매립지의침출수재이용기술 업체명 : 아주환경주식회사 eschi@ajesi.co.kr 환경생명연구소소장박사지은상 031-762-4521 1. 기술현황 기술명매립지의침출수재이용기술 기술분야매립, 정비, 복원 처리대상물 침출수처리 기술적용분야재이용( 조경, 세륜및발전용수) 2. 기술의개요및원리 세계에서가장큰규모의매립지인수도권매립지공사에서발생되는침 출수를현재는물리, 생물및화학적처리를한후 100% 방류하고 있다. 매일수천톤이상이발생되는침출수를대상으로재이용을위 해서는시험장치(Pilot Test) 구성을크게전처리(Pretreatment), 역 삼투막분리(Reverse Osmosis) 그리고폴리싱(Polishing) 등 3분야로 막분리(Membrane Separation) 기술을이용하였다. 기존의막분리기술에가장큰문제인막의오염(Fouling) 을최소화하 는것이관건이어서첨단회전막분리기술등을이용하여침출수를완 벽하게전처리하고, 나권형역삼투막을이용하여세륜및조경용수로 재이용하며더나아가폴리싱공정(Polishing Process) 을도입하여순 수(Deionized Water) 수준의품질을만를어서발전용수로사용하게 하므로막분리기술의발전과쾌적한매립지로서의 할수있을것이다. Image-Up을기대 - 353 -
2.1 회전막분리장치 (Rotating Membrane System : ) 의원리 는막의오염을최소화하기위해막면에로타(Rotor) 를장착하여유입침출수에함유된오염물들이막표면에부착ㆍ흡착등을억제하는기술이다. 구조는그림 1와같이원형으로된링위에투과수유출을위한필타카세트와지지층을올리고난후선정된막을삽입후막위에회전체를두고서침출수를유입시키면막을투과한액과처리수와막을통과하지못한농축액으로분리가된다. 이방법으로막표면에서전단파(Shear Wave) 를증가시키므로오염물질들이막면에퇴적이나침적이되는것을억제하게한다. 그림 1. 회전막분리장치구조 - 354 -
운전압력은 0.7~1.5 kg/ cm2으로운전되며마이크로프로세셔에의 해완전자동으로기록되며유입액에따라회전체의회전수(rpm) 조절 이가능하다. 는기존의침지형이나역세형막분리와다르게설치면적이적으 며회수율도 특징이있다. 본 95% 이상을유지하며막의오염이거의발생하지않는 의기본장비는외국에서제지공장에적용되는것으로아주환 경( 주) 에서는막의선정, Hard 및 Software를독자적으로개발하여 침출수에세계최초로적용을하여침출수재이용을가능하게하는공 법을개발하였다. 다음의그림 2는 가침출수재이용시험에서자동운전되는상태 를 24 시간자동기록되고있는것을나타낸것이다. 그림 2, 회전막분리장치의자동운전기록상태 - 355 -
2.2 역삼투막분리장치(Reverse Osmosis System) 역삼투막분리의재질은크게 CA( 셀룰로오스아세테이트) 와 PA( 폴리아 미드) 로대별되지만제조업체에따라제막기술에있어서차이가있어 막의성능( 유량, 제거율등) 이다르고또한적용하고자하는유체에따 라신중한선정이요구되어진다. 특히산업폐수, 하수, 축산폐수그리고침출수와같이유체에적용시 는많은막에대하여다음그림 3 과같이예비시험을하여야한다. 침출수의성상파악 막의필요조건의설정 SS 입자크기, 농도 용질의이온, 분자량 유분, 계면활성제 유기용제, 온도 점도, ph 등 막분리효율 투과유속 (FLUX) 강도 내성 막종류선정 ( 목적별 ) 막재질의선정 MF, UF RO, ED, DD 등 MAKER 카다로그, 형식 PS, PO PI, PAN CA, PVDF PA, PES 등 막재질의선정 막 MODULE 의선정 설계조건 CHECK 및 PROCESS 검토 P & F TUBULAR SPIRAL WOUND 회전막 () HOLLOW FIBER등 처리대상물의성상파악 수세 약품세정 기계적세정 전기적세정 막 MAKER/MODULE 결정 평가시험 - 356 -
