미세조류 이용 하폐수처리 공정에서 고액분리와 미세조류 농축을 위한 막 증발법 적용 = Wastewater treatment using microalgae and application of membrane distillation for solid-liquid separation and microalgal biomass concentration

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, microalgae was used to treat wastewater, at the same time,
microalgae used for wastewater treatment was concentrated and separated by
applying DC-MD. This process is a new paradigm that can treat wastewater
and recover sustainable energy. The appropriate concentration of microalgae
was derived from the treatment efficiency and specific growth rate of
microalgae according to the concentration of wastewater, and the possibility of
concentration and separation was estimated. Also examined the influence about
membrane. Microalgae was set to Chlorella Vulgaris in Mixotrophs, wastewater
imitated artificial sewage. In the research, the process was carried out in 3
chapters. In the chapter 1, the specific growth rate and the yield coefficient of
each component were derived by treating low concentration (SCOD 100mg·L-1,
T-N 20mg·L-1, T-P 2mg·L-1) and high concentration (SCOD 400mg·L-1, T-N
40mg·L-1, T-P 10mg·L-1) according to the concentration of microalgae. In the
chapter 2, the use of DC-MD process to concentrate and separate microalgae
was investigated, and in the chapter 3, the possibility that microalgae used for
wastewater treatment was concentrate and separate by applying DC-MD was
evaluated. In the chapter 1, microalgae under all conditions removed each
component (SCOD, T-N, T-P). The maximum specific growth rate (0.21day-1)
was revealed at high concentration (SCOD 400mg·L-1, T-N 40mg·L-1, T-P
10mg·L-1) of artificial sewage. It was 6 times lower than other literatures, and
Yield coefficient corresponding to each component was also measured lower
than the other literatures. Although wastewater treatment is possible through
microalgae, it is judged that the concentration of microalgae can be set lower
than 0.5g·L-1. In order to evaluate the applicability of microalgae concentrationapplied DC-MD, the concentration of microalgae was set at 0.5g·L-1, 1g·L-1,
3g·L-1, the temperature difference between feed and permeate solution was
20oC, 40oC, 60oC, and the cross flow velocity was 0.09m·s-1, 0.18m·s-1. At
3g·L-1 of microalgae, the permeate flux decreased dramatically on the 1day,
and at 1g·L-1 of microalgae, 0.18m·s-1 of the cross flow velocity, wetting
occurred on hydrophobic membrane. At 0.5g·L-1 of microalgae, 40oC of
temperature difference, 0.09m·s-1 of the cross flow velocity, the change in
permeate flux was the least, and at 60oC of temperature difference, 0.18m·s-1
of the cross flow velocity, the concentration rate of microalgae per time was
the highest.. Based on chapter 2, in the chapter 3, we investigated the effect
of concentrating microalgae using wastewater treatment on DC-MD. The
permeate flux in both conditions was more sharply decreased than chapter
2’same conditions. At 60oC of temperature difference, membrane wetting
