KR101872109B1 - 막오염 예측방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 막오염 예측방법은 시간에 따른 원수 수질인자와 막간차압(TMP)으로부터 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)를 구하는 단계, 상기 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)로부터 막간차압 예측식을 도출하는 단계 및 상기 예측식으로부터 막오염 또는 약품세척주기를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

막오염 예측방법{METHOD FOR PREDICTING FOULING}
본 발명은 막오염 예측방법에 관한 것이다.
산업의 발전, 인구증가로 효율적인 물 사용과 처리 기술에 관심이 높아지고 있다. 막여과 공정은 부지 이용률이 낮고, 바이러스 등의 유해물질 제거율이 높아, 최근 고도 수처리 공정으로 적용성이 증가하고 있다.
최근 막여과 공정의 회수율을 개선시키는 연구가 계속되고 있으며, 1차 막여과 공정으로부터 발생되는 원수를 2차 막여과 공정으로 다시 처리하여 생산수량을 늘리거나, 원수를 직접 원수로 사용하는 방법을 적용하고 있다.
그러나, 오염물질의 농도가 높아진 원수에 의해 막오염도가 급격히 증가하는 문제가 있다. 막오염 정도의 확인을 위해, 수처리 시스템 가동을 정지하는 것은 시간 및 비용 등의 면에서 손해가 크다.
이에, 적절한 시기에 세정을 하기 위해 막오염 정도를 정확하게 예측할 수 있는 예측방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 막오염 정도를 정확하게 예측할 수 있는 막오염 예측방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 세정 주기를 판단할 수 있는 막오염 예측방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점은 막오염 예측방법에 관한 것이다.
일 구체예에서, 상기 막오염 예측방법은 시간에 따른 원수 수질인자와 막간차압(TMP)으로부터 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)를 구하는 단계, 상기 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)로부터 막간차압 예측식을 도출하는 단계 및 상기 예측식으로부터 막오염 또는 약품세척주기를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 원수 수질인자는 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD), 부유물질 농도(suspended solids, SS) 또는 총용존고형물(total dissolved solids, TDS)일 수 있다.
상기 원수는 제1 막여과공정에서 발생되는 농축수 또는 역세 배출수일 수 있다.
상기 막간차압 예측식은 하기 식 1일 수 있다.
[식 1]
TMPt = TMP0 × ekt
(상기 식 1에서 는 예측 막간차압, 는 초기 막간차압, k는 막간차압 속도상수, t는 시간(단위: 일)임).
상기 막간차압 예측식은 실측값과 상관관계(R2)가 0.8 이상일 수 있다.
상기 초기 막간차압 값(TMP0)은 시간에 따른 원수 수질인자와 막간차압(TMP)의 분포로부터 하기 식 2로 결정할 수 있다.
[식 2]
TMP0 = a×ln(c)+b
(상기 식 2에서, TMP0는 초기 막간차압, a 및 b는 상관계수, c는 수질인자 값이며, 상기 식 2는 상기 원수 수질인자 및 초기 막간차압과의 상관관계(R2)가 0.90 이상임).
상기 막간차압 속도상수(k)는 시간에 따른 막간차압(TMP) 분포로부터 하기 식 3으로 결정할 수 있다.
[식 3]
TMP = d×ekt
(상기 식 3에서, TMP는 원수 수질인자, d는 상관계수, k는 막간차압 속도상수, t는 시간(단위: 일)이며, 상기 식 3은 상기 막간차압 분포와 상관관계(R2)가 0.90 이상임).
본 발명은 막오염 정도를 정확하게 예측할 수 있고, 세정 주기를 판단할 수 있는 막오염 예측방법을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 막간차압과 원수의 수질인자들을 측정하고 그래프로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 측정된 화학적 산소 요구량과 막간차압의 분포와, 이로부터 도출된 초기 막간차압(TMP0) 식의 그래프를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명 실시예에서 막간차압 분포로부터 k 값을 도출하는 과정을 간단히 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 실측 막간차압과, 예측식을 그래프로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2의 실측 막간차압과, 예측식을 그래프로 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
또한, 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 범위를 나타내는 'X 내지 Y'는 'X 이상 Y 이하'를 의미한다.
