[해외해수담수화 기술개발 최근동향] 담수화처리 공정에서 전처리 기술개발 역삼투 해수담수화, 효과적인 전처리 필수 DAF·DMF 핵심 기술…조류물질 제거·전력 소모량 저감 멤브레인에 의한 전처리 방법 대두…효과적 결합 바람직 담수화 처리 공정에서 전처리 기술에 대한 개발 국제환경산업 발전을 목표로 기술자료를 편집·제공하고 있는 영국 소재 Clarity Authoring사의 『Fitration·Separation』에서 이 분야 권위자인 Anthony Bernett는 RO를 이용한 해수담수화 처리 공정에서의 개별 전처리 기술에 대한 기술 동향, 공정 설계의 중요성, 공정에 대한 설계 고려사항 등을 기술하고 있다. 본지는 Anthony Bernett의 ‘담수화 처리 공정에서 전처리 기술에 대한 개발’을 번역·정리했다. [번역·정리 = 김덕연 본지 편집위원]

SWRO 플랜트의 설계 엔지니어들은 담수화 시스템을 맞춤 형태로 설계하는데 이는 각 개별 현장의 유입수 환경 변화가 다양하며, 유입수 수질, 온도, 지형적인 조건 및 지역적 환경 규제의 정도가 서로 상이하기 때문이다.

한편, 처리환경에 따라 적용되는 공정이 달라지게 되며 현장의 특수한 조건에 맞도록 최상의 시스템 성능을 갖도록 하기 위해 다양한 공정 구성으로 설계된다. 이로써 각각의 개별 설비에 대한 장점을 최대화하여 전체 시스템 운전이 최적화될 수 있다.

전처리 기술력 향상은 미래의 담수화 플랜트 발전에 영향을 미칠 것으로 기대된다.

이제까지 SWRO 플랜트 설계 엔지니어들은 전처리 공정의 적용에 대해 많은 과제를 경험하고 있다. 이는 플랜트의 효과적인 운전을 보장해야 하며 RO 멤브레인 기술 설비의 많은 투자비용과 비교해 장기간 지속가능한 설비를 갖추어야 하는 명분을 가져야 한다. 따라서 RO 멤브레인 운전에서 안정적이고 사용가능한 수준의 유입수 조건을 갖기 위해 올바른 전처리 기술을 도입하는 것이 매우 중요하다.

Seawater reverse osmosis (SWRO) process engineers will design each desalination system on a bespoke basis because each project is unique with a particular variation in feed water quality, temperature, site specific conditions and the local/national regulatory constraints that will apply.

Engineers have a number of unit processes at their disposal, which can be designed into various configurations in order to determine the best design based on all these site-specific considerations. This allows the benefits of each unit process to be maximised and the overall system fully optimised.

In our previous article on the future for desalination (see May/June 2012 issue) we recognised that many SWRO engineers and operators are facing ever increasing challenges in respect of pre-treatment requirements. This is not only to ensure the efficient operation of their plants but the long-term sustainability of their significant investment in RO membrane technology. Getting the pre-treatment right is critical in ensuring consistently stable and acceptable membrane feed conditions.

바닷물 원수는 일반적으로 지하수나 지표수에 비해 멤브레인 파울링 발생 가능성이 매우 높으므로, 보다 강화된 전처리 설비가 필요하다. 이러한 전처리 설비의 운전이 효과적이지 않다면 SWRO 멤브레인은 파울링이 발생되어 멤브레인의 플럭스 값 및 제거율 성능의 회복을 위한 세정작업을 보다 자주 실시해야 한다.

즉, 효과적인 전처리 설비로 RO 멤브레인의 운전 수명을 늘리고 세정작업량을 줄일 수 있다. 따라서 운전 수명 기간에 따른 총 운전비용의 절감 효과를 갖게 된다. SWRO에서 파울링 발생에 영향을 미치는 여러 가지 요소가 존재하는데, 예를 들어 플럭스 값을 올리거나 염 제거율을 향상시키려는 등 과도한 멤브레인 설계로 인해 파울링 증가가 발생되는 결과를 가져올 수도 있다.

