후쿠오카시(福剛市)는 일본 남부지방인 큐슈(九州) 후쿠오카현(福剛縣) 북서부에 자리잡고 있다. 우리나라와는 현해탄을 사이에 두고 있어 옛부터 외국문화 교류의 관문으로 번성, 상업도시로 발전하여 현재는 일본에서 가장 활기 넘치는 도시로 알려져 있다.

도심부는 세후리산(背振山), 산군산(三郡山), 이누나키산(犬鳴山) 등에 둘러싸인 반원형의 후쿠오카 평야에 자리잡고 있다. 이들 산지에서 발원하는 다타라가와(多良川) 강, 미카사가와(御笠川) 강, 나카가와(那珂川) 강, 무로미가와(室見川) 강, 즈이바이지가와(瑞梅寺川) 강 등 크고 작은 하천이 시내를 관통해 하카타만(博多灣)으로 흘러 들어간다.

▲ 우미노나카미치 나타(海の中道奈多) 해수담수화센터 전경.

1889년 인구 5만 명, 세대수 9천 가구, 면적 50㎢로 발족한 후쿠오카시는 그 후 발전을 거듭하여 2014년 7월 기준으로 152만여 명이 거주하고 있어 인구밀도가 높은 편이다. 그러나 1년에 내리는 비의 양은 약 1천600㎜로, 1인당 연간강수량이 400㎥에 불과해 일본평균 5천114㎥, 한국평균 2천25㎥에 비해 매우 적어 일본 주요도시들 가운데 대표적인 물 부족 도시에 속한다. 게다가 겨울에는 눈이 거의 내리지 않으며, 계절풍의 영향으로 우기(장마)와 태풍시즌이 있어, 이로 인한 기후변화가 비교적 크다.

후쿠오카시의 주요 상수원은 △후쿠오카지구 수도기업단(福岡地區 水道企業團)으로부터의 급수(16만6천㎥/일) △우미노나카미치 나타(海の中道奈多) 해수담수화센터(1만6천400㎥/일) △마가리후치 댐 등 8개 수도전용댐(42만6천㎥/일) △다타라가와(多良川) 강 등 후쿠오카시 근교 강(10만㎥/일) 등에서 하루 76만4천500㎥를 취수하고 있다.

▲ ‘2014 상하수도 처리기술 연수회 & 선진 수처리시설 시찰’에 참가한 35명이 지난 12월 2일 오후 우미노나카미치 나타 해수담수화센터를 방문, 모리타 유키오(守田幸雄) 소장으로부터 해수담수화 시설 개요에 대해 설명을 듣고 있다.

후쿠오카지구 수도기업단은 후쿠오카현 9개 시(市)와 9개 정(町)에 수돗물을 공급하고 있다.  수도기업단의 주된 상수원은 후쿠오카 도시권에서 약 25㎞ 떨어진 지쿠고가와(筑後川) 강으로, 1급 하천이다. 이 강은 큐슈(九州)에서 가장 큰 하천으로 정부 독립기관인 수자원기구(www. water.go.jp)에서 관리하고 있으며, 이 강에서 취수한 물은 후쿠오카 수도기업단의 주요 정수장인 우시쿠비(牛頸) 정수장으로 이송된다.

후쿠오카시는 1983년부터 우시쿠비 정수장에서 정수된 수돗물을 하루 16만6천㎥씩 공급받고 있다. 또 근교에 있는 다타라가와(多良川) 강, 미카사가와(御笠川) 강, 나카가와(那珂川) 강, 무로미가와(室見川) 강, 즈이바이지가와(瑞梅寺川) 강 등 5개의 강에서 하루 53만4천500㎥를 취수하고 있다.

특히, 후쿠오카지구 수도기업단(福岡地區 水道企業團)은 지난 2010년을 목표로 후쿠오카지구의 광역적 수도정비계획을 세웠으며, 동시에 해수담수화 사업을 추진했다.

해수담수화 사업은 점차 증가하는 물 수요와 빈발하는 갈수(渴水)에 대한 대책이자, 지쿠고가와 강 수계에 물 공급의 대부분을 의존하는 후쿠오카 도시권의 자조 노력의 일환으로 실시됐다.

▲ 우미노나카미치 나타 해수담수화센터(마미즈피아) 내부 시설.

‘마미즈피아’, 408억엔 투입 2005년 3월 준공·가동

‘2014 상하수도 처리기술 연수회 & 선진 수처리시설 시찰’에 참가한 35명은 지난 12월 2일 오후 후쿠오카시 히가시구 오아자 나타(福岡市 東區 大字 奈多)에 있는 ‘우미노나카미치 나타(海の中道 奈多) 해수담수화센터’를 방문했다.

일명 ‘마미즈피아(Mamizu Pia)’라고도 불리는 이 해수담수화센터는 1996년 ‘해수담수화 도입 검토위원회’가 설치되어 1998년 사업인가를 받아 공사에 착수, 2005년 3월 준공됐다. 총 사업비는 408억 엔이 들어갔으며, 시설 크기는 4만6천㎡로 한국 이대호 선수가 소속되어 있는 후쿠오카 소프트뱅크 야구 돔(dome) 구장의 약 1.3배 규모이고, 건축면적도 1만6천㎡에 달한다.

