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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.30 No.3 pp.299-312
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2016.30.3.299

Development of SWRO-PRO hybrid process simulation and cost estimation program

Yongjun Choi1, Yonghyun Shin1, Sangho Lee1, Seung-Hyun Kim2
1School of Civil and Environmental Engineering, Kookmin University
2School of Civil Engineering, Kyungnam University
Corresponding author: Sangho Lee (sanghlee@kookmin.ac.kr)
April 21, 2016 May 31, 2016 June 1, 2016

Abstract

The main objective of this paper is to develop computer simulation program for performance evaluation and cost estimation of a reverse osmosis (RO) and pressure-retarded osmosis (PRO) hybrid process to propose guidelines for its economic competitiveness use in the field. A solution-diffusion model modified with film theory and a simple cost model was applied to the simulation program. Using the simulation program, the effects of various factors, including the Operating conditions, membrane properties, and cost parameters on the RO and RO-PRO hybrid process performance and cost were examined. The simulation results showed that the RO-PRO hybrid process can be economically competitive with the RO process when electricity cost is more than 0.2 $/kWh, the PRO membrane cost is same as RO membrane cost, the power density is more than 8 W/m2 and PRO recovery is same as 1/(1-RO recovery).


역삼투-압력지연삼투 조합공정 공정모사 및 비용예측 프로그램 개발

최 용준1, 신 용현1, 이 상호1, 김 승현2
1국민대학교 건설시스템공학부
2경남대학교 토목환경공학과

초록


    Ministry of Environment
    GT-14-B-01-003-0

    1.서 론

    PRO(Pressure Retarded Osmosis, 압력지연삼투) 공정 은 염분 농도가 다른 두 용액의 삼투압 차이를 이용하 여 에너지를 생산하는 발전 공정으로써, 보통 저농도 용액으로는 담수가 고농도 용액으로는 해수 또는 해수 담수화 농축수가 사용된다(Leonardo D et al., 2014). PRO 공정에서는 고농도 용액의 삼투압보다 낮은 압력 을 가해주어 두 용액의 삼투압 구배와 수리학적 압력의 차이만큼의 구동력으로 저농도 용액에서 고농도 용액으 로 분리막을 투과하는 물 투과플럭스를 발생시켜, 증가 된 유량으로 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하게 된다. PRO 기술에 대한 이론적 접근은 1960년대에 처음 시도 되었으며, 1970년대에 Sidney Loeb에 의해 Pressure Retarded Osmosis라는 이름으로 정식으로 소개되었다 (Loeb S. 1976). 미국, 유럽 등 선진국에서 지속적으로 연구가 진행 중이나, 그 동안은 에너지 생산량보다 소 모량이 많아서 실용화 되지 못하였지만 최근 압력지연 삼투 분리막 기술과 공정 최적화 기술 및 막오염 제어 기술의 발전으로 인하여 PRO 공정을 이용한 에너지 생산에 대한 가능성이 높아지고 있다 (Han G., et al., 2015). 그리고 PRO 공정은 단독 공정보다는 SWRO(Sea Water Reverse Osmosis, 역삼투) 공정과 결합되었을 때 더 많은 에너지를 생산할 수 있을 뿐 아니라 농축수의 해양 방류로 발생할 수 있는 환경문제를 저감할 수 있 기 때문에 SWRO 공정과의 조합공정에 관한 연구가 미 국, 일본, 한국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다 (Kim J.H., et al., 2014). 현재 시장 지배 기술이라 할 수 있는 SWRO 공정의 경우 SWRO 분리막 제조사들이 ROSA, IMSDesign, 그리고 TorayRO와 같이 자사의 SWRO 분리막을 사용하여 설계를 진행할 수 있는 프로 그램을 사용자에게 제공하고 있지만, PRO 공정의 경우 공정을 평가하거나 설계할 수 있는 프로그램이 전무한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정 이 기존 SWRO 공정 대비 경쟁력을 가질 수 있는 가이 드라인을 설정하기 위해 PRO 공정의 공정 모사와 비용 예측 모델을 구축하고 이 모델을 기반으로 SWRO 단독 공정과 SWRO-PRO 조합 공정을 비교, 평가할 수 있는 프로그램을 개발하였다. PRO 공정은 PRO 분리막 모듈 후단에 ERD(Energy Recovery device, 에너지 회수장치) 를 적용하여 SWRO 공정의 유입수에 압력을 전달하는 공정구성과 Turbine을 적용하여 직접 전기를 생산하여 SWRO 공정에 공급하는 두가지 형태로 구성하였다. 또 한 PRO 공정의 저농도 용액으로 하수처리수를 적용하 였으며 하수처리수 확보의 형태에 따라 하수처리장과 연계된 경우(하수처리장 2차 처리수를 사용)와 연계되 지 않은 경우(최종방류수를 사용)로 구분하여 공정평 가를 수행할 수 있도록 프로그램을 구성하였다.

