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문제 정의
- 현재 시장 지배 기술이라 할 수 있는 SWRO 공정의 경우 SWRO 분리막 제조사들이 ROSA, IMSDesign, 그리고 TorayRO와 같이 자사의 SWRO 분리막을 사용하여 설계를 진행할 수 있는 프로그램을 사용자에게 제공하고 있지만, PRO 공정의 경우 공정을 평가하거나 설계할 수 있는 프로그램이 전무한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정이 기존 SWRO 공정 대비 경쟁력을 가질 수 있는 가이드라인을 설정하기 위해 PRO 공정의 공정 모사와 비용 예측 모델을 구축하고 이 모델을 기반으로 SWRO 단독 공정과 SWRO-PRO 조합 공정을 비교, 평가할 수 있는 프로그램을 개발하였다. PRO 공정은 PRO 분리막 모듈 후단에 ERD(Energy Recovery device, 에너지 회수장치)를 적용하여 SWRO 공정의 유입수에 압력을 전달하는 공정구성과 Turbine을 적용하여 직접 전기를 생산하여 SWRO 공정에 공급하는 두가지 형태로 구성하였다.
제안 방법
- Fig. 6은 SWRO-PRO(Turbine)-WWTP 공정해석결과를 나타낸 것으로써, 앞선 경우와 동일하게 하수처리장의 유입수량은 200,000 m3/day으로 PRO 공정으로 유입되는 2차처리수는 167,000 m3/day으로 하수 유입수의 수질은 3가지 중 중간으로 그리고 처리공정은 4가지 중 Preliminary treatment + Primary clarification + CMAS + Secondary clarifier + Lime treatment + Filtration으로 설정하였다. 해석결과 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 상호 연결된 경우 각각의 수처리 비용은 1.
- 따라서 본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정이 기존 SWRO 공정 대비 경쟁력을 가질 수 있는 가이드라인을 설정하기 위해 PRO 공정의 공정 모사와 비용 예측 모델을 구축하고 이 모델을 기반으로 SWRO 단독 공정과 SWRO-PRO 조합 공정을 비교, 평가할 수 있는 프로그램을 개발하였다. PRO 공정은 PRO 분리막 모듈 후단에 ERD(Energy Recovery device, 에너지 회수장치)를 적용하여 SWRO 공정의 유입수에 압력을 전달하는 공정구성과 Turbine을 적용하여 직접 전기를 생산하여 SWRO 공정에 공급하는 두가지 형태로 구성하였다. 또한 PRO 공정의 저농도 용액으로 하수처리수를 적용하였으며 하수처리수 확보의 형태에 따라 하수처리장과 연계된 경우(하수처리장 2차 처리수를 사용)와 연계되지 않은 경우(최종방류수를 사용)로 구분하여 공정평가를 수행할 수 있도록 프로그램을 구성하였다.
- 또한 SWRO-PRO 공정과 하수처리장이 연결된 경우 PRO공정으로 유입되는 하수처리장의 2차 처리수의 용량만큼을 배제하여 3차 처리 공정이 건설되고 운영되도록 설정하였다. SWRO-PRO 공정의 입력조건은 앞선 경우와 동일하며, 하수처리장의 유입수량은 200,000 m3/day으로 그리고 PRO 공정으로 유입되는 2차처리수는 167,000m3/day으로 하수 유입수의 수질은 3가지 중 중간으로 그리고 처리공정은 4개의 공정 중 Preliminary treatment + Primary clarification + CMAS + Secondary clarifier + Lime treatment + Filtration을 선택하여 설정하였다. 해석결과 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 상호 연결된 경우 각각의 수처리 비용은 1.
- SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 상호 연결된 경우에는 하수처리장의 2차 처리수 중 일부를 PRO 공정의 유입수로 사용되도록 하였으며, 상호 연결되지 않은 경우에는 최종방류수인 3차 처리수를 유입수로 사용하도록 설정하였다. 또한 SWRO-PRO 공정과 하수처리장이 연결된 경우 PRO공정으로 유입되는 하수처리장의 2차 처리수의 용량만큼을 배제하여 3차 처리 공정이 건설되고 운영되도록 설정하였다.