그림 3. 막선정절차 수도권매립지의침출수에대한재이용시스템의구성에있어서막의선 정이처리효율은물론운전비용, 막의수명, 막의노화그리고화학적 세정에크게영향을주는것을알수있었다. 국내의생활폐기물매립지는 232개가있으며이들의매립지는매립연 수와발생량등에따라침출수의성상은분명차이가있으므로충분한 사전시험과성분분석이요구된다. 수도권매립지의침출수의경우저희아주환경( 주) 은 RO구성에있어서 1차 RO는유기성물질과염농도제거율을 50~70% 를유지하면서 색도와메탄올등을제거하였으며, 2차 RO에서는염제거율을전체에 90~97% 까지유지토록장치를개발하였다. 또한, 현재염농도를 10~50 mg/ l으로유지시키기위한 Polishing RO 와탈염화를위한전기적이온교환막에대한 Lab. Test 를진행한다. 3. 침출수시스템구성검토 3.1 전처리공정(Pretreatment Block) 선정실험 처리하고자하는침출수의특징을보면, 고농도부유물질 (High SS) 고점성 (High Viscosity) 고염분농도 (High TDS) 색도 (Color) 유기성물질 (Organic Matter) 고농도화학적산소요구량 (High COD) 등으로요약할수있다. 상기와같은오염물질들에대하여기존과같은막분리공법을적용하면, 막은짧은시간내에오염이되어유량감소(Flux), 압력상승(Pressure), 처리수질악화(Permeate Water Quality) 등을초래할뿐만아니라막 의교체에따른유지관리비의상승은물론, 만족한성능이나안정적인운 - 357 -
영을기대할수없다. 따라서본침출수재이용시스템구성에있어서전처리는매우중요한부 분이라해도과언이아니다. 침출수의전처리기술을개발하기위해크게 여재에의한여과 Bag이나 Cartridge에의한여과 Crossflow 방식에의한여과등 3 가지방법으로검토하였다. Lab. Test 결과 Crossflow 방식에의한여과를다음과같은사항을고려하여침출수재이용의전처리공정으로결정을하였다. 전처리방식 SDI 미립자 점성 유기성물질 COD Sand Filter Multi Media Filter (Sand, Anthracite Carbon) Dual Media Filter (Sand, Anthracite) Bag Filter Cartridge Crossflow Filtration (BUF, VSEP, Precoat, ) 상기와같이모래여과(Sand Filter) 는전처리로서는크게효과가없었으 며SS의제거율도약 20~30% 정도였다. DMF(Dual Media Filter) 와 는다소차이가있었으나고농도 MMF(Multi Media Filter) 는처리에있어서 SS로인하여잦은역세와점성물질로 인하여시간이경과할수록역세효율도저하를나타내었고활성탄여재 의경우는단기간에흡착능역이떨어졌다. 백필터(Bag Filter) 의실험은 2 kg/ cm2압력에서는수시간만에압력손실 - 358 -
과유량감소를나타내었고, 3 kg/ cm2이상압력에서는 2~3일정도를막힘없 이사용할수있으나, 후공정의카트리지필터(Cartridge Filter) 의급속 한수명단축을가져왔다. 십자형흐름(Crossflow Filtration) 인막분리로는역세형한외여과(BUF) 와프리코트형디스크필터를사용하여보았으나 BUF( 재질; 폴리슐폰) 도 고농도오염물질에유량변화와역세및빈번한화학세정을가져왔으며규 조토를이용한프리코트(Precoat) 여과는폐기물증가와일정기간사용후 침출수의점성에의해폐규조토가디스크판에서탈착이잘안됨을알수 있었다. 고농도고점성인침출수의전처리를위해서그림 4와그림 5와같이진 동형이나회전형막이적합한것으로조사되었다. - 359 -
