[일본] 선진적 재생수 이용의 현황과 장래 기술개발 동향
인구증가와 산업성장을 배경으로 세계의 물수요는 2000년부터 2050년까지 약 1.5배가 된다고 OECD는 예상하고 있다. 특히 BRIICS(브라질, 러시아, 인도, 인도네시아, 중국, 남아프리카)로 불리는 경제신흥국에서의 신장은 뚜렷하여 도시수요는 약 3.6배, 산업수요는 약 8.3배로 커질 것으로 예상된다. 또한 기후변동에 의한 건조지역의 심각화와 중국 등에서 이미 문제가 된 지하수와 하천의 수질오염이 물수급의 어려움을 더욱 가속화시킬 것으로 보인다. 이러한 배경으로 2040년에는 세계인구의 2/3가 물 스트레스 지역(1인당 연간 최대 물 사용 가능량이 1,700m3을 하회하는 지역)에서 생활하게 된다고 예상하고 있다.
수자원 확보 방법은 일반적으로 ① 우수, ② 수입, 운송수, ③ 재생수, ④ 해수 담수화수 등 4개로 크게 나뉠 수 있다. 물 부족이 심각한 싱가포르에서는 이들 4가지를 4 National Taps로 칭하며 수자원확보 수단의 다양화를 추진하고 있다. 선진국과 경제신흥국에서는 ① 우수, ② 수입, 운송수는 앞으로 증가폭이 한계가 있으며, 장래 물부족에 대한 해결책으로서는 ③ 재생수, ④ 해수 담수화수의 2가지가 유망하다. 이것은 경제성에 문제가 있으면서도 물부족이 심각한 지역에서는 이미 도입되어 혁신적 기술의 실증시험도 시작되었다. 본 보고서는 이 두 가지 중 재생수에 초점을 맞추어 그 현황과 장래 기술동향에 대하여 논하고자 한다.
재생수는 폐수를 정화하여 재이용하는 것이나, 지금까지는 어느 정도까지 처리한 후 한정된 용도로 이용하는 경우가 많았다. 예를 들면 공업용수에는 재생수가 많이 사용되고 있으며, 일본에서 공업용수의 약 80%가 재생수를 사용하고 있다. 이 외의 재생수 용도로서는 소화용과 화장실용수 등 음용 이외의 용도가 대부분이다.
예전부터 재생수를 음용수로서 이용하는 지역의 예로서 캘리포니아주 오렌지지역 등을 들 수 있다. 오렌지지역에서는 하수 등의 폐수를 활성슬러지법 등에 의해 음용수의 기준값 이하까지 정화하고 있다. 재생수는 우물에서 대수층으로 일단 주입되고 있으나, 지하수는 음용수 등에 이용되어 약 60만명 분의 수요를 만족시키고 있다. 또한 재생수의 이용은 앞으로 세계 속으로 전개될 것으로 예상됨에 따라 국제표준화기구(ISO)는 2013년 6월에 재생수에 관한 기술위원회(TC282)를 설치하였다. TC282에서는 종류 목적에 상관없이 여러 가지 재생수에 관한 표준화를 수행하고, 기술적, 경제적, 환경적, 사회적 측면에서 검토한다. 이스라엘이 의장국, 일본과 중국이 간사국이 되어 2018년까지 표준화를 목표로 하고 있으며, 이 표준화가 세계 속에서 재생수 이용을 더욱 가속시킬 것으로 예상된다.
재생수 기술의 최신동향을 보고 주목해야 할 국가로 싱가포르를 들 수 있다. 싱가포르 정부는 세계적으로 성장이 예상되는 물비즈니스를 성장산업으로 자리매김하여 싱가포르를 물기술의 거점으로 하는 것을 목표로 하여 “Global Hydrohub”를 구상하고 있다. 이 구상 아래에서 “WaterHub”을 설립하고, 국내외 기업에 싱가포르 연구기관과 연대하여 물기술의 연구개발을 수행할 수 있는 환경과 세계에서 물비즈니스를 전개하기 위한 거점을 제공하였다. 현재 미 GE Water, 프랑스 Veolia Water, 미 Black & Veatch, 일동전공, 토레이라는 세계 물 관련기업 130개사 이상이 싱가포르에 생산 및 연구거점을 가지고, 대학과 싱가포르공익사업청(PUB)과의 공동연구를 추진하고 있으며, 싱가포르 내 하수처리장 등의 시설을 새로운 물기술을 개발하는 실증시험의 장으로서 활용하는 기업도 있다.
