2010년 11월 08일 (월)

 

세계 물 시장 규모는 2010년 약 580조 원에서, 2025년에는 1천조 원에 이를 것으로 전망되고 있다. 이러한 물 시장에서 수질악화, 난분해성 오염물질 증가, 환경규제 강화 등으로 인하여 막여과 시장이 급속히 성장하고, 막여과를 이용한 고도 수처리 및 지능형 물생산·공급 시스템으로 기술 패러다임이 변화하고 있다.   이러한 물 시장의 성장과 수처리 기술 패러다임의 변화에 대응하기 위하여 환경부는 2004년 ‘Eco-STAR Project’ 수처리선진화사업단(단장 남궁은, 명지대 교수)을 발족시키고, 수처리 기술의 핵심인 가압식 및 침지식 분리막 모듈의 개발과 이를 이용한 고도정수처리 공정 개발에 박차를 가하여, 현재 순수 국내 기술로 개발된 가압식·침지식 막여과 고도정수처리시설이 각각 하루 생산량 2만5천㎥씩 총 5만㎥/일 규모의 영등포 정수장에 설치되어 시운전 중에 있다.    이는 그동안 일본, 미국, 독일 등 선진국 일부 기업들에 의해 독점되어온 정수처리의 핵심 부품소재기술인 분리막 기술의 국산화와 양산화 성공을 통한 상용화에 이르기까지, 6년의 단기간에 이루어진 국가연구개발사업의 가장 대표적인 성공 모델로서 기록될 전망이다. 본지는 환경부‘Eco-STAR Project’수처리 선진화 사업으로 막여과 정수처리 기술을 선도하고 있는 기업들의 가압식 공법 적용 사례를 지난호 침지식 공법 적용사례에 이어 게재한다.

 

환경신기술 인증 2건과 검증 1건을 획득하여 기술의 우수성과 신규성을 대외적으로 인정받고, 막여과 정수처리 기술과 관련한 국내 특허 등록 4건, 출원 9건, 해외 특허 출원 9건, 국내·외 논문 32건 게재 및 발표 등의 지적 재산권을 확보했다.

 

이러한 연구개발의 최종 결정체인 국산 기술로 이루어진 최첨단 가압식 막여과 고도정수처리 실증화 시설은 2010년 9월부터 3개월간 성공적으로 시운전을 마치고 시민들에게 공급될 예정이다.

▲ (주)대우건설은 ‘중대형 막분리 고도정수처리 시스템 개발 및 상용화’과제를 현재까지 약 6년간 진행, 기술력을 인정받아 영등포 막여과 정수장에 하루 2만5천 톤의 먹는 물을 생산할 수 있는 시설을 설치하여 서울시민에게 직접 공급할 수 있게 됐다. 사진은 영등포 정수장 가압식 막여과 시설.

(주)대우건설은 장기간의 파일럿 플랜트 설계, 시공 및 운영을 통한 풍부한 현장경험과 기술력을 통해 설계, 시공 및 운영기술을 해외 선진기술과 동등한 수준으로 발전시켰으며, 국산 기술로 개발된 가압식막을 적용한 정수처리 운영기술과 수질의 안정성을 확보했다.

 

이를 통해 기술력을 인정받아 영등포 막여과 정수장에 하루 2만5천 톤의 먹는 물을 생산할 수 있는 실증화 시설을 설치하여 서울시민에게 직접 공급할 수 있게 됐다. 국내 최초 그리고 세계 최고 기술 수준의 대규모 국산 가압식 막여과 시설의 준공 및 가동은 향후 국내 막여과 시설 도입을 촉진하는 중대한 계기로 작용할 것으로 기대됨과 동시에 급속하게 성장하고 있는 세계 고도 수처리 산업 시장에서 해외 선진 기술과 당당히 경쟁하고, 3% 이상의 점유율을 달성할 수 있는 순수 국산 기술의 경쟁력을 확보할 것으로 기대되고 있다.

▲ [그림 1] 첨단 가압식 막여과 시스템 개발 위한 연구추진 단계

국산 기술로 달성된 가압식 막여과 정수처리 기술은 [그림 2]와 같이 구성되어 있으며, 생산된 처리수는 영등포 정수장의 고도처리시설인 오존 접촉조와 입상활성탄 접촉조로 이송된 후 보다 더 안전한 수질의 먹는 물 상태로 시민들의 수도꼭지까지 공급된다.

