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문제 정의
- 이러한 마이크로버블을 막여과 공정에 적용하게 되면 오염물질의 부상과 함께 막표면의 오염 특성을 변화시켜 막간차압(TMP, trans membrane pressure)을 저감시킬 수 있을 것으로 기대된다. 따라서, 본 연구에서는마이크로버블을 막여과공정에 적용하기 위해 MF 막 여과 Lab-scale 실험장치를 제작하고 마이크로버블의적용 유무에 따른 막간차압을 비교 평가하였다. 또한폭기와 마이크로버블에 따른 세정효율 및 막면에서 제거되는 오염물질을 비교 평가하였다.
- 본 실험에서는 하수처리수로 오염시킨 막을 폭기와마이크로버블 적용 후 세정시간 30, 90 150 min에 따라 분리막 모듈내로 유출되는 시료를 채취해 오염물을 분석한 결과이다. Fig.
- 본 연구에서는 하수재이용 막여과 공정에서 마이크로버블의 적용 유무에 따른 막간차압, 폭기와 마이크로버블 적용에 따른 세정효율 및 막면에서 제거되는 오염물질을 평가하기 위해 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 45 μm)으로 여과 후 용존유기탄소 (DOC, dissolved organic carbon)를 측정하여 효율을 비교하였다. UV254 측정은 Ultraviolet-visible spectrophotometer (DR6000,HACH)를 이용하여 분석하였으며 탁도는 Turbidimeter(2100AN, HACH)를 사용하여 측정하였다.
- 세정효율을 평가하기 위해 하수처리수로 6일 동안 분리막을 운전하여 오염된 분리막을 대상으로 공기폭기와 마이크로버블 주입에 따라 세정효율을 측정하였다. 공기폭기 와 마이크로버블 주입량은 4 L/min로서동일한 유량으로 분리막 모듈 하부 드레인 배관에 주입하였으며 세정시간 30, 90, 150분 에 따라 여과저항을 측정하여 세정효율을 평가하였다.
- 세정효율은 다음 식(1)에 따라 계산하였다. 또한 일정 시간 간격으로 운영을 정지한 후 막모듈 드레인 배관에서 시료를 채취하여 시간이 경과함에따라 막 면에서 제거되는 오염물질을 분석하였다. 분석항목으로는 총 유기탄소(TOC, total organic carbons),용존유기탄소(DOC, dissolved organic carbons), UV254,탁도 등을 측정하였다.
- 따라서, 본 연구에서는마이크로버블을 막여과공정에 적용하기 위해 MF 막 여과 Lab-scale 실험장치를 제작하고 마이크로버블의적용 유무에 따른 막간차압을 비교 평가하였다. 또한폭기와 마이크로버블에 따른 세정효율 및 막면에서 제거되는 오염물질을 비교 평가하였다.
- 임계플럭스 운전조건은 Table 2에 나타내었다. 마이크로버블 유무에 따른 막간차압 변화를 측정하기 위해 동일한 40 L/m2･hr플럭스에서 240시간 동안 여과(28 min)-역세(1 min)-드레인(0.5 min)-리필(0.5 min) 순서로 운전하였다. 마이크로버블 주입의 경우 원수와 함께 여과중에 막모듈 유입 배관으로 주입되며 마이크로버블을 주입하지 않은 경우는 원수만 여과되어 10일 동안 막간차압 변화를 측정하였다.
- 5 min) 순서로 운전하였다. 마이크로버블 주입의 경우 원수와 함께 여과중에 막모듈 유입 배관으로 주입되며 마이크로버블을 주입하지 않은 경우는 원수만 여과되어 10일 동안 막간차압 변화를 측정하였다. 마이크로버블 유무에 따른 운전조건을 Table 3에 정리하였다.
- 본 실험에서는 lab-scale 하수재이용 막여과 시스템의 임계플럭스를 도출하기 위해 40 L/m2･hr부터 10 L/m2･ hr 단위로 플럭스를 단계적으로 증가시키면서 막간차압을 관찰하였고, 플럭스별 여과지속시간은 330min이다. Fig.
- , 2003). 본 연구는 분리막의 막오염 제어를 위해 마이크로 버블을적용하였다. 마이크로버블이란 기포 직경이 10~수십μm인 기포를 말하며 수면으로의 상승속도가 매우 느릴뿐만 아니라 천천히 소멸하여 완전 용해된다.
