The interest in ultra- and microfiltration membrane has increased due to the extremely high water quality in respect to hygiene and microbiological safety, documented by a growing number of UF and MF membrane installations. Compared to conventional treatment processes, low-pressure membranes provide further advantages beside the advantages of the independence of the permeate from raw water quality and the supply of a complete barrier against microorganisms and particles. But in treating surface waters, ultrafiltration or microfiltration applied as a single unit process are inappropriate due to hydraulic reasons, which is the limited yield caused by membrane fouling. Therefore, new and more effective methods of water treatments are being investigated.
Coagulation and adsorption was applied for the pre-treatment of microfiltration of surface water to increase the contaminants removal and to decrease membrane fouling. Direct filtration of surface water without pretreatment showed both of poor removal of NOM less than 30% and high membrane fouling potential. PAC and GAC adsorption removed natural organic matter efficiently compared to the alum coagulation. Both of them removed the NOM having a molecular weight smaller than 1000 Dalton. In case of GAC adsorption, humic fraction which was not effectively removed by coagulation was preferentially removed.
The hybrid MF system composed of coagulation-sedimentation, membrane filtration, and GAC adsorption, removed total 96% and 88% of TOC and UVA, respectively. Especially large MW NOM (1 k ~ 10 k Da) was effectively controlled by the combination of microfiltration and GAC adsorption. For the economic operation of process, GAC column was selectively operated based on $UVA_254$ value with a set-point value of $0.035 cm^{-1}$, which value is equivalent to $50 \mu g/L$ of DBPFP. The selective operation of GAC column was effective in terms of process economy and effluent quality. Over than 33% of THMFP and HAAFP removal were enhanced by the intermittent operation of GAC column. This kind of process control can be used in the field application for the high effluent quality with the minimum operating cost.
The membrane fouling, which is a main drawback of membrane coupled process, was also studied based on various fouling analysis tools. In terms of coagulation pretreatment, increased particle diameter of raw water mitigated membrane fouling. Combination with periodic backwashing and pretreatment have increased chemical cleaning interval which can decrease operating cost of the process. Alum coagulation reduced initial adsorption of natural organic matter which resulted in 9% of flux enhancement. However, non-coagulated portions, which were accumulated inside membrane filtration tank, increased TMP of process with the filtration time increased. Both of coagulated floc and membrane filter cake showed a smaller resistance compared to the raw water due to the formation of more porous dynamic membrane at the membrane surface which was confirmed by resistance analysis.
For the quantitative and precious examination of membrane fouling, an innovative technique with microscope was developed. The direct observation cell was mounted on the microscope and the change of membrane surface coverage was monitored. The effect operating condition on membrane fouling was evaluated under various operating conditions. In addition, the relationship between membrane surface coverage and actual fouling (flux decline with the operation time) was studied. As a result, the surface coverage by PAC particle was gradually increased under high PAC concentration and membrane permeation velocity. However, the increase of deposition rate by the increased permeation velocity was neglectable while PAC concentration higher than 20 mg/L gave a sharp increase in particle deposition rate. From the deposition rate calculation, less than 20 mg/L of PAC concentration was recommended for the stable operation without significant membrane fouling. Even though the deposition rate increased with high PAC concentration, there was no decrease in permeate flux. Decreased membrane resistance after removing PAC cake layer revealed that PAC particles playing a positive role in membrane fouling. PTFE membrane used in this study showed high resistance to chemical and cleaning efficiency and these could be confirmed by DOTM techniques. Also the fouled membrane was easily recovered to their original flux and the resistance recovery follows $HNO_3>NaOH>SDS$, which could be confirmed by direct observation technique.
Summarizing the results, coagulation and activated carbon adsorption could effectively remove the dissolved organic matter which could not be removed by microfiltration membrane. The process can be operated with the minimal operation cost and high effluent quality by the intermittent operation of GAC adsorption process with the monitoring of $UVA_{254}$ value. In terms of membrane fouling, both of coagulation and activated carbon adsorption gave a positive effect by increasing the cake layer porosity with large particle size at the membrane surface. The DOTM technique enabled the evaluation of membrane fouling tendency more quickly and precisely compared to the conventional fouling analysis tools.
