접촉산화법을 이용한 상수원수의 수질개선

김대영 부경대학교대학원 2001 국내석사

역삼투법(RO) 해수담수화에서 응집-UF membrane 공정의 최적화

최광훈 부경대학교 대학원 2012 국내석사

현재 국내에서는 용수 부족 문제와 물 공급의 부족문제가 심각하게 대두되고 있으며, 이에 따라 하․폐수 재이용, 지하수 개발과 더불어 해수담수화와 같은 대책에 그 관심이 집중되고 있다. 이러한 대책 중 해수 담수화는 국내의 지리적 여건상 삼면이 바다로 둘러싸인 이점을 활용할 수 있으며, 특히 물 부족 문제가 심각한 공업단지가 해안에 밀집되어 있고, 낙도 등의 용수 문제가 심각한 현실을 감안할 때, 가장 유력한 물 공급 대책의 하나로 제시될 수 있다. 이에 부산시는 대체 수원 확보를 위해 해수담수화 사업을 주요사업으로 추진해왔다. 기장군 대변리 일원 4만6천 m2에 1일 4만5천톤의 수돗물을 생산할 수 있는 역삼투압 방식의 해수담수화 플랜트 테스트베드를 건설할 계획이다. 우리나라는 중동 지방과 같이 에너지원이 많지가 않아서 증발식의 담수화 시설을 이용하기가 용이하지 않다. 그래서 RO막을 이용한 담수화에 초점을 맞추고 있다. 기장군에 계획중인 담수화 플랜트 또한 역삼투막을 이용한 해수 담수화 플랜트이다. 역삼투막을 이용한 해수담수화에 있어 효율에 영향을 미치는 중요한 요인으로 원수의 성상을 들수 있는데, 해수의 경우, 수중에 부유물질, 용존성 염류, 유기물질, 실트, 콜로이드 물질들로 인해 막 표면에서 Fouling 현상이 일어나 역삼투 모듈의 압력 강하, 압력의 저하를 일으킬수 있으며, 투과수 유량이 상당히 저하되어 막을 쓰지 못할 우려가 있다. 이와같은 fouling은 유입수 성상에 알맞은 전처리를 운전하여 역삼투막 공정의 성능을 향상시키고 막수명을 연장하여야 한다. 이러므로써 경제적인 운영을 할 수 있다. 부산시 기장군 해역에서 채수된 원수로 응집, pH 조절, UF membrane, DAF, DMF, 소독 등의 전처리를 통해 어떤 공정 조건이 기장군 해역에 알맞은 전처리 공정인지 알아보고자 한다. 여기에 정수처리 공정에 오래전부터 사용해왔던 모래여과 방식으로 처리되지 않는 오염물을 제거하기 위하여 UF 막을 이용하여 전처리 하였다. UF막의 투과수는 RO막에 유입되는 유입수 측면에서 재래식 공정보다 우수하다. 하지만 UF막 또한 부유물질, 실트, 유기물질, 콜로이드 물질로부터 fouling을 일으키고 성능이 저하하여 경제적으로 운전하기 위한 UF막 전처리를 생각하여야 한다. 이에 응집제, 응집제 농도, pH 등의 전처리 공정을 최적화 하고자 한다.

