하수처리수 재이용을 위한 RO System에서 막오염에 미치는 무기물 영향 평가 = Evaluation of Inorganic Effect on Membrane Fouling in RO System for Wastewater Reclamation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The need of wastewater reclamation is recently becoming an issue as an alternative due to water shortage. Especially, the technology using the reverse osmosis membrane which is easy to be operated and maintained and efficient for wastewater treatment is increasing as the current trend. Also the market of wastewater reclamation applying RO(Reverse Osmosis) Process is expected to be increased in the future. The most difficult problem in the operation of water treatment process using the reverse osmosis membrane is occurrence and controlling of membrane fouling. This membrane fouling causes the difficulties such as increase of replacement cost due to decrease in osmosis flux and the membrane lifetime. Since the high contamination load is expected to be happened especially in the case of wastewater, control is very important. The existing study of low pressure membrane fouling such as MF(Micro Filtration)/UF(Ultra Filtration) has been performed often, but the study of membrane fouling in RO process in the subject of wastewater is insufficient.
In this study, the pilot plant with the capacity of 400m³/day to be treated is installed at the site of wastewater treatment plant in A city. The second effluence is raw feed of UF and the filterate of UF was used as the feed of RO which contains 75% of recovery rate. The high qualified water below 0.1 NTU of turbidity produced by RO system with the application of UF pre-treatment could be gained. In addition, as a result of RO system operation, the high qualified produced water more than the tap water processed approximately 10-20 mg/L from raw water at 300 – 400 mg/L TDS could be gained.
The study intends to observe the transmembrane pressure (hereinafter TMP) due to the long-term operation of RO System and change of flux and to find out the trend of membrane fouling due to organic matters and inorganic matters. The cleaned liquid is analyzed after Clean in Place(CIP) and the Surface Analysis of RO membrane contaminated with SEM/EDX is performed in order to figure out the trend of pollution level due to substance characteristic in treated wastewater. When TMP of the membrane is approached to its limit during the operation for one and half year, CIP based on the guide line is performed. In the beginning of 6 months, it could be operated without CIP and after, the cycle of CIP become shorten and TMP become faster based on the level of the membrane fouling. As a result of analyzing the component of membrane fouling through SEM/EDX, Fe was the highest detected in the surface of membrane and Mn, Ca, P and Al was detected. As a result of analyzing the CIP water, the component of membrane fouling tends to be similar with the analysis result of SEM/EDX. Due to a large contamination load and different characteristic with seawater and clean water of wastewater, the amount of substance contained in raw feed is measured per unit in order to evaluate the efficiency of raw feed. And then, it is quantitatively analyzed using CIP water in order to measure the component of RO membrane fouling used during the operation time. The raw water used in this study is passed through UF pre-treatment and entered into RO membrane. However, only particulate matter and turbidity are removed but organic and inorganic matters are almost unremovable. Therefore, the evaluation measuring the contaminants of the membrane due to the organic and inorganic matters of raw water is defined as "Contribution index of Membrane Fouling". It is reported that reverse osmosis membrane fouling in the process of sea water desalination is mostly influenced by organic matters and the fraction of Ca and Mg is high among inorganic matters. However, the inorganic membrane fouling contributed the most in the application of reverse osmosis membrane of wastewater and Al and Fe among inorganic matters that Contribution Index of Membrane Fouling is highly measured seemed like the chemicals injected for the pre-treament. Even though the raw water contains only small amount of Mn and P compared to other matters, contribution on membrane fouling was significantly high.
Therefore, proper pre-treatment and cleaning condition can be drown by understanding the trend of membrane fouling due to the characteristic of raw water when wastewater is applied as raw water in the future.

국문 초록 (Abstract)

최근 수자원 부족에 대한 대안으로 하수재이용에 대한 필요성이 부각되고 있다. 특히 운전 및 유지관리가 용이하고 처리효율이 우수한 막을 이용한 기술이 증가하는 추세이며 향후 RO공정을 적용한 하수재이용 시장이 확대될 것으로 예상된다. 막을 이용한 수처리 공정의 운영에서 가장 어려운 문제는 막오염(Membrane fouling)의 발생 및 제어이며, 이러한 막오염에 의해 투과 Flux 저하 및 막수명 감소로 인한 막 교체 비용의 증가 등 어려움이 따른다. 특히 하수처리수를 대상으로 한 경우 높은 오염부하가 예상되기 때문에 이에 대한 제어가 중요하다. 기존 연구에서 MF/UF와 같은 저압막의 오염에 관한 연구는 많이 수행되었지만, 하수처리수를 대상으로 한 RO막공정의 막오염에 관한 연구는 미미하다.
