반도체 폐수처리 방류수의 재이용을 위한 막분리 적용에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Considering South Korea`s geographical and environmental condition, water is depending on rainfall which has been intensive during monsoon season so water resource management has been difficult. Water demand is constantly increasing and reuse of industrial wastewater has been in the spotlight recently as a way to resolve worldwide water shortages and increase of wastewater amount due to various industry development.
  In this study, the reuse possibility of industrial water for scrubber, cooling tower and ultra pure process using effluent from a semiconductor wastewater treatment plant was reviewed. Recovery rate of inlet and rejection rate of major water quality items were compared by different arrangement and condition of process.
A, B, C reaction processes were applied to a membrane basically and B, C reaction process were studied using a softening, high-speed aggregation sedimentation basin as pre-treatment process.
  A reaction process applies only UF and 1'st RO & 2'nd RO process and operates 1'st RO and 2'nd RO in a neutral region of pH condition(7-8). B reaction process applies pre-treatment by softening and high-speed flocculation process with UF and 1'st RO & 2'nd RO process and operates 1'st RO and 2'nd RO in a neutral region of pH condition(7-8). C reaction process applies pre-treatment by softening and high-speed flocculation process with UF and 1'st RO & 2'nd RO process and operates 1'st RO in a neutral region of pH condition(7-8) and 2'nd RO in a alkaline region of pH condition(10-11).
   In this study, total recovery ratio of UF and RO process was found to be 39% from A, 57.7% from B, 45% from C respectively. The rejection ratio of turbidity at UF was found to be 77% from A, 89% from B, 83% from C respectively. As turbidity rejection rate of B, C process which has pre-treatment process showed higher than A process which has not pre-treatment process, so pre-treatment is expected to be able to reject the other water quality items as well as turbidity.
  Conductivity rejection ratio of RO was shown as 99.8% from A, 99.7% from B and TOC rejection ratio was found to be 92.9% from A, 95.2% from B respectively. In the case of conductivity rejection at C process, 1'st RO removal was 98% but conductivity concentration of 2'nd RO was detected higher than 1'st RO because of NaOH injection for inlet of 2'nd RO in order to maintain pH 10 at 2'nd RO. As a result of pH condition control to be pH 10 in order to improve the TOC rejection ratio, the actual TOC rejection ratio of C showed as 99% higher rejection ratio than A and B.
  The average concentration of main quality items to conductivity, TOC at final production water were 1.98∼43 ㎲/㎝, 0.045∼0.3 mg/L, respectively. The final production water met the water quality requirements of scrubber and cooling tower and semiconductor ultrapure water process.
Therefore, the production water is expected to be able to reuse as industrial water through a membrane process using the effluent from semiconductor wastewater treatment plant.

국문 초록 (Abstract)

우리나라의 지형, 환경적인 조건을 고려하여 보면 용수 대부분을 강우에 의존하고, 하절기에 강우가 집중되어 수자원 효율적 관리가 어려워 수자원 부족은 계속된다. 또한 다양한 산업 발전에 따른 폐수의 량도 더욱 증가되고 있어 이를 동시에 해결 할 수 있는 방안으로 산업폐수의 재이용이 각광 받고 있는 추세이다.
본 연구에서는 반도체 공정에서 발생하는 폐수를 처리한 방류수를 이용하여 scrubber와 cooling tower 및 초순수 공정을 위한 공업용수로의 재이용 가능성을 검토하고, 배열 및 조건이 다른 3가지의 반응공정에 따라 유입량 대비 생산수량의 비율과 주요 수질항목에 대한 제거율을 비교하여 분석하였다. 3가지의 반응공정 A, B, C는 기본적으로 막분리를 적용하였으며, 반응공정 B, C는 전처리로 연수화, 고속응집 침전지를 이용하여 연구하였다.
