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[수생태복원 우수기술 ⑫] 금속여과망을 이용한 생태복원용수 확보기술 / 코오롱워터앤에너지㈜

금속여과망 이용 생태복원용수 확보

환경적·기술적·경제적 파급효과 커

이물질 포집능력 탁월·필터 수명 연장…공정운전 용이

호수·연못 등 정체성 수역 조류 발생 시에도 적용 가능

1. 기술의 개발배경

도시화로 인한 불투수층 면적의 증가, 이상기후로 인한 물 순환 체계의 왜곡으로 자연적인 물 저장고인 지하수로의 침투가 줄어들게 되고 도시배수 체계를 통한 빠른 유출은 가용 수자원의 감소와 홍수피해 증가를 초래하여 지속가능한 수자원 공급의 저해요인이 되고 있다. 급속한 경제성장을 추구해온 국내 하천관리의 특성상 연계되는 하천 간 심각한 인위적인 단절로 인해 상당수의 하천이 그 역할을 상실할 정도의 건천화가 진행됐다.

그러나 우리나라에는 아직까지 우수의 저류, 침투 및 하수 처리수의 재이용 방법 등 대체수자원 개발의 세부요소 기술에 대한 연구가 부족하고, 시설물의 적용 사례가 많지 않아 체계적인 수자원관련 연구가 절실한 실정이다.

최근 심각해지고 있는 수자원의 부족 문제로 인해 국외는 물론 국내에서도 수자원 장기종합 계획 등 생태복원용수 확보 및 물 유효이용 기술의 개발을 통해 수자원을 안정적으로 확보하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적인 수자원 확보방법으로 여과(Filtration), 분리막(Membrane) 처리공정, 토양침투법(SAT, Soil Aquifer Treatment), 고도산화공정(AOPs, Advanced Oxidation Process) 등이 이용되고 있다.

일본이나 미국의 경우, 지방자치단체에 의한 자율적 관리와 용도의 다양성을 인정하고 인체 안정성을 강조하여 병원성 미생물 제거와 미량유해물질의 위해성을 극소화하기 위해 구체적 기준과 기술을 적용하고 있다. 반면, 우리나라는 용수확보기술에 있어서 고부가가치 기술의 상용화나 전문 운영경험 등에서 부족한 실정이며, 극히 제한적인 부분에서 타당성 검토에 머물고 있다.

따라서 본 기술의 경우 수생태계복원에 있어서 유량확보는 물론, 수질기준을 만족하는 수질의 확보가 절실히 요구되는 중·소규모 하천에 실질적으로 적정수질의 유지유량을 확보하고자 했다. 하천으로서의 역할을 위한 본 기능의 회복과 동시에 소하천, 도심하천 및 인공하천 등 중·소규모 수계의 수문순환을 정상화하여 하천의 지속 가능한 개발과 관리가 효율적으로 이루어지도록 금속소결필터의 우수성을 바탕으로 MSF(Metal Sieve Filter)를 이용한 생태복원용수 확보기술을 개발하고자 했다.

2. 기술의 원리 및 특징

본 기술은 Pore Size가 다른 다수의 Metal sieve(3∼5 layer)가 적층된 상태로 소결된 금속망과 미세여재 여과장치가 결합된 여과시스템을 이용하여 오염된 하천 및 정체수역 수질정화를 통하여 생태복원용수를 확보하는 기술이다.

다층의 Metal sieve가 소결과정을 통해 단일층의 여과망보다 기계적 성질이 우수하며, 회전스크린 형태로 제작되어 회전스크린을 구성하는 각각의 여과유닛을 탈부착할 수 있다. 수처리장치의 여과필터 내측에 수압을 분사할 수 있는 수압노즐과 여과필터의 외측면으로부터 분리되는 이물질을 이송 어셈블리로 이루어진 필터 세정수단을 통한 연속운전 등의 특화된 단위공정 적용을 통해 기존의 Filtration 공법에 비해 Filter 수명연장 및 처리량의 향상뿐 아니라 공정 운전의 용이성을 확보한 생태복원 용수 확보기술이다.

표면여과는 얇은 격벽(Septum, 여과망 등)을 통해 액체를 통과시켜 기계적 체거름 원리에 의해 액체안의 부유입자들을 제거하는 것이다. 여과매체로 사용되는 물질에는 Metal mesh, Textile fabrics, Chemical compound 등이 있으며 공극 크기는 10㎛∼100㎛ 사이로 다양하나, 일반적으로 20㎛∼30㎛가 많이 사용된다. 멤브레인을 이용한 여과 역시 일종의 표면여과 이기는 하지만 공극의 크기가 0.0001㎛∼1.0㎛의 범위를 가지며, 기계적 체거름 외에 농도차에 의한 확산 및 이온교환 등의 제거 메커니즘 측면에서 차이점이 있다.

