‘막분리 고도정수처리 기술’과 ‘수영용수 수준의 하·폐수처리 기술’ 등 세계 최고 수준의 수처리 기술을 확보하기 위한 ‘수처리선진화사업단’(www.i2watertech.or.kr·단장 남궁은)의 기술개발 사업이 본격 착수됐다. 2011년까지 막분리 고도정수기술(막소재 개발, 막분리 고도정수 처리시스템), 상수관망 수질관리기술 개발(상수관망 최적설계, 수질관리기술), 수영용수 수준의 하·폐수처리 기술개발(하수처리장 고효율, 초집적 기술 및 전자, 식품폐수처리기술) 분야 등에 집중적으로 투자, 세계 최고 수준의 기술·시스템 개발 및 상용화할 계획이다.

이번에 1단계 사업으로 선정된 과제 중 ‘막분리 고도정수처리 시스템 기술개발 및 상용화’가 관심을 끌고 있다. 이 과제는 (주)대우건설, (주)한화건설, 데그레몽(주), (주)비룡, (주)태영 등이 참여하고 있으며, (주)대우건설이 전체 총괄조정통제를 하게 된다. <편집자 주 designtimesp=19087>

1. 기술개발의 필요성

재래식 정수장은 혼화, 응집, 여과 공정에 의한 물리적 화학적 입자제거 공정과 잔류 병원성 미생물을 불활성화시키는 소독 공정으로 구성되어 있다. 지금까지의 음용수 처리 여과 공정은 모래 등의 입자성 여재를 사용하는 여과방식을 사용하여 왔다. 비록 입자성 여재 여과 방식이 양호한 수질의 처리수를 생산할 수는 있으나, 병원성 미생물의 통과에 대한 완전한 장벽은 되지 못한다.

따라서 공중 보건 측면에서 이러한 미생물을 불활성화 처리를 위한 추가 소독 공정이 필요하다. 그러나 크립토스포리디엄(Cryptosporidium)과 같은 몇 가지 미생물은 국내에서 보편적으로 사용되는 염소 소독에 내성이 있다.

또한 염소 소독에 의해 발생되는 소독부산물(DBPs, Disinfection byproducts)은 현재의 국내수질기준을 만족하고는 있으나, 먹는 물 수질에 대한 요구 수준은 지속적으로 높아지고 있고, 아울러 수질 기준도 강화되는 추세이므로, 향후 20년 이상의 수질목표를 고려한다면, 염소 투입량을 제한하는 대체공정 기술개발은 피할 수 없는 실정이다.

막여과(Membrane Filtration)는 소독과 DBPs의 서로 상반된 목표를 동시에 달성할 수 있는 대체 공정으로 선진국에서는 그 도입사례가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 막(Membrane)은 1960년대 해수의 담수화를 위한 역삼투(RO, Reverse Osmosis)가 사용된 이래, 1980년대에는 연수화와 총유기탄소(TOC, Total organic carbon) 제거를 위한 나노여과(Nano-Filtration)가 사용되었다. 1990년대 이후에는 정밀여과(MF, Micro-Filtration) 및 한외여과(UF, Ultra- Filtration)의 상업화로 정수처리분야에까지 적용이 확대됨으로서 최근 가장 부각되고 있다.

MF 또는 UF는 정수처리공정에서 입자성물질(즉, 병원성 미생물)의 제거를 위한 단일공정, 기존 정수장의 개량시 여과공정의 대체 방안, 초순수제조 또는 해수담수화를 위한 RO 공정의 전처리공정으로서 주로 사용되며, 국내에서도 소규모 정수처리시설 또는 초순수 전처리시설 등으로 점차 설치, 운영되고 있는 경향이다. 아울러 정수장의 유지관리 측면에서, 향후에는 정수처리시설의 효율화, 집적화, 자동화를 고려하지 않을 수 없다.

도시 규모의 증가 또는 발전으로 신규 상수도 수요량 발생시에 과거에는 정수처리장 증설이 쉬웠으나, 최근에는 도시화와 님비(Not In My Back Yard) 현상의 심화로 대규모 부지를 필요로 하는 재래식 정수처리공정은 점차 어려워지는 실정이다. 이에 따라 막여과는 소요부지가 적게 되는 집적화된 공정기술로서 기존 정수장의 개량만으로도 소정의 수요량을 확보할 수 있는 공법이라 할 수 있다.

