선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 실제 하수처리장 2차 처리수를 대상으로 응집 및 막여과 공정을 이용하여 전처리 후 lab scale RO unit을 운전하여 공정별 처리 수질, 전처리 및 RO 공정의 효율성과 막 특성에 따른 막오염 정도 등을 평가하고자 한다. 또한 정밀 여과(Microfiltration, MF) 및 한외 여과(Ultrafiltration, UF)를 이용한 전처리 공정을 통해 탁도를 유발할 수 있는 입자성 물질, 콜로이드, 미생물 등을 대부분 제거 및 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 공정을 통한 유기물 및 무기물, 이온성 물질 등의 제거를 실험하여 양질의 재이용 수 공급에 대한 타당성을 조사하였다.
제안 방법
- 45 um 의 공경을 가지는 47 mm disk membrane을 사용하며 30 psi에서 15분간 운전하여 측정하였다. 15분간 운전을 하는 동안 매 30초마다 유량을 기록하며 최종적으로 다음과 같은 식으로 나타내는데, Fig. 1과 같이 X축을 누적 부피(V), Y축을 유량의 역수값(1/Q)을 가지는 그래프를 그려 그 기울기로 값을 구하였다.
- 본 실험에 사용된 다양한 LPRO 막의 특성과 각각의 막에 대한 운전 전•후의 특성 변화를 알아보기 위하여 막 표면 분석을 실시하였다. Dynamic Contact Angle (Sigma 701 microbalance, KSV Instrument, Ltd., Finland), Zeta Potential (SurPass, Anton Paar, German), AFM (Atomic Force Microscope, Pucostation, German)을 이용해 막의 친- 소수성 경향, 표면전하, roughness를 비교하여 막 특성에 따른 막오염 경향 을 연구하였다.
- MFI (Modified Fouling Index)는 S이와 동일하게 0.45 um 의 공경을 가지는 47 mm disk membrane을 사용하며 30 psi에서 15분간 운전하여 측정하였다. 15분간 운전을 하는 동안 매 30초마다 유량을 기록하며 최종적으로 다음과 같은 식으로 나타내는데, Fig.
- 또한 막 공정에서 막오염에 많은 영향을 미칠 수 있는 유기물의 분석을 위하여 TOC, UV254 (DR5000, HACH)와 FEEM(Safire2, TACAN, Japan)을 이용하였다. 각 공정이 미생물에 미치는 영향을 규명하기 위해 원수와 각 공정의 처리수를 Petrifilm(Coliform Count Plate 3M)에 1 mL 씩 떨어뜨려 36℃에서 24시간 동안 배양한 후 colony의 개수를 세어 각 공정의 미생물 개체수를 확인 하였다.
- , MA), Conductivity (30/10 FT, YSI incorporated), Turbidity(2100F Turbidimeter, HACH)와 일반적인 수질 항목(COD, T-N, T-P, Color, TDS)의 분석을 실시하였으며 모든 수질 분석은 공정시험법과 Standard method(APHA, 1995)에 의거하여 수행되었다. 또한 막 공정에서 막오염에 많은 영향을 미칠 수 있는 유기물의 분석을 위하여 TOC, UV254 (DR5000, HACH)와 FEEM(Safire2, TACAN, Japan)을 이용하였다. 각 공정이 미생물에 미치는 영향을 규명하기 위해 원수와 각 공정의 처리수를 Petrifilm(Coliform Count Plate 3M)에 1 mL 씩 떨어뜨려 36℃에서 24시간 동안 배양한 후 colony의 개수를 세어 각 공정의 미생물 개체수를 확인 하였다.
- 05 um capsule filter(웅진케미컬))로 여과하였다. 또한 전처리응집 공정을 위하여 Jar test를 통해 Alum(Al2(SO4)yH2O14~18)의 최적 주입량을 결정하였다. 응집시킨 원수는 상등수를 채수하여 위와 동일한 방법으로 여과하였다.
