Pilot scale UF-RO based wastewater reclamation system for industrial water supply : a case study

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 담수 자원의 고갈과 공업용수 수요의 급증으로 인해, 안정적이고 지속 가능한 물 공급을 위한 고도 하수 재이용 기술의 개발이 필수적이다. 특히, 반도체 및 첨단 제조 산업의 급속한 발전은 고순도의 공업용수를 지속적으로 필요로 하며, 이는 기존의 수처리 기술로는 충족시키기에 한계가 있다. 분리막 기반의 (UF 와 BWRO) 실증화 규모 하수 재이용 공정 개발은 효과적이고 효율적으로 다양한 수자원 수요 급증에 대응이 가능하나, 기존 공업용수 공급 수질의 지속 가능성과 신뢰성 확보 측면의 연구 평가와 기술적 최적화가 요구된다. 따라서, 본 연구는 총 5가지 측면에서 실증화 규모의 UF-BWRO 기반 하수 재이용 공정을 평가하였다. 1) 실험실 규모 분리막의 Scale-up 타당성 평가: 실험실 규모에서 성능이 검증된 UF 분리막을 다양한 환경조건에서 평가하여, 실증화 규모 확장하기 위한 체계적인 타당성 평가를 수행하였다. 이를 통해 막 성능의 비선형적 변화, 스케일업 과정에서의 운전 변수 최적화, 그리고 대규모 운영 시 예상되는 막 오염 및 성능 저하를 분석했다. 2) 실증화 규모의 UF-BWRO 기술의 장기 운영 평가: 실증화된 UF-RO 시스템의 장기 운영 데이터를 기반으로 공정 안정성과 수질 일관성, 에너지 소비 효율성을 평가하였다. 장기간에 걸친 평가를 통해 막 시스템의 내구성과 장기 성능을 확보하고, 상업적 적용 가능성을 검증하였다. 3) 운영 및 관리 방안: 막 오염 심층 분석: 장기 운영 중 발생하는 막 오염의 기작을 미세구조 분석, 생물학적 오염 평가, 및 화학적 오염 인자 분석을 통해 심층적으로 파악하였다. 이를 기반으로, 막 오염 방지를 위한 최적의 운영 및 세정 전략을 도출하였다. 4) 기술 예측 시뮬레이션: 다양한 운영 시나리오를 적용하여 공정 성능의 장기적 변화를 예측하기 위해 기술 예측 시뮬레이션을 수행하였으며, 공정 성능의 다양한 모델 알고리즘을 개발하였다. 5) 경제성 평가: 에너지 소비, 운영 비용, 막 교체 주기, 및 환경적 혜택을 기반으로 경제적 효율성을 평가하였으며, 이를 통해 최적의 공정 설계 및 운영 방안을 제안하였다.
본 연구는 기존 하수 재이용 기술의 한계를 극복하고 고순도 공업용수 생산을 위한 혁신적인 방법을 제시하였다. 실험실 연구와 파일럿 실증을 통합하여 막 오염 현상을 규명하고, 장기적 운영 효율을 극대화하는데 기여함과 동시에 기술 예측 시뮬레이션과 경제성 평가를 통해 미래의 공업용수 공급에 필수적인 지속 가능한 재이용 전략을 제공한다. 본 연구는 고도화된 하수 재이용 기술이 경제적 측면에서 얼마나 효과적인지 입증하며, 향후 물 부족 문제 해결에 중요한 기여를 할 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The depletion of global freshwater resources and the growing demand for industrial water, particularly in semiconductor and advanced manufacturing industries, highlight the urgent need for advanced wastewater reuse technologies. Conventional water treatment methods often fall short of meeting the stringent requirements for high-purity industrial water. Membrane-based processes, such as ultrafiltration (UF) and two-stage brackish water reverse osmosis (BWRO), offer promising solutions to this challenge. This study evaluates a demonstration-scale UF-BWRO wastewater reuse system through five key aspects:
1. Scale-up feasibility of laboratory-scale membranes: Laboratory-tested UF membranes were scaled up under diverse environmental conditions. Performance changes, operational optimization, and potential fouling issues were systematically analyzed to ensure effective large-scale application.