Seawater resources typically have a higher tendency to cause membrane fouling than surface water or groundwater supplies and hence more extensive pre-treatment is required. If this pre-treatment is ineffective then SWRO membranes (see Figure 2) can become fouled, easily requiring more frequent and onerous cleaning regimes to be applied in an attempt to recover membrane flux rates and salt rejection levels.

Effective pre-treatment will maximise RO membrane life and reduce cleaning requirements, thus reducing whole life costs. But various factors are leading to a higher tendency for SWRO fouling. Increased fouling is resulting from membrane design advances such as increased flux rates and improved salt rejection levels, which lead to lower cross flow velocity in the membrane elements, higher velocity across the SWRO membrane surface and longer residence times in the RO system.

특정 현장별로 정확한 전처리 설비의 결정은 시스템 전체의 효과적인 설계를 결정하는데 중요한 사항이 된다. 엔지니어들은 이와 유사한 적용분야의 과거 운영 경험을 고려 검토해야하며 또한 실험실 수준의 테스트 및 샘플링 테스트 등에 의해 바닷물 수질과 변화에 대한 특성을 파악해야 한다.

그러나 공정 설계의 효율성을 최대로 하기 위한 유일한 정확한 방법은 설계상의 설비 부품을 소규모화한 장치를 사용해 파일럿 테스트를 하는 것이다. 이러한 파일럿 테스트의 운전을 통하여 엔지니어들은 운전 경험을 이용해 여러 운전인자들을 변경하거나 수정하고 전체 시스템 설계를 결정해야 한다.

파일럿 플랜트는 보다 정확한 결과를 도출해내기 위하여 적절한 크기의 설비로 구성되어야 하나, 이에 대한 투자 예산에 따른 부담으로 파일럿 플랜트의 크기 및 운영 타당성면에서 영향을 미친다. 간혹 파일럿 테스트에 대한 경쟁사들간의 추진 적용이 입찰제안서 제출 이전에 발주처로부터 규정이 되기도 한다.

파울링을 발생시킬 수 있는 바닷물 원수처리로 나타나는 문제점은 파울링의 형태, 강도, 농도·주기 등에 따라 변화하게 된다. 일반 수처리와 관련해 발생되는 오염물질과 별도로 특히 부유성 고형물질, 탁도물질, 자연발생유기물질인 NOM 및 oil·grease 등 물질로만 제한되지 않고 모든 오염성 물질이 효과적으로 제거 혹은 최소한도로 감소되어야 한다. 이들 물질은 Transparent Exopolymer Particles(TEP) 및 polysaccharides 등의 유기물질도 포함된다.

Hence, to determine the correct pre-treatment for any specific site is the critical aspect of determining an efficient overall system design. Engineers will take into account past operational experiences on similar supplies, and also bench scale tests and sampling regimes can be used in an attempt to fully characterise seawater quality and variation.

However, the only sure way to maximise the effectiveness of any process design is to undertake sufficient pilot testing, using scaled down unit processes to mimic the unit process components of the proposed design. By operating a pilot system on site the engineer is able to use their expertise to change parameters and modify or re-order unit processes to determine the best overall system design. Pilot plants need to be of an adequate size to be representative and produce valid results but budgets do influence the size of the trail units and hence the validity.

Often the competitive use of pilot trials is specified by clients at the pre-tender stage. The challenges present in the seawater supply resulting in fouling are varied in terms of their type, intensity, concentration and frequency.

Apart from the normal contaminants associated with water treatment, such as but not limited to suspended solids, turbidity, natural organic matter (NOM) and oil and grease, all of which have to be efficiently and effectively removed or at least reduced, there is cellular and extracellular material to consider. These comprise organic components such as transparent exopolymer particles (TEP) and polysaccharides associated with algae.

한편, SWRO 플랜트에서는 취수조 내에서 조류의 증식현상이 자주 발생한다. 이들은 일반적으로 적조(Red Tides) 혹은 Harmful Algae Blooms(HABs)이라 불리며 담수화설비가 직면하는 중요한 문제로 부상되고 있다.

