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[막여과 최신기술동향] 물 재이용·수처리에 효과적인 멤브레인 각광

대규모 수처리 수요 증가…저비용·고효율 기술 주목

각종 산업 특성 맞춤형 적용…재료·기술 다양화 추세

최근 산업 및 상업 용수 시장은 공정 후 수처리 분야와 배출 전 단계 수처리 분야에서의 멤브레인 처리 설비 사용에 큰 관심을 보이고 있다. 이 기술에 대한 관심은 물 재이용에 대한 수요 증대, 자동화 설비 운용 및 처리 시설의 효율적 확장 능력 요구에 기인하는 것으로 나타났다.


최근 산업 및 상업 용수 시장은 공정 후 수처리 분야와 배출 전 단계 수처리 분야에서의 멤브레인 처리 설비 사용에 큰 관심을 보이고 있다.

일반적인 멤브레인 시스템은 정밀여과(Microfiltration), 한외여과(Ultrafiltration), 나노여과(Nanofiltration) 그리고 역삼투(Reverse Osmosis) 기술을 포함한다. 멤브레인 기술의 사용이 늘어나고 있는 산업으로는 채광, 반도체, 펄프, 식음료, 제약 등이 있다.

Brown and Caldwell사의 Professional Engineer인 로버트 맥캔드레스는 “생산수를 처리해야 하는 정유·가스 산업에서 정말 흥미로운 일들이 일어나고 있다”고 말했다. 다양한 종류의 생산 온수 발생과 그 처리 방법의 곤란함 때문에 더욱 많은 최첨단 기술들이 개발되고 있다는 것이다.

The industrial/commercial water market is showing a growing interest in the use of membrane treatment systems both for treating water coming into their facilities and wastewater prior to discharge. Interest in the technology is being driven by a growing demand for water reuse, the ability to expand treatment in a small footprint, and the ease of operation for automated systems.

Typical membrane systems include microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration, and reverse osmosis. Industries where membrane use is expanding include mining, semiconductor, pulp & paper, food & beverage, and pharmaceuticals, among others.

“There's some really exciting stuff taking off right now in the oil and gas industry dealing with produced waters” said Robert McCandless, P.E., Brown and Caldwell. “Some of the more cutting edge things are being done there because of the variety of waste streams and the challenges of treating them”

광범위한 수처리 위해 멤브레인 기술 선호

많은 산업에서 이뤄지는 물 사용은 크게 일차적 사용과 부차적 사용으로 나뉜다. 일차적(직접적) 사용은 생산되는 제품과 공정 과정에서 접촉이 있거나 그 원료로 쓰이는 물의 사용을 말한다. 부차적 사용은 냉각, 보일러 온수, 전반적인 세척, 경관 개간 등에 쓰이는 간접적인 물 사용을 의미한다.

멤브레인 기술은 보통 다시 응집된 생산수를 처리하여 주요 용도에 재활용될 수 있도록 하는 역할을 하지만 많은 산업 종사자들은 그 과정을 선호하지 않는다. 그 대신 여타 산업들은 유입되는 생산수 자체를 그 수원에 상관없이 산업용수로 처리하는 광범위한 처리 공정을 채택하고 있다고 Pall Water Processing의 기술 책임자 겸 명예 부회장인 안토니 와친스키는 말했다.

와친스키는 “많은 산업들이 그들의 기준에 부합하는 생산수를 처리하기 위해 멤브레인 기술을 채택하고 있다. 그 중 가장 주요한 기술은 정밀여과와 한외여과 기술”이라며, “지하수에 있어서는 일반적으로 철분, 망간, 비소 등을 제거하기 위해 약간의 화학물과 미세여과를 사용한다.

지표수의 경우 멤브레인 처리를 통해 고형물을 제거하여 NTU 탁도를 기준 0.1 이하로 줄일 수 있다”고 언급했다. 몇몇 산업들은 현재 공정에 나노여과나 역삼투 여과 장치를 추가적으로 설치하여 초고순도의 수질 기준을 달성하고 있다고 덧붙였다.

In many industries, water uses can be categorized as primary and secondary. Primary categories include water that comes into direct contact with a manufactured product or is used as an ingredient. Secondary uses include cooling, boiler feed, general cleaning, washdown, and landscape irrigation.

