[논문]펄스전기장 (Pulsed Electric Fields)의 전극 코팅과 인가 전압에 따른 슬러지의 가용화 효과

엄세은; 장인성

doi:10.5762/kais.2018.19.10.16

펄스전기장 (Pulsed Electric Fields)의 전극 코팅과 인가 전압에 따른 슬러지의 가용화 효과
Effect of electrode coating and applied voltage of pulsed electric fields (PEF) on sludge solubilization 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.10, 2018년, pp.16 - 23

엄세은 (호서대학교 나노바이오트로닉스학과) , 장인성 (호서대학교 환경공학과)

초록
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하 폐수 슬러지 발생량의 꾸준한 증가로 인해 폐 슬러지의 효율적인 처리 기술개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 PEF (Pulsed Electric Fields) 기술을 활용하여 슬러지의 가용화를 통한 감량화 가능성을 평가하였다. PEF에 사용되는 스테인레스 재질의 전극에 테프론과 에폭시로 코팅한 후 활성슬러지 혼합액에 전계 펄스를 인가하여 전극 코팅에 따른 가용화 효율을 평가하였다. 또한 인가된 전압의 세기를 6, 12, 15 kV로 변화시켜 가며 가용화 정도를 평가하였다. 에폭시 코팅 전극에서는 MLSS, 용존성-COD, -TN, -TP를 분석한 결과 슬러지의 가용화가 발생하지 않은 것으로 나타났다. 그러나 테프론으로 코팅한 전극에서는 MLSS는 최대 9 % 감소하였고 MLVSS 역시 최대 10 % 감소하였다. 또한 용존성-COD는 최대 496 % 증가하였다. 인가전압 6 kV 하에서는 가용화가 거의 발생하지 않았으나, 12 kV와 15 kV의 전압에서는 슬러지 가용화가 발생한 것으로 나타났다. 또한 슬러지 가용화가 발생한 12 kV와 15 kV의 전압에서는 코로나가 발생한 것으로 보아 슬러지 가용화는 코로나에 의해 유도되었으며, 코로나가 발생하는 임계전압이 존재하는 것으로 판단되었다. 결론적으로 PEF의 인가전압과 적절한 코팅제를 선택하여 코로나 발생을 제어함으로써 슬러지의 가용화를 유도할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Alternative technologies for sludge treatment and disposal need to be developed urgently because the amount of produced production has increased continuously. In this study, Pulsed Electric Fields (PEF) technique was applied for sludge solubilization and the performance was evaluated. The PEF equipped with electrodes coated by epoxy resin and teflon was inducted to the activated sludge suspension, and the effect of the coating materials on the solubilization was determined. In addition, the effect of the applied voltage on the solubilization yield was investigated as the applied voltage was increased from 6 to 12 and 15 kV. Sludge solubilization was not observed when the epoxy-coated electrode was used for PEF induction regardless of the applied voltage. However, sludge solubilization occurred when 12 and 15 kV were applied to the teflon-coated electrodes. The MLSS decreased to 9%, and the soluble-COD increased to 496% when the applied voltage was 15 kV. But sludge solubilization did not happen under 6 kV condition. The corona discharge was observed at applied voltages of 12 and 15 kV, (Ed- sorry but I cannot understand the following highlight) but if 6 kV, strongly indicating that the corona discharge make the sludge solubilized, which suggests that the critical voltage for sludge solubilization lies between 6 and 12 kV. Consequently, proper selection of electrode-coating materials and the applied voltage of PEF could lead to sludge solubilization by corona discharge.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Specification and the operating conditions of the bio-reactor for the acclimation of activated sludge
그림 Fig. 1. Schematic of the PEF system and the reactor.
표 Table 2. Specifications of the output pulses from the PEF system
표 Table 3. Operating conditions of the sludge solubilization using the PEF system
그림 Fig. 2. Voltage waveform of the PEF under 15kV condition; (a) without corona discharge, (b) with corona discharge.
그림 Fig. 3. Current waveform of the PEF under 15kV condition; (a) No-corona, (b) Corona.
표 Table 4. Analysis methods and apparatus
그림 Fig. 4. Effect of the applied voltage on the MLSS and the MLVSS concentration of the activated sludge: epoxy coated electrodes.
그림 Fig. 5. Changes in the soluble COD concentration according to the applied voltage using the epoxy coated electrode.
그림 Fig. 6. Changes in the soluble TN and TP concentration according to the applied voltage using the epoxy coated electrode.
그림 Fig. 7. Voltage and current wave-forms of the PEF under 15kV condition.
그림 Fig. 8. Change in the MLSS and MLVSS concentration according to the applied voltage using the teflon coated electrode.
그림 Fig. 9. Change in the soluble COD concentration according to the applied voltage using the teflon coated electrode.
그림 Fig. 10. Change in the soluble-TN and soluble-TP concentration according to the applied voltage using the teflon coated electrode.