    2.공정모사 모델

    SWRO 공정과 PRO 공정의 공정모사를 위해 농도분 극을 고려하여 수정된 용해-확산 모델 적용하였으며 물 투과플럭스와 염 투과플럭스를 계산하기 위한 기본 수식들은 Table 1에 나타낸 바와 같다(Lee S., et al., 2001; McCutcheon J.R., et al., 2006). 그리고 PRO 공정의 경우 분리막의 활성층이 고농도 용액과 맞닿아 있어 희석 외부농도분극과 농축 내부농도분극이 발생하는 경우만을 고려하였다. 삼투압은 SWRO 공정과 PRO 공 정 모두 반트호프식을 사용하여 계산하였다.

    3.비용예측 모델

    비용 예측방법은 전문가의 경험과 의견을 기반으로 한 경험식에서부터 공정 모의를 통한 물질 수지 관계로 예측하는 방법 등 다양하다. 일반적으로 공정의 구성, 원수의 수질조건, 운전조건, 회수율 및 세정방법 등에 따라 비용 분석이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 문헌조사를 통해 조사된 다양한 비용 분석 모델 중 경험식을 위주로 한 모델을 선정하여 Table 2와 같이 SWRO 공정과 PRO 공정의 비용 분석 모델을 구축하 였다 (Darwish M.A., et al., 1989; Sommariva C., et al., 2004; Malek A., et al., 1996; Marcovecchio M.G., et al., 2005).

    또한 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 서로 연계된 경우와 연계되지 않은 경우에 대한 비교를 위 하여 압력지연삼투 공정에 저농도 용액으로 사용되는 하수처리수의 유입수질, 용량에 따른 비용예측 모델 을 구축하였다. 하수처리장의 비용예측 모델은 ‘CAPDETWorks’ 소프트웨어를 이용하여 도출하였으 며, 하수처리장 유입수질을 크게 3가지로 구분하여 (weak, medium, strong) 모델을 구축하였으며, 그 수질 특성은 Table 3에 나타낸 바와 같다. 또한 Table 4에 나타낸 바와 같이 공공하수처리설의 방류수 수질기준 을 고려하여, 총 4가지 하수처리공정에 대하여 비용예 측 모델을 구축하였다. Table 5

    4.프로그램 구성

    SWRO-PRO 조합공정의 공정모사 및 비용예측 프로 그램은 기본적인 과제 정보를 입력하는 Project window 와 SWRO 단독공정을 해석하는 SWRO window, SWROPRO 조합공정을 해석하는 SWRO-PRO(ERD), SWRO-PRO (Turbine) window, 하수처리장과 SWRO-PRO 조합공정 이 상호 연계되었을 경우의 해석을 위한 SWRO-PRO(ERD)- WWTP, SWRO-PRO(Turbine)-WWTP window 그리고 해 석결과를 확인할 수 있는 Report window로 구성되어 있다.