RO막의 해수 전처리를 위한 2층여과와 UF막 공정의 적용

김동진 부경대학교 대학원 2012 국내석사

우리나라는 UN이 정한 물 부족 국가로써 1인당 사용 가능한 물의 양이 다른 나라에 비해 적은 편이며, 강수량이 홍수기에 편중되어 물의 이용에도 어려움이 많다. 최근 확정된 정부의 물 관리 종합대책에 따르면 광역상수도의 확충, 댐건설, 홍수통제의 과학화, 하·폐수의 재이용기술 개발 등과 아울러 해수의 담수화 및 인공강우와 선진기술 개발에 관해서도 새로운 청사진을 제시하고 있다. 장기적인 측면에서 댐이나 지하수 이용량에는 한계가 있고 재이용수의 경우 제한된 부분에만 이용할 수 있는 단점이 있어 이러한 방법으로는 물 부족 현상을 근본적으로 해결할 수 없다. 따라서 물 부족 현상의 근본적인 해결방안은 기존의 육지의 물 이외의 새로운 수원을 개발하는 것이라 할 수 있으며, 대체 수원 중 가장 매력적인 것은 지구상 물의 98%를 차지하는 해수라 할 수 있다. 최근 국내에서도 대체 상수원으로써 해수의 이용에 많은 관심을 가지고 있으며 물이 부족한 도서지역을 대상으로 해수 담수화 설비를 확충하고 있다. 부산시 역시 해수를 이용한 대체상수원의 이용, 안정적인 수질의 제공 그리고 다량의 수자원을 확보하기 위해 이번 국토해양부의 R&D사업의 일환으로 해수담수화 plant를 유치하였으며, 이를 계기로 해수담수화에 대한 지역기술 개발의 필요성이 부각되었다. 이런 해수담수화 설비의 RO막은 염분이 많은 해수를 안정적으로 음용수로 공급해 주지만 RO막의 fouling에 의한 막 손실에 따른 생산성 감소가 공정상의 큰 문제로 논의 되고 있다. 이런 문제를 해결하기 위해서는 RO막에 유입되는 해수의 전처리가 매우 중요한데, 그 방법으로는 응집, pH조절, 일반여과(sand filtration), 막여과 그리고 소독 등이 있다. 전처리가 효과적으로 이루어지지 않았을 경우 RO막의 fouling에 의해 세정주기가 빨라지고 막의 수명이 단축 될 뿐 아니라 낮은 회수율, 그리고 높은 운전압력 손실 및 생산된 물의 수질이 저하되는 문제가 발생한다. 이는 곧 RO막 운전 비용과 밀접한 관계가 있기 때문에 전처리에 대한 중요성이 매우 부각되고 있다. 그리하여, 본 연구는 RO막에 유입되는 해수의 전처리 공정에 대한 연구로써 일반적으로 사용되는 이층 모래여과와 UF막 분리를 이용하여 각각 최적 운전 조건에 따른 탁도 및 flux를 알아보고, 보다 효율적인 전처리방법을 도출해 내는 것을 목적으로 한다.

낙동강 수계 용존 유기물질의 기원, 특성 및 거동

김정선 부경대학교 대학원 2013 국내박사

The Nakdong River is the primary source of drinking water for southeastern part of korea. Therefore many effort and investment have been given the Nokdong River watershed to improve water quality since the 1980s. However, organic contaminants level measured as BOD and COD has not been reduced during the last 10 years, and even increased at some part of river depending on the season and the location. Discharge of treated w.w and agricultural runoff into river can change the composition of DOM by increasing the loading of biologically drived DOM or increasing nutrient loading and thus promote enhanced seasonal algae blooms. Recently, it has been realized that BOD and COD as an index of organic matter have some limitation on the management of the Nakdong River water quality. Therefore, an alternative index of organic matter are needed to estimate the organic matter concentration and composition. One of the Key issues in watershed management for DOM control is an understanding of the origin and genesis of aquatic organic matter. The nature and properties of dissolved organic matter (DOM) in water are topics of significant environmental interest, because it is a major reactant in and product of biogeochemical processes in the watershed. However, DOM concentration, composition, and chemistry are highly variable and depend on the sources of organic matter (ex, allochthonous vs. autochthonous); on the temperature; on the surface chemistry of sediment and soil; and on the presence of photolytic and microbiological degradation processes. Therefore, it is very necessary to characterize DOM for understanding and predicting the fate of DOM or its fraction in specific environment. Dut to the complex nature of DOM, a variety of experimental methods were used to characterize it. The methods include DOM fractionation using XAD resins, UV absorbance, Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, fluorescence spectroscopy, and size exclusion gel chromatography which were also used in this work. The main objective of the study described here was to assess the contribution of point sources to the DOM loading into the Nakdong River. Other specific objectives were to assess DOM concentrations, composition, and properties of waters, to identify origins and sources of DOM, estimate DOM input to the Nakdong River, determine the effects of the point source DOM on the Nakdong River water quality, and determine seasonal and flow effects on DOM composition. These data can be used to evaluate the effectiveness of watershed best management practices at ensuring of the Nakdong River. In order to understand the spatial and temporal changes in DOM in rivers and lakes, more information on the origin of the different organic compounds must be gathered. The chemical composition of surface waters reflects the nature of their catchment. Therefore, DOM sources on the catchment have to be taken into account. The Nakdong River samples collected on 9 different sites from 2011, Aug. to 2012, Nov. had different DOM fractionation. DOM in all of the water samples exhibits a heterogeneous matrix of organic components having different fraction patterns. These differences in DOM fractionation patterns demonstrate the dynamic nature of DOC concentration and composition changes as a function of environment, flow, and season. Also, the results of this study indicate a number of unusual features of Nakdong River watershed in regard to its DOM characteristics and this information will help in the management of refractory organic matter later in Nakdong River and Namgang Lake. This work also have characterized DOM in several wastewater treatment plant effluents. The DOM fractionation was also substantially different with respect to water sources and treatment precesses. In addition, DOM sampled from several organic sources was fractionated and measured with DOC, UV absorbance, FTIR, fluorescence, and molecular weight, etc. This result showed that some distinct characteristics are associated with the organic source. The characteristics of DOM collected from different sources were markedly different from source to source and seasonally. For this research, organic matters were isolated from 9 samples selected for natural or engineered bioactivity: river sample, treated w.w., mountain stream, pond, plant litter, soil etc. The isolated organic matters were characteriged by multiple advanced techniques including ion exchange resins. Forier trandform infrared spectroscopy, fluororecence spectroscope. For example, the DOM fractionation of the soil and leaves differs from the DOM fractionation of water samples. And, the terrestrial organics (sediments from wetland and river and soil from rice pod) are composed of a relatively high amount of hydrophobic above 55 % and of polysaccharide-like substances. The properties of DOM were also affected by seasonal variations, especially for surface waters. In addition, triangle analysis based on the various sources of DOM reveals that the property of DOM in the mainstream of the Nakdong River was very similar with the DOM source from wastewater treatment plants. Even though presently we can not make clear interpretation of DOM fractionation data obtained from this study, these data will be used as a fingerprint after collecting more data from continuing future works.

