■ 우수기술 실용화 분야  최우수상   수돗물 생산 과정에서 콜레라나 이질과 같은 수인성 전염병을 유발하는 박테리아, 조류, 바이러스 등 미생물의 사멸과 재성장을 제어하기 위해서는 소독 과정이 반드시 필요하다. 이 과정에서 보편적으로 사용되는 방식이 액화염소(Cl₂)를 이용한 염소 소독이다.

그런데 액화염소는 강력한 산화력을 위해 독성이 강한 고압가스 형태로 제조되고 있으며 이는 인체에 치명적인 맹독성 가스로 분류된다. 물을 염소로 소독하면 소위 ‘가수분해(Hydrolysis)’ 반응이 일어나 잔류염소가 생기는데, 잔류염소는 유기물과 결합해 트리할로메탄(Trihalomethane, THM)이라는 발암물질을 유발한다. 또한 액화염소가 유출될 시에는 인명사고, 환경파괴 등 대형사고 우려도 있어 각별한 안전관리가 필요하다.

이러한 위험성을 줄이기 위해 액화염소와 동일한 살균·소독 성능을 가지면서 상대적으로 안전하고 취급이 용이한 차아염소산나트륨(NaOCl, 이하 차염)에 의한 살균·소독의 필요성이 대두되고 있다. 특히 소금물의 전기분해를 통해 현장에서 직접 차염을 제조해 투입하는 현장발생형 차염 발생장치가 염소 대체 소독설비로의 전환이 증가하고 있다.

 친환경 무세정 현장발생형 차염소독설비 개발

시판 중인 차염은 보관과정에서 온도가 높아지거나 보관을 잘못할 경우 차염의 농도가 낮아지고 소독 부산물(클로레이트)이 생성된다는 단점이 있다. 또한 현장발생형 차염 발생장치를 제조하는 대부분의 국내 기술은 1회 통과식 전기분해 공정으로 전기분해 온도 구간을 상온으로 유지하는 것이 불가능해 고농도·고순도 차염을 안정적으로 생산하기 어렵고, 전기분해조 내 전극 간 스케일 발생으로 주기적으로 염산 세정을 하지 않으면 안 된다는 불편이 있다.

게다가 전해조 온도유지를 위한 송풍주입 공랭식 제품은 특정 계절에 한정된 냉각 효과로 계절적 요인에 의한 효용과 품질 성능이 급격히 떨어지는 문제를 안고 있다. 생산되는 차염의 농도 또한 실시간 측정이 어려워 유지관리가 비효율적이며 누적 데이터 관리도 불가능하다는 단점을 갖는다.

이러한 문제를 해결하기 위해 ㈜제이텍은 정수장이나 배수지 등 정수시설에서 1종 차염의 직접 생산이 가능하고 전해수의 연속적인 순환과정에 의해 전극 세정이 이뤄지는 친환경 무세정 현장발생형 차염소독설비를 개발했다. 화학물질이 아닌 소금물 전기분해로 차염의 현장 제조 및 투입이 가능한 이 장치로 ㈜제이텍은 상수도 수질 개선에 크게 기여했다.

전해수 순환으로 상온 유지해 소독부산물 생성 억제

㈜제이텍의 차염발생장치는 염수(3% 농도의 소금물)의 전기분해 과정을 통해 차염을 생성한다. 전기분해조 후단부 지점에서 일정량의 전해수를 분기시켜 수냉식 열교환기를 경유해 냉각된 전해수를 염수 유입부로 보내 연속적으로 순환시킨다.

특히, ㈜제이텍의 차염발생장치는 전해수 순환으로 전기분해 최적 온도인 15〜25℃(상온)를 유지시켜 소독부산물(클로레이트) 생성을 원천 억제하고, 전해수 순환 시 용존수소, 미세기포, 미립자, 음이온 등에 의한 전극 세정효과로 전극의 스케일 부착을 억제해 주기적인 전극 염산 세정이 불필요하다.

또한 전해수 순환 시 희석염수와의 혼합, 냉각 및 가열이 반복되는 전기분해 공정 적용으로 동절기 전해수 순환으로 전해조 온도보정이 가능해 저온으로 인한 전극손상(균열)을 방지하고, 수계정수를 냉각원으로 활용 가능한 화학공정 구조개선으로 전기에너지 절감 효과도 크다.

