물 부족 문제를 해결하고자 새로운 수자원으로 하수 재이용의 추세가 늘어나고 있다. 하수 재이용수를 고품질의 수자원으로 이용하기 위해서는 RO 분리막 공정이 필수적이나 입자성 물질과 콜로이드 물질에 취약한 한계가 있어 전처리 공정이 같이 구성되어야만 한다. 전처리로 UF 분리막 공정이 확대되고 있으나 막오염에 대한 연구가 현실을 반영하기에는 한계가 있어 명확한 막오염 메카니즘을 확인하기 위한 연구가 필요하다.
하수처리수 방류수는 유기물 농도와 콜로이드 물질이 높은 비율로 포함하고 있으며 재이용을 위해서 분리막 운전 조건에 따른 파울링 특성은 처리시설의 운영과 분리막의 화학 세정, 교체와 관련하여 밀접한 요인으로 작용한다.
본 연구에서는 하수 재이용 처리공정에 UF(Ultra-Filtration)와 RO(Reverse Osmosis) 분리막을 적용하여 전처리 운전 조건에 따른 막오염 저감 효과를 실험적으로 고찰하였다. 실험결과, 응집 적용으로 가압형 UF에서 막오염의 형태 중 비가역적인 오염 형태인 pore blocking(Kb)이 39%에서 6%로 줄어들어 cake formation(Kc)으로 변환이 되어 가역적인 오염 형태가 증가하여 파울링 증가 속도가 둔화되었다. 침지형 UF에서는 응집제 주입으로 cake층이 차지하는 비율이 73 %에서 68 %로 감소되었으나 여과저항이 줄어든 것은 다공성의 cake층이 생성되었다. Zeta potential에 따른 전위차를 이용한 응집시 pore constriction(KS)의 23 %가 줄어들어 용존성 유기물의 흡착을 제어할 수 있으며, Flux의 증가로 파울링 구성 형태의 변화 없이 여과 저항은 늘어났고 CEB(Chemically Enhanced Backwash) 적용시 막 공극 내 흡착물질 제거와 cake층 투과성이 증가하는 효과로 막오염을 제어할 수 있는 것을 실험적으로 고찰하였다.
하수 재이용 공정에서 생산 톤당 소비량과 파울링이 최소화되도록 농도분극에 대한 선속도가 유지되도록 RO 분리막을 2단의 multi-stage로 구성하여 특성을 분석하였다. Multi-stage RO의 TDS 210 mg/L, 15.05 LMH, array 3:2인 조건에서 염투과율은 1단에서 1.09 %, 2단에서 1.84 %의 결과를 얻었다. 하수재이용의 RO 단별 압력 변화는 높은 농축율의 2단 변화(0.0003 (kgf/cm2)/hr) 보다 1단의 차압 변화(0.0004 (kgf/cm2)/hr)가 높게 나타나 과포화된 무기물질보다 유기물, 콜로이드에 의한 막오염이 주로 발생하여 하수재이용 공정에서 유기물와 콜로이드의 제거를 위한 전처리가 필요한 것으로 고찰하였다. UF와 RO 공정의 수질 특성 또한 고려하였을 때 입자성 물질과 유기물질, 이온성 물질 등 제거를 위해 분리막의 유기적인 조합이 구성이 필요하였다.
RO 농축수내 질소는 계절적인 시기에 따라 질소의 성상이 변하여 그 성상에 맞는 처리 방법이 필요하였고, 동절기의 RO 농축수의 T-N은 암모니아성 질소가 75%로 나타났으며 동절기의 암모니아성 질소가 높을 경우 파괴점 염소주입 방법으로 T-N 75%, 암모니아성 질소 100% 제거되었다. 동절기외 질산화가 충분히 이루어진 하수처리 방류수를 재이용할 경우의 RO 농축수는 전기투석을 적용하여 질소 성분을 제거할 수 있으며 전압이 높을수록 제거율이 높아졌으나 제거 증가속도는 낮아짐을 실험적으로 고찰하였다.
본 연구 결과 하수처리 방류수의 재이용을 통해 양질의 용수를 공급하기 위한 최적의 공정은 UF와 RO 분리막을 조합한 공정으로 분리막의 막오염 저감을 위한 최적의 운전 조건을 찾을 수 있었다. 또한, 분리막 공정에서 발생하는 농축수 내 질소는 물리화학적인 방법으로 충분한 제거 가능하였다.

Wastewater reuse had been recently gained great attention as a promising solution for global water scarcity problem. Owing to benefits such as improved water quality and small footprint, reverse osmosis (RO) with ultrafiltraion (UF) pretreatment has been intensively applied in many sewage treatment plants for wastewater reclamation.
As operation proceeds, both UF and RO membrane inevitably lose its initial permeability, which eventually causes a variety of problems such as frequent cleaning, short life-span, and in increase of energy consumption.
The study investigated fouling characteristics of UF/RO process for wastewater reuse, leading to establishment of optimal operating criteria. Fouling characteristics of pressurized and submerged UF system in pilot plant was intensively examined under different conditions of coagulation and chemical cleaning. Specifically, correlation between coagulation and UF fouling was investigated varying coagulant type, dose amount, and injection charge. Then, fouling characteristics during UF filtration was assessed according to Hermia model consisting of complete blocking, standard blocking and cake formation.
Simulation of multi-stage RO process was performed evaluating the correlation between operating parameters and membrane fouling. In particular, simulation results of produced water quality well coincide with that of pilot test, validating its potential for optimization of RO system.
At last, feasibility of electro-dialysis(ED) and breaking point chlorination (BPC) was examined for the purpose of nitrogen removal in real RO concentrate obtained during winter periods.
This study of bridging unit process optimization and field practice in pilot scale can provide comprehensive information and insight for optimization of current UF/RO system enhancing its feasibility and extendibility to the field of wastewater reuse.