또한 MF/UF는 원수 수질에 따른 처리수질이 안정적이고, 자동화 및 무인 운전이 가능하며, 염소, 응집제 및 각종 보조약품의 사용이 절감되어 슬러지 발생량이 적은 친환경적인 기술로서 장래 10~20년 후 정수처리기술의 주류를 이룰 것으로 예상된다. 따라서 국내의 노후된 정수처리시설 개선을 위한 장기적이고 경제적인 대안으로서 막여과 기술의 적극적인 연구가 필요하다.

2. 막여과 고도정수처리 기술개발 현황 및 에코스타 프로젝트 참여

정수처리분야에서 막 여과공정의 도입은 단순히 막 소재와 모듈의 개발 뿐 아니라, 원수특성에 적합한 막 모듈의 선정, 여과성능의 증대, 막 수명 연장, 건설비의 절감 등을 위한 기존정수처리 공정 및 여타 고도처리공정과의 시스템조합 설계기술, 원수의 수질변화에 따른 효율적 대처가 가능한 운전기술의 축적 및 자동화 등 막여과 공정의 최적화 및 적용성 기술이 보다 더 중요하다.

서울특별시 상수도연구소에서는 서울시 정수장 현대화에 대한 대비로서, 2003년도에 대규모 정수장에 적합한 막여과 공정 실증 플랜트 500㎥/일 규모, 5계열의 총 2천500㎥/일 용량을 설계·시공 참여자 비용 부담방식으로 서울시 구의 수원지에 설치 완료하고, 2004년 1월부터 12월 말까지 1년 기간으로 운전하였다.

▲서울시 구의정수장에 설치되어 있는 (주)대우건설 막여과 공정 실증 플랜트.


참여한 기업은 (주)대우건설, (주)한화건설, 데그레몽(주), (주)비룡, (주)태영이며, 실증플랜트의 목적이 막 모듈 개발이 아니라, 대규모 정수장의 적용성 평가였으므로, 선진국에서 성능이 입증된 일본의 Asahi Kasei사, 캐나다의 Zenon사, 프랑스의 Aqua Source사,일본의 Toray사, 호주의 Memcor사 등 5개사의 막이 사용되었다. 실증플랜트는 한강의 원수특성과 향후 수질강화를 조합공정으로 구성되었으며, 운전의 안정성, 오염물의 제거능, 처리량의 증대, 운전의 자동화에 대한 연구평가를 실시하였다.

1년 간의 운전결과 원수수질의 변화에 관계없이 안정된 처리수질을 얻을 수 있다는 점은 입증되었으나, 원수 및 정수장의 특성에 최적의 시스템 개발 및 다양한 운전기술의 축적은 미약한 단계로 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 그러나 이와 같은 장기적이고, 종합적인 연구는 단일의 수도사업체 및 기업으로는 재원 및 시간에서 한계가 있으므로 국가사업으로 추진을 바라고 있었다.

그러던 중, 우리나라의 수처리산업 선진화를 목표로 환경부에서 추진하는 ‘에코스타 프로젝트’의 일환으로, 수처리선진화사업단에서 중대형 막분리 고도정수처리시스템 개발 및 상용화를 대표기술로 하는 7가지 세부과제에 대하여 2004년 10월 19일 과제공모를 공고하였다.

추가연구의 필요성이 절실하였지만 현실적인 한계를 느끼고 있던, 서울시와 5개 기업 컨소시엄은 11월 17일 과제에 응모하였으며, 사업대상자로 선정되어 지난해 12월 29일 수처리선진화사업단과 사업협약을 체결하였다.

3. 컨소시엄의 조직 구성

최초 제안 사업계획서에는 서울시 총괄주관, 5개 기업 주관으로 컨소시엄을 구성하였으나, 협상과정에서 정부기관인 서울시가 기술개발 다음 단계인 상용화에서 사업화의 한계가 있다는 판단으로 민간기업이 총괄주관이 되고, 서울시는 장소제공, 수질검사 및 평가분석 등 사업화의 성공을 위한 지원조직으로 변경하였다.

