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문제 정의
- 분리막을 이용한 하수방류수 재이용 공정이 사업성을 확보하려면 RO 전처리 MF 공정이 경제적으로 운영되어야 하며 MF의 flux를 향상시켜 초기 사업비를 낮추고 세정주기를 길게 확보하여 운영비를 절감해야 한다. flux를 높게 운전하고 세정주기를 증가시키기 위한 목적으로 본 연구에서는 MF 및 RO 분리막에 막오염을 유발하는 유기물을 MF 전단에 응집제로 응집하여 제어하였다. 가압식 MF 분리막 플럭스를 40 LMH과 60 LMH으로 구분하여 응집 전처리 전/후의 CIP주기와 TMP상승 속도를 비교하였다.
- 가압식 MF 분리막 플럭스를 40 LMH과 60 LMH으로 구분하여 응집 전처리 전/후의 CIP주기와 TMP상승 속도를 비교하였다. 또한 전처리에 따른 유기물 제거 효율 및 가압식 MF 분리막에 미치는 영향을 검토하였다.
- 본 연구에서는 하수방류수 재이용 공정 개발을 위해 응집 전처리, 가압형 MF, RO 공정을 100 톤/일 규모로 남양주 J 하수처리장에서 12개월 동안 운전하여 응집 전처리에 따른 가압식 MF 성능향상을 검토하였다.
제안 방법
- 2011년 12월부터 2012년 4월까지는 응집 전처리 없이 가압형 MF를 40 LMH로 운전하였다. 40 LMH 안정적 결과 확보 이후 플럭스를 60 LMH로 높여 무응집 조건과 PAHCS 5 ppm을 line mixer로 주입한 응집조건에서 운전하였다(Table 2). PAHCS는 폴리수산화 염화 황산알루미늄(Poly Aluminium Hydroxy Chloro Sulfate)로 알루미늄계 응집제이다.
- MF 운전은 회수율에 따라 여과시간을 조정하였고 공기와 같이 시행되는 역세(back pulse with aeration)는 1분, 원수공급과 같이 농축수를 배출하는 feed-flush는 1분 시행하였다(Table 3).
- RO 운전은 회수율 75%로 운전하였으며 MF 처리수의 CODcr 농도가 10 mg/L 이상이 되어 안정적인 RO 운전을 위해 응집 전처리에 따른 유기물 제거 효율 평가를 위한 본 연구 기간에는 설계 플럭스(17.6 LMH) 이하로 유지하였다(Table 4).
- flux를 높게 운전하고 세정주기를 증가시키기 위한 목적으로 본 연구에서는 MF 및 RO 분리막에 막오염을 유발하는 유기물을 MF 전단에 응집제로 응집하여 제어하였다. 가압식 MF 분리막 플럭스를 40 LMH과 60 LMH으로 구분하여 응집 전처리 전/후의 CIP주기와 TMP상승 속도를 비교하였다. 또한 전처리에 따른 유기물 제거 효율 및 가압식 MF 분리막에 미치는 영향을 검토하였다.
- 막여과 공정을 평가하면서 분석한 수질실험은 Table 5와 같으며 MF 분리막의 원수와 처리수의 turbidity, 온도, pH와 RO 분리막의 원수, 처리수, 농축수의 TDS는 연속적으로 측정되었다.
대상 데이터
- 2011년 12월부터 2012년 4월까지는 응집 전처리 없이 가압형 MF를 40 LMH로 운전하였다. 40 LMH 안정적 결과 확보 이후 플럭스를 60 LMH로 높여 무응집 조건과 PAHCS 5 ppm을 line mixer로 주입한 응집조건에서 운전하였다(Table 2).
- 2011년 12월부터 2013년 10월까지 남양주 J 하수처리장에서 98~14 7m3/day의 처리용량을 가진 실증 파일럿 플랜트를 운영하였다. 원수는 고도처리, 총인처리, 모래여과로 구성되어 있는 J 하수처리장 방류수를 사용 하였다.
- 본 연구에서 사용한 GE사의 ZW1500 중공사 가압식 MF 분리막과 웅진케미칼의 RE-4040FE RO 분리막 사양은 Table 1과 같다. ZW1500 가압형 MF 분리막은 하부에 원수와 공기 주입구가 있으며 상부에서 처리수가 생산되며 상부 옆에 역세수 및 농축수의 배출구가 있다.