현탁물질농도 mg/ l 점도 CP 10 1 10 0 10 2 10 4 10-1 10 0 10 2 10 4 비 고 HOLLOW FIBER 외압중공사 Polishing용으로주로사용역세수가다하다하고 CIP가빈번함 내압중공사 TUBULAR SPIRAL WOUND 평판 (Plate & Frame) 진동및회전 ( etc.) 그림 4. 높은동력비소요및초기투자비가높음주로 RO 용도로사용되며폐수재이용에적용시전문적인검토가요구됨정밀여고용및원판튜브형등에사용됨차세대신기술로서용수및폐수재이용등은물론원료농축등에도최적막모듈의허용현탁물질농도와허용점도 그림 5. 막모듈선정의 Flow Chart 진동형막분리시험기( 미국 NLI회사의 VSEP) 를구입하여다양한막(PS, PVDF 등) 의사용으로침출수예비실험을하였으며 VSEP의처리수질은 양호한반면막의오염이서서히증가되어 3일에 1회정도의화학세정이 필요하였고이로인하여막의표면손상등으로화학세정주기가빨라짐을 - 360 -
알수있었으며회전막분리() 는막의오염이거의없이일정한유량을유지함을알수있었다. 상기와같이진동막과회전막을중심으로여러종류의실험은약 1개월 에걸쳐실시한후약 2 개월동안은회전막분리(Rotating Membrane System ; ) 에의한 Lab. Test 를실시하였다. 실시한막종류는 CA와 PES를하였으나둘다양호한수질과막의오염 은없었으나 Flux면에서 PES가 30% 이상증가함을알수있었다. 시험에적용한 Membrane 사양은다음과같다. 막형태 Flat Sheet ( 평판 ) Flat Sheet ( 평판 ) 재질 유량 ( l / m2ㆍ h) Cellulose 200~300 Polyester Sulfone (PES) 300~600 MWCO (Nominal) 100 KDa 100 KDa Test Conditims : 3 bar, 20, Stirred Cell(700 rpm) 3.2 역삼투막분리공정 (RO Block) - 361 -
과 역삼투막의선정에있어서막의오염에관계되는주요인자등을그림 6과같이최대한으로많은인자들을파악하였으며이를토대로표 1 같이침출수성상과관련된막을조사하였다. 액성상표면특성전기이중층유동전위전기영동속도 친 소수성 하전성 분자간력수소결합정전기결합 부착 흡착 응집체 수송 입자경 / 세공경 농도분극 Scale 생성 Gel 층형성 유동상태 전단력 부착력 Cake 축척 < 1 μm < 1 μm 내부 Fouling 외부 Fouling Cake 구조 그림 6. 막의오염에관계되는주요인자관련도 표 1. 침출수성상에관련한적용가능막 - 362 -
침출수에함유된성분 이온저분자고분자현탁물질 SS 투과측으로 이동되는 물 확산투석 (DD) 전기투석 (ED) 역삼투 (RO) 이온 - 저분자 확산투석전기투석 Loose RO UF Loose RO (NF) RO Loose RO UF Loose RO UF UF Loose RO Loose RO UF, MF NF UF, MF MF UF MF UF MF UF 성분 고분자 MF, Uf MF UF 특히, 침출수에함유된다양한오염물질에대하여막소재에대한내열성 및내약품성등표 2와같이고려하였고막의종류의선정절차는당사 의수십년간의용수및폐수재이용분야의경험적지식을토대로표 3 과같이시판되고있는막중에서본침출수재이용시험을위해선정하여 실시하였다. 선정한 Spiral Wound Type( 나권형) 막등에대하여본실험을위하여 Flat Sheet 를외국업체로부터일괄구입하여실시하였으며, 국내제품들 은시중에서구입한 SW 을절단하여사용을하였다. 4. 기술의개발된내용그동안막분리기술의발전은국외뿐만아니라국내에서도짧은기간에다방면에적용이되고있으나국내의적용에있어서만족할만한 - 363 -
