Silt Density Index (SDI) standardization on membrane materials in wastewater reuse using Reverse Osmosis (RO) process

Abstract

물 부족 현상이 심화되고 물 사용량이 증가함에 따라 지속적이며 친환경적인 대체 수자원 개발의 필요성이 커지고 있다. 이러한 대체 수자원 개발을 위해 하수 재이용 이 많이 사용되고 있다. 하수처리장의 방류수는 갈수기에도 안정적인 유량을 확보할 수 있다는 이점과 고도처리시설 도입에 따라 양질의 처리수가 연중 방류되기 때문에 적절히 활용하면 대체 수자원으로 그 가치가 크다는 장점이 있다. Silt density index (SDI)는 역삼투막 (RO)의 막오염을 예측하고 줄이기 위해 가장 널리 쓰이는 막오염 인자이다. 공극 크기 0.45 μm 막을 사용하는 SDI는 0.45 μm 이 하의 물질을 정확히 예측하지 못하지만, 측정이 상대적으로 간편하고 측정 시간이 짧 아 현장에서 가장 많이 사용되고 있다. 2007년에 미국재료시험협회 (ASTM)에서 SDI 기준 막으로 셀룰로스 니트레이트 와 셀룰로스 아세테이트를 합성한 MCE 막을 선정하였다. 이 재질이 선정된 이유는 MCE 막이 모래와 같은 단단한 입자보다 콜로이드 물질에 의한 파울링에 더 취약하 기 때문에 RO 공정의 파울링을 잘 예측할 수 있기 때문인데, 이것은 유입수의 특성 을 전혀 고려하지 않은 선정 이유이다. 예를 들면 해수담수화와 하수재이용에서 같은 재질의 막을 사용해 SDI 값을 측정하고 있음에도 불구하고, 원수 특성에 관계없이 절 대적인 지수로 사용되고 있어 그 실효성이 문제시되어 왔다. 이에 따라 SDI와 유기 막오염 사이의 반응 특성 연구가 필요하며, 유기 막오염을 가장 신뢰도 있게 예측할 수 있는 막 재질에 대한 연구가 필요하다고 판단하여 연구를 진행하였다. 이에 따라, 본 연구에서는 더 신뢰도 있는 유기 막오염 예측을 위해 mixed cellulose nitrate and cellulose acetate (MCE), cellulose nitrate (CN), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polycarbonate (PC)의 5가지 다른 재질의 막을 연구하였다. 막 성상과 막오염 분석 결과, 막 표면 전하와 거칠기는 유기 막오염 형성에 중요한 영향을 미치는 요소였다. SDI 시험을 완료한 막에 생성된 유기 막오염 성상을 실제 RO공정에 사용된 막에 발생한 막오염과 비교하였다. 총 유 기탄소 (TOC)로 측정한 유기 막오염 정량 분석 결과, MCE, CN, PVDF, PC, PTFE 막 은 각각 6.01 ± 0.03, 6.30 ± 0.14, 10.27 ± 0.10, 2.26 ± 0.12, and 3.08 ± 0.06 mg/L 의 결과를 보였다. 대상 원수를 고려한 막 재질 선정 필요성에 따라, 실제 하수방류수 와 인공 원수 실험에서 모두, RO공정에 쓰이는 PA-TFC 막의 유기 막오염과 가장 비 슷한 성상을 보였던 막은 PC막이었기 때문에, RO공정의 유기 막오염을 가장 잘 예측 할 수 있는 막은 PC 막이라고 판단된다. 하수 재이용 시, RO 공정에는 PC 막을 사용하는 것이 적합한 전처리를 더 신뢰 성 있게 결정할 수 있어 RO 공정을 더 오래, 최적의 상태로 사용이 가능할 것이며, 이에 따라 PC 막에 대한 새로운 SDI 수치 기준이 필요하다고 여겨진다. MCE 등 다 른 막을 사용하게 되면 실제 발생하는 막오염보다 심한 막오염이 예측되어 그것을 기 준으로 전처리 설계를 하면 과다 설계가 될 가능성이 있다. 따라서, 현재 ASTM 기준 막인 MCE막을 하수재이용 시 더 효과적으로 사용하기 위해서는 Humic 계열의 오염 물질을 전처리 과정에서 잘 제거하고 사용하는 것이 MCE막을 이용하여 RO공정의 막오염을 더 잘 예측할 수 있을 것으로 판단된다.|In recent decades, human community is finding new paradigms for new water supply. Municipal wastewater effluent is one of the most easily available alternative sources. Reverse osmosis (RO) has been adopted an important role in recycling municipal wastewater effluent. Silt density index (SDI) is the most widely used index to assess and reduce RO fouling by predicting fouling potential. However, it is not possible to accurately predict fouling, specifically, organic fouling. Because SDI use membrane with mean pore size of 0.45 μm without considering the characteristics of feed water. In this study, we analyzed five different materials of membranes such as mixed cellulose nitrate and cellulose acetate (MCE), cellulose nitrate (CN), polyvinylidene fluoride (PVDF), polycarbonate (PC), and polytetrafluoroethylene (PTFE) for SDI test and to analyze the characteristics of organic fouling. The properties of organic fouling on the membranes for SDI measurement were contrasted with those on the polyamide thin-film composite (PA-TFC) membrane for RO process. The potential of organic fouling was associated with membrane surface properties such as roughness and zeta potential. The quantitative values of organic fouling were formed in the order of the PVDF, CN, MCE, and PTFE membrane. In liquid chromatography–organic carbon detection (LC-OCD) results, the MCE membrane (ASTM standard) was the most effective material in predicting building block. In order to use the MCE membrane effectively for municipal wastewater reuse, it is important to remove the HS well in the pre-treatment process. The PC membrane showed matching results in the organic fouling composition on RO membrane, it can excellently predict the fouling on membrane for RO process. Hence, for making SDI a reliable parameter in reuse of municipal wastewater, there is a necessity for standardization of SDI value on PC membrane. The use of PC membrane is most suitable for the maintenance of the RO process, and when other membranes such as MCE are used, predicted fouling can be more severe than the actual fouling; therefore, based on these results, pre-treatment can be overdesigned causing cost overrun.