본 연구는 RO해수담수화 전처리 공정으로써 응집 및 여과공정에 대하여 수행되었다. RO 시스템은 충분하고 안정적인 전처리를 통하여 RO 막오염을 완화 할 수 있는 우수한 수질을 공급할 수 있어야 한다. 본 실험은 RO 막 공정의 전처리로서 다양한 응집제 주입량, 응집 교반 강도 및 시간, 탁도, 여과속도 실험 조건을 사용하여 응집과 여과공정의 효과를 조사하기 위하여 수행되었다. 본 연구 결과 적합한 RO 공급수로 적절한 SDI 값을 나타내기 위한 최적 전처리 조건은 응집 pH 6.5, 탁도 4 NTU 이상 그리고 여재 충진 높이가 550 mm 이상인 것으로 나타났다. 그러나 응집교반 강도, 응집제 주입농도와 여과속도는 여과효율에 비교적 큰 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다.
본 연구는 RO 해수담수화 전처리 공정으로써 응집 및 여과공정에 대하여 수행되었다. RO 시스템은 충분하고 안정적인 전처리를 통하여 RO 막오염을 완화 할 수 있는 우수한 수질을 공급할 수 있어야 한다. 본 실험은 RO 막 공정의 전처리로서 다양한 응집제 주입량, 응집 교반 강도 및 시간, 탁도, 여과속도 실험 조건을 사용하여 응집과 여과공정의 효과를 조사하기 위하여 수행되었다. 본 연구 결과 적합한 RO 공급수로 적절한 SDI 값을 나타내기 위한 최적 전처리 조건은 응집 pH 6.5, 탁도 4 NTU 이상 그리고 여재 충진 높이가 550 mm 이상인 것으로 나타났다. 그러나 응집교반 강도, 응집제 주입농도와 여과속도는 여과효율에 비교적 큰 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다.
This research is focused on coagulation and sand filtration process as a pretreatment of RO seawater desalination. RO systems require sufficient and reliable pretreatment process to produce superior quality of RO feedwater that can mitigate RO membrane fouling. This experiment was conducted to inves...
This research is focused on coagulation and sand filtration process as a pretreatment of RO seawater desalination. RO systems require sufficient and reliable pretreatment process to produce superior quality of RO feedwater that can mitigate RO membrane fouling. This experiment was conducted to investigate the effectiveness of coagulation and filtration process under various experimental conditions including different coagulant dose, flocculation mixing intensity and time, turbidity, and filtration rate. The experimental results showed that the optimum pretreatment conditions resulting in lower SDI value suitable for RO feedwater were coagulation pH 6.5, raw water turbidity greater than 4 NTU, and media bed depth greater than 550 mm. However, flocculation mixing intensity, coagulant dose, and filtration rate relatively affected little on the filtration efficiency.
This research is focused on coagulation and sand filtration process as a pretreatment of RO seawater desalination. RO systems require sufficient and reliable pretreatment process to produce superior quality of RO feedwater that can mitigate RO membrane fouling. This experiment was conducted to investigate the effectiveness of coagulation and filtration process under various experimental conditions including different coagulant dose, flocculation mixing intensity and time, turbidity, and filtration rate. The experimental results showed that the optimum pretreatment conditions resulting in lower SDI value suitable for RO feedwater were coagulation pH 6.5, raw water turbidity greater than 4 NTU, and media bed depth greater than 550 mm. However, flocculation mixing intensity, coagulant dose, and filtration rate relatively affected little on the filtration efficiency.
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문제 정의
따라서 본 연구는 RO 유입수에 적합한 수질을 위한 전처리로서 응집 및 여과공정에 주된 영향을 미치는 응집제 주입농도, 교반조건, 응집 pH 및 여과속도와 여재층 높이를 달리하여 저탁도의 해수원수 특성에 적합한 응집과 여과 조건을 도출하고자 하였다.
제안 방법
Jar test에서의 급속교반과 완속교반의 교반강도를 각각 250 rpm (G = 550 sec-1 at 20℃) 과 45 rpm (G = 40 sec-1 at 20℃)으로 모든 실험에서 동일하게 하였으며, 급속교반 및 완속교반 시간은 각각 1분과 10분으로 실험을 하였다. Kim 등16)은 저탁도 해수원수에 대한 응집-여과 실험에서 완속교반 시간을 2~5분으로 하였을 때 완속교반 시간은 여과효율에 큰 영향을 미치지 못하다고 보고한 바 있으며, 이러한 이유로 본 연구에서는 floc 형성에 충분한 시간을 제공하기 위하여 완속교반 시간을 10분으로 설정하였다.
