Global Issue Tecnology

 

새로운 막여과 설비 개발로 물재이용 공정 활성화

미국, 하․폐수 방류수를 산업체 냉각수 시스템․농업용수․조경용수로 재이용
미 KMS, 중공사 UF 멤브레인 ‘PURON MP’ 개발…물재이용 시설에 적용

 

물자원 부족에 대한 글로벌 환경조건이 심화됨에 따라 물재이용 기술이 각광을 받고 있다. 미국 Koch Membrane Systems(KMS, www.kochmembrane.com)의 제품개발 매니저인 Kevin Phillips는 새롭게 개발된 중공사 UF 멤브레인이 어떻게 물재이용에 성공적으로 적용되었는지를 『Filtration + Separation』 저널 2015년 5~6월호(격월간지)에 기고했다. 그 내용을 번역했다.  

 

캘리포니아․애리조나 등 멤브레인 플랜트 건설 보편화

인구증가 및 도시개발로 순수한 물의 공급체계에 비상이 걸리게 되자 각국 정부는 물의 재이용 정책에 관심을 집중시키고 있다. 동시에 폐수처리 관련 비용 및 규제의 증가로 물의 재이용 추진이 점점 보편화되고 있다.

처리된 폐수방류수의 물은 농업용, 조경 및 골프장 잔디, 수로관개, 산업체의 냉각수 시스템 및 간접적인 음용수 재이용수(indirect potable reuse) 등에 이용되고 있으며, 미국 전역에서 나날이 이러한 재이용 처리 시스템이 보급되고 있다.

 
뉴욕주에서는 많은 폐수처리장에 UF 멤브레인(한외여과막)을 사용, 처리된 폐수를 지하대수층으로 흘려 보내고 있으며, 극심한 물부족을 보이고 있는 캘리포니아를 비롯해 애리조나, 네바다 지역의 멤브레인 플랜트 건설이 보편화되고 있다. 일부 지역은 처리된 재이용수가 도시의 다양한 수요 충족을 위해 송수되고 있으며 전체적인 물이용의 효율성을 극대화하고 있다.

Governments around the world are shifting focus to water reuse strategies as population growth and global development places a strain on existing fresh water supplies. Simultaneously, wastewater reuse in both the industrial and municipal sectors has become more prevalent in recent years as the cost and regulations for waste disposal increase.

Treated wastewater effluent can be used for agricultural and landscape․golf course irrigation, industrial cooling processes and indirect potable reuse. Water reuse strategies are taking hold around the U.S, with more systems coming online every day.

In New York State watersheds, many wastewater plants use UF(Ultrafiltration) membrane filtration before discharging wastewater effluent to aquifers. In more arid environments that are experiencing water scarcity, like those in California, Arizona and Nevada, membrane plants are common.

In some cases reclaimed water is distributed around a municipality for a variety of purposes through a completely separate water main, leading to increased overall water use efficiency.

As some sources of usable fresh water dry up or otherwise become unavailable, other alternatives are becoming more attractive, including difficult-to-treat sources such as brackish water, pond water or seawater. Ultrafiltration products are being developed to process the vast number of feed streams that are not clarified enough to be processed by drinking water membranes currently in place.

“‘PURON MP’, 고형물 농도․폐수처리 적합토록 설계”

사용 가능한 순수한 물의 양이 점차 고갈됨에 따라 염수(brackish water), 연못물(pond water), 바닷물(seawater) 등 처리가 다소 난해한 물자원의 사용이 요구되고 있다. 이에 기존 멤브레인에 의한 음용수 처리로 충분한 처리 효과를 갖지 못하는 물자원에 적용하기 위해 새로운 UF 멤브레인이 개발되고 있다.

▲ 미국 KMS(Koch Membrane Systems)는 중공사 UF 멤브레인인 ‘PURON MP’를 개발하여 물 재이용 시설에 적용하여 성공적인 성과를 거두고 있다. 사진은 순서대로 ‘PURON-MP’모듈의 화이버, 카트리지 및 스키드이다.

강이나 호소수 등의 지표수는 부유물질이나 탁질물질 등의 커다란 변화가 예상된다. 높은 고형물질이나 TOC(총유기탄소, Total organic carbon) 농도의 증가는 기존 수처리 설비에 장애를 초래할 수 있으며, 수로 위로 넘쳐나는 우수(storm water)로 인하여 탁도의 급격한 증가를 가져오기도 한다.

일반 호소수의 평균 5~10NTU의 탁도는 우수(storm water) 유입의 경우 100~200NTU로 상승하며 심지어는 1천NTU까지 오르기도 한다. 강물의 경우 2인치의 강우량만으로 도로 위에 빗물이 넘치는 경우도 발생한다.

