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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.32 No.2 pp.77-87
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2018.32.2.077

Effects of membrane fouling formation by feed water quality and membrane flux in water treatment process using ceramic membrane

Joon-Seok Kang, Seo-Gyeong Park, Jeong-Jun Lee, Han-Seung Kim*
Department of Environmental Engineering and Energy, Myongji University, 116 Myongji-ro, Cheoin-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do, 449-728, South Korea
Corresponding author: Han-Seung Kim (kimhs210@mju.ac.kr)
23/01/2018 09/02/2018 15/02/2018

Abstract


In this study, the effects of operating conditions on the formation of reversible and irreversible fouling were investigated in the filtration using ceramic membrane for water treatment process. The effect of coagulation pretreatment on fouling formation was also evaluated by comparing the performance of membrane filtration both with and without addition of coagulant. A resistance-in-series-model was applied for the analysis of membrane fouling. Total resistance (RT) and internal fouling resistance (Rf) increased in the membrane filtration process without coagulation as membrane flux and feed water concentrations increased. Internal fouling resistance, which was not recovered by physical cleaning, was more than 70% of the total resistance at the range of the membrane flux more than 5 m3/m2·day. In the combined process with coagulation, the cake layer resistance (Rc) increased to about 30-80% of total resistance. As the cake layer formed by coagulation floc was easily removed by physical cleaning, the recovery rate by physical cleaning was 54~90%. It was confirmed from the results that the combined process was more efficient to recover the filtration performance by physical cleaning due to higher formation ratio of reversible fouling, resulted in the mitigation of the frequency of chemical cleaning.



세라믹 막여과 정수처리 공정에서 유입수질 및 막여과유속이 막오염 형성에 미치는 영향

강 준석, 박 서경, 이 정준, 김 한승*
경기도 용인시 처인구 명지로 116, 명지대학교 환경에너지공학과

초록


    Ministry of Environment
    201600210005

    1. 서 론

    최근 MF(Microfiltration) 및 UF(Ultrafiltration)를 이용 한 막여과 공정은 기존 정수처리 공정에 비해 저에너지, 고효율 등의 장점과 아울러 보다 안정적인 수질 및 수량 확보가 가능하다는 점에서 많은 정수장에 신규 또는 부분 적 도입이 되고 있는 추세이다 (Cabassud et al., 1991; Choi et al., 2013). 정수처리 공정에서 막여과 공정은 탁도 및 Cryptosporidium, Giardia 등과 같은 병원성 미생물을 효과 적으로 제거가 가능하여 고품질의 수돗물을 생산할 수 있다 (Schneider et al., 2011; Yang et al., 2017). 현재 정수처 리공정에 적용되고 있는 MF/UF 막여과 시설은 대부분 고분자 유기막이 주로 적용되고 있으나 최근 들어 유기막 에 비하여 높은 막 투과율과 기계적, 화학적 및 열적 안정성 을 갖은 세라믹 막에 대한 관심이 높아지며 수처리 분야에 적용되고 있다. 세라믹 막은 유기막에 비해 생산단가가 높음에도 불구하고 상대적으로 높은 투과 성능과 긴 수 명, 그리고 낮은 운전비용으로 이를 상쇄할 수 있는 것으 로 알려져 있다 (Garmash et al., 1995; Meyn et al., 2010).