 

또한, 영등포 정수장이 원수로 사용하는 한강 수질의 변동에도 가변적 운전을 통한 양질의 먹는 물 생산이 가능하며, 기존 모래여과 정수처리 공정인 급속여과 방식에 비해 탁월한 탁질, 조류, 병원성 미생물의 제거로 먹는 물 신뢰성을 확보할 수 있다.

 

특히 1990년대 미국과 일본에서 발생한 수돗물을 통한 수인성 질환 발병 사건의 원인인 크립토스포리디움(Cryptosporidium)이나 지아디아(Giardia) 등과 같은 내염소성 원생동물을 완벽히 분리막에서 제거함으로써 시민들의 건강을 보장할 수 있다. 또한 분리막의 우수한 오염물질 제거 능력으로 소독공정에서 소량의 염소사용을 통한 소독 부산물의 저감이 가능하다.

 

이 정수처리 기술은 시민들에게 공급되는 먹는 물 수질의 연속 감시와 주기적인 먹는 물 수질항목에 대한 시험을 실시하여 먹는 물의 안전성 확보를 유지함과 동시에 막에서 발생할 수 있는 파단, 열화 등에 의한 수질오염 문제에 적극적으로 대응할 수 있도록 막의 완결성 시험방안을 구축했다.

 

우선 간접적 완결성 시험을 실시하기 위해 막여과 최종 처리수에 온라인 탁도계와 입자계수기를 설치하여 실시간 처리수의 탁도와 입자수를 모니터링할 수 있도록 했다. 간접적 시험 단계에서 판단할 수 없는 부분에 대해서는 직접적 완결성 시험의 방법으로 압력 감쇄시험인 Pressure Decay Test(PDT)와 기포시험(Bubble Test)을 실시하도록 문제 대처 방안을 마련했으며, 막의 이상 유무를 감지하여 시민들에게 공급되는 먹는 물에 발생할 수 있는 수질 안전성 문제를 사전 차단하도록 했다.

▲ [그림 2] 영등포 정수장 가압식 막여과 시설 공정도

영등포 정수장에 설치된 가압식 막여과 정수처리 시설은 높은 에너지 소모라는 부분에 대한 기존의 단점을 응집조 축소와 유지세정을 통한 구동압력(TMP) 관리로 가압 펌프의 소요 전력량을 절감함으로써 해결했으며, 응집제 사용량을 기존 정수처리 공정의 약 60% 수준으로 감소하여 슬러지 발생량을 감소시키고, 여과수 회수율을 극대화함으로 배출수의 발생량을 최소화하여 환경오염 부하를 절감하도록 했다.

 

전력량 절감과 환경오염 부하 절감은 차세대 먹는 물 생산 공정인 막여과시설 도입으로 지속발전가능한 상수도 녹색기술을 선도, 국내 수도기술과 물산업 발전에 주도적 역할을 수행하는데 기여할 수 있을 것으로 기대 받고 있다. 
 
User-friendly 유비쿼터스 공정관리 시스템 적용

이 기술은 우리나라의 앞선 IT기술을 접목, 자동 제어시스템을 도입함으로써 무인화·자동화 시스템을 구성했으며 사무실 또는 사전 승인된 외부 컴퓨터로 원격제어 할 수 있는 운전자 친화적인 인터페이스를 구축했다.

 

정수장에 설치되고 운전되는 모든 기기 작동이력 및 수질과 운영 데이터를 모니터링 하도록 하여 현장에 운전자가 없는 경우에도 컴퓨터로 제어된 내용과 기록된 사항들을 파악할 수 있도록 설정했기 때문에 전문적 관리기술 및 운전관리요원의 상주가 필요치 않으며, 시설의 이상 유무를 실시간으로 파악할 수 있고 수돗물 생산 전 공정이 컴퓨터 및 유·무선으로 제어되는 유비쿼터스 공정관리 시스템으로 아리수 모든 생산과정을 24시간 꼼꼼히 관리할 수 있다.

 

이러한 장점은 현장 운영과 관련된 비용을 절감하여 시스템의 경제성을 향상시켰으며, 중·대규모 정수장 뿐만 아니라 운전요원의 상주가 어려운 지역단위의 소규모 마을단위 상수도 시설과 기존 노후화된 대용량 정수처리시설에도 적용 및 개량이 용이하도록 했다.

