제 출 문 - mewebbook.me.go.kr/DLi-File/091/012/132783.pdf · 2015-11-01 · - i - 제 출 문 환경부장관 귀하 본 보고서를 “막분리공정에 의한 무인/자동화

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제 출 문

환경부장 귀하

본 보고서를 “막분리공정에 의한 무인/자동화 고도정수처리시스템

의 개발” (총 연구기간 : 2001년 8월 1일～2004 년 5월 31일)의 최종

보고서로 제출합니다.

2004 년 7 월 31 일

주 연구기 명

연구책임자

연 구 원

연 구 원

탁기 (I)명

연구책임자

연 구 원

연 구 원

연 구 원

연 구 원

탁기 (II)명

연구책임자

연 구 원

연 구 원

연 구 원

참여기업명

연 구 원

: 서울 학교

: 이 정 학

: 박 병 규

: 김 재

: 경북 학교 환경과학연구소

: 최 상

: 추 호

: 하 태 욱

: 이 해 범

: 박 경 원

: 경남 학교 연안역폐자원

환경연구센터

: 김 승

: 윤 조 희

: 문 성 용

: 최 상 흠

: (주) 멤 인워터

: 김 진

- ii -

요 약 문

Ⅰ. 제 목

막분리공정에 의한 무인/자동화 고도정수처리시스템의 개발

Ⅱ. 연구개발의 목 필요성

기존의 정수 처리 공정은 악화되고 있는 원수의 수질에 효율 으로 처하지

못하여 한계를 드러내고 있다. 특히 소규모 정수장이나 간이 상수도의 경우,

처리공정의 미흡성 뿐만 아니라 유지 리도 큰 허 을 드러내고 있다. 기존 정

수 처리 시설을 체할 공정으로서 막분리 공정을 이용한 정수 처리 시스템은

매우 합하고 유망한 고도 정수 처리 시스템으로 여겨진다. 그러나 아직까지

국내에 합한 막분리 공정의 용 사례가 부족하여 이에 한 연구 개발이

실하 다.

따라서 본 연구에서는 지방 정수장이나 간이 상수도, 소규모 수시설과 같이

한계를 드러내고 있는 소규모의 기존 정수 처리 시설을 체할, 막분리 공정에

의한 무인/자동화 고도정수처리 시스템을 개발하고 이를 직 설치하여 운 을

함으로써, 기술 개발과 경험축 을 하고 최종 으로 실용화/상용화하여 보 하

는 것이 목 이다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 범

기존에 설치된 소규모의 일럿 랜트를 이용하여 막분리 고도정수처리 시

스템의 제작과 운 에서 발생할 수 있는 문제 을 악하여 보다 향상된 성능

을 가지는 시스템을 개발하 다. 동시에 실험실 규모의 막여과 단계의 처리

공정에 한 연구를 수행하고 이를 실제 랜트에 용하고자 하 다.

그래서 막분리 단독공정인 실증 랜트 I과 처리 공정과 결합된 막분리 혼성

공정인 실증 랜트 II를 직 설계, 설치, 운 하여 주민에게 먹는 물로서 실질

인 공 이 가능하도록 하는 것이 주요 연구의 내용이다.

- iii -

Ⅳ. 연구개발결과

1. 소규모 막분리 정수 랜트의 운

15 톤/일 규모의 소규모 막분리 고도 정수 랜트를 운 하면서, 앞으로 간이

정수장에 직 설치할 실증 랜트를 운 할 때 나타날 수 있는 문제 을 최

한 악하여 그 해결책을 찾고자 하 다. 한편 소규모 랜트를 이용하여 직

수행하기 어렵거나 랜트에 복구하기 힘든 손상을 입힐 수 있는 여러 가지 테

스트를, 그 랜트에 상응하는 실험실 규모의 장치를 설치하여 수행하 다.

분리막 모듈의 설치 방향, 원수유입방향, 역세척 방향에 따른 장 과 문제

을 악하 고, 역세척 방향과 원수 유입 방향을 상하 교차로 바꾸어 으로써

이를 해결하고 훨씬 높은 막여과 효율을 얻을 수 있었다. 이러한 설계인자를 바

탕으로 실증 랜트 I과 실증 랜트 II의 공정을 설계하 다.

막힘형과 십자흐름형 여과 방식에 한 연구도 진행하여, 막힘형과 십자흐름

형을 압력이나 탁도 등을 지표로 자동 환하도록 하는 알고리즘을 개발, 실증

랜트 I과 실증 랜트 II에 반 하 다.

이 게 소규모 막분리 정수 랜트를 이용한 여러 가지 연구는 처리 공정

에 한 연구와 함께 실증 랜트 I과 실증 랜트 II의 설계와 제작에 큰 바탕이

되었다.

2. 처리 공정에 한 연구

다음의 경우를 고려하여 처리 공정과 막여과 공정을 혼성한 시스템을 개발

하고자 하 다. i) 막분리 단독 공정만으로 원하는 수질을 얻을 수 없거나, ii)

막분리 단독 공정만으로 원하는 수질을 얻을 수 있지만 단독 공정보다는 처

리 공정을 추가하는 것이 더 경제 인 경우, iii) 막분리 공정의 여과 성능 등

효율을 증 시키기 한 경우 등이다.

본 연구에서는 실증 랜트 I은 막분리 단독공정으로 하 지만, 실증 랜트 II

는 처리 공정을 결합한 혼성공정으로 구성하고자 하 다. 그래서 막분리 공정

과 결합할 수 있는 표 인 처리 공정인 응집, 고도산화, 흡착 공정을 상

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으로, 주 탁I, 탁II 각 기 이 다각도로 실험실 규모의 연구를 수행하고

그 결과를 토 로 실증 랜트 II의 처리 공정을 설계하고자 하 다.

실증 랜트 I, II에 사용한 분리막과 동일한 막을 이용하여 소형으로 장치를

제작하고, 침 공정을 포함한 응집-막분리 공정과 침 공정이 없는 응집-막분

리 공정에 한 실험을 수행하고 최 조건을 도출하 다.

고도산화 공정 염소/오존을 이용한 고도산화 공정과 막분리 공정을 결합

한 혼성공정에 한 다각도의 연구를 수행하 다. 한 이에 추가하여 균일계

매를 이용한 고도산화공정에 한 연구도 수행하여 미량유해물질의 분해 제

거에 하여 살펴보았다.

막오염에 악 향을 끼치는 용존 유기물을 제거하거나, 한외여과 막분리 공정

이나 응집 공정 등으로 제거하기 힘든 미량 유해 물질 등을 효과 으로 제거할

수 있는 활성탄과 산화철 흡착 공정에 한 연구를 수행하 다.

한외여과 막분리 고도정수 시스템을 용할 경우, 특히 지표수에는, 응집 공

정이 가장 합하다고 생각되었으며, 원수 오염물에 따라 활성탄이나 오존

등을 주입하는 것이 좋을 것으로 단되었다.

3. 실증 랜트 I의 제작 운

실증 랜트 I은 막분리 단독공정으로서 최 100톤/일까지 가능하며, 탁도 뿐

아니라, 장균과 세균을 비롯하여 바이러스까지도 거의 완벽히 제거가 가능함

을 입증하 다. 자동화와 원격제어 등으로 편리한 시스템을 구축하 다. 특히

KT인증을 받은 막힘형과 십자흐름형을 압력이나 탁도 등을 지표로 자동 환시

키는 시스템을 설계하 다.

이러한 실증 랜트 I을 경기도 화성시의 지하수를 원수로 하는 한 간이 정수

시설을 체하여 설치하 고, 생산된 물의 수질 검사를 거쳐 약 300여명의 마을

주민에게 직 먹는 물로서 성공 으로 공 하고 있다.

그리고 운 기간 시스템의 효율성, 편리성, 안정성, 경제성 등을 다각 으

로 검토하 다.

효율성 측면에서는, 모듈 양방향으로의 교차 역세척을 실시하여, 양방향 교차

역세척이 한쪽 방향으로의 역세척보다 더 효율 이며, 그 효율을 높이기 해서

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는 한 양방향 역세척 시간 배분이 매우 요하 다. 회수율은 93- 94%에

이르러 기존 정수처리 공정의 효율과 유사하 다. 처리 효율도 매우 높아서 처

리수 수질 검사 결과 매우 양호하 으며, 특히 탁도는 기 보다 매우 낮은 수

의 처리수(0.05NTU 이하)를 얻을 수 있었고, 병원성 미생물은 장균, 일반세균

은 물론 바이러스까지 충분히 제거할 수 있음을 입증하 다.

막힘형과 십자흐름형 자동 교차운 등 자동화 시스템 설계는 편리성과 막수

명 연장의 효율성을 높여주었다. 한 원격 모니터링 제어시스템을 구축하여

편리함과 인력 감에 의한 경제성을 확보할 수 있었다.

시스템 내부 으로 여러 가지 센서나 시스템 제어 모니터용 PC상의 몇 차

례 문제가 발생하 으나 해결을 하 고, 력 공 설비나 배 등 부 설비에

서 나타나는 문제 한 조치를 취하여 반 인 시스템의 안정성을 확보하

다. 기존에 설치된 집수정의 유지 리가 처리수 수질의 안정성 확보에 큰 향

을 끼침을 알 수 있었다.

경제성 측면에서, 기설치비는 타 시스템과 비교하여 렴하 고, 처리수 생

산비는 기존 정수 처리 공정과 유사한 수 이었다. 그리고 인건비 감소로 인한

추가 원가 감 요인까지 고려할 때, 본 시스템은 경제 으로도 매우 경쟁력이

있다고 할 수 있다.

이와 같은 시스템으로 1년이 넘는 운 기간을 통해 장기운 의 경험을 축

할 수 있었다. 운 압력과 회수율, 처리수 수질 등이 매우 안정 으로 잘 유지

되었다. 다만 자연재해나 사고로 인해 력 공 이 단되거나, 매설된 수 배

에서 수가 발생되는 문제 등은 계속 으로 보완해 나가야 할 것으로 단

된다.

4. 실증 랜트 II의 제작 운

처리 공정과 결합된 200톤/일 규모의 실증 랜트 II에서도 시스템의 효율성,

안정성, 편리성, 경제성 등을 검증하 다. 역시 기존 정수 시설(경북 청송군의

소규모 정수장)을 체하여 먹는 물로서 재 약 500여 명의 주민에게 공 하

고 있다. 이곳의 원수는 일종의 계곡수로서, 안동호로 들어가는 작은 하천이다.

역시 효율성, 편리성, 안정성, 경제성 측면에서 시스템의 성능을 입증하 다.

- vi -

실증 랜트 I과 마찬가지로 양방향 역세척을 실시하고 있으며, 재까지 안정

인 운 압력을 나타내고 있다. 회수율은 95%정도에 달하고 있다. 처리수의

수질 한 매우 양호하 다. 실증 랜트 II는 재 모래여과 처리를 거친 후

막여과를 실시하고 있는데, 응집과 흡착, 염소 산화 등을 추가 으로 사용할 수

있다. 그 효율을 모형 랜트를 통해 평가하 다.

실증 랜트 I과 마찬가지로 자동화와 원격 모니터링 제어 시스템을 구축하

고, 원격 감시 카메라와 터치스크린 인터페이스도 도입하여 운 과 유지 리

의 편리함을 도모하 다.

펌 와 처리 필터에서의 문제 이 발생하 으나 곧 해결하 으며, 낙뢰로

인한 사고가 발생하여 이에 한 보완을 실시하 다. 재는 안정 인 운 을

하고 있다.

시스템의 경제성은 실증 랜트 I과 마찬가지로 충분히 확보되었다고 보고 있

다. 차후 설치비의 추가 인 감소가 시스템의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 생

각한다.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

경기도 화성에 설치되어 있는 실증 랜트 I과 경북 청송에 설치되어 있는 실

증 랜트 II는 재 직 주민에게 먹는 물로서 공 을 하고 있어 기존의 정수

처리 시설을 체하고 있다.

그밖에 본 연구에 의해 축 된 기술과 경험을 바탕으로 사업화를 하여

량생산과 보 이 가능한 소규모 정수 처리용 시제품(15톤/일)을 제작하 다. 본

연구과제를 통해 축 된 실용화 기술을 극 으로 활용하여 사업화를 실화

시킬 정이다.

- vii -

S U M M A R Y

I. TITLE : Development of a membrane system with automatic

and remote control for small drinking water treatment plants.

II. OBJECTIVES

Small drinking water treatment plants have suffered from difficulties to

meet the drinking water regulation, particularly for turbidity and

microorganisms due to lacks of proper treatment facilities and professional

managers. The objectives of R&D are to develope ultrafiltartion systems

with automatic and remote control, which can substitute for conventional

water treatment processes and produce safe drinking water for small water

treatment plants.

III. SCOPE

The scope of R&D are divided into four categories. First one is to

investigate membrane water treatment processes with an pilot plant in order

to find out some problems that can occur in operating full-plant, and to

develope more efficient membrane systems and design PLANT I and II.

Second one is to study about bench-scale pre-treatment processes for

PLANT II.

The major scope is to establish PLANT I and PLANT II based on

previous results. PLANT I is made up of only a membrane process and

PLANT II is a membrane hybrid system.

- viii -

III. OUTCOMES

From operating the pilot plant, we found out some problems according to

directions of membrane modules and backwashing, which could be solved by

periodically changing the directions of feeding and backwashing. Next, we

developed algorithm of automatic exchange between dead-end and

cross-flow filtration types. These findings were included in designing

PLANT I and II.

In this R&D, coagulation, advanced oxidation, and adsorption were selected

as pre-treatments for membrane water treatment processes. From

bench-scale experiments, the coagulation process was concluded to be most

efficient for pre-treatment, especially in using surface water as raw water.

Two ultrafiltartion systems were designed and constructed at existing

water treatment plants. Both of them have actually been operating and

serving residents with safe water.

The PLANT I has been installed at Wolmun-ri, Whasung city in

Kyunggi Province. It is made-up of only prefilter and ultrafiltration with full

automatic control and its design capacity is 100m3/day. Whereas, the PLANT

II has been installed at Budong-myun, Cheongsong-gun in Kyungpook

Province. It is a membrane hybrid process with a slow sand filtration. Its

design capacity is 200m3/day with full automatic and remote control.

Coagulation process can be adapted as an optional pre-treatment.

Both systems have been proven to completely remove particulate matters

and pathogenic microorganisms such as E. coli., bacteria and even virus.

The efficiency, reliability, convenience, and economy of the systems have

also been identified.

- ix -

IV. APPLICATIONS of OUTCOMES

The participating company in this project makes plans for marketing the

new ultrafiltration plants in accordance with the needs of local governments

for safer drinking water production.

- x -

CONTENTS

SUBMISSION...........................................................................................................................i

SUMMARY(in KOREA)......................................................................................................ii

SUMMARY(in ENGLISH)................................................................................................vii

CONTENTS(in ENGLISH).................................................................................................x

CONTENTS(in KOREA).................................................................................................xiii

LIST OF TABLES............................................................................................................xvi

LIST OF FIGURES........................................................................................................xviii

CHAPTER 1. INTRODUCTION

SECTION 1. NECESSITY OF R&D

1. CONVENTIONAL WATER TREATMENT PROCESSES...........................1

2. SIGNIFICANCE AND NECESSITY OF R&D.................................................3

3. EXPECTED EFFECTS OF R&D..........................................................................5

SECTION 2. OBJECTIVES AND SCOPE OF R&D

1. OBJECTIVES...............................................................................................................7

2. SCOPE AND DETAILS...........................................................................................9

CHAPTER 2. DOMESTIC AND FOREIGN R&D STATUS

SECTION 1. DOMESTIC AND FOREIGN R&D STATUS

1. FOREIGN STATUS................................................................................................27

2. DOMESTIC STATUS............................................................................................29

SECTION 2. VALUE OF OUR R&D RESULTS

1. UNIQUENESS OF RESULTS.............................................................................30

2. FEASIBILITY OF COMMERCIALIZATION...................................................31

- xi -

CHAPTER 3. RESULTS OF R&D

SECTION 1. PILOT-SCALE MEMBRANE PLANT

1. MATERIALS AND METHODS..........................................................................32

2. RESULTS...................................................................................................................40

SECTION 2. BENCH-SCALE PRE-TREATMENT PROCESSES

1. COAGULATION PROCESSES............................................................................73

2. ADVANCED OXIDATION PROCESSES.......................................................117

3. ADSORPTION PROCESSES..............................................................................154

SECTION 3. FULL-SCALE PLANT I

1. SPECIFICATIONS.................................................................................................173

2. EFFICIENCY OF SYSTEM...............................................................................180

3. CONVENIENCE OF SYSTEM..........................................................................199

4. RELIABILITY OF SYSTEM..............................................................................219

5. ECONOMY OF SYSTEM...................................................................................223

6. LONG-TERM OPERATION...............................................................................228

SECTION 4. FULL-SCALE PLANT II

1. SPECIFICATIONS.................................................................................................239

2. EFFICIENCY OF SYSTEM...............................................................................250

3. CONVENIENCE OF SYSTEM..........................................................................289

4. RELIABILITY OF SYSTEM..............................................................................291

5. ECONOMY OF SYSTEM...................................................................................295

CHAPTER 4. ACHIEVEMENT AND CONTRIBUTION

SECTION 1. ACHIEVEMENT OF THE OBJECTIVES

1. ACHIEVEMENT OF THE OBJECTIVES.....................................................296

SECTION 2. CONTRIBUTIONS TO MEMBRANE TECHNOLOGY

1. CONTRIBUTION TO SCIENTIFIC RESEARCH........................................298

2. CONTRIBUTION TO ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY...................304

- xii -

3. CONTRIBUTION TO INDUSTRIAL ADVANCE.......................................304

4. SOCIAL CONTRIBUTIONS AND PROSPECTS........................................305

CHAPTER 5. PLANS FOR APPLICATION

SECTION 1. PLANS FOR APPLICATION

1. APPLICATION OF ESTABLISHED PLANTS............................................306

2. APPLICATION OF DEVELOPED TECHNOLOGY....................................307

SECTION 2. PLANS OF COMMERCIALIZATION

1. FEASIBILITY OF COMMERCIALIZATION.................................................308

2. SALES PROJECTIONS........................................................................................309

3. EXPECTED IMPROVEMENT IN TRADE BALANCE.............................309

CHAPTER 6. REFERENCES..........................................................................311

APPENDIXES................................................................................................................313

- xiii -

목 차

제출문.........................................................................................................................................i

요약문........................................................................................................................................ii

문요약문(SUMMARY)...................................................................................................vii

문목차(COMTENTS)........................................................................................................x

목차.........................................................................................................................................xiii

표목차.....................................................................................................................................xvi

그림목차..............................................................................................................................xviii

제1장 서론

제1 연구개발의 필요성

1. 기존 공정의 황 문제 ....................................................................................1

2. 기술개발의 요성․필요성......................................................................................3

3. 기술개발시 상되는 효과................................................................................5

제2 연구의 목표 범

1. 최종 목표.......................................................................................................................7

2. 연구 개발의 내용 범 ........................................................................................9

제2장 국내외 기술개발 황

제1 국내외 기술개발 황

1. 국외...............................................................................................................................27

2. 국내...............................................................................................................................29

제2 연구결과의 의의

1. 국내외 유사 기술과의 차별성................................................................................30

2. 연구개발 사업성과의 사업화 가능성....................................................................31

- xiv -

제3장 연구개발수행 내용 결과

제1 소규모 막분리 정수 랜트의 운

1. 연구 수행 방법...........................................................................................................32

2. 연구 수행 내용...........................................................................................................40

제2 처리 공정에 한 연구

1. 응집 공정에 한 연구............................................................................................73

2. 고도 산화 공정에 한 연구................................................................................117

3. 흡착 공정에 한 연구..........................................................................................154

제3 실증 랜트 I의 제작 운

1. 실증 랜트 I의 기본 사양.....................................................................................173

2. 시스템의 효율성.......................................................................................................180

3. 시스템의 편리성.......................................................................................................199

4. 시스템의 안정성.......................................................................................................219

5. 시스템의 경제성.......................................................................................................223

6. 실증 랜트 I의 장기운 결과.............................................................................228

제4 실증 랜트 II의 제작 운

1. 실증 랜트 II의 기본 사양...................................................................................239

2. 시스템의 효율성.......................................................................................................250

3. 시스템의 편리성.......................................................................................................289

4. 시스템의 안정성.......................................................................................................292

5. 시스템의 경제성.......................................................................................................295

제4장 연구개발목표 달성도 외기여도

제1 연구개발 목표 달성도

1. 연구개발 목표 비 달성도..................................................................................296

제2 막분리 기술 발 에의 기여도

1. 학술 발 에의 기여............................................................................................298

2. 환경기술발 에의 기여..........................................................................................304

3. 산업발 에의 기여..................................................................................................304

4. 사회 기여와 망................................................................................................305

- xv -

제5장 연구개발결과의 활용계획

제1 활용방안

1. 설치된 랜트의 활용............................................................................................306

2. 개발기술의 활용.......................................................................................................307

제2 기업화 추진

1. 사업화가능성 분석..................................................................................................308

2. 상 매출...................................................................................................................309

3. 무역수지 개선효과..................................................................................................309

제6장 참고문헌.............................................................................................................311

부 록....................................................................................................................................313

첨부 서류

- xvi -

표 목 차

표 3-1-1. 소규모 막분리 고도정수 랜트 설치 지역 원수 조건..........................32

표 3-1-2. 소규모 막분리 고도정수 랜트에 사용된 막의 사양............................34

표 3-1-3. 소규모 막분리 고도정수 랜트 실제 운 조건....................................34

표 3-1-4. 실험실 규모 막분리 고도정수 장치에 사용된 막의 사양......................37

표 3-1-5. 역세척 방향에 따른 역세척수 내 농도 변화.............................................51

표 3-1-6. 유입방향이 아래쪽일 때 역세척 방향과 시간에 따른 역세척수의 탁

도 변화..................................................................................................................53

표 3-1-7. 유입방향이 쪽일 때 역세척 방향과 시간에 따른 역세척수의 탁도

변화........................................................................................................................53

표 3-1-8. 실험실 규모 장치에서 막힘형과 십자흐름형의 운 에 지 비교........61

표 3-1-9. 역세척수와 침 슬러지 수질.........................................................................63

표 3-2-1. 응집 처리 공정 실험에 사용된 원수수질...............................................74

표 3-2-2. 실험에 사용된 응집-막분리 공정 모형 랜트 설계조건......................78

표 3-2-3. 응집제별 목표 주입량 결정(여름철 원수기 ).........................................81

표 3-2-4. 응집 공정 후 막분리 공정으로의 유입수 수질........................................87

표 3-2-5. 막분리 공정에 의한 수질 개선.....................................................................93

표 3-2-6. 침 공정 없는 응집 처리 연구에 사용된 원수의 조건......................96

표 3-2-7. 응집제 용방법 종류에 따른 유기물 제거율 비교........................106

표 3-2-8. 분리막 코 시 농도에 따른 유기물 제거율 비교..................................106

표 3-2-9. 수산화물 입자에 의한 실제 여과 항 해당 압력............................107

표 3-2-10. 교반 강도와 시간에 따른 응집 록의 크기와 탈 디멘젼........110

표 3-2-11. 고도 산화 공정 연구에 사용한 원수 조건.............................................117

표 3-2-12. 균일계 매를 이용한 실험의 반응 조건...............................................150

표 3-2-13. Fe(III)-TsPc, Cu(II)-TsPc, Ni(II)-TsPc의 제거효율 비교..............151

표 3-2-14. 활성탄 흡착 공정 연구에 사용된 원수의 조건....................................156

표 3-2-15. 에스트라디올 측정시 필터와 원심분리에 의한 오차 비교................161

- xvii -

표 3-3-1. 실증 랜트 I 설치 지역 사 수질 검사 결과(첨부 3-2 참조).........174

표 3-3-2. 실증 랜트 I에 사용된 막의 사양..............................................................176

표 3-3-3. 실증 랜트 I 설치 이후 수질 검사 결과(첨부 3-4 참조).................194

표 3-3-4. 실증 랜트 I에서의 일반세균, 총 장균군 검사 결과..........................197

표 3-3-5. 실증 랜트 I에서의 잔류염소 측정 결과.................................................197

표 3-3-6. 실증 랜트 I에 사용된 분리막의 바이러스 제거율 테스트 결과

(첨부 3-5 참조)..................................................................................................198

표 3-3-7. 본 시스템과 타 시스템의 기 설치 비용 비교....................................223

표 3-3-8. 서울시 상수도 요 (서울시 수도조례 제 20 조 규정에 의거)...........225

표 3-3-9. 실증 랜트 I의 확립된 운 조건..............................................................228

표 3-4-1. 실증 랜트 II의 운 조건...........................................................................244

표 3-4-2. 응집지 설계기 설계용량표.................................................................247

표 3-4-3. 모형 랜트의 연속운 조건.....................................................................264

표 3-4-4. 응집-막여과 공정(Run I)의 운 조건 특성............................................266

표 3-4-5. 응집-막여과 공정(Run II) 운 조건.........................................................270

표 3-4-6. 연속 한외여과 시스템의 운 조건...........................................................276

표 3-4-7. 십자흐름형 한외여과시 운 조건과 제거효율........................................279

표 3-4-8. 막힘형 한외여과시 운 조건과 제거효율.................................................279

표 5-1. 사업화시 상 생산과 매출액..........................................................................310

표 5-2. 무역수지 개선 효과............................................................................................310

- xviii -

그 림 목 차

그림 1-1. 고도 정수 처리 시스템으로서의 막분리 공정의 장 ..............................3

그림 1-2. 막분리 정수처리 공정의 구성 (실증 랜트 I, II).......................................8

그림 1-3. 15톤/일 규모의 막분리 정수 랜트............................................................10

그림 1-4. 막힘형과 십자흐름형 비교..............................................................................13

그림 1-5. 실증 랜트 I과 II에 사용된 분리막.............................................................18

그림 3-1-1. 소규모 막분리 정수 랜트 모식도.........................................................33

그림 3-1-2. 소규모 막분리 정수 랜트에 상응하는 실험실 규모의 장치..........37

그림 3-1-3. 분리막 재질에 따른 여과성능 (막간차압) 비교...................................38

그림 3-1-4. 역세척시 공사 내부가 막히게 되는 과정..........................................41

그림 3-1-5. 소규모 일럿 랜트의 막간차압 변화(2001년).................................42

그림 3-1-6. 소규모 일럿 랜트의 럭스 변화(2001년).....................................42

그림 3-1-7. 응집 처리 공정과 결합하여 수직 상방향 역세시 압력 증가 경향

(역세척 1시간에 1분간)....................................................................................44

그림 3-1-8. 응집 처리 공정과 결합하여 수평 양방향 역세시 압력 증가 경향

(역세척 20분에 20 간)....................................................................................44

그림 3-1-9. 공사 내부가 막히지 않도록 하기 한 양방향 역세척..................45

그림 3-1-10. 양방향 역세척 여부에 따른 막간 차압의 변화..................................47

그림 3-1-11. 변경된 소규모 막분리 정수 랜트 모식도........................................48

그림 3-1-12. 상방향, 하방향 역세척..............................................................................49

그림 3-1-13. 상방향, 하방향, 양방향교차 역세척 시 압력 상승 속도..................50

그림 3-1-14. 원수 유입 방향의 선택.............................................................................52

그림 3-1-15. 역세척 방법에 따른 막간차압의 변화...................................................55

그림 3-1-16. 소규모 일럿 랜트 설치 지역 원수의 연 조류 개체 변화....58

그림 3-1-17. 소규모 일럿 랜트 설치 지역 원수의 연 pH 변화.................58

그림 3-1-18. 막힘형과 십자흐름형의 여과 성능 비교...............................................60

그림 3-1-19. 역세척수와 유입수의 입자분포(단 :㎛)..............................................63

그림 3-1-20. 역세척수 침 특성 실험 결과...............................................................65

- xix -

그림 3-1-21. 역세척수 응집실험 결과...........................................................................65

그림 3-1-22. 평 형 정 여과막 시스템.......................................................................66

그림 3-1-23. 역세척수 처리시 투과수량에 의한 향...............................................67

그림 3-1-24. 역세척수 정 여과막 투과 실험 결과 - 압력증가............................67

그림 3-1-25. 역세척수와 원수의 투과특성 비교.........................................................69

그림 3-1-26. 역세척수 처리공정을 용한 혼합시스템.............................................70

그림 3-2-1. 응집 처리 공정 실험에 사용된 원수내 클로로필-a 농도.............74

그림 3-2-2. 응집 처리 공정실험에 사용된 모형 랜트 공정도........................79

그림 3-2-3. 응집 처리 공정실험에 사용된 모형 랜트 사진............................79

그림 3-2-4. 침 지 유출수 수질(Turbidity, TOC, UV254).......................................83

그림 3-2-5. 침 유출수 수질(입자수)..........................................................................83

그림 3-2-6. 처리 필터의 효율 평가(입자수)............................................................84

그림 3-2-7. 역세척 지속시간에 따른 막간 차압 증가율 변화................................86

그림 3-2-8. 역세척 주기 지속시간과 회수율의 계..........................................86

그림 3-2-9. 교반 시간의 향 평가...............................................................................88

그림 3-2-10. 교반 강도의 향 평가.............................................................................88

그림 3-2-11. 황산반토를 이용한 모형 랜트 운 결과........................................90

그림 3-2-12. PACS를 이용한 모형 랜트 운 결과................................................90

그림 3-2-13. 염화철을 이용한 모형 랜트 운 결과...............................................91

그림 3-2-14. 응집제별 비 럭스(Specific Flux) 감소율...........................................91

그림 3-2-15. 막간차압 증가율과 유입 제거된 UV254 농도................................94

그림 3-2-16. 실험실 규모의 응집-한외여과 장치......................................................96

그림 3-2-17. 응집제 주입량에 따른 DOC, UV254 흡 도의 제거율......................99

그림 3-2-18. 교반강도와 체류시간에 따른 UV254흡 도의 제거율......................101

그림 3-2-19. 교반강도와 체류시간에 따른 입도 분포.............................................101

그림 3-2-20. 십자흐름형 운 방식에서 응집조건에 따른 여과성능의 변화......103

그림 3-2-21. 막힘형 운 방식에서 응집조건에 따른 여과성능의 변화..............103

그림 3-2-22. 수산화물 입자의 분리막 코 시 막오염 완화 효과........................104

그림 3-2-23. PACl을 이용한 분리막 코 시 막오염 완화 효과...........................105

그림 3-2-24. 염화철을 이용한 분리막 코 시 막오염 완화 효과........................105

- xx -

그림 3-2-25. 원수와 각 수산화물 입자의 이크 비 항 측정값 비교..............106

그림 3-2-26. 응집제 종류와 주입량에 따른 록의 크기 변화............................111

그림 3-2-27. 응집제 종류와 주입량에 따른 록의 탈 디멘젼 변화..........111

그림 3-2-28. 응집제 종류와 주입량에 따른 이크 비 항 변화........................112

그림 3-2-29. 황산반토를 이용한 응집시 pH에 따른 탈 디멘젼의 변화....114

그림 3-2-30. 염화철을 이용한 응집시 pH에 따른 탈 디멘젼의 변화........114

그림 3-2-31. 응집시 pH에 따른 록의 크기 변화.................................................115

그림 3-2-32. 황산반토 응집시 pH에 따른 이크 비 항 변화(40kPa).............116

그림 3-2-33. 염화철 응집시 pH에 따른 이크 비 항 변화(40kPa).................116

그림 3-2-34. 원수에 따른 철 제거율 (반응시간: 60분)..........................................119

그림 3-2-35. 여러 가지 염소 주입량에서 시간에 따른 철 제거율......................120

그림 3-2-36. 원수에 따른 잔류염소 농도 변화.........................................................121

그림 3-2-37. 염소 주입량에 따른 망간 제거율.........................................................122

그림 3-2-38. 염소주입량에 따른 UV254 제거율.........................................................123

그림 3-2-39. 시간에 따른 오존 농도의 변화.............................................................125

그림 3-2-40. 오존에 의한 철 제거율...........................................................................125

그림 3-2-41. 오존에 의한 망간 제거율.......................................................................126

그림 3-2-42. 오존에 의한 DOC 변화...........................................................................126

그림 3-2-43. 한외여과 비교반셀에서 철/망간농도에 따른 럭스 변화...........128

그림 3-2-44. 한외여과 비교반셀에서 철/망간농도에 따른 UV254제거율 변화..129

그림 3-2-45. 철과 망간 입자의 이크 비 항 (철:100mg, 망간:100mg)..........132

그림 3-2-46. 단일막 한외여과 시스템의 장치도.......................................................133

그림 3-2-47. 단일 공사막 여과에서 철/망간 산화에 따른 압력변화

(철:1.0mg/L, 망간:0.5mg/L, 염소:3mg/L)................................................135

그림 3-2-48. 염소주입시 망간산화에 의한 막오염 상 메커니즘......................137

그림 3-2-49. 단일 공사막 장치에서 실시간 염소주입에 따른 여과압력의 변화

(반응시간:2분)..................................................................................................139

그림 3-2-50. 염소 산화시 시간에 따른 망간 제거율

(망간:0.5mg/L, 염소:5mg/L).........................................................................141

- xxi -


(반응시간:2분, 망간:0.5mg/L, 염소:5mg/L)..............................................141

그림 3-2-52. 단일 공사막에서 역세척과 세정이 압력에 미치는 향..............143

그림 3-2-53. 단일 공사 한외여과막 실험 SEM 이미지...................................145

그림 3-2-54. 단일 공사 한외여과막의 역세척과 세정 실시후 SEM 이미지.146

그림 3-2-55. 산화반응의 균일계 매 하나인 Fe(III)-TsPc.............................149

그림 3-2-56. 환경호르몬의 일종인 비스페놀-A.......................................................149

그림 3-2-57. pH에 따른 비스페놀-A의 분해............................................................153

그림 3-2-58. pH에 따른 다이머와 모노머 비율 변화.............................................153

그림 3-2-59. 환경호르몬의 일종인 에스트라디올.....................................................156

그림 3-2-60. 실험실 규모의 한외여과 활성탄 처리 장치............................157

그림 3-2-61. 활성탄 주입시 혼화조에서의 시간에 따른 유기물 제거율............158

그림 3-2-62. 활성탄 종류에 따른 유기물 제거율의 변화......................................159

그림 3-2-63. 분말활성탄(A1, 40mg/L) 용 시 여과 성능 변화.........................160

그림 3-2-64. 분말활성탄 양(ppm)과 시간에 따른 에스트라디올 제거율...........163

그림 3-2-65. 분말활성탄 양(ppm)과 시간에 따른 에스트라디올 제거율...........163

그림 3-2-66. 원수 유기물 농도에 따른 에스트라디올 제거율의 변화............164

그림 3-2-67. 실험실 규모의 산화/IOP/UF 시스템...................................................166

그림 3-2-68. 산화철 입자 존재와 염소에 따른 DOC 제거율...........................167

그림 3-2-69. 산화철 입자 존재와 염소에 따른 UV254제거율............................168

그림 3-2-70. 염소와 여과에 따른 UV254 제거율 차이I...................................168

그림 3-2-71. 염소와 여과에 따른 UV254제거율 차이II...................................169

그림 3-2-72. 한외여과공정과 산화철흡착-한외여과공정의 럭스 변화I..........169

그림 3-2-73. 여과와 염소가 산화철흡착-한외여과공정에 미치는 향.....170

그림 3-2-74. 한외여과공정과 산화철흡착-한외여과공정의 럭스 변화II.........170

그림 3-3-1. 실증 랜트 I의 설치 장 경 (경기 화성)......................................173

그림 3-3-2. 실증 랜트 I의 사진..................................................................................175

그림 3-3-3. 실증 랜트 I의 원수 유입과 처리수 생산 이송 과정................177

그림 3-3-4. 실증 랜트 I 처리수 공 체 개략도...............................................179

그림 3-3-5. 막힘형 여과방식에서 모듈 아래 에서의 원수 교차 유입............181

- xxii -

그림 3-3-6. 역세척 시 역세척수 교차 배출(양방향 역세척).................................183

그림 3-3-7. 실증 랜트 I의 럭스 변화 (2003년)..................................................186

그림 3-3-8. 실증 랜트 I의 일일 운 시간 변화 (2003년)..................................186

그림 3-3-9. 실증 랜트 I의 모듈 상단부 압력 변화 (2003년)..............................187

그림 3-3-10. 실증 랜트 I의 모듈 하단부 압력 변화 (2003년)............................187

그림 3-3-11. 실증 랜트 I에서 설정한 역세척 압력의 변화 (2003년)...............190

그림 3-3-12. 실증 랜트 I에서의 일일 총생산량 (2003년)....................................190

그림 3-3-13. 실증 랜트 I에서의 일일 역세수량 (2003년)....................................191

그림 3-3-14. 실증 랜트 I에서의 원수 회수율 (2003년)........................................191

그림 3-3-15. 실증 랜트 I의 처리수 탁도 (2003년)................................................195

그림 3-3-16. 지표수(한강원수)에 용한 소규모 일럿에서의 처리수 탁도..195

그림 3-3-17. 십자흐름형 여과방식에서 모듈 아래, 방향으로의 순환방향

환...................................................................................................................200

그림 3-3-18. PLC의 각 모듈 기능................................................................................202

그림 3-2-19. 배수조 수 에 따른 운 모드의 변환 알고리즘............................203

그림 3-2-20. PC상의 운 모드 입력 화면................................................................204

그림 3-2-21. PC상의 각 운 모드 내 싸이클 입력 화면.....................................204

그림 3-3-22. 여러 가지 기 설정값 상하한값 입력화면................................206

그림 3-3-23. 압력에 따른 럭스 조정 는 운 모드 변경 알고리즘............208

그림 3-3-24. 탁도에 따른 럭스 조정 는 운 모드 변경 알고리즘............210

그림 3-3-25. 정유량 압력, 탁도의 변화에 따른 럭스 조정 알고리즘.......210

그림 3-3-26. 온도에 따른 여과성능비.........................................................................212

그림 3-3-27. 온도 변화에 따른 운 모드 변경 알고리즘....................................214

그림 3-3-28. 장의 PC와 원격지 PC의 통신..........................................................216

그림 3-3-29. 각 장비의 정상운 여부 장 원격 모니터링............................216

그림 3-3-30. 실증 랜트 I의 원수착수정과 랜트간 설치 배 .........................221

그림 3-3-31. 실증 랜트 I의 원수착수정과 랜트간 설치 배 변경 후........221

그림 3-3-32. 원격모니터링 제어에 의한 인력 감소..........................................227

그림 3-3-33. 실증 랜트 I 럭스 변화(2003년 - 2004년)....................................230

그림 3-3-34. 실증 랜트 I의 일일 운 시간 변화(2003년 - 2004년)...............230

- xxiii -

그림 3-3-35. 실증 랜트 I의 모듈 상단부 압력 변화(2003년 - 2004년)...........231

그림 3-3-36. 실증 랜트 I의 모듈 하단부 압력 변화(2003년 - 2004년)...........231

그림 3-3-37. 원수 유입과 역세척 방향 설정과 반복 시간 회수....................232

그림 3-3-38. 실증 랜트 I의 일일 총생산량(2003년 - 2004년)...........................233

그림 3-3-39. 실증 랜트 I의 일일 역세수량(2003년 - 2004년)...........................233

그림 3-3-40. 실증 랜트 I의 원수 회수율(2003년 - 2004년)...............................234

그림 3-3-41. 실증 랜트 I의 처리수 탁도(2003년 - 2004년)...............................236

그림 3-3-42. 실증 랜트 I의 원수 온도 변화 (2003년 - 2004년).......................237

그림 3-3-43. 실증 랜트 I의 원수 pH 변화 (2003년 - 2004년)..........................237

그림 3-4-1. 실증 랜트 II의 설치 장 경 (경북 청송).....................................239

그림 3-4-2. 실증 랜트 II의 사진.................................................................................241

그림 3-4-3. 실증 랜트 II의 개념도.............................................................................242

그림 3-4-4. 실증 랜트 II의 외형과 치수를 나타낸 도면......................................243

그림 3-4-5. 실증 랜트 II에 설치된 응집지..............................................................248

그림 3-4-6. 실증 랜트 II의 계기 과 터치스크린..................................................249

그림 3-4-7. 실증 랜트 II에 부착된 패 ..................................................................249

그림 3-4-8. 실증 랜트 II 막힘형 여과방식에서 모듈 아래 에서의 원수 교차

유입.......................................................................................................................251

그림 3-4-9. 실증 랜트 II 상하방향 교차역세척......................................................252

그림 3-4-10. 실증 랜트 II의 럭스 변화 (2004년)...............................................254

그림 3-4-11. 실증 랜트 II의 일일 총 생산량 (2004년).........................................254

그림 3-4-12. 실증 랜트 II의 모듈 상하단부 압력 변화 (2004년)......................255

그림 3-4-13. 실증 랜트 I 과 II에 처리수 장조 높이차에 따른 효과............255

그림 3-4-14. 실증 랜트 II에서 처리수 장조의 치..........................................256

그림 3-4-15. 실증 랜트 II의 막간차압 변화(2004년).............................................256

그림 3-4-16. 실증 랜트 II에서의 일일 역세척 수량 (2004년)............................259

그림 3-4-17. 실증 랜트 II에서의 회수율 (2004년).................................................259

그림 3-4-18. 실증 랜트 II에서의 원수 탁도 (2004년)...........................................261

그림 3-4-19. 실증 랜트 II에서의 처리수 탁도 변화 (2004년)............................261

그림 3-4-20. 응집-막여과 공정(Run I) 운 결과...................................................266

- xxiv -

그림 3-4-21. 막의 막힘 상에 의한 압력증가.........................................................268

그림 3-4-22. 응집-막여과 공정 (Run II)의 운 결과.............................................271

그림 3-4-23. 응집-막여과 공정 (Run II) 수질 특정 결과.....................................271

그림 3-4-24. 침 지 유출 입자분포.............................................................................273

그림 3-4-25. 운 인 침 지........................................................................................273

그림 3-4-26. 한외여과 모형 랜트.............................................................................275

그림 3-4-27. 십자흐름형 한외여과에서 철/망간 제거율.........................................280

그림 3-4-28. 막힘형 한외여과에서 철 망간 농도 변화..........................................280

그림 3-4-29. 십자흐름형 한외여과에서 탁도의 제거율..........................................283

그림 3-4-30. 막힘형 한외여과에서 탁도의 변화.......................................................283

그림 3-4-31. 막힘형 한외여과에서 UV254의 변화.....................................................284

그림 3-4-32. 막힘형 한외여과에서 DOC의 변화......................................................284

그림 3-4-33. 십자흐름형 한외여과에서 시간에 따른 압력의 변화......................288

그림 3-4-34. 막힘형 한외여과에서 시간에 따른 압력의 변화..............................288

그림 3-4-35. 실증 랜트 II 장에 설치된 컴퓨터( 도우즈 기반 원격제어)..290

그림 3-4-36. 실증 랜트 II 장에 설치된 감시 카메라........................................290

그림 3-4-37. 실증 랜트 II의 운 조건 입력을 한 터치 스크린...................291

그림 3-4-38. 실증 랜트 II의 운 단에 의한 럭스 감소.............................293

그림 3-4-39. 막분리 정수처리 랜트의 설치 비용 ..........................................295

그림 5-1. 홍보용 시제품..................................................................................................306

- 1 -

제 1 장 서 론

제 1 연구개발의 필요성

1. 기존 공정의 황 문제

기존의 정수 처리 공정(conventional water treatment process)은 응집 침

여과 소독으로 구성되어 있어 주요처리 상이 탁물질과 염소 소독에 의해

불활성화되는 병원성 미생물에 국한되어 있다. 그런데 산업화, 인구 증가 등으

로 인해 원수의 수질이 악화되고 있어 기존의 정수 처리 공정이 한계를

드러내고 있다.

이에 따라 정수장에서 공 하는 먹는 물, 즉 수돗물에 한 국민의 불신이 매

우 심화되어 있는 것이 사실이며, 이는 나아가 정부의 환경정책 반에 한 불

신으로 확산될 수 있고, 수돗물을 개별 가정이나 가구 집지역 등에서 자체

으로 재처리하거나 먹는 샘물 등 다른 경로를 통해 생산된 먹는 물을 따로 구

입하는 등의 정치, 경제 인 손실이 야기되고 있다. 이에 정부에서는 먹는 물

수질기 치를 강화하고 기 항목을 확 하고 있으며 지역자체별로 강화된 먹

는 물 수질 기 을 마련하여 운 하는 제도를 시행 추진 이다.

이러한 상황에서 역상수도인 규모 정수장의 경우, 정부가 수자원 공사에

탁하여 운 하고 있는데, 기존의 공정에 새로운 처리 공정을 도입하여 기술

으로 보완하는 한편 근무자의 문성을 확보하고 리 감독을 강화시키는 등

다방면의 노력을 하고 있다. 그러나 지방자치단체가 운 하는 소규모 지방 상

수도의 경우, 재정 인 이유 등으로 해당 지자체 스스로 새로운 처리 공정을 도

입하지 못하는 경우가 많으며, 문 인력 확보가 미흡하고 리 감독이 소홀하

여 자체 검에서도 수질 기 을 과하는 경우가 잦고, 종종 언론에 의해 사건

화되어 보고되는 등 수돗물에 한 불신을 더욱 악화시키는 형편이다.

특히 간이 상수도의 경우 사정은 더욱 심각하다. 간이 상수도는 수도법 제3조

에 의거, 100인이상 2,500인 이내(시설용량 20～500톤)의 주민에게 정수를 공

하는 수도이다. 법 으로는 시장․군수․구청장에게 시설 리의 책임이 있어 해

- 2 -

당 시․군에서는 수질검사, 리인 교육, 소독약품지 등을 실시하고 있으나,

실제로는 문성이 없는 마을 표 등이 운 ․ 리하는 것이나 다름 없다.

한, 취수원으로는 부분 지하수, 복류수 등을 사용하고 있는데 취수정의 심도

가 낮고 ․답․축사 는 주택가 인근에 치하여 수질오염 가능성 상존하며,

부분의 시설이 여과 등 정수과정 없이 원수를 이용자에게 바로 공 하고 있

는 등 노후된 상태이다. 그러나 지자체의 산 부족으로 시설 개량을 한 투자

가 극히 조하는 등 많은 문제 을 안고 있다.

- 3 -

2. 기술개발의 요성․필요성

이러한 기존 정수 처리 시설을 체할 공정으로서 막분리 공정을 이용한 정

수 처리 시스템(membrane water treatment system)은 매우 합하고 유망한

고도 정수 처리 시스템으로 여겨진다. 미국, 유럽 선진국뿐 아니라 일본 등에서

많이 도입하여 운 인 막분리 공정의 장 은 다음과 같다(그림 1-1).

안정적이고양질의

처리수질용존 유기물

미량 유해 물질

탁도 / 조류병원성 미생물 막분리 공정

(MF/UF)

혼성시스템

패키지화

중소규모의 정수장

원격조정/무인 / 자동화관리운영상의문제점 해결

경제성

안정적이고양질의

처리수질용존 유기물

미량 유해 물질

탁도 / 조류병원성 미생물 막분리 공정

(MF/UF)

혼성시스템

패키지화

중소규모의 정수장

원격조정/무인 / 자동화관리운영상의문제점 해결

경제성

그림 1-1. 고도 정수 처리 시스템으로서의 막분리 공정의 장

- 막분리 공정은 수질에 있어서 막세공(membrane pore) 분획분자량

(Molecular Weight Cut-Off)에 따라 제거할 수 있는 오염물의 한계가 명확하기

때문에 원하는 처리수의 수질에 따라 한 분리막을 선정한다면, 탁도, 조류

는 물론 거의 모든 병원성 미생물을 제거할 수 있다. 특히 1993년 미국

Milwoukee, 그리고 1996년 일본의 Ogose Town에서 크게 이슈화된 크립토스포

리디움(Crypto- sporidium), 그리고 이와 함께 지아디아(Giardia)와 같은 원생동

물(기생충) 등은 염소소독에 의해 불활성화되지 않는데, 정 여과만으로도 효과

으로 배제할 수 있으며 한외여과를 사용할 경우 거의 완벽한 제거가 가능하

다. 그리고 얼마 국내에서도 크게 문제가 되었던 바이러스도 한외여과 정도면

거의 부분이 제거된다.

- 4 -

- 막분리 공정은 다른 물리화학 처리 공정과 쉽게 혼성 시스템을 구성할 수

있어 처리하고자 하는 오염물에 한 한 처리 공정을 추가하여 쉽게 수질

기 이나 원하는 수질을 맞출 수 있다.

- 원수의 수질의 변동이 있어도 비교 안정 인 처리수질을 보인다는 것이 큰

장 이므로 수질의 변동에 따라, 아니면 리 소홀에 의해 처리수 수질 문제가

발생하는 빈도를 크게 일 수 있게 된다.

- 막분리 공정은 다른 공정에 비해 패키지화가 수월하여 설치가 간편하고 소요

부지 면 도 작으며, 자동화가 용이하여 문 인력에 의한 상시 리가

필요없다는 장 이 있다. 막분리 공정을 이용한 정수처리 공정을 실제로

도입하여 먹는 물을 공 하고 있는 선진국에서도, 이러한 자동화와 원격제어가

막분리 공정을 도입하게 되는 가장 요한 이유로 들고 있다.

- 규모가 비교 작은 경우 기존 정수 처리 공정에 비해 경제 으로 유리하다

는 것이 일반 인 견해이다. 규모가 커지면 기존 정수 처리 공정은 규모의 이익

이 증가하여 처리 용량당 가격의 증가폭이 감소하나, 막분리 공정은 분리

막의 가격 등에 의해 비용이 증가한다. 그러나 5,000톤/일 규모 이하에서

는 막분리 공정이 부지 면 이 게 드는 등 기 설비비가 기 때문에 막분

리 공정이 더 유리하다. 세계 으로 분리막의 수요가 증가하여 생산규

모가 증가함에 따라 분리막의 단가가 낮아지고 있어 최근에는 10,000톤/일

까지도 막분리 공정이 기존 정수처리 공정과의 경쟁력이 있는 것으로 평가하고

있다.

이러한 장 들은 막분리 공정이 소규모의 기존 정수 처리 시설을 보완하

거나 체할 최 의 공정임을 잘 나타내 주고 있다.

- 5 -

3. 기술개발시 상되는 효과

가. 환경기술 효과

막분리 공정을 이용한 고도 정수 처리 공정의 개발이 완성되면, 소규모 정

수장에서 작은 규모인 간이정수시설에 이르기까지 먹는 물 수질 기 에 합한

깨끗하고 안정 인 먹는 물의 공 이 가능하게 된다. 각종 장균, 바이러스는

물론, 기존의 염소소독만으로 불활성화되지 않던 유해 미생물들도 효과 으로

제거할 수 있으며, 혼성시스템을 구성하면 소독부산물, 농약성분, 혹은 환경호르

몬과 같은 미량 유기물 등도 효과 으로 제거할 수 있어, 이를 상업화하여 각

지역의 소규모의 정수 처리 시설에 보 함으로써 비단 도시나 인구 집지

역뿐만 아니라 국 지역의 국민이 깨끗한 상수를 공 받을 수 있게 될 것이

다. 계속 으로 원수의 수질은 악화될 것이고, 먹는 물의 수요자인 국민의 깨끗

한 물에 한 요구 수 은 차 높아지게 될 것이며, 이에 따라 정부는 수질 기

을 더욱 강화하려고 할 것이다.

실제로 2002년에 먹는 물 수질 기 을 47개 항목에서 55개 항목으로 증가시

켰으며 2005년까지 85개 항목으로 확 할 계획을 세우고 있다. 병원성 미생물

리를 강화하여, 분원성 장균군․ 장균 신설, 총 장균군 강화하 고, 병원성

미생물 제거를 한 정수처리기 제정․시행하도록 하고 있다. (※ 시행시기 :

바이러스(99.99%제거) -'02. 8. 1. 지아디아(99.9%제거):'04. 7. 1.) 지아디아는 염

소소독으로 제거되지 않는 병원성 미생물로서 만약 원수 에 존재한다면 기존

의 정수처리 시설로는 완벽한 제거가 어려울 것으로 보인다.

