1. 서 론

인구증가, 산업화 및 기후변화 현상이 심화됨에 따라 지난 세기 물 스트레스는 상당히 증가하였으며[1,2], 2050년에는 전 세계 인구의 절반 이상이 극심한 물 부 족 문제를 겪을 것으로 전망된다[3]. 한국의 경우 연평 균 강수량은 1,150 mm로 세계 평균 대비 높은 수준이 지만 강수량의 60% 이상이 여름에 집중되어 있는 문제 가 있다[4]. 2014~15년에는 극심한 가뭄 발생으로 연간 총 강수량이 1973~2015년 대비 35~50% 수준으로 급감 하는 상황이 발생하면서[5] 수자원 확보의 중요성이 지 속적으로 대두되고 있다.

현재 부족한 수자원을 확보하기 위하여 전 세계적으 로 해수담수화 기술이 널리 활용되고 있다. 특히 분리 막 기술 발달에 따른 막 비용 절감 및 에너지회수장치 적용으로 역삼투 해수담수화 방식의 물 생산단가가 증 발식 대비 최대 38%까지 감소하면서[6], 현재 건설 중 이거나 발주 예정인 해수담수플랜트의 90% 이상이 역 삼투 기술을 적용하고 있다[7]. 국내에는 수도 관망을 통 한 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. 또한, 충남 지 역에 계속된 가뭄으로 인해 감소한 대호지 취수물량 및 공장 시설 확충으로 증가한 물 수요로 인해 수자원 확 보에 어려움을 겪고 있는 대산 임해산업단지(에틸렌 생 산 세계 4위 수준으로 롯데케미칼, 한화토탈, 현대오일 뱅크, KCC, LG화학 등이 위치함)의 안정적 산업용수 공급을 위하여, K-water에서 100,000 m³/일 규모 역삼 투 방식 해수담수화플랜트 건설 사업을 추진하고 있다.

한편, 2010년대 초반에 호소수, 지하수, 빗물, 해수, 하수처리수 등 다양한 수원을 활용하여 원수나 생산수 혼합(워터 블렌딩)을 통해 사용자를 효율적으로 만족시 킬 수 있는 스마트워터그리드 개념이 국내에 소개된 바 있다[8,9]. 이에 앞서 미국 플로리다 주에서는 해수, 지 표수, 지하수를 원수로 이용하여 서로 다른 시설에서 생산된 물을 혼합하여 공급한 사례가 있으며[10,11], 호 주 시드니에서는 해수담수화 시설의 생산수와 기존 정 수 시설의 생산수를 혼합할 때 야기될 수 있는 문제점 에 대한 연구를 진행하였다[12]. 생산수를 혼합하는 측 면에서 실제 적용 또는 연구한 해외 사례와는 달리, 국 내에서는 해수와 담수를 혼합하여 역삼투 공정의 유입 수로 공급하는 경우에 대한 성능모사 연구가 진행된 사 례가 있다[13].

2018년 7월 환경부에서 발표한 수도정비기본계획 수 립지침에 따르면 수자원 이용 우선순위는 빗물, 하⋅폐 수 처리수 재이용, 대체 취수원 개발 순서로 제시되었다 [14]. 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 낮 은 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 검 토가 선행되어야 한다.

따라서 본 연구에서는 대산 임해산업단지를 대상으로 해수 및 기타 수원(호소수, 하⋅폐수 처리수 등)의 혼합 수에 대한 혼합 비율별 수질분석, 실험실 규모 성능평 가 및 프로젝션 프로그램 기반 성능모사를 통하여, 해 수담수화 시설에서 해수 및 인근 수원 연계 활용에 대 한 영향을 고찰하고자 한다.

2. 연구 방법

2.1. 대산 지역 활용가능 수원 종류

대산 인근지역에서 해수와 혼합 활용이 가능할 것으 로 기대되는 수원 조사 결과를 바탕으로, 대호지 호소 수, 아산정수장 침전수, 대산산업용수시설 폐수방류수 를 검토대상으로 선정하였다. 충남 서부 지역의 적은 강 우량 및 잦은 가뭄으로 인해 빗물 활용은 어려우며, 주 변 지하수는 물량이 충분하지 않아 검토대상에서 제외 되었다.

대호지 호는 대산산업단지에서 약 8 km 거리에 위치 한 농업용 저수지로, 산업단지 내 입주한 일부 기업에 서는 대호지 물을 원수로 하여 자체 용수공급을 위한 역삼투 담수화시설을 운영하고 있다. 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 있 으며, 정밀여과 및 역삼투 공정을 거쳐 산업용수가 생 산되는 과정에서 발생하는 다량의 농축폐수는 적절한 처리 후 하천에 방류된다. 서산 하수처리장은 K-water 에서 구축 예정인 100,000 m³/일 해수담수플랜트 부지 에서 약 40 km 이격되어 있어 본 연구에서는 대산 산 업용수시설의 폐수방류수를 검토대상에 포함하였다.

