역삼투막을이용한하 / 폐수재활용공정 Water Reuse & Environmental Consulting ( 주 ) 미래엔지니어링 Tel 031-719-3636 3636 Fax 031-719-3637 3637
재활용개요 목적 Water Reuse & Environmental Consulting 개요 폐수처리장에서방류되는하 / 폐수를공업용수수준의용수로처리하여재활용 폐수재활용을통해갈수기물부족해소 적절한 System 조합을통한최적설비설치 기존폐수처리장과연계하여초기투자비최소화 생활하수 공장폐수 생활하수 공장폐수 재활용수 (60~70%) 하 / 폐수처리장 폐수처리장 ( 기존및보수 ) 재활용공정 ( 신규 ) 방류방류 (30~40%)
주처리공정 중수의경우수도법에요구수질이명기되어있듯이, 화장실용수, 조경용수등 으로사용하기위해수중의입자성물질등을제거하고, 살균처리된용수를 통칭하며공업용수로사용하기에는수질이미흡함. 일반적인공업용수대체용도로재활용하기위해서는 SS, BOD, COD, ph 외 에수중에용해되어있는이온까지제거되어야함 이온을제거하기위한공정으로는역삼투막 (RO, Reverse Osmosis), 이온교 환수지, EDI(Electro DeIoninzer), 전기투석 (ED, Electro Dialysis) 등이있으나, 현재폐수재활용을위해가장경제적이고효과적인방법은역삼투막을이용 한방법임. 이온을제거하기위한공정들은물리적으로여과및분리하는방법으로오염 물질을분해하여없애는것이아니라물과오염물질을분리시키는기술로서, 2 차적으로고농도의농축수가발생하는문제점이있음.
재활용공정 방류수 전처리공정 전처리공정 목적 : 방류수중에포함된오염물질을고도처리하여역삼투막의오염을방지하고, 안정적인운영을위해필요 제거물질 : COD, BOD, SS, Colloid물질, 경도성분 (Ca, Mg) 외기타 역삼투막 역삼투막필요시추가 수중에용존되어있는이온및유기물질을제거 고도처리 순수, 초순수등고순도가요구될경우 2차 RO, 고도처리설비 후처리설비 이온교환수지, EDI, 살균설비등추가 공업용수대체시불필요함. 재활용 (60~70%) 후처리설비 방류 RO에서발생되는농축수를방류하기위해수질 (30~40%) 기준이초과될경우방류기준을맞추기위한처리설비
전처리공정 AMF(Advanced Media Filter) 방류수 역삼투막의오염을방지하기위해, SS 및 Colloid 성미세입자제거 필요시 여과보조제 여과효율증대를위해서여과보조제를미량주입 제거가능입자 : Nominal 0.45 μm A M F A/C (Activated Carbon Filter) 전처리공정 A / C 살균제 수중에용존되어있는유기물질제거 활성탄에서미생물성장가능성이있으므로살균 제를주입 BUF (Backwashable Ultra Filter) B U F Colloid 성물질이과다하여 SDI 및 Turbidity 가높 을경우적용 R O 공정 중공사막 제거가능입자 : Nominal 0.02 μm
역삼투막공정 Safety Filter 전처리공정 전처리공정에서완벽히처리되었다하더라도처 리수조에서의오염물질유입, 전처리공정여재유 출등으로인한오염물질제거 전처리공정 필요시 Safety Filter Heat Exchanger 스케일방지제 제거가능입자 : Nominal 1 μm유기물오염방지제 Heat Exchanger 동절기폐수온도가 RO 설계온도이하로하강될경우처리유량이급격히저하되는문제가발생하므로온도상승을위해설치 RO(Reverse Osomosis) R O CIP 수중에존재하는이온및용존성물질제거 제거율 : 최소 95% 이상 농축수발생하는문제가있음. 재활용 or 고도처리후재활용 CIP(Chemical Cleaning 장치 ) RO 오염시약품을사용하여세정하기위함.
