[출처= 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2009년 1월호 특집 기사]

 

 

 

지난 12월 9일 서울 삼성동 코엑스 컨벤션센터 그랜드볼룸에서 열린 ‘물 재이용 국제심포지엄’에서는 △하수처리수를 국내 도시 최초로 하천유지용수로 재이용하고 있는 인천 송도하수처리장 물 재이용 사례 △인천 가좌하수처리장의 하수처리수를 제철소 공업용수로 재이용하여 연간 36억 원을 절감하고 있는 현대제철 사례 △반도체 및 LCD 제조공정에서 발생하는 전자폐수를 재이용 할 수 있는 기술을 개발하여 적용하고 있는 삼성전자의 물 재이용 사례들이 소개됐다. 이들 사례를 소개한다.

 

 

 

 

▲ 윤하연 인천발전연구원 연구위원

선진국에서는 이미 수자원 고갈에 대비해 하수 재이용 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내에서도 생활하수처리수를 이용한 재이용수 활용의 사회 경제적인 효과를 검토하기 위해 2005년 3월‘하수처리수 재이용 촉진 시범사업계획’이 수립됐다. 전국 12개소에서 시범사업이 진행 중에 있고, 이를 위해 국고 240억 원이 지원되고 있다.

중수도란 한번 사용한 수돗물을 생활용수, 공업용수 등으로 재활용할 수 있도록 다시 처리하는 시설을 말한다. 중수도는 다시 건물 단위의 시설인 개별 중수도와 지역단위의 중수도인 지구순환방식으로 나뉜다.

우리나라는「수도법」을 통해 건물단위 중수도 시설을 설치하도록 규정한 바 있다. 이후 「하수도법」으로 이관해서 건물, 시설단위 중수도 시설로 확대설치를 의무화하도록 하고 있다. 또한 2007년 9월 27일, 「하수도법」 제21조에 ‘하수처리수 재이용’이 도입됐다. 하수처리수 재이용 수질에 대한 기준은 권고기준만 마련된 상태이다. 환경부는 하수처리수 재이용 내용을 포함한 「물의 순환이용 촉진에 관한 법률(안)」을 준비중에 있다.

 

 

건물 단위에서 쓰이는 중수도의 용도는 공정수로 44％, 화장실 용수로 34％, 그 외 청소, 조경, 생활용수 등으로 22％가 쓰인다. 처리시설은 59.8％가 하루 1천 톤 미만의 규모로 이뤄지고 있다. 하수처리장의 처리수는 연간 64억 톤으로, 재이용수량은 이의 7.7％인 4억9천 톤이 활용되고 있다.

이 중 처리장 외는 2억5천 톤으로 50.1％ 처리장 내 재이용은 2억4천 톤으로 49.9％가 사용되고 있다. 하수처리수 재이용 용도는 40％가 하천유지용수, 23％가 세척수, 농업용수 6％, 공업용수 6.9％, 장내 기타용수 14％, 청소수 4％, 냉각수 7％, 희석용수에 2％가 쓰인다. 송도하수처리수의 생활용수 재이용은 그 동안 하천이나 바다에 그대로 버려지던 방류수를 재이용하기 위해 환경부가 시범사업 성격으로 추진한 것이다.

도시 내에서 하수처리수가 생활용수로 다시 쓰이게 되는 것은 송도시가 처음이다. 송도하수처리수 재이용 시설의 하수 처리량은 하루 1만3천 톤 규모로, 하수 재이용 사업을 위해 총 20km의 관망이 설치되고 있다. 2006년 11월에 공사가 시작돼서 2009년 3월 완료예정에 있으며, 사업비는 150억 원이 투입됐다. 2009년 3월부터 재이용수가 공급된다.

하수처리는 유입된 하수를 하수종말처리시설을 통해 고도정수처리를 거친 후 방류된다. 반면 하수처리수 재이용은 이를 방류시키지 않고, 다시 활용하는 것을 말한다. 방류수를 유입해 모래여과지, 활성탄여과지, 저류지를 통과시킨 후 소독으로 마무리한 뒤 조경용수·세정용수·생활용수·청소용수의 공급관로로 공급되는 것이다.

