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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.31 No.6 pp.529-537
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2017.31.6.529

Comparison of operational efficiency between sand-filtration process and membrane filtration process

Kwangjin Byeon1*, Eunsu Jang2
1IMSIL-GUN, Department of Environmental Engineering, Chonbuk National University
2KUMHO Engineering&Construction
Corresponding author : Byun, Gwangjin (byun1511@korea.kr)
20170904 20171121 20171123

Abstract

Membrane filtration process is an advanced water treatment technology that has excellently removes turbidity and microorganisms. However, it is known that it has problems such as low economic efficiency and the operating stability. Therefore, this study was to evaluate on the economical feasibility and operational stability comparison of membrane and sand filtration process in Im-sil drinking water treatment plant. For the economic analysis of each process, the electricity cost and chemical consumption were compared. In the case of electric power consumption, electricity cost is 68.67KRW/m3 for sand filtration and 79.98KRW/m3 for membrane filtration, respectively. Therefore, membrane filtration process was about 16% higher than sand filtration process of electricity cost. While, the coagulant usage in the membrane filtration process was 43% lower than the sand filtration process. Thus, comparing the operation costs of the two processes, there is no significant difference in the operating cost of the membrane filtration process and the sand filtration process as 85.94KRW/m3 and 79.71KRW/m3 respectively (the sum of electricity and chemical cost). As a result of operating the membrane filtration process for 3 years including the winter season and the high turbidity period, the filtrated water turbidity was stable to less than 0.025 NTU irrespective of changes in the turbidity of raw water. And the CIP(Clean In Place) cycle turned out to be more than 1 year. Based on the results of this study, the membrane filtration process showed high performance of water quality, and it was also determined to have the economics and operation stability.


모래여과 공정과 막여과 공정의 운영효율 비교

변 광진1*, 장 은수2
1임실군, 전북대학교 환경공학과
2금호산업

초록


    1.서 론

    최신 선진기술로 잘 알려진 막여과 공정은 분리막 을 이용해 여과 및 확산작용으로 오염물질을 제거하 는 방법으로서 탁도와 미생물 제거에 탁월한 효과가 있고, 자동화가 용이하며 작은 부지면적을 차지하는 등 많은 장점을 가지고 있는 고도정수처리 기술이다 (US-EPA, 2001). 이러한 장점으로 인해 최근 막여과를 도입한 정수장이 늘어나고는 있지만, 경제적 측면에 서의 초기비용 증가 및 일부 막여과 시설에서의 막오 염 현상에 기인한 운전 안정성 저하 등의 이유로 인 해 적극적인 도입 및 활성화가 이루어지지 않는 것이 라고 사료된다 (Hong, S.K. et al., 2004, Ju, J.K. 2007, Lim, J.L. et al., 2012). 따라서 본 연구에서는 운영효율 비교를 위해 실제 가동 중인 임실정수장에서 모래여 과와 막여과 공정의 경제성 및 막여과 공정의 운영 안정성을 평가함으로써 막여과 공정의 도입 활성화에 기여하고자 하였다.

    2.연구방법

    2.1.임실정수장의 막여과 도입 배경 및 현황

    2.1.1.막여과 시설 도입 배경

    임실정수장은 1992년 준공하여 20년 이상 경과된 시설 로 주요 시설의 노후화로 인해 개보수 또는 개량이 요구 되었으며, 갈수기시에 수질이 악화되고 강수량이 많은 시기에는 축산분뇨가 일부 유입되는 등의 수질적인 문제 로 인하여 고도정수시설로의 개량이 필요하였다. 또한, 임실군 관내의 정수시설용량 대비 용수수요량이 많아 가동률이 높기 때문에 무중단 시공이 필요하였으며, 농 공단지 등으로 장래 용수수요량의 증가가 예상되어 정수 시설의 증설이 요구되었고, 협소한 부지여건으로 인해 컴팩트한 시설도입이 필요하여, 이에 가장 적합한 막여 과 고도처리시설을 도입하게 되었다.

    막여과 공정 도입 전․후의 처리공정 및 기존시설의 개량사항은 Fig. 1에 나타내었다.

    2.1.2.임실정수장 현황

    임실정수장은 시설용량 7,000m3/일의 중․소규모 시 설이며, 기존에 모래여과 공정으로 정수처리를 수행 하고 있던 시설에 막여과 공정을 도입한 사례로서, 국 내의 정밀여과막과 한외여과막이 적용된 정수장중에 서 혼화-응집-침전 전처리공정을 거친 침전수를 공통 유입원수로 사용하면서 모래여과 공정과 막여과 공정 을 병행 운전하고 있는 유일한 정수장이다. 따라서 임 실정수장은 막여과 공정을 도입하기 전의 모래여과 공정 뿐만 아니라 막여과 공정 도입 후에도 상호간의 비교가 가능한 시설 및 운영 특징을 가지고 있다.