    MF/UF 분리막을 이용한 막여과 공정은 분리막의 공극 과 오염물의 크기에 따른 체거름을 주요 기작으로 하여 막의 공극보다 큰 오염물질을 제거하여 안정적인 수질을 확보한다. 그러나 수중에 존재하는 입자상 물질과 용존 유기물이 막표면에 침적하여 물의 흐름을 방해함으로써 처리수량의 감소와 TMP의 상승과 같은 막여과 시설의 운영효율 저하 문제가 발생한다 (Lee et al., 2004; Lee et al., 2012). 여과공정 중에 유입수 내 포함되어 있는 오염물질이 막의 표면과 공극에 부착되거나 쌓이게 되어 결국 막의 공극을 폐색시키는 막오염이 발생하게 되며 이로 인해 막여과 공정의 처리효율이 저감되게 된다. 유입수 내에 포함되어 있는 오염물질은 농도분극 현상과 막 표면의 겔(gel) 층 및 케이크(cake) 층을 형성하거나 막 기공 내에 흡착하여 막힘현상을 야기하여 막의 여과효 율을 감소시키게 된다 (Heran and Elmaleh, 2001; Karode, 2011; Park and Lee, 2011; Rai et al., 2006; Vyas et al., 2000). 막여과 공정은 오염물질의 높은 제거율을 유지하 며 막오염을 최소화하여 운영효율을 향상시키는 것이 중요하다. 막오염을 방지하는 방법은 막 모듈 및 재질에 따라 적합한 물리∙화학적 세척방법을 적용하여 발생된 막오염을 처리하는 방법과 전처리 공정의 연계를 통해 발생되는 막오염을 저감하는 방법이 있다 (Mulder, 1996). 이 중 전처리 공정의 연계는 분리막의 오염을 가중시킬 수 있는 물질을 사전에 제거함으로써 분리막 공정의 성능 을 향상시키고 막오염을 지연할 수 있는 장점을 갖는다 (Ahn et al., 2006). 또한, 물리세척 또는 약품세정을 이용해 저하된 막모듈의 성능을 회복하는 방법은 형성된 막오염 의 특성에 따라 상이한 회복률을 나타낸다. 막오염은 크게 물리세척에 의해 회복이 가능한 가역적 오염(Reversible Fouling)과 물리세척에 의한 회복률은 낮지만 약품세정 에 의해 회복이 가능한 비가역적 오염(Irreversible Fouling)으로 분류할 수 있다 (Zhu et al., 2012). 가역적 오염은 주로 막의 공극보다 크기가 큰 오염물질이 막 표면에 쌓이면서 형성된 케이크 층에 의해 발생되며 비가 역적 오염은 막의 공극과 크기가 같거나 작은 오염물질이 막의 공극을 막거나 공극 내부에 흡착하는 현상에 의해 발생한다. 이러한 막오염은 결과적으로 막여과 공정의 운영효율을 저하할 뿐만 아니라 약품세정의 주기를 단축 시킨다. 빈번한 약품세정은 정수시설의 처리수량 감소와 배관의 부식을 유발하며 약품의 비용 또한 전체운전 비용 과 생산단가를 높이는 요소로 작용하게 되므로 막여과 공정에서 막오염을 제어하는 것은 매우 중요하다. 세라믹 분리막의 경우, 유기계 막에 비해 원료가격 및 제조공정 등의 단점이 있지만 고온 및 고압 하에서도 특성유지가 가능하고 유기막보다 단순한 형상과 배열(Configuration) 을 갖기 때문에 오염되었을 때 세척이 용이한 장점이 있다. 또한 유기막의 경우 정수처리 공정에서 약품세정 에 의한 막 재질의 손상이나 변형이 발생하는 반면, 세라 믹 막은 우수한 내화학성 및 내마모성이 우수하여 유기용 매나 산-알칼리 용액에 장기간 노출시켜도 막에 손상이 가해지지 않고, pH 1~14의 전 범위에서 안정하기 때문에 반영구적 사용이 가능한 장점이 있다 (Charpin et al., 1987; Kang et al., 2017; Kim, 1993; Shimizu et al, 1988). 또한, 세라믹막은 친수성의 특성을 가지고 있어 정수처리 공정 에서의 일반적인 여과 플럭스가 2.0~4.0 m3/m2・일로 유기 막에 비해 2~3배 이상으로 높아 동일한 막여과 시설 대비 다량의 투과수량을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다 (Cha and Chi, 2011; Moritz et al., 2011b). 유기막과 세라믹 막의 주요 특성 비교는 Table 1에 나타내었다 (Ha, 2013). 본 연구에서는 세라믹 분리막을 이용한 막여과 공정에서 직렬여과 저항모델(Resistance in series)을 이용하여 전처 리 연계 공정에 따른 세라믹 분리막의 막오염 특성을 분석하였다. 유입수의 탁도 및 유기물이 막오염 형성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 유입수질의 농도를 조정 하여 평가하였으며 운전조건에 따라 형성되는 가역적 오염과 비가역적 오염을 수치적으로 분석하여 물리세척 에 따른 회복률을 확인하였다. 세라믹 분리막의 물리세척 은 약 500 kPa 높은 압력 조건에서 수행하였으며 혼화/응 집 전처리 연계공정과 막여과유속 등의 운전조건에 따라 형성된 막오염을 물리세척에 의해 제거함으로써 형성된 막오염의 가역적 및 비가역적 오염 형태를 분류하여 공정 조합에 따른 세라믹 분리막의 운영효율을 평가하였다.

