Contents

Ⅰ 막여과 정수처리 개요

Ⅱ 막여과 정수처리 시설 설계 시 고려사항

Ⅲ 막여과 정수처리 시설 Troubleshooting

Ⅳ 국내 막여과 시설 도입제도

Qtotal : 여과수 유량(m3/d), A : 막 면적(m2),

△P : 막 차압 , μ : 물의 점도

Rm : 막의 수리학적 저항

투과유속 (Flux), J(m3/m2d)

회수율 (recovery), R

Qp: 막 유니트의 여과수 유량 (m3/d)

Qf : 막 유니트의 유입수 유량 (m3/d)

막차압 (trans-membrane pressure, TMP)

Pf : 유입수 압력

Pp : 여과수 압력

Pc : 농축수 압력

온도에 따라 물의 점성이 바뀌는 현상을 보정

T < 25C

실제 차압 > 보정 차압

파울링 지표로 사용됨

보정차압

cm

wRR

Pv

Jw

UF/MF 막여과 시스템의 운전방식

가압형

침지형

Feed Pump

Raw Water

ConcentratePermeated

Air

Permeate Pump

Raw Water

Concentrate

Permeate

Cake thickness

Flux

Filtration time

Cake thickness

Flux

Filtration time

전량여과방식(Dead-end)

순환여과방식(Crossflow)

• 막여과수량을 항상 일정히 유지하도록 막압차

(막 1차측과 2차측 압력)를 자동제어하는 방식

• 원수 수온과, 막의 여과저항에 좌우되지 않고, 여

과유량을 소정의 양으로 제어 가능

• 막간 차압을 일정하게 유지하도록 한 방법으로

시간 경과와 함께 세공 막힘으로 유량이 감소

• 원수 수온과 막 공급수질에 의해 여과수량이

변동하기 때문에 원수 수질이 항상 안정된 시설

에 적용

Flux

Filtration time

TM

P

Flu

x

Flux

TMP

Flux

Filtration timeT

MP

Flu

x

Flux

TMP

정유량 여과방식 (Constant flow filtration)

정압 여과방식(Constant pressure filtration)

운전 방식 (예) – MF/UF

{급수 → 여과 → 역세 및 공기세정(혹은 휴지) → 배수}→ 막손상 감지(주로 PDT, 일 1회 실시)

{급수 → 여과 → 역세 및 공기세정(혹은 휴지) → 배수}→ 막손상 감지(주로 PDT, 일 1회 실시)

{급수 → 여과 → 역세 및 공기세정(혹은 휴지) → 배수}→ 막손상 감지(주로 PDT, 일 1회 실시)

{급수 → 여과 → 역세 및 공기세정(혹은 휴지) → 배수}→ 막손상 감지(주로 PDT, 일 1회 실시)

막오염(Fouling) 원인 및 제어

농도분극층

원수의 흐름

투과수

박테리아

고분자물질

현탁질

미립자

난용해성분농도

(실리카, 탄산칼슘 등)

흡착성물질

(예, 계면활성제 등)침전농도

스케일층 흡착 겔층

케이크층

2차오염

막

투과수

막오염 (fouling)이란?

• Rcp: concentration polarization

• Rg : gel layer formation

• Rm: membrane

• Ra : pore adsorption

• Rb : pore blocking

• Rc : cake formation

• Case A : pore constriction

dp >> dparticle

• Case B : Pore plugging

dp ≈ dparticle

• Case C : gel/cake formation

dp << dparticle

Rm

Rcp

Rb

Ra

Cace A

Cace B

Cace C

Rc

Rg

dp

막오염의 종류

• ScalingPrecipitation of salt within the membrane element or module due to their concentration during operation

• BiofoulingReduction in membrane productivity due to propagation of biological agent within or on the membrane surface

• Particle foulingPlugging of the membrane surface, free channel or fiber inlet by particles

• Organic foulingDegrease in productivity due to interaction of chemical solutes with the membrane

Scaling Particle foulingBiofouling

막오염 (Fouling) ~ 병목현상 or 동맥경화

Before After

막오염 (예)

