마이크로버블과 촉매 적용에 따른 가축분뇨의 슬러지와 유기오염물질 감량 효과

장재경(Jae Kyung Jang),김민영(Min Young Kim),성제훈(Je Hoon Sung),장인섭(In Seop Chang),김태영(Tae Young Kim),김현우(Hyun Woo Kim),강연구(Young Koo Kang),김영화(Young Hwa Kim) 大韓環境工學會 2015 대한환경공학회지 Vol.37 No.10

마이크로버블과 촉매 그리고 산화제(공기)의 적용에 따라 6개의 서로 다른 조건으로 구분하여 가축분뇨의 슬러지 감량과 유기오염물질의 저감 효과를 알아보았다. 마이크로버블과 촉매, 그리고 산화제 모두 사용 하였을 때(조건1), 슬러지는 99% 이상 제거 되었으며, TCOD와 SCOD는 각각 58%와 13% 제거되었으며, 모든 조건에서 가장 높은 저감 효과를 나타냈다. 산화제를 공급하면서 마이크로버블(조건2)과 촉매(조건 4)를 사용하였을때, 슬러지 감량은 95%와 93.1%, TCOD의 감량은 53%와 47%로 나타났다. 산화제(공기)를 공급할 때는 마이크로버블의 저감효과가 촉매보다는 더 큰 것으로 나타났다. 마이크로버블과 촉매 반응은 산화제와 함께 반응 과정 중에 OH-라디칼이 생성되고, OH-라디칼의 강한 산화력에 의해 오염물질이 분해되는 것이다. 산화제와 함께 마이크로버블과 촉매에 의한 슬러지 감량 효과는 모두 93% 이상이었으며, TCOD의 감량은 47% 이상이었다. This study was tested to evaluate the effect of the six different combinations of microbubble, catalyst, and air as oxidant on the sludge and organic matter reduction. When all of microbubbles and catalyst, and an oxidizing agent (under Conditions 1) such as air were used, the sludge was removed more than 99%, and TCOD and SCOD removal was 58% and 13%, respectively. This result was the highest value of six conditions. In the following order, the sludge reduction of the microbubbles with air (Condition 2) and catalyst with air (condition 4) was 95% and 93.1%, respectively. TCOD removal was found to be each 53% and 47%. When the microbubbles were used with oxidant like air, the removal of sludge and organic matter was high. All of these values were higher than that of using only microbubbles and catalyst without air. In the microbubbles and catalyst react under air supply condition, OH-radicals were generated in the reaction process. These OH-radicals in the reaction process decomposed the pollutants by the strong oxidizing power. In all conditions with air, the sludge reduction was high removal rate more than 93% and TCOD removal was over 47%.

수압이 자흡식 마이크로버블 발생장치의 산소 용해율에 미치는 영향

김현식(Hyun Sik Kim),임지영(Ji Young Lim),박수영(Soo Young Park),김진한(Jin Han Kim) 유기성자원학회 2017 유기물자원화 Vol.25 No.2

본 연구에서는 자흡식 마이크로버블 발생장치를 운전함에 있어서 수심 변화에 의한 수압이 산소 용해율에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 연구결과, 흡입 공기량의 경우 수압이 증가할수록 노즐 토출부에 작용하는 힘의 증가로 감소하는 경향을 나타내었다. 산소전달계수는 수심이 증가할수록 수압 증가에 의한 흡입 공기량 감소와 반응조 용적의 증가로 감소하는 경향을 나타내었으나 수심이 증가할수록 자흡식 마이크로버블 발생장치에서 발생되는 마이크로버블의 체류시간이 증가하여 산소 용해율은 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 자흡식 마이크로버블 발생장치 용량에 대비하여 수심이 과도하게 깊을 경우 낮은 흡입 공기량 및 산소전달계수로 인하여 산소 용해율은 감소할 것으로 판단된다. 따라서 자흡식 마이크로버블 발생장치 운전 시 수압이 중요한 고려사항이 됨을 확인할 수 있었다. This study was performed to estimate bubble dissolution rate by change of hydraulic pressure according to increase of water depth. Experimental results showed that airflow rate was decreased by increase of hydraulic pressure. Because the force which acts on outlet of nozzle was increased by increase of hydraulic pressure. Mass-transfer coefficient decreased with decreasing airflow rate and increasing effective volume due to increase of hydraulic pressure as water depth increased. On the contrary, as the water depth increased, the bubble dissolution rate was increased because longer residence time of microbubble which was generated by ejector type microbubble generator. However it was thought that if water depth for capacity of ejector type microbubble generator is excessively increasing, bubble dissolution rate would be reduced due to low airflow rate and mass-transfer coefficient. Therefore, it is importance to consider the water depth when operating ejector type microbubble generator.

