35. 분리막을 이용한 오·폐수 처리 기술

   목 차 로   

가. 분리막의 정의 및 역사

  분리막이란 특정 성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리시킬 수 있는 액체 혹은 고체막으로 막의 물리화학적 성질에 의해 물질과 에너지의 교환속도가 결정된다. 분리막의 체계적인 연구의 시작은 1748년 Nollet이 동물세포막의 삼투압현상에 관한 보고였다. 1886년 Vant Hoff는 다공성 도자기표면에 카퍼페로시아나이드(copper ferrocyanide)를 침전시켜 제조한 삼투막을 이용하여 삼투압이론을 발표하였다. 1908년 Calendar는 용액에 녹아있는 용질이 휘발성이 없으면 삼투압에 의한 물질전달은 일종의 증류현상이라는 이론을 전개하였다. 따라서 용액과 수증기의 표면 또는 수증기상을 일종의 삼투막이라 정의하였다. 다공성물질은 기공에 있는 용액을 표면장력에 의해 밖으로 내보내며 다만 수증기만 통과시키므로 삼투압처럼 작용한다. Gibbss의 열역학이론이 발전하면서 삼투압현상의 이론적 근거를 제공하였고 또 삼투압과 다른 열역학의 변수들과의 상관관계가 1920년까지 대부분 알려졌다. 1953년 Reid는 미국정부가 집행하는 해수담수화 프로젝트에 삼투막응용에 관한 연구를 시작하여 1959년에 셀로로오스 아세테이트(celluose acetate)로 해수담수화에 필요한 5 ㎛ 두께의 역삼투막을 최초로 만들었으나, 투과율이 1.19 ℓ/㎡·hr(lmh)로 적어서 실용화 될 수 없었다. 1962년에 Loeb과 Sourirajan이 용매에 대해서 거의 저항이 없는 다공구조의 두터운 고분자층위에 열처리를 통하여 막표면을 수축시켜 형성되는 얇은 표피층을 갖는 비대칭 구조의 막이 개발되어 탈염공정에 대한 적용을 시작으로 염배제율과 투과율이 높은 비대칭막을 개발하면서 분리막의 해수담수화가 실용화 될 수 있었다. Mahon은 셀롤로오스 트리아세트(cellous triacete)로 외경 70∼100 ㎛, 두께 5∼10 ㎛의 실관막을 제조하여 0.0252 lmh 투과율을 얻었으며 실관형막제조의 시초가 되었다. 1964년 North star의 Francis가 복합막 제조를 시도하였고 같은 연구소의 Rozelle과 Cadotte가 폴리슐폰으로 만든 지지막을 사용한 복합막이 개발되면서 분리막의 성능과 경제성이 월등히 좋아졌다.

나. 분리막의 종류

  현재 개발된 막분리 기술로는 정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration), 나노여과(nanofiltration), 역삼투여과(reverse osmosis), 기체분리(gas separation) 및 전기투석등이 있으며 공경의 크기 및 흡착, 막표면에서의 용해 및 확산등의 분리원리를 응용하여 물질을 분리한다. 그림 4.35.1에 각 분리막 공경의 크기 및 분리가능범위에 대하여 나타내었다.

다. 분리막 모듈

  막모듈의 구조와 설계에서 중요한 요인은 막표면에서의 유체의 속도이다. 낮은 유속은 농도분극과 오염을 증가시키고 결과적으로 투과율이 감소하여 빈번한 세척이 필요하다. 따라서 막모듈에서의 선속도를 증가시켜 농도분극현상을 최소화하고 부유물질의 축적을 감소시키는 흐름상태를 유지시켜야 한다. 더불어 단위부피당 막면적이 커야 경제적이므로 막모듈 제작 및 선택시 두가지 변수에 대한 고려가 있어야 한다.

그림 4.35.1. 막 공정의 분리 범위

  특정한 막모듈은 적용되는 원수의 부유물질농도나 점도등의 물리적 영향을 많이 받으므로 모듈의 선택에 신중을 기하여 용도에 가장 적합한 모듈을 찾아야 한다. 현재까지 개발되어진 막모듈의 형태는 관형(tubular), 중공사형(hollow fiber), 나선형(spiral wound), 평판형(plate and frame)이 대표적이며 막의 오염을 효과적으로 줄일 수 있는 회전판형(rotary disk)이 현재 상용화 단계에 있다. 각 처리대상에 따른 적합한 모듈 선정은 경제적이며 효율적인 처리의 중요인자가 된다. 표 4.35.1에 각 모듈의 특징에 대하여 정리하였으며 그림 4.35.2에 각 모듈의 형태를 나타내었다.