occurred. Therefore, it is possible to apply DC-MD to concentrate the
microalgae with wastewater treatment if proper temperature diffence between
feed and permeate solution and cross flow velocity was set, and it is
necessary to membrane cleaning for long maintenance.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 미세조류를 이용하여 하·폐수를 처리하고 막 증발법을 적
용하여 미세조류와 처리수를 분리하고 이 과정에서 농축된 미세조류를 회
수하여 바이오에탄올, 바이오디젤 등 신재생에너지 생산의 원료로 제공하
는 방법에 대한 기초연구를 수행하였다. 하·폐수의 농도에 따른 미세조류
의 처리 효율 및 성장률 통하여 미세조류 적정 농도를 도출하고, 이를 막
증발법에 적용하였을 때 고액분리 및 미세조류 농축에 대한 가능성을 평가
하며 또한 막에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 미세조류는 혼합영양성
미세조류인 Chlorella Vulgaris로 설정하였으며, 인공하수를 만들어 실제 하·
폐수를 모방하였다. 연구는 총 3단계로 이루어졌다. 1단계에서는 다양한 미
세조류 농도로 저농도 (SCOD 100mg·L-1, T-N 20mg·L-1, T-P 2mg·L-1), 고농
도 (SCOD 400mg·L-1, T-N 40mg·L-1, T-P 10mg·L-1) 인공하수 처리를 함으로
써 평균 미세조류 비 성장속도 및 각 성분에 대한 미세조류 증식 계수를
도출하였다. 2단계에서는 미세조류 고액분리 및 농축에 대해서 막 증발법
적용이 가능한지 평가하였으며, 3단계에서는 하·폐수 처리에 이용된 미세
조류를 막 증발법을 이용하여 고액분리 및 농축을 하고, 막에 미치는 영향
에 대해서 알아보았다. 1단계에서는 모든 조건에서 미세조류가 각 성분
(SCOD, T-N, T-P)을 제거를 하였으며, 미세조류의 농도 0.5g·L-1, 고농도의
인공하수 (SCOD 400mg·L-1, T-N 40mg·L-1, T-P 10mg·L-1)에서 가장 높은 평
균 미세조류 비 증식률(0.0324day-1)이 나타났지만 다른 문헌과 비교하였을
때 6배 낮았으며, 각 성분에 따른 미세조류 증식 계수 (Yield coefficient) 또
한 낮게 측정되었다. 이는 하·폐수 농도 대비 미세조류 농도가 높기 때문
이라고 판단하였다. 미세조류를 통하여 하·폐수 처리는 가능하지만 F/M비
는 0.8g-SCOD·g-VSS-1·day-1이상 설정해야한다고 판단된다. 미세조류 농축에
막 증발법 적용 가능성을 평가하기 위해 미세조류 농도 0.5g·L-1, 1g·L-1,
3g·L-1로 설정하였으며 유입수와 처리수의 온도 차이 20oC, 40oC, 60oC, 막
표면 흐름 유속 0.09m·s-1, 0.18m·s-1로 설정하였다. 미세조류 농도가 3g·L-1
에서는 1일 만에 급격한 투과 유속이 감소하였으며, 1g·L-1유입수와 처리수
의 온도 차이 60oC, 막 표면 흐름 유속 0.18m·s-1에서는 막 젖음 현상(Wetting)이 발생하였다. 0.5g·L-1에서는 유입수와 처리수의 온도 차이 40oC,
막 표면 흐름 유속 0.09m·s-1에서 투과 유속 변화가 가장 적었으며, 온도 차
이 60oC, 막 표면 흐름 유속 0.18m·s-1에서 시간 당 미세조류 농축률이 가장
높았다. 이를 기반으로 3단계에서는 하·폐수 처리를 한 미세조류를 막 증
발법을 이용하여 농축하는데 미치는 영향을 알아보았다. 두 조건 모두 미
세조류만 막 증발법을 적용했을 때보다 투과 유속이 급격히 감소하였으며,
유입수와 처리수의 온도 차이가 60oC인 경우 막 젖음 현상(Wetting)이 발생
하였다. 이를 통하여 미세조류 농축에 막 증발법 적용이 가능하지만 이를
위해서는 적절한 온도 및 유속 설정이 필요하다고 판단되며, 막을 오래 유
지하기 위해서는 막 세정(Cleaning)이 필요하다고 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 내용 및 구성 8
• Ⅱ. 연구 재료 및 방법 9
• 2.1 연구 재료 9
• 2.1.1 인공하수의 특징 9
• 2.1.2 미세조류 배양 10
• 2.1.3 막 증발법에 사용된 유입수 12
• 2.1.4 막 증발 법 모듈의 특징 및 분리막의 특징 14
• 2.2 연구 방법 16
• 2.2.1 막 증발법 장치 16
• 2.2.2 실험 조건 18
• 2.2.3 투과 유속 (Flux) 측정 22
• 2.2.4 수질 성분 분석 23
• 2.2.5 막 표면 분석 24
• Ⅲ. 결과 및 고찰 25
• 3.1 미세조류를 이용한 하·폐수 처리 25
• 3.1.1 시간에 따른 유출수 수질변화 25
• 3.1.2 평균 미세조류 비 증식 속도 (Average specific microalgal growth
• rate, μ) 28
• 3.1.3 미세조류 증식 계수 (Yield coefficient ,Y) 30
• 3.1.4 결과 요약 34
• 3.2 미세조류 농축을 위한 막 증발법 적용 가능성 평가 35
• 3.2.1 투과 유속(Flux) 변화 35
• 3.2.2 제거율 40
• 3.2.3 분리막 분석 45
• 3.2.3.1 FE-SEM & EDX 관측결과 45
• 3.2.3.2 FT-IR 관측결과 49
• 3.2.3.3 분리막 표면 접촉각 관측결과 53
• 3.2.4 결과 요약 58
• 3.3 막 증발법을 적용한 잉여 미세조류의 농축 59
• 3.3.1 투과 유속(Flux) 변화 59
• 3.3.2 제거율 62
• 3.3.3 분리막 분석 65
• 3.3.3.1 FE-SEM 관측결과 65
• 3.3.3.2 FT-IR 관측결과 66
• 3.3.3.3 분리막 표면 접촉각 관측결과 68
• 3.3.4 결과 요약 69
• Ⅳ. 결론 70
• 참고 문헌 72
• Abstract 79