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문제 정의
- 본 연구에서는 2014년 막여과 고도정수시설을 도입하여 현재까지 운영중인 I 정수장의 막간차압(Trans-membrane Pressure, TMP)과 막여과 유속(Membrane Flux) 자료, 유입수질 자료 등의 분석을 통해 유입원수에 포함된 막오염 물질이 막여과 시설의 운영효율에 미치는 영향을 검토하였다. 또한 발생된 막오염으로 저하된 막여과 시설의 효율을 회복하기 위해 수행한 관리세정(Chemical enhanced backwash) 및 약품세정(Clean in Place, CIP) 결과검토를 통해 주요 막오염 원인 물질의 규명과 효율적인 유지관리 방안을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 2014년 막여과 고도정수시설을 도입하여 현재까지 운영중인 I 정수장의 막간차압(Trans-membrane Pressure, TMP)과 막여과 유속(Membrane Flux) 자료, 유입수질 자료 등의 분석을 통해 유입원수에 포함된 막오염 물질이 막여과 시설의 운영효율에 미치는 영향을 검토하였다. 또한 발생된 막오염으로 저하된 막여과 시설의 효율을 회복하기 위해 수행한 관리세정(Chemical enhanced backwash) 및 약품세정(Clean in Place, CIP) 결과검토를 통해 주요 막오염 원인 물질의 규명과 효율적인 유지관리 방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 33 mg/L의 망간이 유입된 이후에 차압이 급격하게 상승하였다. 16년 10월과 11월에는 유입 망간농도가 약 0.17, 0.1 mg/L이었으나 응집제 과다주입 이후, 급격하게 막간차압이 상승하여 관리세정을 실시 하였다. 응집제가 과다로 주입된 시기부터 2일간 상승된 막간차압을 Table 4에 나타냈다.
- 79 kgf/cm2의 차압이 상승하였으나 응집제의 과다 투입시기부터 막간차압의 상승이 더욱 가속화 된 것으로 확인되었다. 2회차는 관리세정 직후에 응집제가 과다 주입되었으며 이후 계열별 막간차압이 약 1 kgf/cm2을 초과하여 관리세정 이후 1주일만에 관리세정을 재수행 하였다. 관리세정 이후 0.
- 2017년 4월 수행된 약품세정의 회복율 검토를 위해 이전 수행된 약품세정(2016년 2월) 후 가동시점 초기의 운전조건 및 약품세정 전, 각 단계별 약품세정 후의 막간차압 및 회복율을 Table 6에 제시하였다. 3계열로 구성된 막여과 시설의 약품세정은 현장여건을 고려하여 계열별 순차적으로 실시하였다. 각 계열은동일한 기간동안 운전되었으나 계열별 막간차압은 상이하며 3계열이 1.
- , TOC, Fe,Mn, Al에 대한 수질분석을 실시하였으며 수질분석 결과를 Table 5에 나타내었다. PAHCS를 응집제로 사용하며 혼화/응집-침전 공정 처리수가 막여과 공정의 유입수로 적용되며 원수부터 막여과 공정까지의 항목별 처리수질을 확인하였다. 기본 감시항목인 탁도는 처리수가 0.
- 2회차는 관리세정 직후에 응집제가 과다 주입되었으며 이후 계열별 막간차압이 약 1 kgf/cm2을 초과하여 관리세정 이후 1주일만에 관리세정을 재수행 하였다. 관리세정 이후 0.1 ~ 0.25 mg/L 농도의 Mn이 유입되어 전계열의 막간차압이 약 1.2 kgf/cm2로 상승되어 약 3주 만에 관리세정을 수행하였으며 이후 발생한 3회차의 응집제 과다투입으로 인해 전계열 막간차압이 1 kgf/cm2을 초과하여 관리세정을 수행하였다. 2016년 11월 이후 시점으로 약품세정은 수행하지 않았으며 관리세정으로 회복된 막간차압 조건에서 금번 약품세정을 수행한 2017년 4월까지 약 5개월간 연속적으로 운전되었다.
