[논문]해수담수화 전처리 및 역삼투막여과 공정의 유기물 제거특성

김동관; 최준석; 이창규; 김진호; 최정학; 이원태

doi:10.4491/ksee.2014.36.7.492

해수담수화 전처리 및 역삼투막여과 공정의 유기물 제거특성
Removal Characteristics of Organic Matters in Pretreatment and Reverse Osmosis Membrane Processes for Seawater Desalination 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.36 no.7, 2014년, pp.492 - 497

김동관 (금오공과대학교 토목환경공학부) , 최준석 (한국건설기술연구원) , 이창규 (한국건설기술연구원) , 김진호 (에코니티) , 최정학 (부산카톨릭대학교 환경공학과) , 이원태 (금오공과대학교 토목환경공학부)

초록
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해수담수화 시설에서 전처리와 역삼투막(reverse osmosis, RO) 공정의 유기물 제거특성을 살펴보고, 유기물의 특성변화가 막오염 지수에 미치는 영향을 조사하였다. 연구에서 비교된 전처리 공정은 다중여재여과(dual media filter, DMF), 가압형 정밀여과(MF), 침지형정밀여과(SMF) 이다. 유기물의 특성변화를 알아보기 위해 원수와 공정별 처리수의 탁도, $UVA_{254}$, DOC, size exclusion chromatography (SEC), fluorescence excitation emission matrix (FEEM), transparent exopolymer particles (TEP) 등을 분석하였다. 이온성 물질과 무기물 항목은 전처리 공정의 종류에 관계없이 처리되지 않았고 RO공정을 거치면서 99% 이상 제거되었다. 유기물에 의한 막오염에 큰 영향을 미치는 소수성 유기물은 전처리를 통해 상대적으로 제거가 용이하였다. 전처리 공정의 유기물 제거율은 막여과 공정(MF, SMF)이 기존 DMF 공정에 비해 높았다. 처리수내 유기물의 농도가 감소할수록 막오염지수 중 하나인 silt density index (SDI) 값도 감소하였다. MF로 전처리한 경우 SDI값이 가장 낮게 나타났는데, 처리수 내의 $0.1-0.4{\mu}m$ TEP 농도가 MF와 SMF 막오염지수의 차이와 상관관계를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated removal characteristics of organic matters in pretreatment and reverse osmosis (RO) membrane processes for seawater desalination. Also, the influence of the changes in characteristics of organic matters on the membrane fouling was assessed. The pretreatment processes included dual media filtration (DMF), pressurized membrane filtration (MF), and submerged membrane filtration (SMF). Turbidity, UV absorption at 254 nm, dissolved organic carbon, size exclusion chromatography (SEC), fluorescence excitation emission matrix (FEEM), and transparent exopolymer particles (TEP) in raw and processed waters were analyzed. Ions and minerals were not removed by any pretreatment process tested, but were removed over 99% through the RO membrane process. Hydrophobic organics, which can play major role in organic membrane fouling, were relatively readily removed compared with hydrophilic ones. Membrane based pretreatment such as MF and SMF exhibited better removals of organics than conventional DMF. As the levels of organics in pretreated water decreased, the silt density index (SDI) decreased. MF treated water exhibited the lowest SDI value; this is possibly due to the lowest TEP ($0.1-0.4{\mu}m$) concentrations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

14,15) 따라서 TEP에 의한 점성은 막오염에 영향을 끼칠 우려가 있다고 판단되어 본 연구에서 분석을 실시하였다. TEP 중 0.
본 연구에서는 해수담수화 공정에서 전처리와 역삼투막여과 공정의 유기물 제거 특성을 살펴보았다. 또한, 이러한 유기물의 특성변화가 막오염 지수에 미치는 영향에 대하여 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
하지만 국내에서는 이러한 대형 RO막 엘리먼트를 활용한 해수담수화 공정의 전처리에 대한 연구나 정보가 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 16-inch RO 막을 활용한 해수담수화시설의 전처리별 유기물 제거 특성을 살펴보고 이러한 유기물의 특성변화가 RO막의 운전특성에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.

