[논문]비료 유도용액의 정삼투를 이용한 하수처리수의 재이용 - 유도용액의 성능 평가 -

김승건; 이호원

doi:10.14579/membrane_journal.2016.26.2.108

비료 유도용액의 정삼투를 이용한 하수처리수의 재이용 - 유도용액의 성능 평가 -
Water Reuse of Sewage Discharge Water Using Fertilizer Drawn Forward Osmosis - Evaluating the Performance of Draw Solution - 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.26 no.2, 2016년, pp.108 - 115

김승건 (제주대학교 생명화학공학과) , 이호원 (제주대학교 생명화학공학과)

초록
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비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투를 하수처리수(2차 침전지 유출수)의 재이용에 적용하여 유도용액의 성능을 평가하였다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 비료 중에서 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 $NH_4H_2PO_4$, KCl, $KNO_3$, $NH_4Cl$, $(NH_4)_2HPO_4$, $NH_4NO_3$, $NH_4HCO_3$ 및 $KHCO_3$을 유도용액 후보군으로 선정하고, 수투과선속 및 역용질선속을 측정하여 유도용액의 성능을 평가하였다. 평균 수투과선속은 KCl > $NH_4Cl$ > $NH_4NO_3$ > $KNO_3$ > $KHCO_3$ > $NH_4HCO_3$ > $NH_4H_2PO_4$ > $(NH_4)_2HPO_4$의 순서로 나타났으며, KCl을 유도용액으로 사용하였을 때, 평균 수투과선속은 13.49 LMH이었다. 하수처리장 2차 침전지 유출수의 삼투압은 탈이온수의 삼투압에 비해 큰 차이가 없었다. 역용질선속은 $NH_4H_2PO_4$ < $NH_4Cl$ < $(NH_4)_2HPO_4$ < $KNO_3$ < $NH_4HCO_3$ < $NH_4NO_3$의 순서로 나타났으며, $NH_4H_2PO_4$를 유도용액으로 사용하였을 때, 역용질선속은 $4.96{\times}10^{-3}mmol/m^2{\cdot}sec$이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is to evaluate the performance of draw solutions in the water reuse of sewage discharge water using fertilizer drawn forward osmosis. Feed water used in all experiments was the effluent from secondary sedimentation tank in activated sludge process. Considering osmotic pressure, solubility, and pH, $NH_4H_2PO_4$, KCl, $KNO_3$, $NH_4Cl$, $(NH_4)_2HPO_4$, $NH_4NO_3$, $NH_4HCO_3$, and $KHCO_3$ were screened from a comprehensive lists of fertilizer. Their performances were evaluated in terms of water permeate flux and reverse solute flux. KCl showed the highest average water flux followed by $NH_4Cl$, $NH_4NO_3$, $KNO_3$, $KHCO_3$, $NH_4HCO_3$, $NH_4H_2PO_4$, and $(NH_4)_2HPO_4$. Using KCl as draw solution, the average water permeate flux was 13.49 LMH. There was no big difference in osmotic pressure between the effluent from secondary sedimentation tank and deionized water. $NH_4H_2PO_4$ showed the lowest reverse solute flux followed by $NH_4Cl$, $(NH_4)_2HPO_4$, $KNO_3$, $NH_4HCO_3$, and $NH_4NO_3$. Using $NH_4H_2PO_4$ as draw solution, the reverse solute flux was $4.96{\times}10^{-3}mmol/m^2{\cdot}sec$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 비료를 유도용액으로 하는 정삼투 기술을 하수처리수의 재이용에 적용하고, 이에 대한 활용 가능성을 살펴보기 위한 연구이다. 이를 위하여 본 연구에서는 제주하수처리장 2차 침전지 유출수를 대상으로 하였으며, 유도용액으로서는 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃를 각각 사용하였고, 이유도용액의 성능평가를 위하여 순수 선속(pure water flux) 및 역용질선속(reverse solute flux)를 측정 및 평가하였다.

