[연구보고서] 세척·세제 제품 생산에서 발생한 폐수처리
제이 휴에사, 생산 폐수처리 시스템 완성하는 서비스 위탁받아 테스트 

 
청소 제품, 세제, 캡슐 및 개인 위생 제품 생산의 선두기업이 세척 및 세제 제품 생산에서 발생하는 폐수처리를 위해 스페인의 수처리기업인 제이 휴에사 워터 테크놀러지(J. Huesa Water Technology)에 생산 폐수처리, 특히 공장의 기존 정화 시스템을 완성하는 서비스를 위탁했다.
 
▲ 스페인의 수처리기업인 제이 휴에사 워터 테크놀러지(J. Huesa Water Technology)는 청소 제품, 세제, 캡슐 및 개인 위생 제품 생산의 선두기업으로부터 세척 및 세제 제품 생산에서 발생하는 폐수처리를 위해 서비스를 위탁했다. [사진출처 = 제이 휴에사 워터 테크놀러지(J. Huesa Water Technology)]

그런 의미에서 좀 더 심층적으로 살펴보기 위해서는 기존 처리 라인의 O&M에 부정적인 영향을 미치는 COD(화학적산소요구량), A&G, SS(부유물질) 함량이 주류를 이루고 있었기 때문에 시작 상황을 배경으로 설명한다. 
 
이 문제에 대응하고 이 부문의 요구사항이 점점 더 까다로워짐을 고려하여 기술팀은 실질적으로 모든 AG 및 SS를 제거할 수 있는 관형 한외여과(ultrafiltration membrane)로 구성된 전처리 시스템의 설치를 제안했다. 기존 처리 라인에 들어가는 COD 부하를 줄인다. 이 솔루션의 적합성을 확인하기 위해 프로젝트 초기 단계에서 J. Huesa의 실험실에서 파일럿 테스트가 수행되었다.
 
■ 실험실 파일럿(Laboratory piloting)
 
이 파일럿 프로젝트는 두 단계로 수행되었으며, 처음에는 최종 처리장에 포함될 적절한 모델을 선택하기 위해 여러 한외여과막 모듈(ultrafiltration membrane  modul)을 테스트했다. 이를 위해 산업용 솔루션에 적합한 설계 플럭스(flux)에서 최대 농도 값 16.7에 도달할 때까지 4m/s의 직교류 속도에서 다양한 모듈을 테스트했다.

▲ 관형 한외여과막 파일럿 플랜트. [사진출처 = 제이 휴에사 워터 테크놀러지(J. Huesa Water Technology)]
 
이 요인으로 인해 플럭스 감소가 급격히 감소하고 풍부한 거품 형성이 발생하여 시스템의 재순환에 영향을 미쳤다. 또한 얻은 한외여과수에서 SS와 A&G의 거의 완전한 제거와 COD의 급격한 감소를 확인하였다.
 
두 번째 단계에서는 집중 연못용 IBC와 200리터 처리된 물탱크로 구성된 MO P1(1, 2mm) 66.03 PVDF(이소불화비닐 ; Polyvinylidene fluoride) 18로 파일럿 장치를 제조하여 용액의 거동을 확인했다. 공업용 솔루션과 유사한 처리장에서 수행할 뿐만 아니라 초기 테스트보다 더 오랜 기간 동안 성능을 평가했다. 
 
이 처리장의 목표는 다음과 같았다. 
- 초기 여과 조건에서 얻은 여액에서 A&G와 SS의 제거를 확인하기 위해 
- 얻은 여과액의 COD 제거 성능을 확인하기 위해서다.
 
약 농도 계수에 도달하려면. 10, 다음을 평가하기 위해 고정된 설계 조건에서 일주일 동안 작업을 했는데, 
- 여액의 품질이 A&G, SS 및 COD의 성능 수준을 유지하는 경우
- TMP 및 플럭스에 대한 1주일 작업의 영향
 
고객의 원수에는 생산 공정에서 일반적으로 사용되는 비율로 다른 하천의 물이 포함되어 있기 때문에 이전 사례와 동일한 목적으로 각 하천에 대해 개별적으로 투과수 품질에 대한 특정 분석을 수행했다.
 
파일럿 플랜트가 설정되면 파일럿 작업은 세 가지 다른 단계로 수행되었다.
 
1단계 : 공급 연못을 산업 플랜트와 동일한 조건으로 만들기 위한 원수의 농축. 이 단계는 하루 24시간 4주 동안 진행되었다.
 
2단계 : 산업 공정과 같은 조건에서 고정 파일럿. 이 단계는 하루 24시간 3주 동안 수행되었다.
 
3단계 : 이틀 동안 하루 24시간 CIP 물 샘플을 사용한 현장 테스트.
 
두 경우 모두에서 얻은 결론은 다음과 같다.
 
