2010년 10월 02일 (토)

 

환경부‘Eco-STAR Project’수처리선진화사업 연구과제 일환으로 수처리선진화사업단(사업단장 남궁 은  명지대학교 교수)과 함께 (주)한화건설(연구개발책임자 허형우 기술연구소장), (주)태영건설, 서울시상수도연구원에서 공동 연구·개발한‘고효율 집적형 저에너지 국산 침지식 막여과 정수처리 시설’의 건설공사가 지난 4월 완료돼, 8월까지 성공적으로 시운전을 마쳐, 이달부터 영등포정수장(아리수정수센터)에 급수시설로 적용되어 통수된다. 이를 통해 하루 2만5천㎥의 침지식 분리막 여과수가 서울시로 공급된다.

 

(주)한화건설은 국산 침지식 막여과 공정을 국내 최초로 중·대규모 정수시설에 도입함으로써 수처리 분야 기술력을 확보하고, 강화되는 수질기준에 안정적으로 대처할 수 있게 되었다.

 

이로 인해, 막여과 정수처리 시설에 대한 설계, 시공, 유지관리기술의 외산 기술과 대비 대등하거나 우수한 기술력을 검증했으며, 국내 정수시설 개량 및 신규공사에 참여, 2010년 현재까지 의령군 우곡정수장(6천㎥/일 규모), 대구시 공산정수장(4만㎥/일 규모) 개량공사 사업 2건을 수주했다.

 

▲ [그림 1] 영등포정수장 침지식 막여과시설 공정도. 기본공정도(왼쪽)와 영등포시설 공정도

영등포정수장 침지식 막여과시설 공정은 ‘HTM water system’(Hanwha Taeyoung Membrane water system)으로서,  In-line 혼화 → 응집 → 침지식 여과막 → 입상활성탄 공정으로 구성되어 있으며, 영등포정수장 침지식 막여과 시설의 경우, 막여과수는 처리수조를 거쳐 본 정수장의 후처리시설인 오존-활성탄조에 이송하여 1, 2정수장(25만㎥/일) 공정과 연계하도록 구성되어 있으며, 막여과수는 1, 2정수장 오존접촉지와 활성탄지를 거치고 서울시민에게 공급된다.

 

이 기술은 막오염지수를 이용한 분리막 자동제어 공기세정기술로 막오염제어에 필요한 송풍량을 최소화, 회수율을 최대 99%까지 극대화, 침전지를 두지 않고 설치부지를 최소화(기존 모래여과공정의 40%이상 절감)하고 크립토스포리디움 등과 같은 병원성 미생물이 완벽히 제거되는 정수처리기술이다.

▲ 영등포 정수장에 설치된 ‘고효율 집적형 저에너지 국산 침지식 막여과 정수처리 시설’의 건설공사 및 시운전이 성공적으로 완료되어, 10월 통수 예정이다. 사진은 영등포정수장 막여과 시설 조감도(왼쪽) 및 시설 외부전경.

막여과조는 [그림1]과 같이 6계열로 구성되어 있으며, 분리막은 각 막여과지에 침지되어 알루미늄 커버로 밀폐된 상태이다. 지하에는 각 막여과지와 연결된 막여과 및 역세펌프 등의 펌프류와 배관이 설치되어 있으며, 각 막여과지 별로 탁도 및 입자계수가 가능하여, 기준치(탁도 0.05. 입자계수 20개(2um 이상크기 입자) 이상이 검출될 경우, 해당 막여과지는 일시 정지되며, 막완결성시험을 자동으로 수행하게 된다. 이와 같이 막여과수의 수질에 대해서 실시간으로 분석해 자동제어가 가능하여, 안정적으로 공급할 수 있다.

 

‘고효율 집적형 저에너지 막여과 정수처리기술(HTM System)’은 환경부‘Eco-STAR Project’수처리선진화사업의 일환으로, 연구기간은 2004년 12월부터 2011년 5월까지 총 6.5년이며, 현재는 마지막 단계인 4단계(2차 년도) 연구과제를 수행 중에 있다. 

 

국내 환경산업을 주도하고 있는 (주)한화건설이 주관으로 연구·개발했다. 참여기업으로는 (주)태영건설이 있으며, 한국건설기술연구원, 건국대학교와 연세대학교에서 위탁연구과제를 수행했다.

