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전염소 처리가 중력식 막여과 공정의 효율과 막오염층 특성에 미치는 영향
이동휘 ( Dongwhi Lee ),이윤호 ( Yunho Lee ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
막 여과 기술에서 막 오염층에 의한 투과율 감소는 해당 기술을 널리 적용하는데 걸림돌이 되어 왔다. 중력식 막 여과 기술은 초저압(<100mbar)압력에서 막 세정 없이도 장기간 동안 5-10 L/m2h의 안정된 투과율을 보여, 최근 소규모, 분산화, 저에너지 수 처리 기술로서 주목을 받고 있다. 이러한 현상은 ‘투과율 안정화(flux stabilization)로 명명되고 있으며, 막 오염층 내 원생동물(Eukaryotes)의 활동으로 불규칙(heterogeneous)하고 열린 공극(open channel)구조가 Water channel을 만드는 것으로 설명되고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 중력식 막 여과기술은 낮은 투과율에 따른 넓은 막 면적이 필요하다는 점과 용존 오염물질에 대한 낮은 제거능력의 한계점을 보인다. 최근 추가적인 오염물질제거와 막 오염층 조절을 통한 투과율 향상을 위해 전처리(Pre-treatment)를 활용한 막 여과 복합공정이 고려되고 있다. 특히, 전염소(Pre-chlorination)공정은 염소의 산화 및 소독력을 바탕으로 원수의 유기물 및 생물학적 활동도 조절이 가능하여 큰 관심을 받고 있다. 더욱이, 염소주입이 원생동물 활동과 막 오염층 구조 변화에 어떤 영향을 나타내는지에 대한 이해가 필요하다. 이러한 배경 하에 본 연구에서는 전염소공정을 추가한 중력식 막 여과 복합공정에서 물 투과율의 변화와 막 오염층 특성 변화를 모니터링 하였다. 수두차(65 mabr)를 이용한 실험실 규모 중력식 막 여과 시스템을 구축하고 전염소 주입농도를 0, 3, 5 ppm 주입하여 강물(영산강, 광주)을 처리하면서 투과율 및 막 오염층 변화를 조사하였다. 본 실험에서 투과율 안정화 현상이 관찰 되었고 전염소 주입농도에 따라 23.7±7.7(0ppm), 34.6±8.4(3ppm), and 41.6±9.5(5ppm)L/m2.hr의 안정화된 투과율 증가를 보이고 운영 시간에 따른 투과율 경향의 차이를 보였다. 또한, 막 오염층 특성평가를 위해 Top-view, SEM and 3D-OCT image analysis, Biomass quantification, and Eukaryotic community analysis 분석이 실시되었으며, 플럭스가 감소함에 따라 Extracellular polymeric substance(EPS) 농도, Total mass 농도, 막 오염층 두께가 증가하고 막 오염층 거칠기는 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 전염소처리가 초기 EPS 농도, Total mass 농도, 생물학적 활동도를 제어하여 높은 플럭스를 나타냄을 알 수 있었다. 종합적으로, 전염소처리는 다른 전처리 공정에 비해 상대적으로 낮은 원수 내 유기물 특성 변화를 나타내지만, Biofouling제어에 효과적인 것으로 알 수 있었다. 본 연구에서 전염소공정를 이용한 중력식막 여과 효율 증가 가능성을 나타내고 중력식 막 여과-전염소 상호작용에 대한 새로운 플럭스 안정화 및 Biofouling 제어 메커니즘을 제시하고자 한다.