 

(주)대우건설은 영등포 정수장에 가압식 막여과 설비에 대한 설계 및 시공 완성도를 향상시키기 위해 압력 및 유량 분배 해석과 설비, 배관에 대한 3D 모델링 해석을 실시했다. 영등포 정수장에 설치된 가압식 막여과 설비는 6계열이 설치되었고 각 계열에는 42개의 막이 연결되어 있으며, 안정적으로 운전이 이루어지기 위해서는 이 42개의 막에 모두 일정한 압력과 유량이 분포되어야 한다. 따라서 압력 및 유량 분배 해석을 [그림 3]과 같이 실시했으며, 유동해석 결과 압력과 유량 모두 일정하게 분포되는 것을 확인할 수 있었다.

 

또한 가압식 막여과 시설의 구성요소와 각 배관 설치 상황을 [그림 3]과 같이 3D 모델링을 통해 시각화시켜 설계를 검토했다. 이러한 검토과정을 통해 시공에서 발생할 수 있는 오차들의 수정을 실시했으며 공기 지연 발생요인들을 사전 차단함으로써 시공의 완성도를 높일 수 있었다.

 

▲ [그림 3] 영등포 정수장 가압식 막여과 시설 압력 및 유량 분배 해석

▲ [그림 4] 영등포 정수장 가압식 막여과 시설 3D 모델링 해석

환경부‘Eco-STAR Project’수처리선진화사업단의 지원으로 (주)대우건설에서 개발한 국산 가압식 막여과 고도정수처리 기술은 혼화·2단응집·상향류식 오리피스 경사판 침전지를 이용하여 탁도 및 용존유기물질을 제거하고, 막 오염에 대한 부하를 경감시킬 수 있는 전처리 공정과 탁도 물질, 내염소성 병원 미생물을 효과적으로 제거할 수 있는 배제율 높은 정밀 여과막으로 구성되어 있는 것을 큰 특징으로 한다.

 

특히 실용화를 위해 국내 자체 기술로 제작된 국산 가압식 막을 사용하여 장기간 테스트를 실시하여 시스템의 국산화 및 신뢰성을 확장시켰으며 철저한 검증을 실시 한 후 영등포 정수장에 설치되었다.

▲ 국산 가압식 막여과 고도정수처리 기술은 설계, 시공 및 운영기술을 확보함으로써 사업비 절감은 물론 향후 해외 정수시장에 진출할 수 있는 핵심기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 사진은 영등포 정수장 지하층 막여과 부대시설 전경.

막여과 정수처리 기술의 국산화 달성은 향후 강화되는 먹는 물 수질기준에 의거하여 정수장에 도입이 활성화 될 것이라 예상되는 상황에서 국산 기술의 경쟁력을 향상시키고 해외 기술의 의존도를 축소시켜 기술의 독립성과 자립성을 높일 수 있는 계기를 마련한 것으로 평가받고 있다.

 

국산 가압식 막여과 고도정수처리 기술은 신설되는 고도처리 정수장 건설사업은 물론, 정수시설이 노후하여 설비의 개량이 필요한 정수장과 원수의 수질악화로 기존 처리공정으로는 처리 수질을 달성할 수 없는 정수장, 그리고 점차 강화되는 정수 수질기준을 만족하지 못하는 정수장 등의 공정 개선 사업에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 막여과 고도정수처리 공정의 설계, 시공 및 운영기술을 확보함으로써 사업비 절감은 물론 향후 해외 정수시장에 진출할 수 있는 핵심기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

현재 국내의 막여과 관련 시장 규모는 약 200억 원으로 향후 3년 뒤에는 약 4천500억 원 규모의 시장으로 급성장할 것으로 예상되고 있다. 또한 세계 막여과 산업 시장은 3년 뒤 1조180억 원으로 성장할 것으로 전문가들은 예상하고 있다.

 

급격히 성장하는 막여과 산업 시장에서 국산 기술로 무장하고 당당히 세계 선진 물산업 전문 기업들과 경쟁하기 위해서는 기술력과 기술에 대한 신뢰성이 바탕이 되어야 한다. (주)대우건설은 세계 기술과 어깨를 나란히 할 수 있는 국산 가압식 막여과 기술을 개발 완료함으로써 3년 후에는 세계 시장 점유율 10위를 달성, 국내 기술이 세계 막여과 산업시장으로 뻗어 나갈 수 있는 선두주자로서의 역할을 수행해 나갈 것으로 기대된다.

