본 연구는 비료를 이용한 정삼투식 해수담수화에서 가장 적합한 유도용액을 찾기 위한 연구이다. 이를 위하여 삼 투압, 용해도 및 pH를 고려하여 20종의 혼합 비료를 선정하고, 수투과선속과 질소, 인 및 칼륨의 역용질선속과 비역용질선속 을 측정하여 각 혼합비료 유도용액의 성능을 평가하였다. KCl을 함유한 혼합비료의 수투과선속이 다른 혼합비료에 비해 높게 나타났다. NO3 -를 함유한 혼합비료 유도용액의 질소 역용질선속과 비역용질선속은 NO3 -를 함유하지 않은 혼합비료 용액에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 또한 NH4H2PO4 및 KNO3를 각각 함유한 혼합비료 유도용액의 인 및 칼륨에 대한 역용질 선속과 비역용질선속은 NH4H2PO4 및 KNO3를 함유하지 않은 혼합비료 용액에 비해 상대적으로 높게 나타났다. (NH4)2HPO4 와 KCl의 혼합비료 유도용액은 비료의 필수성분인 질소, 인 및 칼륨을 모두 포함하고 있고, 수투과선속이 클 뿐만 아니라 질소, 인 및 칼륨에 대한 역용질선속이 작아 정삼투식 해수담수화용 유도용액의 유도물질로서 가장 적합하다고 판단된다.

담체가 투여된 침지형 막결합 연속회분식 반응기(SMSBR)를 사용한 하수의 고도처리에서 담체가 여과성능과 제 거효율에 미치는 영향을 조사하였다. 담체는 반응기 부피 기준으로 10% 투여하였고, 담체와 분말활성탄을 첨가하지 않은 반 응기, 분말활성탄(10 g/L)만을 첨가한 반응기 및 담체와 분말활성탄을 모두 첨가한 반응기를 대조군으로 하였다. COD, T-N 및 T-P에 대한 제거효율은 담체 및 분말활성탄 첨가 유무에 따라 큰 차이가 없었다. 그러나 담체를 첨가하지 않은 경우 막간 차압(TMP)은 급격히 증가하였으나, 담체를 첨가한 경우에 막간차압은 매우 서서히 증가하였다. 담체를 투여한 SMSBR를 사 용하여 하수를 고도처리 할 때, 91일 이상의 운전기간 동안 막 세정 없이 운전이 가능하였다. 담체만을 투여한 경우, 운전 80 일 경과 이후의 COD, T-N 및 T-P 평균 제거율은 각각 95.0, 69.3% 및 51.4%이었다.

비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투를 하수처리수(2차 침전지 유출수)의 재이용에 적용하여 유도용액의 성능을 평가하였다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 비료 중에서 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 NH4H2PO4, KCl, KNO3, NH4Cl, (NH4)2HPO4, NH4NO3, NH4HCO3 및 KHCO3을 유도용액 후보군으로 선정하고, 수투과선속 및 역용질선속을 측정하 여 유도용액의 성능을 평가하였다. 평균 수투과선속은 KCl > NH4Cl > NH4NO3 > KNO3 > KHCO3 > NH4HCO3 > NH4H2PO4 > (NH4)2HPO4의 순서로 나타났으며, KCl을 유도용액으로 사용하였을 때, 평균 수투과선속은 13.49 LMH이었다. 하수처리장 2차 침전지 유출수의 삼투압은 탈이온수의 삼투압에 비해 큰 차이가 없었다. 역용질선속은 NH4H2PO4 < NH4Cl < (NH4)2HPO4 < KNO3 < NH4HCO3 < NH4NO3의 순서로 나타났으며, NH4H2PO4를 유도용액으로 사용하였을 때, 역용질선 속은 4.96 × 10-3 mmol/m2⋅sec이었다.