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전염소 처리가 중력식 막여과 공정의 효율과 막오염층 특성에 미치는 영향
이동휘 ( Dongwhi Lee ),이윤호 ( Yunho Lee ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
막 여과 기술에서 막 오염층에 의한 투과율 감소는 해당 기술을 널리 적용하는데 걸림돌이 되어 왔다. 중력식 막 여과 기술은 초저압(<100mbar)압력에서 막 세정 없이도 장기간 동안 5-10 L/m2h의 안정된 투과율을 보여, 최근 소규모, 분산화, 저에너지 수 처리 기술로서 주목을 받고 있다. 이러한 현상은 ‘투과율 안정화(flux stabilization)로 명명되고 있으며, 막 오염층 내 원생동물(Eukaryotes)의 활동으로 불규칙(heterogeneous)하고 열린 공극(open channel)구조가 Water channel을 만드는 것으로 설명되고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 중력식 막 여과기술은 낮은 투과율에 따른 넓은 막 면적이 필요하다는 점과 용존 오염물질에 대한 낮은 제거능력의 한계점을 보인다. 최근 추가적인 오염물질제거와 막 오염층 조절을 통한 투과율 향상을 위해 전처리(Pre-treatment)를 활용한 막 여과 복합공정이 고려되고 있다. 특히, 전염소(Pre-chlorination)공정은 염소의 산화 및 소독력을 바탕으로 원수의 유기물 및 생물학적 활동도 조절이 가능하여 큰 관심을 받고 있다. 더욱이, 염소주입이 원생동물 활동과 막 오염층 구조 변화에 어떤 영향을 나타내는지에 대한 이해가 필요하다. 이러한 배경 하에 본 연구에서는 전염소공정을 추가한 중력식 막 여과 복합공정에서 물 투과율의 변화와 막 오염층 특성 변화를 모니터링 하였다. 수두차(65 mabr)를 이용한 실험실 규모 중력식 막 여과 시스템을 구축하고 전염소 주입농도를 0, 3, 5 ppm 주입하여 강물(영산강, 광주)을 처리하면서 투과율 및 막 오염층 변화를 조사하였다. 본 실험에서 투과율 안정화 현상이 관찰 되었고 전염소 주입농도에 따라 23.7±7.7(0ppm), 34.6±8.4(3ppm), and 41.6±9.5(5ppm)L/m2.hr의 안정화된 투과율 증가를 보이고 운영 시간에 따른 투과율 경향의 차이를 보였다. 또한, 막 오염층 특성평가를 위해 Top-view, SEM and 3D-OCT image analysis, Biomass quantification, and Eukaryotic community analysis 분석이 실시되었으며, 플럭스가 감소함에 따라 Extracellular polymeric substance(EPS) 농도, Total mass 농도, 막 오염층 두께가 증가하고 막 오염층 거칠기는 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 전염소처리가 초기 EPS 농도, Total mass 농도, 생물학적 활동도를 제어하여 높은 플럭스를 나타냄을 알 수 있었다. 종합적으로, 전염소처리는 다른 전처리 공정에 비해 상대적으로 낮은 원수 내 유기물 특성 변화를 나타내지만, Biofouling제어에 효과적인 것으로 알 수 있었다. 본 연구에서 전염소공정를 이용한 중력식막 여과 효율 증가 가능성을 나타내고 중력식 막 여과-전염소 상호작용에 대한 새로운 플럭스 안정화 및 Biofouling 제어 메커니즘을 제시하고자 한다.
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전염소 처리가 중력식 막여과 공정의 효율과 막오염층 특성에 미치는 영향
이동휘 ( Dongwhi Lee ),이윤호 ( Yunho Lee ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
막 여과 기술에서 막 오염층에 의한 투과율 감소는 해당 기술을 널리 적용하는데 걸림돌이 되어 왔다. 중력식 막 여과 기술은 초저압(<100mbar)압력에서 막 세정 없이도 장기간 동안 5-10 L/m2h의 안정된 투과율을 보여, 최근 소규모, 분산화, 저에너지 수 처리 기술로서 주목을 받고 있다. 이러한 현상은 ‘투과율 안정화(flux stabilization)로 명명되고 있으며, 막 오염층 내 원생동물(Eukaryotes)의 활동으로 불규칙(heterogeneous)하고 열린 공극(open channel)구조가 Water channel을 만드는 것으로 설명되고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 중력식 막 여과기술은 낮은 투과율에 따른 넓은 막 면적이 필요하다는 점과 용존 오염물질에 대한 낮은 제거능력의 한계점을 보인다. 최근 추가적인 오염물질제거와 막 오염층 조절을 통한 투과율 향상을 위해 전처리(Pre-treatment)를 활용한 막 여과 복합공정이 고려되고 있다. 특히, 전염소(Pre-chlorination)공정은 염소의 산화 및 소독력을 바탕으로 원수의 유기물 및 생물학적 활동도 조절이 가능하여 큰 관심을 받고 있다. 더욱이, 염소주입이 원생동물 활동과 막 오염층 구조 변화에 어떤 영향을 나타내는지에 대한 이해가 필요하다. 이러한 배경 하에 본 연구에서는 전염소공정을 추가한 중력식 막 여과 복합공정에서 물 투과율의 변화와 막 오염층 특성 변화를 모니터링 하였다. 수두차(65 mabr)를 이용한 실험실 규모 중력식 막 여과 시스템을 구축하고 전염소 주입농도를 0, 3, 5 ppm 주입하여 강물(영산강, 광주)을 처리하면서 투과율 및 막 오염층 변화를 조사하였다. 