‘제24회 세계 물의 날’ 특집  Ⅲ.Global Issue Technology  

선진국, 폐수 재활용·재이용 프로젝트 적극 추진 
에너지 절감·폐수 줄이는 필터장치 개발 급부상

에너지 효율성 개선·필터수명 연장·세정시간 단축·시스템 설치시간 최소화 등에 주력
CUT Membrane Technology·H+E GmbH·Haver & Boecker·MICRODYN-NADIR
쓰레기 침출수처리·무방류 시스템·
직조형 메탈필터 섬유·중공사 모듈 관련 기술개발·적용

 

폐수처리 공정용 필터장치 신기술 개발 동향

수질전문가 앤서니 베넷(Anthony Bennett)은 폐수처리공정에서의 여과·분리 분야의 최근 개발 현황에 대해 △CUT Mem-brane Technology △H+E GmbH △Haver & Boecker △MICRODYN-NADIR 등 글로벌 4개 기업을 선정, 각 기업의 전문가들과 현재의 개발 및 향후 추이를 검토해 『Filtration + Separation』 2015년 9∼10월호에 게재했다. 그 내용을 번역했다.  [자료제공 및 번역 = 김덕연 본지 편집위원]

▲ 필터 메디아 제조업체 및 시스템 설계 엔지니어들은 에너지 절감 및 폐수 발생량을 줄이는 방안에 주목하고 있으며, 선진국 산업계는 폐수처리와 관련된 에너지 및 비용을 줄이는 문제에 관심을 갖고 있다. 사진은 H+E GmbH사의 무방류 시스템 제조 모습.

필터 메디아(filtration media) 제조업체 및 시스템 설계 엔지니어들은 에너지 절감 및 폐수 발생량을 줄이는 방안에 주목하고 있으며, 특히 선진국 산업계에서의 큰 관심은 폐수처리와 관련된 에너지 및 비용의 증가다.

잦은 기후변화는 수처리 기술 적용 시 큰 장애요소로 작용함에 따라 단기간에 발생하는 대규모 강우 및 장시간 건조한 날씨가 지속되는 환경에 부합하는 효과적인 수처리 기술개발에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 정부의 규제 강화, 인프라·물자원 부족 등 지역적 문제, 원수 재이용 등에 의한 경제적 효용성 등을 고려해 기술을 개발해야 한다.

선진국에서 실시되고 있는 녹색추진(go green) 이행 공약은 기술을 개발하는 촉매제가 되고 있으며 마케팅 수단으로도 이용된다. 그린 워싱(green washing)은 그린 홍보(green PR) 및 그린 마케팅(green marketing communications)에서 파생된 말로 특정조직체의 제품·정책이 친환경적이라는 인식을 강화하는 데 활용된다. 마케팅 수단으로 그린 워싱 개념을 사용하는 경향이 대두되고 있으며 그 중에서도 재활용·재이용 산업에서 인식이 증가하는 추세이다.

글로벌 지역사회에서 시장 확대는 오염물 절감에 대한 강한 압력을 받는다. 이 관점에서 플랜트 운영의 경제적 효율성을 증가시키기 위한 방안으로 에너지 소비량을 감소시켜 비용을 최소로 하는 개발이 증가하고 있다. 일부 기술개발은 배출수의 수질개선을 도모하나 동시에 또 다른 에너지원을 필요로 하는 모순이 생긴다. 이에 개발을 통한 실질적 가치는 유지하면서 추가로 필요한 에너지는 가장 낮은 수준을 갖도록 하는 기술이 개발되어야 한다.

한편, 배출되는 폐수처리과정에서 많은 비용이 소요되므로 배출되는 폐수의 양을 최소화하고 현장에서 보다 많은 원·폐수를 재사용하는 것이 바람직하다. 공정의 가장 큰 핵심은 에너지 관리에 대해 어떻게 효율적으로 최적화하는가의 문제이다. 즉, 주어진 시간에 보다 많은 양을 처리하거나 단위 장치의 용량 부지를 최소화하는 것이 필터 메디아 개발의 핵심요소이다. 개발의 최종목표는 △에너지 효율성 개선 △필터 수명주기 연장 △세정시간 및 주기 단축 △시스템 설치 시간 최소화 등이다.