4. 사업기간의 단계 및 단계별 과제 추진계획 및 목표

에코스타 프로젝트의 총사업기간은 2004년 12월부터 2011년 5월까지 총 6.5년으로, 수처리선진화사업단에서 단계별 사업기간 및 기술개발과제목표는 ▲1단계 2004. 12∼2005. 05 (6월) 기술개발 기반구축 ▲2단계 2005. 06∼2007. 05(2년) 요소기술 및 통합 시스템 개발 ▲3단계 2007. 06∼2009. 05(2년) 시스템 최적화 및 시범사업화 ▲4단계 2009. 06∼2011. 05(2년) 시스템 상용화로 되어있다.

이에 따른 우리 컨소시엄의 연구추진 방향으로 제1단계에서는 1년간 서울시 구의정수장에서 운전한 막 여과 실증플랜트 적용성 평가연구 성과를 근간으로, 국내 또는 국외에서 산발적으로 진행되어 온 막 여과 공정과 오존/AOP, 분말활성탄 입상활성탄 공정의 모든 연구성과와 NF막 공정과의 운전관리의 안전성과 건설 및 운전비용을 감안한 경제성평가 등에 관하여 면밀히 비교 분석하고, 각 사의 모듈특성에 따라 기존 고도시설과 연계한 혼성시스템 개발 기반구축을 위한 방안으로 막 여과 최적 조합공정 구성, 최적 제어 요소기술을 도출하고 실험실 규모의 검증 평가 후에 상용화 가능한 실증플랜트 조합공정 설계를 하고자 한다.


제2단계에서는 각사의 모듈특성에 따라 고도산화, 활성탄, 고속여과, 소독공정의 혼성시스템에 대하여 서울시 구의정수장에 기 설치된 실증플랜트를 수정 보완하여 1계열 당 500㎥/일 5계열 총 2천500㎥/일 규모로 설치 운영하여 최적제어 및 무인 자동관리기술 개발과 다양한 수질특성의 적용 가능성에 관한 적합성을 평가하고, 재 보완하여 시범사업을 위한 규모확대(scale-up) 설계 및 운전기술을 확립하고자 한다.

제2단계에서의 최적 혼성시스템 구성을 위한 세부연구 내용은 MF/UF/NF막에 대하여 각 사의 모듈특성에 따라 물리적, 화학적, 생물학적 최적 전처리공정 선정과 최적 물리·화학적 세정조건, 막오염 저감기술, 막 모듈 성능평가, 막 파단 검지 및 대책에 관한 막 여과 공정의 최적화방안을 도출하고, 역세배출수 특성조사, 역세 배출수의 처리효율 평가와 효율적 회수기술개발을 통한 역세배출수 처리기술을 개발하고자 한다.

그리고 맛·냄새물질 제거와 소독부산물 저감, 미량 유기물질의 제거를 위해 서울시 및 건설기술연구원 등에서 G7과제로 수행되어 왔던 오존/AOP, 활성탄공정에 관한 연구성과를 바탕으로 각 사의 모듈 특성에 따라 최적의 MF/UF막여과 혼성시스템을 개발하고자 하며, 소독공정에 관하여도 염소소독 대체 공정으로 오존과 연계한 UV소독공정을 기술개발 하고자 한다.
제3단계에서는 제2단계에서 막 모듈 특성별로 개발된 5개의 막 여과 혼성시스템에 대하여 실제로 현장적용을 위한 시범사업기간으로 1계열당 1만㎥/일 5계열 총 5만㎥/일 규모의 막 여과 조합공정 정수장을 건설하고 운영하여, 국·내외 어느 정수장에도 적용이 가능하며 경제적인 막여과 조합공정 설계모델을 제시하고자 한다.

시범사업에 대한 세부 연구내용으로 각 모듈 특성별로 개발된 혼성시스템에 대하여 최저 에너지 사용, 회수율 확보를 위한 운전 조건 등을 검토하여 경제성과 유지관리 편의성을 평가하고자 한다.