    2. 연구방법

    2.1 실험원수

    본 연구에서 사용된 원수는 자연유기물질 중 상당부 분을 차지하는 휴믹물질과 탁도를 유발하는 점토성 무기 물과 같은 미세 무기입자를 모사하기 위하여 DI water에 kaolin (SHOWA)과 humic acid (SIGMA- ALDRICH)를 용해하여(Lee et al., 2009) 일정한 농도로 제조하여 사용 하였으며 원수성상은 Table 2에 나타내었다. 국내 정수 처리시설의 유입수질은 수계 및 계절에 따라 차이를 보이지만 장마 등의 기간을 제외할 경우 일반적으로 탁도 약 12 NTU 이하, DOC 2.3 mg/L의 수질을 유지하는 것으로 조사되었다 (Park and Choi, 2008; Kim, 2013). 그러나 본 연구에서는 유입수질 조건에 따라 형성되는 막오염 특성을 관찰하기 위하여 국내 정수시설의 유입 수질에 비하여 높은 농도의 탁도(20, 50, 100 NTU) 및 DOC(4, 8 mg/L)를 조정하여 사용하였다.

    2.2 Lab-scale 세라믹 평가장치

    실험에 사용된 세라믹 분리막의 특징은 Table 3에 나 타내었다. 0.1 ㎛의 pore를 갖는 MF ceramic membrane 을 이용하였으며 Fig. 1의 Lab-scale 막여과 장치를 통 해 여과하였으며 여과시간 동안의 TMP 변화량을 측 정하고 처리수질을 분석하였다. 막여과 장치는 TMP 변화에 따른 처리수의 유량 감소를 자동으로 제어하 여 일정한 막여과유속을 유지하는 정유량제어 방식으 로 운전하였으며 여과시간은 120분으로 설정하였다. 여과 후에는 물과 공기를 이용해 500 kPa의 압력으로 물리세정을 실시하여 여과에 의한 막의 오염도와 물 리세정에 의한 회복률을 관찰하였다.

    2.3 직렬여과저항모델(Resistance in series model) 을 이용한 막오염 계산

    막오염 현상을 정량적으로 분석하기 위해 Darcy’s law 를 기반으로 한 직렬여과저항모델(Resistance in Series)을 적용하여 물이 막을 투과하는 것을 제한하는 인자들을 각각의 저항의 합으로 나타내었다. 여과 및 물리세척 등의 실험을 통해 막 자체의 고유저항(Rm, Membrane resistance)과 막 표면에 오염을 형성하는 가역적 오염저 항(Rc, Cake layer resistance), 막 내부에 오염을 형성하는 비가역적 오염저항(Rf, Internal fouling resistance)으로 구 분 할 수 있으며 각각의 저항에 대한 모식도는 Fig. 2에 나타내었다 (Chang et al., 2009). 각 저항 값들의 Flux(J)와 TMP는 다음의 식 (1)~(3)과 같은 상관관계를 나타내며 단위 시간당, 막의 단위 면적당 투과되는 처리수량(Flux) 은 막에 작용하는 driving force인 TMP에 비례하고 총 저항(RT, Total resistance)과 처리수의 점성도(μ)의 곱에 반비례 한다.

