Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.29 No.2 pp.251-259
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2015.29.2.251

Experimental study on feasibility test for removing particles in air scouring membrane backwash water with metal membrane

No-Suk Park1*, Sukmin Yoon1, Yong-Taik Moon2, Sun-Ju Lee2, Sunghyuk Park3
1Gyeongsang National University
2K-water Institute
3Korean Institute of Industrial Technology
Corresponding author : No-Suk Park nspark@gnu.ac.kr
April 5, 2015 May 13, 2015 May 14, 2015

Abstract

The main objective of this research is to study feasibility for applying metal membrane to remove particles from air scouring membrane backwash water. Also, the research was conducted to investigate the influence of polyamine coagulation on floc growth in membrane backwash water as pretreatment for removal particles. From the results of experiments for evaluating the influence of polyamine coagulation on floc growth, it was investigated that particles in the rage of 2~50 μm grew up to 30~5,000 μm. In addition, all six metal membranes showed lower removal efficiency, which was 0.87~13.89%, in the case of no polyamine coagulant. On the other hand, in the case of injecting polyamine coagulant, those did extremely high efficiency in 56~92%. From the SEM(Scanning Electron Microscope) images of filtered wiremesh and metal foam membrane, sieve effects were predominant for liquid solid separation in wiremesh and adsorption and diffusion capture effects were predominant in metal foam membrane.


금속막을 이용한 저압 막 공기병용 역세척수 처리 타당성 연구

박 노석1*, 윤 석민1, 문 용택2, 이 선주2, 박 성혁3
1경상대학교 토목공학과 및 공학연구원
2K-water 연구원
3한국생산기술연구원

초록


    inistry of Trade, Industry and Energy
    N0001232

    1.서 론

    이제까지 수처리에 있어서 여과 공정은 고액분리의 최종 단계로써 그 성능의 중요함이 항상 강조되어 왔 다. 여과 공정이 포함되는 수처리의 대상으로는 상수, 하수, 중수 및 폐수 등이 있는데, 최근에는 여과 공정 에서 발생하는 여재 역세척수의 처리 효율이 큰 이슈 가 되고 있다. 일반적으로 모래여과를 사용하는 경우 모래 여과 역세척수의 처리는 배출수지 내의 침전이 기본적인 기작으로 인식되어 왔다. 그러나 최근 도입 이 증가하고 MF (Microfiltration)과 UF (Ultrafiltration) 공정에서 발생하는 막 역세척수의 처리에 있어서 침 전 기작의 효율이 의심받고 있으며, 이에 상수처리에 있어서 막 공정에서 발생하는 역세척수를 다시 막으 로 처리하는 이단 막 여과 공정이 그 가능성을 검증 받고 있다(Zhang et al., 2008; Huang et al., 2011; LeGouelle et al., 2004; Reissmann and Uhl, 2006).

    막 역세척수를 응집과 MF로 처리하는 시스템은 제 안한 Zhang 등의 연구 결과에서는 비록 실험실 규모 로 수행하였으나 만족스러운 유기물 및 미생물의 제 거효율을 보이는 것을 입증하였다(Zhang et al., 2008). 또한 그들은 분자량이 30k Da 이상인 유기물이 효율 적으로 제거됨으로써 후속 공정 소독에 의한 소독부 산물의 전구물질을 제어하는데 아주 효과적임을 실험 적으로 밝혔다. Zhang 등은 그 이후 침지형 막(MF)에 서 생성되는 막 역세척수에서 유기물 제거를 목적으로 MF와 UF를 순차적으로 여과하여 분자량 별로 제거효 율을 검증하는 실험을 수행하였으며, 그 결과 상대적 으로 작은 분자량의 유기물이 THMs (trihalomethanes) 형성에 반응성 높은 것을 밝혀냈다(Zhang et al., 2009). 몇몇 연구자들은 농축 배출수로부터 소독부산물 전구 물질과 입자를 효율적으로 제거하는 데에 MF와 UF 공정을 활용한 실험적 사례를 보여주기도 하였다. 이 전 Dotremont 등도 모래 여과의 역세척수를 처리하는 데에 있어서 UF 공정이 효과적임을 실험적으로 입증 한데 반해 동일 공정을 저압 막 역세척수를 처리하는 데에는 적용하지 않았다(Dotremont et al., 1999).