제안 방법

(UV Absorbance at 254 nm), size exclusion chromatography (SEC), fluorescence excitation emission matrix (FEEM), transparent exopolymer particles (TEP) 항목을 측정하였다. DOC와 UVA₂₅₄는 GF/F필터(Whatman, USA)로 여과시킨 후 각각 TOC-V_CPH(Shimadzu, Japan)와 UV spectrophotometer (HS3300, Humas, Korea)를 이용하여 측정하였다. SEC는 HPLC (Younglin, Korea)를 사용하여 측정하였다.
유기물은 UV 검출기(UV730D, Younglin, Korea)로 254 nm에서 실시하였다. FEEM은 Shimaduz RF5301 (Japan)을 사용하고 xenon lamp를 광원으로 하여 slit은 10 nm, excitation 파장은 220 nm에서 400 nm까지, emission 파장은 250~600 nm까지 변화시켜 분석하였다. TEP는 alcian blue 8GX (Standard Fluka, USA)를 staining solution으로 사용하여 실험을 하였다.
막오염지수(SDI)의 차이가 큰 이유를 살펴보기 위해 MF와 SMF 처리수의 유기물 특성변화를 관찰하였다. 먼저 두 처리수의 콜로이드성 입자의 크기분포를 살펴보았다.
막오염지수(SDI)의 차이가 큰 이유를 살펴보기 위해 MF와 SMF 처리수의 유기물 특성변화를 관찰하였다. 먼저 두 처리수의 콜로이드성 입자의 크기분포를 살펴보았다. Fig.
일반적인 수질항목인 pH (Orion A325, Thermo Fisher Scientific, USA), 탁도(Hanna, USA), 전기전도도(Orion A2, Thermo Fisher Scientific, USA), 이온 물질 농도 등은 분석기기로 분석하였다. 양이온과 무기물은 ICP-OES (Varian 720ES, USA)를 이용하여 측정하였다. Standard solution은 Merck사의 ICP multi-element standard solution IV (Cat.
111355)를 사용하였다. 염소이온(Cl^-)은 희석한 후 ion chromatography (Dionex ICS 2100, USA)로 분석하였다.
일반적인 수질항목 외에 유기물의 특성을 알아보기 위해 용존유기탄소(dissolved organic carbon, DOC), UVA₂₅₄ (UV Absorbance at 254 nm), size exclusion chromatography (SEC), fluorescence excitation emission matrix (FEEM), transparent exopolymer particles (TEP) 항목을 측정하였다. DOC와 UVA₂₅₄는 GF/F필터(Whatman, USA)로 여과시킨 후 각각 TOC-V_CPH(Shimadzu, Japan)와 UV spectrophotometer (HS3300, Humas, Korea)를 이용하여 측정하였다.
일반적인 수질항목인 pH (Orion A325, Thermo Fisher Scientific, USA), 탁도(Hanna, USA), 전기전도도(Orion A2, Thermo Fisher Scientific, USA), 이온 물질 농도 등은 분석기기로 분석하였다. 양이온과 무기물은 ICP-OES (Varian 720ES, USA)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

DOC와 UVA₂₅₄는 GF/F필터(Whatman, USA)로 여과시킨 후 각각 TOC-V_CPH(Shimadzu, Japan)와 UV spectrophotometer (HS3300, Humas, Korea)를 이용하여 측정하였다. SEC는 HPLC (Younglin, Korea)를 사용하여 측정하였다. 실험에 사용된 컬럼은 Waters Protein-Pak 125 Column (10 μm, 7.
사용된 막은 모두 중공사 형태로 가압형 MF막(Econity Co., Ltd., Korea)은 polyvinylidene fluoride (PVDF) 재질로 공극(pore size)은 0.1 μm, OD/ID는 1.2/0.7 mm이다.
실험에 사용된 원수는 수심이 깊으며 조석 간만의 차가 적어 수온 및 수질 변화가 적은 부산광역시 기장군의 앞바다에서 취수하였고, 원수의 수질은 Table 1과 같다. 기본 항목의 값은 2012년 1월부터 2013년 7월까지의 평균값이다.
실험에 사용된 컬럼은 Waters Protein-Pak 125 Column (10 μm, 7.8 × 300 mm)이 사용되었고, 이동상은 증류수 4 L에 Na2HPO4 (1.135671 g), NaH2PO4 ․ H2O (1.103938 g), NaCl (23.37899 g)을 용해하여 만들었다.
8 mL/min로 설정하였고 시료의 주입량은 20 μL이었다. 유기물은 UV 검출기(UV730D, Younglin, Korea)로 254 nm에서 실시하였다. FEEM은 Shimaduz RF5301 (Japan)을 사용하고 xenon lamp를 광원으로 하여 slit은 10 nm, excitation 파장은 220 nm에서 400 nm까지, emission 파장은 250~600 nm까지 변화시켜 분석하였다.