    이를 통해, 막여과 공정과 모래여과 공정의 처리수 질, 응집제 사용량, 소독제 요구량 등을 직접적으로 비교함으로써 상호간의 경제성을 객관적으로 평가하 고자 하였으며, 막여과 공정의 계절적, 수질적 변화에 따른 운영현황을 제시함으로써 운영 안정성을 검증하 고자 하였다.

    임실정수장의 주요 시설 및 운영 현황은 Table 1 및 Fig. 2과 같다.

    2.2.운영효율 평가 방법

    2.2.1.경제성 비교 평가

    막여과 공정과 모래여과 공정의 경제성을 비교 평 가하기 위해 임실정수장에 유동전류 제어형 막여과 고도정수처리 기술을 도입하기 전과 도입 이후의 전 력소모량, 응집제 및 소독제 등의 정수약품 사용량에 대해 비교 분석하였다.

    2.2.2.막여과 공정의 운영 안정성 평가 방법

    막여과 공정은 운영 막차압 뿐만 아니라, 처리수질, 비상대응능력 및 시설 운영현황 등을 종합적으로 비 교 분석하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.경제성 비교 평가 결과

    3.1.1.모래여과와 막여과 공정의 전력사용량 비교

    막여과를 도입하기 전후의 전력사용량을 비교함으 로써 모래여과와 막여과 공정의 전력사용량을 비교하 고자 하였으며, 2013년 1월부터 2014년 6월까지는 모 래여과 공정의 전력사용량이고 2014년 7월부터 2014년 12월까지는 막여과 공정의 전력사용량이다. 임실정수 장의 전력비 기준은 산업용 전력(을), 고압 A, 선택 Ⅰ 이며, 2013년 1월과 11월 각각의 전력요금기준은 92.41, 99.21원/kWh 으로서 약 7.36%가 인상되어 차이 가 있으나, 이를 세부적으로 반영하지는 않고 실제 전 력요금 납부금액을 기준으로 산정하였다. Table 2에 모래여과와 막여과 공정의 전력사용량을 비교해 나타 냈으며, 막여과 도입 후 11.31원/m3이 증가한 것으로 나타났고, 막여과 공정의 톤당 전력사용량은 약 0.09kWh/m3로 나타났다.

    3.1.2.모래여과와 막여과 공정의 응집제 및 화학약품 사용 량 비교

    기존의 응집제 주입 방식은 Jar-test 및 탁도 조견표를 참고로 하여 운영자의 경험적인 방법으로 주입량을 결 정하여 운영하였고, 폴리 수산화 염화 황산알루미늄 (PAHCs ; Poly-aluminium hydroxy chloro sulfate) 와 폴리 염화알루미늄(PACl ; Poly-aluminium chloride)을 병행하 여 사용하였다. 탁도 조견표 기준으로는 응집제 주입농 도가 8 ~ 46ppm 정도로 주입하여야 하나, 설치된 약품 주입펌프의 용량이 3,600mL/min으로 과대하여 실제로 는 평균 28ppm 정도의 응집제를 투입하였었다. 그러나 유동전류 제어를 이용한 응집자동제어 시스템을 도입 한 이후에는 PAHCs만 사용하고, 평균 16.6ppm의 농도 로 주입되고 있어 응집제어시스템 도입 전과 비교하여 응집제 사용량이 약 43.5% 정도 절감되었다.

    본 시설에 적용된 응집자동제어 시스템은 막여과 정수처리공정에서 유입 원수 및 막공급수의 유동전류 를 측정하여 최적 응집제 주입량을 자동제어함으로써 막오염을 저감시켜 고여과유속 운전이 가능한 정수처 리 시스템이다. 따라서 유동전류 측정기 및 이와 유사 한 측정기기를 활용하여 응집플럭의 크기를 키우는 모래여과 시설과는 다르게 막여과 공정에 적합하도록 구성되어 있어 상대적으로 응집제 사용량이 더 많이 절감된 것으로 판단된다. 이 때, 유동전류(SC ; Streaming current)란 입자를 둘러싸고 있는 확산층 이 온이 유체와 함께 이동하며 만들어내는 전위를 말하 며, 검출장치를 통해 이러한 유동전위를 측정하여 미 리 정해둔 수치범위 내에서 상대적으로 무차원 값인 유동전류값(SCV ; Streaming current value)으로 전환된 다. 유동전류값은 전기영동도나 제타 전위와 밀접한 선형적 관계가 있고 유동전류는 제타 전위를 측정하 기 위한 또 다른 방법이라고 할 수 있으나 제타 전위 와 출력값은 다르다. 예를 들어, 제타 전위가 -10mV라 는 것이 -10 SCV를 의미하지 않는다. 유동전류와 제 타 전위는 다음과 같이 나타낼 수 있으나 관련 항목 이 비례 또는 반비례 관계가 있다는 정도의 상관식 정도이다.

