▲ ‘물 재사용 프로젝트’는 배수 전의 역삼투 농축(ROC)에서 오염물을 완벽하게 제거하고 있다. 특히 처리된 ROC는 브리즈번강으로 배수된다. 브리즈번강변에 설치된 해수욕장에서 수영 및 일광욕을 하는 브리즈번 시민들.

호주의 퀸즐랜드 주정부는 최근 인구밀도가 높은 남동 지역에 물산업 부문의 유례없는 개혁을 일궈냈다. 사업은 호주의 전력 내지 용수산업 부문에서 이전에 볼 수 없었던 고난이도 수준으로 진행되고 있다.

이를 통해 총 25개 지방정부 소유 당국 및 2개 주 소유 당국의 전부 혹은 일부는 5단계의 수직적으로 분리된 일련의 새로운 용수공급 사업으로 지리적 통합을 이끌어내고 있다. 이 개혁은 고객 서비스 차원의 공급 및 판매 기능으로도 확장되고 있다.

그러나 급속히 성장하는 이 지역의 장·단기 용수 공급 수요를 충족하기 위해 필수적인 미처리 및 처리수 관련 기관, 배관망 관리 기관을 설립하는데 우선 순위를 두고 있다. 호주 전역의 심각한 물 부족 현상으로 정부는 물 공급 대책 강구를 강행했다. 주정부와 퀸즐랜드 남동부 지역 공급 당국(호주 동부 해안의 주요 도시인 브리즈번 지역도 포함)은 현 물 부족 문제를 해결하기 위한 다양한 프로그램을 진행하고 있다.

퀸즐랜드의 물 부족 현상에는 두 가지 원인이 있다. 첫째는 가뭄 문제를 들 수 있고, 두 번째로는 지역 인구의 급증을 들 수 있다. 브리즈번과 그 주변 지역은 식수의 약 70%를 크로스비산의 수처리 시설(Water Treatment Plant, WTP)을 통해 얻고 있다.

이 식물은 위븐호 댐을 통해 브리즈번 강의 물을 흡수해 공급한다. 이 시설 주변은 6년 동안 낮은 강수량이 지속돼 오고 있다. 주요 물 저장소인 위븐호 댐의 물을 측정한 결과, 물 보유 비율이 15%라는 낮은 수치를 기록한 바 있다. 최근 측정된 강수량은 약 25%로 증가했으나 여전히 과거보다는 낮은 수치를 기록해 왔다.

퀸즐랜드는 기후변화로 물 공급량이 매우 빠르게 변하고 있다. 온화한 기후, 아름다운 해변, 자연의 놀라운 경관, 매력적인 주민들의 생활 모습들이 퀸즐랜드를 호주 내에서 가장 급성장하는 지역으로 만들고 있다. 그 결과 퀸즐랜드의 인구는 지난 18년 동안 100만 명에서 270만 명으로 증가했다.

 

▲ [그림 1] 호주 동부 해안의 주요 도시인 브리즈번 지역

‘절수 조치 6단계’ 본격 가동

현재 이 지역은 심각한 물 부족 문제에 대비한 다면적 해결책이 효과적으로 진행되고 있다. 그 대처 방법으로 절수, 빗물을 모으는 탱크 발전, 새로운 물 공급 개발 등이 이용되고 있다. 절수 조치는 물 공급을 증가시키는 계획이 이뤄지는 동안 여러 단계로 진행됐다. 퀸즐랜드주는 주 전체의 저수량 수준에 따라, 시민과 기업들에게 6단계에 달하는 물 절약 절수 체계를 시행하고 있다. 지난해 11월부터 ‘절수 조치 6단계(level 6)’가 가동되고 있는 상태다.

지난 2006년 6월부터 ‘절수 조치 3단계’을 통해, 나이가 많은 사람들이나 특별한 건강 문제가 관련된 사람들을 제외한 일반인들에게 호스를 이용한 외부 급수를 금지토록 했다. 또, 2006년 11월부터는 ‘절수 조치 4단계’를 통해 특정 물 저장 장치의 사용을 금지토록 했다.

