SWRO-PRO hybrid desalination technology is recently getting more attention especially in large desalination markets such as USA, Middle East, Japan, Singapore, etc. because of its promising potential to recover a considerable amount of osmotic energy from brine (a high-concentration solution of salt...
SWRO-PRO hybrid desalination technology is recently getting more attention especially in large desalination markets such as USA, Middle East, Japan, Singapore, etc. because of its promising potential to recover a considerable amount of osmotic energy from brine (a high-concentration solution of salt, 60,000 - 80,000 mg/L) and also to minimize the impact of the discharged brine into a marine ecosystem. By the research and development of the core technologies of the SWRO-PRO desalination system in a national desalination research project (Global MVP) supported by Ministry of Land, Infrastructure, and Transport (MOLIT) and Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA), it is anticipated that around 25% of total energy consumption rate (generally 3 to $4kWh/m^3$) of the SWRO desalination can be reduced by recovering the brine's osmotic energy utilizing wastewater treatment effluent as a PRO feed solution and an isobaric pressure exchanger (PX, ERI) as a PRO energy converter. However, there are still several challenges needed to be overcome in order to ultimately commercialize the novel SWRO-PRO process. They include system optimization and integration, development of efficient PRO membrane and module, development of PRO membrane fouling control technology, development of design and operation technology for the system scaling-up, development of diverse business models, and so on. In this paper, the current status and progress of the pilot study of the newly developed SWRO-PRO hybrid desalination technology is discussed.
SWRO-PRO hybrid desalination technology is recently getting more attention especially in large desalination markets such as USA, Middle East, Japan, Singapore, etc. because of its promising potential to recover a considerable amount of osmotic energy from brine (a high-concentration solution of salt, 60,000 - 80,000 mg/L) and also to minimize the impact of the discharged brine into a marine ecosystem. By the research and development of the core technologies of the SWRO-PRO desalination system in a national desalination research project (Global MVP) supported by Ministry of Land, Infrastructure, and Transport (MOLIT) and Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA), it is anticipated that around 25% of total energy consumption rate (generally 3 to $4kWh/m^3$) of the SWRO desalination can be reduced by recovering the brine's osmotic energy utilizing wastewater treatment effluent as a PRO feed solution and an isobaric pressure exchanger (PX, ERI) as a PRO energy converter. However, there are still several challenges needed to be overcome in order to ultimately commercialize the novel SWRO-PRO process. They include system optimization and integration, development of efficient PRO membrane and module, development of PRO membrane fouling control technology, development of design and operation technology for the system scaling-up, development of diverse business models, and so on. In this paper, the current status and progress of the pilot study of the newly developed SWRO-PRO hybrid desalination technology is discussed.
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제안 방법
해수담수화 원천기술의 검증을 위해서는 파일럿 연구는 필수적으로 수행이 되어야 하기 때문에 경기도 고양시 하수처리장에 위치해 있는 파일럿 플랜트를 통해서 다양한 PRO 막모듈 및 시스템 구성에 대한 평가와 전처리 시스템 개발에 집중해서 연구가 진행되고 있다. 또한, 두 개의 다른 SWRO-PRO 복합해수담수화 공정들(PRO-turbine 공정 vs. PRO-2PX 공정)에 대한 성능 평가를 위해서 부산시 기장군에 240 m3 /d 규모의 실증파일럿 플랜트를 2015년 9월에 구축해서 약 20개월 이상 장기운전을 수행하였다. 최근에 실 하수처리수를 대상으로 한 성능평가 파일럿 연구를 위해서 보완된 실증파일럿 플랜트를 2017년 8월에 부산시 남부하수처리장에 이전 설치해서 운전 중에 있다 (Fig.
또한, 농축수의 삼투에너지를 회수할 수 있는 PRO 에너지 회수장치 개발 및 SWRO-PRO 복합해수담수화 시스템을 최적화 할 수 있는 설계 및 운영 기술개발이 필요하다. 이를 위해, 국책연구과제를 통해 부산시와 경기도 고양시 하수처리장에 소규모 및 대규모 파일럿 플랜트를 설치 및 운전 중에 있으며, 부산시 남부하수처리장에 운영 중인 대규모 파일럿 플랜트를 활용하여 세계 최초로 압력교환장치 형태인 PRO 에너지 회수장치를 적용한 고효율 SWRO-PRO 복합해수담수화 신공정 원천기술 개발을 성공 하였다. 차세대 해수담수화 기술인 SWRO-PRO 신공정기술은 해수담수화 전력소모량을 기존 기술대비 25% 이상 절감할 것으로 기대된다.