본 연구의 실증 랜트에 사용한 한외여과막은 0.01㎛로서 지아디아나 크립토

스포리디움, 바이러스까지 완벽한 제거가 가능하다. 따라서 이러한 정부의 수질

기 강화에 응할 가장 한 응책으로서 막분리 공정에 의한 정수 처리

시설의 도입이 큰 효과를 볼 것으로 보인다.

국내에서 막분리 공정을 이용한 고도 정수 처리 시설을 설치하여 공공 상수

로서 공 하기 한 정부와 지방자치단체의 움직임이 활발하므로, 본 막분리 공

정을 이용한 수처리 공정의 연구 개발이 이에 큰 역할을 할 것으로 기 된다.

- 6 -

나. 경제사회 효과

막분리 공정의 세계시장 성장률은 약 12%이지만, 우리나라는 아직 기 성장

단계에 있으므로 향후 이보다 더 높은 성장률을 보일 것으로 보인다. 정부에서

는 지방 소도시와 농어 지역의 상수도 시설확충에 폭 투자할 계획을 세

우고 있으며, 기존의 규모 정수처리 시설 한 막분리 설비로 체하려는

계획을 세우고 있는데, 이와 같은 투자에 의해 형성되는 시장에 국내 기업뿐아

니라 일본, 미국, 랑스 등의 이미 막분리 고도 정수 처리 공정을 상업화한 기

업들이 진출을 모색할 것으로 보이며, 이들과 경쟁하여 우 를 함으로써 내수

매뿐이 아니라 수입 체효과가 발생할 것으로 보인다. 나아가서는 아시아나

아 리카 등지의 물부족 국가에 수출함으로써 외화획득에 일조할 것을 기 하

고 있다.

깨끗한 수질의 안정 인 먹는 물의 보 이 지속 으로 이루어지고, 소규모

의 정수 설비에서 리 미흡이나 운 미숙 등으로 인한 먹는 물 사고의 발생

빈도가 감소하게 됨으로써, 국민의 먹는 물에 한 신뢰가 회복될 것으로 기

된다. 이에 따라 수돗물을 재처리하거나 먹는 물을 따로 사는 등 이 으로 비용

이 드는 경제 인 손실을 일 수 있게 될 것이다. 이 공정이 개발되어 상업용

으로 패키지화되면 각 지역의 소규모의 정수 처리 시설을 단기간에 간편하게

체할 수 있게 되고, 이에 따라 상수도를 공 받는데 있어, 도시와 같이 상수

도 시설이 발달된 지역과 농어 이나 도서 지역과 같이 낙후된 지역간의 지역

차가 해소될 것으로 보인다. 운 비용 자체뿐 아니라 무인 자동화를 통해 인력

비용도 감할 수 있기 때문에, 물의 생산단가도 기존의 공정보다 낮출 수 있을

것으로 기 된다. 한 막분리 공정의 개발이 활발히 진행됨으로써 막분리 공정

을 이용한 각종 산업뿐 아니라, 국내에서는 기단계인 분리막의 제조분야도 활

성화될 것으로 보인다.

- 7 -

제 2 연구의 목표 범

1. 최종목표

지방 상수도의 정수장이나 간이 상수도, 소규모 수시설과 같이 재 한계를

드러내고 있는 소규모의 기존 정수 처리 시설을 체할, 막분리 공정을 이용

한 고도 정수 처리 시스템을 개발하고, 다음과 같이 실증 랜트를 직 설치,

운 하는 것을 목 으로 하 다.

- 실증 랜트는 100 ～ 200 m3/day규모로, 우선 처리 공정 없이 100

m3/day규모의 막분리 단독 공정에 후염소 처리 공정만을 추가하여 설계, 제작

후 설치 운 한다. (실증 랜트 I)

- 다음 단계로서 여러 가지 처리 공정 막분리 공정과 결합하 을 때 가

장 효율 이고, 실용화 가능성이 높은 처리 공정 선정, 100m3/day 규모로 설

계, 제작하여 설치 운 한다. (실증 랜트 II)

이로써 다양한 수질의 원수에 비할 수 있는 막분리 공정을 통해 양질의 정

수를 공 할 수 있는 기술을 축 하고, 나아가 국내 정수장의 민 화와 간이 정

수시설 체 등의 정책에 발맞추어 이를 상용화하여, 기존의 소규모 정수장

시설을 체할 뿐 아니라 상수 시설이 낙후한 농어 이나 도서지역에도 간편하

게 설치할 수 있도록 하며, 국내뿐 아니라 해외로의 진출도 모색하고자 하 다.

- 8 -

원수

펌프 스크린/ 전처리 필터

막모듈및 설비

저장조 펌프

공급

염소

원수


막모듈및 설비

저장조 펌프

공급

염소

(ㄱ) 실증 랜트 I 개념도

원수


막모듈및 설비

저장조 펌프

공급

염소

전처리 설비 추가

원수


막모듈및 설비

저장조 펌프

공급

염소

전처리 설비 추가

(ㄴ) 실증 랜트 II 개념도

그림 1-2. 막분리 정수처리 공정의 구성 (실증 랜트 I, II)

- 9 -

2. 연구 개발의 내용 범

주요 사업내용 범 제품의 목표, 사양, 성능 등

1 차 년 도

- 재 제작되어 한강 원수를 상으

로 설치된 소규모 막분리 고도 정수

랜트를 운 하면서 여러 가지 요인

에 의해 발생할 수 있는 문제 들을

악, 보완․개선 방안 연구

- 실증 랜트 I 설계, 제작 착수

합한 설치 상을 선정

- 막분리 공정의 효율을 높일 수 있는

여러 가지 처리 공정에 해 실험

실 규모로 연구

- 실증 랜트 I : 막분리

공정과 후염소 소독 공정

으로 구성된 100m3/day

규모의 무인자동화 원격

조정 실증 랜트의 설계

2 차 년 도

- 실증 랜트 I을 제작, 운 하면서

시스템의 효율성, 안정성, 편리성, 경

제성 등을 다각 으로 검토, 개선 방

안 연구

- 응집(탁도, 유기물 제거), 흡착(유기

물, 미량 유기물 제거), 산화(철 망간

제거) 등 여러 가지 처리 공정

막분리 공정과 결합하 을 때 가장

효율 이고, 실용화 가능성이 높은

처리 공정 선정

- 실증 랜트 I로부터의 개선 방안과

실험실 규모의 처리 공정 연구를

바탕으로 처리 공정을 추가한 실증

랜트 II 설계

- 실증 랜트 II : 막분

리 공정의 효율을 향상시

키고 처리수의 수질을 향

상시키기 해, 처리

공정을 추가한

100m3/day 규모의 무인

자동화 원격조정 실증

랜트의 설계

3 차 년 도

- 실증 랜트 II를 제작, 운 하면서

시스템의 효율성, 안정성, 편리성, 경

제성 등을 검증

- 실증 랜트 II의 처리 효율 평가,

실험실 규모의 연구와 비교 검토

- 실증 랜트 I의 운 을 지속하여

장기간의 운 시 시스템의 성능, 유

지․ 리를 해 필요한 사항 검토,

경험과 자료를 축

- 원수에 따른 최 의 막분리 공정을

이용한 고도정수처리 시스템을 각각

확정, 이를 상용화함

- 상용화 시제품 : 실증

랜트 I과 II의 계속 가동

을 통하여 상용화 랜트

의 최종 설계 자재 규

격 확정

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가. 소규모 막분리 정수 랜트 운 , 문제 악

개선방안 연구

서울 와 참여기업인 (주) 멤 인워터는 15m3/day 규모의 막분리 고도 정

수 실증 랜트를 제작, 서울시내의 Y 정수장에 설치하여 한강원수를 상으로

시험 운 에 있었다.(2000년 ～ 2004년 2월)

당시 이 랜트를 설계, 제작하면서 여러 가지 사항을 고려하 음에도 운 하

면서 몇 가지 문제 들이 드러났었고, 한 더 효율 이고 편리한 시스템을 개

발하기 해 개선해야 할 사항들도 나타났다. 이를 살펴보면 다음과 같다.

그림 1-3. 15톤/일 규모의 막분리 정수 랜트

- 11 -

(1) 분리막 모듈의 설치 방향

소규모 막분리 정수 랜트의 분리막 모듈은 수직 방향으로 설치되어 있다.

즉 모듈 내부의 공사들이 상하 방향으로 길게 늘어선 다발 모양이다. 이와 같

이 설치한 이유는 시스템의 기 가동시 공사 내부에 차있는 공기를 로 빼

내고 모듈 체에 원수를 채우기 용이하도록 하기 함이었다. 한 수평으로

설치할 경우 력에 의해 공사 내부의 원통형표면 쪽보다는 아래쪽에 오

염물이 더 많이 쌓일 가능성이 높고, 그 게 불균일하게 막오염이 진행될 경우

비교 균일한 경우보다 막오염이 더 악화될 우려가 있어, 수직방향으로 설치함

으로써 비교 균일하게 막오염이 진행될 수 있도록 하기 함이었다. 그러나

수직방향으로 설치한 결과 수압에 의해 모듈의 아래쪽의 압력이 쪽보다 커서

길이방향으로의 불균일한 막오염이 진행되는 상이 나타났다. 이러한 상은

십자흐름형일 경우 더욱 심한데, 재 십자흐름의 방향이 모듈의 아래쪽에서

쪽 방향이기 때문에 입구와 출구의 압력차가 더해져 모듈 아래와 의 압력차

는 더욱 벌어지게 된다.

따라서 분리막 모듈을 수평/수직으로 설치할 경우 각각의 장 과 문제 을

악하여 실증 랜트 I이나 II의 설계시 반 하는 것이 주 연구 범 다.

(2) 역세척 방법과 조건

기 모듈의 역세척수 유입 라인은 처리수 유출 라인과 동일하게 설계하 다.

즉 모듈 상단부에 처리수 유출 라인을 설치하여 처리수 장 탱크로 향하도록

하 고, 이 라인 간에 역세척수 유입 라인을 연결하고 펌 와 밸 를 설치하

여 역세척을 수행하 다. 그리고 역세척수는 상단부의 순환라인을 통해 밖으로

배출되었다. 그 결과 분리막의 상단부만 역세척이 효과 으로 일어나고 하단부

는 잘 일어나지 않아 역세척효율이 매우 좋지 않았다. 이에 따라 모듈 하단부에

역세척 라인을 새로 설치하여 모듈 하단부에서 역세척수가 유입되어 상단부로

빠져나가도록 하 다. 이 보다 역세척 효율이 향상된 듯하나 아직 문제 이 남

아있는데, 모듈 최하단부는 여 히 세척이 되지 않아 분리막 표면에 쌓인 오염

물의 양이 두꺼워져 장기운 후에는 공사 내부가 막히는 상이 일어

- 12 -

났다. 이 모듈 최하단부가 재 원수가 유입되는 부분이기 때문에 이곳이 막힘

으로써 분리막의 효율은 격히 감소되게 된다. 따라서 다음과 같이 모듈의 상

단부, 하단부 모두에 역세척 라인을 설치하고 하단부로 역세척수가 유입될 경우

상단부로 유출시키고, 상단부로 유입될 경우 하단부로 유출시키는 것을 번갈아

수행함으로써 분리막 체가 골고루 역세척이 되도록 하는 방안을 검토하고자

하 다.

한 재 역세척 방법은 일정한 시간 간격으로 일정량의 처리수에 염소를

차아염소산나트륨 형태로 주입하여 실시하고 있다. 그러나 다른 방법으로는,

정유량 운 시에는, 일정한 압력이 증가한 후 역세척을 실시하는 방법이 있다.

막오염이 진행될수록 역세척 주기가 짧아지게 되지만 일정 이상 압력으로

증가시키지 않음으로써 분리막의 비가역 (irreversible) 막오염을 방지할 수 있

다는 장 이 있다. 따라서 두 가지 방법의 효율을 검토한 뒤 실증 랜트 I, II

설계시 이를 반 하고자 한다.

사용한 한외여과막은 재질 특성상 일정시간마다 염소가 포함된 처리수로 역

세척을 실시하여야 한다. 일반 으로 고농도의 염소를 역세척 라인에 직 주입

하여 희석하여 주입되도록 하는데 이 때 염소와 처리수가 제 로 혼합되지 않

으면 원하는 농도 이상의 염소가 직 분리막에 되어 분리막이 손상되거나

아니면 반 로 원하는 농도에 채 도달하지 못할 우려가 있다. 따라서 염소가 혼

합이 제 로 된 상태로 분리막에 도달하는지 살펴보고자 하 다.

(3) 처리 필터

사용한 한외여과 공사막은 공사의 내부로 원수가 공 되어 외부로 처리

수가 생산되는 내압식(inside-out type)의 분리막이다. 그 내경이 930㎛로 1mm

가 채 되지 않기 때문에 입자 형태의 오염물이 유입될 경우 공사 입구나 내

부가 막 체 막면 이 감소하는 효과가 나타나게 되고, 이 때 일정량의 처리

수를 생산하여야 할 경우 다른 공사들에 더 많은 부하가 걸리게 되어 막오염

이 더욱 빠르게 진행되는 결과를 낳게 된다. 그러나 이러한 형태의 공막을 사

용하는 이유는 공사 외부로 원수가 유입되어 내부로 처리수가 생산되는 외압

식(outside-in type)과 달리, 막힘형과 십자흐름형의 환이 용이하고 십자흐름

- 13 -

형으로 운 할 경우 더 은 십자흐름유량으로 같은 십자흐름속도를 얻을 수

있어 훨씬 경제 이기 때문이다. 이러한 형태의 분리막을 사용할 경우 공사

내부가 막히지 않도록 하기 해 한 처리 필터를 사용하는데, 디스크 형

태의 필터로서 세공크기가 25, 75, 90, 130, 200㎛인 필터를 교체할 수 있다.

정한 세공크기의 처리 필터를 선정하는 것이 요한데, 이는 처리 유량, 압력,

역세척 조건 등 시스템의 운 조건뿐만 아니라 원수의 조건에 따라서 좌우되

기 때문에 이에 한 연구를 수행하고자 하 다.

(4) 막힘형 여과 방식과 십자형 여과 방식

막힘형(dead-end) 여과 방식은 여과 방식이라고도 하며, 공 된 원수가 모

두 분리막을 통과하여 처리되는 방식이고, 십자흐름형 여과 방식은 처리수가 유

출되는 방향과 십자방향으로, 분리막의 표면 방향으로 흐름을 주어 분리막 표면

에 오염물이 쌓여 이크 층이 증가하거나 농도분극(concentration polrization)

상이 발생하는 것을 방지하는 방식이다.

그림 1-4. 막힘형과 십자흐름형 비교

- 14 -

일반 으로 십자흐름형 여과 방식이 막오염 경향이 작지만 십자흐름을 한

순환펌 에 소비되는 에 지가 과다하다는 것이 문제이다. 사용한 내압식 공

사막은 두 가지 여과 방식을 모두 용할 수 있다. 일단 수질이 양호한 경우에

는 막힘형 여과 방식으로 가동하여도 안정 인 운 이 가능하나, 탁도가 높거나

유기물의 농도가 높은 경우에는 막힘형 여과의 막오염이 빠르게 진행되므로 십

자흐름형 여과 방식으로 운 해야 한다. 이 여과 방식의 환에 한 방안을 마

련하고자 하 다.

(5) 부차 으로 발생하는 폐수의 처리

역세척과 역세척 후의 세정시에 발생하는, 오염물이 농축된 유출수나 분리막

의 화학 세척시 발생하는 폐수 등이 방류수 수질 기 을 과할 경우 이를

처리하여 방류하여야 한다. 이것은 처리 용량이 증가할수록, 이 폐수의 양도 증

가하므로 ,더욱 요해진다. 기존의 정수 처리 공정에서는 침 지의 슬러지액과

여과지의 역세척수가 폐수로서 발생하는데 2차례의 농축을 거쳐 상등수는 방류

기 이 과하지 않는지 확인 후 방류하며 고형 폐기물은 폐기물 처리지 등으

로 반출하거나 제품의 원료(시멘트, 벽돌 등)로 사용되고 있다. 막분리 랜트를

용할 경우 폐수를 처리하는 방안을 모색하고자 하 다.

(6) 외형 경제 측면

막분리 공정의 장 하나가 같은 양의 처리수를 생산하는데 있어 기존의

정수 처리 공정보다 더 은 부지면 과 부피를 차지하며, 패키지화가 가능하다

는 이다. 15m3/day 규모의 랜트는 가로, 세로, 높이 모두 2m내로 제작되었

다. 그러나 이보다 더 작은 면 과 부피를 차지하도록 보완 설계하는 것이 가능

할 것으로 보인다. 실증 랜트 I 설계시에는 더욱 축소되면서도 향상된 성능의

랜트를 제작할 수 있도록 할 것이다.

경제 인 측면에서 같은 성능을 보이면서도 좀더 렴한 가격의 재료들을 선

정함으로써 향후 상용화시 되도록 낮은 가격을 책정할 수 있도록 하고자 한다.

그럼으로써 외국의 유사 제품과도 가격경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 보인다.

- 15 -

(7) 사용자의 입장을 고려한 시스템

최종 으로 상용화할 경우 문 인력이 상주하지 않는 무인자동화 시스템을

구축하고, 문 인력은 수개 내지는 수십 개의 랜트를 원격으로 모니터링하고

제어하도록 하고자 하기 때문에, 지의 사용자가 운 조건을 조 변경하고자

할 경우 쉽게 조작할 수 있도록 인터페이스를 구축하는 것이 필요하다. 이에

한 방안을 모색하여 실증 랜트 I, II 설계 시에 히 구성하고자 하 다.

- 16 -

나. 처리 공정

최근 정수처리 공정에 도입이 증가되고 있는 정 /한외여과는 탁도물질 등 입

자성 물질의 제거는 만족스러운 수 이지만, 용존 유기물이나 미량 유기물의 제

거가 미흡하여, 원수 수질에 따라 단독 공정만으로는 만족스러운 수질을 확보하

지 못하는 경우가 있을 수 있다. 더 요한 것은 유기물에 의한 막오염이 심각

하여 물리 인 역세척 등으로는 제거되지 않고 화학 세정을 가하여야만 제거

가 가능한 오염이 발생하곤 한다. 이러한 오염을 사 에 방지하고 여과성능을

오랫동안 유지하기 해서는 한 처리 공정이 추가되어야 한다.

(1) 응집 처리 공정의 연구

본 연구의 목표는 응집공정이 막분리 공정의 성능에 미치는 향 규명을 통

해 공정의 효율 향상을 한 최 응집조건 도출에 있다.

응집실험을 통해 원수의 특성에 따라서 최 응집제와 응집조건을 도출하고,

실험실 규모의 한외여과 시스템에서 처리 공정으로서의 응집이 막분리 공정

에 미치는 향을 조사하여 실증 랜트의 설계 운 인자의 기 자료를

제시하고자 하 다.

침 공정이 있는 응집 공정에 한 연구를 탁기 II에서 진행하고, 침 공

정 없이 응집 공정과 막분리 공정을 바로 결합하는 것에 한 연구를 주 기

에서 수행하 다.

응집제 종류와 주입량, 교반 조건, 침 조건, 역세척 조건 등에 따른 처리 수

질과 막여과 성능 향상을 살펴보았다.

(2) 고도 산화 처리 공정의 연구

본 연구의 목표는 막오염에 악 향을 끼치는 용존 유기물을 제거하거나, 한외

여과 막분리 공정이나 응집 공정 등으로 제거하기 힘든 속이나 미량 유해

물질 등이 문제가 될 때 이를 효과 으로 제거할 수 있는 처리 공정에 하

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여 연구하고 이를 실증 랜트 II에 용하기 한 최 조건을 선정하는데 있

다.

염소와 오존에 의한 철/망간 그리고 유기물 제거에 한 연구를 탁기 I

에서 수행하 고, 균일계 매에 의한 미량 유해 물질 분해에 한 연구를 주

기 에서 수행하 다.

염소와 오존 농도, 철/망간 농도에 다른 처리 효율과 막투과도의 변화를 다각

도로 분석하 다.

환경호르몬의 일종인 비스페놀-A에 균일계 매인 Fe-TsPc와 산화제인 과산

화를 첨가하여 분해반응을 살펴보았다.

(3) 흡착 처리 공정의 연구


여과 막분리 공정이나 응집 공정 등으로 제거하기 힘든 미량 유해 물질 등이

문제가 될 때, 활성탄 등이 미량유기물뿐만 아니라 자연산 유기물을 제거하는데

효과 이므로, 물리 인 흡착 방법으로 이를 효과 으로 제거할 수 있는 처리

공정에 하여 연구하고 이를 실증 랜트 II에 용하기 한 최 조건을 선정

하는데 있다.

본 연구에서 사용된 내압식 한외여과와 결합하는 것이 매우 유용한 분말활성

탄에 한 연구를 주 기 에서, 사용후 회수가 매우 용이하며 유기물 흡착 효

율도 높은 산화철에 의한 흡착 연구를 탁기 I에서 진행하 다.

환경호르몬의 일종인 에스트라디올과 배경 유기물 존재하에서 분말활성탄의

흡착 효율을 분석하고 용가능성을 검토하 다.

산화철 입자와 한외여과를 결합한 IOP/UF시스템을 설치하여 산화철 입자에

의한 흡착과, 여기에 염소 공정까지 추가 으로 결합한 혼성 공정에 한 연

구를 수행하 다.

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다. 실증 랜트 I

막분리 단독공정에 염소 처리 공정만 추가한 최 100m3/day 규모의 실증

랜트 I을 제작 완성하고 운 하면서 시스템의 효율성, 안정성, 편리성, 경제성

등을 다각 으로 검토하고자 하 다.

(1) 실증 랜트 I의 기본 사항

실증 랜트 I은 처리 공정이 없는 막분리 단독공정으로 제작하고자 하 다.

사용한 막은 막세공 0.01㎛의 한외여과 막으로서, 이 막분리 단독공정만으로

장균과 세균을 비롯하여 바이러스까지도 거의 완벽히 제거가 가능하나 생산된

물의 배 시 잔류염소유지를 해 염소소독 공정만을 추가하도록 하 다(그림

1-2 (ㄱ) 참조).

그림 1-5. 실증 랜트 I과 II에 사용한 분리막

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한 분리막의 특성상 처리 필터를 사용하 다. 사용된 한외여과 공사막

은 공사의 내부로 원수가 공 되어 외부로 처리수가 생산되는 내압식

(inside-out type)의 분리막이다. 그 내경이 930㎛로 1mm가 채 되지 않기 때문

에 입자 형태의 오염물이 유입될 경우 공사 입구나 내부가 막 체 막면

이 감소하는 효과가 나타나게 되고, 이 때 일정량의 처리수를 생산하여야 할 경

우 다른 공사들에 더 많은 부하가 걸리게 되어 막오염이 더욱 빠르게 진행되

는 결과를 낳게 된다. 그러나 이러한 형태의 공막을 사용하는 이유는 공사

외부로 원수가 유입되어 내부로 처리수가 생산되는 외압식(outside-in type)과

달리, 막힘형과 십자흐름형의 환이 용이하고 십자흐름형으로 운 할 경우 더

은 십자흐름유량으로 같은 십자흐름속도를 얻을 수 있어 훨씬 경제 이기 때

문이다. 이러한 형태의 분리막을 사용할 경우 공사 내부가 막히지 않도록 하

기 해 한 처리 필터를 사용하는데, 디스크 형태의 필터로서 세공크기가

130㎛인 처리 필터를 사용하 다. 이와 같이 930㎛보다 훨신 작은 필터를 사

용하는 이유는 입자가 처리 필터를 통과한 뒤 입자가 뭉치거나, 혹은 공사

내부에서 입자가 쌓여 커지면서 공사 입구나 내부를 막을 수 있기 때문이다.

한 실증 랜트 I은 분리막 양방향에서 원수를 주입하고, 역세척시에도 양방

향으로 하도록 설계되었다. 이는 1차년도에 15 m3/day의 소규모 막분리 정수

랜트를 운 하면서 개선방안을 모색하여 설계에 반 한 것으로서 이와 같은 설

계에 따라 제 로 작동하며 운 함에 있어 다른 문제 은 없는지 살펴보고자

한 것이었다. 특히 PLC를 통한 밸 와 펌 의 자동제어에 따라 이와 같은 세

척, 역세척, 한 소독제 주입, 처리 필터 역세척, 생산 유량 회수율 조

등이 이루어지므로 이와 같은 것들이 제 로 이루어지는지 장기 운 을 통해

안정성을 검토하는 것이 요하 다.

그리고 압력, 유량, 온도, 탁도 등을 상시 아날로그/디지털 입출력 장치를 이

용하여 모니터링 하고 처리유량, 십자흐름속도, 역세척 압력 등을 원격조정할

수 있도록 하 다. 장기 인 운 을 통해 자료를 축 하고 시스템의 효율성, 안

정성, 편리성, 경제성 등을 다각 으로 검토하고 개선 방안 연구, 노하우를 축

할 수 있을 것으로 기 하 다.

- 20 -

(2) 시스템의 효율성 검토

앞서 말했듯이 실증 랜트 I은 분리막 단독공정이다. 분리막만으로도 병원성

미생물은 충분한 제거가 이루어질 것으로 상하 다. 이뿐만 아니라 기타 다른

항목을 계속 으로 체크하여 처리수 수질 오염물 제거효율을 살펴 으로써

분리막 단독공정으로도 충분히 안 한 먹는 물 생산이 가능함을 보이고자 하

다.

한 먹는 물 생산에 있어 생산 효율은 원수의 회수율(recovery)로 변될 수

있다. 원수의 회수율은 사용한 원수 부피 당 생산된 처리수 부피로서 기존 정수

처리 공정의 회수율은 95%정도로 보고 있다. 막분리 공정에서 특히 막힘형

(dead-end type)여과 방식으로 여과할 경우 회수율은 거의 100%에 가깝다. 그

러나 장기 으로 운 할 경우 막오염에 의해 처리수의 양이 감소하거나, 일정

처리수를 생산함에 있어 펌 에 의해 가압하여야 하는 압력이 상승하여 운 에

지 비용이 상승하게 된다. 따라서 히 막오염을 완화하여야 하는데, 그

표 인 방법이 역세척이다. 이때 역세척은 보통 생산한 처리수의 일부를 사용하

므로 이 역세척에 사용되는 처리수의 양에 따라 회수율이 달라지게 된다. 한

십자흐름형(cross-flow type)여과 방식으로 운 할 경우 농축수(retentate)가 일

정농도 이상이 되면 배출하여야 하기 때문에 공 된 원수가 처리수로서 모두

생산되지는 않는다. 이와 같은 역세척이나 십자흐름운 은 막오염을 완화하여

운 에 지 비용을 감소시키나, 그 비율이 클수록 회수율을 감소시키기도 한다.

따라서 공정의 체 인 효율을 고려하여 최 을 찾고자 하 다.

- 21 -

(3) 시스템의 안정성 검토

우선 으로 고려하여야 할 은 처리수 수질의 안정성이다. 막분리 공정은 원

수의 수질의 변동이 있어도 비교 안정 인 처리수질을 보인다는 것이 큰 장

이므로 수질의 변동에 따라, 아니면 리 소홀에 의해, 처리수 수질 문제가

발생하는 빈도를 크게 일 수 있다. 그래서 실증 랜트 I의 장기운 을 통해

원수의 수질 변동에도 안정 인 처리수 생산이 가능함을 보이고자 하 다.

그 다음으로는 시스템의 안정성이다. 계 에 따른 원수의 온도 변화에도 체

인 시스템이 안정 으로 운 할 수 있는지 체크하고자 하 다. 한 계

특징에 따라 탁도가 매우 심하거나, 조류가 격히 늘어나는 등의 변화에도 시

스템의 운 이 안정 인지 살펴보았다.

(4) 시스템의 편리성 검토

실증 랜트 I은 기본 으로 리자가 없이 무인으로 자동제어 되도록 설계되

었다. 한 원격으로 모니터링하고 조정이 가능하도록 하여 돌발 인 상황 변화

에도 원거리에서 바로 처할 수 있도록 하 다. 이러한 자동제어와 원격운

시스템이 설계 로 작동하는지 체크하고 문제 이 없도록 개선해나가는 것이

건이다.

한 원수 처리수 탁도, 투과 유량, 운 역세척 압력, 온도, pH 등의

여러 가지 데이터를 자동 으로 PC로 수집할 것이다. 이러한 자료의 수집이 원

활한지 한 더 추가할 항목은 없는지 검토하고자 하 다.

무인자동화 원격조정 시스템이 제작자나 숙련자뿐만 아니라 처음 시스템을

하는 사용자의 입장을 고려하여 쉽고 편리하게 조작할 수 있는지 검토하는

것이 필요하다. 최종 으로 상용화할 경우 문 인력이 상주하지 않는 무인자동

화 시스템을 구축하고, 문 인력은 수개 내지는 수십 개의 랜트를 원격으로

모니터링하고 제어하도록 하고자 하기 때문에, 지의 사용자가 운 조건을 조

변경하고자 할 경우 쉽게 조작할 수 있도록 인터페이스를 구축하기 해 계

속 인 검토하 다.

- 22 -

(5) 시스템의 경제성 검토

실증 랜트 I은 분리막을 제외한 나머지를 되도록 국내에서 생산되거나 쉽게

조달할 수 있는 부품을 사용하도록 노력하 다. 이는 향후 부품의 교체를 해

서도 요하지만 시스템의 단가를 최소화하는데도 매우 요하다. 되도록 렴

하면서도 충분한 품질을 유지할 수 있는 경제 인 부품을 사용하도록 하고 불

필요하게 추가된 부품을 배제하도록 개선하고자 하 다.

한 단 처리수를 생산함에 있어 실제 으로 드는 비용을 운 비용과 감

가상각비 기 투자비를 고려하여 산출하고자 한다. 이 때 기존에 비해 약

되는 인건비 등도 고려 상이 될 수 있다. 이러한 생산 단가가 기존의 정수처

리 시설에 비해 어느 정도인지, 특히 간이상수시설을 체할 때 지역 주민이 부

담하게 되는 추가 비용이 어느 정도인지 살펴보고자 하 다.

- 23 -

라. 실증 랜트 II

1, 2차년도에서 연구해온 처리 공정과 막분리 공정을 결합한 실증 랜트 II

를 제작, 설치, 운 함으로써 막분리 단독공정인 실증 랜트 I과는 다른 시스

템(즉 원수의 수질이 덜 양호한 원수에 합한 시스템)의 효율성과 안정성, 편

리성, 경제성 등을 검증하려하 다. 실증 랜트 II의 처리 공정을 제작하고 운

하는데 있어 최 의 조건과 개선방안을 모색하고자 하 다.

(1) 실증 랜트 II의 기본 사항

2차년도 말에 설계 제작 착수한 200 m3/day 규모의 실증 랜트 II를 제

작․완성하고 실증 랜트 I과 원수의 수질이 상이한 경북 경남 지역, 즉 낙

동강 수계에서 한 지역을 선정하여 운 하고자 하 다.

실증 랜트 II는 실증 랜트 I과 달리 처리 공정이 추가된 막분리 혼성공정

이다(그림 2 (ㄴ)). 막분리 단독 공정만으로 원하는 수질을 얻을 수 없거나, 막

분리 단독 공정만으로 원하는 수질을 얻을 수 있지만 단독 공정보다는 처리

공정을 추가하는 것이 더 경제 인 경우, 막분리 공정의 여과 성능 등 효율을

증 시키기 한 경우 등에 처리 공정을 추가하여 혼성시스템을 구성한다. 이

와 같은 혼성시스템에서 다음과 같은 사항을 검토하고자 하 다.

(2) 시스템의 효율성 검토

앞서 말했듯이 실증 랜트 II는 처리 공정이 추가된 분리막 고도정수처리공

정이다.

분리막 공정만으로도 탁도성 물질과 병원성 미생물은 충분한 제거가 이루어

질 것으로 상하 다. 염소소독으로 완벽히 제거되지 않아 문제시 될 것으로

보이는 크립토스포리디움이나 지아디아와 같은 병원성미생물은 물론 크기가 매

우 작은 바이러스 등도 본 랜트에 사용되는 한외여과 공정만으로 완벽한 제

거가 가능하 다.

그러나 한외여과 공정 단독으로 자연산 유기물이나 미량 유해 물질의 제거효

- 24 -

율은 충분하다 볼 수 없다. 따라서 분말활성탄(PAC) 흡착공정이 이를 보완할

것으로 보인다. 응집/PAC 활성탄 공정 등 다른 공정과의 결합으로 막오염을 일

으킬 뿐 아니라 소독부산물의 구체가 되는 유기물 제거율을 높일 수 있는지

보고자 하 다.

이러한 오염물질들에 한 제거율은 시스템 체의 효율성의 요한 잣 가

될 것이다.

한 먹는 물 생산에 있어 생산 효율은 원수의 회수율(recovery)로 변될 수

있다. 실증 랜트 I과 마찬가지로 역세척이나 십자흐름운 은 막오염을 완화하

여 운 에 지 비용을 감소시키나, 그 비율이 클수록 회수율을 감소시키기도 한

다. 따라서 공정의 효율을 고려하여 최 을 찾고자 하 다.

게다가 실증 랜트 II는 원수가 처리 공정을 거쳐서 막분리 공정으로 달

되므로 처리 공정에서의 회수율이 체 공정에 향을 미치게 되는데 이러한

사항들을 토 로 시스템의 효율성을 검토하고자 하 다.

(3) 시스템의 안정성 검토

실증 랜트 I과 달리 처리 공정이 추가됨으로써 발생할 수 있는 처리수질의

변동 등에 해서는 검토가 필요하다. 이를 통해 실증 랜트 II의 운 을 통해

원수의 수질 변동에도 안정 인 처리수 생산이 가능함을 보이고자 하 다.

실증 랜트 I과 마찬가지로 계 특징에 따라 온도가 계 별로 큰 폭으로

변하거나, 탁도가 매우 심하고 조류가 격히 늘어나는 등의 변화에도, 수질 뿐

아니라 시스템의 운 한 안정 인지 살펴보고자 하 다.

- 25 -

(4) 시스템의 편리성 검토

실증 랜트 II는 실증 랜트 I과 마찬가지로 기본 으로 리자가 없이 무인

으로 자동제어 되도록 설계되었다. 한 원격으로 모니터링하고 조정이 가능하

도록 하여 돌발 인 상황 변화에도 원거리에서 바로 처할 수 있도록 하 다.

이러한 자동제어와 원격운 시스템이 처리 공정이 추가되어도 문제 없이 작

동하는지 체크하고 개선해나가는 것이 건이다.

제작자나 숙련자뿐만 아니라 처음 시스템을 하는 사용자의 입장을 고려하

여 쉽고 편리하게 조작할 수 있는지 검토하는 것이 필요하 다. 지의 사용자

가 운 조건을 조 변경하고자 할 경우 쉽게 조작할 수 있도록 터치스크린에

의한 인터페이스를 구축하고자 하 다.

(5) 시스템의 경제성 검토

실증 랜트 I과 마찬가지로 여러 가지 경제 인 측면이 고려되었다. 처리

공정 설비를 포함한 체 인 경제성을 검토하고자 하 다.

- 26 -

마. 기술계발 추진 체계

1차년도

막분리 공정을 이용한 고도 정수 처리 연구

재 제작 설치된 소규모 막분리

고도 정수 랜트 운

막분리 공정의 효율을 높일 수

있는 처리 공정 연구

문제 악, 개선 방안 모색

응집

공정

흡착

공정

고도

산화

공정

처리 없는 100m3/day규모의

무인자동화 원격조정 실증 랜트 I

설계

2차년도

실증 랜트 I 설치

가장 효율 이고, 실용화

가능성이 높은 처리 공정 선정시스템의 효율성, 안정성, 편리성,

경제성 등을 다각 으로 검토

개선 방안 모색

처리 공정을 추가한

200m3/day규모의 무인자동화

원격조정 실증 랜트 II 설계실증 랜트 I 운 지속

3차년도

실증 랜트 II 설치

실증 랜트 I, II 운 으로 시스템의

효율성, 안정성, 편리성, 경제성 검증

장기간의 운 시 시스템의 성능,

유지․ 리를 해 필요한 사항

검토, 경험과 자료를 축

원수에 따른 최 의 막분리 공정을

이용한 고도정수처리 시스템을 확정

상용화

- 27 -

제 2 장 국내외 기술개발 황

제 1 국내외 기술개발 황

1. 국외

막분리를 이용한 고도정수처리 시스템은 기존 공정에 비해 여러 가지 장

을 가지고 있으므로 선진 각 국에서는 이미 오래 부터 활발하게 연구되었으

며. 규모 정수공정의 경우 미국의 캘리포니아와 로리다에 집 으로 도입

되었는데 이는 해당지역이 건조지 이거나 바닷물의 향을 많이 받는 지

이기 때문에 원수의 수질이 다른 지역보다 나쁘기 때문이다. 재 이 지역을 포

함하여 세계 으로 막이용 정수 랜트의 규모는 약 천만톤/일이 넘을 것으

로 추산되고 있다.

정 ․한외여과의 경우 랑스와 일본을 심으로, 나노․역삼투 여과는 미

국이나 동지역을 심으로 도입되어 있으며 이는 원수의 특성 각 국의 상

황에 따라 합한 막분리 공정이 각각 다르기 때문이다. 즉, 미국과 동 지역

은 주로 무기염 성분이 많고 오염도가 심한 원수를 상으로 하기 때문에 이온

성분까지 제거할 수 있는 나노․역삼투 여과를 주로 사용하며 유럽이나 일본에

서는 원수내의 무기염 성분이 낮기 때문에 경제 인 정 ․한외여과를 사용하

고 있다.

미국은 1976년 로리다에 역삼투 공정이 정수 처리 공정에 도입된 이래 계

속 으로 그 수와 규모가 증가해 오고 있다. 80년 말까지는 주로 이러한 역삼

투와 연화(softning) 유기물 제거를 한 나노 공정이 주를 이루었다. 90년

반부터 탁도성 물질과 병원성 미생물제거에 탁월한 정 ․한외여과 공정이

도입되어 최근에는 속도로 늘고 있으며 특히 공사형 분리막이 부분을 차

지하고 있다. 2004년 재 하루 수백-수천톤/일 규모의 정 ․한외여과 랜트

약 200개 가까이 가동 이며 그 규모를 합치면 200만톤/일을 넘는다.

- 28 -

최근 미국에서는 분리막 여과를 이용한 정수처리 공정의 매뉴얼(Membrane

Filtration Guidance Manual, 2003)을 작성하고자 그 안을 배포하고 다양한 의

견을 수용하고 수정하여 완성하려는 노력을 하고 있다. 여기에는 분리막 여과에

한 용어 정의와 기본 원리에서부터 막모듈 형태와 재질, 시스템 설계 운

, 일럿 테스트, 손 검사(Integrity test) 등 유지 리 등 분리막 공정을 이

용한 정수 처리 공정에 한 모든 것을 다루려 하고 있다. 아직 완성된 것은 아

니나 이러한 작업은 연구 개발뿐 아니라 실제 장 용에도 매우 유용한 기본

자료가 될 것으로 보인다.

랑스는 80년 반부터 Lyonnaise des Eaux를 심으로 고분자 공사

한외여과막을 사용하는 정수 공정 개발을 시작했다. 1988년 최 로 70톤/일 규

모의 한외여과 랜트가 도입되었으며 2003년 재 150여개 정수장에 총 약

800,000톤/일 규모의 정 ․한외여과 랜트가 가동 는 건설 이다. 재까지

의 단일 랜트 최 규모는 120,000톤/일 이다. 이들 공정에서는 처리가 오존,

과산화수소와 같은 일반 공정 외에도 원수의 수질에 따라 분말활성탄에 의한

흡착 공정이 도입되었는데 세느강 물을 사용하여 40 mg/L의 분말활성탄을 첨

가할 경우 DOC 제거율은 40-70 % 다.

일본은 후생성의 주 하에 1991년부터 일본은 후생성에서 91년부터 MAC

21 (1991-1993)과 New MAC 21(1994-1996) 로젝트를 각각 3 년씩 6 년 간

추진하여 범국가 차원에서 막이용 정수처리공정에 한 집 인 연구개발을

수행하 다. MAC 21에서는 17업체가 참여하여 Edo강 에 일럿 랜트를

설치 한 후 정 여과와 한외여과의 정수처리에의 타당성을 연구하 다. 이 결과

막분리 공정이 정수 처리 공정으로서 신뢰성과 안정성이 있고, 무인 자동화가

가능하고 유지 리가 용이하며, 응집제 투입량을 1/3로 이면서 물의 회수율을

90% 이상으로 할 수 있고, 수질에 계없이 탁도 장균을 거의 100% 제거

할 수 있다는 등의 결론을 내렸으며, New MAC 21에서는 정 ․한외여과의 보

다 진보된 공정과 아울러 나노여과 공정의 타당성을 검토하 다. 이 로젝트

후에 운 자를 한 막분리 공정의 운 지침도 발행하여 배포하 다. 후속 연구

개발로서 ACT 21(1997-2001) 로젝트를 진행하 는데 ACT 21에서는 분리막

혼성시스템과 먹는 물 생산규모가 큰 정수장에의 막분리 공정의 도입을 한

연구에 을 두고있다. 2002년 재 280개의 막이용 정수공장이 가동되거나

- 29 -

건설 에 있으며, 분리막을 이용한 정수 처리 시설의 총용량은 약 140,000톤/

일이고 그 단일 시설로서 최 용량은 14,000톤/일이다.

이와 같이 선진 각 국에서 서로 다른 막분리 정수 처리 공정을 개발한 이유

는 이러한 시스템의 효율이 원수의 특성(유기물 휴민산 농도, 탁도, 무기물의

농도 등)에 따라 크게 변화할 수 있기 때문이다. 따라서 효율 인 막분리 정수

처리 공정을 개발하기 해서는 원수 특성에 합한 분리막 장치를 선정하고

이를 바탕으로 체 공정을 구성하는 것이 필수 임을 알 수 있다.

2. 국내

막분리 정수처리 공정은 최근 들어 국내에서도 많은 심을 불러일으키고 있

으나, 막분리 정수 처리 공정의 설계 운 에 한 기술 축 은 이제 시작단

계이다.

정 ․한외여과를 이용한 고도 정수 처리 공정의 개발이 한강원수를 상으

로 20 톤/일 정도의 일럿 규모로 이루어 졌었다. 본 연구기 에서 본 차세

사업 연구 개발 2002년도말부터 설치 운 하 던 최 100톤/일 규모의 막

분리 정수 랜트가 먹는 물로서 주민에게 직 공 한 것이 시 라 할 수 있겠

다. 경기도 W간이 정수장에 설치하여 재 이 막분리 랜트로 생산한 물을 먹

는 물로서 주민에게 직 공 하여 왔다.

본격 인 막분리 정수 처리 공정의 도입은 시흥 정수장에 3,600톤/일 규모 막

분리 정수 랜트가 설치된 것이다. 2004년 4월말부터 시흥시 목감동 지역 4300

여세 에 공 하고 있다. 서울시에서도 막분리 정수 처리 시설에 한 연구를 5

개 기업과 수행 에 있다. 이러한 정부와 각 지자체 등의 심과 투자가 진행

되고 있어, 소규모 뿐아니라 규모의 정수처리시설에서도 막분리 정수 처리

공정의 도입이 지속 으로 이루어 질 것으로 보인다.

- 30 -

제 2 연구결과의 의의

1. 국내외 유사기술과의 차별성

이와 같이 국내에서는 아직 기단계이고, 외국에서는 이미 오랫동안 실제

랜트가 설치 운 되고 있지만 아직도 미흡한 부분이 남아있다. 즉, 우선 으로

막분리 공정이 실용화되는데 있어서 가장 큰 장애 요인으로 작용하는 막오염의

효과 인 방지에 한 연구가 계속 으로 수행되어야 한다. 한 물 생산 비용

의 감을 해 정 여과나 한외여과와 같은 세공이 큰 막분리 공정을 이용하

기 해서는 만족할 만한 수질을 확보하기 해 추가 인 ․후처리가 필요한

데 분리막 혼성 시스템에 한 연구는 세계 으로도 완성된 것이 아니어서 이

에 한 연구가 향후 국제 국제경쟁력을 좌우할 것이다.

한 막분리 정수 처리 공정의 경우 원수의 특성에 따라 공정의 효율이 많이

좌우되는데, 특히 미국, 유럽 등의 원수와 우리 나라의 원수는 그 특성이 매우

달라 선진국의 공정을 우리나라 원수에 직 용하는 것은 어려울 뿐 아니라

기술 도입에도 막 한 비용이 들게 된다. 따라서 우리 나라 원수에서 가장 효율

이고 경제 인 막분리 공정을 연구 개발하고 실증 랜트를 통해 검증함과

동시에 상하지 못한 문제 을 악하는 것이 성공 인 막분리 정수 처리 공

정의 개발을 하여 필수 인데 이것이 본 연구과제의 궁극 인 목 이다. 한

이것을 규모 정수처리 시설에 용하는 것을 우선으로 하는 것이 아니라

소규모, 특히 간이정수장 시설을 체하기 한 것을 우선 으로 목표로 하고

있으며, 그러기 해서 리자가 상주할 필요없는 무인/자동화 시스템, 그리고

원격조정이 가능한 시스템에 을 맞추는 차별화된 략을 내세우고 있다.

그리고 앞서 소개한 것처럼 미국의 EPA에서는 막분리 정수 처리 공정에

한 매뉴얼을 제작하려는 노력을 기울이고 있는데, 이와 같은 작업을 해서는

우선 으로 다양한 실제 경험이 요하다. 우리나라에서 이러한 경험을 축 한

사례는 아직 기단계라 할 수 있다. 본 연구결과가 우리나라 원수에 합한 막

분리 공정에 한 다양한 경험을 축 함에 있어 매우 요한 기 자료가 될 수

있을 것으로 기 한다.

- 31 -

2. 연구개발 사업성과의 사업화 가능성

정부에서는 이제까지 도시 심으로 상수도 보 정책이 추진되어 온 것에

반해 지방 소도시와 농어 지역의 상수도 시설확충에 폭 투자할 계획을

세우고 있다.

이와 같은 정부의 정책 요구에 매우 합한 막분리공정에 의한 무인/자동

화 고도정수처리시스템의 개발을 수행해왔기 때문에 정부의 정책과 맞물려 사

업화 시 성공의 가능성은 매우 높다고 볼 수 있으며, 이러한 막분리 고도정수

시스템의 정책 보 에 이어 민간수요도 차 증가하게 될 것이므로 시장은

차 확 될 것으로 보인다.

추가 인 기술개발을 통해 더 나은 시스템을 계속 으로 개발하고, 나아가 상

품뿐만 아니라 축 된 기술을 해외에 수출하는 것도 기 하고 있다.

- 32 -

제 3 장 연구개발수행 내용 결과

제 1 소규모 막분리 정수 랜트 운

1. 연구 수행 방법

15 톤/일 규모의 소규모 막분리 고도 정수 랜트를 운 하면서, 앞으로 간이

정수장에 직 설치할 실증 랜트를 운 할 때 나타날 수 있는 문제 을 최

한 악하여 그 해결책을 찾고자 하 다(그림 3-1-1).

한편 랜트를 이용하여 직 수행하기 어렵거나 랜트에 복구하기 힘든 손

상을 입힐 수 있는 여러 가지 테스트를, 그 랜트에 상응하는 실험실 규모의

장치를 통해 수행하 다(제 2 참조).

가. 소규모 막분리 정수 랜트

이 소규모 막분리 고도정수 랜트는 서울시내의 Y 정수장에 설치하여 한강

원수를 상으로 운 하 다. 원수의 조건은 다음과 같다(표 3-1-1).

표 3-1-1. 소규모 막분리 고도정수 랜트 설치 지역 원수 조건

항목 탁도(NTU) 온도(℃) pH TOC*(ppm) UV254**(cm-1) 조류(cell/ml)

연 범 2 - 740 2 - 26 6.6-8.9 1.8-2.9 0.025 -0.049 1,000-40,000

*Total Organic Carbon : TOC Analyzer (DC-180 , Rosemount Analytical Inc., USA)

**UV absorbance at 254nm : Spectrophotometer (DR4000U ,HACH , USA)

- 33 -

사용된 막의 사양은 표와 같다(표 3-1-2). 셀룰로오스 재질의 한외여과 공

사막으로서 막세공은 0.01㎛이다. 막면 7.2m2로서, 100LMH까지 운 이 가능

하다고 할때, 역세척을 제외하고 하루 최 15톤 정도까지 처리수 생산이 가능

하다.

실제 운 은 50 - 80LMH에서 특정 럭스 선택하면 그 값으로 일정하게 자

동제어 되도록 하 다. 이것은, 럭스를 측정하여 PC로 데이터를 송하여 값

을 체크하고, 이 값이 원하는 값에서 벗어나면 PC에서 다시 펌 의 인버터로

신호를 보내 펌 주 수를 조 하여 럭스를 조 하는 피드백 제어 방식으로

수행되었다.

역세척 주기는 20분에서 3시간 사이에서 선택하 으며 1회 역세척 시 시간은

1분이었다. 역세척 압력은 역세척 펌 의 주 수를 조 함으로써 1.2 - 1.5 bar

범 에서 선택하여 일 하도록 하 다.

처리수 생산량, 역세척 주기와 수량에 따라 회수율은 87 - 93%이었다(표

3-1-3).

전처리 필터 막모듈 처리수저장조

원 수저장조

1

2

3


원 수저장조

1

2

3

그림 3-1-1. 소규모 막분리 정수 랜트 모식도

- 34 -

표 3-1-2. 소규모 막분리 고도정수 랜트에 사용된 막의 사양

항목 사양

형태 공사막

막세공 0.01㎛

막면 7.2㎡

길이 1.2m

재질 셀룰로오스 계열

내경 0.93㎜

허용pH 3.5 - 8.5

허용온도 1 - 35℃

표 3-1-3. 소규모 막분리 고도정수 랜트 실제 운 조건

항목 조건

럭스 50 - 80LMH

역세척 주기 0.3 - 3시간

역세척 시간 1분

역세척 압력 1.2 - 1.5 bar

회수율 87 - 93%

- 35 -

25-200㎛정도의 처리 필터 하나를 선택 설치하여 공사막의 내부에 입

자가 막히는 상을 방지하 다.

밸 와 펌 등의 작동은 PLC를 통해 로그램한 로 자동으로 제어된다.

이러한 밸 와 펌 의 제어로써 처리수 생산, 분리막의 역세척, 처리 필터 역

세척, 소독제 주입 등이 자동으로 시간에 따라 진행되며, PLC와 연결된 컴퓨터

의 조작으로 막힘형 여과와 십자흐름형여과를 수동으로 환할 수 있다.

한 탁도계, 온도계 등의 자료들을 아날로그/디지털 입출력 장치를 이용하여

수집하고, 이에 연결된 컴퓨터에 연속 으로 장할 수 있게 하 다.

이러한 데이터를 원격으로 모니터링 할 수 있도록 하 으며, 처리 유량, 십자

흐름 속도, 역세척 압력 등을 아날로그/디지털 입출력 장치를 이용하여 컴퓨터

상에서 제어할 수 있으며, 이를 원격으로도 제어 가능하도록 하 다.

- 36 -

나. 실험실 규모의 장치

15 톤/일 규모의 랜트와 다른 은 처리 필터가 없는 것인데, 이는 응집

처리 실험을 수행할 때 발생하는 록을 필터링 하지 않고 그 로 여과시킴

으로써 그 때 나타나는 향을 알아보기 함이다(그림 3-1-2).