    J = D r i v i n g f o r e R e s i s t a n c e = T M P μ × R T
    (1)
    R T = R m + R c + R f
    (2)
    J = T M P μ ( R m + R c + F f )
    (3)

    직렬여과 저항모델을 이용한 막오염 분석은 Fig. 3 와 같이 여과공정 전 10분 동안 증류수를 이용해 막의 고유저항(Rm, Intrinsic membrane resistance)을 측정한 후, 120분간 원수를 여과하여 발생한 TMP을 측정하고 이후 물리세척을 통해 회복되는 가역적 오염에 의한 여과저항(Rc)을 측정하고 이후 증류수를 이용해 10분 간 다시 여과하여 초기 막의 고유저항과 물리세척 이 후의 TMP 비교를 통해 물리세척에 의해 회복되지 않 는 비가역적 오염에 의한 여과저항(Rf)을 측정하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 세라믹 막의 운전조건 별 여과성능 평가

    세라믹 막을 이용한 공정에서 운전조건 변화에 따 른 여과성능 효율을 평가하기 위하여 막여과유속을 2, 5, 10 m3/m2・일의 조건으로 조정하여 평가한 직접여과 공정의 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 원수를 직접 여과 한 직접여과 공정은 막여과유속에 따라 120분간 3.5~210 kPa의 TMP가 상승하였으며 막여과유속이 높 을수록 TMP 상승폭이 높게 나타났다. 특히, 막여과유 속 10 m3/m2・일의 경우, 운전초기 약 60분간의 TMP 상승은 초기차압대비 35 kPa이내로 나타났으나 이후 급격하게 상승하여 종료 시 210 kPa 상승한 246 kPa 로 확인되었다. Lee et al. (2012) 및 Mendret et al. (2009) 등의 연구결과에서 높은 막여과유속 조건에서 운전할 경우, 막표면에 가해지는 TMP가 상승하게 되 며 이로 인해 막표면에 쌓인 오염물질이 압밀되어 막 표면의 공극이 작아짐에 따라 투수율이 감소 하는 것으 로 확인되었으며 본 연구에서도 위의 연구와 유사한 결 과를 나타내었다. 여과공정 후에 실시한 물리세척 공정 에서의 회복률은 막여과유속 2, 5, 10 m3/m2・일 조건에 서 각 71.0, 12.7, 11.0%로 확인되었다. 막여과유속 2 m3/m2・일의 경우, 직접여과 공정에서 1회의 여과 및 물리세척 시 TMP의 상승과 회복이 안정적으로 나타 났으나 5, 10 m3/m2・일 조건에서는 여과에 의한 TMP 상승이 매우 높고 물리세척에 의한 회복률이 약 15% 미만으로 낮게 확인되었다.

