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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 하수처리수를 재이용하기 위한 막 여과 공정에서 오염된 막의 특성을 파악하여 막오염 물질을 규명하고, 막오염 제어를 위하여 주기적인 약품역세를 실시하여 막오염 저감효과를 평가하였다. 또한 약품 역세 농도, 역세 주기, 정치 시간 등의 조건 변화에 따른 투과능 회복을 비교하여 그 차이를 평가하고자 하였다.
- 막오염 저감효과를 평가하였다. 또한 약품 역세 농도, 역세 주기, 정치 시간 등의 조건 변화에 따른 투과능 회복을 비교하여 그 차이를 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 하수재이용 막여과 공정의 막오염 특성을 평가하였고, 막오염 제어를 위한 주기적인 약품역세를 실시하여 약품역세에 의한 막오염 저감효과를 평가하였다.
제안 방법
- 그 사양은 Table 1에 정리하였다. 약품역세를 적용하는 운전에서는 저농도이지만 약품과 자주 접촉하는 것을 고려하여 내화학성이 우수한 PTFE 재질의 분리막을 사용하였다.
- 여과 장치는 회전수 및 방향을 제어할 수 있는 연동펌프 (Peristaltic pump, Cole-Parmer, USA)와 흡입압력을 측정할 수 있는 압력계로 구성되었다. 공급수조에 설치된 수위센서와 2차 침전지 저류조 내에 침지되어 있는 공급수 공급펌프를 연결하여 수위변동에 따라 자동적으로 하수처리장 내의 2차 침전 지상등수가 공급수조로 공급되도록 하였다. 평판형 막이 침지 되어 있는 침지조에는 플롯 밸브를 설치하여 공급수의 공급량을 조절하였다.
- 공급수조에 설치된 수위센서와 2차 침전지 저류조 내에 침지되어 있는 공급수 공급펌프를 연결하여 수위변동에 따라 자동적으로 하수처리장 내의 2차 침전 지상등수가 공급수조로 공급되도록 하였다. 평판형 막이 침지 되어 있는 침지조에는 플롯 밸브를 설치하여 공급수의 공급량을 조절하였다. 분리막의 여과는 연동펌프를 타이머가 부착된 제어반에 연결하여 일정시간 여과와 휴지를 반복하였으며 블로어를 이용하여 휴지시간에 폭기를 행하여 분리막 표면의 케익층 부착을 제어하였다.
- 평판형 막이 침지 되어 있는 침지조에는 플롯 밸브를 설치하여 공급수의 공급량을 조절하였다. 분리막의 여과는 연동펌프를 타이머가 부착된 제어반에 연결하여 일정시간 여과와 휴지를 반복하였으며 블로어를 이용하여 휴지시간에 폭기를 행하여 분리막 표면의 케익층 부착을 제어하였다. 약품 역세용액은 실험목적에 따라 투과수 또는 차아염소산나트륨 (NaOCl) 을 사용하였으며 분리막의 약품 역세척은 평판형 막 적용시 역세압을 가할 경우 막면이 부풀어 막이 손상될 위험이 있으므로, 자연유하로 막 개당 1L 의 투과수 또는 약품액을 주입하였다.
- 약품 역세용액은 실험목적에 따라 투과수 또는 차아염소산나트륨 (NaOCl) 을 사용하였으며 분리막의 약품 역세척은 평판형 막 적용시 역세압을 가할 경우 막면이 부풀어 막이 손상될 위험이 있으므로, 자연유하로 막 개당 1L 의 투과수 또는 약품액을 주입하였다. 조 내의 농축수 배출은 정량 펌프 (Peristaltic pump)를사용하여 분리막의 여과시간과 연동하여 일정시간 배출되도록 설정하였다. 회수율은 여과 유량 대비 배출유량을 조절하여 결정하였다.
- 정리하였다. RUN-1~RUN-2는 각각 임계플럭스 도출 실험 결과에서의 초임계플럭스인 투과플럭스 50L/m2/hr (순간플럭스 57L/m2/hr)에 순수 및 NaOCl 600ppm로 약품역세를 적용하여 약품역세 적용 유무에 따른 여과성능을 파악하였다. RUN-3~RUN-4 에서는 RUN-1~RUN-2의 운전조건은동일하나 투과플럭스를 임 계플럭스인 40L/m2/hr (순간 플럭스 45L/m2/hr)로 설정하여 실행하였다.
