국가 막여과 사업 선도·기술개발 위해 K-water연구원 상하수도연구소에 설치
물산업 중추적 역할과 사업진출 위한 산·학·연 공동개발 통한 브랜드화 추진

▲ 한국수자원공사 K-water연구원 상하수도연구소에 설치된 막여과기술센터(가칭).

 

안심하고 맛있는 물을 생산하기 위해 개발된 여러 시스템 중에서도 막여과 시스템은 1990년대에 선진국을 중심으로 많은 개발과 연구가 집중되었으며, 이미 전세계의 많은 정수장에 소규모 시설부터 도입되고 있는 실정이다.

▲ 김충환 박사

막여과 시설들은 기존 처리 시스템으로는 제거가 어려운 원생동물의 제거율이 매우 우수하며, 처리효율이 높고, 운전인력의 숙련도와 경험에 크게 의존하지 않는 자동운전이 용이하다. 또한, 집적성이 높은 시설 설비가 가능하여 부지면적이 적게 들며, 기존처리에 근접하는 경제성을 확보하고 있는 장점이 있다. 이러한 장점 때문에 추후 국내외의 많은 정수장들이 막분리 공정을 도입할 것으로 예상되고 있다.

특히 막여과 기술은 탁질을 제거할 수 있는 정밀여과(Microfiltration, MF), 한외여과(Ultrafiltration, UF) 및 미량오염물질을 제거할 수 있는 나노여과(Nanofiltr ation, NF), 역삼투(Reverse Osmosis, RO), 해수중의 염분을 제거할수 있는 해수담수화 역삼투(Sewwater Reverse Osmosis, SWRO)등으로 구분할 수 있다.

 

‘막여과 정수시설 설치기준’ 제정

국내에는 공주정수장(3만㎥/일) 등 4개소에 탁도 제거용의 막이 도입되어 운영중이며, NF 및 RO는 초등학교 등의 급식용수시설로, SWRO는 해수담수화용으로 이미 도서지역 약 70여 개소에 도입되어 운영중이다.

또한 막여과 기술의 국내 수도에 도입 토대를 마련하기 위해 한국상하수도협회에서 ‘막기술 발전을 위한 중장기계획 수립(2005년)’, ‘수도용 막모듈 및 시설 인증제도 도입에 관한 연구(2006년)’, ‘막여과 기술기준수립 연구(2008년)’를 추진했고, 이러한 연구결과를 바탕으로 환경부에서는 「막여과 정수시설의 설치기준고시」를 제정했다(환경부고시 제2008-198호).

이 고시는 제1조 목적에서부터 제13조 기술자료 및 부칙 2조로 구성되어 있으며, 주요사항은 제6조 막모듈의 성능기준, 제10조 공정 평가, 제11조 막여과 정수시설의 성능평가 등이 있다. 특히 제6조의 막모듈 성능기준은 한국상하수도협회가 인증한 제품을 규정하고 있다. 이에 K-water연구원 상하수도연구소에서는 막여과기술센터(가칭)를 두어 한국상하수도협회가 의뢰하는 막모듈의 인증시험을 수행하고 있다.

 

MF막, 0.01∼0.1㎛ 입자 제거

■ 막여과기술 특성 정밀여과와 한외여과는 모래여과와는 전혀 다른 기구(機構)로 고액분리가 이루어지며, 막여과는 분리크기보다 크기가 큰 물질을 막표면에 포속시키고, 분리경보다 작은 물질만을 통과시키는 것으로 분리에 명확한 한계가 있는 방법이다.

모래여과는 백수십 ㎛정도의 크기를 가진 공극을 백단 정도 직렬로 연결시켜 불순물을 확률적으로 제거하는 것에 비해 정밀여과막(MF)은 0.01∼0.1㎛정도의 입자를, 한외여과막 (UF)은 0.005∼0.01㎛ 이상의 입자가 수마이크로미터의 얇은 막을 통과하면서 거의 제거된다.

그러나 막여과 기술의 보급이 보다 더 확대되기 위해서는 높은 투과성을 가지는 막소재의 개발과 콤팩트한 막모듈 설계에 의한 막여과 시설의 건설비용 삭감이, 장기간 항상 높은 막의 투과성을 유지하기 위해서는 효과적인 전처리법과 물리세정법의 개발, 현장세정에 의한 약품세정의 간략화 등이 필요하다.