    그러나 상기 언급한 여재 및 저압 막 여과 역세척 수를 MF나 UF로 처리한 연구는 모두 실험실 규모로 수행되었으며, 처리수의 특정 물질(유기물 및 입자)에 한정함에 실제 적용에 한계가 있다. 또한 이단 막 여 과의 경우 아직까지 경제적 타당성이 확보되지 않아 실제 도입을 우려하는 의견이 지배적이다.

    현재 많은 수처리 공정에서는 고분자 막을 사용하 고 있으며, 고분자 막을 사용하기 힘든 일부 조건에서 는 세라믹 막과 금속막을 사용하고 있다. 고분자 막은 유연성과 단위부피당 유효면적이 크고 경제성이 높다 는 장점이 있으나, 물리적 강도가 약하며 오염물질에 의한 손상의 위험이 있다. 장기간에 걸친 역세척에 의 해 원상복구가 어렵고 또한 역세척 과정에서 막 손상 을 입을 수 있으며, 화학적 안정성이 높지 않기 때문 에 반복적인 화학 세정이 이루어질 경우 성능 저하의 위험이라는 단점을 갖는다(Tan et al., 2001; Liu and Li, 2003). 또한 세라믹 막은 고분자 막에 비하여 고온 및 유기용매 저항성이 높다는 장점이 있으나, 취성으 로 인하여 취급에 주의가 따르며 고농도의 폐수처리 시 역세척을 할 경우 파손의 위험이 존재하며, 고분자 막에 비하여 상대적으로 높은 가격을 갖는 등의 단점 이 있다. 이제까지 이와 같은 이유로 세라믹막은 수처 리 분야에 거의 사용되지 않았지만 지난 2009년에 국 내 상수처리에 사용된 실적이 전부이며, 통상 기체 투 과용으로 적용이 제한적이다(Asaeda et al., 2002; Dong et al., 2006).

    상기 기술한 유기 고분자 막과 세라믹막에 비해 금 속막은 높은 기계적 강도와 우수한 내열성 및 내식성 으로 인해 열악한 환경에서도 사용이 가능하다. 금속 막은 제작 형태에 따라 크게 금속 분말(metal powder), 금속섬유(metal fiber), 금속망(wire mesh) 및 금속 폼 (metal foam)의 4가지 형태로 구분할 수 있다. 금속섬 유로 만들어진 분리막은 인발 등에 의해 제조된 직경 5~30㎛인 금속섬유가 방향성 없이 무질서하게 배열되 어 있으며 기체 혹은 액체 등의 유체가 zig-zag형태의 경로로 분리막을 통과하면서 고체 입자를 여과하는 분리막이다. 또한 금속망 분리막은 금속 wire를 일정 한 형태로 직조한 망(mesh)을 사용하여 만들어지는 분 리막으로써, 분리막의 특성에 따라 망의 크기가 다르 거나 직조방법이 다른 망을 여러 겹 겹쳐서 사용한다. 금속분말로 만들어지는 분리막은 금속분말을 소정의 입도로 분류한 후에 필요한 형태로 성형·소결의 공정 을 거쳐서 제조된다. 이 때 여과할 수 있는 입자의 크 기는 금속분말의 크기에 의해 결정되어지며, 소재로 는 내식성이 우수한 스테인레스강(stainless steel)과 청 동(bronze) 분말이 주를 이루고 있다(Kim et al., 2009).

