Desalination Plant

Membrane O&M

유지관리

막여과 시설을 멤브레인 성능에 크게 좌우됨에 따라 운영관리 함에 있어 원수 탁도 변동에 따른 대응, 계열 정지시 계획수량 확보 가능한 공정계획 수립, 약품세정 등을 주의 깊게 관리하여야 하며,
주요관리 항목은 원수 및 전처리 정도에 따른 공급수 수질, 투과 수량(투과 Flux), 운전 압력 및 막 전후단의 차압(여과저항), 막모듈의 세정 시기, 막 모듈의 교환 시기 등 철저하게 관리하여야 한다.

막 열화와 오염(Fouling)

막분리 수처리 시설을 연속 운전하면 막의 성능 악화와 막 오염(Fouling)이 발생하고, 장기간 사용시 기능이 저하되며, 약품 등에 의한 손상에 의한 막의 성능 악화는 불가역적인 노화로 회복이 불가능 하다.
일정기간 사용후 수질이 저하, 차압 증가, 수량 감소 등이 발생하는 경우 막오염에 의한 경우가 많으며 약품세정이 이뤄지는데 화학세정 이후에 일정 정도 막 성능이 회복 가능 하다.
해수 담수화의 경우 오염물질은 해수 중의 용해성 염류 외에 미생물, 점토성 물질 및 콜로이드성 물질 등이 있으며, 칼슘과 마그 네슘 에 의한 스케일 및 미생물 번식으로 인한 막의 오염이 있다.
막오염의 예방에는 철저한 전처리 및 관리로 억제가 가능하며 세정에는 물리적 세정, 활학적세정(CIP)이 있다.

(사용후 R멤브레인 전후단)

(사용후 R멤브레인 내부)

1) 성능악화

막 자체의 변질에 의해서 생기는 불가역적인 막 성능의 저하가 막의 성능 악화이다.
막의 성능 악화는 막재질과 밀접한 관계가 있으므로 적절한 재질을 선정하고, 적정 사용 범위에서 사용 할 것

(막 성능 악화에 따른 변화)


종 류	원 인	투과유속	배제율	악 화 현 상	문제되는 막
화학적악화	가수분해	↑	↓	막재질, 온도, pH에 의한 막의 기능 감소	Cellulose계 막
화학적악화	산 화	↑	↓	염소 등의 산화제에 의한 물성 변화	합성고분자막
물리적악화	압밀화	↓	↑	고압에 의한 막구조의 찌그러짐	역삼투막
물리적악화	건조	↓	↑	수축 등에 의한 구조 변화	역삼투막,한외여과막
생물적악화	분해	↑	↓	미생물의 대사 산물 등에 의한 변화	Cellulose계막

2) 오염(Fouling)

Fouling은 원수중에 존재하는 용해물질이나, 현탁물질이 막표면에 생성되는 Cake층, Gel층 등의 부착층 형성에 의하여 여과 저항의 저하나 세공에의 흡착 및 석출에 의한 막힘이 생긴 것
해수담수화의 경우 Fouling은 막 표면에서 형성되어 flux를 감소시키며, 농도 분극을 심화시켜 염 누출량을 증가시킴
Fouling은 외적 요인에 의해 생긴 막 성능 저하로 화학적 세정에 의해 성능 회복이 가능하다.
Fouling은 친수성 막에 적게 생기으로 소수성막인 MF막이나 UF막을 코팅으로 친수화하여 사용

(막 오염별 성능 변화)


종 류	원인	투과유속	배제율	성 분	오 염 현 상	문제되는 막
부착물	Cake층	↓	↓	불용해성 물질	미생물, 콜로이드 입자 등 막면 축적	RO막,UF막,MF막
	Gel층	↓	↑	유기용해성물질	용해성 고분자 물질의 막면에서 gel화	RO막,UF막,MF막
	Scale층	↓	↓	콜로이드성물질	농축에 의한 과포화된 물질 석출	RO막
	흡착층	↓	?	유기용해성물질	막에서 흡착에 의한 층 형성	UF막
눈막음	입체적	↓	↑	입자성 물질	막 세공 내부의 blocking	UF막
	흡착	↓	↑	용해성 물질	"	UF막
	석출	↓	↑	불용해성 물질	"	UF막

A 사진 : 모듈 해체하여 역삼투막 여러장이 펼쳐진 형태
B 사진 : 유입수가 들어오는 부분으로 오염 물질이 뭉쳐 있는 모습
C 사진 :오염된 역삼투막을 정면에서 관찰했을 때의 사진으로 유입 측이 오염 정도가 심함
D 사진 : 역삼투막 표면 오염 물질을 확대해서 찍은 사진으로, 흰색 격자 무늬는 유로인 스페이서 자국
(사용후 R멤브레인 오염도 관찰)

3) 막오염 인자 및 특성

(1) 원수 수질

원수의 수질은 막오염에 매우 큰 영향을 줌으로 막성능상 처리가능한 정도의 수질을 학보하여 공급해야 한다
원수의 수질(농도) 등을 고려하여 막의 회수율 설정하여야 한다.

