본 연구에서는 하수처리수를 원수로 사용하여 직접 접촉식 막증발법을 적용하여 원수 온도와 원수 유량 변화에 따른 하수처리수의 COD, TN, TP, TOC의 제거율 변화와 여과플럭스의 변화를 측정하였다. 또한 하수처리수에 의한 분리막의 오염 가역성을 평가하기 위해 1차 증류수만을 사용하여 물리세정을 수행한 후 플럭스의 회복률을 측정하였다. 실험결과 원수의 온도 및 유량에 관계없이 원수가 3배 농축될 때까지 여과를 진행하였음에도 불구하고 하수처리수의 주요 오염물질인 COD, TN, TP, TOC에 대한 제거율이 92% 이상으로 높게 나타났다. 또한 비교적 낮은 온도인 $50^{\circ}C$와 $60^{\circ}C$에서 원수의 유량에 따라 최소 13.8 LMH에서 20.3 LMH로 높은 여과플럭스를 나타냈다. 그리고 높은 농축계수까지 여과 실험을 진행했음에도 불구하고 낮은 여과플럭스의 감소를 나타냈으며 1차 증류수를 이용한 짧은 시간 동안의 물리세정만으로 최소 90% 이상의 높은 여과 플럭스 회복율을 나타냈다. 따라서 하수처리수 재이용을 위한 공정으로 막증발법의 적용이 충분히 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 하수처리수를 원수로 사용하여 직접 접촉식 막증발법을 적용하여 원수 온도와 원수 유량 변화에 따른 하수처리수의 COD, TN, TP, TOC의 제거율 변화와 여과플럭스의 변화를 측정하였다. 또한 하수처리수에 의한 분리막의 오염 가역성을 평가하기 위해 1차 증류수만을 사용하여 물리세정을 수행한 후 플럭스의 회복률을 측정하였다. 실험결과 원수의 온도 및 유량에 관계없이 원수가 3배 농축될 때까지 여과를 진행하였음에도 불구하고 하수처리수의 주요 오염물질인 COD, TN, TP, TOC에 대한 제거율이 92% 이상으로 높게 나타났다. 또한 비교적 낮은 온도인 $50^{\circ}C$와 $60^{\circ}C$에서 원수의 유량에 따라 최소 13.8 LMH에서 20.3 LMH로 높은 여과플럭스를 나타냈다. 그리고 높은 농축계수까지 여과 실험을 진행했음에도 불구하고 낮은 여과플럭스의 감소를 나타냈으며 1차 증류수를 이용한 짧은 시간 동안의 물리세정만으로 최소 90% 이상의 높은 여과 플럭스 회복율을 나타냈다. 따라서 하수처리수 재이용을 위한 공정으로 막증발법의 적용이 충분히 가능할 것으로 판단된다.
The reuse of wastewater is being diffused to manage and develop the water resources. Generally, the treated wastewater is discharged to the river after being treated to meet the effluent quality standard or reused for diverse uses through the reprocessing. And recently, as the reuse of the treated w...
The reuse of wastewater is being diffused to manage and develop the water resources. Generally, the treated wastewater is discharged to the river after being treated to meet the effluent quality standard or reused for diverse uses through the reprocessing. And recently, as the reuse of the treated wastewater is activated, the technologies to utilize for the high quality water resources such as industrial water by reusing the wastewater with Membrane Distillation (MD) are under development. In this study, the direct contact membrane distillation (DCMD) process has been applied to treat sewage discharge water for water reuse. The laboratory scale experiment was performed by using a hydrophobic PVDF membrane with the pore size of $0.22{\mu}m$. The influence of operating parameters, such as feed temperature, feed flow rate, feed concentration, on the permeate flux and rejection has been investigated. All filtration tests were conducted till the feed volume reached a concentration factor of 3.0. Thus, the operating period ranged between 19 hr and 49 hr depending on filtration performance. The results showed that above 92% of TN, TP, COD and TOC in the feed could be rejected regardless of an operating condition. The water flux was ranged from 13.8 to 20.3 LMH. The lowest flux was obtained at the operating condition with the feed temperature of $50^{\circ}C$ and feed flow velocity of 500 mL/min while the highest one was measured with $60^{\circ}C$ and 900 mL/min. When the concentration factor reached 3.0, water flux declined by approximately ranged from 14.5% to 33.3%. But the fouling in MD is almost fully reversible, with more than 90% recovery of permeate water flux following a DI water rinse without the addition of chemical cleaning reagents.
