Although SWRO treatment shows high performance, a major problem associated with the biological growth of algal blooms (AB) still exists in many areas. This study reviewed the current applications of pretreatment for the removal of AB-forming species in seawater and identified limitations to highlight future research areas. In addition, we evaluated pretreatment techniques such as meshed tube bio-filtration (MTBF) and UV oxidation, with the aim of marine algal cells and marine algal organic matter (AOM) removal, respectively. Vital indicators for ABs quantification, effects of the AB-forming species’ properties (size/shape, cell rigidity and toxicity/mobility) on treatment, and potential problems during AB-forming species removal were also visited.

위 연구의 목적은 상용화 된 폴리아마이드 기반의 해수담수화 분리막 두 종류를 양쪽성 이온 화합물 중 하나인 MPC를 이용하여 표면 개질을 진행한 후, 내오염성 저감 평가에 대한 고찰이다. 표면 개시 원자 이동 라디칼 중합(SI-ATRP) 반응을 이용하여 표면 개질을 진행하였고, 개질 후 분리막 표면의 물리적, 화학적 특성들의 변화를 여러 분석 방법들을 이용해 분석해봄으로써 MPC가 분리막 표면에 합성이 되었음을 확인하였다. 또한 MPC가 개질 됨에 따라서 친수성이 증가한 표면으로 인하여 Sodium Alginate 와 Bovine Serum Albumin에 대한 두 차례의 내오염성 저감 평가 테스트를 통해서 개질 후 해수조건에서 분리막의 막 오염 현상이 저감 되었음을 확인하였다.

최근 국내에서 세계 최초로 개발한 SWRO-PRO 복합해수담수화 시스템은 압력지연삼투(PRO) 기술을 활용하여 역삼투(SWRO) 해수담수화 플랜트에서 발생하는 고염도 농축수의 삼투에너지를 회수하는 기술이다. 고염도 농축수와 저염도 하수처리수를 각각 PRO 시스템의 유도용액과 유입수로 사용하며, 두 용액의 농도차에 의해 발생되는 삼투에너지를 압력교환장치(isobaric pressure exchanger)를 통해 회수하여 SWRO 고압펌프에서 필요한 에너지를 줄이거나, 터빈 형태의 에너지 회수장치(Pelton turbine)를 통해 전력을 생산하는 기술이다. PRO 시스템을 통해 회수된 에너지는 해수담수화 운영비를 절감하는데 기여하고, 고농도 농축수의 희석 방류로 해양생태계 영향을 최소화 시킬 수 있다.

SWRO-PRO hybrid desalination technology is recently getting more attention especially in large desalination markets such as USA, Middle East, Japan, Singapore, etc. because of its promising potential to recover a considerable amount of osmotic energy from brine (a high-concentration solution of salt, 60,000 – 80,000 mg/L) and also to minimize the impact of the discharged brine into a marine ecosystem. By the research and development of the core technologies of the SWRO-PRO desalination system in a national desalination research project (Global MVP) supported by Ministry of Land, Infrastructure, and Transport (MOLIT) and Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA), it is anticipated that around 25% of total energy consumption rate (generally 3 to 4 kWh/m3) of the SWRO desalination can be reduced by recovering the brine’s osmotic energy utilizing wastewater treatment effluent as a PRO feed solution and an isobaric pressure exchanger (PX, ERI) as a PRO energy converter. However, there are still several challenges needed to be overcome in order to ultimately commercialize the novel SWRO-PRO process. They include system optimization and integration, development of efficient PRO membrane and module, development of PRO membrane fouling control technology, development of design and operation technology for the system scaling-up, development of diverse business models, and so on. In this paper, the current status and progress of the pilot study of the newly developed SWRO-PRO hybrid desalination technology is discussed.

최근 국내에서 연구개발중인 SWRO-PRO 복합해수담수화 기술은 SWRO 해수담수화 플랜트에서 발생하는 고염도 농축수와 저염도 하수처리수를 각각 PRO 시스템의 유도용액과 원수로 사용하여, 두 용액의 농도차에 의해 발생되는 삼투에너지를 압력교환장치를 통해 회수하여 RO 고압펌프에서 필요한 에너지를 줄이거나, 터빈 형태의 에너지 회수장치 적용을 통해 전력을 생산하는 기술이다. PRO 시스템을 통해 회수된 에너지는 해수담수화 운영비를 절감할 수 있고, 고농도 농축수 방류로 인한 해양생태계 영향을 최소화 시킬 수 있다. 또한, 농축수 처리 비용 및 해수담수화 전력시설 비용을 절감시키는 효과를 기대할 수 있다.