- 위에 제시된 입력변수를 사용하여 운전압력, 여과수 및 농축수의 수질, 막모듈별 여과플럭스와 회수율, 막 모듈 및 압력베셀 수, 에너지 사용량과 건설 및 운영 비용을 결과로 얻을 수 있다. 공정해석을 위해 SWRO 공정의 입력변수는 앞서 수행한 SWRO 단독 공정모사와 동일한 값으로 설정하였으며, PRO 공정의 회수율은 67.7%. 유도용액의 농도와 유량은 SWRO 공정의 농축수와 동일한 값으로 막유입수의 유량과 농도 및 압력은 각각 150,000 m3/day과 2,000 mg/L, 3 bar로 모듈 1개의 면적은 20.
- 8×10-8 m/sec, 원수의 TDS는 43,000 mg/L, 압력베셀내부의 막모듈 수는 7개, 고압 펌프 효율은 70%, 부스터 펌프의 효율은 70%, 에너지 회수장치의 효율은 95%로 설정하였다. 그리고 비용분석을 위한 입력변수인 플랜트의 운영기간은 총 20년으로, 플랜트 운영 비율은 91%, 전기료는 0.2 $/kWh, 이자율은 3%로 설정하였다. 이러한 입력조건으로 해석을 수행한 결과 필요한 운전압력은 70 bar, 여과수의 수질은 TDS 334 mg/L, 농축수의 수질은 TDS 71,500 mg/L, 총 모듈수는 8687개, 압력베셀수는 1241개, 에너지 사용량은 3.
- PRO 공정은 PRO 분리막 모듈 후단에 ERD(Energy Recovery device, 에너지 회수장치)를 적용하여 SWRO 공정의 유입수에 압력을 전달하는 공정구성과 Turbine을 적용하여 직접 전기를 생산하여 SWRO 공정에 공급하는 두가지 형태로 구성하였다. 또한 PRO 공정의 저농도 용액으로 하수처리수를 적용하였으며 하수처리수 확보의 형태에 따라 하수처리장과 연계된 경우(하수처리장 2차 처리수를 사용)와 연계되지 않은 경우(최종방류수를 사용)로 구분하여 공정평가를 수행할 수 있도록 프로그램을 구성하였다.
- SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 상호 연결된 경우에는 하수처리장의 2차 처리수 중 일부를 PRO 공정의 유입수로 사용되도록 하였으며, 상호 연결되지 않은 경우에는 최종방류수인 3차 처리수를 유입수로 사용하도록 설정하였다. 또한 SWRO-PRO 공정과 하수처리장이 연결된 경우 PRO공정으로 유입되는 하수처리장의 2차 처리수의 용량만큼을 배제하여 3차 처리 공정이 건설되고 운영되도록 설정하였다. SWRO-PRO 공정의 입력조건은 앞선 경우와 동일하며, 하수처리장의 유입수량은 200,000 m3/day으로 그리고 PRO 공정으로 유입되는 2차처리수는 167,000m3/day으로 하수 유입수의 수질은 3가지 중 중간으로 그리고 처리공정은 4개의 공정 중 Preliminary treatment + Primary clarification + CMAS + Secondary clarifier + Lime treatment + Filtration을 선택하여 설정하였다.
- 또한 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 서로 연계된 경우와 연계되지 않은 경우에 대한 비교를 위하여 압력지연삼투 공정에 저농도 용액으로 사용되는 하수처리수의 유입수질, 용량에 따른 비용예측 모델을 구축하였다. 하수처리장의 비용예측 모델은 ‘CAPDETWorks’ 소프트웨어를 이용하여 도출하였으며, 하수처리장 유입수질을 크게 3가지로 구분하여 (weak, medium, strong) 모델을 구축하였으며, 그 수질 특성은 Table 3에 나타낸 바와 같다.
- 하수처리장의 비용예측 모델은 ‘CAPDETWorks’ 소프트웨어를 이용하여 도출하였으며, 하수처리장 유입수질을 크게 3가지로 구분하여 (weak, medium, strong) 모델을 구축하였으며, 그 수질 특성은 Table 3에 나타낸 바와 같다. 또한 Table 4에 나타낸 바와 같이 공공하수처리설의 방류수 수질기준을 고려하여, 총 4가지 하수처리공정에 대하여 비용예측 모델을 구축하였다.
