[논문]EC-MBR에서 전기응집이 슬러지 특성에 미치는 영향

엄세은; 장인성

doi:10.5762/kais.2017.18.12.42

EC-MBR에서 전기응집이 슬러지 특성에 미치는 영향
Effect of electrocoagulation on sludge characteristics in EC-MBR 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.12, 2017년, pp.42 - 49

엄세은 (호서대학교 나노바이오트로닉스학과) , 장인성 (호서대학교 환경공학과)

초록
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전기응집 공정은 MBR (Membrane Bio-Reactor) 공정의 막 오염을 해결하기 위한 일환으로 응용되고 있다. 본 연구는 전기응집 공정의 중요한 운전변수인 전류밀도와 접촉시간에 따른 활성슬러지의 특성 변화에 관한 연구를 수행하였다. 전류밀도를 2.5, 12, $24A/m^2$로, 접촉시간은 0, 2, 6 hr로 변화시켜 가며 활성슬러지의 특성 변화를 관찰하였다. 전류밀도 $24A/m^2$ 조건에서 6시간 동안 MLSS는 6,800에서 7,000 mg/L로 3% 증가하였고, MLVSS는 6,280에서 6,300 mg/L로 큰 변화가 없었다. 다른 전류밀도 조건 하에서도 동일한 경향이 관찰되었다. COD는 전류밀도가 $24A/m^2$일 때 71에서 37 mg/L로 감소하였고, $12A/m^2$일 때는 113에서 67 mg/L로, $2.5A/m^2$일 때는 84에서 80 mg/L로 감소하였다. 반면 TN과 TP는 전반적으로 큰 변화를 보이지 않았다. Soluble-EPS와 Bound-EPS는 전류밀도가 증가할수록 약간 감소하는 경향을 보였다. 전기응집을 거친 활성슬러지로 막 여과를 수행하여 여과성능이 개선되는지 평가하였다. 전기응집을 수행하지 않은 대조군에 비해 총여과저항 ($R_t$)이 6~61% 감소한 것으로 나타났다. 특히 전류밀도와 접촉시간이 증가할수록 막 여과 저항이 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해 전기응집 공정이 MBR 공정의 막 여과 성능 개선에 사용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The application of electro-coagulation has been attempted to control the membrane fouling problem in a MBR (Membrane Bio-Reactor). This study examined the effects of the operating parameters (current density and contact time) of the electro-coagulation process on the change in the characteristics of activated sludge. The current density changed from 2.5 to 12, $24A/m^2$, and the contact time was varied from 0 to 2 and 6 hr, respectively. At a current density of $24A/m^2$ and 6 hr of operation, the MLSS changed from 6,800 to 7,000 mg/L (3% increase), but the MLVSS did not increase significantly. After 6 hr of operation, the soluble COD decreased from 71 to 37 mg/L under the $24A/m^2$ condition, from 113 to 67 mg/L under the $12A/m^2$ condition, and from 84 to 80 mg/L under the $2.5A/m^2$ condition. On the other hand, soluble-TN and -TP concentration showed slight changes. The soluble-EPS and Bound-EPS concentration decreased slightly with increasing current density. The membrane filtration performance of activated sludge before and after electro-coagulation was compared. The filtration resistances after electro-coagulation decreased from 6 to 61 %, particularly as the current density and contact time were increased. This indicates that electro-coagulation can be used to control membrane fouling in the MBR process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 EC-MBR이 효과적으로 막 오염을 제어하기 위한 사전 연구로, 전기응집이 활성 슬러지 특성에 어떠한 영향을 미치는지 분석하고자 하였다. 아울러 전기응집 운전조건이 막 오염 저감에 미치는 영향도 확인하고자 하였다.
본 연구는 전기응집의 주요 운전변수인 전류밀도와 접촉시간을 변화해가며 활성슬러지의 특성이 어떻게 변화하는지 관찰하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다

제안 방법

알루미늄 판을 너비 50 mm, 높이 130 mm으로 가공하여 전극으로 사용하였다. 본 연구에서는 전기응집 조건이 활성슬러지의 특성에 미치는 영향에 관한 것이어서 전극의 단위면적 (A)당 처리되는 부피 (V), 즉 V/A가 전기응집 효율에 미치는 영향은 수행하지 않았다.