제안 방법

2 mol/L H₂O의 NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃를 각각 유도용액으로 사용하였을 때, 24시간 동안의 평균 수투과선속을 계산하여 이를 Fig. 7에 나타내었다.
본 연구는 비료를 유도용액으로 하는 정삼투 기술을 하수처리수의 재이용에 활용하기 위한 연구로서 제주하수처리장 2차 침전지 유출수를 재이용 대상으로 하였으며, 유도용액으로서는 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃를 각각 사용하였고, 이유도용액의 성능평가를 위하여 수투과선속(water per meate flux) 및 역용질선속(reverse solute flux)를 측정 및 평가하였다.
본 연구에서 사용된 비료 성분은 질소(N), 인(P) 또는 칼륨(K)으로 구성되어 있으나, 정 등[15]의 유도용액으로 혼합비료를 사용한 정삼투식 해수담수화에서 담수화 성능에 대한 유도용액 농도의 영향에 대한 연구에서 역용질선속은 질소(N) > 칼륨(K) > 인(P)의 순서로 나타나, 본 연구에서는 정삼투 실험 전과 후의 공급용액에 포함된 질소 성분만을 측정하여 질소 성분의 역용질 선속(reverse solute flux, RSF)을 계산하였다.
비료를 유도용액으로 사용한 정삼투 실험에서의 수 투과선속(water permeate flux)은 유도용액 탱크 내의 유도용액의 질량변화로부터 측정하였다. 유도용액의 질량변화는 10분 간격으로 온라인에 의해 컴퓨터에 연결된 전자저울을 이용하여 연속적으로 기록하고, 이를 부피로 다시 환산하여 계산하였다.
유도용액 내의 용질이 공급용액으로 이동하는 역용질선속(reverse solute flux, RSF)은 실험이 종료된 후에 공급용액에 존재하는 총질소(T-N)를 분석하였다. 총질소는 persulfate digestion method (Method 10072, HACH, USA)에 의해 분광광도계(DR-5000, HACH, USA)을 사용하여 측정하였다.
본 연구는 비료를 유도용액으로 하는 정삼투 기술을 하수처리수의 재이용에 적용하고, 이에 대한 활용 가능성을 살펴보기 위한 연구이다. 이를 위하여 본 연구에서는 제주하수처리장 2차 침전지 유출수를 대상으로 하였으며, 유도용액으로서는 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃를 각각 사용하였고, 이유도용액의 성능평가를 위하여 순수 선속(pure water flux) 및 역용질선속(reverse solute flux)를 측정 및 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 제주하수처리장 2차 침전지 유출수를 공급용액으로 사용하였으며, 유도물질로는 NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃및 KHCO₃를 각각 사용하였다. 유도용액은 유도물질을 탈이온수에 녹여서 제조하였으며, 유도용액의 농도는 2 mol/L H₂O로 농도를 일정하게 하였다.

데이터처리

단일비료를 유도물질로 사용한 유도용액의 삼투압과 pH는 OLI Stream Analyser 3.2 (OLI Systems Inc., Morris Plains, NJ, USA)를 이용하여 계산하였다. 유도 용액과 공급용액 간의 삼투압차에 의해 공급용액에서 유도용액으로 이동하는 수투과선속은 24시간 동안 유도용액 탱크를 컴퓨터와 온라인으로 연결된 전자저울 위에 올려놓고 10분 간격으로 질량변화를 측정하여 구하였다.
본 연구에서 사용한 유도용액의 삼투압은 OLI Stream Analyser 3.2 (OLI Systems Inc., Morris Plains, NJ, USA)를 이용하여 계산하였다. 유도용액의 농도에 따른 삼투압 변화를 Fig.