이러한 조류 증식은 많은 양의 TEP, polysaccharides 및 유독성 물질을 방출해 SWRO 플랜트에 커다란 문제를 야기시킨다. HABs 물질은 SWRO 시스템에 커다란 손상을 일으키며, 수생식물에 치명적 떼죽음을 발생시켜 주변 지역에 커다란 혼란을 불러온다.

바닷물을 처리하는 과정에서 발생되는 이러한 문제들을 방지하기 위한 목적으로 설계 엔지니어들이 추진하는 전처리 개별 공정으로는 chemical에 의한 전처리, 기존 일반방식의 전처리 및 멤브레인에 의한 전처리 방식이 있다.

As reported in the May/June issue of Filtration+Separation, algae bloom events are becoming more frequent at the intake to SWRO plants. These are generally referred to as Red Tides or Harmful Algae Blooms (HABs) and such events are a major challenge facing the desalination industry.

These algae blooms can result in the release of high levels of TEP, polysaccharides and other toxins, providing a significant challenge for the SWRO facility. HABs can not only result in severe disruption to the SWRO system but they can also cause illness and mortality amongst marine life and general chaos in the area affected.

Unit processes available to the process design engineer to tackle the various challenges presented in seawater supplies can be grouped into three main categories: chemical pretreatment, conventional pre-filtration and membrane pre-filtration. We will now consider each in turn.

1960년대 RO 기술에 의한 담수화 처리 초기 적용 이래, 콜로이드성 물질 및 입자성 물질 등 파울링 유발 물질의 제거용으로 응집(coagulation) 기술이 가장 일반적인 전처리 기술이었다. 응집공정은 입자물질과 연관이 있는 전기 전하물질을 중성화함으로써 작은 크기의 입자성 물질을 큰 크기의 플록으로 형성시키는 과정으로 이를 특히 혼화공정(flocculation)이라 부른다.

염화제2철(ferric chloride)과 같은 무기성 응집제가 보통 SWRO 플랜트에서 사용되는데 이들은 합성 고분자 물질인 polyelectrolyte 등의 유기성 혼화제와 결합되어 침전(clarification) 및 여과(filtration) 공정의 전단부에 주입된다.

이러한 입자성 물질에 의한 파울링 이외에 SWRO 멤브레인은 스케일 발생 및 염분물질의 침전작용에 취약한 면이 있다. 이는 바닷물 처리에서 50%의 회수율로 운전되는 경우 RO 멤브레인을 거치면서 농축수 측에서의 염분 농도는 유입 농도의 2배가 될 수 있기 때문이다. 스케일 발생을 억제할 수 있는 방법은 산을 주입해 pH를 낮추거나 붕소와 같은 과포화성 이온 제거를 목표로 적절한 스케일 방지제를 주입함으로써 가능하다.

또한 휴믹산이나 펄빅산 등의 NOM 물질 제거를 목표로 RO 멤브레인에 생물학적 파울링을 방지하는 방법으로 pre-oxidation 기술이 적용된다. 그러나 이러한 방법은 일부 멤브레인 성능에 부정적인 효과를 제공하기도 한다. 한편, 염소주입(chlorination) 기술로는 세포의 분해를 발생시키며 세포 성장을 일으키는 물질들을 배제시키는 역할을 한다. 이러한 pre-oxidation 공정에 사용되는 약품으로는 chlorine, bromide, iodine 혹은 ozone 등이 있다.

또한 UV 조사 기술이 영양염류의 제거용으로 미생물여과 방법과 함께 사용될 수 있으며 특정의 biocide 물질이 지속적인 주입 형태로 혹은 멤브레인 세척의 과정동안 주입되기도 한다.

UV 기술이 오존 기술과 병행 사용되는 것과 같이 pre-oxidation을 사용한 여러 조합공정이 사용될 수도 있다. 한편 electro-chlorination 기술이 전기 전류에 의하여 염소를 산화시키는 목적으로 사용되는데 이는 특정 현장에서는 비용적인 측면에서 부정적인 방법이 될 수 있다.