    금속 폼 필터는 큰 기공들의 다공성 구조(porous structure)로 이루어져 있기 때문에 개포형 발포 금속 막의 경우 재료 내부의 기공들이 서로 연결된 형태로 기체나 유체의 통과가 용이하여 여재로써 그 용도가 다양하다. 개포형 금속폼은 형태상으로는 인체의 뼈 와 유사한 구조를 가지는 완전 등방성(isotropic)으로 안정한 구조를 가지고 있다(Park et al., 2007). 금속 폼 필터는 촉매분말의 코팅 처리로 효과적인 물리적 흡 착 성능을 보여주며, 기계적 강도, 내식성, 내열성이 강한 필터로 사용이 가능하다. 특히 이는 큰 기공들이 발달되어 있기 때문에 낮은 차압(differential pressure) 조건에서 운전이 요구되는 분리막으로써의 활용이 가 능하지만, 공극이 크기 때문에(약 400㎛ 이상) 기계적 포집(mechanical capture) 효율이 낮은 문제점을 안고 있다(Park et al., 2007). 그러나 공극이 큰 금속 폼 필 터의 경우 흡착 포집(adsorption capture) 및 관성 충돌에 의한 확산(diffusion) 포집의 기작이 여과 효율에 큰 영 향을 미치며 최근에는 전기집진 메커니즘(electrostatic precipitation mechanism)을 접목하여 차압의 낮게 유지 하면서 여과효율을 극대화 시킬 수 있는 방법론이 제 시되고 있다(Park et al., 2007).

    이에 본 연구에서는 국내에서 운전 중인 MG_정수장의 실규모 저압막(MF) 공정에서 생산되는 공기 병용 역세척 수를 대상으로 금속망과 금속 폼 필터를 이용하여 고액 분리를 통한 처리의 가능성을 조사하고자 하였다. 본 연구에 사용된 막은 상업적으로 이용 가능한 막을 사용하 였고 저압막 공기 병용 역세척수는 전처리의 유무(폴리 아민(Polyamine)계 고분자 응집제를 이용한 응집의 전처 리 유무)에 따른 영향을 살펴보았다.Fig .1-2

    2.실험방법

    2.1.대상 정수장

    본 연구의 대상인 국내 MG_정수장 막 여과 시스템은 용량 27,000 m3/일 규모의 정밀 여과막(Microfiltration) 공정 과 혼화․응집 공정 및 분말활성탄 흡착 공정이 전 처리 공정으 로 조합된 설비이다(Fig. 3 참조). 구성하고 있는 막의 형태는 중공사막이고, 여과방법은 외압식이며, 막 면적은 50 m2, 막의 재질은 PVDF (Polyvinylidene fluoride)이다. 막 공정 의 제원은 다음 Table 1에 자세히 정리하였다.

    상기 언급한 MG_정수장의 원수, 혼화·응집(혼화/응집 공정에서 막 공정으로 유입되는 원수) 및 막 역세척수를 2014년 6월 26일과 11월 23일 두 차례 현장에서 시료를 채취하여 제타포텐셜(Zeta potential)과 입도 분석 실험을 수행하고 각각 고분자 응집제를 주입 한 후 두 가지 종류 (금속망과 금속 폼)의 금속막으로 여과실험을 수행하였 다. MG_정수장은 Al2O3가 11%인 알루미늄계 응집제 (APAC)를 사용하고 있다. 모든 막 여과 공정은 30분간 운전하고 1분간 물리 역세를 수행하는데 전반 30초는 물역세척만, 후반 30초 동안은 공기세정을 하고 이후 배 수를 45초 동안 수행하고 있다. 실험 수행 시 원수의 탁 도는 1.5~3.3 NTU이었으며, pH는 6.75~7.03, 전기 전도 도는 128.7~141.5 μs/cm이고, 수온은 7.6~22.5°C 였다.

    2.2.입자계수(particle counter)와 플록크기 측정 (Floc Size Analyser)

    본 연구에서는 저압용 막 공기병용 역세척수의 특 성 및 막 역척수에 포함된 플록의 크기를 성장시키기 위해 주입하는 폴리아민(Polyamine)계 음이온 고분자 응집제의 영향을 조사하기 위해 플록크기 측정기와 입자계수기를 사용하였다. 폴록을 성장시키기 위해 사용된 고분자 응집제는 각 시료마다 0.5 mg/L를 주 입하였으며 급속혼화(180rpm) 2분(min.), 완속 혼화로 50rpm에서 3분, 25 rpm에서 5분을 적용하였다. 사용한 폴리아민계 응집제는 국내 A_사의 제품이며 환경부 고시에 의거 정수처리에 적용이 가능한 제품이다.

