1. 서 론
전 세계적인 기후변화 현상은 강수량을 비롯한 물 순 환 체계 전반에 영향을 미치고 있으며 지표수 및 지하수 등 담수 자원으로의 접근성을 악화시키고 있다[1]. 이에 따라 대체 수자원 확보를 위해 다단 플래쉬, 다단효용 방식 등의 증발식과 분리막을 이용한 역삼투(reverse osmosis, RO) 방식 해수담수화 기술이 발전하였다. 에 너지회수 장치 및 분리막 기술이 발달하면서 증발식 대 비 역삼투 해수담수화의 공사비용은 최대 60%, 생산수 단가는 최대 38%까지 감소하였고[2], 지리적 여건에 의 한 제한이 적고 신뢰성이 검증된 장점 때문에[3,4], 현 재 발주되거나 발주 예정인 해수담수플랜트의 약 90% 가 역삼투 방식을 적용하고 있다[5]. 국내에는 수자원 확보가 어려운 도서지역에 10~100 m3/일 규모 해수담수 시설이 100여개 설치되어 있으며, 중⋅대 규모로는 국 가 R&D 과제를 통해 해수담수화 사업단에서 부산 기 장에 구축한 45,000 m3/일 규모 시설과 광양제철소 공 업용수 공급을 위해 포스코 건설에서 민간사업으로 구 축한 30,000 m3/일 시설이 있다[6].
서해 지역에 위치한 대산 임해산업단지는 세계 4위 에틸렌 생산을 담당하고 있으며, 현대오일뱅크, 한화토 탈, 롯데케미칼, LG화학 KCC 등 대산 5사 외에도 여 러 기업들이 입주해있다. 현재 대산 임해산업단지에서 필요한 용수는 아산공업정수장 침전수를 원수로 이용 하는 기수담수화 시설(K-water 대산 산업용수센터)에서 약 119,000 m3/일을 공급하고 있으며, 부족분은 인근 대호지에서 공급받아 각 기업에서 보유하고 있는 역삼 투 시설을 통해 자체 생산하여 활용하고 있다. 하지만 기후변화로 인해 충남 지역의 가뭄현상이 지속되면서 농업용 저수지인 대호지에서 취수 가능한 물량이 크게 감소하여 용수 확보에 어려움을 겪고 있다. 또한, 산업 단지 내 일부 기업의 경우 생산시설 확충이 진행 중이 거나 예정하고 있는 것으로 나타나 향후 용수 수요가 증가할 것으로 예상된다. 이에 따라 K-water에서는 대 산 임해산업단지에 필요한 용수 공급을 위하여 국내 최 대 규모인 100,000 m3/일 역삼투 해수담수플랜트를 구 축 및 운영하고자 한다.
역삼투 해수담수플랜트는 취수, 전처리, 역삼투, 후처 리, 방류 등의 공정으로 구성되며, 그 중 역삼투 설비는 전체 건설비용의 40~60%, 운영비용의 70~80%를 차지 하기 때문에 비용을 절감하기 위해서는 역삼투 공정의 설계 및 운영 최적화가 반드시 필요하다[7]. 이에 Kim 은 전 세계 70개 이상의 대규모 해수담수플랜트 운영자 료 조사를 통해 유입수 염분농도, 목표 수질, 장치(펌 프, 에너지회수장치 등) 효율 등이 역삼투 공정 전력소 모에 미치는 영향에 대하여 분석한 바 있다[8]. 해수담 수화는 원수 수질 및 사업 특성에 따라 공정 성능 및 비용에 차이가 큰 편이므로, 실제 대상 지역의 현황을 고려한 성능검토가 반드시 필요하다.