하수처리수의 인 제거에 미치는 Al(Ⅲ)응집제 염기도의 영향

권철민 부경대학교 대학원 2013 국내석사

2011년 2월 환경부에서 개정 및 공포된 하수도법 시행규칙 개정내용에 따르면, 용수사용 및 공공수역의 생태계 보전에 중점을 두고 부영양화 생성의 주요인자인 총인과 COD에 대하여 2012년 1월부터 공공하수처리시설의 방류수 수질기준이 강화되었고 2013년 3월부터 공공하수도시설 운영관리 업무지침이 개정되어 총인처리시설의 설계 및 운영 수질 등이 포함되었다. 또한, 2010년 4월에는 총인과 COD에 대하여 2010년부터 폐수종말처리시설의 방류수 수질기준을 강화한다는 내용으로 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률의 시행규칙을 개정, 공포하였다. 이는 부영양화 생성의 주요인자인 총인과 난분해성 유기물질의 측정항목인 COD가 종전의 관리지표인 BOD에서 새로운 관리지표로 제시되는 것으로 생각되며, 공공수역에서의 화학물질 사용과 자연적인 유기물질 생성 및 난분해성 유기물질의 유입 등 오염원의 변화로 인하여 새로운 관리지표로의 변화 요구가 반영된 것으로 생각된다. 하천 수계 내에서의 유기물질 증가는 생활하수․산업폐수․축산분뇨 등 점오염원과 산림․농경지․도시 등의 비점오염원이 오염물질 주원인이지만, 조류 및 수생식물이 생산하는 수계 내 자체 생산 유기물질량이 전체 유기물질 부하량의 약 25~30 % 추정되고 있다(환경부, 2009). 그러므로 공공수역 수질관리의 문제점으로 나타나는 유기물질을 제어하기 위하여 조류의 성장제한 인자인 총인의 처리강화가 요구되는 상황으로, 하수처리시설의 총인에 대한 방류수 수질기준은 2011년까지 2 ㎎/L(겨울철 8 ㎎/L)을 적용받았으나, 현재 설치되어 가동중인 생물학적 처리에 의한 제거 가능한 총인의 양에는 한계가 있으며, 2012년부터 강화된 현행 방류수 수질기준인 0.2 ㎎/L(겨울철 0.2 ㎎/L)을 만족시키기 위해서는 화학적 응집을 이용한 인의 화학적 처리에 대한 다양한 검토가 필요한 실정이다. 대부분의 하수처리장에서는 생물학적인 고도처리를 통해 인을 제거하고 있으나, 계절의 변화에 따른 미생물 활동성의 변화가 심하여 인의 처리정도에 대한 대응이 어려운 실정이다. 이에 따라 인의 처리를 위해 응집제를 사용한 화학적 처리를 병행하여 사용하고 있으나, 인의 처리에 대한 화학적 처리기술에 대한 mechanism의 연구는 미흡함에 따라 합리적이고 과학적인 응집제의 선정 및 사용방법이 필요한 실정이다. 인은 비교적 용해도가 낮아 수중에서 침전물(precipitate)의 생성이 용이하다(Rittmann, 2002). 따라서 생물학적인 처리공정에서의 인의 처리는 미생물에 흡수된 형태로 제거되어 지며, 화학적인 처리공정에서는 응집제와 화학적 또는 물리적으로 결합된 침전물의 형태로 제거되어 진다(John, 2006). 저농도의 인을 효과적으로 제거하기 위해서는 일반적으로 생물학적 처리공정보다는 화학적 처리공정에서 응집․침전 또는 응집․여과설비로 효과적인 인의 처리가 가능하며, 유입수질의 변동에 능동적으로 대처할 수 있는 특징을 가지고 있다(황응주외 1인, 2009). 따라서 본 연구에서는 2012년부터 강화된 하수처리 방류수의 수질기준을 만족하기 위하여 하수처리수에 함유되어 있는 인에 대한 알루미늄과 인의 효과적인 응집 mechanism을 반영한 새로운 응집제를 적용함은 물론 다양한 염기도와 Al 가수분해종을 함유한 응집제를 제조하여 인의 응집에 미치는 염기도와 Al 가수분해종의 영향에 대하여 살펴보고자 하였다.