예상수질 항목폐수방류수 RO 처리수공업용수 ph 6 ~ 8 6 ~ 7 6 ~ 7.5 전기전도도 (us/cm) 1,200 ~ 4,000 < 50 60 ~ 200 화학적산소요구량, COD (mg/l) 30 ~ 80 1 1 입자성부유물질, SS (mg/l) 10 ~ 60 0 1 알칼리도 (mg/l) 150 ~ 200 < 20 30 ~ 80 경도 (mg/l) 60 ~ 100 < 5 40 ~ 120 탁도 (NTU) 2 ~ 10 < 0.5 0.4 ~ 2 주 ) - 전기전도도 : 물속에전기가얼마나흐르는지를나타내는지표로서오염물질이나기타이온이많을경우값이커짐. - 알칼리도 : 수중에함유된 OH-, CO 2-3, HCO 3- 등을나타내는값으로 H + 를제거하여물의 ph를높이는작용을하며, 수중에서 Ca, Mg등의양이온과함께스케일을발생시키는역할을함. - 경도 : 스케일을발생시키는 Ca, Mg 이온이함유된양을 CaCO 3 양으로환산한값. 높을수록스케일가능성높음 - 탁도 : 수중에입자상부유물질보다크기가작은미세한 ( 침전되지않는 ) 입자가얼마나존재하는지를나타내는값
경제성분석 투자비 기계 Water Reuse & Environmental Consulting 항목금액 ( 천원 ) 비고 Pump 외회전기기류 750,000 고압펌프포함 AMF 930,000 A/C 700,000000 BUF - 2,500,000 RO 1,800,000 CIP 설비 65,000 약품주입설비 45,000 기타기계류 200,000 소계 4,490,000490 000 기계설치및배관 750,000 전기및계장 420,000 Engineering, 기타경비, 기업이윤 600,000000 총계 6,260,000 - 유입수 22,000m 3 /day 처리후, 재활용수 15,000m 3 /day 생산기준, 폐수 7,000m 3 /day발생 - 방류수 TDS 1,500 ppm 기준. ( 농도증가시 RO 비용상승 )
운전비 구분단가사용량 운전비 ( 천원 ) 일월년 AFM 여재 270,000 천원 / 회 1 회 /4 년 188 5,625 67,500 Activated Carbon( 활성탄 ) 95,000 천원 / 회 3 회 / 년 792 23,750 285,000 RO Membrane 850 천원 / 개 936 개 /2 년 1,105 33,150 397,800 약 CIP RO무기세정제 10,000천원 / 회 1 회 / 월 333 10,000 120,000 RO 유기세정제 10,000000 천원 / 회 1 회 / 월 333 10,000000 120,000000 여과보조제 50천원 /kg 7.5kg/ 일 375 11,250 135,000 품 살균제미생물제거제 85 천원 /kg 3kg/ 일 255 7,650 91,800 역삼투막오염방지제 스케일방지제 85 천원 /kg 3kg/ 일 255 7,650 91,800 유기물오염방지제 85 천원 /kg 3kg/ 일 255 7,650 91,800 전력비 50 원 /kwh 11,000kwH/ 일 550 16,500 198,000 총계 4,441441 133,225 1,598,700 - 공업용수 15,000m 3 /day X 550원 /m 3 X 360일 / 년 = 2,970,000천원 - 공업용수비용만고려시년간 13억원절감
Appendix 1 기술 설명
오 / 폐수재활용이란? 수도법에서의정의 중수도라함은사용한수도물을생활용수, 공업용수등으로재활용할수있도록 다시처리하는시설 수도법제 3 조 14 항 우수하천취수사용배출하천해양 우수하천취수사용배출하천해양 처리
중수도수질기준 ( 수도법제 3 조관련 ) ph 5.8 8.5 BOD 10mg/l 이하 불쾌한냄새가나지않을것. 외관은이용자가불쾌감을느끼지않을것. 폐수재이용의경우 원수의수질및요구수질에따라전처리공정구성. 공정수로재이용할경우에는고도처리가요구됨. 입자및콜로이드성물질제거를위하여 UF 가주로사용. 이온제거를위해서는역삼투막 (RO) 과전기투석법 (ED) 이이용.