Reducing energy consumption and minimising or eliminating liquid waste have become a major focus for filtration media manufacturers and system design engineers over recent years. In developed markets the main factors driving the industry are the increasing costs for energy and costs associated with waste disposal.
“Climate change will challenge water treatment technologies too,” explained Caroline Hoffmann at MICRODYN-NADIR. “More rainfall in a shorter time frame on one side and longer dry periods on the other side make efficient water treatment a must.” “The main drivers for this development,” added Oliver Rappich at H+E GmbH, “are either governmental regulations, regional based issues like, for example, missing infrastructure or water scarcity and economic benefits like for example raw material recycling.
“In developed countries the commitment to go green is sometimes also a driver for these developments and in many cases that is then used for marketing communication purposes.” ‘Green-washing’ is a form of spin in which ‘green PR’ or ‘green marketing communications’ are deceptively used to promote the perception that an organisation’s products, aims or policies are environmentally friendly, when in fact they are not.
“There is certainly a current trend towards using green-washing as a marketing tool,” added Mario Schnee at CUT Membrane Technology. He also explained that there is an increasing awareness in the industry of cyclic processes. “Rising markets are being pressed by the international community to reduce pollution,” Schnee added.
“The main driver for reducing energy consumption,” said Hoffmann, “certainly is the cost of energy and therefore the overall economic efficiency of a plant. “Some of the more innovative technologies will greatly enhance effluent quality but at the same time they require additional energy. It has to be the goal then to reduce that additional energy requirement to the lowest level possible while still maintaining the added value from these innovations.
“Minimising liquid waste is mainly driven by the fact that disposing of liquid waste has become much more expensive. A more responsible use of resources is expected of all systems put into place.” “Any progress begins with someone asking the right questions,” explained Friedrich Edelmeier at Haver and Boecker, “and the main one is how can we optimise the energy efficiency of the filtration process.”
“Processing substantially more volume in a given time or being able to downsize the footprint of a new plant because of a significantly increased flow rate were the main factors that drove us to developing our new family of woven metal filter cloth. Our goal was to provide a material contribution towards energy efficiency, longer filter service life, shorter cleaning cycles and minimised machine setup time.”

각 기업의 제품 연구개발 및 적용분야
(Applications, research and development)

▲ CUT Membrane Technology사의 관형막 모듈. [사진제공 = CUT Membrane Technology사]

■CUT Membrane Technology  CUT Membrane Technology사의 기술은 주로 매립지 침출수 처리에 적용되며 자동화된 폐수처리 및 도시의 오수처리에도 폭넓게 사용된다. 개발 품목은 튜브형(tubular) 및 캐필러리형(capillary) 멤브레인으로 회사에서 자체적으로 생산한다.

■H+E GmbH  H+E GmbH사의 기술은 화학·철강·오일·가스·광산·펄프·제지·음식료 분야의 폐수처리에 주로 적용되며 반도체·태양전지·제약·발전·항공 우주·운송업에도 부분적으로 적용된다. 무방류 기술(ZLD, zero liquid discharge) 등 실질적으로 독특한 특성을 나타내는 공정기술의 연구개발에 집중하고 있으며 모듈화 형태의 간편한 장치로 제품의 포트폴리오를 구축하고 있다.

■Haver & Boecker  Haver & Boecker사는 주로 필터 메디아 및 기계의 완성품을 시스템 제조사 및 필터 장치를 개발하는 곳에 공급하며 이는 오·폐수처리에 적용된다. 공정·적용에 실질적인 효과를 나타내는 제품의 개발에 주력하며, 에너지 효율성·지속성을 증가시키기 위해 노력하고 있다. 제품으로는 부식 및 열 내성이 강하고 저온에서 적용이 가능한 고성능의 ‘woven metal filter media’를 생산한다. 

■MICRODYN-NADIR MICRODYN-NADIR사는 멤브레인 및 모듈 제조사로 MF(micro-filtration)·UF(ultrafiltration)·NF(nanofiltration) 종류의 멤브레인을 취급한다. 폐수처리 분야에서는 평막형 멤브레인을 다양한 형태로 제작해 MBR 공정에 적용하는 목적으로 공급하며, 다양한 폐수처리 적용에 적합한 나권형 모듈도 제작·공급하고 있다. 연구개발의 핵심은 △모듈당 막 면적 증가 △에너지 효율 개선 △화학세정의 감소 등으로 투자비용을 최소화하고 공정의 안정성을 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.

■CUT Membrane Technology   The main applications for CUT are in landfill leachate treatment, with other involvement in automotive wastewater and municipal sewage treatment.
■H+E GmbH  H+E GmbH are mainly focused on chemical, steel, oil, gas, mining, pulp, paper and food and beverage applications for wastewater treatment but they are also involved in the semiconductor, solar, pharmaceutical, power generation, aerospace and transport sectors.
■Haver & Boecke  Haver and Boecker typically supply their filtration media or finished components to manufacturers and developers of filtration systems who in turn provide solutions for applications such as sewage or wastewater treatment.
■MICRODYN-NADIR  MICRDOYN-NADIR is a membrane and module manufacturer producing micro-filtration (MF), ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) technology. In the wastewater segment they offer their flat sheet membranes to a variety of module manufacturers on membrane bioreactor (MBR) applications but they also manufacture spiral wound elements which are used in a variety of waste water treatment applications. They have their own submerged BIO-CEL module.
The main priorities for research and development at MICRDOYN-NADIR are to focus on increasing membrane area per module, energy efficiency and reducing the need for chemical cleaning. This in turn will lead to cost optimisation and increased process stability. The main priorities at CUT are the in-house production of tubular and capillary membranes.
H+E GmbH are focusing on researching and developing process technologies that offer a real and unique advantage to the customer, such as their zero liquid discharge (ZLD) processes and a major focus on setting up their process portfolio in a very modular and compact way. The main priority at Haver and Boecker is to create products that offer tangible benefits for processes and applications as well as to contribute towards energy efficiency and sustainability. The company is developing high performance woven metal filter media for applications that demand high corrosion resistance (such as in biofouling), high heat resistance as well as low temperature application properties.

