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침전지는 고형물입자를 침전, 제거해서 하수를 정화하는 시설로서 대상 고형물에
따라 일차침전지와 이차침전지로 나눌 수 있다. 일차침전지는 1차처리 및 생물학적 처리를 위한 예비처리의 역할을 수행하며, 이차 침전지는 생물학적 처리에 의해 발생되는 슬러지와 처리수를 분리하고, 침전한 슬러지의 농축을 주목적으로 한다. 소규모 하수처리시설에서는 일차침전지를 생략 할 수도 있다. 침전된 슬러지는 부패를 방지하기 위하여 슬러지 수집기를 이용하여 신속하게 제거 하여야 한다. 또한 부패된 침전슬러지의 부상 및 침전 불량으로 인하여 스컴이 발생 할 수 있으므로 스컴제거장치를 설치할 수 있다. 이차침전지의 경우 슬러지 부상유출에 따른 처리수의 악화를 방지하기 위하여 월류 위어의 배치에 유의하여야 한다.
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일차침전지 (2) 직사각형의 경우 길이에 비해 폭이 지나치게 크면, 지내의 흐름이 불균등하게 되어 정체부가 많이 발생되고 이로 인해 편류 등이 발생하여 침전효과가 저하된다. 폭과 길이의 비는 1 : 3 이상으로 하고, 폭은 3∼4 m를 표준으로 하되 5 m 정도를 최대로 한다. 침전지가 원형 및 정사각형인 경우 중심부로 하수가 유입될 때 유체의 유속이 충분히 감소되도록 유입지역을 충분히 크게 한다. 수류상태를 균일하게 하고 침전효과를 높이기 위해서는 한 변의 길이(폭)과 깊이의 비를 6 : 1∼12 : 1 정도로 하는 것이 좋다
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침전형태의 분류
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표면부하율 침전에 의해 부유고형물(SS)을 제거하는 경우 제거율은 입자의 침강속도와 침전지에서의 체류시간에 의해 정해진다. 기준이 되는 입자의 침강속도는 유입유량을 침전지의 표면적으로 나눈 표면부하율로 중요한 설계인자가 된다. 지의 용량은 우선 표면부하율을 정한 다음 유효수심과 침전시간을 고려하여 정함. SS제거율은 하수의 수질, 침강성 물질의 비율, SS농도 등에 의해 달라진다. 분류식의 경우 SS제거율이 높아지면 반응조 유입수의 BOD/SS비가 상승하여 벌킹의 원인이 되기도 하고 활성슬러지의 SVI가 높게 되어 처리수질을 악화시킬 수도 있으므로 표면부하율은 35∼70 m3/m2·d를 기준으로 한다. 한편 합류식에서는 우천시 처리 등을 고려하여 표면부하율 25∼50 m3/m2·d를 기준으로 한다.
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<표2> 계획하수량에 의한 처리방법별 침전시간
<표1> 유효수심과 표면부하율 및 침전시간과의 관계 침전시간을 길게 할수록 SS의 제거효율은 높아지는 반면, 시간이 너무 길면 침전지의 크기가 커지는데 비해 효율이 별로 증가하지 않고 침전된 슬러지가 부패하여 오히려 수질악화를 초래하는 경우가 생긴다. 분류식에 있어서 일반적으로 1.5시간 정도로 하며, 합류식의 경우에는 계획1일 최대오수량에 대하여 3시간 정도로 하면, 우천시 계획오수량에 대해 30분 이상의 침전시간확보가 가능. <표2> 계획하수량에 의한 처리방법별 침전시간
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하수의 물리 화학적 처리 : 중화, 산화, 환원반응, 응집, 침전, 흡착, 이온교환 등
- 물리화학적 처리는 폐수의 성상 및 공정의 종류에 따라 다양 : 중화, 산화, 환원반응, 응집, 침전, 흡착, 이온교환 등 생물학적 처리를 위한 유해물질의 사전처리 또는 3차 처리에 적용 : 미세 현탁 물질 및 COD 제거, pH 조절, CN 처리, N.P 제거 등 - 물리 화학적 처리공법의 장점: : 다른 공법과 조합, 연계 처리 가능, NBD-COD 및 독성물질도 처리 가능하며 충격부하에 크게 영향을 받지 않는다
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중화 처리 pH 7 부근으로 유지하기 위한 조작 -> pH 조정(방류수 기준)
․ 산성과 염기성의 반응에 염과 물을 생성하는 화학반응으로 pH 7 부근으로 유지하기 위한 조작 -> pH 조정(방류수 기준) ․ 산성, 알칼리성 폐수에 반대성질의 화공약품, 즉 중화제를 투입시 화학반응으로 pH (중화제 가격, 능력, 반응속도 고려) 1. 대표적인 중화 처리법 ․ 산의 중화 : H₂SO₄+ 2NaOH -> Na₂SO₄+ 2H₂O (Ca(OH)2), NaOH, Na2CO3 ․ 알칼리 중화 : NaOH + HCl -> NaCl +H₂O (H2SO ₄, HCl, CO2) 2. 산성 및 알칼리성 폐수 발생 원인 ․산성 폐수: 금속표면처리업, 광산업, 화학공업, 제철업, 비철금속제조업, 전기도금업 ․알칼리성 폐수: 피혁공업, 석유정제업, 제지공업, 유리제조업, 섬유제조업, 식료품제조업
