[논문]전기응집-MBR 공정의 전류밀도와 접촉시간이 막 오염에 미치는 영향과 막 오염 저감 속도론적 고찰

엄세은; 장인성

doi:10.11001/jksww.2017.31.4.321

전기응집-MBR 공정의 전류밀도와 접촉시간이 막 오염에 미치는 영향과 막 오염 저감 속도론적 고찰
Effect of current density and contact time on membrane fouling in electrocoagulation-MBR and their kinetic studies on fouling reduction rate 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.31 no.4, 2017년, pp.321 - 328

엄세은 (호서대학교 나노바이오트로닉스학과) , 장인성 (호서대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently EC-MBR (Elctrocoagulation - Membrane Bio Reactor) has been suggested as one of alternative processes to overcome membrane fouling problems. Most important operational parameters in the EC-MBR are known to current density and contact time. Their effect on membrane filtration performances has been reported well, however, quantitative interrelationship between both parameters not been investigated yet. The purpose of this study is to give a kinetic model suggesting the current density and the contact time required to reduce the membrane fouling. The 4 different set of current densities (2.5, 6, 12 and $24A/m^2$) and contact times (0, 2, 6 and 12 hr) were selected as operational parameters. After each electro-coagulation under the 16 different conditions, a series of membrane filtration was carried out. The membrane fouling decreased as the current density and contact time increased, Total fouling resistances under different conditions, $R_t(=R_c+R_f)$ were calculated and compared to those of the controls ($R_0$), which were calculated from the data of experiments without electro-coagulation. A kinetic approach for the fouling reduction rate ($R_t/R_0$) was carried out and the equation ${\rho}^{0.46}_it=7.0$ was obtained, which means that the product of current density and the contact time needed to reduce the fouling in certain amounts (in this study, 10% of fouling reduction) is always constant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 EC-MBR의 전류밀도와 접촉시간이 막 오염에 미치는 영향을 정량화한 후 속도론 방법론을 통해 막 오염 저감에 필요한 전류밀도와 접촉시간을 수식화 하여 모델링 하고자 하였다.
본 연구에서는 MBR 공정의 가장 큰 문제점으로 지목되고 있는 막 오염을 제어하기 위한 방법으로 전기응집 기술을 이용할 때, 가장 중요한 운전인자인 전류밀도와 접촉시간이 막 오염 저감 속도에 미치는 영향에 관한 모델식을 정립하였다. 본 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다.
, 2012). 이와 같이 EC-MBR의 여과성능 및 여과수질 향상 메커니즘에 관한 연구들은 이미 여러 문헌에서 정립되어 있으므로 본 연구에서는 이에 관한 설명은 상세히 하지 않기로 한다.

제안 방법

1) 전류밀도의 세기와 접촉시간이 막 오염에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 회분식 교반 셀 실험을 진행하여 여과 플럭스 자료를 얻었다. 이를 직렬여과저항 모델을 이용하여 저항값 감소율, 즉 전기응집을 수행하지 않았을 때의 총오염저항 (R₀)에 대한 전기응집 시 감소된 총오염저항 (R_t)의 비율 (R_t / R₀)을 계산하였다.
일련의 여과실험 즉, i) 순수 여과, ii) 슬러지 여과, iii) 분리막 세척 후 순수 여과를 통해 J_iw (초기 물 플럭스), J (활성 슬러지 플럭스), J_fw (최종 물 플럭스)를 구하였다. 이후 식 (1)과 같은 직렬여과저항 모델 (Resistance in series model) (Park et al.
총오염저항감소율이 10%가 되는 부분을 선택한 이유는 y축의 10% 인근 (0 –15% 사이)에서 x축과 평행한 직선을 그었을 때 네 종류의 전류밀도 곡선을 모두 만나는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 10% 되는 부분을 임의로 선정하여 총오염저항감소율의 기준으로 삼았다.
접촉시간 0시간은 전기응집을 인가하지 않은 대조군 (control)으로 하였다. 따라서 전류밀도와 접촉시간이 각각 다른 16번의 전기응집 실험을 수행하였다. 전기응집 실험 (run 1 to 16)의 세부적인 전기응집 운전조건을 Table 3에 요약하였다.
반응기에 1L의 활성 슬러지를 담고, 전극 간 거리를 50mm로 고정시킨 후 덮개를 닫는다. 실험 중 활성 슬러지가 완전혼합이 될 수 있도록 자테스터 (SF-6, MTOPS, Republic of Korea)로 교반시켜 주었고, 반응기 외부에서 공기펌프를 사용하여 공기를 공급해 주었다.
즉, 이 값을 전기응집을 수행하지 않은 대조군의 값과 비교하여 막 오염이 얼마나 감소하였는지를 백분율 (%)로 표시하였다. 이렇게 얻은 총오염저항값의 감소비를 기준으로 하여 다음 절에서 막 오염 감소 속도에 관한 모델링 작업을 수행하였다.
1) 전류밀도의 세기와 접촉시간이 막 오염에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 회분식 교반 셀 실험을 진행하여 여과 플럭스 자료를 얻었다. 이를 직렬여과저항 모델을 이용하여 저항값 감소율, 즉 전기응집을 수행하지 않았을 때의 총오염저항 (R₀)에 대한 전기응집 시 감소된 총오염저항 (R_t)의 비율 (R_t / R₀)을 계산하였다. 예상한대로 전류밀도와 접촉시간이 증가할수록 저항값 감소율이 증가함을 확인하였다.
전기응집에 적용하는 일반적인 전류밀도값, 2~30 A/m²를 감안하여 본 연구에서는 전류밀도를 2.5~24 A/m²를 적용하였다. 즉, 전류밀도는 2.
전류밀도값을 2.5, 6, 12, 24 A/m²으로 변화시켜가며 전기응집을 수행한 후 활성슬러지의 여과성능의 변화를 확인하기 위해 회분식여과셀을 이용하여 플럭스를 측정하였다. Fig.
5~24 A/m²를 적용하였다. 즉, 전류밀도는 2.5, 6, 12, 24 A/m²로 변화시켰으며, 각각의 전류밀도 하에서 접촉시간을 0, 2, 6, 12시간으로 달리 하였다. 접촉시간 0시간은 전기응집을 인가하지 않은 대조군 (control)으로 하였다.
활성 슬러지의 막 여과 성능을 확인하기 위하여 Fig. 2와 같은 회분식 교반 셀 (Amicon 8200, Amicon, USA)을 이용하였다. 막을 통과한 투과수는 컴퓨터에 연결 된 전자저울 (LP220s, Satorious, Germany)을 통해 일정 간격으로 기록되었다.