 

내구성·내화학성 뛰어난 PVDF
중공사막 및 가압식 모듈 개발
머리카락 굵기의 1/2,000 구현…정수용 분리막 모듈 국산화 성공

 

환경부‘Eco-STAR Project’수처리 선진화 사업 초기인 2004년에는 국내 정수용 분리막 제조 기술이 전무했다. 당시 분리막 소재의 주류를 이루던 폴리설폰(Polysulfone)이나 폴리이서설폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴로니트릴 공중합체(Polyacrylonitrile copolymer) 등과 같은 소재가 아닌 내구성과 내화학성, 특히 내염소성이 뛰어나고, 오염 저항성이 우수한 Polyvinylidene fluoride(PVDF) 소재를 채택했을 때 학계와 전문가들의 많은 우려가 있었다.
 

▲ 에치투엘(주)은 국내 최초로 정수처리용 가압식 중공사막 모듈을 개발했다. 사진은 연간 생산량 23만㎡ 규모의 화성 양산공장 전경.

이러한 우려를 불식시키고, 각고의 노력끝에 현재 세계 최고 수준과 대등한 정수용 분리막을 개발함으로써 고도 수처리 부분에 국산 원천기술 적용이 가능해졌다.

 

가압식 분리막 및 모듈은 2007년 뒤늦게 분리막 제조 분야에 참여한 에치투엘(주)(연구책임자 김종표 기술연구소장)에 의해 개발됐고, (주)대우건설 연구팀은 2008년부터 약 18개월간 구의아리수정수센터에서 Pilot 규모의 가압식 막여과 고도정수처리 공정에 대한 성능평가와 운전 최적인자 도출을 하여 영등포 막여과 고도정수처리 시설에 도입하여 현재 시운전 중에 있다.

 

가압식 분리막 및 모듈의 개발은 뒤늦게 연구사업에 참여한 중소기업인 에치투엘(주)의 개발 열정과 수많은 실태를 통한 기술습득은 물론 수처리선진화사업단의 적절한 개발 방향 설정과 과제관리방법이 합작하여 이루어낸 대표적인 연구개발사업 관리의 성공사례라 할 수 있다.

 

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

중소기업으로서 초기 에치투엘(주)은 누구보다 큰 개발열정을 가지고 있었으나, 연구개발의 방향 설정의 한계와 전문인력의 부족으로, 연구성과를 이루지 못하고 있었다. 이에 수처리선진화사업단에서는 연구개발 주체인 에치투엘은 물론, 가압식 막여과 고도정수처리 공정 개발기관인 (주)대우건설과 한국건설기술연구원 등 각계 관련 전문가로 구성된 전문가 회의를 지속적으로 걸쳐 진행했으며, 연구 추진 전략 설정과 단기목표 설정, 장기목표 설정에 따른 실행결과의 확인, 문제점에 대한 전문가 의견 제시 등을 진행하면서 가압식 분리막의 개발은 급속도로 진전되었다.

 

기존의 분리막이 쉽게 단사되고, 초기 막여과 압력(TMP, Transmembrane pressure)이 높게 형성될 뿐만 아니라 막오염이 단기간에 진행되어 정유량 공정에서 막여과 압력이 급격히 상승하는 문제점이 있어 이를 해결하기 위한 목표설정과 설정된 목표에 따른 수행방법이 논의되었고, 드디어 분리활성층인 중공사막의 외부표면에서의 기공크기가 50㎚ 수준의 비대칭막이 탄생했다.

▲ [그림 2] 에치투엘(주)에서 개발한 정수용 분리막 표면 SEM

이는 머리카락 굵기의 2천분의 1정도의 작은 기공으로서, 1993년 미국 밀워키에서 최소 47명이 숨지고 37만 명 이상이 질병으로 고통받았던 수질 오염사고의 주범인 크립토포리디움(Cryptosporidium)보다 최소 6천분 1 정도에 지나지 않는 나노 사이즈의 구멍을 표면에 무수히 가지고 있어 물 속에 존재하는 병원성 미생물이나 탁질 물질은 물론이고 바이러스까지 제거할 수 있다.

