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문제 정의
- 그러나 막여과 시 가장 문제가 되는 막 파울링에 대한 대응 방안으로 응집-막여과 공정만으로는 막 파울링에 관한 제어가 충분히 이루어지지 않는다. 따라서 본 연구에서 유기물의 산화 및 응집 공정 효율을 향상시키는 오존산화법을 추가하여 하수처리수에 대한 막여과 공정 시 막파울링을 충분히 제어하고 안정적인 공정 운영을 유도하는 방안을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 실험실 규모의 오존-응집-막여과 공정을 구성하여 기존 막 단독 공정 및 응집-막여과 공정과의 비교를 통해 공정의 효율을 평가하고, 오존-응집-막여과 공정의 막파울링 물질의 제거 기작을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 오존 산화, 응집침전, 오존-응집 전처리에 따른 수질 변화와 막여과 저항을 평가하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 진행된 실험 조건은 전처리를 거치지 않은 원수와 오존만 전처리한 실험수, 응집만 전처리한 실험수, 오존 및 응집 모두 전처리한 실험수이다. 4가지 경우의 원수를 두고 수질의 변화를 알아보았다. Fig.
- 5)℃였다. Jar-tester를 이용하여 응집한 실험수는 약 4시간의 침전시간을 가진 후 막 여과 실험을 하였다.
- 5(b)와 같이 TN과 TP의 경우 제거가 거의 되지 않았다. TP의 경우는 낮은 응집제량으로 제거가 미미하였으므로, 추후 연구에서 응집제량의 조절로 인한 추가적인 제거 효율을 분석하였다.
- 각각의 전처리를 거친 실험수에 대해 막여과 공정을 거친 후의 여과저항을 평가해보았다. Fig.
- 각각의 전처리를 거친 실험수의 막여과수에 대한 수질을 평가하였다. Fig.
- 또한 오존 접촉 후 응집 공정에서 잔류오존에 의한 응집 플록의 산화가 일어날 수 있다. 따라서 오존 주입량에 따른 잔류오존 농도를 측정하였다. Table.
- 사용된 기기는 Shimadzu사의 TOC-V CPH 모델을 사용하였다. 또한, 불포화 결합들을 가진 유기물들은 정수처리공정 중 소독 공정에서 발생되는 유해한 소독부산물(disinfection by-products; DBP)의 전구체로서의 역할을 하며 문제를 일으키기 때문에 입자성 물질을 측정하였다. 입자성 물질의 측정기기는 CE 4004 Cecill instrument, USA를 사용하였다.
- 입자성 물질의 측정기기는 CE 4004 Cecill instrument, USA를 사용하였다. 막오염은 입자의 크기에 의해 영향을 받기 때문에 수중 입자의 크기를 측정하였다. 사용된 기기는 Pamas사의 SBSS-C 모델을 사용하였다.
- 본 연구에서 진행된 실험 조건은 전처리를 거치지 않은 원수와 오존만 전처리한 실험수, 응집만 전처리한 실험수, 오존 및 응집 모두 전처리한 실험수이다. 4가지 경우의 원수를 두고 수질의 변화를 알아보았다.
- 본 연구에서는 총유기탄소(TOC), UV-254, Particle size를 주요분석항목으로 한다. TOC는 수중에 존재하는 총유기탄소를 의미하는데 이는 수중 NOM을 정량하는 가장 보편적으로 사용하는 분석법이다.
- 이 때 측정한 압력 P는 막으로 유입되는 곳의 압력으로, 막으로 통과한 투과수의 압력이 0(대기압 제외)이기 때문에, 막간차압 ∆P와 동일하다. 실험수를 이용해 실험을 수행하기 전 막 자체의 저항을 최소화하여 안정적인 투과 플럭스를 얻기 위하여 막을 장착한 교반여과장치를 통해 2시간 이상 순수를 통과시켜 주었다.
- 오존을 접촉시킨 처리수를 용존오존을 배제하기 위해 약 4시간을 정치시킨 후 응집을 수행 후 응집 침전 실험을 하였다.
- 이때의 막저항을 막 전체저항 Rt로 보고 막 투과성능에 영향을 미치는 각 여과저항의 분포를 알아보기 위하여 세정단계마다 flux를 측정하였다. 우선 운전이 끝난 막의 flux를 증류수를 이용해 측정하고, 스폰지를 이용한 세정을 한 후의 flux를 측정한다. 스폰지를 이용한 세정 후의 flux를 파울링 저항 Rf로 보고 케이크에 의한 저항은 전체저항에서 파울링 저항Rf와 막 자체 저항 Rc를 뺀 것으로 하였다.