AI 본문요약
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문제 정의

이상의 결과는 PEF 인가 전후에 MLSS 와 MLVSS의 차이가 측정 오차범위 내에 있는 것으로 PEF에 의해 MLSS와 MLVSS가 변화가 없는 것으로 판단된다. 그러나 활성슬러지의 가용화를 MLSS와 MLVSS 농도변화만 보고 판단할 수 없기 때문에 다음 절의 용존성 물질 농도를 분석하여 정확한 판단을 하고자 하였다.
본 연구는 매년 증가추세에 있는 하·폐수 슬러지를 효율적으로 처리하기 위해 PEF 기술을 이용하여 폐 슬러지의 감량화 연구를 시도하였다.
본 연구에서는 줄열 발생에 의해 미생물이 불활성화 되는 현상을 방지하기 위하여 전극을 코팅하여 사용하였다. 본 연구에서는 두 종류의 전극 코팅 물질을 사용하여 전극 코팅이 활성슬러지의 가용화에 미치는 영향을 관찰하고자 하였다.
본 연구의 목적은 하·폐수 처리장에서 발생하는 폐 슬러지를 감량화 하기 위해 PEF 기술을 활용하여 활성슬러지의 가용화 가능성 연구를 수행하는 것이다.

제안 방법

1) 코로나 발생 여부를 평가하기 위해 PEF 파형을 관찰하였다. 코로나가 발생한 파형과 그렇지 않은 경우의 전압과 전류 파형에 특징적인 변화가 발생하여 이를 관찰함으로써 코로나 발생 여부를 판단할 수 있음을 확인하였다.
PEF 장치에 의해 발생한 펄스의 출력 제원을 Table 2에 정리하여 나타내었다. PEF 공정의 중요 운전변수인 전계의 세기를 달리하기 위해 반응기 내 전극의 간격은 20 mm로 동일하게 고정하고 인가전압만 변화시켜가며 전계의 세기를 조절하였다.
또한 PEF 기술의 주요 인자인 전기장의 세기를 다르게 조정하기 위하여 전극 간격을 고정시키고 전압의 세기를 달리하여 인가해 주면서 가용화 정도를 관찰하였다. PEF 인가 전후의 MLSS, MLVSS, 용존성-COD, -TN, -TP 등을 측정하여 활성슬러지의 가용화 정도를 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
PEF 인가 후 가용화 정도를 파악하기 위해 인가전·후의 활성슬러지 특성 분석을 수행하였다.
220 V의 입력 교류전압을 변압기 (transformer) 및 정류기를 통해 kV 단위의 고전압 직류로 변환한 후, 반도체 스위치를 이용한 펄스 발생기 (pulse generator)에서 고전압 펄스로 출력된다. PEF 장치에 인가된 전압과 전류의 세기를 측정하기 위해 고전압 프로브 (PVM-6, Teledyne Lecroy Inc, USA)와 전류 프로브 (CP150, Teledyne Lecroy Inc, USA)를 오실로스코프 (104xi-A, Teledyne Lecroy Inc, USA)에 연결하여 파형을 관찰하였다. 발생한 고전압 펄스는 반응기 내부 전극으로 연결되어 출력된다.
8). 각각 6, 12, 15 kV의 전압에서 45분 동안 PEF를 인가하였다. 6 kV의 전압을 인가하였을 때 MLSS는 6,775에서 6,750 mg/L로, MLVSS는 6,350에서 6,325 mg/L로 거의 변화가 없었다.
