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원수 블렌딩이 해수담수화 역삼투 공정 성능에 미치는 영향
Impact Analysis of Water Blending to Reverse Osmosis Desalination Process 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.30 no.3, 2020년, pp.190 - 199  

김지혜 (K-water 연구원 물이용연구소) ,  박형진 (K-water 연구원 물이용연구소) ,  이경혁 (K-water 연구원 물이용연구소) ,  권병수 (K-water 연구원 물이용연구소) ,  권순범 (K-water 연구원 물이용연구소) ,  임재림 (K-water 연구원 물이용연구소)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ㎥/...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (23)

  1. P. Doll, "Impact of climate change and variability on irrigation requirements: A global perspective", Clim. Change, 54, 269 (2002). 

  2. J. Alcamo, P. Doll, T. Hernichs, F. Kaspar, B. Lehner, T. Rosch, and S. Siebert, "Global estimates of water withdrawals and availability under current and future 'business-as-usual' conditions", Hydrol. Sci. J., 48, 339 (2003). 

  3. J. Schewe, J. Heinke, D. Gerten, I. Haddeland, N. W. Arnell, D. B. Clark, R. Dankers, S. Eisner, B. M. Fekete, F. J. Colon-Gonzalez, S. N. Gosling, H. Kim, X. Liu, Y. Masaki, F. T. Portmann, Y. Satoh, T. Stacke, Q. Tang, Y. Wada, D. Wisser, T. Albrecht, K. Frieler, F. Piontek, L. Warszawski, and P. Kabat, "Multimodel assessment of water scarcity under climate change", PNAS, 111, 3245 (2014). 

  4. K. S. Jeong, D. K. Kim, and G. J. Joo, "Delayed influence of dam storage and discharge on the determination of seasonal proliferations of Microcystis aeruginosa and Stephanodiscus hantzschii in a regulated river system of the lower Nakdong River (South Korea)", Water Research, 41, 1269 (2007). 

  5. S. Lee and S. U. Kim, "Quantification of hydrological responses due to climate change and human activities over various time scales in South Korea", Water, 9(1), 34 (2017). 

  6. M. K. Wittholz, B. K. O'Neill, C. B. Colby, and D. Lewis, "Estimating the cost of desalination plants using a cost database", Desalination, 229, 10 (2008). 

  7. Global Water Intelligence, "Desalination Markets 2016" (2015). 

  8. N. S. Park, S. S. Kim, S. H. Chae, and S. Kim, "The effect of fluctuation in flow rate on the performance of conventional and membrane water treatment for a smart water grid", Desalin. Water Treat., 47, 17 (2012). 

  9. S. Kim, F. L. Lim, J. Y. Park, and J. O. Kim, "Effect of flux fluctuation on the fouling in membrane water treatment system for smart water grid", Desalin. Water Treat., 52, 1028 (2014). 

  10. W. A. Lovins III, S. J. Duranceau, R. M. Powell, and J. Richard Voorhees, "Experiences with blending multiple source waters in a common water distribution system", Florida Water Resources Journal, March, 31 (2005). 

  11. W. Xiao, "Effect of source water blending on copper release in pipe distribution system: Thermodynamic and empirical models", Ph.D. Dissertation, University of Central Florida Orlando, Florida (2004). 

  12. H. K. Shon and A. Chanan, "Water management in sydney: Challenges, progress and the future", Smart Water Grid International Conference, Incheon, Korea, 177 (2014). 

  13. H. Lee, H. Park, D. S. Woo, and S. Kim, "Design for seawater reverse osmosis plant using water blending in smart water grid", J. Korean Soc. Water Wastewater, 29(1), 89 (2015). 

  14. Ministry of Environment, "Guidelines for establishing a basic plan for water supply maintenance" (2018). 

  15. J. S. Choi, T. M. Hwang, S. Lee, and S. Hong, "A systematic approach to determinie the fouling index for a RO/NF membrane process", Desalination, 238, 117 (2009). 

  16. K-water, "Feasibility study and basic planning for the seawater desalination project in Daesan coastal industrial complex" (2019). 

  17. J. Kim, K. H. Lee, and J. L. Lim, "Comprehensive analysis of major factors associated with the performance of reverse osmosis desalination plant for energy-saving", Membr. J., 29(6), 314 (2019). 

  18. Standard SWRO Membrane Specification, https://www.toraywater.com/products/ro/ro_003.html. 

  19. LG Chem Seawater Reverse Osmosis Membranes Specification, https://www.appliedmembranes.com/lg-chem-seawater-ro-membranes-swro.html. 

  20. N. Voutchkov, Desalination Engineering: Planning and Design, McGraw Hill, 41, (2013). 

  21. S. M. Rao, "Reverse osmosis", Resonance, 12, 37 (2007). 

  22. K. Loganathan, P. C. Ayala, and M. G. E. Din, "Pilot-scale study on the reverse osmosis treatment of oil sands tailings pond water: Impact of pretreatment on process performance", Desalination, 360, 52 (2015). 

  23. M. M. Shamel and O. T. Chung, "Drinking water from desalination of seawater: Optimization of reverse osmosis system operating parameters", J. Eng. Sci. Technol., 1(2), 203 (2006). 

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