    혼화/응집 공정을 세라믹 막여과 공정의 유입수로 적용한 연계공정 실험 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 혼 화/응집은 응집제 A-PAC(10.6%)를 사용하여 jar-test를 통해 4 mg/L를 최적응집제 주입량으로 산정하여 평가 하였으며 혼화/응집 처리수를 세라믹 막여과 공정의 유입수로 사용하여 막여과유속 2, 5, 10 m3/m2・일 조 건에서 동일한 평가를 진행하였다. 120분 동안 여과공 정에서 TMP 상승은 4.3~49 kPa로 확인되었으며 직접 여과 공정과 마찬가지로 높은 막여과유속 조건에서 TMP가 상승하는 것으로 나타났다. 연계공정에서의 TMP 상승은 120분 여과시간 동안 직접여과 공정과 비교하여 25% 이하로 상승함을 확인하였다. 물리세척 회복률은 막여과유속 2, 5, 10 m3/m2・일 조건에서 53.8, 76.0, 77.6%로 나타났으며 막여과유속 5, 10 m3/m2・일 조건의 경우, 직접여과 공정에 비해 약 60% 이상 높은 것으로 확인되었다. Ahn et al. (2006)의 연 구에 따르면 이는 응집공정에 의해 형성된 플록들이 막의 흡입압에 의해 막 표면에서 결합하여 케이크 층 을 형성하게 되며 형성된 케이크 층은 막의 세공막힘 현상을 저감하는 것으로 보고하였다. 또한, 물리세척 에서 가해지는 전단력에 의해 형성된 케이크 층이 탈 리되므로 연계 공정에서 생성된 케이크 층에 의한 투 과유속 감소 또는 TMP의 상승이 막오염에 미치는 영 향이 적으며 단독공정에서는 막 표면에 케이크 층의 형성이 이루어지지 않는 것으로 보고하였다. 이러한 현상은 본 실험 결과에서도 유사한 결과를 나타내는 것으로 확인되었다. 여과시간이 지남에 따라 분리막 을 투과한 유입수에 포함된 물질이 분리막에 의해 제 거되어 축적되는 양이 증가하며 이로 인해 운전시간 에 따라 차압이 상승한다. 막여과유속이 증가할 경우 에도 동일시간대비 투과하는 유량이 증가함에 따라 유 입수에 포함된 오염물질이 축적되는 양이 증가하게 되 며 이로 인해 차압상승 정도에서 큰 차이를 보이는 것 으로 판단된다. 직접여과 공정은 막여과유속이 높을수 록 여과시간 동안 상승한 TMP가 3.5~210 kPa로 큰 차 이를 보이지만 물리세척에 의한 회복은 2.5~23 kPa 이내로 확인되었다. 그러나 혼화/응집 연계공정은 4.3~49 kPa의 TMP가 상승하였으나 물리세척에 의해 2.3~38 kPa이 회복 되었으며 이는 직접여과 공정에 비하여 막여과유속에 따 른 TMP 변화가 적으며 상대적으로 물리세척에 의한 회복 정도는 매우 높은 것으로 확인되었다. 이는 Lee et al. (2012) 와 Mendret et al. (2009)의 연구에서 제시한 막표면에서 발생하는 오염물질의 압밀현상 및 Ahn et al. (2006)의 연구에서 제시한 응집공정에서 형성된 플록에 의한 케이 크 층의 형성과 물리세척에 의한 탈리현상에 대한 내용과 유사한 결과로 사료된다. 동일한 물리세척 조건으로 세 척을 수행하였으나 물리세척 회복율이 공정(직접여과 및 혼화/응집 연계)과 막여과유속 조건에 따라 상이한 이유는 막표면에 축적된 오염물질의 양과 형태에 따라 물리세척에 의한 회복률이 차이를 보이는 것으로 판단된 다. 처리수질 결과는 Table 4에 나타내었으며 탁도의 경 우, 운전조건 및 공정조건에 관계없이 0.1 NTU 이하의 수질 확보가 가능하며 99.2% 이상의 제거율을 보였으며 DOC의 경우, 단독공정 시 약 12.3~13.4%, 연계공정 시 66.2~69.5%의 제거율을 나타내었다.

    3.2 유입수질 조건 별 여과성능 평가

    유입수질이 세라믹 막여과 공정의 여과성능에 미치 는 영향을 확인하기 위하여 유입수의 탁도 농도를 25, 50, 100 NTU(DOC 4 mg/L)로 조정하여 막여과유속 5 m3/m2・일 조건에서 평가한 결과를 Fig. 67에 나타내 었다. 막여과 단독공정과 응집 연계공정에서 유입수의 탁도 농도가 높을수록 TMP가 상승하며 단독공정에서 의 TMP 상승이 더 큰 것으로 나타났다. 물리세척에 의 한 회복률은 단독공정에서 12.7~25.1%, 연계공정에서 73.6~90.4%로 나타났으며 마찬가지로 연계공정에서의 회복률이 높은 것으로 확인되었다. 유입수 탁도 농도 별 여과공정 처리수의 탁도를 분석한 결과, 유입수의 탁도 농도가 상승하여도 공정에 관계없이 세라믹 분리 막의 처리수 탁도는 0.1 NTU 이하를 유지하는 것을 확 인하였다(Table 5). 유입수의 탁도 농도가 높을수록 여 과공정에서의 TMP상승이 높게 발생되는 것은 입자성 성분을 갖는 탁도 물질이 분리막의 여과효율에 직접적 으로 영향을 미치는 오염물질로 작용하는 것으로 볼 수 있으나, 처리수질은 유입수질에 관계없이 안정적인 값 을 보여 분리막을 이용한 여과 공정에서 고탁도 유입수 에 대한 제어가 가능함을 확인하였다.