폐기물 소각시설에서의 CO2 배출량 산정방법에 대한 비교 연구

오승환 부경대학교 대학원 2019 국내박사

According to the IPCC Climate Change Comprehensive Assessment Report published in 2014, CO2 released into the atmosphere from the 1750s to 2011 is estimated to be 2040±310GtCO2, and 50% of the total greenhouse gases released into the atmosphere since the Industrial Revolution. In particular, despite the global greenhouse gas reduction measures since the 2000s, the impact of negative climate change is increasing as greenhouse gas emissions are deepening. In order to reduce the emission of greenhouse gases, it is the first step to calculate the exact emission for each source. Therefore, the Climate Change Convention(UNFCCC) provides guidelines through IPCC for calculating the amount of greenhouse gases emitted by each country. In regard to this, in the case of incineration of waste, the calculation process is complicated, so it is recommended that the method by direct measurement is very accurate and transparent. Currently, in the case of domestic waste incineration facilities, the calculation of greenhouse gas emissions is estimated by calculation method. In this case, CO2 emissions are calculated considering the characteristics analysis of incinerated wastes such as amount, dry weight and carbon content. However, each emission factor applied in the calculation process has a low accuracy and high uncertainty in that it is calculated using some measurements and most of them uses the default value(Default Factor) provided by the IPCC. Therefore, the IPCC recommends direct measurement for estimating greenhouse gases in waste incineration facilities. At this points, due to the infrastructure of Tele-Monitoring System(TMS) established in Korea, continuous measurement of CO2 emissions(CEMS) is possible in waste incineration facilities. Therefore, in order to study the effectiveness of calculating greenhouse gas emissions through continuous measurement of waste incineration facilities, we selected waste incineration facilities operated in Korea and applied Tier1 calculation method(calculation formula) according to IPCC guidelines and Tier4 a continuous measurement method which is the fundamental purpose of this study, are compared and analyzed. In addition, we tried to identify the problems of the method of calculating the greenhouse gas emissions of the waste incineration sector currently applied by comparing the emission factors provided by the IPCC guidelines with the average value of the incineration facilities selected in this study. The study was conducted annually from 2014 to 2016 in consideration of the time series. The target incinerators for the study was conducted at two municipal and two industrial waste incinerators in consideration of the characteristics of incineration waste. The main results of this study are that the proportion of 6 wastes in CO2 emissions in the order of plastics, papers, and textiles in the municipal waste incineration is estimated to exceed 95%, and in the case of industrial wastes, CO2 emissions from 4 waste types, including petroleum, others, and construction waste exceeded 95% of total emissions. Second, in the case of municipal waste incineration, there is a certain level of difference between Tier1 and Tier3 CO2 calculations, however in case of Tier4 CO2 emission is depended on the incineration efficiency. This consideration is also found in the industrial waste incineration. Third, Tier1 relative uncertainty is found to be between 21.11% and 74.29% in M-B facilities, which are municipal waste, and 78.05% and 430.21% in I-B facilities, which are industrial waste. The relative uncertainty according to the Tier3 method was found to range from 9.22% to 38.48% in M-B facilities, which are municipal waste facilities, and from 20.05% to 765% in I-B facilities, In the case of Tier4, the CO2 concentration uncertainty of municipal waste M-B facility performed during the inspection period was an average of 0.02405, and the average uncertainty of the flow period was 0.03442727. As a result, the relative uncertainty of the M-B facility was 4.118 percent, and the relative uncertainty of the I-B facility was 10.564 percent. Therefore, in the case of domestic incineration facilities, it is advantageous to calculate CO2 emissions by continuous measurement method using the currently constructed TMS infrastructure in terms of accuracy of emission and transparency of the calculation process.