대상 데이터
8. SWRO-PRO demonstration plant located in a Busan wastewater treatment plant (240 m3 /d, PRO system capacity).
PRO-2PX 공정)에 대한 성능 평가를 위해서 부산시 기장군에 240 m3 /d 규모의 실증파일럿 플랜트를 2015년 9월에 구축해서 약 20개월 이상 장기운전을 수행하였다. 최근에 실 하수처리수를 대상으로 한 성능평가 파일럿 연구를 위해서 보완된 실증파일럿 플랜트를 2017년 8월에 부산시 남부하수처리장에 이전 설치해서 운전 중에 있다 (Fig. 8).
성능/효과
, 2018). PRO 전용막의 계속적인 성능 개선을 통해서 현재 평가 중인 4세대 막모듈은 초기 대비 flux는 7.8배까지 상승하였고, 1개 막모듈의 회수율은 5.8배 상승하여서 플랜트 건설비용의 상승이 약 30% 까지 낮춰질 것으로 평가된다. 또한, SWRO-PRO 플랜트의 경제성은 농축수 삼투에너지 회수율에 따라 크게 영향을 받으며 , PRO 시스템을 통해 해수담수화 에너지 절감(energy saving)이 25% 달성 시, PRO 시스템 시설비용의 투자회수기간은 10년 이하가 될 것으로 예상된다 (Park et al.
UF 공정과 MBR 공정은 기본적으로 막에 의한 suspended solid(SS) 물질의 효율적인 제거성능을 가지고 있고, 하수방류수를 PRO 시스템의 유입수로 사용 시, 전처리 기술로서 UF 시스템으로 처리하는 것이 효율적인 것으로 평가되었다. 하지만 UF와 MBR 공정 모두 용존성 유기물의 처리 성능이 낮아서 유입되는 원수 수질에 따라 PRO 막오염 현상이 다르게 나타날 수 있기때문에 PRO 시스템의 주기적인 물리세정 및 화학세정을 통하여 막오염을 효율적으로 제어해야 한다.
3 LMH로 약 77% 향상이 되었다. 또한, recovery와 power density 역시 각각 49%, 86% 향상되었다.
해수담수화나 발전시설에 상용화된 에너지 회수장치(Pelton turbine, Turbocharger, Isobaric pressure exchanger 등)에 비해 PRO 막모듈은 아직까지 상용화 된 제품이 존재하지 않는다. 본 연구과제를 시작했던 2013년에 Toray Chemical Korea에서 국내에서 처음으로 개발한 나권형(Spiral-wound) 형태의 1세대 8인치 PRO 막모듈(CSM-PRO-1)의 성능은 2.1 LMH 투과유속과 8.5% 회수율로 상용화하기에는 성능이 매우 낮았다. PRO 막 모듈의 성능이 낮을 경우, PRO 시스템에서 요구되는 적정한 회수율을 달성하기 위해 RO 시스템에 비해 상대적으로 많은 개수의 막 모듈과 부대설비가 필요하여 결과적으로 플랜트 건설비용의 큰 영향을 미친다 (Park et al, 2017).
현재까지의 실증파일럿 플랜트 운전결과에 의하면, 기존 SWRO 공정 대비 SWRO-PRO(w/ 2PX) 해수담수화 공정이 18 ~ 28%의 에너지 소모량을 줄일 수 있고, 에너지 효율은 해수 및 하수처리수의 염농도 및 온도에 의해서 많은 영향을 받는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로 장기운전에 의한 PRO 시스템의 막오염 현상 분석 및 저감 기술 개발과 scale-up을 위한 설계 및 운영기술을 개발 중에 있다.
후속연구
단순히 수질적인 측면을 고려하면 BWRO 처리수가 가장 적합할 수 있지만, 다른 기술들에 비해 시설비와 에너지 비용을 포함한 운전비용이 커서 상대적으로 경제성이 떨어진다. Fig. 6 에서 볼 수 있듯이 본 연구과제에서는 경기도 고양시 하수처리장에 PRO 시스템의 전처리 기술개발을 위해 UF 및 MBR 파일럿 연구를 수행 중에 있다.