3,5) 또한 현재 국내에서는 정수용 철염 응집제가 거의 생산되고 있지 않기 때문에 대부분의 해수 담수화 RO 플랜트에서는 알루미늄염 응집제를 사용하고 있는 실정이다. 그리고 본 연구에서 사용된 동일한 해수와 FeCl3을 사용한 연구가16) 이미 수행된 바가 있기 때문에 본 연구에서는 alum 응집제를 사용하였다.
0 NTU 이하로 나타났다. 따라서 본 연구의 응집과 여과 실험에 사용된 alum 주입농도는 탁도의 안정화가 시작되는 부분인 6 mg/L와 alum 주입농도가 높을 때의 응집 효율을 비교하기 위하여 alum 주입량 10 mg/L를 각각 선정하였다.
4에 나타내었다. 유입 원수의 탁도는 0.5 NTU이며 교반 시간은 급속 1분 그리고 완속 10분의 조건으로 운전하였다. Alum 주입농도 6 mg/L의 조건에서 완속교반 강도가 45 및 60 rpm일 때 SDI 평균값은 각각 5.
2에 나타내었다. 응집 pH는 황산으로 pH를 조절한 pH 6.5와 별도의 pH 조절을 하지 않은 8.0의 2가지 실험 조건을 선정하였으며, 사용된 pH 조건은 예비실험 결과와본 실험과 동일한 해수와 FeCl3 응집제를 사용한 선행 연구 결과를 참고하였다.16) Fig.
7에 나타내었다. 응집 조건은 응집 pH 6.5, alum 주입농도 6 mg/L, 완속교반 강도를 45 rpm 으로 동일하게 하였으며 원수의 탁도는 여과조 역세척수를 이용하여 인위적으로 4.56 NTU로 증가시켜 실험하였다. 여과속도에 따른 여과효율을 나타낸 Fig.
일반적으로 RO 막의 전처리 여과공정에서는 Anthracite와 모래를 이용한 이층 여과를 주로 사용하지만 본 연구에서는 모래만 이용한 단일 여과조를 사용하였다. 이층 여과와 단일 여과공정을 비교한 Zouboulis 등17)의 연구결과에 따르면 수질적인 측면에 있어서는 큰 차이가 없는 것으로 보고 하였다.
하루 사용 후 남은 dosing solution은 모두 버리고 실험할 때마다 다시 제조하여 사용하였다. 최적 alum 주입농도를 결정하기 위해 Jar test를 이용한 예비 응집실험을 실시하였고 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 응집 pH는 황산으로 pH를 조절한 pH 6.
대상 데이터
0 NTU 이하로 낮은 편이다. 본 실험에 사용된 해수 채수 지점은 2013년 준공 예정인 45,000 m3/day 규모의 해수담수화플랜트에 근접하여 위치해있다.
본 연구에 사용된 해수 원수는 부산시 기장군 앞바다의 수심 5 m 지점의 해수를 채취하여 사용하였으며 그 수질 특성을 Table 1에 나타내었다. 본 실험에 사용된 해수는 여름에는 수온이 20℃까지 상승하며 겨울에는 5℃까지 낮아진다.
본 연구에서 사용된 부산광역시 기장지역은 45,000 m3/day규모의 RO 플랜트가 가동 예정에 있는 곳으로서, 해수원수의 탁도는 강우빈도가 높은 여름을 제외하고는 평균 1.0 NTU 이하로 매우 낮은 편이다. 이러한 낮은 탁도는 floc 형성 시 입자간 충돌 빈도가 낮기 때문에 응집 효율에 긍정적이지 못하다.
본 연구에서는 Al계 응집제로, alum Al2(SO4)3 •16H2O (Fluka, Swiss)을 사용하였으며, 실험에 사용하기 전 0.25 M (as alum) stock solution을 제조 후 실험 하루 전 초순수를 사용하여 10 g/L (as alum)로 희석한 dosing solution을 사용하였다.
예비실험에 사용한 Jar test 실험기기는 6개의 교반장치를 갖춘 것으로 Phipps and Birds사의 Jar tester를 사용하였으며, 임펠러는 paddle (two-blade) 형식으로서 크기는 75 mmW ×25 mmL 이다.
응집실험에서 사용된 Jar는 115 mmW × 115mmL × 210 mmH인 정방향 2 L 사각 Jar를 사용하였다.