While the technology exists to treat reclaimed water to the standards required for primary uses, most industries are not willing to take that step. In fact, many industries take extensive steps to treat their incoming process water, no matter what the source, said Anthony Wachinski, Senior Vice President and Technical Director at Pall Water Processing.

“Many industries are starting to use membranes to treat their process water to meet their requirements. The chief technology there is microfiltration or ultrafiltration” Wachinski said. “For groundwater, you use microfiltration with a little bit of chemistry to remove things like iron, manganese and arsenic. If it's a surface water, you are removing solids to get it to be fairly clean; with NTUs, it's usually less than 0.1” Some industries take it a step further and add nanofiltration or reverse osmosis to further treat the water to ultrapure standards, he said.

멤브레인 기술로 저비용 하수처리 실현

하수도 분야에 있어서는 여러 이유로 인해 멤브레인 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 그 중 하수를 배출하지 않고 다시 재이용할 수 있다는 이점이 가장 이목을 끌고 있다.

와친스키는 “일반적으로 새롭게 물을 사거나 유입되는 물의 사용을 위해 처리하는데 1천갤런 당 2∼10달러가 투입된다. 하지만 멤브레인을 통해 처리될 경우, 더욱 적은 돈으로 하수를 처리하고 재활용할 수 있다”고 말했다.

그는 “보통 정밀여과 방식이 가장 처리에 많이 사용되는 멤브레인이다. 거의 모든 종류의 산업 용수를 최소한의 이전처리 작업을 통해 처리할 수 있기 때문이다. 여기에 멤브레인과 유입수의 종류에 따라서 수질을 높이기 위해서 수입 부분에 다른 장치를 추가 설치하기도 한다. 미세여과 공정이 끝나는 대로 멤브레인을 통해 나오는 물은 NTU 탁도 기준 0.1 이하의 수질이 되고 그 물은 바로 다양한 산업적 용도에 활용될 수 있다”고 언급했다.

On the wastewater side of the equation, there is growing interest in membrane systems for a variety of reasons, foremost being the ability to recycle the water instead of discharging.

“It can cost you from $2 to $10 per thousand gallons to buy and treat water coming in” Wachinski said. “If you have already treated that water you can most likely treat it for less money and reuse your wastewater”
“Usually MF is the workhorse membrane. It can take most industrial waters with minimal pretreatment. Depending on the membrane and depending on the water, you may have to stick something in front of it to get it clean enough for the membrane” he said. “After microfiltration, that water is coming out with less than 0.1 NTU, so you may be able to reuse that water directly into various parts of your industry”

멤브레인 생물반응장치(MBR) 기술 활성화

멤브레인 생물반응장치(MBR, Membrane Bioreactor)는 최근 몇 년간 급격히 인기를 얻었다. MBR 장치들은 폐수 처리 수준을 현격히 개선했을 뿐만 아니라 상업적·산업적 시설들이 처리 설비를 추가로 들이지 않더라도 처리 성능을 확장할 수 있게 했다.

Aqua-Aerobic Systems사의 최고 응용 엔지니어 데이브 홀란드(Dave Holland)는 “MBR 장치의 산업적 응용에 대한 문의가 최근 급격히 늘어났다. 이 응용 기술들의 대부분은 시범용이었다. 현재 우리 회사는 이제 막 화학물질 생산공장에서 시범사업 하나를 마쳤다. 이것 말고 다른 쪽에서도 문의가 많이 들어오는 상황이지만 다음달이나 그 이후에야 그것들에 대한 시범사업을 시작할 수 있을 것이다”라고 말했다.


Aqua-Aerobic Systems사에서 생산되는 Aqua Ultrafiltration Membrane Systems은 컴팩트한 T자 받침대형 디자인을 제공한다. 이 PES 멤브레인은 염소 대신에 산을 이용하여 높은 pH 수치에서도 적용이 가능하다.

한편, 맥캔드레스는 “MBR 장치는 산업적 용도에서 특히 중요한 다양한 하중과 고강도 폐기물을 다룰 수 있는 성능으로 많은 이들의 관심을 끌어내고 있다. 많은 산업들은 일괄적인 순환 방식으로 운영된다. MBR은 그것들을 처리하는 것에 있어서 그 어떤 과거 슬러지 활성화 공정에 비해 잘 적응되어 있다. MBR의 또 다른 장점은 인공 혼합물, 의약품, 미용품 등의 인공 물질을 효과적으로 처리한다는 것에 있다.

