해양침식 발생지역의 역삼투압법 적용 해수담수화설비 최적화 연구 :A study on the optimization of reverse osmosis application for seawater desalination in coastal erosion area

최광민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최광민 (서울시립대학교, 서울시립대학교 대학원)

지도교수: 한인섭

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

해양침식 발생지역의 역삼투압법 적용 해수담수화설비 최적화 연구

최광민 환경공학과 2018.01 학위논문

해수 담수화 설비를 기반으로 한 발전소 순수제조 설비의 최적화 설계

최광민 , 한인섭 한국도시환경학회지 2018.01 학술저널

2017

해수 담수화 설비의 취수 및 배출수 해저 배관 최적화 설계

최광민 , 한인섭 상하수도학회지 2017.01 학술저널

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본 연구의 목적은 높은 파도로 인해 심한 해안침식이 발생되는 지역에 설치한 역삼투압법 해수담수화 설비의 취·배출수설비 설계 방안, 역삼투압법 설비의 에너지 절감방안, 해수담수화설비에서 순수제조설비에 이르는 각 단위 설비의 운전 특성 등을 연구하는데 있다.
본 연구 대상 지역의 해안은 높은 파도의 영향으로 해안침식과 퇴적이 계절에 따라 반복되는 특성이 있다. 취·배출수설비의 해저배관 설계를 위해 해당지역의 해안침식 및 퇴적 영향을 분석한 결과 100년 빈도의 파랑조건에서 최대 1.8 m의 침식과 2.3 m의 퇴적이 일어남을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 해저배관의 경제적 매설 심도를 분석하였고, 해저배관의 안정성을 연구하였다.
해수담수화 설비의 배출수는 염 분리 후 발생하는 고농도 염의 농축수와 해수담수화 과정에서 사용된 미량의 약품폐수로 구성된다. 농축수의 염도는 주변 해수보다 약 2배 이상 높아 희석 없이 해역에 배출될 경우 해저 환경에 악영향을 줄 수 있다. 농축수 배출지점에서의 희석농도를 파악하기위해 EPA Visual Plume software를 사용하였고 분석 결과를 이용하여 해양환경에 미치는 영향 여부를 고찰하였다. 또한 최적 희석설비 설계를 위해 희석배수에 영향을 주는 주요 인자별 희석영향을 분석하였다. 그 결과 고염 농축수의 희석 배수는 해류 속도의 영향을 가장 크게 받았으며 다음은 diffuser port의 배출 높이였다. 농축수를 해저면으로부터 높은 위치에서 배출 할수록 희석에 유리했다.
SWRO (sea water reverse osmosis) 설계 시 SEC (specific energy consump-tion, kWh/m3)이 가장 작게 되는 stage, array, 회수율, flux 등의 조건을 연구하였다. SEC를 작게 하기 위해서는 고효율 에너지회수장치를 사용하고 회수율을 최대한 높이며 flux를 낮게 유지해야하며 two-stage SWRO는 이러한 조건을 만족시켰다.
본 연구에서 two-stage SWRO 및 순수처리설비 운전 특성 고찰을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다. UF (ultrafiltration) 전처리 설비에서 TMP (transmembrane pressure)는 평균 0.24-0.47 bar 수준 이였으며 운전 flux는 59-60.7 Lmh이었고, membrane permeability (Flux/TMP)는 128-250 Lmh/bar로 매우 안정적인 운전 상태를 보였다. 유입 해수의 전기전도도는 34-42 mS/cm이었고 two-stage SWRO의 처리수 전기전도도는 250-333 μS/cm 수준이었다. SWRO 처리수는 전량 BWRO (brackish water reverse osmosis)에 유입되었고 이때 BWRO 처리수 전기전도도는 7-10 μS/cm이었다. BWRO 처리수는 DWRO (demineralized water reverse osmosis)에 다시 유입되며 DWRO 처리수 전기전도도는 2.0-2.6 μS/cm이었고 최종적으로 EDI (electro deionization) 설비를 통과하여 0.057 μS/cm의 순수를 얻게 되었다.