본 명세서에서 '상관관계(R2)'는 회귀분석으로 변수간에 상관성을 측정한 것으로써, 값이 높을수록 예측값의 신뢰도가 증가한다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 수질인자의 수치(또는 값)은 초기 수질인자 수치(또는 값)에 대한 측정 시의 수질인자 수치(또는 값)일 수 있다. (측정 시 수질인자 수치/초기 수질인자 수치)
막오염 예측방법
본 발명의 일 구체예에 따른 막오염 예측방법은 시간에 따른 원수 수질인자와 막간차압(TMP)으로부터 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)를 구하는 단계, 상기 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)로부터 막간차압 예측식을 도출하는 단계 및 상기 예측식으로부터 막오염 또는 약품세척주기를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 막오염 예측방법에서는 막간차압(TMP)과 상관관계(R2)가 높은 수질인자로부터 초기 막간차압 값(TMP0)을 결정하고, 시간에 따른 막간차압 분포로부터 속도상수(k)를 결정할 수 있다.
구체예에서, 예측식의 신뢰도를 높이기 위해, 시간에 따른 막간차압(TMP)의 변화와 상관관계(R2)가 높은 수질인자를 선택할 수 있다. 상관관계(R2)가 가장 높은 수질인자는 막여과 공정의 환경 및 규모 등에 따라 달라질 수 있으며, 파일럿 테스트를 수행하여 상관관계(R2)가 가장 높은 수질인자를 선택하여 초기 막간차압(TMP0)을 결정하고, 시간에 따른 막간차압 분포로부터 속도상수(k)를 결정할 수 있다.
상기 수질인자로는 예를 들어, 화학적 산소 요구량(COD), 부유물질 농도(suspended solids, SS) 또는 총용존고형물(total dissolved solids, TDS)를 적용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 원수는 제1 막여과공정에서 발생되는 농축수 또는 역세 배출수일 수 있다. 상기 원수를 제1 막여과공정에서 발생되는 농축수 또는 역세 배출수로 적용하는 경우, 제1 막여과공정 또는 역세 공정에서 결정된 상관관계(R2)가 높은 수질인자, 초기 막간차압 값(TMP0) 및 막간차압 속도상수(k)를 결정할 수 있어, 별도의 파일럿 테스트를 수행하지 않아도 되는 장점이 있다.
상기 파일럿 테스트, 제1 막여과공정 또는 역세 공정에서 결정된 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)로부터 하기 식 1의 막간차압 예측식을 도출할 수 있다.
[식 1]
TMPt = TMP0 × ekt
(상기 식 1에서 는 예측 막간차압, 는 초기 막간차압, k는 막간차압 속도상수, t는 시간(단위: 일)임).
상기 막간차압 예측식은 실측값과 상관관계(R2)가 0.8 이상, 구체적으로 0.82 이상일 수 있다. 상기 상관관계(R2) 범위에서, 상기 막간차압 예측식은 신뢰도가 높으며, 세정 주기를 정확히 예측할 수 있다.
상기 예측식으로부터 막오염 정도를 예측할 수 있고, 약품세척 시기 및 주기를 결정할 수 있다. 막간차압은 막의 전, 후의 압력차이를 의미하는 것으로써, 막오염 정도가 높을수록 막간차압은 증가한다. 구체적으로, 상기 예측식의 예측 막간차압은 막오염 정도의 예측값일 수 있으며, 이로부터 약품세척 시기 및 주기를 결정할 수 있다.
상기 약품세척 시기 및 주기는 막여과 공정의 환경 및 규모 등에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들어, 예측 막간차압(TMPt)가 1.0 kgf/cm2 이상인 경우 약품세척을 수행할 수 있다. 상기 예측 막간차압 범위에서, 막의 손상을 최소화하여 막여과 장치의 수명을 증가시킬 수 있으며, 약품세척 및 공정 중단에 의한 비용 증가도 막을 수 있다.
이하, 초기 막간차압 값(TMP0) 및 막간차압 속도상수(k)를 결정하는 방법을 보다 자세히 설명한다.
상기 초기 막간차압 값(TMP0)은 시간에 따른 원수 수질인자와 막간차압(TMP)의 분포로부터 하기 식 2로 결정할 수 있다.
[식 2]
TMP0 = a×ln(c)+b
(상기 식 2에서, TMP0는 초기 막간차압, a 및 b는 상관계수, c는 수질인자 값이며, 상기 식 2는 상기 원수 수질인자 및 초기 막간차압과의 상관관계(R2)가 0.90 이상임).
구체적으로, 파일럿 테스트, 제1 막여과 공정 또는 역세 공정에서 결정된 상관관계(R2)가 높은 수질인자와 막간차압의 분포(예: x축은 원수 수질인자, y축은 막간차압)로부터 상기 식 2에 의해 초기 막간차압(TMP0)과 원수 수질인자와의 관계를 식 2로 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 막간차압을 수질 인자 값에 따른 초기 막간차압으로 간주할 수 있다. 이 때, 상관계수 a 및 b는 상기 식 2와 원수 수질인자와 상관관계(R2)가 0.80 이상, 예를 들어 0.90 이상, 구체적으로 0.92 이상이 되도록, 더욱 구체적으로 최대가 되도록 결정한다.
