마틴 젠슨(Martin Jansen) Norit Membrane Technology

 

[출처 = 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2011년 4월호 특집 기사]

 

 

독일·영국, UF 시스템 도입 음용수 생산
MBR 전처리 기술 주목…알루미늄·철·아연 완벽 제거
노리츠사, HFs·HFc Nano 멤브레인 등 지속 연구 개발

 

오늘날의 물 부족 사태는 전세계에서 광범위한 우려를 자아내고 있으며, 특히 중동, 남·북아프리카, 호주 등의 지역은 심각한 물 부족에 시달리고 있다. 때문에 원수의 수질을 음용 가능한 수준으로 처리하는 식수화 문제가 부각되고 있다.

 

첫 번째 사례는 독일 서부에 위치한 아헨(Aachen) 지역으로 네덜란드와 국경을 접하고 있다. 이곳은 기존 정수장에 UF(한외여과법) 시스템을 도입해서 고도정수가 가능한 설비로 개조했다.

 

직접적으로 막여과 공정에 원수가 유입·처리되면 소독 과정을 거친 후에 수도관망으로 공급되도록 설계됐다. 그렇기 때문에 응집이나 침전 등 다른 여러 복잡한 공법은 사용하지 않고 있다.

 

아헨(Aachen)에 적용된 가압형 막 시스템의 여과 방식은 내압식이며 전체는 12개의 스키드로 구성된다. 각 스키드는 36개의 하우징이 있고 42개까지 확장될 수 있다.

 

설비를 구성하는 막의 총 수는 5천760㎡정도이며 플럭스(flux)는 90lmh로 이 UF 플랜트의 유량은 시간당 최대 6천㎥, 최소 1천800㎥로 정수처리를 하고 있다.

 

지난 2006년부터 2009년까지 3년간의 플랜트 운영 데이터를 살펴보면 플럭스 수치가 낮게 나타난 경우는 막여과 공정에서 압력이 저하된 경우로 낮은 상태로 유지되기 때문에 에너지 효율성이 전반적으로 높은 편이다. 이러한 상태가 가능한 이유는 매일 세척을 통해 저압상태를 유지하기 때문이다.

 

여과 수량과 탁도를 살펴보면 2006년부터 2009년까지 3년간 정수장에 유입된 탁도는 0∼12NTU의 분포를 보였으며, 변동폭이 심한 몇몇 경우를 제외하고 일반적으로 4NTU 이하의 분포를 보이기 때문에 표류수로서는 처리하기 좋은 수질이다. 2007년 10월의 경우 탁도의 수치가 급격히 상승한 것을 확인할 수 있다.

 

자세히 살펴보면, 9월28일 자정이 지나고 나서 탁도가 갑자기 30NTU 이상으로 치솟았고 몇 시간 후 갑자기 수치가 줄어들었다. 이는 추가적인 세척과정 없이 시스템이 자체적으로 복구한 것임을 알 수 있다.

 

이 시스템은 유입수(feed water)가 막에서 직접적으로 처리가 되는데 응집제를 사용하지 않고도 총유기탄소 (TOC)를 40∼50%까지 제거할 수 있는 추가적인 효과가 있으며 알루미늄과 철, 아연 등도 거의 제로(0)에 가깝게 처리됨을 확인할 수 있다.Norit사는 2005년 이전에 파일럿 플랜트 등을 통해 많은 테스트를 거쳐 멤브레인 시스템 비교 데이터를 확보했으며, 여러 오염 물질과 원하는 미생물을 완벽히 제거할 수 있는 적절한 멤브레인을 선택했다. 그 결과 TOC가 50% 정도 줄어들었으며 알루미늄, 철 등도 완벽하게 제거됐다.

▲ 노리츠(Norit)사의 HFc Nano 멤브레인을 확대한 모습.