- 막여과시설의 운영 및 원수 내 망간유입에 따른 막 오염의 발생과 막간차압 상승으로 계열별 목표처리수량을 만족하지 못할 경우, 각 계열별 순차적으로 약품 세정을 진행하였다. 약품세정은 해당계열의 운전을 정지하여 3-5회의 물리세척을 실시한 후, 산과 염기를 이용하여 단계별로 세정을 진행하였다.
- 망간과 잔류 응집제로 인해 막오염이 발생되며 이로 인해 막간차압이 상승하고 막여과 시설의 효율을 저하시킴을 하였다. 하지만 실제 운영중인 정수시설의 여건상 막오염을 유발하는 망간 및 잔류응집제 농도에 대한 정확한 기준을 제시하기는 어려우나 망간 및 잔류 응집제가 단독으로 존재할 경우 막오염을 발생하는 원인물질로 작용하게 됨을 확인하였으며 복합적인 요소에 따라 저농도에서도 막오염을 가중시킬수 있음을 확인하였다.
- 약품세정은 해당계열의 운전을 정지하여 3-5회의 물리세척을 실시한 후, 산과 염기를 이용하여 단계별로 세정을 진행하였다. 물리세척은 역세(60초)와 배수(60초)를 1cycle로 막여과유속의 1.5배(평시 1.4 m3/m2･일, 물리세척 유속 2.1 m3/m2･일)의유속으로 물리세척을 실시하였다. 약품세정은 염산(HCl, 15,000 mg/L) 또는 구연산(Citric acid, 30,000mg/L)을 이용해 1차 산세정을 실시하며 투과 및 순환을 각 1.
- 5시간씩 실시하였다. 알칼리세정은 차아염소산 나트륨(NaOCl, 3,000 mg/L)을 이용해 1차 산세정과동일한 시간조건으로 투과 및 순환 공정을 수행한 후, 염산(HCl, 15,000 mg/L)을 이용한 2차 산세정을 실시하였다. 약품세정을 종료한 후에는 수세공정을 통해 막모듈 및 배관에 남아있는 약품을 세정하였으며 수 세정 배출수의 pH가 5.
- 약품세정 수행시점인 2017년 4월의 공정별 수질 특성 조사를 위해 탁도 및 전기전도도, UV254, TOC, Fe,Mn, Al에 대한 수질분석을 실시하였으며 수질분석 결과를 Table 5에 나타내었다. PAHCS를 응집제로 사용하며 혼화/응집-침전 공정 처리수가 막여과 공정의 유입수로 적용되며 원수부터 막여과 공정까지의 항목별 처리수질을 확인하였다.
- 1 m3/m2･일)의유속으로 물리세척을 실시하였다. 약품세정은 염산(HCl, 15,000 mg/L) 또는 구연산(Citric acid, 30,000mg/L)을 이용해 1차 산세정을 실시하며 투과 및 순환을 각 1.5시간씩 실시하였다. 알칼리세정은 차아염소산 나트륨(NaOCl, 3,000 mg/L)을 이용해 1차 산세정과동일한 시간조건으로 투과 및 순환 공정을 수행한 후, 염산(HCl, 15,000 mg/L)을 이용한 2차 산세정을 실시하였다.
- 막여과시설의 운영 및 원수 내 망간유입에 따른 막 오염의 발생과 막간차압 상승으로 계열별 목표처리수량을 만족하지 못할 경우, 각 계열별 순차적으로 약품 세정을 진행하였다. 약품세정은 해당계열의 운전을 정지하여 3-5회의 물리세척을 실시한 후, 산과 염기를 이용하여 단계별로 세정을 진행하였다. 물리세척은 역세(60초)와 배수(60초)를 1cycle로 막여과유속의 1.
- 알칼리세정은 차아염소산 나트륨(NaOCl, 3,000 mg/L)을 이용해 1차 산세정과동일한 시간조건으로 투과 및 순환 공정을 수행한 후, 염산(HCl, 15,000 mg/L)을 이용한 2차 산세정을 실시하였다. 약품세정을 종료한 후에는 수세공정을 통해 막모듈 및 배관에 남아있는 약품을 세정하였으며 수 세정 배출수의 pH가 5.8~8.5 이내 일 경우 수세정을 종료하였다. 운영기간 중 적용된 관리세정은 약품세정에 적용된 약품의 종류 및 세정조건은 동일하게 수행되었으나 약품 농도를 약품세정 대비 1/6로 희석하여 관리세정에 적용하였다.
