A Gravity-driven membrane (GDM) system is one of the promising solutions for household drinking water treatment in the developing countries. In this study, the GDM system was tested for optimizing manual cleaning protocols using three different feed water solutions. Two types of manual cleaning were performed to delay the permeability decrease, cleaning between batches and long-term cleaning. The optimized cleaning between batches protocol was 3 twisting and 10 vertical shaking. And the optimized long-term cleaning protocol was 70 vertical shaking for both the middle region of the module and near the header part. These cleaning protocols allowed the system to produce sufficient water to meet the daily minimum water requirements for a 5-person family, even for using the wastewater influent. The system produced Escherichia coli free water.

전 세계적으로 18억 명이 수인성 세균이 포함된 물을 마시고 있다. UN은 2016년 새천년개발목표(MDGs)의 후속으로 지속가능개발목표(SDGs)를 설정하였고 목표 6.1은 안전하고 저렴한 물의 공급이다. TAPS는 SDGs 6.1을 달성하기 위하여 분리막 기술(T), 연간 10달러로 5인 가정이 안전한 물을 사용 할 수 있는 경제성(A), 5년 이상 사용 가능하고 세척이 용이한 현실성(P), 기술이전과 현지 생산으로 지속성(S)을 확보한 해결방안이다. End-free Gravity-driven Membrane(EFGDM)은 전기나 화학약품, 숙련된 인력이 부족한 저개발국가에도 저렴한 가격에 사용할 수 있다. 본 연구에서는 TAPS 솔루션과 EFGDM, 엔드프리 막모듈의 특성과 개발에 관해 소개하고자 한다.

분리막조 전단 침전조 하부에 경사판을 설치하고, 분리조의 활성슬러지는 막 모듈 하부의 공기에 의한 유동에너지를 이용하여 경사판 침전조와 분리조의 상부 위어를 통하여 이동할 수 있게 하였다. 분리조에 TORAY사의 침지식평막 (MEMBRAYTM)을 50 m3/일 규모로 설치하고, 20.4 LMH의 플럭스로 운전하였다. 경사판을 설치하지 않은 경우, 분리조의 MLSS가 침전조 보다 1,800 mg/L 높았 고, 경사판을 설치한 결과, 분리조의 MLSS 농도가 침전조 보다 1,300 mg/L 높 아 경사판이 분리조의 MLSS 농도를 저감하였다. 또한, 침전조와 분리막조의 유 로구간인 위어의 높이를 20, 30 및 40 cm로 증가시킬수록 MLSS의 이동이 보다 증가하여 막분리조의 MLSS 농도를 낮출 수 있었다.

30 LMH의 정유량 플럭스로 운전하는 MBR에서, 휴지 및 역세정에 따른 한외여과 분리막의 오염을 조사하였다. 또한, 연속적인 공기세정과 비교하여 분리막 여과저항을 최소화하기 위한 간헐적인 공기세정을 평가하였다. 여과 조건은 14.5분 여과와 0.5분의 휴지를 유지하였으며, 역세정 시간은 휴지 시간과 동일하게 운전하였다. 공기세정이 정지하는 동안에 분리막 표면의 겔층 위에 케잌이 빠르게 축척되었으며, 역세정으로 겔층과 케잌층의 복합층은 쉽게 제거되었다. 역세정 후에 공기세정이 정지하는 동안 분리막 표면에 케잌이 형성되어 공경 내부의 오염현상을 억제하였다. Pearson 상관성을 조사한 결과, 간헐적인 공기세정에서 공기 세정이 정지하는 시간과 분리막의 오염은 매우 연관성이 높다는 것을 알았다. 즉, 간헐적인 세정에서 공기세정이 정지하는 시간이 갈수록 오염억제에 효과적이었다.

침지식 분리막 모듈에서 공기강도에 따른 분리막 위치에 대한 오염을 조사하였다. 분리막의 충진밀도가 낮은 곳에서 높은 유체 유속을 나타내었으며, 유체 속도는 기-액 주입률에 비례하였다. 전단응력은 기-액 주입률 및 유체 유속에 비례하였다. 비가역오염(Rir)은 흡입 압력이 가까운 부분에서 가장 높게 나타났다(position 1). 비가역오염에 대한 저항과 분리막 고유 저항의 비(Rir/Rm) 및 비가역오염에 대한 저항과 가역오염의 저항의 비(Rir/Rr)도 position 1에서 가장 높게 조사되었다. 비가역오염(Rir)은 흡입 압력이 높은 곳인 position 1에 오염물질이 축적되어진 결과이다. 분리막 위치에 따른 오염현상은 모듈 디자인 최적화에 중요한 인자임을 알았다.