재이용적용가능기술 처리공정제거대상처리기술 역삼투막유입수수질기준 소독설비 미생물 염소처리, 오존처리자외선방사법 10 5 ATP 이하 여과설비 부유물질 Colloid성물질 모래여과, MMF, MF 한외여과 (UF) SDI 5 이하 유기물제거설비 유기물 활성슬러지, AC 흡착 오존, UV, 전해? 경수연수화설비 경도성분 이온교환 Namo filtration 총경도 200ppm 이온성분제거설비염류 ( 이온 ) 이온교환, 역삼투 전기투석 -
전처리공정이란?? 역삼투막공정의효율적인운영을위해서유입수수질을일정기준이상으로유지 하는것이필요한데, 이러한요건을충족하기위해전처리공정이필요 역삼투막의수명및성능이유지되지못하는것은역삼투막자체의문제보다는대 부분의경우전처리공정을소홀히결과로나타나는것임. 전처리공정은역삼투막설비의효율및수명을좌우하는필수적인요소로서역삼 투막보다오히려중요성이높은설비
탁도계 자동 SDI 측정장치 RO 유입수수질조건 ph : 2~11, Chlorine( 염소 ) : < 0.1 ppm 탁도 : < 1.0 NTU SDI 15 : < 5 파울링지수 (Fouling Index) 라고도하며역삼투막오염이일어날수있는가능성을나타내는척도로사용된다. 0.45μm의 membrane 필터를사용하여부유물성분에의해일어나는오염의정도를측정한다. 47mm의 0.45μm의 membrane 필터에 30psig( 약2kg/cm 2 ) 의압력으로물을흘려측정하는데, 처음 500ml의물이흐르는데걸리는시간 (T0) 을잰후 15분이지난후다시 500ml 의물이흐르는데걸리는시간 (T1) 을재이두가지시간의비율을척도로사용한다. SDI = 100 X ( 1 ( T0 / T1 ) ) / 15 일반적으로 SDI 값이 3 이하이면오염이심하지않으며, 5이상일경우에는심한오염이일어날수있다 LSI : < -0.2 (Without Scale inhibitor) LSI(Langelier Stability Index) : 탄산칼슘의스케일이형성될가능성을나타내는지수로서, 0보다낮은물에서는스케일형성가능성은매우낮다. 반대로 0 보다커지면스케일이형성될가능성이높다. 또한, LSI 를이용해서물의부식성을판단할수있다. LSI가낮아질수록부식성이커진다. COD or 유기물 : 정확한규정은없으나가능한낮게유지
전처리단위공정 Water Reuse & Environmental Consulting 단위공정별제거가능물질 SS Colloid 미생물유기물 Ion 비고 MMF(AMF) Good Fair - - - AC Good Fair - Better - MF Better Fair - - - UF Excellent Excellent Excellent Fair - RO - Excellent Excellent Better Excellent UV - - Excellent Fair - IEX* - - - - Excellent IEX* : Ion Exchange Treatment
입자크기별제거가능범위
AMF (Advanced Media Filter : 고도여과장치 ) 원수중에혼합된 SS, Colloid 성물질을제거하기위하여 AGFM(Glass Filter Media), Garnet, Gravel 을여재로사용하여 여과층을형성시켜제거하는장치 Inlet : Open : Close AGFM Garnet Gravel Outlet 정상운전 역세공정
A/C Filter(Activated Carbon : 활성탄흡착 ) 활성탄은표면이소수성이고다수의세공과큰표면적을갖기때문에수중의유기물, 색도성분, 계면활성제등을흡착제거하는능력을이용한장치. 활성탄은 coconut이나 coal로부터제조되며, 평균입경 : 0.9~1.1mm, 충진밀도 : 0.4~0.5g/cm 3, 요오드흡착력 : 1000mg/g이상. 설계인자 : LV : 5~12m 3 /m 2 -hr, SV : 5~12m 3 /m 3 -hr 역세척 LV : 24~48m 3 /m 2 -hr 용도 : 폐수처리, RO 및순수장치의전처리, 음용수처리