- , 1995). 분리막의 임계플럭스(critical flux)를 측정하기 위해 플럭스를 40~70 L/m2･hr의 조건으로 10 L/m2･hr 단위로 증가시켰으며 여과순서와 여과 시간은 모두 동일하게 실험하였다. 임계플럭스 운전조건은 Table 2에 나타내었다.
- 또한 일정 시간 간격으로 운영을 정지한 후 막모듈 드레인 배관에서 시료를 채취하여 시간이 경과함에따라 막 면에서 제거되는 오염물질을 분석하였다. 분석항목으로는 총 유기탄소(TOC, total organic carbons),용존유기탄소(DOC, dissolved organic carbons), UV254,탁도 등을 측정하였다. 총 유기탄소의 측정은 Total organic carbon analyzers (TOC-LCPN, SHIMADZU)를 사용하였고, 분석 전 SYRINGE FILTER (whatman, 25 mm 0.
- 따라서, 임계플럭스는막간차압의 변화가 거의 발생되지 않은 40 L/m2･hr를선정하였다. 선정된 임계플럭스로 마이크로 버블 유무에 따른 분리막 운영 평가를 실시하였다.
- 세정효율을 평가하기 위해 하수처리수로 6일 동안 분리막을 운전하여 오염된 분리막을 대상으로 공기폭기와 마이크로버블 주입에 따라 세정효율을 측정하였다. 공기폭기 와 마이크로버블 주입량은 4 L/min로서동일한 유량으로 분리막 모듈 하부 드레인 배관에 주입하였으며 세정시간 30, 90, 150분 에 따라 여과저항을 측정하여 세정효율을 평가하였다.
- 막여과 장치는 회전수를 제어할 수 있는 연동펌프(Peristalic pump,Cole-Parmer, USA)와 압력을 측정할 수 있는 전자 압력계로 구성되었다. 실험장치의 운전은 PLC (ProgramableLogic Controller)를 사용하여 여과, 역세, 드레인, 리필의 순서로 반복적으로 수행하도록 하였으며 실시간으로 압력, 여과유량 등의 데이터를 자동으로 저장하도록 구성하였다. 마이크로버블 발생장치는 펌프와 혼합탱크, 공기흡입밸브 그리고 노즐로 구성되어 있다.
- 총 유기탄소의 측정은 Total organic carbon analyzers (TOC-LCPN, SHIMADZU)를 사용하였고, 분석 전 SYRINGE FILTER (whatman, 25 mm 0.45 μm)으로 여과 후 용존유기탄소 (DOC, dissolved organic carbon)를 측정하여 효율을 비교하였다.
- 폭기 및 마이크로버블에 따른 세정효율을 파악하기 위하여 6일 동안 오염된 막의 초기 여과저항(총 여과 저항(Rt))을 측정하였고, 이후 세정시간 30, 90, 150min이 경과 할 때 마다 여과저항을 측정하여 세정효율을 산출하였다. 세정효율은 다음 식(1)에 따라 계산하였다.
- 마이크로버블 유무에 따른 운전조건을 Table 3에 정리하였다. 폭기와 마이크로버블에 따른 세정효율을 평가하기 6일 동안 오염된 막모듈을 설치하여 세정시간 30, 90, 150 min동안 여과저항을 측정하였다. 폭기와 마이크로버블의 주입은 막모듈 하부 드레인 배관으로 주입하였으며 폭기 적용 시 폭기량은 4 L/min이며, 마이크로버블 적용시의 마이크로버블 유량은 4 L/min으로 운전되었다.
대상 데이터
- 1과 같다. MF막여과 Lab-scale 실험장치는 막여과 장치 및 마이크로버블 발생장치로 구성되었다. 막여과 장치는 회전수를 제어할 수 있는 연동펌프(Peristalic pump,Cole-Parmer, USA)와 압력을 측정할 수 있는 전자 압력계로 구성되었다.
- 06 ㎡이고, 250 μm두께의 내약품성이 우수한 PVDF (polyvinylidene fluoride) 재질의 분리막을 사용하였다. 대상원수는 S대학교 하수처리장에서 처리된 2차 침전지 상등수를 사용하였으며,원수의 수질은 Table 1과 같다.
- 본 실험에 사용된 분리막은 국내에서 제조된 외압식중공사형 정밀여과막으로 0.1 μm의 공극크기를 가지고 있다.
- 분리막 모듈의 유효막면적은 0.06 ㎡이고, 250 μm두께의 내약품성이 우수한 PVDF (polyvinylidene fluoride) 재질의 분리막을 사용하였다.
