[논문]정밀여과를 이용한 역삼투법 해수담수화 전처리 공정의 장기운전 특성

김수한; 김충환; 강석형; 임재림

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A pilot test was carried out to investigate the long term operation characteristics of Microfiltration (MF) system as a pretreatment for seawater reverse osmosis (SWRO) processes for two years. A commercialized MF module with pressurized operation type was used to filter seawater to remove particles...

A pilot test was carried out to investigate the long term operation characteristics of Microfiltration (MF) system as a pretreatment for seawater reverse osmosis (SWRO) processes for two years. A commercialized MF module with pressurized operation type was used to filter seawater to remove particles which can foul reverse osmosis (RO) membrane. Silt Density Index (SDI) values of filtered seawater by the MF system were ranged from 0.14 to 1.79, which meet the SDI standard for RO feed water as depicted in previous literatures. Although the tested seawater is quite clean (i.e., dissolved organic cabon (DOC) concentration and turbidity were about 1 mg/l and less than 1 NTU, respectively) enough not to foul the MF membrane, steep increase in trans-membrane pressure (TMP) with a constant flux were observed over a whole operation period. A set of operation and water analysis data implies that the steep increase in TMP was resulted from iron and maganese fouling by the combination of metal corrosion by seawater and oxidation state by aeration and residual chlorine.

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문제 정의

본 논문에서는 두 가지 막오염 대책 중 전처리 공정에 초점을 맞추어 논의해보고자 한다. 역삼투법 해수담수화와 함께 도입된 전처리 공정은 압력식 모래여과이다.
본 연구의 본래 의도는 청정 원수를 더욱 청정하게 만들기 위하여 막여과 공정이 사용될 때 여과 플럭스를 최대 얼마까지 올릴 수 있는지, 장기오염 특성은 어떤지를 관찰하는 것이었다. 그러나, 펌프 등 부품에 포함된 스테인레스 강의 부식으로 인해 철, 망간에 의한 막오염이 예상 외로 발생하면서, 본래 목적을 달성할 수 없었다.
대부분의 사례가 실험실 규모에서 단기간 연구, 타 공정과의 비교 연구 위주로, 본 논문에서 다루고자 하는 모형플랜트 규모의 2년 이상 장기간 운전된 사례는 찾아보기 힘들다. 장기 운전 사례 분석을 통해, 향후 역삼투법 해수담수화를 위한 전처리 공정으로서 MF나 UF를 도입할 때의 고려 사항을 제안하고자 한다.

가설 설정

일반적으로 유기물질로 막이 오염되는 경우보다 무기물질로 오염되는 경우에 화학세정 후의 막의 회복도가 높다. 따라서, 본 모형플랜트의 주요 파울링 원인물질은 무기물질이라는 가설을 세울 수 있다.

