[출처 = 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2011년 6월호 특집 기사 / 원문은 파일첨부 참조]

 

 

▲ 윤 여 민 교수 미국 사우스캐롤라이나 주립대학교

현재 전세계 인구는 70억 명 정도이며, 50∼100년 이후에는 약 100억 명 정도로 증가할 것으로 예상된다. 이러한 인구 증가로 인한 물 수요 증가로 전세계의 물 시장 규모가 커질 전망이다. 한국의 물 시장은 오는 2016년 세계 7위 정도의 규모를 가질 것으로 보인다.

 

이처럼 물 시장 규모의 증가에 따라 고도처리 또한 필수적으로 요구되고 있다. 물론 ‘여러 고도처리 방법 중에서 왜 멤브레인을 이용해야 하는가?’라는 의문이 들 수 있다. 멤브레인은 다수의 장점과 약간의 단점을 갖고 있다.

 

장점으로는 2차 부산물이 형성되지 않고, 다른 고도정수처리에 비해 운전이 간편한 점을 꼽을 수 있다. 물론 멤브레인의 단점이라 할 수 있는 짧은 수명, 제한적인 선택성, 고비용과 같은 부분이 있지만 이런 점들은 현재 기술력으로 많이 극복되고 있다.

 

이러한 기술력을 바탕으로 세계 멤브레인 시장은 2016년까지 급격히 성장할 전망이다. 지난 2010년부터 2016년까지 RO(Reverse Osmosis, 역삼투막) 및 NF(Nano Filtration, 나노여과막) 멤브레인 세계 시장 규모는 6∼7조 원정도 될 것이다.

 

또 UF(Ultra Filtration, 한외여과막) 및 MF(Micro Filtration, 정밀여과막) 멤브레인의 경우 하수와 정수처리 공정에서 선진국과 북아메리카나 유럽, 동아시아, 환태평양에 있는 국가들을 중심으로 기하급수적으로 증가할 것으로 예상된다.

▲ [그림1] 2016년 세계 물 시장 규모 예측 동향 (단위 : 달러)

▲ [그림2] 2007∼2016년 국가별 물 시장 성장 규모 예측 동향

이처럼 멤브레인 시장이 급격하게 증가하는 원동력으로 △기후변화에 따른 수자원 감소 △수질 악화 △바닷물·하수처리장 방류수 재이용이 필요한 상황 등을 꼽을 수 있다.

 

또한, 미국의 정수나 하수처리 분야의 연구제안서 분포를 보면, 멤브레인 분야가 20∼25%, 미량유해물질 관련된 제안서가 20∼25%, 나노기술에 대한 제안서가 20∼25%, 나머지가 기존의 오존처리 등과 같은 고도처리 공법을 업그레이드하는 것이었다.

 

이는 곧 향후 미국의 연구 방향이 이렇게 진행될 것임을 뜻하는 것이다. 따라서 10년 후를 바라본다면 멤브레인은 앞으로 지속적으로 발전할 수밖에 없다. 2016년 예측 동향을 보면, 고도처리 공법 중에서 멤브레인 시장은 전체의 20∼25%정도를 차지할 것으로 보인다.

 

그렇다면 왜 고도정수처리가 필요한 것인가에 대해 미국 음용수 기준의 변화 과정을 통해 설명하겠다. 현재 미국의 음용수 기준은 지난 5년, 10년, 15년간 상당히 강화돼왔다. 미국은 지난 1999년부터 먹는물 기준에 현재 규제를 받고 있지 않는 오염물질에 대해 ‘오염물질 후보리스트’(CCL, Contaminant Candidate List)를 작성하고 있다.

 

현재는 목록에 추가할 116개의 오염물질 후보자를 갖고 있으며, 75개의 물질은 신규 오염물질이고 이들 대부분이 미량유해물질이다. 그 중에서도 과연소산염(perchlorate)은 가장 유력한 오염물질 후보로 꼽을 수 있다. 이제 이러한 미량유해물질이 미국과 한국에서 어떤 식으로 검출되고 있고, 멤브레인을 포함한 수처리 공법에서 어떤식으로 제거·저감되는지 알아보겠다.