한 일럿 랜트는 25℃를 기 으로 50 - 80 L/m2 hr 의 럭스로 분리막

을 통한 여과를 수행하 는데, 실험실 규모의 장치로는 100 L/m2 hr의 럭스

로 여과함으로써 단기간에 여러 가지 테스트를 수행하고자 하 다. 온도가 변함

에 따라 도가 변하여 럭스를 조정하여야 하는데 그 때마다 25℃로 환산한

럭스가 100 L/m2 hr이 되도록 하 다. 특히 한강 원수에 직 설치한 일럿

랜트의 경우 계 에 따른 온도변화가 매우 심하므로 이와 같이 럭스를 조

정하는 것이 요하 다.

실험실 규모의 장치에 사용된 분리막은 두 가지 재질의 것을 사용하 는데,

하나는 일럿 랜트와 동일한 셀룰로오스 재질의 공사막이고, 다른 하나는

폴리술폰 재질이었다(표 3-1-4). 폴리술폰 재질의 공사막도 셀룰로오스와 마

찬가지로 0.01㎛의 세공을 가진 한외여과막으로, 1㎜의 내경을 가지고 있어 셀

룰로오스의 0.93㎜보다는 조 크지만 체로 셀룰로오스와 거의 유사한 모양과

크기를 가지고 있다. 이 두 가지 재질의 분리막에 하여 여과성능을 비교하여

보았다.

그림 3-1-3에 나타나 있듯이 셀룰로오스 재질의 분리막은 폴리술폰에 비하여

기 막간 차압(TMP)이 조 크지만 막간 차압의 증가가 완만하여 좀 더 오

래 운 할 수 있으나, 폴리술폰 재질의 분리막은 기 막간차압이 작지만 좀 더

빠르게 막간차압이 증가하는 경향을 보인다. 이는 폴리술폰 재질의 분리막이 원

수 의 용존 유기물 등의 오염물에 의한 막오염이 더 잘 일어나기 때문이다.

- 37 -

PC

Balance

Pressure Transmitter

Main Pump

Feed Reservoir

Stirrer

Permeate Reservoir

Permeating

Backwashing

Draining

Circulation Pump

Backwashing Pump

Membrane Module

Flow-meter

Feeding Pump

PACl

Mixing Tank

PC

Balance


Main Pump

Feed Reservoir

Stirrer

Permeate Reservoir

Permeating

Backwashing

Draining

Circulation Pump

Backwashing Pump

Membrane Module

Flow-meter

Feeding Pump

PACl

Mixing Tank

그림 3-1-2. 소규모 막분리 정수 랜트에 상응하는 실험실 규모의 장치

표 3-1-4. 실험실 규모 막분리 고도정수 장치에 사용된 막의 사양

항목 사양

형태 공사막

막세공 0.01㎛

막면 0.078㎡

길이 0.3m

재질 셀룰로오스 계열 폴리술폰 계열

내경 0.93mm 1mm

- 38 -

그림 3-1-3. 분리막 재질에 따른 여과성능 (막간차압) 비교

- 39 -

하지만 셀룰로오스 재질의 분리막은 화학 강도가 낮아 운 이나 세척

에 강한 화학성분에 의해 손상될 우려가 크다. 를 들어 셀룰로오스 재질의 허

용 pH는 3.5-8.5인데 반해 폴리술폰 재질의 허용 pH는 2-12이다. 일반 으로

한강 원수의 pH는 8.5를 넘지 않으나 조류가 심하게 발생할 경우 그 이상으로

증가하기도 하므로 셀룰로오스 재질의 사용에는 주의가 요구된다. 한 유기물

에 의한 오염은 체로 높은 pH를 가진 세정액으로 화학 세정을 하는 것이

효과 인데 폴리술폰은 비교 강한 세정을 실시할 수 있어 분리막의 오염물을

쉽게 제거할 수 있다는 장 이 있는 반면 셀룰로오스 재질의 분리막은 그 게

강한 세정을 실시하지 못한다는 단 이 있다.

따라서 운 조건이 확립된 후 랜트를 설치하여 장기간 운 하는 경우에는

셀룰로오스 재질이 장 을 가지지만, 실험실 규모의 여러 가지 시도를 하는 경

우에는 폴리술폰 재질의 분리막이 훨씬 유리하다. 따라서 이후 실험실 규모의

장치에서는 주로 폴리술폰 재질의 분리막을 이용하여 실험을 실시하 다.

십자흐름형의 경우 십자흐름속도가 1m/s가 되도록 하 다. 평 형이나 형

분리막의 경우와 달리, 내경이 1㎜정도로 작은 내압식 공사막을 사용하 기

때문에 1m/s의 유속에서도 흐름은 층류(laminar) 역에 속하 다.

이러한 조건에서 재질에 따른 여과와 응집공정 추가 시 응집조건에 따른 여

과, 역세척 조건에 따른 여과 등에 하여 알아보았다.

- 40 -

2. 연구 수행 내용

가. 소규모 막분리 정수 랜트 운 , 문제 악

개선방안 연구

(1) 분리막 모듈의 설치 방향 역세척 방향에 따른 장 과 문제 악

우선 2001년 10월 - 11월 경에 소규모 랜트의 운 압력이 상승하여 회복되

지 않는 경우가 발생하 었다(그림 3-1-5). 일럿 랜트는 일정 럭스를 유

지하면서 30분에 한번씩 처리수로 역세척을 실시하고 막간차압이 100 kPa 정도

에 도달하면 화학 세정을 실시하 다. 화학 세정을 실시하면 80 L/m2hr에

서 0.35 bar 내외로 막간차압이 감소하여 여과성능이 회복되는데, 당시에는 강

한 물리 화학 세척에도 여과 성능이 회복되지 않았다. 그래서 한동안 원인

을 찾지 못해 낮은 럭스를 유지하면서 원인을 찾아보려 하 다(그림 3-1-6).

그러나 결국 운 을 완 지하고 분리막 모듈을 해체하여 살펴본 결과 모

듈 상단부의 공사들이 상당부분 막 있었다. 이 에는 력에 의해 하단부에

더 많은 압력이 걸려 하단부의 오염이 더 심각할 것으로 생각하 으나 반 의

상이 발생하 던 것이다.

그 원인을 분석하여 본 결과 그림 3-1-4와 같이 모듈의 하단에서 상단으로

역세척을 실시할 때 공사 내부 막표면에 쌓여있던 오염물들이 한꺼번에

쪽으로 빠져나가면서 공사를 막기 때문인 것으로 생각되었다.

- 41 -

Feeding

Backwashing

Feeding

Backwashing

그림 3-1-4. 역세척시 공사 내부가 막히게 되는 과정

- 42 -

그림 3-1-5. 소규모 일럿 랜트의 막간차압 변화(2001년)

그림 3-1-6. 소규모 일럿 랜트의 럭스 변화(2001년)

- 43 -

이를 확인하는 방법으로 실험실 규모의 장치에서 와 같이 수직 상방향 역

세를 실시하며 실험하여 보았다. 응집 처리 공정에 한 실험과 병행하여 알

아본 것으로, 응집공정과 결합할 경우 입자성 물질의 양이 증가하므로 이를 더

쉽게 알아볼 수 있다.

그 결과 그림 3-1-7에서 보듯이, 응집 조건에 따라 조 다르지만, 원수보다

더 빠르게 압력이 증가한다거나, 아니면 갑자기 압력이 하는 상 등이 나

타났다.

이것은 막표면이나 막세공의 오염 때문이 아니라 공사 내부(lumen side)

가 막 서 나타난 상으로, 일럿 랜트에서와 마찬가지로 주로 쪽이 막히

는 상이 많이 발생하 다. 역시 그림 3-1-6에서 나타낸 과정에 의한 것으로

보 다. 그래서 거꾸로 수직 하방향으로, 즉 에서 역세수를 주입하여 아래쪽

으로 빠져나가도록 한 결과 상 로 공사 아래쪽이 주로 막히게 되었다.

이와 같이 막히는 상에 한 원인을 찾았고, 이를 해결하는 방안을 생각하

다. 일단 그림 3-1-9와 같이 역세척을 양방향으로 실시하여 한쪽 방향으로

나갈 때보다 반정도의 오염물만 빠져나갈 수 있도록 하 다. 모듈을 수직으로

설치할 경우 양방향으로 균일한 역세척이 일어나지 않으므로 모듈을 수평으로

설치하 다. 한 기존에는 역세척 주기를 1시간으로 하 으나 이를 1/3인 20

분으로 여 역세척 간에 축 되는 오염물의 양을 일 수 있도록 하 다.

그 결과 그림 3-1-8과 같이 격한 압력 증가나 압력의 없이, 원수에

비하여, 상당히 오랫동안 운 할 수 있었다. 입자성 물질의 양이 많을 경우 수

평으로 설치하고 양방향으로 역세척을 하는 것이 분리막에 쌓인 물질들을 배출

하는데 더 효과 인 것으로 여겨진다.

- 44 -

그림 3-1-7. 응집 처리 공정과 결합하여 수직 상방향 역세시

압력 증가 경향 (역세척 1시간에 1분간)

그림 3-1-8. 응집 처리 공정과 결합하여 수평 양방향 역세시

압력 증가 경향 (역세척 20분에 20 간)

- 45 -

Feeding

Backwashing

Feeding

Backwashing

그림 3-1-9. 공사 내부가 막히지 않도록 하기 한 양방향 역세척

- 46 -

그러나 수평으로 설치하 을 시 발생할 수 있는 문제는, 기 가동시 공사

내부에 차있는 공기가 쉽게 밖으로 빠져나가지 않다는데 있다. 실험실 규모의

장치에서는 공사의 개수가 얼마 되는데다가, 운 을 시작하기 모듈을 수직

으로하여 공기를 충분히 배출한 뒤 다시 수평으로 놓는 작업을 수행하여 문제

가 발생하지 않았지만, 규모가 커지면 설치된 모듈을 마음 로 수평수직으로 바

꿀 수 없는데다가 한 모듈에 수천개의 공사가 있고 그러한 모듈이 수 ~ 수십

개에 달할 것이므로 수평으로 설치하는 것은 큰 문제 을 앉고 있다고 볼 수

있다. 순환펌 를 가동하여 공사 내부에 강한 흐름을 형성함으로써 공기를 배

출하는 방법도 있으나, 모듈을 수직으로 설치하는 것만큼 효과 으로 배출하지

는 못한다.

그래서 모듈을 수직으로 설치하고 양방향으로 역세척을 하려 하 으나, 력

에 의해 모듈 쪽보다는 아래쪽으로 역세척이 더 이루어져 효율 인 역세척을

실시할 수 없었다. 따라서 양방향을 교차 으로 역세척을 하고자 하 다. 즉 한

번 역세척시 일정시간은 상방향 나머지 시간은 하방향으로 역세척을 수행하는

것이다.

이를 수직으로 설치된 소규모 랜트에서 수행하고자 다음과 같이 하 다. 소

규모 랜트는 당시 자동 으로는 양방향의 역세척이 가능하지 않으며 상방향

으로만 역세척이 되도록 설계되어 있 우선 으로 약간 방법을 달리하 다. 모듈

아래쪽으로의 수동 역세척이 가능하도록 배출 을 설치하고, 하루에 한번 1시

간 정도 수동으로 하방향 역세척을 실시하고 나머지는 자동으로 30분에 한번씩

상방향 역세척이 되도록 하 다.

그 결과 그림 3-1-10과 같이 큰 차이를 보 다. 기 양방향의 역세척을 수

행한 결과 막간 차압이 0.4 bar이하로 유지가 되다가, 상방향의 역세척만 실시

할 경우 며칠 만에 막간차압이 0.5bar 이상 0.6bar까지 상승하 다. 다시 양방향

의 역세척을 실시하자 0.4bar이하로 막간차압이 안정되게 유지되었다. 이는 양

방향 역세척이 매우 효과 임을 시사한다. 모듈이 수직으로 설치되어 있어도 이

러한 양방향 역세척이 가능하도록만 한다면 여과성능을 유지하는데 문제가 없

을 것으로 보인다.

- 47 -

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

1/13

2/1

3/1

Date(month)

TM

P(b

ar)

Flux (25℃ ) , 80LMH

Up-DownflowBackwashing

UpflowBackwashing


0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

1/13

2/1

3/1

Date(month)

TM

P(b

ar)

Flux (25℃ ) , 80LMH


UpflowBackwashing


그림 3-1-10. 양방향 역세척 여부에 따른 막간 차압의 변화

- 48 -

(2) 역세척 방향과 원수유입 방향에 따른 향에 한 연구

역세척 방향에 한 향을 확실하게 입증하고자 소규모 일럿 랜트의 배

과 밸 를 변경하여 실험을 수행하 다(그림 3-1-11).

그 결과 모듈 하단부에서 쪽으로 역세척(upflow-backwashing)을 하거나

모듈 상단부에서 아래쪽으로 역세척(downflow-backwashing)을 자동으로 하는

것이 가능해졌다(그림 3-1-12). 단 막힘형에서만 실험을 수행하고자 하 으므로

십자흐름을 한 2번 펌 는 이 실험시에는 제외하 다.


원 수저장조

13


원 수저장조

13

그림 3-1-11. 변경된 소규모 막분리 정수 랜트 모식도

- 49 -


원 수저장조

13


원 수저장조

13

(ㄱ) 상방향 역세척(Upflow backwashing)


원 수저장조

13


원 수저장조

13

(ㄴ) 하방향 역세척(Downflow backwashing)

그림 3-1-12. 상방향, 하방향 역세척

- 50 -

(가) 상방향, 하방향 교차역세척의 효과

상방향역세척(upflow-backwashing)과 하방향역세척(downflow-backwashing),

그리고 이것을 한번씩 번갈아 수행하는 상하방향 교차역세척(down-upflow or

up-downflow backwashing)을 각각 운 하여 비교를 하여보았다.

상방향이나 하방향 한 방향역세척만 할때는 각각 30분마다 1분간 실시하

고, 교차역세척을 할 때는 30분마다 1분간 실시하되 상방향 30 후 하방향 30

, 는 하방향 30 후 상방향 30 간 역세척을 실시하는 방법을 사용하 다.

그림 3-1-13를 보면 상방향이나 하방향 하나만 실시하 을 경우와 비교하

을 때, 하-상방향 교차역세(Down-upflow backwashing)을 실시하 을 경우,

막간차압(TMP)의 상승속도가 상당히 완만함을 알 수 있다. 이것은 같은 시간

동안 같은 양의 처리수로 역세척을 하더라도 양방향을 교차로 역세척하는 것이

매우 효과 임을 입증한다.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30 35

Time(day )

TM

P(b

ar)

Down-Up

Downflow

Upflow

그림 3-1-13. 상방향, 하방향 양방향교차 역세척시 압력 상승 속도

- 51 -

표 3-1-5. 역세척 방향에 따른 역세척수 내 농도 변화

Backwashing TOC(ppm) UV254(cm-1) 탁도(NTU)

Downflow 5.54 0.043 32.9

Upflow 5.25 0.041 31.5

Down-upflow 5.70 0.043 43.2

한 표 3-1-5를 보면 역세척수 내의 TOC나 UV254와 같은 유기물의 농도

는 유사하나, 탁도는 하-상방향 교차역세의 경우가 평균 43.2NTU로 30%이상

더 높게 나왔음을 알 수 있다. 이것은 이러한 교차역세척 방법이 막표면에 쌓인

입자성 물질의 제거에 매우 탁월함을 나타낸다.

그래서 실증 랜트 I 설계시 이를 반 하여 상방향, 하방향의 교차역세척이

가능하도록 설계하 다.

(나) 유입방향과 역세척 방향과의 계

기존의 소규모 랜트에서는 원수의 유입방향에 크게 신경 쓰지 않고 설계하

여 항상 모듈 아래쪽으로 유입되도록 하 다.

그러나 배 라인과 밸 를 변경한 소규모 랜트에서는 원수의 유입방향을

모듈 아래 혹은 로 유입되도록 바꿀 수 있다(그림 3-1-14). 교차역세척을 하

되 원수의 유입방향에 따라 역세척 방향과 그 역세척 시간을 조정하는 것이

요하다고 단하여 다음과 같은 실험을 실시하 다.

- 52 -

전처리 필터아래쪽으로

유입처리수저장조

원 수저장조

13

위쪽으로유입

전처리 필터아래쪽으로

유입처리수저장조

원 수저장조

13

위쪽으로유입

그림 3-1-14. 원수 유입 방향의 선택

- 53 -

표 3-1-6. 유입방향이 아래쪽일 때 역세척 방향과 시간에 따른

역세척수의 탁도 변화

표 3-1-7. 유입방향이 쪽일 때 역세척 방향과 시간에 따른

역세척수의 탁도 변화

- 54 -

표 3-1-6과 같이, 원수가 모듈 아래쪽으로 유입될 때에는, 하방향 역세척 시

간을 15 , 상방향 45 로 하는 경우(Down15s-UP45s)보다, 하방향 역세척 시

간을 30 (Down30s-UP30s)로 하거나 45 (Down45s-UP15s)로 충분히 하는

경우가 역세척수 내 탁도 농도가 더 높음을 알 수 있다. 역세척되어 나온 물에

탁도성 물질이 더 많다는 것은 그만큼 막오염을 일으키고 있던 입자성 물질이

더 많이 털려나왔다는 것이므로 역세척이 효과 이라는 것을 나타낸다.

한, 원수가 모듈 아래쪽으로 유입될 때, 하방향 역세척을 같이 30 로 하

더라도 하방향을 먼 하고 상방향을 하는 경우(Down30s-UP30s)가, 반 의 경

우(UP30s-Down30s)보다 역세척수의 탁도가 더 높아 더 효율이 높음을 알 수

있다.

반 로 표 3-1-7과 같이, 원수가 모듈 쪽으로 유입될 때에는, 상방향 역세

척을 30 내지 45 로 충분히 하는 것이 더 효과 이고, 한 상방향 역세척

을 먼 실시하는 것이 좋음을 알 수 있었다.

결국, 력에 의해 모듈 하단부에 막오염이 더 일어나는 경향이 있기는 하나,

그보다는 원수 유입방향을 우선 으로 고려하여 유입방향으로의 역세척을 충분

히 하는 것이 요하다고 할 수 있다. 같은 시간이나 같은 양의 역세척을 하더

라도 이와 같이 역세척 방향과 시간의 분배를 고려하는 것이 역세척 효율을 높

이는데 요한 것이다.

요약하면, 기의 실험에서는 역세척수가 상단부의 순환라인을 통해 밖으로

배출되도록 하 었다. 그 결과 술한 로 상단부 공사 내부가 막히는 결과

를 래하 으며 와 같이 실험실 규모의 장치로 실험한 결과 그 원인을 찾을

수 있었다. 이를 다시 일럿 랜트에 반 하여 다시 실험한 결과 역세척 방향

과 시간의 설정이 매우 요함을 알 수 있었다.

따라서 실증 랜트 I과 II의 설계 시에는 모듈의 상하양방향으로 역세척 수가

배출되도록 하 다. 한 탁도성 물질이 많은 경우 역세척 주기를 여 막히지

않도록 하는 것도 필요한데, 역세척 주기를 이면서 일 회 역세척시의 역세척

시간과 유량을 임으로써 원수의 회수율, 즉 단 원수량 당 처리수 생산량을

유지할 수 있다. 그러나 역세척 유량이 작아지면서 충분한 역세척이 일어나지

않고, 특히 털려나온 오염물이 포함된 역세척수가 라인에서 미처 빠져나가지 못

- 55 -

하여 남아 있게 되는 경우가 발생할 수 있다.

따라서 배출하는 배 의 길이를 고려하여 역세척 주기를 히 조 하여야

하며, 회수율이 조 떨어지더라도 충분한 역세척을 실시하는 것이 장기운 을

해 요하다고 하겠다.

(다) 역세척 방법에 한 연구

원래 일롯 랜트는 일정 주기, 를 들어 의 모든 실험에서 30분마다 한

번씩, 역세척을 실시하도록 되어 있다. 그러나 다른 방법으로는 정유량운

시 일정한 막간차압에 도달하면 역세척을 실시하는 방법이 있다.

단기간으로 테스트를 수행하여 보기 해 실험실 규모의 장치에서 실험을 실

시하 다.

그림 3-1-15. 역세척 방법에 따른 막간차압의 변화

- 56 -

그림 3-1-15에서, 진한 으로 표시한 것이 일정 시간 간격으로 역세척을 수

행한 것이고, 밝은 으로 표시한 것이 일정 막간 차압(55kPa)에 도달하 을

때 역세척을 수행하 을 때의 막간차압의 변화이다.

일정 막간차압 증가시 역세척을 수행하는 경우가, 막간차압이 일정이상이 되

지 않도록 하여 주므로 운 에 지 비용도 감소시켜 주고 분리막의 수명에도

정 이다.

그러나 그림에서 보듯 얼마 지나지 않아 역세척의 효과가 나타나지 않아 더

이상 운 을 지속할 수 없어 운 을 종료하게 되고 말았다. 이와 같은 방법을

사용하기 해서는 역세척의 효율이 좋아서 여과 성능의 80 - 90 % 정도를 회

복시켜 수 있어야 하나, 와 같이 원수를 바로 여과하여 이러한 방법을

용하 을 경우 물리 인 역세척만으로 쉽게 제거되지 않는 흡착에 의한 막오염

이 많이 진행되기 때문에 이 방법을 용하기는 어려울 것으로 보인다.

일정 시간간격으로 역세척을 수행할 경우 막간차압의 증가가 계속 으로 나

타나긴 하 으나 실증 랜트에서는 본 실험에서 실시한 100LMH보다는 낮은

럭스로 운 할 것이고, 사용량에 따라 24시간 연속으로 운 되지 않을 것이므

로 일정 시간 간격으로 역세척을 실시하도록 설계하 다.

- 57 -

(라) 역세척 시 염소 방법

역세척시 주입되는 차아염소산은 모듈 부근에서 샘 링하여 몇 차례 측정하

여 본 결과 미리 계산 한 농도 (4ppm)에서 크게 벗어나지 않아서 특별한

조 없이 충분히 혼화됨을 알 수 있었다.

다만 이러한 역세척시 염소 주입에도 불구하고 분리막표면에서 샘 링하여

미경으로 찰한 결과, 규조류와 같은 미생물이 일부 번식하는 경우가 있음을

발견하 다. 이는 조류의 발생이 심각한 과 가을에 나타나는 상으로 (그림

3-1-16), 에는 체 인 개체수가 증가하고 가을에는 개체 수는 작으나 pH상

승을 일으킨다고 알려진 규조류 등의 비율이 커져 문제를 일으킨 것으로 보인

다(그림 3-1-17).

그래서 4ppm의 염소가 포함된 처리수로 역세척을 한 뒤 이 염소 성분이 모

듈에 남아있는 상태로 한 시간정도 염소 상태를 유지함으로써 효과 으로

미생물의 번식을 억제할 수 있었다.

염소의 농도는 충분한 편이지만 역세척이 1시간에 1분정도이므로 충분한

시간을 갖지 못했던 것으로, 실증 랜트 I이나 II 운 시에도 미생물의 번식

이 발견될 경우 이와 같이 충분한 시간을 갖도록 하는 방법을 용할 수

있다.

- 58 -

그림 3-1-16. 소규모 일럿 랜트 설치 지역 원수의 연 조류 개체 변화

그림 3-1-17. 소규모 일럿 랜트 설치 지역 원수의 연 pH 변화

- 59 -

(3) 처리 필터

일럿 랜트에 설치한 처리 필터의 세공 크기는 기본 으로 130㎛이다.

이것을 더 작은 세공인 25㎛와 75㎛의 필터로 바꾸어 설치하여 보았다. 처리

필터의 세공이 작은 만큼 더 많은 부하가 처리 필터에 걸리므로, 후단의 분리

막의 오염을 더 일 수 있을 것이라고 상하 다.

그러나 상과 달리 분리막의 오염을 이는 효과는 거의 나타나지 않았다.

이것은 분리막의 세공이 0.01㎛이기 때문에, 이보다 훨씬 큰 스 일의 세공을

가진 처리 필터 가장 작은 크기를 썼다해도 큰 효과가 나타나지 않았던

것으로 보인다. 오히려 처리 필터의 부하만 커져 처리 필터의 역세주기를

감소시켜야 하는 부담이 생겼다.

결국 처리 필터의 부하가 고 한 필터링을 해주는 130㎛로 다시 교체

하 다.

- 60 -

(4) 막힘형 여과 방식과 십자형 여과 방식

다음은 실험실 규모의 장치를 통해 동일한 100L/m2hr에서 막힘형과 십자흐름

형 운 방식의 여과성능을 비교한 것이다(그림 3-1-18).

십자흐름에 의해 분리막 표면에 오염물이 쌓이거나 농도가 높아지는 것을 막

을 수 있는 십자흐름형 운 의 경우가, 량여과를 하는 막힘형의 경우보다 여

과 성능이 조 나았음을 알 수 있다.

그림 3-1-18. 막힘형과 십자흐름형의 여과 성능 비교

- 61 -

그러나 큰 차이가 나타나지는 않았으며 더구나 다음과 같이 운 에 지 비

용을 고려하면 단순 여과성능 비교와 다른 결과를 보여 다.

막힘형 : ∫∫ ∆⋅=⋅= PdtAJPdtQE in

십자흐름형 : ∫∫ −⋅+⋅=+= dtPPQdtPQEEE outincirininncirculatiofeed )(

∫∫ −⋅+⋅= dtPPSvdtPAJ outinin )(

E : 운 에 지 (펌 ) P : 압력

ΔP : 막간차압 Pin : 모듈 입구부 압력

Pout : 모듈 출구부 압력 Q : 유량

Qin : 유입 유량 Qcir : 순환 유량

J : 럭스 A :분리막 표면

v : 십자흐름선속도 S : 십자흐름 단면

이를 바탕으로 계산한 결과 다음과 같이 막힘형에 비하여 십자흐름형의 경우

운 에 지가 거의 10배에 달하 다(표 3-1-8).

운 에 지에 비하여 여과 성능은 크게 향상되지 않았으므로 십자흐름형의

에 지 효율은 매우 떨어진다고 볼 수 있다. 일단은 막힘형 여과가 더 유리할

것으로 보이나, 입자성 물질이 매우 많아지는 등 원수의 조건이 크게 달라지는

경우 십자흐름형을 사용하여야 할 경우가 발생할 수 있으며, 한 순환 펌 를

설치함으로써 기 가동시 공사 내부의 공기를 빼내는데 사용될 수 있으므로

설계시 십자흐름형의 운 이 가능하도록 하여야 한다. 평상시에는 막힘형으로

운 을 하고 원수의 조건에 따라 자동 으로 십자흐름형 운 이 되도록 설계하

는 것이 필요하다.

표 3-1-8. 실험실 규모 장치에서 막힘형과 십자흐름형의 운 에 지 비교

막힘형 십자흐름형

유입펌 순환펌

운 에 지 53 kJ/m3 59 kJ/m3

435 kJ/m3

- 62 -

(5) 부차 으로 발생하는 폐수의 처리

(가) 역세척 폐수

운 결과 발생하는 역세척수를 상으로 실험실 실험을 통해 역세척수 처리

방안을 모색하고, 유효한 처리공정을 제시하고자 하 다. 본 연구에서는 응집

공정과 정 여과막 공정을 역세척 폐수 처리에 용하여 보 다.

① 역세척수의 발생량 수질조사

역세척수는 막분리 공정의 역세척 과정에서 발생한다. 역세척수의 부분은

막분리공정에서 투과하지 못한 부분으로 분리막 표면에 부착되어 있거나 시스

템의 순환과정 내부에 포함되어 있는 고농도의 오염물질이다. 역세척수의 수질

은 분리막의 운 역세척 조건과 유입수 수질 등에 향을 받게 된다.

탁기 II에서 제작한 모형 랜트의 운 에서 발생된 역세척수와 침 슬러

지 수질을 표 3-1-9에 제시하 다.

침 슬러지의 수질은 회수율의 향을 크게 받는 것으로 나타났다. 즉, 회수

율이 낮을 경우 역세척수의 오염물 농도가 낮아진다. 한 UV254 농도에서 알

수 있듯이, 역세척수의 오염물은 유기물보다는 부분은 입자상 물질로 존재하

다.

이러한 특성은 그림 3-1-19에 제시한 유입수와 2월(4번)과 3월(5번)의 역세척

수의 입자 분포에서도 잘 나타난다. 역세척수가 유입수보다 입자가 많았으며,

역세척수는 큰 입자고 구성된 반면 유입수는 작은 입자로 구성되었다. 유입수는

7 ㎛ 미만의 입자로 구성된 반면, 역세척수는 7 ㎛ 이상의 입자가 부분이었

다. 즉, 역세척수가 유입수보다 입자 크기가 컸다.

모형 랜트 운 의 경우 목표 회수율을 10%로 가정할 경우 1일 발생량은

2.1 L가 된다. 침 슬러지는 경우는 고형물 농도가 0.2 %로 일반 인 장방형

정수장의 고형물 농도인 0.5~1.5%에 비해 다소 낮게 나타났다.

- 63 -

표 3-1-9. 역세척수와 침 슬러지 수질

순번System

Recovery (%)

SS

(mg/L)

Turbidity

(NTU)

UV254

(cm-1)

1 92.5 39.6 12.5 0.044(0.456)*

2 90.7 22.6 8.2 0.040(0.168)

3 80.1 7.0 1.6 0.045

4 84.6 13.5 6.3 0.038(0.170)

5 90.7 15.6 5.0 0.041(0.076)

침 - 2064 - 0.060(1.737)

* : Unfiltered value

1

10

100

1000

10000

2~7 7~20 20~50 50~100 Total

Partic

le n

um

ber(

#/m

L)

. Feed

3월

2월

그림 3-1-19. 역세척수와 유입수의 입자분포(단 : ㎛)

- 64 -

② 응집에 의한 역세척수의 처리

응집공정에 의한 역세척수의 처리는 침 특성 실험과 jar-test에 의한 응집실

험을 병행하 다. 침 특성 실험의 경우 농도가 다른 두 종류의 역세척수를

상으로 일정용기에 역세척수를 채우고 일정시간 간격으로 상등액의 수질을 측

정하는 방법으로 실험을 실시하 다. 그림 3-1-20에 역세척수를 이용한 침 특

성 실험의 결과를 제시하 다.

그림 3-1-20에 의하면 역세척수의 농도가 침 효율에 상당히 요하 다.

고농도의 경우(SS:40 mg/L) 50분 침 후, 오염물 부하가 약 50% 감소하 지

만, 농도(SS:7 mg/L)인 경우는 침 에 의한 제거가 거의 이루어지지 않았다.

그러므로, 고농도의 경우 침 의 효과를 기 할 수 있지만, 농도의 경우는 침

공정에 의한 처리효율을 기 하기가 어렵고 록보조게 등을 사용하여야 할

것으로 단된다.

응집실험은 황산반토를 이용하 다. 속교반은 G 값, 230 s-1에서 1분간, 완

속교반은 경우 G 값, 25 s-1에서 5분간 실시하고, 30 분 동안 침 시켰다.

그 결과 응집공정에 의해 탁도와 유기물 농도를 크게 감소시킬 수 있었다. 10

mg/L 주입으로 탁도 1.0 NTU 정도까지 낮출 수 있었고, UV-254는 평균 15%

의 일정한 제거율을 얻었다. 이런결과는 응집공정을 용해서 역세척수의 처리

효율을 높일 수 있는 것을 나타낸다(그림 3-1-21).

- 65 -

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 20 50 70 120

Time(min)

Turb

idity(

NTU

) .

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

UV-254(c

m-1 )

.

Tu-40mg/L

Tu-7mg/L

UV-40mg/L

UV-7mg/L

그림 3-1-20. 역세척수의 침 특성 실험 결과

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 10 20 50 100

Alum, mg/L

Turb

idity,

NTU

0.02

0.022

0.024

0.026

0.028

0.03

0.032

UV-254,

1/c

m

탁도

UV-254

그림 3-1-21. 역세척수 응집실험 결과

- 66 -

③ 정 여과막에 의한 역세척수 처리

정 여과막 공정의 용을 계획할 당시에는 침 형막을 이용하고자 하 지만,

연속운 을 실시한 결과, 발생되는 역세척 수량이 어 침지형을 용할 수가

없었다. 따라서 막면 이 고 운 이 간편한 평 형 정 여과막을 이용하 다.

그림 3-1-22에 정 여과막 공정을 도식화하여 나타내었다. 공정에 용된 정

여과막은 Whatman사의 934-AH로 평균 공극 크기가 1.5 ㎛이다.

Back wash

PMicro filter

waste

Permeate

Feed Pump

Slow Mixing

Back wash

PPMicro filter

waste

Permeate

Feed Pump

Slow Mixing

그림 3-1-22. 평 형 정 여과막 시스템

역세척수를 이용한 정 여과막 투과 실험을 한 선행 실험으로 정투과수

량 결정을 해 200 LMH와 500 LMH 조건에서 실험을 실시하 다.

그림 3-1-23에 의하면 역세척수를 이용한 정 여과막 투과 실험에서 500

LMH 조건에서는 약 1시간 이후 격한 압력증가가 발생하 으며, 200 LMH에

서는 300분 이상의 운 에도 안정 인 압력 분포를 나타내었다. 따라서 이 후의

정 여과막 투과실험은 200 LMH를 사용하 다.

- 67 -

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300

Operating time(min)

Opera

ting P

ress

ure

(kPa) .

200LMH

500LMH

그림 3-1-23. 역세척수 처리시 투과수량에 의한 향

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400 500

Operating time(min) .

Opera

ting P

ressu

re(k

Pa)

. SS 23mg/L

SS 14mg/L

SS 40mg/L

SS 2064mg/L

그림 3-1-24. 역세척수 정 여과막 투과 실험 결과 - 압력증가

- 68 -

표 3-1-10. 역세척수 투과 실험 결과 -수질

순번SS

(mg/L)

탁도 (NTU) UV254 (1/cm)

Feed Permeate Feed Permeate

1 40 12.5 0.1 0.044 0.039

2 23 8.2 0.12 0.040 0.039

4 14 6.3 0.21 0.038 0.038

다양한 농도의 역세척수에 한 투과실험결과를 그림 3-1-24와 표 3-1-10에

제시하 다.

그림 3-1-24에 의하면 압력증가는 유입농도에 따라 결정되었다. 일반 으로

오염물 부하가 클수록 빠른 압력증가를 나타내었다. SS 2064 mg/L(침 슬러지)

인 경우 운 시작 5 - 7분 후에 바로 압력이 크게 증가 하 으며, SS 14

mg/L(4번)의 경우는 약 500분 투과 후에도 10 kPa이하의 낮은 운 압력을 유

지하 다.

표 3-1-10에 의하면 입자의 제거는 탁도기 96% 이상의 높은 제거율을 나

타내었다. 반면 유기물(UV254) 제거율은 아주 낮게 나타났다. 유입수 농도에

따라 0 - 11%를 나타내었다.

그 지만 처리수의 평균 농도는 0.039 cm-1로 안정 인 농도를 유지하 다.

한외여과막 공정의 평균 처리수질(탁도 0.06 NTU, UV-254 0.030 cm-1)과 큰

차이를 나타내지 않는 것으로 조사되었다. 따라서 한외여과막 처리수와 정 여

과막 처리수를 혼합하여 사용할 수 있을 것이라 생각된다.

- 69 -

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300

Operating time(min)

Opera

ting P

ressure

(kPa)

역세척수

원수

그림 3-1-25. 역세척수 & 원수의 투과 특성 비교

원수와 역세척수의 정 여과막 투과 실험 결과이다.

그림 3-1-25에서 원수와 역세척수의 SS 농도는 각각 20 mg/L와 23 mg/L이

었다. 농도가 비슷한 원수와 역세척수의 투과 결과 압력증가율은 거의 유사한

형태를 나타냈다. 정 여과막을 이용한 역세척수의 처리가 가능할 것으로 상

된다.

이상의 실험 결과에서 정 여과막을 이용한 역세척수의 처리는 처리수질과

운 압력의 측면에서 효율 인 공정이라 단되며, 실증 랜트 공정에 용하여

한외여과막 처리수와 혼합하여 운 한다면 시스템의 처리효율 향상에 도움이

될 것이라 생각된다.

- 70 -

④ 혼합 시스템의 제안

정 여과막 공정을 랜트에 용할 경우의 아래와 같은 공정을 제안할 수

있다(그림 3-1-26).

Permeate

Back wash waterSettled

Sludge

MF

Quality

Recovery rate

Case I ( ): 침전폐수+역세폐수 통합처리

Case II ( ): 침전폐수, 역세폐수 분리 처리

Permeate

Back wash waterSettled

Sludge

MF

Quality

Recovery rate

Case I ( ): 침전폐수+역세폐수 통합처리

Case II ( ): 침전폐수, 역세폐수 분리 처리

그림 3-1-26. 역세척수 처리공정을 용한 혼합시스템

그림 3-1-26에서처럼 두 가지의 경우를 제안할 수 있다.

Case I은 침 슬러지와 역세척수를 동시에 정 여과막 공정에 투입하는 것으

로 두 가지 다른 성상의 폐수를 혼합하여 수질에 향을 미칠 수 있으나, 회수

율을 높일 수 있는 공정이다.

Case II의 경우는 침 슬러지의 경우 정 여과막을 통해 직 처리하고 역세척

수의 경우는 원수 농도과 유사하기 때문에 응집공정으로 다시 순환시키는 경우

이다.

요약하면, 역세척수의 농도가 높은 경우에는 침 공정만으로 효율 인 처리가

가능한 반면 농도가 낮은 경우 응집침 공정을 병행하여 용하는 것이 바람직

하다. 정 여과를 이용할 경우 상 농도에 따라 막오염 특성이 다양하게 나타

났지만, 95 % 이상의 높은 회수율과 안정 인 처리수 농도를 획득할 수 있었

다. 즉, 응집공정 보다는 정 여과 공정의 용이 바람직 한 것으로 단된다.

- 71 -

(나) 화학세정 폐수

일반 으로 이 분리막에 사용되는 화학세정제는 계면활성제를 포함하고 있어

바로 방류할 수는 없을 것으로 보인다. 15톤/일 규모의 일롯 랜트의 경우

막간차압이 1bar 에 다다르면 역세척을 수행하고 있는데 정상 으로 운 할 경

우 6개월에 1번 정도 화학세정을 하 었다. 한번 세정시에 약 7L 정도의 화학

세정수가 소요된다.

따라서 100톤/일 규모의 실증 랜트 I을 기 으로 생각하 을 때 한 차례 화

학 세정시 50L 내외의 폐수가 발생할 것으로 보이며, 이는 그리 많은 양은 아

니다. 더구나 실증 랜트 I의 경우 1년 반이 지났음에도 한차례도 화학세정을

하지 않았으며 수년 후에 화학세정을 실시할 것으로 보이므로 당분간 큰 문제

가 되지 않을 것으로 보인다.

실증 랜트 II의 경우에는 아직 운 기간이 길지 않아 단하기 어려우나 1년

에 한 차례정도로 상하고 있다. 따라서 화학세정 폐수의 처리를 해 연속

인 처리 설비나 장치를 마련할 필요는 없으며, 화학세정을 할 경우에는 폐액처

리 의뢰를 하면 될 것으로 단하고 있다.

- 72 -

(6) 외형, 경제 측면, 사용자의 입장을 고려한 시스템

15톤/일 규모의 일럿 랜트가 가로, 세로, 높이 모두 2m이내도 제작되었었

으며, 컴퓨터나 장조 등 부 시설을 포함 가로, 세로 3.5m 정도를 차지하고

있다. 100톤/일 규모의 실증 랜트 I은 규모가 늘어났음에도, 원수나 처리수

장 탱크를 제외하면 가로 3m이내, 세로 2m이내, 높이 2m 이내가 된다. 200톤/

일 규모의 실증 랜트 II도 막분리 시스템은 가로4m이내, 세로 2m이내, 높이

3m이내이다. 매우 컴팩트하게 시스템을 제작할 수 있는 것이다.

한 렴하면서도 성능은 떨어지지 않는 재료를 이용하고 있어, 실증 랜트

I과 II는 규모에 비해 단가를 더욱 낮출 수 있었다.

무인 자동화시스템은 실증 랜트 I의 경우 기존 소규모 랜트와 유사한 방식

이나, 자동제어가 필요한 부분이 많아 로그램의 양이 방 해졌다. 실증 랜트

II의 경우 운 자와의 인터페이스나 원격운 시스템은 보다 쉽게 구성되었는

데 문가나 숙련자가 아니더라도 근하기 용이하도록 노력하 다.

이 게 소규모 랜트를 이용한 여러 가지 연구는 처리 공정에 한 연구

와 함께 실증 랜트 I과 실증 랜트 II의 설계와 제작에 큰 바탕이 되었다. 이에

한 것은 뒤에 다시 설명하도록 하겠다.

- 73 -

제 2 처리 공정에 한 연구

막분리 단독 공정만으로 원하는 수질을 얻을 수 없거나, 막분리 단독 공정만

으로 원하는 수질을 얻을 수 있지만 단독 공정보다는 처리 공정을 추가하는

것이 더 경제 인 경우, 막분리 공정의 여과 성능 등 효율을 증 시키기 한

경우 등에 처리 공정을 추가하여 혼성시스템을 구성한다.

본 연구에서는 실증 랜트 I은 막분리 단독공정으로, 실증 랜트 II는 처리

공정을 결합한 혼성공정으로 구성하여고자 하 다. 그래서 1, 2차년도 동안 막

분리 공정과 결합할 수 있는 표 인 처리 공정인 응집, 고도산화, 흡착 공

정을 상으로, 주 탁I, 탁II 각 기 이 다각도로 실험실 규모의 연구를

수행하고 그 결과를 토 로 실증 랜트 II의 처리 공정을 설계하고자 하 다.

1. 응집 공정에 한 연구

가. 침 공정을 포함한 응집공정과 막분리 공정의 결합

본 연구의 목표는 응집공정이 막분리 공정의 성능에 미치는 향 규명을 통

해 공정의 효율 향상을 한 최 응집조건 도출에 있다.

응집실험을 통해 원수의 특성에 따라서 최 응집제와 응집조건을 도출하고,

실험실 규모의 한외여과 시스템에서 처리 공정으로서의 응집이 막분리 공정

에 미치는 향을 조사하여 실증 랜트의 설계 운 인자의 기 자료를

제시하고자 하 다.

- 74 -

표 3-2-1. 응집 처리 공정 실험에 사용된 원수 수질

단 여름철 철

탁도 NTU 10.5-21.6 8.8-14.3

TOC mg/L 3.1-4.2 2.7-4.1

UV254 cm-1 0.066-0.106 0.057-0.078

SUVA L/mg․m 1.6-3.3 1.8-3.1

알칼리도 mg/L (CaCO3) 26-47 63-72

0

50

100

150

200

1/9 1/23 2/6 2/20 3/6 3/20 4/3

Chl-

a,

mg/m

3

그림 3-2-1. 응집 처리 공정 실험에 사용된 원수내 클로로필-a 농도

- 75 -

(1) 연구 수행 방법

(가) 실험 재료

① 원수

연구에 사용된 원수는 낙동강 하류에 치한 1일 생산수량 400,000 m3 규모

의 정수장 원수를 직 취수하여 용하 다. 원수는 응집제별 기 특성 평가

실험을 실시하 던 여름철과 제작된 모형 랜트를 이용하여 실제 운 을 시작

하 던 철의 수질을 제시하 다(표 3-2-1). 특히, 랜트 운 을 실시한

의 낙동강 원수 수질은 조류가 많이 생성하는 특징을 나타낸다. 이 기간의 클로

로필-a 농도를 그림 3-2-1에 제시하 다.

표 3-2-1에 의하면 원수의 탁도와 TOC 농도가 상당히 높게 나타났다. 탁도

의 경우 부분이 10 NTU 이상의 고탁도를 유지하 으며, TOC는 2.7-4.2

mg/L의 분포를 보 다. SUVA 수치에 의해서 알 수 있듯이 SUVA 값은 3 이

하로 친수성에 가까웠으며, 조류의 농도가 높은 철에는 유기물 친수성 성

분이 차지하는 비율이 더 늘어났다. 조류에 의한 합성의 향으로 알칼리도가

증가하 다.

② 응집제

응집제는 일반 으로 알려져 있는 알루미늄염과 철염을 모두 사용하 다.

알루미늄염은 황산반토(Alum)와 폴리수산화염화규산알루미늄(PACS)을, 그리

고 철염은 염화철(FeCl3․6H2O)을 사용하 다. 황산반토는 우리나라 정수장에

서 가장 많이 사용되고 있는 응집제이다. PACS는 폴리염화알루미늄(PACl)의

일종으로 최근 국내정수장에서 사용이 증가하고 있으며, 상 정수장에서 가장

많이 사용되고 있는 응집제이다. 염화철은 응집․침 효율이 높지만 색도 문제

로 국내에서는 용이 제한되어 있는 응집제이다.

- 76 -

(나) 실험 방법

① 자-테스트(Jar-test)

응집실험은, 회 속도의 조 을 통해 교반강도(G) 값을 쉽게 변화시킬 수 있

는 6열, 2L 용량의 사각 라스틱 수조로 구성된 표 자-테스터(Phipps &

Bird, USA)를 이용하여 실시하 다.

교반조건은 속교반을 G값 230 s-1에서 1분, 완속교반을 G값 25 s

-1에서 5분

을 기 으로 운 을 실시하 다. 속교반과 완속교반 후 30분간 침 시킨 후

상등액을 채취해서 수질을 분석하 다.

수질분석 항목은 탁도, TOC, DOC, UV254, 입자수, pH, 알칼리도 등이다.

② 응집-한외여과 혼성 시스템

실험에 사용한 응집․한외여과 혼성 시스템은 소규모 랜트 체 실험에서

사용된 폴리술폰 계열 한외여과 공사막 모듈을 이용하여 제작하 다.

시스템은 응집 공정과 막분리 공정을 포함하는 주공정과 압력계측 시스템

제어부로 구성하 다.

모형 랜트의 설계조건을 표 3-2-2에, 공정도와 사진을 그림 3-2-2, 3-2-3에

제시하 다.

- 응집 공정

응집 공정은 응집제 주입, 속교반, 완속교반 그리고 침 공정으로 구성하

다.

응집제의 주입은 응집제 주입펌 에 의해 속교반 직 에 원수 유입 에 유

입시켰다. 교반 시스템은 회 수를 자유롭게 조정할 수 있는 교반장치를 이용하

여 교반 강도의 조 이 용이하도록 하 다.

- 77 -

- 막분리 공정

막분리 공정은 처리 필터, 유입펌 , 순환펌 , 한외여과막 그리고 역세척으

로 구성하 다. 처리 필터는 공사형 모듈의 내경이 1 mm인 을 고려하여

유입펌 단계에 평균 공극 크기 200 ㎛의 정 여과막을 용하 다. 유입펌

와 순환펌 는 정량펌 를 사용하 으며, 막모듈을 수평형으로 제작하 다.

역세척은 처리수 장 탱크에 장된 처리수를 콤 셔를 이용하여 일정압력

을 유지하면서 역세척이 이루어지도록 하 다.

- 압력계측 시스템 제어

압력계측은 한외여과막 유입부와 유출부의 압력을 디지털 신호로 변환하여

PC에 자동 장되도록 하 다. 시스템 제어는 PLC를 이용하여 응집공정 막

분리공정의 공정을 자동으로 제어할 수 있도록 하 다.

- 78 -

표 3-2-2. 실험에 사용된 응집-막분리 공정 모형 랜트 설계조건

분리막 공정

Flux : 100 LMH (3.45 m3/h)

막차간 압력 : 0.6 - 1.6 bar

십자형 흐름 : 1.0 m/s

역세척 주기 : 30분

압력 : 1.6 bar

시간 : 30

한외여과막

재질 : 폴리술폴 계열

세공 : 0.01 m

내경 : 1 mm

면 : 0.0345 m2

응집공정

속교반 : G : 200-400 s-1, HRT : 5-15 분

완속교반 : G : 20-60 s-1, HRT : 10-30 분

침 : 30-90 분

- 79 -

FeedCoagulant

Pre-filterPore 100, 200um

P

P

Permeate

PC

Control

PC

Control

PP

Back wash

Flowmeter

Rapid mixing

HRT:5~15min

Slow Mixing

HRT:10~30min

Sedimentation

HRT:30~90min

FeedCoagulant

Pre-filterPore 100, 200um

P

P

Permeate

PC

Control

PC

Control

PP

Back wash

Flowmeter

Rapid mixing

HRT:5~15min

Slow Mixing

HRT:10~30min

Sedimentation

HRT:30~90min

그림 3-2-2. 응집 처리 공정 실험에 사용된 모형 랜트 공정도

그림 3-2-3. 응집 처리 공정 실험에 사용된 모형 랜트 사진

- 80 -

(2) 연구 수행 내용

(가) 응집제 종류와 목표 주입량

응집제 종류별 주입량 범 는 유기물(TOC, UV254)과 탁도의 최 제거를 기

으로 결정하 다.

유기물은 경우 미국 EPA의 TOC-Alkalinity matrix에 의한 제거율을 달성목

표로 하 고, 탁도의 경우 일반 정수장의 침 수 탁도기 (2001년도 당시)인 1

NTU를 목표로 응집제의 주입량을 결정하 다.

응집제별 목표 주입량 조사 결과를 표 3-2-3에 제시하 다.

TOC-Alkalinity matrix는 원수의 TOC 농도와 알칼리도에 따라서 응집에 의

한 TOC 제거율을 제시한 것으로 기 TOC 농도가 2-4 mg/L이면 40%, 4-8

mg/L 이면 45% 제거율을 얻어야 한다. 표 3-2-1에 의하면 여름철에는 원수

TOC 농도가 3.1-4.2 mg/L에 이르기 때문에 40-45 %의 제거율을 얻어야 한다.

응집제별 목표 주입량을 조사한 결과 응집제의 종류와 원수의 수질에 따라

다양한 양상을 나타내었다. 황산반토(Alum)를 이용한 응집 실험 결과 평균 9.0

mg/L의 주입량으로 탁도 목표치인 1 NTU를 달성할 수 있었고, 유기물의 경우

TOC와 UV254 각각 평균 15.3, 16.7 mg/L의 주입량이 필요한 것으로 조사되었

다. 즉, 탁도 보다는 유기물 제거를 한 목표 주입량이 약 1.8 배가량 높은 것

으로 조사되었다. PACS와 염화철에서도 비슷한 결과를 나타내었다.

철염의 경우 UV254 제거율은 TOC 제거율에 비해 목표 주입량이 약 1.5배 까

지 높게 나타났다. 이것은 철염을 응집제로 사용할 경우 철염 자체가 UV254 값

을 나타내기 때문이다.

결과에서 나타난 바와 같이 탁도 제거와 유기물 제거를 한 목표 주입량

은 응집제에 따라 1.2-1.7 배까지 차이를 보 다. 응집제의 주입량 결정을 해

서 사용 원수와 응집제의 종류에 따라 큰 차이를 나타내기 때문에 한외여과막

용을 한 주입량은 동일한 조건에서의 응집실험 결과를 바탕으로 결정되었

다.

- 81 -

표 3-2-3. 응집제별 목표 주입량 결정(여름철 원수기 )

응 집 목 표목표 주입량(mg/L)

Alum FeCl3․6H2O PACS

탁도(NTU) 1 NTU 8-10(9.0)**

6-20(13.0) 7-10(8.5)

TOC(mg/L) 제거율

40, 45%

9-19(15.3) 15-16(15.3) 9-15(13.0)

UV254(cm-1)* 10-25(16.7) 10-27(22.2) 8-25(15.8)

* UV254의 경우 TOC 제거율과 동일하게 용

** ( )는 평균

- 82 -

(나) 침 시간에 따른 향

침 공정의 체류시간에 따른 향을 살펴보고 최 시간을 결정하고자 하

다.

체류시간 30분과 60분을 비교하 고, 침 효율은 침 지 유출수의 수질 평가

를 바탕으로 조사하 다. 응집제로는 황산반토 20 mg/L를 주입하 으며, 응집

조건은 속교반(G=230 s-1) 1분, 완속교반(G=25 s

-1) 5분을 용하 다. 그림

3-2-4와 그림 3-2-5에 침 지 유출수 수질측정 결과를 제시하 다.

