2018년 환경부에서 발표된 수도정비기본계획에 따라 다양한 수자원 활용의 중요성이 증가하고 있으며, 여러 수원을 혼합하여 원수 또는 생산수로 활용하는 워터 블렌딩 방식은 미국, 호주를 비롯한 여러 나라에서 시도되고 있다. 본 연구에서는 공업용수 공급 목적으로 100,000 ㎥/일 규모 해수담수화 사업이 추진되고 있는 충남 대산 지역을 대상으로, 해수와 호소수, 침전수, 폐수 방류수 등 타 수원을 블렌딩할 때 수종 및 혼합비율에 따른 영향을 분석하였다. 타 수원 혼합비율 10~50% 조건에서 혼합수 염분농도는 약 50%까지 감소하였지만, 탁질 및 유기물 농도는 1.6~2.0배 수준으로 증가하는 것을 확인하였다. 실험실 규모 역삼투 공정 성능평가 결과, 해수의 단독활용 대비 원수 혼합 시 막오염 경향이 증가하였으며 혼합비율 10~50%에서 평균 4.1배의 플럭스 저감률을 나타내었다. 성능모사를 통한 역삼투 공정 성능분석에 따르면 혼합비율 50% 조건에서 역삼투 공정 에너지 사용량이 평균 39% 절감될 수 있을 것으로 기대되나, 운영비용 등 혼합수 활용에 대한 전반적인 영향분석을 위해서는 모형플랜트 규모에서 장기간 성능평가가 필요하다.
2018년 환경부에서 발표된 수도정비기본계획에 따라 다양한 수자원 활용의 중요성이 증가하고 있으며, 여러 수원을 혼합하여 원수 또는 생산수로 활용하는 워터 블렌딩 방식은 미국, 호주를 비롯한 여러 나라에서 시도되고 있다. 본 연구에서는 공업용수 공급 목적으로 100,000 ㎥/일 규모 해수담수화 사업이 추진되고 있는 충남 대산 지역을 대상으로, 해수와 호소수, 침전수, 폐수 방류수 등 타 수원을 블렌딩할 때 수종 및 혼합비율에 따른 영향을 분석하였다. 타 수원 혼합비율 10~50% 조건에서 혼합수 염분농도는 약 50%까지 감소하였지만, 탁질 및 유기물 농도는 1.6~2.0배 수준으로 증가하는 것을 확인하였다. 실험실 규모 역삼투 공정 성능평가 결과, 해수의 단독활용 대비 원수 혼합 시 막오염 경향이 증가하였으며 혼합비율 10~50%에서 평균 4.1배의 플럭스 저감률을 나타내었다. 성능모사를 통한 역삼투 공정 성능분석에 따르면 혼합비율 50% 조건에서 역삼투 공정 에너지 사용량이 평균 39% 절감될 수 있을 것으로 기대되나, 운영비용 등 혼합수 활용에 대한 전반적인 영향분석을 위해서는 모형플랜트 규모에서 장기간 성능평가가 필요하다.
The utilization of multiple water sources becomes important due to the master plan for development of water supply released by Ministry of Environment, Korea in 2018. In this study, therefore, the analysis of comprehensive effect in blending applicable water sources in Daesan where 100,000 ㎥/...
The utilization of multiple water sources becomes important due to the master plan for development of water supply released by Ministry of Environment, Korea in 2018. In this study, therefore, the analysis of comprehensive effect in blending applicable water sources in Daesan where 100,000 ㎥/d seawater desalination plant will be constructed for industrial use was performed. The increase in mixing ratio of other water sources with seawater reduced salinity up to 50%, but negatively impacted the turbid and organic matter. Lab-scale reverse osmosis performance test also found that membrane fouling was exacerbated in blended water condition. The simulation results of reverse osmosis indicated 39% energy saving on average is expected at the one-to-one blending ratio, however, long-term performance test at the pilot-scale plant is highly required to evaluate the inclusive impact of mixing seawater and other water sources.
