초록 ▼

개발 목적 및 필요성
본 연구는 질산성 질소, 중금속, 대장균군 등으로 복합 오염된 지하수를 수원으로 하는 간이 상수도를 대상으로 소규모의 이온교환막여과-전기분해 기반의 복합처리기술을 개발하고, 실증시설에서의 검증을 통한 최적화로 안심하고 사용할 수 있는 용수 생산 시스템을 실용화 하는데 주된 목적이 있다. 개발 기술은 단일 오염물질 제거만 가능한 기존 지하수 처리공정과는 달리 여러 가지 오염물질을 동시에 함유한 복합오염 지하수뿐만 아니라 염지하수 처리도 가능하므로 향후 기술의 활용가치도 매우 높다고 할 수 있다.

개발 목적 및 필요성
본 연구는 질산성 질소, 중금속, 대장균군 등으로 복합 오염된 지하수를 수원으로 하는 간이 상수도를 대상으로 소규모의 이온교환막여과-전기분해 기반의 복합처리기술을 개발하고, 실증시설에서의 검증을 통한 최적화로 안심하고 사용할 수 있는 용수 생산 시스템을 실용화 하는데 주된 목적이 있다. 개발 기술은 단일 오염물질 제거만 가능한 기존 지하수 처리공정과는 달리 여러 가지 오염물질을 동시에 함유한 복합오염 지하수뿐만 아니라 염지하수 처리도 가능하므로 향후 기술의 활용가치도 매우 높다고 할 수 있다.

연구개발 결과
• 국내 간이상수도 현황 조사를 통한 복합오염 지하수 처리 실증 후보지 선정
- 마을 상수도 시료의 채수, 분석 및 문헌 조사 결과, 질산성 질소, 비소, 일반세균, 총대장균군 등이 먹는물 수질기준을 초과하는 경우가 많아 이들을 본 연구에서 처리대상 예비 후보 물질로 선정
- 국내 조사 대상 61개소 중에는 복합오염 지역이 없는 것으로 조사되었고 비소 및 질산성 질소 후보지 3개소도 지자체의 시설 폐쇄 또는 역삼투막시설 설치, 파일럿 플랜트 설치 부지 협소 등으로 실증이 불가능하여 국외 베트남 호치민 인근 21개 지역에 대해 현장 조사하여 질산성 질소, 망간,알루미늄 등으로 지하수가 오염된 지역을 최종 실증 현장으로 선정
• 이온교환막여과 공정의 운전 인자 별 영향
- 이온교환막 인가 전압이 높을수록 최종 목표 처리수질에 도달시간이 짧아지지만, 오염물질 농도 및 한계전류를 고려한 운전 인가 전압 설정 필요
- 전압 30V, 이온교환막 pair수 10개, 전해질 NaCl 농도 520 mg/L 이상에서 90% 이상의 비소제거 효율을 보임
- 이온교환막 스택 내 희석실의 막면 유속 증가는 최종 처리시간을 감소시키지만 농축실 막면 유속 변화는 처리 효율에 큰 영향이 없음
• 전기분해 공정의 운전 인자 별 영향
- 양극으로 티타늄(Ti)에 이리듐(Ir)/루테늄(Ru)이 코팅된 불용성 전극, 음극으로 티타늄 또는 아연 전극을 사용할 경우 질산성질소 제거 효율이 가장 우수하며, 양극과 음극 사이 간격은 5 - 10 mm가 적절
- 전극의 전류밀도가 높을수록, 전해질 농도가 높을수록 질산성 질소 제거 효율이 우수하지만 운전 시간이 길어지면 제거 효율 차이가 감소
- 양극판 1개와 음극판 2개로 하나의 조합을 이룰 경우, 다른 조합 조건에 비해 질산성 질소 제거효율이 우수
• 현장 실증용 파일럿 플랜트 제작
- 이온교환막 여과 처리시간 35분/회 및 1회 처리용량 55L, 이온교환막 여과농축수의 전기분해 처리시간은 12시간/회, 1회 처리 용량은 46L로 산정하여 2톤/일 처리용량의 파일럿 플랜트 제작
- 운전 및 모니터링 편의를 위한 GUI 제어 프로그램 설치
- 베트남 현지 운영자를 고려하여 한글 및 영문 운전 매뉴얼 작성
• 이온교환막여과-전해 복합처리 시스템 파일럿 플랜트의 최적화
- 이온교환막 여과에서 목표 수질 달성 시간은 질산성 질소, 망간, 비소, 알루미늄 순으로 빠른 것으로 나타났으며, 유입수 온도가 높을 경우 최종 목표 수질에 도달하는 시간이 짧은 것으로 나타나 베트남과 같은 동남아시아 지역에서의 적용이 유리
- 이온교환막 인가 전압은 유입 원수 조건에 따라 다르며, 베트남 현장에서의 최적 인가 전압은 약 10V/pair가 적절
- 베트남 현지 운전 시 목표 처리 농도에 도달하기까지의 이온교환막 여과 처리시간 약 25~30분으로 나타났으며, 대상 오염물질 모두 90% 이상의 제거효율을 안정적으로 보임.
- 전기분해에서 전류밀도 20 mA/cm², 전해질 농도 0.5M의 조건에서 12시간 운전할 경우 80% 이상의 질산성 질소 제거효율을 보였으나, 제거 효율의 변동 폭이 매우 커서 향후 원인 규명 및 운전 최적화가 조금 더 필요함
• 이온교환막여과-전해 복합처리 공정의 경제성 분석
- 본 연구의 이온교환막여과-전해 복합처리 공정을 기존 상용화 공정인 흡착, 이온교환수지 공정과 비교하였을 때, 단일 물질로 오염된 지하수의 경우에는 경제성이 떨어지는 것으로 나타났으나 여러 가지 오염물로 인한 복합오염 지하수의 경우에는 경제성이 더 높음
- 복합 오염 지하수 또는 염지하수 처리에 대해 이온교환막여과-전해 복합처리 공정과 역삼투막 여과 (RO) 공정의 경제성을 비교한 결과, 소규모의 경우 이온교환막여과-전해 복합처리 공정의 경제성이 더 우수함