분광광학식법으로 생산차염 농도 실시간 모니터링

㈜제이텍의 차염발생장치는 국내 최초 분광광학식법으로 생산차염 농도를 실시간으로 모니터링할 수 있는 ICT(정보통신기술) 융합 소독시스템으로, 발생장치 가동상태 진단·점검, 실시간 및 누적 데이터 관리 기능을 통해 운용자의 편의성을 향상시켰다.

또한 차염에는 소독부산물인 브로메이트(BrO3-)와 클로레이트(ClO3-)가 함유되어 있는데 ㈜제이텍은 지속적인 연구를 통해 이를 저감하는 데 성공했다. 브로메이트는 원료인 소금의 영향이 가장 커 원료 소금으로 브롬 이온 함량이 적은 정제 암염을 사용하고 있다. 또 온도·pH·전이 금속 이온·저장 시간 관리 등 차염 소독 부산물 형성 요인을 연구해 저장 차염 분해공정 및 발생 차염 전해반응 공정을 개선해 부산물 형성을 억제하고 있다.

한편 ㈜제이텍은 ‘고농도 차아염소산나트륨 발생장치(특허 제10-1226640호)’, ‘전해수 순환식 고효율 차아염소산나트륨 발생 장치(특허 제10-1378917)’, ‘현장발생형 무격막식 고효율 차아염소산나트륨 발생 시스템(특허 제10-1510455)’ 등 다수의 특허와 중소벤처기업부 성능인증(19-BAZ0458), 벤처기업인증, 녹색기술 인증 등을 확보하며 상수도 소독설비 부문 강소기업으로 주목받고 있다.

최근 3년간 국내 정수장, 배수지 등 정수시설 30여 곳에 현장발생형 차염소독설비 및 차염발생기 성능 개선으로 매출 증대 효과를 거뒀다. 특히, 해수전해설비에 적용한 최초의 국산화 기술로 지난 2020년 8월 한국가스공사 평택기지 ‘무세정 해수전해설비 시스템’ 국제 입찰에 참여, 해외기술들과 경쟁해 수주에 성공했다.

강관의 내구성과 폴리에틸렌의 위생성을 접목시킨
폴리에틸렌 내·외부 코팅 수도관 개발 및 적용 사례
최 규 호 ㈜코팅코리아 대표이사

강관 내·외부를 PE로 코팅해 위생성·내구성 높여

㈜코팅코리아는 PFP 수도관 내면에 PE 분체 라이닝에 의한 1㎜ 코팅을 적용하고, 강관 외부에는 압출 방식에 의한 6겹의 PE를 3㎜ 두께로 코팅했다. 분체 라이닝에 의한 내면 1㎜ 코팅은 국내 유일의 내면코팅기술이다. 이 같은 내·외면 폴리에틸렌 코팅으로 PFP 수도관은 내구성이 우수하고 물리·화학적으로도 안정적이다. ㈜코팅코리아의 PE 분체 라이닝 접착력은 열수축, 열충격, 전단응력, 표면인장력을 합친 것보다도 강하다. 또한 화학성분 배출이 없고 독성에 안전한 고밀도 개질 폴리에틸렌(HDPE)을 사용해 내식성이 우수하고 녹 발생 및 스케일이 없어 위생적이다.

또 소구경인 15A(=15㎜)부터 대구경인 1천A까지 라인업(line-up) 체계를 갖추고 있어 도수관부터 송수관, 배수관, 급수관에 이르는 상수관로의 전 구간에 수도관을 공급할 수 있다. ㈜코팅코리아는 대구경으로 갈수록 취약해지는 연결부의 품질성능을 강화하기 위해 지속적으로 연구개발하여 지난 2020년 700A〜1천A 직경의 수도관 개발에 성공했다. 특히, 1천A 대구경 수도관은 PFP관을 최초로 개발한 일본에서도 아직까지 생산하지 못하고 있다.

