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문제 정의
- 따라서 한정된 수자원의 효율적인 사용으로 수자원의 낭비를 최소화하여야 한다. 본 연구에서는 침지식 막여과 공정을 최종방류수 처리시스템에 도입하여 강화된 법적기준을 만족시키고 처리수의 재활용을 통해 회수율 99 % 이상의 정수공정을 달성하고자 하였다.
- 본 연구는 인천 4개 정수장 중 팔당수계를 취수원으로 사용하는 인천시 N-정수장을 대상으로 강화된 방류수 수질기준을 준수하기 위한 것으로 최종방류수의 수질특성과 침지식 막여과 공정 도입 가능성을 검토하였다. N-정수장은 시설용량 542,000 m3/day로 이루어져 있으며 급속사여과를 주요 처리 공정으로 적용한 정수장이다.
- N-정수장의 1차, 2차 실험을 통하여 고분자유기응집제 존재 시 역세공정이 없는 경우 막오염이 쉽게 발생하는 것을 확인하였으며, 고분자유기 응집제가 함유되지 않은 원수의 경우 막여과 성능에 어떠한 차이를 발생시키는지 확인하기 위해 추가 실험을 진행하였다.
- 본 연구는 2013년부터 법적으로 강화된 폐수종말처리시설의 방류수 수질기준을 만족시킴과 동시에 인천시 N-정수장 최종방류수의 재처리 시스템으로써 막여과 공정 도입의 타당성을 검토하고자 추진되었다. 시스템의 경제성과 수질의 안정성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 2차 실험은 9분 여과, 1분 정지, 배출(1일 주기), 5분 연속 폭기의 방식으로 운전하였으며 회수율은 약 89 %였다.
- 침지형 막여과 시스템의 운전은 두 가지 조건으로 나누어 진행하였다. 1차 실험은 9분 여과, 1분 역세척(처리수+폭기), 배출(1일 주기), 10분 연속 폭기의 방식으로 운전하였으며 회수율은 약 87 %였다.
- 침지형 막여과 시스템의 운전은 두 가지 조건으로 나누어 진행하였다. 1차 실험은 9분 여과, 1분 역세척(처리수+폭기), 배출(1일 주기), 10분 연속 폭기의 방식으로 운전하였으며 회수율은 약 87 %였다. 2차 실험은 9분 여과, 1분 정지, 배출(1일 주기), 5분 연속 폭기의 방식으로 운전하였으며 회수율은 약 89 %였다.
- 막여과 유입원수의 특성 및 침지식 막여과의 여과성능을 알아보고자 막여과 유입원수, 침지막 농축수, 최종처리수를 각각 주 3회 시료 채취 후 분석하였으며 먹는 물 수질공정시험기준에 의거하여 탁도(2100AN, HACH), TOC·DOC(TOC-V CSH, Shimadzu), UV254(Cary 300, Varian), 철·망간·칼슘·마그네슘·알루미늄(Opitma5300DV, perkinElmer)을 각각 분석하였고 SS는 Standard Method에 따라 실험하였다.
- 여과시스템의 운전에 필요한 Flux 측정을 위해 pilot plant에 설치된 전자 유량계를 이용하여 여과유량을 측정하였고, KONICS사의 압력계와 협성계기사의 아날로그 온도계를 이용하여 압력과 온도를 각각 측정하였다. 연속적인 pH 측정을 위해 pH meter(천세, CRYSTAL P-808SE)를 이용하였으며 탁상용 pH meter(Thermo Orion)를 이용하여 온라인 pH meter의 작동상태를 수시로 확인하였다.
- 여과시스템의 운전에 필요한 Flux 측정을 위해 pilot plant에 설치된 전자 유량계를 이용하여 여과유량을 측정하였고, KONICS사의 압력계와 협성계기사의 아날로그 온도계를 이용하여 압력과 온도를 각각 측정하였다. 연속적인 pH 측정을 위해 pH meter(천세, CRYSTAL P-808SE)를 이용하였으며 탁상용 pH meter(Thermo Orion)를 이용하여 온라인 pH meter의 작동상태를 수시로 확인하였다.