- 5 이내 일 경우 수세정을 종료하였다. 운영기간 중 적용된 관리세정은 약품세정에 적용된 약품의 종류 및 세정조건은 동일하게 수행되었으나 약품 농도를 약품세정 대비 1/6로 희석하여 관리세정에 적용하였다. 약품세정 및 관리세정의 조건은Table 3에 나타내었다.
대상 데이터
- I 정수장의 유입수질은 망간을 제외한 항목의 2014년 8월부터 2016년 11월까지의 자료를 검토하였으며 망간은 2016년 9월부터 2016년 11월까지의 자료를 검토하였다. 원수 pH는 5.
성능/효과
- 1) I 정수장의 유입원수에 함유된 망간 성분은 염소에 의해 산화되어 막오염을 일으키는 수산화망간 형태로 막표면에 흡착되어 막오염을 일으키는 물질로 망간이 고농도로 유입된 2016년 9월부터 11월 시기에 급격하게 막오염을 일으켜 막여과 시설의 운영효율 저하를 일으킨 것으로 확인되었다. 일반적인 관리세정으로 일시적 막의 여과성능 회복은 가능하나 급격한 재오염의 발생으로 인해 장기적으로는 막여과 시설의 성능 저하를 초래하는 것으로 확인되었으며 실제 운영에 사용된 막모듈의 내부는 흑색으로 착색된 전형적인 망간에 의한 막오염 형태임을 확인하였다.
- 5에 나타내었다. 16년 9월부터 11월까지 약 80일간의 해당기간 중에 유입탁도는 10NTU 이하로 안정적이었으나 3차례에 걸쳐 탁도변화와 관계없이 응집제가 과다 주입된 것을 확인하였다. 이는 자동주입 장치의 오작동 등에 의해 일시적으로 발생한 현상으로 판단되며 평상시에는 약 10 ~ 20 mg/L의 응집제가 주입되었으나 해당시기에 약 40 mg/L의 응집제가 주입된 것으로 확인되었다
- 계열별 약품세정을 통한 회복율 검토 결과는 다음과 같다. 1계열 및 2계열은 약품세정 당시 막간차압이 0.24, 0.70 kgf/cm2로 오염이 크게 발생하지 않은 상태에서 수행되었으며 1차 산세정에서 회복율은 약 140%와 107%로 초기조건 상태로 충분히 회복됨을 확인하였다. 막오염에 의해 막간차압이 가장 높은 3계열(1.
- 2) 응집제의 과다주입 또는 응집 효율 저하로 인해 막유입수에 잔류응집제가 존재할 경우, 응집제 내의 알루미늄 또한 막오염을 일이키는 물질로 적용될 수 있다. 2016년 급격하게 상승한 막간차압의 원인은 고농도로 유입된 망간과 응집제에 의한 오염으로 사료되며 해당 물질은 단독적으로 막표면에서 막오염을 일으키지만 복합적으로 유입될 경우에는 막오염을 가속화 시킬 수 있다.
- 8%로 설계되었다. 2014년 8월부터 2016년 12월까지의 운영자료를 분석한 결과, 평균 취수량은 7,543m3/일이며 평균 생산량은 7,073 m3/일로 생산량 기준 막여과공정 평균 가동율은 101%, 최대 가동율은 148.5%로 운전되었다. 회수율은 평균 93.
- 3) 산-염기-산을 이용한 약품세정을 실시한 결과, 1차 산 세정에서 가장 큰 회복율을 보였으며 막의 초기 상태까지의 회복이 가능한 것으로 확인되었다. 막간차압이 2.