The utilization of multiple water sources becomes important due to the master plan for development of water supply released by Ministry of Environment, Korea in 2018. In this study, therefore, the analysis of comprehensive effect in blending applicable water sources in Daesan where 100,000 ㎥/d seawater desalination plant will be constructed for industrial use was performed. The increase in mixing ratio of other water sources with seawater reduced salinity up to 50%, but negatively impacted the turbid and organic matter. Lab-scale reverse osmosis performance test also found that membrane fouling was exacerbated in blended water condition. The simulation results of reverse osmosis indicated 39% energy saving on average is expected at the one-to-one blending ratio, however, long-term performance test at the pilot-scale plant is highly required to evaluate the inclusive impact of mixing seawater and other water sources.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 대산 임해산업단지를 대상으로 해수 및 기타 수원(호소수, 하⋅폐수 처리수 등)의 혼합수에 대한 혼합 비율별 수질분석, 실험실 규모 성능평가 및 프로젝션 프로그램 기반 성능모사를 통하여, 해수담수화 시설에서 해수 및 인근 수원 연계 활용에 대한 영향을 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 해수담수화 사업을 통한 공업용수 공급이 추진되고 있는 대산 산업단지를 대상으로, 해수와 인근 지역 가용 수원인 대호지 호소수, 아산 침전수, 대산 산업용수센터 폐수방류수의 연계 활용에 대한 영향을 수질 및 에너지 소모 측면에서 분석하였다.
4). 해수, 대호지 호소수, 폐수방류수의 유기물 데이터는 각 시설에서 CODMn 기준으로 측정되고 있으나, 본 논문에서는 혼합수 유기물 농도의 정확한 비교를 위해 TOC를 기준으로 비교하고자 하였다. 이에 각 시설에서 확보한 연간 CODMn 데이터를 각 시료의 실측 CODMn/TOC 비율로 환산하여 Table 2의 TOC값으로 나타내었다.
가설 설정
1단 및 2단 역삼투 공정에 적용된 막은 각각 SWC6-MAX과 ESPA2-MAX이며 막오염 및 노후화가 진행되지 않은 초기 운전 조건을 적용하였다. 역삼투 공정 운전조건은 타당성 조사 및 기본계획과 동일한 회수율(1단 52.6%, 2단 90%) 및 막여과유속(1단 13.4 L/m2 ⋅h, 2단 24.2 L/m2 ⋅h)을 적용하였으며, 주요 설비 효율은 각각 고압 펌프 84.1%, 부스터 펌프 83%, 모터 93%, 인버터 97% 로 가정하였다[16,17].
5(a)]. 역삼투 해수담수화는 유입수의 삼투압 및 기타 압력손실을 고려한 높은 압력이 요구되는 공정이므로, 원수 혼합을 통해 감소한 유입수 염분농도는 공정 운전압력 감소에 기여할 수 있다. 한편, 혼합수의 SDI15는 대체적으로 타 수원 혼합비율 10~20%에서는 4 이하, 20~40%에서는 4 < SDI15 < 5, 50% 혼합 시는 5 이상을 나타내었다[Fig.
제안 방법
1절에 서 분석한 전전처리된 해수 및 타수원 혼합수 수질데이터를 이용하였다. 단일 트레인 용량 10,000 m3 /일기준 에너지회수장치가 적용된 2단 역삼투 공정으로 구성 하였으며, 전량 2단 여과(Full 2 pass) 및 부분 2단 여과 (Partial 2 pass) 방식을 비교하였다(Fig. 2).
막오염에 의한 막 성능 변화를 비교하기 위하여 혼합 수 종류 및 혼합 비율별 막 성능평가 데이터를 이용하여 플럭스 저감속도(Flux decline rate, FDR)를 계산하였다. FDR(Φ)은 초기 플럭스와 시간에 따라 변화하는 플럭스와의 관계로 나타나며, 본 실험에서는 Choi et al.
Dupont (미국), Hydranautics (일본), LG화학(한국), Toray (일본) 등 주요 역삼투막 제조사에서는 범용으로 사용 가능한 역삼투 공정 성능모사 소프트웨어를 무료로 제공하고 있다. 본 연구에서는 대산 해수담수화 사업의 타당성 조사 및 기본계획 수립시 사용된 Hydranautics사 소프트웨어(IMSDesign)를 활용하여 해수 및 타수원 혼합수의 수질변화에 따른 역삼투 공정 성능분석을 수행하였다. 혼합에 따른 염분농도(total dissolved solids, TDS) 변화의 최대 효과를 비교하기 위하여 타수원의 혼합비율이 가장 높은 경우(해수 : 기타수원 = 5 : 5)에 대하여 성능 모사를 진행하였으며, 2.
