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문제 정의
- 본 연구는 대규모 SWRO 담수 시스템을 대상으로 경제적 측면에서 보다 적절한 전처리 기술을 선정할 수 있도록 그 방법론을 제시하는데 목적이 있다. 모형실험을 대규모로 수행하는 것은 현실적인 어려움이 있으므로, 비용 분석을 통해 여재여과 또는 분리막 전처리 설비, 후단의 SWRO 설비 활용에 따른 생산비용을 비교하였다.
- 본 연구는 대규모 SWRO 담수 플랜트에서의 건설비용, 유지관리비용을 산정함으로써 각 처리 방식의 경제성을 분석하였다. 전처리 용량은 RO 세정빈도 등 유지관리 항목 값의 참조를 위해서 선행연구(Henthorne, 2007)의 25 MGD 에 상응하는 100,000 m3/일 규모를 대상으로 하였다.
제안 방법
- ) 타입을 대상으로 하였다. 100,000 m3처리수 생산에 필요한 모듈 수를 계산하였으며, 모듈 수에 따른 총 건설 및 유지관리 비용을 산정하였다. Table 3은 가압식 MF 비용 산정을 위한 입력값을 나타낸다.
- 전처리 용량은 RO 세정빈도 등 유지관리 항목 값의 참조를 위해서 선행연구(Henthorne, 2007)의 25 MGD 에 상응하는 100,000 m3/일 규모를 대상으로 하였다. DMF 및 가압식 MF 공정 등 전처리 공정, 후속 공정인 RO 공정의 생산 비용을 비교하였다. 분석 모형으로는 USBR (United States Bureau of Reclamation)의 WaTER (Water Treatment Estimation Routine) 모형을 사용 하였다.
- RO 공정은 단위 모듈(element)의 실제 플럭스를 아래 식들로부터 산정한 후, 회수율에 따라 RO 생산수량과의 비율로 모듈, 베셀 및 스키드(skid)의 수를 산정하였다.
- Table 5의 전처리 방식 별 유지관리 특성 차에 따른 RO 연간비용을 산정하였다. Table 7과 같이 전처리 방식 별 RO 소요비용을 계산한 후, 각 전처리 비용과 합산하여 DMF-RO 및 MFRO 연속 공정을 각각 비교하였다.
- WaTER 모형을 통해 대규모 해수담수화 전처리 공정 및 RO 공정의 연간 소요비용을 비교하였다.
- 본 연구는 대규모 SWRO 담수 시스템을 대상으로 경제적 측면에서 보다 적절한 전처리 기술을 선정할 수 있도록 그 방법론을 제시하는데 목적이 있다. 모형실험을 대규모로 수행하는 것은 현실적인 어려움이 있으므로, 비용 분석을 통해 여재여과 또는 분리막 전처리 설비, 후단의 SWRO 설비 활용에 따른 생산비용을 비교하였다.
- DMF 또는 가압식 MF 공정 등의 전처리 공정 특성 상 후단 공정인 RO 시스템에 미치는 영향에 차이가 있다. 문헌을 참고하여 각 연속공정(DMF-RO, MF-RO)의 RO 세정 빈도, RO막 교체 비율, 카트리지 필터 사용 여부 등 유지관리 차이에 따른 연간 비용을 산정하였다(Table 5).
- 연속 공정의 처리 용량 변화에 따른 총 연간 m3당 생산비용을 비교하였다. Fig.
- 생산비용을 산정하였다. 이자율 5 %, 상환기간 30년 기준으로 연간 할부상환(amortization) 조건으로 계산하였다.
- 시의 연간 소요비용을 나타낸다. 처리 용량 변화에 따른 전처리 소요비용의 편차를 비교하였다(Fig. 1). 1,000,000 m3/day까지 전처리 비용을 비교한 결과, 전용량에 걸쳐 DMF의 연간 비용이 MF에 비해 낮게 산정되었다.
- 총 건설비용은 직접비(direct capital cost), 간접비(indirect capital cost)의 합으로부터 산정하였으며, 총 건설비용으로부터 자본회수 비용(capital recovery)을 산정한 후 유지관리 비용과 합산하여 연간 1 m3생산비용을 산정하였다. 이자율 5 %, 상환기간 30년 기준으로 연간 할부상환(amortization) 조건으로 계산하였다.
대상 데이터
- 가압식 MF 공정은 모듈 당 1개의 막(막 면적 90 m2 )이 설치되는 중공사막(Econity Ltd.) 타입을 대상으로 하였다. 100,000 m3처리수 생산에 필요한 모듈 수를 계산하였으며, 모듈 수에 따른 총 건설 및 유지관리 비용을 산정하였다.
- 본 연구는 대규모 SWRO 담수 플랜트에서의 건설비용, 유지관리비용을 산정함으로써 각 처리 방식의 경제성을 분석하였다. 전처리 용량은 RO 세정빈도 등 유지관리 항목 값의 참조를 위해서 선행연구(Henthorne, 2007)의 25 MGD 에 상응하는 100,000 m3/일 규모를 대상으로 하였다. DMF 및 가압식 MF 공정 등 전처리 공정, 후속 공정인 RO 공정의 생산 비용을 비교하였다.