표 4.35.1. 막모듈의 특징
 

 

type

area/volume

membrane

fouling tendency

plate frame

low

UF, RO, MF, PV

low

hollow fiber

very high

UF, RO, GS, MF

high

spiral wound

high

RO, UF, PV

middle

tubular

low

UF, RO, NF

low

cartridge

middle

MF, UF

high

rotating disk

low

UF, RO, MF

very low

그림 4.35.2. 막 모듈의 구조

라. 막분리 공정

(1) 막분리 공정의 특징

  막분리공정은 기존의 분리 및 농축공정과 비교하여 여러가지 특징을 갖고 있다. 분리막은 상변화없이 물질을 선별적으로 분리시키므로 공정이 단순하고 다른 분리공정에 비해 에너지 효율이 우수하다는 점을 들 수 있다. 기존방법은 상변화를 유도하여 물질을 분리하기 때문에 막분리공정과 비교하여 에너지 소모량이 많은 편이며 상변화를 위하여 높은 온도를 요구하므로 분리하는 물질의 특성이 변화는 경우가 많다. 그러나 막분리는 기계적인 압력을 가하여 물질의 분리가 일어나기 때문에 특정성분 분리와 정제, 그리고 농축공정에서 새로운 대안으로 많이 응용되고 있으며 범위가 점차 넓어지고 있다. 막의 재질 및 형태, 여과방식에 따라 부유물질, 콜로이드, 효소, 단백질, 유기 용매, 염등을 분리할 수 있으며 혼합 기체에서 특정성분을 분리하여 농축 할 수도 있어 새로운 공정개발이 계속 진행중이다. 응용분야로 식품산업의 원료분리 및 농축, 보일러 및 반도체 세척공정에 응용되는 초순수의 제조, 폐수내 유효물질회수 및 재활용기술등의 다양한 응용이 진행중이다.

  막분리공정은 전체적인 시스템구성이 타 공정에 비하여 간단하기 때문에 파일럿실험 후 설계인자에 대한 정보가 확보되면 실제 공정설계 및 시설확장이 편리하며 시설자체의 부피를 작게 할 수 있으므로 설치면적을 최소로 유도할 수 있는 장점을 갖고 있다. 특히 막분리공정을 이용하여 폐수를 처리하는 경우 처리과정에서 약품사용이 적기 때문에 슬러지 발생량을 최소화 시킬 수 있다. 분리막 공정에서 얻어진 처리수는 원수로 사용되거나 수질에 따라 직접 제조 공정에 사용될 수 있다. 또 농축된 폐수의 용량은 전체 발생 폐수량의 10% 미만으로 줄일 수 있어 무방류 폐수처리 시스템 개발에 막분리공정이 핵심기술로 자리잡고 있다(Dhawan, Filter, Gaeta).

(2) 막 오염 및 세척

  분리막은 폐수를 적은 에너지를 이용하여 선별적으로 분리할 수 있으나 막의 성능을 저하시키는 분리막 오염이 막분리공정의 보급을 늦추고 있는 실정이다. 그림 4.35.3에 막표면에서의 물질 분리시 저항으로 작용하는 여러 요인에 대하여 표시하였다. 분리막 오염 현상은 폐수에 함유된 부유물질이나 분리막 표면에 쉽게 흡착되는 성질을 가진 물질들이 막표면과 공경에 축적되어 유체의 흐름을 방해하여 투과율을 감소 시킨다. 일반적으로 막분리공정에서 큰 문제점중 하나는 투과율의 감소로 원인은 크게 두가지로 나타낼 수 있다. 첫째는 막의 오염으로 인한 투과율의 감소 및 막의 특성변화로 분리기능이 저해되는 경우이며 다른 하나는 농도분극현상(concentration polarization)으로 용액이 막을 통과시 막표면에서의 용질의 농도증가로 인한 유효압력의 감소때문에 나타나는 투과율의 감소현상이다. 막분리공정에서 압력을 가하면 용질은 분리막에 통과하지 못하고 체류하지만 용매는 분리막을 자유롭게 통과한다. 즉 분리막을 경계로 고농도의 용질이 용액중에 체류하며 투과수흐름에는 상대적으로 낮은 농도의 용질층이 존재하게 된다. 용질이 막표면에 계속적으로 농축되면 막표면에 고농도의 용질층에 의한 삼투압 증가로 투과율은 감소한다. 더불어 막의 선택성과 용매투과율에 영향을 받는다. 결국 투과유효압력을 감소시켜 투과율의 감소를 야기시키기 때문에 농도분극현상을 방지하는 여러 방법을 적용, 투과율의 감소를 최소화시켜야 한다. 그러므로 다양한 방법을 통하여 농도분극 현상을 최소화 하여야 한다. 그림 4.35.4에 농도분극현상을 줄일 수 있는 방안에 대하여 나타내었다. 이에 반해 막의 오염은 원수의 특성에 따라 막표면에 오염물질이 강하게 결합, 축적되기 때문에 막의 투과율을 영구히 감소시킬 수도 있으며 분리막의 성질 또한 변하게 하여 분리능을 변화시키는 작용을 한다. 표 4.35.2에 오염(fouling)의 종류 및 정의를 정리하였다.


