나선형 부유 고분자 여재의 Coalescence 특성을 이용한 비점오염원 저감시설의 유수분리특성 연구 A Study on the Characteristics of Oil-water Separation in Non-point Source Control Facility by Coalescence Mechanism of Spiral Buoyant Media원문보기
본 연구에서 개발한 시스템은 기존에 사용되던 유수분리기를 유류가 혼입되어 발생하는 도로, 교량 등의 도시 불투수면 비점 오염저감장치로 업그레이드한 것으로서 유적입자가 coalescence 원리에 의하여 고밀도 고분자폴리에틸렌 소재를 사용하여 제작된 메디아의 표면과 공간 사이를 타고 이동하면서 합체되어 유적의 크기가 증가한 후 부상하여 제거되는 기전과 SS 성분의 고형물이 침전에 의해 제거되는 원리를 이용한 도시 비점오염저감시설이다. 따라서 본 연구에서는 coalescence 기전을 통해 유수분리가 일어나는 나선형 고분자 여재의 유수분리 특성을 image analysis를 통해 규명하였으며 또한 도로노면 먼지와 폐엔진오일을 이용하여 비점오염원 저감시설에 유입되는 폐수를 모사하여 비점오염원 저감시설의 유수분리 성능을 실험하였다. 연구에 사용된 여재는 부정형의 투명한 나선형 구조를 갖고 있으며, SEM 사진 및 BET 측정 결과 매끄러운 표면 특성을 나타내고 있다. 직접 측정 방법으로 여재의 표면적을 측정한 결과, 여재 1립당 표면적은 1,428 $mm^2$으로 나타났으며, 단위당 중량은 45.3 $kg/m^3$으로 조사되었다. 또한 폐수 내 기름 입자의 액적크기를 현미경으로 촬영하여 이미지 분석을 수행한 결과, 메디아를 통한 폐수내 기름성분의 제거가 coalescence에 의해 일어나고 있음을 증명하였다. 마지막으로 나선형 부유 메디아를 적용한 비점오염저감시설의 성능평가 결과, 유량에 따라서 부유성 고형물은 $86.6\sim95.2%$, $COD_{Cr}$, $87.3\sim95.4%$, n-Hexane 추출물 $71.8\sim94.8%$의 제거효율을 나타내어 본 장치의 처리성능은 기존의 비점오염원 저감시설의 처리대상물질인 유기물과 부유물질 뿐만 아니라 유류의 제거에도 효과적인 것으로 평가되었다.
본 연구에서 개발한 시스템은 기존에 사용되던 유수분리기를 유류가 혼입되어 발생하는 도로, 교량 등의 도시 불투수면 비점 오염저감장치로 업그레이드한 것으로서 유적입자가 coalescence 원리에 의하여 고밀도 고분자 폴리에틸렌 소재를 사용하여 제작된 메디아의 표면과 공간 사이를 타고 이동하면서 합체되어 유적의 크기가 증가한 후 부상하여 제거되는 기전과 SS 성분의 고형물이 침전에 의해 제거되는 원리를 이용한 도시 비점오염저감시설이다. 따라서 본 연구에서는 coalescence 기전을 통해 유수분리가 일어나는 나선형 고분자 여재의 유수분리 특성을 image analysis를 통해 규명하였으며 또한 도로노면 먼지와 폐엔진오일을 이용하여 비점오염원 저감시설에 유입되는 폐수를 모사하여 비점오염원 저감시설의 유수분리 성능을 실험하였다. 연구에 사용된 여재는 부정형의 투명한 나선형 구조를 갖고 있으며, SEM 사진 및 BET 측정 결과 매끄러운 표면 특성을 나타내고 있다. 직접 측정 방법으로 여재의 표면적을 측정한 결과, 여재 1립당 표면적은 1,428 $mm^2$으로 나타났으며, 단위당 중량은 45.3 $kg/m^3$으로 조사되었다. 또한 폐수 내 기름 입자의 액적크기를 현미경으로 촬영하여 이미지 분석을 수행한 결과, 메디아를 통한 폐수내 기름성분의 제거가 coalescence에 의해 일어나고 있음을 증명하였다. 마지막으로 나선형 부유 메디아를 적용한 비점오염저감시설의 성능평가 결과, 유량에 따라서 부유성 고형물은 $86.6\sim95.2%$, $COD_{Cr}$, $87.3\sim95.4%$, n-Hexane 추출물 $71.8\sim94.8%$의 제거효율을 나타내어 본 장치의 처리성능은 기존의 비점오염원 저감시설의 처리대상물질인 유기물과 부유물질 뿐만 아니라 유류의 제거에도 효과적인 것으로 평가되었다.