- 막여과 유입원수의 Total organic carbon (TOC) 변화와 막간차압(TMP)의 상관성을 중점 적으로 알아보고자 침지막 농축조 상부 0.5 m지점에 TOC온라인연속측정기(TOC-2010, Shimadzu)의 유입부를 연결하여 5분 간격으로 24시간 모니터링하였다. 막여과 유입원수의 특성 및 침지식 막여과의 여과성능을 알아보고자 막여과 유입원수, 침지막 농축수, 최종처리수를 각각 주 3회 시료 채취 후 분석하였으며 먹는 물 수질공정시험기준에 의거하여 탁도(2100AN, HACH), TOC·DOC(TOC-V CSH, Shimadzu), UV254(Cary 300, Varian), 철·망간·칼슘·마그네슘·알루미늄(Opitma5300DV, perkinElmer)을 각각 분석하였고 SS는 Standard Method에 따라 실험하였다.
- 본 pilot plant는 인천시 N-정수장 최종방류 수를 원수로 하여 처리하는 침지형 MF 분리막 시스템으로 역세와 폭기 방식에 따라 조건을 나누어서 운전하였다. 그리고 고분자 유기 응집제의 함유에 따른 막여과 성능을 평가하였다.
- N-정수장은 고분자 유기응집제가 농축조 분배조에 상시로 유입되고 있는 원수로 운전조건을 달리하여 1차, 2차 실험을 진행하였다. N-정수장의 최종 방류수에 첨가된 고분자 유기응집제는 OCI-SNF사의 YANGFLOC제품(A-231- PH, 중음이온성)으로 25 ℃에서 원액점도는 650 ~ 1000 cps이다.
- 투과율은 여과 flux를 TMP로 나눈 값(LMH/bar)으로 일정한 여과 압력에서의 단위 투과 유량을 나타낸다. 세정효율은 화학세정 전, 후의 투과율을 운전 초기의 투과율로 나누어 산출하였다. 유기물 세정 후의 회복 값은 초기 운전 값 대비 투과율이 93.
- 침지식 막여과를 이용한 여과수의 수질을 확인하기 위해 먹는물 수질 기준 58 항목을 분석한결과 모든 항목에서 수질 기준 이내로 분석되었다. Table 15의 현황에서 보듯이 침지막 유입원수로 사용되는 방류량이 탈수기동에서 사용하는 여포세정수량보다 항상 많이 발생하고 있다.
- 주요 실험 장치는 가로, 세로, 높이가 각각 880 mm, 880 mm, 1,520 mm인 아크릴 재질의 사각 농축조에 침지형 정밀여과막 카트리지 모듈을 내부에 장착하여 최종 방류수를 Outside-in 방식으로 연속 처리되도록 구성하였으며 공정 구성은 Fig. 3과 같다. 여과 시스템은 ( 주)에코니티에서 제공한 PE 재질의 침지형 중공사막을 사용하였으며 전량여과(Dead-end flow)방식으로 운전하였다.
대상 데이터
- 본 pilot plant는 인천시 N-정수장 최종방류 수를 원수로 하여 처리하는 침지형 MF 분리막 시스템으로 역세와 폭기 방식에 따라 조건을 나누어서 운전하였다. 그리고 고분자 유기 응집제의 함유에 따른 막여과 성능을 평가하였다.
- 추가 실험이 진행된 곳은 인천의 G-정수장으로 풍납 취수장을 취수원으로 하고 있다. 급속여과지를 주 공정으로 하고 있으며 농축조에는 혼화/응집지의 슬러지와 여과지 배출수가 포함되어 있다.
이론/모형
- 3과 같다. 여과 시스템은 ( 주)에코니티에서 제공한 PE 재질의 침지형 중공사막을 사용하였으며 전량여과(Dead-end flow)방식으로 운전하였다. 막에 대한 특징은 Table 2과 같다.