이론/모형
따라서 본 연구는 RO 유입수에 적합한 수질을 위한 전처리로서 응집 및 여과공정에 주된 영향을 미치는 응집제 주입농도, 교반조건, 응집 pH 및 여과속도와 여재층 높이를 달리하여 저탁도의 해수원수 특성에 적합한 응집과 여과 조건을 도출하고자 하였다. 본 연구에서는 응집-여과 공정에 의한 RO 공급수의 수질을 평가하는 지표로서 탁도 및 SDI 지수를 사용하였다.13,14) 특히 본 연구에서는 해수의 응집제로서 alum을 사용하였다.
성능/효과
여과속도에 따른 여과효율을 나타낸 Fig. 7(a)를 살펴보면 여과속도 5 및 10 m/h에 대한 여과수의 SDI 평균값은 각각 3.23 및 3.40으로 나타나 큰 차이는 없는 것으로 조사되었으며, 또한 두 조건 모두 여과수의 탁도는 0.1 NTU 이하로 나타났다. 여과속도에 따른 수두손실의 변화를 비교한 결과인 Fig.
1) 응집-여과 공정을 이용하여 RO 막의 공급수에 적합한 수질(SDI < 4.0)을 얻기 위해서는 응집조건 중 응집 pH와 원수의 탁도가 중요한 요인으로 나타났으며, 본 실험에 사용된 응집제 농도(6~10 mg/L)와 완속교반 강도의 영향은 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
RO막은 1가 이온을 포함해서 99% 이상의 염 분리능을 가지기 때문에 RO막 유입 입자상 물질들은 RO막의 fouling을 유발시켜 플럭스(flux) 감소 및 여과수의 수질을 악화시킬 수 있고, 이러한 입자상 물질들의 제거는 전처리에 전적으로 의존하므로 전처리 과정은 매우 중요하다.1,2) RO공정 전처리로써 가장 많이 활용되는 공정은 막 여과 공정과 재래식 전처리 공정인 입상여과(Granular Media Filtration) 공정이 있다. 수질 측면에서는 막 여과 공정이 RO 공급수의 안정적인 수질을 확보하는데 유리하나3) 입상여과 공정은 높은 비용이 들지 않는다는 장점이 있다.
2) 여과속도는 수두손실에는 큰 영향을 미쳤으나 여과수의 수질에 미치는 영향은 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
3) 여과조 여재 충진 높이는 해수원수의 탁도가 적절할때 여재층 550 mm 이상에서 SDI 값이 약 4.0으로 낮게 나타났으나, 저탁도 해수원수를 사용할 경우 여재층 높이가 충분하더라도 만족할 만한 SDI 값을 나타내지 못하였다.
4) 응집-여과 공정을 이용한 저탁도 해수원수의 처리 시 RO 막의 공급수에 적합한 수질(SDI < 4.0)을 얻기 위해서는 여과조 역세척수의 첨가를 통한 원수 탁도의 조절이 매우 효과적인 것으로 나타났다.
1 NTU 이하로 나타났다. Alum 주입 농도 영향에서는 alum 주입농도가 증가할수록 평균 SDI 값 또한 일부 낮아진 것으로 나타났지만 그 값의 차이가 0.24~0.34로 매우 작게 나타났다. 따라서 최적의 alum 주입농도를 결정할 때 alum 농도를 6~10 mg/L 범위에서 선택 가능하리라 판단된다.
1 NTU 이하로 나타났다. 그러나 pH 8.0 및 6.5 조건에서 여과수의 SDI 값을 비교하면 pH 8.0에서 alum 주입농도가 6 및 10 mg/L의 경우 SDI 평균값은 각각 5.25및 5.15로 나타났으며, pH 6.5 조건에서는 alum 농도 6 및 10 mg/L에서 SDI 평균값은 각각 4.87 및 4.86으로 나타나 pH 8.0 조건에 비해 다소 낮은 SDI 값을 보였다. 본 연구의 실험조건인 pH 6.
49로 나타나 큰 차이를 보이지 않았다. 동일한 조건에서 alum 주입농도 10 mg/L의 조건에서는 완속교반 강도가 45 및 60 rpm일 때 SDI 평균값은 각각 5.15 및 5.29로 나타났다. 그러나 사용된 2가지 응집제 농도에서 여과조 여과수의 탁도는 모두 0.