해수담수화를 위한 역삼투-압력지연삼투(SWRO-PRO) 융합 공정의 최적화

고길현 부경대학교 2016 국내석사

Recently, reverse osmosis (RO) is the most common process for seawater desalination. A common problem in the RO and thermal processes is the high energy requirements for seawater desalination. Many researches have been conducted to use renewable energy sources for power supply to the RO plant in order to reduce the cost of desalination process. One method to generate osmotic power is through pressure retarded osmosis (PRO) process. Experimental studies have demonstrated the technique potential for power generation using reverse osmosis (RO) membranes of high water permeability and salt rejection rates. In the PRO process, water permeates through a semipermeable membrane from a low concentration feed solution to a high concentration draw solution due to osmotic pressure. Recently, flat-sheet and hollow fiber PRO membranes have been used for the PRO process, but most of those have limitations of the membranes, such as a limited hydraulic pressure applied and membrane deformation during operation. Also, despite many studies were carried out to investigate the PRO system, there have been only few studies which have evaluate the performance of the spiral wound membrane module using RO concentrate for a draw solution and RO permeate for a feed solution. The main objectives of this study is to assess the power production from a PRO pilot-plant using 8 in spiral wound membrane modules. The effects of feed and draw solution concentration, flowrate, mixing ratio, and module configuration on spiral wound PRO module performance were investigated in this study. As major results, Experimental result of power density of around 1.24 W/m2 and 1.83 W/m2 were obtained 50,000 mg/L. Experimental result of power density of around 2.71 W/m2 and 3.68 W/m2 were obtained 70,000 mg/L. Increases of the draw solution concentration and flowrate lead to the improvement of PRO performance. When the flowrates of 2.4 L/min, 5.0 L/min, 10.0 L/min with 1:1 mixing ratio were applied, the power density were 1.01 W/m2, 2.71 W/m2, 3.68 W/m2 at △P of 13.6 bar, 17.7 bar, 19.2 bar, respectively. Optimal mixing ratio of draw solution and feed solution inlet flowrate was found to be 1:1 to attain a maximum power density. Configuration of two-stage PRO was better than the single-stage PRO for recovery of energy. In addition, the energy recovery rate of two-stage PRO system was higher than the single-stage PRO.