    5.모델해석결과

    본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정이 SWRO 공정 과 비교하여 경제성을 확보할 수 있는 가이드라인을 제시하기 위해 담수생산량 100,000 m3/일을 기준으로 공정모사를 수행하여 SWRO 플랜트와 SWRO-PRO 플 랜트의 공정모사 결과 및 담수생산 비용을 비교하였다.

    5.1Project window

    Fig. 1에 나타낸 바와 같이 공정모사를 수행하기 전 에 Project window에 본 프로그램을 사용하는 사용자 의 이름, 프로젝트명, 프로젝트 상세정보, 수행날짜 등 프로젝트에 관한 기본 정보를 입력할 수 있으며 공정 모사 결과는 프로젝트 단위로 지정된 파일에 xml형태 로 저장된다. 저장된 프로젝트 결과는 필요시에 열기 기능을 통해 다시 확인 할 수 있다.

    5.2SWRO 해석결과

    Fig. 2는 SWRO-PRO 공정모사 및 비용예측 프로그 램을 통해 SWRO 단독공정을 해석한 결과를 나타낸 것으로 해석을 위한 SWRO 공정은 크게 취수, 전처리, 역삼투 모듈, 고압펌프, 부스터펌프와 에너지 회수장 치로 구성되어 있다. SWRO 플랜트의 공정모사 입력 변수로는 생산수량, 여과플럭스, 회수율, 원수의 이온 농도와 온도, 적용된 막의 물 투과계수와 염 투과계 수, 막모듈 면적, 펌프와 에너지회수장치의 효율 등이 있으며, 비용예측을 위한 입력변수로는 플랜트의 운 영기간, 플랜트 운영비율, 전기료, 이자율 등이 있다 위에 제시한 입력변수를 사용하여 운전압력, 여과수 및 농축수의 수질, 막모듈별 여과플럭스와 회수율, 막 모듈 및 압력베셀 수, 에너지 사용량과 건설 및 운영 비용을 결과로 얻을 수 있다. 공정해석을 위한 입력변 수인 생산수량은 100,000 m3/일, 여과플럭스는 12 LMH, 회수율은 40% 온도는 25°C, 막 모듈 1개의 면 적은 40.0 m2, 분리막의 물 이동계수는 2.0×10-12 m2sec/kg, 염 이동계수는 1.8×10-8 m/sec, 원수의 TDS는 43,000 mg/L, 압력베셀내부의 막모듈 수는 7개, 고압 펌프 효율은 70%, 부스터 펌프의 효율은 70%, 에너지 회수장치의 효율은 95%로 설정하였다. 그리고 비용분 석을 위한 입력변수인 플랜트의 운영기간은 총 20년 으로, 플랜트 운영 비율은 91%, 전기료는 0.2 $/kWh, 이자율은 3%로 설정하였다. 이러한 입력조건으로 해 석을 수행한 결과 필요한 운전압력은 70 bar, 여과수 의 수질은 TDS 334 mg/L, 농축수의 수질은 TDS 71,500 mg/L, 총 모듈수는 8687개, 압력베셀수는 1241 개, 에너지 사용량은 3.36 kWh/m3으로 계산되었다. 또 한 비용 분석 결과 담수 1 m3을 생산하는데 약 1.16 $가 사용되는 것으로 계산되었다.