본 연구에서는 A시 하수처리장 부지 내에 처리용량 400 m3/일 규모의 Pilot Plant를 설치하였으며, 이 공정은 하수 2차 처리수를 원수로 사용하였으며 UF전처리 시스템 및 75%의 회수율을 갖는 RO시스템으로 구성 하였다. RO공정의 유입수는 UF전처리 적용으로 탁도 0.1NTU이하의 양질의 수질을 얻을 수 있었고, RO공정의 운전결과 300~400 mg/L TDS 원수가 약 10~20 mg/L로 처리되는 수도수 이상의 양호한 수질의 생산수를 얻을 수 있었다. Pilot 운영 중 RO 공정의 장기 운전에 따른 막간차압(TMP, Transmembrane Pressure) 및 Flux의 변화를 관찰하고 유기물(Organic matters) 및 무기물(Inorganic matters)에 의한 막오염 경향을 파악하고자 하였다. 하수처리수에 존재하는 물질 성상에 따른 오염도 경향을 파악하기 위하여 화학세정(CIP, Clean in place)후의 세정액을 대상으로 성분분석을 하였고, SEM/EDX로 오염된 RO막 표면분석을 수행하였다.
약 1년 6개월의 운전기간동안 막의 TMP가 한계차압에 도달했을 때 가이드라인의 지침에 따른 조건으로 CIP를 수행하였다. 초기6개월 동안은 CIP없이 운전 할 수 있었고, 이 후 에는 TMP증가가 빨라지고 CIP 주기가 짧아진 것을 확인하였다. SEM/EDX를 통해 오염된 막의 성분 분석한 결과 막 표면에는 Fe 의 성분함량이 가장 높았고 Mn , Ca , P 및 Al도 검출되었다. 또한 CIP 세정액을 분석한 결과 검출된 오염성분이 SEM/EDX의 분석결과와 유사하였다. 하수처리수는 오염부하가 크고, 해수 및 정수와 다른 특성을 가지고 있다. 이에 따라 원수의 성상에 따른 막오염의 영향을 평가하기 위하여 원수에 포함되어있는 물질량을 단위시간당 측정하였고, 그 기간 동안 사용한 RO막의 오염 성분을 측정하기 위하여 CIP세정수를 사용하여 정량 분석하였다. 본 연구에서 사용되어진 원수는 UF전처리를 거쳐 RO막에 유입되었지만 입자상물질 및 탁도만 제거 되었을 뿐 유기물 및 이온성 무기물은 거의 제거가 되지 않았다. 따라서 원수의 유기물 및 이온성 무기물에 따른 막의 오염 성분을 측정한 평가를 “막오염 기여도”라고 정의하였다. 일반적으로 해수담수화 공정에서의 RO막 오염은 유기물의 영향이 가장 크고, 무기물 중에는 원수에 높게 용존되어 있는 Ca 및 Mg라고 보고되고 있다. 하지만 본 연구를 통하여 하수처리수 적용의 경우에는 무기물이 RO 막오염에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다. 막오염 기여도가 높게 측정된 무기물질중 Al 및 Fe은 전처리를 위하여 주입한 응집제에 의한 것으로 보였고 , Mn 및 P는 다른 물질에 비하여 원수에 미량으로 존재하였지만, 막오염에 있어서는 기여도가 상당히 큰 것으로 나타났다.
향후 하수처리수를 원수로 적용하였을 때 원수의 특성에 따른 막오염 경향을 파악함으로써 이에 따른 적절한 전처리 및 세정조건을 도출할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 및 목적 1
• 제2절 연구내용 및 범위 4
• 제2장 이론적 배경 5
• 제1절 수자원 현황 5
• 제2절 하수재이용 7
• 제3절 하수처리수 재이용 공정 9
• 제4절 막 여과 공정 10
• 제5절 막 오염의 종류 15
• 1. 콜로이드에 의한 막오염 16
• 2. 유기물에 의한 막오염 17
• 3. 미생물에 의한 막오염 18
• 4. 무기물에 의한 막오염 18
• 제3장 실험장치 및 방법 22
• 제1절 실험장치 및 재료 22
• 1. Pilot system 22
• 2. RO membrane 23
• 3. Process flow 24
• 제2절 실험방법 25
• 1. Lab scale 실험 25
• 1) 수질분석 25
• 2) Jar Test 27
• 3) SEM/EDX 분석 28
• 4) 막오염 기여도 30
• 2. 실증 플랜트 실험 31
• 제4장 결과 및 고찰 32
• 제1절 실증 플랜트 운영특성 32
• 1. 하수처리장 방류수 수질 특성 32
• 2. RO원수 및 생산수 수질 특성 34
• 3. RO공정 성능평가 35
• 제2절 막 오렴 기여도 평가 37
• 1. 막 표면 육안관찰 37
• 2. 막 단면 분석 38
• 3. 막 표면 분석 42
• 4. CIP세정액 성분분석 46
• 1) 막의 오염성분 파악 46
• 2) 구간별 막오염 물질 거동 파악 47
• 5. 막오염 기여도 산정의 정합성 평가 50
• 6. 막오염 기여도 52
• 제 5장 결론 57
• References 58
• Abstract 62