이번 글에서는 발전소 운영을 위해 사용되는 수처리 설비에 대한 첫번째 이야기 입니다. Project 을 진행하면서 현업 수행에 참고가 되었으면 합니다.
수처리 설비 ( Water Treatment System, Part I)
일반적으로 물은 발전소에서, 스팀 Cycle 의 작동 유체, 기기의 냉각, 기타 Cleaning, Air pollution control 등과 같은 용도로 다양하게 사용되고 있으며, 발전소에서는 이러한 용도에 적합한 수질로 물을 처리하는 것이 요구되어 집니다.
발전소에 사용 될 물을 용도에 맞게 처리하는 목적은 발전소 시스템 요구조건에 적합한 상태로 물을 처리하여 공급함으로써 시스템 기기 장해 및 고장 으로부터 설비를 보호하며 안전하고 효율적으로 발전소가 운전되도록 하기 위한 것이 주목적이라고 할수 있습니다.
따라서, 수처리 시스템 설계에 있어서 발전소의 기기 장애 방지를 위해 필요한 수질 조건을 만족시키기 위해 기술적 경제적 측면을 고려한 수처리 시스템의 설계는 발전소 업무를 수행하는데 있어서 아주 중요한 부분이라고 할수 있습니다.
최근에는 발전소 설비가 점차 대용량화 되고 있고 열효율 향상을 위하여 보일러 설비의 고온·고압화 추세에 따라 처리의 중요성이 더욱 증대되고 있으며, 경우에 따라 고순도의 수질을 요구하고 있어 수처리 설비에 대한 전문적인 지식과 올바른 이해가 필요하다고 할 수 있습니다.
그래서 이번 글은 이러한 부분에 초점을 맞추어 발전소 수처리 기술에 대한 전반적인 사항에 대해서 이야기를 풀어 가려고 합니다.
1. Overview
물은 우리의 생활과 밀접한 관계를 맺고 있으며 일반적으로 우리가 사용하고 있는 물의 주 공급원은 크게 호수, 하천수, 해수, 빙하수, 같은 지표수(Surface Water) 와 얕고 깊은 우물, 온천과 같은 지하수(Underground Water) 두개의 범주로 나눌수 있습니다.
오른쪽에 Water Cycle 그림에서 보시는 바와 같이 지구상의 물은 태양 에너지에 의해서 대기 중으로 증발되며 이러한 수분이 강우에 의해 다시 지표면으로 회수되어 순환되고 있으며 , 이러한 물의 순환은 주순환과 부순환으로 나누어 집니다.
여기서, 주순환 이라고 함은 태양으로부터 증발된 수증기가 대기 중으로 들어가 응결이나 승화되어 강우에 의해 다시 지표면으로 회수되어 하천이나 지하수를 통해 다시 바다로 되돌아가는 순환을 말하며,
부순환란;
육상에서 증발 현상이 일어나 구름을 형성하고 강우로서 다시 육지에 돌아오는 순환을 말합니다.
지표수의 경우는 지표에서 증발된 수증기가 대기 중에서 냉각 응결되어 빗물，눈，우박 등으로 낙하되는 물로서 수증기의 응결 낙하 중에 각종 산소，탄산가스, 질소 등과 같은 가스와 분진 아황산가스, 탄화수소， 질소화합물， 세균 등과 같은 대기 오염물질을 흡수하게 되며 지상으로 떨어진 후 지표면을 따라 낮은 곳으로 유입되면서 지표의 오물을 흡수， 용입하여 무，유기 고형 물질을 포함하고, 미생물이 번식되어 일반적으로 탁도가 높은 물이 됩니다.
또한, 지하수의 경우는 지표수가 지하로 스며들어 흙의 자정 작용을 받아 유기물이 적고, 탁도, 색도 등은 낮으나 철, 망간의 제일 화합물, 칼숨 등의 용존 물질이 많고 경도가 높아지는 특징이 있습니다.
따라서 Raw Water 속에는 불순물이 존재하게 되며 이러한 불순물은 입자 크기에 따라 크게 3가지 형태로 분류할 수 있습니다.
- Suspended solid, (SS)(부유고형물) : 입자크기가 0.1 microns 이상 물속에 포함된 Sand (모래), dirt (진흙), silt (물에 의해 운반되어 침전된 쇄설물) 된 것.