- 본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정의 공정모사 및 비용예측 프로그램 개발을 개발하였으며 이 프로그램을 사용하여 SWRO-PRO 조합공정이 SWRO 공정과 비교하여 경제성을 확보할 수 있는 가이드라인을 제시하기 위해 담수생산량 100,000 m3/일을 기준으로 공정모사를 수행하여 SWRO 단독공정과 SWRO-PRO 조합공정을 비교하였다. 본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정이 SWRO 단독공정에 비해 경제성을 확보하기 위해서는 PRO 공정의 회수율이 SWRO 공정의 일반적인 회수율 범위인 30~50% 보다 높은 67.
- 본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정이 SWRO 공정과 비교하여 경제성을 확보할 수 있는 가이드라인을 제시하기 위해 담수생산량 100,000 m3/일을 기준으로 공정모사를 수행하여 SWRO 플랜트와 SWRO-PRO 플랜트의 공정모사 결과 및 담수생산 비용을 비교하였다.
- 일반적으로 공정의 구성, 원수의 수질조건, 운전조건, 회수율 및 세정방법 등에 따라 비용 분석이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 문헌조사를 통해 조사된 다양한 비용 분석 모델 중 경험식을 위주로 한 모델을 선정하여 Table 2와 같이 SWRO 공정과 PRO 공정의 비용 분석 모델을 구축하였다 (Darwish M.A., et al., 1989; Sommariva C., et al., 2004; Malek A., et al., 1996; Marcovecchio M.G., et al., 2005).
- 0×10-8 m/sec, 압력베셀내부의 막모듈 수는 7개, 고압펌프 효율은 70%, 부스터 펌프의 효율은 70%, 에너지회수장치의 효율은 95%로 설정하였다. 비용분석을 위한 입력변수인 플랜트의 운영기간은 총 20년으로, 플랜트 운영 비율은 91%, 전기료는 0.2 $/kWh, 이자율은 3%로 SWRO 플랜트와 동일하게 설정하였다.
- 해석을 위한 압력지연삼투 공정은 전처리 공정, 부스터 펌프, 막모듈, 에너지 회수장치로 구성되어 있다. 에너지 회수장치가 적용된 SWRO-PRO 조합공정의 경우 SWRO에서 생산된 수량만큼 PRO공정을 통해 회수해야하기 때문에 우선적으로 회수율을 만족시키는 운전조건을 제시하도록 계산이 진행되도록 프로그램을 구성하였다. 압력지연삼투 공정모사를 위한 입력변수로는 회수율, 유도용액의 유량과 농도, 압력, 막유입수의 유량과 농도, 압력, PRO 분리막의 물 투과계수와 염 투과계수, 막면적, 내부농도분극계수, 펌프와 에너지회수장치의 효율 있으며, 비용예측을 위한 입력변수로는 플랜트의 운영기간, 플랜트 운영비율, 전기료, 이자율이 있다.
- 유도용액의 농도와 유량은 SWRO 공정의 농축수와 동일한 값으로 막유입수의 유량과 농도 및 압력은 각각 150,000 m3/day과 2,000 mg/L, 3 bar로 모듈 1개의 면적은 20.0 m2 , 막의 물 이동계수는 3.0×10-12 m2sec/kg, 염 이동계수는 3.0×10-8 m/sec, 압력베셀내부의 막모듈 수는 7개, 고압펌프 효율은 70%, 부스터 펌프의 효율은 70%, 에너지회수장치의 효율은 95%로 설정하였다.
- 하수처리장의 비용예측 모델은 ‘CAPDETWorks’ 소프트웨어를 이용하여 도출하였으며, 하수처리장 유입수질을 크게 3가지로 구분하여 (weak, medium, strong) 모델을 구축하였으며, 그 수질 특성은 Table 3에 나타낸 바와 같다.
대상 데이터
- 3은 SWRO-PRO 조합공정에 대한 해석 결과를 나타낸 것으로써, PRO공정을 통해 생산된 에너지를 에너지 회수장치를 통해 SWRO 공정의 원수로 압력을 전달하도록 공정이 구성되어 있다. 해석을 위한 압력지연삼투 공정은 전처리 공정, 부스터 펌프, 막모듈, 에너지 회수장치로 구성되어 있다. 에너지 회수장치가 적용된 SWRO-PRO 조합공정의 경우 SWRO에서 생산된 수량만큼 PRO공정을 통해 회수해야하기 때문에 우선적으로 회수율을 만족시키는 운전조건을 제시하도록 계산이 진행되도록 프로그램을 구성하였다.