- RUN-1~RUN-2는 각각 임계플럭스 도출 실험 결과에서의 초임계플럭스인 투과플럭스 50L/m2/hr (순간플럭스 57L/m2/hr)에 순수 및 NaOCl 600ppm로 약품역세를 적용하여 약품역세 적용 유무에 따른 여과성능을 파악하였다. RUN-3~RUN-4 에서는 RUN-1~RUN-2의 운전조건은동일하나 투과플럭스를 임 계플럭스인 40L/m2/hr (순간 플럭스 45L/m2/hr)로 설정하여 실행하였다. RUN-5~RUN-6 은 투과플럭스 40L/m2/hr(순간플럭스 46L/m2/hr)에서 1 일 2회 약품역세를 실시한 운전이다.
- RUN-5~RUN-6 은 투과플럭스 40L/m2/hr(순간플럭스 46L/m2/hr)에서 1 일 2회 약품역세를 실시한 운전이다. 이 때 차아염소산나트륨 용액 농도는 300ppm, 600ppm으로 하여 역세약품 농도에 따른 여과성능 차이를 확인하였다. RUN-7~RUN-8은 40L/m2/hr에서 각각 NaOCl 1, 200ppm으로 1일 1회 약품역세를 실시하며 이때의 정치시간을 30분, 60분으로 하여 정치 시간 변화에 따른 여과성능을 평가하였다.
- 이 때 차아염소산나트륨 용액 농도는 300ppm, 600ppm으로 하여 역세약품 농도에 따른 여과성능 차이를 확인하였다. RUN-7~RUN-8은 40L/m2/hr에서 각각 NaOCl 1, 200ppm으로 1일 1회 약품역세를 실시하며 이때의 정치시간을 30분, 60분으로 하여 정치 시간 변화에 따른 여과성능을 평가하였다. Table 4에는 각 운전조건에서의 운전인자를 정리하였다.
- 본 연구의 TMP는 Lab 실험 장치에 설치된 압력계를 이용하여 측정하였고, 투과유량은 직접 실측하였으며, 투과 플럭스는 투과유량과 막면적으로 계산 (J = Q/A)하였다. 여과 저항은 아래의 직렬 여과저항 모델을 사용하여 계산하였다.
- 수온 및 pH는 pH/ORP/DO meter(Horiba D-25)를 사용하였으며, 막 표면 오염물질의 정량적인 파악을 위하여 Fourier Transformed Infrared Spectroscopy(FTIR) 을 사용하였다.
- 막 표면에 형성되어 막오염을 일으키는 케이크의 주 오염원은 유기물 및 미생물에 의한 오염으로 판단되며, 이들 오염원을 확인하기 위하여 Fourier Transformed Infrared Spectroscopy(FTIR)으로 새막과 오염막의 스펙트럼을 비교 분석하였고 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 결과로부터 새막과 오염막의 스펙트럼은 확연한 차이를 나타냈다.
- FTIR 분석결과로부터 막면의 biofilm을 구성하는 protein과 polysaccharide 등의 EPS 물질이 주요 막오염 물질로 판단된다. 이러한 미생물 오염을 제어하기 위하여 이후 실험에서 차아염소산을 통한 약품 역세를 적용하였다.
- , 1995). 본 실험에서는 lab-scale 하수재이용 막 여과 시스템의 임계플럭스를 도출하기 위해 30L/m2/hr부터 10L/m2/hr 단위로 플럭스를 단계적으로 증가시키면서 막간차압을 관찰하였다. 플럭스 1단계당 여과지속시간은 2시간으로 하였다.
- 40 L/m2/hr로 결정되었다. 본 실험에서는 이 임계플럭스를 기준으로 하여 초임계플럭스(Supra-critical flux) 운전에서의 약품 역세의 적용에 따른 막간차압의 변화를 관찰하였으며 그 결과는 Fig. 7과 같다. 초임계플럭스인 50 L/m2/hr에서는 1일 1회의 수 역세 및 약품역세를 적용하였을 경우 여과저항 회복 효과는 있었으나, 단 이틀 만에 여과 저항이 급격하게 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
- 약품 역세를 행한 후의 정치 시간이 여과 성능 회복의 미치는 영향을 파악하기 위하여 평균 플럭스 및 역세 주기 등의 동일 조건에서 정치시간의 30분 60분 변화에 따른 여과 저항을 비교해 보았다. 각각의 평균 플럭스는 40L/m2/hr로동일하나, 정치시간 차이로 인하여 순간플럭스는 정치 30 분의 경우 45L/m2/hr, 정치 60분의 경우에는 46L/m2/hr 로 서로 달랐다.