그러나 본 연구에서 사용하는 활성 슬러지 혼합액의 경우 용액이 혼탁하고 불투명하기 때문에 전극 표면에서 발생하는 발광 현상을 직접 육안으로 관측하는 것이 매우 어렵다. 따라서 코로나가 발생하면 펄스의 전압과 전류 파형이 변화하는 현상을 통해 간접적인 방법으로 코로나 발생 유무를 평가하였다.
본 연구는 매년 증가추세에 있는 하·폐수 슬러지를 효율적으로 처리하기 위해 PEF 기술을 이용하여 폐 슬러지의 감량화 연구를 시도하였다. 또한 PEF 기술의 주요 인자인 전기장의 세기를 다르게 조정하기 위하여 전극 간격을 고정시키고 전압의 세기를 달리하여 인가해 주면서 가용화 정도를 관찰하였다. PEF 인가 전후의 MLSS, MLVSS, 용존성-COD, -TN, -TP 등을 측정하여 활성슬러지의 가용화 정도를 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
PEF에서는 이를 방지하기 위해 전극을 절연물질로 코팅하여 사용하기도 한다. 본 연구에서는 줄열 발생에 의해 미생물이 불활성화 되는 현상을 방지하기 위하여 전극을 코팅하여 사용하였다. 본 연구에서는 두 종류의 전극 코팅 물질을 사용하여 전극 코팅이 활성슬러지의 가용화에 미치는 영향을 관찰하고자 하였다.
에폭시 코팅을 위해 시판 중인 몰딩 에폭시 A제 (EM-3020/white, 신개암, 한국)와 B제 (EM-3020, 신개암, 한국)를 2대 1로 혼합하고, 감압 건조기에서 30분간 방치하여 건조와 동시에 기포를 제거한다. 전극코팅을 위해 제작된 금형 틀 상부에 설치된 마이크로미터 (digimatic micrometer, Mitutoyo, Japan)에 원 전극을 매단 후 바닥으로부터 350 μm 거리만큼 이격시켜 고정한다.
용존성 COD 및 –TN과 -TP 분석에 사용된 시료는 여과지 (GF/C, Whatman)로 여과한 여액을 사용하여, 분광광도계 (DR/4000 U, HACH, USA)로 측정하였다.
본 연구의 목적은 하·폐수 처리장에서 발생하는 폐 슬러지를 감량화 하기 위해 PEF 기술을 활용하여 활성슬러지의 가용화 가능성 연구를 수행하는 것이다. 이를 위해 PEF 공정의 중요한 운전 변수인 전기장 (electric field)의 세기를 결정하는 인가전압 (applied voltage)을 변화시켜가며 가용화 정도를 관찰하였다.
전극의 재질은 SUS304이다. 전극 코팅재질에 따른 가용화 효과를 비교하기 위해 각각 에폭시 (epoxy)와 테프론(teflon)으로 전극을 코팅하였다.
코팅된 전극을 이용하여 슬러지 가용화 실험을 위해 아크릴 재질의 반응조를 제작하였다. 반응조의 내경과 내부 높이는 각각 100, 205 mm이고, 외경과 외부 높이는 각각 120, 215 mm이다.
전극의 테프론 코팅에는 ETFE (ethylene과 tetrafluoroethylene의 공중합체)를 사용하였다. 코팅을 수행하기 위해 전극의 표면에 스크래치를 내어 예열시킨후 테프론 스프레이를 뿌려 코팅하였고, 150~420℃에서 소성하는 작업을 총 3회 반복하였다.
테프론으로 코팅된 전극을 사용하여 PEF를 인가한 경우 부유미생물 농도변화 관찰을 위해 MLSS와 MLVSS를 측정하였다 (Fig. 8). 각각 6, 12, 15 kV의 전압에서 45분 동안 PEF를 인가하였다.
활성슬러지 혼합액에 PEF를 인가하고 부유미생물 농도변화를 관찰하기 위해 MLSS와 MLVSS를 측정하였다. Fig.