- SS와 H&G는 테스트한 한외여과와 산업 디자인과 같은 조건에서 실제로 유지되었다. 
- 이 시험에서 정지상 동안의 평균 COD 제거는 70%였으며, 이는 유기물 부하가 상당히 감소될 것임을 의미한다.
- UF 멤브레인을 가로지르는 막횡단 압력과 차압은 파일럿 실행 동안 청소 또는 조기 막힘의 필요성을 나타내지 않았다.
 
■ 솔루션 설치(Solution installed)
 
수행된 파일럿 연구의 결론으로, SS, 박테리아 및 바이러스가 없는 투과물을 생성하는 제어된 압력 하에서 막 분리 시스템인 한외여과 시스템을 구현하기로 결정했다.
 
이 기술을 간단히 소개하면 막 모듈에는 Dead-end(막다른)와 Crossflow(직교류)의 두 가지 유형이 있다고 할 수 있다. 후자(Crossflow)는 인사이드 아웃 또는 아웃사이드 인 시스템일 수 있다.
 
공정의 조건과 처리되는 물, 그리고 막의 오염 및 막힘의 제어를 보장하는 유일한 시스템으로 인해 사용되는 UF 유형은 시간당 15㎥의 투과수를 생성한다.
 
한외여과에서 얻은 투과액이 기존 처리라인에 투입되기 때문에 회분식 플랜트를 설치하여 이 기존 처리라인의 수준에 따라 운전을 규제하고 있다.
 
모든 시스템 작동은 설치를 관장하는 자동장치가 있는 전기 패널과 다양한 작동 변수가 표시되고 매개변수화된 터치 스크린에서 제어된다. 
 
■ 처리 시스템(Treatment System)
 
처리할 물은 30㎥ 용량의 잘린 원추형 GRP 탱크에 저장되며, 이 탱크에서 50㎥/시간 용량 펌프를 통해 물을 펌핑한다. 두 개의 자체 청소 링 필터 배터리는 원수와 함께 올 수 있는 더 큰 입자를 보유할 수 있는 용량이 있는 탱크 입구 이전의 추진 라인 자체에 배치된다.
 
펌핑된 물은 구멍 크기가 150미크론인 메쉬 필터(Mesh filter)를 통과한다. 그 다음은 90kW 재순환 펌프이다. 이 펌프는 처리될 물을 한외여과 모듈에 공급한다.
 
이 펌프는 최대 400㎥/시간(h)의 유속으로 공급 펌프와 한외여과 농축액 재순환 자체에 의해 구동되는 물을 모두 이동시킨다.

▲ 펌핑된 물은 구멍 크기가 150미크론인 메쉬 필터(Mesh filter)를 통과한다. [사진출처 = 제이 휴에사 워터 테크놀러지(J. Huesa Water Technology)]
 
■ 한외여과 스키드(Ultrafiltration Skid)
 
한외여과 플랜트에는 30nm(나노미터)의 기공 크기를 갖는 PVDF 멤브레인으로 구성된 5개의 모듈이 있다. 각 모듈의 치수는 직경 4m 및 10인치이다. 또한 5개 모듈 이후에 플랜트에는 플랜트 확장 가능성을 위한 예비 역할을 하는 10인치 스테인리스 스틸 파이프가 있다. 이 파이프는 '모형(dummy)'로 알려져 있다.
 
n UF 스키드의 입구 라인과 각 모듈의 출구에서 항상 플랜트 조건을 매개변수화하는 것을 목표로 하는 일련의 분석 장비, 특히 다음을 찾는다.

- 플로워 미터(Flow meters)
- 온도 트랜스미터(Temperature transmitters)
- 압력 트랜스미터(Pressure transmitters)
 
한외여과 모듈 후 농축액은 10인치 스테인리스 스틸 라인을 통해 재순환 펌프의 흡입으로 돌아간다.
 
각 모듈의 외부에는 모듈에 대한 2 ½” 바이탈릭 연결을 통해 PVC-U로 만들어진 투과 배출구가 있다. 각 모듈의 투과물 면에는 얻은 투과물을 육안으로 검사하고 탁도가 관찰되는 경우 가능한 기공 파손을 감지할 수 있는 사이트 글라스가 있다. 이 부분에는 또한 막횡단 압력 또는 TMP(막횡단압 ; Transmembrane pressure) 및 dP(모듈별 압력강하 ; Pressure drop in each module)와 같은 매개변수를 측정하는 기기가 있다.
 
또한 각 투과관에는 조정 가능한 단동식 공압 밸브가 있다. 이 밸브는 각 투과관의 부분적인 개방을 허용하며 주요 목적은 가능한 한 각 모듈의 TMP를 균등화하는 것이다.