제안 방법

2006년 11월부터 2008년 12월까지 약 2년간 운전조건의 변화 없이 막여과유속(플럭스)를 1 m3/m2·일로 고정하여 운전하여 장기 운전 특성을 분석하였다.
모형플랜트를 위한 장기운전 연구를 통해 역삼투법 해수담수화 전처리로서의 정밀여과 공정의 특성을 알아보았다. 각종 문헌으로 이미 잘 알려져 있는 정밀여과의 특징인 우수한 생산수 수질이 운전 기간 동안 확인되었고, 운전 시 발생할 수 있는 여러 가지 문제점(계측기기 고장 등)을 확인, 해결하였다.
모형플랜트를 위한 장기운전 연구를 통해 역삼투법 해수담수화 전처리로서의 정밀여과 공정의 특성을 알아보았다. 각종 문헌으로 이미 잘 알려져 있는 정밀여과의 특징인 우수한 생산수 수질이 운전 기간 동안 확인되었고, 운전 시 발생할 수 있는 여러 가지 문제점(계측기기 고장 등)을 확인, 해결하였다.
여과가 끝난 이후 30초 동안에는 여과수를 역세수로 하는 수세정과 공기세정이 동시에 이루어지게 된다. 미생물에 의한 막오염을 방지하기 위해 역세 시에 차아염소산나트륨(NaOCl)을 주입하였다(역세배출수의 잔류염소 0.5 mg/l). 30초간의 세정이 끝나면 막 모듈내에 차있던 세정수를 하단부 배수라인을 통해 모두 배출하게 된다.
2에 나타난 바와 같이, 본 모형플랜트에서는 2년간 화학세정이 3회 실시되었다. 화학세정 후 배출되는 세정폐액(이하 화학세정 배출수)을 분석함으로써, 오염물질을 파악할 수 있다. Table 5는 화학세정 배출수의 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 부유물질(SS), 유기물 농도(DOC)를 분석한 결과를 정리한 것이다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 모형플랜트는 급수→여과→세정→배수의 cycle로 자동반복 운전된다.
본 연구에 사용된 모형플랜트에 적용된 막모듈은 공경 0.05 ㎛의 외압식의 가압식(케이싱형) PVDF 정밀여과막을 사용하였다. 2006년 11월부터 2008년 12월까지 약 2년간 운전조건의 변화 없이 막여과유속(플럭스)를 1 m³/m²·일로 고정하여 운전하여 장기 운전 특성을 분석하였다.
2에 나타나듯이 막을 빠른 시간에 오염시키기에는 부족한 양으로 판단된다. 본 연구에서 사용된 펌프의 재질은 스테인레스 강으로, SUS304 등급(철이 주성분이고, 망간도 일부 포함됨)이다. 이는 부식성 강한 해수에서 사용되기에는 내부식성이 떨어진다.
화학세정은 무기물질을 주로 제거하는 산 세정과 유기물질을 주로 제거하는 염기 세정으로 나뉜다. 본 연구에서는 산 세정 시 염산(HCl) 1N과 옥살산((COOH)₂) 1% 용액을, 염기 세정 시 차아염소산나트륨(NaOCl) 3,000 ppm과 수산화나트륨(NaOH)을 혼합하여 pH를 12로 맞춘 용액을 이용하였다. 화학 세정 시에는 산 세정과 염기 세정을 번갈아가면서 수행하는 것이 일반적인데, 본 모형플랜트에서는 산→염기→산의 순으로 세정하였고, 각 세정공정 사이에는 수돗물로 세정하여 잔류 약품과 노폐물을 배출하였다.
이는 부식성 강한 해수에서 사용되기에는 내부식성이 떨어진다. 참고로, STS304 등급은 일반적으로 해수담수화에 잘 사용되지 않는 재질이나 본 연구에서는 파일롯 플랜트 수명을 2년 정도로 보고, 비용절감 차원에서 채택하였다. 실제 해수담수화 플랜트를 설계하기 위해서는 최소한 SUS316, SUS316L 등이 채택되어야 하며, 누수가 우려되는 고압이 작용되는 배관 부분은 듀플렉스 재질을 채택하는 것이 부식을 막기 위해 추천되는 방법이다.