실험결과 탁도는 침 시간 30분보다 60분의 제거율이 10% 이상 높았으며,

TOC와 UV254의 경우는 5% 이내의 제거율 차이를 나타내었다. 입자수의 측정

결과도 유사하게 나타나, 60분에서 입자수가 상 으로 었다. 입자크기에 따

른 차이를 조사한 결과 침 시간 60분의 효율이 더 크게 나타났다. 침 에 의해

제거가 가능한 20 ㎛ 이상의 입자는 침 시간 30분보다 60분에서 보다 더 효율

으로 제거되었다.

- 83 -

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Turb

idity,

DO

C,

UV254

pH Turbidity DOC UV254

Raw

30 min

60 min

그림 3-2-4. 침 지 유출수 수질(Turbidity, TOC, UV254)

10

100

1000

10000

100000

Raw 30 min 60 min

Partic

le n

um

ber(

#/m

L)

2~7 7~11

11~20 20~100

Total

그림 3-2-5. 침 유출수 수질(입자수)

- 84 -

(다) 처리 필터의 효율

실험에 사용된 막은 내경 1 mm의 내압형 구조이다. 내압형 구조의 모듈은

수백 ㎛의 큰 입자가 내부로 유입될 경우 막힘 상이 빠르게 발생할 수 있다.

시스템의 막힘 상을 방지하기 해 막분리 공정 단계에 평균 공극 크기

200 ㎛의 정 여과막을 설치하 다. 정 여과막의 효율은 정 여과 처리 필터

통과 후의 입자수를 측정해서 조사하 다.

그림 3-2-6에 의하면 처리 필터는 입자 제거에 큰 효율을 나타내지 못했

다. 정 여과막의 공극크기가 200 ㎛이기 때문에 입자제거율은 11 %에 불과하

다. 그러나 안정 인 유입수질과 막내부의 막힘 상을 고려하여 본 시스템에

는 처리 필터를 용하 다.

1

10

100

1000

10000

2~11 11~20 20~50 50~100 Total

Particle size(um)

Partic

le n

um

ber(

#/m

L)

.

Sedimentation

pre-filter

그림 3-2-6. 처리 필터의 효율 평가(입자수)

- 85 -

(라) 역세척 주기와 시간에 따른 향

분리막 공정의 운 특성에 향을 끼치는 요한 향인자 의 하나가 막

의 여과 성능 유지를 한 세척이다. 오염물이 분리막에 쌓이면서 막흐름을 방

해하게 되면 막을 세척하여 수리학 특성을 회복시켜야 한다.

역세척은 투과방향의 역방향으로 투과수를 통과시켜 막표면에 부착된 오염물

을 제거하는 공정이다. 역세척 효율에 향을 미치는 향인자로는 역세척 주기

와 지속시간 그리고 용압력이 있다. 역세척 주기가 길고, 지속시간이 짧을 경

우 막오염이 심화되어 막의 내부가 막히거나, 역세척 효율이 감소하는 문제 이

발생한다. 반면, 역세척 주기가 짧고, 지속시간이 길 경우, 원수 회수율 감소 등

분리막 공정의 체 운 효율이 감소하는 문제 이 발생한다.

역세척 조건이 운 특성에 미치는 향을 그림 3-2-7, 3-2-8에 제시하 다.

사용된 응집제는 황산반토 30 mg/L이며, 응집조건은 속교반을 G 값 230

s-1에서 1분, 완속교반을 G 값 25 s

-1에서 5분간 실시하 다. 그리고 침 지 체

류시간은 60분을 용하 다.

역세척 시간을 각 10 , 30 , 60 로 변경시키면서 막간차압의 증가율을 조

사하여 그림 3-2-7에 결과를 제시하 다. 막간차압 증가율은 역세척 지속시간

이 증가함에 따라 차 감소하 다. 10 , 30 , 60 각각의 막간차압 증가율은

17.9 kPa/h, 15.0 kPa/h, 13.9 kPa/h로 역세척 지속시간이 증가함에 따라 막간차

압의 증가가 둔화되는 경향을 알 수 있었다.

그림 3-2-8은 역세척 주기가 20분과 30분인 경우, 역세척 지속시간에 따른

체 시스템의 회수율 변화를 나타낸 것이다. 회수율은 화학 세정과 시스템의

기 필요수량을 계산하지 않고, 순수하게 역세척 수량과 생산수량의 비를 가지

고 조사한 결과이다. 체 회수율은 30분 운 의 경우가 20분의 경우보다

2.2-4.6 % 높게 나타났다. 한, 95 % 이상의 높은 회수율을 얻기 해서는 30

분 이상의 역세척 주기가 필요한 것을 알 수 있었다.

결과에서, 역세척 주기는 30분 그리고, 지속시간은 30 로 결정하 다.

- 86 -

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5

Operating time(h)

TrM

Pre

ssure

(kPa)

.

10 s

30 s

60 s

그림 3-2-7. 역세척 지속시간에 따른 막간 차압 증가율 변화

80

85

90

95

100

0 20 40 60

Back wash duration time(sec)

Recove

ry rate

(%)

30 min

20 min

그림 3-2-8. 역세척 주기 지속시간과 회수율의 계

- 87 -

(마) 교반시간과 강도에 따른 향

응집제는 황산반토 30 mg/L 다. 교반시간은 속교반 1분 후, 완속교반을 0,

5, 30분으로 구분하여 실시하고, 교반강도는 속교반을 G 값 100, 230, 500 s-1

로 구분하여 실험을 실시하 다.

자-테스터를 이용하여 완속교반에 따른 막오염 특성을 조사하 다. 원수에 황

산반토 30 mg/L를 주입하고 속교반을 G= 230 s-1에서 1분간 실시한 후 완속

교반은 G= 25 s-1에서 실시하 다. 완속교반 시간은 0, 5, 30 분 동안 실시하고,

직 분리막 시스템에 유입시켰다.

표 3-2-4에는 완속교반 후 막분리 공정 유입 의 수질을 제시하 고, 그림

3-2-9에는 완속교반 시간에 따른 막간차압 변화를 제시하 다. 완속교반 시간

이 증가할수록 탁도와 입자수 감소가 뚜렷하다. 그러나 그림 3-2-9에 의하면 5

분 이상의 교반시간은 막오염 감에 미치는 향이 미비하 다.

표 3-2-4. 응집공정 후 막분리 공정으로의 유입수의 수질

Slow Mixing timeUV254

cm-1

탁도

NTU

입자수

#/mL

0 min 0.087 5.68 5251

5 min 0.068 1.25 2370

30 min 0.066 1.00 1039

- 88 -

0

10

20

30

40

50

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Opreating time(h)

TM

pre

ssure

(kPa)

SM-0

SM-5

SM-30

그림 3-2-9. 교반 시간의 향 평가

20

25

30

35

40

45

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Operating time(h)

TM

Pre

ssure

(kPa)

G=100

G=230

G=500

그림 3-2-10. 교반 강도의 향 평가

- 89 -

교반강도에 의한 향 평가는 속교반의 속도경사 변화를 기 으로 평가하

다. 속교반을 1분 동안 실시하면서, 교반 강도를 G 값, 100, 230, 500 s-1로

변화시켰다. 그리고 완속교반(G = 25 s-1)을 5분간 실시한 뒤, 30분 동안 침 시

켰다.

그림 3-2-10에 의하면 속교반 강도를 증가시킬 경우, 막오염이 일부 감소

하지만 교반강도, G 값 230 s-1 이상에서는 오히려 막오염이 심화되는 것으로

나타났다. 따라서 막분리 공정을 한 교반강도는 230 s-1 이내에서 이루어져야

함을 알 수 있었다.

(바) 응집제 종류와 주입량에 따른 향

응집제는 황산반토, PACS, 염화철을 사용하 으며, 주입량은 임의로 세 가지

를 선정하 다. 황산반토는 1, 10, 125 mg/L, PACS는 1, 10, 250 mg/L, 염화철

은 1, 10, 60 mg/L를 용하 다. 황산반토와 PACS의 경우 최 주입량은 pH

를 기 으로 유기무 제거율이 놓은 pH 6.0-6.5 범 에서 결정하 다. 염화철의

경우는 색도발생으로 인하여 최 주입량을 60 mg/L로 결정하 다.

① 막간차압

각 응집제별 운 에 따른 막간차압 증가를 그림 3-2-11, 3-2-12, 3-2-13에

제시하 다.

응집제에 의한 막오염 감을 잘 나타내고 있다. 세 종류 응집제 모두 1

mg/L 주입량만을 가지고도 막 오염을 상당히 일 수 있었다. 막간차압이 100

kPa에 도달하는데 소요되는 시간을 가지고 비교하면, 응집제를 주입하지 않을

경우 1.2시간이 소요되었으나 황산반토 125 mg/L를 주입한 경우 23.8 시간이

소요되었다. 황산반토를 사용하여 20배의 막오염 감효과를 얻을 수 있었다.

- 90 -

40

60

80

100

120

0 4 8 12 16 20 24

Operating time(h)

Tra

nsm

em

bra

ne p

ressure

(kPa)

0 mg/L

1 mg/L

10 mg/L

125 mg/L

그림 3-2-11. 황산반토를 이용한 모형 랜트 운 결과

40

60

80

100

120

0 4 8 12 16

Operating time(h)

Tra

nsm

em

bra

ne p

ressure

(kPa)

0 mg/L

1 mg/L

10 mg/L

200 mg/L

그림 3-2-12. PACS를 이용한 모형 랜트 운 결과

- 91 -

40

60

80

100

120

0 4 8 12 16 20 24

Operating time(h)

Tra

nsm

em

bra

ne p

ressure

(kPa)

0 mg/L

1 mg/L

10 mg/L

60 mg/L

그림 3-2-13. 염화철을 이용한 모형 랜트 운 결과

AlumPACS

Fe

10%

30%0

2

4

6

8

10

Opera

ting tim

e(h

)

Specific Fluxdecline

그림 3-2-14. 응집제별 비 럭스(Specific Flux) 감소율

- 92 -

응집제별 특성비교를 해서 비 럭스(specific flux)의 감소에 소요되는 시간

을 조사하 다(그림 3-2-14). 비 럭스는 럭스를 막간차압으로 나 수치를

말한다.

응집제의 최 주입량을 용한 결과이며, 비 럭스의 감소는 기 감소와 최

종 감소로 구분하 다. 기 감소는 최 10 %감소시 까지의 시간으로 나타내

었고, 최종 감소는 30% 감소시 까지의 시간으로 나타내었다.

그림 3-2-14에 의하면, 비 럭스의 감소율 30% 기 으로 철염이 가장 효과

이었다. 황산반토, PACS, 염화철 각각의 결과가 6.9시간, 8.2시간, 8.8시간으로,

주입량이 상 으로 었던 철염의 경우가 가장 긴 시간동안 운 이 가능한

것으로 나타났다.

반면, 운 기의 막오염을 나타내고 있는 감소율 10%에 도달하는 시간은

염화철이 가장 짧아서 0.8시간으로 조사되었다. 철염은 막오염이 부분 기에

진행되고, 시간이 경과하면서 막오염이 거의 발생하지 않았다. 반면 알루미늄염

은 막오염이 시간에 따라 균일하게 진행되었다.

② 처리수 수질

막분리 공정이 처리수 수질에 미치는 향을 조사하기 해서 막분리 공정

유입/유출수의 수질을 표 3-2-5에 제시하 다. 처리수의 탁도는 응집제 종류

주입량에 계없이 0.04～0.06 NTU로 일정하 다. 비록 작은 폭이기는 하나 유

기물도 막분리 공정에 의해서 제거되는 것으로 나타났다. 실험에 사용된 분리막

은 0.01㎛로 유기물 제거에는 합하지 않은 것으로 상되었으나 6-28 %의 제

거율을 얻었다. 응집공정에 의한 유기물 제거율 향상과 함께 막분리 공정의 유

기물 제거율은 감소하 다.

막분리 공정에 의한 유기물 제거율 감소는 응집공정과 막분리 공정에 의해서

제거되는 유기물이 같은 종류인 것을 의미한다. 그러므로 응집공정에 의한 유기

물 제거율을 향상시키면 막분리 공정에 의한 유기물 제거율은 감소한다. 반 로

응집공정에 의한 유기물 제거율이 감소하면 막분리 공정에 의한 유기물 제거율

은 향상된다.

- 93 -

표 3-2-5. 막분리 공정에 의한 수질 개선

응집제 종류와

주입량

mg/L

탁도

NTU

UV254

cm-1

DOC

mg/L

Feed Perm. Feed Perm. Feed Perm.

황산반토

1 4.2 0.05 0.057 0.043 2.80 2.17

10 - - 0.051 0.043 2.36 2.09

125 - - 0.033 0.029 1.73 1.56

PACS

1 4.1 0.04 0.057 0.043 3.80 2.72

10 2.5 0.06 0.043 0.039 2.83 2.12

200 - - 0.034 0.032 1.82 1.66

염화철

1 4.0 0.04 0.060 0.043 2.26 1.83

10 2.7 0.06 0.048 0.039 2.23 1.95

60 1.6 0.04 0.029 0.028 1.04 0.98

- 94 -

③ 주 오염물질

시간에 따른 막간차압 증가율과 유입수의 오염물 농도 한 분리막에 의해서

제거된 오염물 농도와의 상 계를 조사하 다. 상 계는 DOC, UV254, 탁도

를 모두 조사하 고, 그림 3-2-15에는 UV254결과를 제시하 다.

그림 3-2-15에 의하면 막간차압 증가율과 유입 는 제거된 UV254 농도의

계가 R2 값이 0.95 이상의 높은 상 계를 나타내고 있음을 알 수 있다. 다른

수질인자인 DOC의 경우는 R2 값이 0.45와 0.36으로 낮게 나타났으며, 탁도의

경우 R2 값이 0.93으로 높게 나타났다.

이 결과는 유입수의 오염물 농도가 높을수록 막간차압의 증가율이 높아지고,

제거된 오염물은 막간차압에 향을 미친다는 것을 말한다. 조사결과 막오염에

는 유기물과 탁질 모두 요한 인자 다. 유기물은 DOC보다는 휴민산을 주로

나타내는 UV254가 막오염과 상 계가 더 높은 것으로 단된다.

R2 = 0.949

R2 = 0.9736

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0 5 10 15 20

The rate of pressure increase(kPa/h)

UV 2

54 of

feed a

nd rem

ove

d .

Feed

Removed

그림 3-2-15. 막간차압 증가율과 유입 제거된 UV254 농도

- 95 -

나. 침 공정이 없는 응집공정과 막분리 공정의 결합

본 연구에서 사용하고 있는 내경이 1㎜이내인 내압식 공사막을 응집 공정

과 결합하기 해서는 보통 응집에 의해 발생하는 록을 침 시켜 제거하여야

하며, 이에 한 연구결과는 에 설명하 다.

하나의 방법은 응집 록의 크기를 작게 하여, 록을 포함한 응집 처리

수를 모두 여과하는 것이다. 그 가능성을 보기 해 응집 록을 침 이나 필터

링을 하지 않고 바로 여과하는 실험을 수행하 다. 다만 기존의 응집공정과 달

리 록의 크기를 성장시키지 않고 일정 크기 이하의 록이 형성되도록 하기

해 완속교반 없이 속교반만으로 응집을 실시하거나, 원수 유입 라인(배 )

에 응집제를 주입하여 바로 여과하거나, 수산화물 입자를 형성하여 분리막표면

에 코 시키는 방법 등을 사용하 다.

마지막으로 록이 막표면에 쌓 을 때를 가정하여 그 록의 구조가 투수성

에 미치는 향에 하여 연구를 수행하 다.


(가) 실험 재료

① 원수

원수는 소규모 막분리 고도정수 랜트와 동일한 서울시내의 Y 정수장에서 취

수하 으며, 실험실 규모 실험 원수의 조건은 다음과 같다.

② 응집제

응집제는 알루미늄계 응집제인인 PACl(polyaluminum chloride)과 철계 응집

제인 염화철(FeCl3․6H2O)을 사용하 다. PACl은 2.04-10.2 mg/L as Al2O3의

농도로 변화시켰으며, 염화철은 3.2-13 mg/L as FeCl3의 농도로 변화시켰다.

- 96 -

표 3-2-6. 침 공정 없는 응집 처리 연구에 사용된 원수의 조건

항 목 범

탁도(NTU) 2 - 5

TOC(ppm) 2.3-2.9

UV254(cm-1) 0.029-0.036

pH 7.2-7.8

PC

Balance


Main Pump

Feed Reservoir

Stirrer

Permeate Reservoir

Permeating

Backwashing

Draining

Circulation Pump

Backwashing Pump

Membrane Module

Flow-meter

Feeding Pump

PACl

Mixing Tank

PC

Balance


Main Pump

Feed Reservoir

Stirrer

Permeate Reservoir

Permeating

Backwashing

Draining

Circulation Pump

Backwashing Pump

Membrane Module

Flow-meter

Feeding Pump

PACl

Mixing Tank

그림 3-2-16. 실험실 규모의 응집-한외여과 장치

- 97 -

(나) 실험 방법

① 자-테스트

원형자(1L)를 이용하 으며, 완속교반과 침 공정없이 속 교반만을 실시하

여 자-테스트를 수행하 다. 이때 교반강도는 58 - 461 s-1, 체류시간은 12 -

60분으로 변화시켰다.

② 막분리 혼성공정에서 응집조건

술한 소규모 랜트에 상응하는 장치로서 응집공정과 한외여과 공정이 결

합된 장치이다(그림 3-2-16). 응집은 크게 세 가지로 구분할 수 있다.

- 속교반

기 실험결과 선정된 G=350s-1의 굽속교반 조건으로 응집제와 원수를 혼화하

다. 침 조 없이 바로 여과를 수행하 다.

- 라인 혼화

혼화조까지 없이 원수가 유입되는 라인에 직 응집제를 주입하여 혼화시킨

뒤 바로 여과를 수행하 다.

- 속수산화입자 형성

응집제를 순수(ultra-pure water)에 희석한뒤 NaOH 용액을 이용하여 pH를

7.0 (±0.2)으로 조정하여 알루미늄 는 철 수산화물을 형성하 고, 이 슬러리

를 원수를 여과하기 에 분리막에 보내어 코 시켰다.

- 98 -

③ 막분리 공정 운 조건

분리막은 역시 폴리술폰 계열의 공사막을 사용하 다. PLC에 의해 여과와

역세척이 자동 으로 수행되었다.

럭스는 100LMH로 정유량운 을 하 고 막간차압이 0.7bar(70kPa)에 도달

하면 운 을 종료하 다. 십자흐름형 여과를 수행할 때에는 그 속도를 1m/s로

하 다. 역세척은 20분-1시간에 한번씩 1.6bar의 압력으로 실시하 다.

④ 록 구조와 비 항의 측정

록의 구조 특징을 탈의 개념을 도입하여 지표로 나타낸 랙탈 디멘

젼(fractal dimension)은 Malvern Mastersizer E를 이용하여 측정하 다.

막여과 성능의 지표인 이크 비 항은 회분식 비교반 셀(unstirred cell)을 이

용하여 Millipore PVDF 0.22㎛ 분리막으로 측정하 다.

- 99 -


(가) 기 실험 결과

최 주입량을 선정하기 해 PACl 주입량에 따른 유기물 제거율을 DOC와

UV254 흡 도를 지표로 살펴보았다.

그 결과 4.1 ppm as Al2O3까지는 비교 격히 제거되다가 그 이후로는 완

만히 제거되는 것을 알 수 있었다. 따라서 정 주입량으로 4.1 ppm을 선정하

다.

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10 12

PACl (ppm as Al2O 3)

DO

C (

mg/L

)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

UV2

54

(cm-

1 )

DO C

UV254

PACl 4.1ppm as Al2O3

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10 12

PACl (ppm as Al2O 3)

DO

C (

mg/L

)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

UV2

54

(cm-

1 )

DO C

UV254

PACl 4.1ppm as Al2O3

그림 3-2-17. 응집제 주입량에 따른 DOC, UV254 흡 도의 제거율

- 100 -

다음으로 혼화조에서의 교반강도(G 값)와 체류시간(HRT)에 따른 유기물 제

거율과 입자분포를 살펴보았다(그림 3-2-18, 3-2-19). 교반강도는 58 - 461 s-1,

체류시간은 12 - 60분으로 변화시켰다. 이와 같이 교반 조건을 변화시킨 이유는

교반 조건에 따른 유기물 제거율이나 입도 분포가 변하면 가장 한 교반 조

건을 선택하고자 함이었다. 그러나 그림에 나타난 로 교반조건에 따른 유기물

제거는 34 - 38%, 입도분포는 체로 30 -40 ㎛로 변화가 거의 나타나지 않았

다. 그래서 라인에 응집제를 주입하여 혼화하고 교반을 하지 않은 조건에

서 살펴본 결과 유기물 제거율은 33%정도로 큰 변화는 없었으나, 입도분포는

약 10㎛(그림 3-2-19 선)로 좀 더 작은 것을 알 수 있었다.

그래서 이러한 차이가 그래도 가장 큰 조건 둘을 선정하여 이에 하여 여과

실험을 수행하 다. 하나는 교반 강도 350 s-1, 체류시간 60분인 속 교반 조건

이고, 다른 하나는 라인 혼화만 하고 교반을 하지 않은 조건이다.

- 101 -

057.6

123.9

350.4

460.6

1215

3060

0

10

20

30

40

50R

em

ova

l of

UV254 a

bsorb

ance (

%)

G-value (s-1)

HRT (min)

Removal (%)

38

36

34

33

057.6

123.9

350.4

460.6

1215

3060

0

10

20

30

40

50R

em

ova

l of

UV254 a

bsorb

ance (

%)

G-value (s-1)

HRT (min)

Removal (%)

38

36

34

33

그림 3-2-18. 교반강도와 체류시간에 따른 UV254 흡 도의 제거율

Volu

me F

raction (

%)

Particle diameter (µm)

%

0

10

20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0

58 – 350 s-1 30 – 60min

0 s-1 12 min

Volu

me F

raction (

%)

Particle diameter (µm)

%

0

10

20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0

58 – 350 s-1 30 – 60min

0 s-1 12 min

그림 3-2-19. 교반강도와 체류시간에 따른 입도 분포

- 102 -

(나) 속교반과 라인 혼화에 의한 응집 효과

이와 같이 선정된 응집조건에서 여과 실험을 수행하 다. 우선 십자흐름형 여

과를 수행한 결과 여과 성능이 다음과 같이 나타났다.

일단 응집을 용하 을 경우 원수보다는 3 - 4 배정도 더 여과 성능이 향상

된 것을 알 수 있다. 한 라인 혼화(In-line coagulation)보다는 속교반

(Ordinary coagulation)에 의한 응집공정을 용하 을 경우가 조 더 여과 성

능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

막힘형의 경우에는 술한 로 공사 내부가 막히는 상이 발생하여, 모듈

을 수평으로 설치하고 양방향으로 역세척을 하도록 하 고 역세척 주기도 1시

간에서 20분으로 다. 그 결과 십자흐름형에서와 마찬가지로 원수에 비해 여

과 성능이 크게 향상되었고 라인 혼화보다는 속교반에 의한 응집공정이 더

효과 이었다 (그림 3-2-21).

그러나 이와 같이 여과 성능이 향상된 경우에도 공사가 약간씩 막히는 경

우가 있었다. 한번 막힌 공사는 회복되기 쉽지 않고 이러한 상이 지속되면

서 다른 공사의 부하가 커지게 되므로, 공사가 막히는 상을 근본

으로 막는 책이 필요하다.

- 103 -

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40

Filtration Time (hr)

TM

P (

kPa)

Raw water

PACl 4.08ppm(No agit.,12min)

PACl 4.08ppm(350/s, 60min)


그림 3-2-20. 십자흐름형 운 방식에서 응집조건에 따른 여과 성능의 변화

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60


TM

P (

kPa)

Raw water

PACl 4.08ppm(No agit.,12min)


그림 3-2-21. 막힘형 운 방식에서 응집조건에 따른 여과 성능의 변화

- 104 -

(다) 속 수산화물 입자 형성의 분리막 코 에 의한 효과

응집제를 기존과 같이 록을 형성하도록 하여 사용하지 않고 다른 방법으로

용하여 보고자 하 다. 알루미늄계 응집제인 PACl과 철염계 응집제인 염화철

은 그 자체로는 산성을 나타내며 용액 부분 이온상태로 존재한다. 이 때

이들의 pH를 체로 7이상으로 올리면 각 속의 수산화물 입자(hydroxide

particles)를 형성하게 되는데, 이를 그림 3-2-22와 같이 미리 분리막 표면에 쌓

이도록 하고 그 다음 원수만을 여과하는 방법을 채택하여 보았다. 이 게 하면

분리막 표면에 직 으로 쌓이거나 흡착할 수 있는 오염물, 특히 유기물들이

수산화물 입자의 표면에 쌓이거나 흡착하도록 할 수 있고, 역세척 수행시 이들

입자와 함께 털려나가도록 함으로써 비가역 인 막오염을 일 수 있을 것으로

기 하 다.

그 결과 그림 3-2-23, 3-2-24와 같이 막오염이 완화되는 효과를 나타내었다.

한 용존 유기물의 제거율은 같은 농도 PACl 용시 속교반이나 라인혼화

에 의한 제거율보다 더 높았다(표 3-2-7, 3-2-8). 여기서 PACl과 FeCl3의 농도

는 각각 Al2O3 FeCl3로 환산한 단 로서 PACl 4.1mg/L와 FeCl3 13mg/L는 같

은 당량에 해당하는 농도이다.

역세척

수산화물 입자

유기물

역세척

수산화물 입자

유기물

그림 3-2-22. 수산화물 입자의 분리막 코 시 막오염 완화 효과

- 105 -

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20


TM

P (kPa)

PACl 0 ppm(no coating)

PACl 1.0 ppm(coating)



그림 3-2-23. PACl을 이용한 분리막 코 시 막오염 완화효과

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20


TM

P (

kPa)

FeCl3 0 ppm(no coating)

FeCl3 3.2 ppm(coating)

FeCl3 6.5 ppm(coating)

FeCl3 13 ppm(coating)

그림 3-2-24. 염화철을 이용한 분리막 코 시 막오염 완화효과

- 106 -

표 3-2-7. 응집제 용방법 종류에 따른 유기물 제거율 비교

응집제 용방법 응집제 농도 UV254 흡 도 제거율

속교반 PACl 4.1mg/L 44.1%

라인혼화 PACl 4.1mg/L 44.1%

Precoating PACl 4.1mg/L 49.6%

FeCl3 13 mg/L 30.3%

표 3-2-8. 분리막 코 시 농도에 따른 유기물 제거율 비교

UV254 흡 도 제거율

PACl 1.0mg/L 27.3% FeCl3 3.2 mg/L 23.3%

PACl 2.0mg/L 38.8% FeCl3 6.5 mg/L 26.3%

PACl 4.1mg/L 49.6% FeCl3 13 mg/L 30.3%

1.E+11

1.E+12

1.E+13

1.E+14

1.E+15

10 100

Raw water

Al(OH)3 Particles

Fe(OH)3 Particles

Specific

cake

resis

tance

(m/k

g)

30 40 50 60 70

TMP (kPa)

1.E+11

1.E+12

1.E+13

1.E+14

1.E+15

10 100

Raw water

Al(OH)3 Particles

Fe(OH)3 Particles

Specific

cake

resis

tance

(m/k

g)

30 40 50 60 70

TMP (kPa)

그림 3-2-25. 원수와 각 수산화물 입자의 이크 비 항 측정값 비교

- 107 -

그런데 특이할 만한 은, 사용된 응집제의 농도가 커질수록 형성되는 수산화

물의 입자수가 많아져 유기물 제거율이 증가하는 분명한 경향을 보이는데도 불

구하고, PACl의 경우 그림 3-2-23에서 보듯이 응집제 농도가 증가할수록 여과

성능이 오히려 악화되는 경향을 보이는 것이다.

이와 같은 원인을 분석하기 해 수산화물 입자의 이크 비 항(specific

cake resistance)을 측정하여 보았다. 그 결과 다음과 같이 수산화 알루미늄 입

자의 비 항 값이 수산화 철입자의 비 항 값에 비해 약 1000배 정도 큰 것을

알 수 있다(그림 3-2-25).

이러한 비 항의 차이는 Al3+와 Fe

3+의 특성에 기인한 것으로서, 물분자를 이

들 속이온의 리간드로 볼 때, Al3+이 Fe

3+보다 물분자와의 친화력이 강하여

Al(OH)3의 수분 함유량이 더 많아지게 된다. 따라서 Al(OH)3는 Fe(OH)3보다

다공성(porosity)이 떨어지고 겔화된(gellated) 이크층을 형성하게 되어, 유기

물 제거율은 상승하나 여과에는 역효과를 일으키게 된다.

이를 다음 식을 이용하여 실제 으로 분리막에 용되는 항(Rc) 값으로 환

산하면 표 3-2-9와 같다.

Rc = αCVAm

α : 이크 비 항 C : 부유고형물(SS)의 농도

V : 여과수 부피 Am : 분리막의 유효막면

표 3-2-9. 수산화물 입자에 의한 실제 여과 항 해당 압력

실제 항 Rc 해당압력

PACl 4.1mg/L 1×1011m-1 3 kPa

FeCl3 13 mg/L 2×108m-1

<0.001 kPa

- 108 -

이때 평균 운 압력이었던 50 kPa을 기 으로 하여 볼 때, 수산화 철에 의

한 항은 0.001이하로 거의 무시할 만하나 수산화 알루미늄의 경우 약 3kPa정

도에 해당하여 막간차압을 상당히 증가시키는 원인으로 작용하 던 것을 알 수

있었다.

결국 수산화 알루미늄 입자는 유기물을 잘 제거하여 주기는 하나 입자 자체

의 항 때문에 막간차압을 증가시키게 되며, 이에 따라 PACl이 어느 농도 이

상이 되면 여과성능이 오히려 악화되는 것으로 분석된다.

요약하면 침 공정없이 응집공정과 분리막 공정을 결합하는 것은 충분한 가

능성이 있으며 응집 공정에 필요한 부지를 최소화 할 수 있다는 측면에서 장

이 크다. 그러나 응집 공정에서 조 큰 록이 형성되어 공사 내부가 한번

막힐 경우나 역세척시 갑자기 막히는 상등이 발생하면 분리막의 사용이 어렵

게 된다는 측면에서 험성이 있다. 실증 랜트 II에 용할 때에는 침 공정

을 고려하는 것이 안 할 것으로 단하 다.

- 109 -

(라) 응집 록의 구조가 막여과에 미치는 향에 한 연구

응집공정을 침 공정 없이 막분리 공정의 처리 공정으로서 도입할 때 그

공정의 향을 크게 두가지로 나 어 볼 수 있다. 하나는 분리막에 오염물로 작

용하는 용존 유기물이나 콜로이드성 물질이 응집에 의해 제거됨으로써 막여과

성능을 향상시키는 것이고, 다른 하나는 응집에 의해 새롭게 수 에 존재하

게 되는 응집 록이 막여과 성능에 향을 끼치는 것이다.

응집 록이 막여과 성능에 미치는 향은 주로 그 크기에 따라 분석된 것이

많았다. 그러나 크기만으로는 분석이 어려운 경우가 있어 다른 물리 특성을

더 살펴 야할 필요성이 있다.

본 연구에서는 응집 록의 크기 뿐 아니라 구조가 여과 성능에 어떠한 향

을 미치는지, 그 경향은 어떠한지 악하고자 하 다.

응집 록의 특성은 화학 측면과 물리 인 측면으로 나 어 볼 수 있다. 화

학 으로는 록의 구성요소나 하 그리고, 소수성 등에 따라 특징 지어지며,

이것은 입자나 유기물의 제거율에 향을 끼치된다. 물리 으로는 록의 크기

와 구조에 따라 특징지어지는데, 이것은 침 성이나 여과성능에 향을 끼치게

된다. 이러한 록의 구조는, 미경 등을 이용한 직 인 이미지로 분석할 수

도 있으나 침 성이나 잌 항, 그리고 탈 디멘젼을 지표로 하여 간

으로 살펴볼 수도 있다.

이상 인 탈은 어떤 길이 스 일이 변하여도 구조가 같은 것을 말한다.

즉 큰 체 인 구조나 아주 미세하게 쪼개진 구조나 동일한 것을 나타내는 것

이다. 그래서 self-similarity가 있다고 말한다.

응집 록의 경우 이러한 탈의 개념을 도입하여 구조를 설명하는 연구가

이어지고 있다. 실제 록의 경우 아주 미세하게 쪼개면 같은 구조 나오지 않는

다는 측면에서 이상 인 탈은 아니지만, 평균 이나 통계 으로

self-similarity를 가지기 때문에, 그 탈 디멘젼을 측정함으로써 록의 구조

를 숫자로 지표화 할 수 있다. 이러한 탈 디멘젼을 측정하는 방법은, 침천

속도를 측정하거나 이미지를 분석하는 방법 등이 있으나 이러한 이 산란을

이용한 SALLS(Small Angle Laser Light Scattering)방법을 용하면 쉽고 정

확하게 측정할 수 있다.

- 110 -

우선 교반강도와 시간에 해 실험하여 보았다(표 3-2-10).

황산반토를 사용하여 다음 표와 같이 교반 강도(rpm)를 변화시켜 가며 각각

3분간 교반하여 록의 크기 변화와 탈 디멘젼변화를 살펴보았다. 그러나

거의 변화가 없음을 알 수 있었다. 교반 시간을 1시간으로 늘려 충분한 교반 시

간을 주면, 교반 강도에 따른 록의 크기가 조 씩 변하나, 탈 디멘젼은

거의 일정하 다. 이러한 경향은 응집제로 염화철를 사용하 을 때에도 유사하

다.

다음은 응집제 종류와 주입량에 한 결과이다(그림 3-2-26).

응집제 주입량을 이와 같이 증가시킴에 따라서 염화철의 경우 록의 크기가

증가하나 황산반토의 경우 조 씩 감소하 습니다. 이것은 알루미늄 수산화물의

크기는 작고 철수산화물의 크기는 커서 주입량이 증가함에 따라 그 크기가 더

많은 향을 주기 때문이다.

다음으로 탈 디멘젼의 경우 응집제 주입량이 증가할수록 증가하 고 황

산반토보다는 염화철의 경우가 반 으로 더 큰 값을 나타내었다(그림

3-2-27).

표 3-2-10. 교반 강도와 시간에 따른 응집 록의 크기와 탈 디멘젼

- 111 -

• 8*10-5 mol/L = Alum 23.4ppm as Alum

= FeCl3 13.0ppm as FeCl3

0

20

40

60

80

100

Coagulant dose (*10-5mol/L)

Siz

e (

um

)

Alum

FeCl3

1.6 8 16 32

D(v,0.5)

• 8*10-5 mol/L = Alum 23.4ppm as Alum

= FeCl3 13.0ppm as FeCl3

0

20

40

60

80

100

Coagulant dose (*10-5mol/L)

Siz

e (

um

)

Alum

FeCl3

1.6 8 16 32

D(v,0.5)

그림 3-2-26. 응집제 종류와 주입량에 따른 록의 크기 변화

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Coagulant dose (*10-5

mol/L)

dF

Alum

FeCl3

그림 3-2-27. 응집제 종류와 주입량에 따른 록의 탈 디멘젼 변화

- 112 -

이와 같은 변화가 여과 항에 어떤 향을 끼치는지 살펴보기 해, 8×10-5

mol/L(Al3+, Fe

3+의 mol 농도)와 32×10

-5mol/L 두 응집제 주입량에서, 응집제

종류에 따라 이크 비 항을 측정하여 보았다(그림 3-2-28).

우선 염화철의 경우를 보면 응집제 주입량이 8×10-5 mol/L에서 32×10

-5

mol/L로 4배 증가할 경우, 록의 크기가 증가하 므로, Carman-Kozeny 식에

서 알 수 있듯이, 이크 비 항이 감소하는 것은 상할 수 있는 바이다.

그런데 황산반토의 경우 응집제 주입량이 증가함에 따라 록의 크기가 감소

하므로 이 Alum(32)가 비 항이 더 크게 나와야 하나, 거의 유사하게 오히려

약간 작게 나왔음을 알 수 있다. 응집제 주입량이 증가함에 따라 탈 디멘젼

이 감소하는데, 이것이 록의 크기가 감소함에 따라 비 항 값이 커지려는 것

을 막는, 즉 비 항이 작아지게 하는 방향으로 작용했기 때문이다. 즉 탈

디멘젼이 커지면 비 항이 감소하게 된다는 것을 시사한다.

1.E+12

1.E+13

1.E+14

10 100

Pressure (kPa)

Specific

cake

resist

ance (

m/k

g

Alum(8)

Alum(32)

FeCl3(8)

FeCl3(32)

그림 3-2-28. 응집제 종류와 주입량에 따른 이크 비 항 변화

- 113 -

다음은 pH의 변화에 따른 결과이다.

황산반토의 경우 pH가 4에서 8로 증가함에 따라, 이 세 응집제 주입량 모두

에서 증가함을 알 수 있었고 앞선 결과와 마찬가지로 응집제 주입량이 증가하

면 탈 디멘젼값도 증가하는 것을 재확인할 수 있었다.

염화철의 경우에도 pH 증가에 따라 체로 증가하는 경향이 나타나는데 pH

6이상에서는 거의 유사한 값을 보인다는 것이 특징이다.

록의 크기도 이크 비 항에 향을 미치는데, FeCl3의 경우 pH에 따라

증가하여 pH 6, 7, 8에서 유사한 크기를 가지며, 황산반토의 경우 pH 6부근에서

가장 작은 크기를 나타내었다(그림 3-2-31).

이와 같은 변화가 이크 비 항에 미치는 향을 살펴보았다. 체 으로

pH가 증가함에 따라 이크 비 항값이 감소하는 경향을 보이나 pH 5에서 제

일 높음을 알 수 있다. 이것은 40kPa에서 뿐아니라 30 - 60 kPa에 걸쳐 모두

같은 경향을 나타내었다. 록의 크기는 pH 6에서 가장 작으나 pH 4, 5에서 낮

아진 탈 디멘젼이 비 항을 크게 하는데 기여하 기 때문으로 생각된다(그

림 3-2-32).

염화철의 경우, pH가 증가함에 따라 체로 감소하는데 6이상에서는 거의 동

일함을 알 수 있다. 이러한 경향은 록의 크기 경향과 체로 일치하는데 pH

4, 5에서 Carman-Kozeny식에서 상한 것 보다 훨씬 비 항이 증가함을 알 수

있었다. 이것은 록의 크기도 작지만, 탈 디멘젼도 작아 항이 더 큰

이크를 형성하 기 때문으로 풀이된다.

결론 으로, 1시간 이내의 속 교반만을 실시한 본 실험에서 응집제의 종류

와 주입량, 그리고 pH가 탈 디멘젼에 향을 끼쳤는데, 록의 크기가 크면

비 항이 감소하고, 특히 탈 디멘젼이 큰 비교 집되어있고 구에 가까운

록일수록 이크를 형성하 을 때 비 항이 작은 이크를 형성하여 막여과

성능을 향상시키는 방향이 될 것이라고 생각할 수 있다.

실증 랜트 II에 침 공정이 없는 응집공정을 용할 경우, 록이 여과 특

성에 향을 미칠 수 있다. 그러나 이러한 사항들은 세계 으로도 연구가 진행

인 사항이므로 실제로 용할 때에는 고려를 하여야 할 것이다.

- 114 -

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3 4 5 6 7 8 9

pH

d F

Alum 23.4ppm

Alum 46.8ppm

Alum 93.6ppm

8*10-5mol/L

32*10-5mol/L

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3 4 5 6 7 8 9

pH

d F

Alum 23.4ppm

Alum 46.8ppm

Alum 93.6ppm

8*10-5mol/L

32*10-5mol/L

그림 3-2-29. 황산반토를 이용한 응집시 pH에 따른 탈 디멘젼의 변화

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3 4 5 6 7 8 9

pH

dF

FeCl3 13.0ppm

FeCl3 26.0ppm

FeCl3 51.9ppm

8*10-5mol/L

32*10-5mol/L

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3 4 5 6 7 8 9

pH

dF

FeCl3 13.0ppm

FeCl3 26.0ppm

FeCl3 51.9ppm

8*10-5mol/L

32*10-5mol/L

그림 3-2-30. 염화철을 이용한 응집시 pH에 따른 탈 디멘젼의 변화

- 115 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

3 4 5 6 7 8 9

pH

Partic

le s

ize(m

)

Alum 23.4ppmAlum 46.8ppm

Alum 93.6ppm

FeCl3 13.0ppm

FeCl3 26.0ppmFeCl3 51.9ppm

그림 3-2-31. 응집시 pH에 따른 록의 크기 변화

- 116 -

a

0

1

2

3

4

3 4 5 6 7 8 9

pH

(*10

13 m

/kg)

α

그림 3-2-32. 황산반토 응집시 pH에 따른 이크 비 항 변화(40kPa)

a

0

5

10

15

20

3 4 5 6 7 8 9

pH

(*10

13 m

/kg)

α

그림 3-2-33. 염화철 응집시 pH에 따른 이크 비 항 변화(40kPa)

- 117 -

2. 고도 산화 공정에 한 연구


여과 막분리 공정이나 응집 공정 등으로 제거하기 힘든 속이나 미량 유해

물질 등이 문제가 될 때 이를 효과 으로 제거할 수 있는 처리 공정에 하

여 연구하고 이를 실증 랜트 II에 용하기 한 최 조건을 선정하는데 있

다.

가. 염소/오존을 이용한 고도산화공정과 막분리공정


(가) 실험 재료

① 원수

구시내 한 정수장의 원수를 취수하여 사용하 다. 두 차례 측정한 원수의 조

건은 다음과 같다.

표 3-2-11. 고도 산화 공정 연구에 사용된 원수 조건

pH Fe Turb. Alkalinity Conductivity UV254

mg/L NTU mg/L μS/cm cm-1

Raw water A 7.2 0.0 4.9 16.7 73.6 0.025

Raw Water B 7.3 0.0 9.8 27.5 261 0.100

- 118 -

자료조사 결과에 의하면, 인근지역에서 철과 망간 농도가 재의 먹는 물 수

질기 인 0.3 mg/L를 과하는 경우는 일부의 지하수나 계곡수 원수에서 발견

되고 있다.

그러나 연구수행 인근 지역의 정수장 원수 에서 철/망간 농도가 재 수질

기 치인 0.3 mg/L를 과하는 원수시료를 채취하는데 제한이 있어, 실험실에

서 원수에 2가의 철과 망간을 소량 첨가하여 각각의 농도를 약 1.0 mg/L, 0.5

mg/L 수 으로 높여 실험을 수행하 다.

② 염소와 오존 주입량

염소의 농도를 0.5-7 mg/L as Cl2의 범 에서 변화시키면서 염소처리에 따

른 철과 망간의 제거효과를 평가하 다. 이 경우 원수의 pH는 원래 원수 pH인

7.0 부근에서 유지되었고 반응시간은 0-60 분의 범 에서 변화시켰다.

오존 주입농도에 따른 수용액 상의 순간 오존농도를 나타내는데 1.15, 2.50,

3.87 mg/L로 변화시키면서 실험을 수행하 다.

- 119 -


(가) 염소주입량에 따른 철과 망간의 제거율 변화

염소주입농도를 0.5 mg/L as Cl2이상을 유지한 경우, 반응시작 후 10분 동안

에 철의 제거율이 거의 선형 으로 증가하여 약 80%의 제거율을 보 고 최종

으로 60분 반응 후에 약 90%(잔류 철농도, 약 0.1 mg/L)의 철 제거율을 얻을

수 있었다(그림 3-2-34).

그러나 염소주입에 따른 철의 제거효율은 원수의 수질에 상당히 의존하고 있

음을 발견하 는데, 그림 3-2-35에서 보듯이 동일한 수원의 원수에 하여 시

기 으로 수질이 변화된 경우 염소주입에 따른 철 제거율은 상당히 다른 결과

를 나타내었다. 그림 3-2-35의 시료(A)와 시료(B)의 성분 에서 특별한 차이

를 보이는 것으로는 탁도, UV 흡 도, 경도 등이 찰되었는데 시료(B)의 경우

가 4-9배 정도로 높은 수 을 유지하 다. 결국, 원수 의 성분이 염소반응에

하여 철 제거에 상승효과를 일으키는 것으로 사료된다.

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8

Dose of Chlorine, mg/L as Cl2

Fe R

emov

al, %

Raw Water (A)

Raw Water (B)

그림 3-2-34. 원수에 따른 철 제거율 (반응시간: 60분)

- 120 -

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60

Time, min

Fe R

emov

al, %

1.88mg/L as Cl₂

3.62mg/L as Cl₂

6.83mg/L as Cl₂

(ㄱ) 원수 (A)의 철 제거율

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60

Time, min

Fe R

emov

al, %

0.5mg/L as Cl₂

1.0mg/L as Cl₂

2.0mg/L as Cl₂

3.0mg/L as Cl₂

(ㄴ) 원수 (B)의 철 제거율

그림 3-2-35. 여러 가지 염소 주입량에서 시간에 따른 철 제거율

- 121 -

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 20 40 60

Time, min

Res

idua

l Chl

orin

e, m

g/L

as C

l 2

1.88mg/L as Cl₂3.62mg/L as Cl₂6.83mg/L as Cl₂

(ㄱ) 원수 (A)에서의 잔류염소 농도

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60

Time, min

Res

idua

l Clo

rine,

mg/

L as

Cl 2

0.5mg/L as Cl₂1.0mg/L as Cl₂2.0mg/L as Cl₂3.0mg/L as Cl₂

(ㄴ) 원수 (B)에서의 잔류염소 농도

그림 3-2-36. 원수에 따른 잔류염소 농도 변화

- 122 -

망간의 경우, 원수 망간 농도가 약 0.5 mg/L가 되도록 첨가한 후 염소투입량

에 따른 망간의 제거효과를 살펴보았다(그림 3-2-37). 주입 염소량이 약 0.6

mg/L as Cl2가 될 때까지의 망간 제거율은 매우 미미하 으나 그 이상의 주입

량에서는 거의 선형 으로 증가하 으며 주입된 염소농도가 1.0 mg/L 이상에서

는 거의 완벽한 제거가 이루어졌다. 염소주입량 0.6 mg/L이하에서 매우 낮은

제거율을 보이는 것은 주입된 염소가 원수의 다른 성분에 의해 소모된 향으

로 단된다.

결국, 회분식 실험은 염소처리를 통해 철이나 망간을 효과 으로 제거할 수

있을 보여주었으나, 원수 수질의 변동, 즉 동일한 수원의 원수일지라도 시기

변동에 따라 염소 주입량에 따른 제거율이 크게 다르게 나타남을 알 수 있었다.

-20

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30

Time, min

Mn

Rem

oval

, %

1.0 mg/L as Cl₂

2.0 mg/L as Cl₂

3.0 mg/L as Cl₂

그림 3-2-37. 염소 주입량에 따른 망간 제거율

- 123 -

(나) 염소주입량에 따른 유기물의 제거율 변화

염소처리 과정에서 철 망간 이외에 본 연구의 주요 심 상이 되고 있는

자연산 유기물과 염소와의 반응정도를 살펴보기 해 UV254 흡 도 제거율도

검토해 보았는데(그림 3-2-38), 염소주입량이 증가할수록 UV254 흡 도 제거율

도 증가하여 5.23 mg/L as Cl2 염소주입에서는 70%에 가까운 제거율을 보 다.

즉, 철이나 망간의 제거를 해 주입된 염소가 원수 의 자연산 유기물과도

활발하게 반응하는 것을 알 수 있었다.

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60

Time, min

UV 2

54 R

emov

al, %

0.5mg/L as Cl₂

1.0mg/L as Cl₂

2.0mg/L as Cl₂

3.0mg/L as Cl₂

그림 3-2-38. 염소주입량에 따른 UV254 제거율

- 124 -

(다) 오존주입량에 따른 철과 망간의 제거율 변화

그림 3-2-39은 오존 주입농도에 따른 수용액 상의 순간 오존농도를 나타내는

데 오존 주입 농도가 1.15, 2.50, 3.87 mg/L이었을 때 수용액 상의 잔류 오존 농

도는 주입후 3분 이내에 거의 정상상태에 도달하여 평균 으로 각각 0.5, 1.0,

1.8 mg/L 수 을 하 다.

오존 주입에 따른 철 제거율을 살펴보면(그림 3-2-40), 잔류 오존농도가 낮은

경우에는 반응시간 5분 이내에 제거율이 격히 증가하여 70-80%의 높은 제거

율을 보 으나, 잔류 오존 농도가 1.8 mg/L로 증가한 경우에는 오히려 제거율

이 40% 정도수 으로 감소하 다.

이와 같은 경향성은 그림 3-2-41에서 보듯이 망간의 경우에도 유사하게 나타

났다. 고농도의 오존주입에서 반응시간이 경과되면서 잔류오존의 농도가 일정하

게 유지되는데도 불구하고 철과 망간의 제거율이 감소하는 이유는 다음과 같이

추측된다. 첫째, 오존이 원수 의 철, 망간 외에 자연산 유기물이나 콜로이드성

물질을 산화시켜 분해된 유기물들이 철이나 망간 이온과 착화합물을 형성하면

서 철 망간의 용해도가 증가하는 것으로 생각된다.

(라) 오존 주입량에 따른 유기물 제거율 변화

그림 3-2-42에서 오존처리로 인해 원수의 용존성 유기탄소 농도가 기 감소

하 다가 시간이 경과되면서 다시 증가하는 경향성을 보이는데 이것은 오존처

리 동안 입자성 물질이 용존성으로 일부 환되고 있음을 시사해주며, 이러한

용존물질이 철 망간과 착화합물을 형성할 수 있을 것으로 생각되었다.

- 125 -

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 5 10 15

Time, min

Ozo

ne C

once

ntra

tion,

mg/

L

Injection conc.=3.87mg/L



그림 3-2-39. 시간에 따른 오존 농도의 변화

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15

Time, min

Fe R

emov

al, %

Residual Ozone Conc.≒1.8mg/L



그림 3-2-40. 오존에 의한 철 제거율

- 126 -

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15

Time, min

Mn

Rem

oval

, %




그림 3-2-41. 오존에 의한 망간 제거율

0

1

2

3

0 5 10 15Time, min

DO

C, m

g/L



그림 3-2-42. 오존에 의한 DOC 변화

- 127 -

(마) 교반셀(stirred cell) 여과에서 철/망간의 염소산화에 따른

막투과특성 평가

철과 망간이 한외여과막의 투과특성에 향을 미치는 원인을 규명하기 해

교반셀 장치에 의한 회분식 실험을 수행하 다.

먼 , 원수의 막투과도를 측정하기 에 순수를 사용하여 기의 막투과도

를 측정한 후 실험이 수행되었고, 연속장치에서의 막투과 특성과 비교하기 해

연속실험에서의 철과 망간 주입농도와 동일한 농도일 경우와 10배의 농도가 주

입되었을 경우의 막투과 특성을 평가하 다. 각 실험 수행시 동일한 농도(5

mg/L as Cl2)의 염소를 주입하여 30분간 반응시켜 용존성의 철과 망간을 비용

존성으로 변환시킨 후 교반셀 여과장치로 0.5 bar의 운 압력에서 실험을 수행

하 다.

철 주입농도 1.0 mg/L, 망간 주입농도 0.5 mg/L이 각각 주입되거나 동시에

주입한 경우에 막의 투과특성을 살펴보았는데 체 으로 막의 투과도 측면에

서는 큰 차이를 보이지 않았다(그림 3-2-43 (ㄱ)).

즉, 철과 망간이 주입되었을 경우와 원수만 유입되었을 경우를 서로 비교해보

면 막투과도의 차이는 거의 변화가 없었다. 이것은 연속실험에서의 막투과도의

경향과 상치되는 결과를 나타낸다. 다시 말해서, 연속실험에서는 원수 의 철

과 망간 농도가 높은 경우에 막오염이 증가되었으나 회분식 실험에서는 막오염

의 심화 상을 찰하기 힘들었다.