이러한 혼탁한 물이 기존의 모래여과장치 혹은 침전장치 등의 처리장에 유입되면 필요로 하는 탁도값을 얻을 수 없다. 또한 계절적 변화나 수온의 변화로 처리에서 문제점이 발생하기도 하며 특히 겨울철에는 점도(viscosity) 값이 증가해 멤브레인 여과로 인한 처리가 어렵게 된다.

멤브레인 기술은 산업용 물자원의 회복율을 높이고 바닷물의 전처리 기술로 사용, 먹는물 처리 등에 다양하게 적용된다. 이러한 다양한 주위 환경의 변화에도 일정한 투과량(permeate)을 얻기 위한 목적으로 Koch Membrane System(KMS)은 ‘PURON MP’ 브랜드의 UF 멤브레인을 개발했다.

‘PURON MP’는이는 높은 고형물 농도 및 폐수처리에 적합하도록 설계되었다. 이 제품은 멤브레인 화이버(fiber) 자체의 혁신적인 개발과 독창적인 카트리지 형태 외형설계로 높은 탁도의 열악한 조건에서도 플럭스(flux)의 회복이 효율적으로 가능한 제품이다.

 
In the case of surface waters, like reservoirs, lakes and rivers, these alternative water sources can be highly variable in terms of suspended solids or turbidity. High solids and increased levels of total organic carbon(TOC), tend to wreak havoc on conventional water treatment equipment. A storm rolling across a shallow lake can churn up sediment causing a peak turbidity event.

In a lake with an average turbidity of 5~10NTU, a storm could cause a spike in turbidity levels to 100~200NTU, or even as high as 1000NTU. In the case of rivers, two inches of rain can cause excessive run-off from roads to flow into the river. When this flow of this murky water enters a treatment plant using sand filter or clarifier technology, the plant often cannot meet set turbidity output standards.

Filtration challenges are also increased by other factors such as seasonal change and variations in water temperature. Variability in suspended solids or turbidity is often introduced to water sources as seasons change. Filtration is more difficult in colder water, as increased viscosity makes it more difficult to push water through a membrane filter.

Membranes can achieve higher recoveries for industrial water, work well for seawater pre-treatment and are even being used for potable water treatment. In response to the need for consistent permeate under highly variable conditions, KMS developed the PURON MP ultrafiltration membrane.

This product was specifically designed for high-solids water and wastewater applications, including surface water treatment, high TOC water treatment, RO pretreatment, and tertiary wastewater treatment.

A combination of robust membrane fibres and a unique cartridge design allows the Puron MP to withstand the stress of high turbidity events with effective flux recovery.

호주․중국․브라질․스페인 등 10여곳서 운전 성공

KMS는 4년간의 연구개발 끝에 최초의 견본(prototype) 제품을 출시, 높은 TOC 값을 갖는  델라웨어주 윌밍톤, 메사추세추 지역 현장에서 파일럿 테스트를 24개월간 실시, 그 과정에서 운전모드, 세정주기 및 외부 하우징의 설계 등을 검토하여 모듈의 최적화를 구축했다.

그 이후 최초 모듈 제품의 테스트 결과에 따라 하우징 내에 최적의 화이버 수량을 안배하여 차별화된 화이버 집적(packing density) 구조로 2차 견본 제품을 출시하여 미국, 호주, 중국, 브라질, 이탈리아, 스페인 등 서로 다른 10여 곳의 폐수처리장에서 파일럿 테스트를 실시하였고 실제 운전조건의 최적화를 도모하는 한편, 다양한 원수의 적용으로 장기간의 성능보증 가능성을 검토했다.

▲ KMS의 중공사 UF 멤브레인 모듈.

이후 이를 바탕으로 상업용 규모의 시스템을 중국 및 싱가포르에 설치 운전, 이를 통해 멤브레인이 매우 높은 고형물이 존재하는 경우 원수의 성상에 관계없이 일정한 생산수 유량을 얻을 수 있음을 확인했다.

사례로 한 곳에서는 빗물이 넘쳐 고형물 농도가 매우 높아진 상태에서 8천NTU의 탁도에서도 테스트 결과는 일부 TMP(막차압, Transmembrane pressure) 압력의 증가가 발생했으나 이 경우 TMP 압력값의 복원을 위한 목적으로 특별한 세정을 실시하지도 않았다. 이러한 탁도의 급격한 증가에도 불구하고 생산수의 탁도는 일정하게 0.1NTU를 초과하지 않았다.