막오염

막오염

• 세정방식 : 역압수 세정, Air scrubbing, 역압공기 세정, flushing

• 세정빈도 : 10~120분에 1회 정도

• 세정시간 : 역압수 세정은 1분 이내, 공기세정은 수 분 이내,

역압 공기세정은 수 초에서 수십 초

역압수세정 Air Scrubbing 역압공기세정 Flushing

막여과 장치 유지관리

물리적 세정

Backwashing

CEB

• CEB :

Chemical Enhanced Backwashing

CIP

• CIP : Clean in place

• 세정목적 : 물리세정을 반복해도 제거할 수 없는 물질이 막면, 막내에 서서히 축적되어 물리세정의 효과가 저하되는 상황이 어느 일정 한도에 달한 때 실시 파울링 물질의 분해, 저분자화, 가용화 등의 작용으로 제거

• 세정방식 : 온라인 방식과, 오프라인 방식

• 세정빈도 : 1~수개월 이상마다 1회 정도

• 약픔선정 :

화학적 세정

보정차압이나 보정여과유속을 이용하여 계산

초기 값과 세정 직후 값을 비교

화학세척 회복률

진단 방법 측정 방법 장 점 단 점

미립자 관측법

입자계측기를 설치하여 상시 처리수 중의 미립자 수를실측한다. 미립자의 크기는측정할 수 없다.

넓은 범위의 입자사이즈 계측이 가능

입자사이즈 범위를계측 불가능. 규모가크면 다수의 센서가필요

탁도 관측법탁도계를 사용하여 상시 처리수 중의 탁도를 계측한다.

연속적 온라인 계측 가능, 저비용

낮은 탁도범위에서입자의 변화에 민감하지 않은 간접적인측정방법

압력 홀드법(Pressure

Decay test)

막 모듈의 1차 또는 2차측에압력을 유지해 압력저하 유속으로 리크의 유무 확인.

광범위한 산업에서 도입가능 , 저비용

연속적인 측정 불가능

음파 조사법막파단부로부터 가압공기의누출음을 청진기와 같은 것으로 듣는 방법

막의 안정성을 직접 측정가능 , 빠르고 간편한 검사방법

연속적인 측정 불가능 , 실용예가 적음 ,대규모에서는 노동력필요

막파손 감지방법(MF/UF)

막여과 설비(MF/UF)

막 모듈 막 유닛 막 계열

• 막모듈 : 중공사막의 설치 단위

• 막유닛 : 독자운전 불가,

PDT 수행 단위

• 막계열 : 독자운전 가능,

화학세정 수행 단위

몸에 맞아야 한다. (지역수질 조건)

다른 것과도 맞아야 한다. (기존 상하수도 기반시설)

용도에 맞아야 한다. (도입목적)

원하는 수준의 제품이어야 한다 (비용대비 효율)

좋은 원단으로도 나쁜 옷을 만들 수 있다. (설계기술의 중요성)

양복은 우주복이 아니다. (한계 인식)

남에게 맞는 옷이 나에게 맞는 옷은 아니다.

솜씨 좋은 Tailor에게 가야 한다.

21

3

4

목적

도입목적: 병원성 미생물? 유기물? 효율향상 및 자동화? 정수장 개선?

