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J. Kor. Soc. Environ. Eng., 35(9), 624~629, 2013 Original Paper ISSN 1225-5025 Optimum Operating Condition for Micro-Filtration Process as a Seawater Desalination Pretreatment 김영민 장정우 * 김진호 * 최준석 이상호 ** 김수귀 Youngmin Kim Jung-Woo Jang* Jin-Ho Kim* June-Seok Choi Sangho Lee** Sukwi Kim 한국건설기술연구원환경연구실 *( 주 ) 에코니티 ** 국민대학교건설시스템공학부 Environmental Engineering Research division, Korea Institute of Construction Technology *Econity Co., Ltd. **School of Civil and Environmental Engineering, Kookmin University (2013 년 7 월 19 일접수, 2013 년 9 월 16 일채택 ) Abstract : The relation between performance maintenance conditions and those cost efficiency was studied to choose an optimum operating condition in the seawater desalination pretreatment system. A hollow fiber microfiltration module, which was developed with domestic technology, was tested with the various operating conditions such as chemically enhanced backwash cycles and design dosages of a cleaning chemical. Transmembrane pressure was measured to investigate membrane fouling status and cleaning degree. In addition, economic analysis was performed to compare water production costs by the operation condition. As a result, The operation mode III, chemically enhanced backwash at once a day with 100 mg/l of sodium hypochlorite (NaOCl) was selected. The concurrent evaluation between membrane filtration performance and its economic analysis will be suitable to choose an efficient optimum condition. Key Words : Seawater Desalination Pretreatment, Pressurized Microfiltration Membrane, Transmembrane Pressure, Economic Analysis 요약 : 본연구는해수담수화전처리기술로서개발된가압식정밀여과 (microfiltration: MF) 중공사막모듈 ( 막면적 35 m 2 ) 의성능평가를목적으로 1,000 m 3 /day 규모해수담수화파일럿플랜트를대상으로하였다. 약 3 개월동안용존공기부상법으로처리한원수를공급하여 1.5 m 3 /m 2 day 정유량조건에서여과주기, 유지세정 (chemically enhanced backwash: CEB) 농도와세정주기변화등에따른여과성능과비용을분석하였다. MF 막성능유지를위한유지세정시약품농도에의한영향보다는반복세정 (4 회 / 일 ) 이효과적이었으나, 경제적측면에서는회수율제고를위한단일세정방식이적절한것으로나타났다. 막간차압및비용분석을통해 4 가지운전방식중 1 일 1 회 NaOCl 100 mg/l 세정방식을최적운전조건으로도출하였다. MF 전처리공정의유지관리조건도출시에는성능평가와함께, 운전방식에따른경제성을함께고려하는것이적절할것으로판단된다. 주제어 : 해수담수화전처리, 가압식정밀여과막, 막간차압, 경제성분석 1. 서론 최근해수담수화공정으로서열증류방식에비해역삼투공정 (reverse osmosis: 이하 RO ) 의활용도가늘어나면서 전처리의중요성이더욱강조되고있다. 해수전처리공정 은원수에포함된입자성, 콜로이드성또는미생물등다양 한오염물질을처리함으로써후속공정인 RO 공정의막오 염을방지하기위한것이다. 