▲ 임펄션(impulsion) 펌프. [사진출처 = 제이 휴에사 워터 테크놀러지(J. Huesa Water Technology)]
 
■ 플러싱(Flushing)
 
UF 공정에서는 공정이 중단되면 멤브레인에서 주 배출물을 이동시켜야 한다. 이러한 방식으로 우리는 멤브레인이 삼투수, 수도 또는 플랜트 자체의 투과수와 같은 깨끗한 액체에 '흠뻑젖어(soaked)' 있는지 확인한다. 이 경우 실험실에서 여러 차례의 파일럿 연구를 거친 후 UF 자체 투과수를 세척수로 사용하기로 결정했다.
 
플러싱(Flushing)은 또한 멤브레인 기공의 막힘 및 멤브레인 성능 회복에 대한 예방 조치로 여과 단계에서 사용된다. 플러싱은 또한 여과 시작 전에 유출물의 전체 변위를 보장하기 위해 여과 시작 전에 종종 사용된다.
 
공장이 정지되었을 때 시설을 세척할 수 있도록 5㎥의 잘린 원뿔 모양의 GRP 탱크가 시스템에 포함되었으며, 여기에서 공급 펌프가 한외여과된 물을 빨아들여 공장으로 유입한다. 나머지 투과수는 공장의 기존 처리 라인에서 유입수를 수집하는 2개의 40㎥ GRP 탱크에 수집된다.
 
▲ 한외여과 플랜트에는 30nm(나노미터)의 기공 크기를 갖는 PVDF 멤브레인으로 구성된 5개의 모듈이 있다. [사진출처 = 제이 휴에사 워터 테크놀러지(J. Huesa Water Technology)]
 
■ 청소(CIP ; Cleaning)
 
화학 세정 또는 CIP 모드는 오염으로 인해 멤브레인의 성능이 저하될 때 작동하는 모드이다. 이러한 성능 저하를 알기 위해서는 다음 매개변수를 모니터링하는 것이 중요하다.
 
1. 투과유량(Permeate flow rate)
2. 모듈별 압력강하(Pressure drop in each module ; dP)
3. 막횡단압(Transmembrane pressure ; TMP)
4. 에너지 소비(Energy consumption) 
 
▲ 플러싱(Flushing)은 또한 멤브레인 기공의 막힘 및 멤브레인 성능 회복에 대한 예방 조치로 여과 단계에서 사용된다. [사진출처 = 제이 휴에사 워터 테크놀러지(J. Huesa Water Technology)]
 
[원문보기]
 
Wastewater treatment from the production of cleaning and detergency products
 
On this occasion, a leading company in the production of cleaning products, detergents, capsules, and personal hygiene products has entrusted the services of J. Huesa for the treatment of effluents from production, specifically to complete the existing purification system in the factory.
 
To go more in depth in this sense, we will now give a background of the starting situation, since the mainstream presented high COD, A&G and SS contents that negatively affected the O&M of the existing treatment line.
 
To respond to this problem and taking into account that this sector has increasingly demanding requirements, the technical team proposed the installation of a pre-treatment system consisting of a tubular ultrafiltration capable of eliminating practically all the AG and SS, while at the same time significantly reducing the COD load entering the existing treatment line. To corroborate the suitability of this solution, in an initial stage of the project, a pilot test was carried out in the laboratory of J. Huesa.
 
Laboratory piloting
 
This pilot project was carried out in two phases, initially several ultrafiltration membrane  modules were tested to choose the appropriate model to be included in the final plant. For this purpose, different modules were tested at a crossflow velocity of 4m/s, until concentration values of maximum 16.7 at the design flux suitable for an industrial solution were reached.
 
From this factor, the flux decrease dropped drastically, and abundant foam formation occurred, affecting the recirculation of the system. In addition, the almost total elimination of SS and A&G and a drastic reduction of COD in the ultrafiltered water obtained were verified.
 
In a second stage, a pilot unit was manufactured with a MO P1 (1,2 mm) 66.03 PVDF 18, consisting of an IBC for concentration pond and a 200-litre treated water tank, in order to verify the behaviour of the solution in a plant similar to the industrial solution, as well as to evaluate the performance over a longer period of time than in the initial test.
 
The objectives set for this plant were as follows:
 
Under initial filtration conditions:
- To verify the removal of A&G and SS in the filtrate obtained
- To verify the COD removal performance of the filtrate obtained
 
To reach a concentration factor of approx. 10, and work for a week in stationary design conditions to evaluate:
- If the quality of the filtrate maintains the performance levels in A&G, SS and COD
- Effect of one week operation on TMP and flux
 
Since the customer’s raw water contains water from different streams in the proportions normally used in the production process, a specific analysis of the permeate quality was carried out for each of the streams individually, with the same objectives as in the previous case.
 
Once the pilot plant was set up, the piloting was carried out in three different phases:
 
Phase 1 : concentration of the raw water in order to bring the feed pond to the same conditions as the industrial plant. This phase took place for 4 weeks, 24 hours a day.
 