(2) 투과 수량; Flux

투과 Flux는 온도, 운전 압력 등의 복합적인 원인에 의하여 증가하며 Flux 증가에 따라 막오염이 가속화됨
투과 Flux가 많으면 막오염이 가속화 됨으로 적정압에 의한 운전이 필요함
일본은 장기운전에 있어 평균적인 투과 Flux는 막차압(98.1kPa)당 0.5㎥/㎡·일 이상으로 가이드 라인 제시

(3) 막면 유속; 전단속도

막면 유속(전단속도)가 증가하면 막 표면에 축적된 입자들을 떼어내는 역활을 할 수 있다.
막면 유속이 너무 낮은 경우 막 표면에 축적 가속화

(4) 운전 압력

구동압력이 막 오염에 미치는 영향은 농도분극 등과 같이 매우 크다.
높은 운전 압력에서 농축으로 인한 농도분극층이 형성되면 압력을 높여도 투과 Flux는 감소하고 , 막오염은 더욱 급격히 진행
필요 이상의 압력으로 높이게 되면 동력비 뿐만아니라 막성능도 저하되므로 항상 적정 압력으로 운전해야 한다
펌프 가압 방식의 경우 RO(TDS 35,000)의 겨우 60bar 이하, MF막은 20bar 이하, UF막은 30bar 이하로 운전

(5) 온 도

온도가 막오염에 미치는 영향은 불분명 하나, 용질이 용해도나 흡착에영향을 줌으로서 직간접적인 영양을 줌
온도 올라가면 물의 점성계수 작아져 여과저항은 작아지고 투과 Flux 증가

(6) 기타 운전 특성

세정방법이나 주기 등과 같은 공정상의 인자도 막 오염에 큰 영향 미친다.

막오염 방지법

막오염을 방지하는 방법은 전처리를 통하여 막의 오염에 영향을 미치는 물질을 적절히 미리 제거하거나 막면과 접하는 원수의 흐름을 조절하여 막면에 축적하는 물질의 양을 저하시키는 방법이 있다.
막면에 축적하는 양을 저하시키는 방법으로 막면에 발생하는 Cake층에 의한 농도분극을 방지하는 것이 필요
Cake층의 압밀화를 방지하는 방법으로 유체 조작을 통하여 농도 분극을 억제하는 것이 필요

1) 전처리 통한 막 오염 억제 방법

약품에 의한 원수의 pH 조절(해수담수화의 겨우 RO막의 경우 pH 6.0~6.5)
스케일 발생을 억제하기 위한 스케일 방지제 주입

2) 농도분극 억제 방법(막오염 방지법)

(1) 저농도 원액법

원수중에 함유된 막오염 물질을 낮게하여 농도분극을 억제하는 방법으로 저회수율 여과 방법 등이 있다.

(2) 저투과 Flux법

가급적 낮은 압력에서 운전하여 투과 Flux를 낮게 운전 하는 방법이다.
초기 막오염이 막 수명에 크게 영향을 줌으로 운전 압력을 서서히 증가시키는 것이 중요

(3) 막면 농축물 제거 억제법

만면 근방에 축적 혹은 퇴적되어진 막오염 물질을 기계적인 외력 또는 유체 조작으로 제거하는 방법

(A: 원수 유입측, B: 농축수 측, C: 멤브레인 표면, D: 멤브레인 표면의 퇴적물) (멤브레인 표면의 오염물질 침적)

(A: 원수 유입측, B: 농축수 측, C: 멤브레인 표면, D: 멤브레인 표면의 퇴적물)
(멤브레인 표면의 오염물질 침적)

물리세정과 화학세정

막이 오염됐을 경우 오염물을 제거하는 정확한 방법은 없으나, 일반적으로 원수의 조성에 따라 막오염 물질의 성분이 다르기 때문에 원수에 적당한 방법을 선택하여 세정한다.
막의 세정방법에는 크게 물리적 세정과 화학적 세정(CIP)이 있다.

1) 물리적 세정(Flushing)

플러싱은 저압, 고유량의 공급수를 막면에 흘려 막면 위의 오염물질을 씻어내는 세정방법 이다.
막 교체시, 또는 시스템상에서 발생된 고형물이 막 표면에 부착시 제거 가능한 일시적인 세정 방법이다.
세정원수는 이물질이 없는 전처리된 역삼투막 공급 원수나 투과수를 사용 하는 것이 좋다.