따라서 본 연구에서는 해수담수화플랜트 성능에 영 향을 미치는 주요 요소인 염분농도, 수온, 막여과유속, 회수율 변화에 대한 RO 공정의 투과수질 및 에너지 사 용량에 대한 분석을 통하여, 대산 임해지역에 건설될 100,000 m3/일 규모 해수담수플랜트의 운영비용을 절감 할 수 있는 설계 및 운영 방향을 제시하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1. 해수담수플랜트 주요 영향인자
해양환경공단 연안해역환경측정망 자료를 활용하여 대산 지역 1997~2018년 해수 수질데이터 분석 결과, 염 분농도(total dissolved solids, TDS)는 평균 31,200 mg/L, 수온은 평균 13°C로 확인되었다. 또한, 대산 인근지역 해수 샘플링(2016~2017년, 총 26회) 및 대산 임해산업 단지 내 구축한 해수담수 모형플랜트 운영(2018년)을 통해 자체적으로 확보한 데이터 분석 결과, 대산 지역 해수의 연간 염분농도는 28,000~34,000 mg/L, 수온은 5~30°C 범위로 연안해역환경측정망 자료와 유사한 수 준으로 나타났다. 이에 본 연구는 유입 원수 수질조건인 평균 TDS 31,200 mg/L 및 수온 13°C에서 성능 분석을 수행하였다.
2.1.1. 염분농도
농도 차에 의한 확산을 주요 메커니즘으로 하는 역삼 투 공정에서 유입수 염분농도는 성능에 직접적인 영향 을 미친다. 반트호프 법칙(식 1)에 따라 동일 온도 조건 에서 유입수 염분농도가 증가하면 유입수 삼투압이 증 가하기 때문에, 동일유량을 생산하기 위한 소요압력이 증가하게 되고 운영비용이 상승하게 된다.
2.1.2. 수온
유입 원수 온도가 증가하면 물의 점도가 감소하게 되 며 낮아진 물의 점도는 역삼투막의 수투과도(water permeability) 를 증가시킨다[9]. 역삼투 공정의 여과유량(유 속)은 다음 식 (2)에 의하여 표현되며, 막 저항이 감소하 면 동일 여과유량을 생산하기 위해 필요한 압력이 감소 하여 운영비용이 감소하게 된다.
2.1.3. 막여과유속
막여과유속은 단위면적당 여과유량으로 정의되며, 설 계 관점에서 다음 식 (3)과 같이 나타낸다. 여과유속이 증가하면 생산물량이 증가되나, 여과유속을 과도하게 설 계하면 막오염을 심화시키고 운전압력을 증가시켜 운 영비용 증가를 야기한다.
일반적인 해수담수화 공정에서 1단 역삼투 공정의 적정 여과유속은 13.5~18 L/m2⋅h, 2단 역삼투 공정의 적정 여과유속은 35~45 (2단 1차, 2-1) 및 25~35 L/m2 ⋅h (2단 2차, 2-2) 수준으로 운영된다[10].
2.1.4. 회수율(Recovery)
역삼투 공정의 회수율은 유입유량 대비 생산유량을 의미하며 다음 식 (4)와 같이 표현된다. 회수율을 증가 시킬 경우 소요압력이 상승하여 역삼투 공정의 전력소 모는 증가하지만, 역삼투 공정 유입유량을 감소시키므 로 전단공정(취수, 전처리 등)의 규모 및 운영비용이 감 소되는 장점이 있다.
해수담수플랜트 회수율은 대상 지역의 수질 및 사업 특성을 고려하여 결정되며, 대산 지역과 염분농도가 유 사한 지역의 해수담수플랜트 방문조사 결과, 1단 역삼 투 공정 회수율은 약 40~50% 수준으로 운영되고 있음 을 확인하였다(Table 1).
2.2. 역삼투 해수담수플랜트 성능모사
역삼투막의 주요 제조사인 Dupont (미국), Hydranautics (일본), LG화학(한국), Toray (일본) 등에서는 역삼 투 공정의 성능모사가 가능한 프로젝션 소프트웨어를 무료로 제공하고 있다. 본 연구에서는 K-water 대산 해 수담수화 사업 타당성 조사 및 기본계획과의 연계성을 위해 Hydranautics社의 IMSDesign을 이용하여 주요 성 능인자에 대한 비교분석을 수행하였다[11].