 

이렇게 작은 기공을 가지고 있음에도 불구하고 구의아리수정수센터에서 평가한 결과에 의하면 물 투과 성능은 1.5m/일의 여과속도에서 막여과 압력이 20∼80kPa 수준으로 매우 낮게 나타났으며, 여름철 홍수시 100NTU 이상의 고탁도 유입시에도 20∼30kPa 정도의 막여과 압력을 나타내어 매우 안정적으로 운영되었다.  

   

▲ 코엑스 인터콘티넨탈 호텔에 설치되어 운영중인 국산가압식 시설.

에치투엘에서 개발한 정수용 PVDF 중공사막은, 표면의 기공을 작게 만들어 오염물이 분리막의 기공 속으로 유입되어 기공벽에 흡착되는 것을 원천적으로 방지함으로써 막오염을 개선하면서 동시에 처리수질을 좋게 한다.

 

또한, 막표면의 얇은 활성층과 이를 지지하는 수 마이크론의 큰 기공을 갖는 지지층으로 나누어, 일단 얇은 막표면을 통과한 물은 분리막의 저항을 거의 받지 않고 중심부의 처리수 통로로 빠져나가게 하여 낮은 막여과압력을 구현할 수 있도록 했다.

 

두꺼운 지지층은 얇은 분리 활성층을 보호할 뿐만 아니라, 분리막이 단사되는 것을 방지하는 역할을 수행하고 있으며, 지지층과 분리 활성층 사이에는 대략 0.2∼0.5 마이크론 정도의 기공을 갖는 2차 분리 활성층이 있어서, 표면의 분리 활성층이 붕괴되더라도 병원성 미생물이나 입자 등에 의한 수질사고를 방지할 수 있는 안전판 역할을 할 수 있도록 제조된 독특한 구조로 이루어져 있다.

 

 

국내 최초로 개발된 에치투엘(주)의 정수처리용 가압식 PVDF 중공사막 모듈은 2008년 9월 미국위생협회(NSF) 인증 획득은 물론 국내 정수장에 도입하기 위해 반드시 받아야 하는 한국상하수도협회 단체표준표시 인증을 최초로 받았으며, 2010년 ‘장영실상’을 수상함으로써 국내외적으로 그 기술력을 인정받고 있다.

 

2008년 5월 개발된 분리막은 서울 인터콘티넨탈호텔 400㎥/일 규모의 재이용수 시설에 도입되어 현재까지 가동되고 있으며, 호텔 측에 의하면 연간 1억2천만 원 이상의 비용 절감효과를 얻고 있는 것으로 나타났으며, 모든 유지관리는 원격제어 장치를 통해 자동제어 되고 있다.

 

또한 국내 최초로 국산막을 이용한 정수시설을 영덕 지품 정수장에 설치하여 2009년 12월부터 가동에 들어갔다. 이 정수장 또한 에치투엘(주)의 원격제어 프로그램에 의해 유지 관리되고 있어, 실제 정수장은 무인화로 운전되고 있다.

 

▲ 경북 영덕지품 정수장(오른쪽)에 설치되어 운영중인 국산 가압식 시설.

에치투엘은 이러한 기술개발 성공을 토대로 물산업의 핵심기술인 분리막 분야 기술선도와 시장 선도를 위해서 2009년 하반기부터 과감한 투자를 단행, 화성시 발안산업단지 내에 연 생산량 23만㎡ 규모의 국내 최대 수처리용 분리막 생산공장을 완공하고 2010년 5월부터 가동에 들어갔다.

양산공정에서 제조된 분리막 모듈은 현재 영등포 시범정수장에 납품되었고, 향후 국내 정수장은 물론, 중국과 미국 등의 정수시설과 하수 재이용 시설, 해수담수화 전처리 등에 납품될 계획을 가지고 있다.

 

에치투엘은 비록 중소기업이지만 미래 수처리의 핵심기술이 분리막 분야임을 인지하고, 2007년 이래 매년 20∼30% 이상을 연구개발비로 과감하게 투자하면서 기술개발을 이루었다.

 

향후 분리막 및 모듈의 개선과 제품의 다양화, 막여과 공정 개발을 통하여, 정수뿐만 아니라 해수담수화 전처리, 건물 중수도, 빗물처리 시설, 하수 재이용 분야, 선박 평형수 처리 등 다양한 분야 적용을 통해 수처리용 분리막 시장의 선도 기업으로 성장할 것으로 기대된다.