효과적인전처리를통해향상 된수질은막세정횟수, 막오염으로인한압력손실을줄 일수있으므로유지관리비용을낮추고 RO 막의수명을늘릴수있다. 1) 전통적으로응집-침전을포함한여재여과방식 (media filtration) 이해수전처리공정으로주로활용되어왔으나, 최근 정밀여과 (microfiltration: 이하 MF ) 및한외여과 (ultrafiltration: 이하 UF ) 막기술의발전을통해해수담수화분야 에서도분리막전처리기술이점차확산되고있다. 2) 분리막 전처리공정은기존방식에비해적은부지면적을필요로 하므로투자비용 (capital investment), 화학약품및슬러지처 리비용의감소, 환경에의악영향감소등많은장점이있 으며, 1) 특히 16인치 RO 막등의해수용역삼투 (seawater reverse osmosis: 이하 SWRO ) 시스템의대형화추세에따라 보다향상된플럭스, 높은수질의전처리요구에적합하다. 외국의경우 2010년현재이스라엘의 Ashkelon 등십여개 소의실규모해수담수화플랜트에서분리막전처리공정이 활용되고있으며, 3) 특히멕시코만 Corpus Christi Bay 인근 의파일럿연구를통해제조사별전처리막성능분석, 응집 또는다층여과시스템과의비교연구등이진행된바있다. 연구결과에따르면 SDI (silt density index) 값의 60% 이상 이 4 이상인일반공정에비해분리막전처리공정은지속적 으로 3 이하로나타났으며, 후속공정인 RO 세정빈도도약 400% 까지감소되었다. 1) 한편, 국내는윤등 4) 이 5 m 3 /hr 규모의 RO 모형플랜트를 대상으로적조및염분도에따른 MF 전처리공정을평가 한바있으며, 김등 5) 이막면적 7 m 2, 1 m 3 /m 2 day 의정유 량 (constant flux) 조건에서 2 년간 MF 운전결과를발표한 바있다. 그러나아직까지실규모의해수용전처리막플랜트 Corresponding author E-mail: jschoi@kict.re.kr Tel: 031-910-0759 Fax: 031-910-0291

J. Kor. Soc. Environ. Eng. 625 에대한연구가미진한실정이므로외국과의기술격차가상당하다. 현재까지 UF 공정이 MF에비해해수원수에포함된부유유기물질과실트질에대하여높은제거성능을보임으로써보다폭넓게적용되고있는실정이다. 20 kda 이하의 UF 막은 0.4 bar( 조류세포파괴압력, algar cell rupture) 이하의저압운전시생물막오염 (bio-fouling) 을크게줄일수있는것으로알려져있다. 6) 그러나원수특성상막오염물질이입자성의탁도유발물질이주된경우에는막공경이상대적으로큰 MF 막이유지관리및에너지소모측면에서장점이있다. 따라서본연구에서는 1,000 m 3 /day 규모의실증 SWRO 파일럿플랜트대상으로국내기술로개발한중공사막타입의 MF 전처리상용막을평가하는데목적이있다. 막성능평가와더불어여과, 역세에따른회수율과유지세정 (chemically enhanced backwash: 이하 CEB ) 등의운전변수를최적화함으로써그적용성을높이고자한다. 2. 연구방법 2.1. 대상파일럿플랜트 본연구에서는부산광역시기장군에위치한 16인치 SWRO 파일럿플랜트를대상으로하였다. 상기플랜트는생산수기준으로 1,000 m 3 /day 용량을처리할수있으며, 전처리공정으로서용존공기부상법 (dissolved air flotation: 이하 DAF ), 이단복합여과 (dual media filtration: 이하 DMF ), 가압식또는침지식분리막을선택적으로활용할수있다. 본연구에서는 Fig. 1의 SWRO 공정중 DAF 처리후가압식 MF 모듈만을대상으로하였다. 2.2. 해수전처리용 MF 막및운전방식본연구에서는국내기술로개발한중공사막 (hollow fiber) 타입의해수전처리용가압식 PVDF (polyvinylidene fluoride, Econity) 막을사용하였다. 막은 TIPS (thermally induced phase separation) 방식과연신법 (stretching) 으로제조하였으며, 막공경 (pore size) 0.1 µm, 모듈단면적은 35 m 2 이다. 가압식 MF 모듈을대상파일럿플랜트에설치하여 2012 년 3월부터 2012년 5월까지약 3개월간성능을테스트하였다. 기장군앞바다에서취수한후 DAF 처리수를원수로사용하였으며그특성은 Table 1과같다. Table 1. Effluent characteristics of the dissolved air flotation system (Mar.