성능사양 및 기술개발 수준
기존 오염 지하수 정화기술과는 달리 많은 오염물이 혼재하는 복합오염 지하수로부터의 오염물 동시 제거가 가능하고 공정 폐수중의 질산성 질소 처리도 가능한 소규모 이온교환막여과-전해 복합처리 시스템으로서, 질산성 질소 제거효율 80%, 중금속 및 비소 제거효율 90% 이상 달성이 가능하며, 기존의 흡착, 이온교환 등의 재래식 공정들의 조합으로는 처리가 곤란한 염지하수를 처리 대상으로 할 경우, 소규모에서는 나노여과나 역삼투 공정도 대체 가능

활용계획
기존 지하수 처리공정과는 달리 여러 가지 오염물질에 의한 복합오염 지하수 처리뿐만 아니라 염지하수 처리도 가능하므로 향후 복합오염 지하수 지역 외에 염지하수로 용수 공급이 어려운 동남아 지역이나 도서지방의 정수시설에도 적용을 도모할 계획임

( 출처: 요약서 4p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
■ Investigation of water resources of small-scale water treatment systems
- 85.7% of water resources was groundwater in the small-scale water treatment system
- Samples from the household in the villages showed that nitrate nitrogen, arsenic, general bacteria, and total E. colifo

Ⅳ. Results
■ Investigation of water resources of small-scale water treatment systems
- 85.7% of water resources was groundwater in the small-scale water treatment system
- Samples from the household in the villages showed that nitrate nitrogen, arsenic, general bacteria, and total E. coliform were sometimes detected with greater concentrations than those regulated in the drinking water criteria. Several reports also noted the water quality problems from those pollutants, which were determined as candidates of target pollutants for this research

■ Site selection for a pilot plant (domestic and oversea)
- Among 61 sites of domestic areas, there was no area polluted with two or multiple compounds
- One site with high arsenic concentration and two places with high nitrate concentrations were considered. However, domestic pilot plant was excluded because of facility closure by local government, installation of reverse osmosis membrane system, and impossible installation due to a limited space.
- Site investigation on 21 areas in Ho Chi Minh, Vietnam was conducted.
An area with groundwater polluted with nitrate, manganese, and aluminum was finalized to install the pilot plant

■ Operational parameters for ion-exchange electrodialysis
- Greater removal of arsenic in NaCl standard solution by heterogeneous ion-exchange (IX) membranes with low resistance than homogeneous IX membranes
- Higher applied voltage yielded shorter operating time to reach treatment goal of diluate water quality. The limiting current density was varied with feed water concentrations. Therefore determination of proper voltage under limiting current density was required depending on salt and ionic concentrations in groundwater
- More than 90% of arsenic removal in NaCl solution with 520 mg/L or higher was obtained under 30 volts, 10 pairs of the IX membranes.
- Increases in crossflow velocities inside diluate cells in the IX stacks decreased operating time to obtain a concentration goal; however, increases in crossflow velocities inside concentrate cells in the stack did no effect on the treatment efficiencies.

