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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 막여과 운영비용을 최소화하면서도 세라믹막 여과성능을 지속⋅유지할 수 있는 최적 운영인자를 도출하기 위하여 수행되었다.
- 즉, 역세척으로 인한 배출수 발생량을 최소화시키면서도 막여과 성능을 유지할 수 있는 최적 역세척 주기와 약품세척에 따른 막차압 변화 특성을 조사하여 최적의 약품세척 운영조건를 구하고자 하였다. 또한, CIP 시행에 따른 막 성능 회복률을 조사함으로서, Y 정수장의 최적 CIP 방법과 주기를 도출하고자 하였다.
- 본 논문에서는 국내 최초로 도입된 세라믹막 고도처리 정수장 운영을 통하여 운영비용을 최소화하면서도 세라믹막 여과성능을 지속⋅유지할 수 있는 세라믹 막여과공정 최적 운영조건에 대하여 다각도로 연구하였으며 아래과 같이 결론을 도출하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 막여과 운영비용을 최소화하면서도 세라믹막 여과성능을 지속⋅유지할 수 있는 최적 운영인자를 도출하기 위하여 수행되었다. 즉, 역세척으로 인한 배출수 발생량을 최소화시키면서도 막여과 성능을 유지할 수 있는 최적 역세척 주기와 약품세척에 따른 막차압 변화 특성을 조사하여 최적의 약품세척 운영조건를 구하고자 하였다. 또한, CIP 시행에 따른 막 성능 회복률을 조사함으로서, Y 정수장의 최적 CIP 방법과 주기를 도출하고자 하였다.
제안 방법
- 2013년 11월 중순이후 유지세척(CEB)을 실시하여도 막차압 회복률이 낮아지고 운영중 막차압(TMP)이 1.5kgf/cm2까지 증가됨에 따라, 막성능 회복을 위해 4계열에 대해 화학세척(CIP)을 실시하였다. 랩 테스트에서는 일반적으로 초기 운전 보정여과유속으로 막제조사에서 제시한 순수여과유량을 사용하지만, 실공정에서는 순수를 사용한 여과가 불가능하므로 정수장 막여과 시설 가동 초기의 보정여과유속을 초기 보정여과유속으로 설정하였다.
- 5월 중순 이후 물리 역세척은 5시간 간격으로 실시하였으며, CEB는 황산 3,000 mg/L로 주 2회, 차아염소산나트륨 200 mg/L로 주 1회 실시하였다. 그럼에도 불구하고 세라믹막 제조업체에서 제시한 CIP 도래 주기인 6개월이 지난 7월 이후에도 운영 막차압은 크게 증가되지는 않는 것으로 나타나 막 전처리 조건 및 CEB 운영이 제대로 이루어진다면, 주 3회만 황산 및 차아염소산나트륨 CEB가 진행되더라도 6개월 이상 세라믹막 여과성능은 유지할 수 있는 것으로 조사되었다.
- 따라서 이번 연구에서는 막여과속도(Flux)에 따른 막차압 영향을 보정하고자, 보정차압을 다음의 식 (1)을 이용하여 25°C를 기준으로 보정할 뿐 아니라, 여과유속을 설계 Flux (2.5 m3/m2⋅d)로 환산하여 막차압(TMP)을 보정하여 산출하였다.
- 따라서 조류 개체수 증가에 따른 막차압 증가를 막기 위하여 물리역세척 주기를 기존 5시간에서 4시간으로 줄여 운영하였으며, 최적 CEB 운영조건 도출을 위해 Table 5와 같이 CEB 반응시간 및 빈도 증가에 따른 막차압 회복 효과를 분석하였다. 2013년 7월부터 11월까지 CEB에 따른 막계열별 보정차압 변화를 조사한 결과는 Fig.
- 따라서 파울링에 의해 감소된 여과성능을 회복하기 위해 일정 여과 후 주기적으로 역세척을 실시한다. 역세척이란 파울링이 발생된 막을 여과 반대 방향으로 물을 통과시켜 막표면을 씻어내는 물리적인 세척 과정이다.
- 따라서, 막여과 공정에서 막오염을 방지시켜 막차압이 상승되지 않게 하기 위한 방안으로 막여과 전처리로 막오염 물질을 효율적으로 제어하는 방법과, 역세척 공정으로 막에 축적된 막오염 물질을 제거하는 하는 방법을 사용한다. 먼저 막여과 전처리로는 막여과 저항을 감소시켜 차압증가율을 감소시키고, 처리 수질을 향상시키기 위해 응집공정이 일반적으로 도입된다.