마이크로버블을 이용한 분리막 파울링 저감방법

구경환,김영희 한국청정기술학회 2023 청정기술 Vol.29 No.1

Due to water shortages caused by water pollution and climate change, total organic carbon (TOC) standards have been implemented for wastewater discharged from public sewage treatment facilities. Furthermore, there is a growing interest and body of research pertaining to the reuse of sewage treatment water as a secure alternative water resource. The membrane bio-reactor (MBR) method is commonly used for advanced wastewater treatment because it can remove organic and inorganic ions and it does not require or emit any chemicals. However, the MBR process uses a separation membrane (MF), which requires frequent film cleaning due to fouling caused by a high concentration of mixed liquor suspended solid (MLSS). In this study, process improvement and microbubble cleaning efficiency were evaluated to improve the differential pressure, water flow, and MF fouling, which are the biggest disadvantages of operating the MF. The existing MBR method was improved by installing a precipitation tank between the air tank and the MBR tank in which raw water was introduced. Microbubbles were injected into a separation membrane tank into which the supernatant water from the precipitation tank was introduced. The microbubble generator was operated with a 15 day on, 15 day off cycle for 5 months to collect discharged water samples (4L) and measure TOC. As the supernatant water from the precipitation tank flowed into the separation membrane tank, about 95% of the supernatant water MLSS was removed so the MF fouling from biological contamination was prevented. Due to the application of microbubbles to supernatant water from the precipitation tank, the differential pressure of the separation membrane tank decreased by 1.6 to 2.3 times and the water flow increased by 1.4 times. Applying microbubbles increased the TOC removal rate by more than 58%. This study showed that separately operating the air tank and the separation membrane tank can reduce fouling, and suggested that applying additional microbubbles could improve the differential pressure, water flow, and fouling to provide a more efficient advanced treatment method. 수자원 오염 그리고 기후변화로 인한 극한의 기상현상으로 물 부족 현상 심화로 공공하수처리 시설의 폐수 배출시 총유기탄소량(TOC) 기준이 시행되고, 대체 수자원 확보를 위해 하수처리수 재이용에 연구와 관심이 증가하고 있다. 현장에서는 하폐수고도처리로 MBR(membrane bio-reactor)공법을 보편적으로 사용하며, 유기 및 무기 이온 제거 그리고 화학물질의 사용 및 배출이 없다는 친환경적인 장점이 있다. 하지만, 분리막을 사용한 MBR공정은 고농도 활성슬러지 부유물질(mixed liquor suspended solid, MLSS)로 인한 분리막의 막오염(파울링) 현상으로 잦은 막세정 비용 발생의 문제가 있다. 본 연구에서는 분리막 운영시 최대 단점이었던 분리막의 차압 상승, 통수량 저하, 파울링 현상을 개선하고자 i) 공정 개선과 ii) 마이크로버블의 세정 효율을 평가하였다. 기존 MBR공법에 원수가 유입되는 호기조와 MBR조 사이에 침전조를 설치하여 침전조를 거친 상등수가 유입된 분리막조 내부로 마이크로버블을 주입하였다. 마이크로버블은 5개월간 15일 간격으로 마이크로버블 발생장치를 작동(ON), 미작동(OFF)하여 방류수 시료(4L)를 채취 후 TOC를 측정하였다. 침전조를 거친 상등수가 분리막조로 유입하여 원수 MLSS의 95%이상이 제거되어 생물막 등의 오염으로부터 막의 파울링 현상을 1차 방지할 수 있었다. 침전조를 거친 상등수에 마이크로버블의 적용으로 분리막의 차압은 1.6 ~ 2.3배 감소 및 통수량은 최대 1.4배 증가하였다. 마이크로버블의 적용(ON)으로 TOC 제거율은 58% 이상 증가했다. 호기조와 분리막조를 분리 운영함에 따라 침지식 분리막의 파울링 현상을 저감할 수 있고, 추가로 마이크로버블을 적용하여 분리막의 차압, 통수량과 막오염(파울링)이 개선으로 효율적인 고도처리공법을 제시했다.