■ Operational parameters for electrolysis
- Insoluble cathode electrode coated with Ti/Ir/Ru and anode electrode made with Ti or Zn exhibited the greatest nitrate removal in electrolysissystem. Efficient removal was obtained with the interval between cathode and anode of 5 – 10 mm.
- Greater nitrate removal with increasing current density of electrode, increasing electrolyte concentrations. However, the difference in removal was limited with increasing operational periods
- Greater nitrate nitrogen removal was obtained with one cathode and two anode compared to other combinations of the electrodes
- Required amounts of chlorine was two times of theoretical amounts to remove ammonia, which are produced as intermediates during reduction reaction of nitrate during electrolysis

■ Constructing a pilot plant and test runs
- Doubling of IX membrane surfaces was required due to high concentration of aluminum in the local groundwater in Vietnam. The aluminum has low removal kinetics because of low diffusivity and conductance under electrical potential.
- A pilot plant with a capacity of 2 m3/day was built. Electrodialysis was operated with 35 minutes/run and 55L treated/run. Electrolysis of concentrate was operated with 12 hours/run and 46L/run due to the concentration factor of 20.
- GUI control program was installed for convenient operation and monitoring
- Documentation of Korean and English operational manual for Vietnamese operator

■ Optimization of the pilot plant of the integrated system
- Required time to meet the water quality goal was short in the order of nitrate, manganese, arsenic, and aluminum in electrodialysis
- Increases in feed water temperature decrease operating time, which favors application of the system in Southeast Asia such as Vietnam
- Applied voltage was depending on feed water and approximately 10V/pair was appropriate for the pilot system in Vietnam
- Filtration time in the electrodialysis was approximately 25~30 minutes to satisfy the treatment goal in the pilot plant operation and the removal was reached over 90% removal for the all target pollutants

- Nitrate nitrogen removal was over 80% under 20 mA/cm² of current density and 0.5 M of electrolyte with 12 hours of electrolysis operation.
However, variation of removal rate was quite great and further research on cause and optimization of the system is necessary.


■ Cost evaluation of the integrated system
- Comparison with commercialized ion-exchange resin column and adsorption system for single- or multiple- pollutants solutions with nitrate and heavy metals was conducted. The integrated system showed greater economic aspect with multiple pollutant cases and the commercialized system was slightly cost-effective for the single pollutant solution
- Comparison with nanofiltration or reverse osmosis membranes to treat multiple-pollutants solution or brackish groundwater revealed that the integrated system was more economic to apply for small-scale systems.

( 출처 : SUMMARY 15p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 서 ... 4
• 요 약 문 ... 7
• SUMMARY ... 13
• 목차 ... 19
• 표목차 ... 21
• 그림목차 ... 23
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 28
• 1-1. 연구개발 목적 ... 30
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 30
• 1-3. 연구개발 범위 ... 34
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 36
• 2-1. 국내 기술개발 현황 ... 38
• 2-2. 국외 기술개발 현황 ... 39
• 3. 연구수행내용 및 결과 ... 40
• 3-1. 연구개발내용(범위) ... 42
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 43
• 가. 국내 간이 상수도 및 지하수 자원 현황 조사 결과 ... 43
• 나. 개발기술의 실증 현장 후보지 선정(국내 및 국외) 결과 ... 57
• 다. 이온교환막여과 공정의 운전 인자 별 영향 ... 82
• 라. 전기분해 공정의 운전 인자 별 영향 ... 100
• 마. 현장 실증용 파일럿 플랜트 제작 및 설치 ... 141
• 바. 이온교환막여과-전해 복합처리 시스템 파일럿 플랜트의 최적화 ... 149
• 사. 이온교환막 여과-전해 복합처리 공정의 경제성 분석 ... 177
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 181
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 184
• 4-1. 목표달성도 ... 186
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 189
• 5. 연구결과의 활용계획 등 ... 190
• 5-1. 연구개발결과의 활용방안 ... 192
• 5-2. 사업화 계획 및 효과 ... 192
• 5-3. 기대성과 ... 193
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 196
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 200
• 8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 204
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실등의 안전조치 이행실적 ... 208
• 9-1. 실험실 안전 점검 체계 ... 210
• 9-2. 연구실 정기안전 점검 ... 210
• 9-3. 연구실 일일 안전 점검 ... 210
• 9-4. 실험실 정밀안전진단 실시 ... 211
• 9-5. 연구실 안전 교육 훈련 ... 211
• 9-6. 보험 행정 절차 시스템 ... 212
• 9-7. 추가 이행 연구실 안전 조치 ... 212
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 214
• 11. 기타사항 ... 218
• 12. 참고문헌 ... 222
• 부 록 ... 232
• <부 록 1> 파일럿플랜트 운영 매뉴얼 ... 234
• <부 록 2> 지하수 자원현황 보고서 ... 254
• 끝페이지 ... 339