세라믹 분리막 공정에서 스팀세정 및 전처리 공정의 적용에 따른 막오염 거동 해석

강 준 석
명지대학교 대학원
환경에너지공학과
지도교수 김 한 승

정수처리 공정에서 MF/UF 분리막은 안정적인 수질 및 수량 확보가 용이한 장점으로 도입이 증가하는 추세이다. 막여과 공정에서 발생하는 막오염은 처리수량 감소와 막간차압 상승 등의 운영효율 저하와 분리막의 회복을 위해 사용되는 약품에 의한 2차적인 환경오염의 발생을 야기한다. 2015년부터 시행된 화학물질관리법의 장외영향평가에 따라 정수시설의 화학약품 사용에 대한 규제가 강화되면서 막오염의 발생을 저감하거나 저약품 유지세정 기술의 개발이 필요한 실정이다. 국내외의 다양한 연구에서 막오염의 제어 및 회복에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으나 복합적인 요소에 의해 발생되는 막오염의 메커니즘을 규명하기 어려운 실정이며 또한 이러한 연구들은 대부분 유기막을 중심으로 이루어지고 있다. 본 연구에서는 유기막에 비하여 고온 및 고압에 대한 내구성을 가지며 내화학성이 우수한 특징을 갖는 세라믹 분리막을 이용하였다. 세라믹 분리막 공정에서 막오염의 발생을 제어하기 위하여 혼화/응집 공정 연계 평가하였으며 고온의 스팀을 이용한 스팀세정 기술 개발을 통해 무약품 유지세정 기술의 회복율 평가를 수행하였다. 또한, 정압여과 회귀모델 및 직렬여과 저항모델을 이용해 발생된 막오염의 메커니즘을 확인하고 물리세척 및 스팀세정의 회복율을 비교하여 스팀세정의 적용 가능성을 평가하였다.
여과방식 및 수질조건별 평가에서 여과 초기에 (a) 완전세공막힘 및 (c) 중간막힘, (d) 케익여과 오염이 발생되나 운전압력이 증가할수록 (d) 케익여과 오염이 지배적으로 발생되는 것으로 확인되었다. 또한 탁도 및 유기물 농도가 증가할 경우, 여과 초기에 (d) 케익여과 오염의 발생이 증가하는 것으로 확인되었으며 이는 막표면에서 분리된 오염물질의 농도가 증가하면서 지속적으로 케익 층의 농축 및 축적이 발생하기 때문인 것으로 판단된다. 특히 입자의 크기가 큰 탁도 물질의 농도가 증가할 경우, 물리세척 회복율이 크게 감소하는 것을 확인하였으며 이는 막표면에서 축적된 케익 층이 운전압력에 의해 압밀되어 gel 층과 같은 물리세척에 의한 회복이 어려운 형태로 전환되었기 때문인 것으로 사료된다. 세라믹 분리막과 혼화/응집 연계 공정은 여과공정에서 증가하는 막간차압(TMP)의 상승을 억제하며 물리세척 회복율을 향상시키는 것을 확인하였으며 이는 막표면에서 케익층의 압밀현상을 억제하여 세라믹 분리막의 막오염 형성을 저감하고 운영효율을 향상시키는 것을 확인하였다. 또한 스팀세정을 이용한 세라믹 분리막의 회복은 물리세척보다 높은 회복율을 보였으며 저농도 약품을 이용한 유지세정(CEB)과 유사한 효율을 보이는 것으로 확인되었다. 이를 통해 세라믹 분리막 공정에서 스팀을 이용한 스팀세정은 무약품 세정임에도 약품을 사용한 세정공정과 유사한 효율을 보이며 상대적으로 짧은 시간에 높은 효율을 보이는 것을 확인하였다.
스팀세정 및 혼화/응집 연계공정은 정압여과 회귀모델의 (d) 케익여과 오염(kc)과 직렬여과 저항모델의 케익저항(Rc) 값의 상관성을 갖는 것으로 확인되었다. 직렬여과 저항모델을 이용한 막오염 메커니즘 해석에서 세공막힘 저항(Rf)으로 측정된 일부 오염이 스팀세정 및 혼화/응집 연계공정에서 케익저항(Rc)으로 전환되는 것을 확인하였으며 이는 정압여과 회귀모델의 (d) 케익여과 오염(kc)을 정량적으로 나타낸 결과와 유사한 결과를 보이는 것으로 확인되었다. 이는 세라믹 분리막 공정에서 유지관리 방안으로 스팀세정 및 혼화/응집 연계공정을 적용할 경우, 막오염 형성의 저감 및 세척 회복율을 향상시킴으로써 정확한 오염의 해석 및 예측이 가능할 것으로 판단된다. 정압여과 회귀모델에서 막오염 메커니즘의 해석에 사용되는 회귀계수 R2은 오염모델을 통해 얻어진 결과들의 시간에 따른 상관성을 보여주므로 발생되는 오염의 경향을 확인하는데 유용한 것으로 판단된다. 또한 속도상수 k는 정량적인 해석이 가능하므로 이를 이용해 오염발생 구간 및 오염단계를 보다 정확하게 분류할 수 있는 것으로 판단된다. 회귀계수(R2) 및 속도상수(k) 외에도 각 구간에서의 기울기 등을 통해 형성되는 오염의 속도 및 발생량을 예측 할 수 있으며 정유량 제어방식의 결과에 정압여과 회귀모델을 보다 정확하고 효율적으로 활용하기 위해서는 위와 같이 구해진 각 변수들의 활용과 오염발생 구간을 정확하게 구분하는 것이 중요한 것으로 사료된다.
세라믹 분리막 공정에서 스팀세정 및 혼화/응집 연계 공정의 적용은 막오염 저항모델을 통한 막오염 메커니즘의 해석을 통해 막오염의 발생을 저감하고 형성된 오염에 대한 우수한 세정 회복율을 보이는 것으로 확인되었다. 스팀세정 및 혼화/응집 연계공정의 적용은 세라믹 분리막 공정의 운영효율 향상과 기존의 약품세정보다 약품사용량 및 폐액처리비용 등을 절감할 수 있을 것으로 판단되므로 세라믹 분리막 공정의 효율을 향상시킬 수 있는 기술로서 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Analysis on Behavior of Membrane Fouling according to the Application of Steam Cleaning and Pretreatment Process in Ceramic Membrane Filtration System