BUF (Backwashable UltraFilter : 역세형한외여과장치 ) 처리원리 Shell Filtrate Feed Water Distribution pipe 재질 : PESM Pore size : 0.02um 0.9mm 4.3mm 여과방식 : 내압형, Dead end Filtration
처리공정 Filtrationmode Bottom Filtrationsmodus Filtrationmode von Top oben Operation with Backwash only: Filtration Backwash Filtration Backwash Optional: Additional Forward Flush Filtrationmode Bottom Filtration Forward flush Backwash Filtration Filtrationmode Top Forward flush Backwash
RO(Reverse Osmosis, 역삼투막 ) 고압 삼투압 저농도 고농도 저농도 고농도 용액 용액 용액 용액 반투막 반투막 삼투현상 역삼투현상 역삼투막은지지층 ( 두께 50um) 과분리기능을가지는활성층 ( 두께 0.2um) 으로구성되며역삼투현상을이용하여용매와용질을분리
Polyamide (Active layer) Support layer Polysulfone Sspacer 0.2 um 50 um 120 um
RO membrane 에의한제거율 용질제거율 (%) 이온제거율 (%) NaF 99 NaCN 98 SiO 2 99 Formaldehyde 35 Na 97 Ca 99 Mg 99 Fe 99 Methanol 25 NH 4 99 BOD 95 Cu 99 COD 97 NO 3 96 3
ROSA Simulation program
Appendix 2 사 례
재활용사례 용수재이용사례 미국과일본등선진국에서는 70 년대이전부터하수처리장처리수를재이용. 일본의경우 1965 년부터중수도도입. 일본은주로생활하수에대한소규모재이용시스템개발. 수도국청사 원수 : 지하식당, 다방, 이발소, 전기실에서배출되는잡배수 이용용도 : 변기세정수로이용 배수량 : 20-40m 3 / 일 공정 : 원수 - 폭기조 - 한외여과기 - 처리수
미국은도시하수처리수에대한재이용사례가많음. Orange County Plant(Water Factory 21) 원수 : 하수 2차처리수 사용목적 : 해수유입방지및지하수보충 공정 : 활성슬러지처리수 - 응집침전 - 탈기 - 모래여과 - 활성탄여과 - 역삼투막 - 염소소독 - 처리수 Denver Water Reuse Demonstration Plant 원수 : 하수 2차처리수 사용목적 : 음용수 용량 : 3,800m 3 / 일 공정 : 원수 - 응집침전 - 여과 - 이온교환수지 - 활성탄 - 오존 - 활성탄 - 역삼투막 - 처리수
하수재활용시스템 ( 인천 K 하수종말처리장 ) Water Reuse & Environmental Consulting 하수처리장방류수 WRDF VMMF RO 역세수 Reject ClO 2 Generator 방류 Thickner Filter Press I 제철공정수
수질분석 항목원수 RO 처리수 공업용수 항목원수 RO 처리수 공업용수 ph 6.8 6.0 7.3 Conductivity (us/cm) 1219 25 200 COD (mg/l) 11 1 1 SS (mg/l) 6.5 0 1 Alkalinity (mg/l) 80 10 45 Hardness (mg/l) 174 1 76 Turbidity (NTU) 2.71 0.1 0.4 F (mg/l) 0.39 0.1 - Cl (mg/l) 380 13 15 NO 3 (mg/l) 67 7.2 8.0 PO 4 (mg/l) 6.2 0.3 3.0 SO 4 (mg/l) 145 243 2.43 21 Ca (mg/l) 41 0.12 17 Mg (mg/l) 22 0.1 8 Na (mg/l) 195 8.75 28 K (mg/l) 25 1.02 3 Fe (mg/l) 0.006006 0.001001 0.0505 Si (mg/l) 4.57 0.025 -
