다카시 오가와(Takashi Ogawa) Asahi KASEI Chemicals 
 

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

 

 

일본, 막여과 시설 매년 증가 추세
20년간 프로젝트 진행…18개 수처리 기업·12개 막 제조업체 참여
아사히 카세이사, 다양한 멤브레인 모듈·운영기술 연구 개발 앞장

일본의 막여과 시설은 매년 증가하고 있으며, 현재 700개 이상의 시설이 있고, 여과 수량은 120만㎥에 달한다. 대부분의 막여과 시설들은 소규모 시설로 처리용량이 하루 2천500㎥ 정도이다.

 

일본 환경부는 기존의 정수처리 기술에 막여과 기술을 도입하는 것을 목표로 지난 1991년부터 관련 프로젝트를 진행해 왔으며 현재까지 18개의 수처리 기업, 12개의 막 제조 업체들이 프로젝트에 참여하고 있다.

 

막여과 시스템은 설계에 앞서 기본 정보가 제공돼야 하고 그에 따라 막 모듈 타입을 결정하고 원수의 수질과 계획을 고려해 정수처리 회수율을 결정한다. 이와 같은 기본적인 것들이 정해지면 시설용량에 근거해 모듈 타입과 수치가 결정된다.

 

Asahi KASEI 모듈의 특징을 보면 투과율이 굉장히 높은 동시에 기공의 크기가 작아 수질이 우수한 안전한 식수의 생산이 가능하다. 또, 내구성과 장기성도 확보해야 하는데 이를 위해 기공 크기가 0.1㎛ 이하인 PVDF 맴브레인을 선택했다.

 

PVDF 맴브레인은 고도의 결정체를 가진 막으로써 Asahi KASEI의 섬유 기술을 가지고 개발한 것이다. 사진을 보면, 막의 내·외부·단면을 볼 수 있다. 다공성 PVDF 멤브레인은 여과율이 좋으며 멤브레인 벽이 일률적인 3차원적 네트워크 구조로 이뤄져 있기 때문에 물리적인 강도와 내화학성도 뛰어나다.

▲ 가압형 PVDF MF 모듈인 UNA-620A와 UNA-600A.

 

 

 

 

 

멤브레인에 있어 기공 크기와 분포도는 기생성 원생동물을 제거하는 데 아주 중요한 요소이다. 크립토스포리디움의 경우 염소에 대해 내구성을 갖고 있기 때문에 수처리에 있어 문제가 되고 있다.

 

그러나 PVDF 멤브레인 시스템을 거치면 크립토스포리디움은 4∼6㎛, 지아디아 7∼14㎛까지 걸러낼 수 있으며 원생동물 제거율은 90%에 달한다.

 

멤브레인 시스템 운영에 있어 막 오염을 방지해야만 투과성을 높일 수 있다. 이에 대한 효과적인 방법으로는 물리적인 세척이나 화학적 세척을 생각할 수 있으며 물리적인 세척은 30분에 한 번씩, 그리고 화학적 세척은 한 달에 한 번 정도 진행한다. 이는 안정적이고 장기적인 운영을 위해 기계적인 강도와 내화학성을 모두 관리해주는 것이라 할 수 있다.

 

PVDF는 상당히 높은 강도와 내화학성을 가지고 있어 맴브레인의 소재로 사용하기에 적합하다. 맴브레인 PVDF, PS, PP(폴리프로필렌, Polypropilene) 로 구성될 경우인데, 각각을 차아염소산나트륨(NaCIO) 5천ppm에 넣고 내화학성을 비교했다. 그 결과 PVDF 멤브레인이 다른 멤브레인에 비해 높은 내화학성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

 

Asahi KASEI의 PVDF 맴브레인은 기존의 PVDF 멤브레인보다 내화학성이 뛰어나며 독특한 구성 방법을 갖고 있다. 실제로 Asahi의 PVDF 멤브레인과 타사의 PVDF 멤브레인을 비교해 본 결과 이를 확인할 수 있었으며 현재 Asahi의 PVDF 맴브레인 모듈은 500개 이상의 플랜트에서 사용중이고 하루 투과수량은 약 150만㎥에 달한다.

 

또한, 모듈화된 맴브레인의 내구성 평가도 중요하다. 아직까지 실질적인 장기운영에 따른 데이터를 많이 확보하지는 않았지만, 실제로 운영중인 미국 샌 파트리시오(San Patricio) 플랜트의 예를 가지고 설명하겠다.

 

지난 2000년부터 약 10년 정도 운영된 것으로 이 플랜트에는 300개의 맴브레인 모듈이 운영중이다. 각 모듈에는 6천400여 개의 멤브레인이 들어가 있는데, 계산해보면 중공사막은 총 192만 개가 들어있다. 가동 후 7년 정도 지난 후에 12개의 중공사막만이 누수율을 보였으며 이에 따라 일년에 누수율이 0.0001%라고 볼 수 있다.

 

모듈타입을 결정하기 위해서는 모듈 구조, 여과흐름 등을 고려해야하며 Asahi의 PVDF 맴브레인 모듈 중 UNA-620A 모듈과 UHS-620A 모듈을 비교해보면 UNA-620A는 가압식 모듈이고, UHS-620A는 침지식 모듈이다. 같은 PVDF 맴브레인이지만 UNA-620A 모듈의 기공은 0.1㎛이며 UHS-620A는 0.08㎛이다.