본 성능모사를 위한 기본 조건으로 역삼투 공정은 생 산수 기준 100,000 m3/일 규모로 10 + 1개 트레인(10,000 m3/일/트레인)으로 구성하였으며, 에너지회수장치가 설 치된 전량 2단 여과방식으로 회수율은 52.6 (1단) 및 90% (2단), 막여과유속은 13.4 (1단) 및 24.2 L/m2⋅h (2단)로 가정하였다. 각 절에서 별도의 설명이 없는 한, 주요 설비효율은 1 및 2단 펌프 효율 84.1%, 부스터 펌 프 효율 83%, 모터 효율 93%, 인버터 효율 97%를 적용 하였다. 1 및 2단 역삼투 막모델은 각각 SWC6-MAX 및 ESPA2-MAX이며 막 노후가 진행되지 않은 초기 운전 상태를 기준으로 하였다.
2.3. 역삼투 해수담수화 공정 운전방식
역삼투 해수담수화 공정은 1단 역삼투 처리수 분기 유⋅무 및 위치에 따라 전량 2단 여과(full two pass, Fig. 1), partial two pass (Fig. 2), split partial two pass (Fig. 3)로 구분된다. 전량 2단 여과 방식은 유입 해수 TDS가 높거나 생산수의 요구수질 기준이 높은 경우(낮 은 TDS) 적용되며, 1단 역삼투 공정 처리수를 전량 2단 역삼투 공정에서 재처리한다. Partial two pass는 1단 역 삼투 처리수를 분기시켜 일부만 2단 역삼투 공정에서 처 리 후 혼합하여 공급하며, split partial two pass는 1단 역삼투 공정의 전단모듈에서 생산되는 낮은 TDS의 생 산수와 2단 역삼투 처리수를 혼합하는 방식이다. 두 방 식 모두 1단 역삼투 처리수를 분기하는 방법이나 그 위 치가 각각 베셀 끝과 베셀 내 전단모듈(보통 2~3번 모 듈)이라는 차이가 있다. 해수담수플랜트는 수온에 의한 막의 투과성능 변화를 고려하여 겨울철보다 처리수질이 악화되는 여름철을 기준으로 설계된다. 생산수 요구수 질기준에 여유가 있는 경우, 계절에 따른 생산수질 차 이를 고려하여 partial 또는 split partial을 적용하여 설 계할 수 있으며 이를 통해 전량 2단 여과 대비 2단 역 삼투 공정의 규모 및 전력 소모 측면에서 비용 절감이 가능하다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 염분농도의 영향
유입 해수의 염분농도는 반트호프 법칙(식 1)에 의하 여 유입수 삼투압과 직접적인 상관관계가 있으며, 역삼 투 공정 소요압력 및 전력소모에 큰 영향을 미친다. 대 산 지역 유입 원수 염분농도(TDS) 28,000~34,000 mg/L 범위에서 유입수의 삼투압은 약 19.5~23.6 bar이며, 생 산물량 10,000 m3/일(10,000 m3/일/트레인)을 만족하기 위해서 43.7~51.9 bar의 압력이 소요된다(Table 2). 따 라서 평균 염분농도 31,200 mg/L일 때 전력소모 2.40 kWh/m3 기준, 대산 지역 유입 해수 염분농도 변화에 따 른 전력소모는 약 ± 7%의 차이를 나타내는 것으로 확 인되었다. 성능모사에 적용된 회수율, 막여과유속 및 주 요 설비 효율은 2.2절에 명시된 것과 같다.