Non-point source control system which had been designed only for oil-water separation in the fields of oil refinery and garage was upgraded in this research for the removal of runoff pollutants in impervious urban area. Pollutants including oil from driveway and bridge were eliminated by two types o...
Non-point source control system which had been designed only for oil-water separation in the fields of oil refinery and garage was upgraded in this research for the removal of runoff pollutants in impervious urban area. Pollutants including oil from driveway and bridge were eliminated by two types of pathway in the system. One is the coalescence mechanism that the oil droplets in the runoff come into contact with each other in the spiral buoyant media surface and form larger coalesced droplets of oil that are carried upstream to the oil layer. The other is the precipitation that solids in runoff were settled by gravity in the system. In this research, coalescing characteristics of oil and water separation were investigated through image analyses, and efficiencies of the non-point source control system were evaluated using dust in driveway and waste engine oil. Media made of high density and high molecular weight polyethylene was indeterminate helical shape and had sleek surface by analysing SEM photographs and BET. Surface area and specific gravity of media which were measured directly were 1,428 $mm^2$ and 45.3 $kg/m^3$ respectively. From the image analyses of the oil droplets photographs which were taken by using microscope, it was proved clearly that the coalescence was the main pathway in the removal of oil from the runoff. Finally, the performances of the non-point source control system filled up with the media were suspended solid $86.6\sim95.2%$, $COD_{Cr}$, $87.3\sim95.4%$, n-Hexane extractable materials $71.8\sim94.8%$ respectively.
Non-point source control system which had been designed only for oil-water separation in the fields of oil refinery and garage was upgraded in this research for the removal of runoff pollutants in impervious urban area. Pollutants including oil from driveway and bridge were eliminated by two types of pathway in the system. One is the coalescence mechanism that the oil droplets in the runoff come into contact with each other in the spiral buoyant media surface and form larger coalesced droplets of oil that are carried upstream to the oil layer. The other is the precipitation that solids in runoff were settled by gravity in the system. In this research, coalescing characteristics of oil and water separation were investigated through image analyses, and efficiencies of the non-point source control system were evaluated using dust in driveway and waste engine oil. Media made of high density and high molecular weight polyethylene was indeterminate helical shape and had sleek surface by analysing SEM photographs and BET. Surface area and specific gravity of media which were measured directly were 1,428 $mm^2$ and 45.3 $kg/m^3$ respectively. From the image analyses of the oil droplets photographs which were taken by using microscope, it was proved clearly that the coalescence was the main pathway in the removal of oil from the runoff. Finally, the performances of the non-point source control system filled up with the media were suspended solid $86.6\sim95.2%$, $COD_{Cr}$, $87.3\sim95.4%$, n-Hexane extractable materials $71.8\sim94.8%$ respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 강우유출수내 비점오염원을 제거하기 위하여 Fig. 1과 같은 실험장치를 이용하여 유류 및 먼지 등의 고형물이 포함된 인공 도로노면 유출수의 처리성능을 평가하였다. 장치는 오염과 부식을 방지하기 위해 약 L2 m3 용적의 스텐레스 스틸로 제작되었으며, 유입부에 분배판을 두어 폐수의 short-circuiting을 방지하고 폐수 내 함유되어 있는 고형물질의 침전을 유도한 후, 첫 번째 여재층인 silt chamber에서 SS 성분을 침전에 의해 제거하고 두 번째 여재층에서 coalescence를 유도하여 폐수 내 포함되어 있는 기름을 제거한 후 기름층 하부의 처리수를 배출하도록 한 시스템이며, 반응기 위에 부상되어 분리된 기름은 정기적으로 제거하였다.
본 연구에서는 나선형의 부유성 여재의 coalescence에 의한오일제거 기전을 규명하며 전술한 시스템의 처리성능을 시험 하여 도시 비 점 오염 저 감시 설의 성 능을 평 가하였다.
제안 방법
Polyethylene 소재의 나선형 고분자 여재의 유수분리를 coa lescence 기전에 의한 것으로 보고 이를 규명하기 위해서 별도의 반응기를 제작하여 폐엔진오일을 이용한 유류폐수를 조제하여 반응기에 유입시키며 유입폐수와 여재층 통과 후의 시료 그리고 최종 유출수를 각각 채취하여 오일입자의 크기와 분포를 조사하였다. 오일입자의 크기와 분포는 광학현미경(Axios kop 2 plus, Zeiss)을 이용하여 촬영한 사진을 대표적 image analysis 프로그램인 Image-Pro Plus system(Media cybernetics company)을 이용하여 분석하였으며 입자를 계수하였다.