유도용액으로 비료를 사용하는 정삼투식 해수담수화에서 유도용액의 성능을 평가하였다. 일반적으로 많이 사용되는 비료 중에서 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 NH4NO3, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KCl, KNO3 및 KHCO3를 유도용액 후보군으로 선정하였다. 수투과선속, 질소와 인의 역용질선속 및 비역용질선속을 측정하여 유도용액의 성능을 평가하였다. KCl은 본 연구에서 선정된 유도용액 중에서 가장 높은 수투과선속을 나타낸 반면에 (NH4)2HPO4는 가장 낮은 수투과선속을 나타내었다. NH4H2PO4가 가장 낮은 역용질선속 및 비역용질선속을 보였으며, (NH4)2HPO4 ＜ KNO3 ＜ NH4NO3의 순서로 역용질선속 및 비역용질선속이 증가하였다. NH4H2PO4는 비록 다른 유도물질에 비해 수투과선속이 낮으나 비료의 주요 성분인 질소와 인을 모두 포함하고 있을 뿐만 아니라 질소와 인의 역용질선속 및 비역용질선속이 다른 유도물질에 비해 매우 낮으므로 FDFO (fertilizer drawn forward osmosis)에서 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구는 축산분뇨 처리장(바이오가스 플랜트) 액비의 고도처리에 적합한 공정을 도출하기 위한 기초 연구이다. 액비를 고도처리하기 위하여 나노여과 및 역삼투(reverse osmosis) 공정을 각각 사용하였고, 전처리공정으로서 담체를 첨가하지 않은 MBR과 담체를 첨가한 MBR을 각각 적용하여 비교하였다. 액비의 질소는 주로 암모니아성 질소의 형태로 존재하였다. MBR의 운전에서 담체(biomedia) 유무에 따른 COD, T-N 및 T-P의 제거효율에서 큰 차이는 없었으나, 담체를 첨가한MBR의 TMP는 담체를 첨가하지 않은 MBR에 비해 매우 서서히 증가하였다. 전처리 공정으로 담체를 첨가한 MBR 공정을사용한 경우, NF에 의한 COD, T-N 및 T-P의 제거효율은 각각 99.8, 86.5% 및 99.8%이었으며, RO에 의한 제거효율은 각각99.9, 86.8% 및 99.9%이었다. MBR과 NF/RO 공정을 이용하여 처리한 액비의 최종 수질은 분뇨처리장 방류수 수질기준과비교하였을 때, COD와 T-P는 방류수 수질기준을 만족하였으나, T-N은 수질기준에 부적합하였다. 따라서 T-N에 대한 방류수 기준을 만족시키기 위해서는 MBR 조업 cycle의 조정 또는 나노여과/역삼투에 의한 2차 재처리 등의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

C/N 비가 낮은 농촌마을 하수의 고도처리를 위하여 0.4 µm의 세공크기를 갖고 있는 평막이 침지된 연속회분식 반응기를 사용하였다. 분말활성탄의 투입, 폭기량 및 유입 유기물 농도가 처리효율과 여과 성능에 미치는 영향을 조사하였다.54일 이내의 조업 초기에서는 C/N 비가 증가할수록 COD, T-N 및 T-P의 제거율과 MLSS 농도는 증가하였다. 조업 89일 후의 COD, T-N 및 T-P의 제거율은 각각 97.1%, 75.0% 및 48.3%이었다. 막여과에 의해 처리수에서 SS는 검출되지 않았으며,T-P의 제거율이 낮게 나온 이유는 과잉의 슬러지를 배출하지 않았기 때문이다. 분말활성탄을 투여한 경우 조업이 진행됨에따라 분말활성탄의 혼합강도와 충돌빈도가 증가하여 슬러지의 입자크기가 감소하였으며, 이로 인해 분말활성탄을 투여하지 않은 경우에 비해 TMP 상승이 크게 나타났다.

혼합 비료를 유도용액으로 하는 정삼투식 해수담수화에서 담수화 성능에 대한 유도용액 농도의 영향을 조사하였 다. 혼합비료용액(DS)의 농도가 증가함에 따라 수투과선속은 거의 선형적으로 증가하였으나, PR (performance ratio)은 감소 하였다. 또한 혼합비료용액의 농도가 600 g/L일 때, 해수 및 탈이온수를 각각 공급용액으로 하였을 경우 각각의 PR은 5.39 및 6.50이었다. 혼합비료용액의 농도가 증가함에 따라 N, P 및 K의 역용질선속은 거의 선형적으로 증가하였으나, 비역용질선 속은 감소하였다. 역용질선속과 비역용질선속은 모두 질소(N) > 칼륨(K) > 인(P) 순으로 높게 나타났다.