    본 연구에서 사용된 입자계수기는 Model PC 2400 PS (CHEMTRA, USA)이었다. 유입된 액체 샘플에 있 는 입자는 적외선 레이저를 통과하게 되고, 그에 의해 차단된 빛의 양은 입자의 크기에 비례한다. 입자의 개 수와 크기는 전자적으로 측정되며, 데이터의 저장 및 그래프화가 가능하다. 또한 고분자 응집제의 주입으로 인해 막 역세척수에 존재하는 플록의 성장을 관측하기 위하여 사용된 플록크기 측정기로 Model FSA 2002 Floc Size Analyser(Sambo, Korea of Republic)를 사용하였 다. 이 기기의 측정 가능한 플록 크기의 측정 범위는 30~6,000 μm 정도였으며, 일반적으로 정수처리 공정에 서 응집제의 혼화 후단 공정인 응집지의 단별 플록의 성 장을 관측하는 데에 사용되는 측정 장비이다.Fig .4

    2.3.여과 실험

    본 연구에서는 금속망과 금속 폼을 이용하여 여과실험 을 수행하기 위해 Fig. 5와 같이 직경 47 mm의 Whatman® GF/C의 크기로 가공했다 (Fig. 5 참조). 금속망은 공칭 공경이 각각 50 μm와 71 μm인 스테인리스 재질을 준 비하였으며, 금속 폼은 현재 상업적으로 판매되고 있 는 합금 소재(니켈, 크롬, 철, 알루미늄 합금)로 공칭 공경이 450 μm, 580 μm, 800 μm 및 1,200 μm를 준비 하였다. 일반적으로 메탈 폼은 상기 언급한 바와 같이 400 μm 이상의 공경 제품이 시판되고 있어 이에 준하 여 레이저 절단기를 이용하여 GF/C 크기로 가공하였다.

    각 금속막은 오염물을 제거하기 위해 세척처리를 실시하였다. 세척처리는 각 금속막을 에탄올에 넣고 1 시간에 걸쳐 초음파 세척처리를 하고 상온에서 24시 간동안 건조한 다음 100°C의 건조기에 넣고 2시간 동안 건조하였다. GF/C를 미리 정제수로 세정한 후 105°C 건조기에 2시간동안 건조시켰다. 건조시킨 금속막과 GF/C는 황산-데시케이터에서 방냉시켰다. 방냉시킨 후 각 금속막과 GF/C는 저울로 무게를 측정하였다. MG_정수장에서 가져온 저압용 막 역세척수 50 mL를 일단 금속막으로 여과한 후 그 여액을 다시 GF/C로 흡인 여과하였다. 각 금속막과 후단으로 여액을 여과 한 GF/C는 105°C 건조기에서 2시간 동안 건조한 후 황산 데시케이터에서 방냉하였다. 방냉한 각 금속막 과 GF/C여지는 무게를 정밀하게 측정하여 금속막의 입자 제거능을 평가하였다.

    2.4.주사 현미경(SEM; Scanning Electron Microscope) 촬영

    본 연구에서는 선정된 6개의 금속막을 이용하여 고 분자 응집제로 응집시킨 시료(부유액)를 여과시킨 후 그 단면을 주사 현미경(SEM) 촬영하였다. 주사 현미 경은 가느다란 전자빔을 시료 표면에 주사시켜 2차 전자를 발생하게 하여 입체감을 있는 시편(금속막)의 표면상을 얻기 위한 장치이다. SEM의 구성은 전자선 을 방사하기 위한 부분과 시편으로부터 나오는 2차 전자를 검출하여 현미경상을 만드는 부분으로 구성되 어 있다. 각 시편에는 직경 10 nm 이하의 전자빔이 주 사되며, 전자를 방사하는 부분은 시편으로부터 나오 는 전자의 검출기부와 증폭기, 주사코일과 같이 화면 에 표시되는 부분으로 이루어져 있다(Jeong and Chun, 2010). 여과 전에 6개의 금속막을 깨끗한 상태로 촬영, 관측하였으며 wet test를 수행한 후 플록이 금속막에 서 존재하는 형상을 촬영하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.음이온계 고분자 응집제의 영향

