본 연구에서는 막여과공정, 오존접촉공정, 활성탄흡착공정, 자외선소독공정 등이 계층형으로 배치된 정수처리 실증시설의 설계 및 운영을 통해 수직형 정수 처리시설의 최적 설계/운영방안을 도출하고자 하였다.

COMSOL 소프트웨어 프로그램을 이용하여 중공사형 분리막 모듈 내 용액의 속도 및 압력 분포를 포함한 유동현상을 규명하였으며 투과유속에 따른 농도분극을 수치해석하였다. 모듈의 길이, 충전율, 회수율 및 투과 유속 그리고 입구의 위치를 하단부 혹은 측면부로 변화시키면서 계산하였다. 이상의 운전변수 중 모듈의 길이가 압력 강하에 가장 큰 영향을 미침을 확인하였으며 중공사형 모듈 내의 농도분극은 입출구의 위치에 따라서 변화함을 알 수 있었다.

단백질을 분리하는데 있어 현재 사용되는 공정들은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 분리막을 이용한 분리 공정들이 계속적으로 연구되고 있으며, 단백질의 크기에 따른 분리공정과 pH에 따른 단백질 표면의 전하 차이를 이용한 분리 공정이 있다. 본 연구에서는 유사한 크기의 단백질을 분리하기 위해 폴리술폰을 개질하여 전하를 부여하였으며, 상전환법을 이용하여 분리막을 제조하였다. 분리막 표면의 Zeta potential을 측정하여 pH에 따른 표면의 전위차를 확인하였다. FT-IR 과 1HNMR을 이용하여 화학구조를 분석하였으며, UV Spectrometer를 이용하여 단백질의 농도를 측정하였다.

이온교환막은 전기투석, 연료전지 외에도 수처리 공정에 있어 관심도가 매우 높다. 본 연구에서는 이온교환막에 사용되는 이온교환수지를 대신할 물질로써 입자를 제조하였다. 나노단위의 입자가 표면적을 증가시켜 기존의 이온교환수지보다 더 높은 이온교환능이 기대된다. 단분산된 나노크기의 입자를 제조하여 양이온은 -NH3+,-NR3+,-PR3+,-SR2+등의 관능기를 그리고 음이온은 -SO3-,-COO-,-PO3-,-C6H4O-등의 관능기를 도입함으로써 각각 양전하와 음전하로 높게 하전시킬 수 있다. 입자를 제조하고 이에 따른 제타전위를 측정하고 IEC, FT-SEM, TGA 및 FT-IR을 측정하여 특성을 파악하였다.

기존의 전기탈이온(EDI) 공정은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정이다. 모듈을 제조 하는데 있어 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환막이 있으며 그사이에 이온교환수지로 채워지는 형태이다. 이온교환수지의 균질한 크기 분포도 및 당량비 또한 장치의 성능을 결정하는 매우 중요한 인자이다. 이러한 점들을 바탕으로 현재 이온교환수지를 글라인딩하여 bipolar형태의 막으로 만든 electroadsorption-deionization(EAD) 공정 모듈이 생산되고 있다. 지금 생산되고 있는 모듈보다 성능을 더 높이기 위하여 이온교환능력을 가지며 바인더 역할을 할 수 있는 고무상의 고분자를 제조하였다.

최근 분리, 흡착과 같은 물리적인 수처리 공정이 중요해졌고, 본 연구에서는 Track-etched polycarbonate(PC) membrane이 친수성이며 균일한 기공크기를 가지고 기계적강도가 우수하다는 점을 이용하여 하전 된 균일한 크기의 나노입자를 포함한 콜로이드 용액의 제거능력에 대해 조사하여 분리특성을 파악하였다. 유화중합을 이용하여 양전하, 음전하로 각각 하전 된 균일하며 착색된 나노입자(70 ~200nm)를 다양한 조건으로 제조하고, SEM, DSC, FT-IR 및 제타 전위를 측정하여 라텍스의 특성을 파악하였다. 또, PC membrane의 표면전하 및 기공크기와 입자의 표면전하 및 입자크기에 따른 수투과도 및 배제율을 조사하였다.