침지식분리막 오염을 최소화하기 위한 두 가지 공기세정방식을 비교하였다. 연속적인 공기세정과 단계별 공기량을 증가시키는 방식을 연구하였다. 15분의 여과 중에 세정공기의 증가는 5분마다 단계별로 공기량을 증가시켜주었다. 모의 여과 원수에 분말활성탄을 10 g/L 이하 그리고 카올린은 20 g/L 이하로 준비하였으며, 플러스는 80 LMH로 하였다. 단계별 공기세정방식은 연속적인 공기세정 방식보다 분리막 오염억제에 효과적이었다. 추가적으로 주입된 응집제는 분리막 오염저감을 보다 향상시켰다. 연속적인 공기세정의 오염현상은 공경막힘과 분리막 표면에 지속적인 입자의 축적에 기인하였다.

수돗물 공급에 있어서의 미량 유기물질 및 맛냄새 제거의 중요도가 높아짐에 따라 오존, GAC 및 PAC 등 고도 정수처리공정의 도입이 지속적으로 증대되고 있다. 하지만, 원수의 수질악화, 새로운 오염물질의 출현 등에 의해 기존의 고도처리공정이 향후에도 충분한 대안이 된다고 확신하기는 어려운 실정이다. 본 연구에서는 고농도의 분말활성탄을 slurry blanket의 형태로 체류시킨다는 새로운 개념의 접촉조를 구상, 막여과조와 연계하여 하나의 공정으로 완성하였다. 한강원수를 대상으로 80m3/일 규모의 pilot plant를 이용, 유기물질 및 2-MIB, Geosmin에 대한 제거특성을 살펴본 결과 DOC의 경우 운영초기 90% 이상, 안정화된 이후에도 70~80% 내외의 높은 처리효율을 나타내었으며 2-MIB Geosmin의 경우 검출한계 이하로 제거되었다. 본 공정은 1년 이상의 장기간의 고도처리 효율 검증 및 안정된 PAC 접촉조의 운영방안 등 공정 최적화를 위한 추가적인 연구가 필요한 실정이나 기존의 고도처리에 비해 컴팩트하면서 높은 처리효율을 안정적으로 나타냄으로써 맛냄새물질을 비롯한 미량 오염물질을 제거하기 위한 대안공정으로서의 높은 가능성을 확인하였다.

본 연구의 목적은 침지형(YEF 750D-2) 모듈을 적용하여 공기유량에 따른 유체 유속과 간헐적인 세정공기의 공급에 의한 오염제거를 평가하는 것이다. 공기유량에 따라 모듈의 유체 유속은 선형적으로 증가하였으며, MLSS의 농도가 1,000 mg/L 증가할 때 마다 3times10-4m·min/sec·L 수식 이미지의 비율로 유체 유속이 감소하였다. 세정공기의 공급이 정지되는 시간에 전여과가 일어나 흡인여과 시간 동안 겔층 위에 케익층이 형성되었다. 20초 정지와 20초 공기공급의 간헐공기주입으로 형성된 케익층이 역세정에 의하여 제거되면서 압력증가율이 가장 낮게 나타났다. 겔층이 제거되는 메커니즘은 세정 공기공급을 교대로 하여 겔층 위에 케익층을 형성시켜 케익층이 제거될 때 겔층이 함께 제거되는 원리로 설명할 수 있다.

중공사막의 일단이 자유롭게 움직여 막 오염 현상을 줄일 수 있도록 고안된 침지형 프리엔드 중 공사막 모듈에 아주 짧은 주기로 역세를 실시하는 역충격을 적용하여 중공사막의 기초 오염 특성을 조사하였다. 본 연구에 사용된 막은 폴리설폰(PS, polysulfone)과 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile) 재질의 내경 0.7mm, 외경 1.3mm, 분획분자량 50,000인 한외 여과막을 사용하여 모듈을 제작 후 MLSS 10,000mg/L의 반응조를 침지하였다. PS 중공사막의 역충격 유무에 따른 투과율과 압력 변화를 측정하였다. 역충격을 가하지 않은 경우, 모듈의 투과율은 초기 3시간 동안 급격히 감소하였고 150시간 이후에 일정한 투과율을 나타내었다. 역충격을 가한 모듈의 투과율 감소율은 현저히 줄어들었다. PS과 PAN 재질 중공사막의 역충격에 대한 영향을 15kPa에서 비교한 결과 초기 투과율은 PS 막이 19lmh, PAN 막이 16lmh이었다. 그러나 PS 막은 급격한 막 오염으로 인하여 압력이 30kPa까지 상승하였고 PAN 막은 15kPa에서 거의 일정하게 유지되었다. 160시간 이후 역충격을 멈추었을 때 PAN 막의 투과율은 역충격이 있을 때보다 더욱 감소하였고 PS 막은 역충격을 주었을 경우와 비슷한 투과율을 나타내었다. PAN 막은 역충격으로 인하여 막의 오염이 지연되고 있는 상태에서 역충격의 영향이 없어지므로 막의 오염이 계속적으로 생기는 것이고, PS 막의 경우는 초기의 급격한 막의 오염 때문에 역충격으로 인한 막오염 지연효과가 적었다.

