본 연구는 가축분뇨를 효율적으로 관리하기 위해 막 여과 와 저온 플라즈마(Cold plasma, CP) 산화공법을 결합한 시스템을 통해 가축분뇨 내에 존재하는 오염물질의 처리 성능 과 저온 플라즈마 에 의한 막 오염 저감 능력을 입증하는 것을 목적으로 한다. 산업화와 인구 증가로 인해 육류를 소비하는 식습관의 변화는 가축 사육 두수를 증가시켰고 그에 따라 가축분뇨 발생량이 증가하였다. 가축분뇨가 비점오염원으로서 적절히 관리되지 못하고 수계로 배출될 경우 여름철 높은 수온과 가축분뇨 내 고농 도의 영양염류에 의해 녹조가 발생하여 생태계에 악영향을 끼칠 수 있다. 나는 본 연구를 통해 가축분뇨 내 오염물질을 대상으로 CP와 막 여과를 통합한 공정의 처리 가능성과 CP에 의한 막 오염 저감능을 평가하였다. 또한 막 세정 후의 유출수의 flux 차이와 가역적 및 비가역적 fouling의 비율을 통해 CP 산화의 성능을 관찰하였다. CP는 고도산화공법고도산화공법(Advanced oxidation processes, AOPs)의 일종으로 폐수 내 난분해성 유기오염물질의 제거에 탁월하며 타 AOPs와 비교하여 추가적인 화학약품의 투입이 없이 다양한 강산화종을 생산할 수 있어 비용효율적인 운전이 가능하다. 본 연구에서 적용한 막은 미세여과(Microfiltration, MF)로 폐수처리 분야에서 부유물질 및 탁도의 제거에 널리 적용되는 막 분리 공법을 적용하였다. 본 실험에서, 단일 CP와 단일 MF 공정을 대조군으로 설정하였으며 최적의 운전조건을 확인하기 위해 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)을 3일에서 1일로 감소시키며 운전하였다. 실험 결과는 통합 공정에서 HRT 3일을 적용하였을 때 오염물질의 가장 높은 제거효율이 확인되었으며 제거 효율은 각각 총 질소(72.4%), 총 인인(57.8%), 암모니아성 질소(73.3%), 용존성 유기탄소(71.3%), 탁도(99.1%) 및 부유물질(98.7%) 이 확인되었다. HRT 2일에서도 이와 유사한 제거효율이 관찰되어 가축분뇨 양과 오염물질의 제거 효율에 따른 비용효율성을 고려하였을
때 HRT 2일을 최적운전 조건이라고 판단하였다. CP의 막 오염 저감능을 입증하기 위해 먼저, 막 전달 압력(Transmembrane pressure, TMP)과 유출수의 flux를 측정하여 막 여과 저항(Membrane filtration resistance, R)을 계산한 결과 HRT 1일에서 대조군(1.5×1014 m?1)에 비해 통합 공정(4.0×1013 m?1)에서 더 낮은 저항 값을 확인하였으며 그 차이도 다른 HRT를 적용하였을 때 보다 가장 크게 나타났다. 막 표면의 특성을 관찰하기 위해 전계방출형 주사 전자 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM), 에너지 분산 X선 분광법(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX) 및 물 접촉각(Water contact angle) 분석을 수행하였다. FE-SEM 분석 결과는 단일 MF 공정에서 막의 기공이 오염물질에 의해 막히고 쌓인 것을 확인하였으며 cross-section 분석 결과 foulant의 두께가 약 6 μm가 더 두껍게 관찰되었다. EDX 분석 결과는 통합 공정을 적용한 경우 단일 MF 공정에 비해 불소 피크가 약 16 wt% 더 높게 관찰되어 CP에 의한 막 오염 저감 능력을 입증하였다. 물 접촉각 분석도 마찬가지로 통합 공정에서 단일 MF 공정과 비교하여 물방울 접촉 각도가 약 10° 높게 확인되어 CP가 막 오염을 방지하여 막의 소수성을 유지하는 데 기여함을 확인하였다. 막 세정 후의 유출수 flux의 차이를 관찰한 결과는 통합 공정에서 화학적 세정을 적용하였을 때 flux 회수율이 약 93%로 가장 높게 관찰되었으며 비가역적 fouling의 경우 약 7.3%로 가장 낮게 관찰되어 CP는 영양염류 뿐만 아니라 유기물질의 제거에도 탁월하여 CP와 MF의 동시 적용은 효율적인 가축분뇨의 관리에 있어서 시너지적인 요소를 나타내는 것으로 판단된다. 본 연구의 결과는 CP의 높은 산화력과 MF의 효과적인 고액분리 능력으로 고농도의 가축분뇨 내 오염물질에 대한 효과적인 제어 가능성을 보여주었다. 또한 결과를 바탕으로 CP 처리시 막 오염 저감이 입증되어 CP와 MF 기술의 융합을 통해 비용효율적이고 환경친화적인 전략으로 가축분뇨의 고도 처리에 기여하는 기본 정보로써 활용될 수 있다.