또한 첨단기술분야의 기술, 시장동향 조사를 수행하는 미국 Lux Research는 세계의 물분야에서 선진성이 높은 대학의 랭킹을 2013년에 발표하였는데, 1위, 2위 모두 싱가포르의 대학이 선정되었으며, 국가적으로 연구를 추진하고 있다는 것을 알 수 있다. 물론 싱가포르에서 연구 개발된 모든 기술이 세계 속에서 이용되고 있다고 할 수 없으나, 싱가포르의 HyfIux와 Keppel, Sembcorp라는 기업이 중국, 북아프리카, 중동, 인도 등에서 사업전개를 하고 있으므로 싱가포르의 기술개발 동향은 크게 주목해야만 한다.
싱가포르에서는 이미 물 수요의 30%를 재생수로 채우고 있으나 2060년까지는 이 비율을 50%까지 늘릴 계획을 세우고 있다. 싱가포르에서는 재생수에 NEWater라는 브랜드명을 지어 대외적으로 어필하고 있다. NEWater는 주로 전자기기의 세척과 쿨링타워 등 산업용도로 이용되고 있으나, 일부는 음용수로서도 이용된다. 폐수처리에서 재생수 회수까지의 프로세스는 캘리포니아주 오렌지지역과 같다. 1차 침전에서 활성슬러지법, 2차 침전까지는 하수분야이며, 그 후의 막처리에서 재생수 이용까지는 상수분야가 되고 있으나, 싱가포르에서는 이 하수 및 상수에 대한 내용을 PUB가 일체적으로 관리한다. 후반의 상수부분은 민관이 연대하여 추진하고 있다. 예를 들어 싱가포르 최대 Changi 재생 수플랜트에서는 Sembcorp이 25년의 DBOO(Design, Build, Own, Operate) 계약으로 PUB에 NEWater를 공급하고 있다.
폐수처리에는 산소가 많은 호기상태에서 폐수 중의 유기물을 미생물에 의해 분해하는 활성슬러지법이 넓게 이용되고 있다. 이 방법으로 발생하는 슬러지는 종래 침전조에서 제거되고 있으나, 슬러지를 막으로 제거하는 효율적 막분리 활성슬러지법이 최근 보급되고 있다. 그러나 활성슬러지법은 공기를 불어 넣을 때 에너지소비가 큰 것이 문제가 되고 있다. 이것을 해결하기 위하여 AnMBR(Anaerobic Membrane Bioreator: 혐기성막 생물반응기)이 개발되었다.
이것은 산소가 적은 혐기성 상태에서 유기물을 미생물이 분해하고, 발생하는 메탄을 회수하는 것이다. 싱가포르에서는 AnMBR을 이용한 NEWater 생산의 실증시험이 2014년 3월부터 시작되었으며, 2022년에 서부의 Tuas 재생수플랜트에서 적용하는 것을 목표로 하고 있다. AnMBR은 막분리 활성슬러지법보다 슬러지 생성량이 1/4 정도가 되므로 슬러지처리에 소요되는 에너지와 비용을 삭감할 수 있다. 또한 종래의 메탄발효의 약 1.2배의 메탄가스를 회수할 수 있으며, AnMBR에 의해 발생된 메탄을 이용한 발전으로 폐수처리에 걸리는 모든 에너지를 조달한다는 계산이다. 그리고 AnMBR은 고농도에서 처리하므로 슬러지 물질의 부착과 미생물의 번식에 의한 막의 막힘이 자주 문제가 되고 있어 이 대책(전처리 등)이 필요하다.
세계의 기업과 연구기관의 재생수분야 연구개발 내용을 보면 “폐수를 가치 있는 자원으로 보고, 폐수에서 유가물을 회수하는 것”에 중점을 두고 있다. 여기서 유가물은 지금까지 언급한 재생수와 에너지 외에 비료성분(질소, 인), 희소금속 등을 들 수 있다. 비료성분의 회수는 화학물질을 이용한 회수법 외에 미생물을 이용한 회수법이 연구 개발되고 있으나, 일본을 비롯한 많은 국가에서 실증시험을 수행하고 있으며, 10년 이내에는 실용화될 것으로 생각된다. 또한 희소금속 등에 대해서도 미생물을 이용하여 회수하는 메탈 바이오 테크놀로지로 불리는 분야의 연구가 추진되고 있다. 이 분야는 현재까지 기초연구단계에 머물러 있으나, 최근 바이오테크놀로지의 급속한 발전에 의해 실용화를 위한 기술개발 속도가 가속될 가능성이 있으며, 주목해야만 할 것이다.
그림 1. 세계 물수요 동향
그림 2. 폐수처리에서 재생수 회수까지의 프로세스
그림 3. AnMBR을 이용한 재생수 회수 프로세스
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