- 실험을 토대로 평판형 침지식 막여과 공정에서 주기적인 약품 역세를 행하는 경우 여과 성능의 향상을 확인할 수 있었으나, 여과 성능의 향상에도 불구하고 여과가 진행됨에 따라 막오염이 급격하게 증가하여 2회/일 주기로 NaOCl 600ppm의 약품 세정을 행하는 경우에도 7일 만에 한계 차압에 도달하여 CIP 세정을 행하였다. 적용 공정의 장기적인 운전을 행하기 위해서는 전처리 등의 추가적인 대안이 필요하다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 분리막은 침지방식의 평판형 정밀여과막으로 그 사양은 Table 1에 정리하였다. 약품역세를 적용하는 운전에서는 저농도이지만 약품과 자주 접촉하는 것을 고려하여 내화학성이 우수한 PTFE 재질의 분리막을 사용하였다.
- 본 실험에 사용된 원수는 일반 활성슬러지 공정의 2차 침전지 상등수이다. 수질은 Table 2와 같다.
- 분리막의 여과는 연동펌프를 타이머가 부착된 제어반에 연결하여 일정시간 여과와 휴지를 반복하였으며 블로어를 이용하여 휴지시간에 폭기를 행하여 분리막 표면의 케익층 부착을 제어하였다. 약품 역세용액은 실험목적에 따라 투과수 또는 차아염소산나트륨 (NaOCl) 을 사용하였으며 분리막의 약품 역세척은 평판형 막 적용시 역세압을 가할 경우 막면이 부풀어 막이 손상될 위험이 있으므로, 자연유하로 막 개당 1L 의 투과수 또는 약품액을 주입하였다. 조 내의 농축수 배출은 정량 펌프 (Peristaltic pump)를사용하여 분리막의 여과시간과 연동하여 일정시간 배출되도록 설정하였다.
성능/효과
- 여기서 Rc 는 스펀지 등을 통한 막면 세정으로 제거된 여과저항이며, Ra 는 화학세정 이후 제거된 여과저항을 말한다. 그래프에서 알 수 있듯이 총 여과 저항 (Rt)에서 막고유저항 (Rm)은 14.4%, 흡착저항 (Ra) 0.2%, 케이크 저항 (Rc)로 85.4%로 막오염 성분 중 흡착 저항 (Ra)의 발생정도는 미비하였고 케이크에 의한 여과 저항이 주를 이루는 것을 확인할 수가 있었다. 이러한 결과는 Chang 등의 결과와 일치하는데, Chang 등은 케이크 저항 (Rc)은 분리막의 재질 또는 미생물 플록의 형태와 관계없이 총 여과저항 (Rt)에 가장 큰 부분이라고 보고하였으며, 모든 분리막의 재질이나 미생물 플록에서 케이크 저항 (Rc)이 총 여과 저항 (Rt)의 51~97%를 차지하고 있다고 보고하였다 (Chang et al.
- 5는 플럭스 단계 실험에서 투과 플럭스에 따른 막간차압의 변화를 나타낸 것이다. 30 및 40L/m2/hr에서는 막간차압의 변화가 거의 나타나지 않았으며 50L/m2/hr 이상의 플럭스에서는 막간차압이 지속적으로 증가하는 것이 관찰되었다. Fig.
- 7과 같다. 초임계플럭스인 50 L/m2/hr에서는 1일 1회의 수 역세 및 약품역세를 적용하였을 경우 여과저항 회복 효과는 있었으나, 단 이틀 만에 여과 저항이 급격하게 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 단기간의 여과저항 상승으로 보건대 초임계플럭스인 50L/m2/hr에서의 연속 운전은 불가능 할 것으로 판단된다.
- 0x1012/m에 도달하였는데, 이는 실험에서 운전을 정지시키고 CIP를 실행해야 하는 여과저항이다. 이에 반해 차아염소산나트륨 600ppm을 약품 역세를 적용한 경우에는 약 4일 만에 한계 여과저항에 도달하였고, 1, 200ppm의 고농도 차아염소산나트륨을 적용할 경우 한계 여과저항에 도달하는데 8일이 결렸다. 이 결과를 토대로 약품역세를 적용하는 경우가 적용하지 않는 경우보다 막오염 제어가 효과가 있음을 알 수 있었으며, 약품의 농도가 높아짐에 따라 그 효과는 증대되었다.