- 본 연구에서는 실제 하수처리장 2차 처리수를 대상으로 응집 및 막여과 공정을 이용하여 전처리 후 lab scale RO unit을 운전하여 공정별 처리 수질, 전처리 및 RO 공정의 효율성과 막 특성에 따른 막오염 정도 등을 평가하고자 한다. 또한 정밀 여과(Microfiltration, MF) 및 한외 여과(Ultrafiltration, UF)를 이용한 전처리 공정을 통해 탁도를 유발할 수 있는 입자성 물질, 콜로이드, 미생물 등을 대부분 제거 및 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 공정을 통한 유기물 및 무기물, 이온성 물질 등의 제거를 실험하여 양질의 재이용 수 공급에 대한 타당성을 조사하였다.
- 각각의 공정에 의한 처리수는 SDI, MFI test를 통하여 RO 공정 적용의 적합성을 판단하였다. 막오염 지수는 auto SDI test kit (GE Osmonics, USA)과 auto SDI booster pump (GE water Tech., USA)를 사용하여 측정하였다.
- 본 실험에 사용된 다양한 LPRO 막의 특성과 각각의 막에 대한 운전 전•후의 특성 변화를 알아보기 위하여 막 표면 분석을 실시하였다. Dynamic Contact Angle (Sigma 701 microbalance, KSV Instrument, Ltd.
- 처리시설로는 전형적인 하수처리장의 형태인 침사지, 일차 침전지, 생물반응조와 이차침전지로 구성되어 있으며 T-N과 T-P의 저감을 위한 고도처리 시설(4stage BNR 공법)을 갖추고 있다. 본 연구에서는 일반적인 하수처리수에서 RO 공정에 가장 적합한 원수를 생산하기 위하여 고도처리를 거치지 않은 2차 처리수에 다양한 전처리 방법을 적용하였다
-
6.막 오염 실험
실제 RO 공정에서 일어나는 막오염의 경향을 예측하기 위하여 다양한 국내•외 제조사의 LPRO(Low pressure RO) 막을 사용하여 lab scale RO unit을 운전하였으며 응집 후에 최종적으로 0.05 um capsule filter로 여과한 하수처리수 20 L를 원수로 사용하였다
.면적이 52 cm2인 평막을 사용하였고, 초기 permeate 유량을 20 GFD(34 LMH)로, cross flow 유속은 15 cm/s로 설 정한 뒤 정압으로 운전하였다. - 원수를 크게 응집전과 후로 나누고 각 공정의 원수를 0.45 um와 0.05 um capsule filter로 처리한 후 RO 공정을 적용하였다. 각 공정의 처리수와 RO 공정의 농축수에 대해서 기본 수질 항목인 pH (Orion520+, Thermo Electron Corp.
- 면적이 52 cm2인 평막을 사용하였고, 초기 permeate 유량을 20 GFD(34 LMH)로, cross flow 유속은 15 cm/s로 설 정한 뒤 정압으로 운전하였다. 유량은 저울을 사용하여 측정하였으며 3분마다 컴퓨터에 자동으로 기록되도록 설정하고 48시간 동안 운전하였다.
- 응집시킨 원수는 상등수를 채수하여 위와 동일한 방법으로 여과하였다. 응집 후 0.05 um capsule filter로 여과된 원수를 사용하여 농축수 제조와 다양한 막을 이용한 막오염 실험을 위하여 lab scale RO unit을 사용하였다.
- 하수처리수의 재이용을 위한 막 분리 공정 실험을 위하여 경기도 B시 하수처리장의 2차 처리수를 사용하였다. B 시 하수처리장은 B시와1시의 하수를 병행 처리하고 있으며, 처리 용량은 약 80만톤/일이다.
대상 데이터
- Flux decline test를 위하여 국내외 3개사의 LPRO membrane을 사용하였다. 모든 membrane의 재질은 PA (polyamide) 재질이며 염 제거율은 A, B사의 membranee 98%, C사의 membranee 99.
- 05 um capsule filter로 여과한 하수처리수 20 L를 원수로 사용하였다.면적이 52 cm2인 평막을 사용하였고, 초기 permeate 유량을 20 GFD(34 LMH)로, cross flow 유속은 15 cm/s로 설 정한 뒤 정압으로 운전하였다. 유량은 저울을 사용하여 측정하였으며 3분마다 컴퓨터에 자동으로 기록되도록 설정하고 48시간 동안 운전하였다.
