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문제 정의
- 본 연구에서는 합성하수를 처리하는 혐기성 유동상 생물반응기에서 처리된 유출수 내에 존재하는 질소를 배제하기 위하여 정삼투막 공정을 적용하여, 공급용액의 종류(DI-water, AFBR 유출수)와 유도용액의 종류 (NaCl, glucose)에 따른 수투과량 및 전도도 변화를 관찰하고, 암모니아성 질소의 배제를 관찰하였다. 유도용액의 농도가 증가함에 따라 정삼투압막의 수투과량은 증가하였으나, 염의 역수송현상에 따른 공급용액 내 전도도 또한 증가하였다.
- 본 연구에서는 실험실 규모의 AFBR을 이용하여 합성폐수를 처리한 후, 배출되는 처리수 내 질소 배제를 위해 FO 멤브레인 여과를 적용하였다. 유도용액의 농도와 종류, 공급용액의 종류에 따른 수투과량의 변화를 관찰하고 질소의 배제에 미치는 효과를 실험실 규모로 관찰하였다.
가설 설정
- Effect of DS (NaCl) concentration on de-ionized water (DI) (a) Flux with different DS concentration (0.5, 1, 2, 3 M) for 24 h filtration (b) Compare of average Flux for different DS concentration.
제안 방법
- 1). AFBR system에 적용된 합성폐수는 아세트산나트륨 265.62 mg/L와 프로피온산나트륨 107.14 mg/L를 사용하여 COD 250 mg/L로 제조하였으며, 혐기성 미생물의 성장을 위해 질소와 같은 영양염류의 경우 인천시 소재의 하수처리장 내 혐기성 소화조의 상등액을 합성폐수의 부피비 1%(10 L 기준으로 100 mL)만큼 공급하였다[16-17]. 합성폐수의 구성은 Table 1과 같다.
- 실험온도는 약 20~25°C의 상온에서 진행되었다. 공급용액과 유도용액의 농도 변화는 전도도측정기(Orion star A212, Thermo scientific)를 사용하여 공급용액의 실시간 전도도 변화량을 측정하고, 유도용액의 여과 전, 후의 전도도를 측정하여 비교하였다. 수투과량은 여과가 진행됨에 따라 유도용액의 질량증가량을 전자저울 (FZ-5000i, A&D company)과 데이터 수집 프로그램을 이용하여 실시간으로 측정하였다.
- 공급용액의 종류가 FO막 수투과량에 미치는 영향을 관찰하기 위해 동일한 유도용액의 농도(NaCl, 1 M)를사용하여 두 가지 공급용액(초순수, AFBR 유출수)에 대한 수투과량의 변화를 24 h 동안 관찰하였다. 공급용액과 유도용액의 순환유량은 400 mL/min으로 고정하 였다.
- 마그네틱 펌프(magnetic pump, NH-100PX-Z, Korea) 를 사용하여 침전조의 현탁액을 반응조 하부로 재순환 시켜 GAC입자를 반응조 내에서 유동시켰다.
- 본 연구에서는 실험실 규모의 AFBR을 이용하여 합성폐수를 처리한 후, 배출되는 처리수 내 질소 배제를 위해 FO 멤브레인 여과를 적용하였다. 유도용액의 농도와 종류, 공급용액의 종류에 따른 수투과량의 변화를 관찰하고 질소의 배제에 미치는 효과를 실험실 규모로 관찰하였다.
- 본 연구에서는 연구실 규모의 혐기성 유동상 생물반응기(AFBR system)를 이용하여 합성폐수를 처리하였다(Fig. 1). AFBR system에 적용된 합성폐수는 아세트산나트륨 265.
- 생물반응기는 칼럼(column)형태의 아크릴 반응기로, 반응조와 침전조로 구성되었다. 상부에 GAC입자의 침강을 위한 침전조를 높이 30 cm, 지름 10 cm로 설계하였으며, 침전조를 제외한 반응조의 길이는 100 cm, 지름 5 cm, 부피 2 L로 설계하여, 순환펌프 및 배관을 포함하여 전체 부피 5 L로 제작되었다.
- 수투과량은 여과가 진행됨에 따라 유도용액의 질량증가량을 전자저울 (FZ-5000i, A&D company)과 데이터 수집 프로그램을 이용하여 실시간으로 측정하였다.
- 여과실험은 각각 5, 24 h 동안 진행되었으며, 여과시간에 따른 수투과량 변화 및 각 용액의 농도변화를 관찰하였다. 유도용액의 종류 및 농도 변화에 따라 수투과량 변화 및 각 용액의 농도변화를 관찰하였으며, 각 조건별로 AFBR 유출수 내에 존재하는 질소의 농도 변화를 관찰하였다.