그림 4.35.3. 막을 통과하는 물질의 여러 형태



그림 4.35.4. 농도분극현상을 줄이는 여러가지 방법

  현재 막의 오염현상에 대한 폭넓은 연구가 진행중이다. 막의 오염과 세척에 관한 문헌은 주로 RO막을 대상으로 한 연구가 대부분이다. Water factory 21에서는 하루 6 × 107 L 용량의 2차 처리된 생활하수 재이용에 RO를 사용하였는데 Biofilm을 제거 목적으로 비이온성 세제인 폴리옥시에틸렌 이써(polyoxyethylene ether)를 사용하여 거의 완벽하게 미생물 부착을 방지한 예가 있었다(Harry, Martin, David). Hans-Curt Flemming 외 2인에 의한 연구에서는 매립지 침출수처리가 목적이었으며 막오염유발 원인물질을 제거하기 위한 노력으로 다양한 세척제에 관한연구를 실험실과 현장실험을 통하여 연구되었으며 여기서는 나권형(spiral wound)형 모듈의 경우 막오염의 대부분이 스페이서(spacer)에 의한 영향이라는 결론을 내렸다(Gobriela, Andrea, Hans). 분리막공정이 상업화된 이래 여러방향으로 오염에 대한 연구가 진행되었다(Beckman, Bhatacharyya, Bordern). Belfort는 원수에 있는 부유물질이 스페이서 사이를 흐를때 막표면에서 이동하는 현상을 유체역학적 측면에서 분석하여 분리막 모듈 설계와 공급유량의 최적화에 관한 연구를 수행하였다. 또한 수용액중에 용해돼 있는 무기물이 분리막공정에서 농축되는 과정에 용해도를 초과하면 콜로이드형태의 침전물로 되면서 막표면에 축적될 때 콜로이드의 크기, 전기적 특성 등이 오염에 미치는 현상을 체계적으로 분석하여 투과율이 감소하는 현상을 연구하였다(Gilron, Green). 막분리공정이 생물, 발효공학에 적용되면서 단백질이 막표면에 흡착하는 현상에 관한 연구가 Kim과 Fane등에 의해 수행되었다. 유기물질의 오염현상은 오염물질과 막재질 사이의 물리/화학적 친화력에 의하여 좌우되므로 특정 용액에 적합한 막재질을 개발하는 연구를 여러연구팀에서 수행하고 있다. 특히 기존의 분리막 표면에 오염을 억제하는 관능기를 도입하는 방법이 사용되고 있다.

표 4.35.2. 막오염의 종류 및 정의
 

 

Fouling

막자체의 변질이 아닌 외부적인 요인에 의해 생기는 막성능 저하로 그 원인에 따라 세척에 의해 성능이 회복된다.



Cake 층

공급원액중의 현탁물질이 막표면에 축적되어 형성하는 층

Gel 층

농축에 의한 용해성 고분자등이 막면에 형성하는 비유동성 층

Scale 층

농축에 의한 난용해성 물질이 용해도를 초과하여 막표면에 석출하여 형성하는 층

흡착층

공급원액에 함유되어 있는 흡착성 물질이 막표면에 흡착되어 형성하는 층

눈 막 힘

고체 : 막의 다공성부에 흡착, 석출등에 의한 밀폐

기체 : 소수성막의 다공성부가 기체로 치환 (건조)