이론/모형

막오염 정도를 파악하고 막오염 현상을 방지하기 위한 전처리 공정을 평가하기 위해 SDI와 MFI (modified fouling index) 등의 막오염지수를 사용한다.^11,12) 본 연구는 막오염지수로 SDI를 사용하였는데, 운전기간 동안의 원수와 각 공정별 처리수의 SDI 값은 Fig.

성능/효과

1) 이온성 물질과 무기물 항목은 전처리 공정의 종류에 관계없이 처리되지 않았고 RO공정을 거치면서 99% 이상 제거가 되었다.
일반적으로 유기물의 농도가 높을수록 SDI 값도 높게 나타난다.¹²⁾ 그러나, 단순히 유기물의 농도증가로 설명하기에는 MF와 SMF 처리수의 유기물 농도 차에 비해 SDI 값의 차가 크게 나타났다.
2) 막오염에 더 큰 영향을 미치는 소수성 유기물은 전처리를 통해 상대적으로 제거가 용이하였다. 전처리 공정의 유기물 제거율은 막여과 공정(MF, SMF)이 기존 DMF 공정에 비해 높았다.
3) 전처리 공정별 유기물 제거특성과 막오염지수 중 하나인 SDI값의 상관관계를 볼 때, 유기물의 농도가 감소할수록 SDI값도 감소하였으며, 특히 MF로 전처리한 경우 SDI값이 가장 낮게 나타났다. 유기물의 특성중 콜로이드성 물질의 크기분포와 humic acid 등 구성성분의 차이는 MF와 SMF 막오염지수의 차이에 크게 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다.
막오염은 해수 중의 유기물이나 입자성 물질 또는 미생물이 막 표면이나 기공에 부착되어 수류를 방해하며 발생하게 된다.⁵⁾ 그 중 유기물은 서로 다른 물리^․화학적 특성을 가지고 있어 적은 농도에서도 막 표면에 흡착되어 심각한 막오염을 일으키게 되며^,6) pH 및 2가 양이온(Ca²⁺) 변화에 영향을 받아 일정 조건하에서 막 오염을 더 가속화 시킬 수 있다.⁷⁾
평균 37,765 mg/L이었던 원수의 TDS값은 RO공정을 거치며 186 mg/L로 99% 이상의 제거율을 보였다. Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, B, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd, Ba 등의 이온성 물질과 무기물 항목도 전처리 공정에서는 별다른 변화가 없었으나 RO막을 통과하면서는 99% 이상 제거가 되는 것을 확인할 수 있었다.
RO공정으로 유입되는 유량은 평균 50 m³/hr이었으며 공정을 통과해 생산되는 유량은 20 m³/hr 정도로 RO공정의 회수율은 약 40%로 나타났다. 이온성물질, EC, TDS 등의 농도는 예상대로 DAF, DMF, MF, SMF 전처리 공정에서는 뚜렷한 감소가 보이지 않았고, RO 공정을 통과하면서 대부분 제거되는 것을 볼 수 있었다.
전처리 공정의 유기물 제거율은 막여과 공정(MF, SMF)이 기존 DMF 공정에 비해 높았다. RO공정을 통과하며 DOC와 UVA254가 평균값 기준 80% 이상 제거되었고, 여기서도 소수성 유기물의 제거율이 높게 나타났다.
4μm)보다 작기 때문인 것으로 판단된다. RO공정을 통과하면 DOC나 UVA254의 값이 평균 80% 이상 제거되었고, 여기서도 소수성 유기물의 제거율이 다소 높게 나타났다.
4에 나타나 있다. SDI 평균값은 원수 4.56 (n = 15), DAF 4.36 (n = 20), DMF 3.43 (n = 20), SMF 2.97 (n = 12), MF 1.15 (n = 24)로 MF를 통과하며 SDI값이 크게 낮아졌다. 이것은 MF가 탁도와 용존유기물질을 다른 공정에 비해 효율적으로 제거한 것 때문으로 판단된다.
이 결과는 SMF 처리수가 MF처리수에 비해 막오염을 일으킬 가능성이 더 높음을 설명할 수 있다. TEP 값이 감소할수록 막오염지수인 SDI도 함께 감소하여 TEP 제거가 막오염 저감에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 다만, MF와 SMF공정간 막오염지수의 차이는 두 공정의 운전상의 차이보다는 막 공극 차이에 의한 영향이라 판단된다.
5는 원수와 SMF, MF 공정 처리수의 분자량분포도를 나타낸다. 실험결과 원수 중에는 100~1,000 dalton의 크기를 가진 유기물이 가장 많은 비중을 차지하였으며, 100 dalton 이하의 크기를 가진 유기물도 일부 차지하는 것을 확인할 수 있다. 전처리 공정인 MF와 SMF를 통과하면서 분자량 크기에 관계없이 절대값이 다소 낮아지는 것을 관찰할 수 있었으며 특히 100~1,000 dalton의 크기를 가진 유기물질이 많이 제거됨을 알 수 있었다.