 

 

재이용수가 필요할 것으로 예상되는 곳은 근린시설 43％, 공공시설 5.9％, 공원 및 녹지 4.1％, 골프코스 17.3％ 등으로 조사됐다. 사용량은 약 2만3천 톤으로 예상되고 있다. 재이용 시설 시범운영 결과 처리수의 수질은 2006년 염분농도 1천680㎎/L에서 올해 775㎎/L로 약 50％ 저감됐다.

재이용수의 사용처에 대한 선호도 조사결과 △공업용수 △청소용수 △조경용수 △농업용수 △유지용수 △친수용수 순으로 조사됐다. 재이용수의 사용계획 의사를 물어본 결과, 49％가 계획이 없다고 답했으며, 그 다음으로는 31％가 청소용수로, 11％가 조경용수로 쓰겠다고 답했다.

또한 재이용수의 톤당 적정단가를 조사한 결과, 29％가 300원, 21％가 200원으로 답해 평균 적정 단가는 톤당 307원으로 조사됐다. 생산원가는 총괄원걋(일 총생산량×365일)로 산정 된다. 상수도 사용단가는 상수도, 물이용부담금, 하수도 요금을 포함해 1천204원/톤이며, 중수공급단가는 464.2톤/원으로 계산된다. 요금체계는 사용요금과 정액요금을 고려하고 있으며, 요금감면 및 인센티브가 적용될 계획이다.

 

▲ 연도별 하수처리수 재이용 수익금액

운영관리는 직영이나 위탁 중 운영의 효율성 및 안정적 수질관리를 위해 하수처리장 운영주체와의 통합운영이 적절할 것으로 보인다. 중수도 관련 조례는 지자체에서 마련한 사례가 많은 반면 재이용수에 대한 조례는 부천시에서 처음 제정됐다. 부천시 조례에는 「상수도법」을 통해 중수도를 사용한 수돗물을 생활용수, 공업용수로 재사용토록 명시해 두었다.

또「하수도법」에선 재이용수를 하수처리장에서 처리한 방류수를 수세식화장실용수, 공업용수, 조경용수, 하천유지용수, 기타 도로상수용수 등으로 활용토록 제정해두었다. 내년 3월부터 하수 처리수 재이용 시설이 가동되면 고도처리공정을 거쳐 수질이 개선된 생활하수가 방류되지 않고, 송도 1∼4공구 내 각종 공공·업무시설의 화장실 세정용수, 청소용수, 생활용수, 근린공원의 수목의 조경용수 등으로 쓰이게 된다.

▲ 송도하수처리장의 하수처리수는 연간 64억 톤으로, 재이용수량은 이의 7.7％인 4억9천 톤이 활용되고 있다. 사진은 송도하수처리장의 하수처리수 관망.

 

▲ 이종렬 현대제철 기술개발팀장

우리나라는 UN이 정한 물 부족 국가로서 환경보호 및 중수도 사용 정책을 진행하고 있다. 최근 자원재활용에 대한 필요성이 증대됨에 따라 수처리 시스템 기술이 점차 향상되고 있다. 하수를 재이용해서 공업용수로 사용하는 일은 세계적으로 드문 일이다.

인천가좌사업소는 그간 연안에 방류 처리됐던 하수처리수를 인근 물 대량 사용업체에 무상 공급해오고 있다. 아울러 현대제철을 포함해 임광토건(주), INI steel(주)에 공업용수원수를 공급하고 있다.

인천가좌사업소 하수처리장은 시설용량 35만 톤으로 표준활성슬러지법 26만 톤, 고도처리공법 9만 톤의 시설이 설치돼 있다. 배수구역은 6개구 51개동이며, 처리효율은 BOD 89％(148ppm→ 16ppm), SS 88％(146ppm→ 18ppm)이다. 현대제철은 연간 500만∼600만 톤의 상수도를 사용하고 있다. 매년 인상되는 상·하수도료로 원가 부담이 가중됨에 따라 이와 같은 사업을 추진해왔다.