회분식 실험에서 철과 망간의 산화처리에 따른 막투과 특성의 변화를 보다

명확히 살펴보기 해 철과 망간의 주입농도를 10배로 높여 실험을 수행하 으

며(그림 3-2-43 (ㄴ)), 그 결과 원수 단독으로 막을 투과하 을 경우보다 막투

과도가 오히려 증가하는 상이 나타났고(망간→철→철+망간 순으로), 철의 주

입량이 많을수록 막투과도가 보다 더 증가하는 것으로 나타났다.

이러한 원인으로 철/망간을 함유한 원수의 염소산화 처리로 인해 형성된

산화물 입자가 막오염 물질을 일으키는 자연산 유기물을 흡착하기 때문으로 추

측되었다. 다른 연구보고에 따르면 산화철 입자가 자연산 유기물을 매우 효과

으로 흡착할 수 있는 것으로 알려져 있다.

- 128 -

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Concentration Factor

Flac

tion

of In

itial

Flu

xRaw water onlyFe spikeMn spikeFe+Mn spike

(ㄱ) 철: 1.0 mg/L, 망간: 0.5 mg/L

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1 3 5 7 9 11


Frac

tion

of In

itial

Flu

x

Raw water onlyFe 5Fe 10Mn 5Fe 10, Mn 5

(ㄴ) 철: 10 mg/L, 망간: 5 mg/L

그림 3-2-43. 한외여과 비교반 셀에서 철/망간 농도에 따른 럭스의 변화

- 129 -

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13


UV 2

54 R

emov

al, %

Raw water onlyFe 5Fe 10Mn 5Fe 10, Mn 5

그림 3-2-44. 한외여과 비교반 셀에서 철/망간 농도에 따른 UV254 제거율 변화

- 130 -

결국, 소독부산물의 구체로서 막오염 물질로 작용하는 자연산 유기물의 제

거 특성을 살펴보기 해 투과수의 UV254 제거율을 측정하 으며(그림 3-2-44),

철과 망간이 주입되지 않은 상태에서 염소처리 후 한외여과를 수행한 경우에는

약 20%의 흡 도 제거가 가능하 다. 원수에 망간이 추가된 경우에는 약 40%,

철이 추가된 경우에는 약 50-65%의 흡 도 제거율을 나타내었으며, 철의 주입

이 많을수록 흡 도 제거율이 상승함을 알 수 있었다.

이는 산화된 철과 망간이 자연산 유기물에 해 흡착능력을 가지며 망간보다

는 철이 높은 흡착능력을 가지고 있으며, 원수 내에 철과 망간이 존재하는 경우

염소산화와 한외여과 공정을 통해 철, 망간 제거는 물론 자연산 유기물의 추가

인 제거에도 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 이러한 자연산 유기물

제거에도 불구하고 연속실험에서는 오히려 막오염이 가 되는 상은 여 히

추가 인 연구가 필요한 것으로 단되었고, 무엇보다 동일한 형태의 분리막 형

태를 이용한 비교평가가 요구되었다. 따라서, 교반셀이 아닌 공사막을 이용한

실험실 규모의 단일막 시스템을 구성하여 막투과 특성을 평가하고자 하 다.

- 131 -

(바) 염소산화로 형성된 산화물 입자 이크의 비여과 항 평가

염소처리에 의해 형성된 철과 망간 산화물 입자가 한외여과 시스템에 유입

되었을 때 막표면에서 이크층(cake layer)을 형성하게 되므로 이때 철과 망간

입자의 이크 특성을 알아보기 해 교반셀 장치를 이용하여 비 항 측정 실

험(specific cake resistance test)을 수행하 다(그림 3-2-45).

불용존성의 철 혹은 망간 입자 철/망간 입자가 공존하는 경우들에 하여

0.2 bar의 압력에서 이크층을 형성한 다음, 운 압력을 0.5-2 bar로 변화시키

면서 압력상승에 따른 투과수량을 측정하여 실험을 수행하 다. 교반셀 실험에

서는 철과 망간의 입자형성이 막투과도를 향상시키고 철이 망간보다 막투과를

크게 향상시키는 것으로 나타났으나 철과 망간이 이크 층을 형성할 때 여과

의 비 항값은 망간보다는 철이 더 크게 나타났으며 철과 망간이 같이 존재할

경우 비 항값이 훨씬 크게 나타났다. 이것으로 보아 망간이 존재할 경우 공

사막의 오염이 가 되는 이유는 이크 자체의 특성보다는 개별입자와 분리막

간의 상호작용에서 기인하는 것으로 단되었으며, 입자의 크기와 세공크기 간

의 상 성 산화물 입자와 막표면 간의 부착성( 를 들어, 비가역 부착) 등

에 한 추가 인 고찰이 요구되었다.

- 132 -

그림 3-2-45. 철과 망간 입자의 이크 비 항 (철 : 100 mg, 망간 : 100mg)

- 133 -

(사) 단일 공사막 여과실험에서 철과 망간, 입자성 물질의 향

염소처리에 의한 철과 망간의 산화가 한외여과막에 미치는 향을 규명하

기 해 연속운 실험장치를 축소한 실험실 규모의 단일 공사막 여과장치를

구성하 다(그림 3-2-46). 여과막은 연속실험에서 사용되는 공사형(hollow

fiber)의 한외여과막으로 막모듈을 제작하고 연속운 보다 더 빠른 압력상승 효

과를 야기하기 해 연속실험에서의 투과 럭스인 70 L/m2-hr보다 큰 120

L/m2-hr의 투과수량으로 운 을 하고 연속 인 압력상승효과를 해 실험도

에 역세나 세정 없이 연속 으로 원수를 계속 으로 주입하면서 시간에 따른

압력변화를 찰하 다.

그림 3-2-46. 단일막 한외여과 시스템의 장치도

- 134 -

그림 3-2-47 (ㄱ)에서 단일막 한외여과를 이용한 경우도 교반셀을 이용한 회

분식 실험의 결과와 유사하게 철/망간 입자가 주입된 경우가 막투과압력의 상

승을 완화시키는 것으로 나타났다.

탁도의 유무에 따른 향을 알아보기 하여 탁도가 20 NTU인 원수와 이 원

수를 0.45 ㎛의 여지를 통과한 투과수를 단일막 여과장치에 유입하여 시간에 따

른 압력변화를 비교하 으며, 탁도가 존재하는 원수와 여과를 통해 탁도물질을

제거한 여과수 각각에 철과 망간을 첨가한 후 염소 산화하여 탁도의 존재유무

에 따른 철과 망간의 산화물 입자 형성이 한외여과막에 미치는 향을 규명하

고자 하 다. 탁도물질을 제거한 경우에 상했듯이 체 으로 막투과 압력의

상승이 완화되었으며, 원수 주입의 경우와 유사하게 철/망간을 주입한 경우 막

투과 압력도 더욱 완만한 증가 경향성을 보 다.

- 135 -

0.0

0.5

1.0

1.5

0 100 200 300 400 500

Time, min

△P,

bar

RW only

RW + Fe/Mn + Cl₂

FW only

FW + Fe/Mn + Cl₂

(ㄱ) 럭스 : 120 L/m2-hr(폴리술폰 계열 막)

0.0

0.5

1.0

1.5

0 50 100 150 200 250 300 350

Time, min

△P,

bar

RW only

RW + Fe/Mn + Cl₂FW only

FW + Fe/Mn + Cl₂

(ㄴ) 럭스 : 150 L/m2-hr(셀룰로오스 계열 막)

그림 3-2-47. 단일 공사막 여과에서 철/망간 산화에 따른 압력변화

(철:1.0 mg/L, 망간:0.5 mg/L, 염소: 3 mg/L)

- 136 -

그림 3-2-47 (ㄱ)에서의 단일 공사막 여과실험은 막의 표면특성이 친수성인

폴리술폰계(polysulfone membrane)의 여과막으로서, 막에 특성에 의한 향의

여부를 확인하기 해 연속실험에서 사용된 여과막과 동일한 재질의 셀룰로오

즈계(cellulose acetate, CA)의 여과막으로 단일막 모듈을 제작하여 철과 망간에

의한 여과특성을 알아보았으며, 보다 빠른 막투과도의 변화를 알아보기 해 투

과 럭스를 CA막에서의 최 럭스인 150 L/m2-hr에서 운 을 하 다(그림

3-2-47 (ㄴ)).

운 을 한 결과, 투과 럭스의 증가로 인해 운 압력은 보다 빠르게 증가하

으나 체 인 경향성은 막의 재질에 의해 향을 받지 않았으며, 앞의 실험에

서의 결과와 동일하게 철과 망간입자는 오히려 막투과도를 증가시키는 것으로

나타났다. 결국, 산화처리로 형성된 입자가 막표면 단순히 축 되는 것으로는

막오염을 가 시킨다고 단되지는 않았다.

앞의 연속실험에서 철과 망간이 존재할 때, 특히 망간이 존재할 때 염소주입

에 의해서 운 압력이 상승함을 확인할 수 있다. 그러나 교반셀 실험과 단일막

여과실험에서의 결과는 연속실험과 상반되는 결과를 보여주고 있다. 회분식 실

험과 연속실험에서의 차이 을 확인한 결과 염소주입과 산화의 공정이 다른 것

으로 나타났다. 연속실험에서는 철과 망간의 소량첨가 후 원수주입 시 염소주입

펌 에 의해서 실시간으로 염소가 주입이 되는 반면, 회분식 실험에서는 철과

망간의 소량 첨가후 일정량의 염소를 주입하여 30분의 반응시간을 가진 후 막

투과를 한 원수유입이 이루어졌다. 그러한 이유로 회분식 실험에서는 철과 망

간이 소량 첨가된 원수가 한외여과 이 에 산화과정을 거치므로 한외여과막의

공경보다 큰 입자를 형성함으로써 한외여과막에 의해 배제되어 막의 투과도에

향을 미치지 않고 오히려 막투과도를 상승시키는 효과를 가져온 것으로 사료

된다.

따라서, 연속 실험에서 철/망간의 산화처리 후 막오염이 증가되는 원인으로는

실시간으로 염소가 주입됨에 따라 철에 비해 산화속도가 느린 망간이 한외여과

막을 통과하여 산화가 이루어짐에 따라 여과막에서 산화하여 막투과도의 감소

를 유발하거나, 여과막 투과후 형성된 망간산화물이 역세과정에서 막표면과 강

하게 부착하는 비가역성에서 유발하는 것으로 유추되었으며 보다 명확한 원인

규명을 하여 추가 인 연구가 요구되었다(그림 3-2-48).

- 137 -

그림 3-2-48. 염소주입시 망간산화에 의한 막오염 상 메커니즘

- 138 -

(아) 실시간 염소주입에 따른 막투과도의 향

연속실험에서 철과 망간 존재시 염소산화에 의해서 막투과도에 감소가 일어

났으며, 그 망간이 존재할 때 운 압력이 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

한 회분식 실험에서 망간에 의한 산화물이 막오염에 향을 미치는 것을 유

추할 수 있었으며, 단일막 여과실험에서 실시간으로 염소를 주입되었을 때 망간

이 존재하는 원수의 염소산화에 따른 막투과도의 향을 알아보았다. 탁도에 의

한 향을 배제하기 해 0.45 ㎛의 여과지를 통과한 투과수를 유입원수로 하

으며, 원수의 주입과 동시에 염소를 3-5 mg/L as Cl2의 농도로 주입하여 염소

산화에 따른 망간의 향을 투과 럭스를 변화시키면서 알아보았다. 한 과량

의 염소를 주입하면서 반응시간을 길게 하 을 때의 막투과도 변화를 확인하

다(그림 3-2-49).

실시간 염소주입이 이루어졌을 때 망간의 산화에 의한 한외여과 운 압력의

변화는 차이 을 보이지 않았다. 이것은 120 L/m2-hr에서 150 L/m

2-hr로 투과

럭스를 다르게 한 반복 실험과 반응시간을 연속장치에서의 체류시간과 같은

10분을 주었음에도 불구하고 운 압력의 큰 변화를 보여주지는 못했다.

염소산화에 의해 산화가 이루어진 망간의 입자는 한외여과막에 의해 제거가

되었으며, 이때 염소에 의한 망간산화물은 교반셀 실험과 이크 여과 항의 실

험결과에서 보여주었듯이 막투과도에 향을 미치지 않았던 것으로 보여진다.

그러나 막투과 이 에 산화가 이루어지지 않고 투과된 망간은 막을 통과함으로

써, 앞의 가정에서와 같이 여과막 내부에서 망간의 산화로 인한 막투과도의 감

소에 한 향은 없었던 것으로 사료된다.

- 139 -

0.0

0.4

0.8

1.2

0 2 4 6 8 10

Time, hr

△P

, bar

FW+3 Cl₂;120 LMHFW+0.5 Mn+3 Cl₂;120LMHFW only ;150 LMHFW+0.5 Mn+5 Cl₂;150 LMHFW+0.5 Mn+20 Cl₂, RT 10min

그림 3-2-49. 단일 공사막 장치에서 실시간 염소주입에 따른 여과압력의

변화(반응시간 : 2분)

- 140 -

(자) 염소 시간에 따른 망간산화물의 입자크기에 의한 향

앞의 실시간 염소주입 실험에서는 염소와의 반응시간이 2분 미만인 경우와

연속실험과 같은 10분에서의 운 압력의 변화에 해 알아보았으며, 염소 시

간에 따른 망간산화물의 입자크기 변화에 의한 향을 비교하기 해 보다 확

실한 실험이 수행되어졌다.

실시간 염소주입에 사용된 원수의 탁도가 20 NTU, UV254 흡 도가 0.06 cm-1

로써 배경물질의 농도가 높은 원수를 이용하여 실험이 수행되었으며, 염소에 의

한 망간의 산화에 있어서 배경물질로 인해 0.45 ㎛로 여과한 후의 제거율이 서

서히 증가하는 결과를 나타내었다. 그림 3-2-50는 망간이 0.5 mg/L을 소량 첨

가한 원수에 염소를 5 mg/L as Cl2의 농도로 주입하 을 때 시간에 따른 제거

율을 보여주고 있다.

망간의 염소 시간에 따라서 제거율은 서서히 증가하 으며, 이것은 시간에

따라서 망간의 입자크기가 다르게 형성됨에 따른 제거율 증가로 생각되어졌다.

시간에 따른 망간의 제거율은 염소와 4시간 반응시켰을 때의 제거율이 약

40%, 10시간 반응시 약 70%의 제거율을 보이고 있으며, 원수에 망간이 첨가되

어 있을 경우 다른 반응시간을 가지면 막투과도가 어떠한 차이를 보이는가에

한 실험이 수행되어졌다.

망간이 소량첨가된 원수에 염소를 주입하여 4시간 반응 후 단일막 한외여과

에 연속 으로 유입을 시켰으며, 다른 하나는 염소와 10시간 반응 후 유입을 시

킴으로써 망간이 소량첨가된 원수의 염소 시간에 따른 막투과압력을 지켜보

았다(그림 3-2-51).

만약 염소에 의한 망간산화물이 시간에 따라서 다른 입자를 이룬다면, 반응시

간을 달리하 을 때 단일막 한외여과에서의 다른 막투과도가 일어날 것으로 기

하 다. 그러나 반응시간을 달리한 원수를 각각 유입하 음에도 불구하고 막

투과압력의 변화는 일어나지 않았으며 이것은 염소에 의해 산화가 이루어진 망

간의 입자는 막투과도에 향을 미치지 않는다는 것을 보여주고 있으며, 막투과

도에 향을 미치는 것은 한외여과막을 통과한 망간에 의한 향으로 짐작할

수 있었다.

- 141 -

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12Time, hr

Mn

rem

oval

, %

그림 3-2-50. 염소 산화시 시간에 따른 망간 제거율

(망간 : 0.5 mg/L, 염소 : 5 mg/L)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 2 4 6 8 10

Time, hr

Pre

ssur

e, b

ar

oxidation for 4 hr

oxidation for 10 hr


(반응시간 : 2분, 망간 : 0.5 mg/L, 염소: 5 mg/L)

- 142 -

(차) 단일막 한외여과에서 역세에 의한 향

연속 실험에서 철/망간의 산화처리 후 막오염이 증가되는 원인으로는 실시간

으로 염소가 주입됨에 따라 철에 비해 산화속도가 느린 망간이 향을 미치는

것으로 나타났으나 여과막 내에서의 산화로 인한 막투과도 감소유발 향은 발

견하지 못했으며, 반응시간에 따른 망간에 입자크기에 의해서도 향을 받지 않

음에 따라 역세에 의한 막투과도 감소를 규명하고자 연속실험과 동일하게 역세

와 세정을 한 장치를 구성하 다. 운 조건은 연속실험과 같이 투과

(permeation) 39분 40 , 역세(backwash)와 세정(flush)을 3 -30 -3 의 순으

로 수행하 으며, 역세는 질소가스를 이용하여 1.5 bar의 압력으로 장조의 투

과수를 이용하여 실시하 다.

그림 3-2-52는 원수를 0.45 ㎛의 여지에 통과시킨 여과수(0.45 ㎛-MF

permeate; FW)를 이용하여 망간이 소량 첨가되었을 때 염소를 주입하거나 주

입하지 않았을 때의 역세에 의한 향을 알아본 결과이다.

망간이 첨가되어 있지만 염소주입이 이루어지지 않았을 경우(FW+0.5 Mn) 약

48시간 경과 후에도 운 압력의 상승은 이루어지지 않았으며, 앞의 실험결과와

비교해볼 때, 역세의 향으로 인해 장시간 운 에도 압력상승이 일어나지 않는

것으로 나타났다. 그 반면 망간이 첨가된 원수에 염소주입을 실시한 실험

(FW+0.5 Mn+3.0 Cl2)에서 염소주입이 이루어지지 않을 때는 압력상승이 일어

나지 않다가 염소주입을 실시하자 운 압력이 상승하 다.

- 143 -

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 20 40 60 80Time, hr

Pre

ssur

e, b

ar

FW+0.5 Mn

FW+0.5 Mn+3.0 Cl₂

Chlorine Dose,3.0 mg/L as Cl2

그림 3-2-52. 단일 공사막에서 역세척과 세정이 압력에 미치는 향

- 144 -

막오염은 압력상승 외에도 모듈외부에서의 향을 직 볼 수 있었는데, 망간

산화물로 인해 한외여과막이 갈색으로 변하 으며, 이러한 상은 원수의 유입

측에서 일어나는 것이 아니라 역세수의 유입 측에서부터 일어나는 것으로써 연

속실험에서도 같은 상을 발견할 수 있었다. 보다 확실한 상을 규명하기

해 실험 의 한외여과막과 역세에 의한 실험 후의 한외여과막 표면을

SEM(Scanning Electron Microscope) 측정을 실시하 다(그림 3-2-53, 3-2-54).

실험 의 한외여과막의 표면은 깨끗한 반면, 실험 후의 한외여과막의 표면은 염

소에 의한 망간의 산화와 유기물과 같은 배경물질 등이 쌓여있음을 볼 수 있다.

한 여과막 투과 후의 한외여과막 내부는 물론 한외여과막의 외부에도 망간의

산화물이 축 되어 있는 것을 볼 수 있으며, 이것은 한외여과막으로 통과한 후

생성된 망간산화물로써 역세과정에서 한외여과막에 부착하거나 여과막의 세공

외부로 유입하여 막오염을 유발시키는 것으로 사료되어진다.

이 실험의 결과를 통하여 여과막 투과 후 형성된 망간산화물이 역세과정에서

막표면과 강하게 부착하는 비가역성에서 유발하는 것으로 나타났으며, 망간의

제거를 해서는 한외여과막을 통과한 입자의 여과막 외부로의 오염을 막기

해 한외여과막의 유입 에 충분한 산화가 요구되어져야 할 것으로 사료된다.

통상 으로 역세는 막의 운 기간을 늘여주는 최선의 방법으로 알려져 있으며,

한 염소를 이용하여 막세정의 효과를 동시에 하는 경우가 있으나23),24), 유입

원수 산화속도가 느린 망간이 유입되었을 경우에는 오히려 역세에 의해 막

오염이 유발될 수 있으므로 제거와 막오염 제어라는 두 가지 측면을 동시에 고

려한 처리 방법을 선택해야 할 것이다.

- 145 -

a) skin layer × 3,000 b) skin layer × 2,000

c) out layer × 7,000 d) out layer × 8,000

그림 3-2-53. 단일 공사 한외여과막 실험 SEM 이미지

- 146 -

a) skin layer × 5,000 b) skin layer × 7,000

c) out layer × 5,000 b) out layer × 7,000

그림 3-2-54. 단일 공사 한외여과막의 역세척과 세정 실시 후 SEM 이미지

- 147 -

1,2년도의 소규모 연속장치의 실제 정수장 장에서의 운 과 실험실에서의

원인규명 등의 운 결과를 바탕으로 스 일-엎을 한 운 변수와 한 운

조건을 악할 수 있었다. 우선 십자흐름 운 방식과 막힘형 운 방식을 비교할

때 동일한 역세척 조건에서 유입수 에 소량첨가된 철/망간의 염소산화처리

용유무 계없이 운 방식에 따른 특별한 차이를 발견할 수 없었다. 따라서

에 지 소모율 감 측면에서는 막힘형 운 방식을 선택하는 것이 바람직한 것

으로 단되었다. 철/망간 에서는 망간이 막오염에 보다 크게 향을 미치는

것으로 나타났으므로 원수 망간이온이 존재하는 경우에는 보다 효과 인 역

세척 조건(40분이하의 역세척주기, 1분이상의 역세시간) 등이 요구됨을 알 수

있었다. 산화처리를 한 염소주입 농도는 철의 경우는 산화가 잘 이루어져 1

mg/L정도에서도 만족할 만한 수질을 확보할 수 있었으나, 망간의 경우는 최소

3 mg/L이상의 염소가 주입되어야 망간의 산화가 이루졌다. 따라서 원수 의

망간 농도를 고려하여 정 염소주입농도를 고려하야 할 것이며 철과 망간 모

두를 효율 으로 제거하기 해서는 최소 3 mg/L이상의 염소가 주입되어야 함

을 알 수 있었다. 한편, 원수 의 탁도(100 NTU 이내에서)는 상과 달리 연

속운 동안 막오염에 별다른 향을 미치지 않는 것으로 나타났으므로, 운 조

건을 결정하는 주요 변수로 고려되지 않아도 될 것으로 생각되었다. 특히,

한 처리 과정을 거칠 여과에서 탁도물질을 제거할 수 있을 경우 상 으

로 탁도물질은 주요 운 변수가 되지 않을 것으로 단되었다.

- 148 -

나. 균일계 매를 이용한 고도 산화 공정

미량 유해물질을 제거할 수 있는 여러 가지 고도 산화 공정 에서, UV나

기타 에 지원을 필요로 하는 공정은 에 지가 많이 든다는 단 때문에 배제

를 하 고, 과산화수소와 매를 이용한 공정을 선정하 다. 매는 균일계

매와 비균일계 매가 있는데, 부분의 경우 비균일계 매를 사용하나 표면

반응에 의존하므로 반응성이 낮아지는 경향이 있다. 따라서 균일계 매를 사용

하여 반응성을 높이고자 하 다.


(가) 실험 재료

① 원수

원수는 한강원수로서 응집실험시 사용한 한강원수와 같은 것을 사용하 다.

그리고 사 실험에서는 순수한 물에서의 산화반응을 알아보기 하여 3차증류

수에서 실험을 하 다.

② 매

사용한 매는 Iron(III) - tetrasulfophthalocyanine (Fe(III)-TsPc)으로서 다음

과 같은 구조를 가지고 있으며, 가운데 있는 Fe와 리간드의 역할에 의해 과산

화수소로부터 활성종인 라디칼을 생성할 수 있도록 하여 다(그림 3-2-55).

- 149 -

③ 제거 상물질

제거 상인 미량유해물질은 환경호르몬의 일종인 비스페놀-A (Bisphenol　A ,

4,4-Isopropylidened diphenol)를 선정하 다(그림 3-2-56). 이것은 음료수캔의

내부코 재, 커텐의 방염처리제 등으로 사용되는데, 국내에서도 연간 사용량이

연간 61,287톤/연에 달하며, 실제로도 하천지류, 캔음료 등에서 수십 ppb 단 로

검출된 바가 있으며, 과량 노출될 경우 생식기능장애유발, 발암물질, 백 병유발

등의 험성이 보고되고 있다.

산화되고 남은 비스페놀-A를 HPLC를 이용하여 분석하 다. 이때 과산화수소

에 의한 산화반응을 지시키기 해 0.1M의 Na2SO3를 주입하 다.

Fe N

SO3 -N

SO3 -

N

SO3 - N

SO3 -

NN

NN

그림 3-2-55. 산화반응의 균일계 매 하나인 Fe-TsPc

OH OH

그림 3-2-56. 환경호르몬의 일종인 비스페놀-A

- 150 -

(나) 실험 조건

반응물질 비스페놀-A와 매 Fe-TsPc 그리고 산화제인 과산화 수소등의 조

건은 다음과 같다. 과산화수소에 의한 산화반응을 지시키기 해 Na2SO3를

주입하 다.

표 3-2-12. 균일계 매를 이용한 실험의 반응 조건

3.5 –6.6pH

20 mL-Reaction volume

50 μL(from 0.1M stock sol’n)

Na2SO3

Quenching reagent

50 μL (from 0.035% stock

sol’n)

H2O2Oxidant

Bisphenol – A(BPA)

4 ppm (4.1 μM)Fe - TsPcCatalyst

2 ppm (8.8 μM)Reactant

3.5 –6.6pH

20 mL-Reaction volume

50 μL(from 0.1M stock sol’n)

Na2SO3

Quenching reagent

50 μL (from 0.035% stock

sol’n)

H2O2Oxidant

Bisphenol – A(BPA)

4 ppm (4.1 μM)Fe - TsPcCatalyst

2 ppm (8.8 μM)Reactant

- 151 -

(2) 연구수행 내용

(가) 매 종류에 따른 성능 평가

와 같은 매의 선정을 해 우선 으로 다음의 실험을 수행하 었다. 의

Fe-TsPc와 유사한 구조를 가지고 있으면서 렴한 Cu(II)-TsPc, Ni(II)-TsPc

와 비교하 다. 250mL 비커에 비스페놀-A의 농도는 2ppm, 매의 농도는 각각

4ppm, 과산화수소는 3.5% 50㎕를 주입하고, pH를 3.5로 하여 충분히 교반하며

실험을 수행하 다.

Fe(III)-TsPc의 경우 1분 이내의 빠른 시간 안에 거의 완 한 분해가 이루어

졌으나, Cu(II)-TsPc, Ni(II)-TsPc는 설정한 2시간 이내에 거의 분해를 하지 못

함을 알 수 있다. 더구나 Fe(III)-TsPc의 경우 남은 것을 재사용하여 다시 비스

페놀-A를 분해시켰을 때 2시간에 90%에 가까운 분해율을 보 다. 따라서 효율

이 뛰어난 Fe(III)-TsPc를 사용하되 경제성을 고려하여 재사용하는 방안을 강

구하는 것을 좋을 것이라 단하 다.

표 3-2-13. Fe(III)-TsPc, Cu(II)-TsPc, Ni(II)-TsPc의 제거효율 비교

제거율(%)

1분 30분 1시간 2시간

Fe(III)-TsPc ～100 - - -

Fe(III)-TsPc (재사용) 0 73 81 89

Cu(II)-TsPc 0 0 2 4

Ni(II)-TsPc 0 0 0 1

- 152 -

(나) pH에 따른 산화효율 평가

다음은 pH에 따른 비스페놀-A의 분해율을 나타낸 것이다(그림 3-2-57).

pH가 4.2, 3.5 와 같이 낮은 역에서만 산화에 의한 분해가 잘 일어남을 알

수 있다. 이것은 매인 Fe(III)-TsPc가 pH가 높을 때는 다이머(dimer)형태가

되어 활성이 떨어지기 때문이다(그림 3-2-58).

따라서 이와 같은 Fe(III)-TsPc와 과산화 수소를 이용한 고도 산화를 용하

기 해서는 pH를 낮추었다가 다시 높여야 하는 부담을 안게 된다.

실증 랜트 II에 용하기 해서는 좀더 방법을 개선해야 할 것으로 보이나,

처리하기 어려운 미량유해물질에 한 처리 효율이 높은 공정이다. 따라서 pH

를 조 하는 공정을 후단에 설치하더라도 이러한 공정을 용을 하는 것을

고려해 볼 수 있을 것이다.

- 153 -

Time (sec)

0 20 40 60 80

BPA

conc

entra

tion

(ppm

)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

pH 6.6pH 5.5pH 4.3pH 4.0

그림 3-2-57. pH에 따른 비스페놀-A의 분해

Wavelength (nm)

580 600 620 640 660 680 700 720

Abs

orba

nce

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

pH 5.5pH 4.3pH 4.0pH 3.8pH 3.2

Monomeric peak

Dimeric peak

Wavelength (nm)

580 600 620 640 660 680 700 720

Abs

orba

nce

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

pH 5.5pH 4.3pH 4.0pH 3.8pH 3.2

Monomeric peakMonomeric peak

Dimeric peakDimeric peak

그림 3-2-58. pH에 따른 다이머와 모노머 비율 변화

- 154 -

3. 흡착 공정에 한 연구


여과 막분리 공정이나 응집 공정 등으로 제거하기 힘든 미량 유해 물질 등이

문제가 될 때, 물리 인 흡착을 하는 활성탄 등이 미량유기물뿐만 아니라 자연

산 유기물을 제거하는데 효과 이므로, 이를 처리 공정으로서 연구하고 실증

랜트 II에 용하기 한 최 조건을 선정하는데 있다. 때로 활성탄 입자가

막오염에 악 향을 끼칠 수 있다는 보고도 있기 때문에 이에 한 것도 검토하

여야 한다.

가. 활성탄에 의한 흡착공정과 막분리 공정의 결합


활성탄 처리를 한 분말활성탄(PAC)의 종류와 주입량을 선정하기 한

실험을 수행하 다. 이를 바탕으로 한외여과와 결합한 여과실험을 수행하 다.

한 최근 이슈가 되고 있는 환경호르몬 하나인 에스트라디올을 상으로

하여 미량유해물질의 제거 성능을 살펴보았다.

(가) 실험 재료

① 원수

원수는 한강원수로서, 소규모 막분리 고도정수 랜트와 동일한 서울시내의

Y 정수장에서 취수하 으며, 그 조건은 다음과 같다(표 3-2-14).

② 활성탄

활성탄은 Norit사의 두 가지 종류의 상업용 분말활성탄과, Calgon사의 두 가

지 종류의 상업용 분말활성탄을 이용하 다. 이후 자를 A1, A2, 후자를 B1,

- 155 -

B2로 표기하기로 하겠다. 주입량은 정수처리용으로 사용되는 일반 인 주입량

을 고려하여 5 - 40mg/L로 선정하 다.

③ 상물질

원수내 자연산 유기물은 막오염을 일으키는 주요요인 하나이며, 염소소독공

정과 결합시 소독부산물을 생성하는 문제를 낳는다. 따라서 이에 한 제거유을

살펴보았으며, 유기물 제거율의 지표로서 UV254 흡 도를 살펴보았다.

미량유해물질인 에스트라디올은 동물실험 결과 발암성 가지는 것으로 나타났

으며, 의약품, 유류, 병원폐기물에서 배출될 수 있다(그림 3-2-59). 비교 소량

사용해 부분의 선진국에서도 아직 규제물질은 아니나, 경고물질로 선정되어

있다.

이러한 물질은 매우 미량 존재하므로 미량 분석이 필요한데, 이를 해 방사

성 동 원소를 이용하여 분석하 다. 즉 방사성 동 원소인 3 수소(tritium,

3H)가 라벨된 2,4,6,7

3H-estradiol을 이용하여 흡착 실험을 수행하고 이를

LSC(Liquid Scintillation Counter, 액체섬 검출기)를 이용하여 분석함으로써

ppb단 의 미량분석이 가능하 다.

- 156 -

표 3-2-14. 활성탄 흡착 공정 연구에 사용된 원수의 조건

항 목 범

탁도(NTU) 2 - 4

TOC(ppm) 1.6-1.8

UV254(cm-1) 0.022-0.024

pH 7.2-7.6

C H3O H

OH C18H24O2

M.W. : 272.37 g/mol

C H3O H

OH C18H24O2

M.W. : 272.37 g/mol

그림 3-2-59. 환경호르몬의 일종인 에스트라디올

- 157 -

(나) 실험 방법

그리고 다음과 실험장치를 통해 여과실험을 수행하 다. 이 때 여과 방식은

십자흐름형을 채택하 다.

Overflow

U F

Feed Tank

Transducer

Permeate Reservoir

PAC slurry

Balance

Feeding Pump

Circulation Pump

Backwashing Pump

BleedMixing Tank

Overflow

U F

Feed Tank

Transducer

Permeate Reservoir

PAC slurry

Balance

Feeding Pump

Circulation Pump

Backwashing Pump

BleedMixing Tank

그림 3-2-60. 실험실 규모의 한외여과 활성탄 처리 장치

- 158 -


(가) 활성탄에 의한 유기물 제거와 여과성능 향상

우선 활성탄 처리시 혼화조에서의 한 체류시간이 어느 정도인지 알아

보기 해 시간에 따른 유기물 제거를 살펴보았다. 이것은 분말활성탄 A2를 기

으로 하 고 가장 작은 주입량은 5mg/L와 가장 큰 주입량인 40mg/L를 살펴

보았다(그림 3-2-61).

그 결과 와 같이 5mg/L의 경우 약20분, 40mg/L의 경우 약 40분에 도달하

면 거의 일정한 제거율에 도달함을 알 수 있었다. 물론 더 장기간의 시간이 경

과하면 제거율이 상승하지만 분리막공정의 처리 공정으로 사용되는 것인 만

큼 실질 인 시간을 주고자 하 으므로 이와 같이 비교 짧은 시간을 선

택하 다.

따라서 이후에는 혼화조에서의 시간을 모두 1시간으로 일정하게 하고 활

성탄의 종류에 따른 제거율을 살펴보았다.

그 결과 그림 3-2-62에서 보는 바와 같이 A2가 가장 약 50%로 제거 효율이

가장 높았고, A1이 30%장도로 가장 낮았다.

그림 3-2-61. 활성탄 주입시 혼화조에서의 시간에 따른 유기물 제거율

- 159 -

(ㄱ)

(ㄴ)

그림 3-2-62. 활성탄 종류에 따른 유기물 제거율의 변화

- 160 -

그림 3-2-63. 분말활성탄(A1, 40mg/L) 용 시 여과성능의 변화

가장 효율이 낮은 A1을 분리막 공정과 결합하여 여과 성능을 살펴본 결과 다

음과 같다.

제거 효율이 낮은 활성탄임에도 불구하고 유기물 제거에 의한 여과 성능은

약 2배 이상 향상되었음을 알 수 있다(그림 3-2-63).

자연산 유기물은 크게 두가지로 나 수 있는데, 하나는 소수성으로서 소수성

에 해당하는 분리막에 잘 흡착되는 것이고 다른 하나는 친수성으로서 비교

막오염을 덜 일으키는 것이다. 활성탄에 의한 유기물 제거율이 30%정도 밖에

안되지만 활성탄에 의해 우선 제거되는 유기물은 막오염을 주로 일으키는 소

수성 유기물이다. 따라서 막오염을 완화시키는 효과가 매우 큰 것이다.

그러나 분말활성탄은 물에 균일하게 용해되는 것이 아니라 불균일한 슬러리

형태가 되며, 간헐 인 주입시 밸 의 걔폐가 필요하 는데, 오랜 기간 사용하

면 활성탄 입자가 밸 의 개페에 악 향을 끼치는 것을 알 수 있었다. 이러한

입자성 물질이 포함된 용액을 한 특수한 밸 를 사용하여야 함을 알게 되었

다.

분말 활성탄의 주입에 의한 활성탄 흡착 공정은 실증 랜트 II에 바로 용가

능한 비교 간단한 공정이다. 와 같은 사항에 주의하여, 응집 공정에 의해

잘 제거되지 않는 유기물이나 미량 유해물질이 있을 경우 바로 용 가능하다.

- 161 -

(나) 활성탄에 의한 환경호르몬의 제거 연구

활성탄 흡착 실험을 수행하기 앞서, 흡착되고 남은 에스트라디올 농도를 측정

하는데 문제 을 해결하고자 하 다. 시료 채취 후 분말활성탄을 필터로 제거하

는 과정에서 약 20%정도의 estradiol이 필터기구에 흡착되어 오차가 발생하 다

(표 3-2-15). 필터기구를 라스틱에서 유리기구로 바꾸고 흡착을 방지하는 산

처리를 하 으나 여 히 10 - 16 % 정도의 오차가 발생하 다.

이에, 아래와 같이, 원심분리를 이용하여 분말활성탄을 제거하는 방법을 용

하여 오차를 3% 이내로 일 수 있게 되었다.

표 3-2-15. 에스트라디올 측정시 필터와 원심분리에 의한 오차 비교

기 농도(ppb) 필터 사용시(ng/L) 오차(%) 원심분리 사용시 (ng/L) 오차(%)

4.46 3.73 16.3 4.47 0.33

8.74 7.57 13.4 8.84 1.12

22.0 19.1 12.8 21.3 3.01

42.2 37.9 10.0 41.5 1.48

108.3 96.5 10.9 108.0 0.34

- 162 -

다음으로 흡착실험을 수행한 결과이다(그림 3-2-64 , 3-2-65). 200mL 폐용

기에 순수, 활성탄과 에스트라디올을 넣고 25℃, 130rpm으로 교반하 다. 에

스트라디올 기 농도를 3.53ppb(ng/L)와 42.38ppb로 하고, 분말활성탄을 각각

0, 0.2, 0.4, 1.0ppm와 0, 2.0, 4.0, 10ppm로 하 다.

체로 1일이 지난 후에는 흡착 평형에 도달한 것으로 볼 수 있었다. 제거율

은 92 - 96%정도로 매우 높았다.

이를 실제 공정에 용하고자 할 때에는 부지면 을 고려하여 체류시간을 1일

까지는 할 수 없다. 따라서 정 체류시간을 2시간 정도로 할 경우 최 의 분말

활성탄 주입량을 선정하고자 하 다. estradiol의 기 농도가 3.53ppb일 경우

분말활성탄의 주입량이 증가함에 따라 최종 제거율도 증가하지만 흡착평형에

도달하는 시간도 빨라짐을 알 수 있었다. 1ppm의 분말활성탄을 주입하여야 2시

간이내에 어느 정도 흡착평형에 가까운 제거율을 보임을 알 수 있다. estradiol

의 기 농도가 42.38ppb일 경우 2ppm의 분말활성탄을 주입하면 빠르게 흡착

평형에 도달하며, 주입량이 증가하여도 제거율이나 흡착평형도달 시간이 크게

짧아지지 않았다.

- 163 -

그림 3-2-64. 분말활성탄양(ppm)과 시간에 따른 에스트라디올 제거율

그림 3-2-65. 분말활성탄양(ppm)과 시간에 따른 에스트라디올 제거율

- 164 -

만약 원수에 에스트라디올을 스 이킹하여 테스트를 수행할 경우 원수 의

유기물과 에스트라디올간에 경쟁흡착이 일어날 수 있으며, 이에 의해 에스트라

디올의 제거율이 감소할 수 있다.

따라서 원수 의 유기물 농도를 변화시켜 가며 에스트라디올의 제거율을 측

정하 다(그림 3-2-66).

활성탄은 5mg/L, 에스트라디올의 기 농도는 20ng/L내외로 하 다. 그러나

원수 유기물 농도를 1/2, 1/4, 0으로 낮추어도 에스트라디올의 제거율은 크게

달라지지 않았다.

다행히 원수 의 유기물과 경쟁흡착 계에 있지 않아 원수 에스트라디올

이 존재할 때 분말 활성탄을 주입함으로써 쉽게 제거할 수 있을 것으로 보인다.

그림 3-2-66. 원수 유기물 농도에 따른 에스트라디올 제거율의 변화

- 165 -

나. 산화철에 의한 흡착 공정과 막분리 공정의 결합


(가) 실험 재료

① 원수

구시내 한 정수장의 원수를 취수하여 사용하 다. 술한 염소와 오존에 의

한 고도산화 공정 연구에서의 원수조건과 유사하다.

② 산화철

산화철 입자(IOP, Iron Oxide Particle)는 염화철(FeCl3․6H2O)을 5N NaOH

용액으로 화하여 얻었다. 불순물을 제거하기 해 증류수로 10회 세척하 다.

주입량은 1-100mg/L as Fe로 하 다.

(나) 실험 방법

본 연구에서는 소독부산물의 구체가 되는 자연산 유기물을 제거하고자 산

화처리와 병행하여 산화철 흡착과 한외여과의 용가능성을 검토하고자 하

다. 회분식 한외여과 장치를 이용하여 염소 주입량, 산화철 흡착제 주입 여

부 등 다양한 운 조건에 하여 자연산 유기물 제거율 막투과도 변화 경

향성을 살펴보고자 하 다. 염소처리를 해서 산화철 흡착과 한외여과를 수

행하기 에 약 30분 동안 반응시켰고, 산화철 주입 후 농축에 따른 회분식 여

과실험을 수행하 다.

- 166 -

그림 3-2-67. 실험실 규모의 산화/IOP/UF 시스템

- 167 -


산화철 흡착제를 주입하지 않은 경우와 비교하여 산화철 흡착제를 투여한

경우 염소주입에 따라 다소 차이를 보이기는 했지만 용존성 유기탄소 제거율

과 흡 도 제거율은 약 40%이상의 향상을 가져왔다(그림 3-2-68, 3-2-69). 산

화철 흡착제가 주입된 경우에는 염소처리가 수행된 경우 약 10% 이내의 미

미한 추가 인 유기탄소 흡 도 제거율의 향상이 찰되었는데 이것은 염

소에 의해 자연산 유기물의 일부가 산화되면서 자연산 유기물이 부분 으로

괴되었기 때문으로 단되었다.

그러나 그림 3-2-70에서 보듯이 유입수의 탁도가 큰 원수의 경우에는 염소

처리 후에 오히려 흡 도 제거율이 20%이상 감소하는 경향성을 보 다. 이것

은 입자성 물질로 존재하던 자연산 유기물이 염소처리에 의해 오히려 수용액

상으로 용출되면서 용존성 자연산 유기물의 증가를 유발한 것으로 단되었다.

그러나 그림 3-2-70에서 나타나듯이 탁도가 아주 낮은 원수의 경우는 염소처

리에 의해 특별히 흡 도의 증가나 감소를 찰할 수 없었다. 에서 토의되었

듯이 원수의 수질변동은 염소처리와 산화철 흡착을 병행한 공정에서도 여 히

요한 인자임을 알 수 있었다.

그림 3-2-68. 산화철 입자 존재와 염소에 따른 DOC 제거율

- 168 -

그림 3-2-69. 산화철 입자 존재와 염소에 따른 UV254 제거율I

그림 3-2-70. 염소와 여과에 따른 UV254 제거율 차이I

- 169 -

그림 3-2-71. 염소와 여과에 따른 UV254제거율 차이II

그림 3-2-72. 한외여과공정과 산화철 흡착-한외여과 공정의 럭스 변화I

- 170 -

그림 3-2-73. 여과와 염소가 산화철 흡착-한외여과 공정에 미치는 향

그림 3-2-74. 한외여과공정과 산화철 흡착-한외여과 공정의 럭스 변화II

- 171 -

막투과도에 있어서는 산화철 흡착제를 투여한 경우가 산화철 주입이 없는

한외여과 단독공정에 비해 뚜렷한 상승효과를 발견할 수 있었다(그림 3-2-72).

그러나 염소처리를 수행한 경우에는 오히려 막투과도의 감소가 일어남을 알

수 있었는데 이러한 상은 산화철 흡착제를 투여하지 않은 경우에도 동일하

게 발견되었다. 염소처리로 인해 막투과도가 다소 감소하는 원인은 아직 분명

하지 않으나 두 가지 측면에서 그 이유를 추정해 볼 수 있었다. 첫째, 산화된

자연산 유기물의 화학 구조의 변화로 인해 산화철 입자에 한 흡착력이 감

소하 고 비흡착된 자연산 유기물들이 막표면에 흡착되어 막오염을 야기시킬

수 있다. 그 증거로는 염소처리만으로 약 20%의 흡 도 제거가 가능하 지

만 산화철 흡착과 염소처리를 병행한 경우에는 단지 10%의 흡 도 제거율

향상이 있었으므로 그 차이인 10%에 해당하는 자연산 유기물들이 산화철에

흡착되지 않은 것으로 추정할 수 있다. 따라서 이러한 화학 상에 한 추

가 인 검증이 요구되며, 실제 공정 용에서도 이와 같은 가능성을 고려한 운

성능의 세심한 평가가 수반되어야 할 것이다. 둘째, 염소처리로 인해 콜로

이드성 입자들의 크기가 변하거나 용존성 물질로의 환이 일어날 수 있다.

즉, 염소의 산화작용으로 인해 콜로이드 입자의 크기가 작아져 막표면에서 보

다 조 한 이크층을 형성하거나 입자에서 유출된 유기물이 상 으로 막오

염을 가 시킨 것으로 추측할 수 있었다. 그러나 염소처리에 따른 콜로이드

입자의 크기 변화를 찰한 결과 0.4 ㎛이상의 입도분포에서는 거의 변화를

찰할 수 없었다. 따라서 용존성 물질들의 산화철 흡착능의 변화가 주요인인 것

으로 잠정 으로 추론할 수 있었으며 그러한 증거를 찾기 해 염소처리 후

에 0.45 ㎛ 막을 이용한 여과를 수행한 산화철흡착/한외여과 공정을 용한 경

우의 막투과도 변화를 검토하 다. 그림 3-2-73에서 보듯이 0.45 ㎛ 막을 이용

하여 먼 입자성 물질을 제거한 후 산화철 흡착/한외여과를 용한 경우가

항상 높은 막투과도를 유지하 고 이것은 앞서 추론했듯이 염소처리 과정에서

입자성 물질의 일부가 용존성으로 환되고 이것이 막오염에 기여하는 것으로

결론지을 수 있었다.

원수 입자성 물질의 농도가 비교 낮은 원수(2)의 경우에 한외여과 단독

공정에서 체 인 막투과도는 약간 높게 나타났으며, 처리를 하지 않은 경우

에는 막투과도가 약 50% 정도 높게 유지되었다(그림 3-2-73, 3-2-74). 특히, 한

- 172 -

외여과 단독공정의 경우 염소 처리를 했을 경우에는 막투과도가 감소하 는

데 이는 앞서 고찰하 던 원수와 유사한 향으로 입자성 물질이 염소 산화에

의해 미세하나마 용존성 물질로 환되어 막오염을 가 시켰기 때문으로 사료

된다. 그러나, 산화철 흡착/한외여과 공정에서는 산화철의 흡착작용으로 이러한

효과가 상쇄된 것으로 단된다.

산화철 흡착은 활성탄 흡착과 달리 재생이 쉽다는 이 큰 강 이다. 와 같

은 효과를 실증 랜트 II에서도 볼 수 있다면 활성탄 흡착과 함께 이를 고려할

수 있다.

이와 같은 실험실 규모의 처리 공정 실험 결과를 바탕으로 실증 랜트 II에

직 용가능한 일럿 규모의 실험을 수행하 다. 이는 제 4 실증 랜트

II에서 다시 언 하도록 하겠다.

- 173 -

제 3 실증 랜트 I의 제작 운

1. 실증 랜트 I의 기본 사양

1차년도 말에 설계 제작 착수하여 2차년도에 완성한 최 100 m3/day 규

모의 실증 랜트 I의 실제 설치된 사진과 기본 도면이다(그림 3-3-1, 그림

3-3-2).

그림 3-3-1. 실증 랜트 I의 설치 장 경 (경기 화성)

- 174 -

실증 랜트 I의 설치 부지는 구 경남 5지역에서 바이러스 검출여부를 검

토, 바이러스가 검출되는 곳을 선정하여 설치할 정이었으나(첨부 3-1 참조)

검출되는 곳이 없어 보류 이었다가, 경기도 지역의 간이정수장 병원성 미

생물이 문제시 되는 곳에 설치하고자 계획을 변경하 었다.

선정된 곳은 경기도 화성시 한 마을의 간이 정수시설로서, 설치 후 재까지

60여 가구 100세 300여명에게 생산된 물을 실제 먹는 물로서 가정까지 공

하고 있다. 이 곳의 원수는 지하수로서 다음과 같이 일반세균, 장균 뿐 아니

라, 분원성 장균까지도 문제가 되는 상황이었다. 더 큰 문제는 염소소독설비

가 갖추어져 있지 않아 수시로 염소소독을 하기 때문에 가정에서까지 장균

등이 검출될 때가 있다는 것이었다(표 3-3-1).

질산성 질소나 다른 속, 미량 유기물등은 큰 문제가 되지 않으므로 한외

여과 단독공정을 설치하여 병원성 미생물을 완벽 제거하는 것이 최 의 방안이

될 수 있는 원수이다. 따라서 실증 랜트 I을 설치하고 실제 공 하면서 여러

가지 항목을 검하고 테스트를 수행하기 합하다고 단하 다.

표 3-3-1. 실증 랜트 I 설치 지역 사 수질 검사 결과(첨부 3-2 참조)

검사항목 원수 가정수도꼭지 기 치

일반세균 35 45 100이하/ml

총 장균군 검출 검출 불검출/100ml

분원성 장균군 검출 불검출 불검출/100ml

질산성 질소 1.8 1.6 10이하

- 175 -

그림 3-3-2. 실증 랜트 I의 사진

- 176 -

이러한 실증 랜트 I의 사양은 다음과 같다.

- 처리 공정이 없는 막분리 단독공정으로서, 분리막은 막세공 0.01㎛인 한

외여과 공사막이다. 소규모 일럿에 사용된 분리막과 같은 것으로서 막

면 만 64m2로 더 커진 모듈이다.

표 3-3-2. 실증 랜트 I에 사용된 막의 사양

항목 사양

형태 공사막

막세공 0.01㎛

막면 64㎡

길이 1.2m

재질 셀룰로오스 계열

내경 0.93㎜

허용pH 3.5 - 8.5

허용온도 1 - 35℃

- 최 100톤/일까지 가능하며, 재까지 최소 40톤/일에서 최 90톤/일정

도 범 에서 생산하고 있다. 생산량은 주민의 실제 물 소비량에 따라 자동

으로 조 되고 있다.

- 막분리 단독공정만으로 장균과 세균을 비롯하여 바이러스까지도 거의 완

벽히 제거가 가능하나 생산된 물의 배 시 잔류염소유지를 해 염소소독

공정만을 추가하 다(그림 3-3-3, 그림 3-3-4). 처리수조의 잔류염소농도는

주민에게 공 할 기에 약 1ppm으로 맞추었으며 배수지(집수정)이나 배수

지에서 가정까지의 배 을 거치면서 약 0.2ppm정도가 되어 공 되었다.

재는 처리수조에서 0.2ppm정도로 맞추어도 잔류염소가 어느 정도 유지되고

있다.

- 177 -

(ㄱ) 원수 유입

(ㄴ) 처리수 생산 이송

그림 3-3-3. 실증 랜트 I의 원수 유입과 처리수 생산 이송 과정

- 178 -

- 랜트내의 처리수조에 임시로 장된 물은 펌 에 의해 집수정으로 보내

어 진다. 집수정의 수 에 따라 on/off신호가 실증 랜트 I에 보내지고 이에

따라 생산량이 조 된다(그림 3-3-5).

- 분리막의 특성상 처리 필터를 사용하 다. 사용된 한외여과 공사막은

공사의 내부로 원수가 공 되어 외부로 처리수가 생산되는 내압식

(inside-out type)의 분리막으로, 재 디스크 형태의 필터로서 세공크기가

130㎛인 처리 필터를 사용하고 있다.