또한, 막에 의해 제거되지 않는 용해성분(이취미물질, 농약성분, 부식질 등)에 대응하기 위하여 흡착이나 산화 등과의 조합에 의한 막여과 시스템 구축 등이 과제로 지적되고 있다. 막여과법과 급속여과법 공정의 비교는 [그림 1]에 나타낸 것과 같다.

최근에는 △수도기술자의 부족으로 유지관리가 쉬운 기술 △원수수질의 악화로 인해 안정성이 높은 정수처리기술 △용지부족으로 콤팩트한 설비 △응집제 첨가에 의한 슬러지 폐기문제로 인해 응집제 주입 저감기술 △건설공기의 장기화로 인해 Pre-Fab(조립)기술 등의 필요성이 증대되고 있다. 막여과 기술의 도입으로 이러한 문제점들을 어느 정도 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

 

▲ [그림 1] 막여과법과 급속여과법 비교

 

MF·UF·NF·RO막으로 분류

■ 막모듈 특성 막여과법은 압력차에 의해서 막에 물을 통과시켜 현탁물질이나 콜로이드물질을 물리적으로 분리하는 기술이다. 화학반응이나 상변화가 없이 망(網)의 눈(目)으로부터 불순물을 제거하며 원리적으로는 아주 간단하다. 막의 오염에 의해 막여과 유속(막을 통과하는 물의 양)이 저하하거나 혹은 차압이 상승하면 정기적으로 물리세정이나 약품세정을 실시한다.

수처리에 사용하는 대표적인 막을 분리경의 크기에 따라 분류하면 정밀여과(Microfiltration, MF)막, 한외여과(Ultrafiltration, UF)막, 나노여과(Nanofiltration, NF)막, 역삼투(Reverse Osmosis, RO)막으로 분류할 수 있으며, 이러한 막을 이용한 분리법의 개략은 [표 1]과 [그림 2]에 나타낸 것과 같다.

막여과 정수시설에 사용되는 막모듈은 수도용 막의 종류 및 특징에 적합한 수도용 막으로 제작한 정밀여과 막모듈, 한외여과 막모듈, 나노여과 막모듈, 역삼투 막모듈 및 해수담수화 역삼투 막모듈로 구분되며, 이들 막모듈을 이용한 여과법은 다음과 같다.

정밀여과법은 정밀여과 막모듈을 이용하여 부유물질이나 원충(原蟲), 세균, 바이러스 등을 체가름원리에 따라 입자의 크기로 분리하는 여과법을 말하고, 한외여과법은 한외여과 막모듈을 이용하여 부유물질이나 원충, 세균, 바이러스, 고분자량 물질 등을 체가름 원리에 따라 분자의 크기로 분리하는 여과법을 뜻한다.

또한, 나노여과법은 나노여과 막모듈을 이용하여 이온이나 저분자량 물질 등을 제거하는 여과법이며, 역삼투법은 물은 통과하지만 이온은 통과하지 않는 역삼투 막모듈을 이용하여 이온물질을 제거하는 여과법이다. 해수담수화 역삼투법은 물은 통과하지만 이온은 통과하지 않는 역삼투 막모듈을 이용하여 해수중의 염분을 제거하는 여과법을 말한다.

용량 5천㎥/일 이상 설치 가능

■ 막여과 관련 제도 막여과 정수시설을 효율적으로 도입하기 위해 환경부에서는 2008년 12월 23일부터 「막여과정수시설의 설치기준(환경부고시 제2008-198호)」에 대한 고시를 제정·공표했다.

이 고시는 △제1조 (목적) △제2조 (적용범위) △제3조 (용어의 정의) △제4조 (막여과 정수시설 설치 시 검토사항) △제5조 (막모듈의 종류) △제6조 (막모듈의 성능기준) △제7조 (시설능력) △제8조 (계열구성) △제9조 (공정구성) △제10조 (공정평가) △제11조 (막여과 정수시설의 성능평가) △제12조 (유지관리) △제13조 (기술자료 등) △부칙 2조로 구성되어 있다.

이 고시를 준수해야 하는 시설은 5천㎥/일 이상인 시설로서 광역상수도, 지방상수도, 마을상수도, 전용상수도, 소규모급수시설이며, 특히 시설용량이 5천㎥/일 미만 규모의 막여과 정수시설은 이 규정을 준용할 수 있도록 했다.