처리수질 목표

고객 니즈

비용

서비스

조화

자동화

편리성

정보화

효율

기존시설과의 조화

초기투자비용

운전비용

유지관리비용

생산 및 처리효율

안정성

집적성

- 막여과 공정의 특성으로 확실한 탁도 제거 성능 확보

- Giardia, Cryptosporidium 등의 미생물의 99.99% 이상 제거

- 전염소 처리를 통한 고형화 망간입자의 100% 제거

처리수질 확실성

- 목표 처리수량을 계열정지 시에도 확보할 수 있는 공정

- 고탁도의 유입 및 조류 발생에도 안정된 공정 운영

- 물리/화학적 세정에 의한 막오염의 효율적인 제어

- 초기 투자비용이 막여과 공정 중 저렴한 공정

- 운전비용의 비중이 큰 동력소요가 적은 공정

- 공정의 자동화율이 높고 관리 point가 적어 인건비가 적은 공정

처리수량 안정성

공정의 경제성

- 공정의 자동화율이 높고 관리 point가 적은 공정

- 간헐적인 약품세정 공정이 적고 세정 자체가 간단한 공정

- 공정의 안정성에 의해 시스템 오류 발생률이 적은 공정

- 여과 수량과 수질 확보에서 확실한 공정

- 공정의 자동화로 오류발생 위험이 적은 공정

- 여과막의 내구성, 내약품성, 내압성 등의 성능이 우수

유지관리 용이성

전체공정 신뢰성

막간차압 에너지 비용

플럭스 막면적-1

평막, 중공사막관형막, 나권형막

막분리 효율투과 flux막수명, 강도, 내성

SS의 입자경, 농도용질의 이온, 분자량유분, 계면활성제유기용매온도, 점도, pH

MF, UF, NF, RO

PS, PAN, CAPVDF, PESPP, PTFE 등

역세척

유지세척

약품세척

처리대상물질의 성상파악

막의 필요조건 설정

막종류의 선정 (목적별)

막재질의 선정

평 가 시 험

막모듈의 선정

설계조건 체크 및 공정흐름검토

막 maker 모듈의 결정

Maker Catalog 형식

세정방법의 검토

막여과 공정 선택기준의 변화

막여과 자체가 차별성

설치비와 유지비 부각

성능과 편리성 필요

막여과와 기존 수처리공정간의 경쟁

서로 다른 막회사간의 경쟁

(막모듈)

막 제조회사 간의경쟁 시스템 경쟁

Performance!

Cost!

Membrane!

• 시스템

– 약품 사용량 절감

– 전력비 증가 (기존 정수처리의 2~10배)

• 현재 수도요금은 기존정수처리공정의 생산원가에도 미치지 못하고 있음

단위유량을생산하기 위한 막의면적 증가

설치비 증가 설치비 감소

운영비 증가운영비 감소

최적의 플럭스 결정이 막여과 공정의비용에 큰 영향을 미침

단위유량을생산하기 위한 막의면적 감소

막오염 감소역세척 및 화학세정 빈도증가간단한 전처리 적용 가능

막오염 증가역세척 및 화학세정 빈도증가높은 수준의 전처리 필요

높은 플럭스낮은 플럭스

막여과 운전 플럭스

내압식, 외압식

가압식, 침지식

전량여과, 십자류 여과

혼화, 혼화-응집, 혼화-응집-침전, 혼화-응집-침전-

여과

전오존, 분말활성탄, 입상활성탄

물리적 세척 방법: 공기세정, 역세척, 플러싱 등

유지세정

회복세정

막 완결성 유지방법

막 수리 및 교체방법

비상시 대응방법 등

저플럭스 (1.0 m/d 이하), 중간 플럭스 (1.5 m/d

내외), 고플럭스 (2.0 m/d 이상)

일반적인 회수율 (90~95%), 고회수율 (99% 내외)

막여과 공정 설계시 고려해야 할 기본인자

막모듈의 운전방식

운전 플럭스와 회수율

전처리와 후처리 형태

세정주기와 세정방법

기 타

공정조합 방법

오존전염소

GAC

PAC

MF/UF

오존

GAC

중염소

망간접촉여과

망간접촉여과

응집 응집/침전

급속여과

소독

약품혼화 + 응집+ 침전 + 모래여과

(> 80 LMH)

약품혼화 + 응집

(40 ~ 60 LMH)

약품혼화 + 응집+

침전

(60~80 LMH)

전처리 없음

(< 40 LMH)

직접여과

3

2

4

1 막여과혼성시스템 (I)

막여과혼성시스템

(II)

막여과혼성시스템(III)