-May, 2012) Item Max. Min. Aver. ph 8.54 7.9 8.23 TDS (mg/l) 43,830 36,830 38,595 Conductivity (ms/cm) 54.84 51.4 54.07 Turbidity (NTU) 4.25 0.08 1.09 TOC (mg/l) 2.0 0.8 1.2 Temperature ( ) 20.7 11.3 13.05 Table 2. Operational conditions for the pressurized MF membrane Operation mode Filtration time (minutes) Filtration cycle (times/day) Chemically enhanced backwash cycle (times/day) Design dosage of NaOCl (mg/l) Note I-a I-b 45 24 4 50 * II-a II-b 45 24 4 25 * II-c III-a 38 31 1 100 IV 45 24 4 100 III-b 38 31 1 100 ** * No chemically enhanced backwash, ** After the cleaning in place MF 모듈의운전은 1.5 m 3 /m 2 day 의정유량조건으로유지 하였으며, Table 2와같이운전방식을변경하여여과시간, CEB 조건에따라운전성능을실험하였다. 각여과시간에따 라운전후 7분간역세 (backwash, aeration 및급 배수포함 ) 를하였으며, CEB는세정주기에따라 1일 1~4회차아염소 산나트륨 (NaOCl) 으로 2 분간역세후정치, 공세 (aeration) 등 을거쳐, 잔류염소 0.1 mg/l 이하로세척 (rinsing) 후급배수 하였다. 막성능회복을위한회복세정 (cleaning in place: 이 하 CIP ) 은산세정과염기세정으로구분되며, 산세정시 옥살산 ((COOH) 2) 1% 와황산 (H 2SO 4) 0.1% 용액을, 염기세 정시 NaOCl 3,000 mg/l 와수산화나트륨 (NaOH) 을혼합하 여 ph 11 로맞춘용액을이용하였다. 2.3. 분석방법 2.3.1. 막간차압및회수율 다양한운전조건에따른막오염정도를파악하기위해서 막간차압 (transmembrane pressure: 이하 TMP ) ΔP 를식 (1) Fig. 1. A schematic diagram of the 16" seawater reverse osmosis desalination pilot plant. 대한환경공학회지제 35 권제 9 호 2013 년 9 월

626 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김영민 장정우 김진호 최준석 이상호 김수귀 을이용하여산정하였으며, 식 (2) 를통해회수율 RR (recovery rate) 을산정하여운전방식별목표여과성능을평가하 였다. (1) 여기서, P i 는유입압력 (kpa), P o 는출구압력 (kpa), P p 는처 리수압력 (kpa) 이다. (2) 여기서, 는처리수량을, 는역세수량, 은배출수량 을나타낸다. 2.3.2. 경제성분석 Table 2 의운전방식별여과성능비교와함께경제적인운 전조건도출을위해서경제성분석을수행하였다. 분석은 USBR (United States Bureau of Reclamation) 의 WaTER (Water Treatment Estimation Routine) 모형을사용하였으며, 각운전조건별회수율및약품사용량변화에따라단위 m 3 생산을위한연간비용을비교하였다. 연간비용은총건설비용 (total construction cost) 과유지관 리비용으로, 총건설비용은다시직접비 (direct capital cost) 와간접비 (indirect capital cost) 로구분된다. 직접비는건물 건설비용, 막및모듈설치비, 부대설비및엔지니어링비용 을, 간접비는건설중이자, 예비비 (contingency) 및프로젝트 Table 3. Design assumptions for economic analysis Type Parameters Input value Note Product flow rate 39,375~ 42,948 l/d reference to Table 6 Plant availability 94% MF Planned operation time process 100% per day input Number of modules 1 Number of membranes 1 Recovery 77.3~88.9 reference to Table 6 Direct capital cost Indirect capital cost Building cost 1,076 USD/m 2 default value of the analysis model Miscellaneous 5% of module cost Plant interconnecting piping Engineering 10% Interest during construction 