고형배지 재배에서 배액 재사용을 위한 마이크로버블 시스템 적용 연구

이동관 ( Donggwan Lee ),장재경 ( Jae Kyung Jang ),심영호 ( Young Ho Sim ),백이 ( Yee Paek ),이태석 ( Taeseok Lee ),임류갑 ( Ryu Gap Lim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

순환식 양액재배를 위해서는 배액 내 양액 성분을 센싱하여 작물에 필요한 성분을 유지시켜주어야 하며 또한 세균에 의한 영향이 없어야 한다. 작물에 필요한 양액 성분은 다량원소와 미량원소로 구성되어 있는데 이중 N, P와 배액에 포함될 수 있는 유기오염물질(COD)과 부유물질(SS)의 농도를 알아보고, 마이크로버블 시스템을 이용하여 이들 성분의 저감효과를 파악하고자 하였다. 또한 N, P, 그리고 유기오염물질이 포함되는 경우, 녹조 및 세균이 번식할 수 있어 이들 성분의 변화를 알아보고자 하였다. 본 연구를 통해 국내 양액재배 시설원예 단지의 대표 작물인 파프리카 농가에서 배출되는 배액을 이용하여 마이크로버블 시스템을 적용하여 N, P, 유기오염물질, 부유물질 성분의 저감 효과를 알아보았다. 본 연구에서는 강원도 P시에 위치한 Cupra(빨강), Coletti(노랑) 파프리카 품종을 재배하는 온실을 대상지로 선정하였으며, 작기 말기 시점에 배액을 샘플링하여 이용하였다. 마이크로버블 시스템에서 4시간 반응시켰으며, 일정시간 간격으로 샘플링하여 분석에 이용하였다. 이 결과 SS, COD, PO4-P, NO3-N 제거율은 4시간 반응 후 각각 91.7%, 39.0%, 31.3%, 13.7%를 나타내었다. PO4-P, NO3-N의 경우, 저감율이 낮게 나타났으나 이는 재순환시 재이용이 가능하여 필요한 영양염류의 손실을 최소화할 수 있는 것으로 나타났다. 마이크로버블 산화반응에 의한 각 성분의 감소되는데 성분별 반응 시간 차이가 크게 나타났으나, N, P의 농도를 최대한 재이용하는 수준에서 시간을 선택하는 것이 필요할 것으로 판단되며, 추후 박테리아와 곰팡이류 저감 효과를 분석하여 지속 가능한 농업을 위한 순환식 양액재배를 위한 배액 재이용 기술을 개발하는데 기초자료로 이용할 수 있다.

마이크로버블 발생노즐 설계를 위한 수치적 연구

김현일(Hyun-il Kim),이상민(Sang Min Lee),신명선(Myung Sun Shin),이종호(Jong Ho Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.12