    S C = p R 2 ζ 4 μ l ζ = 4 π q d D

    • ε: 유전상수(dielectric constant)

    • p: 작용압력(applied pressure)

    • R: 시료수의 통과반경(passage radius)

    • ζ: 제타전위(zeta potential)

    • μ: 물의 점도(viscosity of fluid)

    • l: 시료수의 통과길이(length of passage)

    • q: 단위면적당 전하(charge per unit area)

    • d: 전하가 영향을 미치는 전단표면 주위의 층 두께 (thickness)

    • D: 유전상수(dielectric constant)

    또한, SC와 제타 전위는 다음과 같은 관계가 성립 한다.

    S C ζ D / μ

    • ζ: zeta potential

    • D: dielectric constant

    • μ: viscosity of the fluid

    운영 중 측정된 막공급수의 유동전류 측정값과 응 집제 주입량은 Fig. 3과 같다.

    운영결과를 토대로 분석한 결과 추가적인 응집제 주입량 절감이 가능할 것으로 판단되나 현재 설치된 응집제 주입펌프의 설비 문제로 인해 더 낮은 농도로 주입하기는 어려운 실정이다. 따라서 향후 응집제 주 입펌프를 교체할 예정에 있으며, 교체 이후에 응집제 주입량 절감량을 재평가할 계획이다.

    막여과 도입 전후의 약품 사용량을 비교한 결과는 Table 3과 같다. 분석 값은 설계 약품 주입량을 기준 으로 계산한 값이며, 막여과 및 모래여과 생산수량은 7,000m3/일의 동일한 기준으로 계산하였다. 분석 결 과 톤당 생산단가는 모래여과의 경우 11.04원/m3, 막 여과의 경우 5.96원/m3으로 산정되어 막여과가 상대적 으로 5.09원이 낮은 것으로 나타났다.

    3.1.3.모래여과와 막여과 공정의 톤당 생산단가 비교

    전력사용량 및 화학약품 사용량의 분석 결과를 바 탕으로 막여과 공정과 모래여과 공정의 톤당 생산단 가를 산정한 결과 Table 4와 같다. 모래여과 및 막여 과 공정의 생산단가는 각각 79.71원/m3와 85.94원/m3 로 산정되었으며 6.23원/m3의 차이를 나타낸다. 2015 상수도 통계자료에 의하면 2015년 전국 상수도 총괄 원가는 881.7원/m3이다 (MOE, 2015). 따라서 모래여과 와 막여과의 생산단가 차이 값인 6.23원/m3는 상수도 총괄원가 기준 대비 0.7%로 큰 비중을 차지하지 않는 수준으로 판단된다.

    3.1.4.모래여과와 막여과 공정의 염소소비 특성 비교

    소독제 투입은 기존에 별도의 제어시스템이 구성되 어 있지 않아 수동으로 주입하였으나, 적정량의 소독 제를 주입하기 위해 정수 생산량 측정용 유량계 및 제어시스템 도입을 통한 유량비례제어 방식으로 설비 및 시스템을 개선하였다.

    현재 정수시설은 막여과 공정과 모래여과 공정을 병행으로 운영하고 있기 때문에, 국내에서 유일하게 두 가지 공정을 직접적으로 비교할 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한, 실제 소독시설 운영 시에 시설기 준에 따른 막여과의 바이러스 제거능 0.5log를 기준으 로 CT값을 계산하여 소독제를 투입한 결과 잔류염소 농도가 높게 나타나, 본 시설의 특징을 활용하여 막여 과 공정과 모래여과 공정의 염소소비 특성을 분석함 으로써 관련 원인을 파악하고자 하였다. 분석 결과, 막여과 공정에서의 염소 소비율이 낮게 평가되었고, 이는 막여과 공정의 미세입자 제거능이 모래여과 공 정보다 우수하기 때문이며, 잔류염소 농도가 높은 것 은 관련기준에 따라 보다 많은 소독제를 투입한 것이 원인인 것으로 판단된다. 따라서 잔류염소 농도를 기 준으로 소독시설을 운영할 경우 막여과 공정 도입 시 에 소독제 사용량의 절감이 가능할 것으로 판단된다. 참고로 “역삼투막을 이용한 해수담수화 공정에서 MF 막과 모래여과 전처리 공정의 처리 효율 비교, 2011, 한국막학회 춘계발표회”에 따르면 본 시설에 적용된 동일 여과막을 사용한 막여과 공정과 모래여과 공정 (DMF + PSF)의 처리수에 대한 SDI15 분석 결과가 각 각 1.1, 5.2로 나타났으며, 모래여과 처리수의 입도분 포 분석결과 20㎛ 이하의 물질이 97%를 차지함으로 써 막여과 공정에서의 미세입자 제거효율이 높게 나 타났다 (Jang, E. S. et al. 2011).