대상 데이터

50×130mm 크기로 자른 알루미늄판을 전기응집 전극으로 사용하였다.
본 연구에서 사용한 활성 슬러지 혼합액은 C시 환경 사업소의 포기조에서 채취해온 것으로, 실험실에서 수 개월간 합성폐수를 사용하여 순응시켰다. 제조한 합성폐수 원액의 성분과 농도를 Table 1에 나타내었고 이를 활성슬러지 배양에 적절한 f/m 비로 조정하여 희석하여 공급하였다.
자세한 실험 조건은 Table 4와 같다. 실험에 사용한 분리막은 디스크형 한외여과 막 (UF)이다. 막의 세부 특징은 Table 5에 요약하였다.
전기응집 실험을 위해 사용한 반응조는 아크릴 재질의 원통형 반응기로 내경 110mm, 외경 120mm, 높이 155mm의 크기로 제작되었다 (Fig. 1). 반응조의 덮개 역시 아크릴 재질로 제작되었으며, 전극을 고정시킬 수 있는 흠과 자테스터 (Jar-tester)의 교반기 부분이 들어갈 수 있는 공간이 뚫려있다.

이론/모형

(최종 물 플럭스)를 구하였다. 이후 식 (1)과 같은 직렬여과저항 모델 (Resistance in series model) (Park et al., 2015)에 적용시켜 R_m (분리막 저항), R_f (분리막 공극 내부 오염 저항), R_c (케이크층 저항)를 각각 구하였다.

성능/효과

2) 이상의 자료를 이용하여 총저항값 감소율이 10 %에 도달할 때 필요로 하는 전류밀도의 세기와 접촉시간에 대한 속도론적 고찰을 통하여 모델식, ρ_i^0.46t = 7.0을 완성하였다. 모델식의 의미는 전기응집을 통하여 총오염저항이 10% 감소될 때까지 필요로 하는 전류밀도와 접촉시간과의 상관관계이다.
Fig. 4를 통해 접촉시간에 따라 총오염저항감소율 (R_t / R₀)의 변화가 선형적으로 나타나기 때문에 접촉시간에 따라 총오염저항값 (R_t)이 감소되는 현상을 1차 반응으로 해석할 수 있음을 확인하였다. 따라서 총오염저항감소율을 식 (2)와 같은 1차반응식으로 세울 수 있다.
이를 직렬여과저항 모델을 이용하여 저항값 감소율, 즉 전기응집을 수행하지 않았을 때의 총오염저항 (R₀)에 대한 전기응집 시 감소된 총오염저항 (R_t)의 비율 (R_t / R₀)을 계산하였다. 예상한대로 전류밀도와 접촉시간이 증가할수록 저항값 감소율이 증가함을 확인하였다.
3에 전류밀도값이 24 A/m²인 경우의 여과시간에 따른 상대플럭스 (normalized flux, J / J_iw 즉, 순수플럭스 (J_iw)에 대한 활성슬러지의 여과플럭스 (J)를 상대비로 표시한 것)를 나타내었다. 예상한대로 접촉시간이 0, 2, 6, 12시간으로 증가할수록 상대플럭스 (J / J_iw) 값이 크게 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 전류밀도값이 24 A/m²보다 적은 다른 경우에도 모두 동일한 경향을 보이고 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	막 오염을 제어하기 위한 방법은?	그러나 MBR 공정 중에 발생하는 막 오염 (Membrane fouling)을 해결하기 위한 운영 및 유지비용이 증가하여 문제점으로 지목되고 있다. 막 오염을 제어하기 위해 다양한 물리적 (역세척, 초음파 및 조대폭기 등), 화학적 (산, 염기 및 산화제 사용한 세정법 등) 및 생물학적 방법 (quorum quenching 등) 등 다양한 방법이 시도되고 있다 (Xu et al., 2013; Iorhemen et al.
	MBR공정의 장점은?	MBR (Membrane bio-reactor)은 기존의 표준 활성 슬러지 공정에 비해 고액 분리가 완벽하여 안정적인 유출수질을 유지하고 2차침전조에 필요한 넓은 부지면적을 필요로 하지 않는 등 많은 장점을 가지고 있기 때문에 도시 및 산업폐수 처리에 널리 사용되고 있다 (Hua et al., 2015).
	전기응집의 공정과정은?	최근에 화학약품인 응집제를 사용하지 않으면서도 응집효과를 얻는 전기응집 (Electro-coagulation) 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 수중에 침지된 전극에 전류를 흘려 양극에서 알루미늄 이온 (Al+3) 과 같은 금속 양이온을 용출시켜 수중의 콜로이드성 물질을 응집하는 공정이다 (Tafti et al., 2015).

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