- 유량은 디지털 저울을 이용하여 질량으로 측정하였고, 압력은 pressure transmitter를 이용하여 디지털로 모니터링이 가능하도록 하였으며, 각 압력은 ±0.2kPa를 유지하였다.
- 응집은 Jar-tester를 이용해서 2L 반응조에 원수를 넣은 뒤 응집제인 폴리염화알루미늄 17%으로 희석하여 2ppm으로 응집하였다. 교반강도와 교반시간은 200rpm에서 30초, 30rpm에서 30분 동안 응집을 수행하였으며, 용액의 온도는 20 (±0.
- 막여과 실험 시 일정한 TMP(transmembrane Pressure) 상태에서 flux 감소가 이루어지고 일정한 flux를 유지할 때를 한계사용으로 본다. 이때의 막저항을 막 전체저항 Rt로 보고 막 투과성능에 영향을 미치는 각 여과저항의 분포를 알아보기 위하여 세정단계마다 flux를 측정하였다. 우선 운전이 끝난 막의 flux를 증류수를 이용해 측정하고, 스폰지를 이용한 세정을 한 후의 flux를 측정한다.
- 초순수 O2를 이용하는 오존발생기를 이용하여, 노즐을 통해 나오는 오존을 산기관을 통해 분사 주입하였다. 오존 접촉조는 2L의 크기이다.
대상 데이터
- 4mg/L를 거의 만족하였다. 따라서 본 실험에 사용된 응집제량은 PAC 4mg/L이다.
- 1에 나타내었다. 막은 PVDF (polyvinylidene fluoride) 재질의 MF막을 사용하였다. 막의 공극은 0.
- 본 연구에 사용된 원수는 서울의 J 물재생센터의 1,2 처리장 2차침전조의 유출수이며 적용된 생물학적 처리 공정으로는 A2/O 공정이 적용되었다.
- 실험에 사용된 서울시 J 물재생센터 1,2처리장 2차 침전지 유출수의 수질은 다음과 같다.
이론/모형
- 그 외의 분석항목은 CODcr, BOD, TP, TN, TSS, VSS 등을 분석하였으며, CODcr, BOD, TP, TN, TSS, VSS는 공정시험법과 Standard Methods에 준하여 분석하였다.
- 막오염은 입자의 크기에 의해 영향을 받기 때문에 수중 입자의 크기를 측정하였다. 사용된 기기는 Pamas사의 SBSS-C 모델을 사용하였다.
- TOC는 수중에 존재하는 총유기탄소를 의미하는데 이는 수중 NOM을 정량하는 가장 보편적으로 사용하는 분석법이다. 사용된 기기는 Shimadzu사의 TOC-V CPH 모델을 사용하였다. 또한, 불포화 결합들을 가진 유기물들은 정수처리공정 중 소독 공정에서 발생되는 유해한 소독부산물(disinfection by-products; DBP)의 전구체로서의 역할을 하며 문제를 일으키기 때문에 입자성 물질을 측정하였다.
성능/효과
- Fig. 2(a)와 같이 각각의 전처리에 따른 유기물의 변화를 보면 CODcr과 같은 경우 오존-응집 전처리 과정이 17.4mg/L에서 9.3mg/L로 약 44.3%의 가장 큰 제거율을 보였다. 단독 전처리로는 오존이 39.
- Fig. 5(a)와 같이 전처리 순서에 따라 원수, 응집, 오존, 오존-응집의 처리 수질은 CODcr 경우 17.4mg/L에서 9mg/L, 11.5mg/L, 10.1mg/L, 8.4mg/L로, BOD 경우 0.97mg/L에서 0.33mg/L, 0.05mg/L,0.88mg/L, 1.53mg/L로, TOC 경우 4.7mg/L에서 4.5mg/L, 4.8mg/L, 4.9mg/L, 4.1mg/L로 감소하였다. 오존-응집 공정의 여과수가 약50%의 제거를 보였다.
- Fig. 6(a) 및 6(b)와 같이 각각의 막여과수에 대해 입자크기를 측정한 결과 오존-응집-MF막 처리가 모든 범위에서 가장 낮은 값을 보였다. 5㎛이하 입자에서는 오존보다는 응집 전처리가 높은 효율을 나타냈는데 이는 응집에 의해서 미세입자가 제거 된 것으로 판단된다.