재활용시스템 ( 울산 C 사 ), 특허제 10-0736428 호등록 유입수 VMMF Permeate Concentrate #1 RO Block #2 RO Block #3 RO Block ( 최종 ) 처리수 최종농축수 ( 비료원료 ) 구 분 원수수질 P9026 P9019 외처리수농축수 Q m 3 /day 1,440 1,920 - - COD Mn mg/l 100 40 <1 > 600 질소 mgnh 3 /L 971 1,000 < 10 > 15,000 전도도 us /cm 7,000 7,000 < 20 > 100,000 회수율 % 93.1 6.9
캔생산공정폐수재활용 (L 사 ) 원수 Alum, NaOH Polymer 응집 / 부상 MMF A/C BUF RO A/C 재활용 ( 캔세척 ) 방 류
비료생산공정폐수처리 (T 사 ) PAC #1 RO 2 농축 SBS H 2 SO 4, 살균제 원수탱크 ph 10~11 35 ph 7 UF 1 SDI3 이하 ORP 100mV 이하농축 생산생산농축소각 #3 RO #2 RO 유량 : 0.8 m3/hr 생산 H/E 93 농축 #4 RO 생산 폐수 (14.5m3/hr) 유량 : 14.5 m3/hr COD : 1800 ppm T-N : 1800 ppm SDI 15min #5 RO RO 유입수수질조건농축수온 40 미만생산 5 이하방류 ORP 175mV 이하역세수유량 : 13.7 m3/hr ph 7 COD : 20 ppm T-N : 40 ppm 1 2 전처리 역삼투막장치
비료생산공정폐수처리 (T 사 )
정수장질산성질소제거설비 ( 정선 L 정수장 ) Water Reuse & Environmental Consulting 완속여과지 80 톤 / 시간 (1,920 톤 / 일 ) 원수저장조 (25 톤 ) 정밀여과기 (1 um) 나노필터회수율 80% 2 단계배열 (5:2) 2 Units 65 톤 / 시간 (1560 톤 / 일 ) 정수지 NO 3 -N : 4.5ppm 40 톤 / 시간 15 톤 / 시간 (360 톤 / 일 ) 세정탱크 세정필터 NO 3 -N N:65 65ppm 농축수 (2 톤 ) (1 um) 8 톤 / 일 세정액 구분원수 ( 완속여과지여과수 ) 나노필터처리수 Q m 3 /day 1,920 1,560 질산성질소 mg/l 15 10 이하 질소제거율 % 70 이상
Water Reuse & Environmental Consulting ¾ (정선 L정수장)
송도열병합발전소 원수유량 : 17.0 m3/hr Conductivity(at 25 ) : 200 μs /cm 원수저장조원수 NaOCl BUF SBS, Anti-Scalant DG RO EDI SBS, Anti-Scalant Con c 저장조 CWRO RO 처리수량 : 16.0 m3/hr Conductivity(at 25 ) : 10 μs /cm W.W.T
수질분석 항 목 원수 RO CWRO 처리수처리수 ph(at 25 ) 7.3 6~8 6~8 Conductivity (us/cm) 200 3.7 36 COD Mn(mg/LasO2) 04 0.4 - - 항 목 원수 RO CWRO 처리수처리수 Na+ (mg/l) 11.39 0.51 1.86 K +(mg/l) 1.70 0.18 0.64 Cu++(mg/L) 002 0.02 - - Turbidity (mg/l as kaoline) 1.0 - - HCO3-66.25 2.69 10.05 SO 4 --(mg/l) 17.39 0.21 1.0 SiO2(mg/L) 59 5.9 016 0.16 092 0.92 Ca++ (mg/l) 24.43 0.80 3.06 Mg++ (mg/l) 4.78 0.06 0.29 Cl -(mg/l) 16.66 0.38 1.53 NO 3 -(mg/l) 11.41 0.78 2.77 CO 3 -(mg/l) 0.07 - - 항목 RO 출구수수질기준 ph(at 25 ) 6 ~ 8 Conductivity it (us/cm at 25 ) 10 이하 T-Hardness (mg/l as CaCO 3 ) 0 실리카 (mg/l as SiO 2 ) Sodium(mg/L as Na+) 0.2 이하 0.9 이하