Pre-Crystallization을 적용한 Multi-Stage SWRO System에서의 Boron 제거

국문 초록 (Abstract)

최근 인간이 사용할 수 있는 담수 사용량의 부족으로 인하여 해수담수화 시설이 증가하고 있다. 과거에는 해수담수화 시설은 Thermal 방식을 이용한 해수담수화 시설이 주를 이루었지만 요즈음에는 membrane 방식이 thermal 방식보다 비용면, 효율면에서 뛰어나 SWRO(seawater reverse osmosis) membrane을 이용한 해수담수화 시설이 증가하고 있다.
SWRO membrane 1단시설의 1cycle 운전 시 회수율은 유입수의 35~40% 정도여서 회수율을 증가시키기 위해 다단식 SWRO 시스템을 적용하고 있다. 다단 SWRO 시스템은 회수율 증가, brine 압력 재사용, 농축수량의 감소 등으로 경제적으로 큰 이점을 나타내지만 먹는물 수질기준(한국) 1.0mg/L로 규제하는 boron의 농도가 초과하여 문제시 되고 있다. 그래서 본 논문에서는 다단 SWRO 시스템에서 pre- crystallization을 통해 Scale 발생물질을 제거 및 boron의 형태를 변화시켜 SWRO membrane을 이용한 제거특성을 살펴보고자 한다.
본 실험에 사용된 pre-crystallization 및 역삼투막장치는 고압펌프, 나노버블링장치, SWRO membrane 등으로 이루어져 있고 고압펌프는 maximum 100bar 까지 출력 가능한 펌프를 사용하였고, 나노버블링장치는 CO2를 사용하여 nano size의 버블을 발생시켜 주입하였고, SWRO membrane은 Vontron사의 SW21-4040을 사용하였다. 그리고 실험순서는 pre-crystallization 적용에 따른 boron의 제거영향, 운전 pH 및 pH 조절제에 따른 boron의 제거영향, CO2주입방식 및 crystal seeding에 따른 scale 유발물질 제거영향, 높은 pH에서의 운전온도 및 운전압력에 따른 제거영향, 최적 운전인자 적용 시 각 공정별 성상으로 평가하였다. 그 결과 permeate (2) 내 boron의 농도는 0.44mg/L로 WHO 수질 목표치에 만족하였고, 투과수의 pH는 8.53으로 1-stage 투과수와 혼합이 일어나 중성영역의 pH를 형성하게 되어 후처리공정 중 pH 조절 공정을 생략할 수 있을 것이라고 생각된다. 그리고 pre-crystallization을 적용한 multi-stage SWRO system에서 발생한 crystal을 정석탈인법의 정석재로 재이용하기 위해 연계실험을 진행하였는데, 그 결과 TP 농도는 0.05~0.16mg/L 로 96.2~87.2%의 제거효율을 나타내었다. 이는 폐수 방류수수질기준 0.2mg/L를 만족하는 수준을 나타내어 적용가능성을 생각할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the shortage of usable freshwater, the numbers of desalination facilities have recently increased. Desalination facilities have historically used to the thermal methods, but the most recent facilities use the SWRO (seawater reverse osmosis) membrane method, mainly due to the drop in membrane prices and improved membrane development. The membrane method is also more effective and economical than the thermal methods.
The main historical issue with the SWRO membrane was the recovery of the permeate in the desalination of seawater, with recoveries between 35 to 40% of the influent during the one cycle of a single stage SWRO system. Therefore, a multi-stage SWRO system has been applied to increase the recovery rate. A multi-stage SWRO system has economical advantages to desalination, such as high recovery rate, reuse of the brine pressure and decreased brine quantity. However, there is still the problem of the boron concentration exceeding the South Korean Drinking Water Quality Standard of 1.0mg/L. So, The purpose of this study was to discuss the removal of boron using a multi-stage SWRO system, with pre-crystallization for the removal of scale causing substances and to change the form of boron.
The multi-stage SWRO system with pre-crystallization utilizes a high pressure pump, nano bubbling unit and SWRO membrane. The output capacity of the high pressure pump has a maximum pressure of 100 bar. The nano bubbling unit produces nano sized bubbles using CO2 gas. The spiral element of the SWRO membrane was a SW21-4040, Vontron. In this study, the influences of the applied pre-crystallization process, boron removal according to the operating pH and pH adjusting agent, scale according to the CO2 injection method and crystal seeding, boron removal according to the operating temperature and pressure at high pH, and optimum operating parameters of each applied process were investigated. As a result, the concentration of boron ions in the permeate (2) was 0.44 mg/L, which satisfied the WHO and Korea boron criterion. pH of the permeate (2) was weakly basic, pH 8.53; therefore, it was concluded that the pH control process would be able to be excluded from the post-treatment. And further experiment was conducted for reusing the crystals formed during the pre-crystallization process of this study by injecting the seeding material into the phosphorus crystallization method. The concentration of TP was 0.05 to 0.16 mg/L in the treated water, the removal efficiencies of 96.2 to 87.2%. So reuse of crystal is considered to be applicable the wastewater treatment plant in the coast.

