환경부 글로벌 탑 프로젝트(Global Top Project)

2020년 환경기술 ‘Global Top 5’ 진입 위한 세계 수준 하·폐수 고도처리기술 확보가 목표 1단계 사업 첫걸음인 1차 워크샵 성공적으로 마무리 (2016년 4월까지 5년)

 

 

▲ 2011년 5월 발족된 환경부 Global Top Project 하·폐수고도처리기술개발사업단은 지난 1월11∼12일 양일간 충남 태안 리솜오션캐슬에서 연구개발사업에 참여하는 산·학·연 관계자 120여 명이 참석한 가운데 연구사업의 중간진도를 점검하고 기술정보를 교류하는 워크샵을 개최했다.

 

세계 최고 수준의 하·폐수 고도처리 기술개발을 통해 국내 수질환경 개선에 기여함은 물론, 세계 수처리 시장에서 국내기업의 경쟁력을 높이기 위해 2011년 5월 발족된 환경부 글로벌 탑 프로젝트(Global Top Project) 하·폐수고도처리기술개발사업단(단장 김지태, 경기대학교 환경에너지공학과 교수)이 지난 1월11∼12일 충남 태안 리솜오션캐슬에서 연구개발사업에 참여하는 산·학·연 관계자 120여 명이 참석한 가운데 연구사업의 중간 진도를 점검하고 기술정보를 교류하는 워크샵을 개최했다.

2011년 8월 전문가 평가를 통해 △하·폐수 방류수질 고품질화와 재이용수 생산을 위한 시스템 구축(Part A) △수처리 플랜트에서 에너지 자립률 제고와 자원순환 시스템 구축(Part B) △수처리 플랜트에서 IT 융·복합 기반 지능형 운전 및 운영관리 핵심기술개발(Part C) 등 3개 중점 분야에서 총 18개 세부과제에 참여하는 32개 산·학·연 연구과제 수행기관이 선정됐다.

▲ 김지태 단장(경기대 환경에너지공학과 교수)이 환경부 Global Top Project 하·폐수고도처리기술개발사업단의 중점 개발 기술과 추진 목표에 대해 설명하고 있다.

이번 워크샵에서는 1차년도 연구개발사업의 중간 진도를 점검하는 한편, 연구기관별 전문가들이 한 자리에 모여 국내외 기술 흐름과 시장 동향에 대한 정보를 교류하고 상호 협력방안을 모색하는 등 향후 사업단 기술개발을 보다 효율적으로 추진하기 위해 기술개발 진행 상황 발표와 토의 위주로 진행됐다.

또한 행사에서는 최근 환경부의 중장기 하수도 관리정책과 환경산업기술원의 해외진출 전략 및 지원계획을 설명하고 현장 전문가들의 목소리를 청취하는 기회를 가졌다.

또한 향후 참여 기업들의 국내외 시장 진출을 촉진하는 방안에 대해 정책 담당자와 현장 연구진간에 상호 의견을 교환했다. 아울러 참여연구기관의 기술개발사업 중간 점검을 위해 산업계 학계 전문가들이 참석하여 진행사항에 대한 평가와 향후 보완사항에 대해 의견을 제시했다.

1단계 하·폐수고도처리기술개발사업 본격 착수
■ 기술개발 개요 하·폐수고도처리기술개발사업단은 세계 최고수준의 고품질 에너지 자립형 하·폐수 고도처리기술을 개발 확보하기 위해 오는 2016년 4월30일까지 Phase 1(1단계) 사업을 수행한다. 3개 분야에 총 18개 핵심세부과제로 통합 실증화 5개, 개별 실증화 5개, 개별 실용화 6개, 개별 원천 2개와 이를 기술적 정책적으로 지원하기 위한 단장총괄과제가 별도로 수행된다.