여기에서 도출된 평가 자료를 기반으로 각 사의 모듈특성을 고려하여 부지 면적이 협소한 기존정수장에 적용이 적합한 침전지 및 여과지 개량형 막 여과 고도정수시스템, 간접취수 또는 하상여과에 적합한 막여과 고도정수처리, 고속응집침전지가 설치된 기존 정수시설에 적합한 막여과 고도정수처리, 기존정수장의 여유부지가 충분하나 표준 정수처리공정이 노후되어 전면적인 시설개량 및 신설이 요구되는 정수장에 적합한 막여과 고도정수처리의 설계모델 개발과 설계 표준화와 운전기술을 확보하고자 한다.
또한 시범사업 공사시에는 국산 막에 대한 적용성 평가를 실시할 수 있도록 여유공간을 확보하도록 한다.

제4단계에서는 시범사업의 운전성과를 토대로 제3단계에서 개발된 모델의 문제점을 보완하여 표준모델을 확정하고, 운전관리지침의 작성과 막 여과공정의 상용화와 저변확대를 목적으로 3단계에서 도출된 연구성과와 Eco-STAR 프로젝트의 연구사업으로 추진중인 정수용 막 소재개발 연구성과를 연계하여, 막 모듈의 표준화 방안을 제시하고자 한다. 표준화 방안으로는 크게 가압형과 침지형, MF/UF/NF등 막 공경에 따라 분류하고, 막 모듈과 유니트의 규격화 방안을 검토한다.

또한 국내에서 개발된 막 모듈에 대하여 막 여과 시범정수장에 직접 설치하여 외국 막모듈과의 비교와 적용성 평가를 실시하여 국산 막제조 산업의 저변확대 기반을 구축한다. 그리고 시범사업을 통해 건설된 막 여과 정수장에서 생산된 정수는 기존 정수장에서 생산된 정수와 급수구역을 분리 운영하여, 시민의 만족도를 조사하고 평가하여 서울시 전지역의 확대방안을 검토하고, 막 여과 도입계획을 수립하도록 한다.

또한 시범사업으로 건설된 막 여과 정수장을 통하여 국내외의 정수장 운영관리자와 정책결정자의 교육 및 홍보의 장으로 계속 활용하여 개발된 기술의 상용화와 해외 시장개척의 교두보를 마련하도록 한다.

5. 과제의 개요(대우건설 세부과제)

컨소시엄의 기업 5개 주관연구기관은 각각 독립적인 실증플랜트를 활용하여 별도의 모델을 개발하므로, 각각 매우 다양한 특성을 가지고 있다. 각사의 세부과제 현황은 <표1 designtimesp=19163>과 같다. 그 중 대표사인 (주)대우건설의 세부과제인 응집플럭 시스템 제어와 막 분리 회수장치를 조합한 막여과 고도정수처리 기술개발에 대한 사항을 위주로 개략사항을 서술한다.

(주)대우건설의 세부과제는 최적의 전처리-분리막-입상활성탄 및 배출수 처리 시스템을 도입한 조합공정으로서 중·대규모 정수장에 적합한 대용량, 저에너지 처리시스템을 개발하기 위한 것이다. 기존의 정수 및 고도정수처리 시스템 보다 경제적이고 효율적이며 기술집약적인 처리공정으로 현안문제인 맛·냄새 유발물질, 소독부산물 및 유해한 유기물질과 함께 바이러스 및 원생동물과 같은 병원성 미생물을 제어하여 안전한 먹는 물을 시민에게 공급해줄 수 있는 친환경적 기술로서 단계별 계획은 다음과 같다.

실증 시스템의 구성은 기존 정수처리시설에서 여과공정을 대체할 수 있는 UF/MF 공정을 구성하고 기존 시설을 막여과공정의 최적운영을 위한 전처리 공정으로 활용하는 방안을 포함하여 조합공정을 고려하였으며, 상수원에서 문제시되는 맛·냄새 및 소독부산물, 합성유기화합물 등의 제거를 위한 분말활성탄(PAC) 접촉 및 입상활성탄(GAC) 여과지의 처리효율 및 경제성을 비교하기 위하여 후처리 시설로 입상활성탄 공정을 계획하였다.