- B 시 하수처리장은 B시와1시의 하수를 병행 처리하고 있으며, 처리 용량은 약 80만톤/일이다. 처리시설로는 전형적인 하수처리장의 형태인 침사지, 일차 침전지, 생물반응조와 이차침전지로 구성되어 있으며 T-N과 T-P의 저감을 위한 고도처리 시설(4stage BNR 공법)을 갖추고 있다. 본 연구에서는 일반적인 하수처리수에서 RO 공정에 가장 적합한 원수를 생산하기 위하여 고도처리를 거치지 않은 2차 처리수에 다양한 전처리 방법을 적용하였다
데이터처리
- 각각의 공정에 의한 처리수는 SDI, MFI test를 통하여 RO 공정 적용의 적합성을 판단하였다. 막오염 지수는 auto SDI test kit (GE Osmonics, USA)과 auto SDI booster pump (GE water Tech.
이론/모형
- 05 um capsule filter로 처리한 후 RO 공정을 적용하였다. 각 공정의 처리수와 RO 공정의 농축수에 대해서 기본 수질 항목인 pH (Orion520+, Thermo Electron Corp., MA), Conductivity (30/10 FT, YSI incorporated), Turbidity(2100F Turbidimeter, HACH)와 일반적인 수질 항목(COD, T-N, T-P, Color, TDS)의 분석을 실시하였으며 모든 수질 분석은 공정시험법과 Standard method(APHA, 1995)에 의거하여 수행되었다. 또한 막 공정에서 막오염에 많은 영향을 미칠 수 있는 유기물의 분석을 위하여 TOC, UV254 (DR5000, HACH)와 FEEM(Safire2, TACAN, Japan)을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 응집 공정과 0.45, 0.05 um의 filter를 사용하여 전처리를 하였을 경우 입자성 물질(80% 이상)이나 미생물(99% 이상)은 제거되어 만족할 만한 효과를 보였지만 이온성 물질과 유기물의 제거에는 효과가 없었다. 하지만 전처리 공정을 통과한 이온성 물질과 유기물은 RO 공정에 의해 80~99%가 제거되어 공업용수로서 적합한 수질로 나타났다.
- 2) 응집제에 의해서 pH나 T-P, alkalinity는 급격히 낮아졌지만, 막 공정에서 막오염을 일으키거나 가중시킬 수 있는 TS 및 TDS는 증가하였고, S이나 MFI와 같은 막 오 염 지수도 높게 나타났다. 따라서 응집제의 종류 및 침전시간 등의 재검토 및 해석을 통해 전처리에 적합한 최적응집 조건에 대한 연구가 후속적으로 필요할 것으로 판단된다.
- 3) 원수의 특성뿐만 아니라 막 표면 특성에 의해서도 막오염 정도의 차이가 나타났다. 막오염에 가장 큰 영향을 미친 막 표면의 특성은 roughness로 나타났으며 막 표면의 rouemess가 큰 막일수록 막오염이 잘 일어났다.
- Fig. 5에서와 같이 막 표면의 roughness와 막오염 경향성을 보면 flux 감소가 가장 작은 C사 막의 표면 거칠기가 가장 낮게 나타났고, flux 감소가 가장 큰 A와 B사 막의 roughness가 높게 나타났다. 따라서 roughness가 큰 막일수록 막오염이 잘 일어날 수 있다는 것을 알 수 있었으며, 이는 roughness가 클수록 그 사이에 오염물질이 쌓여 막오 염이 잘 일어난다는 Vrijenhoek 등(2001)의 연구와 일치하였다.
- 따라서 roughness가 큰 막일수록 막오염이 잘 일어날 수 있다는 것을 알 수 있었으며, 이는 roughness가 클수록 그 사이에 오염물질이 쌓여 막오 염이 잘 일어난다는 Vrijenhoek 등(2001)의 연구와 일치하였다. Fig. 6의 AFM image를 통해서 막 표면의 roughness의 차이를 알 수 있었으며, Table 4와 Fig. 7에 나타낸 Dynamic contact angle과 zeta potential의 값을 통해서 결과가 더욱 명확하게 나타났다. 막오염이 심하게 일어난 A와 B사의 막은 막 표면에 붙은 오염물에 의해 분석 값이 크게 변한 반면 C사의 막은 막오염이 적게 일어나 막 표면 특성의 변화가 거의 나타나지 않았다.
