[논문]물 자원 생산을 위한 Coal Seam Gas Water Management Study의 평가 및 분석 2. 처리기술 예측 및 병합 시스템 설계

신춘환

doi:10.5322/jesi.2015.24.12.1629

물 자원 생산을 위한 Coal Seam Gas Water Management Study의 평가 및 분석 2. 처리기술 예측 및 병합 시스템 설계
Assessment and Analysis of Coal Seam Gas Water Management Study for Water Resource Production 2. Prediction of Treatment Technology and Design of Co-treatment System 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.24 no.12, 2015년, pp.1629 - 1637

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To develop various usable water from coal seam gas (CSG) water that needs to be pumped out from coal seams for methane gas production, a feasibility study was carried out, evaluating and analysing a recent report (Coal Seam Gas Water Management Policy 2012) from Queensland State Government in Australia to suggest potential CSG water treatment options for fit-for-purpose usable water production. As CSG water contains intrinsically high salinity-driven total dissolved solid (TDS), bicarbonate, aliphatic carbon, $Ca^{+2}$, $Mg^{+2}$ and so on, it was found that appropriate treatment technologies are required to reduce the hardness below 60 mg/L as $CaCO_3$ by setting the reduction rates of $Ca^{+2}$, $Mg^{+2}$ and Na+ concentrations, as well as TDS reduction. Also, Along with fiber filtration and membrane separation, an oxidation degradation process was found to be required. Along with salinity reduction, as CSG water contains organic compounds (TOC: 248 mg/L, $C_6-C_9$: <20 mg/L and $C_{10}-C_{36}$: <60 mg/L), compounds with relatively high molecular weights ($C_{10}-C_{36}$) need to be treated first. Therefore, this study suggests a combined system design with filtration (Reverse osmosis) and oxidation reduction (electrolysis) technologies, offering proper operating conditions to produce fit-for-purpose usable water from CSG water.

