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문제 정의
- 본 연구에서는 활성슬러지 수용액에 침지된 중공사형 분리막 모듈에 투과유속을 서서히 증가시키면서 이에 따른 TMP를 측정하여 임계 투과유속의 조건을 확립하고, 이를 분리막 운전 및 설계의 기초자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
- COD는 해당 범위에 맞는 수질 분석키트(HS-COD-MR, HS-COD-LR)를 이용하여 150°C에서 2시간 전처리 후 UV 분광기로 분석하였다.
- 그 후, 분리막 모듈을 순수에 침지시켜 투과유속 20 L/m2 ⋅h로 유지시키면서 TMP를 측정하였고 이 값이 초기 순수로 측정한 TMP와 5% 이상 오차가 발생하면 분리막 모듈을 교체하였다.
- 활성슬러지는 경기도 U시 하수처리장의 반송슬러지를 채취하여 실험에 적합하도록 순응시킨 후 사용하였다. 또한 미생물의 생장을 조절하기 위하여 종균제를 주입하였다. 활성슬러지의 용존산소(dissolved oxygen: DO), pH, ORP (oxidation reduction potential), 온도, MLSS (mixed liquor suspended solid) 및 COD (chemical oxygen demand)는 Table 1과 같이 관리하였으며 MLSS는 5,000 mg/L로 실험하였다.
- 산기량은 air flowmeter (8)에 부착된 밸브를 이용하여 적절하게 조절하였다. 또한 항온조(9)를 이용하여 활성슬러지조의 온도를 일정하게 유지시켰다.
- 또한 활성슬러지조 하부에서 산기시킬 경우에는 공기방울 상승으로 인하여 막오염이 감소될 것으로 예상되어 100, 300, 500 및 1,000 mL/min로 산기시 투과유속을 6 L/m2 ⋅h로부터 15분 단위로 투과유 속을 각각 2.2, 2.5, 3.0 및 3.5 L/m2 ⋅h씩 증가시키면서 각각 최대 28, 31, 36 및 41 L/m2 ⋅h까지 상승시킨 후동일한 투과유속과 운전시간으로 감소시켰다.
- 일련의 투과유속 실험을 마친 후에는 분리막 모듈을 활성슬러지조에서 빼내 순수에 침지시키고 진동시켜 분리막 표면에 붙어있는 슬러지 입자들을 물리적으로 세척하였다. 계속하여 비가역 막오염을 회복하기 위하여 0.
- 또한 미생물의 생장을 조절하기 위하여 종균제를 주입하였다. 활성슬러지의 용존산소(dissolved oxygen: DO), pH, ORP (oxidation reduction potential), 온도, MLSS (mixed liquor suspended solid) 및 COD (chemical oxygen demand)는 Table 1과 같이 관리하였으며 MLSS는 5,000 mg/L로 실험하였다. COD는 해당 범위에 맞는 수질 분석키트(HS-COD-MR, HS-COD-LR)를 이용하여 150°C에서 2시간 전처리 후 UV 분광기로 분석하였다.
- 활성슬러지조에 공기를 산기시키지 않을 경우에는 6부터 22 L/m2 ⋅ h까지 15분 단위로 2 L/m2 ⋅h씩 상승시킨 후 동일한 방법으로 2 L/m2 ⋅h씩 감소시키면서 연속적으로 TMP 를 측정하였다.
대상 데이터
- 20 L 크기의 생물반응조(1) 내에 중공사형 분리막 모듈(2)을 침지시키고 교반기(3)를 이용하여 활성슬러지 수용액을 일정하게 혼합하였다. 중공사막 모듈에 연결된 흡입펌프((4), Jeniewell JWS-500)를 이용 하여 투과유속을 조절하였다. 투과운전시의 생성되는 TMP는 압력계((5), Sensys PTDC-100 RCIA)로 측정하여 UTP 케이블로 연결된 컴퓨터(6)에 실시간으로 저장되었다.