이 기술은 소결공정을 통해 생산된 금속망 여과장치와 미세여재 여과장치가 결합되어 2단계에 걸쳐 여과가 진행되는 생태복원 용수 확보기술로서, 처리대상 원수는 유입 펌프를 통해 여과조로 유입되어 수평 방향으로 여과가 진행되며, 1단계 금속망 여과 후 2단계 미세여재 여과장치로 처리된다.

■ 1단계 금속망 여과장치

금속소결필터는 낮은 여과저항 및 이물질 포집능력이 탁월하여 고온 및 고압조건에서 운전이 가능하며, 우수한 여과능력으로 생산제품의 품질향상 및 설비라인의 수명을 연장시키므로 생산성과 원가 절감면에서 뛰어난 효율을 가지고 있다.

본 기술에서 사용된 금속여과망은 SUS316L 계열의 미세한 금속섬유를 부직포 형식으로 적층하여 소결(금속 섬유나 mesh를 고온, 고압상태에서 금속표면을 녹여 접합시키는 공정)한 것으로 단일층의 여과망 보다 내구성, 내식성, 내마모성 등 기계적 성질이 우수한 Filter Media로서 뛰어난 여과효과와 더불어 낮은 여과저항 및 이물질 포집능력이 탁월해 고온, 고압 및 수처리용으로 이용된다. 특히 소결과정에서 여과망의 공극율을 조절함으로서 다양한 용도의 Filter Media를 제작할 수 있다.

또한, 여과장치가 회전스크린 형태로 제작되어 회전에 의한 오염방지(여과망의 부분폐색 방지) 기능을 가지며, 회전스크린을 구성하는 각각의 여과유닛은 탈부착이 가능하다. 필요시 수정 및 교체도 용이하다.

여과장치의 금속망 여과유닛 내측에서 외측방향으로 고압의 세정수를 분사할 수 있는 역세척 수압노즐이 설치되어 필요시 여과공정과 역세공정이 연속적으로 이루어진다. 고압의 역세척수에 의해 여과망으로부터 분리된 이물질은 이송 어셈블리를 통해 배출되며, 이러한 단위공정 적용을 통하여 기존의 공법에 비하여 Filter 수명연장 및 처리량의 향상 뿐 아니라 공정 운전의 용이성을 확보한 생태복원용수 확보기술이다.

특징 및 장점으로 △금속망 소결공정을 통해 내구성, 내식성, 내마모성 등 기계적 성질이 우수 △여과유닛의 탈착이 가능하여 사후관리가 용이 △회전스크린에 의한 여과방법으로 폐색방지 가능 △설비의 Compact화로 부지절감 △0∼30㎛ 금속망으로 하천수, 하수처리수 등 다양한 수원에 적용가능 △강도가 우수하여 고압의 역세척 가능 △자동제어 시스템 도입과 유지관리 용이 △다공성이 우수하여 여과능력 극대화 △낮은 여과저항 및 이물질 포집능력 탁월 △고온 및 고압조건에서 운전이 가능하다.

하·폐수처리장의 방류수를 재이용하기 위한 여과기술로 보급되고 있는 여과장치의 경우, 핵심소재인 여과매체로 PE재질의 섬유를 이용하는 섬유상 여과매체와 SUS재질의 금속을 이용한 금속망 여과매체가 이용되어지고 있으나, 대부분이 수입에 의존하는 실정이다. 현재까지 국내 금속여과망 필터의 경우, 대부분 여과망 원단을 수입하여 사용하고 있으며, 소결공정을 이용한 다층여과망 생산은 전무한 상태이다.

금속망 소결필터 시장은 수작업에만 의존한다는 관념에 의해, 아직까지 대규모 투자가 이루어지지 않은 틈새시장이며, 기존의 석유화학 제품의 여과필터를 대체할 수 있는 미개척 시장이라 할 수 있다.

■ 2단계 미세여재 여과장치

원수가 상부로 유입되어 미세여재층을 통과하면서 여과되는 시스템으로 상부로 유입된 원수는 와류 발생기를 통과하여 여재 상부에 이물질의 퇴적을 최소화하면서 와류를 형성한 채로 회전하면서 통과하는 고성능 여과장치이다. 장치의 특징으로는 짧은 역세공정에 의한 역세폐수 발생량이 적고, 여재 지속시간 증대로 처리수량 및 수질의 유지기능과 오염물질이 여재하부로 침투가 되는 것을 최소화하기 때문에 여재수명이 증가되는 장점이 있다.