유로밀폐

모듈의 원액유로 및 투과수유로가 고형물에 밀폐되어 액이 흐르지 않는 것


  세척과정은 오염물을 제거하고 분리막의 분리특성과 투과율을 회복하는 과정이며 세척에 사용되는 물질은 오염을 늦추고 오염물질을 용해, 계속적인 막의 오염을 막는 역할을 한다. 그러나 세척으로 인한 막의 손상을 최대로 줄여야 하며 사용한 막에 대한 생물학적인 문제에 대처하기 위하여 소독능력 또한 갖추어야 한다. 세척의 효율을 향상시키는 방법으로는 세척의 시기를 적절하게 정해주는 것으로 일반적으로 일정한 유입수의 조건에서 투과수의 전기전도도가 상당한 증가를 보인다든지 투과수량을 일정하게 유지하기 위해서 펌프압력을 8∼10 % 이상증가 또는 Pin - Pout이 25∼50 % 증가시로 정한다(Ebrahim). 경제적인 측면에서 가능한 막의 오염을 감소시키는 것이 중요하며 고려해야 하는 인자들은 흐름상태, 전처리, 막특성, 헹굼수질등이 있다(Guntragardh). 원수의 공급유량 및 흐름상태는 모듈설계와 선속도와 밀접한 관계를 갖는다. 낮은 유속은 농도분극과 오염을 증가시키고 결과적으로 투과율이 감소하여 빈번한 세척이 필요하므로 적절한 수준의 유속을 필요로 한다. 분리막은 특정 물질이 유입시 막표면의 고분자층이 파괴되어 적절한 분리능을 발휘하지 못하게 되낟. 그러므로 전처리를 통하여 안정성을 확보하여야 한다. 물리적, 기계적, 화학적 전처리가 가능하며 전처리휠터, 원심분리, 미생물의 살균, pH 변화등을 고려하여야 한다. 폐수를 처리시 가장 적당한 막을 고를 때에는 원하는 분리 특성을 가진것 뿐만 아니라 온도, 유입수의 화학적 조성, pH에 견딜 수 있는 막을 선택하는 것도 중요한 요소이다. 더불어 막을 세척 또는 플러싱(flushing)에 사용하는 물의 화학적, 세균학적 수질이 매우 중요하고 철, 실리카, 칼슘의 존재는 퇴적을 유발할 수 있기 때문에 처리수준에 따른 적절한 대책이 있어야 한다.

  일단 막이 오염되었을 때 제거방법을 선택하기에 앞서 오염물이 무엇인지를 알기 위해서 사전여과 방법(prefilter method)를 사용하는데 이는 0.45 μm여과지로 무기오염물을 여과해서 X-ray 분석을 하여 주요 오염 성분을 파악한 후 세척방법을 모색한다.(Graham).

  세척방법은 물리적 방법과 화학적 방법 또는 물리화학적인 방법이 있는데 물리적 방법에는 포워드 플러싱(forward flushing), 중공사막에 쓰이는 공기주입, 관형모듈에 쓰이는 스폰지볼(automatic sponge ball)법이 있으나 여러 경제적 잇점에도 불구하고 많이 실용화되어 있진 않은 실정이다(Virgina, Shippy).

  화학적 세척은 문헌이나 막제조자의 지침에 따라 행하는 것이 통상적이며 무기오염물 제거를 위해 산세척을, 유기오염물질은 염기세척이나 계면활성제를 사용하며 부가적으로 효소나 소독제를 사용하기도 한다. 세척은 단일의 방법을 사용하기 보다는 여러가지의 방법을 복합해서 최고의 세척효율을 얻는것이 관건이며 여러인자들에 의해 효율이 달라질수도 있으므로 많은 시행착오를 거쳐야하는 어렵고 시간의 소모가 많은 작업이다. 오염에 의한 투과율 감소는 세척제를 이용하여 원상태로 회복시킬수 있으나 오염 물질중에는 분리막에 항구적으로 흡착되어 투과율을 회복시키지 못하는 경우도 많이 있다. 또한 분리막의 세척빈도가 많아지면 분리막공정의 경제성이 기존의 분리공정 보다 떨어진다. 특히 폐수처리에서는 막의 오염 정도가 성공여부를 결정한다.

(3) 막분리공정 설계

  분리막을 폐수처리에 적용하는 과정은 실험실 규모의 벤치테스트(bench test)를 통한 적합한 막의 선택과 이렇게 선택된 막모듈을 이용한 파일럿 실험을 수행하여 얻은 설계인자를 사용하여 막분리 공정의 기술적, 경제적 타당성을 조사한다. 특히 폐수처리에 파일럿 실험이 중요한 이유는 발생되는 폐수의 특성이 다르고 특히 분리막의 오염을 유발시키는 유기물질의 복합적 현상 규명이 이론적으로 어렵기 때문이다. 분리막공정에서 막의 특성을 변화시키는 요인을 아래와 같이 요약할 수 있다.

* 원수 농도 : 농도가 올라갈수록 투과율이 감소하지만 용질배제율은 크게 변하지 않는다. 그러나 농도에 따라 용액의 성질의 변화가 있을 경우 막의 배제능이 변할 수 있다.

* pH : 용질의 특성을 변화시켜 막과 용질간의 상호 친화도 및 흡수도를 변화시킨다.

* 전처리 : 전처리를 통하여 막의 투과흐름을 개선시킬 수 있다.

* 운전조건 : 높은 압력에서는 용매의 투과율이 증가하나 막내부에 오염물질이 강하게 결합되어 오염을 가속화 시킨다.

* 분리막의 소재 : 막의 친수성 및 소수성, 막표면에 코팅전하의 분포, 표면의 거칠기, 공극율(porosity)및 입경분포에 따라 용매투과율 및 배제율이 변한다.

