영흥화력발전소 역삼투법 해수담수화 시설 설치사업의 목적은 첫째, 국가 전략과 연관성이 있다. 2009년 정부는 향후 5년간 약 24조 5천억 원 규모의 ‘신성장동력 종합 추진계획’을 발표했다. 

 

이 계획에서 신재생에너지 등 17개 신성장동력 산업 중의 하나인 고도 수처리 산업 분야에 친환경 대체용수로 RO (Reverse-Osmosis)를 이용한 역삼투식 해수담수화가 포함됐다. 이에 산업통상자원부에서는 ‘신성장동력 스마트 프로젝트’를 발족했다.

 

두 번째는 발전용수의 원가 절감 및 비상급수 체계를 유지시키기 위해서다. 기존 상수도 원가보다 저렴한 비용으로 양질의 발전용수를 공급했다. 영흥화력발전소의 발전용수(1만㎥/일, 상수도 원가 1천161원/㎥, 2009년)에서 온배수 재이용 생산수(2천㎥/일, 원가 1천100원/㎥)를 사용하면 연간 4천500만 원을 절약할 수 있다. 또한, 발전용수 급수 중단 시 비상용수를 확보할 수 있다.  

세 번째는 발전소 온배수 재이용 시설 테스트 베드(Test bed)를 통해 발전소 냉각수를 재이용하고 신재생에너지를 접목한 중소규모 파일럿 실증 설비를 검증했다. 

인천시 옹진군 영흥화력발전소 본부에 설치된 ‘스마트 프로젝트 사업’의 사업명은 ‘태양열 다중 복합 고효율 담수화 시스템 상용화 모델 개발’ 국책사업으로, 지난 2009년 7월부터 2010년 6월까지 약 1년간 수행됐다.

사업 종료 후 올해 8월까지 약 3년 동안 운영사업을 진행해 왔다. 설비사업비로 총 72억2천만  원이 투입됐으며, RO 생산수 기준으로 하루에 약 2천㎥ 정도, 발전소 온배수 하루 4천㎥을 처리한다.  

 

영흥화력발전소 역삼투법 해수담수화 시설의 전체 공정도는 [그림 1]과 같다. RO 전처리는 2단 PCF(Pore Control Fiber Filter), UF(Ultrafiltration)를 이용한 공정을 사용했고, 그 다음에 SWRO (Seawater Reverse-Osmosis)와 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis) 2계열로 구성했다. 2계열의 첫번째 계열은 16인치 SWRO와 8인치 BWRO의 Partial 2 Pass 시스템이고, 두번째 계열은 8인치 SWRO와 8인치 BWRO의 2 Pass 시스템이다. 또한 에너지를 회수하기 위해 PX(Pressure Exchanger)와 TC(Turbo charger)를 각각 구비했다.  

두번째 계열의 회수율을 좀 더 높이기 위해 SWRO 후단에 연수기를 설치하고 BWRO로 유입했다. 일반적으로 버려지는 농축수를 재활용 하기 위하여 태양열을 열원으로 직접 이용하고 조수기를 이용한 감압 상태에서 증발 농축한 태양열 담수 설비를 적용해 신재생 에너지를 접목했다.  

여기서 나온 생산수들은 공업용수, 음용수로 사용할 수 있지만 현재 2천㎥ 전량을 모두 발전소의 공업용수로 사용할 수 있게 했다. 회수율은 전처리에서 약 90%, SWRO에서는 각각 50%, BWRO에서는 90%와 95%, 전체 회수율은 50%가 되게 설계했다. 

16인치 RO를 적용했을 때 장점은 크게 베셀수량, 멤브레인, 부지면적 감소등이 있다. 8인치에 대비해서 16인치를 적용했을 때 베셀수량은 25%, 멤브레인은 14%, 부지면적은 42%까지 감소를 하는 것으로 나타났다.  

플랜트 사이즈가 좀 더 컸을 때는 element수와 베셀의 수가 각각 10∼16%, 22∼29%까지 감소할 수 있으며 시공비 측면에서 봤을 때는 7∼11%까지 감소할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 

하이브리드 모듈 컨셉(Hybrid Module Concept)은 DOW사의 ISD(Internal Staged Design) 설계 디자인과 유사하다. 베셀에는 6개의 element가 장착되는데 전단의 element들은 제거율이 높은 element를 배제하고, 후단의 element들은 생산수량이 높은 element들을 각각 배치하게 된다. 그래서 첫 번째 SWRO 16인치에 적용한 것에는 각각 2개, 4개 하이브리드 형태로 적용했고, 8인치에서는 각 3개씩 적용해서 Flux를 좀 더 높일 수 있는 구조로 했다. 