기존의 전기 탈이온 공정(EDI)은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정으로 알려져있다. 여기서의 모듈은 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환막이 있고 이 막 사이에 이온교환수지를 채워 넣는 형태로 제조된다. 이것을 기초로 요즘 전기 흡착 탈이온(EAD) 공정은 바이폴라막과 이온교환수지를 이용해서 모듈을 제조하고 있다. 그래서 모듈에 이용되는 양이온교환막으로 술폰화시킨 SEBS triblock copolymer를 이용했다. 게다가 술폰화시킨 SEBS, 물 분자, 히드로늄 이온을 모델링하고 술폰화시킨 SEBS, 히드로늄 이온과 물분자의 의 동역학을 분자동역학시뮬레이션을 이용해서 살펴보았다. 그리고 실제 실험을 통한 비교분석을 진행했다.

본 연구에서는 침지형 정밀여과막(공칭공경 0.15㎛, CPVC)을 사용하여 에멀젼형 절삭유(MECOOL-7000, Megalube사) 수용액을 처리하였다. 막 오염을 효과적으로 감소시키기 위하여 대칭형 또는 비대칭형의 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO) 실험을 실시하였다. 분리막의 투과유속이 증가함에 따라서 막간차압이 증가하였으나, 대칭형 운전방식이 비대칭형 운전방식에 비하여 막간차압이 낮게 형성되어 막오염 제어에 효과적임을 확인할 수 있었다.

최근 셰일가스전 산업이 발전함에 따라 시추 용수 공급 및 폐수처리가 셰일가스전 개발의 중요한 과제로 부각되고 있다. 셰일가스전 폐수는 총용존고형물의 농도가 10에서 200g/L로 높아 기존의 폐수처리 공정으로 처리하기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 정삼투막을 이용하여 셰일가스전 폐수를 농축하는 공정을 다루고 있다. 260g/L의 NaCl을 유도용액으로 사용하고, 폐수 및 유도용액의 농도 변화에 따른 정삼투막의 플럭스를 측정하였다. 정삼투막 내,외부 농도 분극 현상을 감안한 모델식은 실측된 정삼투 플럭스와 유사함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 정삼투 모듈의 성능을 예측하였다. 정삼투 공정은 유도용액을 희석시켜 시추 용수로 재이용하며, 발생폐수의 부피를 줄여 폐수 운반비용을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

Capacitive deionization (CDI) is one of the attractive environmentally-friendly technologies for desalting applications. It consumes relatively small energy for operation and does not produce any secondary wastes for a re-use. In this work, we have successfully prepared both anion and cation exchange ionomer coating solutions using engineering polymers as the base materials. The functionalized ionomers were coated on porous carbon electrodes and also utilized as a binder for immobilizing the carbon particles to improve the current and removal efficiencies of CDI process. The ionomers exhibited excellent electrochemical properties of both the low electrical resistance and high ion selectivity. As a result, the desalination performances of the CDI were largely improved by employing the ionomers-carbon composite electrodes.(No. 10047796)

망간은 수중에서 대체적으로 불용성이나, 지하나 지표에서 여러 가지 반응으로 인해 수중으로 용존되어 유입된다. 용존된 망간은 먹는 물에서 0.1 mg/L 이상일 경우 불쾌한 금속냄새가 나며, 0.02 mg/L 이상에서는 박테리아에 의한 이취미가 발생할 수 있다. 또한, 망간산화물이 급배수관에 피복되어 통수능을 감소시킨다. 최근 강화된 국내 먹는 물 수질 기준치는 0.05 mg/L이다. 이러한 망간 문제를 해결할 수처리 공정 연구가 필요하다. 본 연구에서는 과망간산칼륨(KMnO4)과 차아염소산 나트륨(NaOCl)을 이용하여 망간을 산화물로 변화시키고, 이를 한외여과막으로 제거한 후의 망간제거효율을 연구하였다. 특히, 두 산화제를 복합으로 사용할 때의 효과를 분석하고 실제 적용 가능성을 타진하였다.

