In this study, a pilot-scale (3 m3/day) membrane distillation (MD) process was operated to treat digestate produced from anaerobic digestion of livestock wastewater. In order to evaluate the performance and energy cost of MD process, it was compared with the pilot scale (10 m3/day) reverse osmosis (RO) process, expected competitive process, under same feed condition. As results, MD process shows stable permeate flux (average 10.1 L/m2/hr) until 150 hours, whereas permeate flux of RO process was decreased from 5.3 to 1.5 L/m2/hr within 24 hours. In the case of removal of COD, TN, and TP, MD process shows a high removal rate (98.7, 93.7, and 99% respectively) stably until 150 hours. However, in the case of RO process, removal rate was decreased from 91.6 to 69.5% in COD and from 93.7 to 76.0% in TP during 100 hours of operation. Removal rate of TN in RO process was fluctuated in the range of 34.5-62.9% (average 44.6%) during the operation. As a result of energy cost analysis, MD process using waste heat for heating the feed shows 18% lower cost compare with RO process. Thus, overall efficiency of the MD process is higher then that of the RO process in terms of permeate flux, removal rate of salts, and operating cost (in the case of using waste heat) in treating the anaerobic digestate of livestock wastewater.

2018년 환경부에서 발표된 수도정비기본계획에 따라 다양한 수자원 활용의 중요성이 증가하고 있으며, 여러 수원 을 혼합하여 원수 또는 생산수로 활용하는 워터 블렌딩 방식은 미국, 호주를 비롯한 여러 나라에서 시도되고 있다. 본 연구에 서는 공업용수 공급 목적으로 100,000 m3/일 규모 해수담수화 사업이 추진되고 있는 충남 대산 지역을 대상으로, 해수와 호 소수, 침전수, 폐수 방류수 등 타 수원을 블렌딩할 때 수종 및 혼합비율에 따른 영향을 분석하였다. 타 수원 혼합비율 10~50% 조건에서 혼합수 염분농도는 약 50%까지 감소하였지만, 탁질 및 유기물 농도는 1.6~2.0배 수준으로 증가하는 것을 확인하였 다. 실험실 규모 역삼투 공정 성능평가 결과, 해수의 단독활용 대비 원수 혼합 시 막오염 경향이 증가하였으며 혼합비율 10~50%에서 평균 4.1배의 플럭스 저감률을 나타내었다. 성능모사를 통한 역삼투 공정 성능분석에 따르면 혼합비율 50% 조 건에서 역삼투 공정 에너지 사용량이 평균 39% 절감될 수 있을 것으로 기대되나, 운영비용 등 혼합수 활용에 대한 전반적인 영향분석을 위해서는 모형플랜트 규모에서 장기간 성능평가가 필요하다.

In this study, a MWCNT(multi-wall carbon nanotube) was added to polysulfone(PSf) support layer to improve flux of TFC(thin film composite) RO(reverse osmosis) membrane. Two different kinds of MWCNT were used. Surfaces of some MWCNTs were modified hydrophilically through acid treatment, while those of other MWCNTs were modified through heat treatment to maintain their hydrophobicity. MWCNT/PSf support layer was prepared by adding PSf to the NMP mixed solvent containing 0.1 wt% MWCNTs using a phase inversion method. The surface porosity of the MWCNT/PSf support increased by 42~46% while its surface pore size being maintained. The TFC RO membrane made of MWCNT/PSf support layer showed a 20% flux increase while its salt rejection characteristics is sustained. In addition, the MWCNT/PSf support layer has better mechanical stability than the PSf support layer, there resulting in an increased resistance of flux reduction due to physical pressure.

Pretreatment system of desalination process using seawater reverse osmosis(SWRO) membrane is the most critical step in order to prevent membrane fouling. One of the methods is coagulation-UF membrane process. Coagulation-UF membrane systems have been shown to be very efficient in removing turbidity and non-soluble and colloidal organics contained in the source water for SWRO pretreatment. Ferric salt coagulants are commonly applied in coagulation-UF process for pretreatment of SWRO process. But aluminum salts have not been applied in coagulation-UF pretreatment of SWRO process due to the SWRO membrane fouling by residual aluminum. This study was carried out to see the effect of residual matal salt on SWRO membrane followed by coagulation-UF pretreatment process. Experimental results showed that increased residual aluminum salts by coagulation-UF pretreatment process by using alum lead to the decreased SWRO membrane salt rejection and flux. As the salt rejection and flux of SWRO membrane decreased, the concentration of silica and residual aluminum decreased. However, when adjusting coagulation pH for coagulation-UF pretreatment process, the residual aluminum salt concentration was decreased and SWRO membrane flux was increased.

기후변화로 인해 가속화되고 있는 충남 지역 가뭄현상에 대응하고 대산 임해산업단지의 증가하는 용수 수요를 만족하기 위해서, K-water에서는 100,000 m3/일 규모 역삼투 해수담수플랜트 건설 사업을 추진하고 있다. 이에 본 연구에서는 해수담수플랜트 운영비용의 70% 이상을 담당하는 역삼투 공정 성능에 영향을 미치는 주요 인자에 대한 성능 분석을 수행하였다. 대산 지역 해수 염분농도 및 수온 변화 조건에서 RO 공정의 전력소모는 2.39 ± 0.13 kWh/m3로 나타났으며, 막여과유속과 회수율이 낮을수록 전력소모가 절감되어 연간 운영비용이 감소하였다. 주요 막 제조사별 고유량 막의 성능 비교 결과, 전량 2단 여과공정(full two pass) 기준 생산수 TDS는 평균 3.84 mg/L로 양호하였고, 전력소모는 2.22 ± 0.13 kWh/m3 수준으로 확인되었다. 역삼투 공정 구성을 전량 2단 여과방식에서 partial 또는 split partial 방식으로 변경함에 따라 전력소모는 최대 0.29 kWh/m3, 막모듈 설치비용은 최대 15.6% 절감 가능할 것으로 기대된다.