‘절수 조치 5단계’는 2007년 4월 10일부터 적용됐다. ‘절수 조치 5단계’는 해당 지역 거주자들이 한 사람 당 하루에 180L에서 140L로 물 사용을 줄여야 한다는 ‘타겟 140’ 캠페인으로 진행됐다. 이는 하루 물 소비량이 한국(400∼500L)의 3분의 1에 지나지 않는 양이다. 시는 ‘절수 6단계’가 발효될 때, 시민들에게 하루 140L 이하의 물을 사용하도록 권고하고 있다. 이것은 목욕과 빨래, 정화조, 정원수, 세차 등에 사용되는 개인별 물 소비량을 전부 합산한 양을 말한다.

 

다른 주요 제한법에는 '발전소의 물 공급 50% 제한' 을 들 수 있다. 이와 같은 다양한 제한법들은 물 공급 부족의 심각성을 간접적으로 보여주고 있다. 절수 홍보는 광고판, 버스, 텔레비전, 라디오, 신문의 광고와 같은 지역 매체를 통해 이뤄진다.

이와 같은 방법을 진행하기 위해 세금 납부를 장려하고 있으며, 지역 관계 시설물의 샤워기와 변기 및 설거지 기계 등에 대한 효율적 운영을 강구하고 있다. 현재 수영장에 물을 공급하는 빗물탱크를 이용한 절수도 이뤄지고 있다.

주의 현재 평균 저수 비율은 36.9%에 불과하다. 2005년 5월 ‘절수 조치 1단계’를 시행한 이후 가장 심각한 수준이다. 12월부터 3월까지 우기인 이 곳은 원래 연중 강수량이 평균 1천㎜ 정도 되지만, 라니냐와 엘니뇨 등의 영향으로 최근 빗물 양은 평소의 절반에도 못 미치고 있다.

현재 이곳은 원칙적으로 실외 물 사용이 금지되고 있다. 그렇기 때문에 실외에서는 양동이 물을 이용해 창유리, 거울, 라이트 등의 물 청소를 해야한다. 비가 내린 직후에 한해서만 1주일에 한 차례 1시간 동안, 호스를 이용해 정원에 물을 줄 수 있도록 하고 있다. 비가 와서 취수댐의 저수율이 40%를 웃돌면 ‘타깃170’이 가동된다. 1주일에 한 차례(30분)씩 고정적인 옥외 물 사용이 허용되는 것이다. 이때도 거리 청소 등에 호스를 동원하는 것은 불법으로 규정하고 있다.

1년에 1천만L 이상의 물을 쓰는 곳은 ‘물 효율성 관리 계획(이하 WEMPs)’에 준해 관련 서류를 제출해야 하며, 관계 당국의 규정에 동의하도록 조치를 취하고 있다. 전체 사용량의 25% 감소를 달성했다 하더라도, 100만L 이상의 물 소비 사업소는 ‘물 효율 제품’을 설치해야 한다.

 

▲ 호주 브리즈번시는 오랜 가뭄과 인구 급증에 따른 물 부족을 해결하기 위해 혁신적 ‘물 재사용 프로젝트’를 세워 시행 중에 있다. 특히 이 프로젝트의 특이점은 염수 상태의 물을 강에 배출하기에 앞서 질소와 인을 제거하기 위한 역삼투 waste stream의 처리를 이용한다는 것이다.

퀸즐랜드의 물 부족을 해결하기 위한 주요 프로젝트 중 하나로 ‘서부 물 재사용 프로젝트(WCRWP)’을 들 수 있다. 이는 시의 하수를 산업용 물 공급원으로 재사용토록 하는 프로젝트다. 이를 위해 현존하는 해당 지역 물 공급량을 감소시키고 있다.

여기서 하수를 냉각용으로 재사용하는 방법이 도입되고 있다. 이 방법이 잘 진행되기 위해서는 발전소에 물을 공급하기 위한 처리 시스템이 매우 빠르게 작동돼야 하며, 사용되는 물의 수질 또한 철저한 정화 과정을 거쳐 맑은 상태가 유지돼야 한다. 새로운 물 공급이 필요한 발전소에서는 기존 위븐호 댐의 물보다 나은 수질의 물이 생산될 수 있어야 한다.

▲ 호주 브리즈번시는 오랜 가뭄과 인구 급증에 따른 물 부족을 해결하기 위해 혁신적 ‘물 재사용 프로젝트’ 세워 시행 중에 있다. 특히 이 프로젝트의 특이점은 염수 상태의 물을 강에 배출하기에 앞서 질소와 인을 제거하기 위한 역삼투 waste stream의 처리를 이용한다는 것이다.