Phase 2 : stationary piloting under conditions like the industrial process. This phase was carried out for three weeks, 24 hours a day.
 
Phase 3 : spot test with CIP water samples, 24 hours a day for two days.
 
The conclusions obtained in both cases are detailed below:
 
Both SS and H&G were practically retained in the tested ultrafiltration and under conditions like the industrial design.
 
The average COD removal in this test during the stationary phase was 70 %, which implies that the organic matter load will be significantly reduced.
 
The transmembrane pressure and pressure differential across the UF membrane did not indicate any need for cleaning or premature clogging during the pilot run.
 
Solution installed
 
As a conclusion of the pilot study carried out, it was decided to implement an ultrafiltration system, which is a membrane separation system under controlled pressure that generates a permeate free of SS, bacteria, and viruses.
 
As a brief presentation of this technology, it can be said that there are two types of membrane modules: Dead-end and crossflow. The latter can be either an inside-out or an outside-in system.
 
Due to the conditions of the process and the water to be treated, as well as being the only system that guarantees control of fouling and clogging of the membranes, the type of UF to be used will be an inside-out crossflow system with a capacity to produce 15 m3/hour of permeate.
 
Since the permeate obtained in the ultrafiltration will be the input to the existing treatment line, a batch-type plant has been set up, so that its operation is regulated according to the level of this existing treatment line.
 
All the system’s operation is controlled from the electrical panel, where the automaton that governs the installation is located, as well as the touch screen on which the different operating variables are displayed and parameterised.

Treatment System
 
The water to be treated is stored in a 30 m3 capacity truncated cone-shaped GRP tank from which the water is pumped by means of a 50 m3 /hour capacity pump. A battery of two self-cleaning ring filters will be placed on the impulsion line itself, prior to the tank inlet, which have the capacity to retain the larger particles that may come with the raw water.
 
The pumped water passes through a mesh filter with a pore size of 150 microns. This is followed by the 90-kW recirculation pump. This pump supplies the water to be treated to the ultrafiltration modules.
 
This pump moves both the water driven by the feed pump and the ultrafiltration concentrate recirculation itself, with a flow rate of up to 400 m3/h

Ultrafiltration Skid
 
The ultrafiltration plant has 5 modules composed of PVDF membranes with a pore size of 30 nm.  The dimensions of each module are 4 m and 10″ in diameter. In addition, after the 5 modules, the plant has a 10″ stainless steel pipe which serves as a reserve for possible expansion of the plant. This pipe is known as a “dummy”.
 
n the inlet line to the UF skid, as well as at the outlet of each module, we find a series of analytical instrumentation with the aim of always parameterising the conditions of the plant, specifically:
 
- Flow meters
- Temperature transmitters
- Pressure transmitters
 
After the ultrafiltration modules, the concentrate returns through a 10″ stainless steel line to the suction of the recirculation pump.
 
On the outside of each module is the permeate outlet, made of PVC-U by means of a 2 ½” vitaulic connection to the module. On the permeate side of each module there is a sight glass that allows the permeate obtained to be inspected visually and to detect possible pore breakage if turbidity is observed. This part also has instrumentation to measure parameters such as transmembrane pressure or TMP and dP.
 
In addition, each permeate line has an adjustable single acting pneumatic valve. These valves allow partial openings of each permeate line and their main purpose is to equalise the TMPs of each module as much as possible.
 
Flushing
 
In a UF plant it is necessary to move the main discharge from the membranes once the process is stopped. In this way, we ensure that the membranes are “soaked” with clean liquid, such as osmosis water, mains water, or even the plant’s own permeate. On this occasion, after several pilot studies in the laboratory, it was decided to use the UF’s own permeate water as flushing water.
 
Flushing is also used in the filtration stage as a preventive measure against possible clogging of the membrane pores and recovery of membrane performance. Flushing is also often used prior to the start of filtration, with the aim of ensuring the total displacement of the effluent prior to the start of filtration.
 
To be able to flush the plant when it is shut down, a 5 m3 truncated cone-shaped GRP tank has been included in the system, from which the feed pump sucks in ultrafiltered water and introduces it into the plant. The rest of the permeate is collected in two 40 m3 GRP tanks that collect the inlet water from the factory’s existing treatment line.

Cleaning (CIP)
 
The chemical cleaning or CIP mode is a mode that comes into play when the performance of the membrane has decreased due to fouling. In order to know this drop in performance, it is important to monitor the following parameters:
 
1. Permeate flow rate
2. Pressure drop in each module (dP)
3. Transmembrane pressure (TMP)
4. Energy consumption
 
[출처=J. Huesa(Wastewater treatment: cleaning products - J. Huesa (jhuesa.com)) / 2021년 11월 23일자 보도자료]
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