5% of module and miscellaneous cost 6% Contingencies 20% Project management 10% Working capital 4% of total direct capital cost Table 4. Operation and maintenance cost input Cost Input value Note Electricity rate 0.07 USD/kWh Sodium hypochlorite cost 92 USD/kg 110 won/kg Specific gravity 1.168 NaOCl Membrane life 10 years Staff days/day 0.33 8 hours/day Labor rate 8.33 USD/hr 2,000,000 won/month Amortization time 30 years Interest rate 6% 관리비용등으로구성된다. 유지관리비용은설비운전에필 요한전기료, 막교체및인건비, 화학약품비용등으로부터 산정하였다. 총건설비용산정후식 (3) 을활용하여현재가치로환산 (capital recovery) 하였으며, 이자율 6% 로자본회수기간은 30 년을적용하였다. Table 3은 MF 공정평가를위한입력값과 자본비용산정을위한가정치를나타내며, 유지관리비용은 Table 4의각유지관리항목별원단위와사용량을통해산정 하였다. Capital recovery (3) 여기서, TCC는총건설비용 (total construction cost) 을, i는 이자율, n은자본회수기간이다. 3. 결과및고찰 3.1. 운전조건별여과성능 대상기간동안운전조건별 TMP 변화를통해여과성능을테스트하였다. CEB 농도및주기, 여과주기등을 Table 2와같이변경함으로써적정운전조건을도출하고자하였다. 초기 TMP 14.1 kpa 조건에서테스트를시작하였으며, 각운전조건별 (I-IV) 로순서대로운전하였다. I-a, II (II-a, II-c) 구간에서는 CEB 4회 / 일조건에서경제성제고를위한약품사용량변화영향을, II-c, III-a 구간에서는회수율제고를위한 1회 / 일 CEB 세정효과를검토하였다. IV 구간은같은농도의 NaOCl 조건 (100 mg/l) 에서세정주기변화에따른효과를, III-b 구간은 CIP 이후세정효과를확인하고자하였다. 또한화학약품부족과원수급수중지등현장문제 (I-b, II-b) 로인한 CEB 미수행영향을평가하였다 (Fig. 2). 먼저 I-a, II-a 구간에서 1일 4회 CEB 수행조건에서약품사용량변화영향을검토한결과, 약품사용량의차이 (50 ppm, 25 ppm) 는있으나 TMP의급격한상승없이초기값과유사한결과를나타내었다. 낮은농도의 NaOCl 농도에서도안정적인세정효과를보임에따라농도에의한영향보다는반복적인 CEB 수행이막오염방지에효과적인것으로판단 Journal of KSEE Vol.35, No.9 September, 2013

J. Kor. Soc. Environ. Eng. 627 Fig. 2. Trans-membrane pressure variations during the MF operation. 되었다. 반면, CEB를실시하지않는경우평균 1 NTU, TOC 1.2 ppm 정도의양호한원수수질에도불구하고막오염이급격히발생하는것으로나타났다. 입자성물질이나유기물에의한막오염이외에도생물막오염에대한영향이있을것으로판단되며, 주기적인유지세정이해수용 MF 막성능유지에필수적인것으로사료된다. III-a 구간을통해회수율상승을위한 1일 1회 CEB 조건을살펴본결과, 구간초기에는지속적인 TMP 감소가관측되었으나, 이후급격한상승또는하강이반복되는등세정효과가미미한것으로나타났다. 막오염이상당히진행되었기때문으로판단되며, 회수율상승을위한세정주기변경 (1일 1회 ) 에대한정확한평가가어려웠다. IV 구간을통해동일농도 1일 4회세정한결과, TMP 감소를통해세정효과는일부확인하였으나 CEB 미수행등에따른막오염으로인해 CIP를통한막성능회복이필요할것으로판단되었다. CIP 이후 III-b 조건에서는 TMP가운전초기이하 (11.3 kpa) 로회복되었으며약 20 kpa 이하로안정적으로유지되었다. NaOCl 100 ppm 조건에서회수율상승을위한 1일 1 회 CEB 가능성을확인하였다. 운전방식에따른 TMP 변화율을산정하여 Table 4에나타내었다. 각시구간별총변화율과 1일변화율로환산하였다. CEB를수행하지않은경우 1일환산시 52.0~108.8% 의 TMP 증가를보였으며, CEB를수행한경우에는막오염으로세정효과확인이어려운조건 III-a를제외하고 (-)2.2~(-)12.2 % 로구간초기에비해 TMP가감소하였다. CEB 미수행조건에서는동일 CEB 주기로세정하였음에도보다고농도로세척한 I-b 구간이 II-b 보다 TMP 상승률이높은것으로나타났다. 