해수 및 기타수원 혼합비율에 따른 수질분석 및 성능 평가를 위하여 대산항, 현대오일뱅크 내 원수 유입시설, 대산산업용수센터 원수 유입 및 폐수방류 시설에서 각각 해수, 대호지 호소수, 아산 침전수, 폐수방류수를 직접 채수하여 수질분석 및 실험을 진행하였다. 혼합 활용시 추가 전처리 필요 여부를 비교하기 위하여 검토 대상 수원은 모두 전전처리(혼화⋅응집⋅침전)된 상태로 혼합하여 활용하였다.
아산 침전수 및 폐수방류수는 각 시설에서 전전처리를 거친 상태로 채수하였고, 해수와 대호지 호소수는 실험실에서 전전처리를 수행하였다. 해수 원수는 응집제(FeCl3) 주입률 1~5 ppm (as Fe) 조건, 대호지 호소수는 응집제(poly aluminum chloride, PAC) 주입률 10~50 ppm 조건에서 각각 Jar-test를 수행하여 최적 응집제 주입률을 결정하였으며, 급속 교반(200 rpm) 1분, 완속 교반(40 rpm) 20분, 침전 30분 조건을 적용하였다. 본 연구는 해수를 주요 수원으로 활용하는 것을 전제로 하기 때문에, 해수를 기준으로 타 수원의 혼합 비율을 10~50%로 조절하였다.
해수와 타 수원의 혼합수에 대하여 실험실 규모 역삼투 평막 성능평가 장치를 이용하여 혼합수종 및 비율에 따른 막 오염평가를 수행하였다. 실험에 사용한 역삼투 성능평가 설비의 공정도는 Fig.
본 연구는 해수를 주요 수원으로 활용하는 것을 전제로 하기 때문에, 해수를 기준으로 타 수원의 혼합 비율을 10~50%로 조절하였다. 후단 전처리 공정의 필요성을 검토하기 위하여 혼합 비율별 혼합수에 대하여 TDS, 탁도, TOC, SDI15 등의 수질항목을 측정하였다.
대상 데이터
대산 인근지역에서 해수와 혼합 활용이 가능할 것으 로 기대되는 수원 조사 결과를 바탕으로, 대호지 호소수, 아산정수장 침전수, 대산산업용수시설 폐수방류수를 검토대상으로 선정하였다. 충남 서부 지역의 적은 강우량 및 잦은 가뭄으로 인해 빗물 활용은 어려우며, 주변 지하수는 물량이 충분하지 않아 검토대상에서 제외 되었다.
아산정수장 침전 수는 현재 대산 산업단지에 약 119,000 m3 /일(전체 산 단의 산업용수 사용량의 50% 수준)의 용수를 공급하고 있는 K-water 대산 산업용수시설의 원수로 사용되고 있으며, 정밀여과 및 역삼투 공정을 거쳐 산업용수가 생산되는 과정에서 발생하는 다량의 농축폐수는 적절한 처리 후 하천에 방류된다. 서산 하수처리장은 K-water 에서 구축 예정인 100,000 m3/일 해수담수플랜트 부지에서 약 40 km 이격되어 있어 본 연구에서는 대산 산업용수시설의 폐수방류수를 검토대상에 포함하였다.
1과 같다. 역삼투 막은 LG화학에서 제공한 해수담수화 전용막을 사용하였고 (Table 1), 유효막 면적은 0.0106 m2 , 온도 15~16°C, 유입 압력 45 bar, 전단속도 7.7 cm/s 및 유입 유량 1,200 mL/분 조건에서 6시간 동안 실험을 진행하였다. 고압 조건에서 운전함에 따른 막의 압밀화 영향을 감소시키기 위하여, 동일 운전조건(압력, 유량)에서 DI water를 이용하여 15시간 동안 막을 안정화 시킨 후 본 실험을 진행하였다.