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문제 정의

Fig. 1에서 알 수 있는 바와 같이 CSG water의 회수 공정은 dewatering stage (석탄층 탈수 단계), stable production stage (안정적인 석탄층 지하수 생산 단계), 그리고 decline stage ( 발생량 감소 단계)로 구분하고 있 으나(Paul et al., 2009;2014) Coal Seam Gas Water Management Policy Study에서 제시하고 있는 대표수질은 전체 영역에 대한 CSG Water(AUS Environment Protection Agency, 2012; Galiee Energy, 2013)의 분석 자료일 것으로 감안하고 본 연구의 평가에 활용하고자한다.
Table 1과 같은 Bowen basin에서 회수된 11,600,00 ton의 CSG Water의 대표 수질을 중심으로 1차적인 처리 기술을 예측하고자하며 특히 TDS, 염분, bicarbonate 의 농도가 다른 인자에 비해 높다는 사실을 확인 할 수있기 때문에 이들의 처리를 위한 접목 가능한 기술을 우선적으로 선정하고 병합시스템의 범위를 제시하고자 한다.
, 2012)을 추천하고자한다. 다만 섬유여과는 전단에 응집 시스템의 설치가 필요하기 때문에 경제성 비교를 거쳐 막 여과로의 변경 가능성도 예상 할 수 있기 때문에 후보 시스템의 제작 과정에서 검토의 대상이 될것으로 판단하며 필요한 경우 응집처리를 제외한 섬유여 과와 막여과의 단독(Pendergast, 2011; Shin, 2010) 및 병합도 제안하고자한다. 또한 요구수질의 범위에 따라서는 에너지 소모가 단점으로 지적되고 있는 전기분해를 대체할 수 있는 처리기술을 추가 공정으로 설정하여 병합 시스템 구성의 유연성을 부여하고자한다.
또한 CSG Water의 대표 수질(AUS Environ -ment Protection Agency, 2012; Origin energy, 2013b;2013c)에서 total organic carbon(TOC)으로 표시된 유기화합물의 농도가 248 mg/L, C6 -C9 가 <20 mg/L, C10- C36가 <60 mg/L 인 점을 감안하면 TOC 저감 기술 특히, 분자량이 상대적으로 큰C10 - C36의 처리에 대한 고도 처리 기술을 예측하고자한다.
이와 같은 후속 조치는 수량 및 수질에 따른 처리기술의 방향 제시가 우선되어야 한다고 보면 국내 기술 범위에서 가능할 것으로 예상되기 때문에 Coal Seam Gas Water Management Policy을 용도에 따른 수질 평가와 함께 처리 방법을 예측함으로서 국내 물 처리 기술의 해외 진출에 기여하고자한다. 먼저 Coal Seam Gas Water Management Policy를 분석하여 용수생산의 범위를 판정한 이전의 연구 결과(shin, 2014)와 연결하여 석탄층지하수는 염분 등에서 유래된 TDS(total dissolved solid), bicarbonate, aliphatic carbon, Ca⁺², Mg⁺²등이 함유되어 있는 특징으로 인하여 TDS 저감과 함께 Ca⁺², Mg⁺², Na⁺ 각각의 농도 저감비율을 산정하기 위한 고-액 분리 기술의 선택과 함께 BOD 저감을 위한 산화 분해 기술의 범위를 설정할 필요가 있기 때문에 이들 각각의 농도 저감을 위한 기능성 단위 반응조의 선택과 요구수질 범위를 만족하는 단위반응조의 병합 방법을 제시하고자 한다. 또한 CSG Water의 대표 수질(AUS Environ -ment Protection Agency, 2012; Origin energy, 2013b;2013c)에서 total organic carbon(TOC)으로 표시된 유기화합물의 농도가 248 mg/L, C₆ -C₉ 가 <20 mg/L, C₁₀- C₃₆가 <60 mg/L 인 점을 감안하면 TOC 저감 기술 특히, 분자량이 상대적으로 큰C₁₀ - C₃₆의 처리에 대한 고도 처리 기술을 예측하고자한다.
석탄층 지하수의 안정적 처리기준(Water Act, 2000) 과 처리수의 상수도 공급원 등 수요 맞춤형 수자원으로 활용하는 기본 정책(Water Supply Act, 2008) 및 석탄층 지하수의 효율적인 처리를 통해 환경오염을 예방하고 처리수의 수익적 이용을 촉진하기 위한 석탄층 지하수의 전략적 관리(AUS Min. Environment and Heritage Protection)를 분석하여 처리기술을 예측하고자 하였다.
여기서 Ca⁺²는 CaCO₃로, Mg⁺²는 Mg(OH)₂로 침전할 때 최적 침전의 pH 범위는 Ca⁺²가 9.0~9.5, Mg⁺²는 11.0이기 때문에(Reynolds, 2010) bicarbonate의 제거를 위한 처리공정에서 pH 조절의 필요성을 제안하고자 한다.
이와 같은 후속 조치는 수량 및 수질에 따른 처리기술의 방향 제시가 우선되어야 한다고 보면 국내 기술 범위에서 가능할 것으로 예상되기 때문에 Coal Seam Gas Water Management Policy을 용도에 따른 수질 평가와 함께 처리 방법을 예측함으로서 국내 물 처리 기술의 해외 진출에 기여하고자한다. 먼저 Coal Seam Gas Water Management Policy를 분석하여 용수생산의 범위를 판정한 이전의 연구 결과(shin, 2014)와 연결하여 석탄층지하수는 염분 등에서 유래된 TDS(total dissolved solid), bicarbonate, aliphatic carbon, Ca⁺², Mg⁺²등이 함유되어 있는 특징으로 인하여 TDS 저감과 함께 Ca⁺², Mg⁺², Na⁺ 각각의 농도 저감비율을 산정하기 위한 고-액 분리 기술의 선택과 함께 BOD 저감을 위한 산화 분해 기술의 범위를 설정할 필요가 있기 때문에 이들 각각의 농도 저감을 위한 기능성 단위 반응조의 선택과 요구수질 범위를 만족하는 단위반응조의 병합 방법을 제시하고자 한다.
이전의 연구결과에서 밝힌바와 같은 CSG water의 수익적 이용 방향에 나타난 용도별 요구 수질을 중심으로 단위 반응조의 범위를 선정하고자 하였으며 이들을 병합한 시스템의 범위를 확인하고자 하였다.