막오염을 줄이기 위해 고빈도 역충격 시스템을 적용한 새로운 분리막 모듈을 연구하였다. 폴리아크릴로니트릴(Polyacrilonitrile) 재질의 외경 1.4mm, 내경 0.9mm, 분획분자량 50,000인 한외여과막과 라텍스(latex)용액을 사용하여 실험하였다. 역충격을 중공사막에 적용했을 때 제안된 모델식에 의한 이론치와 실험치를 비교 분석하였고, 역충격을 적용했을 때와 하지 않았을 때의 경우를 비교하였다. 이론치를 계산하기 위해 비저항 계수(specific cake resistance), 케익성장시간상수(time constant for cake growth), 확산계수(diffusion coefficient), 그리고 4가지 오염모델의 속도상수를 구하였다. 고빈도의 역충격을 가한 모듈의 투과율은 역충격이 없을 때의 투과율보다 약 40∼120%가 증가하였고 모델을 이용한 예상값과 1∼14% 내의 오차 범위를 나타냈다. 최적 역충격 세기는 20∼40%의 범위에서 20%였고 최적 역충격 빈도수는 0.67∼3Hz 범위에서 2Hz로 나타났다.

본 연구에서는 2축 회전판형 한외여과막 모듈의 순수투과율 예측모델과 1% 절삭유의 분리특성 및 투과율 예측모델을 유도하였다. 2축 RDM은 한외여과막(UOP사, 직경 0.22m)을 씌운 같은 크기의 회전판막 20개를 장착한 후 막간격과 각속도(ω)에 따른 분리특성을 조사하였다. 2축 RDM의 순수 투과율은 각속도가 41.89rad/s에서 9.95% 감소하여서 1축 RDM의 감소율 3.01%보다 높았다. 2축 RDM은 회전판막이 겹친 부분에서 난류의 발생으로 미끄럼 흐름에 의한 압력 강하는 (2.5ωr)2에 비례하였다. 회전판막 간격이 3mm인 J/Jo(절삭유의 투과율/순수 투과율)는 각속도가 31.42rad/s에서 2.62rad/s로 감소할 때 0.64에서 0.31로 감소하였고 간격이 7mm 일 때의 J/Jo는 0.64에서 0.27의 감소하여 비슷한 경향을 보였다. 1축 RDM에 사용된 투과율 예측모델식을 변형하여 유도된 2축 RDM의 모델식은 실험결과와 잘 일치하였다.

본 연구에서는1축 회전판형 한외여과막 모듈의 순수 투과율 예측모델과 기름 에멀션의 분리 특성 및 투과율 예측모델을 유도하였다. 1축 RDM은 한외여과막(UOP사, 직경 0.22m)으로 제작된 회전판막을 장착하여 25℃ 에서 압력, 각속도(ω ), 농도 변화에 따라 분리특성을 조사하였다. 회전판막의 각속도가 0에서 52.36rad/s로 증가할수록 회전판내 유체가 받는 원심력에 의한 압력 강하와 분리막 표면의 미끄럼 흐름에 의한 압력 강하로 순수 투과율은 최대 각속도에서 3.9% 감소하였다. 원심력과 미끄럼 흐름에 의한 압력 강하는 선속도(ωr )의 자승에 비례하였다. 회전판의 각속도가 52.36에서 2.62rad/s로 감소할 때 5% 절삭유의 투과율은 30.16% 감소하였고 농도가 낮을수록 막회전과 투과율에 미치는 영향은 적었다. 절삭유의 투과율(J; kg/m2ㆍs )은 회전에 의한 압력 강하를 고려한 유효압력차(Delta PT ; Pa), 벌크농도(CB ; %), 선속도(ω r; m/s) 등에 영향을 받으며 실험 결과에 저항 모델을 적용하여 다음과 같은 식을 유도하였다.