- /day의 처리용량을 가진 실증 파일럿 플랜트를 운영하였다. 원수는 고도처리, 총인처리, 모래여과로 구성되어 있는 J 하수처리장 방류수를 사용 하였다. 전체 공정도는 Fig.
- 원수는 고도처리, 총인처리, 모래여과로 구성되어 있는 J 하수처리장 방류수를 사용 하였다. 전체 공정도는 Fig. 1과 같으며 MF 분리막의 TMP와 탁도 RO 분리막의 pressure drop과 TDS의 연속 데이터를 확보하였다.
- 1 µm 미만의 MF가 주로 선정되며 주로 침지형 MF가 선정되었다. 포항 하수 재이용사업, 인천 가좌 하수 재이용사업, 포천 재이용 사업에는 GE의 침지형 분리막과 웅진케미칼 역삼투막이 선정되었으며 대산 공업용수 재이용에는 Siemens 가압식 MF와 웅진케미칼의 역삼투막이 선정되었다.
성능/효과
- 1) 가압식 MF 40 LMH 조건에서는 응집 전처리 없이도 동절기에 회수율 94%로 운전 가능하고 응집 전처리를 통해 플럭스가 50% 향상된 60 LMH 운전이 가능한 것을 확인하였다. 가압형 MF 60 LMH 운전 시 무응집에 비해 응집 전처리를 통해 TMP 상승율이 3배 저하되는 것을 알 수 있었다.
- 무응집조건(no coagulation)에서는 8월 23일부터 8월 30일까지 8일 운전이 가능하였다. 10월 1일부터 PAHCS 5 mg/L를 Line Mixer에서 원수와 혼합하여 주입한 결과 10월 16일까지 총 16일 운전하여 무응집 조건에서보다 CIP주기가 2배 증가하 는 것을 알 수 있었다. 동일한 조건으로 응집제를 주입하여 10월 18일에서 10월 30일까지 13일 운전할 수 있었는데 이 기간 동안에는 원수의 탁도가 급격히 증가하여 초기 TMP가 10월 1일보다 높게 시작되어 이전 구간에서 16일 운전되었던 것보다는 3일 적은 13일 운전된 것으로 판단된다.
- 오염이 진행된 1단 막의 5개 element 중에 첫 번째 element와 2단막의 5개 element 중에 첫 번째 element만 분리하여 HCl 2,000 mg/L에 12시간 침적한 이후 세정 전후 농도를 측정하여 1단과 2단 오염 정도를 비교한 결과는 Table 6과 같다. 1단 RO막이 2단 RO막보다 모든 항목에서 더 높은 농도의 오염현상이 진행된 것으로 나타났다. 장기간 미운전으로 인해 배관에 생성된 유기물 및 이온성분들이 복합된 오염물질이 분리막에 침적되어 생긴 현상으로 사료된다.
- 2) 하수방류수의 유기물은 대부분 용존 유기물로 MF 공정만으로는 유기물이 효과적으로 제거되기 어렵기 때문에 용존유기물은 응집을 통해 제거효율을 높여 후단 RO 공정의 유기오염 부하를 낮추어야 한다. 응집 전처리를 통해 MF 처리수의 CODcr 제거율은 3%에서 31.
- 2와 같다. 2012년 12월 3일부터 12월 22일까지 회수율 94%로 20일, 2013년 1월 8일부터 2월 28일, 3월12일부터 4월 24일까지는 회수율 90%로 각각 52일, 43일 운전이 가능하였다. 8℃~15℃의 원수 수온에도 최대 52일 까지 0.
- 3) RO 공정에서 장기간 정지 이후 운전을 재개하였을 때 1단 pressure drop이 급격히 증가하는 현상이 나타났고 이러한 결과는 유기물과 이온물질의 복합오염물질이 1단에 RO막에 침적된 결과로 사료된다.
- Flux를 가장 높게 운전했던 Table 4의 3rd와 4th 조건에서 가장 높은 원수압이 관찰되었다. 5~7월 장기간 운전이 정지되었던 이후 5th조건이 운전이 시작된 8월 23일부터 1단 pressure drop의 급격한 증가로 인해 1단 원수압이 증가로 운전을 정지하여 8월 30일 분리막을 점검해 본 결과 Fig. 7의 좌측 사진과 같이 1단 막이 2단 막에 비해 막오염이 많이 진행된 것을 알 수 있었다.