사업단은 실증화 과제가 약 70% 이상을 차지하고 있으며, 과제 유형별 성격과 국내외 정책적, 기술적 및 산업적 우선 순위에 따라 단기 및 중장기적 개발 로드맵을 수립하여 진행하고 있다([표 1] 참조).

 

■ 기술개발 목표 하·폐수고도처리기술개발사업단의 사업 비전은 ‘2020년 환경기술 Global Top 5 진입을 위한 세계수준의 하·폐수 고도처리기술 확보’라는 목표 아래 하·폐수처리 시스템에서의 핵심기술 확보와 플랜트 국산화를 실현하는 Global Top 기술개발, 국내 하수 재이용 및 에너지 자립화에 필요한 첨단기술 확보, 미래 환경시장을 선점하기 위한 상용화 선도기술 확보를 지향하게 된다.

사업의 궁극적 목적은 하·폐수 재이용 및 에너지 자립 분야의 세계 선도형 핵심소재 시스템 기술 자립화(대체수자원 및 에너지원 기술 확보), 개도국 등 하·폐수처리 시장의 5% 점유 핵심기술 확보 및 첨단 고도처리기술에 의한 BOD 1㎎/L, 총질소(T-N) 5㎎/L, 총인(T-P) 0.05㎎/L 이하 및 미량유해물질 무방출 확보 가능한 기술을 개발하는 것이다([그림 1] 참조).

 

▲ [그림 1] 하·폐수고도처리기술개발사업 목표

이를 통해 2020년 환경부 하수 재이용율 30% 및 에너지 자립율 30% 달성에 기여할 수 있는 고부가가치 에너지 자립형 하·폐수 고도처리기술을 개발하는 것으로, 이는 개발된 기술을 기반으로 해외 하·폐수 처리시장에서 기술경쟁력을 확보하기 위한 것이다.

재이용수 생산시스템 등 3개 분야 핵심기술 집중개발

이번 워크샵 행사는 선정된 연구기관의 중간진도 점검의 차원에서 수행되었으며, 과제유형별로 1분과(하수처리 및 운영고도화)와 2분과(에너지 생산 회수 및 활용 및 자원화)로 나뉘어 진행됐다.

우선 Part A 분야의 7개 기관(웅진 컨소시엄, 포스코 컨소시엄, 농어촌공사 컨소시엄, 부강테크, 코오롱워터앤에너지, 퓨어엔비텍, 고려대학교)이 세계 수준의 하·폐수 방류수질 고품질화 및 재이용 생산을 위한 시스템을 개발하게 된다([표 2] 참조).

 

특히 통합 실증화 사업은 사업단의 핵심목표 사업으로 추진하게 되며 우선 웅진컨소시엄은 세부총괄기관인 극동건설(통합화·사업화)과 웅진코웨이(분리막 공정), 웅진케미컬(분리막 소재), 삼보과학(전처리 공정), 그린엔텍(후처리 공정)으로 구성되어 세계최고 수준의 기업과 경쟁할 수 있도록 중대형 하수처리용 Low cost(건설비 및 유지관리비(약품비 20% 이상 절감) 최소화), Low energy(분리막 펌프·송풍기 동력 40% 절감), High flux(MBR 800LHM, NF 25LHM 등) 기반의 MBR·MF·UF 및 NF·RO 등의 맞춤식 조합(저개발국가형, 개발도상국형, 선진국형) 공정기술을 개발한다.

기술개발사업은 1만㎥/일 규모 이상의 Test bed(테스트 베드)를 실제로 구현하여 필요한 설계 시공기술 및 운영기술까지 확보하여 해외사업화를 추진하게 된다. 특히 기술적으로 MBR은 일본의 A사, 침지식 막모듈과 집적도는 미국 G사와 NF·RO는 미국 F/H사를 추월하는 고수명, 고유량 및 고내구성 분리막 소재, 모듈 및 공정기술을 개발목표로 추진되고 있다([그림 2] 참조).