 

 

환경개선자금 저이율 융자 등 적극 지원

사업시행 전에 고려해야 할 사항은 방류수를 직접 재활용하는 것이 가능한지 검토하고 지역 시·구청에 변경신고를 해서 재활용 대상으로 허가 받을 수 있는지 알아보는 것이다. 또한 재원 확보가 필수적이다. 환경관리공단의 환경개선자금도 지원 받을 수 있다. 환경개선자금은 신청 후 저이율(5∼6％)로 융자지원이 가능하다.

이물질 및 세균 등이 없는 양질의 재활용수 공급받기 위해서는 경쟁력 있는 최신기술을 적용해야 한다. 이를 통해 시설유지 및 관리비용을 최소화 할 수 있다. 이를 위해 기초조사단계에서 환경영향평가수행으로 지역여건이 검토됐다. 기초조사에는 공업용수 사용량, 하수처리 연간 수질, 하수처리 연간 수량, 공장 내 재활용수 사용처 등의 관련자료가 이용됐다.

현장조사단계에서 가좌하수처리장 조사 이후 협의가 진행됐다. 안정적인 수자원을 확보하는 것이 중요하므로 하수처리장 운전기술을 진단하고, 적용시스템 검토, 타당성 검토 등 모형 및 현장실험이 실시됐다. 본격적인 기본설계단계에서는 요수수요량을 산정, 재활용 수량이 확정됐다.

하루 1만2천 톤으로 목표수질이 확정된 후, 수처리설비, 송배수 라인, 공급관로 시설물 배치계획 등 수처리시설 기본설계가 실시됐다. 마지막으로 실시설계단계에서는 토목, 조경, 건축, 기계, 전기제어/계장 등 상세한 설계 후 사업비, 유지관리비를 산정해 공급단가가 확정되고, 재원조달 계획이 수립됐다.

▲ 현대제철(사진)은 인천 가좌하수처리장에서 발생하는 도시하수처리수를 재이용하여 연간 36억 원을 절감하고 있다.

가좌하수처리장의 재활용 사업은 1998년부터 추진이 이뤄졌다. 공사기간은 2002년 4월 15일부터 2002년 10월 30일까지 약 6개월이 소요됐다. 이를 통해 연간 400만 톤, 하루 1만2천 톤의 공업용수가 처리돼오고 있다. 그간 총 투자금액은 75억1천630만 원에 이른다.

2008년 4억5천만 원을 투자해 R/O 1블럭을 추가설치, 연간 400만 톤의 공업용수를 500만 톤으로 증산시켰다. 가좌하수처리장 방류수 재활용수 수질은 방류수질이 pH 7.0∼7.5인데 반해 재활용수 pH 6.5 정도이고, 방류수질 COD가 50ppm 이하인데 반해 재활용수 COD는 3ppm 이하로 나타났다. 또한 재활용수 수질의 BOD와 총인(T-P)가 0으로 나타났다. 총질소(T-N)이 1 이하로 검출되는 등 상수도 수질과 비교해서도 비교적 우수한 것으로 조사됐다.

처리수가 공업용수로 재이용되는 과정은 다음과 같다. 우선, 이송펌프로 방류수가 투입되면 응집/반응조에서 응집제, 살균제, 환원제를 통해 침전이 이뤄진다. 이는 디스크 필더(MDF)를 거쳐 다층여과기(MMF)에서 MDF 처리수로 재처리된다. MMF는 진흙입자, 유기물, 세균, 조류 등의 물질을 제거하는 역삼투 전처리 설비로서 4∼10㎛까지의 미립자 제거가 가능하다.

이후 와류역세척기(V-Filter)와 마이크로 필터를 지나 여과처리수조를 거쳐 역삼투 시스템(RO unit)을 거치게 된다. 역삼투 시스템은 중금속 등의 이온성물질 및 난분해성 COD를 효과적으로 분리하며, 0.001∼0.01㎛까지의 초미립자 제거가 가능하다.
재활용수 사업은 수자원 절약 및 환경보호 정책을 적극적으로 반영한 사업이다. 신기술 유입으로 중수도 보급의 활성화를 유도한 효과도 매우 크다. 부수적으로는 환경친화적 활동으로 기업 이미지 제고에 기여했고, 결과적으로 지역 주민들에게 안정적인 상수도 공급을 이뤄왔다. 정량적 효과를 살펴보면 2007년 상수도 사용시 비용 64억1천7만 원과 비교해 36억 원을 절감한 것으로 나타났다.