- - 다양한 전처리에 따른 수질 분석 결과, 유기물의 제거 효율은 오존-응집 전처리가 17.4mg/L에서 9.3mg/L로 약 44.3%제거율로 가장 높았다.
- - 막여과 저항을 분석한 결과 막 전체 저항 값인 Rt가 응집 전처리 실험수가 가장 높았고, 파울링 저항 값인 Rf 또한 가장 높았다. 이는 응집을 거친 실험수는 미세플록에 의한 막 파울링이 증가 하는 것으로 예상된다.
- 이는 원수나 응집 단독 전처리에 비해 증가된 농도이다. TOC를 보면 오존 단독 공정에서 BOD의 경우와 비슷한 것으로 오존-응집 전처리에서 가장 낮은 4.14mg/L의 농도를 보였다. 이는 오존에 의한 유기물의 분해로 인해 불안정한 전하를 띄게 되고, 이에 응집제 투입으로 인한 높은 효율의 응집 효과를 보였다고 판단된다.
- 3%의 가장 큰 제거율을 보였다. 단독 전처리로는 오존이 39.5%, 응집이 32.9%의 CODcr 제거율을 보였다. BOD의 경우 원수는 0.
- 55E-03 값으로 가장 높게 나타났다. 또한 세척을 거친 후 측정한 막 파울링 저항 값 또한 가장 높게 나타났다. 이는 응집을 거친 실험수는 미세플록에 의한 막파울링이 증가하는 것으로 예상된다.
- - 전처리를 거친 실험수에 대한 막여과 플럭스를 비교한 결과, 실험시작 30분후 오존-응집 전처리공정이 가장 높은 플럭스를 유지하였다. 또한 오존 전처리 후 막여과 시 초기 높은 플럭스를 유지할 수 있었지만 공정의 중반이후 급격한 플럭스의 감소를 초래하는 것으로 나타났다.
- 오존을 거친 실험수의 전체 저항 값은 오존-응집을 거친 실험수와 비슷하지만 막 파울링 저항값과 상당량 차이가 났다. 이는 오존에 의해 산화된 유기물들이 막에 흡착이 되어 막 파울링으로 나타난 것으로 판단된다.
- 이상의 결과로 전처리에 따른 공정 평가를 하였을 시 오존-응집-막여과 공정이 막에 대한 가장 적은 파울링 및 높은 플럭스를 유지할 수 있고, T-P의 저감이 이루어져 막여과시 전처리로서 오존 -응집 전처리가 적합한 것으로 판단된다. 처리수질 또한 가장 낮은 농도로 하수처리시설 방류수질을 충분히 만족하는 것으로 보였다.
- 이상의 결과로 전처리에 따른 공정 평가를 하였을 시 오존-응집-막여과 공정이 막에 대한 가장 적은 파울링 및 높은 플럭스를 유지할 수 있고, T-P의 저감이 이루어져 막여과시 전처리로서 오존 -응집 전처리가 적합한 것으로 판단된다. 처리수질 또한 가장 낮은 농도로 하수처리시설 방류수질을 충분히 만족하는 것으로 보였다.
후속연구
- 5천만톤(연간 약55억톤)에(환경부, 2008) 해당하는 하수처리수가 발생하고 재처리하여 각종 용수로 다시 사용할 수 있다. 더구나 앞으로 2차 처리기술의 향상과 고도처리의 실시로 처리수의 수질이 향상될 것을 감안하면 하수처리수는 그 자체가 훌륭하고 경제적인 수자원으로서 이를 유효하고 적절하게 이용함으로써 새로운 수자원 개발을 최소한 줄일 수 있고 다가오는 물부족 현상에 대처할 수 있는 계기가 될 수 있다.(김영란, 1999)
- 본 실험의 결과로 오존-응집-막여과 공정을 도입한다면 일반적인 여과공정이 없이 방류수질 확보와 물의 재이용을 위한 RO막여과 공정에서 전처리가 없는 원수로서 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 이를 유효하고 적절하게 이용하면 새로운 수자원 개발을 최소화 하고 다가오는 물부족 현상에 대처할 수 있는 계기가 될 수 있다고 판단된다.
- 본 실험의 결과로 오존-응집-막여과 공정을 도입한다면 일반적인 여과공정이 없이 방류수질 확보와 물의 재이용을 위한 RO막여과 공정에서 전처리가 없는 원수로서 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 이를 유효하고 적절하게 이용하면 새로운 수자원 개발을 최소화 하고 다가오는 물부족 현상에 대처할 수 있는 계기가 될 수 있다고 판단된다.
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