- 3) 약품세정 폐액 분석 결과, 무기오염물질은 알루미늄, 망간, 칼슘 등의 순으로 배출량이 높은 것으로 분석되었으며 I 정수장에서 사용한 막모듈의 내부는 흑색으로 착색된 전형적인 망간에 의한 오염형태를 보였다. 문헌조사 결과, 검출된 무기오염물질 중 알루미늄과 칼슘은 비가역적 막오염(Irreversiblefouling)을 일으키는 직접적인 원인 물질이 아닌 것으로 확인되었으나 알루미늄이 높게 검출된 것은 전처리 공정에서 과량으로 주입된 응집제가 막에 흡착된 것으로, 이는 전처리 공정에서 최적 응집제 주입량 산정을 통해 약품 주입량을 조절해야 함을 시사하고 있다.
- 4) 막여과시설의 안정적인 운영을 위해서는 유입수질의 지속적인 모니터링과 아울러 이를 제어할 수 있는 효율적인 운영방안 마련이 필요하다. 유입수질에 포함된 주요 오염원을 파악하고 원수 및 시설에 최적화된 약품세정 방안과 적정 주기에 대한 검토를 통해 정수시설의 운영 안정성 및 효율성 확보가 필요할 것으로 사료된다.
- 각 계열별로 수행된 약품세정의 폐액 분석 결과, 무기오염물질은 응집제에 의한 영향으로 알루미늄 배출량이 가장 높게 검출되었으며, 다음으로 망간, 칼슘, 철, 규소 순으로 배출량이 높은 것으로 분석되었다. 유기오염물질의 지표인 TOC는 각 계열에서 유사하게 나타나 오염의 편중은 크게 발생하지 않는 것으로 판단된다.
- 9~11에 제시하였다. 계열별 무기성 막오염 물질 분석결과, 망간과 알루미늄 농도가 높게 측정되었으며 알루미늄은 응집 전처리 공정에 형성된 응집 플록과 잔류 응집제에 의한 것으로 판단된다. 망간의 경우 원수에서 유입되는 망간이 전처리 공정에서 주입된 염소와 산화반응에 의해 형성된 산화물이 막 표면에 축적되어 막간차압을 상승시키는 원인물질로 작용한 것으로 판단된다.
- 해당기간 동안 수행된 관리세정은 1게열 5회, 2계열 4회, 3계열 6회로 확인되었다. 그중 원수의 망간 농도가 0.25 mg/L 이상 유입된 이후 수행된 관리세정은 1계열 3회(1, 2, 4회차), 2계열 2회(1, 3회차), 3계열 4회(1, 2, 3, 4회차)로 확인되었으며 3계열의 관리세정을 가장 먼저 실시하였으나 약 1주일 만에 차압이 재상승하여 관리세정을 재실시 한 것으로 확인되었다. Fig.
- PAHCS를 응집제로 사용하며 혼화/응집-침전 공정 처리수가 막여과 공정의 유입수로 적용되며 원수부터 막여과 공정까지의 항목별 처리수질을 확인하였다. 기본 감시항목인 탁도는 처리수가 0.07NTU로 매우 안정적이며 전 항목에서 수질기준을 만족하는 것으로 확인되었으나 응집제 주입의 영향으로 막유입수의 Al 및 전기전도도의 농도가 원수보다 높게 나타났다. 막유입수에 존재하는 Al은 침전공정 후 존재하는 미세 플록에 부착 형태로 남아 막 표면에서 플록과 함께 대부분 제거되며 이로 인해 약품세정 공정 후 배출 오염물질의 성상 분석 결과에서 알루미늄 검출량이 가장 높은 것으로 사료된다.
- 3 mg/L)을 주입하여 유기물 및 염소와의 상관관계에 따른 막간차압 변화를 관찰한 결과에서 막간차압의 증가 원인은 주로 막표면에 부착하여 제거되는 철과 망간에 의한 오염이라고 제시하였다. 또한 망간 제거율이 상승할수록 막간차압이 상승하는 경향을 확인하였으며 막간차압이 급격하게 상승하는 시기에 막 표면에 부착한 산화철에 기인한 적자색의 막 표면이 점차 흑색으로 변색하는 것을 확인하여 주요 막오염 원인은 원수중의 2가 용존성 망간이온(Mn+2)이 염소에 의해 산화되어 생성된 수산화이산화망간(MnO2･H2O)이 원수에 잔존하는 용해성 망간이온의 촉매로 작용하여 산화반응을 일으켜 막 표면에 화학적으로 결합되므로 제거율이 상승한 것으로 제시하고 있다. 막오염을 발생하는 주요 원인물질을 확인하기 위해 원수 내 망간의 유입과 응집제 과다주입 시기의 차압변화를 Fig.