3.2. 수온의 영향
대산 지역 해수 평균 염분농도 31,200 mg/L 기준, 수 온이 5°C에서 30°C로 증가할 때 반트호프 법칙(식 1) 에 의하여 유입 원수 삼투압은 약 2 bar (21 → 23 bar) 증가한다. 하지만 수온이 증가하면 물의 점도가 낮아지 기 때문에 수온이 5°C에서 30°C로 증가할 때 유입 원 수의 점도는 약 24% 감소(1.52 × 10-3 → 7.98 × 10-4 N ⋅s/m2)하며, 운전압력은 약 3.2 bar 감소한다(Fig. 4). 이에 따라 대산 지역 평균 수온(13°C)의 전력소모 2.4 kWh/m3 대비 95~109% 변화하는 것으로 확인되었다. 성능모사에 고려된 회수율, 막여과유속 및 주요 설비 효율은 2.2절에 명시된 것과 같다.
수온이 증가할 때 해수 삼투압 대비 점도 변화량이 크기 때문에 전반적으로 운전압력이 감소하는 경향이 나타난다. 유입수 온도 20°C 이상에서 운전압력이 다소 증가하는 현상이 나타난 것은 온도가 높을 때 막의 압 밀화(compaction)가 성능 저하에 미치는 영향이 증가하 기 때문인 것으로 사료된다[12].
3.3. 막여과유속의 영향
역삼투 공정에서 막여과유속이 증가하면 소요압력이 증가하여 에너지 소모가 증가하고 막오염이 심화될 수 있지만, 생산수 TDS가 감소하고 총 설치 막모듈 개수가 감소하는 장점이 있다. 역삼투 공정 전력소모의 80% 이상을 차지하는 1단 역삼투 공정에 대하여 막여과유속 이 13~18 L/m2⋅h (이하 LMH)로 변할 때 성능을 비교 한 결과는 Table 3과 같다. 회수율, 주요 설비효율 및 2 단 막여과유속은 2.2절의 기본 조건에서 제시된 것과 동일하게 적용하였다. 성능모사 결과, 최종 생산수질은 K-water 대산산업용수센터에서 현재 대산임해 산업단 지에 공급하고 있는 산업용수의 수질기준(TDS 65 mg/L 이하)을 충분히 만족하는 것으로 확인되었다. 즉, 1단 역삼투 공정의 막여과유속이 13에서 18 LMH로 증가함 에 따라 RO 공정의 전력소모가 0.16 kWh/m3 증가하고 연간 전력비는 약 584 백만원/년 증가하지만, 막교체비 는 약 322 백만원/년 감소할 것으로 예상된다. 전력비 와 막교체비를 모두 고려한 역삼투 공정 연간 운영비용 은 막여과유속이 증가할수록 증가하는 경향을 보이며, 주어진 조건에서 운영비용을 최소화할 수 있는 1단 역 삼투 막여과유속은 13~14 LMH 범위일 것으로 판단된 다(Fig. 5). 본 연구에서는 역삼투막 교체주기 5.7년(연 간교체율 17.54%), 막모듈 단가 70만원/개, 전력단가는 100원/kWh를 적용하였고, 연간 운영비용 분석 시 실제 역삼투 시설 운영비용의 60% 이상을 차지하는 전력비 와 막 교체비만을 고려하였다.
3.4. 회수율의 영향
역삼투 공정에서 회수율이 감소하면 소요압력이 감 소하여 전력비용이 감소하지만, 동일 생산물량을 만족 하기 위한 유입유량이 증가하여 전단공정(취수~전처리) 의 전력소모 및 규모가 증가하게 된다. 현재 가동 중인 국내외 주요 해수담수플랜트의 2단 역삼투 공정 회수율 은 평균 90%로 운영되고 있기 때문에 본 연구에서는 1 단 역삼투 공정의 회수율 변화에 따른 성능 변화만을 분석하였으며, 연간 전력비용 비교를 위해 역삼투 공정 을 제외한 취수, 전처리 공정 및 기타 공조 설비의 전력 소모 합은 수두 차 등을 고려하여 1.07 kWh/m3라고 가 정하였다.