한편 기존 수도관의 경우 연결부의 수밀 취약성으로 누수가 발생하는 사례가 많고 연결부의 소켓링은 직관의 끝에서부터 끼워 이동해야 하는 불편이 있었다. 게다가 연결부 안쪽 직관 끝의 바깥 면은 물에 노출되어 있어 부식이 발생할 가능성이 높았다. 이에 ㈜코팅코리아는 내·외면 코팅 강관에 소켓을 형성하고 소켓링 및 이탈방지압륜을 장착해 수도관 연결부의 수밀성과 진동 저항성을 높였다.

2018년 하반기에는 분할형 소켓링 연결구를 상용화하는 데 성공, 고질적인 시공 불편을 해소했다. 기존의 무겁고 둥근 형태의 소켓링을 고강도 알루미늄 소재의 분할형 소켓링으로 개선 적용해 직관의 수밀성을 확보하고 시공 불편을 해소했다. 기존 대비 연결구 체결시간은 90초에서 9초로 약 90% 단축시켰다.

수도관 직관부터 연결부까지 수도관 내·외부를 엔드 투 엔드(End-to-End) 완벽 코팅하고 직관 끝은 관단 보호링으로 보호하는 등 수도관 전체 부분을 PE 코팅 처리했다. 이로써 물에 대한 노출도를 해소해 부식의 위험을 원천 제거했다. 강관에 무용접 소켓 형성 기술을 적용한 것은 ㈜코팅코리아가 세계 최초다.

PFP 상수도관의 전국 공급 비중 늘리는 데 노력

㈜코팅코리아는 PFP 상수도관의 전국적인 공급 비중을 지속적으로 늘려가고 있다. 2018년 38개 지자체에 9만1천 본을 납품했는데 2020년에는 42개 지자체에 약 7만7천 본을 납품하며 219억 원의 매출을 기록했다. 2020년 ㈜코팅코리아 PFP 수도관의 국내 시장 점유율(금액 기준)은 약 4% 수준이다.

㈜코팅코리아는 특히 붉은 수돗물 최초 발생지역인 인천의 기존 수도관을 PFP관으로 대부분 교체하면서 제품의 우수한 기술력을 입증했다. 인천시 공급 실적을 보면 2019년 62㎞에서 2020년 105㎞로 약 70% 증가했다.

신규시장 진출 지역 또한 꾸준히 확대해 나가고 있다. 2018년 강원 정선군, 전북 고창·완주군, 경남 산청군 4곳, 2019년 충남 서산시, 전북 무주군, 경북 구미시 3곳, 2020년 강원 평창군, 경기 용인시, 전북 전주시·순창군 4곳을 개척한 데 이어 올해에는 상반기에만 경기 남양주·여주·성남시, 전북 남원시, 전남 장성군·광양시 6곳 영업에 성공했다.

미래 선도 스마트파이프 시스템 개발 추진

한편, ㈜코팅코리아는 올해부터 미래 선도 스마트파이프(상수도관) 시스템의 신규 개발을 추진하고 있다. 상수도관 사고는 타 공사 작업을 제외하면 50% 이상이 관의 부식에 의해 발생하며, 연결부의 경우에도 이종관의 부식 문제가 심각하다. 상수관망의 상태를 실시간으로 모니터링해 관의 파괴, 단수 등 피해를 최소화하기 위해 스마트파이프 시스템이 필요한 상황이다.

관의 부식을 방지하기 위한 가장 기본적인 방법은 플라스틱 등을 활용한 코팅이며 인체에 무해한 위생성을 고려하면 폴리에틸렌(PE)이 코팅 재료로서 최적이다. 또 수도용 코팅강관의 코팅 막에 영향을 주지 않는 기계적 연결방식 개발·적용이 필수적이다. ㈜코팅코리아의 PFP 수도관은 이러한 기술력이 구현된 수도관이다. ㈜코팅코리아는 PFP 수도관의 장점을 살리면서 센서를 삽입·부착한 센서결합형 수도관으로서 누수를 정확하게 잡아내고 실시간 모니터링이 가능한 스마트파이프를 개발할 계획이다.