전처리에 따른 막여과 공정의 구성방법

LMH: L/m2/hr

원수 내 오염물질과 후처리 방법

1

2

3

4

6

5

소독부산물 전구물질

미량오염물질

입자성 오염물질

철, 망간

경도물질

MF/UF+소독/ 산화

+활성탄+오존/활

성탄

+나노

여과

+저압역삼투

O - - - - -

X O O O O

X O O O O

X O X O O O

X X X X O O

X X X X O질산성 질소

K-water 막여과 정수장 설계 사례

설계기반 문제점

기계적인 문제점

수질상이 문제점

운영 or 유지관리 기반 문제점

분리막 막힘 현상(Clogging)

분리막 손상, 파손(Damage, breakage)

약품세척 회복률

시스템에 대한 충분한 이해

문제점들에 대한 가능한 한 많은 정보

Integrity Test시 이상 발견

계측기 값을 확인한다.

막이 완전히 젖어 있지 않거나 소수성 되어 있는지 판단한다.

결함이 있는 모듈들을 격리시킨 후 integrity test를 다시수행한다.

잘못된 특성을 결정한다.

손상된 모듈을 보수하고 다시 운전한다.

유닛이 완전히 보수되면 새로운 integrity test를 수행한다.

Fiber 또는 Seal 보다 밸브 또는 배관 누수가 원인인 경우도 있다.

여과수의 탁도 또는 입자수가 높은 경우

PDT 등 직접법을 이용하여 integrity test를 실시한다.

Integrity test 결과 fiber 또는 seal의 새는 부분이 없다면탁도 또는 입자계수기의 측정값이 잘못된 경우이다.

샘플의 탁도 또는 입자수를 측정한다.

탁도계 또는 입자계수기를 세척하고 보정한다.

공기방울 등 계측기와 관련된 추가적인 문제점을 확인한다.

막여과도 시동방수가 있을까?

막 fiber의 손상률이 높은 경우

운영 동안 압력과 수충격 가능성이 있었는지 확인한다.

고농도 화학약품(산화제 또는 염소) 또는 극한 온도에노출되었는지 확인한다.

전처리 스크린이 잘못 운영되어 fiber가 마모되었는지 확인한다.

CIP와 CEB 화학약품의 농도와 종류를 확인한다.

막의 수명을 고려하여 시간에 따른 막 손상률을 계산하여보수와 교체에 대한 경제성을 평가한다.

막 파단 또는 샘플 모듈의 강도와 신도를 제조사 또는독립 기관에 조사 의뢰한다.

막모듈 열화 사례

보증기간 5년 PAN 재질의 UF 4년 7개월 사용 후 해체분석

조사결과 9개의 fiber 파단

신도와 강도분석 신막 대비 각각 87.8%와 38.7%

CIP 후 SEM 분석 표면에 상처(Scratch)가 많이 발생

x 1,000 x 5,000 x 10,000

CIP 간격이 너무 짧은 경우

수온을 고려한 보정차압 등의 데이터를 확인한다.

Flux를 너무 높게 운전하지 않나 확인한다.

원수의 수질변화 여부를 확인한다.

탁도, 조류, 유기물질 농도, 망간 농도 등

전처리 공정의 효율을 확인한다.

응집제, 폴리머 주입농도 등

CIP와 CEB 방법 및 화학약품의 품질을 검토한다.

pH의 영향을 고려한다.

예로 부적절한 pH에서 Alum 사용시 막에 Al 스케일형성

CEB(유지세척 or 관리세척)는 CIP 간격을 증가시킬 경제적인 해결책이다.

2006 2007

2006 2007

Case 1

Case 2

CIP 약품변경

* 업체제안 : 1st: 1N HCl, 2nd: 0.3% NaOCl, 3rd: 1N HCl

Train A

Train B

Train A : 1 = 1N HCl, 2 = 0.3% NaOCl, 3 = 1% Oxalic acid

Train B : 1 = 1N HCl, 2 = 0.3% NaOCl, 3 = 1N HCl, 4 = 1% Oxalic acid, 5 = NaOCl

CIP 후 회복률이 낮은 경우

여과수의 보정차압과 투수율을 확인한다.

CIP 방법을 평가한다.

CIP 용액 온도 상승

CIP 시간연장

약품농도 증가

산세척과 알칼리세척 순서를 변경

스케일 형성이 우려되는 경우 CIP 용액을 만들 때 연수를사용한다.