    본 연구에서는 막 역세척수의 효율적인 고액분리를 위해 적용하고자하는 상용 금속막의 체거름 효과 (sieve effect)를 증대하고자 상기 설명한 바와 같이 폴 리아민계 고분자 응집제를 전처리로 수행하였다. 다 음 Fig. 7과 8은 2014년 두 차례 실험결과를 도시한 것인데 고분자 응집제를 0.5 mg/L를 주입함으로써 확 연히 플록이 성장하는 것을 알 수 있었다. 고분자 응 집제 주입 이전에는 입자의 크기가 2~50 μm에 걸쳐 분포함에 반해 주입 후 플록의 성장으로 30~5,000 μm 범위에 걸쳐 응결효과를 보이고 있었다. 특히 고분자 응집제의 주입으로 200 μm 이상의 플록이 생성되어 금속막의 적용 가능성을 제고하는 결과를 보였다.Fig .6

    실험결과에서 흥미로운 사실은 고분자 응집제 주입 이전에서는 상대적으로 작은 입자(2~5 μm)보다 중간 크 기의 입자(10~30 μm)가 많이 분포하였으나, 고분자 응집 제를 주입한 후에는 상대적으로 작은 플록(30~50μm)의 수가 상대적으로 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 플록의 크기가 약 100~3,000 μm인 입자의 수가 확실 히 증가한 것도 관측됨에 반해 3,000 μm 이상의 플록은 그 증가추세가 아주 더딤을 알 수 있었다. 이와 같은 현 상은 아마도 본 연구에 사용된 입자계수기와 플록크기 측정 장비의 측정 한계에서 기인됨을 의심한다.

    또한, 총 입자의 개수가 고분자 응집제 주입 전에는 100 mL당 약 10,000개를 초과하는 것으로 관측된 것 에 반해 고분자 응집제 주입 후 약 4,000개로 그 수가 상당히 줄어들었으며, 분포 범위는 10진 자리수(order of magnitude)근간으로 상대적으로 넓게 분포하는 것 으로 나타났다. 이와 같은 결과로 판단하건데 폴리아 민계 고분자 응집제의 주입으로 인한 가교작용(bridge effect)으로 플록 크기의 성장이 초래되었으며, 저압막 역세척 수에 있어서 상대적으로 작은 입자들의 응결 로 인해 육안으로 측정이 가능한 약 400 μm 이상, 크 게는 1,000 μm까지 플록이 성장하는 것을 알 수 있었다.

    두 번의 걸친 실험의 결과에서 플록의 개수가 급격 이 증가하는 범위는 200 μm 이상에서 관측되었다. 고 분자 응집제가 주입된 후 입자의 개수는 크기가 클수 록 지속적으로 감소하다가 약 200 μm 이상이 되는 지 점에서 그 수가 증가되고 다시 약 1,000 μm가 되는 지 점에서 플록의 수가 감소하는 현상을 보였다. 이는 실 험 시 교반기의 혼화강도에 의한 전단력이 어느 정도 이상의 플록의 성장을 저해하기 때문이라 결론지을 수 있다(Han and Lee, 1997).

    3.2.여과 실험 결과

    2.3에서 언급한 방법대로 MG_정수장 MF 막 역세 척수를 대상으로 폴리아민계 고분자 응집제로 전처리 를 한 후 6종류의 금속막(금속망 2종류; 75 μm, 106 μm, 금속 폼 4종류; 450 μm, 580 μm, 800 μm 및 1,200 μm) 을 이용하여 여과실험을 수행하였다. 각 금속막을 통 과시킨 여액은 Whatman사의 GF/C여과지로 여과시킴 으로써 측정된 SS(Suspended Solid)의 총량을 측정하 였다. 각각의 금속막에 의해 제거되는 양을 계산함으 로써 고액분리 제거능을 계산하였다. 다음 Table 2와 3은 실험결과를 정리한 것이다. Table 2는 고분자 응 집제를 투여하지 않고 여과실험을 한 결과이고, Table 3는 고분자 응집제를 투여하고 플록의 크기를 성장시 킨 후 여과실험 한 결과이다.

