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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.27 No.6 pp.779-785
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2013.27.6.779

터널폐수 재이용을 위한 통합형 멤브레인 시스템의 적용

이재현, 정세욱, 김영모*
동아대학교 토목공학과

Feasibility of a two step microfiltration and reverse osmosis membrane system for reuse of tunnel wastewater

Young Mo Kim*, Jae-Hyun Lee, Se-Uk Jeong

?Received 26 November 2013, revised 10 December 2013, accepted 12 December 2013.

Abstract

This study investigated the applicability of a two step microfiltration(MF) and reverse osmosis(RO) membrane system for reuse of tunnel wastewater. In this two step process, the MF system first treated only micropollutants in tunnel wastewater such as suspended solids(SS) and heavy metals, achieving less than 0.2 NTU turbidity, less than 1.1 mg/L chemical oxygen demand(CODMn) and less than 0.8 mg/L total manganese(Mn). The RO system then removed over 95 % of the remaining pollutnats and particles, resulting in less than 0.02 NTU turbidity, less than 0.5 mg/L chemical oxygen demand(CODMn), less than 0.04 mg/L total nitrogen(T-N) and less than 0.01 mg/L total phosphorus(T-P). In particular, addition of an RO system could lead to markedly reduced high salt concentrations in tunnel wastewater, approaching almost zero. Thus, reclaimed water using the combined membrane system could satisfy current South Korean regulations concerning wastewater reuse(turbidity ≤2.0 NTU; T-N ≤10 mg/L; T-P ≤0.5 mg/L; Salinity ≤250 mg·Cl/L).

1. 서 론

 우리나라의 국토 중 65 % 이상이 산악지역으로 이루어져 있으며, 도시의 인구밀도가 높아 교통, 주거, 복지 등의 문제점을 가지고 있다. 이러한 지형을 지닌 국토의 균형적인 발전을 위해서 터널공사는 필수적이다(Kim et al., 2010). 하지만 이러한 대부분의 도로 및 터널공사 등의 건설 현장에서는 다량의 굴착폐수가 발생되며, 이로 인해 건설현장 인근 지역의 하천 오염문제가 대두되고, 민원과 공사지연이 급증하고 있어 건설 현장에서 발생되는 굴착폐수의 적극적인 관리가 요구되고 있다(Lee et al., 2011). 특히 수질환경 보전법 등의 관계법령이 강화되어 굴착폐수를 무단방류 및 기준치를 초과하여 방류할 경우 배출부담금 및 공사 중지와 같은 처벌기준이 강화되고 있는 실정이라 건설현장에서 발생되는 폐수의 적절한 처리는 중요한 과제가 아닐 수 없다(Li et al., 2011; Yi-wen et al., 2012).

 터널공사현장의 폐수는 터널 내벽에 타설되는 콘크리트(Concrete), 시공에 사용되는 장비의 윤활유, 암석 발파에 따른 비석과 분진 및 토사 등의 세척을 통해 발생하게 된다. 이러한 터널폐수의 특징은 pH가 높고 부유물질(SS) 농도가 평균 1,500 ~ 3,000 mg/L 에 이를 정도로 상당히 높으나, 유기물 농도, 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD)은 매우 낮은 특성을 지니고 있기 때문에 응집, 침전 및 여과 공정과 같은 재래식 방법으로 효과적인 처리가 가능한 것으로 알려져 있다(Kang et al., 2010). 그러나 해저터널 공사현장의 경우는 굴착하는 과정에서 발생하는 폐수에 해수가 함께 유입됨에 따라 기존 터널폐수가 함유한 부유물질 및 중금속 이외에도 염분이 일반해수 염분농도의 약 50 % 정도에 이를 정도로 높은 수치로 검출되고 있어 염분 제거를 위한 별도의 공정이 요구되고 있는 실정이다(Kang et al., 2011).

