수도용 막여과

왜 배우는가: 수도용 막여과는 정수장 고도화와 해수담수화 전처리에서 기존 모래여과·응집침전을 대체하거나 보완하는 핵심 기술이다. 막의 공경과 분리 원리를 알아야 막의 종류 선택, 공정 구성, 막오염 관리 문제를 한 흐름으로 답할 수 있어 세 교시에 걸쳐 반복 출제된다.

출제 이력: 제122회 4교시 1번, 제120회 1교시 10번, 제119회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수도용 막여과는 다공성 분리막의 체거름 작용으로 원수 속 탁질·미생물을 물리적으로 제거하여 안전한 수돗물을 얻는 정수처리 공정이다.

• 막여과(Membrane Filtration)
• 정밀여과(MF, Microfiltration)
• 한외여과(UF, Ultrafiltration)
• 막오염(Membrane Fouling)
• 막간차압(TMP, Transmembrane Pressure)
• 역세척(Backwash)
• 체거름 작용(Size Exclusion)

2. 개념 풀이

막여과는 공극 크기가 정해진 얇은 막을 사이에 두고 물을 통과시켜, 막보다 큰 입자를 막면에서 걸러내는 방법이다. 물 분자는 통과하고 큰 입자는 남는다. 이 분리 방식을 체거름 작용이라 한다. 일반 모래여과가 여재 층 안에서 입자를 포집하는 깊이여과인 데 비해, 막여과는 막 표면에서 입자를 차단하는 표면여과에 가깝다.

정식 정의는 다음과 같다. 막여과는 압력 또는 흡입력을 구동력으로 하여, 공극 크기 0.1~10μm 범위의 정밀여과막과 한외여과막 등으로 현탁 물질과 콜로이드, 미생물을 분리하는 여과 공정이다. 공극 크기에 따라 MF, UF, 나노여과(NF), 역삼투(RO)로 나뉘며, 수도용으로는 MF와 UF가 주로 쓰인다.

정밀여과(MF) 의 공극은 대략 0.1μm 이상이며, 탁질과 일부 세균, 원생동물 포낭 제거에 쓰인다. 한외여과(UF) 의 공극은 수 nm에서 0.1μm 정도로 더 작아 콜로이드성 유기물과 바이러스까지 줄인다. 분리 가능한 입자 크기가 공극보다 작다고 해서 용해성 물질은 막으로 거를 수 없다. 인산염, 질산염, 중금속 이온 같은 용존 성분은 막여과로 제거되지 않는다.

막의 체거름 능력은 원수 입자 크기와 공극의 비로 판단한다. 일반 원칙은 분리할 입자 크기의 1/10 수준의 공극을 쓰는 것이다. 이렇게 하면 작은 입자가 공극 안으로 들어가 흡착하는 일이 줄고, 입자가 막 입구를 막는 형태가 되어 횡류 유속 조절로 쉽게 떨어뜨릴 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 정수처리는 응집·침전·급속여과·소독으로 이루어진다. 이 방식은 탁도와 병원성 원생동물(지아디아, 크립토스포리디움)을 충분히 줄이기 어렵고, 탁도 변동이 큰 원수에서 처리 안정성이 떨어진다. 병원성 원생동물 기준 강화와 소독부산물 저감 요구가 커지면서 막여과가 대안으로 등장했다.

막여과는 공극 크기로 입자를 절대적으로 차단하므로 처리 수질이 원수 변동에 덜 좌우된다. 또 응집제 사용량과 슬러지 발생을 줄일 수 있고, 설치 면적이 작다. 해수담수화와 하·폐수 재이용에서는 역삼투막 앞단의 전처리로 필요성이 더 커졌다. 역삼투막 자체가 탁질에 약하므로 MF/UF가 콜로이드 오염을 줄이는 역할을 맡는다.

막여과의 한계도 함께 이해해야 한다. 막 표면에 입자가 쌓여 투과 유량이 줄어드는 막오염이 운전의 가장 큰 문제다. 따라서 막여과를 설계할 때는 공정 구성과 함께 막오염 조절 수단을 같이 제시해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

수도용 막여과 설비는 전처리, 막모듈, 역세척·세정설비, 농축수 처리설비로 구성된다. 막모듈은 가압식과 침지식으로 나뉘며, 원수를 막에 통과시켜 입자와 미생물을 크기 차에 의해 걸러낸다. 막여과의 기본 원리는 체거름(sieving) 효과다.