Seawater Desalination · Water Treatment · DAF
해수담수화·정수장 기포 전처리 적용
해수담수화와 정수장의 DAF 전처리는 기포 크기를 20~50㎛로 맞추고 기포 전위를 양(+)으로 바꿀 때 효율이 높아집니다. 나루환경기술 스플리터형 기포발생장치는 평균 23.55㎛ 기포를 만들며, 기포 발생량은 같은 압력의 기존 DAF 대비 89.9% 수준입니다. 하루 200,000㎥급 해수담수 공정의 DAF 전처리 구성을 분석해 설계에 반영했습니다.
- 평균 기포 크기23.55㎛
- 목표 기포 범위20~50㎛
- 기포 발생량기존 DAF 대비 89.9%
- 펌프 용량1·2·3HP
- 분석 사례200,000㎥/일 SWRO
해수담수 공정 속 DAF 전처리
역삼투(RO) 막은 부유물·유분·조류에 막히기 쉬워 앞단 전처리 성능이 전체 회수율과 정지 기간을 좌우합니다. 스페인 바르셀로나의 하루 200,000㎥급 해수담수 시설은 취수 직후 DAF를 두고 여과를 거쳐 RO로 보냅니다.
| 단계 | 설비 | 비고 |
|---|---|---|
| 1. 취수 | 해수 펌프 6기 | 취수 거리 약 2㎞ |
| 2. 부상 전처리 | DAF 10기 | 조류·유분·저밀도 부유물 제거 |
| 3. 여과 | 중력식 이중여과(G-DMF) 20기, 가압식 이중여과(P-DMF), 여과수 펌프 12기 | 잔류 탁질 제거 |
| 4. 보안 여과 | 카트리지 필터 18기 | RO 막 보호 |
| 5. 해수 역삼투(SWRO) | 고압 펌프 10기, 부스터 펌프 10기, 에너지 회수장치 | 회수율 45% |
| 6. 기수 역삼투(BWRO) | 고압 펌프 4기 | 회수율 85% |
| 7. 후처리 | 재광물화, 처리수조, 송수 펌프 5기 | 전체 회수율 44% |
전처리가 감당해야 할 원수 조건
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 탁도(점토) | 5 NTU 이상 |
| 부유물질(SS) | 20~60㎎/L |
| 총유기탄소(TOC) | 10㎎/L |
| 유분(Oil & grease) | 10ppm |
| 적조 | 2년에 1회, 10⁶~10⁷ cells/㎖, 1~4주 지속 |
| pH / 수온 | 8.1~8.9 / 20~45℃ |
| 취수 거리 | 스페인 2㎞, 홍해 1㎞, 페르시아만 500m |
| 응집제 | FeCl₃ 4~12ppm (Al₂(SO₄)₃ 동일 수준) |
| 응집보조제 / pH 조정 | 폴리머 2ppm / H₂SO₄ 40ppm (pH 8.4→7.0) |
| 전처리 후 탁도 | 0.5~1 NTU (Aqualenc), 0.6~1.8 NTU (FeCl₃) |
DAF 설계에서는 처리 물질의 비중·크기·발생량·지속시간과 허용 정지 기간을 함께 따져 처리효율 목표를 정합니다.
DAF 효율을 높이는 운전 변수
DAF 성능은 기포 크기, 기포 전하, 기포체적농도(BVC), 기포층 깊이, 상승 속도로 결정됩니다. 포화조 압력과 반송비에 따른 실험값은 다음과 같습니다.
| 압력 | 평균 기포 (화상분석 / 입자계수) | BVC 실측 / 헨리 법칙 | 한계 플록 (반송비 10% / 4%) |
|---|---|---|---|
| 2atm | 70㎛ / 71㎛ | 0.03492 / 0.03718 | 50㎛ / 검출 안 됨 |
| 3atm | 43㎛ / 41㎛ | 0.05058 / 0.05577 | 38㎛ / 40㎛ |
| 5atm | 33㎛ / 29㎛ | 0.08728 / 0.09295 | 30㎛ / 32㎛ |
- 기포층 깊이: 접촉조 수면 아래 약 53±3㎝에서 10~100㎛ 기포·입자 수가 급감 (육안·온라인 입자계수기 확인)
- 압력이 높을수록, 반송비가 클수록 기포층이 깊어짐
- 응집 공정: 교반 강도(G값)와 시간을 강·중·약 3단으로 조절
- 스컴 관리: 스키머·드럼·수력식 스크레이퍼의 운전 횟수·주기·속도와 와류 제어
- 설계 세대: 기존 DAF(2세대)에서 기포층을 활용하는 고속 DAF(4세대), 여과 일체형으로 발전
기포 크기와 전위를 맞추는 기포발생장치
입자와 기포의 제타전위 곱이 음(ζp×ζb<0)일 때 충돌효율이 가장 높습니다. 나루환경기술은 공기압축기와 포화조 대신 펌프와 혼합챔버(분쇄탱크)로 기포를 쪼개는 스플리터형 장치에 크기 제어와 전위 제어를 결합했습니다.