본 연구의 목적은 상용화 된 DOW FILMTECTM과 Toray Chemical Korea Inc.의 폴리아마이드 기반 해수담수화 분리막을 양쪽성 이온의 특성을 지니는 화합물인 SBMA를 이용한 표면 개질 후 성능 및 특성 평가에 대한 고찰이다. 표면개질 방법으로 원자 이동 라디칼 중합(ATRP) 반응을 이용하여 진행하였으며, FT-IR, XPS 및 Contact angle 등의 표면 분석 평가를 통해서 SBMA가 분리막 표면에 합성이 되었음을 확인하였고, 성능 테스트 또한 진행하였다. SBMA가 표면에 개질 되면서 양쪽성 이온의 특성을 통해 분리막은 높아진 친수성으로 개질되기 이전 분리막 대비 해수담수화 시스템 운전시 발생 되는 큰 문제점 중 하나인 막 오염 현상을 개선 시켜 줄 것으로 판단된다.

Recently, interest in the development of alternative water resources has been increasing rapidly due to environmental pollution and depletion of water resources. In particular, seawater desalination has been attracting the most attention as alternative water resources. As seawater desalination consumes a large amount of energy due to high operating pressure, many researches have been conducted to improve energy efficiency such as energy recovery device (ERD). Consequently, this study aims to compare the energy efficiency of RO process according to ERD of isobaric type which is applied in scientific control pilot plant process of each 100 m3/day scale based on actual RO product water. As a result, it was confirmed that efficiency, mixing rate, and permeate conductivity were different depending on the size of the apparatus even though the same principle of the ERD was applied. It is believed that this is caused by the difference in cross-sectional area of the contacted portion for pressure transfer inside the ERD. Therefore, further study is needed to confirm the optimum conditions what is applicable to the actual process considering the correlation with other factors as well as the factors obtained from the previous experiments.

Scale formation is inevitable problem when seawater is treated by vacuum membrane distillation. The reason is the high concentration of calcium ion(Ca2+), sulfate ion(SO4 2-) and bicarbonate ion(HCO3 -). These ions form calcium sulfate(CaSO4) and calcium carbonate(CaCO3) on the membrane. The scale formed on membrane has to be removed, because the flux can be severely reduced and membrane wetting can be incurred. This study was carried out to investigate scale formation and effectiveness of acid cleaning in vacuum membrane distillation for SWRO brine treatment. It was found that permeate flux gradually declined until volume concentration factor(VCF) reached around 1.55 and membrane wetting started over VCF over 1.6 in the formation of precipitates containing CaSO4 during VMD operation. In contrast, when calcium carbonate formed on membrane, permeate flux was gradually reduced until VCF 3.0. The precipitates containing both CaSO4 and CaCO3 were formed on the membrane surface and in the membrane pore.

본 연구에서는 공급수의 Blending 및 ERD 적용을 통해 역삼투 공정의 소비전력량을 비교 분석하였다.

Pressure retarded osmosis (PRO) processes can be implemented on a number of water types, using different technologies and achieving various power outcomes. In this study, Sewage facility effluent was used for feed solution of PRO and synthetic NaCl water for draw solution. This study was conducted to investigate effect of water quality of pretreatment on power density and flux decline in PRO process. The results show that organic and particulate foulants have to be removed for more stable operation. Flourescence technique with EEM enables to investigate the chemical properties of aquatic organic matter by extracting spectral information. Humic/fulvic matters and soluble microbial by-products were analyzed as the most affecting factors on the PRO performance. As a result of analyzing the whole system based on the energy consumption of the unit process, specific energy consumption(SEC) of the applicable technology for PRO pre-treatment should be about 0.2 kWh/m3 or less.

본 연구에서는 SWRO공정의 Feed Dilution에 따른 SWRO Permeate Flow의 민감도 분석 및 Hybrid Module Design을 통한 개선방안을 검토하였다.