이는 기존 정수처리 공정에 도입 가능한 막여과 공정을 선정하기 위하여 원수→UF/MF, 원수→분말활성탄→UF/MF, 원수→응집/침전→UF/MF, 원수→응집→UF/MF 및 후단 처리로 GAC(1단, 2단) 등의 다양한 조건에서의 UF/MF 공정 평가가 가능하며, 회수율 향상을 위한 농축수 회수시스템을 채택하여 침전슬러지 및 막여과 역세수 등을 재처리하여 원수조로의 반송이 가능하여 전체 처리설비의 회수율 제고 및 극대화가 가능한 방안이다.

초기 막여과 기술 도입시는 그림의 공정1과 같이 전처리로써 막에 손상을 줄 수 있는 일정 크기(50∼200㎛) 이상의 입자를 물리적으로 제거(Screening)하는 최소한의 공정만을 구성하여 운전하며, 탁도 등이 낮은 원수의 수질이 비교적 좋은 경우에 주로 적용한다. 이 경우 처리수 탁도는 0.05NTU 이하를 유지하며 지아디아 또는 크립토스포리디움 등의 제거율도 4∼6log(99.99∼99.9999%) 이상을 유지할 것으로 판단된다.

그러나, 공정1과 같은 공정은 원수의 탁도가 높은 경우 또는 TOC 즉 소독부산물 전구물질의 제거가 필요한 원수에는 적용이 곤란하므로 공정2, 공정3 또는 공정4와 같이 MF/UF 공정에 부가적인 전처리 공정을 도입한다. 또한, 공정5와 같이 후처리공정을 보다 넓은 범위의 수질 및 처리목표를 위해 적용한다.

원수의 수질변화에 따른 효과적인 단위공정 선택 조합을 위한 전처리 조건 결정용으로 응집플럭 모니터링 시스템을 적용한다. 우선 응집제 투입 후 플럭의 성장속도를 실시간 감시하여 산출된 운영자료와 다양한 수처리 정보를 분석한다. 즉, 원수탁도변화에 따른 플럭 성장효과 분석, 응집제의 종류 및 투입량이 플럭성장에 미치는 영향, 교반강도가 플럭성장에 미치는 영향, 수온이 응집플럭에 미치는 영향, pH 및 알칼리도가 응집플럭에 미치는 영향, 유기물 존재하에서 플럭 성장속도 등에 대한 연구기초자료 수집 및 분석, 응집플럭특성의 실시간 연속 평가를 할 수 있다. 막분리시스템의 운전효율에 영향을 미치는 물리화학적 인자를 예측할 수 있을 것으로 판단되므로 막분리시스템의 운전 최적화가 가능한 전처리 조건 결정을 통한 운전 제어기술 개발이 가능할 것으로 판단된다.

이와 병행하여 내오존막을 이용한 고플럭스 고효율 막여과 공정개발과 입상활성탄과 NF막을 각각 구성하여 용존유기물 등의 제거정도를 비교하고, 소독성능에 대한 비교평가를 위해 UV, 염소, 차아염소산나트륨 등을 평가할 계획으로 있으며, 고도산화 전처리(오존, 과산화수소, 차아염소산나트륨 등) 기술에 대한 평가를 통해 막의 생물오염을 최대한 억제하여 중·대형 시설규모에 적용가능성을 모색할 계획이다.

고도산화전처리-막여과-활성탄/NF-소독 조합공정의 처리성능평가를 통해 3단계 연구개발 계획에 있는 시범사업 용량규모에의 적용가능 여부를 검토할 계획이다.

아울러 환경부, 수처리선진화사업단에서 별도 과제로 추진 중인 막소재의 국산화에 대하여도 적극 상호 협력하여, 개발된 국산막의 적용성 평가가 가능하도록 할 계획이다. 대형 정수장 적용이 가능한 국산막의 수준은 실험적, 경험적 측면에서 상용화 한계가 있는 것은 사실이므로, 막소재 연구팀의 개발 과정에 따라 소정의 수준에 이르렀다고 판단되면, 일부 처리공정을 분리하여 개발된 국산 막을 설치, 이미 설치된 외국산 막과 비교평가를 실시함으로서, 국산 막의 품질향상에 기여하고, 국산 막을 이용하는 시스템 개발을 적극 추진하고자 한다.