 최근 산업 및 상업 용수 시장은 막여과(Membrane Filtration)를 전체 수처리 공정의 전·후단에 적용하는데 큰 관심을 보이고 있는데, 이러한 막여과 기술들은 응집된 생산수를 처리하여 공업용수, 농업용수, 생활용수 등에 재활용 될 수 있도록 하는 역할을 한다(James, 2013; Water Journal, 2013b). 일반적으로 멤브레인 시스템은 정밀여과(Microfiltration; 이하 MF), 한외여과(Ultrafiltration; 이하 UF), 그리고 역삼투(Reverse Osmosis; 이하 RO) 등의 기술 공정을 포함하는데 그 중 정밀여과(MF) 공정은 0.1 ~ 1 ㎛ 입자 크기의 물질제거에 주로 사용되고, 탁도 유발물질 및 병원성 미생물과 같은 오염물질을 제거할 수 있다(Park, 2009). 역삼투(RO) 공정은 염수 측에 삼투압 이상의 압력을 가하여 순수한 물만이 반투막을 통해 빠져나오게 하는 방법이다(Fig. 1; Cho, 1999; Jang, 2008).

Fig. 1. Process of RO Membrane(Cho, 1999).

 따라서 본 연구는 기존 응집·침전·여과 공정 처리 후단에 통합형 MF-RO 시스템을 추가적으로 적용하여 해저터널폐수의 방류수 수질 개선과 생활용수로써의 재이용 가능성을 살펴보는 것이다.

2. 실험재료 및 방법

2.1 터널폐수의 특성

 본 연구에서 대상으로 한 터널폐수는 부산시 영도구 터널공사현장에서 취수하여 조사하였다. 현장폐수 성상(Table 1)을 살펴보면 수질의 편차가 상당히 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 굴착 깊이에 따른 암반의 종류와 부유물질 침전차이로 인해 큰 차이가 발생되었으며(Sohn, 2012), 특히 공사현장이 부산 앞바다와 인접한 관계로 지하수 내에 해수가 유입되어 약 15 ‰의 염분이 검출되는 것이 특징이다(Kang et al., 2010).

Table 1. Characteristics of Tunnel wastewater.

2.2 실험 장치 및 운전

 본 연구에서 사용된 실험 장치는 터널폐수 내 부유물질과 유기물 등을 제거하기 위해 선행 연구되었던 고속응집침전여과(HCF; Highrate Clarifier Filtration)와 바이오필터를 결합한 공정(Sohn, 2012)의 후단에 통합형 멤브레인 시스템을 추가적으로 적용하여 구성하였다. HCF 공정에서는 응집·침전을 통해 터널폐수 내 부유물질 70 ~ 90 %가 저감되었으며, biofilter 공정에서는 담체에 부착된 생물막을 통해 인 80 % 가량이 제거되었다. 실험에 이용된 통합형 멤브레인 시스템은 앞단에 MF 시스템을 후단에는 RO 멤브레인 시스템을 설치하였으며 약 0.5(W)×1.6(H)×1.4(L)m3 규모로 제작되었다(Fig. 2).

Fig. 2. Schematic diagram of a membrane system.

 지속적인 펌프 가동을 통해 폐수 처리량이 하루에 약 1 ton 규모가 되도록 90일간 연속 운전하면서 본 시스템의 공정 성능을 평가하였다. 각각의 멤브레인 유출단에 WISE社의 압력 게이지를 설치하여 시스템 내에 가해지는 압력변화를 자동으로 PC에 전송될 수 있도록 KDT Systems社의 CIMON SCADA 소프트웨어를 이용하였다. 실시간으로 모니터링을 통하여 MF 시스템 내의 압력은 1.5±0.8 bar, RO 시스템은 40±2.2 bar가 각각 유지되도록 하였다. 연속 2단 여과 공정으로 구성된 MF 시스템 멤브레인은 pore size가 5 ㎛인 폴리프로필렌 재질로 제작되어 RO 멤브레인 시스템의 유입수 기준치(탁도 1NTU 이하)를 만족하기 위한 전처리 목적으로 활용되었다. RO 멤브레인은 폴리아미드 재질로 제작되어 염분제거가 0.1 mg/L까지 이루어지도록 제조되었다(Table 2).

Table 2. Membrane specifications.