    실험대상수는 원수, 침전처리수, 모래여과 처리수, 막여과 처리수, 혼합수#1 (막:모래 = 7:1), 혼합수#2 (막:모래 = 1:1)를 대상으로 하였으며, 각종 수질항목 및 염소요구량을 분석하였다. 이 때, 혼합수 #1과 #2 의 혼합비율은 급수량 증가시 정수장 운영현황을 가 정하여 선정하였다. Table 5는 각 공정수별 염소소비 특성을 영향을 미칠 수 있는 수질항목을 분석한 결과 를 나타낸다.

    Table 6은 최종 여과수 종류별 염소소비 특성을 평 가한 결과이다.

    모래여과와 막여과 처리수의 염소 소비 특성을 분 석한 결과에서는 막여과 처리수에서의 염소요구량이 더 낮게 평가되었으나, 국내 정수처리기준 및 상수도 시설기준에는 모래여과의 바이러스 제거능이 2.0log, MF 막여과의 바이러스 제거능은 0.5log로 막여과가 더 낮게 되어 있어, 관련 기준을 근거로 CT소독능 계 산 결과를 통해 소독시설을 운영하는 실제 정수장 운 영자에게 혼선을 일으킬 우려가 있을 것으로 판단된 다 (KWWA, 2010). 또한, 본 시설에서 사용하고 있는 여과막은 외국에서는 150kDa의 UF로 인증 받았으나 국내 인증기준에서는 UF가 100kDa으로 이하로 되어 있어 사용 여과막은 0.01㎛ 공경의 MF로 인증받은 상 태이다.

    병원성 미생물 및 바이러스의 인정제거율에 대해 미국의 경우 CDPH (캘리포니아 주 공중보건부)에서 는 여과막 종류 및 특성에 따라 개별적인 제거능을 제시하고 있고 (US-CDPH, 2011), EPA에서는 제거능 의 평가결과와 범위를 제시하고 있다 (US-EPA, 2005). 국내에서도 “막모듈에 따른 병원성 미생물 처리기준 평가 및 막 유지관리 매뉴얼 개발”과 같은 연구용역 이 진행되었으나 아직까지 관련 기준의 개정은 이루 어지지 않고 있는 실정이다 (MOE, 2011).

    따라서 막여과 기술의 보급 및 활성화를 위해서는 보다 체계적이고 현실적인 MF/UF 분류 기준 및 병원 성 미생물 제거능 기준의 마련이 필요할 것으로 판단 된다.456

    3.2.막여과 공정 도입을 통한 운영 안정성 개선사항

    3.2.1.정수 탁도 수질 안정성 향상

    임실정수장은 기 서술한 바와 같이 1992년부터 모 래여과 공정으로 운영하였으며, 2014년 7월에 막여과 정수시설로 공급을 개시하였다. 모래여과 공정의 경 우, 2009년 1월부터 2011년 10월까지의 월간 처리수 탁도를 측정한 결과, 처리수 탁도는 평균 0.12 NTU이 며 최소 0.054 NTU에서 최대 0.36 NTU의 탁도 범위 를 나타내었다. 막여과 공정의 경우, 현재까지 약 3년 간 운영하고 있으며, 운전기간 중 동절기 저수온 시 기, 갈수기, 강우로 인한 고탁도 시기를 모두 포함하 여 운영하였다. 이 기간 중 막여과 시설의 운영 결과 는 다음과 같으며, 막여과 시설은 원수 수질변화에 상 관없이 처리수 탁도가 0.025NTU 이하로 모래여과 공 정에 비해 안정적인 처리수질을 확보할 수 있었고, 약 품세척 주기는 평균 1년 이상으로 나타나 안정적으로 운영되었음을 알 수 있었다.