대산 지역에서 활용 가능한 수원의 연간 수질변화 분석을 위하여 다음과 같은 방법으로 수질 데이터를 확보 하였다. 해수는 K-water 연구원에서 2016~2017년 먹어섬 인근에서 직접 채수하여 분석한 데이터이며, 아산정수장 침전수는 대산 산업용수센터의 운영데이터(2016~ 2018년), 폐수방류수는 국립환경과학원의 수질원격감시체계(tele-monitoring system, TMS) 데이터(2016~2018 년), 대호지 호소수는 환경부 물환경 정보시스템에서 제공하는 데이터(2016~2018년)를 각각 활용하였다.
본 연구에서는 대산 해수담수화 사업의 타당성 조사 및 기본계획 수립시 사용된 Hydranautics사 소프트웨어(IMSDesign)를 활용하여 해수 및 타수원 혼합수의 수질변화에 따른 역삼투 공정 성능분석을 수행하였다. 혼합에 따른 염분농도(total dissolved solids, TDS) 변화의 최대 효과를 비교하기 위하여 타수원의 혼합비율이 가장 높은 경우(해수 : 기타수원 = 5 : 5)에 대하여 성능 모사를 진행하였으며, 2.3.1절에 서 분석한 전전처리된 해수 및 타수원 혼합수 수질데이터를 이용하였다. 단일 트레인 용량 10,000 m3 /일기준 에너지회수장치가 적용된 2단 역삼투 공정으로 구성 하였으며, 전량 2단 여과(Full 2 pass) 및 부분 2단 여과 (Partial 2 pass) 방식을 비교하였다(Fig.
이론/모형
막오염에 의한 막 성능 변화를 비교하기 위하여 혼합 수 종류 및 혼합 비율별 막 성능평가 데이터를 이용하여 플럭스 저감속도(Flux decline rate, FDR)를 계산하였다. FDR(Φ)은 초기 플럭스와 시간에 따라 변화하는 플럭스와의 관계로 나타나며, 본 실험에서는 Choi et al.의 계산 방법을 사용하였다[15].
성능/효과
1) 대산 해수와 인근 수원을 혼합 활용하면, 해수를 단독으로 사용하는 경우 대비 평균적으로 탁도 및 SDI15 는 약 1.6배, TOC는 약 2.0배 증가하며, 혼합비율 10~ 50% 범위 모두 추가적인 전처리 공정이 필요할 것으로 확인되었다.
2) 해수 대비 염분농도가 낮은 수원을 혼합하여 역삼 투 공정의 유입수로 활용함에 따라 TDS는 최대 47% 감소하였고, 이에 따른 삼투압 감소 효과로 역삼투 평막 성능평가시 초기 플럭스는 최대 1.6배 증가하는 것으로 나타났다.
3) 해수와 인근 수원 혼합 활용시 역삼투 공정의 막 오염 영향 검토를 위하여 FDR을 분석한 결과, 해수를 단독 활용하는 경우 대비 타 수원 혼합 시 FDR 값이 증가하는 경향을 보였으며, 특히 폐수방류수 혼합 시 최대 6.6배까지 증가하였다. 혼합 비율별 FDR의 차이는 미미한 수준이었으며, 이는 본 실험이 랩규모 평막장치 및 단기간(6시간)이라는 제한 조건에서 진행되었기 때문으로 사료된다.
4) 대산 해수와 인근 수원을 각각 50% 혼합한 조건에서 역삼투 구성방식 및 혼합수 종류에 따라 에너지 소모를 분석한 결과, 혼합수 활용에 따른 에너지 절감효과는 평균 39% 수준으로 확인되었다.
5) 원수 혼합에 따라 역삼투 공정 유입수 염분농도가 감소하여 소요 에너지가 절감되지만, 막오염이 증가하여 운영비용이 증가될 가능성이 있다. 워터 블렌딩 기술을 해수담수화 상업 시설에 적용하기 위해서는 스케일업 시스템에서의 장기간 성능평가를 통해 이러한 트레이드 오프(trade-off) 지점을 찾는 연구가 선행되어야 한다.
