삼성경제연구소 ‘수처리 기술의 진화와 시사점’
수처리 기술의 진화
수처리 기술의 적용 부문
기존 상수처리 공정과 막분리 공정
생물학적 활성오니법과 막분리 활성오니법
수처리 기술의 중요성
심각해지는 물부족 현상과 수질오염으로 인하여 깨끗한 물을 확보할 수있는 수처리 기술의 중요성이 확대. 지구상에 존재하는 물 중 해수 및 빙하를 제외한 직접 이용가능한 물의양은 1% 미만. 현재 세계적으로 10억명이 깨끗한 음용수를 마시지 못하며, 26억명은 하수도, 화장실 등 기초적인 위생시설이 없는 환경에 처한 것으로 추산. 오염된 물로 인한 사망자는 세계적으로 500만명 이상으로 추정. 오염된 물을 정화하여 이용가능한 수자원을 확보하는 수처리 기술의 중요성이 점차 확대
수처리 기술의 패러다임 변화
도시화·산업화에 따른 수질악화, 난분해성 폐수의 증가, 환경규제 강화, 생활수준 향상에 따른 깨끗한 물에 대한 수요확대 등으로 환경친화적고도 수처리 기술의 필요성이 증가, 기존 물리화학적 및 생물학적 공정보다 수질개선 효과가 우수하고 약품사용이 배제된 환경친화적 막(Membrane)분리 공정으로 기술이 진화 중, 기존 공정을 막분리 공정으로 대체하거나 기존 공정과 막분리 공정을 조합하여 사용
막분리 공정은 특정한 크기의 물질을 분리할 수 있는 미세공을 가진 분리막을 이용하여 오염물질을 제거하는 기술. 분리막은 미세공의 크기에 따라 정밀여과(MF)막, 한외여과(UF)막, 나노여과(NF)막, 역삼투(RO)막으로 구분. 오염물질의 크기 및 특성에 따라 분리막을 선택
막분리 공정의 확산으로 핵심소재인 수처리용 분리막 시장규모도 2007년36억 달러에서 2012년 63억 달러로 연평균 12% 성장할 전망
2. 수처리 기술의 적용 현황
수처리 기술의 적용 부문
수처리 기술은 상수처리, 하수처리 및 담수화 부문으로 구분
- 상수처리 부문: 담수자원을 정화하여 각종 용수를 생산하는 기술
- 하수처리 부문: 산업용·농업용·생활용 폐수를 정화하여 하천으로 방류시키거나 용수(중수도)로 재활용하는 기술
- 담수화 부문: 해수로부터 염분을 제거하여 각종 용수로 사용하는 기술
수처리 기술의 적용 현황
① 상수처리 부문
현재는 응집, 침전, 모래여과, 소독 등과 같은 물리화학적 공정이 주로 이용되나, 화학약품 사용에 따른 환경학적 문제점이 발생. 응집 공정에 사용되는 화학약품은 침전 및 여과 공정 시 충분히 제거되지 않으며 배관의 스케일링을 증가시키고 수질 저하를 유발. 소독 공정에 사용되는 염소는 물 속 유기물과 결합하여 발암성 물질 생성
기존 공정의 문제점을 극복하고 더 높은 수준의 물관리 요구에 부합되는 막분리 고도처리 공정이 새로운 기술로 주목. 막분리 공정은 처리수질이 안정적이고, 자동화가 가능하여 유지관리가 용이. 기존의 여러공정을 막분리 단일공정으로 대체할 수 있어 공간 절감이 가능. 단일공정으로 제거가 어려운 경우 생물학적 공정 등과 조합하여 적용 가능. 상수처리 부문 막분리 공정 시스템의 시장규모는 2007년 19억 달러에서 연평균 20%로 고성장하여 2012년 47억 달러로 확대될 전망
미국, 일본 등 선진국에서는 막분리 공정이 급격히 확산되는 추세. 미국에서는 1987년 처음 도입한 이후 1997년 20개소에서 2006년 260개소로 적용이 급격히 증가. 최근 하루 처리용량 10만톤 이상의 대용량 기존 정수장에도 도입 진행. 일본은 1993년 처음 도입한 이후 2005년 상수도 부문 270곳에서 사용 중