 본 공정에 주입된 폐수는 공사현장 사정상 지속적으로 사용될 수 없었던 관계로 바이오필터 후단의 처리수를 기준으로 제조되었다. 현장 인근의 바닷물과 지하수를 대상 터널폐수의 염분농도와 동일하게 약 15 ‰이 되도록 혼합한 후 굴착현장에서 채취한 슬러지 및 부유물질을 주입하여 선행 공정의 처리수 수질과 유사하게 성상을 조성하였다(Table 3).

Table 3. Influent and effluent characteristics of the MF-RO system.

2.3 실험분석

 화학적 산소요구량(CODMn), 총질소(T-N; Total Nitrogen), 총인(T-P; Total Phosphorus), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 철(Fe(Total)) 농도는 HUMAS社의 HS-2300 Plus 분석기기를 사용, 부유물질(SS: Suspended Solids)은 U.S Standard Methods에 준하여 분석하였으며, 탁도는 Hach社의 2100A Turbidity meter, pH 측정은 TOA-DKK社의 To-A pH meter(HM-21P)를 사용하였다. 염도는 ATAGO社의 PR-100 SA를 사용하여 측정하였다.

3. 실험결과

3.1 원수 재이용 검토

 대부분의 공사가 산지에서 이루어지는 터널공사 현장에서 생활용수를 사용하기 위해서는 많은 제약이 따른다. 더구나 단기적인 공사를 위해 별도의 관거나 저수조를 설치하는 것은 경제적이지 못하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 별도의 수처리 시스템을 설치하여 공사 시 발생되는 폐수를 생활용수로 재활용하는 것이 현장 운영상 경제적일 것으로 판단되었다(수돗물 활용기준: 탁도 ≤0.5 NTU; 암모니아성 질소(NH3-N) ≤0.5 mg/L; 망간(Mn), 철(Fe) ≤0.3 mg/L; 염소(Cl-) ≤250 mg/L, 방류수 수질기준: 화학적 산소 요구량(COD) ≤40 mg/L; 부유물질(SS) ≤10 mg/L; 총질소(T-N) ≤20 mg/L; 총인(T-P) ≤2 mg/L). 기존의 고속응집침전여과와 바이오필터 공정이 처리한 터널폐수 유출수(탁도 1.84 NTU; 총질소 2.36 mg/L; 망간 12.04 mg/L; 염분 15 ‰)내 부유물질과 탁도 농도는 생활용수 기준치를 크게 상회하였으며(Ministray of Environment Republic of Korea, 2012), 해수 유입으로 인한 고농도 염분과 지하수 내 많이 분포하는 철, 망간도 제대로 처리되지 않아 생활용수로의 활용이 더욱 제한되어 이들을 추가적으로 제거할 수 있는 MF-RO 시스템이 설치되었다.

3.2 MF 시스템을 통한 터널폐수 처리

 터널폐수 내에는 고농도 부유물질이 함유되어 있어 멤브레인 막힘(fouling)에 대한 발생 가능성이 매우 높아 효과적인 전처리가 필수적으로 요구된다. 특히 RO 멤브레인 시스템은 유입수 내 탁도가 1NTU 이하로 되어야 안정적으로 장기간 운전될 수 있다. 하지만 응집·침전 등의 기존 전처리 기술로는 RO 유입수 수질기준을 만족시키는데 한계가 있다. 따라서 세밀한 운전 조절이 가능하고 탁월한 오염물질 제거로 RO 공급수 수질을 보증할 수 있는 UF·MF 멤브레인 기술 적용이 증가하고 있는 추세이다(Water Journal, 2013a). 본 연구에서도 터널폐수 내 유기 오염물질, 영양염류 및 중금속 등을 MF 멤브레인 시스템을 통해 제거하여 성능을 평가해 보았다. Table 3의 성상을 지닌 터널폐수를 본 통합형 멤브레인 시스템에 유입시켜 공정 성능을 살펴본 결과 폐수 내 대부분의 고형물들은 MF 시스템 내에서 사전 제거(약 80 % 이상 제거; Fig. 3)됨에 따라 유기물질(COD) 농도는 1.13 mg/L, 탁도의 경우는 0.26 NTU까지 각각 대폭적으로 저감되어 RO 멤브레인의 막힘현상에 대한 부담을 경감시켜주는 탁도 농도 기준을 보여주었다.