Coagulation has been one of the most popular pre-treatment processes for the removal of potential foulants such as colloidal and particulate matter since the onset of desalination by reverse osmosis in the 1960s. Coagulation combines small particulates into larger flocs by neutralising the electrostatic charges associated with the particles, a process termed flocculation.

Inorganic coagulants are typically used in SWRO systems, such as ferric chloride, and these can be combined with organic flocculants, such as polyelectrolyte, for dosing in-line ahead of downstream clarification and filtration processes.

In addition to particulate fouling, SWRO membranes are susceptible to scaling and salt precipitation. This is because they typically operate at up to 50% system recovery on seawater applications and hence the concentration of salts can be twice the incoming level in the reject stream from the RO membranes. Scale control can be achieved by dosing acid (to reduce the pH) and various proprietary antiscalant chemicals targeted at certain supersaturated ions, such as boron.

Pre-oxidation is also employed in an attempt to reduce RO biofouling by targeting NOM, such as humic and fulvic acids, but this can have a detrimental effect on membranes that are intolerant to oxidation, and some microorganisms and microbiota are resistant to oxidation. Also, chlorination can cause cell lysis and hence release of substrate which encourages growth. Pre-oxidation chemicals used include chlorine, bromide, iodine or ozone.

UV irradiation can also be used along with biofiltration to remove nutrients, and proprietary biocides can be added as a continuous dose or as part of the membrane cleaning regime. Various combinations of pre-oxidation methods can be employed such as UV in conjunction with ozone. Electrochlorination is used to produce oxidative chlorine from seawater using an electric current although this can be cost prohibitive in some locations.

SWRO 과정을 거치도록 설계된 바닷물 처리의 기존 전형적인 방법으로는 sedimentation, media filtration 및 cartridge filtration 등이 있으며 이러한 여과방법은 single stage 혹은 double stage를 가진 dual media filtration(DMF)장치로 처리된다.

이러한 여과기술은 낮은 농도의 부유성 물질과 다른 오염물질을 처리할 수 있음에도 물에 떠있는 조류물질을 처리하기에는 점점 더 어려위지고 있다. 한편 조류발생이 왕성한 시기에 응집제 투여량을 증가시킬 필요성이 커지며 따라서 필터장치에 유입되는 고형물 부하량이 증가되며 필터의 운전시간이 짧아진다. 이로 인해 잦은 역세가 필요하고 결국 운전비용의 증가를 가져온다.

늘어나는 조류물질의 부하량을 효과적으로 억제하고 후속공정에 고형물 부하량을 감소시키는, 또한 응집제 투여량을 최소화할 수 있는 방법으로 잘 알려져 있는 기술로 가압부상기술(dissolved air flotation, DAF) 이 있다. DAF 기술은 용존성 공기의 공급 및 유입수 라인에 응집제를 투여해 처리하며, 그 결과 농축된 상태의 슬러지가 물에 떠있는 형태로 발생된다. 이러한 물질은 가압부상장치 표면 위에서 회수 처리된다.

DAF 장치에 물의 부하량을 변화시킴으로써 또한 공기의 농도, 응집제의 농도, 슬러지의 제거율을 최적화하며, DAF의 효율을 최대로 할 수 있다. 조류물질은 본질적으로 가볍고 밀도가 낮으므로 침전에 의한 공정보다는 DAF 기술에 의하여 부상시키기에 적합한 물질이다. 따라서 DAF 기술의 적용은 도시의 먹는 물 공급 및 산업용 공정 처리용 등 다양한 물산업에 적용되어 이제는 안정적이고 확고한 기술로 자리잡게 되었다.

The traditional conventional methods of treating seawater intended for processing via SWRO have included sedimentation (following in-line coagulation), media filtration and cartridge filtration. Filtration tends to include single or double stages of dual media filtration (DMF).

Whilst this filtration technology has generally been able to cope with lower suspended solids levels and other contaminants, they have found it increasingly more difficult to cater for the more buoyant and fragile nature of algae. In addition, there is the need to increase the level of coagulant dosing at times of algae blooms ultimately resulting in an increased solids load onto the filters and invariably shorter filter run times or more frequent backwashing, all factors increasing operational costs.