이는고농도세척후깨끗해진표면에서막오염진행속도가보다빨리진행되는것으로판단된다. CEB 수행시 1 일 4 회 CEB 조건 (I-a, II-a, II-c, IV) 으로부 터 TMP 감소효과를수치적으로확인한결과, NaOCl 농도 보다는반복세정을통해세정효과를확보할수있는것으 로나타났다. 1 일 1 회세정조건도 CIP 이후 1 일 6% 정도의 TMP 상승에도 20 kpa 이하로 TMP가유지됨을확인하였다. 이미막오염이진행되어성능회복이불가능한경우 (III-a) 를제외하고는 1일 1회 100 mg/l CEB 조건에서도안정적 인운전이가능하며, 높은회수율확보가가능할것으로판 단된다. 3.2. 회수율 식 (2) 를통해각운전조건별로달성가능한회수율을산 정하여비교하였다. 회수율은운전방식에따라 MF 막모 듈이직접생산가능한수량을의미하므로개발모듈의경 제성과상용화가능성에미치는영향이크다. 여과속도 1.5 m 3 /m 2 d, 막면적 35 m 2 하에서의각운전방식별목표회수 율을 Table 5에제시하였다. 검토결과 31회 / 일의여과주기를갖는 1일 1회 CEB 조건 Table 5. TMP variations for the pressurized MF operation Time period (Operation mode-time section) TMP variation %/whole time interval %/day I-a -27.6-4.4 I-b 272.0 108.8 * II-a -27.0-15.5 II-b 62.6 52.0 * II-c -2.6-2.2 III-a 80.3 14.5 IV -9.6-13.2 III-b 88.1 6.0 * No CEB condition note 대한환경공학회지제 35 권제 9 호 2013 년 9 월

628 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김영민 장정우 김진호 최준석 이상호 김수귀 (III) 의회수율이 24회 / 일의여과주기를갖는 1일 4회 CEB 조건 (I, II, IV) 에비해상대적으로높음을알수있다. 이는 잦은 CEB 수행으로인해막세정에필요한수량은증가하 는반면, 여과시간의감소로처리수량도함께적어지기때 문이다. 회수율확보측면에서는적은세정주기를갖는것이 잦은막세정에비해긍정적일것으로판단된다. 3.3. 경제성분석 3.1 운전조건별여과성능에서확인한바와같이막세정 측면에서는반복세정이효과적이나, 회수율측면에서는 1 일 1 회세정이적절하다. 반복세정에따른유지관리비용증 가와회수율증가에따른생산비용절감등이서로상충되 므로경제성분석을통해운전조건별생산비용을비교하였 다. 1년간의직접비와간접비로부터총건설비용 (total construction cost) 을산정하였으며, 유지관리비용과의합산을 통해연간비용 (annual cost) 과연간 1 m 3 생산비용을산정 하여비교하였다 (Table 7). 비교결과각운전모드별처리수량의변화에따른 capital recovery는큰변화가없었으며, CEB 조건에따른약품사 용량의변화로인해유지관리비용의편차가큰것으로나 타났다. 유지관리비용은운전모드 III이가장적었으며, 1 일 4회 100 mg/l CEB 조건인 IV 경우가가장큰것으로나 타났다. capital recovery 와유지관리비의합으로나타나는 연간비용과연간 1 m 3 생산비용은유지관리비의크기에따 라결정되었다. 특히연간 1 m 3 생산비용의경우 Table 6 과 Table 6. The estimated recovery rates for the pressurized MF operation Operation mode Permeate (l/day) Backwash (l/day) Drain (l/day) Recovery rate (%) I 39,375 6,781 1,400 79.9 II 39,375 7,875 1,400 77.3 III 42,948 3,336 1,600 88.9 IV 39,375 6781 1,400 79.9 Table 7. Detailed economic analysis Operation mode Cost items I II III IV Direct capital cost (USD/yr) 9,792 9,792 9,839 9,792 Indirect capital cost (USD/yr) 4,000 4,000 4,000 4,000 Total construction cost (USD/yr) 13,792 13,792 13,839 13,792 Capital recovery (USD/yr) 1,002 1,002 1,005 1,002 Total O&M cost (USD/yr) 8,783 8,565 8,547 9,241 Annual cost (USD) 9,785 9,567 9,552 10,243 Annual cost per m 3 (USD/m 3 ) 0.72 0.71 0.65 0.76 같이생산수량이큰 ( 또는회수율이높은 ) 운전모드 III이단위 m 3 당비용감소가가장큰것 (0.65 USD/m 3 ) 을볼수있다. 