  공정설계는 전처리부분과 분리막 운전부분, 그리고 후처리부분으로 크게 나눌 수 있다. 가장 핵심적인 부분이 고압펌프와 막을 지지하는 압력용기 및 분리막 모듈이며 핵심역할을 담당한다.

  전처리부분은 막성능을 장기간 유지하기 위하여 막에 영향을 주는 물질 및 투과율을 감소시키는 오염원을 제거하는 것이 주목적이며 막의 화학적 분해, 스케일, 기계적 열화 및 투과율 감소 등의 문제를 해결하여야 한다. 특히 폐수처리 및 재활용에 분리막공정을 응용시에는 적용폐수에 대한 전처리가 필수적이며 원수의 SDI(Silt Density Index), pH, 탁도 및 오염원등을 사전에 분석하여 분리막공정에 적절한 수준의 전처리공정을 개발하여야만 경제적인 장점을 얻을 수 있다. 일반적으로 사용되는 전처리 기법은 화학적 전처리 및 물리적 전처리로 크게 나눌 수 있으며 화학적 전처리로는 pH 조정과 응집제 투여를 통한 침전제거 또는 이온의 용해도 상승유도, 스케일을 억제하거나 제거하기 위한 약품투여, 생물학적인 오염을 사전에 제거할 수 있는 처리 및 탈염소제(dechlorination agent) 첨가등이 있다. 물리적인 전처리로는 일반적으로 막에 부착되어 투과율을 감소시키는 SS(suspended solids)물질을 제거하기 위한 공정이 큰 부분을 차지하며 모래여과나 카트리지 휠터등을 주로 사용하며 원수의 온도를 적절한 수준으로 맞추어 주는 것도 분리막의 수명을 길게 할 수 있는 방법이다. 또한 원수에 함유되어 있는 유분이나 막표면에 부착이 용이하여 투과율을 감소시키는 막코팅물질등은 사전에 적절히 처리하여야 한다.

  후처리공정은 투과수의 수질에 의해 좌우되며 분리막의 종류에 따른 투과수의 질과 쓰이는 용도에 따라 후처리수준이 결정된다. RO 계열의 막으로 폐수를 처리시 일반적인 재활용부분에 초점을 두면 투과수자체는 양호한 수질을 나타내지만 간혹 냄새가 있거나 pH 등이 높거나 낮아서 원하는 수준으로 조정할 필요가 있다. 또한 담수나 해수를 음용수로 재이용할 때에는 더욱 세심한 후처리가 필요하며 고순도의 공장용수로 사용할 경우에는 탈기공정 후 이온교환법과 같은 효과적인 후처리공정이 결합된다. 분리막공정을 운영시 일반적인 고려사항을 표 4.35.3에 나타내었다.

표 4.35.3. 분리막 운영시 일반적인 고려사항
 

 

구 분

세 부 사 항

처리효율

관련인자

* 오염물질의 농도 - 막의 미세공극의 Scale형성

* 부유물질입자(SS) - 막의 공극을 폐쇄

* 미생물 - 점액질에 의한 공극의 폐쇄

영향인자

* TDS - 10,000 ppm 이하에 적용시 유리

* 용액의 pH - 장시간 운전시 막의 손상에 영향

CA막의 적정 pH : 5∼6, PA막은 영향이 적음

* 압력 - 일반적인 운전압력은 10∼40 kgf/cm2

* 온도 - 38 ℃이상에서는 막손상이 증가하며 표준온도는 20∼25 ℃

* 탁도 - 통상 2 ppm 이하로 관리, 입자크기는 25 ㎛ 이하 관리

* 공급유속 - 1.2∼76.2 cm/s

전처리

역세

* Scale 성분의 제거 : 탄산칼슘, 황산칸슘,철 망간 등의 스케일 발생물질을 alkalinity첨가방법으로 수산화물 공침, 제거

* pH 조정

* 역세주기 - 24∼48 hr(공정수의 1∼5 %가 손실)

* 화학약품 제정 - 막에 고착화된 오염물을 제거하기 위해 적용, 3∼6개월에 1 회 정도 빈도로 적용


표 4.35.4. 막분리공정과 기존 기술간의 차이점
 

 