일반적으로 봤을 때 하이브리드 모듈 컨셉을 적용하게 되면 베셀 수량이 5∼15% 감소를 하고 운전 압력이 낮아지기 때문에 에너지 비용이 약 2∼4%, 초기 투자비용, 운영비가 절감된다고 알려져 있다. 특히 16인치 SWRO에 IFD(Inte-grated Flow Distributor)를 적용해서 속도 분포를 좀 더 향상시키고 안정적인 Flux를 반영하도록 설계했다.   

전체 회수율을 높이기 위해 설계적인 측면에서 Partial 2 Pass를 적용했다. 후단 BWRO의 베셀은 약 10% 감소할 수 있고 기존의 회수율 40∼45%를 50%까지 올릴 수 있다. 최근에는 일반적으로 Split partial을 많이 적용하고 있다. 

8인치 SWRO, BWRO 2 pass 설계에서 전단에 연수기를 적용해 BWRO의 회수율을 85∼95%이상까지 증가시킬 수 있는 설계를 구현했다. ERD와 고압펌프 부분에서는 자체 개발한 중소형 고압펌프를 적용해서 소비전력량을 낮출 수 있었다.

 PCF+UF 공정, RO 전처리에 효과적  

태양열 담수화 설계에는 증발 장치의 원수로 RO 농축수를 재활용하게 된다. SWRO와 태양열 설비의 조합으로 2단 RO 공정이 불필요하다. 이중 진공관식 집열기를 통해 태양열을 직접 이용하고, 열교환 후 다단식 판형 조수기에서 담수를 생산한다. 태양열 설비 생산수와 SWRO 생산수를 1:3으로 조합하여 보론(boron)을 제거한 음용수를 공급하게 된다.

폐수처리는 PCF(Pore Control Fiber Filter, 공극제어필터)와 UF의 역세수, UF와 RO의 화학세정액을 처리하게 된다. 여기서 나온 처리수는 전량 원수조로 회수되어 농축수를 제외하고는 모두 시스템 내에서 처리한다. 부유물질(SS) 제거량은 약 98%, 총인(T-P) 제거량은 약 89% 수준이다. 

운영 결과, 원수는 TDS(Total Dis-solved Solids, 총용존 고형물)이 약 3만5천800㎎/L이었고 총 경도(hardness)는 6천380ppm이였다. 탁도는 20NTU를 초과하게 되는데 최대 46NTU까지 초과하게 되고 수온은 섭씨 11∼33도까지 다양하게 변했다. 

2단 PCF 운영결과, 유입 9.8NTU, 유출 0.32NTU로 평균 제거율이 96.3%로 나타났다. PCF자체가 부유물질을 제거하는데 효과적인 것으로 판단된다. 응집에 주입은 Fe₂(SO₄)₃ 1.0ppm as Fe³+(최대 9.7ppm)로 조수 및 태풍 이벤트 기간에는 좀 더 주입량을 늘려서 주입하고 있다.

UF에서 SDI를 보면 PCF(공극제어필터)에서는 사실 5.7이지만 UF 생산수에서는 약 2.1로 RO 유입수에 SDI 3 이하의 안정적인 처리수 공급을 할 수 있다. PCF 2단으로 구성되어 있기 때문에 1단과 2단에서의 탁도 변화를 살펴보면 1단에서는 약 탁도의 0.6NTU, 2단에서는 0.4NTU로 제거되는 것을 알 수 있으며 주로 1단에서 제거가 되는 것을 파악할 수 있다. 

그러나 응집제 주입을 다양하게 변화시켜도 fine colloidal partical 제거에 효과적이지 못하다는 결론을 얻었다. PCF 자체만으로는 전처리를 쓰기 어려우며 UF까지 고려를 했을 때 SDI가 3 이하로 나타나는 것으로 보아 PCF+UF 공정은 RO 전처리에서는 효과적이며 적용가능성이 매우 크다고 할 수 있다. 