막세정측면에서반복세정을통한 MF 공정의 TMP 저감효과가컸으나, 운전모드별약품사용량과생산수량의차이로인해운전모드 III 조건이가장경제적인것으로나타났다. III-b 구간을통해 CIP 이후안정적인 TMP 확보가가능하므로운전모드 III이최적조건으로적절할것으로판단된다. 운전모드 III에서의유지관리항목별비중을검토한결과 Fig. 3과같이 CEB 조건에따른화학약품비용보다는인건비의비율이대부분 (93.6%) 을차지하였다. 이는단일모듈로소형 ( 막면적 35 m 2, 1/5 m 3 /m 2 day) 시스템으로운전한결과로판단된다. 다수의모듈로대용량운전시에는화학세정비용등기타항목의비중이높아질것으로판단되며, 단위 m 3 당생산비용또한감소될것으로기대된다. 4. 결론 본연구는해수담수화전처리공정으로서가압식 MF 공정의최적운전조건을도출함으로써국내기술로개발된전처리상용막을평가하고자하였다. 운전조건에따른막간차압결과로부터생물막오염등의영향으로주기적인유지 Fig. 3. Pie chart for O&M cost percentage. Journal of KSEE Vol.35, No.9 September, 2013

J. Kor. Soc. Environ. Eng. 629 세정이필요함을확인하였다. 막세정측면에서 1일 4회 CEB 조건과같이반복세정이효과적인것으로나타났으며, 공정운전에따른경제성측면에서는짧은세정주기를통해높은회수율의확보가유리한것으로판단되었다. 막간차압및경제성분석결과네가지운전방식중 1일 1회 100 mg/l CEB 조건 ( 운전모드 III) 을최적운전으로도출하였다. MF 막면적, 막 / 모듈개수및운전유량등에따라차이가있겠으나안정적인막성능유지가가능하다면, 가급적세정횟수를줄임으로써유지관리비를절감하고회수율을높이는것이적절할것으로판단된다. 사사 본연구는국토해양부플랜트기술고도화사업 ( 과제번호 #07 해수담수B03-02), 플랜트연구개발사업 ( 과제번호 13IFIP-B0 65893-01) 과 R&D 정책 인프라사업기술사업화지원 ( 과제번호 11TRPI-C057432-01) 의연구비지원에의해수행되었습니다. 참고문헌 1. Henthorne, L., Evaluation of Membrane Pretreatment for Seawater Reverse Osmosis Desalination, United States Bureau of Reclamation, Denver(2007). 2. Huehmer, R. P., MF/UF pretreatment in seawater desalination: applications and trends, in Proceedings of World Congress in Desalination and Reuse, International Desalination Association, IDAWC/DB09-253, Dubai(2009). 3. Bush, M., Chu, R. and Rosenberg, S., Novel trends in dual membrane systems for seawater desalination: minimum primary pretreatment and low environmental impact treatment schemes, IDA J., 2(1), 56~71(2010). 4. Yun, J. S., Kim, S. H., Yoon, C. H. and Kim, G. T., Microfiltration as Pretreatment of Reverse Osmosis for Seawater Desalination: Operation Efficiency and Factors Affecting its Efficiency, J. Kor. Soc. Environ. Eng., 26(4), 475~480(2004). 5. Kim, S. H., Kim, C. H., Kang, S. H. and Lim, J. L., Long Term Operation of Microfiltration as a Pretreatment for Seawater Reverse Osmosis Processes, J. Kor. Soc. Water Wastewater, 24(6), 735~741(2010). 6. Voutchkov, N., Considerations for selection of seawater filtration pretreatment system, Desalination, 261, 3854~364 (2010). 대한환경공학회지제 35 권제 9 호 2013 년 9 월