▲ [그림3] 2007∼2016년 UF·MR 멤브레인 지역별 성장 규모 (단위 : 달러)

현재 미국에서는 10만 개 정도의 인위적 물질에 대해 내분비 장애성 조사를 하고 있다. 물론 오염물질이 너무 많기 때문에, 자연계에서 1㎍/L 이상의 인공적인 물질들이 발생될 경우, 이런 물질을 생산하는 업체에서 물질의 정도를 조사하게끔 요구하고 있다.

 

미국에서는 지난 2002년 광범위한 미량유해물질 조사를 실시해 발표했는데, 공업용수, 생활용수, 산업용수로 오염된 142개 지역에서 100개 정도의 미량유해물질을 발견했다.

 

한국에서는 지난 2008년 중앙대학교 연구팀과 한강 상류, 중류, 하류 그리고 4개의 하천, 11개 지역의 주요하수처리장 방류수역에서 미리 정해놓은 35개의 미량유해물질이 얼마나 검출됐는가를 조사했다. 그 결과 19개의 의약품, 5개의 호르몬 그리고 7개의 화학약품이 검출됐다. 조사지역에서 검출된 35개 미량유해물질의 총 농도를 비교해보면 한강 상류가 가장 낮은 농도를 보였고, 그 다음이 하류, 그리고 하천에서 가장 높은 농도의 미량유해물질이 검출됐다.

 

물론 우리나라는 상류에서 원수를 공급받기 때문에 확률은 적은 편이지만, 만약 이런 많은 오염물질들이 우리가 원수로 사용하고 있는 물에서 나왔을 때, 지금 사용하고 있는 전통적인 방식이나 고도정수처리 공법을 통해 이런 물질들이 제거되는가에 대해 살펴보겠다.

 

분말 활성탄의 경우 소수성이 강한 물질은 80∼90% 이상 제거하면서 소수성이 있는 유기물질 제거에 효과적인 것으로 알려져 있으나, 소수성이 강하더라도 제거율이 높지 않은 경우도 있어 하나의 결과만을 가지고 일반화 할 수는 없다.

 

소독용수를 이용한 미량유해물질 제거는, 일반적으로 사용하는 염소소독을 통해 많은 물질들이 80∼90% 이상이 제거된다. pH가 낮을수록 좀 더 많은 제거율을 보이고 오존을 사용할 경우 염소소독보다 조금 더 많은 산화효과를 얻었으나 산소가 있는 화학약품은 제거율이 낮았다.

 

미량유해물질을 산화에 의해 90% 이상 제거했을 때, 제거된 물질의 독성에 대한 연구를 한 바 있다. 사람의 암세포를 이용한 연구로, 확산효과(PE, Proliferation Effect)는 산화된 물질을 투여했을 때 암세포의 증가 비율과 산화되지 않은 물질을 투여했을 때 암세포의 증가비율에서 PE가 1보다 높으면 독성이 있는 것이고 PE가 1보다 낮으면 독성이 떨어지는 것이다.

 

그 결과 모든 실험에서 PE가 2 이상으로 산화된 물질에 독성이 있다는 연구결과를 얻었다. 따라서 산화에 의한 저감은 바람직하지 않다.

 

 

 

▲ 멤브레인의 경우 하수와 정수처리 공정에서 선진국과 북아메리카나 유럽, 동아시아, 환태평양에 있는 국가들을 중심으로 기하급수적으로 증가할 것으로 예상된다.

NF 및 UF 멤브레인은 극성이 없거나 소수성인 물체를 흡착에 의해 50∼80% 제거했으며 UF와 RO멤브레인을 이용하면 다양한 미량유해물질을 제거할 수 있었다.

 

UF 멤브레인의 경우 제거율의 변화는 없었으나 RO멤브레인은 모든 물질에 대해 검출 기준 이하로 제거했다. 따라서 모든 물질을 제거하고자 할 경우 RO멤브레인을 사용할 수 있으나 이는 현실적으로 불가능하다.

 

대표적인 미량유해물질로 언급한 과연소산염은 분말형 탄약 성분에 많이 포함돼있는 화학물질로, 갑상선 호르몬을 방해해 갑상선 암을 유발시킨다는 연구결과가 있다. 미국의 경우 34개 주에서 검출되었는데, 아직 연방정부의 규제는 없고 각 주의 권고 기준만 있다.