국내에서는 소규모 시설에 막분리 공정이 적용되고 있으며, 향후 대용량시설에도 적용 가능하도록 기술개발이 활발히 진행 중. 2006년 '수도법' 개정으로 2009년 7월부터 하루 처리용량 5천톤 이상의대용량 시설에도 적용할 수 있도록 법제화. 정부는 2004년부터 2011년까지 'Eco-STAR Project'를 추진 중. 코오롱, 한화건설 등이 참여하여 수처리용 분리막 및 모듈, 고효율 상수처리 시스템 등을 개발 중. 정부는 2010년 완공을 목표로 서울 영등포정수장에 215억원을 투입하여 하루 처리용량 2만 5천톤 규모의 막분리 고도상수처리 시범사업을 전개 중. 정수장 부지 50% 이상 감소 및 화학약품 사용량 대폭 감소
② 하수처리 부문
하수처리는 처리 정도에 따라 1차 처리, 2차 처리, 고도처리로 구분. 1·2차 처리: 부유물질 및 분해성 유기물 등을 제거하는 공정. 보통 물리화학적 공정과 생물학적 공정을 조합하여 처리. 고도처리: 1·2차 처리에서 제거되지 않은 난분해성 유기물, 영양성분(질소,인), 중금속 등을 제거하는 공정으로 생물학적 활성오니법이 대표적
수질 환경기준 강화에 대응하고, 수처리 효율 향상을 위하여 하수처리부문에도 막분리 고도처리 공정 도입이 증가. 현재 생물학적 고도처리 공정만으로는 수질 환경기준에 부합하기 힘들며 특히 부유물질 제거가 완벽하지 않음
생물학적 활성오니법과 분리막 기술의 장점을 결합한 막분리 활성오니법(MBR: Membrane Bio-Reactor)이 대표적 기술로 부상. 생물학적 활성오니법의 최종 처리 단계인 침전·여과 공정 대신 MF/UF막을 사용하여 활성오니를 직접 여과하는 방법. 최근 MF/UF막보다 분리성능이 우수한 NF막을 사용하는 방법도 검토 중. MBR 공정은 완벽한 부유물질의 제거, 고효율 등의 장점 보유
향후 하수처리 부문 막분리 공정 시장은 고속 성장할 전망. MBR 공정의 시장규모는 2008년 3억 달러에서 2013년 5억 달러로 연평균11%로 증가할 전망. MBR 공정을 포함한 하수처리 부문 전체 막분리 공정 시스템의 시장규모는 2007년 42억 달러에서 2012년 104억 달러로 연평균 19%로 증가할 전망
물부족 현상이 심화됨에 따라 하수를 처리한 후 각종 용수로 재활용하는 중수도 분야에서도 막분리 공정 적용이 확대 중. 물부족이 심각한 이스라엘, 싱가포르 등은 정책적으로 하수의 재활용에 막분리 공정을 적용. 이스라엘은 2020년까지 전체 용수 수요량의 23%를 MBR 공정을 통해공급할 예정. 싱가포르는 2011년까지 자립이 가능한 수자원을 확보한다는 정책아래 'NEWater' 개발에 성공
적용범위 확대를 위한 저비용·고효율 막분리 공정이 꾸준히 개발 중. MBR 공정과 RO막, 오존살균, 자외선살균 등 다양한 요소기술의 효과적조합을 통한 공정의 효율성 제고에 관한 연구가 진행 중. 나노복합막, 기능성 항균막 등 여과성능 극대화를 위한 기능성 분리막제조 연구가 활발히 진행 중
③ 담수화 부문
담수화 방식은 대표적으로 증류식과 막분리식으로 대별. 증류식은 바닷물을 끓여 물 성분만 증발시킨 후 다시 응축시켜 분리하는기술로, 다단플래시증류법(MSF: Multi-Stage Flash Distillation)이 대표적. MSF 공정은 현재 대용량 담수화 설비에 가장 널리 사용되는 기술로, 전세계 담수화 용량의 약 60% 차지. 막분리식은 물은 통과시키고, 염분은 통과시키지 않는 특성을 가진 RO막에 압력을 가하여 물만 분리하는 방식