2.2. 대산 지역 인근 수원 연간 수질변화 분석

대산 지역에서 활용 가능한 수원의 연간 수질변화 분 석을 위하여 다음과 같은 방법으로 수질 데이터를 확보 하였다. 해수는 K-water 연구원에서 2016~2017년 먹어 섬 인근에서 직접 채수하여 분석한 데이터이며, 아산정 수장 침전수는 대산 산업용수센터의 운영데이터(2016~ 2018년), 폐수방류수는 국립환경과학원의 수질원격감시 체계(tele-monitoring system, TMS) 데이터(2016~2018 년), 대호지 호소수는 환경부 물환경 정보시스템에서 제 공하는 데이터(2016~2018년)를 각각 활용하였다.

2.3. 대산 지역 인근 수원 혼합 비율별 성능평가

2.3.1. 수원별 채수 및 전전처리

해수 및 기타수원 혼합비율에 따른 수질분석 및 성능 평가를 위하여 대산항, 현대오일뱅크 내 원수 유입시설, 대산산업용수센터 원수 유입 및 폐수방류 시설에서 각 각 해수, 대호지 호소수, 아산 침전수, 폐수방류수를 직 접 채수하여 수질분석 및 실험을 진행하였다. 혼합 활용 시 추가 전처리 필요 여부를 비교하기 위하여 검토 대 상 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. 해 수 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 적용 하였다. 본 연구는 해수를 주요 수원으로 활용하는 것을 전제로 하기 때문에, 해수를 기준으로 타 수원의 혼합 비율을 10~50%로 조절하였다. 후단 전처리 공정의 필 요성을 검토하기 위하여 혼합 비율별 혼합수에 대하여 TDS, 탁도, TOC, SDI₁₅ 등의 수질항목을 측정하였다.

2.3.2. 역삼투 공정의 막오염 평가

해수와 타 수원의 혼합수에 대하여 실험실 규모 역삼 투 평막 성능평가 장치를 이용하여 혼합수종 및 비율에 따른 막 오염평가를 수행하였다. 실험에 사용한 역삼투 성능평가 설비의 공정도는 Fig. 1과 같다. 역삼투 막은 LG화학에서 제공한 해수담수화 전용막을 사용하였고 (Table 1), 유효 막 면적은 0.0106 m², 온도 15~16°C, 유 입 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 감소시키 기 위하여, 동일 운전조건(압력, 유량)에서 DI water를 이용하여 15시간 동안 막을 안정화 시킨 후 본 실험을 진행하였다.

막오염에 의한 막 성능 변화를 비교하기 위하여 혼합 수 종류 및 혼합 비율별 막 성능평가 데이터를 이용하 여 플럭스 저감속도(Flux decline rate, FDR)를 계산하 였다. FDR(Φ)은 초기 플럭스와 시간에 따라 변화하는 플럭스와의 관계로 나타나며, 본 실험에서는 Choi et al. 의 계산 방법을 사용하였다[15].

2.3.3. 역삼투 공정 성능모사

Dupont (미국), Hydranautics (일본), LG화학(한국), Toray (일본) 등 주요 역삼투막 제조사에서는 범용으로 사용 가능한 역삼투 공정 성능모사 소프트웨어를 무료 로 제공하고 있다. 본 연구에서는 대산 해수담수화 사업 의 타당성 조사 및 기본계획 수립 시 사용된 Hydranautics사 소프트웨어(IMSDesign)를 활용하여 해수 및 타 수원 혼합수의 수질변화에 따른 역삼투 공정 성능분석 을 수행하였다. 혼합에 따른 염분농도(total dissolved solids, TDS) 변화의 최대 효과를 비교하기 위하여 타 수원의 혼합비율이 가장 높은 경우(해수 : 기타수원 = 5 : 5)에 대하여 성능 모사를 진행하였으며, 2.3.1절에 서 분석한 전전처리된 해수 및 타 수원 혼합수 수질데 이터를 이용하였다. 단일 트레인 용량 10,000 m³/일 기 준 에너지회수장치가 적용된 2단 역삼투 공정으로 구성 하였으며, 전량 2단 여과(Full 2 pass) 및 부분 2단 여과 (Partial 2 pass) 방식을 비교하였다(Fig. 2). 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].