이론/모형

유도용액 내의 용질이 공급용액으로 이동하는 역용질선속(reverse solute flux, RSF)은 실험이 종료된 후에 공급용액에 존재하는 총질소(T-N)를 분석하였다. 총질소는 persulfate digestion method (Method 10072, HACH, USA)에 의해 분광광도계(DR-5000, HACH, USA)을 사용하여 측정하였다.

성능/효과

1) 유도용액의 삼투압은 (NH₄)2HPO₄ > KCl > NH₄Cl> NH₄H₂PO₄ > KHCO₃ > NH₄HCO₃ > KNO₃, NH₄NO₃순서로 나타났으며, 2 mol/L H₂O일 때 NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃의 삼투압은 각각 86.3, 89.3, 64.9, 87.7, 95.0, 64.9, 66.4 및 76.3 atm이었다.
2) 유도용액의 종류에 관계없이 운전시간에 따라 수투과선속은 감소하였다. 이러한 이유는 운전시간에 따라 유도용액의 농도가 감소하고 막오염이 증가하기 때문으로 판단된다.
3) 유도용액으로 (NH₄)2HPO₄를 사용한 경우에 FO 막 활성층의 표면에 결정성 스케일이 형성되었고, 이 결정은 O, P, Ca 및 Mg로 이루어져 있는 것을 알 수 있다.
4) 24시간 동안의 평균 수투과선속은 KCl > NH₄Cl > NH₄NO₃ > KNO₃ > KHCO₃ > NH₄HCO₃ > NH₄H₂PO₄> (NH₄)2HPO₄의 순서로 나타났으며, 유도용액으로 NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃를 사용하였을 때, 평균 수투과선속은 각각 9.04, 13.49, 11.87, 13.42, 4.39, 12.05, 11.13 및 9.53 LMH이었다.
6) 유도용액 중 질소 성분을 함유한 유도용액의 역용질선속은 NH₄H₂PO₄ < NH₄Cl < (NH₄)2HPO₄ < KNO₃< NH₄HCO₃ < NH₄NO₃의 순서로 나타났다.
7) 탈이온수에 대한 NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, KHCO₃ 및 NH₄HCO₃의 평균 수투과선속은 각각 9.16, 14.37, 12.11, 14.35, 8.67, 12.74, 11.32 및 9.55 LMH로서 하수처리장 2차 침전지 유출수를 대상으로 하였을 때와 유사한 결과를 나타내어 하수처리장 2차 침전지 유출수의 삼투압은 탈이온수의 삼투압에 비해 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
, Morris Plains, NJ, USA)를 이용하여 계산한 pH를 나타낸 그림이다. NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃의 pH는 각각 4.0, 6.9, 7.0, 4.6, 7.7, 4.9, 7.7 및 7.8으로 나타났으며, Table 1에 나타낸 바와 같이 본 연구에 사용한 CTA-ES 정삼투 막의 적용 pH 범위는 3~8이므로 모두 사용가능한 pH 허용범위 내에 있었다.
3은 유도용액의 농도를 2 mol/L H2O로 하였을 때, NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃의 삼투압을 나타낸 그림이다. NH₄H₂PO₄, KCl, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃, NH₄HCO₃ 및 KHCO₃의 삼투압은 각각 86.3, 89.3, 64.9, 87.7, 95.0, 64.9, 66.4 및 76.3 atm으로 나타났으며, (NH₄)2HPO₄ > KCl > NH₄Cl > NH₄H₂PO₄ > KHCO₃ > NH₄HCO₃ > KNO₃, NH₄NO₃ 순서로 나타났고, KNO₃와 NH₄NO₃의 삼투압은 거의 같게 나타났다.