이론/모형
- SWRO 공정과 PRO 공정의 공정모사를 위해 농도분극을 고려하여 수정된 용해-확산 모델 적용하였으며 물 투과플럭스와 염 투과플럭스를 계산하기 위한 기본 수식들은 Table 1에 나타낸 바와 같다(Lee S., et al., 2001; McCutcheon J.R., et al., 2006). 그리고 PRO 공정의 경우 분리막의 활성층이 고농도 용액과 맞닿아 있어 희석 외부농도분극과 농축 내부농도분극이 발생하는 경우만을 고려하였다.
- 그리고 PRO 공정의 경우 분리막의 활성층이 고농도 용액과 맞닿아 있어 희석 외부농도분극과 농축 내부농도분극이 발생하는 경우만을 고려하였다. 삼투압은 SWRO 공정과 PRO 공정 모두 반트호프식을 사용하여 계산하였다.
성능/효과
- 2는 SWRO-PRO 공정모사 및 비용예측 프로그램을 통해 SWRO 단독공정을 해석한 결과를 나타낸 것으로 해석을 위한 SWRO 공정은 크게 취수, 전처리, 역삼투 모듈, 고압펌프, 부스터펌프와 에너지 회수장치로 구성되어 있다. SWRO 플랜트의 공정모사 입력 변수로는 생산수량, 여과플럭스, 회수율, 원수의 이온 농도와 온도, 적용된 막의 물 투과계수와 염 투과계수, 막모듈 면적, 펌프와 에너지회수장치의 효율 등이 있으며, 비용예측을 위한 입력변수로는 플랜트의 운영기간, 플랜트 운영비율, 전기료, 이자율 등이 있다 위에 제시한 입력변수를 사용하여 운전압력, 여과수 및 농축수의 수질, 막모듈별 여과플럭스와 회수율, 막 모듈 및 압력베셀 수, 에너지 사용량과 건설 및 운영 비용을 결과로 얻을 수 있다. 공정해석을 위한 입력변수인 생산수량은 100,000 m3/일, 여과플럭스는 12 LMH, 회수율은 40% 온도는 25˚C, 막 모듈 1개의 면적은 40.
- 공정해석을 위한 입력변수인 생산수량은 100,000 m3/일, 여과플럭스는 12 LMH, 회수율은 40% 온도는 25˚C, 막 모듈 1개의 면적은 40.0 m2 , 분리막의 물 이동계수는 2.0×10-12 m2sec/kg, 염 이동계수는 1.8×10-8 m/sec, 원수의 TDS는 43,000 mg/L, 압력베셀내부의 막모듈 수는 7개, 고압 펌프 효율은 70%, 부스터 펌프의 효율은 70%, 에너지 회수장치의 효율은 95%로 설정하였다.
- 2$/kWh로 매우 높아야 하는 것으로 계산되었다. 그리고 PRO막 모듈의 가격이 SWRO 모듈과 동일해야 하며 에너지 회수장치 및 터빈의 효율이 매우 높아야 하는 것으로 계산되었다. 또한 3차 처리 공정으로 구성된 하수처리장과 연계하였을 경우 최종방류수가 아닌 2차 처리수를 PRO공정의 원수로 사용하는 경우 전체 수처리 비용을 낮출 수 있는 것으로 계산되었다.
- 59 $/m3으로 계산되어 상호 연결되었을 경우보다 약 7% 높게 계산되었다. 따라서 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장을 상호 연계하는 것이 전체 수처리 비용을 낮추는 방안이 될 수 있음을 알 수 있다.
- 그리고 PRO막 모듈의 가격이 SWRO 모듈과 동일해야 하며 에너지 회수장치 및 터빈의 효율이 매우 높아야 하는 것으로 계산되었다. 또한 3차 처리 공정으로 구성된 하수처리장과 연계하였을 경우 최종방류수가 아닌 2차 처리수를 PRO공정의 원수로 사용하는 경우 전체 수처리 비용을 낮출 수 있는 것으로 계산되었다.