제안 방법

2와 같은 도입 가능한 기술의 범위를 설정하였다. 먼저 SS의 제거를 위한 여과기능으로는 소요부지 감소와 저렴한 설치비용을 장점으로 하고 있는 섬유여과(Sseng Co, 2012)를 제안하고자 하며 유기물 및 난분해성 탄화수소의 산화 분해를 위해서는 전기분해 시스템을(Chen et al., 2002; Shin, 2009) TDS 및 이온성 물질 저감에 의한 SAR 값의 감소를 유도하는 처리 기술로는 RO 시스템(Matsumura et al., 2001; Saito et al., 2012)을 추천하고자한다. 다만 섬유여과는 전단에 응집 시스템의 설치가 필요하기 때문에 경제성 비교를 거쳐 막 여과로의 변경 가능성도 예상 할 수 있기 때문에 후보 시스템의 제작 과정에서 검토의 대상이 될것으로 판단하며 필요한 경우 응집처리를 제외한 섬유여 과와 막여과의 단독(Pendergast, 2011; Shin, 2010) 및 병합도 제안하고자한다.

성능/효과

2) CSG water에 잔류하는 알칼리도는 HCO3^-가 대부분을 차지하고 있는 결과로부터 Ca⁺²는 CaCO₃로, Mg⁺²는 Mg(OH)₂로 침전 할 때 최적 침전의 pH 범위는 Ca⁺²가 9.0~9.5, Mg⁺²는 11.0임을 감안하면 bicarbonate의 제거를 위한 처리공정에서 pH에 따른 제거 효율 은 TDS 의 농도를 결정하는 중요한 인자로 확인되었다. 특히 TDS는 생산 용수의 용도를 결정하는 일차적인 역할을 하기 때문에 TDS 저감을 위한 처리시스템은 섬유여과및 막분리와 RO 공정의 병합이 적정기술 임을 확인하였다.
3)염분 농도가 30,000~40,000 ppm인 해수의 RO 처리에 대한 투자비용이 증발기술의 투자비용에 접근하고 있으나 고농도 염분으로 평가되는 brackish water의 경우에는 투자비용을 1,600~1,700 $/(kL/d), 운전비용은 0.65-1.5$/(kL/d)으로 제시하고 있어 이 보다는 저 농도인 CSG water는 모든 비용이 brackish water의 처리비용 보다는 더 적을 것으로 예상할 수 있기 때문에 TDS와이온성 물질의 제거에 도입 가능한 RO 공정은 기능성 분리막의 선정과 함께 운전기술의 최적화에 의한 에너지 저감 효율을 제시함으로서 경쟁력 확보가 가능함을 확인 하였다.
5$/(kL/d)으로 제시하고 있어 이 보다는 저 농도인 CSG water는 모든 비용이 brackish water의 처리비용 보다는 더 적을 것으로 예상할 수 있다. 이러한 결과로부터 TDS와 이온성 물질의 제거에 도입 가능한 RO 공정은 기능성 분리막의 선정과 함께 운전기술의 최적화에 의한 에너지 저감 효율을 제시함으로서 경쟁력 확보가 가능하다고 판단된다.
0임을 감안하면 bicarbonate의 제거를 위한 처리공정에서 pH에 따른 제거 효율 은 TDS 의 농도를 결정하는 중요한 인자로 확인되었다. 특히 TDS는 생산 용수의 용도를 결정하는 일차적인 역할을 하기 때문에 TDS 저감을 위한 처리시스템은 섬유여과및 막분리와 RO 공정의 병합이 적정기술 임을 확인하였다.