내부에 충진하는 여재로는 기존 오·폐수처리에 여재로 사용되던 안쓰라사이트 등과 흡착탑 등에서 흡착제로 사용되던 활성탄, 제올라이트, 일라이트, 버미큘라이트 등의 메디아들을 사용하며, 2∼3종의 여재를 조합하여 사용하기도 한다.

본 기술의 Test-bed 현장에는 ‘여과사+안쓰라사이트’ 여재가 적용되어 있다. 안쓰라사이트는 정수 및 폐수에서 수질을 개선하기 위하여 사용되는 물리적 처리의 여재로서 종래의 여재인 여과사의 단점을 보완한 여재로 타 여재와 비교하여 수질의 향상과 함께 여과속도가 빠르고 처리수량을 증대할 수 있다. 자체경도가 높아 입자의 마모손실이 적고 수압에 의한 내구력이 커서 장기사용에 의한 여과속도의 저하가 일어나지 않는 것으로 알려져 있다.

또한, 비중이 가벼워 역세수량이 적고 시간이 짧으며 역세척이 잘된다. 내산, 내알카리성이며 실리카의 용출이 없어 순수, 초순수의 여재에 적합하다. 부유물은 물론 탁도, Colloid상 물질의 제거 능력이 뛰어나다. 일반적으로 여재로 사용되는 여과사(모래)는 비중이 2.55∼2.65 정도이며 유효경은 0.45∼0.7㎜ 정도이다. 그러나 다층여재로 널리 이용되는 안쓰라사이트는 비중이 1.4∼1.6정도이며 유효경이 0.9∼1.4㎜ 정도로 비중은 훨씬 가벼운 반면에 유효경은 약 2배 정도로 크기 때문에 모래에 비해 공극율이 커 탁질 포집능력이 우수하다.

이 기술은 하천, 호수, 하수처리장 방류수, 우수 등 다양한 수원을 대상으로 하여 건천화 혹은 오염심화 수계의 생태복원을 위한 용수를 확보하는 기술로, 호수, 연못 등 정체성 수역에서의 조류발생시에도 적용이 가능하다. 또한, 표층수 흡입장치를 부유하여 조류 등이 혼입된 표층수를 흡입하여 여과장치를 통해 처리된 처리수를 다시 연못으로 방류하는 시스템으로 간단한 조작만으로 조류 등 부유물질을 처리할 수 있다.

3. 개발기술의 활용 전망

본 기술은 지속적으로 맑고 풍부한 하천수량을 확보함으로써 국민 생활여건 개선 및 건강한 환경제공을 가능하게 하며, 하수처리수를 활용한 하천유지유량의 확보는 생활용수, 공업용수, 농업용수 등의 활용뿐만 아니라 하천의 기능회복을 통한 친수공간으로써 시민들에게 여가활용과 휴식처를 제공하게 된다. 수생태계 생물 모니터링을 통한 생물자원 보호방안도 마련된다.

기술적 파급효과로는 첫째, 부족한 수자원을 대체하기 위한 통합수자원 관리에 기여할 수 있다. 둘째, 지속적으로 증가하는 하수량에 따른 하수의 처리 및 하수처리수의 재활용 등을 위한 기초 기술로 활용 가능하다.

셋째, 수리학적으로 안정된 하천 개발 설계기법에 기여하여 효율적인 하천 개발을 유도하게 된다. 넷째, 여과망을 이용한 물리적인 처리 및 단위기술을 이용한 하수처리수의 하천유지용수 활용기법은 날로 건천화 되어가는 국내 도시 하천의 유량을 확보하고 하천의 수질을 개선하는데 기초적인 기술로 적용 가능하다. 생태복원용수 확보·관리 등에 대한 법령 및 제도의 개선을 위한 기초자료를 제시할 수 있다.

경제적 효과로는 자체 기술력의 보유로 국외 기술의 국내시장 점유비율을 낮추고 기술료 지급 등의 외화 유출을 방지할 수 있다. 하천유지유량, 환경개선용수 확보와 관리를 위한 국가·지자체의 물이용 정책 개선에 이바지 할 수 있으며, 개선된 하천의 기능회복은 생태적·문화적 환경 조성에 기여하게 됨은 물론 수자원확보를 위하여 소요되는 다량의 사회간접자본의 손실을 막아 이를 각종 산업 활동으로 전환을 통하여 직·간접적인 도움을 줄 것으로 기대된다.

※ 본 연구는 현재 환경부 Eco-STAR Project 연구사업의 일환으로 추진되었으며, Test-bed는 2010년에는 경기도 파주시 교하읍 문발유수지를, 2012년부터 현재까지는 파주시 탄현면 헤이리 예술마을 내 생태연못을 대상으로 운영되고 있다.