- 각 공정의 MFI와 S이는 비슷한 경향을 나타내었다. MFI 및 SDI 값의 변화를 통한 오염물질 제거 정도를 비교해 보았을 때, 작은 공경의 filter로 여과를 할수록 막오염 지수가 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다. Table 3에 나타낸 바와 같이 원수는 MFI와 SDI5 값이 매우 크게 나왔으며 막오염이 심하여 SDI10과 SDI15값은 측정조차 불가하였다.
- 하지만 전처리를 통과한 미생물이 RO 공정에서 막 표면에 홉착되고 유기물 등 영양소가 공급이 될 경우 급격한 성장을 하며 biofilm을 형성하여 생물막오염(biofouling)을 발생시킬 수 있는 요인이 되기 때문에 전처리 과정에서 미생물의 100% 제거를 위하여 biocide 등을 이용하는 것도 고려해야 할 것이다. 결론적으로 전처리 공정과 RO 공정을 통해 하수처리수의 재이용 시 영향을 줄 수 있는 물질들은 모두 효과적으로 제거되어 공업용수 또는 중수도로서 수질이 적합한 것으로 나타났다.
- 막오염에 가장 큰 영향을 미친 막 표면의 특성은 roughness로 나타났으며 막 표면의 rouemess가 큰 막일수록 막오염이 잘 일어났다. 따라서 roughness가 커서 막 오염이 많이 일어난 막은 막표 면의 오염물질에 의해서 dynamic contact angle이나 zeta potential값이 크게 변하는 것으로 나타났다.
- 5에서와 같이 막 표면의 roughness와 막오염 경향성을 보면 flux 감소가 가장 작은 C사 막의 표면 거칠기가 가장 낮게 나타났고, flux 감소가 가장 큰 A와 B사 막의 roughness가 높게 나타났다. 따라서 roughness가 큰 막일수록 막오염이 잘 일어날 수 있다는 것을 알 수 있었으며, 이는 roughness가 클수록 그 사이에 오염물질이 쌓여 막오 염이 잘 일어난다는 Vrijenhoek 등(2001)의 연구와 일치하였다. Fig.
- 05 um를 이용한 여과와 같은 전처리 공정에 의해서는 유기물의 양과 특성이 변화되지 않는 것으로 나타났다. 따라서 위의 막오염 지수와 비교하였을 때 막오염 측정 시 사용된 MF막에 막 오염을 유발한 것은 입자성 또는 콜로이드성 물질이라는 것을 알 수 있었으며 응집이나 여과공정에서 대부분 제거되어진 것으로 생각된다. 원수에 함유된 유기물은 RO 공정에 의해서 대부분 제거가 되었는데 이러한 결과를 미루어 볼 때 유기물이 RO 공정에서 막오염을 일으키는 주된 원인으로 작용한 것을 알 수 있다.
- 원수에 함유된 유기물은 RO 공정에 의해서 대부분 제거가 되었는데 이러한 결과를 미루어 볼 때 유기물이 RO 공정에서 막오염을 일으키는 주된 원인으로 작용한 것을 알 수 있다. 또한 Fig. 4에서와 같이 동일한 원수와 운 전조건(permeate flux, cross flow)하에 lab scale RO unit을 사용하여 다양한 LPRO막을 48시간 동안 테스트한 결과 제조사별로 flux 감소량에 차이를 보였다. 이는 각 제조사 의 막표면 특성에 의해 막오염 정도의 차이가 있었기 때문으로 보이며 다음의 막 표면 분석을 통해서 원인을 규명하였다.
- Table 3에 나타낸 바와 같이 원수는 MFI와 SDI5 값이 매우 크게 나왔으며 막오염이 심하여 SDI10과 SDI15값은 측정조차 불가하였다. 또한 응집 과정에서도 오염물질들은 상당량 제거가 되는 것으로 나타났지만, 응집전후의 막오염 지수를 비교해보면 원수의 특성과는 반대로 응집을 하지 않고 0.45또는 0.05 um filter로 여과하였을 경우 응집을 한 경우보다 매우 작은 막 오염지수 값을 나타냈다. 이는 응집전 0.
- 3) 원수의 특성뿐만 아니라 막 표면 특성에 의해서도 막오염 정도의 차이가 나타났다. 막오염에 가장 큰 영향을 미친 막 표면의 특성은 roughness로 나타났으며 막 표면의 rouemess가 큰 막일수록 막오염이 잘 일어났다. 따라서 roughness가 커서 막 오염이 많이 일어난 막은 막표 면의 오염물질에 의해서 dynamic contact angle이나 zeta potential값이 크게 변하는 것으로 나타났다.