Desalination is getting more attention as an alternative to solve a global water shortage problem in the future. Especially, a desalination technology is being expected as a new growth engine of Korea’s overseas plant business besides one of the solutions of domestic water shortage problem. In the past, a thermal evaporation technology was a predominant method in desalination market, but more than 75% of the current market is hold by a membrane-based reverse osmosis technology because of its lower energy consumption rate for desalination. In the future, it is expected to have more energy efficient desalination process. Accordingly, various processes are being developed to further enhance the desalination energy efficiency. One of the promising technologies is a desalination process combined with Pressure Retarded Osmosis (PRO) process. The PRO technology is able to generate energy by using osmotic pressure of seawater or desalination brine. And the other benefits are that it has no emission of CO2 and the limited impact of external environmental factors. However, it is not commercialized yet because a high-performance PRO membrane and module, and a PRO system optimization technology is not sufficiently developed. In this paper, the recent research direction and progress of the SWRO-PRO hybrid desalination was discussed regarding a PRO membrane and module, an energy recovery system, pre-treatment and system optimization technologies, and so on.

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).

재래식 해수담수화 수평적 압력용기 설계는 후단에 있는 역삼투막에는 농축수에 의해 수질악화 및 생산수저감 등이 동반된다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 개념적인 중앙 주입식 압력용기가 생산수 단가에 미치는 영향과 역삼투 공정 설계 시 주요 인자들이 성능에 미치는 영향을 조사를 위해 상업화된 역삼 투 프로그램인 ROSA를 이용하여 분석하였다. 그 결과 중앙 주입식 압력용기를 이용할 경우 총괄적인 회수율과 SEC 측면에서 성능이 저하하지만, 막 모듈 당 생산되는 생산수량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 생산수의 수질개선은 2단 설계의 용량 감소로 인하여 건설비 저감으로 연계되는 것으로 조사되었다. 본 연구는 국토교통부 플랜트연구사업의 연구비지원(과제번호 16IFIP-B089908-03)에 의해 수행되었습니다.

역삼투(RO) 해수담수화 공정에 필요한 많은 에너지를 절감하기 위해 최근에 다양한 연구개발이 추진 중이다. 그 중에서 농도차에 의해 발생하는 삼투현상을 이용한 정삼투(FO)와 압력지연삼투(PRO) 기술을 접목한 하이브리드 해수담수화 공정들이 대표적이다. 특히, PRO 기술은 해수담수화 플랜트에서 배출되는 농축수와 하수처리수를 PRO 시스템의 유도용액과 원수로 각각 활용하여 두 용액의 염도차에 의해 발생되는 에너지를 회수함으로써, 기존 역삼투 해수담수화 공정 대비 25% 이상의 에너지 절감이 가능하며, 해수담수화 플랜트의 고농도 농축수를 희석 방류함으로써 해양생태계 파괴 방지 및 농축수 처리비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

본 발표는 45,460 m³/d (10 Million Imperial Gallons per Day (MIGD)) 규모를 가진 한국 최초 및 최대 대규모인 부산 기장 해수담수화 플랜트에 대한 소개이다. 본 플랜트는 2010년부터 건설 되어 2015년 말에는 상업 운전이 시작될 예정이다. 플랜트의 특징으로는 국산화된 다양한 전처 리 기술 (DABF, MF, DMF)의 적용, 대용량 16인치 RO 막 적용, 에너지 소모량을 줄이기 위한 대 용량 8 MIGD RO train의 one module화 이다. 16인치 RO 막은 평균 48%의 high recovery rate 과 14.7 LMH high flux의 성능을 보였으며, 최종 power consumption은 약 3.98 kWh/m³을 기록 하였다.

최근에 상용화된 SWRO 막은 플럭스 감소만으로 파울링을 평가하기 어렵다. 따라서 본 실험에서는 열역학 모델식을 통해 유기막오염과 세정에 따른 투수계수(Lp)와 농도분극계수(fcp), 파울링에 의한 여과저항(Rf) 변화를 분석해보았다. 파울런트 미주입시, 원수 TDS농도별, 압력별로 Lp와 fcp를 분석하였고 그 후, 유기 파울런트를 주입하여 막오염 진행에 따른 Lp와 fcp 변화를 분석하였다. 실험 결과, 파울런트를 주입하지 않은 경우, Lp와 fcp는 동일한 원수의 TDS 농도에서 압력이 증가함에 따라 증가하고, 동일한 운전 압력에서 원수의 TDS 농도가 증가할수록 감소하였고, 막오염 진행에 따른 Lp와 fcp의 감소 경향은 플럭스 감소 경향과 일치하지 않으며 막오염 물질 별로 다른 양상을 보였다.