Fig. 3. Performance of a two step MF-RO System

 부영영화 현상을 유발하는 대표적인 영양염류 중 하나인 질소(N)는 시스템의 전체 처리효율 98 % 중 단 5 %만이 MF 시스템에서 제거되었다(Fig. 3). 이는 질소 성분의 대부분을 이루는 암모니아와 질산염의 입자 크기가 약 0.001 ㎛(Cho, 1999)로 매우 미세하여 MF 시스템에 설치된 멤브레인(공극 크기 5 ㎛)에 의해 분리되지 않음에 따라 총질소 농도는 본 MF 시스템으로 처리가 불가능하였다. 이들을 처리하기 위해 질소성분을 기질로 생장하는 미생물을 멤브레인 시스템 내에 배양하여 생물학적으로 질소를 제거하기도 한다(Downing and Nerenberg, 2008).

 또 다른 대표적인 영양염류 중 하나인 인(P)은 MF 멤브레인에 의해 일부 제거는 가능하였으나(약 56 %; Fig. 3b) 상대적으로 입자 크기가 큰(≻5 ㎛) 종류의 인에 대해서만 한정되었다. 유입수 내 pH 조절을 통해 인 제거 효율을 향상시킨 연구 사례를 보았을 때 본 터널폐수 내에 인 농도가 높게 유입될 경우 사전에 pH 제어를 하여 인 제거 효율을 향상시키는 방안이 검토되었다(Akay et al., 1997).

 중금속의 경우 기존 공정으로 처리되지 않았던 망간(Mn)과 철(Fe)에 대하여 처리수 내 농도 변화를 살펴보았다(Table 3). Lee et al.(2013)의 연구에서는 MF-RO 시스템에 유입된 대상원수 내 망간이 MF 시스템에서 전혀 처리되지 않음에 따라 RO 시스템의 막힘현상이 유발되었다. 이에 반해 본 시스템에서는 유입수 내 망간이 MF 멤브레인에 여과되면서 0.78 mg/L까지 제거되어, MF 시스템 자체 내에서만 높은 제거효율(약 90 %; Fig. 3c)을 보여주었다. 이는 유입수 저장 탱크 내 부유물질의 침전방지 및 교반을 목적으로 간헐적으로 폭기를 시켜 준 결과 일부 망간이 산화되어 고형망간 형태로 다른 고형물과 함께 MF 멤브레인 표면에 흡착되어 제거된 것으로 판단되었다. 하지만 생활용수 수질기준치인 0.3 mg/L에는 만족하지 못하여 후단의 RO 시스템에서의 추가적인 처리가 요구되었다. 망간과 달리 폐수 내에 저농도(약 0.3 mg/L)로 존재한 철은 MF 시스템에서 약 50 % 정도가 제거(Fig. 3c; Table 3)되어 후단공정 처리와 상관없이 생활용수 수질 기준치를 만족시켰다. 이번 터널폐수 재이용에 있어 주 제거 대상 물질인 염분은 대부분 용해된 상태로 입자 크기가 약 0.001 ㎛ 정도로 존재하기 때문에(Cho, 1999) MF 멤브레인(공극 크기 5 ㎛)에 여과없이 통과되어 MF 시스템에서 전혀 처리되지 못하였다(Fig. 3c). 전체적으로 MF 시스템은 터널폐수를 RO 공급수 수질기준에 도달되게 처리하여 전처리 공정으로써의 역할을 잘 수행하였다. Bae et al.(2009)의 연구에서도 MF-UF를 조합하여 운전한 결과 전처리 공정으로서의 성능과 경제성이 모두 충족되었다.