Table 4는 1단 역삼투 공정 회수율 40~52.6% 변화 시의 성능비교 결과를 나타내며, 모든 조건에서 생산수 TDS는 대산 산업단지 요구수질을 만족하는 것으로 확 인되었다. 회수율이 40%에서 50%로 증가함에 따라 해 수담수플랜트 전력소모는 0.11 kWh/m3, 연간 전력비는 약 401백만원/년 증가하므로 전력비용 절감을 위해서는 낮은 회수율이 유리할 것으로 사료된다(Fig. 6). 하지만 주어진 조건에서 회수율 증가에 따라 단위 트레인당 유 입물량은 최대 6,654 m3/일까지 감소되어 전단공정의 공사비용을 절감할 수 있을 것으로 예상되므로, 최적 회 수율 도출을 위해서는 전단 공정의 공사비용에 대한 상 세한 검토가 추가로 필요하다.
3.5. 역삼투 막 제조사(모델) 영향
역삼투막 제조사(D사, H사, L사, T사 등)에서는 사용 자 수요에 맞추어 고유량막, 고염제거율막 등 성능을 특화한 여러 종류의 막을 보유하고 있다. 고유량막을 사용하면 운전압력을 감소시켜 전력비용이 절감되지만 염제거율은 상대적으로 낮고, 고염제거율막은 생산수질 이 향상되나 동일물량을 생산하기 위한 운전압력이 비 교적 높은 편이다. 따라서 생산수 요구수질 기준을 만 족하는 상황이라면 고유량막을 선택하는 것이 비용절 감 측면에서 유리하다. 본 연구에서는 각 막 제조사에 서 제공하는 프로젝션 소프트웨어를 활용하여 고유량 막 적용 시 역삼투 성능을 분석하였으며 제조사별 적용 한 막 모델은 Table 5와 같다.
Table 6은 역삼투막 제조사별 고유량막을 적용하여 생산수질 및 운영비용 등 성능을 비교한 결과이며, 민 감성을 고려하여 각 제조사는 이니셜과 무관하게 A~D 로 표기하였다. 평균 수질조건에서 생산수 TDS는 3.84 ± 0.80 mg/L로 현재 대산 산업단지 산업용수 공급수질 대비 매우 양호한 수준으로 나타났으며, 제조사에 따라 보유한 고유량막 모델의 사양 차이 때문에 동일 막여과 유속(1단 13.4 L/m2⋅h, 2단 24.2 L/m2⋅h)을 만족하기 위해 필요한 총 막모듈 개수가 달라져 연간 막 교체수 량에서 최대 14개 차이가 발생한다. 역삼투 공정 전력 소모는 2.22 ± 0.13 kWh/m3로 C 제조사 역삼투막 사용 시 가장 낮은 값을 나타낸다. 주어진 성능모사 조건에 서 막 교체비와 전력비를 고려한 역삼투 공정 연간 운 영비용은 9,413~10,462백만 원으로 예상되며, 그 차이 는 역삼투막의 사양 차이뿐만 아니라 각 소프트웨어별 막 압밀화 영향 고려 여부에서 기인한 것으로 사료된 다. 한편, 막오염 영향을 반영할 수 없는 프로젝션 소프 트웨어의 한계점 때문에 각 제조사 별 막오염 속도차이 로 인한 막 세정비용의 차이는 본 연구에서 고려되지 않았다.
3.6. 역삼투 공정 구성방식 비교
역삼투 해수담수화 공정 구성방식에 따라 전량 2단 여과, partial two pass, split partial two pass의 성능을 비교한 결과는 Table 7과 같다. Partial 및 split partial 방식 적용 시 유입 해수 수질기준(TDS 31,160 mg/L, 수온 13°C)에서 생산수 TDS 40 mg/L를 만족하도록 설 계하였으며, 막모듈 개수를 전량 2단 여과 방식과 동일 하게 설정하여 막여과 유속이 변경되는 경우와 막여과 유속을 동일하게 유지하기 위해 막모듈 개수를 변경하 는 경우 두 가지에 대하여 각각 비교하였다. Partial 방 식과 split partial 방식에서 1단 역삼투 생산유량 중 2단 역삼투 바이패스 비율은 각각 평균 14 및 36%로 나타 났으며, 본 성능모사 시 적용한 각 단의 회수율과 주요 설비 효율은 2.2절에 명시한 바와 같다.