 

 

▲ 현대제철은 가좌하수처리장의 처리수를 응집·반응조(위 사진)에서 응집제, 살균제, 환원제를 통해 침전이 이뤄지고 디스크 필더인 MDF(아래 사진)를 거쳐 다층여과기(MMF)에서 MDF 처리수로 재처리된다.

 

▲ 이용우 삼성엔지니어링 부장

전자폐수를 처리하고, 재이용하는 과정을 통틀어 ‘전자폐수의 재이용’이라고 정의할 수 있다. 전자산업은 3대 용수 다소비 산업인 제지산업, 염색산업, 전자산업 중에서도 용수를 제일 많이 쓰는 산업이다. 전자산업이 대형산업으로 전환되면서 생산성과 품질을 향상시키기 위해 산업단지가 대형화되고 용수사용량이 급격히 증가했다.

그러다 보니 수자원을 더욱더 확보해야 하는 필수불가피한 상황에 처해졌다. 앞으로는 전자산업이 환경친화적인 산업으로 가야하는 흐름에 발맞춰 사업단도 전자폐수 재이용 관련 기술개발을 시작하게 됐다.

우선 전자폐수의 배출량을 최소하기 위해 재이용을 높였다. 그리고 재이용에서 불가피한 일정량은 무해화 처리 후 방류하는 방식으로 기본 컨셉을 잡았다. 기술을 개발하기에 앞서 스왓 분석(SWOT)을 해본 결과, 삼성엔지니어링은 전자폐수 분야 중 하수나 정수에도 많은 경험이 있는 것으로 조사됐다. 특히 폐수처리에 있어 설계부터 시공까지 많은 경험이 축적돼 있었다. 폐수처리 부분에 강점이 있는 것으로 파악할 수 있었다.

국내 전자산업은 반도체와 LCD 분야가 대규모화되면서 개발 분위기가 조성됐다. 이와 같은 시기가 전자폐수 배출량 최소화 및 무해화 처리기술을 활성화시킬 수 있는 절호의 기회라 여겨져 2004년 12월부터 폐수처리 재이용 기술 개발을 시작하게 됐다.

2010년이 넘어서게 되면 총량규제에 해당되는 여러 가지 조항들이 산업단지에도 적용될 것이라는 예상을 가지고 있다. 현재 산업단지의 배출량이 확대되고 있는 상황에서 우리도 환경정책과 법규를 똑같이 적용 받고 있다. LCD와 반도체 산업의 경우도 배출량이 10만 톤 선을 넘어가게 되면 환경부로부터 환경영향평가를 받게될 것이다.

 

 

기술개발을 하려고 하면 정확한 기술을 공급해야 하는 포인트를 선정하게 된다. 우리가 예상했던 목적, 예를 들면 ‘전자폐수 60%를 재이용 하겠다’는 목표치를 갖추게 되면, 기술개발을 달성할 수 있는 폐수의 종류 검사가 진행된다. 산업폐수는 하수와는 다르게 유기폐수, 무기폐수 등 폐수 특성에 따라 나뉘게 된다.

그래서 가장 기본적으로 유기폐수의 비율이 상대적으로 높은 LCD 산업폐수에 대해서는 유기폐수를 최우선적으로 재이용할 수 있는 기술개발에 주력하고, 유기폐수의 비율이 상대적으로 낮은 반도체폐수에 있어서는 무기폐수에 대한 기술개발을 우선적으로 확보하는 방안으로 차별화를 시도했다.

모든 기술개발을 할 때 우선적으로 병행해 검사해야 할 부분이 경제성 분석이다. 대규모 산업단지에서 용수를 공급받을 수 있는 곳은 한정돼 있다. 이곳에서는 대청댐·아산호·팔당댐에서 용수를 공급받을 수 있다. 공업화에 쓸 수 있는 물의 수질은 천차만별이기 때문에 정수처리 비용도 각각 다르다.