이 해수담수화센터 모리타 유키오(守田 幸雄) 소장은 “우미노나카미치 나타 해수담수화센터는 해저에 대규모의 공간을 정비하고, 취수관을 매설한 후, 위를 다시 모래로 덮어 해저모래로 한번 걸러진 물을 다시 취수하는 침투취수방식을 이용해 하루 10만3천㎥의 바닷물 취수가 가능하고, 하루 최대 5만㎥의 담수를 생산할 수 있다”고 말했다.

‘침투취수방식’은 구조물 설치에 따른 주변 해역으로의 영향이 적고, 모래 여과작용을 통해 깨끗한 바닷물을 취수할 수 있는 것이 특징이다. 또한, 취수펌프로 취수정의 수위를 해면보다 낮춰 그 수위 차를 이용해 모래가 이동하지 않을 만큼의 한계유속 이하 속도로 바닷물 취수가 가능하다.

이 해수담수화 시설은 바닷물을 침투취수방식으로 취수한 후 전처리에 UF(Ultra Filtration, 한외여과)막을, 본 처리에서는 역침투(RO, Reverse Osmosis)막을 각각 사용함으로써 미생물과 극세 미립자까지 제거하고 있다. 또한, 통상적인 응집-침전-여과 방식에 비해 오니(슬러지)의 발생이 없고 컴팩트(compact)하기 때문에 부지 면적이 적게 필요하다.

모리타 소장은 특히 “역침투(역삼투, 일본에서는 ‘삼투’를 ‘침투’라고 말함) 시스템은 고압 RO막에 저압 RO막을 더하여 보다 양질의 물을 생산할 수 있다는 장점이 있고, 담수화율이 60%로 향상되어 취수 해수량이 적어지며, 전처리 시설도 축소할 수 있어 비용이 절감된다”면서, “UF-RO막 처리를 통해 생산된 담수는 다타라 혼합시설로 보내지며, 염분이 많은 농축수는 와지로 수처리센터로 보내져 하수처리수와 혼합, 염분을 희석시켜 하카다만으로 방류하고 있다”고 설명했다.

‘역침투법(역삼투법)’이란 담수화 방식의 하나로, 역삼투 원리를 이용해 만들어진 반투막(역삼투막)을 적용한 ‘역침투막 모듈’에 압력을 가한 바닷물을 연속적으로 공급함으로써 담수를 얻는 방식이다.

담수는 통과하지만 염분은 통과하지 못하는 특수한 성질을 가진 반투막(역삼투막)을 이용해 담수와 염수(바닷물)를 분리하면 염수의 염분을 낮추려 자연스럽게 반투막을 통해 담수가 염수 쪽으로 이동하게 된다. 이를 침투현상이라 한다.

물이 이동하면 담수와 염수의 수위에 차이가 생기고 힘의 균형이 이루어져 더 이상의 이동이 멈추게 되는데, 이때 담수와 염수의 수위 차에 상당하는 압력을 그 염수의 삼투(침투)압이라 부른다.

▲ 마미즈피아의 모리아 츠코씨가 바닷물 취수방식에 대해 설명을 하고 있다.

이러한 침투현상을 반대로 이용해 삼투압 이상의 압력을 염수 쪽에 가하면 염수 중 염분을 제외한 깨끗한 물만이 반투막을 통과해 담수 쪽으로 밀려나가게 되는데, 이를 역침투(역삼투)라고 한다. 이러한 과정을 거쳐 바닷물은 먹는 물 등 생활용수로 사용할 수 있는 담수로 전환된다.

우미노나카미치 나타(海の中道 奈多) 해수담수화센터에서는 13단계의 처리과정을 거쳐 담수를 생산하고 있다. 먼저, 횡축 양 흡입 원심 펌프 형식의 취수펌프 6대를 이용하여 바닷물을 취수한다.

이어 스파이럴형의 UF막 유닛을 통해 전처리 한 후, 횡축편 흡입 원심 펌프 형식의 고압 RO 공급 펌프(5대)와 카트리지 필터 형식의 보안 필터(5대)를 통해 불순물을 걸러낸 다음, 횡축 다단 원심 펌프 형식의 고압 RO 펌프(5대)를 이용해 먹는 물로 사용될 담수(취수량의 60%)는 중공사형의 고압 RO막 유닛으로 보내진다.

▲ 마미즈미아에서는 해저에 대규모의 공간을 정비하고, 취수관을 매설한 후, 위를 다시 모래로 덮어 해저모래로 한번 걸러진 물을 다시 취수하는 침투취수방식을 이용해 하루 10만3천㎥의 바닷물 취수가 가능하다. 사진은 바닷물 취수방식 모형(왼쪽)과 침투집수부에 사용되는 관 모양. 집수주관의 크기는 Φ1,800mm, 집수지관은 Φ600mm이다.