이와 같이 오래된 인공 슬러지는 혼합물의 분해와 흡수를 촉진시키는 효과가 있다. 이 특성을 이용해 MBR 장치는 역삼투 처리 공정이나 일반 공정에 바로 쓰일 수 있는 오수 처리된 깨끗한 수자원을 생산할 수 있다. 펄프, 맥주, 의약품 등이 이 MBR 기술에 빠르게 적응한 대표적인 산업들이다”라고 설명했다.


Steel plant에 설치된 역삼투 시스템.

Membrane bioreactor systems have taken off in recent years. They offer a dramatic improvement in effluent quality and can help industrial／commercial facilities expand their treatment capacity without having to expand their treatment plant footprint.

“Inquiries for MBRs in industrial applications have really increased” said Dave Holland, Senior Application Engineer, Aqua-Aerobic Systems Inc. “Most of these applications have been pilots. We just conducted one at a chemical manufacturer. We've had several other inquiries that will become a reality in the next month or so”

MBRs are attractive because of their ability to handle high strength waste and variable loadings, which is particularly important for industry, McCandless said.

“A lot of industry operates on batch cycles. MBRs are well adapted to handling that, better than a lot of the conventional activated sludge processes” he said. “The other thing that is really good about them is their ability to deal with a lot of manmade compounds, pharmaceuticals, personal care products, and things like that. For a number of reasons, the long sludge ages help with degradation or adsorption of the compounds. Plus you get a very clear effluent, which can be reused in your process or as feedwater to RO”

Pulp & paper, breweries and pharmaceuticals are three industries that have been quick to adopt the technology, McCandless said.

물 재이용 분야에서도 멤브레인 대두

수자원 비용, 물 부족에 대한 커지는 불안, 지역 하수도에 하수를 배출하는 비용 등과 같은 모든 요소가 물 재이용에 대한 관심을 증대시키는 데 일조했다. 멤브레인 기술은 이런 물 재이용 기류에 있어서 가장 먼저 고려되는 부분이다.

와친스키는 “산업 종사자들이 신경을 써야하는 부분은 시설 내의 물을 계속 보유하고 새로운 수자원을 사지 말아야 하는 것이다. 최대한 되는 데까지 물을 재활용해야 한다. 할 수 있다면 허용 기준에 맞추려고 물을 배출하는 일을 최대한 피해야 한다”라고 말했다.

그는 “처리비용 같은 경우 많은 양의 액체 폐기물을 발생시키는 산업 시설에서 특히 높고 멤브레인 기술이 더 빛이 난다. 저희 회사가 주의 깊게 살펴보았던 곳은 설비 확장을 준비하고 있던 맥주공장이었다. 확장을 위해서 그 공장은 도시에 돈을 지불하고 하수도 또한 같이 확장해야 했다.

하지만 MBR 장치를 도입후 그 공장은 물의 대부분을 재이용하고 하수도 요금 상승을 최소화할 수 있었고 내부적으로 물을 지속적으로 재이용했다. 결과적으로 투입된 비용을 2년만에 회수할 수 있었다”고 설명했다.


Ovivo사가 제공하는 패키지 시스템과 유사한 MBR(Membrane Bioreactor) 시스템의 경우, 처리 성능을 확장시키고 수질을 개선시키는데 탁월한 효과가 있다.

The cost of water, growing concerns about water scarcity and the cost of discharging water to local sewers all play a role in driving interest in water reuse. Membrane systems are often the first choice when developing a water recycling program.

“The thing for industry is to keep the water inside the plant and not have to buy new water. Keep reusing the water you have as much as you can. Avoid, if you can, discharging water mainly because of the permits” Wachinski said.

Disposal costs can be especially high for facilities with a high volume of liquid wastes, McCandless said.

“One of the projects I looked at was a brewery that wanted to expand, but they would have had to pay the city to increase the size of the sewer. By using an MBR, they were able to recycle a high percentage of the water, avoid the increase in the sewer charge and reuse all the water internally, and [they] recovered their money in something like two years” he said.

부차적 용도의 물도 재이용 가능

냉각, 보일러용수, 경관 유지용수, 전반적인 세척 등에 사용되는 물의 부차적인 용도의 경우 또한 물 재이용을 위한 가장 좋은 기회이다. 멤브레인 기술은 저압·고압 상관없이 모든 보일러 용수에 요구되는 수질 기준에 부합할 수 있도록 다양한 단계의 수처리 기술을 제공한다.