3. 결과 및 고찰

3.1. 대산 지역 인근 수원 연간 수질변화 분석결과

2016~2018년 데이터(해수는 2016~2017년) 기준, 각 수질 항목별 연평균 비교 결과를 Table 2에 요약하였다. 해수 염분농도(TDS)는 타 수원 대비 19~57배 수준이고 유기물(TOC) 함유량은 5.7~14% 정도로 낮은 편이며 pH는 비슷한 수준으로 확인되었다. 수원 종류별 계절에 따른 수질변화 추이를 확인하기 위하여 2017년 데이터 를 기준으로 TDS 및 TOC의 연간 변화를 비교한 결과, 해수의 TDS는 평균 30,754 mg/L이며, 연간 TDS 변화 가 -5.0~2.5% 수준으로 변화가 크지 않았다. 이에 반해, 아산 침전수 및 대호지 호소수는 평균 TDS가 각각 561 ± 213, 1,657 ± 253 mg/L 수준으로 해수 대비 표준편 차가 매우 큰 것으로 관찰되었다(Fig. 3). 한편, 수원에 따른 연간 TOC 변화는 폐수방류수의 변동 폭이 평균 38.5 mg/L 대비 약 38%로 다소 크게 나타났으며, 해수 와 대호지 침전수는 계절에 따른 유기물 농도 변화가 크 지 않은 것으로 확인되었다(Fig. 4). 해수, 대호지 호소 수, 폐수방류수의 유기물 데이터는 각 시설에서 COD_Mn 기준으로 측정되고 있으나, 본 논문에서는 혼합수 유기 물 농도의 정확한 비교를 위해 TOC를 기준으로 비교 하고자 하였다. 이에 각 시설에서 확보한 연간 COD_Mn 데이터를 각 시료의 실측 COD_Mn/TOC 비율로 환산하 Fig. 4. Comparison of TOC variation in 2017 according to water sources. 여 Table 2의 TOC값으로 나타내었다. 한편, 아산정수 장 침전수 COD_Mn 및 대산산업용수센터 폐수방류수 TDS 는 각 시설의 수질관리기준 항목에 해당되지 않아 데이 터 확보 및 연간 데이터 분석이 불가능하였으며, 3.2절 에서 혼합수 수질 비교를 위해 직접 채수하여 분석을 진행하였다.

3.2. 대산 지역 인근 수원 혼합 비율별 성능평가 결과

3.2.1. 혼합수 종류 및 비율별 수질비교

해수 및 대호지 호소수의 전전처리 조건 선정을 위한 Jar-test 결과, 해수는 응집제(FeCl₃) 4 ppm, 대호지 호 소수는 응집제(PAC) 40 ppm 조건에서 탁도 제거율이 각각 78 및 82%로 가장 높게 나타나 이후 전전처리 시 에는 위의 응집제 주입량을 적용하였다. 2.3.1절에서 명 시한 바와 같이 아산침전수와 폐수방류수는 전전처리 가 완료된 상태로 채수하였기 때문에 추가 처리 없이 실험 비율에 따라 혼합하여 사용하였다.

대산 해수와 타 수원의 혼합비율 10~50% (타 수원 혼 합량 기준) 조건에서 TDS, SDI₁₅, 탁도, TOC 등 다양 한 수질항목을 분석한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 해 수의 TDS 농도(31,080 mg/L) 대비 대호지 호소수, 아 산 침전수, 폐수방류수 혼합 시 각각 최대 53, 51, 58% 수준으로 염분 농도를 저감할 수 있는 것으로 확인되었 다[Fig. 5(a)]. 역삼투 해수담수화는 유입수의 삼투압 및 기타 압력손실을 고려한 높은 압력이 요구되는 공정이 므로, 원수 혼합을 통해 감소한 유입수 염분농도는 공 정 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. 5(b)]. 역삼투 막 제조사에서 제시하는 역삼투막 성능보증기준(SDI₁₅ < 5)을 고려하 면[18,19], 50% 혼합 시에는 반드시 추가적인 전처리가 필요하며, 10~40% 혼합하는 경우에도 역삼투 막의 안 정적인 운영을 위해 전처리 적용에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구에서 고려한 혼합 비율 조건 에서 혼합수 평균 탁도는 약 0.99 ± 0.25 NTU 수준으 로 해수 침전수의 탁도(0.62 NTU) 대비 다소 상승하는 경향을 보였으며[Fig. 5(c)], 역삼투 공정의 막오염을 심 화시키는 기준인 0.1 NTU를 초과하는 것으로 확인되 었다[20]. 또한, 막오염 주요 영향인자 중 하나인 유기 물 농도(TOC 기준)는 해수 침전수(3.60 mg/L) 대비 대 호지 호소수, 아산침전수, 폐수 방류수를 50% 혼합 시 각각 4.66, 4.70, 22.87 mg/L까지 증가하는 것으로 나타 나[Fig. 5(d)], 막오염 우려 기준인(역삼투 공정 유입수 TOC 2 mg/L 이상)을 초과하였다[20]. 따라서 SDI₁₅, 탁도, TOC 농도를 종합적으로 고려할 때 혼합비율 10~ 50% 모두 적절한 전처리가 적용되어야 할 것으로 판단 된다.

