최근 해수담수화 기술에 관한 관심이 증가하면서 해수 전처리 기술의 중요성이 날로 증가하고 있다. 해수담수화 기술은 미래 수처리 핵심기술로 자리매김하고 있고 이를 위한 전처리 기술의 올바른 선택과 운영은 향후 해수담수화 기술의 효율향상과 공정 최적화를 위해 중요하게 고려되어야 할 것이다. 해수담수화 전처리 기술의 목적은 주로 해수에 존재하는 입자성 물질, 콜로이드성 물질, 유기물질, 무기물질 그리고 미생물 오염물질 등의 처리를 통해 후단 담수화 기술의 효율성을 향상시키기 위함이나 전처리 기술 대상 처리물질의 범위는 매우 다양하여 맞춤형 전처리 기술의 적절한 적용이 필요하다. 해수담수화에서 올바른 전처리 기술의 적용은 후단 담수화 시설의 높은 처리효율 및 문제점을 최소화시킴과 동시에 해수의 큰 수질변동과 기후적인 그리고 지역적인 영향 등에 즉각적으로 대처할 수 있으므로 전처리 기술의 운영전략은 미래 해수담수화 기술의 성공여부를 결정짓기 위해 매우 중요하게 다루어져야 한다. 또한 최근에 많은 관심을 가지고 있는 해수 미세조류의 번성은 담수화 전처리 기술의 선정에 있어서 잠재적인 장애가 되고 있어 이에 대한 올바른 이해도 반드시 필요하다. 본 총설에서는 해수담수화 전처리 기술에 관한 그동안의 연구동향을 분석하고 해수담수화 전처리 기술의 선택 및 운전 최적화 달성을 위한 향후 도전과제들을 제시하고자 한다.
최근 해수담수화 기술에 관한 관심이 증가하면서 해수 전처리 기술의 중요성이 날로 증가하고 있다. 해수담수화 기술은 미래 수처리 핵심기술로 자리매김하고 있고 이를 위한 전처리 기술의 올바른 선택과 운영은 향후 해수담수화 기술의 효율향상과 공정 최적화를 위해 중요하게 고려되어야 할 것이다. 해수담수화 전처리 기술의 목적은 주로 해수에 존재하는 입자성 물질, 콜로이드성 물질, 유기물질, 무기물질 그리고 미생물 오염물질 등의 처리를 통해 후단 담수화 기술의 효율성을 향상시키기 위함이나 전처리 기술 대상 처리물질의 범위는 매우 다양하여 맞춤형 전처리 기술의 적절한 적용이 필요하다. 해수담수화에서 올바른 전처리 기술의 적용은 후단 담수화 시설의 높은 처리효율 및 문제점을 최소화시킴과 동시에 해수의 큰 수질변동과 기후적인 그리고 지역적인 영향 등에 즉각적으로 대처할 수 있으므로 전처리 기술의 운영전략은 미래 해수담수화 기술의 성공여부를 결정짓기 위해 매우 중요하게 다루어져야 한다. 또한 최근에 많은 관심을 가지고 있는 해수 미세조류의 번성은 담수화 전처리 기술의 선정에 있어서 잠재적인 장애가 되고 있어 이에 대한 올바른 이해도 반드시 필요하다. 본 총설에서는 해수담수화 전처리 기술에 관한 그동안의 연구동향을 분석하고 해수담수화 전처리 기술의 선택 및 운전 최적화 달성을 위한 향후 도전과제들을 제시하고자 한다.
Importance of pretreatment for seawater desalination is growing rapidly. Proper selection of pretreatment is critical for the successful, long-term operation in the seawater desalination plant such as seawater reverse osmosis (SWRO). The purposes of seawater pretreatment are to remove particulate, c...
Importance of pretreatment for seawater desalination is growing rapidly. Proper selection of pretreatment is critical for the successful, long-term operation in the seawater desalination plant such as seawater reverse osmosis (SWRO). The purposes of seawater pretreatment are to remove particulate, colloidal materials, organic, inorganic materials, microorganisms and their by-products present in the seawater, and thus to improve the performance of seawater desalination systems. However, pretreatment is most challenging for designing and operating seawater desalination plants because of fluctuations of water qualities, site specifications and wide ranges of target materials present in the seawater to be treated. In addition, it is also becoming evident increasingly that microscopic algae are a major cause of operational problems, for example, membrane fouling which is long-standing problem in SWRO process. Pretreatment strategies prior to the operation of seawater desalination technologies should be even more complicated by algae blooms and release of their harmful by-products in marine environment. This paper reviews the roles of various pretreatment methods in seawater desalination process. Benefits and drawbacks are described, which should be taken into account in future studies on selecting pretreatment for seawater desalination process.