대상 데이터

반응기 내부에 설치된 전극은 지름 35 mm의 원형 전극을 판 대 판 (plate-to-plate) 형식으로 배치하였다. 전극의 재질은 SUS304이다. 전극 코팅재질에 따른 가용화 효과를 비교하기 위해 각각 에폭시 (epoxy)와 테프론(teflon)으로 전극을 코팅하였다.
전극의 테프론 코팅에는 ETFE (ethylene과 tetrafluoroethylene의 공중합체)를 사용하였다. 코팅을 수행하기 위해 전극의 표면에 스크래치를 내어 예열시킨후 테프론 스프레이를 뿌려 코팅하였고, 150~420℃에서 소성하는 작업을 총 3회 반복하였다.
활성슬러지의 가용화 연구에 사용된 활성슬러지 혼합액은 C시 환경사업소의 포기조에서 채취한 것으로 실험 실에서 수 개월간 합성폐수로 순응시켜 사용하였다. 합성폐수는 Glucose 2,000 mg/L, Peptone 300 mg/L, Yeast extract 800 mg/L, (NH₄) 2 SO ₄100 mg/L, KH₂PO₄25 mg/L, MgSO₄ ·7H₂O 35 mg/L, MnSO₄ ·4~5H₂O 7.

성능/효과

(b)의 전압파형을 비교해 보면, 구형파 부분인 A와 A′의 길이는 동일하게 유지되었다.
2) 에폭시 코팅 전극을 사용하여 6 ∼15 kV의 전압으로 PEF를 활성슬러지 혼합액에 인가한 결과 슬러지의 가용화를 확인할만한 수준의 MLSS와 MLVSS에 변화가 나타나지 않았다.
3) 테프론 코팅 전극을 사용하여 6∼15 kV의 PEF를 인가하였을 때, MLSS는 0, 4, 9 % 감소하였고 MLVSS는 0, 4, 10 % 감소하였다.
4) 코로나 방전이 발생한 테프론 코팅한 전극에서만 슬러지 가용화가 가능한 것으로 보아 슬러지의 가용화는 코로나 방전에 의해 발생되는 것으로 판단된다. 또한 코로나가 발생하는 임계전압은 6∼12 kV 사이에 존재하고 있다고 판단된다.
용존성- COD는 5, 108, 496 % 증가하였다. 6 kV을 제외한 12, 15 kV의 인가전압에서 슬러지 가용화가 확실하게 발생하였음을 알 수 있었다. 용존성-TN과 -TP도 동일한 가용화 효과를 보였다.
이 차이는 매우 근소하고 측정오차 범위 내에 있어 활성슬러지가 가용화 되었다고 결론짓기에는 무리가 있다. 또한 용존성-TN과 TP는 PEF 인가 전후에 차이가 거의 없음을 확인하였다.
15 kV의 전압을 인가한 경우에는 MLSS는 6,800에서 6,925 mg/L로, MLVSS는 6,300에서 6,425 mg/L로 약간 증가하였다. 이상의 결과는 PEF 인가 전후에 MLSS 와 MLVSS의 차이가 측정 오차범위 내에 있는 것으로 PEF에 의해 MLSS와 MLVSS가 변화가 없는 것으로 판단된다. 그러나 활성슬러지의 가용화를 MLSS와 MLVSS 농도변화만 보고 판단할 수 없기 때문에 다음 절의 용존성 물질 농도를 분석하여 정확한 판단을 하고자 하였다.
이상의 결과를 통해 에폭시로 코팅한 전극을 사용한 PEF의 경우에 활성슬러지의 가용화가 거의 발생하지 않은 것으로 판단된다. 이는 에폭시 코팅으로 인해 전극 간 통전 현상이 차단되어 코로나 발생이 억제되었기 때문으로 해석할 수 있다(Fig.
이상의 결과를 통해 테프론 코팅 전극을 사용하였을 때 전압의 세기를 12, 15 kV로 인가하면 활성슬러지의 가용화가 발생하고, 6 kV일 때는 가용화가 발생하지 않는다고 결론지을 수 있다. 이런 결과는 코로나 발생 유무와 깊은 관련이 있으며, 이로 인해 활성슬러지가 가용화되는데 코로나의 영향이 매우 크게 작용하고 있음을 알 수 있다.