- 73 kW/m3으로 증가하는 것으로 계산되었다. 또한 비용 분석 결과 담수 1 m3을 생산하는데 약 1.10 $가 필요한 것으로 계산되어 에너지 회수장치를 적용한 공정보다 높은 비용이 소비되는 것으로 계산되었다.
- /일을 기준으로 공정모사를 수행하여 SWRO 단독공정과 SWRO-PRO 조합공정을 비교하였다. 본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정이 SWRO 단독공정에 비해 경제성을 확보하기 위해서는 PRO 공정의 회수율이 SWRO 공정의 일반적인 회수율 범위인 30~50% 보다 높은 67.7%로 매우 높아야 하며 전력밀도 또한 8.1 W/m2으로 매우 높아야 한다. 또한 플랜트 설치 지역의 전기료가 0.
- 위와 같은 입력조건으로 해석을 수행한 결과 역삼투의 운전압력은 70 bar, 여과수의 수질은 TDS 334 mg/L, 농축수의 수질은 TDS 71,500 mg/L, 총 모듈수는 8687개, 압력베셀수는 1241개, 에너지 사용량은 2.56 kWh/m3으로 계산되었으며, 압력지연삼투 공정의 운전압력은 28 bar, 여과플럭스는 평균 10.0 L/m2-hr,전력밀도는 8.0 W/m2 , 총 모듈수는 21,000개, 압력베셀수는 3,000개로 계산되었다. SWRO 단독공정과 비교하였을 경우 에너지 사용량이 크게 감소하였는데 이는 에너지회수장치를 통해 PRO 공정을 통해 생산된 에너지가 SWRO 공정의 원수로 전달되었기 때문이다.
- 2 $/kWh, 이자율은 3%로 설정하였다. 이러한 입력조건으로 해석을 수행한 결과 필요한 운전압력은 70 bar, 여과수의 수질은 TDS 334 mg/L, 농축수의 수질은 TDS 71,500 mg/L, 총 모듈수는 8687개, 압력베셀수는 1241개, 에너지 사용량은 3.36 kWh/m3으로 계산되었다. 또한 비용 분석 결과 담수 1 m3을 생산하는데 약 1.
- SWRO-PRO 공정의 입력조건은 앞선 경우와 동일하며, 하수처리장의 유입수량은 200,000 m3/day으로 그리고 PRO 공정으로 유입되는 2차처리수는 167,000m3/day으로 하수 유입수의 수질은 3가지 중 중간으로 그리고 처리공정은 4개의 공정 중 Preliminary treatment + Primary clarification + CMAS + Secondary clarifier + Lime treatment + Filtration을 선택하여 설정하였다. 해석결과 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 상호 연결된 경우 각각의 수처리 비용은 1.06 $/m3과 0.42 $/m3 계산되어 담수생산 비용과 하수처리 비용이 총 1.48 $/m3으로 계산되었으나 분리된 경우에는 각각의 수처리 비용이 1.04 $/m3과 0.55 $/m3 계산되어 총 비용이 1.59 $/m3으로 계산되어 상호 연결되었을 경우보다 약 7% 높게 계산되었다. 따라서 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장을 상호 연계하는 것이 전체 수처리 비용을 낮추는 방안이 될 수 있음을 알 수 있다.
- 6은 SWRO-PRO(Turbine)-WWTP 공정해석결과를 나타낸 것으로써, 앞선 경우와 동일하게 하수처리장의 유입수량은 200,000 m3/day으로 PRO 공정으로 유입되는 2차처리수는 167,000 m3/day으로 하수 유입수의 수질은 3가지 중 중간으로 그리고 처리공정은 4가지 중 Preliminary treatment + Primary clarification + CMAS + Secondary clarifier + Lime treatment + Filtration으로 설정하였다. 해석결과 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 상호 연결된 경우 각각의 수처리 비용은 1.12 $/m3과0.42 $/m3 계산되어 담수생산 비용과 하수처리 비용이 총 1.54 $/m3으로 계산되었으나 분리된 경우에는 각각의 수처리 비용이 1.10 $/m3과 0.55 $/m3 계산되어 총 비용이 1.65 $/m3으로 연결되었을 경우보다 약 6.7%높게 계산되었다.
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