[담수화]
○기출문제
-하페수 처리장 배출수 수온이 담수 환경에 미치는 영향을 설명하고, 제도적 및 기술적 개선방안을 제시하시오
-해수의 담수화 방식을 분류하고,담수화시설계획 시 고려사항을 설명하시오.
-역삼투법에 의한 해수담수화시설을 원수설비， 전처리설비， 역삼투설비， 방류설비로 구분하여 설명
-역삼투를 이용한 해수담수화 과정을 설명하시오.
-해수담수화 방법 중 전기흡착법(CDI, Capacitive Deionization), 전기투석법(ED, Electrodialysis), 막증발법(MD, Membrane Distillation)에 대하여 설명하시오.
-해수의 담수화 방식을 분류하고, 담수화 시설 계획 시 고려사항을 설명하시오.
-역삼투에의한 해수담수화공법
1. 해수담수화(Seawater Desalination)의 개요
지구상의 물은 인간, 동식물, 자연에게 없어선 안될 가장 중요한 자원 중 하나이다.
전세계의 100%물 중에서 97%는 바닷물로 지구 면적의 70%가량이 바다로 덮혀있을만큼 그 양이 막대하다.
우리는 바닷물을 음용수로 사용할수 없기에 나머지 약 3%의 담수만을 이용할수 있지만 3%중에서도 빙하로 이루어진 양을 뺴면 실제로 담수로써 인간이 이용할수 있는 물은 1~2%에 불과하다.
우린 이런 물부족 상황에서 기술발전을 통해 재이용, 수처리, 정화작용 등을 통하여 물을 재이용하는 방식을 통해 물을 끊임없이 공급받고 있다.
하지만 일부의 국가, 일부의 지역에서는 이 마저도 공급받을수 있는 여건이 안되어 한모금의 물을 얻기위해 매일 몇시간을 걸어야 하는 경우도 있다.
이런 물 공급 불평등의 오류를 평등화하기 위해 해수담수화 기법이 개발되었고 지구상 존재하는 액체중 가장 많은 비율을 차지하고 막대한 양의 자원인 바닷물을 담수화하는 방법이다.
출처 부산시상수도사업본부
2. 해수담수화의 방식
1) 상변화법
(1) 증발법 : 다중효용법(ME), 디단계플래쉬법(MSF), 증기압축법, 투과기화법
(2) 동결융해법
2) 상불변법
(1) 막분리법
(2) 전기투석법
(3) 용매추출법
(4) 이온교환수지법
3. 해수담수법의 종류
1) 동결융해법
(1) 해수를 -8도씨까지 온도를 저하시켜 동결시 염과 담수가 분리되어 담수화 진행
(2) 고농도염을 포함한 얼음을 물로 씻어 내리고 녹여 담수화
(3) 경제적으로 생산단가가 비싸고 설비의 유지관리 어려움
2) 가열법 (대규모 시설에서 가장많이 사용)
(1) 다중효용증발법 : 해수를 가열하여 끓는점에 따라 증발되는 수증기를 응축시켜 담수화 진행
(2) 다단계플래시법(MSF) : 해수를 저비등점에서 증발시켜 수증기를 응축시켜 담수화 진행, 대용량 가능
(3) 증기압축법 : 증기드럼 속에서 발생된 수증기를 압축기로 압축하여 담수화 진행
3) R/O 법 (소규모 시설에서 가장많이 사용)
(1) 공극을 이용하여 용매는 투과시키고 용질은 투과하지 못하는 반투막을 이용
(2) R/O법은 MF,UF보다 높은압력 (10bar이상)으로 유지되므로 유지관리비용이 비쌈
(3) filter등 과도한 시설비용으로 소규모에 적합한 공법
4) 전기투석법
반투막 성질을 이용하여 양쪽 끝단에 양극과 음극을 설치하여 이온물질을 전기집진 및 분리
5) 이온교환법
NaCl 함유 물질인 바닷물을 이온교환 수지로 흘려보내면 수지(Resin)의 수소기 H^+와 물속의 Na+가 치환된다. R-H + Na+ → R-Na + H+
이후 양이온 교환수지에서 처리수로 나오는 물에는 H와 Cl 즉 염산을 함유한 물이 되는데 이 처리수를 음이온 교환수지로 흘려보내면 수지가 가진 수산화기 OH^-와 치환되어 H^+와 OH^-만 처리수로 나오게 된다. 즉 H2O, 담수로 추출되어 나온다.