에너지 소모량이 적고 비용 효율적인 막분리 공정 도입이 확대되는 추세. 최근 막의 분리성능 향상, 고효율 회수장치에 의한 에너지 소모량 감소등으로 막분리 공정이 증류식 대비 가격 경쟁력 확보. 막분리식 에너지 소모량: 7kWh/㎥, 증류식 에너지 소모량: 25kWh/㎥. 막분리식 생산원가: 0.6달러/㎥, 증류식 생산원가: 0.8달러/㎥. 2007년 시장규모는 증류식 25억 달러, 막분리식 24억 달러로 비슷하나, 연평균 성장율은 각각 4%, 8%로 막분리 공정 시장이 크게 성장할 전망. 2015년 시장규모: 증류식 35억 달러, 막분리식 45억 달러 예상
담수화 전처리 공정에도 막분리 공정 적용이 확대 중. 분리막 기술의 발달로 MF막, UF막, NF막을 이용한 전처리 공정이 다양화. 기존 전처리 공정과 NF막을 조합하여 적용한 결과 40% 이상 생산성 향상
고효율 막분리 공정 개발, 막 내구성 향상 기술 개발, 발전 설비와 연계한하이브리드 담수 플랜트 개발 등을 위한 연구가 활발히 진행 중. GE, Siemens 등은 효율적인 분리막 소재, 막오염 최소화, 고효율 에너지회수시스템 등에 관한 기술을 개발 중. RO막보다 낮은 압력에서 구동 가능한 NF막에 대한 연구가 활발히 진행중이며 급속한 시장 성장이 예상. 2007년 NF막 시장규모는 1억 달러이며, 향후 연평균 27%로 고속 성장하여 2012년 3억 달러에 이를 전망. 막분리 공정과 MSF 공정을 혼합한 하이브리드 담수 플랜트 개발로 단일막분리 공정에 비해 생산원가 및 운전비용이 약 15% 감소 가능. 최근 태양광, 풍력, 지열 등 재생에너지 설비와 막분리 공정 등을 결합한기술도 개발 중. 호주 RMIT에서는 태양열을 이용한 담수화 공정 개발 중
3. 시사점
기술적 패러다임의 변화로 급성장하고 있는 막분리 고도수처리공정 기술의조속한 국제경쟁력 확보 필요- 국내 수처리 공정 중 일부 하수처리 공정을 제외하면 국산 제품 도입이 전무한 실정. 웅진코웨이, 코오롱 등 국내 일부 기업만이 수처리용 분리막 기술을 보유. 웅진코웨이는 RO막 원천기술을 보유하고 있으며, 최근 세계적 분리막 기술을보유한 새한을 인수하면서 세계 3위 수준의 수처리용 분리막 생산규모 확보. 코오롱은 2006년 ITT Industries(美)와 6년간 5천만 달러 규모의 수처리용 분리막 및 모듈 공급 계약 체결. 분리막 제조 및 모듈화 기술 등 핵심기술을 바탕으로 다양한 요소기술및 기존 공정과의 조합을 통한 최적화 시스템을 제공하는 것이 관건
선진국과의 기술격차 해소 및 원천기술 확보를 위한 정부의 정책적 지원 필요. 국내 기술수준은 선진국 대비 70~80% 수준. 상수처리 부문: 선진국 대비 75%, 하수처리 부문: 70%- 분리막 제조 및 모듈화 기술, 최적화 시스템 개발 등에 대한 국가 R&D전략을 강화하고 원천기술 확보에 주력
2009년부터 막분리 공정의 국내 도입이 본격화됨에 따라 환경친화적 기술인 막분리 공정의 중요성에 대한 대중적 인식 확산 및 관련 산업의 시장 기반 조성 필요
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