3). 원수의 UVA₂₅₄는 평균 0.010(표준편차 0.004)에서 DMF, SMF, MF를 통과하며 각각 13%, 19%, 23% 제거되었고, DOC는 평균 1.30 mg/L(표준편차 0.38)에서 SMF, MF를 통과하며 각각 6%, 9% 제거되었다(Fig. 3). 전처리를 통한 용존성유기물질의 제거 효과는 미미하였으나 RO 막오염에 더 큰 영향을 미치는 소수성 유기물은 상대적으로 제거가 용이 하였음을 알 수 있다.
유기물 농도를 나타내는 척도인 UVA₂₅₄와 DOC 값도 전처리를 통해 다소 낮아지는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3). 원수의 UVA₂₅₄는 평균 0.
유기물의 특성을 확인하기 위해 실시한 FEEM 실험 결과, emission 260 nm, excitation 450 nm 부근의 polyaromatic humic acid¹³⁾를 관찰할 수 있었으며 MF와 SMF 공정을 통과하면서 humic acid가 일정부분 제거가 되는 것을 볼 수 있었다. 하지만, MF와 SMF 간의 차이점은 뚜렷하지 않았다(Fig.
3) 전처리 공정별 유기물 제거특성과 막오염지수 중 하나인 SDI값의 상관관계를 볼 때, 유기물의 농도가 감소할수록 SDI값도 감소하였으며, 특히 MF로 전처리한 경우 SDI값이 가장 낮게 나타났다. 유기물의 특성중 콜로이드성 물질의 크기분포와 humic acid 등 구성성분의 차이는 MF와 SMF 막오염지수의 차이에 크게 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다. 전처리된 처리수 내의 0.
4 μm)의 막 공극 크기 차이 때문으로 판단된다. 이 결과는 SMF 처리수가 MF처리수에 비해 막오염을 일으킬 가능성이 더 높음을 설명할 수 있다. TEP 값이 감소할수록 막오염지수인 SDI도 함께 감소하여 TEP 제거가 막오염 저감에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
/hr 정도로 RO공정의 회수율은 약 40%로 나타났다. 이온성물질, EC, TDS 등의 농도는 예상대로 DAF, DMF, MF, SMF 전처리 공정에서는 뚜렷한 감소가 보이지 않았고, RO 공정을 통과하면서 대부분 제거되는 것을 볼 수 있었다. 평균 37,765 mg/L이었던 원수의 TDS값은 RO공정을 거치며 186 mg/L로 99% 이상의 제거율을 보였다.
2) 막오염에 더 큰 영향을 미치는 소수성 유기물은 전처리를 통해 상대적으로 제거가 용이하였다. 전처리 공정의 유기물 제거율은 막여과 공정(MF, SMF)이 기존 DMF 공정에 비해 높았다. RO공정을 통과하며 DOC와 UVA254가 평균값 기준 80% 이상 제거되었고, 여기서도 소수성 유기물의 제거율이 높게 나타났다.
전처리를 통한 용존성유기물질의 제거 효과는 미미하였으나 RO 막오염에 더 큰 영향을 미치는 소수성 유기물은 상대적으로 제거가 용이 하였음을 알 수 있다. 전처리 공정의 유기물 제거율은 막여과 공정인 MF와 SMF 공정이 기존 DMF 공정에 비해 높았다. MF가 SMF 공정에 비해 유기물 제거효율이 높게 나타났으나, 그 차이는 크지 않았다.
2는 2012년 1년간 모니터링 한 원수(Raw) 및 각 공정 처리수(DAF, DMF, MF, SMF)의 탁도 값을 나타낸다. 전처리 공정의 탁도제거율은 막여과 공정인 MF와 SMF 공정이 기존 DMF 공정에 비해 높았다. 탁도의 평균 값은 원수 0.
실험결과 원수 중에는 100~1,000 dalton의 크기를 가진 유기물이 가장 많은 비중을 차지하였으며, 100 dalton 이하의 크기를 가진 유기물도 일부 차지하는 것을 확인할 수 있다. 전처리 공정인 MF와 SMF를 통과하면서 분자량 크기에 관계없이 절대값이 다소 낮아지는 것을 관찰할 수 있었으며 특히 100~1,000 dalton의 크기를 가진 유기물질이 많이 제거됨을 알 수 있었다. 이것은 크기가 작은 분자량의 콜로이드 성분들이 응집에 의해 플록을 형성하며 제거되었기 때문으로 판단된다.
이온성물질, EC, TDS 등의 농도는 예상대로 DAF, DMF, MF, SMF 전처리 공정에서는 뚜렷한 감소가 보이지 않았고, RO 공정을 통과하면서 대부분 제거되는 것을 볼 수 있었다. 평균 37,765 mg/L이었던 원수의 TDS값은 RO공정을 거치며 186 mg/L로 99% 이상의 제거율을 보였다. Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, B, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd, Ba 등의 이온성 물질과 무기물 항목도 전처리 공정에서는 별다른 변화가 없었으나 RO막을 통과하면서는 99% 이상 제거가 되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