대산 해수와 인근에서 활용 가능한 수원에 대하여 혼합수 종류 및 혼합비율에 따른 실험실 규모 역삼투 평막 실험결과는 Table 3과 같다. 염분농도가 낮은 타 수원을 혼합함에 따라 해수 단독 사용 대비 역삼투 공정의 유입수 TDS는 최대 47%까지 감소하였으며, 초기 플럭스(J0)가 약 1.6배 증가하는 경향을 보였다. 실험일정에 따라 혼합수 수질분석(3.
한편, 해수와 타 수원 혼합 시의 막오염 영향을 분석하기 위하여 FDR을 비교한 결과, 해수를 단독으로 사용하는 경우 FDR (1.28 × 10-4 m2 /L) 대비 수원 혼합 시 FDR 값은 평균 4.06배(0.3~14.9배)로 대체적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 폐수방류수 혼합시 FDR 이 평균 [(8.43 ± 3.84) × 10-4 m2 /L]로 가장 크게 증가하여 막오염에 의한 플럭스 감소가 가장 큰 것으로 확인 되었다. 하지만, 일부 혼합수 조건에서 해수 단독 사용 대비 감소된 FDR값이 나타나고 혼합비율에 따른 FDR 의 경향성을 확인할 수 없는 것은, 본 실험의 운전시간 (6시간) 및 시설 규모가 혼합수의 막오염 영향을 충분히 반영하기 어렵기 때문으로 사료된다.
후속연구
6) 대산 지역을 대상으로 해수와 다양한 타 수원(호소수, 폐수방류수 등)을 혼합하여 해수담수플랜트 원수로 사용하는 경우에 대한 영향을 비교 분석함으로써, 국내 최대 규모 대산 해수담수화 사업(100,000 m3 /일) 뿐만 아니라 향후 지역 특성에 맞는 다양한 수자원 활용 방안을 모색하는데에 기초 자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
워터 블렌딩 방식이란 무엇인가?
2018년 환경부에서 발표된 수도정비기본계획에 따라 다양한 수자원 활용의 중요성이 증가하고 있으며, 여러 수원을 혼합하여 원수 또는 생산수로 활용하는 워터 블렌딩 방식은 미국, 호주를 비롯한 여러 나라에서 시도되고 있다. 본 연구에서는 공업용수 공급 목적으로 100,000 ㎥/일 규모 해수담수화 사업이 추진되고 있는 충남 대산 지역을 대상으로, 해수와 호소수, 침전수, 폐수 방류수 등 타 수원을 블렌딩할 때 수종 및 혼합비율에 따른 영향을 분석하였다.
워터 블렌딩 방법을 실제 상업 사설 적용할 때 신중해야 되는 이유는 무엇인가?
지속가능하고 효율적인 수자원 확보를 위해서는 수도정비기본계획 지침 및 국내외 워터 블렌딩 사례를 참고하여 지역 여건에 맞는 다양한 수자원 활용 방안을 모색할 필요가 있다. 예를 들어, 해수에 염분농도가 낮은 타 수원을 혼합하여 원수로 활용하는 경우 역삼투 공정 운전압력이 감소하여 에너지 절감 효과를 얻을 수 있으나[13], 유입 원수의 유기물 함량 증가로 막 세정 빈도가 증가하여 운영비용이 증가할 가능성이 있기 때 문에 실제 상업 시설에 적용하기 위해서는 종합적인 검토가 선행되어야 한다.
역삼투 기술이 해수담수플랜트의 90% 이상을 차지하는 이유는 무엇인가?
현재 부족한 수자원을 확보하기 위하여 전 세계적으로 해수담수화 기술이 널리 활용되고 있다. 특히 분리막 기술 발달에 따른 막 비용 절감 및 에너지회수장치 적용으로 역삼투 해수담수화 방식의 물 생산단가가 증발식 대비 최대 38%까지 감소하면서[6], 현재 건설 중 이거나 발주 예정인 해수담수플랜트의 90% 이상이 역삼투 기술을 적용하고 있다[7]. 국내에는 수도 관망을 통한 직접 물 공급이 어려운 도서지역을 중심으로 소규모 (10~100 m3 /일) 역삼투 해수담수화 시설이 설치⋅운영 되고 있고, 중⋅대규모로는 국가 R&D 예산으로 기장에 구축된 45,000 m3 /일 시설, 민간자본으로 광양에 구축 ⋅운영 중인 30,000 m3 /일 시설이 있다.
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