터널폐수 재이용을 위한 통합 멤브레인 여과 시스템 적용 및 파울링 물질 분석 Characterization of membrane foulants and feasibility of a combined MF and RO membrane system for reuse of tunnel wastewater 토목공학과 이 재 현 지 도 교 수 김 영 모 최근 국제적으로 ...
터널폐수 재이용을 위한 통합 멤브레인 여과 시스템 적용 및 파울링 물질 분석 Characterization of membrane foulants and feasibility of a combined MF and RO membrane system for reuse of tunnel wastewater 토목공학과 이 재 현 지 도 교 수 김 영 모 최근 국제적으로 물부족 현상이 대두됨에 따라 재이용수에 대한 관심은 계속적으로 높아지고 있으며 이러한 재이용수는 각 용도별에 맞게 처리되어 적용되고 있다. 본 연구에서 다뤄진 터널폐수는 공사현장의 지리적 특성으로 인하여 지하수 내 해수가 유입되어 염분농도가 약 15 ‰로 검출되며, 이 외에도 영양염류, 중금속 등이 검출되는 실정이다. 이러한 터널폐수는 기존의 응집·침전·여과의 재래식 공정으로 처리된 사례가 있지만, 재이용수로 사용하기에는 적합한 수질을 만족하지 못할 뿐만 아니라 염분의 제거는 전혀 이루어지지 않아 재이용수로의 사용은 부적합하였다. 따라서 폐수 내 오염물질뿐만 아니라 염분을 효과적으로 제거하기 위해 MF (micro filtration)과 RO (reverse osmosis) 멤브레인을 결합한 처리 시스템을 적용하였으며, 시스템의 성능에 대하여 다음과 같이 조사하였다. 1) 터널폐수 재이용을 위한 MF-RO 시스템의 오염 물질 제거성능 분석2) MF-RO의 안정적인 운영을 위한 파울링 물질 분석3) 반응표면 분석을 이용한 시스템의 자연적 변화에 따른 운영 분석 RO 멤브레인의 유입수 전처리를 위하여 앞단에 설치된 MF 멤브레인은 유기물 및 부유물질에 대하여 각각 80, 70 %의 제거성능을 보여주었으며 탁도를 1 NTU 미만으로 감소시켜 RO 멤브레인의 유입수 조건을 충족시켜 주었다. 하지만 RO 멤브레인에 스케일 (scale)을 유발할 수 있는 이온성 물질 (Ca2+, Mg2+)의 제거는 불가하여 더욱 강화된 전처리가 요구되었다. RO 멤브레인은 유기물 및 부유물질을 각각 90, 95 %의 제거를 달성하였으며 MF에서 제거되지 않은 이온성 물질에 대해서도 90~100 % 범위로 제거하여 생활용수 재이용 기준 (부유물질 ≤10 mg/L; 탁도 ≤0.5 NTU; Al ≤0.2 mg/L; Mn ≤0.05 mg/L; Cu ≤1 mg/L; As ≤0.01 mg/L; Fe ≤0.3 mg/L; Cl- ≤250 mg/L)에 부합하였으나, 시스템 내 고농도로 존재하는 농축수의 처리에 대한 대책이 요구되었다. MF-RO 시스템을 운영하는 동안 MF 멤브레인이 파울링 물질로 인하여 압력이 점점 저하되는 현상 (pressure drop)이 발생되면서, 처리수 유량이 동시에 감소되었다. 따라서 파울링 원인 물질에 적절한 전처리 공정 설치 및 멤브레인 세정방법을 선정하기 위하여 파울링 원인 물질에 대한 분석이 요구되었다. 파울링 물질의 성질을 조사하기 위해 FTIR (fourier transform infrared spectroscopy)을 이용하여 분석한 결과 파울링 물질은 에스테르 (ester)로 확인되었다. 