Conventional process

Membrane process

Amount of sludge

High

Low

Chemical added

Middle

Low

Scale up

Difficult

Easy

Treatment efficiency

Middle

High


마. 막분리공정과 폐수처리

(1) 폐수처리 응용

  폐수처리 분야에 대한 막분리 기술의 적용은 단순히 폐수를 처리한다는 개념이 아니라 폐수중에 함유된 유효물질을 회수하여 재활용 한다는 점과 폐수중의 물을 높은 수율로 회수하여 재이용하여 폐수 오염원의 부하를 크게 줄여 준다는 측면에서 많은 잇점을 가지고 있다. 그 외에도 폐수처리시 들어가는 약품의 양이 적어 발생슬러지를 줄일 수 있으며 물리적인 처리방법으로 폐수의 수질변화에 대한 영향을 적게 받아 일정한 처리수준을 유지할 수 있다. 전 시스템의 자동화운전이 가능하기 때문에 인건비 및 운전비를 크게 줄일 수 있는 특징을 갖고 있다. 표 4.35.4에 막분리공정과 기존 기술간의 차이점에 대하여 간략하게 나타내었다

  막분리공정을 이용하여 공장폐수 및 하수에 대한 처리 및 재활용을 하여 경제적, 환경적측면에 대한 여러 장점을 이용하는 추세로 발전하는 수단이 된다. 일반적으로 폐수의 성분

  이 크게 변하지 않는 생활하수의 처리 및 재활용의 경우보다 산업폐수를 처리할 때 더욱 그 중요성이 강조된다. 분리막 공정을 이용한 폐수처리 및 재활용연구는 분리막의 개발과정서 부터 계속되었다 (Argo, Cartwright). 특히 일본에서는 지난 10년간 분리막을 이용한 폐수처리 및 재활용에 관한 연구가 국가 중요정책과제인 Aqua Renaissance 90 과제와 Mac 21 과제로 광범위하게 진행되고 있다 (Ohnishi, Higuchi).

(가) 염색, 염료폐수 처리

  Gaeta등이 개발한 막분리공정은 염료 및 염색폐수의 처리가 경제성을 가지기 위해 처리수 및 염의 재사용과 에너지 회수가 함께 고려된 하이브리드 시스템(hybrid system)으로 구성되고 있으며 Mirza등의 발표에 의하면 Ciba사는 염색 및 종합화학공장의 분리공정에 막분리공정을 지난 20 년 동안 광범위하게 사용하여 왔다. 이러한 분리막을 이용한 염료 및 염색폐수 처리기술은 오존등을 이용한 기존의 처리법과의 경제성 및 기술적 타당성이 깊이 있게 비교 연구되어야 한다고 평가되고 있다(Lin, Baldes, Mirza). 분리막을 이용한 염료 및 염색폐수처리 공정에는 역삼투법의 이용 가능성을 나타낸 보고가 1970년에 있었고 미국 환경보호국의 보고서에서도 막분리공정의 적용실험이 소개되었다. 염색폐수 처리에 막을 이용하려는 시도는 Brandon과 Porter등이 다이나믹 분리막을 이용, 처리수 재이용이 시도되었으며 18종의 유성분의 회수 및 재이용을 시도했다. 16개월에 걸쳐 Clenson,S.C. 주 부근에 있는 La France시의 염색가공 공장이 생산 Line을 이용하여 실시한 것으로서 농축액,투과액의 재이용에 대한 경제성까지 언급한 바있다. 국내의 막분리공정을 이용한 폐수처리에 관한 연구는 활발하지 못하나 산업체의 관심은 대단하다. 염료 및 염색폐수처리에 분리막을 사용한 연구는 아직 초보적인 수준이다.

(나) 중수도 처리

  수자원의 고갈로 인해 수돗물을 절약하고 재활용하는 차원에서 중수도법이 도입되면서 분리막을 이용한 하수 및 오수처리 방법이 주목을 받고 있다. 중수도 공급방식은 이용범위와 처리방법에 따라 개별순환방식, 지역순환방식 또는 광역순환방식으로 구분될 수 있다.

  미국이나 일본에서 사용되는 분리막공정은 주로 개별순환방식에 적용되었다. 미국 Thetford System Inc.의 싸이클렛 공정(Cycle-Let Process)는 1979년부터 개별순환방식으로 중수도를 처리하여 수돗물을 재사용하는 방법으로 사용되고 있다. 처리수의 수질은 BOD ≤ 5 mg/ℓ, SS ≤ 5mg/ℓ, total coliform≤ 2/100 mℓ이다. 발생되는 미생물 슬러지는 일년에 한번 반응조에서 제거하면 된다. 싸이클렛 공정의 핵심기술은 관형 UF막을 이용하여 폭기조의 미생물을 분리하여 폭기조의 MLSS(mixed liquid suspended solids)의 농도를 높혀주고 미세물질, 세균등이 처리수로 유입되는 것을 방지하는 것이다.

  일본에서 대형사무실빌딩의 중수도처리에 평판형 UF막을 이용하는 공정이 주로 사용되고 있다. 빌딩내에서 발생되는 오수를 분리막 공정을 도입한 생물학적 방법(UBIS)으로 처리하여 화장실의 용수로 재사용한다.