- 3) 산-염기-산을 이용한 약품세정을 실시한 결과, 1차 산 세정에서 가장 큰 회복율을 보였으며 막의 초기 상태까지의 회복이 가능한 것으로 확인되었다. 막간차압이 2.13 kgf/cm2으로 상승한 3계열에서도 1차 산세정에서 초기조건 상태(0.17 kgf/cm2)로 회복되었으며 이후에 진행된 염기세정은 5~12 %, 2차 산세정은 5% 미만의 회복율을 보이는 것으로 나타나, I 정수장의 주요 막오염원은 무기물질에 의해 발생함을 확인하였다.
- 2에 나타내었다. 막여과 시설의 취수량 및 여과수의 일일 평균자료를 검토한 결과 16년 2월과 9월에 생산효율의 감소를 확인하였다. 16년 2월은 막여과 시설의 계열별로 약품세정을 수행함에 따라 생산효율이 감소하였으나 약품세정을 통해 회복되어 약 7개월간 안정적으로 운전되었으나 16년 9월, 갑작스러운 막간차압의 상승으로 인해 시설의 효율이 저하되어 관리세정을 반복적으로 수행한 것을 확인하였으며 계열별 막여과유속과 차압 변화를 Fig.
- 1%이다. 막여과시설의 여과수 목표 수질은 0.05 NTU 이하로 연속 측정식 탁도계로 측정한 실측값을 분석한 결과 3계열의 여과수 평균 탁도는 0.025 NTU 이하로 목표수질을 만족하였다.
- 70 kgf/cm2로 오염이 크게 발생하지 않은 상태에서 수행되었으며 1차 산세정에서 회복율은 약 140%와 107%로 초기조건 상태로 충분히 회복됨을 확인하였다. 막오염에 의해 막간차압이 가장 높은 3계열(1.68 kgf/cm2)에서도 1차 산세정에서 회복율이 약 102% 로 나타났으며 초기조건 상태(0.16 kgf/cm2)에가깝게 회복된 것으로 확인되었다. 3계열의 약품세정 회복율이 100%를 초과하는 것은 이전 수행된 약품세정에서 완벽한 세정이 이루어지지 않아 여과 개시후의 초기 막간차압이 상대적으로 높게 측정된 것으로 사료된다.
- 막유입수에 존재하는 Al은 침전공정 후 존재하는 미세 플록에 부착 형태로 남아 막 표면에서 플록과 함께 대부분 제거되며 이로 인해 약품세정 공정 후 배출 오염물질의 성상 분석 결과에서 알루미늄 검출량이 가장 높은 것으로 사료된다. 망간은 유입농도가 0.141 mg/L이며 막여과 유입수의 망간 농도는 0.021 mg/L로 확인되었다. 처리수의 망간 농도는 0.
- 3) 약품세정 폐액 분석 결과, 무기오염물질은 알루미늄, 망간, 칼슘 등의 순으로 배출량이 높은 것으로 분석되었으며 I 정수장에서 사용한 막모듈의 내부는 흑색으로 착색된 전형적인 망간에 의한 오염형태를 보였다. 문헌조사 결과, 검출된 무기오염물질 중 알루미늄과 칼슘은 비가역적 막오염(Irreversiblefouling)을 일으키는 직접적인 원인 물질이 아닌 것으로 확인되었으나 알루미늄이 높게 검출된 것은 전처리 공정에서 과량으로 주입된 응집제가 막에 흡착된 것으로, 이는 전처리 공정에서 최적 응집제 주입량 산정을 통해 약품 주입량을 조절해야 함을 시사하고 있다.
- Si는 주로 수원에서 기인하는 것으로 고탁도 일 때 탁도로부터 기인하거나 규조류 유입시 규조류 구성체에 의해 기인하는 막오염 물질이나 본 정수장에서는 규소에 의한 막오염의 영향은 낮았다. 유기성 막오염물질분석 결과는 알칼리 세정 단계에서 유기성 물질의 검출농도가 가장 높은 것으로 확인되었다.