 

▲ 내부 직경이 5㎜∼8㎜인 관형막 모듈.

신규 시장의 진출 전망(Emerging markets)

새롭게 부상되고 있는 신규시장은 유량(flux)에 영향을 주지 않고 보다 세밀한 기공구조에서 정교한 여과 성능을 요구하는 산업계의 요구로부터 발생한다. 다양한 첨단 기술을 필요로 하는 중국 등 개발도상국이 주요 시장으로 떠오르고 있으며, 개발도상국은 시장 가격에 대해 선진국보다 민감하게 반응한다. 이 밖에 동남아시아, 북아프리카, 러시아 등이 활발한 시장으로 떠오르고 있다.

최근에는 ‘폐수자원으로부터 수도꼭지까지의 먹는물(wastewater-to-tap)’이라는 개념이 전 세계적으로 확산되어 폐수를 방류하는 대신 적절한 처리를 통해 음용수로 생산하는 직접 재이용 방식의 사용이 추진되고 있다. 그러나 처리에 대한 기술적 사항은 대부분 해결된 반면, 여전히 직접 음용수로의 사용을 꺼리는 관습적 문제가 해결해야 할 과제로 남아 있다.

특히 물공급이 원활하지 않은 전통적으로 건조한 지역에서는 직접 재이용 방식이 필수 해결책이다. 연중 가뭄에 시달리고 있는 미국 등 선진국도 예외는 아니다. 지금까지는 안정적인 음용수 공급을 보장하기 위해 많은 국가들이 해수담수화에 의존해 왔으나 이제는 폐수 재이용·재활용에 대한 논의가 필요한 때이다. 폐수 재이용의 추진을 통해 많은 양의 물을 회수하게 되면 담수화 처리에 소요되는 막대한 비용과 에너지 사용량을 절감할 수 있다.

“Emerging markets,” explained Edelmeier, dark liquid generated when water “arise from the industry requirement for (usually rain) percolates through any increasingly finer filtration levels at more permeable material. precise cut points without sacrificing flow rate or flux.” “The most important emerging markets MSW residues are dissolved forming a in this sector,” Schnee explained, “are landfill leachate with high organic load. developing countries like China due to The composition varies greatly according their high demand for technology.
These to the type of waste, the amount of rain-markets are more pricesensitive than fall in the area, chemical decomposition those in developed markets.” “In our view,” added Rappich, “the important new emerging markets for us are Landfill leachate is anoxic and acidic, rich Asia, North Africa in addition to that in organic acids, and usually contains Russia.
“Wastewater-to-tap initiatives are becoming globally important”, added Hoffmann. This is where there is a direct re-use of wastewater as potable water after adequate treatment. “This is relevant in all traditionally dry contries with inadequate water supplies as well as in developed markets such as the US, which is suffering from major droughts. Since more and more nations have to rely on desalination of sea water to ensure the supply of drinking water, it is vital to consider wastewater recycling. “The costs associated with desalination have to be recovered by recycling the water as many times as possible. This would also be a huge contribution to saving energy.

각 기업의 기술개발 사례(Innovations)

① CUT Membrane Technology사의 쓰레기 침출수처리(Landfill leachate treatment)

350개 PVDF 멤브레인, 하우징 장착

CUT Membrane Technology사의 관형 막모듈은 포르투갈에서 다용도 목적으로 사용되며 도시하수 처리, 도시폐수의 고형물 처리, 연안지역 처리 등에 사용되는 기존 시스템을 대체하는 데 이용되고 있다. 도시폐수의 고형물처리 관리는 유기물질이 함유된 쓰레기 침출수와 관련된 환경적 문제를 내포한다. 빗물이 투수층을 통과하면서 발생되는 혼탁 물질도 여기에 포함된다.

처리과정에서 고형폐기물에 함유된 물질들은 용해되어 유기물 성분이 많이 함유된 침출수로 변한다. 침출수 성분은 폐기물 형상, 지역 내 강수량, 화학약품의 분해속도, 매립지 자체환경 등에 따라 달라진다. 쓰레기장 내의 침출수는 산소가 없는 산성적 특성을 가진, 유기성 산이 많이 함유된 금속성 이온물질이 다량 함유되어 있다.

 

침출수 내에는 유기성 물질 및 암모니아성 물질이 다량 함유되어 있고, 독성물질이 존재할 가능성이 커 인근 토양·지표수·지하수 등을 오염시킬 우려가 있으므로 반드시 적절하게 처리되어야 한다. 이와 관련해 배출수 수질에 대한 규제가 강화되고 있으며 암모니아를 2㎎/L 이하로 규제하는 등 침출수 처리에서 다양한 물질들에 대한 제거를 명시하고 있다.

침출수의 처리를 위해 사용되는 관형막 멤브레인은 길이가 3m인 350개의 PVDF 멤브레인 모듈이 16개의 하우징에 장착된 형태로 공급되며 모듈당 막 면적은 26㎡, 설계상의 공극 크기(MWCO)는 100kDa(킬로달톤)이다. 한편, CUT Membrane Technology사는 2004년 설립되어 현재는 버컷트(Burkert) 그룹의 일부이다. 주로 액상 물질의 분리 목적인 멤브레인 개발·생산에 주력하며, 사업 시작 이후 여과 시스템 플랜트의 계획·설계에 대한 업무를 추진해 왔다.