2. Long-term Operational Assessment: Extended operational data validated the stability, water quality consistency, energy efficiency, and durability of the demonstration-scale system, confirming its commercial viability.
3. Membrane Fouling Analysis and Management: Mechanisms of fouling were investigated using microstructural, biological, and chemical assessments. These insights informed the development of effective fouling prevention and cleaning strategies.
4. Technology Forecasting Simulations: Advanced modeling predicted long-term performance under various scenarios, offering guidance for future optimization of system performance.
5. Environmental and Economic Evaluation: The study assessed energy consumption, operating costs, membrane lifecycle, and environmental benefits, proposing optimized designs and strategies for sustainable reuse.
This research bridges laboratory findings with pilot-scale applications, addressing the limitations of conventional technologies. The integration of fouling analysis, operational strategies, and economic evaluations demonstrates the feasibility of producing high-purity industrial water sustainably. These findings contribute to global efforts to mitigate water scarcity through innovative wastewater reuse technologies.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. General background 1
• 1.2. Objectives and thesis organization 3
• Chapter 2. Literature review 6
• 2.1. Water reuse technique 6
• 2.2. Environmental, social, and economic benefits of wastewater reuse 11
• 2.3. Value of advanced wastewater reuse technology 14
• 2.4. Current status of wastewater reuse technology using UF and RO membranes 20
• 2.5. Applications of water produced through wastewater reuse 23
• 2.6. Technological Advancement 28
• Chapter 3. Possibility assessment of ultrafiltration membrane pre-treatment efficiency for brackish water reverse osmosis-based wastewater reuse: lab and demonstration 32
• 3.1. Introduction 32
• 3.2. Materials and methods 36
• 3.2.1. Commercial UF membrane specification 36
• 3.2.2. UF membrane evaluation 37
• 3.2.3. Analytical methods 40
• 3.2.4. Feed water characteristics 41
• 3.3. Results and discussion 43
• 3.3.1. Membrane surface analysis 43
• 3.3.2. Standard performance of commercial UF membranes 48
• 3.3.3. Pre-treatment possibility (for BWRO based wastewater reuse process) 51
• 3.3.4. Membrane physicochemical stability (chemical exposure) 53
• 3.3.5. Pilot-scale UF-RO wastewater reuse system design and application 56
• 3.4. Conclusion 57
• Chapter 4. In-depth analysis of the membrane fouling at different stages in the reverse osmosis membrane process for wastewater reclamation 59
• 4.1. Introduction 60
• 4.2. Materials and methods 62
• 4.2.1. Description of pilot-scale wastewater reclamation plant 62
• 4.2.2. RO membrane autopsy 63
• 4.2.3. Analytical methods 64
• 4.3. Results and discussions 66
• 4.3.1. Overall membrane performance 66
• 4.3.2. Membrane surface observation 68
• 4.3.3. Organic and inorganic composition of foulants 71
• 4.4. Conclusion 80
• Chapter 5. Predicting performance and economic assessment of ultra-filtration and reverse osmosis process using pilot scale water reuse plant big data base 82
• 5.1. Introduction 82
• 5.2. Materials and methods 85
• 5.2.1. Modeling of UF/RO unit processes using machine learning 85
• 5.2.2. Optimization of hyperparameters in tree-based machine learning algorithms 87
• 5.2.3. Economic index and analysis 89
• 5.3. Results and discussions 97
• 5.3.1. Predictive performance evaluation for UF process 97
• 5.3.2. Predictive performance evaluation for RO process 103
• 5.3.3. Performance analysis and balancing 109
• 5.3.4. UF-two stages BWRO economic analysis 111
• 5.4. Conclusion 117
• Chapter 6. Summary and thesis conclusion 119
• 6.1. Summary 119
• 6.2. Thesis conclusion 121