현재 생활문화 수준의 향상과 소득 증대에 따라 환경오염에 대한 관심이 증가하고 있다. 또한, 수질오염에 대한 규제가 강화되어 수질오염 방지 및 하수처리 효율 향상을 위한 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 하수처리 효율을 향상시키는 방법 중 하나는 수처리조 내에서 용존산소량을 늘려주는 것이다. 본 연구에서는 용존산소량을 늘려주고, 산소 발생기에서 발생되는 버블의 크기를 작게 만들 수 있는 설계 방안을 제시한다. 마이크로버블 발생노즐로 유입되는 물과 공기의 유동 형태에 따라 선회 및 충돌을 생성시켜 버블의 크기를 미세하게 만들었다. 본 해석결과에서 충돌 방식의 경우 버블의 크기는 목표치를 만족하지 못하였다. 반면 선회를 이용한 노즐에서는 0~ 50μm 사이의 버블이 79.3%를 차지하고 있는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 개발된 마이크로버블 발생노즐은 하수처리 효율을 증대시킬 수 있을 것이다. Recently, with increasing standards of living and income, environmental pollution has attracted increased interest. On account of a revision to water pollution regulations, the improvement of sewage disposal efficiency was studied. One of the ways to improve the sewage disposal efficiency is to increase the dissolved oxygen content of water in the water treatment tank. In this study, we suggest a nozzle design using a spiral and a crash mode for generating micro bubbles and thus increasing the dissolved oxygen content of water. The micro bubbles through the spiral and crash flows are generated in the nozzle. In the design of the crash mode, the development goal with regard to the bubble size was not achieved. On the other hand, a bubble size of 0?50 μm accounted for 79.3% of all bubbles in the spiral mode. This study should contribute toward increasing the sewage disposal efficiency.

저면관수와 마이크로버블수를 이용한 딸기 우량묘 생산 시스템

김원태 ( W. T. Kim ),이기명 ( K. M. Lee ),송재관 ( J. K. Song ),김창수 ( C. S. Kim ),김태욱 ( T. W. Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

최근 딸기 생산이 확대 되면서, 고품질 다수확이 가능한 딸기 우량묘에 대한 수요가 빠르게 늘고 있으며, 딸기 육묘에 관한 관심이 더욱 늘고 있다. 그러나, 육묘시 작물에 따른 포트 혹은 트레이 선정에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 또한, 마이크로버블의 세정 능력은 이미 산업현장에서 널리 알려져 있으나 이를 이용한 시스템 개발은 농업분야에서는 미비한 실정이다. 따라서, 딸기 육묘에 적합한 마이크로버블 시스템을 설계하여 실증 개발함으로써 딸기 육묘 농가의 자립능력을 제고하고, 딸기 육묘 생산시스템의 확대 하여 농가소득 증대에 기여하고자 한다. 실험방법은 생육에 적합한 육묘용 트레이를 선정하고, 마이크로 버블 시스템을 적용한 육묘와 기존 방법에 의한 육묘의 비교 실험하였다. 포트의 용량에 따른 뿌린 근부의 성장변화를 관찰하고, SEM 촬영을 통하여 딸기 뿌리근부의 조직의 치밀성을 확인하였다. 기존 저면관수의 경우 딸기탄저병 확산을 억제하지만, 반입에 의한 감염주의 발병을 억제하는 것은 아니다. 따라서 포트 및 트레이를 청결하게 관리할 필요가 있으며 이를 해결하기 위해 미세기포(micro-bubble)를 사용한 클리닝이 상당한 효과가 있는 것으로 확인하였다. 또한 조직의 치밀도을 측정하기 위해 딸기 육묘 조직을 SEM 촬영하여 분석하였으며, 미세기포를 이용한 딸기 육묘 방법이 기존의 딸기 육묘 방법에 비하여 조직이 치밀한 것으로 확인 되었다. 또한 배지량 및 육묘 트레이가 딸기 육묘의 성장에 영향을 미치며 제1액아가 1개밖에 발생하지 않는 포기가 많아지고 「눈 없는 포기」의 발생 현상들이 발생하고 있어 적정 육묘 트레이의 선택 및 배지량 조절하는 비교 실험을 통하여 해결하였다. 본 연구의 결과 개선된 육묘트레이를 사용함으로써 제1액아의 형성이 촉진되어 정과방 후의 제1액과방의 수확량이 증대한다는 것에 의해서 1월 혹은 2월부터의 수량이 증대되어 소득향상이 기대되며, 마이크로버블을 저면관수에 적용함으로써 트레이의 청결을 유지하여 병해를 예방하고 딸기모종의 조직을 치밀하게 함으로써 딸기의 우량육묘를 얻는데 기여 할 것으로 기대된다.

