The water scarcity has been increased over time and the wastewater reuse has been considered as one of alternative water sources. The membrane-based process, especially reverse osmosis (RO) process, has been frequently applied as a core technology in wastewater reuse processes, however, a RO concentrate, which contains a high concentration of non-biodegradable organic matters, is produced inevitably. Currently, RO concentrate is being returned to the biological processes and induced the inhibition of microbial activity by the accumulation of non-biodegradable organic matter.
Advanced oxidation processes (AOPs) including electrochemical oxidation (EO) has been used to mineralize or to increase the biodegradability of non-biodegradable organic matters in RO concentrate using reactive oxygen species (ROS) such as hydroxyl radicals ($\cdot$OH) and singlet oxygens ($\cdot$O). However, the limited ROS generation on the electrode surface, corrosion of electrode, and the slow mass transfer from bulk to electrode surface have been suggested as tackles to hinder the application of electrochemical oxidation (EO) processes. In order to solve these problems, EO system with permeable catalytic membrane anode was suggested to mineralize and to increase the biodegradability of organic matters in RO concentrate in this research.
The conductive hollow-fiber membrane (CHM) electrode was firstly fabricated from multi-walled carbon nanotubes, and TiO$_2$ (TiO$_2$-CHM) and V$_2$O$_5$-doped TiO$_2$ (V$_2$O$_5$/TiO$_2$-CHM) were incorporated into CHM to maximize the ROS generation. The measurement of radical generation via electron spin resonance spectroscopy showed that the methyl radical ($\cdot$CH$_3$), atomic oxygen ($\cdot$O) and hydroxyl radical ($\cdot$OH) were generated from all CHMs and the linear sweep voltammetry (LSV) exhibited that the TiO$_2$-CHM showed the highest radical evolution potentials.
The changes in composition, molecular weight distribution and biodegradability of organic matters in RO concentrate were investigated after the electrochemical oxidation. After the application of EO, dissolved organic carbon (DOC) was not decreased significantly, while fluorescence excitation emission matrix (FEEM) exhibited that the characteristics of organic matter was totally changed. The result of molecular weight distribution for each permeate showed that the portion of low molecular weight organic matter was increased in the permeate from CHM with the 2 times elevated oxygen uptake rate (OUR), which suggested the increase in biodegradability of organic matters in RO concentrate. However, the decomposition of carbon nanotube and partial oxidation of organic matter were suggested as the limitations of proposed EO system.
세계적으로 물부족 문제가 심각해지면서, 하수처리장 내 처리수의 재이용에 대한 관심이 증가하고 있다. 막기반 하수처리수 재이용 기술 중 역삼투(RO)막 공정이 빈번하게 사용되는 바, 적용과정에서 필연적으로 발생하는 농축수에는 생물학적 하수처리 공정에서 처리되지 않은 난분해성 유기물이 높은 농도로 포함되어 있게 된다. 현재 농축수 내 존재하는 난분해성 유기물의 처리를 위하여 RO 농축수를 다시 생물학적 하수처리공정으로 순환하는 방법이 적용되고 있으나, 난분해성 유기물 축적으로 인한 미생물 활성 감소와 처리유량 증가등의 문제를 일으켜, 농축수의 생분해도 향상을 위한 처리가 필요하다. 수산화 라디칼 같은 활성 산소종을 효율적으로 생성할 수 있는 전기산화공정은 부가적인 약품 사용이 필요 없고 반응을 쉽게 조절할 수 있다는 장점으로 최근 각광받고 있다. 하지만 전극 표면에 국한된 반응, 전극의 부식 가능성과 더불어 물질전달속도의 한계로 인해 산화 효율이 저하된다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 투과형 촉매 산화전극 전기산화 시스템을 개발하고, 이를 RO 농축수에 적용하여 투과수에 대한 생분해도를 평가하고자 하였다.
전기전도도와 기계적 강도가 우수한 탄소나노튜브 (CNT)를 이용하여 다공성의 중공사막 형태로 소성한 전극(Conductive hollow-fiber membrane; CHM)과 함께, 수산화 라디칼의 발생량을 더욱 증가시키고자 산화티타늄 및 바나듐을 활성 촉매로 추가한 TiO$_2$-CHM, V$_2$O$_5$/TiO$_2$-CHM을 각각 제작하여 전극에 대한 물리화학적 성능평가를 진행하였다. 제작한 촉매 기반 CHM에서의 라디칼 생성을 확인하기 위해 전자스핀공명장치를 이용하여 분석한 결과, 모든 전극에서 메틸 라디칼, 산소 원자 그리고 수산화 라디칼이 동시에 생성됨을 확인하였다. 또한 선형주사전위법을 통해 CHM보다 V$_2$O$_5$/TiO$_2$-CHM, TiO$_2$-CHM에서 낮은 산소생성전압이 형성됨을 확인하였다.
3종의 산화전극을 이용한 전기산화 시스템을 적용하여 실제 RO 농축수 내 유기물의 전기산화를 통한 유기물의 성상 및 생분해도를 평가한 결과, 전기산화에 의한 농축수 내 유기물의 무기탄소 전환은 미미한 반면, 형광분석법에 측정된 유기물의 성상 변화를 확인하였다. 또한 OUR 실험을 통해 CHM 전극으로 처리된 투과수 내 유기물의 생분해도가 약 2배 증가함을 확인하였다. 그러나, 산화과정에서 CNT의 분해, 유기물의 불완전산화 등은 향후 CHM 기반 촉매산화전극을 활용한 RO 농축수의 생분해도 향상기술 개발을 위해 극복해야할 사항으로 제안되었다.