- 기본 으로 체 시스템의 운 은 PLC에 의해 자동으로 운 된다. 밸 는

압축공기의 공압에 의해 개폐되고, 그 압축공기의 흐름을 PLC에서 제어한

다. 펌 의 가동과 그 회 수 역시 PLC에 의해 조 된다.

- 모듈 상하 양방향으로 원수 유입 역세척이 가능하도록 설계되어 있으

며, PLC와 PC에 의해 자동으로 제어된다.

- 막힘형과 십자흐름형으로의 환 역시 PLC와 PC에 의해 자동으로 이루어

진다. (KT인증 기술, 첨부 3-3 참조)

- 유량계, 압력계, 온도계, 탁도계, pH계는 모두 아날로그 출력이 가능한 것으

로 PLC의 아날로그 입출력 모듈에 의해 데이터가 수집되며, PC에서 데이터

를 연산, 보 하게 된다. 이 때 PLC의 여러 가지 라미터들의 조합인 모드

가, PC의 로그램에 의해 PLC로 피드백 제어됨으로써 자동 환된다.

- 이러한 데이터는 랜트에 직 연결되어 있는 PC를 통해 지 원격으

로 모니터링이 가능하며, 원격지에서 랜트의 운 조건을 바꾸는 등 제어

가 가능하다.

- 179 -

그림 3-3-4. 실증 랜트 I 처리수 공 체 개략도

- 180 -

2. 시스템의 효율성

가. 모듈 양방향으로의 원수 유입 역세척 설계

(1) 모듈 양방향으로의 원수 교차 유입

실증 랜트 I은 분리막 양방향에서 원수를 주입하고, 역세척시에도 양방향으

로 하도록 설계되었다. 이는 1차년도에 15 m3/day의 소규모 막분리 정수 일

럿 랜트를 운 하면서 개선방안을 모색하여 설계에 반 한 것이다.

다음은 원수 유입시 모듈 아래 에서 교차 유입하는, 막힘형 여과 방식에서

의 이다(그림 3-3-6).

배 밸 작동 설계 이와 같은 교차 유입이 가능하도록 하 다. 원수 유

입 펌 (펌 1)에 의해 원수가 유입되면 공히 밸 1, 2와 처리 필터를 거치

게 된다. 이때 밸 4, 7, 9를 제외한 모듈 후단의 모든 밸 를 닫으면 원수는

자연히 모듈 아래쪽에서 유입되어 막힘형 여과를 거쳐 처리수 장조로 들어가

게 된다.

반 로 밸 6, 7, 8을 제외한 모듈 후단의 모든 밸 를 닫으면 원수는 모

듈 쪽에서 유입된다. 이와 같은 교차운 은 모듈의 한쪽 입구에서만 공사

막힘 상이 일어나는 것을 양쪽으로 분산시켜 막힘 상의 최소화하기 함이다.

이와 같은 교차운 은 PLC에 입력된 로그램에 의해 시간에 따라 자동으로

환된다. 의 도면은 2차원 으로 표 하기 해 배 이 길게 그려진 부분이

있으나 실제 랜트에서는 이를 단순화, 최소화하도록 제작하 다.

- 181 -

그림 3-3-5. 막힘형 여과방식에서 모듈 아래 에서의 원수 교차 유입

- 182 -

(2) 모듈 양방향으로의 교차 역세척

역세척시에는 역세척된 오염물을 포함한 물이 모듈의 혹은 아래로 배출되

도록 되어 있는데, 역시 모듈의 , 아래쪽으로 교차배출이 가능하도록 하 다

(그림 3-3-7).

역세척 펌 (펌 3)을 가동하고 밸 7을 닫고 11을 열면 역세척이 수행된

다. 이때 염소소독제를 역세척 라인에 정 농도로 주입하여 2 ～ 5ppm Cl 사

이( 재 4ppm으로 설정)의 값을 갖도록 하 다. 이 때 물 흐르는 순서 로 밸

4, 9, 8, 13을 열고 나머지를 닫으면 역세척 된 물이 모듈의 아래쪽으로 배

출되어 밸 13을 통해 최종 배출된다.

반면 밸 6, 13번을 열면 모듈 쪽으로 배출되게 된다.

이와 같이 배출시의 방향을 , 아래쪽 교차로 한 것은, 첫째로 배출 방향에

따라 역세척되는 주요 부분이 약간씩 차이가 나기 때문이다. 즉 아래쪽으로 배

출하면 모듈의 아래쪽이, 쪽으로 배출하면 모듈의 쪽이 좀더 역세척이 잘

되는 경향이 있다. 따라서 고른 역세척을 실시하기 해서는 교차로 배출하는

것이 좋다. 이것 역시 1차년도 일럿 랜트 운 시 악된 상이다. 둘째는

역세척시 털려나온 오염물이 빠져나갈 때 공사 내부의 막힘 상이 발생하기

때문이다. 한쪽으로 배출하면 그쪽의 공사 막힘 상이 심화되기 때문에 분산

하여 배출하기 함으로 이 역시 1차년도 일럿 랜트 운 시 악하여 설계

에 반 한 것이다. 동시에 , 아래로 배출하는 것도 가능하다. 이 때 력에 의

해 아래 균등한 배분이 이루어지지 않기 때문에 강제로 교차 배출을 하고자

한다. 그림에서 역시 배 이 길게 그려진 듯하나 오염물이 많이 포함된 역세척

수의 배출라인이 최소화 되도록 설계하 다.

- 183 -

그림 3-3-6. 역세척 시 역세척수 교차 배출(양방향 역세척)

- 184 -

나. 생산량과 운 압

분리막공정의 효율은, 단 시간당 단 막면 당 처리수 생산량에 해당하는

럭스(Flux, 단 : L/m2hr = LMH)와 이러한 처리수를 생산하기 한 구동력

으로서의 막간차압(Trans-Membrane Pressure, TMP)을 지표로 알 수 있다.

일반 으로 막간차압을 일정하게 하여 처리수를 생산하는 경우와, 생산유량

( 럭스)을 일정하게 하고 압력을 조 하여 운 하는 경우가 있다. 자를 정압

운 , 후자를 정유량 운 이라고 한다. 운 이 지속됨에 따라 막오염이 일어나

게 되면, 정압 운 의 경우 럭스, 즉 처리수 생산량이 어들고 정유량 운

의 경우 막간차압이 증가하게 된다.

본 랜트에서는 럭스를 일정하게 하는 정유량 운 을 하고자 하 다. 그

리고 집수정의 수 신호에 따라 운 이 on/off 되어 하루 총 운 시간에 따

라 총 생산량이 결정된다(그림 3-3-8, 그림 3-3-9). 이러한 럭스는 기본 으

로 운 자가 설정하도록 되어 있으며, 원수의 탁도나 모듈의 압력 등에 따라 자

동으로 조 되도록 되어 있다.

막간차압 TMP는 원래 막 양단에 걸리는 압력의 차이다. 실증 랜트 I에서는

처리수 라인의 압력이 기압과 같으므로, 모듈 상단부 압력과 하단부 압력의

평균값이 막간차압이 된다. 따라서 그림 3-3-10와 그림 3-3-11에 상단부와 하

단부 압력의 경향으로서 이를 알아볼 수 있다.

- 185 -

다음 그림들은 시험운 후 실질 으로 주민에게 먹는 물로서 공 하기 시작

한 2003년 4월 9일 이후의 자료들이다. 원수가 지하수여서 탁도가 매우 낮으므

로, 재까지 모두 막힘형 여과로만 처리수를 생산하 다.

우선 6월 이 (b 시 이 )에는 기본 으로 럭스를 일정하게 하여 운 하

되, 운 자가 임의로 40 - 50 LMH 사이에서 럭스 설정값을 변화시켰다. 이

는 주민들의 소비량에 맞는 한 럭스값을 알아보기 한 것이었다. 럭스

가 낮을 경우 공 량이 부족하게 되고, 높을 경우 필요이상으로 운 이 정지되

는 시간이 길어지기 때문이다.

6월 이후(b시 이후 재까지)에는 주민들의 소비량이 증가하는 것을 고려하

고, 한 일정 럭스에서 장기간 막간차압의 변화를 살펴보기 해, 설정값을

60 LMH로 일정하게 하 다.(다만 6월 말경 장마철에 물의 소비량이 어 잠시

50 LMH이하로 낮추었었다.)

따라서 6월 이후에는, 럭스에 약간의 변동폭이 있으나 거의 일정하므로, 막

간차압, 즉 상․하단부의 압력 변화가 분리막 공정의 효율을 변한다고 볼 수

있다. 이를 지표로 다음과 같이 구간별로 살펴보도록 하겠다.

- 186 -

그림 3-3-7. 실증 랜트 I의 럭스 변화 (2003년)

그림 3-3-8. 실증 랜트 I의 일일 운 시간 변화 (2003년)

- 187 -

그림 3-3-9. 실증 랜트 I의 모듈 상단부 압력 변화 (2003년)

그림 3-3-10. 실증 랜트 I의 모듈 하단부 압력 변화 (2003년)

- 188 -

(1) a ～ b 구간

- 럭스 : 약 50 LMH에서 임의 조정

- 역세주기 : 3시간

- 역세척 압력 : 약 0.57 bar

- 역세척 방법 : 원수 유입 방향으로 역세

처음 랜트를 설치한 이후부터 이 구간까지 역세주기, 역세척 방법은 모두

동일하 다. 다만 이 구간에서부터 역세척 압력을 일정하게 유지하기 시작하

다. 역세척 방법이 ‘원수 유입 방향으로 역세’라는 것은 원수가 모듈 아래로 유

입되면 그 아래쪽으로 역세척을 실시하고 로 유입되면 쪽으로 실시함으로

써, 원수가 유입되는 부분이 좀더 강하게 역세척이 일어나도록 해주었다는 것이

다.

역세척 압력을 기존보다 높게 하여 일정하게 유지함으로써(그림 3-3-12) 모

듈 상하단부의 압력이 낮아짐을 알 수 있었다(그림 3-3-10, 그림 3-3-11).

(2) b ～ c 구간

- 럭스 : 60 LMH

- 역세주기 : 1.25 시간

- 역세척 압력 : 0.4 bar

- 역세척 방법 : 원수 유입 방향으로 역세

6월부터 럭스를 60 LMH로 높여 고정하면서 역세척 주기를 기존 3시간에

서 1.25시간으로 다. 다만 회수율을 고려하여 역세척 압력은 0.4 bar로 낮추

- 189 -

어 일정하게 유지하 다(그림 3-3-12).

이와 같은 조건으로 6월 말까지 매우 안정 인 운 이 가능하 다. 일일 운

시간은 주민들의 물 소비량에 따라 변동이 있었으나, 이것은 오히려 효율 인

운 을 하 음을 나타내는 것이다(그림 3-3-9). 그리고 상단부 압력은 약 0.24

bar 정도, 하단부 압력은 0.37 bar 정도로 낮고 거의 일정하게 유지되어 분리막

공정의 효율이 양호한 상태 다(그림 3-3-10, 그림 3-3-11). 즉 역세척의 효율

이 좋아서 막오염이 거의 진행되지 않았던 것이었다.

(3) c ～ d 구간

- 럭스 : 60 LMH

- 역세주기 : 1.25 시간


- 역세척 방법 : 상․하 방향으로 교차 역세

6월 말 장마철 물 소비량이 어들 때 럭스를 잠시 낮추었다가, 좀더 효율

인 역세척 방법을 찾기 해 역세척 압력을 0.7 bar로 높이고 상․하방향으로

교차 역세를 실시하 다. 상․하 방향 교차 역세는 원수의 유입 방향과 상 없

이, 역세척 시간을 반으로 나 어, 모듈 상단부와 하단부를 각각 집 으로 역

세척 하는 방법이다.

그러나 역세척 압력을 더 높 음에도 불구하고, b ～ c 구간보다 압력이 약간

상승하 으며, 2개월에 걸쳐 차 으로 압력이 상승함을 알 수 있었다. 물론

럭스가 약간 상승한 향이 있었으나 b ～ c 구간에서 실시한 역세척 방법보

다 효율이 좋지 않음을 알 수 있었다. 이것은 소규모 랜트에서 실시한 실험의

결과와 일치하지 않는 것으로서 상하뱡향 교차역세 시간을 조정하여 다시 실시

하고자 하 다.

- 190 -

(4) d ～ 구간

- 럭스 : 60 LMH

- 역세주기 : 1.25 시간


- 역세척 방법 : 상․하 방향으로 교차 역세(역세 시간을 3 : 1로 배분)

2003년 9월에서부터 12월까지 이와 같은 운 조건으로 운 하 다. 앞서와

같이 상․하 방향으로 교차 역세를 실시하되, b ～ c 구간에서 원수 유입 방향

으로 역세척한 장 을 살리기 해, 원수가 유입되는 방향으로의 역세척을 45

, 그 반 방향을 15 정도로 하여 순차 으로 역세척을 실시하 다.

그 결과 상승하 던 상․하단부 압력이 조 씩 하강하 다. 즉 역세척 효율이

좋아졌음을 알 수 있다. 하단부의 압력은 b ～ c 구간에서와 거의 동일한 수

으로 하강하 으며, 상단부 압력은 b ～ c 구간보다 더 하강하 다. 한 역세

척 압력이 0.7bar에서 0.63 bar까지 조 씩 하강하는 것은, 설정값의 변화없이

막오염이 완화되어 일어난 상이다. 막오염이 완화되면 같은 양으로 역세척하

는데 압력이 어들기 때문이다. 이러한 것들은, 앞서의 두 가지 방법을 충한

이 역세척 방법이 매우 효율 임을 보여 다.

결국 소규모 랜트에서 실시한 실험결과와 일치하는 경향이 나타난 것으로

서, 양방향 교차역세척이 더 효율 이며, 그 효율을 높이기 해서는 한 역

세척 시간 배분이 매우 요함을 알 수 있었다.

- 191 -

그림 3-3-11. 실증 랜트 I에서 설정한 역세척 압력의 변화 (2003년)

그림 3-3-12. 실증 랜트 I에서의 일일 총생산량 (2003년)

- 192 -

그림 3-3-13. 실증 랜트 I에서의 일일 역세수량 (2003년)

그림 3-3-14. 실증 랜트 I에서의 원수 회수율 (2003년)

- 193 -

다. 회수율

체 공정의 효율은 원수의 회수율(recovery)로도 살펴볼 수 있다(그림

3-3-15). 원수의 회수율은 일일 처리수 총 생산량에서 총 역세수량을 고려하여

계산한다(그림 3-3-13, 그림 3-3-14).

회수율(%) = 100 × { (생산량) - (역세수량)(생산량) }

기에 회수율이 95%이상 97%까지 이른 것은 역세척을 조 만 실시하 기

때문이다. 그러나 생산량을 조 씩 늘리면서 역세척을 더 많이 하게 되어 회수

율이 감소하 다. 5월 말 이후 정 조건을 잡아가면서 체 인 회수율은 92 -

94% 다.

b ～ c 구간에서와 c ～ d 구간에서의 회수율은 큰 차이가 없었다. 이 게 회

수율이 유사함에도 불구하고 c ～ d 구간에서 압력이 상승한 것은, 그만큼 역세

척의 효율이 낮음을 의미한다.

9월 이후 12월까지는 (d ～ 재 구간) 회수율이 체 으로 93 - 94%에 이

른다. 이 구간보다 회수율은 약간 높음에도 불구하고 모듈의 상하단부 압력은

낮았다. 이것으로부터 이 구간에서의 역세척 조건이 재까지 수행한 조건 에

는 최 임을 알 수 있었다.

재 목표하 던 95%에 가까운 회수율에 도달하여, 매우 효율 인 운 이 가

능함을 알 수 있었다.

- 194 -

라. 처리 효율

오염물질의 처리율은 공정의 효율을 가늠하는 하나의 요한 잣 이다.

우선 먹는 물 수질 기 항목 체에 하여 검사한 결과 일부를 발췌한

것이다.

표 3-3-3. 실증 랜트 I 설치 이후 수질 검사 결과(첨부 3-4 참조)

검사항목 원수 처리수 기 치

일반세균 67 0 100이하/ml

총 장균군 검출 불검출 불검출/100ml

분원성 장균군 불검출 불검출 불검출/100ml

색도 1 1 5도이하

탁도 0.02 0.02 1NTU이하*

냄새 합 합 무취

맛 합 합 무미

암모니아성 질소 0.01 0.01 0.5이하

질산성 질소 1.7 1.8 10이하

*2003년 당시 기

- 195 -

(1) 탁도

탁도는 거의 완벽히 제거되어 처리수에서의 탁도가 연 0.03 NTU 이하로

나왔다(그림 3-3-16). 1차년도 지표수(한강 원수)로 실시한 일럿 랜트에서

의 결과와 동일하 다. 1차년도 당시 원수의 탁도가 수백 NTU까지 오른 도

있었으나 처리수의 탁도는 0.03 NTU 내외로 유지되었었다(그림 3-3-17). 이로

부터, 실증 랜트 I의 경우 원수가 지하수이므로 원수 자체의 탁도가 낮은 편이

기는 하나, 지표수든 지하수든 본 시스템을 용하 을 경우 높은 처리효율을

보임을 알 수 있다.

그림 3-3-15. 실증 랜트 I의 처리수 탁도 (2003년)

그림 3-3-16. 지표수(한강원수)에 용한 소규모 일럿에서의 처리수 탁도

- 196 -

(2) 병원성 미생물

다음으로 병원성 미생물에 하여 으로 살펴보았다.

실증 랜트 I에서 주 검사 상은 일반세균과 총 장균군이었고 원수, 처리

수, 집수정, 그리고 실제 공 된 수도꼭지 4곳에서 시료를 체취하여 일정기간에

걸쳐 으로 분석한 것이었다(표 3-3-4).

검사 결과 원수에서 한 차례 총 장균군이 검출되었다. 이 지역에서 먹는 물

로 사용해 온 지하수에서 가끔씩 이와 같이 병원성 미생물이 검출되곤 하 다.

실증 랜트 I의 처리수 장조내 처리수와 집수정에서는 단 한차례로 검출되

지 않아서 본 실증 랜트 I이 완벽한 처리 효율을 유지함을 알 수 있었다.

다만, 이 처리수를 공 받는 최종 말단부인 일반 가정 2곳과 마을회 , 마을

의 한 식당에서 검사한 결과, 마을 회 에서만 먹는 물로서 부 합한 수 으로

일반세균이 두 차례 검출되었다. 원수에서도 존재하지 않았고 생산된 처리수나

장된 집수정에서도 검출되지 않았으며, 각 가정과 마을회 은 비슷한 치에

자리하고 있어 이와 같은 결과가 나올 만한 특별한 이유가 없었다.

주민들과 이러한 결과에 해 논의한 결과, 마을회 에서는 상주하는 인원이

없어 행사가 있을 때에만 수도꼭지를 틀어 사용한다고 하 다. 이에 따라 몇 주

나 몇 달간 사용하지 않을 수도 있으므로 잔류염소가 소비되고 난 후 병원성

미생물이 증식할 가능성이 있는 것이었다. 이와 같은 시기에 시료를 채취하여

검사할 경우 와 같은 결과가 발생한 것이었다. 실제로 잔류염소를 각 가정과

마을회 , 식당에서 검사한 결과 마을회 만 다 소비되어 없어짐을 알 수 있었

다(표 3-3-5).

랜트 자체의 처리 효율은 매우 높고 안 한 먹는 물을 공 할 수 있었으나,

이러한 기치 못한 부분이 발생할 수 있었으며, 더욱 완벽한 물 공 을 해서

는 배 과 마지막 수도꼭지까지 리가 필요함을 알 수 있었다.

- 197 -

표 3-3-4. 실증 랜트 I에서의 일반세균, 총 장균군 검사 결과

일시 항목 원수처리

수

집수

정가정1 가정2 회 식당

4/16일반세균(cfu/100ml) 0 0 0 - - 0 0

총 장균군(100ml) 불검 불검 불검 불검 불검 불검 불검

5/12일반세균(cfu/100ml) 0 0 0 0 0 0 0

총 장균군(100ml) 검출 불검 불검 불검 불검 불검 불검

6/17일반세균(cfu/100ml) 0 0 0 0 0 150 0


7/18일반세균(cfu/100ml) 0 0 0 0 0 >100 0


표 3-3-5. 실증 랜트 I에서의 잔류염소 측정 결과

일시 잔류염소 원수처리

수

집수

정가정1 가정2 회 식당

6/17시료 1 (ppm) 0 0.3 0.26 0.25 0.25 0 0.24

시료 2 (ppm) 0 0.32 0.27 0.27 0.26 0 0.26

7/18시료 1 (ppm) 0 0.21 0.18 0.15 0.15 0 0.13

시료 2 (ppm) 0 0.23 0.17 0.18 0.14 0 0.14

- 198 -

다음은 바이러스 테스트에 한 결과이다.

바이러스는 원수에서 검출되지도 않을뿐더러 실제 랜트에서 스 이킹 테스

트를 실시하는 것은 험할 수 있으므로, 1차년도에 실증 랜트 I과 동일한 막

으로 실험실 규모로 실시한 스 이킹 테스트 결과를 수록한다.

실험에 사용된 바이러스는 소아마비의 병원체가 되며, 몇 차례에 걸쳐 먹는

물에서 검출되었다고 주장되기도 하는 등 이슈가 되어 온 폴리오 바이러스주

(Picornaviridae과에 속한 Poliovirus type 3의 vaccine 주) 다. 크기가 략

0.02 - 0.03㎛으로 바이러스 가장 작은 크기에 속하는 것으로서 이에 한

제거율을 살펴 으로써 다른 부분의 바이러스 제거에 한 효율을 확인할 수

있을 것으로 단하 다.

순수에 1.75×107/L와 2.08×10

9/L의 고농도의 바이러스 개체수를 넣은 용액

을, 일롯 랜트의 분리막과 동일한 셀룰로오스 재질의 실험용 분리막 모듈을

이용하여 여과를 하 다. 폴리오 바이러스의 크기가 0.02 - 0.03㎛인데 반해 분

리막은 0.01㎛이기 때문에, 비록 분리막의 세공크기가 어느 정도 분포를 가지므

로 이 세공을 통과할 가능성이 있었으나, 결과 으로 처리수에서의 활성화된 바

이러스 개체를 단 하나도 검출할 수 없었다.

따라서 일반세균이나 장균군등의 병원성 미생물은 물론 바이러스까지도 완

벽히 제거할 수 있는 높은 효율의 고도 정수 시스템이라 할만하다. 더구나 본

연구에서는 테스트를 수행하지 않았으나 염소소독에 불활성화되는 크립토 스포

리디움이나 지아디아 등이 바이러스보다 몇 배에서 몇 십배 크기가 크다는 것

을 감안할 때 이들 한 완벽히 제거할 수 있다고 할 수 있다.

표 3-3-6. 실증 랜트 I에 사용된 분리막의 바이러스 제거율 테스트 결과

(첨부 3-5 참조)

개체수 개체수

분리막 통과 2.08 x 109 /L 1.75 x 10

7 /L

분리막 통과 후 0 0

- 199 -

3. 시스템의 편리성

가. 막힘형과 십자흐름형 운 방식의 자동 교차 운

실증 랜트 I은 막힘형 여과 방식과 십자흐름형 여과 방식이 환이 가능하

며, 탁도, 혹은 온도의 변화에 따라 자동으로 환하는 것이 가능하도록 하 다.

막힘형(dead-end) 여과 방식은 여과 방식이라고도 하며, 공 된 원수가 모

두 분리막을 통과하여 처리되는 방식이고, 십자흐름형(crossflow) 여과 방식은

처리수가 유출되는 방향과 십자방향으로, 분리막의 표면 방향으로 흐름을 주어

분리막 표면에 오염물이 쌓이거나 농도가 증가하는 것을 방지하는 방식이다. 일

반 으로 십자흐름형 여과 방식이 막오염 경향이 작지만 십자흐름을 한 순환

펌 에 소비되는 에 지가 과다하다는 것이 문제이다. 일단 수질이 양호한 경우

에는 막힘형 여과 방식으로 가동하여도 안정 인 운 이 가능하나, 탁도가 높거

나 유기물의 농도가 높은 경우에는 막힘형 여과의 막오염이 빠르게 진행되므로

십자흐름형 여과 방식으로 운 해야 한다.

탁도나 온도에 따라 자동 환하는 것에 한 것은 뒤에 다시 설명하겠으나,

운 조건과 탁도 온도 수치를 미리 입력한 뒤 계측값이 그 이상 혹은 이하

가 되면 자동으로 운 모드를 변경하도록 로그램을 설계함으로써 가능하 다.

한편 십자흐름형에서도 역시 모듈의 아래에서 , 에서 아래로 원수 유입

원수의 배 내 순환 방향을 바꿀 수 있다(그림 3-3-18).

십자흐름형에서는 순환 펌 (펌 2)를 가동하여 공사 내부에서의 십자흐름

을 형성하도록 하 다. 이때 순환수가 들어가는 모듈 입구 쪽의 공사에 막힘

상이 일어날 가능성이 높다. 따라서 순환의 방향을 바꾸어 으로써 막힘 상

을 최소화하고자 하 다. 밸 4, 6, 10은 공통이며, 밸 3, 8을 열 경우 그림과

같이 모듈 아래에서 방향(화살표 방향)으로 십자흐름이 형성되고, 밸 5, 9

를 열 경우 모듈 에서 아래 방향(화살표 방향)으로 십자흐름이 형성된다.

- 200 -

그림 3-3-17. 십자흐름형 여과방식에서 모듈 아래, 방향으로의

순환방향 환

- 201 -

나. 무인/자동화 시스템 설계

무인/자동화에서 무인은 상시 리 인력이 필요없다는 뜻이다. 수 일 는 수

주동안은 PLC에 의해 자동으로 운 되고 사용자는 모니터링만 하여도 된다. 이

러한 모니터링은 한 원격지에서 가능하기 때문에 장에 인력이 필요 없게

되는 것이다. 다만 처리수 배수시 잔류 염소를 한 염소소독제(차아염소산 나

트륨), 혹은 역세척시의 염소 농도를 맞추기 한 염소소독제를 일정 주기로 채

워주어야 하기 때문에 수 주에 한번 리 인력이 장을 방문하여야 한다. 그

이외의 모든 운 은 PLC에 의해 자동으로 운 된다.

(1) PLC

PLC에는 디지털 입출력 모듈과 아날로그 입출력 모듈, 그리고 통신용 모듈이

있다(그림 3-3-19). 디지털 입출력 모듈은 원수조와 처리수조의 벨센서 신호,

수동/ 동 운 환 신호, 각 밸 의 개폐 여부, 펌 의 가동 여부 등이 입력되

며, 미리 로그램한 로 시간에 따른 밸 의 개폐, 펌 의 가동 등의 신호를

출력한다. 즉 기본 인 자동운 에 필요한 주요 신호의 입출력을 담당하는 것이

다. 아날로그 입출력 모듈은 설치된 압력계, 유량계, 온도계, 탁도계 등에서 나

오는 신호로부터 데이터를 수집하고, 펌 주 수 변경 신호를 출력하는 역할을

담당한다. 통신용 모듈은 이와 같이 수집된 데이터를 PC로 보내어 각 데이터의

모니터링이 가능하도록 한다.

- 202 -

Power

GM4-

PA2A

CPU

GM4-

CPUA

Modem

G4L-

EUEA

(통신용)

Digital

Input

G4I-

A22A

(디지털

입력)

Digital

Input

G4I-

A22A

(디지털

입력)

Digital

output

G4Q-

RY2A

(디지털

출력)

Digital

output

G4Q-

RY2A

(디지털

출력)

Analog

Input

G4F-

AD3A

(아날로그

입력)

Analog

Input

G4F-

AD3A

(아날로그

입력)

Analog

output

G4F-

DA2I

(아날로그

출력)

그림 3-3-18. PLC의 각 모듈 기능

- 203 -

(2) 자동 운 모드 변경

다음은 간단한 자동 운 환의 이다.

아래의 그림에서 Level D는 처리수를 모아 배수하는 배수지의 벨센서이다.

이 센서에 신호가 들어오면, 즉 충분한 양의 처리수가 차면 휴면 모드(relax

mode)로 환되어 처리수 생산량을 조 한다. 휴면 모드는 모든 생산을 완 히

단하는 것이 아니라, 분리막 표면에의 미생물 성장을 억제하기 한 주기 인

역세척만을 실시하며 그 역세척에 필요한 최소한의 처리수만을 생산하는 모드

이다. 다시 배수지의 수 가 어느 이하로 내려가면 정상 모드로 운 한다.

이것은 모두 PLC에 의해 자동으로 이루어지며, 각 운 모드는 미리 여과 방

식 시간, 역세척 시간 등을 다음과 같이 랜트에 연결된 PC상에서 사용자

가 미리 입력하여 설정한 것이다(그림 3-3-21).

이와 같은 운 모드는 다시 그 내부에 몇 개의 싸이클로 구성되어 있다(그

림 3-3-22). 이러한 운 모드를 몇 개 미리 설정하여 PLC에 미리 입력한 뒤 원

수의 조건에 따라 한 운 모드로 자동 변경하도록 시스템을 구성하 다. 이

러한 운 모드는 사용자가 변경이 가능하므로 설치지역의 특성에 따라 최 의

운 모드를 구성하는 것이 가능하다.

start

yes

Cycle 시작후 delay

<If relax mode >

->Normal mode

no

Relax mode

Level D on?

start

yes


<If relax mode >

->Normal mode

no

Relax mode

Level D on?

그림 3-3-19. 배수조 수 에 따른 운 모드의 변환 알고리즘

- 204 -

그림 3-3-20. PC상의 운 모드 입력 화면

그림 3-3-21. PC상의 각 운 모드 내 싸이클 입력 화면

- 205 -

(3) 자동화 설계

유량( 럭스), 압력, 탁도, 온도 등의 값 변화에 따른 자동 운 환은 좀더

복잡하다. 우선 다음과 같이 랜트에 연결된 PC상에서 미리 유량, 압력, 탁도

온도 등에 한 여러 가지 설정값, 상하한값 등을 입력한다(그림 3-3-23).

- 럭스에 해서는 원하는 기 설정값, 정유량 운 시 정유량에서 ±허용

오차 범 , 압력 탁도 상한값 과시 럭스 감소폭 등을 설정한다.

- 십자흐름속도는 원하는 값을 설정하면 자동으로 주 수를 맞추게 된다.

- 역세척 압력은 원하는 기값을 설정하고, 압력이 2단계 상한값을 과할 경

우 용할 압력을 입력한다.

- 펌 주 수는 유량에 련된 것으로 기값 증가폭을 입력한다.

- 압력, 탁도, 온도에 한 1, 2, 최종 단계의 상 혹은 하한값을 입력한다.

이와 같이 입력된 값들은 각각의 자동 환 알고리즘에 들어가 자동 운

환 기능을 수행하게 된다.

- 206 -

그림 3-3-22. 여러 가지 기 설정값 상하한값 입력화면

- 207 -

(4) 자동화 설계-압력

운 압력을 주기 으로 측정하여 미리 입력한 1단계, 2단계, 최종 상한값에

따라 자동으로 럭스를 낮추거나 운 모드를 변경하도록 하 다. 이것은 의

그림과 같은 알고리즘을 만들고 이를 미리 PLC에 로그램함으로써 가능하

다(그림 3-3-24).

모듈 하단부에 설치된 압력계에서 측정된 압력(Pm)이 1 단계 상한값(Plim1)보

다 크면 럭스를 미리 설정한 감소폭(Jp_set1)만큼을 낮추도록 한다. 이것은 감

소폭을 Jp값에 장해 럭스 조정 알고리즘(유량 회로)로 보내어 처음 설정한

럭스(Jset)에서 이 감소폭(Jp)만큼을 낮춘 값을 목표 럭스(J)로 하여 이것을

제어하도록 하는 방식으로 수행된다. 럭스 조정 알고리즘에서 다시 설명하도

록 하겠다.

측정된 압력(Pm)이 2단계 상한값(Plim2)보다도 크면 미리 입력한 두 번째 럭

스 감소폭(Jp_set2)만큼을 낮추도록 하는 동시에 운 모드를 강한 역세척 모드

(full-backwashing mode)로 변경한다. 이 모드는 앞서 설명하 듯이 미리 사

용자가 설정한 것이며, 한동안 조 높은 압력으로 강하게 역세척을 하거나 아

니면 역세척 주기를 이는 등으로 설정을 할 수 있다. 특별한 경우를 제외하고

는 와 같은 알고리즘과 이에 따른 자동 운 환을 통해 안정 인 운 이

가능할 것으로 보이나 측정된 압력(Pm)이 최종 단계 상한값(Plim3)보다도 크게

되는 경우 체 시스템을 일시 지한다.

- 208 -

start

Pm>Plim1?

yes

Jp= Jp

f3= f3set


Pm>Plim2? Pm>Plim3?

yes

no no no

yesShut down

Jp= Jp +Jp_set1

f3= f3set

Jp= Jp +Jp_set2

f3= f3set+ ∆f3

<If full-backwashing mode>

->Normal mode

full-backwashing mode

Jp->유량회로 #으로

start

Pm>Plim1?

yes

Jp= Jp

f3= f3set


Pm>Plim2? Pm>Plim3?

yes

no no no

yesShut down

Jp= Jp +Jp_set1

f3= f3set

Jp= Jp +Jp_set2

f3= f3set+ ∆f3

<If full-backwashing mode>

->Normal mode

full-backwashing mode

Jp->유량회로 #으로

그림 3-3-23. 압력에 따른 럭스 조정 는 운 모드 변경 알고리즘

- 209 -

(5) 자동화 설계-탁도

원수의 탁도의 경우도 압력과 유사하게 주기 으로 측정하여 미리 입력한 1

단계, 2단계, 최종 상한값에 따라 자동으로 럭스를 낮추거나 십자흐름형으로

자동 환하고, 다시 떨어질 경우 막힘형으로 자동 환하도록 하 다(그림

3-3-25). 측정된 탁도(Turbm)가 1단계 상한값(Turblim1)보다 크면 럭스를 미리

설정한 값(Jturb_set1)만큼을 낮추도록 한다. 이것은 이 감소폭을 Jturb값에 장해

럭스 조정 알고리즘으로 보내어 처음 원한 럭스(Jset)에서 이 값(Jturb)만큼을

낮춘 값을 목표 럭스(J)로 하여 이것을 제어하도록 하는 방식으로 수행된다.

측정된 탁도 (Turbm)가 2단계 상한값(Turblim2)보다도 크면 두 번째 럭스 감

소폭(Jturb_set2)만큼을 낮추도록 하는 동시에 운 모드를 고탁도 모드(high

turbidity mode)로 변경한다. 이 모드 역시 미리 사용자가 설정한 것이다. 를

들어 고탁도 모드를 십자흐름형으로 하 고 원래 정상 모드가 막힘형이었다면

막힘형에서 십자흐름형으로 자동 환되는 것이다. 즉 특정한 탁도값을 기 으

로 어느 값 이상이면 럭스를 낮추거나 운 방식을 자동 바꿈으로써 막오염

을 완화하는 것이다. 기 탁도값, 럭스를 낮추는 폭, 탁도가 높을 때의 운

방식 등에 한 것은 원수의 종류에 따라 다르며 운 자의 경험이 필요하기도

하다. 여름 장마철과 같은 경우 측정된 탁도(Turbm)가 최종 상한값(Turblim3)보

다도 커서 운 이 어려운 경우, 운 을 일시 단한다.

- 210 -

start

Turbm>Turblim1?

yes

Jturb= 0


Turbm>Turblim2? Turbm>Turblim3?

yes

no no no

yesShut down

Jturb= Jturb_set1 Jturb= Jturb_set2

<If high turbidity mode>

->Normal mode

high turbidity mode

Jturb->유량회로 #으로

start

Turbm>Turblim1?

yes

Jturb= 0


Turbm>Turblim2? Turbm>Turblim3?

yes

no no no

yesShut down

Jturb= Jturb_set1 Jturb= Jturb_set2

<If high turbidity mode>

->Normal mode

high turbidity mode

Jturb->유량회로 #으로

그림 3-3-24. 탁도에 따른 럭스 조정 는 운 모드 변경 알고리즘

start

f1= f1set

f2= f2set

f3= f3set

J=Jset – Jturb - Jp

Jm*

f1= f1+ ∆f1 f1= f1- ∆f1

Jm<J- ∆J Jm>J+ ∆JJ- ∆J <Jm<J+ ∆J

Jturb Jp

탁도 압력

If P3>1 bar

f1= f1- ∆f1

[ ]min delay

#

start

f1= f1set

f2= f2set

f3= f3set

J=Jset – Jturb - Jp

Jm*Jm*

f1= f1+ ∆f1 f1= f1- ∆f1

Jm<J- ∆J Jm>J+ ∆JJ- ∆J <Jm<J+ ∆J

Jturb Jp

탁도 압력

If P3>1 bar

f1= f1- ∆f1

[ ]min delay

#

그림 3-3-25. 정유량 압력, 탁도의 변화에 따른 럭스 조정 알고리즘

- 211 -

(6) 자동화 설계-유량( 럭스)

우선 연속 으로 일정량의 처리수를 공 하기 해서는 일정한 럭스를 유

지하는 것이 필요하다. 따라서 와 같이 피드백 제어(feed-back control)을 통

해 유량을 일정하게 조 한다. 한 앞서 압력과 탁도에 한 알고리즘에서 상

한값을 과하여 럭스를 조정할 필요가 있는 경우 여기에서 조정하게 된다

(그림 3-3-26).

처음에 미리 설정한 각 펌 의 주 수(f1, 2, 3set)를 기 펌 주 수고 한

다. 기본 으로 미리 입력한 원하는 럭스(Jset)를 목표 럭스(J)로 하여 이를

기 으로 정유량 피드백 제어를 한다. 그러나 압력이나 탁도가 상한값을 과한

경우, 에서 설명하 듯, 감소폭을 각각 Jp, Jturb에 장하여 이 럭스 조정 알

고리즘으로 보내게 된다. 이 감소폭을 Jset에서 뺀값을 목표 럭스 J로 계산하

게 된다. 이와 같이 목표 럭스 J가 정해지면 측정된 럭스 Jm과 비교하여 그

값이 목표 럭스보다 작으면 원수 유입 펌 의 주 수(f1)를 미리 설정한 값

(Δf)만큼 높이고, 목표 럭스 보다 크면 주 수를 그 값 만큼 낮춘다. 이와 같

은 것을 특정한 시간 마다 반복함으로써 피드백 제어를 실시하여 원하는 럭

스가 계속 유지 되도록 한다.

- 212 -

(7) 자동화 설계-온도

계 에 따른 원수의 온도 변화는 시스템에 큰 향을 수 있을 정도로 큰

편이다. 지하수이기 때문에 기온이 하10도 정도로 내려갔을 때에도 수온은 5

도이하로 내려가지는 않았지만 계 인 변화는 지표수 못지 않게 나타나고 있

다.

특히 온도가 낮을 경우는 배 이나 밸 , 펌 등에도 큰 악 향을 끼치며

한 원수의 도를 크게 낮추어 분리막의 여과성능도 악화되고, 따라서 공정의

체 인 성능이 하되게 된다. 그림 3-3-27에서 보듯 20℃에서의 여과능을

100이라고 하 을 때 0℃에서는 약 50정도의 여과성능을 보여, 온도에 의해서만

50%정도로 여과능이 악화됨을 알 수 있다.

따라서 온도변화에 따라 한 운 조건으로 변경하여 주는 것이 시스템을

안정 으로 운 하고 효율을 유지하는 데 필수 이다.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 35

온도 (̀ C)

여과

성능

비비

그림 3-3-26. 온도에 따른 여과성능비

- 213 -

다음 그림은 온도 변화에 따른 운 모드 변경 알고리즘이다(그림 3-3-28).

측정한 온도(Tm)가 설정한 1단계 하한값(Tlim1)보다 낮으면 온 모드 (low

temperature mode)로 변경한다. 단 앞서 설명한 바처럼 배수조의 수 가 높아

(level D off) 처리수 생산이 거의되지 않을 경우 원수 유입 배 등이 동 될

염려가 있다. 따라서 그와 같은 경우 주기 으로 순환펌 를 가동하거나 역세척

을 실시하는 등의 방법으로 동 를 방지하는 모드(no freezing mode)로 환한

다(그림 3-3-28).

온도가 더 낮아져 측정온도가 2단계 하한값(Tlim2)보다 낮아지면 바로 동

방지 모드로 들어가며, 부 시설로 난방 설비가 갖추어 진다면 이것을 가동하

게 된다. 온도의 상한값(Tlimh)은 분리막의 가용온도가 최고 40℃이므로 이 값보

다 조 낮은 값으로 설정할 정이다. 이와 같이 수온이 높을 경우에는 우선

일시 으로 운 을 정지한다. 여름철 최고 기온이 30℃를 넘는 경우는 거의 없

기 때문에 이것은 만약의 사태를 비한 시스템의 안 을 한 설정이라고 볼

수 있다.

마지막으로 이러한 PLC에 의한 자동운 을 계속 하다가 비상시의 경우, 는

장비 검 시 등에 수동으로 각 밸 와 펌 를 작동할 수 있도록 하기 해 자

동/수동 운 환기능을 설치하 다.

- 214 -

start

Tm<Tlim1?

yes


Level D on?

yes

no

no

<If ‘low temperature mode’ or ‘no freezing mode’ >

->Normal mode

low temperature mode

no

Tm<Tlim2?

Tm>Tlimh?

No freezing mode

No freezing mode

yes

no

Heater on

yesShut down

start

Tm<Tlim1?

yes


Level D on?

yes

no

no

<If ‘low temperature mode’ or ‘no freezing mode’ >

->Normal mode

low temperature mode

no

Tm<Tlim2?

Tm>Tlimh?

No freezing mode

No freezing mode

yes

no

Heater on

yesShut down

그림 3-3-27. 온도 변화에 따른 운 모드 변경 알고리즘

- 215 -

(8) 원격 모니터링 제어 시스템 구축

실증 랜트 I에서는 압력, 유량, 온도, 탁도, 각 장비의 정상운 등을 원격으

로 모니터링하고, 처리유량, 십자흐름속도, 역세척 압력, 그밖에 에서 설정한

모든 값 등을 원격 으로 조정할 수 있도록 하 다(그림 3-3-29). (단, 설치지역

이 유선 통신이 불가능한 지역이어서 무선데이터 통신을 해야한다는 제약이 있

었다.)

기본 으로 장의 랜트에 직 연결된 PC에서의 부분의 기능을 원격지

PC에서 수행할 수 있다. 와 같이 장 PC에 럭스, 원수 압력, 역세척 압력,

원수 처리수 탁도, 온도, pH등을 한 에 알아볼 수 있는 화면을 구성하 으

므로, 원격지 PC에서도 이와 같은 모니터링이 가능하다. 이 데이터들은 장의

PC에 일로 장되며 원격지에서도 이를 가져와 열 수 있으므로 이 의 기록

들을 분석하고 정리하는 것도 원격지에서 모두 가능하다.

원격지에서 모니터링 해야할 가장 요한 것은 장의 시스템이 과연 제 로

잘 운 되고 있는가 일 것이다. 장에서 검하는 것만큼 세 한 찰은 어렵

더라도 재 운 상태는 어떠한지, 어떤 이상이 있는지 정도는 체크할 수 있어

야 할 것이다.

이와 같은 체크를 해 시스템의 각 장비의 상황을 악할 수 있도록 다음과

같은 화면을 구성하 다(그림 3-3-30).

- 216 -

그림 3-3-28. 장의 PC와 원격지 PC의 통신

그림 3-3-29. 각 장비의 정상운 여부 장 원격 모니터링

- 217 -

기본 으로 각 밸 의 개폐를 체크하여 재의 운 모드나 그 세부 단계를

악할 수 있으며, 화면상에 각 장비의 계기값을 체크해 볼 수 있도록 함으로써

체 인 운 의 안정성을 알아볼 수 있도록 하 다.

모니터링 뿐 아니라 이 에 설명한 운 모드 구성이나 각종 설정값을 변경함

으로써 체 인 시스템의 운 조건을 바꿀 수 있다. 즉 막힘형, 십자흐름형

여과 방식, 역세척 방향 시간, 럭스, 역세척 압력, 십자흐름속도, 압력, 탁

도, 온도 등의 상하한값, 럭스 감소폭 등을 원격지에서 변경하여 운 을 제어

할 수 있는 것이다.

그밖에 기 시작(start-up)시를 한 각 배 의 공기 배출(air-venting), 분리

막 모듈 내의 공기 배출 등을 자동으로 수행할 수 있도록 제작하 다. 처음 설

치시부터 모든 운 과정을 자동화하고자 하 으며, 이러한 설계, 제작이 핵심

이라고 할 수 있겠다.

- 218 -

(9) 사용자 인터페이스

실증 랜트 I에서 운 변수 설정값을 조정하거나 운 모드를 바꾸는 등의

작업을 모두 PC 상에서 windows 기반으로 쉽게 근 가능하도록 구성하 다.

따라서 PC를 다룰 아는 사람이면 비교 쉽게 조작할 수 있을 것으로 상

된다.

그러나 이와 같은 랜트가 실질 으로 이와 같은 사람이 고 고령화된 농

지역 등에 설치될 가능성이 높은 것이 사실이다. 재 설치된 지역에서도

지의 사용자가 직 랜트를 다루는 것이 쉽지 않았다.

랜트 운 특별한 문제가 생기지 않는 한 지인이 직 랜트를 조작

하여야 하는 일이 많지 않다 하더라도, 사용자를 한 쉬운 인터페이스 구축은

요하다.

실증 랜트 II에서는 보다 쉬운 터치 스크린으로 인터페이스를 구성하 다.

- 219 -

4. 시스템의 안정성

가. 시스템 내부의 안정성

설치 후 시운 까지 밸 나 유량계, 수 센서 신호체계 등의 몇 가지 문제

들을 해결하고 4월부터 본격 인 먹는 물 공 을 시작하 다. 그러나 그 이후에

도 몇 가지 문제들이 발생하 으며, 재는 안정 으로 먹는 물을 공 할 수 있

게 되었다.

시스템 내부 인 문제로는 센서와 PC상의 문제가 발견되었다.

여러 가지 센서 원수의 탁도계에서만 두 차례 문제가 생겼다. 탁도계는 수

의 기포에 의해 오차가 발생할 수 있다. 처리수의 탁도계는 이러한 오차를 자

체에서 이도록 설계되어 있으나, 원수의 탁도계에는 이러한 장치가 없었다.

그래서 기포가 쌓여 실제 원수는 탁도가 낮았음에도 불구하고 상당히 높은 값

으로 잘 못 측정이 된 것이었다.

재 시스템의 로그램에서 탁도가 어느 한계값 이상이 되면 운 을 일시

정지하도록 설정되어 있다. 이에 따라 당시 운 이 일시 정지되었었다. 재는

이러한 문제를 보완하여 운 하고 있다.

PC상의 문제는 PC자체에서의 오류와 로그램 내에서의 오류가 있었다.

기인 4월에 발생한 PC자체의 오류는 일반 인 PC에서의 오류와 유사한 수 의

것으로, PLC의 운 에는 큰 지장이 없었으나 로그램의 구동이 되지 않았었

다. 이 이후 이러한 문제는 거의 발생하지 않았다.

로그램 상의 문제는 주로 데이터의 수집과 련된 것으로서 시스템의 운

과는 계 없었다. 데이터를 받는 도 에러가 발생하면 더 이상 데이터가 수집

되지 않는 문제 으며, 몇 차례 로그램의 수정 후 재는 이러한 문제가 발생

하지 않도록 하고 있다.

- 220 -

나. 부 설비의 안정성

실증 랜트 I 자체 시스템 내의 문제가 아닌 부 설비들의 안정성이 문제가

되었었다.

(1) 력 공 설비

첫 번째는 력공 에 한 것이었다. 4 차례 정 이 발생하여 먹는 물 공

이 단된 것이다. 특히 비가 많이 오는 날에 발생한 경우가 많아 외부 력 공

선이나 력량계에서의 에 의해 차단된 것으로 추정된다. 력량계는 기

존에 있던 것을 그 로 사용하는 것으로 건물 외부에 설치되어 있어 가장 의심

이 되었다. 우선 방수처리를 하 고 재는 특별한 문제가 없으나, 다시 비가

많이 오는 시기가 올 때 문제가 없는지 확인하여야 할 것으로 보인다.

(2) 배

랜트 내 설비의 배 이 아니라 외부연결 배 에서 두 차례 문제가 발생하

다.

실증 랜트 I은, 기존의 지하수 펌 가 있는 심정에서 원수를 공 받아, 컨테

이 안에 있는 랜트에서 처리수를 생산하여 다시 심정으로 보내고, 그곳의

지하 배 을 통해 집수정으로 보내도록 되어 있다(그림 3-3-1, 3-3-4, 3-3-5 참

조).

따라서 심정과 컨테이 사이에는 두 배 이 존재한다(그림 3-3-31). 원수를

공 하는 배 과 처리수를 이송하는 배 이다.

처음 문제가 발생한 것은 컨테이 바닥의 지반이 많은 비로 약간 내려앉으

면서 이 두 배 처리수 이송 배 에 크랙이 발생하여 수되기 시작한 것

이었다. 이러한 문제를 발견한 후에 유연성있는 배 으로 교체하여 설치하 다.

- 221 -

그림 3-3-30. 실증 랜트 I의 원수착수정과 랜트간 설치 배

그림 3-3-31. 실증 랜트 I의 원수착수정과 랜트간 설치 배 변경 후

- 222 -

두 번째로 문제가 발생한 것은 심정 건물 내 처리수 이송 배 에서 다. 실증

랜트 I에서 생산된 처리수는 약 200m떨어진 집수정까지 처리수 이송펌 에

의해 보내어 진다(그림 3-3-5 참조). 만약 실증 랜트 I내의 처리수조 내 수

가 역세척에 필요한 최소량의 수 까지 내려가면, 처리수 이송을 잠시 단한

다. 이 때 집수정의 고도가 실증 랜트보다 높으므로 이송되던 200m배 내의

물이 거꾸로 흘러오게 되는데, 이때의 되돌아오는 물의 힘(일명 water hammer

상이라고 함)에 의해 계속 으로 배 이 꺾인 부분에 충격이 가해졌던 것으

로 추정된다. 이에 따라 PVC배 이 손되었으며, 강도가 높은 스테인리스 강

배 으로 교체 설치하 다.

(3) 집수정

마지막으로 언 할 것은 집수정에 한 것이다. 이 때문에 문제가 발생한 것

은 아니나 시스템 운 상 요한 것이었다. 이 집수정은 기존에 마을에 있던 설

비로 지하수를 퍼올려 물을 장하는 배수지 역할을 하는 곳이었으며, 실증 랜

트 I 설치 후에는 처리수를 장하여 배수하는 역할을 한다(그림 3-3-5 참조).

실증 랜트 I 설치 후 처음으로 먹는 물을 공 하고자 할 때 한 잔류염소

농도를 알아보고자 하 다. 그 결과 처리수조에서 잔류염소를 약 1ppm으로 맞

추어야 집수정이나 배 을 거치면서 실제 가정에서 약 0.2ppm정도가 되어 공

되었다. 특히 집수정에서 상보다 많은 염소가 소비됨을 알 수 있었다.

이는 실증 랜트 I 설치 후 계속 으로 병원성 미생물이 없는 처리수를 집수

정으로 보내어 공 하 음에도 불구하고 집수정 자체 내에 일부 세균이나 장

균이 남아 있기 때문으로 단하 다. 이에 따라 집수정 내부를 청소하고 소독

하 다.

이 후 집수정에서의 잔류염소 소비량이 어들었으며 이에 따라 처리수조에

서 잔류염소를 0.3ppm 내지 0.2ppm으로만 유지하여도 가정까지 잔류염소가

0.1ppm 이상 유지되었다.