마지막으로 막여과 공정의 주요 특징인 운전 자동화 특성을 최대한 활용하여, 막여과 혼성 시스템에 최적화 및 단일화된 통합관리시스템을 개발 한다. 이를 통하여 안정성, 신뢰성, 경제성, 적합성, 유지관리 편의성 등을 확보하고자 한다.

종합적인 평가분석과 공정의 계획, 제어의 자동화와 집중관리를 통하여 효율적 유지관리가 가능하며, 현재의 500톤/일 규모의 실증플랜트에 대해서는 적용성 검토와 기초자료 구축을 위하여 일부 적용할 예정이며, 여기에서 수집된 자료를 바탕으로 하여 시범사업(1만톤/일)에서는 통합 적용을 하여 평가하고자 한다.

6. 연구개발성과 기대효과 및 사업화

2002년 우리나라의 상수도 보급률은 88.7%이나, 특·광역시의 경우에는 98.5%, 시 지역은 97.0%이다. 특히, 물 수요관리 정책추진 및 사회, 경제 여건의 변화로 인한 용수 수요량의 증가세가 다소 둔화되고, 1인당 1일 급수량은 1997년을 정점으로 점점 감소하는 추세이다.

따라서, 도시 지역의 상수도 시설 신규 증설시장의 규모는 매우 적다, 그러나 기존 정수처리시설이 노후화 되어 시설개량의 필요성이 대두되었으며, 산업화, 도시화에 따른 원수수질의 악화, 수질검사기술의 발전 및 정수처리 수질기준의 강화로 기존 시설의 단순 보수만으로는 안정적 처리수질 및 처리수량 확보에 한계가 있다. 막분리 정수처리기술은 이러한 요구조건에 가장 부합되는 첨단기술로서, 수돗물에 대한 국민 신뢰도를 제고하고, 국내 정수처리 기술을 한 단계 도약시킬 것이다.

반면 농어촌 면 지역은 보급률이 31.1%로 매우 미미하다. 수요량도 적고, 급수구역도 넓어 광역 및 지방 상수도 시스템으로는 매우 비효율적이다. 따라서 소규모 패키지 형태의 정수처리기술이 요구되는 바, 집약화, 자동화, 공정의 단순화 및 무인운전이 가능한 막여과 기술이 이상적일 것이다.
이와 같이 막여과 기술은 혼합, 응집, 침전 등 전처리가 없는 공정구성으로도 재래식 공법과 비교하여 탁월한 탁질, 조류, 병원성 미생물의 제거로 수돗물 신뢰성 확보, 배출수 회수막에의한 회수율의 증가에 따른 한정된 수자원의 효율적 사용, 운전자동화로 3D업종을 기피하는 근로추세에 따른 정수장 근무조건의 능동적 대처, 시설의 집약화로 기존의 모래여과 대체공정으로만 사용하여도 30∼50%가 가능한 부지절감효과를 기대할 수 있기 때문이다.

환경부의 ‘에코스타 프로젝트’ 최종 목표가 기술개발의 한 단계 위인 상용화 즉, 사업화에 있다. 따라서 본 과제의 최종목표는 기술적 및 가격적인 측면에서 세계적인 경쟁력을 갖는 정수처리공법의 개발이며, 이의 상표화라고 할 수 있다. 우리가 지난 수십년 전 서구에서 도입한 정수처리기술을 별다른 진전 없이 사용하는 수준에 그친다면, 결코 선진국의 기술 수준을 뛰어 넘을 수 없을 것이다.

막분리 고도정수처리시설은 선진국에서도 1990년대 이후 상업화되어, 현재까지도 대규모의 실적은 미미한 단계이므로, 이번의 ‘에코스타 프로젝트’는 우리의 정수처리기술이 선진국 수준에 이르거나, 뛰어넘을 수 있는 절호의 기회라고 할 수 있다.

경제적인 측면에서, 막분리 고도정수처리기술의 개발은 상용화 초기에 연간 1천800억의 국내 정수산업 시장 중 연간 300억에 이르는 고도정수처리 시장 등에 판매되어, 매출이 발생할 것이며, 또한 수질오염과 물 부족 지역인 중국 및 동남아 지역에 수출 유망 제품으로 사업화 5년 이내에 100억원 이상의 수출이 가능할 것으로 예상된다.