결과적으로 재사용 시 TDS, 질소, 인의 함유량을 감소시켜야만 한다. 저장소의 물을 재충전하거나 관개하는데 재사용이 되는 물 대체에 있어서도 수질을 중요하게 다뤄야 한다. 저장소 물의 재충전에 사용되는 물은 기존 영양소 레벨 이상을 포함하도록 처리돼야 한다. 건강에 관계되는 물의 성분 처리 또한 식수로 재사용되느냐의 문제와 연관돼 있다.
WCRWP는 남반구에서 가장 크고, 세계에서는 세 번째로 큰 첨단 기술 물 재사용 프로젝트일 것이다. WCRWP의 물 관리 규모는 3개의 고등 하수처리장(AWTPs)의 총 용량 300MLD(79 US MGD)만큼 된다. 폐수가 6개의 기존 폐수 처리장(WWTPs)에서 사용되고, 새로운 200㎞ 송관을 통해 하수 처리된 물이 재사용되는데 공급되도록 하고 있다([그림 2] 참고).
물 부족 문제에 직면한 본 프로젝트의 첫 단계인 Bundamba-A, 30 MLD (7.9 US MGD) AWTP는 2007년 8월에 시작되어 빠르게 진행되고 있다. 이 시설은 10개월 동안 설계돼 운용되기 시작했다. 프로젝트의 두 번째 단계인 Bundamba-B는 2008년 중반에 36 MLD (9.5 US MGD)가 부가됐다.
첫 프로젝트의 목표는 100 MLD (26.4 US MGD)만큼의 용량을 만족하는 시설을 만드는 것이었다. 그러나 물 사용 제한으로 인해 폐수 공급량이 감소됐다. 결과적으로 AWTP의 양은 폐수 공급량이 감소되는 만큼 감소된 것이다.

 

▲ [그림 2] 브리즈번 지역 하수재이용 시스템

※폐수가 6개의 기존 폐수 처리장(WWTPs)에서 사용되고, 새로운 200㎞ 송수관을 통해 하수처리된 물이 재사용되는데 공급되도록 하고 있다.

최상의 수질 유지가 목표

여기서 Luggage Point와 Gibson Island WWTPs의 분리된 폐수 처리 AWT 시설에 대해 언급토록 하겠다. Bundamba AWTP의 시설들은 Bundamba WWTP, Goodna WWTP, Wacol WWTP, Oxley WWTP와 같은 네 가지 WWTP에서 발생되는 폐수를 처리한다. Bundamba AWTP의 한 가지 목표는 이 네 가지 WWTP 시설에서 처리된 각각 다른 수질의 처리된 물을 합해서 처리토록 하는 것이다.

예를 들어 Bundamba WWTP의 경우, 전체 자연 질소와 인을 제거해 폐수의 전체 질소(TN) 양을 5mg/L 이하로 전체 인(TP) 양을 2mg/L 이하로 감소토록 하고 있다. 하지만, 처리되지 않고 남은 하수는 함유된 인이 완전히 제거되지 않고 남아있다. Goodna와 Wacol WWTPs에는 인을 제거하는 시설이 없다. Oxley WWTP는 하수를 처리하는 시설 부분만이 인을 처리할 수 있다.

나머지 부분은 인을 감소시키는데 크게 작용하지 않는다. 결과적으로 Oxley WWTP에서 처리된 폐수의 인은 최근 새로운 영양소 감소 시설에 비해 작동되는 한계점이 있다. AWTP로 처리된 하수의 질소 함유 농도는 질소 조절 정도에 따라 달라지고 또한 시설마다 달라진다. Bundamba AWTP의 첫 번째 하수 처리 과정의 목표는 최상의 수질을 만드는 것에 있다. 수질 요건은 매우 철저하다. 세계 보건기구(WHO, World Health Organization)의 조건에 부합돼야 한다는 것이다. 뿐만 아니라 식수로 재사용되기 위해, 병균이 캘리포니아 공중보건부(California Department of Public Health)에서 제시한 수치 이하로 검출돼야 한다.

 

질소 0.81mg/L 이하로 염격 관리

가장 엄격한 수질 요건 중 하나는 전체 질소 농도가 0.81mg/L 이하여야 한다는 것이다. Bundamba AWTP는 이러한 엄격한 질소 농도 제한에 맞추도록 조절하는 첫 시설이다. 첫 수질 요건 또한 전체 무기질소(TIN)의 농도가 0.04mg/L 이하로 맞추어져야 한다는 굉장히 엄격한 목표를 세워두고 있다.