저농도 합성폐수를 처리하는 membrane bioreactor (MBR) 시스템에서 공기폭기와 PET (polyethertaraphtalate) 입상메디아 혼합사용이 멤브레인 파울링과 처리효율에 미치는 영향을 관찰하였다. 일정한 공기폭기유량과 투과플럭스로 실험한 결과, PET 메디아를 첨가 시 메디아를 첨가하지 않은 경우보다 낮은 파울링 속도가 관찰되었다. MBR 반응기에서 입상 메디아에 의한 파울링 감소효과는 중공사막 모듈에 비해 평막 모듈이 더욱 효과적이었다. 공기폭기와 함께 멤브레인 표면을 따라 움직이는 입상 메디아의 접근성과 접촉성이 중공사막보다 효과적이었던 것으로 사료된다. MBR 적용에 있어 PET 메디아의 적용은 메디아를 적용하지 않았을 때와 비교 시 MBR 처리효율에 큰 영향을 주지 않았다.

기공 0.4 μm PVDF 나노섬유 정밀여과 나권형 모듈을 대상으로 모사용액을 이용해 유량 48 L/h, TMP를 0.9 bar부터 2.1 bar까지 증가시키는 조건에서 탁도와 DOM (dissolved organic matter) 제거율, 여과저항 및 물역세척 후 회복율(Rb), 여과저항 증가율(Rr), 비가역적 여과저항 증가율(Rir)을 구하였다. 모사용액은 휴믹물질과 탁도물질을 모사하기 위해 휴믹산과 카올린으로 만들었다. TMP가 증가 할수록 탁도 제거율은 변화가 없었지만, DOM 제거율은 다소 증가하였다. 여과 초기 여과저항(R0)은 거의 일정하였고, 물역세척 전 여과저항(R1) 및 물역세척 후 여과저항(R2), Rir은 다소 증가하고, Rr과 Rb는 크게 감소하는 경향을 보여주었다.

고도정수처리를 위한 관형 탄소 한외여과 및 PP구의 혼성 수처리 공정에서 질소 역세척 시 막오염에 의한 저항(Rf) 및 투과선속(J), 총여과부피(VT) 등을 활용하여 휴믹산의 영향을 고찰하였다. 사용한 막은 프랑스 Tech-Sep사에서 제조하였으며 탄소 지지층에 산화지르코늄으로 코팅한 것이다. 실험에 사용한 모사용액은 유기물 중 상당부분을 차지하는 휴믹산과 점토 무기물과 같은 미세 무기입자인 카올린을 순수에 첨가하여 제조하였다. 휴믹산의 농도가 증가함에 따라 급격한 막오염으로 인해 Rf가 증가하는 경향을 보였고, 투과선속 J는 감소하는 결과를 나타냈다. 유기물질 처리효율은 증가하는 추세를 보였으며, 탁도 처리효율은 98%로 일정한 경향을 나타냈다.

분리막 생물반응조내 침지형 평막(공칭공경 0.15 ㎛, CPVC)을 사용하여 운전방식에 따른 막 오염 저감효과를 알아보았다. 또한 SMP, EPS와 같은 입자성 물질을 플록으로 형성시켜 장기운전을 가능하게 하였다. 운전방식은 기존 운전/휴지 방식과 연속적으로 처리수를 생산할 수 있도록 자체 개발한 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO)을 적용하였다. 응집제를 투여한 경우 기존 운전/휴지방식에 비하여 SFCO의 TMP는 최대 30% 미만으로 유지됨을 확인할 수 있었다.

최근에 상용화된 SWRO 막은 플럭스 감소만으로 파울링을 평가하기 어렵다. 따라서 본 실험에서는 열역학 모델식을 통해 유기막오염과 세정에 따른 투수계수(Lp)와 농도분극계수(fcp), 파울링에 의한 여과저항(Rf) 변화를 분석해보았다. 파울런트 미주입시, 원수 TDS농도별, 압력별로 Lp와 fcp를 분석하였고 그 후, 유기 파울런트를 주입하여 막오염 진행에 따른 Lp와 fcp 변화를 분석하였다. 실험 결과, 파울런트를 주입하지 않은 경우, Lp와 fcp는 동일한 원수의 TDS 농도에서 압력이 증가함에 따라 증가하고, 동일한 운전 압력에서 원수의 TDS 농도가 증가할수록 감소하였고, 막오염 진행에 따른 Lp와 fcp의 감소 경향은 플럭스 감소 경향과 일치하지 않으며 막오염 물질 별로 다른 양상을 보였다.