    Table 2에서 나타난바와 같이 고분자 응집제를 투여 하기 전 상대적으로 작은 입자들이 존재하는 경우 (50 μm 이하), 6 종류의 금속막의 제거율은 0.87~13.89%에 밖 에 미치지 못한다. 상당히 흥미로운 사실은 공칭구경 이 75 μm 및 106 μm인 금속망보다 이 보다 공칭구경 이 훨씬 큰(450 μm 이상) 금속 폼 분리막이 여과 성능 면에서 효율이 좋다는 것이다. 이와 같은 사실은 추후 SEM 촬영 결과에서 언급하겠지만 금속망의 규칙적이 고 균일한 표면 및 구경의 형상보다 금속 폼 분리막 의 표면 및 구경의 형상이 부유물질 및 입자가 억류 되기 쉬운 비균질의 거친 구조를 가지기 때문이다. 또 한 금속막의 경우도 유기 저압막과 마찬가지로 체거 름 현상이 지배적인 이유에서 금속망 및 금속 폼 분 리막의 공칭구경이 커질수록 제거율이 저감되는 경향 을 보이고 있다.

    Table 3은 고분자 응집제를 투여하고 플록의 크기 를 성장시킨 후 여과실험 한 결과인데, 제거율이 56% 에서 92%까지 상당히 높은 SS제거율을 보이고 있다. 75 μm 공칭구경의 금속망과 450 μm의 금속 폼 분리 막은 90% 이상의 SS제거율을 보이는데, 공칭구경은 그 차이가 6배 이상 나지만 제거율에서는 그 차이가 미비한 것으로 관측되었다. 이는 공칭구경의 크기도 중요하지만 표면의 조도 및 형상도 여과수 내의 입자 를 제거하는 데에 중요한 역할을 하는 것으로 결론지 을 수 있다. 또한 플록의 크기를 성장시킨 후의 여과 실험에서는 그 제거율이 공히 50%이상의 높은 제거 율을 보이고 있음에 공칭 구경에 큰 영향을 받지 않 는 것으로 나타났다. 75 μm의 금속망과 106 μm의 금 속망 제거율의 차이는 Table 2의 응집제 주입전과 비 교한다면 그 제거율의 차이가 아주 미비하다. 또한 이 러한 현상은 금속 폼 분리막에서도 분명히 나타난다. 이로 인해 저압용 막 역세척수를 상업용 금속막으로 처리하는 경우 고분자 응집제를 이용하여 플록을 성 장시키는 전처리 공정은 반드시 필요할 것으로 판단 된다.

    또한 동일한 저압용 막 역세척수를 대상으로 고분자 응집제를 주입한 실험 결과에서 나타나듯이 Table 2와 3에서 나타나듯이 SS의 총량이 약 35%정도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 저압용 막 역세척수 고액분리 처리시에 전처리로 고분자 응집제를 사용하는 경우 후단에 침전이든 여과공정이든 발생되는 슬러지의 고 형물 양이 증가할 것으로 예상된다.

    3.3.SEM 사진 촬영 결과

    본 연구에서는 저압용 막 역세척수를 금속막으로 여 과시킨 후 상기 방법론에서 언급한 바와 같이 각각의 표면을 SEM으로 촬영하여 막 표면상을 관측하였다. 다 음 Fig. 8은 공칭직경 75 μm의 금속망 표면에 막 역세척 수의 탁질 물질이 걸려진 표면상을 촬영한 것이고, Fig. 9는 450 μm의 금속 폼 분리막 공극에 탁질 물질이 박혀 있는 표면상을 촬영한 것이다. 그림에 나타나있듯이 빗 (comb) 모양의 조류 물질이 많이 억류된 것으로 관측되 는데 이는 규조류의 일종인 “Fragilaria crotonensis”로 조 사되었다. 조사한 바에 따르면 세포의 크기는 길이 40~150 μm, 폭은 2~3 μm이며 각각의 세포는 껍질 면에 서 연결하여 띠모양의 군체를 형성한다. 또한 본 종은 담수산이며 국내 전국 각지에서 비교적 청정구역에서 볼 수 있는 규조류의 일종이며, 1년을 통해서 관측되지 만 개체수는 작다. 본 종이 이상 증식하는 경우 곰팡이 냄새가 발생하거나, 정수처리 과정에서 여과지 폐색을 야기하는 경우가 있다 (Park, 2010)