Tubular membrane modules provided by CUT Membrane Technology have been used to replace existing equipment in a multi-municipal treatment and municipal solid waste (MSW) recovery site and coastal centre in Portugal. The customer chose tubular membranes because of positive experiences on other sites. The management of municipal solid waste is an important environmental problem with the associated issue of MSW landfill leachate degradation Emerging markets containing organic matter. Leachate is a dark liquid generated when water (usually rain) percolates through any permeable material.
During this process waste particles and substances that are contained in the  MSW residues are dissolved forming a landfill leachate with high organic load. The composition varies greatly according to the type of waste, the amount of rain- fall in the area, chemical decomposition speeds, age and other conditions of the landfill site.  Landfill leachate is anoxic and acidic, rich in organic acidic, and usually contains high concentrations of metal ions. and ammonia, as well as toxic substances that may be present. If not properly controlled, landfill leachate can contaminate soil, surface and ground water.
There was a regulatory requirement to comply with restrictions on water disposal quality. Treatment of the landfill leachate was required to remove a number of components, especially countries with inadequate water supplies ammonia to < 2mg/L as N. 350 PVDF membranes, each 3m long, were provided, in 16units comprising PRFV housings. The system design provided a membrane area of 26㎡. The design molecular weight cut-off to provide the necessary landfill leachate treatment was 100 kDa. CUT Membrane Technology was established in 2004 as is now part of the Burkert Group. CUT devotes itself to the production of membranes for the separation of liquid media. Since the beginning of its business activities, the company has focused on providing advice for planning and design of filtration plants.

 

② H+E GmbH 의 무방류 기술(zero liquid discharge)

RO 공정 다단계…폐수 증발 최소화

폐수 발생량이 전혀 없는 무방류 기술은 다양한 산업 분야에서 적용이 확대되고 있으며 플랜트 생산공정에서 폐수 배출이 전혀 발생하지 않는 것을 최종 목표로 한다. H+E GmbH사는 일련의 혁신적인 여과·분리 기술을 사용하는 새로운 방식의 무방류 시스템을 개발했다. 이는 에너지를 재이용하는 장치를 이용해 발생되는 폐수의 증발과정을 최소로 줄이기 위한 목적으로 RO 공정을 다단계로 특화시킨 공정이 포함되어 있다. 

전 세계 400곳의 플랜트에서 이러한 시스템이 운영되고 있으며 기본 목표 및 방향은 지역·플랜트별로 다르다. 프랑스 남부 강우량이 적은 지역은 주요 물공급 라인으로부터 독립된 시스템 구축을 목표로 하며, 독일은 폐수 내 염분농도에 대해 보다 엄격한 환경 규제가 적용되는 데 대처하기 위해 이를 활용한다. 아시아 및 남미 지역은 대체로 배출수를 처리하는 플랜트가 적어 무방류 기술을 통해 배출수 처리를 대체하기도 한다. 유럽 일부 기업은 배출수 처리 장치의 후공정으로 무방류 기술을 사용하고 있다.

The model for production totally free of waste water - zero liquid discharge (ZLD) is increasingly being applied in a wide variety of industries. Instead of discharging water which is as clean as possible, the aim is for production processes to discharge no water at all. Together with its affiliate Membran Filtrations Technik, H+E GmbH has now developed a new ZLD process which uses a series of innovative filtration and separation technologies, including a multi-step RO stage to reduce the subsequent evaporation of residual waste products to a minimum with an included energy recycling system. The process has been named ‘ZLD.eco2.’
Around 400 Quasi-ZLD and new real ZLD plants are already in operation around the world. The underlying aims and drivers differ from region to region. For example, in areas of low rainfall such as Southern France, the prime need is independence from the local water supply, whereas in Germany ever more stringent environmental stipulations have been imposed, such as on salt loads in waste water.
In countries such as Asia, or regions like South America there are frequently no effluent treatment plants, so ZLD can take on these functions. On the other hand, companies in European countries use ZLD processes for post-processing in the actual effluent treatment system. Previously, considerable investment and operating costs have discouraged the use of ZLD technology.

▲ H+E GmbH사의 무방류 시스템을 도입한 증발탑. [사진제공 = H+E GmbH사]

‘ZLD.eco2’, 초고압 RO 공정 도입

이전에는 무방류 기술 사용 시 높은 투자비용과 운영비용의 부담으로 많은 제한을 받았다. 특히 에너지 요구량이 높다는 점은 기술도입을 주저하게 되는 주요 요인이었다. 이에 H+E GmbH사는 ‘ZLD.eco2’ 무방류 시스템에 새로운 초고압의 RO 공정을 도입했으며, 전체 시스템은 △물리적·화학적·생물학적 처리를 기본으로 하는 현장조건에 적합한 전처리시스템 △남은 유기물질들을 필터링 제거하기 위한 UF 처리시스템 △유기물질이 아닌 다른 물질들을 더욱 고농도로 농축시키기 위한 다단계의 RO 멤브레인 시스템 등으로 구성된다.