 

미국 국방부는 지난 1990년부터 2009년까지 200억 원을 들여 육·해·공군 101개 기지에 대해서 지하수, 지표수, 토양에 대해 오염도를 조사했으며, 모두 높은 농도의 과연소산염이 검출됐다. 그래서 이를 줄이고자 연구를 진행했고, 현재는 그 기술이 많이 정리된 상태이다.

 

한국 우유·분유, 과연소산염 검출
한국에서는 지난 2006년 낙동강 하수처리장에서 과연소산염이 다량 검출됐다. 당시 한 달만에 주요 원인 인자가 전자회사에서 사용하는 세제용수라는 것을 찾아냈고, 그 회사의 세정제를 다른 것으로 교체하는 조치를 취하는 것으로 마무리 됐다.

 

우리가 실시한 음용수, 분유, 우유의 과연소산염 농도 조사의 결과에 따르면 국내 우유 37개, 분유 21개에서 미국이나 일본의 연구결과보다 상대적으로 높은 농도의 과연소산염이 검출됐다. 이는 과연소산염이 포함된 물을 마신 소가 우유를 생산하고, 그 우유로 분유를 생산하기 때문인 것으로 추측하고 있다.

 

또, 국내의 520개 수돗물과 48개 생수, 9개 바닷물을 대상으로한 조사에서는 수돗물과 생수는 낮은 농도의 과연소산염이 검출됐으나 바닷물은 상대적으로 높게 검출됐다. 수돗물에서 상대적으로 높은 과연소산염이 검출된 지역은 대구, 경북, 부산, 경남 지역 등이었다.

 

과연소산염을 저감하는 방법은 여러 가지가 있으나 이온교환이 가장 효과적이고 RO멤브레인이 그 다음으로 효과적이다. 내염소성 역삼투막(Loose RO)의 경우 90∼95%이상이 과연소산염을 제거했고, 또 다른 연구에서는 같은 멤브레인을 사용해서 과연소산염과 크롬, 비소와 같은 물질을 90∼95% 이상 효과적으로 제거했다.

▲ [그림4] 국내 수돗물의 과연소산염 농도 비교 (단위 : ㎍/L)

‘스마트 솔루션’이란 일반적으로 깨끗하지 않은 바닷물이나 빗물, 그리고 하수처리된 폐수를 먹는 물로 사용하도록, 기존에 가지고 있는 기술력에서 5∼10%정도 성과율을 높이고, 에너지와 화학약품 사용량은 줄이는 친환경·저비용의 기술이라고 생각한다.

 

3년 반 동안 컨설팅 엔지니어링 회사에서 근무를 한 적이 있었는데, 그 당시 같은 시스템을 가지고서도 경험이 많은 엔지니어들이 그렇지 않은 엔지니어들보다 5∼10%정도 효율을 높이고 에너지 사용을 낮추는 것을 보았다.

 

한국에서의 수처리 분야 엔지니어링 회사가 축적한 경험은 많게는 20∼30년 정도로 알고 있다. 그러나 미국 등의 다른 선진국들의 경험은 80100년이기 때문에 그들의 노하우를 받아들여야 한다. 또, 노하우를 쌓을 때까지 엔지니어링 컨설팅 회사에게 적절한 임금을 지불하는 것도 한 방법이다.

 

현재 미량유해물질이 많이 발생하고 있으나, 이런 물질들은 어느 한가지 기술만으로는 처리가 힘들기 때문에 멤브레인, 오존, 활성탄, 전통적인 응집방법 등을 적절하게 결합해서 처리해야 시너지 효과가 있다. 이와 더불어 이 분야에 대해 연구하는 사람들은 새로운 기술을 개발해, 향후 더 좋은 기술로 발전시켜 나가는 것이 스마트한 솔루션이라고 생각한다.

 

 

본 자료는 환경부 ‘Eco-STAR Project’ 수처리선진화사업단이 고도정수처리의 핵심 기술로 주목받고 있는 막여과 기술의 국내·국제 동향 및 시장 전망을 알아보기 위해 지난 2011년 3월9일 코엑스에서 열린 ‘막여과 고도정수 국제심포지엄’에서 발표된 내용을 녹음·번역한 것임을 알려 드립니다.

 
                                                           [출처: 『워터저널』(www.waterjournal.co.kr) 2011년 6월호]