 

▲ [그림 2] 웅진컨소시엄 통합 실증화 기술개발 내용

 

포스코건설 컨소시엄은 제철폐수를 대상으로 세부총괄기관인 포스코건설(공정 전처리와 사업화), 세세부1기관인 포항산업과학연구원(RIST)(전체 공정의 통합화·표준화 및 공정 후처리), 세세부2기관인 코오롱인더스트리(제철폐수처리용 MF·UF 분리막 소재·모듈)로 구성되어 세계 최고수준의 기업과 경쟁할 수 있는 중대형 폐수처리용 MF·UF 기반의 맞춤식 조합공정기술을 개발한다.

 

개발 기술은 5천㎥/일 규모 이상의 Test bed를 통해 검증할 계획으로 설계 시공 및 운영기술을 종합적으로 확보하고자 한다([그림 3] 참조).

 

 

▲ [그림 3] 포스코건설 컨소시엄 통합실증화 기술개발 내용

한국농어촌공사 컨소시엄은 UF·NF 분리막을 적용한 하수 재이용 시스템을 개발하는 것으로 주로 농업용수로 재이용하기 위해 지리적 계절적 특성과 용수 부족의 특수성을 고려하여 수자원확보가 매우 취약한 제주지역에 Test bed를 구축한다.

현재 제주지역은 지하수 의존도가 매우 높고 농업용수가 부족한 특수한 지역으로 이런 유사한 지역을 진출하기 위해 세부총괄기관인 농어촌공사(통합화)와 삼성물산(해외사업화), 세세부1기관인 필로스(UF·NF 분리막 소재 및 모듈), 세세부2기관인 블루인바이로먼트엔텍(전 후처리 공정)으로 구성하여 수행하게 된다.

특히 UF·NF 분리막은 고강도 복합막으로 UF 모듈면적 30㎡ 대비 재이용수 생산을 위한 40LMH 플럭스와 NF 모듈면적 40㎡ 대비 12LMH 플럭스 목표로 개발된다([그림 4] 참조).

 

 

▲ [그림 4] 한국농어촌공사 컨소시엄 통합실증화 기술개발 내용

 

그 외에 (주)부강테크는 생물여과와 O₃-AOP 하이브리드 시스템을 개발하여 T-N 3㎎/L, T-P 0.05㎎/L 및 NH₃-N 1㎎/L 이하 수준과 미량물질 ppb 이하까지 가능한 극한처리기술을 개발하며 테스트 베드를 통해 검증하게 된다.

코오롱워터앤에너지는 유기계 막과 달리 세라믹 무기계 막 기반의 소규모 하수처리용 패키지화시스템을 개발하게 되는데 알루미늄 재질의 내구연한 20년과 공경크기 0.2㎛ 이하로 0.9 ㎥/㎡·일 이상의 Flux를 확보하여 소규모 하수처리시설의 방류수질을 만족시키는 기술을 개발한다.

소규모 하수처리시설과 건설현장에 이동식 컨테이너형 패키지화 시스템을 적용하기 위해 퓨어엔비텍은 고유량, 고집적성 및 막 오염 저감형 평판형 침지식 기반의 이동형 MBR 시스템을 개발하게 된다.

 

 

Part B 분야는 총 7개 기관(SK케미컬 컨소시엄, 씨엠디기술단, 코오롱글로벌, 태성종합기술, 에네트 및 ARK 및 인하대학교)이 수처리 플랜트에서 에너지 자립률 제고기술과 자원순환기술을 개발하게 된다([표 3] 참조).

 

독일, 미국, 일본 등 선진국들은 고부가가치 바이오가스(Biogas) 첨단기술을 개발하여 이미 실용화 단계로 진입했으며, 자국 내 에너지 자립화를 확대하고 개도국에 진출을 적극 모색하고 있다. 그간 추진한 R&D의 경우 대상원료가 축산분뇨, 음식물 및 매립지 가스를 이용한 기술로서, 통합적 관점보다는 가스 활용에 중점을 두어 개발했다.