- 투과실험에 사용한 정밀여과용 중공사막은 P사의 polyester 재질에 hydrophilic PVDF (polyvinylidene fluoride)로 코팅되었으며 공칭 세공크기는 0.4 µm이고 내경 1.0 mm, 외경 2.3 mm이었다.
- 활성슬러지는 경기도 U시 하수처리장의 반송슬러지를 채취하여 실험에 적합하도록 순응시킨 후 사용하였다. 또한 미생물의 생장을 조절하기 위하여 종균제를 주입하였다.
이론/모형
- 중공사형 분리막의 임계 투과유속을 측정하기 위하여 활성슬러지 저장조 내에 중공사막 모듈을 침지시키고 투과유속을 점진적으로 증가시키는 투과유속단법 (flux-step method)을 기반으로 실험하였다[15,19]. 모든 실험은 비가역적 오염으로 인한 막의 손상을 최소화하기 위하여 45 kPa 이하에서 운전하였다.
- 활성슬러지 수용액 내에 실험실적 규모의 중공사막 모듈을 침지시키고 산기량에 따른 막오염 절감 효과를 평가하기 위하여 투과유속단법(flux-step method)을 기반으로 임계 투과유속을 측정하였다. 분리막 모듈에 공기를 공급하지 않을 경우 임계 투과유속은 15.
성능/효과
- 6 kPa에 도달하였다. 따라서 투과실험 초기와 비교하면 14.9 kPa이 상승함을 확인하 였다. 산기량이 100 mL/min일 경우, Fig.
- 5 L/m2 ⋅h로 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 산기량이 증가함에 따라서 비침강 및 활성슬러지의 오염용량인 kns와 kml이 낮아지는 경향을 보였다. 특히 산기량을 0에서 100 mL/min로 증가시킬 경우 kns와 kml의 값은 0.
- 5 L/m2 ⋅h까지 증가함을 확인하였다. 또한 산기량이 증가함에 따라서 비침강및 활성슬러지의 오염용량인 kns와 kml은 산기량을 0에서 100 mL/min로 증가시킬 경우 각각 1/3 내지는 1/2 로 급격하게 감소하였다. 따라서 산기량을 증가시키면 임계 투과유속은 지속적으로 증가하고 막오염은 감소 하지만, 산기에 필요한 소요 동력을 고려하면 산기량이 100 mL/min일 경우 가장 경제적인 운전 조건으로 평가 된다.
- 산기량을 더욱 증가시키면 임계 투과 유속 역시 증가하였으며 최대 1,000 mL/min까지 증가 시킬 경우 임계 투과유속이 32.5 L/m2 ⋅h까지 증가함을 확인하였다.
- 산기량이 0에서 100, 300, 500 및 1,000 mL/min로 증가함에 따라서 임계 투과유속이 각각 15.2, 20.6, 21.5, 27.2 및 32.5 L/m2 ⋅h로 증가함을 확인할 수 있었다.
- 특히 산기량을 0에서 100 mL/min로 증가시킬 경우 kns와 kml의 값은 0.0368 및 0.2504 kPa/((L/m2 ⋅h) 2 ⋅min)에서 각각 0.0119 및 0.1173 kPa/((L/m2 ⋅h) 2 ⋅min)으로 1/3 내지 1/2로 급격하게 감소함을 알 수 있었다.
- 1173 kPa/((L/m2 ⋅h) 2 ⋅min)으로 1/3 내지 1/2로 급격하게 감소함을 알 수 있었다. 하지만 투과실험과 동시에 TMP 를 미분하는 과정에서 오차가 발생하여 산기량 300 mL/min일 때 k ml 과 산기량이 500 mL/min일 때 kns가 산기량에 따른 전반적인 경향에서 벗어남을 알 수 있었다.
- COD는 해당 범위에 맞는 수질 분석키트(HS-COD-MR, HS-COD-LR)를 이용하여 150°C에서 2시간 전처리 후 UV 분광기로 분석하였다. 활성슬러 지조 내 수용액의 CODtank는 230~450 mg/L이었으며 분리 막을 통과하여 처리된 투과수의 CODpermeate는 30~45 mg/L로 87% 이상의 COD 배제율을 나타내었다.
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