본 연구는 분리막 성능 저하로 기능을 상실한 역삼투막의 힐링을 통한 복원의 가능성을 알아보고자 하는 데에 목적이 있다. 손상된 막은 양이온고분자인 poly(styrene sulfonic acid) sodium salt (PSSA)와 음이온고분자인 polyethyleneimine (PEI)를 염석법을 이용하여 이중으로 코팅했으며 또한 소재의 순서를 바꿔 코팅을 수행했다. 그리고 농도, 시간, 이온세기 등 에 따라 코팅된 역삼투막의 투과도와 배제율을 측정하여 손상된 막으로부터 복원된 정도를 알아보았다. 또한 역삼투 평막에서 복원이 우수한 조건을 가정용 정수기 모듈에 적용하여 손상된 역삼투막 모듈에 또한 대하여 복원 가능성을 알아보았다. 이로부터 PEI 30,000 ppm (IS = 0.1)/PSSA 20,000 ppm (IS = 0.7) 코팅 조건에서 역삼투막 모듈에 적용했을 때 염 배제율은 69%에서 86% (손상 전 모듈의 경우 90%)까지 복원되었다.

본 연구에서는 하수처리유출수의 유기물 성상을 제어하기 위해 서로 다른 흡착제를 적용하여 역삼투막의 막오염 경향성을 관찰하였다. 실험실 규모에서 역삼투막 운전결과, 다중벽탄소나노튜브 (5%), 팽창흑연 (21%), 하수처리유출수(25%), 활성탄 (26%) 순서로 초기대비 투과수량이 감소하였다. 형성된 막오염 물질의 FEEM 분석결과, 활성탄의 경우 팽창흑연, 다중벽탄소나노튜브, 하수처리 유출수에 상대적으로 높은 미생물유래물질에 의한 막오염이 존재하였다. 더 나아가, 분자량 분석 결과를 통해 고분자 미생물유래물질(>15K Da)의 영향이 큰 것을 확인하였다. 결과적으로, 하수재이용공정에서 고분자 미생물유래물질이 역삼투막 효율저하의 주요한 역할을 하며, 이를 저감시키기 위한 방안마련이 필요하다고 판단되었다.

In this study, various physical cleaning methods such as physical washing and osmotic backwash, were performed to understand membrane fouling characteristics by employing real secondary wastewater effluent (SWWE). In addition, microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) pretreatments were compared to maximize removal of organic matter and to control membrane fouling efficiently. Organic foulants deposited on the active layer of FO membrane were observed by fouling behavior test. The relationship between concentrations of natural organic matter and membrane fouling was also investigated from the bench-scale FO tests. Finally, by quantitative analysis of correlations between foulants and fouling reversibility with the modified fouling index (MFI), we identified the applicability of MFI in predicting FO intake water fouling potential.

Recently, many efforts to enhance separation performance of the reverse osmosis (RO) membranes have been made. Among them, the post treatment with organic solvent, so called solvent activation, has been recognized as an effective method to improve membrane performance. However, solvent activation enhances water flux along with the loss of NaCl rejection. Furthermore, there have been no clear mechanisms and reliable criteria of the solvent activation effects. In this study, we demonstrate that a new type of organic solvent, benzyl alcohol, can effectively activate the RO membrane to significantly enhance water permeation without deteriorating NaCl. Based on this results, we elucidate the underlying solvent activation mechanism and propose a reliable indicator of the solvent activation effect.

본 연구에서는 향후 역삼투식 해수담수화 기술의 에너지 효율을 개선하기 위한 3가지 방법을 제안한다. 그리고 제안된 방법이 적용되었을 때, 이론적인 최대 에너지 소모량 감소를 엑서지 분석을 통해 산출하고 현재 개발되고 있는 기술을 분석해서 실질적으로 각 방법에서 에너지 소모량이 얼마나 감소될 수 있는지를 비교하고 분석한다. 이러한 논의를 통해서 향후 역삼투 공정의 에너지 소모량이 얼마나 더 감소할 수 있을지에 대한 가능성을 평가할 수 있고 나아가서 역삼투 해수담수화 플랜트의 에너지 소모량을 낮추는 명확한 아이디어를 제공할 수 있다.

본 연구는 역삼투 해수담수화 플랜트의 실 데이터 분석을 통해 에너지 소모를 줄이는 방안을 제안한다. 이를 위해 10,000m3/d 이상의 플랜트를 대상으로 70여개의 데이터를 수집하고 분석하였다. 역삼투 해수담수화 플랜트의 에너지 소모는 에너지회수장치 발전으로 인해 크게 감소하였으나 각 요인에 따라 다른 값을 보였다. 에너지 소모는 유입수 수질에 영향을 받고, 높은 수질의 생산수를 얻기 위해선 더 많은 에너지가 소모됨을 확인하였다. 또한, 플랜트 규모가 커지면 에너지 소모가 줄어든다고 알려져 있으나 반드시 그런 것은 아니며, 역삼투시스템 운영 시 에너지 소모가 최소가 되는 회수율이 있음을 알아냈다. 마지막으로 에너지 소모와 관련된 요인을 정리하고 이를 바탕으로 저에너지 소모를 위한 3가지 방안을 제시한다.