청주시 맑고 깨끗한 수돗물 공급을 위한 추진방안
조 재 강 청주시 상수도사업본부 시설과 주무관

■ 상수도 분야 최우수상  청주시는 서울 동남방 128㎞ 지점에 위치한 중부권의 내륙도시로 반경 40㎞ 내에 대전, 천안, 괴산, 보은 등이 인접해 있다. 시가지를 아늑하게 감싸듯 솟은 우암산과 도심을 관통해 휘감아 흐르는 무심천이 조화를 이룬다. 청주는 충청북도의 도청소재지로서 행정뿐만 아니라 정치·경제·교육·문화의 중심지이기도 하다.

청주시는 지북·낭성·미원정수장과 한국수자원공사(K-water)가 운영하는 청주정수장으로부터 매일 양질의 수돗물을 공급 받고 있으며, 맑고 깨끗한 수돗물 공급을 위해 꾸준한 노력을 기울여오고 있다. 주요 사업으로 △상수도 관망관리 및 누수관리를 위한 스마트 관망관리 인프라 구축사업 △유수율 제고 및 수질안정화를 지방상수도 현대화사업 △상수도 미공급 구역 대상 급수구역 확대사업 등을 추진하고 있다.

2025년까지 ‘스마트 관망관리 인프라 구축사업’ 추진

2020년부터 2025년까지 총 378억 원이 투입되는 ‘스마트 관망관리 인프라 구축사업’은 수돗물 공급 전 과정에 ICT(정보통신기술)를 접목한 통합운영체계인 ‘스마트 관망관리 시스템’을 구축하는 사업이다. 수량·수질을 실시간으로 감시함으로써 수돗물 사고를 사전에 방지하고 위기 발생 시 신속하게 대응하는 것이 목적이다.

청주시는 이 사업을 통해 △실시간 수압계 △스마트 관로인식체계 △원격수도검침 시스템(스마트 미터) 등을 설치하고 스마트 관망관리 기술을 적용해 수돗물 공급과정을 실시간으로 확인할 계획이다. 실시간 수압계는 블록시스템 구축(계획) 현황, 주요지점(블록별 유량유입·임계·평균 수압지점, 대수용가, 가압장 및 감압밸브 지점 등) 현황 파악이 가능하고, 소블록당 분기별로 일주일씩 감시 주요 지점을 동시에 측정할 수 있다.

스마트 관로인식체계의 경우 관로상단부에 RF센서를 설치한 후 지상에서 관로위치를 정확히 찾아내는 기술로 노후관 교체 계획을 세우고 향후 누수복구 전망 등을 예측하는 데 도움이 될 수 있다. 시간대별 수돗물 사용량을 파악할 수 있는 원격수도검침 시스템(스마트미터)은 수도계량기 검침시간을 단축하고 포스트 코로나 시대 비대면 수도검침 체계를 구축하는 데 활용 가능하다.

노후 상수도관 교체 통해 수질개선·유수율 제고

청주시는 최근 전국적으로 문제가 된 붉은 수돗물 발생과 이물질 유입을 예방하고 누수 저감을 통한 안정적인 수돗물을 공급하기 위해 자체적으로 수립한 ‘지방상수도 정비사업 중장기 추진계획(2020〜2027년)’에 따라, 올해에도 노후관 개량사업 및 유수율이 불량한 시 외곽지역의 노후관 정비사업(지방상수도 현대화사업)에 박차를 가하고 있다.

청주시는 우선 지방상수도 현대화사업을 통해 유수율 85% 이상 달성을 목표로 하고 있다. 시 외곽지역 중 유수율 70% 이하 지역인 낭성, 미원, 남이, 가덕, 오창(일신, 성산), 율량 지역에 사업비 467억 원을 투자해 블록시스템 7개소를  구축하고 122㎞에 이르는 노후관을 정비할 예정이다. 현재 설계용역 및 건설사업관리(CM) 용역 발주를 위한 사전 행정절차를 거쳐 사업에 착수할 예정이다.

