막여과

왜 배우는가: 막여과는 정수처리 공정 가운데 처리수질의 안정성을 확보하는 대표 수단이므로 공정 선택과 비교를 묻는 문제에 자주 등장한다. 실무에서는 막오염 관리와 세척 주기가 운영비를 좌우하므로 개념과 한계를 함께 알아야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 2번, 제137회 4교시 3번, 제131회 2교시 6번, 제120회 3교시 6번, 제113회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

막여과는 선택적으로 투과하는 분리막에 압력차를 가해 원수 속 입자와 미생물을 걸러 내고 물만 통과시키는 정수 공정이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 막여과: 분리막을 이용해 원수에서 입자, 미생물, 용존 물질을 분리하는 정수 공정이다.
• 분리막: 세공의 크기와 표면 성질에 따라 물질을 선택적으로 통과시키는 얇은 막이다.
• 정밀여과(MF): 막 방식 가운데 세공이 가장 커서 현탁 물질과 원생동물 낭종을 제거하는 방식이다.
• 한외여과(UF): 정밀여과보다 세공이 작아 콜로이드와 세균을 제거하는 방식이다.
• 나노여과(NF): 2가 이온과 일부 유기물을 제거하며 연수화 공정에도 쓰이는 방식이다.
• 역삼투(RO): 세공이 가장 작아 대부분의 이온과 용존 유기물을 제거하는 고압 운전 방식이다.
• 막간차압(TMP): 막 전후의 압력차로, 막오염이 진행되는 정도를 나타내는 운전 지표이다.
• 투과 플럭스: 단위 시간, 단위 막 면적당 투과수량이다.

2. 개념 풀이

막여과의 분리 기준은 막 세공의 크기이며, 세공보다 큰 입자는 물리적으로 제거된다. 막여과는 분리막의 선택적 투과성을 이용하여 원수에서 물을 분리하고 막 세공보다 큰 물질을 제거하는 압력 구동형 분리 공정이다. 막의 한쪽에 가압된 원수를 공급하면 물은 막을 통과하여 처리수가 되고, 입자와 미생물은 막 표면에 남거나 농축수로 배출된다. 이 구조 때문에 처리수의 탁도와 미생물 농도는 원수 속 부유물질과 병원성 미생물의 농도와 관계없이 안정적으로 확보된다.

세공보다 작은 용존 물질은 막 표면 흡착, 막 재질과의 전하 반발, 막 내부 확산 같은 작용으로 일부 제거되며, 그 정도는 막 재질과 원수 수질에 따라 달라진다. 따라서 막여과의 성능은 공경과 막 재질의 조합으로 결정된다. 막 재질은 고분자 막과 세라믹 막으로 나뉜다. 고분자 막은 중공사 형태로 만들어 단위 부피당 막 면적을 크게 확보할 수 있어 정수 공정에 널리 쓰이고, 세라믹 막은 강도와 내화학성이 높아 세척 조건이 가혹한 공정에 쓰인다.

막여과는 세공 크기에 따라 정밀여과, 한외여과, 나노여과, 역삼투로 나뉜다. 정밀여과의 공경은 0.1~10μm 범위이며 현탁 물질과 원생동물 낭종을 제거한다. 한외여과의 공경은 0.01~0.1μm 범위이며 콜로이드와 세균을 제거한다. 나노여과와 역삼투는 세공이 더 작아 용존 이온과 유기물까지 분리하며, 역삼투는 삼투압을 넘는 높은 운전압력이 필요하다.

막간차압은 막 전후의 압력차이며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$막간차압 = 원수 측 압력 - 투과수 측 압력$

막오염이 쌓이면 같은 유량을 얻는 데 필요한 막간차압이 높아지므로, 막간차압은 막오염 진행을 보여 주는 대표 지표가 된다.

투과 플럭스는 단위 시간, 단위 막 면적당 투과수량이며, 막 성능과 설계 면적을 정하는 기준이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$투과 플럭스 = 투과수량 ÷ 막 면적$

단위는 ㎥/㎡·h이며, 같은 처리량이라도 막 면적이 크면 플럭스는 낮아진다.

농도분극은 막 표면 가까이에서 용질이 농축되어 원수 본체보다 농도가 높아지는 현상이다. 이 농도 경계층은 물이 통과하는 저항으로 작용하여 투과 플럭스를 떨어뜨리는 요인이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 정수 공정은 응집, 침전, 모래여과, 염소 소독으로 구성되어 탁도와 세균을 줄이는 데 효과가 있다. 크립토스포리디움 같은 원생동물 낭종은 염소 소독에 강하게 저항한다. 침전과 여과로 제거되는 정도도 원수 수질에 따라 크게 달라지므로, 원수 수질이 나빠지면 기존 공정만으로는 처리수질을 일정하게 유지하기 어렵다. 기존 정수 공정의 침전지와 급속여과지는 원수 수질 변화에 대비해 설계 여유를 크게 두어야 하므로 시설 규모가 커진다.

염소 소독은 물속 유기물과 반응하여 트리할로메탄(THM)과 할로아세트산(HAA) 같은 소독부산물을 생성한다. 이 소독부산물은 발암성이 우려되는 화합물이어서 원수의 유기물을 줄이거나 소독 방식을 바꾸는 대책이 필요하다.

먹는물 수질기준이 점차 엄격해지는 추세에서 기존 공정은 기준을 맞추기 위해 추가 설비와 약품 투입량을 늘려야 하는 부담이 크다. 막여과는 물리적 세공으로 입자를 거르므로 응집제와 염소 투입을 줄이면서 처리수질을 안정적으로 확보할 수 있는 수단으로 도입되었다.

막여과가 주목받는 이유는 자동화 운전이 가능하고 설치 면적이 작으며 기계 작동 부분이 적어 유지관리가 단순하기 때문이다. 이 특징은 인건비와 운전비를 줄이는 효과로 이어진다.