상기 원수 수질인자 값 및 막간차압(TMP)의 분포는 정기적으로 측정한 값을 사용할 수 있고, 예를 들어 1일 내지 10일 사이의 간격으로 측정할 수 있다. 수질인자 값 표본이 많을수록, 수질인자 값 측정 기간이 길수록 예측식의 신뢰도는 증가할 수 있다. 구체적으로 상기 원수 수질인자 값 및 초기 막간차압 값(TMP0)은 1일 간격으로 10일 동안 측정한 수질인자 값 분포로부터 결정할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한편, 상기 막간차압 속도상수(k)는 시간에 따른 막간차압(TMP) 분포로부터 하기 식 3으로 결정할 수 있다.
[식 3]
TMP = d×ekt
(상기 식 3에서, TMP는 원수 수질인자, d는 상관계수, k는 막간차압 속도상수, t는 시간(단위: 일)이며, 상기 식 3은 상기 막간차압 분포와 상관관계(R2)가 0.90 이상임).
막간차압 속도상수(k)는 시간에 따른 막간차압(TMP) 분포(예: x축은 시간(일), y축은 막간차압)로부터 상기 식 3에 의해 결정할 수 있다. 구체예에서, 상기 식 3과 상기 막간차압 분포의 상관관계(R2)가 0.80 이상, 예를 들어, 0.90 이상, 구체적으로 0.92 이상, 더욱 구체적으로 상관관계가 최대가 되도록 상관계수 d 및 막간차압 속도상수 k를 결정할 수 있다.
막간차압 속도상수(k)를 결정하는 경우 상기 막간차압 분포는 정기적으로 측정한 값을 사용할 수 있고, 예를 들어 1일 내지 10일 사이의 간격으로 측정할 수 있다. 막간차압 값 표본이 많을수록, 막간차압 값 측정 기간이 길수록 예측식의 신뢰도는 증가할 수 있다. 구체적으로 상기 막간차압 속도상수(k)은 2일 내지 5일 간격으로 20일 내지 50일 동안 측정한 막간차압 분포로부터 결정할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 식 2에 의해 결정된 원수 수질인자에 따른 초기 막간차압 값(TMP0)과 상기 식 3에 의해 결정된 막간차압 속도상수(k)로부터 식 1의 막간차압 예측식을 산출할 수 있으며, 상기 예측식은 실측값과 상관관계(R2)가 0.8 이상, 구체적으로 0.82 이상일 수 있다.
예를 들어, 원수의 수질 인자를 측정하여, 초기 막간차압 값(TMP0)을 산출하고, 이를 결정된 막간차압 속도상수(k)와 함께 식 1의 예측식을 도출할 수 있으며, 이로부터 막간차압 또는 막의 오염 정도를 예측할 수 있다. 상기 막간차압은 막의 오염 정도를 반영할 수 있으며, 상기 막간차압 또는 막의 오염 정도로부터 약품세정 시기 또는 주기를 결정할 수 있다. 상기 약품세정 시기 또는 주기는 막여과 공정의 환경 및 규모 등에 따라 달리 적용할 수 있으나, 예를 들어, 예측 막간차압(TMPt)가 1.0 kgf/cm2 이상인 경우 약품세척을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
초기 막간차압 ( TMP 0 ) 및 막간차압 속도상수(k)
(1) 원수 수질인자 선택: 막간차압(TMP) 및 수질인자들(화학적 산소 요구량(COD), 부유물질 농도(SS) 및 총용존고형물(TDS))를 측정하는 파일럿 테스트를 수행하고, 그 결과를 도 1에 그래프로 도시하였다. (도 1의 y축은 TMP 및 COD의 수치만 기재하였음) 그 중 막간차압과 가장 상관관계가 높은 화학적 산소 요구량(COD)을 수질인자로 선택하였다. 상기 화학적 산소 요구량(COD)는 초기 COD 수치에 대한 측정 시의 COD 수치로 표시하였다. (측정 시 COD 값/초기 COD 값)
(2) 초기 막간차압(TMP0) 식의 결정: 파일럿 테스트로부터 얻은 10일 간의 막간차압(TMP, x축) 및 화학적 산소 요구량(COD, y축)의 분포(도 2 참고)로부터 상관계수 a 및 b 값을 산출하여 하기 초기 막간차압 식 2-1을 도출(도 2에 그래프로 도시함)하였으며, 이 때 상관관계(R2)는 0.9387이었다.