    5.3SWRO-PRO(ERD) 해석 결과

    Fig. 3은 SWRO-PRO 조합공정에 대한 해석 결과를 나타낸 것으로써, PRO공정을 통해 생산된 에너지를 에너지 회수장치를 통해 SWRO 공정의 원수로 압력 을 전달하도록 공정이 구성되어 있다. 해석을 위한 압 력지연삼투 공정은 전처리 공정, 부스터 펌프, 막모듈, 에너지 회수장치로 구성되어 있다. 에너지 회수장치 가 적용된 SWRO-PRO 조합공정의 경우 SWRO에서 생산된 수량만큼 PRO공정을 통해 회수해야하기 때문 에 우선적으로 회수율을 만족시키는 운전조건을 제시 하도록 계산이 진행되도록 프로그램을 구성하였다. 압력지연삼투 공정모사를 위한 입력변수로는 회수율, 유도용액의 유량과 농도, 압력, 막유입수의 유량과 농 도, 압력, PRO 분리막의 물 투과계수와 염 투과계수, 막면적, 내부농도분극계수, 펌프와 에너지회수장치의 효율 있으며, 비용예측을 위한 입력변수로는 플랜트 의 운영기간, 플랜트 운영비율, 전기료, 이자율이 있 다. 위에 제시된 입력변수를 사용하여 운전압력, 여과 수 및 농축수의 수질, 막모듈별 여과플럭스와 회수율, 막 모듈 및 압력베셀 수, 에너지 사용량과 건설 및 운 영 비용을 결과로 얻을 수 있다. 공정해석을 위해 SWRO 공정의 입력변수는 앞서 수행한 SWRO 단독 공정모사와 동일한 값으로 설정하였으며, PRO 공정 의 회수율은 67.7%. 유도용액의 농도와 유량은 SWRO 공정의 농축수와 동일한 값으로 막유입수의 유량과 농 도 및 압력은 각각 150,000 m3/day과 2,000 mg/L, 3 bar 로 모듈 1개의 면적은 20.0 m2, 막의 물 이동계수는 3.0×10-12 m2sec/kg, 염 이동계수는 3.0×10-8 m/sec, 압 력베셀내부의 막모듈 수는 7개, 고압펌프 효율은 70%, 부스터 펌프의 효율은 70%, 에너지회수장치의 효율은 95%로 설정하였다. 비용분석을 위한 입력변수인 플랜 트의 운영기간은 총 20년으로, 플랜트 운영 비율은 91%, 전기료는 0.2 $/kWh, 이자율은 3%로 SWRO 플 랜트와 동일하게 설정하였다.

    위와 같은 입력조건으로 해석을 수행한 결과 역삼 투의 운전압력은 70 bar, 여과수의 수질은 TDS 334 mg/L, 농축수의 수질은 TDS 71,500 mg/L, 총 모듈수 는 8687개, 압력베셀수는 1241개, 에너지 사용량은 2.56 kWh/m3으로 계산되었으며, 압력지연삼투 공정의 운전압력은 28 bar, 여과플럭스는 평균 10.0 L/m2-hr, 전력밀도는 8.0 W/m2, 총 모듈수는 21,000개, 압력베 셀수는 3,000개로 계산되었다. SWRO 단독공정과 비 교하였을 경우 에너지 사용량이 크게 감소하였는데 이는 에너지회수장치를 통해 PRO 공정을 통해 생산 된 에너지가 SWRO 공정의 원수로 전달되었기 때문 이다. 또한 비용 분석 결과 담수 1 m3을 생산하는데 약 1.04$가 필요한 것으로 계산되었다.

    5.4SWRO-PRO(ERD)-WWTP 해석결과

    Fig. 4는 SWRO-PRO(ERD)-WWTP 플랜트의 공정모 사 및 비용예측 모델을 실행한 결과를 나타낸 것으 로써 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 연결된 경우와 연결되지 않은 경우의 해석결과를 비교할 수 있다.

    SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 상호 연결된 경우에는 하수처리장의 2차 처리수 중 일부를 PRO 공정의 유입수로 사용되도록 하였으며, 상호 연결되 지 않은 경우에는 최종방류수인 3차 처리수를 유입수 로 사용하도록 설정하였다. 또한 SWRO-PRO 공정과 하수처리장이 연결된 경우 PRO공정으로 유입되는 하 수처리장의 2차 처리수의 용량만큼을 배제하여 3차 처리 공정이 건설되고 운영되도록 설정하였다. SWRO-PRO 공정의 입력조건은 앞선 경우와 동일하 며, 하수처리장의 유입수량은 200,000 m3/day으로 그 리고 PRO 공정으로 유입되는 2차처리수는 167,000 m3/day으로 하수 유입수의 수질은 3가지 중 중간으로 그리고 처리공정은 4개의 공정 중 Preliminary treatment + Primary clarification + CMAS + Secondary clarifier + Lime treatment + Filtration을 선택하여 설정 하였다. 해석결과 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장 이 상호 연결된 경우 각각의 수처리 비용은 1.06 $/m3 과 0.42 $/m3 계산되어 담수생산 비용과 하수처리 비 용이 총 1.48 $/m3으로 계산되었으나 분리된 경우에 는 각각의 수처리 비용이 1.04 $/m3과 0.55 $/m3 계산 되어 총 비용이 1.59 $/m3으로 계산되어 상호 연결되 었을 경우보다 약 7% 높게 계산되었다. 따라서 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장을 상호 연계하는 것이 전체 수처리 비용을 낮추는 방안이 될 수 있음 을 알 수 있다.

    5.5SWRO-PRO(Turbine)

    Fig. 5는 PRO 공정의 터빈을 통해 전기를 생산하여 SWRO 공정에 공급하는 SWRO-PRO(Turbine) 조합 공 정에 대한 해석 결과를 나타낸 것이다. 공정구성은 터 빈을 제외하고 에너지회수장치로 연결된 SWRO-PRO (ERD) 조합공정과 동일하며, 입력조건 또한 동일하다. PRO 공정의 경우 앞선 결과와 동일하게 운전압력은 28 bar, 여과플럭스는 평균 10.0 L/m2-hr, 전력밀도는 8.0 W/m2, 총 모듈수는 21,000개, 압력베셀수는 3,000개로 계산되었다. 그러나 전기를 생산하는 터빈의 효율이 에너지회수장치에 비해 낮기 때문에 (85% vs 95%) 에 너지 사용량이 더 들어나는 것을 알 수 있다. 기존 에 너지 회수장치를 적용한 SWRO-PRO 조합공정의 경 우 에너지 소비량이 2.56 kWh/m3으로 계산되었으나 터빈을 적용한 경우에는 2.73 kW/m3으로 증가하는 것 으로 계산되었다. 또한 비용 분석 결과 담수 1 m3을 생산하는데 약 1.10 $가 필요한 것으로 계산되어 에너 지 회수장치를 적용한 공정보다 높은 비용이 소비되 는 것으로 계산되었다.

    5.6SWRO-PRO(Turbine)-WWTP

    Fig. 6은 SWRO-PRO(Turbine)-WWTP 공정해석결과 를 나타낸 것으로써, 앞선 경우와 동일하게 하수처리장 의 유입수량은 200,000 m3/day으로 PRO 공정으로 유입 되는 2차처리수는 167,000 m3/day으로 하수 유입수의 수질은 3가지 중 중간으로 그리고 처리공정은 4가지 중 Preliminary treatment + Primary clarification + CMAS + Secondary clarifier + Lime treatment + Filtration으로 설 정하였다. 해석결과 SWRO-PRO 조합공정과 하수처리장이 상호 연결된 경우 각각의 수처리 비용은 1.12 $/m3과 0.42 $/m3 계산되어 담수생산 비용과 하수처리 비용이 총 1.54 $/m3으로 계산되었으나 분리된 경우에는 각각 의 수처리 비용이 1.10 $/m3과 0.55 $/m3 계산되어 총 비용이 1.65 $/m3으로 연결되었을 경우보다 약 6.7% 높게 계산되었다.