- 또한 CIP 시행 시 세척화학약품 온도에 의한 막성능 회복률에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 1계열에서 3계열까지는 Heater를 이용하여 온도를 30~35°C로 유지시킨 반면, 4계열 경우 Heating 없이 10°C에서 화학약품 온도를 달리하여 CIP 시행 후 막성능 회복률을 비교하였다.
- 또한 화학세척 시 화학 반응 효율을 증대시키기 위해 Heater를 이용하여 약품 온도를 30°C 이상 유지시켰으나, 한 계열에 대해서는 화학약품 온도에 따른 막성능 회복률 차이 여부를 파악하기 위하여 가열하지 않고 화학세척을 실시하였다.
- 또한, Y 정수장 세라믹막 차압이 운영 10개월이 넘어서면서 CEB를 실시하여도 막차압 회복률이 낮아지고, 운영 중 막차압(TMP)이 화학세척을 실시해야 하는 조건인 1.5 kgf/cm2까지 증가됨에 따라, CIP 조건에 따른 막성능 회복률을 조사하였다.
- 이후 15일에서 30일 간격으로 막여과지속시간을 30분 또는 1시간 간격으로 점차 증가시켜가면서, 여과지속시간에 따른 막차압(Trans-membrane Pressure, TMP) 변화와 물리역세척 및 유지세척(CEB) 이후 막차압 변화를 보정차압을 이용하여 구하였다. 막여과 전처리 공정은 원수 수질변화에 따라 오존 또는 차아염소산나트륨을 0.8 2.5 mg/L의 범위에서 주입하였으며, 응집제(A-PAC : Al2O3 10%)는 수질에 따라 2.0, 2.5 mg/L(as Al2O3)로 차등 주입하였다.
- 보정여과유속은 다음의 식 (1)과 같이 약품세척 완료 후 여과유량, 막차압, 수온을 고려하여 구하였으며, 약품세척 회복률은 다음의 식 (2)와 같이 보정여과유속을 초기 운전 보정여과유속과 비교하여 계산하였다.
- 수돗물을 공급하고 있는 실공정에서 CEB 효과를 분석하기 위하여, CEB 전후의 막차압 변화를 조사하여 여과성능 회복률을 평가하였다. 세척 약품으로는 막에 부착된 철, 망간, 알루미늄 제거에 효과적인 황산(3,000mg/L)과 미생물 겔층 및 휴민질과 같은 유기물 제거에 효과적인 차아염소산나트륨(200 mg/L)을 사용하였으며, 계절별 원수 수질변화에 따른 최적 CEB 조건을 도출하고자, 약품별로 CEB 주기를 변화시키면서 막차압 회복률 변화를 조사하였다. CEB의 효과에 영향을 미치는 조건은 약품 종류와 농도 및 반응시간이다.
- 수돗물을 공급하고 있는 실공정에서 CEB 효과를 분석하기 위하여, CEB 전후의 막차압 변화를 조사하여 여과성능 회복률을 평가하였다. 세척 약품으로는 막에 부착된 철, 망간, 알루미늄 제거에 효과적인 황산(3,000mg/L)과 미생물 겔층 및 휴민질과 같은 유기물 제거에 효과적인 차아염소산나트륨(200 mg/L)을 사용하였으며, 계절별 원수 수질변화에 따른 최적 CEB 조건을 도출하고자, 약품별로 CEB 주기를 변화시키면서 막차압 회복률 변화를 조사하였다.
- 따라서 운영 초기에는 막제조사(Metawater)에서 보장한 막여과지속시간인 2시간으로 설정하였다. 이후 15일에서 30일 간격으로 막여과지속시간을 30분 또는 1시간 간격으로 점차 증가시켜가면서, 여과지속시간에 따른 막차압(Trans-membrane Pressure, TMP) 변화와 물리역세척 및 유지세척(CEB) 이후 막차압 변화를 보정차압을 이용하여 구하였다. 막여과 전처리 공정은 원수 수질변화에 따라 오존 또는 차아염소산나트륨을 0.
- CEB의 효과에 영향을 미치는 조건은 약품 종류와 농도 및 반응시간이다. 하지만 약품 농도에 따른 효과분석은 배출수 처리공정 등 다른 공정에 문제점을 야기할 위험성이 높아 실공정에서 적용이 곤란하여 설계 시 제시된 농도를 사용하였다.