[식 2-1]
TMP0 = 0.1298×ln(c)+0.4177
(3) 막간차압 속도상수(k) 결정: 파일럿 테스트로부터 얻은 40일 간의 막간차압의 분포로부터 식 3의 d 및 k 값을 산출하였으며(도 3의 점선 참고), 이 때 상관관계는 0.9834이었다. (d=0.3028, k=0.0358)
따라서, 막간차압 속도상수(k)는 0.0358로 결정하였다.
실시예 1
상기 파일럿 테스트 후, 막간차압 예측식 도출시, 원수의 화학적 산소 요구량이 2.01 ppm으로 측정되어 하기 식 1-1의 막간차압 예측식을 도출하였다.
[식 1-1]
TMPt = (0.1298×ln(2.01)+0.4177)×e0.0358t (즉, TMPt = 0.5083×e0.0358t)
15일간 4번의 막간차압을 측정(상기 예측식 도출시, 3일후, 11일후, 15일후)하고, 막간차압의 분포를 상기 식 1-1과 함께 도 4에 도시하였다. 실측 막간차압 분포와 상기 식 1-1의 상관관계(R2)는 0.9135였다.
실시예 2
상기 파일럿 테스트 후, 실시예 1과 다른 시기에 막간차압 예측식 도출시, 원수의 화학적 산소 요구량이 7.81 ppm으로 측정되어 하기 식 1-2의 막간차압 예측식을 도출하였다.
[식 1-2]
TMPt = (0.1298×ln(7.81)+0.4177)×e0.0358t (즉, TMPt = 0.6844×e0.0358t)
15일간 5번의 막간차압을 측정(상기 예측식 도출시, 6일후, 10일후, 13일후, 15일후)하고, 막간차압의 분포를 상기 식 1-2와 함께 도 5에 도시하였다. 실측 막간차압 분포와 상기 식 1-2의 상관관계(R2)는 0.8244였다.
상기 실시예 1 및 2에서, 본 발명의 오염도 예측방법에 의해 산출된 예측식과 실측 막간차압 간의 상관관계는 모두 0.8 이상으로 신뢰도가 높은 것을 알 수 있으며, 이로부터 화학세척 시기 또는 주기를 결정할 수 있어 필요 이상의 화학세척으로 막이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 막여과 장치의 수명을 증가시킬 수 있으며, 약품 및 공정 중단에 의한 비용 증가도 막을 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (7)

  1. 파일럿 테스트를 수행하여 시간에 따른 원수의 막간차압(TMP) 변화와 상관관계(R2)가 가장 높은 수질인자를 선택하는 단계;
    상기 수질인자와 막간차압(TMP)으로부터 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)를 구하는 단계;
    상기 초기 막간차압 값(TMP0)과 막간차압 속도상수(k)로부터 막간차압 예측식을 도출하는 단계; 및
    상기 예측식으로부터 막오염 또는 약품세척주기를 결정하는 단계;
    를 포함하는 막오염 예측방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원수 수질인자는 화학적 산소 요구량(COD), 부유물질 농도(suspended solids, SS) 또는 총용존고형물(total dissolved solids, TDS)인 막오염 예측방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원수는 제1 막여과공정에서 발생되는 농축수 또는 역세 배출수인 것을 특징으로 하는 막오염 예측방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 막간차압 예측식은 하기 식 1인 막오염 예측방법:
    [식 1]
    TMPt = TMP0 × ekt
    (상기 식 1에서 TMPt는 예측 막간차압, TMP0는 초기 막간차압, k는 막간차압 속도상수, t는 시간(단위: 일)임).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 막간차압 예측식은 실측값과 상관관계(R2)가 0.8 이상인 막오염 예측방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초기 막간차압 값(TMP0)은 시간에 따른 원수 수질인자와 막간차압(TMP)의 분포로부터 하기 식 2로 결정하는 막오염 예측방법:
    [식 2]
    TMP0 = a×ln(c)+b
    (상기 식 2에서, TMP0는 초기 막간차압, a 및 b는 상관계수, c는 수질인자 값이며, 상기 식 2는 상기 원수 수질인자 및 초기 막간차압과의 상관관계(R2)가 0.90 이상임).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 막간차압 속도상수(k)는 시간에 따른 막간차압(TMP) 분포로부터 하기 식 3으로 결정하는 막오염 예측방법:
    [식 3]
    TMP = d×ekt
    (상기 식 3에서, TMP는 원수 수질인자, d는 상관계수, k는 막간차압 속도상수, t는 시간(단위: 일)이며, 상기 식 3은 상기 막간차압 분포와 상관관계(R2)가 0.90 이상임).

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