3.2.2. 혼합수 종류 및 비율별 역삼투 평막 성능평가 결과

대산 해수와 인근에서 활용 가능한 수원에 대하여 혼 합수 종류 및 혼합비율에 따른 실험실 규모 역삼투 평 막 실험결과는 Table 3과 같다. 염분농도가 낮은 타 수 원을 혼합함에 따라 해수 단독 사용 대비 역삼투 공정 의 유입수 TDS는 최대 47%까지 감소하였으며, 초기 플 럭스(J₀)가 약 1.6배 증가하는 경향을 보였다. 실험일정 에 따라 혼합수 수질분석(3.2.1절)과 평막 성능평가는 각각 다른 날짜에 채수한 원수를 이용하여 진행하였기 때문에 혼합수 TDS에 다소 차이가 발생하였다. 반트호 프 법칙(식 2)에 따르면 동일 온도에서 유입수 염분농 도가 감소하면 그에 비례하여 유입수 삼투압이 감소된 다[21]. 유입수 삼투압 감소는 운전 압력과 생산 유량에 영향을 미치는데[22], 실제 상업용 역삼투 플랜트는 정 유량(생산수 기준) 방식으로 운전되기 때문에 유입수 염분 농도변화가 운전압력에 영향을 주지만, 본 실험의 경우 정압 조건(유입수 기준)에서 수행되었기 때문에 유입수 염분농도 감소 효과는 생산유량(플럭스)을 통해 확인할 수 있다. Sharnel et al.의 연구결과에서 나타난 유입수 TDS와 플럭스의 관계와 유사하게[23], 본 실험 에서도 유입수 TDS 변화와 초기 플럭스는 대체적으로 음의 상관관계를 나타내었다(Fig. 6).

한편, 해수와 타 수원 혼합 시의 막오염 영향을 분석 하기 위하여 FDR을 비교한 결과, 해수를 단독으로 사용 하는 경우 FDR (1.28 × 10^-4 m²/L) 대비 수원 혼합 시 FDR 값은 평균 4.06배(0.3~14.9배)로 대체적으로 증가 하는 것으로 나타났으며, 특히 폐수방류수 혼합 시 FDR 이 평균 [(8.43 ± 3.84) × 10^-4 m²/L]로 가장 크게 증가하 여 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 충분 히 반영하기 어렵기 때문으로 사료된다. 혼합 비율에 따 른 막오염 경향을 정확히 파악하기 위해서는 파일럿 스 케일에서의 장기간 성능평가가 반드시 필요하다.

3.2.3. 성능모사를 통한 수원 혼합 영향분석 결과

해수와 타 수원 혼합비율 50% : 50% 조건에서 역삼 투 구성방식(전량 2단 여과, 부분 2단 여과) 및 혼합수 종류에 따른 수온별(4.5, 13, 25°C) 에너지 소모를 분석 하였다(Fig. 7). 부분 2단 여과 방식은 막 개수를 전량 2단 여과방식과 동일하게 유지하고 운전 플럭스가 변동 되는 방식(Partial ①로 표기)과 막 개수를 변화시켜 운 전 플럭스를 전량 2단 여과방식과 동일하게 설정하는 방식(Partial ②로 표기) 2가지 경우에 대하여 검토하였 으며, 부분 여과 방식 적용 시에는 최종 생산수질 기준 을 TDS 65 mg/L에 맞추어 2단 역삼투 공정 유입량을 조절하였다.

해수를 원수로 단독 사용하는 경우 대비 수원 혼합에 따른 역삼투 공정의 소요 에너지 절감률은 아산 침전수 40.9 ± 5.5%, 대호지 호소수 39.6 ± 5.8%, 폐수방류수 35.7 ± 5.3%의 순서로 나타나, 아산 침전수와 대호지 호 소수의 전력소모 절감효과는 비슷한 수준으로 확인되었 다. 한편, 수온별 에너지 소모 계산 결과 4.5, 13, 25°C 에서 각각 평균 절감률 33, 40, 43%로 온도가 증가함에 따라 에너지 절감률이 다소 증가하는 경향을 보였으며, 이는 수온이 증가함에 따라 투과유량이 증가하여 동일 유량을 생산하는데 소모되는 압력이 감소하기 때문이 다[23]. 역삼투 공정구성 방식의 경우 부분 2단 여과 방 식 적용 시 절감률 31~48% 수준으로 전량 2단 여과(27~ 42%) 대비 더 효율적일 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 연구에서는 해수담수화 사업을 통한 공업용수 공 급이 추진되고 있는 대산 산업단지를 대상으로, 해수와 인근 지역 가용 수원인 대호지 호소수, 아산 침전수, 대 산 산업용수센터 폐수방류수의 연계 활용에 대한 영향 을 수질 및 에너지 소모 측면에서 분석하였다.