- Colloidal : 입자 크기가 0.001-0.1 microns. 원자나 보통 분자 보다는 대체로 크지만 육안으로 보기에는 매우 작은 입자로 이루어진 물질로써 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~1mm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 응집하거나 침전하지 않고 분산된 상태를 “콜로이드 상태”라고 하며, 콜로이드 상태로 되어 있는 것 전체를 콜로이드라고 합니다. 콜로이드라는 명칭은 19세기 중엽에 영국의 T.그레이엄에 의해 처음 사용되었다고 합니다.
- Dissolved solid (용존 고형물) : 입자 크기가 0.001 이하로 물속에 포함된 알카리 솔트 , 뉴트럴 솔트, 유기 물질이 이것에 속합니다.
따라서, 이러한 물을 적절한 수처리 없이 발전소 용도로 사용할 경우 스케일 형성 및 부식의 원인이 되므로 이러한 불순물은 시스템의 요구조건에 따라 반드시 제거하거나 그 성분을 줄여야 합니다.
발전소에서 물은 Process에서 냉각수, 보일러 수, , 음료수, 청소 용도 등과 다양하게 사용되고 있으며, 따라서 발전소에서의 수처리의 목적은 발전소 시스템에 발생될 수 있는 Scaling, 부식, 기타 등의 문제를 예방하는 것입니다.
예를 들어 물속에 용존 산소는 기기의 열전달 표면 및 PIPING의 부식 인자로서 작용하여 금속의 수명(기기 수명)을 단축시키고, 염(Salt) 성분을 함유한 물이 보일러수로 사용 될 경우는 열전달 표면에 결정체를 형성시켜 Scale 로 인해 열전달율을 감소되며, 개방형 냉각탑의 순환수가 공기와 접촉하여 미생물 성장으로 인하여 운전의 장애을 일으키기는 그 예라고 할수 있습니다. 그러므로 .수처리는 물로 인한 발생될 수 있는 발전의 운영상 문제를 최소화 하고 기기 보호 및 안정적 운전과 설계 된 효율을 유지하기 할수 있도록 기계적(물리적)，화학적, 생물학적 방법으로 처리하는 것이 필요하며, “Water Treatment System” 란 이러한 기계적, 화학적, 생물학적 처리를 통해서 물의 사용성을 개선하는 것이라고 할 수 있습니다.
2. Water Treatment Method and Procedure
일반적으로 발전소의 수처리 절차는 아래 그림에서 보여 지듯이 Raw Water 를 공급받아 Pre-treatment 과정을 거친 후 Primary Separation 및 Post Treatment 공정을 거쳐 발전소 Consumer 로 공급되게 되며, 발전소 운영으로 인해 발생되는 각종 폐수(Waste Water) 및 오수에 대해서는 Waste Water Treatment 설비를 거쳐 재 사용하거나 환경 조건에 맞게 처리하게 버리게 됩니다.
따라서, Water Treatment System에 대한 범주가 너무 광범위하기 때문에 발전소에 필요한 Process Water를 만들기 위한 시스템에 한정하여 이야기를 진행하도록 하겠습니다.
아래 Diagram 은 Raw Water 를 처리하기 위한 전형적인 수처리 방법과 순서를 나타낸 수처리 흐름도 입니다. 그러나 발전소의 Interface Point 에서 공급되는 Raw Water 수질에 따라서 이 방법과 절차는 Case by case 로 달라 질수 입니다. 그래서 ITB 나 Project 수행시 제공되는 Raw water Water Analysis Data 를 분석하여 적합한 수처리 방안을 선정하는 것은 필요합니다.
일반적으로 Raw Water의 수처리는 원수를 받아서 침천(침강) 작용 → 응결 침전 → 여과 → 여과된 물의 저장 (일부는 음용수, 개방형 Cooling Tower 용 Cooling Water ) 로 → DM Plant → 보일러 수 → Closed Cooling Water (Fin Fan Cooler 등) 으로 사용하게 됩니다.
또한, 아래 그림은 Water Treatment System에 대한 Block flow diagram 입니다. 이 Block Diagram 은 Raw Water Source 로써 우물(Well) 을 파서 그 물은 Raw Water Storage 설비에 저장한 후 Filter 설비 및 RO 시스템에서 처리하고 DM Plant 를 거쳐 Power Block 로 발전용수를 공급하도록 되어 구성된 Diagram 입니다. 일반적으로 입찰서의 대부분은 ITB 의 Technical Requirement 사항 부분에 이러한 수처리 방식에 대한 요구 조건을 상세히 기술하고 있으며, 따라서 Raw water 수질에 따라서 보일러 업체에서 요구하는 Water Quality 조건이 만족될 수 있도록 수처리 설비를 설계합니다.