후속연구

1) 용수 생산을 위한 CSG water의 처리공정은 섬유 여과 및 막 분리에 의한 여과 기술, 유기물 제거를 위한고도산화 기술, 이온성 물질 및 TDS 제거를 위한 전기분해와 RO 공정을 병합시스템의 단위 공정으로 제안하고자하며 생산용수의 용도에 따른 최적 운전조건 설정을 후속 연구로 추진하고자 한다.
CSG water는 석탄층의 오염에 의해 흑화현상이 나타나며(Higgins et al., 2012; Metgasco Energy, 2013; Randol, 2013) 이를 처리하기 위해서는 활성탄 흡착 및 중력여과 등의 공정 적용이 가능 할 것으로 예상되기 때문에 활성탄의 micropore, mesopore, macropore의 분포를 밝힌 이전 연구(shin and Bae, 2009)의 결과를 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 미량 중금속 제거를 위한 처리기술(Saito et al.
결론적으로 Fig. 3에서 보면 Salt 성분이 제거된 석탄층 지하수로부터 용수를 생산하기 위한 시스템은 관개용수, 청소용수, 농·축산용수, 조경용수, 소방용수, 공업용수, 수경재배용수, 음용수 등의 용도를 만족하는 처리기술의 운전조건 설정에 의한 최적화와 같은 후속 조치가 필요함을 알 수 있다.
다만 섬유여과는 전단에 응집 시스템의 설치가 필요하기 때문에 경제성 비교를 거쳐 막 여과로의 변경 가능성도 예상 할 수 있기 때문에 후보 시스템의 제작 과정에서 검토의 대상이 될것으로 판단하며 필요한 경우 응집처리를 제외한 섬유여 과와 막여과의 단독(Pendergast, 2011; Shin, 2010) 및 병합도 제안하고자한다. 또한 요구수질의 범위에 따라서는 에너지 소모가 단점으로 지적되고 있는 전기분해를 대체할 수 있는 처리기술을 추가 공정으로 설정하여 병합 시스템 구성의 유연성을 부여하고자한다.
3에서 보면 Salt 성분이 제거된 석탄층 지하수로부터 용수를 생산하기 위한 시스템은 관개용수, 청소용수, 농·축산용수, 조경용수, 소방용수, 공업용수, 수경재배용수, 음용수 등의 용도를 만족하는 처리기술의 운전조건 설정에 의한 최적화와 같은 후속 조치가 필요함을 알 수 있다. 특히 분자량이 큰 난분해성 유기물및 색도제거를 위한 처리 공정은 단위 반응조의 병합뿐만 아니라 고도산화의 필요성을 요구하고 있기 때문에 오존산화 및 전기분해 기술의 도입과정에서 오존 발생의 효율성(Shin and Bae, 2012; Shin et al., 2014) 및 전기 전도도 상승 방법(Shin, 2009)등을 감안한 최적 운전 조건을 설정하여 현장 적용성을 제시하는 추가 연구가 필요하다고 판단하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 물 산업 육성책에서 중요성을 강조하고 있는 사항은?	이러한 관점에서 우리나라의 경우에도 물 산업 육성책(Min. Commerce, Industry & Energy, 2007)을 발표하면서 해수 담수화, 하수 재이용, 물 고도처리 등의 중요성을 강조하고 있으며 세계 각국에서 개최되고 있는 물 포럼(Min. Environ.
	석탄층 지하수를 이용해 물 자원 생산을 시도한 사례는?	특히 물 부족국가의 범위에서 벗어나 있는 것처럼 여겨졌던 호주에서 조차 2011년 대홍수를 기점으로 식수를 비롯한 용수공급을 위해 석탄층으로부터 회수되는 석탄층 지하수(CSG Water: Coal seam gas water)의 수익적 이용 방법에 관한 보고서(AUS Dept., Natural Resource, 2013)를 작성함으로서 물 자원 생산을 국가 정책으로 발표하고 있다. 이러한 석탄층 지하수의 유출량은 용수로서 충분한 수량을 제공하고 있기 때문에 처리기술 및 관리 계획 등 후속 조치가 필요하다고 판단하고 있다(Origin Energy, 2013a; APLNG, 2013).
	물 자원 생산을 위한 연구가 진행되는 배경은?	인구 증가로 인하여 물 수요는 급증하고 있는데도 불구하고 가뭄, 홍수 등 이상기후로 물 공급이 수요를 만족 시키지 못하고 있는 현실에 비추어 물은 이제 더 이상 자연이 주는 선물의 개념이 아니라 생명유지를 위한 자원으로서의 가치를 인정받고 있다. 이에 따라 근래에 와서는 석탄, 석유와 같은 재생 불가능 자원과 비교하여 순환 가능한 자원으로 평가하고 있기 때문에 자원 순환의 차원에서 물 자원 생산을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다(Chris, 2013; Galiee Energy, 2013; Greenlee, 2009; KOFAC, 2015; Pendergast, 2011; Shin and Bae, 2012; Shin et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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