대상 데이터

전기응집 실험에 앞서, 본 연구에 사용된 슬러지 혼합액은 C시 환경 사업소의 포기조에서 채취한 활성슬러지를 실험실에서 수 개월간 합성폐수로 순응시킨 후에 시료로 사용하였다. 합성폐수는 Glucose 2,000 mg/L, Peptone 300 mg/L, Yeast extract 800 mg/L, (NH4)2SO₄200 mg/L, KH₂PO₄ 50 mg/L, MgSO₄·7H₂O 70 mg/L, MnSO₄·4~5H₂O 15 mg/L, CaCl₂·2H₂O 120 mg/L, NaHCO₃ 1,000 mg/L로 조제되어 16 L의 원통형 아크릴 반응조에서 배양하였다.
전기응집 실험을 수행하기 위해 내경 110 mm, 외경 120 mm, 높이 155 mm의 1 L 용량의 원통형 아크릴 반응기를 제작하였다. 반응기 상부에는 전극을 고정시키기위한 흠을 설치해 전극이 삽입되도록 하였다.

데이터처리

단백질 성분은 Lowry 법 [18]으로, 다당류 성분은 Phenol-sulfuric acid 법 [19]으로 분석하였다. COD, TN, TP 분석에 사용된 시료는 여과지(GF/C, Whatman)로 여과한 여액을 사용하여 모두 용존성 성분을 분광광도계 (DR/4000 U, HACH, USA)로 측정하였다. 분석방법과 장치를 Table 3에 요약하였다.

이론/모형

MLSS와MLVSS는 Standard methods [16]에 준하여 분석하였다. EPS는 열처리법 [17]을 통하여 Soluble EPS와 BoundEPS를 추출하여 분석하였다. EPS의 주성분인 단백질과 다당류를 분석하였다.
시료의 MLSS, MLVSS, COD, TN, TP, EPS를 측정하였다. MLSS와MLVSS는 Standard methods [16]에 준하여 분석하였다. EPS는 열처리법 [17]을 통하여 Soluble EPS와 BoundEPS를 추출하여 분석하였다.

성능/효과

1) 활성슬러지에 전기응집을 수행하였을 때, MLSS의농도는 증가하였으나, 유기물 성분인 MLVSS는 크게 증가하지 않았다. MLSS의 증가는 전기응집으로 인한 불용성 무기물, 즉, Al(OH)3와 같은 알루미늄염이 생성되어 발생한 것이다.
2) Soluble COD가 최대 48% 가량 감소하였다. 이는 응집과정에서 모 용액의 유기물 성분이 일부 응집되어 감소한 것으로 추정된다.
3) EPS의 경우 Soluble EPS와 Bound EPS 모두 전기응집 후에 감소하는 경향을 보였다. Soluble EPS는 전기응집을 통해 생성된 알루미늄 염으로 인해 흡착되어 제거된 것이고, Bound EPS는 전기화학적 산화반응으로 생분해가 잘 되는 화합물로 전환되거나 전류의 영향으로 플록에 붙어있던 Bound EPS가 탈착되어 제거된 것으로 추정된다.
4) 전기응집을 거친 후 막 여과를 수행하여 본 결과, 전기응집을 수행한 슬러지의 막 여과 성능이 대조군에 비해 막 오염 저항 감소율이 최대 61%까지 향상되었음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기응집을 수행할 때 Soluble COD가 감소한 이유는?	2) Soluble COD가 최대 48% 가량 감소하였다. 이는 응집과정에서 모 용액의 유기물 성분이 일부 응집되어 감소한 것으로 추정된다. 또한 모 용액의 미생물이 전기적 자극을 받아 슬러지의 활성도가 증가되어 유기물 제거율이 향상된 것으로 판단된다. 반면 TN과 TP는 전기응집 전후에 큰 차이를 보이고 있지 않았다.
	막 오염을 제어하기 위한 물리적 세정 법은 어떤 방법이 있는가?	막 오염을 제어하기 위해 다양한 물리, 화학, 생물학적 방법이 시도되고 있다. 물리적 세정 법으로는 일정 시간 간격으로 막 여과를 시행/중지를 반복하는 막 이완법과 공기나 여과수를 여과의 반대 방향으로 수송하는 역세척방법이 있다 [4]. 비가역적 오염이 축적됨에 따라 물리적 세정으로는 한계가 있으므로 다양한 유형의 화학적 세정이 권장되기도 한다.
	MBR 공정의 장점은?	MBR (Membrane bio-reactor) 공정은 전통적인 표준활성슬러지 공정보다 고농도의 MLSS로 운영이 가능하여 유출수질이 양호하며 잉여 슬러지를 적게 발생시키는 장점이 있다 [1]. 이 때문에 MBR은 고도처리를 요하는 곳이나 용수 재이용 공정에 빈번하게 사용되고 있다 [2,3].

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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