막분리 설비는 거의 모든 공정이 기에 의해 제어되므로 력 공 의 안정

성이 매우 요하며, 시스템 내의 배 뿐아니라 외부 배 이나 장 탱크의 청

결상태 등 부 설비도 유지 리를 잘 해야 함을 알 수 있었다.

- 223 -

5. 시스템의 경제성

시스템의 경제성은 기 제작 설치비와 단 처리수를 생산하는데 필요한

비용으로 나 어 살펴볼 수 있다.

가. 기 설치비

기 설치비용은 규모, 소비자가 원하는 사양, 설치 지역의 제반 여건 등에

따라 차이가 크게 날 수 있으나, 일본의 한 시스템과 비교하면 다음과 같다(표

3-3-7).

실증 랜트 I은 분리막과 처리 필터를 제외한 나머지 모든 부품을 국내에서

생산되거나 쉽게 조달할 수 있는 부품을 사용하 다. 이는 향후 부품의 교체를

해서도 요하지만 시스템의 단가를 최소화하는데도 매우 요하다. 따라서

이와 같이 일본 A사와 비교하여 기 설치비용이 1/10 - 1/5 정도로 렴함을

알 수 있다. 본 시스템의 성능은 앞서 효율성과 안정성에서 설명한 바와 같이

만족스러운 수 이므로, 가격경쟁력과 성능이 모두 매우 높다 할 수 있다.

표 3-3-7. 본 시스템과 타 시스템의 기 설치 비용 비교

시스템 시스템의 생산 규모 기 설치비용

본 시스템 100 - 1,000톤/일 0.8 - 4 억원

일본 A사 100 - 1,000톤/일 10 - 20 억원

- 224 -

나. 처리수 생산비

처리수 생산에 실제로 드는 비용은 기비용과 약간의 약품 소모품 비용

뿐이다. 그러나 다음과 같이 여러 가지 사항을 고려한 생산 단가(먹는 물을 공

받는 주민이 낼 수도 요 에 해당)를 계산하여 실질 인 경제성을 살펴보고

자 하 다.

(1) 회사가 설치하고 직 운 할 경우( 탁운 )

회사가 한 지역으로부터 탁을 받아 직 실증 랜트 I과 같은 규모의 랜

트를 설치하여 운 하고 그 비용을 청구하여 수도 요 처럼 받아 운 할 경우

를 가정하여 다음과 같이 계산하여 보았다.

- 기비 : 1kWh/톤 * 61원(산업용)/kWh = 61원/톤

- 감가상각비 : 랜트 자체 비용 0.8억, 내구년수 10년

10년 후 가치 기의 10%

-> 10년간 감가상각 0.7억(7천만원)

10년간 먹는 물 생산량 = 평균 80톤/일*365일*10년 = 29.2만톤

7천만원/29.2만톤 = 240원/톤

- 이윤, 인건비, 소모품비 포함 증가분: 40%

⇒ 생산단가 : (61원/톤 + 240원/톤)*1.4 = 421원/톤

실제 먹는 물 생산비에 해당하는 기비용은 실증 랜트 I 운 을 통한 실측

치를 바탕으로 한 것이다. 실증 랜트 I 자체 시스템만으로는 0.5kWh/톤 정도

의 력이 소모되나, 지하수 펌 와 처리수 이송 펌 의 력 소모까지 포함한

총 소모량이 1kWh/톤이었다.

산업용(갑) 기료는 계 에 따라 조 씩 차이가 나나 평균 으로 61원/kWh

정도가 된다. 이에 따른 계산에 의해 기비가 61원/톤 정도가 된다.

감가상각비는 랜트 자체 비용에, 내구년수를 10년으로 가정하고 그 이후 가

- 225 -

치를 10%정도라고 하여 계산한 것이다. 10년간 일평균 80톤(최 100톤/일

랜트)으로 생산한 양이 29.2만톤이므로 감가상각비가 240원/톤이 된다.

여기에 이윤과 인건비 약품과 같은 소모품비를 포함하여 40%의 비용을 추가

한다. 이것은 이윤이나 인건비 등에 따라 달라질 수 있다.

이와 같은 근거에 의해 계산하면 생산단가가 421원/톤이 된다. 즉 주민들은

톤 당 421원의 수도요 을 내고 먹는 물을 공 받게 되는 것이다.

이것을 재 서울시의 상수도 사용 요 과 비교하여 보았다(표 3-3-8).

이외 목욕탕용과 업용이 있으나, 기본 인 가정용과 업무용 요 만 나

타내었다. 가정에서 10톤 이하를 사용하면 190원/톤이고, 30톤 이하를 사용하면

320원/톤이므로, 본 시스템에 의한 비용이 이보다는 조 비싸다.

그러나 이것은 최 비용과 비교한 것이다. 일반 으로 4 - 5명인 가구에서 월

평균 20 - 40톤 정도를 사용한다고 볼 수 있고, 실제 실증 랜트 I을 설치한 지

역에서도 가구당 30 - 35톤 정도를 쓰는 것으로 나타났다. 따라서 이에 해당하

는 510원/톤과 비교하는 것이 타당하며, 그 다면 본 시스템의 생산 단가가 약

20%정도 렴하다.

표 3-3-8. 서울시 상수도 요 (서울시 수도조례 제 20 조 규정에 의거)

수도계량기 구경별

기본 요 (원)사용요 (원/톤)

구경(mm) 요 (원) 업종/구분 사용구분(톤) 단가(원/톤)

13 1,080

가정용

0 - 30 320

20 3,000 30 - 40 510

25 5,200 40 - 50 570

32 9,400 50 과 790

40 16,000

업무용

0 - 50 470

50 25,000 50 - 300 600

65 38,900 300 과 680

단, 세 당 월 10톤이하를 사용하는 가정용 사용 요 은 1톤 당 190원으로 한다.

- 226 -

(2) 지역에서 구매하여 자체 운 할 경우(자체 운 )

한 지역에서 회사로부터 시스템을 구매하여 자체 운 할 경우에 다음과 같이

생산단가를 계산할 수 있었다.

- 기 설치비 : 0.8억, 내구 년수 10년, 10년간 생산량 29.2만톤

0.8억원/29.2만톤 = 274원/톤

- 기비 : 1kWh/톤 * 61원(산업용)/kWh = 61원/톤

- 운 비

분리막 교체비 : 800만원/10년

약품비 : 20만원/1년 = 200만원/10년

기타 소모품 교체비 : 600만원/10년

(1,600만원/10년) / (29.2만톤/10년) = 55원/톤

⇒ 생산단가 : (274원/톤 + 61원/톤 + 55원/톤) = 390원/톤

이와 같은 경우 기 설치 비용이 한꺼번에 들어간다는 단 이 있으나 반

인 생산단가는 더 낮아진다고 볼 수 있다. 그리고 기 설치비를 고려하지 않

는다면 한달에 각 가정에서 납부하는 비용은 기비와 운 비만 고려한 116원/

톤이 될 수 있다.

이와 같이 기존의 공정 신 본 시스템을 용하려 할 때, 설치 비용이 새로

들어간다는 부담을 제외하면, 경제 으로 기존의 정수처리 공정과 비교하여 충

분한 경쟁력이 있다. 더구나 서울시나 역시와 같이 규모 정수장에서 생산하

는 먹는 물을 공 받는 것이 아니라 도시에서 먼 지역이라면, 기존의 정수처리

공정을 도입한다고 해도 부 설비의 설치비용이 들거나 더 높은 수도요 을

낼 가능성이 높다. 한 가구 수가 작아 간이 정수처리 시설을 도입하는 지역에

서는 이보다는 더 은 비용으로 물을 공 받을 수도 있으나, 수질을 보장받을

수 없는 물을 먹는 물로서 공 받게 될 것이다.

- 227 -

더구나 여기에서 고려하지 않은 인건비를 빼놓을 수 없다. 본 시스템은 원격

지에서 지 랜트를 모니터링하고 제어하는 것이 가능하다. 한 여러 랜트

가 설치된 경우 한 곳에서 동시에 리할 수 있기 때문에, 그 인력의 수가 크게

감될 수 있다. 더구나 인력의 수가 어듦으로 인해 소수의 문 인력을 고용

함으로써 문 리에 의한 확실하고 안정 인 먹는 물 생산이 가능하다고

할 수 있다.

큰 규모 뿐 아니라 작은 규모로도 경제성 있는 먹는 물을 공 할 수 있으며,

기존의 정수처리 공정보다도 훨씬 안 하고 경제성있는 먹는 물을 공 할 수

있다는 측면에서, 본 시스템은 매우 경쟁력이 있다고 할 수 있다.

그림 3-3-32. 원격모니터링 제어에 의한 인력 감소

- 228 -

6. 실증 랜트 I의 장기운 결과

실증 랜트 I은 앞서 언 하 듯이 2003년 4월부터 생산한 물을 먹는 물로서

주민에게 공 해왔다. 역세척 주기와 상하방향 역세척 시간 분배, 회수율을 고

려한 역세척 압력 등 여러 가지 조건을 변화시켜가며 효율성, 안정성 등을 검토

하고 최 의 조건을 찾아 운 을 하고자 하 다.

그리하여 2003년 9월 이후(그림 3-3-8 등에서 d시 이후) 재(2004년 5월)

까지 운 조건을 유지하며 지속 으로 운 을 해오고 있다. 그 운 조건은 다

음과 같다.

이와 같은 조건에서 운 하여 보았을 때 나타나는 결과들을 분석하고, 5년 혹

은 10년이상 장기 운 의 가능성을 검토해보고자 하 다.

다음에 제시하는 자료 2003년 9월이 (그림 3-3-8 등에서 a ～ d 구간)의

데이터에 한 것은 이미 앞(2. 시스템의 효율성 참조)에서 설명하 으며, 표

의 조건에 운 한 2003년 9월 이후부터 2004년 5월까지의 데이터에 해서만

설명하도록 하 다.

표 3-3-9. 실증 랜트 I의 확립된 운 조건

항목 조건

럭스 55 - 60LMH

역세척 주기 1.25시간

역세척 시간 1분

역세척 방법상하방향 교차역세

(유입방향 우선 45 /반 방향 15 )

역세척 압력 0.6 - 0.65 bar

회수율 92 - 94%

- 229 -

가. 생산량과 운 압

럭스는 2003년 9월 이후 55-60LMH로 고정하고 있다(그림 3-3-34). 이것은

이 지역의 일일 사용량과 역세척 량에 맞춘 최 값이라 단하 다.

그 결과 일일 가동시간이 거의 24시간에 육박하여, 먹는 물이 생산되는 속도

와 소비되는 속도가 거의 일치한다는 것을 알 수 있었다(그림 3-3-35).

더욱 요한 것은 역세척 방법을 2003년 9월 이후 상하방향 교차역세를 하되

원수 유입 방향으로 45 를 우선 실시하고 반 방향으로 15 를 실시하는 방

법을 용한 결과 매우 효과 이었다는 것이다. 그림 3-3-38에 이를 설명하여

보았다.

실증 랜트 I에서는 역세척 방향 뿐 아니라 원수 유입 방향도 모듈 쪽과 아

래쪽을 바꿀 수 있도록 하 다. 이것은 1차년도 소규모 랜트를 운 하면서 찾

은 개선방안을 실증 랜트 I의 설계 시 반 한 결과이다. 그래서 두 역세척 주

기마다 원수의 유입방향을 바꾸어가면서 유입을 하고 있다. 그에 따라 만약 아

래쪽에서 원수가 유입될 때에는 아래쪽 역세척을 먼 45 간 실시하고 쪽을

15 간 실시하고, 쪽에서 원수가 유입될 때에는 쪽을 먼 45 간 실시하고

아래쪽을 15 간 실시하는 방법을 용한 것이다.

그 결과 그림 3-3-36과 그림 3-3-37에서 보듯이 2003년 9월 이 보다 압력

이 서서히 내려가서 상단부는 0.2bar에서, 하단부는 0.37bar정도에서 안정 인

값을 보이며 재까지 운 되고 있다. 막분리 공정에서 일정 럭스로 운 할

때 이처럼 압력값이(정확하게는 막간차압이) 일정하게 유지된다는 것은, 막오염

이 효과 으로 방지되어 거의 일어나지 않는다는 것을 뜻한다.

체 으로 재 설정된 운 조건들이, 이 지역 원수 조건과 사용량 등 실상

황에 최 인 조건임을 나타내고 있다.

- 230 -

그림 3-3-33. 실증 랜트 I 럭스 변화(2003년 - 2004년)

그림 3-3-34. 실증 랜트 I의 일일 운 시간 변화(2003년 - 2004년)

- 231 -

그림 3-3-35. 실증 랜트 I의 모듈 상단부 압력 변화(2003년 - 2004년)

그림 3-3-36. 실증 랜트 I의 모듈 하단부 압력 변화(2003년 - 2004년)

- 232 -

그림 3-3-37. 원수 유입과 역세척 방향 설정과 반복 시간 회수

- 233 -

그림 3-3-38. 실증 랜트 I의 일일 총생산량(2003년 - 2004년)

그림 3-3-39. 실증 랜트 I의 일일 역세수량(2003년 - 2004년)

- 234 -

나. 회수율

의 일일 총 생산량과 일일 총 역세수량으로부터 일일 원수의 회수율을 구

하면 다음과 같다.

2003년 9월 이후 랜트의 운 조건은 동일하 다. 그러므로 회수율도 9월 이

후 거의 변화없을 것으로 생각하 다. 실제로 그림 3-3-41에 나타났듯이 큰 변

화는 없다. 다만 자세히 살펴보면 2003년 9월부터 12월 까지는 평균 으로

93%-94%사이이고 94%이상의 값도 나타나지만, 2004년 1월 부터는 93%이하의

값도 많이 나타나 92%-94%사이에서 변동함을 알 수 있다.

이것은 1회 역세척량 등은 동일하나 일일 총 역세척량은 조 달라졌기 때문

이다.

그림 3-3-40. 실증 랜트 I의 원수 회수율(2003년 -2004년)

- 235 -

실증 랜트 I은 집수정에 장된 물이 일정수 이상이 되면 생산을 잠시

단하도록 하고 있다. 따라서 그림 3-3-35를 보면 일일 운 시간이 16시간도 채

안될 때도 있음을 알 수 있다. 이 게 잠시 단하 다가 장된 물이 소비되어

집수정의 수 가 내려가면 다시 가동이 되는데 처리수 생산공정부터 시작하므

로 때에 따라서는 역세척 횟수가 꽤 어들 수 있다.

역세척 횟수가 어드는 것이 막오염에 악 향을 끼칠 수 있다고 생각할 수

도 있다. 그러나 간헐 인 운 정지만으로도 막오염이 어느 정도 완화되는 효

과가 있기 때문에, 다시 운 이 제게 될 때 역세척부터 시작하는 것은 생산된

처리수의 낭비일 수도 있다. 따라서 연속운 시에는 역세척을 해주어야 하지만

잠시 단 후 가동할 때에는 바로 역세척을 하지 않는 것이 효율 이라고 단

하 다.

2003년 9월부터 12월까지는 일일 한 두차 운 이 정지되었다가 가동되곤

하 다. 그러나 1월 이후에는 24시간 계속 가동하게 되었다.

이것은 특별히 지역의 물 소비량이 증가한 것이 아니므로, 땅속에 매설된 배

어딘가에 수가 생긴 것으로 단하고 있다. 주민들과 수된 곳을 찾아보

려 하 으나 쉽지 않았다.

아무튼 이 게 연속 인 운 을 하다보니 역세척을 제시간에 계속 으로 하

게 되고 따라서 일일 역세척 수량이 조 늘어나게 된 것이다(그림 3-3-40.

2004년 1월 이후).

그에 따라 일일 생산량은 크게 차이나지 않으나 역세척량이 조 늘어나 회

수율이 조 떨어지게 된 것이다. 그러나 평균 93%에 해당되고 지 운 상태

가 매우 양호하므로 이러한 운 조건을 계속 유지하고 있다.

- 236 -

다. 처리 효율

우선 처리수 탁도는 연 0.03NTU이하로 매우 안정 인 값을 보이고 있다.

분리막의 특별한 손상이없다면 몇 년의 장기운 시에도 이러한 안정 이고 매

우 낮은 값이 지속 으로 유지될 것으로 보인다.

그림 3-3-41. 실증 랜트 I의 처리수 탁도(2003년 - 2004년)

병원성 미생물 등도 술한 바와 같이 막의 손상이 없다면 장기 으로도 높

은 제거율을 유지할 것으로 보인다.

막의 손상 여부는 아직 테스트를 수행하지는 않았으나 그 방법은 여러 가지

가 알려지고 있다. 가장 기본 인 방법은 탁도나 입자 계수기(particle counter)

등을 모니터링 함으로써 체크하는 것이다. 연속운 을 지하지 않고도 모니터

링 할 수 있다는 장 이 있으나, 많은 양의 처리수가 생산되므로 미세한 손상에

의해 미량의 병원성 미생물만이 빠져나온다면 체크하기 어렵다는 단 이 있다.

여러개의 모듈을 설치하여 운 할 경우 하나의 모듈만 운 을 지하고 체크하

는 방법도 있다. 이때 다른 모듈에 의해 생산이 유지될 정도가 되어야 한다. 압

축공기를 이용하여 압력강하나 거품의 변화를 살펴보는 방법이 있다. 최근에는

막이 손상되었을 때 그 부근을 지나는 유체의 흐름이 바 어 그 소리, 즉 음

가 바 는 것을 이용하여 체크하는 방법이 연구되고 있다.

여러 모듈을 설치한 규모 시스템을 설계할 때에는 이러한 사항까지 포함

하여야 할 것이다.

- 237 -

그림 3-3-42. 실증 랜트 I의 원수 온도 변화 (2003년 - 2004년)

그림 3-3-43. 실증 랜트 I의 원수 pH 변화 (2003년 - 2004년)

- 238 -

라. 안정성

에서 제시한 바와 같이 운 조건을 확정한 2003년 9월 이후 매우 안정 인

운 을 하고 있다. 생산량, 운 압력, 처리수 수질 등 모든 것이 큰 변화 없이

처리수가 생산, 공 되고 있다.

지표수에 설치한 소규모 랜트와 달리 지하수이기 때문에 겨울철 낮은 온도

에 의한 문제나, 가을철 조류 발생에 의한 pH 변화 등이 나타나지 않아, 더

욱 안정 으로 운 되고 있다.

시스템이나 부 설비 등도 큰 문제 없이 운 되고 있다. 다만 앞서 언 한

수되는 부분을 찾지 못한 것이 하나의 문제라고 할 수 있다.

종합하면, 막분리 단독공정에 잔류염소 유지를 한 염소소독 공정만을 추가

한 실증 랜트 I을 경기도 한 간이정수시설을 체하여 설치하고 운 하여 실

제 먹는 물로서 주민에게 공 한 결과 매우 만족스런 운 이 유지되고 있음을

알 수 있었다.

양방향 원수유입과 양방향 교차 역세척을 실시하고 그 최 조건을 찾아 운

한 결과 생산량과 운 압력이 매우 안정 으로 유지되었고, 회수율도 평균

93%정도로 높은 편이었다. 처리수 수질도 매우 높은 수 으로 유지되어 처리

효율도 만족스러웠다.

자동운 에 의해 유지되어, 역세척에 필요한 약품 유지 리와 간혹 발생하는

자연재해에 의한 력공 문제의 해결을 제외하고는 인력이 크게 소요되지 않

아 매우 편리하고 안정 임을 입증하 다.

물 생산 단가 측면에서도 재 수도요 체계와 비교하여 볼 때 큰 차이가 없

었으며, 설치 규모나 수가 증가하고 소수의 문 인력이 리한다는 것까지

감안하면 매우 경제성 있는 시스템이라 할 수 있다.

2년에 걸친 운 을 통해 장기 인 운 에서도 큰 문제 없이, 조건에 따라 수

년에서 10년 이상까지도 안정 으로 운 할 것으로 망되었다.

- 239 -

제 4 실증 랜트 II의 제작 운

1. 실증 랜트 II의 기본 사양

2차년도 말에 설계 제작 착수한 실증 랜트 II는 실증 랜트 I의 두 배 용

량인 최 200 m3/day 규모로 제작하 다.

다음은 실증 랜트 II의 사진(그림 3-4-1, 그림 3-4-2)과 개념도(그림

3-4-3)와 도면(그림 3-4-4)이다.

그림 3-4-1. 실증 랜트 II의 설치 장 경 (경북 청송)

- 240 -

실증 랜트 II는, 실증 랜트 I과 원수의 수질이 상이한 경북 경남 지역,

즉 낙동강 수계에서 한 지역을 선정하고자 하 다. 지의 여러 지역을 검

토하고 각 지역의 기 과 한 결과, 처음에는 경주시의 한 정수장 안에 설치

하고자 하 다. 그러나, 실증 랜트 I과 달리, 생산된 처리수를 직 공 하지

못하고 다시 강으로 방류하게 되었다. 실증 랜트 II에서 생산된 처리수도 직

주민에게 공 할 수 있는 장소를 선정하고자 다시 검토하 다.

최종 으로 경북 청송군의 소규모 정수장에 설치하기로 하 다.

이곳의 원수는 일종의 계곡수로서, 안동호로 들어가는 작은 하천이다. 간단한

수질 검사 결과를 첨부하 다(첨부 4-1, 4-2 참조). 원수의 장균수가 300

-500/100ml 정도 다. 기존의 정수시설에는 응집지가 있으나 응집을 실시하지

않고 있었으며 침 과 모래여과만을 거쳐 염소소독을 실시하고 공 하고 있었

다. 이에 따라 간혹 원수 탁도가 수십 NTU가 넘어갈 경우, 처리수에서 수질 기

치를 넘는 탁도가 검출되기도 하는 등의 문제를 안고 있었다.

따라서 처리 공정이 추가된 막분리 공정인 실증 랜트 II를 설치함으로써

이러한 문제를 해결하고자 하고 만족스러운 수질의 먹는 물을 공 하고자 하

다.

- 241 -

그림 3-4-2. 실증 랜트 II의 사진

- 242 -

(ㄱ) 처리 공정

(ㄴ)막분리 공정

그림 3-4-3. 실증 랜트 II의 개념도

- 243 -

그림 3-4-4. 실증 랜트 II의 외형과 치수를 나타낸 도면

- 244 -

표 3-4-1. 실증 랜트 II의 운 조건

항목 조건

럭스 56LMH

역세척 주기 1시간

역세척 시간 1분 30

역세척 방법상하방향 교차역세

(유입방향 우선 1분/반 방향 30 )

역세척 압력 0.72 - 0.75 bar

회수율 95%

- 245 -

실증 랜트 II의 기본 사양은 다음과 같다.

- 처리 공정을 추가한 막분리 혼성공정으로서, 분리막은 막세공 0.01㎛인

한외여과 공사막으로 실증 랜트 I과 동일하며, 기본 으로 응집 공정이

주 처리 공정으로서 사용되며, 수질에 따라 활성탄 흡착이나 염소산화 공

정이 추가로 운 될 수 있다. 운 조건은 표 3-4-1과 같다.

- 실증 랜트 I에서 사용한 100톤/일 생산이 가능한 분리막 모듈과 동일한 것

을 사용하되, 2개를 병렬로 설치하여 총 200톤/일 규모로 하 고, 경우에

따라 두 모듈 하나만 운 하는 것이 가능하도록 설계하 다 (그림

3-4-3).

- 생산 규모가 실증 랜트 I의 두 배가 되었으나 외형 인 크기는 크게 증가

하지 않았다. 랜트 크기만 가로 3.2m, 세로 1.7m, 높이 2.5m로 여기에 배

반(가로 세로 0.8m)만이 추기된 크기이다(그림 3-4-4).

- 막분리 공정으로 장균과 세균을 비롯하여 바이러스까지도 거의 완벽히

제거가 가능하며, 탁도나 유기물 농도가 높아서 처리수 수질문제 뿐아니라

막오염 문제를 해결하기 해 응집공정이 운 될 수 있다.

응집공정은 착수정, 응집제 주입, 혼화지, 록형성지로 구성하 고 설계용

량은 1일 100 - 200 ㎥이다 된다. 각 공정의 설계기 설계용량을 표

3-4-2에 제시하 다.

표 3-4-2에서 설계기 은 상수도 시설기 을 용하 으며, 혼화지와

록형성지의 체류시간은 각각 1분과 10-20분이다. 록형성지 구조는 체가

3단으로 구성되며, 단락류 방지와 충분한 체류식간 유지를 해 상하우류식

을 용하 다. 교반설비는 구조물의 상부에 교반장치를 설치하고 회 수

조 이 가능하도록 설계하 다. 월류웨어 면 비는 체단면 을 기 으로

8 %를 용하 다. 구조물의 재질은 아크릴이며, 수압에 견디기 해 외벽

을 철제앵 로 보강하 다.

- 246 -

- 속이나 발암물질 등 미량유해물질이 나타날 경우 활성탄을 주입하여

제거한다. 한 철/망간과 같은 무기물질에 의한 문제가 발생할 경우 염소

산화 공정이 결합된다. 생산된 물의 잔류염소유지를 해 염소소독 공정이

후단에 추가되었다(그림 3-4-3).

- 분리막의 특성상 처리 필터를 사용하 다. 사용된 한외여과 공사막은

공사의 내부로 원수가 공 되어 외부로 처리수가 생산되는 내압식

(inside-out type)의 분리막으로, 재 디스크 형태의 필터로서 세공크기가

130㎛인 처리 필터를 사용하고 있다. 분말활성탄 주입시 200㎛이상인 것

은 거의 없으나 그래도 처리 필터를 거쳐 분리막으로 보내지는 것이 안

하다.

- 막분리 공정에 한 자동제어와 원격조정은 실증 랜트 I과 기본 으로 같

다. 체 시스템의 운 은 PLC에 의해 자동으로 운 된다. 밸 는 압축공기

의 공압에 의해 개폐되고, 그 압축공기의 흐름을 PLC에서 제어한다. 펌 의

가동과 그 회 수 역시 PLC에 의해 조 된다.

- 모듈 상하 양방향으로 원수 유입 역세척이 가능하도록 설계되어 있으며,

PLC와 PC에 의해 자동으로 제어된다.

- 막힘형과 십자흐름형으로의 환 역시 PLC와 PC에 의해 자동으로 이루어

진다. (KT인증 기술, 첨부 3-3 참조)

- 유량계, 압력계, 온도계, 탁도계, pH계는 모두 아날로그 출력이 가능한 것으

로 PLC의 아날로그 입출력 모듈에 의해 데이터가 수집되며, PC에서 데이터

를 연산, 보 하게 된다. 다만 실증 랜트 I과 같이 여러 조합을 하기보다는

이를 좀 더 단순화하여 실제로 사용되는 모드만을 로그램에 입력하여 놓

았다.

- 이러한 데이터는 랜트에 직 연결되어 있는 PC를 통해 지 원격으

로 모니터링이 가능하다. 다만 실증 랜트 I은 모니터링을 한 로그램을

- 247 -

도입한 반면, 실증 랜트 II에서는 원격제어가 가능한 도우즈를 기반으로

하여 보다 간편하게 모니터링 제어를 할 수 있도록 하 다.

- 사용자와의 인터페이스를 보다 편리하게 하기 하여 터치스크린으로 운

조건이나 모드를 입력 는 선택하도록 되어 있다(그림 3-4-6). 한 재

의 운 상황과 물의 흐름을 쉽게 확인하여 볼 수 있도록 패 을 제작하여

랜트에 부착 설치하 다(그림 3-4-7).

표 3-4-2. 응집지 설계기 설계용량표

설계기 설계용량

용량 - 100- 200톤/일

규격 - 2.4×0.85×1 (m)

혼화지 체류시간 1분 내외 체류시간 1분

록형성지 체류시간 20 - 40분체류시간 10 - 20분

3단 상하우류식

록큘 이터 - 수평식

월류웨어 면 비 - 8%

- 248 -

그림 3-4-5. 실증 랜트 II에 설치된 응집지

- 249 -

그림 3-4-6. 실증 랜트 II의 계기 과 터치스크린

그림 3-4-7. 실증 랜트 II에 부착된 패

- 250 -

2. 시스템의 효율성

가. 모듈 양방향으로의 원수 주입 역세척 설계

실증 랜트 II에서도 실증 랜트 I에서와 마찬가지로 분리막 양방향에서 원수

를 주입하고, 역세척시에도 양방향으로 하도록 설계되었다. 실증 랜트 I의 운

결과 효율 임이 입증되었기 때문이다.

다음은 모듈 2개가 병렬로 설치된 실증 랜트 II에서의 원수 유입시 모듈 아

래 에서 교차 유입하는, 막힘형 여과 방식에서의 이다(그림 3-4-8).

역세척시에도 실증 랜트 I과 마찬가지로 역세척된 오염물을 포함한 물이 모

듈의 혹은 아래로 배출되도록 되어 있는데, 역시 모듈의 , 아래쪽으로 순

차 으로 배출하여 교차 역세척이 가능하도록 하 다(그림 3-4-9).

- 251 -

(ㄱ) 원수 모듈 아래에서 유입

(ㄴ) 원수 모듈 에서 유입

그림 3-4-8. 실증 랜트 II 막힘형 여과방식에서

모듈 아래 에서의 원수 교차 유입

- 252 -

(ㄱ) 상방향 역세척

(ㄴ) 하방향 역세척

그림 3-4-9. 실증 랜트 II 상하방향 교차역세척

- 253 -

나. 생산량과 운 압

실증 랜트 II의 단 시간당 단 막면 당 생산량, 즉 럭스는 56LMH로

고정하여 운 하 다. 이는 실증 랜트 I에서의 값과 유사하게 설정한 것으로서,

휴식없이 하루 24시간 가동하 으므로, 역세척 시간을 제외하고 총 168톤/일

정도를 실제 생산하는 셈이다.

간의 낮은 값들은 문제가 발생하여 운 을 단하거나 럭스가 낮아진 경

우로서 뒤에 안정성 측면 검토 시 다시 설명하도록 하겠다.

이때 모듈에 걸리는 압력의 변화는 다음와 같다(그림 3-4-12). 실증 랜트 I

과 다른 특징은, 압력값의 변화가 거의 없이 0.5 내지 0.51 bar로 거의 일정하다

는 것이다. 이것은, 실증 랜트 I과 달리, 데이터를 수집할 때 필터를 사용하여

값의 흔들림을 방지하 기 때문이다.

하나의 특징은 모듈 상단부와 하단부의 압력값이 같다는 것이다. 의 그

림은 두 압력 값이 일치하여서 하나만을 표시한 것이다. 실증 랜트 I에서 모듈

상단부와 하단부의 압력값이 차이나는 이유는 모듈의 높이(1.2m)만큼 수압차이

가 나기 때문이었다. 실증 랜트 II에서는, 실증 랜트 I과 달리, 두 압력계를 배

에 바로 설치한 것이 아니라 배 에 가는 튜 를 연결하여 두 압력계의 수

를 맞춰주었기 때문에, 압력값이 같아진 것이었다.

마지막으로, 분리막의 특성상 분리막면 이나 모듈의 수에 계없이, 수온이

같다면, 같은 럭스에서 같은 막간차압이 걸려야 한다. 그런데 실증 랜트 I에

서와 거의 같은 럭스임에도 불구하고, 압력값이 0.5bar로 훨씬 더 높다. 실증

랜트 I에서는 운 이 안정화된 이후 상단부는 0.2bar에서, 하단부는 0.37bar정

도 다(그림 3-3-36, 그림 3-3-37).

이와 같이 다른 이유는, 측정된 압력을 바로 막간차압으로 간주하기 해서는

생산된 처리수쪽의 압력이 0bar( 기압 제외)여야 하는데, 실증 랜트 I에서는

0bar에 가까우나, 실증 랜트 II에서는 0bar보다 크기 때문이다. 이것은 그림

3-4-13과 그림 3-4-14에서 보듯이 모듈의 처리수 배출구와 처리수 장조의 수

높이가, 실증 랜트 I에서는 거의 같으나, 실증 랜트 II에서는 략 2m정도

의 차이가 나기 때문이다. 따라서 실증 랜트 II에서는 막 후단의 압력을 고려

하여 막간차압을 다시 계산하여야 한다.

- 254 -

그림 3-4-10. 실증 랜트 II의 럭스 변화 (2004년)

그림 3-4-11. 실증 랜트 II의 일일 총 생산량 (2004년)

- 255 -

그림 3-4-12. 실증 랜트 II의 모듈 상․하단부 압력 변화 (2004년)

(ㄱ) 실증 랜트 I (ㄴ)실증 랜트 II

그림 3-4-13. 실증 랜트 I과 II에서 처리수 장조 높이차에 따른 효과

- 256 -

그림 3-4-14. 실증 랜트 II에서 처리수 장조의 치

그림 3-4-15. 실증 랜트 II의 막간차압 변화(2004년)

- 257 -

실증 랜트 II에서 측정결과 실제로 이러한 처리수 장조 수 의 높이차에 따

른 막후단의 압력은 약 0.23bar정도 다. 실증 랜트 I에서는 상하단부 압력의

간값을 막간차압으로 생각하면 된다. 이를 고려하면

실증 랜트 I에서의 평균 막간차압 = (0.2bar+0.37bar)/2 - 0 bar

= 0.285 bar

실증 랜트 II에서의 평균 막간차압 = 0.5bar - 0.23 bar

= 0.27 bar

보정된 값을 그래 로 나타내면 와 같다(그림 3-4-15). 실증 랜트 I과 거

의 유사한 값을 나타냄을 알 수 있다.

즉 실증 랜트 I과 마찬가지로, 아직까지는, 막오염이 크게 진행되지 않고 역

세척에 의한 막오염 방지가 효율 으로 이루어지고 있다. 운 기간이 길지 않은

상태이며 4계 의 변화를 격지 않은 상태이므로 더 찰하여야 할 것이다.

- 258 -

다. 회수율

실증 랜트 II에서, 실증 랜트 I과 다른 것이 있다면 역세척 시간, 주기 그리

고 역세척수량이다.

사용한 분리막 특성상으로 분리막 표면에 미생물의 번식을 막기 해 역세척

시에 2-5ppm의 염소를 투입하도록 되어 있다. 실증 랜트 I에서 염소 투입시에

는, 배 에서 비교 잘 혼화되어 원하는 염소 농도에 바로 도달함으로써 역세

척에 주어진 1분간 충분히 염소와 할 수 있었다.

그러나 실증 랜트 II에서는 역세척 시작후 40 내지 50 정도가 지나서야

원하는 농도에 도달하는 것을 찰할 수 있었다. 실증 랜트 I보다 경이 커서

염소 투입시 혼화정도가 더 낮기 때문으로 추정된다. 따라서 역세척 시간을 30

정도 더 주어서, 원하는 염소농도로 역세척을 할 수 있도록 하 다.

그러면 역세척 수량이 많아지게 되므로 회수율이 떨어질 수 있다. 실증 랜트

I보다 막면 이 두배이고 역세척 시간이 1.5배이므로, 단순 계산상 실증 랜트

역세척 수량 6톤/일의 세배인 18톤/일 정도가 되어야 한다. 게다가 역세척 주기

도 짧기 때문에 이보다 더 커질 것이라고 상할 수 있다.

그런데 그림 3-4-16을 보면 역세척 수량이 상보다 크지 않았다. 이것은 앞

서 언 한 처리수 장조의 높이와 련있다.

실증 랜트 II에서의 역세척 압력은 0.74bar이다. 실증 랜트 I (0.6 - 0.65bar)

보다 더 높다. 그러나 이는 처리수 장조의 높이에 의한 압력 0.23bar 정도가

더해진 것이기 때문에, 역세척 수량을 이면서도 더 높은 압력으로 역세척을

수행할 수 있었던 것이다.

이에 따라 원수의 회수율 한 높아져서 약 95%정도에 달하 다(그림

3-4-17). 처리수 장조의 치를 높임으로서, 원수 유입펌 에 걸리는 압력은

더 높을 수 있지만, 은 역세수량으로도 높은 역세척 효과를 거둘 수 있어 원

수 이용 효율에 해당하는 회수율이 높아졌음을 알 수 있었다.

- 259 -

그림 3-4-16. 실증 랜트 II에서의 일일 역세척 수량 (2004년)

그림 3-4-17. 실증 랜트 II에서의 회수율 (2004년)

- 260 -

라. 처리 효율

실증 랜트 II 원수의 탁도는 다음과 같이 변하 다.

실증 랜트 I은 지하수이므로 1NTU내지는 1NTU 이내에서 변동이 거의 없

는데 반하여 실증 랜트 II원수는 지표수이므로 기후나 주변 여건에 따라 탁도

가 비교 크게 변하 다.

그럼에도 불구하고 처리수의 탁도는, 소규모 랜트와 실증 랜트 I에서와

마찬가지로, 0.03NTU이하의 안정 인 값을 보 다(그림 3-4-19).

병원성 미생물에 한 것은 아직 체크해보지 못했으나 실증 랜트 I과 동일한

결과를 얻을 것이라고 상된다.

- 261 -

그림 3-4-18. 실증 랜트 II에서의 원수 탁도 (2004년)

그림 3-4-19. 실증 랜트 II에서의 처리수 탁도 변화 (2004년)

- 262 -

마. 처리 공정의 효율

실증 랜트 II는, 실증 랜트 I과 달리, 처리 공정이 추가된 혼성공정이므로,

체 시스템의 효율은 막분리 공정과 처리 공정 각각의 효율뿐만 아니라 공

정간의 연계성에 따라 좌우된다.

실제 랜트에서 직 처리 공정의 효율과 특성을 평가하는 것이 확실하겠

으나 먹는 물로서 직 공 하는 랜트에서 여러 가지 조건을 바꾸어가며 평

가하는 것은 거의 불가능하다고 단하 다.

따라서 실증 랜트에 설치한 모듈내의 공사막과 그 사양이 동일하나 총 면

이 축소된 모듈을 사용하여 0.06 - 0.08톤/일 규모의 평가용 랜트를, 실험실

규모의 처리 공정 결과를 바탕으로, 탁기 I, II에서 각각 제작하고, 낙동강

수계에 치한 두 정수장에 각각 설치하여 처리 공정과 결합된 막분리 공정

의 효율을 평가하고 이를 바탕으로 최 운 조건을 확립하고자 하 다.

처리 공정은 기본 으로 응집 공정을 선택하 다. 그러나 원수의 수질 조건

에 따라 흡착공정과 고도산화 공정을 선택 으로 사용할 수 있도록 하 다(그

림 3-4-3 참조). 따라서 각 공정에 한 평가를 실증 랜트에 사용한 막과 재

질, 길이 등의 사양이 동일하고 구성도 유사한 랜트와 각 처리 공정을 결합

하여 다음과 같이 효율을 검토하 다.

(1) 응집 공정의 평가

(가) 모형 랜트 연속운 을 통한 공정 최 화

응집공정의 최 화를 하여 1, 2차년도의 모형 랜트 운 결과를 바탕으로

공정을 재구성하고, 연속운 을 통해 문제 을 도출하고자 하 다. 도출된 문제

은 실험실 실험과 이론 조사를 통해 보완하고, 재구성한다. 이러한 과정을

통해 공정을 최 화하고, 실증 랜트 II에 실제 반 한다.

1, 2차년도에서 제시된 연구 결과와 장 설치조건에 맞게 혼성공정을 재구성

하고, 연속 운 을 실시하 다.

- 263 -

① 장소의 선정

연속운 을 한 모형 랜트의 설치 장소의 선정은 원수의 안정 인 공 과

실험분석의 효율성, 운 리의 편리성, 그리고 실증 랜트 II와의 연계성이 충

분히 고려되어야 한다. 원수의 공 은 주기 으로 상하천수를 장 채취하여

공 하 다. 설치 장소는 원수의 공 과 리 효율을 고려하여 경남 학교로 결

정하 다.

② 시스템의 구성

시스템은 주공정과 보조공정으로 구성하 다. 주공정은 응집공정과 막분리공

정 이고 보조공정은 시스템제어와 데이터 계측 공정을 포함한다. 설계조건은 원

수의 수질과 역세척수 처리공정의 결합에 따른 유량 변동에 한 안 율을 감

안하여 결정하 다. 침 지 정류벽은 침 지 유입부의 빠른 유입속도로 인하여

침 효율이 감소하는 을 고려하여 유입부에 설치하 다.

막분리 공정은 유입펌 , 순환펌 , 한외역과막, 역세척 공정으로 구성하 다.

유입펌 와 순환펌 는 정량흐름을 유지하고, 펌 의 구조상 발생하는 압력차는

압력 조 용 수조(Damper)를 막유입 직 에 설치하여 압력의 고른 분배를 유지

하도록 하 다. 유입펌 는 침 지 유출 웨어로부터 막의 유입부로 원수를 공

하고, 순환펌 는 농축수를 유입부로 재순환시키는 기능을 하게 되며, 막내부의

선속도를 결정하게 된다.

유입펌 의 유량은 25℃에서 100 LMH의 투과수량을 유지하도록 하고, 온도

변화에 따라 이를 조정하 다. 순환펌 의 유량은 막내부의 선속도는 최 1

m/s를 유지하도록 하 다. 물리 세척은 30분 운 후 처리수를 이용하여 30

간 역세척과 2 간 표면세정을 실시하 다. 화학 세척은 막간차압이 120

kPa에 도달하면 실시하는 것으로 하 으며 세척탱크는 화학세정액을 보 하는

용도로 용하 다.

- 264 -

표 3-4-3. 모형 랜트의 연속운 조건

구 분 Run I Run II

응집제 주입량 FeCl3․6H2O, 30 mg/L

교반조건속교반 : 150rpm, 5min

완속교반 : 30rpm, 11min

분리막

재질, 형태 Polysulfone, Inside-out Hollow-fiber

유효면 , cm2 34.5/EA

사용기간약 1년간

운 된 막 새 막

역세압력, kPa 160 200 150

회수율, % > 90 < 90 > 90

선속도, m/s 1 0.2 0.5

역세척 주기 30분 운 /30+2 간

약품세정 TMP 120 kPa 까지 운

- 265 -

(나) 연속운 을 통한 문제 개선

연속운 은 막의 사용정도와 운 조건에 따라 2단계로 구분하 다. Run I 에

서는 재구성된 시스템의 용성을 평가하는 단계이다. Run II는 Run I의 운

결과를 바탕으로 운 조건 등에 한 조건변화를 통해 장기운 을 실시하는 단

계이다.

① 연속운 조건

2단계의 연속운 조건을 표 3-4-3에 제시하 다.

1차년도의 결과를 바탕으로 응집제는 FeCl3․6H2O를 30 mg/L를 주입하 으

며, 교반조건은 속교반과 완속교반을 각 5분과 11분 실시하 다.

Run I에서 사용된 분리막은 1년 이상 사용한 것이며, Run II에서는 새 막을

사용하 다. Run I의 운 결과 역세척 효율이 낮은 것으로 단되어 Run II는

역세척 압력을 200 kPa로 증가 시킨후 다시 150 kPa로 감소시켰다. 막내부 선

속도는 운 에 큰 향을 미치지 않을 것이라 단하고 0.2~0.5 m/s로 낮은 값

을 용하 다.

연속운 의 결과는 막오염 진행정도와 수질 측정을 통해 평가하 다. 막오염

은 막간차압의 변화로 나타내었고, 수질은 pH, 탁도, UV-254, TOC, 입자수 등

을 1일 1회 이상 측정하 다.

② 연속운 결과 - Run I

Run I의 운 목표는 재구성된 공정의 운 특성을 평가하는 것이다. 운 인자

인 투과수량 변화에 따른 운 특성 조사를 해, 투과수량을 25℃ 기 으로

100 LMH와 80 LMH 조건에서 운 을 실시하 다. 한 응집공정 단계에서 발

생될 수 있는 문제 들에 해서도 조사하 다. Run I의 운 결과 운 조건

을 그림 3-4-20과 표 3-4-4에 제시하 다.

- 266 -

0

30

60

90

120

150

180

0 3 6 9 12 15 18 21

Operating time(day)

TM

P(k

Pa) .

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

Turb

idity

(NTU

) .

I

II

III

A B C

Chemicalcleaning

0

30

60

90

120

150

180

0 3 6 9 12 15 18 21

Operating time(day)

TM

P(k

Pa) .

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

Turb

idity

(NTU

) .

I

II

III

A B C

0

30

60

90

120

150

180

0 3 6 9 12 15 18 21

Operating time(day)

TM

P(k

Pa) .

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

Turb

idity

(NTU

) .

I

II

III

A B C

I

II

III

A B C

Chemicalcleaning

그림 3-4-20. 응집-막여과 공정(Run I) 운 결과

* Point I : 막내부 막힘

II : 응집제 공 단/막내부 막힘

III : 응집제 공 단.

표 3-4-4. 응집-막여과 공정(Run I)의 운 조건 특성

Block A B C

기간 10/13~/24 11/27~12/5 12/14~12/22

Flux(LMH) at 25℃ 100 80 80

수온 (℃) 13.0~20.0 10.0~15.0 5.2~10.0

Specific throughput

(m3/m2/bar)13 18 6

회수율 (%) 92.5 90.7 90.7

- 267 -

Run I의 운 결과 기압력이 높고, 약품세정기간이 약 5일로 상당히 짧은

것으로 나타났다. 이것은 분리막이 이미 상당히 오염되었기 때문인 것으로 단

되었다. 막이 충분한 세척이 이루어지지 않은 상태에서 장기간 운 되어 역세척

과 화학세정에 의한 투과수량의 회복이 어려웠다.

운 조건인 럭스의 향을 조사하기 해 Block B, C의 경우 80 LMH로

운 하 다. 이 결과 Block A의 100 LMH 조건에서 보다 아주 낮은 압력증가

율을 나타내었다. 즉, 럭스가 운 조건에 상당히 큰 향을 미치는 것으로 조

사되었다.

그림 3-4-20의 Point I~III는 운 과정에서 막내부 막힘 상이 발생한 지 을

나타내고 있다. Point I의 경우 원구공 단에 의해 막내부가 막히면서 일시

으로 압력이 증가하 다. Point II와 III는 응집제 공 단을 나타낸다. 응집

제 공 이 단되자 곧바로 압력이 증가하 다. 이런 상은 응집제의 안정 인

공 이 요한 것을 잘 나타낸다. 응집제 공 단은 응집제 장탱크의 용량부

족으로 발생하 다. Point I과 II를 그림 3-4-21에 구체 으로 나타내었다.

원수의 공 이 단될 경우 시스템 구조상 공기가 막내부로 유입되고, 순환되

던 농축수의 농도가 차 높아지면서 압력이 증가하게 된다. 한 응집제의 주

입이 단될 경우 유입수에 포함된 오염물 부하가 증가하기 때문이다. 이 을

개선하기 해 침 지 유출 웨어에 수 계를 설치하고 응집제 주입 탱크의 용

량을 늘려야 한다. 응집제 주입탱크의 용량은 기존 12시간에서 24시간으로 늘려

야 할 것으로 단된다.

수질조사 결과 탁도와 유기물(UV-254) 모두 안정 인 값을 나타내었다. 탁도

의 경우 응집공정을 통해 평균 0.9 NTU까지 낮추어 졌으며, 한외여과 공정에

의해 0.1 NTU 이하를 계속 유지되었다. 유기물의 경우 막분리 공정을 통해 평

균 19%의 제거율을 나타내었다.

- 268 -

y = 0.8062x + 76.223

y = 13.334x - 207.24

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30

Operating time(h)

TM

P(k

Pa)

그림 3-4-21. 막의 막힘 상에 의한 압력증가

- 269 -

③ 연속운 결과 - Run II

Run II에서는 Run I의 운 결과에서 나타난 낮은 역세척 효율, 응집제 주입

단에 따른 문제를 보완하여 운 을 실시하 다. 새 막을 사용하고, 역세척 압

력을 기존의 160 kPa에서 200 kPa로 증가시켰다. 한 응집제 주입탱크의 용량

을 24 시간으로 증가시켰다. Run II의 운 결과와 운 조건을 그림 3-4-22와

표 3-4-5에 제시하 다.

그림 3-4-22에 의하면 Run II는 Run I에 비하여 기 압력도 낮았을 뿐만 아

니라 압력증가율도 낮았다. Block A의 압력 분포를 살펴보면 막간차압은 기

에 일정한 증가를 나타내지만 일정압력(30±5 kPa)까지 증가하고, 이후에는 더

이상 증가하지 않았다. 그 지만 Run I에서와 마찬가지로 원수 공 이 단

(Point I)되면서 격한 압력증가가 발생하 다.

원수공 이 단되고 막내부가 막히면서, Block A`에서는 10가닥 신 7가닥

의 분리막을 사용하여 운 하 다. 그러므로 Block A`의 투과수량은 114 LMH

가 된다. 막힘 상 후에도 압력증가율이 에 띄게 증가하 다.(0.01 kPa/h에서

0.31 kPa/h) 이는 투과수량의 증가 때문인 것으로 단된다.

Block A`에서 막힌 3 가닥의 모듈을 강제로 막고, 막 내부와 공정 내부를 증

류수로 세정한 뒤, 투과수량을 80 LMH로 조정하고 운 한 기간이 Block B에

해당된다.운 결과 기의 압력증가율은 크게 나타났으나, 이후에는 압력증가율

이 안정되어 나 에는 Block A와 유사한 결과를 나타내었다. 기의 압력증가

율이 높은 이유는 막내부와 공정 내부의 세정에 의한 향으로 단되며, 일정

시간 이후에는 세정의 효과는 없어졌다.

Block B의 말단부인 26.1day에서 다시 원수의 공 이 단되면서 막의 막힘

상이 발생하여, 10가닥 모두가 막히게 되었다. 이 후 모듈을 분리한 뒤 모듈

각각에 큰 압력을 가해 일부 모듈이 막힌 부분을 뚫었다. Block C는 5가닥으로

운 하 다.

Block C는 Block B와 운 조건은 동일하며, 막의 유효면 이 기 때문에 회

수율이 다소 증가하 다. Block C의 운 결과 운 압력이 빠르게 증가하는

것으로 나타났다. 이것은 Block B의 기 경우와 비슷한 형태이며, 한번 막힌

- 270 -

모듈을 강제로 뚫고, 증류수로 물리 세정을 하 지만 막표면에 흡착된 오염물

은 제거되지 않았다. 운 압력이 약 38일 동안 105 kPa에 도달하 기 때문에

화학 세정을 실시하 다. Block D는 운 럭스를 80 LMH로 고정하고, 역

세척 압력은 150 kPa로 선속도는 0.5 m/s로 운 한 결과이다. 5가닥의 모듈을

이용하 으며, 기타의 조건은 동일하다. Block D의 운 결과 유사한 조건인 압

력증가율이 Block C에 비해서는 낮았으나, 운 기인 Block A 보다는 높았

다. Block A에 비해 높은 압력증가율은 역세척 압력의 감소에 의한 역세척 효

율의 하와 Block D의 기의 높은 막간차압(40 kPa)에서 알 수 있듯이 화학

인 세정이 충분이 이루어지지 않았다는 을 원인으로 추정할 수 있다.

Run II의 수질은 기의 수질과 Run I의 수질과 거의 비슷한 결과를 제시하

다. 그림 3-4-23에 Run II의 수질측정 결과를 제시하 다.

그림 3-4-23에서처럼 처리수의 탁도는 0.1 NTU이하의 안정 인 값을 유기하

고 있으며, UV-254의 경우는 유입원수의 농도에 따라 변화를 나타내지만 평균

0.030 cm-1의 농도를 유지하고 있다.

표 3-4-5. 응집-막여과 공정(Run II) 운 조건

Block A A` B C D

기간 1/16~/25 1/25~2/28 2/3~2/16 2/18~2/28 3/11~3/24

Flux(LMH) at 25℃ 80 114 80 80 80

Fiber 개수 10 7 7 5 5

역세척 압력

(kgf/cm2)

200 200 200 200 150

수온(℃) 5.8~8.6 1.0~4.7 4.6~11.0 6.5~11.5 8.8~13.7

회수율(%) 80.1 - 84.6 87.6 90.7

- 271 -

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50

Operating time(day)

TM

P(k

Pa)

A B C DA`

I

Chemical cleaning

Flushing

II

그림 3-4-22. 응집-막여과 공정(Run II) 운 결과

0.01

0.1

1

10

100

0 5 10 15 20 25 30

Operating time(day)

Turb

idity(

NTU

)

0

0.01

0.02

0.03

0.04U

V-254(1

/cm

)

Feed-Turb. Perm.-Turb.