    또한 DOC 농도를 4, 8 mg/L(탁도 50 NTU)로 조정 하여 동일한 막여과유속(5 m3/m2・일)의 조건에서 평가 한 실험 결과를 Fig. 89에 나타내었다. DOC의 농도 가 증가함에 따른 TMP의 변화는 운전조건 및 탁도 농 도 변화 실험 결과에 비해 큰 차이를 보이지 않았으나 단독공정에서 유기물 농도가 높은 경우 TMP가 약 20% 높게 나타났으며 연계공정에서는 여과 및 물리세 척 후의 TMP 결과가 유사한 것으로 나타났다. 처리수 질은 유입수 DOC 농도대비 단독공정은 약 11~13.7%, 연계공정 약 62~63.5%의 제거율을 보였으며(Table 6) 물리세척 회복률은 단독공정 약 14.4~22.3%, 연계공정 약 86.5~88.0%의 회복률을 보이며 운전조건 및 원수수 질 별 실험결과와 유사한 제거율 및 회복률을 나타냈 다. 이를 통해 막여과유속이 높거나 유입수 내의 탁도 및 유기물 농도가 높을수록 여과공정에 의한 TMP 상승이 빠르게 나타나며 막여과유속 5 m3/m2・일 이상 의 운전조건에서 단독공정은 탁도 농도가 증가할수록 TMP 상승이 크며 이는 유입수에 포함된 탁도 물질이 분리막에 의해 직접 제거됨에 따라 상승한 것으로 판 단된다. 또한 3.1의 결과와 마찬가지로 물리세척에 의 한 회복률이 약 25% 이하로 연계공정에 비해 매우 낮 은 회복률을 보이는 것은 증가한 오염물질에 의해 막 표면의 차압이 증가하며 발생한 압밀현상에 의해 물 리세척 회복률이 낮은 것으로 사료된다. 연계공정에 서도 탁도 농도가 증가할수록 TMP가 크게 상승하지 만 약 74% 이상의 회복률을 나타내며 혼화/응집 공정 에 의해 탁도물질이 일차적으로 처리되어 플록화되며 이러한 플록에 의해 형성된 케이크층이 물리세척에서 탈리됨에 따라 물리세척 회복률이 향상되고 이로 인 해 막여과 공정의 효율이 향상된 것으로 사료된다.