처음 2단계 구조의 80바(bar) 압력이 사용되는 RO 공정에서 최종 농축수 물량은 전체 발생 폐수의 20% 정도이며, 마지막 3단계의 RO 공정에서는 200바의 초고압이 가해지면서 Membran Filtrations Technik사에서 개발한 특수한 멤브레인 형태인 원형 디스크 모듈(CD module)이 사용된다. 이 모듈은 기존 제품의 여과흐름 패턴과는 달리 원형의 흐름을 가져 압력손실을 최소화하는 특징이 있다. 이 단계에서 고압의 구동력으로 처리된 농축수의 온도는 70℃ 수준으로 올라간다.

In particular, high energy requirements were a major factor. At the heart of the new ZLD.eco2 system is a new ultra-high-pressure RO stage. The total system includes a pre-treatment process, which can either be chemically, physically or biologically-based, depending on the user and site conditions, and a UF stage to filter out residual organic material followed by multi-stage membrane technology designed to concentrate non-organic waste material more densely.
After the first two RO stages utilising pressures of up to 80 bar, the residual concentrate contains around 20% of the total waste water volume. This is then subjected to a further RO stage. In this third RO stage, ultra-high pressures of up to 200 bar are reached. This stage uses a special module developed by Membran Filtrations Technik known as the circular disc module (CD module).
Unlike other modules using a meander flow pattern, the water takes a circular path through the CD module, thereby reducing pressure losses. The high pressure results in warming of the treated concentrate to approx. 70℃ and this has an additional benefit in subsequent treatment.

▲ H+E GmbH사는 ‘ZLD.eco2’ 무방류 시스템에 새로운 초고압의 RO 공정을 도입했다.

에너지·시운전비용 등 20% 절감

이후 처리된 농축수는 진공가압공정(vacuum pressure stage)에서 증발된다. 이때 발생되는 열에너지는 시스템 내로 순환되어 사용되며 에너지 효율을 향상시켜 전체 시스템의 에너지 사용량도 감소하게 된다. 폐수는 초고압에서의 사전농축과정 이후에도 여전히 발생되지만 기존 공정의 발생량보다는 훨씬 소량으로 발생되어 시스템에 필요로 하는 증발 및 크리스탈 공정이 최소화된다.

사전농축 과정이 없는 기존 시스템과 비교하면 에너지 사용량을 약 20% 절감할 수 있으며, 증발 공정이 소규모로 되어 응축에 필요한 냉각에너지도 줄일 수 있다. 이러한 절감으로 최대 80%를 절감할 수 있으며, 인원 및 시운전 비용도 20% 절감이 가능하고 화학 사용량도 감소된다. 또한 무방류 시스템의 사용에 의한 전체적인 비용절감으로 자금회수기간은 더욱 짧아진다.

H+E GmbH사는 독일 슈트트가르트(Stuttgart)에 본사를 두고 있으며 지난 80년간 산업용 공업용수처리, 초순수 처리 및 산업폐수처리에 주도적인 역할을 해온 플랜트 업체이다. 현재 전 세계 160여 개 국가에 설치·운영되고 있으며 지사는 독일 드레스덴·영국·말레이시아·필리핀·싱가포르·태국 등지에 분포되어 있다.

The treated concentrate is vaporised in a vacuum pressure stage, which acts with the membrane technology to form a ‘hybrid system’, giving the concentrate a manageable consistency. The thermal energy is fed back into the system and used to increase energy efficiency. This significantly reduces the energy requirements of the entire 
The volume of waste products still present after the maximum pre-concentration produced by the ultra-high-pressure membrane technology is significantly lower than with conventional processes. As a result, the evaporation and crystallisation stage required with a ZLD.eco2 system can be considerably smaller.
Compared with conventional systems without pre-concentration H+E say that the ZLD.eco2 system requires about 20% less energy. Also, since the evaporation system is smaller, less cooling energy is needed for the condensation process. These savings can amount to as much as 80% overall. Further savings can be achieved thanks to the modular construction of the system. The cost savings, according to H+E GmbH, in terms of staffing are around 20%, while commissioning costs are also ower by 20%.  Finally, the reduced chemical consumption is an additional advantage. Because of the various cost savings, investment in ZLD.eco2 technology can have a short payback period.
H+E GmbH has had its headquarters in Stuttgart for over 80 years and is a leading manufacturer of plants for industrial process water treatment, ultra-pure water treatment and wastewater treatment for a wide range of industries. The company’s systems are currently installed in over 160 countries, with branches in Dresden (where manufacture and production facilities are located), the UK, Malaysia, the Philippines, Singapore and Thailand.

 

③ Haver & Boecker사의 직조형 메탈필터 섬유(woven metal filter cloth)

▲ Haver & Boecker사의 고성능 직조형 메탈필터 섬유 제품인 ‘RPD HIFLO-S’. [사진제공 = Haver & Boecker사]

직접 세정공정 적용, 기공 막힘 최소화

Haver & Boecker사는 새로운 표준 규정에 적합하고 산업계의 필터링 공정에 대해 신속하고 안전하면서 보다 효율적으로 처리가 가능한 새로운 ‘직조형 메탈필터 섬유(woven metal filter cloth)’를 개발했다. 이 제품은 △경제성을 고려한 고효율성 △동일 공극 구조를 통한 이중 필터링 △정밀한 공극 크기 유지 △높은 생산성 및 장시간의 수명주기 △부식 및 온도에 대한 내성 강화 등의 특성을 가진다.