- 유도용액의 농도가 FO막의 수투과량에 미치는 영향을 관찰하기 위해 네 가지 유도용액의 농도(NaCl, 0.5, 1, 2, 3 M)를 사용하여 공급용액(초순수 : De-ionized water)의 수투과량을 24 h 동안 관찰하였다. 본 실험에서 공급용액과 유도용액의 순환유량은 400 mL/min으로 고정하였다.
- 여과실험은 각각 5, 24 h 동안 진행되었으며, 여과시간에 따른 수투과량 변화 및 각 용액의 농도변화를 관찰하였다. 유도용액의 종류 및 농도 변화에 따라 수투과량 변화 및 각 용액의 농도변화를 관찰하였으며, 각 조건별로 AFBR 유출수 내에 존재하는 질소의 농도 변화를 관찰하였다.
- 1 mg/L의 총질소가 여전히 존재하며 특히, 존재하는 질소의 대부분이 암모니아성 질소(NH3-N) 형태로 존재한다(Table 2). 유도용액의 종류가 공급용액내 암모니아성 질소의 배제에 미치는 영향을 확인하기 위하여, NaCl, glucose 각 1 M의 유도용액을 적용하여 AFBR 유출수를 여과하였다.
- 유도용액의 종류에 따라 FO막의 수투과량이 어떻게 달라지는지 확인하기 위하여, glucose 1 M (유도용액) 과 초순수(공급용액)에 대한 수투과량을 측정하여 비교하였다. Fig.
- 수투과량은 여과가 진행됨에 따라 유도용액의 질량증가량을 전자저울 (FZ-5000i, A&D company)과 데이터 수집 프로그램을 이용하여 실시간으로 측정하였다. 전자압력계를 설치하여 순환유량에 따른 공급용액과 유도용액의 내압을 측정하였으며, 동일한 순환유량일 경우 압력차가 발생하지 않도록 하였다.
대상 데이터
- 2와 같다. FO막은 Toray Chemical Korea에서 제조된 FO 평막을 사용하였다. 실험에 사용된 막의 총 유효 단면적은 0.
- FO막은 Toray Chemical Korea에서 제조된 FO 평막을 사용하였다. 실험에 사용된 막의 총 유효 단면적은 0.0009 m2이었다. AFBR 유출수를 공급용액(Feed solution : FS)으로 사용하였으며 FO막의 선택층 부분에 적용하였다.
- AFBR 유출수를 공급용액(Feed solution : FS)으로 사용하였으며 FO막의 선택층 부분에 적용하였다. 유도용액(draw solution : DS)은 NaCl, glucose를 사용하였으며, FO막의 지지층 부분에 적용하였다. 공급용액과 유도용액은 정량펌프(Longer pump, China)에 의해 FO막을 중심으로 양측에서 각각 상향류로 순환하였으며, 순환유량은 400 mL/min으로 적용하 였다.
- 입상활성탄(Granular Activated Carbon : GAC, MRX-M, Calgon Carbon Corp., Pittsburg, PA)을 혐기성 미생물의 부착 성장을 지원하기 위해 AFBR의 유동상으로 적용하였으며, 지름 0.84 mm 이상의 GAC 300 g을 선별하여 사용하였다.
성능/효과
- 이는 AFBR 유출수의 전도도가 초순수에 비해 높으며 유기물질과 부유고형물 등 미량의 물질들이 함유되어 있어(Table 2), 농도차에 의한 FO막 수투과량이 소폭 감소한 것으로 사료된다. 24 h의 여과 동안 초순수와 AFBR 유출수에 대한 수투과량 감소 경향이 크게 다르지 않았으며, 이에 따라 AFBR 유출수에 대한 파울링 발생은 높지 않음을 알 수 있다.
- 그러나 glucose를 유도용액으로 사용하면 염의 역수송현상에 의한 수투과량 감소는 상대적으로 작을 것으로 사료된다. 3.2에서 공급용액의 종류에 관계없이 염의 역수송현상이 관찰되었으나, 유도용액의 종류에 따라서 조절이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 7(a)에서, AFBR 유출수에 대한 24 h 여과 결과, 각 유도용액별 수투과량의 감소는 크게 나타나지 않았다. 3.2의 결과와 마찬가지로, 유도용액의 종류에 관계없이 AFBR 유출수로부터 해당 운전시간 동안 파울링 속도는 증가하지 않았다. Fig.
- 마찬가지로 AFBR 유출수를 공급용액으로 사용한 경우, glucose 1 M에 의한 공급용액 내 전도도 증가량은 NaCl 1 M에 비해 크게 낮았으며, 여과가 진행됨에 따라 공급용액 내 암모니아성 질소의 농축이 이루어짐을 확인했다. NaCl을 사용할 경우 암모니아성 질소의 배제 및 농축 효율이 크게 떨어졌고(배제 효율 55.4%), glucose를 사용할 경우 공급용액 내 암모니아성 질소가 거의 완벽하게 배제 및 농축되었고(배제 효율 100%) glucose 용액 내 암모니아성 질소가 발견되지 않음에 따라, 유도용액의 종류에 따라 암모니아성 질소의 배제 및 농축에 차이가 있음을 확인하였다.