One established technology that is recognised as able to efficiently remove the algae load, and hence reduce the solids load onto downstream processes, but also minimise coagulant chemical requirements, is dissolved air flotation (DAF). DAF essentially works by the release of previously dissolved air and dosing coagulants into the feed supply to produce a treated subnatant and a concentrated waste ‘sludge’ that is captured and floats to the surface of the DAF unit.

By varying the hydraulic loading on the DAF unit, along with optimising air concentration, coagulant concentration and the sludge removal rate and mechanism, the best DAF efficiency can be determined. As algae are intrinsically light and of low density, the material is naturally suited to flotation using DAF rather than settlement processes.

The application of DAF in the wider water industry for both municipal potable supply and industrial processing is well established and it has been demonstrated that this technology is reliable and robust.

DAF 장치는 Enpure사 등 여러 제조업체들이 공급하고 있으며 Enpure사의 Enclo-DAF 브랜드의 장치는 혼화의 체류시간을 10분 혹은 그 이하로 최소화하고 있다. 또한 이제까지 SWRO의 전처리 적용에서 30m/h 수준의 높은 유속으로 운전되어 왔으며 결국 설치 플랜트의 부지면적을 줄이는 효과를 주고 있다.

이외에 일반적인 전처리 방법 형태로는 흡착(adsorption) 및 복합여재 필터(multi-media filtration, MMF) 기술이 있다. 흡착 기술은 NOM 물질을 제거하는 목적으로 필터 메디아의 수단으로 혹은 접촉방식의 장치를 통하여 주입하는 방법 등으로 입자성 활성탄(granular activated carbob)을 사용하는 것이다. MMF 시스템은 빠른 속도로 운전되는 필터 장치이나 큰 중력의 추진력에 의한 DMF장치보다 느린 유속으로 처리되는 가압형 필터이다.

DAF units can be supplied by a number of contractors including Enpure Ltd. Enpure’s packages, such as the Enflo-DAF™ products, minimise the flocculation residence time requirements at typically 10 minutes or less and to date operate at a high-rate, up to 30m/h in SWRO pre-treatment applications, thereby reducing the footprint required for the overall plant.

Other types of conventional pre-filtration include adsorption and multi-media filtration (MMF). Absorption is typically achieved by using granular activated carbon for the reduction of NOM either as a filter media or by being dosed and recirculated through a contact system. MMF systems are typically
pressurised filters that operate at a higher velocity but tend to treat lower flows than the larger gravity fed DMF processes.

Enpure사는 사우디아라비아 Ras Al Khair 프로젝트에 참여·추진하고 있으며 DAF 및 DMF 기술을 SWRO 공정의 전처리 공법으로 사용하고 있다. 이 플랜트는 두산 중공업이 계약주체로 SWCC(Saline Water Conversion Corporation) 현장에서 추진하고 있다. 이 플랜트의 DAF 설비는 4만1천922㎥/h 용량, DMF 설비는 3만9천654㎥/h 규모이다. Enpure사는 이러한 설비의 시스템 설계, 주요설비의 공급, 설치운전 및 시운전을 담당하며 오는 5월 완공 예정이다.

프로젝트 설계의 전체 설비는 파일럿 테스트의 현장설치 및 운전에 따른 결과로 설계되었다. 이 지역은 사우디아라비아 동부 해안가로 바닷물 원수 성상은 아라비아 걸프만 북부에서의 수질과 유사했다. 파이럿 플랜트의 설계는 TDS (total dissolved solids)값이 3만8천∼4만7천㎎/L 범위이며 TSS(total suspended solids)값은 20∼40㎎/L의 수질을 갖는 바닷물을 처리하도록 설계됐다.