    5.7Report window

    Fig. 7은 Report window의 결과를 일부 나타낸 것으 로써, 앞서 수행한 각각의 공정에 대한 모든 해석결과 를 물질수지와 함께 제시해주며 한글과 같은 워드 프 로그램에 쉽게 적용할 수 있다. 프로젝트를 저장할 때 Report window의 결과가 저장되며, 필요시 불러오기 기능을 통해 과거 프로젝트 결과를 확인할 수 있다. Table 6은 담수생산량은 100,000 m3/일, 해수 TDS는 43,000 mg/L, 역삼투 공정의 회수율과 플럭스를 각각 40%와 12 LMH로 설정하였을 때의 SWRO-PRO 조합 공정 성능평가 프로그램의 해석결과를 정리한 것으로 써, SWRO 공정과 PRO 공정이 압력회수장치를 통해 연결되어 있으며 또한 하수처리장과도 연결되어 하수 처리장의 2차처리수를 PRO 공정의 원수로 사용할 경 우 총 비용이 가장 낮은 것으로 계산되었다. 그러나 입력조건(생산수량, 해수농도, 하수처리수 원수 농도, 전기료, 이자율 등)변화에 따라 해석결과가 각각 다르 게 제시될 수 있다.

    6.결 론

    본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정의 공정모사 및 비용예측 프로그램 개발을 개발하였으며 이 프로 그램을 사용하여 SWRO-PRO 조합공정이 SWRO 공정 과 비교하여 경제성을 확보할 수 있는 가이드라인을 제시하기 위해 담수생산량 100,000 m3/일을 기준으로 공정모사를 수행하여 SWRO 단독공정과 SWRO-PRO 조합공정을 비교하였다. 본 연구에서는 SWRO-PRO 조합공정이 SWRO 단독공정에 비해 경제성을 확보하 기 위해서는 PRO 공정의 회수율이 SWRO 공정의 일 반적인 회수율 범위인 30~50% 보다 높은 67.7%로 매 우 높아야 하며 전력밀도 또한 8.1 W/m2으로 매우 높 아야 한다. 또한 플랜트 설치 지역의 전기료가 0.2 $/kWh로 매우 높아야 하는 것으로 계산되었다. 그리 고 PRO막 모듈의 가격이 SWRO 모듈과 동일해야 하 며 에너지 회수장치 및 터빈의 효율이 매우 높아야 하는 것으로 계산되었다. 또한 3차 처리 공정으로 구 성된 하수처리장과 연계하였을 경우 최종방류수가 아 닌 2차 처리수를 PRO공정의 원수로 사용하는 경우 전체 수처리 비용을 낮출 수 있는 것으로 계산되었다.

    사 사

    This subject is supported by Korea Ministry of Environment as Global Top Project (Project No. : GT-14-B-01-003-0) and .by a grant(code 15IFIP-B065893-03) from Industrial Facilities & Infrastructure Research Program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

    Figure

    JKSWW-30-299_F1.gif

    Project window

    JKSWW-30-299_F2.gif

    Results of Seawater SWRO process

    JKSWW-30-299_F3.gif

    Results of Seawater SWRO-PRO(ERD)

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    Results of Seawater SWRO-PRO(ERD)-WWTP

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    Results of Seawater SWRO-PRO(Turbine)

    JKSWW-30-299_F6.gif

    Results of Seawater SWRO-PRO(Turbine)-WWTP

    JKSWW-30-299_F7.gif

    Report window 공정해석 결과

    Table

    Process simulation models for SWRO and PRO

  1. A: Water transport coefficient         B: Salt transport coefficient      Pf: RO feed pressure

  2. ΔπCF,m: Salt concentration on the membrane surface     N: Ionization number          R: Ideal gas constant

  3. T: Temperature               Mw: Molecular weight            C: Salt concentration

  4. k: Internal mass transfer coefficient       K: External mass transfer coefficient   D: Diffusion coefficient

  5. dh: Hydraulic diameter              Sh:Sherwood number         Re: Reynolds number

  6. Se: Schmidt number

  7. Cost estimation models for SWRO and PRO

    Influent quality of wastewater treatment plant

    Four different combinations of wastewater treatment unit processes

    Cost estimation models for wastewater treatment plant

    Comparison of process analysis and cost estimation for SWRO process and SWRO-PRO processes

    ※when SWRO-PRO process connected with WWTP
    /when SWRO-PRO process does not connected with WWTP

    References

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