Kang Joon-seok
Department of Environmental Engineering and Energy
Graduate School, Myongji University
Directed by Professor Kim Han-Seung

The introduction of MF / UF membranes in the drinking water treatment process is increasing due to the advantage of securing stable water quality and quantity. Membrane fouling due to the membrane filtration process results in a decrease in the operating efficiency, such as a decrease in the treated water quantity, an increase in the trans membrane pressure(TMP), and a secondary environmental contamination by the chemicals used to recover the membrane. Due to the ORA (Off-site Risk Assessment) of the Chemical Substances Control Act, which has been in force since 2015, regulations on the use of chemical substances in water purification facilities have been strengthened. Therefore, it is necessary to reduce the occurrence of membrane fouling and to develop maintenance cleaning technology using low concentration of chemical substances. Various researches have been conducted on the control and recovery of membrane fouling in various domestic and foreign studies. However, it is difficult to clarify the mechanisms of membrane fouling caused by multifold elements and most of these studies are based on organic membranes. In this study, ceramic membranes with durability against high temperature and high pressure and excellent chemical resistance were used. In order to control the occurrence of membrane fouling in the ceramic membrane process, the coagulation / flocculation process was evaluated. The steam cleaning technology using high temperature steam was developed to evaluate the recovery rate of the non-chemical cleaning technology. In addition, mechanism of membrane fouling generated using the constant filtration regression model and the resistance in series model was confirmed, the applicability of steam cleaning was evaluated by comparing the recovery rates of physical backwashing and steam cleaning.
In addition, the mechanisms of membrane fouling caused by the constant filtration regression model and resistance in series model were confirmed, and the feasibility of steam cleaning was evaluated by comparing the recovery rates of physical cleaning and steam cleaning. In the evaluation by filtration method and water quality condition, membrane fouling occurred at the beginning of filtration by (a) complete pore blocking, (c) intermediate blocking, and (d) cake filtration blocking. As the operating pressure increased, (d) cake filtration blocking was found to mainly occur. It was found that when the turbid and organic matter concentration were increased, the occurrence of (d) cake filtration blocking increased at the beginning of filtration. It was considered that due to the concentration and accumulation of the cake layer continuously as the concentration of the contaminants separated from the membrane surface increases. Particularly, when the concentration of the turbid matter having a large particle size was increased, the physical back washing recovery rate is reduced. It was considered that the cake layer accumulated on the membrane surface was compressed by the operating pressure and converted into a form difficult to recover by physical washing such as gel layer. It was confirmed that the ceramic membrane combined the coagulation / flocculation process controlled the trans membrane pressure (TMP) increase in the filtration process and improved the physical washing recovery rate. It was estimated that suppresses the compression of the cake layer on the surface of the membrane, thereby reducing the formation of membrane fouling of the ceramic membrane and improving the operating efficiency. In addition, the recovery of ceramic membrane using steam cleaning showed a higher recovery than that of physical cleaning and showed similar efficiency to that of maintenance cleaning (CEB) using low concentration chemicals. It was confirmed that the steam cleaning using steam in the ceramic membrane process showed efficiency similar to the cleaning process using chemicals even in the absence of chemical cleaning and highly efficiency in a relatively short time.
The steam cleaning and combined coagulation / flocculation process has been found to have a correlation between the (c) cake filtration blocking (kc) value of the constant filtration regression model and the cake layer resistance (Rc) value of the resistance in series model. In the membrane fouling mechanism analysis using the resistance in series model, it was confirmed that some membrane foulant measured by the Internal fouling resistance (Rf) were converted to the cake layer resistance (Rc) in the steam cleaning and combined coagulation / flocculation processes. These results was confirmed that (d) cake filtration blocking (kc) value of the constant filtration regression model is similar quantitatively. It is considered that accurate analysis and prediction of membrane fouling using fouling model could be achieved by reducing the membrane fouling formation and improving back washing recovery rate when steam cleaning and combined coagulation / flocculation process were applied as maintenance method in ceramic membrane process. In addition to the regression coefficient (R2) and the rate constant (k), the rate and amount of membrane fouling formed through slopes in each section could be predicted. In order to utilized the constant filtration regression model more accurately and effectively, it is important to accurately division the fouling occurrence section using of each variable.
Application results of steam cleaning and combined coagulation / flocculation process in ceramic membrane filtration system showed that reduce the occurrence of membrane fouling and showed that excellent cleaning recovery rate against the formed fouling. The steam cleaning and combined coagulation / flocculation process were considered to improve the operating efficiency of the ceramic membrane filtration system and reduce the use of chemicals and wastewater treatment rather than the conventional cleaning using chemicals. Therefore, it was considered that applied as a technology to improve the efficiency of the ceramic membrane filtration system was possible.