초록
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1. 서론
먹는물 수질기준은 국가별로 다르지만 일반적으로 염도(salinity)는 500 mg/L 이하(일부 지역은 1,000 mg/L)여야 하고, 붕소(boron)는 0.5 mg/L 이하로 제한하고 있다. 하지만 도시화와 산업의 발달로 인하여 주된 상수원수인 지표수의 오염으로 이러한 기준을 만족시킬 수 있는 담수가 충분하지 않아 지난 10여 년간 해수담수화에 대한 관심이 급격히 증가하였다. 해수는 염도가 높기 때문에 음용수로 적합하지 않으므로 열적 방법(전 세계 해수담수화 용량의 30%
1. 서론
먹는물 수질기준은 국가별로 다르지만 일반적으로 염도(salinity)는 500 mg/L 이하(일부 지역은 1,000 mg/L)여야 하고, 붕소(boron)는 0.5 mg/L 이하로 제한하고 있다. 하지만 도시화와 산업의 발달로 인하여 주된 상수원수인 지표수의 오염으로 이러한 기준을 만족시킬 수 있는 담수가 충분하지 않아 지난 10여 년간 해수담수화에 대한 관심이 급격히 증가하였다. 해수는 염도가 높기 때문에 음용수로 적합하지 않으므로 열적 방법(전 세계 해수담수화 용량의 30%) 또는 분리막(전 세계 해수담수화 용량의 65%)으로 처리하여 해수를 담수화한다. 분리막을 이용한 방법 중에서도 RO막을 이용한 방법이 가장 많이 이용되고 있다.
RO막의 성능은 투수성, 염 배제율, 오염 저항성으로 평가할 수 있다. 또한 RO막은 일정한 부피에서 더 넓은 여과면적(비표면적)을 확보하기 위해 막이 얇아야 한다. 따라서 최근에는 thin film com-posite(TFC) 폴리아마이드가 RO막으로 가장 많이 이용되고 있다. TFC는 1) polyester 지지층(100μm), 2) polysulfone의 다공성 지지층(40~50μm), 3) 가교결합된 방향족 폴리아마이드 활성층(0.2μm)으로 구성된다.
RO막으로 주로 이용되고 있는 형태는 나권형(spiral wound membrane; SWM)이며, 이는 얇은 TFC를 원통형으로 감은 형태이다. SWM은 운전이 쉽고, 오염 제어가 용이하며, packing 밀도가 높다는 장점이 있다. SWM의 직경과 길이는 전 세계적으로 규격화되어 있으며, 직경은 4, 8, 16 inch이며, 길이는 제조사별로 차이가 있을 수도 있지만 1m가 일반적이다.
RO 시스템은 ‘원수취수 – 전처리 – RO – 후처리 – 배수’의 공정으로 구성된다. 전처리는 협잡물 제거, 염소소독, 응집, 응결, 침전, 다층여과, 카트리지 여과, 염소 제거, 산 및 anti-scalant 주입 등의 공정이 포함된다. 여기서 응집, 응결, 침전은 한외여과(ultrafiltration)로 대체할 수 있다. RO 공정은 고압펌프, RO 모듈(압력용기, RO element), 에너지회수장치(energy recovery device; ERD)로 구성되며, 후처리는 가스 탈기, 미네랄 재주입(remineralization), 중화, 소독설비가 필요하다.
RO 공정은 한 번의 여과로 처리수를 생산하는 single stage와 첫 번째 stage에서 발생된 농축수를 다시 RO로 여과하여 첫 번째 stage 처리수와 혼합해 최종 처리수를 생산하는 two stage로 구성할 수 있다. 일반적으로 two stage는 회수율을 향상시키기 위한 목적으로 사용되고, 첫 번째 stage에서 높은 회수율로 운전할 경우 분리막의 오염으로 인하여 더 높은 압력이 필요하므로 첫 번째 stage에서 회수율을 다소 낮춰 운전하고, 여기서 발생된 농축수를 다시 여과하여 처리하는 것이다. 이를 통해 회수율 향상과 함께 에너지도 절감할 수 있다. 처리수질의 향상을 위해서 RO 처리수를 다시 RO로 여과하는 방법이 사용되는데, 이를 two pass RO라고 한다. RO 농축수는 일반적으로 유입 압력과 거의 유사한 압력을 갖는다. 따라서 EDR을 이용하여 농축수에 존재하는 압력을 회수하여 유입수와 함께 RO막으로 주입시키면 에너지의 절감이 가능하다.