대상 데이터
- 세라믹막 CIP 시 1단계 산세척 약품으로는 1% 구연산을, 2단계 알칼리 세척 약품으로는 0.3% 차아염소산나트륨을 사용하였으며[15], 충분한 세척을 위해 약품별 세척시간은 15시간 이상 확보하였다. 또한 화학세척 시 화학 반응 효율을 증대시키기 위해 Heater를 이용하여 약품 온도를 30°C 이상 유지시켰으나, 한 계열에 대해서는 화학약품 온도에 따른 막성능 회복률 차이 여부를 파악하기 위하여 가열하지 않고 화학세척을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 막 전처리공정 운영 시 평상시 수질 조건에서 막 역세척으로 인한 배출수 발생량을 최소화시키면서도, 막여과성능을 유지할 수 있는 최적 여과지속시간(역세척 주기)은, Y 정수장 시설용량(16,000 m3) 기준 시 최적 여과지속시간은 4.0시간으로 나타났다.
- 1단계인 1% 구연산을 이용한 산세척 단계에서 평균 막성능 회복률은 약 8.3%로 조사되었으며 비교적 낮은 회복률을 나타내었다. 하지만 1단계 구연산 세정을 통해 세라믹막에 부착된 알루미늄을 포함한 대부분의 무기오염물들이 제거된 것으로 판단되며, 세정폐액 내 무기오염물질 농도 분석결과는 Table 7과 같다.
- 2) 유지세척(CEB)을 통해 역세척으로 제거되지 않는 비가역적 파울링 물질을 제거하여 차압증가속도를 낮출 수 있으나, 화학세척(CIP)과 같이 파울링 물질을 완전하게 제거하여 차압을 초기차압으로 회복할 수 없기 때문에 서서히 차압이 증가하는 것으로 조사되었다. 원수중 조류 개체수 증가 시에는 biofouling에 의한 막차압 상승을 억제하기 위하여 차아염소산나트륨 CEB 횟수를 증가시켜 운영하여야 하며, CEB 실시 후에도 보정 막차압이 0.
- 2단계 0.3% 차아염소산나트륨을 사용한 알칼리 세척 결과, 구연산 세정에 비해 무기오염물 제거 효과는 크지 않으나, 막성능 회복률은 4계열로 제외하면 평균 100% 이상으로 구연산 세정에 비해 높은 것으로 매우 조사되어 막차압 상승 원인이 무기물보다 유기물에 의한 파울링 영향이 더 높음을 알 수 있었다.
- 3) 막 파울링 발생 원인물질은 원수 수질특성에 따라 달라지며, 일반적으로 소수성 유기물질에 의한 막파울링 더 많이 발생된다고 알려져 있지만, Y 정수장 원수와 같이 연중 조류농도가 높아 polysaccharides 농도가 높은 경우 친수성 유기물질에 의해 막파울링 많이 발생하는 것으로 나타났다.
- 4) 화학세척(CIP)에 따른 막성능 회복력은 구연산을 사용할 경우 막성능 회복률은 13.7%로 낮은 반면, 무기오염물질 특히 망간이 효과적으로 제거하는 것으로 나타났으며, 차아염소산나트륨을 사용한 경우 유기성 막 오염물질을 효과적으로 제거시킬 수 있는 것으로 나타났다. 또한 화학세척(CIP) 시 화학약품 온도에 따른 막성능 회복률 차이를 조사한 결과, 약품 온도가 막성능 회복률에 미치는 영향이 매우 크며 약품 온도가 높을수록 막성능 회복률이 향상되는 것으로 조사되었다.
- Table 6에서 볼 수 있듯이 화학약품 온도를 30~35°C로 유지시킨 1~3계열의 막성능 회복률은 평균 100% 이상인데 반해, 화학약품 온도가 10°C였던 4계열의 막성능 회복률은 18.2%로 조사되어, CIP 시행 시 세척화학약품 온도가 막성능 회복률에 미치는 영향은 매우 크며, 세척화학약품 온도가 높을수록 막성능 회복률이 증가되는 것으로 조사되었다.