수질이 비교적 양호하다고 판단되는 팔당댐은 보통 공업용수로 받을 수 있는 정수처리 되지 않은 물의 원수비가 360원이다. 용수를 정수 하는 과정에서 거치는 유지관리비를 60원으로 잡으면 실제로 산업체에서 받을 수 있는 공업용수 단가는 400원을 넘게 된다.

이 경우 폐수 재이용을 목적으로 폐수방류수를 공업용수로 재이용한다는 컨셉을 적용하게 되면 원수비는 당연히 0원이 된다. 그 다음 재이용 시설을 추가해야 되기 때문에 재이용 시설에 따른 재이용 비용이 든다.

이때 재이용 비용과 재이용수의 하수처리비용을 합하게 되면 높은 가격이 나오지만, 실질적으로 폐수처리 비용은 재이용을 하지 않더라도 마찬가지로 소요된다. 기술적으로 검토했을 때는 재이용수를 공급받을 수 있도록 조치를 취하는 것이 정수처리장을 거쳐서 공업용수를 공급받는 것보다 경제적이라는 결론을 얻을 수 있었다.

 

 

▲ 전자폐수 배출량 최소화·무해화 처리기술

중수 아닌 초순수의 깨끗한 물 공급

경제성 분석 결과, 공업용수를 재이용하는 것이 이익이 된다는 결론이 나왔다. 주요수질기준을 간단히 소개하면 LCD산업에서 고농도 유기폐수의 원수농도는 BOD가 1천ppm 이상이고 반도체 폐수에서의 고농도 질소함유 폐수의 질소농도는 200ppm 이상이다. 하수에서의 기준보다 농도가 10배정도 높다.

재이용수의 수질을 검사할 때 가장 먼저 살펴보는 것이 Conductivity(전도율)와 Hardness(경도), Turbidity(탁도)이다. 이것들을 기준치에 만족시키는 기술을 공급하는 것에 중점을 두고 있다. 전자산업에서는 대부분의 공업용수로 사용되는 것이 중수가 아닌 초순수이다. 따라서 초순수를 만들기 위한 공업용수의 도입이 가장 중요하다.
초순수 원수로서 공급이 가능한 공업용수 수질을 만들어주게 되면 그런 재이용수를 다시 초순수로 만들어낼 수 있는 가능성이 생긴다. 때문에 초순수 공급원수 수준의 재이용 수질을 확보하는 것이 첫 번째 목표가 된다.

 

 

그 다음 목표는 청정지역 하수 방류수 수준의 무해화를 이뤄보자는 것이다. 일반적으로는 용수가 공급되면 초순수로 생산해 생산라인에서 사용하게 되고, 사용한 물은 폐수처리시설로 보내도록 하는 시스템을 가지고 있다.

재이용시설을 포함하게 되면 일정부분의 물은 다시 재이용 돼서 초순수 생산시설로 다시 공급되고, 재이용에서 제외되는 물은 무해화시설을 통해 방류하게 된다. 주요기술의 첫 번째는 Membrane BioReactor(MBR)로서 MBR기술은 특허 등록된 최적화 공정을 가지고 있다. 두 번째가 Hyperkinetic Vortex Crystallization(HVC)기술이다. 산업폐수에서 재이용 과정을 거칠 때 가장 골칫거리로 분류되는 칼슘을 제거할 수 있는 경도제거기술이다.

세 번째로 R/O(역삼투압)를 거치게 되면 초순수로 공급이 가능한 공업용수 수준의 물을 확보할 수 있게 된다. 마지막으로 공정 내에서 다시 재순환을 할 수 있도록 재이용을 거치는 ‘Reclaim’을 위한 Immobilized cell(IC)이 있다. ‘Reclaim’이라는 것은 일반적으로 폐수처리장으로 보내기는 아깝고, 저농도 유기계로 생산공정 내에서 재이용이 가능한 물을 말한다. 이런 재이용을 거치면서 발생하는 농축수나 재이용에 제외되는 폐수는 생태독성 검토를 거친 후에 방류가 진행된다.