노후관 개량사업은 현대화사업 제외구간인 구 도심지역을 중심으로 유수율 제고 및 수질관리를 위해 2020년부터 2027년까지 8년간 총 연장 230㎞에 대해 사업비 1천135억 원을 들여 자체적으로 추진하는 사업이다. 청주시는 수압조정 및 복원 누수 저감, 부적합계량기 교체·정비, 유지관리 시스템을 활용한 정기점검 등을 통해 유수율을 관리하고, 상수도 관망기술진단을 활용한 노후관 파악으로 관로 상태를 분류해 세척·교체·갱생 등 정비를 체계적으로 시행할 계획이다.

급수구역 확장 통해 수돗물 안정 공급 확대

청주시는 이 외에도 안정적인 생활용수 공급을 위해 미급수지역에 상수도 관로를 매설해 인근 지역 주민에게 수돗물을 안정적으로 공급하는 ‘상수도 급수구역 확대사업’을 시행하고 있다. 청주시 급수보급률은 지난 2019년 기준 97.1%로 충북도 평균 보급률보다 높은 편이나, 인구변동, 도시개발사업 등으로 생활용수 수요가 증대하면서 주민들의 불편 민원이 늘고 있다.

이에 시는 통합청주시 수도정비기본계획에 따라 △1단계 2025년 △2단계 2030년 △3단계 2035년 △4단계 2040년 총 4단계에 걸친 상수도 급수구역 확대사업을 통해 물공급이 열악한 지역에 급수시설 공급을 점진적으로 확대할 계획이다. 이를 위해 사회적 유입인구 검토, 과거 인구 변화경향 분석, 장래 계획인구 검토 등을 통해 급수인구를 산정하고, 소규모수도시설 및 기타공급지역으로 급수실태가 불량한 지역과 상수도 공급이 가능한 지역을 분류해 기존 상수도 급수구역, 개발계획 지역 및 미급수지역 단계별 계획을 수립했다.

청주시는 우선 올해 상반기 강서동(호암마을), 석곡동, 강내면 사인2리, 남이면 외천리 등 10곳에 58억 원을 투입해 총 20㎞의 상수관로를 매설할 예정이다. 지난 3월 10곳의 실시설계를 마친 뒤 3월 말 착공, 오는 12월 말까지 준공할 방침이다. 해당 사업이 완료되면 578가구, 1천734명가량이 수돗물을 공급받게 된다.

물 정화기술의 사업화
송 중 헌 경주시 맑은물사업본부 에코물센터 하수수질팀장

■ 하수도 분야 최우수상  경주시 맑은물사업본부는 지난 2012년 1월 전국 지자체 최초로 에코-물센터 맑은물연구실을 개소해 기술개발 연구를 지속해오고 있다. 에코물센터 소속 맑은물연구실은 △환경신기술 연구개발 인프라 육성 △민·관·학 협력을 통한 환경선도기술 개발 △공정개선을 통한 고효율화 절감기술연구 등의 추진전략을 세우고 물 관련 R&D 활동에 박차를 가하고 있다.

특히, 자체 개발한 수처리공법인 ‘급속수처리기술(GJ-R)’과 ‘분할주입식 SBR공법(GJ-S)’으로 전국 지자체 최초 3년 연속 ‘환경부 녹색기술인증’을 획득, 경주시가 명실상부한 물산업 선도도시로 자리매김하는 계기가 됐다. 경주시 에코물센터는 국내외 물 관련 행사에 해마다 꾸준히 참가하며 자체 개발 수처리기술 및 우수 물관리 현황을 홍보하는 데 노력하고 있다.

지자체 최초 수처리 기술로 해외서도 우수성 인정

급속수처리기술(GJ-R)은 경주시가 5년에 걸쳐 자체 연구개발한 수처리 시스템으로 고속응집 및 마이크로버블 코팅기술을 통한 부상분리기술이다. 이 기술은 약 12시간 소요되던 생물학적 하·폐수 처리시간을 대폭 완화해 15분 만에 처리가 가능하며 1천㎥ 규모의 처리장치 설치 시 기존 건설비용의 90%까지 절감 가능하다는 장점이 있다. 소요부지 또한 기존 대비 40%밖에 차지하지 않아 경제적·혁신적 기술로 주목받고 있다.