하수슬러지의 경우 원료특성상 바이오가스 에너지원으로 생산하기 위한 기술적 완성절차가 복잡하고, 경제성 확보가 어려운 실정으로 이번 사업단에서는 전처리(슬러지 가용화), 혐기성소화(고온고율) 및 가스활용(가스고질화 발전)에 이르는 통합 시스템을 개발하게 된다.

이를 통해 우리나라도 핵심부품, 기자재, 시스템의 설계 시공 및 운영 분야의 실증 통합화 기술을 확보, 국내시장의 선진기술 선점을 조기에 달성하고 해외시장진출을 위한 핵심기술을 확보하고자 한다.

SK케미컬 컨소시엄은 수처리 플랜트 내에서 에너지 자립률 제고를 위한 통합형 바이오가스 플랜트 구축을 위해 총괄기관인 SK케미컬(통합화·사업화·고온고율 소화), 세세부1기관인 대명테크(슬러지 감량화 및 열적가용화), 세세부2기관인 경기대학교(혐기성소화 최적화), 세세부3기관인 DH-M(탈황정제, 가스 고질화 및 발전)으로 구성되어 추진하게 된다.

특히 SK케미컬은 수처리 플랜트 내에서 에너지생산을 극대화하기 위한 전자동화 모니터링 기반의 고온고율 혐기성 소화조를 독자적으로 개발하게 되며 소화효율 80% 이상, 가스생산량 0.5㎥/㎏ DS(sludge), 최종슬러지 60% 이상 감량화를 목표로 추진된다.

여기에는 슬러지 가용화율과 회수율을 각각 최대 80% 확보한다는 목표로 가용화 기술이 개발되며, 가스 활용을 위해 탈황정제(독일 SILOXA 수준 이상, H2S 10ppm 이하), 가스 고질화(스웨덴/Lidkoping 및 캐나다 Xebex 수준 이상, CH₄ 65% 함유 및 순도 95%) 및 가스터빈(일본 Yanmar 수준 이상, 발전효율 34%) 기술을 선진국 수준으로 제고하고 100% 국산화하는 기술을 개발하고자 한다([그림 5] 참조).

▲ [그림 5] SK케미컬 컨소시엄 통합실증화 기술개발 내용

 

그 외에 코오롱글로벌은 수처리 플랜트 내에서 다양한 에너지원(태양열, 소수력, 하수열 등)을 이용하여 에너지를 회수한 후 발전을 통해 전기를 생산하는 기술을 개발하고 실제 플랜트에서 검증하게 된다.

폭기조 내에 효율적인 공기(산소) 주입은 에너지 효율화와 수질개선 측면에서 매우 중요하며 선진국 기업들은 동력비를 절감하고 수질을 대폭 개선시키는 판형산기장치를 개발했다.

(주)에네트는 기존의 선진기술 보다 가격은 저렴하고 재질의 내구성을 강화시킨 판형 멤브레인 공기 주입장치를 국산화시킨다.

슬러지 자원화 측면에서 씨엠디기술단은 현재 슬러지 고화처리의 실태를 파악하여 기존 처리법과 기술적 경제적으로 차별화된 CaO가 다량 함유된 소각재 순환자원을 활용하여 정부 기준을 만족하는 환경적으로 안전한 인공토양 제조기술을 개발하게 된다.

ARK는 기존 슬러지 탈수 분리 전처리시설의 문제점을 파악하여 시설의 개선을 통한 탈수케이크 함수율과 발생량을 동시에 해결하는 탈수시설과 약품시설을 개발하고 저온건조 방식의 열분해를 통한 2일 이내에 퇴비화 기술을 확보하게 된다.

또한 하수처리장에서 인을 회수하는 기술이 선진국을 중심으로 활발히 진행 중으로 (주)태성종합기술은 KIST와 함께 경제적으로 저렴한 메조기공 고효율 흡착제를 상용화하여 인을 흡착하여 회수하는 자원화 공정을 개발하게 된다.