이러한 농도 제한은 부가적인 하수 처리 과정의 필요성을 부각시키고 있다. 이와 같은 구성 요소들을 처리하기 위해서는 부가적인 몇 가지 과정이 필요하다. Bundamba-A 물 흐름 처리 과정은 다음과 같은 기본 과정을 포함하고 있다([그림 3] 참고).

이때, 정밀여과는 전처리 과정에서 역삼투로 물 흐름을 거슬러 여과시켜야 한다. 전처리 과정 중에서 부가적인 화학 처리를 통해 인을 제거하고 pH를 맞추도록 하고 있다. 하수 흐름을 적게 하고, 최대한으로 물을 재이용하기 위해서는 막을 통한 배수가 중력에 의한 침전장치를 거쳐 분리되도록 해야 한다.

하수는 전체 과정의 하수 보존을 증가시키기 위해 정밀여과 과정을 다시 거쳐야 한다. 중력에 의한 침전장치를 통해 걸러진 덩어리들은 다른 덩어리 흐름으로 합쳐지고, 탈수한 후 처리된다. 정밀 여과된 물은 역삼투 과정으로 보내진다. Bundamba A에서 전체 무기 질소 농도 0.04 mg/L 제한에 맞추기 위해 삼투 과정이 두 가지 단위로 이뤄진다.

그러나 전체 무기 질소 농도 제한은 한 가지 통과 단위에서 이뤄진다. 처음 두 개의 통과 단위가 이미 우선적으로 질소 농도 요건의 변화에 맞춰졌기 때문에, 두 번째 통과 단위는 부가적인 한 가지 통과 단위가 이용된다.

Bundamba-A의 전체 처리 하수양은 20MLD에서 30MLD로 증가하게 된다. 한 가지 통과 단위는 전체 질소농도를 0.81 mg/L로 감소시키기 위해, 하수의 함유물질들의 대부분을 제거토록 하고 있다.

▲ [그림 3] Bundamba AWTP의 물 흐름 처리 과정

역삼투(RO) 처리로 하수 안정화

부가적 산화작용은 발전소의 수질 요건을 맞추기 위해서는 필요하지 않은 과정이다. 하지만, 앞으로 위븐호 댐에 배수하기 위해서는 반드시 필요한 과정이라고 본다. 건강 문제에 직면해서 병원균을 감소시키고, 유기물을 이용토록 하는 살균 과정이 필요하다.

자외선 살균과 과산화 수소 과정은 캘리포니아 공중보건부가 제시한 식수로의 물 재사용 요건(NDMA의 1-log 감소와 1.4 다이옥신의 0.5log 감소)에 맞춰져야 할 것이다. 처리 과정 전, 물을 배수하는 과정에서 하수의 pH와 LSI를 안정화시키기 위해 석회와 이산화탄소가 첨가된다. 살균을 유지하기 위해 유리 잔류염소(Free Chlorine Residual)를 공급토록 하고 있다. 이 과정은 과산화수소를 감소시키는 역할을 한다.
이 프로젝트의 특징은 배수 전의 RO 농축(ROC, Reverse Osmosis Concentrate)에서 영양소를 제거하는 것에 있다. 처리된 ROC는 결국 브리즈번강에 배수된다. 그런데 이때 운반을 위한 수로와 같은 도랑을 가지는 수로가 필요하다.

Goodna WWTP는 AWTP로 물을 방출한다. Bundamba AWTP가 가동하기 전에는 브리즈번강에 배수가 되지 않도록 수로를 공사했다. 결과적으로, ROC는 브리즈번강 배수로가 사용되기 전까지는 AWTP 근처의 브레머강에 배수돼야만 한다. 본래의 ROC 처리시스템은 브리즈번강에 배수되는 전체 영양소(질소와 산소)를 감소시키기 위해 이용돼왔다. 브리즈번 강에는 현재 네 가지의 WWTP로부터 비용 효율이 높은 처리 기술로 폐수가 배수되고 있다.

여기서 암모니아는 중요하게 고려되지 않았다. 왜냐하면 브리즈번강은 암모니아 독성 수치가 인체에 큰 영향을 미치지 않는 양이 함유돼 있고, 산소 침하가 이뤄지지 않기 때문이다.