스펀지 형태의 담체가 첨가된 침지형 막결합 연속회분식 생물반응기에서 담체가 제거효율과 여과성능에 미치는 영향을 조사하였다. 담체는 반응기 부피 기준으로 각각 5%, 10% 및 20% 첨가하였고, 담체를 첨가하지 않은 반응기를 대조군으로 하였다. COD, T-N 및 T-P에 대한 제거효율은 담체 첨가 유무에 관계없이 큰 차이가 없었다. 그러나 담체를 첨가한 경우, 첨가하지 않은 경우에 비해 조업시간에 따른 막간차압(TMP)은 매우 서서히 증가하였다. 이러한 결과는 폭기에 의해 상승하는 담체가 막 표면과 충돌하게 되고, 이때 막 표면에 형성된 케이크 층을 제거시키기 때문이다. 결론적으로 담체가 첨가된 막결합형 연속회분식 생물반응기는 담체가 없는 반응기에 비해 여과성능이 크게 개선되어, 폐수처리에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.

침지식 막결합형 연속회분식 생물반응기에서 폐수의 도입단계가 제거효율과 여과성능에 미치는 영향을 조사하였다. 호기성 단계의 초기에 공급할 경우(Mode-1)와 무산소 단계의 초기에 공급할 경우(Mode-2)에 대하여 89일 동안 동시에 운전하였다. COD 제거효율과 여과성능은 2가지 운전방식 간에 큰 차이가 없었다. 그러나 영양염류(총질소와 총인)의 제거효율에 있어서 Mode-2가 Mode-1에 비해 보다 효과적이었다. Mode-2의 경우 COD, 총질소 및 총인의 제거율은 각각 99.1, 73.3 및 77.7%이었다.

0.4μm의 세공크기를 갖고 있는 평막이 침지된 연속회분식 반응기에서 유입 유기물 농도가 영양염류 제거에 미치는 영향을 조사하였다. 분리막의 여과성능과 영양염류 제거효과를 규명하기 위하여 유입 유기물의 농도를 200 mg/L (Run-1), 400 mg/L (Run-2) 및 800 mg/L (Run-3)로 연속적으로 변화시키면서 실험하였다. COD/N 및 COD/P의 비가 증가할수록 T-N 및 T-P의 제거율은 모두 증가하였다. Run-1, Run-2 및 Run-3에서 T-N의 평균 제거율은 각각 28.1, 32.6 및 90.4%이었으며, 투과수의 T-N 평균 농도는 각각 32.0, 30.0 및 4.3 mg/L 이었다. 또한 Run-1, Run-2 및 Run-3에서 T-P의 평균 제거율은 각각 13.6, 35.3 및 93.1%이었으며, 투과수의 T-P 평균 농도는 각각 3.11, 2.33 및 0.25 mg/L이었다.

생분해성 음이온 계면활성제인 deoxycholic acid(DCA)의 미셀을 이용한 한외여과에서 카드뮴의 제거 특성을 살펴보았다. 본 연구에서는 교반 한외여과 셀을 사용하였으며, 한외여과 막은 분획분자량(molecular weight cut-off)이 서로 다른 Millipore사의 YM1, YM3, YM10 및 YM30을 사용하였다. DCA와 카드뮴의 혼합용액에서 DCA의 임계미셀농도는 순수 DCA 용액에서 보다 낮아지고, 미셀의 크기는 증가되었다. 카드뮴이온의 제거율은 사용한 막의 분획분자량에 의해서는 거의 영향이 없었으나, 카드뮴이온에 대한 DCA의 몰 비의 증가에 따라서는 급격히 증가하였다. 카드뮴이온에 대한 DCA의 몰 비가 3일 때 카드뮴이온의 제거율은 사용한 막에 관계없이 99.6% 이상이었다. 순수 투과플럭스에 대한 혼합용액의 투과플럭스의 비로 정의한 상대 투과플럭스는 YM3 > YM1 > YM10 > YM30 막의 순서로 감소하였다.