CIP 시간, 온도 변화

CIP 약품 및 순서 변화

고장사례 분류

밸브>모듈>펌프>계측기 = 배관

자동밸브의 평균수명 : 20,000~40,000회

모래여과: 1회/일 x 15년 = 5,475회

막여과: 2~4회/hr x 15년 = 262,800~52,5600회

고장건수

연도별로 증가추세

밸브고장 사례

CIP 순환액이 원수조와 정수지로 누출 전체 계열정지 후 계열별로 CIP 실시

Module

정상 운영시 막 파단시

막파단 사례

투시창에 공기방울 발생 Pin 보수

공주정수장 연도별, 계열별 총 핀 보수 개수 추이변화(2009~2014)

제1조(목적)에서 13조(기술자료)까지 전체 13조 및 부칙 2조로 구성

적용대상은 광역상수도, 지방상수도, 마을상수도, 소규모 급수시설, 전용

상수도의 일반수도사업자(지자체, 수공)와 발주자로 함

적용대상시설의 규모는 5,000m3/일 이상이나, 그 이하의 시설도 동 고시

안을 준용토록 규정

제5조(막모듈의 종류), 제6조(막모듈의 성능기준), 제9조(공정평가), 제11

조(막여과정수시설의 성능 평가)가 주요 핵심사항임

제1조 (목적)

제2조 (적용범위)

제3조 (용어의 정의)

제4조 (막여과 정수시설 설치 시 검토사항)

제5조 (막모듈의 종류)

제6조 (막모듈의 성능기준)

제7조 (시설능력)

제8조 (계열구성)

제9조 (공정구성)

제10조 (공정평가)

제11조 (막여과 정수시설의 성능평가)

제12조 (유지관리)

제13조 (기술자료 등)

부칙 2조

고시구성

막모듈 성능인증(제조사)KWWA

막여과공정 평가(설치사)수도사업자

막여과정수시설 성능평가(설치사) 수도사업자

분리막 개발(제조사)

막여과정수시설의 성능평가- 정밀여과공정 또는 한외여과공정이 포함된 막여과정수시설- 시설 설치자가 일반수도사업자 또는 발주자에게 제출

막여과정수시설의 설치- 일반수도사업자 또는 발주자- 설치업체 : “수도용 막여과공정 평가서”를 발급받은 업체

수도용 막여과공정 평가(일반수도사업자)- 정밀여과공정, 한외여과공정 모형실험 실시(6개월)

- 나노여과공정 , 역삼투공정 , 해수담수화 역삼투공정

기술평가서로 대체

수도용 막모듈의 인증- 한국상하수도협회 단체표준표시인증- 대상 : MF, UF, NF, RO, 해수담수화 RO

환경부『막여과정수시설 설치기준』고시

수도용막여과공정 평가 신청인 일반수도사업자

평가신청 평가신청서 접수

평가서 발급

평가서류제출,검토

1차 평가서 작성[별표 3]

정밀여과공정, 한외여과공정- 모형실험공정 설치

나노여과공정, 역삼투공정, 해수담수화염삼투공정

1차 평가위원회 구성, 평가

막여과 정수시설의 설치기준에 대한 고시 제10조 3항에 의거 평가위원회 구성 [별표3]. 1. 정밀여과공정, 한외여과공정의

마. 세부평가 기준에 따라 평가 (⑬ ⑭ ⑮호) [별표3]. 2. 나노여과공정, 역삼투공정, 해수

담수화역삼투공정의 라. 세부평가 기준에 따라 평가

평가서류제출,검토

2차 평가서 작성[별표 3]

정밀여과공정, 한외여과공정 모형실험공정의 운전실험(6개월)

2차 평가위원회 구성, 평가

막여과 정수시설의 설치기준에 대한 고시 제10조 3항에 의거 평가위원회 구성 [별표3]. 1. 정밀여과공정, 한외여과공정의

마. 세부평가 기준에 따라 평가

평가서류제출,검토

정밀여과공정, 한외여과공정

- 현장실험실시: 6개월(180일)