 

응집제 주입량 적고 경제성 우수 

PCF에 대한 경제성 검토를 해 본 결과, 기존의 UF 전처리에서 많이 사용된 Clarifier, DAF와 비교해 부지면적은 Clarifier의 약 10%, DAF의 약 60% 정도까지 줄일 수가 있었다. 운전압력이 높기 때문에 에너지 사용량이 많은 것은 사실이다. 그러나 응집제 주입량이 매우 적으며, 전체 약품비 및 에너지 비용을 고려하면 50% 이상 저렴하다. 

16인치 SWRO 성능은 RO Simulation 예상치 보다 20% 이상 저하됐다. 3년 동안 element 교체를 한 번도 안했기 때문이다. CIP를 14회 정도 했지만 그 효과가 미비했다. 그래서 Flux가 지속적으로 감소하는 양상과 염투과율이 상승하는 경향을 나타냈다. 특별히 IFD 유·무의 큰 차이는 나타나지 않았다. 이는 낮은 설계 Flux에 기인한 것으로 보여진다. 

8인치 같은 경우에는 3년간 운영을 해보니 차압이 많이 상승하고 염투과율이 증가하는 경향을 보였다. 특히 2013년 초반에는 1st BWRO의 염투과율이 급속도로 증가해서, PV probing test 후 물리적 손상 진단 및 조치를 실시했다.  

실시 결과, RO fouling의 주요 원인이 colloidal and biological fouling으로 예측된다. 장기간에 foulant의 침적으로 인해 압밀화가 이루어져 화학세정제가 fouling layer를 통과하지 못했다.  

최근에는 CIP 방법이 한계가 있다는 것을 느끼고 정삼투 세정을 적용해 볼 계획이다. 그리고 장기전인 운전 중 관리가 미비한 점을 보완하기 위해 RO probing이나 Autopsy test를 수행해서 좀 더 운영을 통찰할 수 있도록 할 계획이다.  

 ERD 적용, 고회수율 시스템 설계 가능 

이번 사업을 통해서 얻은 것을 함축해보면, 기술적인 측면에서 Wide Turbidity &Temp. Fluctuation에서 Compact Pretreatment의 적용 가능성이 매우 높음을 판단했다. 16인치, 하이브리드 모듈 설계, 2pass 설계, 연수기 및 ERD 적용으로 고회수율 시스템 설계가 가능함을 알 수 있었다. 

 또한, 중소형 국산 고압펌프 개발 및 제조 기술 노하우를 확보하게 됐다. 신재생 에너지를 이용한 하이브리드 프로세스의 적용 가능성을 검증했고, 약간 미흡한 점이 많았지만 3년 이상 운영 경험 및 유지관리 기술을 축적하게 됐다. 

영업적 측면에서 2010년 당시 수준에서는 큰 규모의 레퍼런스를 확보했다. 또한 한국전력공사, 한국수자원공사, 물 관련 공기업, EPC 업체, GWI Journal을 대상으로 홍보를 하고 견학의 장을 열었다. 이를 연계해 실제 사업 수주와 연결하게 했다.

해수담수화 용량별 시장 구조를 살펴보면, 대부분 초대형·대형부분들이 매우 큰 부분을 차지하고 있다. 진입 장벽이 상당히 높은 반면에 약 1만㎥/일 미만의 중소형 시장도 20%정도 존재하고 있다. 이를 플랜트 수량 기준으로 보면 이러한 중소형 시장은 전체 91%를 차지한다. 발주 물량이 많기 때문에 시장점유율이 높은 것이다.

따라서 세계적인 기업들과 경쟁하기 위해서 곧바로 대형 시장으로 진입하기에는 어려움이 있기 때문에 중소형 시장부터 접근하고 그 다음에 대형 시장으로 접근하는 시장 전략이 필요하다. 이를 위해서는 국토교통부, 환경부, 수자원공사, 지자체,  EPC 업체들의 중소형 해수담수화 플랜트 발주가 필요할 것이다.  

또한, 비상용 광역상수도, 산업용수 공업단지 등과 같은 레퍼런스(reference) 확보를 통해 시장 형성이 필요하다. 현재 추진되고 있는 발전소 온배수 재이용 시설을 제도화해서 좀 더 많은 물량을 확보할 수 있는 구조가 됐으면 좋겠다.