이 분야의 처리 방법은 몇몇 과정을 포함하는 ROC에서 영양소를 제거하는 방향으로 발달돼오고 있다. 저장 유역은 Solid-Contact 분류 공법 중 인 제거를 위한 화학적 및 물리적 처리 이전과 ROC가 균등토록 할 것이다. Solid-Contact 분류계를 위한 화학적 설계에는 탈염소를 하기 위한 웅아황산염, 알칼리성과 pH를 조절하기 위한 부식제, 염화 제2철, 인의 화학적 침전과 응고물이 사용된다.

탈질(脫窒)하기 위한 필터에서는 메탄올을 사용한 질소 제거가 이뤄진다. 이를 통해 질소 50%, 인 70%가 감소한 브리즈번강 배수의 함유 영양소 양을 알 수 있다. 브리즈번강에 비해 브레머강은 규모가 작고, 영양소 함유가 적기 때문에 함유된 산소와 암모니아가 전체 질소와 인이 부가되도록 하고 있다. 브레머강의 수질과 브리즈번강으로의 암모니아 배수 정도를 감안해 ROC 배수 허용량은 중간에 변경됐다.

하수처리 기술 중 몇 가지는 암모니아 제거, 이동식 하상 생물반응 장치(Moving Bed Bioreactors, MBBR), 수중 탄산 필터(Submerged Aerated Filters, SAF), 비석(沸石) 흡착(Zeolite Adsorption), 염소 처리 중단(Breakpoint Chlorination) 기술들을 포함하고 있다. MBBR과 SAF 기술은 질소 화합을 진행시키는 생물학적 방법이지만, 이러한 기술들은 변수에 민감하고 가끔 어긋나기도 한다. 낮은 작동·유지비용은 MBBR과 SAF기술의 주요 장점이다. 또한 염소처리 중단 기술은 신뢰성이 높은 기술이다.

 

▲ [그림 4] 암모니아를 제거하는 ROC 처리 방법

물 문제의 전체론적 접근이 특징

하지만 이 대안은 화학재료가 비싸고 염소가 많이 요구되기 때문에 살균 부산물이 형성될 가능성이 높다는 단점을 지니고 있다. 비석 흡착 기술은 호주에서 자연산 비석이 쉽게 얻어질 수 있기 때문에 선택될 수 있는 기술이다.

하지만 비석 흡착 기술에는 몇몇 문제점들이 따른다. 비석 흡착 용량의 염분 함유도가 높고, 매질을 매번 다시 만들어야 할 필요가 있다. 아울러 사용되는 매질로 화학 비료가 처리될 문제가 있다.

파괴점 염소주입 기술은 MF/RO 단위가 사용 가능할 때, 하수 처리를 시작하는 첫 번째 기술로 쓰인다. 그러나 오랜 연구 결과, 완전한 질소 화합과 파괴점 염소주입 시스템은 작동시키는 MBBR 단위의 이용으로 이용 가능해졌다. 비석 흡착 기술을 선택한다면, 많은 미지수가 따르게 된다. 암모니아를 제거하는 개정된 ROC 처리 방법은 [그림 4]에 설명돼 있다.

이곳의 물은 2007년 8월 27일 이래로 Bundamba AWTP의 Phase 1A에서 Swanbank 발전소로 배수되고 있다. 현재 Bundamba AWTP에서 배수된 물 전체는 Swanbank 발전소에 이용되기 때문에 간접적인 물의 재사용이 이뤄진다고 할 수 있다.

배수되는 물의 엄격한 수질은 여기서는 필요하지 않다. 현재의 한계점으로는 위븐호 댐의 송수관이 현존하지 않다는 것이다. 앞서 언급하였듯이, ROC는 브리즈번 강까지의 배수관이 완성되지 않았기 때문에 브레머 강으로 물을 배수한다.

호주 브리즈번의 물 부족문제 프로젝트는 매우 빠르게 진행되고 있다. 현재 물 공급이 16개월 내에 고갈될 것이라는 우려 때문이다. ‘서부로 물 재사용 프로젝트’는 물 공급 필요성에 직면하기 위해 퀸즐랜드 주정부가 착수한 대단히 진보적이고 혁신적인 프로젝트다.

이 프로젝트는 폐수 처리 발전소에서 물의 재사용이 가능토록 하고, 식수 공급의 필요성을 해결키 위해 물 문제의 전체론적인 접근으로 진행되고 있다. 위븐호 댐으로 배수되는 물을 통해 물 공급이 보충될 수 있도록 말이다.