금호산업은 지난 1995년부터 과학기술부와 환경부에서 연구비를 지원 받아 멤브레인 연구를 수행했다. 평택 송탄정수장과 유천정수장에 플랜트를 설계해 운영하면서 기초적인 기술을 개발했다.  

이후 금강수계에서 실제 플랜트를 설계할 수 있는 기술을 개발해보자는 취지에서 2003년부터 2009년까지 연구를 수행했다. 이때 청주정수장, 청원 현도취수장에 플랜트를 설치해 운영했다.  

이와 같은 실증연구를 바탕으로 공주정수장에 3만㎥/일 규모의 시설을 설계·시공하게 됐다. 대용량으로 효율을 높이기 위한 연구를 2005년부터 한국수자원공사 수자원연구원과 함께 낙동강·한강수계를 중심으로 시작했다.  

막 오염 저감을 최소화시키면서 고효율의 멤브레인 기술을 개발하자는 취지로 연구를 수행했다. 개발한 기술을 전북 임실정수장, 성남 복정정수장, 여수 학용정수장 등에 적용했다. 

 청원군 현도취수장 실증연구를 수행할 때 망간에 의한 막 오염이 문제시 됐으나 이후에는 망간 제어 프로그램에는 이 부분이 다 보완되어서 적용됐다. 

2008년부터 2011년까지 속초에서 해수담수화 연구를 시작했다. 당시 멤브레인을 이용한 전처리 쪽에서는 기술이 확보되어 있었다. 사업 영역을 확대하기 위해서 해수담수화, 하수 재이용 연구에 뛰어든 것이다.   

에너지 최소화·막오염 저감 기술 개발  

해수담수화 기술개발 추진단계를 3단계로 정립했다. 1단계에서는 시범연구사업 추진을 통해서 시장기반을 조성하자는 전략을 세웠다. 시험연구사업 대상지역으로는 속초, 인천, 포항, 울산, 부산을 검토했다. 

실제 시장에 뛰어들기 위해서는 기존 시장을 넘어서는 고효율의 해수담수화 공정 기술이 필요하다는 결론을 도출했다. 그래서 테스트베드는 250㎥/일 이상이 돼야만 구현할 수 있을 것으로 보고 이를 반영해 설계를 하고 기술을 검증했다. 

2단계에서는 계절에 따라 물이 부족한 속초에 해수담수화 시범사업을 추진키로 했다. 설계·시공까지 하면서 운영에 대한 기술까지 확보하는 계기가 됐다. 이를 바탕으로 인천, 포항, 울산에 는 1만3천∼5만㎥의 개념 설계을 통해서 실제 민자사업까지 추진할 예정이다.  

마지막으로 국내 시공실적을 바탕으로 물 부족 해외시장진출을 검토했다. 해외시장 진출 활성화와 진출국의 다각화를 위해 노력하고 있다. 

막모듈 제조사 수행 역할로서 막 제조사와의 파트너십을 먼저 확보했다. 금호건설이 잘 할 수 있는 부분, 엔지니어링 및 실제 시공 기술에 사업역량을 집중했다. 운영하는 부분은 한계가 있기 때문에 수자원연구원과 함께 수행했다.  

가장 중요한 점은 경제성을 확보하는 것이다. 이를 위해 에너지를 최소화하고, 막오염을 저감할 수 있는 기술 개발이 필요했다. 고효율, 대용량, 저에너지·에너지 회수 공정기술 개발을 통해 생산단가를 절감하고자 했다. 

역삼투법 해수담수화 시스템을 개발하면서 전처리에 따라 운영비에 많은 차이를 뒀다. 보론(Boron), 바이오파울링(biofouling) 부분을 어떻게 컨트롤하느냐에 따라서 전체적인 플랜트 설계가 달라지기 때문에 최적화를 위해 노력했다. 보론을 제어하다보니 다른 부분이 안 되거나, 바이오 파울링을 하다보니 보론이 또 안되는 등 굉장히 어려운 부분이 있었다. 

SWRO(Seawater Reverse-Osmosis)에서는 BWRO(Brackish Water Re-verse Osmosis)를 하지 않아도 원하는 수질을 얻기 때문에, 엔지니어링 측면에서 그 부분의 최적화를 시도했다.  

막 오염 저감기술로 미생물 오염 저감제, 바이오 파울링 제거, 유지세정 기술 등을 기술개발 수행 대상을 삼았고, 보론 제거기술로는 pH 조정 기술까지 검토했다. 이는 단기간에 빨리 성과를 낼 수 있는 방향으로 집중했다. 