Feed-UV Perm.-UV

그림 3-4-23. 응집-막여과 공정(Run II) 수질 측정 결과

- 272 -

(다) 연속운 에서 나타난 기타 문제

① 침 효율의 감소

운 결과 침 슬러지의 배출이 원활하게 이루어 지지 않으면서 침 지 아래

부분에 축척이 되었다. 침 슬러지의 축척은 그림 3-4-24에 나타낸 바와 같이

유출수 수질악화를 래하 다.

침 지 유출수의 입자분포를 측정한 결과를 나타낸 그림 3-4-24에 의하면,

운 시간 4일 이후부터 큰입자의 유출이 빠르게 증가하는 것을 알 수 있다.

한 그림 3-4-25에서처럼 일정 시간 운 한 결과 침 슬러지가 유출웨어 부근에

많이 모인 것을 볼 수 있다. 따라서 침 슬러지 배출시설의 개량이 필요하며,

실증 랜트에서는 원형 침 지의 용이 바람직 할 것으로 단된다.

- 273 -

1일2일

4일8일

11~50 um

7~11 um

2~7 um

0

500

1000

1500

2000

2500

그림 3-4-24. 침 지 유출 입자분포

그림 3-4-25. 운 인 침 지

- 274 -

(2) 고도산화 공정의 평가

(가) 모형 랜트 설계 제작

본 연구에서는 한외여과의 처리로 염소를 이용한 산화처리가 고려되었는

데, 우선 염소 처리를 해 러그흐름 형태의 반응기를 설계하 다. 한외여

과공정에서 얻을 수 있는 최 설계 막투과속도인 100 L/m2-h를 기 으로 하

여 처리용량을 50 mL/min로 결정하 고, 산화반응시간에 따른 처리의 효율

성을 검토하고 막분리 공정과의 상호연 성을 살펴보고자 체류시간 10분 간격

(최 체류시간 1시간)으로 유출구를 설치하 다.

연속실험을 해 구시내의 한 정수사업소에 한외여과 시스템을 설치하 다.

한외여과 시스템은 내압식(inside/out type)으로 원수의 유입은 정유량 운

하에서(68.5 L/m2-h) 압력계를 이용하여 막투과 압력의 변화를 측정하여 막오

염 경향성을 악하 으며, 유입수의 흐름방향을 크게 십자흐름과 막힘형의 두

가지 형태로 나 어 운 성능을 평가하 다. 연속운 은 크게 십자흐름여과

(crossflow filtration)와 막힘형여과(dead-end filtration)로 나 어 수행되었으며,

십자흐름 운 에서는 1 m/sec의 유속을 유지시켜 주었다.

연속식 한외여과 시스템의 운 은 PLC(Programmable Logic Controller)를 통

해 로그램한 로 자동으로 제어가 가능하 으며, 한 십자흐름과 막힘형여

과의 환이 이루어질 수 있었다. 밸 와 펌 등의 작동은 PLC를 통해 로그

램한 로 자동으로 제어함으로써 처리수 생산, 분리막의 역세척, 처리 필터

역세척, 염소산화제 주입 등이 자동으로 시간에 따라 진행되며, 운 은 40분 주

기로 역세와 세정을 실시하여 막의 오염을 최소화하 다. 연속운 동안의 투과

수량과 운 방식 주기에 한 조건을 표 3-4-6에 나타내었다.

- 275 -

그림 3-4-26. 한외여과 모형 랜트

- 276 -

표 3-4-6. 연속 한외여과 시스템의 운 조건

(ㄱ) 십자흐름형 운

Crossflow Operation Time, DayFeed

Water

Fe,

mg/L

Mn,

mg/L

Chlorine

Dose,

mg/L as Cl2

A 0.0 - 11.3 RW No No No

B-1 11.3 - 25.5 RW No No 5.0

B-2 25.5 - 27.5 RW 1 0.5 No

B-3 27.5 - 31.5 RW 1 0.5 5.5

C-1 31.5 - 34.3 RW 1 0.5 No

C-2 34.3 - 35.5 RW 1 0.5 0.5

C-3 35.5 - 36.7 RW 1 0.5 1.3

C-4 36.7 - 37.3 RW 1 0.5 3.0

D-1 37.3 - 37.5 RW 1 No No

D-2 37.5 - 38.4 RW 1 No 3.0

D-3 38.4 - 39.5 RW No 0.5 No

D-4 39.5 - 41.3 RW No 0.5 3.1

D-5 41.3 - 43.3 RW No 0.5 No

E-1 43.3 - 44.5 RW 1 0.5 No

E-2 44.5 - 46.3 RW 1 0.5 3.0

E-3 46.3 - 57.5 RW 1 0.5 4.8

(ㄴ) Dead-end Operation

Dead-end Operation Time, DayFeed

Water

Fe,

mg/L

Mn,

mg/L

Chlorine

Dose,

mg/L as Cl2

A-1 0.0 - 40.5 RW No No No

A-2 40.5 - 51.5 RW 1 0.5 No

A-3 51.5 - 55.5 RW 1 0.5 1

A-4 55.5 - 58.8 RW 1 0.5 3

B-1 58.8 - 63.5 RW No No No

B-2 63.5 - 72.5 RW 1 0.5 No

B-3 72.5 - 73.4 RW 1 0.5 3

B-4 73.4 - 75.0 RW 1 0.5 No

C-1 75.0 - 77.8 SF No No No

C-2 77.8 - 84.8 SF 1 0.5 No

C-3 84.8 - 88.8 SF 1 0.5 3

D-1 88.8 - 92.8 SF 1 No No

D-2 92.8 - 96.9 SF 1 No 3

D-3 96.9 - 100.6 SF No 0.5 No

D-4 100.6 - 104.7 SF No 0.5 3

RW: Raw Water

SF: Sandfilter Water

- 277 -

(나) 염소 처리에 의한 철과 망간의 제거특성

먼 , 염소처리와 한외여과의 혼성 시스템에서 염소의 주입농도, 주입 치, 시

스템 내에서의 체류시간에 따라 철, 망간과 염소와의 반응특성이 향을 받으므

로 염소주입과 련된 제거특성을 알아보았으며, 십자흐름과 막힘형여과의 연속

운 동안 운 조건을 변화시켜 가면서 철과 망간의 제거특성을 고찰하 다. 십

자흐름 운 에서의 운 조건을 표 3-4-7에 자세히 나타내었다.

철과 망간의 인 주입 실험은 운 조건 B에서부터 이루어졌다(그림

3-4-27). 운 조건 B에서는 철과 망간이 주입유무에 따른 비교와 철과 망간이

주입되었을 때 염소주입에 따른 제거율 평가가 이루어졌으며, 운 조건 C에서

는 염소주입농도를 차 증가시키면서 철과 망간의 제거율을 평가하 고, 염소

산화에 의한 철과 망간 각각의 제거특성을 규명하기 해 운 조건 D에서는 철

과 망간을 각각 주입시킨 후 염소주입에 의한 제거특성을 알아보았다. 한 철

과 망간이 존재하는 상태에서 염소산화 농도 증가에 따른 향을 알아보고자

운 조건 E에서 염소주입농도를 0-5 mg/L as Cl2로 증가시키면서 철과 망간의

제거특성을 평가하 다.

철의 경우는 염소를 거의 주입하지 않은 경우에서도 유출수에서 항상 0.3

mg/L 이하의 낮은 값을 나타내었는데, 이것은 주입된 철 2가의 용해도가 낮아

부분은 침 되기 때문으로 단되며 더욱이 용존산소에 의해 철 3가로 쉽게

산화되어 용해도가 격히 감소하므로 높은 제거율을 얻을 수 있었던 것으로

단된다.

한편, 망간의 경우에는 염소를 주입하지 않거나(B-2, C-1, D-3, E-1), 낮은

염소 주입농도(C-2, C-3)에서는 거의 제거되지 않았으나 염소농도를 3 mg/L

as Cl2 이상 주입했을 때(C-4, D-4, E-2, E-3) 제거율 67%이상의 높은 제거가

이루어졌다. 따라서 철과 망간의 염소산화에 의한 제거에서 정 염소주입농도

는 망간의 제거에 의존하는 것으로 단되며, 재의 먹는물 수질기 만족을

한 망간의 제거측면에서 본다면 염소산화에 의한 0.5 mg/L의 망간을 제거하

기 한 정염소주입농도를 3 mg/L as Cl2로 결정지을 수 있다.

그러나 망간의 제거는 철과 망간이 상존하는 경우 상호간의 제거율 상승효과

가 일어날 수 있고 유기물 등 배경물질과의 상호작용에 의해서도 향을 받을

- 278 -

수 있다. 이는 같은 염소주입 조건에서 망간단독으로 존재할 때(D-4)의 제거율

이 31%로 나타난 반면, 철과 망간이 공존하는 경우(C-4) 염소산화에 의한 제거

율이 81%로 망간 단독으로 존재할 때 보다 높게 나타낸 것을 통해 설명할 수

있다.

막힘형 여과방식(dead-end flow)을 용하여 철과 망간의 제거특성을 알아보

았으며 운 시간과 실험조건을 표 3-4-8에 자세히 나타내었다.

철과 망간의 인 주입실험은 운 조건 B-1과 B-2에서 이루어졌으며 그림

3-4-28에서 보듯이 철의 제거율은 염소를 주입하지 않는 경우에도 유출수에서

항상 0.2 mg/L 이하의 낮은 값을 나타내었는데 이것은 주입된 철 2가가 용존산

소에 의해 철 3가로 쉽게 산화되어 침 물 입자를 형성하여 한외여과막에 의해

배제됨으로 인해 높은 제거율을 얻었던 것으로, 회분식 실험과 십자흐름 여과운

에서와 동일한 결과를 보여 다. 한편 망간의 경우 염소를 1-3 mg/L as Cl2

주입하 음에도 불구하고 유출수의 망간농도가 0.4-0.6 mg/L로서 제거율이 낮

았다. 이것은 산화속도가 느린 망간이 원수 의 탁도나 유기물 등 배경물질에

의한 염소소모로 망간의 산화가 원활하게 이루어지지 못했던 것으로 보여지며

동일한 망간의 주입과 염소처리 조건에서 원수의 특성에 따른 제거특성을 규명

하기 해 정수장에 공정수 상수처리 유입원수보다 상 으로 탁도와 유기

물 농도가 낮은 모래여과수를 실험수로 사용(Fig. 4. 9)하여 비교실험이 수행되

었으며, 염소산화에 의한 여과수내 철과 망간의 제거율은 각각 99%(>0.02

mg/L), 84% 이상(>0.03 mg/L)을 유지하 다. 이는 십자흐름방식에서의 결과와

막힘형 여과방식에서의 B-3에서의 결과보다 높은 제거율을 보임으로써 배경물

질인 탁도에 의한 염소 소모로 철과 망간의 산화가 원활하게 이루어지지 않음

을 시사해 다.

십자흐름에서 망간 단독일 경우보다 철과 망간이 공존할 때에 제거율이 다소

높은 결과를 보이는 것으로 나타났는데 여과수를 유입수로 사용하여 철이 공존

하는 경우 제거율이 상승하는 결과를 얻음으로써 탁도입자에 의한 흡착이나 유

기물에 의한 향을 배제함으로써 철입자의 흡착작용에 의한 망간 제거율의 상

승효과가 일어났음을 알 수 있다. 이것으로부터 철과 망간의 제거에 있어서 망

간이 원수의 수질에 더 많은 향을 받으며, 철과 망간이 공존할 경우에 철의

산화는 망간제거 측면에서도 더 유리하게 작용하고 있음을 알 수 있다.

- 279 -

표 3-4-7. 십자흐름형 한외여과시 운 조건과 제거효율

표 3-4-8. 막힘형 한외여과시 운 조건과 제거효율

- 280 -

그림 3-4-27. 십자흐름형 한외여과에서 철/망간 제거율

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Fe, m

g/L

A C DB

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80 100 120

Operation Time, day

Mn,

mg/

L

그림 3-4-28. 막힘형 한외여과에서 철 망간 농도 변화

- 281 -

(다) 탁도, 자연산 유기물 제거효율 평가

연속운 동안 탁도와 자연산 유기물의 제거에 한 평가가 이루어졌다.

탁도물질의 경우 기존의 정수처리 공정으로는 강화되는 수질기 을 만족하기

어려워 기존 공정 이외에 추가 공정을 필요로 한다. 한외여과막을 이용한 고도

정수처리는 기존에 비해 간단한 처리공정으로도 막세공에 의해 입자성 물질은

물론 거 분자 수 의 미세 콜로이드나, 바이러스, 박테리아 등의 효율 인 제

거가 가능하다.

연속운 에 사용되어진 분리막은 분획분자량 100,000의 한외여과막으로, 안정

된 탁도제거율이 기 되었다. 그러나 연속운 기에는 탁도 제거율이 불안정

한 경향을 보 는데, 이러한 문제는 한외여과막 모듈의 도입부 이 에 공경 80

㎛의 처리 필터를 설치함과 동시에 처리수의 흐름 방향 역세흐름의 수정

을 통해 안정 인 탁도제거율을 얻을 수 있었다. 계 인 향에 의해 유입수

내 탁도가 큰 변화를 보임에도 불구하고 투과수의 탁도제거율은 95%의 높은

제거율을 얻을 수 있었으며 이때 유출수의 탁도는 강화되는 0.1 NTU 이하의

농도를 유지함으로써 강화되는 수질기 에 만족할 수 있었다. 한 원수 에

용존성의 철과 망간의 존재유무와 염소주입에 계없이 높은 제거율을 얻을 수

있었다.

십자흐름 여과방식에서의 유입수의 탁도와 투과수의 탁도변화를 그림 3-4-29

에 나타내었다. 운 조건 A와 B에서는 한외여과 시스템의 유입수로 정수장 유

입원수를 이용하 으며 운 조건 C와 D에서는 모래여과공정을 거친 여과수를

이용함으로써 탁도와 유기물의 향을 배제한 실험이 수행되었는데 원수의 수

질변동과 실험조건의 변화에 계없이 유출수의 탁도를 0.2 NTU 이하로 유지

할 수 있었고, 막힘형 여과방식의 운 에서도 동일하게 유출수의 안정 인 탁도

제거율을 보 다(그림 3-4-30). 특히 막힘형 여과방식의 운 조건 A-1에서 90

NTU의 높은 탁도를 가지는 원수가 유입되었음에도 불구하고 투과수의 탁도가

0.2 NTU를 보임으로 안정 인 탁도제거가 이루어졌으며, 막투과도에도 향을

미치지 않고 연속운 을 수행할 수 있었다.

십자흐름 여과방식에서 소독부산물의 구체가 되는 자연산 유기물 유입특성

과 유출수의 제거특성을 알아보기 해 UV254 흡 도와 DOC를 측정하 다(그

- 282 -

림 3-4-31). 연속실험에서의 자연산 유기물 제거특성은 염소의 주입으로 인해

제거율이 증가하 으며(B-1), 철과 망간의 주입은 회분식 실험의 결과와 같은

경향을 보임으로써 UV254 흡 도 제거율과 DOC 제거율이 증가하는 결과를 나

타내었다.

막힘형 여과방식에서의 연속실험 동안 자연산 유기물 제거율 평가가 이루어

졌으며 철과 망간의 주입은 자연산 제거율 증가를 가져다 주었으며, 막힘형 운

에서는 정수장 유입수에 비해 자연산 유기물 농도가 낮은 모래여과수를 이용

함으로써 철과 망간의 제거 경향을 악하고자 하 는데 이때의 자연산 유기물

제거율은 유입수의 농도가 낮은 까닭에 이 단계보다 낮은 제거율을 나타내었

지만 유출수의 DOC 농도는 운 조건 C단계에서는 1.2-1.5 mg/L as C, D단계

에서는 1.7-2.1 mg/L ac C의 농도를 유지하 다(그림 3-4-32).

- 283 -

-20

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50Operation Time, day

Rem

oval

, %

Turbidity

UV254

BA C D E

그림 3-4-29. 십자흐름형 한외여과에서 탁도의 제거율

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120Operation Time, day

Turb

idity

, NTU

Raw waterUF permeate

BA C D

그림 3-4-30. 막힘형 한외여과에서 탁도의 변화

- 284 -

0.000

0.025

0.050

0.075

0.100

0 20 40 60 80 100 120

Operation Time, day

UV 2

54, c

m-1

Raw waterUF permeate

BA C

D

그림 3-4-31. 막힘형 한외여과에서 UV254 의 변화

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0 20 40 60 80 100 120Operation time, day

DO

C, m

g/L

as C

Raw WaterPermeate B

A C D

그림 3-4-32. 막힘형 한외여과에서 DOC의 변화

- 285 -

(라) 염소처리와 한외여과 연속공정의 운 성능 비교

① 십자흐름 여과방식

하루 약 0.1 톤(100 L) 처리 규모의 십자흐름 한외여과 시스템을 제작하여 실

제로 가동 인 구시에 있는 정수장에 배치하여 연속운 동안의 운 조건을

변화시켜 가면서 막투과압력을 고찰하 다. 한외여과 장치는 실시간으로 염소주

입이 가능하도록 설계하 으며, 정속(constant flux) 조건으로 막투과도는 70

L/m2-h, 운 주기는 39분 40 운 에 48 역세 방식으로 수행하 다.

운 조건 A에서는 염소나 철/망간 주입 없이 순수한 원수를 사용하여 한외여

과를 수행하 는데 운 이 수행된 10일 동안 계속 인 막투과압력의 상승이 야

기되었다(그림 3-4-33). 그러나 이것은 용존성의 자연산 유기물 때문이 아니라

펌 튜 의 기 마모과정에 나온 입자와 유입수 에 존재하는 큰 입자성 물

질들에 의한 루민막힘에서 래하는 것으로 악되었고 막모듈 앞에 세공크기

80 ㎛의 여과막(prefilter)을 설치함으로써 해결할 수 있었다.

기술 문제를 해결 후 시스템이 정상 으로 작동하는 것을 확인하고 운 조

건 B에서는 염소주입과 철/망간 농도의 향을 살펴보았으며 B조건 기에 염

소만 주입하고 철/망간을 주입하지 않은 경우에는 막투과압력 0.9 bar 부근에서

안정된 운 상태를 유지할 수 있었다. 염소를 주입하지 않고 철/망간만 주입한

경우(B-2)에도 막투과도는 안정된 상태를 나타내었다. 그러나 철/망간 주입과

함께 염소를 주입한 경우(B-3)는 막투과 압력이 속히 증가하여 운 을 일시

단하 다.

분리막의 화학 세정 후 운 조건 C에서 철/망간을 일정농도로 주입하는

상태에서 염소주입농도를 증가시켜 보았으며, 염소농도를 증가시킬 경우 막투과

압력의 증가가 찰되었다. 이때의 압력상승은 철과 망간의 염소산화에 의한 압

력상승으로 확인할 수 있었으며, 운 조건 D에서는 철 혹은 망간만 존재하는

상태에서 염소주입을 시도하여 철과 망간 막투과압력 상승에 보다 크게 기

여하는 성분을 찾고자 하 다. 기에는 철만 주입한 상태로 운 을 시작하 는

데 염소처리에도 불구하고 막투과압력의 증가를 발견하지 못했으나 망간만 주

입하고 염소처리를 한 경우에는 막간차압이 격히 증가하는 상을 발견하

- 286 -

다. 따라서 염소처리에 의한 산화공정에서 철보다 망간이 막오염을 보다 가 시

키는 것으로 생각되었으며 유입수 의 다른 성분과의 상 성을 고려한 심도

있는 추가 인 연구가 요구되었다.

② 막힘형 여과방식

십자흐름 여과방식은 막표면에 유속을 유지하여 막오염의 경향이 은 장

이 있으나 순환펌 를 이용하여야 하므로 운 에 지 비용이 크게 들며, 이에

비해 막힘형 여과방식은 막오염 경향이 크나 순환펌 가 필요하지 않기 때문에

운 비용이 게 들며 십자흐름 여과방식에 비해 낮은 압력에서 운 이 가능하

다.

막힘형 운 으로의 환은 십자흐름에서의 순환펌 를 정지하는 것만으로 간

단히 변환할 수 있었으며, 분리막의 유입구에 설치된 압력계로서 막힘형 한외여

과막의 투과특성을 악하 다(그림 3-4-34). 운 조건 A-1, A-2에서 염소와

철 망간의 주입 없이 순수한 원수를 사용하여 막힘형 한외여과를 수행하

는데 20일 후 막투과 압력 상승이 야기되었으며 이것은 분리막 세공 표면에

서의 막오염에 의한 것이 아니라 유입수 에 존재하는 입자성 물질에 의한 루

민막힘에 의해 래되는 것으로 악되었으며 이것은 여과막(prefilter)의 치

를 조 함으로서 해결할 수 있었다. 정상 인 운 을 확인하고 운 조건 B에서

염소주입과 철/망간 농도의 향을 살펴보았는데 철/망간을 추가하고 낮은 농도

의 염소(1 mg/L as Cl2)를 주입하 음에도 압력이 갑자기 증가하는 상을 볼

수 있었는데 이것은 막오염에 의한 것이라기보다는 산화된 철과 망간 입자가

공사막의 내부에 축 되어 발생하는 루민막힘 상에 의해 야기되는 것으로

사료되며, 회분식 실험의 결과로써 입자에 의한 루민 내 막힘 상이 생김을 확

인할 수 있었다. 한 입자와 유기물에 의한 향을 알아보기 해 운 조건 C

에서 여과수를 유입수로 사용하여 실험한 결과, 염소를 주입하 을 경우 압력이

상승이 래되었음을 확인할 수 있었으며 이것은 철과 망간에 의해서 루민막힘

이 일어나기 때문으로 악되었으며, 이와 같은 루민 막힘은 산화물 입자와 분

리막의 비가역 부착에서 기인하는 것으로 생각되었다.

- 287 -

연속실험에서 철과 망간 입자 한외여과막의 투과도에 미치는 향을 규명

하기 해 철과 망간의 입자를 각각 주입하 을 때의 염소에 의한 막투과도에

의한 향을 운 조건 D에서 찰하 는데, 철이 주입되었을 경우(D-1, D-2)에

는 염소주입여부에 계없이 압력에는 별다른 향을 미치지 않은 반면, 망간이

주입된 경우(D-3, D-4)에는 염소처리가 이루어진 경우 뚜렷한 막오염이 생기면

서 동시에 압력이 격히 상승함을 확인할 수 있었으며 이것으로 철과 망간

염소처리에 의해 산화된 망간이 공사막 내부에 축 되면서 보다 심각한 막

오염 상을 래하는 것으로 결론지을 수 있었다.

- 288 -

그림 3-4-33. 십자흐름형 한외여과에서 시간에 따른 압력의 변화

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 20 40 60 80 100 120Operation time, day

Pre

ssur

e, b

ar

A B C D

그림 3-4-34. 막힘형 한외여과에서 시간에 따른 압력의 변화

- 289 -

3. 시스템의 편리성

가. 막힘형과 십자흐름형 운 방식의 자동 교차 운

기본 으로 실증 랜트 I에서와 동일한 설계를 기 으로 제작하 으므로 막힘

형과 십자흐름형의 자동교차운 이 가능하다.

다만 실증 랜트 I에서처럼 막힘형과 십자흐름형의 모든 조건을 입력하는 것

이 아니라 미리 설정된 몇가지 모드 에서 선택하도록 되어 있다. 이것은 효율

인 모드만을 미리 구성해 놓음으로써 시스템의 효율은 유지하면서 로그램

상의 복잡성을 이고 더 간편하게 조작하기 함이다.

나. 무인/자동화, 원격 시스템 설계

PLC에 의한 무인/자동화 설계와 원격 시스템 역시 실증 랜트 I에 기반한 것

이다. PLC의 단자가 늘었으며, 원격 시스템을 용 로그램을 사용하지 않고

도우즈 기반으로 하 기 때문에 더 간단하면서 편리하도록 하 다(그림

3-4-35).

한 원격 감시 카메라를 설치하여 평상시 감시나 문제가 생겼을 때 상황

악에 도움이 되도록 하 다(그림 3-4-36).

- 290 -

그림 3-4-35. 실증 랜트 II 장에 설치된 컴퓨터( 도우즈 기반 원격제어)

그림 3-4-36. 실증 랜트II 장에 설치된 감시 카메라

- 291 -

다. 사용자 인터페이스

실증 랜트 I에서는 운 변수 설정값을 조정하거나 운 모드를 바꾸는 등의

작업을 모두 PC 상에서 windows 기반으로 쉽게 근 가능하도록 구성하 다.

그러나 이와 같은 랜트가 실질 으로 이와 같은 사람이 고 고령화된 농

지역 등에 설치될 가능성이 높은 것이 사실이다. 재 설치된 지역에서도

지의 사용자가 직 랜트를 다루는 것이 쉽지 않았다.

랜트 운 특별한 문제가 생기지 않는 한 지인이 직 랜트를 조작

하여야 하는 일이 많지 않다 하더라도, 사용자를 한 쉬운 인터페이스 구축은

요하다.

실증 랜트 II에서는 보다 쉬운 터치 스크린으로 인터페이스를 구성하 다(그

림 3-4-37, 그림 3-4-8 참조).

그림 3-4-37. 실증 랜트 II의 운 조건 입력을 한 터치 스크린

- 292 -

4. 시스템의 안정성

가. 시스템 내부의 안정성

앞서 제시한 럭스 데이터이다(그림 3-4-38). 운 이 비정상 으로 정지되거

나 럭스가 감소한 구간에 해 설명하고자 한다.

먼 5월 15일(a 시 )에 탁도계로 원수를 이송하는 샘 링 펌 의 튜

열로 수 발생하 다. 탁도계의 샘 링이 24시간 이루어지다보니 튜 가 손상

된 것으로, 열된 펌 튜 교체하면서 탁도계 샘 링 시간 조 하여 펌 의

가동시간을 여주었다.

5월 25일(b 시 )부터는 럭스가 감소하는 상이 발생하 다. 막오염이 진

행되어 발생한 상이라면 보통은 럭스는 유지되나 모듈 앞단의 압력이 증가

하거나, 압력이 올라가지 않고 럭스가 감소되는 상이 발생하기 마련이다.

그러나 럭스 감소와 함께 압력까지 감소하 다.

먼 펌 의 이상을 체크하 으나 펌 는 정상 으로 가동되었다.

남은 가능성은 막모듈 앞단의 처리 필터가 막 서 펌 가 제 로 분리막까

지 원수를 이송하지 못하는 것이 있었다. 처리 필터를 일정간격(4시간에 한

번)으로 역세척을 실시하도록 하 고, 이것은 실증 랜트 I 장기운 에서 검증

된 것이므로 큰 문제가 없을 것으로 단하 다. 그러나 운 을 단하고 처

리 필터를 검한 결과 역세척이 제 로 실시되지 않아 입자성 물질들이 필터

를 막고 있는 것을 알 수 있었다.

처리 필터를 강제로 역세척하여 오염물을 제거하고 다시 운 을 시작하

다. 정상 인 럭스와 압력이 회복되었다.

그러나 다음날 (c 시 ) 다시 럭스와 압력이 떨어지는 상이 발생하 다.

사용한 처리 필터는 디스크 형태의 필터로서 역세척시 디스크 사이가 약간

벌어지면서 회 하여 역세척이 매우 효율 인 형태로 디자인된 것이다. 이 디스

크의 사이의 간격 조 을 잘못하여 역세척시 디스크가 벌어지지 않아, 역세척이

제 로 이루어지지 않은 것으로 단하 다. 따라서 1회 인 역세척 만으로는

문제가 해결되지 않은 것이었다. 디스크 필터 사이의 간격을 조 한 후 5월 31

일 정상운 재개하 다. 이후 매우 안정 인 럭스와 압력을 유지하 다.

- 293 -

그림 3-4-38. 실증 랜트 II의 운 단에 의한 럭스 감소

- 294 -

나. 부 설비의 안정성

6월 18일(d 시 ) 낙뢰에 의해 시스템 일부가 손상되었다. 압력계가 손상되었

고 데이터 수집 원격 모니터링을 한 LAN카드 손상되었다. 운 은 재개할

수 있었으나 데이터 수집과 원격 모니터링이 불가능하 다.

낙뢰 방지 설비를 설치할 것을 고려 이며, 손상된 부품을 교환하고 있다.

기존 정수 처리 공정과 달리 기 인 설비에 주로 의존하고 있기 때문에 이

러한 문제들이 발생할 확률이 높다. 지동화된 막분리 공정을 도입하고자 할 때

에는 낙뢰방지나 안정 인 력 수 체계가 무엇보다 요하는 것을 알 수 있

었다.

- 295 -

5. 시스템의 경제성

실증 랜트 II의 기 설치비용은 실증 랜트 I에서 규모의 증가에 의한 비용

과 처리 설비 추가에 의한 비용이 추가되었다고 할 수 있다.

규모가 증가하면 설치비용이 증가하는 것은 당연하나 단 생산 당 설치비는

감소하게 되어있다(그림 3-4-39). 이러한 설치비의 감소를 달성하는 것이 앞으

로도 매우 요하다고 하겠다.

그림 3-4-39. 막분리 정수처리 랜트의 설치 비용

* mgd×3.8 ～ 천톤/일

$/gpd×320 ～ 천원/(톤/일) (단 1,200원/$일때)

- 296 -

제4장 연구개발목표 달성도 외기여도

제 1 연구개발 목표 달성도

1. 연구개발 목표 비 달성도

가. 최종목표 달성도

지방 상수도의 정수장이나 간이 상수도, 소규모 수시설과 같이 재 한계를

드러내고 있는 소규모의 기존 정수 처리 시설을 체할, 막분리 공정을 이용

한 고도 정수 처리 시스템을 개발하고, 실증 랜트를 직 설치, 운 하는 것

이 최종 목표 다.

술한 바와 같이 실증 랜트 I과 실증 랜트 II를 설치하고 운 하면서, 기존

정수 처리 시설을 체하여 실제 먹는 물로 주민에게 공 함으로써 최종 목표

를 훌륭히 달성하 다.

최종 목표 평가달성도

(%)

100m3/day 규모로 처리 공정 없

이 막분리 단독 공정에 후염소 처

리 공정만을 추가하여 설계, 제작

후 설치 운 한다. (실증 랜트 I)

최 100m3/day의 막분리 단

독공정을 설치, 운 하고 있음

수질검사 후 직 주민에게

공

100

여러 가지 처리 공정 막분리

공정과 결합하 을 때 가장 효율

이고, 실용화 가능성이 높은

처리 공정 선정, 100m3/day 규모

로 설계, 제작하여 설치 운 한다.

(실증 랜트 II)

계획 목표치의 두 배 용량인

최 200m3/day의 처리 공

정 결합된 혼성 공정 설치, 운

하고 있음.

체 인 효율과 안정성 등의

검토를 계속할 것임

95

- 297 -

나. 연차별 목표 달성도

연차별 목표 평가달성도(%)

1 차

년 도

- 기존에 제작되어 한강 원수를 상으로 설치된 소규모 막분리 고도 정수 랜트를 운 하면서 여러 가지 요인에 의해 발생할 수 있는 문제 들을 악, 보완․개선 방안 연구 - 실증 랜트 I 설계, 제작 착수 합한 설치 상을 선정

- 막분리 공정의 효율을 높일 수 있는 여러 가지 처리 공정에 해 실험실 규모로 연구

- 여러 가지 문제 악, 보완 방법 모색, 실증 랜트 I과 II에 충실히 반 - 막분리 단독공정인 실증 랜트 I의 성능 평가에 최 인 설치 상 선정 - 응집, 고도산화, 흡착 공정에 한 실험실 규모 연구 성공 진행

100

2 차

년 도

- 실증 랜트 I을 제작, 운 하면서 시스템의 효율성, 안정성, 편리성, 경제성 등을 다각 으로 검토, 개선 방안 연구 - 응집(탁도, 유기물 제거), 흡착(유기물, 미량 유기물 제거), 산화(철 망간 제거) 등 여러 가지 처리 공정 막분리 공정과 결합하 을 때 가장 효율 이고, 실용화 가능성이 높은 처리 공정 선정 - 실증 랜트 I로부터의 개선 방안과 실험실 규모의 처리 공정 연구를 바탕으로 처리 공정을 추가한 실증 랜트 II 설계

- 실증 랜트 I 제작, 설치, 운 , 효율성, 안정성, 편리성, 경제성 다각 으로 검토 - 처리 공정 연구 진행, 응집을 기본으로, 경우에 따라 흡착과 산화공정을 추가 으로 수행할 수 있는 방법 선정 - 실증 랜트 I 경험을 기본으로 실증 랜트 II 설계

100

3 차

년 도

- 실증 랜트 II를 제작, 운 하면서 시스템의 효율성, 안정성, 편리성, 경제성 등을 검증 - 실증 랜트 II의 처리 효율 평가, 실험실 규모의 연구와 비교 검토, 개선 방안 모색

- 실증 랜트 I의 운 을 지속하여 장기간의 운 시 시스템의 성능, 유지․ 리를 해 필요한 사항 검토, 경험과 자료를 축 - 원수에 따른 최 의 막분리 공정을 이용한 고도정수처리 시스템을 각각 확정, 이를 상용화함

- 실증 랜트 II 시스템의 효율성, 안정성, 편리성, 경제성 검증 - 처리 효율을 다각도로 평가하기 해 모형 랜트에서 연구 수행, 개선방안 모색 - 실증 랜트 I의 장기운 성공, 유지 리 노하우 축 - 원수에 따른 막분리 공정 용에 한 기본안 마련. 상용화를 한 소규모 랜트 제작

95

- 298 -

제 2 막분리 기술 발 에의 기여도

1. 학술 발 에의 기여

다음과 같은 학술 성과물과 그 활용을 통해 막분리 기술 발 에 크게 기여

하 다.

가. 국외 문학술지 게재

(1) Pyung-kyu Park, Chung-hak Lee, et al., 　Effect of the removal of DOMs

on the performance of a coagulation-UF membrane system for drinking

water production, Desalination, 145, 237-245, 2002

나. 국내 문 학술지 게재

(1) 이정학, 박병규, 膜 :수처리 공정의 새로운 환(제1부), 한국상하수도 회지,

3, 44-49, 2003.

(2) 이정학, 박병규, 膜 :수처리 공정의 새로운 환(제2부), 한국상하수도 회지,

4, 60-65, 2003.

- 299 -

다. 국외 학술회의 발표

(1) Pyung-kyu Park, Chung-hak Lee, et al., Effect of the removal of DOMs

on the performance of a coagulation-UF membrane system for drinking

water production, Proceedings of 2002 ICOM, Toulouse, France, July, 9,

2002

(2) Min-ho Cho and Chung-hak Lee, Influence of flocculation conditions on

filtration performance in coagulation-MF hybrid water treatment process,

Proceedings of the 1st Seoul National University-University of Tokyo joint

workshop on environmental science & engineering, Seoul, Korea, Oct. 18,

2002

(3) M. H. Cho, B. C. Ma, M. A. Yun, H. Y. Kim, J. W. Lee, C-H. Lee, S.

Lee, Influence of flocculation conditions on membrane filtration characteristics

in coagulation-microfiltration (MF) hybrid process for water treatment,

IMSTEC, Sydney, Australia, November, 10-14, 2003.

(4) Pyung-kyu Park, Sangho Lee and Chung-hak Lee, Permeability of Cake

Layers Formed by Chemical Flocs in Coagulation-Membrane Processes,

Proceedings of Water Environment Membrane Technology 2004 (IWA

Special Conference), Seoul, Korea, June. 7-10, 2004.

(5) Seong-Yong Moon, Seung-Hyun Kim, Cho-Hee Yoon, a pilot study on

membrane fouling in coagulation/UF membrane system, Proceedings of

Water Environment Membrane Technology 2004 (IWA Special Conference),

Seoul, Korea, June. 7-10, 2004.

- 300 -

(6) J, H, Kim, H. H. Kwon, S. H. Lee, C. H. Lee, Removal of endocrine

disrupting compounds using homogeneous metal catalysts combined with

nanofiltration, Proceedings of Water Environment Membrane Technology

2004 (IWA Special Conference), Seoul, Korea, June. 7-10, 2004.

라. 국내 학술회의 발표

(1) 조민호, 이정학, 응집-정 여과공정에서 교반조건이 막분리에 미치는 향,

한국

물환경학회, 한국수자원공사, 2001. 10. 19.

(2) 박병규, 이정학, 　지표수의 한외여과 정수처리공정에서 자연산 유기물 제거

가 여과효율에 미치는 향, 한국공업화학회, 단국 학교, 천안, 2001. 10. 28

(3) 박병규, 이정학, 　정수처리를 한 응집-UF공정에서의 혼화조건의 향,

한환경공학회, 포항공 , 2001. 11. 3.

(4) 이 원, 추 호, 최상 , 자연산 유기물의 제거를 한 산화철 흡착-한외여

과 혼성공정의 용, 한환경공학회, 포항공 , 2001. 11. 3.

(5) 박병규, 이정학, 　한외여과막에 의한 정수처리 공정에서 응집제를 이용한 분

리막의 코 , 한국물환경학회, 충주 학교, 2002. 4. 19.

(6) 문성용 김승 , 응집공정에 의한 막오염 감에 한 연구, 한국물환경학회,

충주 학교, 2002. 4. 19.

(7) 조민호, 이정학, 　응집-정 여과공정에서 혼화조건의 변화가 막여과 성능에

미치는 향, 한환경공학회, 선문 학교, 아산, 2002. 5. 3.

- 301 -

(8) 하태욱, 이해범, 추 호, 최상 , 산화철 흡착/막분리 통합시스템에서 염소

처리에 따른 막투과 성능의 향, 한환경공학회, 선문 학교, 아산, 2002. 5. 3.

(9) 박병규, 이정학, 정수처리를 한 응집-UF공정에서 용존유기물과 입자성 물

질의 상 향, 한환경공학회, 여수 학교, 여수 (2002. 10. 31 - 11. 2)

(10) 문성용, 이미 , 최성환, 김승 , 윤조희, 하수처리수 재이용을 한 한외여

과막 공정발에 한 기 연구, 한환경공학회, 여수 학교, 여수 (2002. 10. 31

- 11. 2)

(11) 이해범, 한정욱, 추 호, 최상 , 염소처리와 한외여과를 이용한 상수처리

에서 철과 망간의 제거, 한국공업화학회, 한양 학교, 안산, (2002. 11. 1 - 2)

(12) 문성용, 김승 , 정수 슬러지 처리시설의 공정평가, 2002년 한토목학회

학술발표회논문집, 한토목학회, BEXCO, 부산 (2002. 11. 8.)

(13) 문성용, 김승 , 응집조건이 한외여과막 공정에 미치는 향에 한 연구,

한상하수도학회 한국물환경학회 공동추계학술발표회, 구 (2002. 11.

14.)

(14) 이정학, 막분리 공정의 허허실실, 물환경-막분리 기술 분과 심포지움(막-정

수처리 공정의 새로운 환), COEX, 서울, 2003. 6. 20.

(15) 김승 , 우리나라의 간이상수도용 막공정기술 개발사례, 물환경-막분리 기

술 분과 심포지움(막-정수처리 공정의 새로운 환), COEX, 서울, 2003. 6. 20.

(16) 이정학, 막(膜)-정수처리 공정의 새로운 환, 2003년 세계 물의 해 기념

물 리 심포지엄(참여정부의 상하수도 정책방향 효율 인 리방안), 경주교

육문화회 , 경주, 2003. 8. 28.

- 302 -

(17) 박병규, 이정학, 응집-막여과 공정에서 응집 록의 구조가 막여과 성능에

미치는 향, 한환경공학회 추계학술발표회, 명지 학교, 용인, 2003. 10. 31.

(18) 이해범, 추 호, 최상 , 염소산화와 한외여과를 이용한 고도정수처리에서

철과 망간의 제거 막오염 평가, 한환경공학회 추계학술발표회, 명지 학교,

용인, 2003. 10. 31.-11. 1.

(19) 조민호, 이정학, 이상호, Influence of floc characterization on membrane

permeability in coagulation-microfiltration (MF) hybrid process for water

treatment, 한국공업화학회 추계학술 회, 서울 학교, 서울, 2003. 11. 1.

(20) 김재 , 권 회, 이상호, 이정학, 균일계 속 매와 나노막을 이용한 내분

비계 장애물질의 제거에 한 연구, 한상하수도학회․한국물환경학회 공동 추

계학술발표회, BEXCO, 부산, 2003. 11. 13.

(21) 박병규, 이정학, 응집-막여과 공정에서 응집 록에 의해 형성된 이크층의

여과성능, 춘계 한환경공학회, 상명 학교, 부산, 2004. 4. 29 - 30.

(22) 김재 , 권 회, 이상호, 이정학, 균질계 매와 나노여과막을 이용한 수계

의 Bisphenol-A제거에 한 연구, 춘계 한환경공학회, 상명 학교, 부산,

2004. 4. 29 - 30.

- 303 -

마. 산업 재산권 출원

(1) 십자흐름형 여과와 막힘형 여과를 자동 제어할 수 있는 공사 분리막 수처

리 공정, 한민국 특허 출원번호 제2002-29079호, 출원일 2002. 5. 25

바. 기술 인증

(1) 신기술 인증(KT) 제 1432 호, 소규모 정수장용 한외여과 정수시스템의 막힘

형․십자형 자동제어장치, 2003. 6. 11.

사. 기술이

(1) 분리막을 이용한 고도정수 처리 공정 설계, (주) 멤 인 워터, 2002. 5. 1.

(2) 분리막을 이용한 고도정수 처리 공정의 운 리, (주) 멤 인 워터,

2003. 1. 10.

아. 활용실

(1) 100톤/일 규모 실증 랜트 I을 장 (경기도 화성 간이 상수도)에 설치, 주

민에게 직 먹는 물로서 공 하고 있음.

(2) 200톤/일 규모 실증 랜트 II를 장 (경북 청송 소규모 정수장)에 설치, 주

민에게 직 먹는 물로서 공 하고 있음.

- 304 -

2. 환경기술발 에의 기여

막분리 공정을 이용한 고도 정수 처리 공정의 연구 개발로 간이정수시설과

소규모 정수 시설을 훌륭히 체하여 먹는 물을 생산할 수 있었다. 규모의 시

흥 정수장 막분리 공정 도입과 함께, 우리 나라에서 막분리 공정의 정수 처리

시설에의 도입에 석이 되는 기술임을 자부한다.

본 연구의 실증 랜트에 사용한 한외여과막은 바이러스까지 완벽한 제거가

가능함을 입증하 다. 이보다 훨씬 크기가 큰 지아디아나 크립토스포리디움 역

시 완벽한 제거가 가능할 것으로 단되며, 이와 같은 문제가 국내 수계에서도

문제가 될 경우, 확실한 안이 될 것이다.

국내에서 막분리 공정을 이용한 고도 정수 처리 시설을 설치하여 공공 상수

로서 공 하기 한 정부와 지방자치단체의 움직임이 활발하므로, 본 막분리 공

정을 이용한 수처리 공정의 연구 개발이 이에 큰 역할을 할 것으로 기 된다.

특히 분리막 여과효율을 높이기 한 막힘형, 십자형 자동 제어나 상하 양방

향 교차역세척 등은 실제 랜트 설계시 매우 유용한 기술이 될 것으로 보인다.

3. 산업발 에의 기여

정부에서는 지방 소도시와 농어 지역의 상수도 시설확충에 폭 투자할

계획을 세우고 있으며, 각 지자체도 기존의 규모 정수처리 시설 한 막분

리 설비로 체하는 것에 많은 심을 가지고 있다. 이와 같은 투자에 의해 형

성되는 시장에 국내 기업뿐 아니라, 일본, 미국, 랑스 등의 이미 막분리 고도

정수 처리 공정을 상업화한 기업들이 직 는 국내기업을 통해 간 으로

진출을 모색하고 있다. 이미 정수 처리 공정에서 막분리 공정의 치는 확고해

지고 있는 것이다.

이러한 상황에서 국내 기술만으로 이들과 경쟁하여 우 를 함으로써 국내

막을 이용한 수처리 산업을 발 시키는 기를 마련할 수 있을 것으로 보인다.

이에 따라 내수 매뿐이 아니라 수입 체효과를 기 하고 있다. 외국 기업의

장 은 받아들이되 우리 자체의 기술과 경쟁력을 가지려면 본 연구와 같은 경

험이 매우 요하다.

- 305 -

4. 사회 기여와 망

막분리 공정에 의한 믿을 수 있는 먹는 물의 보 이 이루어지고, 소규모의

정수 설비에서 리 미흡이나 운 미숙 등으로 인한 먹는 물 사고의 발생빈도

가 감소하게 된다면, 우리 나라에서도 국민의 먹는 물에 한 신뢰가 회복될 것

이다.

운 비용 자체뿐 아니라 무인 자동화를 통해 인력비용도 감할 수 있기 때

문에, 물의 생산단가도 기존의 공정보다 낮출 수 있을 것이다. 이에 따라

장기 으로 국민의 먹는 물 부담 을 낮출 수 있을 것으로 보인다.

막분리 공정에 한 연구를 포함하여 깨끗한 먹는 물의 공 을 한 연구와

투자가 지속 으로 이루어져, 언제 어디서나 안심하고 먹을 수 있는 먹는 물을

할 수 있기를 기 한다.

- 306 -

제5장 연구개발결과의 활용계획

제1 활용방안

1. 설치된 랜트의 활용

경기도 화성에 설치되어 있는 실증 랜트 I과 경북 청송에 설치되어 있는 실

증 랜트 II는 연구 목 으로서 무상으로 설치하 으나 재 직 주민에게 먹

는 물로서 공 을 하고 있어 기존의 정수 처리 시설을 체하고 있다. 이것을

지속 으로 운 하면서 성능을 검증 받고 해당 지자체와 하여 운 계약을

맺을 계획이다.

그밖에 본 연구에 의해 축 된 기술과 경험을 바탕으로 사업화를 하여 시

제품(15톤/일)을 제작하 다. 이를 바탕으로 홍보를 하면서 수주를 얻어 사업화

를 실화할 정이다.

그림 5-1. 홍보용 시제품

- 307 -

2. 개발기술의 활용

본 연구에 의해 축 된 개발 기술은 자체 으로 보유한 고유 기술이므로 그

활용에 있어 제한이 없다. 이를 극 으로 활용하여 본 참여기업은 국내 지자

체나 정부와 하여 막분리 고도 정수 랜트를 제작 매할 정이다.

사업화를 해서는 자본 한 요하다. 본 사업에 심이 있는 기업이 많으

므로 이들과 계약을 통해 기술을 이 하고 자본과 기술을 결합하여 사업화를

추진할 계획도 있다.

장기 으로는 국내 기반을 바탕으로 동남아시아나 동 등 안심하고 마실 수

있는 먹는 물이 부족한 국가에 수출할 계획도 세우고 있다.

막분리 기술을 이용한 먹는 물 생산이 일반화되어 보다 깨끗하고 안심할 수

있는 먹는 물을 공 하는데 극 으로 활용할 계획이다.

- 308 -

제2 기업화 추진

1. 사업화가능성 분석

(강 )

- 자체 기술력만으로 공정 설계

- 국내의 렴한 자재이용 외국 업체에

비해 단가가 낮고 품질은 우수한 제품

생산 가능

- 문제시 되고 있는 바이러스, 지아디아,

크립토스포리디움 등 병원성 미생물에

한 확실한 수질 보장

(약 )

- 자본력이 국내외의 기업에 비해

약함

( 기)

- 외국의 기업 진출 시 자본력으로

시장을 유하려 할 경우 기

(기회)

- 막분리 공정에 한 정부 민간의

기 수 증가

- 국내 사정에 합한 기술개발과

렴한 상품개발로 기 극복

자체 기술 개발로 로열티가 없고, 국내의 렴하고 우수한 재료를 사용하여

제작하고 직 설치 운 하여 먹는 물로서 실제 공 한 경험 축 이 무엇보다

사업화의 큰 강 이다.

그러나 국내외의 기업이 최근 심을 가지고 사업화를 추진 이어서 벤처

기업이 사업화를 추진하는데 있어 어려움이 많다.

개발된 기술을 극 활용하여 사업화를 성공시키려 하고 있다.

- 309 -

2. 상 매출

사업화 계획 시의 표를 바탕으로 올해와 내년 내후년의 사업화시 상 매출

액을 산정하여 보았다(표 5-1).

3. 무역수지 개선효과

수백톤/일 규모의 랜트의 경우 수입 체 효과를 나타내었다(표 5-2). 국내

매액 15%는 분리막 등 재료 수입비를 제외한 것이다. 해외 기업이 직

국내 정수 처리 시장을 잠식하는 것을 막고, 더 나아가서는 해외 수출까지 도모

하는 것이 목표이다.

- 310 -

표 5-1. 사업화시 상 생산과 매출액

구분사업화 연도

(2004)년 (2005)년 (2006)년

개발계획품목정수처리 막분리

설비

정수처리 막분리

설비

정수처리 막분리

설비

투자계획

소요인원 2명 4명 6명

제조시설 - - -

시험시설 1 1 2

생산계획(억원) - 3 7

매계획

(억원)

내수 1 3 4

수출 - - 3

계 1 3 7

표 5-2. 무역수지 개선 효과

구분 2004 년도 2005 년도 2006 년도

수입 체효과(억원) 0.85 2.55 3.4

수 출 효 과(억원) - - 3

※ 산출근거 : 내수 매액의 15%정도는 분리막 등 재료 수입비

- 311 -

제6장 참고문헌

① 2003년도 먹는 물 수질 리 지침, 환경부, 2003.

- 본문 3쪽, 환경규제 강화부분

② 서울시 수도조례, 서울시 상수도 사업본부 홈페이지

- 본문 165쪽, 실증 랜트 I 경제성 고찰 부분

③ 膜 :수처리 공정의 새로운 환(제1부), 한국상하수도 회지, 3, 44-49, 2003.

- 본문 10쪽, 분리막 장

④ 膜 :수처리 공정의 새로운 환(제2부), 한국상하수도 회지, 4, 60-65, 2003.

- 본문 6쪽, 분리막 단독 혼성 공정

⑤ Membrane Filtration Guidance Manual (June 2003 Draft), USEPA, 2003

- 본문 19쪽, 국내외 황

⑥ C. Lin, Y. Huang and O. J. Hao, Unltrafiltration Processes for Removing

Humic Substances: Effect of Molecular Weight Fractions and PAC

Treatment, Water Research, 33(5), 1252-1264, 1999.

- 본문 111쪽, 활성탄 처리 공정 연구

⑦ K. H. Choo and S. K. Kang, "Removal of residual organic matter from

secondary effluent by iron oxides adsorption", Desalination, 154, 139-146,

2003

- 본문 92쪽, 산화물 입자의 유기물 흡착

⑧ P. L.Thompson and W. L. Paulson, Dewaterability of alum and ferric

coagulation sludges, J. AWWA, 90, 164, 1998

- 본문 76쪽, 알루미늄염과 철염 응집시 비 항 차이

- 312 -

⑨ S. J. Duranceau, Membrane Practices for Water Treatment, AWWA,

Denver, 2001.

- 본문 2쪽, 막분리 공정의 장

- 본문 219쪽, 분리막 설치 비용

Y. J. Chang, K. H. Choo, M. M. Benjamin and Steve Reiber, "Combined

adsorption-UF process increases TOC removal", J. AWWA, 90 (1998)

90-102

- 본문 92쪽, 산화물 입자의 유기물 흡착

Documents

제 출 문 - mewebbook.me.go.kr/DLi-File/091/012/132783.pdf · 2015-11-01 · - i - 제 출 문 환경부장관 귀하 본 보고서를 “막분리공정에 의한 무인/자동화