- 1) I 정수장의 유입원수에 함유된 망간 성분은 염소에 의해 산화되어 막오염을 일으키는 수산화망간 형태로 막표면에 흡착되어 막오염을 일으키는 물질로 망간이 고농도로 유입된 2016년 9월부터 11월 시기에 급격하게 막오염을 일으켜 막여과 시설의 운영효율 저하를 일으킨 것으로 확인되었다. 일반적인 관리세정으로 일시적 막의 여과성능 회복은 가능하나 급격한 재오염의 발생으로 인해 장기적으로는 막여과 시설의 성능 저하를 초래하는 것으로 확인되었으며 실제 운영에 사용된 막모듈의 내부는 흑색으로 착색된 전형적인 망간에 의한 막오염 형태임을 확인하였다.
- 13) 약품세정에서 세정 단계별 무기성 막오염 물질을 분석한 결과는 다음과 같다. 전계열의 무기성 막오염에 대한 약품세정폐액 분석결과는 유사한 경향을 보였으며 1차 산세정에서 대부분의 망간과 알루미늄이 추출되는 것으로 확인되었다. 칼슘은 전체 약품세정 단계에서 유사한 농도로 검출되었으며 유기물질과 결합되어 있는 칼슘이 알칼리 세정에 의해 용해되면서 추출되고 2차 산세정에서 잔류 칼슘이 추출되는 것으로 확인되었다.
- 전계열의 무기성 막오염에 대한 약품세정폐액 분석결과는 유사한 경향을 보였으며 1차 산세정에서 대부분의 망간과 알루미늄이 추출되는 것으로 확인되었다. 칼슘은 전체 약품세정 단계에서 유사한 농도로 검출되었으며 유기물질과 결합되어 있는 칼슘이 알칼리 세정에 의해 용해되면서 추출되고 2차 산세정에서 잔류 칼슘이 추출되는 것으로 확인되었다. Si는 주로 수원에서 기인하는 것으로 고탁도 일 때 탁도로부터 기인하거나 규조류 유입시 규조류 구성체에 의해 기인하는 막오염 물질이나 본 정수장에서는 규소에 의한 막오염의 영향은 낮았다.
- 망간과 잔류 응집제로 인해 막오염이 발생되며 이로 인해 막간차압이 상승하고 막여과 시설의 효율을 저하시킴을 하였다. 하지만 실제 운영중인 정수시설의 여건상 막오염을 유발하는 망간 및 잔류응집제 농도에 대한 정확한 기준을 제시하기는 어려우나 망간 및 잔류 응집제가 단독으로 존재할 경우 막오염을 발생하는 원인물질로 작용하게 됨을 확인하였으며 복합적인 요소에 따라 저농도에서도 막오염을 가중시킬수 있음을 확인하였다. 따라서 실제 정수시설에서는 망간 산화물의 생성을 제어할 수 있도록 대상 시설의 수질특성에 따라 적정량의 염소 주입량을 산정해야 하며 적정 응집제 주입량 산정을 통해 막여과 시설의 효율성 확보방안 마련이 필요하다.
- 6에 나타내었다. 해당기간동안유입수의 평균 망간 농도는 0.145 mg/L이며 최대 0.453 mg/L 농도의 망간이 유입되는 것으로 확인되었다. Lee et al.
- 5%로 운전되었다. 회수율은 평균 93.8%로 설계기준치를 만족하며 공정에서 배출된 물리세척 배출수는PCF로 처리되어 착수정으로 회수하였으며 이때의 평균 회수율은 98.1%이다. 막여과시설의 여과수 목표 수질은 0.
후속연구
- 4) 막여과시설의 안정적인 운영을 위해서는 유입수질의 지속적인 모니터링과 아울러 이를 제어할 수 있는 효율적인 운영방안 마련이 필요하다. 유입수질에 포함된 주요 오염원을 파악하고 원수 및 시설에 최적화된 약품세정 방안과 적정 주기에 대한 검토를 통해 정수시설의 운영 안정성 및 효율성 확보가 필요할 것으로 사료된다.
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