(다) 하수처리

  분리막공정을 하수처리에 이용하는 연구는 1970년대 초부터 시작되었다. 미국 캘리포니아 Orange County의 water factory 21 project는 1970년대 초부터 일일 37,500 ton 규모로 기존의 하수처리장에서 방류하는 공정을 운전하고 있다. Water factory 21의 주목적은 하수처리장의 방류수를 처리한 후 지하수막으로 주입하여 지하수가 바닷물로 부터 침투당하는 것을 방지하기 위한 것이다. 그러나 대규모 생활하수를 음용수 수준으로 처리할 수 있는 막분리공정의 가능성을 보여 준 대표적인 예이다. 미국 Denver시에서도 생활하수를 막분리공정으로 처리하여 음용수를 생산하는 시범공장을 건설하여 운전하였다. 처리수를 수돗물로 공급하는데 필요한 광범위한 보건위생학적 연구를 수행하여 만족할 만한 연구 결과를 얻었지만 하수를 처리하여 수돗물로 재사용하는 개념을 일반시민들이 아직 수용하지 못하는 단계에 있다. 따라서 Denver 시의 하수 재사용 계획은 위생상 기술적인 문제는 극복되었지만 시민의 홍보 부족등으로 아직 유보상태에 있다.

  일본은 1985년 부터 MITI가 주관하여 Aqua Renassance '90 이라는 대형 연구과제를 수행하였으며 이 공정 처리방법의 핵심기술은 생물학적 반응기와 결합한 막분리공정이다. 호주의 Memtec Inc. 는 기존의 하수처리장에서 배출되는 방류수에 MF막을 사용하여 부유물질과 세균을 제거하여 처리수를 재활용하는 방법을 개발하여 보급하고 있다.

(라) 발전소 폐수

  발전소에서 막분리공정의 적용이 가능한 분야를 다음과 같이 크게 구분할 수 있다.

 1) Boiler makeup water(ultrapure water)

 2) Boiler blowdown

 3) Ash sluish water

 4) Cooling tower blowdown

 5) Coal pile drainge

 6) SO2 Scrubber wastewater

 7) Radioactive wastewater

  보일러나 냉각탑의 블로우다운(blowdown)을 ED 또는 RO를 사용하여 처리한 후 재활용하는 공정이 개발되었으며 고농도의 TDS와 유기물질을 분리하기 위해서 전처리 과정이 분리막의 수명과 경제성을 결정하는 중요한 역할을 한다. 우리나라의 발전설비가 지속적으로 증대되고 환경오염에 의한 수질의 저하와 발전시설용지 확보의 어려움과 포항제철소 같은 다량의 용수를 사용하는 산업체에서 무방류공정을 적극 추진중에 있으므로 발전소에서의 무방류폐수처리 공정의 필요성은 더욱 강조되어야 한다. 따라서 무방류공정의 핵심기술인 막분리공정의 체계적인 연구와 개발이 절실히 요구되고 있다.

(마) 도금 및 표면처리

  도금 및 표면처리과정에서 발생되는 폐수는 중금속의 농도가 높은 폐수와 세척공정에서 배출되는 기름과 계면활성제를 포함한 폐수가 대부분이다. UF막을 이용하여 기름에멀션을 분리하며 투과수는 RO막을 이용하여 세척수로 재사용한다. 막분리공정은 단위생산공정별로 설치하여 각공정에서 발생되는 폐수의 특성에 따라 분리막 및 모듈을 선택하는 것이 경제적이다. 그러나 기존의 공장시설이 공정단위별로 폐수를 분리수거할 수 없는 경우는 종합폐수처리장에 막분리 공정을 적용할 수 있다.

(바) 제철소 폐수

  제철소는 원료생산공정에서 제품생산공정에 걸쳐 다양한 폐수를 배출한다. 대부분의 제철소는 단위공정별 1차 폐수처리 시설을 갖추고 1차 처리된 폐수는 종말처리장에 수집되어 최종처리후 방류한다. 국내 제철소 폐수처리에 막분리공정의 적용가능성을 조사한 연구논문을 보면, 기존의 종말처리장에 분리막을 적용하는 경우와 단위공정에서 배출되는 폐수를 처리하는 방법을 연구하였다. 종말처리장과 단위공정에 적용된 분리막의 처리수의 수질은 공급되는 공업용수 수질을 능가하였다. 최근에 가뭄으로 인한 용수공급부족으로 막분리공정 도입이 활발히 논의되고 있으며 포스코개발에 의해 파일럿 실험이 진행중에 있다.