에너지 절감형 해수담수화를 위한 역삼투-압력지연삼투막(RO-PRO) 공정의 적용

김동현 부경대학교 대학원 2017 국내석사

Seawater desalination is the technique of obtaining fresh water from seawater by removing salinity. Among the desalination technologies available, reverse osmosis (RO) is currently considered as the most economical process. RO membranes are susceptible to a wide variety of organic and inorganic foulants. Fouling is an unavoidable phenomenon and major obstacle caused by dissolved or dispersed materials on membranes. So pretreatment process is the most critical step of RO membrane in order to prevent membrane fouling. Ineffective or unreliable pretreatment can lead to problems with the RO system including high rates of membrane fouling, high frequency of membrane cleanings, lower recovery rates, high operating pressure, poor product quality, and reduced membrane life; all having a direct impact on plant productivity and operational costs. UF membrane systems have been shown to be very efficient in removing turbidity and non-soluble and colloidal organics contained in the source water, and seem to be, by far, the most common choice in research studies and pilot testing for RO pretreatment. The performance of RO membranes downstream UF exceeded the usual operating conditions encountered in seawater desalination. The combined effect of higher recovery and higher flux rate promises to significantly reduce the RO plant costs. Coagulation has been successfully used inline with MF, UF, and NF membranes to prevent fouling during RO feed water pretreatment. Applying coagulation process before membrane filtration showed not only reducing membrane fouling, but also forming a cake structure that is more porous than the supporting membrane, thus avoiding permeate flux decline. The combination of UF with a pre-coagulation helped in controling the UF membrane fouling and providing filtered water in steady state conditions. Ferric and aluminum salts are commonly applied in MF/UF system for coagulation. Ferric chloride (FeCl3) has been shown to be the most successful coagulant in RO pretreatment application. According to the study, ferric chloride would cause accelerated fouling in the RO membrane when the oxidized form of iron is more than 0.05 mg/L. Most iron is removed by sand filtration, although some iron could pass through the sand filtration and negatively affect the RO membrane. Aluminum salt (such as alum) are avoided, because it is difficult to maintain aluminum concentrations at low levels (0.05mg/L) in dissolved form since aluminum solubility is very pH dependent. Aluminum residuals most notably from alum coagulant, were observed to cause colloidal fouling of membranes through interactions with ambient silica to form aluminum silicates. Meanwhile, a major problem in the RO is the high energy requirements for seawater desalination. Many researches have been conducted to use renewable energy sources for reduction power consumption to operating RO plant. One method to generate osmotic power is through pressure retarded osmosis (PRO) process. Experimental studies have demonstrated the technique potential for power generation using RO membranes of high water permeability and salt rejection rates. In the PRO process, water permeates through a semipermeable membrane from a low concentration feed solution to a high concentration draw solution due to osmotic pressure. Recently, flat-sheet and hollow fiber PRO membranes have been used for the PRO process, but most of those have limitations of the membranes, such as a limited hydraulic pressure applied and membrane deformation during operation. Also, despite many studies were carried out to investigate the PRO system, there have been only few studies which have evaluated the performance of the spiral wound membrane module using RO concentrate for a draw solution and RO permeate for a feed solution. The main objectives of this study is to assess the power production from a PRO pilot-plant using 8 in spiral wound membrane modules. In this study, a major objective is to investigate the effects of coagulants on UF-SWRO membrane process performance and application of PRO process for reduction of SWRO operating cost. The Coagulation-UF experiment was conducted by using different coagulant doses and coagulation type and UF flux was measured for evaluating the efficacy of coagulation process. The result of the coagulation-UF experiment by FeCl3 was better than alum on the reducing flux decline. And Al concentrate on the UF permeate did not exceed 0.05 mg/L. The RO experiment was also conducted by different coagulant doses and coagulation type, Fe concentration, Al concentration and RO flux, RO salt rejection were evaluated. The results showed that most filtered water contained the low Al concentration (0.05 mg/L) at the different dosing condition. But low silica seawater (such as UF filtered) with low Al concentrate show the similar flux decline and salt rejection at UF permeate. For the SWRO-PRO pilot plant, using low turbid seawater with UF pretreatment could enable the SWRO pilot plant to be run at stable TMP and flux. Both flux and TMP were maintained stable during the experimental period, which indicated that the RO membane was not fouled or fouled slightly. The two-stage PRO was better than the single-stage PRO for recovery with power density. Application of PRO-2PX process can reduce the SWRO energy consumption about 20 %.