성능/효과
- 다음 Fig. 3(a)에서와 같이마이크로버블 유무에 따른 분리막의 막간차압 변화는마이크로버블을 여과중에 주입하지 않은 것이 주입한 것에 비해 막간차압이 높게 상승하는 것을 확인할 수가 있다. Fig.
- 1) 마이크로버블 유무에 따른 분리막의 막간차압변화를 관찰한 결과, 마이크로버블을 적용한 경우에서 막간차압 증가율은 2배 감소됨으로 인해 안정적인 운전이 가능하였다.
- 2) 폭기와 마이크로버블에 따른 세정효율을 비교 평가한 결과, 마이크로버블을 적용한 경우에서 세정효율은 평균 5 %이상 높게 나타났다.
- 3) 폭기와 마이크로버블에 따른 막면의 오염물 유출량을 비교분석한 결과 폭기보다 마이크로버블을 적용한 경우 탁도와 TOC 항목에서 90, 150 min 여과 시 2배 높게 유출되었다. 이는 분리막 표면에 침적된 입자성 오염물질들은 마이크로버블에 의해 막면과 입자 사이의 부착력이 약화됨으로써 탈착 가능성이 높아진 것으로 보여진다.
- 2(a)는 플럭스 단계 실험에서 투과플럭스에 따른 막간차압의 변화를 나타낸 것이다. 40L/m2･hr에서는 막간차압의 변화가 거의 나타나지 않았으며, 50 L/m2･hr 이상의 플럭스에서는 막간차압이지속적으로 증가하는 것이 관찰되었다. Fig.
- 폭기적용시 누적 세정효율은 60 min 이후로 마이크로버블의 세정효율보다 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 마이크로버블의 세정효과는 폭기의 세정보다 평균 5 %이상 세정 효율이 향상됨을 확인할 수가 있었다. 따라서, 오염된 막에폭기와 마이크로버블에 따른 세정효율을 비교한 결과 세정시간이 길수록 마이크로버블에 의한 세정 효과가 더 높아짐을 확인 할 수 있었다. 하지만 세정시간 30min에서는 마이크로버블을 적용한 것이 폭기의 세정효율보다 약 3% 저감되었다.
- 따라서, 하수재이용 막여과 공정에서 마이크로버블을 적용할 경우 세정효율 증가로 인해 막오염 제어에 효과적일 것으로 판단된다.
- 4(a)의 결과를 통해 폭기 적용 시 세정시간이 높을수록 세정효율이 감소한 것을 확인할 수 있었다. 마이크로버블 적용시 30 min을 제외하고 세정시간 90 min, 150 min에서 마이크로버블의 세정효율이 폭기를 적용한 보다 증가한 것을 확인할 수 있었다.
- 제거되는 오염물의 유기물 특성을 살펴보면 폭기와마이크로버블의 경우에는 탁도와 TOC, DOC 모두 폭기를행한 경우보다 마이크로버블을 행한 경우가 초기 30 min을 제외하고는 막면 오염물의 유출량이 많음을 확인 할 수 있었다. 특히 탁도와 TOC에서 폭기보다는 마이크로버블에서 많은 양이 막모듈 내로 유출되었다.
- 4(a)에서 와 같이 폭기와 마이크로버블에 따른 시간별 세정효율을 나타낸 것이다. 폭기시 세정시간 30, 90, 150 min에 따라 회복되는 세정효율은 12.9%,6.4%, 3.8%였으며, 마이크로버블 주입시 10.3%,15.1%, 11.8%의 세정효율을 나타냈다. Fig.
- 4(b)에는 폭기와 마이크로버블에 따른 시간별 누적 세정효율을 나타낸다. 폭기적용시 누적 세정효율은 60 min 이후로 마이크로버블의 세정효율보다 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 마이크로버블의 세정효과는 폭기의 세정보다 평균 5 %이상 세정 효율이 향상됨을 확인할 수가 있었다. 따라서, 오염된 막에폭기와 마이크로버블에 따른 세정효율을 비교한 결과 세정시간이 길수록 마이크로버블에 의한 세정 효과가 더 높아짐을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 2009). 이러한 마이크로버블을 막여과 공정에 적용하게 되면 오염물질의 부상과 함께 막표면의 오염 특성을 변화시켜 막간차압(TMP, trans membrane pressure)을 저감시킬 수 있을 것으로 기대된다. 따라서, 본 연구에서는마이크로버블을 막여과공정에 적용하기 위해 MF 막 여과 Lab-scale 실험장치를 제작하고 마이크로버블의적용 유무에 따른 막간차압을 비교 평가하였다.
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