- 결론적으로 CEB를 수행 시 역세척으로 제거되지 않는 비가역적 파울링 물질이 제거되어 차압증가속도를 낮출 수 있으나, 화학세척(CIP)과는 달리 파울링 물질을 완전하게 제거하여 차압을 초기값으로 회복시킬수 없기 때문에 서서히 차압이 증가하는 것으로 조사되었다. 아울러 CEB 실시 후에도 보정 막차압이 0.
- 그러나 막여과지속시간을 5시간으로 증가시켜 운영 시에도 보정차압(온도 25°C, 여과유속 2.5 m3/m2⋅d)을 조사한 결과, 여과시간 종료시점에는 차압이 상승하였으나, 주기적인 유지세척(CEB)을 통하여 차압이 여과초기 값으로 회복되어 점진적인 막차압 증가는 없는 것으로 조사되었다.
- 5월 중순 이후 물리 역세척은 5시간 간격으로 실시하였으며, CEB는 황산 3,000 mg/L로 주 2회, 차아염소산나트륨 200 mg/L로 주 1회 실시하였다. 그럼에도 불구하고 세라믹막 제조업체에서 제시한 CIP 도래 주기인 6개월이 지난 7월 이후에도 운영 막차압은 크게 증가되지는 않는 것으로 나타나 막 전처리 조건 및 CEB 운영이 제대로 이루어진다면, 주 3회만 황산 및 차아염소산나트륨 CEB가 진행되더라도 6개월 이상 세라믹막 여과성능은 유지할 수 있는 것으로 조사되었다.
- 따라서 막오염의 주요 원인으로 판단되는 조류를 제거하기 위해 차아염소산나트륨 CEB 횟수를 기존 주 1회에서 주 2회로 증가시켜 운영한 결과, 차압 증가율이 다소 감소되었다.
- 따라서 실공정 운영에서 수돗물 일생산량에 따른 여과 운영 속도를 반영하여 최적 막여과지속시간을 보정하여 구한 결과, Y 정수장 시설용량(16,000 m3/일) 생산 기준 시(2.0 m3/m2⋅d) 여과지속시간은 4.0시간으로 나타났다.
- 이는 UF 공정에서 polysaccharides 물질이 주된 막 오염 유발물질로 작용한다라고 보고한 Amy와 Cho의 연구내용과도 같다[19]. 따라서 친수성 유기오염물질 제거에 효과적인 차아염소산나트륨을 이용한 CIP에 의해 막성능 회복률이 높았던 것으로 판단되며, 이는 차아염소산나트륨이 무기성 또는 소수성 유기오염물질 제거보다는 친수성 유기오염물 제거에는 산 또는 수산화나트륨보다 효과적이라는 Strugholtz의 연구내용과도 일치한다[20].
- 그러나, 막여과지속시간을 6시간으로 증가시켜 운영한 이후부터는 여과차압 상승 뿐 아니라, 유지세척(CEB) 후에도 차압이 완전하게 회복되지 않아 점진적인 차압 증가가 발생되는 것으로 조사되었다. 따라서 평상시 수질 조건하에서는 역세척으로 인한 배출수 발생량을 최소화시키면서 막여과성능을 유지할 수 있는 최적 여과지속시간(역세척 주기)은 5시간인 것으로 조사되었다.
- 7%로 낮은 반면, 무기오염물질 특히 망간이 효과적으로 제거하는 것으로 나타났으며, 차아염소산나트륨을 사용한 경우 유기성 막 오염물질을 효과적으로 제거시킬 수 있는 것으로 나타났다. 또한 화학세척(CIP) 시 화학약품 온도에 따른 막성능 회복률 차이를 조사한 결과, 약품 온도가 막성능 회복률에 미치는 영향이 매우 크며 약품 온도가 높을수록 막성능 회복률이 향상되는 것으로 조사되었다.
- 막 제조사(Metawater)에서 보장한 여과시간인 2시간을 기준으로 20일에서 30일 간격으로 30분 또는 1시간씩 최대 6시간까지 증가시켜 운영한 결과, 4시간까지는 유량 변화(1.5~3.0 m3/m2⋅d)에도 막차압의 큰 상승 없이 0.15~0.30 kgf/cm2 범위 내에서 안정적으로 유지되었다.