 전처리별 역삼투 회수율 향상 실험 

속초시는 갈수기 용수 부족으로 인해해수담수화 관련 수도정비 기본계획 변경에 대해서 검토했다. 인천시에서는 해수담수화 예비타당성 조사를 완료했다. 낙동강수계 중 포항시는 달산댐 예비탕당성 조사, 울산시는 맑은 물 공급사업 예비타당성 조사, 부산시는 해수담수화사업단 테스트베드가 시공 중이다. 

그 중에서 해수담수화 시설 도입에 좀 더 적극적인 속초시를 대상으로 해수담수화 기술개발을 추진했다. 속초 해수담수화 시범연구사업을 2008년 3월부터 34개월간 진행을 했다. 연구기관은 K-water연구원 상하수도연구소, 속초시, 해양연구원, 금호산업이 담당했다.  

주요 연구내용은 △고효율 저에너지 해수담수화 기술 개발 △일반 역삼투법 대비 고효율 역삼투법(MF+RO) 경제성 평가 △역삼투법 해수담수화 공정 설계·운영인자 도출 등이었다. 

속초시는 설악산 바로 동쪽으로 급경사가 이루어져 있다 보니, 물 자체가 고일 수 있는 지형이 없다. 갈수기만 되면 취수원에서 염분 농도가 굉장히 증가하고 있다. 관내에 설악산 국립공원이 위치해 취수원의 추가적인 개발이 어려웠다.  

또한, 갈수기 시 취수량이 부족하고 상수원의 염분 농도가 증가했다(갈수기 시 염소이온 농도 9천∼1만3천㎎/L). 이에 고효율·저에너지 해수담수화 기술, 역삼투막 오염 제어 및 회수율 향상기술을 개발하고, 중·대용량 해수담수화 시설 설계 및 운영인자를 도출하고자 했다.

속초시 해수담수화 시설 파일럿 플랜트 처리공정도([그림 1] 참조)는 원수를 가진 MF로 전처리를 하고 SWRO를 수행했는데 이때 회수율은 60%로 했다. 

일반적인 2단 모래여과로 DMF(di-methylformamide, 다이메틸폼아마이드)나 PSF 이후에 SWRO를 했는데 이때는 전체 전처리 효율이 낮았기 때문에 회수율을 40%로 했다. 나중에 이 2개를 합쳐서 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis)까지 수행했다. 

전처리 종류별(MF, 모래여과)로 SDI 제거 효율이 실제 SWRO에 어떻게 미치는지를 집중적으로 실험했다. 전처리 특성에 따른 역삼투 공정 회수율 향상에 대해 분석했다. 쌍천 하수 연안(해수 경계선으로부터 2m 이격)에 유공관을 설치하여 취수했다.  

취수설비가 설악산을 발원지로 하는 쌍천 하구에 위치해 우기 및 해빙기 시 지표수 유입으로 인한 낮은 TDS가 유입됐다. 취수설비 내 담수 유입으로 TDS는 저하됐으며, 변화 폭도 컸다. 

[표 2]는 유입수 및 모래여과 처리수 입도 분석 결과이다. 해수 및 모래여과 처리수 중 20㎛이하 미세입자 비율이 97%로 가장 높았다. 모래여과 공정의 미세입자 제거 효율이 낮았다. 미세입자까지 제거가 가능한 막여과(MF, 공칭공경 0.01㎛) 공정 도입 시 RO 막 오염 영향물질(SDI)의 효과적인 제거가 가능했다. SDI 제거효율이 높은 막여과 전처리 공정을 통해 역삼투 공정에서의 막오염 영향을 최소화시킬 수 있었다.

막여과 공정 운전조건으로 여과유속은 하루 1㎥/㎡, 응집제 미투입, TMP 100kPa 도달시 화학세정을 설정한 결과, 운전차압은 9개월 이상 안정적으로 유지됐다. 서로 다른 회수율에서도 RO 막 저항값은 서로 유사했다. 막여과 전처리를 통해 역삼투 공정의 효율을 향상시킬 수 있었다.

경제성 확보 방안 검토 결과, 지역적 특성으로 인한 낮은 염분 농도의 청정해수가 유입된다면, 동력비·약품비를 절감할 수 있고, 고효율 시스템 적용을 통한 취수·전처리 설비 최소화로 시설비·운영비를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 

즉, 낮은 염분 농도를 얻을 수 있는 지형만 선정한다면 해수담수화를 국내에서 도입하는데 가능하다는 결론을 도출했다.