R-OH + Cl- → R-Cl + OH-
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구분
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원리
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특징
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동결융해법
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해수를 -8도씨까지 온도를 저하시켜 동결시 염과 담수가 분리되어 담수화 진행
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경제적으로 생산단가가
비싸고 설비의 유지관리 어려움
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증발법
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다중효용증발법 : 가열 후 증발되는 수증기를 응축시켜 담수화 진행
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대규모 시설에서 가장많이 사용
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다단계플래시법(MSF) :
해수를 저비등점에서 증발시켜
수증기를 응축시켜 담수화 진행, 대용량 가능
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증기압축법 : 증기드럼 속에서 발생된
수증기를 압축기로 압축하여 담수화 진행
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전기투석법
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선택투과성을 갖는 음,양이온 교화막 이용
음,양이온막 다수 배열하여
막 양 끝단 전류 가하여 이온물질을 분리
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RO설비에 비해 초기설치비,
생산비, 유지비용이 저렴하다.
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역삼투법
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공극을 이용하여 용매는 투과시키고
용질은 투과하지 못하는 반투막을 이용
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10기압 이상 높은 압력 필요
소규모 시설에서 가장많이 사용됨
(유지관리비 비쌈)
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축전식
탈염공정
(CDI)
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모듈 전극에 전위를 인하하여 정전기적인
힘으로 이온물질 흡착제거
전극에 걸렸던 전위를 풀면 흡착된
이온물질이 탈착되면서 재생
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회수율높음(90%이상)
CDI모듈 재생용이
CDI모듈 파울링 발생
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출처 부산시상수도사업본부
4. 해수 담수화 필요성
1)물부족 지역 공급 : 해안지역, 도서지역등 상수도 공급이 어려운 지역에 담수화 공급
2)계절 영향이 없는 안정적인 수량 확보
3)일정한 수질 확보
4) 댐, 건설 개발 대비 기간, 비용, 환경영향 소요 적음
5) 수리권 문제 없이 수도 사업자가 독자적으로 도입 가능
5. R/O 장단점
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장점
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단점
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모듈식으로 협소한 공간에 설치가 가능하고 증설,
이동이 간편하다.
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비용 문제등으로 대규모 설치가 어렵다.
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해수를 담수화하므로서 무한한 수자원의 확보가 가능하다
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설치비,설비비,운영등의 고비용문제 발생으로 보급화의 어려움이 있다.
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높은 수질의 담수 공급가능
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막이 매우 민감하여 철처한 유지관리 필요
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회수율이 높다
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막 교체 비용이 고가이다.
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스케일 발생이 적다
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스케일방지제등의 약품 비용이 발생
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6. 담수화시설 계획시 고려사항
1) 전처리설비는 와권형 막에 요구되는 공급수의 청정도를 SDI 또는 FI가 4.0이하 또는 탁도기준 0.1NTU이하로 처리 가능한 설비로 한다.
2) 전처리방식은 공급수의 탁도 기준에 따라 다르게 설정해야한다.
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구분
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응집침전 여과방식
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직접응집 여과방식
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무약품주입 여과방식
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탁도기준
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10~20NTU
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1~10NTU
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1NTU이하
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공정구조
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원수(응집제 투입) > 응집 > 침전 > 여과 > RO > 정수(소독)
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원수(응집제 투입) > 응집 > 여과 > RO > 정수 (소독)
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원수 > 여과 > RO > 정수(소독)
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3) 전처리 과정에서 소독제를 투입하는 경우에는 막여과공정전 환원제 주입설비를 갖추어야 한다.
막은 염소에 취약하여 미제거시 막손상으로 인한 막 수명의 저하로 이어진다.
4) 원수의 수질따라 압력식 급속여과기(1,2차)와 마이크로필터(1,2차)를 조합하여 사용한다.
(1) 압력식 급속여과기는 backwash가 가능하도록 구성하고 여재를 주기적으로 교체해주어야 한다.
(2) 압력식 급속여과기는 First flush 를 따로 배출할수 있는 배관을 구성해야 한다.
(3) 원수의 계절적 특성을 고려하여 최고농도를 기준으로 설계해야한다.
(4) 압력식 급속여과기의 적정여과속도는 1차 : 240~480m/d, 2차 : 360~600m/d이내로 설계한다.
(5) 마이크로 필터의 규격은 1차 : 5~10um, 2차는 1um 이내로 선정한다.
7. 해수담수화 도입과정
1) 물 부족량 산정
2) 해수담수화 외 지표수, 기타수 활용 가능성 검토 (가능시 지표수, 기타수로 개발)
3) 불가시 해수담수화 도입 검토 (규모, 입지, 수질 등)
4) 비용 계산 (미 타당시 지표수, 기타수로 개발)
5) 타당시 해수담수화 계획 수립 및 설계
6) 공사, 사용개시
역삼투를 이용한 해수담수화 과정을 설명하시오.
- 개요
지구의 면적중 70%는 바다로 이루어져있을만큼 물을 가장 보기 쉽고 구하기 쉬운 물질이다.
하지만 지구면적의 70%를 이루고 있는 바닷물은 무한대에 가까운 자원임과 동시에 우리가 담수로 이용할수 없는 불용수이다.