A four-year research and development process began with an early prototype placed at a reservoir test site with moderate to high TOC levels. This pilot, located near the KMS manufacturing facility in Wilmington, Massachusetts, United States, ran for 24 months as researchers and engineers evaluated operating modes, cleaning sequences and
cartridge designs to come up with an optimum configuration. Tests were conducted on air scouring, backflushing and chemical cleaning and the results used to fine-tune the cleaning sequences.

Following extremely positive test results, engineers developed and tested additional prototypes with different packing densities to arrive at the optimum number of fibres to place in each cartridge.

The optimised system has been tested on different applications at more than 10 surface water or municipal wastewater pilot sites in the United Australia, China, Brazil, Italy  and States, Spain.

The tests have been used to optimise operating parameters and demonstrate long-term performance on a wide variety of feed water sources. Full scale systems are currently being installed at industrial facilities in China and Singapore.
 
Pilot test findings show the membranes can tolerate an extremely high level of solids even after significant storm events, producing consistent permeate no matter what type of raw water is received.

At one pilot site, the feed water was a river with periods of extremely high solids due to rains and run-off. Even with measured turbidity peaks up to 8000NTU, while the pilot would see an increase in transmembrane pressure(TMP), no unusual cleaning was necessary to return the cartridge to baseline TMP after the turbidity spike cleared. In general, even with these very high upsets, the permeate turbidity did not increase above 0.1NTU.

‘PURON MP’, 처리사 어려운 원수 처리에 적합

또 다른 사례로 파울링(fouling)이 심하게 발생된 폐수처리 플랜트에서 높은 TOC(총유기탄소) 농도와 질산화가 충분히 이루어지지 않은 유입수를 사용하여 테스트를 실시했다. 특히, 가을에서 겨울 동안에 TOC 값이 12~15㎎/L(ppm)에서 20㎎/L(ppm) 이상으로 급격히 증가하는 상황에서 매우 낮은 탁도 및 SDI(막오염지수, Silt density index) 값으로 인하여 멤브레인에서는 지속적으로 안정적인 생산수를 얻을 수 있었다.

즉, 유입수의 탁도 및 TOC 값의 변화에도 불구하고 훌륭한 물의 재이용 처리가 가능함을 볼 수 있었다. 운전도중 원수의 급격한 변화 발생 시 20분간 역세(back flush) 세정을 실시하여 높아진 TMP(막차압) 상황에서도 정상적인 운전이 가능했으며, 매우 낮은 온도 및 높은 TOC 조건이 되는 겨울철 내내 운전이 순조롭게 진행되었다.

KMS가 개발한 ‘PURON MP’ 모듈은 처리가 어려운 원수에 적합하도록 하는 목적으로 개발되었으며, 화이버의 슬러징(sludging) 없이도 높은 고형물 농도의 원수를 처리할 수 있다. 이 제품은 보다 강화된 중공사 화이버로 개발되어 멤브레인 모듈의 폿팅(potting)처리가 모듈의 상부에서만 이루어진 것이 특징이다.

At another site, feed water consisted of high fouling lagoon wastewater plant effluent  with high TOC and incomplete nitrification. The change from fall to winter brought a snowfall that caused the lagoon to ‘flip’, causing TOC readings to jump from 12~15 ppm to more than 20ppm.

Even so, the membrane cartridge consistently produced permeate with very low turbidity and silt density index(SDI) values, demonstrating excellent water reuse potential regardless of feed water turbidity and TOC.

Operators back flushed the pilot with a 20 minute cycle during the lagoon flip event, allowing the facility to stay clean without high TMP. The pilot operated well through the winter with very low temperatures and in high feed TOC conditions at 25 gallons per square foot of membrane per day(GFD) with a clean in place(CIP) interval of 30 days.

In addition, the unit also demonstrated very high coagulant dosing tolerance. Tests with an on-line permeate UV254 instrument showed that coagulant dosage can be optimised for more efficient chemical consumption, rather than dosing excessive, expensive concentrations to ensure worst case conditions are managed.

The design of the Puron MP modules includes features that make them more forgiving for use in difficult-to-treat waters and better able to handle high solids without fibre sludging. Because the cartridge utilises a strong reinforced hollow fibre, the membranes are able to be bound or ‘potted’ at the top end only.

단일 폿팅(single potting)의 특징은 멤브레인 화이버가 하우징 내에서 자유롭게 움직이게 되며, 공기세정(air scouring) 효과가 화이버 번들(fiber bundle) 내에 보다 완벽하게 침투가 가능해 축적되어 있는 고형물질들은 하부로 이동, 제거가 쉬워진다. 