이론/모형
- 분석 모형으로는 USBR (United States Bureau of Reclamation)의 WaTER (Water Treatment Estimation Routine) 모형을 사용 하였다. 본 모형은 미국 EPA에서 발간한 수처리 설비 비용곡선(U.S. EPA, 1979)을 기반으로 하며, ENR (Engineering News Record)의 연도별 가격지수(cost index)를 고려하여 개발되었다(Wilbert et al,, 1999). Table 1은 비용 환산을 위한 ENR 비용항목 및 가격지수(2013년 7월 기준)를 나타낸다.
- DMF 및 가압식 MF 공정 등 전처리 공정, 후속 공정인 RO 공정의 생산 비용을 비교하였다. 분석 모형으로는 USBR (United States Bureau of Reclamation)의 WaTER (Water Treatment Estimation Routine) 모형을 사용 하였다. 본 모형은 미국 EPA에서 발간한 수처리 설비 비용곡선(U.
성능/효과
- 1) 100,000 m3/day 전처리 수 생산, 25 USD/m2 MF 모듈단가 기준 하에서 DMF 공정과의 전처리 연간 비용을 산정한 결과 DMF 공정이 MF 공정에 비해 낮게 산정되었다.
- 1). 1,000,000 m3/day까지 전처리 비용을 비교한 결과, 전용량에 걸쳐 DMF의 연간 비용이 MF에 비해 낮게 산정되었다. MF 방식의 높은 초기 투자비, 유지관리 비용으로 인해 전처리 공정 간의 단독 비교를 통해서는 경제성 확보가 어려운 것으로 판단된다.
- 2) MF 방식의 높은 초기 투자비, 유지관리 비용으로 인해 전처리 공정 간의 단독 비교를 통해서는 DMF 방식에 비해 소요비용이 큰 것을 볼 수 있다.
- 3) 전처리 후 RO 연속 공정을 살펴본 결과, MF 전처리를 통한 후속 공정에 대한 처리부하 경감, 유지관리 비용 감소에 따라 MF-RO 공정이 DMF-RO 공정에 비해 소요비용이 적은 것으로 나타났다.
- 각 전처리 연간비용과의 합산을 통해 연속 공정의 비용을 검토한 결과, 총 건설비용의 경우 MF-RO가 DMF-RO에 비해 약 4 %의 비용 상승이 있으나, 유지관리 비용은 약 7 % 정도 감소되었다. 연간 자본회수를 고려하면 매년 소요비용은 유지관리 비용에 따라 결정되므로, 연간 소요비용 및 m3당 생산비용은 MF-RO 공정이 약 8 % 정도 적게 소요되는 것으로 나타났다.
- 먼저 각 전처리 방식 별 RO 소요비용을 살펴보면, 총 건설비용엔 차이가 없으나 전처리 방식 별 유지관리 특성 차이로 인해 연간 유지관리 비용이 MF를 통과한 RO 공정이 적게 소요되는 것으로 나타났다. MF 전처리를 통한 RO막 처리부하가 줄어든 영향으로 판단된다.
- 연간 자본회수(capital recovery)와 유지관리 비용을 합산한 연간비용이 증가함으로써 m3당 생산비용도 MF (0.035 USD/m3 )가 DMF (0.024 USD/m3)에 비해 높게 나타났다.
- 각 전처리 연간비용과의 합산을 통해 연속 공정의 비용을 검토한 결과, 총 건설비용의 경우 MF-RO가 DMF-RO에 비해 약 4 %의 비용 상승이 있으나, 유지관리 비용은 약 7 % 정도 감소되었다. 연간 자본회수를 고려하면 매년 소요비용은 유지관리 비용에 따라 결정되므로, 연간 소요비용 및 m3당 생산비용은 MF-RO 공정이 약 8 % 정도 적게 소요되는 것으로 나타났다.
- Table 6과 같이 WaTER 모형으로 DMF 및 MF 전처리 비용을 산정하였다. 총 건설비용의 경우 MF가 DMF에 비해 약 15 % 증가한 것으로 나타났으며, 유지관리비도 MF 방식이 40 % 이상 증가하는 것으로 나타났다. 이는 DMF가 식 (3) - (5)의 비용함수로 산정되어 간략화된 영향이 있겠으나, MF 공정이 모듈 설치에 따른 건설 비용과 세정약품, 인건비 등의 유지관리비가 높기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 5) 외국 문헌 및 시장자료를 통한 분석 결과이므로 국내 여건을 고려한 비용 분석방법 마련이 필요할 것으로 사료된다.
- 다만, 본 결과는 DMF 공정의 소요비용이 비용함수로 인해 단순화된 결과이며, 특히 외국의 과거 시장자료를 2013년 현재가치로 환산한 결과이므로 국내 실정에 맞는 DMF 공정의 비용 산정 방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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