 노출시간 20분이 경과하여도 조류제거효율이 60%에 머물렀으나, 2중 수조 30 W/L는 노출 시간 20분에는 90% 이상 효율이 나타났다.
실험결과, 미미하지만 초음파 출력에 따라 효율이 증가하는 결과를 보였다. 또한, 초음파 노출시간 3분 이후에서 효율이 증가하기 시작하였으며, 25 W/L 이상 고출력에서는 노출시간을 20분 이상 유지하여야 50%의 효율을 얻을 수 있었다.
실험결과, 초음파 출력이 증가함에 따라 다소 효율이 증가하는 결과를 보였다. 또한, 초음파 노출시간 5~7분에서 효율이 상대적으로 증가하였으며, 출력과 노출시간을 증가할수록 효율이 중가하였다. 이는 앞서 설명한 초기시간에서의 조류단락에 의한 조류수 증가현상이 5분 이후부터는 제거 현상이 단락현상보다 크게 나타나기 때문이다.
30 W/L는 노출시간 20분에 개체수와 관계없이 90% 이상의 조류제거효율을 나타내었다. 상기 비교 결과 40 kHz의 설비는 고출력으로 운전하는 것이 더 좋은 효율을 나타내며, 고출력의 초음파 설비에 초음파 노출시간 7분 이상 유지하는 것이 운전 효율성을 확보할 수 있을 것으로 사료된다. Fig.
11은 40 kHz의 2중 수조에서의 개체수별 조류제거효율을 나타내고 있다. 실험결과, 10 W/L와 30 W/L의 조류제거효율은 큰 차이를 보였다. 저출력 10 W/L의 증가율이 비교적 낮았고 노출시간 20분에 45% 정도의 낮은 효율을 나타냈다.
실험결과, 고출력의 운영에 지장이 없고 노출시간 7분 이내의 비교적 짧은 노출로 고효율을 얻기 위해서는 40 kHz 를 설치하고, 초음파 노출시간 10분 이상 노출할 여유가 있고 조류제거효율 80% 이상의 효과를 필요할 경우 28 kHz 설비를 설치하는 것이 효과적이다. 이런 결과는 공동의 크기가 2~3 μm, 파동의 간격이 35 mm인 28 kHz의 경우가 공동의 크기가 1~2 μm, 파동의 간격이 15 mm인 40 kHz 보다 강력하기 때문인 것으로 사료된다.
3은 28 kHz, 단일 수조, 개체수 1000/mL에서의 초음 파 출력과 노출시간 변화에 따른 조류제거효율을 나타낸 것이다. 실험결과, 미미하지만 초음파 출력에 따라 효율이 증가하는 결과를 보였다. 또한, 초음파 노출시간 3분 이후에서 효율이 증가하기 시작하였으며, 25 W/L 이상 고출력에서는 노출시간을 20분 이상 유지하여야 50%의 효율을 얻을 수 있었다.
2는 40 kHz, 단일 수조, 조류 개체수 1000/mL에서의 초음파 출력과 노출시간 변화에 따른 조류제거효율을 나타낸 것이다. 실험결과, 초음파 출력이 낮은(10~20 W/L) 상태에서는 노출시간이 15분이 되어도 조류제거효율이 매우 낮았으나 고출력 30 W/L 상태에서는 노출시간이 3분이 넘어서면서 효율이 증가하기 시작하였으며 이후부터 노출 시간이 증가할수록 제거율이 증가하였다. 25 W/L 상태에서는 초음파 노출시간 7분 이후에서 효율이 증가한 후 노출시간이 증가할수록 제거율이 증가하였다.
6은 28 kHz, 2증 수조, 조류 개체수 1000/mL에서의 초음파 출력과 노출시간 변화에 따른 조류제거효율을 나타내고 있다. 실험결과, 초음파 출력이 증가함에 따라 다소 효율이 증가하는 결과를 보였다. 또한, 초음파 노출시간 5~7분에서 효율이 상대적으로 증가하였으며, 출력과 노출시간을 증가할수록 효율이 중가하였다.
5는 40 kHz, 2중 수조, 조류 개체수 1000/mL에서의 초음파 출력과 노출시간 변화에 따른 조류제거효율을 나타낸 것이다. 실험결과, 초음파의 출력이 낮은(10~20 W/L) 상태에서는 초음파 노출시간 5분 이후부터 효율이 증가하였다. 10 W/L에서 20분 정도 노출하면 50% 정도 조류제거효율이 나타났다.
위 두 실험결과(Fig. 7과 8)를 보면 주파수와 출력에 관계없이 2중 수조에서 효율이 좋은 것을 알 수 있었다. 초음파는 기계적인 진동파로서 매질에 따라 속도가 달라진다.
실험결과, 10 W/L와 30 W/L의 조류제거효율은 큰 차이를 보였다. 저출력 10 W/L의 증가율이 비교적 낮았고 노출시간 20분에 45% 정도의 낮은 효율을 나타냈다. 30 W/L는 노출시간 20분에 개체수와 관계없이 90% 이상의 조류제거효율을 나타내었다.
초음파 28 kHz 설비에 2중 수조 등 적절한 효율 증대의 설비를 설치할 경우는 출력의 차이에 의한 초음파의 효율 차이가 작으므로 고출력 설비보다는 저출력의 설비를 이용하고 초음파 노출시간 7~10분을 유지하는 것이 효율적임을 알 수 있었다 .
이는 앞서 설명한 초기시간에서의 조류단락에 의한 조류수 증가현상이 5분 이후부터는 제거 현상이 단락현상보다 크게 나타나기 때문이다. 초음파 출력 20-30 W/L에서 노출시간을 15분 이상 유지하면 90% 이상 조류제거효율을 보였으며, 저출력 10 W/L와 고출력 30 W/L의 효율 차이가 동일한 시간대에서는 최대 23%P 내외로 비교적 적었다.
후속연구
생산단가의 증가를 야기한다. 이러한 문제점 개선을 위해 원수 유입부분에서 초음파를 이용하여 조류를 제거 및 저감시켜 정수생산을 향상시키고, 차후 정수장의 전처리용으로 초음파에 의한 정수공정 적용 방안을 제시하여 정수처리 공정을 개선함으로써, 정수장 운영의 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다.
참고문헌 (10)
Huang, J., Wang, L., Ren, N., Liu, X. L., Sun, R. F., and Yang, G., 'Disinfection effect of chlorine dioxide on viruses, algae and animal planktons in water,' Water Res., 31(3), 455-460(1997)
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