 

 

Part C 분야는 총 4개 기관(생, 벽산파워 컨소시엄, 마이크로디지털, TSK Water)이 수처리플랜트에서 IT 융·복합 기반 지능형 운전 및 운영관리 기술을 개발하게 된다([표 4] 참조).

우선 벽산파워 컨소시엄은 세부총괄기관인 벽산파워(통합화·사업화), 세세부1기관 삼천리엔바이오(운영관리 진단), 세세부2기관 파이브텍(고내구성 모니터링 센서 및 광대역 통신망)으로 구성되어 수처리 플랜트 내에서 물과 에너지의 효율적인 분배를 통해 원하는 수질을 만족하면서 유지관리비와 에너지 비용을 절감하는 지능형 운전 및 운영관리 고도화기술을 개발하게 된다([그림 6] 참조).

▲ [그림 6] 벽산파워 컨소시엄 통합실증화 기술개발 내용

 

그 외 (주)생은 기존 개발된 섬유여과 시스템에 IT 기반의 전자동화 운전관리 시스템을 개발하여, 1천㎥/일 규모 Test bed를 설치, 검증하게 된다.

독성모니터링 핵심부품과 장비는 외국산이고 자체 개발된 생물종은 국제 인증을 받지 못하고 있는 현실에서 발광과 형광 전문 시설업체인 마이크로디지털과 국내 유일하게 해외 인증을 받은 그린파이오니아가 함께 기술성과 경제성을 고려한 한국형 생태독성 모니터링 시스템을 국제표준기술로 인증받기 위한 개발을 수행한다.

2020년 하·폐수고도처리기술 ‘Global Top 5’ 진입

하·폐수 고도처리 기술개발 사업단은 10개년 연구사업 중 우선 1단계로 2016년 4월까지 Phase1 기술개발사업을 수행하게 된다.

수처리 플랜트 내에서 맞춤형 고효율 하수 재이용 공정 (A형: MBR, MF·UF·NF·RO 맞춤형 조합기술), 에너지 자립형 회수 생산 및 활용 플랜트 (B형: 바이오가스 플랜트, 신재생에너지 적용기술 등), 슬러지 자원화 및 고효율 에너지 절감기기 (C형: 슬러지 고화·퇴비화·자원화와 스마트 운영관리 고도화 등) 등의 첨단 분야에 대해 기술개발 초기단계부터 사업화 방안을 고려하여 Test bed 등을 통한 실증화된 기술을 개발, 확보한다는 계획이다. ([그림 7] 참조).

 

▲ [그림 7] 공정별 첨단기술의 분류화를 통한 수출전략 모델

 

세계 물시장은 향후 반도체 시장을 뛰어넘는 거대시장으로 성장할 전망이다. 그간 우리나라도 하·폐수처리 분야에서 단기간에 상당한 기술력을 축적해 왔으며, 이제 세계적인 경쟁력을 가진 첨단기술을 확보하여 하천수질을 획기적으로 개선함은 물론 깨끗한 대체수자원을 확보하고 세계 물 시장에 새로운 강자로 자리매김 할 수 있는 기술개발이 필요한 시점이다.

정부에서도 2020년까지 하수처리장의 물 재이용률과 에너지 자립률을 각각 30%로 제고한다는 야심찬 목표를 제시하고 있다.

사업단에서는 이러한 정책 목표 달성에 기여하면서 해외시장에서도 기술경쟁력을 가지는 고효율의 한국형 고도처리 기술을 개발하고자 하며 본 사업이 완료되는 2020년에는 ‘Global Top 5’ 수준으로 진입할 수 있도록 산 학 연 전문가들이 함께 기술개발에 매진할 것이다([그림 8] 참조).

 

▲ [그림 8] 기대효과 및 활용방안