(물리세정과 화학세정)

2) 화학약품에 의한 세정(CIP)

(1) 세정 시기 판단

화학세정 시기는 염분저지율이나 투과수량이 초기치와 10~15 % 정도 변화시 및 압력손실이 1.5배 이상 상승시
세정시간은 1~3시간의 순환세정을 기본으로 하며 오염이 심한 경우에는 10~15시간 침전한 후 순환세정 실시
세정은 막오염이 진행된 이후에 하는 것보다 오염 초기단계에 하는 편이 막 투과 능력 유지에 유리하다.

(2)세정방식 선정

세정방식 선정은 막의 오염상태, 막의 재질, 막오염 물질의 종류(유기물, 무기물, 철, 망간 등) 등에 따라 다름
이러한 정보는 원수 수질 자료에서 추정한다.
약품세정 방식에는 On-Line 방식과 Off-Line 방식이 있다.
On-Line 방식 : 여과 라인의 밸브를 조작하여 막모듈내에 약품을 순환시키는 방식
Off-Line 방식 : 막여과 설비로 부터 막모듈을 별도로 분리시켜 담그는 방식
On-Line 방식의 겨우 고압부 연결 배관은 신중을 기해야 한다.
세정후 폐 세정액은 pH 및 COD를 고려하여 배출하여야 하며 가급적 폐액처리시설의 설치를 고려하여야 한다.

(3) 세정 약품 선정

약품에 의한 막 오염 물질 제거는 막면에서 탈리, 용해, 분해작용에 의해 제거
무기물 제거 : 황산, 염산, 구연산 등의 산 세정제 사용
유기물 제거 : 가성소다, 차아염소산니트륨 등의 알카리 세정제 사용
철, 망간 산화물 : 구연산 등의 단독 또는 조합하여 사용
소규모의 경우 유·무기물 약품을 구입후 제조하여 사용하기 보다 완제품의 산·알카리 세정제가 편리
약품 선정은 막의 재질에 따라 신중을 기해야 한다, 특히 고분자막은 약품에 의한 막 재질 악화 쉽다.
폴리암드재질막의 경우 CIP 약품
- 산세정제(무기물 세정제) : 금속수산화물 탄산칼슘, 기타 스케일 제거
- 알카리세정제(유기물 및 입자성 오염물 세정제) : 유기물, 침니(silt), 기타 입자성 오염물

(4) 세정 순서

특별한 순서는 없으며 오염 성분에 따라 산세정 및 알카리세정을 각각 실시한다.
약품 혼합→ 약품 순환(1hr)→ 멤브레인 침적(2~15hr)→ 약품 순환(1hr)→ 약품 Drain→ 수세→ 세정
약품 세정 후에는 깨끗한 정수로 세정하고, 정수의 pH가 나올때까지 약 5분 정도 세정(Rinse) 실시

(세정 준비)


CIP 최소 유량		Vessel 유효유량 + 배관체류량 + 펌프 순환 유량
Vessel 유효유량	4 inch x 6개	약 0.05㎥
Vessel 유효유량	8 inch x 6개	약 0.16㎥
Vessel당 유속		6~9㎥/hr
세정 압력		1.5~3 kgf/㎠
세정 온도		약 30 ~ 50 ℃

3) 폐출수 처리 방법

폐수배출은 수질환경보전법 제32조, 동법 시행령 제8조의 오염물질의 배출허용기준에 준하여 처리후 배출
1일폐수배출허용기준 2,000㎥미만 ☞ BOD 40mg/ℓ이하, COD 50mg/ℓ이하, SS 40mg/ℓ이하
1일폐수배출허용기준 2,000㎥이상 ☞ BOD 30mg/ℓ이하, COD 40mg/ℓ이하, SS 30mg/ℓ이하
수질환경보전법 제2조 및 동법 시행규칙 제5조(별표4)에 의하면 수도 사업 시설인 경우 정수능력 1,000㎥ 미만의 소규모 시설은 배출시설 에서 제외되어 있으나 pH 등의 조절이 필요함

CIP 폐수 수질검사 결과)


구 분	pH	BOD(mg /ℓ)	COD(mg /ℓ)	SS(mg /ℓ)
유기세정 폐수	9.5	0.3	2,502.5	35.6
무기세정 폐수	3.7	4.6	4,404.4	31.0

(약품세정 및 세정 폐수)

분리막 모듈의 장기 보관

1) 유기막 모듈

(1) 사용 하지 않은 막모듈

미생물증식을 방지하기 위해 생산시 지정액에 넣어 진공포장후 출하됨으로 음지에서 약6개월 정도 보존가능
역삼투막의 장기보존에는 SBS(Sodium Bisulfite) 용액을 사용