표 2. 막소재별내열성, 내약품성 사용조건ㆍ약제 초산세룰로스 폴리아마이드 폴리슐폰 P E S 질산셀룰로스 재셍셀룰로스 P A N P P 폴리불화비닐리덴 폴리불화에틸렌 PVA 폴리카보네이트 폴리이미드 폴리에스테르 ph 3~8 2~10 1~13 1~13-1~12 2~11 1~14 1~14 1~14 1~14-2~8 4~9 산환온도 ( ) 35~40 40~50 60~90 95 130 60~ 180 40 40~79 80 130 60 79 40~5 0 70 유리염소 1000 ppm 200 ppm - 1000 ppm 100 ppm - 100 ppm - 100 ppm 과산화수소 1000 ppm - 1000 ppm 10% 30% - - 30% - 30% - 30% - 5% 염산 5N cone 6N 30% 6N 6N 6N cone cone 6N cone (2% ) 6N 30% 질산 25% 황산 초산 빙초산 6N 6N 6N 6N 25% 빙초산 6N 20% 6N 20% 20% 10% 빙초산 6N 6N 10% 빙초산 ph 2~11의사이에서는산ㆍ알카리모두양호 6N cone 6N cone 10% 빙초산 cone cone 5% 빙초산 6N cone 6N cone 빙초산 (0.5% ) (5% ) 10% 6N cone - 10% 6N cone 10% 빙초산 30% - 20% 인산 25% 50% - 25% cone 25% cone - - 10% 수산화나트륨 5% 32% IN 1% 6N 10% 6N 6N ph14 6N cone 6N 5% 포르말린 1% 35% 40% 5% 35% 35% 37% - - 35% - 10% - 35% 페놀 10% - - - 5% 5% 1% - 메탄올 에탄올 이소프로필알콜 - 아세톤 메틸에틸케톤 - 364 -
표 3. 예비실험에적용된막종류 No. 막종류 Model No. 제조회사 시험결과 1 ESPA Composite Polyamide 미국 Hydranautics Bad 2 DS-3SE Thin Film Composite 미국 Desal Good 3 X -20 Polyamide Urea 미국 Trisep Good 4 BW-30 Thin Film Composite 미국 Filmtec Poor 5 SN Polyamide 국내회사 Poor 6 CAB 3 Cellulose Acetate 미국 Hydranautics Good 7 DS-CA-CD CTA/ Diacetate blend 미국 Desal Best 성능을유지관리하는데적잖은애로가많으며, 이러한문제들을해결 하기위하여본침출수재이용시험에서는다음과같은기술을개발하 였다 1) 전처리(Pretreatment) ; 회전막분리(Rotating Membrane System: ) 2) 역삼투막분리 (Reverse Osmosis) factor) ; Concentration Factor 증가 (Increasing the concentration 3) 폴리싱(Polishing) ; Polishing RO 및 EDI(Electrodeioniztion) 4.1 RO 그림 시스템설계 7 과같이침출수처리를위한시스템을설계하여모형시험(Pilot - 365 -
Test) 을실시하였다. 침출수 ( 생물학적처리후또는원침출수 ) 균등조 S C R E E N 회전막분리 ( R MS ) < 5% 전처리수조 1 차역삼투막분리 < 15% 농축수 2 차역삼투막분리 1 차재이용수조 조경및세륜용수 < 5% 폴리싱역삼투막분리 전기적탈이온화장치 < 2% 멤브레인콘택터 중공사한외여과막분리 < 5% 발전용수 ( D e i o n i z e d Wa t e r ) 매립지살포또는원침출수조 - 366 -