Importance of pretreatment for seawater desalination is growing rapidly. Proper selection of pretreatment is critical for the successful, long-term operation in the seawater desalination plant such as seawater reverse osmosis (SWRO). The purposes of seawater pretreatment are to remove particulate, colloidal materials, organic, inorganic materials, microorganisms and their by-products present in the seawater, and thus to improve the performance of seawater desalination systems. However, pretreatment is most challenging for designing and operating seawater desalination plants because of fluctuations of water qualities, site specifications and wide ranges of target materials present in the seawater to be treated. In addition, it is also becoming evident increasingly that microscopic algae are a major cause of operational problems, for example, membrane fouling which is long-standing problem in SWRO process. Pretreatment strategies prior to the operation of seawater desalination technologies should be even more complicated by algae blooms and release of their harmful by-products in marine environment. This paper reviews the roles of various pretreatment methods in seawater desalination process. Benefits and drawbacks are described, which should be taken into account in future studies on selecting pretreatment for seawater desalination process.
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성능/효과
FeCl3 응집제를 침지식 멤브레인 반응기에 직접 주입하는 방식으로 70% 이상의 용존유기탄소 제거효율을 나타내었으며 0.1 µm PVDF 중공사막을 적용해서 약 3 mg/L의 Fe+3 농도에서 임계플럭스는 약 20 L/m2 ⋅hr까지 달성시킬 수 있었다.
특히 해수담수화 전처리 기술에서 미세조류의 번성 등으로 인한 해수성상의 변화는 해수담수화 시스템 거동을 더욱 복잡하게 만들 수 있다. 과거 재래식 고액분리 공정(응집/침전/여과 등)에 비해 멤브레인 전처리 기술은 상대적으로 적은 부지면적과 안정적인 수질의 제공으로 후단 공정의 부하를 감소시킬 수 있었다. 그러나 해수담수화 전처리를 위한 멤브레인 기술은 운전조건, 여과방식 그리고 역세척의 방식에 따라 파울링 거동과 처리효율이 매우 상이하게 나타날 수 있으므로 이들의 최적화는 여전히 중요하다.
정밀여과와 한외여과 멤브레인을 교차여과로 적용 시 해수발생 조류(Haslea ostrearia와 Skeletonema costatum)에 관한 파울링 관찰결과 한외여과 멤브레인의 경우 파울링 속도가 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 장시간 운전할 경우 높은 교차여과 속도로 인한 조류손상에도 불구하고 PAN 형태의 음전하를 띤 친수성 한외여과 멤브레인을 사용하는 것이 더욱 유리한 것으로 관찰되었다. 반면, 공극크기 약 0.
Ladner 등은 정밀여과와 한외여과 멤브레인 표면에서 발생하는 전단력이 해수조류에 의한 파울링에 미치는 영향을 관찰하였다[25]. 연구결과, 높은 전단력 조건에서는 조류세포의 파괴로 멤브레인 파울링이 급격히 증가하였다. 조류세포의 파괴는 콜로이드성 혹은 입자성 물질의 조류유기물질(AOM)들의 증대를 가져오게 되고 이들 물질에 의해 파울링 속도가 증가할 수 있다.
또한 방출되는 조류유기물질들은 적용해준 멤브레인의 공극 크기를 통과할 정도로 작아 유기물 제거효율을 감소시킬수 있다. 정밀여과와 한외여과 멤브레인을 교차여과로 적용 시 해수발생 조류(Haslea ostrearia와 Skeletonema costatum)에 관한 파울링 관찰결과 한외여과 멤브레인의 경우 파울링 속도가 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 장시간 운전할 경우 높은 교차여과 속도로 인한 조류손상에도 불구하고 PAN 형태의 음전하를 띤 친수성 한외여과 멤브레인을 사용하는 것이 더욱 유리한 것으로 관찰되었다.
후속연구
01 µm 사이에서 매우 다양하게 적용되고 있음을 알 수 있다. MF와 UF해수담수화 전처리 기술 적용의 비교연구에 의하면 UF막의 경우 MF막에 비해 후단 RO막의 교체비용을 더욱 감소시킬 수 있고 상대적으로 높은 제거효율로 인해 선호되는 경향이 있으나[11], 좀 더 면밀한 경제성 분석과 효율평가가 필요하다. Table 2에 제시된 바와 같이 해수담수화 전처리 멤브레인 기술 적용 시 PVDF, PES 등 다양한 재질의 고분자 멤브레인이 사용되고 있으며 적용 플럭스는 해수의 성상에 따라 많은 차이를 보이고 있다.
응집기술은 해수담수화 재래식 전처리 공정에서 탁도의 제거와 유기물 일부를 제거하기 위해 널리 적용된다. 또한 응집기술은 입상여과기술 등과 같은 후단 전처리 공정의 표면부하율을 감소시키기 위해 적용될 수있다. 대부분 해수에 존재하는 입자들과 미생물들은 음전하를 지니고 있어 안정화된 상태로 존재하므로 응집 과정을 통해 중화시키고 플럭화시켜 후단공정에서 효과적으로 제거될 수 있도록 해야 한다.