    3.2.2.막간차압의 운영안전성 확보

    약품세척은 보정차압 기준으로 1.0kgf/cm2에 도달하기 전에 실시하는 것으로 계획하였다. 따라서, 수온 25℃를 기준으로 보정한 막간차압(보정차압)은 0.12~0.90kgf/cm2 범위에서 운영하였으며, 평균 0.27kgf/cm2으로 나타났다. 약품세척 회복율은 90% 이상을 기준으로 하였으며, 실 제 회복율은 100%에 가깝게 나타났다. 약품세척시 사용 약품 및 순서는 산(HCl 1N)-알칼리(NaOCl 3,000mg/L)-산 (HCl 1N)의 순서로 수행하였다.78

    막여과 1계열의 경우에는 약품세척을 조기에 실시 하였는데, 이는 초기 시운전시 1계열 위주의 성능시 험으로 인한 오염물질 부하 가중, 초기 운영 중 약 42 일간 공기세정유량 설정치의 50%로 공기량을 낮게 주입함으로써 세척효율 저하, 침전지 보수 시 강우 및 원수의 직접여과로 인한 고탁도 원수 및 소량의 망간이 유입된 결과로 인해 약품세척을 실시하였다. 막여과 2, 3계열은 최초 운영 후 약 11개월 경과한 시 점에서 약품세척을 실시하였으며, 약품세척 실시 후 2016년 2월 기준으로 1계열은 약 16개월, 2계열과 3 계열은 약 10개월이 경과하는 동안에도 안정적으로 운영되었다.

    4.결 론

    • 1) 전력비 비교 분석 결과 모래여과는 68.67원/m3, 막여과는 79.98원/m3로 막여과가 모래여과 공정에 비 해 약 16% 정도 높게 나타났으나 전체 생산단가 중 차지하는 비중이 작아, 전력비 증가폭이 상대적으로 크지 않은 것으로 판단된다.

    • 2) 막여과 공정 도입 후 응집제 사용량을 기존 모래 여과 공정 대비 약 43% 절감시켰으며, 응집제 펌프의 규격을 최적화할 경우 추가적인 응집제 사용량 절감 이 가능할 것으로 판단된다.

    • 3) 막여과 공정과 모래여과 공정의 염소소비 특성 을 분석한 결과 막여과 처리수의 염소 소비율이 낮게 평가되었으며, 이는 막여과 공정의 미세입자 제거능 이 높기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 막여과 공정 도입 시 염소 소비율을 기준으로 소독제를 투입할 경 우 소독제 사용량 절감이 가능할 것으로 판단된다.

    • 4) 막여과 공정 도입 시 모래여과에 비해 응집제와 소독제 등의 화학약품을 절감시킬 수 있을 것으로 판 단되어 경제성 및 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

    • 5) 막여과 공정을 도입하여 운영한 결과 계열별 막 차압이 안정적으로 운영되고, 약품세척 기간도 11~16 개월 이상으로 나타나 막여과공정 도입 시 운영 안정 성 확보에 대한 신뢰성을 검증함으로써 막여과 기술 확산에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.

    • 6) 막여과 공정 도입을 통해 원수 수질 변화에 관계 없이 안정적인 처리수질을 확보함으로써 고품질의 수 돗물 공급이 가능하였다.

    • 7) 종합적으로 동일 정수장에서 모래여과와 막여과 공정의 운영효율을 비교 평가한 결과 막여과 공정이 운영비는 조금 높게 나타났으나, 막여과 공정에서 응집 제 사용량 및 염소 소비율 감소, 수질 안정성 향상 등 전반적인 운영효율이 더 우수한 것으로 평가되었다.

    Figure

    JKSWW-31-529_F1.gif

    Comparing of membrane and sand filtration process.

    JKSWW-31-529_F2.gif

    Overview of membrane filtration facility room and membrane skid.

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    Change of SCV and coagulant dosage.

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    Change of temperature and turbidity of raw water.

    JKSWW-31-529_F5.gif

    Changes in turbidity in membrane filtered water.

    JKSWW-31-529_F6.gif

    Temperature and TMP(@ 25℃) changes of 1st array.

    JKSWW-31-529_F7.gif

    Temperature and TMP(@ 25℃) changes of 2nd array.

    JKSWW-31-529_F8.gif

    Temperature and TMP(@ 25℃) changes of 3rd array.

    Table

    Facility status of Im-sil DWTP

    Comparison of power usage before and after the application of membrane filtration process(2013~2014)

    Comparison of chemical consumption between sand and Membrane filtration process

    Comparison of sand and membrane filtration process O&M unit cost

    Turbidity and organism characteristics for treated water after different processes

    Analysis of chlorine consumption as a function of reaction time (The initial chlorine concentration : 1.3 ~ 1.5mg/L)

    References

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