 

서울시상수도연구원에서 2007년부터 2009년까지 구의정수장 막여과 실증플랜트를 통해 기술검증한 ‘HTM water system’은 국산 침지식 막여과 정수처리공정에 세계 최고 수준의 고효율·집적형·저에너지 유지관리기술이 개발 적용되어 선진 해외기술 대비 국산분리막 정수처리기술의 성능과 비용절감 면에서 높은 수준의 기술 경쟁력을 확보했다.

▲ [표 1] HTM water system 특징

‘HTM water system’의 고효율 고집적 저에너지화를 통해 병원성 미생물 99.99% 이상의 완벽한 처리성능과 기존 정수처리 공정 대비 부지면적을 50%까지 절감할 수 있고 기존 막여과 공정대비 유지관리비를 약 20%를 절감할 수 있는 장점이 있어 저에너지 녹색성장에 부합하는 기술이다.

 

‘HTM water system’은 환경신기술 인증(제117호) 및 검증(제270호)을 포함하여, 환경신기술 인증 2건, 검증 2건, 특허 등록 7건의 성과를 거둔 바 있다. 이러한 성과를 바탕으로 2009년에는 제1회 건설기술인협의 건설기술우수사례에 선정되었고 한국수자원공사와 2010년 환경신기술 사용협약을 맺어 기술의 우수성을 대내외적으로 인정받았다.

또한, 2004년 12월부터 6년간의 550톤/일 규모 실증플랜트의 장기 운영을 통해 침지식 막여과 정수처리 공정의 성능을 평가했으며, 이를 통해 환경신기술 인증 및 검증을 2건 취득했다. 영등포 시범정수장의 경우, 2007년 11월에 서울시 설계심의를 통과, 2009년 7월부터 건설공사를 수행하여 2010년 8월에 시설공사 및 시운전을 성공적으로 완료했다.

 

‘HTM water system’ 시범정수장 시운전 기간동안 (2010년 5월∼8월) 막여과수 탁도는 0.023∼0.041NTU(평균 0.025NTU)이며, 입자계수는 0∼11개(평균 5개 이하)로서 설계기준인 탁도 0.05NTU이하, 입자계수 20개 이하를 만족한다.

▲ 영등포정수장 침지식 막여과 시설 내부전경. 1층 막여과동(왼쪽)과 지하 펌프실.

현재 환경부에서는 시범사업이 진행되는 2009년부터 중장기 계획에 의거하여 국내 전체 정수장의 약 50%이상의 막여과 정수처리시설 개량 혹은 신규사업화를 추진하고 있으며, 침지식 막여과 정수처리기술의 경우, 사업실적 2건(의령군 우곡정수장과 대구시 공산정수장)을 기 확보하여, 이미 각 지방자치단체에서는 안정적으로 검증된 시스템으로서 관심을 가지고 있는 추세이다.

 

국내 막여과 정수처리 시장은 지속적으로 성장하여 2018년에는 약 4조 원 규모로 예상되고, 50% 이상 국산 막여과 시장 점유율이 예상된다. 이에 따라서 ‘HTM water system’의 사업화를 통해 연간 2천억 원 이상의 해외 시스템의 수입대체 효과가 기대된다.  

  

국내 상수원수의 취수원은 하천 및 호소수가 90%이상을 차지하고 있으며, 여름철 우수기와 같은 고탁도 기간에서 오염에 매우 취약한 구조이다. 미국 위스콘신주 밀워키에서는 1993년 모래여과 정수처리방식에서 병원성 미생물인 크립토스포리디움(Cryptos poridium) 오염사고로 40만여명의 환자가 발생하고 100여명이 사망하여, 정수처리시설에 대한 수질안정성에 관심이 더욱 모아지고 있다.

 

국내 정수처리 방식은 모래여과 중심의 재래식 방법이 대부분을 차지하고 있으며 강화되는 먹는물 수질기준을 만족하기 위해서는 기존 정수장의 개량과 신규정수장 설치사업이 요구된다.

 

이에 환경부에서는 2018년까지 점진적으로 막여과시설 개량 및 신규사업(약 4조원 시장)을 추진 계획하고 있으며, 수처리시장 개방에 따른 국내 막여과 정수처리산업의 기술 경쟁력을 제고하기 위해 정책적인 지원을 확대할 방침이다.