이에 대해 와친스키는 “만약 저압 보일러라면 미세여과와 역삼투 방식, 그리고 역삼투에서 바로 혼합 이온 교환 장치로 보내는 멤브레인이 필요하다. 반대로 고압 보일러의 경우 단순히 EDI 설비만 멤브레인에 추가 설치하면 된다”라고 말했다.

한편, 많은 재사용 응용 기술을 구현하는 데 UF 하나면 충분하다고 맥캔드레스는 말한다. 그는 “이 수많은 시설, 설비들을 살펴보면, UF는 굉장히 효과적인 물 재사용과 수질 개선 성능을 자랑하고 있다. UF 기술이 도입되면 폐기물 발생이 획기적으로 줄어들고 수질은 거의 모든 용도에 사용이 가능해질 정도로 개선될 것이다. 앞서 말했듯이 냉각탑, 경관 조성, 하급 세척 등의 용도에 모두 적용이 가능하다”고 덧붙였다.

Secondary uses of water such as cooling, boiler feed, landscaping, and general rinsing and cleaning offer significant opportunities for reuse. Membrane technologies can even provide the appropriate level of treatment to meet the water quality requirements of low and high pressure boiler feed uses.

“If it's low pressure, basically you can get by with an MF and an RO and straight from the RO to a mixed-bed ion exchange” Wachinski said. “If you have a high pressure boiler, you usually have to add an EDI unit”

For many reuse applications, ultrafiltration is enough, McCandless said. “At a lot of these facilities, ultrafiltration is such a big step up in water quality that it allows you to do a lot more reuse” McCandless said. “With ultrafiltration, there is a pretty low percentage of waste generation, and the water quality is very high so it's good for all kinds of things. You can use it in cooling towers, landscaping, maybe some lower grade rinsing, and cleaning operations”

휴대용·패키징 솔루션

대부분의 상업·산업적 시설의 경우, 수처리는 그들의 전문 분야에서 벗어나거나 주요 공정에서 중요하게 여겨지지 않는다. 이 때문에 많은 관리자들은 간단하게 패키징이 돼 있거나 휴대성이 뛰어나 공정 운용에 큰 방해가 되지 않고 작업자의 신경을 크게 필요로 하지 않는 수처리 시스템을 원한다.

패키징된 멤브레인 시스템은 일반적으로 파이프 크기에 따라 미리 디자인되어 생산되며 현장에서 조립이 가능하도록 설계되어 있다. 컨테이너 형식의 멤브레인 시스템 또한 지원되는데 이 시스템의 경우 현장에 운송되어 도착하는 즉시 사용이 가능하다. 이 패키징 솔루션들에 대해 와친스키는 “나쁜 물은 들어가고 좋은 물은 나온다”라고 표현했다.


패키징된 멤브레인 시스템은 일반적으로 파이프 크기에 따라 미리 디자인되어 생산되며 현장에서 조립이 가능하도록 설계되어 있다. 특히 컨테이너 형식의 멤브레인 시스템은 현장에 운송되어 도착하는 즉시 사용이 가능하다.

트레일러 장착형 휴대 멤브레인 시스템 또한 긍정적인 성장세를 보이고 있다. 40피트 길이의 트레일러에 장착된 멤브레인 시스템은 시설 옆에 주차되어 산업 설비에 직접 연결된 이후 굉장히 짧은 시간 안에 가동이 가능하다. 또한 필요에 따라 언제든지 이동되고 대체될 수 있다는 장점을 지닌다.

이에 대해 와친스키는 “많은 산업 종사자들은 수처리에 관련하여 크게 신경을 쓰지 않으려고 한다. 그것이 휴대성이 좋은 수처리 시스템 시장이 성장한 시초이다. 미세여과 장치나 역삼투 장치가 구비된 트레일러를 현장으로 몰고 와 바로 연결하고 물을 공급하게 되는 것이다”라고 설명했다.

For most industrial/commercial facilities, water treatment is a sideline to their actual business and often outside their area of expertise. Many managers want simple, packaged or mobile systems that can be implemented quickly with minimal disruption to operations and also minimal operator attention.