본 실험에서 투과율 안정화 현상이 관찰 되었고 전염소 주입농도에 따라 23.7±7.7(0ppm), 34.6±8.4(3ppm), and 41.6±9.5(5ppm)L/m2.hr의 안정화된 투과율 증가를 보이고 운영 시간에 따른 투과율 경향의 차이를 보였다. 또한, 막 오염층 특성평가를 위해 Top-view, SEM and 3D-OCT image analysis, Biomass quantification, and Eukaryotic community analysis 분석이 실시되었으며, 플럭스가 감소함에 따라 Extracellular polymeric substance(EPS) 농도, Total mass 농도, 막 오염층 두께가 증가하고 막 오염층 거칠기는 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 전염소처리가 초기 EPS 농도, Total mass 농도, 생물학적 활동도를 제어하여 높은 플럭스를 나타냄을 알 수 있었다. 종합적으로, 전염소처리는 다른 전처리 공정에 비해 상대적으로 낮은 원수 내 유기물 특성 변화를 나타내지만, Biofouling제어에 효과적인 것으로 알 수 있었다. 본 연구에서 전염소공정를 이용한 중력식막 여과 효율 증가 가능성을 나타내고 중력식 막 여과-전염소 상호작용에 대한 새로운 플럭스 안정화 및 Biofouling 제어 메커니즘을 제시하고자 한다.
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나노섬유 멤브레인 기반 무동력 정수 시스템의 적정기술 및 현장 적용
이진(Jin Lee),윤병권(Byeong Gweon Yun),한경구(Kyoung Gu Han),이승훈(Seung Hoon Lee),김철현(Cheol Hyeon Kim),김찬(Chan Kim),이윤호(Yunho Lee),이동휘(Dongwhi Lee),이승혁(Seunghyeok Lee),김경웅(Kyoung-Woong Kim) 적정기술학회 2021 적정기술학회지(Journal of Appropriate Technology) Vol.7 No.1
안전한 음용수 확보를 위한 적정기술로써 환경적, 기술적 요구사항을 충족할 수 있는 나노섬유 멤브레인으로 구성된 무동력 막 여과 시스템을 평가하였다. 이 장치는 수두차에 의한 중력과 생물학적 막 오염층 제어로 별도의 에너지원이 필요 없고, 핵심 소재인 PVDF 나노섬유 멤브레인 필터가 병렬로 연결, 모듈화되어 있어 물 생산성을 높이는 구조이다. 이 장치의 실제 현장 적용 가능성을 평가하기 위해 Pilot-scale (3000-5000 L/day) 나노섬유 멤브레인 기반 정수 시스템이 개발도상국(키리바시, 투발루 등)에 2017년 8월 설치되어 3개월간 운영되었다. 14-92 L/(m2×h)의 플럭스로 안정적 물 생산성을 확인하였고 처리수의 탁도와 박테리아의 높은 제거율 (99.99% 이상)로 안전한 수질을 장기간 제공할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 현장 적용을 통해 나노섬유 멤브레인 기반 무동력 정수 시스템이 장기간 안전한 음용수를 공급할 수 있는 정수장치로 평가되었고, 적정기술로써 개도국의 수처리 장치로 활용 가능성을 보여 준다. Gravity-driven membrane (GDM) filtration system based on the nanofiber membrane was investigated. This system can be operated with little energy demand due to a gravitational pressure-driven filtration and biological fouling control strategy. Moreover, the optimal module configuration based on the high permeance of nanofiber membrane can provide a significantly high water productivity. In order to evaluate its applicability potential, the pilot-scale (3000-5000 L/day) systems with nanofiber membranes were operated in developing countries (Kiribati and Tuvalu). Our results showed that the 14- 92 L/(m2×h) of the permeate flux was determined indicating a stabilized water productivity. In addition, the permeate water indicated a high removal rate (more than 99.99%) of turbidity and bacteria. Consequently, the system can provide a stabilized water production with safe permeate water quality during long-term operation. These findings exemplify an effective approach to decentralized drinking water treatment for developing countries.
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