성능/효과
- 2차 실험의 결과, 1차 실험에 비해 TMP상승은 0.001 bar/day에서 0.008 bar/day로 약 8배 높게 이루어졌는데 역세공정에 의한 오염물질 제거기능이 큰 운전 변수로 작용하였다고 할수 있다. 또한 정수장 배출수를 처리하는 막여과 공정에서 공기세정만으로는 막오염 저감에 대한 효과가 낮다고 판단되었다.
- 008 bar/day로 약 8배 높게 이루어졌는데 역세공정에 의한 오염물질 제거기능이 큰 운전 변수로 작용하였다고 할수 있다. 또한 정수장 배출수를 처리하는 막여과 공정에서 공기세정만으로는 막오염 저감에 대한 효과가 낮다고 판단되었다.
- 본 연구를 통해 배출수의 막여과 공정에서 역세공정의 적용 시 TMP상승률이 감소하는 결과를 얻어 세정 주기를 길게 가질 수 있는 안정적인 운전조건을 확인하였으나, 전체 회수율이 2% 감소하는 것으로 나타났다.
- G-정수장의 TMP상승률는 0.0026 bar/day 로 N-정수장의 0.008 bar/day에 비하여 약 1/3배의 차이가 발생하였으며 원수의 변화에 따른 막오염 정도의 차이가 발생함을 확인하였다. Table 5에서 보듯이 두 원수의 입자성 물질 및 무기물의 농도는 비슷하나 유기물의 농도에서 차이가 발생함을 확인할 수 있었다.
- 두 정수장에서 진행한 실험 결과, 고분자 유기응집제가 투입되지 않은 정수장 배출수의 경우 막여과 시스템을 통하여 안정된 운전조건을 가질 수 있음을 확인하였다. TMP의 증가율을 낮게 유지함으로써 약품세정의 주기를 늘려 분리막의 수명을 증대시킬 수 있고, 약품 주입량 및 세정공기량을 절감하여 운영 유지비용(전기 비+약품소모비)의 감소를 가져오게 되어 경제성 있는 운전 시스템을 완성할 수 있음을 확인하였다.
- 두 정수장에서 진행한 실험 결과, 고분자 유기응집제가 투입되지 않은 정수장 배출수의 경우 막여과 시스템을 통하여 안정된 운전조건을 가질 수 있음을 확인하였다. TMP의 증가율을 낮게 유지함으로써 약품세정의 주기를 늘려 분리막의 수명을 증대시킬 수 있고, 약품 주입량 및 세정공기량을 절감하여 운영 유지비용(전기 비+약품소모비)의 감소를 가져오게 되어 경제성 있는 운전 시스템을 완성할 수 있음을 확인하였다.
- 052 bar 이었다. 운전 40일 후 flux와 TMP가 각각 0.292 m/d, 0.364 bar인 시점에서 화학적 세정을 하였으며 Table 7의 결과에서 분리막의 투과율(permeability)이 화학적 세정 후 100% 초기 운전 값으로 회복되었다. 투과율은 여과 flux를 TMP로 나눈 값(LMH/bar)으로 일정한 여과 압력에서의 단위 투과 유량을 나타낸다.
- 세정효율은 화학세정 전, 후의 투과율을 운전 초기의 투과율로 나누어 산출하였다. 유기물 세정 후의 회복 값은 초기 운전 값 대비 투과율이 93.9% 회복되었고, 마지막 무기물 세정 후의 투과율의 추가 회복은 6.1 %를 달성하였다. 이러한 사실을 미루어 간접적으로 막오염 물질의 대부분을 차지하는 성분이 유기물이라고 해석되었으며, 잔여 유기물 및 무기물 오염물질은 산세정을 통해 완전히 제거되었음을 확인 할 수 있었다.
- 이러한 사실을 미루어 간접적으로 막오염 물질의 대부분을 차지하는 성분이 유기물이라고 해석되었으며, 잔여 유기물 및 무기물 오염물질은 산세정을 통해 완전히 제거되었음을 확인 할 수 있었다.