크기 제어
혼합챔버 내부 탱크를 3·5·7개로 늘려 압력차와 전단력으로 기포를 분쇄합니다. 평균 기포는 31.48→26.26→23.55㎛로 작아졌습니다.
발생량 확보
3세대 혼합챔버의 BVC는 0.0650, 공기 유입·유출 비율 82.3%입니다. 공기흡입부를 펌프 앞단에 두어 캐비테이션 방지 효과도 기대합니다.
전위 제어
중성 pH에서 알루미늄 수산화착물로 양전하 기포를 만들어 음전하 입자와의 부착 효율을 높입니다.
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 평균 기포 크기 | 23.55㎛ (노즐 추가 시 22.18㎛) |
| 스케일업 (1·2·3HP) | 평균 23.68·23.55·23.58㎛, BVC 0.06178·0.06287·0.06308 |
| 기존 DAF 대비 발생량 | 같은 압력 89.9%, 저압 운전 71.9% |
| 운전 안정성 | 3세대 챔버에서 축적 공기 감소, 오염공기 배출시간 2,000분 이상 |
| 파일럿 적용 계획 | 혼합챔버 2대로 기존 DAF와 같은 처리효율 목표 |
장치 상세는 두산중공업 납품 기포발생장치, 측정 방법은 기포 측정·조절에서 볼 수 있습니다.
현장·장비와 실험 결과
자주 묻는 질문
해수담수화 전처리에 왜 DAF(용존공기부상)를 쓰나요?
해수의 적조 조류, 기름, 저밀도 부유물은 침전보다 부상으로 더 잘 걷어낼 수 있기 때문입니다. 원수에는 SS 20~60㎎/L, 유분 10ppm이 들어오고 2년에 한 번꼴로 1㎖당 10⁶~10⁷개의 적조가 1~4주 이어집니다. DAF는 수리부하를 높이고 응집제를 줄이며 설치 면적이 작아, 하루 200,000㎥급 바르셀로나 공정에서도 역삼투(RO) 앞단에 10기를 배치했습니다.
DAF 기포는 어느 정도 크기가 적당한가요?
20~50㎛ 기포에서 입자상 물질 처리효율이 가장 높게 나타났습니다. 기존 포화조 방식은 운전 압력 2·3·5atm에서 평균 기포가 각각 약 70·43·33㎛였습니다. 나루환경기술 스플리터형 기포발생장치는 혼합챔버 내부 탱크 구조를 개선해 평균 23.55㎛ 기포를 만들고, 공기 유입·유출 비율 82.3%를 확보했습니다.
기포 전위(제타전위)를 조절하면 무엇이 달라지나요?
입자와 기포의 전하 부호가 서로 반대일 때 충돌·부착 효율이 가장 높아집니다. 수중 입자와 일반 기포는 대부분 음전하라 서로 밀어냅니다. 중성 pH에서 알루미늄 이온의 수산화착물을 이용하면 양전하 기포를 만들 수 있고, 같은 농도에서는 알루미늄이 철보다 전위를 더 크게 바꿨습니다. 그만큼 응집 단계 부담과 응집제 사용량을 줄일 수 있습니다.
DAF 운전 압력과 반송비는 처리효율에 어떤 영향을 주나요?
압력과 반송비가 높을수록 기포가 작아지고 더 작은 플록까지 걷어냅니다. 반송비 10% 기준 한계 플록 크기는 5atm 30㎛, 3atm 38㎛, 2atm 50㎛였습니다. 실측 기포체적농도(BVC)는 5atm에서 0.08728로 헨리 법칙 이론값 0.09295의 약 94% 수준이었고, 압력과 반송비가 커질수록 기포층(bubble bed)도 깊어졌습니다.
정수장에서는 부상과 침전 중 무엇을 선택해야 하나요?
조류가 많고 탁도가 낮은 원수는 부상(DAF), 탁도가 높은 원수는 침전이 유리합니다. 조류와 탁도가 모두 낮으면 단층·복층 여과나 2단 직접여과로도 충분합니다. 시험에서 제거율 90% 기준 수리부하는 응집조 없는 조건 6.5, 배플 7.5, 응집조 9.2㎥/㎡·hr로 응집·접촉 조건에 따라 처리량이 크게 달랐습니다.