세라믹 막여과를 이용한 완속여과 공정의 대체

김병석 부경대학교 대학원 2012 국내석사

막시장에서, 고분자 유기막(Polymeric membrane)은 무기막(Inorganic membrane)에 비해 많은 수요를 차지한다. 이는 유기막의 보편화로 가격 경쟁에 있어서 무기막에 비해 월등히 유리하며, 제조가 더 쉬운 탓이다. 반면, 무기막 시장에서는 세라믹 막의 수요가 높은데, 특히나 알루미나 막이 널리 쓰인다. 세라믹 막은 특히 고온, 극한 화학약품을 사용하는 환경에서의 공정에 적합하다(Laitinen Niina, 2002). 이 때문에, 세라믹 막은 석유화학, 전기 산업, 가스 분리 뿐만 아니라 식품, 음료, 생명공학과 제약계 등등 다양한 분야에서 많이 적용시키고 있다. 1986년에 이미 전세계 막 산업은 약 1조 달러의 시장이 형성되었다. 1989년에는 무기막 시장이 약 3천만 달러, 세라믹 막 계열은 1천만 달러 가까이 형성되었다. 요즈음, 전 세계 막 부문 산업은 연간 약 10조 달러의 시장을 형성하고 있다 (Anonymous, 2002). 최근 들어 수처리 분야에서는 유기막보다 높은 가격을 가짐에도 불구하고, 높은 막 투과율과 기계적, 화학적, 열적 충격에 대한 높은 저항력 등 많은 장점을 가진 무기막, 특히 세라믹 막에 대한 관심이 높아지면서 수처리 부문에서 세라믹 막을 적용하는 연구들이 많이 이루어지고 있다. Hagen (1996)은 선 응집(Preflocculate), 선 여과(Prefilter)된 댐 물의 입자 제거에 대한 고분자 막과 실리콘 탄화물(Silicon carbide) 막을 비교 실험 하였다. Matsui et al. (2003), Yonekawa (2004), Matsushita et al. (2005) 은 응집 과정 후 0.1-1 μm 사이의 공극 크기를 가진 알루미나 MF 막의 바이러스 제거에 대한 연구를 하였다. Lerch et al. (2005), Wessels (2006) 와 Heijman (2007)은 강물의 수처리를 위해 응집 후 0.1 μm 알루미나 막 여과를 실시하였다. 국내에서도 무기막에 대한 연구들이 활발히 진행 중이지만, 아직까지 수처리 분야에서의 세라믹 막에 대한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 단점보다는 장점이 더 많은 무기막(세라믹 막)을 수처리 공정에 적용하는 연구가 많이 필요할 것으로 보인다. 현재 우리나라 정수장 약 600여개 중 크고 작은 완속여과를 운영하고 있는 정수장은 약 200여개가 있는데, 그 중 부산의 B 정수장은 약 8000m3/day 규모의 완속여과 정수장이다(WAMIS, 2007). 완속여과는 운전의 편리함이 큰 장점으로 작용하지만(Joslin, 1997), 일시적인 고탁도 유입시 운전 장애 및 각종 수질 변화에 큰 취약점이 있다(Great Lakes Upper Mississippi River Board,1992). 따라서 이를 대체하기 위하여, 정수처리 공정 내 세라믹 막 적용 가능성을 검토하고자 본 연구가 수행 되었다. 세라믹 막은 일반 유기막 보다 막 가격이 비싼 단점이 있지만, 높은 성능 특성과 긴 막의 수명(유기막의 교체주기가 1년이라고 보면, 세라믹 막은 10년 혹은 더 길게 사용가능) 때문에 막의 가격 대비 원금회수가 유기막에 비해 쉬울 것으로 보인다(E. P. Garmash et al., 1995). 본 연구에서는 B 정수장에서의 세라믹 막 적용을 검토하기 위하여 Batch-scale 과 Pilot-plant 에서의 세라믹 막 공정의 최적 전처리 조건, 최적 운전 조건 및 수질 특성에 따른 운전조건 등을 살펴보고자 한다.