해수담수화 RO(sea water RO; SWRO)와 기수담수화 RO(brackish water RO; BWRO)의 성능은 다음 표 1과 같다.
[표 1] SWRO와 BWRO의 성능 비교
RO의 회수율을 증가시키면 분리막의 오염으로 인하여 운전 압력이 높아지고, 분리막 표면의 염분 농도 상승으로 스케일링이 발생할 우려가 있기 때문에 화수율을 무한정 상승시킬 수 없다. 따라서 분리막의 운전 압력과 세정 주기 등을 고려하여 적정 회수율을 선정하는 것이 바람직하다.
RO 시스템의 설치와 운영에 소요되는 비용은 시설별로 다양하지만, 한 보고에 따르면 CAPEX가 전체의 53%, OPEX가 47% 정도를 차지한다. 운영비용(OPEX)은 약품, 분리막 교체, 전기요금으로 구분할 수 있으며, 각각 10%, 21%, 69%를 차지한다. 운영비용 중 약품은 주로 분리막 오염의 제어와 세정에 이용된다. 분리막의 오염은 크게 유기오염, 입자에 의한 오염, 생물학적 오염, 스케일링으로 구분하며, 유기오염은 휴믹 물질과 미생물 분비물이며, 입자성 물질은 알루미늄 실리케이트, 점토, 콜로이드, 모래, 실트 등과 같은 부유 물질에 의한 오염이다. 생물학적 오염은 조류와 미생물에 의한 오염과 번식을 의미하며, 스케일링은 과포화된 무기물에 의해 발생되는 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 황산마그네슘, 실리카 등에 의해 유발되는 오염을 말한다. 막오염을 제어하기 위해 원수와 함께 anti-scalant, biocide 등의 약품을 주입하고, 막이 오염되면 약품으로 세정을 한다. 세정 주기는 원수와 막의 성능에 따라 다르며, 일반적으로 투수성이나 염 배제율이 10% 감소하거나 원수 유입 압력이 15% 이상 증가하면 산, 알칼리를 이용하여 분리막을 세척한다. 산은 스케일링을 제거하고, 알칼리는 생물학적 및 유기 오염물질을 제거한다. 압력용기 안에 위치해 있는 각 RO element 중에서 가장 마지막에 있는 element는 고농도의 염에 노출되기 때문에 오염이 가장 빨리 발생한다. 따라서 주기적으로 오염이 많이 진행된 막을 교체하는 것이 필요하며, SWRO의 경우 전체의 연간 약 20%, BWRO는 연간 5% 정도를 교체하는 것이 일반적이다.
전기요금은 RO 운영비용에서 큰 비율을 차지한다. RO 시스템 운영에 필요한 전력량은 취수, 전처리, 후처리, 고압펌프, 약품 펌프 등이 있으며, 여기서 ERD로 회수되는 에너지를 제외하면 총 전력 사용량을 계산할 수 있다. 이 중에서 two stage RO에서 고압펌프가 차지하는 비율이 약 85% 내외로 알려져 있다. 1970년대에는 RO 시스템 운영에 필요한 전력량은 20 kWh/m3이었으나, 분리막의 투수성 향상, 전처리, ERD의 발전으로 80년대에는 8 kWh/m3, 90년대는 5 kWh/m3, 2000년에 들어서서는 3.5 kWh/m3까지 낮출 수 있었다. 2005~2010년 사이에 조사된 40,000 m3/일 이상의 20개 SWRO 시설의 처리비용과 전력 사용량은 각각 $0.5~3.0/m3, 2.5~4.0 kWh/m3인 것으로 나타났다. 최근에는 RO의 투수성 향상은 한계에 도달하였으며, 향후에는 RO막의 선택성으로 처리 성능을 향상시키는 것이 필요하다는 보고가 있었다. 따라서 향후에는 RO막의 투수성 향상으로는 소요되는 에너지를 낮출 수 없다는 것을 의미한다.
본 리포트에서는 RO막의 투수성과 element의 설계 인자(유입수와 처리수의 압력손실, 농도분극의 정도, 오염에 대한 저항성, RO element의 구성 등)가 RO 시스템의 성능과 비용에 미치는 영향에 대해서 검토하고, 향후 연구 방향에 대해 알아보고자 한다. 또한 최근 새로운 RO 공정으로 많이 연구되고 있는 closed-circuit RO와 batch RO 공정도 함께 살펴보았다.
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