GJ-R의 핵심기술은 △인라인 고속응집장치 △저에너지형 마이크로 버블장비 △고효율부상분리기술로 세 가지다. 인라인 고속응집장치 기술은 선회와류 방식으로 10초 이내에 응집처리가 가능해 약품 투입량을 최대 30% 이상 절감할 수 있고 인라인 타입(In-Line Type)으로 악취발생이 없다. 저에너지형 마이크로 버블장비는 듀얼타입(Dual Type) 마이크로 버블 발생 기술로 국내 최고 수준의 버블을 생성(8×108개/mL)해 미세 슬러지를 제거한다.

고효율부상분리기술은 국내 최초 3단 상하향류식 부상원리를 이용해 격벽에 의한 충분한 버블 코팅 유지시간을 확보했으며, 처리상황별 자동화 운전이 가능한 ‘전동식 수위 조절 웨어’를 통해 처리상황별 자동화 운전이 가능하도록 했다.

GJ-R기술은 현재 하루 1만4천㎥ 처리규모의 경기도 남양주시 진건하수처리장 반류수 처리공사에 적용되는 등 기술력을 인정받으며 국내 사업화는 물론 콜롬비아, 에콰도르, 인도, 필리핀, 레바논 등 해외 수처리 기업에서도 기술 도입 요청이 잇따르고 있다. 특히 GJ-R 이동형 컨테이너 타입은 대규모 처리시설 건설이 어려운 지역에도 설치 가능한 이점이 있어 해외 식수보급장치로 각광 받고 있다.

물기술 연구·개발 인프라 구축해 물산업 선도

분할주입식 SBR공법(GJ-S)은 기존 GJ-R기술력을 바탕으로 개발한 저비용 고효율의 하수고도처리기술이다. 하수처리에 필요한 교반기와 펌프를 사용하지 않고 오로지 송풍기로만 교반과 폭기를 교대로 반복, 미생물을 이용해 하수중의 질소와 인을 효율적으로 정화한다. 경주시는 국내 마을하수처리장을 기점으로 해외사업으로 점차 확대해 특허료 수익창출 효과를 기대하고 있다.

GJ-S기술은 하수분배장치를 통해 단일 폭기조(반응조)가 아닌 2개의 SBR반응조에 하수를 분할 주입해 질소(N)와 인(P)을 효율적으로 제거하고, 고효율 방류장치를 통해 깨끗한 처리수를 안정적으로 생산하는 것이 특징이다. 이는 탈질·탈인 효율을 극대화할 뿐만 아니라 하수 무유입 회분식 폭기로 완전 질산화를 유도해 녹조의 주원인으로 꼽히는 질소를 90% 이상 제거할 수 있다.

기존 하수처리 기술 대비 비용은 70% 이상 절감하면서 처리효율은 극대화한 GJ-S공법으로 경주시는 지난 2017년 국내 특허 2건을 따냈으며 현재 경주 에코물센터에서 하루 50㎥ 처리용량의 상용화시설을 가동 중이다. 지난해 10월에는 베트남 선하그룹에 하루 50㎥ 처리 용량의 하수처리 장치를 수출해 약 1천500만 원의 특허료 수익을 창출했다.

또한 한국환경산업기술원이 주관한 ‘콜롬비아 이동형 급속 정수처리 사업자 공모’에 선정되며 콜롬비아 라과히라주에 하루 100㎥를 처리할 수 있는 규모의 이동형 정수장치를 설치할 계획이다. 사업기간은 약 8개월이며 총 사업비는 4억 원 규모다. 정수장치가 설치되면 콜롬비아 소규모 마을 3곳에 식수를 공급할 예정이다.

경주시, 지자체 수처리 선도 모델로서 우뚝

경주시는 지난 2012년 전국 지자체 최초로 수질연구실 개소 이후 경쟁력 있는 물정화 기술을 바탕으로 지난해 금호건설과 함께 하수처리 공동연구 및 사업화를 추진하는 등 민간기업 협력은 물론 해외시장 진출사업을 점차 확대해 수익창출 효과를 누리고 있다. 2017년 본격적으로 사업화를 시작한 이후 지금까지 총 3억2천만 원의 수익을 거뒀으며 이러한 수입의 일부는 경주시에 귀속돼 지방 재정에 도움이 될 전망이다. 

[『워터저널』 2021년 6월호에 게재]