(2) Plant에 설치후 장기간 사용 않는 경우

막오염을 방지하기 위해 차아염소산나트륨 용액(?)에 담궈서 보관
해수담수화의 경우 Plant에 설치후에는 해수에 의한 산화를 방지하기 위하여 항시 담수로 세척이 필요함
역삼투막의 경우 SBS 500㎎/ℓ 을 투과수로 조제하여 벳셀내에 주입후 봉인하고 30일 간격으로 교체

2) 무기막 모듈

(1) 사용 하지 않은 막모듈

동결 및 건조 및 장기보관에 따른 화학적, 생물학적 문제는 없지만 낙하 등의 물리적인 충격을 피해야 한다

(2) Plant에 설치후 장기간 사용 않는 경우

미생물의 증식을 방지하기 위하여 건조상태로 하거나 산 또는 알카리 용액을 주입

3) 막모듈의 보존제


보존제	농도	pH	보존기간
NaHSO₃ (아황산수소나 나트륨)	1.0%	4 ~ 8	2개월
NaCl	5.0%	4 ~ 8	1일
아지드화나트륨	0.05%	4 ~ 8	3개월
포로말린	1 ~ 2%	4 ~ 8	1년

멤브레인 교환

1) 교환시기 판단

염소 등의 산화제에 의한 산화로 수질기준을 초과하는 경우
보통 생산수의 수량 및 수질의 감시를 컴퓨터로 관리하고 세정 및 교환시기의 판단을 위한 기준치를 미리 설정
모듈 중 어느 엘레멘트가 수질이 악화되어 있는가를 전용의 측정도구를 사용하여 간단하면서 정확히 측정가능
표면 해수를 담수화 하는 경우 연간 20~30%를 교체하는 것이 필요, 즉 멤브레인 수명을 3~4 년으로 산정
특정 이유없이 멤브레인 교체후 일부 베셀에서 수질이 초과하는 겨우 모듈 베셀 컨넥터 교체가 필요

2) 교체 방법 및 수량

1개 Train에서 일부 Vessel만 교체 하는 것은 부적합 (쏠림 발생)
현장 여건을 고려하여 전량 해체 후 청소 및 교환하는 것이 가장 적합
일반적으로는 Feed측에서 밀어내어 교환하며, 1번 멤브레인은 부하가 높으므로 교환 주기를 짧게 하는 것이 필요
전체 해체한 경우 불량 멤브레인 색출은 일반적으로 Serial No. 고려
멤브레인을 세워고 물을 통과 시켰을 통과가 불량한 것은 오염 심한것
표면해수 : 연간 30~35%, 염지하수 : 연간 8~9%
단위 단가 : 100 ~ 130만원 (전문가 교체)
Interconnector, End Connector, End Cap Seal 설치 주의

(베셀 내부 멤브레인 장착)

완결성 시험(Integrity Test)

완결성 시험은 막의 파단 여부를 검지하는 시험으로 간접접에 의한 시험법과 직접법에 의한 시험법이 있으며, 오염물질의 사전 누출 검지 통하여병원성 미생물 등으로부터 안전한 처리수 확보가 가장 큰 목적으로 하다.
PDT(직접완결성 시험)은 중공사막의 막 파손 여부를 판단하는 시험법으로 압력을 기초로 하는 Integrity Test 기법 중 하나로 가장 널리 사용되고있는 방법이다.
- 시험방법은 모듈내 물을 배수 후 공급수 측으로 공기를 주입하여 공기압력을 체크하고, 여과수 측의 투명 라인에서 기포가 발생하는지 여부를확인하여 기포가 없으면 안전함으로 정상가동, 기포가 발생하는 경우에는 고정핀으로 파단된 막을 막음으로서 수선이 되는 것으로수선막이일정수량이상이 되면 교체하여야 한다.

(Sonic Analyser에 의한 Sonic Sensing Test)

(손상 fiber 수리 장면, 손상 fiber 수리후)

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유지관리

막 열화와 오염(Fouling)

1) 성능악화

2) 오염(Fouling)

3) 막오염 인자 및 특성

막오염 방지법

1) 전처리 통한 막 오염 억제 방법

2) 농도분극 억제 방법(막오염 방지법)

물리세정과 화학세정

1) 물리적 세정(Flushing)

2) 화학약품에 의한 세정(CIP)

3) 폐출수 처리 방법

분리막 모듈의 장기 보관

1) 유기막 모듈

2) 무기막 모듈

3) 막모듈의 보존제

멤브레인 교환

1) 교환시기 판단

2) 교체 방법 및 수량

완결성 시험(Integrity Test)

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