그러나 담수로 사용할 수 없는 염분이 다량 함유된 농축수(취수량의 약 40%)는 펠튼형 수차 형식의 동력회수장치(5대)를 통해 방류조정조로 보내진 후 횡축편 흡입 원심 펌프 형식의 방류 펌프(5대)를 이용하여 소금을 생산하는 공장과 와지로 수처리센터로 이송된다.

반면, 중공사형의 고압 RO막 유닛으로 보내진 담수는 △충전탑·기액접촉 확산 방식의 저압 RO전처리 장치(2기) △횡축편 흡입 원심 펌프 형식의 저압 RO 전처리 장치 펌프(5대) △횡축 다단 원심 펌프 형식의 저압 RO 펌프(5대) △스파이럴형의 저압 RO막 유닛 △횡축편 흡입 원심 펌프 형식의 생산수 도수 펌프(6대) 등의 처리과정을 거쳐 먹는 물로 생산되며, 이 물은 다타라 혼합시설로 보내진 후 각 가정에 공급된다.

‘마미즈피아’에서 사용하는 여과막도 종류가 다양하다. UF막은 폴리비닐라이덴 플로라이드계 스파이럴형(PVDF)으로 원수를 여과막에 투과시킴으로써 작은 바이러스와 콜로이드를 여과한다. 고압 RO막은 삼초산 셀룰로오스계 중공사막을 사용하며, 여러 겹으로 엮은 중공사에 공급수를 투과시킴으로써 탈염에 사용된다. 저압 RO막은 폴리아미드계 스파이럴형으로, 공급수를 김밥 모양의 평막에 투과시켜 주로 수질 조정을 위해 사용된다.

▲ 마미즈피아는 전처리에는 UF막을, 본처리에는 고압 RO막(위)과 저압 RO막을 각각 사용하고 있다. 아래 사진은 고압 RO막에 사용되는 삼초산 셀룰로오스계 중공사막.

특히, 우미노나카미치 나타 해수담수화센터는 작업 효율을 높이기 위해 1개 동(棟)으로 구성되어 있으며, 부지의 효율적 이용과 주변환경을 배려해 시설을 배치했다. 아울러 경제성과 내진성을 고려한 철골조의 2층 운영관리시설을 갖추어 지진이 많은 일본의 특성에 적합하게 구축됐다.

농축수 문제 슬기롭게 극복한 매우 뛰어난 사례

해수담수화 사업은 물을 원활히 취수하는 과정, 염분을 제거하는 정수과정, 처리과정에서 배출되는 농축수의 원활한 처리가 가장 관건이며, 사업지역에 어장이나 양식장 등이 있으면 사업추진이 어려운 특성을 가지고 있다.

그러나 후쿠오카시 해수담수화 사업은 이러한 애로점을 슬기롭게 극복한 매우 뛰어난 사례로 알려져 있는데 이는 바닷물을 처리하는 정수방식의 우수성보다는 바로 취수과정과 농축수 처리의 기교가 절묘하기 때문이다.

후쿠오카시는 먼저 해수를 원활하고 안정적으로 취수하는 방법을 선택하기 위해 이에 대한 아이디어 공모사업을 실시했다고 한다. 공모사업에서 선정된 가장 우수한 방식에 대해서는 지역 시민들(주로 어민)을 대상으로 공청회 등을 통해 충분한 공감대를 형성한 후 공사가 진행되었다고 하며, 공사과정에서 수시로 주민들에게 설명하는 자리를 마련했다.

결정된 침투취수방식은 우선 해저에 대규모의 공간을 정비하고, 취수관을 매설한 후, 위를 다시 모래로 덮어 해저모래로 한번 걸러진 물을 다시 취수하는 방식을 적용했다. 물론 이러한 취수방식은 해저에 취수관만 설치하는 방법보다 상당한 비용이 들어간다.

특히, 염분이 다량 함유된 농축수는 해수 처리과정에서 필연적으로 생산되는 고농도 염분폐수로서, 이를 바다에 바로 버리게 되면 그 주변은 일시적으로 염분의 농도가 상승해 바다 생태에 영향을 미치게 된다.

▲ 참가자들이 견학 후 마미즈피아 1층에서 해수담수화센터 관리자들과 기념촬영을 하고 있다.

▲ 참가자들이 시음을 통해 역삼투압을 투입한 물과 최종 생산수(담수)의 물맛을 비교하고 있다.

모리타  유키오(守田 幸雄) 소장은 “우미노나카미치 나타 해수담수화센터에서는 농축수를 두 가지 방법으로 해결하고 있다. 하나는 농축수를 소금 생산 공장에서 식용소금으로 제조하는 방법과 인근 하수처리장에서 제공되는 하수처리수와 혼합하여 염분 농도를 조정한 후 하카다만으로 방류하는 방식을 적용하고 있다”고 밝혔다. 특히, 모리타 소장은 “농축수 방류 해역은 어업활동이 전혀 없는 곳”이라고 강조했다. [다음호에 계속]