3.3 통합형 멤브레인 처리수의 재이용 검토

 MF 시스템에서 여과되지 못한 유입수 내 5 ㎛ 미만 크기의 부유물질은 RO 시스템에 설치된 반투막을 통해 0.001 ㎛ 크기 미만의 미세입자들까지 배제됨에 따라 미세한 부유물질들은 완벽하게 제거되어 탁도는 0.02 NTU 미만으로 감소되었다. 또한 유기성 물질들이 RO 시스템에 의해 13 ~ 21 % 추가 제거되면서 전체 시스템의 COD 제거 효율은 88 ~ 100 %에 도달하였으며, 처리수 내 COD 농도(0.54 mg/L)는 생활용수 기준치에 만족하였다(Fig. 3a; Table 3). 본 RO 시스템 내에 설치된 폴리아미드 재질의 멤브레인은 암모니아 80 ~ 90 %, 인산염(Phosphate), 망간, 철 96 ~ 98 %, 염화물(Chloride) 92 ~ 98 % 제거효율을 보인다고 알려져 있다(Kucera, 2010). 위의 알려진 제거효율과 실제 운전결과를 비교해 본 결과, 총질소와 총인 농도는 RO 시스템을 통해 각각 93, 38 %로 추가 제거가 이루어져 전체적으로 94 ~ 98 %의 제거효율을 유사하게 보여주었다(Fig. 3b). 특히 MF 시스템에서 여과되지 않았던 매우 미세한 크기의 암모니아와 질산염 이온은 처리수 내에서 대부분 배제됨에 따라 방류수 및 생활용수 재이용 기준에 모두 만족되었다. 하지만 전단계의 MF 시스템에서 질소 처리가 전혀 이루어지지 않음에 따라 장기적으로 연속 운전될 경우 총 질소 누적으로 인한 생물흡착(Biofouling) 발생으로 멤브레인 막힘현상이 우려되었다.

 유입수 내에 고농도로 존재하였던 망간은 앞서 MF 시스템에서 상당수가 제거(약 90 %)되었음에도 불구하고 생활용수 수질 기준치에는 미치지 못하였으나 RO 시스템을 통해 추가 제거되어 제거효율 100 %(0.00 mg/L)에 이르렀다(Fig. 3). 철 또한 RO 시스템에서 44 % 추가되어 총 94 % 제거효율이 달성되었다. Squire et al.(1996)의 연구에서도 RO 공정을 통해 본 통합형 멤브레인 공정 효율과 유사하게 인과 중금속(망간, 알루미늄)을 0.03 mg/L 미만으로 제거하였으며, 철 역시 0.04 mg/L 미만으로 방류되었다. 한편 MF 시스템에서 전혀 제거되지 못한 염분의 이온성 물질(Na+, Cl-)은 RO 시스템 내 반투막을 통해 거의 배제되어 완벽한 제거(제거효율 100 %)가 이루어졌다(Fig. 3c). 다만 반투막을 통과하지 못한 농축수가 유출수와 함께 배출되어 이들의 제거 공정이 추가적으로 요구되었다. Shaffer et al.(2012)의 연구에서는 RO 멤브레인 농축수의 고농도 성상을 이용하여 삼투압(Foward Osmosis; 이하 FO)을 유발하는 유도용액으로 사용하는 방법을 제시하였다.

 결과적으로 RO 시스템은 앞단의 MF 공정과 함께 폐수 내 질소, 망간, 염분 등을 완벽히 제거함으로써 생활용수 수질기준치 대부분을 만족케 하였다. 이는 본 터널폐수 처리수를 공사현장에서 재이용 가능케 함과 동시에 수계로 안전하게 방류할 수 있게 하였다.

4. 결 론

 본 연구에서는 터널폐수 처리에 미흡하였던 기존 공정에 통합형 MF-RO 시스템을 추가 설치하여 폐수 재이용 가능성을 살펴보았다. 그 결과 시스템 앞단에 설치된 MF 공정은 RO 멤브레인의 막힘현상을 유발하는 부유물질 대부분을 제거하였고, 후단의 RO 공정은 일부 영양염류와 중금속 등의 오염물질을 처리하였을 뿐만 아니라 염분 100 % 제거를 달성하여 본 통합형 시스템의 처리수 수질을 생활용수 기준치에 이르게 해주었다.

사 사

 이 논문은 동아대학교 교내연구비 지원에 의하여 연구되었음

Reference

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