성능/효과

1, 2, 3차 화학세정의 경우 모두 철과 망간의 농도가 해수 내 농도와 비교했을 때, 수백 배에서 수천 배 높은 것으로 나타났다(해수 내 철과 망간 농도는 0.05mg/l 미만). 이는 철과 망간이 모형플랜트 내에 농축되었다는 의미이고, 철, 망간 산화물이 막의 공극 내에 침전되었기 때문이다.
원수로 사용된 해수의 TDS(Total Dissolved Solids) 농도는 약 32,000mg/l였고, 주요 이온 성분으로서 Cl^-는 19,000mg/l, Na⁺은 10,500mg/l, K⁺은 350mg/l, Ca⁺은 400mg/l, Mg⁺은 1,200mg/l 범위로 분석되었다. 막의 오염에 영향을 줄 수 있는 용존성 철과 망간은 원수에서 검출되지 않았다.
그 증거로, 2008년 초부터(즉, 가동후 1년이 지나면서부터) 펌프에 누수가 발생하였고, 2008년 9월에는 펌프를 교체해야 할 정도로 누수가 심각했다. 정리하면, 펌프 등 스테인레스 강이 해수에 의해 부식되어 철과 망간 이온이 일반 해수내 포함된 농도보다 높은 값으로 정밀여과막 내부로 침투했고, 역세척 시 주입된 공기나 차아염소산나트륨으로 인해 철과 망간이 산화되어 막 공극 내부에 침적했을 것으로 판단된다.
그러나, 펌프 등 부품에 포함된 스테인레스 강의 부식으로 인해 철, 망간에 의한 막오염이 예상 외로 발생하면서, 본래 목적을 달성할 수 없었다. 해수의 부식성으로 담수화 장치의 누수가 발생할 수 있다는 것은 이미 잘 알려진 상식이지만, 이로 인해 심각한 파울링이 발생할 수 있다는 사실을 발견하고, 논리적으로 입증할 수 있는 데이터를 확보한 것이 본 연구의 가장 큰 의의라 할 수 있다.
화학세정 배출수의 수질 검토 결과 철과 망간이 주요 막오염 물질이라는 것을 결과론적으로 알 수 있었다. 그러나, 앞서 언급되었듯이 해수 내 철과 망간은 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	역삼투법 해수담수화는 어떤 공정인가?	해수나 하수처리수와 같은 대체수자원을 활용하기 위한 노력이 계속 진행 중이다. 역삼투법 해수담수화는 1가 이온을 분리할 수 있는 역삼투막을 사용하여 해수로부터 염분을 분리, 담수를 생산하는 공정으로서, 부족한 수자원을 확보하기 위한 좋은 대안으로 각광받고 있다.
	막오염 대처방법은 무엇이 있는가?	모든 막여과 공정이 그렇듯이, 역삼투 공정에서도 막오염(혹은 파울링)은 피할 수 없고, 반드시 극복해야만 하는 벽이다(Kim and Hoek, 2007). 막오염 대처방법으로는 크게 물리 및 화학세척, 전처리 공정 도입 등이 있다. 수십 기압이 넘는 고압에서 운전되는 특성상 역삼투법 해수담수화에서는 물리 세척을 도입하기가 어려우므로, 화학세척과 전처리 공정의 조합으로 최적의 막오염 대책을 세워야 한다.
	역삼투법 해수담수화의 전처리 공정인 압력식 모래여과의 단점은?	모래와 함께 안트라사이트와 같은 여재를 도입하여 Duel Media Filter(DMF)라고 불리기도 한다(AWWA, 2006). DMF는 경제성과 안정성을 다 갖춘 공정으로서 현재까지도 많이 활용되고 있으나, 거의 모든 상황에서 응집제와 병용되어야 한다는 것이 단점이다. 막여과 기술의 발전과 함께, 정밀여과(Microfiltration, MF)와 한외여과(Ultrafiltration, UF)도 강력한 DMF의 대안으로 떠오르고 있다.

참고문헌 (9)

김수한, 강석태, 박희경 (1998) RO를 이용한 해수담수화에 있어서의 전처리 최적화 방안, 대한환경공학회지, 20(10), pp.1367-1376.
환경부 (2008) 막여과 정수시설 설치기준 고시마련 연구, 환경부 수도정책과.
AWWA (2006) Desalination of seawater and brackish water, American Water Works Association.
Kim, S., and Hoek E.M.V. (2007) Interactions controlling biopolymer fouling of reverse osmosis membranes, Desalination 202, pp.333-342.

상세보기
Knops, F. van Hoof, S., Futselaar, H., Broens, L. (2007) Economic evaluation of a new ultrafiltration membrane for pretreatment of seawater reverse osmosis, Desalination 203. pp.300-306.

상세보기
Pearce, G.K. (2007) The case for UF/MF pretreatment to RO in sea water applications, Desalination 203, pp.286-295.

상세보기
Tuler, A., Glucina, K., Laine, J.M. (1999) Assessment of UF pretreatment prior RO membranes for seawater desalination, Desalination 125, pp.89-96.

상세보기
US EPA (2005) Membrane Filtration Guidance Manual, United States Environ-mental Protect ion Agency.
Wilf, M., and Schierach, M.K. (2001) Improved performance and cost reduction of RO seawater systems using UF pretreatment, Desalination 135, pp.61-68.

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