- 유도용액의 농도가 증가함에 따라 정삼투압막의 수투과량은 증가하였으나, 염의 역수송현상에 따른 공급용액 내 전도도 또한 증가하였다. 공급용액을 AFBR 유출수로 적용하였을 때, 파울링에 의한 수투과량 감소는 크게 나타나지 않았으며 염의 역수송현상에 의하여 공급용액 내 전도도가 상승하였다. 초순수를 공급용액으로 사용한 경우, NaCl 1 M에 비해 glucose 1 M의 수투과량은약 절반 수준으로 낮았으나, 물속에서 이온화되지 않은 성질 때문에 여과 이후에도 초순수 내 전도도는 증가하지 않았다.
- 초순수를 공급용액으로 사용한 경우, NaCl 1 M에 비해 glucose 1 M의 수투과량은약 절반 수준으로 낮았으나, 물속에서 이온화되지 않은 성질 때문에 여과 이후에도 초순수 내 전도도는 증가하지 않았다. 마찬가지로 AFBR 유출수를 공급용액으로 사용한 경우, glucose 1 M에 의한 공급용액 내 전도도 증가량은 NaCl 1 M에 비해 크게 낮았으며, 여과가 진행됨에 따라 공급용액 내 암모니아성 질소의 농축이 이루어짐을 확인했다. NaCl을 사용할 경우 암모니아성 질소의 배제 및 농축 효율이 크게 떨어졌고(배제 효율 55.
- 4(b)에서 유도용액의 농도가 증가함에 따라, 24 h 여과 후 유도용액의 전도도가 더 많이 감소하였다. 여과가 진행됨에 따라 공급 용액이 FO막을 투과하여 유도용액으로 이동하면서 유도용액의 농도가 희석되어 전도도가 감소하는데, 농도가 증가함에 따라 수투과량이 증가하고 공급용액의 투과량이 증가하여 더 많은 희석이 이루어졌음을 알 수있다.
- 는 여과 후 유도용액 내 질소의 농도(mg/L)를 나타낸다. 위 식에 따라 NaCl에 대한 암모니아성 질소의 배제 효율은 55.4%로 관찰되었으며 glucose 유도 용액으로 사용하였을 경우 AFBR 유출수의 암모니아성 질소는 거의 완벽하게 배제됨을 알 수 있었다.
- 5 M에서 1 M로 증가할 때 약 5 LMH의 수투과량이 증가하였으나, 1 M에서 3 M로 증가할 때에도 수투과량이 약 5 LMH 증가 하는 것으로 나타났다. 유도용액의 농도가 높아질수록 그에 따른 수투과량의 증가량은 감소하는 것으로 나타났다. 이를 확인하기 위하여 다음의 수투과량을 나타내는 Eq.
- 본 연구에서는 합성하수를 처리하는 혐기성 유동상 생물반응기에서 처리된 유출수 내에 존재하는 질소를 배제하기 위하여 정삼투막 공정을 적용하여, 공급용액의 종류(DI-water, AFBR 유출수)와 유도용액의 종류 (NaCl, glucose)에 따른 수투과량 및 전도도 변화를 관찰하고, 암모니아성 질소의 배제를 관찰하였다. 유도용액의 농도가 증가함에 따라 정삼투압막의 수투과량은 증가하였으나, 염의 역수송현상에 따른 공급용액 내 전도도 또한 증가하였다. 공급용액을 AFBR 유출수로 적용하였을 때, 파울링에 의한 수투과량 감소는 크게 나타나지 않았으며 염의 역수송현상에 의하여 공급용액 내 전도도가 상승하였다.
- 8(b)에서, glucose를 유도용액으로 사용하여 24 h 여과를 진행할 경우 AFBR 유출수 내 암모니아성 질소의 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, glucose 용액 내 암모니아성 질소가 24 h 여과 후에도 검출되지 않았다. 이는 유도용액의 종류에 따라 암모니아성 질소의 배제 및 농축이 가능함을 나타내며, glucose 가 AFBR 유출수 내 존재하는 암모니아성 질소의 배제를 위해 상대적으로 적절한 유도용액임을 알 수 있었다. 암모니아성 질소의 배제 효율을 비교하기 위하여 Eq.
- 초순수와 AFBR 유출수의 전도도 증가량(DI : 0.0004 → 0.6892, AFBR 유출수 : 0.6510 → 1.2610)의 차이가 거의 없는 것으로 보아, 여과에 따른 염의 역수송 현상은 공급용액의 종류와 상관관계가 없음을 알 수 있었다.
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