The purpose of this study is to propose the design method for intake and discharge facilities, energy saving process of reverse osmosis system, and to investigate the operating characteristics for each facility unit from seawater desalination plant to demineralized water plant based on a seawater desalination plant installed in an area where severe coastal erosion occurs due to high waves.
Coastal erosion and sedimentation was repeated annually due to the effect of high waves in this study area. The coastal erosion and sedimentation analysis for the submerged pipeline design showed a maximum erosion of 1.8 m and sedimentation of 2.3 m in 100 years return period. The depth of economic burial and stability for the submerged pipeline was studied.
The effluent from the seawater desalination plant is composed of concentrate which is generated during the salt separation process, and a small amount of chemical wastewater which is used for cleaning membranes in the seawater desalination process. The concentrate contains more than twice as much salt as the surrounding sea water. If the concentrate is discharged to the sea without proper dilution, it may adversely affect the seabed environment. In order to determine the appropriate degree of dilution required to discharge the concentrate at the specific discharge point, dilution rates were analyzed through the EPA Visual Plume Software, and the effect of dilution was examined through the references. The dilution effect of major factors affecting dilution rates was also analyzed for the optimum design of the dilution facility. As a result, the dilution factor of high salt concentrate was mainly affected by the current velocity and furthermore, the higher the discharge diffuser port was from the sea bed, the better.
In addition, the conditions such as stage, array, recovery rate, and flux which minimize the specific energy consumption (kWh/m3) in SWRO (Sea Water Reverse Osmosis) design was studied. In order to reduce the specific energy consumption, two-stage SWRO was met these conditions with a high efficiency energy recovery device, maximizing the recovery rate and keeping the flux low.
The following results were obtained through the operation study of two-stage SWRO desalination plant and the demineralized water treatment plant. In the UF (ultrafiltration) pretreatment system, the TMP (transmembrane pressure) registers an average of 0.24-0.47 bar and the operating flux was 59-60.7 Lmh. Membrane permeability (Flux/TMP) was 128-250 Lmh/bar and showed a very stable operating condition.
The conductivity of two-stage SWRO inlet was 34-42 mS/cm, and the treated water was 250-333 μS/cm. The total amount of SWRO permeate flowed into the BWRO (Brackish Water Reverse Osmosis), and the treated water conductivity of BWRO was 7-10 μS/cm. The BWRO permeate flowed into the DWRO (Demineralized Water Reverse Osmosis) and the conductivity of DWRO treated water was 2.0-2.6 μS/cm. Finally, it passed the EDI (Electro Deionization) facilities to obtain 0.057 μS/cm demimeralized water.

1. 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 범위 3
2. 이론적 고찰 6
2.1 해수 취수 및 배출수 설비 특성 6
2.1.1 해안침식 및 퇴적현상 6
2.1.2 해수 취수 및 배출수 설비 특성 19
2.1.3 고염 농축수의 주변 환경영향 특성 25
2.1.4 해저배관의 안정성 분석 28
2.2 막 공법의 이론적 고찰 32
2.2.1 막 투과 메커니즘 모델 32
2.2.2 해수의 삼투압 34
2.2.3 Nonporous Solution-Diffusion Transport Model 35
2.2.4 물과 염의 투과 속도 및 온도의 영향 35
2.3 해수담수화 전처리 설비 특성 38
2.3.1 SWRO 해수담수화 설비 구성 특성 38
2.3.2 해수의 Conditioning 공정 40
2.3.3 Membrane Fouling 47
2.3.4 해수 전처리 설비 공정 특성 54
2.4 SWRO 해수담수화 설비 61
2.4.1 SWRO Membrane 61
2.4.2 SWRO SEC 저감 방안 및 운영비 특성 70
2.4.3 SWRO의 종류 및 기술발전 79
2.4.4 해수담수화 후처리 설비 82
3. 연구 내용 및 방법 91
3.1 연구 내용 91
3.1.1 대상지역의 환경 및 해수 수질 91
3.1.2 연구 대상 설비 93
3.2 연구 방법 104
3.2.1 해안침식 지역의 취수 및 배출수 해저배관 적용 104
3.2.2 Two-stage SWRO 운전 109
3.2.3 수질 측정 111
4. 연구 결과 및 고찰 112
4.1 취수 및 배출수 해저배관 설계 112
4.1.1. 해저배관의 경제적 매설 깊이 112
4.1.2. 해저배관의 안정성 123
4.1.3. 고염도 농축배출수의 희석 139
4.2 Two-stage SWRO 적용특성 146
4.2.1 해수 수질특성 분석 결과 및 고찰 146
4.2.2 SWRO 특성분석을 통한 최적설계 147
4.2.3 Two-stage SWRO 적용 특성 164
4.2.4 해수의 TDS와 수온을 고려한 SWRO의 SEC 171
4.3 SWRO 및 후처리 설비의 운전 174
4.3.1 해수 취·배출수 설비 운전 174
4.3.2 SWRO 전처리 설비 운전 177
4.3.3 SWRO 및 BWRO 운전 184
4.3.4 해수담수화 설비의 Fouling 199
4.3.5 추가 염제거 설비 운전 205
5. 결론 209
References 212
Appendix 234
Abstract 265
감사의 글 268

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