Packaged systems are typically pre-designed treatment systems based on pipe size and come in a package ready to assemble on site. Container systems are also available that can be shipped in and dropped in place ready to go. “Bad water goes in, and good water comes out” Wachinski said.

Trailer-mounted mobile systems are also seeing rapid growth. Often mounted on a 40-foot trailer, they can be parked next to a facility, hooked up and ready to go in a very short timeframe. They can also be moved or replaced as needs change

“A lot of people in the industry don't want to deal with water treatment. That's where portable water treatment has grown” Wachinski said. “Bring in a trailer with MF or MF/RO and hook it up and start providing water”

진화하는 멤브레인 기술

가장 흔한 멤브레인 재료는 PVDF, PTS, 폴리에틸렌, PVC, 세라믹 등이 있다. 최근 몇 년 동안은 재료의 높은 염소 저항력과 개선된 유연성으로 인해 PVDF의 사용이 장려되어 왔다. PTS의 경우 염소를 효과적으로 다루지 못하지만 수산화나트륨으로 세척이 가능하다는 점이 있어 염소가 문제가 되지 않는 설비들에게 매혹적인 재료이다.


가장 흔한 멤브레인 재료는 PVDF, PTS, 폴리에틸렌, PVC, 세라믹 등이 있다. 세라믹 멤브레인의 경우 가격대가 내려가긴 했지만 아직만만치 않은 가격으로 인해 수요가 적은 틈새시장으로 남아 있다.

세라믹 멤브레인의 경우 가격대가 내려가긴 했지만 아직 만만치 않은 가격으로 인해 수요가 적은 틈새시장으로 남아 있다. 물의 온도와 화학적 구성성분에 따라 산업적 시장에서 그 수요의 변동이 상대적으로 심하다고 홀란드는 말한다.

세라믹 멤브레인의 장점은 다른 멤브레인들이 버티지 못하는 환경에서 완벽하게 견디며 수처리 작업을 수행할 수 있다. 와친스키는 “세라믹은 자본비용이 막대하게 들어가지만 훼손 또는 파손되지 않았을 경우 거의 모든 화학물질을 견뎌내고 정화도 완벽하게 할 수 있다”라고 말했다.

멤브레인 시장의 또 다른 진화는 정삼투(Forward Osmosis) 기술에서 찾아볼 수 있다. 아직 개발 초기 단계이지만 산업 시장에 긍정적인 가능성이 기대된다. 이에 대해 와친스키는 “지난해 멤브레인 기술 회의에서 이 정삼투 기술은 역삼투 기술에 비해 더 높은 농도의 염수를 처리할 수 있는 장점과 그 발전 가능성으로 인해 집중적으로 논의됐다.

이 시스템은 갤런 당 10 파운드 염분을 함유하는 소금물을 처리할 수 있기 때문에 유정 내의 악성 유체에 굉장히 효과적일 것으로 보인다. 이 때문에 많은 굴착 기업들이 이 기술에 주목하고 있다”고 언급하며 긍정적인 의사를 내비쳤다.

The most common membrane materials are polyvinylidene difluoride（PVDF）, polyethersulfone, polyethylene, polyvinyl chloride, and ceramic. There has been a general push in recent years toward the use of PVDF because of its chlorine resistance and improved flexibility. Polyethersulfone can't handle chlorine but can be cleaned with caustic, which can be attractive in applications where chlorine would be a problem.

Ceramic membranes are coming down in price but remain a niche product, Holland said. “It is still more of a niche in the industrial market depending on temperature and chemical constituents in the water”
The upside of ceramic membranes is the ability to survive where other membranes can't.

“Ceramics have very high capital costs, but if you don't drop it and break it, it can pretty much withstand anything, and you can use just about any chemical to clean it” Wachinski said.

A newer evolution in the membrane market is Forward Osmosis technology. While still in its infancy, it offers promise for the industrial market, McCandless said.

“At the membrane technology conference last year, there was a lot of buzz about Forward Osmosis as an application that shows a lot of promise because it's able to treat brine at a much higher concentration than reverse osmosis” he said. The systems can get “brine up into a category of what they call 10 pound brine. Basically it's 10 pounds per gallon and it's very useful for kill fluid in oil wells. It's highly sought after by the drillers”

[원문은 파일첨부 참조]

[원문출처 : ‘Water World’의 ‘Reuse, expanded treatment drive interest in membrane systems’]