 

Asahi는 그간의 경험을 토대로 원수 타입에 적합한 모듈 데이터를 확보했으며 가압식 맴브레인인 UNA-620A는 비교적 수질이 양호한 원수나 TOC가 낮은 물을 처리하는데 적합하고, 침지식 맴브레인인 UHS-620A는 탁도와 TOC가 높은 물을 처리하는데 적합한 것으로 나타났다.

 

일반적으로 UNA-620A 모듈은 정수처리나 RO 전처리 용 등 상대적으로 수질이 양호한 원수에 사용하고 UHS-620A는 탁도가 높은 표면수를 처리하거나 멤브레인 모듈의 역세척수 그리고 모래여과 용 등으로 사용하고 있다.

 

또한, 가압식과 침지식을 조합해 1단계는 UNA-620A를 적용하고 2단계는 UHS-620A로 구성하면 원수 회수율이 99%를 달성했다. 우선 가압식 맴브레인 모듈 UNA-620A에서 90%의 물을 회수하고 나머지 처리수가 원수의 10배정도로 집중돼 제 2단계로 보내진다. 1차 처리수는 2단계 UHS-620A를 거치며 90%가 추가적으로 회수되고 이렇게 되면 원수의 99%를 처리 할 수 있다.

 

멤브레인 시스템의 기본적인 설계를 살펴보면 가압식 멤브레인 모듈인 UNA-620A의 공정도를 보면 원수는 원수 탱크에 보관됐다가 여과망인 스트레이너(Strainer)를 거치며 표면수와 같은 탁도가 높은 물에서 커다란 찌꺼기는 제거된다.

 

이 것들이 제거되지 않으면 멤브레인을 훼손할 수 있기 때문이다. 표준화된 가압식 멤브레인 모듈은 CIP(화학적 세척, Clean In Place)Unit, Valve Unit, Rack Unit으로 구성된다.

 

침지식 멤브레인 모듈인 UHS-620A의 공정도를 보면 원수가 피드 펌프를 통해 멤브레인 탱크에 공급되면 여과와 역세척, 공기세척이 진행되고 맴브레인 탱크에 있는 물을 완전히 흘려보낸 다음 또다시 여과용 원수로 채워지게 된다.

 

안정적 모듈 운영 위한 유지보수
 안정적인 모듈 운영을 위해서 세 가지를 고려해야한다. 우선은 사전에 결정돼 있는 작업한도를 반드시 준수해야한다. 회수율이나 유량 등을 증가시켜서는 안되며 외부물질이나 불순물을 혼합해선 안되고 정기적으로 화학적 세척을 해야한다. 물론 유지보수시 안전한 방법을 활용해야 하며 이와 같은 작업을 적절히 시행하기 위해서는 매일 작업 데이터를 기록하는 것이 중요하다.

 

UNA 모듈의 실제 작업 데이터에 근거해 기록해야할 요인들을 살펴보면 TMP(막차압, Transmembrane pressure difference), 수온 그리고 플럭스 수치 등이 있다. 보통 TMP가 사전에 결정된 수준까지 높아지면 CIP를 하는데 CIP 자체가 충분치 않으면 CIP를 하고 나서도 TMP가 증가한다. 때문에 다른 방식의 CIP 적용을 고려해야 한다.

 

앞의 예와 같이 CIP를 검토할 때는 우선 다섯 가지를 고려해야 하며, 효율성이 좋아야 하고 독성, 부패성이 없어야 한다. 또한 폐수처리가 쉽고 비용도 낮아야 한다. 다섯 가지가 화학적 세척을 선택하는 기준이며 그 근거가 되는 것이 바로 데이터 수집이라 할 수 있다. 수집한 데이터를 토대로 어떤 부분들을 검토해야 하고 어느 요소를 더 고려해야 하는 지 등을 알 수 있다.

 

끝으로 멤브레인 모듈의 신뢰도를 보장하기 위해서 완결성 테스트와 누수 테스트를 거쳐 투과수의 안정성을 검토해야 한다.

 

특히, 새로운 수질 규제와 관련된 부분은 반드시 점검해야 하며 지난 2005년 미국의 환경보호청(EPA)의 공식적인 발표에 따르면 크립토스포르디움이나 박테리아 5.5 log이상까지 허용하고 있다. 또한, 기공 사이즈는 최소한 3㎛가 돼야 하며 완결성 테스트는 하루에 한 번 이상 모듈에 직접 테스트를 해야하는 등의 조건을 준수해야 한다.

 

맴브레인 여과 시스템에 있어서 지속적인 모니터링, 그리고 직접적 완결성 시험의 방법으로 압력 감쇄시험 PDT(Pressure Decay Test)를 실시하고 있다. 이러한 모니터링을 통해 측정치로부터 여러 사항들을 점검할 수 있으며 비정상적인 상황이 발생하면 기포시험(Bubble Test)을 실시해 대처 방안을 마련할 수 있다.

 

끝으로 막여과 고도정수에 있어 고려해야 할 것은 맴브레인의 신뢰도가 중요하다는 것이다. 기계적 강도와 여과수치 등을 보아야 하고 유지가 용이해야 한다. 앞으로도 Asahi는 모든 노력을 다 해 새로운 멤브레인 모듈과 운영기술을 개발해서 안전하고 양질의 물을 저가에 제공할 수 있는 여과 시스템을 공급하도록 노력할 것이다.