전자동 형식의 full scale의 DAF 시스템은 Enpure사의 대용량 EnFlo-Vite 프로세스를 이용한 총 16계열로 구성되었으며 이외에 최근 개발된 distribution system 및 static mixers, nozzles, headers, air saturators, recycle pumps, dosing pumps, valves, instrumentations 그리고 penstocks 등이 포함됐다. DAF로부터 처리된 물은 중력 작용에 의해 40기의 DMF 시스템으로 이동되며 DMF 시스템은 filter media, filter floors, blowers, backwash pumps, valves 및 instrumentation 등으로 구성되어 있다.

Enpure is currently working on the Ras Al Khair Project in Saudi Arabia, a GBP16.3 million DAF/DMF SWRO pre-treatment plant for the Doosan Heavy Industries and Construction Company Ltd at a Saline Water Conversion Corporation site (see Figure 3).

The DAF plant is sized to treat 41,922㎥/h, and the DMF treats 39,654㎥/h. Enpure was contracted to design the system, supply key equipment and supervise installation, with commissioning scheduled for completion in May 2013.

An integral component of the project philosophy was the supply and operation of an integrated pilot testing phase. Ras Al Khair is located on the Eastern seaboard of Saudi Arabia and the raw seawater conditions are generally typical of those found in the northern end of the Arabian Gulf. A pilot plant was designed to treat seawater with total dissolved solids (TDS) ranging from 38,000 mg/l to 47,000㎎/L and total suspended solids (TSS) ranging from 20㎎/L to 40㎎/L.

The fully automated full scale DAF system comprises 16 streams of Enpure’s high-rate EnFlo-ViteTM process, incorporating a recently developed distribution system, static mixers, nozzles, headers, air saturators, recycle pumps, dosing pumps, instrumentation, valves and penstocks.

The treated filtrate from the DAF system passes forward via gravity flow to 40 DMF streams comprising filter media, filter floors, blowers, backwash pumps, instrumentation and valves.

DAF 및 DMF 공정에서는 SWRO 공정의 유입수로 공급하기 전에 엄격한 유입수 기준에 맞게 바닷물을 처리할 필요가 있다. 이 기준은 DMF 후단의 생산수 수질의 탁도값이 0.5 NTU보다 작아야하며 SDI(silt density index) 값이 4보다 작아야 한다. 파일럿 플랜트에서 DAF 장치는 하나의 EnFlo-Vite 계열로 구성되어 61.2㎥/h 규모로 처리한 후 4기의 DMF 장치로 흘러 보내며 각각의 DMF 장치는 2.5㎥/h 처리 규모이다.

파일럿 테스트는 9개월 동안 지속적으로 운영, 이제까지 목표 성능 기준치 이내에서 잘 운영되어 왔으며 DMF에서의 생산수 수질도 SWRO 유입수 조건을 충족하고 있다. 파일럿 플랜트 설비는 보조용 펌프, 약품주입장치 및 콘트롤 판넬, 충분한 실험실용 장비 등으로 구성되어 있으며 2개의 에어콘디쇼닝 장치가 부착된 콘테이너 내부에 설치됐다.

The DAF and DMF stages are required to treat the seawater to meet strict criteria (post DMF) prior to pumping to the SWRO process stage. These are turbidity <0.5 NTU and SDI (silt density index, after a 15 minute test) <4 at the DMF common filtrate.

The DAF pilot plant comprised a single EnFlo-Vite™ stream, treating 61.2㎥/h followed by four DMF units each treating 2.5㎥/h. The pilot plant has completed over nine months of continuous operation. Enpure say that the results to date demonstrate that the process is operating well within the specified performance limits; with the DMF achieving the required SWRO feed water specification.

The pilot plant included ancillary pumps, chemical dosing systems, control panels (inclusive of programmable logic control, with human interface, to provide automatic operation) and a fully equipped laboratory, all built into two, fully air-conditioned container units.

위에 언급된 것과 같은 전형적인 여러 공정이 SWRO의 전처리용으로 다양하게 사용되어 왔으나, 보다 세밀한 설계의 진행 및 정교한 운전 조절 등의 필요성이 대두됨에 따라 일반적으로 UF·MF 멤브레인을 사용하려는 경향이 증가하고 있다.

