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문제 정의
- 본 논문에서는 유기물 농도가 낮은 고품질 수돗물 생산을 위해 고압막여과를 도입할 경우의 주요 고려사항(유기물 제거율, 회수율의 상승에 따른 제거율 감소, RO와 NF 막의 성능 비교)을 막모듈 실험과 설계 시뮬레이션을 통해 검토해보고자 한다.
- 큰 부담이 있다. 본 연구에서는 농축수를 방류하지 않는 방안 중 하나를 제안하고자 한다. Table 4 는 CSMPRO 설계 결과를 통해 얻은 각 고압막 공정의 농축수 수질을 공업용수 수질 권고치와 비교한 것이다.
- 본 연구에서는 유기물 농도가 낮은 고품질 수돗물 생산을 위해 고압막여과를 도입할 경우의 주요 고려사항을 검토하였다.
- , 2016). 수돗물 불신을 야기한 사례로과불화합물 등과 같은 미량유해물질의 상수원 유입, 수돗물 적수 및 깔따구 발생 사태 등이 있지만 본 연구에서는 용존성 유기물에 초점을 맞추고자 한다.
가설 설정
- Table 4 는 CSMPRO 설계 결과를 통해 얻은 각 고압막 공정의 농축수 수질을 공업용수 수질 권고치와 비교한 것이다. 설계프로그램에 직접 입력되어 농축수 수질 정보를 얻을 수 있는 타 항목과는 달리 탁도는 제거율 100%로 가정하여 농축수 수질을 계산하였다.
제안 방법
- 2.2절에서 언급한 대로 회수율을 80%로 설정했기 때문에, 회수율 80%를 만족하기 위해 2 스테이지(2:1 배열)로 설계하였다. 막모듈 개수는 생산수량과 플럭스에 의해 결정되는데, 스테이지 별 모듈 개수는 각각 80개, 40개로 설정하면, 시스템 평균 플럭스가 막 모듈 테스트에서 사용된 플럭스인 19 LMH와 근접한 18.
- RW를 원수로 진행한 RO와 NF 실험을 각각 RW_RO, RW_NF로 지칭하고 SFP를 원수로 진행한 RO와 NF 실험을 각각 SFP_RO, SFP_NF로 지칭한다. RW_RO, RW_NF, SFP_RO, SFP_NF의 원수 TOC 농도는 각각 4.
- 칼슘, 마그네슘, 철, 망간은 농축수 수질 예측 계산을 위해 Shimadzu사의 AA-7000F로 측정하였다. TDS는 고압막여과 공정 설계인자인 삼투압을 간접적으로 알아보기 위해 Myron L사의 ULTRAMETER 로 측정하였다. TOC는 고압막여과 공정의 유기물 제거 능력을 확인하기 위해 Shimadzu사의 TOC-vcph로측정하였다.
- TDS는 고압막여과 공정 설계인자인 삼투압을 간접적으로 알아보기 위해 Myron L사의 ULTRAMETER 로 측정하였다. TOC는 고압막여과 공정의 유기물 제거 능력을 확인하기 위해 Shimadzu사의 TOC-vcph로측정하였다. 탁도의 경우 막의 파울링 위험도와 배출수 수질 예측 계산을 위해 측정하였으며 HF scientific 사의 HF Micro TPW로 측정하였다.
- 중단하였다. 그리고 기존 340, 000 m3/d 규모 중 140, 000 m3/d를 NF(Nanofiltration)로 개조하여 기존공정과 NF 공정에서 생산된 생산수를 블렌딩 한 후 소독 처리하여 공급한다. 즉, 프랑스 정수장은 수돗물 TOC 농도가 2 mg/l를 초과하지 않도록 운영하고 있다는 의미로도 볼 수 있다.
- , 2005), 고압 막 도입의 목적에 따라 적절한 막 선택이 필요하다. 본 절에서는 2020년 현재 수도법 기준으로 선택할 수 있는 모든 고압막(RE8040-Fen, NE8040-90)을 이용한 설계 결과를 비교 분석하였다.