완속여과 공정에 대한 UF막 pilot plant의 적용

왕상훈 부경대학교 대학원 2008 국내석사

산업화 및 도시화의 진행으로 인해 상수원의 오염이 가중되어 더 엄격한 정수처리 공정의 중요성이 한층 높아지고 있다. 상수원수내의 각종 유기성 오염물질은 기존의 재래식 정수공정에서 저조한 제거효율을 보이고 있다. 이에 따라 효율적으로 제거되지 않은 유기물질은 염소소독 과정을 거치면서 트리할로메탄(THMs)과 같은 각종 할로겐 화합물은 발암성 물질을 형성하거나 수도관이나 물탱크에 잔류하여 세균번식의 원인이 되는 등 수돗물의 안정성에 커다란 위협적인 요인이 되고 있다(Schnoor, 1979; Laine, 1989). 최근 국내외에서 정수처리 공정에 한외여과(Ultrafiltration, UF), 정밀여과(Microfiltration, MF), 나노여과 (Nanofiltration, NF)의 적용에 대한 연구가 활발히 추진되고 있으며, 또한 막분리 공정이 실용화되어 보급이 확대되고 있다. 막분리 공정은 상?하수처리 공정에서 깨끗한 물에 대한 수요의 증가와 점점 강화되는 법적규제를 만족시키기 위해서 그 적용이 점점 증가하고 있는 추세이다. 특히 UF 공정은 막 제조 기술의 발달과 대량생산으로 인하여 생산단가가 감소하여 수처리 공정에 대한 적용이 점점 증가하고 있다. UF 공정은 응집-침전-여과로 이루어지는 재래식 정수처리공정을 부분 또는 전체를 대체할 수 있을 뿐 아니라 탁도와 미생물의 제거에 탁월한 제거율을 가지고 있는 장점이 있다. 그러나 UF막분리 공정을 단독으로 사용했을 경우 유입수의 유기물 및 콜로이드 물질의 농도, 온도, pH 등의 수질 특성에 따라 운전이 제한되며 색도나 천연유기물질(NOM) 또는 합성유기화합물(SOCs)의 낮은 제거율 특성을 가지고 있고, 막표면에서 유발되는 막오염 (fouling)은 처리수의 투과 flux를 감소시켜 생산량의 감소를 유발하여 잦은 물리?화학적 세정으로 막의 수명도 감소시킨다. 최근 UF 공정에 대한 연구는 처리수의 수질 향상과 막오염을 저감시켜 처리수의 투과 flux를 증가시키는 분야에서 많은 연구가 진행 중이다. 현재 우리나라의 지자체에서 관리하는 정수장 중에 300여개가 5000m3/day 이하의 규모로서 완속여과를 사용하고 있다. 부산시 B 정수장도 그 중의 하나로서 계곡수를 수원으로 하는 4500m3/day의 소규모 정수장이다. 완속여과의 경우 자연적으로 형성되는 미생물 막에 의한 여과기능을 주요 기능으로 이용하기 때문에 일시적인 고탁도유입시 운전에 장애가 있으며 유기물을 비롯한 수질 변화에 취약한 단점이 있다. 따라서 최근 고도정수 공정으로 광범위하게 도입되고 있는 막여과 공정을 B 정수장에의 적용 가능성을 검토하기 위하여 본 연구가 수행되었다. 막여과 공정 중 UF 또는 MF 막여과 공정만으로는 유기물 및 위?취미의 제거 효율이 낮고 막 fouling이 급격히 진행되는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 막여과 공정의 전처리로 응집이나 분말활성탄(PAC) 접촉공정을 적용 할 수 있다. 따라서 본 연구는 B 정수장에 대한 UF막 여과공정의 적용을 검토하기 위하여 UF막 공정의 최적 전처리공정을 선정하고 최적의 운전 및 수질 특성을 살펴보고자 하였다. Membrane filtration technology is widely applied to drinking water treatment in USA. However, the disadvantage of this method is that the components in water cause fouling in membrane. So, pretreatment before membrane filtration is necessary and has become an important aspect of membrane operation for its reducing particle and organic matter in the feed flow. This research focus on Application of UF Membrane pilot-plant to Slow Sand Filtration. In this pilot, to remove efficiency of dissolved and particulate matters, Coagulation Performance, PAC performance and PAC-Coagulation Performance are applied as pretreatment techniquesbefore UF membrane separation process. Applying coagulation process before membrane filtration showed not only reducing membrane fouling, but also improving the removal of dissolved organic materials that might otherwise not be removed by the membrane alone. Results showed that membrane performance was improved when the pretreatment process added. In case of Coagulation applied as a pretreatment process before UF membrane, the UF membrane Performance is 55% and 71% removal of DOC and UV254 respectively. In case of PAC-Coagulation, the UF membrane performance is 73 % and 85 % removal of DOC and UV254 respectively. The permeate fluxes is from 29 LMH (L/m2hr) to 26 LMH (L/m2hr) with pretreatment added while these values are 25 LMH (L/m2hr) to 18 LMH (L/m2hr) for only UF membrane performance. When combining coagulation with UF membrane, the flux is better than using UF process only. So, Coagulation Performance, PAC-Coagulation Performance are suggested as membrane filtration pretreatment process.