2.1 Water Treatment Method and Procedure
본격으로 Raw Water 처리 공정에 대해서 설명을 드리도록 하겠습니다. 이미 설명 드린바와 같이 Raw Water 는 여러가지 가스, 유기물, 침천토, 화확 성분과 같은 여러가지 불순물이 포함되어 있으며 이러한 물질을 제거하거나 줄이기 위해 우선 불순물의 종류와 크기에 따라 3가지 영역인 부유 고형물, 콜로이드 물질, 용존형 고형물 구분하여 큰 입자 부터 제거하고 다음 콜로이드 입자, 용존 고형물 순으로 처리하게 됩니다.
- 부유 고형물 : 자연 침전
- 콜로이드 영역 : 응집, 흡착
- 용존 고형물 : 이온교환, 탈기, 역삼투 (RO)
따라서, 수처리 공정은 원수(Raw Water) 중의 불순물과 미량 성분을 제거하는 전처리 공정과 순수(Demineralized Water)를 제조하는 이온 교환처리로 나누어 볼수 있습니다.
먼전 천처리에 해당하는 원수 처리 방법에는 침전(강: Settling (Sedimentation))분리가 있는데 이 수처리 공정은 부유 고형물 입자를 물에서 분리하는 과정으로 성장한 입자는 중력에 의해 슬러지로 배출되고 탁도가 제거 된 상등수는 다음 공정인 여과(Filtration) 과정으로 유출되게 됩니다. 물보다 비중이 코고 입경이 0.01mm(10μ) 이상의 부유 고형물은 이러한 침강방법에 의해서 침전지등에서 그 대부분을 제거 합니다.
다음 폭기(Aeration) 공정은 물과 공기롤 접촉시켜 수중에 합유되어 있는 CO2• H2S(황화 수소) 및 용존 휘발성 물질을 축출하기 위한 처리 공정으로 기체의 물에 대한 용해도 특성을 나타내는 Henry 의 법칙을 이용하여 ( “물에대한 용해도는 그 기체의 분압에 비례함을 뜻하는 데 그때의 온도와 압력에 따라 일정량의 기체가 용해되는 성질의 법칙으로) 기체의 물에 대한 용해도는 일반적으로 수온이 높을수록 폭기시간이 길수록，사용하는 공기량이 많을수록,공기와 접촉하는 물의 표면적이 넓을 수록 또는 제거 대상 기체의 수중 농도가 높거나 대상 기체의 주변 분압이 낮을수록 용해도가 작아져 폭기율은 좋아지게 되는데 수처리에서 많이 사용되는 탈산탑(Degasifier) 은 CO2를 함유한 물과 CO2 분압이 작은 공기를 접촉시켜 CO2를 제거하는 장치입니다.
다음은 Coagulation (응결) 공정입니다.
대부분의 물 특히 지표수는 부유 고형물 및 용존 고형물을 포함하고 있습니다. 따라서 응결(coagulation)은 수중의 (-) 하전을 띤 부유 고형물(colloid 물질:안정한 상태)을 (+) 하전을 띤 중화제(응집제) 주입하여 중화하여 비안정화 시키는 과정으로 colloid 입자를 불안정화 하는 것이며 colloid 입자는 화학적 점착층으로 둘러싸여 floc을 형성하면서 적정 기간 내에 침강하게 된다.
즉, 한번 응결된 입자는 입자간의 반발력이 감소되어 한덩어리로 뭉쳐지게 됩니다. (vander waals force : 입자 표면하전 반발력).
또한, 이응결 이후 과정으로 floculation( 플라큐레이션): 응집의 응결 다음 단계로 응집 작용은 수용성 고분자 물질에 의하여 입자를 접착시키는 공정으로 입자의 접착력은 고분자와 입자간의 접착력과 접촉 매체인 고분자간의 접착력 두가지 작용에 의한 것으로 알려져 있으며 응결된 입자(비안정화 입자)를 성숙시키는 과정입니다.