- 서론에서 언급된 부산에코델타시티의 분산형 정수 시스템을 고려하여 2,000 m3/d 규모의 고압막 시스템을 설계하였다. 제조사에서 제공하는 설계 프로그램 (CSMPRO)을 사용하였으며, 막모듈은 NE8040-90과 RE8040-Fen을 적용하였다.
- 수질 항목은 칼슘, 마그네슘, 철, 망간, TDS(Total dissolved solid), TOC, 탁도, SDI(Silt density index)를 분석하였다. 칼슘, 마그네슘, 철, 망간은 농축수 수질 예측 계산을 위해 Shimadzu사의 AA-7000F로 측정하였다.
- 본 연구에서는 플럭스는 19 LMH로 고정하였으며, 회수율은 80%까지 높이면서 실험을 진행하였다. 실험 방법은 막모듈의 농축수를 원수탱크에 보내고, 생산 수를 버리는 방식으로 원수탱크에 들어있는 용액의 부피를 20%까지 줄이는 방식으로 운전하였다 (Fig. 1 참조). 원수 농축률이 각각 1, 2, 3, 5배(즉, 회수율이 0, 50, 66.
- 1 참조). 원수 농축률이 각각 1, 2, 3, 5배(즉, 회수율이 0, 50, 66.7, 80%)가 될 때 생산수의 TDS와 TOC를 측정하였다.
- 제조사에서 제공하는 설계 프로그램 (CSMPRO)을 사용하였으며, 막모듈은 NE8040-90과 RE8040-Fen을 적용하였다. 원수 수질 정보는 실제로 측정한 값(Table 1 참조)을 입력하였으며, 계절에 따른 수온 변동을 고려하기 위해 5, 25℃ 두 경우에 대해 설계를 진행하였다. 참고로, 원수 온도가 높아질수록 물의 점성이 낮아지고 막의 투과능이 높아지므로 요구압력이 낮아지게 되고 수질은 나빠지게 된다.
- 설계하였다. 제조사에서 제공하는 설계 프로그램 (CSMPRO)을 사용하였으며, 막모듈은 NE8040-90과 RE8040-Fen을 적용하였다. 원수 수질 정보는 실제로 측정한 값(Table 1 참조)을 입력하였으며, 계절에 따른 수온 변동을 고려하기 위해 5, 25℃ 두 경우에 대해 설계를 진행하였다.
- 칼슘, 마그네슘, 철, 망간은 농축수 수질 예측 계산을 위해 Shimadzu사의 AA-7000F로 측정하였다. TDS는 고압막여과 공정 설계인자인 삼투압을 간접적으로 알아보기 위해 Myron L사의 ULTRAMETER 로 측정하였다.
- TOC는 고압막여과 공정의 유기물 제거 능력을 확인하기 위해 Shimadzu사의 TOC-vcph로측정하였다. 탁도의 경우 막의 파울링 위험도와 배출수 수질 예측 계산을 위해 측정하였으며 HF scientific 사의 HF Micro TPW로 측정하였다. SDI는 ASTM D4189-95에서 제시된 방법으로 측정하였다.
대상 데이터
- 막모듈 테스트는 연구실에서 직접 구축한 4인치 고압 막 모듈 실험장치를 사용하였다. 정수처리에 사용할 수 있도록 상하수도협회의 인증을 받은 막모듈을 사용하였다.
- 실험에는 이 막들의 4 인치 버전인 NE4040-90과 RE4040-Fen를 사용하였다. 본 연구에서는 플럭스는 19 LMH로 고정하였으며, 회수율은 80%까지 높이면서 실험을 진행하였다. 실험 방법은 막모듈의 농축수를 원수탱크에 보내고, 생산 수를 버리는 방식으로 원수탱크에 들어있는 용액의 부피를 20%까지 줄이는 방식으로 운전하였다 (Fig.