분뇨처리를 위한 MBR공정에서 Microbubble의 적용

임지영(Ji Young Lim),김진한(Jin Han Kim) 유기성자원학회 2017 유기물자원화 Vol.25 No.1

본 연구에서는 고농도 유기성 폐수인 분뇨 처리를 위한 MBR 공정에 마이크로버블을 적용하여 처리효율을 검토하고, 안정적 운영의 가능성을 평가하고자 하였다. 연구결과, 마이크로버블을 분리막이 침지되어 있는 호기조에 직접 공급하였을 때에는 과도하게 스컴이 발생하여 처리공정의 안정적 운영이 불가능하였다. 생물반응조 전단에 마이크로버블을 공급하는 전처리조를 설치하여 고액분리와 유기물 산화를 실시한 다음 MBR 공정으로 처리한 결과 전처리조에서의 SS 제거율은 2kg, 4kg, 6kg, 그리고 8 kg CODCr/㎥ㆍday의 유기물 부하에서 각각 평균 74.3%, 82.8%, 75.0%, 52.1%를 나타내었으며, 전체 처리공정 처리수의 SS 제거율은 평균 99.4% 이상이었다. 또한 최종처리수의 TCODCr 제거율은 평균 94.0% 이상이었으며, SCODCr 제거율은 평균 74.1% 이상이었다. 한편, 마이크로버블을 호기조에 직접 공급할 경우 마이크로버블과 오염물질들이 함께 분리막에 부착되어 fouling 현상이 가속되는 현상을 확인할 수 있었다. 따라서, 분뇨와 같은 고농도 유기성 폐수 처리공정에는 SS 제거와 유기물 산화를 목적으로 생물반응조 전단에 마이크로버블을 적용함으로써 안정적인 처리가 가능함을 확인 할 수 있었다. In this study, the microbubbles were applied to the MBR process for night soil treatment, and the removal efficiency was estimated. As a result of the this study, when the microbubble was supplied directly to the aerobic tank in which the membrane was submerged, excessive scum was generated so could not stable operation of the process. The SS removal efficiencies in the pre-treatment tank were 74.3%, 82.8%, 75.0%, 52.1% on average at the 2 kg, 4 kg, 6 kg, and 8 kg CODCr/㎥, respectively. The mean removal efficiencies were more than 99.4%, 94.0%, 74.1% for SS, TCODCr, SCODCr by MBR process. On the other hand, when the microbubble are directly supplied to the aerobic tank, the microbubble and the scum are attached each other to accelerate the fouling. Therefore, it can be confirmed that stable treatment can be achieved by applying microbubble to the front of the bioreactor for removal of SS and oxidation of organic matters in high concentration organic wastewater treatment such as night soil.