그러나 전압을 12 kV로 증가시킨 경우 MLSS는 6,325에서 6,100 mg/L로 감소하였고, MLVSS는 5,925에서 5,700 mg/L로 감소하였다. 인가전압을 15 kV로 상승시키면 MLSS는 6,725에서 6,100 mg/L로 감소하였고, MLVSS는 6,200에서 5,575 mg/L로 감소하였다. 즉, 6 kV의 비교적 적은 인가전압 하에서는 부유물질 농도가 크게 변하지 않았지만 12 kV와 15 kV로 증가시켰을 경우에는 활성슬러지의 가용화가 진행되어 MLSS와 MLVSS가 상당부분 감소한 것을 확인하였다.
인가전압을 15 kV로 상승시키면 MLSS는 6,725에서 6,100 mg/L로 감소하였고, MLVSS는 6,200에서 5,575 mg/L로 감소하였다. 즉, 6 kV의 비교적 적은 인가전압 하에서는 부유물질 농도가 크게 변하지 않았지만 12 kV와 15 kV로 증가시켰을 경우에는 활성슬러지의 가용화가 진행되어 MLSS와 MLVSS가 상당부분 감소한 것을 확인하였다. 이는 가용화를 달성하기 위해서는 임계점 이상의 전압이 인가되어야함을 시사하고 있다.
1) 코로나 발생 여부를 평가하기 위해 PEF 파형을 관찰하였다. 코로나가 발생한 파형과 그렇지 않은 경우의 전압과 전류 파형에 특징적인 변화가 발생하여 이를 관찰함으로써 코로나 발생 여부를 판단할 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PEF는 어떤 기술인가?	최근 고전압 펄스 전기장을 이용하여 세포를 파괴시키는 방법인 고전압임펄스 (High voltage impulse) 또는 펄스전기장 (Pulsed electric fields, 이하 PEF) 기술이 주목받고 있다[3-4]. PEF는 수 kV의 고전압을 μm의 짧은 시간으로 방전시켜 높은 에너지를 갖는 펄스로 만드는 기술이다. 높은 에너지를 갖는 고전압 펄스를 미생물에 가해주게 되면, 강한 전기장에 의해 세포막에 전기천공 (electro-poration) 현상이 일어나게 되어 미생물 세포가 가역적 또는 비가역적으로 불활성화 된다[5-7].
	고전압 펄스를 미생물에 가하면 어떻게 되는가?	PEF는 수 kV의 고전압을 μm의 짧은 시간으로 방전시켜 높은 에너지를 갖는 펄스로 만드는 기술이다. 높은 에너지를 갖는 고전압 펄스를 미생물에 가해주게 되면, 강한 전기장에 의해 세포막에 전기천공 (electro-poration) 현상이 일어나게 되어 미생물 세포가 가역적 또는 비가역적으로 불활성화 된다[5-7]. 즉, 높은 에너지의 전기장을 갖는 펄스가 반복적으로 인가되어 세포막 표면이 천공됨으로써 미생물을 사멸시키는 원리이다.
	식품산업에서 PEF 기술을 활용하는 살균이 열처리 공정에 비해 갖는 이점은 무엇인가?	식품산업에서 살균 목적으로 수행하는 열처리 공정은 식품의 풍미, 맛 성분 및 단백질을 변성시키거나 비타민을 파괴할 수 있다. 이와 달리 PEF 기술은 상온에서 운영 가능하기 때문에 식품산업에서 비열 살균 공정으로 활용되어 왔다[8-9].

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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