Haver & Boecker사가 개발해 온 MINIMESH 필터 섬유 제품군은 특수한 여과·분리 목적에 적합하면서 다양한 종류의 제품으로 구성되어 있다. 모든 제품에 공통적인 제조·생산 공정을 사용해 필터용 부품으로 제조되며 세정이 간단하고 수명이 긴 것이 특징이다.

기존의 종이·플라스틱·금속물질로 만들어진 파이버(fiber) 형태의 필터 소재와 비교하면 구조는 전체 면에 고르고 일정한 방식으로 기계적 배열이 되어 있다. 금속 재질사용으로 선형 메쉬 필터(wire mesh filter)는 기계적 강도가 높고, 온도에 대한 내성 및 습식도가 우수해 화학적·물리적 환경에 강한 내성을 가진다.

이 기술은 주로 표면·다층·십자흐름 등의 여과, 유동화, 건조, 검출 등에 적용되며 열장치, 전기설비, 의료용 청각부품 등에 적용되기도 한다. 정밀한 여과 특성을 가지고 있어 장시간 안정적인 성능을 나타낼 뿐만 아니라 정밀한 기공구조, 세밀한 기공크기 분포, 높은 투과성능을 보유해 직접방식의 세정공정으로 기공의 막힘 현상을 최소화한다.

Haver and Boecker have developed a new woven metal filter cloth with properties that they say will set new standards and make industrial filtration processes quicker, safer and more efficient. The benefits include: △Higher efficiency for greater economic viability △Double flow capacity at the same pore size △Precise cut point even after fabrication △Longer filter service life for greater production reliability △Corrosion and heat resistant metal filter cloth even with pore sizes below 4㎛.
Currently the ever developing MINIMESH filter cloth product range from Haver and Boecker consists of multiple product groups with various specifications, which makes them ideally suited for certain filtration and separation purposes. They can be manufactured into filter components using all the common processing and production processes, are easy to clean, and have a long lifespan. Their geometry, and thus their filter structure, is uniform over their entire filtering surface when compared to fibre-based filter materials made of paper, plastic or metal.
Due to the metallic material used, wire mesh filters have high mechanical strength, good temperature resistance, good wettability, and they are extremely resistant to chemical and physical influences. The technology is used for filtration (surface, depth, and crossflow filtration), fluidisation and drying processes, and screening as well as for thermal, electronic and acoustic applications. The products exhibit durable stability and functionality with precise filter characteristics. They have glass-bead tested precision pores, a precise cut-point, high flow-through properties, exhibit straightforward cleaning, and they have a low blocking tendency.

‘RPD HIFLO-S’, 투과유량 2배

Haver & Boecker사는 또한 새로운 고성능 필터 섬유 제품인 ‘RPD HIFLO-S’를 개발했다. 이 제품은 기존의 직조형 메탈 필터와는 구조적으로 상이하며, 3상의 직조 기술을 이용해 새로운 표준규정에 적합하다. 산업용으로 적용 시에는 안전하면서 신속하고 효율적으로 여과할 수 있다. 한쪽 면의 개구표면(open surface)은 특별한 직조 구조로 되어 있어 기존 필터 섬유 제품에 비해 투과 유량이 2배가 된다.

보다 정밀한 기공구조를 가지고 있어 분리 성능 및 분리의 안정성을 높일 수 있으며 한 배치 작업에서 기공 크기는 5∼40㎛까지 필요한 정도로 보정이 가능하다. RPD HIFLO-S 의 깊이 구조는 급속한 막힘이 없이 높은 분리성능을 나타내고 미세먼지 흡착력(dirt holding capacity) 및 세정 효율 특성도 우수하다고 발표되었다. 일반 직경의 와이어로 제작이 가능해 비용 면에서도 저렴하다. 또한 아베스타(Avesta), 해스텔로이(Hastelloy), 인코넬(Inconel), 티타늄 등 특수 재질로 작은 기공크기로 직조가 가능해 부식 및 온도에 대한 내성을 강화한다.

Haver & Boecker사는 독일에 본사를 둔 전통적 가족경영의 중형기업으로 와이어 직조(Wire Weaving)와 기계장치(Machinery)의 2개 사업부로 운영되고 있다. 현재 전 세계 50곳에 자회사를 두고 Haver 그룹을 형성하며, 2014년 연간 매출 4조2천800억 유로를 기록한 바 있다.