    3.3 운전조건 및 수질조건 변화에 따른 막오염 형성

    운전조건 및 수질조건 별 실험결과를 직렬여과저항 모델에 적용하여 형성된 오염을 가역적 오염(Rc)과 비 가역적오염(Rf)으로 분류하여 형성된 막오염을 수치화 하였다. 운전조건에 따른 막오염 분석결과는 Fig. 10 에 나타내었으며 운전조건 별 TMP 결과와 마찬가지 로 막여과유속이 높을수록 총 저항(RT)값이 높은 것으로 확인되었다. 단독공정과 연계공정에서의 막 고유저항 (Rm)은 2.1 - 3.6 × 1011 m-1의 값으로 확인되었으며 고 유저항에서 차이를 보이는 것은 실험에 사용된 총 3 개의 막모듈의 고유저항과 분리막의 사용 후 수행한 약품세정(Cleaning in place, CIP) 결과에 따라 미세한 차이를 보이는 것으로 확인된다. 단독공정에서 막여 과유속이 높을수록 비가역적오염(Rf)이 높아지는 반면 가역적 오염(Rc)은 유사한 것으로 확인되어 여과공정 에서 발생한 TMP의 상승 원인이 주로 물리세척에 의 해 회복되지 않는 비가역적 오염임을 알 수 있었다. 반면 연계공정에서는 단독공정에 비하여 비가역적 오 염은 매우 낮고 가역적 오염이 상대적으로 높았다. 총 여과저항에서 각 오염저항을 백분율로 환산하여 Fig. 11에 나타내었다. 막여과유속 2 m3/m2・일 조건에서 단 독공정과 연계공정은 막오염에 의한 TMP 상승이 적 게 발생하여 고유저항이 가장 높은 구성비를 갖지만 막여과유속 5 m3/m2・일, 10 m3/m2・일의 운전조건에서 단독공정은 비가역적 오염이 73%, 76%로 매우 높은 비중을 차지하는 반면 연계공정에서는 가역적 오염비 가 33%, 46%를 차지하는 것으로 확인되었다. 이는 동 일한 원수수질 조건과 운전조건에서 응집 공정을 전 처리 공정으로 적용할 경우, TMP 상승의 원인으로 작 용하는 막오염 물질의 형태가 물리세척에 의해 회복 이 가능한 가역적 오염의 형태로 발생하게 되며 이는 물리세척에 의한 회복이 가능하므로 연속공정에서 비 가역적 오염원이 누적되는 것을 감소하여 높은 막여 과유속 조건에서도 단독공정에 비해 안정적인 운전 이 가능할 것으로 판단된다. 유입수의 탁도 농도에 따라 형성된 막오염 분석결과를 Fig. 1213에 나타내 었다. 막의 고유저항은 2.89 - 3.06 × 1011m-1로 유사하며 유입수의 탁도 농도에 따라 총 여과저항이 증가하였다. 형성된 막오염 비는 운전조건 별 평가결과와 마찬가 지로 단독공정에서는 비가역적 오염, 연계공정에서는 가역적 오염이 차지하는 비중이 높은 것을 확인하였 으며 유입수의 탁도 농도가 증가할수록 총 여과저항 에서 가역적 오염과 비가역적 오염의 합이 증가하는 것을 확인하였다. 단독공정의 경우, 50 NTU 이상의 조건에서 일부 오염물질이 물리세척에 의해 제거되어 가역적 오염비가 상승하였으나 총 여과저항 중 비가 역적 오염이 70%를 차지하는 것으로 나타났다. 이는 입자성 물질이 분리막에 의해 직접적으로 여과되면서 막표면에 축적되는 오염물질이 증가하며 이로 인해 TMP가 함께 상승하여 막표면에서 압밀현상이 가속화 되는 것으로 사료된다. 연계공정에서는 유입수의 탁 도 농도가 증가할수록 고유저항 및 비가역적 오염비 는 감소하고 가역적 오염비가 29%, 67%, 79%로 점차 증가하는 것으로 확인되었다. 이는 응집 공정에서 원 수 내 함유된 탁도 물질이 플록화 되면서 막여과 공 정 유입 전에 우선적으로 제거되어 막 표면의 비가역 적 오염의 형성을 억제하여 세라믹 분리막 공정의 효 율을 향상 시키는 것으로 판단된다.

    유입수의 유기물 농도별 형성된 막오염 분석결과를 Fig. 1415에 나타내었다. 유기물 농도 별 결과에서도 막의 고유저항은 공정에 관계없이 유사하며 연계공정에 서는 유기물의 농도와 상관없이 유사한 값을 보이는 것을 확인하였다. 하지만 단독공정에서는 비가역적 오염이 높으며 유기물의 농도가 높을수록 비가역적 오염이 많이 발생하는 것으로 나타났다. 탁도 농도 별 평가결과와 달리 단독공정에서 가역적 오염이 유기물의 농도에 따라 상승하지 않고 비가역적 오염만 증가하는 것으로 확인되 었으며 이는 유기물질이 가역적 오염보다 비가역적 오염 에 직접적인 영향을 미치는 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 세라믹 분리막을 이용한 정수처리공정 에서 막여과 단독공정과 혼화/응집 - 막여과 연계공정에 서 운전조건 및 수질조건이 막오염 형성에 미치는 특성을 평가하였다. 직렬여과 저항모델(Resistance in series)을 이용하여 형성되는 막오염을 가역적 및 비가역적 오염으 로 분류하였으며 물리세척에 의한 회복률 관찰을 통해 세라믹 분리막 공정의 운전 조건(막여과유속 2, 5, 10 m3/m2・일) 및 수질 조건(탁도 및 DOC)에 따른 운전효율 을 평가를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 혼화/응집 - 막여과 연계공정과 막여과 단독공정 을 평가한 결과, 처리수의 탁도는 공정에 관계없이 0.1 NTU이하를 유지하였으며, 연계공정의 경우 전처 리 공정에서 막오염 유발물질인 탁도와 DOC를 우선 적으로 일부 제거함으로써 막여과 단독공정에 비해 안정적인 차압을 유지하였다.