이러한 응결 및 응집을 위하여 사용하는 응집제에는 물속에 현탁, 분산하고 있는 미세입자, 콜로이드입자를 결합시켜서 큰 입자(floc)로 만들어 침전, 여과, 부상분리 등의 고액 분리를 용이하게 하는 목적으로 사용되는 약품을 말하며, 응집 침전에 사용되는 화학적 성분에 따라 무기염류, 유기고분자, 기타 응집제로 분류되어 집니다.
아래 표는 응집제의 Floc 형성 화학 반응식 반응식을 나타낸 것으로 황산알루미늄(As)의 경우는 물속의 알칼리와 반응하여 Al(OH)3를 생성하고 이것이 물 중의 부유물질과 결합해서 점차 성장하여 큰 floc으로 되어 침강하게 되며, 수산화알루미늄의 용해도는 pH 5.5～8.5로 황산알루미늄에 의한 응집은 이 범위내에서 이루어 집니다.
- 황산알미늄 + 물에함유된알카리 → 생성된 Floc + 반응결과에 의한 생성물
- Al2(SO4)3 · 18H2O + 3Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 + 18H2O
황산제이철(Fe2(SO4)3ㆍxH2O)은 철 화합물로서 회색 내지 백색의 분말 또는 결정으로 되어 있으며 수용액중에서 알카리와 반응하여 수산화제이철(Fe(OH)2)형성하여 Floc 으로 되어 침강하가 되며 지하수의 정수처리에 효과적이며 다른 응집제와 혼합하여 많이 사용하고 있습니다.
이러한 응집제의 경우 철염은 알루미늄 염에 비해 넓은 pH 범위에서 좋은 처리 효과(낮은 총 철염 농도)를 보이는 반면에 알루미늄염은 pH 6~7.5 의 좁은 범위를 가지는 특성이 있어 알루미늄 응집제(Alum, PAC 등)는 불순물 농도가 낮은 수처리에 사용되며, 철 염의 응집제는 불순물 농도가 높고(반면 경제적이다. 먹는 물에 사용하지 않으므로) 더 무거운 응집물을 더빠르게 생성하므로 일반적으로 폐수처리에 많이 사용됩니다.
추가로 이와 관련하여 더 설명을 드리자면, 물속의 콜로이드 물질은 수중에서 탁도 및 유기물질 등으로 나타나 급수계통과 보일러, 터빈, 배관등에서 scale 생성 등에 의해 각종 장애를 일으키게 되며, 특히 콜로이드 성분 중 colloidal silica는 이온교환 수지로도 제거가 어렵고 신속한 감지가 어려우므로 유입시 보일러에서 ion상 silica로 분해되어 급격한 silica 장애를 일으키게 되므로, 원수중에 포함된 콜로이드 물질과 현탁상 물질을 응집 침전을 통해 효과적으로 제거해야 하는데 이를 제거하는 원수 처리 방법을 응집 침전조라고 합니다. 따라서, 수중에 부유하는 미세한 입자는 자연 침강 분리만으로는 제거하는데 장시간을 요하기 때문에 이를 단시간에 처리하기 위해 화학 약품{응집제)을 사용하여 이들 미세한입자 들을 응결시켜 침천 분리 시켜는 것을 응집 침강이라고 하며, 이 윈리를 응용한 설비가 Clarifier 입니다.
다음은 filtration (여과) 공정입니다.
여과는 적당한 다공물질의 층에 탁도를 갖고 있는 물를 통과시켜, 저농도의 현착 물질과 부유 물질을 함유하는 물을 처리하여 맑은 물을 얻기 위한 처리방법으로 여과에 의해 제거된 입자의 크기는 대략 0.01 - 0.1mm 정도이고 비교적 가벼운 물질이 대상이 됩니다. 그외 에도 박테리아, 색, 냄새등이 제거되며 특히 완속 여과기에서의 박테리아 제거능은 98% 이상이며 주로 사용하는 여과제로는 모래, 안트라사이트(무연탄)，수지 등이 있습니다.
발전 용수에 있어서는 응집 침전장치(Clarifier)를 통과한 가볍고 미세한 입자까지 완전히 제거하여 이온 교환 장치의 수지(Resin)층을 보호하기 위하여 여과 처리를 실시하기도 합니다.
일반적으로 여과방법은 펌프사용 유무에 따라 중력식과 압력식여과, 여과속도에 따라 완속여과와 급속여과로 분류할수 있습니다. 아래 그림은 중력식 여과 방식인 Gravity Sand filter 의 구성을 나타내고 있으며 중력에 의해서 물을 여과 하는 방식입니다.