하지만 이러한 결과만으로는 전처리, 세정 방법의 선정이 어려웠으며 멤브레인 파울링 시 주요한 사안인 파울링 물질과 멤브레인에 대한 친수성, 소수성 구분이 불가하여 이에 대한 추가적인 연구가 필요하였다. ICP-MS (inductively coupled plasma-mass spectrometer)와 XRF (X-ray fluorescence)를 이용한 파울링 물질의 정성적 분석결과 금속계열 (Fe, K, Cu, Al 등)과 토양침식 유출물 (SiO2, Al2O3, Fe2O3 등)들이 파울링을 유발하였다. FE-SEM (field emission-scanning electron microscope)을 이용한 파울링 물질의 표면 분석에서는 멤브레인 공극보다 큰 파울링 물질( >5 ㎛)의 유입으로 인하여 멤브레인의 표면층에 극심한 파울링 현상이 일어났으며, 이러한 현상을 방지하기 위해서는 MF-RO 시스템의 전처리 역할을 담당한 응집․침전․여과 공정이 더욱 강화되어야 한다고 판단되었다. 시스템 운영 시 공정에 직접 영향을 주는 환경인자들의 변화에도 처리수의 유량을 안정적이면서도 많이 확보하는 것은 매우 중요한 사안이다. 이에 대한 영향을 주는 환경인자들에 대해 안정적이면서도 많이 확보하는 것은 매우 주요한 사안이다. 따라서 멤브레인 시스템 설계 시 주요한 인자인 유입수 농도 (3.2~36.8 ‰), 온도 (5.2~38.8 ℃), 압력 (23.2~56.8 Bar)의 변화를 주어 유동적으로 변화되는 유입수 수질과 계절별 온도 변화, 운전변수인 압력에 변화를 주어 최대의 유량을 얻고자 하였다. 반응표면 분석법 (response surface methodology, RSM)은 유량에 대한 회귀모델을 분산분석 (analysis of variance, ANOVA)을 통하여 도출된 영향인자와 유량의 상호영향관계를 살펴보았다. 높은 유량를 얻기 위한 단일 인자의 영향력은 F-value, p-value 값을 통해서 분석이 가능하며, F-value 값은 클수록, p-value 값은 작을수록 반응에 영향을 주는 중요한 인자라 판단한다. F-value을 기준으로 살펴본 결과 유입수 압력 (2951.12), 농도 (2653.34), 온도 (1121.80) 순으로 크게 나타났으며 교호작용인자는 유입수 농도와 온도 (200.19), 온도와 압력 (90.65), 농도와 압력 (29.90) 순으로 나타났다. 결론적으로 특정 값의 유량을 얻기 위해서 겨울철과 여름철 비교 시 겨울철에 소요되는 압력이 더욱 커져야하며, 유입수의 농도 변화 시 상대적으로 진한 농도로 유입될 때 소요되는 압력이 더욱 커져야 했다.
터널폐수 재이용을 위한 통합 멤브레인 여과 시스템 적용 및 파울링 물질 분석 Characterization of membrane foulants and feasibility of a combined MF and RO membrane system for reuse of tunnel wastewater 토목공학과 이 재 현 지 도 교 수 김 영 모 최근 국제적으로 물부족 현상이 대두됨에 따라 재이용수에 대한 관심은 계속적으로 높아지고 있으며 이러한 재이용수는 각 용도별에 맞게 처리되어 적용되고 있다. 본 연구에서 다뤄진 터널폐수는 공사현장의 지리적 특성으로 인하여 지하수 내 해수가 유입되어 염분농도가 약 15 ‰로 검출되며, 이 외에도 영양염류, 중금속 등이 검출되는 실정이다. 이러한 터널폐수는 기존의 응집·침전·여과의 재래식 공정으로 처리된 사례가 있지만, 재이용수로 사용하기에는 적합한 수질을 만족하지 못할 뿐만 아니라 염분의 제거는 전혀 이루어지지 않아 재이용수로의 사용은 부적합하였다. 따라서 폐수 내 오염물질뿐만 아니라 염분을 효과적으로 제거하기 위해 MF (micro filtration)과 RO (reverse osmosis) 멤브레인을 결합한 처리 시스템을 적용하였으며, 시스템의 성능에 대하여 다음과 같이 조사하였다. 1) 터널폐수 재이용을 위한 MF-RO 시스템의 오염 물질 제거성능 분석2) MF-RO의 안정적인 운영을 위한 파울링 물질 분석3) 반응표면 분석을 이용한 시스템의 자연적 변화에 따른 운영 분석 RO 멤브레인의 유입수 전처리를 위하여 앞단에 설치된 MF 멤브레인은 유기물 및 부유물질에 대하여 각각 80, 70 %의 제거성능을 보여주었으며 탁도를 1 NTU 미만으로 감소시켜 RO 멤브레인의 유입수 조건을 충족시켜 주었다. 