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중화 pH 조절법 석회층 법 (lime bed) 슬러리 석회 중화 가성소다 탄산 나트륨 중화 - 암모니아 중화
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응집 Coagulation (응결)Flocculation
1) 목적: ․ 탁도를 일으키는 진흙입자, 유기물, 세균, 조류, 색소, Colloid 상태의 불순물 및 맛과 냄새를 제거 -> Floc 형성 ․ 폐수속의 Colloid성 입자는 Zeta Potential, van der Waals interaction (전기적 인력), 전기역학적으로 평행상태를 이루며 이 전기적 반발력과 반대전하를 띤 응집제를 첨가하면 전기적 중화로 반발력이 감고 입자끼리 서로 뭉쳐) 침전. ->불안정화(destabilization) ․ “-”로 하전하고 있는 Colloid액 중에 양이온계 응집제를 가하면 전기적으로 중화가 일어나 응집이 완결. 2) 응집 효과 ․ 침강성 촉진, 상징수의 청징성 개선 및 여과성의 개선 3) 응집제 ․ 주로 무기 응집제가 많이 사용. 근래 유기성 고분자 응집제 사용증가
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COAGULATION / FLOCCULATION
1. 응집시키는 목적 Reduce wastewater treatment (다음 공정의 하․폐수 처리공정 줄임) Supply potable water (먹는 물의 공급을 위해) Make particles grow (입자가 자라게 함) 2. 응집제 고분자 응집제 : 가격이 비쌈, 특수한 처리, 보조제로 사용 Al, Fe, Ca ⇒ 침전제의 주요원소 (양이온들), polymer (중합체) ⇒ 응집보조제로 많이 사용
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전기 이중층 이론 콜로이드 입자와 반대전하를 띠는 전해질 투여나 pH 변화에
의하여 제타 전위를 감소시켜 콜로이드간 거리를 좁힘으로 써 floc을 형성하는 현상. 용액 속에서 입자의 표면은 전기적 이중층을 띠게 된다. 전하를 띠고 있는 입자들(co-ions)끼리는 반발하기 때문에 멀리 떨어지려 한다. 전하를 띤 표면이 이온을 포함한 용액에 존재할 때 전기적 이중층(electrical doule layer)이 형성된다.
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전기 이중층 이론(Electrical double
layer theory)
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Zeta 전위 (Zeta Potential)
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응집 1. Nature of particles in wastewater (하수 중 입자의 성질)
- hydrophobic (water-hating):소수성 - hydrophilic (water-loving):친수성 2. Surface charge (표면전하) - 콜로이드의 안정도 (stability)에 관련된 중요한 인자->정전기력 힘 - preferential adsorption (선택적 흡착), ionization(이온화) 3. Particle aggregation (입자의 응집) - 입자의 전하를 줄이거나 전하의 영향을 극복하는 단계가 필요 a. addition of potential-determining ion(전위결정이온을 첨가) b. addition of electrolytes (전해질을 첨가) c. 고분자 응집제의 첨가 d. 수산화이온(hydrolyzed metal ions)을 형성하는 화학약품 투입
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응집 4. Action of polyelectrolytes (고분자전해질의 작용)
polyelectrolytes act as coagulants that lower the charge of the wastewater particles (하수중의 입자의 전하를 낮추는 응집제의 역할을 한다) polyelectrolytes is interparticle bridging (입자간의 다리를 놓아주는 역할) 응집-가교현상(coagulation-bridging phenomenon) (매우 분자량이 큰 양이온의 전해질을 사용할 때 일어난다.)
