하수재이용 시스템 설계를 위한 역삼투막모듈 선정 평가
Evaluation of RO Membrane Module for Sewage Effluent Reuse System Design

박종민 · 김충환 · 임재림 · 김수한*,
Jongmin Park · Chunghwan Kim · Jaelim Lim · Suhan Kim*,†
K-water · *부경대학교 건설공학부

1. 서론

   최근 기후변화 및 인구의 증가로 인하여, 수자원의 부족 현상이 곳곳에서 나타나고 있으며 갈수록 심화되고 있다. 이러한 물 부족 문제에 대처하기 위해 물 값의 현실화, 공장폐수의 재이용, 빌딩의 중수도 보급 확대, 하수처리수 재이용 등을 추진하고 있으며 이에 따라 하수재이용 사례는 증가하고 있다(하수도법, 2009; 강신경과 이해범, 2005; 강신경, 2005). 재이용에 있어서 원수의 수질 특성은 매우 중요하나 지역별 원수의 수질 특성이 상이하므로 그에 따른 적용에 대한 연구는 미비한 실정이다.
  따라서 본 연구는 특정 하수처리장 처리수의 공업용수로의 이용을 위한 하수재이용 시스템 설계에 관한 연구로 역삼투막모듈의 선정을 위한 막모듈 평가를 수행하였다. 

2. 연구방법

  본 연구는 울산 Y하수처리장 방류수를 원수로 하였으며 대상 원수에 대하여 파울링이 가장 적게 발생하는 역삼투막모듈의 선정을 목표로 하였다. 서로 다른 역삼투 모듈 3개를 동시에 테스트 가능한 파울링 테스트 장치를 제작, 이용하였고 3개 사(社) 3개 모듈을 테스트 대상으로 하였다. 원수조에 실험대상 원수를 넣고 농축수를 원수조로 순환시키는 방법으로 막유입수를 점차 농축시켜 오염을 가속화 했으며 과정을 한 stage로 총 6번을 수행하였다. 시간에 따른 파울링 정도를 비교하기 위하여 1st stage와 6th stage의 원수 조건을 동일하게 하였으며 각 모듈의 압력과 유량 및 원수, 농축수, 생산수의 TDS, UV254, pH를 시간별로 측정하였다. 또한 이 실험 데이터를 통한 모델링으로 파울링 인자를 정량화 하였다.


Fig. 1. Flowcart of RO module fouling test skid

3. 결과 및 고찰

   테스트 장치의 특성상 원수는 시간에 따라 농축되므로, 데이터를 TDS농도로 바꿔서 결과를 해석하였다. 막투과플럭스(m/d)의 경우 단일 stage 내에서는 원수가 농축될수록 감소하며 1st와 6th stage를 비교했을 때 눈에 띄는 차이는 없었다. 또한 TDS 제거율 역시 단일 stage에서는 원수가 농축될수록 감소하는데 이는 원수 농도가 높을수록 이온 성분의 막투과 확산 속도가 증가하기 때문이다. Stage간 비교에서 6th stage의 TDS제거율이 높아진 것을 확인할 수 있는데 이는 시간이 지나면서 두껍게 형성된 파울링 층에 의한 TDS의 추가 제거가 발생하거나 막의 초기 압밀현상 때문인 것으로 판단되며 막모듈 A, B, C 중 B의 제거율이 다른 것에 비해 상승정도가 높은 것을 확인할 수 있다.
  파울링이 진행됨에 따라 막투과압력(TMP)은 상승하였으며 이때 상승폭은 B>A>C 순이었다. 막투과압력 상승은 초기압밀현상과 파울링 그리고 막별로 다른 TDS 제거율이 복합적으로 영향을 미치며 초기 압밀현상이 동일하다고 가정하면 파울링 정도는 B>A>C 순이라고 볼 수 있다.
  보정플럭스(m/d/bar)는 온도보정을 한 측정플럭스(m3/m2/d)를 막투과압력(bar)으로 나눈 것으로 시간에 따른 보정플럭스 하락은 파울링 지표가 될 수 있으며, 본 연구에서 하락폭은 B>A>C 순으로 나타났다. 
  막투과플럭스를 막투과압력과 삼투압의 관계로 표현하는 식을 선형회기를 통해 모델식을 유도하여 삼투압계수와 순수한 막투과저항값을 도출했다. 1st와 6th stage를 비교했을 때 삼투압계수는 큰 차이를 보이지 않았으며 막투과저항값의 상승폭은 Table 1.에서 나타난 바와 같이 B>A>C 순서였다. 즉, C 모듈이 파울링 저항이 가장 강하다는 의미로 해석될 수 있다.

Table 1. Comparison of total membrane resistance
1st stage6th stage% changeRO A12.0413.3210.6RO B6.9710.6652.9RO C12.2113.056.8

4. 결론
  3개사(社) 3개 역삼투 막모듈의 파울링 테스트 결과
   1) 단기운전으로 막투과플럭스, TDS제거율을 비롯한 막투과압력에 있어서 큰 차이를 보이지 않았다.
   2) 회기분석을 통해 막투과저항의 변화를 비교해 본 결과 C모듈이 파울링에 저항이 강하였다.

참고 문헌
강신경, 이해범(2005). 정밀여과와 역삼투를 이용한 방류수 재이용 시스템 개발. 한국막학회 2005년 춘계 총회 및 학술발표회, pp. 111-114.
강신경(2005). 역삼투시스템에 의한 방류수 재이용 기술개발. RIST 연구논문, 19(1), pp. 46-50.
하수도법(2009.6.9, 법률 제9774호).