- 2012년 12월 3일부터 12월 22일까지 회수율 94%로 20일, 2013년 1월 8일부터 2월 28일, 3월12일부터 4월 24일까지는 회수율 90%로 각각 52일, 43일 운전이 가능하였다. 8℃~15℃의 원수 수온에도 최대 52일 까지 0.3 kgf/cm2의 TMP 상승을 보여주며 안정적인 운전이 가능하였다. 원수 탁도는 하수처리장 운영에 따라 일시적으로 상승하여 TMP상승에 영향을 주고 있으나 탁도 저하 시 다시 안정적인 TMP로 회복되는 결과를 보여주고 있다.
- 4%로 증가되었다. MF의 원수는 부유물질이 거의 없었으나 응집제 주입 시 용존유기물과 응집제의 플럭이 형성되어 부유물질이 33 mg/L로 증가되는 것을 알 수 있었다.
- MF의 하수처리장 방류수 CODcr 제거율은 3%이나 응집제 5 mg/L 주입 시 CODcr 제거율이 31.4%로 증가되었다. MF의 원수는 부유물질이 거의 없었으나 응집제 주입 시 용존유기물과 응집제의 플럭이 형성되어 부유물질이 33 mg/L로 증가되는 것을 알 수 있었다.
- 1) 가압식 MF 40 LMH 조건에서는 응집 전처리 없이도 동절기에 회수율 94%로 운전 가능하고 응집 전처리를 통해 플럭스가 50% 향상된 60 LMH 운전이 가능한 것을 확인하였다. 가압형 MF 60 LMH 운전 시 무응집에 비해 응집 전처리를 통해 TMP 상승율이 3배 저하되는 것을 알 수 있었다.
- 일반적으로 분리막의 오염현상을 최소화하기 위하여 전처리로 혼화/응집/(침전)적용하지만[5] 전처리 시설이 추가될수록 부지면적, 설치시설, 약품비가 증가된다[6]. 그러나 본 연구에서 응집 전처리에 의해 가압형 MF의 플럭스는 40 LMH에서 60 LMH로 50% 향상이 가능하고 이에 따라 MF의 설치량과 소요면적의 33% 절감이 가능하다. 또한 하수방류수는 정수장과 같이 고탁도 원수가 유입되는 경우는 없기 때문에 응집 전처리 시설은 응집제와 원수를 혼화를 위한 급속혼화장치만을 요구하여 전처리에 따른 부지면적 증가가 크지 않다.
- 응집제 투입량은 jar test를 통해 용존성 유기물이 가장 많이 제거되는 결과에 따라 선정되었다. 무응집조건보다 응집제 투입조건에서 TMP 상승속도가 3배 이상 저하되는 것으로 나타났다. 무응집조건(no coagulation)에서는 8월 23일부터 8월 30일까지 8일 운전이 가능하였다.
- 2) 하수방류수의 유기물은 대부분 용존 유기물로 MF 공정만으로는 유기물이 효과적으로 제거되기 어렵기 때문에 용존유기물은 응집을 통해 제거효율을 높여 후단 RO 공정의 유기오염 부하를 낮추어야 한다. 응집 전처리를 통해 MF 처리수의 CODcr 제거율은 3%에서 31.4%로 증가하는 것을 알 수 있었으며 MF의 원수는 부유물질이 거의 없었으나 응집제 주입시 용존유기물과 응집제의 플럭이 형성되어 부유물질이 33 mg/L로 증가되는 것을 알 수 있었다. 응집제 투입에 따른 MF 처리수의 알루미늄 증가는 나타나지 않았다.
후속연구
- 또한 하수방류수는 정수장과 같이 고탁도 원수가 유입되는 경우는 없기 때문에 응집 전처리 시설은 응집제와 원수를 혼화를 위한 급속혼화장치만을 요구하여 전처리에 따른 부지면적 증가가 크지 않다. 따라서 응집 전처리를 통한 가압형 MF의 고플럭스 운전 데이터 확보가 향후 하수방류수 재이용 경제성 판단을 위해 필요하다고 판단된다.
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