The reuse of wastewater is being diffused to manage and develop the water resources. Generally, the treated wastewater is discharged to the river after being treated to meet the effluent quality standard or reused for diverse uses through the reprocessing. And recently, as the reuse of the treated wastewater is activated, the technologies to utilize for the high quality water resources such as industrial water by reusing the wastewater with Membrane Distillation (MD) are under development. In this study, the direct contact membrane distillation (DCMD) process has been applied to treat sewage discharge water for water reuse. The laboratory scale experiment was performed by using a hydrophobic PVDF membrane with the pore size of $0.22{\mu}m$. The influence of operating parameters, such as feed temperature, feed flow rate, feed concentration, on the permeate flux and rejection has been investigated. All filtration tests were conducted till the feed volume reached a concentration factor of 3.0. Thus, the operating period ranged between 19 hr and 49 hr depending on filtration performance. The results showed that above 92% of TN, TP, COD and TOC in the feed could be rejected regardless of an operating condition. The water flux was ranged from 13.8 to 20.3 LMH. The lowest flux was obtained at the operating condition with the feed temperature of $50^{\circ}C$ and feed flow velocity of 500 mL/min while the highest one was measured with $60^{\circ}C$ and 900 mL/min. When the concentration factor reached 3.0, water flux declined by approximately ranged from 14.5% to 33.3%. But the fouling in MD is almost fully reversible, with more than 90% recovery of permeate water flux following a DI water rinse without the addition of chemical cleaning reagents.
그러나 재처리시설의 설치비용 및 운영비용의 부담으로 인하여 2011년 기준 전체 하수처리장 방류수의 11% 정도만 재이용되고 있으며 또한 처리수질의 신뢰성 문제로 인하여 재이용수의 대부분이 하수 처리장의 청소용수, 냉각용수, 희석용수 등으로 사용되고 있다[4]. 따라서 본 연구에서는 하수처리수 재이용률 향상과 처리수 수질개선을 위하여 직접 접촉식 막증발법(Membrane Distillation; MD)의 적용 가능성을 평가하였다. 막증발법은 소수성 표면을 가지는 다공성의 분리막을 이용하여 원수로부터 순수한 증기상태로 물을 분리하는 공정이다.
제안 방법
본 연구에서는 하수처리수를 원수로 사용하여 직접 접촉식 막증발법을 적용하여 원수 온도와 원수 유량 변화에 따른 하수처리수의 COD, TN, TP, TOC의 제거율 변화와 여과시간 증가에 따른 여과플럭스의 변화를 측정하였다. 또한 하수처리수에 의한 분리막의 오염 가역성을 평가하기 위해 1차 증류수만을 사용하여 물리세정을 수행한 후 플럭스의 회복률을 측정하였다.
대상 데이터
3 mm 높이로 흐름채널을 형성하여 원수와 여과수가 분리막 양단에 흐를 수 있도록 하였다. 실험에 사용한 막증발 분리막은 PVDF (polyvinylidene fluoride) 재질의 0.22 µm의 기공크기를 갖는 소수성막(Merckmillipore, USA) 으로 크기는 가로 6 cm, 세로 2 cm로 유효면적은 12 cm2이다. 원수와 여과수는 각각 정량펌프(Cole-parmer gear pump)를 통해 분리막의 전, 후단에 일정한 유속으로 유입되며, 이때 흐름방향은 서로 반대가 되도록 설정하였다.
실험에 사용한 원수인 하수처리수는 국내 G하수처리장의 처리수를 직접 채수하여 사용하였으며, 수질분석 결과는 Table 1에 나타낸 바와 같다. 우리나라에서는 하수처리수 방류 수역의 수질을 개선하고 물 부족국가로서 신규 수자원을 확보하기 위해 2012년부터 강화된 수질 기준을 적용하여 하수처리수의 총질소에 대해서는 20 mg/L 이하, 총인에 대해서는 0.