In addition, Haver and Boecker have also developed a new high performance filter cloth, the RPD HIFLO-S, which is fundamentally different from all previous woven metal media. Its three-dimensional weave technology offers properties that the company says set new standards and make industrial filtration processes quicker, safer and more efficient. The open surface over an area is significantly increased due to the weaving structure. The medium’s flow-through rate can be doubled when compared to conventional filter cloth having the same pore size. As is the case for all Minimesh filter cloths, the pore size can be calculated beforehand. With these ‘precision pores’it is possible to attain a higher separation effect and shape stability. The pore size within a batch can be calibrated as desired from 5㎛ to 40㎛.
The depth structure of RPD HIFLO-S offers a high separation effect without rapid blinding. Dirt holding capacity and cleaning capability have, according to Haver and Boecker, proven to be excellent. The RPD HIFLO-S product can be manufactured from standard diameter wires, which has a positive effect on cost. For a given pore size, the technology has twice the flow of comparable filter cloths, an excellent cut-point and stability, and has optimum dirt holding and purging properties.
It can also incorporate corrosion and temperature resistant properties by weaving of special materials such as Avesta, Hastelloy, Inconel or titanium in the small pore size range, which previously had not been possible. Thus, for the first time RPD HIFLO-S offers a corrosion and temperature resistant filter cloth with pore sizes below 40㎛.
Haver and Boecker is a traditional family-managed, midsize company with headquarters in Oelde, Westphalia, Germany. The company has two divisions: Wire Weaving and Machinery. Together with over 50 subsidiary companies on all five continents, they make up the Haver Group, which in 2014 posted a sales turnover of 428 million euros.

④ MICRODYN-NADIR사 중공사 모듈(hollow fibre modules)

‘UA1060’, 친수성 재질…오염 저감

기존 수처리 공정은 전처리·침강·플록화·응집·침전·모래여과·최종 소독공정 등 다단계 공정으로 진행되어 왔다. 그러나 이처럼 복잡한 공정에도 원수조건 변화에 따른 배출수의 일정한 수질을 얻는 것은 불가능해 주입물질의 조정이 필요함에 따라 운전비용은 증가하는 결과를 가져왔다. 반면, 물리적인 분리 공정으로 효과적인 폐수처리방법의 하나인 UF 멤브레인은 환경 친화적인 측면에서 성숙된 기술로 잔류물질을 최소로 하는 수처리 공정에 광범위하게 적용되고 있다.

MICRODYN-NADIR사의 AQUADYN 중공사 UF 모듈은 대용량의 물을 효과적으로 처리하는 데 적합한 기술이다. ‘UA1060’은 친수성 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)재질로 제작되었으며 PVDF 및 PES로 제작된 기존 멤브레인과 비교해 오염 발생이 적다. 뿐만 아니라 멤브레인이 이중 비대칭 구조의 중공사 형태로 구성되어 물 속 고형물 및 박테리아를 효과적으로 제거할 수 있다. 기공 막힘 현상도 발생하지 않으며, 내압식(in-out) 여과의 반대개념인 외압식(out-in) 여과방식으로 운전된다.

MICRODYN-NADIR사는 친수성 멤브레인 사용과 외압식 운전의 결합으로 원수의 고형물 농도가 높은 경우에도 안정적인 운전이 가능하다고 밝혔다. 이 모듈은 적은 압력에서도 높은 유량 특성을 가지고 있어 많은 양의 안정적인 수질의 생산수를 얻을 수 있고 생산성이 높아 간편한 설치가 가능하다. 유연한 플러싱(flushing) 세정공정의 적용은 중공사 멤브레인 기술의 또 다른 장점이다.

 

The conventional treatment of water is based on a multi-step process including pre-filtration, precipitation, flocculation, coagulation, sedimentation, sand filtration and finally disinfection. Despite this complex process technology a constant effluent quality as raw water conditions change is not always possible. Therefore, the dosage of additives needs to be adjusted which could result in high operating costs. Physical separation processes, on the other hand, include another wastewater treatment option: UF. This is an established technology with respect to environmentally friendly and almost residue-free water treatment processes.
The AQUADYN hollow fibre UF modules from MICRODDYN-NADIR, are an excellent solution for the efficient treatment of large volumes of water. The new UA1060 module is produced on a base of hydrophilic polyacrylonitrile (PAN). It is characterised by its low fouling tendency compared to membranes made of PVDF and PES.
The hydrophilic low fouling membrane material and the double asymmetric hollow fibre membranes ensure an effective retention of solids and bacteria in the water. Problems such as pore clogging do not occur. Furthermore, the hollow fibre modules are operated in ‘out-in’ mode as opposed to ‘in-out’ mode. MICRODYN-NADIR say that this new combination of hydrophilic membrane and out-in operation allow for reliable operation at high solids concentrations in the feed water.
The modules offer a high and stable permeate performance with high flow rates at low pressure. Their high productivity and compact installation as well as the flexible flushing modes (forward flush with raw water and air scouring as well as a backflush with filtrate and air scouring) are another benefit of the hollow fibre membrane module technology.

운전시간 최대화·고회수율 장점

▲ ICRODYN-NADIR사의 바이오셀(BIO-CEL) 모듈 설치 모습.

모듈 내부의 효과적인 청소 및 침적 물질의 안정적인 배출은 다양한 플러싱 세정기술에 의해 이루어진다. MICRODYN-NADIR사의 중공사 멤브레인은 산업체 공정수·강물의 처리에 적용되며 빗물 범람수인 스톰워터(storm water) 처리에도 적용되는 등 광범위하게 사용된다. AQUADYN 모듈은 RO 처리의 전 단계로 미생물처리 후 폐수처리 과정에서 냉각수 제조, 시추공 물처리 등으로 사용될 수 있다.