- 규모: 2계열(1계열당 모듈 1개 이상)

- 원수는 수도법 제3조 제2호의 상수원에서 취수한 원수(原水)를 대상

; 하천수, 호소수, 지하수

나노여과공정, 역삼투공정, 해수담수화역삼투공정

- 현장실험평가는 제외

- 공정: 약품주입공정, 무약품 주입공정

- 규모: 100m3/일 이상, 2계열이상

• 수질의 안전성

• 시스템의 안정성-정상조건,

고탁도조건, 저수온조건, 고조류조건,

고플럭스조건, 전력소모율

1. 모형실험장치 제작 및 막파손검지방법의 적정성과 검토사항 준수여부

2. 연속운전에 따른 공정 안전성, 안정정, 유지관리성

① 평상시 운전

② 탁도 등의 수질 변화

③ 수온변화

3. 운전조건 변동에 따른 공정 안전성, 안정성 및 유지관리성

① 여과수량(막여과유속) 및 회수율

② 물리세척, 약품세척의 조건 변경

③ 전처리약품(응집제 등)의 주입

유무

공정평가 방법

평가항목 평가기준 평가자료 평가시기

1. 수질

① 탁도- 여과수: 0.05 NTU 이하 (매월 측정치의

95%치), 최대 0.1 NTU 이하

1회/여과시간중10분간격(On-line탁도계연속측정)

원수, 막공급수, 여과수, 배출수모형실험 후

② 일반수질- 먹는물수질기준 항목

(미생물, 소독부산물제외)2회/전체운전기간

여과수모형실험 후

③ 기타

- 수온 (℃), pH1회/일

원수, 배출수모형실험 후

- 막오염영향물질(TOC, UV254, Fe, Mn)

1회/주원수, 막공급수 및 배출수

모형실험 후

2. 수량

④ 막여과 유속- 0.5 ㎥/㎡․일 이상 (25℃, 100 kPa

보정 자료 포함)여과수량 모형실험후

⑤ 회수율 - 90% 이상회수율(%)={(생산수-역세척수)

/원수}×100모형실험 후

⑥ 막차압- 압력식(MF 200 kPa, UF 300 kPa

이하 등 각사 사양)- 흡입식 (-80 kPa 이하 등 각사 사양)

운전차압(kPa)보정차압((25℃, 100 kPa)

모형실험 후

⑦ 설계용량- 운전 기간중 1일 설계용량 달성여부- 막모듈 제품의 사양

여과수 수량(세척수량제외) 모형실험후

세부 평가기준

평가항목 평가기준 평가자료 평가시기

3. 공정의 운전

⑧ 공정의 운전시간 - 최소 180일 운전 운전결과 모형실험 후

⑨ 세척약품 및 방법

- 물리세척방법: 세척수의 종류, 세척빈도 및 시간,

약품주입여부 등

- 약품세척방법: 절차, 약품세척빈도, 사용약품 등

운전결과 모형실험 후

⑩ 배출수의 발생량- 배출수의 발생량(물리세척, 약품세척)

- 배출수의 농도(탁도, SS, pH, 유기물, 철, 망간) 운전결과 모형실험 후

⑪ 비용평가- 전력비, 약품비 등

- 전력사용량(kWh/m3), 약품사용량운전결과 모형실험 후

⑫ 운전관리매뉴얼작성의 적정성

- 운전관리매뉴얼의 구성요건에 의거하여 작성운전관리매뉴얼

모형실험 후

⑬ 설비제작설치의적정성

- 부품/재질선정, 제어/감시방법, 상용품 선정 여부 등

- 모형실험 실시요령 준수여부

- 수량수지(원수, 여과수, 배출수 등)

준수여부항목장치사양

모형실험 전, 후

⑭ 막손상검지 방법의 평가

- 직접완결성 시험시스템 구성구성, 장치사양,

운전결과

모형실험 전, 후

4. 기타

⑮ 검토사항의준수

- 가. 검토사항 1)~5)까지의 해당사항 준수여부제도,

시설기준 등모형실험 전,

후