 

환경부에서는 최종적으로 국내의 정수처리 산업기반을 바탕으로 해외시장(2012년에는 약 60억 달러 이상)에 진출하는 것을 목표로 HTM water system의 저에너지 통합 패키지 운영시스템 개발을 지원하고 있으며, 국외 시장 진출을 위한 핵심전략이 될 것으로 기대하고 있다.

 

     코오롱인더스트리(주)    

막(membrane, 분리막)이란 특정 크기 또는 성분을 갖거나 서로 다른 상(phase)으로 존재하는 물질을 선택적으로 분리할 수 있는 소재이다. 최근 수자원의 질적 향상을 꾀하는 정수처리공정에서는 분리막으로 기존 공정을 대체 또는 보강하는 연구 및 사업화가 주도적으로 이루어지고 있다.

 

0.1um이하의 공극을 갖는 MF(micro filter)·UF(ultra filter)급 분리막을 이용하여 기존 모래여과나 다중여재여과(MMF, multi media filter)를 대체하는 연구와, 산업화를 위하여 원가 절감을 위한 소재 개발 및 운영비를 최소화하기 위한 최적화 연구가 수행되고 있다.

▲ ‘정수용 PVDF 보강막 및 중대형 침지식 모듈’ 공법이 적용된 뉴질랜드 와이코우아이티(Waikouaiti) 정수장

특히 2004년 11월부터 환경부 산하 수처리선진화사업단(사업단장 남궁 은 명지대학교 교수)의‘Eco-STAR’프로젝트를 통해 수처리 분야에서 세계 최첨단 소재인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 중공사막과 침지식·가압식 모듈이 순수 국내 기술로 최적 정수 공정과 함께 개발되어 총 5만㎥/일 규모의 영등포정수장 시범사업까지 5년이라는 단기간 내에 성공적으로 적용된 것은 매우 고무적인 일이다.

 

세계 최고 수준의 PVDF 보강막 및 침지식 모듈은 코오롱인더스트리(주)(연구개발책임자 신동철 Eco 연구소장)에 의해 개발되었고, 이를 (주)한화건설에서 개발한 고효율 집적형 저에너지 침지식 국산 막여과 시스템(2008년 12월에 환경신기술 인증 및 검증 획득)에 적용했다. 이 후, (주)한화건설에서 추진하는 영등포 시범정수장 중대형 규모(2만5천 톤/일)로 건설공사에 적용분리막을 납품했고, 이 시설은 2010년 8월까지 성공적인 시운전을 완료 후 2010년 이달부터 통수를 수행하고 있다. PVDF 단일막과 가압식 모듈은 H2L에 의해 개발됐다. 가압식의 경우는 대우건설이 개발했으며, 현재 시설공사 완료 후, 시운전 수행 중에 있다. 

▲ [그림 1] 정수용 PVDF 보강막 및 중대형 침지식 모듈 개발 추진 체계

대규모 정수처리장에 적용 가능한 고강도 PVDF 보강막 및 중대형 침지식 모듈 제조기술 개발은 [그림 1]과 같은 개발 추진체계를 통해 이뤄졌다. 개발된 분리막 모듈은 (주)한화건설과 (주)태영건설의 최적 시스템 개발 연구와 함께 단계적으로 100㎥/일, 550㎥/일 규모의 파일럿에 순차 적용했다.

장기운전평가를 성공적으로 완료했으며, (주)한화건설의 최고효율의 국산 막여과 시스템이 적용된 최종 2만5천㎥/일 규모의 시범사업에 개발 분리막이 적용되어 신뢰성을 검증했다. 최종적으로는 국내 정수시장 뿐 아니라 해외에까지 기술을 정수장 적용을 목표로 미국, 일본 등 세계에서 가장 까다로운 정수용 막 인증 제도에서 그 신뢰성을 인정받았다.

▲ 증평 폐수처리장 조감도.