MICRODYN-NADIR사는 이 공정에 대해 기존 처리 공정을 대체하는 공정으로써 다양한 장점들을 확인했다. 간편한 디자인으로 플랜트 부지 면적을 최소화하고 고수준의 플랜트 자동화가 가능하며, 원수의 높은 탁도 조건에서도 직접적으로 일련의 전처리를 할 수 있다. 뿐만 아니라 모듈화 설치로 인한 물수요량 변화에도 쉽게 대처할 수 있는 유연성을 가졌으며, 세정빈도수가 최소로 되어 생산수 세정용의 사용이 줄어들면서 운전시간을 최대화 할 수 있다. 높은 회수율과 낮은 운전비용 또한 장점이다.

한편, MICRODYN-NADIR사는 약 50년 동안 MF·UF·NF 멤브레인 시스템의 멤브레인 및 모듈을 생산해 왔으며 2015년 2월 MANN+HUMMEL사의 자회사로 인수 합병되었다.

 

Effective cleaning of the modules and reliable sediment discharge can be guaranteed because of the various flushing modes mentioned above. The MICRODYN-NADIR hollow fibres are widely used for the treatment of process and river water as well as in storm water applications. AQUADYN modules can be used in applications such as effluent treatment after biological treatment plants, as a pre-treatment step to RO, in the production of cooling water, in the treatment of borehole water and in karst water filtration (where softening is required because the source water contains high calcium and magnesium levels).
MICRODYN-NADIR have identified various advantages over alternative processes. The compact design allows for smaller plant sizes and a high level of plant automation is possible. Systems equipped with AQUADYN modules allow for straightforward pre-treatment even at high turbidity in the raw water. Their modular construction enables the flexibility to tolerate possible fluctuations in water demand. The minimal cleaning demand results in less permeate consumption for cleaning as well as high operational availability. High recovery rates and low operating costs are additional advantages of the modules.
For almost 50 years, MICRODYN-NADIR has been producing membranes and modules for MF, UF and NF systems. Since February 2015 the company has become a subsidiary of MANN+HUMMEL. one of the largest filter manufacturers in the world.

▲ MICRODYN-NADIR사의 AQUADYN 중공사 모듈. [사진제공 = MICRODYN-NADIR]

향후 필터 장치에 대한 전망(Future trends)

향후 10년 동안 에너지 및 환경 분야는 핵심적인 관심사로 부각될 것이다. 에너지 비용의 점진적 증가, 배출의 강력한 규제조치로 인해 기업들은 공정 사이클의 완료 기술에 투자를 확대하게 되어 오·폐수로부터 재사용이 가능한 물질을 얻는 기술에 대한 수요는 점차 증가할 것으로 전망된다. 이러한 정책의 추진은 정부 정책을 기반으로 하며 환경보호의 개념은 현재 및 미래의 관심사라는 점에 기초한다. 또한 일부지역에서의 물자원 부족 및 물자원 사용효율 감소 등도 추진 요인이다.

이에 기업은 적용대상별로 올바른 해결책을 제공할 수 있는 적절한 기술의 제품을 생산해 제품군을 다양화하는 방식으로 대처해야 하며, 재질을 새롭게 개발해 제품의 평균수명을 연장시킬 수 있는 방법을 강구해야 한다. 따라서 기업은 앞으로도 새로운 기술을 개발해야 하고 그 과정에서 기술혁신을 기초로 한 많은 기업간의 인수합병으로 추진이 활성화될 수 있다. 폐수로부터 에너지를 추출하는 기술(waste-to-energy)의 활성화 등 폐수에서 회수율을 증가시키는 기술의 개발도 필요하다.

이를 종합하면 물산업은 바닷물 및 저염도의 기수에 대한 담수화(desalination of seawater and brackish water) 처리산업, 폐수처리과정에서 도시용 혹은 산업체 용도로 재활용하는 폐수재이용산업(wastewater recycle·reuse)으로 분류되어 크게 두 가지 분야로 축약할 수 있다.

Friedrich Edelmeier at Haver and Boecker told us that, to summarise, energy and environment will be the main drivers in this sector over the next 10 years. “Increasing costs for energy and disposal due to stricter regulations,” explained Mario Schnee at CUT, “will force companies to invest in closing their process cycles. There will be rising demand for generatingreusable mass flows from waste water or sewage.”
“These drivers will definitely be governmental regulations,” added Oliver Rappich at H+E, “due to the fact that environmental protection will be and is of increasing interest. The other drivers are water shortages or unavailability of water in certain regions and cost-plus-effectiveness as with every investment.”
Commenting on how the industry will respond to these drivers, Schnee told us that companies will diversify their products to give customers exactly the right solutions for their applications. “Newly developed materials will increase product life-time,” Schnee added. Other responses identified by Rappich were increased research and development and more acquisitions based on technical innovations. There will also be increased recovery from waste, in various forms, and for the waste water sector more development of waste-to-energy projects, opening up the possibility of generating energy from sewage sludge and other waste materials.
“The industry will cluster in two main areas,” Caroline Hoffmann at MICRODYNNADIR concluded, “the desalination of seawater and brackish water and the treatment of wastewater with an intent to re-cycle, on a municipal as well as an industrial level.”

[『워터저널』 2016년 3월호에 게재]