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응집제 Alum (명반) Ferric Chloride Ferric sulfate Lime Chemical Formula
MW(g/mol) Density, lb/ft3 Dry Liquid Alum (명반) Al2(SO4)3․18H2O 666.7 60～75 78～80(49%) 594.3 83～85(49%) Ferric Chloride FeCl3 162.1 84～93 Ferric sulfate Fe(SO4)3 400 Fe(SO4)3․3H2O 454 70～72 FeSO4․7H2O 278.0 63～65 Lime Ca(OH)2 56 as CaO 35～50 CaO
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응집제
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3. Ferrous sulfate and Lime
1. Alum Al2(SO4)3․18H2O + 3Ca(HCO3)2 ↔ 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 18H2O 2. Lime Ca(OH)2 + H2CO3 ↔ CaCO3 + 2H2O Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 ↔ 2CaCO3 + 2H2O 3. Ferrous sulfate and Lime FeSO4․7H2O + Ca(HCO3)2 ↔ Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 7H2O Fe(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 ↔ Fe(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O ↔ 4Fe(OH)3 ->침 전
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Schultz-Hardy 법칙 - 전해물질의 농도에 따라 입자간 상호인력의 차이가 있다.
- Flocculation value(m mol/ℓ)∝ :1/z6 - 반대전하를 띤 이온의 응집력은 이온의 원자가가 높을수록 증가한다. 1가 < 2가 <3가 20-50배 배 AgI(-) Al2O3(+) Theoretical Monovalent 142 (1.00) 52 (1.00) 1.00 divalent 2.43 (0.017) 0.63 (0.012) 0.016 trivalent 0.068 (0.005) 0.080 (0.001) 0.0014
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Jar test 1. 고려해야할 중요한 요소 - pH, temp. 2. 응집정도의 확인 - 상등액의 응집성분의 농도를 잼 ☞
1. 고려해야할 중요한 요소 - pH, temp. - 응집제의 종류, 응집제의 농도 - 교반 속도, 강도, 시간 ․급속교반 : 30초 ～ 1분 ․완속교반 : 20～30분 mixing : 응집제와 접촉이 잘되게 도와준다. - 알칼리도 (공장폐수의 경우 중요한 부분) 2. 응집정도의 확인 - 상등액의 응집성분의 농도를 잼 - SS 측정 ⇒ 1.2 ㎛ - 유기물질이 많은 경우 BOD or COD 측정 - NaOH 보다 Ca(OH)2가 가격 저렴, 응집효과 좋음, 알카리도 및 pH도 조절함. ☞
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Jar test
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고분자에 의한 응집모델
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기존 수처리 공정 개선 수처리 공정
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흡착(adsorption) 용액 중의 분자가 물리적 또는 화학적 결합력에 의해서 고체 표면에 부착되는 현상
용액 중의 분자가 물리적 또는 화학적 결합력에 의해서 고체 표면에 부착되는 현상 이때, 달라붙는 분자를 피흡착제(adsorbate), 분자가 달라붙을 수 있도록 표면을 제공하는 물질을 흡착제(adsorbent)라고 한다. 흡착제로서는 활성탄, 활성알루미나, 산성백토, 합성제올라이트, 연탄재 등이 있으며 가장 많이 사용되는 것은 활성탄이다. 활성탄은 많은 공극을 가지며, 그 공극 표면적은 800∼1200㎡/g 정도가 된다.
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흡착공정(adsorption) ① 1단계(이동) : 피흡착질이 흡착제의 바깥 표면에 도달하는 용액내확산.