100%의 수자원중 97%가량이 바닷물이고 나머지 담수로 사용할수 있는 수자원은 2%내외에 불과하다 그래서 우린 세계 각곳에 물부족현상을 겪는 나라가 있고 심지어 지역별로 물자원의 차별을 겪는 실정이다.
이에 해수를 담수로서 사용하기 위해서는 담수화의 작업이 필요한데 바닷물에는 수많은 이온과 염분등의 함유로 정제작업 없이 사용시에는 인체에 악영향을 줄수 있기에 해수의 담수화가 필요하다.
2. R/O 원리
역삼투란 농도가 다른 두 물질이 반투막을 사이에 두고 용액과 용매가 접촉시 용매가 반투막을 통과하여 용액쪽으로 흐르려 하는데 이때 삼투압보다 높은 압력을 가해 용매의 이동을 막을수 있다.
용액의 삼투압보다 높은 압력(40~60bar)을 가해 용액에서 용매로 반대로 흐르게 만들어 이온성물질(Cl-, Na+, SO42-, Mg2+, Ca2+, K+등)은 반투막에 걸러지고 순수한 물만이 반투막을 통해 빠져나오게 하는 방식으로 반투막을 이용한 담수제조 및 순수 제조 방식이다.
3. R/O 담수화 과정
1) 해변 우물 또는 해저에 설치된 관을 통해 해수를 균등조 및 저수조로 공급
2) 해수중에 존재하는 0.3 ~ 1um 크기의 콜로이드성 입자를 제거하여 파울링 방지, MF,UF,NF,응집침전여과,모래여과,카트리지필터등의 조합등으로 전처리 과정 진행
3) R/O는 온도, 압력, 농도등에 민감하여 전처리가 중요하며 전처리를 통해 SDI 5이하, 1NTU이하로 공급되는 담수를 R/O 설비에 공급후 삼투압을 가해 반투막에 의해 염은 걸러지고 담수만이 통과한다.
4) 염이 제거된 담수는 소독등 후처리를 통해 완전한 담수가 된다.
5) 반투막에 걸러져 농축된 염은 다시 해수로 배출된다.
-원수설비
1) 취수구~전처리 설비까지의 이송설비
2) RO회수율(30~50%), 전처리 시설의 MF.UF 회수율(95%), 기타 손실율 고려하여 계획 취수량 결정
3) 부착 미생물 살균 필요
-전처리 설비
1) 막 막힘, 열화 방지
2) SDI 4.0 이하로 전처리 필요(응집, 침전, 여과, MF,UF 사용)
2-1) 응집제 사용시 염화제2철 사용, PACl, Alum 사용시 응집효과 낮고 막 오염
-역삼투 설비
1) 구성 : 고압펌프, 역삼투 설비, 세척설비, 담수수조, 에너지회수장치 등
2) 막종류 : PA막(폴리아미드계), CA(셀루로오스아세테이트계)
2-1) PA막의 경우 염소 내성이 없어 SBS로 잔류염소 제거 필요
3) 스케일 방지 대책 : LI(-) 유지
4) 고압펌프 정지시 정삼투 상태로 투과수 역류 우려 → 드로우백 설치로 Drain 필요
-방류설비
1)농축수 성상 : 염도 해수의 1.7배, pH : 6.5~7.0, 온도 : 1도씨 상승
2) 막세척 (CIP) 폐수는 위탁, 폐수 처리
3. R/O 반투막 비교
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구분
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Cellulose Acete (CA)
Membrane
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Polyamide (PA)
Membrane
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사용범위 pH
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2~11
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5~7
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사용온도('c)
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0~45
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0~30
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사용압력(psi)
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180~350
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350~550
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미생물에 의한 분해
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불안정
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안정
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가수분해
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불안정
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안정
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산화제(잔류염소)
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안정
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불안정
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4. R/O 모듈 종류
1) 두루마리형(와권형, Spiral-wond Type)
필터를 겹겹이 원통으로 둘러싼 방식으로 분리막 간극이 좁아 전처리가 요구됨
2) 중공사형(Hollow Fiber Type)
필터를 통해 내외부로 침투되면서 이온물질은 여과되는 방식으로 전처리가 요구됨
출처 Econity
출처 한국수자원공사
3) 평판형 (Plate Type)
지지대를 이용하여 평판막을 여러장 겹친 형태
4) 관형(Tube Type)
내경 10~20mm 의 막을 모듈 내 적재한 형태로 막공경이 커서 막 면적이 작고 세척이 용이하다.
5. RO수질 특징
1) pH와 경도가 낮아 부식 우려 → 재탄화 실시 (pH상승), 부식 방식이 가능한 PVC, SUS재질 사용
2) 보론(B) : 해수 내 보론 3~5mg/L 함유, 먹는물기준 : 1mg/L
2-1) RO만으로 먹는물 기준 처리 불가 → 2단 탈염법 실시
2-2) 2단 탈염법 비경제적으로 부분 2단 탈염법 실시 고려
끝.