20) 또한 Amirtharajah는21) 응집 대상 입자들의 수가 적을 때 floc간의 상호 충돌 빈도가 현저히 감소된다고 하였다. 따라서 본 연구 결과에서는 floc 형성에 영향을 미치는 완속교반 강도는 저탁도 원수에서 응집여과 효율 개선에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
37로 나타났다. 따라서 원수 탁도가 0.5~2.5 NTU 일 때는 여과수의 SDI 값은 거의 변화가 없었으며, 원수의 탁도를 3.5 NTU 이상으로 증가 시켰을 때 SDI 값이 4.0 이하로 감소한 것으로 나타났다. 앞서 언급된 바와 같이 응집여과 효율을 증가시키기 위해서 탁도는 중요한 요인이며 본 연구결과에서도 탁도가 증가할수록 응집-여과 효율의 개선이 두드러지게 나타났다.
또한 완속교반 강도의 영향에서는 45 rpm일 때 SDI 평균 값은 60 rpm에 비하여 다소 감소하였지만 그 값의 차이가 0.14~0.24 정도로 매우 낮게 나타나 여과효율에 미치는 완속교반 강도의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 본 연구에서 사용된 해수의 낮은 탁도(0.
0 조건에 비해 다소 낮은 SDI 값을 보였다. 본 연구의 실험조건인 pH 6.5 및 8.0 은 sweep floc 응집 범위에 있지만 더 낮은 응집 pH 조건에서 낮은 SDI 값을 얻었다. 이러한 이유는 주입된 alum의 가수분해가 응집 pH에 따라 달라지기 때문인데, 일반적으로 pH가 더 낮은 조건에서는 고분자 알루미늄 가수분해종이 생성될 기회가 더 크며 이러한 고분자 가수분해종은 전하 중하의 효과가 더 크다고 알려져 있다.
0 이하로 감소한 것으로 나타났다. 앞서 언급된 바와 같이 응집여과 효율을 증가시키기 위해서 탁도는 중요한 요인이며 본 연구결과에서도 탁도가 증가할수록 응집-여과 효율의 개선이 두드러지게 나타났다. 특히 4.
Voutchkov3)는 적합한 여재의 충진 높이를 결정함에 있어서 여재의 충진 높이와 유효경의 비가 1,500 이상이면 적합하다는 경험식을 제시한바 있다. 이 식에 따르면 본 실험에서 사용된 유효경 0.45 mm의 여재에 적합한 충진 높이는 675 mm이며, 본 연구에서 원수 탁도 4.56 NTU에서 실험한 결과 여재의 충진 높이 550 mm에서 SDI 값은 약 4.0으로 나타났다. 그러나 저탁도 해수원수를 사용 하였을 경우 여재의 충진 높이가 충분히 높더라도 만족할만한 SDI 값을 얻을 수 없었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
RO공정 전처리에 가장 많이 활용되는 공정은 무엇인가?
RO막은 1가 이온을 포함해서 99% 이상의 염 분리능을 가지기 때문에 RO막 유입 입자상 물질들은 RO막의 fouling을 유발시켜 플럭스(flux) 감소 및 여과수의 수질을 악화시킬 수 있고, 이러한 입자상 물질들의 제거는 전처리에 전적으로 의존하므로 전처리 과정은 매우 중요하다.1,2) RO공정 전처리로써 가장 많이 활용되는 공정은 막 여과 공정과 재래식 전처리 공정인 입상여과(Granular Media Filtration) 공정이 있다. 수질 측면에서는 막 여과 공정이 RO 공급수의 안정적인 수질을 확보하는데 유리하나3) 입상여과 공정은 높은 비용이 들지 않는다는 장점이 있다.
해수담수화란 무엇인가?
최근 국내에서도 대체 상수원으로써 해수의 이용에 많은 관심을 가지고 있으며 물이 부족한 도서지역을 대상으로 해수 담수화 설비를 확충하고 있다. 해수담수화는 해수로부터 염분 등을 제거하여 담수를 얻는 탈염 기술로써 최근 가장 경제적인 RO (Reverse Osmosis) 탈염공정이 가장 널리 사용 되고 있다. RO막은 1가 이온을 포함해서 99% 이상의 염 분리능을 가지기 때문에 RO막 유입 입자상 물질들은 RO막의 fouling을 유발시켜 플럭스(flux) 감소 및 여과수의 수질을 악화시킬 수 있고, 이러한 입자상 물질들의 제거는 전처리에 전적으로 의존하므로 전처리 과정은 매우 중요하다.
본 연구에 사용된 해수 원수인 부산시 기장군 앞바다의 계절별 수온 특징은?
본 연구에 사용된 해수 원수는 부산시 기장군 앞바다의 수심 5 m 지점의 해수를 채취하여 사용하였으며 그 수질 특성을 Table 1에 나타내었다. 본 실험에 사용된 해수는 여름에는 수온이 20℃까지 상승하며 겨울에는 5℃까지 낮아진다. pH는 8.
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