    여과 이후 금속망을 SEM촬영한 결과(Fig. 8참조) 상기 언급한 빗 모양의 규조류는 금속 와이어 상에 그냥 얹혀있 는 상태임에 반해 금속 폼 분리막의 경우 공극의 형상 및 공극을 구성하고 있는 여재의 표면이 상당히 거칠어 탁질(규조류)가 조도가 큰 표면에 박혀 있는 모양을 보이 고 있다. 즉 금속망은 와이어의 표면이 매끄럽고 고액을 분리하는 기작에 있어서 체거름 효과가 지배적이지만 금속 폼 분리막의 경우에는 부유액이 공극사이를 통과하 다가 흡착 포집(adsorption capture) 및 관성 충돌에 의한 확산(diffusion) 포집의 기작이 중요할 것으로 판단된다. 고분자 응집제가 투여된 부유액에 있어서 제거율이 90% 이상이 되는 450 μm의 금속 폼 분리막의 표면에는 탁질 (Fragilaria 규조류 등)을 관찰하기 어렵지만 촬영된 SEM(Fig. 9참조)에서 나타나듯이 공극을 구성하는 벽 표면에 걸려 있는 탁질을 관측할 수 있다.

    4.결 론

    본 연구에서는 국내에서 운전 중인 MG_정수장의 실규 모 저압막(MF) 공정에서 생산되는 공기 병용 역세척수를 대상으로 금속망과 금속 폼 필터를 이용하여 고액 분리를 통한 처리의 가능성을 조사하고자 하였고, 폴리아민계 고 분자 응집 전처리의 영향을 실험적으로 고찰하고자 하였 다. 이에 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

    1. 저압용 막 역세척수를 상업용 막으로 고액분리하 기 위한 전처리의 일환으로 고려한 폴리아민계 고분자 응집제 주입 효과 검증 실험결과 주입 이전에는 입자의 크 기가 2~50 μm에 걸쳐 분포함에 반해 주입 후 플록의 성장 으로 30~5,000 μm 범위에 걸쳐 응결효과를 보였다. 특히 고분자 응집제의 주입으로 400 μm 이상의 플록이 생성되 어 금속막의 적용 가능성을 제고하는 결과를 보였다.

    2. 고분자 응집제를 투여하기 전과 후의 부유액을 대상으로 6종류의 금속막을 이용하여 여과실험을 수 행한 결과, 고분자 응집제를 투입하지 않은 경우에는 부유액 내에 상대적으로 작은 입자들이 존재하여 모 든 금속막의 제거율은 0.87~13.89%에 밖에 미치지 못 하였다. 그러나 고분자 응집제를 투여하여 플록의 크 기를 성장시킨 부유액을 대상으로 동일한 실험을 수 행한 결과에서는 제거율이 56%에서 92%까지 상당히 높은 SS제거율을 보이고 있다.

    3. 또한 여과의 기작을 자세히 살피기 위해 촬영한 SEM의 결과에서 금속망은 와이어의 표면이 매끄럽고 고액을 분리하는 기작에 있어서 체거름 효과가 지배 적임을 알 수 있었고 금속 폼 분리막의 경우에는 부 유액이 공극사이를 통과하다가 흡착 포집(adsorption capture) 및 관성 충돌에 의한 확산(diffusion) 포집이 중요한 기작임을 알 수 있었다. 고분자 응집제가 투여 된 부유액에 있어서 제거율이 90%이상이 되는 450㎛ 의 금속 폼 분리막의 표면에는 탁질(Fragilaria 규조류 등)을 관찰하기 어렵지만 공극을 구성하는 벽 표면에 걸려 있는 탁질을 다수 관측할 수 있었다.

    Figure

    JKSWW-29-251_F1.gif

    SEM Images of Wiremesh.

    JKSWW-29-251_F2.gif

    SEM Images of Metal Foam Filter.

    JKSWW-29-251_F3.gif

    Schematic diagram of domestic MG water treatment plant.

    JKSWW-29-251_F4.gif

    Particle Analyzer and Floc Size Analyser used in this study.