두번째 그림은 압력식 Sand filter 의 구성으로 물은 압력 장치에 의해서 물을 여과하는 방식으로 Vertical downflow, horizontal downflow 및 vertical upflow 방식이 있습니다.
또한, 경우에 따라서는, 흡착이라는 처리 공정도 사용하게 되는데 일반적으로 흡착(Adsorption) 이란 화학 반응없이 흡착제의 표면에 불순물이 물리적으로 부착되는 작용으로 이온 교환처리를 하기 전에 실시하는 공정으로 보통 활성탄을 흡착제로 사용하며 제거되는 물질로는 주로 산화작용의 원인이되는 잔류염소나 음이온수지를 오염시키는 유기물 등이며, 활성탄이 충진 된 탑내를 통과시키므로써 불순물이 활성탄에 흡착되어 제거되게 됩니다. 이러한 활성탄(Activated Carbon)의 원료로는 역청탄, 갈탄, 나무, 야자껍질 등이 주 원료로 사용되어 집니다.
다음은 Disinfection (살균) 공정입니다.
일반적으로 물속에 포함된 병원성의 세균, virus, 미생물 및 기타 유기체 등을 무해화하는 것을 살균이라고 하며 살균의 방법에는 여러가지 방법이 있으며
염소소독, 염소 살균 방법은 염소 가스, 차염소산나트륨 혹은 클로로 칼크를 물에 첨가하는 방식 입니다. (하이포 아염소산염, 표백 등)
- 이산화염소 (chlorine dioxide) :
이산화염소는 살균 소독을 위한 하나의 도구이며, 이것의 다양한 장점들로 인해 염소 살균법 대신에 점점 더 많이 사용하고 있습니다. 이산화염소의 살균 소독력은 물의 수소이온 농도와는 상관없이 더 강합니다. 이산화염소 자체의 화학적인 특성때문에 염소에 의한 부산물등을 형성하지 않습니다. 훨씬 긴 반감기로 수처리에서 더 나은 지속 작용을 합니다. 염소에 반해 이산화염소는 배관 시스템과 탱크안에 있는 미생물막을 제거할 수 있기에 레지오넬라균의 번식을 완전히 차단하게됩니다.
- 오존 처리
오존은 수처리에 적합한 가장 강력한 살균제와 산화제입니다. 이것의 가장 큰 장점은 오존 사용시 원하지 않던 부산물이 생기지 않으며 오존 그 자체가 산소로 분해 될 뿐이라는 것입니다. 이것의 단점은 물 속에서는 반감기가 낮고 용해도가 약하다는 것입니다. 오존 사용은 병포장 물의 살균 소독뿐만 아니라 제품의 살균 소독- 그리고 식음료 산업과 화장품 산업에서의 헹굼 물의 살균 소독도 나날이 폭발적으로 증가하고 있습니다. 기타 전형적으로 사용되어 온 분야는 식수 처리, 수영장과 동물원의 수처리, 냉각 순환계에서 오존처리법이 사용되어 왔습니다.
Hydrogen peroxide(과산화 수소) 강한 산화력을 가지고 있어 표백제 및 살균제로 사용
- 자외선 UV 살균 소독
자외선 살균 소독에서는 물이 울트라 바이올렛 빛 짧은 파장에 노출됩니다. 이것은 미생물 살균에 효과적이며 수질에는 아무 영향도 끼치지 않습니다. 자외선 살균 소독은 산업적인 사용에서 제품수 또는 생산수는 물론 식수와 폐수 처리에 사용됩니다.
- 고온 살균 소독
고온 살균 소독은 수질과는 관계없이 믿을수 있는 과정입니다. 높은 에너지 사용과 최소한 섭씨 75도의 물을 만드는데 드는 비용 때문에, 이 방식은 뜨거운 물 시스템에서 단지 레지오넬라균을 없애기 위해 주로 사용되어 왔고, 제약업계와 음식 산업 분야의 배관 살균을 위해서 그리고 미생물 실험실과 의료 관련 수질 위험 지역에서 나오는 폐수등의 살균에 사용하고 있습니다. 또한, 위에 각각의 방법을 혼용하여 사용되기도 합니다.
[ Continued at Part II ]