SWRO-PRO 공정은 SWRO 공정 대비 PRO 시스템(PRO 전용막, Pressure vessel, 전처리 설비, 에너지 회수장치, 펌프, 배관설비, 계측장비 등)이 추가로 설치되어야 함으로 건설비 측면에서는 추가적인 비용 상승이 예상되지만, PRO 시스템의 에너지 회수를 통해서 장기 운전시 초기 투자비를 일정기간 안에 회수할 수 있을 것으로 예상된다. 플랜트 건설비용은 PRO 전용막의 성능에 따라 크게 영향을 받을 수 있는데, 초기에 개발한 1세대 PRO 전용막의 경우 flux(2.
, 2018). 그 외 해양환경에 대한 영향 최소화와 carbon tax 및 전력비의 상승들은 SWRO-PRO 복합해수담수화 플랜트의 경제성을 높일 것으로 판단되지만 아직 PRO 막모듈 성능에 따른 가격이 결정되지 않았고, PRO 전처리시스템 구성에 따라 경제성에 크게 영향을 줄 수 있어서 여러 인자들을 고려한 추가적인 민감도 분석이 필요하다.
PRO 시스템을 통해 회수된 에너지는 해수담수화 운영비 및 생산단가를 절감할 수 있고, 고농도 농축수 방류로 인한 해양생태계 영향을 최소화 시킬 수 있다. 또한, 농축수 처리 비용(즉, 농축수 배수시설 비용) 및 해수담수화 전력시설 설치비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 최근에 미국, 일본, 싱가포르 등 선진국에서도 PRO공정을 이용한 에너지 생산에 관한 기초 및 파일럿 연구가 활발히 진행 중이다.
SWRO-PRO 복합해수담수화 기술이 해수담수화 시장에서 경쟁력을 갖기 위해서는 우선적으로 고성능 PRO 전용막 및 모듈 개발이 필요하며, 해수담수화 농축수 외 추가적으로 하수처리수와 같은 저농도 담수를 유입수(Feed Solution, FS)으로 사용하기 때문에 PRO 막오염을 최소화 할 수 있는 적절한 전처리 시스템과 물리화학적 세정기술 개발이 필요하다. 또한, 농축수의 삼투에너지를 회수할 수 있는 PRO 에너지 회수장치 개발 및 SWRO-PRO 복합해수담수화 시스템을 최적화 할 수 있는 설계 및 운영 기술개발이 필요하다. 이를 위해, 국책연구과제를 통해 부산시와 경기도 고양시 하수처리장에 소규모 및 대규모 파일럿 플랜트를 설치 및 운전 중에 있으며, 부산시 남부하수처리장에 운영 중인 대규모 파일럿 플랜트를 활용하여 세계 최초로 압력교환장치 형태인 PRO 에너지 회수장치를 적용한 고효율 SWRO-PRO 복합해수담수화 신공정 원천기술 개발을 성공 하였다.
또한 미생물 및 유기물로 인한 biofouling 제어를 위하여 biocide를 사용하는데, 대부분 상용화된 biocide의 경우 염소그룹을 포함한 산화성 화합물이 주류를 이루고 있어서, PRO 공정 전단에 산화성 물질을 환원시키는 약품주입설비 추가되어야 하는 문제점을 가지고 있다. 이에, 미생물 부착과 생물막으로 발달되는 과정을 차단하며 PRO 막의 성능에 영향을 최소화 할 수 있도록 경제성과 효율성을 고려한 비산화성 biocide의 개발 및 성능평가에 대한 연구를 실험실 및 파일럿 설비를 활용하여 진행 중에 있다. 그 외, SS가 하수 방류수 기준치에 넘어설 경우 간헐적으로 주입하는 응집보조제인 polymer에 의하여 UF 및 PRO 공정의 막오염을 크게 유발할 수 있어서, 응집보조제 사용 및 농도에 크게 주의를 기울여야 한다.