    JKSWW-29-251_F5.gif

    Apparatus and Metal membranes for wet-test.

    JKSWW-29-251_F6.gif

    Experimental Results on 26th June 2014.

    JKSWW-29-251_F7.gif

    Experimental Results on 23rd November 2014.

    JKSWW-29-251_F8.gif

    SEM Images of the Filtered Wiremesh(75 μm).

    JKSWW-29-251_F9.gif

    SEM Images of the Filtered Metal Foam(450 μm).

    Table

    The specifications of membrane used in MG_WTP

    The Experimental Results of Filtration using Metal Membrane (before injecting polyamine coagulants)

    The Experimental Results of Filtration using Metal Membrane (after injecting polyamine coagulants)

    References

    1. Kim IC , Lee KH , Park JY , Kwon JY , Jeong BR , Kwon KO , Kim SS , Choi MJ (2009) Development of high strength metallic microfiltration and ultrafiltration hollow fiber membrane and module , Korea Research Institute of Chemical Technology Ministry of Environment,
    2. Park SJ , Lee DG , Kim J , Cho G , Kim H , Jeong Y (2007) “Filtration Characteristics of Metal Foam Filters for DPF Combined with Electrostatic Precipitation Mechanism” , Transaction of KSAE, Vol.15 (2) ; pp.151-158
    3. Zhang Ling-Ling , Yang Dong , Zi-Jie Zhong , Ping Gu (2008) “Application of hybrid coagulation-microfiltration process for treatment of membrane backwash water from waterworks , Separation and Purification Technology, Vol.62 (2) ; pp.415-422
    4. Lingling Zhang , Ping Gu , Zijie Zhong , Dong Yang , Wenjie He , Hongda Han (2009) “Characterization of organic matter and disinfection by-products in membrane backwash water from drinking water treatment” , Journal of Hazardous Materials, Vol.168; pp.753-759
    5. Dotremont C , Molenberghs B , Doyen W , Bielen P , Huysman K (1999) “The recovery of backwash water from sand filters by ultrafiltration” , Desalination, Vol.126; pp.87-94
    6. LeGouellec YA , Cornwell DA , MacPhee MJ (2004) “Treating microfiltration backwash” , Journal of American Water Works, Vol.96; pp.72-83
    7. Reissmann FG , Uhl W (2006) “Ultrafiltration for the reuse of spent filter backwash water from drinking water treatment” , Desalination, Vol.198; pp.225-235
    8. Xiaoyao Tan , Shaomin Liu , Li K (2001) “Preparation and characterization of inorganic hollow fiber membranes” , Journal of Membrane Science, Vol.188 (1) ; pp.87-95
    9. Shaomin Liu , Li K (2003) “Preparation TiO2/Al2O3 composite hollow fibre membranes” , Journal of Membrane Science, Vol.218 (1-2) ; pp.269-277
    10. Masashi Asaeda , Yoshikazu Sakou , Jianhua Yang , Keiko Shimasaki (2002) “Stability and performance of porous silica–zirconia composite membranes for pervaporation of aqueous organic solutions” , Journal of Membrane Science, Vol.209 (1) ; pp.163-175
    11. Yingchao Dong , Xingqin Liu , Qianli Ma , Guangyao Meng (2006) “Preparation of cordierite-based porous ceramic micro-filtration membranes using waste fly ash as the main raw materials” , Journal of Membrane Science, Vol.285 (1-2) ; pp.173-181
    12. Seok-Kyun Jeong , Jung-Bum Chun (2010) “Prnciple and Application of Scanning Electron Microscope (Part ?)” , KCI News, Vol.12 (1) ; pp.51-60
    13. DG Ministry of Environment (2003) Development and commercialization of polyamine coagulant for portable water treatment MOE Korea of Republic,
    14. Han M , Lee H (1997) “Collision efficiency factor in Brownian coagulation for unstable and stable suspension including hydrodynamics and interparticle forces” , KSCE Journal of Civil Engineering, Vol.1 (1) ; pp.95-102
    15. Park J (2010) Secure the voucher specimens and photographs of micro-algae in the Korean Peninsula-Finnal Report , Daegu University,