물론 단계적으로 매일 세척과정을 거치지만 이는 시스템 유지 보수 차원에서 하는 것이지 전체 시스템을 다운시키고 세척할 필요는 없다. 응집과 관련해서 설명하면 알루미늄은 저온인 경우 체류시간이 약 150초 정도이다.

 

알루미늄 농도가 2∼2.2ppm 정도일 경우 TOC 제거가 50%까지 가능하다. Norit의 시스템을 일반적인 응집·침전 과정과 비교하면 우선 1단계를 통해 UF 회복률이 90∼92%를 달성할 수 있으며, 2단계에서 폐수를 재유입하면 회복률은 99%까지 증가시킬 수 있다.

 

두 번째 사례는 런던의 템스강(Thames River)에서 유입되는 강물의 정수·침수 플랜트로 UF 방식이 전처리 단계에 도입된 곳이다. 템스강의 경우 썰물일 때 염분수가 나가고 강물이 유입되지만 밀물일 때는 염분수가 들어오게 된다.

 

일반적으로 염분의 농도가 낮으면 염분 제거 비용이 적게 들기 때문에 시설운영에 있어 밀물 때를 기다렸다가 유입수를 들인다. 일반적인 전처리 공정은 스크린(screen)-급속혼화(rapid mixing)-여과-침전-카트리지(cartridge)를 통과해 역삼투압 단계로 들어가게 된다.

 

그러나 멤브레인으로 필터링을 하면 이러한 단계를 훨씬 단순화시킬 수 있다. 템스강의 경우는 UF in line 방식이 RO(역삼투법, Reverse Osmosis) 플랜트와 함께 가동되고 공정 후에는 직접 HP펌프로 연결된다.

 

UF 플랜트의 세부적인 설계내역을 보면 42개의 스키드로 구성됐으며, 스키드 당 하우징은 20개, 스키드당 멤브레인은 80개로 총 멤브레인 수는 3천360개이며 면적은 13만4천400㎡에 달한다.

 

전처리 과정은 향후 주목받게 되는 기술로 꼽히고 있다. 특히, 일반적인 전처리보다는 템스 강의 사례처럼 UF를 이용한 전처리 기술이 더욱 인기를 얻고 있고 도심지역의 경우 UF의 적용이 더욱 증가할 전망이다.

▲ Norit사가 개발한 정수처리용 막여과 모듈 내부 모습.

▲ Norit사는 최적화된 공정과 응용 가능성을 높이기 위해 꾸준한 기술개발을 하고 있다.

Norit사가 생각하는 미래의 막여과 기술과 식수화 적용 가능성을 살펴보면, 그동안 다양한 멤브레인 모듈을 설계해 왔으며, 최근에는 NF(나노여과법, Nanofiltration) 멤브레인을 개발했다. 

 

첫 번째로 개발한 맴브레인은 HFs Nano이며, 타이트한 공정 사이즈로 콜로이달 실리카(colloidal silica)와 유기성물질(Large Organics)을 한 번에 제거할 수 있다. 또 HFs Nano 멤브레인은 0.8㎜ 섬유로 한 모듈에 40㎡가 집적돼 있어 분획분자량(Molecular weight of cut-off, MWCO)은 1만이다. 콜로이달 실리카의 제거율은 99.99%이고 유수율도 100∼200LMH이며 플럭스 수치는 100LMH이다.

 

두 번째 맴브레인은 HFc Nano이며, 여러 가지 부산물을 제거할 수 있어 식수화 적용이 가능하다. 맴브레인의 특성을 보면 모듈당 MWCO가 500∼1천800이기 때문에 공간 사이즈가 작으며 많은 유기물을 제거할 수 있으며, 내분비계 교란물질(Endocrine disruptors)은 50%까지 제거할 수 있다.

 

이러한 멤브레인 기술은 다양한 분야에서 응용이 가능하며 Norit사는 최적화된 공정과 응용 가능성을 높이기 위해 꾸준히 기술을 개발할 계획이다.