반응공정 A는 UF와 1’st RO & 2’nd RO만을 적용한 process로 1’st RO와 2’nd RO는 pH 중성 영역(7∼8)에서 운영하는 방식이다. 반응공정 B는 연수화 및 고속응집 침전공정을 전처리하여 UF와 1’st RO & 2’nd RO를 적용한 process로 1’st RO와 2’nd RO는 pH 중성 영역(7∼8)에서 운영하는 방식이다. 반응공정 C는 연수화 및 고속응집 침전공정을 전처리로 하여 UF와 1’st RO & 2’nd RO를 적용한 process로 1’st RO는 pH 중성 영역(7∼8)에서, 2’nd RO는 pH 알카리 영역(10∼11)에서 운영하는 방식이다.
본 연구에서 UF 및 RO공정의 유입량 대비 생산수량의 전체 회수율은 반응공정 A에서 39%, B에서 57.7%, C에서 45%로 나타났다.
UF의 탁도 제거율은 반응공정 A에서 77%, B에서 89%, C에서 83% 로 나타났다. 전처리 공정이 없는 반응공정 A보다 전처리 공정이 있는 반응공정 B, C가 탁도 제거율이 높은 것으로 볼 때, UF가 제거하는 탁도 외에 다른 오염 수질항목이 전처리 과정에서 제거되었음을 알 수 있다.
RO의 conductivity 제거율은 A에서 99.8%, B에서 99.7%로 나타났으며, TOC 제거율은 A에서 92.9%, B에서 95.2%로 나타났다. C의 경우 conductivity 제거율은 1’st RO제거율 98%이나 2’nd RO에서는 1’st RO보다 높게 검출되었다. 이는 pH10으로 유지하기 위해 2’nd RO 인입수에 NaOH를 주입하였기 때문이다. 이것은 TOC 제거율을 높이기 위하여 pH조건을 달리한 것이며, 실제 TOC제거율은 C에서 99%로 A와 B보다 더 높은 제거율을 보였다.
최종생산수의 주요항목별 평균 농도는 conductivity 1.98∼43㎲/㎝, TOC 0.045∼0.3mg/L로 나타났으며, scrubber와 cooling tower 및 초순수 공정의 요구수질 항목에 모두 만족하여 본 연구를 통해 반도체 폐수처리 방류수를 이용하여 막분리 공정을 통해 생산된 재이용수는 공업용수로 사용 가능할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구내용 및 범위 3
• 2. 이론적 배경 5
• 2.1 막분리 5
• 2.1.1 막분리의 특징 5
• 2.1.2 막분리의 분류 5
• 2.2 연수화 공정 11
• 2.2.1 탄산경도와 비탄산 경도 11
• 2.2.2 소석회-소오다회 법 11
• 2.3 고속 응집 침전기술 14
• 2.3.1 고속 응집 침전기술의 특징 14
• 2.3.2 고속 응집 침전기술의 처리공정 14
• 2.3.2 응집, 응결의 이해 15
• 3. 실험장치 및 방법 17
• 3.1 실험장치 17
• 3.1.1 반응공정의 구성도 17
• 3.1.2 실험 장치 사양 18
• 3.1.3 반응공정의 공정별 세부구성 20
• 3.2 실험 방법 23
• 3.2.1 처리대상 원수의 조성 23
• 3.2.2 수질분석 항목 및 측정방법 25
• 3.2.3 요구수질 26
• 3.2.4 공정별 실험 조건 28
• 4. 실험결과 및 고찰 29
• 4.1 생산수량 및 회수율 결과 29
• 4.1.1 UF의 생산 수량 및 회수율 결과 29
• 4.1.2 RO의 생산 수량 및 회수율 결과 31
• 4.1.3 반응공정의 전체 시스템 회수율 35
• 4.2 원수 수질 분석 38
• 4.3 전처리 공정의 제거효율 분석 39
• 4.4 막분리 공정의 제거효율 분석 46
• 4.4.1 Turbidity 46
• 4.4.2 Conductivity 48
• 4.4.3 TOC 53
• 4.4.4 반응공정별 수질분석 결과 비교 57
• 5. 결론 58
• References 60
• Abstract 63