- 이에 반해 차아염소산나트륨 600ppm을 약품 역세를 적용한 경우에는 약 4일 만에 한계 여과저항에 도달하였고, 1, 200ppm의 고농도 차아염소산나트륨을 적용할 경우 한계 여과저항에 도달하는데 8일이 결렸다. 이 결과를 토대로 약품역세를 적용하는 경우가 적용하지 않는 경우보다 막오염 제어가 효과가 있음을 알 수 있었으며, 약품의 농도가 높아짐에 따라 그 효과는 증대되었다.
- 9 는 투과플럭스 40L/m2/hr에서의 약품 역세 주기에 따른 여과저항 변화 결과이다. 결과에서 알수 있듯이 NaOCl 600ppm의 동일 농도로 약품역세를 적용한 경우 1 일 1회 약품역세 실험에서 한계 여과저항에 걸리는 시간은 5일 정도였으나, 동일 농도에서 1일 2회의 약품역세를 행한 실험에서는 7일이 소요되었다. 또한 1일 1회 NaOCl 600ppm을 주입하는 것보다 1일 2회 NaOCl 300ppm을 주입하는 것이 여과저항의 회복이 더 뛰어남을 알 수 있었다.
- 결과에서 알수 있듯이 NaOCl 600ppm의 동일 농도로 약품역세를 적용한 경우 1 일 1회 약품역세 실험에서 한계 여과저항에 걸리는 시간은 5일 정도였으나, 동일 농도에서 1일 2회의 약품역세를 행한 실험에서는 7일이 소요되었다. 또한 1일 1회 NaOCl 600ppm을 주입하는 것보다 1일 2회 NaOCl 300ppm을 주입하는 것이 여과저항의 회복이 더 뛰어남을 알 수 있었다. 이 두 조건의 경우 하루에 주입되는 약품량은 같다.
- 10 과 같다. 결과로부터 역세후 정치 60분을 행한 경우의 투과 능 회복이 조금 더 향상되었다. 하지만 Fig.
- 11의 운전 기간에 따른 여과저항 증가율 (dRjdt, 109m-1/hr)을 살펴보면 정치 60분의 순간플럭스가 1L/m2/hr 높은 관계로 여과 저항 증가율이 정치 시간 30분의 운전 조건보다 높음을 알 수 있었다. 따라서 약품역세 전의 여과저항은 정치시간 60 분이 정치시간 30분보다 같거나 좀 더 높음을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 정치시간은 여과저항의 성능 향상에 별다른 영향을 미치지는 않는 것으로 판단된다.
- O 하수재이용 막여과 공정에서 막오염의 주요 원인은 총 여과 저항의 85.4%를 차지하는 케이크 층이며, 주 오염 성분은 protein과 polysaccharide로 이루어진 EPS 물질로 막 면에 biofilm으로 인한 케이크 층이 주오염원인 것을 확인할 수가 있었다.
- O 막면의 Biofilm의 억제를 위한 차아염소산나트륨을 사용한 약품 역세를 적용한 결과, 수역세만을 행한 경우보다 투과 능 회복이 뛰어났으며 약품 주입 농도가 높을수록, 약품 세정 주기가 짧을수록 투과능 회복이 좋음을 확인할 수 있었다. 그리고 효율적인 여과저항의 회복을 위해서는 약품 세정 농도를 높이기보다는 약품 세정 주기를 짧게 하는 것이 더 효과적임을 결과를 통하여 확인할 수가 있었다.
- 그리고 효율적인 여과저항의 회복을 위해서는 약품 세정 농도를 높이기보다는 약품 세정 주기를 짧게 하는 것이 더 효과적임을 결과를 통하여 확인할 수가 있었다. 그러나 약품 역세 주기가 짧을수록 처리수량은 감소하게 되므로 최적의 역세주기를 결정할 필요가 있다.
- 그러나 약품 역세 주기가 짧을수록 처리수량은 감소하게 되므로 최적의 역세주기를 결정할 필요가 있다. 약품 역세 정치 시간은 길수록 투과능 회복은 증가하였으나 동일한 처리 유량을 위해서는 투과플럭스를 높여야 하기 때문에 정치 시간에 의한 영향은 그리 크지 않음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 그러나 약품 주기를 짧게 할수록 여과시간이 단축되어 처리 수량이 감소하므로 최적의 역세주기를 결정할 필요가 있다. 향후 이에 대한 추가적인 연구를 진행할 예정이다.
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