막모듈 개수를 기존과 동일하게 유지한 상태에서 partial 또는 split partial 방식을 적용할 경우 2단 역삼투 공정의 유입유량 감소로 인해 막여과유속이 감소한다. 이에 따라 동일 생산물량을 만족하기 위한 소요압력이 감소하기 때문에 전력소모가 절감된다. 기존 전량 2단 여과 대비, partial 적용 시 약 0.14 kWh/m3, split partial 적용을 통해 약 0.29 kWh/m3까지 전력소모를 절감할 수 있으며, 낮은 막여과유속으로 운전되기 때문에 막 세정주기가 연장될 것으로 기대된다. Partial 또는 split partial 방식을 적용하되 막여과 유속을 기존과 동일하 게 유지하는 경우에는 막 개수가 감소하여 공사비용 절감 이 가능하다. 기존 전량 2단 여과 대비, 설치 막모듈 개 수는 partial 적용 시 약 5.6%, split partial 적용 시 약 15.6% 감소할 것으로 예상되며, 약 0.09~0.20 Wh/m3 수 준의 전력소모 절감효과도 다소 기대된다.
4. 결 론
본 연구에서는 유입 원수 수질조건(염분농도, 온도), 운 전조건(막여과유속, 회수율, 구성방식) 및 제조사별 막 모델 특성에 따른 해수담수플랜트 역삼투 공정의 성능 을 평가하였다.
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1) 유입 해수의 염분농도가 증가하면 삼투압이 증가 되어 소요 에너지가 증가하게 되며, 수온이 감소하면 삼 투압은 감소되나 점도가 상승하여 막의 수투과도를 감 소시키기 때문에 에너지 소모가 증가하는 경향을 나타 내었다. 대산 지역 염분농도 28,000~34,000 mg/L 및 수 온 5~30°C 범위에서 전력소모는 약 2.39 ± 0.13 kWh/m3 로 확인되었다.
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2) 1단 역삼투 공정 막여과유속 13~18 L/m2⋅h 조건 에서 성능평가 결과, 막여과유속이 증가함에 따라 역삼 투 공정의 연간 전력비용은 약 584 백만원/년 증가하지 만 막 교체비용은 약 322 백만원/년 감소하였으며, 막여 과유속 13~14 L/m2⋅h 범위에서 운영비용(전력비 및 막 교체비)이 최소화되는 것으로 확인되었다. 또한, 1단 역 삼투 공정 회수율을 증가시키는 경우(40 → 50%), 취수, 전처리, 역삼투 공정을 포함한 해수담수플랜트 연간 총 전력비용은 약 401 백만원/년 증가할 것으로 판단된다.
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3) 주요 역삼투막 제조사의 고유량 막의 성능을 비교 한 결과, 평균 수질조건에서 전량 2단 여과 후 생산수 수질은 3.84 ± 0.8 mg/L으로 현재 대산 지역 산업용수 공급기준을 만족하였으며, 전력소모는 약 2.22 ± 0.13 kWh/m3로 나타났다.
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4) 역삼투 공정 구성방식인 전량 2단 여과, partial two pass, split partial two pass 방식에 대하여 성능분석 결 과, 막여과유속 변경(막 개수 고정)에 따른 전력소모 절 감효과는 기존대비 최대 0.29 kWh/m3, 막 개수 변경(막 여과유속 고정)에 따른 필요 막모듈 개수는 최대 15.6% 절감 가능한 것으로 확인되었다.
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5) 역삼투 해수담수플랜트 성능에 영향을 미치는 요 소들에 대하여 대산 지역 해수 수질을 기준으로 그 성 능을 비교 평가함으로써 국내 최대 규모(100,000 m3/일) 해수담수플랜트 건설 및 운영 시 방향을 제시하는 주요 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 향후 국내외 해 수담수화 사업 추진 시 활용 가능할 것으로 기대된다.