수돗물에 대한 관심의 증가 및 분석 기술의 발달로 보다 깨끗한 물에 대한 국민들의 욕구가 증가함에 따라 정밀여과나 한외여과를 비롯한 막 분리 고도정수처리 공정의 도입이 증가하고 있는 실정이다. 막 분리 정수처리공정은 기존의 모래여과와 같은 정수처리 공정에 비해 병원성 미생물이나 입자성 물질이 전혀 없는 깨끗한 처리수를 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만 막 분리 단독 공정의 경우에는 시간에 따라 처리량이 감소하는 막 오염 현상이 빠르게 진행되어 전체 운전 비용이 증가한다는 단점을 내포하고 있다. 따라서 오염물질의 제거효율은 높이고 막 오염을 저감할 수 있는 새로운 공정의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 응집과 흡착 공정을 막 분리 공정의 전처리 공정으로 적용하여 용존성 유기물질의 제거효율을 증진하고자 하였으며, 공정의 막 오염 특성을 파악하고 이를 통하여 보다 경제적인 공정을 개발하고자 하였다.
전체 공정의 운전에 앞서 회분식 실험을 통하여 응집과 활성탄 흡착 공정이 막 오염과 유기물질 제거에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 전처리 공정이 없는 직접 정밀여과 공정의 경우에는 30% 미만은 낮은 유기물질의 제거효율을 보인 반면에 활성탄 흡착 공정은 70% 이상의 높은 유기물질 제거효율을 나타내었다. 응집 공정에서는 유기물질 중 분자량이 비교적 큰 3,000 Da 이상의 물질의 제거가 주를 이루었다. 이에 비해 활성탄 흡착은 분자량 1,000 Da 이하의 물질을 효율적으로 제거할 수 있었으며, 특히 휴믹물질의 제거율이 크게 개선됨을 알 수 있었다.
응집, 정밀여과, 입상활성탄 흡착으로 구성된 결합된 하이브리드 공정에서 총유기탄소와 휴믹물질의 제거율은 각각 96%와 88%를 나타내었고, 전체 공정에서 분자량이 큰(1,000 ~ 10,000 Da) 휴믹물질이 효율적으로 제거 되었다. 소독부산물 중 트리할로메탄은 응집에 의해 주로 제거가 되었으며, 할로초산의 경우에는 활성탄 흡착에 의해 주로 제거 되었다.
입상활성탄 공정의 운전비용을 절감하기 위하여 정밀여과 공정의 처리수의 수질을 자외선흡광도 값으로 모니터링하여 선택적으로 입상활성탄 흡착 공정을 운전하였다. 실험 결과 입상활성탄 공정의 선택적 운전을 통하여 기존의 공정에 비해 운전비용을 절감할 수 있었으며, 처리수의 소독부산물 생성능을 법적 기준 이하로 안정적으로 유지할 수 있었다.
막 오염의 경우에는 응집 공정과 활성탄 흡착 모두 투과유속을 증가시킬 수 있었다. 하지만 응집제와 분말활성탄 주입량이 증가할 경우에는 처리되지 않은 용존성 유기물질 등에 의하여 오히려 막 오염이 가중되는 경향을 나타내었다. 응집공정에서는 유기물질의 흡착에 의한 막 오염을 감소시켜 9% 가량의 투과유속이 증가하였으며, 활성탄 흡착에 의해서는 막 표면 케이크 층의 투과성이 개선되어 막 오염을 저감할 수 있었다. 정량적인 막 오염 특성 파악을 위하여 막 표면 직접관찰법을 적용한 결과, 활성탄을 주입한 공정의 운전인자를 도출할 수 있었다. 또한 막 표면의 활성탄 입자의 침착과 실제 투과유속의 감소와는 큰 관계가 없는 것을 알 수 있었으며, 활성탄에 의한 막 오염은 가역적인 막 오염이었고 이에 따라 처리수에 의한 역세정으로 막 오염의 제어가 가능하였다. 또한 화학세정에 의한 투과 유속의 회복 정도 또한 직접관찰법을 이용하여 보다 간편하고 빠르게 판단할 수 있었다.
본 연구에서 개발된 공정은 정수처리 공정의 효율을 향상시키고 막 분리 공정의 경제성을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 막 오염 직접관찰법의 적용을 통하여 막 분리 공정의 효율적 운전 조건을 도출할 수 있고, 선택적 활성탄 흡착 공정의 운전을 통하여 원하는 처리수 수질을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