- 세라믹막 제조업체(일본 Metawater사)의 제안에 따르면 알루미늄 성분의 막오염 물질을 효율적으로 제거하기 위해서는 산을 이용한 유지세척(CEB) 용액의 pH가 2 정도이어야 한다. 실험실 또는 이론적으로 pH 2를 맞추기 위한 황산 주입농도는 900 mg/L이나, 실공정에서는 희석 및 반응에 의한 소모를 고려하여 모든 막 모듈 내의 pH를 2 이하로 안정적으로 유지하기 위하여 훨씬 높은 농도인 황산 3,000 mg/L을 주입한 후 모듈별로 pH를 측정한 결과 모듈별로 다소 차이가 있으나, 모든 모듈이 pH 1.8 이하인 것으로 확인되었다(Table 4).
- 우선 약품 침지시간을 기존 15분에서 30분으로 증가시켜 막차압 회복률을 조사한 결과, 침지시간 15분 이상에서는 침지시간 증가에 따른 효과가 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서 막오염의 주요 원인으로 판단되는 조류를 제거하기 위해 차아염소산나트륨 CEB 횟수를 기존 주 1회에서 주 2회로 증가시켜 운영한 결과, 차압 증가율이 다소 감소되었다.
- 2) 유지세척(CEB)을 통해 역세척으로 제거되지 않는 비가역적 파울링 물질을 제거하여 차압증가속도를 낮출 수 있으나, 화학세척(CIP)과 같이 파울링 물질을 완전하게 제거하여 차압을 초기차압으로 회복할 수 없기 때문에 서서히 차압이 증가하는 것으로 조사되었다. 원수중 조류 개체수 증가 시에는 biofouling에 의한 막차압 상승을 억제하기 위하여 차아염소산나트륨 CEB 횟수를 증가시켜 운영하여야 하며, CEB 실시 후에도 보정 막차압이 0.3 kgf/cm2 이하로 회복이 되지 않는 시점부터는 빠른 막차압 증가가 예상되므로 CIP를 실시할 준비를 해야 하는 것으로 나타났다.
- 1과 같다. 자연수중의 용존유기물은 물에 대한 친화도에 따라 친수성물질과 소수성물질로 구분하는데, Y 정수장 원수 NOM 특성 분석결과 소독부산물 전구물질로 알려진 소수성물질인 휴믹물질(Humics)이 35%를 차지하고 있으며 친수성물질이 65%이며, 친수성물질 중 조류와 박테라아 등 미생물로 인해 기인하는 Polysaccharides 성분이 14%로 매우 높은 것으로 조사되었다.
- 그러나 CEB 횟수를 증가시킬수록 차압증가율은 감소되나 막차압이 초기값으로 회복되지 않는 것으로 조사되었다. 특히 막여과 시설을 운영한지 9개월이 지난 2013년 10월 이후에는 황산 CEB를 2회/주 및 차아염소산나트륨 CEB를 2~3회/주 실시하여도 전체적인 차압은 지속적으로 증가되었으며, CEB 실시후에도 보정 막차압이 0.3 kgf/cm2 이하로 회복이 되지 않는 것으로 나타났다.
- 하지만 1단계 구연산 세정을 통해 세라믹막에 부착된 알루미늄을 포함한 대부분의 무기오염물들이 제거된 것으로 판단되며, 세정폐액 내 무기오염물질 농도 분석결과는 Table 7과 같다. 특히 세정폐액 중의 망간농도는 306 mg/L로 매우 높은 농도로 검출되었으며, 구연산 세정폐액 중의 망간농도를 폐액량을 곱하여 양으로 환산하면 4.6 kg으로 막 1계열 여과면적이 2,000 m2임을 고려할 때, 막여과 면적(m2)당 2.3 g의 망간이 산화 흡착되어 막 파울링을 일으킨 것으로 조사되었다. 반면에 세정폐액 내 우려되었던 알루미늄 농도는 82 mg/L로 높지 않아 잔류 알루미늄에 의한 파울링은 크게 발생되지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
- 또한 1, 2계열의 경우 원수 중 조류개체수 증가와 더불어 막차압이 상승하기 시작한 9월초에 3, 4계열에 비해 먼저 차아염소산나트륨 CEB 횟수를 늘려 운영하였기 때문에 polysaccharides에 의한 막파울링이 감소되어 차압상승률이 상대적으로 낮은 것으로 판단된다. 따라서 하절기 조류 농도 상승시에는 차아염소산나트륨 CEB 횟수를 증가시켜 운영함이 막차압 관리에 효과적이라 판단되며, 향후 조류 농도 상승 초기 차아염소산나트륨 CEB 강화에 따른 효과분석을 수행할 계획이다.
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