한편 NF·RO 멤브레인의 사용도 극히 일부 제한적으로 사용이 되고 있는 추세이다. 대부분의 UF·MF 멤브레인 제조사들은 SDI 값을 2보다 작도록 보증하고 있으며 여러 다양한 파일럿 테스트를 수십년 간 실행해 왔다.

UF 멤브레인 기술은 공정설계 엔지니어들에게 오염물질 제거와 RO 장치의 유입수의 수질간의 최적의 균형상태를 제공하고 있다. 그러나 이미 언급한 바와 같이 어떤 단의 공정의 선택도 현장의 특수한 환경 조건에 따라 변하게 된다.

UF 시스템도 특정 조건하에서는 자체의 전처리 공정이 필요하며 이러한 공정으로는 이미 언급한 공정들로 처리되어야 한다. DAF 기술이 UF 기술과 공동으로 사용되기도 하며 조류물질 제거의 경우에는 DMF 기술의 대체 공정으로 적용되기도 한다.

SWRO의 유입수 수질을 개선하기 위한 목적으로 UF 시스템 전단계에서 응집제가 사용될 수도 있다. 가장 효율적인 방법으로는 자동화된 시스템으로 설계하는 것이며 수질이 안좋은 경우에는 응집제 투여를 조절하며 일반 전형적인 전처리에서 소모되는 농도의 1/3 정도로 조절할 수 있다. 이러한 응집제 농도는 유입수 수질이 아주 좋은 경우에는 거의 제로 수준으로 낮출 수 있다.

With the exception of DAF, whilst conventional processes have been widely used for SWRO pre-treatment, the need for careful design and close operator control has resulted in the increasing popularity of using ultrafiltration (UF), microfiltration (MF) and also, to a lesser extent, nanofiltration (NF) systems for SWRO pre-treatment. Various manufacturers of MF/UF technology will guarantee SDI < 2 (providing specified inlet parameters are not exceeded) and extensive pilot testing has been undertaken over recent decades.

UF membranes probably give the process design engineer the best balance between contaminant removal and RO feed quality but, as we have stated, any unit process selection would be dependent on site specific conditions. It is important to note that UF systems may require their own pre-treatment in certain conditions and these could include the processes already described. DAF technology can be combined with UF and could, in the example of algae removal, provide an alternative to either single or two stage DMF.

Coagulation can be used up front of UF systems with the potential to improve SWRO feed quality further. The best option can be to use an automated system to utilise a low coagulant dose during periods of poor feed quality, typically at a third or less of the concentration required by conventional pretreatment. This concentration can then be reduced, potentially to zero, when feed quality is good.

RO 기술의 원리에 따라 삼투현상(osmosis)을 활용하는 가장 확실한 방법은 공정을 역으로 즉, 역삼투(reverse osmosis) 형태로 하는 것이다. 멤브레인 표면에 생기는 삼투압 이상으로 saline water 측에 압력을 가하면 물은 멤브레인 면을 경계로 saline water측에서 fresh water측으로 이동된다.

그러나 이러한 RO 기술 원리와 다르게 직접삼투(direct osmosis)에 의한 처리 공정은 삼투의 원리를 이용함으로써 생기는 에너지를 활용해 처리를 하는 새로운 기술이다. 이는 SWRO 시스템의 전처리 공정으로 RO 여과처리된 물을 이 기술을 이용해 처리 되도록 설계된 시스템을 정삼투 기술 (forward osmosis, FO) 이라 부른다. 이러한 FO 기술에서는 FO 멤브레인을 거쳐서 물이 통과되도록 하는 추진력으로 draw solution 이라 부르는 추진력이 사용된다.

이러한 draw solution은 바닷물보다 더 농축이 된 고농도의 용액이 사용되며 대표적인 것으로 ammonium bicarbonate가 있다. FO 멤브레인은 saline water와 함께 공급되며 멤브레인 양단간의 농도 차이로 인한 direct osmosis에 따라 처리되는 물은 draw solution 쪽으로 이동하게 된다. draw solution 내의 용질은 다시 회복되어 재사용되도록 보충이 되며, 삼투 현상에 의해 처리가 이루어진 정화된 깨끗한 물 상태의 draw solution 용액은 SWRO 공정에서 후속공정의 생산수로 된다.