- 7에 나타낸 Dynamic contact angle과 zeta potential의 값을 통해서 결과가 더욱 명확하게 나타났다. 막오염이 심하게 일어난 A와 B사의 막은 막 표면에 붙은 오염물에 의해 분석 값이 크게 변한 반면 C사의 막은 막오염이 적게 일어나 막 표면 특성의 변화가 거의 나타나지 않았다. 즉, 막오염이 일어날 경우 오염물질이 막 표면을 덮으면서 음전 하를 나타내는 zeta potential 의 값이 감소한 것으로 생각되며 막오염을 증가시키는 주된 물질이 소수성을 띠는 유기물이었기 때문에 contact angle 값이 증가된 것으로 생각된다.
- 05 um의 fliter를 사용해 전처리를 하여도 제거되지 않아 그 값이 크게 변하지 않는 것으로 나타났다. 미생물의 양을 측정한 실험의 결과 0.45 um와 0.05 um filter를 이용한 전처리에 의해 미생물이 대부분 제거되는 것을 확인하였다. 하지만 전처리를 통과한 미생물이 RO 공정에서 막 표면에 홉착되고 유기물 등 영양소가 공급이 될 경우 급격한 성장을 하며 biofilm을 형성하여 생물막오염(biofouling)을 발생시킬 수 있는 요인이 되기 때문에 전처리 과정에서 미생물의 100% 제거를 위하여 biocide 등을 이용하는 것도 고려해야 할 것이다.
- 이는 여과 과정을 거치며 filter의 공경보다 크기가 큰 물질에 대해서만 선택적으로 제거가 되었기 때문이다. 응집을 하였을 경우는 응집제에 의해서 pH나 T-P, alkalinity와 같은 항목이 급격하게 낮아졌지만 반대로 막 오염을 유발하거나 증가시키는 요인인 turbidity와 TS, TDS 값은 증가하였다. 대부분의 유기물질 및 이온성 물질 등은 응집이나 0.
- 05 um 이하의 미세한 오염물질들이 응집제의 영향으로 막에 대한 흡착력이 강해졌기 때문으로 판단된다. 이 두 가지 경우 모두 일반적으로 RO 공정의 적용에 적절한 막오염지수의 범위(SDI value 4 이하)보다 다소 높게 나타났다.
후속연구
- 이는 각 제조사 의 막표면 특성에 의해 막오염 정도의 차이가 있었기 때문으로 보이며 다음의 막 표면 분석을 통해서 원인을 규명하였다. RO 공정에서 유기물에 의한 막오염 저감을 위해서는 전처리 과정에서 본 연구에서 사용된 0.05 μm의 filter보다 더욱 공경이 작은 UF를 사용하거나 기타 유기물 제거에 효과적인 전처리 공정을 적용해야 할 것으로 보인다.
- 2) 응집제에 의해서 pH나 T-P, alkalinity는 급격히 낮아졌지만, 막 공정에서 막오염을 일으키거나 가중시킬 수 있는 TS 및 TDS는 증가하였고, S이나 MFI와 같은 막 오 염 지수도 높게 나타났다. 따라서 응집제의 종류 및 침전시간 등의 재검토 및 해석을 통해 전처리에 적합한 최적응집 조건에 대한 연구가 후속적으로 필요할 것으로 판단된다.
- 05 um filter를 이용한 전처리에 의해 미생물이 대부분 제거되는 것을 확인하였다. 하지만 전처리를 통과한 미생물이 RO 공정에서 막 표면에 홉착되고 유기물 등 영양소가 공급이 될 경우 급격한 성장을 하며 biofilm을 형성하여 생물막오염(biofouling)을 발생시킬 수 있는 요인이 되기 때문에 전처리 과정에서 미생물의 100% 제거를 위하여 biocide 등을 이용하는 것도 고려해야 할 것이다. 결론적으로 전처리 공정과 RO 공정을 통해 하수처리수의 재이용 시 영향을 줄 수 있는 물질들은 모두 효과적으로 제거되어 공업용수 또는 중수도로서 수질이 적합한 것으로 나타났다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.