4) 본 연구에서 DAF, DMF, MF, SMF 등의 전처리 공정별 유기물 제거를 평가한 결과 MF가 가장 우수하게 나타났으나, 실제 해수담수화시설에서 전처리 공정을 적용하기 위해서는 각 시설의 여건에 맞게 전처리 공정별 비용이나 유지 관리 측면의 고려 또한 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RO 공정을 사용한 해수담수화공정이 해결해야 할 문제점은 무엇인가?	하지만 RO 공정을 사용한 해수담수화공정은 막오염에 의한 투과 플럭스(flux) 감소, 막의 제한적 수명, 세정 및 유지관리 등 해결해야 할 문제점을 가지고 있다.4) 특히 막오염은 플럭스를 감소시키고 운전 에너지 및 비용을 상승시킬 수 있어 RO 공정을 활용한 해수담수화시설에 있어 가장 중요한 문제 중 하나이다.
	막오염은 어떻게 발생하게 되는가?	4) 특히 막오염은 플럭스를 감소시키고 운전 에너지 및 비용을 상승시킬 수 있어 RO 공정을 활용한 해수담수화시설에 있어 가장 중요한 문제 중 하나이다. 막오염은 해수 중의 유기물이나 입자성 물질 또는 미생물이 막 표면이나 기공에 부착되어 수류를 방해하며 발생하게 된다.5) 그 중 유기물은 서로 다른 물리․화학적 특성을 가지고 있어 적은 농도에서도 막 표면에 흡착되어 심각한 막오염을 일으키게 되며,6) pH 및 2가 양이온(Ca2+) 변화에 영향을 받아 일정 조건하에서 막 오염을 더 가속화 시킬 수 있다.
	역삼투 방식이 다른 기술에 비해 많이 사용되는 이유는 무엇인가?	1) 2000년 이후부터 50,000 m3 이상의 중․대형 규모의 담수화 시설의 수가 증가하고 있으며, 최근 5년간 신설 또는 계획되는 해수담수화 시설의 경우 여러 가지 담수화 기술 중 역삼투(reverse osmosis, RO) 방식이 50%를 넘게 차지하며 증발법 등 다른 담수화 기술에 비하여 많이 사용되고 있다.2) 이는 RO 방식이 기존에 많이 사용되던 multi-stage flash (MSF)나 multi effect distillation (MED) 방식보다 에너지 효율이 높고 운전비용의 감소를 유도할 수 있기 때문이다.3)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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