성능/효과
물리세정 후 1시간 동안 다시 여과플럭스를 측정한 결과 원수의 온도 및 유량에 관계없이 최소 90% 이상 회복되는 것으로 나타났다. 따라서 직접 접촉식 막증발법을 적용하여 하수처리수를 재처리할 경우 막오염 현상이 발생하여 여과시 간이 증가함에 따라 여과플럭스의 감소가 발생하지만 최대 33%로 매우 심각하지는 않으며 또한 1차 증류수를 이용한 30분 동안의 물리 세정만으로도 90% 이상의 여과플럭스가 회복되기 때문에 하수처리수 재이용을 위한 방법으로 막증발법의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
그리고 1차 증류수를 이용한 짧은 시간 동안의 물리세정만으로 최소 90% 이상의 높은 여과플럭스 회복율을 나타냈다. 따라서 하수처리수 재이용을 위한 공정으로 막증발법의 적용이 충분히 가능할 것으로 판단된다.
3%로 측정되었다. 직접 접촉식 막증발 공정에서는 운전조건 및 원수의 농도변화에 관계없이 하수처리수의 주요 오염물질의 제거율이 최소 92.0% 이상으로 매우 높은 제거율을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
막증발법에 의해 증기만 분리막을 통과하는 이유는 무엇인가?
막증발법은 소수성 표면을 가지는 다공성의 분리막을 이용하여 원수로부터 순수한 증기상태로 물을 분리하는 공정이다. 막증발법에 의해 처리되는 원수는 분리막의 한쪽 면과 접촉하게 되지만 분리막 표면의 높은 소수성 때문에 발생된 표면장력으로 인해 원수가 분리막의 기공안으로 투과되지 않기 때문에 물은 투과하지 못하고 증기만 분리막을 통과하게 된다[5,6]. 막증발 공정에서 물질전달이 발생하는 이유는 분리막을 경계로 높은 온도의 원수와 낮은 온도의 여과수 사이에 형성되는 온도차이 때문이며, 이러한 온도차이로 인해 형성되는 물의 증기압 차이는 액체상태의 물이 수증기 상태로 전환되면서 원수로부터 여과수쪽으로 이동하게 만드는 구동력이 된다[6].
2025년에 많은 인구가 심각한 물 부족 사태를 겪을 것이라 예상되는 이유는 무엇인가?
또한 2025년에 세계 인구의 40%인 약 27억 명이 담수 부족에 직면할 것이고, 전 세계 국가의 1/5 가량이 심각한 물 부족 사태를 겪을 것이라고 전망했다. 이는 공급의 감소와 수요의 폭발적 증대가 결합된 결과이다. 최근에 이러한 물부족 현상을 해결하고자 하수처리장 방류수의 재사용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나 [1-3] 현재는 하수처리장 방류수의 직접적인 재사용은 불가능하고 사용목적 및 방류수 수질에 따라 별도의 하류처리장 방류수 재처리 시설을 설치하여야만 재사용이 가능하다.
막증발법이란 무엇인가?
따라서 본 연구에서는 하수처리수 재이용률 향상과 처리수 수질개선을 위하여 직접 접촉식 막증발법(Membrane Distillation; MD)의 적용 가능성을 평가 하였다. 막증발법은 소수성 표면을 가지는 다공성의 분리막을 이용하여 원수로부터 순수한 증기상태로 물을 분리하는 공정이다. 막증발법에 의해 처리되는 원수는 분리막의 한쪽 면과 접촉하게 되지만 분리막 표면의 높은 소수성 때문에 발생된 표면장력으로 인해 원수가 분리막의 기공안으로 투과되지 않기 때문에 물은 투과하지 못하고 증기만 분리막을 통과하게 된다[5,6].
참고문헌 (8)
D. Bixioa, C. Thoeyea, J. De Koningb, D. Joksimovicb, D. Savicc, T. Wintgensd, and T. Melind, "Wastewater reuse in Europe", Desalination, 187, 89 (2006).
A. K. Kivaisi, "The potential for constructed wetlands for wastewater treatment and reuse in developing countries: a review", Ecol. Eng., 16, 545 (2001).
Y. Fujii, S. Kigoshi, H. Iwataniand, and M. Aoyama, "Selectivity and characteristics of direct contact membrane distillation type experiments. I. Permeability and selectivity through dried hydrophobic fine porous membranes", J. Membr. Sci., 72, 53 (1992).
M. S. El-Bourawi, Z. Ding, R. Ma, and M. Khayet, "A framework for better understanding membrane distillation separation process", J. Membr. Sci., 285, 4 (2006).
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