단일반응기에서 마이크로버블-산소를 이용한 가축분뇨의 유기오염물질, 질소 및 인의 동시 제거

장재경,진유정,강석원,김태영,백이,성제훈,김영화 대한환경공학회 2017 대한환경공학회지 Vol.39 No.11

마이크로버블-산소를 이용한 물리․화학적인 방법에 의해 가축분뇨에 포함된 유기오염물질과 질소, 인 제거에 효과를 실험실 규모의 단일 반응기를 이용하여 알아보았다. 사용한 가축분뇨의 성상은 TCOD 36,894 ± 5,024 mg/L, SCOD 22,031 ± 2,018 mg/L, 암모니아성질소 4,150 ± 35 mg/L, 그리고 인산염인 659 ± 113 mg/L로 고농도의 유기오염물질과 영양염류를 포함하였다. 마이크로버블과 함께 사용한 기체로 공기를 사용하였을 때 보다 산소를 사용하였을 때, 그리고 산소의 공급량이 많았을 때 유기오염물질, 질소, 인 제거량이 증가하였다. 산소를 분당 600 mL 사용하였을 때 공기를 사용했을 때와 비교하면 TCOD 제거율은 2.5배, 인은 약 5.6배 높았다. 또한 반응 시간이 길수록 영양염류의 제거율은 점진적으로 증가하여, 암모니아성질소와인 제거는 각각 41.03 ± 0.20%와 65.49 ± 1.39%까지 제거되었다. 인 제거율을 증가시키기 위해 마이크로버블 적용 한 후 유출수를 응집침전을 시켰을 때, 인은 유입된 인 농도 대비 최대 92.7%까지 제거되는 것이 확인되었다. 그러나 유기오염물질(TCOD) 제거는 초기 6시간 이내에 28.7 ± 0.2%까지 제거되었으나 더 이상 제거되지 않았다. 이 연구 결과 마이크로버블-산소를 가축분뇨 뿐만 아니라 다양한 하․폐수처리장의 포기조에 적용하면 연계된 단위 공정에 부하를 줄일 수 있으며 또한 고품위의안정적인 유출수를 생산할 수 있는 방법으로 제시할 수 있을 것으로 판단된다. The effects of microbubble-oxygen physicochemical method for the removal of organic pollutants, nitrogen, and phosphorus contained in animal manure were investigated using a laboratory scale single reactor. The characteristics of used livestock manure were 36,894 ± 5,024 mg TCOD/L, 22,031 ± 2,018 mg SCOD/L, 4,150 ± 35 mg NH4-N/L, and 659 ± 113 mg PO4-P/L. It was confirmed that the amount of organic pollutants, nitrogen, and phosphorus removal was increased by the use of oxygen rather than air as the gas supplied with the microbubble, and by input of larger oxygen amount. When the oxygen was fed with 600 mL flow rate per minute, TCOD and phosphorus removal were 2.5 times and 5.6 times higher than those of air supplied. As the microbubble-oxygen reaction time was longer, the removal rate of nutrients increased gradually. The removal rates of ammonium and phosphorus reach to 41.03 ± 0.20% and 65.49 ± 1.39%, respectively, after 24 hours. When the coagulation treatment method was applied to increase phosphorus removal rate from the effluent of microbubble-oxygen treatment, the phosphorus was removed up to 92.7%. However, the removal rate of organic pollutants (TCOD) was as small as 28.7 ± 0.2% within the first 6 hours, and then the negligible removal of TCOD was recorded. This study suggests that microbubble-oxygen can be applied not only livestock manure but also aeration tank of various wastewater treatment plant, which can reduce the load on the associated unit process and produce stable high-quality effluent.

CFD를 이용한 LPMB 시스템 최적 운전 조건 사례 연구

박현도,유엽,문일,정재억,김정환,조형태 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

본 연구에서는 음압으로 마이크로버블을 생성시키는 LPMB(Low-pressure Microbubble) 시스템의 최적 운전 조건을 제시하였다. LPMB 시스템은 저전력 고효율의 마이크로버블 생성 방법으로, 장치의 입구와 출구의 압력차에 의해 발생한 가스의 유동이 좁은 atomizer 부분을 지나면서 고속화하여 물의 계면과 barrier와 충돌로 마이크로버블을 생성시킨다. 생성된 마이크로버블은 대기오염 물질인 PM, NOx, SOx 등을 제거한다. 우리는 CFD를 이용하여 LPMB 시스템의 model을 개발하였고, 압력차(1,000, 3,000, 5,000, 7,000 Pa)에 따른 case study를 진행하였다. Case study 결과, 압력차가 5,000 Pa 인 경우 atomizer 부분에서의 속력이 31.19 m/s 로 가장 빨랐고, 장치의 처리유량 또한, 7.47 ㎥/min으로 가장 커 마이크로버블 생성량 및 시간당 대기오염물질 제거량이 제일 효과적이었다.

마이크로버블과 환원제를 이용한 습식 NO 및 SO₂의 동시제거

송동훈(Dong Hun Song),강조홍(Jo Hong Kang),박현식(Hyun Sic Park),송호준(Hojun Song),정용철(Yongchul G. Chung) 한국청정기술학회 2021 청정기술 Vol.27 No.4