▲ ‘PURON-MP’ 카트리지.

또한 역세(back flushing) 배출이 하우징 중간 부분에서 이루어지며 이 부분은 점차 슬러지 성상화 된다. 이와 반대로 타사 제품들은 상부 및 하부 양쪽에 폿팅(potting) 처리를 하는 전형적인 형태로 이러한 쌍방 헤더(dual-header) 구조는 화이버의 이동을 제한하며 일부 공간에 데드존(dead zone) 지역을 발생시켜 이곳에 고형물질이 쌓이게 되어 막 면적 감소, 생산량 및 에너지 효율을 떨어트리는 요인이 된다.

KMS사의 ‘PURON MP’ 모듈의 또다른 장점은 높은 탁도에서도 원래의 멤브레인 상태를 유지하기 위해 세정 공정의 자동화 추진으로 화학세정 등의 고강도 세정에 의해 시스템 정지를 최소로 할 수 있다. 한편 공기세척(air scouring), 역세척(back flushing) 및 배수(draining) 등 과정에서도 TMP 값을 최소로 하여 이러한 비상 상황에 대처가 가능한 장점을 갖고 있다.

카트리지 형태의 모듈은 끊어짐이 없는, 보다 강화된 ‘브레이드형 화이버(braided fibre)’를 사용하여 시스템의 운전정지나 생산수 내에 오염물질 누출 등의 문제를 최소화했으며, 이로써 실제 가동시간을 최대로 하여 시스템 최대능력 범위 운전이 가능하며 후 공정에서의 문제점 발생 및 효율 저하 등 원인을 사전에 방지할 수 있다.

▲ KMS사의 ‘PURON MP’ 모듈의 또 다른 장점은 높은 탁도에서도 원래의 멤브레인 상태를 유지하기 위해 세정 공정의 자동화 추진으로 화학세정 등의 고강도 세정으로 인한 시스템 정지를 최소로 할 수 있다.

또한 ‘PURON MP’ 모듈이 가지고 있는 높은 플럭스(flux) 및 높은 고형물질에 대처하는 기능 보유로 많은 비용이 드는 청징기(clarifier) 및 케미컬 전처리 설비의 설치를 줄일 수 있으며 부지면적 최소화, 초기 투자비용 및 케미컬 사용에 의한 운전비용도 줄일 수 있는 특성을 보유하고 있다. 멤브레인 자체 케미컬 특성이 우수하며 기공의 크기, 기공 분포도가 세밀하고 공기세정(air scouring) 기능이 효율적이어서 보다 안정된 성능을 보장할 수 있다.

This single-potting design permits the membrane fibres to move freely within the cartridge, allowing air scouring to penetrate the fibre bundle more completely and release accumulated solids to the bottom, where they are easily drained away. Also, backflush discharge is in the centre of the cartridge, the zone most likely to experience sludging.

By contrast, other hollow fibre membrane cartridges utilise traditional designs with potting at both ends. The tightly packed dual-header configuration in these traditional modules restricts fibre movement, creating dead zones where solids can accumulate. This fibre sludging reduces membrane surface area, system output and energy efficiency.

Another advantage of the Puron MP system set-up is that being able to rely on automated cleaning sequences to keep the membrane clean during difficult turbidity events eliminates the need to take down the system for intensive chemical cleaning. Air scouring, backflushing and draining keeps TMPs lower so operators do not have to come in on an emergency basis to deal with these types of events.

The cartridge uses a virtually unbreakable braided reinforced fibre which minimises the type of damage that could shut a system down or contaminate the permeate. This results in improved uptime, ensuring the system can operate at full capacity so there are no damaging effects on downstream processes.

The PURON MP system’s high flux and solids tolerance properties eliminate the need for costly clarifiers and chemical pretreatments in many tough applications. This reduces the footprint required, limiting initial capital expenditure as well as operating costs associated with chemical use. Advanced membrane chemistry, tight pore size and distribution and effective air scouring can deliver more stable performance without the need for extensive chemical cleans.

The new pressurised hollow fibre UF cartridge technology by KMS produces high quality permeate at low fouling rates with difficult feed water. The cartridge design incorporates a single header design with free floating, reinforced fibres that allow for solids removal during cleaning. Simplifying operation, the new membrane eliminates clarifier pretreatment in many applications, minimises downtime, and reduces chemical usage. These benefits add up to a lower total cost of ownership.    

[원문출처 = 『Filtration + Separation』(www.filtsep.com) 5~6월호 / 번역 = 김덕연 본지 편집위원]

[『워터저널』 2015년 8월호에 게재]
 

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