그림 7. 침출수의재이용처리계통도 5. 처리공정 가. 처리량 : 100 m³/ 일 나. 처리시설구성도( 흐름도) 매립지침출수재이용을위한종합계획도 (Master Plan of Leachate Recycling System) 침출수 (Leachate) A 스케일방지제 ph 조정 3 개회사공동집수조 이송펌프 500 μm스크린 회전막분리장치 (Rotating Membrane System) 전처리수조 (Pretreated Water Tank) Safety filter Conce nt r at e Wat e r 고압펌프 Re circulation 1 차 RO UNIT P e rmeat e Wat e r ( 세륜, 조경용수 ) 2 차 RO UNIT 고압펌프 Cushion T ank (1 m3 ) Polishing RO EDI or MBD Membrane Contactor UF Module DI Water ( 발전용수 ) Re cycle d Wat e r T an k A - 367 -
6. 처리성능및경제성가. 처리성능 침출수 전처리 ( 후 ) 1 차 RO 2 차 RO Polishing RO EDI ph 8.3 8.3 6.5 6.5 N/A N/A COD, mg/ l 500 ~1,300 400~1,10 0 < 50 Max. < 2 N/A N/A SS, mg/ l TDS, mg/ l 100 ~6,000 9,000 ~22,000 < 5 ND ND ND N/A 8,500 <500 <2.000 < 50 ~21,000 Max. 0.05 ~0.00 3 운전조건 1 차 RO 2 차 RO Polishing RO EDI 압력, Bar 1~1.3 15~35 10~25 10 3~5 회수율, % >95 >85 > 90 ( 농축수는순환) > 95 > 99 나. 경제성 설치비 - : 3억원 - 1차 RO : 7천만원 - 2차 RO : 8천만원 - 전기, 계장 : 5천만원 - 368 -
--------------------- Total : 약 5 억원 운전비용 구분용량 내용 100 톤/ 일 비고 Test 기간내내 24시간가동 설치비 5억원실제적용시는저감 전력사용량 0.07 kwh/ m3 45원kWh/ m3 Chemical 사용 108.7 원/ m3 RO 전처리및 관련 운영비 Cartridge (10 μm ) Membrane 교체비 7.2 원/ m3 Safety 용 : 27.4 원/ m3 1차 RO : 218.7 원/ m3 2차 RO : 102.2 원/ m3 ----------------- 소계 : 348.3 원 / m3 실제적용시는막의 엄격한설계를할경우 저감이예상됨. 합계 467.35 원 / m3 7. 적용실적 소재지및시설명 용량 발주처 설치년도 수도권매립지 ( 침출수재이용장치) 100 톤/ 일 수도권매립지관리공사 10/1/ 02 ~ 4/30/ 03 8. 결론 8.1 수도권매립지의침출수는복잡다양한오염물질이함유되어있어충분 - 369 -
한성상파악과분석, Lab. Test 요구된다. 등의막분리에대한전문적인지식이 8.2 침출수가점성, 유기성물질( 휘발성포함), 높은염분을함유하고있는 만큼전처리의기술개발이중요하며회전막분리기술은막의오염을 최소화할수있어화학적인세정이거의필요하지않았다. 8.3 침출수의성상을고려해볼때염농도 20,000~25,000 mg/ l 기준에 서회수율은나권형 RO막기준으로는 70~75% 전후가경제적이었으 며회수율을 80% 이상으로증가를위해서는고압펌프와농축수압력 회수등의장치를하여야되며이는비경제적이라사료된다. 8.4 농축액은증발이나건조를고려할수있으나기존매립지로살포하는것이바람직할것으로생각된다. ( 원침출수가아닌생물학적처리후침출수를대상으로재이용시스템을구성시는농축액을원침출수공정으로보내는것도검토할수있을것이다.) 8.5 침출수에막분리를이용하여재이용을하는것에대하여그동안부 정적인시각도많았지만이는전처리에대한확실한기술개발이없었 으며, 또한막의선정에있어서전문성이문제였다. 본모형시험을통해서 RO막분리기술의적용에있어회전막분리를전 처리로사용하므로막의오염이거의발생되지않았으며이에따라 막의화학적세정을거의하지않으므로막의가수분해등의노화를 예방하여막의수명이길어지는경제적인효과가예상된다. 8.6 선진국에서침출수에대한막분리적용공법사례를국내에그대로도입한다면, 이번수도권매립지에서외국의침출수관련전문회사와같이공개적인모형시험에서미국및독일공법의빈번한화학세정과유입침출수성상변동으로가동에영향을주었다. RO막분리적용을위해서는회전막분리와같은전처리가완벽하게구 - 370 -