(사) 석유화학 폐수

  기름폐수는 원유를 분리,정제하는 정유공장에서 대량으로 발생되며 기계를 제작 가공하는 과정에서 발생하는 절삭유, 냉각유나 식품가공과정에서 나오는 각종 동.식물성 기름 및 선박, 차의 세척과정, 염색에서 섬유를 가공하는 과정에서 배출되고 있다. 기름폐수는 대체로 3 가지로 분류된다. 첫번째는 물과 분리된 부유오일이다. 이것은 중력에 의하여 쉽게 분리되므로 기계적으로 제거할 수 있다. 두번째는 불안정한 기름-물의 에멀젼(emulsion)이다. 이 폐수는 기계적 또는 화학적으로 처리하여 중력에 의한 분리가 가능하다. 세번째는 안정한 상태의 기름-물의 에멀젼이다. 물리적으로 쉽게 분리되지 않기 때문에 기존에는 화학적 처리를 사용하여 처리하였으나 이 과정에서 나오는 슬러지와 처리수를 다시 처리해야 하는 문제 등 많은 어려움이 있었다.

  한외여과 공정은 걸러낸 기름함유 폐수의 처리가 간편하며 그 부피를 크게 줄일 수 있다. 그러나 각 공장마다 나오는 기름 폐수의 온도, pH 등의 성상이 다양하므로 적절한 분리막의 선정이 매우 중요하며 이는 실제 폐수의 실험을 거쳐 결정할 수 있다.

  기름 폐수를 분리막으로 처리하는 데 있어서 가장 문제가 되는 것은 처리수의 투과율이 감소하는 막의 오염현상이다. 이러한 오염현상은 오일이 막표면 혹은 막공에 쌓이게 됨으로써 투과수의 흐름을 방해하고 막표면의 압력손실을 가져오게 된다. 투과율의 감소를 막기 위해서는 오염이 잘 안되는 분리막 재질의 개발, 막표면의 농도분극을 최소화시키는 모듈의 개발, 오염된 막의 세척에 관한 연구, 전처리 기술개발 등의 연구가 수행되었다. 분리막을 이용한 정유공장폐수처리에 관한 연구는 선경건설에서 지난 1991년 부터 파일럿 규모 실험을 실시하여 방류수 재활용 가능성을 보여 주었다.

(아) 매립지 침출수처리

  분리막을 이용한 침출수처리 연구는 1980년대 중반부터 중점적으로 실시되었다. Rutgers Univ.의 Ahlert와 Syzdek은 침출수처리에 9개 다른 종류의 UF막을 실험하여 침출수 전처리 공정에 UF막을 적용할 수 있음을 보여주었다. 산업폐기물 매립지에서 발생되는 침출수에 라임(lime)을 첨가하여 탁도,중금속 부유/용존고형물을 제거하는 전처리를 한후에 CA Tubular RO막을 사용하여 고농도의 무기염과 유기물질을 처리하는 실험을 Slater 등이 실시하였다.그러나 CA막의 유기물질 배제율이 68%정도로 낮아서 방류수질을 만족하지 못했지만 생물학적처리와 여과등의 전처리 공정을 보강하여 TDS=42.7 mg/ℓ,TOC=14mg/ℓ인 방류수질을 얻을 수 있었다.

  카나다 환경청에서 1985년부터 침출수처리에 분리막을 사용하여 유해물질을 제거하는 연구를 수행하였다. MF전처리를 거친 침출수를 나권형 RO복합막을 사용하여 농축시켰다. 침출수에 포함된 유기농약성분 밑 TOC제거율은 97%이상 얻을 수 있으며 분리막의 투과율은 일정하게 유지되었다.

  독일의 Rochem사가 개발한 디스크 튜브(disk tube) 모듈은 전처리 조건이 기존의 나권형 모듈보다 완화되어 1989년부터 독일의 Schonberg매립지를 비롯한 10개 이상 매립지에서 사용되고 있다. Rochem 모듈의 특징은 원수쪽의 유로가 짧고 폭이 상대적으로 크기 때문에 오염이 적게 발생하고 막세척이 용이하므로 침출수와 같은 고농도의 폐수처리에는 적합한 막모듈이다. 또한 200 bar까지 고압의 조건에서 운전할 수 있어 침출수의 부피를 1/20까지 줄여서 농축수의 처리를 단순화 시킬 수 있다. 현재 독일에서는 산업쓰레기 매립장의 침출수 처리시 디스크 튜브형의 모듈을 이용하여 처리하고 있으며(Stanford) 미국의 5개 도시에서는 생활하수처리에 나권형의 모듈을 사용한 분리막공정을 이용, 하수를 처리후 투과수를 재활용하고 있다(Klinko, Filteau). 그리고 오일이 함유되어 있는 폐수의 경우는 관형의 모듈을 주로 사용하여 막내 오염을 최소로 유도하여 처리하고 있다.

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작성자 : 수질공학과 환경연구사 이재운(공학석사)


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