막모듈은 정밀여과, 한외여과, 나노여과, 역삼투, 해수담수화 역삼투가 포함돼 있다. 막여과 정수시설을 설치하고자 하는 경우에는 [표 2]의 성능기준에 적합한 수도용 막모듈을 사용해야 한다. [표 2]의 성능기준에 적합한 것이라 함은 「수도법 시행령」 제30조 제1항 제3호에 적합한 것을 말한다. 또한 제10조의 공정평가에서는 설치업체의 자격요권을 강화하기 위하여 6개월 동안의 실험결과를 바탕으로 막여과 설치업체의 자격을 취득하도록 했다[그림 3].

안정적·체계적 도입 위해 평가 실시

수도용 막여과공정 평가의 주요내용은 다음과 같다. 첫째, 막여과 정수시설을 설치하고자 하는 일반수도사업자 또는 발주자는 제2조 제1호부터 제5호까지의 시설에 대해 막여과 공정의 안전성 확보를 위하여 [별표 3]의 「수도용 막여과 공정의 평가기준」에 적합한 공정을 사용해야 한다.

둘째, 제1항의 「수도용 막여과공정 평가기준」에 적합여부를 평가하기 위해 일반수도사업자는 ‘수도용 막여과공정 평가위원회’를 구성·운영해야 하며, 평가에 소요되는 비용은 막여과공정 평가 신청자에게 부담하게 할 수 있다.

셋째, 제2항의 ‘수도용 막여과공정 평가위원회’는 지방자치단체의 상수도 관련부서, 한국수자원공사, 한국상하수도협회, 환경관리공단, 국립환경과학원, 학계, 관련분야 국가출연기관 및 민간 등에서 10인 이내의 각각의 전문가로 구성해야 한다.

제11조의 막여과 정수시설의 성능평가는 막여과 정수시설을 설치한 자는 준공 시에 일반수도사업자 또는 발주자에게 별표 4의 수도용 막여과 정수시설의 성능평가서를 제출하도록 하여 막여과 시설의 운전에 대한 안정성을 기하도록 했다.

또한, 부칙에서는 제2조에 계속중인 행위에 관한 경과조치로 하여 고시 시행이전에 설치되어 운영중인 시설에 대해서는 운영이 가능하도록 했다. 특히 한국수자원공사에서 설치한 공주정수장 3만㎥/일 시설은 부칙 제2조2항의 규정에 따라 고시에 근거하지 않고 운영이 가능토록 했다(부칙 : ① 이 규정 시행 전에 「정수처리 기준 등에 관한 규정(환경부 고시)」에 따라 막여과시설 인증을 받은 정수장은 이 규정에 따른 막여과 정수시설을 갖춘 것으로 본다. ② 이 규정 시행 전에 수도사업의 인가를 받아 2009년 6월30일 이전에 설치한 막여과 정수시설은 이 규정에 따른 시설로 본다).

                                                       여과·탁도 제거·내압성 등 시험

■ 막모듈 성능 시험 「막여과 정수시설의 설치기준」 고시 제6조 막모듈의 성능기준에는 “ ① 막여과 정수시설을 제2조 제1호부터 제5호까지의 시설에 설치하고자 하는 경우에는 별표 2의 성능기준에 적합한 수도용 막모듈을 사용하여야 한다. ② 제1항 별표 2의 성능기준에 적합한 것이라 함은 「수도법 시행령」 제30조 제1항 제3호에 적합한 것을 말한다”라고 규정하고 있다.

정밀여과, 한외여과, 나노여과, 역삼투, 해수담수화 역삼투 막모듈을 정수시설에 설치하고자 하는 경우에는 [표 2]의 성능기준에 적합한 수도용 막모듈을 사용해야 한다. [표 2]의 성능기준에 적합한 것이라 함은 「수도법 시행령」 제30조 제1항 제3호에 적합한 것을 말한다.

특히 막모듈을 인증하기 위한 성능시험은 한국상하수도협회에서 규정한 ‘수도용 정밀여과 막모듈 및 한외여과 막모듈(KWWA F 106:2009)’, ‘수도용 역삼투 막모듈 및 나노여과 막모듈(KWWA F 107:2009)’, ‘수도용 해수담수화 역삼투 막모듈(KWWA F 108:2009)’가 있다. [그림 4]은 한국상하수도협회에서 실시하는 수도용 막모듈 단체표시 인증 절차이고, [표 3]은 막모듈 성능시험의 방법 및 기준을 나타낸 것이다.