탈기/무산소조, 삼중반응조, 경사판침전조, 막분리조에서 2, 3단계에 침전조 하부에 경사판을 설치하였고, 위어의 높이를 증가시켰다. 1단계에서 침전조와 막분리조의 MLSS 차이는 1,800mg/L 정도이며, 2, 3단계에서는 1,300mg/L로 막분리조의 MLSS 농도가 낮아졌다. 경사판침전조에서 막분리조로 이송되는 위어의 단면적이 증가함에 따라 유속이 느려지고, 막분리조로 이동하는 유속인 ULd과의 합이 낮아져 유량이 감소하는 것을 알 수 있다. 위어의 높이를 증가시키거나 단면적을 증가시키면 막분리조의 MLSS의 농축을 낮출 수 있고 경사판침전조의 MLSS 농도를 고농도로 유지 할 수 있어 분리막의 오염을 낮출 수 있다. 처리수의 H3-N의 평균농도는 0.5mg/L로 처리되어 대부분 질산화가 이루어졌다.

탈기/무산소조, 삼중반응조, 경사판침전조, 막분리조에서 경사판침전조에서 탈기/무산소조로 1Q의 내부반송과 삼중반응조로 0.3~0.5Q의 30분 마다 교대반송을 하였다. 교대반송시 NaOH를 주입하여 탈질원을 제공하였다. TN 유입 농도는 30.1mg/L에서 4.7mg/L로 제거되었으며, 처리수의 NH3-N의 평균농도는 0.5mg/L로 처리되어 대부분 질산화가 이루어졌다. NO3-N은 2.1mg/L로 무산소/탈기, 삼중반응조 및 침전조가 모두 하부로 연결되어 무산소조의 역할이 크게 증가하여 나타난 것으로 판단된다. NaOH(2,000mg/L)를 34mL/min으로 주입한 결과 반송수 상징액의 CODMn 농도는 24.7(19.9~31.0)mg/L로 탈질원이 형성되었음을 알 수 있었다.

분리막 생물반응기(MBR)는 전통적인 수처리 방법과 비교하여 안정적인 수질확보, 처리부지 감소, 높은 유기물 제거 등의 장점으로 인하여 매우 널리 사용되고 있다. 그러나 긴 고형물 체류시간과 높은 미생물 농도로 인하여 종종 인제거에 제한이 있다. 전통적으로 인을 제거하기 위해 화학적 침전 방법이 가장 널리 사용되고 있으나 이는 과량의 응집제 주입으로 인한 비용 문제 및 대량의 슬러지 발생의 한계점을 가지고 있다. 반면 흡착공정은 상대적으로 운전이 쉽고 간단하며 슬러지 발생량을 현저히 줄일 수 있는 방법이다. 따라서 본 연구에서는 입상 금속산화물 흡착제를 개발하고 이를 이용하여 MBR처리수 내의 인을 제거하는데 적용하고 성능을 평가하였다. 본 연구는 환경부의 연구비(과제번호 2013001390002)를 지원받아 진행되었습니다.

Membrane biofouling is the major concern to be addressed in membrane bioreactors (MBRs). Synergistic combinations of quorum quenching and physical cleaning methods were applied to minimize membrane fouling in MBRs. Different types of physical cleaning modes, such as relaxation, air backpulsing, and permeate backwashing were used in combination with quorum quenching. A significant improvement in fouling control was accomplished when QQ was coupled with physical cleaning methods, especially in relaxation. In addition, mixed liquor properties and treatment performances were not affected by the QQ activity. This research was supported by a grant (2012001440001) from the Korea Environmental Industry and Technology Institute funded by the Ministry of Environment.