As described in a previous article on cost effective desalination (Filtration+Separation July/August 2011), the established way of exploiting osmosis is to operate the process in reverse (reverse osmosis) by applying pressure to the saltwater side of the membrane to overcome the osmotic pressure and drive water from the saline to the freshwater side of the membrane.

However, direct (as opposed to reverse) osmosis processes offer a different novel approach through the potential for harnessing energy by exploiting the osmotic principle. Systems which are designed to treat filtered water as a pre-treatment technology directly prior to SWRO system are called Forward Osmosis (FO) systems. A draw solution is used in the FO process to create a driving force for freshwater to pass through the FO membrane.

This draw solution is more concentrated than the seawater and is a solution of an osmotic agent, typically ammonium bicarbonate. The FO membrane is supplied with saline water and the permeate passes through into the draw solution by direct osmosis due to the difference in concentration. The solutes in the draw solution are then recovered and reused and the purified draw solution forms the treated water for downstream processing in the SWRO system.

사용되는 전처리 기술에 따라 선택적으로 특정의 오염물질을 배제하게 되며, SWRO 멤브레인의 파울링 발생에도 서로 다른 효과를 미친다. 따라서 효과적이며 최적의 시스템을 보증하기 위하여 적절한 단위 공정을 선택하는 방법에서 공정설계 엔지니어의 역할은 매우 중요하다. 예를 들어 조류물질과 같은 오염물질이 함유된 원수 수질변화가 큰 경우에는 처리하기가 매우 난해하며 이는 처리공정 설계에 커다란 문제점으로 발생되고 있다.

따라서 다른 현장에서 얻게 되는 경험 데이터를 이용하거나 그리고 효과적인 파일럿 테스트 프로그램으로 프로젝트를 진행하는 방법으로 효과적인 시스템 설계가 될 수 있다. 그리고 최적 선정된 공정설계의 시스템이 특정 열악한 환경조건, 즉 바닷물의 구성성분과 온도 등에 영향을 줄 수 있는 기후환경 변화의 경우에서는 운영이 정상화되지 않을 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서 이러한 변화를 사전에 모니터할 수 있도록 담수화 설비에서의 사전 현장 모니터링 및 적절한 최적화 시스템 구축이 필요하다.

보편화된 UF 기술의 사용, 조류물질 제거를 위한 DAF 장치의 적절성 그리고 전력 소모량을 줄이기 위한 FO 기술의 적용 등, 여러 가지 전처리 방법을 효과적으로 서로 결합 사용함으로써 SWRO 플랜트의 전체 시스템 안정성은 커지게 되며 한편으로는 지속적으로 운전수명에 따른 비용 절감을 가져오게 된다. 또한 보다 정교한 공정 컨트롤 및 운전현황 모니터링 기술로 기후변화에 대한 즉각적인 대처가 가능하게 될 것이다.

Different pre-treatment technologies will often preferentially remove certain contaminants and will have different effects on SWRO membrane fouling. Hence, the role of the process design engineer in selecting the appropriate unit processes is critical to ensure an efficient and optimised system. Highly variable feed water with contaminants such as algae, which have been traditionally difficult to treat, presents considerable challenges.

Only by using experiences gained on other sites and projecting this onto an effective pilot testing programme can an effective system be developed. It may then also be important to note that the chosen process design may not operate efficiently under certain conditions or with changing climate or weather conditions affecting local seawater composition and temperature (see Figure 4).

Hence, ongoing monitoring and optimisation of the desalination system is required to ensure any changes are detected early. By effectively and efficiently combining various pre-treatment processes, such as the popularity of UF membranes, the suitability of DAF for solving algae problems and the implementation of FO to reduce power requirements, it will be possible to increase the overall reliability of SWRO systems whilst continuing to drive down whole life costs. More sophisticated process control and operational monitoring will also enable systems to be adapted in response to the challenges of climate change.