9 mg/L의 농도 범위를 나타내었다. 그리고 체류 시간별 성능을 파악하기 위하여 유입유량을 0.1 〜0.9 m3/h(5 min〜 45 min)로 조절하면서 유수분리 및 고형물 분리 성능실험을 수행하여 n-Hexane 추출물, SS, COD&에 대한 처리성능을 분석한 결과는 Fig. 4와 같다.
6T)유류가포함된 폐수로부터 기름은 Stoke's Law에 따른 속도로 제거되며, 기름 입자의 부상 혹은 침전 속도는 기름입자 크기와 입자 간의 간격에 따라 예측 가능하다. 본 연구에서 제안한 시스템은 기존에 사용되던 유수분리기를 유류가 혼입되어 발생하는 도로, 교량 등의 도시 불투수면 비점오염저감장치로 업그레이드한 것으로서 유적입자가 coalescence 원리에 의하여 고밀도 고분자 폴리에틸렌 소재를 사용하여 제작된 메디아의 표면과 공간 사이를 타고 이동하면서 합체되어 유적의 크기가 증가한 후 부상하여 제거되는 기전과 SS 성분의 고형물이 침전에 의해 제거되는 원리를 이용한 도시 비점 오염 저 감시 설 이 다.
본 연구에서는 coalescence 기전을 통해 유수분리가 일어나는 나선형 고분자 여재의 특성을 image analysis를 통해 규명하였으며, 도로노면 먼지와 폐엔진오일을 이용하여 비점오염원 저감시설에 유입되는 폐수를 모사하여 비점오염원 저감 시설의 유수분리 성능을 실험하였다.
여재의 표면 특성 파악을 위하여 BET 측정과 직접 측정 방법을 통하여 표면적을 측정하였으며 SEM으로 여재의 표면 사진을 촬영하였다. 여재의 표면적은 단위당 표면적을 규정하기 위하여 W 100 mm X L 100 mm x H 100 mm의 20개의 시료군(단위 군당 시료의 중량은 45.
사진을 촬영하였다. 여재의 표면적은 단위당 표면적을 규정하기 위하여 W 100 mm X L 100 mm x H 100 mm의 20개의 시료군(단위 군당 시료의 중량은 45.3 g)을 조성하여 측정하였다. 각 시료군에서 임의의 여재 105개를 취하여 폭과 길이를 실제 측정한 값을 원 데이터로 하여 Mathematica 5.
1과 같은 실험장치를 이용하여 유류 및 먼지 등의 고형물이 포함된 인공 도로노면 유출수의 처리성능을 평가하였다. 장치는 오염과 부식을 방지하기 위해 약 L2 m3 용적의 스텐레스 스틸로 제작되었으며, 유입부에 분배판을 두어 폐수의 short-circuiting을 방지하고 폐수 내 함유되어 있는 고형물질의 침전을 유도한 후, 첫 번째 여재층인 silt chamber에서 SS 성분을 침전에 의해 제거하고 두 번째 여재층에서 coalescence를 유도하여 폐수 내 포함되어 있는 기름을 제거한 후 기름층 하부의 처리수를 배출하도록 한 시스템이며, 반응기 위에 부상되어 분리된 기름은 정기적으로 제거하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 폐수는 자동차 폐엔진오일과 도로 노면에서 수거한 먼지(수거된 먼지는 200 pm 입도의 채로 채거름하여 200 pm 이하의 먼지를 24시간 건조기에서 건조하여 제조)를 수돗물에 혼합하여 제조하였다. 제조된 인공폐수는 mas terflex pump를 이용하여 체류시간(5~60분)을 변화시키며 반응기로 유입하였다.
실험에 사용된 폐수의 유입수질은 부유성 고형물 1, 082〜 1, 530 m임L CODcr 425〜504 mg/L, n-Hexane 추출물 81.5 工 102.9 mg/L의 농도 범위를 나타내었다. 그리고 체류 시간별 성능을 파악하기 위하여 유입유량을 0.
데이터처리
3 g)을 조성하여 측정하였다. 각 시료군에서 임의의 여재 105개를 취하여 폭과 길이를 실제 측정한 값을 원 데이터로 하여 Mathematica 5.1 프로그램을 이용하여 시료군의 단위 부피당 중량 및 표면적을 환산하였다. 여재는 첨가물이 없는 고밀도 고분자 polyethylene 소재로 제작되었으며 여재의 물리 화학적 특성은 Table 1과 같다.
분포를 조사하였다. 오일입자의 크기와 분포는 광학현미경(Axios kop 2 plus, Zeiss)을 이용하여 촬영한 사진을 대표적 image analysis 프로그램인 Image-Pro Plus system(Media cybernetics company)을 이용하여 분석하였으며 입자를 계수하였다.