① 1단계(이동) : 피흡착질이 흡착제의 바깥 표면에 도달하는 용액내확산. ② 2단계(확산) : 외표면의 유체, 경막 내를 확산하여 다공질 흡착제의 내부 공극으로 들어가는 경막확산. ③ 3단계(확산) : 흡착제의 내부 공급을 확산 이동하며, 내부 표면의 흡착점 까지 도달하는 입재 확산 ④ 4단계(흡착) : 내부 표면의 흡착 반응
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흡착공정(adsorption) 활성탄의 세공구조는 micro pore: 20Å, meso pore: 20∼500Å,
활성탄의 세공구조는 micro pore: 20Å, meso pore: 20∼500Å, macro pore: 500Å이다.
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흡착(adsorption) 1. Demands for a better quality of treated wastewater effluent 2. Activated-carbon and it's use - almond, coconut, walnut hulls, other woods, and coal. - 다공질의 구조(porous structure)를 만들어 주고 넓은 내부 표면적 (large internal surface area)을 만들어 준다. - powdered ( < 200mesh ) granular ( > 0.1 mm) 3. Treatment with 입상활성탄(GAC) - fixed-bed column(고정탑상) ․탑의 상부로부터 유입 ․backwash 필요(headloss를 막기 위해) ․단독, 직렬, 병렬로 운용
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흡착평형 흡착하는 물질에 의해 흡착된 물질의 양은 흡착될 물질의 양과 성질 그리고 온도에 따라 달라진다.
흡착하는 물질에 의해 흡착된 물질의 양은 흡착될 물질의 양과 성질 그리고 온도에 따라 달라진다. 흡착평형은 일정한 온도에서 흡착량과 평형상태의 농도(C) 사이의 관계를 나타내는 등온흡착식 (adsorption isotherm)으로 표시한다. 등온흡착식은 형에 따라 Freundlich, lagmuir, BET식 으로 표시되는 경우가 가장 많다.
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Freundlich Isotherm 일정온도에서 용매내에 오염물질 농도와 흡착제의 단위질량당 흡착되는 물질간의 평형 관계를 나타내는 등온흡착이다.
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Langmuir isotherm ․ 흡착제의 표면에 흡착될 수 있는 지점의 개수는 고정 ․ 흡착은 가역적이다.
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Process Analysis (파과점)
# 과립형 활성탄 및 분말활성탄 모두 폐수처리에 유용하게 쓰임. # MTZ (mass transfer zone) : 흡착이 일어나는 부분 (물질이동대)
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Breakthrough Adsorption Capacity
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이온 교환 이온 교환막을 이용하여 산 또는 알카리를 분리, 농축하여 산과 알카리를 회수하는 기술이다.
이온교환법을 사용하여 연수화(water softening)를 사용한다. 물의 연수화란 경도 성분인 Ca+2, Mg+2 등을 제거함으로서 경수를 연수로 바꾸는 작업을 말 한다. 경수는 인체에는 크게 영향을 미치지 않으나 세탁이나 공업용수에는 영향을 미친다.