그림에 나타난 바와 같이 정삼투 실험 전과 후의 공급 용액의 질소 성분을 비교하였을 때, 유도용액 중에서 질소 성분이 함유된 NH₄H₂PO₄, KNO₃, NH₄Cl, (NH₄)2HPO₄, NH₄NO₃ 및 NH₄HCO₃를 사용한 경우가 질소 성분이 없는 KCl과 KHCO₃에 비해 정삼투 실험 후에 공급용액의 질소 농도가 일반적으로 높게 나타났다. 이러한 결과는 질소 성분이 없는 유도용액을 사용한 경우에는 농축에 의해서만 농도가 높아지나, 질소 성분을 함유한 유도용액을 사용한 경우에는 농축뿐만 아니라 정삼투 막을 통한 질소의 역확산에 의해서 질소 농도가 높아졌기 때문으로 판단된다.
유도용액 중 질소 성분을 함유한 유도용액의 역용질선속은 NH₄H₂PO₄ < NH₄Cl < (NH₄)2HPO₄ < KNO₃ < NH₄HCO₃ < NH₄NO₃의 순서로 나타났다. NH₄H₂PO₄를 유도용액으로 사용하였을 때, 역용질선속은 4.
5에 나타내었다. 유도용액의 종류에 관계없이 운전시간에 따라 수투과선속은 감소하였다. 이러한 이유는 운전시간에 따라 유도용액의 농도가 감소할 뿐만 아니라 하수 처리수의 부유물질(suspended solid, SS)에 의해 막오염이 증가하기 때문으로 판단된다.
한편, 유도용액으로 KHCO₃와 KCl을 각각 사용한 경우에 공급용액의 농도와 유도용액의 최종 농도로부터 배제율을 구하였으며, 정삼투막에 의한 T-N의 평균 배제율은 각각 85%이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비료를 유도용액으로 하는 정삼투 기술을 이용한 하수처리수 재이용 공정은 어떠한 장점을 가지는가?	그러나 정삼투 기술의 실질적인 적용에서의 가장 큰 문제는 담수를 계속적으로 생산하기 위해서 희석된 유도용액으로부터 유도용질을 분리하는 추가 공정이 필요하다는 것이다[7-10]. 반면에 비료를 유도용액으로 하는 정삼투 기술을 이용한 하수처리수 재이용 공정은 고농도 비료 농축액을 유도용액으로 사용하여 정삼투에 의해 담수(재이용수)를 생산하고, 이때 생산된 담수는 별도의 분리공정 없이 액비 또는 적하시비(fertigation, 적하식 관수(灌水) 장치의 물에 비료를 섞어 공급)로 사용이 가능하므로 역삼투 공정에 비해 에너지 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 토양 및 지하수를 보호할 수 있는 친환경 공정이다. 비료를 유도용액으로 하는 정삼투 기술은 최근에 개발되고 있는 신기술로서 이를 해수담수화에 적용한 사례는 있으나, 하수처리수의 재이용에 적용한 사례는 아직 보고된 바 없다[11-15].
	하수 재이용 분야에서 가장 중요한 재이용수 분야는 어디인가?	세계 수자원 수요량의 2/3정도는 농업용수로 사용되고 있다. 하수 재이용 분야에서도 농업용수로의 재이용이 가장 중요한 부분을 차지하며, 많은 나라에서 생활하수를 처리하여 관개용수로 재이용하려는 노력을 하고 있다[1,2].
	삼투 기술의 실질적인 적용에서의 가장 큰 문제점은 무엇인가?	그러나 정삼투 기술의 실질적인 적용에서의 가장 큰 문제는 담수를 계속적으로 생산하기 위해서 희석된 유도용액으로부터 유도용질을 분리하는 추가 공정이 필요하다는 것이다[7-10]. 반면에 비료를 유도용액으로 하는 정삼투 기술을 이용한 하수처리수 재이용 공정은 고농도 비료 농축액을 유도용액으로 사용하여 정삼투에 의해 담수(재이용수)를 생산하고, 이때 생산된 담수는 별도의 분리공정 없이 액비 또는 적하시비(fertigation, 적하식 관수(灌水) 장치의 물에 비료를 섞어 공급)로 사용이 가능하므로 역삼투 공정에 비해 에너지 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 토양 및 지하수를 보호할 수 있는 친환경 공정이다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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