하지만 RO 멤브레인에 스케일 (scale)을 유발할 수 있는 이온성 물질 (Ca2+, Mg2+)의 제거는 불가하여 더욱 강화된 전처리가 요구되었다. RO 멤브레인은 유기물 및 부유물질을 각각 90, 95 %의 제거를 달성하였으며 MF에서 제거되지 않은 이온성 물질에 대해서도 90~100 % 범위로 제거하여 생활용수 재이용 기준 (부유물질 ≤10 mg/L; 탁도 ≤0.5 NTU; Al ≤0.2 mg/L; Mn ≤0.05 mg/L; Cu ≤1 mg/L; As ≤0.01 mg/L; Fe ≤0.3 mg/L; Cl- ≤250 mg/L)에 부합하였으나, 시스템 내 고농도로 존재하는 농축수의 처리에 대한 대책이 요구되었다. MF-RO 시스템을 운영하는 동안 MF 멤브레인이 파울링 물질로 인하여 압력이 점점 저하되는 현상 (pressure drop)이 발생되면서, 처리수 유량이 동시에 감소되었다. 따라서 파울링 원인 물질에 적절한 전처리 공정 설치 및 멤브레인 세정방법을 선정하기 위하여 파울링 원인 물질에 대한 분석이 요구되었다. 파울링 물질의 성질을 조사하기 위해 FTIR (fourier transform infrared spectroscopy)을 이용하여 분석한 결과 파울링 물질은 에스테르 (ester)로 확인되었다. 하지만 이러한 결과만으로는 전처리, 세정 방법의 선정이 어려웠으며 멤브레인 파울링 시 주요한 사안인 파울링 물질과 멤브레인에 대한 친수성, 소수성 구분이 불가하여 이에 대한 추가적인 연구가 필요하였다. ICP-MS (inductively coupled plasma-mass spectrometer)와 XRF (X-ray fluorescence)를 이용한 파울링 물질의 정성적 분석결과 금속계열 (Fe, K, Cu, Al 등)과 토양침식 유출물 (SiO2, Al2O3, Fe2O3 등)들이 파울링을 유발하였다. FE-SEM (field emission-scanning electron microscope)을 이용한 파울링 물질의 표면 분석에서는 멤브레인 공극보다 큰 파울링 물질( >5 ㎛)의 유입으로 인하여 멤브레인의 표면층에 극심한 파울링 현상이 일어났으며, 이러한 현상을 방지하기 위해서는 MF-RO 시스템의 전처리 역할을 담당한 응집․침전․여과 공정이 더욱 강화되어야 한다고 판단되었다. 시스템 운영 시 공정에 직접 영향을 주는 환경인자들의 변화에도 처리수의 유량을 안정적이면서도 많이 확보하는 것은 매우 중요한 사안이다. 이에 대한 영향을 주는 환경인자들에 대해 안정적이면서도 많이 확보하는 것은 매우 주요한 사안이다. 따라서 멤브레인 시스템 설계 시 주요한 인자인 유입수 농도 (3.2~36.8 ‰), 온도 (5.2~38.8 ℃), 압력 (23.2~56.8 Bar)의 변화를 주어 유동적으로 변화되는 유입수 수질과 계절별 온도 변화, 운전변수인 압력에 변화를 주어 최대의 유량을 얻고자 하였다. 반응표면 분석법 (response surface methodology, RSM)은 유량에 대한 회귀모델을 분산분석 (analysis of variance, ANOVA)을 통하여 도출된 영향인자와 유량의 상호영향관계를 살펴보았다. 높은 유량를 얻기 위한 단일 인자의 영향력은 F-value, p-value 값을 통해서 분석이 가능하며, F-value 값은 클수록, p-value 값은 작을수록 반응에 영향을 주는 중요한 인자라 판단한다. F-value을 기준으로 살펴본 결과 유입수 압력 (2951.12), 농도 (2653.34), 온도 (1121.80) 순으로 크게 나타났으며 교호작용인자는 유입수 농도와 온도 (200.19), 온도와 압력 (90.65), 농도와 압력 (29.90) 순으로 나타났다. 결론적으로 특정 값의 유량을 얻기 위해서 겨울철과 여름철 비교 시 겨울철에 소요되는 압력이 더욱 커져야하며, 유입수의 농도 변화 시 상대적으로 진한 농도로 유입될 때 소요되는 압력이 더욱 커져야 했다.
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