K-water연구원 상하수도연구소 막여과기술센터에서는 한국상하수도협회에서 의뢰하는 막모듈에 대해 5가지의 성능시험을 수행한다. 막모듈의 인증을 위한 성능시험에서 수도용 정밀여과 막모듈 및 한외여과 막모듈은 여과성능, 탁도제거성능, 내압성, 미생물제거성능, 용출성 시험을 하며, 수도용 역삼투 막모듈 및 나노여과 막모듈, 수도용 해수담수화 역삼투 막모듈은 여과성능, NaCl제거성능, 내압성, 미생물제거성능, 용출성 시험을 실시한다.

이와 같은 5가지 시험은 막모듈의 재거 대상 물질을 고려하고, 막의 파손에 의한 수질오염에 대처하고, 재료로부터 용출되어 사람의 건강에 영향을 미치는 오염물질에 대처하기 위한 시험 등으로 이루어져 있다. 특히 선진외국에서는 각국의 수도에 적합한 막모듈 성능규격을 두고 있으며, 미국의 NSF, 일본의 AMST 등이 하나의 예이다.

▲ K-water연구원 상하수도연구소의 막여과성능시험 설비. 위에서부터 정밀여과장치(케이싱형), 정밀여과장치(침지형), 역삼투장치.

막여과공법 적용실적 증가 추세

선진외국에서 1990년대 초반부터 도입이 시작된 막여과공법은 국내 수도에도 적용실적이 증가추세에 있다. 특히 해수담수화에 사용되는 역삼투법은 1970년대부터 도입이 시작되었고 국내에도 소규모시설이 도서지역을 중심으로 70여 개소에 도입되어 있으며, 이온제거를 위한 나노여과법은 중소규모 정수장을 중심으로 선진외국에서 도입되고 있다.

이와 같이 수도에 도입되는 탁질제거용의 정밀여과, 한외여과, 이온 및 미량오염물질의 제거용의 나노여과, 역삼투, 해수담수화의 역삼투가 국내 수도에도 도입될 수 있도록 제도화됐다. 환경부의 ‘막여과 정수처리시설의 설치기준’에 대한 고시에서는 이처럼 막이 국내에 적극 도입될 수 있도록 수도용 막모듈의 성능 기준, 수도용 막여과공정 평가, 막여과 정수시설의 성능평가가 포함돼 있다.

막모듈 제조업체가 신청하는 막모듈의 성능기준에 적합한 모듈의 인증은 한국상하수도협회의 단체표준기준을 적용하고 있고, 막여과공정의 설치업체가 신청하는 수도용 막여과공정 평가는 일반수도사업자가 수도용 막여과공정 평가위원회를 구성·운영하여 수도용 막여과공정 평가서를 발급하도록 하고 있다.

 

막여과 시스템 보급화 앞장

K-water연구원에서는 1990년대 중반부터 추진한 막여과 정수처리 기술개발의 결과를 바탕으로 상하수도연구소에 막여과기술센터를 두어 한국상하수도협회로부터 의뢰 받은 막모듈 인증을 위한 성능시험 및 일반수도사업자가 구성·운영하는 수도용 막여과공정 평가를 실시하도록 했다.

이 센터에는 막여과 성능시험을 위한 순수제조장치(역삼투), 성능시험을 위한 막모듈 탑제 장치 등의 시험 인프라가 구축되어 있고, 용출시험·미생물제거시험에서 위생안전기준 및 미생물측정은 국가 공인시험기관으로 지정된 K-water연구원 ‘수돗물분석연구센터’에서 실시하고 있다. 또한 시험전문 인력으로는 상하수도연구소 막여과 전문의 김충환 박사, 임재림 박사, 김수한 박사, 강석형 박사 및 관련 연구원으로 구성되어 있다.

이와 같이 K-water연구원에서는 상하수도연구소에 ‘막여과기술센터’를 두어 체계적으로 국가 막여과 사업을 지원하고 있으며, 국가 막여과 사업의 선도 및 기술개발을 추진하고 있다. 아울러 물산업 분야의 핵심기술인 막여과 공정기술에 대해서도 국내외 물산업 분야에 중추적인 역할과 사업진출을 위해 산·학·연 공동 기술개발을 통한 브랜드화를 추진하고 있다.