    • 2) 막여과 단독공정은 막여과유속이 높을수록, 유입수 의 탁도 및 유기물 농도가 증가할수록 막표면에서 제거되 어 축적되는 오염물질이 압밀되어 TMP의 상승이 가속화 되며 막여과유속 5 m3/m2・일 이상의 조건에서 물리세척 에 의해 회복되지 않는 비가역적 오염(Rf)이 총 여과저항 (RT) 중 70% 이상을 차지하는 것으로 나타났다.

    • 3) 혼화/응집 - 막여과 연계공정은 막여과유속이 높을 수록, 유입수의 탁도 농도가 증가할수록 총 여과저항이 증가하는 경향을 보였으나 물리세척에 의해 회복 가능한 가역적 오염(Rc)이 총 여과저항 중 조건에 따라 약 30~80%로 증가하여 막여과 단독공정에 비해 매우 높은 비중을 차지하는 것으로 확인되었으며 유기물질은 막오 염 형성에 미치는 영향이 미미한 것으로 나타났다.

    • 4) 혼화/응집 공정을 막여과 공정의 전처리 공정으 로 적용할 경우, 응집 공정에 의해 형성된 플록이 막 표면에 케이크 층을 형성하지만 응집 플록에 의해 형 성된 케이크 층은 물리세척에 의해 제거되어 막여과 유속 5 m3/m2・일 이상의 조건에서 물리세척에 의한 회복률이 조건에 따라 약 54~90%로 확인되었다.

    • 5) 혼화/응집 – 막여과 연계 공정은 막여과 단독공 정에 비하여 가역적 오염의 형성비가 높아 물리세척 에 의한 회복이 용이하므로 세라믹 분리막 공정의 안 정적인 차압관리를 통한 운영효율 향상과 막여과 단 독공정에 비해 장기적인 운전이 가능하여 약품세정의 빈도를 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

    사 사

    본 연구는 환경부 “차세대 에코이노베이션 기술개 발사업(201600210005)”으로 지원 받은 과제입니다.

    Figure

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    The schematic diagram of lab-scale ceramic MF system.

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    Diagram of reversible and irreversible fouling formation.

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    Schematic diagram of filtration resistance analysis.

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    Comparison of TMP at different flux in ceramic MF (without coagulation).

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    Comparison of TMP at different flux in ceramic MF (with coagulation).

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    Variation of TMP by feed turbidity concentrations (without coagulation).

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    Variation of TMP by feed turbidity concentrations (with coagulation).

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    Variation of TMP by feed DOC concentrations (without coagulation).

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    Variation of TMP by feed DOC concentrations (with coagulation).

    JKSWW-32-77_F10.gif

    Comparison of fouling resistance for each operating conditions.

    JKSWW-32-77_F11.gif

    Resistance ratio of each operating conditions.

    JKSWW-32-77_F12.gif

    Comparison of fouling resistance for feed turbidity concentrations.

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    Resistance ratio of feed turbidity concentrations.

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    Comparison of fouling resistance for feed DOC concentrations.

    JKSWW-32-77_F15.gif

    Resistance ratio of feed DOC concentrations.

    Table

    Main features of ceramic membranes (Vs. polymeric membranes)

    Characteristics of water quality in feed water

    Characteristics of membrane

    Removal rate of permeate water after filtration for each conditions

    Turbidity concentrations of permeate water for each conditions

    DOC concentrations of permeate water for each conditions

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