이론/모형
제조된 인공폐수는 mas terflex pump를 이용하여 체류시간(5~60분)을 변화시키며 반응기로 유입하였다. 본 장치의 성능실험은 2006년 10월부터 2007년 2월까지 평균 주2회 수행되었으며 유입부와 유출 부에서 채취한 시료는 n-Hexane 추출물질, CODCr, SS를 수질오염 공정시험법"과 Standard Methods'”에 따라 분석하였다.
성능/효과
'여재의 표면특성을 파악하기 위하여 SEM 사진을 촬영한 결과는 Fig. 2의 (b), (c)와 같이 매끄러운 표면 특성을 나타내고 있으며, 표면적 계산을 위해 BET 측정장치를 이용하여 여재의 비표면적을 측정한 결과, SEM 사진에서 본 것과 같이 여재의 표면에 공극이 존재하지 않고 매끄러운 재질로 제작되어 측정 불가능 한 것으로 나타났다. 직접 측정의 방법으로 여재의 표면적을 측정한 결과는 여재 1립당 표면적은 1, 428 mm?로 나타났으며, 이를 단위 부피당 면적으로 환산하면 711 m2/m3, 단위 밀도는 45.
1)본 연구에 사용된 여재는 부정형의 투명한 나선형 구조를 갖고 있으며, SEM 사진 및 BET 측정 결과 매끄러운 표면 특성을 나타내고 있다. 직접 측정 방법으로 여재의 표면적을 측정한 결과, 여재 1립당 표면적은 1, 428 mn?으로 나타났으며, 단위당 증량은 45.
2) 폐수 내 기름 입자의 액적크기를 현미경으로 촬영하여 이미지 분석을 수행한 결과, 메디아를 통한 폐수 내 기름 성분의 제거가 coalescence에 의해 일어나고 있음을 증명하였다.
3) 나선형 부유 메디아를 적용한 비점오염저감시설의 성능평가 결과, 유량에 따라서 부유성 고형물은 86.6-95.2%, CODcr 87.3-95.4%, n-Hexane 추출물 71.8~94.8%의 제거효율을 나타내어 본 장치의 처리성능은 기존의 비점오염원 저감 시설의 처리 대상물질인 유기물과 부유물질뿐만 아니라 유류의 제거에도 효과적인 것으로 평가되었다.
결론적으로 coalescence 기전을 이용한 나선형 부유 고분자 여재가 충전된 본 장치의 처리성능은 기존의 비점오염원 저감 시설의 처리대상물질인 유기물과 부유물질 뿐만 아니라 유류의 제거에도 효과적인 것으로 평가되었다.”) 또한 본 시설의 운전 결과, 유류와 고형물 및 CODcr의 제 거 효율을 고려하였을 때 유입유량 0.
3(c)). 이는 전술한 바와 같이 메디아를 통한 폐수 내 기름 성분의 제거가 coalescence에 의해 일어나고 있음을 증명하였으며, 본 연구에서 사용된 메디아의 경우 효과적인 유류 제거 성능을 보이는 것으로 사료된다.
전반적으로 전체 평가항목에서 유입 유량의 증가에 따라 처리효율이 감소하는 경향을 보이면서 유줄수 내 부유성 고형물 52.3~ 194.8 mg/L, CODCr 19.4 — 58.5 mg/L, n-Hexane 추출물 4.7~26.2 mg/L의 농도 범위롤 나타내었다. 즉, 유량에 따라서 부유성 고형물은 86.
3(b)). 즉, 메디아 충전부를 통과한 폐수 내에 포함된 기름입자 증 150-200 nm 범위의 입자들의 분피분율이 증가한 것으로 분석되었다. 최종적으로 유출수 내의 기름입자는 부상되어 물과 분리되어 최종 배출수내의 기름 액적의 수가 크게 감소하고 있으며 유출수내 잔존한 액적의 크기도 10 gm 이하의 미세입자들인 것으로 나타났다(Fig.
2 mg/L의 농도 범위롤 나타내었다. 즉, 유량에 따라서 부유성 고형물은 86.6-95.2%, CODcr 87.3 ~95.4%, n-Hexane 추출물 71.8 ~94.8%의 제거효율을 나타내어 유량증가 시 부유성 고형물이나 CODcr보다 n-Hexane 추출물의 제거 효율이 더 크게 영향을 받는 것으로 사료되었다.
즉, 메디아 충전부를 통과한 폐수 내에 포함된 기름입자 증 150-200 nm 범위의 입자들의 분피분율이 증가한 것으로 분석되었다. 최종적으로 유출수 내의 기름입자는 부상되어 물과 분리되어 최종 배출수내의 기름 액적의 수가 크게 감소하고 있으며 유출수내 잔존한 액적의 크기도 10 gm 이하의 미세입자들인 것으로 나타났다(Fig. 3(c)).
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