목차 (Table of Contents)

• 요약문……………………………………………………………………ⅰ
• 목차…………………………………………………………………ⅲ
• List of Tables………………………………………………………………ⅴ
• List of Figures……………………………………………………………ⅵ
• 제 1 장 서 론……………………………………………………………………1
• 제 2 장 이론적 배경……………………………………………………………………4
• 제 1 절 Multi-stage SWRO membrane을 이용한 해수담수화 설비……․4
• 제 2 절 해수 내 Boron 성상 ( B3+ )………………………………………………․․․7
• 제 3 절 Scale-Crystallization……………………………………………………9
• 제 4 절 정석탈인법……………………………………………………………………10
• 제 3 장 실험장치 및 실험방법…………………………………………………………․․․11
• 제 1 절 실험장치의 구성…………………………………………………………………11
• 제 2 절 시료의 채취 및 분석방법……………………………………………………․14
• 1. 시료의 채취……………………………………………………………………14
• 2. 분석항목 및 분석기기………………………………………………………………․․․15
• 제 3 절 실험방법……………………………………………………………………16
• 1. Pre-crystallization 적용에 따른 boron의 제거에 미치는 영향……․․16
• 2. 운전 pH 및 pH 조절제에 따른 boron의 제거영향………………………․․17
• 3. CO2 주입방식 및 crystal seeding에 따른 scale 유발물질 제거에 미치는 영향……………………………………………………………………18
• 4. 높은 pH에서의 운전온도 및 압력에 따른 제거영향……………………‥19
• 5. 최적 운전인자를 적용한 공정의 운전…………………………………………․20
• 6. Pre-crystallization 공정에서 발생한 crystal을 재이용한 하수 내 인 제거영향……………………………………………………………………20
• 제 4 장 실험결과 및 고찰…………………………………………………………………22
• 제 1 절 Pre-crystallization 적용에 따른 boron의 제거영향…………‥‥․․22
• 제 2 절 운전 pH 및 pH 조절제에 따른 boron의 제거영향……………‥‥․․24
• 제 3 절 CO2 주입방식 및 crystal seeding에 따른 scale 유발물질 제거 영향……………………………………………………………………27
• 제 4 절 높은 pH에서의 운전온도 및 압력에 따른 boron 제거에 대한 영향 ………………………………………………………………………30
• 제 5 절 최적 운전인자를 적용한 공정의 운전…………………………………․32
• 제 6 절 Pre-crystallization 공정에서 발생한 crystal을 재이용한 하수 내 인 제거영향……………………………………………………………‥‥‥37
• 제 5 장 결 론……………………………………………………………………40
• 참 고 문 헌……………………………………………………………………43
• Abstract……………………………………………………………46