- 2020년 기준으로 상하수도협회 인증 막 은 도레이케미칼(주)사의 NE8040-90과 RE8040-Fen으로 RO와 NF 각 하나씩 존재한다. 실험에는 이 막들의 4 인치 버전인 NE4040-90과 RE4040-Fen를 사용하였다. 본 연구에서는 플럭스는 19 LMH로 고정하였으며, 회수율은 80%까지 높이면서 실험을 진행하였다.
- 원수는 낙동강 지류인 평강천 하천수(River water, RW)와 낙동강 수계 D정수장 모래여과수(Sand filter permeate, SFP)를 사용하였다. RW는 직접 취수했으며, SFP는 D정수장의 협조를 통해 원수를 제공받았다.
- 실험장치를 사용하였다. 정수처리에 사용할 수 있도록 상하수도협회의 인증을 받은 막모듈을 사용하였다. 2020년 기준으로 상하수도협회 인증 막 은 도레이케미칼(주)사의 NE8040-90과 RE8040-Fen으로 RO와 NF 각 하나씩 존재한다.
데이터처리
- SDI는 ASTM D4189-95에서 제시된 방법으로 측정하였다. SDI를 제외하고 모든 수질은 3회 측정하여 평균과 표준편차를 나타내었다.
이론/모형
- 탁도의 경우 막의 파울링 위험도와 배출수 수질 예측 계산을 위해 측정하였으며 HF scientific 사의 HF Micro TPW로 측정하였다. SDI는 ASTM D4189-95에서 제시된 방법으로 측정하였다. SDI를 제외하고 모든 수질은 3회 측정하여 평균과 표준편차를 나타내었다.
성능/효과
- (2) 낙동강 지류 하천수(RW)와 부산 D정수장 모래 여과수(SFP)에 대한 막모듈 테스트를 실시한 결과, RO(RE4040-Fen)와 NF(NE4040-90)의 생산수 TOC 농도는 대부분 0.5 mg/l 미만이었다. 또한, RO와 NF의 유기물 제거율의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다.
- (3) 일반적인 이온제거율 경향과는 달리, 유기물 제거율은 회수율이 증가할수록 높아지는 경향을 보였다. 이는 회수율 증가 시 농축되는 원수에 잔류하는 유기물은 상대적으로 고압막을 통과하지 못하는 고분자 물질을 많이 함유하고 있기 때문이라 보여진다.
- (4) 고압막여과 공정의 농축수는 이온 농도가 높아서 담수 하천에 직접 방류하기엔 부적합하다. 본 연구에서 사용된 원수(SFP)의 경우 회수율 80%로 설계한다면, 농축수 수질이 공업용수 수질 권고치를 거의 만족시킬 수 있다는 결과를 얻었다.
- 일반적으로 고압막에서 원수농도가 높아지면 염제거율이 낮아진다. NF는 회수율이 증가할수록 생산수 TDS가 6.7 mg/l에서 41.5 mg/l로 증가하는 경향이 명확하게 보이며 제거율도 94.5%에서 93% 로 소폭 감소하였다. 하지만 RO는 회수율이 증가할수록생산수 TDS가 3.
- 2와 같이 나타내었다. RO 공극이 NF보다 작아 원수에 관계없이 RO 원수압력이 높게 측정되었으며, RW의 TDS가 SFP보다 높아 같은 종류의 막일 때 RW로 실험한 경우의 원수압력이 높게 측정되었다. 회수율을 높이기 위한 농축으로 인해 삼투압이 증가하므로 모든 실험에서 회수율이 높아질수록 원수압력이 증가하였다.