- 유기물질의 제거율과 화학세정 결과를 통하여 수중의 유기물이 막오염의 주요 원인임을 확인하였으며, 그 유기물의 주요성분은 콜로이드 상태의 유기물을 함유하고 있는 고분자 유기응집제로 해석되었다.
- 또한 Table 12에서 정리한 결과 용존된 상태로 농축조에 유입된 만큼 분리막을 통하여 유출된다. Al이온의 경우 정수장의 혼화/응집공정의 배슬러지에서 발생하며 고농도 존재시 막오염을 유발 할 수 있으나, 본 시스템에서는 원수 및 농축 수에서 평균 0.1 mg/L이하로 존재하여 막오염에 영향을 주지 않았다. 경도 유발물질인 Ca, Mg도 Fig.
- 1 mg/L이하로 존재하여 막오염에 영향을 주지 않았다. 경도 유발물질인 Ca, Mg도 Fig. 12과 같이 낮게 유입됨을 확인하였고, 분리막을 통하여 유입된 만큼 유출된다. 역시 Table 12를 통하여 확인할 수 있듯이 N-정수장의 원수 대비 침지막조 안의 무기물 농도 농축이 실험기간 동안 발생하지 않은 점을 통하여 무기물 농축은 일어나지 않는 것을 연속적으로 확인 하였다.
- 1. 막여과 시스템의 운전방법을 역세공정을 달리하여 2가지 형태로 실험을 진행한 결과, 역세 공정 적용 시 미적용 공정보다 TMP 상승률이 1/8배 낮게 유지되었으며 고분자유기 응집제가 함유되지 않은 원수에서는 더욱 막오염 현상이 감소하여 안정적인 운전이 가능함을 확인하였다. 화학적 세정 후 100 % 초기 운전 값으로 회복되었으며 유기물에 의한 fouling이 거의 대부분을 차지한다고 판단되었다.
- 막여과 시스템의 운전방법을 역세공정을 달리하여 2가지 형태로 실험을 진행한 결과, 역세 공정 적용 시 미적용 공정보다 TMP 상승률이 1/8배 낮게 유지되었으며 고분자유기 응집제가 함유되지 않은 원수에서는 더욱 막오염 현상이 감소하여 안정적인 운전이 가능함을 확인하였다. 화학적 세정 후 100 % 초기 운전 값으로 회복되었으며 유기물에 의한 fouling이 거의 대부분을 차지한다고 판단되었다.
- 2. 수온의 저하로 농축조의 슬러지가 부상됨에 따라 유입원수의 탁도와 SS가 높게 유지되어도 침지식막 여과수의 수질은 평균 탁도 0.08 NTU이하이며 SS 0.0 mg/L 로 안정하게 처리되었다.
- 3. 처리수의 TOC 제거율이 평균 60 %으로 유기물이 완전히 용존 되어 있지 않는 콜로 이드(colloid) 상태로 존재함을 간접적으로 추측할 수 있어 분리막의 fouling에 영향을 준 것으로 판단되었다.
- 4. 단기적으로 실험하였을 경우의 무기물들은 막여과 처리 전과 후의 농도 차이가 없는 것으로 측정되었으며 최종방류수를 처리함에 있어 막 오염에 주는 영향이 유기물에 비하여 미비함을 알 수 있었다.
- 5. 농축조의 용량부족과 강화된 법적기준을 만족시키기 위해 막여과 설비를 도입할 경우 여타의 여과설비보다 장기적으로 수질의 안정성을 확보할 수 있다.
후속연구
- Table 15의 현황에서 보듯이 침지막 유입원수로 사용되는 방류량이 탈수기동에서 사용하는 여포세정수량보다 항상 많이 발생하고 있다. 따라서 침지막을 사용하여 생산된 여과수를 1차적으로 저장조에 보관한 후, 탈수기 가동시 필요한 세정수로 재활용하고 잉여 생산수는 정수장 관내의 조경용수로 활용 한다면 회수율 99 % 이상의 시스템을 달성할 수 있으리라 생각되어진다.
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