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이온 교환(Ion Exchange) - 강산 (양이온) 강염기 (음이온) 약산 (양이온) 약염기 (음이온) ․양이온 교환 수지
강염기 (음이온) 약산 (양이온) 약염기 (음이온) ․양이온 교환 수지 Sulfonic acid type RSO₃H + NaOH = RSO₃Na +H₂O RSO₃H + NaCl = RSO₃Na +HCl RSO₃Na + KCl = RSO₃K +NaCl R(SO₃Na+)₂ + CaCl₂ = R-(SO₃-)₂Ca+² RCOOH + NaOH = RCOONa + H₂O RCOOH + NaCl = RCOONa + HCl RCOONa + KCl = RCOOK + NaCl R(COONa)₂ + CaCl₂ = R-(COO)₂ + 2Na+ + Cl-
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음이온 교환 수지 제 4급 암모늄 기형 음이온 R≡N+․․․OH- 제 3급 아민형 음이온 R≡NH+ ․․OH-
R≡N+OH- + H+Cl- ↔ R≡N+Cl- +H₂O R≡N+OH- + NaCl- ↔ R≡N+Cl- + Na+OH-- R≡N+Cl- + Na+Br- ↔ R≡N+Br- + Na+Cl- R≡(N+Cl-)₂+ Ba₂SO₄ ↔ R≡(N+)₂SO₄-² + 2NaCl R-NH₃+OH- + H+Cl- = R-NH₃Cl + H₃O R-NH₃+OH- + Na+Cl- = R-NH₃+Cl - + Na+OH- R-NH₃+Cl- + Na+Br- = R-NH₃+Br- + Na+Cl- R-(NH₃+Cl-)₂ + Na₂+SO₄-²= R-(NH₃+)₂SO₄-²+ NaCl
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용해성 독성 무기물 제거 1) 이온교환 이온교환 ∼ 흡착의 형태 2R-•Na+ + Cu2+ → R2Cu + 2Na+ Resin
Active ion Less active ion Resin 2R-•Na+ + Cu2+ → R2Cu + 2Na+
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: 이온교환이후의 결합력 ∝ 재생 에너지 (∴ 결합력은 가능한 작게 하는 것이 좋다.) : 주요 영향 인자 - Reactive activity - Solute concentration
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이온교환 수지의 종류 ① 무기성 (Clay) → Kaolinite 〔Al2Si2O5(OH)4〕 ; 2차원 판구조
; 가장자리에 Hydroxyl group에 의한 이온교환 → Montmorillonite 〔Al4(Si4O10)2(OH)4·xH2O〕 ; 층 격자 구조의 Clay ; 특정적으로 수분 함량의 변동 ; 산성 백토의 구성 성분 → Illite
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(meq/g of Ion exchanger for dry weight)
이온 교환능 - 단위질량당 교환가능한 이온의 수 (meq/g of Ion exchanger for dry weight) - 측정 : 적정법 R-Na+ + H+ → R-H+ 중화적정에 의한 H+의 수를 측정
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수지형태별 이온 교환능 - Kaolinite (0.02∼0.1 meq/g) - Montmorillonite (0.6∼1.5 meq/g) - 수지 (2∼10 meq/g)
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유효 이온 교환 능력 - 특정 조건하에서 교환될 수 있는 site 수 : 총 이온 교환능 : 재생도 : 용액의 조성 : 이온교환 수지의 상태 : pH
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- 선택성 : 각 이온에 대한 수지의 상대적 친화력 → Ionic charge 수지 - 전하↑ → 정전기력↑
정전기 인력 전하↑ → 정전기력↑ PO43- 〉 SO42- 〉 NO3-
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② Zeolite - 3차원 배열 - Al 및 Si와 달리 많은 양이온 교환 능력을 가짐 : 암모늄 이온의 선택적 교환 - 포화 이온교환능 : 3∼10meq/g ③ Hydrous oxide - Fe(OH)3 - 2가 이온의 교환능이 큼 - 다가 음이온의 교환에도 사용되나 재생 에너지가 큼 ④ Mica (운모)
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⑤ 유기성 수지 - Resin(樹脂), 송진 - 유기화합물의 중합에 의한 3차원 다공성 구조 CH=CH2 CH=CH2 +
중합반응 + CH=CH2
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관능기 (Functional group)
술폰화 CH-CH2 Cross linking SO3H SO3H 관능기 (Functional group)
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- Cross linking 정도에 따라 내부 다공성 구조 결정
: High cross link → larger pore size : Low cross link → Enhanced diffusion → 물리적 강도가 약해짐 → 물속에서 부풀어짐
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이온교환 기구 - 수지에 따라 다를 수 있음. ① 경계층 확산 : Bulk상 이온의 농도에 영향 : 경계층 두께의 함수 ② 수지내 확산 : 이온의 크기 : 세공의 크기
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③ 이온교환력 : 이온의 화학 결합력 : Species specific → 이온의 선택성에 의한 수지와 재생액의 선택 예) 중금속의 이온교환 → Carboxylic acid group (H+) Cu++, Zn++, Ni++ → 소량의 강산에 의하여 용출
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문제점 - 하수중 SS : 세공(Pore)의 막힘 : 이온교환 층의 막힘 : SS의 전처리 장치 및 빈번한 역세척이 요구됨
- 하수중 유기물 : 세공내부를 덮어버림 : 수지간의 부착 현상 : 유효 site 감소
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