- 그래서 TOC 제거율이 RO와 비슷한 결과를 보였다고 생각된다 (CSM Technical manual). RO와 NF 선택여부와 관계없이 고품질 수돗물을 생산할 수 있을 것으로 예상되므로 구동압력이 RO보다 낮은 NF를 사용하는 것이 효율적일 수 있다. 하지만, 다양한 사양의 NF 모듈이 존재하므로 모듈 선정 시 주의할 필요가 있다.
- TDS의 경우 RW가 SFP보다 높았는데, RW 취수 지점이 D 정수장 취수장보다 낙동강 하구에 가깝기 때문이다. 또한 원수 취수 시기가 7-8월 하계였기 때문에 SFP의 TDS 값은 일반적인 지표수 TDS 값보다 다소 낮은 경향을 보였다. SFP는 전오존, 응집, 침전, 모래 여과를 거쳤기 때문에, RW보다 탁도 및 TOC 농도도 낮았다.
- 막모듈 테스트 결과, TOC 농도에만 초점을 맞춘다면 본 연구에 사용된 NF와 RO 막 모두 비슷한 품질의 수돗물을 생산할 수 있다는 결론을 얻었다. 하지만, 다양한 미량유해물질에 대한 대응 관점에서 보면 NF보다 RO가 유리하기 때문에(Jang et al.
- 7, 80%가 될 때 생산수 TOC 농도와 제거율을 나타낸 그래프다. 본 실험 결과에서는 TOC 제거율이 원수가 농축될수록 계속 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 농축수를 원수로 회수하면서 농축실험을 진행하기 때문에 제거되지 않는 큰 유기물질이 계속해서 원수에 남아 농축되고 막을 통과하는 유기물질은 일정하게 막을 통과하여 생산수 측으로 이동하기 때문이라 추측된다.
- 담수 하천에 직접 방류하기엔 부적합하다. 본 연구에서 사용된 원수(SFP)의 경우 회수율 80%로 설계한다면, 농축수 수질이 공업용수 수질 권고치를 거의 만족시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 이를 고려하여 실제 정수장에 고압막여과 공정 도입 시 설계 용량을 결정할 수 있다.
- 이는 농축수를 원수로 회수하면서 농축실험을 진행하기 때문에 제거되지 않는 큰 유기물질이 계속해서 원수에 남아 농축되고 막을 통과하는 유기물질은 일정하게 막을 통과하여 생산수 측으로 이동하기 때문이라 추측된다. 생산수 TOC 농도의 경우 회수율 80%를 달성하는 (원수가 5배 농축되는) 동안 RO와 NF 생산수 TOC 농도는 초기 생산수(회수율 0%) 대비 각각 1.2, 1.5배 농축되어 원수가 농축된 비율보다는 낮은 것으로 나타났다.
- 5%에서 93% 로 소폭 감소하였다. 하지만 RO는 회수율이 증가할수록생산수 TDS가 3.4 mg/l에서 7.5 mg/l로 NF보다 증가 폭이 작았으며 제거율도 96.6%에서 98.5%로 오히려 증가하였다. 그 이유는 SFP의 TDS가 실제 RO에 사용되는 원수에 비해 낮아서 이런 경향이 나타나는 것으로 추정된다.
- RO 공극이 NF보다 작아 원수에 관계없이 RO 원수압력이 높게 측정되었으며, RW의 TDS가 SFP보다 높아 같은 종류의 막일 때 RW로 실험한 경우의 원수압력이 높게 측정되었다. 회수율을 높이기 위한 농축으로 인해 삼투압이 증가하므로 모든 실험에서 회수율이 높아질수록 원수압력이 증가하였다.
후속연구
- 내에서 권고하고 있다. 따라서, D 정수장이나 에코델타시티 분산형 정수시스템에 고압막여과 공정 도입 시 SFP를 사용한다면, 파울링 대비(예: 전처리 공정추가, 고압막여과 공정의 설계 플럭스 및 회수율 감소 등)가 필요할 것으로 판단된다. SFP의 철, 망간 농도는 막 제조사에서 권고하는 0.
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