그 외, SS가 하수 방류수 기준치에 넘어설 경우 간헐적으로 주입하는 응집보조제인 polymer에 의하여 UF 및 PRO 공정의 막오염을 크게 유발할 수 있어서, 응집보조제 사용 및 농도에 크게 주의를 기울여야 한다. 이와 같은 이유로, PRO의 전처리기술로서 UF 공정 대신 MBR공정을 적용 시 응집보조제로 사용하는 polymer의 영향으로부터 안전하고, UF 시스템 구축을 위한 추가 건설비 및 운영비(에너지 비용 포함)를 절감할 수 있어서 SWRO-PRO 복합해수담수화 플랜트의 경제성이 더 높아질 것으로 기대된다.
향후 SWRO-PRO 복합해수담수화 기술의 상용화를 위해서는 PRO 전용막 및 모듈의 성능 개선과 전처리 및 막오염 제어기술 개발 그리고 중·대규모 플랜트 건설을 위한 scale-up 기술개발이 필요하다.
향후 SWRO-PRO 복합해수담수화 기술의 상용화를 위해서는 PRO 전용막 및 모듈의 성능 개선과 전처리 및 막오염 제어기술 개발 그리고 중·대규모 플랜트 건설을 위한 scale-up 기술개발이 필요하다. 현재까진 PRO 기술에 대한 국내 기술력이 세계에서 가장 앞서가고 있지만, 향후 개발기술들의 조기 상용화를 통한 기술선도와 신시장 진출을 위해서는 후속과제를 통한 실증화 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해수의 염농도의 증가로 인한 문제점은?
, 2011; Dawoud, 2012). 이러한 해수의 염농도의 증가는 해양생태계 영향뿐만 아니라, 궁극적으로 해수담수화 공정에 더 많은 에너지가 필요하게 됨으로써 해수담수화의 생산단가 상승을 초래할 수 있다. 이에, 최근에는 해수담수화의 에너지 소모량 절감하면서 고염도 농축수를 함께 처리할 수 있는 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis, PRO) 기술을 접목한 복합해수담수화 공정기술에 대한 관심이 크게 높아지고 있다.
역삼투(Reverse Osmosis, RO)를 이용한 해수담수화의 문제점은?
대표적으로 해수담수화기술인 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 기술은 RO막 및 농축수 압력회수장치(Energy Recovery Device, ERD)의 성능향상으로 에너지 효율이 초기대비 크게 향상 되었지만, 여전히 생산단가의 40% 내외, 플랜트 운영비의 50%이상을 차지하고 있다. 또한 RO 반투막에서 걸러진 염분 등의 총 용존 고형물(Total Dissolved Solid, TDS)로 인하여 고농도의 농축수가 생산되며, 일반적으로 해수담수화 플랜트 해수원수의 약 50~60%의 고염도 농축수(Brine)가 해양으로 배출되어 해양생태계에 영향을 미친다고 알려져 있다 (Danoun, 2007). 미국 캘리포니아 지역에서는 농축수의 해양방류에 따른 해양생태계의 영향을 최소화하기 위해 농축수 방류에 대한 규제가 강화되고 있고, 전 세계 해수담수화 플랜트의 53.
SWRO-PRO 복합해수담수화 공정이란?
현재 국내에서는 국토교통부 및 국토교통과학기술진흥원의 차세대 해수담수화 기술개발 연구사업(연구과제명: MD/PRO 복합탈염공정 실증플랜트 기술개발, 2013-2018)에서 PRO를 이용한 해수담수화 플랜트 에너지 회수 기술개발을 수행 중이며, 핵심기술은 해수담수화 플랜트에 발생하는 농축수의 염분차에너지(삼투압)을 PRO 기술을 통해 회수하는 SWRO-PRO 복합해수담수화 공정이다. 이는 SWRO 해수담수화 플랜트에서 발생하는 고염도 농축수와 하수처리수를 각각 PRO 시스템의 유도용액(Draw Solution, DS)과 유입수 (Feed Solution, FS)로 사용하여, 두 용액의 농도차에 의해 발생되는 삼투에너지를 압력교환장치를 통해 회수하여 SWRO 공정 고압펌프에서 필요한 에너지를 줄이거나, 터빈 형태의 에너지 회수장치 적용을 통해 전력을 생산하는 기술이다. PRO 시스템을 통해 회수된 에너지는 해수담수화 운영비 및 생산단가를 절감할 수 있고, 고농도 농축수 방류로 인한 해양생태계 영향을 최소화 시킬 수 있다.
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