성이되어야침출수와같이고농도, 고점성액체에해당막분리기술의성공여부가좌우됨을알수있었다. 8.7 침출수에대하여보다완벽한막분리시스템을구축하기위해서는 유입침출수의성상을수시로분석을하여야할것이며계절에따른 염농도의심한변동에대하여고압펌프의자동적인회전수(rpm) 조정 과수온등의변수도고려하여야하며, 휘발성물질의제거를위하여 투과수를탈기를하면 TDS 가감소하는영향이있었다. 8.8 침출수의재이용을위한모형시험에서막분리기술의적용에있어서 회적막분리와같은완벽한전처리를할경우그동안부정시하던 나권형막도안정적으로운영을할수있었으며특히회적막분리와같 은첨단막분리를고농도, 고점성의축산폐수, 하수, 오수, 그리고해 수담수화의전처리나각종수처리등에적용을한다면막분리를보 다경제적인시스템으로개발이가능할것이라는확신을얻었다. 9. 회사소개및연혁 9.1 회사현황 - 설립일자 : 1991 년( 자본증자등으로 2000 년재설립) - 대표자 : 홍경희 - 소재지 : 경기도광주시실촌면열미리 510-1번지 - 업종 : 제조, 건설 - 주요생산품 : 수질오염방지시설업, 해수담수화, 초순수, 폐수재이용, 청정생산기술등 - 자본금 : 5 억원( 무형자산 29 억원, 유형자산 14억 8 천만원) - 종업원수 : 18명 9.2 회사소개사후처리기술이아닌청정기술분야의독자개발을통하여실용화하여오고있으며특히폐수재이용은국내최다의실적보유와해수담수화는 - 371 -
국내최대용량실적그리고초순수제조기술등을 Turnkey base 로성공적으로수행하고있다. 100% 자체기술로서, 또, 막분리기술분야는국내에서는가장앞서가는기업으로자부하며 이분야에발명특허 5건과실용신안특허 4건등을보유하고있는환경 분야벤처기업으로현재금년 있다. 3월부터는중국시장을진출을추진하고 9.3 주요연혁 1984. 11 1991. 11 수화엔지니어링설립 아주환경주식회사로법인전환 1992. 01 수질오염방지시설업등록 ( 한강환경관리청) 1995. 05 1996. 06 세계최초로반도체폐수를통한초순수화기술개발성공 갑류무역업면허 1996. 12 국내최초로해수담수화최대용량(1500 m3/d) 1997. 04 1997. 12 경기도광주시소재공장매입 국내최초로반도체폐수재이용및초순수제조시설공사 단독수주(45 억원규모) 1998. 10 축산, 분뇨및오수정화시공업면허취득 1999. 08 ISO 9001 인증 ( 중소기업인증센타) 2000. 04 벤처기업지정 ( 중소기업청) 2000. 10 자본금 5억원으로증액및사업소재지서울에서 경기도광주로변경신고 2000. 12 환경ㆍ생명연구소설립 2001. 01 발명특허 9 여건보유및신사업추진 ( 액체막분리등) 8.4 산업재산권 1 2 3 4 오수의중수도화장치 ( 발명특허 088173) 실리콘웨이퍼폐수의재이용장치 중금속회수장치 ( 실용신안 089697) 반도체제품용도금폐수처리장치 5 관형금속여과막을이용한폐수처리장치 ( 실용신안 124499) ( 발명특허 085243) ( 실용신안 120188) - 372 -
6 회전및진동을이용한원형막분리장치 ( 발명특허 187472) 7 바닷물및고농도의염분을함유한물의용수및식수화 8 9 장치( 발명특허 0221225) 초순수제조방법 ( 발명특허 0314714) 산업폐수처리방법 ( 발명특허 0347864 호) 10 막분리를이용한상수도처리방법 ( 발명특허출원중) - 373 -