그러나 해수담수화 전처리를 위한 멤브레인 기술은 운전조건, 여과방식 그리고 역세척의 방식에 따라 파울링 거동과 처리효율이 매우 상이하게 나타날 수 있으므로 이들의 최적화는 여전히 중요하다. 재래식 전처리 기술과 멤브레인 전처리 기술의 장점들만을 활용한 하이브리드 멤브레인 전처리 시스템의 개발은 SWRO 공정의 처리효율과 경제성 향상을 위한 시너지 효과를 기대할 수 있을 것이다.
해수의 성상과 지역의 특성 등을 고려한 경제적인 맞춤형 적용을 위한 전처리 기술 전략 수립은 해수담수화 기술(예 : SWRO)의 성공적인 운전을 위한 핵심이다. 전처리 기술은 SWRO 플랜트의 설계와 운영적인 측면에서 해수성상의 변동과 미생물의 번식 등으로 향후 계속적인 도전을 받게 될 것이다. 특히 해수담수화 전처리 기술에서 미세조류의 번성 등으로 인한 해수성상의 변화는 해수담수화 시스템 거동을 더욱 복잡하게 만들 수 있다.
친수성 다당류 물질로서 크기는 5에서 200 µm로 물리화학적으로 매우 복잡한 구조를 지니고 있으며 접착력이 강해 향후 파울링 기여물질로서 앞으로 많은 연구가 필요하다.
특히 유기물, 미생물 그리고 콜로이드성 물질들로 인한 해수 수질의 변동성은 올바른 전처리 선택을 매우 어렵게 할 수 있다. 특히 해수가 지니는 높은 염의 농도와 이온강도 그리고 최근에 많은 문제가 되고 있는 조류의 번성 등은 전처리 기술의 효율을 감소시킬 수 있으므로 이들이 전처리에 미치는 영향과 후단 해수역삼투압(SWRO) 기술에 미치는 영향의 평가에 관한 종합적인 연구는 반드시 필요하다 [1]. Elimelech과 Philip의 연구에 따르면 해수담수화 플랜트에서 약 1 kWh/m3 이상의 에너지가 취수, 전처리 그리고 농축수 방류에 의해 소모되는데 이 중 전처리는 역삼투압 단계에 유입되기 전 에너지가 가장 많이 소모되는 단계로 알려져 있다[2].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
응집/ 침전/여과기술의 적절한 조합과 운전은 해수의 성상과 지역에 따라 다소 차이가 있을 수 있는 이유는 무엇인가?
응집/ 침전/여과기술의 적절한 조합과 운전은 해수의 성상과 지역에 따라 다소 차이가 있을 수 있다. 예를 들어, 앞서 언급한 바와 같이, 다양한 환경적인 영향으로 조류 번성과 조류부산물들은 전처리 공정에도 불구하고 낮은 제거효율로 후단처리에 급격한 오염부하를 가져올 수가 있다. 특히 최근 적조라고 불리우는 Harmful algal blooms (HAB)이 해수에서 자주 발생하고 있으며 해수 내에 존재하는 높은 미생물의 양과 그들이 생산하는 다양한 부산물들의 낮은 제거효율로 전처리 기술의 적용에 있어 큰 문제점으로 대두되고 있다[7].
전처리 단계의 특징은 무엇인가?
특히 해수가 지니는 높은 염의 농도와 이온강도 그리고 최근에 많은 문제가 되고 있는 조류의 번성 등은 전처리 기술의 효율을 감소시킬 수 있으므로 이들이 전처리에 미치는 영향과 후단 해수역삼투압(SWRO) 기술에 미치는 영향의 평가에 관한 종합적인 연구는 반드시 필요하다 [1]. Elimelech과 Philip의 연구에 따르면 해수담수화 플랜트에서 약 1 kWh/m3 이상의 에너지가 취수, 전처리 그리고 농축수 방류에 의해 소모되는데 이 중 전처리는 역삼투압 단계에 유입되기 전 에너지가 가장 많이 소모되는 단계로 알려져 있다[2]. 또한 일반적으로 해수의 성상은 해수를 취수하는 형태와 위치에 따라 달라질 수있기 때문에 이들은 담수화 전처리 기술의 설계에 있어 큰 영향을 미칠 수 있다.
해수담수화 기술의 전처리 선택을 어렵게 하는 요소는 무엇인가?
해수담수화 기술의 성공적인 적용을 위해서 전처리의 선택은 매우 중요하다. 특히 유기물, 미생물 그리고 콜로이드성 물질들로 인한 해수 수질의 변동성은 올바른 전처리 선택을 매우 어렵게 할 수 있다. 특히 해수가 지니는 높은 염의 농도와 이온강도 그리고 최근에 많은 문제가 되고 있는 조류의 번성 등은 전처리 기술의 효율을 감소시킬 수 있으므로 이들이 전처리에 미치는 영향과 후단 해수역삼투압(SWRO) 기술에 미치는 영향의 평가에 관한 종합적인 연구는 반드시 필요하다 [1].
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