코오롱인더스트리(주)에서 개발한 막은 보강막이며, 이는 보강재 위에 막을 코팅한 것으로 과거 운전중 잦은 파단 사고가 나던 단일막의 가장 심각한 문제점을 개선한 것이다. 이 막의 코팅강도는 선진사 제품의 2배 이상으로, 세계 최고의 코팅강도를 실현했다. 이는 1989년부터 20년 이상 중공사막만을 개발했고, 50년 이상의 PET, 나일론 원사 기술을 가지고 있는 코오롱인더스트리(주)의 특수 제품을 보강재로 적용한 바, 막과 보강재와의 접착력은 물론 접촉면적도 현저히 증가시킨데 기인한다.

 

또한 개발된 막은 세계 최초로 Wetting-free 성능을 가지고 있다. 이는 상시 글리세린 등 습윤제를 첨가해야만 하는 타 PVDF막과는 달리 건조된 상태로 운반되어 가볍게 취급될 수 있으며, 현장에서 물만으로 Wetting을 하여 제 성능을 구현할 수 있다.

 

이 성능은 영구적이므로, 재건조 후에도 막성능이 떨어지거나 없어지지 않는다. 이번에 개발된 막은 건조상태로 보관되므로, 직사광선을 피한다면 1년 이상의 긴 보관기간을 보장할 수 있다. 매 측정사이클마다 친수화가 지속적으로 이루어지며, 극성도 경쟁사 막보다 매우 높아 Wetting이 된 후의 여과성능이 현저히 높은 것을 알 수 있다.

 

모듈의 배제율은 미생물 뿐 아니라 최근 이슈가 되고 있는 원생동물(크립토스포리디움, 지아디아)의 그것도 매우 중요하다. 개발된 침지식 모듈의 이들에 대한 배재율을 측정하기 위하여 3um 비드(Bead) 배제 평가를 실시했다. 이와 함께 막 표면에 구멍 등 손상이 어느 정도 일어날 경우 99.99% 이상을 보장할 수 있는지도 확인했다. 결과 정상 모듈의 원생동물 배제율은 99.9999% 이상이며, 모듈 하나당 2개 정도의 손상구멍이 발생해도 무난하게 99.99% 이상의 배제율을 유지할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.

 

막의 모듈 접착강도가 모듈의 장기 내구성에 큰 영향을 준다. 이를 보증하기 위하여 막의 장기 수축률을 최소화해야 하며, 포팅제인 우레탄, 에폭시 등의 접착강도를 극대화해야 한다. 막의 수축률은 개발 초기부터 선진사 제품보다 우수했으나, 그 값을 60% 이상 대폭 줄였으며, 모듈의 접착면 구조, 우레탄의 접착강도를 개선해 매우 접착 강도가 큰 모듈을 개발할 수 있었다. 

 

▲ [그림 2] 코오롱 막·모듈의 우수성

▲ [그림 3] 침지식 모듈의 미생물 제거 성능

▲ [그림 4] 막 수축률 가속 평가 결과 비교

코오롱인더스트리(주)가 개발한 침지식 막·모듈은 정수, 하폐수, 산업용수, 해수담수화, 재이용 등 다양한 수처리 공정에 적용될 수 있으며, 국내외에서 점차 적용 범위를 넓혀가고 있다.

 

국내의 경우, 영등포정수장(2만5천㎥/일), 대구 공산정수장(4만㎥/일), 증평하수처리장(2천500㎥/일), 코오롱 구미공장 폐수처리장(1만㎥/일) 등에서, 해외의 경우 뉴질랜드 더니든(Dunedin) 정수장(2개소 총 4천800㎥/일), 중국 하이닉스 폐수처리장(2만5천㎥/일), 미국 코카콜라 폐수처리장(100㎥/일) 등에 적용되었다.

 

각종 수처리 공정에 막·모듈이 적용되는 시장은 빠른 속도로 커지고 있으며, 코오롱인더스트리(주)도 이에 발맞춰 생산용량을 증설하고 성능을 지속적으로 개선하는 등 적절하게 대응하고 있다. 이에 수처리용 막·모듈 매출실적도 빠르게 증가하고 있으며, 매출목표도 도전적으로 설정하고 있다.

 

코오롱 그룹 내에서 수처리 시장을 미래 핵심 사업으로 선정한 바, 수처리용 약품, 자재부터 시작하여, 플랜트 엔지니어링, 토목·건축, 운영에 이르기까지 다양한 분야로의 파급효과까지 고려한다면, 2011년까지 1조 원 규모로 관련 사업을 성장시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.